第二章、物理學的兩個前沿.doc

20第二章 物理學的兩個前沿第二章 物理學的兩個前沿 從十七世紀以來，物理學的理論和研究方法不斷地向其它學科移植滲透，對其它學科的建立和發(fā)展起到了有力地推動作用。這種趨勢在二十世紀三十年代以后明顯地得到增強，相繼產(chǎn)生了一系列物理學的新部門和邊緣學科，如量子化學、生物物理學、天體物理學和廣義相對論宇宙學等等，這些學科大多數(shù)也成為現(xiàn)代物理學發(fā)展的前沿，并且給現(xiàn)代科學技術的發(fā)展提供了新思路和新方法。二十世紀的物理學呈現(xiàn)出高速發(fā)展的狀況，其內(nèi)容之豐富，思想之深刻和觀念之新穎，遠非過去物理學發(fā)展的各個歷史時期所可比擬?，F(xiàn)代物理學遠遠超出了宏觀物體緩慢運動的范圍。從微觀領域來說，人們的研究已經(jīng)深入到原子內(nèi)部、基本粒子內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)了大小不斷減小、能量不斷增加的許多連續(xù)的層次原子、原子核、基本粒子、夸克等。目前還無法預見這個層級鏈條有沒有一個終端。從宏觀領域來說，人們的視野已經(jīng)擴展到半徑為150億光年的宇宙范圍，依次突破了銀河系、星團、星系和總星系的領域。物理學的一系列成果在理論思想上突破了原子不可分、元素不可變的觀念、運動只具有連續(xù)性的觀念、絕對時空觀念以及機械決定論的局限性；提出了量子態(tài)、波粒二象性、幾率決定性、四維時空與彎曲時空、實物與場的聯(lián)系和轉(zhuǎn)化以及宇宙膨脹的思想，物理學基本觀念和理論基礎發(fā)生了質(zhì)的飛躍。 2-1 粒子物理學（微觀理論）粒子物理學是探索物質(zhì)組成的基本學科，又叫高能物理。人們常通過高能物理實驗的手段取得實驗數(shù)據(jù)，再驗證理論。年湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子。1911年盧瑟福用“散射實驗”證實原子是由原子和原子核組成。1932年又確定原子核是由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子組成，同年還發(fā)現(xiàn)了正電子。之后，人們制造了高能量的加速器來加速電子或質(zhì)子，用它們作炮彈轟開了中子、質(zhì)子等，以期了解其內(nèi)部結(jié)構，在劇烈的碰撞過程中產(chǎn)生了許多粒子?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子有400多種，絕大部分都是不穩(wěn)定的，不能在自然界中長期存在，只能在高能質(zhì)子或電子與原子核碰撞或者互相對撞的過程中產(chǎn)生。早期的加速器都是加速粒子去打固定靶，這種碰撞方式的有效能量比入射粒子的能量要小得多，在高能量的情況下更是如此，因為大部分的能量都耗費在質(zhì)心運動上了。后來就發(fā)展了對撞機，即使兩束能量相同的粒子相對進行碰撞，由于這時質(zhì)心的速度為零，因而粒子的全部能量都能有效地被利用。從20世紀30年代發(fā)明加速器以來，加速器的能量提高很快，大約每十年增加一個數(shù)量級，30年代為量級，90年代則達到了量級。目前正在建造的能量最高的加速器是歐洲核研究中心的大型強子對撞機（LHC），兩束質(zhì)子的最大能量各為，對撞機能量為。目前研究粒子性質(zhì)的加速器最大能量只達到（）量級，離物理學的大統(tǒng)一時代，即物理學的綠洲所需的能量量級差個量級。當加速器達到這樣的能量水平后，展現(xiàn)在我們面前的將是宇宙的起始狀態(tài)。中國科學家為粒子物理的研究作出了重大的貢獻。1959年以王淦（gan）昌為首的中國科學家，用前蘇聯(lián)聯(lián)合原子核研究所的的加速器發(fā)現(xiàn)了反西格瑪負超子，為粒子物理的研究做出了重要的貢獻。1974年丁肇中（S.C.C.Ting）和里克特（B.Richter）領導的實驗組分別發(fā)現(xiàn)了粒子。美籍華人科學家蔡永賜以“可能存在的重輕子”為客體，建立了有關的理論體系，對子的發(fā)現(xiàn)做出了重要的貢獻。1991年8月至1992年2月，由我國科學家和美國科學家組成的協(xié)作組，在北京正負對撞機（BEPC）上利用北京譜儀（BES）對子的質(zhì)量進行了精確的測量。1995年3月2日，在美國費米實驗室的CDF實驗組工作的我國20余位科學家宣布發(fā)現(xiàn)頂夸克。已被發(fā)現(xiàn)并且確認的粒子有400多種，還有300多種已發(fā)現(xiàn)而未被確認。幾乎每一種粒子都有它的反粒子，正、反粒子的存在反映了物質(zhì)世界的一種基本對稱性正反粒子對稱性。既然有反粒子，就有反物質(zhì)存在。1961年用的質(zhì)子打鈹靶發(fā)現(xiàn)了反氘核，后來發(fā)現(xiàn)了、，正電子繞著這些反核運動就可能形成反原子、反物質(zhì)。1996年1月，西歐核研究中心（CERN）用反質(zhì)子和正電子合成了反氫原子。根據(jù)現(xiàn)在的認識，粒子和反粒子、物質(zhì)和反物質(zhì)在強作用和電磁相互作用中是對稱的，即遵守相同的物理規(guī)律。我們生活的物質(zhì)世界是正物質(zhì)為主，天體中可能存在反物質(zhì)的世界，1998年6月升空進行實驗的阿爾法磁譜儀，主要就是用來探索太空中的反粒子和反物質(zhì)。根據(jù)參與相互作用的情況可把粒子分為三大類（見1.2.2 物質(zhì)存在的基本形式）。描述粒子特征的常用基本物理量有：質(zhì)量（靜止質(zhì)量）、電荷（為的整倍數(shù)）、自旋、壽命。實驗證明，在粒子產(chǎn)生和湮滅的各種反應過程中，有一些物理量是保持不變的，如：能量、動量、角動量、電荷、輕子數(shù)、重子數(shù)等。2-2 天體物理學（宇觀理論）宇宙包括一切天體所占據(jù)的空間，包括一切以各種形式現(xiàn)在的物質(zhì)。“宇”指無限的空間，“宙”指無限的時間。自古以來，地球上的人們在夜晚仰望星空，總是情不自禁地要了解地球之外的一切浩瀚的宇宙，用盡自己一生所有的經(jīng)驗和智慧，盡情地想象著宇宙的過去、現(xiàn)在、將來?，F(xiàn)在宇宙學的成功使人們堅信：宇宙是統(tǒng)一的，服從統(tǒng)一的規(guī)律，因此也是可以被人類認識的。盡管人類幾乎沒有離開地球，盡管人生短暫能力有限，但人們可以根據(jù)從地球上探知的知識加上合理的理性思維去了解和解釋那浩淼的宇宙。引力相互作用是最弱的，但在大尺度的天體、天體物理、宇宙學中，引力占主導地位，其作用無可匹敵。研究宇宙學必須用相對論的引力理論。1948年伽莫夫在相對論引力理論基礎上提出大爆炸宇宙模型，一直到1965年彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)背景輻射，大爆炸宇宙模型才被人們接受，成為最成功的宇宙模型。以后，天文觀測的重大收獲和廣義相對論理論研究的一系列重大成就相互促進，引發(fā)了宇宙學研究的高潮，宇宙學成為自然科學的前沿，匯聚了各個學科的研究成果，也對各學科提出了許多新課題。宇宙學知識已成為自然科學的基礎學科。量子力學可幫助人類認識宇宙由“無”中生有所經(jīng)歷的演化過程；以及介紹以量子論和廣義相對論為支撐、以當代天文學觀測研究為基礎的大爆炸理論，即常稱之“宇宙大爆炸標準模型”。按照理論設想，宇宙起源于一百數(shù)十億年前的一次大爆炸，宇宙誕生前是處于空無一物的物理真空，各種相互作用統(tǒng)一在一起。依照量子論，“無”的真空狀態(tài)中仍然有擾動存在，正是這種“無”中的擾動，使宇宙誕生了，并產(chǎn)生了大量的粒子。宇宙誕生后，到秒，發(fā)生了引力和其它相互作用的分離。到秒，發(fā)生了強力和其它相互作用的分離。到秒，又發(fā)生了弱力和電磁相互作用的分離，成為四種相互作用并存的世界。到秒，開始合成強子。到秒時，宇宙象一盆質(zhì)子、中子、電子和光子等粒子組成的極密集的宇宙“湯”，其溫度高達。在大爆炸中，每一個粒子都離開其它粒子快速飛奔，宇宙迅速膨脹，溫度急劇下降。在大爆炸后約分鐘，宇宙溫度降到，這時中子和質(zhì)子開始合成輕原子核，其中氫核約占，氮核約占。又過了幾十萬年，宇宙的溫度降到，原子核開始與電子結(jié)合形成穩(wěn)定的原子，從此一直被電子攪亂的光開始得以直線前進，這時就是宇宙的放晴。原子組成的氣體由于引力作用而形成氣團，當時由于宇宙中的物質(zhì)密度分布不均勻，密度較高的部分因引力而收縮，在宇宙誕生后大約億年之間就出現(xiàn)了原始星球和似星球等天體。大約在億年前銀河系誕生，距今約億年前，我們的太陽系誕生了。廣義相對論推測，現(xiàn)在的宇宙空間仍然保持著持續(xù)膨脹的狀態(tài)。大爆炸模型能夠統(tǒng)一地說明較多的觀測事實。它們主要是：（1）大爆炸模型認為所有恒星都是在溫度下降后產(chǎn)生的。因而任何天體的年齡都應該比其溫度下降至現(xiàn)在這段時間為短，即小于億年。各種天體的年齡測量證明了這點。（2）在本世紀最初的二十年里，斯里夫爾（）在勞威爾天文臺曾仔細地研究過星系的光譜。發(fā)現(xiàn)光譜有有紅移現(xiàn)象，就是整個光譜結(jié)構向光譜紅色一端偏移的現(xiàn)象。觀測結(jié)果還發(fā)現(xiàn)紅移大體與距離成正比關系。這種現(xiàn)象用多普勒效應來解釋，就是宇宙膨脹的反映。（3）觀測表明，現(xiàn)今星體中主要物質(zhì)還是氫和氦。不論是老年恒星、中年的象太陽這樣的恒星或年輕多的恒星的氦豐度差不多都是一樣。按質(zhì)量算，氦占。用恒星核反應機制是不足以說明的，而大爆炸理論認為，氦元素基本上是大爆炸后幾分鐘宇宙溫度在時由質(zhì)子的聚變形成的。但這一熾熱狀態(tài)時間不長，由此可算出這種反應產(chǎn)生的氫和氦的豐度的質(zhì)量比紅為比。這一比值半小時后就被一直保持下來了。今天實測的氦豐度和這一理論的預言相符。是大爆炸模型令人信服的證據(jù)之一。（4）年彭齊亞斯（）和威爾遜（）在貝爾實驗室用他們新制成的非常靈敏的微波天線和衛(wèi)星進行通訊聯(lián)絡時，發(fā)現(xiàn)無論天線指向何方，總會接收到微波段的噪聲。他們公布了這一發(fā)現(xiàn)后，普林斯頓的科學家們馬上就意識到了這一發(fā)現(xiàn)可能就是大爆炸的遺跡而稱為“宇宙背景輻射”。接著其他人也作了類似的測量，并測出了不同波長噪聲的強度。這一強度分布正好和絕對黑體的溫度為時發(fā)射的輻射譜的強度相同。年伽莫夫在提出大爆炸理論時曾指出，由于早期物質(zhì)和輻射達到熱平衡，具有黑體譜。輻射和物質(zhì)脫離耦合后，溫度雖下降但其譜型仍為黑體，殘存至今，仍應有宇宙背景輻射。實測結(jié)果和伽莫夫的預言的相符是大爆炸理論的又一個令人信服的證據(jù)。大爆炸理論是目前最成功的一種宇宙理論，不過在星系形成和各向同性的起源等方面，它還有一些尚待解決的難題。由此上所述知，可用溫度計作計時器來描繪宇宙的演化圖象，在表左箭頭給出了用溫度所示的宇宙演化時間表。若我們在表的右側(cè)再往上畫一個箭頭，可以清晰地展示出粒子物理在研究宇宙演化中的重要作用。右箭頭說明人類利用加速器把物質(zhì)打開、探索物質(zhì)組成的歷程和目前達到的水平。想把這個箭頭繼續(xù)往上延伸，則有賴于科學技術的發(fā)展。這左右兩個箭頭說明了天體物理和粒子物理這兩個物理學前沿理論從兩個極端探索物質(zhì)世界的奧秘，得到的結(jié)論是一致的。從而充分地體現(xiàn)了物理學的和諧、完美和對稱。一位物理學家把物理學上的這種和諧、統(tǒng)一用一條龍清晰完美地展現(xiàn)出來，如圖2-2-1所示。表宇宙演化時間表溫度（）能量（）時間（）物理過程普郎克時代 粒子產(chǎn)生大統(tǒng)一時代 重子不對稱性產(chǎn)生強子時代 大量強子產(chǎn)生輕子時代 輕子過程湮滅 中子自由衰變分鐘核合成時代 等生成年復合時代-中性原子生成-太陽系形成年現(xiàn)在 人類進行科學實驗圖2-2-1方興未艾的粒子天體物理學。粒子物理學的研究對象是粒子，其尺度范圍小于，質(zhì)量小于，也稱為微觀物理學。天體物理研究的對象是宇宙間的星體乃至整個宇宙，其尺度范圍大于，質(zhì)量大于，也稱為宇宙物理學。然而這兩門研究對象完全不同的學科從80年代初開始奇跡般地熔為一體，誕生了一門新科學粒子天體物理學。粒子天體物理學研究研究范