物理科學(xué)前沿

第二章物理學(xué)的兩個前沿從十七世紀(jì)以來，物理學(xué)的理論和研究方法不斷地向其它學(xué)科移植滲透，對其它學(xué)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(jì)三十年代以后明顯地得到增強(qiáng)，相繼產(chǎn)生了一系列物理學(xué)的新部門和邊緣學(xué)科，如量子化學(xué)、生物物理學(xué)、天體物理學(xué)和廣義相對論宇宙學(xué)等等，這些學(xué)科大多數(shù)也成為現(xiàn)代物理學(xué)發(fā)展的前沿，并且給現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供了新思路和新方法。二十世紀(jì)的物理學(xué)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(yuǎn)非過去物理學(xué)發(fā)展的各個歷史時期所可比擬。現(xiàn)代物理學(xué)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了宏觀物體緩慢運動的范圍。從微觀領(lǐng)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(yù)見這個層級鏈條有沒有一個終端。從宏觀領(lǐng)域來說，人們的視野已經(jīng)擴(kuò)展到半徑為150億光年的宇宙范圍，依次突破了銀河系、星團(tuán)、星系和總星系的領(lǐng)域。物理學(xué)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(jī)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(xué)基本觀念和理論基礎(chǔ)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。粒子物理學(xué)是探索物質(zhì)組成的基本學(xué)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。1897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(gòu)，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(jī)，即使兩束能量相同的粒子相對進(jìn)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(jì)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Mev量級，90年代則達(dá)到了Tev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(qiáng)子對撞機(jī)（LHC），兩束質(zhì)子的最大能量各為8Tev，對撞機(jī)能量為16Tev。目前研究粒子性質(zhì)的加速器最大能量只達(dá)到103Gev（100Tev）量級，離物理學(xué)的大統(tǒng)一時代，即物理學(xué)的綠洲所需的能量1BGev量級差12~13個量級。當(dāng)加速器達(dá)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(xué)家為粒子物理的研究作出了重大的貢獻(xiàn)。1959年以王淦（gan）昌為首的中國科學(xué)家，用前蘇聯(lián)聯(lián)合原子核研究所的10Gev的加速器發(fā)現(xiàn)了反西格瑪負(fù)超子豆-，為粒子物理的研究做出了重要的貢獻(xiàn)。1974年丁肇中（S.C.C.Ting）和里克特（B.Richter）領(lǐng)導(dǎo)的實驗組分別發(fā)現(xiàn)了J國粒子。美籍華人科學(xué)家蔡永賜以“可能存在的重輕子”為客體，建立了有關(guān)的理論體系，對t子的發(fā)現(xiàn)做出了重要的貢獻(xiàn)。1991年8月至1992年2月，由我國科學(xué)家和美國科學(xué) 17家組成的協(xié)作組，在北京正負(fù)對撞機(jī)（BEPC）上利用北京譜儀（BES）對t子的質(zhì)量進(jìn)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(xué)家宣布發(fā)現(xiàn)頂夸克。已被發(fā)現(xiàn)并且確認(rèn)的粒子有400多種，還有300多種已發(fā)現(xiàn)而未被確認(rèn)。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30Gev的質(zhì)子打鈹靶發(fā)現(xiàn)了反氘核d，后來發(fā)現(xiàn)了酒、詼，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(rèn)識，粒子和反粒子、物質(zhì)和反物質(zhì)在強(qiáng)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(jìn)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e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(yīng)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。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(xué)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(rèn)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(xué)中，引力占主導(dǎo)地位，其作用無可匹敵。研究宇宙學(xué)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(chǔ)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)3K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(jìn)，引發(fā)了宇宙學(xué)研究的高潮，宇宙學(xué)成為自然科學(xué)的前沿，匯聚了各個學(xué)科的研究成果，也對各學(xué)科提出了許多新課題。宇宙學(xué)知識已成為自然科學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。量子力學(xué)可幫助人類認(rèn)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(dāng)代天文學(xué)觀測研究為基礎(chǔ)的大爆炸理論，即常稱之“宇宙大爆炸標(biāo)準(zhǔn)模型”。按照理論設(shè)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10-44秒，發(fā)生了引力和其它相互作用的分離。到10-36秒，發(fā)生了強(qiáng)力和其它相互作用的分離。到10-10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10-6秒，開始合成強(qiáng)子。到10-2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(dá)10HK。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3分鐘，宇宙溫度降到109K，這時中子和質(zhì)子開始合成輕原子核，其中氫核約占73%，氮核約占27%。又過了幾十萬年，宇宙的溫度降到3000K，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(jìn)，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(tuán)，當(dāng)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10億年之間就出現(xiàn)了原始星球和似星球等天體。大約在120億年前銀河系誕生，距今約16億年前，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)。讀后感：理天文學(xué)前沿是英國的F.霍伊爾和印度的J?納里卡兩位作家寫的。然而霍伊爾是英國著名的天文學(xué)家。他一開始被征入海軍部研制雷達(dá)，后來又逐漸成為英國皇家天文學(xué)會會長。但因為他與劍橋校方有一段長時間處在緊張的關(guān)系。所以辭去了劍橋大學(xué)中的所有職務(wù)，成為獨立科學(xué)家。此書中的許多章節(jié)都寫的深入淺出，例如第八章中關(guān)于恒星演化理論的闡述，從放射性和核聚變原理開始，描繪了恒星能量來源的核聚變機(jī)制，進(jìn)而展示了恒星的演化的整個過程，一直到恒星的終結(jié)，收縮為白矮星；或者經(jīng)過氧燃燒階段，形成所謂超行星爆炸，核心則收縮為奇怪的中子星。中間還穿插著科學(xué)家在研究過程中的種種有趣的事情，比如巴德和泡利關(guān)于微子打賭的事情，他們的故事緩和了整本書的氣氛，也在嚴(yán)肅的基調(diào)上填上了幽默的一筆，使人在看書的勞累中體驗到一絲的趣味。使科普書變的有情趣，增強(qiáng)了本書的故事性，不讓人們讀的難受。還有齊阿斯和威爾遜在同一