宇宙中最基本的粒子和质量起源及万有引力与电磁力统课件.ppt
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- 宇宙 基本 粒子 质量 起源 万有引力 磁力 课件
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1、王力纬黑龙江省肇源县教师进修学校 肇源166500 Email: 提纲 引言 中基子假说 3 光子的实质 4 质量的起源及质量的量子性 5 万有引力的量子性 6 暗物质的本质 7 结论 引言 我们知道,自人类在地球上诞生以来,人类认识世界就从光开始,但光到底是什么?这个问题一直是个迷.目前,人们对光和光子的实质的认识仍然是在探索之中. 在过去的一个多世纪中,人类对物质最终组成部分探求是透过物质结构的四个层次一切物质都是由原子构成的;原子是由原子核和电子构成的;原子核又是由质子和中子组成的;而质子和中子被认为是由夸克组成的到目前为止,人们还没有找到自由的夸克,也没有证据表明,夸克和轻子有任何内部
2、结构目前,已经发现的基本相互作用有四种,即万有引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用已经发现光子是传递电磁相互作用的粒子,中间玻色子W+、W-、Z0是传递弱相互作用的粒子理论上预言的传递万有引力相互作用的引力子和传递强相互作用的胶子至今还没有在实验中被发现,目前,人们对万有引力的性质还没有完全理解,还没有建立起统一的理解四种基本相互作用的理论. 自20世纪70年代初期暗物质的存在被普遍接受以来,人们对于暗物质的本质仍然一无所知,暗物质究竟是什么?目前,理论工作者和实验工作者正在积极的探索之中. 本文依据普朗克量子假说和爱因斯坦光量子假说及科学事实,提出了中基子(粒子物理学标准模型之
3、外的一种新的基本粒子)假说,揭示了光子的实质和质量起源及万有引力的量子性,在此基础上揭示了暗物质的本质. 中基子假说 1900年planck面对经典物理学不可克服的困难,大胆地提出了能量量子化的假说他的基本思想是把物质看作由许多线性谐振子组成的系统,这些谐振子辐射和吸收的能量不是任意的、连续的,而是某一个最小能量基元hv的整数倍. v是谐振子的振动频率,h是planck常数,通常称为作用因子或作用量子1 在普朗克量子假说中的最小能量基元hv中,v是谐振子在单位时间内所完成的振动次数, h是一个常数不妨假设,组成物质的谐振子每完成一次振动就要辐射和吸收一份具有固定数值的最小能量基元h,谐振子辐射
4、和吸收的能量只能是最小能量基元h的整数倍,并且辐射和吸收的能量跟谐振子的振动频率v成正比,比例系数为最小能量基元h. 在此假设中的最小能量基元h的物理意义是,谐振子每完成一次振动在周期T内(组成物质的谐振子的振动周期 都远远小于1秒)所辐射和吸收的一份具有固定数值的能量,最小能量基元 是一个与时间有关联的量. 按照最小能量基元h的物理意义,对于频率为v的谐振子它在单位时间内辐射和吸收的能量均为h/T,因为1/T为谐振子在单位时间内完成的振动次数,即为谐振子的振动频率v,因此,h/Thv,它即为普朗克量子假说中的最小能量基元hv 由此可见,此假设中的最小能量基元h即为普朗克量子假说中的作用量子h
5、,它的能量在数值上等于普朗克常数为6.6260687610-34焦耳2,比普朗克量子假说中的最小能量基元hv小了v倍,并且它的能量在物体的辐射和吸收过程中是一个常量,这说明最小能量基元h是一个稳定存在的客观实在 能量不能脱离物质而存在,可以把与最小能量基元h对应的这种具有很小能量的物质命名为中基子,用z表示,把上面所提出的假设叫做中基子假说根据爱因斯坦的质能相当性公式E=mc23,就可以计算出中基子的质量,它的质量为mz=h/c2(h为中基子的能量,c为光速) =6.6260687610-34/(2.99792458108) 22 =7.3724957710-51kg223 光子的实质 在19
6、05年,Einstein进一步假定电磁能量本身也是量子化的,即辐射能本身也是量子化的.他认为辐射能是由各自分立的能量组成的.一束光中含有许多光子,这些光子很象从机关枪中发射出来的子弹.每一光子具有一份与辐射频率成比例的能量.原先planck把分立的能量元叫做量子,现在更确切地称之为光子. 光子的能量为hv1 .爱因斯坦提出的光子理论是对普朗克的量子概念的推广.在爱因斯坦光子理论中的光子就是普朗克提出的能量量子化假说中的最小能量基元hv.按照中基子假说,频率为v的光的每一个光子的能量hv应是v个中基子的能量由此可见,爱因斯坦所提出的光子并不是一个独立的客体,而是中基子的集合,是v(v是光的频率)
7、个中基子的集合. 中基子的质量与实验测量给出光子静止质量的上限约为10-50kg4很接近这里测量出的光子的静止质量的上限实际上就是中基子质量的上限,因为实验测量到的是组成光的粒子的质量 根据正电子会在自己的飞行过程中遇到普通电子,它们将共同湮灭成两个光子.每个光子的能量E应当等于m0c2=0.511MeV,其中m0是电子的静止质量,并已为实验所证实5.因为光子是中基子的集合,所以实际上正电子和负电子是湮灭成中基子, 根据质量守恒定律,电子的质量m0将全部转变为中基子的质量,再用一个中基子的能量h为6.6260687610-34焦耳,就可以求出一个中基子的质量为mz=m0/ E/h=7.3731
8、0-51kg.这与中基子质量的理论值7.3724957710-51kg非常接近. 正电子和负电子湮灭成中基子这一过程充分说明质量和能量既不能创造也不能消失,是物质内在的固有的基本属性,只能从一种形式转化为另一种形式;也说明了质能关系E=mc2的实质,即E=mc2表示的是质量为m的物质当它全部转化为中基子时,释放的能量(辐射能)为其转化的中基子的能量总和. 由中基子的质量和速度(为光速)及能量的定义( E= mv26)和质量守恒定律就可以得出爱因斯坦的质能关系E= mc2,而现在对爱因斯坦提出的E= mc2实验验证已接近于完美程度:E与mc2相差不到千万分之五(510-7)7. 这说明中基子是有
9、质量的,中基子是真实存在的独立客体. 由此可见,光都是由具有相同质量和能量的中基子组成,所不同的只是光的频率不同 光的频率等于谐振子的振动频率,也等于谐振子辐射中基子的频率,即单位时间谐振子辐射中基子的个数,还等于中基子的频率,即同一谐振子辐射的同位相的中基子在单位时间内通过空间某一点的个数.光的波长即为同一谐振子辐射的同频率、同位相的一串中基子中相邻两个中基子之间的距离.光的周期即为谐振子完成一次振动所经历的时间,它等于中基子在空间传播一个波长距离所经历的时间. 光的传播是由谐振子在振动的过程中发射出的中基子流(光是由这些中基子流组成)在空间的周期性运动传播的.光在空间的传播如图1所示,图1
10、是光源S发出的同频率的光在空间的传播.图图1光在空间的传播光在空间的传播 在图1中每一个中基子表现了光的粒子性,而每一谐振子发射的中基子流在空间运动的周期性(即相邻两个中基子之间的距离为一定值,等于光的波长)表现了光的波动性.因此,图1为表现光具有所谓的波粒二象性的一幅图像. 由此可知,光的波动性实 际上是由谐振子发射的中基子流的运动具有周期性决定的. 至此可以说,光的本质是粒子性的,光子实质上是中基子的集合,光是由中基子组成的,光的性质由中基子的性质决定,光具有所谓的波粒二象性可由光的中基子性统一起来,光的量子性本质上就是光的中基子性,光的量子即为中基子4 质量的起源及质量的量子性 我们知道
11、,利用能量高于一兆电子伏的光子撞到铅原子核上而产生电子对,此外,电子对湮灭成光子对的说法也被实验证实了9因为光子是中基子的集合,所以实际上这两个过程前者是中基子转变成电子对,后者是电子对湮灭成中基子.由此可以推断,正电子和负电子是由中基子组成的,中基子是物质组成的更深层次的基本组元 在两个高能电子和正电子的碰撞实验中,一个产生一对u(u-、u+),另一个产生一对正、反夸克(q、q-).已经知道这些碰撞是通过两步进行的:e-+e+虚光子,(1)虚光子.强子qquu (2)在第一步中,电子和正电子湮灭为一个“虚光子”(r),这个虚光子在第二步中又转变为u-+u+或q+q-,正、反夸克对转而又转变为
12、各种强子(介子、K介子,核子和反核子)10. 因为光子是中基子的集合,所以实际上在这个实验中,在第一步中电子和正电子是湮灭为中基子.在第二步中是中基子转变为u-+u+或q+q-,正、反夸克对转而又转变为各种强子.由此可知,正、反夸克对和各种强子是由中基子组成的.因此可以说,中基子是物质组成的最基本组元,中基子是宇宙中最基本的粒子,它具有的质量和能量都是最小的基元. 因此,对于质量概念的本质应理解为,质量是物质所含有的物质的量(中基子个数)的一种量度物质所含有的物质的量(中基子个数)多,物质的质量就大,反之,物质的质量就小.质量是物质的基本属性,是物质存在的一种反映,只要某物质存在,它就有一定的
13、质量,即它就含有一定的物质的量(一定个数的中基子). 这说明,物质的质量是具有量子性的,最小的量子质量即为一个中基子的质量,它是一个常量(为 h/c2,h为一个中基子的能量,c为光速)为7.3724957710-51 kg,它应是物质量子质量的基准,任何物质的质量都是中基子质量的整数倍.若某物质含有1.356392781050个中基子,它的质量即为1kg. 因为光子是中基子的集合,而中基子是有质量的,因此,光子也是有质量的.现在人们说光子的质量为零,这是由现在的质量定义(质量是“使物体加速的难度”11)造成的. 如果宇宙中所有物质的质量总和为M,则M=Nmz ,N是构成宇宙中所有物质的中基子总
14、数,mz为一个中基子的质量由此可见,中基子是质量的起源,它是赋予其他粒子以质量的粒子,宇宙中每个粒子拥有现在的质量,是由它含有一定个数的中基子决定的. 5 万有引力的量子性 我们知道,物体在任何温度下都向四周进行温度辐射,也从周围吸收这种辐射1对于天体如地球不断从太阳和恒星接受短波辐射,也不断向宇宙空间输出热辐射自地球诞生以来,这种能量交换从未停止过12由此可见,不论是地球上的物体之间还是天体之间自它们诞生以来就通过辐射和吸收辐射进行着能量交换,从未停止过 按中基子假说,物体之间的这种通过辐射和吸收辐射进行的能量交换是通过交换最小能量基元h实现的,也即通过交换中基子实现的可以想象得出在宇宙中充
15、满着中基子,可把充满中基子的空间叫做中场物体之间通过中场交换中基子(也即能量)相互联系着,发生着相互作用. 不妨假设,宇宙中不相接触的物体之间的相互作用是通过中场相互交换能量(即中基子)产生的,作用力同两个物体之间在单位时间内交换的能量成正比设F表示两个物体之间的作用力,E表示两个物体在单位时间内交换的能量,则F Enh 两个物体之间交换能量时,在单位时间内物体辐射的能量越多,两个物体之间交换的能量就越多,设 n1和 n2分别为两个物体在单位时间内辐射的中基子数, h为一个中基子具有的能量,则 En1h , En2h .因为 FE ,所以 Fn1h ,Fn2h. 物体的辐射是呈球面形的,在距物
16、体r处的球表面上中基子的密度是相同的,随着r的增大球表面积(S= 4r2)呈r2关系增大,中基子的密度呈1/r2关系减小物体之间交换中基子时,中基子的密度越大,单位时间内交换的中基子数就越多,单位时间内交换的能量也就越多因此,E因为1/r2,FE,所以F1/r2将Fn1h、 Fn2h和F1/r2总括起来,则Fn1n2h2/r2或FCn1n2h2/r2. (1) 式(1)中 C是比例系数, r是两个物体中心之间的距离式(1)表示的是宇宙中不相接触的两个物体之间的相互作用是通过中场相互交换能量(通过交换中基子实现)产生的,作用力同两个物体在单位时间内辐射的能量成正比,而与这两个物体之间的距离平方成
17、反比. 可将物体之间的这种作用力叫做交力,将物体之间的这种相互作用规律叫做交力定律.交力定律是从微观上表达物体之间发生相互作用的规律. 按照交力定律,交力是由物体之间通过中场交换中基子产生的,由于中基子的交换是不连续的,是量子性的,因此, 交力具有量子性. 对于两个不带电的物体,设其质量分别为 m1和m2 ,二者在单位时间内辐射的能量分别为 n1h和 n2h( n1和 n2分别为两个物体在单位时间内辐射的中基子数, h为一个中基子具有的能量),二者之间的距离为r ,根据交力定律可推得这两个物体之间的相互作用力 F= Gm1m2/r2.(G为比例系数)将它与万有引力定律表示式 F= Gm1m2/
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