物质世界的层次、形态与基本相互作用课件.ppt
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- 物质 世界 层次 形态 基本 相互作用 课件
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1、 物理学对物质世界的基本认识物理学对物质世界的基本认识 人类对物质世界的认识经历了一个从蒙昧、理性人类对物质世界的认识经历了一个从蒙昧、理性到科学的漫长的历史过程。宇宙之大,微观粒子之小。到科学的漫长的历史过程。宇宙之大,微观粒子之小。天地万物、自然之复杂,物质世界的奥妙是无穷的,天地万物、自然之复杂,物质世界的奥妙是无穷的,人类对物质世界的探索也是无穷的。本讲座将介绍物人类对物质世界的探索也是无穷的。本讲座将介绍物理学对宇宙世界的基本认识。理学对宇宙世界的基本认识。提纲:提纲:物质世界的层次、形态与基本相互作用物质世界的层次、形态与基本相互作用物理学与宇宙观物理学与宇宙观物质世界的对称性与统
2、一性物质世界的对称性与统一性物质世界的非线性效应物质世界的非线性效应物理学与数学的关系及物理学认识的真理性物理学与数学的关系及物理学认识的真理性 第第1讲讲 物质世界的层次、形态与基本相互作用物质世界的层次、形态与基本相互作用 在人类已研究的在人类已研究的物质客体中,空间尺物质客体中,空间尺度跨越了度跨越了4242个数量级个数量级(如图(如图1-11-1),可分为),可分为宇观、宏观、介观、宇观、宏观、介观、微观诸层次微观诸层次。图图1-1 1.1 物质世界的层次物质世界的层次 微观系统微观系统分子、原子尺度以下的物质客体。分子、原子尺度以下的物质客体。宏观系统宏观系统人体尺寸上下几个数量级范
3、围内的物质人体尺寸上下几个数量级范围内的物质客体。客体。介观系统介观系统介于宏观与微观之间的物质层次。介于宏观与微观之间的物质层次。宇观系统宇观系统大于宏观层次的物质客体。大于宏观层次的物质客体。物质物质 分子分子 原子原子 原子核和绕核运转的电子。原子核和绕核运转的电子。原子核原子核 核子(质子和中子)核子(质子和中子)夸克。夸克。还有传递各种作用力的基本粒子:光子、还有传递各种作用力的基本粒子:光子、w粒子、粒子、Z0粒子、胶子和引力子。粒子、胶子和引力子。各种各样的宏观物质最后归结于若干个基本粒子各种各样的宏观物质最后归结于若干个基本粒子所组成所组成。特别说明特别说明:介观系统介观系统物
4、理学的一个新的研究领域。介观物理学的一个新的研究领域。介观体系分为体系分为亚微米体系亚微米体系(尺寸(尺寸0.11m)、)、纳米体系纳米体系(约(约1100nm)和)和团簇团簇(含几十到几百个或上千个(含几十到几百个或上千个原子、分子、离子的聚集体,典型尺寸小于原子、分子、离子的聚集体,典型尺寸小于1nm,大,大的尺寸也可达几十纳米)。的尺寸也可达几十纳米)。在这些介观体系中,在这些介观体系中,出现了许多既不同于宏观物体出现了许多既不同于宏观物体也不同于微观体系的奇特的现象,如量子尺寸效应、也不同于微观体系的奇特的现象,如量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等性质。小尺寸效应、表面效应等性质。宇
5、观世界宇观世界万有引力起主要作用的世界。按尺万有引力起主要作用的世界。按尺度规模,天体可分为四个层次:度规模,天体可分为四个层次:行星层次、恒星层次、行星层次、恒星层次、星系层次和宇宙整体。星系层次和宇宙整体。从宏观角度看,物质内部结构连续、而宇宙不连续。从宏观角度看,物质内部结构连续、而宇宙不连续。从宇观角度看,整个宇宙的物质密度均匀。从微观角度看,从宇观角度看,整个宇宙的物质密度均匀。从微观角度看,物质内部结构则不连续。物质内部结构则不连续。1.2 物质存在的基本形态物质存在的基本形态 人类对物质的认识,首先是人类对物质的认识,首先是“实物实物”即原子、分子即原子、分子组成的各种固体、液体
6、和气体,看得见,实实在在。组成的各种固体、液体和气体,看得见,实实在在。场场是除实物以外的另一种物质实在是除实物以外的另一种物质实在。目前认识的物态有目前认识的物态有固态、液态、气态、等离子态、超固态、液态、气态、等离子态、超密度态、反物质态和真空态密度态、反物质态和真空态7种种。固、液和气态固、液和气态是常见的。等离子态等离子态是由足够数量的正负带电粒子组成、运动是由足够数量的正负带电粒子组成、运动受电磁力支配的物态。它存在于电弧、高空电离层和极受电磁力支配的物态。它存在于电弧、高空电离层和极高温度下的物体系统(如热核反应)中,也是高温度下的物体系统(如热核反应)中,也是宇宙物质宇宙物质存在
7、的主要形式(恒星内部)。存在的主要形式(恒星内部)。超密度态超密度态是晚期恒星的物态是晚期恒星的物态,如白矮星密度高达如白矮星密度高达10105 510106 6g/Cmg/Cm3 3,中子星密度更高达中子星密度更高达101014 14 10101616 g/cm g/cm3 3。反物质态反物质态是由反粒子构成的物态,如反质子和正电是由反粒子构成的物态,如反质子和正电子组成反氢原子。子组成反氢原子。真空态真空态是物质存在的最低能态,物理意义上的真空是物质存在的最低能态,物理意义上的真空并非并非“一无所有一无所有”。此外,在宇宙中还存在有大量的此外,在宇宙中还存在有大量的暗物质暗物质。暗物质可分
8、两类暗物质可分两类:一类是利用电磁波的特性可探测到的天体物质,因一类是利用电磁波的特性可探测到的天体物质,因为太远或辐射太弱而看不见。为太远或辐射太弱而看不见。另一类是不会发光而与电磁波无缘的物质,它们对另一类是不会发光而与电磁波无缘的物质,它们对各种波长的光是完全透明体,但具有万有引力各种波长的光是完全透明体,但具有万有引力,这才是这才是真正的暗物质。这类暗物质占宇宙总质量的真正的暗物质。这类暗物质占宇宙总质量的95%95%以上。以上。场场是宇宙中另一种物质形态,如电磁场、引力场。是宇宙中另一种物质形态,如电磁场、引力场。场的物质性表现在场的物质性表现在:(1 1)有能量、质量、动量,在场中
9、进行的过程遵循)有能量、质量、动量,在场中进行的过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等规律。质量守恒、动量守恒和能量守恒等规律。(2 2)也以时间和空间为其存在的基本形式。)也以时间和空间为其存在的基本形式。(3 3)场与实物可以相互转化,如)场与实物可以相互转化,如 光子在一定条件下光子在一定条件下可以变成正负电子对,反之亦然。可以变成正负电子对,反之亦然。但但场与实物的根本差别在于场与实物的根本差别在于:实物粒子如电、质子、中子具有不可入性或定域性,实物粒子如电、质子、中子具有不可入性或定域性,两个实物粒子不能同时占据同一个空间,而场具有可两个实物粒子不能同时占据同一个空间,而场具有可叠加
10、性或弥散性;叠加性或弥散性;场的粒子如光子没有静止质量,在真空中的传播速度不变,而实物粒子有静止质量且运动的质量与速度有关。场和实物粒子从不同侧面反映了宇宙世界的物质性场和实物粒子从不同侧面反映了宇宙世界的物质性。从量子场论观点看从量子场论观点看,量子场才是物质的基本形态量子场才是物质的基本形态。各。各种基本粒子都可以引进相应的量子场,量子场是具有波种基本粒子都可以引进相应的量子场,量子场是具有波动性和粒子性相结合的客体。动性和粒子性相结合的客体。场的最低能态称为基态,场的最低能态称为基态,其他能态为激发态。其他能态为激发态。量子场的激发表现出相应量子场的激发表现出相应粒子的产生,粒子的产生,
11、退激表现出退激表现出粒子的湮没。粒子的湮没。互为复共扼的两种激发态表现为动量和质量相同的互为复共扼的两种激发态表现为动量和质量相同的正、反粒子状态正、反粒子状态。量子场可分为三种基本场即量子场可分为三种基本场即实物场、媒介场和希格实物场、媒介场和希格斯场。斯场。实物场实物场所属的粒子有夸克和轻子(包括电子、电子所属的粒子有夸克和轻子(包括电子、电子中微子、中微子、子、子、子中微子、子中微子、子、子、子中微子)。子中微子)。媒介场媒介场所属粒子有光子、胶子、引力子和所属粒子有光子、胶子、引力子和W+、W-、Z0粒子。粒子。希格斯场希格斯场所属粒子是希格斯粒子,希格斯粒子的作所属粒子是希格斯粒子,
12、希格斯粒子的作用是负责给所有粒子提供质量。用是负责给所有粒子提供质量。电子场的激发表现为正电子和电子的产生,电子场的电子场的激发表现为正电子和电子的产生,电子场的退激表现为电子和正电子的湮灭。退激的能量又使电磁场退激表现为电子和正电子的湮灭。退激的能量又使电磁场激发,产生一对光子。激发,产生一对光子。光子从属于光子场即电磁场,是电磁场的基本粒子。光子从属于光子场即电磁场,是电磁场的基本粒子。其他物质粒子类似,是它们所从属的量子场的激发,其他物质粒子类似,是它们所从属的量子场的激发,量子场的量子即粒子。量子场的量子即粒子。量子场是基本的,粒子是派生的。断续的粒子和连续量子场是基本的,粒子是派生的
13、。断续的粒子和连续的场统一于既有微粒性又有波动性的量子场中的场统一于既有微粒性又有波动性的量子场中。所以,所以,物质存在归结于场,物质粒子是场的一种特殊物质存在归结于场,物质粒子是场的一种特殊形态。形态。如电子和正电子从属于电子场,是电子场的量子。如电子和正电子从属于电子场,是电子场的量子。1.3 真空真空物质存在的一种状态物质存在的一种状态1.狄拉克关于真空的解释狄拉克关于真空的解释根据相对论能量动量关系:22220()()Epcm c(1-1)狄拉克结合相对论和量子力学,建立了狄拉克波动狄拉克结合相对论和量子力学,建立了狄拉克波动方程。由该方程得出的解有四个波函数,对应电子的四方程。由该方
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