物质世界的层次、形态与基本相互作用课件.ppt

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

14、程得出的解有四个波函数，对应电子的四个状态。其中两个波函数对应两种自旋取向的电子正能个状态。其中两个波函数对应两种自旋取向的电子正能态，另两个波函数则对应于电子的态，另两个波函数则对应于电子的“负能态负能态”。对电子每一个动量对电子每一个动量,由（由（1-1）式，能量有两个值即）式，能量有两个值即2220()()Epcm c（1-2）在经典力学中，不存在负能量物体。狄拉克认为，在经典力学中，不存在负能量物体。狄拉克认为，在量子力学中负能量有物理意义。在量子力学中负能量有物理意义。2220()()Epcm c（1-2）图1-2 由（由（1-2），可得到电子能级如图），可得到电子能级如图1-1，能

15、量从能量从-变到变到-m0c2，又从，又从+m0c2变到变到+，但不在，但不在-m0c2与与+m0c2之间。之间。正能态电子由实验可观察，而负能态正能态电子由实验可观察，而负能态电子从未观察到电子从未观察到。狄拉克假设，负能级都狄拉克假设，负能级都被电子填满了，正能态电子无法进入。这被电子填满了，正能态电子无法进入。这种种“负能电子海负能电子海”叫真空。叫真空。图图1-2 只有当负能电子海中少了一个电子即只有当负能电子海中少了一个电子即出现一个出现一个“空穴空穴”时，才表现出可观察效时，才表现出可观察效应。即少了一个电荷应。即少了一个电荷-e能量能量-mc2的粒子，的粒子，相当于多了一个电荷相

16、当于多了一个电荷+e能量能量+mc2的粒子。的粒子。负能级中空穴又会被其它负能电子填充，于是出现负能级中空穴又会被其它负能电子填充，于是出现空穴的运动，表现为带正电（空穴的运动，表现为带正电（+e+e）粒子的运动。这个与）粒子的运动。这个与电子等质量、电荷为电子等质量、电荷为+e+e的粒子叫做的粒子叫做“正电子正电子”。“真空真空”是一种负能态被填满而正能是一种负能态被填满而正能态全空着的状态态全空着的状态，什么也观察不到。，什么也观察不到。反之，正负电子对相遇时会同时消反之，正负电子对相遇时会同时消失，继而转变成失，继而转变成光子。这一过程称为光子。这一过程称为正正负电子对湮没负电子对湮没。

17、如果给真空中负能态电子以大于如果给真空中负能态电子以大于2 m0c2的能量（如的能量（如光子能量），则可使其光子能量），则可使其激发至正能态，于是出现可观察的激发至正能态，于是出现可观察的正负电正负电子对。子对。2.关于反粒子关于反粒子 按照狄拉克理论，真空并非按照狄拉克理论，真空并非“空无所有空无所有”，而是，而是一种负能粒子海。狄拉克预言，一种负能粒子海。狄拉克预言，每一种粒子都会有相每一种粒子都会有相应的反粒子应的反粒子。1932年，安德森在研究宇宙射线时发现了正电子。年，安德森在研究宇宙射线时发现了正电子。1955年，美国的张伯伦年，美国的张伯伦塞格雷小组发现了反质塞格雷小组发现了反质

18、子，不久又发现了反中子。子，不久又发现了反中子。1961年，美国布鲁克海汶实验室发现了反氘核。年，美国布鲁克海汶实验室发现了反氘核。1956年，我国著名物理学家王淦昌发现了反西格年，我国著名物理学家王淦昌发现了反西格玛超子。以后其他许多基本粒子的反粒子也陆续被发玛超子。以后其他许多基本粒子的反粒子也陆续被发现。现。反粒子与其对应的粒子的质量、自旋、平均寿命、反粒子与其对应的粒子的质量、自旋、平均寿命、磁矩的大小都相等。如果带电，则两者的电荷相反。磁矩的大小都相等。如果带电，则两者的电荷相反。磁矩和自旋方向也相反。磁矩和自旋方向也相反。各种粒子与反粒子相遇会发生湮没而而转化为其各种粒子与反粒子相

19、遇会发生湮没而而转化为其它粒子，如正负电子对湮没产生它粒子，如正负电子对湮没产生2个个光子，不同能量光子，不同能量下的质子和反质子相遇湮没可转化为下的质子和反质子相遇湮没可转化为介子或介子或光子等光子等各种各样的粒子。各种各样的粒子。3.真空真空量子场的基态量子场的基态 按量子场论，物质世界由各种量子场组成。这些按量子场论，物质世界由各种量子场组成。这些量量子场系统的能量最低态（基态）就是真空子场系统的能量最低态（基态）就是真空。物理真空好比一个蕴含着无穷大能量的大海，所物理真空好比一个蕴含着无穷大能量的大海，所有物理反应都在大海的上空进行。由于激烈的物理反有物理反应都在大海的上空进行。由于激

20、烈的物理反应，会扰动应，会扰动“海面海面”，一些，一些“浪花浪花”从海中溅出并参从海中溅出并参与与“海面海面”上空的反应。这就是所谓的上空的反应。这就是所谓的真空激发真空激发。根据海森伯不确定关系，在真空的细微时空区域，根据海森伯不确定关系，在真空的细微时空区域，能量不确定度会很大，将出现能量能量不确定度会很大，将出现能量“涨落涨落”。如果涨落的如果涨落的能量超过电子静止质量的两倍，就可能引起正负电子对的能量超过电子静止质量的两倍，就可能引起正负电子对的产生产生。但这种电子对只存在于细微的时空区域，所以是虚粒但这种电子对只存在于细微的时空区域，所以是虚粒子对。如果涨落的能量更大，将可能产生更大

21、质量的虚粒子对。如果涨落的能量更大，将可能产生更大质量的虚粒子对。若外界不提供能量，这些虚粒子对会迅速湮没。子对。若外界不提供能量，这些虚粒子对会迅速湮没。当外界提供足够能量时，真空就被激发，表现出可观当外界提供足够能量时，真空就被激发，表现出可观察的粒子效应。因此，真空是物质存在的一种状态，是量察的粒子效应。因此，真空是物质存在的一种状态，是量子场的基态。子场的基态。1.4 物质的基本相互作用物质的基本相互作用 引力相互作用引力相互作用 引力是存在于任何两个物质客体之引力是存在于任何两个物质客体之间的吸引力，一种长程力。重力是地球对地面及地面附间的吸引力，一种长程力。重力是地球对地面及地面附

22、近的物体的引力，这种引力如此明显是由于地球质量十近的物体的引力，这种引力如此明显是由于地球质量十分巨大的缘故。分巨大的缘故。宇宙中天体的质量很大，因此天体之间的相互作用宇宙中天体的质量很大，因此天体之间的相互作用表现的是引力。理论研究认为，引力相互作用是由一种表现的是引力。理论研究认为，引力相互作用是由一种称为称为“引力子引力子”的媒介粒子（类似于光子）来传递的。的媒介粒子（类似于光子）来传递的。但目前还没有观察到引力子。但目前还没有观察到引力子。电磁相互作用电磁相互作用 电磁力是带电粒子或宏观带电体之电磁力是带电粒子或宏观带电体之间的作用力。两个点电荷之间的作用力遵循库仑定律。间的作用力。两

23、个点电荷之间的作用力遵循库仑定律。库仑力比万有引力强得多。运动的电荷之间除了有电库仑力比万有引力强得多。运动的电荷之间除了有电力外，还会有磁力相互作用。磁力和电力具有同一本力外，还会有磁力相互作用。磁力和电力具有同一本源。因此，电力和磁力统称为源。因此，电力和磁力统称为电磁力电磁力。电磁力是一种长程力。电磁相互作用是通过电磁电磁力是一种长程力。电磁相互作用是通过电磁场传递的，电磁力的传递速度是光速。如果说引力相场传递的，电磁力的传递速度是光速。如果说引力相互作用支配着天体的运行，那么电磁相互作用则支配互作用支配着天体的运行，那么电磁相互作用则支配着原子与分子的世界。着原子与分子的世界。强相互作

24、用强相互作用。存在于质子、中子、介子等强子之间。存在于质子、中子、介子等强子之间的作用力称为强力（强力作用占压倒优势的粒子叫强的作用力称为强力（强力作用占压倒优势的粒子叫强子），表现的是强子之间很强的相互吸引。这种力把中子），表现的是强子之间很强的相互吸引。这种力把中子和质子结合成核。子和质子结合成核。轻子如电子之间不会有这种强相互作用。强力是轻子如电子之间不会有这种强相互作用。强力是短程力，作用范围小于短程力，作用范围小于10-15米。在原子核内，强力占米。在原子核内，强力占支配地位。夸克是组成质子和中子等粒子的更基本的支配地位。夸克是组成质子和中子等粒子的更基本的粒子，强相互作用使夸克结合

25、成质子和中子等粒子粒子，强相互作用使夸克结合成质子和中子等粒子.强相互作用是通过一种称为强相互作用是通过一种称为胶子胶子的媒介粒子来传递的媒介粒子来传递的。的。弱相互作用弱相互作用 费米认为，费米认为，-衰变的本质是核内中衰变的本质是核内中子变为质子，子变为质子，+衰变相反。中子与质子可看成核子的衰变相反。中子与质子可看成核子的两个状态，它们之间的转变相当于不同量子态的跃迁，两个状态，它们之间的转变相当于不同量子态的跃迁，在跃迁过程中同时放出电子和中微子。导致产生光子在跃迁过程中同时放出电子和中微子。导致产生光子的是电磁相互作用，导致产生电子和中微子的则是一的是电磁相互作用，导致产生电子和中微

26、子的则是一种新的相互作用，称之为弱相互作用。种新的相互作用，称之为弱相互作用。弱力的力程比强力还短，而且很弱。弱相互作用只弱力的力程比强力还短，而且很弱。弱相互作用只在粒子之间的某些反应（如在粒子之间的某些反应（如衰变）才显示出其重要性。衰变）才显示出其重要性。弱力是由弱力是由WW+、WW-、Z Z0 0粒子作为传递媒介的，但是这粒子作为传递媒介的，但是这种媒介粒子的质量较大，比质子和中子的质量还大。种媒介粒子的质量较大，比质子和中子的质量还大。力的种类力的种类相互作用的对象相互作用的对象力的强力的强度度力程力程万有引力万有引力一切质点一切质点10-34N无限远无限远弱力弱力大多数粒子大多数粒子10-2N小于小于10-17m电磁力电磁力电荷电荷102N无限远无限远强力强力核子、介子等核子、介子等104N1 0-15m 表表1-1 四种基本相互作用力的特征四种基本相互作用力的特征 4 4种基本相互作用的特征列于表种基本相互作用的特征列于表1 1中，按力的强弱排序，中，按力的强弱排序，依次是强力、电磁力、弱力和引力依次是强力、电磁力、弱力和引力。