高崇壽

(北京大學物理學院，北京　100871)

特約稿件

物理學的現(xiàn)代進展

高崇壽

(北京大學物理學院，北京100871)

摘要文章闡述了物理學是整個自然科學的基礎，是高等理科教育中的重要組成部分，著重說明了20世紀以來物理學在探索物質(zhì)微觀結構基本規(guī)律方面所取得的重大突破性進展：一是強子結構理論的確立，另一是電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一理論的成功.文章內(nèi)容包括粒子物理學的近代發(fā)展，波粒二相性和其運動狀態(tài)的描述，以及粒子之間的基本相互作用等；此外，文章配合2015國際光年，特別闡述光學是物理學中最早探知微觀粒子波粒二相性的部分.

關鍵詞自然科學的基礎；波粒二相性；微觀粒子；電弱統(tǒng)一理論；標準模型；Higgs 粒子；電磁波；可見光

THE MODERN PROGRESS OF PHYSICS

Gao Chongshou

(College of Physics, Peking University, Beijing 100871)

AbstractThis paper explains that physics is the foundation of the whole natural science and an important part of the higher education of science, with emphasis on the major breakthroughs in exploring the basic laws of material microstructure since the 20th century. One of the breakthroughs is the establishment of hadron structure theory, the other is the success of unified theory of electromagnetic interaction and the weak interaction. This paper describes the modern development of particle physics, the wave-particle duality and a description of its motion state, the basic interaction between particles, and etc. in detail. Furthermore, in occasion of the 2015 international light year, this article especially explains that optics is the earliest part of physics for the discovery of wave-particle duality of microscopic particles.

Key wordsbase of natural science; wave-particle duality; microscopic particle; electro-weak unified theory; the standard model; Higgs particle; electromagnetic wave; visible light

1物理學是整個自然科學的基礎

物理學是整個自然科學的基礎，是高等理科教育中的重要組成部分.基礎物理課是理科各學科的重要基礎課，是培養(yǎng)和提高學生科學素質(zhì)、科學思維方法和科學研究能力的重要基礎課程.基礎物理課教學要使學生系統(tǒng)地了解和掌握物理學的基本知識、基本概念、基本規(guī)律和基本方法；因此基礎物理課的主線應該是物理學，并且不應該只是物理學的許多具體知識的堆積，而應該系統(tǒng)地完整地介紹物理學的基本規(guī)律和基本方法，提高學生的物理學科學素質(zhì).基礎物理課的內(nèi)容是系統(tǒng)介紹物理學的最基本的部分.基礎物理課的內(nèi)容不僅要包含經(jīng)典物理學的基本內(nèi)容，而且也要包含理論物理學和近代物理學的重要基本部分.在物理課程中要系統(tǒng)地講授物理學的知識和規(guī)律本身，“物理還是物理”；但是物理課程的內(nèi)容不應該貪大求全，變成物理學的“百科全書”.物理學課程應該“以物理學知識為基礎，以物理學規(guī)律為線索，以提高物理學科學素質(zhì)為核心”.物理學的科學素質(zhì)反映在“探索、研究、創(chuàng)新”的能力上.這是物理學科學素質(zhì)的特點和優(yōu)勢.

物理學是在人類探索自然的奧秘中形成的學科，物理學研究宇宙間物質(zhì)存在的基本形式，物質(zhì)的性質(zhì)、物質(zhì)的運動規(guī)律、物質(zhì)之間如何相互作用、相互轉(zhuǎn)化以及各種物質(zhì)形態(tài)內(nèi)部結構的基本規(guī)律.

作為自然科學的基礎，作為研究物質(zhì)結構和運動的基本規(guī)律的物理學，總是生機勃勃，不斷地開辟自己前進的道路的.在 20 世紀，物理學的基本概念和技術已被應用到所有的自然科學領域.物理學與其他自然科學學科之間的邊緣領域，一定意義上是當代自然科學中最富于獲得豐碩成果的機遇的領域.21 世紀物理學毫無疑問仍是技術進步的主要源泉.20 世紀物理學的發(fā)展顯示：物理學是自然科學的基礎；物理學是現(xiàn)代高、新技術的基礎.

早期物理學有幾個部分：力學、熱學、電磁學、聲學、光學等.隨著科學的發(fā)展，近代物理學中不斷地生長和發(fā)展出新的分支學科，如理論物理學、粒子物理學、原子核物理學、原子和分子物理學、天體物理學、凝聚態(tài)物理學、光物理學、激光物理學、非線性光學、低溫物理學、磁性物理學、金屬物理學、半導體物理學、材料物理學、表面物理學、介觀物理學、電真空物理學、電子物理學、無線電物理學、固體微電子學、等離子體物理學、聲學、固態(tài)物理學、液態(tài)物理學、高壓物理學、非線性物理學、計算物理學等.近幾十年來，物理學的各分支學科有著突飛猛進的迅速發(fā)展，對物理現(xiàn)象和物理學規(guī)律的探索研究不斷取得新的進展，豐富了人們對物質(zhì)世界物理運動基本規(guī)律的認識和掌握，促進了許多和物理學緊密相關的交叉學科和技術學科的發(fā)展.

2粒子的波粒二相性和運動狀態(tài)的描述

任何物體都是由微粒集合組成，任何微粒在空間中總存在于某一確定的位置，因此微粒的運動狀態(tài)由微粒在空間的位置的運動來描寫.換句話說，微粒的運動狀態(tài)完全地由x(t),y(t),z(t) 來描寫.

如果微粒運動的x(t),y(t),z(t) 已知，就知道在任何時間微粒運動的位置，還知道微粒運動的速度vx(t),vy(t),vz(t)，動量px=mvx(t),py=mvy(t),pz=mvz(t)，動能等全部運動性質(zhì).

運動的基本規(guī)律是牛頓第二定律，它給出微粒的運動狀態(tài)在外力作用下的演化規(guī)律.由微粒集合組成的物體運動的基本規(guī)律也是牛頓第二定律：

(1)

微觀粒子普遍具有的共同特性是波粒二相性.粒子不簡單是一個微粒，同時它還顯現(xiàn)出有波動性.按照微粒性，一個粒子應該位于空間中的某個確定的位置，但微觀粒子波動性的表現(xiàn)之一是任何時刻一個粒子在空間中不同位置都有一定的概率存在.

因此一個粒子的運動狀態(tài)不能簡單地用這個粒子的空間位置來描寫，需要用能描寫粒子的波粒二相性的波函數(shù)ψ(x,y,z,t) 來描寫.一個粒子在波函數(shù)ψ(x,y,z,t) 描寫的運動狀態(tài)下在空間 (x,y,z) 點存在的概率密度為 |ψ(x,y,z,t)|2.

運動的基本規(guī)律是薛定諤方程，它給出微觀粒子的運動狀態(tài)在外力作用下的演化規(guī)律:

(2)

宏觀物體受的外力是各式各樣的，非常復雜;但是探究其來源，只有萬有引力和電磁相互作用這兩種.觀察到的各式各樣的復雜的力都是這兩種力的復雜的綜合的表現(xiàn).

萬有引力：

(3)

庫侖定律：

(4)

帶電粒子所受電磁力：

(5)

微觀粒子運動狀態(tài)的變化與微觀粒子所受的“外力”有關；但“力”是宏觀物理學中采用的觀念，是物體之間的相互作用的形象化的描述.按照牛頓第二定律，微粒運動狀態(tài)的變化直接由“外力”所決定.

但是微觀粒子具有波粒二相性，微觀粒子相互作用的基本形式是粒子的轉(zhuǎn)化.宏觀物理學中所說的“力”實際是大量微觀相互作用過程的合效果.

一個粒子如果帶有電荷，它就具有放出和吸收光子的能力.帶電粒子不斷地放出和吸收光子，就使帶電粒子的周圍經(jīng)常存在“虛光子”，表現(xiàn)為帶電粒子周圍形成電場.

如果在附近再有一個帶電粒子，它也會不斷地放出和吸收光子.它放出的光子也可能被另一個粒子吸收，同時，它也能吸收另一個帶電粒子放出的光子.這種兩個帶電粒子之間不斷交換光子的過程就是這兩個帶電粒子之間的庫侖相互作用過程.

帶電粒子的原始電磁相互作用過程是放出和吸收光子，兩個帶電粒子之間的基本電磁相互作用過程是交換光子.

可以用圖1和圖2描述這兩個電磁相互作用過程.

圖1 帶電粒子周圍的電場圖2 兩個帶電粒子的庫侖力

電磁相互作用的基本形式是帶電粒子放出和吸收光子，光子是電磁相互作用的媒介粒子.

微觀粒子參與的各種相互作用都表現(xiàn)為放出、吸收以及交換該種相互作用的媒介粒子.各種相互作用都有相應的媒介粒子，電磁相互作用只有一種媒介粒子——光子；其他的相互作用可以有多種媒介粒子，這和相互作用的性質(zhì)類型有關.

微觀粒子的運動狀態(tài)的演化決定于微觀粒子所參與的相互作用;因此研究微觀物質(zhì)運動的基本規(guī)律的基本問題是確定微觀物質(zhì)世界由哪些粒子組成，它們參與的相互作用有哪些.

人類在探索自然奧秘的過程中，一個重要的基本問題是探索物質(zhì)微觀結構的基本規(guī)律.

在19世紀，物性學和物理化學就成為當時人類探索物質(zhì)微觀結構規(guī)律的前沿學科.20世紀以來，物理學在探索物質(zhì)微觀結構基本規(guī)律方面不斷地取得進展.

20世紀初，研究原子的相互作用和原子的內(nèi)部結構，產(chǎn)生了原子物理學.

從20世紀初到20世紀30年代，探索物質(zhì)微觀結構的前沿學科是原子物理學；20世紀30年代到20世紀40年代是原子核物理學；20世紀50年代到現(xiàn)在是粒子物理學.

3粒子物理學的發(fā)展

粒子物理學是研究場和粒子的性質(zhì)、運動、相互作用、相互轉(zhuǎn)化規(guī)律的學科，是研究粒子內(nèi)部結構規(guī)律的學科.

20 世紀初在研究原子結構規(guī)律時，就已經(jīng)認識了最初的幾個基本粒子——質(zhì)子、電子、光子.這3種粒子都是穩(wěn)定的粒子，質(zhì)子帶單位正電荷，電子帶單位負電荷，光子不帶電，質(zhì)子和電子有放出和吸收光子的能力，它們通過電磁相互作用互相聯(lián)系起來.

當時實驗上還顯示不出它們的體積大小，看不到它們有內(nèi)部結構，可以認為是“點”粒子.

人們認為這些粒子是物質(zhì)結構的最小的單元，把它們統(tǒng)稱為基本粒子.

質(zhì)子和電子之間既有電磁相互作用，又有引力相互作用；但質(zhì)子和電子之間的引力相互作用比電磁相互作用要弱得多，其比值為 4.40676×10-40.

英國天文學家和理論物理學家愛丁頓(Arthur Stanley Eddington)曾認為基本粒子就是質(zhì)子、電子、光子3種，而宇宙就是由總數(shù)約 1079個質(zhì)子和電子構成，是一個有限無邊的正在膨脹的宇宙.

從這種理論出發(fā)，也就提出了一系列需要研究解答的基本問題：

為什么電荷有最小單位？

為什么電荷最小單位所決定的精細結構常數(shù)值約為 1/137.036？

為什么正電荷的最小單位比負電荷的最小單位質(zhì)量重 1836.15 倍？

為什么宏觀上正負電是對稱的，但正負電荷的最小單元質(zhì)子和電子又非常不對稱？

3.1　狄拉克的理論和正電子的發(fā)現(xiàn)

1928 年英國物理學家狄拉克(Paul Adrien Maurice Dirac)提出了一個電子運動的相對論性量子力學方程，即狄拉克方程：

(6)

式中，p是電子的動量.p= 0 給出正能的最低值和負能的最高值.這兩個能級之間的能量差為 2mc2.

利用這個方程研究氫原子能級分布時，考慮有自旋角動量的電子作高速運動時的相對論性效應，給出了氫原子能級的精細結構，與實驗符合得很好.

利用這個方程還可以討論高速運動電子的許多性質(zhì)，這些結果都與實驗符合得很好.

這些成就促使人們相信狄拉克方程是一個正確地描寫電子運動的相對論性量子力學方程.

既然實驗已充分驗證了狄拉克方程的正確，人們自然期望利用狄拉克方程預言新的物理現(xiàn)象.按照狄拉克方程給出的結果，電子除了有能量取正值的狀態(tài)外，還有能量取負值的狀態(tài)，并且所有正能狀態(tài)和負能狀態(tài)的分布對能量為零的點是完全對稱的，見圖3.

圖3　電子的正能狀態(tài)與負能狀態(tài)的對稱性示意

自由電子最低的正能態(tài)是一個靜止電子的狀態(tài)，其能量值是一個電子的靜止能量，其他的正能態(tài)的能量比一個電子的靜止能量要高，并且可以連續(xù)地增加到無窮.

與此同時，自由電子最高的負能態(tài)的能量值是一個電子靜止能量的負值，其他的負能態(tài)的能量比這個能量要低，并且可以連續(xù)地降低到負無窮.

這個結果表明：如果有一個電子處于某個正能狀態(tài)，則任意小的外來擾動都有可能促使它跳到某個負能狀態(tài)而釋放出能量.

同時由于負能狀態(tài)的分布包含延伸到負無窮的連續(xù)譜，這個釋放能量的躍遷過程可以一直持續(xù)不斷地繼續(xù)下去，這樣任何一個電子都可以不斷地釋放能量，成為永動機，這是完全不合理的.

針對這個矛盾，1930 年狄拉克提出一個理論，被稱為空穴理論，示意圖見圖4.這個理論認為由于電子是費米子，滿足泡利不相容原理，每一個狀態(tài)最多只能容納一個電子.物理上的真空狀態(tài)實際上是所有負能態(tài)都已填滿電子，同時正能態(tài)中沒有電子的狀態(tài).

圖4　狄拉克的空穴理論示意

因為這時任何一個電子都不可能找到能量更低的還沒有填入電子的能量狀態(tài).也就不可能跳到更低的能量狀態(tài)而釋放出能量，也就是說不能輸出任何信號，這正是真空所具有的物理性質(zhì).

因此真空并不是真正的“空”，不是真正的一無所有.真空中充滿了處于負能態(tài)的電子，但這些電子并不會直接給出顯示其存在的直接的信號.

按照這個理論，如果把一個電子從某一個負能狀態(tài)激發(fā)到一個正能狀態(tài)上去，需要從外界輸入至少兩倍于電子靜止能量的能量.這表現(xiàn)為可以看到一個正能狀態(tài)的電子和一個負能狀態(tài)的空穴.這個正能狀態(tài)的電子帶電荷-e，所具有的能量相當于或大于一個電子的靜止能量.

按照電荷守恒定律和能量守恒定律的要求，這個負能狀態(tài)的空穴應該表現(xiàn)為一個帶電荷為 +e的粒子，這個粒子所具有的能量應當相當于或大于一個電子的靜止能量. 這個粒子的運動行為是一個帶正電荷的“電子”，即正電子. 狄拉克的理論預言了正電子的存在.

1932 年美國物理學家安德森(Carl David Anderson)在宇宙線實驗中觀察到高能光子穿過重原子核附近時，可以轉(zhuǎn)化為一個電子和一個質(zhì)量與電子相同但帶有的是單位正電荷的粒子，從而發(fā)現(xiàn)了正電子，狄拉克對正電子的這個預言得到了實驗的證實. 正電子的發(fā)現(xiàn)表明對于電子來說，正負電荷還是具有對稱性的. 狄拉克的空穴理論給出了反粒子的概念，正電子是電子的反粒子.

3.2　反粒子

這樣自然提出了一個新問題：究竟反粒子的存在是電子所特有的性質(zhì)，還是所有的粒子都具有的普遍的性質(zhì). 如果所有的粒子都有相應的反粒子，首先的檢驗是應該存在質(zhì)子的反粒子、中子的反粒子.

這個問題在 24 年之后解決了，1956 年美國物理學家張伯倫(Owen Chamberlain)等在加速器的實驗中發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，即質(zhì)量與質(zhì)子相同，自旋量子數(shù)也是 1/2，帶一個單位負電荷的粒子.接著又發(fā)現(xiàn)了反中子.

后來發(fā)現(xiàn)，各種粒子都有相應的反粒子存在，這個規(guī)律是普遍的.有些粒子的反粒子就是它自己，這種粒子稱為純中性粒子.光子就是一種純中性粒子，光子的反粒子就是光子自己.

在粒子物理學中，已不再采用狄拉克的空穴理論來認識正反粒子之間的關系，而是從正反粒子完全對稱的場論觀點來認識. 一切粒子都有與之相應的反粒子，這個普遍結論被幾十年的粒子物理的發(fā)展不斷印證. “反粒子”已成為粒子物理學中一個重要的基本概念，并且其本身的含義也在不斷地發(fā)展和充實.

3.3　湯川的介子場理論

1935 年日本科學家湯川秀樹提出了核力的介子場理論.按照湯川理論，正如帶電粒子之間的電磁相互作用是通過交換靜止質(zhì)量為零的光子來實現(xiàn)的一樣，質(zhì)子和中子之間、質(zhì)子和質(zhì)子之間以及中子和中子之間的核力相互作用都是通過交換一種有靜止質(zhì)量的媒介粒子來實現(xiàn)的.

媒介粒子有靜止質(zhì)量決定了這種相互作用是短程的，也就是說，當距離超過某一稱為“力程”的長度時，相互作用的強度就迅速減少到可以忽略的地步. 決定質(zhì)子、中子放出和吸收媒介粒子能力的耦合常數(shù)很大，這就決定了在近距離時這種核力遠比電磁相互作用要強.至少要強 10 倍以上.

媒介粒子的靜止質(zhì)量m和核力相互作用的力程L滿足如下的關系：

(7)

根據(jù)實驗觀察到的核力力程的數(shù)量級約為 1.3～1.9飛米，估計出這種媒介粒子的靜止質(zhì)量應該約是電子的 200～300 倍，介于電子和質(zhì)子之間. 湯川把這種媒介粒子稱為介子.

3.4　π介子

1947 年英國物理學家鮑威爾(Cecil Frank Powell)在宇宙線實驗中發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量約為電子質(zhì)量 273 倍的帶正或負單位電荷的粒子，它與原子核之間有很強的相互作用，稱為π介子.

π介子是不穩(wěn)定粒子，平均壽命是 26.033ns，也就是一億分之 2.6033s.π 介子衰變時，絕大多數(shù)轉(zhuǎn)化為一個μ 子和一個中微子或一個反中微子；有一萬分之 1.230 的 π 介子衰變時轉(zhuǎn)化為一個電子和一個中微子或一個反中微子.

π 介子是湯川理論所預言的粒子，湯川理論經(jīng)過 12 年得到了實驗的證實.

1949 年湯川秀樹獲諾貝爾物理學獎.1950 年鮑威爾獲諾貝爾物理學獎.1950 年發(fā)現(xiàn)中性的 π 介子，比帶電 π 介子質(zhì)量輕一些，平均壽命是一億億分之 0.852s. 中性的π介子的平均壽命是帶電π介子的平均壽命的一億分之 0.33. 中性的π介子衰變時，98.623%轉(zhuǎn)化為 兩個光子；有1.174%的中性π介子衰變時轉(zhuǎn)化為一個電子、一個正電子和一個光子.

3.5　20世紀60年代的兩大突破性進展

粒子物理學是20世紀40年代開始從原子核物理學中分出來的，前期的發(fā)展大體上到20世紀50年代.

粒子物理學在20世紀60年代取得了兩個重大的突破性進展. 一個重大的突破性進展是強子結構理論的確立.

20世紀60年代以前，粒子物理學中并沒有得到顯示粒子有內(nèi)部結構的直接實驗證據(jù)，理論上對粒子的處理是把粒子看作一個“點”來處理的，并且取得很大的成功. 這樣粒子物理學在當時研究的主要是場和粒子的性質(zhì)、運動、相互作用、相互轉(zhuǎn)化規(guī)律.

20世紀60年代中，高能物理實驗的進展給出了能夠直接參與強相互作用的粒子即強子是有內(nèi)部結構的直接證據(jù)；理論上建立了強子結構理論，并且得到實驗的驗證.

在已發(fā)現(xiàn)的粒子中有一類粒子，統(tǒng)稱為強子——可以直接參與強相互作用的粒子統(tǒng)稱為強子，它們又按自旋量子數(shù)和重子數(shù)分為兩類：

介子：自旋量子數(shù)為 0, 1, 2, 3, …，重子數(shù)為零的強子.

重子：自旋量子數(shù)為 0, 1, 2, 3, …+1/2，重子數(shù)為 1 或-1 的強子.

到 2004 年 1 月已發(fā)現(xiàn)粒子中介子共173 種.重子數(shù)為 1 的 145 種重子和它們的反粒子(重子數(shù)為-1，通常稱為反重子)共 290 種.

現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子總數(shù)為 479 種，其中 463 是強子，占了其中的絕大多數(shù).

在對大量強子及其運動性質(zhì)分析的基礎上，1964 年美國物理學家蓋耳曼(Murray Gell-Mann)和茲韋格(George Zweig)相互獨立地提出了強子的結構模型，認為所有的強子都是由更深層次的粒子所組成.現(xiàn)在稱這個強子的結構理論為夸克模型.

很快地強子的結構理論得到了高能物理實驗的充分驗證和確立.

另一個重大的突破性進展是電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一理論的成功.

在物理學的發(fā)展過程中，一直在探討從實驗的研究中認識的各種相互作用之間的聯(lián)系，是否可以把它們統(tǒng)一起來.

在這個方向上的第一次突破是在經(jīng)典物理范圍內(nèi)實現(xiàn)的，把電相互作用和磁相互作用統(tǒng)一起來成為電磁相互作用.

微觀粒子之間存在著4種相互作用，這4種相互作用之間存在什么聯(lián)系，它們是否可以從更深刻的角度統(tǒng)一起來，一直是粒子物理學家關心的問題.

愛因斯坦在建立廣義相對論后，花了很長的時間致力于統(tǒng)一場論的研究，他希望能建立一個把電磁相互作用和引力相互作用統(tǒng)一起來的理論.

然而，他的這個研究并沒能取得成功，歸根結底，是因為物理學的發(fā)展在當時條件下還不成熟.當時人們對電磁相互作用和引力相互作用的宏觀規(guī)律已經(jīng)認識得相當清楚，但是對于弱相互作用和強相互作用這兩種只在微觀范圍內(nèi)才明顯顯現(xiàn)出來的短程相互作用的規(guī)律還認識得很少. 因此，在當時的條件下，愛因斯坦只能在電磁相互作用和引力相互作用的基礎上探索相互作用的統(tǒng)一理論.

粒子物理學30多年來的發(fā)展表明，首先成功地統(tǒng)一起來的是弱相互作用和電磁相互作用.

1961年，格拉肖(Glashow)提出了一個電弱統(tǒng)一模型，1967 年和 1968 年溫伯格(Weinberg)和薩拉姆(Salam)把這個理論建立在規(guī)范場理論的基礎上，并引入對稱性自發(fā)破缺的機理，使這個理論發(fā)展完善.

1971 年和 1972 年特霍夫(’t Hooft)和威特曼(Veltman)等人證明了這個理論是可重正化的，從而使這個理論完善了.

格拉肖、溫伯格和薩拉姆提出的電弱統(tǒng)一理論認為：弱相互作用和電磁相互作用本來屬于具有同一種對稱性的統(tǒng)一的相互作用，這種相互作用通過傳遞4種體現(xiàn)這種對稱性的粒子來實現(xiàn). 在能量較低的范圍，這種對稱性自發(fā)地破缺了，統(tǒng)一的電弱相互作用分解成為現(xiàn)在所觀察到的電磁相互作用和弱相互作用.后來，從20世紀70 年代到 80 年代，電弱統(tǒng)一理論得到實驗的判定性檢驗.經(jīng)過多年的實驗和理論的研究證明，電弱統(tǒng)一理論取得了極大的成功.

1979 年格拉肖、溫伯格和薩拉姆被授予諾貝爾物理學獎.1999 年特霍夫和威特曼被授予諾貝爾物理學獎.

20世紀60年代中實現(xiàn)了第二次突破，實現(xiàn)了把電磁相互作用和弱相互作用統(tǒng)一起來成為電弱相互作用.

由于電磁相互作用和弱相互作用的強度不同，力程不同，實驗行為不同，把它們統(tǒng)一起來所遇到的困難和問題要比把電相互作用和磁相互作用統(tǒng)一起來成為電磁相互作用復雜得多.

這兩個重大的突破性進展標志著粒子物理學的發(fā)展成熟.

4構成物質(zhì)世界的微觀粒子

人們一直在探索物質(zhì)世界微觀結構的基本規(guī)律和相互作用的基本規(guī)律.粒子物理是這個領域的前沿.

從20世紀60 年代到 90 年代實驗和理論的重大進展是確立了粒子物理的標準模型. 標準模型概括了以下的內(nèi)容：

物質(zhì)世界是由 61 種(或 62 種)粒子構成.

(1) 規(guī)范玻色子: 表1簡要給出相互作用的媒介粒子.

表1　相互作用的媒介粒子

如果物質(zhì)之間普遍存在的引力相互作用也是通過交換媒介粒子來實現(xiàn)的，則自然界應該存在引力相互作用的媒介粒子——引力子.

(2) 費米子: 自旋為1/2 的粒子.

費米子又分為輕子和夸克兩類，見表2.

表2　費米子

3代共 24 種，加上反粒子 24 種，共 48 種.

(3) Higgs 粒子： 自旋為零的粒子，不帶電，共 1 種.

這 62 種粒子中，能獨立存活的粒子共 10 種. 這 10 種粒子是電子 e-，3種中微子 νe、 νμ、ντ和這 4 種粒子的反粒子，再加上光子 γ 和引力子.

電子和正電子的質(zhì)量大于零，中微子和反中微子的質(zhì)量可能為零也有可能不等于零但質(zhì)量很小.光子和引力子的質(zhì)量為零.

復合粒子中，能獨立存活的粒子共 2 種：質(zhì)子和反質(zhì)子.

到 2012 年，這 62 種粒子中，實驗上還沒得到存在的直接證據(jù)的粒子有 2 種：

Higgs 粒子:m> 115.5GeV,CL= 95%

引力子：作用太弱，不能直接觀測.

唯一的應能找到還未找到的粒子——Higgs 粒子.

從高能物理的實驗給出: Higgs 粒子的質(zhì)量有 95 % 的概率是重于 115.5 GeV/c2，即重于 123 個質(zhì)子的質(zhì)量.

5粒子之間的基本相互作用

粒子之間的基本相互作用有 4 種

(1) 色相互作用： 媒介粒子為膠子 g. 短程，耦合常數(shù)為色荷, αs有普適性.

(2) 電弱相互作用： 媒介粒子為 γ,W+, W-, Z0能量低于 250GeV 時分解為性質(zhì)和行為很不相同的兩種相互作用為

電磁相互作用： 媒介粒子為γ光子, 長程，耦合常數(shù)為電荷e, 有普適性.

弱相互作用： 媒介粒子為 W+, W-, Z0，短程，耦合常數(shù)g2，g2/cosθw有普適性.

(3) 引力相互作用： 媒介粒子為引力子，長程，耦合常數(shù)正比于能量(質(zhì)量)，GN有普適性.

(4) Higgs 粒子湯川相互作用： 媒介粒子為 Higgs 粒子，短程，耦合常數(shù)正比于質(zhì)量(靜止質(zhì)量)，有普適性.

只有 Higgs 粒子湯川相互作用還沒有直接觀察到.

5.1　Higgs 粒子的性質(zhì)和作用

· 實現(xiàn)對稱性自發(fā)破缺

電弱相互作用→電磁相互作用+弱相互作用

· 使 W+, W-, Z0粒子獲得很重質(zhì)量.

· 使帶電輕子和夸克獲得質(zhì)量.

· Higgs 粒子與各種粒子相互作用性質(zhì)全部清楚.

· Higgs 粒子的質(zhì)量不能預言.

理論上給出如果存在 Higgs 粒子，粒子之間就有Higgs 粒子湯川相互作用.由于它的媒介粒子是質(zhì)量很重的 Higgs 粒子，需要在能量很高的實驗中才能觀察到這種相互作用的直接表現(xiàn)，現(xiàn)在實驗的能量還沒有達到這個要求.

5.2　2012 年的重大實驗進展

2012 年歐洲CERN(歐洲核子研究委員會)發(fā)現(xiàn)了一個重的 0+粒子，質(zhì)量為126 GeV，置信度為5個標準差.符合 Higgs 粒子的一般要求，但它是否就是標準模型中要求的 Higgs 粒子，則還需要進一步的實驗判定.

如果進一步的實驗判定它就是標準模型中要求的 Higgs 粒子，則標準模型概括的構成物質(zhì)世界的 61 種粒子都已找到.

6　光學是物理學中最早探知微觀粒子波粒二相性的部分

早期物理學的幾個部分：力學、熱學、電磁學、聲學、光學中，只有光學是最早探知微觀粒子的波粒二相性的.光學是研究可見光的光子產(chǎn)生、傳播、運動規(guī)律的學科：光子的直線傳播、反射、折射反映了它的粒子性；光的衍射、干涉、折射又反映了它的波動性；而光的折射既反映了粒子性又反映了波動性.

光是電磁波，可見光是從380～780nm之間的電磁波.光子是靜止質(zhì)量為零、自旋角動量為 1 的粒子，它由帶電粒子通過電磁作用產(chǎn)生，永遠以真空光速直線運動，然后被帶電粒子通過電磁作用吸收.每一個光子帶有的能量不同，正比于電磁波的頻率，因此紫光的光子帶有的能量大約是紅光的光子帶有的能量的 2 倍.波長在從380～780nm范圍之外的電磁波就不是可見光了，比紅光波長更長的是紅外線，通常叫熱線，比紫光波長更短的是紫外線.在空間傳播著的交變電磁場，即電磁波.它在真空中的傳播速度約為30萬km/s.電磁波包括的范圍很廣.實驗證明，無線電波、紅外線、可見光、紫外線、X射線、γ射線都是電磁波.光波的頻率比無線電波的頻率要高很多，光波的波長比無線電波的波長短很多；而X射線和γ射線的頻率則更高，波長則更短.為了對各種電磁波有個全面的了解，人們按照波長或頻率、波數(shù)、能量的順序把這些電磁波排列起來，這就是電磁波譜.

依照波長的長短以及波源的不同，電磁波譜可大致分為：

無線電波——波長從3000~10-3m，一般的電視和無線電廣播、手機等的波段就是用這種波.

微波——波長從1m~0.1cm，這些波多用在雷達或其他通信系統(tǒng).

紅外線——波長從10-3~7.8×10-7m；紅外線的熱效應特別顯著.

可見光——這是人們所能感光的極狹窄的一個波段.可見光的波長范圍很窄，大約在7600～4000?(在光譜學中常采用?作長度單位來表示波長，1?=10-10m).從可見光向兩邊擴展，波長比它長的稱為紅外線，波長大約從7600?直到十分之幾毫米.光是原子或分子內(nèi)的電子運動狀態(tài)改變時所發(fā)出的電磁波.由于它是我們能夠直接感受而察覺的電磁波極少的那一部分，波長從(7.8～3.8)×10-8m.

紫外線——波長比可見光短的稱為紫外線，它的波長從(380～10)×10-9m，它有顯著的化學效應和熒光效應.這種波產(chǎn)生的原因和光波類似，常常在放電時發(fā)出.由于它的能量和一般化學反應所牽涉的能量大小相當，因此紫外光的化學效應最強.

紅外線和紫外線都是人類看不見的，只能利用特殊的儀器來探測.無論是可見光、紅外線或紫外線，它們都是由原子或分子等微觀客體激發(fā)的.一方面由于超短波無線電技術的發(fā)展，無線電波的范圍不斷朝波長更短的方向發(fā)展；另一方面由于紅外技術的發(fā)展，紅外線的范圍不斷朝長波長的方向擴展.日前超短波和紅外線的分界已不存在，其范圍有一定的重疊.

倫琴射線——這部分電磁波譜，波長從10×10-9～0.01×10-9m.倫琴射線(X射線)是原子的內(nèi)層電子由一個能態(tài)跳至另一個能態(tài)時或電子在原子核電場內(nèi)減速時所發(fā)出的.隨著X射線技術的發(fā)展，它的波長范圍也不斷朝著兩個方向擴展.在長波段已與紫外線有所重疊，短波段已進入γ 射線領域.

γ射線(伽馬射線)——是波長從10-10～10-14m的電磁波.這種不可見的電磁波是從原子核內(nèi)發(fā)出來的，放射性物質(zhì)或原子核反應中常有這種輻射伴隨著發(fā)出. γ射線的穿透力很強，對生物的破壞力很大.

由于輻射強度隨頻率的減小而急劇下降，因此波長為幾百千米的低頻電磁波強度很弱，通常不為人們注意.實際中用的無線電波是從波長約幾千米(頻率為幾百千赫)開始.波長3000～50m(頻率100kHz～6MHz)的屬于中波段；波長50～10m(頻率6～30MHz)的為短波；波長10m～1cm(頻率30～3×104MHz)甚至達到1mm(頻率為3×105MHz)以下的為超短波(或微波).有時按照波長的數(shù)量級大小也常出現(xiàn)米波，分米波，厘米波，毫米波等名稱.中波和短波用于無線電廣播和通信，微波用于電視和無線電定位技術(雷達).

電磁波譜中上述各波段主要是按照得到和探測它們的方式不同來劃分的.隨著科學技術的發(fā)展，各波段都已沖破界限與其他相鄰波段重疊起來.在電磁波譜中除了波長極短(10-4～10-5?以下)的一端外，不再留有任何未知的空白了.

光學研究的不僅是可見光的產(chǎn)生與傳播，而是各種類型電磁波的產(chǎn)生與傳播.雖然各種類型電磁波都是電磁波，都是各種不同類型的光子，但是它們產(chǎn)生的機理不同，有各自的特點.按照各種電磁波產(chǎn)生的方式，可將其劃分成3個組成部分：高頻區(qū)(高頻輻射區(qū))——其中包括X射線、γ射線和宇宙射線.它們是利用帶電粒子轟擊某些物質(zhì)而產(chǎn)生的.這些輻射的特點是它們的量子能量高，當它們與物質(zhì)相互作用中，波動性弱而粒子性強.長波區(qū)(低能輻射區(qū))——其中包括長電振蕩、無線電波和微波等最低頻率的輻射.它們是由電子束管 配合電容、電感的共振結構來產(chǎn)生和接收的，也就是能量在電容和電感之間振蕩而形成.它們與物質(zhì)間的相互作用更多地表現(xiàn)為波動性.中間區(qū)(中能輻射區(qū))——其中包括紅外輻射、可見光和紫外輻射.這部分輻射產(chǎn)生于原子和分子的運動，在紅外區(qū)輻射主要產(chǎn)生于分子的轉(zhuǎn)動和振動；而在可見與紫外區(qū)輻射主要產(chǎn)生于電子在原子場中的躍遷.這部分輻射統(tǒng)稱為光輻射，這些輻射在與物質(zhì)的相互作用中顯示出波動和粒子雙重性.

這樣光學也就發(fā)展形成多種與光學有關的物理學分支，其中包括光物理學、激光物理學、非線性光學、電子光學、量子光學、無線電物理學、原子分子光學等.

隨著科學的發(fā)展，近代物理學中不斷地生長和發(fā)展出新的分支學科，如理論物理學、粒子物理學、原子核物理學、原子和分子物理學、天體物理學、凝聚態(tài)物理學、光物理學、激光物理學、非線性光學、低溫物理學、磁性物理學、金屬物理學、半導體物理學、材料物理學、表面物理學、介觀物理學、電真空物理學、電子物理學、無線電物理學、固體微電子學、等離子體物理學、聲學、固態(tài)物理學、液態(tài)物理學、高壓物理學、非線性物理學、計算物理學等.近幾十年來，物理學的各分支學科有著突飛猛進的迅速發(fā)展，對物理現(xiàn)象和物理學規(guī)律的探索研究不斷取得新的進展，豐富了人們對物質(zhì)世界物理運動基本規(guī)律的認識和掌握，促進了許多和物理學緊密相關的交叉學科和技術學科的發(fā)展.

7結語

物理學作為一門最基礎的自然科學，它的發(fā)展動力是深深地植根于人類對真理的非功利的追求.但是，歷史的發(fā)展將越來越有力地證明，正是這種非功利的追求給人類帶來最大的收益.當代技術進步的主要推動力來自純學科性的基礎研究.研究室和實驗室中純學科性的研究轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾膽眉夹g，實際生產(chǎn)和社會發(fā)展中遇到的問題轉(zhuǎn)化為有基礎學科意義的研究課題，兩者關系越來越密切，周期越來越短.與之相應，在現(xiàn)代，杰出的基礎科學研究人才和優(yōu)秀的應用技術開發(fā)人才在科學素質(zhì)上的要求變得更加一致了.進入 21 世紀之際，無論是制造業(yè)還是服務業(yè)，也無論是材料、信息、能源、交通、環(huán)境等技術部門，都在呼喚著新的技術變革.認真考察就會發(fā)現(xiàn)，多數(shù)這些變革都主要基于物理學近年的進展.21 世紀物理學毫無疑問仍是技術進步的主要源泉.

20 世紀以來，隨著近代物理學的迅猛發(fā)展，陸續(xù)發(fā)展了近代原子分子物理學、原子核物理學與核技術、原子核能的利用、激光物理和激光技術、半導體物理和器件、固體組件、超導電物理與技術、光電子學技術、X光技術、粒子物理，以此又推動了計算機科學技術和信息與通信科學技術的發(fā)展，并且形成了各種有關的新科學技術產(chǎn)業(yè). 它

們大大推動了現(xiàn)代社會的發(fā)展.

隨著科學的發(fā)展，不同學科相互滲透，出現(xiàn)了物理學與這些學科之間的一系列交叉學科，如數(shù)學物理學、天體物理學、化學物理學、生物物理學、大氣物理學、海洋物理學、地球物理學等.

物理學是整個自然科學的基礎.

物理學是現(xiàn)代高、新技術的基礎.

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作者簡介：高崇壽，男，教授，曾任國家教委高等學校物理學與天文學教學指導委員會主任委員，主要從事物理教育和理論物理研究工作.gaochsh@pku.edu.cn

收稿日期:2015-02-14