大学物理：第八章 物理学对物质世界的基本认识

1、第八章 物理学对物质世界的基本认识 前面几章已介绍物理学的一些基本原理，本章将从更一般的角度上介绍物理学对宇宙物质世界的基本认识,8.1物质世界的层次、形态 与基本相互作用,在人类已研究的物质客体中，空间尺度跨越了42个数量级（如图8-1-1），可分为宇观、宏观、介观、微观诸层次,图8-1-1,8.1.1 物质世界的层次,微观系统分子、原子尺度以下的物质客体。宏观系统人体尺寸上下几个数量级范围内的物质客体。介观系统介于宏观与微观之间的物质层次。宇观系统大于宏观层次的物质客体。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，物质内部结构则不连续。

2、 微观客体是构成宏观物质的基本单元如原子、原子核和基本粒子。物质由分子组成，分子由原子组成，原子又由原子核和绕核运转的电子组成。原子核由核子（质子和中子）构成，核子的组成单元是夸克。还有传递各种作用力的基本粒子如光子、w粒子、Z0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所组成,介观系统物理学的一个新的研究领域。介观体系分为亚微米体系（尺寸0.11m）、纳米体系（约1100nm）和团簇（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1nm，大的尺寸也可达几十纳米）。在这些介观体系中，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、小尺寸

3、效应、表面效应等性质。 宇观世界是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：行星层次、恒星层次、星系层次和宇宙整体,8.1.2 物质存在的基本形态 人类对物质的认识，首先是“实物”即原子、分子组成的各种固体、液体和气体，有固定的质量，看得见，实实在在。场是除实物以外的另一种物质实在,目前认识的物态有固态、液态、气态、等离子态、超密度态、反物质态和真空态7种。固、液和气态是常见的。等离子态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、日光灯、高空电离层和极高温度下的物体系统（如热核反应）中，也是宇宙物质存在的主要形式（恒星内部）。晚期恒星的物态是超密度态,

4、如白矮星密度高达105106g/ Cm3,中子星密度更高达1014 1016 g/cm3,反物质态是由反粒子构成的物态，如反质子和正电子组成反氢原子。真空态是物质存在的最低能态，物理意义上的真空并非“一无所有”。此外，在宇宙中还存在有大量的暗物质。暗物质可分两类:一类是利用天体发射、吸收、反射、折射或散射电磁波的特性，可探测到的天体物质，因为太远或辐射太弱而看不见。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,这才是真正的暗物质。这类暗物质占宇宙总质量的95%以上,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：（1）有能量、质量、动量，在

5、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。（2）也以时间和空间为其存在的基本形式。（3）场与实物可以相互转化，如光子在一定条件下可以变成正负电子对，反之亦然。但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，两个实物粒子不能同时占据同一个空间；而场具有可叠加性或弥散性；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,从量子场论观点看，量子场才是物质的基本形态。各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。场的最低能态称为基态，其他能态为激

6、发态,量子场的激发表现出相应粒子的产生，退激表现出粒子的湮没。互为复共扼的两种激发态表现为动量和质量相同的正、反粒子状态。量子场可分为三种基本场即实物场、媒介场和希格斯场。实物场所属的粒子有夸克和轻子（包括电子、电子中微子、子、子中微子、子、子中微子）。媒介场所属粒子有光子、胶子、引力子和W+、W-、Z0粒子。希格斯场所属粒子是希格斯粒子，希格斯粒子的作用是负责给所有粒子提供质量。所以，物质存在归结于场，物质粒子是场的一种特殊形态。如电子和正电子从属于电子场，是电子场的量子。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激发，产生一对光子。光子

7、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，量子场的量子即粒子。量子场是基本的，粒子是派生的。断续的粒子和连续的场统一于既有微粒性又有波动性的量子场中,8.1.3 真空物质存在的一种状态 1.狄拉克关于真空的解释 根据相对论能量动量关系: E2=(PC)2 + m02C4 （8-1-1） 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“负能态”。对电子每一个量,由（8-1-1）式，能量有两个值即 E= （8-1-2,在经典力学中

8、，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,由（8-1-2），可得到电子能级如图8-1-1所示，能量从- 变到-m0c2，又从+m0c2变到+ ，但不在-m0c2与+m0c2之间。正能态电子由实验可观察，而负能态电子从未观察到。狄拉克假设，负能级都被电子填满了，正能态电子无法进入。这种“负能电子海”叫真空。“真空”是一种负能态被填满而正能态全空着的状态，什么也,观察不到。只有当负能电子海中少了一个电子即出现一个“空穴”时，才表现出可观察效应。即少了一个电荷-e能量-mc2的粒子，相当于多了一个电荷+e能量+mc2的粒子。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，

9、表现为带正电（+e）粒子的运动。这个与电子等质量、电荷为+e的粒子叫做“正电子”。如果给真空中负能态电子以大于2 m0c2的能量（如光子能量），则可使其激发至正能态，于是出现可观察的正负电子对,图8-1-2,反之，正负电子对相遇时会同时消失，继而转变成光子。这一过程称为正负电子对湮没,2.关于反粒子 按照狄拉克理论，真空并非“空无所有”，而是一种负能粒子海。狄拉克预言，每一种粒子都会有相应的反粒子。1932年，安德森在研究宇宙射线时发现了正电子。1955年，美国的张伯伦塞格雷小组发现了反质子，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。1956年，我国著名物理学家王淦昌发

10、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现。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它粒子，如正负电子对湮没产生2个光子，不同能量下的质子和反质子相遇湮没可转化为介子或光子等各种各样的粒子,3.真空量子场的基态 按量子场论，物质世界由各种量子场组成。这些量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，所有物理反应都在大海的上空进行。由于激烈的物理反应，会扰动“海面”，一些“浪花”从海中溅出并参与“海面”上空的反应。这就是所谓的真空激发

11、。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“涨落”。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产生。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。当外界提供足够能量时，真空就会被激发，而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，是量子场的基态,8.1.4 物质的基本相互作用 (1).引力相互作用 引力是存在于任何两个物质客体之间的吸引力，是一种长程力。重力是地球对地面及地面附近的物体的引力，这种引力如此明显是由于地球质量十分巨大的缘

12、故。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称为“引力子”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。 (2).电磁相互作用 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。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源。因此，电力和磁力统称为电磁力。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,3).强相互作用。存在于质子、中子、介子等强子之

13、间的作用力称为强力（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。这种力把中子和质子结合成核。轻子如电子之间不会有这种作用。强力是短程力，作用范围小于10-15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粒子，强相互作用是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胶子的媒介粒子来传递的。 (4).弱相互作用。费米认为，-衰变的本质是核内中子变为质子，+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，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种新的相互作用，称

14、之为弱相互作用。弱力的力程比强力还短，而且很弱。弱相互作用只在粒子之间的某些反应（如衰变）才显示出其重要性,弱力是由W+、W-、Z0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,4种基本相互作用的特征列于表8-1-1中，按力的强弱排序，依次是强力、电磁力、弱力和引力,表8-1-1 四种基本相互作用力的特征,8.2 物理学与宇宙观 8.2.1 宇宙的总体图象与概貌 1 宇宙的整体结构银河系太阳系 按尺度规模, 宇宙天体可以分为四个层次：（1）行星层次：地球、其他行星、太阳系小天体和其他行星系统（含星际物质）。（2）恒星层次：太阳、其他恒星和恒星系统（含星际物质）。恒星最

15、近距离约41光年。（3）星系层次：银河系、各类星系和其他河外天体，星系群（几个或几十个星系构成）、星系团（几百个星系构成）等系统。最近的星系距离约106光年。星系约有1011个。（4）宇宙整体：在物理学和天文学中，常把宇宙与总星系等同看待即银河系及河外星系的总称。目前可测的宇宙范围约1.51010(150亿)光年，是人类认识所能到达的范围,天文学观测表明，宇宙中的物质分布有强烈的结团性，从而形成了行星、恒星、星系、星系团。在太阳周围约十万光年的范围内聚集大约1011颗恒星，即银河系。在银河系外，还有大量光点，它们并非恒星，而是类似银河系的恒星集团（星系）。星系的形状各不相同，有球型的，椭球型的

16、，旋涡型的，棒旋型的，还有许多稀奇古怪的不规则型,球形星系,漩涡星系,棒旋星系,在108光年的宇观尺度下，宇宙物质的分布是均匀和各向同性的。宇宙很简单，是以星系为“分子”组成的“均匀气体”。好比一箱密度均匀的气体，尽管原子的质量集中在很小的原子核上，但从宏观上看，气体的分布是均匀的。按宇宙学原理，所有星系都是平权的，宇宙没有中心。 银河系是一个包含1011个恒星的庞大的“旋涡星系”，恒星分布象一个扁平的铁饼，直径约万光年，中间凸起部分直径约万光年，外部由几条旋臂构成，我们的太阳位于离银心约.万光年的一条旋臂上,太阳系以太阳为中心，周围有九大行星绕其转动，从里到外依次为水星、金星、地球、火星、木

17、星、土星、天王星、海王星、冥王星。行星周围还有卫星绕其转动。行星运行轨道为椭圆，绕太阳公转，大体上在一个平面上且公转方向一致。除金星外，都以同一方向自转,太阳的质量占太阳系总质量的.。太阳周围还有数千个小行星、彗星。这些星体构成了太阳系。人类所在的星球地球从属于太阳系。人类能够幸运地出现和生存在地球上，主要因为：（）地球离太阳的距离适当，近则太热，远则太冷。（）地球大小适当，引力能维系着厚度适当的大气圈,宇宙在膨胀 从1909年到1914年间，美国天文学家斯里弗发现来源于大多数星云的光谱都有红移。1929年，美国天文学家哈勃发现：所有星系的光谱都存在“红移”，且红移的大小与星系离我们的距离成正

18、比。即所有星系都在飞快地远离我们而去，退行速度v与星系离我们的距离R成正比即v=HR。这一结论称为哈勃定律，H叫哈勃常数。什么是“红移”？观察远方星系发出的光谱，比地球上同种物质的光谱的波长要长，这种波长变长的现象称为“红移,根据多普勒效应，当波源远离观测者运动时，观测者接收的频率将变低（波长变长红移）。星系的光谱红移说明它们正在远离我们而去。那么，哈勃定律则给出了一幅宇宙正在膨胀的图景,3宇宙的年龄与大小 膨胀使宇宙密度降低，反推回去，宇宙膨胀必有一个密度非常大的起点。根据现在的膨胀速度，可以推断这种起点出现在大约100200亿年前，这就是宇宙的年龄。宇宙到底有多大？人类能探索的只能是光信号

19、能送达我们的那些星系。因此，即使宇宙的确是无限的，但可观测的宇宙是有限的，这种有限的大小约150亿光年,8.2.2 宇宙的起源与演化 如果宇宙正在膨胀，回溯过去，整个宇宙必定压缩在一个极小的范围里，然后在某个时刻发生了一次“大爆炸”，启动了宇宙膨胀,1948年，俄裔美国物理学家伽莫夫等人建立了“大爆炸宇宙论”，认为宇宙始于150亿年前的一个密度极大、温度极高的“原始火球”，那时既没有原子和分子，更谈不上恒星和星系，随着宇宙空间不断膨胀，密度减少（现在的密度约10-27千克/立方米），温度下降（目前绝对温度3开左右），在这个过程中发生了一系列相变，宇宙间的万事万物就是在这个不断膨胀冷却的有限时间

20、里形成的。所谓大爆炸，并非发生在三维空间中的一次爆炸，物质向虚无空间飞散，而是空间本身的膨胀。 大爆炸宇宙模型能解释最多的观测事实，而且至今还没有观测事实与它矛盾，因而被公认为宇宙演化的标准模型。所谓宇宙标准模型是指以宇宙大爆炸模型为基础，结合粒子物理、核物理、相对论、量子物理知识对宇宙起源和演化的一种解释,大爆炸模型所描述的宇宙演化过程大致如下: (1)大爆炸 宇宙开始于一个奇点，温度无限高，密度无限大，t=0时刻发生大爆炸。在大爆炸后到10-44秒（称为普朗克时间）的宇宙极早期，只存在量子引力，量子效应起主要作用，四种相互作用是统一的即只有一种力。爆炸是如何从一个奇点状态开始的，尚不清楚。

21、宇宙的故事只能从10-44秒开始，此时宇宙的温度高达1032开，密度是1093千克/立方米。这时的宇宙极其简单而对称，10-44秒标志经典宇宙的开始。 （2）最初半小时 在10-44秒时发生了超统一“相变”，引力首先从统一的力中分化出来，其余三种力即弱、电磁和强相互作用力仍然是统一的。10-35秒时，温度降到1028开，宇宙半径约3毫米，从10-3510-33秒，宇宙经历了一次暴涨过程，其直径在10-32秒内增大了1050倍，引起了数目惊人的粒子的产生。由于强力、弱力、电磁力的统一，所产生的粒子也不可区分(如夸克和轻子可以相互转变,暴涨过后，宇宙继续膨胀，强力、弱力、电磁力逐渐分化。首先是强作

22、用分离出来 具有分数电荷的原来自由的夸克和反夸克迅即结合成核子及其他强子以及它们的反粒子,宇宙演化到强子时代. 然后弱电相变发生，电磁作用和弱作用分开， “夸克禁闭”出现, 此时宇宙是粒子、反粒子、光子的混合物。10-6秒时,温度降到1013开，此时各种粒子处于不断的碰撞、转化、湮灭过程之中。宇宙继续膨胀、冷却，数目巨大的核子与反核子大量湮灭，产生大量的光子、中微子、反中微子。核子及所有的重子在宇宙创生10-6秒后在数量上大大减少了，这时电子、正电子、中微子和光子主宰着宇宙，宇宙进入了轻子时代。到1秒时，温度下降到1010开，此后正负电子大量湮灭，产生大量光子、中微子、反中微子，只剩下少量的电

23、子,约在1分钟时，温度降到109开，宇宙进入辐射时代，宇宙的主要成分是光子和中微子。由于弱力比电磁力小得多，只参与弱作用的中微子最先“脱耦”，此后中微子自由运动，很少与其它粒子作用。目前的一种看法是，假如中微子有微小质量，则它们可能是宇宙中大量不发光的暗物质。以后几分钟内，重要的事件核聚变反应开始，中子与质子碰撞形成氘核并放出光子，不稳定的氘核再结合成稳定的氦核。半小时后，宇宙膨胀，温度大大降低，各种粒子在相互碰撞中由于能量不够，核聚变反应停止（直至几百万年后，核聚变反应再在恒星内部发生），自然界各种粒子的丰度（质量百分比）从此遗留下来保持到现在。现今宇宙中可见的主要物质是氢和氦。在各种天体上

24、，氢与氦含量之比大致相同，质量比大致约75：25,3）随后一百万年 半小时后，宇宙中有比其它粒子数大109倍的光子，当时的宇宙是光子的海洋。由于这时温度仍然很高，光子有足够的能量击碎任何短暂形成的原子。随着宇宙膨胀，约经过一百万年,这些由爆炸初期产生的光子的能量已不足以击碎或激发原子。宇宙此时进入了退耦代 ,光子和原子及其它粒子相分离,宇宙对光子变得透明。而光子在太空中游戈，能量不断减少，自身保持黑体辐射谱并随着宇宙膨胀而一直冷却到今天的2.75开温度，波长相当于微波。这就是宇宙微波背景辐射。宇宙年龄100万年后，温度降到3000开，原子开始形成，但只能产生较轻的元素(较重的元素在以后的恒星内

25、部形成)。此时，宇宙开始物质为主宰的时代。大约在距今50亿年之前，宇宙中大量的氢和氦在引力作用下，凝聚成了星系、恒星、行星，后出现人类。宇宙从大爆炸演化至今约经过150亿年。但是大爆炸以前的宇宙是什么样子？时间是否该从大爆炸时刻算起？等等，都有待于探索而不易回答,上述大爆炸宇宙模型之所以被科学界较普遍接受，是由于它得到了一系列观测事实的支持： （1）关于天体的年龄 按宇宙大爆炸理论推算宇宙年龄在100200亿年之间。目前通过各种方法测得天体的年龄大约在50110亿年之间，与宇宙大爆炸理论大体相符。 （2）关于宇宙微波背景辐射 伽莫夫曾经预言，显示100多亿年前大爆炸遗迹的光子至今存在于太空之中

26、，宇宙间充满着具有黑体辐射谱的残余辐射，其波长约1mm，温度在5开左右。观测结果与伽莫夫的预言基本相符。 （3）关于氦的丰度 大爆炸宇宙理论给出氦元素基本上是在大爆炸后几分钟宇宙温度为109开时由质子的聚变形成的，由此可算出反应产生的氢和氦的质量比约为75：25，半小时后以大致相近的比例保持到现在。实测的氦的丰度在不同天体上大致相同且约为30,需要指出的是，大爆炸理论虽然得到了重要的观测支持，但也有不少观测与理论不符，于是就有其他的宇宙演化理论。原苏联科学家林德就提出了“混沌暴涨论”，认为存在由一个许多不同步发展的宇宙组成的大宇宙，而我们所在的这个大约一百多亿光年的宇宙只不过是众多不同性质的小

27、宇宙之一。人们对宇宙的认识在不断地发展着,8.2.3 星系、恒星的起源与演化 现时宇宙存在着星系团、星系和恒星。该结构是如何形成的？比较流行的观点是“引力不稳定理论”。大约在宇宙年龄100万年时，物质与光子分离形成了由中性原子构成的宇宙弥散气体(主要是氢、氦等中性原子)，其中总存在微小的密度涨落，即一些小区域的物质密度稍高于别处。这个小区域由于引力将吸引更多的物质使自己的密度增加。当然，由于内部的物质处于运动之中，因而存在内部压强。内部压强则与引力作用相反，趋向于使高密度区域分裂,所谓引力不稳定，指的是物质区域的自引力超过内部压力而使区域密度增加的过程。这样的区域尺寸大于某一临界尺寸，内部引力

28、作用将大于内部压力作用，从而成为凝聚中心，宇宙物质将凝聚收缩成原星系。原星系聚集在一起形成等级式结构的星系集团。与此同时，原星系本身又自行坍缩、出现碎裂，因碎裂出现的团块将演化成千千万万个恒星。这种过程是漫长的，要经过几十亿年的时间。 一般认为恒星由星云收缩而成。演变经历原恒星（幼年）主序星（中年）红巨星（老年）白矮星、黑矮星（质量小于太阳质量 8倍的恒星）；超新星、中子星（质量为太阳质量850倍的恒星）；黑洞（原始质量更大的恒星,星云是星际弥散物质凝成的团块（质量是太阳质量的数千倍以上），团块因引力而收缩，体积变小，密度增大，聚成球状，温度上升到一定阶段，向外发射不可见的红外线,当中心密度增

29、加到一定程度，中心部分逐渐变得不透明，热量就不易外逸，温度急剧上升。当中心温度达到2000开时，氢分子开始变成原子，吸收大量热量，使压力骤减，抵不住引力，因而中心崩陷为体积更小、密度更大的内核。外围形成一股强大的星风，速度达每秒几百公里,将驱散外围物质。全部的星周物质逐渐消失后，恒星便渐渐显露面目，亮度上升。以后进入慢收缩，温度继续上升。中心温度升到700万度以上时，便发生氢聚变为氦的核反应。核反应所产生的辐射压力与引力平衡时，恒星的体积和温度不再明显变化，进入了一个相对稳定阶段，成为一颗正常的恒星，叫主序星。恒星从星云团块过渡到主序星的收缩阶段的天体叫原恒星，原恒星阶段经历的时间约数千万年到

30、几亿年不等。主序星阶段是恒星的壮年期。恒星的光和热是靠燃烧自己的核燃料提供的,当恒星中心区的氦质量约占到整个星体质量的12%时，恒星结构会明显变化，开始离开主序。这时恒星的外壳仍有丰富的氢燃料。紧靠核心的包层的温度升高到1000万开，氢燃烧转移到那里进行。从而加热周围的壳层，引起包层膨胀，星体半径增大上百倍，有效温度降低，成为又红又大的红巨星（进入了老年期）。在红巨星的中心，氢已经燃烧完，变成一个氦核。辐射压力没有了，它将在引力作用下进一步收缩，温度又急剧上升。如果温度高到上亿开，又诱发氦核合成碳核的核反应，类似的过程继续下去，还将合成氧、硅等越来越重的元素，直到最稳定的铁为止。 在恒星生命即

31、将结束的时候，它以爆发的方式抛出含有重元素的气体和尘粒，这些气体和尘粒可能是构成新一代恒星的原料之一,据认为，太阳的年龄已有约50亿年，它是由大爆炸产生的原始气体及前代恒星爆炸抛射到空间的物质凝聚而成。在形成时期，围绕着中央原恒星旋转的冷的气尘会坍缩成一个旋转的薄盘，这些物质通过相互吸引碰撞粘合，最后形成小行星、大行星、卫星等各种天体包括地球。大约50亿年后，当太阳核心的氢燃烧光时，它的膨胀会使水星化为蒸汽、金星的大气被吹光、地球的海洋沸腾。然后还会继续膨胀，并把地球吞灭,恒星的最终归缩与其初始质量有关。初始质量小于太阳质量 8倍的恒星最终将成为白矮星。白矮星直径只有几千公里，但密度非常高（比

32、地球上金属的密度还要高数万倍），温度也非常高，使其表面呈白热化状态。白矮星在发出辐射的同时，逐渐冷却,数亿年后将变成棕矮星，最后变成黑矮星,质量为太阳质量850倍的恒星在核燃料耗尽后会发生极猛烈的爆炸，外层物质向星际空间猛烈抛射，在短短几天内亮度骤增千万倍甚至亿倍，称为超新星。爆发后留下的星核几乎全部由中子紧紧堆成。因为在巨大的压力下，原子中的电子被挤到原子核里去，和核里的质子结合成中子，故称为中子星。快速转动的中子星会产生射电脉冲，故也叫脉冲星。原始质量更大的恒星最终将变为黑洞。黑洞不是黑的，也不是一个空洞。黑洞的密度比中子星更高，其万有引力能吸引所有进入其区域的物质，连光也不能从中逃逸出来

33、。因为这种天体观测不到，故称之为黑洞,8.2.4 宇宙中的反物质世界 我们周围的物质世界是由质子、中子和电子组成的原子构成的。原则上，反质子、反中子也可以构成原子核，再配上正电子就得到反原子，由反原子再构成反分子，直至形成反物质,宇宙中究竟有没有反物质？根据宇宙标准模型，在宇宙大爆炸初期的极高温度条件下，完全可以产生大量的正反质子、正反中子和正反电子，这些反粒子形成反物质乃至反天体是有可能的。但迄今为止，人们除了在实验室或太空中发现反粒子外，还没有找到反物质的踪影。可能有以下原因： （1）大爆炸时产生的正反物质在开始就不对称，正物质多于反物质。而正反物质相遇时会产生湮没而转化为光子等粒子。宇宙

34、爆炸以来已历经150多亿年，残留的反物质已不多了。在浩瀚的宇宙世界很难找到它们。丁肇中研究小组进行的磁谱仪太空探测实验的结果表明，正电子仅为电子数的1/4，这说明宇宙大爆炸时形成的正反物质之比可能是4比1。如果正反物质世界共存于宇宙，会不断出现巨大的湮没性爆炸。所以即使能找到反物质，其量也很少,关于正反物质的不对称，还有一些说法。一种说法是,宇宙开始时正反粒子数几乎相等，由于某种涨落存在微小差别，后来大部分正反粒子一起湮没转化为能量，只留下稍多一些的某类粒子的多余部分，构成了现在的正物质宇宙。另一种说法是，由于反粒子消亡得更快些，使得宇宙的正物质更多一些,2）宇宙大爆炸后，可能由于在高温宇宙火

35、球内，正反粒子存在磁相互作用，出现有序磁场使正反粒子绕强磁场方向螺旋运动并以旋风形式从两端抛出，大量的反物质没有与正物质相遇湮没，远离正物质到达了宇宙的另一端。我们现在的“视野”或探测手段，还触及不到遥远的反物质世界，才使得我们有正反物质不对称的感觉。再之，由于正、反物质发出的电磁波或光谱相似，目前的观察手段还无法区分来自正反物质的天文信息，即使有反物质存在也难发现。 宇宙的反物质存在之谜等待着人们去揭开,8.2.5 宇宙的未来 宇宙从大爆炸时起，一直处于膨胀之中，那么宇宙的未来如何？是继续永远膨胀下去，还是有一天会收缩？或者有其它命运？当然收缩是可能的，因为各星系间存在着万有引力，万有引力可

36、以减少星系的退行速度。如果某一天退行速度减少到零，此后由于万有引力作用，星系开始聚拢，宇宙便开始收缩。收缩到一定时候将回到一个奇点，又开始新的大爆炸，再膨胀，这可能吗？ 通过分析，可以用临界密度来预言宇宙的命运。经过计算，临界密度110-26kg/m3。宇宙永远膨胀下去的条件是，现时宇宙平均密度小于临界密度。那么，现时的宇宙密度是多大呢？测量宇宙现时密度是一个相当困难的事情。目前只能通过星系发光（包括无线电波、x射线等）来估计发光物质的密度，这个密度比临界密度低一到两个数量级，看来宇宙将永远膨胀下去,但有证据表明，宇宙中除了发光的物质外，还有大量的不发光的暗物质。暗物质包括宇宙尘、黑洞、中微子

37、。中微子曾经被认为没有质量，但研究表明中微子也有静止质量，即使其质量只有电子质量的1/105，那它们的总质量也比所有质子和氦的质量大。近年来，天文学家认为宇宙中90%以上是暗物质。如果这样，宇宙将来可能会收缩。另外，天体物理学家认为，氘是大爆炸初期核反应所产生的，可以根据宇宙中氘的丰度算出宇宙密度，计算结果表明这一密度不超过10-27kg/m3。如果这种计算正确，宇宙又将永远膨胀下去。 宇宙将来的情景到底如何？膨胀还是收缩？目前的数据还不足以回答这个问题，有待于进一步探明宇宙真正的物质密度,8.3 物质世界的对称性和统一性 8.3.1 物质世界奇妙的对称性 对称是人们在观察和认识自然的过程中所

38、建立的一种概念，大自然的对称表现随处可见。动物和人体体形、植物树叶、晶体结构、天上星辰、地上景物、房屋建筑、生活用具等几何形体花样大多是空间对称的。白天黑夜交替、四季变化，不同周期中对应的时刻，运动完全重复，又体现了另一类对称性时间对称性。对称性定义如下：对某一事物或系统进行一次变换（或操作），如果经变换（或操作）后，该事物或系统完全复原，则称该事物或系统对所经历的变换（或操作）具有对称性。简单地说，对称性就是某种变换下的不变性。最常见、最基本的是空间对称性和时间对称性以及涉及空间和时间联合变换的时空对称性，其特点是比较直观。另一类对称性是所谓的内部对称性，它反映内在的和谐与协调，其特点是比较

39、抽象,1.时空对称性 (1).空间对称性 如果对被观察对象的空间位置进行某种变换后，看起来还象没有变过一样。这种几何空间配置上的对称性统称为空间对称性，包括镜像或左右对称、旋转对称和空间平移对称 1）镜像或左右对称 直观地看，一个物体在平面镜中的像与该物体一模一样，物体和镜像的各点关于镜平面是对称的。如图8-3-1所示，人的左手的像相当于右手，又如动物体形、树叶、蝴蝶翅膀及花纹等,图8-3-1,数学上可以用坐标变换来描述这种对称性，设x轴垂直于镜面，原点在镜面上，将一半图形的坐标x变成-x，就得到另一半图形。我们说这两半图形具有左右对称性或具有左右变换下的不变性。左右对称性也叫空间反射不变性。

40、空间反射，即把坐标轴的方向反过来。这种使空间突然反向的变换是不连续的，所以是一种分立变换，空间反射变换简称P变换。表征空间反射变换性质的特征量叫做空间宇称（简称宇称），宇称只有正负而无大小之分，即只有正宇称或负宇称,2) 空间平移对称 使一个形体沿某个方向发生平移后和原来一模一样，则该形体具有空间平移对称性例如，无限长直线对沿自身方向任意大小的平移不变，无限大平面对沿面内的任何大小的平移不变，无限长正弦波形沿波传播方向平移一个或多个波长后波形不变，晶体沿确定的方向平移一个该方向的原子间距不变。上述例子中，前两种的空间平移对称性级次较高,从数学上讲，所谓空间平移对称就是将描述形体几何位置的坐标系

41、的原点在空间平移一定距离后，形体不变,3)旋转对称 如果将一形体绕某一固定轴旋转一个角度后，与原来的形体一模一样，则该形体具有旋转对称性或轴对称性。圆柱体绕轴线旋转任意角度和原来一样，正方体绕中心轴旋转900、正六边形绕中心轴线旋转600后图形不变，圆柱体具有更高级次的对称性。如果一个形体对过某一定点的任意轴线都具有旋转对称性，则称之为具有球对称性，而那个定点就叫做对称中心。具有球对称性的形体，从对称中心出发，沿各个方向都没有区别，这叫做各向同性。天坛祈年殿、六角形雪花就是旋转对称的例子（图8-3-2,4）空间反演 如果将描述形体位置的坐标系的三个坐标（x,y,z）变为(-x,-y,-z)，与

42、原来形体一模一样（如图8-3-3），则该形体具有空间反演对称性。这相当于在镜像对称基础上，绕垂直于镜面的轴再转1800,图8-3-2,图8-3-1,2).时间对称性 对时间性质进行变换所对应的对称性称为时间对称性包括时间平移对称性和时间反演对称性。 1）时间平移对称性 如果对一个物体，在时间上平移某一时间间隔后，和原来一模一样，则该物体具有时间平移对称性，所对应的变换是计时原点的平移变换。静止不变的体系对任意小的时间间隔，都具有时间平移对称性。周期性变化的体系对周期的整数倍的时间间隔具有时间平移对称性，或者说具有周期变换下的不变性。在不同周期中的任意相对应的时刻，它们的状况完全相同，如物体的简

43、谐振动、波动、日出日落、花开花谢、四季变化、潮汐等,2）时间反演对称性 所谓时间反演，就是把时间t变换为-t的操作，即将时间进行逆转。我们把具有时间反演不变性的现象叫做具有时间反演对称性,当然在现实生活中，时间是不会倒流的，但我们可以设想把实际发生的事件用录像机记录，再倒过来放映，便会看到与正常过程相反的滑稽场面。日常生活中大多数现象并不具有时间反演对称性，例如一个人从树上跳到地面，相反的过程是从地面倒退着跳回树上。桌上的瓷杯掉到地上变成碎片，相反的过程是碎瓷片会自动拼凑成完整的瓷杯再跳回桌上。实际上，也有许多理想体系具有时间反演对称性，其录像正放、倒放没有区别。例如，被认为绝对静止的物体、无

44、阻尼自由振动等则如此。自由落体运动在时间反演操作下，速度反向，但重力和加速度总是向下的，所以重力和重力加速度具有时间反演对称性。时间反演变换也是一种分立变换，简称T变换。在T变换下，产生一个粒子变成了消灭一个粒子,3).时空对称性 空间对称性与时间对称性常常是相互交织在一起的,如伽里略变换和洛伦兹变换，都同时包含了时间和空间变换，这些变换被称为时空联合变换。由时空联合变换得出的不变性称为时空对称性,2.内部对称性 在一些变换中，时间和空间坐标并未改变，由这样的变换所得出的不变性称为内部对称性。例如，黑白照相底片和印出的照片所显示的图像是一样的，如果对底片进行“黑白互换”变换，底片就成了照片。“

45、黑白互换”是一种变换，但其所体现的对称性既不是空间对称性，也不是时间对称性，而属于一种内部对称性。在宏观物理范围，内部对称性常常具有很强的直观性。在微观物理范围，内部对称性的直观性减弱，但可以用直观的经验和已知的物理图像进行想象、类比和引申。内部空间和一些内部特征量就是这种类比引申的结果,微观粒子的自旋就是一个内部特征量。人们把自旋看作微观粒子自身固有的角动量，并将这种角动量想象成是由粒子某种内部运动引起的。但描述这种运动是在带有时间和空间坐标的普通空间里进行的，这与以后发现的一些内部对称性所在的假想空间不一样,同位旋对称性，就是出现在一个假想的同位旋空间，在这个空间具有转动不变性。1936年

46、，卡森和康登明确提出同位旋概念。中子和质子的自旋、宇称都相同，质量相仿，只有电荷的差别。因此，人们试图把这两种粒子看作是同一粒子在某个内部空间中存在的两种状态。这个内部空间就是同位旋空间，核子在该假想空间转动的角动量叫同位旋，质子和中子是该空间的一个二重态。在此空间作旋转变换时，使核子的两种状态互相变换，但核力不变。核力的转动不变性就是核子的同位旋对称性。核子的两个状态即质子和中子的区别仅在于它们的同位旋取向不同,现代物理学家还预言了很多反映微观世界特性的内部对称性的存在。实际上各种内部对称性，都可以概括地称为规范不变性。规范变换有两类：一类是变换时不涉及时空点，称作整体规范变换；另一类是变换

47、时依赖时空点，称作定域规范变换。相应的对称性分别为整体规范对称性和定域规范对称性。将整体规范对称性扩充到定域规范对称性时，要引进规范粒子，相应的场叫规范场。人们认识最早的规范粒子和规范场是光子和电磁场。人们所认识的规范对称性有电荷规范对称性、重子规范对称性、轻子规范对称性、正反粒子共轭对称性等等。正反粒子共轭变换是一种分立变换，称为C变换，也叫电荷共轭变换，指的是粒子和反粒子的相互变换，表征C变换的特征量叫C宇称，与空间反射变换的宇称一样也只有正负之分。把C变换、P变换（空间反射）和T变换（时间反演）三种分立变换联合起来的变换叫CPT变换。CPT不变性是一个非常普遍而完美的对称性，它能告诉我们

48、很多有用的东西。例如，通过它能导出正反粒子的下述关系：相同的质量、相同的寿命、等值反号的电荷，等等。人们公认，CPT对称性是自然界一个十分精确的对称性,把内部对称性和时空对称性结合在一起的广义对称性叫做超对称性，体现这种对称性的变换称为超规范变换，相应的假想空间叫超空间。这种对称性是将费米子（自旋为半整数的粒子）和玻色子（自旋为整数的粒子）互相变换的对称性。像质子和中子是同位旋空间的二重态一样，费米子和玻色子则是超空间的一个超多重态。超对称变换则将超多重态中的各个状态互换，从而将费米子和玻色子互换。将超对称性用于统一描述强力、弱力和电磁力的理论叫超对称大统一理论。将超对称性用于弦理论，就是所谓

49、的超弦理论。在普通的粒子场论中，粒子是当作一个点来描述的。而在超弦理论中，认为粒子是长约10-33厘米的弦，弦的一种振动方式对应一种粒子。超弦理论有可能解释包括引力在内的所有自然力,8.3.2 对称性与守恒定律 物理定律的对称性 人们在熟悉对称性概念以后，则希望搞清对称性和自然规律的内在关系。在物理学中，具有更深刻意义的是物理定律的对称性。物理定律的对称性指的是经过一定的对称变换或操作后，物理定律的形式保持不变（也叫做物理定律的不变性）。人们在对物理现象的研究中，逐渐发现物理学守恒定律与客观世界的对称性有着密切的联系。内特尔定理：对应于每一种对称性，必然对应存在一条守恒定律；反之，对于每一个守

50、恒定律，则有一个对称性。实际上，对称性和守恒定律是表达自然界图景的两种不同方式，它们共同丰富了人类对自然界的认识。某一对称性必然导致系统的某一动力学可观察量的守恒性，每一个守恒定律都有一个在某个变换下保持不变的物理量即守恒量，找到了这些守恒量，能给人们在研究物理过程时带来方便，使问题的处理变得简单,1.宏观世界的守恒量 在宏观世界，能量、动量、角动量、质量、电荷是守恒量，相应的有能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律、质量守恒定律、电荷守恒定律，下面简述它们对应的对称性。 （1）空间平移对称性与动量守恒定律 设想我们在空间某处做一个物理实验，然后将该套仪器连同影响该实验的一切外部因素平移到

51、另一处。如果给以同样的初始条件，实验将以同样的方式进行。这说明物理定律没有因平移而发生变化。这就是物理定律的空间平移对称性。由于它表明空间各处对物理定律是一样的，所以又叫做空间的均匀性。可以证明空间的均匀性或空间平移对称性与动量守恒定律是对应的,2）时间平移对称性与能量守恒定律 一个物理实验，只要不改变实验条件和实验仪器，无论是过去、现在、还是将来都会得到相同的实验结果。也就是说，当把研究物体运动的时间起点进行平移，物理规律的具体形式不会改变即物理规律对于时间平移变换具有不变性或对称性，而且由于平移任意的时间都是一样的，所以这种对称性级次更高。可以证明，时间平移对称性将导致能量守恒定律。 （3

52、）空间转动对称性与角动量守恒定律 如果在空间某处做实验后，再把仪器连同影响实验的一切外部条件转一个角度，则在相同的初始条件下，实验也会以完全相同的方式进行。这说明物理定律没有因转动而发生变化。这就是物理定律的转动对称性，由于它表明空间各个方向对物理定律是一样的，所以又叫空间的各向同性。可以证明，空间转动对称性将导致角动量守恒定律,4）洛伦兹对称性与质量守恒定律 由相对论，物理定律对所有的惯性系是等价的，即物理定律在洛伦兹变换下形式保持不变。这种不变性叫洛伦兹不变性或对称性。由于这一变换可得到质能关系E=mc2 ，因此从能量守恒必然得到质量守恒，于是洛伦兹对称性对应于质量守恒定律。 此外，还存在

53、着一种对称性叫电磁场（量子化的）规范对称性或不变性，它与电荷守恒定律有对应关系,2. 微观世界的守恒量 能量守恒、动量守恒、角动量守恒定律在微观世界也普遍适应。微观系统也有空间平移对称性，从而导致动量守恒。例如，一个粒子发生衰变或两个粒子发生散射（或碰撞），前后总动量不变。微观粒子的时间平移对称性导致能量守恒，即反应前后总能量相等，如核反应、光电效应等。微观粒子系统的空间转动对称性导致角动量守恒，如K+0，由于K+角动量为0，+0系统角动量也为0,在微观世界，能量、动量、角动量、电荷等是经典物理中已经熟知的守恒量。另外还出现了许多新的守恒量，如同位旋、轻子数、重子数、宇称等等，这些都没有经典对

54、应的守恒量，相应的守恒定律对应各种规范对称性或内部对称性，这里不作详细叙述。值得注意的是，有的守恒定律在对各种相互作用下都成立，但有的守恒定律对某些相互作用成立，而对另一些相互作用则不成立，如同位旋只在强相互作用下守恒；P宇称、C宇称在强相互作用和电磁作用下守恒，但在弱相互作用下可以不守恒,8.3.3 宇称守恒与不守恒问题 所谓宇称就是与空间反射或反演操作相对应的守恒量。由于空间转动对称性的存在，三个坐标轴同时反向的空间反演和一个坐标轴反向的空间反射实际上是等价的。可以说宇称即是镜像操作性质的物理量,对于某一状态的系统的镜像和它本身的关系只可能有两种情况。一种是它的镜像和它本身完全一样，例如一

55、个正放的圆筒状杯子和它的镜像的关系就是如此（如图8-3-5 ），我们说它具有偶宇称或正宇称（实际上指粒子处于某一状态,另一种情况是系统和它的镜像有左右之分，因而不能完全重合，右手的镜像成为左手就是这种情况。又如一座时钟与它的镜像，虽然形状完全相同，但指针的走动方向正好反过来（如图8-3-6）。我们说这样的系统具有奇宇称或负宇称（实际上也是指粒子处于某一状态,图8-3-5,图8-3-6,用符号P表示镜像反射操作，由于连续两次镜像反射操作物体不变即P2=1，宇称的数值只能为+1和-1，偶宇称规定为+1，奇宇称规定为-1。宇称具有可乘性而不是可加性。在量子力学中，如果描述系统状态的波函数（x）在空间

56、反演下不变即P(x)=(-x)=(x),或P(x) =(x)(如(x)=cosx),则系统处于宇称值为+1的状态或偶（正）宇称状态。如果（x）在空间反演下变号即P(x)=(-x)=-(x)或P(x)=-(x)(如（x）=sinx),则系统处于奇（负）宇称状态。若一个粒子的轨道宇称和内禀宇称都是偶函数（正宇称）或都是奇函数（负宇称），相乘以后的总宇称为正宇称。若一个为正宇称，而另一个为负宇称，则相乘以后的总宇称为负宇称,在宏观范围内物体的运动规律虽然有很好的左右对称性，但这种对称性并不对应存在守恒定律,在微观范围内如果粒子系统运动规律具有左右对称性，则对应存在P宇称守恒定律，这时系统的P宇称将在

57、整个运动过程中保持为+1或-1。与正反粒子变换（C变换）对应的C宇称也是如此。在没有外来影响的条件下，不论发生如何剧烈的变化，粒子系统的总宇称在相互作用过程中保持不变，这一规律称为宇称守恒定律。宇称守恒定律曾经被人们认为是自然界一条普遍规律。在量子力学中能够形成宇称守恒定律，这是因为物理定律一直显示出左右之间的完全对称性。也就是说，物理规律对于实物和它的镜像是一致的，我们无法用规律本身来判断过程所进行的是物还是像,1956年前后，粒子物理实验中遇到了一个所谓“”疑难：实验中发现了两种质量、寿命和电荷都相同的粒子和粒子，衰变成3个介子，而衰变成2个介子，介子的宇称为-1，这样的总宇称应为负，的总

58、宇称应为正,因此，从质量、寿命和电荷等性质相同来看，它们应该是以两种不同方式衰变的同一种粒子，但如果宇称是守恒量，则它们就不可能是同一种粒子,李政道和杨振宁指出这个疑难的关键在于认为微观粒子运动过程中宇称守恒。他们认为介子和介子是同一种粒子而怀疑宇称守恒定律的正确性，指出在强相互作用和电磁相互作用过程中宇称守恒有实验的检验，而弱相互作用过程中宇称守恒并无实验的检验，进而得出弱相互作用过程中宇称可能不守恒的结论,他们建议通过钴-60的衰变实验来进行验证。1957年，吴健雄精确地进行了这一实验，以确凿的证据证明了李政道和杨振宁所得结论(弱相互作用过程中宇称可能不守恒)的正确性。这里的另一个结论是介

59、子和介子被认为是同一种粒子,现在通常称为K介子,弱相互作用宇称不守恒问题告诉我们，各种守恒定律的适应范围是不同的，有些守恒定律在任何过程中都是“绝对”成立的，如动量守恒、角动量守恒、能量守恒等；而有些守恒定律则有局限性，只适应于某些过程，如P宇称在强相互作用和电磁相互作用过程中守恒，但在弱相互作用过程中不守恒。 理论上还可以证明,如果运动规律在空间反射P变换下不变,则在正反粒子C变换下也是不变的,并且在时间反演T变换下也是不变的.在李政道和杨振宁发现弱相互作用中宇称可以不守恒以后,物理学家很快就确认了弱相互作用的运动规律在C变换下不再保持不变（C宇称不守恒）,但在C、P联合变换下仍然是不变的（

60、CP宇称在弱相互作用下守恒）。后来进一步研究表明，弱相互作用下CP宇称仍然有约千分之二不守恒，其机理尚不清楚，一直是物理理论研究的重要课题之一,弱相互作用下宇称不守恒的性质表明，空间左右并不是那么对称，但这种不对称并不那样明显，只有在微观领域的弱相互作用过程中才能被观察到，而在强相互作用、电磁相互作用、引力相互作用中，我们无法察觉到空间左右的不对称，其宇称是守恒的,8.3.4 对称性思想在物理学发展中的重要作用 对称性与物理守恒定律之间的关系直到20世纪20年代才被物理学家逐渐意识到，这是因为这种关系在经典物理学中没能显示出其重要性。只是在量子力学建立以后，这种重要性才表现出来。物理学中有许多