大學(xué)物理：第八章 物理學(xué)對物質(zhì)世界的基本認識

1、第八章 物理學(xué)對物質(zhì)世界的基本認識 前面幾章已介紹物理學(xué)的一些基本原理，本章將從更一般的角度上介紹物理學(xué)對宇宙物質(zhì)世界的基本認識,8.1物質(zhì)世界的層次、形態(tài) 與基本相互作用,在人類已研究的物質(zhì)客體中，空間尺度跨越了42個數(shù)量級（如圖8-1-1），可分為宇觀、宏觀、介觀、微觀諸層次,圖8-1-1,8.1.1 物質(zhì)世界的層次,微觀系統(tǒng)分子、原子尺度以下的物質(zhì)客體。宏觀系統(tǒng)人體尺寸上下幾個數(shù)量級范圍內(nèi)的物質(zhì)客體。介觀系統(tǒng)介于宏觀與微觀之間的物質(zhì)層次。宇觀系統(tǒng)大于宏觀層次的物質(zhì)客體。從宏觀角度看，物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)連續(xù)、而宇宙不連續(xù)。從宇觀角度看，整個宇宙的物質(zhì)密度均勻。從微觀角度看，物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)則不連續(xù)。

2、 微觀客體是構(gòu)成宏觀物質(zhì)的基本單元如原子、原子核和基本粒子。物質(zhì)由分子組成，分子由原子組成，原子又由原子核和繞核運轉(zhuǎn)的電子組成。原子核由核子（質(zhì)子和中子）構(gòu)成，核子的組成單元是夸克。還有傳遞各種作用力的基本粒子如光子、w粒子、Z0粒子、膠子和引力子。各種各樣的宏觀物質(zhì)最后歸結(jié)于若干個基本粒子所組成,介觀系統(tǒng)物理學(xué)的一個新的研究領(lǐng)域。介觀體系分為亞微米體系（尺寸0.11m）、納米體系（約1100nm）和團簇（含幾十到幾百個或上千個原子、分子、離子的聚集體，典型尺寸小于1nm，大的尺寸也可達幾十納米）。在這些介觀體系中，出現(xiàn)了許多既不同于宏觀物體也不同于微觀體系的奇特的現(xiàn)象，如量子尺寸效應(yīng)、小尺寸

3、效應(yīng)、表面效應(yīng)等性質(zhì)。 宇觀世界是萬有引力起主要作用的世界。按尺度規(guī)模，天體可分為四個層次：行星層次、恒星層次、星系層次和宇宙整體,8.1.2 物質(zhì)存在的基本形態(tài) 人類對物質(zhì)的認識，首先是“實物”即原子、分子組成的各種固體、液體和氣體，有固定的質(zhì)量，看得見，實實在在。場是除實物以外的另一種物質(zhì)實在,目前認識的物態(tài)有固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)、等離子態(tài)、超密度態(tài)、反物質(zhì)態(tài)和真空態(tài)7種。固、液和氣態(tài)是常見的。等離子態(tài)是由足夠數(shù)量的正負帶電粒子組成、運動受電磁力支配的物態(tài)。它存在于電弧、日光燈、高空電離層和極高溫度下的物體系統(tǒng)（如熱核反應(yīng)）中，也是宇宙物質(zhì)存在的主要形式（恒星內(nèi)部）。晚期恒星的物態(tài)是超密度態(tài),

4、如白矮星密度高達105106g/ Cm3,中子星密度更高達1014 1016 g/cm3,反物質(zhì)態(tài)是由反粒子構(gòu)成的物態(tài)，如反質(zhì)子和正電子組成反氫原子。真空態(tài)是物質(zhì)存在的最低能態(tài)，物理意義上的真空并非“一無所有”。此外，在宇宙中還存在有大量的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)可分兩類:一類是利用天體發(fā)射、吸收、反射、折射或散射電磁波的特性，可探測到的天體物質(zhì)，因為太遠或輻射太弱而看不見。另一類是不會發(fā)光而與電磁波無緣的物質(zhì)，它們對各種波長的光是完全透明體，但具有萬有引力,這才是真正的暗物質(zhì)。這類暗物質(zhì)占宇宙總質(zhì)量的95%以上,場是宇宙中另一種物質(zhì)形態(tài)，如電磁場、引力場。場的物質(zhì)性表現(xiàn)在：（1）有能量、質(zhì)量、動量，在

5、場中進行的過程遵循質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒等規(guī)律。（2）也以時間和空間為其存在的基本形式。（3）場與實物可以相互轉(zhuǎn)化，如光子在一定條件下可以變成正負電子對，反之亦然。但場與實物的根本差別在于：實物粒子如電、質(zhì)子、中子具有不可入性或定域性，兩個實物粒子不能同時占據(jù)同一個空間；而場具有可疊加性或彌散性；場的粒子如光子沒有靜止質(zhì)量，在真空中的傳播速度不變，而實物粒子有靜止質(zhì)量且運動的質(zhì)量與速度有關(guān)。場和實物粒子從不同側(cè)面反映了宇宙世界的物質(zhì)性,從量子場論觀點看，量子場才是物質(zhì)的基本形態(tài)。各種基本粒子都可以引進相應(yīng)的量子場，量子場是具有波動性和粒子性相結(jié)合的客體。場的最低能態(tài)稱為基態(tài)，其他能態(tài)為激

6、發(fā)態(tài),量子場的激發(fā)表現(xiàn)出相應(yīng)粒子的產(chǎn)生，退激表現(xiàn)出粒子的湮沒?；閺?fù)共扼的兩種激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為動量和質(zhì)量相同的正、反粒子狀態(tài)。量子場可分為三種基本場即實物場、媒介場和希格斯場。實物場所屬的粒子有夸克和輕子（包括電子、電子中微子、子、子中微子、子、子中微子）。媒介場所屬粒子有光子、膠子、引力子和W+、W-、Z0粒子。希格斯場所屬粒子是希格斯粒子，希格斯粒子的作用是負責(zé)給所有粒子提供質(zhì)量。所以，物質(zhì)存在歸結(jié)于場，物質(zhì)粒子是場的一種特殊形態(tài)。如電子和正電子從屬于電子場，是電子場的量子。電子場的激發(fā)表現(xiàn)為正電子和電子的產(chǎn)生，電子場的退激表現(xiàn)為電子和正電子的湮滅。退激的能量又使電磁場激發(fā)，產(chǎn)生一對光子。光子

7、從屬于光子場即電磁場，是電磁場的基本粒子。其他物質(zhì)粒子類似，是它們所從屬的量子場的激發(fā)，量子場的量子即粒子。量子場是基本的，粒子是派生的。斷續(xù)的粒子和連續(xù)的場統(tǒng)一于既有微粒性又有波動性的量子場中,8.1.3 真空物質(zhì)存在的一種狀態(tài) 1.狄拉克關(guān)于真空的解釋 根據(jù)相對論能量動量關(guān)系: E2=(PC)2 + m02C4 （8-1-1） 狄拉克結(jié)合相對論和量子力學(xué)，建立了狄拉克波動方程。由該方程得出的解有四個波函數(shù)，對應(yīng)電子的四個狀態(tài)。其中兩個波函數(shù)對應(yīng)兩種自旋取向的電子正能態(tài)，另兩個波函數(shù)則對應(yīng)于電子的“負能態(tài)”。對電子每一個量,由（8-1-1）式，能量有兩個值即 E= （8-1-2,在經(jīng)典力學(xué)中

8、，不存在負能量物體。狄拉克認為，在量子力學(xué)中負能量有物理意義,由（8-1-2），可得到電子能級如圖8-1-1所示，能量從- 變到-m0c2，又從+m0c2變到+ ，但不在-m0c2與+m0c2之間。正能態(tài)電子由實驗可觀察，而負能態(tài)電子從未觀察到。狄拉克假設(shè)，負能級都被電子填滿了，正能態(tài)電子無法進入。這種“負能電子?！苯姓婵铡！罢婵铡笔且环N負能態(tài)被填滿而正能態(tài)全空著的狀態(tài)，什么也,觀察不到。只有當(dāng)負能電子海中少了一個電子即出現(xiàn)一個“空穴”時，才表現(xiàn)出可觀察效應(yīng)。即少了一個電荷-e能量-mc2的粒子，相當(dāng)于多了一個電荷+e能量+mc2的粒子。負能級中空穴又會被其它負能電子填充，于是出現(xiàn)空穴的運動，

9、表現(xiàn)為帶正電（+e）粒子的運動。這個與電子等質(zhì)量、電荷為+e的粒子叫做“正電子”。如果給真空中負能態(tài)電子以大于2 m0c2的能量（如光子能量），則可使其激發(fā)至正能態(tài)，于是出現(xiàn)可觀察的正負電子對,圖8-1-2,反之，正負電子對相遇時會同時消失，繼而轉(zhuǎn)變成光子。這一過程稱為正負電子對湮沒,2.關(guān)于反粒子 按照狄拉克理論，真空并非“空無所有”，而是一種負能粒子海。狄拉克預(yù)言，每一種粒子都會有相應(yīng)的反粒子。1932年，安德森在研究宇宙射線時發(fā)現(xiàn)了正電子。1955年，美國的張伯倫塞格雷小組發(fā)現(xiàn)了反質(zhì)子，不久又發(fā)現(xiàn)了反中子。1961年，美國布魯克海汶實驗室發(fā)現(xiàn)了反氘核。1956年，我國著名物理學(xué)家王淦昌發(fā)

10、現(xiàn)了反西格瑪超子。以后其他許多基本粒子的反粒子也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)。反粒子與其對應(yīng)的粒子的質(zhì)量、自旋、平均壽命、磁矩的大小都相等。如果帶電，則兩者的電荷相反。磁矩和自旋方向也相反。各種粒子與反粒子相遇會發(fā)生湮沒而而轉(zhuǎn)化為其它粒子，如正負電子對湮沒產(chǎn)生2個光子，不同能量下的質(zhì)子和反質(zhì)子相遇湮沒可轉(zhuǎn)化為介子或光子等各種各樣的粒子,3.真空量子場的基態(tài) 按量子場論，物質(zhì)世界由各種量子場組成。這些量子場系統(tǒng)的能量最低態(tài)（基態(tài)）就是真空。物理真空好比一個蘊含著無窮大能量的大海，所有物理反應(yīng)都在大海的上空進行。由于激烈的物理反應(yīng)，會擾動“海面”，一些“浪花”從海中濺出并參與“海面”上空的反應(yīng)。這就是所謂的真空激發(fā)

11、。根據(jù)海森伯不確定關(guān)系，在真空的細微時空區(qū)域，能量不確定度會很大，將出現(xiàn)能量“漲落”。如果漲落的能量超過電子靜止質(zhì)量的兩倍，就可能引起正負電子對的產(chǎn)生。但這種電子對只存在于細微的時空區(qū)域，所以是虛粒子對。如果漲落的能量更大，將可能產(chǎn)生更大質(zhì)量的虛粒子對。若外界不提供能量，這些虛粒子對會迅速湮沒。當(dāng)外界提供足夠能量時，真空就會被激發(fā)，而表現(xiàn)出可觀察的粒子效應(yīng)。因此，真空是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)，是量子場的基態(tài),8.1.4 物質(zhì)的基本相互作用 (1).引力相互作用 引力是存在于任何兩個物質(zhì)客體之間的吸引力，是一種長程力。重力是地球?qū)Φ孛婕暗孛娓浇奈矬w的引力，這種引力如此明顯是由于地球質(zhì)量十分巨大的緣

12、故。宇宙中天體的質(zhì)量很大，因此天體之間的相互作用表現(xiàn)的是引力。理論研究認為，引力相互作用是由一種稱為“引力子”的媒介粒子（類似于光子）來傳遞的。但目前還沒有觀察到引力子。 (2).電磁相互作用 電磁力是帶電粒子或宏觀帶電體之間的作用力。兩個點電荷之間的作用力遵循庫侖定律。庫侖力比萬有引力強得多。運動的電荷之間除了有電力外，還會有磁力相互作用。磁力和電力具有同一本源。因此，電力和磁力統(tǒng)稱為電磁力。電磁力是一種長程力。電磁相互作用是通過電磁場傳遞的，電磁力的傳遞速度是光速。如果說引力相互作用支配著天體的運行，那么電磁相互作用則支配著原子與分子的世界,3).強相互作用。存在于質(zhì)子、中子、介子等強子之

13、間的作用力稱為強力（強力作用占壓倒優(yōu)勢的粒子叫強子），表現(xiàn)的是強子之間很強的相互吸引。這種力把中子和質(zhì)子結(jié)合成核。輕子如電子之間不會有這種作用。強力是短程力，作用范圍小于10-15米。在原子核內(nèi)，強力占支配地位。夸克是組成質(zhì)子和中子等粒子的更基本的粒子，強相互作用是使夸克結(jié)合成質(zhì)子和中子等粒子.強相互作用是通過一種稱為膠子的媒介粒子來傳遞的。 (4).弱相互作用。費米認為，-衰變的本質(zhì)是核內(nèi)中子變?yōu)橘|(zhì)子，+衰變相反。中子與質(zhì)子可看成核子的兩個狀態(tài)，它們之間的轉(zhuǎn)變相當(dāng)于不同量子態(tài)的躍遷，在躍遷過程中同時放出電子和中微子。導(dǎo)致產(chǎn)生光子的是電磁相互作用，導(dǎo)致產(chǎn)生電子和中微子的則是一種新的相互作用，稱

14、之為弱相互作用。弱力的力程比強力還短，而且很弱。弱相互作用只在粒子之間的某些反應(yīng)（如衰變）才顯示出其重要性,弱力是由W+、W-、Z0粒子作為傳遞媒介的，但是這種媒介粒子的質(zhì)量較大，比質(zhì)子和中子的質(zhì)量還大,4種基本相互作用的特征列于表8-1-1中，按力的強弱排序，依次是強力、電磁力、弱力和引力,表8-1-1 四種基本相互作用力的特征,8.2 物理學(xué)與宇宙觀 8.2.1 宇宙的總體圖象與概貌 1 宇宙的整體結(jié)構(gòu)銀河系太陽系 按尺度規(guī)模, 宇宙天體可以分為四個層次：（1）行星層次：地球、其他行星、太陽系小天體和其他行星系統(tǒng)（含星際物質(zhì)）。（2）恒星層次：太陽、其他恒星和恒星系統(tǒng)（含星際物質(zhì)）。恒星最

15、近距離約41光年。（3）星系層次：銀河系、各類星系和其他河外天體，星系群（幾個或幾十個星系構(gòu)成）、星系團（幾百個星系構(gòu)成）等系統(tǒng)。最近的星系距離約106光年。星系約有1011個。（4）宇宙整體：在物理學(xué)和天文學(xué)中，常把宇宙與總星系等同看待即銀河系及河外星系的總稱。目前可測的宇宙范圍約1.51010(150億)光年，是人類認識所能到達的范圍,天文學(xué)觀測表明，宇宙中的物質(zhì)分布有強烈的結(jié)團性，從而形成了行星、恒星、星系、星系團。在太陽周圍約十萬光年的范圍內(nèi)聚集大約1011顆恒星，即銀河系。在銀河系外，還有大量光點，它們并非恒星，而是類似銀河系的恒星集團（星系）。星系的形狀各不相同，有球型的，橢球型的

16、，旋渦型的，棒旋型的，還有許多稀奇古怪的不規(guī)則型,球形星系,漩渦星系,棒旋星系,在108光年的宇觀尺度下，宇宙物質(zhì)的分布是均勻和各向同性的。宇宙很簡單，是以星系為“分子”組成的“均勻氣體”。好比一箱密度均勻的氣體，盡管原子的質(zhì)量集中在很小的原子核上，但從宏觀上看，氣體的分布是均勻的。按宇宙學(xué)原理，所有星系都是平權(quán)的，宇宙沒有中心。 銀河系是一個包含1011個恒星的龐大的“旋渦星系”，恒星分布象一個扁平的鐵餅，直徑約萬光年，中間凸起部分直徑約萬光年，外部由幾條旋臂構(gòu)成，我們的太陽位于離銀心約.萬光年的一條旋臂上,太陽系以太陽為中心，周圍有九大行星繞其轉(zhuǎn)動，從里到外依次為水星、金星、地球、火星、木

17、星、土星、天王星、海王星、冥王星。行星周圍還有衛(wèi)星繞其轉(zhuǎn)動。行星運行軌道為橢圓，繞太陽公轉(zhuǎn)，大體上在一個平面上且公轉(zhuǎn)方向一致。除金星外，都以同一方向自轉(zhuǎn),太陽的質(zhì)量占太陽系總質(zhì)量的.。太陽周圍還有數(shù)千個小行星、彗星。這些星體構(gòu)成了太陽系。人類所在的星球地球從屬于太陽系。人類能夠幸運地出現(xiàn)和生存在地球上，主要因為：（）地球離太陽的距離適當(dāng)，近則太熱，遠則太冷。（）地球大小適當(dāng)，引力能維系著厚度適當(dāng)?shù)拇髿馊?宇宙在膨脹 從1909年到1914年間，美國天文學(xué)家斯里弗發(fā)現(xiàn)來源于大多數(shù)星云的光譜都有紅移。1929年，美國天文學(xué)家哈勃發(fā)現(xiàn)：所有星系的光譜都存在“紅移”，且紅移的大小與星系離我們的距離成正

18、比。即所有星系都在飛快地遠離我們而去，退行速度v與星系離我們的距離R成正比即v=HR。這一結(jié)論稱為哈勃定律，H叫哈勃常數(shù)。什么是“紅移”？觀察遠方星系發(fā)出的光譜，比地球上同種物質(zhì)的光譜的波長要長，這種波長變長的現(xiàn)象稱為“紅移,根據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)波源遠離觀測者運動時，觀測者接收的頻率將變低（波長變長紅移）。星系的光譜紅移說明它們正在遠離我們而去。那么，哈勃定律則給出了一幅宇宙正在膨脹的圖景,3宇宙的年齡與大小 膨脹使宇宙密度降低，反推回去，宇宙膨脹必有一個密度非常大的起點。根據(jù)現(xiàn)在的膨脹速度，可以推斷這種起點出現(xiàn)在大約100200億年前，這就是宇宙的年齡。宇宙到底有多大？人類能探索的只能是光信號

19、能送達我們的那些星系。因此，即使宇宙的確是無限的，但可觀測的宇宙是有限的，這種有限的大小約150億光年,8.2.2 宇宙的起源與演化 如果宇宙正在膨脹，回溯過去，整個宇宙必定壓縮在一個極小的范圍里，然后在某個時刻發(fā)生了一次“大爆炸”，啟動了宇宙膨脹,1948年，俄裔美國物理學(xué)家伽莫夫等人建立了“大爆炸宇宙論”，認為宇宙始于150億年前的一個密度極大、溫度極高的“原始火球”，那時既沒有原子和分子，更談不上恒星和星系，隨著宇宙空間不斷膨脹，密度減少（現(xiàn)在的密度約10-27千克/立方米），溫度下降（目前絕對溫度3開左右），在這個過程中發(fā)生了一系列相變，宇宙間的萬事萬物就是在這個不斷膨脹冷卻的有限時間

20、里形成的。所謂大爆炸，并非發(fā)生在三維空間中的一次爆炸，物質(zhì)向虛無空間飛散，而是空間本身的膨脹。 大爆炸宇宙模型能解釋最多的觀測事實，而且至今還沒有觀測事實與它矛盾，因而被公認為宇宙演化的標準模型。所謂宇宙標準模型是指以宇宙大爆炸模型為基礎(chǔ)，結(jié)合粒子物理、核物理、相對論、量子物理知識對宇宙起源和演化的一種解釋,大爆炸模型所描述的宇宙演化過程大致如下: (1)大爆炸 宇宙開始于一個奇點，溫度無限高，密度無限大，t=0時刻發(fā)生大爆炸。在大爆炸后到10-44秒（稱為普朗克時間）的宇宙極早期，只存在量子引力，量子效應(yīng)起主要作用，四種相互作用是統(tǒng)一的即只有一種力。爆炸是如何從一個奇點狀態(tài)開始的，尚不清楚。

21、宇宙的故事只能從10-44秒開始，此時宇宙的溫度高達1032開，密度是1093千克/立方米。這時的宇宙極其簡單而對稱，10-44秒標志經(jīng)典宇宙的開始。 （2）最初半小時 在10-44秒時發(fā)生了超統(tǒng)一“相變”，引力首先從統(tǒng)一的力中分化出來，其余三種力即弱、電磁和強相互作用力仍然是統(tǒng)一的。10-35秒時，溫度降到1028開，宇宙半徑約3毫米，從10-3510-33秒，宇宙經(jīng)歷了一次暴漲過程，其直徑在10-32秒內(nèi)增大了1050倍，引起了數(shù)目驚人的粒子的產(chǎn)生。由于強力、弱力、電磁力的統(tǒng)一，所產(chǎn)生的粒子也不可區(qū)分(如夸克和輕子可以相互轉(zhuǎn)變,暴漲過后，宇宙繼續(xù)膨脹，強力、弱力、電磁力逐漸分化。首先是強作

22、用分離出來 具有分數(shù)電荷的原來自由的夸克和反夸克迅即結(jié)合成核子及其他強子以及它們的反粒子,宇宙演化到強子時代. 然后弱電相變發(fā)生，電磁作用和弱作用分開， “夸克禁閉”出現(xiàn), 此時宇宙是粒子、反粒子、光子的混合物。10-6秒時,溫度降到1013開，此時各種粒子處于不斷的碰撞、轉(zhuǎn)化、湮滅過程之中。宇宙繼續(xù)膨脹、冷卻，數(shù)目巨大的核子與反核子大量湮滅，產(chǎn)生大量的光子、中微子、反中微子。核子及所有的重子在宇宙創(chuàng)生10-6秒后在數(shù)量上大大減少了，這時電子、正電子、中微子和光子主宰著宇宙，宇宙進入了輕子時代。到1秒時，溫度下降到1010開，此后正負電子大量湮滅，產(chǎn)生大量光子、中微子、反中微子，只剩下少量的電

23、子,約在1分鐘時，溫度降到109開，宇宙進入輻射時代，宇宙的主要成分是光子和中微子。由于弱力比電磁力小得多，只參與弱作用的中微子最先“脫耦”，此后中微子自由運動，很少與其它粒子作用。目前的一種看法是，假如中微子有微小質(zhì)量，則它們可能是宇宙中大量不發(fā)光的暗物質(zhì)。以后幾分鐘內(nèi)，重要的事件核聚變反應(yīng)開始，中子與質(zhì)子碰撞形成氘核并放出光子，不穩(wěn)定的氘核再結(jié)合成穩(wěn)定的氦核。半小時后，宇宙膨脹，溫度大大降低，各種粒子在相互碰撞中由于能量不夠，核聚變反應(yīng)停止（直至幾百萬年后，核聚變反應(yīng)再在恒星內(nèi)部發(fā)生），自然界各種粒子的豐度（質(zhì)量百分比）從此遺留下來保持到現(xiàn)在?，F(xiàn)今宇宙中可見的主要物質(zhì)是氫和氦。在各種天體上

24、，氫與氦含量之比大致相同，質(zhì)量比大致約75：25,3）隨后一百萬年 半小時后，宇宙中有比其它粒子數(shù)大109倍的光子，當(dāng)時的宇宙是光子的海洋。由于這時溫度仍然很高，光子有足夠的能量擊碎任何短暫形成的原子。隨著宇宙膨脹，約經(jīng)過一百萬年,這些由爆炸初期產(chǎn)生的光子的能量已不足以擊碎或激發(fā)原子。宇宙此時進入了退耦代 ,光子和原子及其它粒子相分離,宇宙對光子變得透明。而光子在太空中游戈，能量不斷減少，自身保持黑體輻射譜并隨著宇宙膨脹而一直冷卻到今天的2.75開溫度，波長相當(dāng)于微波。這就是宇宙微波背景輻射。宇宙年齡100萬年后，溫度降到3000開，原子開始形成，但只能產(chǎn)生較輕的元素(較重的元素在以后的恒星內(nèi)

25、部形成)。此時，宇宙開始物質(zhì)為主宰的時代。大約在距今50億年之前，宇宙中大量的氫和氦在引力作用下，凝聚成了星系、恒星、行星，后出現(xiàn)人類。宇宙從大爆炸演化至今約經(jīng)過150億年。但是大爆炸以前的宇宙是什么樣子？時間是否該從大爆炸時刻算起？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學(xué)界較普遍接受，是由于它得到了一系列觀測事實的支持： （1）關(guān)于天體的年齡 按宇宙大爆炸理論推算宇宙年齡在100200億年之間。目前通過各種方法測得天體的年齡大約在50110億年之間，與宇宙大爆炸理論大體相符。 （2）關(guān)于宇宙微波背景輻射 伽莫夫曾經(jīng)預(yù)言，顯示100多億年前大爆炸遺跡的光子至今存在于太空之中

26、，宇宙間充滿著具有黑體輻射譜的殘余輻射，其波長約1mm，溫度在5開左右。觀測結(jié)果與伽莫夫的預(yù)言基本相符。 （3）關(guān)于氦的豐度 大爆炸宇宙理論給出氦元素基本上是在大爆炸后幾分鐘宇宙溫度為109開時由質(zhì)子的聚變形成的，由此可算出反應(yīng)產(chǎn)生的氫和氦的質(zhì)量比約為75：25，半小時后以大致相近的比例保持到現(xiàn)在。實測的氦的豐度在不同天體上大致相同且約為30,需要指出的是，大爆炸理論雖然得到了重要的觀測支持，但也有不少觀測與理論不符，于是就有其他的宇宙演化理論。原蘇聯(lián)科學(xué)家林德就提出了“混沌暴漲論”，認為存在由一個許多不同步發(fā)展的宇宙組成的大宇宙，而我們所在的這個大約一百多億光年的宇宙只不過是眾多不同性質(zhì)的小

27、宇宙之一。人們對宇宙的認識在不斷地發(fā)展著,8.2.3 星系、恒星的起源與演化 現(xiàn)時宇宙存在著星系團、星系和恒星。該結(jié)構(gòu)是如何形成的？比較流行的觀點是“引力不穩(wěn)定理論”。大約在宇宙年齡100萬年時，物質(zhì)與光子分離形成了由中性原子構(gòu)成的宇宙彌散氣體(主要是氫、氦等中性原子)，其中總存在微小的密度漲落，即一些小區(qū)域的物質(zhì)密度稍高于別處。這個小區(qū)域由于引力將吸引更多的物質(zhì)使自己的密度增加。當(dāng)然，由于內(nèi)部的物質(zhì)處于運動之中，因而存在內(nèi)部壓強。內(nèi)部壓強則與引力作用相反，趨向于使高密度區(qū)域分裂,所謂引力不穩(wěn)定，指的是物質(zhì)區(qū)域的自引力超過內(nèi)部壓力而使區(qū)域密度增加的過程。這樣的區(qū)域尺寸大于某一臨界尺寸，內(nèi)部引力

28、作用將大于內(nèi)部壓力作用，從而成為凝聚中心，宇宙物質(zhì)將凝聚收縮成原星系。原星系聚集在一起形成等級式結(jié)構(gòu)的星系集團。與此同時，原星系本身又自行坍縮、出現(xiàn)碎裂，因碎裂出現(xiàn)的團塊將演化成千千萬萬個恒星。這種過程是漫長的，要經(jīng)過幾十億年的時間。 一般認為恒星由星云收縮而成。演變經(jīng)歷原恒星（幼年）主序星（中年）紅巨星（老年）白矮星、黑矮星（質(zhì)量小于太陽質(zhì)量 8倍的恒星）；超新星、中子星（質(zhì)量為太陽質(zhì)量850倍的恒星）；黑洞（原始質(zhì)量更大的恒星,星云是星際彌散物質(zhì)凝成的團塊（質(zhì)量是太陽質(zhì)量的數(shù)千倍以上），團塊因引力而收縮，體積變小，密度增大，聚成球狀，溫度上升到一定階段，向外發(fā)射不可見的紅外線,當(dāng)中心密度增

29、加到一定程度，中心部分逐漸變得不透明，熱量就不易外逸，溫度急劇上升。當(dāng)中心溫度達到2000開時，氫分子開始變成原子，吸收大量熱量，使壓力驟減，抵不住引力，因而中心崩陷為體積更小、密度更大的內(nèi)核。外圍形成一股強大的星風(fēng)，速度達每秒幾百公里,將驅(qū)散外圍物質(zhì)。全部的星周物質(zhì)逐漸消失后，恒星便漸漸顯露面目，亮度上升。以后進入慢收縮，溫度繼續(xù)上升。中心溫度升到700萬度以上時，便發(fā)生氫聚變?yōu)楹さ暮朔磻?yīng)。核反應(yīng)所產(chǎn)生的輻射壓力與引力平衡時，恒星的體積和溫度不再明顯變化，進入了一個相對穩(wěn)定階段，成為一顆正常的恒星，叫主序星。恒星從星云團塊過渡到主序星的收縮階段的天體叫原恒星，原恒星階段經(jīng)歷的時間約數(shù)千萬年到

30、幾億年不等。主序星階段是恒星的壯年期。恒星的光和熱是靠燃燒自己的核燃料提供的,當(dāng)恒星中心區(qū)的氦質(zhì)量約占到整個星體質(zhì)量的12%時，恒星結(jié)構(gòu)會明顯變化，開始離開主序。這時恒星的外殼仍有豐富的氫燃料。緊靠核心的包層的溫度升高到1000萬開，氫燃燒轉(zhuǎn)移到那里進行。從而加熱周圍的殼層，引起包層膨脹，星體半徑增大上百倍，有效溫度降低，成為又紅又大的紅巨星（進入了老年期）。在紅巨星的中心，氫已經(jīng)燃燒完，變成一個氦核。輻射壓力沒有了，它將在引力作用下進一步收縮，溫度又急劇上升。如果溫度高到上億開，又誘發(fā)氦核合成碳核的核反應(yīng)，類似的過程繼續(xù)下去，還將合成氧、硅等越來越重的元素，直到最穩(wěn)定的鐵為止。 在恒星生命即

31、將結(jié)束的時候，它以爆發(fā)的方式拋出含有重元素的氣體和塵粒，這些氣體和塵?？赡苁菢?gòu)成新一代恒星的原料之一,據(jù)認為，太陽的年齡已有約50億年，它是由大爆炸產(chǎn)生的原始氣體及前代恒星爆炸拋射到空間的物質(zhì)凝聚而成。在形成時期，圍繞著中央原恒星旋轉(zhuǎn)的冷的氣塵會坍縮成一個旋轉(zhuǎn)的薄盤，這些物質(zhì)通過相互吸引碰撞粘合，最后形成小行星、大行星、衛(wèi)星等各種天體包括地球。大約50億年后，當(dāng)太陽核心的氫燃燒光時，它的膨脹會使水星化為蒸汽、金星的大氣被吹光、地球的海洋沸騰。然后還會繼續(xù)膨脹，并把地球吞滅,恒星的最終歸縮與其初始質(zhì)量有關(guān)。初始質(zhì)量小于太陽質(zhì)量 8倍的恒星最終將成為白矮星。白矮星直徑只有幾千公里，但密度非常高（比

32、地球上金屬的密度還要高數(shù)萬倍），溫度也非常高，使其表面呈白熱化狀態(tài)。白矮星在發(fā)出輻射的同時，逐漸冷卻,數(shù)億年后將變成棕矮星，最后變成黑矮星,質(zhì)量為太陽質(zhì)量850倍的恒星在核燃料耗盡后會發(fā)生極猛烈的爆炸，外層物質(zhì)向星際空間猛烈拋射，在短短幾天內(nèi)亮度驟增千萬倍甚至億倍，稱為超新星。爆發(fā)后留下的星核幾乎全部由中子緊緊堆成。因為在巨大的壓力下，原子中的電子被擠到原子核里去，和核里的質(zhì)子結(jié)合成中子，故稱為中子星?？焖俎D(zhuǎn)動的中子星會產(chǎn)生射電脈沖，故也叫脈沖星。原始質(zhì)量更大的恒星最終將變?yōu)楹诙?。黑洞不是黑的，也不是一個空洞。黑洞的密度比中子星更高，其萬有引力能吸引所有進入其區(qū)域的物質(zhì)，連光也不能從中逃逸出來

33、。因為這種天體觀測不到，故稱之為黑洞,8.2.4 宇宙中的反物質(zhì)世界 我們周圍的物質(zhì)世界是由質(zhì)子、中子和電子組成的原子構(gòu)成的。原則上，反質(zhì)子、反中子也可以構(gòu)成原子核，再配上正電子就得到反原子，由反原子再構(gòu)成反分子，直至形成反物質(zhì),宇宙中究竟有沒有反物質(zhì)？根據(jù)宇宙標準模型，在宇宙大爆炸初期的極高溫度條件下，完全可以產(chǎn)生大量的正反質(zhì)子、正反中子和正反電子，這些反粒子形成反物質(zhì)乃至反天體是有可能的。但迄今為止，人們除了在實驗室或太空中發(fā)現(xiàn)反粒子外，還沒有找到反物質(zhì)的蹤影。可能有以下原因： （1）大爆炸時產(chǎn)生的正反物質(zhì)在開始就不對稱，正物質(zhì)多于反物質(zhì)。而正反物質(zhì)相遇時會產(chǎn)生湮沒而轉(zhuǎn)化為光子等粒子。宇宙

34、爆炸以來已歷經(jīng)150多億年，殘留的反物質(zhì)已不多了。在浩瀚的宇宙世界很難找到它們。丁肇中研究小組進行的磁譜儀太空探測實驗的結(jié)果表明，正電子僅為電子數(shù)的1/4，這說明宇宙大爆炸時形成的正反物質(zhì)之比可能是4比1。如果正反物質(zhì)世界共存于宇宙，會不斷出現(xiàn)巨大的湮沒性爆炸。所以即使能找到反物質(zhì)，其量也很少,關(guān)于正反物質(zhì)的不對稱，還有一些說法。一種說法是,宇宙開始時正反粒子數(shù)幾乎相等，由于某種漲落存在微小差別，后來大部分正反粒子一起湮沒轉(zhuǎn)化為能量，只留下稍多一些的某類粒子的多余部分，構(gòu)成了現(xiàn)在的正物質(zhì)宇宙。另一種說法是，由于反粒子消亡得更快些，使得宇宙的正物質(zhì)更多一些,2）宇宙大爆炸后，可能由于在高溫宇宙火

35、球內(nèi)，正反粒子存在磁相互作用，出現(xiàn)有序磁場使正反粒子繞強磁場方向螺旋運動并以旋風(fēng)形式從兩端拋出，大量的反物質(zhì)沒有與正物質(zhì)相遇湮沒，遠離正物質(zhì)到達了宇宙的另一端。我們現(xiàn)在的“視野”或探測手段，還觸及不到遙遠的反物質(zhì)世界，才使得我們有正反物質(zhì)不對稱的感覺。再之，由于正、反物質(zhì)發(fā)出的電磁波或光譜相似，目前的觀察手段還無法區(qū)分來自正反物質(zhì)的天文信息，即使有反物質(zhì)存在也難發(fā)現(xiàn)。 宇宙的反物質(zhì)存在之謎等待著人們?nèi)ソ议_,8.2.5 宇宙的未來 宇宙從大爆炸時起，一直處于膨脹之中，那么宇宙的未來如何？是繼續(xù)永遠膨脹下去，還是有一天會收縮？或者有其它命運？當(dāng)然收縮是可能的，因為各星系間存在著萬有引力，萬有引力可

36、以減少星系的退行速度。如果某一天退行速度減少到零，此后由于萬有引力作用，星系開始聚攏，宇宙便開始收縮。收縮到一定時候?qū)⒒氐揭粋€奇點，又開始新的大爆炸，再膨脹，這可能嗎？ 通過分析，可以用臨界密度來預(yù)言宇宙的命運。經(jīng)過計算，臨界密度110-26kg/m3。宇宙永遠膨脹下去的條件是，現(xiàn)時宇宙平均密度小于臨界密度。那么，現(xiàn)時的宇宙密度是多大呢？測量宇宙現(xiàn)時密度是一個相當(dāng)困難的事情。目前只能通過星系發(fā)光（包括無線電波、x射線等）來估計發(fā)光物質(zhì)的密度，這個密度比臨界密度低一到兩個數(shù)量級，看來宇宙將永遠膨脹下去,但有證據(jù)表明，宇宙中除了發(fā)光的物質(zhì)外，還有大量的不發(fā)光的暗物質(zhì)。暗物質(zhì)包括宇宙塵、黑洞、中微子

37、。中微子曾經(jīng)被認為沒有質(zhì)量，但研究表明中微子也有靜止質(zhì)量，即使其質(zhì)量只有電子質(zhì)量的1/105，那它們的總質(zhì)量也比所有質(zhì)子和氦的質(zhì)量大。近年來，天文學(xué)家認為宇宙中90%以上是暗物質(zhì)。如果這樣，宇宙將來可能會收縮。另外，天體物理學(xué)家認為，氘是大爆炸初期核反應(yīng)所產(chǎn)生的，可以根據(jù)宇宙中氘的豐度算出宇宙密度，計算結(jié)果表明這一密度不超過10-27kg/m3。如果這種計算正確，宇宙又將永遠膨脹下去。 宇宙將來的情景到底如何？膨脹還是收縮？目前的數(shù)據(jù)還不足以回答這個問題，有待于進一步探明宇宙真正的物質(zhì)密度,8.3 物質(zhì)世界的對稱性和統(tǒng)一性 8.3.1 物質(zhì)世界奇妙的對稱性 對稱是人們在觀察和認識自然的過程中所

38、建立的一種概念，大自然的對稱表現(xiàn)隨處可見。動物和人體體形、植物樹葉、晶體結(jié)構(gòu)、天上星辰、地上景物、房屋建筑、生活用具等幾何形體花樣大多是空間對稱的。白天黑夜交替、四季變化，不同周期中對應(yīng)的時刻，運動完全重復(fù)，又體現(xiàn)了另一類對稱性時間對稱性。對稱性定義如下：對某一事物或系統(tǒng)進行一次變換（或操作），如果經(jīng)變換（或操作）后，該事物或系統(tǒng)完全復(fù)原，則稱該事物或系統(tǒng)對所經(jīng)歷的變換（或操作）具有對稱性。簡單地說，對稱性就是某種變換下的不變性。最常見、最基本的是空間對稱性和時間對稱性以及涉及空間和時間聯(lián)合變換的時空對稱性，其特點是比較直觀。另一類對稱性是所謂的內(nèi)部對稱性，它反映內(nèi)在的和諧與協(xié)調(diào)，其特點是比較

39、抽象,1.時空對稱性 (1).空間對稱性 如果對被觀察對象的空間位置進行某種變換后，看起來還象沒有變過一樣。這種幾何空間配置上的對稱性統(tǒng)稱為空間對稱性，包括鏡像或左右對稱、旋轉(zhuǎn)對稱和空間平移對稱 1）鏡像或左右對稱 直觀地看，一個物體在平面鏡中的像與該物體一模一樣，物體和鏡像的各點關(guān)于鏡平面是對稱的。如圖8-3-1所示，人的左手的像相當(dāng)于右手，又如動物體形、樹葉、蝴蝶翅膀及花紋等,圖8-3-1,數(shù)學(xué)上可以用坐標變換來描述這種對稱性，設(shè)x軸垂直于鏡面，原點在鏡面上，將一半圖形的坐標x變成-x，就得到另一半圖形。我們說這兩半圖形具有左右對稱性或具有左右變換下的不變性。左右對稱性也叫空間反射不變性。

40、空間反射，即把坐標軸的方向反過來。這種使空間突然反向的變換是不連續(xù)的，所以是一種分立變換，空間反射變換簡稱P變換。表征空間反射變換性質(zhì)的特征量叫做空間宇稱（簡稱宇稱），宇稱只有正負而無大小之分，即只有正宇稱或負宇稱,2) 空間平移對稱 使一個形體沿某個方向發(fā)生平移后和原來一模一樣，則該形體具有空間平移對稱性例如，無限長直線對沿自身方向任意大小的平移不變，無限大平面對沿面內(nèi)的任何大小的平移不變，無限長正弦波形沿波傳播方向平移一個或多個波長后波形不變，晶體沿確定的方向平移一個該方向的原子間距不變。上述例子中，前兩種的空間平移對稱性級次較高,從數(shù)學(xué)上講，所謂空間平移對稱就是將描述形體幾何位置的坐標系

41、的原點在空間平移一定距離后，形體不變,3)旋轉(zhuǎn)對稱 如果將一形體繞某一固定軸旋轉(zhuǎn)一個角度后，與原來的形體一模一樣，則該形體具有旋轉(zhuǎn)對稱性或軸對稱性。圓柱體繞軸線旋轉(zhuǎn)任意角度和原來一樣，正方體繞中心軸旋轉(zhuǎn)900、正六邊形繞中心軸線旋轉(zhuǎn)600后圖形不變，圓柱體具有更高級次的對稱性。如果一個形體對過某一定點的任意軸線都具有旋轉(zhuǎn)對稱性，則稱之為具有球?qū)ΨQ性，而那個定點就叫做對稱中心。具有球?qū)ΨQ性的形體，從對稱中心出發(fā)，沿各個方向都沒有區(qū)別，這叫做各向同性。天壇祈年殿、六角形雪花就是旋轉(zhuǎn)對稱的例子（圖8-3-2,4）空間反演 如果將描述形體位置的坐標系的三個坐標（x,y,z）變?yōu)?-x,-y,-z)，與

42、原來形體一模一樣（如圖8-3-3），則該形體具有空間反演對稱性。這相當(dāng)于在鏡像對稱基礎(chǔ)上，繞垂直于鏡面的軸再轉(zhuǎn)1800,圖8-3-2,圖8-3-1,2).時間對稱性 對時間性質(zhì)進行變換所對應(yīng)的對稱性稱為時間對稱性包括時間平移對稱性和時間反演對稱性。 1）時間平移對稱性 如果對一個物體，在時間上平移某一時間間隔后，和原來一模一樣，則該物體具有時間平移對稱性，所對應(yīng)的變換是計時原點的平移變換。靜止不變的體系對任意小的時間間隔，都具有時間平移對稱性。周期性變化的體系對周期的整數(shù)倍的時間間隔具有時間平移對稱性，或者說具有周期變換下的不變性。在不同周期中的任意相對應(yīng)的時刻，它們的狀況完全相同，如物體的簡

43、諧振動、波動、日出日落、花開花謝、四季變化、潮汐等,2）時間反演對稱性 所謂時間反演，就是把時間t變換為-t的操作，即將時間進行逆轉(zhuǎn)。我們把具有時間反演不變性的現(xiàn)象叫做具有時間反演對稱性,當(dāng)然在現(xiàn)實生活中，時間是不會倒流的，但我們可以設(shè)想把實際發(fā)生的事件用錄像機記錄，再倒過來放映，便會看到與正常過程相反的滑稽場面。日常生活中大多數(shù)現(xiàn)象并不具有時間反演對稱性，例如一個人從樹上跳到地面，相反的過程是從地面倒退著跳回樹上。桌上的瓷杯掉到地上變成碎片，相反的過程是碎瓷片會自動拼湊成完整的瓷杯再跳回桌上。實際上，也有許多理想體系具有時間反演對稱性，其錄像正放、倒放沒有區(qū)別。例如，被認為絕對靜止的物體、無

44、阻尼自由振動等則如此。自由落體運動在時間反演操作下，速度反向，但重力和加速度總是向下的，所以重力和重力加速度具有時間反演對稱性。時間反演變換也是一種分立變換，簡稱T變換。在T變換下，產(chǎn)生一個粒子變成了消滅一個粒子,3).時空對稱性 空間對稱性與時間對稱性常常是相互交織在一起的,如伽里略變換和洛倫茲變換，都同時包含了時間和空間變換，這些變換被稱為時空聯(lián)合變換。由時空聯(lián)合變換得出的不變性稱為時空對稱性,2.內(nèi)部對稱性 在一些變換中，時間和空間坐標并未改變，由這樣的變換所得出的不變性稱為內(nèi)部對稱性。例如，黑白照相底片和印出的照片所顯示的圖像是一樣的，如果對底片進行“黑白互換”變換，底片就成了照片?！?/p>

45、黑白互換”是一種變換，但其所體現(xiàn)的對稱性既不是空間對稱性，也不是時間對稱性，而屬于一種內(nèi)部對稱性。在宏觀物理范圍，內(nèi)部對稱性常常具有很強的直觀性。在微觀物理范圍，內(nèi)部對稱性的直觀性減弱，但可以用直觀的經(jīng)驗和已知的物理圖像進行想象、類比和引申。內(nèi)部空間和一些內(nèi)部特征量就是這種類比引申的結(jié)果,微觀粒子的自旋就是一個內(nèi)部特征量。人們把自旋看作微觀粒子自身固有的角動量，并將這種角動量想象成是由粒子某種內(nèi)部運動引起的。但描述這種運動是在帶有時間和空間坐標的普通空間里進行的，這與以后發(fā)現(xiàn)的一些內(nèi)部對稱性所在的假想空間不一樣,同位旋對稱性，就是出現(xiàn)在一個假想的同位旋空間，在這個空間具有轉(zhuǎn)動不變性。1936年

46、，卡森和康登明確提出同位旋概念。中子和質(zhì)子的自旋、宇稱都相同，質(zhì)量相仿，只有電荷的差別。因此，人們試圖把這兩種粒子看作是同一粒子在某個內(nèi)部空間中存在的兩種狀態(tài)。這個內(nèi)部空間就是同位旋空間，核子在該假想空間轉(zhuǎn)動的角動量叫同位旋，質(zhì)子和中子是該空間的一個二重態(tài)。在此空間作旋轉(zhuǎn)變換時，使核子的兩種狀態(tài)互相變換，但核力不變。核力的轉(zhuǎn)動不變性就是核子的同位旋對稱性。核子的兩個狀態(tài)即質(zhì)子和中子的區(qū)別僅在于它們的同位旋取向不同,現(xiàn)代物理學(xué)家還預(yù)言了很多反映微觀世界特性的內(nèi)部對稱性的存在。實際上各種內(nèi)部對稱性，都可以概括地稱為規(guī)范不變性。規(guī)范變換有兩類：一類是變換時不涉及時空點，稱作整體規(guī)范變換；另一類是變換

47、時依賴時空點，稱作定域規(guī)范變換。相應(yīng)的對稱性分別為整體規(guī)范對稱性和定域規(guī)范對稱性。將整體規(guī)范對稱性擴充到定域規(guī)范對稱性時，要引進規(guī)范粒子，相應(yīng)的場叫規(guī)范場。人們認識最早的規(guī)范粒子和規(guī)范場是光子和電磁場。人們所認識的規(guī)范對稱性有電荷規(guī)范對稱性、重子規(guī)范對稱性、輕子規(guī)范對稱性、正反粒子共軛對稱性等等。正反粒子共軛變換是一種分立變換，稱為C變換，也叫電荷共軛變換，指的是粒子和反粒子的相互變換，表征C變換的特征量叫C宇稱，與空間反射變換的宇稱一樣也只有正負之分。把C變換、P變換（空間反射）和T變換（時間反演）三種分立變換聯(lián)合起來的變換叫CPT變換。CPT不變性是一個非常普遍而完美的對稱性，它能告訴我們

48、很多有用的東西。例如，通過它能導(dǎo)出正反粒子的下述關(guān)系：相同的質(zhì)量、相同的壽命、等值反號的電荷，等等。人們公認，CPT對稱性是自然界一個十分精確的對稱性,把內(nèi)部對稱性和時空對稱性結(jié)合在一起的廣義對稱性叫做超對稱性，體現(xiàn)這種對稱性的變換稱為超規(guī)范變換，相應(yīng)的假想空間叫超空間。這種對稱性是將費米子（自旋為半整數(shù)的粒子）和玻色子（自旋為整數(shù)的粒子）互相變換的對稱性。像質(zhì)子和中子是同位旋空間的二重態(tài)一樣，費米子和玻色子則是超空間的一個超多重態(tài)。超對稱變換則將超多重態(tài)中的各個狀態(tài)互換，從而將費米子和玻色子互換。將超對稱性用于統(tǒng)一描述強力、弱力和電磁力的理論叫超對稱大統(tǒng)一理論。將超對稱性用于弦理論，就是所謂

49、的超弦理論。在普通的粒子場論中，粒子是當(dāng)作一個點來描述的。而在超弦理論中，認為粒子是長約10-33厘米的弦，弦的一種振動方式對應(yīng)一種粒子。超弦理論有可能解釋包括引力在內(nèi)的所有自然力,8.3.2 對稱性與守恒定律 物理定律的對稱性 人們在熟悉對稱性概念以后，則希望搞清對稱性和自然規(guī)律的內(nèi)在關(guān)系。在物理學(xué)中，具有更深刻意義的是物理定律的對稱性。物理定律的對稱性指的是經(jīng)過一定的對稱變換或操作后，物理定律的形式保持不變（也叫做物理定律的不變性）。人們在對物理現(xiàn)象的研究中，逐漸發(fā)現(xiàn)物理學(xué)守恒定律與客觀世界的對稱性有著密切的聯(lián)系。內(nèi)特爾定理：對應(yīng)于每一種對稱性，必然對應(yīng)存在一條守恒定律；反之，對于每一個守

50、恒定律，則有一個對稱性。實際上，對稱性和守恒定律是表達自然界圖景的兩種不同方式，它們共同豐富了人類對自然界的認識。某一對稱性必然導(dǎo)致系統(tǒng)的某一動力學(xué)可觀察量的守恒性，每一個守恒定律都有一個在某個變換下保持不變的物理量即守恒量，找到了這些守恒量，能給人們在研究物理過程時帶來方便，使問題的處理變得簡單,1.宏觀世界的守恒量 在宏觀世界，能量、動量、角動量、質(zhì)量、電荷是守恒量，相應(yīng)的有能量守恒定律、動量守恒定律、角動量守恒定律、質(zhì)量守恒定律、電荷守恒定律，下面簡述它們對應(yīng)的對稱性。 （1）空間平移對稱性與動量守恒定律 設(shè)想我們在空間某處做一個物理實驗，然后將該套儀器連同影響該實驗的一切外部因素平移到

51、另一處。如果給以同樣的初始條件，實驗將以同樣的方式進行。這說明物理定律沒有因平移而發(fā)生變化。這就是物理定律的空間平移對稱性。由于它表明空間各處對物理定律是一樣的，所以又叫做空間的均勻性?？梢宰C明空間的均勻性或空間平移對稱性與動量守恒定律是對應(yīng)的,2）時間平移對稱性與能量守恒定律 一個物理實驗，只要不改變實驗條件和實驗儀器，無論是過去、現(xiàn)在、還是將來都會得到相同的實驗結(jié)果。也就是說，當(dāng)把研究物體運動的時間起點進行平移，物理規(guī)律的具體形式不會改變即物理規(guī)律對于時間平移變換具有不變性或?qū)ΨQ性，而且由于平移任意的時間都是一樣的，所以這種對稱性級次更高?？梢宰C明，時間平移對稱性將導(dǎo)致能量守恒定律。 （3

52、）空間轉(zhuǎn)動對稱性與角動量守恒定律 如果在空間某處做實驗后，再把儀器連同影響實驗的一切外部條件轉(zhuǎn)一個角度，則在相同的初始條件下，實驗也會以完全相同的方式進行。這說明物理定律沒有因轉(zhuǎn)動而發(fā)生變化。這就是物理定律的轉(zhuǎn)動對稱性，由于它表明空間各個方向?qū)ξ锢矶墒且粯拥?，所以又叫空間的各向同性?？梢宰C明，空間轉(zhuǎn)動對稱性將導(dǎo)致角動量守恒定律,4）洛倫茲對稱性與質(zhì)量守恒定律 由相對論，物理定律對所有的慣性系是等價的，即物理定律在洛倫茲變換下形式保持不變。這種不變性叫洛倫茲不變性或?qū)ΨQ性。由于這一變換可得到質(zhì)能關(guān)系E=mc2 ，因此從能量守恒必然得到質(zhì)量守恒，于是洛倫茲對稱性對應(yīng)于質(zhì)量守恒定律。 此外，還存在

53、著一種對稱性叫電磁場（量子化的）規(guī)范對稱性或不變性，它與電荷守恒定律有對應(yīng)關(guān)系,2. 微觀世界的守恒量 能量守恒、動量守恒、角動量守恒定律在微觀世界也普遍適應(yīng)。微觀系統(tǒng)也有空間平移對稱性，從而導(dǎo)致動量守恒。例如，一個粒子發(fā)生衰變或兩個粒子發(fā)生散射（或碰撞），前后總動量不變。微觀粒子的時間平移對稱性導(dǎo)致能量守恒，即反應(yīng)前后總能量相等，如核反應(yīng)、光電效應(yīng)等。微觀粒子系統(tǒng)的空間轉(zhuǎn)動對稱性導(dǎo)致角動量守恒，如K+0，由于K+角動量為0，+0系統(tǒng)角動量也為0,在微觀世界，能量、動量、角動量、電荷等是經(jīng)典物理中已經(jīng)熟知的守恒量。另外還出現(xiàn)了許多新的守恒量，如同位旋、輕子數(shù)、重子數(shù)、宇稱等等，這些都沒有經(jīng)典對

54、應(yīng)的守恒量，相應(yīng)的守恒定律對應(yīng)各種規(guī)范對稱性或內(nèi)部對稱性，這里不作詳細敘述。值得注意的是，有的守恒定律在對各種相互作用下都成立，但有的守恒定律對某些相互作用成立，而對另一些相互作用則不成立，如同位旋只在強相互作用下守恒；P宇稱、C宇稱在強相互作用和電磁作用下守恒，但在弱相互作用下可以不守恒,8.3.3 宇稱守恒與不守恒問題 所謂宇稱就是與空間反射或反演操作相對應(yīng)的守恒量。由于空間轉(zhuǎn)動對稱性的存在，三個坐標軸同時反向的空間反演和一個坐標軸反向的空間反射實際上是等價的?？梢哉f宇稱即是鏡像操作性質(zhì)的物理量,對于某一狀態(tài)的系統(tǒng)的鏡像和它本身的關(guān)系只可能有兩種情況。一種是它的鏡像和它本身完全一樣，例如一

55、個正放的圓筒狀杯子和它的鏡像的關(guān)系就是如此（如圖8-3-5 ），我們說它具有偶宇稱或正宇稱（實際上指粒子處于某一狀態(tài),另一種情況是系統(tǒng)和它的鏡像有左右之分，因而不能完全重合，右手的鏡像成為左手就是這種情況。又如一座時鐘與它的鏡像，雖然形狀完全相同，但指針的走動方向正好反過來（如圖8-3-6）。我們說這樣的系統(tǒng)具有奇宇稱或負宇稱（實際上也是指粒子處于某一狀態(tài),圖8-3-5,圖8-3-6,用符號P表示鏡像反射操作，由于連續(xù)兩次鏡像反射操作物體不變即P2=1，宇稱的數(shù)值只能為+1和-1，偶宇稱規(guī)定為+1，奇宇稱規(guī)定為-1。宇稱具有可乘性而不是可加性。在量子力學(xué)中，如果描述系統(tǒng)狀態(tài)的波函數(shù)（x）在空間

56、反演下不變即P(x)=(-x)=(x),或P(x) =(x)(如(x)=cosx),則系統(tǒng)處于宇稱值為+1的狀態(tài)或偶（正）宇稱狀態(tài)。如果（x）在空間反演下變號即P(x)=(-x)=-(x)或P(x)=-(x)(如（x）=sinx),則系統(tǒng)處于奇（負）宇稱狀態(tài)。若一個粒子的軌道宇稱和內(nèi)稟宇稱都是偶函數(shù)（正宇稱）或都是奇函數(shù)（負宇稱），相乘以后的總宇稱為正宇稱。若一個為正宇稱，而另一個為負宇稱，則相乘以后的總宇稱為負宇稱,在宏觀范圍內(nèi)物體的運動規(guī)律雖然有很好的左右對稱性，但這種對稱性并不對應(yīng)存在守恒定律,在微觀范圍內(nèi)如果粒子系統(tǒng)運動規(guī)律具有左右對稱性，則對應(yīng)存在P宇稱守恒定律，這時系統(tǒng)的P宇稱將在

57、整個運動過程中保持為+1或-1。與正反粒子變換（C變換）對應(yīng)的C宇稱也是如此。在沒有外來影響的條件下，不論發(fā)生如何劇烈的變化，粒子系統(tǒng)的總宇稱在相互作用過程中保持不變，這一規(guī)律稱為宇稱守恒定律。宇稱守恒定律曾經(jīng)被人們認為是自然界一條普遍規(guī)律。在量子力學(xué)中能夠形成宇稱守恒定律，這是因為物理定律一直顯示出左右之間的完全對稱性。也就是說，物理規(guī)律對于實物和它的鏡像是一致的，我們無法用規(guī)律本身來判斷過程所進行的是物還是像,1956年前后，粒子物理實驗中遇到了一個所謂“”疑難：實驗中發(fā)現(xiàn)了兩種質(zhì)量、壽命和電荷都相同的粒子和粒子，衰變成3個介子，而衰變成2個介子，介子的宇稱為-1，這樣的總宇稱應(yīng)為負，的總

58、宇稱應(yīng)為正,因此，從質(zhì)量、壽命和電荷等性質(zhì)相同來看，它們應(yīng)該是以兩種不同方式衰變的同一種粒子，但如果宇稱是守恒量，則它們就不可能是同一種粒子,李政道和楊振寧指出這個疑難的關(guān)鍵在于認為微觀粒子運動過程中宇稱守恒。他們認為介子和介子是同一種粒子而懷疑宇稱守恒定律的正確性，指出在強相互作用和電磁相互作用過程中宇稱守恒有實驗的檢驗，而弱相互作用過程中宇稱守恒并無實驗的檢驗，進而得出弱相互作用過程中宇稱可能不守恒的結(jié)論,他們建議通過鈷-60的衰變實驗來進行驗證。1957年，吳健雄精確地進行了這一實驗，以確鑿的證據(jù)證明了李政道和楊振寧所得結(jié)論(弱相互作用過程中宇稱可能不守恒)的正確性。這里的另一個結(jié)論是介

59、子和介子被認為是同一種粒子,現(xiàn)在通常稱為K介子,弱相互作用宇稱不守恒問題告訴我們，各種守恒定律的適應(yīng)范圍是不同的，有些守恒定律在任何過程中都是“絕對”成立的，如動量守恒、角動量守恒、能量守恒等；而有些守恒定律則有局限性，只適應(yīng)于某些過程，如P宇稱在強相互作用和電磁相互作用過程中守恒，但在弱相互作用過程中不守恒。 理論上還可以證明,如果運動規(guī)律在空間反射P變換下不變,則在正反粒子C變換下也是不變的,并且在時間反演T變換下也是不變的.在李政道和楊振寧發(fā)現(xiàn)弱相互作用中宇稱可以不守恒以后,物理學(xué)家很快就確認了弱相互作用的運動規(guī)律在C變換下不再保持不變（C宇稱不守恒）,但在C、P聯(lián)合變換下仍然是不變的（

60、CP宇稱在弱相互作用下守恒）。后來進一步研究表明，弱相互作用下CP宇稱仍然有約千分之二不守恒，其機理尚不清楚，一直是物理理論研究的重要課題之一,弱相互作用下宇稱不守恒的性質(zhì)表明，空間左右并不是那么對稱，但這種不對稱并不那樣明顯，只有在微觀領(lǐng)域的弱相互作用過程中才能被觀察到，而在強相互作用、電磁相互作用、引力相互作用中，我們無法察覺到空間左右的不對稱，其宇稱是守恒的,8.3.4 對稱性思想在物理學(xué)發(fā)展中的重要作用 對稱性與物理守恒定律之間的關(guān)系直到20世紀20年代才被物理學(xué)家逐漸意識到，這是因為這種關(guān)系在經(jīng)典物理學(xué)中沒能顯示出其重要性。只是在量子力學(xué)建立以后，這種重要性才表現(xiàn)出來。物理學(xué)中有許多