物質(zhì)世界的層次、形態(tài)與基本相互作用課件

物理學(xué)對物質(zhì)世界的基本認識

人類對物質(zhì)世界的認識經(jīng)歷了一個從蒙昧、理性到科學(xué)的漫長的歷史過程。宇宙之大，微觀粒子之小。天地萬物、自然之復(fù)雜，物質(zhì)世界的奧妙是無窮的，人類對物質(zhì)世界的探索也是無窮的。本講座將介紹物理學(xué)對宇宙世界的基本認識。物理學(xué)對物質(zhì)世界的基本認識人類對物質(zhì)提綱：物質(zhì)世界的層次、形態(tài)與基本相互作用物理學(xué)與宇宙觀物質(zhì)世界的對稱性與統(tǒng)一性物質(zhì)世界的非線性效應(yīng)物理學(xué)與數(shù)學(xué)的關(guān)系及物理學(xué)認識的真理性提綱：物質(zhì)世界的層次、形態(tài)與基本相互作用

第1講物質(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1-1），可分為宇觀、宏觀、介觀、微觀諸層次。

圖1-1

1.1物質(zhì)世界的層次

第1講物質(zhì)世界的層次、形態(tài)與基本相互作用

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。物質(zhì)分子原子原子核和繞核運轉(zhuǎn)的電子。原子核核子（質(zhì)子和中子）夸克。

微觀系統(tǒng)—分子、原子尺度以下的物質(zhì)客體。

還有傳遞各種作用力的基本粒子：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。特別說明：

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0.1—1μm）、納米體系（約1—100nm）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）。還有傳遞各種作用力的基本粒子：光子、w粒子、Z

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)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等性質(zhì)。

宇觀世界——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。

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)。宇觀世界——萬有引力起主要作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，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。1.2物質(zhì)存在的基本形態(tài)

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、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）。

超密度態(tài)是晚期恒星的物態(tài),如白矮星密度高達105～106g/Cm3,中子星密度更高達1014—1016g/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”。等離子態(tài)是由足夠數(shù)量的正負帶電粒子組成、運動受

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。此外，在宇宙中還存在有大量的暗物質(zhì)。

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γ光子在一定條件下可以變成正負電子對，反之亦然。場是宇宙中另一種物質(zhì)形態(tài)，如電磁場、引力場。場的

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)。但場與實物的根本差別在于：實物粒子如電

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。場和實物粒子從不同側(cè)面反映了宇宙世界的物質(zhì)性。

互為復(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、μ子、μ子中微子、τ子、τ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?；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

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。

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:（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)”。

對電子每一個動量,由（1-1）式，能量有兩個值即（1-2）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)

在經(jīng)典力學(xué)中，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。（1-2）

圖1-2

由（1-2），可得到電子能級如圖1-1，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?。在經(jīng)典力學(xué)中，不存在負能量物體。狄拉克認為，在量

圖1-2

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，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”。“真空”是一種負能態(tài)被填滿而正能態(tài)全空著的狀態(tài)，什么也觀察不到。圖1-2只有當(dāng)負能電子海中少了一個電

反之，正負電子對相遇時會同時消失，繼而轉(zhuǎn)變成γ光子。這一過程稱為正負電子對湮沒。

如果給真空中負能態(tài)電子以大于2m0c2的能量（如γ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。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。反之，正負電子對相遇時會同時消失，繼而轉(zhuǎn)變成γ1932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)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。1932年，安德森在研究宇宙射線時發(fā)現(xiàn)了正電子。

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γ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π介子或γ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)。各種粒子與反粒子相遇會發(fā)生湮沒而而轉(zhuǎn)化為其它

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，真空就被激發(fā)，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)。根據(jù)海森伯不確定關(guān)系，在真空的細微時空區(qū)域，1.4物質(zhì)的基本相互作用

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，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。1.4物質(zhì)的基本相互作用引力相互作用引

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。電磁相互作用電磁力是帶電粒子或宏觀帶電體之

強相互作用。存在于質(zhì)子、中子、介子等強子之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強相互作用。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?？淇耸墙M成質(zhì)子和中子等粒子的更基本的粒子，強相互作用使夸克結(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。強相互作用。存在于質(zhì)子、中子、介子等強子之間的作

弱相互作用費米認為，β-衰變的本質(zhì)是核內(nèi)中子變?yōu)橘|(zhì)子，β+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β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。弱相互作用費米認為，β-衰變的本質(zhì)是核內(nèi)力的種類相互作用的對象力的強度力程萬有引力一切質(zhì)點10-34N無限遠弱力大多數(shù)粒子10-2N小于10-17m電磁力電荷102N無限遠強力核子、介子等104N10-15m

表1-1四種基本相互作用力的特征

4種基本相互作用的特征列于表1中，按力的強弱排序，依次是強力、電磁力、弱力和引力。力的種類相互作用的對象力的強度力程萬有引力一切質(zhì)點10-34

物理學(xué)對物質(zhì)世界的基本認識

人類對物質(zhì)世界的認識經(jīng)歷了一個從蒙昧、理性到科學(xué)的漫長的歷史過程。宇宙之大，微觀粒子之小。天地萬物、自然之復(fù)雜，物質(zhì)世界的奧妙是無窮的，人類對物質(zhì)世界的探索也是無窮的。本講座將介紹物理學(xué)對宇宙世界的基本認識。物理學(xué)對物質(zhì)世界的基本認識人類對物質(zhì)提綱：物質(zhì)世界的層次、形態(tài)與基本相互作用物理學(xué)與宇宙觀物質(zhì)世界的對稱性與統(tǒng)一性物質(zhì)世界的非線性效應(yīng)物理學(xué)與數(shù)學(xué)的關(guān)系及物理學(xué)認識的真理性提綱：物質(zhì)世界的層次、形態(tài)與基本相互作用

第1講物質(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1-1），可分為宇觀、宏觀、介觀、微觀諸層次。

圖1-1

1.1物質(zhì)世界的層次

第1講物質(zhì)世界的層次、形態(tài)與基本相互作用

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。物質(zhì)分子原子原子核和繞核運轉(zhuǎn)的電子。原子核核子（質(zhì)子和中子）夸克。

微觀系統(tǒng)—分子、原子尺度以下的物質(zhì)客體。

還有傳遞各種作用力的基本粒子：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。特別說明：

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0.1—1μm）、納米體系（約1—100nm）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）。還有傳遞各種作用力的基本粒子：光子、w粒子、Z

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)、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等性質(zhì)。

宇觀世界——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。

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)。宇觀世界——萬有引力起主要作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，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。1.2物質(zhì)存在的基本形態(tài)

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、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）。

超密度態(tài)是晚期恒星的物態(tài),如白矮星密度高達105～106g/Cm3,中子星密度更高達1014—1016g/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”。等離子態(tài)是由足夠數(shù)量的正負帶電粒子組成、運動受

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。此外，在宇宙中還存在有大量的暗物質(zhì)。

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γ光子在一定條件下可以變成正負電子對，反之亦然。場是宇宙中另一種物質(zhì)形態(tài)，如電磁場、引力場。場的

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)。但場與實物的根本差別在于：實物粒子如電

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。場和實物粒子從不同側(cè)面反映了宇宙世界的物質(zhì)性。

互為復(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、μ子、μ子中微子、τ子、τ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?；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

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。

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:（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)”。

對電子每一個動量,由（1-1）式，能量有兩個值即（1-2）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)

在經(jīng)典力學(xué)中，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。（1-2）

圖1-2

由（1-2），可得到電子能級如圖1-1，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?。在經(jīng)典力學(xué)中，不存在負能量物體。狄拉克認為，在量

圖1-2

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，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”?！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。圖1-2只有當(dāng)負能電子海中少了一個電

反之，正負電子對相遇時會同時消失，繼而轉(zhuǎn)變成γ光子。這一過程稱為正負電子對湮沒。

如果給真空中負能態(tài)電子以大于2m0c2的能量（如γ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。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。反之，正負電子對相遇時會同時消失，繼而轉(zhuǎn)變成γ1932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)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。1932年，安德森在研究宇宙射線時發(fā)現(xiàn)了正電子。

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γ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π介子或γ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)。各種粒子與反粒子相遇會發(fā)生湮沒而而轉(zhuǎn)化為其它

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，真空就被激發(fā)，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)。根據(jù)海森伯不確定關(guān)系，在真空的細微時空區(qū)域，1.4物質(zhì)的基本相互作用

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，一種長程力。重力是地球?qū)Φ孛婕暗孛娓浇奈矬w