專題一粒子世界

專題一粒子世界第1頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日“沒(méi)有昨日的基礎(chǔ)科學(xué)就沒(méi)有今日的技術(shù)革命”。

——李政道第2頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日專題一物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)研究的新進(jìn)展第3頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日E-15E-12E-09E-06E-031mE+03E+06E+09E+12E+15E+18E+21E+24E+27最小的細(xì)胞原子原子核基本粒子DNA長(zhǎng)度星系團(tuán)銀河系最近恒星的距離太陽(yáng)系太陽(yáng)山哈勃半徑超星系團(tuán)人蛇吞尾圖，形象地表示了物質(zhì)空間尺寸的層次天體物理粒子物理兩大尖端緊密銜接第4頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日一、物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)層次世界由物質(zhì)組成，物質(zhì)存在的基本形式是粒子和場(chǎng)。目前人類所認(rèn)識(shí)的物質(zhì)客體的空間尺寸，其大小至少跨越了42個(gè)數(shù)量級(jí)。第一節(jié)粒子世界第5頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日人類是認(rèn)識(shí)自然界的主體——米作基本長(zhǎng)度單位物理學(xué)研究的最小對(duì)象是粒子<m，最大對(duì)象是宇宙，目前觀察的極限是哈勃半徑，m宇宙的起源：大爆炸宇宙模型認(rèn)為宇宙是在一百多億年前的一次大爆炸中誕生的，粒子在宇宙誕生的瞬間產(chǎn)生，所以物理學(xué)研究的最大對(duì)象和最小對(duì)象的兩個(gè)分支——宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)奇妙的連接在一起。第6頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日物質(zhì)世界的結(jié)構(gòu)層次宏觀系統(tǒng)：尺度在10-7m以上的客體服從因果規(guī)律，用牛頓力學(xué)或相對(duì)論力學(xué)描述微觀系統(tǒng)：尺度在10-7

m以下的客體服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律，用量子力學(xué)描述介觀系統(tǒng)：呈現(xiàn)微觀特性的宏觀系統(tǒng)屬于宏觀系統(tǒng)的亞微米尺寸的器件，一定條件下表現(xiàn)出量子效應(yīng)，即物質(zhì)的微觀特性起主導(dǎo)宇觀系統(tǒng)：把星系、宇宙尺寸的客體遵從不同的物理規(guī)律第7頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1、粒子的發(fā)展史二、基本粒子分類（1）亞里士多得（a)宇宙里所有物質(zhì)是由四種基本元素組成，土、空氣、火、水。(b)兩種力：引力（土和火）；浮力（空氣和水）將宇宙分割成物質(zhì)和力。沿用至今。(c)物質(zhì)是連續(xù)的，可將物質(zhì)無(wú)限制的分割成越來(lái)越小的小塊。即永遠(yuǎn)得不到最小顆粒。（2）德謨克里特（2400年前）（a）堅(jiān)持物質(zhì)的固有顆粒性。（b)認(rèn)為每一件東西都是由不同種類的大量的原子所組成.（一）第一階段第8頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（3）約翰·道兒頓幾個(gè)世紀(jì)后，指出化合物總是以一定的比例結(jié)合而成的。有原子組合在一起形成所謂的分子能解釋這個(gè)事實(shí)。（4）愛(ài)因斯坦布朗運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象：懸浮在液體中的塵埃小顆粒的無(wú)規(guī)則的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)。解釋：液體原子和塵埃粒子碰撞的結(jié)果。到20世紀(jì)初，這樣的爭(zhēng)論以原子論的勝利而告終。第9頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（一）第二階段老湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子，盧瑟福成功解釋粒子大角散射實(shí)驗(yàn)，提出原子核的概念。后又提出原子核是由質(zhì)子和中子組成。將質(zhì)子之間或質(zhì)子與電子在高速下進(jìn)行碰撞，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子是由更小的粒子夸克組成的。第10頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日時(shí)間發(fā)現(xiàn)的粒子粒子種類1897~19321932~19471947~196260年代~70年代70年代~90年代奇異粒子強(qiáng)子共振態(tài)新粒子，夸克等41435200多種450多種粒子發(fā)展簡(jiǎn)史原子電子原子核質(zhì)子中子－夸克第11頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日上世紀(jì)30年代，物質(zhì)最小微粒是質(zhì)子、中子、電子和光子——“基本粒子”。推廣：凡是和這些粒子可相互作用和轉(zhuǎn)化的同一層次的粒子統(tǒng)稱為“基本粒子”。20世紀(jì)60年代，“基本粒子”有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，且不全屬于一個(gè)層次——粒子。現(xiàn)在，“基本粒子”是指迄今未發(fā)現(xiàn)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)的粒子。它們不一定是終極基元。第12頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日空間粒子2粒子1媒介子時(shí)間1.粒子之間的相互作用有四種，總是通過(guò)交換媒介粒子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。粒子間相互作用的時(shí)空?qǐng)D三、基本相互作用第13頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日類別作用對(duì)象相對(duì)強(qiáng)度距離(m)媒介粒子作用時(shí)間(s)主要理論強(qiáng)作用夸克1<10-15膠子10-23量子色動(dòng)力論電磁作用帶電粒子~10-2無(wú)窮長(zhǎng)程光子10-20~

10-16量子電動(dòng)力學(xué)弱相互作用大多數(shù)粒子~10-13<10-17中間玻色子~10-8量子味動(dòng)力學(xué)引力作用全部粒子~10-39無(wú)窮長(zhǎng)程引力子廣義相對(duì)論、量子引力理論粒子之間的四種相互作用：第14頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日TheFourTypesofInteractions

GravityWeakStrongElectromagnetic第15頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日引力是一種長(zhǎng)程力，在所有物質(zhì)間均存在。引力在四種基本相互作用中是最弱的粒子質(zhì)量很小，在粒子世界引力忽略；宏觀領(lǐng)域，尤其是天體，質(zhì)量很大，引力起主要作用。2.說(shuō)明：

(1)引力相互作用引力子

粒子1

粒子2粒子的相互作用隨它們之間的距離而變化——用力程來(lái)表示，力程是粒子間的有效作用范圍，它正比于媒介粒子質(zhì)量的倒數(shù)。第16頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(2)電磁相互作用

只存在于帶電粒子之間，是一種長(zhǎng)程力，在宏觀和微觀都起作用。例如：光子的吸收、發(fā)射、散射；電子與原子核結(jié)合為原子；彈力、摩擦力、壓力、浮力…基態(tài)粒子光子發(fā)射激發(fā)態(tài)粒子光子吸收基態(tài)粒子激發(fā)態(tài)粒子

e-虛光子

e-

e-

e-γ

γ

ee

e+

e-第17頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(3)強(qiáng)相互作用強(qiáng)度大，力程短，是粒子間最重要的相互作用力。粒子間距為１０-１５～０.４＊１０－１５m時(shí)表現(xiàn)為引力，距離再小表現(xiàn)為斥力。正是強(qiáng)力將夸克束縛在一起組成質(zhì)子和中子，并將質(zhì)子和中子束縛在一起組成原子核。π0介子

npnpπ+介子nppnπ-介子pnnp第18頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日(4)弱相互作用

力程比強(qiáng)作用更短，力也更弱。除光子外，輕子間，輕子與介子間，輕子與重子間，介子與介子間存在。W-epγen弱相互作用的交換媒介子是中間波色子W，中間波色子可以是中性的，也可以是帶正負(fù)電荷的第19頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日5相互作用的統(tǒng)一理論第20頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1、規(guī)范玻色子名稱電荷自旋壽命（s）種類傳遞的相互作用發(fā)現(xiàn)年代膠子01無(wú)窮大8強(qiáng)存在，(g)未發(fā)現(xiàn)自由態(tài)膠子光子()01無(wú)窮大1電磁20世紀(jì)20年代中間(W±)±11玻色子(Z0)0110-253弱20世紀(jì)80年代引力子?02？1引力定義：傳遞其他粒子間相互作用的媒介粒子，共13種四.標(biāo)準(zhǔn)模型理論基本粒子分類第21頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日定義：輕子受引力、電磁力、弱力的影響，不受強(qiáng)力的影響;輕子必定以粒子—反粒子對(duì)的形式產(chǎn)生或湮滅?？偟妮p子數(shù)在一切過(guò)程中保持不變。分類正反粒子自旋電荷量e重子數(shù)B輕子數(shù)壽命10-6s輕子12種電子μ子τ子1/2-1

+1-1

+1-1

+10000-1

+1穩(wěn)定2.2<2.3中微子穩(wěn)定2.輕子第22頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日自旋的概念粒子具有自旋的性質(zhì)。自旋可以設(shè)想成繞著一個(gè)軸自傳的小陀螺。但是由量子力學(xué)知識(shí)知道，粒子并沒(méi)有很好定義的軸。真正的意義是告訴我們，從不同的方向看粒子是什么樣子的。S=0S=1S=2第23頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日有一事實(shí)很驚訝，有些轉(zhuǎn)過(guò)一圈后，仍不同，必須整整轉(zhuǎn)兩圈，才一樣。它的s=1/2分類自旋量子數(shù)泡利不相容原理統(tǒng)計(jì)規(guī)律費(fèi)米子

(電子質(zhì)子中子各種重子)半整數(shù)1/2，3/2，…服從費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)分布玻色子

(光子介子K介子、介子)整數(shù)1，2，…不服從玻色—愛(ài)因斯坦統(tǒng)計(jì)分布希格斯粒子0尋求中宇宙間所有的粒子按自旋量子數(shù)可以分成如下三類第24頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日中微子的自旋方向與運(yùn)動(dòng)方向相反；反中微子的自旋方向與運(yùn)動(dòng)方向一致。vv第25頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

1952年羅德拜克等人根據(jù)王淦昌的建議用K殼層電子俘獲實(shí)驗(yàn)測(cè)量了核的反沖能量，根據(jù)能量、動(dòng)量守恒定律，給出了中微子存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。中微子之迷第26頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日中微子性質(zhì)中微子是構(gòu)成物質(zhì)世界的最基本單元之一：

弱作用的宇稱不守恒源于只有左旋中微子。中微子質(zhì)量極輕，不帶電荷，與物質(zhì)的相互作用十分微弱。因此極難探測(cè)，需要用體積龐大的探測(cè)器。

與物質(zhì)發(fā)生相互作用非常弱，與物質(zhì)相互作用截面為1×10-34cm2，非常非常小，相當(dāng)于吸收長(zhǎng)度非常非常大，大到29光年。大約100億個(gè)中微子才能發(fā)生一次與物質(zhì)相互作用，因此中微子是極難探測(cè)到，對(duì)它的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的歲月。中微子能暢行無(wú)阻的穿出龐大的星球，把星球內(nèi)部的信息傳遞出來(lái)。有別于星光，日光.第27頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為中微子質(zhì)量為零。中微子之迷太陽(yáng)上質(zhì)子聚變會(huì)產(chǎn)生大量中微子，地球上探測(cè)到的卻很少且呈周期性變化。是否存在中微子振蕩？發(fā)光星體質(zhì)量只占空間物質(zhì)總質(zhì)量的一小部分，大部分質(zhì)量以“暗物質(zhì)”形式存在。中微子是暗物質(zhì)嗎？中微子質(zhì)量是否為零？有無(wú)磁矩？有沒(méi)有中微子星？宇宙大爆炸遺留下來(lái)的中微子充滿整個(gè)宇宙，其密度與光子差不多第28頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日中微子研究的中心：質(zhì)量宇宙中存在大量中微子，~100/cm3，與光子一樣多大多數(shù)粒子物理和核物理反應(yīng)都有中微子產(chǎn)生：

粒子和原子核衰變,核反應(yīng)堆,太陽(yáng)的熱核反應(yīng),超新星爆發(fā),加速器，g-暴，宇宙線……中微子即使有極小的質(zhì)量，對(duì)宇宙的形成與演化有重要影響衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)測(cè)得：

Σi

mvi<0.7eV中微子質(zhì)量不為零==》超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理中微子與宇宙學(xué)的關(guān)系：構(gòu)成宇宙中的暗物質(zhì)中微子振蕩與宇宙中物質(zhì)與反物質(zhì)不對(duì)稱有關(guān)中微子與大尺度宇宙結(jié)構(gòu)的形成有關(guān)中微子是粒子物理，天體物理與宇宙學(xué)研究中的熱點(diǎn)與交叉！第29頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日國(guó)際上q13

實(shí)驗(yàn)的建議Angra,BrazilDiabloCanyon,USABraidwood,USAChooz,FranceKrasnoyasrk,RussiaKashiwazaki,JapanDayaBay,ChinaYoungGwang,SouthKorea經(jīng)過(guò)整合,目前只有法國(guó)的DoubleChooz與我們的大亞灣測(cè)量13是中微子物理當(dāng)前的第一優(yōu)先第30頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日國(guó)際上q13

實(shí)驗(yàn)的建議經(jīng)過(guò)整合,目前只有法國(guó)的DoubleChooz與我們的大亞灣第31頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日3.夸克直到30年以前，還認(rèn)為質(zhì)子和中子是“基本粒子”質(zhì)子和質(zhì)子高速下碰撞的實(shí)驗(yàn)表明，他們事實(shí)上是由更小的粒子組成。加州理工學(xué)院的牟雷.蓋爾曼將這些粒子命名為夸克?，F(xiàn)代物理學(xué)家更富有想象力的命名。第32頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（1）夸克有六種“味”：上夸克u，下夸克d；魅夸克c，奇異夸克s；頂夸克t，底夸克b。每種又分“紅”、“藍(lán)”、“綠”三種色，連同其反粒子共36種。

重子由三個(gè)夸克組成例如：質(zhì)子由2u+d組成，中子由u+2d組成…介子由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成。(2)強(qiáng)子：包括重子（質(zhì)子，中子，超子）和介子，均由夸克組成。（3）夸克具有分?jǐn)?shù)電荷

第33頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日udcstb電荷+2/3-1/3夸克(q)從輕到重mu=1.5-4.5MeVmd=5-8.5MeVms=80-155MeVmc=1.0-1.4GeVmb=4.0-4.5GeVmt=174GeV第34頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（4）迄今未發(fā)現(xiàn)自由夸克。人們認(rèn)為是因?yàn)榭淇碎g的強(qiáng)相互作用具有“漸進(jìn)自由”和“紅外奴役”的特性：夸克間的關(guān)系類似于用鏈條連起來(lái)的囚犯，當(dāng)他們靠近時(shí)鏈條松弛，各自可認(rèn)為是獨(dú)立自由的；當(dāng)距離增大到一定限度時(shí)鏈條拉緊。而目前的條件無(wú)力破壞“鏈條”，所以看不見(jiàn)自由的夸克。第35頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日夸克禁閉難題在夸克模型成功建立的同時(shí)，科學(xué)家們也為實(shí)驗(yàn)上尋找不到自由夸克而困惑。前五種夸克(u、d、s、c、b)只存在于強(qiáng)子束縛態(tài)中，而最重的頂夸克t產(chǎn)生以后壽命極短，很快衰變?yōu)榈卓淇薭。物質(zhì)結(jié)構(gòu)在新層次下的物理圖像與先前原子、原子核的層次完全不一樣，已不是太陽(yáng)系在微觀世界的重復(fù)。這表明支配下一層次的新的物理規(guī)律決定了不同的物理圖像和觀念。36第36頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

量子色動(dòng)力學(xué)的漸近自由特點(diǎn)致使微擾理論得到了巨大的成功，然而微擾理論僅在高動(dòng)量遷移下的物理過(guò)程中可以得到應(yīng)用，對(duì)于低動(dòng)量遷移的物理現(xiàn)象和強(qiáng)子結(jié)構(gòu)，它無(wú)能為力。在量子色動(dòng)力學(xué)框架里，雖然可定性地解釋了夸克囚禁在強(qiáng)子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖像，但是要想定量地解釋夸克囚禁疑難和強(qiáng)子結(jié)構(gòu)圖像仍是高能物理中一個(gè)重大的難題。

微擾量子色動(dòng)力學(xué)理論是建立在微擾真空的基礎(chǔ)上，而量子色動(dòng)力學(xué)物理真空完全不同于微擾真空。在物理真空中真空不空，它充滿著夸克、反夸克對(duì)以及膠子，物質(zhì)與真空中的夸克、反夸克對(duì)和膠子不斷發(fā)生相互作用造成新的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)圖像。因此揭示真空的本質(zhì)將導(dǎo)致找到夸克囚禁疑難解。第37頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日對(duì)稱性破缺的本質(zhì)可能來(lái)自于真空的不對(duì)稱性產(chǎn)生真空對(duì)稱性自發(fā)破缺機(jī)制；夸克囚禁可能是量子色動(dòng)力學(xué)物理真空造成的。兩者都很可能從真空中得到破解，因此關(guān)鍵在于揭示真空的物質(zhì)本質(zhì)。真空不是虛無(wú)，而是由自然界物質(zhì)間相互作用決定了的物理真空。

4.希格斯粒子標(biāo)準(zhǔn)模型要求自然界存在自旋量子數(shù)為0的特殊粒子。第38頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日物質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次：宏觀物體場(chǎng)分子原子原子核質(zhì)子中子夸克電子規(guī)范粒子第39頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日總之，按標(biāo)準(zhǔn)模型理論，基本粒子世界由62種粒子組成：13種規(guī)范玻色子，48種費(fèi)米子（包括12種輕子和36種夸克）和一種希格斯粒子。其中引力子和希格斯粒子的存在尚未被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。第40頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第41頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日6、粒子和場(chǎng)的關(guān)系（１）每種粒子都有相對(duì)應(yīng)的場(chǎng)，場(chǎng)沒(méi)有不可入性，對(duì)應(yīng)各種粒子的場(chǎng)相互重疊地充滿全空間。（２）某種場(chǎng)能量最低的狀態(tài)稱為該場(chǎng)的基態(tài)?；鶓B(tài)場(chǎng)不能通過(guò)狀態(tài)變化釋放能量、輸出信號(hào)。表現(xiàn)為觀察不到存在粒子。（３）場(chǎng)處于激發(fā)態(tài)時(shí)表現(xiàn)為出現(xiàn)相應(yīng)的粒子，場(chǎng)的不同激發(fā)態(tài)表現(xiàn)為粒子的數(shù)目和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。（４）當(dāng)所有場(chǎng)都處于基態(tài)時(shí)，任何一個(gè)場(chǎng)都不可能釋放能量而給出信號(hào)，都不顯示粒子——物理上的真空。真空并非空無(wú)一物而是充滿了各種基態(tài)場(chǎng)。（５）基態(tài)場(chǎng)和激發(fā)態(tài)的場(chǎng)都與其他場(chǎng)相互作用，他是粒子間相互作用的來(lái)源?，F(xiàn)在物理認(rèn)為，粒子間的相互作用是由場(chǎng)傳遞的，依靠交換規(guī)范玻色子來(lái)實(shí)現(xiàn)的。量子場(chǎng)論認(rèn)為：第42頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日五、超對(duì)稱統(tǒng)一理論超弦

物理學(xué)尋求自然界物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一規(guī)律。牛頓的引力論和運(yùn)動(dòng)力學(xué)將天體運(yùn)動(dòng)與地球引力統(tǒng)一起來(lái)；麥克斯韋的電磁理論將電與磁統(tǒng)一起來(lái)；愛(ài)因斯坦的相對(duì)論實(shí)現(xiàn)了高速運(yùn)動(dòng)和低速運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)一；電磁作用與弱相互作用的統(tǒng)一是粒子物理理論實(shí)現(xiàn)的。超弦理論是最有希望取得成功的大統(tǒng)一理論。

1、超弦理論的基本觀點(diǎn)第43頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日超弦理論認(rèn)為，在每一個(gè)基本粒子內(nèi)部，都有一根細(xì)細(xì)的線在振動(dòng)，就像琴弦的振動(dòng)一樣，因此這根細(xì)細(xì)的線就被形象地稱為“弦”。不同的琴弦振動(dòng)的模式不同，產(chǎn)生的音調(diào)也不同。粒子內(nèi)部的弦也有不同的振動(dòng)模式，不過(guò)這種弦的振動(dòng)不是產(chǎn)生音調(diào)，而是產(chǎn)生一個(gè)個(gè)粒子。換言之，每個(gè)基本粒子是由一根弦組成。超弦理論認(rèn)為，粒子并不存在，存在的只是弦在空間運(yùn)動(dòng)；各種不同的粒子只不過(guò)是弦的不同振動(dòng)模式而已。自然界中所發(fā)生的一切相互作用，所有的物質(zhì)和能量，都可以用弦的分裂和結(jié)合來(lái)解釋。弦的運(yùn)動(dòng)非常復(fù)雜，以至于三維空間無(wú)法容納它的運(yùn)動(dòng)軌跡，必須有高達(dá)十維的空間才能滿足它的運(yùn)動(dòng)，就像人的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜到無(wú)法在二維平面中完成，而必須在三維空間中完成一樣。

第44頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日弦是無(wú)窮細(xì)的，有開(kāi)、閉之分。不振動(dòng)時(shí)其質(zhì)量為零。

n=0

123兩端為節(jié)點(diǎn)的開(kāi)弦

n=123兩端自由的開(kāi)弦閉弦第45頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日超弦理論是物理學(xué)家追求統(tǒng)一理論的最自然的結(jié)果。愛(ài)因斯坦建立相對(duì)論之后自然地想到要統(tǒng)一當(dāng)時(shí)公知的兩種相互作用--萬(wàn)有引力和電磁力.他花費(fèi)了后半生近40年的主要精力去尋求和建立一個(gè)統(tǒng)一理論,但沒(méi)有成功.現(xiàn)在回過(guò)頭來(lái)看歷史,愛(ài)因斯坦的失敗并不奇怪.實(shí)際上自然界還存在另外兩種相互作用力--弱力和強(qiáng)力.現(xiàn)在已經(jīng)知道,自然界中總共4種相互作用力除有引力之外的3種都可有量子理論來(lái)描述,電磁,弱和強(qiáng)相互作用力的形成是用假設(shè)相互交換"量子"來(lái)解釋的.但是,引力的形成完全是另一回事,愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論是用物質(zhì)影響空間的幾何性質(zhì)來(lái)解釋引力的.在這一圖像中,彌漫在空間中的物質(zhì)使空間彎曲了,而彎曲的空間決定粒子的運(yùn)動(dòng).人們也可以模仿解釋電磁力的方法來(lái)解釋引力,這時(shí)物質(zhì)交換的"量子"稱為引力子,但這一嘗試卻遇到了原則上的困難--量子化后的廣義相對(duì)論是不可重整的,因此,量子化和廣義相對(duì)論是相互不自洽的.

第46頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日超弦理論是人們拋棄了基本粒子是點(diǎn)粒子的假設(shè)而代之以基本粒子是一維弦的假設(shè)而建立起來(lái)的自洽的理論,自然界中的各種不同粒子都是一維弦的不同振動(dòng)模式.與以往量子場(chǎng)論和規(guī)范理論不同的是,超弦理論要求引力存在,也要求規(guī)范原理和超對(duì)稱。毫無(wú)疑問(wèn),將引力和其他由規(guī)范場(chǎng)引起的相互作用力自然地統(tǒng)一起來(lái)是超弦理論最吸引人的特點(diǎn)之一。因此,從1984年底開(kāi)始,當(dāng)人們認(rèn)識(shí)到超弦理論可以給出一個(gè)包容標(biāo)準(zhǔn)模型的統(tǒng)一理論之后,一大批才華橫溢的年輕人自然地投身到超弦理論的研究中去了。經(jīng)過(guò)人們的研究發(fā)現(xiàn),在十維空間中,實(shí)際上有5種自洽的超弦理論,它們分別是兩個(gè)IIA和IIB,一個(gè)規(guī)范為Apin(32)/Z2的雜化弦理論,一個(gè)規(guī)范群為E8×E8的雜化弦理論和一個(gè)規(guī)范為SO(32)的I型弦理論。對(duì)一個(gè)統(tǒng)一理論來(lái)說(shuō),5種可能性還是稍嫌多了一些。因此,過(guò)去一直有一些從更一般的理論導(dǎo)出這些超弦理論的嘗試,但直到1995年人們才得到一個(gè)比較完美的關(guān)于這5種超弦理論統(tǒng)一的圖像。

2、超弦理論的優(yōu)越性第47頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日所有的五種超弦理論和M理論都是一個(gè)埸基本的理論的不同極限.

這一圖像可以有用上圖來(lái)表示.存在一個(gè)唯一的理論,姑且稱其為M理論.第48頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日M理論有一個(gè)很大的?？臻g(各種可能的真空構(gòu)成的空間).5種已知的超弦理論和十一維超引力都是M理論的某些極限區(qū)域或是模空間的邊界點(diǎn)(圖中的尖點(diǎn)).有關(guān)超弦對(duì)偶性的研究告訴我們,沒(méi)有?？臻g中的哪一區(qū)域是有別于其他區(qū)域而顯得更為重要和基本的,每一區(qū)域都僅僅是能較好地描述M理論的一部分性質(zhì).但是,在將這些不同的描述自洽地柔合起來(lái)的過(guò)程中我閃也學(xué)到了對(duì)偶性和M理論的許多奇妙性質(zhì),尤其是各種D-膜相互轉(zhuǎn)換的性質(zhì).

在此我們不得不提到超弦理論成功地解釋了黑洞的熵和輻射,這是第一次從微觀理論出發(fā),利用統(tǒng)計(jì)物理和量子力學(xué)的基本原理,嚴(yán)格了導(dǎo)出了宏觀物體黑洞的熵和輻射公式,毫無(wú)疑問(wèn)地確立了超弦理論是一個(gè)關(guān)于引力和其他相互作用力的正確理論.

將5種超弦理論和十一維超引力統(tǒng)一到M理論無(wú)疑是成功的,但同是也向人們提出了更大的挑戰(zhàn).M理論在提出時(shí)并沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)表述,因此尋找M理論的數(shù)學(xué)表述和仔細(xì)研究M理論的性質(zhì)就成了這一時(shí)期理論物理研究熱點(diǎn).

第49頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第50頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

1956年楊振寧、李政道提出在電磁相互作用和強(qiáng)相互作用中基本粒子遵循一定的對(duì)稱和守恒定律，但在弱相互作用中宇稱是不守恒的，他們因此獲1957年Noble物理學(xué)獎(jiǎng)。第51頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第二節(jié)粒子世界一、什么是對(duì)稱性如果經(jīng)過(guò)某種變換之后，物理規(guī)律保持不變，這就是物理規(guī)律的對(duì)稱性。如果一個(gè)操作使系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)變到另一個(gè)與之等價(jià)的狀態(tài)，或者說(shuō)，狀態(tài)在此操作下不變，我們就說(shuō)這系統(tǒng)對(duì)這個(gè)操作是對(duì)稱的，而這個(gè)操作叫作這系統(tǒng)的一個(gè)對(duì)稱操作。

日常生活中常說(shuō)的對(duì)稱性，是指物體或一個(gè)系統(tǒng)各部分之間的適當(dāng)比例、平衡、協(xié)調(diào)一致，從而產(chǎn)生一種簡(jiǎn)單性和美感。這種美來(lái)源于幾何確定性，來(lái)源于群體與個(gè)體的有機(jī)結(jié)合。物理對(duì)稱性第52頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日與空間對(duì)稱性相對(duì)稱的操作有旋轉(zhuǎn)、平移、鏡像1、空間對(duì)稱性（1）旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(a)(c)(b)任意角度的整數(shù)倍的整數(shù)倍軸對(duì)稱，某物體相對(duì)于某軸旋轉(zhuǎn)角度后，與原來(lái)的完全重合，則物體具有n次軸對(duì)稱。第53頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日物理定律具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性:空間各個(gè)方向?qū)υ撐锢矶傻葍r(jià)，沒(méi)有一個(gè)方向具有對(duì)于其他方向的任何內(nèi)在優(yōu)越性，將實(shí)驗(yàn)儀器旋轉(zhuǎn)一個(gè)方位，實(shí)驗(yàn)結(jié)果同。第54頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（2）.空間平移對(duì)稱一無(wú)限長(zhǎng)直線：對(duì)沿直線移動(dòng)任意步長(zhǎng)的平移操作對(duì)稱。無(wú)限大平面：對(duì)沿面內(nèi)任何方向、移動(dòng)任意步長(zhǎng)的平移操作對(duì)稱。平面網(wǎng)格：移動(dòng)特定步長(zhǎng)的平移操作對(duì)稱。第55頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日物理定律的平移對(duì)稱性——空間均勻性意義：空間各位置對(duì)物理定律等價(jià)，沒(méi)有哪一個(gè)位置具有特別優(yōu)越的地位。物理實(shí)驗(yàn)可以在不同地點(diǎn)重復(fù)，得出的規(guī)律不變。例如：在地球、月球、火星、河外星系…進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的引力定律（萬(wàn)有引力定律、廣義相對(duì)論）相同。第56頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（3）鏡象反射對(duì)稱

（左右、空間反射）通常說(shuō)的左右對(duì)稱，本質(zhì)上就是鏡象反射對(duì)稱，或者說(shuō)宇稱(parity)，相應(yīng)的操作就是空間反射(鏡面反射)。在空間反射操作下物理矢量分為兩類極矢量和軸矢量如同有一個(gè)平面鏡把物體分成兩部分，其中一部分是另一部分的鏡像，這種對(duì)稱是對(duì)于平面的對(duì)稱。第57頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日建筑物(宮殿,寺廟,陵墓,教堂)左右對(duì)稱對(duì)稱性概念源于生活第58頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日天竺葵長(zhǎng)春草人體、動(dòng)植物結(jié)構(gòu)對(duì)稱第59頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日例文學(xué)創(chuàng)作中的鏡象對(duì)稱回文詞霧窗寒對(duì)遙天暮暮天遙對(duì)寒窗霧花落正啼鴉鴉啼正落花袖羅垂影瘦瘦影垂羅袖風(fēng)剪一絲紅紅絲一剪風(fēng)第60頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日極矢量：其與鏡面垂直的分量反向，與鏡面平行的分量不變。如：位矢r，速度v，力F，電場(chǎng)強(qiáng)度E等。o第61頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日軸矢量其與鏡面垂直的分量不變，與鏡面平行的分量反向。如：角速度w，力矩M，磁感應(yīng)強(qiáng)度B等等第62頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日物理定律的空間反射對(duì)稱性：如果在鏡象世界里的物理現(xiàn)象不違反已知的物理規(guī)律，則支配該過(guò)程的物理規(guī)律具有空間反射對(duì)稱性。第63頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日一個(gè)靜止不動(dòng)或勻速直線運(yùn)動(dòng)的體系對(duì)任何時(shí)間間隔t的時(shí)間平移表現(xiàn)出不變性。對(duì)于一個(gè)周期性變化體系(單擺、彈簧振子)，對(duì)周期T

及其整數(shù)倍的時(shí)間平移變換對(duì)稱。2、時(shí)間對(duì)稱性（1）時(shí)間平移對(duì)稱性（2）時(shí)間反演對(duì)稱性把時(shí)間t(-t)的變換叫做時(shí)間反演操作，相當(dāng)于時(shí)間倒流。當(dāng)然，現(xiàn)實(shí)生活中時(shí)間是不會(huì)倒流的。但可以想象攝制的錄象帶倒放時(shí)出現(xiàn)的情形：人倒退著走路；彌漫在空氣中的煙霧逐漸被收攏到煙斗中去；…。武打電視片的攝制者就是利用這一點(diǎn)，讓演員從高處往下跳，拍攝下來(lái)倒著放，就可以表現(xiàn)出一個(gè)人從地面躍起，跳上高墻的場(chǎng)面。物理定律的時(shí)間平移對(duì)稱性是指物理規(guī)律不隨時(shí)間流逝發(fā)生變化，物理實(shí)驗(yàn)是可以在不同時(shí)間重復(fù)的。第64頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日詩(shī)曰：君不見(jiàn)黃河之水天上來(lái)，奔流到海不復(fù)回？君不見(jiàn)高堂明鏡悲白發(fā)，朝如青絲暮成雪？這里，詩(shī)人哀嘆韶華如流，人生易老，正是時(shí)間反演不對(duì)稱的寫照。盡管只有少數(shù)理想的體系具有時(shí)間反演對(duì)稱性，但確實(shí)有這種理想的體系。在物理量中，加速度a,電荷q，電場(chǎng)強(qiáng)度E，是時(shí)間反演不變的，而速度v，電流I,磁感應(yīng)強(qiáng)度B,不具有時(shí)間反演不變性。物理學(xué)中，宏觀世界的實(shí)際過(guò)程都是不可逆的。但微觀世界的大多數(shù)過(guò)程都是時(shí)間反演不變的。第65頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

所謂"標(biāo)度變換",通俗地講，就是放大縮小。（1）標(biāo)度變換對(duì)稱性圖形對(duì)于標(biāo)尺的漲縮具有不變性。3.其它對(duì)稱性舉例第66頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第67頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日絕緣體電擊穿時(shí)的電子路徑三分法科赫曲線整個(gè)圖形放大或縮小時(shí)，只需轉(zhuǎn)過(guò)一定角度就與原圖重合。具有整體與部分的自相似性第68頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2.置換對(duì)稱性（聯(lián)合變換）第69頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、對(duì)稱性原理

對(duì)稱性原理是皮埃爾·居里首先提出來(lái)的。原理包含的內(nèi)容是：(1)原因中的對(duì)稱性必反映在結(jié)果中，即結(jié)果中的對(duì)稱性至少有原因中的對(duì)稱性那樣多；

(2)

結(jié)果中的不對(duì)稱性必在原因中有所反映，即原因中的不對(duì)稱性至少有結(jié)果中的不對(duì)稱性那樣多；

(3)在不存在唯一性的情況下,原因中的對(duì)稱性必反映在全部可能的結(jié)果的集合中,即全部可能的結(jié)果的集合中的對(duì)稱性至少有原因中的對(duì)稱性那樣多。從這個(gè)原理可以看到，自然規(guī)律反映了事物之間的因果關(guān)系，其對(duì)稱性即：等價(jià)的原因

等價(jià)的結(jié)果

對(duì)稱的原因

對(duì)稱的結(jié)果

第70頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日例1.根據(jù)對(duì)稱性原理論證拋體運(yùn)動(dòng)為平面運(yùn)動(dòng)例2.根據(jù)對(duì)稱性原理解釋足球場(chǎng)上的“香蕉球”。

原因：重力和初速?zèng)Q定一個(gè)平面，無(wú)偏離該平面的因素，對(duì)該平面鏡像對(duì)稱。結(jié)果:質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)不會(huì)偏離該平面，軌道一定在該平面內(nèi)。

結(jié)果:足球的運(yùn)動(dòng)偏離了重力和初速?zèng)Q定的平面。原因：一定存在對(duì)重力和初速所決定的平面不對(duì)稱的因素，即球被踢出時(shí)是旋轉(zhuǎn)的。第71頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日例4.分析長(zhǎng)直密繞載流螺線管內(nèi)磁感應(yīng)線的形狀.例3.鉛筆的傾倒.原因：具有軸對(duì)稱性結(jié)果：也具有軸對(duì)稱性，鉛筆向各個(gè)方向倒下的概率相同。原因：螺線管對(duì)任意垂直于軸的平面鏡象對(duì)稱,平行于軸的直線上的點(diǎn)具有平移對(duì)稱性。結(jié)果：所以B只有垂直于鏡面的分量。B是軸矢量，鏡象變換后垂直分量不變。第72頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、對(duì)稱性與守恒定律守恒定律的緣起是時(shí)空對(duì)稱性。由時(shí)間平移不變性可以導(dǎo)出能量守恒定律，由空間平移不變性可以導(dǎo)出動(dòng)量守恒定律，由空間各向同性可以導(dǎo)出角動(dòng)量守恒定律。對(duì)稱性原理是最高層次的定理，它凌架于牛頓定律、動(dòng)量定理等這些基本物理規(guī)律之上。對(duì)某些問(wèn)題，在不涉及一些具體定律之前，我們往往有可能根據(jù)對(duì)稱性原理和守恒定律作出一些定性的判斷，得到一些有用的信息。第73頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日四、對(duì)稱性的自發(fā)破缺原來(lái)具有較高對(duì)稱性的系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱因素，其對(duì)稱程度自發(fā)降低,這種現(xiàn)象叫做對(duì)稱性自發(fā)破缺。對(duì)稱性破缺是量子場(chǎng)論中的重要概念，指理論的對(duì)稱性為真空所破壞。它包含兩種情形—自發(fā)對(duì)稱破缺(spontaneouslysymmetrybreaking)和動(dòng)力學(xué)對(duì)稱破缺(dynamicalsymmetrybreaking)。原來(lái)具有較高對(duì)稱性的系統(tǒng)出現(xiàn)不對(duì)稱因素，其對(duì)稱程度自發(fā)降低,

這種現(xiàn)象叫做對(duì)稱性自發(fā)破缺?；蛘哂梦锢碚Z(yǔ)言敘述為：控制參量跨越某臨界值時(shí)，系統(tǒng)原有對(duì)稱性較高的狀態(tài)失穩(wěn)，新出現(xiàn)若干個(gè)等價(jià)的、對(duì)稱性較低的穩(wěn)定狀態(tài)，系統(tǒng)將向其中之一過(guò)渡。第74頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日事實(shí)上，對(duì)稱性自發(fā)破缺一點(diǎn)都不神秘。讓我們一起走近這個(gè)陌生的概念，你最終會(huì)發(fā)現(xiàn)，它其實(shí)是與你的生活息息相關(guān)的，并且對(duì)萬(wàn)物的演化有著深遠(yuǎn)的影響。第75頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日并不神秘的破缺

——引入概念第76頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1、貝納德對(duì)流液體均勻加熱T2T1T2T1>液體表面出現(xiàn)網(wǎng)格意味著平移對(duì)稱性的步長(zhǎng)和取向不再是任意的了，體系的對(duì)稱性下降，原有的對(duì)稱性自發(fā)破缺了。第77頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日T2T1第78頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日例2.弱作用中宇稱不守恒強(qiáng)作用下宇稱守恒得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)。但對(duì)

和

粒子的衰變，它們質(zhì)量相等，電荷相同，壽命也一樣。但它們衰變的產(chǎn)物卻不相同：

1956年，李政道楊振寧為解決“

-”難題，提出弱作用中宇稱可以不守恒。或?qū)ΨQ性的自發(fā)破缺第79頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第80頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

1957年，吳健雄在10-2

K下做60Co

衰變實(shí)驗(yàn)，用核磁共振技術(shù)使60Co核自旋按確定方向排列，觀察衰變后的電子數(shù)分布，發(fā)現(xiàn)無(wú)鏡像對(duì)稱性——證明了弱作用的宇稱不守恒性。李政道楊振寧獲1957年諾貝爾物理獎(jiǎng)。對(duì)稱性的自發(fā)破缺第81頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日2激光輸入功率小于臨界值時(shí)，自發(fā)輻射占優(yōu)勢(shì)，光波列的頻率、振動(dòng)方向、初相都是隨機(jī)的。沒(méi)有哪種特殊成分占優(yōu)勢(shì)，光波列對(duì)稱分布。當(dāng)輸入功率大于臨界值時(shí)，受激輻射占優(yōu)勢(shì)，發(fā)出相干光，處于有序狀態(tài)，對(duì)稱性下降。3物態(tài)變化中的對(duì)稱破缺對(duì)稱性破缺是凝聚態(tài)物理中的重要概念。物質(zhì)粒子結(jié)合成原子、分子，再聚集形成氣、液、液晶、固體等千姿百態(tài)，而且變化萬(wàn)端。概括說(shuō)來(lái)，粒子排列的有序程度越高，該物態(tài)具有的對(duì)稱性越低。因此，氣態(tài)—液態(tài)—固態(tài)相變就是對(duì)稱性破缺，對(duì)稱性逐次降低的結(jié)果。第82頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日

事實(shí)上所有的對(duì)稱性都分別基于某個(gè)基本量不可觀測(cè)的假設(shè)。鏡像反射對(duì)稱暗含著左和右是相對(duì)的，不能觀測(cè)到左和右之間的絕對(duì)差別；空間旋轉(zhuǎn)和平移對(duì)稱暗含著宇宙沒(méi)有中心，任何一個(gè)典型星系上的觀測(cè)者看到的宇宙規(guī)律都是一樣的，空間的絕對(duì)位置和絕對(duì)方向是無(wú)法確定的。而一旦一個(gè)不客觀測(cè)量變成了可以觀測(cè)的量，對(duì)稱性就破缺了。在演化過(guò)程中不斷有對(duì)稱性發(fā)生破缺，同時(shí)往往又有新的對(duì)稱性，因此研究它們產(chǎn)生和破缺的演化規(guī)律，是人們認(rèn)識(shí)自然規(guī)律的一個(gè)重要方面。第83頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日對(duì)稱性在現(xiàn)代物理理論結(jié)構(gòu)中占據(jù)了支配地位。對(duì)稱性已成為現(xiàn)代物理最重要的指導(dǎo)思想和最基本的工作語(yǔ)言。自然的基本設(shè)計(jì)充滿對(duì)稱，復(fù)雜紛紜的世界乃至人類自己都是對(duì)稱性自發(fā)破缺和演化的結(jié)果。第84頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日廣闊天地任馳騁

——理論應(yīng)用第85頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日一、近現(xiàn)代物理學(xué)的基礎(chǔ)之一對(duì)稱性自發(fā)破缺，在現(xiàn)代物理學(xué)的許多分支中都是極重要的概念。其中最具代表性的當(dāng)屬非線性動(dòng)力學(xué)、凝聚態(tài)物理、粒子物理與亞原子物理、天體物理與宇宙學(xué)。下面，就做一些簡(jiǎn)要介紹。（1）凝聚態(tài)物理對(duì)稱性自發(fā)破缺在凝聚態(tài)物理中的出現(xiàn)可以遠(yuǎn)溯至海森堡的鐵磁模型(1928年)，海森堡在1928年提出用量子力學(xué)來(lái)闡明鐵磁性的內(nèi)場(chǎng)，他注意到多電子體系的能量其中有一項(xiàng)依賴于電子自旋的取向。該能量是電子在波函數(shù)之間交換位置引起的交換分布條件下有關(guān)電荷之間的相互作用能，稱為交換能。當(dāng)交換能大于零時(shí)，自旋平行的狀態(tài)是能量更低的狀態(tài)。海森堡無(wú)意中已觸到了對(duì)稱性自發(fā)破缺的概念，然而，他未能系統(tǒng)提出這一理論；比他稍晚，J.Goldstone等人也提出了類似的想法，可見(jiàn)，凝聚態(tài)物理是對(duì)稱性自發(fā)破缺概念的發(fā)源地。直到今天，凝聚態(tài)物理中的許多方面的問(wèn)題的分析還需要借助對(duì)稱破缺的概念。第86頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日混沌不是簡(jiǎn)單的無(wú)序，也不是通常意義下的有序。首先，混沌運(yùn)動(dòng)是一種典型的非周期運(yùn)動(dòng)，是周期運(yùn)動(dòng)對(duì)稱性的破缺，而對(duì)稱性破缺實(shí)質(zhì)上意味著有序程度的提高，所以混沌運(yùn)動(dòng)是另一種類型的有序;混沌區(qū)的系統(tǒng)行為并非真的一團(tuán)亂麻，混沌譜本身還具有無(wú)窮的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中嵌套著各種周期窗口，非周期與周期難分難解地交叉、纏繞在一起，表明混沌行為是一種非平庸的有序性;混沌內(nèi)部的無(wú)窮嵌套結(jié)構(gòu)具有標(biāo)度變換的不變性，局部放大后其結(jié)構(gòu)與整體相似，這種自相似性也是某種意義上的對(duì)稱性，因此，混沌可以看成具有更高層次上的對(duì)稱特征的有序態(tài)。（2）混沌理論混沌是非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)所特有的一種運(yùn)動(dòng)形式，早在20世紀(jì)初的1903年，法國(guó)數(shù)學(xué)家龐加萊——即相圖的發(fā)明者（J.H.Poincare）從動(dòng)力系統(tǒng)和拓?fù)鋵W(xué)的全局思想出發(fā)指出了可能存在的混沌的特性，但混沌學(xué)的真正發(fā)展是在本世紀(jì)70年代后，1977年第一次國(guó)際混沌會(huì)議在意大利召開(kāi)，它標(biāo)志著混沌科學(xué)的誕生。第87頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1933年狄拉克曾預(yù)言:每種粒子都有自己的反粒子,正反粒子完全對(duì)稱，也許在遙遠(yuǎn)的地方存在反物質(zhì)世界。按照粒子物理學(xué)的分類，質(zhì)子、中子以及它們的反粒子都屬于重子，重子數(shù)是個(gè)守恒量。重子數(shù)的定義是：每個(gè)重子的B=1,每個(gè)反重子的B=-1。于是，在重子對(duì)產(chǎn)生和湮滅的過(guò)程中，重子數(shù)總和保持為零。（3）粒子物理與亞原子物理可以說(shuō)，對(duì)稱性自發(fā)破缺真正名正言順的作為一種成熟的理論被提出，是上個(gè)世紀(jì)60年代的事；而這一偉大的成果，直到最近才得到它應(yīng)有的回報(bào)——20世紀(jì)60年代將對(duì)稱性自發(fā)破缺引入量子場(chǎng)論，發(fā)現(xiàn)亞原子物理中的對(duì)稱性自發(fā)破缺的南部陽(yáng)一郎，獲2008諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。南部最先在超導(dǎo)研究中引入了自發(fā)對(duì)稱性破缺的概念，后將之應(yīng)用到粒子物理的研究，發(fā)展了自發(fā)對(duì)稱性破缺模型以揭示重子質(zhì)量的起源。第88頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日各種天文觀測(cè)表明：宇宙線中反質(zhì)子與質(zhì)子數(shù)量之比<。如果認(rèn)為重子數(shù)守恒是一條在任何情況下都顛撲不破的定理，就只好認(rèn)為，宇宙從它誕生時(shí)刻起就存在現(xiàn)今那樣多的不為零的重子數(shù)，即重子與反重子一開(kāi)始就不對(duì)稱。目前，對(duì)正、反重子不對(duì)稱比較可能的解釋是，早期極高溫的宇宙中存在著違反重子數(shù)守恒的過(guò)程，即發(fā)生了自發(fā)對(duì)稱破缺。第89頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（4）天體物理與宇宙學(xué)

對(duì)稱性自發(fā)破缺對(duì)天體物理學(xué)與宇宙學(xué)的發(fā)展也貢獻(xiàn)甚巨。其中的代表就是對(duì)暗物質(zhì)的解釋。大約65年前，第一次發(fā)現(xiàn)了暗物質(zhì)存在的證據(jù)。但暗物質(zhì)究竟是什么？其中一個(gè)候選者就是中性子，一種超對(duì)稱模型中提出的粒子。超對(duì)稱理論是超引力和超弦理論的基礎(chǔ)，它要求每一個(gè)已知的費(fèi)米子都要有一個(gè)伴隨的玻色子（尚未觀測(cè)到），同時(shí)每一個(gè)玻色子也要有一個(gè)伴隨的費(fèi)米子。如果超對(duì)稱依然保持到今天，伴隨粒子將都具有相同的質(zhì)量。但是由于在宇宙的早期超對(duì)稱出現(xiàn)了自發(fā)的破缺，于是今天伴隨粒子的質(zhì)量也出現(xiàn)了變化。而且，大部分超對(duì)稱伴隨粒子是不穩(wěn)定的，在超對(duì)稱出現(xiàn)破缺之后不久就發(fā)生了衰變。但是，有一種最輕的伴隨粒子（質(zhì)量在100GeV的數(shù)量級(jí)）由于其自身的對(duì)稱性避免了衰變的發(fā)生——這是最有可能的暗物質(zhì)。在研究暗物質(zhì)過(guò)程中產(chǎn)生的超對(duì)稱，也是建立在對(duì)稱破缺的基礎(chǔ)上的。第90頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日此外，對(duì)稱性自發(fā)破缺在物理學(xué)許多其他方面也有不少貢獻(xiàn)，如弱作用中宇稱不守恒（t和q粒子，它們質(zhì)量相等，電荷相同，壽命也一樣。但它們衰變的產(chǎn)物卻不相同）和貝納德對(duì)流（從下面均勻加熱水平容器中薄層液體時(shí),若上下溫差超過(guò)一臨界值,液體中突現(xiàn)類似蜂房的六邊形網(wǎng)格,液體的傳熱方式由熱傳導(dǎo)過(guò)渡到了對(duì)流）等。（1）數(shù)學(xué)對(duì)稱性自發(fā)破缺，在歷史上曾大大促進(jìn)了數(shù)學(xué)的發(fā)展。對(duì)于運(yùn)動(dòng)學(xué)的數(shù)學(xué)抽象化策略，在19世紀(jì)末就這樣發(fā)生了革命。18、19世紀(jì)大批數(shù)學(xué)家集中精力，接觸了大量很難的微分方程，還形成了一套解線性微分方程的系統(tǒng)解法。然而，即便如此，很多問(wèn)題還是根本無(wú)法求解，甚至無(wú)法抽象為初等函數(shù)或未積出的積分式。于是，龐加萊在研究有關(guān)對(duì)稱破缺的物理問(wèn)題時(shí)——當(dāng)然，當(dāng)時(shí)還沒(méi)有這種提法——想到了不去求微分方程的解，而去研究曲線族的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的方法。相圖，其實(shí)就是動(dòng)力學(xué)方程的積分曲線族。而這種微分方程的定性理論，對(duì)數(shù)學(xué)的發(fā)展有很深遠(yuǎn)的影響。二、劃過(guò)其他學(xué)科的痕跡第91頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日（2）經(jīng)濟(jì)學(xué)對(duì)稱破缺還能應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)學(xué)？能！還記得首頁(yè)的“怪鐘”嗎？那是1443年P(guān)aoloUccello繪制的24小時(shí)逆時(shí)針?lè)较蜻\(yùn)行的“怪鐘”。經(jīng)濟(jì)學(xué)家ArthurBrian以此鐘為例,論述經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域中的正反饋現(xiàn)象。他說(shuō)，1443年鐘的設(shè)計(jì)尚未定型。一種表盤的設(shè)計(jì)用得愈多，就有更多人習(xí)慣于讀它，以后它就被采用得愈多。最后形成現(xiàn)在的慣例。這就是從正反饋到失穩(wěn)，再?gòu)氖Х€(wěn)到對(duì)稱破缺的過(guò)程。

（3）生物學(xué)、化學(xué)生物體內(nèi)，也存在一種“對(duì)稱破缺”。為什么大多數(shù)動(dòng)物在外觀上都具有左右對(duì)稱性，但體內(nèi)的器官就不那么對(duì)稱了？現(xiàn)代生物化學(xué)指出：有機(jī)化合物的旋光異構(gòu)現(xiàn)象與有機(jī)分子中碳原子四個(gè)鍵的空間構(gòu)形有關(guān)。用L和D分別表示左、右型旋光異構(gòu)體，(+)、(-)代表該物質(zhì)的溶液的旋光方向，（-）表示左旋，（+）代表右旋。生命的基本物質(zhì)是生物大分子，它包括蛋白質(zhì)、核酸、多糖和脂類。其中蛋白質(zhì)是生命功能的執(zhí)行者，其分子是右氨基酸組成的長(zhǎng)鏈。每種氨基酸都應(yīng)有L、D兩種旋光異構(gòu)體。但實(shí)驗(yàn)證明組成生物蛋白質(zhì)的20種氨基酸都是L型的，D型氨基酸只存在于細(xì)菌細(xì)胞壁和其它細(xì)菌產(chǎn)物中。核酸是遺傳信息的攜帶者和傳遞者，分為核糖核酸(RNA)和脫氧核酸(DNA)兩種。右下圖是DNA分子雙螺旋結(jié)構(gòu)模型，通常是右旋的。這正是生物大分子的手性特征。生物體內(nèi)化合物的這種左右不對(duì)稱性正是生命力的體現(xiàn)。維持這種左右不平衡狀態(tài)的是生物體內(nèi)的酶，生物一旦死亡，酶便失去活力，造成左右不平衡的生物化學(xué)反應(yīng)也就停止了?？梢?jiàn)這種破缺也是自發(fā)的，只是它何以產(chǎn)生還未弄清楚。第92頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日宇宙的立法者

——深遠(yuǎn)影響第93頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日對(duì)稱性自發(fā)破缺，這個(gè)提出了近50年，似乎隨著今年的諾貝爾獎(jiǎng)變得更加熱點(diǎn)的理論，定會(huì)在將來(lái)物理學(xué)的發(fā)展歷程中走得更遠(yuǎn)；因?yàn)?，它揭示了客觀世界的復(fù)雜性——會(huì)有一種既非對(duì)稱，又非一片混亂的狀態(tài)普遍存在于世上。下面，僅對(duì)該理論在大爆炸宇宙學(xué)和生命起源方面的前景再說(shuō)兩句。大爆炸宇宙學(xué)是現(xiàn)代宇宙學(xué)中最有影響的一種學(xué)說(shuō)。與其它宇宙模型相比，它能說(shuō)明較多的觀測(cè)事實(shí)。（它的主要觀點(diǎn)是認(rèn)為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。在這個(gè)時(shí)期里，宇宙體系并不是靜止的，而是在不斷地膨脹，使物質(zhì)密度從密到稀地演化。這一從冷到熱從密到稀的過(guò)程如同一次規(guī)模很大的爆發(fā)）然而，大爆炸宇宙學(xué)還存在一些未解決的困難問(wèn)題。主要問(wèn)題之一是如何解釋為什么粒子要多于反粒子。X射線觀測(cè)表明宇宙并不是由物質(zhì)和反物質(zhì)的區(qū)域組成的。它的主要組成是物質(zhì)。這個(gè)問(wèn)題稱為重子不對(duì)稱性，解釋這種現(xiàn)象的理論被稱為重子產(chǎn)生。重子產(chǎn)生理論是由薩哈羅夫于1967年提出的，它的必要條件中包括物質(zhì)和反物質(zhì)間的電荷-宇稱對(duì)稱性的破缺。粒子加速器只觀測(cè)到很小的電荷-宇稱對(duì)稱破壞，不能解釋宇宙的重子不對(duì)稱性。宇宙學(xué)家和粒子物理學(xué)家希望能發(fā)現(xiàn)電荷-宇稱破壞的其它來(lái)源。

重子產(chǎn)生，這一對(duì)對(duì)稱性自發(fā)破缺的挑戰(zhàn)，與粒子物理有密切的聯(lián)系。這些問(wèn)題的解決答案可能會(huì)產(chǎn)生于高能理論和實(shí)驗(yàn)而不是于天文觀察中。或許，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能最終解開(kāi)這個(gè)謎團(tuán)。第94頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日李政道認(rèn)為,當(dāng)代科學(xué)的大問(wèn)題,在宇宙學(xué)里有兩個(gè),一個(gè)是類星體,一個(gè)是暗物質(zhì);在粒子物理學(xué)里有兩個(gè),一個(gè)是對(duì)稱破缺,一個(gè)是看不見(jiàn)的夸克。而對(duì)稱破缺，應(yīng)該說(shuō)是其中最具魅力的奇葩。粒子物理學(xué)中的對(duì)稱破缺問(wèn)題與未知的力有關(guān).粒子物理學(xué)中的許多理論,如量子色動(dòng)力學(xué),愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論,都是源于對(duì)稱的.可是我們的世界又是不對(duì)稱的.這表明除了已經(jīng)知道的強(qiáng)力,電磁力,弱力和引力外可能存在未知的力,這個(gè)力是引起對(duì)稱破缺的原因.如果我們了解這個(gè)力,就有可能知道對(duì)稱破缺的機(jī)制,就能知道不對(duì)稱性的起源,進(jìn)而就有可能了解質(zhì)量(包括暗物質(zhì))的來(lái)源，也就能真正明了世間萬(wàn)物的產(chǎn)生機(jī)理。

這個(gè)美好的前景，就是我這次探索的重點(diǎn)；相信人類終將最終破解“一切是為什么？一切從哪里來(lái)？”的問(wèn)題。

THAT’SALL！

THANKYOU！

第95頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日三、粒子物理的未知課題質(zhì)量的起源是什么？中微子的質(zhì)量是否是零？夸克和輕子的“代”是如何產(chǎn)生的？還有沒(méi)有更多代的夸克和輕子？能否打破夸克的“緊閉”，實(shí)現(xiàn)夸克膠子等離子體？夸克和輕子又無(wú)內(nèi)部結(jié)構(gòu)？能否在亞夸克層次將二者統(tǒng)一起來(lái)？能否實(shí)現(xiàn)基本力的統(tǒng)一？還有沒(méi)有尚未發(fā)現(xiàn)的基本力？是否存在磁單極？尋找引力子；引力波的探測(cè)；量子理論與引力理論的協(xié)調(diào)。......科學(xué)探索是沒(méi)有盡頭的？是從？？？到？？？第96頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日由于粒子尺度太小，大多數(shù)粒子壽命又很短，所以人們通過(guò)間接的手段研究，利用加速器或?qū)ψ矙C(jī)使高能粒子相撞，讓他們的能量和質(zhì)量聚集到一個(gè)很小的區(qū)域中，此時(shí)粒子是不穩(wěn)定的，會(huì)產(chǎn)生出一些粒子?？梢岳锰綔y(cè)器對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行認(rèn)定，通過(guò)這樣的方式了解粒子間的相互作用的特性和發(fā)現(xiàn)新粒子、新類型的相互作用。碰撞和衰變第三節(jié)粒子物理的研究手段和發(fā)展方向一探索微觀世界的武器高能物理實(shí)驗(yàn)包括三部分：粒子源、探測(cè)器、數(shù)據(jù)處理裝備。第97頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日第98頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日目前，只有質(zhì)子、電子、光子和中微子比較穩(wěn)定，大多數(shù)粒子是不穩(wěn)定的，它們要自動(dòng)衰變成兩個(gè)或更多個(gè)具有較小質(zhì)量的其他粒子。大多數(shù)粒子的壽命在10-6~10-22s范圍。中子是已知不穩(wěn)定粒子中壽命最長(zhǎng)的，為887s,而Z0粒子壽命最短，為2.643X10-25s。粒子質(zhì)量與其壽命有密切關(guān)系，是判斷和辨認(rèn)粒子的重要依據(jù)。e-e+第99頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日二、加速器和粒子探測(cè)器加速器簡(jiǎn)介

使帶電粒子不斷地加速以獲得很大能量的一種裝置叫做加速器。通常由離子源（或電子槍）、加速聚焦系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。加速后粒子的能量一般在10萬(wàn)電子伏以上，目前最大的加速器能使帶電粒子獲得幾千億電子伏的能量。低能加速器是研究低能原子核物理的主要裝置，在國(guó)防工業(yè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中也有廣泛應(yīng)用。例如工業(yè)探傷、醫(yī)療等。至于中、高能加速器，則主要用作探索微觀世界規(guī)律的工具。

第100頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日加速器種類：按能量分有：低能加速器（加速粒子的能量在1億電子伏以下）；中能加速器（1億至10億電子伏）；高能加速器（10億至500億電子伏）和超高能加速器（500億電子伏以上）。按粒子運(yùn)動(dòng)的軌道分：有直線型加速器和圓形加速器。屬于直線型的有倍壓加速器、靜電加速器和直線加速器；屬于圓形的有電子感應(yīng)加速器、回旋加速器、電子回旋加速器、穩(wěn)相加速器、電子同步加速器、質(zhì)子同步加速器和同步穩(wěn)相加速器。按被加速的帶電粒子分：有加速電子、質(zhì)子、氘核及各種重離子的加速器。對(duì)于后兩種加速器，按聚焦類型分，又有弱聚焦和強(qiáng)聚焦兩類。第101頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日1.靜電加速器和串列加速器VandeGraaff靜電加速器V=Q/C能量穩(wěn)定性好電壓連續(xù)可調(diào)第102頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日串列加速器第103頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日靜電加速器第104頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日回旋加速器回旋加速器的結(jié)構(gòu)回旋加速頻率：粒子能量：第105頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日直線加速器直線加速器原理MeV到GeV可加速質(zhì)子和電子第106頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日直線加速器美國(guó)斯坦福直線加速器遠(yuǎn)景第107頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日美國(guó)斯坦福直線加速器外貌第108頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日同步加速器同步加速器原理：軌道固定、磁場(chǎng)和加速電場(chǎng)調(diào)變?cè)鰪?qiáng)器：提高注入離子能量，改善能量品質(zhì)。儲(chǔ)存環(huán)：存儲(chǔ)高能離子第109頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日同步加速器同步輻射第110頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日同步加速器對(duì)撞機(jī)：第111頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日同步加速器第112頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日同步加速器第113頁(yè)，共125頁(yè)，2023年，2月20日，星期日北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)北京