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zhfzh

木虫 (正式写手)

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[资源] 给对物理学有兴趣的读者

（一）粒子物理：

根据现今普遍被接受的物理理论，宇宙中的物质是由一些所谓的「基本粒子」所组成。例如原子是由电子及原子核所组成，原子核是由质子与中子所组成，而质子与中子又分别是由夸克以不同的方式组成。其中只有电子与夸克被认为是基本粒子，在实验上并没有找到任何证据显示，他们是由更小的粒子所组成。除了电子与夸克，还有其他许多种基本粒子，共同组成宇宙中所有的已知物质。根据现有的理论，基本粒子不但说明了物质的组成，也解释了物质之间的交互作用。例如电子与电子间之电磁作用力，可以解释为电子间交换光子所造成的效果。因此，宇宙中一切物理现象的规则，原则上可以化约成描述基本粒子的物理定律。因此，研究最基本的物理定律的领域，一般被称作「粒子物理」。另一方面，要研究更基本的物理定律时，通常意味着要研究更小尺度下的物理；而根据海森堡的测不准原理，要探测更小尺度范围内的现象，需要更大的能量。因此，我们需要建造更大的粒子对撞机或加速器来研究更基本的物理定律；而研究最基本的物理定律的领域，也被称作「高能物理」。

现在普遍被接受的描述基本粒子的理论，称作「标准模型」。标准模型的数学架构，是所谓的「量子场，或简称「场论」。原则上，数学上可能的量子场论模型有无限多个，可以容许任意多种不同性质的基本粒子，但自然界选择了标准模型，以及其中所有基本粒子的物理性质，例如电子的质量及电荷等等。高能物理的研究，大致可分为两类。一类是「现象学」，一类是「场论」。前者是以标准模型为基础，研究实验结果与模型间的关系。后者是研究场论的一般性质，并不局限在描述自然现象的模型中。当然，这两者之间并没有清楚的界线。

　

（二）弦论（string theory）：

弦论的出发点是，如果我们有更高精密度的实验，也许会发现基本粒子其实是条线。这条线或许是一个线段，称作「开弦」（open string），或是一个回圈，称作「闭弦」（closed string）。不论如何，弦可以振动，而不同的振动态会在精密度不佳时被误认为不同的粒子。各个振动态的性质，对应到不同粒子的性质。例如，弦的不同振动能量，会被误认为不同粒子的质量。

弦论特殊的地方之一，是弦的量子场论可能只有一个。也就是说，当我们考虑弦而非粒子的量子场论时，数学上可能的模型只有一个。（这件事尚未被完全证实，但至今所有已知的弦论都是等价的。）这表示，弦论中所有的物理性质，都是理论本身决定的。如果弦论是对的，电子的质量及电荷等等，都是理论可以告诉我们的。可惜（幸运？）的是，弦论是一个还在被研究发展的理论，我们对它的了解还不足以让我们可以计算出电子的质量及电荷等等。所以，弦论还不是一个完整的理论，当然也没有被实验证实。另一方面，有许多原因，让研究弦论的人相信，这是一个找寻更基本理论的正确方向。

前一段所述弦论的唯一性，是一个非常重要的特质。如果宇宙万物都要永远遵守同一个物理定律，这个物理定律应该是独特的，而不是任意的。（虽然标准模型或量子场论中还有许多（（如电子质量等））参数是「任意的」，但其任意的程度已经比牛顿力学小得多。）一个万有理论（Theory of Everything, TOE）必须是唯一的，否则它就不是万有的，因为它不能解释它为何是这样而不是那样。万有理论中应该没有任何自由参数；而弦论即满足此一性质。

弦论的另一个优点是它不需要量子场论所需要的「重整化」。量子场论的计算中，总是出现一些无限大的量。本来一个合理的物理定律不应该预测任何无限大的量，但是我们相信，这些无限大的量之所以出现，是因为量子场论不是最基本的理论，而是精确度较差的等效理论。这样的认识，告诉我们如何从这些无限大的量中找到有限值的物理量，而其方法，被称作重整化。反之，一个基本的理论，不应该有无限大的量，也不需要重整化。如果追溯量子场论中出现无限大的原因，则发现与它假设了粒子是不具大小的点有关。弦论中即没有这种无限大的问题。

可能更重要的一个弦论特质是它自动包含了量子重力场。爱因斯坦的广义相对论，是重力作用的古典理论，其量子化长久以来是个令人头痛的问题，也是理论物理里最主要的问题之一。如果以量子场论为架构来描述传递重力的基本粒子「重力子」，会发现计算中将出现的一些无限大并无法用重整化的方法解决。（因此标准模型并不包含对重力的描述。）相反地，一旦假设了弦的存在，便不可避免地在理论上导致了重力作用，原因是弦总是有一个振动态对应到重力子的性质。爱因斯坦的广义相对论已经可以从弦论中被推导出来。
基本粒子
基本粒子按照其质量、寿命、自旋以及参与的相互作用等性质，可分为轻子、强子（重子、介子），以及相互作用的传递子等。这些基本粒子所组成的基本粒子的世界中存在着四种相互作用，即引力相互作用、电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用。引力作用在微观世界中太弱因此可以不考虑。
四种相互作用--世界所有千变万化现象，都是费米子通过玻色子在四种相互作用下惹的祸。
① 引力相互作用--媒介粒子：引力子 / 强度：最弱 / 作用距离：长
② 电磁相互作用--媒介粒子：光子 / 强度：强 / 作用距离：长
③ 强相互作用----媒介粒子：胶子和介子 / 强度：最强 / 作用距离：短
④ 弱相互作用----媒介粒子：中间玻色子 / 强度：较弱 / 作用距离：短

强子

重子(由夸克构成)                   核子       质子(proton)：符号 1 1H    有反粒子
                                             中子(neutron)：符号 0 1n

超子
Λ0、Ω、Σ+Σ-Σ0、    共振态粒子       Δ-Δ0Δ+Δ++、Σ*+Σ*-Σ*0、Ξ*-Ξ*0、Ω 介子π+π-π0介子、K+K-K0 K0介子

轻子
电子（ｅ） μ子 τ子    电子中微子νｅ    μ子中微子νμ                      τ子中微子ντ

传播子
强力：胶子和介子       弱力：中间玻色子W+、W-、Z0       电磁力：光子          引力：引力

所有粒子可分为费米子与玻色子两类。费米子之间的玻色子的来回往返，产生了我们观察到的力。粒子不再是某种刚性实体，而是粒子和波的双重性质的物体。基本粒子有几百种，绝大多数都不稳定，大部分为强子。在能量足够大时，所有的基本粒子都能嬗变为其他粒子，它们能够仅仅从动能产生，并能湮灭而转化为能量，譬如说转化为辐射。
所有基本粒子都由同一种实体制成，我们可以称这种实体为能量或普遍物质（universal matter）；所有的基本粒子正是这种物质所能呈现的不同形式。
高能微观世界：各种粒子都是以微观粒子的单体出现，作高速的匀速直线运动。在高能微观世界，量子力学就无能为力了，支配那里的规律的理论是量子场论。这是在量子力学的基础上发展起来的理论。
费米子
自旋为半奇数：夸克（中子，质子，介子等强子）、轻子（电子、μ子、τ子（重轻子）、3个中微子）
强子：参与强相互作用的粒子，又分重子（质子、中子、超子）和介子（如κ介子）
重子由三个夸克组成、介子由一个夸克和一个反夸克组成；一切强子都是由夸克组成
玻色子
波函数一定是对称的，自旋为零或偶数
光子、引力子、胶子（传递粒子间相互作用的粒子）、氘核、α粒子。
玻色子粒子可以看成经典场（电磁场与引力场）的量子（量子化的能量小包）；电磁场的量子是光子，引力场的量子是引力子；任何基本的力都必然有与之相关联的基本粒子，即相应场的量子。有时量子被称为相应力的携带者。
反粒子
许多粒子都有和它质量相同而电荷相反的粒子---反物质。
一个有质量的粒子和它的反粒子可以湮灭而形成能量，并且这样的对子可由能量产生出来。
一个电子和正电子相遇时就转化为两个光子：这个过程叫“湮灭”( annihilation )，有是甚至说为“物质湮灭给出能量”。但实际上这仅仅是物质之间的转换，能量形式之间的转换。
光子的反粒子就是它本身。
反物质只能在高能碰撞中偶而出现。
射线
α粒子：氦原子核4/2H，有很强的电离作用，贯穿能力很小，光速的十分之一
β射线：高速运动的电子流0/-1e，贯穿能力很强，电离作用弱
本来物理世界里没有左右之分的，但β射线却有左右之分
γ射线：波长极短的电磁波，性质像X射线，贯穿能力更大，电离作用很小
宇宙射线：是从宇宙空间射来的高能粒子，主要为质子
原子
原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一，却集中了原子的几乎全部质量
一个原子的绝大部分是一无所有的空间，加上量子因素排除了电子具有精确的轨道的可能性，原子便让人觉得是一种非物质的模糊的实体了
质子、中子的质量分别都是电子质量的1800倍
兀介子在原子核里，往来于中子和质子之间，用核力使中子、质子粘结在一起。
质子数相同，中子数不同的称同位素
在带有Z个正电荷的原子核外面，如果正好有Z个电子，这就是一个中性原子。如果电子的数目不是Z，有时也可以构成一个稳定的系统，这种系统称为离子，电子数较少的称正离子，较多的称为负离子，但总不能与Z相差太多。
原子的化学性质取决于其中的质子数。
原子处于在低能量环境中。
电子在不同的原子核外如何组成各种原子以及不同的原子如何组成种类数不清的分子。
费因曼的历史求和思想是，一个系统在时空中不止有一个单独的历史。相反的，它具有所有可能的历史。也就是说，粒子可以采取时空中的任何路径。这样，粒子就可能旅行得比光还快。粒子以比光速更快的速度作长距离运动的概率很低。
费马原理：光所选择的是使它到达目的地所花时间最短的那条路径。
作用量原理：粒子的实际经历是作用量最小的那一个。
玻色－爱因斯坦凝聚
原子气体中,在足够低的温度下，所有原子有可能处在相同的最低能态上，所有的原子的行为像一个粒子一样。
每种粒子对应一种场，场没有不可入性，对应各种不同粒子的场在空间中互相重叠地充满全空间。场也具有波粒二象性。
场的能量最低状态称为基态(ground state)，场的其它能量状态称为激发态(excitation state)。场的激发态表现为出现相应的粒子，场的不同激发态表现为粒子的数目和运动状态不同。因此，在场和粒子之间，场是更基本的，粒子只是场处于激发态时的表现?——Einstein
所有的场都处于基态时为物理真空(physical vacuum)。因此，真空并不是“真”的“空”无一物，真空态时全空间充满各种场，只是由于所有场都处于能量最低状态，从而不可能表现出任何释放出能量而给出信号的物理效应。
按照量子场论，相互作用存在于场之间，无论是处于基态还是处于激发态的场，都同样地与其它场相互作用；粒子之间的相互作用来自它们所对应的场之间的相互作用，场之间的相互作用是粒子转化的原因。
杨-米尔斯场: 弱力与强力由交换某种能量量子而产生(麦克斯韦场的推广)。
对于弱相互作用，相应于杨-米尔斯场的量子是W粒子，并带有电荷；
对于强相互作用，相应于杨-米尔斯场的量子是胶子，它把中子、质子"胶合"在一起。
夸克理论的基本预设是，夸克本身是真正浑然一体的基本粒子，是一种象点一样的物体，没有内部成份。
胶子
色对胶子起的作用，犹如电荷对光子的作用，既胶子与色的相互配合和光子与电荷的相互配合一样。不同在于光子是电中性，而胶子是多色性。
在这些大致的粒子分类中，还可以发现很多亚类。组成这些亚类的粒子具有若干性质，如质量，电荷，以及其他一些更为技术性的特性，其性质随其种类的不同而呈现出有系统的变化。用粒子研究的术语来说，数学表明，强子根本就不是基本粒子，而是由更小的粒子组成的合成物。
1913年，物理学家爱因斯坦针对这个问题提出了万有引力场论。他认为任何物体周围都存在引力场，而引力场存在于弯曲的时空里，引力场是通过引力波传播，而引力波是通过引力子使物体相互吸引的。但这只是爱因斯坦的预言，引力子真的存在吗？这个问题成了物理学家们争论的焦点。看起来，只有找到引力子，才能证实爱因斯坦的新引力论。
　　为了寻找引力子，科学家们做出了不懈的努力。有一些科学家在宇宙中寻找能产生引力子的源泉，并取得了进展。从1974年到1978年底，他们在波多黎用天文望远镜，对 15000光年远的社电脉冲双星进行了观测，间接地证实了引力子的存在。

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