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物质的组成与结构
第卷侧重讲“理”,讲物质的运动;第卷要转换视角,由理转向“物”,把学
习的重点放在物质的组成与结构上实际上它们是同一个问题的两面
物质具有复杂的层次结构
现代物理学把物质划分为不同层次,各个层次的物质有其特殊的组分、结构
与性能对每一层次的探索与研究,形成了一个物质科学体系(见表现代物
理学又为这个体系提供了统一的理论基础
表物质层次的划分及其相应学科
根据现代物理学可对每一层次的物质进行层内分析与逾层分析通过层内
分析,为某一层次物质的整体属性与功能建立恰当的描述体系;通过逾层分析,
把不同层次的物质联系起来,既要研究由较低层次的元素通过相互作用力结合
为较高层次系统,又要研究将某一层次的物质还原为低一层次的元素及其相互
作用力我们把它具体化为四个问题:
某一层次物质的整体属性,通过相图把它们恰当地描述出来
)确定物质的组分,使之成为以下一个层次物质为元素组成的系统
)确定物质系统的相互作用势能的具体数学形式,求解微分方程给出系
统的定态解
)由物质系统的组成及其定态,解释实验总结出来并在相图上描述的物
质的整体属性,预测物质系统的结构与性能
物质的演化
现代物理学研究的客体包括整个空间尺度范围内的物体发现极小尺度的微
观粒子的性质可以直接影响到诸如宇宙形成、演化等宏观尺度极大客体的性质按
照物质的空间尺度大小排列的标度序列,形成了一种蛇吞尾的方式,如图它从
普朗克标度到宇宙边界标度,把对粒子性质的研究同对宇宙起源
的研究联系起来,以描绘宇宙演化史即宇宙大约在亿年以前从“大爆
炸”中创生,随着它的膨胀、冷却,逐渐衍生成众多的星系、恒星、行星直至出现生
命,并通过人类进行自我认识现代物理学认为它所描述的物质层次结构是在宇宙
演化过程中形成的,这种“形成”是合乎规律的,并为天文观测与地面实验所证实
根据这一观点,今天我们所观测到的一切,都是宇宙膨胀的某种遗迹
四种基本相互作用
迄今我们发现了四种基本相互作用,物质世界千变万化的现象归根到底是
这些相互作用的结果,见表尽管物理学家孜孜以求的目标是给出能够同时描
述四种相互作用的统一理论,但在多数情况下,由于其强度和力程的巨大差异,
对实际问题有可能通过不同层次的研究把四种作用逐一理清,而不需要同时全
部理解它们我们在研究一种相互作用时,往往可以忽略其它影响因此,可以不
必为理解原子而去理解原子核,核物理学家也不必等待粒子物理学家的结果也
正是由于这个原因,使我们对物质体系的认识能分层进行
为通俗起见,四种基本相互作用有时也对应地称为四种基本力由于引力作
用和电磁作用是长程的,相应的力就是早已熟悉的引力和电磁力世纪发现
的两种基本力之一是强力(或核力),它是四种力中最强的,依赖于它,原子核、中
子、质子才得以形成但它是一个短程力,当距离超过时,强力就消失了
图蛇吞尾图,形象地表示了物质空间尺度的
层次和宏观世界与微观世界的联系
表四种基本相互作用
正是这个距离决定了原子核的大小在日常生活中并不能感受到这个力粒子可
以按是否参与强作用进行分类我们把参与强作用的粒子,统称为强子,不参与
强作用的费米子称为轻子例如中子、质子是强子,而电子是轻子强子中的费米
子称为重子而玻色子称为介子弱力为另一种基本力,它也是短程力,其作用距
离更小中子与原子核的放射性衰变,以及许多其它粒子的衰变,都是通过弱力
发生的
第十六章粒子物理
人类一直在寻找基元物质,认为基元物质是永恒不变的、最基本的物质,是
万物之本在古希腊,起初曾把它们叫做元素到哲学家德谟克利特(
公元前)提出“原子说”,认为元素是由不变的、不可分割的“原子”组成
的,自然界除了存在原子与虚空以外,别无它物;人们的感觉:色、味、硬度等可观
测性质,是通过感官在头脑中幻化出来的,并不存在于自然界中,这种感觉需要
用原子的组合和运动加以解释从此“,原子”假设成了自然科学发展的一个指导
思想,它包含了物质可分性极限的意思
人类在探索原始物质的航程中,已经历了个层次:分子、原子、原子核、强
子及夸克,并且通过各种实验手段直接或间接地证实了它们的存在在向微观世
界极限挑战的历史中,当人们在某个尺度上达到了一个层次后,以后又会发现这
个层次还不是最基本的,即它们并不是不可分或没有结构的世纪中期,人们
曾把强子层次的粒子称为基本粒子(一些早期的书中常见到这种称呼) 但现在
人们知道,这些“基本粒子”并不“基本”,故而将研究强子层次以下所有各层次的
物理学分支称为粒子物理学
那么存在不存在基元物质呢?如果存在,物质航程的终点在哪里呢?对这
个问题的回答,可