物理知识系列讲座（一）——物理学对物质世界的基本认识

    1——物质世界的层次、形态与基本相互作用

一 物质世界的层次

  在人类已研究的物质客体中，空间尺度跨越了42个数量级（如图1-1-1），大体上可以分为宇观、宏观、介观、微观诸层次。通常把分子、原子尺度以下的物质客体叫做微观系统，把大小在人体尺寸上下几个数量级范围内的物质客体叫做宏观系统。将尺度介于宏观与微观之间的物质层次叫介观系统。大于宏观层次的物质客体叫宇观系统（“宇观”的提法在科学界是有异议的，理由是宇观世界和宏观世界的物理规律在本质上并无区别，仅是尺度大小不同而已）。从宏观角度看，物质内部结构是连续的、而宇宙是不连续的。从宇观角度看整个宇宙的物质密度是均匀的，而从微观角度看物质的内部结构则是不连续的。

 微观客体是构成宏观物质的基本单元如原子、原子核和基本粒子。物质由分子（大小约10^-9m）组成，分子由原子组成，原子（直径约10^-10m）又由原子核（直径约10^-15m）和绕核运转的电子组成。原子核由核子（质子和中子）构成，核子的组成单元是夸克。还有传递各种作用力的基本粒子如光子、w粒子、Z⁰粒子、胶子和引力子。各种各样的宏观物质最后归结于若干个基本粒子所组成。

图1-1-1 物质客体的空间尺度

 80年代以来，对介观系统的研究成为了物理学中的一个新的研究领域。人们把介观体系分为亚微米体系（尺寸0.1—1μm）、纳米体系（约1—100nm）和团簇（含几十到几百个或上千个原子、分子、离子的聚集体，典型尺寸约小于1nm，大的尺寸也可达几十纳米）。在这些介观体系中，出现了许多既不同于宏观物体也不同于微观体系的奇特的现象，普遍存在量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应等性质。

宇观世界是万有引力起主要作用的世界。虽然在宏观世界，引力的作用被忽略不计，但天体的质量非常巨大，引力作用是支配天体运动规律的主要原因。按尺度的规模，天体可以分为四个层次：行星层次、恒星层次、星系层次和宇宙整体。   

二 物质存在的基本形态

人类对物质的认识，首先从形形色色的的物体中开始并抽象出“实物”的概念。实物即原子、分子组成的各种固体、液体和气体，占据一定的空间，互不可入，有间断性，有固定的质量，看得见，实实在在。现代物理证明场是除实物以外的另一种物质实在。

从本质上看，宇宙中的物质基本形态有两种即实物和场。目前认识的物态有固态、液态、气态、等离子态、超密度态、反物质态和真空态7种。固态、液态和气态是生活中所常见和熟悉的。等离子态是由足够数量的正负带电粒子组成、运动受电磁力支配的物质状态。宏观上，等离子体所含的正负电荷处处相等，一般为电中性，运动过程中表现出集体行为。它存在于电弧、日光灯、高空电离层和极高温度下的物体系统（如热核反应）中，也是宇宙中物质存在的主要形式（如恒星内部）。晚期恒星的物态是超密度态。这是由于晚期恒星热核反应停止，引力作用使星体收缩、密度剧增所致，如白矮星（密度高达10⁵—10⁶g/cm³）、中子星（密度更高达10¹⁴—10¹⁶ g/cm³，原子外层的电子挤到原子核里去了）。反物质态是由反粒子构成的物态，如反质子和正电子组成的反氢原子。1995年，欧洲核子研究中心利用超高能加速器研制出了微量的反氢物质。真空态是物质存在的最低能态，物理意义上的真空并非“一无所有”。此外，在宇宙中还存在有大量的暗物质，我们所能观测得到的宇宙物质只占宇宙物质总量很小的部分。什么是暗物质？人们把宇宙间不发光的物质即用光学望远镜看不到的物质统称为暗物质。暗物质可以分为两类。一类是利用天体发射、吸收、反射、折射或散射电磁波的特性，可以探测到其存在的天体物质，之所以看不见，是因为太远或辐射太弱。随着观测手段的发展，原则上是可以发现的。如各种星际分子、新的星系、脉冲星、类星体等，都接连不断地被发现。它们在本质上都是由质子、中子、电子等组成，只要处于高温、高压状态，总可以发光。另一类是原则上不会发光而与电磁波无缘的物质，这才是真正的暗物质。它们不发光，也不与光发生作用如反射、折射和散射，也即对各种波长的光，它们是完全透明体，但具有万有引力。研究表明，这类暗物质占宇宙总质量的95%以上。

场是宇宙中另一种特殊的物质形态。场也有不同的形式如电磁场、引力场。场的物质性表现在于：（1）它也象实物一样，有能量、质量、动量，在场中进行的过程遵循质量守恒、动量守恒和能量守恒等物质运动规律。（2）场也以时间和空间为其存在的基本形式。（3）场与实物可以相互转化，如γ光子在一定条件下可以变成正负电子对，反之亦然。但场与实物的根本差别在于：实物粒子如电、质子、中子具有不可入性或定域性，两个实物粒子不能同时占据同一个空间；而场具有可叠加性或弥散性，多个场可以占据同一空间；场的粒子如光子没有静止质量，在真空的传播速度不变，而实物粒子有静止质量且运动的质量与速度有关。场和实物粒子从不同侧面反映了宇宙世界的物质性。

从物理学中的量子场论观点看，量子场才是物质的基本形态。各种基本粒子都可以引进相应的量子场，量子场是具有波动性和粒子性相结合的客体。每一种粒子联系着一种场，各种不同粒子的场相互叠加地充满空间。场的最低能态称为基态，其他能态为激发态，不同激发态表现出各种状态下的粒子系统包括粒子的数目和不同运动状态。量子场的激发表现出相应粒子的产生，退激表现出粒子的湮没。互为复共扼的两种激发态表现为动量和质量相同的正、反粒子状态。量子场或物质场具体可以分为三种基本场即实物场、媒介场和希格斯场。实物场所属的粒子有夸克和轻子（包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子），夸克和轻子是实物组成的基本单元。媒介场所属粒子有光子、胶子、引力子和W⁺、W^-、Z⁰粒子。希格斯场是真空处于最低能量状态下的一种量子场，所属粒子是希格斯粒子。希格斯粒子的作用是负责给所有粒子提供质量。所以，物质存在归结于场，物质粒子是场的一种特殊形态。如电子和正电子两种实物粒子从属于电子场，是电子场的量子。电子场的激发表现为正电子和电子的产生，电子场的退激表现为电子和正电子的湮灭。退激的能量使电磁场激发，产生一对光子。光子从属于光子场即电磁场，是电磁场的基本粒子。不同能量状态下的电磁场对应不同数量的光子。当电磁场受到激发而跃迁到较高能态时，将出现一些新的光子。当电磁场由高能态跃迁到低能态时，将伴随着一些光子的湮灭。其他物质粒子类似，是它们所从属的量子场的激发，量子场的量子即粒子。量子场是最基本的，粒子是派生的。断续的粒子和连续的场统一于既具有微粒性又具有波动性的量子场中。

三、真空—物质存在的一种状态

真空的本质首先是狄拉克提出的，量子场论对真空又有更完整的描述。

1．狄拉克关于真空的解释

根据相对论能量—动量关系

            E²=（PC）²  + m₀²C⁴          （1-1-1）

狄拉克结合相对论和量子力学，建立了狄拉克波动方程。由该方程得出的解有四个波函数，对应电子的四个状态。其中两个波函数对应两种自旋取向的电子正能态，另两个波函数则对应于电子的“负能态”。对电子每一个动量，由（1-1-1）式，能量

有两个值即

          E= ±           （1-1-2）

在经典力学中，不存在负能量物体。狄拉克认为，在量子力学中负能量有物理意义。由（1-1-2），可得到电子能级如图1-1-1所

示，能量从- ∞  变到-m₀c²，又从+m₀c²变到+∞  ，但不取-m₀c²与+m₀c²之间的值。正能态电子是实验所能观察到的，而负能态电子从未观察到。狄拉克假设，负能级都被电子填满了，由泡利不相容原理，正能态电子无法进入负能级。这种“负能电子海”叫真空。“真空”是一种负能态被填满而正能态全空着的状态，什么也观察不到。只有当负能电子海中少了一个电子即出现一个“空穴”时，才表现出可观察的物理效应。也就是说，少了一个电荷-e能量-m₀c²的粒子，相当于多了一个电荷+e能量+m₀c²的粒子。真空中出现这样一个粒子是可以观察到的。负能级中空穴又会被其它负能态电子填充，于是出现了空穴的运动，表现为一个带正电（+e）粒子的运动一样。这个与电子等质量、电荷为+e的粒子叫做“正电子”。如果给真空中负能态电子以大于2 m₀c²的能量（如γ光子能量），则可使其激发跃迁至正能态，于是出现可观察的正负电子对（正能态正电子即负能态中的空穴）。γ光子可以产生正负电子对。反之，正负电子对相遇时会同时消失，继而转变成γ光子。这一过程称为正负电子对湮没。也即负能态一个空穴被正能态电子填充，并以光子形式释放出能量。

 图 8-1-2 电子能态

  2.关于反粒子

 按照狄拉克理论，真空并非“空无所有”，而是一种负能粒子海。狄拉克预言，每一种粒子都会有相应的反粒子。1932年，安德森在研究宇宙射线时发现了正电子。1955年，美国伯克利实验室张伯伦（1920-2006）—塞格雷（1905-1989）小组发现了反质子，不久又发现了反中子。1961年，美国布鲁克海汶实验室用高能质子加速器将质子加速到300亿电子伏特进行反氘核实验，结果发现了反氘核。1956年，我国著名物理学家王淦昌（1907-1998）发现了反西格玛超子。以后其他许多基本粒子的反粒子也陆续被发现。反粒子与其对应的粒子的质量、自旋、平均寿命、磁矩的大小都相等。如果带电，则两者的电荷相反。磁矩和自旋方向也相反。各种粒子与反粒子相遇会发生湮没而而转化为其它粒子，如正负电子对湮没产生2个γ光子，不同能量下的质子和反质子相遇湮没可转化为π介子或γ光子等各种各样的粒子，有些粒子是人们正在寻找的。

 3.真空—量子场的基态

 按照现代物理学基础理论—量子场论，物质世界是由各种量子场组成的。这些量子场系统的能量最低态（基态）就是真空。物理真空好比一个蕴含着无穷大能量的大海，它是一切物理过程的背景和本底，所有物理反应都在大海的上空进行。绝对平静的海平面是对称的。由于激烈的物理反应，有一部分能量会扰动“海面”，一些“浪花”从海中溅出并参与“海面”上空的反应。这就是所谓的真空激发。根据海森伯不确定关系，在真空中的细微时空区域，能量不确定度会很大，将出现真空的能量“涨落”。如果涨落的能量超过电子静止质量的两倍，就可能引起正负电子对的产生。但这种电子对只存在于细微的时空区域，所以是虚粒子对。如果涨落的能量更大，将可能产生更大质量的虚粒子对。虚粒子对不是虚构的粒子，而是实在的一种粒子状态。如果外界不提供能量，这些虚粒子对会迅速湮没。当外界提供足够能量时，真空就会被激发，而表现出可观察的粒子效应。

 前面已讲过，量子场是物质的基本形态，量子场呈现多种运动状态包括激发态和基态，这种激发态的出现代表实粒子的产生。激发态消失即处于基态时，代表实粒子消失。实粒子的消失并不意味着量子场这种客体消失了，作为物质客体的量子场仍然存在，只是处于基态而已。这种基态便是真空。因此，真空是物质存在的一种状态，是量子场的基态。

四 物质的基本相互作用

近代物理已经证实自然界只存在四种基本力，其它力都是这四种力的不同表现。这四种力或相互作用是引力、电磁力、强力和弱力。

  1.引力相互作用 引力是存在于任何两个物质客体之间的吸引力。如果把两个物体看成质点，它与两个物体的质量乘积成正比而与两个物体之间的距离成反比，是一种长程力。重力是地球对地面上及地面附近的物体的引力，这种引力如此明显是由于地球质量十分巨大的缘故。宇宙中天体的质量很大，因此天体之间的相互作用表现的是引力。理论研究认为，引力相互作用是由一种称为“引力子”的媒介粒子（类似于光子）来传递的。但是到目前为止，还没有从实验中观察到引力子。

  2.电磁相互作用 电磁力是带电粒子或宏观的带电物体之间的作用力。两个静止的点电荷之间的作用力遵循库仑定律。库仑力比万有引力强得多，前者大约为后者的10³⁶倍。运动的电荷之间除了有电力外，还会有磁力相互作用。磁力和电力具有同一本源。因此，电力和磁力统称为电磁力。电磁力是一种长程力。物体或粒子之间的电磁相互作用是通过电磁场来传递的，电磁场的量子是光子，电磁力的传递速度或电磁波的传播速度是光速，光子的静止质量为零。如果说引力相互作用支配着天体的运行，那么电磁相互作用则支配着原子与分子的世界。

  3.强相互作用 强相互作用只发生在一定种类的粒子之间。正是这种力把中子和质子结合成紧密的结构，形成了原子核。这种存在于质子、中子、介子等强子之间的作用力称为强力，表现的是强子之间的很强的相互吸引（强力作用占压倒优势的粒子叫强子），力的强度达10⁴N。轻子如电子之间不会发生这样的作用。强力是一种短程力，其作用范围要小于10^-15米。在原子核内，强力占主要的支配地位。粒子物理的研究表明，夸克是组成质子和中子等粒子的更基本的粒子，强相互作用是使夸克结合成质子和中子等粒子的基本作用力。因此，强相互作用实际上存在于夸克之间，而这种相互作用是通过一种称为胶子的媒介粒子来传递的。

  4.弱相互作用 弱相互作用是在研究核的β衰变时（1934年）发现的。由于β衰变过程进行得异常缓慢，物质之间的相互作用比电磁相互作用弱得多。费米认为，β^-衰变的本质是核内一个中子变为一个质子，β⁺衰变是一个质子变为一个中子。中子与质子可以看成核子的两个不同状态，中子与质子的转变相当于不同量子态的跃迁，在跃迁过程中同时放出电子和中微子。β衰变中涉及不带电粒子，因此它不是电磁力的效果。导致产生光子的是电磁相互作用，导致产生电子和中微子的则是一种新的相互作用，费米称之为弱相互作用。能发生弱相互作用的粒子种类很广泛。弱力的力程比强力还要短，而且很弱（两个相邻质子之间的弱力仅约10^-2N），作用范围小于10^-17米。弱相互作用只在粒子之间的某些反应（如β衰变）才显示出其重要性。弱力是由W⁺、W^-、Z⁰粒子作为传递媒介的，但是这种媒介子的质量是比较大的，比质子和中子的质量还大。

4种基本相互作用的特征列于表1-1-1中，按力的强弱排序，依次是强力、电磁力、弱力和引力。 

表1-1-1 四种基本相互作用力的特征