大道至简——写给孩子看的近代物理学

楼主:陟云子 时间:2018-06-01 10:02:34 点击:3927 回复:165
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  (正文)

  第一篇 毫微之处见神奇-微观粒子的前世今生

  1.路漫漫其修远兮,吾将上下而求索——寻求粒子的极限

  人类对科学的探索是无止境的,对微观世界的探求就更是如此。在一个朝暾初露的清晨,当你纵目眺望,看到窗外娇艳欲滴的鲜花、郁郁葱葱的树木和平砥如镜的湖面时,你是否曾想到过,它们究竟是由什么构成的?

  有人说,一花一世界,一叶一如来,相比于我们生存的宏观世界,微观世界的丰富程度和多彩性一点都不逊色。如果能深入到这些物体内部,我们就会发现,不管这些物体是什么质地、什么颜色,抑或它的形状和大小是什么样的,这些物体都是由一个个分子构成的。

  分子是保持物质化学性质的最小粒子。分子具有什么样的特性,由这种分子组成的物体在宏观上也就具有同样的特性。

  分子是由更小的原子构成的。早在两千多年前的古希腊,一位叫做德谟克利特的哲学家就提出了原子的概念,并且认为万物都是由原子构成的。原子的原意是看不见的并且不可分割的粒子,它有不同的种类、形状以及重量,原子在空间的不同运动形态便形成了不同的物质。虽然从今天的角度来看,德谟克利特的说法是不严谨和不完善的,但却揭示了原子的重要特性,原子是参与化学反应的最小粒子。例如我们都知道,氢气在氧气中燃烧,最终的产物是水。在此过程中原有的氢分子和氧分子被拆散重组,形成了由两个氢原子和一个氧原子共同组成的水分子,从分子角度看肯定是发生了变化,但是相应的氢原子和氧原子依然保持它们原有的形态,在此过程中并无变化。

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作者:wanshitu 时间:2018-06-01 10:05:31
  此贴要火
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楼主陟云子 时间:2018-06-01 11:39:37
  (正文)

  哲学思想的前瞻不能替代真正的科学发现。1803年,英国物理学家道尔顿第一次在实验中引入了原子的模型,他认为原子是实心的不可分割的小球,同种元素的原子性质和质量都完全相同。1869年,俄国科学家门捷列夫发现了元素周期表的排列规律,从而真正将人们带入了科学原子论的大门。

  道尔顿的原子模型难以解释原子中电荷的分布,因此在1904年,汤姆逊提出了葡萄干面包模型,这个模型也被叫做枣糕模型或者西瓜模型,该模型认为电子是平均分布在原子当中的,就好像葡萄干分布在面包中一样,而整个原子从宏观上说正负电荷彼此相互抵消,因此仍然表现为电中性。只有当受到激发时,电子才会脱离原子,而产生所谓的阴极射线。该理论能够解释原子的电中性特性,但却不能解释卢瑟福的散射实验。卢瑟福采用氦核轰击金箔,结果发现氦核出现了大角度的偏转,即散射角度很大,像是被弹回来一样。如果原子结构是葡萄干面包模型所描述的那样,氦核最多有小角度的偏转,该实验现象促使卢瑟福进行仔细思考,提出了原子的行星模型。他认为原子大部分体积是中空的,在原子中心有一个原子核,原子核集中了原子中所有正电荷和几乎全部质量。带负电的电子因为电磁相互作用而围绕原子核运动,就像太阳系中行星围绕太阳运动一样。

  卢瑟福的发现是开创性的,并且也被后续的一些实验所证实。按照目前测定的原子核和原子的大小,如果将原子比作一间屋子的话,那么原子核仅仅相当于一枚樱桃!但因为原子中绝大部分质量都由原子核提供,所以如果我们按照宏观的计算方法去计算原子核的“密度”,它将是一个非常惊人的数值。

  卢瑟福提出行星模型之后,玻尔又在此基础上进行了修正,为了解释氢原子光谱的分立特征,他提出了电子在空间中并不是任意排布的,而是按照一定规律分层排列,这就是玻尔的原子结构模型。
  • zhuxijhm: 举报  2018-06-08 13:50:51  评论

    深入浅出,收下吾等小白膝盖!
  • 微众筹: 举报  2018-06-14 10:48:09  评论

    知而不疑,疑亦难悟
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楼主陟云子 时间:2018-06-01 15:33:53
  (正文)

  既然原子核体积这样微小,人们自然要发问了,原子核内部的构造又是什么样的呢?1919年,卢瑟福用氦核轰击氮核,结果得到了氢原子核和氧17同位素。经过精确测定,证明质子是原子核的组成部分。十三年之后,查德威克用氦核轰击铍核,结果得到了一种不带电的中性粒子,后来被证明是中子。很显然中子也是原子核的组成部分。中子是一种不稳定粒子,其平均寿命为918秒,远远短于质子和电子的寿命,但它的质量要略略大于质子,近似为电子质量的1840倍。质子和中子都是原子核的构成部分,统一叫做核子。海森堡等科学家都认为,原子核就是由质子和中子组成的。

  人们发现中子以后,对于物质结构的认识,科学家们普遍觉得电子、光子、质子和中子是构成物质的基本成分,所以把它们叫做基本粒子。但随后人们发现了一类被称作奇异粒子的基本粒子,如K介子,Λ超子等等,它们和以上四种粒子互不统属,而是平行并列关系。随着高能加速器加速能力的提高和粒子探测技术的深入,到目前为止,已经发现了数百种基本粒子,按照它们所对应的静止质量的不同,我们可以将它们划为四类:

  第一类是静止质量为零的光子,光子是电磁相互作用的媒介粒子。

  第二类是质量十分微小的轻子,它们不参与强相互作用,但参与弱相互作用,比如我们熟知的电子就属于这一类。

  第三类是介子,按照当初设定概念时的约定,介子的质量介于轻子和质子之间,但现在一些新发现的介子质量往往会超出这个质量上限。

  第四类是重子,重子的本意是质量大于或等于质子的粒子,我们前面提到过的中子也属于这一类。
  • 白玛奥色法王: 举报  2018-06-14 13:15:48  评论

    转自凤凰网:触目惊心!中学女生遭两男子疯狂拳打脚踢 还被U型铁锁猛砸 http://v.ifeng.com/video_16306942.shtml
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作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-01 18:08:18
  楼主又开新帖了,提前抢个位置!
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作者:山那边是海2018 时间:2018-06-01 18:13:11
  你的认识比我复杂。我只认识到质子中子电子这一层。不过你说再分基本粒子有几百种。这有点越来越复杂了。
  不过世界真是永远琢磨不透。
  一起侃侃不错
楼主陟云子 时间:2018-06-01 18:49:13
  @山那边是海2018 2018-06-01 18:13:11
  你的认识比我复杂。我只认识到质子中子电子这一层。不过你说再分基本粒子有几百种。这有点越来越复杂了。
  不过世界真是永远琢磨不透。
  一起侃侃不错
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  欢迎师兄不吝赐教!
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-02 07:14:58
  早起支持楼主!
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作者:山那边是海2018 时间:2018-06-02 08:24:55
  宇宙真是让人想不通。要是分子原子基本粒子,再分下去,永远没有尽头。
  妄图一元化解释宇宙难。。
  人类妄想控制宇宙也是太不可能了。还是与自然和谐相处好。科学也是死路,解决不了宇宙问题
楼主陟云子 时间:2018-06-02 09:03:24
  @山那边是海2018 2018-06-02 08:24:55
  宇宙真是让人想不通。要是分子原子基本粒子,再分下去,永远没有尽头。
  妄图一元化解释宇宙难。。
  人类妄想控制宇宙也是太不可能了。还是与自然和谐相处好。科学也是死路,解决不了宇宙问题
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  宇宙学的很多问题现在还处在猜测之中,有待于进一步地验证。虽然宇宙看起来是有“边界”的(因为宇宙事实上是四维时空中的三维曲面),但人类的思索是无边界的。
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-02 09:12:14
  我天文书看了很多,也看了很多年。自以为洞悉了宇宙,但有时也不免困惑
楼主陟云子 时间:2018-06-02 09:37:52
  @山那边是海2018 2018-06-02 09:12:14
  我天文书看了很多,也看了很多年。自以为洞悉了宇宙,但有时也不免困惑
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  在宏微观两个尺度上,都有很多悬而未决的问题,宏观上比如宇宙的演化、黑洞的形成等,微观上比如基本粒子的相互作用形式统一问题,后面会陆续予以介绍,欢迎继续关注!
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楼主陟云子 时间:2018-06-02 10:36:59
  (正文)

  在今天看到的物理学中,我们把所有粒子中光子和轻子以外的粒子都叫做强子,并且按照它们的自旋对介子和重子的概念重新作出定义。自旋为整数的,例如1,2,3等等叫做介子,自旋为半整数的,如1/2,3/2,5/2等叫做重子。

  为了解释这么多强子的出现,物理学家盖尔曼作出假设,所有强子都具有内部结构,它们是由更基本的夸克和胶子所组成的。每一种夸克都带有分数倍的质子电荷,有的是质子电量的+2/3倍,有的则是质子电量的-1/3倍。到目前为止我们一共发现了六种夸克,它们分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、底夸克、顶夸克,有时我们也用味道这个词来形象地称呼这六种夸克,这里的味道并不是说夸克真的具有某种可以品尝的味觉,而只是对夸克做了一个形象的区分。为了解决夸克组合成强子时有可能出现电荷为分数的困境,人们又引入了颜色的概念,这里的颜色也是虚拟的概念,不对应现实世界中的颜色。夸克的颜色一般有三种,用红、绿、蓝来表示。组成重子的三个夸克分别对应三种颜色,所以是无色的。而组成介子的是夸克和反夸克组成的夸克对,它们携带的颜色正好是“互补”的,所以看起来也是无色的。

  连接夸克和夸克的是胶子,我们可以把夸克想象为小球,胶子想象为连接小球的橡皮筋。当夸克彼此之间的距离很近时,橡皮筋没有产生弹力,这时候两个夸克的运动都是自由的。然而当两个夸克之间的距离增大时,橡皮筋上的弹力增加,且距离越远弹力越大,这就阻碍了两个夸克的分开。所以目前在实验上我们并没有得到单独的夸克。

  那么夸克是否是最小的粒子呢?我们目前还不能肯定。很多科学家都认为,夸克也不是粒子的终极,它们是可以进行分割的,这也是为什么有时我们把夸克叫做层子的原因。夸克的内部结构,正等待我们去进一步探索。
楼主陟云子 时间:2018-06-02 14:38:25
  (正文)

  2. 工欲善其事,必先利其器——粒子物理的探测工具

  从前文中我们知道基本粒子的尺度是十分微小的。就拿质子为例,它的大小只有所谓的飞米量级,也就是说如果我们将一米的长度分割成了一千万亿份,那质子的大小也仅仅相当于其中的一份。在如此小的尺度上,早已超过了光学仪器分辨本领的极限,因此不能通过显微镜等装置直接观察到这些粒子的存在。

  要想探测这些粒子,就需要用到能在微观尺度下适用的工具。随着实验研究手段的不断提升和改进,有关高能粒子的探测器五花八门,但按照基本工作原理和研究方式的不同,我们可以把它们划分成两类,第一类是统计粒子数目的计数器,它们能把符合一定条件的粒子进行数字上的叠加,就好像我们在一堆水果中数出有多少个苹果,又有多少个橘子一样。这一类包含闪烁计数器、盖革计数器、契伦科夫计数器等等;第二类是探测粒子运动轨迹的径迹探测器,大家可以把粒子想象为参加长跑的运动员,运动员奔跑的路径可以通过无人机来拍摄,而粒子的轨迹也同样可以由探测器来记录,这一类探测器有威尔逊云室、火花室、多丝正比室等等。

  咱们先来看计数器。拿闪烁计数器来说,就是应用粒子打在某些物质上引起闪烁发光而制成的。一个闪烁计数器包含闪烁体、光电倍增管和负责记录的电子仪器三大部分。闪烁体是产生荧光的物质,早些年常用硫化锌、碘化钠来产生荧光,后来也使用特种塑料来做闪烁体,闪烁体产生的荧光一般位于可见光波中波长较短的部分,所以我们看到的荧光为青色或者紫色的居多。
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-02 17:35:45
  得有物理学知识。尤其量子物理
  • 陟云子: 举报  2018-06-03 20:02:59  评论

    其实涉及到的知识点很分散,而且这其中有很多是有待验证的假设。
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作者:山那边是海2018 时间:2018-06-02 17:38:03
  只可惜,我们国家现在是天文教育极度短缺,大部分大学毕业生也是对天文基本无知。甚至理科生,物理系学生也是。懂量子物理的,却又不懂天文学。
  可悲的国家。
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-02 17:39:11
  我们国家应该在中学阶段普及天文学教育。
楼主陟云子 时间:2018-06-02 17:48:05
  @山那边是海2018 2018-06-02 17:39:11
  我们国家应该在中学阶段普及天文学教育。
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  天文学是和物理学并列的理科分支,不过要研究天文学必须要有强大的物理学基础。前些年高中课程改革,好多原来的必修内容都改成了选修,比如机械波、分子热运动、波动光学等等。所以就目前高中学生的理科基础来看,要在中学阶段普及天文学的内容有一定难度。但作为兴趣爱好培养,开设选修课程还是没问题的。
楼主陟云子 时间:2018-06-02 19:46:22
  (正文)

  光有闪烁体还不够,对于粒子数目不太多的情况,往往荧光十分微弱,信号不容易分辨,这时如果添加一个光电倍增管,利用光电效应在金属板上产生大量的光电子,并使之呈几何级数放大,得到较强的电流脉冲。在接收端的电子仪器部分,可以用探头接收电流脉冲,并且传送到分析器和定标器来做分析。闪烁计数器不仅能够探测粒子的数目和强度,还能够分析粒子的散射截面,在研究粒子的空间分布和高能粒子的运动中应用较广。

  再比如盖革计数器。盖革计数器是利用射线对气体的电离性质制成的。它的主要装置是一根两端有绝缘物质密闭的金属管,金属管内充有稀薄的、掺杂了卤素的稀有气体。在管中间沿着管的方向有一根金属丝,金属丝和管壁存在着一定的电压,该电压要略略低于气体的击穿电压。这样在通常状态下,管内气体不放电,但是有高能粒子通过的时候,在金属丝与管壁之间就会产生放电现象,通过分析放电脉冲便可推知高能粒子的情况。盖革计数器今天在核物理、医学、工业等领域得到了广泛应用。

  契伦科夫计数器则是应用了另外一种计数原理。当带电粒子通过透明介质时,如果粒子的速度超过了光在这种介质中的速度时,就有微弱的可见光发出,这种辐射是契伦科夫最早在1934年发现的,因此叫做契伦科夫辐射。这种辐射有点类似汽船在水面高速行驶时在汽船后面所形成的“尾波”,只不过在有粒子通过时,这种“尾波”是带电粒子在空间激发出的辐射光波叠加而成的。因为辐射角与粒子速度相关,所以它可以测定带电粒子速度。契伦科夫计数器常用于鉴别动量相同而质量各异的粒子。
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-03 06:33:08
  支持楼主!
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楼主陟云子 时间:2018-06-03 10:01:02
  (正文)

  在径迹探测器中,威尔逊云室是发明最早的显示带电粒子运动轨迹的实验装置。它的工作原理是,高能粒子在过饱和蒸汽中运动时,激发的离子可成为蒸汽的凝结中心,围绕着离子将形成微小的液滴,于是在粒子经过的地方将形成一条白色的雾带,如果选用合适的照明装置,就可以看到粒子运动的径迹。通过对径迹长短、弯曲情况的测量,就可以推知粒子的运动状态。

  火花室是火花放电室的简称,它通常由几块彼此平行且相互绝缘良好的金属板构成,金属板中间充填惰性气体。当高能粒子经过时,会在空间产生离子对,这些离子对会在空间存在很短的时间(大约是一秒的千分之几长短),如果触发线路给出的符合信号以极迅速的动作把很高的脉冲电压加在相邻两级上,则在粒子通过的地方就会产生火花放电现象。火花放电在空间和时间的分辨能力上表现都非常优秀,历史上人们正是通过火花放电装置发现了两种中微子。

  多丝正比室属于定位探测器,由一个阳极平面和两个阴极平面组成一个单元,这个单元简称为丝平面。如果要确定其中一个粒子在空间所处的位置,需要用到三个丝平面;而如果要确定它在空间所走行的径迹,就要用到更多的丝平面。当带电粒子穿过正比室时,使其中的气体发生电离,并且在外加电场的作用下形成电离雪崩。电子在阳极上就会产生一个负脉冲,脉冲的大小正比于该粒子的电离损失,同时我们可以根据互相垂直的丝平面确定其坐标及空间轨迹。由于多丝正比室在空间时间的确定上比火花室更高,目前在稀有粒子事件的探测上几乎全部取代了火花室。
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-03 10:15:55
  你写文章小学生是看不懂的。没有大学本科理工科基础,看不懂。
楼主陟云子 时间:2018-06-03 10:28:58
  @山那边是海2018 2018-06-03 10:15:55
  你写文章小学生是看不懂的。没有大学本科理工科基础,看不懂。
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  我个人也是希望尽可能多普及近代物理的知识,但是这里面有很多生僻的专业名词和理论推导。表述成文字时,理论推导几乎都被忽略了,专业名词我也尽量通过打比方的形式来解释,不过好多东西没法与经典理论对应,所以只能尽力去做。师兄有什么好的建议可以提出来,我在后面改进。
  • 任清風: 举报  2018-06-15 22:17:52  评论

    科譜文章要寫的簡明扼要,脈絡清晰,而又深入淺出,是極為困難的,感謝樓主的努力,學習了.記得愛恩斯坦層說過,假如最新的科學發現不能科諧化,將極大的局限未來的科學發展.知識就像金字塔,有足夠寛度才有高度,古人云"操千曲然後知音,觀萬劍然後識器".
  • 陟云子: 举报  2018-06-16 07:00:09  评论

    评论 任清風:感谢师兄鼓励!
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作者:山那边是海2018 时间:2018-06-03 11:11:06
  你立足于给大学生普及物理可以。小学生通过天文或许能好些。
  • 陟云子: 举报  2018-06-03 11:51:34  评论

    大学物理类的选修课程会比这个内容深一些,所以从实际来看,中学生应该能够阅读。
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楼主陟云子 时间:2018-06-03 14:42:33
  (正文)

  在实际实验之中,往往要用到多种探测器。一个典型的例子是,华裔物理学家丁肇中为了在质子加速器上进行“重光子”探测实验,专门花费两年时间设计了一个复杂的双臂谱仪。一般实验上所用均为单臂谱仪,它由聚焦磁铁、偏转磁铁、契伦科夫计数器、闪烁计数器、多丝正比室或漂移室组成,它只能探测一个末态粒子。而双臂谱仪因为有两条可单独测量的谱仪臂,因此可同时探测两个末态粒子的事件。正是应用这架装置,丁肇中发现了由正反粲夸克对组成的J粒子,并在后来获得了诺贝尔物理学奖。

  粒子探测器不仅可以应用于粒子物理的研究,事实上它已渗透到了多个学科之中。比如说在地球物理学中,我们可以用它来探测地球深处矿脉的走向;在宇宙学中,我们可以用粒子探测器测定来自外太空的辐射事件,进而对我们生存的宇宙进行更准确的估计;在医学上,我们可以用粒子探测器制成医学影像设备,来对器官造像,进而为医生判断器官的功能状况提供理论依据;而在考古学上,探测器就更有用武之地了,应用特定粒子的衰减和吸收特性(例如μ轻子),我们完全不必再用传统的布土方手段,就能对地下建筑物的空间分布有了清晰准确的认识。比如在金字塔的探测之中,粒子探测器就探测到了深处存在的隐秘空间。而同样的探测手段也可以应用在土木工程上,粒子探测器可以精准地判定建筑物的质量。随着高能粒子探测器的不断发展,在可以预见的将来,粒子探测技术必将在更多领域中大放异彩。
楼主陟云子 时间:2018-06-03 17:27:50
  (正文)

  3.愿得侧翅附鸿鹄,追风掣电凌太空——高能粒子加速器

  研究粒子之间的相互作用,离不开我们前面提到过的粒子探测器。而对于这些粒子来说,如果它们所具有的能量越高,就越有利于粒子的产生和转化。而要探测粒子的内部结构,最好的办法是“击碎”粒子,这同样在极高能量状态下才能办到。描述粒子能量我们一般选用电子伏特这个单位,它表征我们将带有一个电子单位的电荷电势提高一伏特所需要的能量。只有那些能将粒子加速到十亿电子伏特的加速器才能叫高能粒子加速器,这个能量有多大呢?打个不恰当的比喻,如果将这些能量用温度的形式去表述,那么将折合11.6万亿度(作者注:这是在自然单位制下所做的转换)!这个数字无疑是十分惊人的。

  按照所加速的粒子种类的不同,加速器可以分为质子加速器、电子加速器等;按照加速器的外观形状的不同,加速器可以分为直线型加速器、回旋加速器、环形加速器等;按照加速器对应的聚焦程度,可以分为强聚焦加速器和弱聚焦加速器;按照粒子流强度,可分为强流加速器和弱流加速器。

  回旋加速器是早期出现的能够对同一粒子进行多次能量提升的加速器。它的基本构造很简单,由两个连接在交流电源上的中空半圆形金属盒所组成。因为半圆形十分像英文中的“D”字母,所以也被称为D形电极。整个装置被抽成真空,而后放入外加在金属盒上的垂直磁场内。带电粒子在盒内运动时,由于盒内没有电场,只有磁场,所以在由磁场产生的洛伦兹力作用下,粒子将沿圆弧移动。从理论上可以推算出,粒子在圆周上运动时对应的周期长短和外加磁场的大小成反比,而和粒子质量与电荷的比值成正比。所以对于同一个带电粒子来说,它在D形盒子中运动半个圆周所需的时间是和圆周半径无关的。这样当粒子经过半个圆周到达两个金属盒中间时,如果掌握好交变电场的频率,使得粒子运动到这个位置上刚好赶上加速,就能使粒子得到加速。随着粒子的不断回旋加速,当达到一定能量时将粒子引出,就得到了较高能量的粒子。回旋加速器最早由物理学家劳伦斯在1932年试制成功,劳伦斯也因为这一成就获得了1939年的诺贝尔物理学奖。
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-04 06:47:00
  早起支持!
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楼主陟云子 时间:2018-06-04 10:08:52
  (正文)

  不过回旋加速器加速粒子的能量受到相对论效应的限制。当粒子的速度相比于光速是一个不可忽略的数值时,粒子的质量相对静止质量将会增加,粒子不能与交变电场保持完全同步,我们在上面提到的加速作用机理将会失效。以质子为例,在回旋加速器中可能得到的最大能量约为两千万电子伏特,还属于低能范畴。但我们可以对回旋加速器加以改进而得到同步回旋加速器,其原理是想办法将交变电场的周期随着粒子运动的情况进行调整,这在实验上通过改变获得交变电场的回路中电容的大小就可以实现。不过这种加速器加速粒子的能量同样有上限。当粒子能量增加时,它的运动半径随之增大,而加在金属盒外的磁场也应该加以外延。但在实际操作中,磁铁的重量是受到环境制约的,所以一般来说,同步回旋加速器的粒子加速能力一般在十亿电子伏特以下,属于中能加速器。

  为了克服同步回旋加速器的上述困难,人们又想办法对它进行了更新。一种典型的做法是,把粒子的回旋轨道限制在一个很窄的环形通道内,那么就可以摒弃回旋加速器那种超大型的磁铁装置,而通过计算我们发现,如果要在回旋半径保持近似不变的条件下加速粒子,就要使外加交变电场的频率和磁场同步随着粒子的速度而变化。这种加速器我们把它叫做同步稳相加速器。对于这种加速器而言,环形区域横截面积的大小是衡量加速器聚焦能力的重要指标。横截面积越小,证明加速器对粒子偏离轨道的抗干扰能力越强。这种加速器已属于高能加速器,不过从实际使用来看,依然属于弱聚焦加速器。1957年,前苏联曾经在杜布纳建成一个大型的同步稳相加速器,它的平均直径有61米,仅磁铁重量就高达三万六千吨。然而它能得到的最大粒子能量也不过一百亿电子伏特,远远满足不了实际需求。
楼主陟云子 时间:2018-06-04 17:49:47
  (正文)

  如果将弱聚焦加速器的磁铁进行改造,则可以得到强聚焦加速器,主要做法是将原来整块的环形磁铁拆分成很多个小的电磁铁。这些电磁铁的磁场方向进行了精准的设计,使得在环形轨道上运动的粒子无论是在轴向还是径向上都受到聚焦作用,因此可以使粒子在一个更加狭窄的轨道范围内运动。这种做法不仅能大大减轻磁铁的重量,而且能提高粒子能量的上限。目前世界上高能加速器大多采用类似的结构。例如欧洲核子研究中心CERN的大型强子对撞机LHC是目前最大的加速器工程。其主环就是采用超导磁铁的强聚焦环形质子同步加速器。质子注入加速器的能量为4500亿电子伏特,对撞时的动能则达到7万亿电子伏特。

  除了环形轨道的加速器以外,还有直线型的加速器,例如人们分别制成了质子直线加速器和电子直线加速器,不过它们的结构有很大不同。质子直线加速器从外表看是一个很大的谐振腔,里面排列着很多圆柱形的金属管,这些管被叫做驱送管。质子在驱送管中运动时,本身速度并没有变化,但在驱送管之间,却会受到相邻电极的作用而加速。由于质子的速度不断增加,而高频变化的电场却是恒定的,因此各驱送管的长度是不相等的,越到后面驱送管的长度越长。
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-05 07:03:26
  早起支持!
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楼主陟云子 时间:2018-06-05 09:39:59
  (正文)

  质子直线加速器的好处在于,由于它是沿直线方向加速,所以最终得到的质子方向是确定的,很容易引入引出,同时防护也较容易,但缺点是造价高昂,所以目前一般作为高能加速器的注入器使用。电子直线加速器则是另外一种情形,由于电子质量很小,所以高能量运动的电子速度都非常趋近于光速。例如五百万电子伏特能量的电子,其速度可达光速的99.5%。由于两者速度相近,所以完全可以利用电磁波对电子进行加速,这时只需稍稍降低电磁波的运动速度便可以办到。一般做法是在金属导管内安装很多个中心有圆孔的金属片,通过控制金属片的距离,可以使电磁波的速度随电子速度的增加而增加。

  利用高能粒子加速器,可以实现粒子对撞。在早年的粒子物理工作中,多数使用高能粒子轰击静止的靶粒子,但这时对撞的质心能量较低,往往不能满足实际需要,现在多数采用两束高能粒子对撞的形式来提高质心能量。而为了提高粒子的有效利用率,对撞机中的粒子轨道往往设计为环形的结构,没有对撞的粒子继续在轨道上运动,以便实现下一次对撞。对撞机按照碰撞粒子的不同,可以分为质子—质子对撞机,质子—反质子对撞机,质子—电子对撞机,电子—正电子对撞机等等。

  目前高能粒子加速器在医学方向上也得到了较广的应用,例如医用质子回旋加速器就在癌症治疗中表现优异,它可以产生大量高能质子,这些质子进入人体后,在到达病灶前能量释放不多,而到达病灶后才大量释放,形象一点说,这相当于对病灶进行了全方位立体爆破,比传统放射治疗对周边组织的损伤要小,因此对传统技术是一项突破。随着高能粒子加速器的不断深入研究,未来必将在更多领域中得到应用。
楼主陟云子 时间:2018-06-05 13:41:15
  (正文)

  4.假作真时真亦假,无为有处有还无——发现反粒子

  我们生活的世界处处都可以看到对称之美,例如中国古代建筑的巅峰紫禁城就体现了高度的对称性,蝴蝶翅膀上往往出现左右对称的图案,甚至对联、门神、装饰也多用对称性来赋予更多的美学内涵。在粒子世界中同样也体现着这样一种对称之美,有一类粒子它们和普通粒子所对应的质量,只不过所携带的电荷刚好相反。

  反粒子的发现颇具戏剧性。在上个世纪二十年代末,一位年轻的物理学家狄拉克为了描述电子的运动写出了一个方程,即狄拉克方程,这个方程对应着四个解,其中有两个与电子相对应,另外两个解则对应着质量与电子完全相同,但是带电与电子刚好相反的另外一种粒子,即正电子。狄拉克首先从理论上预言出正电子的存在,而后美国物理学家安德逊才在宇宙射线中发现了正电子。正电子也是一种稳定粒子,它的寿命应该和电子一样长。不过这种寿命的长短只能存在没有电子存在的真空环境中,一旦出现在现实世界,正电子会很快和其他电子发生湮灭作用,产生一对光子。这里我们说的湮灭并不是消灭,而是一种转化。因为对于一对光子来说,只要给予它们足够的能量,它们还可以转化成为一对正负电子。正电子如今也被广泛地应用于医疗设备中,例如正电子放射断层摄影装置(PET)中检查、诊断癌症就会出现这些精灵的身影。

  除了正电子之外,人们还从理论上预言了反质子、反中子的存在,不过在实验上很长一段时间都没有发现它们。这是因为质子和中子的质量大约都是电子质量的一千八百多倍,在宇宙射线中要比正电子稀少很多,即使存在也很难发现,而且受限于当时的高能粒子加速技术,如果要在实验上得到反质子也是不可能的。
楼主陟云子 时间:2018-06-06 12:04:30
  (正文)

  直到1953年,美国加利福尼亚大学劳伦斯辐射实验室落成了一个大型加速器,能把粒子加速到64亿电子伏特。经过持续不断的观测和事件记录,在第三年,人们终于发现了反质子。正反质子发生湮灭的时候,根据爱因斯坦提出的质能关系,会释放出大量的能量。这个能量比一个重原子发生核裂变或者两个轻原子核聚变时的能量还要大,一克正反质子湮灭时所产生的能量相当于两万吨化学液体燃料燃烧时放出的能量。发现反质子的两位物理学家塞格雷和张伯伦,也因为这一成就获得了1959年诺贝尔物理学奖。
  在发现了反质子的第二年九月,人们又发现了反中子,反中子和中子一样,是一种不带电荷的中性粒子。由质子和反质子在接近时丧失各自所带的电荷而得到。

  就这样到了1964年,理论上预言的所有反粒子几乎都被找到了(光子的反粒子就是它本身,所以光子没有反粒子)。现在大家一般都认为,粒子与反粒子是成对产生成对消失的。不过在我们目前生活的世界里,粒子要远比反粒子多,即使是远处数十万光年以外的星体,也都是由粒子构成的。为什么会出现这样的现象呢?这是因为粒子和反粒子所遵从的物理学法则稍稍有所区别。这种区别体现在CP(电荷-宇称)对称性破缺上。1973年,两位日本物理学家小林诚和益川敏英预言如果存在不少于六种夸克的话,那么这种对称性破缺就将成立。而当时夸克只发现了三种,所以这种预言从理论上讲还是十分超前的。1995年,到目前为止最重的顶夸克发现。2001年,美国斯坦福大学小组证实该理论有99.97%的存在可能,同年以日本物理学家为主体的研究小组将可能性提高到99.9999%。这两位物理学家也因为这一预言获得了2008年的诺贝尔物理学奖。

  大家可能会想,质子和中子会组成原子核,原子核和核外电子组成原子,原子又可以形成各种化合物,既然存在着反质子和反中子,那是否会有反物质存在呢?事实上,人们早就开始从实验上探测反物质的存在了。
楼主陟云子 时间:2018-06-06 16:42:36
  (正文)

  1965年,美国科学家用70亿电子伏特的质子轰击铍靶,率先得到了一个由反质子和反中子组成的反氘核,随后又得到了两个反质子和一个反中子组成的反氦核同位素。1995年9月,欧洲核子研究中心的德国和意大利物理学家制造出了九个反氢原子并于次年1月宣布了这一重要消息。尽管这些反氢原子存在的时间仅有四百亿分之一秒,但却具有划时代的意义,因为这意味着反物质是可以被制造出来的。2010年,欧洲研究人员宣布获取了微量的反物质。2011年,中国科学技术大学与美国科学家合作发现了目前为止最重要的反氦4核。

  物质和反物质会因为彼此相遇而产生湮灭,并且释放出大量能量。反物质是反粒子的延伸,有人认为,在广袤的宇宙中,星系团气体中会有不多于百万分之一的反物质存在。

  由于反物质和物质湮灭所产生的能量具有无放射性、可利用程度高的特点,因此得到了广泛关注。目前寻找反物质有两种途径,除了前面说过的在实验室中合成相关反物质以外,另外一种方法就是从浩瀚的宇宙中寻找。1997年4月,美国西北大学、加州大学伯克利分校和海军研究实验室等几个机构共同宣布,在银河系上方约3500光年处,伽马探测器探测到一个不断喷射反物质的反物质源。由于反物质的初始速度非常大,所以在空间中形成的结构类似一个“喷泉”,“喷泉”的高度据说可以达到2940光年。

  我国也和意大利展开合作,在西藏羊八井地区建成一座面积达一万平方米的粒子陈列实验室,用于对反物质粒子和宇宙高能射线的探测,此前已经探测到了正电子,μ轻子,π介子等。而改建新的“地毯”式探测阵列,除了面积更大,还由于它是由玻璃板一样的方形平板组成,可以像铺地毯一样拼接而几乎没有缝隙,弥补了过去间距过大可能丢失信息的缺点。

  反物质既然存在,是否存在反星体甚至反宇宙呢?目前我们还不太了然。因为反物质和物质所遵从的物理规律并不完全等价,所以这方面还有很多值得我们思考和探索的地方。
楼主陟云子 时间:2018-06-06 16:42:47
  (正文)

  1965年,美国科学家用70亿电子伏特的质子轰击铍靶,率先得到了一个由反质子和反中子组成的反氘核,随后又得到了两个反质子和一个反中子组成的反氦核同位素。1995年9月,欧洲核子研究中心的德国和意大利物理学家制造出了九个反氢原子并于次年1月宣布了这一重要消息。尽管这些反氢原子存在的时间仅有四百亿分之一秒,但却具有划时代的意义,因为这意味着反物质是可以被制造出来的。2010年,欧洲研究人员宣布获取了微量的反物质。2011年,中国科学技术大学与美国科学家合作发现了目前为止最重要的反氦4核。

  物质和反物质会因为彼此相遇而产生湮灭,并且释放出大量能量。反物质是反粒子的延伸,有人认为,在广袤的宇宙中,星系团气体中会有不多于百万分之一的反物质存在。

  由于反物质和物质湮灭所产生的能量具有无放射性、可利用程度高的特点,因此得到了广泛关注。目前寻找反物质有两种途径,除了前面说过的在实验室中合成相关反物质以外,另外一种方法就是从浩瀚的宇宙中寻找。1997年4月,美国西北大学、加州大学伯克利分校和海军研究实验室等几个机构共同宣布,在银河系上方约3500光年处,伽马探测器探测到一个不断喷射反物质的反物质源。由于反物质的初始速度非常大,所以在空间中形成的结构类似一个“喷泉”,“喷泉”的高度据说可以达到2940光年。

  我国也和意大利展开合作,在西藏羊八井地区建成一座面积达一万平方米的粒子陈列实验室,用于对反物质粒子和宇宙高能射线的探测,此前已经探测到了正电子,μ轻子,π介子等。而改建新的“地毯”式探测阵列,除了面积更大,还由于它是由玻璃板一样的方形平板组成,可以像铺地毯一样拼接而几乎没有缝隙,弥补了过去间距过大可能丢失信息的缺点。

  反物质既然存在,是否存在反星体甚至反宇宙呢?目前我们还不太了然。因为反物质和物质所遵从的物理规律并不完全等价,所以这方面还有很多值得我们思考和探索的地方。
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-06 18:32:43
  太深奥了。你把我成功的讲糊涂了。哈哈哈
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楼主陟云子 时间:2018-06-06 20:21:16
  @山那边是海2018 2018-06-06 18:32:43
  太深奥了。你把我成功的讲糊涂了。哈哈哈
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  后面还有好玩的内容,欢迎继续关注!
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-07 07:21:31
  早起支持!
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作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-07 09:16:39
  @山那边是海2018 2018-06-06 18:32:43
  太深奥了。你把我成功的讲糊涂了。哈哈哈
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  我和道兄有同感。一直在看楼主的书,刚刚从《阐幽录》里出来,小说比这种介绍可好玩得多了。
楼主陟云子 时间:2018-06-07 10:23:45
  (正文)

  5.今宵剩将银釭照,犹恐相逢是梦中——中微子失踪之谜

  前面我们提到了组成原子核的两种基本粒子——质子和中子。这两种粒子是可以发生相互转变的,中子经过β衰变后,就可以变成质子,并且释放出一个电子。这个过程在宏观上看并没有违背电荷守恒定律:中子是不带电的中性粒子,质子和电子带电量大小相等符号相反,所以相加的结果依然为零。然而若从质量上考察,精准的实验却证实,静止中子的质量要大于质子和电子的质量之和。按照爱因斯坦提出的质能关系,质量是与能量对应的。那么多余的能量会跑到哪里去呢?

  奥地利物理学家泡利认为,在这个过程中一定有某种新粒子被忽略掉了。按照电荷守恒定律,可以推测这种新粒子不带电,是完全中性的;按照质量的转化与守恒情况,可以预估出它的质量十分微小,即使相比于电子,也是轻到难以察觉的;它以接近光速运动,几乎可以穿越任何普通物质而不发生反应。因为它是中性的,又十分纤小,所以被称作中微子。

  中微子虽然从理论上得到预言,但在实验上却长期没有找到。这是因为中微子过于不活泼,几乎不和任何物质作用,即使存在,也很难被仪器捕捉到。一个典型的数据是,如果有一个能量达到一百万电子伏特的中微子,在水中穿行1亿亿公里才能被吸收。即使换成是更容易吸收的铅板,这个距离也仍然需要100万亿公里。我们所处的地球赤道周长才不过4万公里,两者比较就可推知发现中微子有多么困难了。
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作者:秋水无际 时间:2018-06-07 10:25:35
  @陟云子 :本土豪赏1朵鲜花(100赏金)聊表敬意,赠人鲜花,手有余香【我也要打赏
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作者:秋水无际 时间:2018-06-07 10:25:42
  坐等楼主继续更新
作者:秋水无际 时间:2018-06-07 10:25:53
  @陟云子 :本土豪赏1张催更(100赏金)聊表敬意,就算每天吃泡面,一定不忘来催更!【我也要打赏
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-07 11:58:39
  如果说认识到分子水平,使世界变得容易理解了。认识到原子水平,变得更简单了一点。认识到质子中子电子,更简单了。似乎世界就是可以用这3个解决一切了。那么,你说的正电子,中微子,等几百种基本粒子,突然让世界变的更复杂了。但是物理学就是认识到证实到了这些基本粒子。
  所以,一元化,简单化解释世界,一劳永逸的解决世界问题,还是很遥远。
  同理,对宇宙起源一元化的解释也是不现实的。
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楼主陟云子 时间:2018-06-07 17:53:49
  (正文)

  我们不可能在地球上建造出100万亿公里的铅板来探测中微子,但是我们可以有变通的办法。如果让100万亿个中微子通过1公里厚的铅板,或者1亿亿个中微子通过1公里厚的水柱,理论上就应该能观测到中微子和铅板或者水的反应。而事实上人们之所以能够探测到中微子存在,也是在大量事例的基础上才能够得到零星的数据的。

  我国物理学家王淦昌曾经在1941年写了一篇论文,并在论文中提出探测中微子的设想。后来美国物理学家艾伦和罗德巴克经过反复改进,按照王淦昌的设想实现了电子俘获,证实了中微子存在。到了1956年,美国物理学家弗雷德里克•莱因斯进行了中微子和质子发生反应的实验。实验采用核反应堆作为强中微子源。一般而言,核燃料吸收中子会发生裂变,而分裂出碎片后又会继续放出中子,从而引发裂变源源不断地进行下去。在这种裂变所产生的中子中,大多具有β放射性,可以产生中微子。在产生大量中微子后,还需要使用合适的靶核来与中微子发生反应。为了增大反应几率,莱因斯选择了质子也就是氢原子核。在接收端莱因斯设计了三个液体闪烁计数器,中间夹着两个装有氯化镉溶液的容器,因为中微子和质子发生反应时会有特异的频闪出现,从而在实验上证实了中微子的存在。莱因斯也因为这一伟大发现而获得了1995年的诺贝尔物理学奖。

  目前中微子发现了三种,分别是电子中微子、μ子中微子和τ子中微子,它们分别和三代夸克存在对应。除了三种中微子之外,还有它们的反粒子也即反中微子。目前实验上也已证明这三种反中微子的存在。
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-07 18:07:59
  我咋记得是一个日本科学家和另一个人获得诺贝尔奖。探测中微子。或许是另一个年度的物理奖。肯定有
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-07 18:12:25
  找到了。2002年诺贝尔物理奖
  2002年:雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼(美国)、小柴昌俊(日本)“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献,其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙X射线源”方面的成就。”
楼主陟云子 时间:2018-06-07 19:10:42
  @山那边是海2018 2018-06-07 18:12:25
  找到了。2002年诺贝尔物理奖
  2002年:雷蒙德·戴维斯、里卡尔多·贾科尼(美国)、小柴昌俊(日本)“表彰他们在天体物理学领域做出的先驱性贡献,其中包括在“探测宇宙中微子”和“发现宇宙X射线源”方面的成就。”
  -----------------------------
  对,这是两个不同年度的诺奖。其实诺奖中有关理论物理的挺多的。
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-07 19:30:47
  美国研究生贝尔女士发现中子星,这个项目也得了诺贝尔物理奖。可惜被她导师拿了,没带她名字。但是,贝尔女士却一直被当做发现中子星的人。
  发现宇宙微波背景辐射的两个科学家也得了诺贝尔物理奖。物理奖中好多天文项目。
  我对天文方面了解太多。可惜,物理学知识太少。
  • 陟云子: 举报  2018-06-09 08:22:44  评论

    与诺贝尔奖失之交臂的人很多,比如约里奥.居里夫妇曾经三次与诺奖擦肩而过;年轻的物理学家克罗尼克本来是电子自旋最早的发现者,不过被泡利批评了一顿之后就退缩了,最后也没把成果发表出来,当然也就没获得诺奖。
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作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-08 06:43:16
  早上支持!
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楼主陟云子 时间:2018-06-08 11:51:01
  (正文)

  中微子的产生来源是多种多样的。例如宇宙大爆炸时就有很多中微子产生,如今它们分散在宇宙背景之中,这一类中微子被叫做原生中微子,还有的是在恒星表面通过轻核反应产生的,例如太阳表面四个氢核发生聚变形成一个氦核的时候,放出两个正电子和两个中微子。由于太阳表面上源源不断地进行着相关反应,所以产生的中微子数目十分庞大。它们被抛送到各个方向,自然在地球表面也有来自太阳的中微子拜访。虽然数目仅为产生中微子数目的22亿分之一,但也绝对是一个天文数字。

  对于探测这些中微子来说,可以采用氯的同位素来作为探测装置,在接受了中微子之后,它将会转变成氩的同位素,这种同位素具有放射性,很容易就被检测到,从而可以推知中微子的产生情况。具体做法可以用四氯化碳放置在大容器中,然后埋入地下屏蔽干扰粒子来观测干扰信号。有人曾经用体积达390立方米,质量为610吨的探测器埋入1600米的地下,但在一个月的时间里也只观测到了十个中微子,可见实验的不易。除了这种方式以外,超新星爆炸的时候,由于引力坍缩,质子和电子合并产生中子,同时也会放出中微子。还有高能粒子射线射到大气层或者星云表面时,诱发介子产生,介子衰变的过程中产生中微子。

  对于中微子的研究来说,这是一门融合了粒子物理和天体物理的新兴学科。我们常将物理学在尺度上的研究比喻成一条吞住自己尾巴的怪蟒,意即宏微观研究可以在某个层面上进行有机结合,而中微子的研究就恰好如此。中微子还有很多未解之谜没有解开,比如是否存在重中微子,中微子和暗物质有什么关系以及早期宇宙中中微子的产生与观测等都吸引了大量研究者的目光。
作者:真龙癫子 时间:2018-06-08 12:17:07
  一尺之棰,日取其半,万世不竭。
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作者:u_110264140 时间:2018-06-08 15:26:08
  楼主加油写,以后,俺拿来给儿子看,呵呵
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楼主陟云子 时间:2018-06-08 19:24:56
  (正文)

  和我们前面介绍的其他粒子一样,中微子也可以应用于其他领域。其中之一是做成中微子地球诊疗仪,来探测地球的内部结构。在地球的不同层面上,对应的放射性元素铀和钍含量是不同的,而铀和钍在衰变中会放出反中微子,通过探测反中微子可以推知地球的内部构造,对地震的预测具有积极意义,对板块构造理论也有推动作用。

  还有一种应用就是利用中微子进行通讯。超高能中微子在地球中衰减很少,如果使用得当,完全可以在中微子流中携带有效信息,在输入端将数据、语言文字、图形等调制到中微子上,再在输出端进行解调,在地壳内部传递消息,不必依靠卫星和通讯站。这是一种具有高容量、直线传输和保密性的通讯体系,兼具微波和光通信的长处。美国费米实验室的科学家曾在2012年3月宣布,他们已经借助一项实验装置实现了中微子通讯。因为目前针对反中微子的了解还不多,所以中微子通信领域的研究主要集中于电子中微子、μ子中微子和τ子中微子上。正因为中微子通讯具有卓越性能,所以它在电磁波难以稳定传递的地下和水下也能稳定传送,是军事领域传递信息的发展方向之一。

  另外中微子还可以监测核反应堆的工作情况。核反应堆被广泛地应用于核工业的各个领域,但却往往面临着环境安全的压力。如果能够制作精准高效的中微子探测器,核反应堆的运行就了如指掌了。
楼主陟云子 时间:2018-06-09 10:41:05
  (正文)

  6.怅望千秋一洒泪,萧条异代不同时——对称性和守恒定律

  前面我们说过,对称性存在于自然世界和社会生活的方方面面,对于探索世界本质的物理学来说,对称性就更加常见了。例如绕太阳公转的地球来说,太阳是一个球体,而球体在空间中具有高度的对称性,如果选择一个通过球体中心的任意轴旋转任意一个角度,这个球体的观感都不会发生任何变化。所以从地球的角度去看,从来没有太阳横过来或者倒过来的情况。而要标记球体在空间的转动情况,一个简单的办法就是在球体上做一个标记,通过标记所处的位置来判断转动角度。而事实上,这种标记是破坏球体本身的对称性,在物理上我们也把它叫做对称性的破缺。

  古人很早就发现日夜交替就具有这样一种平移对称性,如果单纯地从太阳升起和降落是无法将连续的两天分别开的。要区别日照时间十分相近的两天,就必须找出两天之中存在的对称性破缺。一个比较明显的破缺就是月相的变化,它的变化周期是29.53天,因此相邻两天的月相有较为明显的变化,用它就可以区分两天。月相的变化有明显的周期性特征,对它的连续观测直接促进了人们对朔望月的定义。而人们同时还发现,在北半球每天太阳东升的时间并不是固定不变的,而且每天太阳在正午时所对应的角度也有所不同。所以对太阳的观测导致了年的定义。有了时间概念之后,直接推进了历法的出现。除了太阳和月亮这两个明亮的天体,其他星体的运动也都体现了对称特性。比如被大家熟知的哈雷彗星,就每隔76年完成一次周期性运动。由此可见,自然界的对称性是有多种不同的对称类型的,这些对称性环环嵌套,并在演化过程中出现各种不同的对称性破缺。因此研究自然世界中的对称性和相关破缺,是我们认识自然的一个重要方面。
楼主陟云子 时间:2018-06-09 10:41:40
  (正文)

  6.怅望千秋一洒泪,萧条异代不同时——对称性和守恒定律

  前面我们说过,对称性存在于自然世界和社会生活的方方面面,对于探索世界本质的物理学来说,对称性就更加常见了。例如绕太阳公转的地球来说,太阳是一个球体,而球体在空间中具有高度的对称性,如果选择一个通过球体中心的任意轴旋转任意一个角度,这个球体的观感都不会发生任何变化。所以从地球的角度去看,从来没有太阳横过来或者倒过来的情况。而要标记球体在空间的转动情况,一个简单的办法就是在球体上做一个标记,通过标记所处的位置来判断转动角度。而事实上,这种标记是破坏球体本身的对称性,在物理上我们也把它叫做对称性的破缺。

  古人很早就发现日夜交替就具有这样一种平移对称性,如果单纯地从太阳升起和降落是无法将连续的两天分别开的。要区别日照时间十分相近的两天,就必须找出两天之中存在的对称性破缺。一个比较明显的破缺就是月相的变化,它的变化周期是29.53天,因此相邻两天的月相有较为明显的变化,用它就可以区分两天。月相的变化有明显的周期性特征,对它的连续观测直接促进了人们对朔望月的定义。而人们同时还发现,在北半球每天太阳东升的时间并不是固定不变的,而且每天太阳在正午时所对应的角度也有所不同。所以对太阳的观测导致了年的定义。有了时间概念之后,直接推进了历法的出现。除了太阳和月亮这两个明亮的天体,其他星体的运动也都体现了对称特性。比如被大家熟知的哈雷彗星,就每隔76年完成一次周期性运动。由此可见,自然界的对称性是有多种不同的对称类型的,这些对称性环环嵌套,并在演化过程中出现各种不同的对称性破缺。因此研究自然世界中的对称性和相关破缺,是我们认识自然的一个重要方面。
楼主陟云子 时间:2018-06-09 15:25:57
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  对称性的研究离不开变换。在数学上,我们把变换定义为两种情况通过确定关系建立起来的规则。而物理上,如果对某一系统在相应的变换下保持不变,则称它具有该变换所对应的对称性。对称性是和变换密切联系的,对称性的千差万别也就表现在了相应的变换上。日常生活中我们最常见的对称性有两类,一类是时间对称性,它是依时间性质所进行的变换具有不变性,比如今天在高塔向上抛一个小球,和明天站在同样的位置向天空抛小球,所对应的运动情况并没有差别,这就是时间平移对称性;另外一类则是空间对称性,就是在空间所进行的相应变换具有不变性,比如数学上的正三角形,当我们绕着它的几何中心逆时针旋转120°的时候,它和原来的图形并没有差别,或者当我们选择它一边上的中垂线,将它沿中垂线翻转180°的时候,它的表现也没有变化。

  但是并非所有的对称性都可以归纳为时间或空间的对称性。设想取一副正反两面相同的国际象棋棋盘,它是8×8的黑白相间格子,如果将它绕相对两边中点的连线翻转180°,我们就会发现原来是黑色格子的地方现在都变成了白色格子,原来是白色格子的地方现在都成了黑色格子。如果我们这时对格子进行染色操作,将黑白颜色再次颠倒过来,棋盘整体就又和初始状态一致了。在这种复合操作下,棋盘具有不变性,但这种不变性和颜色操作有关,无法归纳到上面所说的时间或者空间不变性中。我们把这种和时间、空间完全独立的对称性称之为内部对称性,例如最早发现的粒子物理学的内部对称性来自于同位旋。宏观中所对应的这种内部对称性往往很直观,发现它们并不困难。但是在微观粒子中,内部对称性的直观性减弱,但其重要性却丝毫没有减小。
楼主陟云子 时间:2018-06-09 17:36:34
  (正文)

  接下来我们谈谈守恒定律。很多守恒定律非常直观,所以提出的年代都很早。到目前为止,我们已经发现了各种不同的守恒定律,比如宏观世界中的质量守恒、电荷守恒、机械能守恒、动量守恒等等。而到了微观世界中,守恒量就更多了,比如同位旋守恒、C宇称守恒、重子数守恒等等。如果粗略地把它们分类,可以将它们按照是否和经典物理学对应分成是有经典对应的和无经典对应的;还可以按照守恒关系的精确程度将它们分成严格的和近似的守恒;而按照守恒的数学表述,还可以分成相加性守恒和相乘性守恒等等。那么,为什么会出现这么多守恒量,守恒的本质又是什么呢?

  研究发现,守恒定律与物理学的运动规律在一定变换下的不变性有着密切关系。1915年,数学家埃米•诺特发现了对称性和守恒定律的内部联系,即著名的诺特定理,它说的是如果一个运动规律在一不明显依赖于时间的变换下具有不变性,那么一定存在一个相应的守恒定律。这一结论不仅在经典物理学中适用,即使在量子力学的分立变换中也是完全成立的。

  根据诺特定理,我们就可以对各种守恒定律依照它们满足的对称性重新进行划分。如果某个场或粒子是基于时空性质的不变性,称之为时空对称性,相应的物理学守恒定律称为时空对称性守恒定律。如由时间平移不变性可以推出能量守恒;从空间平移不变性可以推出动量守恒;从空间转动不变性可以推出角动量守恒;从空间反射不变性可以推出P宇称守恒等等。不过某一运动规律满足时间反演变换不变性并不表征出现相应的守恒定律,因为这种变换是直接作用于时间的,而诺特定理的要求是不显含时间的对称性。
楼主陟云子 时间:2018-06-09 21:04:05
  晚上自己顶一下!
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-10 07:02:21
  早上支持!
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楼主陟云子 时间:2018-06-10 10:23:55
  (正文)

  除了时空对称性所导致的守恒定律以外,还有一些是场合粒子的内禀性质所导致的内部对称性,比如电荷、同位旋、重子数守恒都属于这一类。

  有些对称性是分立存在的,但在特定的情形下也可以将它们进行组合,这要求它们所对应的算符可以交换前后位置或者说对易。如果某种复合对称性是由相乘性对称得到的,并且每一个分立性质的对称都满足守恒要求,那么这个复合对称性也一定会导致一个相乘性守恒量。比如说在强相互作用和电磁相互作用中,电荷共轭变换对应的C宇称和空间反射变换对应的P宇称都是守恒的,那么CP联合变换所对应的也是一个守恒量。

  在物理学中存在着一些特殊的系统,系统内部所对应的所有相加性守恒量都等于零,则称为纯中性系统,也即宇称的不同定义给出相同的值,这也就是说,中性系统具有绝对的宇称值。而在其他系统中,随着选取的标度不同,宇称可能有不同的数值。所以为了统一起见,在粒子物理学中,我们做了一些统一的约定。
楼主陟云子 时间:2018-06-10 16:54:18
  (正文)

  7.寻常不到山前路,洞口闲云尽日封——奇异粒子和奇异数、同位旋

  早在1947年,在宇宙射线的观测中,罗彻斯特和巴彻勒已经察觉到了奇异粒子的存在。但直到1954年,人们从加速器上获得奇异粒子后,才发现它们具有一些特殊性质,拿K介子来说,它总是和超子同时产生,从来没有发现过单独产生的事例。因此它们是一类粒子的统称,正因为它们和经典粒子不同,才被叫做奇异粒子。

  奇异粒子最典型的独特性表现在两方面:第一是协同产生,独立衰变。奇异粒子之间非常“友爱”,每次经过碰撞产生奇异粒子的时候,至少产生一对奇异粒子,例如π负介子和质子发生碰撞时可能产生Σ负粒子、π零介子和K正介子。除了π零介子之外,另外两种都属于奇异粒子。但是奇异粒子在产生之后,随即就“分道扬镳”,进行独立的衰变。在刚才的反应中,Σ负粒子会衰变成中子和π负介子,K正介子衰变成π正介子和π零介子。这些衰变得到的粒子就都是普通粒子,不再具有奇异性。第二个关于奇异粒子的重要特性是它们满足快产生、慢衰变。在实验室条件下,碰撞产生时间很短,约在10-24秒,但衰变却慢得多,为10-10秒,两者相差约一百万亿倍。

  后来人们发现,奇异粒子的这种特性可以通过引入一个新的物理量来做标注,我们把它叫做奇异数。对于普通粒子来说,奇异数大小为零,对于奇异粒子来说,它的大小是非零的整数。我们都知道,在自然界中存在着四种相互作用,分别是引力相互作用、强相互作用、电磁相互作用和弱相互作用。对于强相互作用和电磁相互作用来说,奇异数是守恒的,对于弱相互作用来说,奇异数可以守恒,也可以不守恒,但对于末态产生物不包含轻子的过程,奇异数的改变量的绝对值为1。
楼主陟云子 时间:2018-06-10 18:47:59
  (正文)

  我们在实验中获得奇异粒子的时候,总是由普通粒子碰撞产生,因此强相互作用过程中奇异数守恒就决定了奇异粒子必须协同产生,只有这样才能保证奇异数守恒。

  奇异数守恒也能够解释为什么奇异粒子是快产生、慢衰变。一个奇异粒子一旦已经形成,就不可能通过强相互作用衰变成普通粒子,因为这要求奇异数发生改变;所以奇异粒子只能按照弱相互作用变成普通粒子。而强相互作用的代表性的作用时间要远远短于弱相互作用,这就是奇异粒子慢衰变的原因。

  奇异数并不是一个绝对严格的守恒量,按照我们在前文划分的标准,它属于相加性近似守恒。

  接下来我们来看同位旋的概念。我们在前面说过,质子和中子质量相近,按照自旋来划分,它们都属于自旋1/2的费米子。在原子核的内部,除了它们所携带的电荷有所不同外,它们在其他方面的表现都很相像。所以对于一些原子核来说,往往存在着镜像核的结构。例如在锂的同位素中,如果原子核中含有四个中子,那么质量数为七,而对于铍核,如果核中含有三个中子,质量数也为七。这两种原子核对应的质子数和中子数刚好相反,但总的质量数相同。如果从低激发态所形成的能级结构来看,这二者的表现并无差别。甚至对于质子-质子对、中子-中子对和质子-中子对来说,如果在低能状态下去做散射实验,在能量、自旋和宇称相同的条件下,这些粒子对所对应的散射截面相同、核力的作用势是相同的,核力与电荷无关。
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-11 06:48:51
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作者:rte362 时间:2018-06-11 09:52:21
  @陟云子 2018-06-10 18:47:59
  (正文)
  我们在实验中获得奇异粒子的时候,总是由普通粒子碰撞产生,因此强相互作用过程中奇异数守恒就决定了奇异粒子必须协同产生,只有这样才能保证奇异数守恒。
  奇异数守恒也能够解释为什么奇异粒子是快产生、慢衰变。一个奇异粒子一旦已经形成,就不可能通过强相互作用衰变成普通粒子,因为这要求奇异数发生改变;所以奇异粒子只能按照弱相互作用变成普通粒子。而强相互作用的代表性的作用时间要远远短于弱相......
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  继续分下去,那就是物理学术造假了。电子、原子核、原子可以有。量子,这个概念就是多余的,只会产生大量物理学术骗子。
  • 山那边是海2018: 举报  2018-06-11 11:46:28  评论

    有点同意你的看法。这么分下去,陷入不可琢磨论。 况且粒子对撞机这种东西是人为的,自然界并不存在这种力。对撞出来的粒子纯人工东西。论就好比我们生产了很多化工产品。自然界并不存在
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楼主陟云子 时间:2018-06-11 10:24:38
  @陟云子 2018-06-10 18:47:59
  (正文)
  我们在实验中获得奇异粒子的时候,总是由普通粒子碰撞产生,因此强相互作用过程中奇异数守恒就决定了奇异粒子必须协同产生,只有这样才能保证奇异数守恒。
  奇异数守恒也能够解释为什么奇异粒子是快产生、慢衰变。一个奇异粒子一旦已经形成,就不可能通过强相互作用衰变成普通粒子,因为这要求奇异数发生改变;所以奇异粒子只能按照弱相互作用变成普通粒子。而强相互作用的代表性的作用时间要远远短于弱相......
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  @rte362 2018-06-11 09:52:21
  继续分下去,那就是物理学术造假了。电子、原子核、原子可以有。量子,这个概念就是多余的,只会产生大量物理学术骗子。
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  量子力学是有实验支撑的,比如黑体辐射、反常塞曼效应等等,这些内容我们在后面还会单独谈到。
作者:rte362 时间:2018-06-11 10:58:55
  @陟云子 2018-06-10 18:47:59
  (正文)
  我们在实验中获得奇异粒子的时候,总是由普通粒子碰撞产生,因此强相互作用过程中奇异数守恒就决定了奇异粒子必须协同产生,只有这样才能保证奇异数守恒。
  奇异数守恒也能够解释为什么奇异粒子是快产生、慢衰变。一个奇异粒子一旦已经形成,就不可能通过强相互作用衰变成普通粒子,因为这要求奇异数发生改变;所以奇异粒子只能按照弱相互作用变成普通粒子。而强相互作用的代表性的作用时间要远远短于弱相......
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  @rte362 2018-06-11 09:52:21
  继续分下去,那就是物理学术造假了。电子、原子核、原子可以有。量子,这个概念就是多余的,只会产生大量物理学术骗子。
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  @陟云子 2018-06-11 10:24:38
  量子力学是有实验支撑的,比如黑体辐射、反常塞曼效应等等,这些内容我们在后面还会单独谈到。
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  你只要吹捧量子力学,那你就是一个物理学术骗子。人类根本不需要量子。微观世界可以无穷分割下去。量子竟然认为自己的是不可分割的最小微粒。理念完全荒谬。
作者:山那边是海2018 时间:2018-06-11 11:48:19
  中国的量子力学确实出骗子。科技大学那个潘院士就是骗子
楼主陟云子 时间:2018-06-11 12:04:07
  (正文)

  所以从实验现象来看,我们可以把质子和中子看成是同一种粒子的两种不同形态,统一地把它们叫做核子,并且在这里我们仿照对于自旋的定义,引出同位旋I的概念,同位旋是一个矢量,同样也有2I+1个不同的态,取值从-I到I的所有整数。对于核子来说,同位旋为1/2,所以最终有两个态,分别为+1/2和-1/2,对应着质子和中子。

  再比如说π介子,π介子共有三种,分别对应着π正介子、π零介子和π负介子,这时同位旋的数值可以取1,同位旋的第三分量分别为1,0,-1,就可以用这三种分量来区分这三种介子。

  同位旋可以进行矢量叠加,所满足的叠加规则和自旋的叠加规则完全一样。同位旋也可以分解到空间直角坐标系的三个坐标轴上,或者说在给定方向上进行了投影。对于强相互作用来说,无论是同位旋还是同位旋的第三分量(z轴方向上的分量)都是守恒的。而对于电磁相互作用来说,电磁作用和粒子的带电情况有关,质子和中子的带电情况不同,所以在电磁作用中的表现不同。但同位旋的第三分量在电磁相互作用中是守恒的。而对弱相互作用来说,无论是同位旋和同位旋第三分量都是不守恒的。

  在强子中,我们可以计算强子所具有的重子数和奇异数,并且把重子数和奇异数的和称之为超荷(在扩展的定义中,超荷内还包含粲数、底数和顶数等其他几个量子数)。粲数与奇异数一样,是与强子性质有关的一个相加性量子数。
楼主陟云子 时间:2018-06-11 17:48:08
  (正文)

  1970年,格拉肖、伊略普洛斯和迈安尼为了说明奇异数改变的中性流过程观察不到的原因,提出了存在第四种夸克的假设,称之为粲数。和奇异数一样,粲数也是一个相加性量子数。1974年,丁肇中和里希特小组各自独立发现了由粲夸克和反粲夸克组成的J/Ψ粒子,证实了粲夸克的存在。在那以后,陆续发现了一些带有粲数的介子和重子,统称为粲粒子。粲数在强相互作用下是守恒的,所以粲粒子也是协同产生的。粲数在弱相互作用下是不守恒的,实验发现,粲数的变化总是伴随着奇异数的变化,并且粲数变化的绝对值与奇异数变化的绝对值相等,所以粲粒子的衰变产物中优先包含奇异粒子,或者说,粲夸克c优先转变为奇异夸克s。

  对于超荷的数值除以2,再和粒子的同位旋第三分量相加,我们发现这个数值恰好和粒子的电荷相同。这个关系式是一个经验关系式,1955年美国物理学家盖尔曼和日本物理学家西岛和彦、中野忠雄共同提出了这一关系式,被称作盖尔曼——西岛关系。这是一个有前瞻性想法的关系式,当时发现的基本粒子数目还不多,而后来又陆续发现了大量粒子也都遵从这一关系,就证明了这一公式的正确性。

  盖尔曼——西岛关系清楚地表明原子间的反应受到一些规则的支配,而这些规则是和粒子所携带的同位旋和重子数、奇异数相关。
楼主陟云子 时间:2018-06-12 09:56:35
  (正文)

  8.众里寻他千百度,蓦然回首,那人却在灯火阑珊处——上帝粒子希格斯玻色子

  希格斯粒子早在1964年就被希格斯预言,这是和对称性破缺有关的一种粒子。

  希格斯粒子的重要性在哪里呢?我们在前面说过,物理规律在空间平移和空间转动下都是不变的,所以移动对称性和转动对称性都是严格成立的对称性,但镜像对称性和同位旋对称性都不是严格的。弱相互作用中宇称不守恒,说明镜像对称是可以被破坏的。一个同位旋多重态内的粒子质量有微小的差别,说明这些粒子不完全相同,也存在着一定的破坏。

  这种破缺引发了人们深层次的思考。事实上在20世纪的下半叶,人们都在致力于建立粒子物理的标准模型,希望能够将所有的轻子、夸克、玻色子放在一个统一的模型中进行研究。而在此时大爆炸理论的风靡促使人们思考质量产生和对称机制的关系。按照这一理论,在爆炸开始后的极短时间中,宇宙的对称性出现破缺,然后赋予相关粒子以质量,换言之,对称性的自发破缺形成了我们今天的宇宙。

  关于对称性自发破缺,巴基斯坦理论物理学家萨拉姆曾经打过一个形象的比喻。假设客人在圆桌旁围成一个密集的圆圈,在每个客人的左手和右手方向各有一套餐具,很显然这时候餐具和人在空间上是对称的。但是在宣布礼仪之前,大家并不了解该从哪个方向去拿餐具。直到有一位勇敢的客人率先从他的左侧(或右侧)拿起一套餐具,别人也只能随着他从左侧(或右侧)来拿餐具。这种行为便属于对称性自发破缺。

  美籍日裔物理学家南部阳一郎曾经在1959年完成了粒子物理学中对称性自发破缺的描述,而启发他的就是巴丁、库泊、薛里夫等三人之前提出的BCS超导理论。南部认为超导中出现的玻色——爱因斯坦凝聚中的能隙类似粒子物理中的质量,并且二者的方程存在一一对应。正是因为他的这一研究,使得他获得了2008年的诺贝尔物理学奖。
楼主陟云子 时间:2018-06-12 15:21:15
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  大爆炸理论从产生之日起,已经经过了多次修正,但核心内容都没发生太大变化,即早期宇宙存在一个突然暴胀的过程。而如果要让这一过程发生,就必须存在着一个准希格斯标量场。这样,在早期宇宙的某一小区域中,该场处在一个准稳态中,如果进行形象的比喻,我们可以想象一个玻璃球放在倒扣的锅底上,这里对应的能量并非可能达到的最低势能,而且这一区域内的能量密度由此势能决定。当发生膨胀时,区域内的能量密度保持不变。根据广义相对论,空间就存在着一个幂级数的膨胀,即暴胀。因为玻璃球放在锅底上是不稳定平衡,很容易便从上面滚下,因此只要一个微小的扰动宇宙便会进行膨胀。

  而要验证这种理论的正确性就是要寻找到希格斯粒子。因为它的自旋为零,所以是玻色子,而和希格斯场相互作用的粒子就会具有质量。不过很遗憾的是,按照之前的理论,并没有给出希格斯玻色子的精准理论预言,人们只知道这是一种质量很大的粒子,所以提高粒子对撞机的能量就势在必行。

  从初步的估算上,人们认为要研究希格斯玻色子,对撞能量至少要达到一千亿电子伏特,一种可能的办法是采用质子束加速器。当把质子加速到这一能量时,质子会通过弱相互作用辐射出W正负粒子和Z零粒子,它们都属于自旋为整数的玻色子,并且为弱相互作用的媒介粒子。而W粒子和Z粒子相互作用会因为希格斯机制而产生希格斯玻色子,换言之,希格斯玻色子是上述两种粒子相互作用的产物。
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-13 06:55:19
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楼主陟云子 时间:2018-06-13 10:56:53
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  在90年代,加速器能量已经大大提高,CERN的大型强子对撞机已经向这一能量迈进。但光有能量还不够,还要在希格斯玻色子出现时将它的信号捕捉到。一个典型的办法是,当希格斯玻色子出现以后,设法让它进行衰变成两个Z粒子,后者再变为一个轻子和反轻子的组合。所以当希格斯玻色子出现时,将会出现轻子-反轻子对的特征性符号。可以将这些事例出现的次数相对于两个轻子-反轻子对的特征性图表,将显示出一个对应于希格斯玻色子的质盈峰值。这一点虽然在理论上容易实现,但从实验上说却仍然无异大海捞针。实际上,每有一百次碰撞才有一次事例可能被记录,而且质子的对撞能量要比加速能量要小,所以科学家们在探测Z粒子衰变的过程中发明了一种滤过技术,可靠地对具体事例进行筛选。而且因为不了解希格斯玻色子的精确质量,他们的实验范围从450亿电子伏特到1万亿电子伏特之间。

  经过艰苦卓绝的努力,2012年7月,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC上终于传来了好消息,由ATLAS和CMS两个实验组宣布,在对撞机上发现了一个质量在1250至1260亿电子伏特之间的类希格斯玻色子,而参与这一研究的实验人员超过了六千人。两个实验组对对撞能量在7万亿电子伏特到8万亿电子伏特之间的所有事例进行了复核,进一步肯定了希格斯玻色子的存在。就这样,经过了长达四十五年的等待,人们终于见证了希格斯玻色子的存在。也因为这一伟大成就,当年的诺贝尔物理学奖授予了预言希格斯玻色子存在的比利时物理学家弗朗索瓦•恩格勒特和英国物理学家彼得•希格斯。

  不过关于希格斯玻色子的这一理论也并非全无缺陷。虽然希格斯粒子作为标准模型难题中缺失的一部分,发现它是一个伟大的成就,但是标准模型并不是宇宙难题中的最终一块。其中一个原因是标准模型认为特定粒子中微子是几乎没有质量的;而研究显示它们实际上是有质量的。另一个原因是,模型仅能描述可见物质,而可见物质只占宇宙中物质的五分之一。寻找神秘的暗物质是欧洲核子中心科学家继续追寻未知粒子的目的之一。 而且根据自然性原理,希格斯玻色子的质量需要人为的精细调节,远远不能让人信服。还有就是,在粒子质量的测量上尚有误差,有待进一步吻合。

  所以在标准模型基础之上,科学家们又进一步提出“超标准模型理论”,包括超对称模型、复合希格斯模型和新近的标度不变理论等等,并继续在LHC上寻找新粒子的出现。
楼主陟云子 时间:2018-06-13 16:45:58
  (正文)

  9.只缘此山中,云深不知处——暗物质和暗能量

  自然界存在的四种相互作用中,引力相互作用是非常容易被直观感知的,它是一种长程相互作用,所以在树上坠落的苹果会向着地球表面运动而不是相反。而引力的来源出自质量,正因为如此,我们可以根据空间存在的引力大小来反推出物质的质量。随着近代天文物理学的兴起,人们发现浩瀚宇宙中的所有物质并不都是可以被观测到的,空间中存在着一种叫做暗物质的引力物质,它的质量占据整个宇宙质量的95%。已知暗物质并非死星,也不是宇宙尘埃或重子、光子、中微子等粒子,所以暗物质的研究可能揭示一些粒子的真正本质。

  暗物质的发现同时证明,暗物质本身就是光传播的载体,所以暗物质对光传播本质的研究也有重大意义。

  那么暗物质最早是怎么被发现的呢?人们在观测和研究旋涡星云中旋转物质的位置和速度的关系时,发现银河旋转曲线存在异常。在星系发光区域以外,星体的运动速度和它所处的位置无关。而按照开普勒的天体运动规律,离中心宇宙天体越远的行星运动速度越小,两者明显不符。

  为了解释这一现象,当时人们给出的解释是,在星系空间中并非绝对的真空,而是存在一种基本粒子大小的引力物质弥散于整个空间,这些物质本身不能发光,因此它是不可见的。而在1983年发现的另外一个事例也证明了暗物质的存在。在距银河系中心20万光年的地方存在一颗命名为R15的天体,它的视速度大于465千米每秒,而根据天体物理学理论,要达到这一速度,银河系的总质量至少要为现在可视物质质量的十倍。
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-14 06:54:58
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作者:挑灯夜看AV 时间:2018-06-14 07:27:55
  有些年头没在杂谈看见这种帖子了。
  支持
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作者:smoothfly 时间:2018-06-14 09:40:40
  进来学习学习,楼主慢慢写
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作者:秋水无际 时间:2018-06-14 09:47:08
  继续进来学习~
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楼主陟云子 时间:2018-06-14 10:53:49
  (正文)

  2006年8月科学家发现宇宙暗物质存在的直接证据,次年初欧洲和美国的科学家又利用相同的技术,在《自然》杂志上发表了他们为宇宙暗物质绘出的三维图。天文学家们运用特殊的观测工具来记录宇宙中一些扭曲的光线,通过对这些因重力而发生扭曲的光线的分析,判断出暗物质在宇宙中的位置和大小,甚至包括它们形成的具体时间等。在整个宇宙中,由于暗物质所占的比例极大,而且还是黑暗不可见的,所以“亮物质”在三维地图上就像是在黑夜中闪闪发光的宝石。此次绘制完成宇宙暗物质三维数字地图,对于人类研究宇宙的起源以及未来演化具有极为重要的意义。

  2013年4月4日,丁肇中教授率领的研究团队在日内瓦的欧洲核子研究中心宣布了他们对暗物质的最新研究成果。他们借助阿尔法磁谱仪发现了40万个正电子,这些正电子可能来源于人们一直在孜孜不倦寻找的暗物质。但具体的内容还有待进一步验证。

  一开始很多人都认为暗物质可能是气体物质,但对各种元素的光谱分析表明,按照物质密度来说,氢、氧、锂、硅等元素都不可能形成暗物质。而对宇宙X射线的测定,同样排除了离子化气体的可能。因此普通的宇宙尘埃和暗淡下来的星体是不能构成暗物质的。
作者:芳草悠悠NN 时间:2018-06-14 14:39:19
  哲理性太强,难以领会
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楼主陟云子 时间:2018-06-14 19:44:07
  (正文)

  按照目前流行的暗物质引力微子WG理论,暗物质由粒子-暗物质引力微子(或称光物质WG)充满整个宇宙空间并渗透微观世界。证实这一点的证据有二:其一是微波背景辐射,运用哈勃射电望远镜,发现即使是在宇宙深处仍然存在着一定的照度,这就无可辩驳的证明宇宙空间存在光物质;其二是基本粒子之间的光物质交换。

  我们在前面曾经提到过,一对正负电子湮灭的时候就会产生一对光子,很显然这是一种光物质交换行为。通过对脉冲星的分析,人们最终将光物质WG的质量在3.636×10-15kg。而暗物质引力微子还具有万有引力的特性,一个比较典型的例证是光线在引力场中的弯折。例如光线通过太阳边缘时,受太阳引力的影响,光线角度会发生1.75秒的偏转,而这一点可以运用广义相对论的观点进行解释。

  关于暗物质的成因,上个世纪80年代美国和苏联的一些科学家曾经提出过暗物质“轴子”模型。按照这个模型,在宇宙开始的很短时间内,宇宙就好像一罐重子和轴子混合而形成的浓汤,重子由于辐射能量,所以会转移到团块中心。而普通发光物质的核被冷子晕包围,形成了星系式的天体。这个模型简洁美妙,用计算机得到的理论模拟和现存宇宙十分相似,但还需要进一步的验证。
作者:网拼达人 时间:2018-06-14 21:58:03
  5555
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作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-15 06:47:02
  早上支持!
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楼主陟云子 时间:2018-06-15 10:52:00
  (正文)

  在宇宙中的非重子暗物质中,可以分为两类:一类是冷暗物质,约占70%,另外一类是热暗物质,占比为30%。对冷暗物质来说,它的粒子应该是一种很重的中性粒子,它不参与电磁相互作用,所以无法被各种光电设备探测,但是可以参与弱相互作用和引力相互作用。这种粒子一定超出我们前面提到过的标准模型,为了搜寻它,中意两国在意大利国家格朗萨索实验室进行冷暗物质粒子探测的实验。这个实验室位于一条高速公路穿过的山洞下面,光岩石厚度就有1千米,相当于3千米的水当量,可以有效地屏蔽宇宙射线干扰。两国科学家将100千克碘化钠晶体阵列放在地下实验室中,经过8年的实验,目前已经捕捉到了这种粒子和碘化钠的原子核发生碰撞时放出的微弱光线,并获得了这种信息的3个年调制变化周期。目前初步估计,这种粒子的质量至少是质子质量的五十倍,即在500亿电子伏特以上。而且该粒子的存在也支持宇宙暴胀理论和超对称粒子模型。

  除了暗物质以外,还存在着暗能量。暗能量是一种强大的斥力场,可以推动宇宙加速膨胀,但它的质量似乎为零。因为如果暗能量不存在的话,宇宙的膨胀速度会不断放缓,达到一定程度之后,速度便会减小到零,而接下来按照引力关系,所有星系的距离应该会被拉近才对,那么就会出现宇宙的坍缩。但到目前为止并没有证据能支持宇宙的这种反演过程,所以大家才会提出暗能量的概念,用以解释宇宙学的这一现象。

  暗能量是天文学中最古怪的概念之一,目前还没人能够说清它究竟是什么,我们只能拭目以待后来人的解释了。
作者:天地六合 时间:2018-06-15 12:37:21
  现在原子结构模型其实是一种猜测,在解释世界时问题很多,可信度并不高。
楼主陟云子 时间:2018-06-15 12:58:27
  @天地六合 2018-06-15 12:37:21
  现在原子结构模型其实是一种猜测,在解释世界时问题很多,可信度并不高。
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  原子结构模型已经得到了完全确立,质子和中子内部的情况才稍稍有些疑问。
楼主陟云子 时间:2018-06-15 18:49:43
  (正文)

  10.文章本天成,妙手偶得之——格点量子色动力学的发展

  前面我们提到,为了描述夸克组成重子和介子时的一些特性,我们引入了颜色这一量子数。以此为基础发展出了杨-米尔斯理论,这一理论被确定为量子色动力学的基础。

  而在实验上,量子色动力学理论也得到了一系列重要实验的证实。上个世纪60年代美国斯坦福大学直线加速器中心(SLAC)的系列电子-质子深度非弹散射实验表明,随着电子散射角的增大,深度非弹截面与电子和硬散射核的散射截面存在类似行为。因此,1968年由必约肯(J.Bjorken)利用流代数预言了标度无关性现象。随即费曼提出了部分子模型,在此模型中质子被看成部分子组成的复合体,前面系列实验中的深度非弹散射实际上是电子与部分子之间发生的弹性散射。部分子模型与盖尔曼的夸克模型相统一,计算表明此模型满足标度无关性规律。直到目前,量子色动力学理论仍是对实验现象有重要解读的一个理论,它之所以获得重视,是因为强相互作用在核结构的研究中具有重要意义,而量子色动力学理论在高能区域与实验数据符合的很好。

  在高能物理研究范畴的中低能分区,由于强相互作用中耦合常数的增大而导致普通的微扰方法失效,迄今为止没有一个有效的解析方法来处理其中的耦合项。如此普通的微扰量子色动力学因为低能标的高度非线性将不再适用,然而自然界存在的稳定强子恰恰落在低能标区间内,因此迫切需要找到一种可以描述夸克色禁闭和动力学手征对称性的新方法,使强子及核内行为得以研究。
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-16 06:45:28
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楼主陟云子 时间:2018-06-16 12:09:48
  (正文)

  为了解决这个问题,1974年威尔逊(K.G.Wilson)首次提出了欧氏空间的格点规范场论(Lattice QCD),因为我们所处的时空是四维的,其中有三维代表空间,另外一维则是时间,因此威尔逊用离散的四维格点代替连续时空下的作用量及算符,离散化后,夸克场定义在格点上,胶子场则用格点之间的链变量来表示,当格点间距a趋于零时就回到连续极限情形,从而使量子色动力学中非微扰分析成为可能。由于定义在格点上的作用量可用统计力学方法来分析和讨论,因此可以用蒙特卡罗方法求得非微扰数值解。

  格点量子色动力学方法一经推出,立即成为理论物理学界关注的焦点,并在其后40年的应用和发展上取得了一系列丰硕的成果,与实验有较为密切的拟合。由其衍生的最大熵方法(MEM),谱密度方法(SDM)以及介子谱方程(MSF)已被广泛应用于计算胶球质量、分析强子谱、QCD相变行为。它预言了相变阶数与色和味自由度相关,也表明手征凝聚与轻夸克的费米子数相关,还被Born等人用于拟合夸克和反夸克对之间的作用势。

  我们在提到微观世界的计算时,常常会用到第一性原理。第一性原理又被称为第一原理,是在原子尺度上计算材料性质的重要方法。它运用量子力学理论,根据原子核和电子相互作用的原理及其基本规律,计算分子和原子体系的结构和性质。第一性原理是以电子为研究对象,而不像经典的牛顿力学体系那样把原子核作为研究重点。也正因为第一性原理的这一特点,它又被称为“从头计算”,在它的计算过程中不使用任何已知的经验参数,只使用光速、普朗克常数、玻尔兹曼常数、电子质量及电荷等几个基本常数,这就保证了计算结果的理论缜密性。迄今为止,格点量子色动力学仍是唯一一种从第一性原理出发解决高能物理问题的方法,并且在研究有限温度有限密度的相变问题上取得了重大突破, 因此近年来被广泛应用。
楼主陟云子 时间:2018-06-16 18:29:00
  (正文)

  我国的科研人员在研究格点量子色动力学的相关问题时,组成了中国格点量子色动力学研究组(China Lattice QCD,简称CLQCD),由中科院理论所、高能所、北京大学、浙江大学、南开大学等科研院所的相关人员组成,在胶球质量计算、夸克相变行为分析上都取得了一定成果。

  下面我们简要分析几个运用格点量子色动力学计算的例子。首先是有限密度条件下介子观测质量的计算。一般而言理论上估算有外加条件下的介子质量是比较困难的,像我们在前面提到的所有粒子质量都是静止质量,它会受到各种因素的影响。例如当把粒子加速到一定能量时,粒子的速度相比于光速不可被忽略,那么它的质量就会依据质速关系而变大。但我们可以用数学方法,将质量对化学项进行多项式泰勒展开,取数值贡献比较大的前几项来进行计算。从理论计算上可以推知,在相变点前后所对应的观测质量有较为明显的突变,而且误差也发生了相应的改变,证明夸克的相变行为可以影响介子尤其是赝标介子的观测质量。

  再比如计算在化学势影响下对夸克凝聚序参量的影响。研究夸克手征相变问题一直是人们关注的热点,这对了解早期宇宙的形态及高密度星体的内部结构都有很强的参考意义。随着国内外高能对撞实验的逐步推进,未来有可能直接观测到夸克由禁闭相转化为去禁闭相,这对我们理论研究工作必将产生现实推动作用。2014年,南开大学的研究组发现,越是接近相变点的位置,化学势的压低就表现的越明显,也说明化学势对手征对称性的影响并非是一线性行为,而是在相变点附近压低最为明显。当从夸克禁闭状态进入夸克-胶子等离子体状态时,手征对称性受到的影响非常巨大。

  正因为格点量子色动力学是目前研究强相互作用最成功的非微扰方法,科学家们才更愿意把它的计算结果与实验进行匹配。不过格点量子色动力学也受到现实条件的制约:一是按照理论,格点设置的越多,最终计算结果越精确,但所消耗的计算资源也越大。以前述分析为例,如果要产生600个组态的数据来分析一个对应质量参数在24乘12乘12乘6的格子下的夸克行为,至少需要5到6万个机时,因此很多计算即使在理论上可行,也难以付诸计算;二是模型的不够精确,目前使用的作用量模型还不能很好地实现与实验数据的同步。所以格点量子色动力学还有待于进一步的研究和发展,是一门大有可为的新兴学科。
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-17 06:55:50
  早晨支持!
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楼主陟云子 时间:2018-06-17 09:12:51
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  11.神龟虽寿,犹有竟时——不稳定粒子的衰变和寿命

  我们生活的宏观世界中,无论是动物或者植物,都有其特定的生命规律,自然也就存在着生命的起源和终结,或者说,具备一定的寿命。而在粒子世界中,别看这些“小不点儿”无足轻重,可对于它们来说,同样具有寿命!

  我们目前看到的粒子中绝大多数都是不稳定的,经过一段时间后它们会自发地衰变成其他粒子,从产生算起到衰变为其他粒子为止的这一段时间就叫做该粒子的寿命。不过单独看一个粒子的寿命对我们来说是没有意义的,因为正如我们不能用一条小狗的寿命来代替整个犬类的寿命一样,我们更在意的是大量粒子在宏观上所对应的寿命平均值。而且我们在计算粒子寿命时,要扣除掉粒子因为高速运动所带来的时间延缓效应,所以在这里粒子的寿命就是指同种粒子静止时的平均寿命。

  我们可以设想初始时刻存在着N个某种不稳定粒子,那么在接下来很短的时间间隔内,衰变的粒子个数一定正比于N,同时也正比于时间间隔。所以按照这一点列出方程,可以求出未衰变的粒子个数是以幂指数形式衰减的,而指数项上的常数与粒子的平均寿命有密切关系。

  不稳定粒子在衰变时可能存在几种不同的衰变形式,每种衰变方式占总的衰变事例的比例我们叫做粒子衰变的分支比。正因为粒子衰变总是对应着其中一种衰变,所以任意一种粒子的衰变分支比之和必定为1。而对于存在多衰变道的粒子来说,平均寿命是各衰变道寿命的加权平均。
楼主陟云子 时间:2018-06-17 19:22:15
  (正文)

  对于不稳定粒子来说,为了描述它在空间的行为往往用到量子力学,需要将粒子在全空间所对应的情况用波函数的形式来描写。实验上可以测得不稳定粒子质量取值M附近的概率密度是波函数模的平房,把波函数模的平方对全空间积分,并对M值在全空间进行归一,就从实验上测得了不稳定粒子的质量分布函数。事实上我们大家也可以这样去理解:如果是稳定粒子,那么它的质量分布范围很窄,我们可以认定它的质量是一个确定值;但对于不稳定粒子,它的质量分布存在一定范围,质量分布函数其实是一个复合函数,粒子的质量和质量分布的平均宽度都会影响这样一个函数的形式。

  那么在实验上如何测定粒子的寿命呢?这要具体问题具体分析。如果不稳定粒子的寿命较长,那么它从产生开始,到最终衰变为止,一定会在空间形成一道轨迹。而运用我们在前面提到的云室等设备,我们可以将轨迹的长度测量出来,再通过能量推知粒子运动的速度,便可以从统计学意义上确定粒子的寿命。如果粒子的寿命很短,在有限的寿命里所走行的轨迹长短限制在原子直径的量级,这时就比较难于通过测得径迹来反推回粒子的寿命。我们在这时的做法一般是,测量粒子的分布,量出宽度,算出寿命的长短。如果粒子的宽度越大,那么计算的结果也越准确。而事实上,在实验上遇到的所有粒子中,寿命长于10-13秒的弱衰变和寿命短于10-21秒的强衰变粒子寿命都比较容易测量,只有寿命在10-14秒到10-20秒之间的粒子寿命较难得到精确计算结果,通常这一衰变属于电磁衰变。
作者:爱上肥波的光头强 时间:2018-06-18 06:49:46
  早上支持!
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楼主陟云子 时间:2018-06-18 08:59:23
  (正文)

  粒子的宽度是寿命的倒数,物理含义是单位时间也就是1秒内不稳定粒子衰变掉的概率。单位时间内不稳定粒子衰变到某衰变道的概率称为该衰变道的部分宽度。它等于粒子的宽度和该衰变道的分支比的乘积。因为粒子的宽度和各衰变道的分支比可以直接从实验上测量,因此各衰变道的部分宽度就可以进行理论计算。

  对于各衰变道来说,每一个粒子的衰变过程是随机的,没有任何规律可循,但大量粒子的宏观统计则有意义。有的衰变道末态粒子的总质量和大于该不稳定粒子的质量,即衰变道的阈高于该粒子的质量,这种情况被称为近阈共振态。

  我们来看一个例子,有一种粒子f0(975),它的质量大约在975兆电子伏特,宽度大约为34兆电子伏特。它有两个衰变道,其中一个衰变道的产物是两个π介子,另外一个衰变道将会产生一对正反K介子。而一对正反K介子有两种情形,一是K+K-,它们的总质量是987兆电子伏特,另外一种是K0介子对,它们的总质量是995兆电子伏特,这两者都大于f0(975)粒子的质量,属于典型的近阈共振态。而对于一对π介子来说,总质量才为270兆电子伏特,远小于f0(975)粒子的质量,衰变的相空间很大。因此在粒子衰变时,π介子的衰变道分支比大约为0.78,是主要的衰变方式。而K介子的衰变道分支比为0.22,只有那些质量大于K介子质量和的f0(975)粒子才能进行这一衰变。而且因为能量比较相近,衰变动量很小,衰变的相空间也很小。但之所以还会有0.22的衰变分支比,证明如果扣除了相空间等运动学的影响之后,f0(975)粒子与K介子对的相互作用比和π介子的相互作用要强得多。
  • 陟云子: 举报  2018-06-18 11:41:13  评论

    天涯不支持下角标,这部分提到的f0(975)粒子中的0全都是下角标,特此说明。
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作者:hjk268 时间:2018-06-18 09:46:05
  @天地六合 2018-06-15 12:37:21
  现在原子结构模型其实是一种猜测,在解释世界时问题很多,可信度并不高。
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  @陟云子 2018-06-15 12:58:27
  原子结构模型已经得到了完全确立,质子和中子内部的情况才稍稍有些疑问。
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  你继续搞下去,必然就是在搞物理学术造假。
  • 陟云子: 举报  2018-06-18 14:29:24  评论

    师兄对近代物理真不应该抱这么大的成见,毕竟近代物理的诸多成就已经被广泛验证过了。
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