粒子物理学
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粒子物理学，又称高能物理学，它是研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。
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目录
1学科简介
2学科分类
3理论分析
4发展阶段
5黑格斯粒子的实验证据
6第四种和第五种夸克
7轻子的新发现
8电弱统一理论的建立
9粒子物理的前景
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1学科简介
2学科分类
3理论分析
4发展阶段
4.1第一阶段（1897～1937）
4.2第二阶段（1937～1964）
4.3第三阶段（1964～）
5黑格斯粒子的实验证据
6第四种和第五种夸克
7轻子的新发现
8电弱统一理论的建立
9粒子物理的前景
粒子物理学
1学科简介
粒子物理学particle physics
研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。又称高能物理学。
粒子物理学
2学科分类
粒子物理学专门研究组成物质和射线的基本粒子，以及它们之间的相互作用。由于在大自然的一般条件下，许多基本粒子不存在或不单独出现，物理学家使用粒子加速器，试图复制粒子高能碰撞的机制，从而生产和侦测这些基本粒子，因此粒子物理学也被称为高能物理学。
标准模型可以正确地描述基本粒子之间的相互作用。这模型能够计算12种已知的粒子（夸克和轻子），彼此之间以强力、弱力、电磁力或引力作用于对方。这些粒子会互相交换规范玻色子（分别为胶子、光子、W 及Z 玻色子）。标准模型还预测了希格斯玻色子的存在。截至2010年，使用费米实验室的垓电子伏特加速器和欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，实验者仍旧在努力地寻找希格斯玻色子的来踪去迹。
粒子物理学在实验上把已经发现的粒子分为两大类。一类是不参与强相互作用的粒子，统称为轻子。另一类是参与强相互作用的粒子统称为强子。已经发现的数百种粒子中绝大部分是强子。
3理论分析
实验发现，强子也具有内部结构。强子内部带点电荷的东西在外国称为夸克，中国的部分物理学家称之为层子。因为他们认为：即使层子也不是物质的始元，也只不过是物质结构
无穷层次中的粒子物理学一个层次而已。
虽然层子在强子内部可以相当自由地运动，但即使用目前加速器所能产生的能量最高的粒子束轰击强子，也没有能将层子打出来，使它们成为处于自由状态的层子。将层子囚禁在强子内部是强相互作用所独有的性质，这种性质称为“囚禁”。
弱相互作用也有其独特的性质。它的基本规律对于左和右，正、反粒子，过去和未来都是不对称的。弱相互作用的不对称就是李政道和杨振宁在1956年所预言，不久在实验上为吴健雄所证实的宇称在弱相互作用中的不守恒。
粒子物理学
在量子场论中，各种粒子均用相应的量子场来反映。空间、时间中每一点的量子场均以算符来表示，称为场算符。这些场算符满足一定的微分方程和对应关系或反对应关系。量子场的确既能反映波粒二象性，又能反映粒子的产生和消灭，还能自然地反映正、反粒子配成对的现象。
对称性在物理学中占有很重要的地位。可以证明，假使物理基本规律具有某种对称性，与之相应就有某种守恒定律。例如：假使物理基本规律在任何时间都一样，与之相应就有能量守恒定律：假使物理基本规律对于相变换具有不变性，与之相应就有电荷守恒定律。
假使物理规律的某种对称性是定域的，那么与之相应一定存在某种基本相互作用。目前已经通过实验严格检验的广义相对论、量子电动力学和电弱统一理论都来源于定域对称性。也就是说：万有引力相互作用、电磁相互作用和弱相互作用都来源于定域对称性。
4发展阶段
4.1第一阶段（1897～1937）
可追溯到1897年发现第一个基本粒子电子。1932 年J.查德威克在用a粒子轰击核的实验中发现了中子，随即人们认识到原子核是由质子和中子构成的，从而形成所有物质都是由基本的结构单元——质子、中子、电子构成的统一的世界图像。质子、中子、电子和A.爱因斯坦提出并被R.A.密立根和 A.H. 康普顿等人实验证实的光子、W.泡利假设存在的中
微子（1956年最终被实验证实）以及P.A.M.狄拉克预言粒子物理学并被 C.D.安德森1932 年在宇宙线中观察到的正电子都被认为是基本粒子或亚原子粒子。
在此阶段，理论上建立了量子力学，这是微观粒子运动普遍遵从的基本规律。在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化初步建立量子场论，很好地解决了场的粒子性和描述粒
子的产生、湮没等问题。随着原子核物理的发展，发现在相当于原子核大小的范围内除了引力相互作用电磁相互作用之外，还存在比电磁作用更强的强相互作用和介于电磁作用和引力作用之间的弱相互作用，前者是核子结合成核的核力，后者引起原子核的β衰变。对于核力的研究认识到核力是通过交换介子而产生的，并根据核力的电荷无关性建立起同位旋概念。
4.2第二阶段（1937～1964）
这个阶段的开始以1937年在宇宙线中发现μ子为标志。
μ子的发现1934年，汤川秀树为解释核子之间的强作用短程力，基于同电磁作用的对比，提出这种力是由质子和（或）中子之间交换一种具有质量（电子质量的200～300倍）的基本粒子──介子引起的。1936年，C.D.安德森和S.H.尼德迈耶在实验上确认了一种新粒子，其质量是电子质量的207倍，这就是后来被称为μ子的粒子。μ子是不稳定的粒子，它衰变成电子、一个中微子和一个反中微子，平均寿命为2×10-6秒，自旋为媡/2。
汤川最初提出的介子的电荷是正的或负的。1938年，N.J.凯默基于实验上发现的核力的电荷无关性的事实，发展了稍早些时候出现的同位旋的概念，建立了核力的S?S⑵对称性理论。这个理论有两个重要的结果，一是除了带正负电的介子之外，还应当有不带电的中性介子，三种介子的质量应当相同；二是强相互作用的粒子可按同位旋分成一组组的多重态。
h介子和奇异粒子的发现1947年，M.孔韦尔西等人用计数器统计方法发现μ子并没有强作用，直接的证明是1948年由张文裕用云室研究μ子同金属箔直接相互作用得到的。1947年C.F.鲍威尔等人在宇宙线中利用核乳胶的方法发现了真正具有强相互作用的介子，其后，在加速器上也证实了这种介子的存在。它们的质量约是电子质量的270倍，带有正电荷或负电荷，被称为π±介子。1950年发现了不带电的π0介子。μ子后来则和电子以及中微子归于一类，被统称作轻子。
从此以后人类认识到的基本粒子的数目越来越多。就在1947年，G.罗彻斯特和C.巴特勒在宇宙线实验中发现了V粒子（即K介子），这就是后来被称为奇异粒子的一系列新粒子发现的开始。由于它们独特的性质，一种新的量子数──奇异数的概念被引进到粒子物理中。在这些奇异粒子中，有质量比质子轻的奇异介子K±、K0和[粒子物理学] ；有质量比质子重的各种超子，包括Λ0、Σ±、Σ0、Ξ0和Ξ-等。这些新发现的粒子，都是不稳定的粒子，除h0介子外（它的寿命是10-16秒），它们的平均寿命都在10-6～10-10秒之间，所以在地球上的通常条件下，它们并不存在，在当时的情况下，只有借助从太空飞来的高能量宇宙线才能产生。
这些发现了的基本粒子，加上理论上预言其存在，但尚未得到实验证实的引力场量子──引力子，按相互作用的性质，可分成引力子、光子、轻子和强子四类。
新粒子大发现和强作用SU⑶对称性的建立为了克服宇宙线流强太弱这个限制，从50年
代初开始建造能量越来越高、流强越来越大的粒子加速器。实验上也相继出现了新的强有力的探测手段如大型气泡室、火花室、多丝正比室等，开始了新粒子的大发现时期。到了60年代头几年，实验上观察到的基本粒子的数目已经增加到比当年元素周期表出现时发现的化学元素的数目还要多，而且发现的势头还有增无已。1961年，由M.盖耳－曼及Y.奈曼提出的，用强相互作用的SU⑶对称性来对强子进行分类的“八重法”。八重法分类不但给出了当时已经发现的强子在其中的位置，还准确地预言了一些新的粒子，如1964年用气泡室实
验粒子物理学发现的Ω-粒子。八重法很好地说明粒子的自旋、宇称、电荷、奇异数以及质量等静态性质的规律性。
在此阶段中，证实了不单电子，所有的粒子，都有它的反粒子（有的粒子的反粒子就是它自身，如h0、η等）。其中第一个带电的反超子庙-是由中国的王淦昌等在1959年发现的。此外，还发现了为数众多的寿命极短，经强作用衰变的粒子──共振态。
基本粒子大量发现，使人们怀疑这些基本粒子的基本性。基本粒子的概念，面临一个突变。这就是这个阶段终了时粒子物理在实验上的状况。
这个阶段理论上最重要的进展是量子场论和重正化理论的建立，以及相互作用中对称性质的研究。
量子场论和重正化理论的发展上一阶段对微观世界理性认识的最大进展是量子力学的建立。经过一代物理学家的努力，量子力学能很好地解释原子结构、原子光谱的规律性、化学元素的性质、光的吸收及辐射等等现象，特别是当它同狭义相对论结合而建立相对论性量子力学以后，它已经成为微观世界在原子、分子层次上的一个基本理论。但是，量子力学还有以下几个方面的不足：①它不能反映场的粒子性；②它不能描述粒子的产生和湮没的过程；
③它有负能量的解，这导致物理概念上的困难。量子场论是由P.A.M.狄喇克、E.P.约旦、E.P.维格纳、W.K.海森伯和泡利等人在相对论量子力学的基础上，通过场的量子化的途径发展出来的，它很好地解决了这三个问题。
在量子场论领域中最早发展起来的是量子电动力学，它是把电磁场（光子场）和电子场都加以量子化，从而描述电子和光子的各种现象的一种理论。40年代里，人们对这个理论中的发散困难作了深入的分析。由于J.S.施温格、朝永振一郎、R.P.费因曼和F.J.戴森等人的努力，在解决这个问题上有了突破性的进展。他们发现，如果重新定义理论中的质量和电荷，使之同实验的观测值相应，则量子电动力学中的无穷大结果不再出现。这种消除无穷大结果的方法，叫做重正化理论。它不但在原则上解决了量子电动力学中出
粒子物理学现的发散困难，还提出了一整套按电子电荷的幂
次展开的，直观的，用图形表示的逐级近似（微扰近似）的计算方法──费因曼图方法，使量子电动力学的计算有了简单可靠的、具有相对论协变性质的基础。P.库什和H.M.福里1947年发现的电子反常磁矩，和由W.E.兰姆等发现的氢原子的2^2S1/2和2^2P1/2能级的分裂，只有通过量子电动力学的重正化理论才能得到正确的解释（见μ子和电子回磁比和兰姆移位）。今天，量子电动力学已经经受了许多实验上的验证，成为电磁相互作用的基本理论。
探索强作用的基本理论50年代初证明了重正化的方法，也适用于强相互作用的汤川理论。但这无助于使汤川理论成为强相互作用的基本理论，因为按强作用耦合常数的幂次展开级数是不收敛的，对于弱相互作用理论则更困难。1934年由 E.费密提出的弱作用理论中，虽然耦合常数小，可以作微扰展开，而且在最低阶的计算得到很好的结果，但是，在高阶修正时出现的无穷大结果不能用重新定义质量和耦合常数的方法来消除，所以它是不可重正化的。
1954年，盖耳—曼，M.L.戈德伯格和W.梯令提出强相互作用的色散关系理论。在50年代直到60年代初它有很大的发展，在强作用过程的现象分析方面，也曾得到一些好的结果，但经过十多年的研究，终于肯定色散关系不可能是强作用的基本理论，主要原因是它只包含对散射振幅的普遍要求，而缺乏强相互作用独有的特殊性的东西。因而它只能是一种唯象分析手段。
沿着这个方向发展的还有雷其极点理论等。它们在缺乏严格证明的情况下被推广于强作用的散射理论。所得到的最重要的结果是：①基本粒子的自旋和质量有明显的规律性；②随着入射能量增加，二体散射截面在小角度处的变化具有特定的模式。由于这些理论的出发点和缺点与色散关系大致相同，故它们的成就和存在的问题就同色散关系大致相仿。
相互作用中对称性理论的进展在当时，理论上另一重大的进展是相互作用中的对称性的研究（对称性和守恒律）。如果量子场系统在一种对称变换下保持不变，则将对应着一种守恒量，例如在时空平移下不变，对应的守恒量就是能量和动量。在50年代初期，普遍认为在各种相互作用中，都有着空间反射变换p、电荷共轭变换C和时间反演变换T的不变性，
与此相对应，宇称和C 宇称应该是守恒的。不过，这种粒子物理学观点，除了1955年由泡利在很一般的前提下，从理论上证明了CPT联合变换下量子场论的不变性以外，其他是没有从实验上或理论上被严格证明过的。
1955年，经过周密地对奇异粒子θ介子和θ介子的实验分析发现了θ-θ之谜。1956年，李政道和杨振宁了解到，在弱作用中宇称守恒事实上并没有得到过实验上的证实。他们提出，在弱作用中宇称是不守恒的，也不存在θ-θ之谜。1957年，吴健雄小组在极化原子核60 Co的β衰变的实验中，证实了宇称不守恒。随后不久，宇称不守恒在其他的弱作用过程的实验中也得到了证实。这些实验同时也证实了在弱作用中C宇称的不守恒。
1964年，J.W.克洛宁等人在长寿命K介子的衰变实验中，发现有2π终态的衰变，从而
实验又证实了尽管单粒子物理学独的空间反射p和单独的电荷共轭变换C的不变性在弱作用中受到破坏，但是它们的联合变换Cp的不变性也遭到破坏。随后认识到，这个实验事实上也证实了在弱作用中时间反演变换的不变性的破坏。
在弱作用中，与宇称不守恒的程度很大相反，Cp不守恒的程度是极为微弱的，其根本原因至今尚没有足够的了解。
发现大量新粒子，从而使基本粒子的基本性受到猛烈的冲击；确立了各种对称性在弱作用中的破坏和成功地提出了强子分类的SU⑶对称性；确定了量子电动力学作为微观领域中电磁相互作用的基本理论，但强作用和弱作用尚缺乏基本的理论，这就是在这个阶段终了时粒子物理学发展的概况。
4.3第三阶段（1964～）
以提出强子结构的夸克模型为标志。1964 年M.盖耳曼和G.兹韦克在强子分类八重法的基础上分别提出强子由夸克构成，夸克共有上夸克u、下夸克d和奇异夸克s三种，它们的电荷、重子数为分数。夸克模型可以说明当时已发现的各种强子。夸克模型得到后来进行的高能电子、高能中微子对质子和中子的深度非弹性散射实验的支持，实验显示出质子和中子内部存在点状结构，这些点状结构可以认为是夸克存在的证据。1974年发现J/ψ粒子，其独特性质必须引入一种新的粲夸克c ，1979年发现另外一种独特的新粒子Υ，必须引入第5种夸克，称为底夸克b。另一方面，1975年发现重轻子τ，并有迹象表明存在与τ相伴的τ中微子，于是轻子共有6种。迄今的实验尚未发现轻子有内部结构。人们相信轻子是与夸克属于同一层次的粒子。轻子与夸克的对称性意味着存在第6种顶夸克t。1994年4月26日，美国费米国家实验室宣布已找到顶夸克存在的证据。
这一阶段理论上最重要的进展是建立电弱统一理论和强相互作用研究的进展。1961 年S.L.格拉肖提出电磁作用和弱作用的统一模型，其基础是杨振宁和R.L.密耳斯于1954年提出的非阿贝耳规范理论。按照这一模型，光子是传递电磁作用的粒子，传递弱作用的粒子是W±和Z0 粒子，但是W±、Z0是否具有静质量，理论上如何重正化问题没有解决。1967～1968年在对称性自发破缺的基础上，S.温伯格、A.萨拉姆发展了格拉肖的电弱统一模型，建立了电弱统一的完善理论，阐明了规范场粒子W±、Z0是可以有静质量的，理论预言它们的质量在80～100吉电子伏特（GeV），此外还预言存在弱中性流。1973年观察到弱中性流，1983 年发现W±、Z0粒子，其质量（mW≈80GeV，mZ≈90GeV）及特
性同理论上期待的完全相符。关于强作用的研究，1973年G.霍夫特、D.J.格罗斯等人发展了量子色动力学理论。量子色动力学与量子电动力学一样，也是一种定域规范理论。在这个理论中，夸克之间的强相互作用是由于夸克具有色荷交换色胶子而产生的，胶子没有静质量，但带有色荷。强相互作用具有渐近自由的性质，即夸克之间的强相互作用并不是随着它们的距离增大而减弱，而是相反；当它们相距很近而处于强子内部时，相互作用很弱，可近似地看成是自由的，从而能够说明夸克、胶子的禁闭性质、轻子对强子深度非弹性散射的异常现象以及喷注现象等。
在粒子物理学的深层次探索活动中，粒子加速器、探测手段、数据记录和处理以及计算技术的应用不断发展，既带来粒子物理本身的进展，也促进整个科学技术的发展；粒子物理所取得的丰硕成果已经在宇宙演化的研究中起着重要的作用。
5黑格斯粒子的实验证据
在60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。虽然在这些加速器上没有找到夸克。但却得到了间接的，但是更有力地说明夸克存在的证据。
粒子物理学强子具有内部结构的迹象，最早是在60年代中由电子在核子上的散射显示出来的。1969年开始用高能量的电子作为探针来研究质子的内部结构，发现质子内部有着几乎是自由的点状的结构。类似的实验后来也在中子上进行，得到了相同的结论。后来又用高能量的中微子作为探针来研究质子和中子结构。根据对散射截面的分析，也可以得到核子里存在近似自由的、质量不大的点状物的结论（见深度非弹性散射）。
这些点状结构，可以认为是夸克存在的证据。它们的电荷，可以由正负电子湮没为强子的总截面加以验证。由正负电子湮没为强子的过程，同正负电子湮没成一对μ+μ- 子的过程相仿，从理论上知道，在高能下，这两个过程的总截面σ（e+e-→强子）和σ（e+e-→μ+μ-）的比值R和夸克的电荷ei有关：Ce，标志夸克的类型。70年代初的r 实验值和理论上的夸克电荷值基本上能满足这个关系式，从而给予了夸克模型以很大的支持。
6第四种和第五种夸克
最初，在盖耳—曼等提出的假设中，夸克只有u、d、s三种，由此可以得到当时及其后发现的所有粒子的一个令人满意的分类。1974年，丁肇中及B.里希特等分别在质子加速器和正负电子对撞机的实验中发现了一种新粒子J（或称作ψ）；它的质量很大，而寿命却
比大部分共振态小一万倍，这必须解释为它是由一个新的夸克c和它的反粒子婔所构成。这
种新的夸克c又称粲夸克，具有一种新的量子数──粲数C，它的电荷是（式1）
粒子物理学。这第四种夸克及粲数的存在，不久便因一系列的新粒子ψ′、ψ″、D、F、ηc 等的发现而得到进一步的证实。同时，在更高能量的实验中，上面提到的r值也增加了，这也说明了在足够高的能量下第四种夸克开始对R作出贡献。
1977年，L.M.莱德曼等发现了另外一个独特的新粒子墝，它的性质也只能以它是由另一种新的夸克b及其反粒子姼所构成来解释。这第五种夸克的存在，近年由新粒子墝'、墝″等的发现而得到更多的证据。现在称第五种夸克b为底夸克，它的电荷是（式2）
粒子物理学，带有一种新的量子数──底数B。在目前能够达到的最高能量的实验中，r值的进一步增加，说明b夸克也开始对r值作出贡献。
7轻子的新发现
与强子的数目急剧增加的情况相反，自从1962年利用大型火花室，在实验上证实了两类中微子分成Ⅴe和Ⅴμ之后，长时间内已知的轻子就只有四种：（e，Ⅴe）和（μ，Ⅴμ），但是到了1975年情况有了改变，这一年M.佩尔等在e+e-对撞实验中发现了一个新的轻子θ，它带正电或带负电，衰变成μ子或电子和两个中微子，它的质量很大，达质子的两倍，所以又叫重轻子。与它相应，普遍相信应有另一种中微子Ⅴτ存在，但是尚未得到实验上的证实。
至今尚未发现轻子有内部结构的实验证据。μ子在各个方面都同电子相同，相差只在于质量，这是一个一直使物理学家困惑的问题──所谓代的问题。θ的发现使轻子增加到三代：（e，Ⅴe），（μ，Ⅴμ），（θ，Ⅴτ）。构成不同代的轻子的原因是目前粒子物理研究的中心课题之一。一种尝试是把轻子和夸克放在同一层次上考虑（表5、表6），并考虑它们是复合粒子，是由更深一层次的粒子统一地构成的。也许由于实验上的证据不足，这种考虑目前尚缺乏可靠的基础。但不少物理学家对中微子Ⅴτ的存在并不怀疑，这种对称性强
烈地意味着一种新的夸克──第6种夸克t──的存在，它应当带有（式3）粒子物理学的电荷和一种新的量子数──顶数T。目前在实验上已得到第6种夸克存在的迹象。
夸克理论提出不久，就有人认识到强子的强相互作用和弱相互作用的研究应建立在夸克的基础上，同时还要充分考虑强子的结构特性和各种过程中的运动学特点，才能正确地解释强子的寿命、宽度、形状因子、截面等动态性质。1965年，中国发展的强子结构的层子模型，就是这个方向的首批研究之一。层子的命名，是为了强调物质结构的无限层次而作出的。在比强子更深一层次上的层子，就是夸克。近20年来，粒子物理实验和理论发展的主流，一直沿着这个方向，在弱作用方面，已有了突破性的进展，在强作用方面，也有重大的进展（见强子结构）。
8电弱统一理论的建立
最早的弱相互作用理论，是费密为了解释中子衰变现象在1934年提出来的。弱作用宇称不守恒的发现，给弱作用理论的研究带来很大的动力。随后不久便确立了描述弱作用的流在洛伦兹变换下应当具有V-A的形式（V是矢量流，A是轴矢量流），而且适用于所有的弱作用过程，被称为普适费密型弱相互作用理论。
尽管在最低阶的微扰论计算中，普适费密型弱相互作用理论可以给出同实验相符合的结果，然而高阶的计算中出现的无穷大，却无法用重正化的方法消除，这是费密弱作用理论的根本困难。
1961年，S.L.格拉肖提出电磁相互作用和弱相互作用的统一理论。这个理论的基础，是杨振宁和R.L.密耳斯在1954年提出的非阿贝耳规范场论。格拉肖提出，电磁相互作用和弱相互作用，具有一种特殊的对称性──SU⑵×U⑴对称性。其中U⑴对称性是电磁相互作用所具有的，它的阿贝耳规范场粒子──光子是传递电磁作用的粒子，这是已为人们了解的；而SU⑵对称性则是格拉肖提出的，弱相互作用应具有的对称性，按照杨振宁和密耳斯的理论，它的非阿贝耳规范场粒子有三种：W+、W-和Z0，格拉肖认为它们是传递弱作用的粒子。在这个理论中，两种相互作用是统一的，两种耦合常数有着确定的关系。但是在这个理论里，W±和Z0粒子是否具有静止质量、理论上如何重正化等问题，没有得到解答。
1967～1968年，在SU⑵×U⑴定域对称性的自发破缺的基础上，S.温伯格、A.萨拉姆阐明了作为规范场粒子的W±，Z0是可以有静止质量的，还算出这些静止质量同弱作用耦合常数以及电磁作用耦合常数的关系。这个理论中很重要的一点是预言弱中性流的存在，而当时实验上并没有观察到弱中性流的现象。由于没有实验的支持，所以当时这个模型并未引起人们的重视。1973年，美国费密实验室和欧洲核子中心在实验上相继发现了弱中性流，之后，人们才开始对此模型重视起来。在1983年，С.鲁比亚实验组等在540GeV 的高能质子—反质子对撞的实验中发现的W±和Z0规范粒子，质量（mw≈80GeV,mZ≈90GeV）及特性同理论上期待的完全相符，这给予电弱统一理论以极大的支持，从而使它有可能成为弱相互作用的基本理论，当然，这还有待于实验上对一系列的干涉现象的检验和对黑格斯粒子（见黑格斯机制）的发现和性质的澄清。
强相互作用研究的进展60年代初，SU⑶对称性在强子分类上取得了成功，在此基础上产生了强作用的流代数理论。这个理论把强作用的对称性和色散关系理论所沿用的解析性讨论结合起来，给出了量子场论中出现的强子流算符所满足的代数关系，并由此得到了一些耦合常数之间、各种过程之间的关系及反常磁矩等物理量，虽然这些结果与实验符合，但流代数并没有给强作用的研究带来突破性的进展。
到了60年代末、70年代初，高能散射实验显示出强子的两个最显著的特征：①强子内部点状结构的存在；②这些点状结构在很小的尺度中相互作用很微弱，有如自由粒子（渐近自由现象）。这些特征使人们认识到，研究强相互作用理论必须把内部结构考虑在内。
1973年，由于非阿贝耳定域规范场理论的进展，G.霍夫特、D.J.格罗斯等人发展了强相互作用的量子色动力学理论。与量子电动力学一样，量子色动力学也是一种定域规范理论（表6）。在这个理论中，严格的对称性是SU⑶对称性，夸克之间的强相互作用则是由于交换胶
子而产生的。胶子是SU⑶定域规范粒子，而且同光子一样，它并没有静止质量，但是由于光子没有电荷，而胶子却带有电荷，所以电磁相互作用没有渐近自由性质，而强相互作用却具有着渐近自由的性质。
在小距离范围（揥10-14cm) 中，由于强作用耦合常数很微小，量子色动力学是可以做微扰论展开的。尽管目前对夸克、胶子的囚禁性质尚未弄清，不得不引进诸如复合、碎裂等唯象概念，但也能较好地解释一些高能实验结果，包括r值随能量的变化。轻子—胶子深度非弹性散射的结构函数对标度无关性的偏离，高能下的喷注现象等。但在大距离范围中(>10-14cm），量子色动力学除了不能用微扰论展开的困难外，还另有一些根本性问题，这些都有待解决及澄清。
9粒子物理的前景
目前，粒子物理已经深入到比强子更深一层次的物质的性质的研究。更高能量加速器（1TeV，即1012eV的质子加速器及2×100GeV的正负电子对撞机）的建造，无疑将为粒
子物理实验研究提供更有粒子物理学力的手段，有利于产生更多的新粒子，以弄清夸克的种类和轻子的种类，它们的性质，以及它们的可能的内部结构。
弱电相互作用统一理论目前取得的成功，特别是弱规范粒子W+、W-和Z0的发现，加强了人们对定域规范场理论作为相互作用的基本理论的信念，也为今后以高能轻子作为探针探讨强子的内部结构、夸克及胶子的性质以及强作用的性质提供了可靠的分析手段。但黑格斯粒子是否存在的问题尚有待于继续澄清。
夸克之间强相互作用的一些根本性的重大问题，如囚禁、碎裂等，目前还没有解决，在今后一个时期，强相互作用将是粒子物理研究的一个重点。
把电磁作用、弱作用和强作用统一起来的大统一理论，近年来引起相当大的注意。但即使在最简单的模型中，也包含近20个无量纲的参数。这表明这种理论还包含着大量的现象性的成分，只是一个十分初步的尝试。它还要走相当长的一段路，才能成为一个有效的理论。
另外，从发展趋势来看粒子物理学的进展肯定会在宇宙演化的研究中起推进作用，这个方面的研究也将会是一个十分活跃的领域。
很重要的是，物理学是一门以实验为基础的科学，粒子物理学也不例外。因此，新的粒子加速原理和新的探测手段的出现，将是意义深远的。
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基本粒子关系 强子就是参与强相互作用的粒子，可以分为介子和重子，目前粒子物理的夸克模型认为介子是由夸克和反夸克组成，重子则有三个夸克（或者反夸克）组成，重子可以再分为核子（包括质子和中子）和超子（因为质量超过核子的质量而得名）。电子和中微子等属于轻子，不参与强相互作用。 目前粒子物理认为轻子，夸克等没有结构，是点粒子。 电子质子等粒子带有电荷，带电粒子之间可以发生电磁相互作用，而电磁作用场的量子是光子，即带电粒子之间通过交换光子而发生相互作用。 夸克带有颜色（或者色荷），夸克之间，夸克和胶子之间，胶子之间，可以发生色相互作用，而色相互作用场的量子是胶子。 光子和胶子都是传递相互作用的媒介粒子，目前认为它们也没有结构，是个点粒子。 第一类：纯单个粒子，中微子，电子，大统一粒子，夸克。 第二类：由两个基本粒子合成的粒子，如π介子，W、Z玻色子。 第三类：由三个基本粒子合成的粒子，如：中子，质子及其它强子。 第一类粒子中的大统一粒子不能游离态存在，它们必须二个并存，构成了π介子，和W玻色子。（特别注意的是，这一点与传统理论完全不同，为什么要这样猜想呢？你如果接着往下看就明白了。）第一类中的夸克也不能单独存在，它们必须三个并存在，构成了质子与中子等强子 |评论 1. 强子和轻子是构成世界万物的两个基本类别 ①强子：由夸克组成的粒子。两个夸克组成的强子叫介子；三个夸克组成的强子叫重子。所以，不管是介子还是重子，都是强子。与之对应的是轻子。 ②轻子：目前已知的的轻子有三代，包括电子及电子中微子、缪子及缪子中微子、tau子及tau子中微子。轻子之所以叫轻子，主要是因为轻子一直到现在都没有发现其有内部结构，认为轻子是点粒子。 2. 胶子是传递强相互作用的传播子。强相互作用的粒子，即强子是有夸克组成，夸克和夸克之间形成的介子或者重子就是靠夸克间的胶子相互传递从而耦合在一起的。 3. 根据色禁闭理论，单独的夸克是不存在的，而胶子是传播子，严格意义上将，比较两者的大小根本没有任何意义，因为单独的夸克不存在，存在的夸克都以介子或强子而存在。没法和胶子进行定量的比较。胶子没有固定的尺寸，胶子和光子一样，都是传播子，只不过胶子传播强相互作用力，而光子传播电磁相互作用力。 发给我自己..强子，重子，介子，中微子，轻子 2008-07-13 23:55 强子提供强相互作用的介子 质子、中子里有些什么质子、中子里有些什么 对强子结构和标准模型研究的一再成功已表明夸克和色场是强子世界的最基本组成部分．尽管如此，强子物理还存在一些悬而未决的困难，如夸克幽禁、质子自旋危机、质子衰变等．
21世纪物理学的25个难题 大卫·格罗斯1[①] 编者按：1900年，在巴黎国际数学家代表大会上，德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1864－1943）根据19世纪数学研究成果和发展趋势，提出了新世纪数学家应该致力解决的23个数学问题。希尔伯特的演讲，对20世纪的数学发展，产生了极大的影响。100余年之后的2004年，另一个大卫，因发现量子色动力学中的“渐近自由”现象而荣获2004年诺贝尔物理学奖的美国物理学家大卫·格罗斯教授，同样就未来物理学的发展，提出了25个问题。也许人们会说，在物理学领域提出问题要比数学领域容易得多，因为物理学就像大江大河，而数学则像尼罗河三角洲中纵横交错的河网。但若是反过来想一想，既然物理学界对前沿问题具有更广泛的共识，我们就不难明白，格罗斯教授所提出的问题对未来物理学发展的重要意义。有趣的是，这25个问题中，有1/3落在物理学的边缘地带，其中3个与计算机科学相关，3个与生物学相关，4个与哲学和社会学相关。格罗斯教授的演讲，最初是为美国加州大学卡维利理论物理研究所成立25周年庆典而准备的，该庆典云集了物理学各领域的世界一流学者。此后数月，格罗斯教授先后在欧洲核子中心（CERN）、中国科学院理论物理研究所、浙江大学等地作过内容相近的讲演。这里的译文，系根据格罗斯教授所提供的讲稿译出，中科院理论物理所网站有免费下载的讲演录相（https://www.doczj.com/doc/1d14829721.html,/ Video/2005/000.asf），读者也可以参考。 作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。 这份讲稿来自于我在2004年10月7日卡维利理论物理研究所（KITP）25周年庆祝会议上所作的演讲。在这次会议中，与会者被邀请提出一些可能引导物理学研究的问题，广泛地说，在未来25年可能引导物理学研究的问题，讲稿中的一部分内容就来自于与会者所提出的问题。 1、宇宙起源 第1个问题关于宇宙的起源。这个问题不仅对于科学而且对于哲学和宗教都是一个永久的问题。现在它是理论物理学和宇宙学亟待解决的问题：“宇宙是如何开始的？” 根据最新的观察，我们知道宇宙正在膨胀。因此，如果我们让时光倒流，宇宙将会收缩。如果我们应用爱因斯坦方程和我们关于粒子物理学的知识，我们可以或多或少对哪儿会出现“初始奇点”做出近似的推断。在“初始奇点”，宇宙收缩成为一种难以置信的高密度和高能量的状态——即通常所称的“大爆炸”。我们不知道在大爆炸点（at the big bang）发生了什么，我们所知的基础物理的所有方法——不仅是广义相对论和标准模型，甚至包括我所知的弦理论——都失灵了。 1[①]作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。
物理学师范专业简介 Revised by BLUE on the afternoon of December 12,2020.
“物理学（师范）”专业简介 一、培养目标 物理学专业的培养目标是：培养德、智、体全面发展，具有较高的思想道德和文化素质修养、敬业精神和社会责任感，掌握物理学的基本理论、基本知识及实验技能，具备物理学基本理论、应用研究能力和高度的科学文化素养的，能在中等及以上学校从事教学和初步科学研究工作的物理学人才。 二、培养规格 本专业学生主要学习和掌握物理学的基本理论和基本知识，并进行物理实验以及教育实践的基本训练，具备从事物理教学工作及应用研究的能力。毕业生应获得以下几方面的知识和能力： （1）热爱社会主义祖国、拥护中国共产党领导，树立科学的世界观、正确的人生观和价值观，养成高尚的思想道德素质； （2）具有一定的人文、艺术、法律等方面知识，了解体育运动的基本知识，掌握一定的体育锻炼能力，具备系统的教育科学理论素养，树立育人为本、实践取向、终身学习的教育理念，形成正确的学生观、教师观和教育观； （3）掌握物理学科的基本理论、基本知识以及实验研究的初步能力；掌握和运用现代教育技术，特别是多媒体、网络教育技术的能力； （4）掌握并能够初步运用教育学、心理学基础理论，具有良好的教师职业道德素养和从事物理学教学的基本能力； （5）了解物理学的前沿理论、应用前景及发展动态，以及物理学教学的新成果，具有一定的创新意识和创新能力；
（6）具有在中等及以上学校，从事教学的工作能力和初步的科学研究能力；或者具有能将物理学应用于技术和社会各领域的能力。 （7）掌握一门外语，具有较好的听说读写能力和外语应用能力。 三、学制、学位、学时和学分 学制：4年(不少于3年，不超过6年,具体按学校有关文件执行) 学位：理学学士 学分： 165 学时： 2671 四、相关和相近专业 应用物理学 五、专业主要课程 力学、热学、电磁学、光学、近代物理学、普通物理实验、数学物理方法、理论力学、电动力学、热力学与统计物理学、量子力学、固体物理学、近代物理实验、教育学基础、心理学、现代教育技术、中学物理课程标准与教材研究、中学物理教学设计等。
能量物质与基本粒子 能量物质即能量微粒是宇宙最小粒子、是处于最底层的粒子，本身并没有物质属性和能量属性的区别，只是简单具备场力属性。能量微粒是相互之间吸引接触时排斥力的场力颗粒，这种场力颗粒是不可再分的，是宇宙大爆炸的喷射微粒。大爆炸初期或局部区域喷射微粒密度大到吸力下几乎接触，经斥力平衡成高速运动线体，如正电子、负电子、重子、γ射线等。随着宇宙不断膨胀密度降低使相互间不能吸到一起而成为无序运动状态并充满宇宙空间，成隐形能量和隐形物质。 能量微粒具有场力聚集效应，无序运动团吸引力集中对外显现，场力效果显能量效应，力传递本身显物质效应。能量微粒有序运动但未达到线体形成密度，即能量微粒密度比散状密度大但又比几乎接触密度小，这种有序运动形式既显能量属性又显物质属性叫电磁波。电磁波形成是聚集能量微粒团膨胀与间隙收缩呈现周期性变化，微粒团收缩时从中心垂直方向挤出膨胀成垂直方向膨胀微粒团，同样伴随则缩，如此交替循环使力属性由电场变为磁场、磁场变电场交替变化。 超微观物质有四态：能量微粒无序运动为第一形态是隐形能量和隐形物质，对外产生引力经空间扭曲传播成暗物质引力，存在于宇宙任何空间只是密度有不同；纠结成运动线体为第二形态是原子基本粒子、宏观物质初始微粒；有序运动电磁波为第三形态是能量与物质过渡体，是一种能量微粒传播方式，同时具有能量属性和物质属性；还有第四形态即能量微粒有序定向流动形态，能量微粒流动是另一种传播方式，可以从宇宙空间一个地方传到另一个地方实现转移。 在受外磁力定向推动能量微粒从一端运动到另一端聚集形成场力强度差也叫电势差，一端对另一端场力差靠空间扭曲传递形成电场，空间扭曲只传递力形式不传递物质和能量。能量微粒流动轨迹成封闭状态时产生不停止环流，若轨迹是具有自由电子导体环，这时空间电场力驱驶自由电子在导体内移动形成电流。能量微粒离散状态有序运动下场合力在空间传播成极性电场，能量微粒定向运动从垂直方向挤出作有序运动场合力在空间传播成极性磁场。 无论正电子还是负电子场力都是定向极性的，我们看到正电子或负电子点电荷各向同性实则是无数电子场力各方向均衡相等但显露极性，经空间扭曲向外传递场力。电子主体是环圈运动线体是物质属性，由能量微粒构成锥体拖尾产生能量属性。能量微粒是最小场颗粒，线体是微观物质基本单元，能量微粒收缩运动构成环饼是电磁波基本单元。能量微粒定向流动构成微粒团密度差，经空间扭曲传递吸引力差别。能量微粒是最小颗粒，各种形态物质只是能量微粒不同运动形式。 能量微粒无序运动合力偏振角为零成无极性场力也是万有引力，有序运动下的电场、磁场合力偏振角不为零产生极性场力即电场力和磁场力。电场力、磁场力、引场力不同属性由能量微粒运动形式不同产生，场力形式在空间扭曲传播成为力场，随着运动形式改变这些场力属性也随之改变。将电磁波认为是能量与物质之间的过渡，随着运动形式改变物质可经过渡变为能量、能量也可经过渡变为物质，物质属性和能量属性随之转化。 物质由原子构成、原子由重子、正电子和负电子基本粒子构成，基本粒子则是作环圈运动的能量微粒线体并且带有锥体状能量微粒有序运动拖尾，既有物质属性又有能量属性。电子处于流动状
12、基本粒子的标准模型 标准模型由三种理论组成： （1）量子电动力学（QED）：带电轻子和夸克与电磁U(1)规范场相互作用的量子理论。最主要的部分是电子与电磁场相互作用的量子理论。（2）量子弱电统一理论（QWED）：QED的推广，把电磁相互作用与弱作用统一起来，建立统一的U(1)xSU(2)的规范理论。 （3）量子色动力学（QCD）：夸克与胶子的SU(3)规范场相互作用的强相互作用的量子理论。 把上述三种相互作用的规范场理论统一起来的规范场理论叫大统一理论（Grand Unification Theory, GUT）。目前尚无定型。人们倾向于SU(5)大统一理论（最简明、具有代表性、可重整化） 4、超晶格：超晶格材料是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，事实上就是特定形式的层状精细复合材料。 2、团簇：团簇是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体，其物理和化学性质随所含的原子数目而变化。团簇的空间尺度是几埃至几百埃的范围，用无机分子来描述显得太大，用小块固体描述又显得太小，许多性质既不同于单个原子分子，又不同于固体和液体，也不能用两者性质的简单线性外延或内插得到。 7、等离子体：又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气体状物质，它是除去固、液、气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体，利用经过巧妙设计的磁场可以捕捉、移动和加速等离子体。等离子体物理的发展为材料、能源、信息、环境空间，空间物理，地球物理等科学的进一步发展提新的技术和工艺。 等离子体可分为两种：高温和低温等离子体。现在低温等离子体广泛运用于多种生产领域。高温等离子体只有在温度足够高时发生的。太阳和恒星不断地发出这种等离子体，组成了宇宙的99％。在宇宙中，等离子体是物质最主要的正常状态．宇宙研究、宇宙开发、以及卫星、宇航、能源等新技术将随着等离子体的研究而进入新时代． 8、激光冷却：光对原子有辐射压力作用，利用光压改变原子速度。人们发现：当原子在频率略低于原子跃迁能级差且相向传播的一对激光束中运动时，由于多普勒效应，原子倾向于吸收与原子运动方向相反的光子，而对与其相同方向的光子吸收几率较小，吸收后的光子将各向同性自发辐射。平均看来，两束激光净作用是产生一个与原子运动方向相反的阻尼作用，从而使原子的运动减缓（冷却）。 3、玻色－爱因斯坦凝聚。研究范围：质量不为零，粒子数守恒的波色粒子组成的理想气体。 概念：这种粒子不受泡利不相容原理的限制，当T→0Κ时，几乎所有的玻色子会聚集到能量为0，动量为0的基态，这是并不奇怪的。令我们感兴趣的是，研究表明，当温度降低到一个有限的低温T（大约为3K）时，就会有宏观数量的波色粒子聚集在基态。这一情况与蒸汽凝聚有些类似，因而称为玻色－爱因斯坦凝聚（BEC）。 1、费米液体：由遵从费密－狄喇克统计的粒子组成的液体，如液体He及金属中的电子体系。费密液体是一个强相互作用的多粒子体系。在温度远低于费密温度时,正常的(没有发生相变的) 费密液体的性状可以用Л.Д.朗道在1956年提出的费密液体理论很好地描述，即在液体中粒子加上与其相互作用并一同运动的近邻粒子“屏蔽云”组成准粒子（见固体中的元激发[1]），液体可以看成这些近自由的准粒子的集合，准粒子之间的相互作用可以用一些分子场来描述，有关的参量叫做朗道参量，可由实验确定。 9、夸克禁闭：夸克受到被称为色荷的强力的束缚，带色荷的夸克被限制与其他夸克在一起(两个或三个组成一个粒子)，使得总色荷为零。不可能从核子中单个地分离出来，这种奇特性质被称为夸克禁闭或色禁闭。它能将粒子结合为无色的状态。 10、黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。当恒星的史瓦西半径小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。这时恒星就变成了黑洞。 哈勃膨胀、微波辐射、轻元素的合成以及宇宙的测量被认为是现代宇宙学的四大基石。 5、自组织耗散结构：一个远离平衡态的非线性的开放系统(不管是物理的、化学的、生物的乃至社会的、经济的系统)通过不断地与外界交换物质和能量，在系统内部某个参量的变化达到一定的阈值时，通过涨落，系统可能发生突变即非平衡相变，由原来的混沌无序状态转变为一种在时间上、空间上或功能上的有序状态。这种在远离平衡的非线性区形成的新的稳定的宏观有序结构，由于需要不断与外界交换物质或能量才能维持。 11、非常规超导体（non-normalsuperconductors）指不同于传统研究的超导体，机理研究有新发展和新探索。如低载流子密度超导体（包括层状结构超导体），有机超导体，超晶格超导体，非晶态超导体，磁性超导体等。在机理研究上除进深的电-声子机制外，有激子机制，双极化子，重费米子，等离子体激元，共振价键，费米液体，自旋涨落，自旋口袋模型等等，在电子配对上（包括空穴型）仍有S波配对外，有P波配对，D波配对等选择。因此称之为“耗散结构” 15、约瑟夫森效应：电子能通过两块超导体之间薄绝缘层的量子隧道效应。两块超导体通过一绝缘薄层(厚度为10埃左右)连接起来，绝缘层对电子来说是一势垒，一块超导体中的电子可穿过势垒进入另一超导体中，这是特有的量子力学的隧道效应。
北京大学粒子物理与原子核物理考研复试经验分享初试排名靠前并不等于录取，压线也并不等于没戏。考研复试，其实就是综合素质的竞争，包含学校，本科成绩，复试外语，个人自述，科研经历，论文，笔试，面试。 考研复试是初试过线学生关注的重中之重，因为复试决定着考研的成败，无论是初试中的佼佼者，还是压线者，大一或盲目自大，就意味着自我放弃改变命运的机会；相反，把握好复试机会，就能通过复试翻盘逆袭，成功实现自己人生目标。 但是，考研复试备考时间短，缺少学长导师及内部信息，个人自述及笔试面试无从下手，加上各校面试没有显性的统一标准，以及复试淘汰率较低，一般再1：1.2左右（具体还需根据学校及专业情况查证），造成复试难的局面。 面对这一情况，启道考研复试班根据历年辅导经验，编辑整理以下关于考研复试相关内容，希望能对广大复试学子有所帮助，提前预祝大家复试金榜题名！ 专业介绍 粒子物理与原子核物理是物理学下设的二级学科之一。此专业是以国内外的大型高能物理实验为依托，从理论和实验上研究物质最基本的构成、性质及其相互作用的规律。其中也包括粒子物理探测新技术和新型探测器的研究；粒子物理理论研究中的计算物理新方法的开发和研究。 本专业培养研究生具有量子场论、粒子物理、核物理和近代数学的坚实的理论基础和专门知识，掌握射线探测技术及利用计算机在线获取数据和分析数据的方法，或能使用计算机进行理论研究。了解该学科发展动态和前沿进展，能够适应我国经济、科技、教育发展需要，并具有独立从事该学科前沿研究和专业教学的能力。还应较为熟练地掌握一门外国语，能阅读本专业的外文资料，具有开拓进取严谨求实的科学态度和作风。 招生人数与考试科目 北京大学粒子物理与原子核物理学属于物理学院，区分3个研究方向（01. 理论核物理； 02. 实验核物理；03. 中高能与粒子物理），2019年计划招收全日制学生3人。 北京大学粒子物理与原子核物理学初试科目为： 本专业只招收推荐免试研究生，不招收应试考生。 复试时间地点 时间：2018年3月22日8:00
当代物理学对物质微观世界基本粒子的认识简介 2010-07-16 05:38:04| 分类：默认分类|字号大中小订阅当代物理学对物质微观世界基本粒子的认识简介 一、物理概念： 基本粒子即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。它是组成各种各样物体的基础。并不会因为小而断定它不是某种物质。 简单介绍： 名称：基本粒子英语名称：elementary particle 基本粒子指人们认知的构成物质的最小最基本的单位。但在夸克理论提出后，人们认识到基本粒子也有复杂的结构，故现在一般不提“基本粒子”这一说法。根据作用力的不同，粒子分为：
1、强子 2、轻子 3、传播子 三大类 强子就是是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有六种它们是： 1 . 顶夸克 2 . 上夸克 3 . 下夸克 4 . 奇异夸克 5 . 粲夸克 6 . 底夸克 其中理论预言顶夸克的存在，2007年1月30日发现于美国费米实验室。现有粒子中绝大部分是
1 . 强子 2 . 质子 3 . 中子 4 . π介子 等都属于强子。(另外还发现反物质,有著名的反夸克,现已被发现且正在研究其利用方法,由此我们推测，甚至可能存在反地球,反宇宙) 轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种，包括: 1 . 电子 2 . 电子中微子 3 .
μ子 4 . μ子中微子 5 . τ子 6 . τ子中微子 电子、μ子和τ子是带电的，所有的中微子都不带电，且所有的中微子都存在反粒子；τ子是1975年发现的重要粒子，不参与强作用，属于轻子，但是它的质量很重，是电子的3600倍，质子的1.8倍，因此又叫重轻子。 传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，由于色禁闭现象，至今无法直接观测到。光子传递电磁相互作用，而传递弱作用的W+，W-和Z0，胶子则传递强相互作用。重矢量玻色子是1983年发现的，非常重，是质子的80一90倍。
1687年，依萨克·牛顿经过多年的潜心研究，终于出版了他的《自然哲学的数学原理》(以下简称《原理》)，它标志着物理学的真正诞生 《原理》是人类自然科学知识的首次大综合。在这里，牛顿把伽利略“地上的”物体运动规律，与开普勒“天上的”星球运动规律天才地统一起来，建立了牛顿力学(也称经典力学或古典力学)的完整理论体系。 1、古典物理学：廿世纪以前所发展的物理学称为古典物理学，以巨观的角度研究物理，可分为力学、热学、光学、电磁学等主要分支。 2、近代物理学：廿世纪以后(1900年卜朗克提出量子论后)所发展的物理学称为近代物理学，以微观的角度研究物理，量子力学与相对论为近代物理的两大基石。 古典物理学 经典力学 阿基米德公元前250：浮力原理——王冠密度测量 杠杆原理——给我一个支点，我可以翘起地球 托勒密2世纪：地心说——地球是宇宙中心 哥白尼1543：日心说——太阳是宇宙中心 亚里士多德：力是维持物体运动的原因 伽利略17世纪：比萨斜塔实验，惯性提出者，物理实验之父 斜面小球实验说明：力不是维持物体运动的原因 笛卡尔：完善补充了伽利略的观点，指出如果运动中的物体没有受到力的作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不停下也不偏离原来方向。 开普勒1609：行星三大运动定律 牛顿1687：牛顿力学三大定律，万有引力定律 牛顿总结伽利略和笛卡尔的正确结论，得出动力学的一条基本规律，即牛 顿第一定律（惯性定律） 伯努利1738：流体动力定律 热学 前人：热质说，认为热是一种由高温流向低温处之物质 卡诺：卡诺循环理论，卡诺热机 布朗：布朗运动 焦耳：测量出热功当量，证明热是能量的一种形式 克劳修斯：分子动理论 光学 司乃尔：折射定律 牛顿：光的微粒说，光的色散 海根斯：光的波动性提出者 汤姆斯、杨：光的波动性证明：杨氏双缝实验 麦克斯韦：建立光学是电磁波的理论 赫兹：发现光电效应 爱因斯坦：光量子理论，解释了光电效应，光电方程 电磁学
基本粒子的定义与分类 基本粒子的定义与分类 （1）基本粒子的定义及其变化 基本粒子是指人们认知的构成物质的最小、最基本的单位。但是因为物理学的不断发展，人类对物质构成的认知逐渐深入，因此基本粒子的定义随时间也是有所变化的。 目前在粒子物理学中，标准模型理论认为的基本粒子可以分为夸克（quark）、轻子（lepton）、规范玻色子（boson）和希格斯粒子四大类。标准模型理论之外也有理论认为可能存在质量非常大的超粒子。 传统上（20世纪前、中期）的基本粒子是指质子、中子、电子、光子和各种介子，这是当时人类所能探测的最小粒子。而现代物理学发现质子、中子、介子都是由更加基本的夸克和胶子（gluon）构成。同时人类也发现了性质和电子类似的一系列轻子，还有性质和光子、胶子类似的一系列规范玻色子。这些是现代的物理学所理解的基本粒子。 （2）基本粒子的分类 费米子：基本费米子分为两类：夸克和轻子。 夸克：目前的实验显示共存在6种夸克，其中包括它们各自
的反粒子。这6种夸克又可分为3“代”。它们是： 第一代：u（上夸克）d（下夸克） 第二代：s（奇异夸克）c（魅夸克） 第三代：b（底夸克）t（顶夸克） 它们的质量关系是。另外值得指出的是，他们之所以未能被早期的科学家发现，原因是夸克决不会单独存在（顶夸克例外，但是顶夸克太重了而衰变又太快，早期的实验无法制造）。他们总是成对的构成介子，或者3个一起构成质子和中子这一类的重子。这种现象称为夸克禁闭理论。这就是为什么早期科学家误以为介子和重子是基本粒子。 轻子：共存在6种轻子与它们各自的反粒子。其中3种是电子和与它性质相似的子和子。而这三种各有一个相伴的中微子。他们也可以分为三代： 第一代：e（电子）、（电中微子） 第二代：（μ子）、（μ中微子） 第三代：（τ子）（τ中微子） 玻色子：玻色子是依随玻色-爱因斯坦统计，自旋为整数的粒子。 规范玻色子，这是一类在粒子之间起媒介作用、传递相互作用的粒子。之所以它们称为“规范玻色子”，是因为它们与基本粒子的理论杨-米尔斯规范场理论有很密切的关系。
粒子物理学 为本词条添加义项名 粒子物理学，又称高能物理学，它是研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。 10 本词条无基本信息模块, 欢迎各位编辑词条，额外获取10个积分。 目录 1学科简介 2学科分类 3理论分析 4发展阶段 5黑格斯粒子的实验证据 6第四种和第五种夸克 7轻子的新发现 8电弱统一理论的建立 9粒子物理的前景 展开 1学科简介 2学科分类 3理论分析 4发展阶段 4.1第一阶段（1897～1937） 4.2第二阶段（1937～1964） 4.3第三阶段（1964～） 5黑格斯粒子的实验证据 6第四种和第五种夸克 7轻子的新发现
8电弱统一理论的建立 9粒子物理的前景 粒子物理学 1学科简介 粒子物理学particle physics 研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构、性质，和在很高能量下这些物质相互转化及其产生原因和规律的物理学分支。又称高能物理学。 粒子物理学 2学科分类 粒子物理学专门研究组成物质和射线的基本粒子，以及它们之间的相互作用。由于在大自然的一般条件下，许多基本粒子不存在或不单独出现，物理学家使用粒子加速器，试图复制粒子高能碰撞的机制，从而生产和侦测这些基本粒子，因此粒子物理学也被称为高能物理学。 标准模型可以正确地描述基本粒子之间的相互作用。这模型能够计算12种已知的粒子（夸克和轻子），彼此之间以强力、弱力、电磁力或引力作用于对方。这些粒子会互相交换规范玻色子（分别为胶子、光子、W 及Z 玻色子）。标准模型还预测了希格斯玻色子的存在。截至2010年，使用费米实验室的垓电子伏特加速器和欧洲核子研究组织的大型强子对撞机，实验者仍旧在努力地寻找希格斯玻色子的来踪去迹。
物理学简介（各专业，各方向） 物理学是研究宇宙间物质存在的基本形式、性质、运动和转化、内部结构等方面，从而认识这些结构的组成元素及其相互作用、运动和转化的基本规律的科学。 物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来自于实践，随着实践的扩展和深入，物理学的内容也在不断扩展和深入。 随着物理学各分支学科的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学也逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。 物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，但现在离实现这?目标还很遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。 物理学介绍---物理学 物理学 物理学早期称为自然哲学，是自然科学中与自然界的基本规律关系最直接的一门学科。它以研究宇宙间物质各层次的结构、相互作用和运动规律以及它们的实际应用前景为自己的任务。 从17世纪牛顿力学的建立到19世纪电磁学基本理论的奠定，物理学逐步发展成为独立的学科，当时的主要分支有力学、声学、热力学和统计物理学、电磁学和光学等经典物理。本世纪初，相对论和量子论的建立使物理学的面貌焕然一新，促使物理学各个领域向纵深展，不但经典物理学的各个分支学科在新的基础上深入发展，而且形成了许多新的分支学科，如原子物理、分子物理、核物理、粒子物理、凝聚态物理、等离子体物理等。在近代物理发展的基础上，萌发了许多技术学科，如核能与其它能源技术、半导体电子技术、激光和近代光学技术、光电子技术、材料科学等，从而有力地促进了生产技术的发展和变革。 19世纪以来，人类历史上的四次产业革命和工业革命都是以对物理学某些领域的基本规律认识的突破为前提的。当代，物理学科研究的突破导致技术变革所经历的时间正在缩短，从而在近代物理学与许多高技术学科之间形成一片相互交叠的基础性研究与应用性研究相结合的宽广领域。物理学科与技术学科各自根据自身的特点，从不同的角度对这一领域的研究，既促进了物理学的发展和应用，又加速了高技术的开发和提高。 我国的物理学专业，从来就不是纯物理专业，它是包括应用物理和技术物理在内的基础研究和应用研究相结合的专业。建国以来，我国的许多新技术学科如半导体、核技术、激光、真空技术等的大部分，都是在物理学科中萌芽、形成和发展起来的。基础性工作与应用性工作同时并存、相互结合是我国物理学科的特点. 物理学科是一门基础学科。在物理学基础研究过程中形成和发展起来的基本概念、基本理论、基本实验手段和精密测量方法，已成为其他学科诸如天文学、化学、生物学、地学、医学、农业科学等学科的组成部分，并推动了这些学科的发展。物理学还与其他学科相互渗透，产生了一系列交叉学科，如化学物理、生物物理、大气物理、海洋物理、地球物理、天体物理等。这种相互渗透过程一直在进行之中，例如量子计算问题是当前的一个研究热点，有可能对信息科学产生重要的影响。数学对物理学的发展起了重要的促进作用，反过来物理学也促进了数学和其他交叉学科的发展。 物理学也是各种技术学科和工程学科的共同基础，物理量测量的规范化和标准化已成为计量学的一个重要研究内容。依据上述认识，物理学科可包含如下几个分支∶理论物理、粒
6.核聚变 7．粒子物理学简介(选学) 学习目标知识脉络 1.知道聚变反应，关注受控聚变反 应研究的进展. 2.通过核能的利用，思考科学技术 与社会进步的关系. 3.初步了解粒子物理学的基础知 识. 4.了解、感受科学发展过程中蕴藏 着的科学和人文精神. 核聚变 [先填空] 1．定义：把轻原子核聚合成较重原子核的反应称为聚变反应，简称核聚变． 2．热核反应 (1)举例：一个氘核和一个氚核聚变成一个氦核的核反应方程：21H＋31H―→42He＋10n＋17.60 MeV (2)反应条件 ①轻核的距离要达到10－15m以内． ②需要加热到很高的温度，因此又叫热核反应． (3)优点 ①轻核聚变产能效率高． ②地球上聚变燃料的储量丰富． ③轻核聚变更为安全、清洁． 3．可控核聚变反应研究的进展 (1)把受控聚变情况下释放能量的装置，称为聚变反应堆，20世纪下半叶，聚变能的研究取得重大进展． (2)核聚变的约束方法：磁约束和惯性约束，托卡马克采用的是磁约束方式． (3)核聚变是一种安全，不产生放射性物质、原料成本低的能源，是人类未来能源的希
望． 3．恒星演化中的核反应 (1)现阶段，供太阳发生核聚变过程的燃料是氢． (2)大约50亿年后，太阳的核心的核聚变过程是：42He＋42He→84Be，42He＋84Be→12 6C. [再判断] 1．核聚变反应中平均每个核子放出的能量比裂变时小一些．(×) 2．轻核的聚变只要达到临界质量就可以发生．(×) 3．现在地球上消耗的能量绝大部分来自太阳内部的聚变反应．(√) [后思考] 1．核聚变为什么需要几百万度的高温？ 【提示】要使轻核发生聚变就必须使它们间的距离达到核力发生作用的距离，而核力是短程力，作用距离在10－15 m，在这个距离上时，质子间的库仑斥力非常大，为了克服库仑斥力就需要原子核具有非常大的动能才会撞到一起，当温度达到几百万度时，原子核就可以具有这样大的动能． 2．受控核聚变中磁约束的原理是什么？ 【提示】原子核带有正电，垂直磁场方向射入磁场后在洛伦兹力作用下做匀速圆周运动，绕着一个中心不断旋转而不飞散开，达到约束原子核的作用． 3．恒星是如何形成的？它在哪个阶段停留的时间最长？ 【提示】宇宙尘埃在外界影响下聚集，某些区域在万有引力作用下开始向内收缩，密度不断增加，形成星云团，星云团进一步凝聚使得引力势能转化为内能，温度升高．当温度上升到一定程度时就开始发光，形成恒星．恒星在辐射产生向外的压力和引力产生的收缩压力平衡阶段停留时间最长． 1．聚变发生的条件 要使轻核聚变，必须使轻核接近核力发生作用的距离10－15 m，这要克服电荷间强大的斥力作用，要求使轻核具有足够大的动能．要使原子核具有足够大的动能，就要给它们加热，使物质达到几百万开尔文的高温． 2．轻核聚变是放能反应 从比结合能的图线看，轻核聚变后比结合能增加，因此聚变反应是一个放能反应． 3．核聚变的特点 (1)在消耗相同质量的核燃料时，轻核聚变比重核裂变释放更多的能量． (2)热核反应一旦发生，就不再需要外界给它能量，靠自身产生的热就可以使反应进行下去． (3)普遍性：热核反应在宇宙中时时刻刻地进行着，太阳就是一个巨大的热核反应堆．
放射物理与防护绪论 物理学是自然科学中基本的学科，是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。在尺寸标度上涉及从基本粒子到整个宇宙，在时间标度上从飞秒级的短寿命到宇宙纪元。物理学确立的新概念和理论，已经成为人类对周围世界认识的不可分割的部分，直接影响到社会生产和生活，对社会发展起着推动作用。一、物理学的发展 纵观物理学的发展史，根据它不同阶段的特点，大致可以分为物理学萌芽时期、经典物理学时期和现代物理学时期三个发展阶段。 (一)物理学萌芽时期 在古代，由于生产水平的低下，人们对自然界的认识主要依靠不充分的观察，和在此基础上进行的直觉的、思辨性猜测，来把握自然现象的一般性质，因而自然科学的知识基本上是属于现象的描述、经验的总结和思辨的猜测。那时，物理学知识是包括在统一的自然哲学之中的。 在这个时期，首先得到较大发展的是与生产实践密切相关的力学，如静力学中的简单机械、杠杆原理、浮力定律等。在《墨经》中，有力的概念(“力，形之所以奋也”)的记述；光学方面，积累了关于光的直进、折射、反射、小孔成像、凹凸面镜等的知识。《墨经》上关于光学知识的记载就有八条。在古希腊的欧几里德(公元前450-380)等的著作中也有光的直线传播和反射定律的论述，并且对光的折射现象也作了一定的研究。电磁学方面，发现了摩擦起电、磁石吸铁等现象，并在此基础上发明了指南针。声学方面，由于音乐的发展和乐器的创造，积累了不少乐律、共鸣方面的知识。物质结构和相互作用方面，提出了原子论、元气论、阴阳五行说、以太等假设。 在这个时期，观察和思辨虽然是人们认识自然的主要手段和方法，但也出现了一些类似于用实验来研究物理现象的方法。例如，我国宋代沈括在《梦溪笔谈》中的声共振实验和利用天然磁石进行人工磁化的实验，以及赵友钦在《革象新书》中的大型光学实验等就是典型的事例。 总之，从远古直到中世纪(欧洲通常把五世纪到十五世纪叫做中世纪)末，由于生产的发展，虽然积累了不少物理知识，也为实验科学的产生准备了一些条件
物理学 物理学研究宇宙间物质存在的各种主要的基本形式，它们的性质、运动和转化以及内部结构；从而认识这些结构的组元及其相互作用、运动和转化的基本规律。地学和生命科学都是自然科学的重要方面，有重要的社会作用，但是像地球这样有生物的行星在宇宙中却是少见的，所以地学和生命科学不属于物理学范围。当然，物理学所发现的基本规律，即使在地球现象和生命现象中，也起着重要作用。 物理学的各分支学科是按物质的不同存在形式和不同运动形式划分的。人对自然界的认识来源于实践，而实践的广度和深度有着历史的局限性。随着实践的扩展和深入，物理学的内容也不断扩展和深入。新的分支学科陆续形成；已有的分支学科日趋成熟，应用也日益广泛。早在古代就形成的天文学和起源于古代炼金术的化学，始终保持着独立的地位，没有被纳入物理学的范围。在天文学和物理学之间、化学和物理学之间存在着密切的联系，物理学所发现的基本规律在天文现象和化学现象中也起着日益深刻的作用。 客观世界是一个内部存在着普遍联系的统一体。随着物理学各分支科学的发展，人们发现物质的不同存在形式和不同运动形式之间存在着联系，于是各分支学科之间开始互相渗透。物理学逐步发展成为各分支学科彼此密切联系的统一整体。物理学家力图寻找一切物理现象的基本规律，从而去统一地理解一切物理现象。这种努力虽然逐步有所进展，使得这一目标有时显得很接近；但与此同时，新的物理现象又不断出现，使这一目标又变得更遥远。看来人们对客观世界的探索、研究是无穷无尽的。以下大体按照物理学的历史发展过程来叙述物理学的发展及其内容。 经典力学 经典力学研究宏观物体低速机械运动的现象和规律，宏观是相对于原子等微观粒子而言的。人们在日常生活中直接接触到的物体常常包含巨量的原子，因此是宏观物体。低速是相对于光速而言的。最快的喷气客机的速度一般也不到光速的一百万分之一，在物理学中仍算是低速。物体的空间位置随时间变化称为机械运动。人们日常生活直接接触到的并首先加以研究的都是宏观低速的机械运动。 自远古以来，由于农业生产需要确定季节，人们就进行天文观察。16世纪后期，人们对行星绕太阳的运动进行了详细、精密的观察。17世纪J.开普勒从这些观察结果中总结出了行星绕日运动的三条经验规律。差不多在同一时期，伽利略进行了落体和抛物体的实验研究，从而提出关于机械运动的初步的现象性理论，并把用实验验证理论结果的方法引入了物理学。I.牛顿深入研究了这些经验规律和初步的现象性理论，发现了宏观低速机械运动的基本规律：包括三条牛顿运动定律和万有引力定律，为经典力学奠定了基础。根据对天王星运行轨道的详细天文观察，并根据牛顿的理论，预言了海王星的存在；以后果然在天文观察中发现了海王星。于是牛顿所提出的力学定律和万有引力定律被普遍接受了。 经典力学中的基本物理量是质点的空间坐标和动量。一个力学系统在某一时刻的状态由它的每一个质点在这一时刻的空间坐标和动量表示。对于一个不受外界影响，也不影响外界，不包含其他运动形式（如热运动、电磁运动等）的力学系统来说，它的总机械能就是每一个质点的空间坐标和动量的函数，其状态随时间的变化由总能量决定。在经典力学中，力学系
什么是基本粒子物理 我们生活在地球上，仰观太空，斗转星移； 俯察大地，声光电热。 面对宇宙万物，有多少人在思考： 世界万物是由什么构成的？ 它们有最小的结构吗？ 如果有，那是什么呢？ 粗略地说，世界是由基本粒子组成的。所谓基本粒子，就是我们不考虑它的进一步结构，而把它当成整体的东西或者说是构成世界万物的、不能再分割的最小单元。 把多种多样的物质看成是由少数几个基本实体构成，并以这样一个物质基础来说明自然界的统一性和多样性，虽简单，但抓住了问题的要害。 基本性是个历史的、相对的概念。不同的时代，由于人们认识的不同，基本粒子家族的内容在不断地演变。 （1）希腊泰勒斯提出“水为万物之本”。 （2）亚里士多得认为水、火、空气，土是构成物质的基本元素 （3）460-370,德漠克利特提出了原子论。 （4）周代，我们的祖先就提出了五行说，即认为万物是由金、木、水、火、土五种物质原料构成。 （5）《周易》中有“太极生两仪，两仪成四像，四象生八卦”的哲学思想。太极即世界的本源，两仪是天地，四象是春、夏、秋、
冬四季，八卦是天、地、雷、风、水、火、山、泽，由它们衍生出世界万物； （5）战国时的老子说：“道生一、一生二、二生三、三生万物”； （6）汉代则出现了天地万物由“元气”组成的哲学观点； （7）650年，牛顿曾说：“依我看，有可能一开始上帝就以实心的、有质量的、坚硬的、不可分割的、可活动的粒子来创造物质，它有大小和外形以及其它属性，并占据一定质量……” （8）1660年，英国科学家Ｒ.玻意耳提出化学元素的概念； （9）1741年，罗蒙诺索夫《数学化学原理》：“一切物质都是由极微小的和感觉不到的粒子组成，这些粒子在物理上是不可分的，并且有相互结合能力，物质的性质就取决于这些微粒的性质。”（10）1789年，英国息今斯《燃素说及反燃素说的比较研究》，提出粒子彼此相互化合的设想。 （11）1844年，道尔顿学说： 1/元素是由非常微小、不可再分的微粒即原子组成的，原子在化学变化中也不能再分割，并保持自己独特的性质。 2/同一元素所有原子的质量完全相同，不同种元素原子性质和质量各不相同。原子的质量是每一种元素基本特征。 3/不同元素化合时，原子以简单整数比结合。化合物的原子叫“复杂原子”。复杂原子的质量等于它的组分原子质量之和。
习题十七 17-1 按照原子核的质子一中子模型，组成原子核X A Z 的质子数和中子数各是多少？核内共有多少个核子？这种原子核的质量数和电荷数各是多少？ 答：组成原子核X A Z 的质子数是Z ，中子数是Z A -．核内共有A 个核子．原子核的质量数是A ，核电荷数是Z ． 17-2 原子核的体积与质量数之间有何关系？这关系说明什么？ 答：实验表明，把原子核看成球体，其半径R 与质量数A 的关系为3 10A R R =，说明原子核的体积与质量数A 成正比关系．这一关系说明一切原子核中核物质的密度是一个常数．即单位体积内核子数近似相等，并由此推知核的平均结合能相等．结合能正比于核子数，就表明核力是短程力．如果核力象库仑力那样，按照静电能的公式，结合能与核子数A 的平方成正比，而不是与A 成正比． 17-3 什么叫原子核的质量亏损？如果原子核X A Z 的质量亏损是m ?，其平均结合能是多少？ 解：原子核的质量小于组成原子核的核子的质量之和，它们的差额称为原子核的质量亏损．设 原子核的质量为x M ，原子核X A Z 的质量亏损为:x n p M m Z A Zm m --+=?])([ 平均结合能为 A mc A E E 2 0ΔΔ== 17-4 已知 Th 232 90 的原子质量为u 232.03821，计算其原子核的平均结合能. 解：结合能为MeV 5.931])([ΔH ?--+=M m Z A Zm E n Th 23290 原子u M 03821.232=,90=Z ,232=A ,氢原子质量u m 007825.1H =， u m n 008665.1= MeV 1.766.56MeV 5.931]03821.232008665.1)90232(007825.190[Δ=?-?-+?=∴E ∴平均结合能为 MeV 614.7232 56 .1766Δ0=== A E E 17-5什么叫核磁矩？什么叫核磁子（N μ）？核磁子N μ和玻尔磁子 B μ有何相似之处？有何区别？质子的磁矩等于多少核磁子？平常用来衡量核磁矩大小的核磁矩I μ'的物理意义是什么？它和核的g 因子、核自旋量子数的关系是什么？ 解：原子核自旋运动的磁矩叫核磁矩，核磁子是原子核磁矩的单位，定义为： 227m A 10.05.51 .18361 π4??=== -B p N m eh μμ