最新物理学动态.docx

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最新物理学动态

最新物理学动态

当今科学研究中三个突出的基本问题是：

宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：

能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。

物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。

我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。

难题一：

什么是暗能量

　　宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。

还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。

　　这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。

爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。

因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。

最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。

这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。

但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3之多！

　　难题二：

什么是暗物质

　　我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4％，远远少于宇宙的总物质的含量。

这得到了各种测算方法的证实，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。

　　最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子：

neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据说是没有较为有效的测量方法。

又这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。

如果找到它们的话，很可能让我们真正的认识宇宙的各种情况。

　　难题三：

中微子有质量

　　不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。

任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。

即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子，最新实验还证明它具有超过光速的性质。

　　难题四：

从铁到铀的重元素如何形成

　　暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。

较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。

比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。

这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。

当然也还有其它的种种核反应。

　　当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。

因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，有大量现成的中子，尽管其成因还不很清楚。

另外，最近一些科学家已确定，至少一些最重的元素；如金、铅等，是形成于更强的爆炸中。

还有一点需要确定，即当两颗中子星相撞还会塌陷成为黑洞。

难题五：

超高能粒子从哪里来

　　太空中能量最大的粒子，其中包括中微子、Y射线光子和其他各种形式的亚原子榴征弹都称作字宙射线。

它们无时无刻不在射向地球；当你读这篇文章的时候，可能就有几个在穿过你的身体。

宇宙射线的能量如此之大，以至于它们必须是在大灾变造成的宇宙加速活动中才能产生。

科学家估计的来源是：

创世大爆炸本身、超新星撞成黑洞产生的冲击波，以及被吸人星系中央巨大黑洞时的加速物质等等。

了解了这些粒子的来源以及它们如何得到如此巨大的能量，将有助于研究这些物体的具体的活动情况。

　　　难题六：

超高温度和密度之下是否有新的物质形态

　　在能量极大的情况下，物质经历一系列的变化，原子分裂成其最小的组成部分。

这些部分就是基本的粒子，即夸克和轻子，据目前所知它们不能再分成更小的部分。

夸克的性质是极其活跃，在自然状态下是无法单独存在。

它们会与其他夸克组成光子和中子，两者再与轻子结合就形成了整个原子。

　　这都是现有科学可以推测的，但当温度和密度上升到地球上的几十亿倍时，原子的基本成分很可能会完全分离开来。

形成夸克等离子体和将夸克聚合在一起的能量。

物理学家正尝试在长岛的一台粒子对撞机中创造物质的这种形态，即一种夸克一胶子等离子体。

在远远超过这些科学家在实验室中所能创造出的更高温度和压力之下，等离子体可能变成一种新的物质或能量形式。

这种阶段性变化可能揭示自然界的新力量。

　　要使这些力量结合起来，就必须要有一种新的超大粒子——规范玻色子，如果它存在的话，就可以使夸克转变为其他粒子，从而使每个原子中心的光子衰变。

假如物理学家证明光子能够衰变，那么这一发现就会证明有新力量的存在。

　　　难题七：

光子是不稳定的吗？

　　如果你担心组成你的光子会分解蜕变，将你变成一堆基本粒子和自由能量，那大可不必为此着急。

各种观察和试验表明，光子的稳定时间至少在10的33次方年。

然而，许多物理学家认为，如果这三种原子力确实是单个统一场的不同表现形式，前文所说的神秘变化的超大玻色子就会不时从夸克中演化出来，使夸克及其组成的光子衰退。

　　如果一开始你认为这些物理学家脑子出了毛病，那也是情有可原的，因为按理说微小的夸克不可能生成比它重这么巨大倍数的玻色子。

但根据海森伯的测不准原理，我们不可能同时知道一个粒子的动量和位置，这就间接使这样一个大胆命题可以成立。

因此，一个巨大的玻色子在一个夸克中生成，在很短时间内形成一个光子并使光子衰变是可能的。

　　　难题八：

有几维空间

　　对重力真正性质的研究也会带来这样的疑问：

空间是否仅仅限于我们能轻易观察到的四维呢？

这就将我们引向了一些线性理论学家对重力的解释，其中就包括其他维的空间。

开始的宇宙线性理论模型将重力和其他三种力在复杂的11维宇宙中结合起来。

在那个字宙——也就是我们宇宙中——其中的7维隐藏在超乎想像的微小空间中，以至于我们无法觉察到。

弄懂这些多维空间的一个办法是，想像一个蛛网的一根丝。

用肉眼来看，这根细丝只是一维的，但在高倍放大镜下，它就分解成了一个有相当宽度、广度和深度的物体。

线性理论学家说，我们之所以看不见其他维的空间，只是因为缺少能将它们分解的精密仪器。

物理学发展的前沿领域有：

一、核物理和高能物理的前沿领域

1核物理

作为自然科学基础性研究最重要的基础分支学科之一，原子核物理学研究在近年来继续获得极为迅速的发展。

随着加速器技术和核探测技术的巨大进步，原子核物理学在新的自由度和新的层次上不断取得令人瞩目的成果，充分显示出原子核物理学科研究的活力和重要意义。

前沿领域：

（1）核子（特别是夸克）的自由度

对原子核研究的深入研究表明，把核看成只是核子组成的系统是不够的，随着实验的进展，介子、共振态等非核子自由度相继被揭示出来。

近来高能物理的进展显示，所有这些粒子都是由夸克与胶子共同构成的，它们的相互作用遵从量子色动力学（QCD）的规律。

这个的引入，对核物理的发展产生了非常强大的推动作用。

非核子——特别是夸克自由度的研究将是今后研究的一个重要方向。

其实验进展取决于优良性能的加速器与探测器，如各种介子工厂与高占空比的高能强流电子加速器等等……

（2）能量（或温度，或密度）的自由度

近十多年来中、高能重离子加速器的建造，使原子核物理研究能够从低入射能和低激发能条件下进行的核反应机制和核结构的研究，扩展到更高入射能（所谓中、高能乃至相对论能区）、更高激发能、更高核温度区域。

随着能量、温度和密度的增高，高温核的形成和衰变，原子核巨共振，液汽相变，介质效应等研究获得了出色成果。

对核物质状态方程的研究在理论和实验上通过对多重碎裂、集体流、阈下介子发射等方面的研究取得了初步进展。

更高能量的重离子对撞机将有可能提供足够高的温度与密度以研究极端状态下核的状态方程，特别是探索夸克理论预言的新的物质形态：

夸克-胶子等离子体（QGP）。

原子核物理沿能量自由度的研究正孕育着新的突破。

（3）质子-中子比自由度——远离稳定线核素合成和研究

对远离稳定线的丰中子核或丰质子核（原子核的质子-中子比处于极端条件下）的研究，发现一些全新的物理现象，如新的壳模型幻数、新的衰变方式（与极大的QB值相联系的β缓发1-4个中子，β缓发1-4个质子，β缓发α粒子和β缓发裂变，以及直接质子或重离子发射等），核形状、大小、电磁矩的变化，新的形变区等。

这些研究不但对检验和发展原子核理论模型、而且对天体物理的研究起重要作用。

近年来，轻质量极丰中子核11^Li中子晕及之相联系的新集体运动模式的发现和研究，丰中子核中中子皮和丰质子核中质子皮的研究，极丰中子核10^He的观测，Z=N双幻核100^Sn的合成以及与天体物理学密切相关的一批远离核的研究被认为是原子核物理在质子-中子比自由度上取得的最重要的进展。

理论上预期有大约8000种核素，迄今只发现了约2700种，其中约2200种为远离稳定线的核素。

远离稳定线的新核素，特别是滴线核，以及超重核、奇特核的合成和研究，是今后重要的发展方向。

实验在上要求强的次级放射性核束流。

（4）角动量自由度

重离子与重元素的核反应可以形成很高角动量的复合核，这是近十多年来获得迅速发展的一个领域。

对原子核高自旋超形变转动带的发现和研究，特别是高自旋超形变带的布居机制，组态结构，转动惯量、退激方式和电磁跃迁性质等研究是核结构领域最为重要的成就。

对关联，中子质子相互作用的研究，超形变核结构的研究等，是高自旋核结构研究前沿，具有重要意义。

（5）高精密度的核物理实验

高能物理学和一些基本性问题也反映在核物理中，如标准模型、中微子质量、轻子数守恒、核内的宇称破坏等方面的研究。

这些研究都要求进行极高精度的核物理实验，虽然这些实验有时看起来是“传统性”的，如核衰变谱。

在这方面的研究也反映了核物理与高能物理、天体物理等学科的交叉和相互促进。

2.高能物理

高能物理研究的主要内容是粒子的种类、性质、它们之间的相互作用力以及它们是由什么构成及是如何构成的、粒子层次和组成它们的更基本的组元层次的新现象和新规律。

由于高能加速器的建造，近40年来这门学科得到极大的发展，它的进展对认识原子核和宇宙的起源与进化也有了较为深刻的影响。

当今关于它的前沿领域有：

（1）发展“标准模型”

已知微观世界里的力有强力、电磁力、弱力和引力等四种，已发现的微观粒子可以分成强子与轻子二类。

强子是有着这四种力的粒子，轻子是有着强力之外三种力的粒子。

迄今我们对粒子物理的认识可以由“标准模型”所归纳。

在这个模型里，轻子是基本的，而强子是由更基本的组元——夸克构成的，组成微观世界的组元是三代轻子（υθ,θ），　（υμ,μ），（υτ,τ）和三代夸克（u，d）,（c，s）,（t，b）。

电磁力与弱力由电-弱统-理论描述，传递电磁力是光子，传递弱力的是矢量玻色子。

传递强力的是胶子，其规律由量子色动力学（QCD）描述。

这三种力的来源是破缺的定域规范对称性，破缺是由希格斯（Higgs）粒子引起的。

虽然希格斯粒子和υτ中微子尚未发现，但目前所有的实验结果都与标准模型符合。

“标准模型”并不完美，目前大部分人相信它是一个有效的唯象理论。

仍存在很多基本问题有待解决。

例如，在理论中的参数达20个之多，其中11个来自希格斯机制。

这样的模型显然不能成为高能物理的基本理论。

因此，深入检验标准模型，探索这些参数的来源并找寻向基本理论的发展，是今后重要的研究领域。

（2）粒子的质量起源与自发对称性破缺机制研究

这三代轻子和三代夸克的质量有着令人惊讶的巨大差异：

中微子质量比几个电子伏特还小，而顶夸克质量为质子的180倍，与金原子核相近。

虽然规范对称性要求光子、胶子和引力子的质量为零，但是它并不要求中微子的质量为零。

希格斯粒子被引入标准模型以产生规范对称性的自发破缺，但是其质量与耦合强度的大小已超出标准模型的范畴。

所有这些都是有待解决的研究前沿问题。

（3）新粒子和更深层次的粒子

实验上和理论上都不排除有更多的新粒子的存在，例如，磁单极子和其他较重的粒子。

也没有任何的理由限定目前的粒子的组元只能有三代，新的代意味着新的种类的粒子，每一种新粒子的发现都会对粒子物理带来新的突破。

不计反粒子，目前构成物质结构的最小基本组分是6种轻子，18种夸克以及传递电、弱、强相互作用的12种媒介子。

虽然直至10-17厘米尺度尚未有夸克与轻子具有结构的迹象，但是面对这个不小的粒子数目，已经提出研究它们与希