物质深处-粒子物理学的慑人之美
2019-06-11 16:46:25
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                                            物质深处-粒子物理学的慑人之美

    美国人布鲁斯A.舒姆写的这本《物质深处—粒子物理学的慑人之美》由清华大学出版社出版、由三河市君旺印务有限公司2017年2月第2次印刷,潘士先翻译。

    爱因斯坦相信,任何值得尊敬的物理学理论对思维正常的人来说必定是可以理解的。本书中我试图向公众解释如今公认的粒子物理学理论:标准模型范式。本书在远远超出皮毛之论的水平上,介绍粒子物理学家世界观背后的思想和观念。P.导言.3

    人们常说有四种自然力:引力、电磁力、强核力和弱核力。粒子物理学标准模型揭示,四种自然力中的两种(电磁力和弱核力)乃是单一的、统一的“电弱力”的表现。时至今日,仍然不清楚究竟有四种还是三种不同的自然力。P.6

    注意,电子不是电荷——它具有电荷,大部分(但不是全部)基本粒子具有电荷,电荷是粒子的一种属性,但粒子本身不是电荷。P.8

    所有的夸克都是基本粒子,但不是所有的基本粒子都是夸克。另一类基本粒子叫轻子,电子是其最著名的例子。P.11

    粒子物理学标准模型的基石是电磁力和弱核力的统一,就是说,构成一种单一、共同的物理学定律统辖的理论。P.13

    普朗克假设说,能量元的能量为E=hf,式中h是普朗克常数,f是给定频率的电磁波。P.24

    德布罗意关系:λ=h/p,任何物体都具有波动性,其波长λ反比于动量p.h是普朗克常数。P.26

    海森堡不确定性:∆p.∆x=h/4π,式中,∆p表示物体动量的不确定性,∆x表示位置的不确定性,h是普朗克常数,π是圆周率。P.32

    薛定谔方程的完整表达式,但这是其一维形式,只适用于一维运动的情形:-h2/8π2m d2/dx2ψ(x)+v(x)ψ(x)=Eψ(x)。它是确定确定物体波函数ψ(x)的“处方”,包含了可能确定粒子性质ψ(x)的一切,这个粒子具有质量m和能量E,且在某种力的作用下,相应的势能函数是v(x)。通过解薛定谔方程得到波函数ψ(x),虽然本身没有物理意义。如果粒子是自由的(不受任何力),则无势能,即v(x)=0,此时方程的解ψ(x)就是德布罗意猜想的那个波,波长为λ=h/p。P.34-35

    薛定谔方程由三项组成。等号左边是x点处的动能和势能,而右边是总能量。可见,薛定谔方程是量子力学形式的能量守恒定律。从能量守恒的这一量子力学表达,产生了规定粒子可能具有的量子力学波函数的一组完整的约束。P.36

    麦克斯韦统一电磁理论中,时变电场和磁场能够彼此支持,可在自由空间无限传播,且计算其速度等于光速。这样麦克斯韦成功解释了光传递能量和信息的起源,不引入场的概念,是不可能取得这一成果的。P.40

    如果场被量子化为携带能量。像粒子那样行为的离散包E=hf,我们如何理解场施展其特征力的机制呢?用一个光子替代两人之间传递的球。两个电子的斥力是两个电子交换一个或多个光子的结果,光子是电磁场的量子。P.41

    那么两个电子相斥时交换的光子从何而来呢?为保证电子相斥中每一步的能量都守恒,被交换光子能量的一部分将被解释为它的质量。但光子并无质量。根据海森堡不确定性原理,一个物体能量的不确定性(∆E)与其寿命(∆t)以下式相联系:∆E=1/∆t × h/4π。交换光子只存活一段短时间∆t(以光速在两个电子间飞行),结果,其能量和质量有很大的不确定性,可以有完全不同的质量。这样一个能量守恒要求它具有不同于其已知质量值的短命粒子,专业上叫作离质壳粒子,也称虚粒子。P.42

    读者感言:美国人写的书,确实看似浅显易懂,在写给大学生和研究生的科普读物里,都详细的呈介科学计数法及其意义;比如它介绍为何两个电子间产生了光子,都浅显易懂。

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