宇宙演化与终极物理市公开课一等奖百校联赛特等奖课件.pptx

第四讲第四讲宇宙演化与终极物理宇宙演化与终极物理王世恩王世恩第1页1、光谱测量技术发展、光谱测量技术发展 n n16661666年，牛顿年，牛顿 光三棱镜色散。光三棱镜色散。n n 通常阳光，是由一序列不一样波长通常阳光，是由一序列不一样波长n n光组成。光组成。n n1818，德国天文学家夫琅和费，德国天文学家夫琅和费n n(J.Fraunhofer)(J.Fraunhofer)让太阳光先经过一狭缝，再由棱镜让太阳光先经过一狭缝，再由棱镜折射。这折射。这n n时，他得到光谱还是带状。只不过在连续分布光谱时，他得到光谱还是带状。只不过在连续分布光谱n n中，有一些分离暗线。这表明太阳光谱中，欠缺了中，有一些分离暗线。这表明太阳光谱中，欠缺了一些一些n n波长光。而这些暗线称为波长光。而这些暗线称为“夫琅和费线夫琅和费线”。n n18591859年前后，德国化学家本生年前后，德国化学家本生(R.W.Bunsen)(R.W.Bunsen)和克希和克希霍夫霍夫n n(G.R.Kirchhoff)(G.R.Kirchhoff)注意到，不一样化学物质在炽热状注意到，不一样化学物质在炽热状态下发出态下发出n n光似乎不一样。在拍摄底片上，不一样元素物质发光似乎不一样。在拍摄底片上，不一样元素物质发出出n n光，其谱线数不一样，位置也有不一样。光，其谱线数不一样，位置也有不一样。第2页2、多普勒效应与多普勒红移、多普勒效应与多普勒红移 n n多普勒效应多普勒效应多普勒效应多普勒效应 频率为频率为频率为频率为 v v波源以速度波源以速度波源以速度波源以速度v vs s背离观察者运动时，静止观察背离观察者运动时，静止观察背离观察者运动时，静止观察背离观察者运动时，静止观察者测量到这波动频率就是者测量到这波动频率就是者测量到这波动频率就是者测量到这波动频率就是 n n相对论性多普勒效应相对论性多普勒效应相对论性多普勒效应相对论性多普勒效应 对于光波，存在相对论性效应。若频率为对于光波，存在相对论性效应。若频率为对于光波，存在相对论性效应。若频率为对于光波，存在相对论性效应。若频率为v v 0 0光源是以速度光源是以速度光源是以速度光源是以速度v v背离接收者而去，则接收者所接收到光波频率就为背离接收者而去，则接收者所接收到光波频率就为背离接收者而去，则接收者所接收到光波频率就为背离接收者而去，则接收者所接收到光波频率就为这种远离我们而去光源其频率降低、波长变长现象称之这种远离我们而去光源其频率降低、波长变长现象称之这种远离我们而去光源其频率降低、波长变长现象称之这种远离我们而去光源其频率降低、波长变长现象称之为为为为多普勒红移多普勒红移多普勒红移多普勒红移。第3页3、哈勃定律与宇宙膨胀、哈勃定律与宇宙膨胀 n n哈勃定律哈勃定律哈勃定律哈勃定律 一个星系退行速度与这个星系离我们距离成正比，即一个星系退行速度与这个星系离我们距离成正比，即一个星系退行速度与这个星系离我们距离成正比，即一个星系退行速度与这个星系离我们距离成正比，即 v=H r.其中，哈勃常数其中，哈勃常数其中，哈勃常数其中，哈勃常数 HH=728=728公里公里公里公里/秒秒秒秒 百万秒差距百万秒差距百万秒差距百万秒差距.n n宇宙膨胀宇宙膨胀宇宙膨胀宇宙膨胀 深入天文观察表明，星系间总是相互远离。星系间深入天文观察表明，星系间总是相互远离。星系间深入天文观察表明，星系间总是相互远离。星系间深入天文观察表明，星系间总是相互远离。星系间总是相互远离这种天文观察结果，只有用宇宙是在膨胀总是相互远离这种天文观察结果，只有用宇宙是在膨胀总是相互远离这种天文观察结果，只有用宇宙是在膨胀总是相互远离这种天文观察结果，只有用宇宙是在膨胀假设才能解释。假设才能解释。假设才能解释。假设才能解释。n n宇宙大爆炸宇宙大爆炸宇宙大爆炸宇宙大爆炸 假如将时间回溯，从爱因斯坦广义相对论场方程能够得假如将时间回溯，从爱因斯坦广义相对论场方程能够得假如将时间回溯，从爱因斯坦广义相对论场方程能够得假如将时间回溯，从爱因斯坦广义相对论场方程能够得到一个奇点。据此，勒默策等人就提出，宇宙空间是从一个到一个奇点。据此，勒默策等人就提出，宇宙空间是从一个到一个奇点。据此，勒默策等人就提出，宇宙空间是从一个到一个奇点。据此，勒默策等人就提出，宇宙空间是从一个点爆炸产生，这就是所谓宇宙大爆炸。点爆炸产生，这就是所谓宇宙大爆炸。点爆炸产生，这就是所谓宇宙大爆炸。点爆炸产生，这就是所谓宇宙大爆炸。第4页第5页第6页宇宙微波背景辐射宇宙微波背景辐射 n n宇宙大爆炸理论在宇宙大爆炸理论在宇宙大爆炸理论在宇宙大爆炸理论在19651965年得到年得到年得到年得到了一个偶然观察结果有力支持。了一个偶然观察结果有力支持。了一个偶然观察结果有力支持。了一个偶然观察结果有力支持。这一年，彭齐亚斯和威尔逊两人偶这一年，彭齐亚斯和威尔逊两人偶这一年，彭齐亚斯和威尔逊两人偶这一年，彭齐亚斯和威尔逊两人偶然测到了一个均匀来自天空各个方然测到了一个均匀来自天空各个方然测到了一个均匀来自天空各个方然测到了一个均匀来自天空各个方向射电辐射。这种辐射只相当于向射电辐射。这种辐射只相当于向射电辐射。这种辐射只相当于向射电辐射。这种辐射只相当于3K3K左右物体热辐射。而这正是左右物体热辐射。而这正是左右物体热辐射。而这正是左右物体热辐射。而这正是19481948年伽莫夫依据大爆炸理论预言年伽莫夫依据大爆炸理论预言年伽莫夫依据大爆炸理论预言年伽莫夫依据大爆炸理论预言宇宙微波背景辐射。伽莫夫经过宇宙微波背景辐射。伽莫夫经过宇宙微波背景辐射。伽莫夫经过宇宙微波背景辐射。伽莫夫经过计算推出，宇宙大爆炸计算推出，宇宙大爆炸计算推出，宇宙大爆炸计算推出，宇宙大爆炸后，后，后，后，伴随宇伴随宇伴随宇伴随宇宙膨胀，宇宙温度逐步降低宙膨胀，宇宙温度逐步降低宙膨胀，宇宙温度逐步降低宙膨胀，宇宙温度逐步降低。宇宙膨胀到现在，其温度不会超出宇宙膨胀到现在，其温度不会超出宇宙膨胀到现在，其温度不会超出宇宙膨胀到现在，其温度不会超出5K5K，而且作为宇宙背景进行辐，而且作为宇宙背景进行辐，而且作为宇宙背景进行辐，而且作为宇宙背景进行辐射。射。射。射。第7页4、宇宙演化与量子演化动力学、宇宙演化与量子演化动力学 n n宇宙在膨胀，说明宇宙空间在演化着。很快前用大宇宙在膨胀，说明宇宙空间在演化着。很快前用大宇宙在膨胀，说明宇宙空间在演化着。很快前用大宇宙在膨胀，说明宇宙空间在演化着。很快前用大MM理论理论理论理论(膜理论膜理论膜理论膜理论)，曾得到了另外一个可消除奇点宇宙大爆炸模，曾得到了另外一个可消除奇点宇宙大爆炸模，曾得到了另外一个可消除奇点宇宙大爆炸模，曾得到了另外一个可消除奇点宇宙大爆炸模型。该模型说是宇宙大爆炸是由两片闭合多维弹性膜碰型。该模型说是宇宙大爆炸是由两片闭合多维弹性膜碰型。该模型说是宇宙大爆炸是由两片闭合多维弹性膜碰型。该模型说是宇宙大爆炸是由两片闭合多维弹性膜碰撞引发。但宇宙空间在演化着却与任何一个理论都不冲撞引发。但宇宙空间在演化着却与任何一个理论都不冲撞引发。但宇宙空间在演化着却与任何一个理论都不冲撞引发。但宇宙空间在演化着却与任何一个理论都不冲突。突。突。突。n n对于宇宙演化，我们能够注意到，对于宇宙演化，我们能够注意到，对于宇宙演化，我们能够注意到，对于宇宙演化，我们能够注意到，不只是宇宙空间演化，还应包含宇不只是宇宙空间演化，还应包含宇不只是宇宙空间演化，还应包含宇不只是宇宙空间演化，还应包含宇宙所含内容演化。如恒星、行星以及宙所含内容演化。如恒星、行星以及宙所含内容演化。如恒星、行星以及宙所含内容演化。如恒星、行星以及各种天体运动，地球上各种生物种群各种天体运动，地球上各种生物种群各种天体运动，地球上各种生物种群各种天体运动，地球上各种生物种群不停演化，分子、原子运动，各种不停演化，分子、原子运动，各种不停演化，分子、原子运动，各种不停演化，分子、原子运动，各种基本粒子产生与湮灭，我们日常生活中基本粒子产生与湮灭，我们日常生活中基本粒子产生与湮灭，我们日常生活中基本粒子产生与湮灭，我们日常生活中所能看到各种运动与改变等等。所能看到各种运动与改变等等。所能看到各种运动与改变等等。所能看到各种运动与改变等等。第8页量子演化动力学理论量子演化动力学理论 n n我们发觉，宇宙演化内容中，基本时空演化是由一个特殊我们发觉，宇宙演化内容中，基本时空演化是由一个特殊我们发觉，宇宙演化内容中，基本时空演化是由一个特殊我们发觉，宇宙演化内容中，基本时空演化是由一个特殊因子即时间演化算符因子即时间演化算符因子即时间演化算符因子即时间演化算符 作用在能描述作用在能描述作用在能描述作用在能描述场构型空间标架上进行。这种场构型空间可看成是宇宙场构型空间标架上进行。这种场构型空间可看成是宇宙场构型空间标架上进行。这种场构型空间可看成是宇宙场构型空间标架上进行。这种场构型空间可看成是宇宙本底。如对于引力场，因为时间平移不变性所给出本底。如对于引力场，因为时间平移不变性所给出本底。如对于引力场，因为时间平移不变性所给出本底。如对于引力场，因为时间平移不变性所给出HamiltonianHamiltonian限制，从而可得到著名量子引力方程限制，从而可得到著名量子引力方程限制，从而可得到著名量子引力方程限制，从而可得到著名量子引力方程Wheeler-De WittWheeler-De Witt方程。上世纪方程。上世纪方程。上世纪方程。上世纪9090年前后，雅各布森、斯莫林年前后，雅各布森、斯莫林年前后，雅各布森、斯莫林年前后，雅各布森、斯莫林和罗维利完整地求解了这个量子引力方程，从而发觉了时空和罗维利完整地求解了这个量子引力方程，从而发觉了时空和罗维利完整地求解了这个量子引力方程，从而发觉了时空和罗维利完整地求解了这个量子引力方程，从而发觉了时空量子生成机制。这一机制，也正是宇宙空间演化机制。量子生成机制。这一机制，也正是宇宙空间演化机制。量子生成机制。这一机制，也正是宇宙空间演化机制。量子生成机制。这一机制，也正是宇宙空间演化机制。同时也明确说明，时空含有量子结构。同时也明确说明，时空含有量子结构。同时也明确说明，时空含有量子结构。同时也明确说明，时空含有量子结构。第9页第10页微观粒子量子动力学机制微观粒子量子动力学机制 n n考虑一个粒子在两个已经发生时空事件考虑一个粒子在两个已经发生时空事件考虑一个粒子在两个已经发生时空事件考虑一个粒子在两个已经发生时空事件(x xa a,t ta a)和和和和(x xb b,t tb b )之间演化，其机制实际上是由一个由时间参量之间演化，其机制实际上是由一个由时间参量之间演化，其机制实际上是由一个由时间参量之间演化，其机制实际上是由一个由时间参量t t表征所表征所表征所表征所谓演化核即时间演化算符谓演化核即时间演化算符谓演化核即时间演化算符谓演化核即时间演化算符 作用在类空作用在类空作用在类空作用在类空闵可夫斯基场构型空间标架上实现闵可夫斯基场构型空间标架上实现闵可夫斯基场构型空间标架上实现闵可夫斯基场构型空间标架上实现 。作用结果为时空量子映象，这种子映象在整个时空综作用结果为时空量子映象，这种子映象在整个时空综作用结果为时空量子映象，这种子映象在整个时空综作用结果为时空量子映象，这种子映象在整个时空综合，就反应出了粒子在时空表象，也就是所谓波函数合，就反应出了粒子在时空表象，也就是所谓波函数合，就反应出了粒子在时空表象，也就是所谓波函数合，就反应出了粒子在时空表象，也就是所谓波函数 (x x，t t)，它也正是量子动力学方程解。换句话说，描述它也正是量子动力学方程解。换句话说，描述它也正是量子动力学方程解。换句话说，描述它也正是量子动力学方程解。换句话说，描述微观粒子量子力学，实际上就是时间演化算符作用在类空微观粒子量子力学，实际上就是时间演化算符作用在类空微观粒子量子力学，实际上就是时间演化算符作用在类空微观粒子量子力学，实际上就是时间演化算符作用在类空闵可夫斯基场构型空间标架上演化行为。闵可夫斯基场构型空间标架上演化行为。闵可夫斯基场构型空间标架上演化行为。闵可夫斯基场构型空间标架上演化行为。第11页波粒二象性和量子跃迁波粒二象性和量子跃迁 量子演化动力学机制量子演化动力学机制n n量子演化在整个类空闵可夫斯基场构型空间综合量子映量子演化在整个类空闵可夫斯基场构型空间综合量子映量子演化在整个类空闵可夫斯基场构型空间综合量子映量子演化在整个类空闵可夫斯基场构型空间综合量子映象，反应就是所谓量子波动。而量子演化在泛函构型空象，反应就是所谓量子波动。而量子演化在泛函构型空象，反应就是所谓量子波动。而量子演化在泛函构型空象，反应就是所谓量子波动。而量子演化在泛函构型空间中一个实在反应恰好表现是微观粒子经典动力学行为，间中一个实在反应恰好表现是微观粒子经典动力学行为，间中一个实在反应恰好表现是微观粒子经典动力学行为，间中一个实在反应恰好表现是微观粒子经典动力学行为，这也正是我们能直观看到波粒二象性中粒子性表现。这也正是我们能直观看到波粒二象性中粒子性表现。这也正是我们能直观看到波粒二象性中粒子性表现。这也正是我们能直观看到波粒二象性中粒子性表现。n n量子演化动力学也能够说明微观粒子量子跃迁机制。如对量子演化动力学也能够说明微观粒子量子跃迁机制。如对量子演化动力学也能够说明微观粒子量子跃迁机制。如对量子演化动力学也能够说明微观粒子量子跃迁机制。如对整数或半整数空间，时间演化算符作用结果是整数或半整数空间，时间演化算符作用结果是整数或半整数空间，时间演化算符作用结果是整数或半整数空间，时间演化算符作用结果是1111或或或或0 0 0 0。而这。而这。而这。而这正是量子跃迁法则。正是量子跃迁法则。正是量子跃迁法则。正是量子跃迁法则。n n当前，自然界中基本相互作用是一个什么样机制也正是当前，自然界中基本相互作用是一个什么样机制也正是当前，自然界中基本相互作用是一个什么样机制也正是当前，自然界中基本相互作用是一个什么样机制也正是量子演化动力学研究主要方向。量子演化动力学研究主要方向。量子演化动力学研究主要方向。量子演化动力学研究主要方向。第12页5、自然界中基本相互作用、自然界中基本相互作用 n n引力相互作用引力相互作用引力相互作用引力相互作用 引力相互作用由爱因斯坦广义相对论引力场方程刻划。引力相互作用由爱因斯坦广义相对论引力场方程刻划。引力相互作用由爱因斯坦广义相对论引力场方程刻划。引力相互作用由爱因斯坦广义相对论引力场方程刻划。n n电磁相互作用电磁相互作用电磁相互作用电磁相互作用 电磁相互作用由麦克斯韦电磁场方程组刻划。电磁相互作用由麦克斯韦电磁场方程组刻划。电磁相互作用由麦克斯韦电磁场方程组刻划。电磁相互作用由麦克斯韦电磁场方程组刻划。n n强相互作用强相互作用强相互作用强相互作用 强相互作用是束缚质子与质子、质子与中子、夸克与夸克强相互作用是束缚质子与质子、质子与中子、夸克与夸克强相互作用是束缚质子与质子、质子与中子、夸克与夸克强相互作用是束缚质子与质子、质子与中子、夸克与夸克之间相互作用，由之间相互作用，由之间相互作用，由之间相互作用，由SU(3)SU(3)规范场来刻划。规范场来刻划。规范场来刻划。规范场来刻划。n n弱相互作用弱相互作用弱相互作用弱相互作用 弱相互作用是造成大多数粒子衰变一个相互作用，它与弱相互作用是造成大多数粒子衰变一个相互作用，它与弱相互作用是造成大多数粒子衰变一个相互作用，它与弱相互作用是造成大多数粒子衰变一个相互作用，它与电磁相互作用一道，可由电磁相互作用一道，可由电磁相互作用一道，可由电磁相互作用一道，可由SU(2)SU(2)U(1)U(1)规规范范范范场场来刻划。来刻划。来刻划。来刻划。第13页强相互作用强相互作用n n英国物理学家卢瑟福19提出了原子核式结构模型后，n n人们知道了原子是由带正电原子核和核外电子组成。但n n很快就有些人提出了这么问题：原子核又是由什么组成？n n中子发觉后，原子核结构也就清楚了。原子核是由带一个n n电子正电荷质子和质量与质子相当中子组成。n n在10-15米原子核区域内，质子之间库仑排斥力极大，万n n有引力远没有库仑排斥力大，根本不可能把质子约束在原子核n n这么小区域内。那把质子约束在原子核内力只能是一个新n n相互作用。这种相互作用极强，能克服库仑排斥把质子约束n n在原子核那狭小区域内。这种相互作用就称之为强相互作用。第14页弱相互作用弱相互作用n n试验数据上也表明试验数据上也表明试验数据上也表明试验数据上也表明 衰变电子并不起源于原子核外各壳层衰变电子并不起源于原子核外各壳层衰变电子并不起源于原子核外各壳层衰变电子并不起源于原子核外各壳层电子，只能来自原子核。但依据电子，只能来自原子核。但依据电子，只能来自原子核。但依据电子，只能来自原子核。但依据19271927年海森伯提出不确定性原年海森伯提出不确定性原年海森伯提出不确定性原年海森伯提出不确定性原理，把电子束缚在原子核那样小区域内，它动量将有很大理，把电子束缚在原子核那样小区域内，它动量将有很大理，把电子束缚在原子核那样小区域内，它动量将有很大理，把电子束缚在原子核那样小区域内，它动量将有很大不确定性，因而它在核内逗留时间不能超出几分之一秒；这不确定性，因而它在核内逗留时间不能超出几分之一秒；这不确定性，因而它在核内逗留时间不能超出几分之一秒；这不确定性，因而它在核内逗留时间不能超出几分之一秒；这样，电子就不可能在原子核所占区域内长时间存在。样，电子就不可能在原子核所占区域内长时间存在。样，电子就不可能在原子核所占区域内长时间存在。样，电子就不可能在原子核所占区域内长时间存在。n n中子发觉后，这个问题得到了处理。原来中子是不稳定。中子发觉后，这个问题得到了处理。原来中子是不稳定。中子发觉后，这个问题得到了处理。原来中子是不稳定。中子发觉后，这个问题得到了处理。原来中子是不稳定。试验发觉，通常经过大约试验发觉，通常经过大约试验发觉，通常经过大约试验发觉，通常经过大约1515分钟，中子就衰变成了质子和电子。分钟，中子就衰变成了质子和电子。分钟，中子就衰变成了质子和电子。分钟，中子就衰变成了质子和电子。n n从从从从 衰变试验能谱数据上看，造成衰变试验能谱数据上看，造成衰变试验能谱数据上看，造成衰变试验能谱数据上看，造成 衰变相互作用不可衰变相互作用不可衰变相互作用不可衰变相互作用不可能是强相互作用和弱相互作用，因为这两种相互作用都显得太能是强相互作用和弱相互作用，因为这两种相互作用都显得太能是强相互作用和弱相互作用，因为这两种相互作用都显得太能是强相互作用和弱相互作用，因为这两种相互作用都显得太强了。当然，也不会是万有引力，因为这又显得太弱了。费米强了。当然，也不会是万有引力，因为这又显得太弱了。费米强了。当然，也不会是万有引力，因为这又显得太弱了。费米强了。当然，也不会是万有引力，因为这又显得太弱了。费米在在在在19341934年指出，这种力就应该是一个新相互作用，并称之为年指出，这种力就应该是一个新相互作用，并称之为年指出，这种力就应该是一个新相互作用，并称之为年指出，这种力就应该是一个新相互作用，并称之为弱弱弱弱相互作用。相互作用。相互作用。相互作用。第15页6、统一之路、统一之路n n19351935年，汤川秀树提出了一个大胆理论。他认为，电磁相互作用是年，汤川秀树提出了一个大胆理论。他认为，电磁相互作用是年，汤川秀树提出了一个大胆理论。他认为，电磁相互作用是年，汤川秀树提出了一个大胆理论。他认为，电磁相互作用是经过交换场量子经过交换场量子经过交换场量子经过交换场量子 光子进行。而质子与质子、质子与中子之间强相互光子进行。而质子与质子、质子与中子之间强相互光子进行。而质子与质子、质子与中子之间强相互光子进行。而质子与质子、质子与中子之间强相互作用核力也能够经过这种方式进行，它所交换是一个质量约为电子作用核力也能够经过这种方式进行，它所交换是一个质量约为电子作用核力也能够经过这种方式进行，它所交换是一个质量约为电子作用核力也能够经过这种方式进行，它所交换是一个质量约为电子200200倍新粒子。倍新粒子。倍新粒子。倍新粒子。n n19471947年，英国物理学家鲍威尔终于在宇宙线中发觉了一个粒子，其质年，英国物理学家鲍威尔终于在宇宙线中发觉了一个粒子，其质年，英国物理学家鲍威尔终于在宇宙线中发觉了一个粒子，其质年，英国物理学家鲍威尔终于在宇宙线中发觉了一个粒子，其质量为电子量为电子量为电子量为电子273273倍，经重复检测，确定它正是汤川秀树所预言介子，被倍，经重复检测，确定它正是汤川秀树所预言介子，被倍，经重复检测，确定它正是汤川秀树所预言介子，被倍，经重复检测，确定它正是汤川秀树所预言介子，被命名为命名为命名为命名为 介子介子介子介子n n伴随人造加速器不停改进，人们陆续发觉了伴随人造加速器不停改进，人们陆续发觉了伴随人造加速器不停改进，人们陆续发觉了伴随人造加速器不停改进，人们陆续发觉了、介子和介子和介子和介子和 共振共振共振共振态粒子等许多粒子，其数目比元素种类还要多。对应地，诸如同位态粒子等许多粒子，其数目比元素种类还要多。对应地，诸如同位态粒子等许多粒子，其数目比元素种类还要多。对应地，诸如同位态粒子等许多粒子，其数目比元素种类还要多。对应地，诸如同位旋、奇异性等新物理特征也被认识到了。面对如此种类繁多粒子，旋、奇异性等新物理特征也被认识到了。面对如此种类繁多粒子，旋、奇异性等新物理特征也被认识到了。面对如此种类繁多粒子，旋、奇异性等新物理特征也被认识到了。面对如此种类繁多粒子，是否也能找到一个类似于元素周期律规律来描述这些自然界基本砖是否也能找到一个类似于元素周期律规律来描述这些自然界基本砖是否也能找到一个类似于元素周期律规律来描述这些自然界基本砖是否也能找到一个类似于元素周期律规律来描述这些自然界基本砖块呢？而这四种相互作用是否也能够象当年麦克斯韦把库仑力和磁力统块呢？而这四种相互作用是否也能够象当年麦克斯韦把库仑力和磁力统块呢？而这四种相互作用是否也能够象当年麦克斯韦把库仑力和磁力统块呢？而这四种相互作用是否也能够象当年麦克斯韦把库仑力和磁力统一描述那样统一地描述呢？一描述那样统一地描述呢？一描述那样统一地描述呢？一描述那样统一地描述呢？第16页质子和中子统一描述质子和中子统一描述n n最初被拿来进行统一描述是质子和中子。这两最初被拿来进行统一描述是质子和中子。这两最初被拿来进行统一描述是质子和中子。这两最初被拿来进行统一描述是质子和中子。这两种粒子除了一个带电一个不带电以外，别物理性种粒子除了一个带电一个不带电以外，别物理性种粒子除了一个带电一个不带电以外，别物理性种粒子除了一个带电一个不带电以外，别物理性质如质量、自旋等都是相近。为此，海森伯认为质如质量、自旋等都是相近。为此，海森伯认为质如质量、自旋等都是相近。为此，海森伯认为质如质量、自旋等都是相近。为此，海森伯认为质子和中子在本质是同一个粒子，只不过有两种不质子和中子在本质是同一个粒子，只不过有两种不质子和中子在本质是同一个粒子，只不过有两种不质子和中子在本质是同一个粒子，只不过有两种不同外在表现实状况态。为了描述这种粒子不一样外同外在表现实状况态。为了描述这种粒子不一样外同外在表现实状况态。为了描述这种粒子不一样外同外在表现实状况态。为了描述这种粒子不一样外在在在在表现实状况态，海森伯引入了一个称之为表现实状况态，海森伯引入了一个称之为表现实状况态，海森伯引入了一个称之为表现实状况态，海森伯引入了一个称之为同位旋同位旋同位旋同位旋量量量量子子子子数来描述。一个粒子状态不一样，其同位旋分量就数来描述。一个粒子状态不一样，其同位旋分量就数来描述。一个粒子状态不一样，其同位旋分量就数来描述。一个粒子状态不一样，其同位旋分量就不一样。如质子和中子同位旋分量分别定为不一样。如质子和中子同位旋分量分别定为不一样。如质子和中子同位旋分量分别定为不一样。如质子和中子同位旋分量分别定为+1/2+1/2和和和和-1/2-1/2，三种，三种，三种，三种 介子介子介子介子+、-和和和和00同位旋分量分同位旋分量分同位旋分量分同位旋分量分别定为别定为别定为别定为+1+1、-1-1和和和和0 0。第17页规范变换规范变换n n最早想要用统一地描述物理相互作用数学方法n n是德国学者H.外尔在19提出来规范变换。外n n尔注意到，似乎象麦克斯韦电磁场理论这么物理n n规律不因在时空每一点上量度时空尺度随意选n n择而有所改变，这种在时空每一点上量度时空尺n n度改变称为定域规范变换。外尔试图应用定域规n n范变换不变性原理来导出麦克斯韦电磁场理论。n n但外尔尝试没有成功，其原因在于他所用尺度n n变换只包括时空自由度改变，而电磁势改变n n则包括物质内禀自由度（电荷），这两种自由度n n是不一样。第18页量子电动力学规范变换量子电动力学规范变换n n19251925年年年年量子力学量子力学量子力学量子力学建立后，海森伯等人就注意到，在量子力建立后，海森伯等人就注意到，在量子力建立后，海森伯等人就注意到，在量子力建立后，海森伯等人就注意到，在量子力学中有一个新不变性：波函数整体相位选择有着任意学中有一个新不变性：波函数整体相位选择有着任意学中有一个新不变性：波函数整体相位选择有着任意学中有一个新不变性：波函数整体相位选择有着任意性，相因子改变性，相因子改变性，相因子改变性，相因子改变 对力学量观察值毫无对力学量观察值毫无对力学量观察值毫无对力学量观察值毫无影响。假如波函数在时空每一点上，相位作正比于电荷影响。假如波函数在时空每一点上，相位作正比于电荷影响。假如波函数在时空每一点上，相位作正比于电荷影响。假如波函数在时空每一点上，相位作正比于电荷改变改变改变改变 要求量子力学在这要求量子力学在这要求量子力学在这要求量子力学在这变换下不变，则必须有一矢量场存在，其场强恰好为变换下不变，则必须有一矢量场存在，其场强恰好为变换下不变，则必须有一矢量场存在，其场强恰好为变换下不变，则必须有一矢量场存在，其场强恰好为麦克斯麦克斯麦克斯麦克斯韦方程组韦方程组韦方程组韦方程组所描述，场量子就是所描述，场量子就是所描述，场量子就是所描述，场量子就是光子光子光子光子，它质量为零，自旋，它质量为零，自旋，它质量为零，自旋，它质量为零，自旋为为为为1 1，是传递电磁相互作用量子。，是传递电磁相互作用量子。，是传递电磁相互作用量子。，是传递电磁相互作用量子。这么，就完成了由外尔这么，就完成了由外尔这么，就完成了由外尔这么，就完成了由外尔开头尝试从定域规范变换不变性导出电磁理论工作开头尝试从定域规范变换不变性导出电磁理论工作开头尝试从定域规范变换不变性导出电磁理论工作开头尝试从定域规范变换不变性导出电磁理论工作 。第19页杨米尔斯规范场理论杨米尔斯规范场理论n n19541954年，杨振宁和米尔斯试图发展一个规范变换年，杨振宁和米尔斯试图发展一个规范变换年，杨振宁和米尔斯试图发展一个规范变换年，杨振宁和米尔斯试图发展一个规范变换理论，方便能够描述同位旋规范变换不变性。他理论，方便能够描述同位旋规范变换不变性。他理论，方便能够描述同位旋规范变换不变性。他理论，方便能够描述同位旋规范变换不变性。他们发觉，必须引进三种矢量规范场，它们形成同位们发觉，必须引进三种矢量规范场，它们形成同位们发觉，必须引进三种矢量规范场，它们形成同位们发觉，必须引进三种矢量规范场，它们形成同位旋转动群旋转动群旋转动群旋转动群 SU(2)SU(2)伴随表示。这些规范场量子伴随表示。这些规范场量子伴随表示。这些规范场量子伴随表示。这些规范场量子自旋为自旋为自旋为自旋为1/21/2，同位旋为，同位旋为，同位旋为，同位旋为1 1，电荷分别为，电荷分别为，电荷分别为，电荷分别为+1+1、1 1和和和和0 0。但他们理论碰到一个重大困难，那就是他们无但他们理论碰到一个重大困难，那就是他们无但他们理论碰到一个重大困难，那就是他们无但他们理论碰到一个重大困难，那就是他们无法得到这种规范场量子质量。而严格规范不变法得到这种规范场量子质量。而严格规范不变法得到这种规范场量子质量。而严格规范不变法得到这种规范场量子质量。而严格规范不变性要求，规范场量子是零质量矢量粒子。另一性要求，规范场量子是零质量矢量粒子。另一性要求，规范场量子是零质量矢量粒子。另一性要求，规范场量子是零质量矢量粒子。另一方面，试验中从未发觉除光子外别质量为零粒方面，试验中从未发觉除光子外别质量为零粒方面，试验中从未发觉除光子外别质量为零粒方面，试验中从未发觉除光子外别质量为零粒子。子。子。子。第20页规范场理论困难规范场理论困难n n19601960年，德国海森伯把固体物理中自发对称破年，德国海森伯把固体物理中自发对称破年，德国海森伯把固体物理中自发对称破年，德国海森伯把固体物理中自发对称破缺概念引入到粒子物理来。他认为存在在一个自缺概念引入到粒子物理来。他认为存在在一个自缺概念引入到粒子物理来。他认为存在在一个自缺概念引入到粒子物理来。他认为存在在一个自发破缺机制，使得规范场对称性受到破坏，从发破缺机制，使得规范场对称性受到破坏，从发破缺机制，使得规范场对称性受到破坏，从发破缺机制，使得规范场对称性受到破坏，从而使得规范场场量子含有能量。海森伯构想在而使得规范场场量子含有能量。海森伯构想在而使得规范场场量子含有能量。海森伯构想在而使得规范场场量子含有能量。海森伯构想在第二年取得了进展。第二年取得了进展。第二年取得了进展。第二年取得了进展。19611961年，英国剑桥哥德斯通年，英国剑桥哥德斯通年，英国剑桥哥德斯通年，英国剑桥哥德斯通发觉了一类体系，其拉格朗日函数在某种变换下是发觉了一类体系，其拉格朗日函数在某种变换下是发觉了一类体系，其拉格朗日函数在某种变换下是发觉了一类体系，其拉格朗日函数在某种变换下是一个对称，但其真空态变换却是不对称。这一个对称，但其真空态变换却是不对称。这一个对称，但其真空态变换却是不对称。这一个对称，但其真空态变换却是不对称。这就产生了对称破缺情况。但第二年，哥德斯通和就产生了对称破缺情况。但第二年，哥德斯通和就产生了对称破缺情况。但第二年，哥德斯通和就产生了对称破缺情况。但第二年，哥德斯通和温伯格、萨拉姆证实了这种对称破缺伴伴随一个无温伯格、萨拉姆证实了这种对称破缺伴伴随一个无温伯格、萨拉姆证实了这种对称破缺伴伴随一个无温伯格、萨拉姆证实了这种对称破缺伴伴随一个无质量粒子，称之为哥德斯通粒子。又是质量为零质量粒子，称之为哥德斯通粒子。又是质量为零质量粒子，称之为哥德斯通粒子。又是质量为零质量粒子，称之为哥德斯通粒子。又是质量为零粒子，真令人厌恶。粒子，真令人厌恶。粒子，真令人厌恶。粒子，真令人厌恶。第21页规范场理论转机规范场理论转机希格斯机制希格斯机制 n n真正转机出现在真正转机出现在真正转机出现在真正转机出现在19641964年。这一年，英国物理学家年。这一年，英国物理学家年。这一年，英国物理学家年。这一年，英国物理学家P.P.希格希格希格希格斯提出了一个机制斯提出了一个机制斯提出了一个机制斯提出了一个机制(希格斯机制希格斯机制希格斯机制希格斯机制)来处理规范场场量子质量来处理规范场场量子质量来处理规范场场量子质量来处理规范场场量子质量为零困难。希格斯引入了一个标量场，其场量子有质量，为零困难。希格斯引入了一个标量场，其场量子有质量，为零困难。希格斯引入了一个标量场，其场量子有质量，为零困难。希格斯引入了一个标量场，其场量子有质量，现称之为希格斯粒子。希格斯认为，这种标量场在整个宇宙现称之为希格斯粒子。希格斯认为，这种标量场在整个宇宙现称之为希格斯粒子。希格斯认为，这种标量场在整个宇宙现称之为希格斯粒子。希格斯认为，这种标量场在整个宇宙空间中处处存在。当对应于基本粒子规范场与希格斯标空间中处处存在。当对应于基本粒子规范场与希格斯标空间中处处存在。当对应于基本粒子规范场与希格斯标空间中处处存在。当对应于基本粒子规范场与希格斯标量场发生汤川相互作用时，规范场对称性就被破坏。这量场发生汤川相互作用时，规范场对称性就被破坏。这量场发生汤川相互作用时，规范场对称性就被破坏。这量场发生汤川相互作用时，规范场对称性就被破坏。这时，规范场场量子就能够有质量。而在发生相互作用过程时，规范场场量子就能够有质量。而在发生相互作用过程时，规范场场量子就能够有质量。而在发生相互作用过程时，规范场场量子就能够有质量。而在发生相互作用过程中，零质量规范场粒子在希格斯粒子影响下中，零质量规范场粒子在希格斯粒子影响下中，零质量规范场粒子在希格斯粒子影响下中，零质量规范场粒子在希格斯粒子影响下(催化催化催化催化)，与，与，与，与零质量哥德斯通粒子发生相互作用，并结合生成有质量零质量哥德斯通粒子发生相互作用，并结合生成有质量零质量哥德斯通粒子发生相互作用，并结合生成有质量零质量哥德斯通粒子发生相互作用，并结合生成有质量规范场粒子。这时哥德斯通粒子成为矢性规范场粒子一规范场粒子。这时哥德斯通粒子成为矢性规范场粒子一规范场粒子。这时哥德斯通粒子成为矢性规范场粒子一规范场粒子。这时哥德斯通粒子成为矢性规范场粒子一个纵向分量，同时也就破坏了规范场对称性。个纵向分量，同时也就破坏了规范场对称性。个纵向分量，同时也就破坏了规范场对称性。个纵向分量，同时也就破坏了规范场对称性。第22页弱电统一弱电统一n n希格斯机制对温伯格和萨拉姆而言是一个福音。温伯格和希格斯机制对温伯格和萨拉姆而言是一个福音。温伯格和希格斯机制对温伯格和萨拉姆而言是一个福音。温伯格和希格斯机制对温伯格和萨拉姆而言是一个福音。温伯格和萨拉姆早就各做了一个方案，用来对弱相互作用和电磁相互萨拉姆早就各做了一个方案，用来对弱相互作用和电磁相互萨拉姆早就各做了一个方案，用来对弱相互作用和电磁相互萨拉姆早就各做了一个方案，用来对弱相互作用和电磁相互作用进行统一描述。他们提出，假如结构作用进行统一描述。他们提出，假如结构作用进行统一描述。他们提出，假如结构作用进行统一描述。他们提出，假如结构SUSU（2 2）UU（1 1）规范场，那电磁相互作用和弱相互作用就能够统一规范场，那电磁相互作用和弱相互作用就能够统一规范场，那电磁相互作用和弱相互作用就能够统一规范场，那电磁相互作用和弱相互作用就能够统一地被表述。但这种规范场场量子都是无质量，这让他们地被表述。但这种规范场场量子都是无质量，这让他们地被表述。但这种规范场场量子都是无质量，这让他们地被表述。但这种规范场场量子都是无质量，这让他们很沮丧。现在有了希格斯机制，很沮丧。现在有了希格斯机制，很沮丧。现在有了希格斯机制，很沮丧。现在有了希格斯机制，SUSU（2 2）UU（1 1）规范场规范场规范场规范场场量子就能够在现实中表征出质量来。于是他们各自认真地场量子就能够在现实中表征出质量来。于是他们各自认真地场量子就能够在现实中表征出质量来。于是他们各自认真地场量子就能够在现实中表征出质量来。于是他们各自认真地研究了希格斯机制在研究了希格斯机制在研究了希格斯机制在研究了希格斯机制在SUSU（2 2）UU（1 1）规范场中详细所起到规范场中详细所起到规范场中详细所起到规范场中详细所起到作用，最终分别于作用，最终分别于作用，最终分别于作用，最终分别于19671967年和年和年和年和19681968年各自独立地提出了完整年各自独立地提出了完整年各自独立地提出了完整年各自独立地提出了完整弱电统一方案。弱电统一方案。弱电统一方案。弱电统一方案。n n他们提出，应该引入希格斯场是一个二分量复标量他们提出，应该引入希格斯场是一个二分量复标量他们提出，应该引入希格斯场是一个二分量复标量他们提出，应该引入希格斯场是一个二分量复标量场。当场。当场。当场。当SUSU（2 2）UU（1 1）规范场与希格斯场发生相互作用规范场与希格斯场发生相互作用规范场与希格斯场发生相互作用规范场与希格斯场发生相