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龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 物理学中的“衔尾蛇” 作者：万鸿飞 来源：《理科考试研究·初中》2015年第03期 高中物理绪论课介绍物质的研究对象时，经常会使用这幅彩图（图1），图中的蛇形象非常奇怪，蛇头咬住蛇尾，人们称之为“衔尾蛇”.衔尾蛇，作为世界上最为古老的神话符号之一，在不同的文明中有不同的象征意义.物理学中，这条蛇则形象地表示物理研究对象的尺寸层次；蛇头和蛇尾分别代表物质形态的两种极限——宇宙与粒子.随着现代物理的发展，我们了解到宇宙学问题的解决依赖于粒子物理的发展，而宇宙又是粒子物理的天然实验室，它们的关系亦如这条蜷缩成圆形的蛇.2013年是蛇年，本文试图从物理学的角度认识这条巨蟒，所谓蛇年话蛇. 山外有山，天外有天，太空浩瀚，宇宙究竟有多大？日出日落，昼夜复始，冬去春来，宇宙究竟有没有开端？世上万物，异彩纷呈，形态各异，是否存在普遍的规律？从古至今，人们一直在探寻这些问题的答案.现代的标准宇宙学模型告诉我们，宇宙起源于大约137亿年前一次大爆炸，从此有了时间和空间. 一、宇宙的起源与演化 现代宇宙学普遍接受大爆炸理论（Big-bang Theory），该理论的主要观点认为，宇宙起源于大约137亿年前的一次大爆炸，最初，宇宙的全部物质和能量都处于致密的状态，随着时空膨胀，宇宙的温度不断降低.宇宙早期的极高温度在今天的实验室中难以完全再现，有关的研究成果还处于理论探讨阶段.然而在当今世界上能量最高的对撞机——大型强子对撞机（LHC）上，已经能够复现出在14TeV（14万亿电子伏特）的能量范围内的物理过程，随着科学技术的发展，加速器能级的提高，人类完全可以做到在实验室中模拟出宇宙大爆炸初期的场景. 宇宙演化图像是建立在近代基本粒子物理学的进展和天文观测的基础上的，标准宇宙模型并不像广义相对论或量子力学那样主要由某个或几个物理巨匠建立完成的. 二、物质世界的尺度和分类 按照研究对象的尺度，我们把物理学大致分为微观物理、介观物理、宏观物理以及宇观物理四个层次. 在宇宙大爆炸初期，宇宙中只存在有夸克、胶子、光子等基本粒子，随着温度不断降低，重子、介子等粒子相继合成，这些粒子尺度均在10-15 m以下，属于粒子物理研究的范畴.因为龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 任何物质都是由这些基本粒子构成的，所以物理学最基本的规律是在这个领域建立起来的.将这些基本规律应用于其他层次的研究对象，可以得到各种等效的、更方便应用的规律. 当物质尺度达到10-9 m～10-5 m量级时，物理学研究就进入了介观物理范畴，例如我们熟悉的纳米材料，少量分子构成尺度在纳米量级，这种对材料学的研究则是凝聚态物理学当中一个典型的研究内容；构成我们生命基础的蛋白质、DNA等高分子化合物，以及细胞等也属于介观物理学研究范畴，而且这也是生物学研究的一个重要领域. 大约在45亿年前，我们的太阳系已经基本形成，约10亿年后地球上开始出现最基本的生命体.人类选择与自身大小相适应的米（meter）作为长度的基本单位，于此长度相当的研究对象为宏观物体. 现在向大尺度出发，离我们最近的研究对象是山川地体、大气海洋，尺度的数量级在103 m～107 m范围内，从物理学的角度看，这属于地球物理学的研究领域.更大尺度上，大到整个星体、星系甚至整个宇宙. 综上所述，在物理学中，研究对象的空间尺度就如图1所示从10-15 m到1026共跨越了42个数量级， 有人把这称作“宇宙的42个台阶”. 三、蛇头为何衔尾？ 粒子物理学与宇宙学分别研究自然界中尺度最小的基本粒子与尺度最大的宇宙.然而，如此悬殊的空间尺度怎会如衔尾蛇一般“缠绕”在一起呢？原因总结如下： 对早期宇宙的研究需要粒子物理的知识.早期宇宙的主要成分是基本粒子与高能辐射场，尺度也很小，如在宇宙刚诞生的10-34秒，其大小约为10-25米.在宇宙早期的不同时间段进行的不同反应过程都可以通过粒子物理理论得出，而正是这早期宇宙的行为决定了之后宇宙演化的进程.除了早期宇宙的研究之外，对天体物理理论的检验需要粒子物理充分的认识.恒星坍缩理论曾经预言：Ia型超新星的引力坍缩过程产生大量中微子.在1987年2月23日超新星SN1987A爆发，4个分布在亚、欧、美三大洲的地下粒子物理实验装置在相同的时间内分别记录到了2至11个瞬时的中微子事例.这个历史性事件首次验证了恒星坍缩理论，宣告了星系中微子天文学的诞生. 暗物质与暗能量是近十年来粒子物理与宇宙学共同的难题.现代天文学通过引力透镜、宇宙的大尺度结构的形成以及微波背景辐射等 研究表明：我们现在已知的宇宙中，重子物质（就是我们平时见到的普通物质，下到桌椅食物，上到各种星体）只占4%，暗物质占23%，暗能量占73%，这73%的暗能量导致宇宙加速膨胀.为了在宇宙中寻找暗物质，国际上有很多直接与间接探测暗物质粒子的实验. 龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn 就这样，物理学中研究对象两个极限尺度的分支——宇宙学和粒子物理学，竟奇妙地衔接在一起，结成了密不可分的姊妹学科，犹如一条怪蟒咬住自己的尾巴. 物理学是一门自然科学，旨在探索自然界的奥秘.随着时代的发展，物理学被细分为许多分别研究不同层面问题的分支学科，然而，近几十年来，不同尺度层次的分支学科之间开始互相浸透，产生出许多新的交叉学科，如粒子天体物理学、粒子宇宙学、中微子天文学、医学物理学等等，这些分支既相互独立又紧密联系在一起，对现代物理学的发展做出了重要贡献. 本文来源：https://www.dywdw.cn/34cf95422bf90242a8956bec0975f46526d3a760.html
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2023-04-20
