物理知識系列講座（1）物理學對物質世界的基本認識

講座1——物質世界的層次、形態與基本相互作用

一物質世界的層次

在人類已研究的物質客體中，空間尺度跨越了42個數量級（如

圖1-1-1）,大體上可以分為宇觀、宏觀、介觀、微觀諸層次。通常

把分子、原子尺度以下的物質客體叫做微觀系統，把大小在人體尺

寸上下幾個數量級范圍內的物質客體叫做宏觀系統。將尺度介于宏

觀與微觀之間的物質層次叫介觀系統。大于宏觀層次的物質客體叫

宇觀系統（“宇觀”的提法在科學界是有異議的，理由是宇觀世界和

宏觀世界的物理規律在本質上并無區別，僅是尺度大小不同而已）。

從宏觀角度看，物質內部結構是連續的、而宇宙是不連續的。從宇

觀角度看整個宇宙的物質密度是均勻的，而從微觀角度看物質的內

部結構則是不連續的。

微觀客體是構成宏觀物質的基本單元如原子、原子核和基本粒

子。物質由分子（大小約lO4m）組成，分子由原子組成，原子（直

徑約又由原子核（直徑約10,5m）和繞核運轉的電子組成。

原子核由核子（質子和中子）構成，核子的組成單元是夸克。還有

傳遞各種作用力的基本粒子如光子、w粒子、Z。粒子、膠子和引力

子。各種各樣的宏觀物質最后歸結于若干個基本粒子所組成。

長度

人類山

圖1-1-1物質客體的空間尺度

80年代以來，對介觀系統的研究成為了物理學中的一個新的研

究領域。人們把介觀體系分為亞微米體系（尺寸0.1—1pm）、納米

體系（約1—100nm）和團簇（含幾十到幾百個或上千個原子、分

子、離子的聚集體，典型尺寸約小于Inm,大的尺寸也可達幾十納

米）。在這些介觀體系中，出現了許多既不同于宏觀物體也不同于微

觀體系的奇特的現象，普遍存在量子尺寸效應、小尺寸效應、表面

效應等性質。

宇觀世界是萬有引力起主要作用的世界。雖然在宏觀世界，引

力的作用被忽略不計，但天體的質量非常巨大，引力作用是支配天

體運動規律的主要原因。按尺度的規模，天體可以分為四個層次：

行星層次、恒星層次、星系層次和宇宙整體。

二物質存在的基本形態

人類對物質的認識，首先從形形色色的的物體中開始并抽象出

“實物”的概念。實物即原子、分子組成的各種固體、液體和氣體，

占據一定的空間，互不可入，有間斷性，有固定的質量，看得見，實

實在在?，F代物理證明場是除實物以外的另一種物質實在。

從本質上看，宇宙中的物質基本形態有兩種即實物和場。目前

認識的物態有固態、液態、氣態、等離子態、超密度態、反物質態

和真空態7種。固態、液態和氣態是生活中所常見和熟悉的。等離

子態是由足夠數量的正負帶電粒子組成、運動受電磁力支配的物質

狀態。宏觀上，等離子體所含的正負電荷處處相等，一般為電中性,

運動過程中表現出集體行為。它存在于電弧、日光燈、高空電離層

和極高溫度下的物體系統（如熱核反應）中，也是宇宙中物質存在

的主要形式（如恒星內部）。晚期恒星的物態是超密度態。這是由

于晚期恒星熱核反應停止，引力作用使星體收縮、密度劇增所致，

如白矮星（密度高達105—i（）6g/cm3）、中子星（密度更高達I。/一

1016g/cm3,原子外層的電子擠到原子核里去了）。反物質態是由反

粒子構成的物態，如反質子和正電子組成的反氫原子。1995年，歐

洲核子研究中心利用超高能加速器研制出了微量的反氫物質。真空

態是物質存在的最低能態，物理意義上的真空并非“一無所有”。

此外，在宇宙中還存在有大量的暗物質，我們所能觀測得到的宇宙

物質只占宇宙物質總量很小的部分。什么是暗物質？人們把宇宙間

不發光的物質即用光學望遠鏡看不到的物質統稱為暗物質。暗物質

可以分為兩類。一類是利用天體發射、吸收、反射、折射或散射電

磁波的特性，可以探測到其存在的天體物質，之所以看不見，是因

為太遠或輻射太弱。隨著觀測手段的發展，原則上是可以發現的。

如各種星際分子、新的星系、脈沖星、類星體等，都接連不斷地被

發現。它們在本質上都是由質子、中子、電子等組成，只要處于高

溫、高壓狀態，總可以發光。另一類是原則上不會發光而與電磁波

無緣的物質，這才是真正的暗物質。它們不發光，也不與光發生作

用如反射、折射和散射，也即對各種波長的光，它們是完全透明體,

但具有萬有引力。研究表明，這類暗物質占宇宙總質量的95%以上。

場是宇宙中另一種特殊的物質形態。場也有不同的形式如電磁

場、引力場。場的物質性表現在于：（1）它也象實物一樣，有能量、

質量、動量，在場中進行的過程遵循質量守恒、動量守恒和能量守

恒等物質運動規律。（2）場也以時間和空間為其存在的基本形式。

（3）場與實物可以相互轉化，如y光子在一定條件下可以變成正

負電子對，反之亦然。但場與實物的根本差別在于：實物粒子如電、

質子、中子具有不可入性或定域性，兩個實物粒子不能同時占據同

一個空間；而場具有可疊加性或彌散性，多個場可以占據同一空間；

場的粒子如光子沒有靜止質量，在真空的傳播速度不變，而實物粒

子有靜止質量且運動的質量與速度有關。場和實物粒子從不同側面

反映了宇宙世界的物質性。

從物理學中的量子場論觀點看，量子場才是物質的基本形態。

各種基本粒子都可以引進相應的量子場，量子場是具有波動性和粒

子性相結合的客體。每一種粒子聯系著一種場，各種不同粒子的場

相互疊加地充滿空間。場的最低能態稱為基態，其他能態為激發態,

不同激發態表現出各種狀態下的粒子系統包括粒子的數目和不同

運動狀態。量子場的激發表現出相應粒子的產生，退激表現出粒子

的湮沒?；閺凸捕蟮膬煞N激發態表現為動量和質量相同的正、反

粒子狀態。量子場或物質場具體可以分為三種基本場即實物場、媒

介場和希格斯場。實物場所屬的粒子有夸克和輕子（包括電子、電

子中微子、乩子、R子中微子、t子、T子中微子），夸克和輕子是實

物組成的基本單元。媒介場所屬粒子有光子、膠子、引力子和w+、

w-、Z。粒子。希格斯場是真空處于最低能量狀態下的一種量子場，

所屬粒子是希格斯粒子。希格斯粒子的作用是負責給所有粒子提供

質量。所以，物質存在歸結于場，物質粒子是場的一種特殊形態。

如電子和正電子兩種實物粒子從屬于電子場，是電子場的量子。電

子場的激發表現為正電子和電子的產生，電子場的退激表現為電子

和正電子的湮滅。退激的能量使電磁場激發，產生一對光子。光子

從屬于光子場即電磁場，是電磁場的基本粒子。不同能量狀態下的

電磁場對應不同數量的光子。當電磁場受到激發而躍遷到較高能態

時一，將出現一些新的光子。當電磁場由高能態躍遷到低能態時，將

伴隨著一些光子的湮滅。其他物質粒子類似，是它們所從屬的量子

場的激發，量子場的量子即粒子。量子場是最基本的，粒子是派生

的。斷續的粒子和連續的場統一于既具有微粒性又具有波動性的量

子場中。

三、真空一物質存在的一種狀態

真空的本質首先是狄拉克提出的，量子場論對真空又有更完整

的描述。

1.狄拉克關于真空的解釋

根據相對論能量一動量關系

E2=(PC)2+mo2c4(1-1-1)

狄拉克結合相對論和量子力學，建立了狄拉克波動方程。由該方程得

出的解有四個波函數，對應電子的四個狀態。其中兩個波函數對應兩

種自旋取向的電子正能態，另兩個波函數則對應于電子的“負能態”。

對電子每一個動量，由(1-1-1)式，能量

有兩個值即

222

E=±^(Pc)+(moc)(1-1-2)

在經典力學中，不存在負能量物體。狄拉克認為，在量子力學中

負能量有物理意義。由(1-1-2),可得到電子能級如圖1-1-1所

示，能量從-8變到-moc?,又從+moc2變至IJ+8，但不取-moc?與

+m℃2之間的值。正能態電子是實驗所能觀察到的，而負能態電子從

未觀察到。狄拉克假設，負能級都被電子填滿了，由泡利不相容原理,

正能態電子無法進入負能級。這種“負能電子?！苯姓婵??！罢婵铡?/p>

是一種負能態被填滿而正能態全空著的狀態，什么也觀察不到。只有

當負能電子海中少了一個電子即出現一個“空穴”時，才表現出可觀

察的物理效應。也就是說，少了一個電荷-e能量-m℃2的粒子，相當

于多了一個電荷+e能量+m℃2的粒子。真空中出現這樣一個粒子是可

以觀察到的。負能級中空穴又會被其它負能態電子填充，于是出現了

空穴的運動，表現為一個帶正電(+e)粒子的運動一樣。這個與電子

等質量、電荷為+e的粒子叫做“正電子”。如果給真空中負能態電子

以大于2moe2的能量(如丫光子能量)，則可使其激發躍遷至正能態,

于是出現可觀察的正負電子對(正能態正電子即負能態中的空穴)。y

光子可以產生正負電子對。反之，正負電子對相遇時會同時消失，繼

而轉變成y光子。這一過程稱為正負電子對湮沒。也即負能態一個空

穴被正能態電子填充，并以光子形式釋放出能量。

圖8-1-2電子能態

2.關于反粒子

按照狄拉克理論，真空并非“空無所有”，而是一種負能粒子海。

狄拉克預言，每一種粒子都會有相應的反粒子。1932年，安德森在

研究宇宙射線時發現了正電子。1955年，美國伯克利實驗室張伯倫

(1920-2006)一塞格雷(1905-1989)小組發現了反質子，不久又發

現了反中子。1961年，美國布魯克海汶實驗室用高能質子加速器將

質子加速到300億電子伏特進行反笊核實驗，結果發現了反笊核。

1956年，我國著名物理學家王漁昌(1907-1998)發現了反西格瑪超

子。以后其他許多基本粒子的反粒子也陸續被發現。反粒子與其對應

的粒子的質量、自旋、平均壽命、磁矩的大小都相等。如果帶電，則

兩者的電荷相反。磁矩和自旋方向也相反。各種粒子與反粒子相遇會

發生湮沒而而轉化為其它粒子，如正負電子對湮沒產生2個y光子，

不同能量下的質子和反質子相遇湮沒可轉化為冗介子或Y光子等各

種各樣的粒子，有些粒子是人們正在尋找的。

3.真空一量子場的基態

按照現代物理學基礎理論一量子場論，物質世界是由各種量子場

組成的。這些量子場系統的能量最低態（基態）就是真空。物理真空

好比一個蘊含著無窮大能量的大海，它是一切物理過程的背景和本

底，所有物理反應都在大海的上空進行。絕對平靜的海平面是對稱的。

由于激烈的物理反應，有一部分能量會擾動“海面”，一些“浪花”

從海中濺出并參與“海面”上空的反應。這就是所謂的真空激發。根

據海森伯不確定關系，在真空中的細微時空區域，能量不確定度會很

大，將出現真空的能量“漲落”。如果漲落的能量超過電子靜止質量

的兩倍，就可能引起正負電子對的產生。但這種電子對只存在于細微

的時空區域，所以是虛粒子對。如果漲落的能量更大，將可能產生更

大質量的虛粒子對。虛粒子對不是虛構的粒子，而是實在的一種粒子

狀態。如果外界不提供能量，這些虛粒子對會迅速湮沒。當外界提供

足夠能量時，真空就會被激發，而表現出可觀察的粒子效應。

前面已講過，量子場是物質的基本形態，量子場呈現多種運動狀

態包括激發態和基態，這種激發態的出現代表實粒子的產生。激發態

消失即處于基態時，代表實粒子消失。實粒子的消失并不意味著量子

場這種客體消失了，作為物質客體的量子場仍然存在，只是處于基態

而已。這種基態便是真空。因此，真空是物質存在的一種狀態，是量

子場的基態。

四物質的基本相互作用

近代物理已經證實自然界只存在四種基本力，其它力都是這四種

力的不同表現。這四種力或相互作用是引力、電磁力、強力和弱力。

1.引力相互作用引力是存在于任何兩個物質客體之間的吸引力。

如果把兩個物體看成質點，它與兩個物體的質量乘積成正比而與兩個

物體之間的距離成反比，是一種長程力。重力是地球對地面上及地面

附近的物體的引力，這種引力如此明顯是由于地球質量十分巨大的緣

故。宇宙中天體的質量很大，因此天體之間的相互作用表現的是引力。

理論研究認為，引力相互作用是由一種稱為“引力子”的媒介粒子（類

似于光子）來傳遞的。但是到目前為止，還沒有從實驗中觀察到引力

子。

2.電磁相互作用電磁力是帶電粒子或宏觀的帶電物體之間的作

用力。兩個靜止的點電荷之間的作用力遵循庫侖定律。庫侖力比萬有

引力強得多，前者大約為后者的1036倍。運動的電荷之間除了有電力

外，還會有磁力相互作用。磁力和電力具有同一本源。因此，電力和

磁力統稱為電磁力。電磁力是一種長程力。物體或粒子之間的電磁相

互作用是通過電磁場來傳遞的，電磁場的量子是光子，電磁力的傳遞

速度或電磁波的傳播速度是光速，光子的靜止質量為零。如果說引力

相互作用支配著天體的運行，那么電磁相互作用則支配著原子與分子

的世界。

3.強相互作用強相互作用只發生在一定種類的粒子之間。正是這

種力把中子和質子結合成緊密的結構，形成了原子核。這種存在于質

子、中子、介子等強子之間的作用力稱為強力，表現的是強子之間的

很強的相互吸引（強力作用占壓倒優勢的粒子叫強子），力的強度達

4

10No輕子如電子之間不會發生這樣的作用。強力是一種短程力，其

作用范圍要小于10」5米。在原子核內，強力占主要的支配地位。粒

子物理的研究表明，夸克是組成質子和中子等粒子的更基本的粒子，

強相互作用是使夸克結合成質子和中子等粒子的基本作用力。因此，

強相互作用實際上存在于夸克之間，而這種相互作用是通過一種稱為

膠子的媒介粒子來傳遞的。

4.弱相互作用弱相互作用是在研究核的B衰變時（1934年）發現

的。由于B衰變過程進行得異常緩慢，物質之間的相互作用比電磁相

互作用弱得多。費米認為，B衰變的本質是核內一個中子變為一個

質子，「衰變是一個質子變為一個中子。中子與質子可以看成核子

的兩個不同狀態，中子與質子的轉變相當于不同量子態的躍遷，在躍

遷過程中同時放出電子和中微子。B衰變中涉及不帶電粒子，因此它

不是電磁力的效果。導致產生光子的是電磁相互作用，導致產生電子

和中微子的則是一種新的相互作用，費米稱之為弱相互作用。能發生

弱相互作用的粒子種類很廣泛。弱力的力程比強力還要短，而且很弱

（兩個相鄰質子之間的弱力僅約10-2N）,作用范圍小于10/7米。弱

相互作用只在粒子之間的某些反應（如B衰變）才顯示出其重要性。

弱力是由w+、w-、Z。粒子作為傳遞媒介的，但是這種媒介子的質量

是比較大的，比質子和中子的質量還大。

4種基本相互作用的特征列于表1-1-1中，按力的強弱排序，依次

是強力、電磁力、弱力和引力。

表1-1-1四種基本相互作用力的特征

力的種類相互作用的對力的強度力程

象

萬有引力一切質點10-34N無限遠

弱力大多數粒子10-2N小于1017m

電磁力電荷IO2N無限遠

強力核子、介子等104N1015m

物理知識系列講座（1）一一物理學對物質世界的基本認識

講座2——物理學與宇宙觀

一宇宙的總體圖象與概貌

1.宇宙的整體結構銀河系太陽系

按尺度規模，宇宙天體可以分為四個層次：（1）行星層次：地球、

其他行星、太陽系小天體和其他行星系統（含星際物質），地球直徑

直徑約1.3X10-9光年（半徑6378.14公里）。（2）恒星層次：太陽、

其他恒星和恒星系統（含星際物質），太陽直徑1.5X10"光年（半徑

696100公里，是地球的109倍），太陽系范圍約ICT光年，恒星最近

距離約41光年。（3）星系層次：銀河系、各類星系和其他河外天體,

星系群（幾個或幾十個星系構成的集團）、星系團（幾百個星系構成

的集團）等系統（含星系際物質和星系團際物質），銀河系范圍約105

光年，最近的星系距離約光年，星系團大小約107光年。目前能

用望遠鏡觀測到的星系約有10"個。（4）宇宙整體：宇宙指的是什么？

哲學上對宇宙的理解與物理學或天文學的理解不同。在物理學和天文

學中，常把宇宙與總星系等同看待即銀河系及河外星系的總稱。目前

可測的宇宙范圍約1.5義10"150億）光年，是人類認識所能到達的范

圍。有人認為，在此范圍之外，還存在著無數的天體系統。從這個意

義上說，目前可測的宇宙只能稱之為“我們的宇宙”或“宇宙島”即

總星系。

天文學觀測表明，宇宙中的物質分布有強烈的結團性，從而形成

了行星、恒星、星系、星系團。在我們的太陽周圍約十萬光年的范圍

內聚集大約10"顆恒星，這就是銀河系。在銀河系外，還有大量光點，

它們并非恒星，而是類似銀河系的恒星集團（星系）。銀河系只是宇

宙中的一個普通星系，我們生活在其中的一個普通的恒星一太陽的旁

邊。

在108光年的宇觀尺度下，宇宙物質的分布是均勻的和各向同性

的。宇觀地看，我們的宇宙很簡單，它是以星系為“分子”組成的“均

勻氣體”（密度約為10-24g/m3）,星系是宇宙物質的基本單元。就好比

一箱密度均勻的氣體，盡管原子的質量集中在很小的原子核上，但從

宏觀上看，氣體的分布是均勻的。宇宙是否有中心？按宇宙學原理，

所有星系都是平權的，宇宙沒有中心。

到目前為止，用望遠鏡（包括光學的和射電的）已經發現在銀河

系外約有10"個星系，其中大的包含有1013顆恒星，小的包含有106

顆恒星。這些星系的形狀各不相同，有球型的，橢球型的，旋渦型的，

棒旋型的，還有許多稀奇古怪的不規則型的

銀河系是一個包含1X1012X10一個恒星的龐大的“旋

渦星系”，恒星分布象一個扁平的鐵餅，直徑約7萬光年，中間凸起

部分直徑約1萬光年，外部由幾條旋臂構成，我們的太陽位于離銀心

約2.5萬光年的一條旋臂上。

(a)

圖1-2-1幾種星系形狀

（a）球狀星系；（b）旋渦星系；（c）棒旋星系；

太陽系以太陽為中心，周圍有九大行星繞其轉動，從里到外依次

為水星、金星、地球、火星、木星、土星、天王星、海王星、冥王星。

行星周圍還有衛星繞其轉動。行星運行軌道為橢圓，繞太陽公轉，大

體上在一個平面上且公轉方向一致。除金星外，都以同一方向自轉。

太陽的質量占太陽系總質量的99.8%o太陽周圍還有數千個小行星、

彗星。這些星體構成了太陽系。人類所在的星球一地球從屬于太陽系,

地球離太陽的距離約1.5億公里，太陽是光、熱和能量的主要來源。

人類能夠幸運地出現和生存在地球上，主要因為：（1）地球離太陽

的距離適當，比地球離太陽距離更近的行星太熱，而比地球離太陽更

遠的行星太冷。（2）地球大小適當，引力能維系著厚度適當的大氣

圈。

2.宇宙在膨脹

天文學上的宇宙是指可觀察的宇宙，可觀察的宇宙是有限的。現

今對宇宙的總的了解是：宇宙由許多星系構成；宇觀尺度下的星系分

布均勻；各星系在不斷相互遠離。

從1909年到1914年間，美國天文學家斯里弗通過觀測積累了

15個星云的光譜資料，發現來源于大多數星云的光譜都有紅移現象。

美國天文學家哈勃在此基礎上，并根據自己多年來關于星云距離和光

譜的測量資料，于1929年宣布了他的重要發：所有星系的光譜都存

在一種“紅移”現象，而且紅移的大小與星系離我們的距離成正比。

換句話說，所有星系都在飛快地遠離我們而去，而且離我們越遠退行

速度越快，退行速度v與星系離我們的距離R成正比即v=HR。這一

結論稱為哈勃定律，比例系數H叫哈勃常數。

什么是“紅移”？各種物質發光時所發出的光譜的波長是確定的。

觀察遠方星系發出的光譜，比地球上同種物質的光譜的波長要長一

些，這種波長變長的現象稱為“紅移”（因為可見光中，波長最長的

是紅光）。為什么遠方星系發出的光會發生紅移呢？可以用多普勒效

應來解釋。所謂多普勒效應，指的是波源相對于觀測者有相對運動時，

觀測者接收的波的頻率（或波長）與波源發出的波的頻率（或波長）

不同的現象。當波源遠離觀測者運動時，觀測者接收的頻率將變低（波

長變長）。例如火車遠離觀測者而去，鳴笛聲將變得低沉。光波的多

普勒效應與機械波多普勒效應類似。星系的光譜紅移說明它正在遠離

我們而去，紅移的大小與退行速度成正比。如果認為星系的譜線紅移

是由于星系遠離我們引起的多普勒效應造成的，那么哈勃定律則給出

了一幅宇宙正在膨脹的圖景。

3.宇宙的年齡與大小

膨脹使宇宙密度降低，反推回去，宇宙膨脹必有一個密度非常大

的起點。根據現在的膨脹速度，可以推斷這種起點出現在大約100—

200億年前，這就是宇宙的年齡。在宇宙物理學看來，我們只能討論

宇宙從極高的密度過渡到現在的過程，還不能研究這個過程以前的情

況，回答宇宙開始膨脹以前的問題是將來的事。宇宙到底有多大？人

類能探索的只能是光信號能送達我們的那些星系。因此，即使宇宙的

確是無限的，但可觀測的宇宙是有限的，這種有限的大小約150億光

年。

二宇宙的起源與演化

如果宇宙正在膨脹，那么回溯過去，整個宇宙必定壓縮在一個極

小的范圍里，然后在某個時刻發生了一次“大爆炸”，啟動了宇宙膨

脹。大爆炸概念是比利時數學家勒默策于1927年首先提出的。1948

年，俄裔美國物理學家伽莫夫等人將這一概念具體化，建立了“大爆

炸宇宙論”，認為宇宙始于150億年前的一個密度極大，溫度極高的

“原始火球"，那時既沒有原子和分子，更談不上恒星和星系，隨著

宇宙空間不斷膨脹，密度減少（現在的密度約10-27千克/立方米），溫

度下降（目前絕對溫度3開左右），在這個過程中發生了一系列相變,

宇宙間的萬事萬物就是在這個不斷膨脹冷卻的有限時間里形成的。所

謂大爆炸，并非發生在三維空間中的一次爆炸，物質向虛無空間飛散,

而是空間本身的膨脹。

大爆炸宇宙模型能解釋最多的觀測事實，而且至今還沒有觀測事

實與它矛盾，因而被公認為宇宙演化的標準模型。所謂宇宙標準模型

是指以宇宙大爆炸模型為基礎，結合粒子物理、核物理、相對論、量

子物理知識對宇宙起源和演化的一種解釋。

大爆炸模型所描述的宇宙演化過程大致如下：（1）大爆炸宇宙開

始于一個奇點，溫度無限高，密度無限大，t=0時刻宇宙發生大爆炸。

在大爆炸后到10-44秒（稱為普朗克時間）的宇宙極早期，只存在量

子引力，量子效應起主要作用，四種相互作用是統一的即只有一種力。

由于今天還沒有一個較成熟的量子引力理論，這種極早期的宇宙歷史

還不能描繪出來。爆炸是如何從一個奇點狀態開始的，尚不清楚。宇

宙的故事只能從10*秒開始，此時宇宙的溫度高達1（）32開，密度是

1093千克/立方米。這時的宇宙極其簡單而對稱，10年秒標志經典宇宙

的開始。（2）最初半小時在10*秒時發生了超統一“相變”，引力

首先從統一的力中分化出來，其余三種力即弱、電磁和強相互作用力

仍然是統一的。10-35秒時，溫度降到1（）28開，宇宙半徑約3毫米，從

10-35—I。-33秒，宇宙經歷了一次暴漲過程，其直徑在10-32秒內增大了

1。5。倍，引起了數目驚人的粒子的產生。由于強力、弱力、電磁力的

統一，所產生的粒子也不可區分（如夸克和輕子可以相互轉變）。暴漲

過后，宇宙繼續膨脹，強力、弱力、電磁力逐漸分化。首先是大統一

相變發生，強作用分離出來具有分數電荷的原來自由的夸克和反夸

克迅即結合成核子及其他強子以及它們的反粒子，宇宙演化到強子時

代。然后弱電相變發生，電磁作用和弱作用分開，弱相互作用不再是

長程力，“夸克禁閉”出現，此時宇宙是粒子、反粒子、光子的混合物。

10-6秒時，溫度降到開，此時各種粒子處于不斷的碰撞、轉化、

湮滅過程之中。當宇宙繼續膨脹、冷卻，數目巨大的核子與反核子大

量湮滅，產生大量的光子、中微子、反中微子。由于早期某種原因，

夸克比反夸克稍多一些，導致核子比反核子稍多一些的后果，正是這

些湮滅后所剩下的核子組成了我們所觀測的現時宇宙。核子及所有的

重子在宇宙創生10一6秒后在數量上大大減少了，這時電子、正電子、

中微子和光子主宰著宇宙，宇宙進入了輕子時代，光子、輕子的產生、

碰撞、湮滅過程處于平衡。到1秒時，溫度下降到IO】。開，此后正負

電子大量湮滅，產生大量光子、中微子、反中微子，只剩下少量的電

子。約在1分鐘時一，溫度降到1。9開，宇宙進入輻射時代，宇宙的主

要成分是光子和中微子，以致半小時后有質量的粒子數與光子數之比

約為10%由于弱力比電磁力小得多，只參與弱作用的中微子最先“脫

耦”，此后中微子自由運動，很少與其它粒子作用。目前的一種看法

是，假如中微子有微小質量，則它們可能是宇宙中大量不發光的暗物

質的有力候選者。以后幾分鐘內，重要的事件一核聚變反應開始，中

子與質子碰撞形成笊核并放出y光子，不穩定的笊核再結合成穩定的

氫核。半小時后，宇宙膨脹，溫度大大降低，各種粒子在相互碰撞中

由于能量不夠，核聚變反應停止（直至幾百萬年后，核聚變反應再在

恒星內部發生），自然界各種粒子的豐度（質量百分比）從此遺留下

來保持到現在?，F今宇宙中可見的主要物質是氫和氫，其總質量約占

所有元素總量的99%。在各種天體上，氫與氨含量之比大致相同，質

量比大致約75：25。（3）隨后一百萬年在半小時后，宇宙中有比其

它粒子數大倍的光子，所以當時的宇宙是光子的海洋。由于這時

溫度仍然很高，光子有足夠的能量擊碎任何短暫形成的原子，把后者

的電子剝去，故當時不可能出現原子。隨著宇宙的膨脹，光子到達任

何一點（如剛剛形成的原子）時都將由于退行（退行速度隨著宇宙的

膨脹逐漸增大）引起的多普勒效應而使其波長變長而能量不斷減少.

約經過一百萬年，這些由爆炸初期產生的光子的能量已不足以擊碎或

激發原子。宇宙此時進入了退耦代，光子和原子及其它粒子相分離,

也像中微子一樣脫耦了，宇宙對光子變得透明。而光子在太空中游戈,

能量不斷減少，自身保持黑體輻射譜并隨著宇宙膨脹而一直冷卻到今

天的2.75開溫度，波長相當于微波。這就是宇宙微波背景輻射。宇

宙年齡100萬年后，溫度降到3000開，原子開始形成，但只能產生

較輕的元素（較重的元素只能在以后的恒星內部形成）。從此時起，宇

宙開始其物質為主宰的時代。大約在距今50億年之前，宇宙中大量

的氫和氨在引力的作用下，凝聚成了星系、恒星、行星……，后出現

了人類。宇宙從大爆炸演化至今約經過150億年。但是大爆炸以前的

宇宙是什么樣子？時間是否該從大爆炸時刻算起？等等，都是有待于

探索而不易回答的難題。

上述大爆炸宇宙模型之所以被科學界較普遍接受，是由于它得到

了一系列觀測事實的支持。（1）關于天體的年齡將宇宙大爆炸與炸

彈爆炸類比，炸彈爆炸時的碎片在t時刻飛離速度為R/t,對照哈勃

定律v=H0R,可見Ho的倒數為宇宙大爆炸至今的時間即宇宙年齡

1）=1山0=1.5><10"年。考慮到誤差，推知宇宙年齡在100—200億年之

間。大爆炸宇宙論認為任何天體的年齡都應小于這個宇宙年齡。目前

通過各種方法（如放射年代學方法）測得天體的年齡大約在50-110

億年之間。這些結果與宇宙大爆炸理論大體相符。（2）關于宇宙微波

背景輻射伽莫夫曾經預言，顯示100多億年前大爆炸遺跡的光子至

今存在于太空之中，宇宙間充滿著具有黑體輻射譜的殘余輻射，其波

長約1mm,溫度在5開左右。1964年，美國科學家彭齊亞斯和威爾

遜意外地發現了這種宇宙背景輻射。他們用非常靈敏的微波天線和衛

星聯絡時，發現無論天線指向何方，始終存在著微波噪聲。普林斯頓

大學的迪克等人立即意識到這一發現的宇宙學意義，認為它就是大爆

炸遺跡一宇宙背景輻射。測得其波長為7.35cm,對應于2.73開的熱

輻射。1989年，美國宇航局發射了宇宙背景輻射探測衛星，對這個

背景輻射進行了測量，觀測結果與溫度為2.73開的熱輻射理論曲線

極其吻合。觀測結果與伽莫夫的預言基本相符是大爆炸理論的一個令

人信服的證據。（3）關于氫的豐度大爆炸宇宙理論給出氫元素基本

上是在大爆炸后幾分鐘宇宙溫度為1。9開時由質子的聚變形成的。但

這一熾熱狀態時間不長，由此可算出反應產生的氫和氮的質量比約為

75：25,半小時后以大致相近的比例保持到現在。氮的豐度問題在天

文學上一直是一個難題。天然元素共有92種，它們在自然界的含量

各不相同，但奇怪的是實測的氮的豐度在不同天體上大致相同且約為

30%。這一難題用大爆炸宇宙論可得到解釋，因此宇宙中氮的豐度值

是大爆炸宇宙論的又一令人信服的證據。

需要指出的是，大爆炸理論雖然得到了重要的觀測支持，但也有

不少觀測與它給出的結果不符，于是就有其他的宇宙演化理論。旅居

美國的原蘇聯科學家林德就提出了“混沌暴漲論”，認為存在由一個

許多不同步發展的宇宙組成的大宇宙，而我們所在的這個大約一百多

億光年的宇宙只不過是眾多不同性質的小宇宙之一。人們對宇宙的認

識在不斷地發展著。

三星系、恒星的起源與演化

按照大爆炸理論，不管是從局部還是整體看，開始時宇宙中物質

的分布幾乎都是均勻的。但現時的宇宙，從大尺度看仍然是均勻的，

而從局部看則是不均勻的，存在著星系團、星系和恒星。這種結構是

如何形成的呢？目前的研究還不很成熟，現在比較流行的觀點是“引

力不穩定理論二

大約在宇宙年齡100萬年時，溫度下降到了3000開左右，物質與

光子分離形成了由中性原子構成的宇宙彌散氣體（主要是氫、氮等中

性原子），均勻彌散的物質分布狀態中總存在微小的密度漲落，也就

是說一些小區域的物質密度稍高于別處，這個小區域由于引力將吸引

更多的物質使自己的密度增加。當然，由于內部的物質處于運動之中，

因而存在內部壓強，這個內部壓強則與引力的作用相反，它趨向于使

高密度區域分裂。所謂引力不穩定，指的是物質區域的自引力超過內

部壓力而使區域密度增加的過程。這樣的區域尺寸大于某一臨界尺

寸，內部引力作用將大于內部壓力作用，從而成為凝聚中心，宇宙物

質將凝聚收縮成原星系。原星系聚集在一起形成等級式結構的星系集

團。與此同時，原星系本身又自行坍縮、出現碎裂，因碎裂出現的團

塊將演化成千千萬萬個恒星。這種過程是漫長的，要經過幾十億年的

時間。星系的自轉則是鄰近星系的潮汐作用引起的。原行星形狀不規

則，鄰近星系的潮汐作用會對它施加一個轉矩，使它獲得自轉角動量,

并且變扁。

恒星是在星系形成過程中相伴誕生的。一般認為恒星是由星云收

縮而成的。星云是星際彌散物質凝成的團塊（質量是太陽質量的數千

倍以上），團塊因引力而收縮，體積變小，密度增大，聚成球狀，溫

度上升到一定階段，向外發射不可見的紅外線。當中心密度增加到一

定程度，中心部分逐漸變得不透明，熱量就不易外逸，溫度急劇上升。

當中心溫度達到2000開時，氫分子開始變成原子，吸收大量熱量，

使壓力驟減，抵不住引力，因而中心崩陷為體積更小、密度更大的內

核。外圍形成一股強大的星風，速度達每秒幾百公里。這種作用將不

僅阻止外圍物質進一步落向中心，而且還會驅散它們。全部的星周物

質逐漸消失后，恒星便漸漸顯露面目，亮度上升。以后進入慢收縮，

溫度繼續上升。中心溫度升到700萬度以上時，便發生氫聚變為氫的

核反應。核反應所產生的輻射壓力與引力平衡時，恒星的體積和溫度

不再明顯變化，進入了一個相對穩定階段，成為一顆正常的恒星，叫

主序星。恒星從星云團塊過渡到主序星的收縮階段的天體叫原恒星，

原恒星階段經歷的時間約數千萬年到幾億年不等。主序星階段是恒星

的壯年期，在主序星上停留的時間取決于恒星的質量。恒星的質量越

大，燃燒越猛烈，演化越快，在主序上逗留的時間越短。恒星的光和

熱是靠燃燒自己的核燃料提供的。太陽的發光可以持續100億年左

右，而質量是太陽質量十倍的恒星在主序上只有3000萬年。在主序

燃燒階段，恒星質量不會有明顯變化。但當恒星中心區的氮質量約占

到整個星體質量的12%時，恒星結構會明顯變化，開始離開主序。這

時恒星的外殼仍有豐富的氫燃料。緊靠核心的包層的溫度升高到1000

萬開，氫燃燒轉移到那里進行。這又加熱周圍的殼層，引起包層膨脹,

星體半徑增大上百倍，有效溫度降低，成為又紅又大的紅巨星。恒星

到了紅巨星階段就進入了老年期。在紅巨星的中心，氫已經燃燒完，

變成一個氮核。輻射壓力沒有了，它將在引力作用下進一步收縮，溫

度又急劇上升。如果溫度高到上億開，又誘發氯核合成碳核的核反應,

類似的過程繼續下去，還將合成氧、硅等越來越重的元素，直到最穩

定的鐵為止。在恒星生命即將結束的時候，它以爆發的方式拋出含有

重元素的氣體和塵粒，這些氣體和塵粒可能是構成新一代恒星的原料

之一。據認為，太陽的年齡已有約50億年，它是由大爆炸產生的原

始氣體及前代恒星爆炸拋射到空間的物質凝聚而成。在形成時期，圍

繞著中央原恒星旋轉的冷的氣塵會坍縮成一個旋轉的薄盤，這些物質

通過相互吸引碰撞粘合，最后形成小行星、大行星、衛星等各種天體

包括地球。大約50億年后，當太陽核心的氫燃燒光時，它的膨脹會

使水星化為蒸汽、金星的大氣被吹光、地球的海洋沸騰。然后還會繼

續膨脹，并把地球吞滅。

恒星的最終歸縮與其初始質量有關。初始質量小于太陽質量8

倍的恒星最終將成為白矮星。白矮星直徑只有幾千公里，但密度非常

高（比地球上金屬的密度還要高數萬倍），溫度也非常高，使其表面

呈白熱化狀態，白矮星因此而得名。白矮星在發出輻射的同時一，逐漸

冷卻，數億年后將變成棕矮星，最后變成黑矮星。質量為太陽質量8

-50倍的恒星在核燃料耗盡后會發生極猛烈的爆炸，外層物質向星

際空間猛烈拋射，在短短幾天內亮度驟增千萬倍甚至億倍，稱為超新

星。爆發后留下的星核的尺度只有同質量的一般恒星尺度的百萬分之

一，幾乎全部由中子緊緊堆成。因為在巨大的壓力下，原子中的電子

被擠到原子核里去，和核里的質子結合成中子，故稱為中子星。快速

轉動的中子星會產生射電脈沖，故也叫脈沖星。原始質量更大的恒星

最終將變為黑洞。黑洞不是黑的，也不是一個空洞，而是一個實在的

天體。黑洞的密度比中子星更高，其萬有引力能吸引所有進入其區域

的物質，連光也不能從中逃逸出來。因為這種天體觀測不到，故稱之

為黑洞。

四宇宙中的反物質世界

我們周圍的物質世界是由質子、中子和電子組成的原子構成的。

原則上講，反質子、反中子也可以構成原子核，再配上正電子就得到

反原子，由反原子再構成反分子，直至形成反物質世界。這是因為，

反物質中的粒子具有與正物質中的粒子一樣的穩定性，遵守相同的相

互作用方式（正粒子之間的作用力和相應反粒子之間的作用力完全相

等）和運動規律，物質結構也類同。宇宙中究竟有沒有反物質？根據

宇宙大爆炸標準模型，在宇宙大爆炸初期的極高溫度條件下，完全可

以產生大量的正反質子、正反中子和正反電子，這些反粒子形成反物

質乃至反天體是有可能的。然而迄今為止，人們除了在實驗室或太空

中能發現反粒子外，還沒有找到反物質的蹤影。探索反物質存在之謎

成了科學界的一道難題。1998年，由美籍華人物理學家丁肇中領導

（美國、俄羅斯、中國等十多個國家參加）的研究小組將a磁譜儀載

到航天飛機進行太空試驗，揭開了人類探測宇宙反物質的新篇章。

為什么到目前為止還沒有找到宇宙中的反物質呢？可能有以下原

因：（1）宇宙大爆炸時產生的正反物質在開始就不對稱，正物質多于

反物質。而正反物質相遇時會產生湮沒而轉化為Y光子等粒子。宇宙

爆炸以來已經歷經150多億年，殘留的反物質已不多了。在浩瀚的宇

宙世界很難找到它們。丁肇中研究小組進行的a磁譜儀太空探測實驗

的結果表明，正電子僅為電子數的1/4,這說明宇宙大爆炸時形成的

正反物質之比可能是4比lo正反物質的湮沒反應產生的能量十分巨

大，一克反物質釋放的能量相當于數公斤核聚變物質放出的能量。如

果正反物質世界共存于宇宙，會不斷出現巨大的湮沒性爆炸。所以即

使能找到反物質，其量也是很少的。關于正反物質的不對稱，還有一

些說法。一種說法是，宇宙開始時正反粒子數幾乎相等，由于某種漲

落存在微小差別，后來大部分正反粒子一起湮沒轉化為能量，只留下

稍多一些的某類粒子的多余部分，構成了現在的所謂正物質宇宙（正

反物質是相對的）。另一種說法是，由于反粒子消亡得更快些，使得

宇宙的正物質更多一些。理由是，日本科學家在實驗中發現反B介

子比B介子衰變的時間短。（2）宇宙大爆炸后，可能由于在高溫宇

宙火球內，正反粒子存在磁相互作用，出現有序磁場使正反粒子繞強

磁場方向螺旋運動并以旋風形式從兩端拋出，大量的反物質沒有與正

物質相遇湮沒，遠離正物質到達了宇宙的另一端。我們現在的“視野”

或探測手段，還觸及不到遙遠的反物質世界，才使得我們有正反物質

不對稱的感覺。再之，由于正、反物質發出的電磁波或光譜相似，目

前的觀察手段還無法區分來自正反物質的天文信息，即使有反物質存

在也難發現。

宇宙中反物質世界存在嗎？讓我們重溫狄拉克在1933年12月

12日的諾貝爾獎授予儀式上的一個講話：“如果我們承認正負電荷之

間的完全對稱性是宇宙的根本規律，那就應該把地球上（很可能是整

個太陽系）的負電子和正質子在數量上占優勢看做是一種偶然現象。

對某些星球來說，情況可能是另一個樣子，這些星球可能主要是正電

子和負質子構成的。事實上，有可能是每種星球各占一半，這兩種星

球的光譜完全相同，以致于用目前的天文學方法無法區分它們”。宇

宙的反物質存在之謎等待著人們去揭開。

五、宇宙的未來

現代宇宙學認為，現時浩瀚的宇宙起源于大約150億年前的一

次大爆炸，它包含1250億個星系，每個星系有數千億個恒星。整個

宇宙從大爆炸時起，一直處于膨脹之中，那么宇宙的未來如何？是

繼續永遠膨脹下去，還是有一天會收縮？或者有其它命運？當然收

縮是可能的，因為各星系間存在著萬有引力，萬有引力可以減少星

系的退行速度。如果某一天退行速度減少到零，此后由于萬有引力

作用，星系開始聚攏，宇宙便開始收縮。收縮到一定時候將回到一

個奇點，又開始新的大爆炸，再膨脹，這可能嗎？下面給出可能的

分析答案。

我們已經說過，在大尺度上宇宙是均勻的?？紤]一個半徑為ro

的球體內的星系，因周圍星系均勻分布，它們對球內星系的引力相

互抵消，球內星系膨脹只受到內部的萬有引力的約束。設星系的質

量為M,球體邊界上的某星體的質量為m,該星體的逃逸速度v可

由下式給出:

2GM

mv2/2=GmM/ro,v=----(1-2-1)

r()

如果現今星系的退行速度v°2v,星系將互相逃逸而宇宙將永遠膨脹

下去。V?？捎晒浇o出即v0=H°r。。這樣，宇宙永遠膨脹下去的條

件就是v。2V即

2GM

匕)%2(1-2-2)

以P。表示現時宇宙的平均密度，則

M=4兀r03P。/3(1-2-3)

由(1-2-3)代入(1-2-2)式可得宇宙永遠膨脹下去的條件是

PO^3HO78KG(1-2-4)

263

以4=2.2義10一題一1代入上式可得Po^ixi0-kg/mo這一數值叫臨界

密度。這樣我們就可以根據現時宇宙密度來預言宇宙的命運了。那么，

現時的宇宙密度是多大呢？測量宇宙現時密度是一個相當困難的事

情。目前只能通過星系發光(包括無線電波、x射線等)來估計發光

物質的密度，這個密度比臨界密度低一到兩個數量級，看來宇宙將永

遠膨脹下去。

但有證據表明，宇宙中除了發光的物質外，還有大量的不發光的

暗物質。暗物質包括宇宙塵、黑洞、中微子。中微子曾經被認為沒有

質量，但研究表明中微子也有靜止質量，即使其質量只有電子質量的

1/105,那它們的總質量也比所有質子和氮的質量大。近年來，天文

學家認為宇宙中90%以上是暗物質。如果這樣，宇宙將來可能會收縮。

另外，天體物理學家認為，笊是大爆炸初期核反應所產生的，可以根

據宇宙中笊的豐度算出宇宙密度，計算結果表明這一密度不超過

273

10-kg/mo如果這種計算正確，宇宙又將永遠膨脹下去。

宇宙將來的情景到底如何？膨脹還是收縮？目前的數據還不足以

回答這個問題，有待于進一步探明宇宙真正的物質密度。

物理知識系列講座（1）一一物理學對物質世界的基本認識

講座3——物質世界的對稱性和統一性

物質世界在形態上具有各種對稱性，其運動規律也有對稱性。

運用對稱性思想研究客觀規律在物理學中有著重要的地位。然而,

物質世界也有不對稱的一面。對稱性的層次有高有低，還有所謂

的對稱性破缺，使物質世界變得千姿百態。物質世界的自相似現

象大量存在，它也是對稱性的表現之一。物質世界的統一性又是

與對稱性相聯系的。

一、物質世界奇妙的對稱性

對稱是人們在觀察和認識自然的過程中所建立的一種概念。

大自然的對稱表現隨處可見，千變萬化的物質世界給人們展現著

一幅幅簡單、和諧、美麗的對稱圖景。動物和人體體形、植物樹

葉、晶體空間結構、天上星辰、地上景物、房屋建筑、生活用具

等幾何形體花樣大多是空間對稱的，這一切有的是天然生成、有

的是人類根據心靈的神往精心制作而成的。白天黑夜的交替、四

季的變化；不同周期中對應的時刻，運動完全重復，這些又體現

了自然界另一類對稱性一時間對稱性。上述例子只是關于對稱性

的直觀認識。對稱性可以定義如下：對某一事物或系統進行一次

變換（或操作）；如果經變換（或操作）后，該事物或系統完全復

原，則稱該事物或系統對所經歷的變換（或操作）具有對稱性。

簡單地說，對稱性就是某種變換下的不變性。每一種對稱性都和

某種特定的變換相聯系，不同對稱性的差別反映在與之相聯系的

各種變換上，因而可以變換的性質來對對稱性進行分類。最常見、

最基本的是空間對稱性和時間對稱性以及涉及空間和時間聯合變

換的時空對稱性，其特點是比較直觀。另一類對稱性是所謂的內

部對稱性，它反映內在的和諧與協調，其特點是比較抽象。

1.時空對稱性

（1）空間對稱性

如果對被觀察對象的空間位置進行某種變換后，看起來還象

沒有變過一樣。這種幾何空間配置上的對稱性統稱為空間對稱性,

包括鏡像或左右對稱、旋轉對稱和空間平移對稱

1）鏡像或左右對稱直觀地看，一個物體在平面鏡中的像

與該物體一模一樣，物體和鏡像的各點關于鏡平面是對稱的。如

圖1-3-1所示，人的左手的像相當于右手。日常生活中遇到的對

稱性常常以這種對稱性居多，如動物體形、樹葉、蝴蝶翅膀及花

紋等。數學上可以用坐標變換來描述這種對稱性，設x軸垂直于

鏡面，原點在鏡面上，將一半圖形的坐標x變成-x,就得到另一

半圖形。我們說這兩半圖形具有左右對稱性或具有左右變換下的

不變性。左右對稱性也叫空間反射不變性?？臻g反射，就是指把

坐標軸的方向反過來。這種使空間突然反向的變換是不連續的，

所以是一種分立變換，空間反射變換簡稱P變換。表征空間反射

變換性質的特征量叫做空間宇稱（簡稱宇稱），宇稱只有正負而無

大小之分，即只有正宇稱或負宇稱。

圖1-3-1鏡像對稱

2）空間平移對稱使一個形體沿某個方向發生平移后和原

來一模一樣，則該形體具有空間平移對稱性例如，無限長直線對

沿自身方向任意大小的平移不變，無限大平面對沿面內的任何大

小的平移不變，無限長正弦波形沿波傳播方向平移一個或多個波

長后波形不變，晶體沿確定的方向平移一個該方向的原子間距不

變。上述例子中，前兩種的空間平移對稱性級次較高。從數學上

講，所謂空間平移對稱就是將描述形體幾何位置的坐標系的原點

在空間平移一定距離后，形體不變。

3）旋轉對稱如果將一形體繞某一固定軸旋轉一個角度后，

與原來的形體一模一樣，則該形體具有旋轉對稱性或軸對稱性。

圓柱體繞軸線旋轉任意角度和原來一樣,正方體繞中心軸旋轉90。、

正六邊形繞中心軸線旋轉60。后圖形不變，圓柱體具有更高級次的

對稱性。如果一個形體對過某一定點的任意軸線都具有旋轉對稱

性，則稱之為具有球對稱性，而那個定點就叫做對稱中心。具有

球對稱性的形體，從對稱中心出發，沿各個方向都沒有區別，這

叫做各向同性。天壇祈年殿、六角形雪花就是旋轉對稱的例子(圖

1-3-2)

圖1-3-2旋轉對稱

4)空間反演如果將描述形體位置的坐標系的三個坐標(x,y,z)

變為(-x,-y,-z),與原來形體一模一樣(如圖1-3-3),則該形體具有

空間反演對稱性。這相當于在鏡像對稱基礎上，繞垂直于鏡面的

軸再轉180%

(2)時間對稱性

對時間性質進行變換所對應的對稱性稱為時間對稱性包括時

間平移對稱性和時間反演對稱性。

1)時間平移對稱性如果對一個物體，在時間上平移某一時

間間隔后，和原來一模一樣，則該物體具有時間平移對稱性，所

對應的變換是計時原點的平移變換。靜止不變的體系對任意小的

時間間隔，都具有時間平移對稱性。周期性變化的體系對周期的

整數倍的時間間隔具有時間平移對稱性，或者說具有周期變換下

的不變性。在不同周期中的任意相對應的時刻，它們的狀況完全

相同，如物體的簡諧振動、波動、日出日落、花開花謝、四季變

化、潮汐等。

2)時間反演對稱性所謂時間反演，就是把時間t變換為-t

的操作，即將時間進行逆轉。我們把具有時間反演不變性的現象

叫做具有時間反演對稱性。當然在現實生活中，時間是不會倒流

的，但我們可以設想把實際發生的事件用錄像機記錄，再倒過來

放映，便會看到與正常過程相反的滑稽場面。日常生活中大多數

現象并不具有時間反演對稱性，例如一個人從樹上跳到地面，相

反的過程是從地面倒退著跳回樹上。桌上的瓷杯掉到地上變成碎

片，相反的過程是碎瓷片會自動拼湊成完整的瓷杯再跳回桌上。

實際上，也有許多理想體系具有時間反演對稱性，其錄像正放、

倒放沒有區別。例如，被認為絕對靜止的物體、無阻尼自由振動

等則如此。自由落體運動在時間反演操作下，速度反向，但重力

和加速度總是向下的，所以重力和重力加速度具有時間反演對稱

性。時間反演變換也是一種分立變換，簡稱T變換。在T變換下，

產生一個粒子變成了消滅一個粒子。

(3)時空對稱性

空間對稱性與時間對稱性常常是相互交織在一起的。如伽里

略變換和洛倫茲變換，都同時包含了時間和空間變換，這些變換

被稱為時空聯合變換。由時空聯合變換得出的不變性稱為時空對

稱性。

2.內部對稱性

關于對物體性質及其運動的研究，不僅體現在時間和空間的

描述上，還體現在一些與時間和空間相對獨立的的描述上。在一

些變換中，時間和空間坐標并未改變，由這樣的變換所得出的不

變性稱為內部對稱性。例如，黑白照相底片和印出的照片所顯示

的圖像是一樣的，如果對底片進行“黑白互換”的變換，底片就

成了照片。“黑白互換”是一種變換，但其所體現的對稱性既不是

空間對稱性，也不是時間對稱性，而屬于一種內部對稱性。在宏

觀物理范圍，內部對稱性也常常具有很強的直觀性。在微觀物理

范圍，內部對稱性的直觀性減弱，但可以用直觀的經驗和已知的

物理圖像進行想象、類比和引申。內部空間和一些內部特征量就

是這種類比引申的結果。微觀粒子的自旋就是一個內部特征量。

1925年，烏倫貝克為了解釋原子光譜，提出了電子自旋的概念。

人們把自旋看作微觀粒子自身固有的角動量，并將這種角動量想

象成是由粒子某種內部運動引起的，但描述這種運動是在帶有時

間和空間坐標的普通空間里進行的，這與以后發現的一些內部對

稱性所在的假想空間不一樣。

同位旋對稱性，就是出現在一個假想的同位旋空間，在這個

空間具有轉動不變性。1932年，海森堡建議用一種具有兩個特征

值的算符來描述質子和中子。1936年，卡森和康登明確提出同位

旋概念。中子和質子的自旋、宇稱都相同，質量相仿，只有電荷

的差別，而強力與粒子的電荷無關。因此，人們試圖把這兩種粒

子看作是同一粒子在某個內部空間中存在的兩種狀態，如同自旋

為1/2的電子在普通空間有兩種自旋取向一樣。這個內部空間就是

同位旋空間，核子在該假想空間轉動的角動量叫同位旋，質子和

中子是該空間的一個二重態。在此空間作旋轉變換時，使核子的

兩種狀態互相變換，但核力不變。核力的轉動不變性就是核子的

同位旋對稱性。核子的兩個狀態即質子和中子的區別僅在于它們

的同位旋取向不同。同位旋概念現已推廣到核子以外的粒子并有

所引申，同位旋對稱性在所有受強力支配的過程中都成立。

現代物理學家還預言了很多反映微觀世界特性的內部對稱性

的存在。實際上各種各樣的內部對稱性，都可以概括地稱為規范

不變性。規范變換有兩類：一類是變換時不涉及時空點，稱作整

體規范變換；另一類是變換時依賴時空點，稱作定域規范變換。

相應的對稱性分別為整體規范對稱性和定域規范對稱性。將整體

規范對稱性擴充到定域規范對稱性時，要引進規范粒子，相應的

場叫規范場。人們認識最早的規范粒子和規范場是光子和電磁場,

是通過將自由電子的整體規范對稱性擴充為定域時引進的。人們

所認識的規范對稱性有電荷規范對稱性、重子規范對稱性、輕子

規范對稱性、正反粒子共聊對稱性等等。正反粒子共枕變換是一

種分立變換，稱為C變換，也叫電荷共飄變換，指的是粒子和反

粒子的相互變換，表征C變換的特征量叫C宇稱，與空間反射變

換的宇稱一樣也只有正負之分。把C變換、P變換和T變換三種

分立變換聯合起來的變換叫CPT變換。CPT不變性是一個非常普

遍而完美的對稱性，它能告訴我們很多有用的東西。例如，通過

它能導出正反粒子的下述關系：相同的質量、相同的壽命、等值

反號的電荷，等等。人們公認，CPT對稱性是自然界一個十分精

確的對稱性。

把內部對稱性和時空對稱性結合在一起的廣義對稱性叫做超

對稱性，體現這種對稱性的變換稱為超規范變換，相應的假想空間

叫超空間。這種對稱性是將費米子（自旋為半整數的粒子）和玻色

子（自旋為整數的粒子）互相變換的對稱性。像質子和中子是同位

旋空間的二重態一樣，費米子和玻色子則是超空間的一個超多重

態。超對稱變換則將超多重態中的各個狀態互換，從而將費米子和

玻色子互換。將超對稱性用于統一描述強力、弱力和電磁力的理論

叫超對稱大統一理論。將超對稱性用于弦理論，就是所謂的超弦理

論。在普通的粒子場論中，粒子是當作一個點來描述的。而在超弦

理論中，認為粒子是長約10-33厘米的弦，弦的一種振動方式對應一

種粒子。超弦理論有可能解釋包括引力在內的所有自然力。到目前

為止，人們對超弦理論有不同的看法，有人相信、有人懷疑、有人

否定?？傊依碚撾x現實世界還很遙遠。

二、對稱性與守恒定律物理定律的對稱性

前面討論了物質世界的對稱性及其分類。人們在熟悉對稱性

概念以后，則希望搞清對稱性和自然規律的內在關系。在物理學

中，具有更深刻意義的是物理定律的對稱性。物理定律的對稱性

指的是經過一定的對稱變換或操作后，物理定律的形式保持不變。

物理定律的對稱性也叫做物理定律的不變性。人們在對物理現象

的研究中，逐漸發現物理學守恒定律與客觀世界的對稱性有著密

切的聯系。德國女數學家內特爾證明了一條重要而普遍的定理即

內特爾定理：對應于每一種對稱性，必然對應存在一條守恒定律;

反之，對于每一個守恒定律，則有一個對稱性。實際上，對稱性

和守恒定律是表達自然界圖景的兩種不同方式，它們共同豐富了

人類對自然界的認識。某一對稱性必然導致系統的某一動力學可

觀察量的守恒性，每一個守恒定律都有一個在某個變換下保持不

變的物理量即守恒量，找到了這些守恒量，能給人們在研究物理

過程時帶來方便，使問題的處理變得簡單。

1.宏觀世界的守恒量

在宏觀世界，能量、動量、角動量、質量、電荷是守恒量，

相應的有能量守恒定律、動量守恒定律、角動量守恒定律、質量

守恒定律、電荷守恒定律，下面簡述它們對應的對稱性。

（1）空間平移對稱性與動量守恒定律

設想我們在空間某處做一個物理實驗，然后將該套儀器連同影

響該實驗的一切外部因素平移到另一處。如果給以同樣的初始條

件，實驗將以同樣的方式進行。這說明物理定律沒有因平移而發生

變化。這就是物理定律的空間平移對稱性。由于它表明空間各處對

物理定律是一樣的，所以又叫做空間的均勻性。空間的均勻性或空

間平移對稱性與動量守恒定律是對應的。

現以一簡例說明空間平移對稱性與動量守恒定律的關系。設體

系由兩個有相互作用粒子組成且只限于在X軸上運動（圖1-3-4）,

兩粒子的位置分別為Xj、X2。當體系發生一平移x'后，兩粒子的位

置分別為X1+X'和X2+X',兩粒子距離在平移前后均為X=X2-XL

由于空間的均勻性意味著勢能與X'無關（平移下保持不變），所以

勢能只能是兩粒子距離的函數，即U=U（X）=U（X2-Xl.）。設粒子1受

力R,位移為dxi,根據勢能的定義（勢能的減少等于保守力的功）

有，-儀7=月色即

耳=-半（/不變時）K=-亞或

dx、-1ar

于是粒子1受的力為：

au_audx_au

E=-(8-3-1)

SX]dx5Xjdx

粒子2受的力為：

au/Udx_eu

E=(8-3-2)

5X2dxdx2dx

由上兩式得：

FI+F2=0(8-3-3)

再根據牛頓定律

我㈣F=至(8-3-4)

1dt2dt

所以

、_d(pp)_

dp+也l+2(8-3-5)

dtdtdt

即兩粒子體系的總動量（PI+P2）不隨時間變化，這就是動量守恒。

X1

人1入x.+x

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