粒子與宇宙1．“基本”粒子不基本1897年湯姆生發現電子，1911年盧瑟福提出原子的核式結構。繼而我們發現了光子，并認為“光子、電子、質子、中子”是組成物質的不可再分的粒子，所以把它們叫“基本粒子”。那么隨著科學技術的發展“它們”還是不是真正意義上的“基本”粒子呢？發現了電子、質子和中子后，許多人認為光子和它們是組成物質的“基本粒子”。逐漸發現了數以百計的不由質子、中子、電子組成的新粒子；又發現質子、中子等本身也有自己的復雜的結構。從20世紀后半期起，就將“基本”二字去掉，統稱為粒子。19世紀末都認為原子是組成物質的最小微粒。20世紀30年代以來，人們在對宇宙射線的研究中陸續發現了一些新的粒子。1932年發現了正電子1937年發現了

子1947年發現了K介子和介子后來還發現了一些粒子，質量比質子的質量大，叫做超子。2．發現新粒子粒子加速器使帶電粒子加速到很高的能量，有助于發現更多的新粒子。反粒子質量、壽命、自旋等物理性質相同而電荷等其他性質相反的粒子。電子正電子質子反質子反物質粒子的分類按照粒子與各種相互作用的不同關系，將粒子分為三類。現在已經發現的粒子達到400多種。強子：參與強相互作用的粒子。例如：質子。強子又分為介子和重子兩類。輕子：不參與強相互作用的粒子。例如：電子和電子中微子、μ子和μ子中微子、τ子和τ子中微子。每種輕子都有對應的反粒子。τ子質量比核子大。現代實驗還沒有發現輕子的內部結構。媒介子：傳遞各種相互作用的粒子。如：光子、中間玻色子、膠子。分別傳遞電磁相互作用、弱相互作用、強相互作用。粒子媒介子輕子(6種)強子光子（傳遞電磁相互作用）膠子（傳遞強相互作用）電子電子中微子μ子和μ子中微子τ子和τ子中微子質子中子介子超子上夸克下夸克奇夸克粲夸克底夸克頂夸克夸克3．夸克模型1964年物理學家蓋爾曼提出夸克模型，認為強子由更基本的成分組成，這種成分叫做夸克quark。夸克模型經過幾十年的發展，已被多數物理學家接受。六種夸克：上夸克u、下夸克d、奇異夸克s、粲夸克c、底夸克b、頂夸克t。夸克帶電荷為元電荷的2/3或-1/3倍。每種夸克都有對應的反夸克。夸克模型指出電子電荷不再是電荷的最小單位，即存在分數電荷。到目前為止，人們已經從實驗中發現了所有6種夸克及其反夸克存在的證據。科學家直到今天都還未捕捉到自由的夸克。夸克不能以自由的狀態單個出現，這種性質稱為夸克的“禁閉”。能否解放被禁閉的夸克，是21世紀物理學面臨的重大課題之一。1995美國費米國家加速器實驗室證實了頂夸克的存在。物理學中有一個非常有趣的現象：研究微觀世界的粒子物理、量子理論，與研究宇宙的理論竟然相互溝通、相互支撐。正如諾貝爾物理學獎獲得者格拉肖所說：“隱藏在原子內心的，是宇宙結構的秘密。”4．宇宙的演化大爆炸理論(TheBigBangTheory)宇宙從一個“奇點”爆炸產生大爆炸之后約10-44s，溫度為1032K，產生了夸克、輕子、膠子等粒子。大爆炸后約10-6s，溫度下降到1013K，夸克構成了質子和中子等強子，成為強子時代。再晚一些時候，溫度下降到1011K，只剩下少量夸克，而自由的光子、中微子和電子等輕子大量存在，成為輕子時代。溫度下降到109K，中子和質子結合成氘核，并很快生成氦核，同時有氚核、氦3等其他輕核生成，成為核合成的時代。大爆炸1萬年之后，溫度降到104K，宇宙由電子、質子和氦核的混合電離氣體組成。溫度降到3000K，電子和質子復合成為中性的氫原子。繼續冷卻，質子、電子、原子等與光子分離而逐步組成恒星和星系。人馬座礁湖星云天蛇座老鷹星云獵戶座馬頭星云麒麟座玫瑰星云獵戶座女巫星云5．恒星的演化恒星的搖籃——星云我們的太陽全天最亮恒星——天狼星(其伴星是一顆白矮星)質量不同的恒星，安定時間的長短不同，它們壽命的長短取決于其自身的質量。五分之一太陽質量的恒星，為1萬億年；和太陽質量相同的恒星，為100億年；十五倍太陽質量的恒星，為2000萬年。這是因為質量大的恒星內部雖然有更多的氫燃料，但是它內部的溫度和壓力也相應更高，這使核聚變反應的強度也成倍增大，氫的消耗比小質量恒星快得多，因而它們的光度也大。這導致質量大的恒星壽命反而要短于質量小的恒星。壯年期的恒星紅巨星當內部氦核心被點燃后的恒星的爆發不穩定期——紅巨星、恒星的爆發拋射質量后，如果剩下的燃料無法點燃，而核的質量小于1．44個太陽質量（錢德拉塞卡極限），這顆恒星便可能演化成為白矮星。由于引力十分巨大，核外電子被緊密壓縮，密布在原子核周圍，依靠電子間的斥力抵抗引力,處于一種超密狀態，其中一個火柴盒大小的物質，如果能拿到地球上來,就重達1噸左右。人馬座鉆石星，這塊鉆石直徑是4000公里，質量2千億億億噸。太陽在70億年后，也將變成類似的鉆石。恒星的死亡（一）——白矮星對于大質量的恒星，由于引力巨大，氫燒完后，引力導致的坍縮會十分猛烈，這時，大量的能量瞬間爆發出來，恒星的亮度瞬間爆增上千萬倍，乃至上百億倍，這就是超新星爆發。一顆超新星在爆發時輸出的能量可高達1043焦，這幾乎相當于我們的太陽在100億年時間里輸出能量的總和。超新星爆發時，拋射物質的速度可達107m/s，超新星并不是新的星，而是恒星死亡的綻放。金牛座蟹狀星云是1054年爆發超新星的遺骸大麥哲倫星云1987A超新星瞬間的絢爛（二）——超新星爆發超新星爆發后，如果剩下的核的質量在1．44—2個太陽質量（奧本海默極限）之間。巨大的引力使得電子的斥力也不足以對抗，電子被壓入原子核，整個恒星成為一個中子球，依靠中子間的斥力對抗引力。它的直徑只有10千米左右，其密度特別大，1立方厘米可達1億噸以上，自轉特別快。也叫脈沖星。白矮星、地球和中子星大小的比較恒星的死亡（三）——中子星質量超過奧本海默極限的致密天體，中子的簡并壓力不足以抗衡引力，這個天體還要坍縮,它坍縮的結果會變成一種非常特殊的比中子星更致密的天體——其體積無限被壓縮，以致其第二宇宙速度超過光速，光也無法從其內部逃出，所以叫黑洞。錢德拉望遠鏡拍攝黑洞攻擊星系照片恒星的死亡（四）——黑洞大爆炸理論的主要觀點是認為我們的宇宙曾有一段從熱到冷的演化史。早期只有中子、質子、中微子等一些基本粒子形態的物質。當溫度降到幾千度時，輻射減退，宇宙間主要是氣態物質。

溫度下降到,核合成的時代。繼續冷卻,逐漸形成恒星和星系。

類別相對強度力程(m)作用時間(s)參與離子強作用1<10-1510-23強子電磁作用~10-2長程10-20~

10-16強子輕子光子弱作用~10-13<10-17~10-8強子輕子引力作用~10-39