老子与粒子物理学

第五章 老子与粒子物理学 ................................................................................................... 2

一、粒子物理学简述 ....................................................................................................... 2 1，基本粒子概说 ............................................................................................................. 2 1.1 基本粒子分类 ............................................................................................................ 3 1.2 基本粒子的物理特征和现象 .................................................................................. 4 1.2.1 大小形状 ............................................................................................................... 4 1.2.2 寿命 ....................................................................................................................... 4 1.2.3 质量 ....................................................................................................................... 5 1.2.4 自旋、同位旋 ....................................................................................................... 5 1.2.5 电荷 ....................................................................................................................... 5 1.2.6 放射与衰变 ........................................................................................................... 6 1.2.7 湮灭与产生 ........................................................................................................... 6 1.2.8 对称与守恒 ........................................................................................................... 7 1.2.9 运动与振动 ........................................................................................................... 7 1.2.10 相互转化 ............................................................................................................. 8 1.2.11 标准模型 ............................................................................................................. 8 2，四种相互作用及其统一 ............................................................................................. 9 3，量子理论 ................................................................................................................... 11 3.1 量子论 .................................................................................................................... 11 3.2 量子力学 ................................................................................................................ 12 3.2.1 德布罗意波（波粒二象性）及其验证 ............................................................. 12 3.2.2 不确定原理（测不准关系）与互补原理 ......................................................... 13 3.2.3 EPR论证和贝尔不等式 .................................................................................... 13 3.2.4 量子电动力学 ..................................................................................................... 15 3.3 量子场论 ................................................................................................................ 16 3.3.1 场、统一场、量子场 ......................................................................................... 16 3.3.2 量子场论中的真空 ............................................................................................. 17 4，弦和超弦 ................................................................................................................... 19 5，以太与波 ................................................................................................................... 20 6，电和磁 ....................................................................................................................... 22 二、老子与粒子物理学比较 ......................................................................................... 24 1，道（象）与真空、场、以太 ................................................................................... 24 1.1 “象”的一些基本情况 ........................................................................................ 24 1.2 “象”与真空 ........................................................................................................ 25 1.3 “象”与场 ............................................................................................................ 26 1.4 “象”与以太 ........................................................................................................ 27 2，道（“象、物”）、“一、二、三”与基本粒子 ....................................................... 28 2.1 形态与结构——“象、物”与丝弦、点粒子 ...................................................... 28 2.2 形态与结构——“一、二、三”与丝弦、点粒子 ............................................ 30 2.3 “一、二、三”与基本粒子的一些性征 ............................................................ 34 2.3.1 大小、稳定性、寿命 ......................................................................................... 34 2.3.2 振荡、旋转、移动、碰撞、运动的永恒性 ..................................................... 35 2.3.3 产生、消亡、转化、统一性 ............................................................................. 36 2.3.4 质量、能量、质能守恒、质能关系、连续性、量子化 ................................. 39

2.3.5 波粒二象性、不确定原理 ................................................................................. 44 3，“象”与四种相互作用、统一理论、统一场、波动与传播 ................................. 46 3.1 强、弱相互作用 .................................................................................................... 47 3.2 电磁相互作用与电磁波 ........................................................................................ 48 3.3 引力相互作用与引力波 ........................................................................................ 52 3.4 统一理论 ................................................................................................................ 55 4，“物、一、二、三”与基本粒子对应关系探讨 ..................................................... 58 4.1 “一”与电子、电磁性 ........................................................................................ 60 4.2 “物”与短命粒子 ................................................................................................ 63 4.3 “三”与质子 ........................................................................................................ 64

第五章 老子与粒子物理学

一、粒子物理学简述 1，基本粒子概说

大千世界、纷纭万物到底由什么组成？经验世界中实物可以分割，那么实物是不是可以无限分割下去，以至无穷？古希腊人提出了原子

（意谓不可再分）说，古印度人提出了极微说，我国先秦也有“至小”、“气”（由不可察见的极小微粒形成）、“端”的观点。希腊人富于想象力的观念在近

代科学中生根开花，结出了累累硕果。

十九世纪初，英国科学家道尔顿在化学实验基础上，将古旧的原子概念予以修正（法国科学家拉瓦锡此前也曾重新定义原子），原子一词正式进入科学领域。在一段时期内，原子被视为构成物质的基本粒子，亦即不可再分的最小单位。十九世纪八十年代，斯托尼提出了电子概念，用于解释电现象，认为电子是电（电荷）的基本单元，附着在物体上，物体就带电。不久，汤姆森就在实验中证实了电子的存在。十九世纪末，汤姆森又明确提出原子是一个实心小球，逐渐地，类似点状的粒子图像广泛传播，深入人心。1912年，卢瑟福在实验中发现了带正电的原子核，是原子的组成部分，比原子更细微。由此，原子失去了基本构成单元的地位，几年后他又在实验中发现了质子（也就是氢原子核），并预言了中子的存在，后者被查得威克于1932年的实验所证实。于是，原子由带正电的原子核与绕核高速运动的带负电的电子构成，由于电子高速运动，形成云雾状态，故称电子云。原子核则由带正电的质子和不带电的中子结合而成，再加上早前就确证了的光子，这就是人们熟知的微观粒子图景。在这个图景中，原子、原子核、电子、质子、中子等都被视为点状（小圆球）粒子，而光子、电子、质子、中子就是这个时代认为的不可再分的基本

粒子，他们构成了大千世界。但在1964年，盖尔曼和茨威格又分别提出了中子和质子由更细微的粒子——盖尔曼称为夸克——组成，目前未经实验证实（未发现单独存在的夸克。物理学家认为夸克是被幽禁的，因为强相互作用力太大，

实验室中无法把夸克从束缚态中轰击出来。已在实验中发现了间接的存在证据）。

目前一般将微观物质世界分成这几个层面，分子、原子、原子核、基本粒子。粒子物理学或称高能物理学，是研究基本粒子的运动、性质、结构、相互作用和相互转化的物理学分支。

二十世纪二十年代，狄拉克从理论上预言了反电子（正电子，带正电荷），1932年被实验证实。此后，又陆续发现了反质子、反中子。在随后的大量实验中，发现所有粒子都有他的反粒子。所谓反粒子，是指与其对应的粒子在质量、自旋、平均寿命方面相同，但是电荷、重子数（一种表

征重子性质的量子数，是为了描述质子等稳定性粒子而提出的参数，重子数在相互作用过程中具有守恒性，已为实验证实。轻子数与重子数相仿）、轻子数（一种表征轻子性质的量子数）、奇

异数（一种表征奇异粒子的量子数，据称奇异数在弱相互作用过程中可以不守恒）等量子数异号（用+、-符号进行区别）的粒子。在实验中，正反粒子碰撞后都发生“湮灭”，粒子消失了，变成不同能量（即不同频率）的光辐射或者说波动。人们猜测，存在着由反粒子构成的反物质，然迄今未曾发现。

1.1 基本粒子分类

物理学史中，基本粒子的所指、数量不断变化。今日物理学里，基本粒子一词已不太常用，而代之以粒子一词（本书中，粒子和基本粒子指称相同）。上个世纪以来，发现的基本粒子有数百种，其中绝大多数是在高能加速器的碰撞实验中发现的（制造的），并且绝大多数是强子，约占95%。目前，一般将基本粒子分为三大类：

轻子：不参与强相互作用（见下文四种相互作用），只参与弱相互作用、电磁相互作用以及引力相互作用的粒子，包括电子、μ子（渺子，π介子衰

变的产物）、τ

子（陶子，在对撞机上发现）、中微子。轻子最初是因其质量较轻

而得名，后来发现的轻子，有的质量超过了强子。轻子的自旋数为半整数。

轻子中电子和μ子只是质量有别（μ子的质量是电子的200多倍），其他的性质是相同的。为何如此，目前尚不知晓。

强子：参与强相互作用的粒子，也就是说凡被强相互作用影响、受强相互作用的粒子都称为强子，已经发现的粒子绝大多数都是强子。在标准粒子模型（物理学中的模型是一种理论建构、科学假设。是在观测事实以及经过验证、

被认为真的物理学理论基础上，以数学、逻辑、形象化、类比性等形式建立的系统性抽象性假想。

模型不仅能够解释已有的基本现象、事实，一般还具有预言功能。目前，物理学前沿领域充斥着形形色色的模型，例如这里的标准粒子模型、下文的大统一理论、宇宙学中的大爆炸模型等等）中，

强子由夸克、反夸克和联结他们的胶子组成，人们熟知的中子和质子以及不太知晓的超子（质量超过核子——中子、质子——且寿命较长的重子）都属强子。强子有两类，即重子和介子。重子是指由三个夸克组成的粒子（如质子和

中子在标准模型中都由三个夸克组成。三个反夸克组成的称为反重子），自旋数为半整数，

因其质量大于轻子和媒介子而得名重子。介子的质量在轻子与核子之间，故得名介子，介子由一个夸克和一个反夸克构成，自旋数为整数。

媒介子：传递相互作用力的粒子，也称规范粒子。分别是光子（传

递电磁相互作用）、胶子（传递强相互作用）、引力子（传递引力相互作用）、中间玻色

子（W玻色子和Z玻色子，传递弱相互作用）。

尚有另外的基本粒子分类，从略。

强子和轻子是组成宇宙物质的基本单元，都是在实验观察中发现且被证实的，而媒介子（引力子和胶子尚待验证）主要是传递相互作用力。

除了上述粒子之外，尚有希格斯玻色子（又称上帝粒子，是标准粒子模型预

言的粒子，在模型中是所有粒子的质量来源）以及形形色色物理学理论（模型）所预

言的粒子，如超对称粒子、磁单极子等等，尚待实验验证。

1.2 基本粒子的物理特征和现象

1.2.1 大小形状

基本粒子的尺寸非常小。如原子半径约在10?10米数量级，原子核半径约1.5×10?15米，质子半径约0.9×10?15米。目前的测量仪器尚无法直接看到亚原子粒子，自然也无法直接测量其半径，均是通过间接方法推定。

基本粒子一般都被当成点状粒子看待（现在认为中子和质子具有内部结构，不

是点粒子），这是基于经验的理想化抽象图式。另外，在物理学中，同一

类粒子如电子、质子等被当成全同粒子，其内禀性质完全一样。

1.2.2 寿命

基本粒子的寿命（静止时的寿命）相差悬殊。光子、电子、中微子、质子的自然寿命被认为是无限长，自由中子（单独的自然状态下的中子，不是指与质

子结合形成原子核中的中子）的寿命约

15分钟，μ子约10?10秒，其余的10?10~-23

秒。尤其是高能加速器中诞生的共振态强子，大致都在10?24秒级。这

样的瞬间生灭，用仪器是无法测得和度量的，一般都是根据测不准原理推算。

1.2.3 质量

粒子物理学中，质量是指静止质量（由于物理学认为质量和能量可以互转，故

通常以百万电子伏特（MeV），等于1.78×10

?30

千克；十亿电子伏特（GeV），等于1.78×10

?27

千

克来表示）。基本粒子的质量非常小，如电子的质量不到

10?30千克，质子

质量是1.673×10?27千克，中子比质子略重、是1.675×10?27千克，光子的质量为零，中微子的质量也趋近于零（也有认为是零），τ子的质量是2.86×10?27千克。粒子的质量虽然小，但密度却非常高，如核子可以达到每立方米1017千克。

1.2.4 自旋、同位旋

基本粒子都在绕自己的轴线旋转，犹如陀螺一般（事实上，自旋是一个形

象化类比，最初是为解决电子磁矩而发明，后来发展为粒子的内禀角动量）。自旋是粒子的

内禀性质，终生不易。自旋一般用自旋数表示，自旋数取半整数（量子化），如0、1/2、1、3/2、2??（已知的粒子，自旋数为整数者最大是4，自旋数是半整数者，

最大是11/2，但也有不同说法）。自旋数越大，旋转越快，角动量越大。自旋数

为0，是指在各个方向“观看”，其性状都一样。自旋为1的粒子旋转360度一样，自旋为2的粒子旋转180度就一样，自旋为1/2的粒子旋转2圈才会一样。自旋数为整数者（包括0），称为玻色子，自旋数为半整数者称为费米子。电子、中微子、质子、中子、超子以及尚未确证的夸克，自旋数是1/2；光子自旋数为1；假设的引力子自旋数为2；介子自旋数为0或整数。自旋数为半整数者构成了物质世界，自旋数为0或整数者传递相互作用力。费米子有一个特点：一个系统中，不能有两个或两个以上的费米子处于相同状态，亦即全同费密子组成的系统，不能有两个或两个以上的粒子同时处于相同的单粒子态，这也就是泡利不相容定律（原指一个原子中不能容纳运动状态完全相同的电子，是在解释实验现象时提出的，

复经过许多实验验证，属于统计规律）。玻色子则不受此定律限制。

自旋之外，尚有同位旋。这是为了解释中子和质子的相近性（假定中

子和质子本是同一种粒子，但因为一个带电一个不带电，所以显得不同了）而提出的在抽象

空间中的“角动量”，本是一种理论虚设，但在推广到其他粒子后却发现了更为广阔的适用性，被概括为同位旋守恒，据说验证无误。

1.2.5 电荷

电荷指带电粒子（带电物质）所带的电量，有正电荷与负电荷两种。电荷具有最小的单位，谓之基本电荷。电子带负电，电量是一个电荷，

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