Quarks, Leptons and the Big Bang pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:CRC Pr I Llc

作者:Allday, Jonathan

出品人:

页数:426

译者:

出版时间:2001-12

价格:$ 54.18

装帧:Pap

isbn号码:9780750308069

丛书系列:

图书标签:

• 物理学
• 粒子物理学
• 宇宙学
• 大爆炸
• 标准模型
• 夸克
• 轻子
• 高能物理
• 现代物理学
• 宇宙起源

宇宙的深层结构与演化：从基本粒子到宇宙图景 一、 引言：物质的终极探寻 人类对自然界的理解，始终围绕着一个核心问题：构成我们世界的最基本单元究竟是什么？从古希腊的“四元素说”到近代化学的元素周期表，再到二十世纪初原子核的发现，我们对物质的认识不断深入，剥去了层层外壳，直抵物质的“原子”之境。然而，原子并非终点。原子核内部更存在着奇特的结构，而构成原子核的基本实体，正是我们称之为“基本粒子”的微观世界中的居民。 本书旨在带领读者深入探索当代物理学在微观尺度上取得的辉煌成就，聚焦于构成物质和传递相互作用的那些最微小的实体——那些在极端高能条件下才能显现其真实面貌的“素粒子”。我们将勾勒出一幅宏大而精密的图景，这幅图景不仅解释了日常可见的万物如何由这些基本构件搭建而成，同时也试图追溯宇宙在最早期，从一个极热、极密的状态，如何冷却、膨胀，并最终形成了我们今天所观察到的星系、恒星乃至生命。 二、 标准模型的基石：物质的构建块 要理解宇宙的构造，我们必须首先认识它的“砖块”。现代粒子物理学的核心理论框架——粒子物理学标准模型——为我们提供了迄今为止最成功的描述这些基本粒子的理论。标准模型将所有已知基本粒子分为两大类：物质粒子（费米子）和力媒介粒子（玻色子）。 2.1 物质的基石：费米子家族 费米子是构成物质的粒子，它们遵守泡利不相容原理，是宇宙中“实体”的承载者。它们被组织成三代，每代都比前一代更重，但化学性质相似。 夸克 (Quarks)： 夸克是构成强子（如质子和中子）的基本单元。标准模型预言了六种不同“味”（Flavor）的夸克，它们以不同的组合形式存在于自然界中。 第一代夸克：上夸克 (Up) 和 下夸克 (Down)。 这是构成我们日常可见物质（原子核）的基石。一个质子由两个上夸克和一个下夸克（uud）组成；一个中子由一个上夸克和两个下夸克（udd）组成。它们的质量相对较轻，构成了我们周围所有稳定物质的基础。 第二代与第三代夸克：奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。 这些粒子在正常的低能环境中不稳定，通常只在粒子加速器碰撞或宇宙射线撞击等高能事件中短暂出现。例如，奇夸克存在于一些不稳定的介子中。顶夸克是所有基本粒子中质量最大的一个，其发现对验证标准模型的自洽性至关重要。 夸克的一个显著特征是它们携带色荷（Color Charge），而不是电荷。色荷的概念是描述强核力（Strong Nuclear Force）的关键。我们知道，夸克永远不会单独存在，它们被“禁闭”在复合粒子（强子）内部，这种现象被称为“色禁闭”（Color Confinement）。 轻子 (Leptons)： 与夸克不同，轻子不受强核力的影响，它们可以独立存在。轻子也分为三代，每代包含一个带电的轻子和一个不带电的中性中微子（Neutrino）。 第一代轻子：电子 (Electron) 和 电子中微子 (Electron Neutrino)。 电子构成了原子外层的轨道，决定了化学反应；电子中微子则几乎不与任何物质发生作用，以近乎光速穿梭于宇宙之中。 第二代与第三代轻子：缪子 (Muon)、陶子 (Tau)，以及它们对应的中微子。 缪子和陶子是“重电子”，它们寿命极短，是宇宙射线与地球大气相互作用的产物，或者在加速器实验中产生。中微子是标准模型中最神秘的粒子之一，尽管它们质量极小，但其丰富的来源（太阳、超新星、核反应堆）和极难探测的特性，使其成为探索新物理的重要窗口。 三、 力的媒介：玻色子与相互作用 物质之所以能够结合、分离、演化，依赖于四种基本自然力（引力、电磁力、强核力、弱核力）。在量子场论的描述中，这些力是通过交换特定的规范玻色子（Gauge Bosons）来实现的。 3.1 规范玻色子与三力 光子 ($gamma$)： 传递电磁力。光子无静止质量，负责传递电荷之间的吸引与排斥，支配着原子结构、化学键乃至我们日常感知到的所有光现象。 胶子 ($g$)： 传递强核力。胶子是连接夸克的“胶水”，将夸克紧密地束缚在质子和中子的内部，并维系着原子核的稳定。强力的独特之处在于其“渐进自由”的特性：在极近距离（夸克内部）时，它非常微弱；但在试图将夸克拉开时，力会急剧增强，从而导致色禁闭。 W 和 Z 玻色子： 传递弱核力。弱力负责所有类型的放射性衰变，例如 $eta$ 衰变，是改变粒子“味”的唯一作用力。W 和 Z 玻色子具有显著的静止质量，这是弱力作用范围极其有限的原因。 3.2 质量的起源：希格斯机制 标准模型在引入这些玻色子后，曾面临一个棘手的难题：理论要求所有的基本粒子都必须是无质量的，但这显然与实验观测到的带电粒子和W/Z玻色子拥有质量的事实相悖。 希格斯玻色子 (Higgs Boson) 的引入，通过希格斯机制，成功解决了这一困境。该机制认为，整个宇宙空间弥漫着一个不可见的“希格斯场”。粒子与这个场的耦合强度决定了它们所获得的静止质量：耦合越强，粒子越“重”（如同在粘稠的糖浆中行走阻力越大）。希格斯玻色子是这个场的激发态，其在大型强子对撞机（LHC）上的发现，标志着标准模型取得了里程碑式的胜利。 四、 框架之外的挑战：标准模型的局限与前沿探索 尽管粒子物理学标准模型在描述已知现象方面取得了惊人的成功，但它并非终极理论。它无法解释一系列重要的宇宙学观测和物理现象，这正是驱动当前物理学研究向“新物理”迈进的动力。 4.1 引力的缺失 标准模型完美地描述了电磁力、强力和弱力，但它未能将引力纳入其量子框架。引力是宇宙中最普遍的力量，但我们尚缺乏一个可行的、自洽的量子引力理论（如弦理论或圈量子引力）。将引力量子化，并使其与其它三种力统一起来，是理论物理学的圣杯之一。 4.2 质量之谜：中微子的质量 标准模型最初预测中微子是没有静止质量的。然而，中微子振荡实验（Neutrino Oscillation）明确证实了中微子可以在不同“味”之间相互转换，而只有具备质量的粒子才能发生振荡。这意味着标准模型必须被修正，以纳入一个质量项，并暗示了可能存在尚未发现的、极其微弱的物理过程。 4.3 宇宙的隐形部分：暗物质与暗能量 当代宇宙学观测（如星系旋转曲线、宇宙微波背景辐射的各向异性）清晰地表明，我们所能直接探测到的普通物质——由夸克和轻子构成的原子——只占宇宙总质能的不到 5%。 暗物质 (Dark Matter)： 占宇宙总质能约 27%。它不发光、不吸收光，仅通过引力效应被间接探测到。标准的粒子物理模型中没有已知的粒子可以完全解释暗物质的性质。许多前沿理论预测了WIMP（弱相互作用重粒子）或其他新的、稳定的重粒子作为暗物质候选者。 暗能量 (Dark Energy)： 占宇宙总质能约 68%。它驱动着宇宙加速膨胀的神秘力量。暗能量的本质是现代物理学最大的谜团之一，其存在与量子场论对“真空能”的预测之间存在着高达 $10^{120}$ 的惊人差异，这被称为“宇宙学常数问题”。 4.4 超越标准模型的探索 为了解决上述挑战，物理学家们正在探索超越标准模型的理论框架： 超对称性 (Supersymmetry, SUSY)： 这一理论假设了标准模型中每一个费米子都有一个重质量的玻色子伙伴（超伴子），反之亦然。SUSY 理论自然地有助于解释为什么希格斯玻色子的质量没有被理论预测的那么大，并能为暗物质提供潜在的候选粒子。 大统一理论 (Grand Unified Theories, GUTs)： 尝试将强核力、弱核力和电磁力在极高的能标下统一为一个单一的作用力。 五、 结论：微观连接宏观 从夸克组成的质子到星系团的宏大结构，粒子物理学和宇宙学是密不可分的。理解宇宙的起源和演化，本质上就是追溯能量与物质如何在早期高能状态下，遵循特定的基本规律，冷却并分化成我们今天所见的复杂层次。尽管我们已描绘出标准模型这一非凡的蓝图，但暗物质、暗能量和引力的量子化问题，清晰地指向了新的、更深层的物理学规律尚未被发现。本书的旅程，正是对揭示这些终极奥秘的持续探索。

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