2011中学物理继续教育学习资料物理学与人类文明之二

第五章物质结构理论高能物理学是探索物质结构的最前沿的科学，高能物理学发展到20世纪末也存在着两大科学难题：对称性破缺的本质和夸克囚禁。揭示它们的本质并寻找解决两大难题的途径将是物理学家在进入21世纪以后面临的艰巨任务，这很可能导致物理学中新的动力学规律的诞生并影响21世纪科学技术的发展。5.1物质结构的新层次大家知道，物质结构的研究已从原子层走向夸克和轻子这一新层次。1919年，卢瑟福实验证实了原子中原子核的存在并发现了质子；1932年查德威克的实验发现了中子。中子的发现开创了核物理，海森堡和伊凡宁柯立即提出了原子核由质子和中子组成的假说。不久，这一假说获得验证并得到了有关原子核结构的正确认识。原子是由原子核和绕核运动的电子组成的，而原子核由质子和中子通过强相互作用结合而成。这样，随着核物理的诞生，人类对物质结构的认识进入到基本粒子这一层次，即认识到自然界万物是由质子、中子、电子这些基本粒子构成的。五六十年代加速器实验使得人们可以利用加速器手段加速粒子束流能量做核物理实验。60年代初从加速器实验中发现了100多种基本粒子，于是开创了高能物理学(或粒子物理学)。这些基本粒子可以分为两类：一类是参与强相互作用的粒子，如质子、中子、π介子、奇异粒子和一系列的共振态粒子等，统称为强子；另一类是不参与强相互作用，只参与电磁、弱相互作用的粒子，如电子、μ子和中微子等，统称为轻子。高能物理实验又进一步揭示上百种强子并不“基本”，是有内部结构的，这就是说，质子、中子、π介子等强子是由更小的夸克组成的，夸克被看成是物质结构的新层次。这些强子是由三种更基本的夸克(上夸克u、下夸克d和奇异夸克s)组成的。1974年，丁肇中和里克特发现了第四种夸克——粲夸克c；1977年发现了底夸克b；1995年发现了顶夸克t；这6种夸克就是构成所有数百种强子的“基本”单元”。同时轻子的发现也达到了6种(电子、电子型中微子、μ子、μ型中微子、γ轻子、γ型中微子)。因此夸克和轻子就是目前阶段我们所认识的物质结构的新层次。夸克、轻子通过电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用和引力等运动规律就构成了自然界万物奥妙无穷、千变万化的物理现象。5.2对称性破缺的本质是什么1956年，李政道、杨振宁首先提出宇称(左右)对称在弱相互作用下是破缺的，即宇称不守恒规律。这就打破了人们在历史上一贯认为的运动中对称性守恒的基本规律。1964年人们又发现宇称和电荷共轭联合也是破缺的。因此，对称性破缺才是自然界中的基本规律。那么对称性破缺的机制是什么?在西欧中心正在建造的大型强子对撞机(LHC)。以几十亿美元、历时10年的投资，其物理目标之一就是要回答对称性破缺的本质这一疑难。5.3夸克囚禁的疑难在夸克模型理论成功建立的同时，科学家们也为实验上寻找不到自由夸克而困惑。前五种夸克(u、d、s、c、b)只存在于强子束缚态中，而最重的顶夸克t产生以后寿命极短，很快衰变为底夸克b。物质结构在新层次下的物理图像与先前原子、原子核的层次完全不一样，已不是太阳系在微观世界的重复，支配下一层次的新的物理规律决定了不同的物理图像和观念。1973年物理学家们提出了量子色动力学理论解释强子的物质结构和强相互作用。在量子色动力学理论中，每一种夸克含有内部空间(色空间)自由度，即有三种不同的色，不同色夸克之间的强相互作用是通过传递带色的胶子而发生的。轻子不具有内部色空间，它不参与强相互作用。本世纪末将在美国布鲁克海文实验室建成一个相对论重离子对撞机(RHIC)，就是在极端条件下将夸克和胶子从质子和中子中解放出来，也就是实现从夸克的禁闭相到退禁闭相的跃迁。21世纪初实验和理论物理学家将为破解夸克囚禁之谜而找到真空本质的答案。5.4前景本世纪末和21世纪初建成的高能加速器都是与解决对称性破损的本质和夸克囚禁这两大难题相关的。概括起来说，高能物理学正向两方向发展：一是向超高能量发展；二是向高精度发展。从以上的讨论可以看到，对称性破缺的本质可能来自于真空的不对称性产生真空对称性自发破缺机制；夸克囚禁可能是量子色动力学物理真空造成的。两者都很可能从真空中得到破解，因此关键在于揭示真空的物质本质。真空不是虚无，但绝不是充满19世纪的“以太”，而是由自然界物质间相互作用决定了的物理真空。为了揭示真空对称性自发破缺机制和夸克囚禁的本质，科学家们正在建造一系列的高能加速器来进行实验探索。然而由于能量提高极限和经费投资的限制，目前加速器原理已很难验。此外，科学家们也在发展非加速器物理以弥补加速器物理之不足。我们相信，在21世纪，与破解物理学难题相伴随，探索物质结构的手段也会有革命性的突破。第六章超导研究的回顾和展望探索超导的奥秘、探寻高临界温度的超导体和开发超导的实际应用，是一条充满跋涉和攀登的路。科学家们为着追求的目标，不折不挠，在这条路上走了近一个世纪，攻克了一个个难关，创造了一个个辉煌，直接涉及超导的诺贝尔物理学奖就有四起。可以肯定，更高的追求在二十一世纪还要继续。1.超导电性的发现本世纪初，即1908年，荷兰科学家昂内斯（KamerlinghOnnes,Heike）攻下了液化气体的最后一个堡垒，氦气（He）液化获得成功。从而使他获得当时的最低温度（摄氏零下268﹒5摄氏度，绝对（开氏）温度4﹒5K）的冷却剂——液态氦，因而可以将他从事的低温下物质性质的研究工作延伸到这个新的温度范围。其中最感举的自然是观察纯金属的电阻。当时所能得到最纯的金属就是水银（Hg）。1911年，昂内斯在测量低温下水银的电阻时发现，当温度降到液氦温度时，水银的电阻降到仪器无法测量的小值。为了避开仪器的能力的限制去追根电阻到底是否为零。便采用了一种更有说服力的方法，那就是以“持续电流法”去测量样品转变后是否有剩余电阻。昂内斯用铅环做实验，确定铅在转变后所乘电阻率的上限为10-16Ω﹒cm，可见这种转变后之后电阻确实为零。这种电阻完全消失的物理状态叫做超导态或物质具有了超导电性，也称无限导电性。具有超导电性的材料称为超导体。电阻突然消失的温度叫做超导体的超导临界温度，记为TC。温度在TC以上，超导体和一般金属一样，有电阻，叫正常态。超导电性的发现，为人类对物质世界的认识打开了一个新的大门。昂内斯因对物质在低温下性质的研究所作的贡献和液化氦的成功获得1913年诺贝尔物理学奖金。2.超导电性研究的发展超导电性的发现，使科学家们受到极大的鼓舞，人们要认识超导体，要寻找更多、超导转变温度更高的超导体，自然也希望为超导找到用武之地，不少科学家开始在这领域探索、耕耘。超导电性发现之后不久，人们便认识到，超导体不仅有临界温度，而且在将超导体置于磁场中，或使样品通一电流，在足够高的磁场或足够大的电流的情况下，超导态也会被破坏，就是说，超导体还具有临界磁场HC临界电流IC两个基本临界参数。临界电流的存在实际上也就是因为有临界磁场，因为流过超导体的电流所产生的磁场达到临界磁场的值时，超导态即被破坏。由于零电阻给人们的深刻印象，从发现超导电性之后的很长一段时间内，人们一个共同的认识就是，超导体是完全导体，电阻为零。一直过了22年，到1933年，迈斯纳（W﹒Meissner）和奥谢费尔德（R﹒Ochsenfeld）的一个新的发现，才改变了人们对超导体的不全面的认识。他们的实验是：将超导体置于场强小于其临界场的磁场中，当温度降到超导体的TC以下，使其进入超导态，再加上磁场，只要磁场小于HC，超导体内的磁感应强度也为零。超导体保持其内部磁感应强度为零的状态与先冷却后加磁场或先加磁场后冷却的过程无关，这个现象叫迈斯纳效应。迈斯纳效应的存在说明超导体的又一个特性，完全抗磁性。实际上，完全抗磁性的奥秘是超导体在磁场中，其表面形成超导的面电流，叫迈斯纳电流，它产生一个磁场抵抗外磁场在超导体内的存在，所以迈斯纳电流好比是超导体的保护屏。是超导体所独有的，也是超导体真伪的判据。迈斯纳效应的发现，不仅完善了对超导体的认识，还开辟了一个超导应用的途径，由迈斯纳效应，磁场不能穿透超导体，那么，在一个永久磁体和超导体之间就会存在斥力，斥力克服超导体的重力，在磁场中可以使超导体浮起来。或者使装置反过来，使磁体在超导体上方被浮起来，这就是一般所说的超导磁悬浮。超导磁悬浮很早就得到了应用，如以超导持续电流产生的磁场的超导磁悬浮研制的超导重力仪代替弹簧重力仪，可以大大降低其自身的漂移率，从而能测出地球的长周期的重力变化。而基于超导磁悬浮的超导陀螺仪，其球体转动无摩擦，可大大提高导航的精度，这些都已在世界范围内，包括中国，得到使用。F﹒伦敦和H﹒伦敦兄弟对迈斯纳效应进行了研究，于1935年建立了有关超导体的电磁性质的第一个理论，伦敦理论。对超导体在磁场中的性质作了如下理论上的预言：第一、磁场对超导体不是完全没有穿透，而是穿透一簿层，这一薄层的厚度就叫做穿透深度。对不同的超导体，穿透深度各异，一般在10-6—10-5厘米量级，这一预言很快被实验证实。第二、由于磁场只能穿透导体表面一薄层，也就只在超导体表层存在磁场和电流，超导体内部实际不存在磁场和电流。而且，由他们的理论确实证明，超导体的表层电流是抵抗外面磁场进入超导体内的超导屏蔽电流，这就从理论上找到完全抗磁性和无限导电性的内在联系。15年之后，皮帕（Pippard）修正了伦敦理论的不足之处，提出磁场对超导体的影响不仅是限制在磁场对超导体的穿透层内，还会延伸到更深的地方，他将这个磁场影响所达到的深度叫相干长度，人称Pippard相干长度，记为p。这个相干长度就是金属中电子成为有秩序的超导态电子之后的秩序度范围。可以说，这个理论第一次提出了超导态电子的关联问题。1950年，金兹伯（Ginzburg）和兰道（Landau）提出的理论，金兹伯—兰道（G-L）理论。在超导体电磁性质的研究中占有重要地位。这个理论准确无误地将超导体分成两类。I类超导体为除Nb、V、和Tc的纯元素超导体，II类超导体为Nb、V、Tc等元素和所有的化合物、合金超导体。两类超导体清楚地显示了磁场下的不同的性质。所以，G-L理论对超导体的研究、超导体的发展以及超导体的实际应用起了极重要的指导作用。G-L理论还证明，包围在超导环中的磁通量不是以连续均匀的方式存在，而是以分立的磁通线的方式存在，这在物理上叫做磁通量子化。磁通量子化实际上预言了超导电子是由两个电子配对的电子对。磁通量磁场以一个一个磁通单位的形式存在于II类超导体能容纳“异己”，而I类超导体则不能，这是由这两种超导体的一种叫界面能的特性差别决定的。II类超导体能在其内部容纳磁通线这种“异己”，而且还能钉住它，使超导电流在有磁场的情况下仍恒稳畅通。这也是II类超导体具有实用性的原因所在。G-L理论建立之后几年，II类超导体迅速发展起来，再之后，以II类超导体为材料的超导磁体在世界范围广为发展。特别值得一提的是，早在1934年由哥德（C.J.Gortor）和卡西米尔(H.B.G.Casimir)提出的二流体模型，几乎是一直未受到修正的“一贯正确”的理论模型。它也是第一个涉及超导电子概念的理论模型。该模型认为，在Tc以下，超导体同时存在两种电子，即超导电子和正常电子。在温度为绝对零度时，只存在超导电子；在Tc时，全部为正常电子；绝对零度至Tc之间，超导电子随温度升高而减小，正常电子随温度升高而增多。二流体模型在超导体的热力学相变，电磁性质直至超导微观理论的建立都显示其正确性，发挥着重要的作用。上述这些工作使人们对超导体的物理性质有了较全面的认识。为探寻超导电性的起源提供了种种线索，也为科学家们建立梦寐以求的超导电性的正确理论提出了更全面的要求。因为正确的理论要说明超导的起源，也必须能解释这些业已观察到的实验现象、效应和结果。3.超导电性起源的探索金属正常态电阻是电子和晶格离子振动的相互作用引起的。在超导情况下，电阻为零，很可能就是因为电子和晶格离子振动之间存在某种特殊关系，这种关系不但不会使电子运动受阻，而且还会有某种帮助。1950年，麦克斯韦（Maxwell）和雷诺兹(Reynolds)几乎同时发现的与超导转变温度密切相关的实验现象