人类认识微观世界的历程与渐近自由的发现.docx
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1、第三十八章:人类认识微观世界的历程与渐近自由的发现首先要声明,本章的所有的内容,6000多字,并非我原创作品。是摘录作品。是我在博客中看到别人转载的一篇诺贝尔奖获得者戴维,格罗斯教授在杭州公演的讲稿内容。这篇内容讲述了,人类对微观世界的探索和渐进自由的发现。和我上一章内容,有紧密联系。本人正计划,也写一个类似的文章,但看到这篇文章之后,我认为戴维格罗斯教授,写的通俗易懂,我肯定不如教授有能力。所以将本章节作为兴趣阅读,摘录上来供大家阅读。非常不错,有高中物理基础的基本没有障碍。 下面是格罗斯教授的介绍和演讲稿内容。本文为2004年度诺贝尔物理奖获得者戴维格罗斯教授应浙江省物理学会邀请,作为庆祝
2、国际物理年活动,在浙江省作公众演讲。戴维格罗斯博士是美国加州大学教授、理论物理研究所所长, 1986年当选为美国国家科学院院士,2004年度诺贝尔物理学奖获得者。格罗斯博士在理论物理,尤其是在规范场、粒子物理等方面有一系列杰出的研究成果,在国际上享有盛名。演讲稿正文:我很高兴再次来到中国,特别是又到美丽的杭州访问 。我在去年获得了诺贝尔奖,并在瑞典获奖时作了学术演讲 。今天的公众演讲将比当时的演讲用到更少的专业术语。为了得到这个诺贝尔奖,当然首先要做一些研究工作 。我们的工作是关于原子核内的物理现象,与物质微观结构有关 。在十九世纪末,已有很多人认为物质是由原子组成的,那么什么是原子呢?几乎所
3、有的物质都是由原子构造的,利用原子的性质可以解释很多物质的性质 。但是当时仍有不少人怀疑,因为人们没有真正看到过原子 。其中的一个突破点,也就是今天我们在这里庆祝的爱因斯坦在 1905年所做的工作之一,即与光电效应的正确解释有关。但是原子到底是什么样的呢?在 1897年,汤姆孙发现了物质里面有点状的带电的东西,即电子。电子是很小的,它应该存在于原子里面 。但它是带负电的,那么是什么物质与它的电荷平衡呢?而且原子的质量比电子要大得多 。所以汤姆孙提出原子有一个果酱样背景,而电子镶嵌在果酱上的这么一个原子模型 。果酱提供了一个均匀背景,电子则镶在果酱里面。在那个时期没有人真正了解原子 。在1912
4、年,在英国工作的新西兰科学家卢瑟福利用高能的粒子打靶实验揭开了原子的秘密 。他把粒子打在金箔上,粒子会散射,不在原来的路线上运动,而有所偏离,这些散射的粒子会出现在荧光屏上 。这个实验具体是他的学生盖革和马斯登做的 。他们用这个办法揭开了原子的秘密。实验就好比在一个黑暗的房子里面,可能会有很多的家具,若把球踢到房子里面,然后开始想象这个房子里面有些什么东西 。听一下这个声音,你能说出这个房间有什么东西吗?有金属物件。卢瑟福预期这种散射只有在很小的角度才发生,因为电子的质量跟原子相比是非常小的 。使他很吃惊的是,有相当数目的粒子散射到比较大角度的方向,有一部分甚至是 180度的散射,就像皮球撞到
5、墙上再弹回来一样。这个现象使他非常困惑,这相当于把直径 15英寸的炮弹打到一张很薄的纸上又弹回来了,这是个不可思议的现象 。他又做了很多定量的研究,终于发现原子里面有一个大质量的东西,即原子核 。这就是物理学研究的规律。它不但要描述一个现象,解释这个现象,更重要的是发现本质的东西 。他认为这是带电物体之间的相互作用,粒子是带正电的,而靶是金原子核,它们之间发生了散射 。他对这个现象进行了计算,算出的结果和实验结果非常吻合,从而证明了原子大部分的质量集中在原子核里面,占整个的 99.9.同时,他也发现在原子里面,所有的正电荷都集中在原子核内 。电子环绕原子核运动,他们之间的距离与原子核的大小相比
6、大了十万倍。所以,原子的绝大部分实际上是空的 .你我都是由原子组成的,我们人体绝大部分是空的!电子在原子中的运动就像是一个非常小的蚊子在很大的房间里飞舞 。因为电子围绕着原子核在转,而带电粒子在高速转动时会发生辐射,那么电子也会掉到原子核里面去?在 1913年,玻尔基于爱因斯坦等的工作,构造了一个量子模型,解决了这个问题,并且可以解释元素周期表的一部分 。量子理论经过大量理论与实验研究,得到很大的发展,已经成为现在科学技术的基础 。那么原子核里面到底有什么呢?这在当时是不能解释的,因为粒子能量不够,不能够打到原子核里面去 。在1930年的时候,事情已经变得相当清楚,在原子核里面有两种力:一种是
7、弱相互作用,还有一种是强相互作用 。比如碳-14会通过弱相互作用衰变成氮-14。关于弱相互作用的机制,费米做了很出色的研究 。他的弱相互作用理论在长达40年的时间里都被认为是正确的 。但是原子核内还必须有另外一种力,它把质子和中子结合在一起,形成原子核。这应该是很强的相互作用,而且非常神秘 。1935年汤川发现这个强相互作用力实际上是和交换光子的电磁相互作用机制非常类似 。为了解释核力的短距离,他认为传播核力的量子应该是一个质量很重的粒子 。如果传递强相互作用的粒子质量是电子质量的两百倍,那么它就只会在原子核内起作用 。几年以后实验确实发现了介子,对这个理论作了很大的推动。但是,如果认为这样对
8、强相互作用就都了解了的话,那是完全错误的。二次大战以后,因为物理学家可以建造很强大的炸弹,政府对物理学开始有很大的兴趣和投入 。其中有一个加速器就建在加利福尼亚大学里面。第一个加速器比较小,可以放在一个房间里面。因为政府的推动,政府肯为这个项目花钱,现在造的加速器直径可达两个英里以上 。这种加速器可以把质子加速到接近光速,然后让它们之间发生碰撞,希望通过分析碰撞的过程,来揭开强相互作用的秘密 。虽然这并不容易,但是这是我们能够用的唯一手段。即希望通过碰撞,了解质子的内部结构 。人们预期通过质子的碰撞,它内部的粒子会跑出来。如果这个相互作用比较简单的话,这样推理的过程应该是可以成立的,但是实际情
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