物理学对物质世界的基本认识
人类对物质世界的认识经历了一个从蒙昧、理性 到科学的漫长的历史过程。宇宙之大，微观粒子之小。 天地万物、自然之复杂，物质世界的奥妙是无穷的， 人类对物质世界的探索也是无穷的。本讲座将介绍物
理学对宇宙世界的基本认识。
提纲： 物质世界的层次、形态与基本相互作用 物理学与宇宙观 物质世界的对称性与统一性 物质世界的非线性效应
（约1—100nm）和团簇（含几十到几百个或上千个
原子、分子、离子的聚集体，典型尺寸小于1nm，大 的尺寸也可达几十纳米）。
在这些介观体系中，出现了许多既不同于宏观物体
也不同于微观体系的奇特的现象，如量子尺寸效应、 小尺寸效应、表面效应等性质。 宇观世界——万有引力起主要作用的世界。按尺 度规模，天体可分为四个层次：行星层次、恒星层次、 星系层次和宇宙整体。 从宏观角度看，物质内部结构连续、而宇宙不连续。的关系及物理学认识的真理性
第1讲 物质世界的层次、形态与基本相互作用 1.1 物质世界的层次
在人类已研究的 物质客体中，空间尺
度跨越了42个数量级
（如图1-1），可分为
宇观、宏观、介观、
微观诸层次。
图1-1
微观系统—分子、原子尺度以下的物质客体。 宏观系统—人体尺寸上下几个数量级范围内的物质
客体。
介观系统—介于宏观与微观之间的物质层次。 宇观系统—大于宏观层次的物质客体。 物质 分子 原子 原子核和绕核运转的电子。
原子核
核子（质子和中子）
夸克。
还有传递各种作用力的基本粒子：光子、w粒子、
Z0粒子、胶子和引力子。 各种各样的宏观物质最后归结于若干个基本粒子所 组成。 特别说明： 介观系统——物理学的一个新的研究领域。介观 体系分为亚微米体系（尺寸0.1—1μm）、纳米体系
电子从未观察到。狄拉克假设，负能级都
被电子填满了，正能态电子无法进入。这
图1-2
种“负能电子海”叫真空。
“真空”是一种负能态被填满而正能
态全空着的状态，什么也观察不到。
只有当负能电子海中少了一个电子即
出现一个“空穴”时，才表现出可观察效 应。即少了一个电荷-e能量-mc2的粒子， 相当于多了一个电荷+e能量+mc2的粒子。
等离子态是由足够数量的正负带电粒子组成、运动 受电磁力支配的物态。它存在于电弧、高空电离层和极 高温度下的物体系统（如热核反应）中，也是宇宙物质
存在的主要形式（恒星内部）。
超密度态是晚期恒星的物态,如白矮星密度高达105～
106g/ Cm3,中子星密度更高达1014 —1016 g/cm3。
反物质态是由反粒子构成的物态，如反质子和正电 子组成反氢原子。 真空态是物质存在的最低能态，物理意义上的真空 并非“一无所有”。
E ( pc)2 (m0c 2 )2
（1-2）
E ( pc)2 (m0c 2 )2
（1-2）
在经典力学中，不存在负能量物体。狄拉克认为，
在量子力学中负能量有物理意义。
由（1-2），可得到电子能级如图1-1， 能量从- ∞ 变到-m0c2，又从+m0c2变到 +∞ ，但不在-m0c2与+m0c2之间。 正能态电子由实验可观察，而负能态
所以，物质存在归结于场，物质粒子是场的一种特殊 形态。如电子和正电子从属于电子场，是电子场的量子。 电子场的激发表现为正电子和电子的产生，电子场的 退激表现为电子和正电子的湮灭。退激的能量又使电磁场 激发，产生一对光子。 光子从属于光子场即电磁场，是电磁场的基本粒子。
其他物质粒子类似，是它们所从属的量子场的激发， 量子场的量子即粒子。 量子场是基本的，粒子是派生的。断续的粒子和连续 的场统一于既有微粒性又有波动性的量子场中。
此外，在宇宙中还存在有大量的暗物质。
暗物质可分两类:
一类是利用电磁波的特性可探测到的天体物质，因
为太远或辐射太弱而看不见。
另一类是不会发光而与电磁波无缘的物质，它们对
各种波长的光是完全透明体，但具有万有引力,这才是 真正的暗物质。这类暗物质占宇宙总质量的95%以上。
场是宇宙中另一种物质形态，如电磁场、引力场。 场的物质性表现在：
场的粒子如光子没有静止质量，在真空中的传播速度
不变，而实物粒子有静止质量且运动的质量与速度有关。
场和实物粒子从不同侧面反映了宇宙世界的物质性。
从量子场论观点看，量子场才是物质的基本形态。各
种基本粒子都可以引进相应的量子场，量子场是具有波
动性和粒子性相结合的客体。场的最低能态称为基态，
其他能态为激发态。
量子场的激发表现出相应粒子的产生，退激表现出
粒子的湮没。
互为复共扼的两种激发态表现为动量和质量相同的 正、反粒子状态。
量子场可分为三种基本场即实物场、媒介场和希格 斯场。 实物场所属的粒子有夸克和轻子（包括电子、电子 中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子）。 媒介场所属粒子有光子、胶子、引力子和W+、W-、 Z0粒子。 希格斯场所属粒子是希格斯粒子，希格斯粒子的作 用是负责给所有粒子提供质量。
从宇观角度看，整个宇宙的物质密度均匀。从微观角度看，
1.2 物质存在的基本形态
人类对物质的认识，首先是“实物”即原子、分子
组成的各种固体、液体和气体，看得见，实实在在。
场是除实物以外的另一种物质实在。 目前认识的物态有固态、液态、气态、等离子态、超 密度态、反物质态和真空态7种。 固、液和气态是常见的。
（1）有能量、质量、动量，在场中进行的过程遵循
质量守恒、动量守恒和能量守恒等规律。
（2）也以时间和空间为其存在的基本形式。
（3）场与实物可以相互转化，如γ光子在一定条件下 可以变成正负电子对，反之亦然。
但场与实物的根本差别在于： 两个实物粒子不能同时占据同一个空间，而场具有可
叠加性或弥散性；
实物粒子如电、质子、中子具有不可入性或定域性，
1.3 真空—物质存在的一种状态
1.狄拉克关于真空的解释 根据相对论能量—动量关系:
E 2 ( pc)2 (m0c2 )2
（1-1）
狄拉克结合相对论和量子力学，建立了狄拉克波动 方程。由该方程得出的解有四个波函数，对应电子的四 个状态。其中两个波函数对应两种自旋取向的电子正能 态，另两个波函数则对应于电子的“负能态”。 对电子每一个动量,由（1-1）式，能量有两个值即