8.1.2 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，有固定的质量，看得见，实实在在。 场是除实物以外的另一种、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。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、日光灯、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）。晚期恒星 的物态是超密度态,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”。此外，在宇宙中还存在有大量的暗物质。暗物质可分 两类:一类是利用天体发射、吸收、反射、折射或散射电磁波的特 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。
图8-1-1
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。从宏观角度看，物质内部结构连续、而宇 宙不连续。从宇观角度看，整个宇宙的物质密度均匀。从微 观角度看，物质内部结构则不连续。 微观客体是构成宏观物质的基本单元如原子、原子 核和基本粒子。物质由分子组成，分子由原子组成，原子又 由原子核和绕核运转的电子组成。原子核由核子（质子和中 子）构成，核子的组成单元是夸克。还有传递各种作用力的 基本粒子如光子、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。
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。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。
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：（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：实物粒子如电、质子、中子具有不可入性 或定域性，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；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。
E= ±
(Pc) 2 (m 0c 2 ) 2
（8-1-2）
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（8-1-2），可得到电子能级如图8-11所示，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 图8-1-2 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。 负能级中空穴又会被其它负能电子填充，于是出现空穴的 运动，表现为带正电（+e）粒子的运动。这个与电子等质 量、电荷为+e的粒子叫做“正电子”。如果给真空中负能 态电子以大于2 m0c2的能量（如γ光子能量），则可使其 激发至正能态，于是出现可观察的正负电子对。
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（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。 宇观世界是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。
物理学对物质世界的基本认识
前面几章已介绍物理学的一些基本原理，本章将从更一般的角度上介绍物 理学对宇宙物质世界的基本认识。
8.1物质世界的层次、形态与基本相互作用
8.1.1 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8-1-1），可分为宇观、 宏观、介观、微观诸层次。
8.1.3 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: E2=(PC)2 + m02C4 （8-1-1） 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”。对电子每一个量,由（8-1-1）式，能量有两个 值即