什么是高能物理 什么是經(jīng)典物理學(xué)

什么是高能物理？誰(shuí)能給我解釋一下高能.高能技術(shù)和高能物理的含義，多高的能量才算高能物理，高能物理學(xué)的介紹，高能物理學(xué)是什么意思？高能物理學(xué)和理論物理學(xué)的區(qū)別是什么？

本文導(dǎo)航

• 高能物理和近代物理研究所區(qū)別
• 高能物理必備知識(shí)
• 物理中的能量有哪些
• 高能物理到底有多厲害
• 什么是經(jīng)典物理學(xué)
• 高能物理的認(rèn)識(shí)

高能物理和近代物理研究所區(qū)別

高能物理學(xué)是研究物質(zhì)世界基本結(jié)構(gòu)(最深層次)和基本相互作用規(guī)律的科學(xué)。

也就是所謂的最微觀的世界元素如：夸克與膠子

高能物理必備知識(shí)

高能物理

就是基本粒子物理，high energy physics.

物理學(xué)中最激動(dòng)人心的方向。

涉及實(shí)驗(yàn)物理，理論物理，粒子天體物理，計(jì)算物理，加速器，

同步輻射，核分析，自由電子……

目前的方向

可積量子場(chǎng)論,統(tǒng)計(jì)格點(diǎn)模型,超弦與M理論，QCD，大統(tǒng)一理論，

超對(duì)稱(chēng)弱電統(tǒng)一理論和標(biāo)準(zhǔn)模型唯象，重味物理與CP不守恒

量子色動(dòng)力學(xué)的微擾和非微擾理論，中微子物理

B與D介子物理

費(fèi)米子味混合與CP破壞及新物理現(xiàn)象學(xué)

夸克物理，Higgs物理，超對(duì)稱(chēng)模型，弱電和QCD手征對(duì)稱(chēng)性相變，中微子物理，

北京譜儀(BES)新物理，暗物質(zhì)，宇宙弦及暴漲宇宙學(xué)

………………

需要艱深的數(shù)學(xué)知識(shí)，廣泛的機(jī)械電子計(jì)算機(jī)應(yīng)用前景。

在諾貝爾獎(jiǎng)中，有一半的物理獎(jiǎng)都和粒子物理有關(guān)。

物理中的能量有哪些

現(xiàn)代物理學(xué)上所謂的高能物理，一般能量都是在GeV以上！也就是1.6×10^(-10)J。

值得注意的是，GeV說(shuō)的是單個(gè)粒子的能量，如果把這個(gè)能量擬換成溫度的話(huà)，就拿MeV來(lái)說(shuō)，如果要把一團(tuán)物質(zhì)的所有組成粒子都加速到這個(gè)能量來(lái)的話(huà)，根據(jù)E=KT的關(guān)系式，T≈1.6×10^(-13)J÷[1.381×10^(-23)JK]≈10^(10)K。

那也是將近10億攝氏度的高溫……

一般情形下，像熱核聚變，溫度要求至少要上千萬(wàn)攝氏度！

高能物理到底有多厲害

高能物理學(xué)又稱(chēng)粒子物理學(xué)或基本粒子物理學(xué)，它是物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，和在很高的能量下，這些物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，以及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因和規(guī)律。它是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，是當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的前沿之一。粒子物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而又基于實(shí)驗(yàn)和理論密切結(jié)合發(fā)展的。

什么是經(jīng)典物理學(xué)

高能物理學(xué)又稱(chēng)粒子物理學(xué)或基本粒子物理學(xué)，它是物理學(xué)的一個(gè)分支學(xué)科，研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)，和在很高的能量下，這些物質(zhì)相互轉(zhuǎn)化的現(xiàn)象，以及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的原因和規(guī)律。它是一門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科，是當(dāng)代物理學(xué)發(fā)展的前沿之一。粒子物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，而又基于實(shí)驗(yàn)和理論密切結(jié)合發(fā)展的。

原子論是元素派學(xué)說(shuō)中最簡(jiǎn)明、最具科學(xué)性的一種理論形態(tài)。英國(guó)自然科學(xué)史家丹皮爾認(rèn)為,原子論在科學(xué)上“要比它以前或以后的任何學(xué)說(shuō)都更接近于現(xiàn)代觀點(diǎn)”。原子論的創(chuàng)始人是愛(ài)利亞人(一說(shuō)阿布德拉人)留基波,他是德謨克利特的老師。古代學(xué)者在論及原子論時(shí),通常是把他們倆人的學(xué)說(shuō)混在一起的。由于留基波生平不詳,且其學(xué)說(shuō)也為德謨克利特發(fā)展和完善,因此德謨克利特被公認(rèn)為原子論的主要代表。

德謨克利特認(rèn)為,萬(wàn)物的本原或根本元素是“原子”和“虛空”?！霸印痹谙ＥD文中是“不可分”的意思。德謨克利特用這一概念來(lái)指稱(chēng)構(gòu)成具體事物的最基本的物質(zhì)微粒。原子的根本特性是“充滿(mǎn)和堅(jiān)實(shí)”,即原子內(nèi)部沒(méi)有空隙,是堅(jiān)固的、不可入的,因而是不可分的。德謨克利特認(rèn)為,原子是永恒的、不生不滅的;原子在數(shù)量上是無(wú)限的;原子處在不斷的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中,它的惟一的運(yùn)動(dòng)形式是“振動(dòng)”;原子的體積微小,是眼睛看不見(jiàn)的,即不能為感官所知覺(jué),只能通過(guò)理性才能認(rèn)識(shí)。

1897年，湯姆遜在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了電子，1911年盧瑟福由α粒子大角度彈性散射實(shí)驗(yàn)，又證實(shí)了帶正電的原子核的存在。這樣，就從實(shí)驗(yàn)上證明了原子的存在，以及原子是由電子和原子核構(gòu)成的理論。

1932年，查德威克在用α粒子轟擊核的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了中子。隨即人們認(rèn)識(shí)到原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的，從而得到了一個(gè)所有的物質(zhì)都是由基本的結(jié)構(gòu)單元——質(zhì)子、中子和電子構(gòu)成的統(tǒng)一的世界圖像。

就在這個(gè)時(shí)候開(kāi)始形成了現(xiàn)代的基本粒子概念。1905年，愛(ài)因斯坦提出電磁場(chǎng)的基本結(jié)構(gòu)單元是光子，1922年被康普頓等人的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，因而光子被認(rèn)為是一種“基本粒子”。1931年，泡利又從理論上假設(shè)存在一種沒(méi)有靜止質(zhì)量的粒子——中微子(嚴(yán)格地講是反中微子，中微子的存在是1956年由萊因斯和科恩在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)的)。

相對(duì)論量子力學(xué)預(yù)言，電子、質(zhì)子、中子、中微子都有質(zhì)量和它們相同的反粒子。第一個(gè)反粒子——正電子是1932年，安德森利用放在強(qiáng)磁場(chǎng)中的云室記錄宇宙線(xiàn)粒子時(shí)發(fā)現(xiàn)的，50年代中期以后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了其他粒子的反粒子。

隨著原子核物理學(xué)的發(fā)展，發(fā)現(xiàn)除了已知的引力相互作用和電磁相互作用之外，還存在兩種新的相互作用——強(qiáng)相互作用和弱相互作用。

1934年，湯川秀樹(shù)為解釋核子之間的強(qiáng)作用短程力，基于同電磁作用的對(duì)比，提出這種力是由質(zhì)子和(或)中子之間交換一種具有質(zhì)量的基本粒子——介子引起的。1936年，安德森和尼德邁耶在實(shí)驗(yàn)上確認(rèn)了一種新粒子，其質(zhì)量是電子質(zhì)量的207倍，這就是后來(lái)被稱(chēng)為μ子的粒子。μ子是不穩(wěn)定的粒子，它衰變成電子、一個(gè)中微子和一個(gè)反中微子，平均壽命為百萬(wàn)分之二秒。

湯川最初提出的介子的電荷是正的或負(fù)的。1938年，凱默基于實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的核力的電荷無(wú)關(guān)性的事實(shí)，發(fā)展了稍早些時(shí)候出現(xiàn)的同位旋的概念，建立了核力的對(duì)稱(chēng)性理論。

1947年，孔韋爾西等人用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)方法發(fā)現(xiàn)μ子并沒(méi)有強(qiáng)作用。1947年鮑威爾等人在宇宙線(xiàn)中利用核乳膠的方法發(fā)現(xiàn)了真正具有強(qiáng)相互作用的介子，其后，在加速器上也證實(shí)了這種介子的存在。

從此以后人類(lèi)認(rèn)識(shí)到的基本粒子的數(shù)目越來(lái)越多。就在1947年，羅徹斯特和巴特勒在宇宙線(xiàn)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)v粒子(即K介子)，這就是后來(lái)被稱(chēng)為奇異粒子的一系列新粒子發(fā)現(xiàn)的開(kāi)始。由于它們獨(dú)特的性質(zhì)，一種新的量子數(shù)——奇異數(shù)的概念被引進(jìn)到粒子物理中。在這些奇異粒子中，有質(zhì)量比質(zhì)子輕的奇異介子，有質(zhì)量比質(zhì)子重的各種超子。在地球上的通常條件下，它們并不存在，在當(dāng)時(shí)的情況下，只有借助從太空飛來(lái)的高能量宇宙線(xiàn)才能產(chǎn)生。

這些發(fā)現(xiàn)了的基本粒子，加上理論上預(yù)言其存在，但尚未得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)的引力場(chǎng)量子——引力子，按相互作用的性質(zhì)，可分成引力子、光子、輕子和強(qiáng)子四類(lèi)。為了克服宇宙線(xiàn)流太弱這個(gè)限制，從50年代初開(kāi)始建造能量越來(lái)越高、流強(qiáng)越來(lái)越大的粒子加速器。實(shí)驗(yàn)上也相繼出現(xiàn)了新的強(qiáng)有力的探測(cè)手段，如大型氣泡室、火花室、多絲正比室等，開(kāi)始了新粒子的大發(fā)現(xiàn)時(shí)期。

到了60年代頭幾年，實(shí)驗(yàn)上觀察到的基本粒子的數(shù)目已經(jīng)增加到比當(dāng)年元素周期表出現(xiàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素的數(shù)目還要多，而且發(fā)現(xiàn)的勢(shì)頭也越來(lái)越強(qiáng)。1961年，由蓋耳-曼及奈曼類(lèi)比化學(xué)元素周期表提出了，用強(qiáng)相互作用的對(duì)稱(chēng)性來(lái)對(duì)強(qiáng)子進(jìn)行分類(lèi)的。

八重法分類(lèi)不但給出了當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的強(qiáng)子在其中的位置，還準(zhǔn)確地預(yù)言了一些新的粒子，如1964年用氣泡室實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的Ω粒子。八重法很好地說(shuō)明粒子的自旋、宇稱(chēng)、電荷、奇異數(shù)以及質(zhì)量等靜態(tài)性質(zhì)的規(guī)律性。

在此階段中，證實(shí)了不單電子，所有的粒子，都有它的反粒子(有的粒子的反粒子就是它自身)。其中第一個(gè)帶電的反超子是由中國(guó)的王淦昌等在1959年發(fā)現(xiàn)的。此外，還發(fā)現(xiàn)了為數(shù)眾多的壽命極短經(jīng)強(qiáng)作用衰變的粒子——共振態(tài)。

建立體系

基本粒子大量發(fā)現(xiàn)，使人們懷疑這些基本粒子的基本性。基本粒子的概念，面臨一個(gè)突變。

20世紀(jì)40年代到60年代，對(duì)微觀世界理性認(rèn)識(shí)的最大進(jìn)展是量子力學(xué)的建立。經(jīng)過(guò)一代物理學(xué)家的努力，量子力學(xué)能很好地解釋原子結(jié)構(gòu)、原子光譜的規(guī)律性、化學(xué)元素的性質(zhì)、光的吸收及輻射等等現(xiàn)象，特別是當(dāng)它同狹義相對(duì)論結(jié)合而建立相對(duì)論性量子力學(xué)以后，它已經(jīng)成為微觀世界在原子、分子層次上的一個(gè)基本理論。

但是，量子力學(xué)還有幾個(gè)方面的不足：它不能反映場(chǎng)的粒子性；不能描述粒子的產(chǎn)生和湮沒(méi)的過(guò)程；它有負(fù)能量的解，這導(dǎo)致物理概念上的困難。量子場(chǎng)論是由狄喇克、約旦、維格納、海森伯和泡利等人在相對(duì)論量子力學(xué)的基礎(chǔ)上，通過(guò)場(chǎng)的量子化的途徑發(fā)展出來(lái)的，它很好地解決了這三個(gè)問(wèn)題。

庫(kù)什和福里1947年發(fā)現(xiàn)的電子反常磁矩，和由蘭姆等發(fā)現(xiàn)的氫原子能級(jí)的分裂，只有通過(guò)量子電動(dòng)力學(xué)的重正化理論才能得到正確的解釋。今天，量子電動(dòng)力學(xué)已經(jīng)經(jīng)受了許多實(shí)驗(yàn)上的驗(yàn)證，成為電磁相互作用的基本理論。

并非所有的基本粒子都是“基本”的想法，最早是在1949年由費(fèi)密和楊振寧提出的。他們認(rèn)為，介子不是基本的，基本的是核子，而介子只是由核子和反核子構(gòu)成的結(jié)合態(tài)。1955年，坂田昌一擴(kuò)充了費(fèi)密和楊振寧的模型提出了強(qiáng)子是由核子、超子和它們的反粒子構(gòu)成的模型。

1961年，在實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了不少共振態(tài)。1964年，已發(fā)現(xiàn)的基本粒子(包括共振態(tài))的種類(lèi)增加到上百種，因而使得蓋耳-曼和茲韋克提出，產(chǎn)生對(duì)稱(chēng)性的基礎(chǔ)就是構(gòu)成所有強(qiáng)子的構(gòu)造單元，它們一共有三種，并命名為夸克。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，在宇宙線(xiàn)中、加速器上以及在巖石中，都進(jìn)行了對(duì)夸克的實(shí)驗(yàn)找尋，但迄今還沒(méi)有被確證為成功的報(bào)道。在60年代和70年代，有更多的能量更高、性能更好的加速器建成。雖然在這些加速器上沒(méi)有找到夸克。但卻得到了間接的，但是更有力地說(shuō)明夸克存在的證據(jù)。

與強(qiáng)子的數(shù)目急劇增加的情況相反，自從1962年利用大型火花室，在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了兩類(lèi)中微子之后，長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)已知的輕子就只有四種，但是到了1975年情況有了改變，這一年佩爾等在正負(fù)電子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的輕子，它帶正電或帶負(fù)電，達(dá)質(zhì)子的兩倍，所以又叫重輕子。與它相應(yīng)，普遍相信應(yīng)有另一種中微子存在，但是尚未得到實(shí)驗(yàn)上的證實(shí)。

夸克理論提出不久，就有人認(rèn)識(shí)到強(qiáng)子的強(qiáng)相互作用和弱相互作用的研究應(yīng)建立在夸克的基礎(chǔ)上，同時(shí)還要充分考慮強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)特性和各種過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)學(xué)特點(diǎn)，才能正確地解釋強(qiáng)子的壽命、寬度、形狀因子、截面等動(dòng)態(tài)性質(zhì)。1965年，中國(guó)發(fā)展的強(qiáng)子結(jié)構(gòu)的層子模型，就是這個(gè)方向的首批研究之一。層子的命名，是為了強(qiáng)調(diào)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的無(wú)限層次而作出的。在比強(qiáng)子更深一層次上的層子，就是夸克。近20年來(lái)，粒子物理實(shí)驗(yàn)和理論發(fā)展的主流，一直沿著這個(gè)方向，在弱作用方面，已有了突破性的進(jìn)展，在強(qiáng)作用方面，也有重大的進(jìn)展。

最早的弱相互作用理論，是費(fèi)密為了解釋中子衰變現(xiàn)象在1934年提出來(lái)的。弱作用宇稱(chēng)不守恒的發(fā)現(xiàn)，給弱作用理論的研究帶來(lái)很大的動(dòng)力。隨后不久便確立了描述弱作用的流在洛倫茲變換下應(yīng)當(dāng)具有的形式，而且適用于所有的弱作用過(guò)程，被稱(chēng)為普適費(fèi)密型弱相互作用理論。

1961年，格拉肖提出電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一理論。這個(gè)理論的基礎(chǔ)，是楊振寧和密耳斯在1954年提出的非阿貝耳規(guī)范場(chǎng)論。但是在這個(gè)理論里，這些粒子是否具有靜止質(zhì)量、理論上如何重正化等問(wèn)題，沒(méi)有得到解答。

1967～1968年，溫伯格、薩拉姆闡明了作為規(guī)范場(chǎng)粒子是可以有靜止質(zhì)量的，還算出這些靜止質(zhì)量同弱作用耦合常數(shù)以及電磁作用耦合常數(shù)的關(guān)系。這個(gè)理論中很重要的一點(diǎn)是預(yù)言弱中性流的存在，而當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)上并沒(méi)有觀察到弱中性流的現(xiàn)象。由于沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的支持，所以當(dāng)時(shí)這個(gè)模型并末引起人們的重視。

1973年，美國(guó)費(fèi)密實(shí)驗(yàn)室和歐洲核子中心在實(shí)驗(yàn)上相繼發(fā)現(xiàn)了弱中性流，之后，人們才開(kāi)始對(duì)此模型重視起來(lái)。在1983年，魯比亞實(shí)驗(yàn)組等在高能質(zhì)子—反質(zhì)子對(duì)撞的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的特性同理論上期待的完全相符規(guī)范粒子，這給予電弱統(tǒng)一理論以極大的支持，從而使它有可能成為弱相互作用的基本理論。

目前，粒子物理已經(jīng)深入到比強(qiáng)子更深一層次的物質(zhì)的性質(zhì)的研究。更高能量加速器的建造，無(wú)疑將為粒子物理實(shí)驗(yàn)研究提供更有力的手段，有利于產(chǎn)生更多的新粒子，以弄清夸克的種類(lèi)和輕子的種類(lèi)，它們的性質(zhì)，以及它們的可能的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

弱電相互作用統(tǒng)一理論日前取得的成功，特別是弱規(guī)范粒子的發(fā)現(xiàn)，加強(qiáng)了人們對(duì)定域規(guī)范場(chǎng)理論作為相互作用的基本理論的信念，也為今后以高能輕子作為探針探討強(qiáng)子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、夸克及膠子的性質(zhì)以及強(qiáng)作用的性質(zhì)提供了可靠的分析手段。在今后一個(gè)時(shí)期，強(qiáng)相互作用將是粒子物理研究的一個(gè)重點(diǎn)。

把電磁作用、弱作用和強(qiáng)作用統(tǒng)一起來(lái)的大統(tǒng)一理論，近年來(lái)引起相當(dāng)大的注意。但即使在最簡(jiǎn)單的模型中，也包含近20個(gè)無(wú)量綱的參數(shù)。這表明這種理論還包含著大量的現(xiàn)象性的成分，只是一個(gè)十分初步的嘗試。它還要走相當(dāng)長(zhǎng)的一段路，才能成為一個(gè)有效的理論。

另外從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，粒子物理學(xué)的進(jìn)展肯定會(huì)在宇宙演化的研究中起推進(jìn)作用，這個(gè)方面的研究也將會(huì)是一個(gè)十分活躍的領(lǐng)域。

高能物理的認(rèn)識(shí)

高能物理學(xué)一般就是指粒子物理學(xué)，包含實(shí)驗(yàn)和理論兩個(gè)方面，就像物理大家楊振寧是粒子物理學(xué)的理論方向，而王貽芳院士就是實(shí)驗(yàn)物理方向，王貽芳院士是丁肇中的學(xué)生，都是實(shí)驗(yàn)物理，而理論物理學(xué)包含粒子物理的理論方向，還包含很多，比如凝聚態(tài)理論，例如BCS超導(dǎo)理論，還有原子分子物理學(xué)的理論方向。總結(jié)一下，兩者既有相交的部分，又各自有不同的地方，理論物理學(xué)的方面更多一些。