目前我们已知的物质结构层次

Question

如题所述

Answer 1

物质的层次

一、物质的结构层次概观

　　从空间尺度上来讲，我们已知的物质世界至少跨越了42个数量级（10-16-1026米），为了研究的方便，常将物质分为微观、宏观、宇观等领域。当代物质科学的前沿主要涉及对微观世界和宇观世界的探索。

　　化学原子论和经典物理学将原子看做不可再分的微粒。近代原子物理学则打开了原子的大门，揭示了原子核和核外电子的存在。原子核物理学进一步发现了质子和中子。同时，量子力学的建立使微观粒子的运动规律得以正确描述。相对论所阐明的质能关系使人类进入核能应用的新时代。然而，物理学家并未就此止步，在探幽入微的征途上，先后找到了四百多种粒子，他们将这些自由粒子分为规范玻色子、轻子和强子，其中强子又由夸克和胶子（传递强力的规范玻色子）组成。依据目前的标准模型，宇宙由62种粒子构成。当然，未知的问题依然很多，如找不到自由夸克和胶子，夸克和轻子可否再分，等等。

　　从宇观来讲，目前观测宇宙学告诉我们，宇宙可分为行星，恒星、星系、星系团—超星系团和观测所及的宇宙（总星系团）五个层次。从大尺度来讲，宇宙中的物质分布是均匀的，这主要是由大量暗物质的存在造成的。此外，宇宙的一个重要特征是，宇宙在不断地膨胀，而且越远的星系膨胀速度越快。因此人们建立了以大爆炸为主要特征的宇宙模型，来解释宇宙及物质（粒子）和基本力的起源。物质科学是以实验为基础的，我们对宇宙和物质的认识，在极大程度上，取决于观测宇宙学对宇宙更深一步的观测。

二、物质的空间尺度

　　空间反映物质运动的广延性，空间两点的距离为长度。长度的计量单位是米（m），它的自然基准是光在真空中1/299792458秒的时间间隔内运行路程的长度。根据现代物理理论，极限的空间长度是约1.6×10-35米，即普朗克长度，小于普朗克长度，现有空间概念不再适用。

　　在天文学研究中，日地距离定义为一个天文单位（AU），是太阳系内表示天体距离的单位，其精确值为1AU=1.49597892×1011m。太阳系外的天体距离常以光年（L.Y）或秒差距（PC）为单位。其中1L.Y=9.460530×1015m（光在一年里走过的距离）。

　　在微观世界中，分子和原子研究中所用的单位通常是纳米（nm）1nm=10-9m，原子核和更微观的层次中则常用飞米（FM）为单位，1fm=10-15m。

三、物质的时间尺度

　　时间表征物质运动的持续性。时间通常用可重复的周期现象来计量。时间的单位是秒（S），它的自然基准是铯133原子基态两个超精细能级之间跃迁相对应周期的9 192 631 770倍。极限的时间间隔约为 5.4×10-44秒，即普朗克时间间隔，小于普朗克时间间隔时，现有时间概念就不再适用了。

四、物质的质且尺度

　　在经典力学中，质量的概念有两种。一种是反映物体惯性大小的惯性质量，另一种是反映物体间引力大小的引力质量。实验和理论（广义相对论）表明它们是同一个物理量，即质量既反映惯性性质又反映万有引力强度性质。根据相对论，有质能关系E＝mc2，即质量与能量之间有不可分割的联系。

　　质量的单位为千克（kg），其实物基准是保存在巴黎国际计量局中的一个特别的、直径为39毫米的铂圆柱体，称为国际千克原器。将来可能采用某种自然基准来代替这种实物基准，例如，如果能够精确测量给定质量中的原子数日，就可用集体质量为1千克的一定数目的某一类型原子作为质量单位的自然基准。物质的质量（严格来讲是静质量）

　　值得注意的是，在微观世界中，千克这个单位太大了，用起来不方便。所以在计算元素的原子量时常用126C原子质量的1／12作为原子质量单位，记作 1u=1．6605655 ×10-27kg。对于更微观的层次，则常根据质能关系E=mc2用能量单位电子伏特（eV）作为基本单位。换算关系是： Ikg=5.610 ×1029兆电子伏（MeV）。

物质的起源和演化

物质及宇宙的起源和演化的历程

　　宇宙是物理学的最大研究对象。观测天文学表明，宇宙处于臌胀之中。宇宙膨胀的发现者哈勃通过观测发现所有遥远的星系都远离我们退行而去，退行速度与距离成正比。

　　根据量子宇宙论、大爆炸宇宙论，我们可大致勾勒出物质及宇宙的起源和演化的历程：

　　①量子引力时代(0＜t＜10-44秒）宇宙整体由一个不存在时间和空间的量子状态（“无”状态），自发跃迁（即所谓“大爆炸”到具有空间、时间的量子状态。在这个时期，物质场的量子涨落导致时空本身发生量子涨落并不断地膨胀，空间和时间以混沌的方式交织在一起，时空没有连续性和序列性，因而早晚不分、上下莫辨、因果难明、不可测量。此时四种基本力不可区分，是一种统一的力，此时的时空为虚时空。

　　②普朗克时代(tp＜t＜10-36秒).当时间等于普朗克时间((tp=5.4×10-44秒)时,虚时空发生超统一相变,实时空形成,粒子产生,时间和空间可以测量,引力作用首先分化出来,强弱电三种力仍不可区分,夸克和轻子可以相互转化。相变点的能量是1019Ge V(1GeV=109eV),温度是1032K。

　　③大统一时代（10-36秒＜t＜10-32秒）。宇宙的温度继续下降，时间继续膨胀，强、弱、电三种力是一种统一的力。当t=10-36秒时，温度降至1028K，发生大统一真空相变。相变过程中释放的巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀，直到10-32秒最后完成大统一相变。相变后，宇宙的空间尺度增加了1050倍，强力从统一的强、弱、电力中分化出来，夸克与轻子相互独立，大统一时代结束。在这一时期产生的重子数略多于反重子数，因而今天的物质世界是以正物质为主的世界。

　　④夸克-轻子时代(10-32秒＜t＜10-6秒).这段时期弱、电两种力不可区分。直到t=10-32秒，温度降至1016K时，发生电弱统一相变，中间玻色子基本消失，电磁力与弱力成为两种力。

　　⑤强子-轻子时代（10-6秒＜t＜1秒）。t=10-6秒，温度降至1012K，夸克被禁闭，凝聚成重子和介子；t=10-4秒，温度降至1011K时，宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位的时代，重子中主要只剩下质子和中子。这时，宇宙中的物质成分有电子、正电子、μ分子、中微子、τ子中子、质子。这时的主要特征是粒子间的反应产生了大量的光子和中微子。

　　⑥辐射时代和核合成时代（1秒＜t＜2×105年）。当t=1秒时，温度降为1010K，中子开始衰变为质子，正负电子不断湮灭转化为光子。这时，光子数大大超过具有静质量的粒子109：1），宇宙以光子辐射为主，进入辐射时代。t=4秒时，中子不再衰变为质子，中子数与质子数之比为1：7。t=3分钟后，温度降到10K以下，氦等轻核形成（t=30分），根据质子、中子比可估算出氦核的质量约为宇宙总质量的1/4（氦丰度），这与今天的观测结果十分接近。t=2×105年时,温度降至4000K,物质密度与辐射密度基本相等,自由电子开始被原子核俘获,形成稳定的原子(主要是轻元素).光子能量不足以与原子体系作用,辐射脱耦,宇宙变得透明,进入以物质为主的原子时代.这个4000K的黑体辐射不断冷却,至今就是观测到3K宇宙背景辐射。

　　⑦星系时代（2×105年＜t＜109年)。在这个阶段，宇宙内的实物粒子从等离子气体演化为气状物质。随着宇宙进一步膨胀和温度下降，气状物质被拉开，形成原始星系，并进而形成星系团，然后再从中分化出星系。

　　⑧恒星时代(t＞5×109年)。T=5×109年时，星系进一步凝聚成亿万颗恒星。恒星的演化动力主要源于引力作用和轻核的骤变所产生的巨大能量。恒星的一生一般经历引力收缩阶段、主序星阶段、红巨星阶段、脉冲星阶段（爆发阶段）和高密阶段（白矮星、中子星、黑洞等）。在恒星演化过程中，又形成了行星和行星系统。我们的银河系、太阳系大约起源于宇宙时间为100亿年时，距今约50亿年。地球在约47亿年前诞生，它是由原始的太阳星云分馏、坍缩、凝聚而形成的。在星系、恒星和行星的形成过程中，在星体中温度合适的条件下，重元素和各种分子相继形成。

　　以上我们对宇宙的演化史做了一个概略的介绍，其中一些具体的数据尚有争议，但大致的过程基本上已取得了广泛的共识，目前的实验数据也基本上是支持上述理论假说的。

　　物质宏观演化和微观演化的协同进行，物质演化的起点是宇宙的创生（大爆炸），总星系（目前观测所及的宇宙）和最“基本”的粒子和力具有共同的起源，物质科学最大的研究对象和最小（基本）的研究对象在起源上联系在一起，构成了物理学的前沿。在宇宙创生后的几分钟内，光子、夸克、轻子、重子、轻核等相继形成，四种基本力也因对称性破坏而独立显现出来；此后105~109年伴随着超星系因、星系团、星系的形成，出现了轻元素；50亿年时恒星形成，伴随恒星及行星的演化过程，重核、重元素和分子的产生。岩石和晶体处于宏观和微观演化的交叉点，这便是物质的凝聚态问题。超导和超流等凝聚态问题的研究是现代材料科学的前沿。