第168章 （无知时间线，粒子）

4.在粒子的瞬时局域惯性系，粒子静止，观测到的粒子能量最小，但不一定等于零；换言之，粒子具有静止能量（固有能量）

。

现在定义一个物理量

将

的定义式代入功能关系，有

该式在牛顿力学（相对论低速近似）就是动能定理。

据此，称

为相对论动能。

（2）电动力学

电动力学的基础是麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式。

麦克斯韦方程组是：

在洛伦兹变换下，可以验证，该方程组天生是协变的，无需修改；但是，引入电磁场张量（一个洛伦兹张量）替换掉电场和磁场后可以更方便地看出其协变性

检查等式各项的洛伦兹指标，可知麦克斯韦方程组具有洛伦兹协变性。

带电粒子单位体元内（粒子的体元由粒子的瞬时惯性系测量，一般称为固有体元[1]，粒子的电荷和固有体元都是洛伦兹标量）在外电磁场中受到的洛伦兹力密度为：

该式就是洛伦兹力公式的四维表示，显然是协变的。

我们只是将洛伦兹力公式和麦克斯韦方程组写成了张量方程式，并没有修改两者，这说明电动力学是天生洛伦兹协变的。这是很自然的事情，因为狭义相对论的两大基本原理建立在电磁理论符合相对性原理的前提上[1][6]。一个惯性系的观测者仅测得电场而无磁场，相对其匀速运动的另一观测者却可能测得磁场的存在。狭义相对论解释了这一现象，电场和磁场是同一个统一客体-电磁场的不同侧面[6]。

补充:

1.关于麦克斯韦方程组的协变性

这需要两个假设：

是洛伦兹四矢量以及

是洛伦兹张量。

2.关于

和

可构成一个洛伦兹四矢量

这是一个假设[1]。

3.关于

是一个洛伦兹张量

定义三维矢势

和标势

假设

和

构成一个洛伦兹四矢量

，那么

可见

是一个洛伦兹张量，这基于一个假设：

和

构成一个洛伦兹四矢量

[1]。

实验检验

对狭义相对论两个基本原理的检验

相关的实验有:对光速各向同性的检验[7-9]、由实验约束光子静止质量上限[10][11]、检验光速与光源速度是否有关[12]等。

时间膨胀的检验

相关高精细的实验有很多，如利用快速光学原子钟[13]或利用穆斯保尔效应的高精度谱分辨率[14][15]等检验时间膨胀；在可接受的误差范围内，实验结果与狭义相对论都是一致的。

检验横向多普勒效应

假设光源发射光信号的固有频率（在光源的静止惯性系检测的频率）为

，一个相对光源以速度

运动的观测者接收到的光信号频率为

，观测者的速度方向和光源运动方向的夹角为

。在狭义相对论中，光源的多普勒效应（Doppler effect）可表示为

注意到

即使光源横向运动，观测者也将收到红移（red shift）的光信号，这是在牛顿力学中不可能发生的。验证横向多普勒效应是对狭义相对论的有力检验之一[16][17]。

洛伦兹不变性的检验

扰动标准模型的拉格朗日量，使其对洛伦兹不变性有一个微小的偏离后，将会产生新的宇宙射线物理学和中微子物理学现象。相关的高能实验能对其作出检验[18]。

极限速度的检验

因果律和狭义相对论要求信号的极限速度为

图中曲线是理论上的相对论速度-能量关系，实验数据点的对象

介子[18]。

电子的相对论质量变化的检验

按照狭义相对论，电子质量m将随速度增大而增大，可通过测量电子的动能与动量来间接检验。

红色曲线是理论上的相对论动能-动量关系，蓝色曲线是理论上的牛顿力学的动能-动量关系。从图中可以看出，实验数据点与红色曲线较为吻合[19]。

狭义相对论的相关实验目前仍在进行，一部分原因是出于量子层面的，已经有许多量子引力和弦理论模型考虑了狭义相对论在接近普朗克尺度时被破坏的可能性[23-27]。

对理论物理学的影响

在牛顿力学统治的时代，物理学家的主要研究对象是宏观的力学系统，牛顿力学定律是在这一宏观尺度上经验总结和实验推断的结果。从电磁学现象的发现到狭义相对论的建立，研究对象的尺度发生改变，问题实际上涉及到高速运动的微观粒子。狭义相对论就是在这里发挥巨大威力的。比如，德布罗意利用相对论能量动量关系提出了物质波假设和德布罗意关系，托马斯考虑了相对论运动学效应后才给出正确的自旋轨道耦合相互作用。

第一百六十一章 （无知时间线，粒子）

在狭义相对论中，信号传播的极限速度是光速，相互作用只能是定域的，这一理念是爱因斯坦早期反对量子力学完备性的强烈理由[20]。爱因斯坦的质疑推动了隐变量理论和贝尔不等式的检验，最终物理学家发现了量子力学的固有非定域特征。

物理学家研究微观世界，离不开量子场论，而量子场论是建立在量子力学和狭义相对论的基础上的[21]。

除了启发和指导新理论，狭义相对论对物理学家思考问题的方式产生了深远的影响。洛伦兹群反映连续的时空对称性，它要求物理的拉氏量应具有时空转动（boost）和空间旋转不变性，这启发物理学家去发现系统潜在的自由度和对称性，如宇称、同位旋、规范对称性等。

狭义相对论的困难

在创立狭义相对论以后，爱因斯坦认识到该理论存在两个严重的困难[22]：

1.狭义相对论在众多的参考系中，承认了惯性参考系相比其他参考系具有优越性，物理学规律在所有惯性系中都是平权的；然而，惯性系本身却无法被定义。

2.爱因斯坦无法将万有引力定律纳入狭义相对论的框架，万有引力定律无法被修改为洛伦兹协变的形式。

通过对这两个困难的思考，爱因斯坦创立了广义相对论。

“唉！”

“看我的万粒天神！”

“原子核

既然电子带负电荷[5]，而原子呈电中性，很明显，原子内部必然有另外的带正电荷的粒子，以抵消电子的负电荷。20世纪初叶，工作于曼彻斯特的新西兰裔物理学家欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford，1871—1937)(后来继汤姆孙任卡文迪什实验室主任)证明，这一正电荷与原子的大部分质量一起，都集中在很小的中心核内。

原子核结构

起初人们认为，原子核是电子与荷正电的质子的混合物。到了1932年，也在卡文迪什实验室工作的詹姆斯·查特威克(James Chadwick，1891—1937)才发现了不带电的质量几乎与质子一样的中子。于是原子核被解释成由强核相互作用，或强力，维持在一起的质子和中子的集合。

那时，这三种粒子——电子、质子和中子

——似乎是构成一切物质的仅有基本粒子，但宇宙射线研究和粒子加速器中高能粒子束互相轰击的实验却表明，还存在其他类型‘亚原子’粒子；不过这些‘新’粒子是不稳定的，它们将迅速‘衰变’成其他粒子簇射，以我们熟悉的电子、质子和中子告终。

重要的是应该懂得，这些新粒子根本不是存在于粒子加速器中互相轰击的粒子(如质子)的‘内部’；它们是从注入加速器的能量中，按照阿尔伯特`爱因斯坦的公式(或者，在所讨论的情况下，更恰当的是)创造出来的。

然而，在它们的短暂寿命期间，它们是具备质量和电荷等特征的真正粒子。这样的粒子，应该曾经在大爆炸的高能条件下大量出现。

介子

物理学家不知道如何将这些粒子纳入一个圆满的物理理论，他们试图解释这些粒子之间基本力的作用方式。他们这样做时，仿效光子携有带电粒子之间的电磁力，想借助另一类携带着力的粒子——介子。但介子又是用什么东西制造的呢？

夸克

夸克的组成

1964年物理学家盖尔曼提出夸克模型，认为强子由更基本的成分组成，这种成分叫做夸克quark。夸克模型经过几十年的发展，已被多数物理学家接受[6]。

有一段时期，局面极其混乱。但1960和1970年代发展的夸克理论使局面趋于明朗。夸克理论认为，所有已知粒子可以分成两族。一族由夸克组成，能够‘感知’只在夸克之间起作用的强力，叫做强子。另一族叫做轻子，它们不能感知强力，但参与以所谓的弱力做媒介的相互作用(或称弱相互作用)，比如，放射衰变(包括β衰变)过程就是弱相互作用引起的。强子既能参与强相互作用，也能感知弱力。

轻子

是名副其实的基本粒子，它们不由任何别的东西构成。典范的轻子就是电子，电子与另一种叫做中微子(严格说应是电子中微子)的轻子相伴生。当电子参与放射衰变这类过程时，总有中微子卷入。

轻子

由于一些无人知晓的原因，这一基本图像已经复制了两次，产生了三‘代’轻子。除电子本身外，还有比较重的叫做μ介子，它们除了比电子重207倍外，完全像是电子；还有一种甚至更重的粒子叫做τ粒子，它的质量接近质子的两倍。这两种重电子各有其自己的中微子，所以轻子族有六种(三对)粒子。虽然μ介子和τ粒子都能在粒子加速器中用能量制造或从宇宙线产生，但它们很快衰变，转化成电子或中微子。

强子族

强子族本身又再分为两类[7]。由三个夸克构成的粒子叫做重子，就是我们常说的‘物质’粒子，包括质子和中子(重子和轻子都是费米子族的成员，费米子实际上是普通物质粒子的别称)。由成对的夸克构成的粒子叫做介子，它们是携带基本力的粒子，尽管还有其他的介子(这些力的载体和其他介子又称为玻色子)。

只需要两种夸克(它们的名字很怪，叫做‘上’夸克和‘下’夸克)就能解释质子和中子的结构。一个质子由通过强力维持在一起的两个上夸克和一个下夸克构成，而一个中子由通过强力维持在一起的两个下夸克和一个上夸克构成。

力本身可视为胶子的交换，而胶子本身又由夸克对组成，因而是介子。

正如轻子族复制了三代，夸克族也如此。虽然只需要两种夸克来解释质子和中子的本质，但复制的两代夸克却一代比一代重，其中一代叫做‘奇’夸克和‘粲’夸克，最重的一代叫做‘底’夸克和‘顶’夸克。和重轻子一样，这些粒子能够在高能实验中产生(因而大爆炸时必定大量存在过)，但迅速衰变成它们的较轻对应物。虽然不可能分离出单个夸克，但粒子加速器实验已经提供了夸克族所有这六个成员存在的直接证据；最后一种(顶)夸克是芝加哥费密实验室的科学家于2007年找到的。

对夸克的质量和其他性质的研究表明，不可能有更多代的夸克，只能有三族夸克和三族轻子。幸而标准大爆炸模型也认为不可能存在多于三代的粒子；不然的话，极早期宇宙中额外中微子造成的压力应该驱动宇宙过快地膨胀，从而使留存下来的氦含量与极年老恒星的观测结果不符(见αβγ理论、核合成)。这是最美妙的证据之一，表明粒子物理学和宇宙学两者的标准模型对宇宙行为的描述，都同基本真理相去不远。

但是，除了大爆炸的最早片刻之外，第二和第三代粒子在宇宙的演化或其内容物的行为中基本不起作用。我们在宇宙中看到的每样东西都能用两种夸克(上和下)和两种轻子(电子和电子中微子)加以说明；确实，由于单个的夸克不能独立存在，我们看到的每样东西的行为，仍然能够用1932年就已经知道的电子、中子和质子再加上电子中微子，以及四种基本力，相当准确地予以近似说明。

最新进展

电子可分

量子计算机。

英国剑桥大学日前发布新闻公报说，该校研究人员和伯明翰大学的同行合作完成了这项研究。公报称，电子通常被认为不可分。但1981年有物理学家提出，在某些特殊条件下电子可分裂为带磁的自旋子和带电的空穴子。

剑桥大学研究人员将极细的“量子金属丝”置于一块金属平板上方，控制其间距离为约30个原子宽度，并将它们置于约零下273摄氏度的超低温环境下，然后改变外加磁场，发现金属板上的电子在通过量子隧穿效应跳跃到金属丝上时分裂成了自旋子和空穴子[8]。

研究人员说，人们对电子性质的研究曾掀起了半导体革命，使计算机产业飞速发展，又出现了实际研究自旋子和空穴子性质的机会，这可能会促进下一代量子计算机的发展，带来新一轮的计算机革命。[3]

发现新粒子

2009年03月27日搜狐科学消息[3]：据美国《国家地理》杂志报道，科学家这周宣布，他们在美国伊利诺斯州的费米国家加速器实验室里发现了一种奇异的新粒子，完全无法用现有理论对它进行解释，它将可能打破现有物质构成的所有已知规则。这个新发现的粒子称为Y(4140)，它不符合二种物质构成的已知模式，甚至科学家还没有确定Y(4140)是由什么组成的。

费米国家加速器实验室

科学家一直认为夸克能以各种行之有效的方式结合在一起形成其他较大的亚原子粒子，一种模式是由夸克-反夸克对形成的介子，另一种模式是由3个夸克组成的重子，如质子和中子。“但我们发现的这种新粒子不属于这些夸克组合，这令人惊奇，”美国佛州大学的雅各布·科尼格斯伯格说，“据我们所知，如果你试图将夸克-反夸克对组合在一起，你不可能建造出这种粒子。”

粒子物理学家表示，此次发现的Y(4140)粒子是这些实验室观察到的具有类似非常规属性的粒子家族成员之一，是由二束粒子以近光速的速度彼此剧烈碰撞产生的，这样发现新粒子Y(4140)的机率大约为百亿亿分之二十。费米实验室的科学家发现，Y(4140)粒子在衰变过程中常常产生包含有一个底夸克(称为B+介子)的粒子。对费米实验室的数万亿次质子和反质子碰撞进行筛选后，科学家们确定了一个以非常规方式衰变的B+介子的小样本。进一步分析表明，这些B+介子可衰变成Y(4140)。此外，科学家还发现Y(4140)粒子可衰变成一对其他粒子———J/psi和phi粒子，物理学家认为它可能是一个粲数和反粲数夸克组合。但是，对于这样的一个构成来说，其衰变特性有违常规。

日本高能实验室发言人、物理学家山内正则说，这是首次证实一个新的意想不到的Y态新粒子可衰变为J/psi和phi粒子。这个Y态可能和之前他们发现的Y(3940)有关，也可能是含有粲数夸克的外来强子的又一个例证。这些外来的夸克组合不属于已知的介子和重子，理论物理学家正在对它们的真实性质进行破解，实验人员也在继续努力寻找更多这样的粒子。

这一新粒子的发现向那些深谙夸克如何结合形成物质的粒子物理学家发出了挑战。加上美国宣布发现了罕见的单顶夸克和其它几项发现，物理学家实际上离寻获希格斯玻色子（所谓的上帝粒子）已越来越近了，但他们现不得不重新思考物质是如何构成的。”