【极小篇｜导读】奇妙的微观世界

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六极物理课的更新时间是每周四19:05

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严老师讲义 

欢迎来到六极物理课的第四篇【极小篇】。从【极小篇】开始，连同第五篇【极热篇】和第六篇【极冷篇】，我们将关注微观世界的物理规律。

微观到什么程度呢？

至少微观到原子的尺度。

自古希腊以来，哲学家、科学家们就有终极一问：世界上的万物，有没有最小的组成单元？一个物体，我们去把它做分割，这种分割的动作是否能一直进行下去？会不会到了一个最基本的单元就无法再做分割了？

关于这个问题，古希腊哲学家留基伯和德谟克利特师徒俩提出了设想：世界万物的基本构成单位是原子，除了原子以外都是虚空。这就是最早的原子论。

这个古老的问题一直到今天，也只被回答了一半。

现在的主流物理学观点认为，存在构成万物的基本单元。但是这种单元具体是什么，只有一种还是有若干种，并没有最终的答案。随着科学研究的深入，科学家能够研究的尺度越来越小。

19 世纪，英国的化学家道尔顿用实验证明了每种元素都存在一个最小单元，并这些最小单元定义为“原子”。因为每一种元素的最小单元都不一样，所以这里的“原子”并非德谟克利特意义上的基本单元。

原子被证明存在以后，科学家们对于小尺度的研究才真正开启。

19 世纪末，英国物理学家J. J. Thomson通过发现电子，证明了原子内部有更丰富的组成部分。也就是说，原子可以再分。

直到20世纪初，卢瑟福用散射实验证明了，原子分为集中了大部分质量的原子核，以及小质量的电子。但是原子核的体积非常小，只有原子的几千亿分之一，原子内大部分的体积是空的。

到了卢瑟福，科学家对于微观世界的认知，就正式来到了量子力学的大门口。原子内部的电子和原子核的关系，已经不能用传统的电磁学理论来描述了。

量子物理的规律是截然不同的，它会从多方面颠覆人们对于这个世界的固有认知。

【极小篇】的目标就是从原子论讲起，随着研究尺度越来越小，一路讲到物理学最前沿的弦论、超对称理论。

【极小篇】有三个部分：

第一部分，包含第一章到第三章，讨论原子物理；

第一章主要介绍人类是如何开始研究原子的。传统理论在原子结构问题面前统统失效，量子力学不得不被发明出来，去解释原子内电子的运动情况。

第二、三章分别从薛定谔方程和哥本哈根诠释的角度来阐述，量子力学如何解决电子运动的问题，以及量子力学的核心哲学是什么。

第二部分包含第四章的内容，将研究尺度继续缩小到原子核层面；

原子核是原子体积的几千亿分之一，但是它还有更基本的组成单位——质子和中子。我们将探讨质子和中子如何相互作用，以及其中涉及的反应——核反应。

第三部分包含第五章和第六章的内容，我们把尺度继续缩小，进入粒子物理领域；

第五章我们将讨论组成质子和中子的更基本单元夸克。把眼光从单纯的原子核里抽离出来，看看从广义上，基本粒子有哪些种类、它们之间的关系是什么、如何相互作用以及如何分类。像宇宙射线里那些运动速度快到已经接近光速的粒子，就需要狭义相对论才能讨论了。狄拉克把相对论引入了量子力学，就会出现反粒子。

第六章则是统合性的一章。

我们了解了各种各样的基本粒子之后，既然基本粒子种类那么多，那么必然存在更加基本的理论。如何把这些粒子统合在一个理论框架内，这就是必须引入量子场论、杨密尔斯场、以及标准模型。在第六章末尾，我们还会谈论目前最前沿的，但是尚未被证实的理论，如超对称理论、弦论、圈量子重力，它们都是企图解释万物的终极理论。

【极小篇】是《六极物理》这门课篇幅最长、思想最为深刻的一篇。

它揭示的物理学思想，处处与我们的直觉违背，非常反常识。希望你可以专心地听，积极地调动理性思考。相信它对你的思维方式是巨大的挑战，当然，这种挑战是十分有趣的。