Physics 版 (精华区)

发信人: zhangkx (木鱼子), 信区: Physics
标  题: 时标
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年03月02日21:38:02 星期六), 站内信件


        现代的标准宇宙模型告诉我们，宇宙是在大约（1.0--2.0）× 1010年前的一次
大爆炸中诞生的。用秒来表示，宇宙的年龄具有1018的数量级。在宇宙的极早期，温度
极高（1010K以上），物质密度敢极大，整个宇宙处于平衡态。那时宇宙间只有中子、质
子、电子、光子和中微子等一些粒子形态的物质，宇宙的结构是非常简单的。因为整个
体系在膨胀，温度急剧下降。大约估大爆炸后的3分钟，温度降到109K左右，较轻原子核
（氘、氦等）的合成变为可能。温度从109K降到106K，是轻元素的早期合成阶段，大爆
炸以的后约40万年，当温度降到几千开时，原子核与电子合成电中性的原子和分子。那
时宇宙间主要是气态物质，气体逐渐凝聚成气云，再进一步形成各种各样的恒星体系，
成为我们今天看到的宇宙。
       恒星释放的能量来自内部的热核聚变反应，核燃料耗尽，恒星就死亡。恒星的质
量愈大，其温度就愈高，聚变反应进行得就愈快，它的寿命就愈短。据估计，太阳的寿
命可以有1010年，而太阳的年龄约5× 109年，它正处在壮年时期。
        按放射性同位素238U和235U之比估计，地球的年龄为4.6× 109年，即1017秒的
数量级。在距今（3.1--3.2)× 109年前，出现了能够进行光合作用的原始藻类，距今（
7--8）× 108年（1016秒）前形成了富氧的大气层。大约距今4× 108年前出现鱼类和陆
生植物，3× 108年前出现爬行类，不到2 ×108年前出现鸟类，6.7× 107年（约1015秒
）前恐龙灭绝，尔后哺乳尖兴起。古人类出现在距今（2.5--4)× 106年（1014秒）前，
而人类的文明史只有5000年（1011秒）。古树的年龄上千年（1010秒），人的寿命通常
不到一百年（109秒）。地球公转的周期为一年（3 ×107秒），月球公转的周期30天（
2.6× 106秒），地球自转的周期为一天（8.64× 104s≈ 105s)。百米赛跑的世界记录
具有101秒量级，钟摆的周期是100s=1s.市电的周期为2× 10-2秒，超快速摄影的曝光时
间为10-4秒。
        现在我们来看微观世界。从本世纪初到30年代，物理学的发展弄清楚了原子和
原子核的大小，并知道了原子由质子和中子组成的。电子、光子、质子、中子就是人们
最早认识的一批基本粒子。后来发现，电子和光子可当作点粒子来对待，但质子和中子
是有内部结构的，即已有的“基本粒子”并不属于同一层次。因此把“基本粒子”改称
“粒子”。现在已发现的粒子，按它们参与各种相互作用的性质，分为以下三类：（1）
规范玻色子，包括光子 、中间玻色子W± 和Z0、8种胶子；（2）轻子，包括电子、μ 
子、tao子；（3）强子，它又分为重子（如质子、中子）和介子（如Π0、Π± 介子）
两大类。绝大多数已发现的粒子是不稳定的，即粒子经过一定时间后就衰变前存在的平
均时间叫做该种粒子的寿命。在常见的粒子中，光子、电子和质子是稳定的，其余粒子
寿命数量级如下：中子寿命约15分钟（103次数量级）， μ子寿命的数量级为10-6秒，
Π± 介子为10-8秒， tao子为10-13秒，Π0 介子为10-17秒。Z0的寿命最短，为10-25
秒的量级。
         微观粒子寿命的长短，用宏观的眼光来看当然是极短的，但从微观的角度不应
这样看。每种粒子有自己的质量m和能量E=mc2（爱因斯坦的质能公式，其中C为光速）；
又，按量子力学中的海森伯不确定度关系，粒子tao~h/Γ的寿命 ，这里面Γ（叫做宽度
）代表粒子能量的不确定度，h是普朗克常量。Γ愈小tao愈长，粒子愈稳定。衡量一个
粒子稳定的程度，要看Γ与能量E的比值。应认为Γ/E?1的粒子都是稳定的。用这标准来
衡量，寿命长于10-20秒的许多粒子都算得上相当稳定的。
       在粒子物理学中还按另外一种标准来区分粒子是否稳定，即不通过强相互作用衰
变的粒子叫做“稳定粒子”，可以通过强相互作用衷变的粒子叫做“共振态”。一般说
来，通过强相互作用衰变的粒子寿命短，通过弱、电相互作用衰变的粒子寿命要长得多
，然而实际情况不这样简单。现已发现最稳定的共振态，寿命的数量级为10-20秒，比“
稳定粒子”Z0的寿命长得多。不过除W± 、Z0外，其它“稳定粒子”的寿命都 5.8× 1
0-20秒。
          从10-25秒经过100秒到1018秒，宇宙间各种事物的时标跨越了43--44个数量
级。

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