8　粒子和宇宙优秀课堂实录

《粒子与宇宙》教案

华清中学

王一舒

教学目标：

（1）初步了解粒子物理学的基础知识。

（2）初步了解宇宙的演化和恒星的演化。

（3）学生在学习中了解、感受科学发展过程中蕴藏着的科学和人文精神。

课堂引入; 如果由于某种大灾难，所有的科学知识都丢失了，只有一句话传给下一代，那么怎样才能用最少的词汇来表达最多的信息呢？

学生讨论回答。

著名物理学家费曼认为，这句话是原子假设（或者说是原子事实，无论你怎么称呼都行）：所有的物体都是由原子构成的。

当然这句话是不完备的，比如我们知道光并不是由原子组成的，对于暗物质暗能量的构成更是所知甚少，但这句简单的话语却能够立刻使我们找到一种统一性。当然原子也不是故事的结束，它们是由更基本的构件组成的。沿此思路走下去我们就能够很快将灾后遗民带上正确理解科学的化学和电子学的道路。

一．基本粒子不基本

我们曾认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子，并把它们叫做“基本粒子”。后来，随着科学的进一步发展，科学家逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子，它们都不是由质子、中子、电子组成的。科学家们也发现，质子、中子等本身也有自己复杂的结构。

1897年汤姆生发现电子，1911年卢瑟福提出原子的核式结构。继而我们发现了光子，并认为“光子、电子、质子、中子”是组成物质的不可再分的粒子，所以把它们叫“基本粒子”。那么随着科学技术的发展“它们”还是不是真正意义上的“基本”粒子呢？

二．发现新粒子

20世纪30年代以来，人们对宇宙线的研究中发现了一些新的粒子。

思考下面的问题：

（1）从宇宙线中发现了哪些粒子？这些粒子有什么特点？

（2）通过科学核物理实验又发现了哪些粒子？

（3）什么是反粒子？

（4）现在可以将粒子分为哪几类？

请一位同学上黑板设计表格将粒子分类。

学生回答：

（1）1932年发现正电子；1937年发现μ子；1947年发现K介子与π介子

（2）实验中发现了许多反粒子，现在发现的粒子多达400多种。

（3）许多粒子都存在着质量与它相同而电荷及其他一些物理性质相反的粒子，叫做反粒子。

（4）按粒子与各种相互作用的关系，可分为三大类：强子、轻子和媒介子。

三．夸克模型

问：上述粒子是不是最小单位，有没有内部结构呢？

教师：1964年提出夸克模型，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。

那么，现代科学认为夸克有哪几种？有什么特征？

学生回答：

（1）上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克、底夸克、顶夸克。

21（2）夸克带电荷为元电荷的3或3倍

请学生演出自编短剧《盖尔曼和夸克的故事》：

盖尔曼和夸克模型

盖尔曼：“我是默里·盖尔曼，生于1929年09月15日，卒于2019年5月24日。因为我提出了夸克模型，对基本粒子及其相互作用进行了分类，我被称为“统治基本粒子领域20年的皇帝”，于1969年获得了诺贝尔物理学奖。虽然在物理领域成绩斐然，但其实一开始，我并不打算学物理。

我的主要兴趣都是涉及个性、多样性和进化的主题。历史、考古、语言学、各个物种——鸟类、蝴蝶、树木、草本开花植物等等的自然历史，这些是我喜欢的东西。此外还有数学和其它各种东西——例如艺术和音乐。物理是我在高中时唯一学得很差的课程，而且我讨厌它。但是我父亲说——”

盖尔曼父亲：“儿子，你会喜欢量子力学和相对论的。”

盖尔曼：“所以我选择了物理学，并且很快就喜欢上它了。我发现父亲是对的，事实上，一反常态，他说得很对。量子力学和相对论非常了不起。”

“后来，我成为了加州理工学院的物理学教授，在这里，我遇到了我的头号劲敌——理查德费恩曼。”

费曼：“我是理查德费曼，一个万人迷，我是加州理工学院最聪明的人。我创立了费曼图，并且提出了部分子模型，认为强子是由许多带电的点粒子构成，这些点粒子称为部分子，在高能电磁相互作用和弱相互作用过程中可以近似作为相互独立的粒子。”

盖尔曼：“哼，粒子不服从量子场论，根本就不可能有这种事。它们只是夸克。不要用你的笑话来污染科学的语言！” 费曼：“你不觉得夸克这个名字很怪异吗?” 盖尔曼：“老伙计，让我来给你讲一讲夸克。首先，我以詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵夜》中的“向麦克老人三呼夸克”，为这种基本粒子取了名。并且，我认为，质子和中子各有三个夸克，而其他那些叫介子的粒子只有两个夸克，更恰当的说是一个夸克和一个反夸克。” 费曼：“好了好了，你说的这些我都知道，你可别忘了，还是我和另外一位仁兄一起提出了实验建议，后来在斯坦福直线加速器中心进行了实验证明了质子和中子确实由三个夸克组成，才有你后来得诺奖的事儿。” 盖尔曼：“还算你有些眼光，知道我的夸克模型是对的。”

费曼：“你可别误会，我们其他人只是想尽快用实验检验以下你的理论。”

盖尔曼：“随你说好了，我知道你内心一直仰慕我的才华，还在1977年时提名我和茨威格作为诺贝尔物理学奖候选人。”

费曼：“好像是你一直仰慕我，听说你当初来加州理工是慕我的名而来。”

盖尔曼：“好了，不和你争了，我们还是把历史的舞台让给年轻人吧。我想告诉现在的年轻人，我们这些老家伙们取得的成就，离不开当初父母对我们教育的重视，和自身对未解之谜的好奇，以及对物理的热爱和坚守，我们犹太人相信，教育是最重要的，有了知识和文凭，无论你处在怎样的境遇，你都可以生存下去。希望每个年轻人都能找到自己坚守的道路。”

费曼：“你说得对。”

盖尔曼：“去。”（谢幕）

四．宇宙的演化、恒星的演化

前面我们提到要了解宇宙起源需了解物质的组成的粒子，这是因为在物理学中研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。

教师：讲授“宇宙演化过程和恒星演化过程”。

宇宙大爆炸后，“粒子家族”（宇宙形成之初）：

1044秒后，温度1032K，产生夸克、轻子、胶子等→106秒后温度1013K，夸克构11成了质子和中子等（强子时代）→温度为10K时，少量夸克，光子、大量中微910子和电子存在（轻子时代）→温度K时进入核合成时代→温度降到3000K时，万有引力作用密集尘埃→星电子与质子复合成氢原子→冷却，出现了宇宙尘埃温度升高开始发光→一颗恒星诞生。恒星收缩升温→热核反应成氦→氢大云团部分聚变为氦→收缩→氦聚合成碳→…（类似）直到产生铁元素。

恒星最后的归宿：

恒星质量小于太阳8倍→白矮星

恒星质量是太阳8-20倍→中子星

恒星质量更大时(无法抵抗)→黑洞

学生演绎钱德拉塞卡的故事。

钱德拉塞卡的传奇人生

旁白：钱德拉塞卡于 1910 年 10 月 19 日出生在印度的一个婆罗门家族，他在中学时期就展现出了惊人的数学天赋，被誉为神童；但他并没有因此自视甚高，反而刻苦到父亲都看不下去。

钱父：儿子，别傻学了，去海边走走出去玩一玩吧。

钱德拉塞卡：好的父亲。（出门）我还是去邻居家读几个小时书再回家吧。

旁白：钱德拉塞卡15岁就上了大学，大学期间，他在没有指导老师的条件下在顶级期刊上发表了一篇论文，19岁时获得了政府奖学金并去英国留学。没想到在去往剑桥的路上钱德拉塞卡晕船了。

钱德拉塞卡：唉，晕船好难受，还要坐三个月的船才能到英国，还是先看本书吧，还好我随身携带了爱丁顿的《恒星内部结构》、康普顿的《X射线和电子》，以及索末菲的《原子结构和光谱线》，让我好好研究研究。

旁白：在船上，钱德拉塞卡计算出，当恒星的质量超过1.44倍的太阳质量时，它将不会成为白矮星。也就是说，不可能存在质量超过1.44倍太阳质量的白矮星！后来，天文学家都称它为“钱德拉塞卡极限”。我们现在知道，当恒星质量超过钱德拉塞卡极限时，会演变为中子星或黑洞。但是当时的天文学家们都相信恒星的终点会是白矮星。如果顺利的话，钱德拉塞卡的这个发现可能会使他获得诺贝尔物理学奖，然而，他要开始倒霉了。1935年1月11日，钱德拉在英国皇家天文学会年会上宣读了他的论文。

钱德拉塞卡：

大家好，经过严谨的计算推导，我发现 白矮星的质量有一个上限，约等于太阳质量的1.44倍。如果白矮星的质量超过这个上限，其内部的电子简并压力就不足以再抵抗引力，它就会继续地塌缩下去。

爱丁顿：你的推导有问题！泡利不相容原理不能用来研究白矮星，微观和宏观不能相提并论！

旁白：爱丁顿当众把钱德拉塞卡的讲稿撕成两半。（爱丁顿撕并扔在桌上）

钱德拉塞卡：（目瞪口呆加内心受伤）

可是爱丁顿老师，当初是你鼓励我把论文公开发表出来的啊！

旁白：会议结束后。

A科学家（上台对钱德拉塞卡说）：“尽管不知道为什么，但我知道爱丁顿是对的。”

B科学家（上台对钱德拉塞卡说）：“太荒谬了，太荒谬了……”

C科学家（上台对钱德拉塞卡说）：“太糟糕了，太糟糕了……”

旁白：至此之后，没有人再关注钱德拉塞卡，大家都嘲笑他。

钱德拉塞卡：（痛苦望天花板）“爱丁顿愚弄了我。我心烦意乱。我不知道是否该继续我的职业生涯。”（落寞下台）

旁白：关于爱丁顿的一个小剧场。某天，皇家学会和皇家天文学会联合会议散会时，希尔伯斯坦走到爱丁顿跟前说——

希尔伯斯坦：“爱丁顿教授，您一定是世界上三个懂广义相对论的人之一。”

旁白：爱丁顿对这一说法犹豫不决。（爱丁顿演一下犹豫不决）

希尔伯斯坦：“不要谦虚，爱丁顿先生。”

爱丁顿：“不，我只是在想，那第三个人会是谁。”

旁白：由于爱丁顿的巨大敌意，钱德拉塞卡不得不离开英国前往美国芝加哥另寻出路。这次痛苦的经历也让钱德拉塞卡形成了一种独一无二的研究风格：他一生中先后进入了7个完全不同的天文学研究领域，然后在每一个领域都做到了世界第一。

钱德拉塞卡：“今天得开五个小时的车去学校上课，我这门课只有两个学生选，我看看，一个叫杨振宁，一个叫李政道。好吧，自己开的选修课，在芝加哥的寒冬里走着去也要上完。”

旁白：又过了很多很多年。

钱德拉塞卡：“唉，我已经老了，我的学生李政道和杨振宁都已经获得诺贝尔物理学家27年了，而我。。。”

旁白：叮铃铃（钱德拉塞卡接电话）钱德拉塞卡博士您好，这里是瑞典皇家科学院，因您对星体结构和进化的研究，获得1983年诺贝尔物理学奖。”

（全场鼓掌）

五．作业：

1. 制作一个或两个方框图，描述宇宙演化和恒星演化的过程。

2. 讨论一下中国建造大型强子对撞机的机会和局限。

3. 试着对物理学的发展做出预测。