11: 粒子物理学和宇宙学
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在本文的开头，我们讨论了物理学所涵盖的广泛尺度，从最小的粒子到尽可能大的尺度——宇宙本身。 在最后一章中，我们将探讨这些极端规模的一些研究前沿。 粒子物理学涉及物质的最基本组成部分以及将它们凝聚在一起的力。 宇宙学是研究居住在我们宇宙中的恒星、星系和银河结构，以及它们过去的历史和未来的演变。
- 11.1：《粒子物理学和宇宙学前奏》
- 对基本粒子的研究需要巨大的能量才能产生孤立的粒子，涉及人类有史以来建造的一些最大的机器。 但是如此高的能量存在于宇宙的最早阶段，而我们今天看到的周围宇宙在一定程度上是由当时产生的基本粒子的本质和相互作用塑造的。 请记住，粒子物理学和宇宙学都是当前密集研究的领域，有很多人猜测。
- 11.2：粒子物理学概论
- 按强度顺序排列，自然的四种基本力量是：强核、电磁、弱核和引力。 夸克通过强力相互作用，但轻子不能。 夸克和轻子都通过电磁、微弱和引力相互作用。 基本粒子分为费密子和玻色子。 费密子具有半积分自旋并遵守排除原则。 玻色子有积分旋转，不遵守这个原理。
- 11.3: 粒子保护定律
- 基本粒子相互作用受粒子保护定律的约束，该定律可用于确定哪些粒子反应和衰变是可能的（或禁止）。 重子数保护定律和三轻子数对话定律对所有物理过程都有效。 但是，保持陌生感仅对强烈的核相互作用和电磁相互作用有效。
- 11.4: 夸克斯
- 存在六个已知夸克：向上（u）、向下（d）、charm（c）、strange（s）、top（t）和底部（b）。 这些粒子是具有半积分自旋和分数电荷的费密子。 重子由三个夸克组成，介子由夸克-反夸克对组成。 由于力量强大，夸克不可能孤立存在。 在散射实验中发现了夸克的证据。
- 11.5: 粒子加速器和探测器
- 已经开发了许多类型的粒子加速器来研究粒子及其相互作用。 其中包括线性加速器、回旋加速器、同步加速器和碰撞光束。 碰撞光束机用于制造大量粒子，这些粒子会迅速分解成更轻的粒子。 多用途探测器用于设计高能碰撞的各个方面。 其中包括用于测量电荷粒子和光子的动量和能量的探测器。
- 11.6: 标准模型
- 标准模型描述了粒子通过强核、电磁和弱核力量之间的相互作用。 粒子相互作用由费曼图表表示。 费曼图表示时空图上粒子之间的相互作用。 电磁力在远距离起作用，但强力和弱力在短距离内起作用。 这些力是通过发送和接收玻色子在粒子之间传递的。
- 11.7: 宇宙大爆炸
- 宇宙像气球一样膨胀——每个点都在从每一个点消退。 遥远的星系以与其距离成正比的速度离开我们。 该速率经测得约为 70 km/s/mpc。 因此，星系离我们越远，它们的速度就越大。 这些 “衰退速度” 可以使用光的多普勒偏移来测量。 根据目前的宇宙学模型，宇宙始于大约137亿年前的宇宙大爆炸。
- 11.8: 早期宇宙的演变
- 早期的宇宙又热又密集。 宇宙是各向同性的，正在膨胀。 宇宙背景辐射是宇宙大爆炸的证据。 宇宙的很大一部分质量和能量尚不为人所知。
缩略图：质子由两个向上夸克、一个向下夸克和介导力量 “结合” 它们的胶子组成。 单个夸克的颜色分配是任意的，但所有三种颜色都必须存在。 图片经许可使用（CC BY-SA 2.5；Arpad Horvath）。