1. 过去，现在和未来 天上，地上和地下 21 世纪的物理 李学潜 南开大学物理科学学院

2. LHC 已经开始运行 设计对撞能量为 14TeV 目前的对撞能量为 7TeV ，将运行 18-24 个月，积 分亮度为 1 fb -1 其他加速器，对撞机实验 在天文学上有气球，卫星以及地面（我国的西藏 羊八井观测站，云南高山站） 地下的暗物质，中微子探测 。。。。。。。。

3. 什么是物理 物理学归根结底是实验科学，一切物理规律， 理论都是来源于观察，实验，如要回归到 实验 物理的基本规律是不变的，但物理学是在不 断前进的。

4. 物理分为基础物理和应用物理 我们仅涉及基础物理研究。 20 世纪是创新的世纪， 20 世纪末随着计算机 的高速发展，和互联网的使用，人类的知 识积累和认识世界的手段达到了前所未有 的水平！

5. 1. 天文 - 宇宙学 宇宙学以成为一门可以验证的精确科学！ 宇宙的历史，起源于 130 亿年前的大爆炸， 演化到今天，宇宙是有边界的。

8. 2006 年物理学诺贝尔奖 两位诺贝尔奖获得者： 1.John Mather, Senior astrophysicist at NASA’s Goddard Space Flight Center 2. George Smoot, Professor of Physics at University of California, Berkeley 2006 年物理学诺贝尔奖是关于： Nobel prize for Big Bang research

9. J. Matehr and G.Smoot J. Mather et al., 1990, Astrophys. J (Letter) 354, 37; G. Smoot et al., 1992, Astrophys. J (Letter) 396, 1

10. Nobel 奖提名

11. Nobel Prize 10 -5 K

12. 宇宙形成于热大爆炸 2 。早期宇宙概况 （ 1 ）远古的宇宙中不可能有星系 （ 2 ）星系是均匀宇宙气体碎裂的产物 微小扰动会发展成局域结团 （ 3 ）膨胀的宇宙来自大爆炸 （密度，温度无限？） “Big Bang”! （ 4 ）强子，质子，中子从夸克产生，是宇宙演化的产物， E ＝ 200 MeV (T=10 12 K) t=10 -4 s （ 5 ）化学元素也是演化的产物, E=1-10 MeV (T=10 10 K) 3-30 min （ 6 ）原子和分子是宇宙演化中产生的, E ＝ 13.6 eV (T=10 4 K)

13. 几个简单公式 3 。几个简单公式 爱因斯坦广义相对论 空间, 时间和物质, 真空能的关系 λ 为宇宙常数 RW 度规

14. ｀ Planck 分布 Planck 分布中的高能光子数

15. 黑体辐射 光在黑体中多次散射，成热平衡状态。 黑体辐射的光源是 t=2.4X10 5 年时星系为形成前中 性原子气体 由于这个最后散射面是均匀且等温，观测到的背景 辐射应高度各向同性。由于光子从有频繁碰撞到 失去碰撞的转化很快，从最后散射面放出的光子 动量分布是 Planck 分布。 我们看到的黑体辐射就是宇宙光子背景辐射。

16. 一个故事 那么今天的 T eff 大约为 2.3-2.7K 发现和证实： Princeton 大学的 Dicke 和 Peebles 认识到背景 辐射对热大爆炸宇宙学的重要，准备寻找， Penzias 和 Wilson 在调试频率为 4080MHz 的角形天线，在没有 信号时测定了本底，拟合温度为 T(θ)=(4.4+2.3secθ)K 发现它是无法排除的来自远处的噪声。 从而得到诺贝尔奖。 但它仅是一个频率上的，由于实验很困难，大气影响很难排除 ，不能在地球上完成

17. 新的 Nobel 奖 这是 COBE 测量的最后结果。在星系形成后 的宇宙中，不同部分有了不同温度，宇宙 介质已没有了统一的热平衡。例如太阳的 热辐射谱合黑体辐射谱相差很大。 只有在 早期，宇宙才能是整体达到高度热平衡 的系统。背景辐射谱与黑体辐射谱的高度 一致指出它是来自早期宇宙，支持了热 大爆炸理论。

18. 星体起源 COBE 的另一个结果 多极各向异性（偶极各向异性主要是由于银 河系运动产生的红移改变）预示宇宙介质 不能完全均匀。 早期宇宙各处温度和密度有微小起伏，它 是后来结构形成的种子。 正是因为这种小起伏，由引力构成今天的星 体。

19. Nobel 奖的工作 然而从 1977 年起的十年中，分析四极各向 异性的强度，受到精度限制得到零的结果。 到 80 年代末，这上限异缩小到 如果测量精度再高一个数量级后仍然得到零结果，那么这样过小的密 度起伏奖来不及再今天形成星系，也就没有我们了。 COBE 使用仪器 DMR 在 1992 年测到了微波背景温度的四极各向异性为 完全支持了热大爆炸宇宙学理论。

20. 宇宙中元素 大爆炸核合成 BBN 这是一个比较复杂的核反应链 但大爆炸理论预言中子数与质子数之比为 1 ： 7 ， 这个比例是由于中子与质子的质量差 为 1.29 MeV ，转化停止的冻结温度为 0.8 MeV 。这结果意味今天 He 丰度为质子的 1/4 。 测量之为大约 0.23-0.25 。

21. 正反物质不对称性 7 。宇宙中正反物质的不对称性 观测宇宙中只有质子，中子和带负电的电子， 而不存在它们的反粒子。从热大爆炸理论 它们应该存在。 Sakharov 提出三个必须的条件 1 存在破坏重子数（轻子数 ) 守恒的相互作用 2 CP 破坏 3 宇宙对热平衡的偏离（至少在演化某一阶 段）

22. 新的问题

23. AMS 计划 但也存在其他可能性，反物质存在于我们广 阔宇宙的另一部分，它是和我们居住的部 分完全分开的。那么就有可能一些暗物质 颗粒会脱离它们的世界而飞到我们这儿来。 我们的任务是找到它们。 AMS 计划 Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) 由丁肇 中领导的庞大的计划在太空中寻找反物质 流。

25. 宇宙学的困难 8 。暗物质与暗能量 宇宙中可观测的发光物质，或重子物质只占 宇宙总能量的 5 ％以下，暗物质（冷暗物质） 占 23 ％， 70 ％以上是所谓的暗能量。 暗物质是什么？历史上开始认为是中微子 （热暗物质），现在认为最可能是超对称 粒子 neutralino ， 或 axion, axionino 等。 如何在地球上的探测器上检验暗物质流？

27. 宇宙学的困难 方法是让暗物质粒子与探测器中质子或电子 碰撞，我们测量带电的质子或电子的反冲 轨道。测量是非常困难的。 最近在美国明尼苏达的探测器 GCRS 看到了 两个暗物质的事例，但仍不能排除它们不 是真的信号的可能性。他们用的是超低温 的 Ge 和 Si 探测器。价格昂贵，技术复杂， 科学意义重大！

28. 我国的暗物质探测计划

29. 讲一个有趣的问题：虫洞理论

32. 哲学，物理学 图：大蛇图 宇宙涉及是非常大的尺度，非常高的能量， 非常长的时间，是超出宏观的宇观物理 粒子物理研究的是非常小的尺度，非常高的 能量（相对而言），非常短的时间，是微 观物理。 但它们却是紧密相关的。因而我们有可能在 地球的探测器上对宇宙学进行研究。

33. 粒子物理宇宙学 LHC ， ILC 和 RHIC LHC ， 14 TeV, 2007 年开始运行，寻找 Higgs ， 超对称粒子， 等新物理的信号 ILC ， 1 － 2 TeV ， ？，精确研究新物理的性 质，探索更新的物理世界 RHIC ， 寻找夸克－胶子等离子体，模拟早期 宇宙 (Little bang) 为进一步检验理论，提出新的物理思想奠定 实验基础

34. 第二部分： 基本物质结构和基本相互作用 根据我们现在的知识，有四种基本相互作用： 1. 引力相互作用， 2. 弱相互作用， 3 电磁相 互作用， 4. 强相互作用 在宏观领域中只有引力和电磁作用在起作用 那么基本的物质结构呢？

35. Fermi Lab 1986

37. 在粒子物理中有一个 “ 标准模型 ” SU C (3)xSU L (2)xU Y (1) 但它一定要破缺，它的机制寄著名的 Higgs 机 制，可以用下图来描写

38. 现在的势能曲线，真空破缺 早期宇宙，温度很高时的 势能

39. Higgs Boson (The Masses)

40. 在量子力学中有一个测不准原理 要 “ 看到 ” 越小的结构，就要求越高的能量， 相对论的只能关系也告诉我们，要想 “ 产生 ” 很 中的粒子，就要有很高的 “ 质心 ” 能量。 这就要我们建造能量很高，亮度很高的加速 器，随着科学和社会的进步，新的加速器 在不断建造。最新的就是 LHC ，大型强子 对撞机。

41. LHC 对撞机 在 法国和瑞士交界的欧洲核子研究中心 CERN

42. 事例 一次典型碰撞的事例，许多强子被产生

43. 它的能量为 7 TeVx2 它在 2009 年地以完成是运行，今年将开始 3.5GeVx2 的运行，大约要 12-18 个月，然 后大检修，之后就会达到 14TeV 的满负荷运 行了。 机器的困难是难以想象的 !

44. LHC 物理 探测器 （ 1 ） CMS 寻找 Higgs 和超对称等新物理 （ 2 ） ATLAS 寻找 Higgs 和超对称等新物理 （ 3 ） LHCb 做有关 b 物理的工作 （ 4 ） ALICE 相对论重离子碰撞 还有两个 TOTEM 和 LHCf 是辅助性的探测器

45. 寻找希伯斯玻色子

46. 新物理 和寻找暗物质和暗能量一样，要解释正反 物质的不对称性，需要新物理。 已有若干新物理模型，但最终（？）要确 定它们，必须依靠实验， LHC 将是最好的 （至少目前来说）的大型实验装置。

48. 对撞机毁灭地球之争 科学家们将在实验中撞击质子，模拟宇宙大爆炸后一 万亿分之一秒内的能量和条件，接着细致分析撞击产 生的残骸，用以探求物质本质的线索和自然中新的力 量和平衡。但是，沃尔特 · 瓦格纳和刘易斯 · 桑科两个人 坚持认为，欧洲核子研究中心的科学家在各种灾难性 后果中刻意贬低大型强子对撞机产生黑洞的可能性。 他们认为实验产生的黑洞可以吞噬地球。或者，强子 对撞机将产生一类名为 “ 奇异微子 ” (Strangelet) 的粒子， 将地球变成一团沉寂、收缩的 “ 奇异物质 ” 。 他们的讼状还称，欧洲核子研究中心未能按照美国 《国家环境政策法》的规定，提供有关对环境影响的 说明书。尽管这一诉讼听起来有些荒诞，但却揭示了 一个近年来困扰学者和科学家的严肃问题，即如何评 估这次极富创造力的实验的风险性，以及由哪一方去 决定是否继续这项实验。

49. 可能吗？ 最近有人提出在 LHC 上会产生黑洞（ black holes ）， 它会吞没它周围的一切，乃至我们赖 以生存的地球，毁灭人类，这可能发生吗？ 这大概是一个 hoax( 美国式的），但还是有很多 人相信，因而很多理论家做了认真的研究以解除 公众的心里障碍。 例如： Exclusion of black hole disaster scenarios at the LHC. By Benjamin Koch, Marcus Bleicher (Frankfurt U.), Horst Stocker (Frankfurt U., FIAS & Darmstadt, GSI)Benjamin KochMarcus BleicherFrankfurt U.Horst StockerFrankfurt U., FIAS Darmstadt, GSI

50. 其他实验 目前我国的 BEPCII ，（ BESIII ）已经成功完成对 撞，今年开始取数据； 日本的 Belle （ B- 介子工厂） 我国的大亚湾中微子实验； 目前 RHIC 等等 都对人类认识自然提供了实验观测基础。

51. 天上我们有卫星，飞船，气球等搭载各种 精密仪器探测宇宙来的信息， 丁肇中先生领导的 AMS 将探测反物质的存在。 目前已发现在 50 GeV 左右有反常的正电子超 出，这可能是暗物质湮没的信号， 最近有发现从遥远超新星来的高能光子比低 能光子慢，这可能是量子引力效应或什么 新物理。

52. 那么地下在做什么？ 探测中微子，日本的神岗的中微子实验 确认 中微子有很小的静止质量，从而解决了太 阳中微子刘缺失和大气中微子之谜，而获 得了诺贝尔奖。 美国在南极做的 IceCube 实验，主要希望寻找 高能中微子，河外超新星爆炸产生的中微 子等等。

53. 探寻暗物质流， 是让 WIMP 和物质中的核 子散射，通过测量核子的反冲来确认暗物 质流。 Minnesota 的 CDMS 探测器就是放在 矿井中。 这主要是排除宇宙线的影响。岩石曾越厚， 宇宙线的背景就越小，实验条件也就越好。 我国拟议中的暗物质研究就是在四川利用天 然和人工隧道来放置探测器。

54. 物理 细推物理须行乐 何用浮名绊此身 杜甫， 曲江二首 细推物理日复日 疑难得解乐上乐 李政道， 借杜甫诗意

55. The Golden age is coming! Thanks ! 谢谢！