大學(xué)物理教材關(guān)于微觀粒子的不足與改進(jìn)

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷發(fā)展，人類對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)也在不斷更新發(fā)展。而大學(xué)教材關(guān)于這方面的知識(shí)點(diǎn)，卻沒有得到更新，還保留在幾十年前的水平。本文就如何改進(jìn)這方面的知識(shí)和教學(xué)談一點(diǎn)粗淺的看法。

一、中微子簡介

1. 中微子的發(fā)現(xiàn)

1930年，奧地利物理學(xué)家泡利提出了一個(gè)假說，認(rèn)為在β衰變過程中，除了電子之外，同時(shí)還有一種靜止質(zhì)量為零、電中性、與光子有所不同的新粒子放射出去，帶走了另一部分能量，因此出現(xiàn)了能量虧損。這種粒子與物質(zhì)的相互作用極弱，以至于用儀器也很難探測得到。未知粒子、電子和反沖核的能量總和是一個(gè)確定值，能量守恒仍然成立，只是這種未知粒子與電子之間能量分配比例可以變化而已。

1932年，意大利物理學(xué)家費(fèi)米將該粒子命名為“中微子”。

1956年，柯溫（C.L.Cowan)和弗雷德里克·萊因斯利用核反應(yīng)堆產(chǎn)物的β衰變產(chǎn)生反中微子，觀測到了中微子誘發(fā)的反應(yīng)：ve+p→n+e+。

這是第一次從實(shí)驗(yàn)上得到中微子存在的證據(jù)。

1962年，美國布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家利昂·M.萊德曼等人發(fā)現(xiàn)了中微子有“味”的屬性，證實(shí)了μ子中微子和電子中微子是不同的中微子。他們也因此獲得了1988年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2000年7月21日，美國費(fèi)米國家實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了τ子中微子存在的證據(jù)。

2. 探索中微子的質(zhì)量

當(dāng)人類發(fā)現(xiàn)中微子后，科學(xué)家也開始研究中微子的質(zhì)量。由于當(dāng)時(shí)科學(xué)技術(shù)水平和實(shí)驗(yàn)條件的限制，科學(xué)家們認(rèn)為中微子的質(zhì)量為零。1968年，美國物理學(xué)家雷蒙德·戴維斯等人在美國南達(dá)科他州的Homes- take地下金礦中建造了一個(gè)大型中微子探測器，通過探測發(fā)現(xiàn)，來自太陽的中微子比理論預(yù)言減少了1/3，這就是太陽中微子問題。

針對(duì)太陽中微子的缺失問題，人們首先想到的是修改標(biāo)準(zhǔn)太陽模型。如果測量到的中微子流量是準(zhǔn)確的，那么，要求太陽核心的溫度比標(biāo)準(zhǔn)太陽模型中的溫度低，而日震觀測發(fā)現(xiàn)實(shí)際溫度與標(biāo)準(zhǔn)太陽模型符合得很好。此外，無論怎樣調(diào)整太陽標(biāo)準(zhǔn)模型都無法符合觀測得到的中微子能譜，對(duì)模型進(jìn)行任何調(diào)整都會(huì)令矛盾增多。

另一種解釋是中微子振蕩，即中微子在傳播到地球途中發(fā)生了轉(zhuǎn)換。中微子有三種，分別是電子中微子、μ子中微子和τ子中微子。粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言，中微子是沒有靜止質(zhì)量的粒子。如果三種中微子之間可以相互轉(zhuǎn)換，那么意味著中微子是有質(zhì)量的，這是因?yàn)槿绻形⒆訒?huì)發(fā)生振蕩，只要振蕩幾率不為零，那么，中微子的質(zhì)量之差也不為零，從而能夠證明中微子是有質(zhì)量的，這將對(duì)粒子物理學(xué)的許多基本觀念提出挑戰(zhàn)。

1998年6月5日，日本超級(jí)神岡探測器的科學(xué)家們宣布找到了中微子振蕩的證據(jù)，即中微子在不同“味”之間發(fā)生了轉(zhuǎn)換（電子中微子和μ子中微子間變換），這現(xiàn)象只在中微子的靜止質(zhì)量不為零時(shí)才會(huì)發(fā)生。然而，這個(gè)實(shí)驗(yàn)只能測出不同“味”的中微子質(zhì)量之差，尚不能測得其絕對(duì)質(zhì)量。但是可以肯定的是，中微子確實(shí)是有質(zhì)量的。

二、大學(xué)物理教材關(guān)于微觀粒子方面的不足與改進(jìn)

1. 大學(xué)物理教材的不足

綜上所說，盡管中微子的絕對(duì)質(zhì)量問題到目前為止還沒有讓大家普遍接受的理論，但是中微子確實(shí)有質(zhì)量。可令人遺憾的是，大部分的大學(xué)物理教材在這方面的內(nèi)容卻沒有得到更新，仍舊認(rèn)為中微子是無質(zhì)量的。這樣就會(huì)導(dǎo)致不少大學(xué)教師在向?qū)W生介紹這方面知識(shí)的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生誤導(dǎo)現(xiàn)象。這也說明了我們的教材與當(dāng)代科技水平的發(fā)展還不能達(dá)到同步，缺乏對(duì)當(dāng)代世界最先進(jìn)的理論的引入和介紹。因此，如何讓我們的大學(xué)物理教材及時(shí)與世界科技的前沿問題接軌成為迫切緊要的問題。

2. 大學(xué)物理教材的改進(jìn)方向

現(xiàn)在世界已經(jīng)進(jìn)入互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展使得我們能夠及時(shí)了解科技發(fā)展的最新動(dòng)態(tài)，這對(duì)大學(xué)教材內(nèi)容的及時(shí)更新提供了非常有利的條件。我們可以通過互聯(lián)網(wǎng)更多地了解與自己領(lǐng)域相關(guān)的新技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)，并把這種新發(fā)展及時(shí)在教材中做出更新。同時(shí)，教師還應(yīng)該多關(guān)注國外的一些優(yōu)秀教材，學(xué)習(xí)如何將最新的科學(xué)技術(shù)有機(jī)研究融合在大學(xué)教材中。要學(xué)會(huì)“拿來主義”，將國外先進(jìn)的教材內(nèi)容與中國國情相結(jié)合，轉(zhuǎn)變成適合中國大學(xué)生使用的反映科學(xué)發(fā)展前沿成果的優(yōu)秀教材。(作者單位：中國人民解放軍軍事交通學(xué)院基礎(chǔ)部)

□責(zé)任編輯：周瑜芽