按老师真实出卷风格的三张模拟卷（Zettel 1/2/3）+ 考官追问链；全部考点、术语、数字与锚点以 讲义：主题 10 为准。口试节奏：约 10 分钟陈述 + 讨论。★ = 已在历年真题录音中证实出现过的素材。

Zettel 1 — 标准模型总览（Standardmodell）

范式定位：„Im Paradigma des Standardmodells der Elementarteilchenphysik besteht die gesamte Materie aus wenigen fundamentalen Fermionen, und Kräfte wirken durch Austauschbosonen."（在标准模型范式中，全部物质由少数基本费米子构成，力由交换玻色子传递。）

1. Erkläre：基本粒子物理研究哪个层次？为什么 1950–60 年代非要一个标准模型不可？（关键词：Teilchenzoo 粒子动物园、Gell-Mann 1964、周期表类比。）
2. **分类：**费米子（Fermionen）与玻色子（Bosonen）靠什么区分？**泡利原理（Pauli-Prinzip）**解释了日常物质的哪条性质？列出 6 夸克 + 6 轻子的三代结构——你面前这张桌子由哪一「代」构成，为什么只由它构成？
3. 电荷算术（Ladungsarithmetik）：用夸克电荷逐步证明质子（uud）= $+1e$、中子（udd）= $0$。补充：β⁻ 衰变在夸克层面发生了什么？电荷守恒如何配平？
4. **四力表：**列出四种基本相互作用（Grundwechselwirkungen）的强度、力程、传递粒子、作用对象，并给出强弱次序（Hierarchie）。
5. Rechenbeispiel + 单位换算：希格斯粒子质量约 $125$ GeV/$c^2$（已知 $1\text{eV}=1,6\cdot {10}^{-19}$ J、$c=3\cdot {10}^8$ m/s、$m_p=1,67\cdot {10}^{-27}$ kg）。把它换算成 kg，并表示为质子质量的倍数。
6. ★ 哲学弯钩（Wissenschaftstheorie）：「Problem bei der Masse — 2012 am CERN entdeckt: das Higgs-Teilchen. Der Begriff der Masse könnte sich ändern.」（此句出现在经典力学真题卷上！）请讨论：希格斯范式下「质量」究竟是什么（糖浆图像）？牛顿的质量概念因此就「错」了吗？——用 Geltungsbereich（适用范围）作答。

Zettel 2 — 四种相互作用与禁闭（Wechselwirkungen & Confinement）

范式定位：„Im Paradigma des Standardmodells gibt es keine Fernwirkung im leeren Raum: Jede Kraft wird durch ihr Austauschteilchen vermittelt."（标准模型范式中没有真空超距作用：每种力都由各自的交换粒子传递。）

1. Erkläre：力到底如何起作用？讲清交换粒子图像与溜冰者抛球类比（Schlittschuhläufer）。**Alltag：**哪些相互作用解释了日常物体的稳定性？
2. 没有强力会怎样？为什么没有强力就没有原子核？为什么一杯水里不会自发核聚变（关键词：Coulomb-Barriere 库仑势垒、${10}^{-15}$ m）？
3. **Ableitung（推导）：**从能量-时间不确定性 $\mathrm{\Delta }E\cdot \mathrm{\Delta }t\ge \hslash /2$ 出发，逐步推出力程公式 $R\lesssim {\displaystyle \frac{\hslash }{2mc}}$，并解释为何 $W/Z$ 很重 ⇒ 弱力极短程。**Gegenprobe：**光子 $m=0$ 说明什么？
4. Rechenbeispiel：已知强力在核子之间的力程 $R\approx {10}^{-15}$ m（$\hslash =\mathrm{1,055}\cdot {10}^{-34}$ Js）。用第 3 题的公式反推有效传递粒子的质量（kg），再换算成 MeV/$c^2$。结果落在哪个著名粒子附近？
5. 挑衅题：„Warum hat noch nie jemand ein einzelnes Quark gesehen?"（为什么从没有人见过单个夸克？）——禁闭（Confinement）、橡皮筋图像、$E=m{c}^2$ 生成新夸克对；并联系「基本电荷 = 最小可直接测量电荷」这一定义。
6. 哲学弯钩：色力随距离不减，弱力既不吸也不斥、只改变粒子——「Ist das überhaupt noch eine ‚Kraft' im Newton'schen Sinn?」（这还算牛顿意义上的『力』吗？）讨论概念的可变性：为什么现代物理改说 Wechselwirkung（相互作用）？

Zettel 3 — 反物质与 CERN（Antimaterie & CERN）

范式定位：„Im Paradigma des Standardmodells entsteht Materie aus Energie immer paarweise — Teilchen und Antiteilchen. Dass es uns trotzdem gibt, ist eine der größten offenen Fragen der Physik."（标准模型范式中，能量造物总是粒子-反粒子成对——而我们竟然存在，是物理最大的未解之一。）

1. 历史与概念：谁预言、谁证实了反物质（Dirac 1928 / Anderson 1932）？反粒子与粒子差在哪里？CERN 的 ALPHA 实验做什么？为什么至今没有反氦原子？
2. 湮灭（Annihilation）：写出 $e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$，并用守恒律逐步论证：为什么变成光子？为什么不止一个？为什么恰好 180°？医学上谁在用这一点（PET）？
3. Rechenbeispiel + 单位换算：(a) 算每个光子的能量 $E_{\gamma }=m_e{c}^2$（$m_e=9,11\cdot {10}^{-31}$ kg），换算成 keV。(b) 1 g 物质 + 1 g 反物质完全湮灭释放多少能量（J 与 GWh）？与裂变（~0,1 %）、聚变（~0,7 %）比效率。
4. LHC：为什么造粒子要加速器（$E=m{c}^2$）？讲清加速链（Linearbeschleuniger → Synchrotron）、磁场与电场的分工、为什么用对撞环；说出四个探测器及各自任务，并列举六大研究目标。
5. ★ LHC 诉讼（Klage）：„Vor der Inbetriebnahme des LHC gab es eine Klage — aus Angst vor Mini-schwarzen-Löchern."（LHC 启用前真有人起诉！此事出现在 ART 真题卷上。）原告怕什么？为什么这种恐惧物理上站不住（${10}^{-26}$ s、Hawking-Strahlung、比质子小）？
6. 哲学弯钩：„Warum gibt es überhaupt noch Materie im Universum?"（宇宙里为什么还有东西存在？）——给出 $({10}^9+1):{10}^9$ 的完整论证链，指出哪个探测器在研究它，并说明为什么这是现代物理的开放问题（offene Frage）。

考官追问链 / Nachfragen-Kette

老师口吻，短促快问（每条 ≤ 1 分钟）：

1. ★ „2012 — was war da am CERN? Und warum sage ich: der Begriff der Masse könnte sich ändern?"（2012 年 CERN 发生了什么？）
2. „Warum hat noch nie jemand ein einzelnes Quark gesehen?"
3. „Das H in LHC — wofür steht es? Ist das Elektron ein Hadron?"
4. „Durch Sie fliegen gerade jetzt Milliarden Neutrinos. Warum spüren Sie nichts?"
5. „Das Myon lebt 2,2 μs. Rechnen Sie: Wie weit kommt es klassisch? Warum erreicht es trotzdem den Boden?"
6. „Bei der Annihilation: warum zwei Photonen — warum nicht eines?"
7. ★ „Vor dem LHC-Start hat jemand geklagt. Wovor hatte er Angst — und warum war sie unbegründet?"
8. „Welche Wechselwirkung wirkt nicht zwischen zwei Leptonen?"
9. „Kann die schwache Kraft aus einem Lepton ein Quark machen?"
10. „Gäbe es ein Teilchen schneller als das Licht — wie hieße es, und was wäre das Problem?"
11. „Warum fusioniert ein Glas Wasser nicht spontan?"
12. „Das Standardmodell enthält keine Gravitation. Ist es deshalb falsch?"

§§ANTWORTEN

Zettel 1

A1. 研究比原子、原子核、核子更深的层次——物质最根本的组成单元（fundamentale Bausteine der Materie）及其相互作用。Teilchenzoo：50–60 年代加速器/宇宙射线发现数百种「基本」粒子（π、K、Λ、Δ……）——„So viele Teilchen können unmöglich alle fundamental sein."（这么多粒子不可能都是基本的。）Gell-Mann 1964 用夸克模型收拾动物园：所有强子只是少数夸克的组合——正如周期表把上百种元素归结为质子/中子/电子。(§10.1)

A2. 靠自旋（Spin）区分：费米子半整数、玻色子整数。费米子服从泡利原理 → 电子层层叠到不同能级 → 物质不可穿透（要占地方）；玻色子可任意多个同态（激光）。口诀：„Fermionen bauen Materie, Bosonen übertragen Kräfte." 夸克：u/d、c/s、t/b（电荷 $+\frac{2}{3}/-\frac{1}{3}e$）；轻子：$e^{-}/{\nu }_e$、${\mu }^{-}/{\nu }_{\mu }$、${\tau }^{-}/{\nu }_{\tau }$。桌子只由第一代构成（u、d、$e^{-}$）：第 2/3 代是更重的「翻版」，产生后迅速衰变回第一代——规律：质量越大 → 越短寿。(§10.2)

A3. 质子：$+\frac{2}{3}+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}=+\frac{4}{3}-\frac{1}{3}=+\frac{3}{3}=+1$ ✓；中子：$+\frac{2}{3}-\frac{1}{3}-\frac{1}{3}=+\frac{2}{3}-\frac{2}{3}=0$ ✓。β⁻ 衰变：一个 d 夸克变 u 夸克（弱力），中子 → 质子，放出 $e^{-}+{\overline{\nu }}_e$；电荷配平 $0\to (+1)+(-1)+0=0$ ✓。(§10.2)

A4. 强力（1，$\sim {10}^{-15}$ m，胶子，夸克/色荷）；电磁力（$\sim {10}^{-2}$，$\mathrm{\infty }$，虚光子，带电粒子）；弱力（$\sim {10}^{-5}$，极短，$W^{+}/W^{-}/Z$，所有费米子）；引力（$\sim {10}^{-39}$，$\mathrm{\infty }$，引力子（假想），一切有能量者）。次序：stark > elektromagnetisch > schwach > (weit abgeschlagen) Gravitation。强度只是以强力 = 1 为基准的粗略数量级。(§10.4)

A5. $E=125\cdot {10}^9\cdot 1,6\cdot {10}^{-19}\text{J}=2,0\cdot {10}^{-8}$ J。$m=E/c^2={\displaystyle \frac{2,0\cdot {10}^{-8}}{9\cdot {10}^{16}}}\approx 2,2\cdot {10}^{-25}$ kg。倍数：${\displaystyle \frac{2,2\cdot {10}^{-25}}{1,67\cdot {10}^{-27}}}\approx 133$ → 希格斯约为 133 个质子质量。**验算：**质子静能约 0,94 GeV，$133\times 0,94\approx 125$ GeV ✓——这正说明为何要 LHC 这样的大能量（$E=m{c}^2$：造重粒子需要大动能）。(§10.5)

A6. 希格斯场充满整个空间（连真空也有）；粒子穿行其中像挤过黏稠糖浆——这种对加速的阻力正是惯性质量。耦合越强质量越大（顶夸克重；光子完全不耦合 → 无质量、以 $c$ 飞行）。希格斯粒子是场的「激发」，2012 年 ATLAS & CMS 证实 → 场确实存在。弯钩答法：牛顿的质量概念并未变「错」——在其 Geltungsbereich（宏观、低速）它照常工作；希格斯只是回答了更深一层的问题「质量从何而来」。关键句：„Die alte Theorie wird nicht falsch — ihr Geltungsbereich wird begrenzt. Der Begriff der Masse könnte sich ändern, so wie er sich schon einmal geändert hat."（旧理论不是变错，而是适用范围被划定；质量概念可能再次改变，正如它已经改变过。）(§10.5)

Zettel 2

B1. 力不是真空超距作用，而是交换玻色子在双方之间被来回抛掷。类比：两个溜冰者互抛重球，反冲把他们推开——「抛球」即传递（排斥的）力。四种力各有自己的玻色子。**Alltag：**电磁力捆住原子与分子，强力捆住原子核——引力只把东西压在地上，弱力与「稳定」无关。(§10.4)

B2. 没有强力，质子会因电磁力互斥 → kein Atomkern（没有原子核）。一杯水：两个质子须靠近到 $\sim {10}^{-15}$ m 强力才接手，但库仑势垒先把它们挡开——常温热运动能量差得远；只有太阳核心的温度压强（加隧道效应）能克服。(§10.4)

B3. ① 虚粒子「借」能量 $\mathrm{\Delta }E\approx m{c}^2$；② 不确定性只允许借 $\mathrm{\Delta }t\lesssim \hslash /(2\mathrm{\Delta }E)$——粒子越重，时间越短；③ 此间最多走 $R\approx c\mathrm{\Delta }t\lesssim {\displaystyle \frac{\hslash c}{2m{c}^2}}={\displaystyle \frac{\hslash }{2mc}}$；④ Große Masse ⇒ kleine Reichweite（质量大 ⇒ 力程短）：$W/Z$ 很重 → 弱力极短程。**Gegenprobe：**光子 $m=0\Rightarrow R\to \mathrm{\infty }$ → 电磁力力程无限，与四力表吻合 ✓。(§10.4)

B4. $m\approx {\displaystyle \frac{\hslash }{2Rc}}={\displaystyle \frac{\mathrm{1,055}\cdot {10}^{-34}}{2\cdot {10}^{-15}\cdot 3\cdot {10}^8}}={\displaystyle \frac{\mathrm{1,055}\cdot {10}^{-34}}{6\cdot {10}^{-7}}}\approx 1,8\cdot {10}^{-28}$ kg。换算：$E=m{c}^2=1,8\cdot {10}^{-28}\cdot 9\cdot {10}^{16}\approx 1,6\cdot {10}^{-11}$ J $\Rightarrow {\displaystyle \frac{1,6\cdot {10}^{-11}}{1,6\cdot {10}^{-19}}}\approx {10}^8$ eV $=\approx \mathbf{100}\mathbf{MeV}\mathbf{/}{\mathbf{c}}^{\mathbf{2}}$。这正落在 π 介子（实际约 140 MeV）附近——汤川 1935 年正是这样从核力力程估出介子质量的。验算（反向）：$R=\hslash /(2mc)$，代 $m=1,8\cdot {10}^{-28}$ kg 回得 $R\approx {10}^{-15}$ m ✓。✎ 注意措辞：胶子本身无质量，但自带色荷走不远；此估算给出的是核子之间强力的有效短程标度（介子图像）。(§10.4)

B5. Confinement（禁闭）：与所有其他力不同，„die Farbkraft wird mit wachsendem Abstand nicht schwächer"（色力不随距离减弱）——拉开两个夸克像拉橡皮筋：距离越大「筋」里能量越多；在夸克挣脱前，能量已足够按 $E=m{c}^2$ 生成一对新夸克-反夸克 → 手里永远是两个强子，不是自由夸克。因此只有色中性强子能单独存在，分数电荷 $\pm \frac{1}{3},\pm \frac{2}{3}$ 从未被单独测到——所以基本电荷 $e$ 的定义要加「最小可直接测量电荷」。唯一例外态：夸克-胶子等离子体。(§10.4)

B6. 牛顿式的「力」：改变运动状态、随距离减弱、可画成吸引/排斥。但色力距离不减（橡皮筋）、弱力既不吸也不斥、只改变粒子种类（d→u、轻子↔其中微子）——都溢出旧概念。所以现代物理说 Wechselwirkung（相互作用）而非 Kraft。关键句：„Der Begriff ‚Kraft' wird nicht falsch — er wird erweitert. Begriffe haben einen Geltungsbereich, genau wie Theorien."（『力』的概念不是变错，而是被扩展——概念和理论一样有适用范围。）这与 Zettel 1 的「Massebegriff könnte sich ändern」是同一个科学理论学论点。(§10.4)

Zettel 3

C1. Dirac 1928 理论预言，Anderson 1932 实验证实。反粒子与粒子仅电荷（相反）不同——质量及其余性质完全相同（这正是每个光子恰好 511 keV 的根据）。ALPHA：在 CERN 产生、囚禁并测量单个反氢原子，以比较物质与反物质。反氦原子至今造不出——只有反氦核（来自重离子对撞，如 ALICE，与 ALPHA 无关）。(§10.3)

C2. $e^{-}+e^{+}\to 2\gamma$。① 各种「荷」相反、湮灭时相互抵消 → 只剩无电荷、无质量的光子；② 动量守恒：湮灭前总动量 $\approx 0$，单个光子动量必不为零 → 至少两个；③ 两光子动量须等大反向才能合为零 → 180° 分飞；④ 能量守恒 + $E=m{c}^2$：每个光子带走一个电子的静能 511 keV。PET：两个对置探测器同时测到光子 → 确定湮灭所在直线。(§10.3)

C3. (a) $E_{\gamma }=m_e{c}^2=9,11\cdot {10}^{-31}\cdot 9\cdot {10}^{16}=8,2\cdot {10}^{-14}$ J；换算 ${\displaystyle \frac{8,2\cdot {10}^{-14}}{1,6\cdot {10}^{-19}}}\approx 5,1\cdot {10}^5$ eV $\approx \mathbf{511}\mathbf{keV}$ ✓（与讲义一致）。(b) $m=2$ g $=2\cdot {10}^{-3}$ kg：$E=m{c}^2=2\cdot {10}^{-3}\cdot 9\cdot {10}^{16}=\mathbf{1}\mathbf{,}\mathbf{8}\cdot {\mathbf{10}}^{\mathbf{14}}\mathbf{J}$；换算 ${\displaystyle \frac{1,8\cdot {10}^{14}}{3,6\cdot {10}^{12}\text{J/GWh}}}=\mathbf{50}\mathbf{GWh}$。湮灭转化 100 % 质量——对比裂变 ~0,1 %、聚变 ~0,7 %：是可设想的最高效能量转换。(§10.3)

C4. ① $E=m{c}^2$：造重粒子（Higgs、$W/Z$）需要大能量 → 以动能注入质子；② 直线加速器预加速 → Synchrotron（环形）跑许多圈、每圈加能；磁场约束圆轨道、电场加速；③ 两束反向质子正面对撞 → 能量相加（远胜打静止靶）；④ 四探测器：ATLAS、CMS（通用，含希格斯搜寻）、ALICE（夸克-胶子等离子体，铅核对撞重现大爆炸后最初微秒）、LHCb（物质-反物质不对称）。研究目标：暗物质、暗能量、希格斯、夸克-胶子等离子体、超对称（SUSY/WIMP/Neutralino）、微型黑洞（+ 不对称）。环周长约 27 km、地下约 100 m；„Hadron"——因为对撞的质子/铅核是强子。(§10.5)

C5. 原告怕 LHC 产生黑洞吞噬地球。物理回答：微型黑洞（若产生——它本是弦论的检验）比质子还小，寿命仅 $\sim {10}^{-26}$ s → 经 Hawking-Strahlung 立即蒸发——„völlig harmlos"（完全无害）。✎ 补充论证（讨论加分）：宇宙射线数十亿年来一直以更高能量轰击地球——若会出事早出事了。这案例顺带是「公众恐惧 vs 科学论证」的好讨论题。(§10.5)

C6. 论证链：① 大爆炸按 $E=m{c}^2$ 应成对产生粒子与反粒子（等量）；② 等量相遇 → 完全湮灭，只剩辐射——没有恒星、没有地球、kein „Wir"；③ 我们的存在证明曾有微小物质过剩：$\text{粒子}:\text{反粒子}=({10}^9+1):{10}^9$；④ 十亿对湮灭为辐射，每十亿多出的那一个构成今天全部可见物质。为何自然轻微偏爱物质——offene Frage（开放问题），LHCb 正在研究。哲学收尾：„Warum gibt es etwas und nicht nichts?"——这个古老的哲学问题在这里变成了可实验研究的物理问题。(§10.5)

Nachfragen

N1. ★ 2012：ATLAS & CMS 证实希格斯粒子 → 希格斯场存在 → 质量 = 与场的耦合。„Der Begriff der Masse könnte sich ändern"：质量从「物体的固有属性」变成「与一个场的相互作用强度」——概念会随范式深化而改写（参 A6）。 N2. Confinement：色力距离不减（橡皮筋），拉开的能量按 $E=m{c}^2$ 先变成新夸克对 → 永远得到强子（参 B5）。 N3. H = Hadron：由夸克组成、参与强力的复合粒子（重子 = 3 夸克；介子 = 夸克 + 反夸克）。电子是轻子，不由夸克组成、不带色荷——不是强子。 N4. 中微子不带电荷、不带色荷——只参与弱力（和引力）→ 几乎不与物质反应；大多数能穿透整个地球。 N5. 经典：$c\cdot 2,2\mu \text{s}=3\cdot {10}^8\cdot 2,2\cdot {10}^{-6}=660$ m ✓——远不够约 20 km。但时间膨胀（SRT）使它在地球系「活得更久」（μ 子系中路程收缩）→ 到达地面。 N6. 动量守恒：湮灭前总动量 $\approx 0$，单光子动量必不为零 → 至少两个、180° 反向（参 C2）。 N7. ★ 怕微型黑洞吞地球；实际寿命 ${10}^{-26}$ s、霍金辐射立即蒸发、比质子小 → 无害（参 C5）。 N8. 强力——轻子不带色荷。 N9. 不能。弱力只把夸克变夸克、轻子变轻子——轻子数与重子数守恒。（老师笔记的简写「轻子变夸克」物理上不正确，讲义已更正。） N10. Tachyon（快子）：$v>c$ 的假想粒子；会违反因果律（结果先于原因）——从未发现，不属于标准模型。 N11. 质子要靠近 ${10}^{-15}$ m 强力才接手，库仑势垒挡住；常温热运动能量远远不够（参 B2）。 N12. 不是。„Das Standardmodell ist richtig, aber nicht vollständig."（正确但不完备。）不完备 ≠ 错误：在其 Geltungsbereich 内它被极精确地证实；引力、暗物质/暗能量、中微子质量、三代之谜标出的是它的边界——正如牛顿力学之于相对论。