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粒子物理与宇宙学简介（竞赛）
概览
粒子物理与宇宙学是近代物理的"两极"：粒子物理向下追问物质的最小构成，宇宙学向上追问宇宙的整体起源与演化，而二者在"极早期宇宙"处奇妙地交汇。本笔记为竞赛"了解级"内容，不要求深数学，重点是概念辨析与分类记忆：基本粒子的"洋葱结构"探索史、费米子与玻色子分类表、四种基本相互作用的相对强度与传递粒子、标准模型定性、哈勃定律与宇宙膨胀、宇宙微波背景辐射与大爆炸宇宙学、暗物质与暗能量。相对论基础见 02-相对论动力学（质能方程 $E=\gamma mc^2$ 是粒子反应的能量工具），核物理基础见 05-原子核与放射性衰变 与 06-核反应与核能（β 衰变是弱作用、恒星聚变在 06 详述）。本笔记是竞赛近代物理模块的收尾，也是大学 天体物理、宇宙学观测、宇宙微波背景辐射、量子力学 的入口。
核心概念
一、基本粒子的探索史——层层深入的"洋葱结构"
人类对"物质由什么构成"的认识，像剥洋葱一样逐层深入，每一层都比上一层小约 $10^4$ 倍：
- 原子（约 $10^{-10}\ \mathrm{m}$）：道尔顿提出原子论；汤姆孙发现电子（1897），卢瑟福 α 散射实验（1911）确立原子由原子核与核外电子构成（详见 03-原子结构与玻尔模型）。
- 原子核（约 $10^{-14}\ \mathrm{m}$）：卢瑟福发现质子，查德威克发现中子（1932），原子核由质子与中子（统称核子）构成（详见 05-原子核与放射性衰变）。
- 核子（约 $10^{-15}\ \mathrm{m}$）：20 世纪 60 年代的深度非弹性散射实验发现，质子与中子内部还有更基本的粒子——夸克。
- 夸克（迄今未见其大小，视为点粒子）：夸克不能单独存在，只能被禁闭在强子内部（色禁闭），因此"更小的一层"不能再靠"再切一刀"得到——粒子物理走到了物质结构的尽头。
洋葱结构记忆法
原子 → 原子核 → 核子（质子/中子）→ 夸克，每层尺度缩小约 $10^4$ 倍：
| 层次 | 尺度量级 | 发现方式 |
|---|---|---|
| 原子 | $10^{-10}\ \mathrm{m}$ | 卢瑟福 α 散射 |
| 原子核 | $10^{-14}\ \mathrm{m}$ | 高能粒子散射 |
| 核子 | $10^{-15}\ \mathrm{m}$ | 电子深度非弹性散射 |
| 夸克 | 点粒子（$<10^{-18}\ \mathrm{m}$） | 只能间接观测（色禁闭） |
二、反物质——粒子世界的"镜像"
1930 年狄拉克由相对论量子力学预言：每个粒子都存在对应的反粒子——质量相同、自旋相同，但电荷等一切内部量子数反号。1932 年安德森在宇宙线中发现正电子 $e^+$（电子的反粒子），1955 年发现反质子 $\bar p$。
正反粒子相遇会发生湮灭，全部静质量转化为光子（或其他粒子）的能量： $$ \boxed{\thinspace{}e^-+e^+\to\gamma+\gamma\thinspace},\qquad E=2m_ec^2\approx 1.022\ \mathrm{MeV} $$ 反过来，能量足够高（$\ge 1.022\ \mathrm{MeV}$）的光子经过原子核旁时也能"无中生有"地产生正负电子对（电子对产生），这是 02-相对论动力学 质能关系最直接的体现。反物质不是科幻中的"反引力"物质——反粒子与普通粒子具有完全相同的引力性质，只是电荷等量子数相反。
三、基本粒子分类表（重点表格）
按自旋（粒子内禀角动量的量子化单位）可将基本粒子分为两大类：
- 费米子（自旋半整数，如 $\tfrac12$）：服从泡利不相容原理，是构成物质的"物质粒子"；
- 玻色子（自旋整数，如 $0$、$1$）：不服从泡利不相容原理，是传递相互作用的"传递粒子"。
夸克与轻子（各六种，按质量分三代）：
| 分类 | 第一代 | 第二代 | 第三代 | 电荷 | 说明 |
|---|---|---|---|---|---|
| 上型夸克 | 上夸克 $u$ | 粲夸克$c$ | 顶夸克$t$ | $+\dfrac23 e$ | 带色荷（红/绿/蓝） |
| 下型夸克 | 下夸克 $d$ | 奇夸克$s$ | 底夸克$b$ | $-\dfrac13 e$ | 带色荷，质量随代数增大 |
| 带电轻子 | 电子 $e^-$ | μ 子$\mu^-$ | τ 子$\tau^-$ | $-e$ | 不参与强作用 |
| 中微子 | 电子中微子 $\nu_e$ | μ 中微子$\nu_\mu$ | τ 中微子$\nu_\tau$ | $0$ | 质量极小，几乎只参与弱作用 |
质子与中子由夸克组成（三夸克结构）： $$ \boxed{\thinspace{}p=uud:\ +\tfrac23+\tfrac23-\tfrac13=+1\thinspace,\qquad n=ddu:\ -\tfrac13-\tfrac13+\tfrac23=0\thinspace} $$ 三个 $u$、$d$夸克的分数电荷恰好组合出$+e$与$0$——这是夸克分数电荷假设的关键证据。
强子与介子：由夸克构成的复合粒子统称强子。三个夸克构成重子（质子、中子等）；一个夸克与一个反夸克构成介子（如 $\pi^+=u\bar d$），介子自旋为整数，属于玻色子。色禁闭：夸克带色荷，只能以"无色"的组合（三夸克或夸克-反夸克对）存在，自由夸克从未被观测到——"把单个夸克分离出来"在原理上不可能。
传递相互作用的基本玻色子：
| 玻色子 | 自旋 | 静质量 | 传递的相互作用 |
|---|---|---|---|
| 光子 $\gamma$ | $1$ | $0$ | 电磁作用 |
| 胶子 $g$ | $1$ | $0$ | 强作用（夸克之间） |
| $W^\pm$、$Z^0$ | $1$ | 约$80$、$91\ \mathrm{GeV}$ | 弱作用 |
| 希格斯玻色子 $H^0$ | $0$ | 约$125\ \mathrm{GeV}$ | 质量起源（2012 年发现） |
四、四种基本相互作用（重点表格）
一切物理现象都由四种基本相互作用产生。以强作用为 $1$ 归一化（数值随距离变化，表中为核尺度量级）：
| 相互作用 | 相对强度 | 作用范围 | 传递粒子 | 典型现象 |
|---|---|---|---|---|
| 强作用 | $1$ | 短程，约$10^{-15}\ \mathrm{m}$ | 胶子 | 夸克禁闭、核力（强作用的残余效应） |
| 电磁作用 | $10^{-2}$ | 无限远 | 光子 | 原子、分子的结构与化学变化 |
| 弱作用 | $10^{-13}$ | 极短，约$10^{-18}\ \mathrm{m}$ | $W^\pm$、$Z^0$ | β 衰变、中微子反应 |
| 引力作用 | $10^{-38}$ | 无限远 | （引力子，尚未发现） | 天体与宇宙尺度的运动 |
一张表看穿四种作用
强度排序：强 > 电磁 > 弱 > 引力，相邻相差十几到二十几个数量级；范围：电磁与引力无限远，强与弱均为短程——正因短程，原子尺度以上感觉不到强作用与弱作用。"某现象由哪种相互作用主导"是选择/判断题的高频考点：核力是强力的残余效应（类比分子间力是电磁力的残余效应）、β 衰变是弱作用、原子分子的结合是电磁作用、行星恒星的运行是引力。
五、标准模型——粒子物理的"周期表"
标准模型是描述基本粒子及其相互作用的量子场论框架，相当于粒子物理的"周期表"：6 种夸克 + 6 种轻子（费米子，构成物质）+ 规范玻色子（传递强、弱、电磁作用）+ 希格斯玻色子。除引力外，三种相互作用都已纳入标准模型，并经受了几十年实验检验。
粒子加速器与探测：探索"小结构"需要"高能量"——加速器把质子或电子加速到接近光速后对撞，用对撞能量"制造"新粒子（总能量 $E=\gamma mc^2$，即把能量转化为新粒子的质量，详见 02-相对论动力学）。2012 年，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）宣布发现希格斯玻色子（约 $125\ \mathrm{GeV}$），补全了标准模型的最后一块拼图，证实了粒子质量起源的机制——这是本世纪粒子物理最重要的实验发现。
六、宇宙学观测基础
哈勃定律：1929 年哈勃发现，星系的光谱普遍红移，且退行速度 $v$与距离$d$ 成正比： $$ \boxed{\thinspace{}v=H_0d\thinspace},\qquad H_0\approx 70\ \mathrm{km\cdot s^{-1}\cdot Mpc^{-1}} $$ 其中 $H_0$ 为哈勃常数，$1\ \mathrm{Mpc}\approx 3.09\times10^{19}\ \mathrm{km}$。退行速度由红移 $z$ 测定——谱线向长波端移动： $$ \boxed{\thinspace{}z=\frac{\Delta\lambda}{\lambda}=\frac{\lambda_{\text{obs}}-\lambda_0}{\lambda_0}\thinspace} $$ 对近距星系（$z\ll1$）有非相对论多普勒近似 $v\approx cz$。几乎所有星系都远离我们而去，且距离越远退行越快——这是宇宙整体膨胀的直接观测证据，而不是地球处于宇宙中心（在任何一个星系上看，其他星系都在退行）。
宇宙微波背景辐射（CMB）：1965 年彭齐亚斯与威尔逊意外发现来自宇宙各方向的微波噪声，其能谱精确符合 $T\approx 2.7\ \mathrm{K}$的黑体辐射谱（最新精密测量$T=2.725\ \mathrm{K}$）。这是大爆炸"残余热量"的化石，也是 08-热传递与热平衡 黑体辐射理论在宇宙学中的应用（详见大学 宇宙微波背景辐射）。
轻元素丰度：大爆炸后最初约 3 分钟内，宇宙温度极高，质子与中子经核反应合成氦、氘等轻元素（原初核合成），预言的质量丰度（氦约 $25\%$、氢约 $75\%$）与天文观测吻合。
宇宙学三大观测证据
- 星系红移（哈勃定律）：宇宙在膨胀；
- 宇宙微波背景辐射（2.7 K 黑体）：宇宙早期曾高温高密；
- 轻元素丰度（约 $25\%$ 的氦）：大爆炸早期曾发生原初核合成。
七、大爆炸宇宙学（定性）
标准宇宙模型认为：宇宙约 138 亿年前从一个高温高密的极端状态（奇点）开始，此后持续膨胀并冷却。主要阶段：
| 时刻 | 事件 | 状态 |
|---|---|---|
| $t=0$ | 大爆炸 | 极端高温高密 |
| $t\sim10^{-36}\ \mathrm{s}$ | 暴胀 | 极短时间内尺度暴增 |
| $t\sim3\ \mathrm{min}$ | 原初核合成 | 氦等轻元素形成 |
| $t\sim38$ 万年 | 原子形成（光子退耦） | 中性原子形成，光子自由传播——这就是 CMB 的来源 |
| $t\sim$ 几亿年 | 恒星与星系形成 | 引力聚集气体点燃第一代恒星（能源见 06-核反应与核能） |
| 今天 | 当前宇宙 | 温度约 3 K，仍在膨胀 |
宇宙年龄的估算：若膨胀近似匀速，星系间距离按 $d=v/H_0$ 由"一点"扩到现在： $$ \boxed{\thinspace{}t\approx\frac{1}{H_0}\approx\frac{1}{70\ \mathrm{km\cdot s^{-1}\cdot Mpc^{-1}}}\approx 1.4\times10^{10}\ \text{年}\approx 140\ \text{亿年}\thinspace} $$ 与实测的 138 亿年同量级（精确值须计入引力减速与暗能量加速的修正）。
暗物质与暗能量：按标准宇宙学模型，宇宙的总质能中普通物质仅占约 $5\%$：
- 暗物质（约 $27\%$）：不发光、不参与电磁作用，仅通过引力显现——证据是星系旋转曲线：星系外围恒星绕转速度不按开普勒定律 $v\propto r^{-1/2}$ 下降而趋于平坦（见 07-万有引力与天体运动），说明外围存在大量看不见的质量；
- 暗能量（约 $68\%$）：1998 年由 Ia 型超新星观测发现宇宙在加速膨胀，需要一种"类反引力"的成分来解释——即暗能量。
八、竞赛定位——了解级考什么
本笔记面向 CPhO 决赛"了解级"，不考深数学，考察方式以"下列说法正确的是"式选择/判断题与简单计算为主：
- 必记：费米子/玻色子分类表、四种相互作用的相对强度与范围、质子的夸克组成（$p=uud$）、哈勃定律及其常数量级；
- 可能出现的计算：① 哈勃定律简单应用——由红移求速度、由 $v$与$H_0$求距离；② 粒子反应中的守恒量判断（电荷、重子数）。质能方程$\Delta E=\Delta mc^2$ 的数值计算已在 02-相对论动力学 与 06-核反应与核能 覆盖，此处只引用结论。
推导与原理
一、宇宙年龄的估算——量纲分析 $t\sim 1/H_0$
哈勃常数 $H_0$ 的量纲是"速度/距离"，其倒数恰有时间量纲： $$ \frac{1}{H_0}=\frac{1}{70\ \mathrm{km\cdot s^{-1}\cdot Mpc^{-1}}} =\frac{3.09\times10^{19}\ \mathrm{km}}{70\ \mathrm{km/s}}\approx 4.4\times10^{17}\ \mathrm{s}\approx 140\ \text{亿年} $$ 物理图像：若宇宙匀速膨胀，任一星系与我们的距离 $d$满足$v=H_0d$，则"距离翻倍所需时间" $t=\dfrac{d}{v}=\dfrac{1}{H_0}$与$d$ 无关——整宇宙按同一时间尺度膨胀，该尺度即宇宙年龄的量级。
二、红移 → 速度 → 距离的计算链
对 $z\ll 1$的星系，多普勒近似$v\approx cz$，代入哈勃定律： $$ \boxed{\thinspace{}d=\frac{v}{H_0}\approx\frac{cz}{H_0}\thinspace} $$ 例如某星系红移 $z=0.01$，则 $v\approx 3.0\times10^3\ \mathrm{km/s}$，$d=\dfrac{3000}{70}\approx 43\ \mathrm{Mpc}$。注意：遥远星系的红移是"宇宙学红移"（光波长在膨胀空间中被拉伸的累积效果），并非狭义相对论多普勒效应本身，但竞赛层面 $v\approx cz$ 的换算可直接使用。
三、正反湮灭与电子对产生——质能关系的舞台
正负电子湮灭 $e^-+e^+\to\gamma+\gamma$：质心系中总动量为零，而单个光子带有动量 $p=\dfrac{E_\gamma}{c}$，故至少产生两个反向飞行的光子才能同时满足能量守恒与动量守恒。释放能量 $$ \Delta E=2m_ec^2=2\times 0.511\ \mathrm{MeV}=1.022\ \mathrm{MeV} $$ 反之，能量超过 $1.022\ \mathrm{MeV}$ 的光子经过原子核附近时可转化为正负电子对——产生与湮灭严格服从 02-相对论动力学 的能量与动量守恒。
四、对撞机能量的相对论表述
加速器中粒子的总能量为（引用 02-相对论动力学） $$ E=\gamma mc^2 $$ LHC 的质子束流能量约 $7\ \mathrm{TeV}=7\times10^3\ \mathrm{GeV}$，而质子静能 $m_pc^2\approx 0.94\ \mathrm{GeV}$，故 $\gamma\approx 7.5\times10^3$，质子速率与光速相差不到 $10^{-7}$ 量级。能量越高，能分辨的结构越精细——这正是"探索微观需要高能对撞机"的原因。
典型实例与物理应用
实例 1：星系旋转曲线与暗物质
旋涡星系中恒星绕星系中心转动。若质量集中于可见恒星（中心区），引力提供向心力应得 $v=\sqrt{\dfrac{GM(r)}{r}}\propto r^{-1/2}$（见 07-万有引力与天体运动）。实测却显示星系外围旋转速度趋于平坦，说明 $M(r)\propto r$——星系外围存在大量看不见的暗物质。暗物质虽不发光，却是星系"转得起来"的引力骨架。
实例 2：恒星聚变——四种相互作用的同台演出
太阳的能量来源链条几乎动用了全部四种相互作用（聚变细节见 06-核反应与核能）：
- 引力把星际气体压缩加热至千万开（引力势能转化为热能，见 07-万有引力与天体运动）；
- 高温下氢原子电离为质子与电子——电磁作用；
- 质子-质子链第一步 $p+p\to d+e^++\nu_e$ 必须经弱作用（把一个质子变中子），这一步极其缓慢，是太阳"长寿"的原因；
- 氘核与质子融合成氦同位素靠强作用在库仑斥力（电磁作用）之外把核子"粘"在一起。
实例 3：微波背景辐射——黑体辐射的宇宙学延伸
CMB 的能谱是 $T=2.725\ \mathrm{K}$ 的完美黑体谱。由维恩位移定律（见 08-热传递与热平衡）： $$ \lambda_{\max}T=2.898\times10^{-3}\ \mathrm{m\cdot K}\thickspace\Rightarrow\thickspace\lambda_{\max}\approx\frac{2.898\times10^{-3}}{2.725}\approx 1.06\ \mathrm{mm} $$ 峰值落在毫米微波波段——这正是"微波背景"名称的由来。宇宙持续膨胀使背景光子不断被拉伸红移，等效温度从早期的高温冷却到今天约 3 K（$T\propto 1/a$，$a$ 为宇宙尺度因子）。
例题
例 1：四种相互作用的分类辨析
题目：下列现象分别由哪种基本相互作用主导？判断下列说法是否正确并说明理由：(1) 原子核由质子和中子紧密结合；(2) β 衰变中中子转化为质子；(3) 水的电解；(4) 月球绕地球运动。
分析：逐项判断现象的物理本质。判据：涉及夸克/核子的结合与分离 → 强作用；涉及电子与光子（原子分子、化学）→ 电磁作用；涉及中微子与弱衰变 → 弱作用；宏观天体 → 引力。
解答：(1) 正确——原子核的结合靠核力，它是强作用的残余效应；(2) 正确——β 衰变 $n\to p+e^-+\bar\nu_e$ 由弱作用控制，中微子只参与弱作用；(3) 正确——水的电解是化学变化，涉及电子重新排布，属电磁作用；(4) 正确——月球绕地球由万有引力提供向心力。
点评：四种相互作用的"对号入座"是本模块最高频考题。核力不等于强作用本身——核力只是强作用在核子尺度上的残余表现；电磁作用的主舞台是"电子与光"，故化学、光学、电磁学现象全部归电磁作用。
例 2：哈勃定律——从红移到距离
题目：某遥远星系中氢的 $H_\alpha$谱线静止波长$\lambda_0=656.3\ \mathrm{nm}$，观测得 $\lambda=665.9\ \mathrm{nm}$。取 $H_0=70\ \mathrm{km\cdot s^{-1}\cdot Mpc^{-1}}$，求该星系的红移 $z$、退行速度 $v$与距离$d$。
分析：先由波长移动求 $z=\dfrac{\Delta\lambda}{\lambda_0}$，再 $v\approx cz$（$z\ll1$），最后 $d=\dfrac{v}{H_0}$。
解答： $$ z=\frac{\lambda-\lambda_0}{\lambda_0}=\frac{665.9-656.3}{656.3}\approx 0.0146 $$ $$ v\approx cz=3.0\times10^5\times0.0146\approx 4.4\times10^3\ \mathrm{km/s} $$ $$ d=\frac{v}{H_0}=\frac{4.4\times10^3}{70}\approx 63\ \mathrm{Mpc} $$
点评：这是"了解级"最典型的计算题型，链条为 红移 $z$→ 速度$v=cz$→ 距离$d=v/H_0$。务必注意单位：$v$用$\mathrm{km/s}$、$d$用$\mathrm{Mpc}$，二者由 $H_0$ 直接衔接，勿混入国际单位制。
例 3：粒子反应中的守恒量判断
题目：判断下列过程在物理上是否可能，若不可能，指出违反的守恒定律：(1) $e^-+e^+\to\gamma+\gamma$；(2) $\gamma\to e^-$；(3) $n\to p+e^-+\bar\nu_e$。
分析：粒子反应必须同时满足电荷守恒与重子数守恒（竞赛层面检查这两项即可，必要时再查轻子数）。
解答： (1) 可能。电荷：$-1+1=0=0$；重子数：$0=0$。这是正负电子对的湮灭，静质量全部转化为光子能量。 (2) 不可能。初态光子电荷 $0$，末态电子电荷 $-e$，违反电荷守恒；且能量也需 $E_\gamma\ge m_ec^2$才可能。正确过程应为$\gamma\to e^-+e^+$（阈能 $1.022\ \mathrm{MeV}$）。 (3) 可能。电荷：$0=+1-1+0$；重子数：$1=1+0+0$。这是 β 衰变，由弱作用控制（见 05-原子核与放射性衰变）。
点评：守恒量检查的通用顺序：电荷 → 重子数 → 轻子数。"能否发生"类考题表面考反应，实际考守恒律——只要违反任意一条守恒量，即使能量允许也不可能发生。
易错提醒
易错点
- 核力 ≠ 强作用：核力是强作用的残余效应（类比分子间力是电磁力的残余效应），作用范围量级约 $10^{-15}\ \mathrm{m}$，比夸克尺度的强作用本身更大，二者不能等同。
- 质子的夸克组成写错：$p=uud$（$+\tfrac23+\tfrac23-\tfrac13=+1$），中子 $n=ddu$。夸克组合与电荷对应关系务必亲手加一遍。
- 弱作用范围记反：弱作用范围约 $10^{-18}\ \mathrm{m}$，比强作用（$10^{-15}\ \mathrm{m}$）更短——不要因为"弱"字就以为它范围大；正是 $W^\pm$、$Z^0$ 质量巨大导致程短。
- 反物质 ≠ 暗物质：反物质是普通粒子的"镜像"（量子数反号，可与正粒子湮灭）；暗物质是不发光、仅参与引力的未知成分——二者毫无关系，这是概念题的经典陷阱。
- 哈勃定律的适用对象：只对==遥远星系（河外天体）==成立，不能用于太阳系或银河系内天体；远处红移是宇宙学红移（空间膨胀拉伸波长），并非多普勒效应本身。
- 单位换算：$1\ \mathrm{Mpc}\approx3.09\times10^{19}\ \mathrm{km}$；用 $d=\dfrac{v}{H_0}$时$v$取$\mathrm{km/s}$、$d$得$\mathrm{Mpc}$，勿混用 $\mathrm{m/s}$。
- $H_0$ 与宇宙年龄：$H_0\approx70\ \mathrm{km\cdot s^{-1}\cdot Mpc^{-1}}$，$1/H_0\approx140$ 亿年只是量级估算，精确值（138 亿年）须计及引力减速与暗能量。
- 湮灭必须"双光子"：$e^-+e^+\to\gamma+\gamma$ 至少产生两个光子——质心系总动量为零，单光子湮灭违反动量守恒。
- 中微子只参与弱作用：中微子不带电、不参与强作用与电磁作用，故"中微子参与电磁作用"是错误说法。
概念辨析
费米子 vs 玻色子
| 比较项 | 费米子 | 玻色子 |
|---|---|---|
| 自旋 | 半整数（$\tfrac12,\tfrac32,\dots$） | 整数（$0,1,\dots$） |
| 泡利不相容原理 | 遵守 | 不遵守 |
| 角色 | 构成物质 | 传递相互作用 |
| 举例 | 夸克、轻子 | 光子、胶子、$W^\pm$、$Z^0$、希格斯 |
轻子 vs 夸克
| 比较项 | 轻子 | 夸克 |
|---|---|---|
| 电荷 | $0$或$-e$（整数） | $\pm\tfrac13 e$或$\pm\tfrac23 e$（分数） |
| 色荷 | 无 | 有（红/绿/蓝） |
| 强作用 | 不参与 | 参与 |
| 能否单独存在 | 可以（电子、中微子） | 不能（色禁闭） |
宇宙学三大证据
| 证据 | 内容 | 对应结论 |
|---|---|---|
| 星系红移 | $v=H_0d$ | 宇宙在膨胀 |
| 微波背景辐射 | $2.7\ \mathrm{K}$ 黑体 | 早期宇宙高温高密 |
| 轻元素丰度 | 氦约占 $25\%$ | 早期发生原初核合成 |
与其他知识关联
- 与 02-相对论动力学：粒子对撞能量 $E=\gamma mc^2$、正反湮灭 $\Delta E=\Delta mc^2$、红移速度近似 $v\approx cz$，都是质能关系与相对论运动学的应用。
- 与 05-原子核与放射性衰变：β 衰变是弱作用的典型过程；原子核由核子组成，核子是夸克的复合体。
- 与 06-核反应与核能：核聚变与恒星能源、质量亏损 $\Delta E=\Delta mc^2$；本笔记的原初核合成是"早期宇宙版核反应"。
- 与 07-万有引力与天体运动：星系旋转曲线、恒星与星系形成、暗物质的存在性都依赖万有引力；哈勃定律是引力在宇宙尺度的延伸。
- 与 08-热传递与热平衡：微波背景辐射是 $2.7\ \mathrm{K}$ 黑体谱，涉及维恩位移定律与黑体辐射。
- 与 03-原子结构与玻尔模型：原子是"洋葱结构"的第一层，也是量子思想的起点。
- 与 00-竞赛近代物理总览：本笔记是近代物理模块"了解级"收尾，串联相对论、原子与核物理的全部概念。
- 与大学层面衔接：量子力学（自旋与泡利不相容原理的严格表述）、天体物理（恒星与星系）、宇宙学观测（红移与距离的精确测定）、宇宙微波背景辐射（CMB 物理）；粒子物理在竞赛层面止步于本笔记，大学可进一步学习"粒子物理"课程（当前 vault 无对应笔记，故不设链接）。
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作者的话
个人理解
粒子物理与宇宙学是物理学的两极：一个追问"最小"，一个追问"最大"，而大爆炸宇宙学恰好把二者接在一起——早期宇宙就是一台天然的加速器。对这个了解级模块，我的体会是：竞赛考的不是深奥，而是清晰。
把本笔记压缩成三条记忆主线：物质 = 夸克 + 轻子（费米子）；相互作用 = 强、电、弱、引（玻色子传递）；宇宙 = 膨胀（哈勃定律）+ 背景辐射（2.7 K）+ 轻元素丰度（25% 氦）。至于暗物质与暗能量，理解到"普通物质只占约 5%，剩下是有待探索的未知"就已足够——但值得记住：今天物理学的两大前沿，就藏在这两个"暗"字里。
复习建议：把本笔记当作"概念账本"——四张表（粒子分类、四种作用、洋葱结构、宇宙时间线）加一条计算链（$z\to v\to d$），考前快速过一遍即可。数值计算在 02-相对论动力学 与 06-核反应与核能 已经练过，这里只是竞赛近代物理的终点，也是大学物理的起点。
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