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量子空间 (完)

2022.06.30 浙江

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ADM 形式(ADM formalism) 对广义相对论约束哈密顿量表述方法进行大幅简化并细化的数学形式,以其提出者理查德·阿尔诺威特、斯坦利·德塞尔和查尔斯·米斯纳的姓首字母命名,首次发表于1959年。这一形式对量子引力的正则方法起了关键作用,也是通往惠勒–德威特方程的关键一步。
CERN 法语“Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire”(欧洲核能研究理事会)的缩写,该理事会成立于1954年。后来临时理事会被撤销,该组织改名为“欧洲核子研究组织”,仍缩写为CERN。CERN位于日内瓦北部郊区,靠近瑞士与法国的边界。
g因子(g-factor) 基本粒子或复合粒子的(量子)角动量与其磁矩(沿着它在磁场中所采取的方向)的比值常数。实际上,电子有三个g因子,一个与自旋有关,一个与轨道角动量有关,一个与自旋及轨道角动量之和有关。狄拉克的相对论量子理论预测电子自旋的g因子为2。2010年,国际科技数据委员会(CODATA)任务组的推荐值是2.00231930436153,它与整数2的差异来自量子电动力学效应。
K介子(kaon) 一组自旋为0的介子,由上夸克、下夸克、奇夸克及它们的反夸克组成。K介子包括K+介子(上夸克–反奇夸克)、K介子(奇夸克–反上夸克)、K0介子(下夸克–反奇夸克和奇夸克–反下夸克的混合态)。K+介子与K介子的质量为493.7 MeV/c2K0介子的质量为497.6 MeV/c2
LHC 大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的缩写。这是全世界能量最高的粒子对撞机,设计目标是能产生14 TeV的质子–质子对撞能量。LHC坐落在日内瓦附近,靠近瑞士与法国的边界,其周长达27千米,位于175米深的地下。2012年7月,LHC在7 TeV和8 TeV的质子–质子对撞能量下运行,提供了标志着希格斯玻色子被发现的证据。在关停了两年后,它于2015年重新启动,在13 TeV的对撞能量下运行。
MSSM 最小超对称标准模型(minimum supersymmetricstandard model)的缩写。MSSM是粒子物理学常规标准模型的基础上加上超对称假设的最小扩展版本,由霍华德·乔治和萨瓦斯·季莫普洛斯(SavasDimopoulos)在1981年提出。
M理论(M-theory) 见“弦论/M理论”。
W、Z粒子(W, Z particles) 传递弱核力的基本粒子。W粒子是自旋为–1的玻色子,有带一个正电荷和带一个负电荷的两种(W+W),质量为80.4 GeV/c2Z粒子,即Z0,为电中性、自旋为–1的玻色子,质量为91.2 GeV/c2W粒子和Z粒子通过希格斯机制获得质量。
β放射性/衰变(beta radioactivity/decay) 由法国物理学家亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)于1896年首次发现,并由欧内斯特·卢瑟福在1899年命名。β衰变是弱力衰变的一个例子,在其过程中,中子里的一个下夸克变成上夸克,从而将中子变为质子并放出一个W粒子,W粒子再衰变成一个高速运动的电子(即β粒子)和一个电子反中微子。
β粒子(beta particle) 从发生β放射性衰变的原子核中放射出的高速电子。见“β放射性/衰变”。
∧-CDM“∧–冷暗物质”的简称,亦称“协调模型”或大爆炸宇宙学的“标准模型”。∧–CDM模型解释了宇宙的大尺度结构,宇宙微波背景辐射,宇宙的加速膨胀,以及氢、氦、锂、氧等元素的分布。根据最新的普朗克卫星数据,该模型推算出的宇宙年龄为138亿年,宇宙质能的69.1%为暗能量的形式(反映在宇宙学常数∧的大小上),26.0%是冷暗物质,剩下的可观测宇宙(星系、恒星、行星、气体和尘埃)只占4.9%。
μ子(muon) 与电子相对应的第二代轻子,电荷为–1,自旋为1/2(费米子),质量为105.7 MeV/c2,由卡尔·安德森(Carl Anderson)和塞思·内德迈耶(SethNeddermeyer)于1936年首次发现。
π介子(pion) 一类自旋为0的介子,由上夸克或下夸克及其反粒子组成。π介子有三种:π+(由上夸克和反下夸克组成)、π(由下夸克和反上夸克组成)和π0(上夸克和反上夸克、下夸克和反下夸克两种态混合而成),质量分别为139.6 MeV/c2π+π)和135.0 MeV/c2π0)。
阿(托)(atto) 一个前缀,表示10–181阿米(am)表示10–18米,即1飞米的千分之一。质子的半径大约是850阿米。LIGO能分辨出的位移的数量级就是1阿米。
阿什特卡变量(Ashtekar variables) 阿什特卡在1986年引入的“新变量”,它使得广义相对论的约束哈密顿量形式可以用自旋联络的形式表述出来。这是发展圈量子引力理论道路上的关键一步。
暗能量(dark energy) 见“宇宙学常数”。
暗物质(dark matter) 由瑞士天文学家弗里茨·茨维基(Fritz Zwicky)在1934年发现。他发现后发星系团(位于后发座)中星系的质量测量值存在异常,不能解释星系团边缘的星系的旋转速度为何那么快,这意味着该星系团的质量比预测值大很多。可以说,整个星系团的多达90%的质量是“缺失的”,或者说不可见的。这种缺失的物质被称为“暗物质”。后续研究青睐一种被称为“冷暗物质”的暗物质形式。见“冷暗物质”。
暴胀(inflation) 见“宇宙暴胀”。
暴胀子/暴胀子场(inflaton/inflaton field) 科学家认为,在大爆炸之后的极早期,宇宙经历了一场急速的暴胀,它“抚平”了宇宙的“褶皱”,因此解决了平直性问题和视界问题(以及另一个与磁单极子相关的问题)。暴胀模型的一个版本基于暴胀子场的概念。暴胀子场是一个标量场,其行为很像希格斯场(有人提出暴胀子场和希格斯场就是同一个场)。暴胀子场的粒子被称为暴胀子。它的作用机制可以大致描述如下:暴胀子场的真空态是一种所谓的“假真空”——它有一个非零的能量,表现得像宇宙学常数一样,这种能量带来了时空的急剧膨胀。在很短暂的暴胀之后,这个假真空衰减成“真”真空,时空继续膨胀,但速度要平缓得多,只有一个小的剩余能量(即暗能量)让宇宙继续加速膨胀。见“宇宙暴胀”和“慢滚暴胀”。
贝尔定理/不等式(Bell’s theorem/inequality) 由约翰·贝尔在1966年提出。为了解决波函数的坍缩与“幽灵般的超距作用”问题,最简单的对量子理论进行延伸的方法就是引入一种局域隐变量,主宰量子粒子的性质和行为。贝尔定理表明,任何局域隐变量理论提出的预言,都不会与量子理论完全一致,贝尔不等式将其总结为:局域隐变量的预言不可能超过某一个最大值。然而,量子理论预言在某些实验条件下,结果会超过这个最大值。因此,贝尔不等式提供了通过实验来直接检验隐变量理论和量子理论中哪一个正确的方法。
标度因子(scale factor) 见“宇宙标度因子”。
波函数(wavefunction) 一种将电子这样的物质粒子表示成“物质波”的数学描述,它带来了以波动为特征的方程。这类波动方程中的主角是一种波函数,其振幅和相位在时空中演化。氢原子中电子的波函数形成了一种围绕原子核的特征性三维形状,称为“轨道”。波动力学是一种以物质波的形式描述量子力学的表达方式,由埃尔温·薛定谔在1926年提出。
波函数坍缩(collapse of the wavefunction) 在大多数量子系统中,量子实体的波函数是非局域性的,弥散在一个空间区域之内(即这个量子物体可能在这里,也可能在那里,在波函数的边界之内都有可能出现)。但一旦有人做出测量,结果就变成了局域性的,只集中在一个特定位置上(物体出现在这里)。类似地,一项量子测量可能产生大量不同的结果(如自旋向上或自旋向下),因此需要通过波函数的叠加态来描述这些结果。得到一个特定结果的概率与叠加态中对应波函数的振幅的平方成正比。不管测量得到哪一个态,我们都说波函数(或者说叠加态)“坍缩”了。一系列可能的结果变成了一个确定的结果,而其他的可能性全都消失。
波粒二象性(wave-particle duality) 所有量子粒子都具有的一项基本特征,即同时表现出像波一样的离域性(如衍射和干涉)和像粒子一样的定域性,具体依赖于对它们进行什么样的测量。路易·德布罗意在1923年首次提出电子等物质粒子具有这种性质。
玻尔半径(Bohr radius) 氢原子中电子绕质子运动的轨道距离。在玻尔发表于1913年的原子模型中,玻尔将一系列物理学基本常数(包括普朗克常数、光速、电子质量和电荷)组合在一起得到了这个距离。在薛定谔的波动力学中,最低能级的电子在原子核周围呈球对称分布,但找到它的概率最高的地方是在玻尔半径处,这个数值略高于0.0529纳米。
玻色子(boson) 得名自印度物理学家萨蒂延德拉·纳特·玻色。玻色子的特征是自旋量子数为整数(1,2,3…),因此不服从泡利不相容原理。玻色子与物质粒子之间力的传递有关,包括光子(电磁力)、W粒子和Z粒子(弱力)及胶子(色力)。自旋为0的粒子也被称为玻色子,但它们并不传递力,如π介子和希格斯玻色子。引力子是假想中的引力场的粒子,被认为是自旋为2的玻色子。
不确定性原理(uncertainty principle) 由维尔纳·海森堡在1927年发现。不确定性原理称,我们对“共轭”可观测变量对(如粒子的位置和动量,或者能量和能量的变化率)的观测结果存在一种本质上的限制。这一原理可以追溯到量子物体本质上的波粒二象性。
不相容原理(exclusion principle) 见“泡利不相容原理”。
参考系(frame of reference) 由一个坐标系定义,物理位置的确定和测量均要参考这个坐标系。参考系可以是一套静止的坐标系,用它来测量运动;它本身也可以是运动的(如旋转参考系)。狭义相对论尤其关注惯性参考系,在惯性参考系中,受到的合力为零的物体要么保持静止,要么做匀速直线运动(牛顿第一运动定律)。
参考系拖曳(frame-dragging) 广义相对论预测,一个有质量的物体(如地球)在静态或稳恒态引力场中移动或旋转的时候,会拖曳它周围的时空。这一效应由奥地利物理学家约瑟夫·伦泽和汉斯·蒂林首先导出,因此有时也被称为伦泽–蒂林效应。它可以看作引力版的电磁感应现象。参考系拖曳效应已被引力探测器B观测到,但探测器上的陀螺仪出了问题,因此虽然陀螺仪进动的程度与广义相对论的预言完全一致,但测量值的不确定度很大。
粲夸克(charm quark) 第二代夸克之一,带有+2/3电荷,1/2自旋(它是费米子),其裸质量为1.28 GeV/c21974年,美国布鲁克海文国家实验室和斯坦福直线加速器中心在对J/ψ粒子进行观测的同时发现了它(称为“11月革命”),J/ψ粒子是一个介子,由一个粲夸克和一个反粲夸克组成。
超暴胀(superinflation) 在圈量子宇宙学中,宇宙无法被压缩到小于一个单位体积量子的体积,因此避免了宇宙进入奇点,取而代之的是一场宇宙“大反弹”。在宇宙从反弹中恢复时,它不可避免地要经历一场非常急速的膨胀,膨胀一直持续到宇宙质能密度从反弹临界密度ρc下降到它的一半。这个过程就是“超暴胀”,但它持续的时间不够长,无法解释我们今天见到的宇宙大尺度结构。因此,物理学家仍需引入更常规的慢滚暴胀过程。见“宇宙暴胀”、“暴胀子场”和“慢滚暴胀”。
超对称(supersymmetry,SUSY) 一系列假设了费米子与玻色子之间存在本质上的时空对称性的理论结构。将超对称应用于粒子物理标准模型,物质粒子(费米子)与力粒子(玻色子)之间的不对称就可以用超对称的破缺来解释。在很高的能量(如大爆炸早期宇宙所具有的能量)尺度上,超对称不会破缺,费米子与玻色子之间有完美的对称性。除了费米子与玻色子之间的不对称之外,超对称的破缺还预言了粒子存在自旋与其相差1/2的超对称伙伴。将超对称应用在标准模型上的最简单的理论叫作最小超对称标准模型(MSSM),费米子的伙伴被称为超费米子(sfermion):电子的超对称伙伴被称为超电子(selectron),每个夸克都有一个超夸克(squark)伙伴。同样地,如今标准模型中的每一个玻色子,也都有一个对应的超对称伙伴,被称为玻色微子(bosino)。光子、W粒子、Z粒子和胶子的超对称伙伴分别被称为光微子(photino)、W微子(wino)、Z微子(zino)和胶微子(gluino)。超对称解决了如今的标准模型中的一些问题,但与粒子和反粒子之间的对称性不同的是,它必须进一步假设所有的超对称伙伴都有很大的质量,而到目前为止,还没有哪种令人满意的对称性破缺机制能解释这一点。如今,大型强子对撞机收集到的数据已经有效排除了MSSM,而我们也没有找到任何类型的证据暗示超对称伙伴的存在。见“MSSM”和“超引力”。
超引力(supergravity) 将超对称原理——假设费米子和玻色子之间存在一种本质的时空对称性——应用在广义相对论上,就产生了一系列超引力理论。最简单的例子是只引入了一种对称性的超引力理论,由丹尼尔·弗里德曼、彼得·范尼乌文赫伊曾和意大利物理学家塞尔焦·费拉拉在1976年首先提出,斯坦利·德塞尔与布鲁诺·祖米诺也独立提出了这一理论。假设超对称的存在,解决了重正化(与引力子的辐射修正相关的无穷大贡献可以通过它的超对称伙伴来部分地消除)带来的一些麻烦,但并不能够完全消除问题。20世纪80年代初,有人基于8种不同的弦论提出了一个延伸版本的超引力理论,引起了一阵兴奋。直到如今,超引力的重正化也没有解决,问题仍然存在,因此物理学家对该理论的兴趣已经减弱。见“超对称”。
重正化(renormalization) 引入粒子作为场的量子的概念,带来的一个后果是粒子发生自相互作用,即与自身的场发生作用。这意味着一些用来解场方程的数学技巧(如微扰论)就不可用了,因为自相互作用会产生无穷大的修正。物理学家引入了重正化作为一种数学手段,通过重新定义场粒子的参数(如质量和电荷),消除了这些自相互作用的项。见“自能”。
大爆炸(Big Bang) 用于描述138亿年前宇宙诞生初期的一场时空与物质的“爆炸”。这个名字首先由大爆炸的反对者、物理学家弗雷德·霍伊尔提出,用以嘲笑大爆炸理论。但从那时到现在,通过探测并绘制宇宙微波背景辐射(大爆炸发生38万年后,辐射与物质刚分离时,热辐射存留到现在的冷遗迹),压倒性的证据表明,宇宙的确起源于这样一场大爆炸。
大爆炸理论标准模型(standard model of Big Bang cosmology) 见“∧–CDM模型”。
大反弹(big bounce) 如今的暴胀大爆炸模型(有时被称为∧–CDM模型)基于经典广义相对论,它预言宇宙在一个“时间零点”起源于一个密度无穷大、温度无穷高的大爆炸“奇点”。然而,在圈量子引力理论中,不可能存在比基本体积量子更小的空间体积。计算机模拟表明,宇宙会收缩到这一最小体积,在达到一个比普朗克密度小得多的临界密度之后,宇宙会“反弹”并开始膨胀。
大统一理论(grand unified theory,GUT) 任何尝试把电磁力、弱力和强力统一到同一个结构中的理论都可称为大统一理论。首个大统一理论的粒子由谢尔登·格拉肖和霍华德·乔治于1974年提出。大统一理论并不尝试纳入引力,尝试纳入引力的理论被称为“万物理论”(theory of everything,TOE)。
德布罗意关系(de Broglie relation) 这一等式由路易·德布罗意在1923年导出,将量子波–粒子的波动性(波长λ)和粒子性(线动量p)联系起来,即λ=h/p,这里的h是普朗克常数。对我们日常生活中的宏观物体(如网球)来说,德布罗意关系预测的波长实在太小,无法观测到。但像电子这样的微观物体的波长就处于可测范围内了,大约为可见光波长的十万分之一。一束电子可以发生衍射,也可以产生双缝效应。科学家常用电子显微镜来研究无机与生物样本的结构。
等效原理(equivalence principle) 在爱因斯坦所称的“一生中最幸福的思想”中,他意识到,如果我们做自由落体运动,就既不会感受到加速度,也不会感受到引力:我们对加速度的感觉与对引力的感觉是等价的。这意味着,一个物体的惯性质量(物体抵抗加速度的量度,即F=ma中的m)与其引力质量(负责施加引力的质量,即F=Gm1m2/r2中的m1m2)一致。
底夸克(bottom quark) 有时也被称为“美”(beauty)夸克。它是第三代夸克之一,带有–1/3电荷、1/2自旋(费米子),其裸质量为4.18 GeV/c2。它于1977年在费米实验室对υ粒子的观察中被发现,υ粒子是一个介子,由底夸克和反底夸克组成。
电磁力(electromagnetic force) 几位实验与理论物理学家的工作表明,电和磁是同一种基本相互作用力。这些物理学家中最广为人知的是英格兰物理学家迈克尔·法拉第和苏格兰理论物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。电磁力是把原子中的电子束缚在原子核周围,以及将原子结合起来以形成各种各样的分子构成的物质的相互作用力。
电荷(electric charge) 夸克和轻子(我们更熟悉的粒子是质子和电子)拥有的一种属性。电荷有两种——正电荷和负电荷,电荷的流动是电力和能源产业的基础。
电弱力(electroweak force) 虽然电磁力和弱核力的量级差异巨大,但它们曾经是一种统一的电弱力,物理学家认为电弱力存在于大爆炸之后10–3610–12秒之间的电弱时期。1967—1968年,史蒂文·温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆各自独立地将电磁力和弱核力结合到一种统一场论中。
电子(electron) 由英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙(Joseph JohnThomson)在1897年发现。电子属于第一代轻子,其电荷为–1,自旋为1/2(它是费米子),质量为0.51 MeV/c2
叠加(superposition) 在量子力学中,量子物体可以表现得像波,也可以表现得像粒子。但波可以叠加——它们可以叠加在一起形成“叠加态”,这种叠加解释了衍射和干涉效应。在量子测量中,我们有必要构建一种叠加态,其包含描述了不同结果的波函数的贡献。叠加态中每个波函数的振幅的平方,就与观测到对应的结果的概率有关。当人们进行测量之后,波函数就发生了坍缩,其他所有的可能结果都消失了。
顶夸克(top quark) 有时也被称为“真夸克”。第三代夸克之一,其电荷为+2/3,自旋为1/2(费米子),质量为173 GeV/c21995年,它在费米实验室被发现。
对称性破缺(symmetry-breaking) 如果物理系统的低能量态的对称性低于高能量态,系统就会自发地发生对称性破缺。在系统失去能量并待在能量最低的态上时,对称性会自发减少,即“破缺”。举例而言,把一支铅笔笔尖朝下立在桌子上,这个状态是对称的,但只要背景环境对其施加一点点影响(例如吹一口气),它就会倒下,回到一个更稳定、能量更低、对称性更低的状态——躺在桌面上,笔尖指向一个特定的方向。
反粒子(antiparticle) 它与普通粒子质量相同,但电荷相反。比方说,电子(e)的反粒子就是正电子(e+),红色夸克的反粒子是反红色夸克。在标准模型中,每个粒子都有一个反粒子。有人设想中微子和反中微子(它们只有一项性质不同,即手性——中微子是左手性的)其实是同一个粒子的两个不同的态,这个粒子被称为马约拉纳粒子,得名自意大利理论物理学家埃托雷·马约拉纳(Ettore Majorana)。实验物理学家正着手研究这是不是真的。
飞(femto) 一个前缀,表示10–151飞米=10–15=1000阿米=0.001皮米。质子的半径约为0.85飞米。
费米子(fermion) 得名自意大利物理学家恩里科·费米。费米子的标志是自旋为半整数(1/2,3/2,等等),包括夸克、轻子及夸克通过多种方式组合成的粒子(如重子)。
分子(molecule) 化学物质的基本组成单元,由两个或两个以上原子组成。一个氧分子(O2)由两个氧原子组成,一个水分子(H2O)由两个氢原子和一个氧原子组成。
复数(complex number) 一个复数由一个实数乘–1的平方根(即i)形成。因此,复数的平方是一个负数:如5i的平方(5i)2=–25。复数在数学中被广泛用于解决只用实数不能解决的问题。
干涉/干涉波(interference/interference waves) 和衍射一样,干涉也适合用波动模型来描述。当两个不同的波源发出的波(或者从一个波源发出的波通过两个相邻的小孔或者狭缝后)相互叠加时,其结果不仅依赖于两道波的振幅(高度),也依赖于其相位(即一个特定的点处于波峰–波谷周期中的哪个位置)。在有些位置,两道波会发生相长干涉,产生一个更强的波;在有些位置它们会发生相消干涉,产生更弱的波甚至让波消失。这类干涉通常会形成明暗相间的条纹。见“衍射”。
哥本哈根诠释(Copenhagen interpretation) 由尼尔斯·玻尔、维尔纳·海森堡和沃尔夫冈·泡利提出的一种诠释,用来思考量子力学描述的基本量子波–粒子的本质。随着实验设置的不同,波–粒子要么表现出波动性,要么表现出粒子性。但这两种性质是互补的:在这类实验中,物体是波;在那一类实验中,物体是粒子。要询问物体到底是波还是粒子,则是无意义的。
工具主义(instrumentalism) 关于理论表现的经验主义走到极端,即为工具主义。工具主义者认为,理论概念和结构仅仅作为一种工具,让我们能总结过去的经验并预测未来,除此之外并没有什么真正的意义。他们认为理论本质上来讲只是一种手段。见“经验主义”。
惯性参考系(inertial frame of reference) 见“参考系”。
光子(photon) 一切形式的电磁辐射(包括光)背后的基本粒子。光子是一种无质量、自旋为1的玻色子,它是电磁力的传递者。
广义相对论(general relativity) 由爱因斯坦在1915年提出。广义相对论用一种引力的几何学理论,融合了狭义相对论和牛顿万有引力定律。爱因斯坦把牛顿引力理论中暗示的超距作用改成有质量的物体在弯曲时空中的运动。在广义相对论中,物质告诉时空如何弯曲,弯曲的时空告诉物质如何运动。
广义协变性(general covariance) 如果不存在绝对的参考系,或者一套绝对的坐标系,那么物理学定律的形式必须不依赖于任何坐标系的变化(也就是说,它们应该是协变的)。
广义协变性原理(principle of general covariance) 见“广义协变性”。
哈勃定律(Hubble’s law) 指美国天文学家埃德温·哈勃首先观察到的一个现象:遥远的星系相对于我们退行的速度正比于它们与我们的距离,用公式可以总结为v=Hd,其中v代表星系的退行速度,d代表它与地球的距离,H为哈勃参数,它的值为67.7千米每秒每百万秒差距(根据2015年普朗克卫星公布的数据分析)。1998年,对于几种特定类型的遥远的超新星的研究表明,宇宙实际上在加速膨胀,因此哈勃参数并不是一个常数。见“宇宙标度因子”和“宇宙学红移”。
哈密顿力学/函数/算符(Hamiltonian mechanics/function/operator) 哈密顿力学是经典牛顿力学的另一种表述形式,由爱尔兰物理学家威廉·罗恩·哈密顿于1933年提出。经典哈密顿函数是系统的动能与势能之和。动能依赖于动量,与描述系统所用的空间坐标无关;势能依赖于空间坐标,与动量无关。在量子力学(薛定谔方程形式)中,经典动量被对应的量子力学算符所代替,经典哈密顿函数变成了系统总能量的哈密顿算符。
海森堡不确定性原理(Heisenberg’s uncertainty principle) 见“不确定性原理”。
黑洞(black hole) 这是由约翰·惠勒推广的名词(但并不像很多人以为的那样是他发明的)。一个黑洞是一块时空区域,其中包含的质能太多,以至于它的逃逸速度(即要逃离其引力控制所需要的速度)比光速还快。这一想法其实早在18世纪就出现了,但1916年卡尔·施瓦西的工作才让它广为人知。施瓦西得出了爱因斯坦引力场方程的解。见“施瓦西解/半径”。
红移(redshift) 在彩虹色谱中,从红色到紫色,代表光的能量越来越大。这意味着,红光的频率比其他颜色的光都低,即波长更长。当辐射的波长因为多普勒效应或时空的宇宙学膨胀而变长时,我们就称辐射发生了红移。这并不是说辐射变得“更红”了,而是表示它的波长增加了。比方说,红光发生红移,就可能变成不可见的红外线。见“宇宙学红移”。
互补(complementarity) 互补原理由尼尔斯·玻尔提出,它是量子力学哥本哈根诠释的核心支柱。根据该原理,量子波–粒子只有在互不相容的实验条件下才能分别显示波动性和粒子性,我们无法通过同一套实验条件同时观测到这两种性质。不过,波动性和粒子性并不是互斥的,而是互补的。
吉(giga) 前缀,表示10亿(109)。1吉电子伏特(GeV)为10亿电子伏特,等于109 eV或1000 MeV。
加速度(acceleration) 表示速度随着时间改变的速率,通常用字母a表示,如F=ma,这一公式表示力等于质量乘加速度(牛顿第二定律)。
胶子(gluon) 在夸克之间传递强色力的粒子。量子色动力学需要8种无质量的色力胶子,它们自身携带色荷。因此,参与色力的胶子并不仅仅是从一个粒子被传递给另一个粒子。质子和中子质量的99%被认为来自色场产生的胶子和夸克–反夸克对所携带的能量。
角动量(angular momentum) 我们更加熟悉的线动量在旋转条件下的对应物理量。在经典力学中,角动量是一个矢量(准确来讲叫作赝矢量),可从物体的转动惯量和旋转速度(即角速度)导出。在量子力学中,有两种类型的角动量,分别与轨道运动(如电子在原子中的运动)和自旋有关。两种角动量可以结合起来,形成一个总角动量。在经典力学和量子力学中,角动量都是一个守恒量。
介子(meson) 来自希腊语mésos”,意为“中间”。介子是重子的一个子分类,它们受到强核力的作用,由夸克和反夸克组成。
近日点(perihelion) 如果行星沿着圆形轨道围绕太阳运动,那么显然不管行星位于轨道的哪个位置,它与太阳间的距离都相等。然而,太阳系中的行星围绕太阳运转的轨道呈椭圆形,太阳位于椭圆的一个焦点上。这意味着,行星在轨道上运转的过程中,它与太阳之间的距离确实是会变化的。近日点就是行星轨道上距离太阳最近的一个点,而远日点则是轨道上距离太阳最远的一个点。在近日点上,地球距离太阳约1.471亿千米,远日点离太阳的距离则约为1.521亿千米。
经典力学(classical mechanics) 指以牛顿运动定律和万有引力定律为核心构建起来的力学体系,虽然对力学的研究始于牛顿之前。该体系研究力对低速(远低于光速)、宏观物体运动的影响。尽管被称为经典力学,这套体系在其适用范围内仍然完全有效。
经验主义(empiricism) 关于人类获得知识的几种哲学观点之一。在激进的经验主义哲学中,知识与经验和证据密不可分——“眼见为实”。如果我们不能直接感受到一个物体的存在,甚至不能得到证明它存在的间接证据,我们就不能相信它真实存在。这样的物体被认为是形而上学的(这正是奥地利物理学家、重要的经验主义哲学家恩斯特·马赫广为人知地拒绝原子的真实性的理由)。如今很少有科学家对于独立实在的存在性还有争论(哪怕没有人在看月亮,月亮也依然存在),也少有科学家争论电子和夸克这类只能间接观察到的物体存在与否。但关于在理论上呈现这类实体所用的概念,可能还有一些科学家会采用一种经验主义或者反实在主义的诠释。哥本哈根诠释就是关于量子理论数学形式的一种反实在主义视角。见“工具主义”。
卡拉比-丘空间(Calabi-Yau space) 一种特定类型的空间(也称流形或“紧化”),它所具有的性质适于表现超弦理论中6个隐藏的额外空间维度。卡拉比–丘空间中的洞对应于低能的弦振动,因此洞的数目决定了产生的基本粒子类型。
夸克(quark) 强子的基本组成成分。强子要么由三个自旋为–1/2的夸克组成(重子),要么由夸克与反夸克组成(介子)。夸克有三代,每一代的味各不相同。上夸克和下夸克是第一代夸克,它们的电荷分别为+2/3和–1/3,质量分别为1.8~3.0 MeV/c24.5~5.3 MeV/c2;第二代夸克包括粲夸克和奇夸克,它们的电荷分别为+2/3和–1/3,质量分别为1.28 GeV/c295 GeV/c2;第三代夸克包括顶夸克和底夸克,们的电荷分别为+2/3和–1/3,质量分别为4.18 GeV/c2173 GeV/c2。夸克还携带色荷,每味夸克可带有红、绿、蓝三种色荷。
莱格特不等式(Leggett inequality) 得名自英国物理学家安东尼·莱格特,是对贝尔定理和贝尔不等式的逻辑的一种扩展。引入局域隐变量在逻辑上意味着两个结果:对纠缠粒子对的测量不会受到实验仪器初始设置的影响,且不会受到对一个、另一个或是两个粒子实际测量结果的影响。莱格特定义了一类“加密”非局域隐变量理论,其中仪器的初始设置会影响结果,但实际测量结果不会影响结果。这类理论产生的预言并不总是与量子理论相一致,因此莱格特能够提出一条不等式,可以检验结果到底符合哪一个理论。
冷暗物质(cold dark matter) 如今暴胀大爆炸宇宙学∧–CDM模型中的关键组成部分之一,人们认为它占宇宙中质能的26.0%。冷暗物质的组成不得而知,但科学家认为它主要包含“非重子”物质,即不包含质子和中子的物质——很可能并不属于标准模型中已知的粒子。
力(force) 任何改变物体运动的作用都属于力。在艾萨克·牛顿的运动三定律中,力是被施加的,也就是说,这种作用需要物体与产生力的东西(比如另一个物体)之间有某种物理接触。但牛顿万有引力是个例外,它似乎可以跨过一段距离(发生引力相互作用的物体之间可以没有明显的接触,如地球和月球)而瞬间发生作用。爱因斯坦提出广义相对论后,这个问题才被解决。
粒子物理标准模型(standard model of particle physics) 如今被广泛接受的描述物质粒子及其作用力(不包含引力)的理论模型。标准模型包含了一系列量子场论,描述了三代夸克和轻子、光子、W粒子和Z粒子、色力胶子,以及希格斯玻色子。
量子(quantum) 能量或角动量等物理量都有一个基本的、不可再分的单元。在量子理论中,这些物理量被认为不是连续变量,而是由离散的小份(称为“量子”)组成。在量子场论中,这一概念得到了扩展,也包含粒子。因此,我们可以说光子是电磁场的量子粒子。这一概念还可以进一步扩展,包含物质粒子本身,如电子是电子场的量子,等等。这一过程有时被称为二次量子化。在圈量子引力中,空间也由离散的面积和体积量子组成。
量子场(quantum field) 在经典场论中,一个“力场”为时空中的每个点都赋予一个值。这个场可以是标量场(每一处的值都只有大小,没有方向),也可以是矢量场(每一处的值都既有大小,又有方向)。如果在一块条形磁铁上方铺放一张白纸,再在纸上撒一小撮铁屑,你就可以直观地看到这种由“力线”组成的场。在量子场论中,力由形成波的场的“褶皱”来传递,因而可以说通过粒子来传递(因为波也可以被视为粒子)。这一想法可以延伸到超出力的传递者(玻色子)的范畴,也包含物质粒子(费米子)。因此,我们可以称电子是电子场的量子,诸如此类。
量子电动力学(QED) 描述光子在带电粒子之间传递电磁力的量子场论。
量子概率(quantum probability) 量子波–粒子(如电子)的波函数一定是非局域性的,在一定的空间范围内(比如氢原子中作为原子核的质子的周围)延展。在某个特定位置,波函数的振幅的平方与在这个位置“找到”该电子的概率有关。同一条原则也适用于形成叠加态的波函数。比方说,假如我们把自旋向上和自旋向下两个态叠加成一个波函数,我们观测到自旋向上的概率就是叠加态中自旋向上的成分的振幅的平方。如果我们确实观察到该量子物体自旋向上,自旋向下的成分就“消失”了。见“波函数的坍缩”。
量子几何动力学(quantum geometrodynamics) 将广义相对论重新表述为一组经典哈密顿方程的方法有时被称为量子几何动力学。经典场论被量子化以后,就得到了量子几何动力学,就像经典电动力学被量子化以后得到的是量子电动力学。
量子纠缠(quantum entanglement) 埃尔温·薛定谔在1935年提出的术语,指在一系列特定的条件下或物理过程中,两个或者更多的量子波–粒子的性质和行为受同一个波函数主导的现象。基于贝尔不等式和莱格特不等式,关于纠缠粒子(尤其是纠缠光子)的实验已经被用来实际检验一系列的量子力学局域与加密非局域隐变量扩展。
量子色动力学(QCD) 描述8种带色的胶子在夸克之间传递色力的量子场论。
量子数(quantum number) 描述量子系统的物理状态,需要明确它的总能量、线动量和角动量、电荷等属性。这类属性的量子化产生的一个后果,就是这些属性的值总是一个小的单位的倍数。这些属性的值除以单位的大小,所得到的不断出现的整数或半整数,就叫作量子数。电子被放置在磁场中时,它的自旋可能会和磁场方向相同或相反,即有“自旋向上”和“自旋向下”两种状态,这两种状态就分别用量子数+1/2和–1/2来表示。其他的量子数还有表示原子中电子能级的主量子数(n)、电荷、夸克的色荷等。
量子引力的协变方法(covariant) 构建量子引力理论的方法之一。它从量子场论出发,尝试找到一种方法以满足爱因斯坦的广义协变性原理。换句话说,就是从预设背景时空的量子场论开始,尝试让它变得背景无关。
裸质量(bare mass) 假设一个粒子可以与它产生(或发生相互作用)的量子场完全分离的情况下,粒子所拥有的假想中的质量。这样一来,观测到的粒子质量就是裸质量加上与量子场相互作用而产生的质量。
马赫原理(Mach’s principle) 概括来讲,马赫原理认为所有的运动——不管是惯性运动还是加速运动——都应该是相对的。牛顿尝试用一个水桶的例子来证明旋转运动本质上是绝对的,但失败了,因为这仍然是水桶相对于整个宇宙的旋转,我们不能分辨是水桶在静止的宇宙中旋转,还是整个宇宙围绕着水桶旋转。局域物理学定律受宇宙的大尺度结构决定。这一原理后被归功于爱因斯坦,而且是他发展广义相对论的重要灵感来源。如今,科学界对此仍有争议,但参考系拖曳现象表明,遥远的物体确实可以通过某种机制产生局部的影响。
慢滚暴胀(slow-roll inflation) 宇宙暴胀的持续时长,以及早期宇宙如何从暴胀后的状态产生,受暴胀场中存储的能量密度及场的强度(即大小)影响很大。鉴于暴胀完全是一个假想的过程,理论物理学家可以自由地轻微调整参数,使其能诞生我们如今观察到的宇宙的大尺度结构。在慢滚暴胀中,随着场强度的增加,能量密度只会略微降低,从“假真空”到“真”真空的转变也发生得相对较慢(相对于膨胀的速度而言)。这使得暴胀的时间足够长,从而可以解决平直性问题和视界问题,同时不会引入新的问题。在场强度达到“真”真空中的值后,能量密度下降得极快,随后暴胀停止,宇宙进入“常规”的状态。见“宇宙暴胀”和“暴胀子场”。
美国国家科学基金会(National ScienceFoundation,NSF)NSF是一个独立的美国联邦政府机构,它负责资助美国科学与工程领域的研究和教育。NSF成立于1950年,2017年它的年度预算是75亿美元。在所有美国联邦政府对美国大学资助的基础研究中,被NSF资助的研究大约占24%。
欧几里得空间(Euclidean space) 得名自古希腊数学家欧几里得。这是我们在通常的三维平直空间中熟悉的空间几何,可以用直角坐标系(x,y,z)来描述。在欧几里得空间中,三角形的内角和为180度,圆的周长为其半径的2π倍,平行线永不相交。
泡利不相容原理(Pauli exclusionprinciple) 由沃尔夫冈·泡利在1925年发现。泡利不相容原理称,没有两个费米子能同时占据同一个量子态(即拥有同一套量子数)。对于原子中的电子而言,这意味着同一个原子轨道只能容纳两个电子,这两个电子的自旋相反。
平直空间(flat space) 见“欧几里得空间”。
普朗克长度(Planck length) 见“普朗克尺度”。
普朗克常数(Planck constant) 用h表示,由马克斯·普朗克在1900年发现。普朗克常数是一个基本物理学常数,反映了量子理论中量子的大小。比方说,光子的能量就通过E=由它的频率决定,即能量等于普朗克常数乘光子的辐射频率。普朗克常数的数值是6.626×10–34焦秒。
普朗克尺度(Planck scale) 普朗克尺度由量子力学和相对论核心的三个物理学基本常数定义。这三个常数依次是约化普朗克常数(普朗克常数h除以2π——来自量子力学)、光速c(来自狭义相对论)和牛顿引力常量G(在广义相对论里出现过)。普朗克长度的表达式是,它的值约为1.6×10–35米。普朗克时间的表达式是,是光走过普朗克长度所需的时间,它的值约为5.4×10–44秒。普朗克质量的表达式是,约为2.2×10–8千克,即约为0.022毫克。根据普朗克长度,我们可以导出普朗克面积G/c32.6×10–70平方米)和普朗克面积(G/c33/24.2×10–105立方米)。有了普朗克质量,我们可以通过E=mc2导出普朗克能量,即,它的值约为2.0×109焦。将普朗克质量和普朗克体积组合起来,则可以得到普朗克密度c5/G2,它的值约为5.2×1096千克每立方米。
普朗克时间(Planck time) 见“普朗克尺度”。
谱(spectrum) 任何一个物理性质,如果它有一系列可能取的值,我们都可以说它有一个谱。最明显的例子就是光通过棱镜,或者通过一系列小水滴形成的彩虹。谱可以是连续的(如彩虹),也可以是离散的,由一系列特定的值组成。氢原子的吸收或发射谱就展现出一系列的“线”,它们对应于被原子吸收或发射的辐射的频率。这些线在谱中的位置(频率)与原子的电子轨道能量有关。
奇点(singularity) 广义相对论允许无穷大的质能密度和引力场强度存在,这种情况下时空的曲率也达到无穷大,这样的点被称为奇点。广义相对论预言在黑洞的中心就有奇点,整个宇宙的“开端”,即发生大爆炸的一瞬间,也是一个奇点。虽然这两种奇点的几何性质不同,但这些都只是数学上的奇点,通过圈量子引力等将空间本身量子化的理论可以将其完全消除。
奇夸克(strange quark) 第二代夸克之一,电荷为–1/3,自旋为1/2(费米子),质量为95 MeV/c220世纪四五十年代,默里·盖尔曼及与之独立研究的西岛和彦与中野董夫都在一系列能量相对较低(即质量相对较小)的粒子身上发现了一种名为“奇异性”的性质。后来,盖尔曼和乔治·茨威格发现这种性质来自复合粒子中的奇夸克。
奇异性(strangeness) 描述电中性Λ粒子、电中性和带电的Σ粒子、Ξ粒子和K介子等粒子的特征性质。在默里·盖尔曼和尤瓦尔·内埃曼(Yuval Ne’eman)提出的“八重法”中,奇异性、电荷和同位旋一同被用来给粒子分类。后来,这一性质被追溯到复合粒子中所包含的奇夸克。
强力(strong force) 强力,又称色力,是重子中把夸克和胶子捆绑在一起的力,由量子色动力学描述。在原子核中把质子和中子结合在一起的力(又称强核力)被认为是核子中把夸克捆绑在一起的力“泄漏”出来的结果。见“色力”。
强子(hadron) 来自希腊语的hadros”,意为“厚”或“重”。强子形成了一类粒子,它们受强核力的作用,因而由夸克以多种方式组合而成,包括由三个夸克组成的重子,以及由一个夸克和一个反夸克组成的介子。
轻子(lepton) 来自希腊语leptos”,意味着“小”。轻子形成了一系列不参与强核力,也不与夸克相组合形成物质的粒子。与夸克一样,轻子共有三代,包括电子、μ子和τ子,其电荷都为–1,自旋都为1/2,质量分别为0.51 MeV/c2105.7 MeV/c21.78 GeV/c2。它们各自对应一个中微子,分别为电子中微子、μ子中微子和τ子中微子。这三种中微子都不带电,自旋为1/2,人们认为它们都带有一个非常小的质量(为了解释中微子振荡现象,即中微子的味会发生混合乃至随着时间改变的现象,这一非常小的质量是必需的)。
圈量子引力(loop quantum gravity,LQG) 一种量子引力理论,从基于广义相对论约束哈密顿量形式利用自旋联络(阿什特卡变量)重新表述的正则方法导出。圈量子引力预言了面积量子与体积量子的存在,其尺度分别为普朗克长度的平方和三次方。见“普朗克尺度”和“自旋泡沫”。
圈量子宇宙学(loop quantumcosmology,LQC) 一种基于圈量子引力原理的量子宇宙学理论。圈量子宇宙学可以避免大爆炸奇点的出现,因为圈量子引力要求空间不能被压缩到比单个空间体积量子更小的体积里。圈量子宇宙学还预言了超暴胀,但这不足以解释宇宙的大尺度结构,因此该理论仍然需要暴胀子场。见“超暴胀”和“自旋泡沫”。
弱力/相互作用(weak force/interaction) 弱力之所以被称为弱力,是因为它在其作用范围内,强度小于强力和电磁力。弱力会影响夸克和轻子:弱相互作用会改变夸克和轻子的味,例如把一个上夸克变成一个下夸克,以及把电子变成电子中微子。弱力最初是在对β放射性衰变的研究中被识别出来,称为一种基本作用力的。弱力的传递者为W粒子和Z粒子。1967—1968年,史蒂文·温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆把弱力与电磁力统一了起来,形成了关于电弱力的量子场论。
色荷(colour charge) 夸克除了味(上、下、奇、粲、顶、底)之外拥有的另一种属性。与电荷不同(电荷分为两种,正电荷与负电荷),色荷分为三种,物理学家分别称为红、绿、蓝。当然,用了这套颜色的命名体系并不意味着夸克带有我们通常所见到的颜色。夸克之间的色力由带色的胶子传递。
色力(colour force) 指强子中将夸克与胶子束缚在一起的强作用力。与我们更熟悉的力(如引力和电磁力)不同,色力并不会随着距离增加而减弱,而是像一根弹簧,把夸克拴在一起。当夸克间的距离减小时,“弹簧”放松,夸克可以几乎完全自由地运动,但一旦夸克间距离增大,“弹簧”就会被拉紧,让夸克保持被约束的状态。原子核内部将质子与中子结合在一起的强核力,就是色力以某种方式“泄漏”到核子之外产生的效果。
施瓦西解/半径(Schwarzschildsolution/radius)1916年,德国物理学家卡尔·施瓦西在德国军队服役时,首次提出了爱因斯坦引力场方程的精确解。施瓦西解建立了一道根本的边界,称为施瓦西半径。一个带有质量m的球状物体,如果被压缩到施瓦西半径(由Gm/c2给出,其中c为光速,G为引力常量)之内,它就会变成一个黑洞——它的逃逸速度超过了光速。
时空与时空度规(spacetime andspacetime metric) 在一个坐标系中,一个位置与另一个位置之间的距离可以通过两个位置的坐标来计算。在三维欧几里得空间中,一个点的坐标是(x1y1z1),另一个点的坐标是(x2y2z2),那么应用毕达哥拉斯定理,我们就知道Δl2x2y2z2。这个“距离函数”经常被称为度规。它有一个重要的属性:无论我们如何定义坐标系(无论我们如何定义xyz),度规永远不变(用数学的术语说,就是它拥有“不变性”)。给欧几里得空间加上第四个维度——时间以后,为了保证得到的时空度规不变,我们需要这样一个结构:Δs2=Δ(ct)2–Δx2–Δy2z2,这里的s就是广义时空间隔,t是时间,c是光速。当然,我们也可以定义Δs2x2y2z2–Δ(ct)2,这样Δs2仍是不变的,谁在前谁在后只是选择习惯而已。
守恒律(conservation law)  指一类物理学定律,表明孤立系统的一项特定测量性质不会随着系统沿时间的演化而改变。对应于守恒律的测量性质包括质能、线动量和角动量、电荷和色荷、同位旋,等等。根据德国数学家阿马莉·埃米·诺特(Amalie Emmy Noether)提出的一项定理,每条守恒律都对应于系统的某种特定的连续对称性。
太(tera) 表示万亿,即10121 TeV为1万亿电子伏特,也即1012 eV,等于1000 GeV。
威尔逊圈(Wilson loops) 1974年由美国理论物理学家肯尼思·威尔逊和苏联理论物理学家亚历山大·波利亚科夫彼此独立提出,以尝试形成一种可以得到解析解的量子色动力学版本。他们的表述专注于色力的线:量子力学算符作用会让量子场产生一种圈状的局域性基本激发。通过这种方式,力线或者力圈变成了第一性的,而量子场则成为次级的导出产物。
味(flavour) 除了色荷以外,另外一种区分夸克的性质。夸克共有6种味,分为三代。上夸克、粲夸克、顶夸克都带+2/3电荷和1/2自旋,质量分别为1.8~3.0 MeV/c21.28 GeV/c2173 GeV/c2。下夸克、奇夸克、底夸克都带–1/3电荷和1/2自旋,质量分别为4.5~5.3 MeV/c295 MeV/c24.18 GeV/c2“味”这个性质有时也用于轻子,包括电子、μ子、τ子,以及它们对应的中微子,可以用“轻子味”将其区分开。见“轻子”。
希格斯玻色子(Higgs boson) 得名于英国物理学家彼得·希格斯。所有的希格斯场都有一种特征场粒子,称为希格斯玻色子。不过,“希格斯玻色子”这一术语一般用来表示电弱希格斯粒子,它是1967至1968年史蒂文·温伯格和阿卜杜勒·萨拉姆在解释电弱对称性破缺时首次使用的希格斯场的场粒子。2012年7月4日,CERN的大型强子对撞机宣布发现了电弱希格斯玻色子,它呈电中性,自旋为0,质量约为125 GeV/c2
希格斯场(Higgs field) 得名于英国物理学家彼得·希格斯。这是一种通用术语,用来表示加入场论中,通过希格斯机制触发对称性破缺的背景量子场。CERN对希格斯玻色子的发现,有力地支持了用来让量子场论中的电弱力对称破缺的希格斯场的存在。
希格斯机制(Higgs mechanism) 得名于英国物理学家彼得·希格斯,但人们也经常用1964年与希格斯相互独立发现了它的物理学家的名字来称呼它:罗贝尔·布鲁、弗朗索瓦·恩格勒特、杰拉尔德·古拉尔尼克(Gerald Gulalnik)、卡尔·哈根(Carl Hagen)和汤姆·基布尔(TomKibble)。希格斯机制描述了希格斯场这种背景量子场是如何得以加入场论中以使对称性破缺的。1967至1968年,史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆使用该机制发展出了一种电弱力的场论。
狭义相对论(special relativity) 由爱因斯坦在1915年提出。它认为所有的运动都是相对的,并不存在哪个独一无二的,或者说有特权的参考系,其他所有的运动都需要相对于它来测量。所有的惯性参考系都是互相等价的——在地球上静止的观察者观察到的结果,应该与相对地球上的观察者做匀速运动的飞船上的观察者观察到的结果相同。随着狭义相对论的提出,经典的绝对空间、绝对时间、绝对静止和绝对的同时性都被推翻了。在表述该理论的过程中,爱因斯坦假设真空中的光速是理论所能达到的最大速度,不可能被超越。狭义相对论之所以被称为“狭义”,是因为它并没有包含加速运动和引力——爱因斯坦在后来提出的广义相对论中讨论了它们。
弦论/M理论(string theory/M-theory) 在弦论中,粒子物理标准模型中的点粒子被有长度的一维的弦代替。这些弦一开始被认为是连接夸克与反夸克的力线,但在理论发展的过程中,它们变成了普朗克尺度的物体,而所有标准模型中的粒子都被认为是开弦与闭弦的不同的基本振动。弦论的早期版本有很大问题,但在1984年的“第一次超弦革命”中,物理学家将弦论与超对称结合了起来,让它存在于一种复杂的空间/流形(称为卡拉比–丘流形)中,有6个“隐藏”的空间维度。物理学家很快发现,超弦理论有好几个变体,包括被称为I型、IIA型和IIB型,以及另外两种被称为杂化超弦理论(heterotic superstring theory)的理论变体。在1995年的“第二次超弦革命”中,理论物理学家发现所有的变体都可以通过对偶系统联系在一起。爱德华·威滕猜想它们都是同一个包罗万象的结构(他称为M理论)在不同情况或者不同极限下的结果。该理论不再局限于一维的弦,而是包含了多维的膜。
相对性原理(principle of relativity) 相对性原理要求所有的物理学定律对一切参考系都具有相同的形式,即与坐标系的选择无关。
信息悖论(information paradox) 因为黑洞会发出霍金辐射,它的表面积应该会缩小,并最终完全“蒸发”。这之所以是个问题,是因为黑洞的熵与其表面储存的量子信息之间存在联系。如果这部分信息丢失了或被永久地摧毁了,从而从宇宙中完全消失,这就违反了量子力学的一项重要原则:波函数中编码的所有信息都必须守恒,这一原则可以理解为某种概率的守恒。黑洞蒸发意味着信息的永久丢失,这就直接违反了量子理论最重要的基础和结构。
虚粒子(virtual particle) 虚粒子在早期量子场论中被引入,以表现“真实”粒子之间与力有关的相互作用。尽管就定义而言虚粒子永远不可能被“看到”,但它们的物理效应可以被测量到(每当你把两块条形磁铁的南极推到一起时,你就会感受到这种物理效应)。虚粒子是量子场中转瞬即逝的涨落,其寿命受不确定性原理的限制。它们虽然遵守物理学定律(如能量或动量守恒),但也拥有与实粒子截然不同的性质。虚粒子存在的时间越长,它看起来就越像对应的实粒子。
衍射(diffraction) 当光通过一条狭缝或者一个小圆孔(狭缝宽度或者小圆孔直径与波长差不多)时发生的一种物理学现象。用波动描述可以很容易地解释这种现象,在波动描述中,波前的每一点都可作为一个新的球面波的波源。如果不受干扰,这些新的球面波组合起来就会形成一道新的波前,让波得以在空间中向前传播。但如果波被迫穿过一条狭缝或者一个孔,波前就发生弯曲,球面波不再能如此平滑地相互组合。这类组合不仅依赖于波的振幅(高度),也依赖于其相位(即一个特定的点处于波峰–波谷周期中的哪个位置)。这样一来,得到的结果就是干涉条纹(一种由明暗条纹组成的衍射图案)。
-米尔斯场论(Yang-Mills fieldtheory) 1954年杨振宁与罗伯特·米尔斯发展出的量子场论形式。杨–米尔斯场论为如今的粒子物理标准模型在各方面都打下了基础。
引力(gravitational force) 所有质能之间都会产生的一种吸引力。引力极其微弱,完全不影响原子、亚原子和基本粒子之间的相互作用,这样的小尺度世界由色力、弱力和电磁力所主宰。引力的效应由爱因斯坦广义相对论描述,在低质量条件下近似符合牛顿万有引力定律。
引力子(graviton) 一种假想中的粒子,在协变量子引力中传递引力,或者在正则量子引力中表现为一种准粒子。如果引力子存在,它就会是一种无质量、不带电的玻色子,自旋量子数为2。它是引力波的粒子类比。不过,探测到引力子的可能性是极低的。
隐变量(hidden variables) 修正或扩展常规量子力学,以消除波函数坍缩现象的最简单的方法,就是引入隐变量。这类隐变量主宰了量子波–粒子的行为,但正如它的定义所揭示的那样,我们无法直接观测到它。如果加入隐变量的扩展理论需要保证单个量子物体一直拥有特定的属性(也就是说,这一物体是“局域实在”的),我们就称隐变量是局域的。如果该扩展理论需要保证量子物体在集体意义上一直拥有特定的属性,这类隐变量就是非局域的。
宇宙暴胀(cosmic inflation) 一种急速的指数式宇宙膨胀,被认为发生在大爆炸后10–3610–32秒间。暴胀由美国物理学家阿兰·古斯在1980年首次提出,可以解释我们如今所观察到的宇宙大尺度结构。更多内容请参见“慢滚暴胀”。
宇宙背景辐射(cosmic backgroundradiation) 宇宙大爆炸发生约38万年后,宇宙已经膨胀并冷却到一定程度,可以让氢原子核(质子)和氦原子核(包含两个质子和两个中子)与电子复合,形成电中性的氢原子和氦原子。在这个时候,宇宙开始变得“透明”,可以让剩余的热辐射在其中自由穿行。随着宇宙进一步膨胀,热辐射冷却,频率移到微波和红外区域,温度只有2.7开尔文(–270.5摄氏度),只比绝对零度高几度。这一微波背景辐射由几位理论物理学家预言,并于1964年由阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊意外观测到。自此以后,COBE、WMAP和普朗克卫星都详细研究了宇宙背景辐射。
宇宙标度因子(cosmic scale factor) 一个无量纲的量,常用字母a表示。如果d代表t时刻两点间的固有距离,d0是此前某个固定时刻t0这两点间的距离,那么a=d/d0。在一个以固定速率膨胀的宇宙中,d大于d0a是一个固定的大于1的值。哈勃参数H可以定义为a随时间的变化率(通常用ȧ来表示)除以a。我们可以将ȧ看成膨胀或收缩的速率。由于d0是固定的,它不随时间而改变,因此ȧ=/d0,其中表示固有距离随时间的变化率。我们可以将替换成退行速度v。因此,H=ȧ/a=/d=v/d,即v=Hd——退行速度正比于距离,这就是哈勃定律。然而,我们如今知道,膨胀速率并不是常数——ȧ本身在随着时间而增加,即膨胀在加速。这意味着哈勃参数会随着时间而变化。见“哈勃定律”。
宇宙学常数(cosmologicalconstant) 阿尔伯特·爱因斯坦起初抗拒动态宇宙(即宇宙会膨胀或收缩)的概念,因此人为修改了方程以产生静态的解。考虑到常规的引力会把宇宙中的物质向内吸引,导致宇宙自发坍缩,爱因斯坦引入了一个“宇宙学常数”——一种负的引力,即排斥的引力,以抵消该效应。当证明宇宙确实在膨胀的证据逐渐累积的时候,爱因斯坦对此感到很后悔,认为这是自己一生中最大的错误。然而,1998年的进一步发现表明,宇宙的膨胀其实还在加速。在分析了关于宇宙微波背景辐射的卫星测量结果之后,物理学家提出,宇宙充满了“暗能量”,暗能量占宇宙总质能的69.1%。一种暗能量的形式需要重新引入爱因斯坦的宇宙学常数。
宇宙学红移(cosmologicalredshift) 从遥远的星系或者超新星发出的光包含一系列频率(或者说波长),这些不同频率的光来自星体中不同原子的不同能态间的发射。这一系列光以光速向地球传播,但在它通往地球的路上,它与地球之间的宇宙空间膨胀了,让光看起来往红色的方向(频率更低,波长更长)移动。就像多普勒效应一样,红移的程度可以用来确定该遥远星系或超新星由于宇宙膨胀而相对于地球退行的表观速度。退行速度与距离看起来呈线性关系,即表观速度正比于距离(哈勃定律)。实际上,正是1998年关于一类特定的超新星的测量表明宇宙的膨胀正在加速。见“哈勃定律”。
原子(atom) 来自希腊语atomos”,意为“不可再分”。人们原本用它来指代物质的最小组成部分,但这个单词现在指的是化学元素的最小单元。水由水分子H2O组成,水分子由一个氢原子和一个氧原子组成。原子自身又包含质子、中子和电子,质子和中子被束缚在一起形成一个电中性的原子核,电子则以特定形状的波函数(称为“轨道”)围绕着原子核。
原子核(nucleus) 原子中心位置的一个致密的区域,这里集中了原子的绝大部分质量。原子核由不同数量的质子和中子组成,氢原子的原子核只由一个质子组成。
兆(mega) 前缀,表示10万,即1061 MeV=106 eV。
着衣质量(dressed mass) 从一个量子波–粒子的自能(来自它同与自身在物理上密不可分的系统的相互作用)中导出的质量。例如,一个电子会与自己产生的电磁场发生作用,从而获得自能。
真空能量(vacuum energy) “宇宙学常数”。
真空期望值(vacuum expectationvalue) 在量子理论中,可观测量(如能量)的大小由对应于该可观测量的量子力学算符的期望值(或称平均值)给出。算符是一种数学函数,它作用于波函数,同时改变了波函数。真空期望值是算符作用于真空产生的期望值。希格斯场的真空期望值不为零,这就打破了电弱力之间的对称性,产生了电磁力和弱力两种不同的力。
正电子(positron) 电子的反粒子,用e+表示,它的电荷为+1,自旋为1/2(费米子),质量为0.511 MeV/c2。正电子由卡尔·安德森于1932年首次发现,是首个被发现的反粒子。
正则(canonical) 量子场论形式的正则方法由保罗·狄拉克提出,作为一种“经典对应方法”。它始于经典场论的“哈密顿量形式”,将其中的经典变量(如线动量和角动量)替换为对应的量子力学算符,就能维持经典理论的形式结构。量子引力的正则方法始于广义相对论的约束哈密顿量形式,同时找到了一种“量子化”空间的方法。
质量(mass) 在经典力学中,一个物体的质量是它在受力时抵抗运动状态变化的量度,人们认为质量与物体包含的“物质的量”有关。因此,它是物质实体的“初级”性质。在狭义相对论和量子力学中,我们对质量的本质的理解发生了巨大的变化。质量变成了一个物体具有的能量的量度(m=E/c2),基本粒子的质量都可追溯到不同类型的量子场相关的能量。
质量重正化(mass renormalization) “重正化”。
质子(proton) 一种带正电的亚原子粒子,由欧内斯特·卢瑟福在1919年首次“发现”并命名。卢瑟福发现的实际上是氢原子的原子核(即单个质子),它也是其他原子核的基本组成成分。质子属于重子,由两个上夸克和一个下夸克组成,自旋为1/2,质量为938.3 MeV/c2
中微子(neutrino) 在意大利语中意为“小小的中性粒子”。中微子不带电,自旋为–1/2(费米子),与带负电的电子、μ子和τ子相对应。中微子被认为拥有很小的质量,这一质量是解释中微子振荡(即中微子的味会发生混合,乃至随着时间改变的现象)所必需的。中微子振荡解决了太阳中微子问题,也就是穿过地球的中微子数量与太阳核心发生的核反应应当产生的中微子数量不符的问题。2001年,实验测定来自太阳的中微子只有35%是电子中微子,其余的都转变成了μ子中微子和τ子中微子,这意味着中微子在从太阳飞向地球的过程中味发生了变化,即发生了振荡。
中子(neutron) 一种电中性的亚原子粒子,由詹姆斯·查德威克(James Chadwick)在1932年首次发现。中子是一种重子,由一个上夸克和两个下夸克组成,自旋为1/2,质量为939.6 MeV/c2
重子(baryon) 来自希腊语的barys”,意为“重”。重子是强子的一类,它们质量较大,受到强核力的作用。质子和中子都属于重子。重子由3个夸克组成。
自能(self-energy) 在量子场论中,粒子被视为场的本质涨落,或者说振动。这一观念带来的结果之一就是,粒子会发生自相互作用,即与自身的场发生相互作用。这类相互作用增加了粒子的能量,增加的这部分能量被称为自能。在早期关于电子的量子场论版本中,电子的自能达到无穷大。引入重正化的数学技巧后,这个问题得到了解决。
自旋(spin) 所有的基本粒子都表现出一类角动量,叫自旋。尽管电子的自旋一开始被解释为“绕着自身的一个轴旋转”,但自旋是一种相对论性的现象,在经典物理学中无法找到对应。每种粒子都有其特定的自旋量子数。自旋量子数为半整数的粒子被称为费米子,自旋量子数为整数的粒子被称为玻色子。物质粒子是费米子,力粒子是玻色子。
自旋联络(spin connection) 在一个平坦的表面移动一个矢量很简单,但在曲面上移动矢量就会带来问题。意大利数学家图利奥·列维–奇维塔发展出了一种数学技巧,可以记录矢量在表面移动时的取向。他的方法要求我们不要想象矢量在表面上移动,而是想象表面在移动。在表面为球面的情况下,这一技巧被称为列维–奇维塔球面联络。20世纪70年代末,类似的逻辑被用于代表自旋角动量的矢量的平行移动,带来一系列联络系统(被称为自旋联络),在固体物理学中有一些应用。阿米塔巴·森意识到,它可以用来重新表述广义相对论的ADM哈密顿量形式,将时空度规替换成自旋联络,这样就可以导出我们更熟悉的弯曲时空。森的工作为阿什特卡的“新变量”奠定了基础。
自旋泡沫(spinfoam) 一个自旋网络只能表示一个静态的图像,因此不能用来模拟在时间中展开的动力学图景。为了把时间重新引入圈量子引力,我们把一张张自旋网络叠在一起,以追踪节点和连接的演化关系。这样,由节点和连接组成的二维的图就变成了一个三维的物体,节点变成边,连接变成面。边“带有”一个特定的空间体积,而面则“带有”一个特定的面积。如此,就得到了自旋泡沫,我们可以用费曼的量子力学路径积分(即对历史求和)表述来追踪对象从始至终的动力学演化。时空可以从自旋泡沫中演生出来。“自旋泡沫”这个词致敬了惠勒早先对于普朗克尺度的时空会是一种“量子泡沫”的直觉。
自旋网络(spin network) 由罗杰·彭罗斯在20世纪70年代初发展出来,目的是在不以背景时空为前提的情况下表示基本物理学相互作用。我们可以认为这种相互作用包含了粒子和场,但这也不是很重要,彭罗斯仅仅把它们看作携带着自旋角动量的“物体”。一个自旋网络包含顶点(即节点),它们之间由携带着一个数值的线相连,这个数值是自旋角动量除以角动量单位(1/2为普朗克常数除以2π)得到的整数结果。彭罗斯证明,只要网络携带的总角动量足够大,就能在此网络和其他很大的网络之间建立起相对的方向,这暗示着在这样的自旋网络中演生出了空间。圈量子引力也独立得到了非常类似的网络,其中的节点被解释为空间体积的离散量子,连线则为相邻的小体积空间相接的离散的面积量子。

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