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英文名称 中文名称 词义解释
grand unified theories(GUTs)大统一理论GUTs,试图用同一组方程式描述全部粒子和力(基本相互作用)的物理性质的理论或模型的总称。这样一种尚未找到的理论有时也称为万物之理,或TOE。有些言过其实的物理学家声称,他们的“圣杯”是一个界定了一种TOE并能在一件T恤衫前面写下来的单一方程式。 这并非完全荒唐可笑的梦想,因为在统一物理学家对物质世界的描述方面已经取得了相当成就。就在19世纪中叶,电和磁还被看成是两种独立的事物,但詹姆斯·麦克斯韦研究证明它们实际上是现在叫做电磁现象的同一种基本相互作用的两个方面,可以用同一组方程式加以描述。到20世纪中叶前,这一描述又改进到包括了量子力学效应,并以量子电动力学(QED)形式成为物理学家提出过的最成功的理论之一,它以极高精度正确预言了诸如电子等带电粒子相互作用的性质。 QED是一种规范理论,它的成功使它成了物理学家发展描述其他基本相互作用理论时效法的典型。 QED的精髓是,带电粒子,如电子和质子,通过交换光子而相互作用,而光子被看成是电磁场的量子。类似地,在核子中引起β衰变过程的弱相互作用,被认为是通过交换起着与光子相当作用的粒子来传达。这些粒子叫做中介矢量玻色子。  1960年代,物理学家找到一种数学理论,将QED和弱相互作用结合到同一个数学模式中。这就是人称的弱电理论,它明确预言了中介矢量玻色子的性质。弱电理论要求存在三种中介矢量玻色子,分别命名为W^+、W^-和Z^0,而且预言了它们的质量应该是多少。这些粒子在1980年代被发现,性质与理论预言的完全符合。 迈向TOE的下一步是把将粒子维系在原子核中的强核相互作用包括进来。这一点尚未做到,但作为中间步骤,物理学家在量子电动力学成功的基础上,已经发展了一种利用规范理论对强相互作用的描述。在这一描述中,强相互作用被视为产生于夸克之间的胶子(相当于QED中的光子)的交换。由于夸克的某些特性(相当于不同性质的电荷)已经有点异想天开地给予了颜色的名称,所以这个理论有意模仿QED而被称为量子色动力学,或QCD。 遗憾的是,QED虽只要求一种光子,弱电理论在其计算中也只补充三种中介矢量玻色子,QCD却要求八种不同的胶子,这使得该理论太复杂而难以处理。即便如此,找到一种包括QCD和弱电理论在内的粒子世界统一描述的现实前景是存在的;但远为困难的是寻求一个办法,以便将第四种基本相互作用——引力——包括进统一图像。尽管尚缺少引力,但可望将电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用三者结合成一体的图像,也常常称为GUT,而把TOE这一名称保留给物理学家希望将来能包括引力在内的最终理论。 将引力统一到这一图像中之所以如此困难,是因为引力与其他三种自然力相比极其微弱。不过,在某种意义下,引力和电磁力同样简单和易于处理,因为它只要求一种传达粒子,即无质量的引力子。 将引力包括到TOE中的困难,可以通过考察四种基本力如何从一种统一的相互作用中“分裂”出来而得到了解,物理学家认为这种“分裂”应发生在宇宙由大爆炸中刚产生之时。光子与中介矢量玻色子和胶子的本质差别之一,是光子没有质量,其他粒子却有质量。光子因没有质量而容易被创造,且能够(原则上)在整个宇宙范围内传播。传达弱力和强力的玻色子则做不到这点。在一次相互作用中,“创造”特定玻色子组所需要的质量是按照量子力学的测不准原理向真空借来的。但测不准原理指出,这些所谓的“虚”粒子能够不时出现和随即消失,条件是它们不能存活过久以避免被宇宙“注意”到它们的存在。这样一个粒子的质量越大,它在短暂生存期需要借用的能量越多,它也就必须越快地偿还债务。这就限制了玻色子在完成任务并消失之前运动所及的范围。 但是,当宇宙很年轻时,它浸泡在原始火球的能量大海之中。只要这一能量的密度足够高,即使是胶子和中介矢量玻色子也能从火球抽取足够能量而变成真实的粒子,并在火球中到处游荡。那时,它们真正与光子等效,而不仅仅是类似;所有基本相互作用也都是同样强和远程的作用。但是随着宇宙膨胀和冷却,它们逐步失去部分能耐,变成了我们今天看到的局限在原子核内部的短程粒子。 在这幅图像中,引力仍然独树一帜。根据目前的最好理论,当作为整体的宇宙温度为10^32K时,引力与所有其他力一样强。那正好是宇宙从一个奇点中浮现之后10^-43秒、我们今天看到的一切均包容在一个大小不超过普朗克长度的体积中的时刻。这一情形的更现实处理方式是认为宇宙诞生时的年龄为10^-43秒,而且不存在引力曾经与其他力等同的“以前”。暴涨被认为是正好在这一时刻之后发生的。 当宇宙开始平缓膨胀和冷却时,其他三种力仍然是统一的。但在开始之后10^-36秒、温度达到10^28K时,宇宙冷却到不能供养强力的载体,于是强力被局限在今天我们所见的距离以内。到10^-12秒时,温度为10^15K,宇宙冷却到无法维持中介矢量玻色子,于是弱力也变成了短程力。这是在整个宇宙的温度与地球上的粒子加速器迄今达到的最高能量相当的时期发生的——弱电理论之所以比QCD远为坚实可靠,这就是原因之一(因为能够与实验进行比较)。 由上述图像不难看出将引力包括到统一理论中的困难所在。然而有趣的是,还在发现强和弱两类相互作用之前,引力就已经与电磁力包括到一个统一理论中了!对统一理论的这一探讨,在两种“附加”力发现之后很多年内基本上被人遗忘,而现在看来它算得上是长期追求万物之理征途上的领跑人。 广义相对论用四维时空的曲率来描述引力。阿尔伯特·爱因斯坦提出这一概念后不久,就发现用与爱因斯坦广义相对论方程式等效的方程式来描述五维曲率时,就得到我们熟知的、与麦克斯韦电磁场方程式并列的爱因斯坦理论中的场方程式。几年以后的1920年代,引力和电磁场这种五维形式的统一甚至推广到包括了量子效应,这就是后来以两位开创此项研究的先驱科学家姓氏命名的卡鲁扎-克莱因理论。 计算中涉及增加额外维度的所有理论现在都叫做卡鲁扎-克莱因理论,但这种处理方法长期无人采用。因为,要把卡鲁扎-克莱因理论最初获得成功后就发现了的更复杂的弱和强相互作用效应包括进来,它要求的就不是一个而是好几个“额外”维度。如果说光子是第五维度中的涟漪,那么(粗略地说)Z粒子就可以看成是第六维度中的涟漪,等等。 有两个原因使这类理论在1980年代再次流行。第一,构建大统一理论的尝试复杂到了令人厌烦的程度,其中有一些看来无论如何也必须增加额外维度才能进行下去。既然总归需要很多额外维度,为什么不用卡鲁扎-克莱因的办法呢?第二,数学物理学家开始对弦理论感、兴趣,在弦理论看来,人们习惯视为点状粒子的实体可描述成一维“弦”的细小片断(远远小于质子)。弦理论也只有在很多维度下才能“工作”,但它给我们极为丰厚的回报——引力。 理论家们以推导各种描述这类多维弦相互作用的方程式自娱,他们发现有些方程式描述的封闭弦环正好具有引力描述所要求的性质——弦环实际上就是引力子。 还没有人试图用这个理论描述引力,因为引力被认为是最难放进弦网中的基本相互作用;然而引力却自动从方程式中退出了。可惜无人懂得这是怎么发生的——关于这一理论的真正含义还没有形成物理见解——而弦理论也基本上仍是一种缺少物理根据的数学游戏。它就像是根本不知电和磁为何物的世界中的一位数学家发现了麦克斯韦方程式;方程式是很精致的,可它们说明了什么呢? 弦理论专家之一的迈克尔·格林(Michael Green)1986年(当时他在伦敦的玛丽女王学院)在刊登于《科学美国人》的一篇文章(255卷,3期,44页)中指出,在弦理论中,“首先得到的是细节;我们仍然在探索一种有关该理论的逻辑性的统一见解。例如,无质量引力子和超弦理论中的规范粒子的出现,似乎是偶然的,并且有些不可思议;而我们希望,在可靠地确立了统一原理之后,它们能从理论中自然地产生。” “探索一种统一见解”的努力在1990年代继续。物理学家仍然希望找到一种万物之理,他们强烈感到这个万物之理必定涉及对一个多维宇宙的认识,而粒子大概能够理解为极小的弦。但要能够把对“生命、宇宙和万物”的答案写到 T恤衫前面,他们还有很长的路要走。  另见基本力。
Granulation米粒组织用太阳望远镜看到的太阳表面的颗粒状图案,乃表层热气体对流所引起。单个“米粒”直径300~1 500公里,持续数分钟。
gravitational collapse引力坍缩严格说,引力坍缩指任何物体因其各个组成部分之间的引力作用造成的坍缩。但是,天文学家不加任何限定条件使用引力坍缩一词时,他们通常是指大质量恒星不再能够通过内部核聚变产生能量来抗衡向内的引力、因而不能维持自身平衡的生命终结阶段。当恒星内部再也没有核燃料供燃烧时,星体就会发生引力坍缩。  失去支持的恒星外层在不到1秒钟的时间内迅速向内坍缩。这就是引力坍缩。它释放的引力能会将星体的大部分质量通过超新星爆发送入星际空间。恒星的核心部分继续坍缩,依剩余物质多寡而最终变成白矮星、中子星或黑洞。
gravitational constant引力常数作为引力强度的一种量度的普适常数G。认为G可能随时间(因宇宙膨胀)或随距离缓慢变化的观点未得到观测证实。
gravitational field引力场任一物体在空间任一点的引力影响用一个表示该点引力“强度”的数来代表的一种观念。严格讲,一个物体的引力场延伸到整个宇宙,但实际上它的影响只在它的近邻区域才是显著的(尽管一个类星体或星系的“近邻区域”可能延伸数百万秒差距)。 场论是詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在19世纪最先提出来描述电磁现象的。20世纪初阿尔伯特·爱因斯坦发展了他的引力场论(即广义相对论)。这两大场论的重要特点都是用一组场方程式描述场的性质,而这些方程式既确定了场在任一点的数值,又表明场的数值从一点到下一点的变化是平缓的,因而相邻点的强度接近相等。 在场论提出前,物理学家把粒子的相互作用看成是某种东西越过粒子之间的距离而直接作用于粒子——即所谓的超距作用。但场论则认为,作用都是局部现象,每个粒子在其自身所在地点与场发生相互作用;尽管场的整体结构依赖于全体粒子的性质和分布,场却能与每个粒子发生作用。  另见马赫原理。
gravitational force万有引力见引力场。
gravitational instability引力不稳定性物质云中小的不规则性由于引力作用而增长的趋势。在一个太空气体云中,密度稍稍高于平均值的任何区域,将吸引周围物质而变得更密;密度低于平均值的任何区域,将因物质流失到邻近的较稠密区而变得更稀薄。
gravitational lens引力透镜一个天体的引力使来自一个更远天体的光发生弯曲,使得更远天体的像在天文学家看来显得更亮,而形成的一种宇宙放大镜。 在有些情况下,起引力透镜作用的天体是一个星系,它对光的弯曲作用能产生诸如类星体或其他星系等更遥远天体的多重像。已经发现了好几个体系显示出这种效应;有些天文学家认为,除了这些显而易见的引力透镜实例外,多达2/3的全部已知类星体可能已经由于引力透镜效应而增加了亮度。 当我们银河系中一个暗天体正好在一较远恒星(如麦哲伦云中的一颗恒星)前面经过,使得它的像短暂增亮,就是较小规模的引力透镜效应。这类引力透镜实例已由好几个天文学家小组在1993年首次观测到,从而证实了我们银河系中存在致密暗天体(MACHO)。单个恒星造成的这种引力透镜有时叫做“微透镜”。 引力透镜效应是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论预言的一种现象,它所涉及的光线弯曲是由于时空在大质量天体近旁的畸变,迫使光线沿着弯曲空间中的短程线传播。对引力透镜效应的观测表明爱因斯坦的广义相对论确实是引力作用方式的正确描述。 研究引力透镜对遥远类星体光线的影响,也有助于解决关于宇宙年龄和宇宙当前膨胀速率的争论。来自爱沙尼亚塔尔图天文台和德国汉堡天文台的一个天文学家小组,从一个叫做QSO 0957+561的类星体的两个像,测量了光线通过中间星系附近两条路径时发生闪烁的时间差,他们在1995年发表的结果表明,哈勃常数值必须小于70公里每秒每百万秒差距。 引力透镜方法的巨大魅力,在于它是哈勃常数的一种“干净”的量度,在于它处理的是非常遥远的天体。当遥远类星体闪烁时,你需要做的全部事情就是记下一个像中的闪烁,然后等待另一个像中对应的闪烁出现。因为光的传播速率是光速,你将能够得出绕过中间星系的第二条路径要远多少。 由于几何关系,到中间星系和到类星体本身的真实距离在计算中消去,因而时间延迟给出哈勃常数的直接量度。但你必须有耐心——对于QSO 0957+561,延迟时间长达423天,而且你还得监测好几次闪烁以确信得到的结果是正确的。  另见爱因斯坦十字、爱因斯坦环。
gravitational mass引力质量根据物体施加的万有引力定义的该物体所含的质量。引力质量与惯性质量完全等价,但还没有一个公认的理论解释为什么应该如此。见马赫原理。
gravitational radiation引力辐射有质量的物体按某些特定方式运动时在时空结构中引起的波动。与加速度和轨道运动相关联的引力辐射是阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论所预言的,并以光速传播。该理论认为,除了有强引力场的地域外,引力辐射完全可以忽略;虽然引力辐射还没有直接探测到,但它的存在已由1980年代的脉冲双星观测得到证实。 用一张拉紧的橡皮膜代表时空,并将物质想像为镶嵌在橡皮膜中的密实团块,就可以很清楚地说明引力辐射的起源。当一个团块振动时,它通过橡皮膜发出波动,这些波动将引起其他物质团块振动起来。这与振动的带电粒子以波的形式发出电磁辐射,引起其他带电粒子振动起来很相似;但是引力辐射极难探测,因为它的强度只有电磁辐射的10^38分之一。 一种探测引力辐射的方法是在尽可能不受其他任何振动源影响的地方悬挂一根大物质棒,并用灵敏仪器进行监测,看它是否显示引力波经过时必然产生的干扰。1960和1970年代曾用巨大铝棒做过这类开创性实验,其灵敏度之高能够监测出实验室外面街上驶过的车辆引起的棒的振动,但这些实验都未能证认出引力辐射的“信号”。这并不奇怪,因为如果爱因斯坦理论正确,地球附近的任何引力辐射都过于微弱,无法产生可测知的棒振动。然而进行此类实验是值得的,通过这些实验可以弄明白是否还有爱因斯坦理论未曾预言的现象,也能探寻可用于更灵敏引力辐射探测器的新方法。这样的探测器目前正在建造之中,如果能按计划投入使用,而爱因斯坦理论是正确的话,则可望在21世纪初探测到引力波。 有两类引力辐射源应该能够在时空中引起强到足以用下一代仪器进行探测的波动。一类是大质量恒星的外层发生超新星爆发、内核坍缩成中子星或黑洞的事件。这种事件按人类时间尺度是极为稀罕的,但银河系中不时会发生可测知的超新星——平均大约每25年一次。当出现超新星时,它们应在很短时间内产生大量引力辐射——一次持续仅仅5微秒的爆发式辐射的能量与太阳全部质量相当(mc^2)(作为比较,地球在其绕太阳轨道上运动产生的引力辐射功率仅仅200瓦,相当于一枚普通灯泡输出的功率)。 即使这样的事件发生在1万秒差距之外的银河系中心附近,它产生的引力辐射中到达地球的部分在数量上相当于我们在大约100秒钟内从太阳接收到的整个波谱范围的电磁辐射能量。这样的爆发应该比较容易探测。但由于此类事件十分罕见,所以直接观测引力辐射的首选目标是探测脉冲双星那样由两颗互相绕转的极致密恒星组成的系统产生的引力辐射。 这样一个系统很像极端形式的举重运动员的杠铃。从绕转平面观察,它产生的引力波可以根据对同一平面内的圆环的影响而显现出来。物理学家称这种辐射为“四极辐射”。 四极辐射可借助电荷的辐射予以最简单的说明。一正一负的一对电荷构成一个偶极子,当这两个电荷运动(向内向外的振动,或互相绕转)时,它们产生偶极电磁辐射。偶极子尽管能以这种方式辐射,它整体上则是电中性的。 一对偶极子构成一个含两个正电荷和两个负电荷的四极子。当四极子中的电荷以合适方式运动时(比如一个偶极子绕另一个转动),它们产生四极辐射。然而与电荷不同的是,质量只有一种“符号”,所以没有与偶极电磁辐射对应的引力辐射。互相绕转的两个质量的行为类似一对偶极子,它们产生的引力辐射可通过对前面提到的那个圆环的影响而显现出来。 当引力波经过时,圆环在一个方向上被压缩而同时又在与之成直角的另一方向上被拉伸,使它变形为一个椭圆环。然后反过来,先恢复到起初的圆形,随即变形为与第一个椭圆垂直的椭圆。这种在成直角的两个方向的交替压缩和拉伸是四极辐射的特有性质。要探测这样的辐射,你只需要用摆放成直角形“L”的三个质量,来监测引力波经过时引起的时空畸变。当然你还需要一些很精密的测量仪器。 新一代引力辐射探测器打算采用的办法,是将三个作为试验质量的重物摆放在数公里长的地下真空管道中。试验质量表面抛光成反射镜面,并用激光束进行监测。激光束在真空管道中射向镜面并反射,从探测器两臂出来的激光束会聚到一台干涉仪,后者利用激光的波长测量出试验质量位置的变化。典型设计的管道长3公里,每条管道两端的试验质量之间距离变化的测量精度高达10^-18米——小于一个原子核的直径。整个实验很像19世纪初试图检测地球相对于以太的运动但以失败告终的迈克耳孙-莫雷实验。 更大规模的类似探测系统最终有可能建造在空间或月球上。目前,作为准备,天文学家对遥远太空飞行器(如旅行者空间探测器)位置进行检查,他们测量飞行器无线电信号的多普勒效应,看是否受到引力波的干扰。但至今尚未观测到这种干扰。 所有这些探测引力辐射的实验计划很可能由一种完全不同的办法取代。根据暴涨理论的某些版本,在大爆炸之后约30万年、宇宙还很年轻、物质与背景辐射之间发生最后的直接相互作用时,引力波和物质之间的相互作用应该已经在宇宙物质分布中造成了一种特有的结构。果真如此,这一结构就应该作为化石遗迹保存在背景辐射自身之中,因而有可能在几年之内,在使用诸如COBE卫星仪器和地面探测器所做的观测得到改进后,而被探测到。背景辐射中的涟漪可能包含了关于时空结构中涟漪的信息。
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