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高鹏《从量子到宇宙:颠覆人类认知的科学之旅》笔记

◆ 1 光的本性之争:光是粒子还是波?


>> 《墨经》中记载了投影、小孔成像等光学现象;古希腊学者欧几里得的《反射光学》论述了光在传输过程中的直线传播原理和光的反射定理。


>> 牛顿认为光是一种粒子,而惠更斯却认为光是一种波。


◆ 1.1 惠更斯的波动学说


>> 荷兰物理学家惠更斯认为,如果光是一种粒子,那么光在交叉时就会因发生碰撞而改变方向,可人们并没有观察到这种现象,所以粒子说是错误的。


◆ 1.2 牛顿的粒子学说


>> 牛顿认为,既然光是沿直线传播的,那就应该是粒子,因为波会弥散在空间中,不会聚成一条直线。最直观的实验证明就是物体能挡住光而形成阴影。


◆ 1.3 杨氏双缝干涉实验


>> “使一束单色光照射一块屏,屏上开有两条狭缝,可认为这两条缝就是两个光的发散中心。当这两束光射到一个放置在它们前进方向上的屏上时,就会形成宽度近于相等的若干条明暗相间的条纹……”这个实验现在叫做杨氏双缝干涉实验,是物理学史上最著名的实验之一。


>> 托马斯·杨终于找到了支持波动说的有力证据:光从两条狭缝中通过后,波峰和波峰叠加形成亮条纹,波峰和波谷叠加形成暗条纹。并由此测定了光的波长,


◆ 1.4 泊松的乌龙球


>> 当单色光照射在宽度小于或等于光源波长的小圆盘上时,会在后面的光屏上出现环状的互为同心圆的衍射条纹,并且在圆心处会出现一个极小的亮斑,这个亮斑被称为泊松亮斑。


◆ 1.5 光就是电磁波


>> 麦克斯韦在相关论文中写道:“我们很难避免得出这样的结论,即光是由引起电现象和磁现象的同一介质中的横波组成的。”1873年出版了《电磁通论》一书,指出了光就是电磁波。麦克斯韦将电磁学里的四个公式结合起来,提出麦克斯韦方程组。他明确指出,变化的电场会产生磁场,变化的磁场又会产生电场,这样电和磁可以像波(称为电磁波)一样在真空中向前传播而不需要介质。电磁波弥漫在整个空间,以光速传播。麦克斯韦同时预测:光就是电磁波。


>> 1886年,德国物理学家赫兹发明了一种电波环,他用这种电波环做了一系列实验,终于在1888年发现了人们期待已久的电磁波。


>> 可见光、紫外线、红外线,以及后来发现的X射线、γ射线等这些之前被认为不相干的东西,现在统统被统一成电磁波,光和电磁波也明确地对应起来。


◆ 2 电磁波能量谜团:能量竟然不连续?


>> 有几个涉及光的实验是电磁波理论所无法解释的!这也成为当时物理学界的最大谜团。


◆ 2.1 黑体辐射谜团


>> 第一个就是黑体辐射规律。黑体是指能全部吸收外来电磁波的物体,当它被加热时又能最大程度地辐射出电磁波,这种辐射称为黑体辐射。黑体辐射其实是一种热辐射。任何物体只要处于绝对零度(−273.15℃)以上,其原子、分子都在不断地热运动,都会辐射电磁波(称为热辐射)。温度越高,辐射能力越强。


>> 热辐射就是指任何物体都会发光发热:辐射出的电磁波就是“光”,发光时要释放能量,电磁波携带的能量就是我们通常所说的“热”。当然这里的“光”并非都是可见光,只有在500℃以上才会出现较强的可见光,所以我们人类虽然也在发光,发出的却是肉眼看不到的红外线。


>> 红外热像仪就是通过接收物体发出的红外线能量,经光电转换获得红外热图像,从而让我们“看到”物体。


>> 战国时期成书的《考工记》中就记载,冶炼青铜时炉中的焰气,随着温度的升高,颜色要经过黑、黄白、青白、青四个阶段,到焰气颜色发青(炉火纯青)时温度最高。另外,青白色的灼热金属比暗红色的灼热金属温度更高。


>> 黑体一个耐热密闭的黑箱子开一个小孔,就是一个简单的黑体,光线射进去就出不来。


◆ 2.2 光电效应谜团


>> 第二个是光电效应。光电效应,顾名思义,就是由光产生电的效应。


>> 1887年,赫兹发现紫外线照射到某些金属板上,可以将金属中的电子打出来,在两个相对的金属板上加上电压,被打出来的电子就会形成电流。


>> (1)按电磁波理论,只要光强足够,任何频率的光都能打出电子,可实验结果是再强的可见光也打不出电子,而很弱的紫外线就可打出电子;(2)按电磁波理论,10−3s后才能打出电子,可实验结果是10−9s即可打出电子;(3)按电磁波理论,被打出的电子的动能只与光强有关而与频率无关,可实验结果却是电子的动能与光强无关而与光的频率成正比。


◆ 2.3 原子光谱谜团


>> 第三个是原子的线状光谱。原子光谱是原子中的电子在能量变化时所发射或吸收的特定频率的光波。


>> 每种原子都有自己的特征光谱,它们是一条条离散的谱线。


>> 原子发射光谱的测试原理使试样蒸发气化转变成气态原子,然后使气态原子的电子激发至高能态,处于激发态的电子跃迁到较低能级时会发射光波,经过分光仪色散分光后得到一系列分立的单色谱线。


>> 原子光谱对于元素来说,就像人的指纹一样具有识别功能,不同元素具有不同的“指纹”。许多新元素的发现(如居里夫人发现的镭)都是通过原子光谱分析得出结论的。


◆ 2.4 石破天惊的量子化假设


>> 1900年,德国科学家普朗克成功描述整个黑体辐射实验曲线的公式。


>> 假设:电磁辐射的能量不是连续的,而是一份一份的,即量子化的。


>> 普朗克提出,电磁波辐射能量的最小单元为hν,其中ν是电磁波频率,h是一个普适常数(后来人们称为普朗克常数),这个能量单元称为能量量子。


>> 19世纪末,牛顿力学、麦克斯韦电磁场理论、吉布斯热力学和玻耳兹曼统计物理已经构建起完善的物理学体系,现在我们称之为经典物理学体系。


>> 在经典物理中,对能量变化的最小值没有限制,能量可以任意连续变化。


>> 曾经被认为是能量连续的电磁波,其实只能以一些小份能量(能量量子)的整数倍的形式携带能量,不同频率的光波对应不同大小份额的能量量子。


>> 普朗克常数实在太小了,h=6.626×10−34J∙s。


>> 爱因斯坦的光速不变原理开创了相对论,光速c也成为宏观世界最重要的恒量;而普朗克的能量量子化假设开创了量子理论,h也成为微观世界最重要的恒量。


◆ 3.2 玄而又玄的无穷


>> 无穷大和无穷小都是数学中制造出来的很玄虚的概念,很多悖论都是在此基础上产生的。


>> 无穷大和无穷小都是人们头脑中想象出来的东西,在真实世界中是不存在的。不能将追赶的过程分成无穷多个部分,时间和空间是不能无限分割的,或者说,时间和空间是不连续的。


◆ 3.3 时空是量子化的


>> 现代物理理论认为,时空是不能无限分割的,时空也存在着不可分割的基本结构单元,长度的最小单元大约是10−35m,时间的最小单元大约是10−43s,低于这两个值的时空是无法达到的,也是没有意义的。


>> 原子的尺度是10−10m,原子核的尺度是10−15m。


>> 普朗克时间也极其微小,这正是我们以为时空是连续的原因。


◆ 3.4 运动是连续的吗?


>> “量子跳跃/量子停止”假说则指出:粒子只能在时间维度和空间维度中轮流运动,而在四维时空里连续运动的状态是不存在的。这种假说是否正确当然现在没有定论,


◆ 3.5 量子化才是世界的本质


>> 既然无法找到真正连续的东西,那么连续只能是数学中的一个理想化的概念,在物理学中,在真实的世界中,量子化才是世界的本质


◆ 4 光的波粒二象性


>> 爱因斯坦利用洛伦兹变换建立了狭义相对论,而且还利用普朗克的能量量子化假设解释了光电效应,从而揭示了光的本质。


◆ 4.1 爱因斯坦的光子理论


>> 爱因斯坦给出了光子的能量公式,即E=hν式中,E为每个光子的能量,ν为光的频率。


>> 光子能量是hν,所以被光子打出来的电子的动能就与光的频率ν成正比,而与光强无关。


>> 光子的动量公式为p=h/λ式中,p为每个光子的动量,λ为光的波长。


>> 狭义相对论中的质能方程用在光子身上,得到光子动能为E=mc2而在他的光量子理论中光子动能为E=hν=hc/λ。


>> 二者联立起来,就得到p=mc=h/λ式中,c为光速,它既是光子运动的速度,也是电磁波传播速度。


>> 在此爱因斯坦巧妙地将代表波动性的能量公式E=hν和代表粒子性的能量公式E=mc2结合在一起,实现了波动性和粒子性这两种表现形式的统一。


◆ 4.2 光子理论是牛顿粒子论的回马枪吗?


>> 爱因斯坦在他的光子理论中给出了两个重要公式:光子能量E=hν光子动量p=h/λ式中,λ为光的波长,ν为光的频率,h是普朗克常数。


>> 爱因斯坦通过这两个公式把粒子和波联系起来了:粒子的能量和动量是通过波的频率和波长来计算的,也就是说,爱因斯坦把光同时赋予了粒子和波的属性,光具有波粒二象性!


>> 1916年,密立根在进行了10年的光电效应实验工作后,终于全面地证实了爱因斯坦光电方程的正确性。


>> 爱因斯坦既是宏观物理学的开创者,又是微观量子理论的奠基人。相对论和量子力学给物理学带来了革命性的变化,共同奠定了现代物理学的基础


◆ 4.3 原子能量量子化与原子光谱


>> 1913年,丹麦物理学家玻尔利用量子化假设以及光子理论对氢原子的线状光谱做出了解释。提出一个新的原子结构模型,此模型中,原子中电子的运行轨道是固定的,每一个轨道对应一个固定的能量,即轨道能量是量子化的。电子只能在确定的分立轨道上运行,此时并不辐射或吸收能量,只有当电子在各轨道之间跃迁时才有能量辐射或吸收。


>> 能量是以光子形式辐射或吸收的,辐射或吸收光子的能量就是两个跃迁轨道的能量之差,即ΔE=hν,式中,ΔE是两个跃迁轨道的能量之差,也就是光子的能量;ν为光子的频率。


>> 由于轨道能量是量子化的,所以辐射或吸收光子的能量也是量子化的,所对应光子的频率也是量子化的,因此,原子光谱的谱线是分离的而不是连续的。


>> 实际上电子并没有固定的运动轨迹。另外它也只能解释氢原子(只含一个电子)的光谱,对多电子原子的光谱则会出现很大偏差。


◆ 4.4 量子理论与光的本性


>> 普朗克的能量量子化理论、爱因斯坦的光量子理论,以及玻尔的原子轨道能量量子化理论,成功地解释了当时物理学界的三大难题。


>> 爱因斯坦在1916年指出,根据狭义相对论,光子具有能量的同时也应具有单一方向的动量,原子或分子发射光子时,不仅会发生能量转移,而且应受到反冲作用而发生动量转移。


>> 1923年,康普顿和他的学生吴有训在X射线散射实验中,证明了光子与电子在相互作用中确实有动量交换。


>> 立根的光电效应实验和康普顿的X射线散射实验都为光的粒子性提供了令人信服的证据,而且康普顿效应比光电效应更进一步,它为光的粒子性假说提供了更完全的证据。


◆ 5.1 光与电磁波:剪不断理还乱


>> 把光分为很多波段(见图5-1),比如波长400~700nm的光是可见光,也就是人类肉眼能识别的电磁波;波长0.01~10nm的光是X射线。


>> 不同频率的电磁波对应着不同能量的光子电磁波的波长λ和频率ν的乘积是光速c,即νλ=c也就是说,光的频率越高,波长就越短;频率越低,波长就越长。


>> 电磁波的所有波段都是靠E=hν的光子来携带能量的,只不过不同波段ν不同,光子的能量也不同而已。光子就是分立的电磁波载体粒子。


>> 光子是携带电磁波能量的点粒子,但是由它组成的电磁波却能弥散在空间中。


◆ 5.2 波动光学与量子光学:为什么有两种?


>> 光既是由光子组成的粒子流,又是电磁波,于是在光学领域就出现了两种光学分支:经典的电磁波理论(波动光学)与量子光学。


>> 如果你需要把光看成波,那它就是波;你需要把光看成粒子,那它就是粒子。这难道不让人困惑吗?


◆ 5.3 光的偏振:光子也会思考吗?


>> 波动有横波与纵波之分。纵波的振动方向与传播方向相同,而横波的振动方向与传播方向垂直,横波的这种特性也叫偏振性。


>> 横波只有在其振动方向和狭缝方向一致时才能继续传播,否则就被阻碍;而对于纵波来说,狭缝的方位不影响其继续传播。


>> 电磁波是交变电场与交变磁场的相互激发与传播。在任一时刻,振动的电场强度矢量E和振动的磁感应强度矢量B都是随时间变化的,它们互相垂直,而且也都与传播方向垂直,所以电磁波是横波,图5-3所示。实际上,电磁波是沿各个不同方向传播的,


◆ 5.4 光速不变:相对中的绝对


>> 光在真空中永远以光速c运动,而与观察者的运动状态无关。这就是所谓的光速不变原理,这是建立狭义相对论的两个基本原理之一。


>> 在光子的眼里,只有空间,没有时间


◆ 5.5 静止质量为零:有还是没有?


>> 光子的静止质量为0。所谓静止质量,就是指物质相对于某惯性系静止时的质量。而光是永远不会静止的。光在真空中永远以光速c(29.9792458万km/s)运动,在其他介质中速度会减小,但它不会静止,一旦静止就意味着被别的物质吸收。


>> “能量就是质量,质量就是能量。”能量直接转变为质量产生光子,所以光子是从无到有,因而没有静止质量。


◆ 6 实物粒子的波粒二象性


>> 光在需要被当作粒子看待时,它就是光子流,在需要被当作波看待时,它就是电磁波。


>> 人类的语言都是建立在直观的感官经验基础上的,对于光的这种奇怪性质,人类的语言是无法准确描述的,只好用波粒二象性这样含混的字眼来表达。


>> 光子的静止质量为0,而在已经发现的粒子中,除了光子和胶子外,其他粒子都是有静止质量的。这些有静止质量的粒子都是实实在在的,所以科学家们称之为实物粒子。


◆ 6.2 实物粒子波动性的观察


>> 1927年,戴维逊和革末用电子束单晶衍射法,G. P.汤姆逊用多晶金属箔薄膜透射法发现了电子衍射现象,证实了德布罗意波的存在。


>> 此后,人们相继采用中子、质子、氢原子和氦原子等粒子流,也同样观察到衍射现象,充分证实了所有实物粒子都具有波粒二象性,而不仅限于电子。


◆ 6.3 实物粒子的双缝干涉实验


>> 1988年,奥地利科学家进行了中子的杨氏双缝干涉实验,结果十分清楚地显示出“中子波”的干涉图样。1991年,德国科学家把一束氦原子流射向刻在金箔上的两条1μm宽的狭缝,在狭缝后观测到了原子的干涉现象。


>> 1994年观测到了碘分子I2的双缝干涉现象,1995年观测到了钠的双原子分子(Na2分子)的双缝干涉现象。1999年,用更复杂的分子富勒烯C60和C70也做出了这个实验,C60和C70是由60个或70个碳原子组成的类似于足球的分子。


>> 光子、电子、中子、原子、分子、大分子、超大分子,显然,上述实验意味着所有物质都具有波粒二象性。波粒二象性是物质的内禀属性,适用于所有物质


>> 质量越大,运动速度越大,那么波长就越短,越难观察到波动性。


◆ 6.4 德布罗意波的应用


>> 电子显微镜用电子束作“光源”,用电磁场作透镜。现代电子显微镜中使用的都是磁透镜,这些透镜具有与光学透镜相类似的功能,可以使电子束产生折射,从而具有放大功能。


>> 对于磁透镜来说,其焦距就完全取决于磁场的强弱。磁场强,则焦距短,放大率大;磁场弱,则焦距长,放大率小。


>> 大型透射电镜一般采用80~300kV的电压加速电子束,其分辨率可达0.1~0.2nm。


◆ 7.1 薛定谔的波动力学


>> 波动力学的核心就是今天众所周知的薛定谔方程。


◆ 7.2 概率构成的物质波


>> 玻恩认为,物质波并不像经典波一样代表实在的波动,只不过是指粒子在空间的出现符合统计规律:“我们不能肯定粒子在某一时刻一定在什么地方,我们只能给出这个粒子在某时某处出现的概率,因此物质波是概率波,物质波在某一地方的强度与在该处找到粒子的概率成正比。”


>> 德布罗意的物质波被认为是一种概率波,波函数只允许计算在某个位置找到某个粒子的概率。观察测量只能预测某一结果的概率,却不能预测一定会得到什么结果。


◆ 7.3 玻尔的对应原理


>> 1913年,玻尔提出了关于氢原子模型的轨道能级量子化、电子角动量量子化以及能级跃迁假设,成功地建立了氢原子结构理论,解释了氢原子的发射谱线,奠定了原子结构的量子理论基础。


>> 玻尔对应原理是关于量子物理与经典物理之间对应关系的原则,其核心思想如下:有关量子的各种规则虽然适用于微观尺度,但是从这些规则中得出的任何结论都不得违背宏观尺度上的观察结果,而宏观尺度则是遵循经典物理学规则的,即把微观范围内的量子规律拓展到宏观范围内的经典规律时,它们得到的结果应当一致。


◆ 7.4 海森堡的矩阵力学


>> 1925年7月,海森堡提出了矩阵力学的主要思想。他的理论建立在两个方法论基础之上:玻尔的“对应原理”和“可观察性原则”。


>> 1926年,泡利用矩阵力学解释了氢原子光谱。


◆ 7.5 量子力学正式建立


>> 1926年就出现了量子力学的两种数学表现形式——矩阵力学与波动力学。1926年,薛定谔证明出这两种理论在数学上是等价的,任何波动力学方程都可变换为一个相应的矩阵力学方程,反之亦然。


>> 1926年,玻恩和维纳将算符引入量子力学。尔后,狄拉克运用数学变换理论,把波动力学和矩阵力学统一起来,使其成为一个概念完整、逻辑自洽的理论体系。


◆ 7.6 概率论与决定论的争论:上帝掷骰子吗?


>> 量子论从本质上说是概率性的。


◆ 8.1 单个电子的双缝干涉实验


>> 双缝实验表明,单个粒子也能表现出波动性,波粒二象性是一种整体性质!


◆ 8.2 概率波与概率幅


>> 电子的干涉图样是电子在屏幕上的落点构成的图样,可以称之为“概率波”。于是“电子波”的振幅就是让人难以理解的“概率振幅”,简称“概率幅”。更令人惊讶的是,薛定谔方程里的波函数就是“概率幅”


>> 光在经典物理学中是电磁波,而在量子物理中又是概率波,这又该如何理解呢?


>> 光子、电子、中子、原子、分子、大分子、超大分子……它们不论是一堆一堆发射,还是一个一个发射,只要通过合适宽度的双缝打到屏幕上,概率分布就呈现和波一样的干涉现象,虽然它们看起来是以粒子的方式打上去的。


◆ 8.3 观察电子的轨迹


>> 如果我们观察到了电子的路径,电子就变成了子弹;而如果我们不观察它的话,它就还是电子。电子好像在跟我们玩捉迷藏的游戏。


◆ 9.1 不确定原理


>> 不确定原理这样表述:有一些成对的物理量(例如,坐标与相应的动量分量、能量与时间等,它们相乘后的单位正好是普朗克常数的单位J∙s),要同时测定它们的任意精确值是不可能的,其中一个量被测得越精确,其共轭量就变得越不确定。


>> 电子本来就不存在运动轨迹,因为轨迹的概念是一个宏观概念,一旦到了尺度极小的微观世界,轨迹就失去了意义。


◆ 9.2 互补原理


>> 1927年,玻尔提出了著名的互补原理。互补原理指出,一些物理对象存在着多重属性,这些属性看起来似乎是相互矛盾的,有时候人们可以通过变换不同的观察方法来看到物理对象的不同属性,但是原则上不可以用同一种方法同时看到这几种属性,尽管它们确实都存在。


>> 玻尔被封为爵士后,以中国古代的太极图为核心设计了他的族徽,并写有拉丁语“CONTRARIA SUNT COMPLEMENTA(对立即互补)”,以此来展示他对互补原理的理解。太极图中的阴阳相生相克确实是既互补又排斥的。


◆ 9.3 叠加态:人为测量竟如此重要?


>> 态叠加原理指出,假设A和B是一个粒子的两种不同的状态,那么A和B的线性组合A+B也是这个粒子的可能状态,同时具有状态A和状态B的特征,A+B可称做“叠加态”。


>> 因为自然光(大量光子)通过以任意角度摆放的偏振片后强度都会变为原来的一半,所以单个光子通过任意角度偏振片的概率是50%。


>> 你随意放置一个偏振片,这个光子不管是通过还是被挡住,它都会从叠加态变成确定态。


◆ 9.4 波函数坍缩


>> “哥本哈根解释”的中心原则包括以下内容:玻恩的波函数概率解释、海森堡的不确定原理、玻尔的对应原理和互补原理、叠加态以及接下来将要介绍的波函数坍缩。该解释认为不存在超越测量或观察行为的客观实在现象。该解释认为,一个微观物理的物体没有本征性质。在对电子进行观察或测量确定它的位置之前,电子根本不存在于任何位置。在它被测量之前没有速度或其他物理属性。在测量之前问电子的位置在哪和速度多大是没有意义的。


>> 宏观物体只能显示粒子性一种属性,它的波动性根本显示不出来,所以宏观物体构成了一种物理实在,与你的观察无关。而微观粒子却有粒子性和波动性两种属性,在这种情况下,你的观察就会起决定性作用了。这实际上就是“波函数坍缩”的概念。


>> 根据哥本哈根解释,在一次测量和下一次测量之间,除抽象的概率波函数以外,这个微观物体不存在,它只有各种可能的状态;仅当进行了观察或测量,粒子的“可能”状态之一才成为“实际”的状态,并且所有其他可能状态的概率突变为零。这种由于测量行为产生的波函数的突然的、不连续的变化被称为“波函数坍缩”。


>> “叠加态变成确定态”也可以理解为波函数坍缩。


◆ 10.1 隧道效应:穿墙而过不是梦


>> 如果微观粒子遇到一个能量势垒,即使粒子的能量小于势垒高度,它也有一定的概率穿越势垒,这种现象就叫隧道效应。隧道效应又称势垒贯穿,是一种很常见的量子效应。


>> 对于不同的情况,粒子在势垒外出现的概率大小是需要通过薛定谔方程仔细计算的。在一般情况下,只有当势垒宽度与微观粒子的德布罗意波长可比拟时,势垒贯穿的现象才能被显著观察到。如果势垒太高或太宽,隧穿的可能性就会变得很小。


>> 量子隧道效应能部分地解释放射性元素的α衰变现象。α衰变是从原子核中发射出α粒子(氦原子核)的一种放射性现象。原子核对它最终要发射的α粒子来说,就好比一道屏障,而α粒子就被围在其中。然而,原子核内的α粒子在隧道效应的作用下有一定的概率隧穿原子核屏障而逃逸,这就表现为放射性。


>> 黑洞的边界是一个物质(包括光在内)只能进不能出的“单向壁”,这单向壁对黑洞内的物质来说就是一个绝高的势垒。但霍金(S. W. Hawking)认为黑洞并不是绝对黑的,黑洞内部的物质能通过隧道效应而逸出,但这种过程很慢很慢。


>> 按经典理论,电子是不能通过绝缘层的。但是1962年,英国物理学家约瑟夫森(B. D. Josephson)从理论上研究并作出预言,只要绝缘层足够薄,超导体内的电子就可以通过绝缘层而形成电流,因为电子可以通过隧道效应穿过绝缘层。这种装置被称为约瑟夫森结。1963年,实验证明了约瑟夫森预言的正确性


◆ 10.2 扫描隧道显微镜


>> 扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)就是一个典型的例子。它是由IBM苏黎世实验室的宾宁(G.Binnig)及罗雷尔(H.Rohrer)于1981年发明的。扫描隧道显微镜的放大倍数可高达一亿倍,分辨率达0.01nm,使人类第一次“看见”了单个原子。


◆ 11.1 路径积分:所有路径求和


>> 只要设定系统在初始状态与最终状态,那么系统就会沿着作用量最小的方向演化,这被称为最小作用量原理。


>> 路径积分理论其核心思想是:从一个时空点到另一个时空点的总概率幅是所有可能路径的概率幅之和,每一路径的概率幅与该路径的经典力学作用量相对应。把作用量引进量子力学,费曼便架起了一座连接经典力学和量子力学的新桥梁。


>> 在这种方式下,费曼获得了一个奇妙的世界图像,它由时空中的世界线编织而成,万物皆可随心所欲地运动,而实际所发生的则是各种可能的运动方式的总和。


>> 概率幅成为路径积分的核心,费曼在一篇论文中曾说道:“从经典力学到量子力学,许多概念的重要性发生了相当大的变化。力的概念渐渐失去了光彩,而能量和动量的概念变得头等重要。……我们不再讨论粒子的运动,而是处理在时空中变化的概率幅。动量与概率幅的波长相联系,能量与其频率相联系。动量和能量确定着波函数的相位,因而是量子力学中最为重要的量。我们不再谈论各种力,而是处理改变波长的相互作用方式。力的概念,纵使要用,也是第二位的东西。”


◆ 11.2 路径积分对双缝实验的解释


>> 费曼在路径积分理论中提出如下原理:如果一个事件可能以几种方式实现,则该事件的概率幅就是以各种方式单独实现时的概率幅之和。


>> 从A点出发的电子“探测”到了空间中所有路径,瞬间它就把所有路径的概率幅进行了求和,从而确定了它该以什么样的概率落在屏幕上,所以,即使只发射一个电子,它也会落到双缝干涉位置上去。


>> 自然界就按它自己的方式存在,至于如何去理解,能不能理解,那是我们人类的事,与自然无关。


◆ 11.3 路径积分的广泛应用


>> 量子力学已经有三种表述形式,即薛定谔的波动力学、海森堡的矩阵力学和费曼的路径积分。


>> 路径积分已经成为量子场论、量子统计学、量子混沌学、量子引力理论等现代量子理论的基础理论。


◆ 11.4 费曼图:物理学家的看图说话


>> 在路径积分的研究中,费曼发明了一种用形象化的方法直观地处理各种粒子相互作用的图——费曼图。费曼图只有两个坐标轴,横坐标代表“空间”,它把三维空间简化到一个轴上,纵坐标代表“时间”,所以也叫时空图。


◆ 12.1 德布罗意的导波理论


>> 玻尔和他的支持者指出,因为量子现象显然和日常经验相矛盾,所以如果不放弃因果关系就无法理解。对玻尔来说,从“可能”到“现实”的转换发生在观察行为期间,独立于观察者的基本的量子实在不存在。而爱因斯坦则不同意这种主张。他认为,量子力学作为一个统计理论来说也许是正确的,可是作为一个单独的基本过程来说,却是不完整的。对于爱因斯坦来说,相信一个独立于观察者的客观实在的存在是探讨科学的最基本前提。


>> 他们认为,光子在穿过双缝屏之前一定存在着某些来自屏幕后方的隐藏的变量,将后面是否有接收屏的信息传递给光子,并控制光子以相应的方式穿过双缝。这就是所谓的“隐变量理论”。


>> 在导波理论中,德布罗意认为,粒子和波的特性是同时存在着的,粒子就像冲浪运动员一样,乘波而来。在波的导航下,粒子从一个位置到另一个位置,它是有路径的。


>> 德布罗意的导波理论实际上就是一种隐变量理论。隐变量并非制导波本身——那已经在波函数的性质和行为中充分揭示了,隐藏的实际上是粒子的位置。


◆ 12.2 玻姆的量子势理论


>> 玻姆按量子势理论,原则上我们能追踪每一个粒子的轨迹。但是由于我们无法确定每个粒子的初始条件,所以才只能计算概率。


>> 量子势理论虽然认为粒子的位置和动量原理上是可以精确确定的,但也承认测量仪器或测量过程对波函数有重要影响,因而会直接影响量子势,从而影响粒子路径。


>> 玻姆又将其理论进一步发展,提出了“隐序理论”。他认为,物理世界有确定的秩序,不过这些信息因为波函数“卷起”而隐藏,一切可被感知和加以实验的特征(显序)乃是包含在隐序里的潜在性的实现,此时波函数被“展开”。隐序不但包含这些潜在性,而且决定着哪一个将被实现。


◆ 13.1 意识论:我思故我在?


>> 器的波函数也同样需要“别人”来坍缩,而由于观察者所意识到的测量结果总是确定的这一事实,因此只有意识才能最终坍缩波函数而产生确定的结果。


>> 意识坍缩波函数类似于“我思故我在”


◆ 13.2 热力学不可逆过程


>> 1949年,德国学者约尔丹(P. Jordan)撰文指出,波函数坍缩过程不是观察者的意识作用,而必定是一个真实的宏观物理过程。他指出,在每一种测量中,微观粒子都要留下宏观尺寸的踪迹,因此,解决坍缩问题的关键一定在热力学中,而坍缩本身就是一种热力学不可逆过程。


◆ 13.3 退相干理论


>> 所谓“退相干”,顾名思义,就是指相互干涉作用的退去,也就是说,量子叠加态不同部分间的相位关系的退去。


>> 根据退相干理论,当被测系统与测量仪器和外界环境相互作用后,就会发生退相干过程,产生实际观察到的结果,从叠加态变为确定态。


>> 简单来说,一个与环境隔绝的量子系统处于纯态的叠加态,但它一旦接触外部环境,它与环境的相互作用就将破坏它的叠加态,这就是环境使系统发生退相干。


>> 退相干理论中有一个参数叫退相干时间,就是体系从量子态演变为经典态的时间。退相干时间与研究对象的大小和环境中的粒子数有关。


>> 一个半径10−8m的分子在空气中的退相干时间约为10−30s;如果把空气抽去,则能延长到10−17s;如果把这个分子放在星际空间,它在那里只能与宇宙微波背景辐射相互作用,估计能延长到30000年。而对于一个半径为10−5m的尘埃颗粒,即使在星际空间,其退相干时间也只有1μs。


>> 如果环境中有大量粒子存在,则退相干时间也会非常非常短,可以认为是瞬时完成。


>> 退相干理论并没有从本质上解决测量问题,它可以说明为什么特定的对象在受到观察时会表现为经典的测量结果,但不能说明它是如何从众多的可能结果转变为一个特定结果的。


◆ 13.4 GRW理论


>> GRW理论其核心思想就是波函数坍缩既不需要“测量者”参与,也不牵涉到“意识”,它只是基于随机过程,所以也称为自发定域理论。


◆ 14.1 单光子偏振实验


>> 同样是一个光子,但是它好像“知道”两条光路的通畅情况并受其影响。光子的行为是与我们的常识所违背的,我们只能根据路径积分理论,认为光子可以探测到所有路径,从而决定自己的行为。除此之外,看来别无他法。


◆ 14.2 单光子广角干涉实验


>> 实验中每次只发射一个光子,结果显示,随着光子一个个地打在接收器上,居然也会出现干涉图样!


>> 从某一瞬间来看,光子就是一个粒子,不会是波,也不会分成两半,但最后它的概率分布却符合波的规律,其中有何奥妙,真是令人百思不得其解。


◆ 14.3 单光子延迟选择实验


>> 列举的实验中,实验设置都是固定的,这可能会让光子有所“准备”。于是人们想到,能不能先不固定实验设置,我们把测量所需的装置准备好,加上一个转换开关,等光子走完大半路程即将到达终点之际再决定是要测量它的波动性还是粒子性。物理学家把这种方案称为延迟选择实验。


◆ 14.4 量子擦除实验


>> 虽然光子处于半路上,但只要前方发生变化,它立刻就能“探测”出从起点出发以来的所有可能路径从而重新决定它最终的落点。


◆ 15 幽灵般的超距作用:纠缠态之谜


>> 将两个粒子分离至任意远的距离,对一个粒子的测量能瞬间改变另一个粒子的状态,这种改变并不受光速的限制。爱因斯坦认为这是绝对不可能的,称之为“幽灵般的超距作用”


◆ 15.2 EPR佯谬:纠缠态登场


>> EPR佯谬其中心思想是:根据量子力学可导出,对于一对出发前有一定关系、但出发后完全失去联系的粒子,对其中一个粒子的测量可以瞬间影响到任意远距离之外另一个粒子的属性,即使二者间不存在任何连接。


>> 一个粒子对另一个粒子的影响速度竟然可以超过光速,爱因斯坦将其称为“幽灵般的超距作用”,认为这是根本不可能的,以此来证明量子力学是不完备的。薛定谔后来把两个粒子的这种状态命名为“纠缠态”。而后来的实验证明,“纠缠态”这种现象确实是真实存在的!


◆ 15.3 纠缠态的实验证明


>> 各种粒子都可以出现纠缠态,对于某些特殊的激发态原子,电子从激发态经过连续两次量子跃迁返回到基态,可以同时释放出两个沿相反方向飞出的光子,而且这个光子对的净角动量为0,这种光子称为“孪生光子”。


>> 孪生光子产生后沿相反方向飞出,已经没有任何联系,但是因为它们的净角动量为0,所以从量子理论来讲,如果你对其中一个光子进行偏振方向测量,另一个光子就必须得和这个光子保持偏振方向一致,否则就没法维持净角动量为0。


>> 开始实验。我们在光子1的前方放一片垂直方向的偏振片1,等它到达偏振片1后,有以下几种情况:(1)光子1通过偏振片1这时,你在光子2的前方摆放偏振片2。你会发现,如果偏振片2是垂直方向,光子2肯定能通过;如果偏振片2是水平方向,光子2肯定通不过。(2)光子1没通过偏振片1这时,你在光子2的前方摆放偏振片2。你会发现,如果偏振片2是垂直方向,光子2肯定通不过;如果偏振片2是水平方向,光子2肯定能通过。显然,上述实验结果表明,在光子1被进行偏振测量后,光子2的偏振瞬间也被确定,保持和光子1的偏振方向一致。


>> 你可以把参考的垂直方向选为实际当中的任何方向,都不会影响实验结果。这就证明了已经分开的两个光子确实还处于存在某种神秘联系的纠缠状态。


>> 实验中,偏振片1和偏振片2的夹角只有两个:0°和90°,而在这两个角度下,这个实验结果用隐变量理论也能证明。也就是说,这个实验还是不能确认量子力学和隐变量理论谁是谁非。


>> 1964年,英国科学家约翰·贝尔(John Bell)提出了一个强有力的数学不等式,在贝尔不等式里,偏振片1和偏振片2的夹角可以任意,如果这两个光子按隐变量运作,出发时偏振方向就确定了,会满足此不等式;如果这两个光子按量子力学运作,出发时偏振方向不确定,处于叠加态,则不满足此不等式。


>> 1972年,美国科学家克劳瑟和弗里德曼首先用实验证明了贝尔不等式不成立。


>> 到了20世纪70年代末80年代初,法国物理学家阿莱恩·阿斯派克特(Alain Aspect)又做了一系列精度更高、实验条件更苛刻的实验,他设计出的装置能以每秒2500万次的速度变换偏振片方向。实验结果确切地证明了贝尔不等式不成立,更关键的是,实验数据与量子力学的预言是一致的,隐变量理论输给了量子力学。也就是说,孪生光子出发后处于叠加态中,而当人为随意地测量其中一个光子,使其变为确定态后,不管空间相隔多远,另一个光子也瞬间变为与之相同的确定态,虽然二者看上去早已没有任何物理力的联系。


◆ 15.4 GHZ三粒子纠缠


>> 20世纪80年代末,美国物理学家格林伯格(Greenberger)、霍恩(Horne)和奥地利物理学家塞林格(Zeilinger)提出了三粒子纠缠现象,以其名字首字母命名为“GHZ三粒子纠缠”,指出,三个或三个以上粒子的纠缠态只可能在量子力学框架下出现,它和隐变量理论是不相容的,这被称为“GHZ定理”。也就是说,只需要对三粒子纠缠态进行一次测量就可以判断量子力学和隐变量谁是谁非。


>> 1997年,塞林格的研究团队提出一个方案:把两对纠缠光子对放入某种实验装置中,令光子对1中的一个光子跟光子对2中的一个光子发生纠缠(即令二者变得无法区分),二者构成新的纠缠关系;俘获这个新的纠缠光子对中的一个光子,则剩余的三个光子便会彼此纠缠。2000年,在该团队工作的潘建伟等人首次实现了三光子纠缠态,验证了GHZ定理。


◆ 15.5 量子隐形传态:超空间传送能实现吗?


>> 量子隐形传态是指将甲地的某一粒子的未知量子态在乙地的另一粒子上还原出来。


>> 1982年,物理学家Wootters发表题为《单量子态不可克隆》的论文,证明对任意一个未知的量子态进行精确的、完全相同的复制是不可实现的,这被称为“量子态不可克隆原理”。


>> “克隆”是在不损坏原有量子态的前提下再造一个相同的量子态,任何一个量子态都是处于叠加态的,这是一种完全不确定的状态,想克隆它就得对它进行测量,一测量就会变成确定态,它就被破坏了。


>> 1993年,Bennett等六位科学家联合发表了一篇题为《由经典和EPR通道传送未知量子态》的论文,开创了研究量子隐形传态的先河。


>> 因为不确定原理和量子态不可克隆原理的限制,我们不能将原量子态的所有信息精确地全部提取出来,因此必须将原量子态的所有信息分为经典信息和量子信息两部分,它们分别由经典通道和量子通道送到乙地。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。在此过程中,量子信息的传递必须通过纠缠态来完成。接收者在获得这两种信息后,就可以在乙地构造出原量子态的全貌。


>> 因为量子隐形传态需要借助经典信道才能实现,因此并不能实现超光速通信。


>> 1997年,奥地利的塞林格研究团队(潘建伟也参与了该项研究)首次完成了量子隐形传态的原理性实验验证,成功地将一个量子态从甲地的光子传送到乙地的光子上,成为量子信息实验领域的经典之作。


>> 2012年,中国科技大学和中国科学院组成的以潘建伟为首的联合研究团队,在青海湖首次成功实现了百公里级的自由空间量子隐形传态。


◆ 16.1 古人的物质组成观点


>> 战国时期的公孙龙(约公元前350—公元前320)曾说过“一尺之棰,日取其半,万世不竭”。


◆ 16.2 原子论的胜利


>> 英国化学家约翰·道尔顿1808年出版了《化学哲学新体系》一书,指出不同单质由不同质量的原子组成。


>> 1827年,苏格兰植物学家罗伯特·布朗发现水中的花粉及其他微小悬浮颗粒不停地作不规则的折线运动,人们称之为布朗运动。


>> 1905年,爱因斯坦发表了一篇论文,证明正是大量水分子的无规则热运动导致了布朗运动。他根据扩散方程建立了布朗运动的统计理论,成功解释了布朗运动的规律,该理论也成为分子运动论和统计物理学发展的基础。


◆ 16.3 原子还不是最小


>> 卢瑟福发现镭射线是由α射线、β射线和γ射线组成的,其中α射线、β射线是带电的粒子流(现在我们知道,α射线是氦原子核,β射线是电子),γ射线是光子流。


>> 原子核衰变的三种方式,它们所包含的放射性是指某些元素的原子核能自发地放出射线而衰变形成稳定的元素


◆ 16.4 原子内部结构


>> 1897年,英国物理学家汤姆逊通过研究气体放电现象发现了电子。他测定了电子的荷质比,从而确定了电子是一种基本粒子,


>> 1909年,英国物理学家卢瑟福和他的学生马斯顿在进行α粒子散射实验研究时,用准直的α射线轰击厚度为4微米的金箔,发现绝大多数的α粒子都直穿过薄金箔,偏转很小,但有少数α粒子发生角度大得多的偏转,大约有1/8000的α粒子偏转角大于90°,甚至观察到偏转角等于150°的散射。由此,卢瑟福认为只有原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心的一个很小的区域,才有可能出现α粒子的大角度散射。


>> 1918年,卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,注意到在使用α粒子轰击氮气时他的闪光探测器记录到氢原子核的迹象。


>> 卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子,因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子,于是质子也被发现了。


>> 卢瑟福发现质子以后,当时人们都认为原子核是由质子和电子组成。但是1932年,英国物理学家查德维克证实了原子中有中性粒子——中子的存在,并测定了中子的质量。


>> 质子和中子的质量差不多,可是它们比电子重得多,是电子质量的1800多倍,所以原子核占据了整个原子质量的99.99%以上,而原子核却非常非常小。


>> 为什么在如此小的空间里多个质子不会由于电荷间的同号排斥作用而产生波动?


>> 是因为原子核内的核子之间存在一种强相互作用力——强力,强力是四种基本作用力之一。强力是短程力,作用范围只在原子核尺度范围内,超出这个尺度迅速衰减为零。


>> 在原子核尺度内强力比电磁力大得多,所以质子之间不会互相排斥。正是强力的存在才维持了原子核的稳定。


◆ 16.5 原子结构的初期模型


>> 1913年,玻尔提出一个新的原子结构模型的两个假设奠定了原子结构的量子理论基础:(1)定态假设:原子系统只能处在一系列不连续的能量状态,在这些状态中,虽然电子绕核运转,但并不辐射电磁波,这些状态称为原子的定态。定态所对应的能量称为能级。(2)能级跃迁假设:当原子从一个定态跃迁到另一个定态时,原子才发射或吸收特定频率的光子。玻尔模型成功地解释了氢原子光谱,计算值和实验值相吻合。


>> 但是如果把玻尔模型推广到多电子原子时,即使是只有两个电子的氦原子,计算结果也与光谱实验相差甚远


>> 1916年,德国物理学家索莫菲全面推广和发展了玻尔的量子理论:把玻尔的圆形轨道推广到椭圆轨道;引入了相对论修正。索莫菲模型对氢原子光谱精细结构的计算与实验值惊人的一致。


>> 随后几年中,人们利用该模型完成了对碱金属光谱的描述


>> 1926年,薛定谔用他新建的量子力学理论重新解释了原子结构,真正解开了原子结构之谜。


>> 量子力学可以很好地解释各种原子的各种光谱现象,人们终于彻底放弃了经典轨道的概念。


>> 原子中的电子并无任何明确、连续、可跟踪、可预测的轨道可循,它们只能以一定的概率分布规律出现在原子核周围的空间区域。


>> 在量子力学中,用波函数描述原子中电子的运动状态,这样的波函数称为原子轨道,但它并不具有经典力学中运动轨道的含义


◆ 16.6 电子云:电子在哪儿?


>> 1926年,薛定谔建立了其量子力学体系——波动力学。波动力学的核心就是薛定谔方程,通过求解原子的薛定谔方程可以解出电子的能级和波函数。


>> 在求解薛定谔方程的过程中,自然而然就得到了原子能量量子化的结论,而不必像玻尔那样进行人为的硬性规定。


>> 经过求解薛定谔方程,氢原子中的电子运动状态由三个量子数决定:主量子数n、角量子数l和磁量子数m。所以电子的波函数记为ψnlm,不同的n、l、m对应不同的波函数(即不同的轨道),用不同的标号标记。


>> 能量是量子化的。n越大,电子能级越高,运动状态越多。


>> 电子的波函数ψ是一种概率振幅,波函数的平方ψ2代表在空间某点发现电子的概率密度。 ψ2函数图形就是我们通常所说的“电子云”。


>> 电子云图本来是分布在原子核周围的三维空间图形,但为了观察方便,图中给出的是通过原子核的二维截面。图中亮度的大小表示电子在这些地方出现的概率密度的大小,越亮的地方概率密度越大,越暗的地方概率密度越小。


>> 需要说明的是,概率密度分布和概率分布是不同的,概率密度最大的地方概率不一定最大,但是概率密度为零的地方概率肯定为零。


>> 电子完全没有任何明确、连续、可跟踪、可预测的经典力学轨道可循,


>> 由于坐标与相应的动量分量不可能同时精确测定,所以,原子中的电子不可能具有轨迹确切的轨道。


◆ 16.7 电子云节面之谜


>> 真空中不断地有各种虚粒子对的产生、湮灭和相互转化的现象,称为真空涨落。


◆ 16.8 电子的自旋


>> 在物理学中可以证明,电子有角动量必有磁矩,有磁矩必有角动量。


>> 实验结果却是,氢原子在磁场中明显分裂为上、下两束。显然,电子磁矩不但不为零,而且有两种取向。


>> 氢原子的1s电子就是由于存在自旋向上和自旋向下两种状态,所以才会在磁场中分裂为上、下两束。


>> 所以,一个电子的运动状态应该由轨道运动ψnlm和自旋运动来合并描述,才是一个完整的描述。


>> 需要说明的是,就像轨道运动没有运动轨迹一样,自旋运动也不是电子自身的转动。


>> 自旋与质量、电荷一样,是基本粒子的内禀性质。自旋向上和向下可以类比于电荷的正负。自旋导致的物理现象是纯粹的量子力学效应。


◆ 16.9 电子自旋之谜


>> 费曼在其《物理学讲义》里把以上的结果归纳为量子力学的一条基本原理:任何原子体系可以通过过滤将其分解为某一组所谓的基础态,在任一给定的基础态中,原子未来的行为只依赖于基础态的性质——而与其以前的任何历史无关。


◆ 17.1 物质的镜像:反物质


>> 1932年,美国物理学家卡尔·安德森使用云室从宇宙射线中发现了电子的反粒子——正电子。


>> 在粒子反应中如果有足够的能量使动量守恒并转化为质量,就能成对产生正反粒子对。


>> 1955年,反质子在美国的一家实验室中被发现,其后人们又发现了反中子。到20世纪60年代,基本粒子中的反粒子差不多全被人们找到了。


>> 粒子和反粒子碰撞在一起,就湮灭而产生纯粹的能量闪光。


>> 反物质是反粒子概念的延伸,反物质是由反粒子构成的物质。反物质是物质的“镜像”形式。1995年,欧洲核子研究中心的科学家在世界上制成了第一批反物质——反氢原子。


>> 一个反氢原子,其平均寿命仅为30ns(一亿分之三秒)。


>> 2011年,欧洲核子研究中心的科研人员宣布已成功抓取反氢原子超过16min。


>> 1997年,美国天文学家宣布,他们利用先进的γ射线探测卫星发现在银河系上方约3500光年处有一个不断喷射反物质的反物质源,它喷射出的反物质在宇宙中形成了一个高达2940光年的“喷泉”。这是宇宙反物质研究领域的一个重大突破。


◆ 17.2 宇宙隐形人:中微子


>> 1899年,卢瑟福发现β衰变现象,中微子的发现来自对β衰变的研究。


>> 人们发现,物质在β衰变过程中释放出的电子只带走了它应该带走的能量的一部分,还有一部分能量失踪了。玻尔据此认为,β衰变过程中能量守恒定律失效。


>> 1930年,奥地利物理学家泡利提出了一个假说,他认为在β衰变过程中,除了电子之外,同时还有一种静止质量为零、电中性、与光子有所不同的新粒子放射出去,带走了另一部分能量,因此出现了能量亏损。


>> 这种粒子与物质的相互作用极弱,以至仪器很难探测到。


>> 费米在中微子理论的重要思想:微观世界中的相互作用都是通过产生和湮灭粒子发生的。


>> 中微子个头小,不带电,只参与非常微弱的弱相互作用,具有极强的穿透力,


>> 地球上每平方厘米每秒有600亿~1200亿个中微子穿过,但是在100亿个中微子中才有一个会与物质发生反应,因此中微子的检测非常困难。直到1956年中微子才被观测到,证明了它的存在。


◆ 17.3 世界的基石:夸克


>> 质子和中子因为存在强相互作用才能结合成稳定的原子核,人们把可以直接参与强相互作用的粒子称为“强子”。


>> 1964年,美国科学家盖尔曼提出强子不是基本粒子,而是由更基本的粒子——夸克组成的观点


>> 质子和中子的高速碰撞实验表明,它们都是由更小的粒子构成的,这些粒子就是夸克。


>> 粒子物理学家丁肇中多次提到,从理论上来讲,夸克和电子都是点粒子,其直径或体积应该为零。他在实验中测出电子直径至少是小于10−19m。


>> 宇宙中存在有6种不同类型的夸克,我们分别将之称为上、下、奇、粲、底、顶夸克。每种夸克都带有3种“色荷”——红、绿、蓝。


>> 由于夸克有6种类型,每种类型有3种“颜色”,所以共有18种夸克。


>> 夸克的色荷在强相互作用中守恒,因此,色荷是强力的源。两个夸克之间通过交换“胶子”而发生强相互作用。


>> 由三个夸克组合成的粒子称为“重子”,质子和中子就是重子。


>> 由一个夸克和一个反夸克组成的粒子叫“介子”。


>> 重子和介子一起被合称为强子。


>> 夸克的电荷是分数。上、粲及顶夸克(这三种叫“上型夸克”)的电荷为+2⁄3,而下、奇及底夸克(这三种叫“下型夸克”)的则为−1⁄3。


>> 一个质子里包含有两个上夸克和一个下夸克(见图17-3(a)),而一个中子里则是包含着两个下夸克和一个上夸克(见图17-3(b))。所以质子的电荷为+1,而中子的电荷为0。


◆ 17.4 世界的基石:轻子


>> 轻子是对电子和它的两个伙伴,以及它们对应的中微子的总称。包括电子、μ子、τ子以及电子中微子、μ子中微子、τ子中微子等6种基本粒子,加上它们的反粒子,共计12种轻子。轻子都是基本粒子,没有内部结构。


>> 1937年,人们在研究宇宙射线时发现了μ子。可以说μ子就是一个胖电子,它的质量是电子的207倍,其他性质则和电子相同。


>> 在穿过地球的宇宙射线中有大量的μ子,此时此刻就不断地有μ子从我们的身体中穿过。μ子的寿命很短,它很快就会衰变成一个μ子中微子、一个电子和一个反电子中微子。


>> 1976年,物理学家们又发现了一个更胖的“电子”,它的质量是电子的3479倍,其他性质则和电子相同,这个粒子被命名为τ子。它的质量已经达到了质子的1.9倍。


>> τ子也会迅速衰变,它有三种可能衰变的途径:64.8%的概率会衰变成τ子中微子和反π介子;17.84%的概率会衰变成τ子中微子、电子和电子中微子;17.36%的概率会衰变成τ子中微子、μ子和μ子中微子。


◆ 17.5 四种基本力和力的传递粒子


>> 四种基本作用力是:引力、电磁力、强力和弱力。


>> 实验证明引力是以光速传播的。


>> 带电荷的粒子会相互吸引或者相互排斥,这种力就叫电磁力。电荷间同性相斥、异性相吸。


>> 原子中电子带负电荷,质子带正电荷,大小都为e(e=1.6×10−19库仑)。因为正、负电荷相互抵消,所以原子是电中性的。


>> 电磁力比引力强得多,两个电子之间的电磁力比引力大36个数量级。


>> 弱力会导致原子核的β衰变(质子和中子间的一种转变),带来放射性。


>> 强力将夸克“胶结”在质子和中子内,又把质子和中子紧紧束缚在一起形成原子核。


>> 强力是四种力里强度最大的力,比电磁力强100倍。


>> 强力的传递粒子是胶子。胶子共有8种,静止质量为零,电荷为零,具有色荷。


>> 弱力的传递粒子是W粒子和Z粒子。W粒子有两种,质量相同但分别带一个正电荷和一个负电荷,记为W+和W−粒子。Z粒子是一种电中性的粒子,记为Z0。


>> 引力的传递粒子是引力子。这是物理学家预言的,因为到现在还没有找到引力子。


>> 电磁力的传递粒子就是光子。两个带电粒子之间的电磁力是通过互相交换光子而产生相互作用的。


>> 在力的传递粒子中,光子、胶子、引力子静止质量均为零,而W粒子和Z粒子却有静止质量,而且非常大。W粒子的质量是电子的157400倍,Z粒子的质量是电子的178450倍。


◆ 17.6 上帝粒子:希格斯粒子


>> 希格斯机制是宇宙中物质质量的来源,是物质世界诞生的基础。


>> 按现有理论,所有粒子原本都是没有质量的,是希格斯场赋予了它们质量。希格斯场是一种原本不可见的、遍及整个宇宙的能量场。如果没有希格斯场,就无法生成质量,也无法构建任何东西,那么恒星、行星、生命就无从诞生了。


>> 根据希格斯机制,W粒子、Z粒子、轻子、夸克等基本粒子因为与希格斯场彼此相互作用而获得质量,但同时也会出现副产品——希格斯粒子。


>> 2013年3月14日,欧洲核子研究组织发布新闻表示,他们于2012年探测到的新粒子就是希格斯粒子


>> 研究表明,希格斯粒子的质量达到了质子质量的一百多倍。


◆ 17.7 标准模型


>> 基本粒子可分为三大类。第一大类是构成物质的基本“砖石”,包括6种轻子和18种夸克,再加上它们的反粒子,共48种;第二大类是传递各种相互作用的粒子,有光子、胶子、W和Z粒子,以及引力子等共13种;最后一类是希格斯粒子。由于引力的强度很弱,至今没有引力子存在的直接实验证据,所以引力子还没有被发现。


◆ 附录 高速粒子对狭义相对论的检验


>> 运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走得越慢,接近光速时,钟就几乎停止了。


>> 狭义相对论还有一个效应,就是对于静止质量不为零的物体,其质量将随着运动速度的增加而增大,如果速度趋于光速,质量将趋于无穷大,所以实际物体只能无限接近光速而不可能达到光速。


◆ 18.1 费米子与玻色子


>> 所有粒子(包括基本粒子和复合粒子)都可以按自旋分为两类——费米子和玻色子。费米子是自旋量子数为半奇数(1/2,3/2,5/2等)的粒子。基本粒子里的轻子和夸克都是费米子。质子、中子等复合粒子也是费米子。


>> 玻色子是自旋量子数为整数(0,1,2等)的粒子。基本粒子里的希格斯粒子和力的传递粒子(光子、胶子、W+、W−、Z0、引力子)都是玻色子。介子、α粒子(氦原子核)、氢原子等复合粒子也是玻色子。


>> 1926年,费米与狄拉克各自独立地发现了带半整数自旋全同粒子系统的量子统计法则,称为费米−狄拉克统计,所以这类粒子后来就被称为费米子。


>> 对于复合粒子的自旋,有一个普遍的原则:奇数个费米子所组成的粒子仍然是费米子;偶数个费米子组成的粒子则是玻色子;任意数目的玻色子组成的粒子还是玻色子。


◆ 18.2 泡利不相容原理


>> 1925年,泡利根据对原子经验数据的分析提出一条原理:原子中任意两个电子不可能处于完全相同的量子态,称为泡利不相容原理。


>> 它们一个自旋向上,另一个自旋向下。也正因为电子只有两种自旋状态,所以一个轨道上最多只能容纳两个电子。


>> 在一个量子系统里,费米子个个不同,而玻色子则可以完全一样。


◆ 18.3 玻色−爱因斯坦凝聚


>> 爱因斯坦最先注意到,当属于玻色子的原子温度足够低时,所有原子会突然聚集在最低能量状态,这是一种新的物质状态,这就是通常所说的玻色−爱因斯坦凝聚。


>> 理论上来说,一个体系里的所有玻色子都可以挤在最低能级上。但是这种趋势只有在极低温的情况下才会完全显现,如果温度稍高一点,虽然有许多玻色子集中在最低能级,但也会有很多玻色子分布在更高的能级。


◆ 19 量子场论


>> 依据量子场论的观点,物质存在的基本形态是量子场,粒子是场的激发态。量子场论突破了经典物理学中粒子和场的对立,将物质的基本层次、基本力和物质世界的起源纳入了一个统一的物理图景之中。


◆ 19.1 场与粒子的统一


>> 相对论突破了经典物理学的绝对时空观,揭示了时间、空间、物质和运动的内在联系;量子力学则突破了经典物理学对世界的决定论描述,运用概率论揭示了世界的规律。


>> 62种基本粒子对应着的基本场可以分为三大类:(1)第一类是实物粒子场,也叫费米子场。实物粒子(场)包括轻子和夸克以及它们的反粒子,它们均为自旋量子数为1/2的费米子。(2)第二类是媒介子场,也叫规范场。媒介子场由自旋为1或2的玻色子组成,它们是传递实物粒子之间的相互作用的媒介粒子,包括光子、胶子、W和Z粒子、引力子,共13种。除引力子自旋量子数为2外(理论预言),其他12种自旋量子数均为1。(3)第三类是希格斯粒子场,它由自旋为0的希格斯粒子组成。


◆ 19.2 粒子的产生与转化


>> 场的能量最低的状态称为基态,所有的场都处于基态时就是真空态。场的能量增加称为激发,当基态场被激发时,它就处在能量较高的状态,称为激发态。


>> 场是比粒子更基本的物质存在,粒子只是场处于激发态时的体现。


>> 根据量子场论,一对正反粒子可发生湮灭变成一对高能γ光子,而一对高能γ光子在高温下亦可转化为一对正反粒子。


◆ 19.3 真空里隐藏的奥秘


>> “真空是一无所有的虚空”这一物理图像,是一个错误的图像,大量理论和实验表明,真空是一个具有一定物理性质和一定物理结构的物理实在。


>> 真空中不断地有各种虚粒子对的产生、湮灭和相互转化的现象,称为真空涨落(也叫量子涨落或量子真空涨落)。真空涨落揭示了真空与物质之间的深刻联系,揭示出真空是一切自然物质产生及变化的根本源头。


>> 近代物理实验技术已经完全肯定,在基本粒子的相互转变过程中,真空直接参与了作用。


>> 1928年,狄拉克根据他建立的相对论电子方程,预言了高能光子激发真空可使真空产生正负电子对,而正负电子对又可湮灭为真空同时放出光子。1929—1930年,在美国加州理工学院深造的我国科学家赵忠尧发现,当高频γ射线通过薄铅板时会产生他所谓的“反常吸收”(两个光子产生一对正负电子)和“特殊辐射”(正负电子对湮灭为两个光子)现象,从而最早观察到了真空中正负电子对的产生和湮灭现象,证实了狄拉克的预言。


>> 一对正负电子湮灭产生一对同等能量的光子,能量刚好守恒。这个实验使人类真正认识到真空是“不空”的。


>> 量子场论预示,真空只是一种能量最低的状态,而并非能量为零的状态,所以真空是有能量的。真空中蕴藏着一定的本底能量,它在绝对零度条件下仍然存在,称为真空零点能。


>> 按量子场论估算,真空能量密度竟高达2×10103J/cm3,这简直比天文数字还天文数字,然而天文观测发现的真空能量密度仅为2×10−17J /cm3,差120个数量级。


◆ 19.4 再析费曼图:时间能倒流吗?


>> 在A点,一个电子发射出一个光子(γ射线),在B点,这个光子被另一个电子吸收,这样就完成了一个光子的交换,其结果是电子的动量改变,从而改变了速度和运动方向,这就是电磁相互作用过程。


>> 世界上所有相互作用最终都是由轻子和夸克在某个时空点发射或者吸收媒介子来实现的。


◆ 19.5 量子电动力学:精确度惊人的预测


>> 粒子运动的主要特征是它们在时空中的产生和湮灭,而这主要来自于它们所对应的量子场之间的相互作用。


>> 量子场论的核心是前述三种基本场的第二种——媒介子场,或叫规范场。粒子之间的相互作用是通过交换规范场的粒子而实现的。规范场是传递相互作用的场,不同的规范场,传递不同的相互作用。


>> 电磁力的规范场理论称为量子电动力学(quantum electrodynamics, QED),它是描述带电粒子与光子间作用关系的。


>> 量子电动力学认为,两个带电粒子之间的电磁力是通过互相交换光子而产生相互作用的,这种交换可以有很多种不同的方式。


>> 循环往复,光子在两个电子之间不断前后传递,把能量和动量从一个电子传到另一个电子。每个电子的动量的变化率等于另一个电子向它施加的电磁力。


>> 一个电子发射出一个光子后,光子变成一个“电子−正电子”对,然后这个正负电子对相互湮灭而形成另一个光子,这个光子才被另一个电子吸收


>> 描述电子自旋有个物理常数叫g因子(一个磁矩和角动量之间的比例常数),如果没有虚过程,g因子在量子理论中的数值应该是2,而按以上虚过程理论预测,则g因子数值为2.00231930476。目前所测的实验值是2.00231930482,


◆ 19.6 量子色动力学:夸克禁闭


>> 强力场的规范粒子是胶子,强力场的规范场理论称为量子色动力学(quantum chromodynamics, QCD),是描述夸克与胶子间作用关系的。


>> 所有的实验都未发现单个的自由夸克和自由胶子,即使使用目前加速器所能产生的最高能量的粒子束也未能将夸克、胶子从强子中轰击出来。这种现象叫“夸克禁闭”。


>> 量子色动力学对此的解释是:当夸克间距离介于10−16~10−15m时,夸克的结合势能随距离增大而线性增加;当夸克间距离达到10−15m数量级(约等于原子核的空间尺度)时,结合势能随距离增大而无限增大,这就导致了“夸克禁闭”。


◆ 20.1 统一理论的探索


>> 20世纪60年代,格拉肖、温伯格、萨拉姆等人在对称性自发破缺概念的基础上,将弱力和电磁力统一起来,建立了弱电统一相互作用规范场理论,称为电弱统一理论。


>> 该理论认为弱力和电磁力在能量大于1000GeV(G=109)时是统一的对称的力,其规范粒子的静止质量为零,但能量降低到1000GeV以下时,部分规范粒子在希格斯机制的作用下变得有了静止质量,于是统一的电弱力分化为电磁力和弱力。这个过程被称为电弱统一相变。


>> 大统一理论认为,强力在高能时变弱,而电磁力和弱力在高能时变强,当能量达到约1015GeV以上时,三种力强度接近一致,因而可能是同一种力的不同方面。


>> 大统一的能量标度1015GeV是一个十分巨大的能量,它对应的温度是1028K(太阳中心的温度只有1.5×107K)。


>> 经估算,当初宇宙的能量为1015GeV时,宇宙大爆炸产生的时间尺度只有10−35s,空间尺度只有10−31m。


>> 超统一理论认为,当能量标度大于1019GeV时,四种力统一为一种力。人们称1019GeV为普朗克能量,与之对应的时间和空间尺度分别为普朗克时间(5.4×10−44s)和普朗克长度(1.6×10−35m)。其主要观点是:现有的四种力场在大爆炸开始到普朗克时间这段时间内是超对称的统一的规范场,随着能量的下降,先后发生超统一相变、大统一相变和电弱统一相变三次自发对称性破缺,最终形成了引力场、强力场、弱力场、电磁场等四种规范场。


>> 现代物理学的主要逻辑。一是狭义相对论和量子力学相结合建立量子场论(只涉及电磁力、弱力和强力);二是把广义相对论和量子力学相结合,试图建立有关引力作用的量子场论,又称量子引力场论(不涉及电磁力、弱力和强力)。最终,我们可以把上述两种逻辑走向合并,即把电磁力、弱力、强力和引力四者统一起来,这正是超弦/M理论的雄心所在。


◆ 20.2 宇宙的琴弦:超弦理论


>> 1968年,有物理学家偶然发现欧拉β函数能描述强力的大量性质。1970年,物理学家们证明,如果用一维的振动的“弦”来模拟基本粒子,那么它们的强力就能精确地用欧拉函数来描写,弦理论由此诞生。


>> 超弦理论的基本思想是:所有基本粒子(轻子、夸克、光子、引力子,等等)其实都是由一根一维的弦构成。弦可以有两种结构:开弦和闭弦。开弦具有两个端点,闭弦是一个没有端点的闭合圈。这些弦一般只有普朗克长度(10−35m)的尺度。


>> 超弦理论中,一个基本粒子的质量、电荷、弱荷、色荷等性质都是由构成它的弦产生的精确共振模式决定的。如果弦的振动剧烈,其能量就大,根据质能关系,质量也就大


>> 为了有物理意义,它要求弦能在9个独立的空间方向振动,也就是说,需要9维空间,再加上时间,那就是10维时空。


>> 除了我们熟悉的3个空间维外,还有6个卷缩在普朗克长度尺度下的空间维。它们卷缩成所谓的卡拉比−丘成桐空间。


>> 同时出现了五种超弦理论。这五种超弦理论可以分为三大类:I型、II型(IIA、IIB)和杂化型(杂化O和杂化E)。I型理论中的弦可以是开弦也可以是闭弦;II型理论和杂化型理论中的弦都是闭弦。


>> 除I型理论外,其他四种超弦理论都是闭弦。


>> 对于闭弦而言,自然界中所发生的一切相互作用,只用一种相互作用就能解释,那就是弦的分裂和结合。两根弦可以结合在一起形成一根弦,相反一根弦也可以分裂成两根。


>> 当一根闭弦在运动的时候,它在时空图中扫过的轨迹是一根管子;当发生相互作用时,弦的分裂和结合就像管子的分离与交汇,人们把这种图像形象地称为“世界叶”。


◆ 20.3 M理论:终极理论?


>> 1995年,美国物理学家爱德华·威滕(Edward Witten)提出一种能将五种超弦理论和11维超引力理论包容在一起的新理论——M理论。


>> M理论也叫“膜理论”。在M理论中,空间又被扩展了一维,成为10维空间,加上时间就是11维时空。


>> M理论加入的这一新维度却不一定是微小的卷缩维度,它可以是一个非常大的维度。


>> 这就意味着“弦”会被拉伸为“膜”,基本物质组成不再只是一维的振动弦,还有零维的点粒子、二维的振动膜、三维的涨落液滴,以及不同维数的高维“膜”,一直到多达9维都有对应的结构。


>> 根据M理论,是膜的相互碰撞导致了各种粒子的产生,甚至连我们的宇宙也是膜碰撞的产物。


◆ 20.4 平行宇宙


>> M理论的一个关键因素是狄利克雷膜的概念,它简称为D膜。人们证明,开弦的两端会很自然地黏在D膜上,而闭弦则没有这个约束。可以用开弦表示夸克、轻子、光子等大多数粒子,只有引力子例外,它是由闭弦描述的。


◆ 21.1 膨胀的宇宙


>> 1842年,奥地利物理学家多普勒指出,如果光源和观察者之间有相对运动,会使观察者接收到的光源波长发生变化。如果光源离我们而去,我们接收到的波长变长,如果光源朝我们而来,我们接收到的波长变短,这种现象称为多普勒效应。


>> 1929年,他总结出一个规律:星系的退行速度与它离我们的距离成正比,后来被称为哈勃定律。


>> 现在人们已经观测到1250亿个星系,除了几个离银河系最近的星系外,其他星系都在红移。


>> 太阳系在绕银河系中心运动,正好朝着仙女座星系运动,仙女座星系离我们近,退行速度慢,所以抵消了仙女座星系的退行。


>> 事实上,宇宙并不存在中心,在膨胀的宇宙中,所有星系都在互相退行。


◆ 21.2 广义相对论与宇宙学


>> 引力实际上就是物体在弯曲时空中运动的表现。物理学家惠勒曾用一句话来概括:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动。”


>> 1974年,美国科学家利用两个相距为3000km的射电望远镜,测量了波长为11.1cm的射电波,结果表明:经过太阳附近的射电波确实发生了偏转。这就证明了太阳附近的空间确实发生了弯曲。


>> 科学家们还通过光谱线引力红移和雷达回波延迟等效应证明了大质量天体附近的时间也是弯曲的。


>> 时空的性质由引力决定,即由产生引力的物质决定。


>> 1998年起,越来越多的天文观测证据表明,宇宙不但在膨胀,而且在加速膨胀,这就意味着的确有一个与引力相抗衡的力,宇宙常数可能确实存在。


>> 现代量子宇宙论认为,宇宙常数是宇宙量子真空涨落的结果,等效于真空能量密度。


◆ 21.3 宇宙理论的发展


>> 1948年,移居美国的苏联物理学家伽莫夫在勒梅特的基础上正式提出宇宙大爆炸理论,认为宇宙是由一个无限致密炽热的“奇点”于一百多亿年前的一次大爆炸后膨胀形成的。


>> 伽莫夫在1948年有一个惊人的预言:宇宙演化过程中残留下来的电磁辐射(以光子的形式)在宇宙中自由传播,成为大爆炸的“遗迹”残存至今,但是其温度已降低到只比绝对零度高几度,这就是所谓的“宇宙背景辐射”。


>> 1965年,美国科学家彭齐亚斯和威尔逊在微波波段上探测到具有热辐射谱的宇宙背景辐射,温度大约为3K,验证了伽莫夫的预言。


>> 大爆炸奇点处,一切科学定律都失效了,所以奇点是不可能真实存在的,这就构成宇宙学最大的疑难:奇性疑难。


◆ 21.4 宇宙的演化


>> 宇宙的起源和演化的历程。(1)量子引力时代(0<t<5.4×10−44s)


>> 宇宙由一个不存在时间和空间的量子状态(“无”状态)自发跃迁(即所谓“大爆炸”)到具有空间、时间的量子状态。


>> 在这个时期,物质场的量子涨落导致时空本身发生量子涨落并不断地膨胀,空间和时间以混沌的方式交织在一起,时空没有连续性和序列性,因而前后不分、上下莫辨。此时四种基本力不可区分,是一种统一的力,此时的时空为虚时空。


>> (2)普朗克时代(5.4×10−44s<t<10−36s)


>> 当时间等于普朗克时间(5.4×10−44s)时,虚时空发生超统一相变,实时空形成,粒子产生。相变点的能量是1019GeV,温度为1032K。此时时间和空间可以测量,但夸克和轻子不可区分,二者可以相互转化。


>> (3)大统一时代(10−36s<t<10−32s)随着宇宙温度继续下降,时间继续膨胀,当t=10−36s时,温度降至1028K,发生大统一真空相变。相变过程中释放的巨大能量使时空以指数规律急剧地暴胀,直到10−32s最后完成大统一相变。相变后,宇宙的空间尺度增加了1050倍,强力分化出来,夸克与轻子相互独立。


>> (4)夸克—轻子时代(10−32s<t<10−6s)这段时期开始时,弱、电两种力不可区分。直到t=10−12s,温度降至1016K时,发生电弱统一相变,中间玻色子基本消失,电磁力与弱力成为两种力。


>> (5)强子—轻子时代(10−6s<t<1s)t=10−6s时,温度降至1012K(1万亿开尔文),发生夸克禁闭,凝聚成强子(即重子和介子)。


>> t=10−4s时,温度降至1000亿开尔文,宇宙进入轻子及其反粒子占主要地位的时代,重子中则主要只剩下质子和中子。这时的主要特征是粒子间的转化产生了大量的光子和中微子。


>> (6)辐射时代和核合成时代[1s<t<3.8×105a(38万年)]当t=1s时,温度降为100亿开尔文,中子转变为质子的反应率超过质子转变为中子的反应率,因而总体上中子开始衰变为质子。正负电子不断湮灭转化为光子。


>> 这时,光子数大大超过具有静质量的粒子,每个质子或中子都对应着10亿个光子,宇宙以光子辐射为主,进入辐射时代。


>> t≈3min时,温度降为10亿开尔文,中子数与质子数之比约为1∶7。此时,质子和中子开始结合成包含一个中子和一个质子的氘核,氘核又很快结合成氦核。t≈30min时,中子基本上都和质子结合为氦核,剩余的质子就是氢核,所以氦核与氢核质量比约为2∶6。中子在原子核中很稳定,于是宇宙中的中子数与质子数之比不再改变,一直延续至今。


>> t≈3.8×105a(38万年)时,温度降至3000~4000K,物质密度与辐射密度基本相等,光子能量不足以击碎原子,自由电子开始被原子核俘获,形成稳定的原子(主要是轻元素)。


>> (7)星系形成时代[3.8×105a(38万年)<t<10亿年]在这个阶段,宇宙内的实物粒子从等离子气体演化为气状物质。


>> 理论和观测结果共同显示,最初的一批星系和类星体诞生于大爆炸后10亿年,从那以后更大的结构(如星系团和超星系团)开始形成。再后来,星系进一步凝聚成亿万颗恒星。在恒星演化过程中,又形成了行星和行星系统。


◆ 21.5 恒星的演化


>> 大爆炸后约10亿年,宇宙中充满了以氢原子和氦原子组成的星际气体。


>> 经过漫长岁月的演化,随着密度的增加,氢原子结合成H2分子,产生出巨大的星际分子云。


>> 当星际分子云内部出现密度更高的部分时,在引力作用下,它会把周围物质吸引过来,这些物质旋转着向中心聚集,不断收缩,于是中心出现了一个核,核周围则形成旋转的气体圆盘。至此,一颗恒星的诞生条件已经具备


>> 随着引力收缩的进行,核心的温度、压力、密度持续增高,H2分子重新分解为氢原子。当核心温度达到1×107℃(1000万摄氏度)时,氢聚变为氦的热核反应点燃,一颗耀眼的恒星自此诞生。


>> 50亿年后,太阳将变为红巨星,到那时,它的光亮度将增至如今的100倍,体积会膨胀100万倍以上,整个地球都会被膨胀的太阳所吞噬。


◆ 21.6 暗物质与暗能量之谜


>> 1932年,荷兰天文学家琼·奥尔特研究了银河系外缘星体所受的万有引力,他惊讶地发现,这些星体受到的引力与比我们能看到的发光星体所产生的引力大得多。他据此估算了银河系的总质量,发现这个质量大于可见星体总质量的两倍。


>> 所谓暗物质,是指无法通过电磁波的观测进行研究,也就是不与电磁力产生作用的物质。暗物质自己不发光,别的光线也能直接穿过它,不与它产生任何作用,所以看起来空无一物,但它就在那里。人们目前只能通过引力效应判断宇宙中暗物质的分布。


>> 目前最新的数据显示,在整个宇宙的质量构成中,我们常说的可见物质只占4.9%,暗物质占26.8%,还有68.3%是暗能量(质能等价)。


◆ 21.7 时空的颤抖:引力波


>> 引力波同电磁波一样,以光速传播;电磁波是由交变的电场和磁场组合而成,引力波也是一种交变的场,但这种场是时间曲率和空间曲率的起伏,代表着时间和空间的形变;引力波与电磁波都是横波,即波的振动方向与传播方向垂直;但是,电磁波是矢量波,而引力波是张量波,具有极强的穿透力。



2019.3.13


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