今日国外物理

 1 美学者提出大科学新概念美国地球物理学家罗·海津和詹·特雷菲尔提出称之为“大科学”的新概念.美国《科学》周刊根据他们新著《大科学概念》,并征集广大学者的意见.将“大科学概念”的内容归纳为28条.即:(1)宇宙发展有自身规律可预测;(2)一切运动形式均符合牛顿三大定律;(3)能量守恒不消失;(4)能量转换遵循热力学第一、二定律;(5)电磁是同种力的两种形式;(6)任何物质都由原子构成;(7)一切物质能及微粒量子特性均离散,对其中某一物理量既不能测量也不能改变;(8)物质的原子均由“电子胶水”粘合;(9)物质的状态由组成它的原子及其排列决定.     

光子学与光子技术

 在国外“光子学”概念的提出,大约可追溯到20多年以前。早在1970年,在一次国际高速摄影会议上,荷兰科学家波德沃尔特(Poldervaart)首次提出“光子学”(Photonics)一词,并予“光子学”以定义。认为“光子学”是研究“以光子作为信息载体”的科学。事实上,激光二极管的问世,使光子替代电子,成为信息的载体,并促进了光子学的形成。需要指出的是:欧洲以及其后的美国,在促成光子学形成方面表现出极大的兴趣和热情。     

浅谈物理课的形象化教学

 物理,作为中学课程的主要学科,要让学生学好它,教师不仅要讲好抽象的理论知识,更要把这些“抽象”的物理知识“形象化”(通过实验、类比、推理和举例等),在教学中给学生建立起“形象”的“物理模型”,使学生在进行抽象的逻辑思维的同时,能“形象”地观察和理解好有关的物理现象,培养其形象的思维能力,以此引起中学生学习物理的兴趣,收到良好的效果。现仅从三个方面浅谈一下这个问题。     

熵与感冒

 “熵”(Entropy)这一概念原本是热力学物理中的概念,“它表示系统中微观粒子无规则运动混乱程度的量度”,也可以说熵表示系统的无序程度。熵越大越无序(disorder),熵越小越有序(order)。熵现在已被广泛的用于社会、生态环境、生命、医学和信息控制等领域。熵增加原理告诉我们,一个封闭系统当内部发生不可逆过程时,它的熵就会增加,增加到一定值--熵极大时系统就会处于平衡状态。     

科学家称极超新星爆发可能摧毁外星生命

 天体生物学中有一种著名的说法,叫做“大寂静”(the Great Silence)。通俗而言,这个说法的意思大致如下：“考虑到宇宙巨大的空间以及极其古老的历史,宇宙中应当存在许多具有高度发达文明的智慧生命,但我们却没有找到任何相关的证据,这两者之间似乎存在一种矛盾。” 这个说法最早来自著名的美籍意大利物理学家费米,因此也被称为“费米问题”或“费米佯谬”。     

信息与信息熵

 有人把当今时代称之为“信息化时代”,也有人把当今社会称之为“信息化社会”,这是因为,随着科学技术的迅速发展,人类社会对信息的需求量及其传播速率也在迅猛提高.     

时钟与计算机网络中的时钟同步

 计算机中的时钟几乎所有的计算机中都会有专用线路用于计时,人们也常用“时钟”(clock)来称呼它;其实,应该称为“计时器”(timer)。计算机中的计时器是一个经过精密加工的石英晶体,这种石英晶体在有电压的作用时,会以非常良好的固定频率发生振荡,相应地对每一个石英晶体赋予两个记录器:一个称为计数器,另一个称为复位计数器。晶体每发生一次振荡计数器就会减少一个单位,当计数器上的数值变为零时,系统就会相应地产生一个中断,并通过复位计数器将计数器的值恢复到初始值,这样就可以设计出每秒产生60次中断(或想要的次数的中断)的频率的“计时器”.     

谈谈“左手材料”

 “左手材料”(left-handedmaterials)是指在一定的频段下同时具有负的磁导率和负的介电常数的材料。电磁波在这种材料中的传播特性与在一般材料中相比有很大的不同,比如光在左手材料中的行进方向与能量传播的方向相反、完全相反的折射定律等等,“左手材料”颠覆了一般材料中所普遍遵循的“右手规律”。早在1968年,俄罗斯理论物理学家维西拉格(Veselago)就对电磁波在介电常数ε和磁导率μ同时为负数的介质中的传播及相关特性作过理论上的研究,但由于当时自然界中并没有发现这类介质材料,所以他的研究结果一直没有得到实验上的直接验证,人们对左手材料的兴趣也因此降温。     

负熵

 一、负熵的由来 奥地利著名理论物理学家、量子力学创始人薛定谔1943年在爱尔兰都柏林三一学院的讲演稿,整理成了《生命是什么?》一书,于1944年出版。在这本书中薛定谔提出了“负熵”概念。     

何谓纠缠态

 目前,关于纠缠态(Entanglement)的文章在国外一些科技期刊上屡屡出现,例如2004年的《物理评论通讯》(PhysicalReviewLetters)几乎每期都登载有有关“纠缠态”的学术论文。本刊2004年第2期所载方玉田同志的文章《谈谈纠缠态》学术性较强,现拟向读者简介“何谓纠缠态”(下面提到的“态叠加原理”参见方文,不作解释了)。     

悟空的担心是多余的——“天上一日,地下一年”的相对论解释

 西游记中“天上一日,地下一年”的说法很多,而悟空也因此急急忙忙不敢在天上停留,惟恐师傅有失。按照这种说法,“天上”的1秒,就是“地下”的360秒,悟空上天求教,就算在“天上”只过了30秒,“地下”早已过了3个小时,这么长时间,妖怪能等得及?还有,为凤仙郡求雨,悟空在“天上”的时间就算是30分钟,地上已过了一个多星期了!“天上”的时间真的比“地下”的时间过得慢吗?神仙真能因此长寿吗?根据狭义相对论的理论,只有当“地下”和“天上”以某一速度(接近光速)做相对直线运动时,才会出现“天上一日,地下一年”的情况。     

卫星定位系统简介

 随着科学技术的不断进步和发展,当今社会已进入电子信息时代。快速、准确的卫星定位在军事、国民经济等诸多领域中广泛应用。目前能够实现全球卫星定位服务的,有美国的全球定位系统(GlobalPositioningSystem,简称GPS)和俄罗斯的“格洛纳斯”(GLONASS)全球导航系统(GLONASS为全球卫星导航系统的缩写),中国也有自己的区域性卫星定位系统“北斗一号”。卫星定位服务现已成为全球公认的八大无线产业之一。本文首先以GPS和“北斗一号”为例介绍卫星定位的基本原理,然后详细介绍各种已有和正在建设的卫星定位系统。     

铜铅胁迫下玉米叶片弱光谱信息的LD-CR-SIDSCAtan探测模型

农作物在受到重金属污染以后,会破坏本身的组织细胞结构和叶绿素含量,从而影响农作物的新陈代谢和健康状况。人和动物如果食用了污染的农作物以后,会有致命的伤害。高光谱遥感目前被广泛应用于监测农作物受重金属污染的程度。重金属污染下的农作物叶片的光谱变化很微小,传统的监测方法和常规的光谱特征参数很难将光谱之间的微弱差异区别开,目前高光谱遥感应用是研究的重点和难点。通过设置不同浓度的Cu2+和Pb2+胁迫下玉米盆栽实验,采集玉米叶片的光谱数据、叶绿素的相对含量以及重金属Cu2+和Pb2+的相对含量。提出了包络线去除(CR)、光谱相关角(SCA)、光谱信息散度(SID)以及正切函数(Tan)和兰氏距离(LD)相结合的LD-CR-SIDSCA_tan模型,将其与传统的光谱测度方法,如光谱相关系数(SCC)、光谱角(SA)、光谱角正切(DSA)、光谱信息散度-光谱相关角正切(SIDSAM_tan)、光谱信息散度-光谱梯度角正切(SIDSGA_tan)和常规的光谱特征参数,如红边最大值(MR)、绿峰高度(GH)、红边一阶微分包围面积(FAR)、红边一阶微分曲线陡峭度(FCDR)、蓝边(DB)、红谷吸收深度(RD)相比较,验证了该模型的优越性和可行性。并且将LD-CR-SIDSCA_tan模型应用于不同浓度下Cu2+和Pb2+胁迫的玉米叶片的整体波形和子波段的光谱差异信息的测度上。结果表明,LD-CR-SIDSCA_tan模型实现了重金属Cu2+和Pb2+污染的定性分析,能够测度光谱相关系数达到0.99以上的相似光谱之间的差异信息,波形差异信息与叶片测得的叶绿素相对含量和重金属Cu2+和Pb2+相对含量显著相关,也分别找到了重金属Cu2+和Pb2+胁迫下的光谱响应波段。在测度光谱数据的整个波段区间范围,模型值为负值时的光谱差异要比模型值为正值更加明显;在模型值为正值时,如果数值越大,光谱的差异性也越大。因此,随着重金属Cu2+和Pb2+浓度的增加,光谱的差异增大,意味着重金属Cu2+和Pb2+污染程度更为严重;玉米植株受到重金属Cu2+胁迫污染,在测度光谱数据的局部子波段区间范围时,“蓝边”、“红边”、“近谷”、“近峰B”处对重金属Cu2+胁迫污染响应特别的敏感,可以作为监测重金属Cu2+污染程度的有效波段;当玉米植株受到重金属Pb2+胁迫污染时,在“紫谷”、“蓝边”、“黄边”、“红谷”、“红边”、“近峰A” 处对重金属Pb2+胁迫污染响应特别的敏感,可以作为监测重金属Pb2+污染程度的有效波段。最后通过LD-CR-SIDSCA_tan模型的应用结果与玉米叶片中Cu2+和Pb2+含量进行线性拟合分析,从而反演和预测了重金属Cu2+和Pb2+对玉米植株的污染程度。     

微纳技术及微纳机电系统(上)

 今天,在一个所谓“云计算”与“大数据”到来的时代,人们面对着大量的数据信息,不仅需要对获取的数据进行传递,而且需要进行处理和分析。之所以如此,是因为人们已经能够将信息的获取从分散、断续、孤立的点扩展到整体、连续、相关的面或体上,即从“点式”扩展到“网式”,从宏观延伸到微观,并能够以更精细的分辨、更快的速率和在更大的尺度上来获取数据。     

“面包片落地时几乎总是黄油面朝下”的力学原理究竟是什么

 近读《现代物理知识》2002年第5期中“力学原理与墨菲法则”一文(以下简称“原理”),颇感其中疑点甚多。苦思良久之后,作此文以抒己见。“原理”一文在阐述“面包片被碰出桌边掉下去时,几乎总是涂了黄油的一面着地”的力学原理时,把涂了黄油的面包片的下落过程简化为一薄片在真空中的自由下落过程。根据这个简化模型,“原理”一文作者列出方程,并对一个特例(面包片长0.1米,具有竖边的桌子高0.8米且初角速度为0)作了数值计算,结果似乎表明,任意薄片自水平状态从高为0.8米且带有竖边的桌子边滑下而落地时,总会翻转,即说明面包片在桌面上时若黄油面朝上.     

对称性是物理学的一把双刃剑

 对称性的概念最早源于生活。所谓“对称”,通常是指左右对称。除此之外还有轴对称、球对称等。在近代物理学中,对称性是一个很深刻的问题。在粒子物理、固体物理、原子物理等领域里,对称性问题也很重要。德国大数学家魏尔斯特拉斯(Weierstrass,1815～1897)首先提出了有关“对称性”的普遍定义,即把一个“体系”通过不同的操作达到不同的“状态”,若前后两种不同的“状态”在此操作下不变,我们可以讲这个体系对于这一操作是“对称”的,而这个操作也可以认为是这个体系的“对称操作”。常见的对称操作有空间的平移、转动以及时间的平移。     

太阳中微子失踪案和中微子振荡

 (续前)五、“中微子振荡”是物理学家的法宝按照粒子物理的标准模型,中微子质量为零,它们以光速运动。存在着3种不同类型(即3种“味”)的中微子:电子型中微子(记为νｅ),μ-中微子(记为νμ)和τ-中微子(记为ντ),它们之间彼此不相关,分别只同电子、μ轻子和τ轻子密切相关。不过,早在戴维斯等人公布首批氯探测器的探测结果的1968年,庞托科沃就提出了这3种“味”的中微子很有可能互相来回地转化,称为“中微子振荡”。在太阳内部的热核燃烧过程中产生的中微子都是νｅ。但它们在从太阳到地球的漫长行进过程中,νｅ不断地转化为νμ和ντ。     

体育运动中的力学原理

 如果你是位体育迷的话,那么对于球类中的“香蕉球”、“勾手飘球”、“上旋球”、“下旋球”等等一定十分熟悉,对于体操或跳水运动中的各种空翻、转体、腾越动作非常欣赏,但这些怪球、好球是如何打出(或踢出)的,这些优美高难度动作是如何设计的?其中可有学问呢!它与力学原理关系密切,下面通过一些具体事例来说明.     

梅贻琦先生与通才教育

 现代社会是由具有独立人格和自由精神的人组成的,而造就这样的人需要通才教育。通才教育也称普通教育。“普”即普遍,乃就“面”而言;“通”即通达,盖以“质”而论。它主张我们的基础教育应培养通才,而非“专业人才”。简言之就是应培养和谐的“人”,而不是仅仅有用的“机器”。最早主张通才教育的是孔子。《论语·公冶长篇》里有一段孔子与弟子子贡(端木赐)的精彩对话,“子贡问曰:‘赐也何如?’子曰:‘女,器也。’曰:‘何器也?’曰:‘瑚琏也。’     

无相互作用的量子测量

 量子通讯、量子计算技术发展的风起云涌,对于量子器件(能够产生量子效应的物理实体)发展的要求越来越迫切,下面就介绍一下产生量子效应的很重要的一种手段“无相互作用的测量”。一位好侦探懂得这样的道理:很多事情能从侧面被了解,即通过排除什么是不可能发生的。在量子力学中,这样一个理念已经出现。在特定的环境,一个测量可以提供关于什么可能发生的信息,但并不要求它实际上发生。具体例子是“无相互作用的测量”(IFM),这已被形容为“在黑暗中窥视量子”。