量子宇宙——21世纪粒子物理学的革命

 本文编译自美国高能物理顾问委员会(HEPAP)出版的《量子宇宙(QuantumUniverse)》一书。它是根据美国能源部和国家自然科学基金委的要求编写的科普读物。微观量子世界和宏观宇宙学研究的交叉对21世纪的粒子物理学提出了严峻的挑战,正孕育着一场深刻的革命。此书论述了粒子物理学面临的9个重大问题,并结合美国高能物理实验研究计划进行讨论。     

从物理概念的发展谈基础物理内容现代化

章认为教学内容现代化是基础物理改革的一个重要方面。由于物理学迅速发展，必然会引起一些基本物理概念的变革，而物理学迅速发展，必然会引起一些基本物理概念的变革，而物理教学有必要给学生一个与目前物理学发展水平相适应的物理概念。章通过物理学中的对称性，粒子与场及其真空，宏观量子现象以及非线性物理学等四个方面的物理概念的历史发展和当前的进展，来说明基础物理教学内容现代化的必要性。     

轴子--粒子物理和宇宙学的新前沿

—、引言粒子物理、宇宙学和天文学的深度结合催生了当下粒子宇宙学研究的高速发展。继2017年引力波之后,2019的物理学诺贝尔奖再次光顾了宇宙学领域,并颁给了从事宇宙学理论研究的Peebles教授。目前,正当宇宙学研究在观测层面大步前进时,理论家和实验家们近年来将目光投向新的宇宙学热点,一个长期被理论预言的基本粒子“轴子(Axion)”。     

纪念卢瑟福提出原子有核模型100周年

英国物理学家欧内斯特.卢瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)是20世纪最伟大的实验物理学家之一,他生活在从19世纪末到20世纪30年代物理学发生革命性变革的时代,是这个时代勇于进取的开路先锋之一,他在原子核物理学方面的     

粒子物理和宇宙学

粒子物理学的研究对象是基本粒子,其尺度范围小于10-13cm,质量小于 10-23g,是所谓的微观物理学.宇宙学的最小研究对象是星系,其尺度范围大于 1019cm,质量大于1039g,是所谓的宇观物理学.热大爆炸宇宙模型使两者发生了密切的联系.近十几年来,这种联系日益深化,一方面使宇宙学臻于成熟,另一方面也推动着粒子物理学的发展. 以可靠的物理规律为基础的宇宙学研究,是在有了广义相对论之后才开始的.宇宙的膨胀则是在1929年Hubble发现了河外星系的退行规律后才逐渐被认识的.四十年代末,Gamow及其合作者以宇宙膨胀的观念为基础,首先成功地讨论了宇宙…     

反物质和暗能量

 上个世纪,人类在探索宇宙奥秘和物质基本结构及其相互作用的道路上取得了辉煌的成就,建立了描述微观世界的粒子物理标准模型和描述宇观世界的大爆炸宇宙学标准模型。粒子宇宙学将微观世界和宇观世界、粒子物理学和天文学结合起来,研究早期宇宙这一极端条件下的物理规律,探讨基本粒子的相互作用的统一。近代宇宙学研究表明,在宇宙演化过程中经历了暴涨(Inflation)阶段。基于粒子物理的标量场理论,暴涨宇宙学不仅为经典大爆炸宇宙模型中的初始条件和疑难给予了答案,而且提供了一个描述宇宙大尺度结构成因的合理理论,并为近年观测所支持。     

宇宙学常数疑难

当代天文学的一系列观测事实都支持应该存在一个非零的正的宇宙学常数，但是，人们发现当前宇宙学常数值太小，而且宇宙学常数即真空能量密度与现在的物质密度巧合地具有相同的量级，然而现有物理学理论还无法给出合理的解释，因此宇宙学常数问题成为物理学和天文学上最重大的疑难之一。文章综述了近年来宇宙在加速膨胀这一重大的天文发现和宇宙学常数的观测结果以及当前理论物理学在宇宙学常数问题上的一些尝试。     

爱因斯坦和狄拉克谁对20世纪物理学发展贡献大

 《现代物理知识》2001年第6期上的有两篇文章:一篇是关于英国杂志《物理世界》最杰出的10位物理学家排名的报道,爱因斯坦位居榜首,而狄拉克排名第8;另一篇是王正行先生的文章“狄拉克获诺贝尔奖的经过”,该文介绍了狄拉克在20世纪20年代对物理学的贡献和30年代物理学界对狄拉克的评价。读完这两篇文章后,细细想了一下爱因斯坦和狄拉克对20世纪物理学的贡献,有一些话想说。王正行先生的文章一开头就说:“20世纪物理学的第一位巨人当然是爱因斯坦。”毫无疑问,爱因斯坦是20世纪物理学的巨人,他对20世纪物理学的贡献是革命性的,影响是深远的。     

带有背景矢量场的标量场暗能量模型

讨论了带有背景矢量场的动力学标量场作为暗能量在闭宇宙的情形下的演化. 选取适当的标量场势函数后, 在得到的暗能量有效状态方程中, 参数w在红移z≈0.2处可以越过－1, 而且在z≈1.7处宇宙从减速膨胀的状态转变为加速膨胀状态, 这与最近的宇宙学观测相符.     

物理学会终结吗

 物理学会终结吗?这个持续了几百年的老话题似乎并没有随着20世纪物理学以及其他科学的高速发展而停息,相反,关于物理学就会终结的议论,随着新千年的开始又一次活跃起来。我们的话题是从一本名为“科学的终结”的书开始的。此书作者为美国权威杂志“科学美国人”的专职撰稿人,资深记者约翰·霍根。他在此书的封面上写道“科学(尤其是纯科学)已经终结,伟大而又激动人心的科学发现时代已一去不复返了。”在他的书中不仅物理学已趋向终结而且如哲学、宇宙学、进化生物学、社会科学、神经科学、混杂学,乃至科学神学统统接近了终结,似乎我们人类探索自然的进程已临近尾声,然后的日子就会在混混沌沌中度过了。     

普朗克的第二次量子假设

1900年12月14日,德国理论物理学家马克思·普朗克在德国物理学会上公布了他的第一次量子假设,这一假设的提出大大改变了物理学的进程,人们习惯地把这一天称之为量子概念的诞生纪念日;而在1911年2月3日,普朗克又一次提出了量子假设,我们把它称之为第二次量子假设.量子假设使物理学发生了一场深刻革命,这是众所周知的,但许多人对普朗克的第一次量子假设做了大量研究,而对普朗克为什么提出第二次量子假设却很少有人问津,并存在一些误解,认为普朗克提出第二次量子假设的行动是一种退却行动,在量子问题上普朗克一直持保守态度.对此我不敢苟同,并…     

物理学与农业现代化

物理学是一门发展较早、理论系统较严密、实验手段较先进的基础学科,它是自然科学的重要组成部分.物理学的基本课题是发现和支配自然界中物质的基本运动规律,借以解释已观察到的和预测未知的自然现象.物理学的每一重大发现,往往对其他科学产生深刻的影响.目前,物理学的理论、概念、模型和方法已深入到农业生物科学的各个领域中,并对提高农业生产的科学水平起着越来越重要的作用. 物理学研究的是物质最基本的运动形态.它所观测的空间范围小到 10-14—10-15厘米,大到百亿光年,大小相差1040倍以上;观察的时间过程,短到10-23-10-24秒的瞬间,长到…     

爱因斯坦的等效原理和广义相对性原理——问题实质和出路

精确宇宙学的观测表明,物理学必须面对以宇宙常数为特征的宇宙尺度。 有关宇宙观测的数据分析,是以广义相对论和宇宙学原理为基础的。然而,分析的结果却向爱因斯坦相对论体系和量子理论,以及以之为基础的现代物理学提出重大疑难。这是对物理学前所未有的、更为严重的全面挑战。     

光速不变原理可以抛弃吗?

秦元勋同志在他的文章《等速条件下的空时对称理论》(以后简称《对称原理》,见《物理》四卷一期)中认为他已抛弃了光速不变假设.这里我也就此谈谈自己一些肤浅看法,与秦元勋同志商榷. 一、光速不变原理引入的必要性 毛主席说:“科学研究的区分,就是根据科学对象所具有的特殊的矛盾性,因此,对于某一现象的领域所特有的某一种矛盾的研究,就构成某一门科学的对象.”那么相对论为什么能冲破牛顿力学的束缚而成为物理学中富有革命性的独立的一支呢?我认为正是在于物质运动的相对速度v和用以观测物质运动的光讯号(包括各种场的作用)的传递速度c这…     

适合中学生阅读的物理课外读物

我们常常听到中学物理教师提出,找不到适合于中学生阅读的物理课外读物。现在我们就中国青年出版社出版的这方面的书籍作一个简单的介绍: “趣味物理学”是一本很适合给高中学生阅读的课外读物。这本书不是系统的讲物理学,而是提出各种有趣的问题,叙述引人入胜的故事,引用科学幻想小说里有关的材料,运用物理学上的原理来分析讨论。这本书可以帮助读者深入了解他从课本里学到的物理学知识,启发他把这些知识应用到各方面去,从而解决理论结合实际的问题。跟这本书性质相近的,是“物理世界的漫游”。这本书篇幅比较小,内容比较简单,可以给初中学生阅读。书里罗列了许多很有趣味的     

致读者

随着我国社会主义革命的不断深入和社会主义建设的蓬勃发展,教育战线上也呈现出一片大好形势。在中央关于实行两种教育制度的方针指导下,各级各类学校都在开展深入的教育革命和教学改革,物理教学工作也在经历着一场革命性的变革。在这样一场深刻的变革中,必然会遇到许多矛盾,必然会有各种不同的看法。还由于各地区、各学校的具体情况不同,在教学改革工作的许多具体做法上,也会有     

主编的话 --祝愿新世纪的物理学更加辉煌

当这一期《物理》到达读者手中时,我们已跨越了世纪门槛,迈入了新的纪元．过去的一百年,物理学经历了深刻的革命．量子力学的出现,将物理学放置在全新的基石上,标志着现代物理学的诞生;狭义相对论和广义相对论以其深邃的思考,美丽严谨的形式震憾着物理学家的心灵,并导致大爆炸宇宙模型的出现;粒子物理标准模型的建立将物理学带入物质世界更深的层次;正在形成的复杂性物理有可能对一些最基本的问题作出新的回答．物理学的发展生机勃勃,令人目不暇接,尽管我们无法预料物理学还将发生什么新的变革,但物质及其运动在每个层次上的不…     

关于宇宙学常数问题的知识要点和几点思考

大爆炸宇宙学告诉我们,宇宙正在膨胀。如果我们的宇宙主要包含的是基本粒子型物质,那么宇宙将是减速膨胀。但是,对于今天我们观测到的宇宙来说,发现它在最近过去的几十亿年间却在加速膨胀!这预示着,宇宙中的主要能量形态不是基本粒子型物质,而是某种新的能量形态。对这种“新的”能量形态,其实科学家早有察觉和分析。它的最简单的可能性就是宇宙学常数。然而宇宙学常数的物理本质和内容却并不简单。这篇短文,就是主要介绍了宇宙学常数的一些基本知识和我们对它的一些思考。爱因斯坦方程中最自然出现的一项是宇宙学常数(简称cc)项,cc的值任意…     

利用强引力透镜检验宇宙距离对偶关系

正宇宙学近年来发展迅速,人们对宇宙的物质组份、宇宙的形成与演化等都有了更加精准而深刻的认识。这些很大程度上都得益于对宇宙学距离的测量。不同于日常生活中测量距离的直观性,在宇宙大尺度上考虑到时空效应,距离的概念变得不同,具体地,要想测量宇宙学距离必须给定一个方案,这就好比日常生活上要想测量距离就需要得到尺子两段的刻度差。宇宙学上通常有两种测量距离的方案:光度距离和角直径距离。     

百年辉煌——诺贝尔物理学奖100年

诺贝尔物理学奖的颁发已经有 1 0 0年了 ,这 1 0 0年正是现代物理学大发展的时期 .诺贝尔物理学奖包括了 2 0世纪中物理学的重大研究成果 ,遍及了现代物理学的各个主要领域 ,因此能显示 2 0世纪中现代物理学的发展轨迹 ,并对科学的进步起着重要的作用 .诺贝尔生平阿尔弗里德·诺贝尔是 1 9世纪著名的化学家 ,1 83 3年 1 0月 2 1日出生于瑞典首都斯德哥尔摩 .就在诺贝尔出生前一年 ,一场火焚烧毁了他的家 ,全家只好靠借债度日 ,父亲为了躲债 ,单身离家出走 ,幸好由母亲把家务全部担当下来 .诺贝尔凄苦的童年生活使他身体虚弱、性格内向 .诺贝…