宇宙“小爆炸”中的“华尔兹”——高能重离子碰撞中的自旋极化

<正>宇宙大爆炸(Big Bang)理论认为我们的宇宙诞生于137亿年前的一个致密炽热的奇点,在宇宙的早期,物质都是以基本粒子的等离子体形式而存在。而在我们地球上,能够重现这一宇宙早期物质形态的实验只有高能重离子碰撞,形成夸克胶子等离子体,所以高能重离子碰撞也被人们给予了一个更加形象的名字——宇宙"小爆炸"(Little Bang)。     

科学家在寻找宇宙早期物质

夸克-胶子等离子体是在宇宙大爆炸后10^-5S内存在的一种宇宙早期物质形态，那时夸克不是被囚禁在中子、质子等强子中，而是可以自由运动，寻找夸克-胶子等离子体的工作就是要在现今的实验室中使加速到极高能量的粒子进行碰撞来形成早期宇宙的环境。     

ALICE新内寻迹系统——硅像素探测器

正大型重离子对撞机实验(ALICE)是大型强子对撞机(LHC)上唯一致力于研究极端相对论下的原子核碰撞的实验。其目标是研究强相互作用物质在实验室达到的极高能量密度下的物理特性。在极高能量密度下,能够产生一种新的物质形态——夸克-胶子等离子体。宇宙被认为在大爆炸后的最初几百万分之一秒就处于夸克-胶子等离子体状态。在实验室里重现宇宙初期的物质形态并理解它是如何演化的,将有助于理解当今物质世界的形成和组分以及夸克和胶子的禁闭机制等物理学前沿重大科学问题。     

发现最早形成的星系

<正>大爆炸后的37万年,宇宙随着膨胀而冷却,温度降至3000 K,从以辐射为主转而进入以物质为主的时代。自由电子被质子俘获,形成中性氢原子,于是空间对黑体电磁辐射变得透明。此后的宇宙,其外形就像是一个被逐步吹大的气球,不过没有外皮,但全部物质以及残余的辐射都被限制在一个有限的范围内。再往后,直到今天宇宙138亿岁,所有后来形成的     

勒梅特（Lemaitre，Abbe Georges Edouard 1894-1966）比利时天文学家（Astronomer，Belgium）

比利时天文学家勒梅特（他又是一位天主教神职人员），1927年独立地求出爱因斯坦方程的弗里德曼（前苏联数学家，曾提出引力场方程的各向同性通解，称弗里德曼宇宙模型）解。他的文章发表在一家不知名的比利时杂志上，他设想，宇宙早期处于极端稠密的状态，现在宇宙中的全部物质集中在一个大约只有太阳30倍大的球里，他把这个球称为“原初原子”，像一个巨大的原子核，宇宙起源于这个“原初原子”的爆炸。他的学说比较粗糙，是后来的大爆炸宇宙学说的先河。     

发现暗物质存在的直接证据

美国天文学家宣布观测到暗物质．人们相信暗物质这种神秘的物质在宇宙中的总量约占宇宙总量的1／4，是“明物质”（普通物质）的5倍，在遥远的30亿光年之外有两个巨大的星系正在发生碰撞，美国NASA的钱德勒X射线望远镜和哈勃望远镜、欧洲南方天文台的超大望远镜和麦哲伦望远镜都在观察着这个壮丽的宇宙奇观，碰撞的能量非常巨大，以致使暗物质和明物质发生分离，这给了我们一个非常好的研究暗物质的机会，虽然科学家们至今仍在研究神秘的暗物质究竟以什么形态存在，但有确凿的证据显示这个宇宙中的物质大部分是暗物质。（相关论文将于近日在《天体物理杂志》发表）     

“暗宇宙”之谜

 夜幕降临,星光灿烂,银河、星斗与皎洁的月光交辉相映,编织出美丽的夜空,这就是我们从小获得的知识:恒星、星云、星系……构成的浩瀚宇宙。然而,这只是个错觉,我们的宇宙实际上是“暗无天日”的,这就是2003年过去一年最新的科学成就:宇宙是黑暗的,或者说是个“暗宇宙”(请参阅封二精美彩图)。什么是暗宇宙?那是指组成宇宙的绝大多数物质和能量是不可见的,发光的物质和辐射只占宇宙物质的极小部分,这种不可见的物质和能量称为暗物质和暗能量。根据最新的测量,暗能量和暗物质合计占宇宙质量密度的96%,而我们熟知的恒星、星系等发光物质或重子物质仅仅只占4%。     

历史性的突破划时代的发现——纪念DNA分子双螺旋结构发现50周年

生命物质的产生和演化是宇宙间物质演化最神奇的篇章.揭开生命的秘密是多年来一代代科学家梦寐以求的理想.从出现第一个生命35亿年以来,地球上已发展成一个宠大的生命世界.     

重离子对撞机实验中令人费解的信号

两位研究人员对重离子对撞机(RHIC)实验上观测到的令人费解的信号做出了解释．他们认为这种信号是伴随着夸克一胶子等离子体或早期宇宙中类似的奇特物质而产生的核物质原初形态的证据．在美国布鲁克海文国家实验室(BNL)的相对论性RHIC上，物理学家们使两束金原子核对撞，企图生成夸克一胶子等离子体，这是一种夸克和胶子在其中自由运动的原初物质．     

中微子及其家族

 ２００１年１月３日《科技日报》公布的“２０００年国际十大科技新闻”之一：“科学家发现τ子中微子存在的证据”称,“２０００年７月２０日,美国费米实验室宣布,美国、日本、希腊和韩国的５４位科学家经过３年的合作研究,首次发现了表明τ子中微子存在的直接证据。至此,粒子物理学标准模型中的１２种基本粒子已经全部被直接或间接探测到。τ子中微子的发现对揭开物质构成之谜以及探索宇宙天体奥秘具有深远意义。”为了理解这项科学发现的意义,我们首先介绍原子核和放射性原子核。从不稳定原子核β衰变的研究中,泡利预言了中微子。然后我们讲述物质世界中４种基本的相互作用和组成物质世界的１２种基本的费米子     

人类文明的发展和宇宙演化

生命现象是自然界中物质运动的形式之一,人类是生命现象的杰出代表,从某种意义上来说,人类的一切活动也都是自然界物质运动的一部分。因此,我们在研究宇宙的演化时,应该把以人类为代表的生命现象这一物质运动形式所产生的影响考虑进去,可是,到目前为止,很多人在研究宇宙演化时都没有考虑这一因素。之所以如此,可能是由于这样几个原因: 首先,人们认为:人的寿命非常短暂,现在人的平均寿命不到一百年,跟宇宙的演化时间已有约200亿年相比,太短暂了;其次,人类的活动范围太小了,人类的足迹至今只踏上了月球,这跟整个宇宙空间相比是那样的微不足道,使人们感到人类的活动对宇宙的演化似乎没有丝毫的影响;第三,人们可能认为生命现象只是宇宙演化过程中一种特殊的、暂时的现象,因而在研究宇宙的演化时可以忽略这一因素;第四,在考虑问题时,人们往往无意之中把自己排除在自然之外,故而把宇宙的演化作为所谓客观现象加以研究而忘记了人类自己也是宇宙的一部分。 如果我们从生命现象在宇宙中的普通性、从生命现象的发展变化的角度看,结果又将会是怎样的?根据天文观测和统计规律,不少科学家早就断言:在宇宙中,跟太阳、地球情况类似的星球其数量是非常可观     

寻找宇宙原初物质

 叶云秀在《最大和最小的和谐统---夸克-胶子等离子体》一文(《现代物理知识》1994年第4期26页)中写道:“如果能产生出大爆炸后约10-6秒之内的物质态,并研究它的性质、它的状态方程、它的演化过程……,那就可能为宇宙的起源和演化提供佐证,也可以说我们回到了差不多1.5×10¹⁰年以前。”为了实现这一愿望,在全世界一些粒子加速器上工作的小组你追我赶地试图重建宇宙的原初物质:夸克-胶子等离子体(自由漂浮的夸克和电子)的汤。在日内瓦欧洲粒子研究中心的物理学家们曾主张用铅离子互相轰击发现这种等离子体的痕迹,但不少科学家对此提出质疑,实验也未进行下去。     

中微子静质量的宇宙学效应

中微子在宇宙演化过程中具有十分特殊的地位。在宇宙的轻子时期之后,中微子的数密度要比重子的数密度约大109倍。中微子是唯一的始终可与光子数密度相比拟的粒子。因此,中微子是否具有静止质量,将极大地影响着宇宙中的质量密度,从而影响着宇宙演化的进程。特别是,对于那些与质量密度有关的宇宙学问题,例如宇宙的封闭或开放、宇宙中的引力成团过程等等,中微子的静质量有明显的作用。     

2006年诺贝尔物理学奖——宇宙微波背景辐射的黑体谱和各向异性

相传约137亿年前我们的宇宙起源于“盘古开天地式的大爆炸”，能量密度和温度均超高无比，却绝无什么特殊的“爆炸”中心，在足够大的尺度上均匀且各向同性，一直持续膨胀至今．刚开始的时候，随着宇宙温度的迅速降低，若干基本粒子物质相继浮现，宇宙早期的核合成过程制备形成了宇宙时空中第一代恒星形成之前的大致原初元素丰度分布．宇宙“大爆炸”发端时空中的能量场应当有量子涨落；耦合演化到后来呈现的物质场中，这些微弱而此起彼伏的涨落逐渐被引力在各种不同层次上放大，从而最终形成宇宙时空中不同尺度的物质结构系统（包括超星系团、星系团、星系、球状星团、恒星、行星等）．伴随着宇宙膨胀，有一个温度不断下降的热电磁辐射场被“捂”在物质场中；大约在389000年以后，这个热电磁辐射场基本不再与物质相互耦合作用，但它依然带有早期物质场中各处涨落的信息烙印．基于Einstein创立发展的广义相对论（1915年），Einstein（1917年）、Friedmann（1922年）、Lemaitre（1927年）、de Sitter（1932年）开辟了近代理论宇宙学的先河．Hubble（1929年）公布了遥远的星系退行速度正比于它们到我们的距离的划时代观测事实．基于宇宙元素丰度和核合成物理，Gamow，Alpher和Herman于1940—1950年大胆设想了宇宙“大爆炸”的物理框架图像．Penzias和Wilson（1964年）在贝尔试验室从事微波天线研究时意外地发现了2．7K宇宙微波背景辐射．经过多年的精心设计和准备，Mather和Smoot（1989—1994年）领导的“宇宙背景探索器”（COBE）空间试验精确地测量宇宙微波背景辐射的黑体谱和微弱的各向异性涨落；他们俩因此荣获2006年度的物理诺贝尔奖．90年来，科学家们众说纷纭，唇枪舌战，搜索证据，编造理论．随着地面、高空和空间综合试验及理论研究的持续迅速发展，精确宇宙学的时代已经到来．     

“色即是空”的物理学解析

我们人类能够感知到的这个宇宙是有限的,这一点在科学界已经无可置疑,因为宇宙在时间上是有限的,形成已有大约150亿年的时间,那么它在空间上也必然是有限的.2008年2月哈勃望远镜拍摄到距地球130亿光年的最远星系,科学家称这些星系已经很接近宇宙的边缘,宇宙的边缘距离地球约为150亿光年(150亿光年的距离和150亿年的形成时间似乎是一个巧合).     

中微子静质量的宇宙学效应

中微子在宇宙演化过程中具有十分特殊的地位。在宇宙的轻子时期之后,中微子的数密度要比重子的数密度约大10~9倍。中微子是唯一的始终可与光子数密度相比拟的粒子。因此,中微子是否具有静止质量,将极大地影响着宇宙中的质量密度,从而影响着宇宙演化的进程。特别是,对于那些与质量密度有关的宇宙学问题,例如宇宙的封闭或开放、宇宙中的引力成团过程等等,中微子的静质量有明显的作用。     

简述物质的态

 人类生活在一个物质世界里,我们所能观测到的一切存在的东西都是物质。我们的衣、食、住、行,以及我们身体本身都是物质的。即使肉眼看不到的,甚至现在的仪器也无法观测到的一些东西(如占宇宙90%的暗物质),也逃不脱“物质”的范畴。呈现在我们眼前的物质千奇百怪、种类繁多。而依据形态可将物质简单地划分为6大类,它们依次是固态、液态、气态、等离子态、玻色-爱因斯坦凝聚态和费米子凝聚态。一、物质的常见三态:固、液、气这三种状态是物质存在的最基本状态,利用分子论很容易解释它们的存在。通常,物质由分子、原子构成。     

一类无奇点宇宙模型

按照Penrose-Hawking的奇点定理,在场源物质无旋、无加速且能量密度满足条件ρ+3p≥0的宇宙模型中一定存在奇点.本文研究了场源物质有旋时的无奇点宇宙模型,获得了几种无奇点的宇宙解.     

物理学中的宇与宙

 一、物理与宇宙 宇宙,爱因斯坦称时空。二千多年前,中国《淮南子》称:四方上下曰宇,古往今来曰宙。     

原初引力波与阿里探测计划

正2016年3月公布的我国"十三五"规划纲要中列入了"强化宇宙演化、物质结构、生命起源、脑与认知等基础前沿科学研究",从国家科技发展的战略高度肯定了宇宙演化等基础前沿科学的重要性。不久前的2016年2月11日,LIGO实验组和美国自然科学基金委员会联合宣布探测到来自于13亿年前由两个黑洞并合产生的引力波,这是人类第一次直接探测到引力波,可谓一项里程碑式的发现。