Eureka: 固体“宇宙”中的外尔费米子

我们要找的是基本粒子——外尔费米子,现在说的是准粒子。准粒子和基本粒子有什么区别呢？有一个猜想：也许我们所谓的基本粒子(质子、电子、光子等)就是宇宙“真空”相互作用产生的“准粒子”,它们也体现我们这个宇宙的集体性质。如果有多个宇宙,另外的宇宙会有不同的质子、电子和光子,或者有不同的光速！在这个层次上,也许凝聚态物理和高能物理可以“统一”。正如凝聚态物理学家安德森在1962 年首先意识到超导体中的一种有能隙的元激发可以用来解释宇宙中基本粒子的质量起源,希格斯在这基础上于1964 年提出具有相对论的理论,并预言希格斯玻色子的存在。现在这种思想被越来越多的物理学家所接受。     

Q&A 问答

Q：外尔费米子是磁单极子吗？二者有什么关系吗？ 
A：说外尔费米子是“磁单极子”是一种数学上的类比,指的是外尔费米子在量子力学的相空间满足的方程,跟磁单极子在普通空间里的运动方程是一样的。在经典理论中,磁场是无源场,即所有的磁力线都是封闭的,但如果真的存在“磁单极子”的话,磁力线就会从正磁荷处产生出来,到负磁荷处消灭。这样带正负磁荷的磁单极子就会形成磁力线的“源”和“漏”。凝聚态物理中发现的外尔费米子也具有这种有趣的特性,外尔费米子的存在会导致相空间中的“贝里曲率” 形成跟磁单极子周围的磁场非常类似的“源”和“漏”的结构,因此我们常常说外尔费米子就是凝聚态物理中的“磁单极子”。     

原子构成万物是字宙结构的美——原子随笔之二

人类很早就在寻找宇宙万物的组成，古希腊最早的唯物论派从物质世界的内部寻找宇宙万物的本源，认为宇宙万物都由“种子”组成，德谟克利特在这种“种子”思想基础上，提出了宇宙万物是由原子组成的猜想．稍晚的古希腊伟大哲学家亚里士多德提出了万物皆由土、水、气和火四种元素构成，中国古人也在寻找这个问题的答案：春秋时出现的五行说，提出宇宙万物都由金、木、水、火、土5种元素组成；西汉哲学家杨雄把“玄”看作是生天生地的宇宙本体；东汉著名思想家王充认为“天地施气，自然化生万物”，认为宇宙万物本源是“气”。     

费米子家族新成员——突破传统分类的三重简并费米子的实验发现

1928 年,著名理论物理学家狄拉克(Dirac)提出描述带有相对论效应电子态的狄拉克方程。第二年,外尔(Weyl)指出狄拉克方程无质量的解描述的是一对具有相反手性的新粒子,这就是外尔费米子。1937 年,马约拉纳(Majorana)预言,当狄拉克方程加上反粒子是自身的限制条件后,则描述的是另一种类型的费米子,即马约拉纳费米子。根据目前的理论,在宇宙空间中,由于受到洛伦兹不变性的限制,仅存在以上三种类型的费米基本粒子,分别被三个基本方程来描述。狄拉克费米子已经被发现,大家所熟知的电子、质子、中子等都是狄拉克费米子,而外尔费米子和马约拉纳费米子还没有在粒子物理实验中被观测到。     

早期宇宙中的巨型星系团

天文学家们看到了最大的星系团,位于遥远的早期宇宙中。据估计,这个遥远的星系团所包含的质量相当于一千个大型星系。该发现进一步提供了证据,证明一种叫做“暗能量”的神秘力量是存在的。     

费米（Fermi，Enrico，1901-1954）意大利-美国物理学家（Physicist，Italy-America）

费米1922年以优等成绩在比萨大学获得博士学位。后到德国，在玻恩指导下从事研究工作。由于他在中子方面、尤其热中子轰击方面的成绩，获得了1938年诺贝尔物理学奖（几个月后，便使迈特纳悟出了“裂变”这个概念）。在1925-1926年，根据泡利不相容原理，费米与英国物理学家狄拉克叫各自导出量子统计中的“费米一狄拉克统计法”。     

专题导读

重费米子化合物是一类典型的强关联电子体系,通常存在于含有f电子的镧系或者锕系金属间化合物中,近期在一些过渡金属化合物中也发现了类似的重费米子行为。在该类化合物中,局域电子与导带电子通过近藤效应杂化而形成复合费米子,其电子有效质量可高达自由电子的上千倍,“重费米子”因此得名。     

探寻马约拉纳费米子

1937年,31岁的意大利科学家马约拉纳发表了一篇理论文章,预言自然界可能存在一种与其反粒子完全相同的特殊粒子,也就是马约拉纳费米子。一年之后,这位年轻的天才物理学家在一次度假途中神秘消失。此后近80年里,尽管江湖上各种传闻,各路物理界高手四处打探,他和他所预言的“马约拉纳费米子”一直渺无音讯,神秘无踪。     

宇宙中的幽灵――暗物质

爱因斯坦曾经有一句名言：“宇宙最不可理解的是它竟然是可以理解的!”自从爱因斯坦写下他的可以理解宇宙的方程以及做出关于“宇宙是可以理解的”这个惊异的发现至今已有近一百年。     

如何引导中学生进行物理探究性实验

著名物理学家杨振宁说: “我在中国学的方法是演绎法,我发现这完全不是费米、泰勒等人的研究方法,他们是从实际实验的结果中归纳出原理,是归纳法.我很幸运这两种研究方法的好处都吸收了,这对我的研究工作有很大的影响.”     

大爆炸理论

  大爆炸理论是研究宇宙的一种方法。几千年以前人们关于“天圆地方”的争论就是对宇宙的研究的开始。哥白尼 “日心说”的提出,冲破了“地心说”的束缚,宇宙学的研究取得重大突破。在1917年,著名科学家爱因斯坦建立广义相对论后,很快就应用于宇宙学的研究,掀起宇宙学的热潮。直到现在最成熟的宇宙学理论——大爆炸理论的提出,使得宇宙学的研究又达到一个高峰。然而研究的脚步并没有停下,一直在前进。     

变换溶剂方法研究溶剂对CO费米共振的影响

费米共振是振动光谱中常见的现象,变换溶剂法是一种研究费米共振的主要方法。利用傅里叶变换红外光谱法研究了对苯醌在13种溶剂中的费米共振现象。研究发现溶剂的介电常数与费米共振的强度比之间存在一定的函数关系,通过曲线拟合得到费米共振的强度比与溶剂介电常数之间关系的经验公式。并把Kirkwood-Bauer-Magat(KBM)方程引入到费米共振研究中,得到费米共振的强度比与介电常数的关系,这与实验得到的经验公式一致。作者对Nyquist和Seehra的红外光谱数据分别进行处理也得到了类似的结果。     

1925年1月：泡利宣布了不相容原理

1925年对于量子物理学来说是很重要的一年,这一年从泡利（Wolfgang Pauli）在1月宣布了不相容原理开始。这个著名的原理说明了两个完全相同的费米子不可能处在相同的量子状态,首次提供了元素周期表结构的理论基础。     

用费米能量“非汉字符号”_m~0表示“费米积分”的近似值

应用费米一狄拉克统计解决具体问题,常遇到 类型的积分(下文简称“费米积分”)。式中f()为费米一狄拉克分布函数,　　为任意一个满足 = 0, F()=0的连续函数。许多教材[1]已经证明:在 μ》KT的条件下,“费米积分”的近似值但由于(2)式是用费米子的化学势μ、而不是用费米能量　0m来表示。因此,应用(2)式来计算每一问题之后,均要利用μ与　0m之间的关系进行代换,才能得到最后的结果[2]。为了避免这种重复性的计算,本文拟在(2)式的基础上,用费未能量　0m来表示“费米积分”的近似值;并举数例说明所得结果的应用。 一、用费未能量表示“费米积…     

变换溶剂方法研究溶剂对C==O费米共振的影响

费米共振是振动光谱中常见的现象,变换溶剂法是一种研究费米共振的主要方法.利用傅里叶变换红外光谱法研究了对苯醌在13种溶剂中的费米共振现象.研究发现溶剂的介电常数与费米共振的强度比之间存在一定的函数关系,通过曲线拟合得到费米共振的强度比与溶剂介电常数之间关系的经验公式.并把KirKwood-Bauer-Magat(KBM)方程引入到费米共振研究中,得到费米共振的强度比与介电常数的关系,这与实验得到的经验公式一致.作者对Nyquist和Seehra的红外光谱数据分别进行处理也得到了类似的结果.     

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     

如果宇宙是一台计算机(If the Universe Were a Computer)

现在人类生活在一个庞大的计算机系统中 ,科学家们都喜欢把任何系统进行数值化 ,如一杯水、一个地区的经济数据、一个ＤＮＡ序列和一组神经网络 .根据信息论 ,这些系统都可以用二进位制的比特 (Ｂｉｔ)来计量 .因此两年前美国ＭＩＴ的信息论权威、著名的ＳｅｔｈＬｌｏｙｄ教授提出了一个令人惊奇的问题 :“从天体大爆炸以来 ,宇宙究竟具有多少信息量 ?”换句话说 ,就是如果宇宙是一台计算机 ,它在大爆炸后已经完成了多少次计算 ,包含了多少的信息量 ?为了回答这个问题 ,在现有物理学定律的基础上 ,他选择了两个参量来描述宇宙 ,一个是能量 …     

量子纠缠与宇宙学弗里德曼方程

量子纠缠作为量子信息理论中最核心的部分,代表量子态一种内在的特性,是微观物质的一种根本的性质,它是以非定域的形式存在于多子量子系统中的一种神奇的物理现象.熵也是量子信息理论的重要概念之一,纠缠熵作为量子信息的一个测度已经成为一种重要的理论工具,为物理学中的各类课题提供了新的研究方法.本文主要考虑量子纠缠的宇宙学应用,试图更好地从纠缠的角度来理解宇宙动力学.本文研究了量子信息理论的概念和宇宙学之间的深层联系,利用费米正则坐标和共形费米坐标构建了弗里德曼- 勒梅特-罗伯逊-沃尔克宇宙学弗里德曼方程和纠缠之间的联系.假设小测地球（a geodesic ball）的纠缠熵在给定体积下是最大的,可以从量子纠缠第一定律推导出弗里德曼方程.研究表明引力与量子纠缠之间存在着某种深刻的联系,这种联系对引力场方程的解是成立的.     

一种由自由电子能带模型计算费米能级的方法

对面心立方（fcc)、体心立方（bcc)和六角密堆积（hcp)三种不同结构的晶体,在假设它们的原胞中包含8个价电子并将价电子近似为自由电子的情况下,采用“自由电子气理论”和“自由电子能带模型”,研究其根据费米球确定的费米能级EF与根据自由电子能带模型计算的平均键能Em。研究结果表明,由自由电子能带模型计算所得3种不同结构晶体（因而电子密度也不一样）的平均键能Em等于各自自由电子系统的费米能级EF。平均键能Em是我们在异质结带阶理论计算中建议的一种参考能级,研究结果在深化对平均键能Em物理实质认识的同时,提供了一种借助于自由电子能带模型计算自由电子系统费米能级EF的新方法。     

E.G.塞格雷:探求电荷对称性的先驱者之一

在20世纪的物理学精英中,埃米利奥·金奥·塞格雷(Emilio Gino Segr埁,1905~1989)可谓是一位幸运者了。由于加入为重振意大利物理学“昔日的雄风”而创建的“费米学派”,使他有幸拜包括费米在内的诸位世界顶尖物理学家为师,并一举在光谱线的禁戒跃迁、里德伯态、分子束研究、中