时空奇点和黑洞——2020年诺贝尔物理学奖解读

2020年度诺贝尔物理学奖于北京时间2020年10月6日晚揭晓,其中一半奖金授予罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),表彰他“发现黑洞的形成是广义相对论的必然预言”;另一半奖金授予莱因哈德·根泽尔(Reinhard Genzel)和安德里亚·格兹(Andrea Ghez),因为他们“在银河系中心发现了一个超大质量的致密天体”。文章着重对彭罗斯及其时空奇点研究进行介绍,包括黑洞、奇点定理、宇宙监督假设等内容。     

在Van Hove奇点模型下计入库仑作用的高温超导电性

本文在Ｖａｎ Ｈｏｖｅ奇点模型下系统地研究了库仑作用对高温超导电性的影响，对超导转变温度Ｔｃ、绝对零度下能隙Δ（０）、同位素效应指数α和Ｔｃ处的比热跃变ΔＣ（Ｔｃ）作了解析和数值计算。结果表明，在Ｖａｎ Ｈｏｖｅ奇点模型下考虑库仑作用后，我们仍能得到高的Ｔｃ，并且能较好地解释同位素效应指数很小的实验结果。同时还表明在Ｖａｎ Ｈｏｖｅ奇点模型下考虑载流子局域性和巡游性的竞争对于解释高温超导体的实验结     

关于柔软无弹性轻绳中加速度奇点问题的讨论

不少大学物理教材将“柔软无弹性轻绳”作为一种经典模型并围绕其理想性提出了一系列的题目,而不同的求解方法可能得到不同的答案,这本质上是因为这种模型中隐含着加速度奇点,而各解法对加速度奇点的处理不同。为了系统性地解决不同解法之间的分歧,本文首先选取了有关加速度奇点的三个经典物理问题,然后综述了这些题目的若干解法,接着分析其正确性,最后归纳出了有关加速度奇点的物理问题的一般规律,并提出了多种应对方法,以更准确地处理有关加速度奇点的物理问题。     

论物理学定律的本质

人们很可能同时持有两种完全不相容的观念,一方面我们在不断地坚持牛顿力学规律,另一方面我们中多数人在交往中利用过例如骰子这一类东西．物理学规律的本质就在于：它的普遍性不仅不断地被直接为它们精心设计的实验,而且由整个物理学结构的一致性证明是正确的和协调的．由宏观物体决定的动力学,仅仅是物理学定律中的（能最好地被证明的）一个．以娱乐和赢利为目的的,轮盘赌球的轨迹是确定的,这已被几个自称为幸福主义者?...     

二维轴对称图象高阶胡氏不变矩快速算法的改进

提出了基于二维轴对称性目标图象矩快速算法的实用化改进方案.算法实用化改进是通过两个命题的证明实现的.一是通过轴对称目标图象质心在对称轴上的命题证明,实现了将二维轴对称图象矩快速算法用于轴对称性图象中心矩的计算;二是通过目标图象以坐标系中任意两点为圆心,旋转相同角度,结果图象具有平移性的命题证明,实现了算法用于对旋转不同角度的对称目标图象的中心矩的计算改进.在此基础上,完成了二维轴对称目标图象高阶胡氏不变矩实用化快速算法的实现.实验证明,该算法具有较好的实时性能,且具有较小的引入误差.     

大口径光学平面瑞奇-康芒检测技术的研究

在瑞奇-康芒定量检测中,被检数据中除了被检平面本身所固有的像散以外,还存在由于大曲率所造成的像散,这样就很难得到准确的被测平面面形误差,给指导镜面加工带来困难。对瑞奇-康芒检测法中由于瑞奇角产生的压缩图像进行展开,同时旋转被测平面进行推导,该方法将被检平面高低误差和被检平面本身的像散进行分离,使得检测结果更加准确地反映被检平面面形。通过与其它检测方法的比对,可以证明此方法的可行性、可靠性。给出了大天区面积多目标光纤光谱望远镜(LAMOST)项目中的MA大口径平面子镜的检测实例。     

湍流热对流中的动力学和传热研究

文章介绍了湍流热对流中流动结构和动力学的实验研究. 本文作者通过流动示标和粒子成像测速系统（PIV）的测量,清晰地揭示了对流系统的三维流动结构,发现大尺度环流的角向运动在不同的时间尺度上有不同的表现. 通过统计分析,本文作者进一步发现大尺度环流方位角的变化具有布朗棘齿的特性,并且从实验上证明在湍流热对流系统中不同的流动模式的确可以得到不同的传热效率.     

霍尔效应测量电流的一种新应用

介绍一种新颖的电流检测法。该方法巧妙地利用了电磁耦合的原理和霍尔效应快速响应的特性;使用磁通势平衡而不是电磁感应来获得正比于被测电流的信号,从而得到一种对被测电流的波形、频率不受任何限制的、响应为微秒级的检测手段。     

窗函数在扬声器异常声客观检测中的影响

该文研究了基于短时傅里叶变换的扬声器异常声检测方法中,窗函数对特征距离阈值设定的影响。以连续对数扫频信号激励被测扬声器单元,并对响应信号进行短时傅里叶变换。通过对比不同窗函数下,被测单元之间的特征距离来寻找合适的窗函数。结果表明,不同窗函数下得到的特征距离具有不同的离散度;选择合适的窗函数,可使特征距离具有较大离散度,从而更合理地设定阈值。     

低密度氢气的分子间平均相互作用势理论和计算

本文提出了分子单中心模型,并通过对构型的平均,两个定理的提出与证明,色散能修正的证明,从数学上论证了这个模型的合理性。由此模型可以直接求出两个氢分子间的平均相互作用势,从而改变了长期以来,总是先算有限几种构型然后再作平均的传统作法。通过数字计算,得到了迄今为止最好的全程平均相互作用势曲线。势阱深度及平衡分子间距分别为-2.91meV和3.44(实验值:-2.85～-3.00meV,3.43～3.49)。     

湍流热对流中的动力学和传热研究

文章介绍了湍流热对流中流动结构和动力学的实验研究．本文作者通过流动示标和粒子成像测速系统（PIV）的测量，清晰地揭示了对流系统的三维流动结构，发现大尺度环流的角向运动在不同的时间尺度上有不同的表现．通过统计分析，本文作者进一步发现大尺度环流方位角的变化具有布朗棘齿的特性，并且从实验上证明在湍流热对流系统中不同的流动模式的确可以得到不同的传热效率．     

量子力学表示理论的一种实现

量子力学创立伊始,狄拉克就关注到了一般表示的问题,其后量子力学的发展又引入了福克态、相干态等表示。好的表示应能提供正交归一的完备基,同时又能给出问题的严格解析解或者允许方便地得到近似解,但这常常是做不到的。我们意识到此前得到的相干态正交化方法恰恰满足表示理论的一般性要求,且因为包含自由参数为构造归一化的完备正交基实际上提供了无限的选择,这样甚至在解决问题的过程中都可以灵活地选择不同的表示,从而带来计算量的大幅减小。通过对不同耦合强度下的近共振态Rabi模型最初10个能级的计算,并同关联的JC模型的结果相比较,验证了相干态正交化方法的有效性。     

谈谈气体称量定律及其表达式

 从以往的经验或知识中得出来的科学命题,能否进一步被人们认同为科学定律,这决定于对这个命题的证明(常常是数学证明)是否“真”,而在几种证明“同真”时,则又决定于是否存在“美”。“我选择美”是科学家普遍的心理写照,只有既“真”且“美”的证明,才能使科学命题在人们心目中顺理成章、水到渠成地升华为科学定律。由于在物理实验中充了气的黄铜球比真空时的黄铜球重,所以人们不难从力平衡知识中直觉得到这样一个科学命题,即“气体重量等于下方气压减上方气压”,对于这个可以直觉出来的命题,有关教科书是用微分来证明的。     

相干多普勒测风激光雷达低信噪比区域回波信号的估计方法

相干多普勒测风激光雷达通常会采用周期图最大值法（PM）提取不同距离门信号的多普勒频移（对应风速）信息。由于噪声和相干效率的影响,个别距离门信号会出现信噪比（SNR）突然降低的情况,从而导致系统的探测概率降低,影响系统整体的探测性能。为了解决个别距离门信号多普勒频移的错误估计问题,提出了一种新的非线性自适应多普勒频移估计方法。该方法利用风速的连续性,标定错误距离门,并自适应地利用强信噪比区域的多普勒频移统计数据来弥补信噪比变差而出现的估计错误。分别利用了仿真模型和一套1.54μm全光纤相干激光雷达系统获得了风场测量数据,对比了使用该技术前后反演得到的风速趋势,证明该方法能够有效地解决上述问题。     

基于模拟退火的相位展开方法

二维相位展开技术被广泛应用于光学精密测量、自适应光学、合成孔径雷达、图像处理等领域中。提出了一种基于模拟退火的相位展开方法。此方法对主值相位图采用局部平面近似，用模拟退火算法求出最优化平面参量，从而得到去除噪声和2π相位跳变的真实相位图。计算机模拟和实验结果均证明，此方法能有效地去除相位图中的噪声，实现带噪声的主值相位图的相位展开，可靠地重建被测物体的表面形貌。详细介绍了这一方法的原理及实验结果。     

1.54 THz激光成像实验与物质穿透特性

 用1.54 THz的波导型辉光放电激励的大功率连续波氰化氘（DCN）激光系统,进行了1.54THz激光成像实验研究和多种物质的穿透特性研究。利用简单的被测物体的2维扫描光学系统进行了连续波1.54 THz激光物体穿透成像,通过测量穿透光的不同强度清楚地识别了放入信封的塑料胸卡和金属硬币的位置和形状。实验中对不同物质进行了1.54 THz激光穿透特性测量,得到了多种不同物质的吸收系数。     

频域OCT的背向散射率补偿

针对频域OCT中背向散射光的强度随探测深度加深而急剧减弱,从而导致最后的组织成像模糊不清的现象,提出了一种对不同探测深度图像灰度补偿的方法。该方法通过补偿样品每层析面的入射光功率与背向功率散射率,来得到样品每层析面图像的真实灰度,提高了OCT图像质量。以理想的、由多层均匀介质组成的组织模型为基础,深入剖析了影响深度图像灰度的主要因素。通过建立以多层盖玻片为被测物体的频域OCT系统,得到多层盖玻片的深度图像。在对以盖玻片为被测物体的前提下,得出逐层深度图像灰度补偿的公式。并将理论补偿和实验系统的复杂情况相结合,对深度灰度图像进行入射和出射光强的补偿。实验结果证明这种补偿法是一种有效可行的补偿方法。     

轴对称环状静电模的漂移波湍流参量激发理论研究

本文所论述的轴对称环状静电模是指环形磁约束等离子体(如托卡马克)中环向模数为零的近理想静电流体模,它包含有测地声模和基频率与之较低的声模;也含有所谓的‘近零频带状流’.本文根据冷离子流体模型在圆形磁面构成的准环坐标系中的表示,对涉及以上三种模式的漂移波湍流参量激发理论,在一级环形效应近似下,进行了系统讨论,并证明了带状流的四个新命题.利用对漂移波能谱的参数化描写,注意到由漂移波能谱径向有限宽度所引发的特性,如波能传播量的双Landau奇点,揭示了有限宽度对径向δ谱所得结果的重要修正:如,对近零频带状流和测地声模的参量激发条件带来的严格限制.此外,还讨论了密度带状流在高q条件下被激发的可能性.本文选用合理的物理参数.采用图示方法详细地讨论了有关的数值结果.分析表明,测地声模和近零频带状流的参量激发不可能发生在同一小半径处;如果测地声模被参量激发,也应能观察到密度带状流.     

双通道凸面反射式弯晶谱仪的研制及应用

 为满足惯性约束聚变研究需要工作距离长、测谱范围宽的X射线诊断设备的独特要求,基于凸面反射几何原理研制了一台双通道弯晶谱仪。谱仪利用Si（111）及Qz（10－10）两种弯晶衍射X射线,并通过X射线CCD成功获得谱线图像,测谱范围从0.30 nm到0.65 nm。在激光装置原型诊断实验上得到应用。数据分析的结果证明实测谱线图像与理论模拟基本吻合。     

绝热定理表述的改进以及Berry相位和Wilczek-Zee算符导出的简化

用Hamiltouian随时间的变化率来定量地界定量子系统的“缓慢变化”,从而对绝热定理的表述做了改进,使它更精确其证明过程变得更简单,绝热近似的误差估计也被做得更直捷,并得到了(?)/(?)(?)相对于能量本征函数的非对角元的估计式.据此,对Berry相位和Wilczek-Zee算符的导出做了简化.而Berry相因于作为wilczek-Zee算符的特例这一点,也被表述得更加严格和清楚. 关键词：