超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试(Ⅴ)

 在自然力“走向”统一的过程中,对力的认识,经历了三次飞跃：第一次,从“定性”到“定量”,即从墨翟的“力,形之所以奋也”到牛顿的“力与运动的改变成正比”,也就是说,从对自然现象的观察、描述到实验、理论研究,其间,伽利略通过斜面实验来研究落体运动并第一次用数学公式来表述物体的运动规律,随后开普勒借助第谷的观测资料发现了行星绕日运动三定律,为牛顿发现力学三定律和万有引力定律、创建经典力学,奠定了实验和理论基础。     

相对论中的“观测”与“看到”有何不同

 1905年爱因斯坦发表了狭义相对论,其时空观之一就是“运动的尺缩短”。接受相对论的所有人都相信这种尺缩现象是可以用眼睛看到或用照相机拍摄到的。一个运动物体看起来将沿运动方向缩短为原来的1-β2倍β=ｖｃ,ｖ是物体运动的速度大小,ｃ是光速,坐在高速飞船中的人从窗外看出去时,将看见球形物体缩成一个椭球体这些说法好像都是无可非议的。这种观念一直持续了54年之久,直到1959年美国物理学家戴勒尔发表了一篇文章,认为这种观念是错误的,他纠正了存在于所有人中间的这个偏见。提出“尺缩”现象可以“观测”或者“测量”,却不能用眼“看到”。     

雕塑“物之道”

 2001年6月上旬,在中国美术馆举办的《艺术与科学国际作品展暨学术研讨会》上,展出了一座高约48米名为“物之道”的金属雕塑。该雕塑的创作者、清华大学美术学院副研究员卢新华介绍,这个雕塑是由著名物理学家李政道创意,在中科院院长路甬祥及许多科学家的指导下完成的。雕塑在创作中运用点、线、面运动变化所具有的丰富内涵和表现力,以线的单纯、简洁的视觉效果来表达正负电子对撞的科学技术特征,用一根不断延伸的线在同一圆心做涡旋运动,并使线的两端为两个极点的形态,向外延伸表现出“至大无极”,向内回归意味着“至小无内”。     

征求Signature定名

 物理学名词审定委员会在讨论“Signature”的中文定名时,搜集到多方的意见.长期来都没有Signature合适的中文名,曾按英文字面译为“签记”、“签量子数”、“押量子数”等等,都不尽人意.现有人认为它是±1的数,建议定为“正负标数’”.     

复杂而有序的软物质

 法国物理学家德·热纳(P. G. De Gennes)(图1)在1991 年获得诺贝尔物理奖时,以“软物质”为题演讲,首次用“软物质”一词概括所有“软”的东西,包括普通的流体和当时美国学者惯常称呼的“复杂流体”,从此推动了一门21 世纪跨越物理、化学和生物三大学科的重要交叉学科的发展。     

走向统一的自然力——天上力与地上力的统一(I)

 人类对力的认识经历了漫长的历史过程.力的概念,起先可能是从原始人类在狩猎活动中需要用力投掷石块等以击倒野兽的体验中得来的.公元前4 世纪,我国思想家墨翟就对“力”做出了正确的表述,他在《墨经》中写到：“力,形之所以奋也”,用现在的话说,就是“力是改变物体运动状态的原因”,应当从运动的角度来认识力的本质.本讲座,首先在第一、二部分通过讨论天上星星的运动和地上物体的运动分别引入天上力和地上力,然后在第三部分讨论天上力和地上力的统一.     

“浴盆涡旋”现象的一种解释

 “浴盆涡旋”、台风的气旋等自然现象,在转动的地面非惯性系中看来是由科里奥利惯性力引起的.本文用普通物理的方法,先在地面惯性系中应用角动量守恒定律和流体连续性方程     

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.     

公共汽车内的力学

 在学习牛顿第一定律时,中学老师举出的例子,公共汽车突然刹车时,会使得站在车内的乘客向前倾倒。由此说明了任何物体具有保持原有运动不变的性质即具有惯性。在公共汽车中,只要你仔细观察,还会发现许多其他力学现象,通过这些现象可以深刻反映出力学原理。1.在后面“大块头”坐得稳某单位的班车在等待人们乘车,当车上上来几个“大块头”时,人们往往会开个玩笑:“到后面压车去,你们坐到后面,车稳当!”事实上,这些“大块头”未必真的坐到了后面,大家只是一笑了之。车开动了,当车通过凸凹不平的路面时,车厢后面坐的体重轻的人被颠得离开了坐位,这时,大家又哄笑起来:“你们不行吧!     

超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试

 谈到超弦理论,中国科学院理论物理所从事这方面研究的李淼研究员^* 不仅曾为本刊写过“弦论小史( 一)( 二)( 三)”,还在网站上传过“弦论通俗演义”,就宣传弦论来说,实在没有必要再写点什么,但是,这一系列讲座,原定以“超弦理论:四种自然力走向统一的一种尝试”作为结束,因此,我们不得不参考李淼的相关文章、中国科学院大学物理学院丁亦兵教授多年前为本刊编译的“著名物理学家谈超弦”、中国科学院高能物理所常哲研究员为本刊撰写的“超弦与M 理论”,以及B. 格林著、李泳译的《宇宙的琴弦(The Elegant Universe)》来完成这最后的一讲。     

走向统一的自然力电力与磁力的统一(Ⅲ)

 19 世纪60 年代中期, 麦克斯韦在总结前人工作的基础上, 连续发表了3 篇论文:《论法拉第力线》、《论物理力线》和《电磁场的动力学理论》。一方面, 他在法拉第发现的电磁感应现象的基础上提出了“变化的磁场产生涡旋电场”;另一方面, 他创造性地引入“位移电流”代替安培环路定理中的稳恒“传导电流”来描述“变化的电场产生涡旋磁场”, 从而建立了完整的电磁场理论。1887 年, 赫兹通过一系列实验发现了麦克斯韦预言存在的电磁波, 并证实了光与电磁波的同一性, 为麦克斯韦电磁场理论提供了有力的实验验证。     

基于粒子图像测速技术的涡旋简易测控

基于立轴涡旋理想模型结合漏水及水泵冲击方法精巧设计了抽水进水平台,利用该装置生成稳定且可控的流体涡旋.采用跟踪流体运动的示踪粒子、激光器、CCD相机等器材构成本实验的测量系统,利用Virtual Dub软件处理视频得到连续分帧的清晰像,通过PIV粒子图像测速技术对摄取图像进行处理,得到不同高度、距离涡旋中心不同距离的三维平面内的涡度、速度环量等涡旋相关物理量的具体数据.结果表明:对于同一稳定流体涡旋,越靠近涡旋中心,流速越小,涡度越大;涡旋高度越高,涡旋表面速度越小.     

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。     

谈洛伦兹变换的物理意义

 一由于将电动力学的麦克斯韦方程作伽利略变换时,方程不表现协变性,导致“以太”这一标准参考系在电磁理论中的引入,即光速只相对于“以太”这个标准参考系才是常量,而相对于以“以太”为参考系作匀速直线运动的一切参考系都不具备这样的性质。也就是说,麦克斯韦方程只对“以太”这一标准参考系成立。根据这一假设,在“空空如也”的空间中就必然填充着绝对静止的’以太”,并不难用光学测量发现地球在“以太”中的绝对运动,以证明’以太”这一标准参考系的存在。为此目的,迈克尔逊和莫雷做了精密的实验(著名的迈克尔逊--莫雷实验),却没有观测到地球的绝对运动,这就意味着在“空空如也”的空间中并不存在绝对静止的“以太”.     

涡旋光的干涉特性及其在变形测量中的应用

将涡旋光应用于电子散斑干涉,测量变形物体的离面位移.把传统的电子散斑干涉测量技术与液晶空间光调制器相结合,将所获得的涡旋光作为参考光或者物光进行变形测量.推导出物光为平面光、参考光为涡旋光,和参考光、物光均为涡旋光时物体变形后的干涉强度公式,模拟计算了变形后的干涉图样,分析了变形图样的特征.运用四步相移方法得到了物体的变形相位公式,通过解包裹得到了物体的变形相位.模拟计算得到的三维相位分布图与物体离面位移的变形相位理论值的三维分布图相吻合.模拟实验结果表明,涡旋光可以应用于物体的变形测量,为变形测量提供新的途径.     

基于压缩感知的差分关联成像方案研究

关联成像可提供一种运用常规手段难以获得清晰图像的方法, 能够解决一些常规成像技术不易解决的问题, 是近些年来量子光学领域的前沿和热点之一.本文提出一种基于压缩感知的差分关联成像方案(简称, 差分压缩关联成像方案), 将高斯分布的热光源强度分布作为压缩感知的测量矩阵, 差分物体信息作为被成像物体信息, 利用差分关联成像方案的高成像信噪比和压缩感知技术的低采样次数, 通过正交匹配追踪算法, 高质量地恢复出物体信息. 并以二灰度“双缝”、“NUPT”, 多灰度Lena图和Boats图为例, 数值仿真差分压缩关联成像过程; 同时将本方案350次测量的结果与差分关联成像方案30000次测量的结果进行对比, 研究结果表明针对不同的被成像物体(二灰度“双缝”、“NUPT”, 以及多灰度Lena图和Boats图), 10次成像的均方误差平均值分别降低了97.7%, 93.9%, 92.5%和71.4%; 与压缩鬼成像方案相比, 同样测量次数条件下均方误差值对于二灰度双缝和多灰度Lena图、Boats图等目标物 体分别有50.4%, 72.9%和66.8%的降低. 差分压缩关联成像方案极大地提高了成像信噪比, 降低了成像时间. 关键词： 关联成像 差分 压缩感知 均方误差     

蝴蝶效应

 “蝴蝶效应”也可称“台球效应”,它是“混沌性系统”对初值极为敏感的形象化术语,也是非线性系统在一定条件(可称为“临界性条件”或“阈值条件”)出现混沌现象的直接原因。     

流体力学拉氏守恒滑移线算法设计

本文在Wilkins滑移线算法的基础上, 设计了从区网格边人工黏性对主点施加算法. 结合拉氏“相容性格式”, 通过定义“接触力”和“接触力做功”, 利用局部修正内能的方法设计了总能量守恒的流体力学拉氏格式. 该修正方法可保证对称性、守恒性; 提高数值模拟分辨率.     

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。     

举足轻重的物理常数

 物理常数在科学技术各个部分都有重要意义.特别是物理学,物理学研究的是“物”及其运动.就要了解和观测“物”在其运动中的变革,并把握其变革的数量关系,于是就会遇到许多与物性有关的物理量,例如:温度、压强、比热、导热系数、电阻率、电阻温度系数、折射率等等.量与量之间有某种函数关系,在函数关系中必然会出现一系列常数,以表征物质的固有特性,这就叫物质常数。