超导物理前沿研究
超导物理前沿研究
中文摘要
本文回顾了超导描述的历史并介绍其最新进展。
我们首先介绍全息原理的基本概念及其的多方面应用，接着回顾超导现象；然后我们导出全息Fermi系统，并且构建全息超导模型；最后我们从其它方向讨论全息超导与及对它的总结和展望。
关键词：AdS/CFT对应，规范引力对偶，Fermi系统，超导
H
H
Y
Abstract
In this thesis,we review the history of superconductivity and introduces its recent progress.
Firstly,we introduce the basic concept of holographic principle and its application in many fields,then review the superconductivity.Then we derive the holographic Fermi system,and construct the holographic superconductor model.Finally, we discuss holographic superconductivity from other aspects, and summarize and Prospect.
Keywords：AdS/CFT Correspondence,Gauge/Gravity Duality,Fermi System,Superconductivity
一、引言
基于Jacob Bekenstein和Stephen William Hawking关于黑洞熵的研究，人们发现了黑洞熵与黑洞的“表面积”成正比，于是不久，Gerard 't Hooft和L.Susskind提出了全息原理【1】.全息原理认为，一个系统原则上可以由它边界上的一些自由度完全描述。即，一个包括引力的动力学系统可以由其边界上的QFT(Quantum Field Theory)描述。一个引力全息性质的具体实现，AdS/CFT(An-de Sitter/Conformal Field Theory)对应，又名Maldacena猜想，最早由J.Maldacena 在【2】中提出，被（Horowitz和Polchinski）评价为：“We find it difficult to believe that，nature does not make use of it.”①，由此可以看出它的重要性。
通常，AdS/CFT对偶有三个版本：第一版本为时空的ⅡB型弦论等价于（3+1）维Minkowski时空中=4的U（N）超对称Y-M(Yang-Mills)规范理论。
第二版本为大N极限。即，保不变，令N→∞。弦耦合常数。此时，时空的ⅡB型弦论约化为半经典极限的情况。
第三版本是在第二版本基础上，考虑大λ。即，N→∞时λ不变。因为AdS 时空半径L有，所以，即，→0。这下AdS/CFT
对偶变为：时空的超引力理论等价于强耦合=4的SU(N)对称Y-M规范
理论。
引力全息性认为某些QFT等价于高一维的量子引力理论。因为量子引力于低能弱耦合极限下可由经典广义相对论描述。据全息对偶，即，要求所对应的边界场论耦合强度λ》1，且单位体积内的自由度N》1。所以，我们可用经典引力来研究一些非引力强耦合系统（全息超导）。
对偶两边理论相关物理量联系起来，即，全息字典。如场/算符对应（Gubser-Klebanov- Polyakov-Witten公式）【3，4】：
(1，1)
其中O为场论的一个算符，为O的源。这是最强版本的AdS/CFT对偶，公式
左边表明如何计算算符关联函数，右边是时空中的超弦理论的配分函数——这说明，边界场论的某一个算符对应于其对偶引力理论中一个动力学场。全①“我们很难相信大自然会不去使用它。”
息字典还给出了一个对应：能动张量对应于
规范场；并且，引力理论中的Maxwell场于边界的值表出对偶场论的化学势
——即，引力理论的局域对称对应于场论的整体对称。
用鞍点近似，即，在作用量泛函积分中只快乐场经典构型对作用量的贡献，可得出一个关系：
(1，2)
也就是说，场论连通Green函数的生成泛函=引力在壳作用量。只要对泛
函求导，可得O关联函数。通常，引力在壳作用量在边界处存在发散，是因为AdS时空体积无限，即长距红外（IR）发散；而QFT中，关联函数会遇到短距紫外（UV）发散，需要通过重整化解决。由于全息对偶，所以引力理论中红外物理对应于场论中紫外物理，即，红外/紫外对应【5】。可引入协变的表面抵消项来消引力中红外发散，然后得到重整化后场论的关联函数，这就是全息重整化【6,7】。
AdS/CFT是研究强耦合系统的一个有效方法，通过对偶到引力理论，强耦合系统可以使用经典的方法（如微扰）处理。而很多强耦合量子多体系统在临界点时有标度变换不变性，多可用强耦合CFT描述，所以全息对偶在量子临界现象有大量的应用【8,9】，还有全息纠缠熵【10,11】,Kerr/CFT对应【12】等等，于此不再赘述。
本文关注于规范引力对偶在超导物理方面的应用。我们首先对超导做一个较为详细介绍，然后导入全息超导模型，并详细介绍模型的各种性质，如光学电导率，以及超导各个方面的最新进展和交叉前沿与还有待解决的一些问题。
二、超导现象
1911年，H.K.Ones在研究极低温下各种金属电阻变化时，首先在Hg（~4.2K）中发现了超导电现象②，揭示了物质的另一种状态——超导态。后来在许多金属或合金中都有发现，当温度低于某一临界值之后，都有类似的超导现象的发生。
区别超导体与理想导体的一个本质特征为超导体的抗磁性，即，外磁场不能（完全抗磁性）或不能大范围（磁场通过形成Abrikosov格点的的方式部分进入）的进入超导体的内部，这就是Meissner效应，是一个判断是否是超导体的基本依据。但是，超导现象的物理机制直到1957年，由J.Bardeen，L.N.Cooper和J.R.Schrieffe给出，称为BCS 理论【13】。对超导现象的第一个宏观解释由F.London 和H.London于1935年给出。
2.1 London理论
我们用来表示超导电流密度，由于没有电阻效应，于一定电场下并不会形成稳定的电流，相反，电场对电荷的作用力将使到（θ为一个常数）：
(2，1)
如果超导电流是由于单位体积有个完全不受阻力的电子引起，则
(2，2) 即，
(2，3) 因为Maxwell方程：
(2，4) 代入(2，1)得
(2，5)
即：(2，6)
②也就是，电子Fermi液体的超流性。
这表明，如果
(2，7) 永恒成立，则永远保持成立。London假设超导态永恒满足上式，并且以
(2，8) 一起，概括零电阻和Meissner效应，作为决定超导态电磁性质的基本方程。
考虑在恒定场下，显然在超导体内，E=0（否则将无限增长），取Maxwell 方程：
(2，9) 的旋量，并且用London方程，则得到
(2,10) 用
(2,11) 因此上式化为
(2,12)
这个方程要求超导体内部B自表面快速下降。其一维解是，表明磁场按
(2,13)
的规律衰减。
所以，London方程给出了超导电流正比于电磁失势，并且说明电场会一直加速超导电子，还有无穷大的直流电导率；同时还可以看出磁场在超导体内部指数衰减，便解释了Meissner效应。
2.2 Landau-Ginzburg理论
1950年，https://www.sodocs.net/doc/867598859.html,ndau和V.L.Ginzburg提出了超导的唯像理论【14】。L-G理论中假定，超导相做为有序项，可用有序度参量ψ(r)描述，其中
(2,14) 所以
(2,15) 式中与皆为实数，为有序度参量ψ(r)的位相。正常相ψ(r)=0；有序超导相ψ(r)≠0，标志有序的程度。(2,14)表明其所有电子皆有相同的相位，即处于相干叠加态。把(2,14)代入流密度公式：
(2,16) 并乘以Cooper对的电荷，便得到
(2,17)也易证
(2,18)
这二式合称为L-G方程。式中A(r)为矢量势，α、β为展开函数。系统存在一个临界温度，当T﹥，自由能最低点在ψ=0；而T＜，自由能最低点在ψ≠0处。
基态的ψ破坏U(1)对称性，可以直接得到London方程。
最后， BCS微观理论对超导性质不仅定性甚至定量地做出很好的描述，并且，BCS理论在临界温度处可以导出L-G理论。在BCS理论的微观图像中，费米面附近的两个电子可以通过交换声子来形成一种有效的吸引相互作用，于临界温度以下形成Cooper对的凝聚，即，两个电子同位于同一个费米面上。Cooper对带有电磁场的U(1)荷，凝聚会造成U（1）的规范对称性破损。Cooper对可以在材料内部无阻地运动，从而导致直流电阻为零。不过，由于Cooper对的束缚能较小，
所以超导的基态激发一个准粒子需要能量M 1.7,当入射光子的能量ω大于2M
时，就会拆散Cooper对，激发出两个准粒子。因此可以在光学电导率图像上看到一个能隙 3.5。
上面所提及的都属于“普通”或“低温”的超导体。1986年J.G.Bednorz 和K.A.Muller发现了一类新的物质——高温超导体【15】，实验表明BCS理论中的电子通过声子配对的机制于高温超导体中不再适用。一般认为高温超导系统是强耦合系统，这时全息对偶便可以用来理解高温超导现象。
三、全息Fermi系统
本节将导出全息Fermi函数，并讨论全息Fermi系统。
3.1 相对论性Fermi系统
在静态几何背景下（对角度规）：
(3,1) 其中，符号用【16】的约定。为了给出正交归一基底的坐标基底表示，重写成(
≥0)：
(3,2) 则的正交归一标架可表为(i=1，2，3···，d-1)：
(3,3) 所以，
(3,5) 由于自旋联络形式：
(3,6)
因此可以导出Dirac方程(δ为Fermi场，为弯曲时空γ矩阵，为Minkowski 时空γ矩阵)：
(3,7)
其中
(3,8)
所以
设，这样方程仅仅依赖因此分离自旋场
F=，用（1为的单位矩阵，d为奇数）
因此，方程重新表示为：
(3,9) 令,则
(3,10) 所以Dirac方程变为：
(3,11)
(3,12)
当几何为，(AdS几何)，i≠d。则方程的解为(I=1,2):
(3,13)
所以，(3,14) 若
(3,15) 则
(3,16) 因此边界Green函数为：
(3,17) 于是得到：
所以得到：
(3,19)
当边界Green函数仍然可以表为(3,19)。
对非零温度，ω≠0，，，（RN-AdS黑膜几何），有：
(3,20)
(3,21)
对RN-AdS黑膜几何背景的全息Fermi系统【17】，其对偶场论Green函数有特点：
(3,22)
在低能极限下有非线性色散[为准粒子峰最大值对应ω]：
(当m=0，q=1，β=2.09±0.01) (3,21)
(3,22)
所以，RN-AdS全息Fermi系统对偶于非Fermi液体，q增大，系统逐渐变得像Fermi液体。
还有离散标度不变[是k依赖的正常数]：
(3,23) 因此，分q-k空间为二区，左边振荡区，右边为准粒子线处。q增大，
Fermi线与之相交进入振荡区，无Fermi面态。Fermi动量()与q近线性变化。q 进增大时，多个Fermi面出现。
因为上面对应于引力的是属于近视界几何的区，所以衍生出的标度行为
可以几何来解释【18】。
3.2 非相对论性Fermi系统
对Lorentz对称性破损但是仍然保持z=1的标度对称性的非相对论性系统【19】，下的Dirac作用量():
(3,24)
(3,25) 如果
(3,26)
则放出非相对论的Fermi定点。边界上维度为3-m复双迹算符。m=0，为临界算符，放出多个Lorentz对称性破损的定点。
所以，非相对论性定点Green函数可以表为【19】：
(3,27) 本征值和迹：
(3,28)
(3,29)
当m=0，有。则，
(3,30)
于RN-AdS黑膜几何背景下解(3,11)(3,12),由上式导出非相对论Fermi定点Green函数，可以看到一个全息平带【19】，出现于ω≈-6.928，近似于有效化学势。低动量区有轻微弥散，高动量则没有。而且还生出一个尖准粒子峰。
四、全息超导模型
本节主要讨论用两种方法来构建全息超导的模型。
4.1 b-u构建
为了描述超导现象，需要有：温度——有限温度的黑洞系统；表征U(1)对称——如Maxwall场；表征凝聚——“有毛”的引力系统。
考虑中的Lagrange密度：
(4,1) 给出RN黑洞解，有整体U(1)对称性。协变导数耦合带荷复标量场与U(1)规范场，可破坏U(1)对称性。作用量[普遍度规【16】]：
(4,2)
(4,3)
（其中，R为曲率标量，L为AdS半径）所以诱导出一有效负质量，
于低温使到标量场超光速，从而发生超导现象，但不适合中性标量场，因为低温其不稳定，产生带毛黑洞【20】。
考虑探测极限——q→∞保证了q与q有限③，因此，可以导出一个全息超导模型【21】(为视界位置)：
(4,4) 为了描述AdS-Schwarzschild黑洞，因为Hawking温度为，亦是对偶场论的温度。所以，设：
(4,5)
则得到两个互相耦合的非线性方程：
(4,6)
③考虑物质场对引力场的反作用与探测极限的全息超导模型，并无实质上的区别【21】。
(4,7) 在渐近无穷远下，有
(4,8)
(4,9)
其中，、分别给出O耦合的源与期望值。其电导率计算如下：
因为光学电导率联系两点关联函数：
(4,10) 由对称性，所以可只考虑x方向的扰动，有，于是得到：
(4,11) 又因为
(4,12)
所以
(4,13)
其有特点：——直流电导率发散；
低频时，——超导直流电阻为零。
磁场下，用度规[h(u)=1-，)]：
(4,14)
所以于磁场B低于某一临界磁场B=时发生凝聚。令偏离参数为对
小偏离。展开：
(4,15)
(4,16) 将零阶解代入运动方程，又因为(c为常数)：
(4,17) 并且分离变量：
(4,18)
则得到[X=，为分离变量常数，μ为化学势]：
(4,19)
(4,20) 方程的解为(为Hermite函数):
(4,21) 本征值为(f取一系列非负整数)：
(4,22)
则给出超导相变的上临界磁场：反比于温度，并在处变为零。
考虑线性组合(是任意参数)【22】：
(4,23) 由(4,19)的最低本征值解：
(4,24)
若取
(4,25)
便得到三角格点。
同样，容易计算相干长度ξ【23】
(4,26) 在长波低频的情况下，令
(4,27) 则得到：
(4,28) 而对Weyl修正全息超导体【24】(W为Weyl耦合常数，为Weyl张量)：
(4,29)
(4,30)
(4,31)
同样的方法可得电导率、磁场效应等等，并且有特点：能隙频率与临界温度比值反比于W；当W<0,能隙出现一个额外尖峰；W>0，低频处，有一个Drude峰。
4.2 t-d构建
本小节将简单介绍一个t-d全息超导模型——味超导【25】【26】。
用(为规范耦合常数):
(4,32) 所以，非Abel的DBI作用量为(D7膜)：
(4,33)
对称化迹S(···)≡Tr(······)，为规范耦合生成元，···为
全部可能的排列。忽略的对易子，设=1，导出运动方程后，因为引力对偶字典有(μ为同位旋化学势，J为味流):
(4,34)
又因为(m、c为边界展开系数，为裸夸克质量，为夸克凝聚):
(4,35)
于是可以得到运动方程的解。所以，我们已经完全建立了全息味超导体。
全息味超导体有特点：因为端点处味电场的排斥力，所以，存在临界密度，超过该密度，则系统不稳定；增加视界处弦密度，同位旋电荷也增加，所以，系统能量增加；因为同位旋电荷于整个体空间都能产生，所以减少视界处的同位旋电荷，因此，D7-D7弦通过降低同位旋荷密度使超导相稳定；由于无源，所以
D7-D7弦破坏对称性，相似于Cooper对。
五、总结与展望
本文研究讨论了构建超导模型的几种方法，每一个都为解释微扰法或准粒子法等无从下手的强互作用系统提供了一条全新的道路。我们在大N极限下，用全息对偶实现了2+1维场论的U(1)对称性自发破损，并且成功的绕开了Coleman- Mermin-Wagner-Hohenberg定理——不能在2+1维有限温度系统内存在连续对称性自发破损【27】的限制【28】。
现在，我们可以看到，超导模型正确的给出了超导的许多基本特征，全息超导模型在临界点处的行为与Landau-Ginzburg理论相似，并且全息超导模型适用于整个相变的过程。
我们知道，超导系统实质上是一种特殊的超流系统，因此，我们的探讨同样可以用来研究超流体，这同样也是一个很好的方向。
如今，全息原理在凝聚态物理（Condensed Matter Physics）与高能量子物理（High-energy Quantum Physics）等等领域中已经有了广泛的运用，带来一些新的突破。目前，人们已经发现了许多新的奇异的金属材料，其热力学特征偏向于非Fermi系统。因为我们知道，非Fermi液体实质上是强耦合系统，而如何理解与构建强耦合的Fermi系统也是如今理论物理极具挑战性的问题之一，我们在文中也已经运用全息对偶来构建讨论了Fermi与非Fermi系统。
就事论事，我们目前还没有证明AdS/CFT对应这个猜想，这也是最重要的一点。尽管，我们已经积累了许许多多关于它的证据，例如夸克-胶子等离子体（Qu- ark-Gluon Plasma）【29,30】。但是，一个猜想只有被证实才能当作结论，因此，我们必须等待。
总而言之，全息对偶——或者其于其它各个方面的应用，都在发展当中。它有着大量全新的问题等待着人们去探讨和研究，有着无限广阔的空间着等待人们去开发和扩展！在这个新的领域，我们的努力，必将化为一股推动的力量！
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物理学最前沿八大难题
物理学最前沿八大难题 当今科学研究中三个突出的基本问题是：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。 我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。 难题一：什么是暗能量 宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。 这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3之多！ 难题二：什么是暗物质 我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4％，远远少于宇宙的总物质的含量。这得到了各种测算方法的证实，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。
最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子： neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据说是没有较为有效的测量方法。又这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。如果找到它们的话，很可能让我们真正的认识宇宙的各种情况。 难题三：中微子有质量 不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子，最新实验还证明它具有超过光速的性质。 难题四：从铁到铀的重元素如何形成 暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。当然也还有其它的种种核反应。 当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，有大量现成的中子，尽管其成因还不很清楚。另外，最近一些科学家已确定，至少一些最重的元素；如金、铅等，是形成于更强的爆炸中。还有一点需要确定，即当两颗中子星相撞还会塌陷成为黑洞。
物理学前沿
陕西师范大学2014～2015学年第一学期期末考试 物理学院2012级教育硕士 物理学前沿试题 答卷注意事项： 1、学生必须用蓝色（或黑色）钢笔、圆珠笔或签字笔直接在答题纸上答题。 2、答卷前请将密封线内的项目填写清楚。 3、字迹要清楚、工整，不宜过大，以防试卷不够使用。 4 、本卷共4大题，总分为100分。 1.理论物理部分 ( 共5题，每题5分，共25分) 1.混沌现象的主要特征是什么 对于什么是混沌，目前科学上还没有确切的定义，但 随着研究的深入，混沌的一系列特点和本质的被揭示，对混沌完整的、具有实质性意义的确切定义将会产生。目前人们把混沌看成是一种无周期的有序。它包括如下特征： （1）内在随机性。它虽然貌似噪声，但不同于噪声，系统是由完全确定的方程描述的，无需附加任何随机因数，但系统仍会表现出类似随机性的行为； （2）分形性质。前面提到的lorenz 吸引子，Henon 吸引子都具有分形的结构； （3）标度不变性。是一种无周期的有序。在由分岔导致混沌的过程中，还
遵从Feigenbaum常数系。 （4）敏感依赖性。只要初始条件稍有偏差或微小的扰动，则会使得系统的最终状态出现巨大的差异。因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的 2.分形结构的特点是什么请举例说明。 特点是无定形，不光滑，具有自相似性。如弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉，粗糙不堪的断面，变幻无常的浮云，九曲回肠的河流，纵横交错的血管，令人眼花缭乱的满天繁星等。它们的特点都是，极不规则或极不光滑。即每一元素都反映和含有整个系统的性质和信息，从而可以通过部分来印象整体。 3.分析小世界网络、无标度网络和随机网络三者之间的相同点和不同点。 共同点：都是用特征路径长度和聚合系数来衡量网络特征。不同点：在网络理论中，小世界网络是一类特殊的复杂网络结构，在这种网络中大部份的节点彼此并不相连，但绝大部份节点之间经过少数几步就可到达。规则网络具有很高的聚合系数，大世界（largeworld，意思是特征路径长度很大），其特征路径长度随着n(网络中节点的数量)线性增长，而随机网络聚合系数很小，小世界（smallworld，意思是特征路径长度小），其特征路径长度随着log(n)增长中说明，在从规则网络向随机网络转换的过程中，实际上特征路径长度和聚合系数都会下降，到变成随机网络的时候，减少到最少。无标度网络具有严重的异质性，其各节点之间的连接状况（度数）具有严重的不均匀分布性：网络中少数称之为Hub点的节点拥有极其多的连接，而大多数节点只有很少量的连接。少数Hub点对无标度网络的运行起着主导的作用。从广义上说，无标度网络的无标度性是描述大量复杂系统整体上严重不均匀分布的一种内在性质。随机网络，任意两个点之间的特征路径长度短，但聚合系数低。而小世界网络，点之间特征路径长度小，接近随机网络，而聚合系数依旧相当高，接近规则网络。发现规则网络具有很高的聚合系数，大世界（large world，意思是特征路径长度很大），其特征路径长度随着n(网络中节点的数量)线性增长，而随机网络聚合系数很小，小世界（small world，意思是特征路径长度小），其特征路径长度随着log(n)增长中说明，在从规则网络向随机网络转换的过程中，实际上特征路径长度和聚合系数都会下降，到变成随机网络的时候，减少到最少。 4.从自组织临界态的角度来看，地震的物理原理是什么
物理学最前沿八大难题资料
物理学最前沿八大难 题
物理学最前沿八大难题 当今科学研究中三个突出的基本问题是：宇宙构成、物质结构及生命的本质和维持，所对应的现代新技术革命的八大学科分别是：能源、信息、材料、微光、微电子技术、海洋科学、空间技术和计算机技术等。物理学在这些问题的解决和学科中占有首要的地位。 我们可以从物理学最前沿的八大难题来了解最新的物理学动态。 难题一：什么是暗能量 宇宙学最近的两个发现证实，普通物质和暗物质远不足以解释宇宙的结构。还有第三种成分，它不是物质而是某种形式的暗能量。 这种神秘成分存在的一个证据，来源于对宇宙构造的测量。爱因斯坦认为，所有物质都会改变它周围时空的形状。因此，宇宙的总体形状由其中的总质量和能量决定。最近科学家对大爆炸剩余能量的研究显示，宇宙有着最为简单的形状——是扁平的。这又反过来揭示了宇宙的总质量密度。但天文学家在将所有暗物质和普通物质的可能来源加起来之后发现，宇宙的质量密度仍少了2／3之多！ 难题二：什么是暗物质 我们能找到的普通物质仅占整个宇宙的4％，远远少于宇宙的总物质的含量。这得到了各种测算方法的证实，并且也证实宇宙的大部分是不可见的。
最有可能的暗物质成分是中微子或其他两种粒子： neutralino和axions（轴子），但这仅是物理学的理论推测，并未探测到，据说是没有较为有效的测量方法。又这三种粒子都不带电，因此无法吸收或反射光，但其性质稳定，所以能从创世大爆炸后的最初阶段幸存下来。如果找到它们的话，很可能让我们真正的认识宇宙的各种情况。 难题三：中微子有质量 不久前，物理学家还认为中微子没有质量，但最近的进展表明，这些粒子可能也有些许质量。任何这方面的证据也可以作为理论依据，找出4种自然力量中的3种——电磁、强力和弱力——的共性。即使很小的重量也可以叠加，因为大爆炸留下了大量的中微子，最新实验还证明它具有超过光速的性质。 难题四：从铁到铀的重元素如何形成 暗物质和可能的暗能量都生成于宇宙初始时期——氢、锂等轻元素形成的时候。较重的元素后来形成于星体内部，核反应使质子和中子结合生成新的原子核。比如说，四个氢核通过一系列反应聚变成一个氢核。这就是太阳发生的情况，它提供了地球需要的热量。当然也还有其它的种种核反应。 当核聚变产生比铁重的元素时，就需要大量的中子。因此，天文学家认为，较重的原子形成于超新星爆炸过程中，有大量现成的中子，尽管其成因还不很清楚。另外，最近一些科学家已确定，至少一些最重的元素；如金、铅等，是形
物理学前沿简介
放射物理与防护绪论 物理学是自然科学中基本的学科，是研究物质运动最一般规律和物质基本结构的学科。在尺寸标度上涉及从基本粒子到整个宇宙，在时间标度上从飞秒级的短寿命到宇宙纪元。物理学确立的新概念和理论，已经成为人类对周围世界认识的不可分割的部分，直接影响到社会生产和生活，对社会发展起着推动作用。一、物理学的发展 纵观物理学的发展史，根据它不同阶段的特点，大致可以分为物理学萌芽时期、经典物理学时期和现代物理学时期三个发展阶段。 (一)物理学萌芽时期 在古代，由于生产水平的低下，人们对自然界的认识主要依靠不充分的观察，和在此基础上进行的直觉的、思辨性猜测，来把握自然现象的一般性质，因而自然科学的知识基本上是属于现象的描述、经验的总结和思辨的猜测。那时，物理学知识是包括在统一的自然哲学之中的。 在这个时期，首先得到较大发展的是与生产实践密切相关的力学，如静力学中的简单机械、杠杆原理、浮力定律等。在《墨经》中，有力的概念(“力，形之所以奋也”)的记述；光学方面，积累了关于光的直进、折射、反射、小孔成像、凹凸面镜等的知识。《墨经》上关于光学知识的记载就有八条。在古希腊的欧几里德(公元前450-380)等的著作中也有光的直线传播和反射定律的论述，并且对光的折射现象也作了一定的研究。电磁学方面，发现了摩擦起电、磁石吸铁等现象，并在此基础上发明了指南针。声学方面，由于音乐的发展和乐器的创造，积累了不少乐律、共鸣方面的知识。物质结构和相互作用方面，提出了原子论、元气论、阴阳五行说、以太等假设。 在这个时期，观察和思辨虽然是人们认识自然的主要手段和方法，但也出现了一些类似于用实验来研究物理现象的方法。例如，我国宋代沈括在《梦溪笔谈》中的声共振实验和利用天然磁石进行人工磁化的实验，以及赵友钦在《革象新书》中的大型光学实验等就是典型的事例。 总之，从远古直到中世纪(欧洲通常把五世纪到十五世纪叫做中世纪)末，由于生产的发展，虽然积累了不少物理知识，也为实验科学的产生准备了一些条件
《物理学前沿》 思考题和习题精解
《物理学前沿》思考题和习题精解 第1章 1.1 你喜欢宇宙学吗？为什么？ 1.2 你觉得公众对探索宇宙奥秘的兴趣越来越浓的原因是什么？ 1.3 爱因斯坦指出：宇宙中最不可理解的事，是宇宙居然是可以理解的！ 1.4 宇宙是均匀的，这是很重要的一点，叫做宇宙学原理。 1.5 宇宙究竟是什么？古人的定义：“古往今来谓之宇，四方上下谓之宙。” 宇宙是天地万物的总称，是无限的空间和时间的统一，“宇”是空间的概念，是 无边无际的；“宙”是时间的概念，是无始无终的。 1.6 在中国古代，关于宇宙的结构，主要有三派学说，即盖天说、浑天说和 宣夜说，此外还有昕天论、穹天论、安天论等。 1. 7 西方古宇宙说种种古印度的宇宙说更为生动，他们把宇宙的天地解释 为“海中龟驮着大象，大象背着大陆，周围环绕大蛇”的“大象龟蛇”说。在西 方有古西方的宇宙鸟龟塔说。 1.8 1924年，美国天文学家哈勃（Edwin Powell Hubble，1889-1953）发现T 仙女座大星云中的造父变星，并根据其光度变化周期推算出“仙女座大星云远在 银河系之外，是尺度同银河系相当的巨大恒星系统”的结论。这一重大发现最终 结束了多年来关于这类旋涡状星云是近邻天体还是银河系外的“宇宙岛”的争论，将人类认识宇宙的范围从银河系扩展到众多星系组成的广阔世界，开启了研究浩 瀚宇宙的新航程。 第2章 2.1 .1 仅通过直接观察，你怎样辨别天空中的一个特定天体是不是行星？ 2.2 图2.1-4中的星星是顺时针旋转还是逆时针转动？ 2.3 描述一个你用眼睛能做的观察以否定下述理论：各行星附在一些透明球 壳上，这些球壳以复杂的方式旋转，但总是以地球为中心，行星就是这样绕地球 运行的（地心说）。 2.4我们怎么知道地球是圆的？ 答：研究教材。 2.5 开普勒喜欢哥白尼的理论中的那些地方，不喜欢哪些地方？ 答：开普勒喜欢哥白尼的理论中的太阳作为宇宙的中心, 不喜欢圆轨道。 2.6 哥白尼赞成毕达哥拉斯学派，认为宇宙是和谐的，可以用简单数学关系 表达宇宙规律的基本思想。可是在托勒密的地心说中，对环绕地球运动的太阳 河其他五颗行星的运动描述非常烦琐复杂、牵强。哥白尼发现如果把太阳 作为宇宙的中心，一切将变的简单、清晰。 第3章 3.1我们怎么知道地球和别的行星绕太阳公转？ 答：研究教材。 3.2 从哥白尼日心说的诞生过程看宗教对科学的作用是推动还是阻碍？ 3.3 开普勒在第谷的观测数据的基础上，经过各种尝试，认识到了行星运动轨道不是圆而是椭圆，由此他提出了两个定律，分别是： ①椭圆定律，即每个行星的轨道是一个椭圆，太阳位于一个焦点上； ②等面积定律，即在行星与太阳间作一条直线，则此直线在行星运动时
物理学前沿论文
物理学前沿课程作业 题目：一、超导材料的研究与发展 光催化反应机理 二、TiO 2 姓名：谭琳 学号：S130720032
一、超导材料的研究与发展 1、 引言 1911年荷兰物理学家翁奈在研究水银低温电阻时首先发现了超导现象。后来又陆续发现了一些金属、合金和化合物在低温时电阻也变为零，即具有超导现象。物质在超低温下，失去电阻的性质称为超导电性；相应的具有这种性质的物质就称这超导体。超导材料具有的优异特性使它从被发现之日起，就向人类展示了诱人的应用前景。目前，超导材料已被应用于很多领域，本文拟就超导材料的分类、性质、应用、原理等方面展开论述，以帮助人们更好的认识超导材料。 2、 分类 2.1按成分分为： 元素超导体、合金和化合物超导体，有机高分子超导体三类。 2.2按Meissner 效应分为： 第一类超导体： 超导体在磁场中有一同的规律，如图a 所示：当H
物理化学-化学前沿与进展资料
砷钼酸盐化学研究进展与展望 巩培军104753140807 物理化学 摘要：多金属氧酸盐以其丰富多彩的结构及其自身的优良分子特性，包括极性、氧化还原电位、表面电荷分布、形态及酸性，使其在很多领域，尤其是材料、催化、药物等方面具有潜在应用前景，因而受到人们的广泛关注。本文选择目前报道尚少的砷钼杂多化合物为研究重点。 Abstract: Polyoxometalates (POMs), a fascinating class of metal–oxygen cluster compounds with a unique structural variety and interesting physicochemical properties, have been found to be extremely versatile inorganic building blocks in view of their potential applications in catalysis, medicine, and materials. In this paper, the main work has been focused on the rare reported arsenomolybdates. Keywords: polyoxometalates; physicochemical properties; applications 1 多酸概述 多金属氧酸盐化学至今已有近二百年的历史，它是无机化学中的一个重要研究领域[1-3]。早期的多酸化学研究者认为无机含氧酸经缩合可形成缩合酸：同种类的含氧酸根离子缩合形成同多阴离子，其酸为同多酸；不同种类的含氧酸根离子缩合形成杂多酸阴离子，其酸为杂多酸[4]。现在文献中多用Polyoxometalates (多金属氧酸盐) 及Metal-oxygen clusters (金属氧簇)来代表多酸化合物。 从结构上多酸是由前过渡金属离子通过氧连接而形成的金属氧簇类化合物，它的基本的结构单元主要是八面体和四面体。多面体之间通过共角、共边或共面相互连接。根据多面体的连接方式不同，多金属氧酸盐可划分为不同的结构类型，如Keggin、Dawson、Silvertone、Anderson、Lindqvist 和Waugh 结构等，它们被称为多金属氧酸盐最常见的六种基本结构类型（图1）。（1）Keggin 结构，其阴离子通式可表示为[XM12O40]n– (X = P、Si、Ge、As、B、Al、Fe、Co、Cu 等；M = Mo、W、Nb 等)；（2）Wells—Dawson 结构，其阴离子通式可表示为[X2M18O60]n– (X = P、Si、Ge、As 等；M = Mo、W 等)；（3）Silverton 结构，其阴离子通式为[XM12O42]n– (X = Ce IV等；M = Mo VI 等)；（4）Anderson 结构，其阴离子通式为[XM6O24]n– (X = Al、Cr、Te、I 等；M = Mo 等)；（5）Lindqvist 结构，其阴离子的通式为[M6O19]n– (M = Nb V、Ta V、Mo VI、W VI等)；（6）Waugh 结构，其阴离子通式为[X2M5O23]n– (X = P V等；M = Mo VI等)。其结构又决定其特殊性质的，如强酸性、氧化性、催化活性、光致变色、电致变色、导电性、磁性等。多金属氧酸盐由于各种确定的结构和特异、优越的物理化学性质，使它们在催化[5]、材料科学[6]、化学及医药学[7]等方面具有重要的应用前景。多金属氧酸盐可根据组成不同分为同多(iso)和杂多(hetero)金属氧酸盐两大类。这种分类方法一直沿用早期化学家的观点:即由同种含氧酸盐缩合形成的称同多酸(盐)，由不同种含氧酸盐缩合形成的称为杂多酸(盐)。多酸化学经过近两个世纪的发展，已经成为无机化学的一个重要分支和研究领
物理学前沿问题探究
课程名称：前进中的物理学 论文题目：物理学前沿问题探究 学号： 姓名： 年级： 专业： 学院： 完成日期：
物理学前沿问题探究 我是南开大学物理学院的学生，自然对物理学的前沿问题较一般的同学有更多的了解，对这方面也更感兴趣，我希望能更多地了解这方面的知识，以使自己对物理学的未来有一个更清晰的认识。 物理学——一门非常严肃的科学，源自哲学，由于数学方法的引进而成为一门独立的科学，其终极目的是探知宇宙的精神。 我们的物理学发展到现在已经为我们认识和改造世界提供了一件又一件法宝： 光学显微镜，使生物学拥有了细胞学说； 蒸汽机，引发了工业革命； 引力理论，成为了太空航行的理论依据； 电力的发现，让化学出现了新的分支——电化学； 能量守恒定律，使人们不在盲目建造永动机； 热力学第二定律，指出了时间的方向性； 电子显微镜，使生命科学进入分子生物学时代； 电子计算机，引领世界进入信息时代； 将来，量子通信，量子计算机，必将使世界进入全新的量子时代！ 我相信物理学必将继续引领世界前进的步伐，但是其基础是一个个前沿难题的解决或新发现，物理领域有着大量的前沿课题，相信我们年轻的一代，以及其他未来的科学家必将在这些方面有所建树。 下面我将对这些疑难问题做一个概述： 1、关于整个宇宙和天体的创生和演化 宇宙起源问题、黑洞的研究、宇宙年龄问题、宇宙有怎样的结构、暗物质、暗能量、类星体的结构、引力波的存在问题、太阳系诞生问题、地-月创生和演化、生命起源于哪里、外星生命是否存在、宇宙加速膨胀之谜…… 2、微观世界中物质结构和基本粒子的相互作用及其运动规律 物质深层结构之谜（质子自旋危机）、概率论和决定论的争论、统一场论的最终导出（大统一、超统一）、超弦、真空不空问题、量子计算机、量子隐形传态、量子非局域性、量子论与相对论之矛盾、狭义相对论与超光速疑难…… 3、宏观范围内的非线性复杂性问题 自组织与耗散结构、分形与分维、多体问题、混沌理论、孤立波、
物理学前沿学习心得
物理学前沿学习心得 专业班级：物联网13-01 姓名：司文哲 学号：311309080116
物理学前沿这门课是我看名字就选的一门选修课，因为本身对于物理拥有极大的兴趣，喜欢物理这门学科，并且还因为对物理前沿的知识感到好奇和前沿物理学的研究对世界的改变让我感到惊奇而选的这门课。在上前几节课的时候，一直听老师讲的是有关物理学历史的问题，这让我有困惑和不解，为什么报了个物理学前沿却在这听物理学历史，后来在一节课中老师也说到这个问题，然后思考过后，才觉得对于物理学的历史学习还是很有必要的，有助于整个对物理学的发展有个看法和了解，这样对物理学前沿问题才会感到有兴趣。经过4个星期的上课，多多少少也了解了点屋里前沿知识的大概皮毛，这篇心得就把老师提到的几个21世纪物理学的发展方向以及各个前沿的基本概念、前景总结一下，也算是对物理学前沿这门课程的学习总结。 在查阅物理前沿的资料之前，我先对有一节课老师放的宇宙的视频说一点我对宇宙的看法和认识，我觉得我们生活在繁杂世界中，纷纷扰扰，喜怒哀乐，总以为人才是世界的中心，殊不知这是多么渺小的想法。一个大自然就能轻轻松松把人类毁灭，更不用说浩瀚无边的宇宙了，宇宙就像心胸广袤，坐定如山的巨大长者。又如各个地方都在发生着变换，停歇不得的魔鬼。我们对宇宙的认识从华夏大地的人们认为的盖天说和巴比伦的拱形天地被大海环绕的世界，到无锡拉人从美学观念觉得地球是圆形的，认为天体和我们居住的大抵都是圆形的，再到地心说，日心说和万有引力定律的发现，再到发现银河系以外的星系，期间经过了人类多少的努力和困难，才认识到我们生活千万年的外界是什么东西，然而宇宙却千万年间一直在这里，巍然无比，让人心生敬畏。 21世纪物理学发展的前景还是非常巨大的，有许多我认为改变世界的发现还在研究当中在本篇中我查阅一些物理前沿的研究分支，作为自己简单的学习。 1.暗物质和暗能量 暗能量和暗物质是一种不可见的、能推动宇宙运动的能量，宇宙中所有的恒星和行星的运动皆是由暗能量与万有引力来推动的。根据“普朗克”探测器收集的数据，科学家对宇宙的组成部分有了新的认识，宇宙中普通物质和暗物质的比例高于此前假设(73%)，而暗能量这股被认为是导致宇宙加速膨胀的神秘力量则比想象中少，占不到70%。]暗能量是宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。支持暗能量的主要证据有两个。一是对遥远的超新星所进行的大量观测表明，宇宙在加速膨胀。按照爱因斯坦引力场方程，加速膨胀的现象推论出宇宙中存在着压强为负的“暗能量”。暗能量是什么，它的存在意味着什么？科学家才刚开始尝试回答这些问题。暗能量对宇宙整体的作用泄漏了它的行踪，而人们逐渐意识到，暗能量不仅对整个宇宙有影响，似乎也能操控宇宙的居民，指引恒星、星系和星系团的演化进程。虽然以前并没有意识到暗能量对这些结构的影响，但天文学家们几十年来一直在研究它们的演化过程。 讽刺的是，暗能量的无处不在，反而让人们很难意识到它的存在。暗能量与物质不同，它是均匀分布的，不会在某个地方聚集成团。不论是在你家的厨房，还是在星际空间，暗能量的密度都完全一样，约为10^-26千克/立方米，相当于几个氢原子的质量。太阳系中所有的暗能量加起来，与一颗小行星的质量差不多，在行星的“舞蹈”中，几乎起不了作用。只有在巨大的空间尺度上和时间跨度上，才能体现出暗能量的影响力。 2.广义相对论 广义相对论是阿尔伯特·爱因斯坦于1916年发表的用几何语言描述的引力理论，它代表了现代物理学中引力理论研究的最高水平。广义相对论将经典的牛顿万有引力定律包含在狭义相对论的框架中，并在此基础上应用等效原理而建立。在广义相对论中，引力被描述为
物理学前沿问题
书名:物理学前沿问题(研究生系列教材) ISBN:756143009 作者:王顺金著 出版社:四川大学出版社 定价:25 页数:152 出版日期:2005-1-1 版次: 开本:小16开 包装:平装 简介:本书简要介绍物理学各个主要分支的研究现状、前沿问题和发展趋势，包括：物理学与高科技，凝聚态物理学与介观物理学，原子、分子物理学与光学，原子核物理学，基本粒子物理学与量子场论，广义相对论、天体物理学与宇宙学。对凝聚态物理学和原子、分子物理学与光学，强调了其新发现和新进展与21世纪高科技的密切关系；对原子核物理学、基本粒子物理学、广义相对论、天体物理学与宇宙论，则探讨了21世纪物理学基本理论可能面临的重大变革。此外，还简要地介绍了物理学与信息论和计算机科学，物理学与生物学的交叉，包括：量子信息、量子通讯与量子计算，生物物理学。最后，介绍了物理学的研究方法，物理学、数学与哲学的相互关系，以及中国物理学的发展前景。本书对所讨论的问题提供了实用的数据与资料，其中包含了作者本人对物理学基本问题的观点和研究心得，以及对物理学发展前景的看法。 作者著述本书的目的是：1、开阔本科高年级学生和研究生的物理学视野，使他们对物理学的各个前沿问题有一些初步的了解，以便于今后选择适合的研究或作领域；2、给学生今后的学习与研究提供一个向导；3、激发学生对物理学，特别是对基础物理学和理论物理学的热情，鼓励他们从事物理学教学与研究工作，为发展中国和世界的物理学做出项献。 本书适合物理学各专业的研究生、本科高年级学生和研究人员阅读，也可供相邻学科的学生和研究人员参考。 目录: 第1章物理学与高科技 1.1 21世纪的高科与知识经济 1.2 21世纪的高科技与物理学 1.3 21世纪物理学的前景与可能面临的变革 1.4 大学本科物理学和数学的知识结构 第2章凝聚态物理学与介观物理学 2.1 凝聚态物理学的现状 2.2 新有序相 2.3 低维系统与小系统:介观物理、协和簇物理与纳米科技 2.4 等离子体物理学与核聚变 2.5 人造系统:超晶格、准晶格与人造原子 2.6 极端条件下的凝聚态物理学 2.7 复杂性与自组织 第3章原子、分子物理学与光学 3.1 引言
物理学前沿知识
《九年义务教育三年制初级中学教师教学用书第二册物理》试用修订版上海科学技术出版社华东地区初中物理教材编写协作组编2002年8月第一版第一次印刷 参考资料P346 1、物理学——前沿科学的支柱 自然界是无限广阔庭丰富多彩的。物理学是自然科学中最基本的科学，它研究物质运动的形式和规律，物质的结构及其相互作用，以及如何应用这些规律去改造自然界。因此，物理学又是许多科学技术领域的理论基础。 从本世纪开始，物理学经历了极其深刻的革命，从对宏观现象的研究发展到对微观现象的研究，从研究低速运动发展到研究高速运动，由此诞生了相对论和量子力学，并在许多科技领域中引发了深刻的变革。 物理学在认识、改造物质世界方面不断取得伟大成就，不断揭示物质世界内部的秘密；而社会的发展又对物理学提出无穷无尽的研究课题。例如，原子能的利用，使人类掌握了武器和新能源；激光技术的出现，焕发了经典光学物理的青春，使许多以往光学技术办不到的事情，现还能办到了；半导体科学技术的发展，导致了计算技术、无线电通信和自动控制的革命；超导电性、纳米固体材料和非晶态材料的出现，如金属物理、半导体物理、电介质物理、非晶态物理、表面与界面物理、高压物理、低温物理等。此外，物理学与其他学科之间的渗透，又产生了许多边缘交叉学科，如天体物理、大气物理、生物物理、地球物理、化学物理和最近发展起来的考古物理等。 我们可以说，物理现象存在于人类生活和每个角落，发生在宇宙的每一地方，物理学是推动科学技术发展的重要支柱，它是自然科学中应用广泛、影响深刻、发展迅速的一门基础科学和带头科学。 2、“无限大”和“无限小”系统物理学 “无限大”和“无限小”系统物理学是当今物理学发展一个非常活跃的领域之一。天体物理学和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴，它从早期对太阳系的研究，逐步发展到银河系，直至对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为20世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型可以成功地解释宇宙观测的最新结果，如宇宙膨胀、宇宙年龄下限、宇宙物质的层次结构、宇宙在大尺度范围内是各向同性的等重要结果。可以说，具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了可靠的基础。但是到目前为止，关于宇宙的起源问题仍没有得到根本解决，还有待于科学工作者进一步的努力和探索。 原子核物理学和粒子物理学等属于“无限小”系统物理学的范畴。它从早期对原子和原子核的研究，逐步发展到对基本粒子的研究。 基本粒子是在物质结构层次中属于比原子核更深层次的物质单元，如光子、质子、中子、π介子等。迄今已确认有400余种基本粒子，它们都是通过宇宙射线和加速器实验发现的。基本粒子的性质可用一系列描述其内禀性质的物理量，如质量、电荷、自旋、宇称、同位旋、轻子数、重子数、奇异数、超荷等表征。基本粒子之间存在着弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用（见下面介绍的“物质间的基本相互作用”）。通过这些相互作用，基本粒子可发生创生、湮没以及相互转化等现象。 按照参与相互作用的类型，通常将基本粒子区分为三大类：轻子、强子、和规范玻色子。轻子如电子、μ子和中微子等；它们仅参与弱作用和电磁作用。强子如质了、中子、π介子等，它们参与上述全部三种作用。规范玻色子如光子、中间玻色子（W±，Z0）、胶子等，它们是传递相互作用的媒介粒子，光子传递电磁作用，中间玻色子传递弱作用，胶子传递强作用，目前人们已经知道，强子都是由更小的粒子——“夸克”构成。至今已经发现了多种夸克。
物理学前沿问题探索(1)
物理学前沿问题探索(1) 摘要：从简单的自然规律出发，推 导出了宇宙的诞生、万有引力、万有斥力的、物质的结构形式、原子核的放射性、低温超导现象、同位素等之间有着内在的必然的联系。合理的解释了时间 的不可逆性、电磁力的产生、太阳系的起源、原子结构、原子核放射性规律、 重核元素结构等。其中有许多的新观点和新思维，对拓宽视野，推进物理学的 发展很有好处。 关键词：万有引力万有斥力宇宙低温超导原子结构同位素放射性太阳系的起源 1．万有引力和万有斥力 弹簧振子作往复振动，压缩时, 弹簧产生一个向外伸展的弹力；拉长时, 产生 一个向内拉伸的弹力；平衡位置时,弹簧不产生弹力。如同弹簧振子, 对于宇宙, 也具有类似的特性。现代天文学发现, 当今宇宙正好处在“拉伸”的状态, 正 在向着要收缩的趋势发展. 既使宇宙今天仍在膨胀, 总有一天, 整个宇宙将会 膨胀到终极点后再向内收缩. 这就是为什么现在存在万有引力的原因。 根据对称性原理, 宇宙在特定的条件下会产生万有斥力, 当宇宙收缩且通过其 平衡位置（即万有引力和万有斥力的临界点）时, 宇宙中的所有物体就开始相 互排斥. 但由于宇宙的巨大惯性, 仍将在其惯性的作用下克服物质间的万有斥 力继续收缩, 直到所有宏观宇宙动能转换为物质间的万有斥力为止. 这时宇宙 成了原始宇宙蛋，这时宇宙的体积最小。 在这宇宙的整个宏观运动过程中, 宇宙的运动动能和势能（引力势和斥力势） 相互转换. 当宇宙收缩到极点时, 宇宙的引力势能释放殆尽, 这时宇宙的万有 斥力势能积蓄到最大值, 物质间的万有排斥力达到顶峰, 宇宙瞬时静止. 紧接 着宇宙又开始反方向将宇宙万有斥力势能逐步释放转变为宇宙动能, 当达到平 衡位置时, 其斥力势能释放完毕, 引力势能开始诞生并发挥作用. 在引力势和 斥力势的临界点（即平衡位置）的一瞬间, 宇宙中的物质不受斥力和引力的作用, 这时宇宙的膨胀速度达到最大值, 通过平衡位置后, 宇宙引力势能的逐渐 积累, 导致宇宙的膨胀速度缓慢降低. 由于宇宙巨大的惯性作用, 将继续膨胀, 宇宙动能慢慢转变为宇宙引力势能, 当宇宙动能完全转变为引力势能时, 宇宙 将停止膨胀, 这时宇宙膨胀体积达到最大, 其引力势能的积累也达到最大, 宇 宙将有一个瞬间的静止. 紧接着, 宇宙又在强大的引力势能的作用下开始收缩, 又将其积累的引力势能转变为宇宙动能. 如此往复, 以至无穷. 在宇宙膨胀（或收缩）的不同时期, 万有引力(或斥力)的大小是不相同的, 且 呈周期性变化. 宇宙的膨胀（或收缩）的周期对人类来说大得惊人. 人类历史 与宇宙运动周期相比, 仅相当于其中的一个极小极小极小的点. 所以人类无法 用实验或观察的方法进行验证。 2．宇宙膨胀（或收缩）过程中的时间和时间矢 对于一个假想的处于宇宙外的观察者看来, 在宇宙运动过程中, 时间的流失也 是不均匀的, 在引力或斥力较大的空间, 时间过得较快，反之亦然。对处于宇 宙中的假想观察者, 其自然生理周期也将随引力或斥力的大小而发生变化, 当
物理学前沿专题
《物理前沿专题》教学大纲 本课程教学大纲依据应用物理学专业2015版人才培养方案制定。 课程名称：物理前沿专题 课程代码：B1509121 课程管理：数理学院应用物理学教研室 教学对象：应用物理学专业 教学时数：总时数 32学时，其中理论教学 32 学时，实验实训 0 学时。 课程学分：2 课程开始学期：5 课程性质：专业教育拓展课程 课程衔接：（1）先修课程：无先修课程 （2）后续课程：多门专业课 一、课程教学目标及要求 本课程的教学的目标是：1、开阔本科高年级学生和研究生的物理学视野，使他们对物理学的各个前沿问题有一些初步的了解，以便于今后选择适合的研究或作领域；2、给学生今后的学习与研究提供一个向导；3、激发学生对物理学，特别是对基础物理学和理论物理学的热情，鼓励他们从事物理学教学与研究工作，为发展中国和世界的物理学做出项献。 二、教学内容及要求 第一专题信息技术前沿（发展趋势） （一）教学目标 使学生对信息技术前沿（发展趋势）有比较深入的了解和掌握。 （二）知识点及要求 1. 低维半导体结构中量子信息基础研究 2．单个小量子结构物理 3．硅基光电子集成中的纳米结构设计及其基本物理问题和基本功能研究（三）教学重点与难点
重点难点： 低维半导体结构中的量子信息、单个小量子结构物理、硅基光电子集成中的纳米结构设计及其基本物理问题和基本功能 第二专题分子层面的信息技术及相关技术 （一）教学目标 使学生对分子层面的信息技术及相关技术有比较深入的了解和掌握。 （二）知识点及要求 1. 固态量子信息过程与分子电子器件 2．在分子层次上的基本问题与应用研究 （三）教学重点与难点 重点难点： 固态量子信息过程与分子电子器件 在分子层次上的基本问题与应用研究 学生掌握要点： 1. 固态量子信息过程与分子电子器件 2．在分子层次上的基本问题与应用研究 第三专题材料科学技术前沿 （一）教学目标 使学生对材料科学技术前沿有比较深入的了解和掌握。 （二）知识点及要求 1. 自旋电子学 2．有机固体材料的机理研究及设计与合成 3．半导体材料中与自旋有关的量子现象 （三）教学重点与难点 重点难点： 自旋电子学、有机固体材料的机理研究及设计与合成 、半导体材料中与自旋有关的量子现象
物理学相关的高校专业及职业介绍
物理学相关的高校专业及职业介绍 一前言 在高校中，高中课程与大学专业课程相对应的专业有129个，与高中物理相对应的专业有42个，占32.6%（据2014年高校专业详解与选择指南）。如天文学、应用气象学、教育技术、机械设计制造及其自动化、机械制造及自动化、材料成型与控制工程、过程装备与控制工程、车辆工程、工业设计、汽车运用工程、船舶与海洋工程、热能与动力工程、农业机械化及其自动化、农业建筑环境与能源工程、电子信息科学与技术、电气工程及其自动化、测控技术与仪器、自动化、通信工程、电子信息工程、信息工程（光电信息工程）、计算机科学与技术、理科实验班（信息技术）、土木工程（民用建筑）、建筑环境与设备工程、给水与排水工程、港口航道与海岸工程、水利水电工程、工程力学、安全工程、包装工程、航天类、飞行器设计与工程（航天类）、飞行器动力工程、飞行器环境与生命保障、探测制导与控制技术、适航技术与管理、农业水利工程、水文与水资源工程、工程管理、农业工程、勘察技术与工程 本教材从高校开设的专业作为突破口，向学生介绍了高校中与物理有关的专业的情况，目的是为高中生的高中学习及日后发展指引方向。 二目录1 第一章机械类 第一节机械设计制造及其自动化 第二节材料成型与控制工程 第三节热能与动力工程 第四节车辆工程 第五节汽车运用工程 第六节过程装备与控制工程 第二章电子信息类 第一节电气工程及其自动化 第二节通信工程 第三节电子信息工程 第四节信息工程（光电信息工程） 第三章农业工程类 第一节农业机械化及其自动化 第二节农业建筑环境与能源工程 第三节农业水利工程 第四章土木类 第一节土木工程 第二节建筑环境与设备工程 第三节给水与排水工程 第五章水利类 第一节港口航道与海岸工程 第二节水利水电工程
物理学前沿之引力波原理与研究现状
物理学前沿之引力波原理与研究现状 引力波由来，性质与原理：1916年爱因斯坦发表广义相对论，在理论上预言引力波的存在。引力波以波动形式和有限速度传播的引力场。按照广义相对论，加速运动的质量会产生引力波。引力波的主要性质是：它是横波，在远源处为平面波；有两个独立的偏振态；携带能量；在真空中以光速传播等。引力波携带能量，应可被探测到。但引力波的强度很弱，而且，物质对引力波的吸收效率极低，直接探测引力波极为困难。曾有人宣称在实验室里探测到了引力波，但未得到公认。天文学家通过观测双星轨道参数的变化来间接验证引力波的存在。例如，双星体系公转、中子星自转、超新星爆发，及理论预言的黑洞的形成、碰撞和捕获物质等过程，都能辐射较强的引力波。我们所预期在地球上可观测到的最强引力波会来自很远且古老的事件，在这事件中大量的能量发生剧烈移动（例子包括两颗中子星的对撞，或两个极重的黑洞对撞）。这样的波动会造成地球上各处相对距离的变动，但这些变动的数量级应该顶多只有10^-21。以LIGO引力波侦测器的双臂而言，这样的变化小于一颗质子直径的千分之一。这样的案例应该可以指引出为什么侦测引力波是十分困难的。引力波天文学是观测天文学20世纪中叶以来逐渐兴起的一个新兴分支，其发展基础是广义相对论中引力的辐射理论在各类相对论性天体系统研究中 的应用。与基于电磁波观测的传统观测天文学相对比，引力波天文学是通过引力波这个途径来观测发出引力辐射的天体系统。由于万有引
力相互作用和电磁相互作用相比强度十分微弱，引力波的直接观测对现有技术而言还是一个很大的挑战。 引力波的探测史： 虽然引力辐射并未被清清楚楚地“直接”测到，然而已有显著的“间接”证据支持它的存在。 1最著名的是对于脉冲星（或称波霎）双星系统PSR1913+16的观测。这系统被认为具有两颗中子星，以极其紧密而快速的模式互相环绕对方。其并且呈现了渐进式的旋近(in-spiral)，旋近时率恰好是广义相对论所预期的值。对于这样的观测，最简单(也几乎是广为接受)的解释为：广义相对论一定是对这种系统的重力辐射给出了准确的说明才得以如此。泰勒和赫尔斯因为这些成就共同获得了1993年的诺贝尔物理学奖。 21959年，美国马里兰大学教授J?韦伯发表了证实引力波存在的消息，引起了一阵狂热的激动。韦伯首创用铝棒做“天线”，接收天体辐射的引力波的方法。为了提高灵敏度，“天线”很重，往往达到数吨；为了排除干扰，“天线”置于－270℃左右的超低温环境中。当时参加研究的有十几个小组，但只有J?韦伯宣布接收到了可能是来自其他天体的引力波信号。其后不断有人重复这个实验，但终未得到肯定的结果。 3射电天文学的蓬勃发展为物理学家们新的探测途径。射电望远镜的探测本领比光学望远镜强得多，美国天文物理学家泰勒等人在1974
当今物理学界25大难题
David Gross：21世纪物理学的25个难题 大卫·格罗斯【①】作者简介：大卫·格罗斯（David Gross），美国国家科学院院士，加州大学圣巴巴拉分校（University of California at Santa Barbara）卡维利理论物理研究所（Kavli Institute for Theoretical Physics ）所长。格罗斯教授是量子色动力学的奠基人之一，当代弦理论专家，因发现强相互作用中的渐近自由现象2004年与弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）和戴维·波利策（David Politzer）分享了当年度的诺贝尔物理学奖。 编者按： 1900年，在巴黎国际数学家代表大会上，德国数学家大卫·希尔伯特（David Hilbert，1864－1943）根据19世纪数学研究成果和发展趋势，提出了新世纪数学家应该致力解决的23个数学问题。希尔伯特的演讲，对20世纪的数学发展，产生了极大的影响。100余年之后的2004年，另一个大卫，因发现量子色动力学中的“渐近自由”现象而荣获2004年诺贝尔物理学奖的美国物理学家大卫·格罗斯教授，同样就未来物理学的发展，提出了25个问题。也许人们会说，在物理学领域提出问题要比数学领域容易得多，因为物理学就像大江大河，而数学则像尼罗河三角洲中纵横交错的河网。但若是反过来想一想，既然物理学界对前沿问题具有更广泛的共识，我们就不难明白，格罗斯教授所提出的问题对未来物理学发展的重要意义。有趣的是，这25个问题中，有1/3落在物理学的边缘地带，其中3个与计算机科学相关，3个与生物学相关，4个与哲学和社会学相关。格罗斯教授的演讲，最初是为美国加州大学卡维利理论物理研究所成立25周年庆典而准备的，该庆典云集了物理学各领域的世界一流学者。此后数月，格罗斯教授先后在欧洲核子中心（CERN）、中国科学院理论物理研究所、大学等地作过容相近的讲演。 这份讲稿来自于我在2004年10月7日卡维利理论物理研究所（KITP）25周年庆祝会议上所作的演讲。在这次会议中，与会者被邀请提出一些可能引导物理学研究的问题，广泛地说，在未来25年可能引导物理学研究的问题，讲稿中的一部分容就来自于与会者所提出的问题。 1、宇宙起源 第1个问题关于宇宙的起源。这个问题不仅对于科学而且对于哲学和都是一个永久的问题。现在它是理论物理学和宇宙学亟待解决的问题：“宇宙是如何开始的？” 根据最新的观察，我们知道宇宙正在膨胀。因此，如果我们让时光倒流，宇宙将会收缩。如果我们应用爱因斯坦方程和我们关于粒子物理学的知识，我们可以或多或少对哪儿会出现“初始奇点”做出近似的推断。在“初始奇点”，宇宙收缩成为一种难以置信的高密度和高能量的状态——即通常所称的“大爆炸”。我们不知道在大爆炸点（at the big bang）发生了什么，我们所知的基础物理的所有方法——不仅是广义相对论和标准模型，甚至包括我所知的弦理论——都失灵了。 为了理解宇宙是如何开始的，我们需要了解什么是大爆炸。宇宙学家观察到微波背景辐射中临近大爆炸时发生的量子涨落的痕迹。这些涨落是宇宙大尺度结构的起源。因此，对于宇宙学和天体物理学而言，理解在大爆炸点真正发生了什么是一个急迫的任务。有没有方法能够直接观察到临近大爆炸时的物理状态？我们往回能够推多远？利用普通的辐射，我们能够回推到大爆炸之后的十万年左右，但是不能更早。这次会议上有许多这样的讨论：我们能否利用引力辐射或CMB中的信号来发展出新的观察或理论方法，从而将我们的观察回推到大爆炸点为止的整个过程。 那么理论的状况又如何？我们可以确切地说出在宇宙创生时发生了什么吗？弦理论已经成功地消除了广义相对论中产生的奇点。但是，弦理论能够处理的奇点不是大爆炸所产生的那种类型。大爆炸所产生的是与时间无关的静态奇点。弦理论能消除初始奇异点吗？能告诉我们宇宙是如何开始的吗？能告诉我们宇宙的初始状态是什么，或者宇宙的初始波函数是什么吗？一些人推测根本就不存在一个起点，而是宇宙很大，随后塌陷，然后再次膨胀。一些人鼓吹一个循环的宇宙。我相信更为可能的是，时间自身是一个突现的概念（emergent