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第3课2015 年挑战—物理 虚拟粒子和重力 熵和时间的方向 虚粒子(virtual particle),意即虚构粒子、假想粒子,是在量子场论的数学计算中建立的一种解释性概念,指代用来描述亚原子过程例如撞击过程中粒子的数学项。但是,虚粒子并不直接出现在计算过程的那些可观测的输入输出量中,那些输入输出量只代表实粒子。虚粒子项代表那些所谓离质量壳(off mass shell)的粒子。例如,它们沿时间反演、能量不守恒、以超光速移动,每条看起来都和物理基本原理相悖。虚粒子发生在那些大致可被实输出量相消的组合项中,因此才产生前述那些不实的冲突。虚粒子的虚“事件”通常看起来是一个紧接着另一个发生,例如在一次撞击的时长中,所以他们显得短命。如果在计算中略去那些被诠释为代表虚粒子的数学项,计算结果将变成近似值,有可能较大地偏离完整计算得到的正确而且精确的结果。 量子理论不同于经典理论。区别在于对于亚原子过程的内部机制的计算。经典物理不能处理这种计算。海森堡认为,在亚原子过程例如碰撞中,到底“实际上”“真正”发生什么,是不可直接观测的,也没有可用以描述的单一而且物理明确的图像。量子力学具有这样的特质:即它可以避开关于内部机制的思考。它把自己限制在那些实际上可观测可感知的方面。但是,虚粒子则是一种概念化的手段,通过给亚原子过程的内在机制提供假设性的诠释性图像,它试图绕过海森堡的洞察。 虚粒子不必具有和对应实粒子相等的质量。这是因为它短命而且瞬变,所以不确定性原理允许它不必守恒能量和动量。虚粒子存活得越久,它的特征就越接近实粒子。 虚粒子出现在许多过程中,包括粒子扩散和卡西米尔效应。在量子场论中,即使是经典力,例如电荷间的电磁吸引力和推斥力,也可被认为是源于荷间的虚光子交换。 不应将反粒子跟虚粒子或者虚反粒子相混淆。 超导体(Superconductor),指可以在特定温度以下,呈现电阻为零的导体。零电阻和完全抗磁性是超导体的两个重要特性。超导体电阻转变为零的温度,称为超导临界温度,据此超导材料可以分为低温超导体和高温超导体。这里的“高温”是相对于绝对零度而言的,其实远低于冰点摄氏0℃。科学家一直在寻求提高超导材料的临界温度,目前高温超导体的最高温度记录是马克普朗克研究所的203K(-70°C)。因为零电阻特性,超导材料在生成强磁场方面有许多应用,如MRI核磁共振成像等。 #职业规划#生活技能#重力 #霍金辐射 #超导体
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数学家挑战霍金:宇宙中或可存在“极端黑洞” 数学家挑战霍金:宇宙中或可存在“极端黑洞” 在宇宙深邃的黑暗背景上,黑洞是最为神秘莫测的天体。它们是引力主宰的终极领域,连光线都无法逃脱其掌控。几十年来,伟大的物理学家斯蒂芬·霍金(Stephen Hawking)与其他科学家共同建立了一套描述黑洞行为的理论框架——“黑洞热力学”。这套理论将黑洞的性质与热力学定律进行类比,揭示了黑洞深层的物理规律。然而,其中一条关键定律——类似于热力学第三定律,断言某种特殊黑洞“极端黑洞”不可能在现实中形成——最近遭到了两位数学家的挑战。他们的工作表明,霍金可能错了,极端黑洞在理论上是可能的。 一、 黑洞的“身份证”与“极端”成员 想象一下,无论你往一个黑洞里扔进去什么——一亿吨黄金也好,一亿吨冰淇淋也罢——只要这个黑洞本身不旋转、不带电,最终形成的黑洞在外部观察者看来,除了它的质量,别无他异。这就是著名的“黑洞无毛定理”的精髓:一个静态、不带电的黑洞,其所有外部特征仅由其质量决定。 然而,黑洞家族远比这复杂。黑洞也可以像电子一样带电,或者像陀螺一样旋转。当黑洞拥有电荷或角动量时,它的行为就变得丰富起来。特别是,当黑洞所携带的电荷(或角动量)相对于其质量达到一个理论上的极限值时,它就变成了所谓的“极端黑洞”。你可以把它理解成黑洞家族中的“极端分子”,处于理论允许存在的边界状态。 二、 极端黑洞的奇特之处 极端黑洞有几个令人费解的特性: 零温度“冰块”:霍金证明,黑洞并非完全“黑”,它会通过量子效应向外辐射微弱的热量(霍金辐射)。黑洞的温度与其表面引力(一种描述视界附近引力强度的量)成正比。对于普通黑洞,表面引力不为零,所以有温度。但极端黑洞的表面引力为零!这意味着它的温度也是绝对零度——一个理论上无法达到的、完全没有热量的状态。 双视界?裸奇点?:带电黑洞(称为RN黑洞)通常有两个“事件视界”(即无法返回的边界)。极端RN黑洞的两个视界会重合在一起。更关键的是,物理学家们担心,如果给一个极端黑洞再增加哪怕一点点电荷,它的视界就会完全消失,暴露出其内部的核心——一个被称为“奇点”的地方,在那里,所有已知的物理定律都会彻底失效(时空曲率无限大)。这种暴露在外的奇点叫“裸奇点”。 三、 霍金与“黑洞热力学第三定律” 黑洞热力学将黑洞的行为与热力学定律一一对应: 第零定律:稳定黑洞整个视界的表面引力相同
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