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主题:物理學/本日推薦存檔


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根據牛頓第三定律,

牛顿运动定律描述物體與之間的關係,被譽為是经典力学的基礎。這定律是英國物理泰斗艾萨克·牛顿所提出的三條運動定律的總稱,其現代版本通常這樣表述:

  • 第一定律:存在某些參考系,在其中,不受外力的物體都保持靜止或勻速直線運動。
  • 第二定律:施加於物體的淨外力等於此物體的質量加速度的乘積。
  • 第三定律:當兩個物體互相作用時,彼此施加於對方的力,其大小相等、方向相反。

牛顿在發表於1687年7月5日的鉅著《自然哲學的數學原理》裏首先整理出這三條定律。應用這些定律,牛頓可以分析各種各樣動力運動。例如,在此書籍第三卷,牛頓應用這些定律與牛頓萬有引力定律來解釋克卜勒行星運動定律


1 =

Kepler laws diagram.svg

开普勒定律是德国天文学家约翰内斯·开普勒所发现、关于行星运动的定律。他於1609年在他出版的《新天文学》科學雜誌上发表了关于行星运动的两条定律,又於1618年,发现了第三条定律。這三條定律分別為

  • 行星轨道是椭圆軌道。第一个行星的轨道焦点是 ,第二个行星的轨道焦点是 。太阳的位置是在点
  • A1与A2是两个面积相等的阴影区域。太陽与第一个行星的連線,扫过这两个阴影区域,所需的時間相等。
  • 各个行星绕太阳公转周期的比率为 ;这里, 分别为第一个行星与第二个行星的半长轴长度。


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古時候攻城用的拋石機,利用平衡重鎚的重力势能,將石頭拋向敵城。

势能是储存于物理系统内的一种能量,是一種用来描述物体在保守力场中做功能力大小的物理量保守力作功与路径无关,故可定义一个仅与位置有关的函数,使得保守力沿任意路径所做的功,可表达为这两点对应函数值的差,这个函数便是势能。

从物理意义上来说,势能表示了物体在特定位置上所储存的能量,描述了作功能力的大小。在适当的情况下,势能可以转化为诸如动能内能等其他能量。


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Modernphysicsfields zh-hant.svg

经典力学力学的分支,是以牛顿运动定律为基础,在宏观世界和低速状态下,研究物体运动的基要學术。在物理學裏,经典力学是最早被接受为力學的一个基本綱領。经典力学又分为静力学(描述静止物体)、 运动学(描述物体运动)和动力学(描述物体受力作用下的运动)。在十六世纪,伽利略·伽利莱就已采用科学实验数学分析的方法研究力学。他为后来的科学家提供了许多豁然开朗的启示。艾萨克·牛顿则是最早使用数学语言描述力学定律的科学家。



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斯特恩-革拉赫實驗儀器,可以將入射的銀原子束,分別成兩道銀原子束,每一道銀原子束代表一種量子態。

量子力學裏,量子態描述量子系統的狀態。量子態可以用向量空間態向量設定。例如,在計算氫原子能譜問題時,相關的態向量是由主量子數 給出。採用狄拉克標記,態向量表示為右向量 ;其中,在符號內部的希臘字母 可以是任何符號,字母,數字,或單字。例如, 。對於量子態的概念詮釋,主要分為兩派。第一派主張統計詮釋,量子態可以描述量子系統的統計性質,但不能完備地描述量子系統。這一派主要是以阿爾伯特·愛因斯坦的論述為代表。另一派是以尼爾斯·波耳主張的哥本哈根詮釋為範本,認為量子態可以完備地、詳盡地描述單獨量子系統。


1 =

氫原子的半徑大約為波耳半徑

氫原子擁有一個質子和一個電子,是一個的簡單的二體系統。系統內的作用力只相依於二體之間的距離,是反平方連心力。我們不需要將這反平方連心力二體系統再加理想化,簡單化。描述這系統的(非相對論性的)薛丁格方程式解析解,也就是說,解答能以有限數量的常見函數來表達。滿足這薛丁格方程式的波函數可以完全地描述電子的量子行為。我們可以這樣說,在量子力學裏,沒有比氫原子問題更簡單,更實用,而又有解析解的問題了。所推演出來的基本物理理論,又可以用簡單的實驗來核對。所以,氫原子問題是個很重要的問題。


2 =

Schrodingers cat.svg

薛定谔猫是奥地利物理学家埃尔温·薛定谔试图证明量子力学宏观条件下的不完备性而提出的一个思想实验。实验内容如下:「把一只猫放进一个封闭的盒子里,然后把这个盒子连接到一个包含一个放射性原子核和一个装有有毒气体的容器的实验装置。设想这个放射性原子核在一个小时内有50%的可能性发生衰变。如果发生衰变,它将会发射出一个粒子,而发射出的这个粒子将会触发这个实验装置,打开装有毒气的容器,从而杀死这只猫。根据量子力学,未进行观察时,这个原子核处于已衰变和未衰变的叠加态,但是,如果在一个小时后把盒子打开,实验者只能看到“衰变的原子核和死猫”或者“未衰变的原子核和活猫”两种情况。现在的问题是:这个系统从什么时候开始不再处于两种不同状态的叠加态而成为其中的一种?在打开盒子观察以前,这只猫是死了还是活着抑或半死半活?这个实验的原意是想说明,如果不能对波函数塌缩以及对这只猫所处的状态给出一个合理解释的话,量子力学本身是不完备的。」


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Compton-effekt1.png

1923年,美国华盛顿大学物理学家康普顿首先观察到康普顿效应。这个效应反映出光不仅仅具有波动性,在某种情况下,它還會表现出粒子性。光束类似一串粒子流,而该粒子流的能量与光频率成正比。康普顿因发现此效应而获得1927年的諾貝爾物理學獎

在引入光子概念之后,康普顿散射可以得到如下解释:电子与光子发生弹性碰撞,电子获得光子的一部分能量而反弹,失去部分能量的光子则从另一方向飞出,整个过程中总动量守恒,如果光子的剩余能量足够多的话,还会发生第二次甚至第三次弹性碰撞...



0 =

Elektroneneinfang (2 Phasen).png

电子俘获是一个富质子原子核吸收一个核外电子(使一个质子转变为中子)、并同时发射出一个中微子的过程。伴随发生的过程还包括光子的辐射(伽马射线),使新产生原子核的能级降至基态。由于质子在电子俘获过程之中“变成”了中子,核素的质子数减少1,中子数增加1,而原子量保持不变。通过改变质子数,电子俘获可以改变元素的种类。新产生的这个原子,虽然仍然保持电中性,但是由于缺失了一个内层电子,故在能级上处于激发态。在这个原子跃迁到基态的过程之中,会通过释放X射线电磁辐射的一种或产生俄歇效应,也有两种过程都发生的情况。除此之外,激发态的原子还经常发射出伽马射线使自身跃迁到基态。


1 =

Chart of Nuclides - Thermal neutron capture cross sections.png

中子俘获是一种原子核与一个或者多个中子撞击,形成重核的核反应。由于中子不带电荷,它们能够比带一个正电荷的质子更加容易地进入原子核。在宇宙形成过程中,中子俘获在一些质量数较大元素的核合成过程中起到了重要的作用。中子俘获在恒星里以快(R-过程)、慢(S-过程)两种形式发生。质量数大于56的核素不能够通过热核反应(即核聚变)产生,但是可以通过中子俘获产生...


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平均粒子數和能量的關係

费米–狄拉克统计,有时也简称费米统计,在统计力学中用来描述由大量满足泡利不相容原理费米子组成的系统中,粒子处在不同量子态上的统计规律。这个统计规律的命名来源于恩里科·费米保罗·狄拉克,他们分别独立地发现了这一统计规律。不过费米在数据定义比狄拉克稍早。

费米–狄拉克统计的适用对象是,热平衡时自旋量子数为半奇数的粒子。除此之外,应用此统计规律的前提是,系统中各粒子之间的相互作用可以忽略不计。这样,就可以用粒子在不同定态的分布状况来描述大量微观粒子组成的宏观系统。不同的粒子分处于不同的能态上,这一特点对系统许多性质会产生影响。费米–狄拉克统计适用于自旋量子数为半奇数的粒子,这些粒子也被称为费米子。由于电子的自旋量子数为1/2,因此它是费米–狄拉克统计最普遍的应用对象。费米–狄拉克统计是统计力学的重要组成部分,它利用了量子力学的一些原理...


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普朗克定律(绿)、维恩近似(蓝)和瑞利-金斯定律(红)在频域下的比较。

普朗克黑体辐射定律(也简称作普朗克定律黑体辐射定律)是用于描述在任意温度下,从一个黑体中发射的电磁辐射辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。这里辐射率是频率的函数

马克斯·普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式,并于1901年发表。其目的是改进由威廉·维恩提出的维恩近似。维恩近似在短波范围内和实验数据相当符合,但在长波范围内偏差较大;而瑞利-金斯公式则正好相反。普朗克得到的公式则在全波段范围内都和实验结果符合得相当好...



0 =

電子正電子湮滅產生虛光子,而該虛光子生成夸克反夸克組,然後其中一個放射出一個膠子

费曼图是美国物理学家理查·费曼在处理量子场论时提出的一种形象化的方法,描述粒子之间的相互作用、直观地表示粒子散射、反应和转化等过程。使用费曼图可以方便地计算出一个反应过程的跃迁概率。在费曼图中,粒子用線表示,费米子一般用实线,光子用波浪线,玻色子用虚线,胶子用圈线。一線與另一線的連接點稱為頂點。费曼图的橫軸一般为时间轴,向右为正,向左代表初态,向右代表末态。与时间方向相同的箭头代表正费米子,与时间方向相反的箭头表示反费米子...


1 =

一個K介子(K+
)衰變成三個π介子(2 π+
, 1 π
)的過程。

K介子可以用來稱呼四種介子,這四種介子主要是由奇異數分辨。在夸克模型中,我們知道它們含有一個奇夸克(或其反夸克),及一個下夸克的反夸克(或其夸克)。自從K介子在1947年被發現之後,它們為基礎相互作用的性質提供了大量的資料。在建立粒子物理學標準模型基礎的過程中,它們有着不可或缺的角色,例如強子夸克模型夸克混合的理論(後者於2008年被諾貝爾物理學獎肯定)。在人類對基礎守恆定律的了解中,K介子也有着傑出的貢獻:CP破壞(一種造成大家所見的宇宙物質-反物質失衡的現象)的發現在1980年被諾貝爾物理學獎肯定,這種現象就是在K介子系統被發現的...
2 =

物質的代
種類 第一代 第二代 第三代
夸克
上型 上夸克 魅夸克 頂夸克
下型 下夸克 奇夸克 底夸克
輕子
帶電 電子 μ子 τ子
中性 電中微子 μ中微子 τ中微子

粒子物理學中,世代基本粒子的一種分類。各代粒子之間的相異之處僅為量子數質量,但它們所涉及到的相互作用種類都是一樣的。根據標準模型,基本費米子共有三代。每一代有兩種輕子及兩種夸克。兩種輕子可分成帶電荷-1的(像電子)及中性的(中微子);而兩種夸克則可分成帶電荷−13的(下型)及帶電荷+23 的(上型)...
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A mule
湮灭
散射

量子电动力学中,巴巴散射是指电子-反电子散射过程,其中伴随有交换虚光子

巴巴散射包含有两个费曼图表示的领导项:一个是湮灭过程,一个是散射过程。巴巴散射的散射率在正负电子对撞机中被用来当作光度的监视指标。在经典电动力学中,巴巴散射实际就是正负电子通过库仑力相互吸引的过程。

巴巴散射的名称来源于印度物理学家霍米·巴巴Homi Bhbha)...



1 =

迈克耳孙干涉仪的光路图

迈克耳孙干涉仪是光学干涉仪中最常见的一种,其发明者是美国物理学家阿尔伯特·迈克耳孙。迈克耳孙干涉仪的原理是一束入射光分为两束后各自被对应的平面镜反射回来,这两束光从而能够发生干涉。干涉中两束光的不同光程可以通过调节干涉臂长度以及改变介质的折射率来实现,从而能够形成不同的干涉图样。迈克耳孙和爱德华·莫雷使用这种干涉仪于1887年进行了著名的迈克耳孙-莫雷实验,并证实了以太的不存在...


2 =

Galaxies-AGN-Inner-Structure.svg

相对论性喷流是来自某些活动星系射电星系类星体中心的强度非常强的等离子体喷流。这种喷流的长度可达几千甚至数十万光年。现在一般认为相对论性喷流的直接成因是中心星体吸积盘表面的磁场沿着星体自转轴的方向扭曲并向外发射,因而当条件允许时在吸积盘的两个表面都会形成向外发射的喷流。目前在科学界相对论性喷流的形成机制仍然是个有争议的话题,不过一般认为喷流是电中性的,其由电子正电子质子按一定比例组成。一般还认为相对论性喷流的形成是解释伽玛射线暴成因的关键。这些喷流具有的洛伦兹因子可达大约100,是已知的速度最快的天体之一...


3 =

Universe.svg

宇宙的年龄是指自大爆炸开始至今所流逝的时间,当今理论和观测认为这个年龄在一百三十六亿年到一百三十八亿年之间。这个不确定的区间是从多个科研项目的研究结果的共识中取得的,其中使用的先进的科研仪器和方法已经能够将这个测量精度提升到相当高的量级。这些科研项目包括对宇宙微波背景辐射的测量以及对宇宙膨胀的多种测量手段。对宇宙微波背景辐射的测量给出了宇宙自大爆炸以来的冷却时间,而对宇宙膨胀的测量则给出了能够计算宇宙年龄的精确数据...


#default =

Core collapse scenario.png

引力坍缩天体物理学恒星星际物质在自身物质的引力作用下向内塌陷的过程,产生这种情况的原因是恒星本身不能提供足够的压力以平衡自身的引力,从而无法继续维持原有的流体静力学平衡,引力使恒星物质彼此拉近而产生坍缩。在天文学中,恒星形成或衰亡的过程都会经历相应的引力坍缩。特别地,引力坍缩被认为是Ib和Ic型超新星以及II型超新星形成的机制,大质量恒星坍缩成黑洞时的引力坍缩也有可能是伽玛射线暴的形成机制之一。至今人们对引力坍缩在理论基础上还不十分了解,很多细节仍然没有得到理论上的完善阐释。由于在引力坍缩中很有可能伴随着引力波的释放,通过对引力坍缩进行计算机数值模拟以预测其释放的引力波波形是当前引力波天文学界研究的课题之一...



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Ferrofluid Magnet under glass edit.jpg

磁石磁鐵電流含時電場,都會產生磁場。處於磁場中的磁性物質或電流,會因為磁場的作用而感受到磁力,因而顯示出磁場的存在。磁場是一種向量場;磁場在空間裡的任意位置都具有方向和數值大小。

磁鐵與磁鐵之間,通過各自產生的磁場,互相施加作用力力矩於對方。運動中的電荷會產生磁場。磁性物質產生的磁場可以用電荷運動模型來解釋。當施加外磁場於物質時,磁性物質的內部會被磁化,會出現很多微小的磁偶極子磁化強度估量物質被磁化的程度。知道磁性物質的磁化強度,就可以計算出磁性物質本身產生的磁場。

電場與磁場有密切的關係;含時磁場會生成電場,含時電場會生成磁場。馬克士威方程組可以描述電場、磁場、產生這些向量場的電流和電荷,這些物理量之間的詳細關係。根據狹義相對論電場和磁場是電磁場的兩面。設定兩個參考系A和B,相對於參考系A,參考系B以有限速度移動。從參考系A觀察為靜止電荷產生的純電場,在參考系B觀察則成為移動中的電荷所產生的電場和磁場...


1 =

Meissner effect p1390048.jpg

邁斯納效應超導體相變至超導態的過程中對磁場的排斥現象。瓦爾特·邁斯納羅伯特·奧克森菲爾德於1933年在量度超導錫及鉛樣品外的磁場時發現這個現象。在有磁場的情況下,樣品被冷卻至它們的超導相變溫度以下。在相變溫度以下時,樣品幾乎抵消掉所有裏面的磁場。他們只是間接地探測到這個效應;因為超導體的磁通量守恆,當裏面的場減少時,外面的場就會增加。這實驗最早證明了超導體不只是完美的導電體,並為超導態提供了一個獨特的定義性質...
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Surface normal.png

磁通量是通過某给定曲面的磁場的大小的度量。磁通量的国际单位制單位是韦伯

给定曲面上的磁通量大小与通过曲面的磁場線的个数成正比。此处磁场线的个数是个“净”数量,即从一个方向上通过的个数减去另一个方向上通过的个数。当一个均匀磁场垂直通过一个平面,磁通量即是磁场与该平面面积的乘积。当均匀磁场 以任意角度通过一个平面,磁通量即是磁场与该平面面积 点积

  

其中,是磁通量, 是磁场 和平面面积法向量 的夹角...
#default =

Electromagnetism.svg

安培定律,又稱安培環路定律,是由安德烈-瑪麗·安培於1826年提出的一條靜磁學基本定律。安培定律表明,載流導線所載有的電流,與磁場沿著環繞導線的閉合迴路的路徑積分,兩者之間的關係為

其中, 是環繞著導線的閉合迴路, 是磁場, 是微小線元素向量,磁常數 是閉合迴路 所圍住的電流...


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NASA Hydrogen spectrum.jpg

原子谱线是指原子内部电子跃迁形成的谱线,可分为两类:

  • 发射谱线:由电子原子内部离散的特定能级发生跃迁至更低的能级而形成的,并释放出具有特定能量波长光子。这些对应着相应跃迁的大量光子所形成的能谱会在对应的波长处显示出发射峰。
  • 吸收谱线:是由电子从原子内部离散的特定能级发生跃迁至更高的能级而形成的,这个过程需要吸收具有特定能量和波长的光子。通常情况下这些被吸收的光子会来自一个连续光谱,从而使这个连续光谱在对应被吸收光子的波长处显示出因吸收而凹陷的特征...


1 =

Cosmological composition.jpg

ΛCDM模型是所谓Λ-冷暗物质Cold Dark Matter模型的简称。它在大爆炸宇宙学中经常被称作索引模型,这是因为它尝试解释了对宇宙微波背景辐射宇宙大尺度结构以及宇宙加速膨胀的超新星观测。它是当前能够对这些现象提供融洽合理解释的最简单模型。

  • Λ意为宇宙学常数,是解释当前宇宙观测到的加速膨胀的暗能量项。宇宙学常数经常用表示,含义是当前宇宙中暗能量相对于一个平直时空的宇宙的能量所占的比例。现在认为这个数值约为0.74,即宇宙中有74%左右的能量是暗能量的形式。
  • 冷暗物质是一种暗物质模型,即它认为在宇宙早期辐射与物质的能量分布相当时暗物质的速度是非相对论性的(远小于光速),因此暗物质是冷的;同时它们是非重子构成的;不会发生碰撞(指暗物质的粒子不会与其他物质粒子发生引力以外的基本相互作用)或能量损耗(指暗物质不会以光子的形式辐射能量)的。冷暗物质占了当前宇宙能量密度的22%。剩余的4%的能量构成了宇宙中所有的由重子(以及光子等规范玻色子)构成的物质:行星恒星以及气体云等...


2 =

Graphen.jpg

石墨烯是一種由碳原子以sp2杂化轨道組成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一個碳原子厚度的二維材料。石墨烯一直被認為是假設性的結構,無法單獨穩定存在,直至2004年英国曼彻斯特大学物理學家安德烈·海姆康斯坦丁·諾沃肖洛夫,成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯,而證實它可以單獨存在,兩人也因「在二维石墨烯材料的開創性實驗」為由,共同獲得2010年诺贝尔物理学奖...


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CMB Timeline300 no WMAP.jpg

宇宙加速膨脹是宇宙的膨脹速度越來越快的現象。以天文學術語來說,就是宇宙標度因子 的二次導數是正值,這意味著星系遠離地球的速度,隨著時間演進,應該會持續地增快。這速度是哈勃定律裏所提到的退行速度。於1998年觀測Ia超新星得到的數據,提示宇宙的膨脹速度正在加快。物理學者索尔·珀尔马特布莱恩·施密特亚当·里斯「透過觀測遙遠超新星而發現了宇宙加速膨脹」,因此共同榮獲2006年邵逸夫天文學獎與2011年諾貝爾物理學獎...