主題:物理學/本日推薦存檔

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牛頓運動定律描述物體與力之間的關係，被譽為是經典力學的基礎。這定律是英國物理泰斗艾薩克·牛頓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與加速度的乘積。
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。

牛頓在發表於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開普勒行星運動定律。

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開普勒定律是德國天文學家約翰內斯·開普勒所發現、關於行星運動的定律。他於1609年在他出版的《新天文學》科學雜誌上發表了關於行星運動的兩條定律，又於1618年，發現了第三條定律。這三條定律分別為

行星軌道是橢圓軌道。第一個行星的軌道焦點是 $f1$ 與 $f2$ ，第二個行星的軌道焦點是 $f1$ 與 $f3$ 。太陽的位置是在點 $f1$ 。
A1與A2是兩個面積相等的陰影區域。太陽與第一個行星的連線，掃過這兩個陰影區域，所需的時間相等。
各個行星繞太陽公轉周期的比率為 $a1^{3/2}:a2^{3/2}$ ；這裏， $a1$ 與 $a2$ 分別為第一個行星與第二個行星的半長軸長度。

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勢能是儲存於物理系統內的一種能量，是一種用來描述物體在保守力場中做功能力大小的物理量。保守力作功與路徑無關，故可定義一個僅與位置有關的函數，使得保守力沿任意路徑所做的功，可表達為這兩點對應函數值的差，這個函數便是勢能。

從物理意義上來說，勢能表示了物體在特定位置上所儲存的能量，描述了作功能力的大小。在適當的情況下，勢能可以轉化為諸如動能、內能等其他能量。

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經典力學是力學的分支，是以牛頓運動定律為基礎，在宏觀世界和低速狀態下，研究物體運動的基要學術。在物理學裏，經典力學是最早被接受為力學的一個基本綱領。經典力學又分為靜力學（描述靜止物體）、運動學（描述物體運動）和動力學（描述物體受力作用下的運動）。在十六世紀，伽利略·伽利萊就已採用科學實驗和數學分析的方法研究力學。他為後來的科學家提供了許多豁然開朗的啟示。艾薩克·牛頓則是最早使用數學語言描述力學定律的科學家。

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在量子力學裏，量子態描述量子系統的狀態。量子態可以用向量空間的態向量設定。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 $\{n\}$ 給出。採用狄拉克標記，態向量表示為右向量 $|\psi \rangle$ ；其中，在符號內部的希臘字母 $\psi$ 可以是任何符號，字母，數字，或單字。例如， $|n\rangle$ 。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。

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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）薛定諤方程式有解析解，也就是說，解答能以有限數量的常見函數來表達。滿足這薛定諤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。

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薛定諤貓是奧地利物理學家埃爾溫·薛定諤試圖證明量子力學在宏觀條件下的不完備性而提出的一個思想實驗。實驗內容如下：「把一隻貓放進一個封閉的盒子裏，然後把這個盒子連接到一個包含一個放射性原子核和一個裝有有毒氣體的容器的實驗裝置。設想這個放射性原子核在一個小時內有50％的可能性發生衰變。如果發生衰變，它將會發射出一個粒子，而發射出的這個粒子將會觸發這個實驗裝置，打開裝有毒氣的容器，從而殺死這隻貓。根據量子力學，未進行觀察時，這個原子核處於已衰變和未衰變的疊加態，但是，如果在一個小時後把盒子打開，實驗者只能看到「衰變的原子核和死貓」或者「未衰變的原子核和活貓」兩種情況。現在的問題是：這個系統從什麼時候開始不再處於兩種不同狀態的疊加態而成為其中的一種？在打開盒子觀察以前，這隻貓是死了還是活着抑或半死半活？這個實驗的原意是想說明，如果不能對波函數塌縮以及對這隻貓所處的狀態給出一個合理解釋的話，量子力學本身是不完備的。」

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1923年，美國華盛頓大學物理學家康普頓首先觀察到康普頓效應。這個效應反映出光不僅僅具有波動性，在某種情況下，它還會表現出粒子性。光束類似一串粒子流，而該粒子流的能量與光頻率成正比。康普頓因發現此效應而獲得1927年的諾貝爾物理學獎。

在引入光子概念之後，康普頓散射可以得到如下解釋：電子與光子發生彈性碰撞，電子獲得光子的一部分能量而反彈，失去部分能量的光子則從另一方向飛出，整個過程中總動量守恆，如果光子的剩餘能量足夠多的話，還會發生第二次甚至第三次彈性碰撞...

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電子俘獲是一個富質子的原子核吸收一個核外電子（使一個質子轉變為中子）、並同時發射出一個中微子的過程。伴隨發生的過程還包括光子的輻射（伽馬射線），使新產生原子核的能級降至基態。由於質子在電子俘獲過程之中「變成」了中子，核素的質子數減少1，中子數增加1，而原子量保持不變。通過改變質子數，電子俘獲可以改變元素的種類。新產生的這個原子，雖然仍然保持電中性，但是由於缺失了一個內層電子，故在能級上處於激發態。在這個原子躍遷到基態的過程之中，會通過釋放X射線（電磁輻射的一種或產生俄歇效應，也有兩種過程都發生的情況。除此之外，激發態的原子還經常發射出伽馬射線使自身躍遷到基態。
1 =中子俘獲是一種原子核與一個或者多個中子撞擊，形成重核的核反應。由於中子不帶電荷，它們能夠比帶一個正電荷的質子更加容易地進入原子核。在宇宙形成過程中，中子俘獲在一些質量數較大元素的核合成過程中起到了重要的作用。中子俘獲在恆星里以快（R-過程）、慢（S-過程）兩種形式發生。質量數大於56的核素不能夠通過熱核反應（即核聚變）產生，但是可以通過中子俘獲產生...

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費米–狄拉克統計，有時也簡稱費米統計，在統計力學中用來描述由大量滿足泡利不相容原理的費米子組成的系統中，粒子處在不同量子態上的統計規律。這個統計規律的命名來源於恩里科·費米和保羅·狄拉克，他們分別獨立地發現了這一統計規律。不過費米在數據定義比狄拉克稍早。

費米–狄拉克統計的適用對象是，熱平衡時自旋量子數為半奇數的粒子。除此之外，應用此統計規律的前提是，系統中各粒子之間的相互作用可以忽略不計。這樣，就可以用粒子在不同定態的分佈狀況來描述大量微觀粒子組成的宏觀系統。不同的粒子分處於不同的能態上，這一特點對系統許多性質會產生影響。費米–狄拉克統計適用於自旋量子數為半奇數的粒子，這些粒子也被稱為費米子。由於電子的自旋量子數為1/2，因此它是費米–狄拉克統計最普遍的應用對象。費米–狄拉克統計是統計力學的重要組成部分，它利用了量子力學的一些原理...

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普朗克黑體輻射定律（也簡稱作普朗克定律或黑體輻射定律）是用於描述在任意溫度 $T\,$ 下，從一個黑體中發射的電磁輻射的輻射率與電磁輻射的頻率的關係公式。這裏輻射率是頻率 $\nu$ 的函數

I(\nu ,T)={\frac {2h\nu ^{3}}{c^{2}}}{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{kT}}-1}}

。

馬克斯·普朗克於1900年建立了黑體輻射定律的公式，並於1901年發表。其目的是改進由威廉·維恩提出的維恩近似。維恩近似在短波範圍內和實驗數據相當符合，但在長波範圍內偏差較大；而瑞利-金斯公式則正好相反。普朗克得到的公式則在全波段範圍內都和實驗結果符合得相當好...

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費曼圖是美國物理學家理查·費曼在處理量子場論時提出的一種形象化的方法，描述粒子之間的相互作用、直觀地表示粒子散射、反應和轉化等過程。使用費曼圖可以方便地計算出一個反應過程的躍遷概率。在費曼圖中，粒子用線表示，費米子一般用實線，光子用波浪線，玻色子用虛線，膠子用圈線。一線與另一線的連接點稱為頂點。費曼圖的橫軸一般為時間軸，向右為正，向左代表初態，向右代表末態。與時間方向相同的箭頭代表正費米子，與時間方向相反的箭頭表示反費米子...

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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），及一個上或下夸克的反夸克（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，例如強子的夸克模型及夸克混合的理論（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...
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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

在粒子物理學中，代或世代是基本粒子的一種分類。各代粒子之間的相異之處僅為味量子數及質量，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−¹⁄₃的（下型）及帶電荷+²⁄₃ 的（上型）...
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湮滅

散射

量子電動力學中，巴巴散射是指電子-反電子的散射過程，其中伴隨有交換虛光子：

e^{+}e^{-}\rightarrow e^{+}e^{-}

。

巴巴散射包含有兩個費曼圖表示的領導項：一個是湮滅過程，一個是散射過程。巴巴散射的散射率在正負電子對撞機中被用來當作光度的監視指標。在經典電動力學中，巴巴散射實際就是正負電子通過庫侖力相互吸引的過程。

巴巴散射的名稱來源於印度物理學家霍米·傑漢吉爾·巴巴（Homi Jehangir Bhbha）...

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邁克耳孫干涉儀是光學干涉儀中最常見的一種，其發明者是美國物理學家阿爾伯特·邁克耳孫。邁克耳孫干涉儀的原理是一束入射光分為兩束後各自被對應的平面鏡反射回來，這兩束光從而能夠發生干涉。干涉中兩束光的不同光程可以通過調節干涉臂長度以及改變介質的折射率來實現，從而能夠形成不同的干涉圖樣。邁克耳孫和愛德華·莫雷使用這種干涉儀於1887年進行了著名的邁克耳孫-莫雷實驗，並證實了以太的不存在...

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相對論性噴流是來自某些活動星系、無線電星系或類星體中心的強度非常強的等離子體噴流。這種噴流的長度可達幾千甚至數十萬光年。現在一般認為相對論性噴流的直接成因是中心星體吸積盤表面的磁場沿着星體自轉軸的方向扭曲並向外發射，因而當條件允許時在吸積盤的兩個表面都會形成向外發射的噴流。目前在科學界相對論性噴流的形成機制仍然是個有爭議的話題，不過一般認為噴流是電中性的，其由電子、正電子和質子按一定比例組成。一般還認為相對論性噴流的形成是解釋伽瑪射線暴成因的關鍵。這些噴流具有的洛倫茲因子可達大約100，是已知的速度最快的天體之一...

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宇宙的年齡是指自大爆炸開始至今所流逝的時間，當今理論和觀測認為這個年齡在一百三十六億年到一百三十八億年之間。這個不確定的區間是從多個科研項目的研究結果的共識中取得的，其中使用的先進的科研儀器和方法已經能夠將這個測量精度提升到相當高的量級。這些科研項目包括對宇宙微波背景輻射的測量以及對宇宙膨脹的多種測量手段。對宇宙微波背景輻射的測量給出了宇宙自大爆炸以來的冷卻時間，而對宇宙膨脹的測量則給出了能夠計算宇宙年齡的精確數據...

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引力坍縮是天體物理學上恆星或星際物質在自身物質的引力作用下向內塌陷的過程，產生這種情況的原因是恆星本身不能提供足夠的壓力以平衡自身的引力，從而無法繼續維持原有的流體靜力學平衡，引力使恆星物質彼此拉近而產生坍縮。在天文學中，恆星形成或衰亡的過程都會經歷相應的引力坍縮。特別地，引力坍縮被認為是Ib和Ic型超新星以及II型超新星形成的機制，大質量恆星坍縮成黑洞時的引力坍縮也有可能是伽瑪射線暴的形成機制之一。至今人們對引力坍縮在理論基礎上還不十分了解，很多細節仍然沒有得到理論上的完善闡釋。由於在引力坍縮中很有可能伴隨着引力波的釋放，通過對引力坍縮進行計算機數值模擬以預測其釋放的引力波波形是當前引力波天文學界研究的課題之一...

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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；磁場在空間裏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，互相施加作用力和力矩於對方。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...

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邁斯納效應是超導體相變至超導態的過程中對磁場的排斥現象。瓦爾特·邁斯納與羅伯特·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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磁通量是通過某給定曲面的磁場的大小的度量。磁通量的國際單位制單位是韋伯。

給定曲面上的磁通量大小與通過曲面的磁場線的個數成正比。此處磁場線的個數是個「淨」數量，即從一個方向上通過的個數減去另一個方向上通過的個數。當一個均勻磁場垂直通過一個平面，磁通量即是磁場與該平面面積的乘積。當均勻磁場 $\mathbf {B}$ 以任意角度通過一個平面，磁通量即是磁場與該平面面積 $\mathbf {a}$ 的點積。

\displaystyle \Phi _{m}=\mathbf {B} \cdot \mathbf {a} =Ba\cos \theta

其中， $\Phi _{m}$ 是磁通量， $\theta$ 是磁場 $\mathbf {B}$ 和平面面積法向量 $\mathbf {a}$ 的夾角...
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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，與磁場沿着環繞導線的閉合迴路的路徑積分，兩者之間的關係為

\oint _{\mathbb {C} }\mathbf {B} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}=\mu _{0}I_{enc}

；

其中， $\mathbb {C}$ 是環繞着導線的閉合迴路， $\mathbf {B}$ 是磁場， $d{\boldsymbol {\ell }}$ 是微小線元素向量， $\mu _{0}$ 是磁常數， $I_{enc}$ 是閉合迴路 $\mathbb {C}$ 所圍住的電流...

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原子譜線是指原子內部電子躍遷形成的譜線，可分為兩類：

發射譜線：由電子從原子內部離散的特定能級發生躍遷至更低的能級而形成的，並釋放出具有特定能量和波長的光子。這些對應着相應躍遷的大量光子所形成的能譜會在對應的波長處顯示出發射峰。
吸收譜線：是由電子從原子內部離散的特定能級發生躍遷至更高的能級而形成的，這個過程需要吸收具有特定能量和波長的光子。通常情況下這些被吸收的光子會來自一個連續光譜，從而使這個連續光譜在對應被吸收光子的波長處顯示出因吸收而凹陷的特徵...

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ΛCDM模型是所謂Λ-冷暗物質（Cold Dark Matter）模型的簡稱。它在大爆炸宇宙學中經常被稱作索引模型，這是因為它嘗試解釋了對宇宙微波背景輻射、宇宙大尺度結構以及宇宙加速膨脹的超新星觀測。它是當前能夠對這些現象提供融洽合理解釋的最簡單模型。

Λ意為宇宙學常數，是解釋當前宇宙觀測到的加速膨脹的暗能量項。宇宙學常數經常用 $\Omega _{\Lambda }\,$ 表示，含義是當前宇宙中暗能量相對於一個平直時空的宇宙的能量所佔的比例。現在認為這個數值約為0.74，即宇宙中有74%左右的能量是暗能量的形式。
冷暗物質是一種暗物質模型，即它認為在宇宙早期輻射與物質的能量分佈相當時暗物質的速度是非相對論性的（遠小於光速），因此暗物質是冷的；同時它們是非重子構成的；不會發生碰撞（指暗物質的粒子不會與其他物質體子發生引力以外的基本相互作用）或能量損耗（指暗物質不會以光子的形式輻射能量）的。冷暗物質佔了當前宇宙能量密度的22%。剩餘的4%的能量構成了宇宙中所有的由重子（以及光子等規範玻色子）構成的物質：行星、恆星以及氣體雲等...

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石墨烯是一種由碳原子以sp²雜化軌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，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆和康斯坦丁·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「在二維石墨烯材料的開創性實驗」為由，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎...

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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 $a(t)$ 的二次導數是正值，這意味着星系遠離地球的速度，隨着時間演進，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。物理學者索爾·珀爾馬特、布萊恩·施密特與亞當·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...