主题:物理学/本日推荐存档

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牛顿运动定律描述物体与力之间的关系，被誉为是经典力学的基础。这定律是英国物理泰斗艾萨克·牛顿所提出的三条运动定律的总称，其现代版本通常这样表述：

第一定律：存在某些参考系，在其中，不受外力的物体都保持静止或匀速直线运动。
第二定律：施加于物体的净外力等于此物体的质量与加速度的乘积。
第三定律：当两个物体互相作用时，彼此施加于对方的力，其大小相等、方向相反。

牛顿在发表于1687年7月5日的钜著《自然哲学的数学原理》里首先整理出这三条定律。应用这些定律，牛顿可以分析各种各样动力运动。例如，在此书籍第三卷，牛顿应用这些定律与牛顿万有引力定律来解释开普勒行星运动定律。

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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。他于1609年在他出版的《新天文学》科学杂志上发表了关于行星运动的两条定律，又于1618年，发现了第三条定律。这三条定律分别为

行星轨道是椭圆轨道。第一个行星的轨道焦点是 $f1$ 与 $f2$ ，第二个行星的轨道焦点是 $f1$ 与 $f3$ 。太阳的位置是在点 $f1$ 。
A1与A2是两个面积相等的阴影区域。太阳与第一个行星的连线，扫过这两个阴影区域，所需的时间相等。
各个行星绕太阳公转周期的比率为 $a1^{3/2}:a2^{3/2}$ ；这里， $a1$ 与 $a2$ 分别为第一个行星与第二个行星的半长轴长度。

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势能是储存于物理系统内的一种能量，是一种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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经典力学是力学的分支，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学术。在物理学里，经典力学是最早被接受为力学的一个基本纲领。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和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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在量子力学里，量子态描述量子系统的状态。量子态可以用向量空间的态向量设定。例如，在计算氢原子能谱问题时，相关的态向量是由主量子数 $\{n\}$ 给出。采用狄拉克标记，态向量表示为右向量 $|\psi \rangle$ ；其中，在符号内部的希腊字母 $\psi$ 可以是任何符号，字母，数字，或单字。例如， $|n\rangle$ 。对于量子态的概念诠释，主要分为两派。第一派主张统计诠释，量子态可以描述量子系统的统计性质，但不能完备地描述量子系统。这一派主要是以阿尔伯特·爱因斯坦的论述为代表。另一派是以尼尔斯·波耳主张的哥本哈根诠释为范本，认为量子态可以完备地、详尽地描述单独量子系统。

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氢原子拥有一个质子和一个电子，是一个的简单的二体系统。系统内的作用力只相依于二体之间的距离，是反平方连心力。我们不需要将这反平方连心力二体系统再加理想化，简单化。描述这系统的（非相对论性的）薛定谔方程式有解析解，也就是说，解答能以有限数量的常见函数来表达。满足这薛定谔方程式的波函数可以完全地描述电子的量子行为。我们可以这样说，在量子力学里，没有比氢原子问题更简单，更实用，而又有解析解的问题了。所推演出来的基本物理理论，又可以用简单的实验来核对。所以，氢原子问题是个很重要的问题。

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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在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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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，它还会表现出粒子性。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年的诺贝尔物理学奖。

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...

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电子俘获是一个富质子的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 =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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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的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·费米和保罗·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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普朗克黑体辐射定律（也简称作普朗克定律或黑体辐射定律）是用于描述在任意温度 $T\,$ 下，从一个黑体中发射的电磁辐射的辐射率与电磁辐射的频率的关系公式。这里辐射率是频率 $\nu$ 的函数

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

。

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...

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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，粒子用线表示，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。一线与另一线的连接点称为顶点。费曼图的横轴一般为时间轴，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...

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K介子可以用来称呼四种介子，这四种介子主要是由奇异数分辨。在夸克模型中，我们知道它们含有一个奇夸克（或其反夸克），及一个上或下夸克的反夸克（或其夸克）。自从K介子在1947年被发现之后，它们为基础相互作用的性质提供了大量的资料。在建立粒子物理学标准模型基础的过程中，它们有着不可或缺的角色，例如强子的夸克模型及夸克混合的理论（后者于2008年被诺贝尔物理学奖肯定）。在人类对基础守恒定律的了解中，K介子也有着杰出的贡献：CP破坏（一种造成大家所见的宇宙物质－反物质失衡的现象）的发现在1980年被诺贝尔物理学奖肯定，这种现象就是在K介子系统被发现的...
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物质的代
种类	第一代	第二代	第三代
夸克
上型	上夸克	魅夸克	顶夸克
下型	下夸克	奇夸克	底夸克
轻子
带电	电子	μ子	τ子
中性	电中微子	μ中微子	τ中微子

在粒子物理学中，代或世代是基本粒子的一种分类。各代粒子之间的相异之处仅为味量子数及质量，但它们所涉及到的相互作用种类都是一样的。根据标准模型，基本费米子共有三代。每一代有两种轻子及两种夸克。两种轻子可分成带电荷-1的（像电子）及中性的（中微子）；而两种夸克则可分成带电荷−¹⁄₃的（下型）及带电荷+²⁄₃ 的（上型）...
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湮灭

散射

量子电动力学中，巴巴散射是指电子-反电子的散射过程，其中伴随有交换虚光子：

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

。

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·杰汉吉尔·巴巴（Homi Jehangir Bhbha）...

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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...

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相对论性喷流是来自某些活动星系、射电星系或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、正电子和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...

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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...

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引力坍缩是天体物理学上恒星或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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磁石、磁铁、电流、含时电场，都会产生磁场。处于磁场中的磁性物质或电流，会因为磁场的作用而感受到磁力，因而显示出磁场的存在。磁场是一种向量场；磁场在空间里的任意位置都具有方向和数值大小。

磁铁与磁铁之间，通过各自产生的磁场，互相施加作用力和力矩于对方。运动中的电荷会产生磁场。磁性物质产生的磁场可以用电荷运动模型来解释。当施加外磁场于物质时，磁性物质的内部会被磁化，会出现很多微小的磁偶极子。磁化强度估量物质被磁化的程度。知道磁性物质的磁化强度，就可以计算出磁性物质本身产生的磁场。

电场与磁场有密切的关系；含时磁场会生成电场，含时电场会生成磁场。马克士威方程组可以描述电场、磁场、产生这些向量场的电流和电荷，这些物理量之间的详细关系。根据狭义相对论，电场和磁场是电磁场的两面。设定两个参考系A和B，相对于参考系A，参考系B以有限速度移动。从参考系Ａ观察为静止电荷产生的纯电场，在参考系B观察则成为移动中的电荷所产生的电场和磁场...

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迈斯纳效应是超导体相变至超导态的过程中对磁场的排斥现象。瓦尔特·迈斯纳与罗伯特·奥克森菲尔德于1933年在量度超导锡及铅样品外的磁场时发现这个现象。在有磁场的情况下，样品被冷却至它们的超导相变温度以下。在相变温度以下时，样品几乎抵消掉所有里面的磁场。他们只是间接地探测到这个效应；因为超导体的磁通量守恒，当里面的场减少时，外面的场就会增加。这实验最早证明了超导体不只是完美的导电体，并为超导态提供了一个独特的定义性质...
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磁通量是通过某给定曲面的磁场的大小的度量。磁通量的国际单位制单位是韦伯。

给定曲面上的磁通量大小与通过曲面的磁场线的个数成正比。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 $\mathbf {B}$ 以任意角度通过一个平面，磁通量即是磁场与该平面面积 $\mathbf {a}$ 的点积。

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

其中， $\Phi _{m}$ 是磁通量， $\theta$ 是磁场 $\mathbf {B}$ 和平面面积法向量 $\mathbf {a}$ 的夹角...
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安培定律，又称安培环路定律，是由安德烈-玛丽·安培于1826年提出的一条静磁学基本定律。安培定律表明，载流导线所载有的电流，与磁场沿着环绕导线的闭合回路的路径积分，两者之间的关系为

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

；

其中， $\mathbb {C}$ 是环绕着导线的闭合回路， $\mathbf {B}$ 是磁场， $d{\boldsymbol {\ell }}$ 是微小线元素向量， $\mu _{0}$ 是磁常数， $I_{enc}$ 是闭合回路 $\mathbb {C}$ 所围住的电流...

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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：由电子从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和波长的光子。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...

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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 $\Omega _{\Lambda }\,$ 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...

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石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖...

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宇宙加速膨胀是宇宙的膨胀速度越来越快的现象。以天文学术语来说，就是宇宙标度因子 $a(t)$ 的二次导数是正值，这意味着星系远离地球的速度，随着时间演进，应该会持续地增快。这速度是哈勃定律里所提到的退行速度。于1998年观测Ia超新星得到的数据，提示宇宙的膨胀速度正在加快。物理学者索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特与亚当·里斯“透过观测遥远超新星而发现了宇宙加速膨胀”，因此共同荣获2006年邵逸夫天文学奖与2011年诺贝尔物理学奖...