宇观、拓扑性、暗物质、重子、以太

宇观、拓扑性、暗物质、重子、以太
宇观、拓扑性、暗物质、重子、以太

宇观、拓扑性、暗物质、重子、以太
宇观 通常把质量范围在10-15克,尺度范围在
10-5厘米以上的物质客体及其现象的总和称为宏观
世界,一般容易观察的物质层次.无机界包括地球上所有
的物体、包围在地球表面的空气层,有对流层、平流层、电
离层和扩散层,还有太阳系内的恒星、行星、卫星、彗星
等.有机界包括人在内的动物、植物种群、生物群落、生态
系统、生物圈,还有人类社会等.宏观世界一般服从经典
力学规律,但是不同质的宏观世界具有不同的运行规律.
如生物界还具有生命运动的规律；天体现象服从天体运
行规律,社会运动服从社会规律等等.学术界有一种意见
认为,应该抛开物质客体自身的属性,从认识论的观点,
根据主体对客体的变革特征和观测特征来定义宏观世
界,那么就是指人们可以直接观测,且能以物质手段加以
变革的时空区域.而可以观测到,但还不能以物质手段加
以影响和变革的时空区域则为宇观世界.它们不同于宏
观规模的物质过程,具有高密度、高温度、高压、大质量、
大尺度、大时标等特征,运动速度大到接近光速,万有引
力起主要作用并服从相对论力学规律,包括星系、星系
团、总星系,距地球100亿光年的宇宙太空.60年代以来,
人类对宇宙观测研究获得的一系列重要发现,如脉冲星、
类星体、微波背景辐射、星际分子等都属宇观世界.宇观
概念就是在总结现代天文学发展基础上提出的新概念,
由我国著名天文学家戴文赛于1962年首次提出,他在《宇
观的物质过程》一书中指出：“大质量加大尺度,既是宇观
过程的特征,又是它的条件.”
拓扑学的英文名是Topology,直译是地志学,也就是和研究地形、地貌相类似的有关学科.我国早期曾经翻译成“形势几何学”、“连续几何学”、“一对一的连续变换群下的几何学”,但是,这几种译名都不大好理解,1956年统一的《数学名词》把它确定为拓扑学,这是按音译过来的.
拓扑性拓扑学是几何学的一个分支,但是这种几何学又和通常的平面几何、立体几何不同.通常的平面几何或立体几何研究的对象是点、线、面之间的位置关系以及它们的度量性质.拓扑学对于研究对象的长短、大小、面积、体积等度量性质和数量关系都无关.
在拓扑学里不讨论两个图形全等的概念,但是讨论拓扑等价的概念.比如,尽管圆和方形、三角形的形状、大小不同,在拓扑变换下,它们都是等价图形.左图的三样东西就是拓扑等价的,换句话讲,就是从拓扑学的角度看,它们是完全一样的.
在一个球面上任选一些点用不相交的线把它们连接起来,这样球面就被这些线分成许多块.在拓扑变换下,点、线、块的数目仍和原来的数目一样,这就是拓扑等价.一般地说,对于任意形状的闭曲面,只要不把曲面撕裂或割破,他的变换就是拓扑变幻,就存在拓扑等价.
应该指出,环面不具有这个性质.比如像左图那样,把环面切开,它不至于分成许多块,只是变成一个弯曲的圆桶形,对于这种情况,我们就说球面不能拓扑的变成环面.所以球面和环面在拓扑学中是不同的曲面.
直线上的点和线的结合关系、顺序关系,在拓扑变换下不变,这是拓扑性质.在拓扑学中曲线和曲面的闭合性质也是拓扑性质.
在宇宙学中, 暗物质(Dark Matter)是指那些不发射任何光及电磁辐射的物质.人们目前只能通过引力产生的效应得知宇宙中有大量暗物质的存在.暗物质存在的最早证据来源于对球状星系旋转速度的观测.现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究表明：我们目前所认知的部分大概只占宇宙的4％,暗物质占了宇宙的23%,还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量.暗物质的存在可以解决大爆炸理论中的不自洽性,对结构形成也非常关键.暗物质很有可能是一种（或几种）粒子物理标准模型以外的新粒子.对暗物质和暗能量的研究是现代宇宙学和粒子物理的重要课题.
重子(baryon)是由三个夸克（或者三个反夸克组成反重子）组成的基本粒子.最常见的重子有质子和中子（合称为核子）,其它重子有比这两个粒子重的粒子（所谓的超子）.重子这个称呼是指其质量相对重于轻子和介于两者之间的介子起的.
重子是强相互作用的费米子,也就是说它们遵守费米-狄拉克统计和泡利不兼容原理,通过组成它们的夸克它们参加强相互作用.同时它们也参加弱相互作用和引力.带电荷的重子也参加电磁力作用.
重子与由一个夸克和一个反夸克组成的介子一起被合称为强子.强子是所有强相互作用的粒子的总称.
质子是唯一独立稳定的重子.中子假如不与其它中子或者质子一起组成原子核的话不稳定,会衰变.
以太（或译乙太；英语：ether或aether）是古希腊哲学家所设想的一种物质,是一种曾被假想的电磁波的传播媒质,但后来被证实并不存在.
19世纪,科学家们逐步发现光是一种波,而生活中的波大多需要传播介质（如声波的传递需要借助于空气,水波的传播借助于水等）.受传统力学思想影响,于是他们便假想宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,而正是这种物质在光的传播中起到了介质的作用.
以太的假设事实上代表了传统的观点： 电磁波的传播需要一个“绝对静止”的参照系,当参照系改变,光速也改变.
然而根据麦克斯韦方程组,电磁波的传播不需要一个“绝对静止”的参照系,因为该方程里两个参数都是无方向的标量,所以在任何参照系里光速都是不变的.
c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}}
其中 \varepsilon_0 是真空介电常数,μ0 是真空磁导率.
这个“绝对静止系”就是“以太系”.其他惯性系的观察者所测量到的光速,应该是 "以太系" 的光速,与这个观察者在 "以太系" 上的速度之矢量和.
以太无所不在,没有质量,绝对静止.按照当时的猜想,以太充满整个宇宙,电磁波可在其中传播.假设太阳静止在以太系中,由于地球在围绕太阳公转,相对于以太具有一个速度v,因此如果在地球上测量光速,在不同的方向上测得的数值应该是不同的,最大为 c+v,最小为 c-v.如果太阳在以太系上不是静止的,地球上测量不同方向的光速,也应该有所不同.
1881年-1884年,阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷（Edward Morley）为测量地球和以太的相对速度,进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验.实验结果显示,不同方向上的光速没有差异.这实际上证明了光速不变原理,即真空中光速在任何参照系下具有相同的数值,与参照系的相对速度无关,以太其实并不存在.后来又有许多实验支持了上面的结论.
以太说曾经在一段历史时期内在人们脑中根深蒂固,深刻地左右着物理学家的思想.著名物理学家洛伦兹推导出了符合电磁学协变条件的洛伦兹变换公式,但无法抛弃以太的观点.
爱因斯坦则大胆抛弃了以太学说,认为光速不变是基本的原理,并以此为出发点之一创立了狭义相对论.虽然后来的事实证明确实不存在以太,不过以太假说仍然在我们的生活中留下了痕迹,如以太网等.