「玻爾茲曼方程」精確描述宇宙原初狀態

2020-12-05 鄧如山

肯特州立大學的物理學家發布了有關宇宙大爆炸和夸克—膠子等離子體模型的精確解決方案,物理學與數學問題的答案有所不同,數學通常給出了精確的解,而物理學的精確解或者罕見、或者需要藉助數學模型的幫助。肯特州立大學物理學教授麥可·斯特裡克蘭解釋說,當某種物理事件呈現時,科學家獲得了對近似模型、或數學算法測試的機會,數學算法的應用在現代物理學領域取得了長足發展。

斯特裡克蘭和四位科學同事在《物理學評論通訊》雜誌發表了精確方法的研究成果,精確的數學模型被應用到極寬的物理學文本系列,它將幫助科學家更好地以數學模型來描述星繫結構、超新星暴和高能粒子碰撞,而高能粒子物理學已在位於瑞士的歐洲核子研究中心的大型強子對撞機實驗室得到深入研究,實驗科學家在碰撞實驗中創造了短期存在的極高溫態—夸克和膠子等離子體,物理學家將它稱之為QGP, 夸克和膠子等離子形態被認為在宇宙大爆炸之後幾微秒的時間「閃現」,物理學家普遍認為,宇宙在大約138億年之前以大膨脹方式開始了波瀾壯闊的演變進程。

斯特裡克蘭和加拿大麥吉爾大學的加布裡埃爾·S·丹尼科爾,俄亥俄州立大學的烏爾裡希·海因茨、毛利西奧·馬丁內斯,聖保羅大學的喬治·諾馬利亞提第一次提出了一份宇宙誕生的精確解決方案,他們的精確模型描述了宇宙空間的膨脹系統,宇宙暴漲展現了放射狀和徑向直線的相對論速度。1872年,奧地利物理學家路德維希·玻爾茲曼創立了一套數學方程的解決方案,模型算法很好地描述了流體和氣體動力學,玻爾茲曼方程在當時的物理時代處於領先地位,玻爾茲曼當時設想了,在原子形態的物質和原子系統的動力學領域,唯一得到的理解方式是分析粒子碰撞之後的檢測數據,粒子的相互碰撞過程隱藏了揭曉原子物理學的答案。

過去十年,科學家在設計夸克——膠子等離子體的精確模型方面開展了大量研究工作,他們將夸克——膠子體QGP設想為流體的形態,應用流體動力學理論來解決QGP的物理特徵。事實證明,流體動力學方程從玻爾茲曼方程推導,與流體動力學方程式不同,玻爾茲曼方程沒有局限在一種物理系統的情形,它被近似地看成為一種熱平衡狀態。兩種類型的膨脹發生在相對論重離子的碰撞過程,如果科學家希望真實地描述其中的動力學情形,他們必須考慮兩種類型的膨脹,精確模型解決方案包括了兩種類型的膨脹,哪一種流體動力學的理論框架最好?物理學家在理論和應用中尋找合適的答案。

(編譯:2014-12-22)

相關焦點

  • 玻爾茲曼大腦真的存在於宇宙中嗎?
    在1872年的時候,玻爾茲曼建立了玻爾茲曼方程,這個方程是用來描述氣體從非平衡態到平衡態過渡的過程,而著名的玻爾茲曼熵公式是他在1877年提出來的,但是這位著名的人物卻在1906年自殺身亡,現如今被葬在維也納中央公墓。首先了解一下熵增定律。
  • 推導解答「液體如何精確處理」問題的物態方程與表面特性函數方程
    第5章 液態自然體系的數學描述(之一)「在很多實際問題中,材料要經歷從固態到液態最後到氣態的變化過程.從計算的角度來看,需要能描述這三態的統一的物態方程.但是, 固液氣三態在微觀結構和微觀運動上都存在很大差別,在給出其物態方程時要用到不同的物理模型.因此, 從理論上給出三態統一為一體的物態方程是非常困難的
  • 純理論的氣體物態方程可以精確描述各種壓強條件下的氣體狀態
    意義: 「理想氣體物態方程是化學動力學中最早的定量描述,同時也是熱力學和統計物理學的起源.」[3]意義非凡.L相比較)引起的絕對差值還不過大,但由於只考慮了分子間吸引力的修正,未考慮分子間排斥力的影響,所以它的計算值隨著高壓強的增加,不增反降,越來越小於理想氣體方程所給出的理論值分析表明,在理論上完全可以用式4-5中的四個狀態參量,在定量上精確描述氫氣在各種壓強條件下的自然狀態.消除了範氏方程「在實際應用中,如果需要較高的精度,即使在較低壓強下範氏方程也不適用.」的缺陷問題
  • 氣液兩相共存體系的精確描述及冰升華熱與溶解熱的理論計算
    第5章 液態自然體系的數學描述(之四)氣液兩相共存體系的精確描述及冰升華熱與溶解熱的理論計算5.9 氣液兩相共存體系的精確描述「彎曲部分BEGFC表示氣體以單相存在的方式連續地轉變為液體,EGF段中任一狀態,體積增大時壓強反而增大,體積減小時壓強反而減小,……因此,這種狀態實際上是不能實現的,……所以,實際上轉變只能以雙相存在的方式進行.」
  • 《物態方程知識講習》第3節 範德瓦爾斯方程
    功績:著名的範氏方程「首次對真實氣體的性質進行了描述,並導致了一系列實際氣體經驗物態方程的建立[1].」,開啟了定量描述分子相互作用的大門,意義重大.彌補與完善式2與式3不僅可以涵蓋範德瓦爾斯方程,而且可以更精確地描述氣體在各種壓強條件下的自然狀態.例如:表1[8] 中列出了在0℃時等溫壓縮氫氣的實驗數據與相應的理論計算值.
  • 物態方程知識講習《第1節 前言》與《第2節 理想氣體物態方程》
    物態方程在自然科學以及工程技術中都具有非常重要的地位,「理想氣體物態方程是化學動力學中最早的定量描述,同時也是熱力學和統計物理學的起源.分子相互作用的定量描述則起始於範德瓦爾斯方程[2].」物態方程知識,源遠流長,十七世紀以來,歷經許多科學家的不懈奮鬥,至今仍處於不斷改進、完善的進程之中.
  • 假如玻爾茲曼沒有選擇自殺
    ■北絳 1906年9月5日,杜伊諾度假村,路德維希·愛德華·玻爾茲曼再一次情緒失控。他再一次試圖自殺,希望以此結束自己在動理方程和H定理上所遭遇的激烈詰難。與前兩次被救下不同,這一次他徹底解脫。 就這樣,一代科學大師永遠告別了世界。 有人說,假如玻爾茲曼沒有選擇自殺,那麼他很有可能會被授予諾貝爾獎。
  • 精確解析焦耳—湯姆遜效應中節流膨脹的實際物理過程
    第4章 氣態自然體系的數學描述(之四)4.9 精確解析焦耳—湯姆遜效應1.「節流過程是一個不可逆過程」,熱力學或統計熱力學教材都「將達到定常狀態的節流過程前後氣體的初態和終態近似看作平衡態[4]」,應用熱力學第一定律得出「節流過程為等焓過程」的結論.進而由此出發導出焦耳—湯姆孫係數的數學關係式[6]
  • 科學網—假如玻爾茲曼沒有選擇自殺
    ■北絳 1906年9月5日,杜伊諾度假村,路德維希·愛德華·玻爾茲曼再一次情緒失控。他再一次試圖自殺,希望以此結束自己在動理方程和H定理上所遭遇的激烈詰難。與前兩次被救下不同,這一次他徹底解脫。 就這樣,一代科學大師永遠告別了世界。 有人說,假如玻爾茲曼沒有選擇自殺,那麼他很有可能會被授予諾貝爾獎。
  • 一代科學大師玻爾茲曼:假如他沒有選擇自殺 —資訊—科學網
    玻爾茲曼1844年出生於奧地利的維也納,1866年獲得維也納大學博士學位。玻爾茲曼的貢獻主要在熱力學和統計物理方面;1869年,他將麥克斯韋速度分布律推廣到保守力場作用下的情況,得到了玻爾茲曼分布律;1872年,玻爾茲曼建立了玻爾茲曼方程,用來描述氣體從非平衡態到平衡態過渡的過程;1877年他又提出了著名的玻爾茲曼熵公式。
  • 玻爾茲曼的腦:宇宙可能是有意識的
    玻爾茲曼的腦:為什麼宇宙可能有意識一個普通人實際上無法想像物理真空是什麼。在真空這個詞中,頭腦立即在整個可見空間中繪製出一個沒有單一物質粒子的空間。但是,在沒有對理論物理學進行特殊研究的情況下理解物理真空是不可能的。
  • 開爾文與玻爾茲曼常數
    水的三相點是水的三種相(狀態)——液態水、固態冰、水蒸氣同時共存、處於平衡態時的溫度。對於有著特定組成的水,在特定的大氣壓強下,三相點總是出現在恰好相同的溫度:273.16K 。然而,如何精確測量水的三相點溫度呢?第一步自然是製造出同時穩定存在的水、冰和水蒸氣的混合物。
  • 量子力學英雄譜|玻爾茲曼|量子力學|費米-狄拉克|粒子|愛因斯坦
    曹則賢(中國科學院物理研究所研究員)量子力學也是自然科學史上被實驗證明最精確的一個理論,但是量子的觀念,沒有人能夠理解。我說的沒有人能夠理解,絕不是指像我們這個層次的人,而是說連量子力學的創始人都不能理解。
  • 因學術爭論而自殺的玻爾茲曼
    玻爾茲曼的貢獻主要在熱力學和統計物理學方面,他提出用"熵"來量度一個系統中分子的無序程度,並給出熵S與無序度W之間的關係為S=k㏒W。這就是著名的玻爾茲曼公式,其中常數 k=1.38×10^(-23) J/K 稱為玻爾茲曼常數。他最先把熱力學原理應用於輻射,導出熱輻射定律,稱斯特藩-玻爾茲曼定律。
  • 方程式3-1就是定量描述自然體系相對平衡狀態的數學原理
    親力親為案例表明: 玻爾茲曼分布式3-1既巧妙地解答了「統計物理學處理互作用粒子系統所遇到的困難」問題, 又彌補了「……熱力學不能給出關於物質特性的具體知識」的缺點, 是描述氣、液、固(冰)自然體系的數學原理
  • 玻爾茲曼大腦悖論揭示,宇宙中熵隨機漲落,這是一個怎樣的宇宙呢
    其實這就是科學的魅力之一, 美女小倩也是一個熱愛科學家的人,所以推出很多新奇有趣的科學知識,今天我們要說的就是玻爾茲曼大腦悖論,這還少一個更加神奇的科學探索研究,由於美女小倩知識有限,不足之處大家多多原諒,朋友們也可以加我粉絲,一起探討玻爾茲曼大腦悖論,你們留言評論,我會及時回復。
  • 玻爾茲曼大腦是否存在?人類的意識是真的嗎?
    玻爾茲曼大腦為我們描述了宇宙中一種孤單的大腦,在宇宙空間中存在著熵,而熵是分低熵和高熵的,就在熵起落的狀態裡面就存在著許多低熵的自我意識,這種自我意識就是玻爾茲曼大腦,也就是宇宙中獨有的意識流。根據能力守護定律和熱力學第二定律,在我們的宇宙空間熵是固定不變的,也就是說它不會減少,當然這個前提是我們就有一個單一宇宙,因此也不排除有高等宇宙存在,那麼這個高等宇宙中就會存在高熵態物質,所以這種情況我們暫時先不考慮,根據研究人員的分析研究,在我們的宇宙中有很多孤單的玻爾茲曼大腦存在。
  • 科學家靠方程描述世界遭質疑
    (原標題:靠方程來描述複雜的真實世界,科學家是不是太天真了?)描述種群數量與溫度關係的方程可以為漁業管理人員設置捕撈限制提供依據,從而避免過度捕撈。但是,在20世紀70年代中期,一些奇怪的事情發生了:海洋溫度和魚類數量的變化不再同步。科學家們曾認為的這兩個變量間存在的緊密關聯似乎是個錯覺,鮭魚的數量只是在隨機波動。
  • 玻爾茲曼大腦:宇宙中或至少漂浮著7萬5千億億億...個意識體
    中學物理教給我們:自然狀態下,物質只能從有序到無序。而從無序到有序的過程必須藉助外力來實現,空調需要電力製冷就是這一體現。但是物理學家想的並不是這麼簡單:微觀粒子的運動是隨機的,在量子力學中還有量子漲落的說法。如果時間足夠長,從無序到有序是可以實現的。問題關鍵點來了:按照宇宙大爆炸模型,我們的宇宙起源於138.2億年前的奇點大爆炸。
  • 重離子核反應與核物質狀態方程
    作者:肖志剛 (清華大學物理系)摘要  核物質狀態方程描述核物質結合能、壓強、密度和中子—質子數差異等宏觀量之間的關係。核物質狀態方程不僅僅與核力屬性、核結構性質以及重離子核反應的動力學過程緊密相關,還與緻密星體如中子星的結構、演化、輻射與併合等天體過程緊密相關。