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[求助] 统一场论(天体物理1)

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henryharry2 发表于 2012-10-28 12:21:01 | 显示全部楼层

五分钟振荡

 
与太阳全球振荡监测网的建设几乎同时,一种更优越的观测手段也开始付诸实施,那就是人造卫星。这种手段的优势是不言而喻的,建在地面上的观测站,无论是两极附近的观测点,还是“日不落”的观测网,都免不了要“看天吃饭”。只有翱翔于九天之上的卫星,才能真正自由自在地对太阳进行连续观测。1995 年,美国国家航空航天局(NASA)发射了一颗“太阳和日球层探测器”(SOHO)。该探测器定位在太阳与地球之间的所谓第一拉格朗日点上,与地球公转同步地绕着太阳运转,可以常年不断地观测太阳。利用这样的现代手段,对“五分钟振荡”的观测精度已经达到了百万分之一以上的量级。
那么,日震学研究取得了什么成果呢?最重要的成果就是对标准太阳模型进行修正及检验。我们在前文中提到过,太阳模型看似粗糙,实际上却相当精密。之所以如此,除了它对物理原理的运用相当缜密外,另一个很重要的原因,就是标准太阳模型中的参数大都经过了日震学手段的检验及修正。
日震学研究所取得的另一项重要成果,是对太阳内部自转速度的分布作出了精密推断。与像地球这样的固态星球不同,太阳内部不同深度、不同纬度处的自转是不同步的。日震学研究不仅发现并测定了这种不同步性,而且还发现这种不同步性在对流层底部以下的一个被称为差旋层(tachocline)的薄层中,非常突然地转变成了刚性自转。这一点是由前面提到的罗兹和德伯纳共同发现的,这两人因验证乌尔里克的预言而“撞车”后,很快化“敌”为友成为了合作者,联手展开新的研究。他们所发现的这个差旋层虽然很薄,而且埋藏得很深,却很可能有着极大的重要性。一般认为,发生在差旋层中的这种自转突变现象与太阳磁场的产生有可能存在密切关联,但很多细节仍有待进一步研究。有读者可能会问:太阳的自转方式为什么会在差旋层那样一个薄层内发生突变呢?很遗憾,这是有关太阳的诸多谜团中的一个,迄今尚无答案。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 12:23:11 | 显示全部楼层

日震学研究

 
除上述成果外,日震学研究还有一个引人注目的方面,那就是能够预报一部分所谓的太阳活动——即诸如黑子(sunspot)和耀斑那样的现象。那些现象有时会对地球造成影响,比如耀斑有时会干扰无线电通信。日震学为何能预报太阳活动呢?因为它可以探测到太阳背面的活动。它为何能探测到太阳背面的活动呢?因为那些活动大都跟太阳磁场有关,而太阳磁场会使太阳物质产生压缩、沉降等作用,那些作用又进而会影响到声波的传播,使得从太阳正面传往背面,并经背面反射回正面(整个过程约需6~7 小时)的声波比正常情况提前十来秒钟。通过对这一点的观测,天文学家们能相当准确地描绘出太阳背面的活动。由于太阳自转一圈需要二十几天,因此描绘出太阳背面的活动,意味着天文学家们可以提前若干天预报那些转到正面后会对地球产生影响的太阳活动。这或许是日震学研究中最具实用意义的一面。
最后,让我们将上一篇末尾的表格补全,作为对当时所留问题的回答:

区域名称

范围

主要现象

检验方法

核心区

0~17万公里

核聚变反应

探测各个能区的太阳中微子

辐射区

17~49万公里

以辐射为主的能量传输

利用日震学手段

对流区

49~69.5万公里

以对流为主的能量传输

观测太阳表面的各种“米粒”
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 12:41:45 | 显示全部楼层

量子引力在太阳物理中的作用

 
虽然太阳的引力场很强大,但在目前太阳物理的标准模型中,引力场起的是次要角色,甚至经常被忽略不计。这是由于在广义相对论中,引力场和其他三种极矢量场并非统一的整体,所以引力场经常扮演的是旁观者的角色。在量子引力中,引力场和其他三种极矢量场是统一的整体,引力经常会参与到太阳乃至宇宙各种各样的活动中。

从宏观的角度说,引力场是自顶向下设计的,或者说是整体论的,反映在太阳物理中,相当于自内而外的设计;而极矢量场是自底向上设计的,或者说是还原论的,反映在太阳物理中,相当于自外而内的设计。虽然很多科学家喜欢还原论,但还原论并不是总能奏效,假设有一位“美女”,是由30千克水……1千克铁等物质组成,我们购买30千克水……1千克铁等物质,能够还原出这位“美女”吗?答案显然是否定的。部分的总和不等于整体!

就算还原论能奏效,太阳由很多的粒子组成,其非线性相互作用也会使还原论行不通。例如,太阳活动周期明显是一种太阳整体的行为,目前的发电机理论试图用还原论来理解。实际上,在还原论和整体论之间有一座桥梁,我们说过,统一场论的基本群是SU(2)×SU(2),这相当于电磁场到轴磁场的变换,电荷无法直接变换成轴矢量的荷,但间接的变换是可以的。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 13:16:10 | 显示全部楼层

量子引力在太阳物理中的作用

 
有了引力的主动参与,太阳物理中的很多谜题就很容易理解。首先,我们发现,“米粒”与Bénard胞有共同的作用机理,换句话说,天文学家最初的那个直观想法其实是对的。经过两次变换后极矢量场可以变换成轴矢量场,在等离子体物理中,电荷之间要么排斥,要么相互抵消,可是轴单极子不同,它们服从牛顿-庞加莱统计,交换作用使得它们之间有吸引力。

这就意味着轴单极子可以凝聚,但凝聚成什么样却是由具体的物理环境决定的,有可能凝聚成弦、圈或者其它形状,总的来说,凝聚了的场会选择一种场位形、处于能量最低的状态。在太阳上恰好有一种场位形是能量最低的,那就是凝聚了的弦与太阳的径向引力场重合的位形。这就意味着Bénard胞中有一根直立的弦(即垂直于太阳的表面)。根据弦理论的“肥皂泡定律”,我们知道,Bénard胞必需保持表面积最小,这就相当于有一个表面张力。

实际上,轴矢量的弦与太阳磁场的磁通量管模型是对偶的。我们可以将磁流管模型比喻为“外骨骼系统”,那么弦模型就相当于“脊椎系统”。我们知道,“脊椎系统”是高等动物的标志,通常“脊椎动物”比“外骨骼动物”要高大、强健的多;太阳上的各种活动尺度和规模都很大,这就意味着用“脊椎系统”比用“外骨骼系统”更适用于描述太阳模型。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-28 13:36:44 | 显示全部楼层

量子引力在太阳物理中的作用

 
(讽刺的是,自从有了汽车以后,人类似乎又从“脊椎动物”变成了“外骨骼动物”)。我们的模型还得到了凝聚态物理的支持,例如溶致液晶的自组织也满足“肥皂泡定律”。轴单极子凝聚一方面相当于软模凝聚,当有了方向性以后,则可以起到轴矢量场的等离子体作用,在凝聚态物理中会产生中心峰;有了方向性以后,似乎还可以扮演液晶中的指向矢作用。

由于极矢量场与轴矢量场对偶,我们可以统一处理太阳的磁场与对流。以太阳黑子为例,很明显黑子的磁场并没有完全压制住对流(为什么要完全压制对流呢?),而且黑子磁场模型并不能解释半影中的亮纤维和暗纤维,更不能解释亮桥是如何产生的,弦模型可以很容易解释亮纤维和暗纤维,只要你将它们的称呼改成“亮弦”和“暗弦”就可以了。还是以“脊椎动物”作类比,主弦相当于“脊椎”,“肋骨”则可以起到“亮弦”和“暗弦”的作用。

有了弦以后,针状体和反常高温的问题也好理解了。弦相当于指向矢,针状体则与超流中的热机械效应相当;在氦4超流中,由于没有指向矢,喷泉效应是没有指向的,有了指向矢后,喷流则可以顺着弦爬上去,省了不少力气。日冕的反常高温则相当于超导热性,超导热性传递的是能量,由于越往日冕高处,日冕物质密度越低,而能量是固定的,因此温度反而升高。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-10-30 12:22:07 | 显示全部楼层

轴单极子凝聚

 
按照牛顿引力或者广义相对论,引力除了努力将太阳变成一个球,别的作用就几乎没有了。实际的太阳公公却是热闹非凡,不停地唱着歌、跳着舞。是否像朱自清说的那样:“热闹是属于他/她们的,而引力什么也没有”。

从量子引力的角度看,引力经常参与到各种宇宙活动当中。原因在于轴单极子凝聚,太阳作为整体是一个轴单极子,而且太阳上的每个粒子其实也都是一个小小的轴单极子。我们知道,计算太阳的引力时,只需要将太阳的质量全部归于中心点就可以了,这相当于引力服从牛顿-庞加莱统计。于是计算太阳的牛顿引力时,我们可以将所有的小轴单极子归结为太阳这一个大的轴单极子。实际情况却要复杂的多,因为这些小轴单极子可能会凝聚成开弦或闭弦。

凝聚成开弦的轴单极子链的作用相当于指向矢,这时物质进入了一种全新的状态——我们称之为“超指向态”。除了超导态和超流态之外,这其实是物质的第三种宏观量子状态。这可以解释地球自转加速之谜,地球内部的众多小轴单极子凝聚成一个指向矢,这个指向矢会一直指向月亮和太阳,这相当于地球有了自旋,这个自旋会抵消月亮和太阳的潮汐效应引起的地球自转变慢;由广义相对论计算的为每百年2.4ms,而实际观测值却是每百年1.3ms。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-6 09:22:17 | 显示全部楼层

日珥

 
temp.JPG
由SOHO(太阳和太阳风层天文台)拍摄的太阳活动像,显示稠密荷电气体的宽阔的弧形。这称为“日珥”,这些具有强烈活动的结构通过强磁场悬挂在太阳稀薄的日冕上。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-6 10:06:10 | 显示全部楼层

土星的光环

 
temp.JPG
我们发现,土星光环的形成机制应该是一种量子引力效应,形成土星光环的石块和冰块是一个个的轴单极子,它们会凝聚成弦,当弦场的位形为封闭的圆或直线时其能量最低。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-6 11:03:42 | 显示全部楼层

可能的物理机制

 
我们发现,“传递困难”和“能量困难”应该是一种量子引力效应。大气导电机制不可取,假如地球大气真能导电的话,人可能早就被电死了。我们将引力表述为:引力=牛顿+Weyl。实际上牛顿引力总是与大气产生的排斥力相等的,但地球中的轴单极子会生成一个指向太阳的弦(指向矢),这可以解释为何地球因潮汐效应引起的自转变慢比牛顿引力预期的少一倍。

我们发现,引力和热力是能够统一的,它们不是在牛顿项上,而是在Weyl项上实现了统一。根据等效原理的量子表述m/m=1,可以将Weyl项看成是一种对称项,而热运动引起的排斥力看成是反对称项;于是引力和热力之间就相当于一种轴矢量场的超对称性,这样热力可以被“冻结”在弦中。爱因斯坦最初的想法是将引力张量表述成:对称项+反对称项,我们看到,如果将爱因斯坦的直观想法改成一种量子统计效应,那么就可行了。

这相当于:对称项+反对称项=牛顿-庞加莱统计+ Maxwell-Boltzmann统计。这样,大气的传热机制就与黑子中的磁流管传热机制有异曲同工之妙。关键在于,要将大气粒子之间的碰撞看成是一种统计效应,未必需要它们之间真的碰撞,只要满足反对称性就可以了,现在由于有长程的引力相互作用可以引起它们的虚碰撞,这类似于费米液体中的零声。
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 楼主| henryharry2 发表于 2012-11-9 10:18:21 | 显示全部楼层

日冕物质抛射

 
temp.JPG
从左至右,是持续两小时的系列图像,展示太阳上巨大的日冕物质抛射的爆发。几十亿吨的荷电气体抛射到太阳系空间。这次日冕物质抛射事件没有直接冲向地球。
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