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科學名詞解釋

暴脹宇宙(Inflationary cosmology)對標準的大爆炸宇宙學關於極早期圖景的修正,宇宙在極短時間內經歷巨大的膨脹。

閉弦(Closed string)形如線圈的一種弦。

波長(Wavelength)波相繼兩個峰或谷之間的距離。

波函數(Wave function)量子力學賴以建立的幾率波。

波粒二相性(Wave-particle duality)量子力學的基本特徵,說明物質表現出既像波又像粒子的性質。

玻色弦理論(Bosonic string theory)最早的一種弦理論,包含的振動模式都是玻色子。

玻色子(Boson)一種粒子或弦振動模式,自旋為整數,通常是力的信使粒子。

不確定性原理(Uncertainty principle)海森堡發現的一個量子力學原理,說明宇宙中存在著某些特徵,如位置和速度,不可能同時完全精確地認識。微觀世界的這種不確定性在我們考慮的距離和時間尺度越小時變得越顯著。由於量子不確定性,粒子和場在所有可能的數值間波動、漲落。這說明微觀世界是一片沸騰洶湧的量子漲落的汪洋。

纏繞模式(Winding mode)纏繞在捲縮空間維上的弦構形。

纏繞能量(Winding energy)纏繞在捲縮空間維上的弦所具有的能量。

纏繞數(Winding number)弦在捲縮空間維上的纏繞圈數。

場,力場(Field, Force field)從宏觀觀點看,力通過它來產生作用。由空間每一點的力的大小和方向的集合來表現。

超對稱標準模型(Supersymmetric standard model)包含超對稱性的粒子物理標準模型的推廣,使已知的基本粒子類型增多了一倍。

超對稱量子場論(Supersymmetric quantum field theory)融合了超對稱性的量子場論。

超對稱性(Supersymmetry)聯繫整數自旋(玻色子)與半整(奇)數自旋粒子(費米子)的一種對稱性原理。

超夥伴(Superpartners)由超對稱性聯繫的自旋相差1/2單位的兩個粒子。

超微觀(Ultramicroscopic)長度小於普朗克長度(從而時間小於普朗克時間)。

超弦理論(Superstring theory)融合了超對稱性的弦理論。

超引力(Supergravity)結合廣義相對論和超對稱性的一種點粒子理論。

蟲洞(Wormhole)連接宇宙不同區域的一個類似於管道的區域。

初始條件(Initiation condition)描寫物理系統初始狀態的數據。

大爆炸(Big bang)現在流行的一種宇宙理論,認為今天膨脹的宇宙來自約150億年前的一個高能量、高密度的壓縮狀態。

大收縮(Big crunch)一種假想的未來宇宙狀態,今天的膨脹將停止、反轉,然後所有空間和物質坍縮到一起;是大爆炸的逆過程。

大統一(Grand unification)把引力以外的所有力融合在一個框架下的一種理論模型。

單圈過程(One-loop process)微擾論計算中的一項,只包括一個虛弦對(在點粒子理論中即一個虛粒子對)。

倒數(Reciprocal)乘積為1的兩個數互為倒數。如3的倒數是1/3,2的倒數是1/2。

等效原理(Equivalence principle;Principle of equivalence)廣義相對論的核心原則,聲稱加速運動與在引力場中靜止(在足夠小的觀測區域內)是不可區分的。這是推廣了的相對性原理,一切觀測者,不論運動狀態如何,只要承認引力的存在,都可以說自己是靜止的。

第二次超弦革命(Second superstring revolution)約從1995年興起的一場弦理論發展運動,開始認識了一些理論的非微擾特徵。

電磁波(Electromagnetic wave)電磁場中的波擾動,所有這樣的波都以光速運動。例如,可見光、X射線、微波、紅外線等。

電磁場(Electromagnetic field)電磁力的作用場,由空間每一點的電力線和磁力線構成。

電磁輻射(Electromagnetic radiation)電磁波所攜帶的能量。

電磁規範對稱性(Electromagnetic gauge symmetry)量子電動力學的基本規範對稱性。

電子(Electron)帶負電荷的粒子,一般出現在原子核外的軌道上。

對稱破缺(Symmetry breaking)系統表現的對稱性的減少,通常與相變相關。

對稱性(Symmetry)物理系統不因某種變換而改變的性質。例如,球是旋轉對稱的,因為它不因旋轉而改變。

對偶,對偶性,對偶對稱性(Dual, Duality, Duality symmetry)表面上完全不同的兩個或多個理論能得出完全相同的物理結果,它們就是對偶的。

多孔麵包圈,多柄圈(Multi-doughnut, Multi-handled doughnut)麵包圈(環)的推廣,有多個孔或柄。

多維孔洞(Multidimensional hole)麵包圈在高維情形的推廣。

多重宇宙(Multiverse)假想的擴大的宇宙,我們的宇宙不過是無數獨立的不同宇宙中的一個。

2維球面(Two-dimensional sphere)見球面。

翻轉變換(Flop transition)空間卡-丘形態的演化形式。結構在演化中破裂,然後自我修復,而產生的結果在弦理論背景下則是溫和的、可以接受的。

反粒子(Antiparticle)反物質的粒子。

反物質(Antimatter)與尋常物質有相同的引力性質,但有相反的電荷和相反的核力荷。

非微擾的(Nonperturbative)有效性獨立於近似的、微擾的計算的理論所具有的特徵;是理論的一種精確特性。

費曼路徑求和(Feynman sum-over-paths)一種量子力學思維形式,假想粒子從一點運動到另一點要經過兩點間所有可能的路徑。

費米子(Fermion)一種粒子或弦振動模式,具有半奇數的自旋,一般為物質粒子。

輻射(Radiation)波或粒子攜帶的能量。

干涉模式(Interference pattern)來自不同位置的波因為相互疊加而形成的波動圖樣。

高維超引力(High-dimensional supergravity)高於4維的超引力理論。

共振(Resonance)物理系統振動的一種自然狀態。

觀測者(Observer)理想化的(通常是假想的)測量相關物理性質的人或儀器。

光電效應(Photoelectric effect)電子在光照下從金屬表面逸出的現象。

光滑,光滑空間(Smooth, Smooth space)空間結構平直或微弱彎曲的特殊區域,沒有褶皺、破裂或任何類型的裂痕。

光子(Photon)電磁力場的最小單元,電磁力的信使粒子,最小的一束光。

光子鍾(Light clock)通過記數一個光子在兩個鏡面間往返的次數來測量時間流逝的一種假想時鐘。

廣義相對論(General relativity)愛因斯坦建立的引力理論,證明了空間和時間通過它們的彎曲傳遞引力。

規範對稱(Gauge symmetry)引力以外的3種力的量子力學圖景所依據的對稱性原理。它包括物理系統在電荷、位置(空間)和時間改變下的一些不變性。

核(Nucleus)原子的中心,由質子和中子組成。

荷(Charge)見力荷。

黑洞(Black hole)理論預言的天體的最後歸宿,巨大的引力場將一切事物(包括光)緊緊捕獲在一個極小的空間裡(由它的事件視界所包圍的空間)。

黑洞熵(Black-hole entropy)黑洞內部所表現的熵。

宏觀(Macroscopic)指尋常經歷的典型的較大尺度,與微觀相對。

環(Torus)麵包圈的2維表面。

積(Product)兩個數相乘的結果。

極端黑洞(Extremal black hole)具有一定質量下的最大可能力荷的黑洞。

加速度(Acceleration)物體速度大小或方向的改變量,參見速度。

膠子(Gluon)強力場的最小作用單元,強力的信使粒子。

鏡像對稱性(Mirror symmetry)弦理論背景下的一種對稱性,互為鏡像的兩個卡-丘空間,在選擇為弦理論的捲縮維的幾何形式時,將生成相同的物理。

捲縮維(Curled-up dimension)沒有大的可觀測延展的空間維;擠壓、捲曲在微小的空間區域,因而不能直接探測。

絕對零度(Absolute zero)自然界可能出現的最低溫度,開爾文(Kelvin)溫標的零度(0K),或約-273攝氏度(-273℃)。

均勻振動(Uniform vibration)弦的整體運動,沒有任何形變。

卡拉比-丘(成桐)空間,卡拉比-丘(成桐)形態(Kalabi-Yau space, Kalabi-Yau shape)弦理論要求的多餘空間維所能捲縮形成的空間(形態),與理論的方程相應。

卡魯扎-克萊茵理論(Kaluza-Klein theory)將多餘捲縮維與量子力學結合在一起的一種理論。

開爾文(Kelvin)以絕對零度為基準的一種熱力學溫標。

開弦(Open string)弦的一種,有兩個自由端。

克萊茵-戈登方程(Kline-Golden equation)相對論量子場論的一個基本方程。

夸克(Quark)受強力作用的粒子,有6種類型(上、下、粲、奇、頂、底)和3種「顏色」(紅、綠、藍)。

快子(Tachyon)質量(平方)為負的粒子,它在理論中的出現通常會帶來矛盾。

拉普拉斯決定論(Laplacian determinism)宇宙像時鐘那樣運行,某一時刻宇宙的完整信息能夠決定它在未來和過去任意時刻的狀態。

黎曼幾何(Riemann geometry)描寫任意維彎曲形態的數學框架,在愛因斯坦廣義相對論的時空描述中起著關鍵作用。

力荷(Force charge)粒子具有的對某種力的作用產生一定響應的性質。例如,粒子的電荷決定了它對電磁力的反應。

粒子加速器(Particle accelerator)使粒子產生近光速度並將其擠壓在一起以探測物質結構的機器。

粒子物理學標準模型(Standard model of particle physics)關於引力外的3種力及其與物質相互作用的高度成功的理論。是量子色動力學與弱電理論的強有力統一。

粒子族(Families)物質粒子有組織地分成3組,每一組被稱為一組。每一組粒子帶有相同的電荷和核力荷,但後一組的粒子有更大的質量。

量子(Quanta)根據量子力學,物質可以分解成的最小物理單元。例如,光子是電磁場的量子。

量子場論(Quantum field theory)見相對論量子場論。

量子電動力學(Quantum electrodynamics, QED)融合了狹義相對論的電磁力和電子的相對論量子場論。

量子幾何(Quantum geometry)為了描寫量子效應顯著的超微觀尺度下的空間的物理而對黎曼幾何進行的修正。

量子決定論(Quantum determinism)量子力學的一個性質。一個系統在某一時刻的量子態完全決定了它在過去和未來任意時刻的量子態。然而量子態的知識只能決定它在未來某個時刻實際發生的幾率。

量子力學(Quantum mechanics)主宰宇宙的一個理論框架,有許多陌生的基本特徵,如不確定性、量子漲落、波粒二相性等,在原子和亞原子的微觀尺度上將變得極為顯著。

量子泡沫(Quantum foam)見時空泡沫。

量子弱電理論(Quantum electroweak theory)見弱電理論。

量子色動力學(Quantum chromodynamics, QCD)融合了狹義相對論的強力和夸克的相對論量子場論。

量子隧道(Quantum tunneling)量子力學的一個特徵,指物體可以通過在牛頓經典物理定律看來不可能通過的勢壘。

量子引力(Quantum gravity)能成功融合(可能有一定修正)量子力學和廣義相對論的一個理論。弦理論是這種理論的一個例子。

量子幽閉(Quantum claustrophobia)見量子漲落。

量子漲落(Quantum fluctuation)系統在微觀尺度上由於不確定性原理而出現的湍流行為。

零維球面(Zero-dimensional sphere)見球面。

洛倫茲收縮(Lorentz contraction)狹義相對論表現的一個特徵:運動物體在運動方向上顯得縮短了。

麥克斯韋理論,麥克斯韋電磁理論(Maxwell theory, Maxwell electromagnetic theory)麥克斯韋19世紀80年代在電磁場概念基礎上提出的統一電與磁的理論,證明了可見光是電磁波的一種。

膜(Brane)弦理論中出現的任何延展體。1-膜是弦,2-膜即通常的膜,3-膜有3個延展方向(維),等等。一般地說,p-膜有p個空間維。

牛頓萬有引力理論(Newton's universal theory of gravity)一種引力理論,宣稱兩個物體間的相互吸引力正比於物體質量的乘積,反比於物體間距離的平方;後來被愛因斯坦的廣義相對論所取代。

牛頓運動定律(Newton's laws of motion)以絕對的不可變易的空間和時間概念為基礎的描寫物體運動的定律;在愛因斯坦發現狹義相對論之前,這些定律是不可動搖的。

耦合常數(Coupling constant)見弦耦合常數。

頻率(Frequency)波在每一秒鐘所完成的波動循環數。

平直性(Flat)歐幾里得幾何應服從的法則。例如完全光滑的桌面以及它的高維推廣。

普朗克長度(Planck length)約10-33厘米。在小於它的尺度下,時空結構的量子漲落開始變得劇烈。弦理論中一根弦的典型大小。

普朗克常數(Planck constant)記作h,量子力學的基本常數。它決定著能量、質量、自旋等物理量的離散單位的大小,微觀世界即照那些單位分離。它的值為6.62×10-34焦·秒。

普朗克能量(Planck energy)約1000千瓦時;探測普朗克長度下的距離所必需的能量。弦理論中一根振動弦的典型能量。

普朗克時間(Planck time)約10-43秒。這時的宇宙大小約為普朗克長度;更準確地說,它是光經過普朗克長度的時間。

普朗克張力(Planck tension)約1039噸。弦理論的典型張力。

普朗克質量(Planck mass)約質子質量的1000億億倍,10-5克;大約一粒灰塵的質量。弦理論中一根振動弦的典型等價質量。

奇點(Singularity)時空的空間幾何徹底破碎的地方。

強力,強核力(Strong force, Strong nuclear force)4種基本力中最強的,主要作用是把夸克束縛在質子和中子裡,並把質子和中子束縛在原子核中。

強力對稱性(Strong force symmetry)作為強力基礎的一種規範對稱性,與物理系統在夸克顏色轉移下的不變性相關。

強耦合(Strong coupled)弦耦合常數大於1的理論。

球面(Sphere)球體的外表面。我們熟悉的3維球體的表面是2維的(可以用兩個數來表徵,如地球表面的「經度」和「緯度」)。不過,球面概念還更一般地用於任何維的球體和球面。1維球面是圓周的更富想像的名字;0維球面是兩個點(解釋見正文)。3維球面則很難畫出來,它是4維球體的表面。

曲率(Curvature)物體、空間或時空形態偏離平直形態,從而也偏離歐幾里得幾何法則的程度。

熱力學(Thermodynamics)19世紀發展起來的理論,描寫物理系統的熱、功、能、熵及其相互演化。

熱力學第二定律(Second law of thermodynamics)關於總熵永遠增大的定律。

人存原理(Anthropic principle)關於宇宙為什麼具有我們觀測的性質的一種解釋原則,假如宇宙不是那樣,就可能不會形成生命,從而也就不會有我們來觀測那些變化。

弱電理論(Electroweak theory)在一個統一框架下描寫弱力和電磁力的相對論量子場論。

弱規範玻色子(Weak gauge boson)弱力場的最小單元,弱力的信使粒子,叫W或Z玻色子。

弱力,弱核力(Weak force, Weak nuclear force)4種基本力之一,最有名的表現是輻射衰變中的力。

弱耦合(Weak coupled)弦耦合常數小於1的理論。

3維球面(Three-dimensional sphere)見球面。

熵(Entropy)物理系統無序的量度;由在不改變系統外在表現的條件下重新安排系統組成的方式數來決定。

11維超引力(Eleven-dimensional supergravity)一個很有希望的高維超引力理論,在20世紀70年代發展,後來被忽略,最近被證明為弦理論一個重要部分。

時間膨脹(Time dilation)狹義相對論中的現象,在運動觀測者看來,時間流變慢了。

時空(Spacetime)最先出現在狹義相對論的空間和時間的統一體,可以看作宇宙賴以形成的一種「結構」,為宇宙事件的發生提供了動力學的舞台。

時空泡沫(Spacetime foam)根據傳統的點粒子觀點,超微觀尺度的時空結構所表現的扭曲、混亂特徵。弦理論出現以前,這是量子力學與廣義相對論互不相容的一個根本原因。

時空破裂翻轉變換(Space-tearing flop transition)見翻轉變換。

史瓦西解(Schwarzschild solution)廣義相對論方程關於球狀物質分佈的解,這個解的一個結果是可能存在黑洞。

世界葉(World-sheet)弦運動掃過的2維曲面。

視界問題(Horizon problem)與下面事實相關的一個宇宙學難題:宇宙中分隔遙遠的區域具有幾乎完全相同的性質,如溫度。暴脹宇宙模型提供了一個答案。

手征的,手征性(Chiral, Chirality)基本粒子物理學區別左和右的特徵,說明宇宙不完全是左右對稱的。

速度(Velocity)物體運動矢量,包括運動方向和速率。

統一理論,統一場論(Unified theory, Unified field theory)在一個包羅一切的框架下描寫一切力和物質的理論。

拓撲(Topology)幾何形態的分類性質,同一類型的不同形態可以不經過任何結構破壞而相互變換。

拓撲差異(Topologically distinct)兩種形態如果不經過某種形式的結構破壞不可能從一個變形為另一個。

拓撲改變變換(Topology-changing transition)發生結構破壞的空間演化,從而成為不同拓撲的空間。

微擾方法(Perturbative approach, Perturbative method)見微擾論。

微擾論(Perturbative theory)一種簡化問題的方法,先尋找一個近似解,然後將原來忽略的、未系統考慮的細節包括進來。

維(Dimension)空間或時空的一個獨立方向或坐標軸。我們周圍的空間有3個維(上下、前後、左右),而我們熟悉的時空有4個維(前面的3個空間軸和1個時間軸)。超弦理論要求宇宙有更多的空間維。

無窮大(Infinities)在點粒子框架下的廣義相對論和量子力學計算中出現的一類典型的無意義結果。

無質量黑洞(Massless black hole)弦理論中的一類特殊黑洞,它原來可能有巨大質量,但隨著空間卡-丘部分的收縮而變得越來越輕,當卡-丘空間收縮到一個點時,它的質量也完全消失了,成為無質量的。在這種狀態,它不再表現通常的黑洞性質,如事件視界。

狹義相對論(Special relativity)愛因斯坦關於在無引力作用時的空間和時間定律。(參見廣義相對論。)

弦(String)基本的1維物體,是弦理論的物質基元。

弦理論(String theory)一個統一理論,提出自然的基本組成不是0維的點粒子,而是1維的被稱為弦的小細絲。弦理論和諧地統一了量子力學和廣義相對論這兩個已知的然而互不相容的關於「小」和「大」的理論體系。通常是超弦理論的簡稱。

弦模式(String mode)弦可能表現的形式(如振動模式,纏繞形式等)。

弦耦合常數(String coupling constant)一個(正)數,決定著一根弦如何分裂為兩根,或者兩根弦如何結合成一根——弦理論的基本過程。每個弦理論都有自己的耦合常數,其值可以由方程來決定;不過,我們現在的方程還不足以得出任何有用的信息。耦合常數小於1意味著微擾論是有效的。

相(Phase)用於物質時,指它可能的狀態:固相、液相和氣相。更一般地說,指一個物理系統在所依賴的某個性質(溫度,弦耦合常數值,時空形式等)發生改變時所可能表現的圖像。

相變(Phase transition)物理系統從一個相到另一個相的轉變。

相對論量子場論(Relativistic quantum field theory)融合了狹義相對論的關於場(如電磁場)的量子力學理論。

相對性原理(Principle of relativity)狹義相對論的中心原理,聲稱所有勻速運動的觀測者都遵從相同的物理學定律,因每一個勻速運動的觀測者都可以說自己是靜止的。這個原理被推廣為等效原理。

信使粒子(Messenger particle)力場的最小作用單位,力的微觀攜帶者。

虛粒子(Virtual particles)從真空瞬時生成的粒子,根據不確定性原理,依靠借能量而存在,然後在瞬間湮滅,從而還回能量。

薛定諤方程(Schrodinger equation)量子力學中決定幾率波演化的方程。

延展維(Extended dimension)大的能直接顯現的空間(和時空)維,是我們熟悉的維,與捲縮維相對。

引力(Gravitational force)自然界4種相互作用中最弱的那一種,曾經用牛頓的萬有引力定律來描寫,後來用愛因斯坦的廣義相對論來描寫。

引力子(Graviton)引力場的最小作用單元,引力相互作用的信使粒子。

宇宙微波背景輻射(Cosmic microwave background radiation)在大爆炸產生的隨著宇宙膨脹而稀薄、冷卻的充滿宇宙的微波輻射。

宇宙學常數(Cosmological constant)愛因斯坦為了滿足靜態宇宙而添加在他原來的廣義相對論方程裡的一個修正常數,可以解釋為真空的常數能量密度。

宇宙學的標準模型(Standard model of cosmology)大爆炸理論加上總結在粒子物理學標準模型的關於引力外的3種力的認識。

原初核合成(Primordial nucleosynthesis)發生在大爆炸後最初3分鐘時的原子核生成。

原子(Atom)物質的基本構成要素,由原子核(包括質子和中子)和核外的一群繞核旋轉的電子構成。

雜化E弦理論(Heterotic-E string theory)即雜化E8×E8弦理論,5種超弦理論之一,其中的閉弦的右向振動與Ⅱ型弦的相同,而左向振動涉及玻色弦。與雜化O弦理論有重要而微妙的區別。

雜化O弦理論(Heterotic-O string theory)即雜化O(32)弦理論,5種超弦理論之一,其中的閉弦的右向振動與Ⅱ型弦的相同,而左向振動涉及玻色弦。與雜化E弦理論有重要而微妙的區別。

振動模式(Oscillatory pattern, Vibrational mode, Vibrational pattern)弦振動時準確的峰、谷數和振幅大小。

振動數(Vibrational number)描寫弦的均勻振動的能量的數;這個整體運動的能量不同於與形變相關的能量。

振幅(Amplitude)波峰的最大高度或波谷的最大深度。

質子(Proton)帶正電荷的粒子,一般存在於原子核,由3個夸克組成(2個上夸克和1個下夸克)。

中微子(Neutrino)電中性粒子,只服從弱作用。

中子(Neutron)電中性粒子,通常出現在原子核中,由3個夸克組成(2個下夸克,1個上夸克)。

錐形變換(Conifold transition)空間的卡-丘部分的一種演化形式,其結構先發生破裂,然後自我修復,但產生的物理結果在弦理論背景下是溫和的、可以接受的。這裡出現的破裂比翻轉變換的更嚴重。

自旋(Spin)我們所熟悉的同一名稱的量子力學形式。粒子有一定量的內稟自旋,要麼是整數,要麼是半整數(以普朗克常數為單位),永不改變。

Ⅰ型弦理論(Type I string theory)5種超弦理論的一種,包括開弦和閉弦。

2-膜(Two-brane)見膜。

ⅡA型弦理論(TypeⅡA string theory)5種超弦理論中的一種,包括具有左右對稱振動模式的閉弦。

ⅡB型弦理論(TypeⅡB string theory)5種超弦理論中的一種,包括具有左右對稱振動模式的閉弦。

3-膜(Three-brane)見膜。

ATB「大爆炸之後」(「After The Bang」)的縮寫,通常用來表示自大爆炸以來的時間。

BPS態(BPS states)超對稱理論中的物質構成,其性質可以通過以對稱性為基礎的論證完全決定。

M理論(M-theory)第二次超弦革命出現的理論,將以前的5個超弦理論統一在一個宏大框架內。M理論似乎是一個包含著11個時空維的理論,還有很多方面有待認識。

T. O.E.(包羅萬象的理論,Theory of Everything)囊括所有力和物質的量子力學理論。

W玻色子(W boson)見弱規範玻色子。

Z玻色子(Z boson)見弱規範玻色子。