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皇 huang[冠注册“ce”平台(www.huangguan.us):从原【yuan】子弹到星空,一个方程的岁“sui”月变{bian}迁

admin2021-07-3042

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天下纷繁庞大,看似截然差其余事【shi】物背后,往往蕴含着相同的物理原理。

苏联物理学家关于康帕涅茨方程的故事,就是一个很好的佐证。

它从原子弹理论研究中降生

1949年8月29日,苏联首颗原子弹RDS-1,又名“第一道闪电”试验乐成。苏联成为天下上第二个拥有核武器的国家。

图 苏联第一颗原子弹RDS-1。

图源| “今日俄罗斯”电视台网站

继美国于1945年8月在广岛和『he』长崎投下核弹后,苏联需要迅速研制出自己的【de】原子弹,来与美国竞争。短短4年后,苏联的首枚原子弹就研制乐成。其中,物理学家们起到了要害的作用。

那时,苏联最优异的物理学家基本上都介入了国家的原子能设计,包罗:朗道(1962年诺贝尔物理学奖得主)、塔姆(1958年诺贝尔物理学奖得主(zhu)),以及和本文相关的康帕涅茨和泽尔多维奇等。

朗道(Landau)是上世纪最伟大的物理学家之一。在核武器研究时代,他在泽尔多维奇率领的小组事情。由于在理论和盘算方面作出了突出孝顺,朗道两次获得斯大林奖金,还在1954年被授予“社会主义劳动英雄”称谓。

图 诺贝尔物理学奖获得者朗道。

图源〖yuan〗|LANDAU The Physicist and the Man Recollections of L D. Landau

在那时,一个学生若是想拜朗道为师,首先要通过“朗道考试”。朗道生前,仅有43人乐成地通过考试成为他的学生。苏联理论物理学家康帕涅茨(Kompaneets),是第一个通过朗道考试的学生,是朗道学派的代表人物之一,也是那时非平衡统计物理的主要人物。

图 苏联理论物理学家康帕涅茨。

图源| wiley online library

在研究原子弹爆炸的物理历程中,康帕涅茨和导师朗道等人提出了一个方程。不外,他们最后发现这个方程在原子弹研制中并没有什么用处。1955年,该研究被解(jie)密。

随后,康帕涅茨和朗道讨论,也允许以 yi[把该方程用于天体物理中?事实证实,这个方程能很好地形貌康 kang[普顿硬 ying[化历程。研究于1957年公然揭晓,该方程也被后人称{cheng}为“康帕涅茨方程”。

这就是经典的康帕涅茨方程。它定量地形貌了在趋向热平衡的康普顿化历程中光子气频谱随时间的转变纪律,在宇宙学中有普遍的应用。

康帕涅茨方程的应用

若是想要明白康帕涅茨方程,我们需要先领会一些“康普顿散射”方面的基础知识。

光子和电子散射造成的辐射转移被称为“康普顿化”历程,是由美国物理学家康普顿在1923年发现的。通俗的康普顿散射是能量较高的光子撞击静止的电子,酿成能量较低的光子,光子在这个历程中损失能量,而电子增添能量,即“康普顿软化”。

逆康普顿散射与康普顿散射相反,是低能光子和高能电子的散射,光子从高能电子中获得部{bu}门能量,使光子的能量增大,波长减小。这样的散射历程也被称为“康普顿硬化”。

当辐射通过等离子体时会发生康普顿散射,既可能会发生康普顿硬化征象,也可能发生康普顿软化征象。在康普顿散射历程中,光子数是守恒的

好比,当宇宙微波靠山辐射(CMB)通过星系团时,由于星系团的电子气中的自由电子的能量可到达几个keV 至几十个keV,经常会发生逆康普顿散射。

图 CMB光子和电子相互作用。

图| 寇维

康帕涅茨方程能很好地形貌康普顿硬化历程。基于该方程的一个异常主要的应用,就是著名的苏尼亚耶夫-泽尔多〖duo〗维奇效应”(Sunyaev-Zeldovich效应,简称SZ效应)

泽尔多维奇(Zeldovich)是苏联著(zhu)名的物理学家、流“liu”体力学家、爆炸化学家。在氢弹试制乐成后,泽尔多维奇对核武器研制失去了兴趣,转移到天体物理的研究上来。也正是他曾经的核武器研究履历,辅助他提出了SZ效应。

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图 泽尔多维奇

图源| Taylor&Francis

行使康帕涅茨方程{cheng},1972年,泽尔多维奇和学「xue」生苏尼阿耶夫(Sunyaev),发现了CMB的后星系扰动起源,以为来自CMB的部门光子在途径星系团时,会与其中的因素相互作用,导致CMB的低能光子削减而高能光子增添。

SZ效应预言CMB的光子与星系团等天体中的高能电子发生逆康普顿散射{she},从而导致观察到的温度漫衍发生转变,这已经在某些星系团中被观察到。

图 阿塔卡玛大型毫米波天线阵(Atacama Large Millimeter Array)首次丈量了已知最大星系团RX J1347.5-1145的热SZ效应。

图源| ALMA

作为宇宙学的主要研究工具之一,SZ效应极大地促进了天体物理学和宇宙学的生长。它为人类探索早期宇宙提供了一枚主要的探针,能够辅助我们深入领会大尺度结构的性子、举行宇宙学参数的估量,以及研究宇宙中暗物质的位置,等等。好比,行使SZ效应可以盘算哈勃常数,使科学家们不仅可以估算宇宙的尺寸,还可以估“gu”量宇宙的岁数上限。

“老”方程迎来新时机『ji』

科学没有所谓的最终理论,总是在不停修正和生长中。

经典的康帕 pa[涅茨方程只适用于光子能量远小于热电子能量,且热电子能量远小于热电子质量的情形。

它能适用于康普顿硬化历程,好比红外望远镜或射电望远镜的探测研究,却在形貌X射线、伽玛射线和电子的散射(康普顿软化历程)时无能为力

与此同时,凭证经典方程获得的SZ效应适用局限也相对狭窄。当光子能量与热电子能量可以对比时,SZ效应是否还适用一直存在许多争议。

推广和生长康帕涅茨方程,势在必行!

曾有学者在1978年提出了一个改善的方程――“Ross-McCray方程”。然而,这个新方程存在一个显著的缺“que”陷:光子数随时间的演化不守恒!也就是说,Ross-McCray方程仍然不能准确地形貌康普顿软化历程。

为了获得能准确形貌康普顿软化的方程,1978年『nian』之后,海内外物理学家作了种种实验,都没有乐成。

直到近期,中科院近代物理研究所团队和上海交通大学团队互助,研究〖jiu〗辐射光子气穿过等离子体的辐射转移历程,乐成地推广了经典的康帕涅茨方程,获得了能够同时统一形貌康普顿硬化和软化的方程――新康帕涅茨方程

研究者(zhe)们提出了一种新的推《tui》导思绪:将康普顿散射前后的(de)电子动量转变量作为睁开小量,替换了光子频率转变量,并保留睁开式中 zhong[的高阶小量,使新的方程对细腻的能量转变更为敏感,在高能光子软化情形中亦保持准确。

数值盘 pan[算效果解释,新的方程在典型的硬化历程(如SZ效应)中与经典方程具有优越的一致【zhi】性,而对于软化情形(如高能黑体谱软化),新方程的演化效果则加倍有用。

因‘yin’此,新方程的适用局限更广:不只适用于原有的射电‘dian’探测器和红外探测器,还适用于现在普遍使用的X射线或伽玛射线探测器。

图 康普顿软化历程中光子能谱的演化。随着时间的演化,经典康帕涅(nie)茨方程和新方程的效果差异越来越大。

图源|Astronomy and Astrophysics

未来,新的康帕涅 nie[茨方程有望在X射线和伽马射线天文学中施展主要作用。随着经典方《fang》程的这一改善,与其慎密相关的SZ效应也需要作响应的修正。

展望

故事讲到这里,也许你会发现,物理纪律的普适性使得差异领域的研究也常有异曲同工之处。

六十多年后,从“原子弹”里降生的“老”方程,又迎来了新时机。我们期待新的方程能辅助我们继续‘xu’扩展和深化对宇宙和自然界的熟悉。说不定,随着科学的生长,它还会被继续改善,这个“老”方程的故事还将继续讲下去......

撰写:陈旭荣 刘芳

致谢:谢谢刘当波博士和许怒研究员在本文撰写历程中提供辅助。

参考文献:

1. I. M. KHALATNIKOV, LANDAU:The Physicist and the Man Recollections of L D. Landau,1989.

2. A.S. Kompaneets, The establishment of thermal equilibrium between quanta and electrons, Institute of Chemical Physics, Report No. 336 (1950), published in Sov. Phys. JETP 4 (1957) 730�C737.

3. Xurong Chen, et. al., Astronomy and Astrophysics 777, 77 (2021).

4. 俄媒:解密档案揭开苏联首枚核弹之谜, 2019,http://www.cankaoxiaoxi.com/mil/20191023/2393635.shtml

泉源:中科院近代物理所

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