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弗里德曼
本詞條是多義詞，共6個義項(xiàng)
美國核物理學(xué)家
獲諾貝爾物理學(xué)獎
弗里德曼·肯德爾（Jerome I. Friedman，1930~）1990年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者（與理查德·泰勒（Richard E. Taylor，1929~）、亨利·肯德爾（Henry W. Kendall，1926~）分享，憑借對“核子的深度非彈性散射的研究”）。
基本信息
| 外文名 | Jerome I. Friedman |
| 別名 | 弗里德曼·肯德爾 |
| 出生日期 | 1930年 |
| 國籍 | 美國 |
| 中文名 | 弗里德曼 |
職業(yè)信息
| 職業(yè) | 核物理學(xué)家 |
| 主要成就 | 諾貝爾物理學(xué)獎獲得者 |
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個人檔案
弗里德曼·肯德爾
學(xué)歷：1950年，入芝加哥大學(xué)
1953年，取得碩士學(xué)位
1956年，取得博士學(xué)位，指導(dǎo)教師費(fèi)米
經(jīng)歷：1957年，任斯坦福大學(xué)高能物理實(shí)驗(yàn)室副研究員
1980年，弗里德曼擔(dān)任麻省理工學(xué)院核科學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任
1983年—1988年，任麻省理工學(xué)院物理系主任。
在美國超級對撞機(jī)下馬之前，他負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)與之配套的探測器。
相關(guān)學(xué)說
弗里德曼。肯德爾和理查德·泰勒有關(guān)電子與質(zhì)子和束縛中子的深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)，是在美國斯坦福大學(xué)直線加速器中心（SLAC）進(jìn)行的。在建設(shè)SLAC時(shí)，泰勒負(fù)責(zé)磁鐵和譜儀的安裝，后來成了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的總負(fù)責(zé)人；弗里德曼和肯德爾為譜儀研制了粒子探測器，后來負(fù)責(zé)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并在1972年代表實(shí)驗(yàn)小組全體成員作了總結(jié)報(bào)告。
1967年，大型電子直線加速器建成并達(dá)到設(shè)計(jì)能量，作為試運(yùn)行開始了一系列電子-質(zhì)子散射實(shí)驗(yàn)，包括電子-質(zhì)子彈性散射實(shí)驗(yàn)、正電子-質(zhì)子彈性散射實(shí)驗(yàn)和電子-質(zhì)子非彈性散射實(shí)驗(yàn)。但是，這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果只是證實(shí)了已有的結(jié)論。當(dāng)入射電子能量進(jìn)一步加大時(shí)，就進(jìn)入了從未有人探索過的深度非彈性散射區(qū)域。這時(shí)，電子的能量是如此之高，以至于可以深入到質(zhì)子內(nèi)部，甚至將質(zhì)子打碎。由于質(zhì)子分裂成碎片要吸收更多的能量，散射電子的能量應(yīng)當(dāng)比平常低的多。然而，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電子-質(zhì)子深度非彈性散射的大角度散射截面比彈性散射的大得多。起初，他們認(rèn)為，是實(shí)驗(yàn)結(jié)果不正確，或者是解釋有錯誤，還可能是因?yàn)槌霈F(xiàn)了系統(tǒng)誤差，誤差的來源也許是所謂的“輻射修正”，即入射電子或散射電子以光的形式輻射掉了相當(dāng)大的能量。于是，他們對輻射修正作了仔細(xì)研究。結(jié)果證明，輻射修正并不重要。他們把電子-質(zhì)子深度非彈性散射和電子-質(zhì)子彈性散射以及電子-電子彈性散射分別進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)隨著散射角增大電子-質(zhì)子彈性散射截面急劇下降，而深度非彈性散射截面與電子-電子彈性散射截面之比卻變化不大。這一事實(shí)表明，電子以極大的能量深入到質(zhì)子內(nèi)部時(shí)，遭遇到的不是“軟”的質(zhì)子靶，而是和電子類似的點(diǎn)狀“硬”核。
當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們并沒有領(lǐng)悟到這一點(diǎn)。SLAC理論組的成員布約肯(J. D. Bjorken)運(yùn)用流代數(shù)求和規(guī)則對實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了分析，并提出標(biāo)度無關(guān)性對實(shí)驗(yàn)結(jié)果作了解釋。但是，由于流代數(shù)是很抽象的數(shù)學(xué)方法，他的工作一直未能得到人們的理解。后來，費(fèi)恩曼把質(zhì)子看成是點(diǎn)狀部分子的復(fù)合體，把電子-質(zhì)子深度非彈性散射看成是電子與質(zhì)子內(nèi)的部分子發(fā)生彈性散射。經(jīng)過計(jì)算，證明布約肯的標(biāo)度無關(guān)變量正是部分子動量與質(zhì)子動量之比。
費(fèi)恩曼從深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)和標(biāo)度無關(guān)性找到了部分子模型的重要證據(jù)。人們很快明白，部分子和夸克原來是一回事。另外，電子-質(zhì)子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)還表明，蓋爾曼在1962年提出的電中性粒子“膠子”有可能存在。
1971年，韋斯柯夫(V. F. Weisskopf)和庫提(N. Kurti)提出，正是這種“膠子”在夸克間傳遞強(qiáng)相互作用才使夸克組成強(qiáng)子。接著，1973年創(chuàng)立了量子電動力學(xué)；1979年丁肇中小組首先找到了支持膠子存在的證據(jù)。顯見，電子-質(zhì)子深度非彈性散射實(shí)驗(yàn)引起了粒子物理學(xué)的一系列新進(jìn)展，使粒子物理學(xué)進(jìn)入了“夸克-膠子”時(shí)代。
弗利德曼對于宇宙作了兩個非常簡單的假定：我們不論往哪個方向看，也不論在任何地方進(jìn)行觀察，宇宙看起來都是一樣的。弗利德曼指出，僅僅從這兩個觀念出發(fā)，我們就應(yīng)該預(yù)料宇宙不是靜態(tài)的。事實(shí)上，弗利德曼在1922年所做的預(yù)言，正是幾年之后埃得溫·哈勃所觀察到的結(jié)果。
雖然弗利德曼只找到一個模型，其實(shí)滿足他的兩個基本假設(shè)的共有三種模型。在第一種模型（即弗利德曼找到的）中，宇宙膨脹得足夠慢，以至于在不同星系之間的引力使膨脹變慢下來，并最終使之停止。然后星系開始相互靠近，宇宙開始收縮。圖3.2表示
隨時(shí)間增加兩個鄰近的星系的距離的變化。剛開始時(shí)距離為零，接著它增長到最大值，然后又減小到零；在第二類解中，宇宙膨脹得如此之快，以至于引力雖然能使之緩慢一些，卻永遠(yuǎn)不能使之停止。圖3.3表示此模型中的鄰近星系的距離隨時(shí)間的變化。剛開始時(shí)距離為零，最后星系以穩(wěn)恒的速度相互離開；最后，還有第三類解，宇宙的膨脹快到足以剛好避免坍縮。正如圖3.4所示，星系的距離從零開始，然后永遠(yuǎn)增大。然而，雖然
星系分開的速度永遠(yuǎn)不會變?yōu)榱悖@速度卻越變越慢。
第一類弗利德曼模型的奇異特點(diǎn)是，宇宙在空間上不是無限的，并且是沒有邊界的。引力是如此之強(qiáng)，以至于空間被折彎而又繞回到自身，使之相當(dāng)像地球的表面。如果一個人在地球的表面上沿著一定的方向不停地旅行，他將永遠(yuǎn)不會遇到一個不可超越的障礙或從邊緣掉下去，而是最終走到他出發(fā)的那一點(diǎn)。第一類弗利德曼模型中的空間正與此非常相像，只不過地球表面是二維的，而它是三維的罷了。第四維時(shí)間的范圍也是有限的，然而它像一根有兩個端點(diǎn)或邊界即開端和終端的線。以后我們會看到，當(dāng)人們將廣義相對論和量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理結(jié)合在一起時(shí)，就可能使空間和時(shí)間都成為有限的、但卻沒有任何邊緣或邊界。
一個人繞宇宙一周最終可回到出發(fā)點(diǎn)的思想是科學(xué)幻想的好題材，但實(shí)際上它并沒有多大意義。因?yàn)榭梢灾赋觯粋€人還沒來得及繞回一圈，宇宙已經(jīng)坍縮到了零尺度。
你必須旅行得比光波還快，才能在宇宙終結(jié)之前繞回到你的出發(fā)點(diǎn)——而這是不允許的！在第一類弗利德曼模型中，宇宙膨脹后又坍縮，空間如同地球表面那樣，彎曲后又折回到自己。在第二類永遠(yuǎn)膨脹的模型中，空間以另外的方式彎曲，如同一個馬鞍面。
所以，在這種情形下空間是無限的。最后，在第三類剛好以臨界速率膨脹的弗利德曼模型中，空間是平坦的（所以也是無限的）。
但是究竟可用何種弗利德曼模型來描述我們的宇宙呢？宇宙最終會停止膨脹并開始收縮或?qū)⒂肋h(yuǎn)膨脹嗎？要回答這個問題，我們必須知道現(xiàn)在的宇宙膨脹速度和它現(xiàn)在的平均密度。如果密度比一個由膨脹率決定的某臨界值還小，則引力太弱不足于將膨脹停住；如果密度比這臨界值大，則引力會在未來的某一時(shí)刻將膨脹停止并使宇宙坍縮。
利用多普勒效應(yīng)，可由測量星系離開我們的速度來確定現(xiàn)在的宇宙膨脹速度。這可以非常精確地實(shí)現(xiàn)。然而，因?yàn)槲覀儾皇侵苯拥販y量星系的距離，所以它們的距離知道得不是非常清楚。所有我們知道的是，宇宙在每10億年里膨脹5%至10%。然而，我們對現(xiàn)在宇宙的平均密度測量得更不準(zhǔn)。我們?nèi)绻麑y河系和其他所有能看到的星系的恒星的質(zhì)量加起來，甚至是按對膨脹率的最低的估值而言，其質(zhì)量總量比用以阻止膨脹的臨界值的1%還少。然而，在我們以及其他的星系里應(yīng)該有大量的“暗物質(zhì)”，那是我們不能直接看到的，但由于它的引力對星系中恒星軌道的影響，我們知道它必定存在。況且人們發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)星系是成團(tuán)的。類似地，由其對星系運(yùn)動的效應(yīng)，我們能推斷出還有更多的暗物質(zhì)存在于這些成團(tuán)的星系之間。將所有這些暗物質(zhì)加在一起，我們?nèi)灾荒塬@得必須用以停止膨脹的密度的十分之一。然而，我們不能排除這樣的可能性，可能還有我們未能探測到的其他的物質(zhì)形式幾乎均勻地分布于整個宇宙，它仍可以使得宇宙的平均密度達(dá)到停止膨脹所必要的臨界值。所以，現(xiàn)在的證據(jù)暗示，宇宙可能會無限地膨脹。
但是，所有我們能真正了解的是，既然它已經(jīng)膨脹了100億年，即便如果宇宙還要坍縮，則至少要再過這么久才有可能。這不應(yīng)使我們過度憂慮——到那時(shí)候。除非我們到太陽系以外開拓殖民地，人們早由于太陽的熄滅而死亡殆盡！
所有的弗利德曼解都具有一個特點(diǎn)，即在過去的某一時(shí)刻（約100到200億年之前）鄰近星系之間的距離為零。在這被我們稱之為大爆炸的那一時(shí)刻，宇宙的密度和空間——時(shí)間曲率都是無窮大。因?yàn)閿?shù)學(xué)不能處理無窮大的數(shù)，這表明廣義相對論（弗利德曼解以此為基礎(chǔ)）預(yù)言，在宇宙中存在一點(diǎn)，在該處理論自身失效。這正是數(shù)學(xué)中稱為奇點(diǎn)的一個例子。事實(shí)上，我們所有的科學(xué)理論都是基于空間——時(shí)間是光滑的和幾乎平坦的基礎(chǔ)上被表述的，所以它們在空間——時(shí)間曲率為無窮大的大爆炸奇點(diǎn)處失效。這表明，即使在大爆炸前存在事件，人們也不可能用之去確定之后所要發(fā)生的事件，因?yàn)榭深A(yù)見性在大爆炸處失效了。正是這樣，與之相應(yīng)的，如果我們只知道在大爆炸后發(fā)生的事件，我們也不能確定在這之前發(fā)生的事件。就我們而言，發(fā)生于大爆炸之前的事件不能有后果，所以并不構(gòu)成我們宇宙的科學(xué)模型的一部分。因此，我們應(yīng)將它們從我們模型中割除掉，并宣稱時(shí)間是從大爆炸開始的。
相關(guān)合集
歷屆諾貝爾物理學(xué)獎得主
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作者
