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弗里德曼
本詞條是多義詞，共6個(gè)義項
美國核物理學(xué)家
獲諾貝爾物理學(xué)獎
弗里德曼·肯德?tīng)枺↗erome 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?tīng)枺℉enry 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?tīng)?/div> |
| 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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弗里德曼·肯德?tīng)?/div>
出生：1930年3月28日出生于美國依利諾斯州的芝加哥，父母都是俄國移民學(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，指導教師費米
經(jīng)歷：1957年，任斯坦福大學(xué)高能物理實(shí)驗室副研究員
1980年，弗里德曼擔任麻省理工學(xué)院核科學(xué)實(shí)驗室主任
1983年—1988年，任麻省理工學(xué)院物理系主任。
在美國超級對撞機下馬之前，他負責設計與之配套的探測器。
相關(guān)學(xué)說(shuō)
弗里德曼。肯德?tīng)?/a>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，是在美國斯坦福大學(xué)直線(xiàn)加速器中心（SLAC）進(jìn)行的。在建設SLAC時(shí)，泰勒負責磁鐵和譜儀的安裝，后來(lái)成了實(shí)驗項目的總負責人；弗里德曼和肯德?tīng)枮樽V儀研制了粒子探測器，后來(lái)負責處理實(shí)驗數據，并在1972年代表實(shí)驗小組全體成員作了總結報告。
1967年，大型電子直線(xiàn)加速器建成并達到設計能量，作為試運行開(kāi)始了一系列電子-質(zhì)子散射實(shí)驗，包括電子-質(zhì)子彈性散射實(shí)驗、正電子-質(zhì)子彈性散射實(shí)驗和電子-質(zhì)子非彈性散射實(shí)驗。但是，這些實(shí)驗的結果只是證實(shí)了已有的結論。當入射電子能量進(jìn)一步加大時(shí)，就進(jìn)入了從未有人探索過(guò)的深度非彈性散射區域。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，散射電子的能量應當比平常低的多。然而，實(shí)驗發(fā)現電子-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，他們認為，是實(shí)驗結果不正確，或者是解釋有錯誤，還可能是因為出現了系統誤差，誤差的來(lái)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大的能量。于是，他們對輻射修正作了仔細研究。結果證明，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)現隨著(zhù)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)子內部時(shí)，遭遇到的不是“軟”的質(zhì)子靶，而是和電子類(lèi)似的點(diǎn)狀“硬”核。
當時(shí)實(shí)驗物理學(xué)家們并沒(méi)有領(lǐng)悟到這一點(diǎn)。SLAC理論組的成員布約肯(J. D. Bjorken)運用流代數求和規則對實(shí)驗結果作了分析，并提出標度無(wú)關(guān)性對實(shí)驗結果作了解釋。但是，由于流代數是很抽象的數學(xué)方法，他的工作一直未能得到人們的理解。后來(lái)，費恩曼把質(zhì)子看成是點(diǎn)狀部分子的復合體，把電子-質(zhì)子深度非彈性散射看成是電子與質(zhì)子內的部分子發(fā)生彈性散射。經(jīng)過(guò)計算，證明布約肯的標度無(wú)關(guān)變量正是部分子動(dòng)量與質(zhì)子動(dòng)量之比。
費恩曼從深度非彈性散射實(shí)驗和標度無(wú)關(guān)性找到了部分子模型的重要證據。人們很快明白，部分子和夸克原來(lái)是一回事。另外，電子-質(zhì)子深度非彈性散射實(shí)驗還表明，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”在夸克間傳遞強相互作用才使夸克組成強子。接著(zhù)，1973年創(chuàng )立了量子電動(dòng)力學(xué)；1979年丁肇中小組首先找到了支持膠子存在的證據。顯見(jiàn)，電子-質(zhì)子深度非彈性散射實(shí)驗引起了粒子物理學(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(gè)非常簡(jiǎn)單的假定：我們不論往哪個(gè)方向看，也不論在任何地方進(jìn)行觀(guān)察，宇宙看起來(lái)都是一樣的。弗利德曼指出，僅僅從這兩個(gè)觀(guān)念出發(fā)，我們就應該預料宇宙不是靜態(tài)的。事實(shí)上，弗利德曼在1922年所做的預言，正是幾年之后埃得溫·哈勃所觀(guān)察到的結果。
雖然弗利德曼只找到一個(gè)模型，其實(shí)滿(mǎn)足他的兩個(gè)基本假設的共有三種模型。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(lái)，并最終使之停止。然后星系開(kāi)始相互靠近，宇宙開(kāi)始收縮。圖3.2表示
隨時(shí)間增加兩個(gè)鄰近的星系的距離的變化。剛開(kāi)始時(shí)距離為零，接著(zhù)它增長(cháng)到最大值，然后又減小到零；在第二類(lèi)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(kāi)始時(shí)距離為零，最后星系以穩恒的速度相互離開(kāi)；最后，還有第三類(lèi)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(kāi)始，然后永遠增大。然而，雖然
星系分開(kāi)的速度永遠不會(huì )變?yōu)榱悖@速度卻越變越慢。
第一類(lèi)弗利德曼模型的奇異特點(diǎn)是，宇宙在空間上不是無(wú)限的，并且是沒(méi)有邊界的。引力是如此之強，以至于空間被折彎而又繞回到自身，使之相當像地球的表面。如果一個(gè)人在地球的表面上沿著(zhù)一定的方向不停地旅行，他將永遠不會(huì )遇到一個(gè)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(lèi)弗利德曼模型中的空間正與此非常相像，只不過(guò)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(gè)端點(diǎn)或邊界即開(kāi)端和終端的線(xiàn)。以后我們會(huì )看到，當人們將廣義相對論和量子力學(xué)的測不準原理結合在一起時(shí)，就可能使空間和時(shí)間都成為有限的、但卻沒(méi)有任何邊緣或邊界。
一個(gè)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(méi)有多大意義。因為可以指出，一個(gè)人還沒(méi)來(lái)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，才能在宇宙終結之前繞回到你的出發(fā)點(diǎn)——而這是不允許的！在第一類(lèi)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(lèi)永遠膨脹的模型中，空間以另外的方式彎曲，如同一個(gè)馬鞍面。
所以，在這種情形下空間是無(wú)限的。最后，在第三類(lèi)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(wú)限的）。
但是究竟可用何種弗利德曼模型來(lái)描述我們的宇宙呢？宇宙最終會(huì )停止膨脹并開(kāi)始收縮或將永遠膨脹嗎？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們必須知道現在的宇宙膨脹速度和它現在的平均密度。如果密度比一個(gè)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(huì )在未來(lái)的某一時(shí)刻將膨脹停止并使宇宙坍縮。
利用多普勒效應，可由測量星系離開(kāi)我們的速度來(lái)確定現在的宇宙膨脹速度。這可以非常精確地實(shí)現。然而，因為我們不是直接地測量星系的距離，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，我們對現在宇宙的平均密度測量得更不準。我們如果將銀河系和其他所有能看到的星系的恒星的質(zhì)量加起來(lái)，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，大多數星系是成團的。類(lèi)似地，由其對星系運動(dòng)的效應，我們能推斷出還有更多的暗物質(zhì)存在于這些成團的星系之間。將所有這些暗物質(zhì)加在一起，我們仍只能獲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(gè)宇宙，它仍可以使得宇宙的平均密度達到停止膨脹所必要的臨界值。所以，現在的證據暗示，宇宙可能會(huì )無(wú)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(guò)這么久才有可能。這不應使我們過(guò)度憂(yōu)慮——到那時(shí)候。除非我們到太陽(yáng)系以外開(kāi)拓殖民地，人們早由于太陽(yáng)的熄滅而死亡殆盡！
所有的弗利德曼解都具有一個(gè)特點(diǎn)，即在過(guò)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(chēng)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(wú)窮大。因為數學(xué)不能處理無(wú)窮大的數，這表明廣義相對論（弗利德曼解以此為基礎）預言，在宇宙中存在一點(diǎn)，在該處理論自身失效。這正是數學(xué)中稱(chēng)為奇點(diǎn)的一個(gè)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上被表述的，所以它們在空間——時(shí)間曲率為無(wú)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，因為可預見(jiàn)性在大爆炸處失效了。正是這樣，與之相應的，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，所以并不構成我們宇宙的科學(xué)模型的一部分。因此，我們應將它們從我們模型中割除掉，并宣稱(chēng)時(shí)間是從大爆炸開(kāi)始的。
相關(guān)合集
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