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2020年 32卷 5期 刊出日期 2020-10-18 启航，探索极端宇宙专题 物理知识 物理前沿 科技经纬 中学园地 科学源流 启航，探索极端宇宙专题 3 探索高能X射线天空的慧眼卫星 Hot! 屈进禄 由于地球大气的吸收，对天体的X射线观测只能在地球大气之上进行。慧眼就是我国发射的第一颗探索X射线天空的硬X射线调制天文望远镜卫星（以下简称慧眼卫星），它于2017年6月15日成功发射。慧眼卫星具有能带宽（1~250千电子伏特，keV）、时间分辨率高、死时间小以及几乎没有光子堆积效应的特点。使用慧眼卫星，可以获得高质量的观测数据，从而帮助人们深入的研究X射线源中的物理过程①②。 2020 Vol. 32 (5): 3-9 [摘要] ( 694 ) [HTML 1KB] [PDF 12501KB] ( 449 ) 10 惊鸿一瞥：宇宙中那些短暂而剧烈的电磁爆发现象 俞云伟 当我们仰望夜空，除了星光由于地球大气的扰动而闪烁和在极幸运的情况下看到几道流星划过天际外，映入我们眼帘的星空总是那么静谧、悠远而难以察觉其变化。是的，相比于恒星和宇宙长达百万年至百亿年的漫长演变，人类的一生哪怕是整个人类的历史都显得那么的短暂，短暂到时间似乎都已经凝固。然而，在另外一个极端，当我们使用一些反应极为迅速和灵敏的，能够在分、秒、毫秒乃至微秒时间尺度上分辨图像差异的望远镜去观察天空的时候，我们却又将看到一个截然不同的宇宙，从中发现大量稍纵即逝的瞬间辐射现象，它们可能出现在从无线电波到伽马射线的各个电磁波段。如果将天空中的这些暂现源收集在一起按照时间序列做成一个动画的话，我们就将看到一个此起彼伏、波澜壮阔的生动场景，充分展现出变化方为宇宙之真谛。 2020 Vol. 32 (5): 10-16 [摘要] ( 548 ) [HTML 1KB] [PDF 9538KB] ( 394 ) 17 GECAM卫星有效载荷里的硬核技术 李新乔 几亿光年以外，两颗走到生命尽头的巨大恒星完成了它们生命力最为灿烂的辉煌——超新星爆发之后，变成了两颗中子星。中子星？是什么？它是宇宙当中一类致密天体，致密？有多密？这么说吧，它的密度比孙悟空的金箍棒变成绣花针大小的时候还大！——每立方厘米的中子星的质量有十亿吨！也就是说，质量比太阳大一倍的中子星，它的直径只有十几千米。 2020 Vol. 32 (5): 17-22 [摘要] ( 507 ) [HTML 1KB] [PDF 7334KB] ( 311 ) 23 打造星地间高速信息通道，精准捕捉稍纵即逝的宇宙闪光——GECAM卫星科学应用系统的建设使命 郑世界 2017年，人类迎来了天文学上的一场盛宴。8月17日，美国激光干涉引力波天文台（LIGO）和欧洲的引力波天文台（Virgo）宣布探测到了双中子星并合后产生的引力波事件（GW170817）。其后，美国国家航空航天局（NASA）的费米卫星探测到了一例在引力波发生后1.7秒后出现的短伽马射线暴GRB170817A，其空间位置与地面引力波事件一致，猜测这两个事件可能来自同一个起源。对这两个时间的定位区间进行联合分析，将引力波事件限制在了更小的目标天区。接下来地面和空间大量的望远镜“火力全开”，对这个天区进行了全面搜寻，分别从伽马射线、X射线、紫外、光学、红外一直到射电波段都探测到了这个从1.3亿光年外发出的信号，从而确认了发生引力波事件的电磁对应体①。与2015年人类首次探测的引力波事件相比，这次我们得以“看到”发生引力波的天体并合过程，也标志着引力波天文学的新纪元②。从这次事件中也可以看出，为了抓住宇宙中这些稍纵即逝的信号，需要天地间的多个设备间紧密合作，并且能够把发现的信号及时发出去，以便引导其他设备的后随观测。 2020 Vol. 32 (5): 23-26 [摘要] ( 566 ) [HTML 1KB] [PDF 4488KB] ( 415 ) 27 爱因斯坦探针卫星——揭秘激荡的X射线宇宙 邓劲松 在中国科学院空间科学战略性先导专项二期项目中，有一颗计划于2022年底发射升空的X射线天文卫星，命名为爱因斯坦探针（Einsteain Probe，简称EP）。它也是中科院主导的一个国际合作项目，有欧洲空间局和德国马普地外物理所等参加。光看规模的话，这是一颗并不起眼的中小卫星（图1）。那么，它究竟拥有怎样的发现潜力，又被国内外天文学家寄予着何等厚望，以致于要以向科学巨匠爱因斯坦致敬的方式命名呢？ 2020 Vol. 32 (5): 27-33 [摘要] ( 572 ) [HTML 1KB] [PDF 18558KB] ( 377 ) 34 探索极端宇宙——增强型X射线时变与偏振空间天文台 刘红薇, 纪龙 对浩瀚宇宙的探索我们从未止步，从1962开始，有一批X射线望远镜被发射进入太空，比如说1999年7月发射的钱德拉（Chandra）和1999年12月发射的XMM-牛顿（XMM-Newton）卫星，但是中国一直没有自己的X射线天文望远镜，只能用国外的二手数据，科研就像在捡漏。直到2017年的夏天“慧眼”卫星发射升空，中国人第一次望向了那片属于自己的未知宇宙，“慧眼”卫星至今已在轨运行3年多，已获取了丰富的科学数据，取得了一系列重大科学成果，比如成功监测了2017年8月17日轰动全球的双中子星并合产生引力波事件；通过对X射线吸积脉冲星GRO J008-57的详细观测，直接测量到了迄今宇宙最强磁场，该结果于2020年8月发表在了国际著名期刊《天体物理学通讯》（Astrophysical Journal Letters，ApJL）上，观测到了距离黑洞最近的高速相对论喷流，其观测结果于2020年9月21日在国际著名期刊Nature Astronomy（自然*天文学）发表等。可是“慧眼”只是个开始，“慧眼”主要目标是发现新的高能天体活动现象，但是“黑洞”附近有什么，中子星内部状态是什么，“慧眼”根本无法回答。于是更强大的空间天文台来了，它就是增强型X射线时变与偏振空间天文台（enhanced X-ray Timing and Polarimetry mission，eXTP）（图1）。 2020 Vol. 32 (5): 34-39 [摘要] ( 603 ) [HTML 1KB] [PDF 4755KB] ( 486 ) 40 中国空间站高能宇宙辐射探测设施HERD 毕效军, 董永伟 过去的一个世纪人类对自然的认识发生了深刻的变化，相对论和量子力学建立起来并成为描述物质运动的最基本的物理规律。随着技术手段的飞速进步，人类对组成物质的基本粒子的研究以及对宏观宇宙的观测都取得了重大的进展，发现在最小的微观尺度和目前人类观测到的最大尺度上相对论和量子力学都仍然成立，并逐渐发展出了描述物质基本组成的粒子物理标准模型和描述宇宙演化的宇宙学标准模型。人类对物质世界的研究也向着微观（基本粒子）和宏观（大尺度宇宙）两个极端不断延伸，并持续推动着人类文明的进步。深入的研究表明无穷小的微观粒子物理研究和无穷大的宇宙天文学研究存在着诸多互相关联的因素。随着人类知识和技术水平的提高，利用最微观的粒子物理研究方法开展空间实验，进行粒子天体物理研究成为极具前景的研究方向。 2020 Vol. 32 (5): 40-44 [摘要] ( 511 ) [HTML 1KB] [PDF 9088KB] ( 445 ) 物理知识 45 半导体的世界 Hot! 姬扬 越重要的东西，平时就越感觉不到。洪应明在《菜根谭》里说，“鱼得水逝而相忘乎水，鸟乘风飞而不知有风”。鱼在水里游，却不知道自己生活在水里；鸟在空中飞，却不知道自己生活在空气里。他们“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。水之于鱼，风之于鸟，是这样；半导体之于我们，也是这样。我们生活在半导体的世界里，半导体在我们的身边无处不在，与生活和生产息息相关，可是很多人却感受不到它。今天就来介绍这个“半导体的世界” 2020 Vol. 32 (5): 45-52 [摘要] ( 540 ) [HTML 1KB] [PDF 10140KB] ( 495 ) 物理前沿 53 高能宇宙线中微子的IceCube与Ice Flower Hot! 邢志忠 对地球上的人类而言，来自遥远宇宙的高能信使包括质子、光子、中微子和引力波。由于质子携带一个单位的正电荷，它在宇宙空间的长途跋涉会受到磁场的影响而改变方向，使得我们很难追踪到它的起源之地。极高能的质子也会和宇宙的微波背景辐射发生反应，从而损失能量和它所携带的原始信息，这一现象就是著名的Greisen-Zatsepin-Kuzmin（GZK）截断效应，已经在高能宇宙线实验中被观测到了。来自宇宙深处的高能光子虽然可以直线传播，但它会在行进过程中被宇宙微波背景辐射吸收，因此只有能量相对较低的光子信使才有可能达到地球。近年来引力波天文学的兴起使得探测更遥远的宇宙深处成为可能，原因在于引力波作为时空弯曲的涟漪可以穿行更长的距离，但识别极其微弱的引力波信号需要极其精细的大型激光干涉仪器，技术上的挑战也是空前的。与质子、光子和引力波不同，高能中微子可能产生于活动星系核、伽马射线暴、双星合并和GZK截断反应等剧烈的天体物理学事件，并在宇宙空间几乎不受干扰地穿行。由于电中性的中微子不参与电磁相互作用，因此它在空间的传播不受星际磁场的影响，总是以直线行进，而且不会被宇宙微波背景吸收，是颇为理想的宇宙信使。不过，中微子这种只与物质发生弱相互作用的特性却使得它们很难被探测到。为了克服诸如此类的困难，需要在地球上建立超大型的探测装置，即中微子望远镜，以便测量那些来自遥远宇宙深处、数量相当稀少的高能中微子事例，并确定它们所对应的天体源方位。 2020 Vol. 32 (5): 53-55 [摘要] ( 701 ) [HTML 1KB] [PDF 6203KB] ( 457 ) 科技经纬 56 美味巧克力与粒子加速器 Hot! 小溪 巧克力是一种深受人们喜爱的甜食。尤其是情人节、圣诞节及各种纪念日，在为爱人、亲人、朋友准备礼物时，首选的就是最能表达爱意的巧克力了。 2020 Vol. 32 (5): 56-58 [摘要] ( 505 ) [HTML 1KB] [PDF 885KB] ( 435 ) 中学园地 59 零长度弹簧和细线圈 王立超, 宋峰 生活中的一些仪器、玩具往往蕴含着很多物理的知识。弹簧玩具slinky（机灵鬼）就是其中的一种，它是一种螺旋弹簧玩具，简化模型后可视为零长度弹簧，而零长度弹簧在地震仪、重力仪、无线电天线中都有广泛的应用。我们对于一些生活中常见物理器件进行模型化探究和原理分析，既可以加深巩固原有的物理知识，也可以开拓创新。2019年国际物理奥林匹克竞赛理论的第一题就是基于零长度弹簧的模型进行力和能量的分析。本文翻译了大赛提供的题目，参考答案将于下一期给出。 2020 Vol. 32 (5): 59-60 [摘要] ( 537 ) [HTML 1KB] [PDF 2811KB] ( 378 ) 61 铁磁流体的静态响应与波脉冲——第20届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题解答 惠王伟, 宋峰 铁磁流体是一种新型的功能材料，其既具有固体磁性材料的磁性，也具有液体的流动性，在施加外磁场时具有强烈响应。铁磁流体的特殊性质使得其在光学调制、传感器、生物医学等领域有着重要应用前景。第20届亚洲物理奥林匹克竞赛实验题目就是研究铁磁流体的静态响应与波脉冲。本文在大赛提供的答案的基础上对本题进行了重新解答。 2020 Vol. 32 (5): 61-68 [摘要] ( 470 ) [HTML 1KB] [PDF 7545KB] ( 413 ) 科学源流 69 1910年9月15日：午夫发表宇宙辐射的第一个证据 萧如珀, 杨信男 宇宙线的正式发现要归功于奥地利物理学家赫斯（Victor Hess），他也因此获得1936年诺贝尔物理奖。然而，正如科学界常有的情形一样，也有许多和赫斯同时期的科学家对此发现做出重大的贡献，其中包括一位名叫午夫（Theodor Wulf）的德国教会牧师物理学家。 2020 Vol. 32 (5): 69-70 [摘要] ( 509 ) [HTML 1KB] [PDF 1002KB] ( 405 ) 71 1967年10月13日：卡斯特勒在《科学》评论他的诺贝尔奖赫兹共振的研究 萧如珀, 杨信男 当我们想到激光的发明时，必然会回溯到爱因斯坦1917年的论文。在论文中爱因斯坦首次提出，一个光子诱发一个处于激发状态的原子去发射另一个光子，这种受激发射的可能性。在激光中，当受激原子在快速的连锁反应中放射光子，会产生相干光束。然而，很少有人会记得一位阿尔萨斯物理学家卡斯特勒（Alfred Kastler）的贡献，他在赫兹共振（使用微波或无线电波去激发磁场中的原子，进入今日物理学家称之为超精细结构的低能阶）方面的研究，在激光后续的发展中扮演了关键性的角色。 2020 Vol. 32 (5): 71-72 [摘要] ( 469 ) [HTML 1KB] [PDF 907KB] ( 505 ) 编辑部公告 2018年全国物理科普大会通知 更多... 物理科普信息 更多...

编辑部公告 2018年全国物理科普大会通知 更多... 物理科普信息 更多...

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