sheldon们说了很多常人听不懂的话，那天一时兴起，花了两天，完成此文：

the big bang theory第一季第13集知识要点

在The Big BANG Theory里，有很多专业名词。大多数都被主角们很专业地解释清楚了，但是还是有一些可能令观众感到迷茫的。第一季的第13集是这种情况最突出的一集，因为片中的几个nerd参加了一个叫做“物理碗”的物理知识竞赛，其中涉及了相当多的专业知识，现在我就来将该集中的一些专业名词做一个简单的介绍。

1、军蚁army ant

当他们决定组队参加“物理碗”后，Sheldon提议以“军蚁（army ant）”来作为他们的队名，理由是，几乎没有动物是军蚁的对手。

军蚁是蚂蚁的一种，以凶狠而闻名，有微型“杀手”的别称。一只18厘米长的老鼠掉入蚁群后，身上会立刻爬满军蚁，几秒钟内便会全身抽搐。军蚁叼着从老鼠身上啃下来的一小块带血的肉有秩序地向蚁穴移动，5个小时后，老鼠便只剩下骨架了。

军蚁集体捕食时，它们出发时排成密集的纵队，而有些军蚁采取广阔的横队队形前进。它们一离开宿营地，就分支再分支，包抄并围攻猎取对象。所有的软体昆虫和活动迟缓的昆虫，都会成为它们的口中物。它们将猎物撕咬成碎片，以便携带，然后再以行军的队形前进。主力部队前进时，前卫线上和两翼是长着巨颚的兵蚁，中间是工蚁。大军前进时如汹涌的潮水。有人看见过15米宽的军蚁队列，猎物立即会被淹没掉。军蚁有组织地捕食、指挥及协调，都是通过激素传递信息而完成的。

虽然军蚁的身体极小，但是它们的集体力量是巨大的，从而使任何动物对它们都敬而远之，因为它们是凶残的微型“杀手”。

2、有史以来最短的光脉冲是多少？

在参赛前的模拟赛上，第一个问题是，有史以来最短的光脉冲是多少？他们的答案是130阿秒（1阿秒等于10-18秒）。

这个成果是2007年由意大利科学家得到的。实际上，130阿秒已经不是最新的世界纪录了，今年德国马普量子光学研究所的Eleftherios Goulielmakis和同事已经能够得到80阿秒的光脉冲。他们将相对更长（实际上也很短，只有2.5飞秒，1飞秒等于10-15秒）的激发脉冲射向氖气云，受激的氖原子会以极紫外光（EUV）短脉冲的形式释放出能量。

由于一些微观现象都在很短的时间内发生，因此不易被观测。要清楚的观测到一个段时间的现象，就必须能够在更短的时间内捕捉到它的行为。阿秒级的光脉冲，就可以用来捕捉捕捉激光脉冲（远大于阿秒级）的影像及观察较大原子周围的电子运动。

3、何种量子效应被应用在硬盘存储加密上？

模拟赛的第二个问题是，何种量子效应被应用在硬盘存储加密上。答案是巨磁阻效应。

2007年的诺贝尔物理学奖获奖者法国科学家阿尔贝•费尔和德国科学家彼得•格林贝格尔，他们的获奖理由就是发现了巨磁阻效应。所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。巨磁阻是一种量子力学效应，它产生于层状的磁性薄膜结构。这种结构是由铁磁材料和非铁磁材料薄层交替叠合而成。当铁磁层的磁矩相互平行时，载流子与自旋有关的散射最小，材料有最小的电阻。当铁磁层的磁矩为反平行时，与自旋有关的散射最强，材料的电阻最大。上下两层为铁磁材料，中间夹层是非铁磁材料。铁磁材料磁矩的方向是由加到材料的外磁场控制的，因而较小的磁场也可以得到较大电阻变化的材料。

在计算机存储中，所有的数据都用0和1来表示。如何表示0和1这两个数呢？当磁头所带的磁场扫过磁介质，磁介质的电阻跟随磁场发生改变。电阻改变就带来了电信号发生改变。电信号电压的高低变化，就用来表示数据0、1的变化。计算机的硬盘就是由成千上万的磁介质颗粒构成的。磁头扫过硬盘的过程中，对不同的磁介质颗粒施加磁场，让磁介质颗粒的电阻发生改变，从而达到存储数据的目的。

计算机的硬盘就是由磁介质制成的。硬盘容量不断增加，体积却不断减小，这就磁介质颗粒的密度不断增大。这就要求磁头提供的磁场不能太大，否则会对相邻区域的磁介质颗粒发生影响。

应用巨磁阻效应，只需要极小的磁场就可以让磁介质的电阻发生改变。1997年全球首个基于巨磁阻效应的读出磁头问世，之后的时间里，应用巨磁阻效应，磁盘的存储能力大大提高，体积也不断缩小了。

4、哪颗人造卫星记录下了爱因斯坦预言的时空结构拖曳（frame dragging）现象？

模拟赛第三题，哪颗人造卫星记录下了爱因斯坦预言的时空结构拖曳（frame dragging）现象？答案是引力探测器B。

1918年，爱因斯坦在他的广义相对论理论中提出了新的时空理论，并预言由于重力的作用，行星、恒星或黑洞等大质量物体在自传的同时会造成周围的时空随之旋转，产生龙卷风一样的效果。为验证这一理论，经历了45年的研发，耗资7亿美元，美国宇航局(NASA)的“重力探测B型”卫星，在北京时间4月21日发射上天。如果爱因斯坦的预言正确，“重力探测B型”卫星会发现每次沿轨道运转的过程中都会有小块的时间或空间丢失，也就是说这段时间或空间宇航员感觉不出来，但却是实实在在存在可以测量的。

“重力探测B型”卫星计划于1959年由斯坦福大学发起，并与1964年获得资金。但是直到上世纪90年代，斯坦福大学和美国航天局的工程师才有能力开始制造该卫星，原因是之前的技术不够精密达不到测量标准。“重力探测B型”卫星的最重要的设备是4个“陀螺仪旋转球”。科学家可以根据这四个乒乓球大小的石英小球的定向变化，判断宇宙的时空结构是否发生改变。

最终，爱因斯坦的理论被证明是正确的。科学家表示，稍稍脱离轨道的卫星显示，地球自转时的确在扭曲时空构造。

5、Sheldon说：没错，我是聚合树脂而你是无机粘结剂。因此无论你对我发射的什么语言炮弹都会在我身上弹开，沿着原路返回粘到你身上（无论你对我说什么恶言恶语都对我没用，其实都只是在说你自己。）

（此部分是我自己的见解，可能不准确，可能完全错误，欢迎大家讨论）

原文为：Yes, well, I’m polymerized tree sap, And you’re an inorganic adhesive. So whatever verbal projectile you launch in my direction is reflected off of me, returns on its original trajectory and adheres to you.

当Leslie告诉Sheldon她会打败他，让他哭得像个小女孩时，Sheldon这样反击她。Sheldon为什么这样说呢？

粘结剂相当于胶水。聚合树脂是相当于橡胶的有机高分子材料，需要有机材料制作的粘结剂才能将其粘住。粘结作用是发生于两个物体之间的。如果你使用无机粘结剂涂到橡胶上，结果就是起不到粘结的作用，涂的无机粘结剂全粘到另一个物体上。

要解释这句话，就需要搞清楚粘结剂粘结物体的原理。

粘结剂在从容器中倒出来时，是有一定流动性的，可以看成一种溶液。这种溶液与物体接触，其中起粘结作用的物体（无机物或有机物）慢慢扩散入物体当中。当水分消失之后，粘结剂就和粘结的物体变成了相接在一起的固体，从而起到了粘结的作用。这个过程，也可以理解为粘结剂作为溶剂，将接触的物体部分溶解入其中，固化后起到粘结的效果。

为什么无机粘结剂对于聚合树脂没用作用呢？因为聚合树脂是高分子材料，与无机粘结剂的结构有很大区别。根据相似相容原理，两种结构相差大的物质是不能互相溶解的。因此，无机粘结剂遇到聚合树脂，没有办法进入其内部，就起不到粘结的作用了。

6、在两块不带电平板之间由于量子真空涨落所产生的力是什么？

答案是卡西米尔效应(Casimir effect)。

简单地说，卡西米尔效应(Casimir effect)就是在真空中两片平行的平坦金属板之间的吸引压力。这种压力是由平板之间空间中的虚粒子(virtual particle)的数目比正常数目少造成的。

首先，我们来了解什么叫虚粒子。

环境中的一般粒子称为“正粒子”，与正粒子电性、磁距相反的粒子称“反粒子”，如带负电的质子。反粒子一般只能从实验环境中获得。这些正反粒子都是确实存在的，都是“实粒子”。

当相应的正反粒子接触时，将湮灭成两个光子。而相反的过程也会发生。根据量子理论，空间中并不是完全空的，而是有一定的量子起伏，这样就会有一对对的正反粒子自动产生，但绝大多数情况下这对粒子刚一产生，就又相碰湮灭了，它们无法被仪器探测到，好像从未存在过一样。这种粒子便称为“虚粒子”。

1948年，荷兰物理学家亨德里克•卡西米尔(Hendrik Casimir, 1909-2000)提出了一项检测这种能量存在的方案。从理论上看，真空能量以粒子的形态出现，并不断以微小的规模形成和消失。在正常情况下。真空中充满着几乎各种波长的粒子，但卡西米尔认为，如果使两个不带电的金属薄盘紧紧靠在一起，较长的波长就会被排除出去。接着，金属盘外的其他波就会产生一种往往使它们相互聚拢的力，金属盘越靠近，两者之间的吸引力就越强，这种现象就是所谓的卡西米尔效应。1996年，物理学家首次对它进行了测定，实际测量结果与理论计算结果十分吻合。

卡西米尔效应，是负能量物质存在的证据。在物理学中人们通常把真空的能量定为零。 所谓真空就是一无所有，而负能量意味着比一无所有的真空具有 “更少” 的物质，这在经典物理学中是不能发生的情况。

在量子理论中，真空不再是一无所有，它具有极为复杂的结构，每时每刻都有大量的虚粒子对产生和湮灭。卡西米尔发现，真空中两块不带电平板之间空间中的虚粒子(virtual particle)的数目比正常数目少，这说明这部分空间的能量也低于真空。真空的能量是零，比真空的能力还低，那说明，这部分空间具有负能量。1996 年，物理学家在实验上验证了卡西米尔效应，从而为负能量的存在提供了间接的证据。

7、量子计算机如何分解较大的数？

答案是Shor算法（Shor’s algorithm）。

量子计算的概念，最早是由费曼提出的。通过对量子力学的奇妙特性加以掌握，以完成如搜索海量的数据贮存，或对庞大的数字进行分解（这是今天安全密码的基础）等经典计算机不能在适当的时间内完成的工作。量子计算机的基本特征之一，就是它使用的信息单元不是比特，而是量子比特（qubit）。量子比特可以是电子那样的粒子。可以让自旋向上代表1，自旋向下代表0。与传统计算机不同的是，电子可以处于自旋向上和向下的叠加态，即1和0的叠加态。处于叠加态的少量粒子可以携带大量信息。这样，若用量子比特进行计算，所耗费的能量和时间都将远小于经典计算机。

还有一种量子现象叫作缠结，它能把几个量子比特的特性连结起来。理论上，只要几百个缠结的量子比特，就足以代表比宇宙中的原子还要多的数字。一台利用缠结量子比特的量子计算机能根据在同一时间内输入的庞大数字完成不同组合的运算。

Shor算法（Shor’s algorithm），是1995年美国科学家Peter Shor提出的，是迄今量子计算领域最著名的算法。它利用量子计算的并行性，可以快速分解出大数的质因子，将使量子计算机很容易破解目前广泛使用的密码如 RSA公钥加密系统，严重威胁到银行、网络和电子商务等的信息安全以及国家安全。因此，Shor算法的提出迅速引起了世界各国对量子计算研究的高度关注。

2007年，中国科技大学教授潘建伟和他的同事杨涛、陆朝阳等，在国际上首次利用光量子计算机实现了Shor量子分解算法。虽然只是演示了15= 3×5这一因式分解，但是该成果已将量子计算推进了一大步，标志着我国光学量子计算研究达到了国际领先水平。

8、普雷沃斯特交换原理（Prevost’s theory of exchanges）

在剧中穿插了竞赛的过程，这是其中一道题的答案，它回答的是什么问题剧中没有给出。

皮埃尔•普雷沃斯(1751—1839年)于1791年提出，当物体与其周围物体处于平衡，它以相等速率辐射和吸收辐射能，因而它的温度保持不变。假使物体与周围温度不相同。因为辐射和吸收不相等，它与周围物体之间就会发生能量净流动。这个原理被称之为普雷沃斯特交换原理（Prevost’s theory of exchanges）。

9、Σ粒子（Σ particle）

这也是只有答案不见问题的一个名词。

Σ例子（sigma particle）是超子的一种。超子即比核子更重的重子，如Λ、Σ+、Σ0、Σ-等。它们奇怪在于以强相互作用产生，却通过弱相互作用衰变。由奇异夸克构成。

10、罗斯威尔（Roswell）太空船

在最后决胜负的一题中，屏幕上显示出一个复杂的算式，要求参赛者计算出结果。双方都对这个算式一头雾水，其中Howard说：“这是什么，是在罗斯威尔（Roswell）太空船上发现的东西吗？”

1947年7月8日，美国新墨西哥州罗斯维尔的《每日新闻报》刊出一条耸人听闻的消息：“空军在罗斯维尔发现坠落的飞碟。”这条新闻马上被《纽约时报》等各大报刊转载，无线电波载讯传遍世界。各种各样的消息流传出来，据称发现了飞碟的残骸和外星人的尸体。这些消息像一枚重磅炸弹，在美国公众中引起轩然大波。人们从四面八方奔向美国南部的新墨西哥州。在距罗斯威尔20公里外的一片牧场上，蜂拥而至的人流受到一排排铁棚栏和一队队荷枪实弹的士兵们的阻拦……

因此，罗斯威尔成了一个谜，也成了科幻作品经常光顾的地方。著名的科幻电影《独立日》中，绝望的地球人来到罗斯威尔，修好了1947年坠落的外星人飞碟，威尔史密斯驾驶飞碟进入入侵地球的外星人母舰，释放了破坏飞碟防护罩的病毒，人类才赢得了这场抵抗外星人侵略的战争。

Howard的意思是，这个东西是外星人写的天书吗？

其实，屏幕上的算式中有最主要的4个箭头组成的图样是费曼图，这是量子电动力学中常见的计算方法，这几个物理学天才没有理由不会计算这个东西。有网友说最终的结果8πα也不正确。当然，我们不能对编剧太过苛刻，他们也不是nerd，不可能对这些了如指掌。事实上我们应该对编剧们进行表扬。以上介绍的知识点都是当今科学最前沿的成果。编剧们在平常，肯定每天抱着诸如《科学美国人》的书刊阅读，才能够将这些成果让nerd们的脱口而出。

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