淡定淡定~~

2008年10月31日星期五

微分几何笔记讨论班的粗略总结Chp7-9

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7.10 Aspects of general relativity
7.10.1 Introduction to general relativity

(1) Principle of General Relativity: All laws in physics take the same forms in any coordinate system.
(2) Principle of Equivalence: There exists a coordinate system in which the effect of a gravitational field vanishes locally.(An observer in a freely falling lift does not feel gravity until it crashes.)
In Newton's theory, the gravitational potential \Phi satifies the Poisson equation
\Delta\Phi=4\pi{G}\rho

Einstein equation
G_{\mu\nu}=8\pi{G}T_{\mu\nu}\rho

7.10.2 Einstein-Hillbert action
在命题7.2(c)的证明中,我们注意到,\Gamma\equiv 0,因此,我们有,
\nabla=\partial+\Gamma
298页的公式203-205,对于后面用变分原理从Einstein-Hillbert作用量推出爱因斯坦方程是非常重要的。
7.11 Bosonic string theory
没有什么技术性的问题,在Bosonic string theory这一节中,我们注意到 rescaling invariance 总是允许我们在2D的情况下,在世界面上总是可以选择一个标准度规(共形平坦),即g_{\alpha\beta}=e^{2\sigma(\tau,\sigma)}\eta_{\alpha\beta}
这里,
\eta_{\alpha\beta}=
\left(
\begin{array}{cc}
-1 & 0 \\
0 & 1 \\
\end{array}
\right)

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《命运骰子——量子力学简史》(第四十六章)

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: 命运骰子——量子力学简史》(第46章)
发信站: 两全其美网 (Fri Oct 31 09:12:40 2008), 本站(lqqm.net)


第46章 1940年代:经典场的腐朽

(1)

爱因斯坦其实是一个经典场论的极顶高手, 他到了普林斯顿以后,人生已经步进晚年。经过几次婚姻,换过几次新娘,娶了表姐当老婆以后,爱因斯坦已经开始考虑和秘书发展暧昧关系。
当人生变得恬淡,他所要做的事情,就是把引力场和电磁场统一起来,这就好象要把全国的麦当老和全聚德烤鸭店统一起来一样,难度可想而知。

1940 年代是一个战争的时代,一切都在被卷进大历史的旋涡,原子弹工程卷进了大部分在美国的科技人员,除了被怀疑为土共秘密分子---加洲伯克利的奥本海默的博 士生,住在温伯格同学隔壁宿舍的——玻姆同学。也就在这个龟毛的年代,量子力学的发展在美国有了新的进展,这个进展其实与普林斯顿大学的惠勒的一个博士研 究生有关系。在历史上,因为博士论文而影响历史的人并不是很多,除了德布罗意, 就是费曼。

为了看清楚创造历史的人们已经真的进入了1940年代,我们来看看几个人物的出生年代。
1。 惠勒 (1911年)
2。玻姆(1917年)
3。费曼(1918年)

这 些1910年代生人与1900年代出生的那群所谓创造量子力学新理论的“处男物理学”家还是有所不同的。他们在成长的过程中广义相对论和量子力学的大格局 已经基本奠定,在某种意义上,舞台已经搭好了, 你要想演戏就自己爬上台去。但如果你想把舞台拆了,那简直是万分不可能的。


(2)

1940年代是一个战争年代,一切当然是以战争为主,新一代物理学家们还在萌芽里,新一代物理学家的基本任务是建立无限维空间上的量子理论——-或者说量子场论。但本书的主题是量子力学,我们还是要围绕主题的。

因 为量子力学在很多场合被认为是正确的物理理论,而量子理论中,相空间描述已经腐朽(坐标和动量都不是函数,而是算子),这意味着一个沉痛的悲哀,那就是- ---经典场论已经不可避免得腐朽。麦克斯韦的电磁学和爱因斯坦的广义相对论,被称为经典场论,在当时看来,就象2个残花败柳。

量子力学就象一个冰肌玉骨小姑娘一样被捧了起来,但问题在于,如何处理那两个残花败柳。

人们需要两个理论:
1。量子化的电磁场理论
2。量子化的引力场理论

人们当时的处境:
3。只有一个量子力学(薛定谔表示被认为是不对易关系式的唯一表示,只有一种量子力学)
4。还没有量子场论

战 争的阴霾遮住了物理学家们明眸善睐的眼睛,他们也很迷茫。 就在这个迷茫的时代间隙中, 大疯狂和接下来的大萧条将造就日本的忍者神龟,小平邦彦和 朝永振一朗, 也将把美国学者推上时代的颠峰。 而中国人也很着急, 对于中国人来说,死亡随时可能降临,不想被杀,那就上吊自杀,在上吊之前,有的人要先喘一口气,杨振宁也在1940年代坐上去美国的船。

杨振宁在心里对自己的最爱的祖国说:“如果多一张船票,你愿意不愿意一起走?”

这就是1940年代的风景。
(3)

为了很好的量子化电磁场,我们目前还需要有一些基本的知识。 这些基本的知识其实很简单,就是电磁场不但可以用电场E 和磁场B描述, 还可以用它们的势 A 和phi 来描述。

简单地说,对 A 和phi 求微分,就得到 电场E 和磁场B。

打个简单的比喻是, A 和phi 是父亲和母亲, 电场E 和磁场B是儿子和女儿 。电磁学好象是这个家庭,你想了解这个家庭, 可以研究父母,也可以研究子女。

但为了后面的叙述方便,这些有一些微妙的东西需要思考。最重要的一个问题是:
如果你看到一个点电荷产生的平面电场,你能不能从电场中看出这个电场是由一个点电荷产生的?



(4)

如果你绕着上面的点电荷在平面上走一个圈,你会发现电场的方向在转动。早在庞加莱年代, 庞加莱就研究了这个问题,他定义了一个环路积分。

int d{矢量转动的角度}===矢量场的指标


这被称为poincare指数。从这个指数里,你可以看出,电场其实是由一个点电荷发出来的。 如果你选择的的环路不包含点电荷,那么这个积分出来的poincare指数就等于0。


这 个指数也被称为hopf--poincare指数。 这种积分可以对电场来做, 也可以对磁场来说, 无论怎么样, 这是经典电磁场论中最精彩的部分。而引力场因为远比电磁场复杂,你要发现引力场的一些几何性质,需要等到1960年代,那时候彭罗斯从山上下来, 给腐朽的经典场带来新传奇。

2008年10月30日星期四

blogger 上使用latex

第一种:
这种设置起来不是很方便。
原帖来自:http://servalx02.blogspot.com/2007/01/latex-on-blogger.html

具体步骤是:
一、下载并安装Firefox浏览器;
二、安装Greasemonkey插件(下载完后,安装到Firefox中);
三、安装LatexforBlogger脚本:latexforblogger.user.js(点击即可)(下载后,在Firefox中“文件”-》“打开”即可);(上外网不方便的可在此下载Latexforblogger.user.rar)
四、修改Blogger模板,将以下内容添加到]]>之前:
img.latex_eq {
padding: 0;
margin: 0;
border: 0;
}
这段代码也可以用于第二种方法,可去掉公式的边框。
保存模板后,再在Firefox里发Blog时会发现上面的编辑工具栏里多了个“LaTeX”按钮。

例子:
方法,把下面的这段latex代码选中,然后点击上面的“Latex”按钮,就会生成下面的对应的公式图片。
$$\int^{+\infty}_{-\infty}$$





第二种:

原文:http://doc.yourequations.com/

在之前插入下面的语句到 HTML 模版中:



使用方法:

在HTML中写:




-- 或者 --




例子:




\eta_{\alpha\beta}=
\left(
\begin{array}{cc}
-1 & 0 \\
0 & 1 \\
\end{array}
\right)

【慢速VOA】2008年10月份和11月份 音频下载

【慢速VOA】2008年10月份mp3打包下载(共三个压缩文件)




【慢速VOA】2008年10月份mp3打包下载(共三个压缩文件)


【慢速VOA】2008-10-30

发贴心情 【慢速VOA】2008-10-30
Financial Crisis Summit Set for November 15 in Washington(1/2) ( 本次听写约197词 )

[下载今日慢速VOA听力资料mp3版] (右键另存为)


本听写稿由plasma听写,来自沪江VOA听写系统

Credit markets shown showed signs of some improvement this week. Interest rates for short term short-term loans between banks feel fell, in the a sign that banks may be more willing to lend. But stock markets feel fell on new conserns concerns about company province*profits.

President Bush invited leaders of the group Group of 20 contries countries to Washington on november 15 November fifteenth to discuss the financial crisis. The group includes leading industrialy companies industrial economies and large developing ones like China and India. A Whitehouse spokesman White House spokeswoman said the leaders will seek a common set of ideas for reform of a the world's financial system. The summit is met meant to be the first in the a series of talks.

This week, the Federal Reserve announced the a program to lend up to $ 540,000,000,000 to money market mutual funds. And Treasury secretary Secretary Henry Paulson detail detailed his departments department's new capital purchase program. The Treasury will buy $ 250,000,000,000 worth the non-bonting preserve of nonvoting preferred stock(无表决权的优先股) in helping healthy banks.

HENRY PAULSON: " This is an investment, not an adventure expenditure(开支), and there is no reason to believe the that this program or cause *will cost taxpayers anything. We They will not only own shares that should be pay paid back * with a reasonable return, but also recieve ones will receive warrants(支付单) for common shares(红利、股份) in paying intitutionsparticipating institutions. (大家共同参与的体系)"


听写于:2008-10-30 10:32 用时:26:45
正确率:76% (+13分) 错词:52个

2008年10月29日星期三

《命运骰子——量子力学简史》(第四十五章)

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: 命运骰子——量子力学简史》(第45章)
发信站: 两全其美网 (Tue Oct 28 14:28:51 2008), 本站(lqqm.net)

<<命运骰子——量子力学简史》(第45章) 第45章 爱因斯坦: 去普林斯顿 (1) 1930年代量子力学在欧洲的发展被希特勒终结.希特勒派人搜查了爱因斯坦的寓所,引起爱因斯坦的不满.因为再也无法忍受德国的魑魅魍魉,爱因斯坦离开了欧洲. 美国的普林斯顿高等研究所,刚刚建立就引来了一个科学明星. 爱因斯坦早已经知道自己是科学明星了,早在1917年他已经可以与希尔伯特那样的数学巨人并肩站立.在哥廷根和希尔伯特站在一起的时候,他讲解他的引力场方程的时候,内心深处有一个无比的困惑,那就是这个方程能不能够从一个作用量里推导出来. 希尔伯特用一种蜻蜓点水的方式,写出了爱因斯坦--希尔伯特作用量 S=int R dV 其中R是时空上的里奇标量曲率(不依赖坐标系),int --dV 是对不变体元的一个积分.这个作用量写出来以后, 对度量的微小变分就可以得到爱因斯坦引力方程. 但这也引起了以后物理学历史上的大部分纷扰: 这个变分不象其他那些平坦空间上的物理场的作用量变分那样得到欧拉--拉格朗日方程. (2) 无 论怎么样,爱因斯坦已经成为物理学江湖上独一无二的大佬已经有很多年了,所以他去普林斯顿就算以钓鱼或者睡觉度过余生,研究院也不会心存芥蒂.这个时候其 实欧洲科学中心真的已经迁徙到美国,美国人奥本海默和惠勒则成为最可以被美国人信赖的美国物理学家,也纷纷从欧洲回到了美国组建各自的团体.命运自然是各 自精彩. 爱因斯坦到了普林斯顿,有了一个美国人做学术助手,这个人就是罗森. 机缘很是巧合,另外有一个美国人叫 波尔多斯基. 他找到爱因斯坦,讨论起量子力学,很想整死量子力学.不久,经过长时间的讨论.波尔多斯基一个人写了一篇文章,这就是著名的EPR文章. 其实说起来很简单. 如果有两个粒子.坐标和动量分别满足 [P1 X1]=ih [P2 X2]=ih 一个潜在的数学关系马上可以写出来: [P1+P2 X1-X2]=0 这就是波尔多斯基写的那篇EPR论文的精神实质. 写完以后,波尔多斯基说:"爱因斯坦教授, 我写了你和罗森的名字,去哪里发表好?" 爱因斯坦说:"<物理评论>,从来没有投过,看看吧.我以前的文章全发表在欧洲."

不久,<物理评论>的编辑们发表了这个文章.(爱因斯坦的文章,不需要审稿,审稿会得罪爱因斯坦)

(3)

文章出去以后,江湖再次震惊,因为爱因斯坦他们做数学的时候把两个粒子的希尔伯特空间乘了起来.这没有关系,但他们看物理的时候,又似乎把两个希尔伯特空间分了开来,江湖上大乱,大家的脑子真的乱掉了.


因为当时候, 人们还没有很深刻的观念: 量子力学态(波函数)是希尔伯特空间里的矢量.


江湖上乱了好久, 因为爱因斯坦他们3个人的文章其实是充当子弹的,要打的人就是玻尔.

他们的文章提出了一个连鬼见了也害怕的问题: 量子力学中存在非局部性(其实不等于超光速,不过也可以认为是超光速)相互作用吗?

这个世界上, 相隔遥远的物体之间不可能瞬间存在相互作用, 这是狭义相对论的精神实质,也是牛顿几百年来的隐忧,现在突然又怎么回来了呢?

(4)

爱因斯坦没有停止自己的研究工作, 他的帮手罗森还真是一个人才, 很快,他们就出了另外一个在广义相对论上的文章, 这个文章说: 时空流形之中,可能可以存在一个
快速绿色通道----这被称为爱因斯坦--罗森桥, 也就是虫洞,通过虫洞你可以很快实现远距离传输.


整个世界被震惊了,因为神秘的超光速就好象奸情一样笼罩过来. 很多人纷纷放下手头的事情,开始了奸情研究.

(未完等待)

《命运骰子——量子力学简史》(第四十四章)

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: 《命运骰子--量子力学简史》 第44章
发信站: 两全其美网 (Thu Oct 9 15:05:26 2008), 本站(lqqm.net)


《命运骰子--量子力学简史》 第44章

第44章 从薛定谔到史温格


(1)

薛 定谔早在1926年就得到了相干态---就是描述乳峰来回晃动的那个永远不会扩散的量子力学态。其实无论是乳房晃动,还是弹簧的振动,在物理学里,都被换 了一个高深莫测的名字——简谐振动——这背后站着牛顿的死敌胡克。牛顿一辈子到处树敌,他没有朋友,因为在他眼睛里,人真的只分两类:傻子和大傻子。

回头来说薛定谔,他把乳房相干态写了出来(在坐标表象,相当于把一个矢量写成坐标系里),我们也可以不要坐标表象,可以把相干态记为dirac符号| 乳房> 。
最有趣的事情已经要从灰蒙蒙的天空里降落下来了。以下的过程可以也许被称为“从天上掉下来的半个超对称”。

| 乳房> 态描述的是一个不扩散的波包。那么薛定谔认为,这个态也许是某一个算子A 的本征态。


A | 乳房> =a | 乳房> ?

上面这个表达式能成立吗?

现在的问题是,算子A到底是什么东西?薛定谔在寻思。他手里有的东西只有两个。
1。H=X2+P2 (为了书写方面,著者省了常数1/2)
2。[X P]=ih
前者表示乳房谐振子的哈密顿算子。后者表示基本的代数关系(外尔-海森堡代数)---所谓代数关系,其实是一个运算的封闭系统,打个比喻,X和P是一个篮子的苹果和梨,ih也是同一个篮子里的其他水果,反正篮子晃来晃去,但水果还是在篮子里。


废话少说,薛定谔的问题是,找到作用在| 乳房> 上的一个算子----对乳房的一次操作(比如抚摩,亲吻,或者外科手术),但是,要保证操作以后乳房依然是乳房,乳房不能受伤,或者变成脸蛋-----那么,这个操作被称为算子A。


(2)

到了1942年, 薛定谔已经不仅仅沉迷于乳房研究,他已经老了。对自己的一辈子有了很好的评价:

重剑无锋 大巧不工 四十岁前恃之横扫天下

四十岁后 不滞于物 草木竹石 皆可为剑


作为一个55岁的老头,性欲已经减退。他已经可以拿起草木竹石当武器了,他不想再使用重剑(薛定谔偏微分方程),但他发现,简谐振动的能级可以用代数解答写出。什么叫代数呢? 就是没有微积分的数学演算。比如因式分解(草木竹石)。
H=X2+P2 可以被因式分解为

H=(X+ip )(X-ip )

他换了一个记号

A=X+ip


解出了能级以后,还可以检验 A | 乳房> =a | 乳房>成立。

A被称为湮灭算子,因为这个算子对真空态的作用为0。

A| 真空>=0

(3)


后 来,有一个纽约客,在一个野鸡大学读书,天空整天灰蒙蒙没有未来,这个人叫史温格。 这个人非常神奇,数学水平很高,没有人怀疑他比他的同学费曼要聪明一些,简单地说,史温格是量子电动力学的奠基人之一。他后来能模仿薛定谔的手法,能把泡 利的角动量代数也用类似的方法实现出来。

《命运骰子——量子力学简史》(第四十三章)

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: 《命运骰子--量子力学简史》 第43章
发信站: 两全其美网 (Wed Oct 8 11:53:44 2008), 本站(lqqm.net)

《命运骰子--量子力学简史》 第43章

第43章 永远美丽尖挺的乳峰:不扩散的波包

(1)
红尘任它凄凉。
爱伦菲斯特永远离开了。但爱伦菲斯特的问题留了下来:如果量子力学是万能的,那么地球是一个波函数——初始状态下犹如一个18岁少女的尖挺的乳房,根据爱伦菲斯特扩散,随着时间演化,地球要在全空间弥散开来——因为地球处于太阳的万有引力场中,而这个引力场是平方反比的牛顿引力,因此,地球的哈密顿算子下波包的演化必然要扩散——18岁尖挺的乳房在漫长岁月时间修饰下最后塌方了,后来少女变成老妪,乳房和肚皮溶为一体。

但地球现在一直好好的,并没有扩散到全宇宙空间,因此,量子力学不可能应用到宏观的天体力学问题上,这简直已经是显然的。

量子力学在微观世界是一个很好的描述,为什么在宏观世界就不行了呢?到底那里出了问题?爱伦菲斯特走了以后,没有人再思考这个问题。因为冯诺伊曼写了一本量子力学的书,论证说量子力学在数学上是完备的理论。(后来才被发现,冯诺伊曼犯了一个很低级的数学错误,那就是他居然认为两个算子和的期待值等于期待值的和,其实=+对于A,B不对易的时候并不成立的)


(2)
薛定谔深刻的感受到了其中的悲哀。他的脑子也有点乱掉了--他能看到的量子力学是一片无边的荒漠里的一个孤坟,早已经死亡,独留青冢向黄昏.
只不过他并也不确定量子力学能不能应用到宏观物体,于是,脑子很乱的他一心只想着把事情搞砸,让玻尔他们下不了台阶。于是,在1935年,也就是爱伦菲斯特尸骨未寒的两年里,他得到了另外一个版本的故事,这在历史上自然被很多民间科学家奉如神明。
民科A君:“薛定谔的猫,真是太微妙!”
民科B君:“是啊,微妙呀。我喜欢。”
薛定谔的猫基本阐述是这样的“设想有一个箱子,里面有一只活猫。一个装有镭的容器及一个装有氰化物的小瓶也放在箱子之中。镭原子会发生衰变。在这个装有活猫的密闭的箱子里,如果镭发生衰变,几打碎瓶子,使氰化物从小瓶之中释放出来,从而杀死猫;如果镭不发生衰变,小瓶也不会破碎,猫会活下去。按照哥本哈根解释,在打开箱子看猫的死活之前,猫既是死的,也是活的,因为两种可能性都存在。而且,箱子中的猫会保持这种既死又活的状态,直到有人打开箱子,发现猫要么是死的,要么是活的为止。”




其实,猫这样的宏观物体根本就不可以简化为一个波函数来描述,在量子世界里,猫和地球一样,都是很大很大的研究对象。不过,薛定谔也不是傻子,他这样搞只不过是想吓唬吓唬玻尔海森堡那些庸俗量子物理学家,因为后者声称量子力学太完美了。薛定谔是一个诗人,有变态心理,别人都说一个东西好的时候,他一定会觉得这个东西庸俗不堪的。




薛定谔把猫从他的笼子里放出来,果然很有效果,这个猫象疯狗一样咬人,连海森堡也不知道怎么用哥本哈根解释来描述这个疯猫了。

海森堡说:“老薛,你这个淫魔,行,你的疯猫确实很厉害的。”


(3)
薛定谔太高兴了,因为他知道海森堡他们已经在量子力学道路上走火入魔,根本不可能意识到,猫这样的宏观物体,也许不可以用波函数来描述的。海森堡之流,就好象是《天龙八部》里的纠摩智,为了练六脉神剑,已经连女人也不要了,还得了抑郁症。真是可笑可笑啊。

薛定谔早已经构造了一个永远尖挺的乳房——一个不扩散的波包,不过不是在平方反比引力场中,而是对于弹簧振动,他可以构造出一个量子力学波函数(称为相干态,在空间上具有高斯分布的形态,在经典物理中,孤立子就是不扩散的波包,这其实是一种扩散和凝结相互平衡的能量状态),这个波函数的描述的弹簧振动确实有一个不扩散的波包,在薛定谔看来,这其实很好地描述了一个少女的乳峰来回晃动但不扩散的情景。


薛定谔写了一个诗歌:

啊,乳峰
来回晃动
但不扩散

永远美丽
坚挺



地球
去你**的
扩散去吧

《命运骰子——量子力学简史》(第四十二章)

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: 《命运骰子--量子力学简史》 第42章
发信站: 两全其美网 (Tue Oct 7 09:46:24 2008), 本站(lqqm.net)


《命运骰子--量子力学简史》 第42章

第42章 枪手,冷雨夜: 爱伦菲斯特扩散



(1)

1933年一个夜晚,荷兰.
性都阿姆斯特丹的凄迷灯光照亮了街道,大雨滂沱已哭成一个泪人,蓝色的油纸伞下,一个50多岁小矮个子步履有些蹒跚,他把伞压得很低,路人无法看到他的那双带着雨水的迷离眼神……他好象踯躅不前,似乎有什么心事,只有他自己知道,他是一个维也纳枪手。


“喂,进来做一个!”路边妓院里的小姐热情地打招呼。

爱伦菲斯特教授偷偷得看了一下妓院门口的花灯,艳丽得象在流血。门口的那个露着裙子被手指甲挂起露出肉色内裤的姑娘,有着如花的笑靥,她在朝他招手。爱伦菲斯特把脸转向地面,看见地上雨水冒泡,好象是一个饥渴的路人在喝水一样……
爱伦菲斯特咽下一口唾沫,他下意识地摸了一下裤兜里的左轮手枪,步履匆匆朝下榻的旅馆走去……他的小儿子正在旅馆里。



(2)
爱伦菲斯特悄悄地打开了旅馆的房门,看见房间里凌乱不堪,自己的小儿子正一丝不挂地站在凳子上仰望着天花板。小儿子低头用发散的瞳人看了爱伦菲斯特背后的墙壁一眼,骂道:“畜生!”

爱伦菲斯特没有应声,因为他的这个儿子有精神分裂症,脑电波是一根比较平坦直线,不象正常人是一根混沌起伏的曲线,因此打人骂人是经常的事情。他看着小儿子耷拉的阴囊一眼,过来给他找衣服穿上--想让他死得体面一些。他弯下有点佝偻的腰,打开了放在地上的旅行箱。


正在这个时候,小儿子从凳子上跳下来,踹了爱伦菲斯特一个屁墩,一下就把爱伦菲斯特踢到在地上,他高声嚷道,唾沫横飞:“call me god!”


爱伦菲斯特躺在地上,裤兜里的枪也掉了出来,他拿起枪,仰头看见自己的儿子的阴茎……还没有等自己反应过来,一泡滚烫的尿液开始朝自己射来。

“上帝啊! 主啊! 我爱伦菲斯特到底做了什么孽!”爱伦菲斯特把枪对准了儿子的肚子,眼泪和尿液和脸上还没有干的雨水似乎夹裹了整个天地。


爱伦菲斯特从地上爬了起来.
突然,他转身把床上的棉被拿起来,猛地裹住了儿子的脑袋。

枪声响了。

他的儿子头颅中弹,躺在了血泊之中……


爱伦菲斯特跪倒在地上,看见儿子已经死了,抹了一把眼泪,用颤抖的手把枪口对准了自己的太阳穴。
在 临死之前,他多么想再看一下这个红尘花花世界,从维也纳走到阿姆斯特丹,自己花了一辈子的时间,命运起伏跌宕,多么不易。 但现在时间已经不多,他要解脱了。他想起的第一个人,是自己年轻时代的老师玻耳兹曼,那个自杀的统计物理学家——当时他在维也纳大学上课历历在目,他跟 随玻耳兹曼学习热力学中的分子运动论。

外面是漂泊的大雨正在打击窗户,上帝似乎正在窗外窥探,爱伦菲斯特朝窗口打了一枪。
玻璃落了下来。
爱伦菲斯特朝自己的太阳穴开了一枪……世界安静了。

爱 伦菲斯特的死在物理学界一石惊起千层浪,连爱因斯坦也暗地里淌泪。爱因斯坦还能记得自己当初在德西特教授的家里和爱伦菲斯特开怀畅饮的情景。德西特解出了 爱因斯坦引力方程的一个解,这个解能够描述的宇宙的尺寸随着时间指数膨胀。而爱伦菲斯特带的两个学生发表了电子自旋的文章。虽然爱因斯坦也搞得淅沥糊涂 的,刚体才会旋转(刚体自转的运动一般情况下运动方程是解不出来的,被称为不可积的),而电子好象是一个没有大小的质点,怎么会自旋呢?但也许这就是荷兰 的物理学家最杰出的工作了。


(3)

爱伦菲斯特是一个不被世人理解的人,1927年,量子力学刚出现,他就已经做出了杰出的贡献,虽然外界对他的评价并没有预期的那么高。

泡利与爱伦菲斯特是朋友。在他们第一次见面时,艾伦菲斯特说:“我喜欢你的物理胜过喜欢你本人。”

泡利说:“对你,我的感觉恰好相反。”
 

其 实,爱伦菲斯特是一个真正的传奇。爱伦菲斯特发现了一件很重要的事情,如果量子力学真的是万能的,那么,地球是围绕太阳公转的一个在椭圆上运动的波函数。 但爱伦菲斯特发现,这个波函数必然会扩散到全空间——也就是说,量子力学描述中,地球作为一个波函数不可能不爆炸开来。这就是著名的爱伦菲斯特扩散,这个 发现是那么伟大,也许只有KAM定理中的阿诺德扩散才可以媲美。

《命运骰子——量子力学简史》 (第四十一章)

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: <命运骰子--量子力学简史>(第41章)
发信站: 两全其美网 (Mon Oct 6 10:05:17 2008), 本站(lqqm.net)


<命运骰子--量子力学简史>

第41章 测量问题之三: 噪声,对偶




杨振宁教授曾经这样说过,现代数学的书可以分成两种,一种是看了一页看不下去的,另一种是看了一行看不下去的。 本书为了不写得太数学化,在这一章,我们来随便谈谈两个文学词汇:
1。噪声---------------->事情表面上杂乱无章
2。对偶---------------->事情并不是真的杂乱无章


这个世界的本质是量子化的。但对人类这个长约为1米的生物来说,量子化并不是显然的,而噪声却是显然的。


世界是淹没在噪声里的。

前 面已经写到,对物理学家来说,真正有意义的信号是随机信号——只有测量到出人意料不可预测的信号,这些才蕴涵了信息。比如一维的布朗运动的位移x(t)是 一个关于时间的杂乱无章的函数。但如果你认为这个世界是杂乱无章的,也许你会羞涩地说:“哦,上帝掷骰子的。我们人类不懂上帝是怎么一回事情。”


其实,上帝不掷骰子,虽然米兰.昆德拉说“人类一思考,上帝就发笑”。不过根本不需要搭理米兰.昆德拉这样的小说家,因为我们人类不是傻子,人类可以通过数学的方法看到上帝裸露的身体。上帝在某种意义上只是不断被褪去衣服的歌妓,而物理学家是一群嫖客。



一 维的布朗运动的位移x(t)是写不出解析表达式的。 但在统计的意义上,可以知道,布朗运动的粒子受到随机力的打击,这个随机力在时间上是不相关的,也就是说,在一秒前的打击和一秒后的打击之间不存在任何因 果关联——这种时间上不相关的随机力被称为白色噪声(维纳-希钦定理)。

但很明显,一维的布朗运动的位移却在时间上是相关的。从物理学上可以知道,x(t)的自相关函数是一个随时间指数衰减的函数,而根据维纳-希钦定理, x(t)的功率谱S(f)是正比于频率f的-2次方的。

因此,在某种意义上,我们可以把x(t)看成是某一个一维定态薛定谔波函数的解ψ(x)。

可以有第一个傅里叶对偶关系:

ψ(x)------------》ψ(p)
把坐标空间变到动量空间(频率空间)

维纳-希钦定理和玻恩的平方律让我们得到第二个对偶关系:


ψ(p)的模平方——-》ψ(x)的功率谱




以上内容对于一般的光滑函数是大致正确的,但实际上对于一维的布朗运动来说,事情要微妙一些。有兴趣的读者也许可以参考feynman-kac的研究工作,更加想深入的读者就请研究ito的随机微分方程。总之,这个世界是淹没在噪声里的,人类的一切活动就是做滤波器。

上帝不掷骰子,只不过是世界自己淹没在了噪声里。



(ps: 以上关于对偶的说法读者们可以自己构造很多个,比如在流体力学中,平面上的流体虽然在物理空间中的真实流动,也正好对偶于它的相空间轨迹。 因此在动力系统中,很多人可能习惯于把流体的物理空间看成是相空间,但从某种意义上讲,对偶也许总是仅仅在一定的程度上存在。)

《命运骰子——量子力学简史》(第四十章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第四十章)


第四十章 天生一个仙人洞

(1)

1930年7月31日,19岁的的一个印度阿三,一个名叫钱德拉塞卡的人,踏上去英国的航程。在那10多天的海上漂流中,钱德拉塞卡把自己藏在下等舱里,趴在床上撅着屁股在床上演算一个关于引力坍塌的问题。

同船其他人沉浸在美酒、音乐和舞蹈的狂欢中,白矮星的质量上限却被计算为1.4个太阳质量。16年前的拉玛努扬之后,印度将再次有人要在剑桥独自舞蹈。
钱德拉塞卡到了剑桥大学以后,跟富勒读博士学位——他成了狄拉克的师弟,也算是张宗燧王竹溪的师兄了。

钱德拉塞卡的研究结果就象一本《印度爱经》,西方人看了以后是惊呼怪异。著名的天文学家爱丁顿教授认为,钱德拉塞卡关于恒星引力坍塌的结果,肯定是错误的,因为如果自然界不存在其他力量抗拒恒星的引力坍塌,那么,很明显,巨大质量的恒星会在空间引起一个奇怪的黑洞。


1931年的一天凌晨,剑桥大学的狄拉克博士躺在床上,从睡梦中醒来。他的阴茎直冲云霄,把蓝色内裤支成一顶帐篷。狄拉克博士内裤太紧了,觉得顶得并不舒服,于是把内裤脱掉以后,看见阴毛如杂草丛生,好象是一个纤维丛。

“也许,我该考虑找个女人结婚了……维格纳的妹妹不错。”狄拉克思考着从床上爬起来,朝厕所走去。洗刷完毕后,虽然天还蒙蒙亮,但他决定去大学办公室开始工作了……


(2)

到了大学,在楼道里刚要开门进办公室,他看见身边有一个鬼鬼祟祟印度人,腼腆得很,这个人手里拿着一本书,朝自己诡异地笑了笑,他笑起来有点象释加牟尼,这让狄拉克感觉很害羞,慌忙也笑了笑,准备掏钥匙……

这个印度人却走了过来……

“早上好,狄拉克博士。”这个印度人过来搭讪了。
“……”狄拉克感觉自己的嘴巴动了一下,却没有声音。
“狄拉克博士,你的书《量子力学原理》比牛顿的《原理》一样,都是经典。”这个印度人接着说。
“……”狄拉克把手从裤兜里拿出来,抓起了钥匙。
“狄拉克博士,我是从印度来的留学生,我叫钱德拉塞卡……”印度人还是在说话。
“有事?”狄拉克把钥匙插了进门洞,终于微弱地呻吟了一声。
“没有事情。——你觉得引力坍塌以后,会不会引起空间上的一个奇点?一个黑色的洞?”印度人赶紧抛出了一个学术问题,希望打动狄拉克。

“引 力坍塌?球对称的吗?不过你好象问错人了,我不是干这个的。”狄拉克这下果然被激活了,多说了三两句,“你的问题很好。”说完,他扭转了一下钥匙,门开 了,他进去以后,转身就把门关上了。钱德拉塞卡楞在门口,半天才悻悻地离开,离开的时候他的脚步软绵绵的那么虚弱,好象是空气在推着自己前进。




狄 拉克脱掉外套,坐在办公室的椅子上,刚才那个黝黑的印度阿三问的问题却浮上心头。如果大质量引力坍塌真的会形成一个黑洞,那么,人们该如何探测这个黑色的 洞? 很显然,这个黑洞会产生引力场,那么,应该可以从引力场的数据中读出引力源(黑洞)的性质。可是,怎么读出来呢?——这问题依然类似于听见鼓的声音来分辨 鼓的形状。这个反问题可不简单(黑洞作为一个引力源,可以通过引力场的曲率张量构造一些所谓纽曼——彭罗斯常数来标记引力源的性质),狄拉克也不能超越时 代,他想了半天,觉得自己不懂引力,算了,还是想点量子力学的问题。


(3)

好,如果用磁场来代替刚才那个引力场,情况会怎么样?


狄拉克做物理向来是风烟俱净清爽透明的。他马上在草稿之上从流飘荡,任意东西。磁场如果从一黑洞(磁单极子)发出来,标记为B。磁场B是一个矢量场。
狄 拉克马上下意识地把磁场B写成了另外一个矢量场A的旋度——虽然他不清楚这样搞是不是真的对。这样,他就有了一个磁单极场,这个磁场B跟点电荷的库仑场E 很类似,它们的散度都正比与原点的 狄拉克delta 函数。但区别在于,在磁单极场中,B是另外一个矢量场A的旋度,而是库仑电场中,电场E是另外一个标量场的梯度。

问题马上就很明 显,在磁单极场中,矢量场A在球坐标系里怎么也写不完全,在球面上至少有一个点是没有定义的。在整个三维空间中看到,这些矢量场A没有定义的点组成了一个 从磁单极出发延伸到天空之外的一条弦。(这是数学上没有定义的一条弦,称为狄拉克弦,在物理上可以通过引起别的坐标系取消,这不是物理奇性,只是坐标奇 性)



狄拉克好象是朝发白帝城的李白,两岸猿声啼不住,轻舟已过万重山。他马上就把量子力学也放了进来,考虑一 个电子绕着磁单极子走了一圈。因为电子是不应该撞上狄拉克弦的,但狄拉克弦是空间中如果真的存在,将破坏空间的各向同性,所以,狄拉克弦不应该真的存在。 狄拉克引进了另外一个坐标系,把狄拉克弦取消了。




那么,在两个坐标系里,矢量场A可以分别定义。 在在两个坐标系的重叠区域,任意一个封闭曲线上运动的电子,它的波函数的相位变化应该是不依赖于坐标系选择的。这样很容易就得到

eg=n
也就是说,电子电量和磁单极子磁场量子的乘积正比与所有整数。

换句话说,假如
1。存在磁单极子
2。磁单极子磁场可以写成一个矢量的旋度
3。空间是三维的
那么,电荷必须是量子化的。




(4)


狄拉克做完这些以后,站到窗口,他看见太阳还在半空中,这是早晨八九点钟的太阳。晨曦之下,刚才那个印度阿三正在树下拿了一本书,用短小的铅笔头在上面做什么计算……难道那哥们是在计算引子场单极子吗?天空中真有一个仙人洞?

狄拉克陷入了遐思。

《命运骰子——量子力学简史》(第三十九章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第三十九章)


第三十九章 朗 道 : 苏联之子

(1)
1931 的和煦的夏风吹着哥本哈根的玻尔,他的两个儿子正在茁壮成长。看在眼里,玻尔真是高兴啊,当时他并不知道几年以后大儿子将命运夭折。 研究所的院子里宿草盈阡,爬山虎爬满了墙壁,绿油油的一片藤蔓之下,世界各地的年轻人来了又走,真是应了那句老话“铁打的营盘流水的兵”,虽然海森堡已经 离开哥本哈根,但玻尔相信,只要自己还存在,那么,哥本哈根就好象一个工厂,会制造出一个又一个海森堡。

没有错,1931年的研究所里,来了几个年轻人, 比如说, 伽莫夫,特勒,还是朗道。


特勒(Teller)站在院子里,听见蝉的叫声,感到无边的寂寞,他发现自己还真不是一个做学问的料子,那两个苏联人太牛比了,自己简直象一个傻子一样混在哥本哈根。

那两个被特勒嫉妒的年轻人,正是伽莫夫和朗道。



(2)

1908 出生的朗道真是过分年轻,(比那帮1901年出生的人小了7岁,所以朗道有7年之痒)他显然已经来迟了一步,量子力学的楼船早已经扬帆启程,船上面是笙歌 艳舞一片,歌妓和处女已经被别人拥抱,留下朗道一个人在江边兴叹:“操,我来晚了一步,我妈怎么搞的。”他19岁的时候,还在苏联,就思考一个问题,因为 海森堡说物理量是矩阵,而薛定谔说波函数有一个密度分布。朗道19岁做物理就好象29岁一样老练,他马上把矩阵和密度联系起来了,创作了一个伟大的新概 念:“密度矩阵”。


这就是朗道,他自然是心比天高, 他顺路到哥本哈根,看到自己的一个师兄伽莫夫也在这里。
朗道说:“师兄,你最近在研究什么?”

伽莫夫说:“隧道效应啊。对了,你叫什么名字?”

朗道心想,天下谁人不识我朗道那真是瞎了眼了, 你居然不知道我的名字:“我叫朗道,今年23岁。去年我研究了电子在磁场中的运动,得到了朗道能级,你不知道吗?”


伽莫夫说:“哦,原来你就是朗道,太牛比了,朗道能级是什么?你给我讲讲!”


朗道说:“你居然不知道朗道能级? 朗道能级啊,说来话就长了……”


(3)

也 就是在我们第一章开头讲过的18世纪末19世纪初,有一个叫安培的人,思考环行电流——电流象北京二环地铁那么流动。安培研究的结果很是惊人,环行的电流 就产生一个类似于条形磁铁的磁场(磁偶极场)。在安培以后,数学家太喜欢环形电流产生的磁场了,于是高斯等人就思考,能不能把两个通电线圈相互套起来(象 2个戒指那么相互套起来,或者两个手铐相互拷起来),然后计算一下空间的磁场分布,看看能不能在磁场中读出电流线圈的拓扑结构——相当于说,看到一缕光 线,你能不能推断出发光灯泡的形状。到了1931年,拓扑已经象一个非常不光滑的野蛮男人一样进入了物理学的阴道。英国的狄拉克也在思考有没有磁单极场 ——存在这样一个磁场,通过观察这个磁场,你会发现,这个磁场是起源于一个点,而不是类似于安培的环线。

简单地说,朗道发现,一切都可以用量子力学来重新做一做。高中物理学里的洛仑兹力表明,在均匀磁场中,电子将作圆周运动。那么,如果把量子力学加进来,这个图象是什么样子的呢? 显然,电子的圆周运动可能会导致电子能量的离散化,这个离散化的能量,被称为朗道能级。




朗 道发现一个巨大的秘密,是大家都知道但没有公开的。那就是电子在均匀磁场中,那么如何与磁场耦合(相互作用)的呢?磁场是一个经典场,电子是一个量子化的 粒子,它们的相互作用到底怎么写呢? 虽然江湖上总有人在说什么最小耦合,但语气又有点象阿Q嘴巴里的“革命”,概念是很模糊的。

自己还来得及,虽然量子力学的楼船已经开发,那些西方人在船上已经醉生梦死,乐不思蜀,但作为苏联之子的朗道,依然可以在岸边吃开一片天地——实际上他研究电子和磁场,开创了凝聚态物理学的大片新河山。

朗道能级是很容易解出来的,因为圆周运动其实是2个简谐振动的合成,只不过现在的情况有了微妙的变化,在量子图象里,圆周运动的圆心坐标(a,b)非常特殊,a与b是不对易的。

[a, b] 不等于0

“天呀”,朗道做到这里,连自己也感觉糊涂了,“洛仑兹的圆周运动的圆心坐标,x与y不对易?这是什么呀?坐标与坐标也不对易了?难道我朗道做错了?不可能,一定不可能,磁场中的电子,表明非对易几何的存在……”




(4)
朗 道把自己的发现过程跟伽莫夫讲了一遍,伽莫夫听到圆心坐标的不对易的时候,一个头有两个大。虽然他相信这个不对易的原因在于磁场的存在。但这个结果还是很 吃惊的,因为磁场存在以后,几何学被彻底改变了,需要用非对易的坐标来描述一个点的位置,那么,点的x坐标和y坐标就是不可以同时确定的……

伽莫夫说:“师弟,也许你做错了什么。但我不知道你哪里错了。”

朗道说:“师兄,我回苏联以后,再考虑这个问题吧。这个问题是很有意思的,对了,你还要回苏联吗?”
伽莫夫说:“你先回去吧,梁园虽好,非久留之地,苏联需要你……”


朗道回国以后,1938年,朗道因被怀疑是德国间谍而入狱。
在监狱里,朗道感到非常愤怒,他怒发冲冠。


中午,放风的时候,他总是在高墙之下仰望井口那么大的天空,心里破口大骂:“我操你大爷,斯大林!”


狱卒把一盘饭放在他面前,吆喝道:“快吃吧,窝囊废。”

朗道气得真哆嗦,用手指着狱卒的鼻梁骂道:“畜生!我是朗道,等我出去,我要……”

《命运骰子——量子力学简史》(第三十八章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第三十八章)

第三十八章 莫斯科没有眼泪


(1)
苏联的冬天,总是那么漫长。凛冽的北风从北冰洋上象刀子一样砍向街上的人们……
1922 年,18岁的伽莫夫捂着自己快冻僵的耳朵进入新俄罗斯大学就读,不久转到列宁格勒大学攻读物理,导师是弗里德曼——弗里德曼解出了爱因斯坦引力方程里的膨 胀宇宙解,他是第一个搞大宇宙少女肚子的人。伽莫夫有这样的导师,亦养成了仰望星空的习惯,他讨厌一些独裁者,无论这个独裁者的名字是不是斯大林。

一间半新不旧的教室里,两个人影正在低声交谈。
伽莫夫悄悄地对弗里德曼说:“老师,斯大林将把我们苏联带向何处?”
弗里德曼小心翼翼地说:“孩子,斯大林现在正和托洛茨基掐架,等他处理完托洛茨基以后,他会杀掉列宁遗嘱里的其他5个人……然后呢,他将把苏联带向地狱。”
伽莫夫用惊恐的眼神看了一下地面,说:“老师,斯大林是那么残酷冷血的一个人吗?苏联没有希望!我们没有未来!”
弗里德曼用同样惊恐的眼神看了一下虚掩的门,说:“孩子,是的,出生在苏联本身就是一个悲剧,你有机会出国就赶紧走吧——记住,孩子,永远不要再回来……”

机会马上就来了,1928年, 列宁格勒有一个老教授推荐博士研究生二年级的伽莫夫去德国的哥廷根大学参加一个暑假学校。这是一个千年不遇的好机会,当时的苏联也是外汇管制的,把要俄国卢比兑换成德国马克简直比冥币兑换成德国马克还要困难。


花了九牛二虎之力,伽莫夫终于有了搞到了一定数量的外汇,可以出国了!
他又是坐船,又倒火车,花了别人几倍的时间终于象唐僧取经一样地来到了德国的美丽小城哥廷根。


啊,大大地开了眼界了,我要先去咖啡店里喝点咖啡!伽莫夫象一个民工一样缕了缕自己的头发,看了一眼自己皱巴巴的裤子,推开了咖啡店那沉重的木门……

当他抬起腿进去,他仿佛看到自己拥有的是一条泥腿。

伽莫夫心想“苏联土共让我无地自容。”

(2)

前面已经说过哥廷根大学是量子力学的中心阵地,伽莫夫发现,那里的人都是新潮流派系,做的事情是用新生的量子力学计算原子和分子的能级,伽莫夫心想:这样很好,我也要赶赶时髦,那就用量子力学做做原子核的α粒子研究吧。


伽 莫夫也算是苏联物理学历史上“睁眼看世界的第一人”。他马上就熟悉了量子力学的计算方法,很显然,粒子就是波,薛定谔方程真是很有意思,对不同的势能曲 线,都可以进行一番求解。伽莫夫在暑假学校的空闲时间专门用来解一些古怪的薛定谔方程,这些方程可以具有不能的势能项,比如v(x)=x^4什么的,反正 做这些事情,就象做爱一样,伽莫夫是无师自通的。最简单的势函数,比如一个门函数,也是伽莫夫很有兴趣的。

在经典的电路系统中,一个门函数往往表示一种对频率的截止。一个低通滤波器就是一个门函数,能把电路的高频区域砍掉(这是经典意义上的紫外截断)。在这些经典理论中,门函数外不会存在信号,信号全在门函数之内。可是,在量子理论中,信号也在出现在门外……



(3)
α粒子从原子核里为什么能够跑出来?

因为英国的卢塞福等人经常用α粒子当炮弹轰击原子核,有时候发现炮弹根本打不进城堡里(原子核)里去,这说明城堡的围墙太高了(势垒太高,门函数的高度太高),但奇怪的事情却是——从城堡里能发射出能量更低的α粒子来。

换句话说,导弹,打不进城堡,迫击炮弹却能从城堡里打出来。

这事情发生在南昌起义的年代,显然连周恩来那样聪明的人遇见了也会伤脑筋的。


(4)


伽莫夫心想,卢塞福总是用经典力学的图象来考虑这些问题,也许卢塞福错了——不过卢塞福理论水平不行,这在江湖上已经不是什么秘密,他是一个只喜欢简单直观模型的人,谁要跟他谈量子力学,他一定会怒的。


伽莫夫假设处于原子核内的α粒子是一个波,那么它处在一个很高的势函数围墙的包围之中,经典意义下肯定是出不来的,但假如考虑量子力学,把门函数势能代进薛定谔方程方程——如同存在一个奇妙的甬道,α粒子居然有一定的概率出现在围墙之外……

这就是α粒子的隧道效应。伽莫夫做完这个计算,对原子核衰变有了很深的认识,那就是量子力学可以应用到原子核里面去,他马上就验证了了其他的一个关于原子核衰变寿命和出射的α粒子能量的盖革——努塔耳经验定律。





(5)


做了这些工作以后,他就要回苏联了,还有一天的时间,他去访问了哥本哈根。玻尔看到这个苏联人很是高兴。

玻尔说:“你愿意不愿意来这里访问一年?”

伽莫夫说:“想啊,可是我没有钱……”

玻尔说:“钱不是问题,我可以帮你申请到的。”
伽莫夫说:“太好了,谢谢老师。就不知道我拖着不回国会不会引起苏联当局的不满。”

玻尔说:“斯大林那么变态啊,我们仅仅是学术交流而已……为什么要不满?”

伽莫夫说:“他是变态的。不过我还没有拿到博士学位……”

玻尔说;“ 我看你是一个有为青年,量子力学的隧道效应已经被你发现了,你已经不适合在苏联那个鬼地方呆着。我想你以后还可以去英国发展……那里也很自由。”

于是,伽莫夫在外面开始了自己的流浪生活,除了中途回国去拿了一下博士学位,他已经彻底地爱上了其他国家。他心想:“科学家是没有祖国的,自由就是自己的祖国。”


1931 年,伽莫夫被强硬的命令召回苏联,任命为列宁格勒科学院首席研究员,并在列宁格勒大学担任物理教授。可是在斯大林的怒目圆睁之下,伽莫夫感到自己富于想象 力的天性受到压制,整天有被强奸的感觉。1933年他出席在比利时布鲁塞尔召开的一次会议时,伽莫夫抓住机会离开了苏联,辗转奔波,最后逃到美国。


再见吧,苏联,我不要再被你强奸
再见吧,莫斯科,你是没有眼泪,我亦不会为你流下一滴泪

《命运骰子——量子力学简史》(第三十七章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第三十七章)

第三十七章 海鸥,马约拉纳
(1)

每一只海鸥都是死去水手的灵魂。
在每一个浪漫暧昧的夜晚,徐徐海风吹拂之下,听到游轮餐厅上音乐响起,Rod Stewart 的《SAILING 》歌声悠扬:
I am sailing, I am sailing ……cross the sea.
I am sailing stormy waters, ……

……
Can you hear me, can you hear me, through the dark night far away?
I am dying, forever crying, to be with you; who can say?
……

Oh Lord, to be near you, to be free.


20世纪20年代中期,费米还在意大利刚开始经营他的新罗马帝国,有一个极端帅气清秀(看过照片,真的很帅)的年青人马约拉纳是他的学生。当时他俩都只有二十几岁,年轻而有梦想。
马约拉纳说:“每隔500年才有一个类似阿基米德或牛顿这样的科学家出现,而每隔100年就会有1至2个爱因斯坦和玻尔这样的人出现。”
费米说:“那费米是几百年出一个?”
马约拉纳说:“哥们,我们谈的是爱因斯坦与玻尔……”


很多年以后,马约拉纳跳上帆船出去航海,海是那么的蓝,渐行渐远,……马约拉纳消失在海平面之下……物理学并非摇奖机,但物理学家的命运骰子有很多 面,没有人知道马约拉纳是自杀了,还是失踪了?——江湖上有流言说,马约拉纳决定消失是因为他已经预见到原子弹将毁灭地球,他只想把音容笑貌留在人们的记 忆里——而假如真是这样的,那么原子弹的制造者费米显然有不可推卸的责任,这真是“兄弟一场,我不杀伯仁,伯仁因我而死”(——但江湖上还有另外一个版本 流言,说马约拉纳是退出江湖去当和尚了——这自然又让人联想起来了中国清朝的第一个皇帝顺治帝的下落不明。)



(2)

狄拉克在1928年得到的四分量旋量是一个复函数,四个狄拉克矩阵也是复的。狄拉克猜想,负能量电子海已经充满了,那么如果负能量电子海里的电子被 激发为正能量电子,显然会挖出一个萝卜(负能量电子)留下一个坑(缺少一个负能量带负电荷的电子,相当于多了一个正能量带正电荷电子)——于是,狄拉克把 这个萝卜坑理解为反粒子。


马约拉纳作为罗马学派的年轻人人,学习非常刻苦。他对意大利学术界除了费米以外的那些傻子们的集体无意识深恶痛绝,决定让自己牛比起来。于是,他在思考怎么样才可以在江湖上扬名立万——当时,他脑子里有2个命题:
1。存在不存在一个整数Z,这个整数的相反数是它本身。

2。存在不存在一个整数Z,这个整数的倒数是它本身。

他发现,对于以上两个命题,整数Z都存在,答案分别是0和1。
马约拉纳于是决定把这个思想应用到新生的量子力学里去。




(3)
十年磨一剑。
1937年马约拉纳告诉费米说:“我能找到四个实矩阵来表示狄拉克代数。我找的四分量旋量也是实数形式的。——换句话说,存在一个没有电荷的旋量粒子,它的反粒子是它本身”
费米说:“听上去很不错,请发表去吧。”

于是马约拉纳就正式发表了他的一个猜想——物理学历史上,牛人是很喜欢做猜想的,前面也已经看到过了,比如泡利猜想,狄拉克猜想,一个好的猜想可以 扼住命运的咽喉。马约拉纳的猜想也象一只蚊子一样能在午夜飞行弄得很多年轻人晚上睡觉不着,只听见耳边嗡嗡作响:“自然界存在一种有质量无电荷的自旋为 1/2的粒子,它的反粒子就是它本身。”





(4)

其实早在1929,数学家外尔就已经描述了一种带自旋但没有质量的粒子,被称为外尔旋量。而马约拉纳的猜想表面上看似乎象是一种数学游戏,马约拉纳所 要求的这种旋量会在一些特定维度的时空中被找到——实际上这意味着人们面对的量子世界可以有更多出人意料的结果,比如超对称理论中,引力子的超对称伴侣就 是一种自旋为3/2的带质量的马约拉纳旋量。旋量的故事既然已经展开,也许不免让一些文科读者花容失色,但故事将越来越扑朔迷离。

简单的说:
1。没有电荷----》马约拉纳旋量
2。没有质量----》外尔旋量
3。没有电荷没有质量---》马约拉纳-外尔旋量(在四维时空不存在!)

自旋,电荷,质量。这3个量子数就好象是自助餐厅里的3道菜,你可以自由选择吃哪几个!

《命运骰子——量子力学简史》(第三十六章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第三十六章)

第三十六章 岛国:量子海(下)


(1)
海水永不干。

无论在上海的黄蒲江畔还是香港的维多利亚湾,张爱玲都用她那高耸的颧骨写作,早在1928年狄拉克在黑暗中寻找上帝作为一个处女的底部的时候,8岁的爱玲就已经开始读《红楼梦》和《三国演义》了,她不久就在草稿纸上写道:“通往一个女人内心的最短路径是通过她的阴道。”

对于费米来说,通往上帝铺设的林荫道的最短路线是通过泡利。当泡利搞出自旋1/2的粒子时候,费米发展了它们的统计学,当泡利提出中微子假设的时候,费米也马上做出来贝塔衰变的4费米子理论。

狄拉克也是如此,他时刻关注着泡利的动作,因为在他看来,泡利是上帝派驻在人间的代表。


当时的情景是这样的,泡利从塞曼效应的复杂的光谱数据中得到了一个很大的猜想,这个猜想简直可以与那个既不能被证实又不能被推翻的哥德巴赫猜想相提并论。泡利猜想说:“任意两个自旋1/2的粒子,不能占据同一个量子态。”这被称为泡利不相容原理——到1940年才被泡利自己证明出来(自旋统计关系,来源于量子场论能量正定加上洛仑兹不变性已经哈密顿算子的厄米性)。当在没有被证明之前,泡利的猜想无往而不胜,江湖上已经把它鉴定为真理。


(2)


泡利得到了非相对论性自旋的表示——也就是著名的泡利矩阵。因为本书是科普读物,读者群默认为高中生为主,所以,在这里要缓慢地解释一下泡利矩阵。


在物理学里,一般把矢量M写成3个分量的线性组合。

M=a1 e1 + a2 e2+a3 e3

其中,e1,e2,e3是基矢量。

如果你要求, M 自己和自己的内积 如下(初中生的数学):

M*M= a1 ^2+ a2 ^2+a3 ^2
则相当于要求,基矢量满足如下条件:

e_i ^2=1

{e_i , e_j}=0

这样的基矢量,自然是可以用矩阵表示出来的。对于1x1的矩阵表示,就是大家熟悉的直角坐标系的3个基矢量。对于2 X2 的矩阵表示,就是3个泡利找到的矩阵。

泡利是用这三个2 X2 的矩阵来表示非相对论自旋1/2的电子的。 这是一个伟大的重复发明,因为数学家早已经在搞这个su(2)李代数了——su(2)李代数当时给人的感觉好象是处女膜,数学家并不清楚其功能。泡利出现以后,代表上帝赋予其意义。


(3)
海风徐徐吹,老婆已经在太阳底下睡着了,狄拉克用脚指头碾了碾沙滩上的沙子,似乎想感觉一下大地是否坚实——他从藤椅上站起来,然后又弯下腰,做了一个无意识的动作——他用牛顿的姿势捡起了一粒贝壳,放在手中……天也渺渺,他想起了自己以前的走过的峥嵘岁月,为谁绽放花满路?

那时候还是1928年,狄拉克自然很清楚泡利的工作。泡利得到自旋1/2的表示,却没有说明为什么要有自旋。这让狄拉克心花怒放,他觉得应该马上上去,搞一把。很快,如一个黑暗中摸索的醉汉,蓝色街灯渐露,他的手心突然被一阵柔软刺疼了脆弱的心脏——丰乳肥臀!谁的?

他发现,波动方程自然是洛仑兹不变的,那么开根号以后,依然是满足狭义相对论的。但他会遇到泡利遇见过的性质类似的问题,那就是要求找到一个代数的表示。


{e_i , e_j}= 正负1


“泡利当年为了得到泡利矩阵,是做矢量的平方,现在,我反过来,是开算子的根号……当时他在三维欧几里得空间里做,现在我在四维闵科夫斯基里做,除此之外,我与他之间还有什么区别呢?……”狄拉克在暗中淌泪,“难道我真的不能超越泡利吗? 难道我这辈子,仅仅是为了把泡利矩阵改名为狄拉克矩阵吗?”


无论怎么样,先把这个狄拉克矩阵(相对论性自旋的表示,自动包含反粒子)写出来吧。 最简单的写法是4x 4的四个矩阵。

写出来以后,得到了狄拉克方程,“方程比人还要聪明”——狄拉克发现,这个方程里,不但有自旋,而且还有负能量的电子。



(4)
当时,狄拉克就傻了,怎么办?开根号出负数是初中生都知道的东西,但现在出现负的能量,怎么解释?如果电子可以朝负能量跃迁,而负能量又没有最小数值,那么所有的电子都可能跃迁到负能量。这样的话,宇宙是不稳定的——换句话说,如果股票市场不存在一个市场底,那么所有股票的价格可能要跌到零,甚至跌成负数。这样的股票市场与屠宰场还有什么区别?再说了,如果存在负的股票价格,那么买进股票的人不但花了钱而且还欠了上市公司一屁股的债,那买股票的人,是真正的傻呀。不可能,一定不可能,必须存在一个市场底。

狄拉克心想,我要引进一个猜想,类似于泡利猜想。狄拉克也提出了一个猜想,说:“负能量的电子海已经被充满。”



(5)

“老婆,真空是稳定的。”狄拉克扔掉手中的贝壳,拍拍手上的沙子,转过头来说。

“什么?”睡梦中的维格纳的妹妹象招了雷击一样,说,“什么是真空?什么是稳定?你在说什么呀?”

这个时候海边已经有很多人,大家都穿得很少,狄拉克不再说话。

《命运骰子——量子力学简史》(第三十五章)

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命运骰子——量子力学简史》(第三十五章)

第三十五章 岛国:量子海(上)
(1)

当 原子弹在东边的樱花岛上爆炸的时候,日本几乎要沉没了。但西边的岛国上,二战已经提前结束,宁静详和顶着夏天的烈日赶来,海鸥象和平鸽一样在天边盘旋。英 伦三岛的四周,到处是满得快溢出的海水。狄拉克已经是一个中年人,他和维格纳的妹妹一起躺在海边的长椅上,翘着二郎腿看东边的太阳。傍边的一个游客悄悄地 对另外一个人说:"老婆,快跟我来看上帝,狄拉克也在这里."

“老婆,你看这海浪,是不是淘尽了世间事?政客们的一切算计,都将被卷入这滚滚潮流。”狄拉克莫名其妙地问道,语言显得很怪异。
“是啊,日本再牛比再变态,也挡不住原子弹。——对了,你说原子弹爆炸是因为原子核不稳定,那么真空是稳定的吗?”维格纳的妹妹问道,“会不会有一天,连真空也衰变了?”


“……”狄拉克没有出声,陷入了良久的沉默。
傍边的女人也不再打扰他,因为她知道他就是这样的人,任何语言对他来说,都是荒谬的。
(2)

剑桥大学真是一个神奇的地方啊,赶进去一头猪,出来的是一只大象。在Bristol大学读电机的时候,狄拉克觉得自己简直是进入了一个野鸡大学,那里的学生以后毕业了就是当电机工程师的,所以多数人缺乏深邃的思考,这让狄拉克陷入孤独的境地。
他 的那些同学们最喜欢唱的歌是这样的,"哦,哦,精液的寂寞让我如此美丽……"然后再不唱歌的时候,总是问以下两个问题:要么问如果输入的是精子,输出的是 孩子,那么,子宫作为一个黑箱的传输函数到底是什么:要么问女人分成2个种类,纯情和骚情,那为什么同一个女人总是既纯情又骚情?


厌倦了,厌烦了,这群流氓。

我要离开这里。

dirac心想,再没有比Bristol大学更猥琐的大学了。

不过关于传输函数和女人种类的问题,深刻地改变了狄拉克。他意识到作为输入函数,delta函数是可以定出传输函数的,而至于同一个女人为什么有不同的侧面,他感觉这似乎是一个所谓表象理论。不过,细节,他还没有想清楚。


大学毕业以后,他找不到工作,于是,就进入了剑桥大学物理系读研究生,他本来想跟坎宁汉做相对论的,但命运安排他做起了原子物理学。可惜他绝不是池中物,很快就成为量子力学1927年牛市终结者,他在1928年得到了狄拉克方程。

到了剑桥,那里的学生素质就真不一样,大家总是讨论学术问题——比如四色问题或者完美正方形问题,反正大家是把数学当作乐趣来钻研的。

“钻探快乐!”狄拉克心想,“我喜欢剑桥,这里很好。”
数 学系的哈代教授还记得有一次他去医院探望拉玛努扬,他对拉玛努扬说他做的出租车号牌是1729,他说“这数字真没趣,希望不是不祥之兆。”拉马努扬却说 “不,1729是一个相当有趣的数字,它可以写成两对不同立方数之和,而在拥有这特性的数字中,1729是最小的一个。”


这个故事在剑桥早已经成为美谈,当狄拉克进来的时候,他也听说了这个有点装比的故事。


(3)

1928年,他已经发展了表象理论。换句话说,他认为,女人是一个希尔伯特空间里的抽象矢量,你要想了解这个女人,可以把她投影到商场,也可以把她投影到厨房,也可以把她投影到床上,反正,在不同的地方,她会有不同的表现。离开具体语言环境谈论女人,是毫无意义的。


这已经是登峰造极之作了,但狄拉克还是深深地为两件事情苦恼:
1。 完美正方形(拉格朗日四平方和定理的高级版本,哈代肯定也在思考这个问题)。存在不存在一个以整数为边长的正方形,它的面积可以被分裂为4个小的整数边长的正方形之和?

2。薛定谔的方程不是洛仑兹不变的(不满足自己的偶像爱因斯坦提出的狭义相对论)。存在不存在一个方法,把波动方程的算子开根号,得到一个一次方的算子?



夜里睡不着觉,他很想去海边,看看海的波动——他也想看看乳房的波动。
一切尽在想象。一个晚上,他梦见自己找到了解决第2个问题的方法:其实,要想对波动方程的算子开根号也许是可以实现的,你可以假装已经开了根号了,……

《命运骰子——量子力学简史》(第三十四章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第三十四章)


第三十四章 广岛之吻(下)


(1)

1941年12月7日上午,京都的天空有点阴郁,战争的阴霾弥漫在岛国的上空。

物 理系教授汤川秀树放下手中的淫书,仰望灰蒙蒙的天空,眼神有些倦怠,想起了1926年自己刚考上大学时候的情景:那时候的他,年轻英俊,朝永振一郎 (Sin-itiro Tomonaga)是自己的同班同学,他是20岁,自己19岁,大家一起看川端康成的写的《伊豆的舞女》,薰子经常和自己一起手拉着手直挺挺地躺在19岁 的床上……

今夕何夕?
汤川觉得有点sentimental,他也很想知道,有着丰厚漆黑的秀发和像鲜花娇美的苍白面孔,眼角处涂抹着古色胭脂红的薰子 ,现在何处?19岁的邂逅和告别,告别也就是永别,再来也许要在天上团聚。

汤川正在遐想之中,外面进来一个人告诉了他一件可怕的事情:今天清晨,大日本帝国海军的航空母舰舰载飞机和微型潜艇突然袭击了美国海军太平洋舰队在夏威夷基地珍珠港以及美国陆军和海军在欧胡岛上的飞机场……

汤川秀树是一位没有到过欧美留学,而是在日本国土生土长起来的理论物理学家。他有很严重的自卑情绪。他害怕地说:“这下完蛋了,我们日本招惹了一个巨人。”

日本在正式宣战之前,就偷袭了珍珠港,引起了美国全社会的同仇敌忾,狮子终于要发怒了。不久,专门为日本量体裁衣订做的原子弹就造了出来。
(2)

当 德国和美国同步进行原子弹的研发,理论物理学家海森堡在技术上的缺点暴露无疑(比如他不认为石墨是有效的减速剂,只能用重水,但重水很能找到),而费米等 人,则开始了技术上炉火纯青的摸索。1939年的时候,当玻尔坐船从丹麦赶到纽约,把原子核在中子撞击下裂开的消息传递到美国以后,几个在美国的匈牙利人 坐不住了,他们是维格纳,西拉德等人,他们渴望联络爱因斯坦,给罗斯福总统建议,制造原子弹。而惠勒和玻尔用量子理论计算了一下,u235和u238吸收 中子以后哪一个更加容易发生分裂,他们的计算结果是找到了一个关键性指标:吸收中子后的原子核的电荷的平方与质量之比率,比率大容易裂变。很显然,这个结 论表明,U235适合做原子弹。

在技术层面上,需要有3个主要的侧面:
1。把U235从U238堆里分离出来——这类似于把铁粉从铝粉末中找出来。
2。 实现中子的繁殖——首先中子必须减速,因为速度大的中子,波动性小,撞击面就小。而中子速度减低以后,波动性变大,就好象一个乒乓球放大成了上海东方明珠 塔的那个球那么大,容易撞上原子核。其次是中子不能被环境强烈吸收,中子数目就好象混沌动力学中的虫口模型,对环境非常敏感,对于虫子来说,模型表明,环 境的微小改变将引起虫子数目的确定性混沌——当然,这又被称为逻几斯蒂模型,仅仅是模型而已。对于中子也是差不多的,很难计算真实情况。
3。制造设计反应的炉子——如何安放U235块,计算出临界的质量——放置镉棒可以吸收中子,使得核反应可以控制,至少别炸死了实验人员。

费米从纽约哥伦比亚大学被集中到芝加哥大学以后,他马上实现了受控的核反应。

接着,美国动用全国的人类精英,开始在洛斯阿拉莫斯的寒冷地带制造实验原子弹。
(3)
1945年,苏联红军朝柏林推进,海森堡在研究所里透过玻璃看到惨淡无光的太阳。外面是荷枪实弹的警卫,他们奉命可以枪杀任何一个擅自离开岗位的研究人员。

可是,海森堡已经等不及了,因为,如果他再不逃走,也许会死在苏联红军的手里。他不想死在斯大林的手上,于是,决定赌一把:
1。不走,可能死在斯大林手上
2。走,可能死在希特勒手上

他选择了走。


于是,他下楼,朝自己的自行车走去……

抬起屁股,他上了车,脚瞪子显得很沉重……

缓慢地移动,离铁丝网越来越近……

“站住!”警卫的背后用枪顶住了自己的腰……,“干什么去?!”
海森堡连忙下车,从上衣口袋里掏出了一根香烟说:“哥们,抽烟……”

士兵把枪从腰上离开,接过了烟:“海老师,您出去呀……”
海森堡用有点颤抖的手打着了火,给士兵点着了烟,说:“是啊,我出去有点事情……马上回来……”
士兵吸了一口烟,用慈悲的眼光看了他一眼,然后说:“神爱世人……你去吧。”

海森堡慌忙上了自行车,连谢谢了忘了说,飞也似的逃走了。 不久,他被从诺曼底登陆的那帮盟军俘虏了。

海森堡傻了,心想,妈的,刚出虎穴又进狼窝。上帝啊,你消遣我吧?

海森堡被带到了英国的监狱里,他这才意识到,自己在计算的时候漏掉了另外一个可能性:

3。走了,死在邱吉尔手上



(4)

1945年8月6日8时15分,美军一架B-29轰炸机飞临日本广岛市区上空,投下一颗代号为“小男孩”的原子弹。“小男孩”是一颗铀弹,长3米, ...

杜鲁门代表上帝和珍珠港死难者亲吻了广岛。


你出现,象一盏灯。
燃烧了,我的瞳孔。

《命运骰子——量子力学简史》(第三十三章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第三十三章)



第三十三章 广岛之吻(上)

(1)

你出现,象一盏灯.
照亮了,我的瞳孔.
1937 年6月,近卫文任日本首相,日本街上的妇女们都觉得生活有了希望。近卫文采取了关东军参谋长、侵华狂热分子,日本男人的骄傲东条英鸡的主张:鉴于西安事变 后,中国抗日民族统一战线日渐形成,应迅速扩大侵华战争,瓦解抵抗士气。于是,1937年8月13日, 淞沪会战爆发,花花世界大上海面临挑战。而一旦上海失守,那么首都南京将洞门大开。

覆巢之下,安有完卵……1937年年底,南京失 守的标志是南京大屠杀,奸淫虏掠让中国一寸山河一寸血。中学生杨振宁全家辗转从合肥逃到昆明,一路上阅尽犬奔豸突的景象……杨振宁来到昆明以后,终于安顿 下来,他考上了西南联合大学化学系,后来又鬼使神差转到物理系。他自然没有想到,若干年以后,自己将要奔赴美国,去寻找费米。无论怎么样,当时的西南联合 大学物理系并无大楼,却有一堆大师,比如周培源教授,就在来比锡大学和海森堡打过乒乓球。这些大师也培养了一堆人类精英,杨振宁就是其中之一。这是后话。



西南联合大学的环境是非常艰苦,但有一群很杰出的人物在那里,华罗庚已经从剑桥回来,他是研究素数的一个高手,总 的来说,他喜欢把一个整数拆了几个整数的和,或者拆成几个整数的平方和,或者是几个整数的三次方的和……这个情况,有时候是非常难做到的。数学家把这个整 数分拆的问题看成无比优美的事情,其中最重要的成果是剑桥的哈代和拉玛努杨做出的。

一个正整数拆成正整数的和有多少种方法,比如
4=1+1+1+1=1+1+2=1+3=2+2。

哈代和拉玛努杨对整数n分拆的分拆种类数p(n)写出了一个渐远表达式:
lim(n-->无穷大)p(n)=exp{根号n}

这个结果可以从量子统计的高温极限中推出来。



(2)

同年,费米来到了美国。这一年,当德国的哈恩和斯特拉斯曼等人发现,92号元素原子核在中子打击下不是变成93号元素——而是象西瓜一样摔在地上裂成大小差不多的2块……

敏感的费米意识到,类似于整数可以被分拆,大原子量的这个原子核也会分裂(可能有多块碎片),会发出中子,而放出的中子,又能继续打击92号元素……这个过程就好象是电脑程序进入了死循环,意味着源源不尽的核能量会释放出来。

费米对劳拉说:“老婆,我发现了一个重要的事情。”
劳拉说:“啥事情?”
费米说:“我发现了一种中子的繁殖技术方法,这个技术方法可以实现一种异常可怕的炸弹。”
劳拉说:“我老公真牛。你想炸谁?中子也能繁殖吗?象虫子一样繁殖?还是象细菌一样繁殖?”
费米说:“繁殖系数我还没有算出来,不过,我相信在一定的条件下,中子的释放速率会高于被吸收的速率,然后这个炸弹就能实现……”
劳拉说:“我不信……”


德国的海森堡等人也意识到,92号元素能够用来制造一种威力巨大的原子弹。不过希特勒把研究导弹放在第一位,原子弹的计划,则放在第二位。海森堡相信一个伟大帝国将在自己的协助下建立起来,这个帝国将是真正的日不落帝国,这个帝国的土地囊括了整个地球。

当年在意大利科莫湖边的2个青年——海森堡和费米,今天已经渐次走到了兄弟侧目的两岸,各为其主,彼于奔命。




(3)
早在1932年,当海森堡面对原子核的时候。海森堡有一个金光闪闪的思想,换句通俗的话说:世界由男人和女人组成,男人和女人是平等的。
他想把这个思想推广到原子核里面,于是,得到了如下模型:
1。原子核由质子和中子组成
2。质子和中子是平等的,它们之间通过su(2)群转动联系。

他这时候的理论水平,也许在费米之上……
(4)
1941-1943年间的某一个黄昏,一列短程火车从日本京都缓缓开出,车厢里一位沉默、带眼镜的中年男子闭目养神,过了一会儿便摊开一本厚厚的书专心读起来:
“……经过中川近旁,便看见一座小小的邸宅,庭中树木颇有雅趣。但闻里面传出音色美好的筝与和琴的合奏声,弹得幽艳动人,源氏公子听赏了一会儿。车 子离门甚近,他便从车中探出头来,向门内张望。庭中高大的桂花树顺风飘过香气来,令人联想贺茂祭时节。看到四周一带的风物,他便忆起这是以前曾经欢度一宵 的人家,不禁心动……”
车上这个正在看黄色小说的中年男子叫汤川秀树,是京都大学的物理学教授,他正在下班回家的路途上。几年前(1935年)他的计算表明,原子核里面 有一种巨大的力量把质子和中子束缚在一起。可惜他的计算没有表明这个巨大力量将进入日本的未来光锥:他的同胞将在广岛接受死亡之吻。

《命运骰子——量子力学简史》(第三十二章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第三十二章)


第三十二章 原子核: 半衰期

(1)
1941 年,海森堡作为一个特殊的使者访问了所有被德国占领的国家,他当时已经是凯撒· 威廉物理研究院的院长。满目创痍令他心生快意----人生一世,草木一春,该死的赶紧死去.这个时候他已经不是一个愤怒青年,而是一个愤怒中年了。他想不 清楚一件事情,那就是,希特勒为什么要打这次世界大战。

想了半天,海森堡心里有了点谱:
1。希特勒希望与外星人做战——他首先要称霸地球
2。希特勒只有一个睾丸——他要把地球当作他的睾丸

来自美国的年轻物理学家惠勒认为,德国的报复性崛起,将对世界大大有利。


第二次世界大战,打得生灵涂炭。称心快意,几家能够? 整个欧洲战场,包括远东的战场,好象一快火红的电烙铁在炙烤着上面蝇营狗苟的人群。



很久以前的牛顿,历史上也被称为牛逼顿,对热量传播非常好奇,虽然当时的人对热力学的知识几近于零。牛顿还是有一个冷却定理,这个定理说出来有点贻笑大方,但他可能是对的,说:一个物体冷却的话,那么,温度随时间的变化率和温度差成正比。

显然,这个微分方程如下:

dU/dt=- λU
显然,这个方程具有指数冷却的结果

U(t)=exp(-λt)

牛顿是一个孤冷的青年,他研究热量的传播和冷却,则折射出这个人有火热的灵魂。这些外表冷漠内心火热的人永远值得尊敬,因为也许只有他们,才是真实的。


(2)
希 特勒是一个狂热的人,他喜欢毁灭别人得到自己的快感。海森堡是为他工作的,海森堡工作的中心任务之一,就是制造原子弹。罗马不是一天建成的,原子弹也不是 一天造成的。历史的演进蜿蜒曲折。在原子弹这个事情上,首先登台的是法国人。1896年法国物理学家A.H.贝可勒尔发现铀的放射性,这是一个伟大的发 现。因为伦琴发现的x射线是人工产生的,而贝可勒尔发现的放射线是天然的。


换句话说,1。原子核是不稳定的。2。放射性衰变是自发的。


如 果原子核发生衰变,它有很多种不同的方式,在高中物理里,这是一些由希腊字母表示的放射线,但通过本书的阅读,读者们已经明白,这背后的物理是量子力学里 不同的衰变概率——物理学家称之为“衰变道”——在这个意义上,也许这个不同的概率是可以计算的(但这个世界多数情况下是模糊的,不可计算的)。


铀 及其化合物不断地放出射线,向外辐射能量。这使居里夫人发生了极大的兴趣。这些能量来自于什么地方?非常幸运的是,爱因斯坦的狭义相对论马上给出了答案, 说E=mc2。狭义相对论在理论上解释了这些能量的来源,但没有解释一件事情,那就是原子核为什么要衰变?而量子力学出现以后,人们发现,衰变是有一定的 概率的,对于一些特定的原子来说,这个概率蛮大的。

原子核会衰变,则说明原子核并不稳定。(因为有yau等证明的正质量定理,以及克里斯多杜隆关于闵氏时空的非线性稳定性的证明,在经典意义上,我们的时空是比较稳定的。Dirac将说明,真空在量子意义上是稳定的。)




(3)


当初的物理学家只能从经典统计的意义上来认识原子核的衰变,他们发现了一个大致的统计规律,对于大量的原子核,一种衰变引起的该原子的数目N(t)随时间指数式减少。
完全类似于牛顿的冷却定理,原子衰变之后,个数随时间满足如下规律:


N(t)=exp(-λt)

人们自然可以据这个定义出半衰期,但这个公式是建立在经典的统计规律之上的。 原子核的衰变一般被认为是满足泊松分布的,也类似于每天达到飞机场的人的个数,只能从统计意义上来描述。

但泡利却想从量子力学的角度,把这个指数衰变的精确表示式写出来……

《命运骰子——量子力学简史》(第三十一章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第三十一章)

第三十一章 藏在花丛中的大炮


(1)

1927年索尔维会议结束以后,哥本哈根学派已经给出了量子力学试卷的一个标准答案。
1。玻尔互补原理——类似为张三丰武当派墙上挂着的阴阳鱼太极图
2。海森堡的不确定性原理——关于张三丰是处男同时不是处男的一个奇怪说明
3。玻恩对波函数的概率解释——关于张三丰是处男的概率研究


在这个意义上,剑桥的少林派——卡文迪许实验室在理论上有所衰落的时候,哥本哈根武当派为江湖提供新的idea。
可是,没有人是真正振臂一呼,应者云集的英雄.江湖上并不认同这个标准答案,对于这些带着眼镜思维神秘的博士们来说,试卷一成不变,标准答案可能年年要改变的。

宁静的江湖,肃杀的氛围里出现了一片假繁荣的景色。

对于武当派的理论统战,江湖人士道路以目,随时准备揭杆而起。

(2)


薛定谔以胯夫追日的方式做物理,已经有很多年,对他来说,女人比诗歌重要,诗歌比物理重要。40岁的老男人了,那有心思专心研究物理学,他的人生目标很简单:多搞几个女人。

因 此,在1927年的会议上,薛定谔做了一个叫《波动力学》的报告。他说:“各位物理学家,教授们,上午好。未曾开口,已觉空虚……在演讲之前,我先要谈谈 对海森堡和玻恩的理论的一点看法,我觉得我并不认为量子力学已经是一个完善的理论,也不太理解玻恩给我的波函数做的所谓概率解释……我这个波动呀,其实不 是真实空间里的波动……你们也许听说了……前年,海森堡去哥廷根数学系演讲,希尔伯特他老人家没有听懂,后来希尔伯特曾经问过他的助手冯诺意曼,矩阵力学 到底是什么玩意,——现在据说他们已经有了研究结论,这个波函数是生活在希尔伯特空间里的……”

台下的人听到这里,连爱因斯坦也吃了一惊。接着, 薛定谔好象是一个摆好了擂台的擂主,说话的声音大起来了:“各位,今天我们所建立的量子力学理论,也许是一个悲剧……”


台下开始骚动起来,泡利小声地对旁边的海森堡说:“这个淫魔在说什么?”
海森堡侧身过来,耳语道:“他是一个诗人,不过我听他的话,怎么那么别扭!他似乎想朝我们伟大的哥本哈根学派开炮。”


"……各位,波函数其实是一朵云彩,但它带有电荷,至于电荷是不是均匀分布,我不知道,但是,我想我愿意承认,波函数就好象天边的云彩……"诗人薛定谔说,“电子就好象是这一朵云彩,非常的漂亮。”
众人听得耳朵里翁翁响,云彩……云彩……

换句猫扑上的流行语就是:“一切皆素浮云”。
以后的几年里,欧洲已经变了。希特勒象一个乌贼一样浮出海面。

(3)

以 后的几次索尔维会议乏善可称,3年以后的会议,虽然爱因斯坦也在会议上提出了光子箱来轰击不确定性原理,但这个思想实验又被玻尔用广义相对论的化为乌有。 但爱因斯坦和薛定谔还是不相信哥本哈根学派的解释是完备的,在他们看来,量子力学不是一个原理性的理论,而是一种以人为中心的类似于托勒密地心说的理论。 可是,地球并不是星星们的中心啊……


因为欧洲局势在希特勒主张的日耳曼民族统一全地球和屠杀犹太人的思潮影响下,欧洲科 学中心德国已经不适合具有自由精神的人类居住,于是,物理学的中心自觉地朝美国翕动,开始完成东学西渐的过程。在这个过程中,爱因斯坦提出了EPR悖论, 薛定谔提出了薛定谔猫……但欧洲的局势已经是风云际会,强龙不压地头蛇。

几乎所有的人都在逃命……
玻恩跑到了英国
薛定谔跑到了爱尔兰
爱因斯坦跑到了美国
玻尔暂时留在中立国丹麦


意大利作为德国的同盟,情况也是类似的,费米虽然是墨索里尼册封的院士,但他不喜欢墨索里尼。加上费米的老婆劳拉是犹太人,费米也很苦恼……1938年,诺贝尔物理奖给了费米,他带着老婆和家人,先去了斯特哥尔摩……然后直接登上了去纽约的油轮。

“哦,纽约,自由女神,我费米也来了,这次我决定留下不再走……”



海森堡独自留在德国,他不知道未来是什么,但当年研究湍流的经历告诉他,个人命运是卷在历史的湍流里的。不能活就只好死,他要好好地活下来,因为,也许他终于可以走一条别人不能走的路了——他隐约觉得,藏在女人堆里薛定谔是渺小的,海森堡才是真正的藏在花丛中的大炮。

《命运骰子——量子力学简史》(第三十章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第三十章)


第三十章 再谈测量问题:对光谱的测量

(1)
这个世界,是非常模糊的,如果不仔细思考,不仔细分辨,直观主义会带来足够多的误会。


梁实秋曾经问过“有一件事情,男人站着做,女人坐着做,小狗翘着一条腿做”。这是一件什么事情?梁实秋说,这件事情是握手——这个答案是具有技术性的。


同样道理,当物理学家去测量一束光的强度的时候,需要更加高的技术性。在本书第十四章,读者们已经了解到,如何测量光的波长。这一章,则要谈论另外一个问题,那就是如何检测一个光源随波长的光强分布(光谱)。


(2)

首先,有一个基本的问题,那就是有没有一个绝对标准的光源。

家庭用的钨灯,是一种热辐射发光的灯泡,这种灯泡发出的光谱,肯定不是严格的黑体辐射谱,因为钨会产生一些比较尖锐的特征峰。


那么有没有标准光源呢?


这个问题也许你觉得一点也不重要,那么,我们可以问性质一样的另外一个问题:“如果一个姑娘穿的是红衣服,你觉得这衣服真的是红色的吗?”


本书各位亲爱的读者朋友们,尤其是男性读者,理应思考这个问题,否则读这本书就显得有点附庸风雅了。


理论上存在的绝对标准的光源,大约只有2种,一种是黑体辐射,基于普朗克等人的计算。另外一种,则是同步辐射,基于史温格的计算。这两种连续光谱是相对比较纯洁的光谱。也被认为是,真正标准的光谱。

一般做遥感研究的人,研究卫星探测到的植被对太阳光的反射光。 其他行业也是一样,探月卫星上安装有x射线探测仪等等光谱仪器,其主要功能就是发射一束入射光,然后研究反射光。


在这个意义上,入射光必须是已知的。——这就需要对光源发出的光谱,有清晰的认识。

(3)


当一个光源发光以后,比如说一个滨松的氘灯 发光以后,有一个光谱,这需要仪器去测量出来。除了单色仪可以扫描波长以外,需要一个检测光强度的仪器。探测光强度的装置由很多种类,比如数码相机用的CCD,或者说一个光电倍增管。

以光电倍增管为例。当不同波长的光照上去以后,它的响应曲线并不是一条直线,而是一条曲线(依赖于量子效率)。因此,你能够测量到的光谱,其实是入射光谱和光电倍增管响应曲线相乘以后的乘积曲线。



(4)

因此,当我们真的是探测一个光源光谱的时候,我们在仪器上能看到的光谱图,实际上并不是真实的。


可是,真实的光谱到底应该是什么样子的呢?


这只是没有读过量子力学的人才会问的傻傻的问题。 本书读者应该很清楚了,真实的光谱是不存在的,这个世界是基于观测的,而观测是仪器依赖的。


非常幸运,我们生活在一个模糊的世界里,才会如此精彩。

《命运骰子——量子力学简史》(第二十九章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第二十九章)


第二十九章 世间已无洛仑兹


(1)


1927 年,索尔维会议结束的时候。洛仑兹走出会堂的楼梯,步履有点蹒跚,好象一个柱着拐杖的精子赶去投胎。他已经很老了,老得记不清楚很多事情,他甚至想不清楚 一件事情,那就是狭义相对论到底是谁发现的,是他,还是伏瓦基(voigt),抑或是爱因斯坦的老婆,或者可能是菲兹杰拉德?难道是庞加来?


在众人走出会堂到广场上合影的时候,他看到爱因斯坦浑圆的屁股,明显感觉到只有中年人身上才能够散发出来的成熟稳重的气息。

按 照江湖规矩,合影的时候,第一排有9个座位,谁坐在中间呢?所有的人内心都在打鼓。这是非常有讲究的。因为坐在最中间的这个人,地位必须足够高,而这必须 要得到大部分与会者的默认。这种事情虽然大家不会明显地讲出来,但当一个人真正坐在中间第5个位置上的时候,他一定能明显感觉到一种君临天下的威仪。


近了,渐渐地近了……

洛仑兹终于开口了,他先讪笑了几声,然后亲切地说:“小爱,你坐中间吧。”
爱因斯坦犹豫了一下,说:“好吧。”

……

等大家坐定,露出将要笑着离开的神态,摄影师喊了一句:“好,action——cut!”



(2)
等大家各自回到大学,合影照片已经洗出来了,海森堡是一个很敏感的人,他发现,爱因斯坦坐在前排最中间的位置上。洛仑兹则在爱因斯坦左边也就是第四个位置上。第一排中,还有居里夫人和普朗克等人,依次排坐在爱因斯坦的两翼——这看上去确实是自人类诞生以来的最强阵容。


洛仑兹24岁的时候,那是在遥远的1878年,他在母校当大学老师了,那时候爱因斯坦还没有出生呢。



洛仑兹一开始是做电磁学的,他希望自己能从微观的角度把宏观的麦克斯维方程推出来。

按照现代微分几何的观点,真空麦克斯维方程可以写成
dF=0
d*F=0

显然,在麦克斯维的方程中,电场和磁场全是宏观量(几何量),从微观的角度来看,是一个平均场的效果——这就好象早晨上班高峰地铁站里的人流,从宏观上看来,人流是比较均匀的连续流体,但对于地铁站里拥挤着的美女来说,人流并不那么均匀。

洛仑兹化了九牛二虎之力,终于证明了,如果假设电荷有微小的粒子附带,那么,麦克斯维方程确实可以从微观角度做一个平均场给推出来。
洛仑兹把那些带有电荷的微小的粒子,称为电子。




(3)

洛仑兹的《电子论》在汤母孙发现电子之前就出现了。《电子论》有一种思想倾向认为电荷是由微小的粒子附带的。这种想法很象纯净水一样天然无味。但人是不能超越时代的,如果当时的洛仑兹能够在数学上证明电荷是量子化的,那他才可能具有超越爱因斯坦的地位。

但洛仑兹不会善罢甘休,他自然要先作出自己的贡献才去死。


1880年代开始,就有一个叫麦克尔逊的美国海军军官,是一个硕士,在欧洲他搞了一个实验,企图证明地球绕太阳系的公转速度会影响到他设计的干涉仪的干涉条纹。


可 惜,麦克尔逊的实验总是得到零结果,也就是说,光的传播速度并不会和地球的公转速度简单叠加上去——这其实就是狭义相对论的全部意义所在:“光速在任何参 考系都不变”。麦克尔逊的实验也引起了洛仑兹的注意,不过洛仑兹还是从麦克斯维那里找到了洛仑兹变换,1904年,洛伦兹证明,当把麦克斯韦的电磁场方程 组用伽利略变换从一个参考系变换到另一个参考系时,真空中的光速将不是一个不变的量,从而导致对不同惯性系的观察者来说,麦克斯韦方程及各种电磁效应可能 是不同的。为了解决这个问题,洛伦兹提出了另一种变换公式,即洛伦兹变换,用洛伦兹变换,将使麦克斯韦方程从一个惯性系变换到另一个惯性系时保持不变。当 时写出洛仑兹变换的人还另有他人,各自有自己的角度,比如伏瓦基就是想要波动方程的算子在某个变换下形式不变来研究问题的,经过痛苦挣扎,他也写出了洛仑 兹变换。


无论怎么样,洛仑兹变换是两个参考系之间的线性变换,这个变换开始在江湖上流传起来,但其物理解释,还需要经过生吞活剥,才能消化。


(4)

洛 仑兹的研究工作,总离开真正靠谱的解释差之毫厘,但也足以谬以千里——比如他对塞曼效应的解释是经典谐振子上加上一个电磁力引起的经典频率的交错,并且因 为这个不太靠谱的解释得到了诺贝尔奖金。他把自己得到的洛仑兹变换看成是一个绝对静止参考系和一个相对匀速运动参考系之间的变换——可是,宇宙中有绝对静 止的参考系吗?这自然是没有的。


1928年,德高望重的洛仑兹离开了滚滚红尘。

《命运骰子——量子力学简史》(第二十八章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第二十八章)


第二十八章 情敌外尔



(1)

1927年的索尔维会议,费米不是唯一的缺席者,另外一个缺席的人,就是薛定谔老婆的情人外尔。狄拉克曾经声称,外尔是唯一一个他不能understand的人。

作为薛定谔的情敌,外尔不是一个普普通通的男人——外尔曾经这样评价女数学家诺特:“女数学家有两种,一种不是数学家,一种不是女人。”诺特闻言心中充满怨愤,在心里有报复性的想法:“外尔有两种,一种不是数学家,一种不是男人。”


外 尔在1928年写了一本书,这书的第一版是在哥廷根写的,可能是德语,影响力不强,第二版是在普林斯顿改写的,被翻译为英文,讲的是群论在量子力学中的应 用,这个书,自然为物理学家们理清楚了头绪。(关于外尔在广义相对论中的影响力,请读者们参考本书姐妹篇《相对论通俗演义》)


总之,哥廷根数学学派给当初的量子力学提供了数学解释。


(2)

当1853年出生的洛仑兹坐在1927年索尔维会议会堂的前排,双眼发直,看着海森堡等人大讲矩阵力学的时候,他作为一个老者心中充满了困惑。

洛仑兹问爱因斯坦说:“小爱,你听得懂海森堡在讲什么吗?”
爱因斯坦说:“我听不懂,您呢?”
洛仑兹说:“很困惑。我的脑子转得象荷兰的大风车,但还是不理解……”
爱因斯坦说:“也许,您真的老了。我也老了……”


人是望地底下走的,第二年,洛仑兹就死了。


(3)

黑 体辐射问题不是一个孤立的问题,铁血宰相俾斯麦(bismark)让德国大统一,炼钢工业也得到极大发展,这自然需要很好的黑体辐射理论。人们已经知道的 一点是,黑体辐射的光是电磁波,于是,一个很自然的推论就在1905年由英国的金斯推出——这是一个驻波条件,任何吉他手都是很清楚的——吉他高手必须要 改变手指按琴弦的位置,才能改变乐音基频。吉他基频对应的波长λ的半整数倍等于弦长L。

同样道理,按照这个经典图象,在一个密闭容器(炼钢炉)中,电磁波的所有模式中,反弹形成驻波的模式才是基本的,能量在这些模式之中平均分配——这就是金斯的错误的黑体辐射谱,也就是第三章讲的瑞利的抛物线发散的黑体谱(当时金斯纠正了瑞利的一个错误的因子2)。


这是1905年,也就是爱因斯坦发现狭义相对论时候,人们对黑体辐射的理解。


在 这个模型中,很显然的是,电磁波的基本频率模式是与容器的外形相关的(零频时被称为调和问题,一般模式是亥姆霍兹方程,总之,问题与边界的形状有关系。) ——换句话说,对于一个鼓手来说,鼓的形状不一样,发出的鼓声的基频也是不一样的——这可以通过目前的音乐分析的电脑软件通过傅里叶变换看出来。





(4)

1910年,wolfskehl基金悬赏的费马大猜想的钱还没有奖出去,于是,这个基金产生的利息就用来请科学家到哥廷根去做演讲。洛仑兹作为电子论的数学大师,相对论坐标变换的提出者,自然有这个机缘出现在哥廷根大学的讲堂之上。

“今天,我开始讲本次系列讲座的第四讲,物理学中的新问题和旧问题是我们的主题……”洛仑兹在台上说。
台 下有一个年轻人,正竖起了耳朵听,突然,他听到洛仑兹说:“……基于金斯的黑体辐射理论,我们考虑波动的驻波模式,那么……在坐的各位数学家,你们连费马 大猜想也能搞,我想,这个问题对你们来说,也许很简单,……这个问题是,我们能不能通过鼓的声音,来反推出鼓面的形状?……”


台下的年轻人,正在外尔,他是希尔伯特的学生,工夫了得,他马上知道,这个“听音辨鼓”的反问题很有意思。

他再也坐不住了,洛仑兹还在台上讲自己对这个问题的一些物理上的猜测,但外尔觉得自己应该马上退出江湖,关门去搞这个反问题。他突然感觉自己得了躁郁症,站起来,朝门外走去……他要马上动手了。


一年后,外尔很好地解决了这个问题的大部分,他得到的结果是:

lim(λ-->无穷大)n(λ)/λ ~S

λ是鼓面振动发出的声波的基本波长(特征波长),n(λ)是比λ小的特征波长的个数,s是鼓面面积。


虽然这个问题在形式上远离了黑体辐射的理论,但源头却是金斯的黑体辐射驻波条件。 不过这种做经典场的方法在面临量子场的时候是注定要失败的。


反过来说,薛老师的情敌外尔对洛仑兹提出的一个问题的初步解决,显示了这个物理学家的数学家情敌非凡的数学物理能力,从某种意义上说,外尔的结果与素数定理长相类似:


lim(x-->无穷大)n(x)/x ~Ln x)^{-1}

《命运骰子——量子力学简史》(第二十七章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第二十七章)


第二十七章 天空中的阿基米德定律


(1)
很久很久以前,出生在意大利的西西里岛的一个人,双腿夹紧灵魂,朝浴缸里坐进去。他发现,当他进去的时候,浴缸里的水溢出来了。


“啊,我找到了!!”这个在浴缸里的名叫阿基米德的裸体男喊了起来,“国王的黄冠到底是不是纯金制造,我有了办法!!”他连内裤也不想穿,手舞足蹈地跑向外面的街道上。


浸 在静止流体中的物体受到流体作用的合力大小等于物体排开的流体的重量。这个合力称为浮力,这就是著名的“阿基米德定律”。“阿基米德定律”表明,浮力与物 体的形状没有关系,而只与总体积有关。著者愿意把“阿基米德定律”的这个重要的性质,称为“形状无关性”——无论是一个球体,还是一个正方体,只要它们的 体积一样,那么它们在水中受到的浮力是一样的。

水的浮力大小——水分子背后的氢键结构不是本章的重点。“形状无关性”却很重要,如 果说2000年前,阿基米德定律是数学物理的初恋,那么,2000年后的今天,黑体辐射曲线则是这个初恋的继承和延续。宇宙背景辐射和黑洞辐射都具有黑体 辐射谱,因此,著者愿意把乳峰曲线称为“ 天空中的阿基米德定律”——因为黑体辐射曲线,也具有形状无关性。无论炼钢炉的外形是什么,黑体辐射曲线只与温度和频率有关。



(2)

黄仁宇在《万历十五年》中,有一章标题就是“活着的祖宗”。我们也要谈一下“活着的祖宗”。

1927年10月,第五届索尔维会议上,有一个老者,精神很好,他看到自己开辟的量子力学,已经渐入佳境,心情十分高兴。


人老了,总是喜欢回忆,于是,他想起了很久很久以前的事情……那时候,他象一个精巧的裁缝,把两条裤腿整合起来,做成了一条裤子。这裤子左边的裤腿上写了“瑞利——金斯制造”,右边的裤腿上写着“维恩制造”。


普 朗克1858年就出生了,这资格真是老极了。到了1927年,普朗克已经是古稀之年——会场上还有一个老者,就是另外一个祖宗洛仑兹(下章准备谈到他)。 爱因斯坦是在1879年出生的,所以,普朗克与爱因斯坦之间也有代沟——总之,普朗克是基尔霍夫的学生,1927年索尔维会议上象海森堡那些小青年,都觉 得普朗克就是上个世纪的人。


1900年的10月,普朗克作为一个热力学统计的研究者,得到了黑体辐射曲线,到了12月,他终于找到了一个半数学半物理的解释,这个被称为“不情愿的革命”。


(3)

这 场革命,是为了解释乳峰曲线的来历,刚开始,显得有点非理性。普朗克把系统总能量平均分成p等份,强行分给n个振子(弹簧)——经典电动力学认为,炼钢炉 壁上的原子象弹簧一样振动,能发出电磁波。普朗克为了计算n个振子的玻尔兹曼熵S,首先必须计算出了热力学微观态数w……

事情就是这样的,s=klnw 是玻尔兹曼的遗产,当时普朗克感觉自己有点玻尔兹曼灵魂附体……

因为本书的定位是一本《金瓶梅》式的书,我们可以再打一个比喻。假如有一个成功男人,背后有3个情人,他有2套闲置的房子,需要把这3个女人安排住进2套房子里,做到金屋藏娇,显然具有4种安排方式:

0,3
1,2
2,1
3,0

这就是P=3,n=2的特例。


当普朗克为了最到同样的事情,他就象一个骗子一样工作起来,他不做任何说明,得到了如下的微观态数W:

w=(N+P-1)! /{(N-1)!P!}

以上数学,!表示阶乘。这在物理上算是一个技巧,确实可以据此推出乳峰曲线,但爱因斯坦这样的明白人看到以后,马上知道,普朗克的这个最重要的表达式,说明对成功男人来说,情人是不可区别的,房子是不可区别的。而这恰恰是最重要的一点,普朗克并没有指出来。

《命运骰子——量子力学简史》(第二十六章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第二十六章)


第二十六章 乳峰曲线:黑体辐射

(1)


1927年,10月,布鲁塞尔。
这就是牛比的第五届索尔维会议(索尔维和候德邦一样,是制碱发财之人),开会前一天,大家听说爱因斯坦也要来。
海森堡躺在旅馆的床上,做了一个怪梦——
海森堡说:“您来了。”
爱因斯坦说:“听说你搞了一个不确定性原理。”
海森堡说:“是的。”
爱因斯坦说:“你这个没谱青年,怎么越来越不确定了——你不行,想当年我年轻的时候,搞的学问,那才是真正的学问,黑体辐射曲线,布朗运动,广义相对论,你呀,too naive,好好的研究你的光谱去吧。”

海森堡从床上睁开迷梦的眼睛,坐起来,背上已都是汗水。虽然是秋天,但寒飕飕的风从门缝里钻进来,整个地面上似乎有一片皎洁的月光,冰消雪化,草木都已经枯萎……

第二天,会议开幕了,所有物理学的大牛人全参加了,除了费米——普朗克来了,薛定谔和爱因斯坦也来了,海森堡感觉有点紧张。(参加这次会议的人有一张著名的合影,这张合影是地球诞生以来,最牛比的合影。)


"好了,我宣布,第五届索尔维会议——开幕!"大会主持人洛仑兹喊了一句,“我们这次会议的主题是电子和光子,请大家围绕主题,不要扯淡。下面,先请海森堡和玻恩上台,讲讲他们的矩阵力学。大家欢迎。”

稀稀拉拉的掌声……
海老师上台的时候,年轻,充满朝气,他在台上说,量子力学作为一门完整的理论,已经建立起来了。

台下的爱因斯坦一言不发,思绪却回到了10年前。
(2)

10年前,也就是1917年,当爱因斯坦面对普朗克的黑体辐射曲线,出神的时候,他已经完成了广义相对论,他的内心完美无缺,经历过30多年的冷暖沉浮,他已经清楚得知道一件事情:普朗克的黑体辐射曲线,看上去真得象一个少女的乳峰。

普朗克的黑体辐射曲线,在1900年就已经提出来了,这曲线具有中间高两端低的特征,是辐射能量密度关于频率的一个函数。这个函数由两部分的乘积组成,第一部分是一个频率的立方项,第二部分是一个等比数列的和。


p=v3{exp(v)-1}^{-1}



优美,非常的优美!!

爱 因斯坦感叹道,这样奇怪的数学表达式,居然出现在物理学最基础的黑体辐射里,上帝一定有所暗示。这到底是怎么来的呢?普朗克在1900年的10月19日凑 出来的这个曲线,确实是夜雾迷蒙中的一缕光明。可是,普朗克得到了这个曲线,却没有说明,这个曲线产生的物理原因。到了同年12月14日,普朗克才七天憋 出六个字来,说:“能量是离散的。”


1917年,爱因斯坦看着 乳峰曲线,内心深处已经非常厌倦,经典物理学已经礼崩乐坏,但量子力学的完整逻辑还没有被创造出来。正巧,那时候,半路杀出一个程咬金,玻尔提出了原子的 能级概念,指出电子在能级之间跳跃,能产生光辐射。 但爱因斯坦自然更加深邃,他不喜欢大而无当的说法,他马上建立了一个能级跃迁的简单模型,在这个模型里,原子只有2个能级,那么,爱因斯坦的计算表明,2 能级系统确实能够产生 乳峰曲线——普朗克的黑体辐射,和玻尔的原子能级跃迁,确实是可以相互映证的。


这是爱因斯坦当年最杰出的工作(他在辐射平衡的条件下,指出要得到黑体辐射曲线,激光必须存在),他相当于在已经日薄西山的经典力学的大腿上狠狠地捅了2刀,经典力学,终于死了。

(3)
海森堡和玻恩讲完以后,会场上一片寂静,大家看着爱因斯坦出神,因为爱因斯坦似乎睡着了一样,面无表情。


“爱因斯坦,你对矩阵力学,有什么评价?”玻尔出面问道。

“啊!讲完了呀。”爱因斯坦嘴角摄动了一下,说,“等薛定谔他们讲完以后,我再说吧。”

《命运骰子——量子力学简史》(第二十五章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第二十五章)
第二十五章 新罗马帝国(下)

(1)


蜜月期。

费米带着劳拉在罗马机场坐上了水上飞机,飞机贴着海面飞行,去往避暑胜地热那亚。

飞机沿着海岸线飞行,极目骋怀,海岸的沙滩是是彩色的阳伞和穿着比基尼的美女。

“教授,你该教我什么是量子力学了。”老婆说。
“好啊,我先给你讲讲电磁学吧。其实,麦克斯韦发现,光是电磁波……”坐在边上的费米侧过脸来说。
“我不信!”老婆说。
……
飞机如一缕轻烟,扫过人们的头顶。大家都抬头仰望,欢呼雀跃……


(2)

在热那亚换乘火车,费米带着新婚燕尔的妻子在阿尔卑斯山南麓的山间穿行。远处的雪山洁白,在湛蓝的天穹下闪闪发光。
他们找了一间乡村旅店住下。

这对幸福的旅人又开始了愉快的交谈。

“光是怎么产生的?”老婆问。
“一个电子,从2层楼跳楼了,跌在地上,就产生了光子。”费米开始变的通俗起来。

“啊,这样啊,那电子为什么要跳楼呢?”老婆问。

“你这个学生,真是不好教啊。”费米笑着说,“这叫量子跃迁,至于为什么发生跳楼(跃迁),这也许是因为电子受到了一些莫名的影响。物理学家把这个影响叫做微小的扰动。”


“哦,我相信。”老婆接着问,“那么,中子也会跳楼吗?”

费米说:“中子?你的意思是不带电的粒子吧?我猜想它也会跃迁的,它跳下来,就会变成带正电的质子,然后放出带负电的电子,然后……”

老婆趴在费米身上,用胸脯贴着费米的背说:“我不信……”



(3)




1928年,物理学家面临困境,在中子转变为质子放出电子的过程(β衰变)中,能量似乎并不守恒。


结过婚的女人是很清楚的,家里有多少钱。如果老公把家里的钱偷偷拿给外面的“野女人”花,那么钱的数目就会显得很不守恒。

三 体运动可以解释这一切,于是,泡利在1930年认为,在β衰变的过程中,放出的粒子中,除了质子和电子,还有一个看不见的“野女人”在花家里的钱,这个在 暗处的“野女人”被称为“中微子”。在泡利这个解释之前,玻尔也有一个解释,玻尔认为,在微观过程中,比如β衰变中,能量守恒定理是失效的,换句话说,家 里的钱本来就不守恒——爱因斯坦听说这件事情后,心想,你们都没有吃过狗屎,我爱因斯坦吃过,那就是我看到过玻尔的能量不守恒定理。爱因斯坦写信给别人 说:“如果玻尔是对的,能量不守恒,那我宁愿成为一个鞋匠。”



泡利引进的中微子根本就没有被观测到!! 这个偷偷花家里钱的小情人是很会捉迷藏的,她人藏起来了,但钱照花不误。并且她花钱的数目是非常随机的,今天花100,明天花200,后天化500,大后天化50,根本没有一个特征谱,也是一条很光滑的连续谱!!

泡利描述β衰变的方程如下:
n=p+e+v
n是中子,p是质子,e是电子,v是电子中微子。



根据量子力学的角动量合成规律,很显然,这四个粒子都是自旋为1/2的费米子。

并且电子和中微子不可能一开始就呆在原子核里面。(用海森堡不确定性原理就可以计算,原子核尺度里不可能有自由电子。)


(4)

费米对这个问题很感兴趣,因为β衰变电子的连续谱曲线必须得到完整的解释。——在本书中,读者们会发现,凡是曲线,背后都是有来历的,对一些实验曲线的解释方法有2种,一种是现象学的(比如开普勒三定律),一种是原理性的(比如牛顿万有引力)。




在漫长的6年中,费米写出了这四个费米子相互作用的有效理论,这个量子理论的手法完美得解释了β衰变电子的连续谱。这是薛定谔解出氢原子能谱以后量子理论最伟大的胜利。 费米在这时候奠定了他的新罗马帝国的教皇地位,这个地位不可动摇,因为他深入到了原子的核心。


费米在万紫千红的花丛中看见花蕊的秘密。他感觉很高兴,对塞格雷说:“我完成这件事情,将活在人们的记忆里。”

《命运骰子——量子力学简史》(第二十四章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第二十四章)
第二十四章 新罗马帝国(上)

(1)
费 米从科莫回到罗马以后,心情有点低落,因为在科莫会议上,玻尔和玻恩等人根本就无视他的存在——这是一种无声微妙的藐视。玻尔和玻恩等人,其实是看不起他 的,费米还是隐约觉得自己的物理不行——比起泡利和海森堡等人,自己似乎总缺少什么。虽然几年前他就和狄拉克分别得到了关于自旋为1/2的粒子的统计学。 可是,这不足以引起大师们的足够兴趣。


我们当代意大利青年做物理真的不行吗?自从父亲和母亲去世以后,费米的家里也变得空荡荡的(十多年前,费米的哥哥夭折了),在这个世界上,现在他唯一的一个亲人就是他姐姐。


费米想去自杀。

“祖国啊,我的死是你害的。”


不过,这个念头一晃而过,因为他知道自己已经是意大利最牛比的青年物理学家了,自己要是自杀了,还有谁能独当一面呢?

于是,他坚持着继续工作,为了生活多一些乐趣,他买了一辆法国产的波日奥小汽车——这辆车花了他大部分积蓄。这个时候,总是有理的墨索里尼已经上台的,这个充满理想的中年人也正在试图改变意大利。

墨索里尼梦想着建立一个新罗马帝国。政府用金钱鼓励人们做爱,结婚生子。男孩子从童年开始,国家法西斯党就一直向他们灌输着意大利的命运以及战争的美妙。每一个男孩子都必须佩带刺刀,到1930年代中期,墨索里尼说:“意大利已经拥有800万把刺刀”。



实际上,这一切都是虚妄的,墨索里尼这样做,只不过是为了搞到更多的土地,银子和女人。



(2)

年轻的费米教授的波日奥小汽车是蛋黄色的,非常好看,是一种敞蓬车,最高时速30公里,拐弯的时候不能减速,开在路上绝对象一个鸭蛋黄在横冲直撞。
这辆车就停在罗马大学的校园里,顿时吸引了很多女学生的眼球。



罗马大学有一个19岁的名叫劳拉的漂亮女生,是一个海军将军的女儿,一个娇小姐,犹太血统,以前鬼使神差地和费米一起爬过山,算是隐约认识费米,她也被这辆小车给吸引住了,心想:“这家伙做司机比做丈夫更适合。”


她经常参加费米他们的聚会,在聚会上费米经常和塞格雷等人在一起谈论量子理论。劳拉自然是听不懂,但她内心深处有一些喜欢。


费米正在慢慢地架构他的罗马学派,聚会喝酒打闹只是一种表面形式,其实,学派的灵魂是新生的量子力学。


费米一开始也经常开车拉着他的罗马学派的几个哥们,加上劳拉和她的姐姐安娜一起出去郊游。几次以后,费米只拉着劳拉一个人出去兜风了,车子在山上上颠簸,两人情投意合。





(3)
车停在山麓边,周围连一个人影也没有。

费米说:“这里好安静啊。”

劳拉羞涩地说:“是啊。”

费米小声地说:“我喜欢你。”

劳拉听见自己的心撞如小鹿突奔,说:“什么?”

费米说:“啊?没有什么?”


劳拉说:“哦,我也喜欢你……”


费米把手从方向盘上拿下来,放在劳拉的胳膊上,过了一会儿,他捏了捏她娇小的乳房……



回到罗马城里,爱情瓜熟蒂落。

劳拉的姐姐安娜,是一个画家,对数学物理很害怕,她每次看见费米,总跟她妹妹说:“瞧,你的对数又来了。”
劳拉娇嗔着说:“姐,别瞎说。”



1928年7月19日,27岁的费米结婚了。



(4)
劳拉的出现,罗马学派的年轻人非常高兴,因为这样费米就可以安心地做学问了。
1927年,玻尔心里颇不宁静,因为13年前,查德威克就发现,有的原子会放出一种电子流,这个电子流来历不明,并且电子流的能量是非常不确定的,能量可以从零一直到一个最大值。这就是历史上著名的“β射线连续谱”问题。

新婚之夜。
这个夏天的夜晚,格外的闷热,费米显得并不高兴。

在床上,妻子问他:“费米,你似乎有心事?”
费米说:“我在考虑β射线连续谱问题。”

妻子说:“这问题那么重要吗?”
费米说:“是的,谱为什么是连续的呢?”

妻子说:“存在即合理,就是连续的。”

费米楞了一下,说:“为什么是连续的呢?”

妻子说:“我不知道,我不管——我妈给我们买的家具怎么样?”

费米说:“很好,可惜家具的腿怎么都是弯的?”


妻子说:“弯的比直的好看。”

费米说:“也许吧。你说,真奇怪,β射线的能谱为什么是连续的呢?”


妻子说:“明天我们去度蜜月吧。你教教我量子力学。”

《命运骰子——量子力学简史》(第二十三章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第二十三章)

第二十三章 科莫湖畔的费米

(1)

等 海森堡把他的不确定性原理发表以后,他奠定了自己在物理学历史上不可动摇的地位。在物理学历史上还没有其他物理原理可以与海森堡的不确定性原理相媲美。其 他物理理论,比如爱因斯坦的相对论,也仅仅是描述物理世界的一级近似——正如牛顿力学里抛物线的运动轨迹往往是忽视了摩擦力作用的结果。而海森堡的原理, 非常确切地说明,物理世界其实是模糊的,远远没有大家想象的那么精确。

1927年的夏天,当海森堡去莱顿大学当教授的时候,他的脑子里有两个命题:
1。上帝是一个处女。
2。上帝是一个男人。

海森堡的脑子里,这两个命题同时存在,使得他很困惑,到了最后,连他自己也想不清楚这到底是怎么一件事情了。他甚至忘却了,为什么会有如此诡异的两个命题。
到莱顿大学以后,他马上成为理论物理系的系主任,到了9月,他要去意大利的科莫参加一次学术会议。这一次学术会议的对外宣传是为了纪念发明了电池的伏打逝世100周年。但其实海森堡相信,这次会议跟电池毫无关系,组织者是为了搞到经费而搞了一个如此冠冕堂皇的理由。


意大利,我来了,森堡心里暗忖,意大利在伽利略以后,已经死亡。

科莫是意大利北部阿尔卑斯山山谷中的一个小城,这个山谷里还有一片迤俪的湖光山色,这个湖就是科莫湖,类似于西湖,欲把西湖比西子,淡状浓抹总相宜。


(2)

1927 年金秋的科莫湖,一条大游船在湖面上荡漾,上面有几个中年人和几个青年人。类似于中国数学物理学家们在西湖论剑,大家总要搞一条船泛舟西湖,会议结束以 后,甲板上有三个小年轻跟在一堆大人后面也在湖上饱揽这明媚的秋光。这三个人因为年纪很相仿,于是在一起很投缘,他们还拍照留念了,从合影里可以看出,左 边的分头是费米,中间的黄毛是海森堡,右边的方脸正是泡利。


“你们觉得玻尔这次在会议上讲的东西是不是开启了物理学的新时代?”费米小声地问。
费米是意大利人,和泡利同年纪,毕业于比萨师范大学(该学校号称和巴黎师范齐名,都为拿破仑设立)。几年前曾经去过哥廷根,在那里他觉得自己远远比不上海森堡等人,所以,回到意大利以后总觉得自己低人一等——他也深刻感觉,意大利的物理水平,确实已经腐朽。

“玻尔这次讲的互补原理,太哲学了,不过我喜欢。”泡利说,“不过这样的原理我一天能写出至少三个来。”
“也 许是这样的,玻尔的互补原理,其实就是我半年前发现的不确定性原理,——当时,他去挪威滑雪了,回来搞了一个互补原理,说什么无论在辐射还是物质中,波动 性和粒子性是相互排斥又是相辅相承的——说实话,这个原理确实似乎想把薛定谔的那套波动力学和我们的矩阵力学统一起来,”海森堡委婉地说,“……虽然我不 喜欢薛定谔——这次他没有来,他要是敢来,我就要猛烈炮轰波动力学——不过,我还是相信,物理学真的正在发生革命……原子世界也许真的需要波动与粒子在一 起的描述。”


费米闻言,一阵糊涂一阵明白,有点窃喜。因为海森堡的感觉似乎和自己完全一样,接下来问:“森堡,你觉得如果爱因斯坦参加这次会议,他听了玻尔的互补原理,会有什么反应?”

海森堡沉默了一下,说:“爱因斯坦是大师,他的想法一向诡异,我们不好简单判断。不过,也许爱因斯坦并不喜欢玻尔的这一套哲学——这套哲学说实话就是中国的那套阴阳鱼哲学。”


费米大骇,问道:“阴阳鱼?”


旁边的泡利插话说:“阴阳鱼哲学,在东方很是流行,就是一个圆里有两条鱼,一条是白色的,一条是黑色的,但是,白鱼的眼睛是黑色的,黑鱼的眼睛是白色的。这个阴阳鱼哲学认为,世界上所有事情,都是白中有黑,黑中有白。”



(3)


因 为大家都是年轻人,海森堡说话也变得非常大胆,他解释道:“费米,虽然你还是处男——其实,阴阳鱼哲学非常简单,就是阴中有阳,阳中有阴。任何一个人,都 是有男人和女人创造出来的,所以,任何一个人,身上都既有男人的因子,又有女人的因子。玻尔的哲学就是这样的,其实我可以偷偷告诉你的是,玻尔考虑物理的 时候,总是从男女之间那点事出发的。”

费米瞪大了眼睛,说:“是吗?那你是处男吗?我最近刚当上教授,接下来的目标就是买一辆车子,讨一个老婆。”

这时候从船舷边走过来一个带眼镜的小孩子,感觉象一个高中生,他过来怯懦地喊了费米一声:“教皇。”

费米拉着这个小孩子的胳膊说:“蛇怪,我给你介绍一下,这个是泡利,这个是海森堡。”

泡利用犀利的眼眸打量了一下来人,说:“哥们,你们认识?叫什么?蛇怪?教皇?”

来人说:“呵呵,蛇怪是我的外号,我叫塞格雷,以前是学工科的,来这里蹭会的——没有人邀请我来,我是自己来的。教皇说,我来这里听听有好处的。”




(4)

很多年以后,塞格雷因为发现反质子得到诺贝尔奖,他不能忘怀的是1927年9月在科莫的这次猥琐的经历,他当时默默无闻,没有人知道他是谁,他真的好象一条蛇一样隐藏在别人看不见的角落。

《命运骰子——量子力学简史》(第二十二章)

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标 题: 《命运骰子——量子力学简史》(第二十二章)
发信站: 两全其美网 (Thu Aug 7 10:35:45 2008), 本站(lqqm.net)


《命运骰子——量子力学简史》(第二十二章)
第二十二章 海森堡是处男吗?——不确定性原理

(1)

1922年,德国科学家为了庆祝玻尔获得诺贝尔奖,特地举行“玻尔节”,邀请玻尔到哥廷根来演讲。

那时候,慕尼黑的索末菲领着两头初生牛犊——泡利和海森堡日夜兼程,横穿整个德国,赶到哥廷根来朝拜玻尔大师。于是,在玻尔演讲现场的听众里,有一位21岁的大二学生,海森堡。


海森堡那时候虽然是一个无名小卒,但来势很猛,他是有备而来,准备了一些尖锐的问题。比如,玻尔说电子要么在这个状态,要么在那个状态,中间状态是没有的——这就是跃迁理论。

海森堡潮头很大,他在演讲现场就发飙起来。

他站起来,听见自己的嘴巴突然一张一合,一字一句地从那里蹦出来下面这几个单词:“玻尔老师,相对论说速度是有限的,最大的速度是光速,电子从这个状态跳到那个状态,不管距离多么短,一定是需要时间的。那么在这段时间内电子处于什么状态啊?”


玻尔冷不丁被打断了演讲思路,脑子一下子缺氧。嘴巴也就跟不上了,回答不了这个毛头小伙子提的问题,但姜是老得辣,他显得很从容,说:“好问题,it is a good question,我们私下再谈。”

接下来,玻尔继续他的演讲,但方寸有点乱了,内心里很喜欢刚才那个打断自己的小伙子,他心想这孩子显得比较成熟,他是处男吗?——玻尔不能确定。
(2)


会后,玻尔邀请海森堡去散步。

这一次散步,使得海森堡认识到,玻尔虽然在江湖上名气很大,但平易近人,而且对物理的洞察力又很深邃的。于是,海森堡暗暗下决心,以后要追随玻尔。

他心里土壤,埋藏了这个种子。于是,他算是跟玻尔已经认识了——这是参加学术会议的好处之一,可以认识行业内的大牛人。

此后几年,相安无事。

物理学1925年开始的高潮,持续到第三年,到了1927年,海森堡还是一个处男,二月份,春寒料峭。

他来到了哥本哈根,在玻尔的研究所里继续博士后研究。博士后人群到处流浪,那里给钱就去那里,是非常有创造力的。上午可能还在哥廷根的街上吃干面包,下午就出现在哥本哈根研究所的食堂里,大口啃着牛排,喝着啤酒。


1927年,大家都很年轻,泡利比海森堡大一岁,海森堡比狄拉克大一岁,这些年轻人中,年纪人还有约当,维格纳和冯诺伊曼。所以,这时候的物理学,被称为“处男物理学。”
而薛定谔老师已经40岁了,他这个时候因为搞出了波动力学,算是大器晚成,1926年10月也来到哥本哈根访问,他住在玻尔家里,专门给玻尔讲解波动力学。可惜,玻尔根本不相信波动力学是对的,于是,大家闹得很尴尬,薛定谔住了没有几天,就病了。



(3)

二月,乍暖还寒,物理学也一样,暖流已经袭来,但冷空气还没有消退。

薛老师离开哥本哈根以后,玻尔和海森堡继续讨论,他们觉得很费解,电子一会儿表现的象一个粒子,一会儿又表现得象波。电子如果真是波又是粒子,那情何以堪。

他们不服薛老师的那一套。

薛老师回到维也纳,也觉得玻尔智商不行,他写信给朋友说:“那些人其实都是混混,我是这个混乱时代中幸存下来的唯一一个脑子还清爽的人。”



这个二月,大家的精神高度紧张,脑子也快炸了。
玻尔对海森堡说:“森堡,明天我要带着你师母去挪威大峡谷滑雪,我们需要休息一下了,脑子要爆炸了。---你也可以出去玩玩,找个小姑娘什么的……”

海森堡说:“行,希望旅游能让您充满灵感。”

海森堡这个时候突然起了一个怪念头,他感觉道德的苍白,心想,玻尔这次去滑雪,不会摔断了腿再回来吧。
翌日,玻尔出发去了挪威。



(4)

海森堡独自一个人留在哥本哈根,没有玻尔在边上,他的思绪很自由。他心想,如果薛定谔的波包真可以描述粒子,那就是说,电子的位置是不确定的,那么好,请问,这个电子的位置,总有一个概率分布,这个概率分布的不确定度是多少?

海森堡计算了一下,发现,位置不确定度△q和动量不确定度△p必须满足如下关系

△p×△q>h/2π


其实,数学家一看就会明白,这可以从傅里叶变换中直接推出来,但对海森堡来说,这个结果很是惊人,因为这里面有一个不等号。电子的位置分布和动量分布,不能同时确定?


这想法把海森堡雷到了。

这个结果是那么的强,以至于被认为是量子力学中最深刻的东西,因为按照这个原理,1922年海森堡初次见到玻尔时候的那个问题迎刃而解:其实电子从一个状态变到另外一个状态,这中间确实需要时间,这个时间△t与两个状态对应的能量差△E有关系,同样满足



△t > h/(2π △E)


海森堡在玻尔不在场的房间里,回答了5年前自己提出的这个问题。写字台上的台灯忽明白忽暗,似乎正是这一原理在起作用,海森堡觉得万分的孤寂,他激动地趴在窗台上,狼一样地高喊起来:“来人呀,我发现了上帝的秘密。”



这一结果于1927年3月23日在《物理学杂志》上发表,被称作“不确定性原理”(Uncertainty Principle)。
“不确定性原理”正确的断句方式是“不确定性—原理”而不是“不确定—性—原理”,不过自从李宇春教授红遍中国以后,大家对这些已经不再异常关怀。
总之,1925年以后的三年是波澜壮阔的,以前的物理学已经锈迹斑斑,在这个令人沉沉欲睡的氛围之中,23岁的海森堡和22岁的狄拉克开创了量子力学的矩阵形式犹如晴空霹雳,因为他们实在太年轻,“处男物理学”显得并不是那么合情合理符合街上人群的直观逻辑,但是,“不确定性原理”的出现,使得大街上的每一个少女都可以理解而且动心。


街楼市景依然宁静,但在街上的很多少女,对哥本哈根的年轻博士后研究员海森堡充满了好感,她们总是在夜深人静的时候听到静水流深,在床上问自己这样的问题:“海森堡是处男吗?哦,我是处女吗?”
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《命运骰子——量子力学简史》(第二十一章)

发信人: yauzhang (penrsoe), 信区: Physics
标 题: 《命运骰子——量子力学简史》(第二十一章)
发信站: 两全其美网 (Tue Aug 5 19:57:11 2008), 本站(lqqm.net)


《命运骰子——量子力学简史》(第二十一章)
第二十一章 酒吧转椅的物理学(下):波函数坍塌


(1)

据说,苏联最伟大的物理学家朗道曾经听一个生物学家做报告,讲遗传学,这个生物学家声称:“母本的特征将遗传到下一代。”朗道闻言,大怒,诘问道:“那么,你如何解释处女?”


薛定谔的波函数的幺正演化具有同样的困难,如果电子确实如方程所描述的那样以波函数(比如说高斯分布)的方式弥散于全空间,那么薛定谔如何能解释电子枪打在电视屏幕上出现的一个一个斑点?


换句话说,在薛定谔方程中,电子是一个波函数(比如说高斯分布),在各个地点都有分布,而在人们观测的时候,这个波函数瞬间就坍塌成为一个狄拉克函数(delta函数)——仅仅出现在一个地方,而在其他地方为零。




(2)

在上一章已经讲过,无论在三里屯,还是在什刹海,酒吧里的每一个转椅都是一个波函数——这不仅仅是一个比喻——根据量子力学,任何有质量的物体都是波函数,当你转动转椅的时候,相当于在做幺正演化,可是,事情并没有那么简单。



对于男性读者来说,假设这个时候,什刹海上暖风吹的游人醉,春心荡漾的你你在酒吧抱着一个暧昧的女孩子一起坐在转椅上,转呀转,觉得非常开心……

这个时候,演化依然是幺正的……

蓦地,从外面进来另外一个女子,这个人素面朝天,瞳仁里有燃烧的火焰,这个来人(其实是你的妻子)狠狠地看了你们的转椅一眼,你抱着小情人的转椅突然就崩溃了,转椅倒在地上——转椅坍塌了——波函数坍塌了!!

波函数是会坍塌的。波函数的坍塌,起源于观测者的观测。这是量子力学中被称为“波函数的非幺正演化”。







(3)
“波函数的非幺正演化”和“波函数的幺正演化”一起,构成了整个波函数的演化理论。

波函数已经是量子力学物理学家的灵魂所在,海森堡也深深地浸染了这种世界观,他为自己设计了一个墓碑 ,上面这样写着:“he lies somewhere here" 直译过来就是 "他躺在这里,且在别处 ”。


“波函数的非幺正演化”说明,量子力学理论很优美,与时间无关,与地点无关,但与人有关。

《命运骰子——量子力学简史》(第二十章)

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标 题: 第二十章 酒吧转椅的物理学(上):波函数幺正演化
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第二十章 酒吧转椅的物理学(上):波函数幺正演化

(1)

前面的十九章,已经大致勾勒了一个新物理学的剪影。(本书计划总共有42章,书名又可改为《量子力学四十二章经》)


数 学家们一开始不太理解1925年的新生的矩阵力学,倒不是说这个力学的数学很难,而是这个力学的物理解释很是费解。到了1926年,波动力学也出现了,并 且矩阵力学和波动力学在“井冈山会师”,物理学家们和数学家一样confused。不过为了统一语言进一步理顺头绪,他们把矩阵力学和波动力学统一称为 “量子力学”。薛定谔在做出波动力学以后,自己上去证明了波动力学和一年前的矩阵力学是等价的——他是在能量表象下做出这个证明的。


量子力学背后有一些人神共愤的新东西,这个潘多拉魔盒里出来的一个名叫“概率”的幽灵。概率的观念深入到理论的骨髓,大家似乎全看到了,上帝是以概率的方式在处理世上一切。


" 上帝难以捉摸"是派依斯的名著“subtle is the lord”的中文版译名(这本书描述爱因斯坦的科学和生活,被认为是历史上最好的关于爱因斯坦的传记。中文版在王菲和那英唱着“相约1998”的那年年末 出版,第一次出版只印刷了3000册,因此,能珍藏到此书的读者寥若晨星。该书的翻译出版经历波折,翻译者为方在庆和李勇)


“上帝难以捉摸”是爱因斯坦对量子力学的观感——这里的"上帝",为斯宾诺莎的上帝,而不是基督教心中的那个耶和华。在量子力学中,一个原子的衰变是概率事件,一个原子的衰变方式也可能有多种选择,所以,根本不存在确定性——这让爱因斯坦很不爽。





概 率是一个数学概念,比如,天气预报会说,明天下雨的概率是40%,后天下雨的概率是30%。精确的概率定义则可以参考苏联的柯尔莫哥洛夫——总是,概率论 是很严格的数学理论,北京师范大学的数学家王梓坤则是权威人士之一,作为老校长,以他为首的人提倡了设立了中国的教师节。



目前的中学数学课程经过改革,也是讲授概率的。量子力学,是一门更深层次意义上的概率课程,只不过,这个课程处理问题的方式在于先把概率开模平方得到波函数,然后再从神秘主义的角度找到波函数演化方程。



(2)


波函数演化的过程是确定性的——物理学家称为“幺正的”——幺正性使得波函数在演化过程中保持概率守恒。

我们再把第12章的方程写出来(常数h隐去)


i d ψ/dt= H ψ


如果把H看成一个与时间无关的函数(虽然它其实是一个算子,但形式解答总是可以的),那么,上面这个方程是一个很简单的微分方程,这个方程具有如下的解答。


ψ(t)=exp(-iHt)ψ(0)


很明显,exp(-iHt)可以看成是对初始时刻波函数ψ(0)的一个操作,这个操作被数学家称为“单参酉群”,也就是物理学家所谓的“幺正演化”(酉和幺正是同一个英文的翻译,幺正2个字连读发音就是酉)。




"幺正"?对外行来说,这个词语貌似很吓人。不必受惊,其实,简单地说,幺正的意思是说,把一个矢量转动一个角度而不改变矢量的长度。打个恰当的比喻,这其实就象在酒吧里的转动吧台边的一把转椅那样简单——只要屁股就可以决定其转动方向和角度,够简单。



波函数的演化,遵循的是薛定谔方程。演化是"幺正的",也就是说,在演化过程中,波函数好象就是一把转椅,演化过程只不过是这把转椅转动了一定的角度。



北京的乳房,自然是三里屯。

如果你有空,可以去那里,找一个酒吧,喝点小酒,坐在转椅上面,这个时候你转动自己的屁股,椅子就会转起来。 如果你把转椅想象成为一个波函数,其实,你进行的动作,正是薛定谔方程描述的波函数幺正演化。

《命运骰子——量子力学简史》(第十九章)

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第十九章 高潮:矩阵的运动方程
(1)

正所谓“尔曹身与名俱灭,不废江河万古流”。
读者们一定是来看英雄故事的。
1925 年,其实当海森堡在哥廷根的时候,那里有一个36岁的中国人,这个人不是别人,正是朱德。不过,他们两个人并不认识,因为专业不一样,朱德自然不懂量子力 学,而对革命很有兴趣,他来哥廷根只是想学点政治经济。哥廷根那里其实有很多数学物理大师,比如希尔伯特等等,实在是星汉璀璨的银河。

1925年,在整个欧洲,英雄们纷至沓来,前面两章写了两个电机工程师,章节标题分别称为电机工程师(上)和(中)。读者们一定有所期待,猜测电机工程师(下)讲会介绍哪个大师。

为了卖一个关子,我们在此埋下伏笔,故意暂时不写。如果读者们非要知道,也不必抓耳挠腮,或者扼住著者的喉咙——你只需要朝后翻上几页,就可以知道,电机工程师(下),描述的正是冯·诺伊曼。


1925 年的冬天,是一个充满希望的春天。在这个时候,愤怒青年海森堡从英国回到了哥廷根,看到玻恩和约当的文章已经出来,心里有点莫名的不快,因为矩阵力学是他 开的第一炮,现在这两人后来居上,大有把自己甩下不管的意思。尤其是玻恩,仗着自己年长几岁,经常勾引一些小青年来合作。


这时候历史已经加快了脚步朝前赶路,英国狄拉克在海森堡回德国的两个星期内就看到了“二人文章”,觉得这次这个文章写的比较数学,没有海森堡的"一人文章"那种乱枪打鸟的感觉,狄拉克很快就看懂了,既然已经看懂,不由得自己也有点手痒——他想自己写点东西。


狄拉克在大学的时候,出身于电机工程系,他是一个电机工程师,这人生经历,则为他的理论物理研究,提供了不可多得的洞见。


电路系统,无论多复杂的网络,总可以看成是一个黑箱,它有一个信号输入端,还有一个信号输出端。


按 照维纳的控制论,人其实也是机器。因此如果把人看成一个电路系统,道理也是一样的,当有信号输入的时候,这个人一定会做出反应。比如这个人在街角被人暴打 了一顿,他必然有所反应。但问题在于,如何计算出他会采取何种反应(计算响应曲线)——是扑上去咬打他的人一口,还是站在原地不动,或者飞身起来踹对方档 部一脚,这不是很容易预测的。


电子工程师们一直在处理这样的问题,那就是,当一个电路系统有一个信号输入的时候,它会输出什么?

为了处理这个问题,狄拉克在不久就引进了所谓狄拉克函数,这个函数是一个冲击函数,它的傅里叶变换后具有平坦的功率谱——系统的响应函数就是输入狄拉克函数时对应的输出函数。狄拉克发现,这个函数不但在电路有用,甚至可以用在新生的量子力学里。




(2)

很多学物理的年轻人,内心深处都有一个问题:物理学的高潮过去了没有?

答案其实很简单,高潮在1925年的时候已经来了。——和股票市场的牛市一样,物理学的高潮一般也只持续两到三年的时间,转身就进入熊市。不过想学习物理的学生,自然应该在熊市里入市。

那时候高潮已经彻底来了。但大家都还没有完全准备好。
潮吹了!!!

海森堡对玻恩说:“老师,我看了你和约当的二人文章了,要不我们三个人再写一篇综述文章,把量子力学的整个架构给建立起来?”

玻恩说:“好啊,森堡, 我想我们已经完整地建立起了一个新理论。是应该整理出一个综述来。”


于是就出来了"三人文章",这种文章一般由这个领域的大牛人来执笔,基本上不是报告单个研究成果,而是写出最近的一系列研究前沿,给研究者同行当教材来看的。
在这个文章中,矩阵力学大部分内容,被表达了出来,比如用厄米矩阵表示可观察物理量,微扰方法。


(3)

能量矩阵用H来表示,称为哈密顿算子。

不对易关系pq–qp=(h/2πi)I ,玻恩他们引进了一个记号,写成了


[P q]=I



狄拉克这时候人在剑桥心在哥廷根,他很快写了一个文章,指出[P q]=I这个定义似曾相似,其实和经典力学的泊松括号完全是类似的——不过当时的狄拉克不太记得泊松括号的精确定义,度过了难熬的一个周末晚上,等星期一图书馆开门的时候才去查到相关资料。

这个发现确实是惊人的,人们如梦初醒,原来量子力学的不对易关系在经典力学里正是泊松括号的类似物。


那意味着什么?

意味着量子力学和经典力学的哈密顿形式很明显的联系。于是,模仿经典力学的运动方程,狄拉克发现,量子力学中力学量A演化满足的运动方程是

-ih dA/dt =[ A H]

其中A和H都是算子(有限矩阵或者微分算子),[A H]的定义是AH-HA。



这就是矩阵力学中矩阵的运动方程。到了这个时候,在数学家们看来,矩阵力学已经给了数学家太多的内容。接下来的一年,薛定谔的波动力学也杀了进来,于是,数学家们的脑子也有点乱了。

《命运骰子——量子力学简史》(第十八章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第十八章)

第十八章 曾经天才: 电机工程师(中)

(1)

1926年,玻恩和约当走到哥廷根的街上,内心深处有一些隐忧:不对易关系pq–qp=(h/2πi)I ,p与q不可能是有限矩阵。


林花谢了春红,太匆匆。其实也就是过了没有几天,玻恩去剑桥访问,那里有一个美国人被玻恩看上来,很想拉他过来合作一把。这个美国人不是别人,正是数学家维纳。

维纳是历史上著名的神童,他曾经写过一本书,叫《昔日神童》,讲得就是他自己。读者们有兴趣可以查阅这个书,不过著者不准备谈论这些,因为神童其实到处用,只不过多数人“幼有神童之誉,长而无闻,终乃与草木同朽”。


但是,维纳实在是一个例外,他一辈子都是天才。虽然他是一个数学家,不过,著者更希望大家把他理解成一个电机工程师,因为他写过一本书,书名为《控制论》。此书已经在中国大陆出版,有兴趣的读者可以买来一读,会发现他确实是一个电机工程师。


(2)

维纳到哥廷根之前,在剑桥跟哈代做数论,他第一次看到littlewood,说了这样一句话:“没有想到世界上真有李特伍得这个人,我还以为littlewood是哈代为他写的比较差的文章署的笔名呢。”


维 纳是目中无人的,后来他到过中国,在清华大学讲数学课,一开始听的人不少,讲了几天以后,听众作鸟兽散,只剩下一个人——这个人就是华罗庚。维纳看到这群 黄皮肤黑头发的东亚病夫之中,居然有如此杰出人员,于是推荐华老师前去剑桥跟哈代做数论,后来中国才出现一个真正的大数学家。


不过,这是后话了,总之,维纳当时在哥廷根的时候,还很年轻,30刚出头,真是青春好年华。
玻恩谄媚地说:“维纳老弟,我有一个数学问题,想跟你一样研究一下,我们两出一个文章怎么样?”
维纳不屑地说:“玻恩,我一般不轻易出手,除非这个数学问题有点意思。”




(3)

玻恩有点着急,说:“哥们,这个问题关系到量子力学生死攸关的事情。就是不对易关系pq–qp=(h/2πi)I ,p与q不可能是有限矩阵。那么p和q到底应该怎么表示?”

维纳冷笑着说:“既然是关于所谓量子力学,那我们开始吧。不过依我看,你丫似乎在搞李代数表示论。”

玻恩闻言,一楞,象一个在河里游泳的人脑袋被人踹了一脚,半天说不出话来……


几天以后,维纳就和玻恩写了一篇文章,原来,p和q不能用有限矩阵表示出来,但可以用微分算子来实现。



p= -ih d/dq





熟 悉数学的人,很容易检验,上面这个微分形式可以实现不对易关系。对于文科读者来说,一定已经晕头转向了,其实打个比喻就是,一开始pq–qp= (h/2πi)I 这个数学关系,p是男人,q是女人,这个不对易关系就是男人和女人的婚姻关系。可是,在有限矩阵中,根本不可能实现这个关系——也就是说,在一个村子里, 虽然有男人,也有女人,但因为双方年纪和家庭相差太大,不能实现婚姻关系。要想实现婚姻,必须扩大配对的范围——去别的村子发展适婚对象。


维纳和玻恩实现了这个婚姻关系,成为一个出色的媒人。


(4)

维 纳实际上是电子计算机的理论创始人,他是20世纪最伟大的人物之一,这个在量子力学上的工作对他来说只是小菜一碟。实际上他是一个无与伦比的人。在理论物 理中,一个随机过程的自相关函数的傅里叶变换是这个随机过程的功率谱,这被称为“维纳——辛钦定理”。这个定理是非常强大,算是电机工程师们的最爱。

《命运骰子——量子力学简史》(第十七章)

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标 题: 《命运骰子——量子力学简史》(第十七章)
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《命运骰子——量子力学简史》(第十七章)




第十七章 交换游戏:电机工程师(上)



(1)

命运女神,安排事情是非常奇妙的,正所谓“天遥地远,人生何处不相逢”。因为海森堡下面的这次旅行,把一个电机工程师也卷了进来。
海森堡把“一人文章”发表以后,就去英国访问,他到剑桥的时候,见到了福勒(William Alfred Fowler)教授。

海森堡说:“福勒教授,我写了一个文章,想给您看一下。”
福勒说:“行,你先给我吧,我会看的。”


福 勒把海森堡的论文交给了自己的一个研究生去看,这个研究生是一个沉默寡言的小胡子,一个三棍子打不出一个闷屁的电机工程师——此人不是池中物,正是后来居 上洞若观火的狄拉克,他是真正的后起之秀,其实也就晚了大概半年就加入到这个游戏当中,但是,先胖不是胖,后胖压倒胖,狄拉克出现以后,手法之凌厉娴熟, 让人目瞪口呆。


刚开始狄拉克没有怎么看海森堡的“一人文章”,似乎兴趣不是很大,要等到他看到所谓“二人文章”,才仿佛长了飞毛腿迅速赶上。

事 情显得很诡异——读者们会看到,这个电机工程师具有异常深刻的数学功力——电机工程师的数学才情在历史上相当罕见。在他之前只有一个叫Heavyside 的电机工程师表现相当抢眼,是小半个数学大师,他发现,微分算子和积分算子可以看成是互相为倒数。所以这个人解电路微分方程,做起来就象解代数方程——这 后来被证明是正确的,其实就是拉普拉斯变换。



(2)
海森堡去英国访问的时候,他的博士后老板玻恩找了一个22岁的年轻人来干活。这个年轻人就是约当。


玻 恩为什么要找一个嘴上无毛的毛头小伙子来呢?原来,玻恩虽然已经看出海森堡文章是在使用矩阵的乘法,可是,和现在的很多研究生导师一样,他只能在宏观上把 握事情,细节上他很困难,于是找了一个很懂矩阵的年轻人一起来写一篇文章《论量子力学》,这篇文章就是历史上著名的“二人文章”。


这个时候,其实已经埋藏下危机——很多年以后,约当说,当年这个署名玻恩和约当的“二人文章”——其实出自他一人之手。(读过研究生的同学们一定是深有体会的,有些文章导师是不参与写作的,只需要把名字挂上去就可以了,研究生为人作嫁,想来古已有之)

简单地说,当时他们两个人的文章,第一部分对物理学家来说比较新鲜,就是介绍矩阵的乘法,比如如下乘法

┏ ┓ ┏ ┓ ┏ ┓
┃4 2┃ ┃2 3┃ ┃a b┃
┃3 1┃ X ┃4 1┃ = ┃c d┃
┗ ┛ ┗ ┛ ┗ ┛

怎么求出abcd这四个未知数?

(3)

鉴于数学家凯莱早已经定义了矩阵乘法,上述计算自然是水到渠成。可是,问题在于,一般情景下,两个矩阵A和B的乘法具有不可对易的性质,也就是说

A×B≠B×A

打个比喻来说,先带避孕套后做爱,与先做爱再带避孕套,一般来说,结果并不一样。

海森堡已经说了,经典力学的物理量在量子力学里,都要表示成矩阵,那么传统的动量p和位置q这两个物理变量,现在成为了矩阵,而且,它们并不遵守传统的乘法交换率,p×q≠q×p。

波恩和约当把p×q和q×p之间的差值也搞了出来,结果是这样的:

pq–qp=(h/2πi)I



(4)

两人写出来以后,感觉春光乍泻。但很明显,P和q不可能同时是有限大小的矩阵,因为对于两个有限行有限列的矩阵P与q,乘积pq与乘积qp具有相同的对角元。

也就是有矩阵的“迹”:

tr(pq–qp)=0
这显然与pq–qp=(h/2πi)I 是矛盾的。

所以,事情并不是那么简单,约当因为帮助希尔伯特和柯朗编辑过《数学物理方法》,数学才情比玻恩要高,他很清楚地知道,P与q不是简单的有限矩阵,实际上应该是无限大的矩阵。

可是草稿纸那么小,无限大的矩阵写不出来,于是,这两个人楞住了。


剑气动四方……

《命运骰子——量子力学简史》(第十六章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第十六章)

第十六章 魔方,矩阵

(1)

海森堡从北海回来,把文章交给玻恩阅读,问道:“这个文章值得发表吗?”
玻恩的回答非常言简意赅,只有两个字:“值得。”
过了一会,金语良言的玻恩又补充了四个字:“就是矩阵。”

于是,海森堡就发表了他一个人署名的文章第一篇矩阵力学的论文《关于运动学和动力学的量子力学解释》,历史上称为“一人文章”。这个文章里有很奇怪的乘法求和法则,玻恩一语道破天机,认定这个乘法求和规则,正是英国数学家凯莱所定义的矩阵乘法。

遥想凯莱当年,羽扇纶巾,谈笑之间,就定义了矩阵的零元素和单位矩阵,接着通过坐标系的连续两次变换,发现了一个很自然的矩阵乘法的定义。





(2)

中国古代传说,大禹治水时,(约公元前二十二世纪)于洛水中浮现一只神龟,它的背上有规律地排着九种花纹,这图后人称之谓“洛书”,也称九宫图。如果把图形改成现在通行的阿拉伯数字,就是一个3阶魔方(Magic square)。
8 1 6
3 5 7
4 9 2

上 面这个幻方可以具有非凡的特性,它其实是一个矩阵,研究它的人在全世界数不胜数,但多数人智商不行,研究一辈子也没有更高的见地。极少数天赋异赋之徒,居 然能想到计算它的特征向量,或者把它平方起来,对它进行一系列的数学运作,试图更加接近真理。总的来说,这个魔方暗藏很高的对称性。


本书读者,可以把魔方看成是矩阵的一种。如果您还是不懂什么是矩阵, 请先不要着急——为了激励有志青年学习矩阵理论,我们来看哈代如何评价华罗庚,哈代说“华玩弄矩阵就好象玩弄整数一样轻松”。


(3)

量子力学不是一门直观的物理理论,但这个理论具有最直观的表达方式,那就是矩阵。矩阵在生活中经常出现,如果在一个大学里,一个男生站在夜晚的女生楼下,就能看到矩阵——虽然matrix亦有“子宫”之意,不过此处我们并不研究子宫,而是谈论矩阵。

如果这个男生盯住整幢宿舍楼看,假设这个楼是8层的,每层有8个宿舍。那么,这就是一个8乘8的矩阵,而每一个宿舍里女孩子的人数,就可以看成是矩阵元。


这 个好色男生会发现,矩阵是多么的美妙。文科读者们一定不要有惧怕心理,其实真理永远是朴素的,矩阵就是一堆数放在一堆整齐的方格里而已,欧拉以前也没有搞 过矩阵的乘法,但他曾经思考过一个问题,这个问题是所谓拉丁方问题,或者说“三十六军官问题”——本书不再展开谈这个,有兴趣的读者自己可以上网查阅—— 总是,欧拉为了把一些数字放在一起做成一个满足某种性质的矩阵,花了九牛二虎之力。



(4)

海森堡在非常懵懂的情形之下,发现在量子力学里,一些物理量应该用矩阵来描述,而不是以前认为的函数或者数字。这是量子力学全部的数学意义所在。


而一个n阶矩阵M有特征方程
f(x)=det[M-IX]=0
这个特征方程是一个n次多项式方程f(x)=0,在第一章我们已经讲过,代数基本定理说,n次多项式方程具有n个解,这n个解被称为矩阵M的特征值。在很多情景下,当M表示一个物理系统的能量时,上面所讲的n个解正是系统的能级。




凯莱当年,还发现一个更加有意思的事情,那就是上述n次多项式方程f(x)=0,对于矩阵M也是成立的,也就是说,f(M)=0。这被称为凯莱-哈密顿定理。


(5)


量子力学的基本语言是矩阵,这起源于玻恩的贡献。玻恩对薛定谔的波函数和海森堡的乘法求和规则做出了正确的解释,所以,他是量子力学历史上,在正确的时间正确的地点出现的最正确的人。

《命运骰子——量子力学简史》(第十五章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第十五章)

第十五章 海森堡:日出

(1)
1923年夏天的一个闷热的傍晚,云层在高空形成湍流,校园里没有一丝风,热浪让空气无语凝抑。德国慕尼黑大学的一间教室坐着几个教授模样的人,他们已经听完了一个23岁年轻人博士论文答辩。
其中一个教授对年轻人说:“海森堡,你这样下去是不行的啊……我在考虑要不要给你这个博士学位。”

年轻人低着头羞涩地站在讲台边上,唯唯诺诺地说:“维恩教授,其实,关于湍流,我……”

这个名叫维恩教授粗暴地打断了年轻人的话,说:“别再扯淡,你的论文不行。”

年 轻人显得有点愤怒了,他的眼睛里充满了燃烧的光芒,血液象岩浆一样在沸腾,拳头已经紧紧地攥起来。心想,我操你大爷,维恩,就你丫牛比,老子我15岁自学 微积分,高中毕业读完外尔写的相对论,我不如你?倚老卖老,老子真想上去抽你丫的。海森堡听见自己的喉结在颤动,下面吐说这样的一句话来:“您说得对,维 恩教授。”

接下来,就是一次长时间的比较空洞的沉默。

教室里静得连一根针掉在地上的声音也能听出来。海森堡的导师索莫菲终于打破了死寂,说:“维恩,其实,海森堡对实验技术确实缺少了解,但……依我看,他的文章还是有可取之处的……”



(2)

海 森堡得到博士学位以后,心情坏到极点,维恩的刁难成了他心中的刺。维恩当时已经得到诺贝尔奖,他对黑体辐射有一定的研究,得到了一个维恩位移定理,说黑体 辐射最强的波长和温度之乘积是一个常数---类似于汽车在功率一定的时候,汽车引擎产生的拉力和汽车的速度之乘积是一个常数。




这里需要废话几话,读者们一定很好奇,本书到处在谈论黑体辐射的曲线问题,但一直没有给出正式介绍,其实,这是本书的写作线索,著者准备在适合的时刻隆重推出这个曲线的方程。维恩的定理,其实可以对黑体辐射曲线求导一次,马上可以得到的。


黄 仁宇著《万历十五年》,声称“要从技术的角度看历史,而不是从道德的角度看历史”,在量子力学的历史中,我们也渴望“从技术的角度看量子力学历史,而不是 从道德的角度”。所谓技术,海森堡的矩阵力学就是一个光辉写照,这个力学的出发点是非常自然的——考虑可以观测的光的强度(振幅)和频率;而所谓道德,海 森堡对玻恩的私人恩怨以及他帮助希特勒制造原子弹,则值得文科青年们大书特书,甚至可以拍成一部道德大戏。



(3)

海 森堡得到博士学位以后,连夜离开了慕尼黑前往哥廷根,23岁的脸上还充满稚气,但这次博士论文答辩已经让他成熟了不少——他的人生观已经悄悄改变了,他变 了,变得怨愤——这个时候没有人知道海森堡已经开始要成为一个愤怒青年。他前去投靠玻恩,这事情是早已经说好了的,1922年10月他们已经认识,海森堡 这次去相当于是去那里做博士后研究——人生若只如初见,交往越多,关系越微妙。从此以后,海森堡渐渐地讨厌起玻恩来,到了最后,他在内心里深刻地讨厌玻 恩,在文章里很少提起玻恩对他的影响和鼓励,甚至在1932年诺贝尔演讲中他似乎也对“玻恩”这个人名讳莫如深——玻恩实在很委屈,他心里说:“森堡,我 招你惹你了,你怎么凡事都要刻意冷落我”。


人是很为微妙的动物。

海森伯在玻恩那里开始他新的工作。1924年复活节,他第一次去哥本哈根,但不久就回到了哥廷根。这个时候,愤怒青年海森堡正在积蓄足够多的力量。

(4)

1925年5月,天空那么阴。

北海。
赫尔兰岛。

荒岛。

一毛不拔。

荒芜。




海森堡戴着墨镜,脸色阴郁,他在岛上攀岩。从远处看,他象一个鸟一样出现在悬崖上,一个人,显得很孤独。他得了枯叶草病,是一种花粉过敏的病,需要在这一个没有花花草草的地方躲一段时间。

海 浪打在沙滩上,发出哗哗地响声,那么有节律,这个单调节律在海森堡听起来是一个周期运动,他的脑子里还在想这另外一个周期运动,那就是电子绕着原子核的圆 周运动——这是玻尔的模型,他已经厌烦了。 24岁的,他厌烦了一切。玻尔的模型那么单调,简直有些无聊,因为电子的圆周运动的轨道根本是看不到的,简直不啻于扯淡。只有光的频率和强度,才是可观 测的。24岁,嫩得象一棵草,他决定出手了——干掉玻尔!


(5)
电子轨道?周期运动?
电子轨道是周期性的?
周期函数的傅里叶级数?

展开它?
展开以后?是频率和振幅?有意思,值得一搞?

哦,行,就这样干,海森堡象一直蝙蝠一样趴在悬崖上,静止不动了。

从悬崖上下来,他在海水里洗了一个澡,连内裤都差点忘记穿上,赶紧跑去旅馆,准备把这个东西写下来。这时候,已经是晚上了。

等海森堡连夜写完这个傅里叶级数展开,他发现,两个轨道的乘积满足一个很奇怪的求和规律。这是什么呀?海森堡觉得自己象一个民间科学家了,这文章意味着什么呢?


写完文章后,已经是凌晨,东方已经露出鱼肚白,困意全无,海森堡出门,跑到远处的山崖上,静等旭日的升起。

《命运骰子——量子力学简史》(第十四章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第十四章)
第十四章 测量问题举例: 对波长的测量

(1)

书写到这里的时候,读者们一定会发现,这本书所介绍的量子力学理论其实是非常强调“观测”的。这也是物理学和数学的区别。本章可以看做是一章杂谈,基本跟历史无关,也不是讲故事,时间不多的读者可以跳过。

在上一章,已经讲到,哥本哈根学派手中有一派利剑,这把利剑正是“可观测量”,而到了量子力学里,可观测的物理量其实是要对应厄米算子的本征值。所 谓算子,就是“矩阵”,矩阵的英文是matrix,电影《黑客帝国》的英文名字就是matrix。子宫也叫matrix。有一种数学软件叫Matlab, 就是matrix Lab的缩写,意思为“矩阵实验室”。这个数学软件的功能非常强大,这意味着矩阵的功能非常强大。

我们暂时不谈矩阵,虽然海森堡的力学,又称为矩阵力学。在谈论海森堡之前,我们要先来看看,光的波长,到底是怎么样测量出来的。


(2)

任何仪器都是人的身体功能的延伸,比如电视机可以让我们看到空中的电磁波激发出来的图象。人同样可以被看成是一台仪器,这台仪器也有很大的局限性,比如,你的眼睛是不能直接看出一束激光的波长的。

为了探测一束光的波长,从仪器学的角度来看(仪器学不是一门公认的成熟学问,著者年轻的时候,李昌厚教授曾经在聊天的时候告诉我,他想要建立一门叫 仪器学的学问,这个学问包括光学,机械,电子等等多学科门类,是一个综合性学科,著者在这里也就冒昧先引进“仪器学”这个名词),探测光的波长,至少需要 3个组成部分。
1。光源
2。单色器
3。检测器

我们讲依次来泛泛地谈论这三个部分,从而让读者管窥其中的意义。

(3)

光源相对比较简单,任何会发光的物体都可以成为光源。 但一般来说,如果我们使用一个电光源的话,一个钨灯就是一个典型的例子。这背后有非常深刻的物理,那就是你无法通过理论计算电功率而确定出钨灯发出的光的 整个光谱,因为这不是简单的黑体辐射。钨灯发出的光谱是连续的,还有一些灯能发出很尖锐的脉冲峰,比如空心阴极灯。
空心阴极灯又叫元素灯,它能发出一些特定元素的特征谱线。但因为谱线不可能是无限细线光谱,所以,这个空心阴极灯发出的光谱也是具有在波长上连续分布的。
谱线具有宽度就是真正的物理学,因为只有在数学里我们才可以谈论无限狭窄的线光谱——基本可以肯定的是,任何涉及无限的数量都不是物理学中的物理 量。谱线的展宽具有很多类型,比如自然宽度起源于海森堡的不确定原理,多普勒展宽则起源于发光原子的热运动…… 鉴于本章只想谈论测量光谱线的波长,我们只需要记得一点,那就是,任何光源发出的光谱线,都是有一定的宽度的,没有完全纯净的单色光。
(4)
单色器的主要作用是把一个连续光谱的光分开来,也就是说,输入单色器的是一个复合光,输出单色器的是一个单色光(理论上的单色光,实际上单色光是不存在的,这是仪器原理决定的,也是真正的物理)。

一个单色器最简单的结构是入射狭缝,光栅和出射狭缝。狭缝的宽度是决定光谱带宽的,而光栅则起到分光的作用。在目前,比较多用的是闪耀光栅,这种 光栅可以使得出射光能量不集中在零级,而是集中在我们需要的波长附近。当然,对于闪耀光栅的出射能量随波长的分布,有很多种计算方式,最近比较流行的,自 然是采用傅里叶光学的观点。

仪器为了实现光栅方程,需要一些机械结构。因为一般来说,光栅转角和出射波长之间存在正弦关系,这个正弦函数需要机械结构来实现,所以肯定会有误差。


读者们一定要记住,无论在那个时代,有些事情一定是不可能做到的,因为机械误差的存在,加上物理学原理本身的限制,单色器发出的光不可能是真正的 单色光。——这就是“测不准原理”,因为仪器永远测量不到物理量的真实值,大家就想到用多次测量的方法来逼近真实值,这在概率论上被称为“大数定律”,其 意思是说,只要你测量的次数足够多,你得到的数据的平均值就会很接近真实值。从某种意义上来说,这里面肯定有逻辑的缺陷,换用量子力学的思考方式,我们最 好干脆一些,其实“真实值”并不存在!!

因为你永远测量不到“真实值”!
读者们读到这里一定会有些晕头转向,但如果你没有被这个章节吓倒,意味着你已经开始亲吻量子力学女郎的大腿了,她最敏感的秘密将被你揭开,你会发现,她的石榴裙下,其实什么也没穿……

(5)
检测器是把光信号转变为电信号的传感器。最简单的实现方式是基于爱因斯坦光电效应的光电倍增管。如果仅仅谈论对波长的探测,检测器的知识非常简 单,它总能把光信号转化为电信号。但从工作过程的细节来看,这个部件涉及到电流噪声以及后续放大电路的设计,以及最后的模数转换(把模拟量转化为数字量, 非常象从连续的经典力学进入离散的量子力学)。
我们不再絮叨,展开来讲,仪器的整个工作过程涉及到能量的传递和信噪比的传递,很多细节都可以单独写出一本书。但但就噪声而言,仔细分析就会知道,噪声是有颜色。

《命运骰子——量子力学简史》(第十三章)

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《命运骰子——量子力学简史》(第十三章)

第十三章 函数方程:对应原理

(1)
“只有可以观测的美女,才是真正的美女。”
前面已经讲到,1926年薛定谔关于波函数的文章充满了鬼打架的风格,哥本哈根学派的很多人包括玻尔在内,对这种风格莫衷一是。薛定谔的方程里,没 有物理上可观测的量,玻尔则处处强调物理上可观测的内容,比如光的频率,光的强度,在薛定谔的方程里,却没有这些。但薛定谔的方程可以解出氢原子的能级, 这已经足够了——薛定谔的计算结果,是和玻尔八年前的结果殊途同归。

八年前的结果可以被重现,自然说明薛定谔已经走到了一个绝妙的境地。
画鬼容易画人难,做学问永远是这样的。 量子力学在发展之初,也有这种画鬼思潮的痕迹。这种画鬼的思考方式起源于德布罗意,在薛定谔成为绝响。这种研究风格其实具有晚唐诗歌李贺的那种诡异风格, 读他的诗,会发现全篇没有一句是写实的,但整个诗总说是凤凰在唱歌,听起来却又有夜莺的味道。
我们暂时告别薛老师,不再探讨他的武工的路数,而转而去看看,一个真正的物理学家,是如何做物理的。
(2)

玻尔年轻的时候,解决了氢原子的能级问题。他的思路是非常自然的,不会让任何人觉得吃惊。这个思路的核心就是所谓“对应原理”,这个原理成为海森堡 后来最厉害的思想武器。实际上,对后来者来说,对应原理是一个真正的物理方法,换句话说——这是物理学家做事情的一般方法,浑然天成,不施粉黛。

在玻尔的原子模型里,电子在不同的轨道上运动,这些轨道可以用自然数n来标记。读者们一定要注意了,其实轨道是不存在的,但物理学家不可能先验地知 道轨道不存在,所以,玻尔的思路是非常完整的。在经典力学里就可以知道,不同轨道的能量不一样,可以把第n个轨道的能量记为E(n)。
因为n是一个整数,所以E(n)是一个未知的数论函数。


(3)
玻尔认为,电子可以在不同的轨道之间相互跳跃。这被称为跃迁——类似于股票市场中的那种跳跃,比如,今天的上证指数到了收盘的时候已经有了一条轨道,收盘在2890点,那么,明天早上开盘不一定是在2890点,有可能跳空高开,比如在2920点开盘。
从能量高的轨道跳到能量低的轨道,电子的能量肯定要释放出来,这就满足如下的能量守恒方程。

E(n+m)-E(n)=hν(m,n)

这是一个函数方程,类似与F(n)+F(n+1)=F(n+2)这样的被称为菲波那切数列的函数方程。菲波那切数列的函数方程的目标是求出F(n)的表达式。同样道理,玻尔要求出E(n)的表达式——这个表达式整数n有关系,具有能量量纲。



(4)
E(n+m)-E(n)=hν(m,n)
这个方程的左边是2个能级之间的能量差,而右边是放出光子的能量。这个方程可以解释世界上所有的线光谱,所以,求解它显得尤为重要。
这个方程的右边是可以观测的,就是光的频率(波长可以通过单色器测定,频率是波长的倒数)。但左边是不能观测的原子的能级。求解的关键自然在于确定右边的函数形式。

这个时候,ν(m,n)的表达式是不能通过眼睛看出来的,必须要有一个假设来支撑它。玻尔他使用了如下的假设,被称为对应原理:当n很大同时m很小的时候,ν(m,n)作为放出光子的频率等于电子在圆周轨道上运动的圆周运动频率的m倍。

高中学生都知道,一个电子做圆周运动的时候,它的角频率是圆周运动的速度和半径之比。为了计算方便,可以取m=1,那么我们可以得到
E(n+1)-E(n)=hν(1,n)

对应原理的说:lim(n趋向无穷大)E(n+1)-E(n)=hν
其中ν是经典圆轨道的频率,这个频率是和能量E的3/2次方成正比的(高中物理)。

所以,我们有如下表达式:
lim(n趋向无穷大)E(n+1)-E(n)=C E(n)^{3/2}
其中C是比例系数,是常数。

也就是说E(n)对n的导数正比于E(n)的3/2次方,可以推出,E(n)正比与n的-2次方。这样就解出了氢原子的能级表达式。

(5)

对应原理解出的氢原子的能级非常符合观测到的光谱数据,所以,这个原理成为思想的利器。玻尔在这个时候成为一个真正的物理学大师。真正的物理学大 师不需要太多的数学,只需要在非常恰当的时候做出一些恰如其分的物理假设。在这个故事里, 玻尔为了解出一个函数方程做了一个当n无穷大情景下的渐近假设,这个假设看起来也是非常合理的,因为他只不过要求一个量子系统在量子数很大的时候非常接近 与经典系统。

对应原理把量子力学拉回到经典力学,这是必须的,因为量子力学在某种意义上是一门画鬼的学问,但最后必须要能回到人的世界。