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从量子无关子空间到刘全慧老师的经典分布,来自现实经典世界的启示

已有 2623 次阅读 2022-5-8 12:08 |系统分类:观点评述

这里给出一个关于刘全慧老师的新工作的思考,以期待能够进一步加深对于这个新工作意义的阐述。


    众所周知,微观粒子要满足量子力学的法则,这里边一个非常突出的事情就是描述微观粒子的坐标和动量不再是对易的,这是海森堡在他23岁时候的无与伦比的顿悟。但是,当我们考虑多粒子的时候,会发现一些奇特的结果。比如两个粒子的坐标和和动量差是可以对易的,或者坐标差和动量和是可以对易的!这样一来,在一个纯粹量子的环境下,也是可以存在一个经典的子空间的。最近,科学杂志上发表的工作利用这种特性来制造量子光力学机械振子的纠缠。


     这个结果论是否能推广到任意粒子数的量子系统呢?我不知道答案。但是这个工作让我意识到,即使在纯粹的量子力学世界,也可能存在一个角落,拥有经典性。经典性可能是一直都是存在的,而不是最终呈现出来的。

     经典性的呈现一直是一个吸引人的问题。广义相对论不能量子化是众所周知的难题。量子世界和经典世界看起来完全不同,但是却交错在我们的思考之中。当10年前我注意到Tsang和Caves的工作的时候,这让我非常震动。两个粒子的坐标和动量的对易性是早就已经知道的,实际上和大名鼎鼎的EPR佯谬相关。但是他们的工作揭示了,这种经典性的确可以在量子系统中构造出来。从那时起,我开始意识到,经典性可能是量子性的一种畸形。在某种特殊的情况下,这种缺少量子性的部分会成为支配者,让我们看到一个经典的世界。

        最近,我再次被刘全慧老师的工作所震动。他指出在玻色子系统和费米子系统中,存在一种分布,这种分布是经典分布。这个结果,实际上是早就在我们的预料之中的,但是它是含糊不清的。实际上,玻尔兹曼分布从来都不存在,而我们不知道存在的究竟是什么!

     微观世界的粒子不是玻色子就是费米子。对于一个近独立子系统,我们讨论它的热力学性质,或者从系综理论,或者从单粒子状态的分布理论,来讨论。虽然系综理论更严谨。但是在这里边,分布理论,在我看来有其特殊的深刻性。这些粒子的总数和能量都是守恒的,然后寻找在这个条件下的所有可能的微观状态。满足宏观条件的分布很多,然后每一个分布都会有很多微观状态。在宏观状态和微观状态之间,加入了一个单粒子能级的分布的概念,是一个很有趣的事。在一个相互作用的系统中,这个角度似乎被磨掉了。但是当我们从准粒子的角度,也就是重整化的角度来,它似乎又恢复了。我不太清楚,这里边究竟是一个什么样具体的关系。但是我相信,这是深刻的。有很多东西被掩埋在了复杂的数学之中。    

         当我们讨论经典极限条件的时候,一个玻色子系统或费米子系统,会成为一个玻尔兹曼系统。这个事情已经很清楚快一百年了,但是里面究竟什么,其实是模糊的。哪来的玻尔兹曼系统?刘全慧老师告诉我们,满足宏观条件的许多分布中,有一个分布是经典的!也就是说,这个经典统计不是呈现出来的,是一直都存在的。虽然这个观念,在现在的理论中也是有的,但是没有谁明确的指出来它!

    刘全慧老师的经典分布,让我们的关注点一下子放到了所有可能的分布上。在统计物理学中,我们的确关注的是最可能分布,其他的分布被抛弃了。这些分布的性质,可能存在本质上的不同。分布本身获得了意义。当宏观条件改变的时候,这些分布彼此在竞争,从而显现自己的样子,成为那个最概然分布。

     这里面的细节当然很复杂,可能需要长期的思考和计算才能知道具体的内容。但是有两个方面是很有趣的。当温度升高的时候,我们都知道玻色系统和费米系统,最终会成为玻尔兹曼系统。我们一直考虑的是最概然分布,但是我们没有清醒的意识到是这个最概然分布里面的东西在发生变化,虽然它的确如此!刘全慧老师的经典分布,最终取得了支配性的地位!而在变化的过程之中,它实际上是一直都在,这个我们都知道,但是它没有怎么起作用。那是一个量子世界中的经典的孤岛!而且从这个经典的孤岛到量子的世界中,可能存在一些特殊的诡异!

     是什么让这个经典分布拥有支配性的位置?如果只能是高温,可能意义不大。但是我们的确是生活在一个经典的世界中!现在我越来越认为,可能是生活在一个被量子世界所掩埋的经典子空间中!所以相互作用才是这里边的关键。我们都清楚,定域子系统是一个经典系统(理想化的处理,不是真正的物理计算过程)。一个电子系统,在相互作用下,最后会成为一个定域子系统(实际上还没到,而这才是关键!)。这个是凝聚态里面的核心主题。在这个过程中,一个量子系统最终变成了一个趋向经典的系统。由于相互作用的各种不同,将会导致出现各种奇异的结果。刘全慧老师的经典分布也许可以给出新的洞见。

   




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