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对一个量子力学是否被推倒重来的问题之回答
热度 3 ssglwu 2011-5-11 23:20
吴国林 本在我留言处,一位先生提了问题: 在科学网上有人说量子力学要被推倒重来。问我如何看? 但不小心删掉了。 我的看法是:量子力学经过了近1个世纪的检验,它的解释与预见都没有问题,更不用说,基于量子力学所建立的量子信息论、量子控制论取得了巨大的进展。因此,简单说要把量子力学推倒重来,显然是一种无知的表现。事实上,任何取得量子力学的理论,它必须能够说明量子力学所进行的解释与预见。 目前,有许多种量子力学的解释,这些并不能改变薛定谔波动方程的根本地位,事实上,这些多种的量子力学解释都是直接或间接基于薛定谔方程或波函数解释的。 波函数是它们共同的核心, 这是我2010年在内蒙古召开的第四次现象学科技哲学会议上所提出的,我提交了“量子力学解释的现象学分析”一文,但还没有发表。 至少从目前看来,还没有哪一个理论能将量子力学推倒。当前的重要任务是,在量子力学的旗帜下,努力开拓和应用。
个人分类: 物理学哲学量子信息哲学|3598 次阅读|7 个评论
四月份无忧无虑的幸福读书生活
热度 2 wangxiong868 2011-5-10 22:01
这一个月,自由自在地读书,看似漫无边际,但主题本质很明确。 总结一下四月份无忧无虑的幸福读书生活: 1,布朗运动 从那奇迹的1905说起,这一年,爱因斯坦事实上是开启了三个物理领域,统计物理、量子力学、相对论。其中后两个无疑都是革命性的,因为涉及到对物理世界的新认识,而对统计物理,普遍的观点是,他仅仅是一种处理巨型系统的一种不得已而为之的手段,并不涉及关于物质世界本质的新认识。 这个当然也是我对随机的一直以来的看法(或者说偏见),直接导致我以前对随机的兴趣不大。但我现在越来越发现随机的重要性,因而重新学习了分数阶布朗运动。 且不说统计物理近年来的巨大成就,就是量子力学本身,也和某种随机性有着千丝万缕的联系。 2,量子力学的诠释 量子力学的历史,就是诠释量子力学的历史。有很多的文献,直接从统计物理导出薛定谔方程,其假设不过是微观粒子做布朗运动。探索的动机来源于数学方程式上的直觉相似性,薛定谔方程和扩散方程只相差了一个虚数单位i,我们相信,这种数学上的相似性,必定存在着深层次的物理本质的联系。 尽管我个人不赞同世界的本质是一个随机过程,但这种处理的手段是某种很好的近似,至少在某种更彻底的非线性理论出现之前。 3,分数阶微积分与不可微函数 什么是运动?什么是速度?什么是微积分?这些问题是一体的,而且是一直伴随着物理学发展的每一步。在微积分创立不久后,即有人开始探索分数阶微积分。起初的探索纯粹是数学完美性的角度,因为当时对处处连续处处不可微的函数还缺乏认识,这个涓涓细流,流到今日已经蔚为壮观了。微积分一直是数学一脉相承的正统,这个新的微积分(姑且叫分形微积分)将标志着数学的新时代。 4,分数阶微分几何 一旦新的微积分允许处理一般的连续函数(绝大多数不可微),应用到几何,则对应得到新的一般微分几何。而几何对应到时空,则自然就是新的物理。这种新的分数阶的微分几何,可能很自然地蕴含了现在的不成熟的量子理论。量子力学的方程,可能只是分形时空的测地线方程,这些想法非常诱人! 唯有如此,我们才能说一个基于混沌分形的物理理论真的诞生了。一个彻底的非线性的理论。 5,电磁场、流体力学、混沌、湍流 还是数学形式上的相似性!电磁场方程和流体力学方程,有着惊人的相似性。不仅如此,量子力学方程也大多能找到对应的流体力学描述。也许这正应了古希腊思想家赫拉克利特的“万物皆流”。这种类比,确实对两个学科都有很大的帮助。比如,如何看待电磁场的场源?可以认为是运动的电荷产生了电磁场,也可以认为电荷只是场的一种特殊运动状态。 也许,最后的非线性场论的问题,和湍流的问题,本质上归结为了一个问题?至少,二者都存在一个共同点,scale的问题。 微积分-几何-时空-物理,再一次完美的结合!多么美好的境界! 。。。。。。 这种纯粹的阅读、思考,天马行空,真是美好而理想的生活状态,感觉每天都有新收获。 不过感觉有点奢侈,老是这样也不行,呵呵。 最后总结一句,万物皆变(分形微积分来描述),万物皆流(分形几何代数GA总场)。 "You Got a Dream... You Gotta Protect It. People Can't Do Somethin' Themselves, They Wanna Tell You You Can't Do It. If You Want Somethin', Go Get It." ~~~~~ Chris Gardner
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原理探讨和实际可能是要分开的
热度 4 iwesun 2011-5-8 23:03
原理探讨和实际可能是要分开的   Me: 不要只记住薛定谔,忘了海森堡,忘了矩阵力学   我说镜子这回在耍赖。   镜子: 根本不是“在耍赖”。“先把波函数变回n=1,随便跑,再变n=2,就穿过去”的说法,可以有粒子集团(或时间序列)的统计性来保障。   Me: 但你在这个问题上,是不能用的。   你这样发挥“量子精神”等同于啥事都是可能的,不需要理由。   也就是说,实际发生的,原理性探讨,你还得分开。   你要不分开,啥都不需要理由。    这句话还是对,量子力学如果不修炼到随便扯的境界,就真的没学成。    镜仙都如此,况凡人呼?    相对论和量子力学就是危险的实用工具,很多时候,人们分不清自己是在闲扯,还是在求一个可靠地结果。    正是这个原因,这两大东东,确实需要从根儿废掉,连牛顿一起废掉。   用张树风的话,强拆?
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不要只记住薛定谔,忘了海森堡,忘了矩阵力学
热度 8 iwesun 2011-5-8 22:14
不要只记住薛定谔,忘了海森堡,忘了矩阵力学   最近忙自己的事情,没注意,老黄又放了一颗炸弹。   引来无数神仙   尽折腰。   大致看了一下, 刘全慧 不愧为守门员,就他一个说到了点子上。   包括,李铭,曹天师,都是闲扯。    这回镜子也在耍赖,先把波函数变回n=1,随便跑,再变n=2,就穿过去了。   老黄有一句话说的没错, 量子力学如果不修炼到随便扯的境界,就真的没学成。   大家都喜欢薛定谔的波函数,对sin,cos有偏执,(无限光滑的东西,代表完美),不要忘了矩阵力学。   有人证明矩阵力学和波函数等价之后,就基本上再无人摆弄了。   数学结果等价,但物理意义是不同的。   人们喜欢当上帝,讨论精确到一点的情况如何,这个原因就是波函数盛行的主要原因。   还有人准备对波函数细分,也许在其中一段不是sin,还有个高次谐波之类的。   和老罗说两句,他是因果派的。   为什么到了,相对论和量子力学,似乎因果被打乱了?   理由很简单,因为这个因果是你构造的一张网,本身是一个幻象,而非真实的因果。   上帝眼里的因果,也许从来不会断。   你这个幻象因果,谁先谁后本来说不清,因为你无法得到数据,但你必须分出个序列来,结果就是顾了头,就顾不了尾。   历史从来没有真的改变过,改变的是你对历史的分析。    因为你的行为在不停的篡改数据,其结果,等同于篡改了我们可以谈论的历史。   我们还只能谈论可以谈论的历史,也就是篡改过的历史,还在不停被篡改的历史,你有办法么?   这你是没办法的事情,混乱是认为的,你越想搞清,但到时越搞不清。    搞清是有限度的,因为你有个 搞 字,搞的结果不但是清,还是乱。    你以为是越高越清,实际上是越搞越乱。   这不扯远了,就说矩阵力学和波函数。   矩阵处理的方波,中间过程,如镜子说的, 你没必要管它 。   在方波还是正弦波的问题上,在能量守恒问题上,我试图教唆刘全慧升天,他死活不升天。   也没办法。   结果可靠就行了,你越想把中间过程搞清,你连现在的可靠的结果,都保不住了。    老黄的问题,你要是用直方图,表达一下,还有什么问题么?      为什么,我一直提倡方波,就是断了你这个念想。   念想断了,你就升天了。   就真的加入连续体了。   Q,有个体么?   没有。   一个Q,还是两个Q?   数量对Q,已经没意义了。   升天之前,你是看不到连续体的。
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[转载]转载 丑陋的量子场论
wangxiong868 2011-4-24 15:41
比较同意这篇文章的看法 从去年9月份开始,我分别看了一些量子场论的书籍,包括Zuber,Zee,Peskin和Greiner的书,(大牛Weinberg的书一直没有时间看)又上了8周的量子场论I的课程。我的感 觉正如老师所说,量子场论并不是什么新的理论,只是一种方法而已,最基本的内容还在量子力学。 量子力学的薛定谔方程 \begin{equation} i\hbar\frac{\partial}{\partialt}\psi=(-i\frac{\hbar^2}{2m}\nabla^2+V)\psi \end{equation} 是非相对论的,解决问题时受到很大的局限。而量子场论据大牛Weinberg说是量子力学和狭义相对论的必然产物。所以,在量子力学的哈密顿量中引入狭义相对论,就会产生新的更有用的方程: 描述spin-0的粒子的Klein-Gordon方程: \begin{equation} (\partial^2+m^2)\phi=0 \end{equation} 描述spin-1/2的粒子的Dirac方程: \begin{equation} (i\gamma^\mu\partial_\mu-m)\psi=0 \end{equation} 再加上写成相对论不变形式的,描述spin-1光子行为的Maxwell方程: \begin{equation} \partial_\muF^{\mu\nu}=0 \end{equation} \begin{equation} \partial_\mu\widetilde{F}^{\mu\nu}=0 \end{equation} 量子场论的几块地基就打好了。引入相对论的结果导致Klei-Gordon方程和Dirac方程都出现了负能量的解,因为对于一个能量求平方根的结果自然会有正负两个解。就像Windows操作系统出现了重大漏洞,大牛们纷纷出来打系统补丁。于是说真空中有很多负能 量的粒子,不下心被打出来一个,于是真空中出现了一个负能量,负质量的空穴;它对我们的影响相当于产生了一个正能量正质量的反粒子。这个补丁相当有水平,它一下子提出了两个新的思想:1.每个粒子都有对应的反粒子。2.真空不是空无一物,而是充满着各种各样的负能态的粒子。这个补丁目前还是让宇宙学家头疼的根源之一:既然每个粒子都有反粒子,为什么宇宙不是成对的正反粒子组成的呢?这样的宇宙显然产生不了人类,因为一切都会湮灭成光子。真空当中有很多东西,那么真空的能量有多大?目前的理论认为使宇宙加速膨胀的暗能量跟真空中蕴含的能量有关系。 补丁打上之后,量子力学和狭义相对论的产物可以勉强工作了。在粒子物理学试验中,散射是最有效的探测粒子性质的方法。因为粒子看不见摸不到,只能猜测它拥有什么性质。把这样的一团粒子固定好,用另外一束更为熟悉的粒子流轰击它。于是相互作用使得粒子四散开来,不同的角度对应不同的强度和不同的动量,被探测器捕捉到。通过理论计算和实验对比,来检验我们对粒子内部性质的猜测是否正确。量子场论在建立初期(30年代)就非常成功的计算了几个比较简单的散射过程,如正负电子对撞,两个负电子对撞,光子和电子的散射等等。然而绝大多数计算都是建立在一个叫做“微扰论”的东西上。因为量子力学当中粒子状态的演化跟一个叫U算符的东西有关: \begin{equation} U(t,t_0)=T\{e^{-i\int_{t_0}^tdt'H_I(t')}\} \end{equation} 大家知道自然对数的底e可以用无穷级数来展开。物理学家无法把算符矩阵的积分 作为指数放在e的上面直接计算,只好把e展开,然后一级一级的计算,每一级都是一堆算符矩阵乘积的积分。这个方法就叫做“微扰论”,它只能用在e的指数非常小的时候才行, 如果太大的话就只能宣告失败了。于是量子场论变得丑陋起来:相互作用耦合非常小的时候,勉强可以计算一些过程的低级近似;耦合常数太大,完全不能用微扰论处理了。致命的问题是,在e的级数展开的同时,一个有限的物理过程被分解成了无穷多个子过程。比如 一个光子被一个电子散射,被微扰论解释成为:一个光子先被电子吸收然后另一个被电子发射+一个光子先被电子发射然后另一个光子被电子吸收+一个光子被一个电子吸收然后两个光子分别被电子发射然后其中一个光子被吸收+...+一个光子被电子吸收然后n个光子在不同的时候被电子发射然后其中n-1个在不同的时候被电子吸收+... 无法准确计算并不是最主要的问题,因为物理学对于任何问题的条件的测量都有误差,所以计算不需要太精确。但是物理的图像是相当丑陋的,因为每一次光子被电子散射都会被解释成为无数个子过程的相干叠加,更为丑陋的是,绝大多数子过程的计算结果是无穷大,而这些无穷大加起来之后,为了跟实验保持一致,必须等于一个有限的值。于是各种各样名为“重正化”的补丁进入量子场论的系统,它们把无穷大归咎于我们永远也看不到的东西;这些无穷大的东西在无穷个过程中展现给我们的是一个有限的东西经历了一个有限的过程。把不能解释的无穷大归咎于一种不能看见的东西是一个非常有效的诡计和一个非常猥琐的行为。因为就简便程度而言,把这些东西都归咎于每一个粒子上都有一个上帝是更好的选择。而微扰论更像阿基里斯追乌龟式的繁琐:理论上说阿基里斯永远也追不上乌龟,因为追乌龟的有限过程被无限的分割了。实际上发明了极限理论之后,这个追不上乌龟的问题很容易就被解决了。 于是我认为,打补丁是没有用的,或许粒子本身不是一个很好的模型,引入弦的模型,升级系统之后的日子就可以舒服一些;但我认为无论如何都必须有新的数学产生才行,否则建立在低效的微扰论上的物理图象就像七十二变的孙悟空的尾巴,总有些丑陋不堪的地方,只能藏在屁股下。我认为一个较为恰当的例子是,如果有一个一元二次方程,让一个笨蛋,我们叫它微扰论,来求解: \begin{equation} x^2-x-1=0 \end{equation} 它看了半天,打算两边除以x: \begin{equation} x=1+\frac{1}{x} \end{equation} 然后发现右边还有x,遍重复迭代: \begin{equation} x=1+\frac{1}{1+\frac{1}{x}} \end{equation} \begin{equation} x=1+\frac{1}{1+\frac{1}{1+\frac{1}{x}}} \end{equation} 你问这个笨蛋结果如何,它告诉你不能准确求解,只能一点一点的接近。于是有个聪明人,我们叫它X理论,说道:其实答案就是 \begin{equation} x=\frac{1\pm\sqrt{5}}{2} \end{equation} 其实根号5是多少我们并不清楚,我们只知道它的平方等于5。于是答案还是不能准确求解,我们还是得用一个接近根号5的小数代进去。但是我们得到了更美更简洁又更清 晰的东西--用笨蛋微扰论的方法,我们不能知道答案的数值乘2再减去1再平方就等于5。美 而简洁的理论会让我们对世界了解得更为清晰。稍微专业化一些,物理学中常常用到Bessel函数J。如果把J的表达式写开,也是一个无穷级数,但是人们为什么相信把一组无穷级数的和写成一组字母的和更为有利呢?因为把一个结果分解成由许多字母表示的无穷级数,可以获得更多的信息,更清晰的图像:这些字母也就是Bessel函数之间,有着严格的数学关系,比如知道某个函数的微分,就可以推导出另一个函数的微分。而这个信息在没有被分解成一组无穷级数(也就是字母表示的Bessel函数)相加的一团糟当中是看不出来的。所以我觉得,在发明了新的数学理论之后,量子场论当中的无穷多无限大的乱糟糟场面会得到更为有效的控制,并且会有新的物理机制从数学背后渐渐显现出来。 量子场论仅仅是个方法,并且是个不总是好用又很丑陋的方法。我希望它在漏洞+补丁的反复过程之后,会被放进物理学史当中,成为学习另一个理论(方法)之前,一带 而过的伏笔。
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[转载]科学家的眼睛
热度 3 fhylren 2011-3-2 18:32
科学家眼中的世界是个什么样?(转载) 原文地址: http://songshuhui.net/archives/39756.html 这个世界在你眼中是何面目?每个人的答案必定都有所不同。真实的世界已经被我们每个人的感知加以精简提炼,而足够疯狂的科学家又能把感知传来的信息再度抽象成一个个公式。 这幅漫画的原图来自博客Abstruse Goose ,http://abstrusegoose.com/。原图的右下角还可以找到作者的签名——全玄鸿。 在漫画底下,全玄鸿还引述了美国天文学家兼科普作家卡尔·萨根(Carl Sagan)的名言:“科学与其说是大量知识的汇总,不如说是一种思考方式。”(Science is a way of thinking much more than it is a body of knowledge.) 假如你看了这幅图后大感兴趣,也想“借我借我一双慧眼吧”,就让我们试着用这名疯狂科学家的双眼(与思维)来好好“把这世界看个清清楚楚明明白白真真切切”。 所谓科学家,就是专从司空见惯的日常生活中琢磨门门道道的人。知其然,更要知其所以然,于是他们折腾出了一门门学科 核物理学 看到太阳发光发热是不够的,还要知道是什么支撑着我们赖以生存的生命之源始终向外辐射着能量。 反应式1实际上就是在太阳核心所发生的核聚变反应方程式。:两个轻核聚合成一个重核,在此过程中损失质量,根据爱因斯坦的著名方程E=mc2, 损失的质量转化为能量放出。太阳以及比太阳轻的恒星中主要发生的是质子-质子链反应(PP链反应),反应分三步骤。首先两个氢原子聚变成一个氘,同时释放出一个正电子、一个中微子与能量——这一步骤速度特别特别缓慢,不过也正因如此,据NASA估算,太阳在已经燃烧的45亿年中,才不过消耗了自身质量的0.03%。 紧接着,一个氢原子加一个氘聚集成一个较轻的氦同位素(氦-3),释放出的能量以γ射线的形式被光子带走。 最后一步反应有四种可能的路径——pp1、pp2、pp3、pp4——来形成氦的较重同位素。在太阳中,占所有反应86%的主流路径就是漫画里列出的pp1分支,氦-4(4He)由两个融合而成,并释放出两个质子外加大量能量。 经典电磁学 我们天天被光所包围。但光是什么?荷兰的惠更斯说,光是波动。牛顿说,胡说,光是微粒。爱因斯坦说,你俩都错了,光有波粒二象性,于是爱因斯坦捧走了诺贝尔物理学奖。 惠更斯:…… 牛顿:………… 编号为2的四个方程,就是麦克斯韦方程组(Maxwell’s equations)的微分形式。 麦克斯韦在19世纪建立了这一组方程,用来描述空间某区域中的电磁场量(D、E、B、H)与电荷密度(ρ)、电流密度(J)之间的关系。四个方程分别回答了如下四个命题:电荷如何产生电场(高斯定理);磁单极子不存在(高斯磁定律);电流和变化的电场怎样产生磁场(麦克斯韦-安培定律),以及变化的磁场如何产生电场(法拉第电磁感应定律)。 经典物理学与相对论物理学 地球缘何会绕着太阳旋转,而非孤独冰冷地向宇宙边缘独行? 太阳底下编号为3的两个公式就在以各自的角度阐述这个问题。它们分别是牛顿的万有引力定律(law of gravitation)与爱因斯坦引力场方程式(Einstein field equation)。 传说当年一颗苹果落下,砸出了牛顿君的万有引力定律,万有引力是自然界四大基本相互作用之一,另外三种分别是电磁相互作用、弱相互作用及强相互作用。牛顿发现。任何物体之间都有相互吸引力,力的大小与各个物体的质量成正比,而与它们之间距离的平方成反比。如果用m1、m2表示两个物体的质量,r表示它们间的距离,则物体间相互吸引力可被写成公式如下—— 话说十七世纪,牛顿的这个万有引力帖子一出,那是万国来朝,贴了几百年,众回帖者只有赞的没有弹的。直到二十世纪初,有人踢馆来了。 爱因斯坦:你当初推导这个方程时其实有个隐含假设,认为引力在宇宙间传播不需要时间,即相当于引力的速度是无限的。但引力传播的速度不可能超过光速,所以你又错了。(咦,我为什么要说又?) 牛顿:……How old are you?(怎么老是你?) 爱因斯坦:其实引力不是原因。引力是时空局域几何性质的表现。你测量到的所谓引力导致的天体运行轨道弯曲是缘于物质对四元时空的扭曲。这些在我的广义相对论中都有提及。 牛顿:…… 爱因斯坦:请看我的场公式,它更完美地解决了水星近日点的进动问题—— 牛顿:…………既生牛,何生爱! 总之,在牛顿创立的经典力学独领风骚几百年后,爱因斯坦创立的相对论因为能更好地解释宇宙间的一些现象而取而代之。所谓科学理论,就是可以不断证伪与修正的理论。没有最佳,只有更佳。 流体力学 与固体不同,气体、液体都是可以流动的。物理学上,研究这些流动物质力学性质的分支学科就叫流体力学,不论是微风还是湍流,其内在力学规律都属于流体力学的研究范畴。飞鸟之下的公式4,以及小河之中的公式5都来源于这个学科。 虽然早在古希腊,阿基米德就研究出了液体的浮力定律(感谢古希腊浴缸的发明者),但随后的千百年间,流体力学并没有太大的进展。 十七世纪,牛顿开始对物体在流体所受到的阻力感兴趣,提出了流体阻力公式以及牛顿粘性定律。但他提出的许多力学模型还很不完善,后来基本上都没有被后人沿用。 牛顿:………… 从工业革命开始,为了解决工程中出现的很多问题,流体力学才在科学家与工程师的关注下有了长足的发展。流体动力学的理论基础——纳维-斯托克斯方程在十九世纪得以建立并沿用至今。普朗特学派建立的边界层理论为飞机和汽轮机的设计提供了理论基础。飞机的出现又极大地促进了空气动力学的发展…… 事实上,水流中的那半拉子公式5——还有一半实在看不清,来自原作者的官方解答如下:“那就是-斯托克斯方程(Navier-Stokes equations)。”这个方程描述作用于流体任意给定区域的动态力平衡,是史上最复杂难解的非线性偏微分方程之一,目前大量应用于各种物理过程的模拟。 而振翅高飞的鸟儿之下的公式4,表述的即是空气动力学中非常重要的伯努利定理。 提出伯努利方程 (bernoulli equation)的瑞士科学家丹尼尔.伯努利 伯努利方程主要表述了这样一个概念:不可压缩(密度不变)流体沿着一条稳定(没有乱流)而不粘滞(没有粘滞力)的流线运动的过程中,总能量守恒。因此,速度升高时压强下降;速度降低时压强升高。速度降为0时,压强达到最大,等于总压。 飞机与鸟儿能让空气托起自己就是靠着这个原理。飞机的机翼横截面的形状是上曲下平的,飞行时空气流过机翼的流线分布上下不对称,上方的流线密,流速大,从而压强小;下方的流线疏,流速小,于是压强大。上下的压强差就形成了一股作用于机翼的向上升力。 粒子物理学 有种东西来自天外而无处不在。我们身边密布着它,只是肉眼看不见,你猜那是什么? 不,不是手机信号,在某些蛮荒之地你的手机还是会收不到信号的…… 漫画右上角的6号费曼图就是答案:每天“轰击”着地球的宇宙射线(cosmic ray)。 宇宙射线是来自宇宙空间高能亚原子粒子流。它们速度极快——接近光速,能量极高——目前观察到的宇宙粒子最高能量为1015MeV量级,比人工加速粒子所能达到的能量(106MeV)大十亿倍,有的单个微小粒子的能量甚至可比拟一个以时速157公里飞行的棒球动能。初级宇宙射线来到地球前已经在低物质密度宇宙中穿行了漫长距离,几百万年的旅行在它们间十分常见。但它们一旦进入地球大气层,即与大气层中广泛分布的原子核发生碰撞,产生雪崩般的连锁衰变反应,最终形成由低能粒子(电子、μ介子、质子等)组成的次级宇宙射线,在整个空中下起一场粒子雨,这一过程被称为广延簇射(extensive shower)。 能到达我们身边的基本上都是次级宇宙射线。据研究,每分钟约有1万个介子经过我们的身体,积累起来,每人每年从宇宙射线中所接受的自然辐射量接近10次X光透视。还有理论认为,宇宙射线正是早期地球生物的DNA变异而产生进化的原因之一。 虽然早在二十世纪初,科学家们就通过放高空气球观测到了宇宙射线的存在,但关于它们的来源与加速机制至今仍众说纷纭。一方面,各种天体的磁场都会让高能粒子的飞行轨迹偏移;另一方面,它们几乎即刻变身为其他粒子,这二者都使得宇宙射线最初的来源极其难以识别。如今,粒子物理学家正与射电天文学家合作,用射电望远镜和粒子探测器来探测入射宇宙射线。 量子物理学 地平线上写着一个不起眼的短短公式7,那就是量子力学的基石——由奥地利物理学家薛定谔于1926年提出的薛定谔方程。 量子力学先驱者薛定谔,他有一只物理学上最出名的动物——薛定谔的猫。 配音:你问我眼中的世界是怎样的?我得好好想想……你问我那只猫是死是活,嗯,这事说不清,说不清…… 纵观科学史,宏观世界的经典物理学可说建立在两大基石上——牛顿的绝对时空观以及拉普拉斯的决定论(Determinism),又称拉普拉斯信条或因果律,认为一切世界的运动都由确定的规律决定的;知道了原因以后就一定能知道结果。 如果说打破了牛顿的绝对时空观而建立相对论物理学的主要奠基人是爱因斯坦,那么打破绝对因果律建立量子物理学的主要奠基人,就是薛定谔。 薛定谔在着手解决微观物体的运动规律时,引入了统计性因果关系和概率波的描述。他根据微观粒子的波粒二象性,用方程把粒子在所处势场中的势能、粒子本身的动能以及描述粒子状态的波函数联系了起来。 经典物理学中,描述物体运动状态的各参数都可以被直接测得,在某一时刻,这些参数的数值也是唯一确定的。因此在宏观世界,我们可以通过直接测量来进行理论验证。在量子物理学中则不是那么简单,波函数已然涵盖了微观粒子一切力学信息,但它本身是一个概率函数,不可在实际中测量。虽然我们依然可以测量微粒某一刻的坐标与速度,但所测出的数值只能反映微粒的粒子性,微粒波动性的信息在这种直接测量中被丢失了。 即使势能与动能都已知,量子物理学家依然只能告诉你一个粒子某时出现在某处的概率为何,下一刻它会以怎样的状态出现在哪里则不能精准地确定。微观世界里,一切都是不确定的。 我们日常所处的宏观世界是确定的,同时它又千真万确地由这种不确定的微观世界所组成。薛定谔思考着,在微观与宏观之间的哪个交界,以概率为基础的波函数发生坍塌,而数值确定的本征态横空出世? 如果要你以数学之眼来描绘一条条周期性曲线,你会如何做?给每个曲线计算出一条独一无二的数学表达式? 不不不,这样太麻烦而缺乏统一之美了。法国数学家傅里叶宣称,任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示。这个通用表达式就被称为傅里叶级数(fourier series),也就是图中起伏的山峦下的公式8—— 傅里叶这家伙的生活经历也颇曲折有趣。他是与拿破仑同时代的法国人,曾作为拿破仑的御用科学家随军远征埃及,在那儿被任命为下埃及的总督的他开始潜心研究古埃及文化,在他领导下甚至发掘出了埃及著名的罗塞塔石碑 ()。这块石碑上面的碑文用三种文字——象形文字、通俗埃及语文字以及希腊文字——共同记载了托勒密五世的功绩,因而成为了解读象形文字最重要的文物。 不幸的是,后来傅里叶君被英国海军打败并俘虏了,于是如今你想看罗塞塔石碑,就得去大英博物馆而不是卢浮宫。 更为不幸的是,后来他的老板——拿破仑自己也被打败并流放到南大西洋的小岛上去了。失业的傅里叶想了想,决定远离政治这个高风险行业,继续科学家这份很有前途的工作。 于是没多久,他就在《热的解析理论》中系统性地用三角函数和三角积分来研究热传导问题,即傅里叶级数的雏形。 此后,众多数学家纷纷对这一级数加以补充研究,如今它已然成为研究一切周期性现象(行星运动、各种振动和波动、通讯信号……)的最有力工具。 分形学 大自然中存在着各种形状,有些规则的早就被我们关注并命名——圆形、方形、三角形。但有一大类广泛存在的形状却被人类熟视无睹几千年。直到1975年,波兰数学家(B. B. Mandelbrot)才创造出分形一词,这个词原意具有不规则、支离破碎等意义,曼德勃罗用它来描述那种极其复杂而不规则但具有自相似性的形状。 估计这个定义要把人搞糊涂了,还是让我们来看几个自然界中的分形例子吧。 动物要分形(鹦鹉螺) 植物也分形 (罗马椰花菜,Brassica oleracea) 空中要分形(闪电) 海边要分形(海岸线) 总之这年头,你不分个形,你都不好意思出来见人,怕别人说你——没型。 看了这些分形例子,我们大致能对所谓的“自相似性”有个概念了。所谓自相似性,就是一个物体在不同的空间维度下观察起来有相似的形状。当然,自然界中的分形各有不同的自相似度,有的是严格相似,有的则只是近似,比如我们刚刚看到的罗马花椰菜自相似度就高于海岸线的自相似度。数学家把严格相似的分形称作有规分形,近似的分形称作无规分形。 分形学的用处在哪里呢?传统的欧式几何可以很容易地描绘一个规则形状——对一个圆,只要给定圆心半径,我们就有了唯一确定的数学表达式。可是对于极其复杂的分形图形,因为它的非光滑性,对它的观察尺度可以一再缩小而依然得到相似的形状,因此几乎是无穷复杂的。如果想用欧式几何的表达式来表达这种图形,简直就是不可能的任务。 但有了分形的概念以后,数学家就利用这种自相似性,给复杂图形归纳出一个相对简单的图形规则,然后以这个规则的数学表达式对从基本图形开始不断迭代,就可以绘出理论上无限复杂的分形图。 这样利用规则迭代而生成的分形图有很多,其中一种著名图形就叫巴恩斯利蕨(Barnsley fern)。这名字来源于它的首创者——美国佐治亚理工学院的巴恩斯利教授。 是第一个提出迭代函数系统(IFS,简称迭代函数系)的人,他实际上研究的是如何利用自相似性把描绘自然景观的信息进行大幅压缩。基本思路是以一些运算规则为基础,把原始图形(生成元)进行收缩、旋转、平移等收敛性的仿射变换(affine transformations),最终形成具有自相似的分形结构的极限图形, 该集就被称为 IFS. 为了生成植物的形状,巴恩斯利教授把两种运算规则相结合:确定性算法与随机性算法。一方面他规定了一组N个确定的仿射变换(记为R-1,R-2,R-3……R-N) ,每次迭代的规则都必定来源于组内。另一方面,具体每次迭代哪一个规则是随机决定的。 运算时,每个规则R-i被选中的可能性记为P-i。每次随机地从R-i(i=1,…,N)中挑选一个迭代规则迭代一次,然后再随机地在R-i(i=1,…,N)中选一个规则迭代一次,不断重复,最后生成一张类似植物形态的极限图形。 巴恩斯利蕨就是依此规则生成的。它的仿射变换组内含有四个公式,形式如下—— a、b、c、d、e、f都是参数,参数对应的数值表格如下,p是该运算规则R被选中的概率。 R a b c d e f p 1 0 0 0 0.16 0 0 0.01 2 0.85 0.04 -0.04 0.85 0 1.6 0.85 3 0.2 -0.26 0.23 0.22 0 1.6 0.07 4 -0.15 0.28 0.26 0.24 0 0.44 0.07 这就是计算机按照图中的公式9为规则生成的巴恩斯利蕨。 生物化学 漫画下部的兔子头上画了俩O2(氧气),一个边上写了CO2(二氧化碳),代表了它正不断地吸入氧气排出二氧化碳。 目前地球上的绝大多数需氧动植物每天都在干这事——增加碳排放,为地球的温室效应贡献自己的一份心力。倒不是生物们都嫌地球太冷了,打算联合起来让它变暖些。这个碳排放纯属形势所迫——不能直接利用太阳能的动物们需要能量啊。能量从哪里来?第一步储能,从外界摄入含能量的营养物质,把它消化吸收,成为自身储备,这就是所谓的合成代谢(同化作用)。第二步释能,把自身储备的各种大分子——蛋白质、脂类、糖类——经各种途径分解以释放能量,维持生命机能,并排出代谢废物,即所谓的分解代谢(异化作用)。 有氧呼吸就是分解代谢中极其重要的组成部分,也是所有高等动植物的主要呼吸方式。生物细胞在许多酶的帮助下,利用氧气彻底氧化葡萄糖(分子式C6H12O6)。 整个有氧呼吸反应的代谢终产物是二氧化碳和水,同时释放出大量能量,这些能量一部分用于合成高能分子ATP,另一部分则以热能的形式散失了。用化学式写下这个总反应,就是反应式10—— C6H12O6+6H2O+6O2→6CO2+12H2O+ 38ATP 至于11号的树木头上的O2 、CO2旁的箭头与之前兔子头上的箭头方向相反,代表树木在光合作用(Photosynthesis)时吸入二氧化碳放出氧气。与各位碳排放大军不同,植物起到了碳固定的作用。可以想见,如果缺失了这关键的一环,整个地球生物圈的碳氧循环链就会出现大问题。 于是阳光与叶绿素协同工作的结果,就是反应式11—— 12H2O + 6CO2 →C6H12O6 (葡萄糖) + 6O2 + 6H2O 至此我们已全部分析完这幅漫画。简单统计可知,漫画中出现中大学水准的物理方程七个,大学水准的数学方程两个,中学水准的生化方程两个……神秘的作者全玄鸿极可能是一名物理学家。 其实,除了这幅描述好奇的科学家是怎样看待世界的漫画,全玄鸿还新近画了另一幅漫画,题为《在车站》。 我倒以为,若标题改做《世界是怎样看待科学家的》也非常适当。就让我以这幅漫画的汉化版,作为本文的结尾。
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那些薛定谔算不到的事
songshuhui 2011-2-16 22:58
全玄鸿 发表于 2011-02-13 05:52 原作: http://abstrusegoose.com/74 汉化:秋水仙素 与此同时,在另一个平行宇宙…… 汉化:游识猷 您也可能喜欢: 薛定谔的老虎 概率 无有-《伊丽莎白教你学高中生物》 薛定谔月季(也和《以爱情的名义》) ziper-《流体力学非典型手册》 无觅
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《量子三部曲》之《薛定谔的加菲猫》(二)
热度 5 sturman 2011-2-3 18:09
《量子三部曲》之《薛定谔的加菲猫》(二)
大年初一祝大家春节快乐!兔年工作愉快!心想事成!
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读薛定谔的启发
yanghualei 2011-1-22 10:35
科学的行进是个脉冲过程,一波又一波,前赴后继 ,而在量子力学这一波中,薛方程所揭示的微观世界运动的法则,震撼了人的意识,进而改变了人们的世界观, 方程建立过程是科学共同体内部成员集体协同的结果 ,是基于科学分工且持续不断凸显的过程,是一个多元想法相互触发进而碰撞的过程,是哲学、宗教信仰以及数学计算的又一次胜利,其又是自然之美的观点在微观世界又一次得到佐证, 那科学发现动机是什么,从其身上能否窥见一点。 普朗克提出能量块的概念,并证明了光子能量和颜色有关, 又因光有颜色的,而颜色可用谐振频率表示,进而发现任一光子的能量与频率之比是一常数,同时普小爱用光量子加以推进;现原本波动的光,变成了粒子,这样让原本坚持光波的人群很不服,而德布罗意就是其中一个,其 基于对内蕴在自然界中对称性的信仰 好奇的发问 :“那是粒子的也一样都具有波动?”,正如其所预言的那样,物质粒子也具有波动的特性,正如 皮特.莫尔 所说:“爱因斯坦让我们再次改变了对光的看法,而德布罗意让我们改变了物质的看法”; 事物的属性是集成的,故表征它的认知概念也应是元概念的集成,也许这种双重或者多重属性在物质构造上更贴近神的旨意吧 。 在这个美很难拽住,即使一瞥都不易的量子世界里,可以看出 薛 的工作 并非 是开 创 性的 ,但 其 总能抓住 上述这 些的 开创性的 观念,加以 整合和发挥 , 进而构建出更出色 的理论 :波动力学,也许是 与情人的幽会 激发了这位中年男人的 创造性的激情 ;也许是基于数学美的偏好: “ 如果一种解释在数学上没有美感,那么这个解释几乎可以肯定是不对的” ,还是 斯宾诺莎、叔本华 等人给起塑造的普遍怀疑, 追求自然的统一 以及 追求自我与宇宙精神统一 的哲学信仰使然,也许可能是 同行德拜的 一个提问:“ 如果电子 可 用波来描述,那么 其 波动方程是什 么?”, 短短 几个 月时间 勾勒出了 波动力学框架, 并 证明了 其 矩阵力学是等价的, 但令人纳闷的: 其 初衷是 为 恢复微观现象的经典解释,但结果却颠覆了经典 。 晚年的薛致力哲学和横断学科研究,而用 试图用热 学、 量子力学和化学理论来 阐述 生命的本性 就是这其中的一部分,这也使得其成为分子生物学的先驱, 由此看出 哲学本身和哲学信仰在科学发现上起到至关重要的作用 ,因哲学是一个转化装置,又是一个操作工具; 同时也看出 科学有时发端于边缘和交叉的地方 ;然后 以其友狄拉克的一句话结束此文 ”, “薛和我都比较欣赏数学中的美,这一点一直引导着我们的工作,我们深信,任何描述自然的基本规律的方程都蕴含着无尽的数学之美” ,也许其正 是对这种美的偏好,才使得他们掀起这样大的波澜吧,是真是假, 谁也不知道。
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薛定谔的深刻洞见
热度 6 jingpeng 2011-1-21 22:07
薛定谔的深刻洞见
薛定谔的猫,波动方程广泛地为人所知,他对生命科学的探索,丝毫不逊色于对量子力学的贡献。 最近读了薛定谔的《生命是什么?》,这本书被认为是20世纪下半叶分子生物学革命的起源,吸引了一大批优秀的物理学家参与解析遗传的物质基础问题,其中就包括了沃森和克里克。本书为分子生物学的诞生做了概念上的准备,备受分子生物学家推崇。 此书写成于1943年,当时双螺旋结构还没发现。已经确定染色体是承载遗传物质的,而且在X射线照射下,会提高突变率。根据当时的物理知识,大量分子的运动服从玻尔兹曼分布,是可以表现出明显的规律性的,而在若干个分子的尺度,分子运动则几乎毫无规律,称为布朗运动。在染色体上,表现出了极强的稳定性。薛定谔坚信遗传是通过某种物质,携带信息进行传递的,因此,薛定谔对遗传的物质结构进行了猜测。他估计遗传物质是一种同分异构体,同分异构体是一类特殊的化合物,构成的原子完全相同,但分子中原子间的位置和共价连接结构不同,而且同分异构体一般比较稳定,但在特定情况下,可以互相转换。这与遗传的特性相吻合,有稳定性,但在特定情况下,变化的概率就比较高,与染色体的突变类似。薛定谔推测,遗传物质是一个非常巨大的分子,遗传信息隐藏在复杂的分子结构上,在X射线的照射下,可以提高分子转换为同分异构体,表现为遗传的突变。在当时的知识水平下,这已经是一个了不起的推测。后来,沃森和克里克发现的双螺旋结构确实是与以往任何一种已知的物质结构不同,有以往任何已知物质不具备的性质,确实是超乎想象。双螺旋结构具有高度的稳定性,可以使用仅仅四种碱基,通过排列顺序的变化,表达出极其丰富的信息,足以编码整个生命过程。薛定谔敢于猜测,体现了求知欲激发的一种勇气,也激发了更多的人投入到遗传物质基础的研究,掀起了一场充满浪漫色彩的分子生物学革命。 在《生命是什么》中,也收录了《意识和物质》,探讨了自由意志问题。柏拉图认为存在一个理念世界,这个理念世界的真实性甚至高于实体的物质世界。西方科学正是源于对理念世界的探索,追求所谓的客观性、精确性。而薛定谔认为,这一探索从一开始,就把人的感知排除在外了,想从理念世界里推出意识,是不可能的! 值得一提的是,克里克后半辈子转到了神经科学,向自由意志问题挑战,在他的《 惊人的假说 --灵魂的科学探索 》中,提出了一个脑结构,可能是自由意志的栖身之所,可惜我还没有看到这个发现的验证。可以说,克里克的研究兴趣,前半生是在薛定谔的《生命是什么》一书讨论的内容,后半生是在薛定谔《意识和物质》讨论的内容。可见,薛定谔真的是一位非常有洞察力的科学家,在我看来,至少可以和牛顿、爱因斯坦平齐。
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薛定谔方程不再神秘,但他的猫和女人依旧
热度 2 gaoshan1900 2010-10-22 14:28
今天刚刚完成论文 薛定谔方程的推导 。或许,39岁的我终于推导出了薛定谔在39岁时发现的那个优美的方程。或许,这仍只是漫长探索旅程中的一个驿站。那旅程是孤独的,但却充溢着发现的快乐。就像一个孩童拾到一枚美丽的贝壳,就像一位老人邂逅青年时代的自我。---- 高山,2010年10月22日夜于悉尼卡尔顿 提起薛定谔,我总想起1959年11月那个寒冷的冬夜。由于支气管炎复发薛定谔难以入睡。于是,他打开灯在桌前给好友辛格写了一封长信。在信中他说:除了几个人(如爱因斯坦、劳厄)以外,其余的理论物理学家都是纯粹的笨人,而我是唯一活下来的健全的人。那个日夜折磨我们的伟大谜题就是波粒二象性。在过去的十年里,关于它我写了很多文章,并且几乎厌倦了这样做就我个人而言,结果是无价值的因为大多数我最亲近的同行(理论物理学家)已经形成了这样的见解,即我仍在留恋我生命中最伟大的成功(波动力学),它是在我仍具有可自由支配的智慧的时候(1926年,那时我39岁)发现的,因此他们说,我坚持一切都是波的观点,衰老使我不能理解(玻尔的)互补性这一伟大发现因此,一般的物理学家不能相信,任何健全的人会拒绝接受哥本哈根神谕。是的,薛定谔不理解他所发现的波函数及其演化方程,但他一直努力去揭示它们的意义;而其他一些物理学家,尽管实际上也并不理解,但却以为理解了,从而停止不前。对此,我最喜欢薛定谔那句铿锵有力的呐喊:我们不能在时空中理解的东西,我们根本就无法理解。或许, 非连续运动的物理图像 最终会让薛定谔满意。 对于普通读者,薛定谔最让人感兴趣的方面可能还是他的猫和女人。人们至今仍在关注那只著名的薛定谔猫的命运,它究竟是死是活呢?而1925年圣诞节在阿罗萨(Arosa)与他一起度假的神秘女人至今也仍然是一个谜。 关于薛定谔的生平和思想,他的猫和女人,推荐阅读W. Moore, Schr dinger: Life and Thought (Cambridge: Cambridge University Press, 1989).
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量子物理史话(12):神秘的波函数
gaoshan1900 2010-9-17 14:35
你的方程出自于一个真正的天才。----爱因斯坦致薛定谔,1926年 当量子力学的矩阵形式横空出世之时,另一股源自爱因斯坦的量子潜流正蓄势迸发,并将以更加优美的形式出现。1924年,爱因斯坦在一篇文章中首次提到了德布罗意的物质波理论,正是这篇文章使更多的物理学家了解到德布罗意的新思想,并且由于爱因斯坦的权威性而开始认真考虑它。 1925年秋,在同事德拜的建议下,薛定谔开始研读德布罗意刚刚发表在《物理学纪事》上的文章,并准备就德布罗意的理论做一次报告。这期间,薛定谔深入研究了德布罗意的理论,并开始认真对待物质的波动本性。他甚至认为,波现象是基本的,是构成世界的基础,而粒子只是表面的、导出的现象。在给好友兰德的信中薛定谔说,我也强烈地倾向于那种方法(波理论) 它(德布罗意的理论)简直太令人激动了,但仍然存在一些非常严重的困难。 12月7日,薛定谔做了关于德布罗意理论的报告,但德拜认为他的讨论方式过于简单,并建议为了正确处理波,应当有一个波方程。于是,薛定谔开始认真考虑物质波的可能形式,以及它所遵循的传播方程。 思想就是这样,只有你深信它、理解它,它才会在你的头脑中扎根,并结出累累硕果。实际上,当薛定谔开始相信德布罗意的物质波思想,并意识到必须有一个波方程来描述物质波时,他已经敲响了波动力学的大门。 1926年1月,瑞士玫瑰山谷(Arosa) 瑞士的玫瑰山谷是欧洲著名的滑雪胜地,每年圣诞节期间人们都喜欢到这里滑雪度假。1925年的圣诞节,苏黎世大学教授薛定谔和他的女友也相约来到玫瑰山谷度假,一直为物质波所困扰的薛定谔想借此机会放松一下。 那是一个晴朗的午后,温暖的阳光透过山坡上缀满白雪的矮松照到蜿蜒的山间小路上,薛定谔正在散步。天蓝蓝的,偶尔有几朵白云飘过,两三只可爱的小鸟在林间叽叽喳喳地追逐游戏。凉爽的空气让薛定谔感到从未有过的清醒。几个月以来,德布罗意的物质波思想一直占据着他的思绪,好友德拜的建议也在向他挑战,应当有一个波方程,去找到它! 扎实的数学基础和长期研究波动问题的丰富经验帮助了薛定谔。经过几次失败的尝试之后,他终于发现了物质波的波动方程,并用这一方程成功地解决了氢原子的能级问题,计算结果同实验数据非常吻合。 随后,薛定谔在《物理学纪事》上连续发表了6篇论文,就此宣布了量子力学的第二种形式---波动力学的诞生。在薛定谔的理论中,电子的运动状态由一个神秘的波函数来描述,它随时间的演化遵循一个连续的波动方程,这个方程后来被称为薛定谔方程。 1926年5月24日,量子的发现者普朗克在给薛定谔的贺信中说,你可以想象我怀有多大的兴趣和热情来研究你那划时代的工作。
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欧洲,1924年,一页纸的博士论文,可能吗?
热度 1 jiangxun 2010-7-2 11:33
作者:蒋迅 有一篇转载成灾的文章一页纸多一点的博士论文,讲的是一个法国内阁部长的花花公子儿子 路易-维克多德布罗伊 ( Louis de Broglie ), 突然浪子回头,对量子论发生了兴趣。但他读了五年仍是一事无成。1924年,德布罗伊终於提交了自己的只有一页纸多一点的博士论文。据说他的博士论文只是 提出了一个猜想,既然波可以是粒子,那么反过来粒子也可以是波。而进一步德布罗伊提出波的波矢和角频率与粒子动量和能量的关系是: 动量 = 普朗克常数/波矢 能量 = 普朗克常数*角频率 经过一番运作后,因为他的父亲的关系和爱因斯坦的一番客气,他的博士论文竟然得以通过。后来 维也纳大学的讲师薛定谔 (Schrodinger) 受命报告这篇论文。他找到了一个波动方程。这个方程就是薛定谔方程!再后来他在滑雪场滑雪时忽发灵感,薛定谔从他的方程中得出了玻尔的氢原子理论!最后在 哥本哈根学派的帮助下,量子力学的神殿建立了。 这篇文章很容易抓住人们的眼球。我也是一下子被它吸引住了。但是,稍微想一想就会发现,这事可能发生在20世纪的欧洲吗?还是在近代物理领域里。这怎么可能。我 Google 了一下,发现德布罗伊的毕业论文的 英文翻译 (On the Theory of Quanta) 就有73页(不算目录)。也有一些对此文的批判文章。 事实证明这篇文章传播的是错误信息。但问题是为什么会有这么多人在转载之前不思考一下,而是 把这篇表面上看非常漂亮的文章全盘接受下来。这是一个值得思索的问题。本人觉得现在博客、论坛上的一个现象就是转载他人的文章,而不加上自己的一点观点。 假如你想在转载的基础上加上自己的思考,你可能就会有一些疑问,可能就会去Google,可能就容易看出破绽来。所以,我不支持纯粹的转载。当然,我理解有时侯转载只是为了收集资料。但有些人在转载时都不属上原作者的名字,也不指出出处,表现的就是不劳而获的态度。对这样的转载,我更是反对。
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股市能用薛定谔波函数预测嘛?社会力能测度嘛?
yanghualei 2010-6-26 15:13
1.对于股市的波动 能否寻找有一个经验公式进行拟合的 谐振子是最简单的振动,故研究股市波动需要涉及谐振子 股市的振动是简单振动的线性和非线性叠加,故需要傅里叶分析 股市走势又是随机的,故需要随机积分和微分 引致股市波动的因素的多元化,故描述股市的量应该是张量 每一只股票又类似于一个粒子,故需要描述量子行为的薛定谔波函数 、、、 、、、 总上,一个描述股市走势模型=谐振子+傅立叶分析+随机过程+张量+薛定谔波函数+、、、 2.人类行为活动的空间是多维的,所以描述其活动的变量应该是矢量或者张量;经济学史是一个边缘学科的渗透史,所以推进学科的动力应该是多元的 ,新古典经济学把个人的行为单纯的归结为标量价格问题实质类似于物理学上亚里士多德时代。行文依据学科发展的趋势,在行为的非随机性及其偏好的非饱和性,行为具有惯性以及行星轨道假设下;参照的dirk.helbing等人的研究成果,借助行为分析工具张量分析提出行为运动的禀赋空间,推导出行为间的作用力公式;建立起行为与主体的一一对映关系,分析集体行为与个体行为之间交互作用,通过调控行为来规范主体,最终在完善主体方面将凸现作用。
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预告:《量子三部曲》第二部《薛定谔的加菲猫》(原创漫画)
热度 1 sturman 2010-4-27 21:48
《量子三部曲》第一部《我,海森堡》还剩最后一章了,在它推出之前先给我的下一个作品打一个广告,是我的原创漫画《薛定谔的加菲猫》中英文双版,自然也作为我的《量子三部曲》第二部问世。 希望大家对角色造型,故事情节多提出宝贵意见,使我不断完善它。这部作品会成为我参加此次博客大赛的一个主要内容。 当然,《量子三部曲》第三部是关于狄拉克的作品,正在构思当中,也可能在博客大赛期间推出开头部分。 多谢各位老师同学师兄师弟和广大朋友! 九维空间敬上!
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薛定谔:分子生物学的先驱
gl6866 2010-1-10 21:01
薛定谔是上个世纪初叶与爱因斯坦、波尔、海森堡等著名物理学家齐名的大科学家。不知大家可曾想过,他还是分子生物学的先驱呢。 什么是生命?对你而言是否是个陌生的问题?当然,我们知道生命一词意味着什么,但是你如何来定义这个词呢?是否所有生物都能活动?它们是否都要吃东西或呼吸?即便如此,我们似乎都知道活着意味着什么,但却不容易去描述什么是生命。对于生命的描述几乎就像生命来自何处那样困难。就连生物学家经过多年困苦的研究,也没有得出什么是生命的结论,但是他们却总结出生命所共有的一些特征,诸如: 1)生物需要摄入能量 2)生物排泄废物 3)生物成长和发育 4)生物对其所在的环境具有反应能力 5)生物繁殖并将其特性传给其子代 6)经过漫长的时间,生物根据其对所处的环境的反应进行演化(慢慢地变化) 这种描述是典型的生物学家的观点,但生物学家的观点是否就正确呢?现在看来并不完全如此,那么让我们来看一下物理学家是怎么看待生命的吧。著名物理学家薛定谔在1944年出版了一部小书《生命是什么活细胞的物理学观》。薛定谔并非生物学家,但作为一位物理学家,用他那深邃的眼光对生命物质和遗传机制等问题发表的精湛见解,开拓了一种新的研究途径。他认为,他之所以写作这本书就是揭示生命物质在服从迄今为止已确立的物理学定律的同时,可能还涉及迄今还不了解的物理学的其他定律。《生命是什么》这本书的重大意义,并不止于倡导从分子水平探索遗传机制和生命本质,并且引入了遗传密码、信息、负熵等概念来说明一系列生命现象。其深远意义还在于提出一个重要问题:在一个生命有机体的空间范围内,在空间和时间中发生的着的世界,如何用物理和化学来解释?同时薛定谔对这一问题的初步解释和有益尝试也正是他对生物学的主要贡献。 由于薛定谔本人的声望,他提出问题的鲜明性和时机,使他的倡导和尝试给物理学和与生物学的结合以极大的推动,因此薛定谔成为探索两者统一的先驱,同时促成了分子生物学的诞生。《生命是什么》一书,也就成为给予生物学以革命的一个契机。分子生物学以及之后发现的DNA双螺旋结构都受益于这本小书。难怪著名哲学家波普尔称赞它是一部美丽而重要的书。《科学美国人》对该书的评价是这本书就像一颗拥有多面体的宝石,可以用几个小时读完它;但却会让你终生难忘。然而,薛定谔尽管开创了分子生物学的先河,可是真正的成果却落到DNA双螺旋结构的发现上。DNA双螺旋结构为人类揭开生命之谜奠定了坚实的基础。
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量子史话戏说
热度 1 liuying56 2009-3-27 21:04
  (以下文字转载自网络,对其真实性未加考证) ( 一 )   故事发生在二十世纪初的法国。巴黎。一样的延续着千百年的灯红酒绿,香榭丽舍大道上散发着繁华和暧昧,红磨坊里弥漫着躁动与彷徨。而在此时的巴黎,有一个年轻人,名字叫做德布罗意 (DeBroglie) ,从他的名字当中可以看出这是一个贵族,事实上德布罗意的父亲正是法国的一个伯爵,并且是正是一位当权的内阁部长。这样一个不愁吃不愁穿只是成天愁着如何打发时光的花花公子自然要找一个能消耗精力的东西来磨蹭掉那些无聊的日子 ( 其实象他这样的花花公子大约都会面临这样的问题 ) 。德布罗意则找到了一个很酷的事业 --- 研究中世纪史。据说是因为中世纪史中有着很多神秘的东西吸引着这位年轻人。   时间一转就到了 1919 ,这是一个科学界急剧动荡动着的年代。就在这一年,德布罗意突然移情别恋对物理产生了兴趣,尤其是感兴趣于当时正流行的量子论。具体来说就是感兴趣于一个在当时很酷的观点:光具有粒子性。这一观点早在十几年前由普朗克提出,而后被爱因斯坦用来解释了光电效应,但即便如此,也非常不见容于物理学界各大门派。德布罗意倒并不见得对这一观点的物理思想有多了解,也许他的理解也仅仅就是理解到这个观点是在说 波就是粒子 。或许是一时冲动,或许是因为年轻而摆酷,德布罗意来到了一派宗师朗之万门下读研究生。从此,德布罗意走出了一道足以让让任何传奇都黯然失色的人生轨迹。       (二)   历史上德布罗意到底花了多少精力去读他的研究生也许已经很难说清,事实上德布罗意在他的 5 年研究生生涯中几乎是一事无成。事实上也可以想象,一个此前对物理一窍不通的中世纪史爱好者很难真正的在物理上去做些什么。白驹过隙般的五年转眼就过去了,德布罗意开始要为他的博士论文发愁了。其实德布罗意大约只是明白普朗克爱因斯坦那帮家伙一直在说什么波就是粒子, ( 事实上对于普朗克大约不能用 一直 二字,此时的普朗克已经完全抛弃自己当初的量子假设,又回到了经典的旧框架。 ) 而真正其中包含的物理,他能理解多少大约只有上帝清楚。    五年的尽头,也就是在 1924 ,德布罗意终于提交了自己的博士论文。他的博士论文只有一页纸多一点,不过可以猜想这一页多一点的一份论文大约已经让德布罗意很头疼了,只可惜当时没有枪手可以雇来帮忙写博士论文。他的博士论文只是说了一个猜想,既然波可以是粒子,那么反过来粒子也可以是波。而进一步德布罗意提出波的波矢和角频率与粒子动量和能量的关系是:    动量=普朗克常数 / 波矢    能量=普朗克常数 * 角频率 这就是他的论文里提出的两个公式。而这两个公式的提出也完全是因为在爱因斯坦解释光电效应的时候提出光子的动量和能量与光的参数满足这一关系。可以想象这样一个博士论文会得到怎样的回应。    在对论文是否通过的投票之前,德布罗意的老板朗之万就事先得知论文评审委员会的六位教授中有三位已明确表态会投反对票。    本来在欧洲,一个学生苦读数年都拿不到学位是件很正常的事情,时至今日的欧洲也依然如此。何况德布罗意本来就是这么一个来混日子的花花公子。然而这次偏偏又有些不一样 --- 德布罗意的父亲又是一位权高望众的内阁部长,而德布罗意在此厮混五年最后连一个 Ph.D 都没拿到,双方面子上自然也有些挂不住。情急之中,朗之万往他的一个好朋友那里寄了一封信。当初的朗之万是不是碍于情面想帮德布罗意混得一个 PhD 已不得而知,然而事实上,这一封信却改变了科学发展的轨迹。       (三)   这封信的收信人是爱因斯坦。信的内容大致如下:   尊敬的爱因斯坦阁下:   在我这里有一位研究生,已经攻读了五年的博士学位,如今即将毕业,在他提交的毕业论文中有一些新的想法 请对他的论文作出您的评价。   另外顺便向您提及,该研究生的父亲是弊国的一位伯爵,内阁的 ** 部长,若您 ,将来您来法国定会受到隆重的接待 朗之万   在信中,大约朗之万的潜台词似乎就是如果您不肯给个面子,呵呵,以后就甭来法国了。 不知是出于知趣,还是出于当年自己的离经叛道而产生的惺惺相惜,爱因斯坦很客气回了一封信,大意是该论文里有一些很新很有趣的思想云云。   此时的爱因斯坦虽不属于任何名门望派,却已独步于江湖,颇有威望。有了爱因斯坦的这一封信,评审委员会的几位教授也不好再多说些什么了。于是,皆大欢喜。   浪荡子弟德布罗意就这样攻读下了他的 PhD( 博士 ) 。而按照当时欧洲的学术传统,朗之万则将德布罗意的博士论文印成若干份分寄到了欧洲各大学的物理系。大约所有人都以为事情会就此了结,多少年以后德布罗意那篇很新很有趣的博士论文也就被埋藏到了档案堆里了。德布罗意大约也就从此以一个 PhD 的身份继续自己的浪荡生活。但历史总是喜欢用偶然来开一些玩笑,而这种玩笑中往往也就顺带着改变了许多人的命运。在朗之万寄出的博士论文中,有一份来到了维也纳大学。       (四)    1926 年初。维也纳。当时在维也纳大学主持物理学术活动的教授是德拜,他收到这份博士论文后,将它交给了他的组里面一位已经年届中年的讲师。这位讲师接到的任务是在两周后的 Seminar( 学术例会 ) 上将该博士论讲一下。这位老讲师约早已适应了他现在这种不知算是平庸还是算是平静的生活,可以想象,一个已到不惑之年而仍然只在讲师的位置上晃荡的人,其学术前途自然是朦胧而晦暗。而大约也正因为这位讲师的这种地位才使得它可以获得这个任务,因为德拜将任务交给这位讲师时的理由正是你现在研究的问题不很重要,不如给我们讲讲德布罗意的论文吧。这位讲师的名字叫做薛定谔 (Schrodinger) !   在接下来的两周里,薛定谔仔细的读了一下德布罗意的博士论文,其实从内容上来讲也许根本就用不上 仔细 二字,德布罗意的这篇论文只不过一页纸多一点,通篇提出的式子  也不过就两个而已,并且其原型是已经在爱因斯坦发表的论文中出现过的。   然而论文里说的话却让薛定谔一头雾水,薛定谔只知道德布罗意大讲了一通波即粒子,粒子即波,除此之外则是不知所云。   两周之后,薛定谔硬着头皮把这篇论文的内容在 Seminar 上讲了一下,讲者不懂,听者自然也是云里雾里,而老板德拜则做了一个客气的评价:这个年轻人的观点还是有些新颖的东西的,虽然显得很孩子气,当然也许他需要更深入一步,比如既然提到波的概念,那么总该有一个波动方程吧。多年以后有人问德拜是否后悔自己当初作出的这一个评论,德拜自我解嘲的说,你不觉得这是一个很好的评论吗?并且,德拜建议薛定谔做一做这个工作,在两周以后的 seminar 上再讲一下。   两周以后。薛定谔再次在 seminar 上讲解德布罗意的论文,并且为德布罗意的波找了一个波动方程。这个方程就是薛定谔方程!   当然,一开始德布罗意的那篇论文就已经认为是垃圾,而从垃圾产生出来的自然也不会离垃圾太远,于是没人真正把这个硬生生给德布罗意的波套上的方程当一回事,甚至还有人顺口编了一首打油诗讽刺薛定谔的方程:   欧文用他的 psi ,计算起来真灵通:但 psi 真正代表什么,没人能够说得清。 ( 欧文就是薛定谔, psi 是薛定谔波动方程中的一个变量 ) 。故事的情节好像又一次的要归于平庸了,然而平庸偏偏有时候就成了奇迹的理由。大约正是薛定谔的平庸使得它对自己的这个波动方程的平庸有些心有不甘,他决定再在这个方程中撞一撞运气。       (五)   上面讲到的情节放到当时的大环境中来看就好像是湖水下的一场大地震 --- 从湖面上看来却是风平浪静。下面请允许我暂时停止对老讲师薛定谔的追踪,而回过头来看一看这两年发生在物理学界这个大湖表面的风浪。   此前,玻尔由普朗克和爱因斯坦的理论的启发提出了著名的三部曲,解释了氢光谱,在这几年的发展当中,由玻尔掌门的哥本哈根学派已然是量子理论界的少林武当。 1925 ,玻尔的得意弟子海森堡提出了著名的矩阵力学,进一步抛弃经典概念,揭示量子图像,精确的解释了许多现象,已经成为哥本哈根学派的镇门之宝 --- 量子届的 屠龙宝刀 。不过在当时懂矩阵的物理学家没有几个,所以矩阵力学的影响力仍然有限。事实上就是海森堡本人也并不懂矩阵,而只是在他的理论出炉之后哥本哈根学派的另一位弟子玻恩告诉海森堡他用的东西在数学中就是矩阵。   再回过头来再关注一下我们那个生活风平浪静的老讲师薛定谔在干些什么 --- 我指的是在薛定谔讲解他的波动方程之后的两个星期里。事实上此时的他正浸在温柔乡中 --- 带着他的情妇在维也纳的某个滑雪场滑雪。不知道是宜人的风景,总之是冥冥之中有某种东西,给了薛定谔一个灵感,而就是这一个灵感,改变了物理学发展的轨迹。薛定谔从他的方程中得出了玻尔的氢原子理论!       (六)   倚天一出,天下大惊。从此谁也不敢再把薛定谔的波动方程当成 nonsense 了。哥本哈根学派的掌门人玻尔更是大为惊诧,于是将薛定谔请到哥本哈根,详细切磋量子之精妙。然而让玻尔遗憾的是,在十天的漫长切磋中,两个人根本都不懂对方在说些什么。在一场让两个人都疲惫不堪却又毫无结果的哥本哈根论剑之后,薛定谔回到了维也纳。   薛定谔回到了维也纳之后仍然继续做了一工作,他证明了海森堡的矩阵力学和他的波动方程表述的量子论其实只是不同的描述方式。从此倚天、屠龙合而为一。此后,薛定谔虽也试图从更基本的假设出发导出更基本的方程,但终究没有成功,而不久,他也对这个失去了兴趣,转而去研究生命是什么。历史则继续着演义他的历史喜剧。德布罗意,薛定谔都在这场喜剧中成为诺奖得主而名垂青史。       尾声   其实在这一段让人啼笑皆非的历史当中,上帝还是保留了某种公正的。薛定谔得出它的波动方程仅在海森堡的矩阵力学的的诞生一年之后,倘若上帝把这个玩笑开得更大一点,让薛定谔在 1925 年之前就导出薛定谔方程,那恐怕矩阵力学就根本不可能诞生了 ( 波动方程也就是偏微分方程的理论是为大多数物理学家所熟悉的,而矩阵在当时则没有多少人懂 ) 。如此则此前在量子领域已辛苦奋斗了十几年的哥本哈根学派就真要吐血了!薛定谔方程虽然搞出了这么一个波动方程,却并不能真正理解这个方程精髓之处,而对它的方程给出了一个错误的解释 --- 也许命中注定不该属于他的东西终究就不会让他得到。对薛定谔方程的正确解释是有哥本哈根学派的玻恩作出的。 ( 当然玻恩的解释也让物理界另一位大师 --- 爱因斯坦极为震怒,至死也念念不忘 上帝不会用掷色子来决定这个世界的 ,此为后话 ) 。
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