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“傻”博士的初恋-23-全同粒子(科普)
热度 5 tianrong1945 2013-1-28 09:43
“傻”博士的初恋-23-全同粒子(科普)
第二十三章﹕全同粒子(科普) 2001 年 11 月 3 日,星期六 “萨沙,我们该写数学科普书的最后一章了。你想好了写些什么内容吗?” 我问。这时候,已经是下午四点钟,萨沙刚起床,洗完了澡,坐在计算机旁边发呆。 我见他不回答我的问题,又问了一遍。 “我……这不,也在想这件事吗。” 萨沙又说:“你看,这儿有一则新闻。 CLAY 数学研究所,去年曾经發佈一則消息:將提供百萬美元的獎金為七個現未解決的數學問題征求答案。” “真的吗?每个問題都一百萬美元吗?” “对。” “ CLAY 数学研究所在哪儿呀?” “那是美國麻省劍橋的一個非盈利教育基金會。你在 MIT 没听过吗?” “没有。” “每个問題都是很难解决的。比如这一个,是在計算機算法領域頗為著名的 P / NP 問題。” “这我知道。我們在第一章內提到過的‘推銷員周游世界’的問題,不就和这有关系吗?” “我记得在去年年底的《科学美国》上,为了配合 CLAY 数学研究所的百万大奖,美国著名的科普作家 Ian Stewart 写了一篇文章,把 P/NP 问题与微软视窗系统中的一个小游戏联系起来。没准儿玩游戏也能得百万大奖哦!” “哪一个游戏呀?” “叫做 MINESWEEPER …” “啊,探雷游戏。我经常玩的那一个。” 誰不想成為百萬富翁呢?既然 CLAY 数学研究所以此问题征求百万大奖,当然说明这是一个非常重要和困难的问题。不过,玩游戏倒不困难,还挺有趣的。于是,我便开始收集资料:从探雷游戏出发,再解释计算机的算法问题,再就是量子计算机,那是我不太懂的领域,可能得请教学物理的罗德了。 自从上次和罗德在一起吃中饭时谈到萨沙之后,我和他的谈话反倒自然了。因为现在我不需要回避他什么,而完全是作为一个知心朋友互相倾诉。人是需要听众的,特别是当你在感情问题上有困扰时。这些天,我们经常在一起畅所欲言,开诚布公。我对他谈到和萨沙的恋爱经过,萨沙的种种趣事。我们也谈到互相的家庭、小时候的事、同学、朋友等等。 2001 年 11 月 20 日, 于是,今天向罗德咨询量子计算机之事,我首先谈到计算机算法中的 NP 問題。 “什么是 NP 問题?”罗德虽然是软件工程师,但是学物理出身,并未修过很多计算机课,我便大概介绍了一下。 “哦,这量子计算机,和你的算法問題又有什么关系呢?” 罗德感到奇怪。 “算法問題的实质是计算速度的问题。从理论上来说,现在的这种经典类型的计算机永远处理不了 Non-P 問題,也就是那些计算量按指数增长的問題。而未来的,按照量子规律来运行的量子计算机就可以处理 Non-P 問題。” “为什么呢?” “因为……因为,量子现象不是和经典现象完全不同吗?其实,我也不是很懂,……。但是我想,我们可以慢慢讨论。对这个问题,你这个学物理的,肯定会理解得比我更深刻。” 我记起了第一个提出量子计算机设想的人,就是诺贝尔物理学奖得主,生前任教于美国加州理工学院的物理学家理查德•费曼。 “啊,费曼,那是一个智慧超凡的科学鬼才……”罗德很熟悉费曼的故事:“他不仅是著名物理学家,也是一位开保险箱专家和邦戈鼓手。此外,他还曾经像一位真正的画家一样卖掉过自己的好几幅绘画作品。他研究生刚毕业,就参加了第一颗原子弹的曼哈顿计划。我还看过好几本与他的经历有关的通俗读物,很有意思。” 不过,罗德对费曼提出的量子计算了解不多。我告诉他, 1981 年五月,在 MIT 召开了连接物理学和计算机技术的第一次会议,费曼在会上作了一个“ Simulating Physics With Computers ”的报告,从此揭开了研究发展量子计算机的新篇章。 说到 MIT , 罗德的兴趣来了,说是 MIT 有个物理教授 沃尔夫冈 · 克特 勒,几年前实现了玻色 - 爱因斯坦凝聚的那个,得了今年的诺贝尔物理学奖哦!不久前, 好象是 10 月 9 日吧,瑞典皇家科学院宣布的, MIT 的 克特勒与其他两位科学家,共同分享 2001 年的诺贝尔物理学奖。 罗德说:“我不懂量子计算机,不过,我先给你讲讲与这三个人做的工作有关的玻色子及费米子,让你对量子的行为有点初步概念吧。” 下面便是罗德讲的有关‘全同粒子’概念。哈哈,还加上我这个物理门外汉,提出的几个愚蠢问题。 世界上有一模一样的东西吗?有,那就叫“全同粒子”! 所谓全同粒子就是质量、电荷、自旋等内在性质完全相同的粒子。在宏观世界中,可能不存在完全一模一样的东西,即使看起来一模一样,它们也是可以被区分的。因为根据经典力学,即使两个粒子全同,它们运动的轨道也不会相同。因此,我们可以追踪它们不同的轨道而区分它们。但是,在符合量子力学规律的微观世界里,粒子遵循测不准原理,没有固定的轨道,因而无法将它们区分开来。量子力学中,有两种类型的全同粒子:玻色子和费米子。分别以玻色和费米两位物理学家而命名。它们分别服从玻色 - 爱因斯坦统计和费米 - 狄拉克统计规律。 我插嘴了:“爱因斯坦是人人皆知的大师,费米和狄拉克也都在诺贝尔奖的榜上有名,可这个玻色是谁,没听过啊……” “玻色的确不是那么有名,印度人,属于第三世界的物理学家嘛,受很多条件所限,不过,由他而命名的玻色子在物理学界还是挺有名的。对玻色子统计规律的研究可能是玻色一生中唯一一项重要的成果……” 有趣的是,玻色是因为一个“錯誤”而发现玻色子的。 1921 年左右,在一次有关光电效应的讲课中,玻色犯了一个类似“掷两枚硬币,得到“正正”概率为三分之一”的那种错误。没想到这个错误却得出了与实验相符合的结论,也就是不可区分的全同粒子所遵循的一种统计规律…… 我不明白,什么叫“掷两枚硬币,‘正正’概率为三分之一”的那种错误呀?另外,两个粒子可区分或不可区分,会影响概率的计算吗?” “当然会影响啊。”罗德说。 你先看在现实生活中计算概率的情况。如果我们掷两枚硬币,因为每个硬币都有正反两面,所有可能的实验结果就有四种情况:正正、正反、反正、反反。如果我们假设每种情形发生的几率都一样,那么,得到每种情况的可能性,各是四分之一。 现在,想象我们的两枚硬币变成了量子硬币。也就是说,它们完全一模一样,而且不可区分。既然不可区分,‘正反’和‘反正’就是一样的,所以,所有可能发生的情形就只有“正正”“反反”“正反”三种情形。 这时,如果我们仍然假设三种可能性中每种情形发生的几率是一样的(尽管这好像不太符合我们的日常经验,但不要忘记,我们考虑的是‘量子硬币’!),我们便会得出“每种情况的可能性,都是三分之一”的结论。这个例子就说明了,多个“一模一样、无法区分”的物体,与多个‘可以区分’的物体,所遵循的统计规律是不一样的。 玻色以此计算方法,得到了与光电效应实验相符的结果。他立刻意识到,这是一个“没错的错误”!便继续深入钻研下去, 1924 年写出一篇《普朗克定律与光量子假说》的论文。然而,当初没有杂志愿意发表这篇论文,认为玻色犯了统计学家们看来十分低级的错误。 后来,玻色突发奇想,直接将文章寄给大名鼎鼎的爱因斯坦,不料立刻得到了爱因斯坦的支持。玻色的“错误”之所以能得出正确结果,因为光子就正是一种不可区分的、后来被统称为‘玻色子’的东西。对此,爱因斯坦心中早有一些模糊的想法,如今玻色的计算正好与这些想法不谋而合。于是,爱氏便将这个概念,延伸应用到其它类似的粒子。这些‘类似粒子’之后被人称为‘玻色子’,这也才有了现在名为“玻色 - 爱因斯坦统计”,以及 2001 年三个诺贝尔物理奖得主所证明的,超低温下实现的“玻色 - 爱因斯坦凝聚”理论。 遗憾的是,玻色本人呢,却像一颗划过天空闪亮一时,又转瞬即逝的彗星一样,之后在科学上便没有什么大作为,最终也与诺贝尔奖无缘。 我似懂非懂:“啊,原来光子就是玻色子。不可区分的全同粒子算起概率来的确与经典统计方法不一样。那么,费米子又是些什么玩意儿呢?” 不同微观粒子的全同性有所不同,是来源于它们的自旋,及此自旋导致的不同对称性。玻色子是自旋为整数的粒子,比如光子的自旋为 1 。两个玻色子的波函数是交换对称的。也就是说,当两个玻色子的角色互相交换后,总的波函数不变。另一类称为费米子的粒子,自旋为半整数。例如,电子的自旋是二分之一。由两个费米子构成的系统的波函数,是交换反对称的。也就是说,当两个费米子的角色互相交换后,系统总的波函数只改变符号。(见下图中的右边二图) 我又不明白了:“费米子交换后波函数变号,不是好像可以区分两个费米子了吗?怎么它们也是全同粒子呢?” 不是那样的,罗德说,交换前和交换后的波函数,虽然相差了一个符号,但它们描述的仍然是同样的状态,因为两种情形下的几率波(波函数的平方)是一样的。所以,费米子也是一种不可区分的全同粒子。 罗德又说,多个费米子系统的波函数是反对称函数这点,使得它的统计规律与玻色子的又有所不同哦! “怎么不同法呢?” 我先打个比方吧。两个玻色子的互换波函数对称,就表明两个玻色子可以处于同样的状态下而和平共处;两个费米子的互换波函数反对称,就表明两个处于同样状态的费米子将互相残杀。或者说,玻色子是一群友好的朋友;费米子是互相排斥的一个个独立大侠。如果有一伙玻色子去住汽车旅馆,它们愿意大家共处一室,住一间大房间就够了;而如果一伙费米子去住汽车旅馆,便需要供给它们每人一间独立的小房间。 我突然有点开窍,想起了过去学元素周期表时听过的‘泡利不相容原理’,便问罗德:“那个泡利原理是不是与费米子的特性有关啊?” 对呀,罗德说,正是如此。所有费米子都遵循这一原理,包括电子。因而,原子中的任意两个电子不能处在相同的量子态上,而是在原子中分层排列(见上图左图)。在这个基础上,才得到了有划时代意义的元素周期律。 然后,再以刚才的两个硬币为例,说明费米子的统计规律有何特别之处?两个硬币现在变成了‘费米子硬币’。对两个费米子来说,因为它们决不愿意共住一间房间,也就是不可能处于完全相同的状态,所以,四种可能情形中的‘正正’和‘反反’状态都不成立啦,只留下唯一的一个可能性:‘一正一反’。因此,对两个费米子系统,出现‘正反’的概率是 1 。 我还想急于知道与今年诺贝尔物理奖有关的“玻色 - 爱因斯坦凝聚”是怎么回事,可罗德说那有点太专业了。不过,可以如此稍加理解…… 因为玻色子喜欢大家同居一室,大家都拼命挤到能量最低的状态。比如,光就是一种玻色子,因此,许多光子可以处于相同的能级,所以,我们才得到了激光这种超强度的光束。“玻色–爱因斯坦凝聚”就是原子在冷却到绝对零度附近时所呈现出的一种特别物态…… 我脑袋中又闪出一个笨问题:“光子是玻色子,电子是费米子,原子是玻色子还是费米子啊?” 啊,刚才没说太清楚。原子是复合粒子,情况要复杂一点。对复合粒子来说,如果由奇数个费米子构成,则为费米子;由偶数个费米子构成,则为波色子。如为波色子的原子,在一定的条件下,降低温度到接近绝对零度,所有玻色子像是突然‘凝聚’在一起,那时会产生一些平常物质中观察不到的‘超流体’有趣性质,这就是“玻色 - 爱因斯坦凝聚”。通过对“玻色 - 爱因斯坦凝聚”的深入研究,有可能实现‘原子激光’之类的前景诱人的新突破。 罗德最后总结说:“全同粒子的玻色子或费米子行为,也可以说是量子力学中最神秘的侧面之一!”  今天,给萨沙看了看我根据罗德的叙述写的‘奇妙的量子’一节。对量子现象的难以理解,萨沙似乎不以为然,还发表了几句哲学家式的论调。 他说:“怪非怪,常为怪;不怪有怪,怪有不怪。这世界上的每件事都是奇怪的,不怪的东西才奇怪呢。” “什么话嘛!奇怪的人。” “对,人也是一样,每个人都很古怪。” 我不想和他辩论。心想,真是个怪人!和古怪的量子现象一样古怪,一样难以理解,琢磨不透,我想起了不确定原理、不可区分的全同粒子……,我又觉得,不知道为什么,和这个人交往了这么久,好象仍然不是很了解他。特别是在他的中国公司搞出了点眉目之后,萨沙有些想法与过去不一样,而且很不合常理。满口、满脑袋只有‘公司’。 “和你的公司谈恋爱去吧!”有一次,我赌气地说。 “是呀,这恐怕马上就要成为事实啰!明年,我可能大部分时间都得呆在北京。”没想到他会这样回答。 上一篇:万圣节 目录 系列科普目录 下一篇:感恩节
个人分类: 故事+谜语|9916 次阅读|5 个评论
元旦:玻色同志诞辰日
热度 5 yushi 2011-12-31 23:59
元旦:玻色同志诞辰日 施郁 虽然骗人说耶和华托梦于他的洪秀全天王也是生于1月1日,我只想记念一下玻色同志。 Satyendra Nath Bose 1894年1月1日生于印度。1924年,这位默默无闻的青年教师突然变得很有名,因为他给出了Planck辐射公式的一个新的推导。他把被英国的杂志退稿的文章寄给爱因斯坦,请爱大师翻成德文推荐到德国杂志。Einstein did! 因为爱因斯坦,也只有爱因斯坦能够,从玻色的文章中看到了一个突破点。而玻色自己看得其实并不清楚! 这就是玻色统计。微观粒子服从的两种统计规律之一。 老爱在玻色的文章后面作了简单的comment,并另文详述,而且预言了所谓玻色爱因斯坦凝聚。其实,我一直认为这应该称为爱因斯坦凝聚,前几年有段时间每次正式谈到这个课题时都说一下。 当然这不影响我们缅怀玻色。
4308 次阅读|4 个评论
扶掖后辈 携手共进——记爱因斯坦与玻色的一件轶事
热度 9 sqdai 2011-6-19 09:31
一位学界的无名小辈,把自己的学术论文 寄给 一位诺贝尔奖获得者,请他翻译并推荐这篇论文,后者慨然应允。这样的事情可能发生吗?可能。就发生在当时已闻名遐迩的爱因斯坦的身上。 学过统计物理学的人大多知道玻色 - 爱因斯坦统计和玻色 - 爱因斯坦凝聚。这一重要成果是怎样诞生的?且听我慢慢道来。 1924 年 6 月 4 日 ,那时还籍籍无名的印度物理学家玻色( S Bose )写了一封信给爱因斯坦说:“尊敬的先生,我冒昧地把论文寄给您,请您过目;我渴望知道您对这篇文章的反应如何。您会看到我已经冒险地推导出普朗克公式中的系数 …… 与经典动力学没有关系。”他非但有这一“冒昧”,还来了一个“冒昧”的“平方”:请爱因斯坦把他的论文翻译成德语,以便在德国刊物上发表。 要知道,那时候德国科学发达,德语是学术界的一种主流语言,玻色的这种要求倒也自然。 那年,爱因斯坦 45 岁,已创建了相对论,还在此前两年荣获诺贝尔物理学奖。然而,他完全不在意无名小卒的这种“冒昧”,通读论文后,立即发现了此文的重大学术价值。 7 月 12 日 ,他写信给艾伦菲斯特说:“印度人玻色用一个优美的推导得出了普朗克的公式,包括那个系数 …… ”他迅即地翻译了这篇论文,推荐到《物理学杂志》发表,还特地加了“译者按”,写道:“在我看来,玻色对普朗克公式的推导意味着一个重要进展。” 确实如此。玻色在文中提出了一种崭新的方法来诠释普朗克的辐射定律。他把光看成有许多没有质量的粒子(现称为光子)组成的“气体”;它不遵守经典的玻尔兹曼的统计规律,而是服从基于粒子不可分辨的新的统计规律。他的论证完全没有借助于经典的电动力学,而是借助于统计力学;它是粒子的热平衡定律,其中出现一些奇异特性,如粒子无质量、不守恒,有两个极化状态等等,玻色自己也感到有点迷惘,才迫切地求教于爱因斯坦。 爱因斯坦敏感地抓住了玻色提出的新理念,把它应用于大量微粒组成的气体中,由此得到了一种新的统计法,就是后人所命名的“玻色 - 爱因斯坦统计”,表述了气体中的分子是如何均分的。收到玻色来信后的三个月和八个月后,爱因斯坦接连发表论文《单原子理想气体的量子理论( I )、( II )》,指出这种新的统计的特征是“粒子是不可分辨的,且任何量子能级上可以被任意数量的粒子占据。”接着,他做了进一步发挥:粒子争先恐后地“凝聚”在最低能级上。后人将这种凝聚称为“玻色 - 爱因斯坦凝聚”。由此可见,爱因斯坦出色地发展了玻色的研究成果。 事情还远不至此。爱因斯坦用这种新的统计法做出了一个影响深远的预言:在低温下,液化了的气体会失去粘性,形成所谓“超流性”( super-fluidity )。 1928 年,基索姆( WH Keesom )在实验中发现了超流性; 1962 年苏联物理学家朗道因超流性方面的研究或诺贝尔奖;此后又有六人因此成为诺奖得主。 值得一提的是:由于爱因斯坦“慧眼识英雄”和大力提携,玻色在 1924 年发表的论文成为在光量子领域的第四篇(也是最后一篇)革命性论文,前三篇论文的作者分别为:普朗克( 1900 )、爱因斯坦( 1905 )和玻尔( 1913 )。玻色由此一举成名。 从这一轶事可以悟出两个道理: ——学有所成的学者应该无私地、全力以赴地扶掖后进的学者,想方设法使他们迅速成长,特别要使其中的佼佼者尽快崭露头角; ——年长者对年青人的帮助不是单向的,而是双向的。年青人思路活跃,所受的束缚较小,极有可能产生出乎预料的思想火花,往往会诱发年长者捕捉到珍贵的信息和思想,为自己的创造提供新的线索和思路。 参考资料: 杨建邺,爱因斯坦传——窥见上帝秘密的人,海南出版社, 2003 。 写于 2011 年 6 月 19 日晨
个人分类: 名人纪实|8428 次阅读|12 个评论
奇思异想说光子BEC
热度 1 jixuanhou 2009-10-6 06:54
半年前刘全慧老师在他的博文 《学一回苏格拉底如何?》 中谈到有学生问光子是否存在BEC。由于自己才疏学浅,对这个问题没有深刻的理解,只是隐约记得当年去北大偷听《量子光学》这门课的时候老师似乎说过激光就是光子的BEC。因此当时就在该博文下面留言激光就是光子的BEC。在刘老师和众博友的细心教导下,我终于放弃了这个观念。但是心里一直有点残念,既然光子没有BEC,那我总要想个办法弄出点类似BEC的东西,哪怕是等效的或者是在某一个维度上也好,由此写下这篇博文,请各位大侠斧正。 我的方案如下: 往一卷光缆中打一束激光,如图所示。光缆直径为a,激光的入射位置d、激光的频率以及光缆的卷曲半径R都是可以调节的。在光缆上建立新的正交坐标{u, },那么在{u, }坐标下看整个系统则如下图所示, 光线就像乒乓球一样在光纤中弹跳。 既然光线的运动可以等效于重力场中的乒乓球,那么如果我们只关注{u, }坐标中的u维度,那么光线运动就等效为一维的重力场中的粒子,其势能如下图所示 而光遵循的麦克斯韦方程可以等效的化为薛定谔方程,那么光线在u轴上的运动完全就是一维重力场中的量子粒子,其波函数也由上图给出(Airy函数)。那么光线在各个分立能级上的分布函数就可以求出,如下图所示 我总是可以通过调节激光的入射位置d、激光的频率以及光缆的卷曲半径R让能量主要集中在基态(n=1)上。那么按照爱因斯坦给出来的BEC的定义,我就完成了光线在某一特定维度(u轴)上的等效BEC。而且实现该等效BEC还不需要超低温,只需要在常温下通过非常简单的手段就可以实现。(哈哈,本博主得意地笑一下!) 当然这究竟是不是BEC,当然不是。鄙人的恩师经常告诫我们,麦克斯韦方程化成薛定谔方程再怎么像,它毕竟不是薛定谔方程。麦克斯韦方程它本身还是经典的,而薛定谔方程是量子的。BEC是一个量子概念,它不可能在经典体系里得出。 顺便插一个故事,当年Berry重新提出几何相位的概念,大家都想用实验验证几何相位,第一个实验就是让偏正光在卷曲的光纤里绕几圈射出后偏正角度与入射时有个偏差,这样人们就说这是几何相位。但是很多人(包括Berry本人)也反对将量子的几何相位用这种经典的薛定谔方程来得出。 Berry's phase in Optical Fiber As is seen in fig below, photon in the fiber is in helicity states i.e. circularly polarized and the helix k(t) undergoes a loop in the k space with the same initial k and final k i.e. k(T) = k(0). The helicity state is set up of optical fiber experiment to measure Berry's pahse. They Berry's phase is where l is the number of the loop and (C) is the solid angle enclosed by the k in one loop as in fig below. And the rotation of linear polarization of the photon is C is the path of the k in one loop, and (C) is the solidangle in one loop. 反正不才也不想发什么文章,就把一点想法曝在博客上,与众博友哈喇一番,就用来消遣消遣,还望各位大侠不吝赐教。 注:本文部分插图摘自网络,部分插图摘自PRL,102, 180402
个人分类: 科学视角|8904 次阅读|8 个评论

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GMT+8, 2024-6-7 15:28

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