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[转载]PNAS:'Blurred times' in a quantum world(附原文)
zhpd55 2017-3-10 18:15
PNAS : 'Blurred times' in a quantum world March 9, 2017 Significance We find that there exist fundamental limitations to the joint measurability of time along neighboring space–time trajectories, arising from the interplay between quantum mechanics and general relativity. Because any quantum clock must be in a superposition of energy eigenstates, the mass–energy equivalence leads to a trade-off between the possibilities for an observer to define time intervals at the location of the clock and in its vicinity. This effect is fundamental, in the sense that it does not depend on the particular constitution of the clock, and is a necessary consequence of the superposition principle and the mass–energy equivalence. We show how the notion of time in general relativity emerges from this situation in the classical limit. Whenmeasuring time, we normally assume that clocks do not affect space and time,and that time can be measured with infinite accuracy at nearby points in space.However, combining quantum mechanics and Einstein's theory of generalrelativity theoretical physicists from the University of Vienna and theAustrian Academy of Sciences have demonstrated a fundamental limitation for ourability to measure time. The more precise a given clock is, the more itblurs the flow of time measured by neighbouring clocks. As aconsequence, the time shown by the clocks is no longer well defined. Thefindings are published in the Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America ( PNAS ). In everyday life we are used to the idea that properties of an object can be knownto an arbitrary precision. However, in quantum mechanics, one of the majortheories in modern physics, Heisenberg's uncertainty principle asserts a fundamental limit to the precision with which pairs of physicalproperties can be known, such as the energy and time of a clock. The more precise the clock is, the larger is the uncertainty in its energy. Anarbitrarily precise clock would therefore have an unbounded uncertainty in itsenergy. This becomes important when including Einstein's theory of generalrelativity, the other key theory in physics, into the picture. Generalrelativity predicts that the flow of time is altered by the presence of massesor sources of energy. This effect, known as gravitational timedilation, causes time to run slower near an object of large energy, ascompared to the situation in which the object has a smaller energy. Puttingthe pieces together Combining these principles from quantum mechanics and general relativity, the researchteam headed by ?aslav Brukner from the University of Vienna and the Instituteof Quantum Optics and Quantum Information demonstrated a new effect at theinterplay of the two fundamental theories. According to quantum mechanics, if we have a very precise clock its energy uncertainty is very large. Due togeneral relativity, the larger its energy uncertainty the larger theuncertainty in the flow of time in the clock's neighbourhood. Putting thepieces together, the researchers showed that clocks placed next to one anothernecessarily disturb each other, resulting eventually in a blurredflow of time. This limitation in our ability to measure time is universal, inthe sense that it is independent of the underlying mechanism of the clocks orthe material from which they are made. Our findings suggest that we needto re-examine our ideas about the nature of time when both quantum mechanics and general relativity aretaken into account, says Esteban Castro, the lead author of thepublication. More information: Esteban Castro Ruiz, Flaminia Giacomini, Caslav Brukner. Entanglementof quantum clocks through gravity (点击可以免费下载原文) . Proceedings of theNational Academy of Sciences , March 7 2017 , DOI:10.1073/pnas.1616427114 Explorefurther: Oneclock with two times: When quantum mechanics meets general relativity
个人分类: 新观察|1916 次阅读|0 个评论
微观粒子波的塌缩与薛定谔的猫
热度 1 iaxh 2015-9-1 13:05
“塌缩”是联系微观世界与宏观世界的桥梁。粒子都有波粒二象性,在微观世界里以波的形式同时存在于无数个位置,或者说是弥散在空间中的。而宏观世界里,一切都是确定的。当我们观测微观粒子时,就是将信息从微观世界传递到宏观世界,此时就会发生“塌缩”。也就是说,观测的操作会影响微观粒子的状态,在观测的瞬间使微观粒子的能量汇聚到一点,此时此刻,它就是处于某个确定位置的粒子,该信息同时也发送给了宏观世界。观测完成之后,粒子又恢复波的状态,并且是从刚才“现身”的位置恢复的,弥散到整个空间中。这样就可以很好地解释杨氏双缝实验。出现条纹的屏幕,就是一个宏观装置。粒子以波的形式在空间传播并且发生干涉,这个屏幕挡住了粒子波前进的道路,迫使粒子波发生“塌缩”,粒子们按照一定的概率现身到不同的位置,呈现条纹,实现了微观世界向宏观世界的信息传递。如果在屏幕与双缝之间加上观测装置,等于是提前进行微观世界向宏观世界的信息传递,使粒子波在到达屏幕之前就提前塌缩。由于每次只允许一个粒子(或者叫“一股粒子波”)通过双缝,在提前塌缩后,虽然粒子又重新恢复成波的形态,从塌缩处继续向前传播,但是此时双缝已经位于它的身后了,因此无法形成干涉了,在遇到屏幕再次进行塌缩时,也只能按照无干涉的波所形成的概率分布来塌缩了。 薛定谔的猫实验中,毒气阀门是一个宏观装置,它由微观粒子的状态来控制,因此这里存在一个微观世界向宏观世界的信息传递,塌缩是不可避免的。微观粒子可以处于叠加态:既左旋又右旋,或者同时通过左边和右边的缝。但是宏观世界是确定的,毒气阀打开还是没有打开,是确定的事情,不存在叠加态,猫也不可能处于生与死的叠加态。微观粒子向宏观世界传递信息时,自身必然要发生塌缩——要么左旋、要么右旋,要么通过左边的缝隙,要么通过右边的缝隙,也就是由叠加态变成确定态。因此,薛定谔的猫实验中并不存在什么悖论,只是人们忘记了“塌缩”这个现象,误以为微观世界的叠加态会传播到宏观世界。
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国际量子基础杂志
gaoshan1900 2014-10-22 16:59
International Journal of Quantum Foundations (ISSN 2375-4729) is devoted to all aspects of the foundations of quantum theories, including conceptual and mathematical foundations of quantum mechanics, quantum field theory and quantum gravity. Its aim is to promote quantum foundations research by providing a problem-oriented and debate-encouraged forum for researchers. The journal includes publication of normal papers and reviews, research notes, discussion notes, reminiscences, book chapters, and book reviews.
个人分类: 量子物理|1242 次阅读|0 个评论
[转载]科普作家曹天元谈中国科普的理想与现实
热度 3 hutongfuture 2013-9-4 22:45
科普作家曹天元谈中国科普的理想与现实 曹天元:科普作家,1981年生于上海,中学毕业后赴美国和中国香港读书,主攻专业为生物化学和电子工程,现任CCTV新科动漫首席品牌顾问、北京交叉点击文化传媒公司品牌总监。代表作《上帝掷骰子吗:量子物理史话》被称为中国的《时间简史》。 中国科普的理想与现实之间,落差巨大。对此,著名“业余科普作家”曹天元感受颇深。8年前,他写下《上帝掷骰子吗——量子物理史话》,这本至今仍然高居当当网科普类图书排行榜第二的科普书,却无法支持他成为专业科普作家的理想,“版权费估算每月仅3788元”。上周末,曹天元做客上海图书馆,在上图讲座开办35周年和《东方早报·上海书评》创刊5周年之际,探讨“中国科普的理想与现实”。 科普写作: 科普界缺少突破性作品 2003年,网络论坛方成气候,一批最早使用互联网的网络青年自发聚集在各个论坛上发帖灌水。“当时的网络氛围比较单纯,毫无戾气,每个人都是自备干粮,充满表达欲而开始写东西。”曹天元记得,宁财神、李寻欢、安妮宝贝都是那个时候出来的。 其中在新浪一个名为大话春秋的论坛上,热爱历史又百无聊赖的同学们热衷于以通俗的笔法来书写各种历史,曹天元的《量子物理史话》最早便是在那里开始连载。“量子物理的历史也是历史,但是有些别人不太熟悉的科普知识在里面,因此在各种历史题材中比较突出,看的人也比较多。当时的论坛不像现在起点网这种,一天不更新订阅量就少一半,我那个时候是一开始一天四五千字,后来一周四五千,再后来想到了才写,但始终也有人看。” 在连载了一段时间后,便不断有人向曹天元抛出绣球,令他一时为中国科普事业的光明前途沾沾自喜。然而事情并没有向着最美好的方向发展,当真正与出版商洽谈后,曹天元发现靠科普谋生的想法并不现实。“新浪原本和我说首印10万册,但后来出版人沈浩波说首印只能先2万册。我一算,书定价32元,版权费作者能拿8%,每卖一本书,我能拿到2.56元,扣掉11.2%的税,就是45465元,假设一年内都卖掉,那么我每个月就能拿3788元。当时我在香港生活,基本上无法满足生活需求。”曹天元的“职业科普写作生涯”尚未开始便已结束,之后他毅然投身金融事业。 然而2万册印量在今天已经算很多了,曹天元说,随着出版业日益不景气,如今只有畅销书才能达到这个印量,一般的图书只有几千册。“我也问过少年儿童出版社,他们准备出第六版《十万个为什么》,还有果壳网等,科普出版的前景很不乐观。不管曾经多辉煌,现在都属于绝对的小众领域。” 另一个困境是,国内图书定价相比其他商品和国外定价都低得可怜。“8年后我的书再版,定价只涨了3元。”唯一有盼头的是,科普类图书属于细水长流型,可不断加印,比较有后劲,曹天元8年前的《上帝掷骰子吗——量子物理史话》,至今仍在当当网科普类图书排行榜的第二名,而第一名是霍金的《时间简史》。“这也从侧面说明这两年没有好的科普书出现。科普界缺少突破性的作品,什么时候出现科普界的易中天和《品三国》,科普赚钱能和《小时代》相提并论,就好了。” 除了科普写作之外,科普翻译也是另一条谋生之路,然而更加崎岖险阻。“因为翻译费太低,所以国内科普翻译水平很差。”曹天元说,他也曾接到过科普翻译的活,“理查德·道金斯的《上帝错觉》,这么有名的科普书,翻译费千字90元,也就是说20万字翻下来只有1.8万元,而要翻得好至少要半年到一年左右。”相比之下,或许为杂志报纸写科普专栏是最靠谱的选择,每个月写10篇左右的话,收入达1万元。“但是10篇的量其实很大,写科普要查很多资料,效率很低,体力要求大,只能说是青春饭。” 电视科普: 科学枯燥 电视娱乐 电视科普领域的情况并未比科普写作来得令人乐观。如今央视大型科教电视栏目“科技之光”的主编赵致正是曹天元口中具有代表性的人物,一位“死硬派”的科技电视人。“他一生都在呼唤成立专业的科技电视台,直到现在对电视科普死心了,后来他开始担任《北京科技视频网》的负责人,但每每说起仍然很悲观,说随时准备倒闭,抓紧时间给后人留下一点遗产。” 成立专业科技电视台的想法胎死腹中后,各个电视台成立了一批科教栏目,然而收视率很低,科普节目一度被称为“收视率杀手”。“只要一放科普节目,收视率就掉下来,一放电视剧,收视率马上高起来,不管是怎样的电视剧。”曹天元说,“百家讲坛曾经邀请过物理学家杨振宁、丁肇中、霍金,然而再大牌也没人看,直到后来学者易中天、阎崇年来了,才火爆起来。” “《走近科学》以前也不是现在这个‘反科学’的样子。”曹天元说,“实在是因为之前收视率太差了,以至于2002年差点被枪毙掉。直到制片人张国飞来了以后,保证收视率,才没有被枪毙。而保证收视率的方法很简单,就是设置悬念和疑问,有数据显示,悬念疑问每多一倍,收视率可以上升40%多。因此,各种怪圈、恐怖、灵异悬念被设置,而谜底通常是胖子睡觉打呼噜这种。”曹天元说,事实上中央十套也很无奈,“不是他们不想做科学,而是一做科学收视率就下降。科学的本质是枯燥的,而电视的本质是娱乐。” 现阶段的事实表明,人类不喜欢科学。“科学在人类历史上出现不过400年”,在此之前人类都是没有科学思维的。而这正是科普的意义,克服人类惰性而使科学思想后天植根在脑海中,从而改变人类的命运。 科学教育: 迷信科学也是一种迷信 全人类都对科普不感兴趣,而在相同教育程度下,中国人对科普感兴趣的程度比欧美国家还要低,这在曹天元看来是一个奇怪的现象。“按道理,我们国家对科学教育是非常重视的,比欧美还重视。科教兴国,科学是第一生产力,小时候很多人的理想都是长大要当科学家。我们国家还有全世界独一无二的《科普法》。” 事实上,国人对科学一词的误区损害了科普事业,“如果仅仅把科学当作是正确的,不科学等同于不正确,塑造成科学神圣不可侵犯的形象,那对科普来说无疑是不利的。迷信科学也是一种迷信,对科学坚信不疑、不假思索的态度,本质是迷信而非科学。” 在曹天元看来,科学是一种方法论,是获取知识的程序,“知识是学无止境的,而科学方法掌握了就能广泛应用。如果每个人都学会这种方法,至少就有共同的对话基础,而如今大多数时候人们在网上争辩科学问题,都是鸡同鸭讲。” 曹天元举例说,有人问,上海有可能地震吗?科学家说,有可能,结果第二天报纸上写,“上海可能地震”,这就不科学了。“科学家的话要按照科学方法理解。一个骗子说,明天有可能地震,科学家说,明天基本不可能地震,但不排除地震的可能性,而方舟子会说,明天不可能地震。两者的回答一个是从科学的严谨性立场,一个是从科普的效用性角度讲的。如果能达成共同基础,理解‘明天不可能地震’的意思是,没有证据表明明天可能地震,‘明天预报下雨’的意思是明天很大可能会下雨,而不是一定下雨,那么传达出的科学信息才不会被误读。” 曹天元说,“正因为缺乏对科学理解的共同基础,缺乏对逻辑证明规则和理念的共同阐述,所以网上才会有那么多无知的争论。” 科学讨论: 全民参与建立对话基础 作为一个科普作家,曹天元目前最希望的是发起一场全民科学大讨论。“最好全民参与,讨论科学究竟是什么,建立共同的对话基础,接下去科普的工作就好做了。” 在曹天元看来,科学至少包含着以下三种含义。 第一,科学是程序正义,而非结果正义。也就是说,科学结论不一定百分百正确,但是科学方法必须正确。只有通过科学方法获得的知识才是科学知识。“假设两个人都预言地球是圆的,但是一个人经过了观察和证明,比如阴影变化、北斗变化、海上帆船等,而另一个人说,这是做梦的时候黄大仙托梦告诉我的,这样的话只有前者的结论才是科学的。而至于地球是圆的这个结论科学不科学?无所谓,重要的是获取结论的方法。” 曹天元认为,科学方法更像是法庭。“新的证据有可能推翻法庭的结论,但是不能说法庭第一次判定是错的。而科学史上,新的理论也总是推翻旧的理论,但不能说旧的就是愚昧封建落后的,只是新的证据出现了。如果穿越回去,在托勒密的地心说和哥白尼的日心说之间,我或许会认为还是前者更加有道理,因为日心说有几个致命的弱点在当时没有解决,比如视差问题。直到后来提出了新的科学证据,才能证明后者更有道理。” 第二,所有科学结论都是或然性的,而不是必然性的。在哲学领域,苏格兰哲学家休谟提出“不可知论”,即使太阳在之前的每一天都是从东边升起的,我们也不能推出太阳明天一定从东边升起。科学如何来解决这个难题?“贝叶斯(英国数学家)推理。”曹天元解释,“简单地说,科学是从过去的经验通过归纳和总结推出将来的经验,而贝叶斯推理通过概率计算来提出概率性的结果,如果前一万天太阳都从东方升起,那么明天太阳从东方升起的概率就更大。当一个概率很大,而另一个概率很小的时候,就没有必要把小概率推测说出来。因此科学结论都是概率性的结论。” 第三,科学认同是小圈子民主,科学结论和大众民意无关。“科学是民主过程,但不可能让每个人投一票,说爱因斯坦的相对论正确不正确。但如果有人说科学是完全客观的,也不对,科学是主流认同的问题。任何客观判断、客观证据都不一定那么‘客观’。” 曹天元说,唯有把这些基本问题都梳理清楚,中国科普的春天才有可能到来。 (转)
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[转载]Nature 特稿(NEWS FEATURE):玻尔原子模型一百年(1913-2013)
xuhy07 2013-6-13 11:34
NATURE | NEWS FEATURE Quantum physics: The quantum atom ———————— 详见 Nature 498, 21 (06 June 2013) doi:10.1038/498021a Related stories and links From nature.com Theoretical physics: Sizing up atoms 05 June 2013 History: The path to the quantum atom 05 June 2013 Bohr's model: Extreme atoms 05 June 2013 Physics: The enigmatic electron 05 June 2013 Nature special: Bohr's atom Nature special: Alan Turing =================================== 附件(pdf) Quantum physics The quantum atom.pdf Theoretical physics Sizing up atoms.pdf History The path to the quantum atom.pdf Bohr's model Extreme atoms.pdf Physics The enigmatic electron.pdf
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关于生物演化和量子物理学中全息原理的对话
warlong 2012-12-15 22:14
关键字:全息原理、生物演化、量子物理、信息流、隐序、等级性、全息面 Q: How should we build complex forms, such as living things? A: Organise them as a hierarchy of stable subassemblies, or homologous organs. Q: Surely the genes are all you need to explain living organisation? A: But the same organ can be the result of different genes! When we look at the genes as more than simply stretches of nucleic acid, but see them switching each other on and off, then a hierarchical organisation emerges spontaneously. Q: Anyway, hadn’t Darwin explained homology? A: No, his explanation fails, and the pre-Darwinian understanding of homology is much closer to the hierarchical approach. Q: Isn’t there a quantitative approach that explains form? A: No, form is a qualitative distinction between an inside and an outside. Living things are autonomous forms, themselves maintaining this boundary. Q: Is such a boundary a purely material skin? A: A boundary can be seen as the interface between the parts inside and the rest of the universe outside, through which information flows. Q: Can’t an organism be described in isolation? A: But then it would be a stone! An organism is a process of interaction with its environment, a process of creating and discovering. Q: Creating and discovering? Is that a linguistic process? A: Yes, a living thing is a focus of a linguistic process, where meanings are recognised and transformed. Q: Eventually we will be able to reduce form to physics and chemistry, won’t we? A: Could you reduce the meaning of these words to the chemistry of the ink? The same form may be realised in many different physicochemical configurations. The Cartesian method just won’t work. Q: Do you mean to say that genetic and morphological descriptions of living things are radically different? A: Yes, they are complementary yet incompatible. Continuity of morphological information is a kind of memory without mechanical storage. Without this holistic memory, the mechanically stored genetic information would deteriorate over time. Q: I know that many quantitative models of morphogenesis have been proposed. So how can you say that form is qualitative? A: Morphogenetic models exhibit bifurcation points, where the system shifts suddenly from one form to a quite different form. Q: I feel uncomfortable with this idea of sudden jumps. A: You feel happy about the sudden jumps in quantum physics, don’t you? Q: But how do you decide between all the different interpretations? A: Things become a lot clearer once you understand that the most important thing is the form of the quantum system, not the energy. Q: Isn’t that a very organic way of putting things? A: Yes, the ageing of a living system is much closer to the development of a quantum process than to anything Newton described. Q: But how deep could the comparison be? A: Well, certain forms of the equations for both look very similar, the same equations that describe a hologram. You can talk about a quantum process as a hierarchy of surfaces through which information flows. Q: ‘Surfaces through which information flows’—that’s how you described living things and their organs, isn’t it? A: Yes, that’s right! And these surfaces turn out to be holographic. Q: Oh so that’s where the holographic principle in your title comes from? A: Yes, the holographic principle may hold the key to bringing quantum physics together with relativity. Looks like it might bring in life and non-linear systems too! 摘自 斯蒂芬 * 邬德(2005)的 《 生物演化和量子物理学中的全息原理 》。
个人分类: 道法自然|3465 次阅读|0 个评论
如何理解量子力学?
热度 3 gaoshan1900 2012-10-10 15:35
如何理解量子力学?
Quantum physics is admittedly the most difficult subject to understand. Physicists, let alone students and laymen, are still puzzled by it today. As Richard Feynman once famously claimed, nobody understood quantum mechanics. The crux of the matter lies in the meaning of the mysterious wave function in the theory. An electron is represented by a wave function. But it remains unclear what physical state the mathematical wave function represents. Exactly what is an electron? Is it a spreading wave or a localized particle? If the electron is still a particle, then how does it move? e.g. how does a single electron pass through two slits? Understanding Quantum Mechanics by Shan Gao.pdf This book will show that the real meaning of the wave function can already be unveiled based on the established parts of quantum mechanics. It turns out that electrons are still localized particles, but their motion is not continuous but discontinuous and random, displaying wave-like behavior. For example, in the double-slit experiment with single electrons, each electron passes through two slits at the same time in a random and discontinuous way. Moreover, the book also answers another three fundamental questions about quantum mechanics. How come the Schrdinger equation? Does the wave function collapse during a measurement? If yes, then why and how? Is quantum mechanics compatible with special relativity? If not, then how to solve the incompatibility problem? The original ideas of this book, if confirmed, may finally unveil the mysterious quantum world and make quantum physics comprehensible for everyone. Book Thoughts Reviews This is an ambitious work that reflects admirable grip, and distinctive take, on much of the contemporary philosophy of quantum mechanics literature. ---- Reviewer of Philosophy of Science The idea of using discontinuous motion as a realist interpretation of quantum mechanics is original. ---- Reviewer of Foundations of Physics If it goes through, this would be an original and significant contribution to the debate over the nature of motion. ---- Reviewer of American Philosophical Quarterly Its very existence is at any rate, an excellent illustration of the extent to which physical data force us to depart from commonsense ideas when we try to depict reality “as it really is”. ---- Bernard d'Espagnat, Templeton Prize 2009 Laureate, author of Conceptual Foundations of Quantum Mechanics and On Physics and Philosophy 本书 电子版 ( ebook )由 Amazon 于去年 11 月出版, 中英文纸印本将会扩充一些内容,计划于明年出版。 欢迎大家对书稿多提意见和建议。
个人分类: 量子物理|3195 次阅读|3 个评论
Majorana费米子最终确认,量子计算前境乐观
热度 1 zje2009 2012-9-28 13:34
普渡大学的一位物理学者观察到了可以证明神秘Majorana费米子存在的证据,这是一种可以释放容错量子计算潜力的特殊粒子 2012-9-26 Elizabeth K. Gardner Leonid Rokhinson是物理学副教授,带领了一个小组成功演示了分数交流Josephson 效应,这是Majorana粒子存在的信号. "这是凝聚态学者要找的粒子,就像高能学者要找Higgs."Rokhinson说."这是一个奇诡的粒子,它是费米子,同时也是自己的反粒子,既无质量,亦无电荷." 寻找Majorana费米子的动力来自它们的潜在用途,它们可以解决困扰量子计算的信息编码问题.量子位元的载流子是量子计算的基本信息单元,它们非常敏感,容易被附近环境的干扰破坏.Majorana费米子可以保护负载其上的信息不被干扰破坏,构造出更为可靠的量子位元和容错量子计算方法,他说. "信息可以储存在粒子的关联组态上而不必是独立粒子上,所以一个粒子被附近的力稍微干扰一下没有关系,"Rokhinson说."只要局部噪声没有强到足以改变一组粒子的全部组态,信息就安全.这是一种全新的信息处理方法." Majorana费米子还可以保留相互作用的历史记录,应用到量子信息编码上,他说. "其他粒子是可交换的,如果交换两个电子的位置,就像没事发生一样,但交换两个Majorana费米子,将会在量子力学态上留下印记,"Rokhinson说."这就像护照上的印章,记录着粒子是如何抵达它现在的位置的." Rokhinson观察到了Josephson效应的一个变化,那是Majorana费米子的标志.Josephson效应是外加电压下的交流电通过两个超导体时出现的.反过来一样成立:振荡电流产生特定类型的电压,电压与频率成正比.Majorana费米子的存在使频率-电压关系改变了两倍,这叫分数交流Josephson效应,他说. Rokhinson把一维半导体和超导体耦合成组合纳米线,Majorana粒子预计会在其中形成.当交流电通过一组这种纳米线,特别的电压在器件中形成,这就是Rokhinson测量到的电压.外加磁场由弱到强变化,电压随之变化,比原先的变化幅度大了两倍,这是Majorana粒子的标记,他说. Victor Yakovenko,马里兰大学的物理学教授,是预言分数交流Josephson效应的理论家之一. 这个效应是非凡的,特别对应着Majorana粒子,这项测量比其他方法更具决定性,他说. "Majorana粒子是唯一能产生这种效应的粒子,实验上的发现是一个伟大的突破,"Yakovenko说."当然,需要时间和独立的证据来确认它,但此时已足够令人激动." 这个独特状态的发现不意味着容错量子计算会马上实现,Yakovenko说. "这些粒子对量子计算有没有用还有待观察,但尝试的过程会使我们明白量子物理的更多秘密,"他说."量子力学拓扑效应的大门正向人们打开." 细节工作将发表在下一期 Nature Physics 上,现在已经可以在线阅览了.共同作者包括圣母大学的Xinyu Liu,Jacek Furdyna,他们设计了实验中用到的材料.Furdyna也获得过普渡的荣誉学位.这项工作部分地接受了陆军研究办公室和国家自然科学基金的资助. Rokhinson计划进行后续实验,修改系统,以探测新状态的不同性质. 更多信息: The Fractional ac Josephson Effect in a Semiconductor-Superconductor Nanowire as a Signature of Majorana Particles, Nature Physics, 2012. 原文 http://phys.org/news/2012-09-signature-long-sought-particle-revolutionize-quantum.html
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虚数i 把现实世界一切两半
热度 1 wliming 2012-6-25 16:27
上篇《 虚数$i$是量子物理的灵魂 》讲了虚数$i$ 在量子物理中的重要意义。这里讲讲虚数$i$ 到底是怎么起作用的。简单地说,虚数$i$把粒子的概率密度$\rho$一切两半,成为$\psi^*\psi$. 这个$\psi$ 就是波函数。概率密度是现实世界的物理量,是实数,可以测量。但是,切了一半的波函数不再属于现实世界,是复数,测不了。所以,现实世界被切成了两半。 有人讲,这虚东西怎么能存在? 当然可以存在。相位,大家都知道,可以实验测量。比如,示波器上就可以测出交变电信号的相位。光波的相位也可以用很多办法测量出来。但是,一个光子的相位却测不出来,于是有了量子不可克隆定理。一个光子的相位来自于它的实部与虚部之比。这个相位存在但测不出来。为什么说它存在? 没有相位,你就不可能解释单光子的双缝干涉。而且,大量的单光子干涉总效果和光波的干涉效果完全一样。这就是虚数必须存在的理由。 同理,波函数也有很强的物理效应。电子的波函数可以干涉,可以叠加,产生可以测量的物理效应,比如AB效应,量子振荡等等。
个人分类: 物理学|1963 次阅读|4 个评论
[转载]量子风云录
zllzll 2012-2-22 19:31
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(De Broglie),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。 不知是出于知趣呢,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” 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”讲师大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“两个黄鹂鸣翠柳”——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,在这十几年的发展当中,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—— ,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,在这十几年的发展当中,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还是身边的温香软玉,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(扯淡)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)。 更基本的量子力学方程,也就是薛定谔试图获得但终究无力企及的的基本理论, 则是由哥本哈根学派的另一位少壮派弟子——狄拉克导出的,而狄拉克则最终领 袖群伦,建起了量子力学的神殿。
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上帝掷骰子了吗
热度 2 bingansuan 2012-2-1 22:33
火车是个好东西也是个坏东西。马县长坐着火车,出了城,吃着火锅,唱着歌,突然就被麻匪劫啦,绑到了鹅城,活生生变成了马师爷和马舅舅。 我没有马县长那么喜剧,又那么悲剧。火车上没吃到火锅,没看到歌舞,当然更没遇上麻匪。去的时候坐着把书看了一遍,回的时候躺着把书又看了一遍。 曹天元的《量子物理史话》,其实,这只是书的副标题,正标题和我的题目是一样的,这句话因爱因斯坦的加工而成为了名扬天下的“宋词”。 对于量子物理,我不仅是个门外汉,并且还属于离门特别远,以光年记的那拨人,看书相当于围观,凑热闹,这也是我的本性之一。 书中的一些悖论很经典,芝诺的乌龟、公孙龙的白马非马、卡尔 . 萨根隐形的龙等,很多在以前的物理课、哲学课或者自然科学史课上听过,不过在书中,作者又从其他角度来阐明,新鲜且趣味横生,获益不浅。 点缀书中的还有一些牛人的小故事,牛顿的苹果、伽利略比萨斜塔上的石头,鲜花广场上的布鲁诺、阿基米德浴池中的王冠等,让我们从中看到了一个更真实的科学家,更接近真实的科学史,当然也再一次印证了历史是个任人打扮的小姑娘的说法。 书中插图是不可或缺的风景,印象最深的是 1911 年和 1927 年索尔维会议的合影照片。照片上的人或胖或瘦,都已驾鹤西去,但就像星际中的恒星一样却一直熠熠发光。 当作者写到 埃伦费斯特 在荷兰莱登枪杀了他那患有智力障碍的儿子,然后自杀后的那一段时,提到了“埃伦费斯特虽然从理智上支持波尔,但当一个文化衰落之时,曾经为此文化所感之人必感到强烈的痛苦”,让我想到了 王国维 。 这是一本值得一看再看的书。
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【新书快讯】《量子迷宫》(2012不可不读的科普书!)
sciencepressnj 2011-12-30 09:22
【新书快讯】《量子迷宫》(2012不可不读的科普书!)
【内容简介】量子理论是现代物理科学中最重要和最成功的理论之一,但其产生的概念和哲学问题极其深奥,犹如一座“迷宫”。作者希望通过本书带领读者游览这座迷宫。 本书简述了量子理论的发展史和基本理论,探讨了它的概念和哲学问题,综述了量子理论正统诠释以外的其他诠释 (制导波、退相干、多世界、上帝等),互补性和量子非定域性的最新实验检验,量子宇宙学和量子引力,以及量子纠缠在计算、密码和隐形传态等方面潜在应用的前沿。阅读本书的过程好像是在徐徐打开一幅多维度多层次的长长的画卷,而且这是一幅未见也不可预见其尽头的画卷,留给读者自己思索和判断的广阔空间。 【读者对象】 本书是一本严肃和具有一定深度的科普著作,有助于启迪思维和提高科学品味。本书可作为大学生和研究生在科学和自然哲学方面的参考书,其他科学和哲学爱好者必定也可从中获益匪浅。 【作者简介】 作者 吉姆·巴戈特 1957年出生在英国的南安普敦,1978年毕业于曼彻斯特大学的化学专业。他在牛津大学获得了物理化学博士学位,之后在牛津大学和斯坦福大学进行博士后研究工作。二十年来,他一直学习和写作科学、哲学和科学史方面的知识,并在科学研究和写作领域都赢得了众多奖项。他的著名作品有 The Quantum Story , A Beginner’s Guide to Reality 以及 Beyond Measure :Modern Physics, Philosophy, and the Meaning of Quantum Theory 。 译者 潘士先 男,1935年9月生,浙江湖州人。1950年2月~1952年7月就读于湖州中学,后考入天津大学电力系,1956年毕业后分配到北京航空学院(现为北京航空航天大学)任教,后任北京航空航天大学电子工程系教授,现退休多年。1981~1983年期间曾在美国普渡大学(Purdue University)为访问学者两年余。他的主要著作有《谱估计与自适应滤液》、《电路分析》,并在国际著名期刊发表论文多篇。曾获美国IEEE声学、语音和信号处理学会 (Acoustics, Speech and Signal Processing Society)1984年度最佳论文奖。现感兴趣于物理和数学方面的科普读物。
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宇宙不会让旅行者孤独
热度 3 gaoshan1900 2010-10-22 17:38
公元2071年4月8日,飞船庄子号到达了距离太阳系最近的恒星-比邻星。兴奋的船员们想把这一好消息立即告诉地球指挥中心,睿琦船长按下了标有QSC的通信按钮 ,她激动地说道,“指挥中心,指挥中心,我们已经安全抵达比邻星!... ”尽管比邻星距离地球4.2光年左右,但是这一消息却通过QSC通道立即传回了地球,几乎没有任何时延。指挥中心响起了雷鸣般的掌声,“祝贺你们!... ”。 这是科学幻想吗?比邻星距离地球超过4光年,这意味着什么呢?它意味着即使是跑得最快的光也需要4年多的时间才能到达地球,而基于光信号的信息传输无疑也需要这么长的时间。这样,利用目前的无线通信地球指挥中心要等到4年后才能收到飞船传回的好消息,而睿琦船长和船员们还要再等上4年多才能收到来自指挥中心的祝贺和进一步指示。 仰望茫茫宇宙,她创造了人类,她会让人类旅行者孤独吗?如果我们生活在太空时代,我们会很自然地相信超光速通信的存在,并且会非常急切地期待它的实现。的确,与光速的有限数值相比,宇宙的尺寸之大似乎已暗示,必然存在一种超光速的通信方式,使相隔任意遥远的通信者之间仍可以进行实时的信息交流,否则,宇宙将会让它的旅行者永远地处于孤独的境地。人类不愿孤独,他们渴望进行交流。正是这种彼此间的交流产生了人类社会,并促进了人类通信方式的不断改进。 最早的通信是通过声音传播完成的,语言信息通过声波传递。至今,其他动物还在利用这种最古老的通信方式。我们知道,声波在空气中的传播速度约为340米/秒,幸运的是,这一速度对于近距离的语言交流足够了。试想一下,如果人类生存的星球上声音的传播媒介-空气非常稀薄,那么声音的传播速度将非常慢,譬如说只有1毫米/秒。这样,人类间的正常语言交流将变得极其困难,例如,相隔1米的两个人若进行语言交流,那么每个人都至少需要半小时才能听到对方的回答。尽管声速通信对于人类近距离的语言交流已经足够了,但是对于远距离的信息交流它便无能为力了。当16世纪哥伦布和麦哲伦完成环球航行后,人类的通信范围便扩大到了整个地球,而即使声音可以在这么大的距离上传播,它的传播延时也将无法满足人们之间正常的信息交流。例如,声波绕地球传播一周约需要3小时16分。 那么,有比声音更快的通信方式吗?在夏季的雷雨天,你总是先看到闪电,再听到雷声,这说明光的传播比声音要快的多。实际上,人类在远古时代就早已无意识地利用了光通信方式,例如,人们之间用手势进行交流。然而,只有真正了解了光之后,人们才可能有意识地利用它来进行通信。19世纪中叶,在法拉第实验工作的基础上,麦克斯韦终于建立了一套系统的光的理论-电磁场理论。之后,赫兹又从实验上验证了这个理论的一个重要预言:光是一种电磁波。当人们掌握了光的传播规律之后,他们便很自然地想利用光的传播来进行通信。1876年,贝尔发明了电话,开创了有线(光速)通信时代。1895年,马可尼和波波夫独立发明了无线电通信,标志着无线(光速)通信时代的来临。今天,几乎每个人都使用过电话或手机进行通信,人类正在享受着光速通信所带来的美好生活。 日常经验告诉我们,光的传播似乎是瞬时的,我们并未感觉到打电话时存在声音的延时。那么,光的传播究竟有多快呢?它的速度大约为30万公里/秒,这是一个巨大的天文数字。的确,与地球的尺寸相比,光速的数值已经足够大了。因此,人们在地球上可以方便地利用光速通信进行信息交流,而不会明显感觉到光速所带来的有限时延。例如,对于从地球一侧到另一侧的长途电话,由光速所引入的时延一般只为0.1秒级。 然而,人类不能永远生活在地球这个摇篮中。一旦人们离开地球去探索广遨的宇宙空间,光速通信的局限性便立刻显露出来。例如,如果人类定居在一个比地球半径大100倍的星球上,那么现有光速通信的最大线路时延将会达到10秒左右,这意味着通信者必须耐心等待20秒后才能听到对方的回话。又如,如果人类的宇宙飞船到达距地球10光年的其他星球,它与地球之间的无线(光速)通信便存在20年之久的时延,此时通信已基本上失去意义。 那么,是否存在比光更快的通信方式呢?如果存在,又如何去寻找这种超光速通信呢?尽管目前的科学(主要指相对论和量子理论)还不能提供一种方法来实现超光速通信,然而它已给出了一些可能的暗示和指引。无疑,为了找到超光速通信的实现方法,我们必须超越目前的科学。这是一次真正的科学探险!至今还没有人到达超光速通信的领地,人们甚至还不清楚这一领地是否存在,以及在哪里存在。 根据相对论,比光更快的(连续的)物质运动和信息传输都将被禁止。这对超光速通信的实现方式给出了严格的限制。如果超光速通信存在,它应当基于非连续过程。量子理论正是一个关于非连续运动的理论,其中波函数的坍缩过程是本质上非连续的。由于非连续过程自然地包含了一种不需通过空间连续传播的超光速影响,它似乎应当允许超光速通信的存在。那么量子理论能否提供一种超光速通信的实现方法呢?可惜的是,尽管量子理论允许某种基于波函数坍缩过程的超光速影响的存在,它却不能提供一种方法让我们实现超光速通信。形象地说,微观粒子之间的确“进行着超光速通信”,但是理论却禁止我们获得这些被超光速传递的量子信息。当我们试图接近时,波函数坍缩所引入的量子随机性出人意料地破坏了这些信息。 那么,如何获得微观粒子之间超光速传递的量子信息呢?一种可能的方法是在波函数坍缩之前识别出这些量子信息。进一步的启示来自于下述猜测:如果观察者的意识系统也可以处于量子态,那么他便可以意识到波函数坍缩过程中自己感知状态的变化,从而可以如微观粒子那样识别出超光速传递的信息而进行超光速通信。更深入的分析显示,这一猜测的确提供了一种实现超光速通信的方法。在本书中我们将论证,开启超光速通信大门的两把钥匙正是非连续过程和意识。非连续过程用于超光速地发送信息,而意识则用于识别被发送的信息。在此基础上,我们将给出量子超光速通信的实现原理和实现方案,并论证一些现象和实验已经初步显示了量子超光速通信的存在。 今天,连续运动的观念已经如此牢固地根植于每个人的思想中,不论他是严谨的科学研究者,还是普通的科学大众。因此,一提及通信人们就会自然地认为,信息的传输必定需要某种载体(如光波)在通信双方之间连续运动才能完成。现在,为了理解量子超光速通信,必须抛弃这个基于连续观念的先入之见;而一旦我们理解并接纳了非连续性,量子超光速通信的实现或许将变得十分自然。 QSC(Quantum Superluminal Communication)是量子超光速通信的英文缩写。
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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(14):正统观点
gaoshan1900 2010-10-17 15:09
人们通过经验和猜测的方法建立了量子理论,这是科学的幸运,但也因此导致了这个理论的异常神秘和不可捉摸,人们需要进一步理解它的真实含义。在量子力学建立之后,它的缔造者们便忙于弄清楚这个理论的含义,他们尤其想知道理论与经验之间的联系,以及理论本身是否具有一致性等等。正是对这些问题的思索和解决产生了关于量子力学的正统观点,由于这些观点主要由当时在哥本哈根工作的物理学家,包括玻尔、海森伯、泡利、狄拉克等人所提出,因此也被称为量子力学的哥本哈根解释。 下述简短的对话可以帮助我们了解正统观点的概要。 问:量子力学中的波函数是一种什么波? 答:它是一种几率波,代表着通过实验测量所获得的所有可能结果的几率分布情况。 问:在量子力学中如何谈论粒子的运动? 答:我们不能同时谈论粒子的位置和速度,它们受不确定关系的限制。 问:那么粒子究竟是怎样运动的? 答:这个问题没有意义。我们只能提供互补性的描述,而且这种描述与实验有关。 它是几率波 粒子的运动遵循几率定律,而几率本身则按因果律传播。----玻恩,1926年 面对神秘的波函数,玻恩首先发现了它与经验之间的微妙联系。玻恩认为,波函数只是一种存在于数学空间中的几率波,而不是如它的发现者---薛定谔所认为的那样,是存在于真实空间中的物质波。 尽管玻恩是矩阵力学的共同创建人之一,但是他却对薛定谔的波动力学情有独钟,并相信这一理论是量子规律更深刻的表达形式。然而,玻恩并未附和薛定谔的经典波解释,他的同事弗兰克关于原子和分子碰撞的实验使他确信粒子图像不能被简单地抛弃,相反,必须找到使粒子和波相调和的方法。这时,爱因斯坦关于鬼波的想法启发了他,使他认识到通过几率途径可以将粒子与波合理地联系起来。 1926年6月,玻恩在一篇关于粒子散射问题的文章中首次提出了量子力学的几率波解释。为了说明波函数如何与粒子联系起来,玻恩着手利用薛定谔方程来解决量子力学中的稳定散射问题。在此过程中他认识到,散射波振幅的平方可以看作是散射粒子偏转通过空间区域的几率。于是玻恩发现,波函数绝对值的平方将代表在空间某区域中发现粒子的几率,即波函数是一种几率波而非真实的波。玻恩后来回忆这一发现时说,爱因斯坦的观念又一次引导了我。他曾经把光波的振幅解释为光子出现的几率密度,从而使粒子和波的二象性成为可以理解的。这个观念马上可以推广到波函数上:|| 2 必须是电子(或其它粒子)出现的几率密度。 玻恩的几率波解释第一次把几率概念引进基础物理学,粒子的运动遵循几率定律,而几率本身按因果律传播。这里,几率的出现并不是由观察者的无知或理论本身的无能所导致的,而必须被看作是自然的一种本性。于是,量子力学一般只预言一个事件的几率,而对这个事件的发生不作任何决定论的断言。这是一次极不寻常的思想冒险,它向人们展示了一个潜在的、不确定的量子世界,在这个世界中代表几率的波函数主宰着一切。 1954年,玻恩由于量子力学方面的基础研究工作,特别是对波函数的统计解释获得了诺贝尔物理学奖。 插曲:但是你肯定必须理解 薛定谔:要是必须承认这该死的量子跃迁,我真后悔卷入到量子理论中来。 玻尔:但是,我们大家却全都感谢你,你的波动力学代表了一次巨大的进步。----1926年10月,哥本哈根 1926年10月,玻尔邀请薛定谔到哥本哈根讲学,以便就量子力学的解释问题交换意见。薛定谔坚持物理过程的连续性,而玻尔则确信非连续量子跃迁的存在,于是,他们之间的激烈争论便不可避免。 海森伯后来回忆说,玻尔和薛定谔之间的辩论,在哥本哈根火车站就开始了,而且后来每天从清晨继续到深夜。薛定谔是在玻尔家中下榻的,而这就使得他们之间的讨论几乎是永不间断的。而且,尽管玻尔在别的方面和人相处时是最体谅人和最和蔼可亲的,但是这一回我却觉得他是一个寸土不让的狂热者,他不准备向他的对手做出任何妥协,也不准备容忍最小的含糊性。简直难以形容双方展开辩论时的那种感情的强烈程度,也难以形容在他们的每一句话中人们可以觉察出来的那些根深蒂固的信念.... 辩论就这样夜以继日地进行了若干个小时而没有达成任何一致的意见。过了两天,薛定谔生病了,... 不得不卧床休息。玻尔夫人照料他,给他端茶送水,而玻尔则坐在床边,并且认真地对薛定谔说:但是你肯定必须理解...。
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量子物理史话(13):孰是孰非?
gaoshan1900 2010-9-30 15:40
人们已经被恼人的量子问题折磨了1/4个世纪,然而,在短短几个月之内竟然出现了两种看起来截然不同的量子理论,这真是一个奇迹!它既让人们高兴,又让人们迷惑。究竟谁是正确的呢? 即使对于新理论的创建者们,在开始时也仍然不理解他们的发现,但却本能地反对对方的理论。海森伯在给泡利的信中说,我发现,薛定谔这个人有多好,他的物理学就有多怪。当你听他演讲时,你会发现自己已经倒退了26年。事实上,薛定谔把每一件量子理论味道的东西都扔到汪洋大海中去了 于是就不难建立一种理论了,但是它却干脆和经验相抵触。薛定谔同样回敬说,当我看到一种蔑视任何形象化的、极为困难的超级代数方法时,我要是不感到厌恶,就会感到沮丧。 可以理解,老一代物理学家们几乎都喜欢薛定谔的波动理论,因为它似乎又恢复了经典的连续性,而没有讨厌的量子跃迁。此外,微分方程也远比矩阵更为物理学家们所熟悉。 爱因斯坦在4月26日给薛定谔的信中表达了他的意见,我确信利用你对于量子条件的表述你已经取得了决定性的进展,正如我确信海森伯-玻恩的方法是令人误解的。 上帝有时很喜欢捉弄人。在一阵争论之后,冷静下来的薛定谔却发现,海森伯的矩阵力学和他的波动力学在数学上居然是等价的,在题为《论海森伯玻恩约尔丹的量子力学和我的量子力学的关系》的论文中他首次宣布了两种理论之间的等价性。此时,泡利也独立地发现了这种等价性。之后,狄拉克通过变换理论进一步把矩阵力学和波动力学统一起来。 1932年,冯诺依曼利用希尔伯特空间等数学工具,以更加明确的形式严格证明了矩阵力学和波动力学之间的数学等价性。同时,在《量子力学的数学基础》一书中,冯诺依曼还给出了量子力学的第一个严格的公理化表述。根据他的总结,波函数遵循两种完全不同的演化过程,第一种过程为瞬时的、非连续的波函数坍缩过程,所谓波函数坍缩是指波函数在测量后将改变为对应于测量结果的新的波函数;第二种过程为连续的波函数演化过程,它严格遵循薛定谔方程。 从此,人类开始迈入量子时代。越来越多的人投入到量子力学的应用研究中,出现了原子物理学、固体物理学、量子化学、量子宇宙学等大量新兴学科;同时,基于量子理论的新技术也不断涌现,如原子能技术、激光技术、电子计算机和电讯技术等,这些量子技术深深地改变了人类的现代生活。 但是,它究竟说了什么? 现在,人们终于有了一套系统的数学方案---量子力学,但是关于它的物理意义却并不清楚。利用薛定谔方程进行计算是简单的,但是要弄清方程中波函数的真实含义却成了一个新的挑战。量子的所有神秘似乎都浓缩在了这个即熟悉又陌生的波函数和它的方程中。 也许方程的发现者最有发言权。薛定谔认为,波函数是一种在空间中真实存在的波,而粒子则是波的聚集---波包。但是,根据薛定谔方程,波包随时间的演化会发生扩散,从而明显与粒子的稳定性不相符合;同时,多粒子波函数的多维性也使这种解释不能成立。因此,即使是发现者本人也未能理解它所发现的东西。 波函数和它的演化方程---薛定谔方程究竟意味着什么呢?所有的人再一次为这个新的迷题所困扰。
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量子物理史话(8):揭开了巨大帷幕的一角
gaoshan1900 2010-9-3 13:36
我相信,它是投向我们物理学迷雾的第一丝微光。---- 爱因斯坦致洛伦兹,1924年 玻尔的原子理论只是简单地规定了电子的奇怪行为,它仍然需要解释。人们会继续追问:原子核外的电子为什么只能处于分立的轨道上呢?它的能量为什么是量子化的呢?1923年,法国青年德布罗意给出了一个更加大胆的解释:因为电子也似波! 第一届索尔维会议的成功召开唤起了人们研究量子的热情,这种热情也波及到了一位法国贵族子弟德布罗意。已获得历史学学位的德布罗意毅然转向物理学研究,他在1911年的日记中写到,我要将青春的热情投入到这些被深入研究过的有趣问题上。我发誓要不遗余力地去弄清楚这些神秘量子的真正本性。 1923年夏末的一天,在法国巴黎的一间设备精良的实验室里,德布罗意和他的哥哥莫里斯正在就X射线(一种频率极大的光)的性质进行着热烈的讨论,他们都认识到X射线即具有波的性质,又具有粒子的性质。这时,灵感的火花闪过德布罗意的脑际,他突然意识到,既然光波具有粒子的性质,那么物质粒子,尤其是电子,也应当具有波的性质!这个想法太美妙了,因为如果它是对的,那么将揭示出所有物质都具有的一种新的普适本性---波粒二象性。 之后,德布罗意发展了他的想法,并提出了物质波理论。根据这一理论,每个物质粒子(如电子)都伴随着一种波,这种波被称为物质波,它的频率v和波长 与粒子的能量E和动量P之间存在关系:E=hv 及P=h/ ,式中h为普朗克常数。德布罗意进一步发现,与电子相伴随的波正可以解释玻尔原子中神秘的分立能态,因为对于束缚的电子,与它相伴随的波恰好是一种驻波。正如一列在两端固定的弦中运动着的波一样,这样的波将只具有分立的波长和频率,从而根据关系E=hv 电子的能量便只能是分立的或量子化的。德布罗意指出,物质波的存在可以通过实验来验证,他建议电子穿过很小的孔时将可以产生衍射现象。 德布罗意的想法太离奇了,当他将自己的新理论总结为一篇博士论文交给导师朗之万时,朗之万有些不知所措。在他看来,德布罗意的新颖想法似乎有些荒谬,但或许包含了真理的种子。于是,朗之万将德布罗意的论文副本寄给了爱因斯坦,请他发表看法。爱因斯坦立刻就意识到了德布罗意理论的重要性,因为它正揭示了物质(包括光和电子)的统一性。爱因斯坦自己早就注意到了光的波粒二象性,但他没有勇气将这一性质推广到所有物质粒子。现在,年轻的德布罗意大胆地迈出了这一步,爱因斯坦抑制不住内心的喜悦,他在给朗之万的回信中,热情地称赞德布罗意的理论揭开了巨大帷幕的一角。
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我的量子研究论文
gaoshan1900 2010-7-31 20:02
《上帝真的掷骰子》一书在5月初进行了第二次印刷。最近有读者来信,希望能够看到非连续运动理论的更严密的数学论证。在此我列出几篇相关的研究论文供参考。 S. Gao (2010), The wave function and quantum reality , to appear in the Proceedings of the Conference Advances in Quantum Theory 2010. S. Gao (2010), On Disi-Penrose Criterion of Gravity-Induced Quantum Collapse, International Journal of Theoretical Physics 49, 849853. ( http://www.springerlink.com/content/j54r75r28w04p03h/ ) S. Gao (2010), Meaning of the wave function, arXiv:1001.5085. An extended version is available on http://philpapers.org/rec/GAOMOT . S. Gao (2006), A model of wavefunction collapse in discrete space-time, International Journal of Theoretical Physics 45, 1965-1979. ( http://www.springerlink.com/content/p84722072t6805rl/ ) S. Gao (2006), Quantum Motion: Unveiling the Mysterious Quantum World. Bury St Edmunds: Arima Publishing. S. Gao (2006), What quantum mechanics really describes: discontinuous motion of particles, Galilean Electrodynamics 17 (1), 3-10. S. Gao (2004), A Suggested Interpretation of the Quantum Theory in Terms of Discontinuous Motion of Particles, NeuroQuantology 2(3), 190-209. S. Gao (2001), From quantum motion to classical motion---seeking the lost reality, Physics Essays 14 (1), 37-48.
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量子隐形传态
gl6866 2010-1-4 10:08
量子隐形传送与量子远程通信密切相关。teleportation一词是指一种无影无踪的传送过程。爱因斯坦曾把这种来无踪,去无影的东西成为鬼魅(spooky),这种鬼魅般的超距作用(spooky action at a distance)在众多实验中一再出现,因此直到过世前他都没有完全接受量子力学是一个真实而完备的理论,一直尝试找到一种更加合理的诠释。爱因斯坦是位实在论者,他不接受这种spooky的现象是可以理解的。 然而,爱因斯坦所怀疑的,却在上个世纪末被量子物理学家从某种意义上实现了。1993年美国物理学家提出了量子隐形传态的方案。将某个粒子的未知量子态(即未知量子比特)传送到另一个地方,把另一个粒子制备到这个量子态上,而原来的粒子仍留在原处。其基本思想是:将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分,它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的,量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息。接收者在获得这两种信息之后,就可制造出原物量子态的完全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物的量子态,而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知,而接收者是将别的粒子(甚至可以是与原物不相同的粒子)处于原物的量子态上。在经典的世界中人们可以复制并传输信息,日常生活中我们每天都会用到,比如传真机。而在量子世界中,量子信息只能由载体传递,不能被复制,无法使用类似传真的普通传输方式。在传递信息的过程中,量子隐形传态无须复制所传信息,而是提供了一种传递量子信息的方法,这也是量子纠缠在实际应用中最引人注目的方案之一。 从物理学角度,可以这样来想象隐形传送的过程:先提取原物的所有信息,然后将这些信息传送到接收地点,接收者依据这些信息,选取与构成原物完全相同的基本单元(如原子),制造出原物完美的复制品。遗憾的是,量子力学的不确定性原理不允许精确地提取原物的全部信息,这个复制品不可能是完美的。因此长期以来,隐形传物只不过是种幻想而已。 1997年年底奥地利的一个研究小组首先在实验上演示成功了量子隐形传送,论文发表在《自然》上,引起国际学术界的极大兴趣。此后,有若干研究小组也相继在实验上实现了量子隐形传送,包括中国科技大学的研究小组。 量子隐形传送所传输的是量子信息,它是量子通信最基本的过程。人们基于这个过程提出了实现量子因特网的构想。量子因特网是用量子通道来联络许多量子处理器,它可以同时实现量子信息的传输和处理。相比于现在经典因特网,量子因特网具有安全保密特性,可实现多端的分布计算,有效地降低通信复杂度等一系列优点。2009年,美国马里兰州立大学联合量子研究所的科学家成功地实现了从一个原子到1米外的一个容器里的另一个原子的量子隐形传输,这一突破向《星际迷航》描述的科幻情节又迈进了一步。当然,这个被称作量子信息处理的试验与科幻电影中传输身体的技术不可同日而语,因为一个原子只是转变成另一个原子,这样,第二个原子变扮演起第一个原子的角色。尽管如此,原子对原子的传输对于研制超密超快的计算机仍具有重在意义。这一成果被美国《时代周刊》评为2009年十大科学进展之一。
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