科学网

 找回密码
  注册

tag 标签: 弯曲空间

相关帖子

版块 作者 回复/查看 最后发表

没有相关内容

相关日志

几何动量的实验验证----中国理论和德国实验之间的一场美丽邂逅
热度 12 qhliu 2018-5-6 07:11
2011 年,我们提出几何动量的概念。 2015 年,国际上( 德国三个单位的 一个 合作小组 )首次在在论文题目中使用几何动量。 Ron Spittel, Patrick Uebel, Hartmut Bartelt, and Markus A. Schmidt Curvature-induced geometric momenta : the origin of waveguide dispersion of surface plasmons on metallic wires Optics Express Vol. 23, Issue 9, pp. 12174-12188 (2015) https://doi.org/10.1364/OE.23.012174 Optics Express 还是一个顶级( top )刊物。 好友提醒我,这篇论文的结果说明他们的实验,验证了几何动量。 我 知道这篇文章,但是没有细读。 论文更像一个数值模拟,而不像一个实验结果。欧洲人也不太会主动验证一个中国人提出的概念吧? 后来,好友再次提醒要仔细读读他们课题组的文章。几何动量被实验验证对约束体系量子力学来说是一件好事,对中国人的理论研究来说也是一件大事,要认真对待! 要我查查究竟! 于是,认真做了一点文献检索。 原来,德国合作组 早在2012年就在实验上看到了一个奇怪的现象 ,为了和实验结果相符,他们进行了一些不合理的理论假设。等到注意到我们的文章,用几何动量计算,才发现,原来不从几何动量计算出发的计算是错误的! —————————— 2017 年,他们在两个国际会议上,报告了全过程。 一次在美国加州, San Jose, California,时间是14–19 May 2017。 报告的题目是: Nanowire-based hybrid optical fibers: a platform for nonlinear light generation, nanoscale plasmonics and single nanoobject detection 论文集: https://www.osapublishing.org/conference.cfm?meetingid=124yr=2017#STu3K 一次在欧洲慕尼黑, Munich, Germany ,时间是25-29 June 2017。报告的题目是: Nanowire-based hybrid optical fibers: A platform for nonlinear light generation and plasmonics 论文集: https://ieeexplore.ieee.org/document/8087745/ 或 https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?uri=CLEO_Europe-2017-JS_LIM_CLEO_Europe_1_3 关于几何动量的实验验证部分,大同小异。 早在 2012 年,在一根金属纳米线的表面,产生出一个螺旋状的表面等离子体激化子 (surface plasmon polaritons (SPPs)) ,他们发现激化子的轨迹仅仅受到金属纳米线的 平均曲率 的影响!注意: 近代物理学建立在内蕴(或者内禀) 几何的基础之上 ,而 平均曲率 是所谓的 外曲率 。 ( Planar SPP spiraling on the surface of a metallic nanowire (lower image: SEM of a gold NW) ) 实验结果见: P. Uebel, M. A. Schmidt, H. W. Lee and P. S. J. Russell, Opt. Exp. 20, 28409 (2012). H. W. Lee, M. A. Schmidt and P. S. J. Russell, Opt. Lett. 37, 2946 (2012). 为了和实验结果相符,他们自己的计算 依赖一个靠不住的数学替换 。 直到 2015 年,他们小组注意到我们提出的几何动量。然后利用几何动量进行计算,才发现原来没有几何动量的的理论是不对的: 不过,在2017年的两次报告中,在说明几何动量的实验验证时,都是直接引用的是2015年他们在OE上的文章,例如: —————————— 进一步的文献检索发现,在多个场合,他们都提到了几何动量的实验验证。例如:2016年的如下两次会议上: 1,Proceedings Volume 9916, Sixth European Workshop on Optical Fibre Sensors; 991601 (2016) ; doi: 10.1117/12.2242681 Liquid and solid nanowires in fibers: a new base for plasmonic nanoprobes and single virus sensing Markus A. Schmidt, Leibniz Institute of Photonic Technology e. V. (Germany) 2, https://www.european-mrs.com/2016-spring-symposium-m-european-materials-research-society Hybrid optical fibers: a new base for plasmonic nanoprobes and optofluidic nanoparticle sensing Authors : Markus A. Schmidt —————————— 本质上而言,这些实验并非专门为了验证几何动量而设计,而是为了探讨新奇的实验现象而设计。换言之,验证几何动量不过是无心插柳而已。这和水星近日点进动的解释很像。观测数据和牛顿的引力理论就是不符,很久也解释不了,一直等到爱因斯坦的广义相对论出现,结果成了该理论的三大检验之一。 —————————— 最后,摆出课题组长的照片(取自Adv. Optical Mater. 2016, 4, 13–36)。对这位帅哥表示感谢!
个人分类: 拾穗记|15700 次阅读|31 个评论
本科生完全可能做出惊人的科学发现
热度 35 qhliu 2017-1-14 08:25
放假了。终于可以安安静静坐下来,开始雕塑这两位本科生的探索结果。希望最终把这个结果打造成为这个领域的不朽之作。 本科生们很可能把一个弯曲曲面 ( 也就是弯曲空间 ) 量子化过程中的一个极为困难的问题,推进了一大步 ! 就像把哥德巴赫猜想推进到了 1+2 。而之前最好的工作,还在 A+B+C ,而这里的 A , B , C 还有两位数。 ——— DeWitt 困难及其变形 ——— 关于弯曲曲面量子化,有一个著名的困难。不妨称为 DeWitt 困难。对这个困难的初步认识形成于 1952-1957 年间,以 1957 年 DeWitt 的 Rev. Mod. Phys. 论文为标志。这个问题的表述为,对一个弯曲曲面 ( 空间 ) 上的粒子运动进行量子化, 哈密顿量会出现一个正比于标量曲率的项,而比例系数无法确定。 DeWitt 的做法局限于黎曼几何。黎曼几何是内禀几何,只定义标量曲率,无法定义外部曲率。 1971 年开始, DeWitt 困难尖锐化并发生了变形。 Jenson 和 Koppe 研究二维曲面上的粒子运动。不过不在曲面上,而是在先把这个曲面设想为一个带有均匀厚度的壳层,然后让厚度趋于零。结果发现,这个多出来的能量项,不仅仅依赖于标量曲率,还依赖于外曲率。不仅如此,这两个依赖系数可以完全确定下来。多出来的能量后来称之为 几何势能 。 1981 年, da Costa 把 Jenson 和 Koppe 的结果严格化,并推广到任意维空间中的曲面上的粒子运动的量子力学。 1990 年前一直到 2000 年,物理学家再次集中火力猛攻如何直接在曲面上研究粒子运动的量子力学,结果发现 DeWitt 困难真是晚期的癌症,任何的治疗方案都是以缩短寿命或者降低生活质量为代价,举凡几何量子化, Jackiw-Faddeev 量子化方案等等。唯一可以值得一提的进展是,也许应该换一种角度来看待这个问题:实空间中的曲面方程 $ f(x)=0$ 变成相空间中的曲面方程 $ df(x)/dt=0$ ,倒可以获得希望的几何势能。 2010 年,由于低维科学和技术的长足发展,几何势能获得实验检验。 2011 年,提出几何动量。 2015 年,德国科学家把这个概念应用到表面等离子体的研究中。 关于曲面上粒子运动的量子化问题,参见 stackexchange 一个短评: quantum-mechanics-on-a-manifold ——— 我给本科生布置的科研任务 ——— 2016 年的春节,我给本科生讲解了 DeWitt 困难及其变形。没有希望学生解决这个问题,更多地是想让学生知道这里有这个大问题。胃口吊得越高,欲望可能就会越强。而强烈的欲望,就可以刺激出探索欲。在探索的过程中,至少可以获得一些手段,提高道行和修养,或可窥探到一些大悟大彻的门径。 当然,我也不会让学生空手而归。作为一位老司机,我总会有一些较为成熟的想法,可以在这个问题上做点小文章。后来,我把开题报告的一部分总结成为论文卖掉了。参见: Q.H. Liu, J. Zhang, D.K. Lian, L.D. Huand Z. Li Generalized centripetal force law andquantization of motion constrained on 2D surfaces Journal: Physica E: Low-dimensionalSystems and Nanostructures, 2016 DOI: 10.1016/j.physe.2016.11.029 ——— 学生做出的重大突破何在 ? ——— 我给出的几何动量 $\Pi=p-I \hbar m$ ,这个动量看上去很像有电磁场的机械动量 $\Pi=p-qA$ ,其中 $p$ 为正则动量。但是,既然量子力学不引入机械角动量 $X=r*\Pi$! 也就没有必要引入几何角动量 $G=r*\Pi$! 了。 量子力学中仅仅只有正则角动量 $L=r*p$ ,而且,量子化本质上都是正则量子化。这里似乎没有任何物理的原则的限制,而是结构上美学价值的驱使 ! 例如说,任意维空间中的正则角动量的分量,将构成 $SO(N)$ 代数。反过来,如果去试试机械角动量 $X=r*\Pi$ ,无非得到一些平庸的对易关系。值得一提的是,当年第一次接触到机械动量 $\Pi=p-qA$ ,知道存在电磁场时速度算符分量间的不对易,的确有些吃惊。 DeWitt 困难实在太缠手 ! 而按我的套路走,基本上又是体力活,不为学生所喜。于是,我建议他们玩各种事情,例如,建议过他去试试几何角动量。反正少年血气方刚,精力过剩,着眼于练练身手,不 比 期待有什么立竿见影的大成果。我建议学生玩的东西多而杂,总之并不期待能出任何新的物理。 但是,这一次,我错了 ! 曲面上的量子力学本身就是一个“邪恶”体系,正常手段根本对付不了。几何角动量在正常的量子力学中意义不大,但是不能预期在这个“邪恶”体系中是否意义也不大。以毒攻毒? 学生仔细分析了 DeWitt 困难在曲面上的表现,然后他们成为“那个沿着小径走去、 额头触天的仆童。” 绕过几道弯弯,居然从曲面方程 $ f(x)=0$ 出发,“路途艰涩。小山冈染木覆荫。空气凝滞。鸟群和水源竟如此之远 ! 前行,只可能是世界的尽头。”而在世界的尽头,他们生生地逮到了几何势能 ! ——— 我任务的艰巨性何在 ? ——— 这是一个物理学界从来就没有预期到的结果。 由于这位本科生的工作, 物理学界对这个问题的 研究方向必须拐弯。 如何能利用一篇不长的论文中,说服这个领域内的大玩家们 ? 希望接下来故事不复杂,一两篇博文就可以结束,而不至于成为一个博文系列!
个人分类: 大学教育|23091 次阅读|93 个评论
科学中客观性的物理表达方式
热度 1 肖建华 2009-3-5 06:56
在前一篇博文中用被描述的物质对象是同一的谈到物质的客观不变性原理的坐标系选择问题。那是数学层面。本博文谈她的物理表达层面问题。 对于牛顿质点力学,由于数学上已经保证了被讨论的物质点自始至终是同一个物质点。因而,相比之下,欧拉空间描述法是简洁的。在这一空间下,物理量和物理规律就可以直接建立在该点和该点的局部物理环境上。这是经典物理、力学的表达方式。 但是,对流体(水或空气),尽管可以用物质微元的概念取代物质点,然而,由于流体内有微观物质混合(进出微元)在数学上保证被讨论的物质微元自始至终是同一个物质微元就变的不可信了。现讨论由简单到复杂的各种情况。 ( 1 )如果没有微观物质混合,但有形态变化。对于没有化学变化和热力学起伏不大的宏观物体,可以引入连续介质的概念。在这一概念下,邻近物质微元的差别是非常小的。但此后,由可分为两情况:( A )小变形。如果物质微元的形态变化无限小,则欧拉空间描述法是一个近似。这一变形几何理论认为,就局部看,欧拉空间就足以保证被描述的物质对象是同一的在一定精度内成立。这就是经典的变形力学(弹性、塑性力学等)。( B )大变形。如果物质微元的形态变化较大,则相邻物质微元的间距变化较大,欧拉空间描述法误差就大了。此时,物质所占据的空间是弯曲空间。这时,要实现被描述的物质对象是同一的 就自然的要求使用拖带坐标描述法。这样一来,就要用相邻物质微元的间距变化来得到形变后的弯曲空间的度规场。回答用形变的局部测量量如何计算弯曲空间度规的问题就是我国力学家陈至达先生建立的有限变形几何场论。这就把拉格朗日描述法实用化了。 ( 2 )如果有微观物质混合,也有宏观形态变化。此时,无论是欧拉空间描述还是拖带坐标描述法都不能保证被描述的物质对象是同一的。此时,就要用统计学概念来定义物质微元。如果在指定概率 P 含义下定义物质微元的同一性,则:在低概率下,仍可用欧拉空间描述法;但在 P 接近于一的最可几含义下,还是要使用拉格朗日描述法。在流体力学中,这两种方法都在使用。选择何种方法要看具体情况而定。 但是,对于有化学变化和热力学起伏大、同时还伴随有变形流动的情况,物质微元的对应的连续概念就不能由前面的邻近物质微元的差别是非常小的这一宏观概念导出。例如,合金材料的相邻晶界可以是由全不同的晶体微元组成。同时,可能存在大量的自由电子。此时,如果追踪某类分子级微元,就会发现周期性结构。这种周期性结构决定了宏观的物质微元的微元空间(是弯曲空间)性质。此后,又可以用( 1 )或( 2 )的方法来实现宏观上的被描述的物质对象是同一的。如何把这种微元弯曲空间在分子级上微元不变性描述下来就是在微观上落实物质客观不变性的关键。 以分子级(或原子)核为中心,以束缚原子(或电子)分布空间为外表面层,就定义了一个晶格的元胞。这样,化学变化和热力学起伏就由元胞的流动变形来表现了。这种变形最终表现为元胞的弯曲空间性质。对这种微观弯曲空间物质元胞用拉格朗日描述法,结果,空间表面是闭合的。它就是晶格。而宏观物质微元就是由很多晶格构成的统计学上的连续体。 最简单直接的是:波恩和黄昆的晶格动力学方法。即: ( 3 )微观物质元胞用拉格朗日描述法,宏观物质微元用欧拉空间描述法。但它只适用于微小宏观变形的情况。推广到宏观物质微元也用拉格朗日描述法将大大拓展她解决问题的能力。 ( 4 )在现代物理中,由于微观尺度的多值性,一般的要重复多次微观的拉格朗日描述法才能在最后得到可用欧拉空间描述法描述的宏观物质微元。因而,拉格朗日描述法成为各种理论的普遍选择。而度规变化就是对运动的表达方式。在这一意义下,度规变换就是运动。对某些简单的运动,在数学上,度规变换可以用等价的坐标变换来实现,因而,数学家普遍的用坐标变换来表达运动。 但是,对多数复杂运动,微观单元表面是闭合的。也就是说,微观上,空间是曲率非常高的弯曲空间,并且在三个方向上的曲率是不同的(一般地,称之为空间各向异性)。其极端例子就是基本粒子场。 对这种高曲率的三维空间,陈至达先生建立的有限变形几何场论给出了局部整旋角的标度( 如读者感兴趣,可见论文 Xiao Jianhua, Intrinsic Knots Produced by Large Deformation in 3-Space I: Curvatures, 中国科技论文在线 , 2007-10-17 ; Xiao Jianhua, Intrinsic Knots Produced by Large Deformation in 3-Space II: Multi-scale, 中国科技论文在线 , 2008-1-10 ) 。因而,为推广波恩和黄昆的晶格动力学方法到一般性问题扫除了理论障碍。 总上,为了落实物质的客观不变性原理,在介观和微观物理中、在复杂的宏观流变运动中,都要求使用拉格朗日描述法。也就是要用到弯曲空间的数学方法。目前的波恩和黄昆的晶格动力学方法能解决宏观小变形问题,但有待推广到宏观大变形问题。 不能忘记的是:实验室的测量系是用欧拉空间描述法。这样,用相邻物质微元的间距变化来得到物体的弯曲空间的度规场就是联接物理理论与实验室测量量的关键所在。这正是陈至达先生建立的有限变形几何场论的价值所在。 故,我的看法是,在以上两个基本点上我国并不落后,而是超前。因而,如能有效的组织力量推广到应用物哩、化学、生物等理论分枝上是取得大面积科学进步的一条可行道路。即便如此,也是一场持久战。
个人分类: 生活点滴|5835 次阅读|2 个评论

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2024-4-28 00:17

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部