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一封开启未来的信
热度 4 wozaikx 2015-12-25 08:39
相信不会有人怀疑,现实中的信件邮寄的需求如今越来越少了,连圣诞或新年的贺卡 这些年也慢慢 式微 ,甚至逐渐被淡忘,至少我是这样。当然这里面不包括快递。 前几日,有个梦想当宇航员的 5 岁英国男孩想把信寄到火星去,写信向邮局询问。英国皇家邮政有些犯难,好在咨询了 NASA 后终于给出报价—— 11602 英镑,约合人民币 11 万多。据说他们的算法是依据“好奇号”的花费并根据重量折算出的,这对于一个男孩来说无疑是天文数字,零花钱显然是不够了。尽管现在看来寄信到火星还为时尚早,但谁又敢否认这个孩子天真背后的无限可能呢 ? 你看,马斯克的 spaceX 不是已经回收火箭了吗? 刚过去不久的十二月四日在物理学历史上也有一封著名的信件,这就是泡利的一封信,没错,就是被人称作“上帝的鞭子”的美籍奥地利物理学家沃尔夫冈 · 泡利( Wolfgang E Pauli1900 ~ 1958 )寄到苏黎世的信。 在 1930 年的十二月四日,泡利给苏黎世联邦工学院物理研究所写了封信。信是写给准备在 德国 图宾根开会的核物理研究同行,抬头是略带着幽默的称谓:“亲爱的放射性的女士们、先生们”,据说这封信实际的收信人是盖革和迈特纳。在这封用打字机打印的一页纸的信中他大胆提出了一种新的设想:存在一种极小的还无法探测到的中性粒子,从而可以说明 β 衰变 光谱连续的问题。正是这封看似寻常的信,使泡利成了最早提出中微子假说的人,并开启了物理研究的新篇章。 当然一开始泡利提出的名字是中子 (neutron) ,而 1932 真正的中子被查德威克发现后,这个名字被占用了。随后恩里科 · 费米在研究 β 衰变的理论时根据意大利语中子( neutrone )的双关语将其改造,把后缀变了一下,因为后缀 -one 在意大利语中表示 “ 大 ” 的东西,而表示 “ 小 ” 的后缀是 -ino 。自此,中微子正式命名中微子( neutrino ),中文译名有时也作微中子。 泡利为何要提出一种连他自己都不十分肯定的中微子呢,这还要从上世纪放射现象的研究中说起。简单说, β 衰变是原子核自发地放射出 β 粒子或俘获一个轨道电子而发生的转变。放出电子的衰变过程称为 β- 衰变;而放出正电子的衰变过程称为 β+ 衰变;原子核从核外电子壳层中俘获一个轨道电子的衰变过程称为轨道电子俘获,俘获 K 层电子叫 K 俘获,俘获 L 层的叫 L 俘获 …… 二十年代末,一种放射性元素 β能谱连续性 的解释遇到了困难,与之前 α 衰变的分立谱截然不同,问题主要是原子核能量量子化,这样能谱必然是离散的。而且各种迹象表明,被奉为圭臬的能量守恒定律、动量守恒定律、角动量守恒定律正面临挑战。在物理学家一筹莫展之际,量子力学的领军人物玻尔宣称:神圣不可侵犯的能量守恒定律失效了!并重提他的能量统计守恒性的假说。眼看经典的守恒定律也许真的要在量子中修改了。 泡利并不赞同玻尔等人的理论,他认为这个代价有点儿高,被无数次实验验证的守恒定律竟为了解释小小的 β 衰变而改变,让人很不甘心。泡利凭借过人直觉和洞察力这样思考:如果电荷守恒定律还成立,那么能量守恒没有理由不成立,而且如果能量不守恒,为何有只表现出减少而不是增加呢?在这封信中他大胆地提出假设:解释 β 衰变唯一的出路在于除电子外,还有一种穿透能力很强的中性粒子被释放出来,从而保证了能量的守恒。这种粒子自旋 1/2 并遵守不相容原理 , 质量不应超过质子的 0.01 倍。它不易与其他物质作用,以至于任何探测器都无法探测到它 …… 正如后来泡利自己所言,他提出了一种可能永远无法找到的“鬼”粒子。这样的假设当然需要足够的勇气与胆识。 他在信中也坦言,自己没有足够的信心发表这一假设,仅告之同行知晓并希望实验物理学家在实验中对这种穿透力 10 倍于 γ 射线 给予足够关注。同时也承认自就己有点儿先验主义与赌博的意味。至于泡利无法参加学术会议的原因,理由那是相当的充分,就是要留下来参加舞会。这就是泡利。 之后,尽管有不少科学家对这种假设采取了怀疑的态度。但随着 1932 年中子的发现, 1934 年费米沿着泡利的思路对 β 衰变 提出了更为深入的阐释,解决了另一个困扰人们的问题,即 β 衰变的电子到底从何而来。 最终 提出,费米的弱相互作用的衰变理论获得了成功。泡利的中微子假说解决了 β 衰变的两大难题 , 也开启粒子物理通向未来的大门。 n → p + e − + ν e 1945 年,因他在 1925 年发现的 “ 泡利不相容原理 ” , 泡利获诺贝尔物理学奖。他虽没有因中微子的预言而获得诺贝尔奖,但他在去世前两年的 1956 年等到了中微子的发现,美国物理学家柯万( Cowan )和莱因斯( Reines )等通过第一次通过核反应堆 β 衰变实验直接探测到了中微子,并第一时间告知了这位中微子之父,泡利在回给他 们 电报中说 : “感谢您的消息 , 对于懂得等待的人 , 一切终将了然。” 1958 年十二月十五日泡利去世。 当然后来中微子的发展不断突破,方兴未艾,篇幅所限,只能暂且搁笔。算一算包括今年在内中微子的相关研究已经收获了四次诺贝尔物理奖,而前路依然充满未知,仍有许多未解之谜等待发现。 此外,泡利的传奇故事也格外的多,他的天才与“泡利效应”,挑剔与刻薄,严谨与幽默让许多物理学家又怕又爱,故而有“上帝的鞭子”“物理学家的良心”的绰号。 甚至还流传着这样的笑话:泡利死后去见上帝了,上帝拿出自己关于世界的设计稿让他看,泡利看完后耸耸肩,不以为意地说: “ 你本来可以做得更好些 ……”
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统一路-10-自旋的奥秘
热度 23 tianrong1945 2015-4-29 08:11
10.自旋的奥秘 人类最早探索到自旋的奥秘,与著名的“泡利不相容原理”有关。 在量子力学诞生的那一年,沃尔夫冈·泡利( Wolfgang Pauli,1900年-1958年)也在奥地利的维也纳呱呱坠地,二十多年后,他成为量子力学的先驱者之一,是一个颇富特色的理论物理学家。 泡利在物理学界以犀利和尖刻的评论而著称,丝毫不给人留面子。有一次,泡利对一个刚做完报告的同行说:“我从来没听过这么糟糕的报告!”,马上转头又对另一位同行说:“如果是你作这个报告,想必更糟糕!”泡利有一句广为流传的评论名言:“这不是对的,甚至也谈不上是错的!”据说泡利自己讲过他学生时代的一个故事,有一次在柏林大学听爱因斯坦讲相对论的报告,报告完毕,几个资深教授都暂时沉默不言,似乎正在互相猜测:谁应该提出第一个问题呢?突然,只见一个年轻学子站了起来说:“我觉得,爱因斯坦教授今天所讲的东西还不算太愚蠢!”原来这愣头愣脑地小伙子就是泡利 【 1】 。 波尔将他誉为“物理学的良知”,同行们以“可怕的泡利”、“上帝的鞭子”、“泡利效应”等昵称和调侃来表明对他的敬畏之心。这些“头衔”,加上以上的几个例子,容易给人造成一个错觉,以为泡利是个傲慢自负、目中无人的家伙。但事实上并不如此,当时的物理学界十分重视泡利对每一个新成果、新思想的尖锐评价,并且,泡利对自己也一样挑剔。泡利的学生们也能感觉出泡利的亲切和平易近人,特别是:他们在泡利面前可以问任何问题,不必担心显得愚蠢,因为对泡利而言所有的问题都是愚蠢的。 的确,泡利在年轻时就表现出过人的聪明,高中毕业时发表了他的第一篇科学论文, 20岁时写了一篇200多页纸的有关相对论的文章,得到爱因斯坦的高度赞扬和好评。当年的物理学家波恩甚至认为,泡利将成为比爱因斯坦更伟大的科学家。 不过,聪明过头的人往往不快乐。年轻的泡利在经受了母亲自杀和离婚事件的打击后,患上了严重的神经衰弱症,因而不得不求助于当时也在苏黎世并且住得离他不远的心理医生卡尔·荣格。荣格是弗洛伊德的学生,著名心理学家,分析心理学创始人。从那时候开始,荣格记录和研究了泡利的 400多个“原型梦”,这些梦境伴随着泡利的物理研究梦,荣格二十多年如一日,一直继续到泡利逝世为止。泡利也和荣格讨论心理学、物理学、和宗教等。后人将泡利与荣格有关这些梦境的书信来往整理成书,这些内容为探索科学家的内部心理状况与科学研究之间的关联留下了宝贵的原始资料。比如说,伟人爱因斯坦、虚数i、与精细结构常数有关的137……都曾经来到过泡利的梦里。或许,在泡利不短不长的生命中,清醒和梦境,科学和宗教,总是经常融合纠缠在一起。 1922年到1923年,泡利应波尔之邀到哥本哈根波尔研究所工作一年,研究的课题是反常塞曼效应。人们经常看见他漫无目标地游走在哥本哈根美丽的大街小巷上,似乎显得很不开心闷闷不乐的样子。泡利自己后来在一篇回忆文章中描述过当时的心情,大意是说,当你被反常塞曼效应这种难题纠缠的时候,你能开心得起来吗? 图 10-1:泡利、荣格、及费米子的不相容原理 塞曼效应指的是原子的光谱线在磁场的作用下发生分裂的现象。当原子中的电子从激发态返回到基态时,便释放能量,发出一定波长的光谱。反过程则形成吸收光谱。根据波尔的半经典原子模型,电子在原子中只能按照一定的能量量子化了的轨道运动,使得光谱成为一条一条的分离谱线,对应于不同的能级。如果原子位于外磁场中,电子运动受到磁场影响而产生更多的能级,表现为谱线产生分裂。正常塞曼效应中,一条谱线在磁场作用下分裂成双重线或三重线,而反常塞曼效应的谱线分裂数多于 3,有时4条、5条、6条、9条,各种数值都有,似乎复杂而无规则。当时,塞曼发现了谱线分裂的正常效应,洛伦兹则用电子轨道角动量与磁场作用的概念解释了这种效应,因而两人分享了1902年的诺贝尔物理学奖。塞曼在他的诺奖演讲中提到了当时尚不知如何解释的反常塞曼效应,宣称他和洛伦兹遭到了“意外袭击”。那时候的泡利还是个2岁的娃娃,没想到过了20年后,这个反常塞曼效应的难题仍然困惑着物理学家,并且还“袭击”到了泡利的脑海中和梦境里。 泡利在一堆年轻的量子革命家中,偏向左派,算是更彻底的革命者,他不相信经典的原子实模型,最后断定反常塞曼效应的谱线分裂只与原子最外层的价电子有关。从原子谱线分裂的规律,应该可以找出原子中电子的运动方式。 1922年的施特恩-格拉赫实验,也有力地证明了额外角量子数的存在。仿造前人,泡利引入了4个量子数来描述电子的行为。它们分别是:主量子数n、角量子数 l 、总角量子数 j 、总磁量子数 m j 。这些量子数的取值互相有关,比如说,角量子数给定为 l 时,总角量子数 j 可以等于 l 加(减) 1/2。在磁场中,这些量子数的不同取值使得电子的状态得到不同的附加能量,因而使得原来磁场为0时的谱线分裂成多条谱线。 泡利在 1925年提出不相容原理 【 2】 ,于1945年,由爱因斯坦提名而因为此项成就获得诺贝尔物理奖。泡利不相容原理大概表述如下: 电子在原子中的状态由四个量子数 (n、 l 、 j 、 m j )决定。在外磁场里,处于不同量子态的电子具有不同的能量。如果有一个电子的四个量子已经有明确的数值,则意味着这四个量子数所决定的状态已被占有,一个原子中,不可能有两个或多个电子处于同样的状态。 实际上,在泡利之前,当物理学家们使用不同的量子数来排列原子中电子运动规律的时候,就多少已经暗含了电子的状态互不相容的假设。但是这个费米子“互不相容、必须独居”的原理,直到 1925年才被泡利正式在论文中提出来,这大概便与泡利的“左派”思维方式有关了。不相容原理并不是什么大不了的理论,实在来说只是一个总结实验资料得出的假说,但它却是从经典走向量子道路上颇具革命性的一步,因为在经典力学中,并没有这种奇怪的费米子行为。 自旋也是这样一种没有经典对应物的革命性概念,但奇怪的是,泡利革命性地提出了不相容原理,却也因为过于革命而阻挡了别的同行提出“自旋”。 从泡利引入的四个量子数的取值规律来看,自旋的概念已经到了呼之欲出的地步,因为从四个量子数得到的谱线数目正好是原来理论预测数的两倍。这两倍从何而来?或者说,应该如何来解释刚才我们说过的“总角量子数 j 等于 l 加(减) 1/2”的问题?这个额外1/2的角量子数是什么? 克罗尼格( Rolph. L. Kronig,1904-1995)生于德国,后来到美国纽约哥伦比亚大学读博士。他当时对泡利的研究课题产生了兴趣。具体来说,克罗尼格对我们在上一段提出的问题试图给出答案。克罗尼格想,波尔的原子模型类似于太阳系的行星:行星除了公转之外还有自转。如果原子模型中的角量子数 l 描述的是电子绕核转动的轨道角动量的话,那个额外加在角量子数上的 1/2是否就描述了电子的“自转”呢? 克罗尼格迫不及待地将他的电子自旋的想法告诉泡利,却得到了泡利的严厉批评,泡利认为提出电子会“自转”的假设是毫无根据的,服从量子规律的原子运动与经典行星的运动完全是两码事,如果电子也自转的话,电子的表面速度便会超过光速数十倍而违背相对论。 克罗尼格受到泡利如此强烈的反对,就放弃了自己的想法,也未写成论文发表。可是,仅仅半年之后,另外两个年轻物理学家乌伦贝克( GeorgeE. Uhlenbeck, 1900—1988)和高斯密特(Samuel.A. Goudsmit, 1902—1978)提出了同样的想法,并在 导师埃伦费斯特支持下 发表了文章。同时, Thomas进动从自旋的相对论效应解释了1/2的因子差异,因而他们的文章得到了波尔和爱因斯坦等人的好评。这令克罗尼格因失去了首先发现自旋的机会而颇感失望。不过,克罗尼格认识到泡利只是因为接受不了电子自转的经典图像而批评他,并非故意刁难,因此后来一直和泡利维持良好的关系。心胸宽大的克罗尼格活到91岁的高龄,于1995年去世。 泡利虽然反对将自旋理解为“自转”,但却一直都在努力思考自旋的数学模型。他开创性地使用了三个不对易的泡利矩阵作为自旋算子的群表述,并且引入了一个二元旋量波函数来表示电子两种不同的自旋态。 三个泡利矩阵是 SU(2)群的生成元,再加上二阶单位矩阵组成一组完全基,可以展开任何2×2复数矩阵。但泡利的二元自旋模型是非相对论的,并且是将自旋额外地附加到薛定谔方程上。在我们上一节中介绍的相对论性量子力学的狄拉克方程中(特别是如果写成洛伦茨协变形式的话),自旋以及正负电子的概念,都作为电子波函数四元旋量的分量,被自然地包含在方程中,充分体现了狄拉克所崇尚的数学美。 自旋是量子力学中的一种可观测物理效应,物理学家们对它的数学模型和物理效应都可以说了解得颇为详细,但是如果要深究自旋的本质到底是什么?这个问题却难以回答,目前的结论只能说:自旋是基本粒子的一种类似角动量的内禀量子属性,它与粒子的时空运动无关,没有经典物理量与它对应。也许你会说,物理学家在解释不了某个概念的时候,就用“内禀”这个词来忽悠人。但科学研究的过程就是如此,任何时候的理论都只能解释有限多的实验事实,解答有限多的问题,而“为什么?”和“是什么?”却可以无限地追问下去。基本粒子的内禀属性除了自旋之外,还有质量、电荷等等,但这些物理量在经典力学中也有意义,因而更容易被人理解,只是自旋并不如此,它没有经典对应物。 不过,自旋的确有它的神秘之处,无论从物理意义、数学模型、实际应用上而言,都还有许多的谜底等待我们去研究、去揭穿。刚才说过,物理意义上可探究的问题多多:这个内禀角动量到底是个什么意思?自旋究竟是怎么形成的?为什么费米子会遵循泡利不相容原理?为什么自旋是整数还是半整数,决定了微观粒子的统计行为? 与自旋相关的数学概念也很有趣。我们曾经介绍过的群论是其一。此外,自旋也与哈密顿发明的的四元数 (w,i,j,k)有关。数学家的脑袋里总是盘旋着一些古怪的东西,哈密顿就是如此一位学者,哈密顿(William Hamilton,1805年-1865年)是爱尔兰人,在都柏林度过了他平静而伟大的数学人生。夫妻二人经常沿着都柏林的皇家运河悠哉悠哉地散步,夫人看风景,哈密顿则琢磨数学问题。有一个哈密顿思考多年的问题就是在1843年散步时突然开窍的,他立即将它刻在了金雀花桥的一块石头上: I 2 = j 2 = k 2 = ijk = -1 这便是哈密顿所发明的四元数的基本运算公式之一。读者也能看出,这 3个i,j,k的性质,像是原来的虚数 i ,却又不是那个原来的虚数 i :它们的平方都是-1,这点像是虚数 i 。但是,如果将它们看着 i ,那后面一条等式不会成立,这又是什么意思呢?哈密顿将这“虚而不虚”的三个东西,再加上另外一个实数w,结合在一起称之为“四元数”。原来,哈密顿的目的是要将复数的概念扩展到更高的维数,但思考多年都未得其果,散步时灵光闪现才发现他的这种四元数代数必须以牺牲原来的实数和复数中乘法的交换律为代价,那其实也就是上面最后一个公式所表达的意思。根据哈密顿4元数的定义,进行一点简单的代数运算便能发现:i,j,k的乘法是互不对易的。换言之,四元数运算是复数运算的不可交换延伸。 之前曾经说到,泡利将自旋粒子的波函数用旋量描述。旋量也是个奇怪的东西,在三维欧氏空间中,标量是 0阶张量,矢量是1阶张量,矩阵是2阶张量,泡利2维旋量的位置在哪儿呢?旋量好像是一个标量和矢量之间“半路杀出来的程咬金”。在一定的意义上,它可以被当作是矢量的平方根。看起来,“平方根”运算产生了不少新玩意儿,狄拉克方程也是由算符开平方而得到的,其中又引进了4维的狄拉克旋量。有关旋量的更多数学概念请见wiki 【3】 。 旋转群、四元数、旋量,这些与自旋相关的数学,又都与 Clifford代数有关 【 4】 。 奇怪的是,像自旋这么一个抽象的内禀物理概念在实际应用上也神通广大,它解释了元素周期律的形成,光谱的精细结构,光子的偏振性,量子信息的纠缠等等。现在又有了一个方兴未艾的自旋电子学,要用它来解释物质的磁性,研发新型电子器件,也许将在工程界发挥大用途 【 5】 。 下面是简单说明,旋量可以看作3维矢量的平方根: 参考资料: 【 1】Wolfgang Pauli,Sources in the History of Mathematics and Physical Sciences,Volume 18 2005 ,Editors: ProfessorDr. Karl von Meyenn。 【 2】W. Pauli,On the Connexion between the Completion of Electron Groups in an Atomwith the Complex Structure of Spectra, Z. Physik 31, 765ff, 1925 【 3】 http://en.wikipedia.org/wiki/Spinor 【 4】 http://en.wikipedia.org/wiki/Clifford_algebra 【 5】 http://en.wikipedia.org/wiki/Spintronics 上一篇:薛定谔到狄拉克 系列科普目录 下一篇: 费曼的游戏
个人分类: 系列科普|19055 次阅读|78 个评论
关于自旋(一)
热度 3 jyy2020 2014-5-10 00:55
【引言】克罗尼格也提出了电子自旋的想法,他急切地想与泡利讨论,可泡利认为电子自旋是一种毫无根据的假设,他说:”你的想法很聪明,但大自然并不喜欢它“。于是,克罗尼格胆怯了。 说到自旋,就不得不把泡利给请出来(这个有着”毒舌之神“称号的人,很想专门写文讲及他的二三趣事,但今天只讲与自旋有关的趣事,对泡利的八卦且留待日后)。1921年,泡利在导师索末菲的帮助下终于拿到了哲学博士学位,而这时候的海森堡则更像是一个年轻的小学弟,他也师从索末菲,不过这才是他的第一年。 海森堡的确很聪明,在1924年的时候,他已经独立创立了一套符号,去解释波尔的‘’原子结构模型”——而这正是后来鼎鼎大名的矩阵力学的原版。不过即使聪明如海森堡,却也经常遭受泡利的臭骂。海森堡在获得诺奖后,曾笑着对记者坦言泡利不止一次地骂他’你是个彻头彻尾的蠢驴‘。 然而这一”蠢驴“却先于他的师兄做出了重大发现,这当然让泡利很是郁闷。不过,几个月后(确切的时间是1925年1月16日),泡利终于还提出了著名的”泡利不相容原理“。大意是说,原子中不能同时容纳两个运动状态相同的电子,泡利认为电子有四个自由度,除去电子层、电子亚层、电子云伸展方向三个自由度外,还有第四个自由度,可这第四个自由度究竟是什么他自己也一直搞不清楚。 泡利曾设想过电子是不是有自旋这个问题,可他很快否定了自己的想法。因为理论上讲,自旋电子的边缘线速度超过了光速,这根本就违是背相对论,属于大逆不道。 几乎同时的时间,美国的物理学家克罗尼格也提出了电子自旋的想法,他急切地想与泡利讨论,可泡利认为电子自旋是一种毫无根据的假设,他说:”你的想法很聪明,但大自然并不喜欢它“。于是,克罗尼格胆怯了,相信了泡利的话。再于是,这样一个重大的发现竟这样与他擦肩而过了。 PS:时间再向前快进几个月,电子自旋就要闪耀登场了,而这一次又是两个年轻的小伙——乌伦贝克和高斯密特。见关于自旋(二)
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华飞:哥本哈根三人组在商量什么?(沈惠川改编)
热度 2 ShenHuiChuan 2013-1-24 14:15
华飞:哥本哈根三人组在商量什么?(沈惠川改编)
华飞:哥本哈根三人组在商量什么? (沈惠川改编) 上面照片中自左至右分别是玻尔( N.Bohr , 1885 - 1962 )、海森伯( W.Heisenberg , 1901 - 1976 )和泡利( W.Pauli , 1900 - 1958 )。他们是著名的“哥本哈根三人组”。 看他们聚精会神的样子,一定在商量着什么。他们在商量什么呢? 事情大概是这样的: 泡利:“狄拉克说他在剑桥讲量子力学时,有学生问:若 X 与 Px 不能同时都准确地知道,则怎样可以定义动量矩 Mz=XPy - YPx ?狄拉克说他竟答不上来。这个问题我也答不上来。这还不算最严重的,因为 X 与 Py 不在一个方向;如果它们在同一方向,例如 S=ET - XPx - YPy - ZPz ,则怎样可以定义作用量?又怎样可以定义波函数?问题就相当严重了。两位老大,你们怎么看?(元芳,你怎么看?)” 海森伯:“我讨厌薛定谔的波函数。看样子,我的矩阵绘景真有先见之明了。” 玻尔:“不能让那些人问这样的问题!要把问题关在哥本哈根诠释的囚笼里。可以这么对他们说:我们缺乏语言,以至于我们不能说什么是上,什么是下。用量子语言的不同来封住他们的口。” 海森伯:“这个主意不错!可以这么对他们说:暂时我们还不清楚关于原子内部过程要用什么语言。我们的语言不能够描写原子内部发生的过程,这一点并不奇怪;因为语言本来就是为描写日常生活经验而发明出来的,而这些经验只是由涉及非常多的原子的过程组成;修改我们的语言使其能描写这些原子过程是很困难的,因为词句只能描写我们能形成思维图景的东西,而这个本能也是日常经验的结果。就这么说!” 泡利:“这么说是不是有点强词夺理?爱因斯坦会找我们麻烦的。” 玻尔:“爱因斯坦他爱说不说!我与他已没有什么可说的了!我们对外就宣传哥本哈根精神已经取得胜利,不是事实的东西重复几十遍也就成为事实了。要想让量子力学站住脚,就必须这么干。” 泡利:“我那奥地利老乡泽林格预言说‘也许一千年后真的能够隔空传送一只咖啡杯’他的中国学生潘建伟也说‘为什么我们不可以大胆一些,不可以想象:由各种各样分子组成的人,也可以在瞬间,带着他所有的记忆,带着他的品质,带着他的痛苦和欢乐,甚至包括感冒,传输到遥远的地方?’这些人说的话,我都要为他们冒汗。这样的量子力学,谁还敢相信?” 玻尔:“这就用不着我们操心了。我们两脚一蹬,功成名就!我画一个太极图,就够他们琢磨一辈子了。天下理论物理学家,尽入我彀内。凡是说量子力学闲话的,只要给他们套一个‘经典的’紧箍咒,料他们就不敢多言语了。学生嘛,凡是说听不懂的,都不让及格!这样若干年以后,就都是我们的人了。” 海森伯:“听闻中国有‘民科’一说。哪个敢来找麻烦,就给他戴一顶‘民科’的帽子!虽然中国的‘民科’是反对相对论的,但是我们可以抓住相对论当作挡箭牌,气死老爱因斯坦。” 泡利:“够损!” (欢迎改编、加长。) 附录 1 :搞笑 Pauli 这位先生是上个世纪少有的天才之一。 Pauli 同学出生于维也纳一个研究胶体化学的教授的家中,他的教父是著名的 Mach 先生。马赫先生被小爱同学称为相对论的先驱,虽然 Mach 先生并不给小爱这个面子,声称他对于相对论的相信程度,像他对分子论的相信程度一样。而众所周知, Mach 先生极端反对分子论,而这种反对是我们前面提到的那个统计物理的天才 Boltzmann 最终绝望而自杀的原因之一。 Pauli 幼年如何天才我们就不赘述了,他的第一篇文章是一片有关 Weyl 的关于引力和电磁场的规范理论的文章, Weyl 评价说这片文章带有强烈的 Pauli 风格。在 Pauli21 岁的时候,他为德国的《数学科学百科全书》写了一片长达 237 页的关于狭义和广义相对论的词条,该文直到今天仍然是该领域的经典文献之一, Einstein 曾经评价说, “ 任何该领域的专家都不会相信,该文出自一个仅 21 岁的青年之手,作者在文中显示出来的对这个领域的理解力,熟练的数学推导能力,对物理深刻的洞察力,使问题明晰的能力,系统的表述,对语言的把握,对该问题的完整处理,和对其评价,是任何一个人都会感到羡慕 . ” 少数年轻人大约以为这个物理学的王子的名字只是与不相容原理联系在 一起,甚至他们以为这个原理只是量子力学的一个推论。实际上,这个原理的提出是在 1925 年,甚至早于 Heisenberg 提出量子力学, Pauli 是用他天才的洞察力从浩如烟海的光谱数据中得出的不相容原理,其难度甚至远大过 Kepler 整理行星轨道的数据。 Pauli 的贡献遍及当时物理学的各个领域,他参与了量子力学的基础建设,量子场论的基础建设,相对论。 Pauli 似乎在物理学领域是一个征服者而不是一个殖民者,他大量的工作没有发表,而是遗留在私人信件里。今天我们能查到的信件中,我们发现大量这样的例子,他的关于矩阵力学和波动力学的等价性证明是写在给 Jordan 的信件里,测不准原理首先出现在他给 Heisenberg 的信件里, Dirac 的 Poisson 括号量子化被 HendrikKramers 独立发现,而他指出, Pauli 早就指出了这种对易关系的表示方法。或许有些天才的生命是注定短暂的, Pauli 生于 1900 年,于 1958 年去世,仅比他心中帝王晚去世 3 年,( Einstein1879-1955 ),他唯一的遗憾就是一生中觉得没有做出像他的 king 一样伟大的工作。仅以此怀念 Pauli 。 Pauli 的刻薄在圈内无人能敌, Heisenberg 得了 Nobel 奖以后经常还被他骂的狗血喷头。不过 Pauli 一生最遗憾的是,他是那个时代公认最聪明的物理学家,却没有做一个划时代的发现。他一生喜欢评论别人的东西,经常是一针见血,不过很可惜,他一生反对错了最重要的两件事情,一个电子自旋,一个宇称不守恒。可能一个人过于敏锐了,对于一些违反常规的想法有一种本能的抵制。 Pauli 估计是对学生太凶了,曾经批评学生的论文, " 连错误都算不上 " 。 不过 Pauli 有一点比较好:他对每个人都很刻薄,不会因人而异。有次 Einstein 作报告,做完了, Pauli 起立来了句,“ 看来 Einstein 不是很蠢。 ” Born 曾经认为, Pauli 也许是比 Einstein 还牛的科学家,不过他又补充说, Pauli 完全是另一类人, “ 在我看来,他不可能像 Einstein 一样伟大。 ” 那么 Pauli 是怎么看 Einstein 的呢?在 1945 年, Pauli 终于拿到了那个他觉得自己 20 年前就应该拿到的 Nobel 后, Princeton 高等研究院为 Pauli 开了庆祝会, Einstein 为此在会上演讲表示祝贺。 Pauli 后来写信给 Born 回忆这一段,说 “ 当时的情景就像物理学的王传位于他的继承者。 ” Pauli 倒是一点都不客气,认为自己就是继承者了。 Pauli 大概天生不适合作实验,据说他出现在哪里,那里的实验室仪器就会有故障。有一次, 某个老大的实验室仪器突然失灵 ( 忘了是谁了 ) 。他们就开玩笑说,今儿 Pauli 没来这地方啊!后来过了不久, Pauli 告诉他们,那天他乘坐的火车在那个时刻在他们的城市短暂停留了一下。 附录 2 :搞笑 Heisenberg 据说 Heisenberg 给自己弄了个墓志铭, “ Heliessomewherehere ” ;直译就是 他在这里,且在别处。不过明白不确定原理的人应该都知道这句话的意思 。 当博士当的最郁闷的莫过于 Heisenberg : 做实验答辩,结果委员会中有老师对他不满,差点没让他毕业。做理论,老板 Sommerfeld ,给了个做不出来的题目,湍流,差点不能完成任务。不过超人毕竟是超人 。 他在不知道怎么计算精确解的情况下,猜了一个近似解,毕业了。最后那个结果也被证明是正确的。
个人分类: 量子力学|7272 次阅读|11 个评论
有关泡利
热度 4 xiehuasheng 2012-9-15 02:18
关于泡利,一般最先是从听说“泡利不相容原理”这个名词开始。然后会了解到“上帝之鞭”、“物理学的良心”等八卦,如, 比上帝还挑剔的人——泡利的故事 。部分八卦内容在卢昌海的博文中写得很精彩: 让泡利敬重的三个半物理学家 , 泡利效应趣谈 。 这里补充几段。 1. 宇宙密码中一段 《宇宙密码:作为自然界语言的量子物理》,海因茨·R·帕格尔斯(Pagels.H.R.) (作者),赵凯华 (注释 解说词),郭竹第 (译者)。另,插一句,郭与赵为夫妻。 在哥本哈根的海森堡致力于用新的矩阵方法算出氢原子的光谱。玻尔已经解决了这个问题,但是看看新方法是否给出同样的结果是很有意思的。这个问题的解决落到了性急的、才能横溢的泡利头上。一个同事曾评论泡利说,没法来区别他的粗鲁和礼貌。他是一位无情的思想批评家,有时他在信上署上“上帝的怒责”。当泡利还在慕尼黑当索末菲的学生时,他为百科全书写的关于狭义相对论的文章就已使他赢得了科学声誉。有次爱因斯坦到慕尼黑讲演。讲演完毕时,十九岁的泡利站了起来说:“你要知道,爱因斯坦先生所讲的并不是那么蠢…”。后来当泡利在哥本哈根跟玻尔一起工作时,他总要和玻尔长时间的讨论。有次在和玻尔热烈争论以后,他对玻尔说:“闭嘴!你快变成白痴了!”“但是泡利…”玻尔辩护着。“不,这是愚蠢!我不想再多听一句话。”他就是这样一个人。 有泡利在场,智识的伪君子或者冒牌的思想家都呆不长。 不幸的是,甚至那些有着正确思想的物理学家也会被泡利打败,如果他认为他们是错的话。 2. 杨振宁与泡利的一段 后来我学会了对付他的办法:一定不要怕他。这样做之后,泡利和我保持着良好的关系。 详见: http://data.book.163.com/book/section/000BIAAd/000BIAAd48.html 3. 一张图 这张图我当时上传到相册,加的附注是“ 真的不是为了黑泡利,只是为了免于为自己的愚蠢自责~ ”。 另,张永德同志《量子菜根谭》第二讲对不积口德的伟大的泡利同志在势阱问题处理上进行了很文明的纠错。当然,对于泡利在这个问题上的处理,除了张的批评意见外,也还有支持的。有兴趣者可去细究看看。 哈,真希望自己身边能有一位泡利这样的家伙啊,能天天被骂stupid也不错。 再,有六卷泡利物理学讲义,(1) 电动力学(2)光学和电子论(3) 热力学和气体分子运动论(4)统计力学(5)波动力学(6)场量子化选题。也有中文翻译本。感兴趣者可去翻翻。 xiehuasheng 2012-09-15 02:14
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泡利与荣格
热度 7 yonglie 2011-5-5 08:44
泡利与荣格
收到几年前出版的一本“新书”的介绍: Pauli and Jung: The Meeting of Two Great Minds (by David Lindorff, Quest Books, Nov., 2004) , 题目就属于我喜欢的类型——把两个不同的人物进行比较。前些年有过一本题目更吸引人的 Einstein, Picasso: Space, Time, and the Beauty That Causes Havoc (by Author I. Miller, Basic Books, 2002) (有中译本),发现 老爱与老毕的共同点在于新的时空观 ;还有更一般的比较绘画、音乐和文学的 Neurology of the Arts (F. Clifford Rose, ed., Imperial College Press, 2004) ,它们替我说明了科学和艺术为何有那么相似的精神和形式。 我想当然认为,这本书也许会说明物理学家与心理学家有多少通融的东西—— 作者 David Lindorff 原在 MIT 读书,二战期间加入了辐射实验室,与物理学家一块儿做雷达,其中就有泡利的伙伴。后来的 25 年里,他在康涅狄格大学电气工程学院当老师,还写过《采样数据控制系统理论》( Theory of Sampled Data Control Systems ),把计算机作为动态的系统的单元来分析。他一直喜欢荣格心理学,退休后还跑到苏黎世去读荣格学院( C. G. Jung Institute ),然后在康涅狄格州 Storrs 开私人诊所。他还为 J ournal of Analytical Psychology 写文章,谈泡利、心理学、物质和共时性。他是新英格兰荣格分析师协会和国际分析心理学协会会员。他养了两条金鱼,就叫 Wolfgang 和 Carl (也就是泡利和荣格)。 而 泡利 呢,一直抱着一个 “ 心理物理学问题 ”,他认为科学应该多考虑“ 非理性现象 ”,从而 变得更讲道德。这个难题将他引向了荣格心理学——他的 共时性( synchronicity )理论假定巧合是对理性思维的可靠补充 。接下来的 20 年里,泡利与荣格书信往来,讨论心理物理学问题,讨论泡利的梦,还在原型层次上讨论灵魂与物质的象征关系。 【我以前买过几本荣格的书,可从来没看。临时找了个大课本( Introduction to Psychology, Exploration and Application , by Dennis Coon , 1995, 7th ed. )学了几段: 原型( archetype ) 在荣格那儿有特殊的含义, 与“ 集体潜意识 ”有关——他的老师弗洛伊德说的都是“ 个人潜意识 ”。后面说的“象征(符号)”是对那些集体无意识的情绪反应。荣格相信发现了 艺术、宗教、神话和梦境原型的符号。例如,一个男人梦见和妹妹跳舞,在弗老师看来是 a sign of incestuous feelings ,但在荣格同学看来,妹妹的形象代表了哥哥性格里的女性侧面,而那个梦代表了一切生命的 cosmic dance 。关于 synchronicity 的概念,课本里竟然只字未提,不过在网上能找到很多材料,如 http://en.wikipedia.org/wiki/Synchronicity ,我就不抄了——我似乎也有过类似的想法: 两个事件即使没有物理的联系,也可能有心理的联系 。】 这本书就是 Lindorff 对那些信件的解读,他站在两家的 实在观 上, 认为物理学的理性方法与潜意识的非理性方法统一起来 ,才是顶顶重要的——这个结论倒是一点儿也不令人惊奇。 泡利的同事在前言里说,泡利在荣格身上找到了同伴,但仍有很多东西不能明 白。我想这可以用来作为对这本书的“预期”——我还没看见书,但也许能从别人的身上找到一点儿自己的“潜意识”。
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[转载]宽容即宽容,与自信何干?(兼谈刻薄、偏执)
liuj589 2011-1-24 10:28
转自: http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=spaceuid=324673do=blogid=345680 参见 宽容来自于自信 , 可真老师指出: 有的人表面上看起来颇为自负,其实隐藏着一种根深蒂固的自卑心!正是这种自卑心才使其缺乏一种唯有自信之人才具有的内在力量;并且正是由于缺乏这种内在力量,才使其相应地缺乏一种只有自信之人才具有的对于他人的宽容心。 宽容来自于自信;刻薄根源于自卑。 其实,自负与自卑是哪跟哪的事儿? 与科学网上诸多学者不大一样,我是个技术工程师,多与自负的肉食者打交道,从未发现谁隐藏着一种根深蒂固的自卑心!倒是处处显露出根深蒂固的自大心。正是这种自大心才使其缺乏一种唯有宽容之人才具有的内在力量;并且正是由于缺乏这种内在力量,才使其相应地缺乏一种只有对于他人的宽容心。 而且,心理学家的调研数据也证实了这一点,他们发现,杀人犯、强奸犯和其它罪犯往往都是自大狂(显然,也常是无知、肤浅之徒),通常认为自己很强大,是特殊的精英人才,自傲,极具优越感,需要得到优先对待。但如果遭质疑,真实面目被揭穿,被轻视、贬低,他们就会被激怒,攻击、报复那些质疑、轻视他们的人,许多谋杀和暴力案件皆由此而生。 总之,宽容源自宽广、深厚的胸怀,与自信不相干?自卑者同样可以有宽容心,而且,由于自知不行,往往能在别人犯错后表现出更大的宽容心。 自信理应源于自身的实力,但也可能系自大所致,后者最缺乏宽容心,对社会危害最大(比如,对当今社会危害最大的群体。。。。。)。 刻薄绝非源于自卑,而是源于自身在相应方面的技能。既知自己的缺陷,自卑,那么则会小心翼翼地避开争锋,除非他傻,自取其辱。 有朋友在 宽容来自于自信 一文下留言: 宽容来自于理解, 刻薄来自于偏见。 其实,我倒是觉得: 刻薄来自于偏执 未必是好事,但也未必是坏事,很多科学家都是偏执狂,比如赫赫有名的物理学大家、诺贝尔奖得主泡利,就是个伟大的偏执狂,看看他如何刻薄其他科学家的吧: 一、据说,爱因斯坦在一次国际会议上做报告,结束后泡利站起来说:“我觉得爱因斯坦并不完全是愚蠢的。”   二、一次,在意大利物理学家塞格雷(后来发现反质子)的报告之后,泡利说:“我从来没有听过像你这么糟糕的报告。”塞格雷一言未发。 不过,这还没完,泡利想了一想,回身对同行的瑞士物理化学家布瑞斯彻说:“如果你来做报告,情况会更加糟糕。当然,你上次在苏黎世的开幕式报告除外。”   三、一次,泡利想去某地,但不知该怎么走,一位同事告诉了他。后来那位同事问他找到没有,他说:“不谈物理学的时候,你的思路应该说是清楚的。”   四、泡利对学生也很不客气。有一次,一位学生请泡利看自己的论文,过了两天,泡利把论文还给他时说 :“连错误都够不上。” 该批评被奉为经典,令很多以尖刻著称的批评家惊叹不已。   五、泡利说:“哦,这竟然没什么错。”,这通常表示一种高度赞许。有人编了一个笑话:泡利死后去见上帝,上帝把自己对世界的设计方案给他看,泡利看完后耸耸肩,说道:“你本来可以做得更好些……” 所以,说“ 刻薄根源于自卑” ,堪称 :“连错误都够不上。” 说到泡利,顺便提一下偏执之弊 李政道、杨振宁提出宇称不守恒后,泡利提问题,杨答不上,而且,顺着该思路,永远不可能答得上。所以,泡利在他给著名的原子核物理学家韦斯荷夫的一封私人的通信中写道:"我不相信上帝是一个左撇子,同时我准备用一大笔钱和你打赌,实验的结果将一定是电子的球形对称的分布。我看不出相互作用的强度与镜象对称性之间有任何逻辑上的联系。而且,即使在P衰变中抛弃了左右的对称性,也不见得会对K介子问题的解决有所帮助。" 但最终, 李政道、杨振宁却宇称不守恒而获得诺贝尔奖,也从理论上给予了完美解释,绕开了阻碍泡利的死胡同,换了个思路就解决了。 偏执,有时也会将人逼进死胡同,阻碍进步。
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泡利不相容的行为表现
yanghualei 2010-11-11 08:16
1..相对论的行为表现 处在参照系的 每个观察者都认为他们自己的重量没有增加,体积不会缩小以及时钟和规则完全是正常的,而只有其他每个人的重量才会增加,体积才会缩小以及时钟和规则是有问题的 即受相对论效应影响的,这也许是人一般不会否定自己,自己总不会错,错的只是别人,为自己行为找借口以及当局者迷,旁观者清的相对论基础。 2..泡利不相容的行为表现 一般一山不能容二虎,一个职位上只能有一个人看守, 假若一个山头能容下二虎则此山头必须是一个母老虎一个公老虎,母的自旋向上,公的自旋向下,假如能容纳的再多老虎时则多余的必须是虎崽 ,君子和而不同,小人同而不和,一个萝卜一个坑也是泡利不相容原理在人行为中的体现,不过泡利不相容只适应费米子。 3..制度造成行子轨迹的扭曲 制度会使得行子轨迹发生改变,背离原生态的人性,添加更多的辅助的、制度的人工人性,当你一行子从一约束很强的制度旁经过,则轨迹线必然弯曲,而弯曲度可以用曲率描述,以点名制度为例, 学生不上这门课的原因,要么老师讲的不好,要么对这门课不感兴趣,一旦老师借用点名制度来规制学生,并把出勤与学分挂钩,把学分与社会认同挂钩,将引致学生做一些自己原本不情愿的事 ,一般只有强大的内在惯性禀赋的人才能超脱这种制度所规避的行为造成的引力,最终引致兴趣与人性的扭曲。
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科学网批评,该科学至何等地步?
ljry8044 2010-7-4 22:17
可真兄在 杂谈:含沙射影的批评与指名道姓的批评 一文中指出 含沙射影地批评一个人的行为与指名道姓地批评一个人的行为,我绝对倾向于选择前者,因为这种选择是意味着虽然对这个人有反感,但这种反感是因于其人的某种行为,所以觉得该批判的不是这个人而是这个人的那种令人反感的行为。 所以,含沙射影地批评一个人的某种行为,实质上是把这种行为当作一种社会现象来进行反思和批判的,这是一种超越了私情的理性行为; 反之,指名道姓地批评一个人的某种行为,则是尚未超越私情的非理性行为。 注意,这可不是发自心灵的声音(可真之心,犹如其名,科学网最可知),而是可真兄委曲求全提出的有助于大家适应现实的合理建议(详细参看可真兄在 杂谈:含沙射影的批评与指名道姓的批 评 10楼的回复)。 批评时 ,“但如果事关重大人物,最好不提名字,否则不只是让大牛本身难堪,也让有关当局难堪,这是中国特殊的国情,这个国情就是:如果某人在大位上,别人就不宜在公开场合指名道姓地批评他。因为在传统政治观念中,在大位上的当权者是批评不得的“圣人”,无论他的级别是县太爷还是皇帝老儿。” 这就是中国当下最大的最致命的弊端所在,因为领导是圣人,是不会犯错的。凡有错误,都是社会现象,只能由老百姓来承担,当然,功劳还得归结予领导,也必是指名道姓的表扬。这必会导致一个虚伪失真的社会,当然也必是一反科学精神的社会。要知道,犯错为科学的常态,所以可证伪为科学的典型特征,真正的科学家都很清楚这一点,所以不怕别人指错,从来都勇于承认自己的错误,在不断证伪中不断进取,从而使得科学在促进社会生产力发展方面取得巨大的进步。 这个社会可以浮躁,可以失真,但科学网还得讲科学,当然也不能完全讲,因为有红线限制,可是,只要不触及红线,我还是建议多讲科学吧,就政治领域来说:“ 指名道姓地批评一个人的某种行为,则是尚未超越私情的非理性行为。 ” 但就科学网来说,恰恰相反,我们应有容许别人指名道姓批评的心胸,我们必须知道,只有傻瓜才会把自己塑造成用不犯错的圣人。这种傻瓜越多,社会越发落后,傻瓜越少,社会越发先进,越发真实、美好,从我们科学网做起吧。 所以,我建议,只要不涉及红线,还是指名道姓的好,含沙射影,胡乱攻击,不应是科学人的行径。 最后,讲点有关赫赫有名的物理学大家、诺贝尔奖得主泡利有关批评的故事吧:   一、据说,爱因斯坦在一次国际会议上做报告,结束后泡利站起来说:“我觉得爱因斯坦并不完全是愚蠢的。”   二、一次,在意大利物理学家塞格雷(后来发现反质子)的报告之后,泡利说:“我从来没有听过像你这么糟糕的报告。”塞格雷一言未发。 不过,这还没完,泡利想了一想,回身对同行的瑞士物理化学家布瑞斯彻说:“如果你来做报告,情况会更加糟糕。当然,你上次在苏黎世的开幕式报告除外。”   三、一次,泡利想去某地,但不知该怎么走,一位同事告诉了他。后来那位同事问他找到没有,他说:“不谈物理学的时候,你的思路应该说是清楚的。”   四、泡利对学生也很不客气。有一次,一位学生请泡利看自己的论文,过了两天,泡利把论文还给他时说 :“连错误都够不上。” 该批评被奉为经典,令很多以尖刻著称的批评家惊叹不已。   五、泡利说:“哦,这竟然没什么错。”,这通常表示一种高度赞许。有人编了一个笑话:泡利死后去见上帝,上帝把自己对世界的设计方案给他看,泡利看完后耸耸肩,说道:“你本来可以做得更好些……” 泡利虽然为人刻薄,语言尖锐,但这并不影响他在同时代物理学家心目中的地位。被泡利批评过的科学家从未因此而仇视泡利,因为他们是真正的科学家,比如爱因斯坦,虽被泡利批为“我觉得爱因斯坦并不完全是愚蠢的 ”,但仍称赞泡利为《数学科学百科全书》写了一片长达237页的关于狭义和广义相对论的词条为:“任何该领域的专家都不会相信,该文出自一个仅21岁的青年之手,作者在文中显示出来的对这个领域的理解力,熟练的数学推导能力,对物理深刻的洞察力,使问题明晰的能力,系统的表述,对语言的把握,对该问题的完整处理,和对其评价,是任何一个人都会感到羡慕。” 在那个天才辈出,群雄并起的物理学史上最辉煌的年代,英年早逝的泡利仍然是夜空中最耀眼的几颗巨星之一,以致在他死后很久,当物理学界又有新的进展时,人们还常常想起他:“不知道如果泡利还活着的话,对此又有什么高见。” 科学,从来都允许甚至鼓励耿直的批评,能被批评才是幸福,连错误都算不上,不够资格被批评才是不幸;含沙射影的人身攻击、恶意中伤、人格摸黑是政治家的卑劣行径。 希望我们科学网多点科学批评,少点政治攻击。
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