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楼主: langyanjun

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 楼主| 发表于 2019-5-27 17:17:01 | 显示全部楼层
                                           量子迷宫(21)
    量子理论正统的哥本哈根诠释对于波函数塌缩问题沉默不语。故而这一领域是完全开放的。任何说法,不管多么奇特,只要其产生的理论与迄今被实验证实的量子理论的预测不想矛盾,原则上都是正当的。对塌缩我们可以尝试采取客观的态度。GRW理论和彭罗斯的建议是这种方法的良好例子,但是要记着,除了我们具有的微观世界理论与我们的宏观世界经验格格不入之外,没有任何先验的理由表明,我们应当在被观察的量子对象与测量装置之间做出区分,无论这种区分是基于研究对象的尺度,或者涉及粒子数目,或时空曲率。然而,宏观测量器件毫无疑问是由微观量子实体构成的,因此应当服从量子理论定则——除非我们在这个理论中特别加上了什么来改变那些定则。要是结果不是如此奇特,我们大概也就没有什么困难接受这样的观点:量子理论应当适用于大物体,如同适用于原子和分子一样。事实上,冯.诺伊曼非常愿意接受这一点。P.224
    依照冯.诺伊曼:当波函数与意识相互作用时波函数方才塌缩。就是在这里,冯.诺伊曼跨越了根本哈根诠释。很难找到这一结论背后的逻辑破绽,至少在数学上是如此。P.225
    有意识的观察者似乎不服从支配无生命物体的物理学定律——魏格纳提出由他的朋友代他去观察实验结果,他再去问他的朋友;魏格纳提出第二个论据来支持这种观点。在物理世界里,作用于一个物体而无某种反应,在物理上是不可能的。意识应当与此不同吗?意识心灵在塌缩波函数中的作用,虽然很小,但立刻产生了反应——系统状态的知识不可逆(和不可消除)的在观察者的头脑里产生了P.227
    笛卡尔断言:我思故我在。而当笛卡尔对他作为一个意识实体存在的真实性有信心的同时,他却不能相信他的感觉向他的心灵揭示的事物的面貌---笛卡尔哲学中的心身二元论(笛卡尔二元论)与中世纪基督教相信灵魂或心灵基本一致。“我思故我在”是通过一个过程达到的,而这个过程似乎包含着依照他自己的准则不能成立的假设。这一陈述也是预言的梦魇,因此,正如后来的逻辑实证主义者显然自得的证明的,毫无意义。P.228
    哲学家丹尼特:“对我来说,二元论最糟的特点是其根本上反科学的立场,这也就是为什么------我采取明显武断的规则即二元论必须不惜一切代价予以避免的缘故。这并不是我认为我能够给出一个压倒性的证明,证明一切形式的二元论都是虚妄或矛盾的,而是因为,既然二元论已经沉溺在玄虚之中,接受它等于放弃”。真正的问题倒不是二元论的反科学立场,而是那种存在某种心灵中央“控制室”的概念十分诱人。P.229
    人的错觉,对我们理解意识提出了一些有趣的问题。丹尼特毫不讳言,多重草稿模型(读者注:指面对输入大脑的诸多信息,大脑只打草稿,且没有哪一个草稿会完成)是想用一组隐喻去替代另一组隐喻,但认为隐喻是我们构建认识的工具。P.230
    现在我们要更小心的区分我们在说到“意识”或“心灵”时它们的含义。意识是即时的,心灵(有争议的)是意识长期作用的结果,是长期记忆积淀的结果,是定义我们作为独特的个体、给予我们持续的自我意识的经验的综合。P.231
    我们逐渐理解脑功能和活动的许多细节,但是,我们仍然苦于缺乏关于意识的充分发展的物理学理论。为了说明我们已经知道的东西,我们将回到魏格纳的朋友(如果他真的是在失去知觉的状态,那我们已经忽略他太久了)那里,并勾勒出意识的一种科学理论框架,这种理论框架已经被神经科学家格林菲尔德普及化了。P.232
    我们也许缺乏意识的正规的科学解释,但是我们确有关于脑基本功能和活动的比较详细的知识。AI(人工智能)研究的基本目的,是出于一种更实际的需要,即发展机器人系统来代替人的工作,同时发展所谓专家系统,即基本上把专家的知识包含在软件里的那种方法。AI也被认为是较好认识人类智慧、意识和心灵的一条途径。P.234
    所有证据显示,没有情感,意识是不可能的。P.235
    彭罗斯指出,在基本数学逻辑“法则”之内理解数学是不可能的。理解数学需要其他的因素如洞见和直觉,而这些因为不是数学形式逻辑框架的一部分,是不可计算的。为在物理上阐明意识,彭罗斯把两个现代的谜拼在一起,认为意识事件是波函数的客观缩减。彭罗斯和麻醉学家哈梅罗夫一起,认为微管(位于体内包括神经元的几乎每一个细胞中心的蛋白质微细管)是量子叠加可能遭受自发的客观缩减之所在。“客观”是因为,在脑里至少没有观察者---彭罗斯的这些观点,不过是一种设想而已,为了评估这种意识的量子基础的可信性,看来第一部是先要设计实验,以便确定客观缩减本身是不是量子物理学的一个特点。P.236
    强AI观是完全决定论,认为我们每个个体的个性、行为、思想、活动、情感等,都该是原理上可追溯到一个或多个物质原因的效应。我们已经看到,爱因斯坦本人是一位实在论者,也是决定论者,因此拒绝自由意志的观念---经典物理学画出了一副宇宙图画,在那副图。画里,我们不过是宏大的宇宙机器里无足轻重的小轮牙。然而,量子物理学可以画出一副不同的图画,也许能使我们多少恢复一点儿自尊。摆脱因果性和决定论,代之以不确定性所体现的非决定论,一个系统的未来发展智能以概率来预测了。P.237
    如果我们接受冯.诺伊曼和魏格纳关于意识在量子物理学中所起作用的观点,我们的意识本身就变成了宇宙中最重要的东西。道理十分简单:没有具有意识的观察者,就根本没有物理实在。我们不再是那个不由我们设计、我们也不知其目的的实在里被迫无休止的磨来磨去的渺小的轮牙,我们成了宇宙的创造者,我们是主人。可是,不要就此走得太远。尽管明显的改变了角色,由此未必得出我们在量子物理学里有许多自由选择的结论。当波函数塌缩时,它是以一种似乎超越我们控制、不可预测的方式发生的。虽然我们的心灵对于某一特定实在的现实是基本的,我们事先却不能知道或决定量子测量的结果将会是什么。除了选择测量本征态,我们不能选择我们希望看到的哪一类实在,我们对于物质的唯一影响是让它变为实在,只能是我们准备接受各种各样的超常现象,看来我们不能让物质俯就我们的意志。P.238
    读者感言:哲学问题,现在已经和最前沿的科学问题纠缠在一起了,甚至日常的或通常的一些问题,比如教育中常听到的“让真正的学习发生”,什么是真正的学习、也有其浑厚的科学和哲学根基——当你追索它的时候就发现了:呵呵,这还是科学最前沿的东西哩。
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 楼主| 发表于 2019-5-30 10:29:54 | 显示全部楼层
                                                        量子迷宫(22)
    爱因斯坦评论量子理论及其诠释的最著名的一句话是“上帝不玩骰子”。玻尔响应比较不那么著名:“但无论如何,也不能由我们来告诉上帝,他该如何运转这世界。”P.238
    爱因斯坦的上帝不是传统的中世纪犹太教或基督教的上帝,而是一位与自然等同的非拟人化的上帝:上帝或自然——如17世纪哲学家斯宾诺莎所说。P.239
斯宾诺莎在17世纪的观念和21世纪的思想倒很一致。他的上帝不是无所不知、无所不在的犹太-基督教传统的上帝,那个上帝常常被想象为全知全能而又具有许多人一般的属性(比如心灵和意志)。斯宾诺莎的上帝是自然中一切东西的体现。上帝不在自然之外,不塑造支配宇宙的基本物理学定律——上帝就是自然。在其不能在基本物理定律以外行使自由意志这个意义上,上帝不是自由的主体;在其存在不依赖于外部实有或存在这个意义上,上帝是自由的——它是它自己的原因。它是宿命的上帝,因为它的行动决定于它的性质。这就是让那个大多数西方科学家感到比较自在的那种上帝,如果到头来必须接受上帝的话。P.241
    如果有的读者从上帝主宰着量子世界的明显不确定性这种想法中获得一些安慰,不管是斯宾诺莎的上帝,还是更传统的宗教意义上的上帝(西方的或东方的),那是属于他们个人信仰的事。P.243
    波函数塌缩的概念由冯.诺伊曼在20世纪30年代初引入量子理论,从此成为量子理论正统诠释的一个组成部分。但是倘若我们问自己,有什么证据证明塌缩是一种实在的物理现象,我们必须承认我们没有。塌缩的概念是为了解释下述事实所必需:一个在测量过程之前原本处于线性叠加态的量子系统,如何在测量过程发生后变为处于一个且仅一个测量本征态的量子系统。P.244
    与冯.诺伊曼和魏格纳的测量理论中给予观察者的特殊作用完全不同,在埃弗雷特的诠释中,观察者不过是一件精巧的测量器件。就其对量子系统物理过程的效应而言,一名有意识的观察者与任何能够在其记忆里储存实验结果的无生命的自动记录器件没有什么不同。P.245
    在埃弗雷特的量子理论表达中,量子系统的实在性是毫无疑问的。如果没有塌缩,总状态矢量叠加中的每一项都是实在的:所有的实验结果均被实现。回头看看薛定谔猫佯谬:猫不是同时活和死,它在世界的一个分支里活着,在另一个分支里死了。为何观察者不对世界在测量时刻分裂为两个分支保持某种知觉呢?---世界的分支是不可观察的——分支世界的概念与我们的日常经验相矛盾,但埃弗雷特维护他的观点,指出哥白尼提出地球围绕太阳转受到批评是因为地球居民感受不到地球的运动,而牛顿力学解释了为什么我们不能感受得到。类似的,量子力学解释了我们为何不能感知世界分裂为不同的分支。P.247
    在埃弗雷特发表他的理论时,他说观察者状态“分支”为不同的状态。其后更新的变本中,我们熟悉的那个世界只是巨量(可能是无数个)平行世界中的一个。这样,不是世界因量子跃迁分裂为不同的分支,而是叠加的不同项在已经存在的平行世界之间的分配。P.248
    贝尔不等式推导找你哥隐含的假设是,波函数一经塌缩,光子处于一个世界里的一种且仅一种量子态。在多世界诠释里,没有塌缩,光子处于不同世界里的所有可能的不同量子态。那些赞成多世界的人说,实验观察到违反贝尔不等式(以及类似的,GHZ三光子态实验的 结果)不是量子非定域性的证据。那是多世界的证据。P.252
因为不能获得多世界存在的直接证据,我们似乎确实再也无法前进了。于是我们慌不择路的去乞灵于那些实在是比较形而上学的方法。但物理学家在1997年8月的一次量子力学讨论会上进行的一次非正式调查发现,就普及性而言,多世界诠释近在哥本哈根诠释之后排第二位。P.256
    量子理论的应用产生了宇宙量子态的描述并建立了量子宇宙学。大爆炸后的早期阶段,它是炽热和致密的,且尺度可与量子实体相提并论。不予质量和一你离以适当的考虑,宇宙量子理论是根本不可能的。爱因斯坦相对论的量子化(一种爱因斯坦一直认为“孩子气”的方法)立刻导致深刻的矛盾。在最初的一些尝试中,自由放弃爱因斯坦原来建立其广义相对论的四维时空结构,方可取得进展。1967年,德威特发表了一个方程式,其实是总能量为零时的宇宙的定态薛定谔方程。这是一个三维空间里的方程,其中时间消失了。P.257
    在广义相对论里时间与空间需要平等看待这种说法已广为流传。但事实上时间和空间仍是非常不同的。时空间隔可以是虚数i,它是时间间隔的标志,且可视为空间和时间在四维时空中并未变为不可区分维度的证据,从而将四维时空变为四维空间。这使量子方法如费恩曼的历史求和可被相容的应用---一种叫做“解析延拓”的方法被用来将四个空间维之一(记为“虚时”)转换为时间维---但是仍然需要初态的知识,霍金和哈特尔1983年提出了一条走出这条死胡同的方法。在他们的“无边界建议”中,他们只考虑映射到终态时空几何的四几何。结果是一个从“无”产生这些终态特性的宇宙波函数和相应的概率,这里的“无”是指没有空间和时间。在总和里作出特别大贡献的集合称为瞬子。它们可用来描述小宇宙从无的自发产生。P.258
    如果许多物理上不同的世界包含着你的意识自我的许多版本,或者一个世界载有你自己意识的许多变本这种概念,让你气馁,则请安心,还有不求助于这种明显的精神分裂的其他方法。盖尔曼描述了这样一种方法:“‘许多世界’的描述,但我们相信‘宇宙的许多不同的历史’才是其真正的含义。”P.259
如果我们承认某些可能的历史是“粒子史”(包含“哪条道”轨道),另外一些是“波动史(造成干涉效应)”,那么相容历史诠释就是玻尔互补原理用概率语言的重新陈述。这看来支持了格里菲斯的说法:相容历史是“地道的哥本哈根”——自从格里菲斯在1984年首次提出以来,这一诠释已经经过了许多改进。P262
彭罗斯在其《大、小和人的心灵》一书中,用一个简单的立方体表示物理学理论以及它们之间的关系:上顶-下底对应经典力学-量子力学,前面-后面对应相对论-非相对论,左右面对应引力-非引力。此图的首要目的是显示在每一种理论中观察者的地位(读者注:图中以一只在不同面上的大眼睛表示)。P.263
    另一种观点是,量子理论最通常的诠释性质上基本上是反实在论的,而狭义和广义相对论是实在论的。当我们试图把量子场论与广义相对论融合时产生的问题,部分的源于这两种理论所包含的概念在意义上的根本对立。所以多世界那一类诠释就有了吸引力,它们原封不动的保留量子系统时间演变的单一描述,又避免了塌缩假设的瞬间投影。然而,已经取得了一些进展,立方体图说明了已经采取的通向量子引力理论的各种方向。从量子场论出发的方法(沿底面边运动)引向弦论的发展。从广义相对论出发(从前面自顶向下沿边缘运动)引向了一种称为环量子引力的结构,在一些方面与弦论相容。两种理论都提供了所谓普朗克尺度(10-33cm和10-43s)上的空间和时间的描述。在这样难以置信的小尺度上,不确定性原理容许非常大的真空涨落。巨量能量(E=mc2)可被“借用”,严重弯曲了时空,产生各种各样被惠勒形象的称之为“时空泡沫”的管和隧道。P.264
    还有通向量子引力的第三条道路。这条道路放弃以量子场论和广义相对论作为合法起点。受到在量子理论中通过改变其逻辑结构恢复一些“实在论味道”的兴趣的推动,应用一种数学范畴论的拓普斯理论的变本,结果是一种更为实在的量子理论(由此降低了与广义相对论的不相容性),它保留了哥本哈根诠释的语境依赖,同时为物理量赋值——哥本哈根不会接受。使这一切调和起来的是采用一种逻辑,有关物理量之值的命定可以不是不是非“真”即“假”。P.265
    结语:量子理论是在一种被着本质上非经典的现象塞进“不可能的”经典结构里去的不顾一切的行动中出现的。这种结构最终在20世纪30年代被摒弃,取而代之的,是一种量子表达和一种诠释。这种表达强于数学严格性,但弱于物理直觉;这种诠释,因为遭到爱因斯坦不断的探究和深刻尖锐的批评,逐渐变得具有强烈的反实在论性质。20世纪很长一段时间里,反实在论占据显著的优势。但“哥本哈根精神”的桎梏逐渐松动了,少数人的好问天性克服了多数人的小心翼翼。值得注意的是,虽然非定域性原理受到了越来越精妙的实验的支持,这些实验的结果病没有导致哥本哈根诠释替代理论的废弃。P.266
    结语:新一代物理学家和宇宙学家与量子概念的较量不逊于他们的前辈,并且常常发现他们进入了无数的死胡同。物理学的分裂继续存在,例如像彭罗斯等理论家的实在论与霍金等的反实在论的对峙。我们已经到达了我们这次量子理论意义游览的终点。希望这对你是一次享受。---不管实验科学的情形如何,反实在论的经验实在的观念与实在论的独立实在的观念之间的冲突,永远不可能化解---我本人不会因为出现有赖于观察者或测量器件的实在这样一种可能性,而甚感烦恼。但是我不苟同那些标志着反实在论的不妥协的观点---就像一切信仰行动一样,寻求独立实在是在追求一种永远不能达到的目标。这可不是说,这不大值得。恰恰相反,当从教条的桎梏中解放出来,正是通过这种追寻不可能达到的目标的过程,才使科学获得真正的进步。P.267
    结语:就量子理论而言,我个人的看法是,我们对物理世界仍然知道得不多,不足以对其意义作出睿智的判断。---广义相对论和量子场论间严重的不相容;这是不可容忍的,应当在量子宇宙学和量子引力的任何有效结构中得到解决。我的建议是紧盯时间:我们好像还没有给它一个很好的解释。事实上,有些人认为时间本身就是一种错觉。这并不是说,较好的理解时间将自动的解决量子理论的一切概念问题。我想,时间会告诉我们。P.268
    读者感言:本书大概是写给物理学本科和研究生的科普读物,出版于2012年,那一年恰好是“上帝粒子——希格斯粒子”被发现,但该书未提及。本书中最优秀的人类大脑认为量子通信(利用纠缠光子进行的通信)是不可能的,但现在,我们国家已经实现了京沪两地一千多公里的“量子通讯”,可见科学和技术的突飞猛进是哪怕任何一个顶尖的权威人物所不可预见到的——虽然我们已经实现的京沪一千多公里的“量子通讯”据称(我从什么对方读到的来?记不清楚了)不是量子力学意义上的那种量子的通信。
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发表于 2019-5-30 16:52:23 | 显示全部楼层
欢迎科普这些知识!

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呵呵,在这个论坛里,老面孔不多了,你是其中之一  发表于 2019-6-10 16:08
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 楼主| 发表于 2019-6-5 14:12:00 | 显示全部楼层
                                                                  宇宙之美(1)
    《宇宙之美》是河南科技大教师巩晓阳写的科普书,2018年5月第1版、2019年1月第3次印刷,电子工业出版社出版。本书内容分三大部分:地外生命、黑洞、虫洞,它建立在物理学理论基础上旨在把物理学研究宇宙方面的新成果和前沿知识,用通俗易懂的语言介绍给读者。
    虽然作者声称“未经许可,不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容”,但我既不摘抄它牟利也无其他企图,所以还是将其摘抄记录下来:
    一、地外生命
    人类最早与外界联系可追溯到1960年美国实施的“奥兹玛计划”,用位于西弗尼亚的绿堤电波 望远镜搜寻地外文明,即通过无线电波搜寻临近太阳系的生物标志信号。P.5
    1967年英国剑桥大学女研究生贝尔,用射电天线接受外来信号,得到了一个等间隔(1.337s)的脉冲信号,认为这可能是宇宙中外星人在发报,并将其称为小绿人。后来人们1.337s就是天体(脉冲星)转动的周期。P.7-8
    首先提出中子星想法的是苏联的朗道(他于1962年获得诺贝尔奖),后来的奥本海默(被称为“原子弹之父”),他们预言中子星的密度最高可达1014g/cm3,也就是脉冲星。进一步的观测表明“蟹状星云”正在膨胀,计算表明它的膨胀始于公元1063年左右,它是超新星爆发时抛出来的气体壳层。而我国《宋会要辑稿》记载,1054年在金牛星附近出现亮光,白天也能看到,直到1056年才消失。它为超新星爆发理论提供了坚实的依据,得到国际公认。P.9
    1972年和1973年美国发射先驱者10号和11号宇宙飞船,完成了对土星和木星探测,于1988年飞出太阳系。希望有朝一日哪一个地外文明截住它们,获得地球的信息。所以,这两艘飞船上都携带了地球人自我介绍的名片。P.12-13
    1977年美国将两个航天器“旅行者1号”和“旅行者2号”送入太空(因70年代木星、土星、天王星和海王星位于太阳的同一侧并呈几何排列,这意味着一次航行即可同时造访它们)。旅行者号上面载有“地球之音”的光盘,光盘上的信息非常丰富。P.14-15
    48个地球年后,即公元2025年左右,我们将不再收到旅行者号的任何信息。据科学家推算,38295个地球年后,即公元40272年左右,“旅行者1号”将会接近小熊星座AC+793888.4万个地球年后,即公元41977年左右,“旅行者2号”将会接近仙女座红矮星ROSE248.数万年的旅程,跨度约1.7光年,而目前人类已知宇宙直径高达910亿光年,1.7光年只是人类迈出家门的小小一步。P.18
    确切的说,不是O2造就了生命,而是生命造就了O2,原始生命不是依赖氧的,O2不是生命必备条件。P.22
     距离太阳最近的4颗类地行星的许多特性与地球相似:质量小、密度大、表层覆盖坚硬的岩石外壳,所以它们也称为岩石星体。P.26
    太阳系外部的类木行星没有类地行星的硅酸盐内壳,基本上是由气态和液态物质组成,它们体积宏大、密度较小,而且它们都拥有众多的卫星。它们也称为气态星体。P.36
    在火星和木星之间的同一轨道上,存在成千上万的小行星,它们环绕太阳组成了一个美丽的小行星带。P.50
    自人类在20世纪90年代初探测到第一颗地外行星以来,截止2017年2月15日,天文学家已经在2687颗恒星周围发现了5000多颗地外行星,和地球尺寸大小差不多的行星占20%左右。P.55
    银河系的年龄为10×109~15×109年,包含1011颗恒星,其中与太阳极其相似的恒星至少有数十亿颗,这些恒星中至少有数千万颗周围有行星绕其运行,这些行星中至少又有数百颗具有生命生存的条件。这样,银河系中至少存在数百个文明社会。但自人类斥巨资搜寻地外文明以来,至今尚未发现任何地外文明。P.57-58
    2018年发射韦伯红外太空望远镜(探索地外行星及生命),正在建设中的下一代光学红外望远镜,同时2018年地外行星凌星巡天卫星发射,众多的地面、地外行星搜寻计划将为韦伯望远镜的深入观测提供更多的目标。由俄罗斯富豪和众多科学家联合推动的地外生命搜寻计划,也一直在利用地面上的各种大型天文设备搜寻着宇宙中的智能人造信号。P.61-62
    读者感言:公众号《学习强国》上有人撰文称,我们国家科普的常规化时代,已经到来;确实,人们应该有一些各个领域里的常识性的东西,水涨船高,如此高精尖的思想及技术才有社会根基,才能可持续的发展。
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 楼主| 发表于 2019-6-6 10:40:34 | 显示全部楼层
                                                  宇宙之美(2)
    二、黑洞
    2016年2月11日,美国人宣布他们利用高级LIGO探测器,首次探测到来自双黑洞合并的引力波信号。这次探测到的引力波来自13亿光年之外的两个分别为29个太阳质量与36个太阳质量的黑洞,它们合并成一个62个太阳质量的黑洞,损失的3个太阳质量的能量以引力波的形式释放出去。2017年,诺贝尔物理学奖颁给美国科学家雷纳、韦斯、巴里、巴里什和基普、索恩,以表彰他们为“激光干涉引力波天文台”(LIGO)项目和发现引力波所做的贡献。P.65
    黑洞和引力波的概念都是物理学理论的预言,1915年广义相对论问世,其预言的实验结果逐渐被一一证实,而引力波的预言被证实则经过了100余年,我们不得不得不为物理学理论的高深精妙感到叹服,同时,谁又能想到这些结论会给未来什么样的改变呢?P.66
    2000多年前,中国的《淮南子》中写道:“四方上下曰宇,古往今来曰宙”。1929年,哈勃发现河外星系的视向退行速度v与其至地球的距离D成正比,即v=H0.D.它称为哈勃定理,H0为哈勃常数。P.67
    1948年伽莫夫(苏联物理学家,1933年离开苏联定居美国)提出宇宙早期是“原始火球”,最后演变为我们现在的宇宙,这就是宇宙大爆炸学说。有趣的是,“宇宙大爆炸”的名字却来自于它的反对派——英国物理学家霍伊尔,霍伊尔坚持“稳恒态宇宙模型”,认为如果宇宙从“原始火球”开始膨胀无异于一次大爆炸。这句玩笑或嘲笑的话却成了伽莫夫理论的名字。尽管霍伊尔到死不认同。但随着实验对大爆炸模型的验证(尤其是三大支柱:哈勃观测到的宇宙膨胀、宇宙背景辐射的发现,以及太初核合成理论对元素丰度的预测),让现代天体物理学普遍认为大爆炸模型揭示的是宇宙形成较真实的情景。P.69
    变星是发出的光有周期性变化的恒星,有一类变星的发光规律非常确定,称为造父变星。秒差距是物理学中更常用的距离单位,用pc表示,意义是:从一个远方星体上来看地球和太阳,太阳雨地球之间的最大张角为1角秒(1")时,这个星球和地球的距离是1pc,1pc≈3.259光年。P.69
    视星等采用对数标度,其中肉眼所能看到的最暗天体定义为6等,比这一天体亮100倍的天体定义为1等,中间有5个等级。太阳的视星等为-26.73.P.73
天文学家描绘了恒星从诞生、成长到衰亡的演化路径,并从理论上给出了恒星从诞生到主序星(太阳现在在这个位置)、红巨星、变星、新星(超新星)、致密星(白矮星或中子星或黑洞)的演化机制和模型,这是人类认识恒星世界奥秘的一个重大突破。P.75
    钱德拉塞卡与钱德拉塞卡极限。印度物理学家钱德拉塞卡19岁那年,因成绩优异获政府奖学金只身前往英国剑桥大学求学,在长达十几天的航行中他奇迹般的计算出,当恒星质量超过某一上限,它的最终归宿将不是白矮星—当时认定白矮星是一切恒星演化的最终阶段。钱德拉塞卡的计算表明,白矮星的稳定性有一个质量极限(此值以内,电子因泡利不相容原理而抗衡引力),约为1.4个太阳质量,即1.4M⊙.当恒星质量大于这个极限,电子简并压力便不能阻挡引力塌缩。因此,1.4M⊙称为钱德拉塞卡极限。经过在剑桥的学习,钱德拉塞卡逐步完善了自己的发现。在1935年皇家天文学会上,这名24岁的青年终于得到宣读自己论文的机会。但当时天体物理学界的权威、为恒星演化理论作出重要贡献的英国天文学家爱丁顿走上讲台当众把钱德拉塞卡的讲稿撕成两半,宣称其理论全盘皆错。1937年,他到芝加哥大学后不久,就把自己的理论写进一本书中,再不去理会它。这一直是钱德拉塞卡的习惯,当一个理论研究完,他就把理论写进书中,然后投入到下一个理论的研究中。差不多30年后,这个后来背称为“钱德拉塞卡极限”的发现得到了天体物理学界的公认。又过了20年,钱德拉塞卡获得了诺贝尔奖。1983年,当他从瑞典国王手中接过诺贝尔奖章时,已是两鬓斑白的垂垂老者。此时,回顾年轻时的挫折,钱德拉塞卡说:“假如当时爱丁顿同意自然界有黑洞------这种结局对天文学是有益的。但我不认为对我个人有益------我的确不知道在那种(成功的)诱惑魔力面前我会怎么样”因此他一生谨慎、谦逊和勤奋。每天他至少工作12小时,一周工作7天,花费10年左右,得到“某种见解”以后才罢休。直到60多岁,钱德拉塞卡仍定期的把精力转向以前从未涉足的新领域。他的教学同样以严谨和一丝不苟著称,一个有名的故事是:20世纪40年代中后期,钱德拉塞卡每星期从叶凯士天文台驱车数百公里到芝加哥大学为只有两名学生的班级上课。而1957年的诺贝尔物理学奖,就授予了这个班级仅有的两名学生——杨振宁和李政道。钱德拉塞卡一生因孤独而优雅,或许,只有一名物理学家,才能拥有如此优雅的美感。P.84-86
    奥本海默和奥本海默极限。1939年,美国物理学家奥本海默提出,核心质量超过钱德拉塞卡极限但小于3.2M⊙的恒星,其最后归宿不是白矮星,它会继续塌缩成体积极小、质量和密度极大的小球——中子星。因此把3.2M⊙称为奥本海默极限。P.87
    天狼星离地球较近,约为9光年。1834年发现它绕一个小圆圈做周期运动。1844年,德国天文学家贝塞尔根据它的移动路径出现的波浪图形推断天狼星是一颗双星。2005年,利用哈勃太空望远镜首次对天狼B星进行了精确测量。测量结果表明,天狼B星的质量几乎相当于太阳的质量,直径小于地球直径,引力是地球引力场的35倍,表面温度2.5万摄氏度,其内部已经没有能量生成,冷却过程需多于2亿年,直到成为黑矮星。当它还是主序星时,估计有5个太阳大,当它是红巨星的时候,可能增加了其伴星天狼A星的金属量。黑矮星实际上是由碳和氧组成的巨大金刚石。迄今为止,人类发现的白矮星数量占恒星的十分之一,但没有找到一颗黑矮星,原因是宇宙寿命约为137亿年,而白矮星冷却到黑矮星大约需要100亿年,可能目前一颗黑矮星也没有形成。P.90-91
    质量超过1.4M⊙而小于3M⊙的恒星,不会塌缩成一个点,其电子会被压如原子核中,与核力的质子“中和”成中子,形成一颗主要由中子构成的星——中子星。当巨大的主序星塌缩成中子星时,恒星具有的磁场在星体塌缩中依然保持,我们接受到的脉冲信号,就是其电磁辐射扫过地球形成的。因此,脉冲星就是中子星。P.92-93
核心质量超过3.2M⊙的恒星,将演化为黑洞。黑洞中部是真空,物质聚集在奇点,如何防止塌缩未知。P.95
    质量超过8M⊙的主序星,演化到晚期,才可能发生超新星爆发,成为中子星或黑洞。P.96
    黑洞是广义相对论的一个理论预言,之后在研究恒星演化和观测中被逐渐证实。P.98
    迈克尔逊-莫雷利用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值,结果证明光速在不同惯性系和不同方向上是相同的,由此否认了以太(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为近代物理学的开端。迈克尔逊干涉仪迄今为止仍是测量微小距离的最为精确的方法和仪器,它是一种分振幅双光束干涉仪。P.100
LIGO是位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的双胞胎观测台。两个站之间距离3000km,如果两台观测仪都观测到了引力波,一方面可以更加确实,另一方面会有一个微小的时差,通过这个时差,就能确定引力波来自何方。LIGO的工作原理就是迈克尔逊干涉仪。P.102
    狭义相对论不仅完美解释了迈克尔逊-莫雷实验的结果,也将物理学理论提高到一个新高度,但爱因斯坦本人却冷静的看到自己理论的缺陷:首先作为相对论基础的惯性系无法定义,其次万有引力定律纳不进相对论框架。P.110
    所有参考系都是平权的,物理定律必须具有适用于任何参考系的性质,这条原理称为广义相对论原理。P.116
    等效原理,引力效应可能是一种几何效应,万有引力不是一般的力,而是时空弯曲的表现。P.121
    爱因斯坦给出的一个基本场方程:Rµv-1/2gµvR=kTµv.式中,K与万有引力常数G有关,k=8πG/c4,c为光速,Rµv、gµv、R、Tµv为张量。P.125
    爱因斯坦在1915年发表广义相对论时,求出了场方程的一些近似解,同时提出了检验广义相对论的三个实验:引力红移、行星轨道近日点进动、光线偏折。这三个实验均被观测证实。2015年底LIGO直接观测到双黑洞合并并产生的引力波,更是填补了广义相对论检验验证的最后一块缺失的拼图。P.129
    广义相对论形式优美,概念奇特,无疑是物理理论中的上乘之作。但早年的经典验证都属于对牛顿力学数量级极小的修正,因而它在相当一段时间内受到冷落。只有在宇宙、黑洞这样的领域,它才大显神威。P.134
    黑洞强大的引力场足以摧毁其内部的一切物质形态,扫去一切复杂的物质结构,刮去“毛发”,使结构变得简单,只剩下质量、电荷及角动量。惠勒将黑洞的这种特征称为“黑洞无毛”(也可以说只有M、Q、J三根毛)。后来被人们称为“黑洞无毛定理”然而,黑洞并不是没有任何辐射。质量越大,温度越低,辐射越弱;质量越小、温度越高,辐射越强。P.138
    黑洞看不见,只能间接观测。目前观测黑洞的方法有三种:1、双星吸积,2、X射线暴,3、引力透镜。P.140
    结束语:广义相对论的解只表示r=rs=2Gm"/c2内是洞,但时间向里是黑洞,时间向外是白洞。黑洞吞噬物质和光是最“自私”的怪物,白洞向外涌出高能物质和光线是最“慷慨”的天体。如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径即视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中,这种结构意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。而这个弯曲的视界,就称为史瓦西喉,它是一种特定的虫洞。爱因斯坦和罗森(爱因斯坦的助手)计算出互不通信息的两个宇宙由“喉”相连,即“爱因斯坦-罗森桥”,预言了虫洞的存在。虫洞的端口就是黑洞和白洞,就是源和汇。P.145
    读者感言:中国人写的科普,容易读懂。
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 楼主| 发表于 2019-6-10 14:55:04 | 显示全部楼层
                                                     宇宙之美(3)
    三、虫洞
    爱因斯坦-罗森桥:上面的片(曲面)是一个宇宙,下面的片是另一个宇宙,中间是一个喉状结构,通过此喉可以从一个宇宙达到另一个宇宙。但爱因斯坦和罗森的用意如他们在1935年发表的《广义相对论中的粒子问题》所明示的,跟星际旅行毫不相干。爱因斯坦晚年的研究的核心课题之一就是试图将场和粒子统一起来。P.151
    爱因斯坦-罗森桥被称为“不可穿越的虫洞”,原因是爱因斯坦和罗森是通过本质上将黑洞外部区域覆盖两次的特殊坐标变换构造出的所谓“桥梁”,其实只是坐标缺陷带来的幻象。如果按上述理论进行星际旅行,你将不会经过任何“桥梁”,更不会达到什么渐进平直的时空,而会直接落入史瓦西黑洞,自由超光速的物体才过得去。另外,根据史瓦西得到的精确解及所预言的黑洞,物体到达史瓦西视界(即抵达上述爱因斯坦-罗森桥的正中央)的过程在外部观测者看来是要花费无穷长的时间的。P.152
    白洞是性质与黑洞完全相反的天体,广义相对论不排除白洞,如果黑洞的时间坐标向里指向奇点,那么白洞的时间坐标则向外。白洞存在的唯一理由就是作为黑洞的时间反演,因为广义相对论具有时间反演对称性。P.153-154
    1985年,美国康奈尔大学的天文学家卡尔.萨根发表了科幻小说《接触》,12年后即1997年被拍成电影,中文译名《超时空接触》。萨根就实现超时空旅行的方法求助于老朋友索恩,他是首次提出黑洞名称的美国物理学家惠勒的学生,也是2017年因探测引力波而获得诺贝尔物理学奖的科学家之一,索恩和英国物理学家斯蒂芬’霍金保持了长期的好友关系。萨根在书稿中所设想的星际旅行是通过黑洞进行的,而在索恩这样的引力专家眼里那是一条死胡同。作为引力专家,索恩计算出如果进入黑洞,即便有个通道,即使是轻微的“扰动”,中间的喉咙就会断掉,从而把通道掐死,过不去或者回不来。索恩支此招也开启了自己对虫洞理论的研究。P.156-158
    惠勒是一位出色的教育家,他有惊人之语:“要想了解一个新领域,就去开一门这个领域的课程”,后来又说:“要想了解一个新领域,就写一本关于那个领域的书”。惠勒对教育有特殊的理解:“大学里为什么要有学生?那是因为老师有不懂的东西,需要学生来帮助解答”。他提出了一个颠覆他们通常时间次序的结论:“我们此时此刻做出的决定,对于我们有足够理由说,它对已经发生了的事件产生了不可逃避的影响。”他反复强调:“没有一个基本量子现象是一个现象,直到它是一个背记录(观测)的现象”,“没有一个过去预先存在,除非它被现在所记录”。于是,惠勒吧哥本哈根学派的整体论从空间拓展到了时间。P.161
    索恩与他的学生迈克.莫里斯在向萨根推荐了通过虫洞进行了星际旅行的设想后,开始对虫洞结构进行第一次细致研究,并于两年后发布了结果,因此堪称虫洞物理学的开山之作。P.162
    可穿越虫洞除了索恩的球对称虫洞还有两种类型:洛伦兹虫洞和欧几里得虫洞。前者能够存在一段时间,管道是真实存在的,后者是看不见洞口,它瞬时产生可瞬时通过。P.164
    惠勒:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动”,因此求解虫洞实际上就是代入条件求相应广义相对论的场方程,从而得到具体的解。索恩和莫里斯将传统的做法逆转——从时空结构入手,用广义相对论场方程计算出物质分布。P.165
    这种逆转在数学上是完全等价的(都是广义相对论场方程),在物理上却有着微妙的差别——导致的后果是存在负能物质。P.166
    如果具有负能量物质存在,其质量就是负的。经典物理学中,能量的零点是用真空来定义的,负能量作为比零能量更低的能量,意味着比号称一无所有的真空具有“更少”的物质,这在经典物理学中是不可思议的,甚至是错误的。P.167
    负能物质经常和反粒子联系在一起,但是,负能物质不是反物质,也不是暗物质。P169
反物质是指构成物质的原子的原子核都是由反质子和反中子组成的,反质子与质子一样,只是带的是负电,反中子和中子的差别在于磁矩的不同。安德森1932年发现的正电子围绕着这种“反核”转,它和普通电子的差别也仅仅在于带正电,这就是反物质。反物质和正物质一样,质量是正的。暗物质的质量也是正的,它产生万有引力。负能物质不具有暗能量,暗能量的能量还是正的,暗物质不受电磁力的影响,不发光也不吸收和反射光,所以我们看不到它,96%的物质存在形式我们根本不知道,那就是暗物质和暗能量。P.170
    1948年荷兰物理学家卡米西尔发表了题为《论两块理想导体板之间的吸引》的论文,对两块相互平行的理想导体板之间的真空能量面密度(即单位面积导体板之间的空间内的总真空能量)进行了计算,结果表明,其能量面密度确实是负的!除了卡西米尔效应外,还有一些其他量子效应也能在某些特定区域产生负能量。因此,奇异物质的存在是毋容置疑的。P.173
    构筑一个半径1km的虫洞,这样的虫洞应该是人和宇宙飞船等物体可以穿越的,它需要的奇异物质相当于太阳质量。P.176
    穿越虫洞,宇宙飞船及宇航员会遇到两种应力:一种来自虫洞物质本身的张力(与虫洞半径的平方成反比),另一种则是虫洞引力场所产生的潮汐力(与到虫洞中心的距离的三次方成反比)P.177178
    实现虫洞穿越的其他设想:信息穿越、生命传输机、立方体或长方体虫洞结构。P.181-182
    与虫洞相联系的,不仅仅是空间,还应该有时间。罗曼和索恩等人合作,提出了用两个虫洞构建时间机器。不久他们将两个虫洞减少为一个,所用的冲动是洛伦兹虫洞。P.186-188
    时间机器要建立在科学的土壤里才更让人信服。P.190
    读者感言:科学幻想,不是胡思乱想,而是基于对科学原理的深切认同;真为美国科幻作家萨根的科学素养啧啧称赞——他对自己的靠黑洞而星际旅行拿不准,就去请教另一位物理学家索恩!
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 楼主| 发表于 2019-6-11 16:43:55 | 显示全部楼层
                                     物质深处-粒子物理学的慑人之美
    美国人布鲁斯A.舒姆写的这本《物质深处—粒子物理学的慑人之美》由清华大学出版社出版、由三河市君旺印务有限公司2017年2月第2次印刷,潘士先翻译。
爱因斯坦相信,任何值得尊敬的物理学理论对思维正常的人来说必定是可以理解的。本书中我试图向公众解释如今公认的粒子物理学理论:标准模型范式。本书在远远超出皮毛之论的水平上,介绍粒子物理学家世界观背后的思想和观念。P.导言.3
    人们常说有四种自然力:引力、电磁力、强核力和弱核力。粒子物理学标准模型揭示,四种自然力中的两种(电磁力和弱核力)乃是单一的、统一的“电弱力”的表现。时至今日,仍然不清楚究竟有四种还是三种不同的自然力。P.6
    注意,电子不是电荷——它具有电荷,大部分(但不是全部)基本粒子具有电荷,电荷是粒子的一种属性,但粒子本身不是电荷。P.8
    所有的夸克都是基本粒子,但不是所有的基本粒子都是夸克。另一类基本粒子叫轻子,电子是其最著名的例子。P.11
    粒子物理学标准模型的基石是电磁力和弱核力的统一,就是说,构成一种单一、共同的物理学定律统辖的理论。P.13
     普朗克假设说,能量元的能量为E=hf,式中h是普朗克常数,f是给定频率的电磁波。P.24
    德布罗意关系:λ=h/p,任何物体都具有波动性,其波长λ反比于动量p.h是普朗克常数。P.26
    海森堡不确定性:∆p.∆x=h/4π,式中,∆p表示物体动量的不确定性,∆x表示位置的不确定性,h是普朗克常数,π是圆周率。P.32
    薛定谔方程的完整表达式,但这是其一维形式,只适用于一维运动的情形:-h2/8π2m d2/dx2ψ(x)+v(x)ψ(x)=Eψ(x)。它是确定确定物体波函数ψ(x)的“处方”,包含了可能确定粒子性质ψ(x)的一切,这个粒子具有质量m和能量E,且在某种力的作用下,相应的势能函数是v(x)。通过解薛定谔方程得到波函数ψ(x),虽然本身没有物理意义。如果粒子是自由的(不受任何力),则无势能,即v(x)=0,此时方程的解ψ(x)就是德布罗意猜想的那个波,波长为λ=h/p。P.34-35
    薛定谔方程由三项组成。等号左边是x点处的动能和势能,而右边是总能量。可见,薛定谔方程是量子力学形式的能量守恒定律。从能量守恒的这一量子力学表达,产生了规定粒子可能具有的量子力学波函数的一组完整的约束。P.36
    麦克斯韦统一电磁理论中,时变电场和磁场能够彼此支持,可在自由空间无限传播,且计算其速度等于光速。这样麦克斯韦成功解释了光传递能量和信息的起源,不引入场的概念,是不可能取得这一成果的。P.40
    如果场被量子化为携带能量。像粒子那样行为的离散包E=hf,我们如何理解场施展其特征力的机制呢?用一个光子替代两人之间传递的球。两个电子的斥力是两个电子交换一个或多个光子的结果,光子是电磁场的量子。P.41
    那么两个电子相斥时交换的光子从何而来呢?为保证电子相斥中每一步的能量都守恒,被交换光子能量的一部分将被解释为它的质量。但光子并无质量。根据海森堡不确定性原理,一个物体能量的不确定性(∆E)与其寿命(∆t)以下式相联系:∆E=1/∆t × h/4π。交换光子只存活一段短时间∆t(以光速在两个电子间飞行),结果,其能量和质量有很大的不确定性,可以有完全不同的质量。这样一个能量守恒要求它具有不同于其已知质量值的短命粒子,专业上叫作离质壳粒子,也称虚粒子。P.42
    读者感言:美国人写的书,确实看似浅显易懂,在写给大学生和研究生的科普读物里,都详细的呈介科学计数法及其意义;比如它介绍为何两个电子间产生了光子,都浅显易懂。
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 楼主| 发表于 2019-6-12 17:24:43 | 显示全部楼层
                                    物质深处-粒子物理学的慑人之美(2)
    从量子场论的观点看来,电磁力是带电物体交换虚光子(电磁场量子)的结果,很容易把这个概念推广到其他三种力的描述上。每一种力都源于携带与这种力相应的荷的物体之间力场量子的交换P.42
    在电磁力的情况下,只有一种场量子(光子);但一般来说,未必是一种。例如,弱核力关联着三种分别的场量子,其中两种“W玻色子”,两者在一切方面都相似,但具有相反的电荷;第三种叫“Z0玻色子”(或Z玻色子),它比较重一些,且为电中性。P.43
    我们量子场论的原型是量子电动力学,即电磁相互作用的量子场论。带电粒子的自旋角动量(对电子是ħ/2)与自旋产生的磁场强度之比,称为粒子的旋磁比,通常用字母µ表示。我们知道狄拉克方程给出了自旋ħ/2粒子(例如电子)的适当的量子力学描述。从这一描述得到粒子旋磁比预测值为µpred=2q/mc,式中q为粒子电荷,m是粒子质量,c是光速。P.64
    对于两个磁铁的情形(电子和实验线圈),人们已经很好的掌握了进动频率(每秒转数)对两个磁铁强度的依赖关系。所以,你若测量这个频率,同时你知道线圈的磁场强度,你就可以计算电子的磁场强度。这是很漂亮的技术,因为可以高精度测量进动频率。这些测量基本上证实了狄拉克的电子旋磁比预测。然而现代实验技术容许把电子约束在磁场里很长的时间,故最近的实验格外精确。令gmeas为观察到的电子旋磁比与狄拉克预测值之比,即gmeas=µobs/µDiac最精确的现代实验结果为gmeas=1.001 159 652 19,不确定性约为最后一位数字的±1。P.65
    用费恩曼图计算用了数年,最后证明,狄拉克的预测需要修正,修正的预测因子gpred=1.001 159 652 2。这与上述测量值gmeas=1.001 159 652 19相符的精度令人咋舌。这普遍的证明了量子场论(特殊的,量子电动力学)是迄今最为成功的定量理论框架。它必定是正确的。P.67
    夸克存在的证据很微妙,只有当用来探寻它们的探针的能量很大时,才可获得这种证据。P.69
盖尔曼八正法体现了不可触摸的李群对称性(李群以19世纪挪威数学家李的名字命名的纯数学成果,它第一次被有意识的应用于一个物理问题),而隐藏在八正法背后的,是三个角色,它们被古怪的称为夸克。“夸克”这个词源于爱尔兰作家乔伊斯一句晦涩的诗“三声夸克”。当以各种方式组合时,这三个夸克可以十分经济的说明前一个10年发现的大量“基本”粒子。其中两种夸克被赋予“上(u)”和“下(d)”的名称,它们以不同的方式组合,产生通常的核物质——中子和质子。第三种夸克,叫作奇(s)夸克,它可构成一组不稳定的粒子。上夸克具有电荷+2/3,下夸克具有电荷-1/3,奇夸克也具有电荷-1/3但它的其他方面与下夸克不同。P.71
    实验数据表明,质子基本上是空虚的空间,微小的亚粒子在其中回转。这些亚粒子的组合性质产生了质子的总体性质。人们很快意识到,这些亚核粒子很可能就是盖尔曼八正法的夸克。依照这种观点进行的进一步散射实验证实,它们正好具有这个模型所预测的性质P.72
    没有人声称夸克已被确凿证明是基本组成单元。实际情形是,以今天所能做的实验而论,我们不能够“看见”大约半径小于10-18米的粒子;而夸克显然比这还要小。所以暂时,我们可以放心的说它们是基本粒子。即便如此,物质基本组成部分的名单仍然相当长,共有12种粒子,其中6种是夸克。P.73
    1930年泡利提出关于原子核放射性衰变的一个大胆假设。核β衰变过程把一种原子的核变为另一种原子的核(原子数与原来相差1),同时释放出一个电子或正电子。实验表明,在β衰变中能量看起来不守恒。泡利相信能量守恒这一神圣的原理不可违反,于是他假设有第三种粒子参与β衰变。伟大的意大利裔美国物理学家费米在其严格的弱相互作用中用理论最终给予这个粒子以重要应用,把这个幻影般的粒子成为中微子(在意大利语中有“中性的小家伙”的意思):电中性的轻子。只参与弱力和重力(后者即使比起弱力来也极其弱),害羞的中微子真的不愿意让人感到它的存在。一束中微子可以穿越整个地球的宽度而不受损伤。P.74
    读者感言:科学,是一种精神;人的精神要清澈不能没有科学的参与;我读了几本物理学前沿的著作——科普而已,如《希格斯粒子是如何发现的》等等,现在才大体明白它们。
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 楼主| 发表于 2019-6-13 14:58:47 | 显示全部楼层
                                                     物质深处-粒子物理学的慑人之美(3)
    1962年,美国纽约哥伦比亚大学三人(共享1988年诺贝尔物理学奖)领导的一个小组在长岛的加速器实验室发现了两种不同的中微子。其中一种与中微子射束起点上的电子相伴产生,在射束末端与检测器物质相互作用的过程中总是变回到电子。另一个与一个µ轻子(电子两个较重的表兄弟之一)相伴产生,在其与检测器的相互作用中总是变回到µ轻子。P.75
     珀尔(于1995年与莱茵斯共享诺贝尔物理学奖)1975年发现τ轻子时,代结构(第一代:电子与电子中微子;第二代:µ轻子与µ中微子)已完全确立,所以当时就猜测τ轻子是新一代成员,是一种原先未发现的第三代物质。若有第三代物质或更多代物质,就有可能解释在物质/反物质的关系上偏向前者:最初的宇宙中反物质几乎消失殆尽,留下今日物质压倒性的多余。沿着这条思路,小林和敏英预言了第三代物质的存在。2000年8月位于芝加哥郊区的费米国家加速器实验室(目前世界第一线的粒子加速器)的一次实验中明确发现了τ中微子。P.76
    1988年,两个加速器实验室(加州的SLAC和日内瓦郊外的CERN)差不多同时开始生产大量的Z0玻色子——参与弱核相互作用的三种粒子中的中性成员。Z0迅速衰变产物皆为不同的夸克和轻子。P.77
    如果有一项发现使标准模型之所以成为标准模型,那就是“粲夸克”的发现。电子射束和质子射束加速器这两种互相竞争而又互相补充的方法之间的竞赛也成了一个经典故事。P.78
    1974年丁肇中团队和里克特团队分别使用电子射束和质子射束加速器得到了J/ψ粒子(其名字也是两个团队分别起的、后则合称为J/ψ粒子),他们双方合作达成一项联合联合宣布,而不试图抢先发布,除了获得最高科学褒奖(1976年诺贝尔物理学奖)之外,也因他们的克制而值得尊敬。P.79
    J/ψ粒子究竟是什么?为何1974年它的发现视为一场革命,而不是一项有趣的发现呢?答案在于这一发现将电磁和弱核相互作用联系起来的理论有关;这种理论出现于20世纪60年代,它是今日粒子物理学的标准模型。标准模型的灵感来自、也在很大程度上依赖于物质组分夸克和轻子展示的代模式。在标准模型发现之前,人们以为弱相互作用是以一对带电粒子为媒介的,这对粒子称为W+\W-玻色子。W+玻色子具有正电荷,大小跟质子相同,W-玻色子(是W+的反物质伙伴)带负电,大小与电子一样。P.80
    弱相互作用联系着同一代轻子。为了弱相互作用,轻子必须交换一个W玻色子,故必定改变其电荷。你可能会想,对于夸克也是同样的情形,但这里有一个问题:1974年的实验证据与这种观点不符。八正法告诉我们有三种夸克——d,u,s。你如何把奇数个夸克安排成代,每一代有两个夸克?我们不能简单的把u和d夸克配称一对,而把s夸克留在一边。P.81
    标准模型最富吸引力的方面之一,是它展现了一副将电磁力和弱力统一起来的图景,就是说,把电磁力和弱力看做是单一的基本电弱力的两个不同的方面。电磁场的场量子即光子是中性的。在发展它们的的统一电弱力理论模型时,格拉肖等发现,必须引入附加的相互作用场量子作为电磁力光子的补充,它是中性的。这第三种(带电的W+\W-玻色子以外的)电中性的弱场量子叫做Z0玻色子,上标“0”表示它没有电荷。受到交换的Z0撞击后的d夸克可保持为d夸克。这样的过程1973年中期在CERN的加格梅勒中微子实验里首次观察到。P.82
    读者感言:关于中微子的发现和相关实验,日本人(亲历实验或诺奖获得者)写的书,英国人(亲历希格斯粒子的发现者)写的书,各有特色。这本书是美国人写的,正如其前言中所说的,讲述的是科学发现的思想,读它就越来越明白了为什么理论物理学家新造出那么多“粒子”供实验物理学家来验证其真伪了——必须如此,才说得过去。也即,必须如此,才能解释得通;可见,即便量子力学,也应该是可理解、可被人认知的。
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 楼主| 发表于 2019-6-17 11:18:36 | 显示全部楼层
                                             物质深处-粒子物理学的慑人之美(4)
    电中性的J/ψ本身不是粲夸克,后者必须具有质子三分之二的电荷,它是复合粒子,一个短寿命的亚核原子。由+2/3电荷的粲夸克和其-2/3电荷的反物质即反粲夸克构成,它们互相绕着旋转大约10-20秒,粲夸克和反粲夸克用这个时间来识别它们是物质-反物质对并相互湮灭,这就是J/ψ何以衰变的原因。J/ψ的发现,即所谓的“十一月革命”,所宣示的是,粲夸克的确存在,夸克的确具有像轻子代那样的代结构,标准模型很可能是自然的恰当的描述。P.84
    把基本粒子区分为“类型”,其实更正式但优点古怪和任意的名称是“味”,就是说有六种夸克味。依照某种排列,它们是d,u,s,c,b,t。有时b和t被分别叫做美和真,以代替那比较刻板的名称底和顶。类似的,有六种轻子味。我们现在尚未理解,为何有三个轻子代就必须要有三个夸克代。这也许是自然的巧合。但过去的经验告诉我们,一个这么简单明白的对称模式,可能给了我们关于大自然运作的重要但尚未破解的启示。P.87
    所有的媒介粒子——场量子,都是玻色子,具有整数倍ħ的自旋角动量。电磁场的量子是光子,通常用希腊字母γ表示,光子无质量,具有角动量1×ħ,其自旋1.弱相互作用的场量子:W+、W-、Z0。三者都在1983年的CERN SPS质子-反质子对撞机中被直接观察到。P.88
    实际上有八种强核力场量子。胶子是这八种场量子的不加区别的总称。一般来说,胶子无质量,具有自旋1,通常以“g”表示.最后,引力场的量子称为引力子,其存在纯属想象。P.89
    夸克有三种色:红、蓝、绿,每一种包含+1单位的相应的色荷。反夸克也有三种色,每一种包含-1单位的相应的色荷。任何由夸克的一个色中性集合组成的粒子叫做强子。有色夸克有两种观察到的方式可聚合在一起构成色中性组合。这两种形成色中性夸克组合的方式造成两种不同类型的强子:介子和重子。P.97
在盖尔曼引入八正法(李群在粒子动物园分类中的应用)后,物理学家才认识到必须使用群论语言。P.104
    物理学家愿意相信,宇宙基本上是被少数几个优美的组织原理控制着。这些原理中没有复杂的假设——复杂的假设不过表明我们的无知罢了。这些原理简单明了,其中没有人为的设计和特别的猜测。我们将继续看到,我们的科学已经向着这个目标大步迈进。P.131
    实验明确表明,自旋1/2粒子确实具有角动量ħ/2,所以基本粒子角动量的存在是一个谜。这样,量子力学自旋的神秘性质,以及粒子自旋存在一个转两圈(而非一圈)才回到起点的空间这一事实,难住了我们。P.138
    从物理观点看来同位旋空间是什么呢?物理学家往往把它描述为内部对称性,但那究竟是什么呢?P.144
    盖尔曼八正法的发展是现代科学史上一个决定性的时刻,它让我们看到了强相互作用特别丰富的内部对称性,并且做出了一些惊人的预测,这些预测可以(而且已被)当时的实验所证实。引入内部对称空间这一概念可归功于海森堡,但令人信服的把这一概念推向我们科学意识的前沿,则是盖尔曼的功劳。P.145
    读者感言:没有李群(纯数学的一种群论),就没有物理学的微观进展。
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 楼主| 发表于 2019-6-18 09:01:57 | 显示全部楼层
诗意的原子(全集)
以下将《诗意的原子》这本书的摘抄聚拢在一起。
诗意的原子
摘抄自美国人科特.斯塔格著《诗意的原子》:
你不仅由原子构成,你其实就是原子---你需要了解一些最新的科学信息,以及据此重新认知世界的一些新方法,还有一点活跃的想象力。你会发现,当你这样做了以后,你将体验到一场自我意识的革新,你的思想将在一个更广阔的尺度上驰骋。P.前言7
如果你是个身材中等的成年人,那么你体内携带了将近两千亿亿亿颗氧原子,比任何一片森林树叶的总数都要多。现在不妨想象一下从你的大拇指中取出其中一颗,拉近焦距仔细观瞧。与其他原子一样,这颗原子也几乎都是空的---这就是科学家为什么会认为你身体中的物质几乎都是虚无的,就像星系间太空深处的真空一样---不管你感觉自己有多重,原子的空虚都意味着你更像是由原子级聚苯乙烯构成的多空泡沫,而不是像看起来那样质地坚实。P.前言9
当你能更好的借助原子观点理解这个世界时,你的阅历也会变得更加丰富。我们究竟是谁?---我们永远不会真的失去和原子世界的联络,因为我们都是原子世界的一部分---当我们陶醉于自己是恒星的直系后代这样一个奇迹之时,也许会感到非常震撼,就像乔尼.米歇尔歌中所唱的那样:“我们是星尘”---我们如今已是地质学尺度的一股自然力量了,仅仅我们排放的碳就足以阻止下一场冰川纪,将海平面抬高并淹没海岸,也足以造成所有物种灭亡。今天我们思想与心灵引发的所有行为,都会在周遭环境中产生回音,并将深刻的影响未来。从这个方面讲,理解我们与地球间的原子联系就不再是一个可以选择的问题而是一种必然。科学是我们看到真理的那一扇最明亮的窗口。P.前言11
我们不同于祖辈那样只能单纯依赖自己有限的知觉,我们如今可以借助曾经隐藏在事物背后的原子性质,利用这些新的信息更好的阐述我们的知觉所反映的事实,同时也可以期待营造更合理也更可持续的生活方式---本书接下来的篇章将带你游览这座由日常经验构建的趣味乐园,没有艰深的公式,有的知识直觉和感受,还有原子与你自己以及这个世界联系的现实案例。P.前言12
不过,令人惊奇的是,即便是单个原子,如今对我们来说也比过去更容易被感知,如果你想亲眼目睹其中一颗的尊荣,那么一些最新的科学发现可以帮你实现愿望---单个原子不仅正在变得被看到,而且还能被我们“听”到。瑞典皇家理工学院开展了一项名为“放射性乐队”的在线项目,可以让你借助代表原子放射性衰变的特殊声音编写的旋律。---老实说,将自己想象成一团没有生命的原子,其实是件异常困难的事。我还没听很多科学家说起过,他们可以从内心实实在在感知自己是由原子构成的,尽管他们的智力水平足以探讨这些问题。P.前言13
摘抄者感言:虽然一些事实似乎显然的呈现在我们的眼前或生活之中,但当我们诚挚的用它来观察自身、观察世界的时候,不免依旧心潮澎湃——它给我们一种新的世界观。这是我摘抄它的动因;拿来分享。
诗意的原子(1)
肺并不只是氧气进入血液的唯一通道,你还有很小一部分“呼吸”是通过眼睛完成的。这些氧气粒子极为重要,位于眼球透明的表面的细胞能够直接从大气中吸收它们,用于补偿眼球血管载氧量的不足,你的皮肤表面的很多细胞也在做着同样的事情。P.生命之火—氧18
你皮肤的温度与食物中各种分子间化学键的断裂紧密相关,尽管燃烧与呼吸的基本公式如此接近,但二者的作用过程却有着明显的差异。P.23
当你吸入空气时,氧气不会像从蜡烛里那样捕获碳原子,因为在细胞内部这个相对温和的环境下,氧气转而去专一捕获氢原子。想想你有多幸运,细胞呼吸产生能量的速度很慢,释放的速度足以保持你的体温而又不会把你灼伤。P.24
细胞中的酶以及线粒体的核将食物的分子粉碎,形成一堆由大量电子、氢离子以及二氧化碳构成的大杂烩。线粒体核周围是一层软膜,其中嵌有一系列蛋白质,电子便由它们吸收,有一些还会在电子通过时发生抽动、弯曲或者翻滚。正是由于这些分子机器的运转,化学能得以储存,并为肌肉和代谢提供动力。有时候,这个过程也会帮助身体产生热量。P.26
最后,每一个完成能量转移的电子都完成了最后一跃,从而为后续赶来的电子腾出空间。利用这些跳跃的电子,氧气从粉碎后的食物分子中栓住了氢离子。在这个食物与空气参与的转变过程中,进食与呼吸这两个过程得到的不同成分完成重组,并产生水分子,也就是人体中代谢生成的水分---你静脉中有1/10的液体是通过这种方式生成的。因此空气与水的关联比炼金术们想象的还要紧密,因为它们可以互相展现对方原子的重组。这,便是你呼吸的原因---你每一次吸气,空气都成为你身体的一部分。P.27
大气组分中的微小变化可以证明很多问题,比如人类、植物及浮游生物对地球的影响。森林被称为“地球之肺”,这个比喻在某些方面并不恰当,因为肺不会制造氧气而是消耗氧气的器官---你所呼吸的氧气中只有一半来源于陆生植物,剩下的那部分是由海洋总的藻类以及蓝藻(蓝细菌)贡献的---氧气浓度的年度上升波动恰恰伴随着CO2的循环式下降,这些数据共同打开了一扇神奇的窗户,揭示了地球同植物间原子级关联---直至今日,大气混匀的程度和速度还是超出科学家的想象。P.28
植物也和你一样拥有线粒体,它们生产的氧气大多被自己消耗了。无论森林还是海洋所生产的氧气,其实都是泄漏物,而且大部分在逸出后很快就被锈蚀、腐烂和燃烧等过程消耗了。如果死去的植物动物和微生物不是在腐烂或燃烧之前就被土壤和海洋沉积物掩埋,那么大气中的氧气含量最终会降到接近于零的水平,所有人都会窒息。P.31
在一个充满生命的星球上,任何一个分子的消亡都是不可避免的,在历史的长河中也是无关紧要的。根据理论推测,按目前全球氧气的生产速率,大约需要几百万年就可以将海洋里的每一个水分子分解一遍,而自4亿年前陆生植物进化出森林以来,它们的光合作用相当于将所有的地表水分解了60遍。从地质学角度看,你所使用的大多数水和氧气都是比较年轻的,它们的年龄普遍自由几个世纪或数千年,而非数万年。P.35
当超巨星逐渐衰老并死亡时,新形成的氧原子就像花粉一样,从这朵明亮的火焰之花上飘落,飘散到了太空中。对夜空的观察好比是在游览一座花园,组成生命的各种元素在花园中逐渐成熟,而你的身体就是恒星花园收获的果实组成的复合体。纵观整个历史,人们常会说太阳为父大地为母,或许反映着传统性别角色的主流观点。但从原子层面上说,更精确的阐述应该是,地球和太阳都是我们的兄弟姐妹,因为形成它们的恒星残骸,其成分和我们体内的元素一模一样。从某种意义上讲,地球确实是我们的代孕母亲,因为我们的身体起源于它,但我们如今能够存在,根本上还是因为那些已经死去很久的恒星生母,愿你呼吸的下一口新鲜空气是献给它们的追忆。P.36
植物和各类浮游生物产生的氧气,会在两个月内遍布半个地球,而遍布整个地球也只需一年多一点的时间。大气中氧气与二氧化碳的平衡与生物活动之间的敏感性表明,这种循环并非只是短暂的趋势,而是这个星球上所有生物在原子层面上一直都在践行的传统。P.37
多数数据来源报告都显示,你每次的呼吸中,有1到15个原子是提出问题的那个人(达芬奇)曾经呼吸过的。但1到15的估算结果并不适用于氧气,因为这种气体不够稳定,不会在空气中存在这么久---尽管氮气更为充足,也更为稳定,不过也会通过食物链完成循环,然后再回到大气中。P.38
重新呼吸到那些曾被呼吸过的氩原子,无论来自于你自己还是其他人,都有着别致的暗示作用。这些氩原子,用一种空气式的结合,将我们的过去和未来紧紧相连---地球上每一个婴儿出生后的第一次呼吸中,都包含着你一年前曾经呼吸过的氩原子。而这也是一个残酷的事实,因为你也向每一个垂死之人的最后一次呼吸贡献了部分氩原子。P.39
读者感言:科特.斯塔格著《诗意的原子》的该部分,是“生命之火——氧”,用这样的叙事方式来呈现科学的故事,确属新颖别致,它确实能让人以一种新颖别致的视角来查看现实世界和自己与其他生命的密切关联。
诗意的原子(2)
生命中,最简单的东西有时却意味着不可或缺。这句话对你身体里的基本原子构成也是适用的(氢),没有它,你也就不存在了---并且氢也是其他生命元素的祖先。P.原子之舞—氢43
1827年夏天,苏格兰植物学家罗伯特.布朗通过他的黄铜显微镜观察水中的紫色克拉花的花粉,布朗注意到了很奇怪的事情(读者注:即是后人称之为的:分子的布朗运动)---他将这些振动的微粒称之为“分子”,因为“分子”一词从字面翻译就是“很小的东西”。P.44
在我们所有人的身体里,正是因为分子的这种“动荡”,才让我们能够活着,就像传说中那神奇的力量一般---在2013年,IBM的一个研究团队微粒拍摄单一分子的首张“定格电影”,不得不将CO分子冷冻到零下268摄氏度,从而使被观察对象的运动慢到足够被操控。这部《一个男孩和他的原子》(A boy and his atom)的电影现已被《吉尼斯世界纪录》收录为全世界最小定格的电影,其情节是珠状一氧化碳分子排列成简笔画的人物形象,其中一个分子充当了玩具。聚焦如此清晰的图案是绝不可能在室温条件下拍摄出来的,因为持续抖动的分子会以接近每小时1000英里(1609米)的速度逃离出视野。P.45
直到1803年,才由英国化学家约翰.道尔顿提出正式的原子论,而直到1905年,才由阿尔伯特.爱因斯坦通过对布朗运动进行数学分析,论证了分子与原子的存在---康奈尔大学的物理学家们,通过对某次摇滚音乐会视频中一群舞者的详细研究,发表了一篇题为《重金属音乐会中狂舞者的集体运动》的论文,他们发现,无序的气体状态,如果按比例缩放到二维的舞池,可以很好的描述这一活动。P.47
你体内的氢原子和氧原子或许都已是数十亿的高龄,但它们构成的水分子只不过是临时邂逅的产物。P.51
你身体中固体部分氘同位素的丰度反映了你所喝水的同位素构成,从而又进一步反映了水源地的气候状况。P.53
头发如同某种记录仪一般,记录着生长环境中的原子分布,也揭示了其与本地水源之间的物理联系---通过对单一头发丝内固定间距的氘浓度进行分析,研究者可以确定该人的旅行轨迹。P.54
在更大范围的生命原子图谱中,食物中的氢还是会追溯到水。肉类与牛奶中的氢,都是从动物消化的水和植物组织循环而来。进一步讲,这些被食用的植物组织,都是由二氧化碳和水转变而来的,并且血糖在代谢时可以产生同样数量的CO2和H2O,这也并非什么巧合。1磅肉或1磅蚕豆中所含的原子,在氧气的作用下,可以重组得到相同重量的二氧化碳和水。P.55
你的细胞内部到处充斥着布朗运动,而这是将物资与废弃物搬运到指定地点的动力。不断舞蹈的水分子产生的冲击压,协助基因与蛋白质折叠,并保持适当的形状。P.56
我们之所以能够很快闻到身边人的香水味,靠的是物质流动而非扩散,单纯依赖扩散,香水的味道大概需要花上几年的时间才能充满整个房间。P.57
含氢的角蛋白不仅可以构成头发,同时还可以构成喙、爪、蹄和羽毛等部位。因此,野生动物学家可以通过对氘的测定,从而确定动物迁徙轨迹,因为它们的角蛋白中印刻着饮用水留下的原子指纹P.59
与氘一样,氧-18和氧-16存在于古象牙(北美乳齿象)之间的比例—在象牙中每一层同心环中氧同位素的震荡分布比率说明,这些动物所饮用的水温也在周期性的升降。换句话说,这些乳齿象与当地水温之间有着原子层面的关联,象牙中记载着季节性的气象信息.不仅如此,测试结果不仅反映了这些动物的年龄,也包括性别信息-雌象的生育影响象牙的生长从而在象牙厚薄上反映出来。P.61
氢原子,只要给它们足够的时间,确实可以变成人。这句话如此正确,而且如此令人咋舌—我们如今已开始并欣赏它是如何实现这一切的!P.64
读者感言:《一个男孩和他的原子》这部微电影,读本文的读者若有兴趣,可以直接从网上搜索到并能打开来看——只一分钟多的时间,亲眼看到CO分子的运动,确实有趣;科特.斯塔格著《诗意的原子》的该部分取名“原子之舞—氢”,其中的“原子之舞”大有来头,它最初是由希腊—罗马人通过纯粹的演绎推理出来的,没有西方文化和思想积淀的人难以咂摸其中滋味。

诗意的原子(3)
公元1054年夏天的一个晴朗早晨,一位叫作杨唯德的中国星官观测到一颗从未出现过的星星出现在东方天际,闪烁发光,于是立即向朝廷送了急报,写道:“臣伏睹客星出见”---这颗星最初是红色的,但随着它移动到地平线上更高位置后,开始变成灰黄色---在长达几周的时间里,这颗星都可以在白天看到,随后变得只有在晚上可见,大约两年后完全消失---同一时期,一位远在西方(现属伊拉克)的学者也记载了这一事件,这位名叫伊本.巴特兰的哲学家和医师写道:“这颗壮观的星星出现之后,我们这个时代便出现了一种流行病---”一直到了近900年后,才由阿尔伯特.爱因斯坦给出了更为有力的关系式,证明太空中的爆炸与我们身体之间的联系:E=mc2“那是一种光荣的感觉”他在给朋友的一封信中写道,“当认识到一些看上去完全不相关的复杂现象居然可以被统一起来的时候”。P.创造与毁灭-铁67-68
从计算机到风力涡轮机到混合动力汽车的发动机,磁性金属有着广泛的应用,并且现代新型超磁体,利用金属钕这类非常重的稀土元素,将铁的电子排列进行统一与稳定。这让磁铁可以变得更小,适合用于制造ipod及耳机等电子设备;也可制造大体积的设备如丰田普锐斯的电动马达与电池,就大概含有0.9千克的钕。作为全球最大的稀土元素供应商,近期中国政府削减了这些重要资源的出口量,全球市场价格暴涨,幸运的是,对于中国以外的客户而言,钕的储量并不是真的像它所属的“稀土”分类那样稀少,在本文撰写期间,澳大利亚、美国及其他地区的一些替代矿源也正被开发。P.71
这些来自太空的球体(陨石)并非真的是天外来客,倒像是地球失散多年的亲戚。经历了不可思议的飞行故事,它们终于得以在超过40亿年后首次重聚。P.73
我们现在有更多证据,以支持蟹状星云与银河最热的位置之一—公元1054年那颗将光芒传送6500光年后抵达地球的垂死客星—之间的联系。P.74
2001年,日本科研团队在南极冰川钻取了一根冰芯,在大约48米深度的区间,他们发现了氮氧化物浓度的一次突跃,时间正好对应公元1054年;在更下层的位置,还有一次突跃对应公元1006年,也就是另一个客星出现的年份。不久后,堪萨斯大学的科学家也发表报告称,对格陵兰岛冰芯进行的研究也发现了类似的结果。最可能引起这种全球性同步脉冲的原因,应该就是超新星辐射出的宇宙射线将空气中的氮气分子氧化,随后又沉积到地球上。这便是论证“客星就是超新星”的确凿证据,现在它们已编号SN1006和SN1054。如今,你仍然可以在蟹状星云看到SN1054的烟云。P.75
超新星的分层物质结构在内部塌缩时便发生惊人的爆炸,爆炸冲击波横扫气体与尘埃构成的星云时,自身也会诱发短暂的核聚变。一部分磷核会通过这种方式产生,与此同时金元素、稀土元素以及其他比铁重的原子都会在这短暂的爆炸里首次出现。体积大到足以发生如此耀眼爆炸的星体相对较少,再加上过程短暂,所以重金属相对不那么常见---地球的诞生也要归功于铁。当新生的太阳从它诞生的星云离开时,那些来自一个或多个因“铁中毒”而爆炸的星体碎片通过水分、磁力、引力或静电力聚集起来——这便是地球。P.79
我们知道,往铁里面加入少量的碳可以使铁变成钢,强度得到提升,而在身体中,却正好相反:向碳化合物中加入一点铁,可以让你的细胞更好的发挥清理、运输、产生能量及免疫等作用---血红素中由碳和氮原子构成的五元环及六元环可以与可见光共振吸收掉其中的一部分,从而显现出各种不同的颜色---血红素围绕中心的是四个碳-氮环,每一个环都有一个氮原子指向内侧。当血红素在中心的位置挂上一个铁原子后,便可以从你的肺部接收氧气,并将它们送达你身体的任意部位。P.83
一名普通成年人体内大约含有4克铁---多数儿童致死案是给儿童喂食了成人剂量的含铁补剂导致的,儿童典型致死剂量大约是3到6克(成年人的平均致死剂量约为10-50克)---大多数铁都被血红素或其他分子束缚住了,确保铁元素在完成任务时只带来最小的附带伤害——缠绕蛋白可以直接包裹或直接吞噬铁原子。其中最主要的是铁蛋白,专门在细胞内部将铁隔离;还有转铁蛋白,可以在细胞之间传递铁。P.86
你体内铁原子的破坏力——二价铁很容易将电子转移给其他原子或分子,因此可以在某些细胞中的化合物跟前表现出很恶劣的行为,形成腐蚀性的自由基分子,破坏组织并在伤口的位置妨碍血液凝结。当然也可以用于抵御致病性微生物,免疫系统的第一道防线用的是一种“焦土政策”,让入侵者断粮断补给---然而,身体里异常缺乏游离铁也有不利的一面,这会让你暴露在微生物面前:处于休眠状态的细菌基因便会突然启动。这会释放大量的蛋白质,窃取你体内的铁,并将其送到入侵敌军那里。不过作为受到攻击的回应,你自己的细胞还会发动第二波防御战:乳铁蛋白将游离的铁的碎片全部清扫,并在细菌身上钻孔,杀灭它们;嗜铁蛋白跃到铁载体的“铁海绵”之上并将其覆盖,因此细菌就不能识别和吸收铁载体了。P.87
苜蓿与其他豆类植物的根部生活着根瘤菌,利用富含铁的酶将空气中的氮转化为肥料,并与宿主一起产生了一种类型的血红蛋白,可以帮助细胞在地下完成呼吸。P.88
读者感言:我在本书中又见到外国人记述1054年的那个中国星官记录的事件,那大概是人类第一次精确的记述一次超新星的大爆炸,它对理解我们头顶上的宇宙非常重要,现在要借助能够探测到宇宙深处的仪器也能发现依旧正发生着恒星的诞生和死亡事件,但那次超新星大爆炸如此强烈的被地球上的人类感知到,且距离地球6500光年;科特.斯塔格在本部分命名“创造与毁灭—铁”,不止是说铁是恒星死亡的产物,也用医学等方面的知识说明,铁造就了人类文明也造就了人自身的身体。
更值得一提的是,从本书中我听到了近年来不少网文论及的中国稀土出口问题的回应——中国政府限制了稀土出口,并因此使得稀土的国际价格暴涨。而稀土核心是指磁性元素钕;这样的回应和所知,让人觉得很惬意——世上任何存在过和存在着的事物,都有回应的,它也预示着未来的样貌。

诗意的原子(4)
令人难以置信的是,最近出现在你体内的碳原子中,每8个里面就有1个来自于烟囱和排气管。P.生命之链-碳93
我们身体的碳平衡所发生的变化,说明我们居住在一个有限的世界,并且被它深刻的影响着。在这个原子构建的疆域里,物质只会被回收或重构,而不会真正的被创造或毁灭。当我们去处理生活中的垃圾时,应当牢记,至少在这个地球上,并不存在什么地方是我们可以将它们永远“扔掉”的。P.97
每年大约有1200亿吨碳原子会通过植物茎叶完成循环——大约相当于大气中气态碳原子总量的1/6.很多碳原子并没有发生变化又重新扩散到空气中。不过,就算是那些成为汁液或种子的碳,迟早也都会以CO2废气的形式回到空气中,要么是植物自己来排放,要么是其他以植物为食的生物来排放。P.99
每一座大城市都有自己的“城市CO2穹顶”,不过大小形状和构成比例就各有不同了,取决于当地的环境与文化。比如洛杉矶的CO2穹顶因为受太平洋西风的影响,被压缩到周围的山坳中,而上方被一层空气封住,因此城市废气不会逃逸。它会有节奏的膨胀或收缩,当太阳照射使穹顶中的空气升温时,垂直厚度可达800米,到了晚上差不多就只有一半高度了。P.101
同位素分析表明,空气中新增CO2部分主要来自化石燃料而非生物性碳。相比于过去,增长的人口向大气呼出增多的CO2在“城市CO2穹顶”中也只是很小的一部分,通常在1%左右,而火山排放出的CO2不足人类排放的1%---我们正在将整个大气层改造成一个巨大的CO2穹顶。P.103-104
经济学家和政治家可以很好的根据CO2排放图(卫星监测数据)评判国家运行是否健康,就像医生监测病人的呼吸一样。P.105
对我们而言,化石能源的碳原子就像失联很久的亲戚,我们从未听到过有关它们的消息——直到现在。据推测,深埋地下的化石性碳含量大约是目前碳循环过程中的两倍。P.107
你的思维可以更天马行空,将摩天大楼看作转世而来的珊瑚礁,那些店面就好比滤食性的珊瑚虫一样,而熙熙攘攘的人流就是它们养分的“浮游生物”。所有这些人工建筑都是由回收的材料构成的,我们出于自身的目的对它们重新加工,跟微生物、植物还有动物几百万年来一直做的事情一样---通过原子的视角来揭穿人类社会孤立于自然的假象,并不是为了给我们特权,让整个世界都变成我们的游乐场。根本不是这样!相反,这是在提醒我们,跟其他任何物种一样,我们不会在自然法则中获得豁免权,如果我们忽视这一点,只会让我们自己身处危险之境。P.109
相比于工业革命前的估测数据,如今的碳13的含量更低,而这一差异也印证了我们给文明社会提供能源的方式。就像今天的植物与浮游生物一样,煤炭、石油和天然气的那部分由光合作用而来的碳,其中的碳13含量比水与空气中的含量低;同时,通过改变大气与海洋之间的平衡,燃烧化石能源排放的气体正在降低地球上所有生物的碳13含量。化学家用“δ13C”标记,其发音是“德尔塔碳13”P.111
人类饮食在原子层面的变化如今已经超越了物种界限,影响到我们身边的动物---全世界的δ13C数值自从化石燃料开始被使用后都持续下降。这种迹象随处可见,比如树木的年轮、湖底沉积物或珊瑚形成的精致带状石灰石,当然还有你自己的身体---全球性的同位素变化趋势只是 警告之一,它告诉我们在现代社会中,我们仍然通过原子链与地球紧密相连,跟我们的祖先并无差异。P.114
读者感言:碳循环,很多人不陌生,用科学的方法直观的标识它,则是科学素养;再者,前几年看过柴静的《穹顶之下》,现在看了本书的该部分,就更容易理解它了。

诗意的原子(5)
如果你的体液中没有足够的钠,那么大多数细胞都会膨胀而死;反之,如果钠的含量太高,细胞则会干瘪,变成微型话梅干---咸味源于单一的元素—钠。P.地球之泪—钠120
你所有的钠原子都来自地壳中的矿物质。所以,你逃避不了这样一个事实:你也是一个泥土食客,并且你也以其他食土生物为食。P.124
目前,全球海洋的含盐量大约有5亿亿吨,如果将它们全部提取出来,足以在所有陆地表面下一场150米厚的“盐雪”P.127
尽管到目前为止,味觉的学问还是有些神秘,但已经清楚的是,钠在舌头上味蕾的通道不仅是通向美味的大门,也是通往味觉行为本身的入口---咸味和苦味的感应细胞之间相互影响,这也可以用于解释低钠盐中诸如氯化钾的一些成分为什么会有偏苦的味道,而这也可以起到降低其用量的作用。P.128
将一个血红细胞放到一滴纯水中,会看到它在膨胀,然后像一只充气过头的气球一样炸开。这是因为水分子可以狠容易借助“原子之舞”穿过薄薄的细胞膜进入细胞中,但盐的离子却被困在细胞内。水不断进入,盐分又不能渗出,这样的不平衡导致了细胞的膨胀。不过,在浓度非常高的盐水中,情况则会相反,红血球会发生萎缩:水分子向外的渗透作用与自外而内的扩散作用不相称,因为钠离子不能穿过这层细胞膜屏障。P132
因喝水过多引发抽搐并致死的悲剧时有发生,通常都是在喝水比赛中---钠离子穿过细胞膜的扩散过程不仅仅是改变细胞的形状,还有很多更复杂的影响。它还让你可以思考、可以感知,还可以完成数不清的动作。P.133
所有神经脉冲,都和钠离子穿过神经元薄膜的扩散过程有关---一个神经元可以携带数百万个微型通道,可以迅速打开透过细胞膜的通道,只允许钠离子通过。每一条通道都是被蛋白质包围的小孔,钠离子周围的水分子层则会被这些蛋白质撕开,并开启一条定制通道,宽度恰好可供钠离子挤过。通道打开后不到一秒钟就会被再次关闭,数千个钠离子趁机扩散入神经元,而此前神经元内部的钠离子浓度不过是外部的1/10。这一过程引起周围通道的纷纷效仿,直到扩散的钠离子抵达神经细胞末梢。在那里,信号传递给其他神经元或肌肉细胞,它们可以继续传递信息或是对信息作出反应。P.134
这一些看上去如此机械,在自然界中如此基础,以致让我们很难相信,正是这看不见的“原子波”,通过那些将的眼睛与大脑连接的神经元,让我写下这些文字得以被你读到---上述神经活动的简化版本说明,钠离子对于你的神经系统究竟有多重要---氯离子通道有助于调节神经元的电荷平衡,而位于神经下游末端的钙离子通道则有助于向邻近的细胞传递信号。在钠离子波从神经元中经由像闸门一样的选择性通道扩散出来之前,钾离子就已经守在那里了;神经系统接着会被复位,在新的信号发生以前,微型的粒子泵将钠离子推出去,并将钾离子抽进细胞。钾离子也是内耳神经的主波离子---这些过程不会持续很久——有些神经元可以在1秒钟内重复装填并传输超过500次信号。P.135
有些动物甚至会利用这种对钠离子扩散的需求,将其作为防御方式,如河豚毒素就是防御性的神经毒素---河豚毒素可以封堵住神经元的钠通道,极小的量即可引发痉挛,比氰化物毒性还高好多倍---有些杀虫剂则正好相反,通过过度刺激钠通道破坏昆虫的神经系统,如苄氯菊酯使得昆虫钠通道保持打开状态,神经元无法顺利复位,昆虫因此而翻滚、瘫痪或死亡。你自己的神经元与这些昆虫有着明显区别,因此苄氯菊酯不会伤害你---其他一些植物也会产生防御性神经物质,比如烟草中的尼古丁、胡椒中的特殊气味物质---你的汗水和泪水之所以是咸的,是因为它们来自咸味的淋巴液,它们从血管中渗透而来,像是富含矿物质的地下水。P.136
泪水中的渗透平衡,与血液和淋巴间的平衡作用类似;但你的泪腺分泌的泪水中含钠量略低。P.137
读者感言:“认识你自己”这句话,怎么强调都不过分,因为一个人真的很难确切的认识自己,如本文论及的钠离子、食盐,它们对人体的作用,如此机械又如此神秘。科学,应该成为我们精神中的一种品质,就如传统文化中“山水文化”对抗人世上的现实世界那样,成为我们的精神品质。
诗意的原子(6)
德国化学家弗里茨.哈伯具有性格上的多面性,他以空气中的氮为原料制造化肥与炸药的工艺,作为发明人,他需要为数百万人的死亡负责,其中可能还包括他妻子与儿子的自杀;但他同时为20世纪几十亿人能吃饱肚子做出了很大贡献。因此让他在1918年获得了诺贝尔化学奖,具有讽刺意味的是,该奖正是由阿尔弗雷德.诺贝尔通过生产含氮炸药积累的巨大财富创办的。P.生存.毁灭,和来自空气的面包—氮141
氮气分子可以对全波长的太阳光进行散射,只不过对波长较短的光(蓝光、紫光)会更明显。而人的眼睛对紫色的敏感度不及蓝色,你的大脑处理后只是用“蓝色”这个词代表你观察到的颜色---我们头顶上的穹顶,因自己的原子发出的光而发光,不过到头来,天空之所以呈现蓝色还是由你的感官决定的。P.145
你肌肉干重的10%-15%都是氮原子,而在你血液里的血红素中,是四个氮原子搭建成一个摇篮怀抱着一个铁原子---全球最主要的固氮微生物是各种各样的蓝细菌,还有寄生在苜蓿、三叶草与大豆等植物根部的土壤细菌。P.146
除了细菌以外,只有闪电是值得关注的非人工氮源。P.148
机动车尾气与火力发电厂一样,成为全球氮元素循环的主要来源.P.149
如今,这个星球上大约一半的生物质氮元素,包括你身体中的大部分,都是通过燃烧化石能源从空气中提炼而来---人工固氮从TNT(三硝基甲苯)到笑气(一氧化二氮),甚至化肥(硝酸铵),这些都是一个人的遗产——弗里茨.哈伯(生于1868年),他跟爱因斯坦一样也是德裔犹太人,但他皈依了基督教,从而在一个反犹太情绪日益高涨的社会中能获得更大发展。P.150
当你消化食物中的蛋白质时,氮元素最终会以尿的形式被排出体外。细菌随后将尿素转化为氨气,进一步再将其氧化成适用于爆炸物的硝酸盐。P152
如果没有人工固氮技术,恐怕当今全球70亿人口中的一半都不会存在,原因很简单,因为没有足够的氮原子去构建和维持他们的身体---不管你如何评价,哈伯-博施合成氨法无疑将我们从古代细菌垄断集团的限制中解放了出来。P156
氮15(氮的同位素,比氮14重)在北太平洋沿岸各分水岭中动植物中的丰度(比例),如叶片中氮15含量可以反映植物与溪流的距离(植物中的氮,部分来自于海洋生物如红鲑鱼被熊捕获带到岸上吃掉后最终被植物利用),以及鱼群密度和熊群规模等。P.159
通过测量河边树木一圈圈年轮中氮15的丰度,发现在过去的350年里,鲑鱼洄游的规模起伏很大,即便在现代人类对其造成影响之前也是如此。P.160
湖底的沉积物就好像树干中的年轮,可以揭示出数千年的鲑鱼历史---而形成了岩石的湖底沉积物中氮15的含量研究记录了更久远的鲑鱼信息,像现在这种种群数量长期下降现象并非我们这个时代所独有,两千年前还出现过更大幅度的下降,并一直持续了好几百年。我们到现在为止还不知道具体是由什么原因引起。P.161
考古学家会通过对骨骼中最丰富的胶原蛋白进行氮15同位素分析,从而构建出古人类的食谱。P.162
同位素研究还发现,母亲的妊娠期可以在头发丝中体现,因为这时她的身体正在不断的向她的孩子输送氮原子。母亲与孩子之间的联系,从很多方面也反映了我们与地球之间的原子联系---如今仅仅是哈伯-博施工艺这一项,就足以匹敌海洋与陆地所有微生物的固氮总量。我们生活的这个世界已远非我们的祖先所能理解,甚至,我们大多数人都不再依赖农场了。P.164
生态学家亚历克斯.沃尔夫在接受一次线上采访时指出:“全球气候变化的争论主要集中在对碳排放的讨论---(但)全球氮循环中由人为造成的困扰已经远远超出了碳的影响。”---如何权衡我们对固定氮的需求以及这种需求对水与空气质量的影响,还有我们的进化——是互相促进还是相互残杀,这些都将是人类前进之路上上演的伟大故事。P.166
读者感言:氮构成蛋白质,构成所有生命物质的基础,氮的循环以及人类掌握的固氮技术,确实是分析诸多自然现象和人类与环境之间关系问题的根本

诗意的原子(7)
骨骼是钙和磷的储存库,以一种地质学家称为磷灰石的矿物形态构成了骨骼与牙齿中的大多数质量。P.骨与石—钙、磷172
和你的指纹一样,你的骨骼的原子构造也是独一无二的。尽管它们看上去有点像毫无生气的棍子或石头,但事实远非如此。你的骨骼是活着的,它们会根据你的环境和生活习惯做出动态反应。P.173
在去除脂肪的骨骼干物质中,大约有2/3的石质的磷灰石,平均占成年人体重的3%-5%。P.174
磷灰石从周围环境置换原子的自然倾向,也让你自己的身体可以自我编辑---当食物匮乏时,身体可以从中调取钙和磷。磷灰石在牙齿外层坚硬的牙釉质中形成较大晶体,相比于骨骼,它能够更好的抵御磨损和化学腐蚀---唾液中一种叫釉护膜的蛋白质会在牙齿表面附着一层薄薄的一层,保护其免遭化学物质的腐蚀,同时也能防止膳食中的钙和磷与牙齿结合而像洞穴中的钟乳石那样生长。P.175
你的骨骼各个部分平均每年会替换掉1/10的细胞,相对较软的骨基质,可以帮助你的身体对你的生活状态做出反应,重新排布原子。为了能满足日常需要,每一根骨头内部结构的复杂性都不亚于一栋摩天大楼---在骨骼中的磷灰石内部,也包裹着由胶原蛋白构成的“钢筋”——一种强度巨大且富有弹性的蛋白质,给你的跟腱和韧带安上弹簧的也是它们。P.176
岩石风化,最终为你的骨骼提供了钙和磷。你体内的大多数矿物质原子都从地壳而来,而且很可能是靠植物的手——或者说根来实现这一过程的。P.182
跟你的骨骼一样,森林土壤将岩石元素与生命元素物质混在了一起。P.183
有时,菌丝纤维会深入到树根内部并寄生于其中,这种情况下,它们反过来是从菌根中抽取营养---有时真菌与树根会运用化学信号征召对方加入网络的建设,就像是连接母亲与胎儿间的胎盘那样。这样的真菌联盟可以使树木吸收的磷元素增加两倍,而且有些真菌甚至可以杀死并消化土壤中的昆虫,再将它们的原子通过树根输送到树木---真菌“矿工”开采钙和磷而不会贮存它们:它们利用任何自己不能消费的元素跟上方的植物进行交易。通过对树叶进行分析发现,云杉和冷杉针叶中所含的钙,95%都是由开采磷灰石的真菌“贩售”而来---植物回馈给真菌什么呢?基本都是糖。P.184
这样的交易方式也让欺骗行为变得有机可乘,一些物种便混入市场中做起了没本钱的买卖。杓兰的种子没有为胚胎储备淀粉,全靠慷慨的真菌资助,直到胚芽成长到可以自给自足为止---为什么欺骗不会导致整个系统崩溃?很显然一些原子交易者可以区分这些白吃白喝的家伙并予以惩罚---植物都会保持跟踪,并拒绝与骗子进行交易,尽管同一片树根上生长着很多种真菌。反过来说,树木提供的回报越少,从真菌那里获得的磷也就越少。这种合作系统颇有些像最具生产力的人类社会。规则的执行是双向的,并基于报酬而定,而双方都可以自由的跟多个交易对象进行交易---“这个案例清晰的展现了,在人类社会以外,类似于市场经济的合作模式是如何被确立下来的。”P.185
西红柿可以通过监听它们之间的真菌来掌握其他同类的健康状况。当有西红柿被病原体感染后,它们会向真菌网络中释放信号分子,附近的其他西红柿因此做出反应,这样就会有足够的时间启动免疫系统,避免自己被感染---豆类植物也可以通过共享真菌网络释放分子信号发出“警告”,让附近的植物做好准备,抵御即将到来的蚜虫的袭击。如果没有这种地下的“采矿”及“商业”系统,只靠缓慢的风化的石头吝啬的提供矿物质原子,大多数植物都将无法生存。同时由于世界上很大一部分蔬菜最终都成为了食物,所以这一钙磷交易市场最终也让你和其他人从中受益。不过,因为菌根系统是个双向交易的市场,土壤与生物之间的原子流动也是双向的。因此,不仅是矿物质产生了生物组织——几十亿年来,生命也生产了一些独特的矿物质。P.186
产生于空气与岩石之间的植物绿火,十倍以上的加速了地貌风化---我们为了产生化肥而商业化开采磷矿,这与真菌开采磷灰石究竟有多大区别?既然植物可以改变这颗行星的地表,开展自然资源的贸易,改变大气中的化学构成,那为什么我们就不行?P.189
作为一种社会意识,我们的祖先学会了依赖合作而生存,但是地下网络中,尽管植物和真菌都不具有意识,但也还是通过分享资源获得繁荣。合理的行为准则有利于我们的社会,但是植物-真菌市场中,长期依赖也依赖公平交易法则得以维持。不管你如何笃定人类是如何独一无二,有件事都是确定的——我们的原子性质让我们和其他物种一样,都是地球生态系统的一部分---理解生命元素循环,就变得和我们原始祖先自立姿势的进化过程同样重要。因此,这是一件重要又快乐的使命——尽可能从原子的角度看懂自己。P.190
读者感言:认识和尊重生命,认识和理解社会以及自然,读读科特.斯塔格的《诗意的原子》,不仅有趣而且确实让人获得一种宽阔的看待事物的视野。
诗意的原子(8)
美国俄勒冈州的上可拉马斯湖生产一种神奇的物质,被“细胞科技”公司声称能治疗疾病,他们从绿色湖水中滤出绿泥供人食用,声称可以增加活力,给身体排毒,增加营养,并促进儿童生长发育---直到2003年一名为梅丽莎.布莱克的SBCA使用者因器官衰竭死亡。P.增长的极限—磷193
当湖中磷这种生命必要元素变得绰绰有余时,微生物的数量便呈爆炸式增长,就跟农业现代化之后的人口剧增一样。P.195
“富营养化”这个术语源于希腊语,本意只是单纯指代营养充足的生态系统,当科学家说到某个湖泊或某片海域是富营养化时,从技术上将也只不过是个中性词。但由于将磷排放到水体中造成人为富营养化,在大多数人看来都不是什么好事,更像是吃得太撑得了病P.198
如今位于非洲国家乍得境内的博德累盆地---曾是世界上最大湖泊的湖床如今裸露在外,成了世界上大气沙尘的最大单一源头---每年会有大约5500万吨沙尘飞跃大西洋,落入亚马逊盆地中---每年有7000万吨以上来自博德累的铁原子会补充到大西洋,超过全世界河流向海洋输送总和的20倍---海藻消耗掉了大量这些从空中而来的恩赐---固氮酶的主要作用是捕获氮元素,它也是所有生物分子中含铁亮最高的几种物质之一---富含非洲铁锈沙尘的降雨将赤道附近的大西洋变成了一座“良田”,缺铁的固氮生物在此茁壮成长P.199-201
如果有什么元素会限制人口增长,那么它一定是比铁更稀有或是更难采集的元素---磷元素恰好就是---你的体内大约携带了0.45千克磷元素,大多数在骨骼内,但还有很多是你细胞的重要组成部分。P.202
一般成年人所有皮肤的总重为3.6-4.5千克,其中大多数是由水和油脂构成---皮肤最外层的表皮细胞干燥后的残留物---你向世界所展现的,最显著的就是磷原子-磷酸酯分子围住了你的细胞P.203
每一个细胞中都包含一颗包裹着DNA的细胞核,而每一个DNA又都含有磷原子,尽管DNA的编码中隐藏着海量基因信息,但它实际上只由四种含磷的“砖块”构成,也就是所谓的核苷酸,这其中有一种核苷酸叫作三磷酸腺苷,也就是ATP,在基因中可以独立工作—充当细胞的“化学电池”,此外它还能让你的四肢运动,并让你用嗅觉、触觉和味觉去感知这个世界。ATP分子的神奇之处源于它所携带的三个相连的磷酸基,当最外层的磷酸基脱落时,由此释放出小型能量波,可以让你实现各种动作,ATP则变成了ADP,即二磷酸腺苷。当再次装回磷酸根之后,ADP又变回ATP,你又可以带上这个重新充满能量的化学键,将其用到需要的地方---你每天需要的ATP几乎和身体等重,不过好消息是,ATP的循环速度很快---你的线粒体为你完成了大多数循环过程,从食物中获取能量,并将最重要的第三个磷酸基送回到ADP分子中,你吸入氧气主要是为了给你的ATP工厂提供能量,而这些工厂的ATP也为你的呼吸提供能量。P.205-206
我们没有制造用于维持身体的原子,而仅仅是从环境中借来了它们。P.207
如果你的体重是68千克,那么你的原子总数将会大大超过宇宙中可以看到的恒星总数-7×1027个原子P.208
在缺氧的海底沉积物中,细菌时常光顾这些浮游生物的墓地,吃掉腐烂的细胞,从中吸取碳原子与氧原子,留下密实的含磷颗粒。这些沉淀后来成为小麦和玉米所用的化肥、母乳中的磷,以及你最钟爱的软饮中富含活力的磷酸。墨西哥湾的这类事件在1800-2200万年之间发生了几十次,也许是海平面周期性上涨造成。这种波动的周期大约是10万年,与气候变化周期吻合,因此冰川期可能在此过程中扮演了重要角色---每一次海水对大陆的回访都会引发更多的上升洋流,并让更多的磷沉降下来。如今,北卡罗莱纳州海岸沿线附近较薄的矿床,已经被一路赶到的大陆架边缘年轻沉积物所覆盖,近海海水之下已经达到或超过了300米。P.212
我们如何获取并利用磷,还有我们如何过我们的生活,将会决定这一元素以什么方式满足我们的需求多长时间---在这个历史的新纪元,人类心理已经成为地理、生态学与化学过程中不可分割的一部分---通过详细的计划,我们已经可以很好的将人体的磷重新送回循环之中。P.214
读者感言:科特.斯塔格在本章开头讲述的美国人在本世纪初的吃绿泥事件,让我想到大约同时期我们国家发生的大规模事件—一个江湖野郎中将全国的绿豆价格炒作的翻着番的涨、日本福岛核电站发生事故殃及中国几乎全国性的百姓抢盐,那时我以为这是我们的国民素质使然,想不到自称或他称教育和科普强国的美国,竟然在21世纪初还抢吃绿泥。蒙昧,事实上还在全世界蔓延,包括美国;启蒙,恐怕在任何时代都需要。

诗意的原子(9)
你可以算得清身体不同部位的元素种类及数量,并由此总结,自己其实就是氢原子与氧原子构成的水,掺进了一些煤灰和烟尘。如此简单的分析,也许会让你觉得自己不过就是有点智力的泥巴而已,但这并没有揭示你与无生命的黄土之间有何本质差别,虽说终有一天你也会变成一抔黄土。P.消逝的肉体—生命和非生命的界限.217
无生命的元素与有生命的组织间存在双向物质交换:理智的外界限就在这里---你大部分身体根本不是活着的(体重的2/3都是水),甚至其持久性和特异性都不值得起个专属姓名。P.219
“冷战”期间,热核武器的大气层实验造成空气中的氮元素转变成放射性的碳14,直到如今依旧污染着空气和海洋---如果说它有任何一点好处,那也许就是放射性碳的浓度变化,给我们提供了测定细胞年龄的全球性同位素示踪剂。P.221
你身体中大多数细胞的更新速度平均在7-10年之间,不过有些细胞远在这个范围之外。20岁时,你心肌细胞每年会更新1%左右,而到了75岁,这一速度会下降至一半。口腔中味觉细胞寿命大约是10天,皮肤细胞的平均更新时间是39天,而人体肝脏细胞更新周期在300-500天之间,也就是说,每一到两年,你都会长出一幅全新的肝脏。P.222
我们身体中几乎所有的原子每年都会被替换一遍,一个68千克的成年人体内打一会含有11千克蛋白质,每天有312-397克的肌肉会被分解并替代,不同蛋白质的寿命可以从几秒到数年不等P.224
你的一部分原子来自宇宙射线。1991年10月15日,在犹他州的蝇眼宇宙射线探测器探测到一个高能粒子,冲击力大得惊人,大为吃惊的科学家们将其称为“我的天哪粒子”(oh my god particle),这颗粒子至今仍然因其绝对的冲击力而保持着记录,不过如今已有更多的类似的宇宙粒子被检测到。这些粒子多数以接近光速的速度旅行,可能来自最靠近银河系的那几千颗星系中的某一个---推断依据是,这么高能的粒子,其旅行距离不会超过1亿光年---它们大多数是质子,但也包括电子、离子化的碳核、铁以及其他元素。P.226
几乎没有质量的中微子可以穿过整个地球,从你的天灵盖穿过之后继续它们的长途旅行,不会在你的身上留下任何印迹。天体物理学家发现大多数粒子的轨迹都在银河系的银盘内,也就是说它们来自我们银河内部的邻居。然而,很多高能粒子,等概率的从不同方向袭来,也证明了其中至少有一些来自于宇宙更深处。P.227
宇宙射线撞击了空气分子、破坏了细胞之后,去了哪里?你一定会很惊诧,你体内一些相对年轻的碳原子其实就是这种撞击的产物:杂散中子撞入氮原子核,氮原子因此转变成发射性的碳14,并很快与氧原子结合,成为二氧化碳混到下层,在不到一平米内每秒钟都有数千个碳原子通过这种方法形成,一旦落到地面后,便会被植物吸收并进入食物链,最终达到你的体内---碳14的衰变期是5730年,如果构建你DNA链中的其中一个碳14发生衰变,由此形成的氮原子以及粒子辐射的反冲力,都可能会造成基因编码的错误,如果不被修复便会出现变异。成年人体内每秒钟都有大约3000个放射性碳原子会像微型炸弹般炸裂。P.228
你体内的一些水分子也是宇宙“炸弹”。有时对氢元素的撞击会产生氚,相比于丰度更高的放射性碳,辐射相对较弱的氚却可能造成更严重的损伤。根据阿西莫夫的估计,人体内平均每秒钟会发生三次氚原子衰变。以此同时,空气中遭遇撞击的氮原子会变成碳12,也就是普通形式的稳定的碳同位素,因此也就没有办法精确的知道,你身体中哪些碳原子更古老,哪些又是宇宙孕育的“新生儿”。不过,可以肯定的是,你体内一定也带着一些这样的变形体。宇宙射线撞击裸露的岩石表面,矿物质原子会被转变成放射性较为温和的氯同位素---你不仅从生理上管着你的地球老家—你的原子邻居也遍布银河系,甚至也包括宇宙的更深处。P.229
当如此多的剧变在这么多层面上发生之时,没有哪种物质可以做到永恒存续。P.230
当你死去时,你身体中的大部分最终都将变成气体而非尘土,也就是由二氧化碳和水蒸气构成的看不见的“元气”。P.231
对全美的估算,每年因火化造成的汞排放(用传统方法补牙的银汞合金中的汞)量在数百磅到数吨之间。P.232
人火化后产生的气体,在新泽西所处维度将在半个多月的时间内绕北半球一圈。P.234
非生命状态是常态,即便对你来说也是一样---在过去的138亿年中,你都是“死亡”的状态,直到最近这短短的数十年---你死后,生命现象还会延续,但也不是永远---我们所熟悉的地貌最终都将因为抬升、下沉或风化而消失,大陆会碰撞,海洋会闭合或重生,新的山脉也会发育或消亡,物种也是如此。P.238
如今供养我们的太阳,最终将膨胀成一颗红巨星,从现在算起大约10亿年后,太阳的亮度增大大约10%,从现在起大约30亿年,太阳会更加明亮,水分子将只能以蒸汽状态存在,不过即便到了那时,在太阳消亡的内核冷却,地球被彻底摧毁驱散之后很久,你大多数原子的原子核仍然会存续。它们将以星云的形式扩散到星际之间的太空,就像太阳系形成前那样。P.239
宇宙学家将我们在地球上的岁月定位在“多星时代”中,这是大爆炸之后的一场烟火盛会,我们身边随处都是爆开的宇宙光弹。不过即便这一漫长的时代,对于整个事件跨度而言,仍只是短短的一瞬间。当恒星最后的燃料耗尽,构成你身体的那些原子都将化作相对论所描述的——由亚原子弦和夸克构成的雾---任何物质都不会永恒,但你却一直都在。P.240
死亡,但你的能量从未死去,你的能量依旧存在---死亡揭示我们真实的原子自我,就像我们其实是古老而奇妙的粒子宇宙中无比微末而又无比珍贵的一部分,我们短暂的存在于斯,我们的身体和经验产生于斯,最终也将消散于斯——只不过是时间问题。P.241
读者感言:至此,科特.斯塔格的《诗意的原子》就只剩下一个《后记 爱因斯坦和他的阿迪达朗达克山脉》没读了,该书确如作者在《前言》里所说的那样,给人一种新的人生观和世界观。诚哉,个体生命如此微末且短暂,但人却能认知永恒和无限,恰如苏东坡在《前赤壁赋》里所言的“盖将自其变者而观之,而天地曾不能一瞬;自其不变者而观之,则物与我皆无尽也,而又何羡乎!”

诗意的原子(10)
我们能够拥有的最美好的体验就是神秘感——这是诞生艺术与科学的摇篮中一份必不可少的情感。-阿尔伯特.爱因斯坦。
1955年4月,爱因斯坦拒绝对动脉瘤破裂进行外科手术,并强调:“人为延长生命毫无意义,我已经完成了份内工作,现在是时候离开了。”P.后记 爱因斯坦和他的阿迪朗达克山脉242
在我出生的前一年,爱因斯坦离开人世。后来了解到:他和我都熟悉纽约上州的阿迪朗达克山脉,并且都钟爱此地。P.243
我们太阳系中普照万物的耀眼核心其实是漂浮在一片虚无之中---爱因斯坦承认人类的理解力会有极限,包括他自己。P.251
物理和音乐一样,整个领域都包含着“呈现惊人对称性的预设和谐”,爱因斯坦对此有着深刻感悟并将其作为自己的财富。对他而言,莫扎特的音乐“似乎早已在宇宙中出现,只是等待着大师去发现”,这不仅让人想起米开朗基罗谈起他的雕塑时所说的 话——他并没有创造人物形象,只是让本来沉睡于大理石中的他们从此解放而已。P.253
虽说我们不能完全解释生命是什么,分子共振涌现出的“音乐”还是可以帮助我们描述生命到底像什么---你对音高与声调的感知,来源于神经元离子形成的波,它们激发了你的感官与你的大脑的情感反应。然而,旋律本身是因演奏而产生的一种抽象模式,更彻底的说,爱因斯坦最钟爱的《e小调奏鸣曲》是1778年诞生与莫扎特脑海中的一些抒情的思想。它的涌现,比任何音乐会或演奏家的生命更持久,并且无论有没有乐器将其具象成声音,也无论是否在报纸上记录下来乐谱,它其实都是存在的。P.254
如同奏鸣曲的声音那样,或是想莫扎特、爱因斯坦还有惠特曼那样,终有一天也你也会离去。然而如同乐曲的抽象结构那般,时空坐标和你生命涌现方式却将不朽,曾属于你的原子或是亚原子,都将在亿万年中不断变换形式继续存在,直到它们逐渐消散在那垂死的寂静宇宙之中。P.255
读者感言:本书作者是美国科学家、科普作家,这个《后记》是作者查阅背景资料前了解到爱因斯坦跟作者一样,钟爱同一座山,且作者认为是爱因斯坦改变了我们对自身和宇宙的理解方式,充实了我们的知识体系,作者还认为是爱因斯坦将人类带入原子王国最具决定性的那个人。所以,才有了这个《后记》。








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 楼主| 发表于 2019-6-18 09:09:32 | 显示全部楼层
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据估计,地球上的植物每年将6×1014千克的CO2转变成糖类,同时释放4×1014千克的O2。P.7
光合作用分为光反应和暗反应两个过程:有光子参与的就是光反应,包括光子吸收、电子转移和光合磷酸化三个阶段;暗反应则是叶绿体利用光反应的产物将CO2还原合成糖,将光能转变为化学能储存于有机物中的过程。P.8
棉花、向日葵和花生等植物顶端每天随阳光而转动,这种现象是生长素或某种物质控制叶枕(叶柄基部)的运动细胞引起的---生长素总是向着背面转移的多,背光面生长素含量高,生长速度加快,就引起向日葵的茎端向光弯曲了---所以,其实是光子引导活跃在向日葵体内的生长素的活动,就像施展了魔法一样引起一连串的反应,最终使得向日葵总是面对着太阳。P.12
植物的芽在秋天就形成了,它在秋冬季休眠,春回大地时,休眠中的叶原基开始生长,促进萌发生长必需的酶开始合成,进而促进生长所需的蛋白质的合成,芽种就开始生长了。影响植物发芽的另一重要因素是日照的时长。P.16
红、橙光被叶绿素吸收最多,其次是蓝、紫光,而绿光几乎不被吸收---长波光可以促进植物的延长生长:红光可通过抑制光合作用产物从叶中输出来增加叶片的淀粉积累,促进菜豆叶片伸展;短波光泽会抑制茎节的伸长;蓝光调控叶绿素的形成、气孔开启以及光合节律等生理过程,而蓝紫光、紫外线有利于花青素的形成;对碳的利用而言,蓝光促进新和成的有机物中蛋白质的积累,而红光促进碳水化合物的增加。P.17
植物也分阴阳,但不像动物分雌雄那样明显。P.19
动物的生命活动与光子的作用息息相关,很多动物的活动都与光照强度有着密切的关系。P.22
光照对于我们人类的生长发育和身心健康都有举足轻重的作用---活性维生素D又叫“阳光维生素”,它可以帮助人体摄取和吸收钙、磷---日光还能调节人体生命节律及心理状态P.23
光周期还能影响植物的形态,翠菊在长日照下节间伸长,在短日照天呈莲座状生长。日照长度还影响植物的性别分化,大麻在短日照下是雌雄异珠,但在长日照下雌雄珠无别。同样,日照长短对地下块茎的形成有显著作用。P.26
动物也有光周期。以前人们认为鸟类的迁徙受温度影响---但鸟类迁飞的节律是任何其他因素(如气候、温度变化、食物的缺乏等)都不能解释的,只能由日照时长来决定:当日照时间达到一定长度以上或以下之后,会触发鸟类体内的某种反应机制,诱发其迁徙行为。P.27
各种鸟类每年开始生殖的时间也是由日照时长的变化决定的---很多野生哺乳动物都是随着春天日照长度的逐渐增加而开始生殖的---还有一些哺乳动物总是随着秋天短日照的到来进入生殖期---鱼类也常表现出光周期现象---日照长度的变化通过影响内分泌系统也影响着鱼类的洄游---昆虫的冬眠和滞育主要与光周期的变化有关。P.28-29
不同光子穿透水体的能力也不同。红光只能透入海水的表层,其次是橙黄色的光,蓝光、紫色光能透入得更深。植物的光合作用色素对光谱的这种变化具有明显的适应性,绿藻常附着在岩石表面或浅海水,它吸收红光,蓝藻吸收橙黄色的光生活在较深的地方,褐藻吸收黄绿光生活得更深一层,红藻和紫菜吸收绿光,反射红光生活在海水最底层。P.32
植物的千奇百怪、色彩奇特的叶子不光是为了好看,一定的环境造就一定的结构形态。P.35
跳舞草的每个叶柄的顶端有一片大叶子,大叶子后面对生两片小叶。小叶对阳光特别敏感,一旦受到阳光照射,后面的两片小叶就迎着太阳一刻不停的绕着叶柄翩翩起舞,从旭日东升一直舞蹈至晚霞遍地才疲倦的顺着枝干倒垂下来休息。它起舞不仅与一定的节奏、节律、强度下的声波感应和阳光有关,还受温度影响。24℃以上,且在风和日丽的晴天,它的对生小叶便会自行交叉转动、亲吻和弹跳,两叶转动幅度可达180度以上,然后又弹回远处,再重复转动,周而复始。当气温在28-34℃,尤其是在上午8-11点和下午3-6点时,或在闷热的阴天,或在雨过天晴时,纵观全珠,数十对叶片时而如情人般双双缠绵,时而紧紧拥抱,时而又像蜻蜓翩翩起舞,使人眼花缭乱,给人以清新、美妙和神秘的感受。当夜幕降临时,它又将叶片紧贴于枝干,紧紧依偎着,好像静静休息。P.37
读者感言:该书属科普,本欲带到课堂上呈现于学生的,自己读了,也觉得有趣、值得。
    光子精灵漫游记(续)
荧火虫的发光细胞中含有荧光素、荧光素酶两种发光物质。它们与ATP及氧气一起反应,在氧与荧光素结合时发生电子转移同时发生能量的变化,释放出荧光光子而发光。荧光光子发出的光是化学光,需要消耗充足的氧气和能量。萤火虫将化学能转化为光能的效率极高,几乎是100%,但目前最好的荧光灯的转换率也只有25%。P.49
海荧发光,它在自身分开的腺体中分别合成荧光素和荧光素酶,当把两者同时喷进水里时就会在水中反应而发光,波长460纳米,光色为蓝色。洋葱根尖细胞、分裂的酵母细胞、白细胞、肝脏或脾脏的线粒体或微体等也会散发微弱的光。P.49
变色龙随机应变的秘密:变色龙色素存在于星形的色素细胞内,在色素细胞外环绕着肌肉纤维,因而具有一定的弹性。色素细胞收缩或放大形成不同种类色素细胞的颜色组合,从而决定了变色龙的肤色。P.51
受到动物变色的启示,人类研制出能变色的服饰。腈纶线能建管变色,用它织成的衣物穿在身上就能随着光源变化而转变色彩;用热敏和光敏燃料的服装能随环境而改变颜色,在昼夜具有不同的效果,也会随着敏感地域的变化而变化。P.52-53
鱼只能看见近处的物体,视力并不好,但在所有动物中,鱼眼的视角最大,大约180度,人们模仿鱼眼制成了一种超广角“鱼眼镜头”,制成的鱼眼相机在军事上应用很广泛。P.55
蝴蝶翅膀的鳞片具有一些列重复的结构——螺旋曲面,当光线照射到翅膀上像棱镜的微小结构时,就产生折射、反射和衍射等,这些鳞片收集太阳光的效率极高。受它启发人们制作出了全新的高光采集效率的太阳能电池。它的奇异结构,还能帮助人们解决热效应和防伪方面的问题。如为卫星设计的犹如蝴蝶鳞片般的控温系统,防伪纸币和信用卡等。P57-58
电子内窥镜可筛查癌变或损伤,激光荧光光谱和拉曼光谱技术成为近年来应用很广的癌症早期检测与诊断技术。P.61
许多生物大分子在一定波长光的诱发下都会发出可见光范围内的荧光。荧光光谱的形状和激发光波长无关,一般荧光辐射的波长比激发光长,测量的荧光频率与入射光的频率不同,可以免去来自激发光的本底干扰。荧光分析诊断仪能检测非典型增生,在基因突变后代谢异常期(即在肿瘤形成的前期,还未形成典型癌细胞组织前)就能够予以鉴别诊断。使用“光活检”技术,能够提早诊断癌症病变6-8年,从而使癌症的早期诊断、前期治疗成为可能。P.63
拉曼(1888-1970,印度物理学家、教育家,亚洲第一位获得诺贝尔物理学奖的科学家)在1928年发现,当光与分子相互作用后,一部分光的波长会发生改变(颜色发生变化),研究这些颜色发生变化的散射光就可以得到分子结构的信息(拉曼效应)P.63
拉曼光谱技术通过测量物质分子官能团的振动模式,得到物质分子的振动光谱。振动光谱反映的是分子的精细结构——振动结构,具有指纹特性。拉曼光谱的特征峰和强度反映了分子振动、转动方面的信息,据此也可以反映出分子中不同的化学键或官能团(鲨鱼不会得癌症)P.64
1960年,美国物理学家梅曼在实验室里获得了一种自然界中没有的光——激光。P.91
白炽灯通电灯丝温度升高形成黑体辐射(即热辐射),激光的产生不是黑体辐射,激光的能量来源于工作物质内部的粒子跃迁(电子跃迁)---受激辐射是激光得以产生的直接原因,受激辐射出来的光子与入射光子完全相同(同态光子)。输入一个光子,受激辐射n次,就得到2n个光子。P.100-101
用红宝石等作激光工作物质,其高能粒子具有较长的寿命,即粒子一旦被泵浦到高能级,就能较长时间停留在那里,不会马上辐射到低能级(亚稳态)。由于亚稳态的存在,在合理泵浦的情况下,就可以让处于高能级的粒子数多于低能级的粒子数——称为粒子数反转---把工作物质放在一个长形腔内,腔的两端,一端安装全反射镜,另一端安装部分反射镜。这个腔镜中主要发生的是光子的谐振,通常将之称为谐振腔。谐振腔还有另外一个作用,就是选择输出激光的方向。P.102
激光存在多个模式,为提高光束的输出质量,就要对模式进行选择——激光选模技术,基模TEM00的光束最好也最稳定。P.105
非线性光学中,一定频率的光入射到介质上,可能通过与介质的相互作用产生二次、三次或者更高次的谐波,还在光谱上产生频率周期分布的光。如,假设有两个光子,频率分别为w1、w2,经过介质后变成一个光子w3,且w3=w1+w2,这个过程称为和频;当w1=w2,w3=2w1,这个过程叫光学倍频,也叫光学二次谐波。同理光学三次谐波,也即光学三倍频。还有差频,当有三个光子入射的时候,它们的作用关系是很复杂的(四波混频)P.109-110
利用非线性光学效应的全光开关和光限制作用可以控制激光的强度;用倍频、和频与四波混频可以实现光频率的转换,从而得到我们想要的波段;在非线性光存储上,现在也有光折射存储和双光子存储两种新型存储方式;在光通信方面,光孤子通信和混沌光通信依旧是研究的热点。P.111
激光器以工作物质来说,有气体激光器、固体激光器、液体激光器、半导体激光器、自由电子激光器(利用自由电子在真空磁场中的周期性摆动产生激光)、X射线激光器(利用原子壳层的电子跃迁产生光子)、光纤激光器(在石英或玻璃光纤中掺入稀土离子,用二极管或其他固体激光器做泵浦源来产生激光)。P.113-114
光纤激光器作为第三代激光技术的代表,具有得天独厚的优势。近期国内外在这方面的研究分几个方面,2009年中国科学院研制的全光纤激光器的输出功率已经超过1000瓦,2013年武汉光谷诞生了我国第一台万瓦连续光纤激光器,成为继美国后第二个掌握激光功率合束核心技术的国家。P.118
2009年华裔物理学家高锟获得诺贝尔物理学奖,他取得了光纤物理学上的突破性成果——计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输,这项成果最终促使光纤通信系统问世,为当今互联网发展铺平了道路,其光纤技术也为激光器的发展带来了新鲜血液。P.119
半导体激光器也叫半导体激光二极管或激光二极管,它以半导体介质为工作物质,通过一定的激励方式,利用电子在能带间跃迁发光,以半导体晶体的自然解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜(非两个反射镜面),组成谐振腔,使光振荡、反馈,产生光的辐射放大,输出激光。其核心部件是由P型和N型半导体组成的PN结管芯。P.120-121
20世纪80年代以来,我国陆续建设了四大高能物理研究装置:北京正负电子对撞机、兰州重离子加速器、合肥同步辐射装置和上海同步辐射光源。P.126
加速器在医疗卫生中的应用促进了医学的发展和人类寿命的延长,放疗是其应用数量最大、技术最为成熟的一种。现代医学广泛使用放射性同位素诊断疾病和治疗肿瘤,临床应用的同位素,2/3是由加速器产生的。P.128
激光通信是以激光光波为载体的通信。依据传输介质的不同主要分为:光纤通信、大气激光通信、空间通信和水下通信四类。P.131
家庭用遥控器的发射部分是一只特殊的发光二极管,它发出的是红外线。将遥控器对准电视机的接收器进行命令控制时,就将控制信息编码调制成红外线发射出去,接收端将光信号接收、放大、解码,得到原先的控制信号,把这个信号再进行功率放大来驱动相关的电气元件,实现无线遥控。P.132
读者感言:活到老学到老,不然即便在所谓的“专业”上,不久连常识都不懂了。
   
    光子精灵漫游记(再续)
早期的大气激光通信所用光源多数为CO2激光器、He-He激光器等,现在主要应用的是半导体激光器。它具有“无线”和“宽带”两方面的优势,无须铺设传输线,就能向着指定方向有效通信。P.134
光纤通信是以激光作为信息载体,以光纤为传输媒介的一种“有线”通信方式。一根光纤理论上可以同时传输1000亿个话路,而一根光缆中可以包括几十根甚至上千根光纤,再加上波分复用技术把一根光纤当几根、几十根使用,光纤通信容量之大就更惊人了。全世界有85%以上的信息(语音、图像、数据)是用光纤传输的。P.137
2007年瑞士日内瓦地方议会的选举中,官方使用了量子投票方式来保护公民选票并取得成功,这是第一次将量子通信这种先进的密码机制应用到投票中。P.140
世界上第一款商业量子计算机D-Wave-Two的运行速度是普通计算机的3600倍。量子计算机可同时进行上百万次的运算,比普通计算机速度高出10万亿倍,这个潜在的功能使得量子计算机可以破解包括世界各地银行、政府和军队所设定的安全密码。P.141
2012年诺贝尔物理学奖授予法国物理家塞日尔.阿罗什和美国的物理学家戴维.维因兰德,他们用突破性的实验方法使单个粒子动态系统可被测量和操作,而实验中还能保持单个粒子的量子物理性质,这在之前是不可想象的。P.141
量子通信主要涉及量子密码通信、量子远程传态和量子密集编码等,近来这门科学已逐步从理论走向实验,并向实用化发展。一支意大利和奥地利科学家小组宣布,他们首次识别从从地球上空1500公里处的人造地球卫星上反弹回地球的单批光子,实现了太空绝密传输量子信息的重大突破。P.142
LED是发光二极管(Light Emitting Diode)的缩写,是一种固态的半导体器件,通电后晶片PN节中的空穴和电子复合,产生自发辐射的荧光。P.144
LED中电子和空穴的复合效率很高,能持续不断的释放荧光。其内的量子阱是两种半导体材料薄层相间排列形成的,具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱,使得载流子被限制在量子阱内。改变量子阱的厚度可以改变输出光的波长,得到人们想要的光源。P.145
Wi-Fi就是无线上网,是一种无线网络传输技术,实际上是将有线网络信号转换成无线信号。德国物理学家哈拉尔德.哈斯发明了一种新技术—可见光通信(VLC),它利用一束闪光来无线传输数字信息。这项技术被称为Li-Fi可见光通信技术,能将看不见的网络信号转换成“看得见”的网络信号。P.147
科学家正在想办法将电灯泡变为宽带通信的设备—“热点”,目前正在致力于研究一种使用LED灯光的无线数据传输技术。通过给普通的LED灯泡加装芯片,使灯泡以每秒数百万次的速度闪烁,就可以利用灯泡快速传输二进制编码,发送数据。这样,任何路灯都可以成为互联网接入点,若光信号被阻挡,则需要使用设备发送、无缝切换到射频信号,这样就与Wi-Fi互补。目前这种可见光通信已可以实现小范围应用。P.148
20世纪70年代,第一代光盘存储器用砷镓铝(GaAlAs)半导体激光器,波长为0.78微米(近红外光),5寸光盘的存储容量为0.76GB,即CD系列光盘;第二代光盘存储器用GaAlInP激光器,波长为0,65微米(红光),存储容量为4.7GB,即数字多功能光盘(DVD);第三代光盘存储器用GaN半导体激光器,波长为0.41微米(蓝光),存储容量可达50GB,为高密度数字多功能光盘,即HD-DVD光盘(蓝碟)。20世纪80年代后期出现的磁光盘(MO)技术和90年代初期出现的相变光盘(PC)技术也得到飞速发展,并已进入实用时期。而超级光碟使用纳米技术存储海量信息,可存储10000GB的数据。P.150
激光碎石方法(目前主要是钬激光碎石机),是利用一根光纤通过血管或气管进入体内,在内窥镜的帮助下确定结石位置,然后激光发射能量使光纤末端与结石之间的水汽化,形成微小的空泡,继而激光的能量通过空泡传递至结石,使结石粉碎成粉末状,顺利排出体外。它选择在水的吸收峰值近的激光,如波长2.1微米的钬激光,2.7-2.9微米的铒激光等,这样激光作用到目标组织上时,基本全部被吸收了,且作用深度有限,可高效的把光能转换成热量,进行精确的组织汽化或爆破等物理、化学作用。P.152
目前激光治疗近视,是利用激光对眼睛角膜进行精密加工,通过控制折射率完成矫正。眼角膜对紫外线的吸收很强,ArF准分子激光器输出的193纳米的激光,对角膜的穿透深度浅,可以达到微米级的切削加工。利用精密可控的切削技术,不会对眼睛造成伤害。P.154
读者感言:现代人是具有一系列品质的人,现代科学素养是其之一,科学知识是科学素养的组分之一。

光子精灵漫游记(续再续)
用激光做龋齿手术,因某些波长的激光对于龋齿和健康牙质间的吸收有5倍之差,且对不同的偏振光,牙釉质和牙质组织的吸收比高达35,用激光可进行牙硬质结构的空窝制备,同时不会损伤牙质,因此正确选择激光可只烧蚀龋齿而不损害健康牙质。激光在医学上的最新应用是光动力治疗,某些光敏感性物质具有肿瘤亲和性,如果给癌症患者注射这种光敏性物质,经过一段时间后,在病变部位照射激光,可有效的破坏癌症细胞,这就是光动力学治疗。P.155
透明陶瓷是能透过光的陶瓷,将不透明陶瓷中的杂质去除换用高纯度原料,并通过工艺将陶瓷内的微气孔赶走,就能获得透明陶瓷。实验证明,当气孔率由3%降到0%时,陶瓷透光率将由0%升到100%。已制得的钇铝石榴石、铝镁酸、氮肥化铝透明陶瓷以及氮肥氧化铝透明陶瓷等材料的熔点可达到2050℃,即使在1600℃的环境下都不受钠蒸汽的腐蚀,而且又可透过95%的光线。因此,透明陶瓷最适合做高压钠灯的灯罩。P.157
陶瓷激光器的工作物质是透明陶瓷中的一种,要求透光率达到80%以上,并且要参杂稀土离子,制备过程非常困难。目前世界上只有40多个国家在研究激光陶瓷材料,而真正做到上市水平的只有日本。P.157
激光打标(打上商标图案等)是用激光束在各种不同的物质表面或内部打上特定的标记,通过表层物质的蒸发露出深层物质,或者是通过光能导致表层物质的化学物理变化而“刻”出痕迹,或者是通过光能烧掉部分物质,显示所需刻蚀的图案、文字等。现在激光也被引入服装加工领域,用激光印花技术在衣料上印制花纹。P.158-159
激光加工可分为激光光化学反应与激光热加工反应。在汽车制造中欧美等工业发达国家50%-90%的汽车零部件都是采用激光加工来完成的,激光切割还能用在服装剪裁上,还能达到自动“锁边”的功能。激光还能绣花呢。P.162
激光切割岩石,且破岩速度比传统的旋转钻头破岩快10-100倍。激光技术可能引领钻井技术的第二次革命。P.163
激光清洗是激光的一种应用。激光洗纹身的原理是:激光能顺利进入目标部位,特定波长的激光只被相应颜色的色素吸收。利用激光能量使纹身部位的燃料颗粒崩解、粉碎、气化,吸收、排除,色素随之消退。控制激光脉冲和所到达的皮肤深度,能够使皮肤的损伤降到最低程度。激光表面清洗可分为两类,一是利用基片与表面附着物对某一波长激光的大差别吸收系数,另一类是基片与附着物的激光吸收系数差别不大,或基片对涂层受热形成的酸性蒸汽较敏感或产生有毒物,就利用高功率、高重复率的脉冲激光冲击待清洗表面,使部分光速转换成声波,声波返回与激光产生的入射声波发生微小的爆炸,涂层被粉碎、压成粉末。P.169
3D激光打印机。---3D打印假牙,医生只是用扫描仪在嘴巴里一扫,采集好数据,两个小时后,精度达到0.1毫米的新假牙便可通过3D打印机打印出来。P.172
前不久在日本,一位准妈妈想要纪念宝宝首次超声波检测,她的医生编辑好她的超声波图像,利用3D技术在一个透明硬塑料块中打印出一个前卫的微小胎儿塑料模型。在我国,3D打印假牙目前已经在一些大医院技术成型。P.173
“3D打印”是通俗的叫法,学术名称是“激光堆积成型技术或激光快速成型技术”,是一种集成计算机、数控、激光和新材料等最新技术而发展起来的先进的产品研究与开发技术。3D激光打印是先在计算机中建立数字模型文件,将粉末状金属或塑料等可黏合材料按照一层一层的方式堆积叠加,每层都非常非常薄,又具有极好的连续性,直到一个固态物体成型。它是基于离散堆积成型思想的新型技术,以计算机构建的物体的三维数据为蓝本,通过软件的分层离散和数控成型系统,利用激光产生的高烧结一些特殊材料,比如金属粉末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等,然后进行逐曾堆积黏结,最终叠加成型,制造出实体产品。P.174
3D打印的成型方式各种各样,但其基本原理都是一样的,那就是分层制造,逐层叠加。2013年10月,美国一家3D打印公司利用金属激光烧结的核心技术,打印出世界上第一支金属手枪,用时只需5-7分钟,且这只手枪已经成功发射了50发子弹。P.176
只要不是大批量生产的产品,随着产品复杂程度的增加,分层制造技术的优势就越明显。P.177
4D打印是在3D打印立体三维结构的基础上增加了一个时间维度。也就是说,4D打印出来的东西,不再以固定的形态存在,而是可以根据设定的时间,在一定条件的刺激下,形状自动发生改变,仿佛物体有了记忆功能一样。形状记忆合金和4D打印非常相似,两者的基本原理也是一样的,但形状记忆合金仅仅是众多智能材料中的一种,在生产制造过程中受到长度、宽度等规格的限制。4D打印则是一种可以按照客户需求进行生产的工艺流程,其基本逻辑是,先用3D打印机打印出一种刚性的智能材料(研究人员通过软件完成建模,将想要的性状输入到这种材料当中,在其后的刺激环境下,变形材料就会按照预先的设定完成变形),然后将这种材料与外界激活因素结合,从而按照预先设定的路径完成物体形态的改变。P.179
4D打印的核心在于,创造出能够在打印出来之后发生改变的物体,让它们进行自我调整。所谓4D就是使用的材料可以自适应、自编程来改变形状,在接触到水、空气、重力、磁性或者温度变化时自动响应,第四维就是材料的自组织能力。P.180
20世纪70年代,美国研制的激光制导航空炸弹在越南战场首次使用。P.186
地形、地貌测绘是激光技术在空间最为常见的应用。P.188
激光雷达是目前自主交会对接的最优选择---激光推进技术,利用强大的激光来烧蚀飞船尾部的特殊金属,由金属逐渐蒸发形成蒸汽从而产生推进力。P.189
“太空电梯”在地球赤道的太平洋洋面上建造一座平台,用航天器将一条特殊材料制成大长达10万公里的缆绳释放下来并把它锚定在平台上,另一端连接在太空平台上,沿着同步卫星的轨道随着地球一起旋转,由于旋转所产生的离心力刚好抵消了地球的吸引力,这样由一个由激光提供能量爬升器在缆绳上移动的“太空电梯”就从地球到太空竖立起来了。P.191
光的前世今生经历了萌芽时期、几何光学时期(三棱镜分光等)、波动光学时期、量子光学时期(20世纪初-中叶;光电效应等)、现代光学时期(20世纪中叶-至今:1960年美国的梅曼首次成功研制了红宝石激光器,全息摄影术、薄膜光学、傅里叶光学源于数学通信理论和光衍射的结合它利用系统概念和频谱语言来描述光学变换过程形成了光学信息处理的内容、非线性光学、可以预见光计算机将成为新一代的计算机)P.附注194-197
读者感言:除了“太空电梯”尚未成为事实,本书中记述的都是已存的东西。科学和技术从来没有像现在这样突飞猛进、日新月异。
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 楼主| 发表于 2019-6-18 10:01:49 | 显示全部楼层
量子迷宫(全集)
将《量子迷宫》的摘抄聚拢在这里。
量子迷宫
【英】吉姆.巴格特著,潘士先译,科学出版社出版。2012年1月第一版第一次印刷。
内容简介:量子理论是现代物理科学中最重要最成功的理论之一,但其产生的概念和哲学问题极其深奥,本书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),是一本严肃和具有一定深度的科普著作。P.内容简介
光子实验,每次我们不瞧,我们得到波动图像,每次我们瞧,我们得到粒子图像。观察行动决定真实。P.致Judy周年纪念快乐
对一切科学家和工程师来说,量子力学是在一切研究领域——从遗传学到超导,取得进展的钥匙。量子理论异乎寻常的特点是,虽然我们不理解它,我们可以应用它所指引的计算规则,以无与伦比的精确性计算物质的性质,在一些情形下可以超过目前实验可达的精度。据称,制造业大约30%的经济效益来源于量子力学的应用。P.序言
凡是聚精会神阅读了本书的人,大概都会深信,在宇宙的性质里确有些非常奇怪的东西,那么准备好,去迎接本书里启示和困惑的新的二象性和新的互补性吧。P.序言.阿特金斯于牛津2003年1月
《量子理论的意义》一书的首版距今已经11年了。该书的初衷是想让物理科学的大学生和研究生,以不超过矢量代数的数学工具,在适度严格的水平上介绍量子理论的基本概念和哲学问题---量子力学的不可理解性可以追溯到哥本哈根诠释的反实在论-这个理论本不要人理解。P.前言
量子理论是一门在专业理论界和实验界内外都引起广泛兴趣、思考和争论的学科。P.前言.巴格雷特2003年7月
牛顿物理学是机械的、决定论的、逻辑的、确定的——其含义似乎没有可以怀疑的余地;依此相比,新的量子物理学的特点是其非决定论性质、非逻辑性和不确定性。在其被发现后近80年,其含义仍远不清楚。P.3
牛顿第二定律如今一般表述为数学关系式F=ma,这是一个简单有力而又带有欺骗性的数学陈述(在牛顿1687年出版的《自然哲学的数学原理》中并非以这种方式出现的)P.4
引力像是通过物体相互之间的超距作用而产生感应的,它们瞬时发生无需任何介质,除了一种纯属假设的以太、被认为充满了真空,而这就是牛顿的宏伟设计中包藏着的自身毁灭的种子。P.5
19世纪中叶,理论家想出了“黑体”这一模型(解释辐射),用来作为实际物体性质的良好近似,同时理论上又比较容易描述‘黑体’理想的吸收和发出辐射(要知道,19世纪下半叶,原子和分子的真实性仍是未定的,汤姆逊证实电子存在的实验要等到1897年)P.9
普朗克选择了让能量元是不可区分的,光子的能量ε、动量p、波长λ和频率v之间遵从德布罗意关系ε=hv。普朗克于1901年1月将他的推导送交Annaden der physik期刊。此后数年,他的固定大小的能量元被不同的成为“能量粒子”、“能量原子”、“能量量子”。于是,“量子”一词进入20世纪初物理学领域。世界从此不同了P.13
普朗克是一位不情愿的科学革命者。虽然他的辐射公式可用玻尔兹曼的统计方法从“第一原理”推导出来,但他并不真正喜欢这样的概念---经典物理学中说,能量是连续变化的,同时普朗克理论的基础完全建立在麦斯克伟经典电磁场方程组和经典热力学之上,再补充以玻尔兹曼统计学。P.13
读者感言:“量子”是个什么东西?这里是人类认知它的起点。

量子迷宫(1)
即使接受能量量子化的原理,它的起源,或者量子化到底意味着什么的问题依然存在。普朗克并不是唯一对辐射公式的解释感到迷惑的人,物理学界的大多数人也持怀疑态度。P.14
爱因斯坦在1905年就提出了光量子假设,经过了理论家和实验家气候20年的艰苦工作,它才被广泛接受。1905年爱因斯坦用他的光量子假设解释了光电效应,依照普朗克公式,光量子的能量由ε=hv给出。这使他获得1921年的诺贝尔物理学奖。P.15
但是,爱因斯坦的眼光超越了光量子。他预料量子化可能是一种更为普遍的现象。他将注意力转向一个看来没有任何问题的领域——比热容。P.16
1897年汤姆逊发现带负电的电子,从而揭示2000年来都未曾看见过的原子具有内部结构。P.17
1885年巴尔末测量到氢发射的一系列谱线,发现它遵守一个比较简单的模式:其谱线频率正比于相邻整数倒数的平方之差。波尔立刻想到这些整数就是量子数。他推断道:一个绕原子核沿圆形轨道运动的电子轨道角动量是一个固定值,其值为h/2π的整数倍。1913年,波尔以连续三篇论文阐述他的原子理论。试想:当时物理学家对普朗克关于辐射定律的解释仍拿不准,几乎无人确信爱因斯坦的光量子假设,大部分人尚在疑惑之中。你就可以略微体会波尔理论有多么惊人了。P.19
量子化起源于电子沿着环绕原子核的稳定轨道运动的力学,量子数和普朗克常数出现在轨道能量 及角动量的表达式中。值得指出,爱因斯坦差不多从一开始就把量子解释看做暂时的,最终将被一种新的更完善的理论取代,后者能够更严格的解释量子现象。1916年和1917年,爱因斯坦发表了他在分子自发与受激发射方面的工作,无意中奠定了激光理论的基础。在作为量子理论的先驱、引领其经过了最受考验的发轫期后,爱因斯坦开始对这个理论的含义产生了严重的怀疑。这最终使他成为这个理论的坚定批评者。P.20
1923年康普顿和德拜两人都利用简单的动量守恒原理证明,从电子“弹射”开来的光量子,其频率应改变一百个容易计算的量值。光理论转了一圈。在牛顿之后200多年,光又被认为是由粒子组成的。但这并非回到牛顿的微粒说。今日所称的“旧量子理论”已经从牛顿和麦克斯韦的经典物理学概念以及强加的量子条件的混合中成长起来。量子条件绝不可能出自这理论自身,并且很明显,更根本的东西还在继续发展,它可能要求我们放弃200多年来人们熟悉和珍爱的经典物理学框架的某些部分甚至全部:以某种方式将光的波动性和粒子性结合为一个统一和谐的理论。P.21
“旧量子理论”的特点是把量子条件完全任意的强加到原本是用 经典物理学的理论和概念来描述的问题上。为解释黑体辐射,人们假定ε=hv而不详究其缘由,为解释电子绕原子核这一“不可能”的经典图景巴尔末公式,人们假定轨道角动量之值须限于nh/2π,其中n为整数。这不能令人满意。人们需要一个更有意义的理论,量子条件极其表现于量子数的意义以及不连续量子突破,不是外加的假设,而是理论本身的结果。答案产生于20世纪二三十年代那一段创造力勃发的时期。向前迈出实质性一步的并不是一位20世纪物理学的杰出人物,而是一位王子(一点儿不假)德布罗意。P.22
读者感言:通常,人们只知其然而不知其所以然,人们习得的科学知识在教科书里只呈现“是这样”,并没有呈现人们是怎么获得这些知识的,以及这些知识的真实性如何艰难的呈现出来。人们探索世界得到的这些知识,其心智运作的过程,更值得回味。恰好,英国人巴格特写的这本书,能满足这一诉求。且,本书是严肃的——它将艰涩的理论推演和公式计算都以附录的形式放在书的P271-360(共有27条附录),使得具有像我一样在这方面有浅显学养的人也可以顺利读懂。

量子迷宫(2)
爱因斯坦于1905年提出了狭义相对论。他曾努力在任何一种牛顿时空诠释中,找到一种能够容纳两个普遍观察事实—不存在以太以及光速明显具有普适性(与光源的相对运动无关)—的方法,但都失败。他转而决定照实接受这些观察事实,并且从这些观察事实自然产生的最少假定(或假设)出发,来发展一种新理论。他发现只需要两个假设:(1)物理定律应当是完全客观的,即它们对于所有观察者都是一样的;(2)光速应视为一个普适常数,代表一个不可能超越的速率极限。这些简单的假设产生了一些非常奇特的结果:任何绝对参考系(和静止以太)以及绝对空间、时间和同时性的概念,统统退去了;取而代之的是在新的四维时空中运动物体和时钟的种种离奇效应,这些效应后来都一一被实验证实。然而,尽管狭义相对论的预言比较奇特,这个理论仍是一种经典物理学(它不是量子理论这个意义上)P.23
德布罗意指出,普朗克的ε=hv用频率给出光量子的能量且具有惯性质量,而爱因斯坦得出E=mc²,二者可结合且其理论对所有的运动粒子成立,他把原子轨道上的电子想象为如乐器的弦上或管中的驻波才能稳定——轨道周长正好容纳整数个波长。P.23-24
爱因斯坦和波尔在1920年首次相遇并建立了深厚的友谊。然而,1924年波尔与克拉默斯和斯莱特(BKS)合作发表一篇论文引起爱因斯坦的警觉甚至认为自己与波尔处于冲突之中。这场冲突对于量子理论及其诠释的进一步发展具有深远影响:波尔不喜欢光量子的概念,BKS提出,与光的吸收和发射相关的“突然跳跃”(量子突跳)意味着必须放弃能量和动量守恒的概念;BKS认为根本没有真正的自发跃迁这种事,他们的解答所信奉的观念是概率定律,即非因果方式起作用的“虚”场诱导了跃迁。等到反对BKS理论的论据达到了压倒性的时候,波尔答应放弃他们“革命性”努力,并设法克服他们对光量子的拒斥。然而,波尔仍然相信,量子理论需要一种新的诠释。波尔与爱因斯坦之间关于量子理论的论战的舞台 已经搭好,在那里将演出科学史上最为壮观的论战之一。P.24-25
德布罗意于1923年提出,电子的波动性可以用电子束通过狭窄孔径的衍射来演示,但直到1989年才第一次在实验室里得到验证:分离的白点意味着每一个电子具有粒子性,但多个电子出现的干涉图样则呈现明显的波动性。P.25
要从经典物理学为薛定谔量子力学方程作出物理上或数学上的严格推导是不可能的,在许多量子力学教本中,该方程被直接给出,然后通过其在化学家和物理学家感兴趣的系统中的成功应用来加以验证。然而,这个方程总该有个出处,我们可以根据他那时保存的笔记本追踪他的推理。他的起点就是著名的经典波动方程,这个方程将波动的时间和空间依赖关系联系在一起。他所做的就是用德布罗意公式p=hν/c=h/λ (p是动量,h是普朗克常数6.626196×10^-34J·s,
ν是频率,c是光速,λ是波长)代换经典波动方程中的波长。这就将粒子性引入到了原本是纯粹波动的描述当中。P.27
凡学过量子力学导论的大学生,都熟悉薛定谔得到的氢原子波函数的结果。它们就是电子轨道波函数,单单其三维形状——依赖于“方位角”量子数和“磁”量子数——就解释了许多化学问题。然而,虽然新理论解释了量子化定则,其实只不过是将解释这些定则的包袱,转移到了解释波函数本身的物理意义上去罢了。要真正理解亚原子粒子的行为,包括波动力学与潜在物理实在之间的关系的全部细节,只有通过波函数的诠释方能达到。它们是什么呢?P.28
实际上,薛定谔相信潜在的物理实在是一种波动——量子理论基本上是一种波动理论。他不是把原子里的电子视为一个粒子,而是看做电磁场中的一个波扰动的集合。他提出,电子的粒子性实际上是其纯粹波动性的表现,因为合成波的振幅平方联系着作为位置函数的电磁场的强度,波包在空间的运动看起来就像是一个粒子的运动。这种解释不能完全令人满意,还有其他问题,薛定谔不喜欢他的波函数可能是复数(即它们包含虚数)这个事实。P.29-30
读者感言:狭义相对论现在在高中物理教科书中已经呈介了,我大体能理解其意义,薛定谔方程确实如本书作者所言的那样,我在大学学它时大概是直接给出了它,还做了简单计算,但确实不知道它是怎么回事。像爱因斯坦、波尔、薛定谔等那个时代的卓越大脑,为解读物质实在性所做的努力,现在看来依旧在云里雾里,人类所获得的关于物质和世界的知识,只能说它们在解释人们所遭遇的现象上能说得过去,至于它是不是“实在性”远未证实。
量子迷宫(3)
波恩于1926年发表了一篇关于粒子碰撞的量子力学短文。他拒绝薛定谔的波动方法;他受爱因斯坦一个说法的影响:对于光子来说,波动场的作用好像一个奇特的“幽灵”场,“制导”着光子的路径,后者因此可由波的干涉效应来确定。波恩于是推断,波函数在位形空间某个特定区域内的振幅的平方关联着在此区域内发现相关量子粒子的概率。初看起来,这个解释平淡无奇,然而,波恩的思维方式代表着对经典物理学的一次重要突破。与薛定谔想要在波函数中注入物理实在的元素不同,波恩认为它们实际上要抽象得多。他把波函数想象为某种“概率波”,波函数的模平方表示粒子在特定状态的可测量概率。换言之,他认为波函数表示我们关于物理对象状态的知识。依照波恩,波函数并不是“实在”的,因此它们有时是虚数也没什么关系。从波函数导出的概率则必须是实数,因为它们表示量子粒子的可测量性质。P.30
薛定谔波动力学的目的就是为原子 机理重建一种经典的解释,尽管那是一种波动而非粒子的解释。但,波恩承认的瞬间量子突跳再次威胁到了因果关系,这简直就是在伤口上撒盐。由于我们的日常经验,因果关系已根深蒂固,绝不是一个会被轻易放弃的观念。许多物理学家觉得波恩的诠释难以接受,具有讽刺意味的是,波恩声称他是受到了爱因斯坦的影响;后者在1926年12月写了一封信给波恩,其中包含了这样一句话:“量子力学还不是真实的东西---无论如何,我坚信上帝不玩骰子”从此以后,这句话成了爱因斯坦始终不喜欢量子力学所隐含的偶然性元素的象征。P.31
海森伯将一个电子产生的电场对位置的依赖关系,表示为一个称为傅里叶级数的数学级数,并且依照波恩和若尔当,将电子不同定态间的跃迁强度与该级数各分量的振幅平方联系起来。这是一个用含时的复数阵列,这些复数表示物理量之间的关系。这样,矩阵力学处理的不是原子轨道的能量,而是具有不同能量的轨道之间跃迁的辐射频率和相对强度。矩阵乘法规则的一个十分重要的结果是,乘机有赖于两个矩阵的相乘次序。换言之,矩阵A乘以矩阵B的积不一定等于B乘以A的积。具有这种性质的矩阵称为非交换矩阵。波恩、若尔当和海森伯把海森伯原来的理论重新表述为矩阵力学。他们证明,引入量子条件要求矩阵形式的位置q和动量p(在经典力学中称为共轭变量)必须是非交换矩阵,pq-qp=ih/2π,其中i表示-1的平方根。P.32-33
1926年,著名的海森伯不确定原理(也称测不准原理)是在量子理论诠释的白热化争论中形成的。1927年,海森伯确定,为了讨论任何一个物体的位置和动量,需要界定专为测量这些量设计的实验的工作性能。为此他构想了一个“想象”实验,其中包括一架伽马射线γ望远镜。假定我们要测量一个一个电子的位置、速度(或动量)以及它通过的路径,最直接的方法是用一架显微镜来跟踪这个电子的运动。光学显微镜的分辨能力随着频率的增加(波长较短)而提高,因此为了能够“看见”一个电子的空间分辨率,必须使用γ射线显微镜,γ射线的光子从电子弹射开来,其中一些被收集并用来产生放大的图像。但,γ射线是由高能光子组成的(记着ε=hv),而每一次一个γ射线被电子反弹,电子便猛烈一颤。这意味着电子运动的方向和动量发生了变化,这种变化一般来说是不可预测的。虽然也许我们能够确定电子的瞬时位置,但是电子与我们用以测量其位置的器件之间的显著的相互作用意味着,我们对电子的动量一无所知。我们可以使用能量低得多的光子来避免这个问题,以便测量电子的动量,可是使用低能(波长较长)光子意味着降低分辨率,故而必须放弃确定电子位置的期望。海森伯利用波恩的波函数概率诠释,推导出一个受限于一维运动的粒子的位置和线动量的“不确定性”(实际上是均方偏差)表达式。他发现,位置与动量不确定性的乘积存在一个下限,其值为h/4π。P.34-35
海森伯执着于这样的观点,即这个理论只不过提供“一个相容的数学构架,(它)告诉我们可观察的一切”。这纯粹是工具主义的观点——这个理论(特别是不确定性原理)告诉我们,对于生命是可测量的存在一个极限,而对不可测量的,则除了想象之外别无它事可做。在这一点上波尔强烈反对,依照波尔,量子理论告诉我们的并不是什么是可测量的,而是什么是可认知的。波尔还发现了海森伯假想的γ射线显微镜实验中所用的推理具有致命缺陷,指出只需指出光波被电子散射到显微镜的有限孔径上就足够了,有限孔径是所有这类仪器分辨能力的根本性限制。P.35
波尔将海森伯置于不可容忍的压力之下——压力如此之大,以致双方都使用了刺耳的语言,海森伯甚至一度流下眼泪。P.36
读者感言:近日,我从《学习强国》读到一篇文章,相较于那些道听途说的知识传递,培养具有分辨力的头脑尤显重要。我读的英国人写的这本《量子迷宫》是严肃的科普读物,也有科学史的意义。现将我读到的那篇文附在下面:
韩启德:从我做起,为中国科学文化建设尽一份力
中国科学报2019-04-26
作者:李芸 胡珉琦
自去年3月卸任全国政协副主席后,中国科协名誉主席、中国科学院院士韩启德一直忙于一件事——在北京大学建立科学技术与医学史系。一年后,4月26日,北京大学科学技术与医学史系正式揭牌成立。
1999年国内高校第一个科学史系——上海交通大学科学史系建立,至今已整20年。近几年,国内高校的科学史学科发展有伏有起,有数所“985工程”高校因学科评估接连取消科学史学科点,也有2017年6月清华大学和2019年4月北京大学两所顶尖高校相继建立科学史系。
北京大学新成立的科学技术与医学史系会有什么样的新举措?会对我国科学史学科建设带来什么样的影响?会给中国的科学文化建设带来什么样的新气象?又将对当代中国迅猛发展的科学技术起什么样的作用?《中国科学报》带着相关问题专访了北京大学科学技术与医学史系创系主任韩启德。
科技与人文,需同时相向而行
《中国科学报》:北京大学4月26日揭牌成立科学技术与医学史系,在此之前,2018年12月北京大学与中国科协共建了科学文化研究院,这一系一院是什么关系?各有何侧重?
韩启德:刚刚揭牌成立的科学技术与医学史系隶属于北京大学,在高校最重要的目标当然是学术研究和人才培养,除了培养科学史专业的硕士生、博士生、博士后,还要加强本科生的科学史教育。北京大学科学技术与医学史系要打造一个学术高地。
中国科协是中国科学技术工作者的群众组织。北京大学与中国科协强强联合成立科学文化研究院,是要打造一个平台,让从事科学文化研究的工作者有一个研究、交流、探讨的平台,同时也是一个向社会传播的平台。
这一系一院,一个是高地,一个是平台,一个着重于研究与教育,一个重在联合与传播。在具体的工作中,两个机构有分有合,各自发挥优势,起到1+1>2的作用。
《中国科学报》:哈佛大学在近一个世纪以前,就确立了科学史教育作为大学通识教育的核心地位,国内高校建科学史系也有20年历史了,您觉得国内的科学史教育现状如何?
韩启德:国内高校的科学史教育还是相当滞后的。在现有的理工科教育中,讲授的知识越来越多,却很少提及这些知识的来龙去脉。老师并没有把教学重点从知识传授转移到知识产生的过程上来,从而在培养学生科学思想、科学方法和科学精神以及学习能力方面非常不够。
而我们的文科教育,也仍然维持在陈旧的模式中。社会学、历史学、哲学等学科自成体系,缺乏自然科学方法的介入和使用。我们亟须建立新文科,它带着科学的翅膀,不仅在研究方法中灌注科学的精神,研究的重点内容也一定要回应当下的科学技术发展的价值和问题。

我们的文科教育与理工科教育基本上仍处于两张皮的状态。要解决两者脱节的问题,可以从哈佛大学上个世纪走过的历程中受到启发。以萨顿为代表的科学史工作者,在高校里提倡科学史教育,让科学史成为人文学科和理工学科沟通的桥梁。
《中国科学报》:那么,要打破文科与理工科两张皮的状态,您认为关键点在哪?
韩启德:在建国初期,国内最早的科学史家都是自然科学研究者,其中不乏科学大家,如创办了中国自然科学史研究室(现中科院自然科学史研究所)的竺可桢先生。而目前国内从事科学史研究的主要是人文学者,尽管他们中的许多人都拥有自然科学的教育背景,但科学技术进展日新月异,他们脱离科学研究太久,知识结构老化,成为科学史研究中的缺陷。真正能做好科学史研究的,应该是能掌握科学技术发展前沿的人。
因此,我想北大科学技术与医学史系要作一些不同以往的尝试,也就是把理工学科与科学史学科、医学与医学史的教学与研究打通,且主要的工作由理工医学科的学者来完成。事实上,我们在前期调研中发现,不少资历深厚的科学家有兴趣从事科学人文研究,他们有能力,有科学鉴赏力和人文情怀。
科技与人文,需同时相向而行,这是我想要努力推动的事情。
《中国科学报》:您认为国内科学史学科的发展前景如何?
韩启德:从趋势看,国内的科学史学科是一定会发展起来的。现在我国设科学史博士点的高校有11个,还有多个硕士点,已经形成了一定的规模,只是力量比较分散。4月27日,北大科学技术与医学史系将举办科学技术史学科发展圆桌论坛,邀请国内所有有科学史硕士、博士点的高校参与,也想趁这个机会把全国的科学史力量联合起来。
科学史学科发展,除了高校,国内的科研院所也应该行动起来。中科院1957年就建立了中国自然科学史研究室(现中科院自然科学史研究所),是国内科学史学科的基地、桥头堡,现在国内的科学史人才很多是从那里走出来的。
中国工程院也应该重视技术史方面的研究,不仅因为技术与人文有大量交叉点,也因为与近现代科学起步较晚不同,我国的技术发展历史悠久,技术史非常值得挖掘和研究。
中国社会科学院的哲学所、社会学所、历史所等都作了不少关于科学技术方面的研究,现在需要有科学文化这根线将这些研究整合起来。
如今,国内科学史学科发展的时机已经成熟,力量开始集聚,我相信科学史的研究、人才的培养以及科学文化的建设在不久的将来会达到一个新的高度。
科学文化,需放到更重要的位置
《中国科学报》:您是如何理解科学文化这个概念的?
韩启德:首先,我认为科学文化是文化的一种,和人文文化、民族文化等一样是文化的子集。
科学文化是以现代科学精神为核心的一种文化,与其他文化一样有基本结构,我同意李侠教授最近一篇文章中科学文化分为四个层面的观点:最外层是器物层面,是科学知识,比如地球是不是宇宙的中心,钢铁应该怎样去冶炼等;第二层是制度层面,包括科技体制、评价体系、监督制度等;第三层是规范层面,包括求是、证伪、理性质疑和批判、可重复、普遍性等;最核心的是价值层面,科学文化的核心是追求真理。
其次,科学文化是一种先进的文化。
为什么先进?因为第一,它对生产力有直接的、巨大的推动作用,是人类文明发展到现在推动生产力最有效的文化。第二,它能给公众带来直接的利益和福祉。
《中国科学报》:您如何看待科技与人文的关系?
韩启德:科技就像一辆车,人文就是它的刹车和方向盘,科技脱离人文会非常危险。这方面我有两点自己的想法:
一是如果刹车和方向盘根本就没在这辆车上,如何去把控车行驶的方向和速度呢?现在多数情况下人文研究根本就没上科技的车,这也是我们的人文学科需要被改造的地方。
二是我国在许多科技领域还处于落后阶段,车子都还没开起来或者车速很慢,急着踩刹车并不适宜。科学技术有局限性乃至负面效应,但我国当前的重点还是要崇尚科学,大力弘扬科学文化。
总体而言,由于全球科学技术发展迅猛,科技与人文之间的力量对比严重失衡。科学文化绝不是人们想象的可有可无、可弱可强,而是要放到更加重要的位置上去看待。
《中国科学报》:科学文化对当代中国有哪些重要意义?
韩启德:第一,弘扬科学文化,能大力推进科学技术发展。现在的国际竞争主要是科学技术的竞争,而我国科学技术发展过程中存在急功近利、学风浮躁、评价机制不完善、缺乏原创动力和能力等问题,其后都与科学文化落后有关。要加快科学技术发展,重要的是创造良好的科学文化氛围,培育好科学技术发展的土壤。
第二,弘扬科学文化,是加强社会理性、提高公民素养的重要举措。比如,现代社会网络舆论容易走极端,谣言比科学道理传播得更快,究其原因是公民科学素养不高。有了求真务实的精神,才容易达成共识,这也是精神文明建设的应有之义。
第三,弘扬科学文化,能促进世界文化的交流、人类文明的融合。国与国之间人文交流固然重要,但一个国家不讲科学技术、不谈科学文化,在当今世界就没有舞台,因为和其他国家没有共同语言。
改变现状,需从我做起
《中国科学报》:您对北大科学技术与医学史系未来的研究方向、人才队伍建设、教育和社会功能等方面有怎样的设想?
韩启德:首先我们会坚持四个导向:一是学术导向,高校院系与智库、隶属政府部门的研究机构不同,更重学术性、学理性的基础研究;二是问题导向,要服务于国内、国际科学史研究和发展迫切需要解决的问题;三是人才培养导向,北大科学技术与医学史系最根本的任务是培养科学技术史、医学史人才;四是文理结合,多学科交叉融合。
我们的目标也很清晰:一是学术研究5~10年内达到世界一流水平。这并不是冒进,因为西方科学史发展得也并不顺利,即使是为科学史研究发展奠定重要基础的哈佛大学,也被挤到边缘,在走下坡路。尽管目前我国科学史研究相对落后,但只要得到足够的重视和支持,我们联合全国各方面科学史力量,全力以赴,是可以达到这个目标的。
其二,融教育、研究、社会责任为一体。在北大,我们必须把教育放在根本位置,同时作一流的研究。另外还要尽到社会责任,建智库、做科普,既服务于国家战略决策需求,也致力于提高公众的科学素养。
第三,成为开放性的国际和国内交流与合作的平台。目前,国际上我们已与剑桥、牛津、哈佛、耶鲁、芝加哥、加州理工等名校的科学史系、所、中心以及美国艺术与科学院等建立了合作关系。在国内,我们将联合各方力量,搭建平台,建立紧密合作关系。
《中国科学报》:北大科学技术与医学史系近期的工作重点有哪些?
韩启德:我可以用六个一来概括。
建立一支较强的教学、研究队伍,由专职、兼职、访问教授以及研究生组成。值得一提的是,我们会聘请北大理工类院系一流的学者参与科学史研究和研究生培养。我们还将邀请海内外知名学者来院讲学,接收或资助海内外年轻学者来院驻研;
实施一项科学史研究工程——北大理科百年史,梳理北大一个世纪来理工农医各学科的发展历史。可以说,等到工程完成时,中国现代科学发展史的基本脉络也就基本(虽不能说全部)厘清了。这项工程也将作为一个重要的带动力量,将各学科学者吸引到我们的研究队伍中来;
创办一年一度的科学文化论坛,办好一份学术刊物——《科学文化(英文)》(Cultures of Science),构建一张国内外学术交流合作的网络,编写一套科学文化建设系列丛书。
《中国科学报》:先前您提到,国内科学史发展一直处于边缘地位。以北大科学技术与医学史系建系为契机,您认为改变现状的策略是什么?
韩启德:我认为,首先是高层决策者的重视,政策要到位。比如,科学史作为一级学科,教育部应尽快成立科学史教学指导委员会;提高科学史学科在高校评估体系中的权重;制定具体的激励措施,吸引理工科学者从事科学史研究,等等。
其次是组织队伍,整合力量。从整个国家层面来说,我们的科学史研究队伍本就薄弱,不该各自为战。北大成立科学技术与医学史系的任务之一就是融合全国的科学史研究力量,提升该学科整体发展水平。这是北大该有的胸怀。
再者,在全国科学史学科建设中发现典型,重点支持,并加以复制。
最后是从我做起。就如北大化学与分子工程学院刘忠范院士对我们的回应——“我来做北大化学史研究”,从小单位到国家最高领导部门全面动员起来,我相信我国科学史研究是大有希望的。
医学人文,需有所作为
《中国科学报》:北大科学技术与医学史系,这一系名旗帜鲜明地将“医学”与“科学”和“技术”并提,而根据现在的大众理解,医学是从属于科学技术的。您如何看待科学、技术、医学三者的关系?
韩启德:科学发现世界的客观规律,技术直接推动生产力,造福人类社会。科学和技术有密不可分的关系,却又自成体系。有时科学发展飞快,技术未必跟上;有时科学没有进展,技术仍能向前推进。
不过,科学、技术说到底都以物为研究对象,医学则不同,它研究的是人,医学从一开始就是回应痛苦的努力,在科学技术尚未诞生的时候,它就已经存在,现代医学只是把科学技术与对人的善待更加紧密地连在了一起。
现代科学技术大大推进了医学诊断、治疗,以及疾病预防,所以人们常常误把医学看作是科学技术的一部分。的确,没有科学技术就没有我们的现代医学,但如果医学仅仅成为科学技术,我们就远离了医学的宗旨。
《中国科学报》:您在“医学是什么”的演讲中曾提到,医学具有科学属性、人文属性和社会属性,那么医学人文是否在科学文化和人文文化的沟通与交流中发挥着特殊的作用?
韩启德:医学在科学文化和人文文化之间的沟通交流所起到的作用我深有体会。
医学人文不仅在医疗体系内部,也在社会生活中成为一个热点。由于种种原因,当前医患关系紧张,老百姓对医学越发不满,医务人员也感受到更多的无奈和痛苦。现代医学迫切需要反思,必须求助于人文。
医生是一个科学技术与人文高度融合的职业,无论他们自觉与否,他们的行为一定体现出自己的价值导向和人文高度。医学人文的核心是生命观。无论是科学文化还是人文文化,最终都涉及价值观问题。对人类而言,最根本的价值观就是生命观。人都会好奇生命是什么,以及自己存在的意义,这就是生命观。医学人文之所以能起到两种文化的沟通作用,就因为它离生命观最为接近。
如果我们借助医学人文,在生命观层面上得到更高的哲学认同,可能会对其他所有学科的价值探讨带来根本性的影响。
《中国科学报》:您曾对医学的起源和发展,特别是对中国传统医学和西方传统医学作了非常详细的梳理,了解现代科学兴起之前的医学对建立医学史观有什么作用?
韩启德:对于现代医学,知道它从哪里来,往哪里去,这是一个根本性问题。
在人类社会发展的原始阶段,医学就已经出现了。西方的传统医学和中国的传统医学是完全一样的,都是从整体论出发。从实际中总结规律,再让规律来指导实践,尽管这些规律存在谬误,但它已经自成体系。尤其在中国,传统医学与我们的文化、社会、经济发展是一脉相承的。
工业革命后,现代医学插上了科学技术的翅膀,产生了巨大的飞跃,我们必须认同科学技术的贡献,十分珍惜科学技术在医学当中的应用。谁都无法想象,没有科学技术,人类将承受多大的痛苦。但过去的一个世纪,医学发展突飞猛进,乃至让我们误以为现代医学科学技术可以解决一切健康问题,常常忘记医学是从哪里出发,要到哪里去。医学从来只是对痛苦的回应,它并不单纯只是科学技术问题。医学的根本目的是为了保障多数人的健康,医学技术的发展需考虑有效性、安全性、可及性、成本效益以及社会公平性等多重因素。回顾医学发展历程,有助于我们理解医学,准确把握医学技术的发展方向。
我认为当前医学的基本发展方向已经错了。我们没有把医学的重点放在疾病的预防和维护最大多数人的健康上,我们只在河流下游打捞奄奄一息的人,而没有把主要精力放在防止人的“坠河”上。
医学已经和资本密不可分。没有资本,技术不可能进步,可一旦被资本捆绑,技术就只会朝着有利于资本的方向发展,只会重点满足少数人的利益,不断造成新的不平等。
医学史、医学人文需要有所作为,一方面推动医学技术的发展,一方面及时掌握走向,把医学拉回到正确的轨道。
《中国科学报》:作为现代科学技术之源的西方国家,他们的医学是否也存人文失落、方向迷失的问题?他们又是如何应对的?
韩启德:无论是东方还是西方,人类文明发展面临的阶段性问题总体是相同的。不同的是,由于西方科学技术发展走在前列,由此产生的问题也更严峻。但从另一个角度看,他们对科学技术的人文反思也走在我们前面。
我注意到,美国有非常多的学者、医生通过一本又一本的著作对医疗行业提出尖锐的批评。比如,他们花费大量时间研究、调查医学界背后的资本渗透,它如何丑陋,如何肮脏,如何制造了新的不平等,谁在从中获益,等等。他们提出了一个新概念——医学资本主义,认为医学受到各方利益的侵蚀,而失去了对根本问题的思考。
这正是我们的医学人文研究要学习的,研究一定要融入到科学技术的具体问题中去。从这个层面看,我们医学人文研究的任务非常艰巨。
2018年12月18日,中国科学技术协会-北京大学科学文化研究院成立暨揭牌仪式。
责任编辑:王旭泉
量子迷宫(4)
实验光谱揭示出的问题,波动力学(和矩阵力学)对此似乎都不能解答。特别是,有些理论预测的发射谱线被观察到在有磁场存在时分裂为几条清楚分离的线(一种称为塞曼效应的现象)。无论波动力学还是矩阵力学都不能解释这种现象,更糟的是有些预测的谱线却找不到。别无它法,唯有引入一个论断:每一个轨道仅能容纳两个电子。一位名叫克勒尼希的年轻物理学家说,这或许是因为电子有一种“自我旋转”,他假设自旋的角动量是普朗克常数除以2π的1/2,波尔一反起先的保留态度成为一名有力的宣传者,并且大概是使用“自旋”一词来描述自身旋转的第一人,这个词沿用至今。P.37-38
尽管电子自旋的概念很直观,但即使在波尔的旧的行星原子模型里,其问题也很明显。泡利在1927年提出一个不完全的解答。他将一类新变量引入含时的薛定谔波动方程,从而得到两个互相耦合的微分方程---电子自旋以某种方式紧密联系着相对论量子效应。P.39
电子自旋的性质不以任何方式与电子绕其轴旋转这样的概念相对应。这是一种纯粹的相对论量子性质,在经典物理学中无其对应。尽管解释不明,我们固然知道,电子自旋产生的效应是给出一个小电子磁矩。这个磁矩可取顺或逆于外施磁场的方向。P.40
电子自旋角动量的两个可能方向对应于狄拉克方程一半的解,其余的解对应于电子的负能态。负能解具有一些奇特的性质。狄拉克说,假定宇宙被一个由自旋配对电子全部占据的负能态“海洋”所充塞,我们将无法知道存在这样一个海洋,因为是充满的,故而不与任何东西发生相互作用;它只能作为一个测量正能量的背景(当时中子尚未发现)。到了1931年,狄拉克改变了他的观点并声称,电子海洋中由空穴(电子受到激励逸出海洋变成一个可观察的正能电子,它就会留下一个“空穴”)产生的正能且带正电的粒子是一种假定的反电子,那是电子的带正电的翻版。1932年安德森在宇宙射线实验中发现一种轻而带正电的粒子,但直到1933年他才大胆宣布发现了“正电子”(后来就那样称呼)P.41
1923年至1933年这创造力勃发的十年,已经使量子理论从强加于经典模型的一些特别的量子定则,变成为一种自洽的结构,量子定则作为适当修正的相对论波动或矩阵方程的解从中自然得出。但,很快人们意识到这走进了一条死胡同。如今物理学家承认,需要有一种场的量子理论,从麦克斯韦电磁场的量子化开始,一个适当的量子场描述应当作为这个场本身的量子产生粒子。似乎明白的是,光子是电磁场的量子,在带电粒子相互作用时产生和堙没。这称为二次量子化。关于粒子波动性(以及波动粒子性)的认知称为初次量子化,而二次量子化是指各种类型的相互作用中产生和堙没量子的能力。问题在于,一旦在狄拉克方程中引入相互作用,发散积分就大量涌现,产生棘手的无穷大。为了保证能量守恒,泡利提出了物理学家的完美遁词——一种无质量无电荷且实际上不与任何东西发生作用的粒子,后来被称为中微子。P.42
读者感言:今天儿子放假回家,要去恒大影城看《复仇者联盟(四)》,而在今天的课堂上,我见学生就带了这个电影的优盘并播放了。《复仇者联盟》是一个连续的科幻故事,它在实质上是一个科普——关于最新科学的大众化普及:量子力学。而本书,恰恰是用通常人们听得懂的语言简述量子力学的发生和进展。
量子迷宫(5)
费恩曼解答了实验现象,它是一种量子电动力学:当光在单一介质(如空气)中传播时,其路径在时间和空间上密集于光源与目标之间最短的直线路径,也就是最小时间路径。P.44
费恩曼解释光斜射入水的光路,把它提高为一种等价于波动力学和矩阵力学的非相对论量子理论表达。他把一个量子从一处到另一处的运动表示为这个粒子可取的所有可能路径的积分,或者说,粒子运动的所有可能的“历史”之和。P.45
类似于其“历史求和”法,费恩曼推理,要正确计算从初态到终态的跃迁相关的能量,就必须考虑量子系统可取的一切可能的路径,不管这看起来多么荒谬。P.47
一个自由电子并不只是作为一个小点儿沿着既定的牛顿路径运动的物质而存在;它处身在因其与自身电磁场的自相互作用而引起的虚过程中。就是这种自相互作用在那些方程中引发发散积分,导致无穷大。P.48
几年之内,费恩曼图作为一种更可取的量子电动力学方法,取代了施温格的代数---20世纪60年代初发现中子和质子本身并非基本粒子,而是由夸克组成。一个上夸克具有2/3正电荷,一个下夸克具有1/3负电荷,夸克及其分数电荷不能在孤立状态下看到,它们被永久禁锢(或约束)于自身具有整数电荷的粒子内,这种力由胶子承载。“上”和“下”这种性质实际上也是量子数,并称之为“味”。采用一个像“味”这样的名词来描述夸克的性质,反映出这些性质无经典对应物,在经典动力学中也无有意义的类比。夸克和电子一样,具有自旋量子数1/2,这样的粒子统称费米子,为使其满足泡利不相容原理,理论家提出夸克还有一个量子数“色”。正如光子是电磁场的量子并承载着电磁引力或斥力,胶子是“色”场的量子。但有巨大的差别。光子无质量无电荷,且有自旋量子数1.具有整数自旋量子数的粒子统称为玻色子。胶子也是无质量的玻色子,具有自旋量子数1,但是因为有三种可能的夸克色,胶子需要携带“色荷”;并且,为了解释具有不同色量子数的夸克间的所有可能的相互作用,需要八种不同类型的胶子。P.49
将质子和中子一起保持在原子核内的强核力,实际上是将夸克和胶子约束在核子内的色力的副产品。色夸克和胶子的量子场论称为量子色动力学。夸克味产生弱力,不但涉及夸克,而且涉及一族统称为轻子的粒子,这种把电磁力和引起原子核β衰变的弱核力统一起来。这种场论有时称为量子味动力学。这种统一场论产生了更多的预测。Β衰变产生W粒子,且有两种电荷形式:W-和W+,此外还预测了另一种叫做Z0的有质量的中性粒子以及第四个夸克味“粲”。诺贝尔委员会对于统一场论的真实性有着如此的信心,格拉肖、温伯格和萨拉姆在这些粒子一个也未被实验证实前就获得了1979年的诺贝尔奖。后来才得到了W-、W+、、Z0粒子的证据。事情并没有完,20世纪70年代中检测到了τ轻子。这只有夸克具有另外两种可能的味方能加以解释。这些“味”命名为“顶”和“底”。底夸克的证据很快便到来,但顶夸克的证据自那以后还隐匿了20年之久才最终被发现。描述夸克、轻子以及承载其间作用力的场量子的理论,即量子色动力学和量子味动力学,被称为“标准模型”---加上希格斯玻色子,这个模型共有61种基本粒子。P.50
异端的超弦理论试图用微小的“弦”的环的振动来描述粒子;弦环代替了点质量,从而避免阻碍传统量子理论的无穷大问题,弦环间的互作用用时空管来描述,而且,点质量间的互作用产生的突变在弦论中被平滑了。以上对理论物理学以及粒子加速器实验大约50年来发展的急匆匆的回顾,使我们大体了解了最新的情形。但是,这也应给我们留下一个清晰的印象,即量子理论的基本原理仍是20世纪二三十年代发现的那些。这些原理基本上保持不变。其构建基础是波粒二象性、量子突跳、波函数及其诠释、不确定性原理及其诠释,以及泡利不相容原理。P.51
读者感言:尽管是科普书,但没有相应的基础读它依旧是艰涩困难的。
   
    量子迷宫(6)
关于辐射、基本粒子、原子和分子的微观世界的实验空前奥妙,试图用经典物理学去容纳这些实验的结果,是连续不断的失败。正是这种失败推动了量子理论的发展。每当在这个理论概念结构的发展上取得了突破,接踵而来的是新的不能与之相符的实验数据,意味着对理论作进一步改进的必要。量子理论发展初期的主要人物,在这个理论的诠释上采取了截然不同的立场,使争论两极化,其影响至今犹存。有些持实用主义和工具主义的观点,理论概念的深层含义与他们试图描述的物理实在好像变得越来越脱节是无关紧要的。今天的大学教学计划中波动力学而非矩阵力学占据主导地位,完全是我们比较熟悉普通函数和数学算符,不大熟悉矩阵代数以及有关处理无穷矩阵的问题。关于量子波函数性质和诠释的激烈争论,以及未来摆脱将其误解为经典波动的需要,悄悄催生了一种新结构。P.55
矩阵很像经典物理中的矢量,只不过经典矢量运算于“日常”的三维欧几里得空间,而矩阵力学中的函数系统运算于希尔伯特空间。量子理论的数学结构,对于这个理论是微观世界的最佳描述并无争论,继续引起许多思辨和争论的,是这个理论在其概念与潜在的物理实在的关系上意味着什么——或者不意味着什么。P.56
1900年希尔伯特问题的第六个问题是物理学公理的数学处理,主张为了这门学科的真实性,最重要的只能从公理到定理的“硬连接”。量子理论类似的公理化产生了一些“量子定则”,量子理论表达就建立在这些定则之上。P.57
如今已经明白,波函数具有许多维度,远远超出普通空间的维数。单个粒子构成的系统可用三个空间坐标来描述,但一个双粒子系统需要一个六维位形空间。除了必须处理多维空间的问题以外,还要处理与电子自旋相关的“维”的问题;描述自旋的波函数变成一个列矢量,而不是简单的代数函数,且无经典对应物。此外,波函数是复函数,即它含有包含-1的平方根,显然数学表达必将是抽象的。P.58-59
冯.诺依曼认识到,矩阵力学与波动力学中函数的许多性质都可以在矢量空间理论中产生出来,使我们可以定义我们需要的任何维数和性质的空间,这些维度不限于笛卡尔坐标系的可视维度,它们不能在先前的理论结构内推导出来;相反,它们是假设的,并随后由预测与实验的一致性来检验。具有适当收敛性性质的矢量空间被筛选出来,给予特别注意,并称为希尔伯特空间。P.59
在量子理论 中,物理量不再直接出现在理论中。相反,理论是一种方法,在系统经受了某种理论上由适当数学算符的运算表示的操作时,用来抽取系统某个物理量取得某一数值的概率。观察量由施于相关希尔伯特空间的数学算符表示,还限制了算符本身的结构。算符必须是线性的,必须符合某种结合规则,必须是所谓自伴或厄米算符。最后一个要求具有根本的重要性,因为只有自伴算符的本征值才是实数,而唯有实数才能表示观察量之值。期望值具有的函数形式与概率刚分析中对应的量相映照,这再次强调了量子理论的概率性质。可以预料,实验值只是理论预测均值的近似。P.61
经典物理量如位置x和动量px是对易的,即x.px=px.x,但在微观的量子理论中,二者不相等,当然这些量不能再是普通的数来表示,它们要么是矩阵要么是算符。其算符不可对易的观察量称为互补的,同时在非对易性和不确定性原理之间存在着直接联系。P.62
现代量子理论是在经典的波动与粒子概念的融合中产生的,这个形式从经典波动世界继承了函数分子最有力的工具之一,即傅里叶分析。法国数学家傅里叶在1807年首先陈述:一个完全任意的函数可在给定区间上表示为简单正弦和余弦函数的一个无穷和,P.63
用于傅里叶分析的简单正弦函数和余弦函数正是基函数的例子,而为重构任何波函数所需的级数称为基组。在量子理论中,展开定理说:任意状态矢量|Ψ>可被展成为基矢量的线性组合(有时成为叠加)。基矢量由运算于相关希尔伯特空间的某个自伴算符的本征态的完备集构成。这里的基组不是简单的正弦和余弦函数,而是特定算符的本征态集体,它可以根据我们想要从任意状态矢量|Ψ>抽取何种信息来选择。P.64
读者感言:真如一本中国人写的科普书的前言中说的那句话了:科学,是心智跟自然的对话。读这样的书,确实必须动用心智;科学,不止是对自然的认知,它本身也是一种心智的运用。
   
    量子迷宫(7)
状态矢量的概念携带着经典物理学中我们赋予矢量的许多数学性质。但是,我们可不要误入歧途。状态矢量具有经典矢量不可能具有的性质。状态矢量属于数学上有定义的空间,它们能够显示干涉效应。我们可以“测量”经典物理学中的矢量,但我们不能直接测量状态矢量:只有状态矢量的模平方是实验可观测的。P.66
双粒子状态矢量对于粒子交换是反对称的,即粒子交换时状态矢量改变符号,其模平方相等(但符号不同),这样的粒子具有半整数自旋量子数,如电子、质子、中子和某些原子核,它们统称费米子(费米是意大利物理学家)。而双粒子有相同的值和符号,其状态矢量在粒子交换时在对称的,它们具有零或整数自旋量子态,包括光子和某些原子核,统称为玻色子(玻色是印度物理学家)。在一种叫玻色凝聚的现象中,许多玻色子处于同样的量子态,玻色在1927年将他关于该凝聚的论文寄给爱因斯坦,正是爱因斯坦第一个想到,玻色子可能在足够低的温度下凝聚为最低能量子态。激光提供了玻色子凝聚的一个最佳例子。另一个例子是超流性现象:4He在大约2.2K粘滞度降低约6个数量级,这种液态玻色子凝聚态像薄膜般顺着表面向上、环绕着表面无摩擦的到处“爬行”。最后一个例子是超导:两个电子(皆为费米子)冷却到临界温度以下时一起构成一个玻色子,这对电子称为“库伯对”(库伯是美国物理学家),凝聚为同一量子态。P.68
泡利原理的核心在于所有量子粒子的不可区分性,费米子区别于玻色子的,是它们多粒子状态矢量的对称性质。它在本质上联系着它们的波粒性。P.69
测量位于量子表达的核心。经典力学的测量除了记录其性质和行为没有别的作用,但在量子理论中,测量承载着远为深刻而且几乎是不详的意义。波尔认为,我们对于测量器件的选择决定了我们能够观察到何种行为,如果我们选择了揭示量子位置而设计的装置来考察量子系统,我们就得到类似粒子的行为:粒子在“这里”或在“那里,”如果选择一种显示干涉效应而设计的装置来考察量子系统,我们就得到类似波动的行为:粒子即不在“这里”也不在“那里”,我们看到的是干涉条纹。正是在这里,我们感到我们对实在的掌握开始松动了;但,没有测量,理论只是一个空空的框架,这个理论的一切概念和哲学问题全都要在测量中被发现。P.70
量子理论的概率并不赋予个别粒子的测量结果以任何意义,而是仅适用于在一个同等制备系统的集合上重复测量结果的分布。在一定意义上,量子测量本身是产生测量结果的原因。与经典统计概率不同,量子概率并不反映我们对于某种潜在物理实在在复杂细节上的无知。量子概率乃是量子系统与实验器件相互作用产生特定测量结果的可能性大小的表达。P.72
偏振光通过两个偏振片,若两个偏振片的投射轴夹角为90度,则完全不透光,若在这两个偏振片中间再加一个偏振片并旋转之,则有部分的光透过。它意味着偏振片在其中起着非常积极的作用,而不是消极的透射一部分光而不改变其偏振性质。P.74-75
虽然量子粒子的自旋绝不应理解为粒子真的绕它自己的轴旋转,但它仍表现为一个内秉角动量。因此,一束包含大量圆偏振光子的光(例如激光束)会将一个可测量的力矩传递给目标。然而,这个角动量并不只是一种集体现象:在使一个原子或分子的电子受激的单个光子的吸收中,光子本来具有的角动量转移给了受激电子,而总角动量守恒。P.75
方解石是一种天然形成的碳酸钙盐结晶,它有天然的双折射性质:它的晶体结构使其沿两个不同的结晶平面具有不同的折射指数,一个为垂直偏振光提供了最大透射轴,另一个为水平偏振光提供了最大偏振轴。所以,可令混合偏振光通过晶体而将其垂直和水平分量在物理上分离,它们的强度可分别测量。精密加工的方解石能透过全部的入射光。P.76
读者感言:有科学属性的事物比如教育,具有同样的秉性,它不单单是一些知识——关于事实是什么的陈述,更重要的是它是一种思维方式和看待处置事物的方法。有人文品味的人,亲切;有科学品味的人,同样亲切。量子迷宫(8)
依照冯.诺依曼,当一个量子系统与测量器件相互作用时,相互作用既服从量子力学定律,也为量子力学定律所描述。如果一个特定量子系统的观察量是某个算符的本征值,则我们在实验室里测量结果将类似的是某个“测量算符”的本征值,这个测量算符把测量器件描述为一个量子力学系统。当然,我们不能直接获得一个量子系统的本征值:我们只能根据与测量器件的相互作用触及系统的本征值,并用前者的本征值来解释所得的结果。P.77
一个光子射入方解石,折射出的光线出现单一的偏振态,但在测量前我们不知道它处于何种偏振态。惠勒宣称“在我判他们之前神秘都不是”,即量子测量包含着必然的非决定论性质,这是量子系统与测量器件相互作用的固有特点。爱因斯坦和他的同事们则坚持完全的决定论观点。P79-80
互作用并产生双粒子态的一个结果,是这两个光子失去了它们的独立性。它们称为纠缠的。纠缠态的惊人性质,使爱因斯坦及其同事在1935年发起了针对量子理论的诠释及其对于物理实在的含义的最令人不安的挑战。我们知道,如果对光子1做测量,复合矢量将在那一时刻塌缩,以50%的机会实现一种状态;这意味着,光子2必定类似的塌缩为另一状态,不论在对光子1测量的时刻两个光子相距多远。P.81-82
粒子的波粒双重性质所隐含着的非定域性,意味着(一个)光子通过所有的路径,引起似乎与常识相矛盾的效应。根据量子理论的正统诠释,量子粒子的状态矢量是非定域性的:它“感知”整个测量装置,并且能够以定域粒子所不可能的方式受到开启的缝隙或偏振分析器通道的影响。测量行动本身,将状态矢量“集中”于空间的一个小区域内,从而将量子粒子定域化。P.83-84
假定你是一座特殊炸弹工厂的质量主管:制造的炸弹装有一个特殊的光敏元件,只要它检测到一个光子即可引爆炸弹。不幸的是,制造过程不够精确,并且你知道,在每一批炸弹中都有一些哑弹。哑弹上的光敏元件不能吸收光子触发爆炸,而是反射光子使炸弹不能爆炸。对你的挑战是,要发明一种测试方法,使能识别哑弹而不引起过多好弹爆炸。乍看起来,这似乎是不可能的,因为识别哑弹的唯一方法看来就是用光区照射它们,看它们是否爆炸。然而,幸好,你学过许多量子理论的高级课程,十分熟悉量子非定域性和干涉现象。P.84
现在已经很清楚,我们确实能够设定这一装置,从而将分束器反射路径“采样”的可能性降到极低的水平。而实验的结果仍然完全依赖于这一可能性,无论它多么小。最终的结果是一种近乎无相互作用的测量:我们能够籍助于一枚炸弹是否产生一条通路的可能性来识别它是或是坏。即使没有光子与炸弹光敏元件的直接相互作用,我们也能够发现—确定的—那枚炸弹是好弹还是哑弹。这是“不看而知”P.86
读者感言:前述的“假想实验”,我在以前读过的多本科普读物里都读到过类似的,这类动用心智的实验实在是太巧妙了,是人的心智跟自然在捉迷藏。虽是科普读物,但即便只是从“道理”上大体搞明白而非数学上严格的逻辑推算和实际实验的推演,也耗费心神。
量子迷宫(9)
光子的行为是奇特的,但至少可以用实验来研究。不要被误导,以为关于哲学的争论最终是徒劳无功的,或者与实验科学家关心的重要事情无关。不是这样。P.89
波普尔把“可证伪性”提高到原理的高度,把它作为科学哲学的基石(“假设-演绎”法,即归纳法的自然替代),声称只有当一种理论被证伪时,我们才在科学上取得了真正的进步。对待归纳法的另一种方法,是不把它看成问题(读者注:指这种科学方法的不完备性,即它只能证明过去无法“证实”未来),而是把注意力转移到更为实际的问题上来,哲学家艾尔写道:“任何满足自洽这一必要条件的科学方法所必须经受的检验,就是它在实践中是否成功的检验”P.92
经验主义从传统可以从法国哲学家孔德哦打破奥地利-捷克物理学家马赫,一直追溯到休谟。马赫认为科学活动就是研究通过感官感知(多半借助于某种工具)向我们揭示的自然事实,并且尝试通过实验和观察了解它们之间的相互关系—这种尝试应当以最节约的方式进行。马赫拒绝任何经验上不可验证的关于世界的陈述,认为那是非科学的。P.93
特例:古希腊哲学家建立了一个以地球为中心的宇宙模型,约公元150年,哲学家托勒密构造了一个基于本轮圆系的精巧理论,他关于宇宙的陈述是经验上可验证的了:如果按照预定的方式应用这个理论,这些陈述与观测相比较,从而验证了它们描述了行星的运动。不难想象,我们可以发展一个托勒密系统的现代改进版。使用大量本轮圆并稍许动用计算机的力量,我们可以对行星运动作出相当精确的预测。这是否意味着,我们应当在下述意义上认为本轮圆系是“实在”的:它们代表了行星运动动力学的实在元素?P.93
托勒密的困难来自于他的假设—太阳和行星绕地球旋转(使用了众多的本轮圆),而一个经济得多的理论是把太阳置于太阳系的中心,如哥白尼提出的那样。但是,这样的系统一定比托勒密的系统能够更好的代表实在吗?马赫的观点是,想要描述超越我们直接感知的实在是没有意义的。相反,我们的判断应当由可验证性(理论与实验观察吻合吗?)与简单性(它是与实验观察相吻合的最简单的理论吗?)这两个准则为指南。在这情形下,哥白尼系统胜出,因为它是最简单的。P.94
本质上不可验证的思辨,诉诸情感和信仰的思辨,是不科学的。但是,那些属于被称为形而上学(字面的意思是“超越物理”)的哲学分支的思辨并不被彻底拒绝。它们被承认是发展生活态度的过程中一个正当的部分,但是科学中没有它们的位置。这种对可验证性的强调以及把形而上学彻底清除出科学的坚决态度,是一种哲学立场,通常称为实证主义。这个词是孔德发明的。马赫特别强调语言的正确使用,称语言为“最奇妙的交流节约”。他的观点对20世纪20年代初期出现于维也纳的一个新哲学思想流派产生了巨大影响,这个流派主张首先是:科学知识是唯一真正的知识,而一个科学陈述要有意义,就必须既符合形式逻辑,又是可验证的。他们的哲学有时称为逻辑实证主义。其基础是逻辑分析、可验证性准则,以及被认可的科学陈述与形而上学陈述之间的严格区分。P.94
有时候,逻辑实证主义者似乎与其说是哲学家倒不如是语言学家:我们绝不会接受使用无定义的项目或者自相矛盾的数学陈述,既然如此,为什么对语言就该宽松些呢?一下子,它从哲学中清除了几个世纪以来关于心灵、存在、实在和上帝的“伪陈述”,把它们归于艺术,和诗歌和音乐放在一起了。维也纳圈子的观点统治了20世纪中期的科学哲学,对物理学理论的发展的意义是明显的。理论关于物理世界的陈述是联系理论各概念的逻辑陈述,但不是关于某个潜在的独立实在的陈述,因为这样的实在是形而上学的,故而也是无意义的。这并不一定意味着根本没有实在这样东西,但的确意味着我们应当节制我们的期望。理论描述经验实在——表现为可被我们直接感知的效应、因而可验证的那种实在——的元素,但是不要期望能够超越这个经验水平。这样会陷入无意义的思辨。P.95
薛定谔和海森伯在对待量子理论的诠释上采取了十分不同的立场:薛定谔是一位实在论者,相信他的波动力学提供了潜在的独立实在的部分描述;而海森伯则采取了相当不妥协的实证主义立场,坚持他的矩阵力学除了作为一种算法以外别无其他目的,利用这种算法可将实验结果联系起来并作出新的预测。当薛定谔证明这两种算法数学上等价时,物理学家们面临一种抉择。这不仅仅是两种等价的数学方法之间的选择:这是不同哲学观点之间的选择。P.95
读者感言:科学和信仰不同,但信仰是什么?信仰不该有科学性吗?如,信仰上帝或信仰共产主义,难道是毫无根据的、毫无来由的吗?据称,马克思称他的学说是科学社会主义,而我学的关于它的教科书上说这些学说经过了实践检验的。恐怕,都一直在经受检验。
前两年,读过一本西方人写的关于上帝和科学的书,证明上帝的存在是有科学依据且经历了验证的——恐怕是对尼采宣布“上帝死了”带来的社会思想混乱的一种纠正吧。

量子迷宫(10)
波尔、海森伯和泡利缔造了所谓量子理论的哥本哈根诠释。其基础是不确定性原理、波粒二象性、波恩的波函数概率诠释,以及本征值与观察量测量值的等同性。它要求我们十分仔细的考虑我们在获取物理世界的知识时所用的方法,它把科学活动的焦点,从我们研究的对象转移到研究对象与用于揭示其行为的工具的关系上来:对象与工具一起占据了中心位置,而它们之间的区分变得十分模糊了。P.96
我们应当认识到我们在这里说的是什么。要言之,哥本哈根诠释说的是,在量子物理学里我们已经达到了我们所能知的极限。P.99
波尔说:“不存在量子世界。只有抽象的量子物理学描述。以为物理学的任务是发现自然是如何的,那是错误的。物理学关心的是我们能够对自然说些什么。”不论是实证主义还是实用主义,波尔哲学最重要的特点是其根本的反实在论。在说到独立于我们测量器件的潜在的物理实在时,它否认量子理论有任何意义。它否认,量子理论的进一步发展会使我们更接近于某种尚未揭示的实在的可能性。P.100
逻辑实证主义牢牢主宰科学哲学长达30年之久,但也式微了。逻辑实证主义宗旨的支柱一一倒塌,而其整体,连同其对形而上学的严厉拒斥,差不多已无人信奉。逻辑实证主义的组成部分包括可验证性准则,波普尔攻击归纳法原理和可验证性准则,认为理论绝不可能在经验上证实而只能证伪。事实上,两个准则都有问题,这关系到面临可能的证伪数据时理论的应变。例子:海王星的发现——自赫谢尔1781年发现天王星,后观测其预测轨道与观测不符。发生了什么?要以此证伪牛顿力学的整个结构吗?受到挑战的是太阳系只由七个行星构成这一(未言明的)假设。P.101
注意,这并不一定意味着理论绝不可能被实验或观察所证伪,但的确表明可证伪性不是判定科学方法的一个鲁棒准则。例子:受到成功的鼓励,1859年勒维耶试图解决水星近日点异常问题时,挑战同一辅助假设:他假设在太阳雨水星之间有一个尚未发现的行星,他称之为祝融星。然而根本没有发现这样的行星。诚如杜恒指出的,在不一致的情形下,一组假设中至少有一个需要修改,但是实验并不指明究竟是哪一个。事实上,构成牛顿力学核心的假设在这一情形下不成立:爱因斯坦的广义相对论(牛顿理论是它的一种极端情形)正确预测了水星近日点的进动。P.102
维也纳圈子的实证主义剩下的根基,是用符号逻辑技术来明晰哲学问题。罗素曾雄心勃勃想把全部数学化为逻辑。不幸的是,1931年捷克数学家哥德尔指出,罗素的尝试从定义上是不可能完成的,他那著名的“不完备”定理揭示了一个不那么显眼的事实,即不可能在包括许多重要的数学系统(例如初等算术)的一大类演绎系统中建立内部逻辑相容性。哥德尔的证明发表后,大部分哲学家放弃了逻辑主义。有趣的是,哥德尔本人却是维也纳圈子的成员。但,实证主义纲领远未死亡。它在建构经验主义的一位倡导者范.弗拉森的手里十分活跃。其宗旨仍然是对形而上学的否定态度,并且否认科学理论向着某种独立实在的真正正确的表达发展。范.弗拉森宣称,科学的目的是给予我们经验上充分的理论,而要接受一种理论,只要我们相信它在经验上是充分的就够了。P.103
实在论者相信科学理论让我们不断接近于“真理”。问题在于,一旦我们试图定义和理解真理的性质,真理本身就变得与实在一样难于捉摸。首先,对什么是“事实”就产生出一些问题,若我们理论具有“似真性”元素,或波普尔所说的逼真,随着理论越来越精细期望它收敛于“真理”。但不论是对应还是收敛,这些真理的理论并没有帮助我们区分实在论与反实在论的观点。两者皆自称要解释真实的物理世界,但对于是什么构成了相关事实的接受标准,却大相径庭。还有一种观点,就是科学家共同体内有足够数量的成员相信新范式优于旧范式。这个过程不亚于一场社会文化革命,与政治革命类似。这个社会建构论是极端反实在论的。P.104
在库恩看来,范式的变更并没有反映渐进发展,只不过是预言和描述的变化。现在,对于不同的科学家,同样的术语有不同的含义。范式变成了不可公度的。不可公度是库恩和弗耶阿本德在20世纪60年代初用于科学哲学的一个概念。社会建构论从相对主义,即科学理论与产生它们的社会或文化有关的那种观点,发起的一场骑士运动。就其极端来说,相对主义挑战我们关于理性、唯理论以及西方文化进步观的既有观念。P.105
读者感言:从科学家视角看待哲学和一些社会问题,别有一番滋味。


量子迷宫(11)
面对实证主义(或其现代体现,建构经验主义)、实用主义、社会建构主义以及其他本书未能加以讨论的反实在论的猛攻,实在论能有什么合理的辩护吗?年轻的爱因斯坦对他的科学(特别是狭义相对论)的态度,性质上是显著的实证主义。但是,当他创建他的广义相对论时,他已经变得更为小心谨慎,而且他的哲学观也大大的靠近了实在论立场。P.105
简单的说“爱因斯坦是实在论者”是不够的。狭义相对论的创立者恐怕不能说是朴素的实在论者——他不相信我们的物理世界理论模型的不断改进会使我们更接近于某种绝对真理,并且承认我们的物理实在的观念永远不可能是终极的。为何爱因斯坦能够为实在论找到唯一的理由要诉诸信仰,他还要选择实在论呢?爱因斯坦的回答是 简单的。建立在因果律之上且独立于观察者的实在的存在,是几百年来科学家的 一个心照不宣的信念,在量子理论出现以前从未发生问题。他是一切最重大科学发现背后的无声驱动力。如哈金指出的,科学有两个目的:理论和实验,理论是表达,实验是介入。P.106
最佳(常常是最简单因而也是最节约)的理论能够解释所有已知事实,并且可用来作出其准确性易于检测的预测。P.107
理论不会仅仅因为被证明其适用范围之局限而被摒弃。科学有能力吧物理世界的新的更好的描述吸纳入已被接受的科学知识体系之中,随着一代代的修正更新,科学成长着。反实在论者指出实在论观点包含着逻辑上的矛盾,因为我们显然不能观察一个独立于观察者的实在,因此绝无证实这种实在存在的希望。P.108
科学家一般采用反实在论的方法但实在论的观念。量子系统表现出我们与波和粒子相联系的性质,其行为好像决定于我们用来探测器性质的工具的类型;而且,量子理论的数学表达特别将这种工具依赖性表达出来。一类工具会告诉我们量子实体是一种波;另一类告诉我们它是粒子。无论就其数学表达或正统诠释来说,量子理论都是科学中确具反实在论性质的最重要的基本理论。哥本哈根物理学派相信,他们的量子理论诠释是唯一合理的诠释。但其他物理学家不同意。P.109
爱因斯坦与玻尔在量子理论诠释上的论战,过去曾被描绘为一场实在论与实证主义的直接冲突。然而,最近试图揭示爱因斯坦与玻尔两位哲学立场的一些尝试显示,事情并非这样黑白分明。爱因斯坦的实在论是出于一种必要感:一种只有实在论立场方能通向关于物理世界的丰硕理论的信念;现代原子之父(玻尔)主张,原子内部机理的实在,超越了我们以波和粒子互补性经典概念为基础的知识范围。P.110
1927年10月24日第五次索尔维会议主题是“电子与光子”,爱因斯坦、玻尔以及其他许多重要的物理学家汇聚于布鲁塞尔。论战的焦点是:量子理论的诠释及其对于我们试图认识物理世界的方法的含义。论战的结果将决定量子物理学未来的发展方向。爱因斯坦在与玻尔的论战中引用简单电子或光子先通过一个孔径、再通过第二个屏幕上的双孔径,这样的假想试验来诠释观察到的现象。
读者感言:英国人吉姆.巴戈特写的《量子迷宫》这本书,详细的记述了那场论战的假想试验——与当时世界上最卓越的大脑对话(读它,就是跟它对话了),不仅有趣而且即便现在、对我的智力也是一项挑战:理解其含义,不是轻易的事。

量子迷宫(12)
1930年10月20-25日在布鲁塞尔召开的第六次索尔维会议上,关于量子理论的论战再次爆发。虽然会议的主题是磁物理学,但会议的两次正式活动之间进行的关于量子理论诠释的讨论引起了与会者浓厚的兴趣。。爱因斯坦说,假定我们建造一个装置(后人称之为“光子盒实验”),时钟机构触及快门打开极短的时间间隔,放出一个光子,再次称重。据此我们根据质量差以及狭义相对论(E=mc2)确定逸出光子的精确能量。这意味着,我们精确测得从小孔逸出的光子能量和逸出的时间,从而与能量-时间不确定性相矛盾。P.115-116
波尔再次绘出了依照爱因斯坦描述的那种方式进行测量所需装置的草图,并为观测安装了刻度以测其位置。为看清刻度需要照明,而向盒子的不可控的动量转移将使它不可预测的跳动---波尔的这一回应被欢呼为波尔以及量子理论哥本哈根诠释的胜利。爱因斯坦的广义相对论被用来反对他自己。P.117
1931年爱因斯坦推想,光子盒实验里我们设置时钟来触发一个光子的释放,并令它与外面的第二个时钟同步。令释放出的光子行进到距离盒子很远(比方说半光年)的一面镜子。在光子来回一光年的旅行期间,我们尽可选择我们想做的测量:打开盒子比较两只时钟。由于称盒子重量影响内部时钟的速率,它们不在同步,可是我们可以以外部时钟为参考来校正它,由此推算出精确的光子释放时间;同样,第二次称重将告诉我们释放光子的精确能量。如此,时间和能量就都能同时精确测定——反驳了不确定性原理。P.118
1935年光子盒实验已进一步发展,爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(EPR)联合发表论文。修正的光子盒实验容许实验者选择精确测量两个互补观察量中的一个,而EPR想象实验在此道路上又前进了一步:对两个在其历史上的某个时刻曾相互作用而后分离的量子粒子重的一个进行测量。我们记这两个粒子为A和B。我们考虑粒子A和B的位置之差和动量之和,则容易证明,这些量的算符是可对易的。因此,如果我们测量这两个粒子的位置之差和动量之和,能够达到精确度原理上不受限制。P.119
EPR自行提出了一个初看起来相当合理的物理实在的定义。现在假定,我们让两个粒子相互作用,然后分开很远的距离。我们对粒子A做实验,以确定性测量其位置,故原理上我们也能够以确定性推断B的位置。然而,假如我们改而选择以确定性测量粒子A的动量,原理上我们能够确定性的推断粒子B的动量。如果量子理论的这一诠释是正确的,我们就不得不承认,粒子B的位置或动量的物理实在性,取决于我们对一个完全不同且在任意距离之外的粒子所做测量的性质。EPR指出,“没有哪一个实在的合理定义会容许这样的事”P.120
EPR想象实验击中了哥本哈根诠释的核心。如果不确定性原理适用于个别的量子粒子,那么,倘若粒子B的位置和动量的实在性取决于我们对A进行何种测量,我们就必须求助于某种超距作用。P.121
波尔对EPR的回答发表在1935年10月的同一期刊上。再次强调测量器件在定义我们可以观察的实在的元素中的重要地位。这样,设置器件以确定性测量粒子A的位置,由此我们能够推断粒子B的位置,但排除了测量A的动量并以此推断B的动量的可能性。P.122
然而波尔并没有回应EPR提出的真正挑战。EPR在他们的想象实验中提出的,是一种允许在相距遥远的量子粒子间建立关联的双粒子态。做一次测量,引起波函数概念上的塌缩,隐含着似乎违反狭义相对论的“诡异的”超距作用。这样的测量必定意味着超距作用吗?确实,如果我们能够用某种方法把选择测量器件(位置或动量)延迟到几乎最后一刻,那么原理上,对于遥远距离之外的一个粒子我们能够得到的信息瞬刻就改变了。这让我们感到奇怪:粒子B怎么会“知道”对A进行测量的结果将揭示何种物理性质——位置还是动量。如果对A进行测量改变B的物理状态,或者引入某种通信把A的环境变化传递到B,那就需要超距作用。P.123
读者感言:量子的纠缠及超距作用,真的是由爱因斯坦为反击波尔的哥本哈根诠释做出的想象实验被发现的吗?那场论战真是有趣且其影响力至今依旧发挥作用。时下,我们国家以及世界其他国家如火如荼的“量子通讯”研究及实用,其理论依据以及适用研究都肇始于那场论战的结果。

量子迷宫(13)
1936年6月,薛定谔致函爱因斯坦祝贺EPR论文发表,指出双粒子的“分离过程”为哥本哈根诠释制造的根本性困难。依照这种诠释,当两个粒子本身在时空上分离时,双粒子量子态的波函数或状态矢量并不分解为两个完全独立的状态矢量,分别对应于每一个粒子。相反,双粒子态状态矢量“延伸”开来,并且一旦进行测量,立刻塌缩,不论它分布在多大的距离上。在1939年薛定谔发表的一篇文章中,认识到这两个粒子因相互作用而变为纠缠。P.123
EPR的物理实在定义,要求将这两个粒子视为互相分离的,就是说,在测量的时刻它们不再由单个双粒子状态矢量描述。这样的实在有时称为“定域实在”,同时,粒子分离为两个定域实在的独立物理实体的能力称为“爱因斯坦可分性”。在EPR想象实验的情形下,哥本哈根诠释否认这两个粒子是爱因斯坦可分的,从而也否认它们可被视为定域实在的。P.124
爱因斯坦立即回复了薛定谔1935年6月7日的信,并且他们在1939年继续通信。薛定谔继续执着于这样的想法,即量子波函数(及其概率诠释)反映了波、波包及其叠加这样一种潜在的物理实在。爱因斯坦则坚持,波函数作为物理实在的一种完整描述是不充分的,它只反映了系统系综的统计概率。为了使薛定谔信服这种观点,爱因斯坦又想出了一个想象实验,这个想象实验最终使薛定谔提出了量子理论中最著名的佯谬之一。P.125
薛定谔把关注点从亚原子的微观世界转移到猫和人类观测者的宏观世界,揭示出这种情形的明显荒谬性:一只猫被置于钢制小室内。小室内有一装有少量放射性物质的盖革管,一个装在转轴上的锤子,以及一个盛有氢氰酸的器皿,小室被关闭。从所用放射性物质的量及半衰期知,在1小时内一个原子衰变的概率为1/2.如果一个原子真的衰变了,盖革计数器就被触发,释放锤子击碎器皿,于是氢氰酸流出,将猫杀死。P.126
薛定谔猫佯谬,哥本哈根诠释说,经验实在的元素是由我们用来测量量子系统物理状态的实验装置的性质定义的。它坚持,对于想要问一问测量前粒子(或猫)究竟处于何种物理状态这样一种诱惑,我们应予拒绝。因为这样的问题毫无意义。现代量子理论今日仍然是哥本哈根诠释(它坚持量子理论应用于个别系统时的完整性)与系综的不协调混合。与经典概率不同,量子概率并不反映我们对于某种潜在的物理实在固有细节的无知。量子概率表示的,是量子系统与测量器件间相互作用“实现”或“产生”特定结果的可能性大小。一般认为,这些结果并不属于个别系统,而是适用于在大量同等制备的系统上重复测量结果的分布。然而,与爱因斯坦的系综不同,直到暴露于测量器件之前,不能认为这些系统是由各具自身实现状态的各个实体所组成。P.127
EPR论述的精辟之处是,证明了两个曾经相互作用人后分离开的量子粒子的纠缠所隐含的“诡异的”超距作用。哥本哈根诠释坚持,量子理论是完整的,故两个粒子继续由一个状态矢量描述,不论它们相距多远。这两个粒子失去了它们的独立性和时空定域性。当我们对一个粒子测量时,状态矢量瞬间塌缩,迫使第二个粒子实现特定的状态,尽管它可能远在半个宇宙之外。EPR坚持认为,“不能期望哪一个物理实在的合理定义或容许这样的事。”P.128
读者感言:至今,人类对物质、对微观世界的了解,也依旧在上个世纪前半页的框架之内。基于科学而技术有了前所未有的大进展;我们国家时下力推的各种“创新”,不止是技术应用层面上的,也是在基础性研究层面上的。不然,只能跟在别人屁股后面亦步亦趋。
量子迷宫(14)
那些在20世纪30年代对哥本哈根诠释感到不安的物理学家面临两种选择:他们要么完全抛弃量子理论并重新开始,要么试着来扩展这个理论,以便重新纳入严格的因果性、定域性或两者兼纳。其中,认为该理论不完整(EPR观点),使之“完整”的一种方法是引入一组新变量——不能在实验室的实验里揭示,必定是“隐藏的”。这种隐变量理论在科学史并非没有先例。这些变量常因后来采用新的实验技术而变为“非隐藏的”。P.129
爱因斯坦本人反对隐变量。因他在1927年曾采用这种方法,5月初他对他的结果还十分得意,但月末就失去了对此的热情。他证明了在他的隐变量方法中,个别系统在用复合波函数描述时仍有奇异的纠缠。换言之,虽然粒子可以保持定域性,它们还是受到制导波函数中非定域关联的影响,结果它们不能视为爱因斯坦可分的。P.130
冯.诺伊曼证明了无色散系综事实上是不可能的,因此没有哪一种隐变量理论能够重现量子理论的结果。该证明相当复杂。P.133
博姆的EPR实验。在冯.诺依曼的证明发表后人们意识到用隐变量解决量子理论问题不是科学活动的宽广园地。20年后,年轻的美国物理学家博姆开始认真注意这个问题。博姆因本人是共产党员在1950年反共浪潮中被捕并被控以藐视国会罪,在奥本海默的帮助下1974年迁至普林斯顿、1957年迁至英国布里斯托尔大学,他最后取得伦敦伯克贝克学院理论物理学教授的职位。1951年博姆对量子理论诠释的论战作出了他的第一次重大贡献。博姆的隐变量与我们迄今(且在本章中还要)考虑的不同,它是非定域的。P.135
博姆考虑一个由两个原子组成的分子,其中原子处于总电子自旋角动量为零的量子态。简单的例子是一个氢分子。假定我们能够在一个不改变其总角动量的过程中离解此分子,产生两个等价的原子碎片。一些物理学家看到,进一步具体化的博姆版EPR实验可以在实验室里实现,而不仅仅是在头脑里。P.136
博姆在结束他的EPR实验讨论时做了如下的评述:“所以,我们必须放弃每一个原子上附有一个精确定义的自旋变量这种经典图景,而代之以我们的潜在性的量子概念,其发展概率由波函数给出------这样,对于一个给定的原子,并没有一个给定变量的自旋分量以精确定义之值存在,直到与一个适当的系统,例如测量装置,发生相互作用为止。”博姆所说的“潜在性”——量子系统产生特定结果的固有的可能性——意味着,他可能已经在考虑非定域隐变量了,尽管表面上仍执著于哥本哈根诠释。他还指出,量子理论的数学表达没有包含与量子粒子的实际行为一一对应的元素。“相反,”他指出,“我们得到一个观点,波函数是一种抽象,它提供了实在的某些方面的数学反映,但不是一对一的映射”他进一步断言:“------没有哪一种力学上确定的隐变量理论能够导出量子理论的全部结果。”P.138
定域隐变量理论与量子理论在预测下述实验时是一致的:一束光子通过两个偏振分析器,计算结果显示,在这一特定的分析器设置下,两个理论完全一致。让两个偏振分析器旋转一个角度,则在0、45°、90°三个角度上与量子理论一致。但是,两种理论在所有其余角度上给出了十分不同的预测结果。P.139-140
贝尔在一篇1964年寄给Reviews of Modern Physics期刊(直到1966年才发表)的论文中,贝尔考察并拒斥冯.诺伊曼的“不可能证明”以及类似被用来否定隐变量可能性的论点。然而,在随后的一篇论文中,贝尔证明,在一定条件下,量子理论与隐变量理论对同一组关联粒子对的实验结果会给出不同的预测。这种差别为量子理论所有定域隐变量修正所固有,与其具体性质无关。这个结果总结在贝尔定理中。关于定域隐变量的问题一下子改变了性质:从关于哲学倾向的比较学术性的问题,变成了对于量子理论极具重要意义的实际问题。在量子理论与定域隐变量之间的选择,不再是偏好的问题,而是正确性的问题。贝尔的这些论文对 后来基本物理学的研究产生了深远影响。P.141-142
读者感言:我从微信《学习强国》里读到关于科普的文章,说当代的科普已经从以往的了解、理解科学发展到参与进来的时代了。科学文化是一种或许是“小众的社会文化”,它所追求信奉的东西止于科学家小圈子,但在全民科普的当代(至少是客观上需要如此),正如那些发达国家科普所走过的路所揭示的:应该并正在让越来越多的人参与到科学的进程中来。《量子迷宫》也是科普读物,但读懂它需要一定的基础;但图书中有不少图片,图片最直观了——不管它要反映的东西如何深邃。如果再有动画,以形象的方式展示那些科学的最前沿,最好了。《复仇者联盟(四)》,我去影院里看了,尽管它的场面宏大,但却是揭示和解释微观世界(同时也是宏观宇宙)的科普——当然是以娱乐的大众喜好的方式。这样的“糖衣炮弹”,越多越好;在我的课堂上,有的班里看了它。

量子迷宫(15)
我们将通过伯特曼博士这位中介人来推导贝尔定理。伯特曼博士是贝尔讨论实在性时使用的一个真实角色。这个讨论发表于1981年的Journal de Physique上。贝尔说:“这位街头哲学家不曾遭受过量子力学课程的折磨,对于爱因斯坦-波多尔斯基-罗森关联几乎没留下什么印象。他能够举出日常生活中许多类似关联的例子。他时常援引伯特曼博士的袜子这样一个例子。伯特曼博士喜欢穿两只颜色不同的袜子。在给定的一天和给定的一只脚上,他穿什么颜色的袜子是完全不可预测的。但是,当你看到他第一只袜子是粉红色的,你便可确定第二只一定不是粉红色的。观察到第一只并根据伯特曼的习惯,立刻给出第二只的信息。人各有所好,除此之外别无玄妙。EPR这桩事是否也一样?”伯特曼决定让他左脚是袜子(A)经受下列三种实验:1、实验a,在0℃下洗1小时;2、实验b,在22.5℃下洗1小时;3、实验c,在45℃下洗1小时。P.142
伯特曼想起来他的袜子都是成双的。他假定除了颜色不同以外,一双中两只袜子的物理性质相同。他进一步假定,不管他选择对B做什么实验,都不会以任何方式影响他对A可能进行的任何实验结果。P.143
概率P+-(a+,b)与P+-(b,c)之和必大于或等于概率P+-(a,c).这就是贝尔不等式。用光子代替袜子、关联光子代替袜子对、偏振分析器代替洗衣机、偏振方向代替温度,按上面的推理过程重新走一遍,你还会得到贝尔不等式。---量子理论与任何定域隐变量不相容,因此也与任何定域实在不相容。P.145
这一演算只不过再次证实了量子理论与定域实在的不相容,光子间的关联可以大于两个爱因斯坦可分粒子所可能具有的值,因为它们物理性质的实在性被认为在测量之前并未建立。两个粒子在进行远距离“通信”,因为它们的行为决定于一个共同的双粒子状态矢量。量子理论要求一种违反狭义相对论的“诡异的超距作用”。现在的问题是:这对吗?P.147
在少数理论家和实验家的工作中可以感受到贝尔1966年论文的真正回响,它们阅读了那些论文并对其中提出的问题十分着迷。它们希望设计出一个检验量子非定域性的实际实验,即使贝尔不等式在实验室里实现检验。P.151
处于最低能态(所谓“基态”)的钙原子,其最外层4s轨道上充满着两个自旋配对电子。故这些电子自旋角动量的矢量和为零,且这个状态的特点是总自旋量子数s等于零。因为由(2s+1)给出的自旋多重因子为1,故该状态称为单态。如果我们可以用某种方式激发外层的两个电子,令其进入4p轨道,但仍保持电子的自旋方向。如果在实验室里产生这种双激发态,它将经由快速的级联发射回到基态,有两个光子被发射出来,光子的净角动量必定为零。这两个光子A的波长551.3nm,光子B的波长422.7nm。P.152-153
读者感言:终于看到“纠缠量子(光子)”是怎么制备的了,以及当初为什么要制备它们。

量子迷宫(16)
阿斯派克特研究了量子理论的基本问题和EPR论述,也深受贝尔论文的影响。他断言1972年实验检验贝尔不等式不够理想。他及其同事用新的实验装置(分析器和检测器相距13米)做了四组测量,测量值与修正的量子理论预测吻合得很好。P.153-155
级联发射的一种替代是参量下转换。在库尔齐费尔、奥伯帕莱特和温菲尔特1998年报告的实验结果中,得到对应于推广形式贝尔不等式关联为2.6979±0.0034,即以204倍于标准差的数值违反贝尔不等式。P.156-157
1989年弗兰森研究出一个能量-时间纠缠光子的假想实验。他证明,若在光子A和B的路径上,在各自检测器前面引入干涉仪,则当干涉仪的路径长度(并因此,两个光子的相对相位)变化时,便有可能在检测的复合率中观察干涉效应。这相当于在偏振纠缠光子实验中引入偏振分析器,并且弗兰森能够证明,量子理论预测,当相位差变化时在完全关联和完全负关联之间是一个正弦振荡。弗兰森估计这个实验“困难但可行”。10年后,日内瓦大学应用物理组的蒂特尔、布伦德尔、吉森和兹宾登报告了一个实验结果:对设于瑞士日内瓦郊外相距约10.9公里的两个村庄的观测站检测到能量-时间纠缠光子,验证了量子理论预测违反推广形式的贝尔不等式。P.157-158
无需不等式的非定域性检验。1988年,格林伯格、霍恩和蔡林格(GHZ)概述了三个纠缠粒子的结果。这个结果从此称为GHZ态。1990年,他们将原来的GHZ思想变为一个简单的实验概念,它与贝尔不等式完全没有关系。P159
于是我们有了 一个简单的检验。在实验中,只要测得量子理论所预测的组合态中的任何一个,就排斥了任何种类的定域隐变量理论——无需不等式。1999年米斯特、潘建伟、丹尼尔、温菲尔特和蔡林格首先报告了产生三光子GHZ态的实验。这是用两对偏振纠缠光子形成的后选择三光子组。P161
测得的三光子复合直方图再次显示出对量子理论预测明显有利的证据。少量定域隐变量理论预测的复合被归为不可避免的实验误差所造成的的虚假事件。若是产生一个不同的初始三光子状态矢量,在预测的组合态中产生不同的关联模式,但量子理论与定域隐变量理论预测的根本不相容性依然。P.162
堵上定域性漏洞。以上所述的实验,在量子理论与任何类型定域变量理论的对比中,提供了对前者极为有利的证据。然而,尽管这证据看来是压倒性的,仍有两个重要的“漏洞”。在阿斯派克特原来的实验中,偏振分析器在实验开始前就已经就位(即在钙原子被激励之前,而且最重要的是,在关联光子发射之前)。光子会不会事先受到装置设置方式的某种影响呢?为堵上这个漏洞,阿斯派克特、达利巴德和罗杰修改了他们原来的实验设置,将两个声光开关器件加入其中,这装置使光子无法“事先得知”它们将走哪一条路径最终通过哪一个分析器。P.163
堵上效率漏洞。在这些实验中,实际检测到的光子对数目远远小于实际产生的数目。2001年2月,美国物理学家发表了它们就大量带正电离子产生的纠缠态进行实验的结果。这是陷在离子阱里的铍离子---这些实验产生的所有纠缠对均被检测并对测量结果做出贡献。这让我想起爱因斯坦的另一句名言:“上帝是微妙的,但他并非恶意”。不管怎么说,克服有关量子非定域性的“终极”检验的实验困难,即同时堵上定域性和效率漏洞,看来不过是一个时间问题。P.164-166
读者感言:实践是检验真理的唯一标准,确实如此,科学上的任何知识,都是经过实践验证了的。虽然实在论者宣称的独立实在未必一定是定域实在,但是很明显,前文描述的实验为实在论者留下了许多问题,有待他们来解释。
量子迷宫(17)
量子实体的波动性使其具有本质的非定域性,仅当我们进行测量迫使波函数“塌缩”时,才因看似矛盾和违反直觉的行为而感到吃惊。光通过双缝使光子一次一个的通过双缝,将形成一个干涉图形,看起来,光子实际上同时通过了两条缝,并且自相干涉,如果在其中一条缝上安了检测器,以便确定光子通过哪一条缝。这果然验证了他们的想法:在一条缝上,检测到或未检测到光子。但那时再也观察不到干涉图形了。P.168
互补性(以及因此,量子非定域性和纠缠)是量子实体的对偶波粒性质中彼此排斥的机理,这也就是费恩曼所说的量子理论核心处的“中心谜团”。P.182
已有人论证,我们无法利用远距相关光子间似乎快于光速的信号传递来发送有意义的信息,这一事实使量子理论与侠义相对论得以和谐共存。无论远距关联光子通信的性质如何,它肯定不是常规的。P.184
量子比特与经典比特的最大差别在于,我们可以构成正交态|0>和|1>的相干叠加,它具有一些对量子信息处理十分有趣的结果。P.184
纠缠的量子比特态比起经典比特来能够携带多得多的信息,从而使量子计算机具有远远优于近日标准的经典计算机的前景。量子计算可以执行同时具有数百万个输入的算法---迄今为止,只在实验室里构造了运算于几个量子比特的、包含两三个简单逻辑门的系统---看来可能性更大的是,量子力学在单个实体水平上第一个实际将是量子密码。P.185
现代的“经典”密码系统基于不对称钥匙,这种系统基于一种叫模函数的数学结构:(私人)解密钥匙由一些随机选取的素数构成,(公共)密钥由这些素数相乘形成,由此保证了安全性。爱丽丝用鲍勃已经公开的钥匙(称为公共密钥)加密发送一个信息,鲍勃用第二个私人解密钥匙将爱丽丝的信息解码。如果这些素数足够大,第三者不仅通过分解公共密钥获取钥匙,因为这需要巨大的计算机能力和大量的时间。这种系统统称RSA,是数学家里夫斯特(R.L.Rivest)沙米尔(A.Shamir)和阿德尔曼(L.M.Adelmen)想出的利用模函数来产生非对称密码的方法。P.186
实际应用纠缠的第三个活跃的研究领域,是量子传态。光子是不可区分的量子粒子,以它们的量子态为特征(上/下,左/右,垂直/水平)。如果我们能够让一个在位置B的光子精确复制在位置A的光子的状态,那么我们事实上就将光子A发送到了B。P.187
正如十分活跃的量子信息研究所展示的,非定域性和纠缠如今已确立为不可否认的实验事实。由此看来,量子理论不过是一种用来将不同的实验设置联系起来的有用的方法(读者注:指当代进行的一些列以偏振光实验观察为基础的实验),使我们能够从一个结果预测另一个结果。我们不能超越这点,因为依照波尔的反实在论哲学,我们已经达到了可知的极限。我们对自然界提出的问题永远必须用某种宏观的实验设置来表达。P.188
波尔本人有一回说:“------如果有人不被量子理论所震惊,那他是尚未理解它。”P.189
读者感言:当代最重要的物理实验,本书都做了呈介,以此来确证那些量子理论的诸多即便现在看来依旧诡异的现象。但,人类认知到这个层面,真的如波尔所言到了人类“可知的极限”?本书写成时,尚未发现“上帝粒子”——希格斯粒子;现在希格斯粒子已被发现一年有余了吧?

量子迷宫(18)
没有现成的机理解释那个电子如何能在瞬刻之间“收敛”于检测点,一种实际上展布于浩瀚空间的物质如何塌缩到一点。因为看起来我们唯一能够检测的是粒子,爱因斯坦的意见,即粒子是实在的实体且遵循精确的规定的轨道,颇具说服力。1926年,德布罗意提出了一种与波恩的波函数概率解释不同的说法。P.194
德布罗意假定,像电子和光子这样的量子实体是独立实在的粒子,表现在实在的场中运动的气垫(点粒子)。此外还存在第二个场,它与薛定谔动力学中的波函数具有同样的统计意义,因此概率解释也同样适用。但这种说法不同于试图只用波来解释一切的薛定谔波动力学:量子力学方程具有双解:一个连续波场,它具有统计意义;;另一个场包含着对应于定域粒子的点状解,代表量子场。德布罗意的双解诠释后来被简化为点粒子在连续场中运动那样的一种结构,这就是德布罗意制导波诠释:经典粒子在波场中运动,其路径有较大可能取波场振幅较大处。制导波理论是一种隐变量理论。P.195
博姆径直假设,场的波函数可以写作包含实数振幅和相位函数的形式。每一个场中的每一个粒子具有精确定义的位置和动量,沿着相应相位函数决定的轨道运动。这样得到的运动方程不仅依赖于经典势能(通常记为V),还依赖于第二种所谓的量子势(记为U)。量子势本质上是非经典的,而且就是因为它,在本来是经典的描述中引入了量子效应。去掉量子势或令其等于零,德布罗意-博姆量子理论方程就变成了牛顿力学的经典方程(取所谓哈密顿-雅克比方程形式)。博姆发现,U只决定于波函数的数学形式,与振幅无关。这意味着,一个在没有经典势的空间区域里运动的粒子,仍然可以受到量子势的影响。P.197
在德布罗意-博姆理论中,粒子的运动是确定的,而我们计算概率是因为不知道系统中所有粒子的初始条件。测量没有“魔术般”的效果:测量只不过告诉我们粒子的实际位置,或者它们实际上通过一个装置的轨道,这些都是一直确定着的。概率仍然联系着波函数的振幅,但这并不意味着波函数只有统计意义。相反,波函数被假设具有很强的物理意义——它也决定了量子势的形状。20世纪90年代,出现了两本详尽阐述德布罗意-博姆理论的书:博姆和希利的《完整的宇宙》和霍兰的《运动的量子理论》。P.198
在德布罗意-博姆理论中,如果电子束的强度足够低,电子每次一个通过一条或另一条缝隙。每个电子伴随着它自己的波,描述此波的波函数即为对应于此种特定实验设置的薛定谔波动方程的解P.199
德布罗意-博姆理论解释“双缝干涉实验”:一个通过两条缝隙中的一条的电子期限被紧邻缝口量子势的形状所“衍射”,但其随后的运动受到两缝之间大峰的影响。量子势是一种媒介,关联量子系统相距遥远部分之间的感应是藉此传递的。测量关联粒子对中的一个粒子的某种性质以一种非定域方式改变了量子势,故另一个粒子取得所需性质而无需波函数塌缩。对于电子自旋关联的EPR实验,德布罗意-博姆理论的分析表明,粒子纠缠反映在量子势的结构中。测量一个粒子的自旋引起量子势将一个“力矩”施于另个自旋,使两个粒子的自旋关联。为了保持德布罗意-博姆理论与侠义相对论基本假设之间相容,必须再次指出,“制导信息”这种看来瞬息之间的传递不能用来发送任何实际有用的信息。虽然这种感应可能传送得比光速快,它们表示粒子间完全因果关系,但是我们不能用它来传递信息。P.200
德布罗意-博姆理论解决了常规量子理论所固有的许多更令人困惑的难题。波和粒子假设意味着不存在量子突跳,不存在波函数塌缩。概率解释回归经典。然而,这些量子问题的解决付出了增加复杂性的代价,但是没有得到任何新东西。德布罗意-博姆理论接受了量子世界的基本非定域性,同时也认为常规理论对量子世界的描述是不完整的。P.201
今天,德布罗意-博姆理论在有关的物理学家和哲学家中有少数热心支持者,但显然仍在量子物理学的主流之外,也极少见于量子理论的教科书。P202
墨水在盛甘油的桶内扩散后又收拢,博姆推想是秩序(定域的墨水)在甘油里扩散时变为折叠的了,然而系统的信息内容并未因这种折叠而丧失:秩序只是变为隐含的或隐序罢了。墨水滴在一个展开过程中重建,在此过程中,隐序重又变为我们容易感知的显序。在博姆的量子世界里,折叠和展开活动是最基本的。隐序代表着某种终极隐变量——通过波函数的展开向我们展示的更深层的实在。他通过修正量子场论的方程式,摆脱了求助于客观、独立的实在粒子存在的需要。粒子式的行为乃是波收敛于空间特定点的结果。波不断的扩散和收敛,产生“平均的”粒子式性质,对应于波函数不断的叠加和展开。这种“呼吸”运动受一种超量子势的控制,后者联系着整个宇宙的波函数。博姆所做的不外乎是采用一种特别的哲学立场来导出他自己的宇宙学。我们看到,对于哥本哈根诠释的分析表明,它实际上也不过是一种哲学观点。两者的差别在于:哥本哈根学派的哲学使用了量子理论的(完全随意的)假设使之“科学化”。P.203
波普尔是一位实在论者,有一种寻找客观真理的强烈愿望。在这一点上,他与卡纳普一样,虽然他们的方法大不相同。P.204
波普尔指出,每一概率是由作为一个整体的系统产生一个特定结果的倾向性决定的,实在仅由粒子组成。量子理论的波函数是一个纯粹的统计函数,表示粒子在特定实验设置下产生特定结果的倾向性,海森伯不确定性关系只不过是表示客观实在粒子散射的关系。波普尔的解释确实颇富直观魅力。波函数塌缩并不表示量子系统中的物理变化,而是我们对知识状态的变化。他用针板小球实验(让小球从上方落下)来说明,其论据有力且似乎十分简单。然而当我们试着用倾向性诠释来解释量子实体的波动行为时,就会遇到某些困难。P.205
波普尔断言,干涉是一个证据,表明倾向性在物理上的实在的。他在1988年世界哲学大会上说:“倾向性,如同牛顿的引力,是看不见的,但是与引力一样,它们能够产生作用;它们是存在的,它们是实在的。我们必须赋予可能性以某种实在性,特别是加了权的可能性---世界不再是一架一你过机器——如今它可被视为一个倾向性的世界,一个实现可能性和展开新的可能性的展开过程。”波普尔曾指出:德布罗意的制导波最好被解释为倾向波。他起初不愿意接受隐含在他的倾向性诠释里的非定域性,然而当实验结果变得越来越难于用任何定域实在论的理论来解释时,波普尔改变了他的观点。若是承认通过倾向场传递的非定域、超光速感应的存在,则波普尔对于需要一种整体方法的强调意味着,在波普尔的倾向场和博姆的隐序之间几乎没有差别。P.206
读者感言:对现象如何诠释,以至于对切实的物理实验如何诠释,确实非常重要。诠释不止是如何认识,也是人如何行动——即便在科学上,亦然。
量子迷宫(19)
如果通过德布罗意-博姆理论在量子物理学中恢复因果性的方法未能说服我们,波普尔的概率意义解释也没有说服我们,而量子理论的哥本哈根诠释(非决定论和非因果性;测量问题)又让科学家感到不安,我们就须为量子概率和波函数塌缩问题寻求其他的答案。确实,大部分科学家关心的主要是量子理论的确定性部分,他们的兴趣是应用它来考虑基本粒子、原子或分子在没有观察者介入时的行为。举例说,分子的量子理论能够提供分子电子轨道的惊人图像,我们可藉此理解化学结构、键和光谱。但是我们的信息是从测量导出的,是从确定性运动方程不适用的过程导出的。探寻量子测量问题的答案,其结果是产生了一些非常奇特的想法。P.207
热力学第二定律说的是自发或不可逆变化。对于可逆变化,熵不增,但可从系统的一部分挪到另一部分。随着玻尔兹曼统计热力学的出现,把熵理解为一种新的概率密度遂成为可能。量子统计力学基本上是关于量子粒子系综的统计理论。P.210
测量发生后,系综中的每一个粒子都投影为一个且仅一个可能的测量本征态。测量行为将纯态转换为混合态。冯.诺依曼证明,这种转换在量子统计力学中联系着熵的增加。这样看来,不可逆或时间不对称性似乎是量子测量的固有特点。P.211
诺奖获得者普利高金认为我们在处理两类不同的物理学:一类是存在的可逆的、时间对称的经典和量子力学方程,另一类是生成的不可逆的、时间不对称的过程,这种过程使孤立系统的熵增加。他在其1980年出版的《从存在到生成》一书中说:“经典的次序是:粒子在先,第二定律在后,存在先于生成!在基本粒子的水平上,情形可能不再如此,在能够定义实体之前,我们必须先引入第二定律”P.211
普利高金:“理论上的可逆性来源于经典和量子力学中理想化的使用,这种理想化超出了任意有限精度测量的可能性。我们所说的不可逆性,是一种适当的考虑了观察的性质和局限的理论所具有的特点。”换言之,正是可逆性,而非不可逆性,才是一种假象:一种我们用来使理论物理学和化学简化的结构。P.212
玻尔认识到了测量这种将测量器件的宏观世界与量子粒子的微观世界联系起来的“不可逆行动”的重要性。若干年后,惠勒谈到“不可逆的放大行动”:只有当我们将基本量子事件(如光子的吸收)放大,并将其变为可感知的宏观信号(如指针在度盘上偏转),我们才能获取微观世界的信息。在个别量子(光子、电子、原子)水平上普普通通的现象,对于大块的物体(指针和猫)消失了。如果我们能够应用已有的量子理论表达,来解释这种从微观到宏观的变化,那就无须在其中增加什么了。也许答案是:我们能够以叠加态制备的量子系统比较简单,仅具有限个自由度,而将测量结果的信息加以变换和放大的装置却很复杂,由许多电子、原子和分子组成,具有许多自由度。物理学家齐(H.D.Zeh)首先指出,状态矢量与实验装置及其“环境”的相互作用可以导致叠加分量的突然和不可逆的退耦或“退相”,结果毁掉了干涉项,我们因此不能观察到宏观物体的干涉。这种状态矢量的退耦或退相,伴随着装置及其环境的无数状态的强耦合,如今一般称为退相干。P.213
原来,一个适当制备的状态矢量的相干性是极端脆弱的,与几个光子或原子的相互作用就足以很快造成相位关联的丧失,并把整个量子系统变为某种迅速取得经典系统模样的东西。P.214
一个通过双缝装置的电子具有较长的退相干时间,因而以非定域物存在。其状态矢量通过两条缝隙并形成干涉。而当我们在其路径上放置了感光胶片,这就使得状态矢量与感光凝胶中的大量分子态相耦合并由此与更大的环境耦合。退相干时间于是大为降低,电子在难以置信的短时间内定域化,以致好像是瞬间发生的,同时我们发现电子在“这里”或“那里”。P.215
读者感言:解释得通,就是理论;如果在某种框架下将所有的现象都用一种合乎逻辑的自洽的解释通,就了不得了。

量子迷宫(20)
退相干有着以富有直观魅力的方式解释量子实体的微观世界与我们直接经验的宏观时间之间许多巨大差别的潜力。但有些东西这个理论未予解释:没有机理解释为何一次特定的测量该给出这个特定的结果。哥本哈根诠释只告诉我们,粒子的状态在测量前是未定的(所有的结果都是潜在的同样正当的:A和B),并在测量后确定(只观察到一个结果:A或B)。所以,我们必须寻求一种帮助我们理解“和”如何变为“或”的机理。退相干没有提供这样的机理。P.216
贝尔之所以反对退相干解决了测量问题的观点,确是源于我们理解(或不理解)量子测量和量子概率机理的缺失。欧姆內斯(以及其他退相干理论的倡导者)想要保留量子概率的波恩诠释,同时用退相干将量子世界(包括它所有的叠加和非决定论性质)与宏观世界(在那里,经验告诉我们,所有的叠加都消失了)连接起来。毫不奇怪,并非所有人都对此方法感到满意。P.217
意大利科学家吉拉尔迪(G.C.Ghirardi)、里米尼(A.Rimini)和T.韦伯(T.Weber)1986年阐述了这样一种理论。这个理论后来被贝尔及其同事改进和推广。GRW理论在通常的非相对论、时间对称的运动方程中加入一个非线性项。此项使状态矢量在位形空间中受到随机、自发的定域化。他们的雄心主要在于填平微观和宏观系统动力学之间的鸿沟,从而形成一个统一的理论。P.218
将量子理论与侠义相对论在数学上融合而为量子场论充满了困难。近年来在量子引力理论的发展上已经取得了一些进展。数学家彭罗斯认为,在进入时空曲率很大的区域时,量子态的线性叠加开始崩溃并最终塌缩为一个特定的本征态。在退相干或GRW理论中,粒子数是塌缩的关键;与此不同,在彭罗斯的理论中,质-能密度才是重要的。P.219
退相干理论、GRW理论、彭罗斯时空几何理论,在物理学家莱格特看来是一种宏观实在论:他们在常规量子理论里引入附加的特点,以便使波函数塌缩变得客观明显,并由此否定了宏观上不同的状态的叠加在自然界发生的可能性。宏观实在论主张的是:定义为具有显著广延差异和分离度的不同宏观态之间不可能产生叠加。近年来进行了越来越多的实验,以图确定是否可能对很大的物体观察到量子行为。但是,对于宏观实在论的观念提出最强挑战的,是超导器件中观察到的量子干涉效应。P.221
超导环直径1cm左右的量子态——已经被实验所证实。在一个厚度均匀的超导环内,量子化的磁通态不发生相互作用。环的量子态只能通过将环加温、改变外施磁场,然后再将它冷却到超导温度来改变。然而,如果环内包含一个约瑟夫森结,通量态的混合就成为可能。基本上,约瑟夫森结是环内插入了一小段绝缘体,狭窄到只容许电子对从一侧到另一侧的量子隧穿。各种量子干涉效应于是成为可能,而环被称为超导量子干涉器件(SQUID)。这种器件难以置信的灵敏,在各种医学应用中被用来测量磁场强度。其可检测的磁通能量大约相当于在地球引力场中将一个电子举起1mm的能量。更加灵敏的器件可接近海森伯不确定性原理的极限。有趣的是,这种灵敏性是约瑟夫森结而非环的它特点。这就是说,宏观变量(例如电子绕环的可测通量)可用微观数量的能量来控制,其方式与环本身的物理尺度无关。2000年报告的实验结果意味着:可以产生这种器件的不同宏观态的叠加。但是,对这些实验的解释颇为微妙。P.222
读者感言:量子理论除了经典的哥本哈根诠释,实在论解释和实验也同时在进行,且得到现今实验条件下的证实。可见,量子到底是个什么东西,是实在还是反实在,依旧没有定论。

量子迷宫(21)
量子理论正统的哥本哈根诠释对于波函数塌缩问题沉默不语。故而这一领域是完全开放的。任何说法,不管多么奇特,只要其产生的理论与迄今被实验证实的量子理论的预测不想矛盾,原则上都是正当的。对塌缩我们可以尝试采取客观的态度。GRW理论和彭罗斯的建议是这种方法的良好例子,但是要记着,除了我们具有的微观世界理论与我们的宏观世界经验格格不入之外,没有任何先验的理由表明,我们应当在被观察的量子对象与测量装置之间做出区分,无论这种区分是基于研究对象的尺度,或者涉及粒子数目,或时空曲率。然而,宏观测量器件毫无疑问是由微观量子实体构成的,因此应当服从量子理论定则——除非我们在这个理论中特别加上了什么来改变那些定则。要是结果不是如此奇特,我们大概也就没有什么困难接受这样的观点:量子理论应当适用于大物体,如同适用于原子和分子一样。事实上,冯.诺伊曼非常愿意接受这一点。P.224
依照冯.诺伊曼:当波函数与意识相互作用时波函数方才塌缩。就是在这里,冯.诺伊曼跨越了根本哈根诠释。很难找到这一结论背后的逻辑破绽,至少在数学上是如此。P.225
有意识的观察者似乎不服从支配无生命物体的物理学定律——魏格纳提出由他的朋友代他去观察实验结果,他再去问他的朋友;魏格纳提出第二个论据来支持这种观点。在物理世界里,作用于一个物体而无某种反应,在物理上是不可能的。意识应当与此不同吗?意识心灵在塌缩波函数中的作用,虽然很小,但立刻产生了反应——系统状态的知识不可逆(和不可消除)的在观察者的头脑里产生了P.227
笛卡尔断言:我思故我在。而当笛卡尔对他作为一个意识实体存在的真实性有信心的同时,他却不能相信他的感觉向他的心灵揭示的事物的面貌---笛卡尔哲学中的心身二元论(笛卡尔二元论)与中世纪基督教相信灵魂或心灵基本一致。“我思故我在”是通过一个过程达到的,而这个过程似乎包含着依照他自己的准则不能成立的假设。这一陈述也是预言的梦魇,因此,正如后来的逻辑实证主义者显然自得的证明的,毫无意义。P.228
哲学家丹尼特:“对我来说,二元论最糟的特点是其根本上反科学的立场,这也就是为什么------我采取明显武断的规则即二元论必须不惜一切代价予以避免的缘故。这并不是我认为我能够给出一个压倒性的证明,证明一切形式的二元论都是虚妄或矛盾的,而是因为,既然二元论已经沉溺在玄虚之中,接受它等于放弃”。真正的问题倒不是二元论的反科学立场,而是那种存在某种心灵中央“控制室”的概念十分诱人。P.229
人的错觉,对我们理解意识提出了一些有趣的问题。丹尼特毫不讳言,多重草稿模型(读者注:指面对输入大脑的诸多信息,大脑只打草稿,且没有哪一个草稿会完成)是想用一组隐喻去替代另一组隐喻,但认为隐喻是我们构建认识的工具。P.230
现在我们要更小心的区分我们在说到“意识”或“心灵”时它们的含义。意识是即时的,心灵(有争议的)是意识长期作用的结果,是长期记忆积淀的结果,是定义我们作为独特的个体、给予我们持续的自我意识的经验的综合。P.231
我们逐渐理解脑功能和活动的许多细节,但是,我们仍然苦于缺乏关于意识的充分发展的物理学理论。为了说明我们已经知道的东西,我们将回到魏格纳的朋友(如果他真的是在失去知觉的状态,那我们已经忽略他太久了)那里,并勾勒出意识的一种科学理论框架,这种理论框架已经被神经科学家格林菲尔德普及化了。P.232
我们也许缺乏意识的正规的科学解释,但是我们确有关于脑基本功能和活动的比较详细的知识。AI(人工智能)研究的基本目的,是出于一种更实际的需要,即发展机器人系统来代替人的工作,同时发展所谓专家系统,即基本上把专家的知识包含在软件里的那种方法。AI也被认为是较好认识人类智慧、意识和心灵的一条途径。P.234
所有证据显示,没有情感,意识是不可能的。P.235
彭罗斯指出,在基本数学逻辑“法则”之内理解数学是不可能的。理解数学需要其他的因素如洞见和直觉,而这些因为不是数学形式逻辑框架的一部分,是不可计算的。为在物理上阐明意识,彭罗斯把两个现代的谜拼在一起,认为意识事件是波函数的客观缩减。彭罗斯和麻醉学家哈梅罗夫一起,认为微管(位于体内包括神经元的几乎每一个细胞中心的蛋白质微细管)是量子叠加可能遭受自发的客观缩减之所在。“客观”是因为,在脑里至少没有观察者---彭罗斯的这些观点,不过是一种设想而已,为了评估这种意识的量子基础的可信性,看来第一部是先要设计实验,以便确定客观缩减本身是不是量子物理学的一个特点。P.236
强AI观是完全决定论,认为我们每个个体的个性、行为、思想、活动、情感等,都该是原理上可追溯到一个或多个物质原因的效应。我们已经看到,爱因斯坦本人是一位实在论者,也是决定论者,因此拒绝自由意志的观念---经典物理学画出了一副宇宙图画,在那副图。画里,我们不过是宏大的宇宙机器里无足轻重的小轮牙。然而,量子物理学可以画出一副不同的图画,也许能使我们多少恢复一点儿自尊。摆脱因果性和决定论,代之以不确定性所体现的非决定论,一个系统的未来发展智能以概率来预测了。P.237
如果我们接受冯.诺伊曼和魏格纳关于意识在量子物理学中所起作用的观点,我们的意识本身就变成了宇宙中最重要的东西。道理十分简单:没有具有意识的观察者,就根本没有物理实在。我们不再是那个不由我们设计、我们也不知其目的的实在里被迫无休止的磨来磨去的渺小的轮牙,我们成了宇宙的创造者,我们是主人。可是,不要就此走得太远。尽管明显的改变了角色,由此未必得出我们在量子物理学里有许多自由选择的结论。当波函数塌缩时,它是以一种似乎超越我们控制、不可预测的方式发生的。虽然我们的心灵对于某一特定实在的现实是基本的,我们事先却不能知道或决定量子测量的结果将会是什么。除了选择测量本征态,我们不能选择我们希望看到的哪一类实在,我们对于物质的唯一影响是让它变为实在,只能是我们准备接受各种各样的超常现象,看来我们不能让物质俯就我们的意志。P.238
读者感言:哲学问题,现在已经和最前沿的科学问题纠缠在一起了,甚至日常的或通常的一些问题,比如教育中常听到的“让真正的学习发生”,什么是真正的学习、也有其浑厚的科学和哲学根基——当你追索它的时候就发现了:呵呵,这还是科学最前沿的东西哩。




量子迷宫(22)
爱因斯坦评论量子理论及其诠释的最著名的一句话是“上帝不玩骰子”。玻尔响应比较不那么著名:“但无论如何,也不能由我们来告诉上帝,他该如何运转这世界。”P.238
爱因斯坦的上帝不是传统的中世纪犹太教或基督教的上帝,而是一位与自然等同的非拟人化的上帝:上帝或自然——如17世纪哲学家斯宾诺莎所说。P.239
斯宾诺莎在17世纪的观念和21世纪的思想倒很一致。他的上帝不是无所不知、无所不在的犹太-基督教传统的上帝,那个上帝常常被想象为全知全能而又具有许多人一般的属性(比如心灵和意志)。斯宾诺莎的上帝是自然中一切东西的体现。上帝不在自然之外,不塑造支配宇宙的基本物理学定律——上帝就是自然。在其不能在基本物理定律以外行使自由意志这个意义上,上帝不是自由的主体;在其存在不依赖于外部实有或存在这个意义上,上帝是自由的——它是它自己的原因。它是宿命的上帝,因为它的行动决定于它的性质。这就是让那个大多数西方科学家感到比较自在的那种上帝,如果到头来必须接受上帝的话。P.241
如果有的读者从上帝主宰着量子世界的明显不确定性这种想法中获得一些安慰,不管是斯宾诺莎的上帝,还是更传统的宗教意义上的上帝(西方的或东方的),那是属于他们个人信仰的事。P.243
波函数塌缩的概念由冯.诺伊曼在20世纪30年代初引入量子理论,从此成为量子理论正统诠释的一个组成部分。但是倘若我们问自己,有什么证据证明塌缩是一种实在的物理现象,我们必须承认我们没有。塌缩的概念是为了解释下述事实所必需:一个在测量过程之前原本处于线性叠加态的量子系统,如何在测量过程发生后变为处于一个且仅一个测量本征态的量子系统。P.244
与冯.诺伊曼和魏格纳的测量理论中给予观察者的特殊作用完全不同,在埃弗雷特的诠释中,观察者不过是一件精巧的测量器件。就其对量子系统物理过程的效应而言,一名有意识的观察者与任何能够在其记忆里储存实验结果的无生命的自动记录器件没有什么不同。P.245
在埃弗雷特的量子理论表达中,量子系统的实在性是毫无疑问的。如果没有塌缩,总状态矢量叠加中的每一项都是实在的:所有的实验结果均被实现。回头看看薛定谔猫佯谬:猫不是同时活和死,它在世界的一个分支里活着,在另一个分支里死了。为何观察者不对世界在测量时刻分裂为两个分支保持某种知觉呢?---世界的分支是不可观察的——分支世界的概念与我们的日常经验相矛盾,但埃弗雷特维护他的观点,指出哥白尼提出地球围绕太阳转受到批评是因为地球居民感受不到地球的运动,而牛顿力学解释了为什么我们不能感受得到。类似的,量子力学解释了我们为何不能感知世界分裂为不同的分支。P.247
在埃弗雷特发表他的理论时,他说观察者状态“分支”为不同的状态。其后更新的变本中,我们熟悉的那个世界只是巨量(可能是无数个)平行世界中的一个。这样,不是世界因量子跃迁分裂为不同的分支,而是叠加的不同项在已经存在的平行世界之间的分配。P.248
贝尔不等式推导找你哥隐含的假设是,波函数一经塌缩,光子处于一个世界里的一种且仅一种量子态。在多世界诠释里,没有塌缩,光子处于不同世界里的所有可能的不同量子态。那些赞成多世界的人说,实验观察到违反贝尔不等式(以及类似的,GHZ三光子态实验的 结果)不是量子非定域性的证据。那是多世界的证据。P.252
因为不能获得多世界存在的直接证据,我们似乎确实再也无法前进了。于是我们慌不择路的去乞灵于那些实在是比较形而上学的方法。但物理学家在1997年8月的一次量子力学讨论会上进行的一次非正式调查发现,就普及性而言,多世界诠释近在哥本哈根诠释之后排第二位。P.256
量子理论的应用产生了宇宙量子态的描述并建立了量子宇宙学。大爆炸后的早期阶段,它是炽热和致密的,且尺度可与量子实体相提并论。不予质量和一你离以适当的考虑,宇宙量子理论是根本不可能的。爱因斯坦相对论的量子化(一种爱因斯坦一直认为“孩子气”的方法)立刻导致深刻的矛盾。在最初的一些尝试中,自由放弃爱因斯坦原来建立其广义相对论的四维时空结构,方可取得进展。1967年,德威特发表了一个方程式,其实是总能量为零时的宇宙的定态薛定谔方程。这是一个三维空间里的方程,其中时间消失了。P.257
在广义相对论里时间与空间需要平等看待这种说法已广为流传。但事实上时间和空间仍是非常不同的。时空间隔可以是虚数i,它是时间间隔的标志,且可视为空间和时间在四维时空中并未变为不可区分维度的证据,从而将四维时空变为四维空间。这使量子方法如费恩曼的历史求和可被相容的应用---一种叫做“解析延拓”的方法被用来将四个空间维之一(记为“虚时”)转换为时间维---但是仍然需要初态的知识,霍金和哈特尔1983年提出了一条走出这条死胡同的方法。在他们的“无边界建议”中,他们只考虑映射到终态时空几何的四几何。结果是一个从“无”产生这些终态特性的宇宙波函数和相应的概率,这里的“无”是指没有空间和时间。在总和里作出特别大贡献的集合称为瞬子。它们可用来描述小宇宙从无的自发产生。P.258
如果许多物理上不同的世界包含着你的意识自我的许多版本,或者一个世界载有你自己意识的许多变本这种概念,让你气馁,则请安心,还有不求助于这种明显的精神分裂的其他方法。盖尔曼描述了这样一种方法:“‘许多世界’的描述,但我们相信‘宇宙的许多不同的历史’才是其真正的含义。”P.259
如果我们承认某些可能的历史是“粒子史”(包含“哪条道”轨道),另外一些是“波动史(造成干涉效应)”,那么相容历史诠释就是玻尔互补原理用概率语言的重新陈述。这看来支持了格里菲斯的说法:相容历史是“地道的哥本哈根”——自从格里菲斯在1984年首次提出以来,这一诠释已经经过了许多改进。P262
彭罗斯在其《大、小和人的心灵》一书中,用一个简单的立方体表示物理学理论以及它们之间的关系:上顶-下底对应经典力学-量子力学,前面-后面对应相对论-非相对论,左右面对应引力-非引力。此图的首要目的是显示在每一种理论中观察者的地位(读者注:图中以一只在不同面上的大眼睛表示)。P.263
另一种观点是,量子理论最通常的诠释性质上基本上是反实在论的,而狭义和广义相对论是实在论的。当我们试图把量子场论与广义相对论融合时产生的问题,部分的源于这两种理论所包含的概念在意义上的根本对立。所以多世界那一类诠释就有了吸引力,它们原封不动的保留量子系统时间演变的单一描述,又避免了塌缩假设的瞬间投影。然而,已经取得了一些进展,立方体图说明了已经采取的通向量子引力理论的各种方向。从量子场论出发的方法(沿底面边运动)引向弦论的发展。从广义相对论出发(从前面自顶向下沿边缘运动)引向了一种称为环量子引力的结构,在一些方面与弦论相容。两种理论都提供了所谓普朗克尺度(10-33cm和10-43s)上的空间和时间的描述。在这样难以置信的小尺度上,不确定性原理容许非常大的真空涨落。巨量能量(E=mc2)可被“借用”,严重弯曲了时空,产生各种各样被惠勒形象的称之为“时空泡沫”的管和隧道。P.264
还有通向量子引力的第三条道路。这条道路放弃以量子场论和广义相对论作为合法起点。受到在量子理论中通过改变其逻辑结构恢复一些“实在论味道”的兴趣的推动,应用一种数学范畴论的拓普斯理论的变本,结果是一种更为实在的量子理论(由此降低了与广义相对论的不相容性),它保留了哥本哈根诠释的语境依赖,同时为物理量赋值——哥本哈根不会接受。使这一切调和起来的是采用一种逻辑,有关物理量之值的命定可以不是不是非“真”即“假”。P.265
结语:量子理论是在一种被着本质上非经典的现象塞进“不可能的”经典结构里去的不顾一切的行动中出现的。这种结构最终在20世纪30年代被摒弃,取而代之的,是一种量子表达和一种诠释。这种表达强于数学严格性,但弱于物理直觉;这种诠释,因为遭到爱因斯坦不断的探究和深刻尖锐的批评,逐渐变得具有强烈的反实在论性质。20世纪很长一段时间里,反实在论占据显著的优势。但“哥本哈根精神”的桎梏逐渐松动了,少数人的好问天性克服了多数人的小心翼翼。值得注意的是,虽然非定域性原理受到了越来越精妙的实验的支持,这些实验的结果病没有导致哥本哈根诠释替代理论的废弃。P.266
结语:新一代物理学家和宇宙学家与量子概念的较量不逊于他们的前辈,并且常常发现他们进入了无数的死胡同。物理学的分裂继续存在,例如像彭罗斯等理论家的实在论与霍金等的反实在论的对峙。我们已经到达了我们这次量子理论意义游览的终点。希望这对你是一次享受。---不管实验科学的情形如何,反实在论的经验实在的观念与实在论的独立实在的观念之间的冲突,永远不可能化解---我本人不会因为出现有赖于观察者或测量器件的实在这样一种可能性,而甚感烦恼。但是我不苟同那些标志着反实在论的不妥协的观点---就像一切信仰行动一样,寻求独立实在是在追求一种永远不能达到的目标。这可不是说,这不大值得。恰恰相反,当从教条的桎梏中解放出来,正是通过这种追寻不可能达到的目标的过程,才使科学获得真正的进步。P.267
结语:就量子理论而言,我个人的看法是,我们对物理世界仍然知道得不多,不足以对其意义作出睿智的判断。---广义相对论和量子场论间严重的不相容;这是不可容忍的,应当在量子宇宙学和量子引力的任何有效结构中得到解决。我的建议是紧盯时间:我们好像还没有给它一个很好的解释。事实上,有些人认为时间本身就是一种错觉。这并不是说,较好的理解时间将自动的解决量子理论的一切概念问题。我想,时间会告诉我们。P.268
读者感言:本书大概是写给物理学本科和研究生的科普读物,出版于2012年,那一年恰好是“上帝粒子——希格斯粒子”被发现,但该书未提及。本书中最优秀的人类大脑认为量子通信(利用纠缠光子进行的通信)是不可能的,但现在,我们国家已经实现了京沪两地一千多公里的“量子通讯”,可见科学和技术的突飞猛进是哪怕任何一个顶尖的权威人物所不可预见到的——虽然我们已经实现的京沪一千多公里的“量子通讯”据称(我从什么对方读到的来?记不清楚了)不是量子力学意义上的那种量子的通信。
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 楼主| 发表于 2019-6-18 10:08:56 | 显示全部楼层
宇宙之美(全集)
    宇宙之美(1)
《宇宙之美》是河南科技大教师巩晓阳写的科普书,2018年5月第1版、2019年1月第3次印刷,电子工业出版社出版。本书内容分三大部分:地外生命、黑洞、虫洞,它建立在物理学理论基础上旨在把物理学研究宇宙方面的新成果和前沿知识,用通俗易懂的语言介绍给读者。
虽然作者声称“未经许可,不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容”,但我既不摘抄它牟利也无其他企图,所以还是将其摘抄记录下来:
一、地外生命
人类最早与外界联系可追溯到1960年美国实施的“奥兹玛计划”,用位于西弗尼亚的绿堤电波 望远镜搜寻地外文明,即通过无线电波搜寻临近太阳系的生物标志信号。P.5
1967年英国剑桥大学女研究生贝尔,用射电天线接受外来信号,得到了一个等间隔(1.337s)的脉冲信号,认为这可能是宇宙中外星人在发报,并将其称为小绿人。后来人们1.337s就是天体(脉冲星)转动的周期。P.7-8
首先提出中子星想法的是苏联的朗道(他于1962年获得诺贝尔奖),后来的奥本海默(被称为“原子弹之父”),他们预言中子星的密度最高可达1014g/cm3,也就是脉冲星。进一步的观测表明“蟹状星云”正在膨胀,计算表明它的膨胀始于公元1063年左右,它是超新星爆发时抛出来的气体壳层。而我国《宋会要辑稿》记载,1054年在金牛星附近出现亮光,白天也能看到,直到1056年才消失。它为超新星爆发理论提供了坚实的依据,得到国际公认。P.9
1972年和1973年美国发射先驱者10号和11号宇宙飞船,完成了对土星和木星探测,于1988年飞出太阳系。希望有朝一日哪一个地外文明截住它们,获得地球的信息。所以,这两艘飞船上都携带了地球人自我介绍的名片。P.12-13
1977年美国将两个航天器“旅行者1号”和“旅行者2号”送入太空(因70年代木星、土星、天王星和海王星位于太阳的同一侧并呈几何排列,这意味着一次航行即可同时造访它们)。旅行者号上面载有“地球之音”的光盘,光盘上的信息非常丰富。P.14-15
48个地球年后,即公元2025年左右,我们将不再收到旅行者号的任何信息。据科学家推算,38295个地球年后,即公元40272年左右,“旅行者1号”将会接近小熊星座AC+793888.4万个地球年后,即公元41977年左右,“旅行者2号”将会接近仙女座红矮星ROSE248.数万年的旅程,跨度约1.7光年,而目前人类已知宇宙直径高达910亿光年,1.7光年只是人类迈出家门的小小一步。P.18
确切的说,不是O2造就了生命,而是生命造就了O2,原始生命不是依赖氧的,O2不是生命必备条件。P.22
距离太阳最近的4颗类地行星的许多特性与地球相似:质量小、密度大、表层覆盖坚硬的岩石外壳,所以它们也称为岩石星体。P.26
太阳系外部的类木行星没有类地行星的硅酸盐内壳,基本上是由气态和液态物质组成,它们体积宏大、密度较小,而且它们都拥有众多的卫星。它们也称为气态星体。P.36
在火星和木星之间的同一轨道上,存在成千上万的小行星,它们环绕太阳组成了一个美丽的小行星带。P.50
自人类在20世纪90年代初探测到第一颗地外行星以来,截止2017年2月15日,天文学家已经在2687颗恒星周围发现了5000多颗地外行星,和地球尺寸大小差不多的行星占20%左右。P.55
银河系的年龄为10×109~15×109年,包含1011颗恒星,其中与太阳极其相似的恒星至少有数十亿颗,这些恒星中至少有数千万颗周围有行星绕其运行,这些行星中至少又有数百颗具有生命生存的条件。这样,银河系中至少存在数百个文明社会。但自人类斥巨资搜寻地外文明以来,至今尚未发现任何地外文明。P.57-58
2018年发射韦伯红外太空望远镜(探索地外行星及生命),正在建设中的下一代光学红外望远镜,同时2018年地外行星凌星巡天卫星发射,众多的地面、地外行星搜寻计划将为韦伯望远镜的深入观测提供更多的目标。由俄罗斯富豪和众多科学家联合推动的地外生命搜寻计划,也一直在利用地面上的各种大型天文设备搜寻着宇宙中的智能人造信号。P.61-62
读者感言:公众号《学习强国》上有人撰文称,我们国家科普的常规化时代,已经到来;确实,人们应该有一些各个领域里的常识性的东西,水涨船高,如此高精尖的思想及技术才有社会根基,才能可持续的发展。
    宇宙之美(2)
二、黑洞
2016年2月11日,美国人宣布他们利用高级LIGO探测器,首次探测到来自双黑洞合并的引力波信号。这次探测到的引力波来自13亿光年之外的两个分别为29个太阳质量与36个太阳质量的黑洞,它们合并成一个62个太阳质量的黑洞,损失的3个太阳质量的能量以引力波的形式释放出去。2017年,诺贝尔物理学奖颁给美国科学家雷纳、韦斯、巴里、巴里什和基普、索恩,以表彰他们为“激光干涉引力波天文台”(LIGO)项目和发现引力波所做的贡献。P.65
黑洞和引力波的概念都是物理学理论的预言,1915年广义相对论问世,其预言的实验结果逐渐被一一证实,而引力波的预言被证实则经过了100余年,我们不得不得不为物理学理论的高深精妙感到叹服,同时,谁又能想到这些结论会给未来什么样的改变呢?P.66
2000多年前,中国的《淮南子》中写道:“四方上下曰宇,古往今来曰宙”。1929年,哈勃发现河外星系的视向退行速度v与其至地球的距离D成正比,即v=H0.D.它称为哈勃定理,H0为哈勃常数。P.67
1948年伽莫夫(苏联物理学家,1933年离开苏联定居美国)提出宇宙早期是“原始火球”,最后演变为我们现在的宇宙,这就是宇宙大爆炸学说。有趣的是,“宇宙大爆炸”的名字却来自于它的反对派——英国物理学家霍伊尔,霍伊尔坚持“稳恒态宇宙模型”,认为如果宇宙从“原始火球”开始膨胀无异于一次大爆炸。这句玩笑或嘲笑的话却成了伽莫夫理论的名字。尽管霍伊尔到死不认同。但随着实验对大爆炸模型的验证(尤其是三大支柱:哈勃观测到的宇宙膨胀、宇宙背景辐射的发现,以及太初核合成理论对元素丰度的预测),让现代天体物理学普遍认为大爆炸模型揭示的是宇宙形成较真实的情景。P.69
变星是发出的光有周期性变化的恒星,有一类变星的发光规律非常确定,称为造父变星。秒差距是物理学中更常用的距离单位,用pc表示,意义是:从一个远方星体上来看地球和太阳,太阳与地球之间的最大张角为1角秒(1")时,这个星球和地球的距离是1pc,1pc≈3.259光年。P.69
视星等采用对数标度,其中肉眼所能看到的最暗天体定义为6等,比这一天体亮100倍的天体定义为1等,中间有5个等级。太阳的视星等为-26.73.P.73
天文学家描绘了恒星从诞生、成长到衰亡的演化路径,并从理论上给出了恒星从诞生到主序星(太阳现在在这个位置)、红巨星、变星、新星(超新星)、致密星(白矮星或中子星或黑洞)的演化机制和模型,这是人类认识恒星世界奥秘的一个重大突破。P.75
钱德拉塞卡与钱德拉塞卡极限。印度物理学家钱德拉塞卡19岁那年,因成绩优异获政府奖学金只身前往英国剑桥大学求学,在长达十几天的航行中他奇迹般的计算出,当恒星质量超过某一上限,它的最终归宿将不是白矮星—当时认定白矮星是一切恒星演化的最终阶段。钱德拉塞卡的计算表明,白矮星的稳定性有一个质量极限(此值以内,电子因泡利不相容原理而抗衡引力),约为1.4个太阳质量,即1.4M⊙.当恒星质量大于这个极限,电子简并压力便不能阻挡引力塌缩。因此,1.4M⊙称为钱德拉塞卡极限。经过在剑桥的学习,钱德拉塞卡逐步完善了自己的发现。在1935年皇家天文学会上,这名24岁的青年终于得到宣读自己论文的机会。但当时天体物理学界的权威、为恒星演化理论作出重要贡献的英国天文学家爱丁顿走上讲台当众把钱德拉塞卡的讲稿撕成两半,宣称其理论全盘皆错。1937年,他到芝加哥大学后不久,就把自己的理论写进一本书中,再不去理会它。这一直是钱德拉塞卡的习惯,当一个理论研究完,他就把理论写进书中,然后投入到下一个理论的研究中。差不多30年后,这个后来背称为“钱德拉塞卡极限”的发现得到了天体物理学界的公认。又过了20年,钱德拉塞卡获得了诺贝尔奖。1983年,当他从瑞典国王手中接过诺贝尔奖章时,已是两鬓斑白的垂垂老者。此时,回顾年轻时的挫折,钱德拉塞卡说:“假如当时爱丁顿同意自然界有黑洞------这种结局对天文学是有益的。但我不认为对我个人有益------我的确不知道在那种(成功的)诱惑魔力面前我会怎么样”因此他一生谨慎、谦逊和勤奋。每天他至少工作12小时,一周工作7天,花费10年左右,得到“某种见解”以后才罢休。直到60多岁,钱德拉塞卡仍定期的把精力转向以前从未涉足的新领域。他的教学同样以严谨和一丝不苟著称,一个有名的故事是:20世纪40年代中后期,钱德拉塞卡每星期从叶凯士天文台驱车数百公里到芝加哥大学为只有两名学生的班级上课。而1957年的诺贝尔物理学奖,就授予了这个班级仅有的两名学生——杨振宁和李政道。钱德拉塞卡一生因孤独而优雅,或许,只有一名物理学家,才能拥有如此优雅的美感。P.84-86
奥本海默和奥本海默极限。1939年,美国物理学家奥本海默提出,核心质量超过钱德拉塞卡极限但小于3.2M⊙的恒星,其最后归宿不是白矮星,它会继续塌缩成体积极小、质量和密度极大的小球——中子星。因此把3.2M⊙称为奥本海默极限。P.87
天狼星离地球较近,约为9光年。1834年发现它绕一个小圆圈做周期运动。1844年,德国天文学家贝塞尔根据它的移动路径出现的波浪图形推断天狼星是一颗双星。2005年,利用哈勃太空望远镜首次对天狼B星进行了精确测量。测量结果表明,天狼B星的质量几乎相当于太阳的质量,直径小于地球直径,引力是地球引力场的35倍,表面温度2.5万摄氏度,其内部已经没有能量生成,冷却过程需多于2亿年,直到成为黑矮星。当它还是主序星时,估计有5个太阳大,当它是红巨星的时候,可能增加了其伴星天狼A星的金属量。黑矮星实际上是由碳和氧组成的巨大金刚石。迄今为止,人类发现的白矮星数量占恒星的十分之一,但没有找到一颗黑矮星,原因是宇宙寿命约为137亿年,而白矮星冷却到黑矮星大约需要100亿年,可能目前一颗黑矮星也没有形成。P.90-91
质量超过1.4M⊙而小于3M⊙的恒星,不会塌缩成一个点,其电子会被压如原子核中,与核力的质子“中和”成中子,形成一颗主要由中子构成的星——中子星。当巨大的主序星塌缩成中子星时,恒星具有的磁场在星体塌缩中依然保持,我们接受到的脉冲信号,就是其电磁辐射扫过地球形成的。因此,脉冲星就是中子星。P.92-93
核心质量超过3.2M⊙的恒星,将演化为黑洞。黑洞中部是真空,物质聚集在奇点,如何防止塌缩未知。P.95
质量超过8M⊙的主序星,演化到晚期,才可能发生超新星爆发,成为中子星或黑洞。P.96
黑洞是广义相对论的一个理论预言,之后在研究恒星演化和观测中被逐渐证实。P.98
迈克尔逊-莫雷利用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值,结果证明光速在不同惯性系和不同方向上是相同的,由此否认了以太(绝对静止参考系)的存在,从而动摇了经典物理学基础,成为近代物理学的开端。迈克尔逊干涉仪迄今为止仍是测量微小距离的最为精确的方法和仪器,它是一种分振幅双光束干涉仪。P.100
LIGO是位于美国华盛顿州汉福德和路易斯安那州利文斯顿的双胞胎观测台。两个站之间距离3000km,如果两台观测仪都观测到了引力波,一方面可以更加确实,另一方面会有一个微小的时差,通过这个时差,就能确定引力波来自何方。LIGO的工作原理就是迈克尔逊干涉仪。P.102
狭义相对论不仅完美解释了迈克尔逊-莫雷实验的结果,也将物理学理论提高到一个新高度,但爱因斯坦本人却冷静的看到自己理论的缺陷:首先作为相对论基础的惯性系无法定义,其次万有引力定律纳不进相对论框架。P.110
所有参考系都是平权的,物理定律必须具有适用于任何参考系的性质,这条原理称为广义相对论原理。P.116
等效原理,引力效应可能是一种几何效应,万有引力不是一般的力,而是时空弯曲的表现。P.121
爱因斯坦给出的一个基本场方程:Rµv-1/2gµvR=kTµv.式中,K与万有引力常数G有关,k=8πG/c4,c为光速,Rµv、gµv、R、Tµv为张量。P.125
爱因斯坦在1915年发表广义相对论时,求出了场方程的一些近似解,同时提出了检验广义相对论的三个实验:引力红移、行星轨道近日点进动、光线偏折。这三个实验均被观测证实。2015年底LIGO直接观测到双黑洞合并并产生的引力波,更是填补了广义相对论检验验证的最后一块缺失的拼图。P.129
广义相对论形式优美,概念奇特,无疑是物理理论中的上乘之作。但早年的经典验证都属于对牛顿力学数量级极小的修正,因而它在相当一段时间内受到冷落。只有在宇宙、黑洞这样的领域,它才大显神威。P.134
黑洞强大的引力场足以摧毁其内部的一切物质形态,扫去一切复杂的物质结构,刮去“毛发”,使结构变得简单,只剩下质量、电荷及角动量。惠勒将黑洞的这种特征称为“黑洞无毛”(也可以说只有M、Q、J三根毛)。后来被人们称为“黑洞无毛定理”然而,黑洞并不是没有任何辐射。质量越大,温度越低,辐射越弱;质量越小、温度越高,辐射越强。P.138
黑洞看不见,只能间接观测。目前观测黑洞的方法有三种:1、双星吸积,2、X射线暴,3、引力透镜。P.140
结束语:广义相对论的解只表示r=rs=2Gm"/c2内是洞,但时间向里是黑洞,时间向外是白洞。黑洞吞噬物质和光是最“自私”的怪物,白洞向外涌出高能物质和光线是最“慷慨”的天体。如果恒星形成了黑洞,那么时空在史瓦西半径即视界的地方与原来的时空垂直。在不平坦的宇宙时空中,这种结构意味着黑洞视界内的部分会与宇宙的另一个部分相结合,然后在那里产生一个洞。这个洞可以是黑洞,也可以是白洞。而这个弯曲的视界,就称为史瓦西喉,它是一种特定的虫洞。爱因斯坦和罗森(爱因斯坦的助手)计算出互不通信息的两个宇宙由“喉”相连,即“爱因斯坦-罗森桥”,预言了虫洞的存在。虫洞的端口就是黑洞和白洞,就是源和汇。P.145
读者感言:中国人写的科普,容易读懂。
    宇宙之美(3)
三、虫洞
爱因斯坦-罗森桥:上面的片(曲面)是一个宇宙,下面的片是另一个宇宙,中间是一个喉状结构,通过此喉可以从一个宇宙达到另一个宇宙。但爱因斯坦和罗森的用意如他们在1935年发表的《广义相对论中的粒子问题》所明示的,跟星际旅行毫不相干。爱因斯坦晚年的研究的核心课题之一就是试图将场和粒子统一起来。P.151
爱因斯坦-罗森桥被称为“不可穿越的虫洞”,原因是爱因斯坦和罗森是通过本质上将黑洞外部区域覆盖两次的特殊坐标变换构造出的所谓“桥梁”,其实只是坐标缺陷带来的幻象。如果按上述理论进行星际旅行,你将不会经过任何“桥梁”,更不会达到什么渐进平直的时空,而会直接落入史瓦西黑洞,自由超光速的物体才过得去。另外,根据史瓦西得到的精确解及所预言的黑洞,物体到达史瓦西视界(即抵达上述爱因斯坦-罗森桥的正中央)的过程在外部观测者看来是要花费无穷长的时间的。P.152
白洞是性质与黑洞完全相反的天体,广义相对论不排除白洞,如果黑洞的时间坐标向里指向奇点,那么白洞的时间坐标则向外。白洞存在的唯一理由就是作为黑洞的时间反演,因为广义相对论具有时间反演对称性。P.153-154
1985年,美国康奈尔大学的天文学家卡尔.萨根发表了科幻小说《接触》,12年后即1997年被拍成电影,中文译名《超时空接触》。萨根就实现超时空旅行的方法求助于老朋友索恩,他是首次提出黑洞名称的美国物理学家惠勒的学生,也是2017年因探测引力波而获得诺贝尔物理学奖的科学家之一,索恩和英国物理学家斯蒂芬’霍金保持了长期的好友关系。萨根在书稿中所设想的星际旅行是通过黑洞进行的,而在索恩这样的引力专家眼里那是一条死胡同。作为引力专家,索恩计算出如果进入黑洞,即便有个通道,即使是轻微的“扰动”,中间的喉咙就会断掉,从而把通道掐死,过不去或者回不来。索恩支此招也开启了自己对虫洞理论的研究。P.156-158
惠勒是一位出色的教育家,他有惊人之语:“要想了解一个新领域,就去开一门这个领域的课程”,后来又说:“要想了解一个新领域,就写一本关于那个领域的书”。惠勒对教育有特殊的理解:“大学里为什么要有学生?那是因为老师有不懂的东西,需要学生来帮助解答”。他提出了一个颠覆他们通常时间次序的结论:“我们此时此刻做出的决定,对于我们有足够理由说,它对已经发生了的事件产生了不可逃避的影响。”他反复强调:“没有一个基本量子现象是一个现象,直到它是一个背记录(观测)的现象”,“没有一个过去预先存在,除非它被现在所记录”。于是,惠勒吧哥本哈根学派的整体论从空间拓展到了时间。P.161
索恩与他的学生迈克.莫里斯在向萨根推荐了通过虫洞进行了星际旅行的设想后,开始对虫洞结构进行第一次细致研究,并于两年后发布了结果,因此堪称虫洞物理学的开山之作。P.162
可穿越虫洞除了索恩的球对称虫洞还有两种类型:洛伦兹虫洞和欧几里得虫洞。前者能够存在一段时间,管道是真实存在的,后者是看不见洞口,它瞬时产生可瞬时通过。P.164
惠勒:“物质告诉时空如何弯曲,时空告诉物质如何运动”,因此求解虫洞实际上就是代入条件求相应广义相对论的场方程,从而得到具体的解。索恩和莫里斯将传统的做法逆转——从时空结构入手,用广义相对论场方程计算出物质分布。P.165
这种逆转在数学上是完全等价的(都是广义相对论场方程),在物理上却有着微妙的差别——导致的后果是存在负能物质。P.166
如果具有负能量物质存在,其质量就是负的。经典物理学中,能量的零点是用真空来定义的,负能量作为比零能量更低的能量,意味着比号称一无所有的真空具有“更少”的物质,这在经典物理学中是不可思议的,甚至是错误的。P.167
负能物质经常和反粒子联系在一起,但是,负能物质不是反物质,也不是暗物质。P169
反物质是指构成物质的原子的原子核都是由反质子和反中子组成的,反质子与质子一样,只是带的是负电,反中子和中子的差别在于磁矩的不同。安德森1932年发现的正电子围绕着这种“反核”转,它和普通电子的差别也仅仅在于带正电,这就是反物质。反物质和正物质一样,质量是正的。暗物质的质量也是正的,它产生万有引力。负能物质不具有暗能量,暗能量的能量还是正的,暗物质不受电磁力的影响,不发光也不吸收和反射光,所以我们看不到它,96%的物质存在形式我们根本不知道,那就是暗物质和暗能量。P.170
1948年荷兰物理学家卡米西尔发表了题为《论两块理想导体板之间的吸引》的论文,对两块相互平行的理想导体板之间的真空能量面密度(即单位面积导体板之间的空间内的总真空能量)进行了计算,结果表明,其能量面密度确实是负的!除了卡西米尔效应外,还有一些其他量子效应也能在某些特定区域产生负能量。因此,奇异物质的存在是毋容置疑的。P.173
构筑一个半径1km的虫洞,这样的虫洞应该是人和宇宙飞船等物体可以穿越的,它需要的奇异物质相当于太阳质量。P.176
穿越虫洞,宇宙飞船及宇航员会遇到两种应力:一种来自虫洞物质本身的张力(与虫洞半径的平方成反比),另一种则是虫洞引力场所产生的潮汐力(与到虫洞中心的距离的三次方成反比)P.177-178
实现虫洞穿越的其他设想:信息穿越、生命传输机、立方体或长方体虫洞结构。P.181-182
与虫洞相联系的,不仅仅是空间,还应该有时间。罗曼和索恩等人合作,提出了用两个虫洞构建时间机器。不久他们将两个虫洞减少为一个,所用的虫洞是洛伦兹虫洞。P.186-188
时间机器要建立在科学的土壤里才更让人信服。P.190
读者感言:科学幻想,不是胡思乱想,而是基于对科学原理的深切认同;真为美国科幻作家萨根的科学素养啧啧称赞——他对自己的靠黑洞而星际旅行拿不准,就去请教另一位物理学家索恩!
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 楼主| 发表于 2019-6-18 15:51:40 | 显示全部楼层
物质深处-粒子物理学的慑人之美(5)
究竟什么是内部对称空间呢?它们具有与普通三维空间类似的物理存在吗?——物理实体在其中运动和发生作用的“容积”?清醒的答案是:不。它们是数学构建。我们很容易的说,各种内部对称空间——同位旋及其推广SU(3)味变换空间,都是数学头脑的非物理构造。它们不是真实的物理空间,它们只是(从这种观点来看)一些包装自然基本行为某些方面的法则的聪明的方法。P.151
在我们生活的这个世界上,我们的知觉,我们五个感官的机制,是由化学行为支配的。化学其实是物理学的一个丰富的分支,那里的信息和相互作用由数量级为1电子伏特的能量交换驱动。化学作用是地球上生命发展之所倚,人类的感官和知觉也就是自然和必然的为着识别和解释化学作用而进化。P.152
规范理论将向着把物理行为的整个谱系简约为不可避免的深层因果原理,迈出了最重大的一步。规范理论只是标准模型表达的一个组成部分,它的优美贯穿在完整的标准模型中。P.155
要是规范原理的应用只限于对电磁现象的重新诠释,规范原理也就不会被认为是一项伟大的学术奇迹了。我们看到已有的电磁理论即量子电动力学,在描述电磁行为方面十分令人满意。但最让我们激动的理论推导并不是重新解释过往的成就,而是把我们的认识向着新的领域推进。---通过与李群的结合而推广规范原理,使我们在弱核力与基本因果理论的结合上迈出重要一步。这也为我们认识强核力提供一个框架,依照我们现在的认识,这一框架是一种叫做量子色动力学的纯规范理论。P.171
纯数学的抽象世界(读者注:文中指李群)与作为自然行为为基础的相互作用的具体世界之间有深层联系。P.187
在某种程度上,特别是对于初次阅读者,规范理论可能太复杂了。但当你熟悉了规范理论的数学语言,你便认识到局域规范不变性概念及它对精确相互作用定律的含义,具有极高的效力,提供了物理上几乎难以置信的简单却又十分普遍和精确的基础框架。P.202
波动方程对于相位变化(或更一般的,对于内部对称空间中的旋转)的不变性,以及相应的把描述自然因果模式的项引进波动方程,这两者间的联系就是我们所说的规范原理。P.203
1960年芝加哥大学的日籍美国物理学家南部阳一郎提出,不一定把真空这形成宇宙中大块似乎空虚的空间,看作空空如也。大约十年前,量子场论的发展引入了活的真空概念。南部认为我们可以进一步。他说,我们没有理由非要吧活跃的真空涨落想象是发生在无的背景上。真空潜在的无涨落态可以是这样的一种状态:某些场——不论它们对应于物质、力、还是全新的别的什么——提供了永久存在的背景,宇宙的悬疑剧就在此背景上演出。P.216
质量这个物体最基本和常识上的属性,既已被揭示为两种虚幻效应的结合——内部质能的效应和希格斯场屏蔽流的效应,已被不可阻挡的现代物理学从概念词汇中清除。质量这个概念似乎是虚假的。P.224
秉持爱因斯坦的精神,1956年李政道(哥伦比亚大学)和杨振宁(普林斯顿大学)认识到,直觉果然常常把我们引向通向真理的黄金大道,但有时也可成为我们寻找这条道路最大障碍。李和杨决定仔细研究弱相互作用过程的全部实验数据,以求获得支持弱相互作用在宇称反演下不变这一明显概念的证据。令他们吃惊的是,他们根本没有发现这样的证据。P.226
粒子左旋或右旋与宇称反演运算有直接的联系。考虑一个本来右旋的电子,经某种“电子镜”反射到你的眼里(和光从镜子反射没有什么不同)。经镜像反射——宇称反射——后,你仍然看到电子像以前一样顺时针自旋,但电子向着你的眼睛而来---这一模拟表明,镜像反射(宇称反射)改变了自旋物的手性(左旋或右旋)。李和杨于是找到了切入点!P.227
读者感言:诚如本书作者所言,这部分内容对初学者显得冗长难懂,虽然美国的科普读物全都是深入浅出,让人从经验出发切身感觉到那些高深的东西。
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