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分享 拓扑与量子化——诺贝尔物理科普
热度 4 岳东晓 2016-10-6 10:34
2016年诺贝尔物理学奖颁给了David J. Thouless (华盛顿大学)、F. Duncan M. Haldane(普林斯顿)、J. Michael Kosterlitz (布朗大学)三人。93万美金奖金一半给了 Thouless,另一半则是后两人分享。诺贝尔奖金数量取决于诺贝尔基金当年的收入。几年前是1000万瑞典克朗,现在降到了800万。这三位诺奖获得者的贡献是把拓扑学运用于凝聚态物理。其中的 Thouless 用拓扑学解释了整数量子霍尔效应,相关的方法被扩展到其他问题上,发现了很多奇特并且可能有极大应用前景的物理现象。相关的介绍文章很多,我就不重复了。这里稍微介绍下拓扑与物理的关系。 在量子霍尔效应中,霍尔电阻精确等于普朗克常数除以电子电荷的平方,准确到几十亿分之一。这个极其精确的电阻数字与样本大小、磁场大小、样本形状、样本的属性都没有关系,样本粗糙、有一定的杂质效果甚至更好。这个颠扑不破的惊人精确度与实验条件的随意性困扰了物理学相当长时间。Thouless 用拓扑不变性从理论上解释了这个问题。 诺贝尔委员会在介绍其成果时图片如下,这可不是给与会人员发点心吃。 上图是两个食品有个基本的区别,一个有两个孔,另一个只有一个。这两个东西无论怎么变形(但不能撕裂),其孔的数量 g 是不变的。这在数学里叫做拓扑不变量。欧拉在很久以前发现,任意一个多面体的顶点数量 V,边的数量 E,面的数量 F 有这个关系 V - E + F =2 。比如说一个立方面,有八个顶点 V=8,12 条边,6个 面, 8-12+6=2。你可以试试其他的多面体,都满足这个关系(一个球面可以看成有两个顶点,一个边,一个面,2-1+1=2)。如果是有 g 个孔的,那么 V -E -F = 2- 2 g 。如下图,有一个孔 V - E + F = 2- 2*1=0。有兴趣的可以自己数数。读者可能问,这有什么特别吗? 特别的地方在于,无论把这个怎么变形,这个数字只取决于孔的数量。比如说,你可以把下面这个六角环变成一个圆环的玉镯形状,一个顶点,两个边,一个面 , 1-2+1=0. 现在我们考虑另一个问题,如果我们在操场上围着一个圆心跑一圈、回到出发点,我们绕了360度(2 pi);但如果我们不是走圆形路径,而是走一条弯路,最后回到出发点,那么我们绕圆心转了多少度呢?不管你是怎么绕的,绕一圈就是360度,绕两圈总共是720度。不管你如何走弯路,你可以把走的路分成很多小段,把每一段绕圆心变化的角度加起来, 变成一个积分, 结果肯定是 360度的整数倍,倍数是转圈的数量。路径变形(但保持圆心在路径内),这个圈数不变。我们说,这个圈数--整数是一个拓扑不变量。 类似的,围绕一个球心的球面角度是 . 如果把球面变形,这个角度也是这个数字。对于有 g 个孔的情况,高斯有个普遍公式,对于一个光滑而且没有边界的面(如球面或者 Torus),曲率乘以面积的积分等于 4 PI 乘以 1-g. 对于半径为r的球面,没有孔 (g=0),曲率等于 1/r^2, 面积为 ,我们很容易验证结果正确。如果是圆环,有一个孔,结果是0 -- 圆环内侧的曲率是负值,结果跟外侧的抵消了。这个公式的“神奇”在于,左边是几何曲率的积分,右边却是一个拓扑属性,不管怎么变形,右边都是固定的。这就把整体的几何属性跟拓扑结构联系起来了。 拓扑可以解释物理中某些基本而又困难的问题。我们知道,电荷总是电子电荷的整数倍 (夸克电荷可以是1/3,但夸克不能自由存在),从未发现过0.15个电荷,这个整数特性被称为电荷的量子化。为了解释这一点,DIRAC 假设存在磁单极子,然后考虑电荷绕圈,那么从角动量的量子化就可以推导出电荷的量子化。我们可以说,这个电荷量子化解释是拓扑的。问题是,到目前为止,并没有发现磁单极子,而且我们也没有另一种电荷量子化的解释 --- 尽管这是一个明摆着的事实。 对于一个与某些参数相关的量子系统,如果这些参数沿着某个路径缓慢变化,但最终回到开始的值,这个量子系统会回到原来的状态。但是量子波函数可能出现一个相角的变化。如果计算这个角度的总变化,是一个环路积分。可以证明,这个相位的变化与路径有关但与动态过程无关,是一种“几何”性质。但我们知道,环路积分可以跟环内的面积分对应(这叫着斯托克斯定理)。如果我们考虑反向路径的积分,那么应该跟外围的面积分对应。反转与顺转的结果应该抵消,但是相角的总变化可以是 2 PI 的整数倍。因此,整个面积分应该是 2PI 的整数倍。相关的复数理论之前已经被陈省身发展出来,这个整数叫着陈数(Chern number)。 Thouless 正是利用了这样的数学解释了量子霍尔效应。他从线性响应出发推导出霍尔电导的方程,并证明了霍尔电导只与 K 空间的拓扑属性有关。(此处省略N字。。。)也就说明了为什么量子霍尔电导的精确度是如此的坚实、可靠,不受干扰。 也许用半经典的模型更好理解。下图中,磁场垂直向纸内,由于电子带负电,根据右手法则,从左向右运动的电子会受到向下的力,从右向左运动的电子会受到向上的力。在磁场足够强时,中间的电子会做顺时针的圆周运动,不参与导电,这叫拓扑绝缘体。在下边的边缘处,电子向右运动半个圈就会遇到边缘势垒反弹回来;但由于磁场的存在,反弹的电子即使是遇到障碍,也不会从左边出去,而是顺时针绕回去继续向右前进。类似的,上面边缘处的电子只能向左运动,无法反弹转向。这就把向左运动与向右运动的通道隔离了。由于两个边缘的距离远大于中间圆轨道的半径,一个在下面向右运动的电子要跑到上面转向成向左的几率极小,因此上下两个通道的电子输运完全是没有反射的,或者说传输效率为100%。在一维量子输运中,我们知道理想情况的电导是 (这叫做 Landauer 公式) 。 这个情况跟一维理想的 ballistic 电导非常类似,只是这里电压是加在垂直于电流的方向,导致的是霍尔电导 Ix/Vy。 由此可见,量子霍尔效应中磁场的作用是把左右两个边缘通道从空间上分开了。用现在流行的行话来说,形成了两个方向的 chiral state,破坏了time reversal symmetry,云云。如果没有磁场,但能把左右运动的两个通道完全分开,也应该有类似的量子霍尔效应。对我来说,这种直觉的模型似乎更加容易理解相关的物理。
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分享 经验的局限与物理的数学化
热度 3 岳东晓 2016-9-28 15:55
物理是否实验科学的辩论还在继续。任何“哲学”性问题最终可以归结为定义的问题。“实验科学”的定义是什么?在没有准确定义这个名词之前,继续争论没有意义。我们不如从物理的发展史得到一些具体的启示。如果认真回顾下物理学从亚里士多德到牛顿的发展历史,我们会惊人的发现,亚里士多德的是基于经验的物理,而牛顿是理想化的抽象。亚里士多德的物理统治西方一千多年,正是经验的局限,而牛顿及之后的物理是经验的理性突破, 是特殊性的数学化扬弃。 先看一个客观的物理现象:运动物体如果没有推动最终会停下来。这个谁都可以做实验,你可以在冰上试,在气垫上试,在不同时间、地点实验,结果都相同,运动物体最终会停下来。有人可能说,地面上的物体确实会停下来,但是日月星辰呢?对此的辩解是,那正说明日月星辰有某种作用在推动,你也没办法把月球拿到实验室测试。。。如此等等。如果我们把物体最终会停下作为基本物理规律,这应该算是实验科学的结果吧?且让我把这个称为“最终静止律”,它具有可证伪性,完全符合实证科学的定义。 亚里士多德在其《物理》一书的第四卷第8章论述到:真空在各个方向、各地点都没有区别,因此【 没人可以说为什么一个物体被推动之后就应该停下;因为为什么它应该在这停下而不是在那呢?这样一个物体或者将处于静止或者将永远运动下去,除非一个更强的物体阻挡它 】(“no one could say why a thing once set in motion should stop anywhere; for why should it stop here rather than here? So that a thing will either be at rest or must be moved ad infinitum, unless something more powerful get in its way.” (英译本)) 用今天的话说,亚里士多德从真空的平移与旋转不变性得出,真空中的物体将保持其运动状态。读者看到这,可能要惊呼,亚里士多德早就发现了牛顿第一定律!但是不幸的是,他这是在用反证法证明真空不存在。亚里士多德的逻辑是:如果存在真正的真空,那么物体将保持其运动状态,这就违背了“最终静止律”,可见真空不存在。 亚里士多德的自由落体理论是相当高明的。在其书中的同一章节,他写道 如果形状大小相同 ,那么物体的终极速度正比与重量,反比于其所在运动介质的密度,v = W/d 。根据今天的流体力学,这个结果至少在低速情况是正确的。亚里士多德的理论因此是可以实验验证的。然后亚里士多德举了空气与水作为例子。接下来,亚里士多德论证到,如果存在真空,那么自由落体的终极速度是无穷大,这很荒谬,可见真空不存在。 "Natura abhorret vacuum." (自然界厌恶真空)。今天的标准模型里,真空中必须有不为零的希格斯场。我们不能轻易嘲笑两千多年前的希腊先哲。 亚里士多德的物理可以说是基于实验现象的、逻辑相当严密的物理。而牛顿的物理可以说是从实验升华、理想化之后的物理。这种从纷繁芜杂的现象中排除其他因素,构想出理想模型的能力就是物理直觉。一个力学问题,物理不好的往往会立刻联想起摩擦力、空气阻力、物体形状等等等等因素,把问题弄得很复杂,然后宣布无解;而物理好的往往能直接把问题分解、简化,各种因素作为修正。牛顿力学的第一定律正是被亚里士多德否定了的理想情况。基于这一点,才有接下来的第二定律,那就是力的作用不是维持运动,而是改变运动。在亚里士多德那里, F = v * R (v 为速度,R为阻碍),这是基于实验相当不错的学说。但一旦走出经验的束缚,意识到理想情况下无外力物体将维持运动状态,有外力的作用才会改变运动,离 F = ma 也就不远了。 亚里士多德物理中把星体与地面物体区别对待,认为它们做永恒的圆周运动。从直观上看,他是有道理的,也可以说是基于实验观察。我们完全可以宣布亚里士多德是很好的实验与理论物理学家,他不仅有实验,也有理论。 而牛顿的思想突破在于认为巨大的星体跟地球上一个苹果一样遵循同样的物理规律。牛顿理论从直观上看与观测相差甚远 --- 月球在绕地球转,苹果直线下落。 在亚里士多德看来星体的圆周运动是一种恒定的运动,而牛顿时代人们已经明白,圆周运动相当于直线运动不但地碰撞转向,是加速运动。 牛顿物理的胜利在于其理论的数学计算最终与实验结果高精度吻合。 因此,物理从亚里士多德到牛顿的发展,不是实验与理论的差异,关键在于是否数学化。亚里士多德的物理虽然是根据实验观察,但没有数学化,即使能够勉强维持逻辑的自洽,也并不具备可精确验证性,也就跟阴阳五行之类学说没有太大的区别了。而牛顿力学则是精确数学化的,也就是实打实的硬道理。牛顿并不试图解释为什么有超距的引力作用,而是说平方反比加 F=ma,算吧。算出来总能对上,理论就是成功了。算出来不对,理论就自然需要纠正。后来人们发现水星进动速度用牛顿引力算出来与观测结果相差百分之0.8% 就开始思考牛顿理论是不是可以修正下。最初人们的想法是借鉴电磁理论,把物质流与电流对比,产生所谓引力磁场,好像也能行。但不久爱因斯坦从自由落体的思想实验出发建立了协变性的引力几何理论,又引发了一场物理的革命。到今天, 物理已经被归结于两个基本原理:作用量原理与规范不变。 而物理的每一次革命,都是特殊性的数学化废除。牛顿废除了天体的特殊性,爱因斯坦废除了惯性系的特殊性,量子力学废除了直线运动的特殊性。到目前为止,物理的这个发展思路非常成功。
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分享 物理无神圣:惯性系变换下能量守恒?
岳东晓 2016-7-3 07:17
记得以前我跟人在网上讨论,提到过物理无神圣(NotheoryissacredinPhysics)。一方面这是在针对已经确认的基本规律,另一方面也是指不能死记硬背、教条地套用一些看似放之四海而皆准的“真理”。以能量守恒为例,在经典力学里这是运动方程推导出来的结果:从动力学方程我们发现某个标量是不随时间变化的,称之为能量。 这个能量(包括动能、势能)概念在牛顿后100多年才出现,但能量守恒概念似乎被奉为圣经。 最近两天在科学网看到一个问题:一个理想的弹簧振子固定于墙上,来回振动,从室内人看,其机械能守恒;从一匀速运动火车上看,弹簧振子能量是否守恒。 这是一道中学物理题。 据说是北大物理系赵凯华(我上学时的系主任)写的某本中学物理书上的。答案是“能量不守恒”。原因是,从火车上看,弹簧固定点在移动,而且固定点有作用力,因此外力对弹簧振子系统做功不为零。 这个答案引发了广泛的反对意见,因为它似乎打破了某些人对能量守恒与惯性系变换的定式思维:一个惯性系下机械能守恒,另一个惯性系下机械能也应该守恒。加上弹簧振子势能是什么又引发一系列争论,什么正弦函数,问题越讲似乎越糊涂。其实类似问题在我那个 石头砸到车的问题中已经出现 了。为此,我举一个更简单的例子说明这个问题。下图中,一个质量为 m 的小球从一个光滑的碗上部滑下(初始速度为0),摩擦损耗为零;机械能守恒,在顶上势能为 mgh , 到碗底速度为 \sqrt{2gh} ,方向水平(为了下面讨论起见, 碗固定在M上,M又固定在地面,但目前不需要考虑)。 现在从一个以速度 V 匀速运动的观察者来看上面的现象: (1)开始:势能 mgh, 动能 1/2 mV^2, 总能量 E0 = mgh + 1/2mV^2; (2) 碗底:势能0,动能 1/2m(v+V)^2 = 1/2 mv^2 + 1/2mV^2 + m v*V = mgh + 1/2mV^2 + m v*V = E0 + m v*V 因此从匀速运动的观察者看,小球到碗底时,系统总能量增加了 m v*V (其中的* 表示点乘),也就是说 系统的总能量是不守恒的 。这个大家没有异议吧? 为什么会这样?在运动观察者看来,碗的支撑力对小球在水平方向做功了。 注意到 mv 是物体动量的变化 \Delta P (这是伽利略不变的),我们有 \Delta E = V \cdot mv = V \cdot \Delta P 我在《 外力做功的伽利略变换 》一文中给出了做功的伽利略变换公式: W^\prime = W + V \cdot \Delta P 。在静止参照系,碗对小球做功为0, 也就是说W=0,但碗的作用力导致小球动量变化为 mv,那么在运动参照系,碗对小球做的功是 V * mv 。除非 V与 v 垂直,这个碗对球的做功不为零。 喜欢动脑筋的同学们立刻会说,既然碗对球做功了,那么球的反作用力必然对碗做了相同的负功。这怎么回事?问题恰恰在于此,因为碗被固定,这个系统的动量是不守恒的。 在上图中,如果下面那个座子 M可以自由滑动(假设M与地面无摩擦),那么 m,M 构成的系统动量守衡,M的动量变化等于 m 的动量变化的负值,因此球对 碗+M做功为 -V * mv。考虑 m+碗+M 系统,总能量是守恒的。 注意,M可以是整个地球的质量。有兴趣的,可以具体在 静止参照系计算 m 与 M的速度,然后变换到到运动参照系,会发现总机械能是守恒的(注一)。 弹簧振子的问题很容易看出其总机械能在惯性系变换下是不守恒的:考虑物体在平衡点的情况,此时弹簧弹性势能为0,物体 m 速度为 v 或者 -v ,在运动参照系下 系统能量为 1/2 m (v+V)^2 或者 1/2 m (-v +V )^2,两个情况相差 2mv * V。 为什么在伽利略变换下,一个能量守恒的系统,能量不再守恒? 从我们上面的分析看出,这是因为系统没有平移不变性,也就没有动量守恒。 注一: 考虑M可以滑动,m 滑到碗底速度为v, M 速度为 u。在静止参照系, mv + Mu =0 mgh = 1/2 mv^2+ 1/2 M u^2 解出, 换到速度为V的参照系,伽利略变换 系统总能量 代入上面的u,v, 得出 E= mgh + 1/2(m+M) V^2 由此可见,当M极大,以M作为参照系能量 近似 守恒 (误差为 m/M 量级),但一旦进行参照系变换,能量就不守恒了,因为M 并非真正的惯性系。 科学网链接:http://blog.sciencenet.cn/blog-684007-988304.html
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分享 一个黎曼几何就把物理学折腾得够呛
稻草 2016-5-9 21:19
黎曼流形上的几何学,简称黎曼几何。是由德国数学家G.F.B.黎曼19世纪中期提出的几何学理论。 黎曼将曲面本身看成一个独立的几何实体,而不是把它仅仅看作欧几里得空间中的一个几何实体。他首先发展了空间的概念,提出了几何学研究的对象应是一种多重广义量 。黎曼几何中的一个基本问题是微分形式的等价性问题。黎曼几何与偏微分方程、多复变函数论、代数拓扑学等学科互相渗透,相互影响,在现代数学和理论物理学中有重大作用,尤其是它为爱因斯坦的广义相对论提供了数学基础。 说到底 黎曼只是定义了一个新的数学出发点,建立了自己的一个数学体系罢了。难道就没有看到 黎曼先生的这个出发点是可以拓展的吗?以为数学就这样不发展,就是这么一个破东西? 就这么一个玩艺,在爱因斯坦的折腾下,后来的物理学家和数学家们,信心满满,不得了啦,个个成了神棍,终于把物理学引导到了唯心主义,走上了物理神坛。当我们嘲笑牛顿晚年研究神学的时候,请看清楚,人家到底是不是在研究神学,好吗?!OK!牛顿先生和你研究的东西它是一样的吗?! 这不问题来了吗?这不又要回到物理与数学的关系,及数学的基础问题了吗?人有时一折腾把自己弄进去了,出不来了吧! 物理学仍然是物理学,必须回归物理学。数学与物理学的关系必须厘清,不能混淆,但是这都面临同一个问题,科学的基础是什么,数学问题的本质是什么? 鄙人的《思想在思考》一书中讲清楚了,在此不赘述了。 约翰施特劳斯 - 管弦乐 - 雷鸣电闪波尔卡.mp3
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分享 宇宙常量的哲学思考
热度 1 稻草 2015-11-5 08:35
宇宙常量是爱因斯坦广义相对论提出来的一个概念,顺着它的思路,人们发现有一个逻辑假设是存在的,那就是暗物质,否则整个理论体系会崩溃。现在实验证明暗物质确实存在,这就是理论的魅力。 我们说,宇宙常量对于一个理论来讲,它是必要的,是不是真实存在呢? 在一定的范围内,它是存在一个相对的常量,对于整个宇宙来讲,它也是存在的,只是你的数学工具不可能达到,这是人类的智慧是宇宙客体的产物的原因。 因此,数学,包括物理只能给哲学、神学留出“空白”,共同来绘就人类的文化美景。
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分享 物理学无神童
热度 1 岳东晓 2015-10-9 01:14
昨天看了一下谢彦波的故事,这位当年我们都有印象的神童,现在在科大任教,搜索其名字找不到一篇他写的论文。根据网上的资料,他先是在中科院读博士,导师是周光召,但没有结果(也没看到有论文),然后去美国,未能完成学业,最后以硕士学位在中科大任物理教师。 问题在哪? 如果我们看数学领域,可以找到许多神童。最近的例子可能是 陶哲轩(Terence Tao)。他11 岁就参加国际数学奥林匹克竞赛获得铜牌;13岁获得金牌;15岁就发表了数学论文。 综观牛顿之后的整个物理学史,几乎没有神童的影子。发现不相容原理的泡利可能算是物理学家中成名时最年轻的,发表第一篇论文时已经18岁,获得博士学位时也有21岁了。 物理不是那么好学的,更不好研究。数学问题,只要一头走到底总能得出点什么东西。物理不是如此,它必须与自然现象精确对应。如果看物理的发展,人们会发现,物理所需要的数学工具往往还不存在,这要求搞物理的人表达自己的自然直觉的同时开发新的数学工具。牛顿为研究力学发明了微积分,用了 0+ 之类符号,为此数学界纠缠了多年。费曼为了研究量子力学发明了路径积分。到今天,路径积分也未能被“数学化”,尽管物理学家经常用它算出跟实验精确吻合的结果。类似的,所谓重整化是量子场论的核心要求,一个不能重整化的理论会被物理学家简单抛弃,但是重整化在数学家看来似乎不可理喻。 谢彦波选择数学也许会好得多。
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分享 理论物理学的危机
热度 2 岳东晓 2015-9-29 14:01
多年前听到一个笑话,内容好像是这样的:实验物理学家认为理论是实际的近似,理论物理学家认为实验是理论的近似;数学家呢?数学家无法将理论与现实联系起来。 "传统”的理论物理无论如何也是跟现实相联系的。爱因斯坦发表广义相对论的同时,用自己的理论计算了水星的进动,光线在太阳引力下的偏转等。狄拉克写下电子的相对论方程,不仅用于计算氢原子的精细结构,还预言了正电子的存在。。。。 刚才翻看了某位理论物理学家的一些论文,什么6维空间的量子引力之类,用了各种五花八门的数学,最后好像是算出了点东西,但却完全没有一个物理的结论,没有说这个结果跟现实的联系在哪,即使这个结果现在不能与现实对应,也没有说未来进一步发展之后怎样跟现实对应。 须知,在爱因斯坦之前、之后,还有很多其他的引力理论出现,其中有些在数学上看去也相当漂亮,但这些都已经大部分被人遗忘了。爱因斯坦理论被接受,是因为它不但能够重复出之前的牛顿理论,而且其预言的东西也被实验、观测所验证。 按照科学可证伪的定义,自然科学必须能够用实验证伪。 完全空对空的物理理论是否属于自然科学范畴都是个疑问。
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分享 暗物质探索是牛顿爱因斯坦之后物理学的里程碑
热度 1 稻草 2015-9-23 20:40
统一论给出了暗物质的理论模型,和数学计算公式,提示了暗物质的基本物理规律,然而,物理实验相对滞后。最近,这一滞后的情况正在改变。不过,实验把"暗物质"当作粒子来探测,显然是错误的。   新华网成都9月23日电(记者李华梁)全世 界最深的暗物质探测实验室、中国锦屏地下实验室二期扩建进展顺利;中国“天眼”、世界最大单口径球面射电望远镜反射面单元面板开始拼装 ;世界上迄今为止观测能段范围最宽、能量分辨率最优的“暗物质粒子探测卫星”将于年底在酒泉择机发射……   近期,一批来自中国的科研 计划不断聚焦“宇宙幽灵”——暗物质。在寻找暗物质的道路上,中国身影越来越多。   “暗物质”被科学家比作“笼罩在21世纪物理学天 空中的乌云”,是目前国际科研的最前沿领域之一。迄今的研究和分析表明,暗物质在宇宙中所占的份额远远超过目前人类可以看到的物质,通 常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。暗物质涉及宇宙产生和演化的一些最基本问题。   “与百年之前相对论和量子力学即将诞生时类 似,现在人类对物质世界的认识又一次处在了十字路口。毫不夸张说,找到并研究暗物质,将是继哥白尼日心说、牛顿万有引力定律、爱因斯坦 相对论以及量子力学之后,人们认识宇宙的又一次重大飞跃。”清华大学工程物理系副教授岳骞说。   除了“上天”,国际上暗物质探测更多 的是“入地”,即在地下的极深实验室中进行探测,这样便可减少地球上无处不在的宇宙线干扰。   本世纪以来,国际上相继开展了20多个 暗物质探测实验,利用各种技术来寻找暗物质。特别是近年来,竞争更为激烈。来自意大利、美国、德国的实验组先后宣称发现了疑似轻质量暗 物质的信号,这些信号引起了科学界和公众的强烈兴趣。   以往中国科学家要想进行暗物质研究,只能借用国外的地下实验室。中国锦屏地下 实验室顶部覆盖2.4公里的岩石,为目前全球最深的暗物质探测实验室。2010年启用后,有两个实验组进驻,分别是清华大学主导的CD EX实验和上海交通大学主导的PandaX实验。   清华大学常务副校长、中国锦屏地下实验室主任程建平教授表示,从过去几十年国际地 下实验室的发展进程可以看出,地下实验室特别是极深地下实验室的建设和发展可以为一个国家提供综合性的重大基础科学研究平台,是一个国 家关键性的重大基础科学研究设施。   过去五年,中国在暗物质方面的研究进展迅速。2014年,CDEX实验组得到了目前点电极高纯锗 探测器在国际上最灵敏的实验结果,进一步缩小了暗物质可能存在的区域。PandaX实验组也于同年公布了一期实验获得的首批数据,对以 往国际上所有发现的疑似轻质量暗物质信号提出了质疑。   谈到这两个实验组的结果,来自美国珀杜大学的物理学家拉斐尔·朗认为,两个实 验组最近发表的成果,真正使得中国暗物质搜寻努力“走到了国际社会的最前沿”。   目前,锦屏地下实验室正进行二期扩建,届时实验室总 容积将从目前的4000立方米扩容到约30万立方米,可容纳更多的实验组。   PandaX实验的规模也在扩大,“半吨级”实验将是世 界上同类实验的最大规模,灵敏度也比现有装置放大近20倍,并有望进入重质量暗物质信号区进行搜索。   中国“千人计划”专家、上海交 通大学鸿文讲席教授季向东表示,随着实验探测灵敏度的提升,中国人有望率先找到理论预言的一类暗物质粒子,“我们已接近发现暗物质的边 缘”。   各国科学家都在摩拳擦掌,等待这一兴奋时刻的到来。暗物质探寻的竞争愈发激烈,人类认识暗物质的旅途或将迎来最后一段征程。
个人分类: 科技转贴|3735 次阅读|2 个评论
分享 廖凯原证明钱并非万能
岳东晓 2015-9-15 07:17
钱换不来爱情,钱换不来。。。(the list continues ). 廖凯原捐一亿美金,也得不到去北大物理系讲 “凯原量子信息力学KQID” 的机会,而只能去北大法学院讲。这说明什么? 这再次说明钱不是万能的。钱换不来科学地位。 廖凯原 就花10亿美金,其“凯原量子信息力学KQID”也得不到一次物理学权威刊物正规的引用。 廖凯原就算可怜鸡师傅,花一亿美金给鸡打脑白金,鸡师傅也还是不懂初中物理,也还是只能进野鸡大学,不仅不会解决走路上楼梯的初中物理问题,而且惨到连正确答案摆在面前也看不出这是正确答案。 Oh, let's not forget what I wrote in Court: 【Yang had college education from Nanjing Chemical Engineering College, Nanjing, China (Chinese: 南京化工学院).He studied as a graduate student in the 1990s at the University of Paderborn in Germany, where he graduated in 1999. No scholarly papers can be found to be authored by Defendant Yang in leading western research journals】 从数百次引用中挑几个,再次让 Red-eye-chicken-master 看看什么叫引用: Hawking radiation in sonic black holes S. Giovanazzi∗ The long-range part of the Coulomb interaction could substantially renormalize the Hawking temperature in long wires in a way similar to how it does for the scattering from an impurity . Conductance of Interacting Quasi-One-Dimensional Electron Gas with a Scatterer Authors: A. V. Borin, K. E. Nagaev .... The summation of most divergent contributions may be performed using the renormalization procedure suggested by Yue et al.14 . Transport properties of a two-lead Luttinger liquid junction out of equilibrium: fermionic representation Authors: D.N. Aristov, P. Wolfle The transport through Luttinger liquid junctions at not too strong interaction has also been calculated using the Functional Renormalization Group method as reviewed in14 ...In this paper we extend the approach of Yue et al Electron-electron interaction effects on transport through mesoscopic superconducting hybrid junctions Authors: Arijit Saha Weak interaction renormalization group approach In this sub section we introduce the weak interaction renormalization group (WIRG) method which was first developed by Yue et al. Functional renormalization group approach to correlated fermion systems Authors: Walter Metzner, Manfred Salmhofer, Carsten Honerkamp, Volker Meden, Kurt Schoenhammer ... The idea of an oscillatory decaying potential is similarly inherent to a poor man’s fermionic RG approach (Yue et al., 1994). Conductance through a potential barrier embedded in a Luttinger liquid: nonuniversal scaling at strong coupling Authors: D.N. Aristov, P. Woelfle The fermionic representation offers the possibility to connect the fermionic degrees of freedom in the (non-interacting) leads smoothly with the degrees of freedom in the interacting system. In other words, it allows to use the scattering states of the system in the non-interacting limit as a basis of description. On the simplest level, in lowest order in the interaction, this program has been carried out in a seminal paper by Yue , Matveev and Glazman. Spintronics with NSN Junction of one-dimensional quantum wires : A study of Pure Spin Current and Magnetoresistance Authors: Sourin Das, Sumathi Rao, Arijit Saha We see that there is a logarithmic singularity at the k → 0 limit which implies that the lowest order perturbation theory is not enough to calculate correction to the reflection and AR amplitudes when the momenta of the incident particles are very close to the Fermi wave vector. Following Yue et al. , we sum up these most divergent processes using the ”poor man’s scaling” approach to obtain RG equations for the normal refection amplitude... Functional Renormalization-Group Analysis of Luttinger Liquids with Impurities Authors: Sabine Andergassen For Luttinger liquids with repulsive interactions (Kρ 1) already a single static impurity has a strong effect at low energy scales, even if the impurity potential is relatively weak . Junction of several weakly interacting quantum wires: a renormalization group study Authors: Siddhartha Lal (1), Sumathi Rao (2), Diptiman Sen (1) ((1) IISc, Bangalore, (2) Pennsylvania State University and HRI, Allahabad) Yue et al use this idea to derive the RG equations for an arbitrary S-matrix located at the junction of two semi-infinite wires... Let us briefly present the method of Yue et al. .... Yue et al then derive the RG equations for the S-matrix which is now considered to be a function of a distance scale L; they show that −ln(kd) in Eqs. (17-18) can effectively be replaced by dl, where l = ln(L/d). ..Yue et al show that the backscattering interaction governed by g1 leads to a logarithmic renormalization of the interaction parameters g1 and g2 ; we will ignore that effect here since it plays no role to first order in the gi . I-V characteristics and differential conductance fluctuations of Au nanowires Authors: H. Mehrez, Alex Wlasenko, Brian Larade, Jeremy Taylor, Peter Grutter, Hong Guo In the rest of this section, we follow the interesting idea of the charging effect and analyze it in more detail to understand if this effect, which leads to channel closing53,54 can give rise to nonlinear I-V curves of atomic devices. To start, we follow the work of Yue et. al.71 by assuming a strong interaction and write the renormalized transmission coefficient...
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分享 经络的客观存在性及其物理学实验
稻草 2015-7-13 08:39
经络在人体解剖上是看不见的,也找不到,因此擅长解剖的西医就否定经络的存在。这是一个"皇帝的新衣"的错误。为什么呢?一些客观存在的东西,并不是你看不见,你就说不存在。例如电脑的操作系统,你打开电脑后,你看见它没有?无线电波,你看见它没有,你天天用手机,你也没有看见它,是不是?因此,通过解剖就否定经络的存在,是荒谬的。或者说 解剖学也是需要与时俱进的。 当然这也不能怪医学工作者,这实际是一项物理学家的工作。 面对黑洞、魔鬼粒子、人和动物的心理现象,物理学束手无策,这只能说物理理论上的落后,和实验手段的不够,不能说这些宇宙现象不存在。 中国科学院生物物理研究所祝总骧教授研究团队,发现人体经络是客观存在的。他的实验,也不是说解剖看见经络的。经络本身不具有时间和空间,人的眼睛不可能看见这种存在。人看不见的东西多着呢,例如猫能够晚上看见所有东西,如同白昼,人类就没有这个本领。 科学界的正确态度,是在理论上,实验上去找出经络、黑洞、魔鬼粒子,暗物质的规律,而不是去否定自然界本身存在的东西。如果否定自然界存在的东西,那就否定了人本身,这个反证,就证明,人不能否定客观存在的东西。 本人亲自见到了 祝总骧教授,并作了交流 ,他展示了他团队经络成果的录像,很明显,有经络,和没有经络的人体部位,在声音和电效应上,反应完全不一样。 这就证明,这个部位肯定是有一种存在的,这是不可否认的,2500多年以前中国人就叫这个存在,就是经络。 因此,经络是客观存在的。 祝总骧教授中科院团队 也把这一成果 写成专著《针灸经络生物物理学-中国第一大发明的科学验证》( 北京出版社 ,1989)出版了。这样的成果应该早就要获得诺贝尔生理医学奖,因为它的医学价值,特别是物理学意义远远超过那些获得过 诺贝尔 生理医学奖的成果。 统一论 ,从经络、黑洞、动物的心理反应的客观存在的现象,抽象出思维的概念,并认为思维就是和物质、运动一样的客观存在,给出三者的量化概念,即意量、质量、能量,并且提示出了它们之间的数学关系表达式,及各自的数学运算。也就是说,从医学应用来说,经络是完全可以进行物理运算的了。 上海交响乐团 - 管弦乐《欢欣的日子》 (作品2b) .mp3
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分享 物理学的数学腐败
热度 5 稻草 2014-12-18 15:43
物理学的数学腐败是从爱因斯坦开始的。所谓物理学的数学腐败是物理学的过度数学化。众所周知,物理学的根本是实验,数学只是一个工具罢了。数学是形而上学的,过度应用,物理学就会走向形而上学,也就是搞唯心主义。什么叫过度应用呢?典型的是认为空间是歪曲的,时间是收缩的。时间与空间是一个观念量,你认为它们这样,在数学上没有错误,但是在客观上是错误的。 且看物理学的弦理论,就明白了。 弦理论是一门理论物理学上的学说。理论里的物理模型认为组成所有物质的最基本单位是一小段“能量弦线”,大至星际银河,小至电子,质子,夸克一类的基本粒子都是由这占有二维时空的“能量线”所组成。中文的翻译上,一般是译作“弦”。超弦理论可以解决和黑洞相关的问题。 在弦理论中,基本对象不是占据空间单独一点的基本粒子,而是一维的弦。这些弦可以有端点,或者他们可以自己连接成一个闭合圈环。正如小提琴上的弦,弦理论中支持一定的振荡模式,或者共振频率,其波长准确地配合。由此可见,弦只是一个概念,并不是一个真正的存在,这是与物理学的客观经验相悖的。当然它的结论是正确的,但客观上是错误的,是唯心主义。 物理学的唯心主义化,爱因斯坦是有责任的。他发现相对论后,不久就离婚了,把自己的糟糠之妻,也是大学同学抛弃了。他居然与他的亲堂姐加表姐结婚,不仅如此,他的小三不少,并且他的老婆还知道,私生女有二个。他一边泡妞一边搞统一场论,死去前居然把统一场论的手稿交给小他几十岁的小三保存。但是他的物理学的数学腐败化决定了他在统一场方面只是一个妄想,后来他的学生泡利也没有成功。实际呢?统一场论只要回到牛顿同志的模式,把客体运动和思维找到,作为本体,就行了,一切OK,也不用现在这些腐败分子弄出一超弦来忽悠老百姓了。
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分享 继爱因斯坦相对论之后人类最伟大的物理学发现
热度 5 稻草 2014-8-28 17:46
统一场论是继爱因斯坦相对论之后人类最伟大的物理学发现,已经由中国两位学者完成。现摘录主要内容如下:
个人分类: 科学革命|6033 次阅读|10 个评论
分享 岳东晓请回答一下这些网友提出的物理学问题
热度 1 稻草 2014-6-19 06:03
1.自然界是否存在五种以上的基本作用力? 2.基本物理常数的数值会随时间改变吗? 3.自然界的基本常数为什么具有现在的数值? 4.引力能否被屏蔽? 5.负引力存在吗? 6.宇宙中不断有物质创生吗? 7.引力子,你在何方? 8.新以太是否存在? 9.为什么时间具有方向性? 10.宇宙时是不均匀时间流吗? 11.为什么物理学的基本方程都具有时间反演不变性? 12.为什么绝对零度不可达到? 13.为什么热水比冷水冻结快些(Erasto Mpemba问题)? 14.运动物体的温度会改变吗? 15.开放系统的熵具有什么物理意义? 16.湍流形成的机理是什么? 17.地球磁场极性颠倒的原因是什么? 18.南极空洞是怎么形成的? 19.生物体内有核反应吗? 20.地球外有智慧生物吗? 21.地震前的地光是怎么形成的? 22.为什么闪电多‘之’字形少球形? 23.自然界是否存在七种对称性晶体? 24.能否解决强关联多电子系统的基态和元激发问题? 25.能否解决低维凝聚态物理新现象的理论问题? 26.何时能揭开狄拉克的大数之谜? 27.可观测宇宙的空间有多大? 28.宇宙中的暗物质是由什么粒子构成的? 29.为什么宇宙中反物质如此少? 30.反物质世界存在吗? 31.反物质能源能否实现? 32.可控轻核聚变能否实现? 33.激光热核反应的点火条件(劳森判据)能否达到? 34.常温核聚变能否实现? 35.冷核聚变能否实现? 36.薛定谔的猫是死还是活? 37.EPR之谜能否解决? 38.量子混沌确实存在吗? 39.高温超导的微观机理是什么? 40.可否发现室温超导体? 41.最后一个超重元素的质子数是多少? 42.热中子辐射俘获疑问的实质是什么? 43.原子核磁矩能否准确计算出来? 44.Gamow-Teller巨共振问题gA(核内核子)!=gA(自由核子)能否解决? 45.奇异电子峰是怎样形成的? 46.EMC效应能否解决? 47.质子自旋危机能否解决? 48.电子与核散射中,纵向响应形状因子问题能否解决? 49.有限核的结合能与能极能否一一准确算出来? 50.夸克-胶子等离子体(QGP)物质态是否真的存在? 51.双生子佯谬能否解决? 52.穿洞佯谬能否解决? 53.滑落佯谬能否解决? 54.柔绳佯谬能否解决? 55.直角杠杆佯谬能否解决? 56.静止长度上限佯谬能否解决? 57.运动物体视在形象佯谬能否解决? 58.长度缩短的应力效应佯谬能否解决? 59.超光速佯谬能否解决? 60.快子佯谬能否解决? 61.奥本海默佯谬能否解决? 62.奥伯斯佯谬能否解决? 63.宇宙种子磁场的来历是什么? 64.太阳中微子之谜能否解决? 65.中微子有无静止质量? 66.有无中微子振荡? 67.类星体的能源是什么? 68.黑洞何时可以露真容? 69.磁单极是否存在? 70.Higgs粒子是否存在? 71.质量的起源是什么? 72.真正的对称自发破损的机理是什么? 73.自由夸克能否直接在实验中被发现? 74.有无胶子球存在? 75.轴子,畴壁能否找到? 76.存在第四代基本粒子吗? 77.CP不守恒难题只能在中性K介子衰变中见到吗? 78.引起CP对称性破坏的力是什么? 79.e-u-t之谜何时能解开? 80.亚夸克结构仅仅是推测吗? 81.质子的寿命有多长? 82.电子有无结构? 83.光子有无结构? 84.真空的本质是什么? 85.有无奇异物质存在? 86.C,Ψ物理中的ρπ疑难能否解决? 87.是否存在中性,稳性,质量至少大于40GeV的超对称粒子? 88.究竟有无超弦? 89.虫洞究竟有没有? 90.时间机器能造出来吗? 91.引力能否用量子理论加以描述? 92.能否将引力和其他几种基本力统一起来? 93.自然界手征不对称起源的关键是什么? 94.宇宙会一直膨胀下去吗? 95.宇宙大爆炸的量子起源是什么? 96.大爆炸之前可能存在什么? 97.我们的宇宙是否有兄弟姐妹?
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分享 2013年的物理学奖:希格斯机制
热度 6 岳东晓 2013-10-9 01:39
刚看到新闻,提出希格斯机制的PETER HIGGS获得了2013年的诺贝尔奖。所谓希格斯机制是物质质量来源的机制。 自古以来,人类就试图用基本原理解释自然现象。比如说中国的阴阳学说就是这种“自然哲学”,一阴一阳演化,上知天文、下至地理,都可以进行一大通辩论,比如说潮汐现象古人就用月亮为太阴吸海水解释,但其实太阳也产生潮汐。而且古人肯定不知道, 面对月亮这边涨潮,背对月球的那面也在涨潮 。当然了,如果知道,你也可以用阴阳理论进行一番解说 , 任何事情都可以加加减减,得出一些定性的说法。 物理学也是在寻找自然现象的基本原理,物理学的不同在于它是数学化的,也就是说物理学不是模棱两可、泛泛而谈,而是真枪实弹用数学方程表达,你可以计算、预测,并且与现实进行比较。物理被称为硬科学,因为它是量化的、讲的是硬道理。而物理数学方程的来源,往往是直觉与灵感。牛顿一个 F = ma 使人类走向了现代科技文明,但牛顿并不能告诉我们为什么 F=ma,牛顿也不能告诉我们这个质量从何而来,为什么物体有质量。 他只是说你用F=ma去试试,屡试不爽。果然,无论是地上、还是天上、还是星球的运动用F=ma都能搞定。用F=ma加上牛顿万有引力,我们可以计算月球、太阳产生的潮汐高度。 物理学经过300多年的发展,我们现在搞懂了的事情已经很多了。其中一件事情就是质量来自粒子与希格斯场的耦合。 去年希格斯粒子被CERN找到的新闻出来后,我在珍珠湾写了篇《 科普上帝粒子 》(参见: 科学网发表 ,《 中国科学报 》)。 那篇文章除了科普之外,主要说明了一个问题(也是纠正一个常见错误概念): 【 很多人在提到HIGGS机制的时候,喜欢使用对称自发破缺的说法,其实这是一个用词的谬误。实际上,HIGGS机制恰恰维持了YANG-MILLS规范场的局域不变性(local gauge invariance)。也就是说,规范不变才是王道 。】那篇文章也纠正了网上某些民科的概念错误,以为YANG-MILLS场必须对称破却才能有物理,我在文字指出夸克相互作用的SU(3)规范场就没有破却,而是精确的杨-米尔斯,强相互作用的短距离不是因为波色子获得质量,而是因为所谓夸克囚禁。 希格斯机制与YANG-MILLS场结合,被成功运用于粒子物理量子场论的标准模型中的弱电理论部分(如前所述强相互作用是精确的YANG-MILLS),但是如果你去看希格斯当年的论文 ( PhysRevLett.13.508.pdf ) ,你会发现他根本没有提到YANG-MILLS。为什么?因为HIGGS只是举了一个最简单的U(1)规范场(也就是电磁场)作为例子,虽然是讨论量子场,但其方程全部是经典的。希格斯的论文只有一页半,其中数学公式极为简单(见文末)。 但这个简单的数学展示了一个魔术:开始我们有一个完全独立的质量为0的矢量场与一个真空期待值不为0的标量场,这两者是彼此独立的,这个没意见吧(论文中方程1);但玩一玩之后,发现矢量场获得了质量(方程4)。 而且类似的机制在超导现象、等离子体物理里已经出现过了,可以说HIGGS是突然灵感发现,将全局的规范不变改为局域的规范不变,用最简单的一个例子说明了这个波色子获得质量的机制。 有了这个大的概念突破,其他人就可以把这个方法运用到复杂得多的SU(2)xU(1) YANG-MILLS 场了。此后,粒子物理的高速发展使我们陷入了一个困境:理论已经远远领先于实验,实验总是验证了理论,而现有的技术手段(如能量)无法达到理论的极限。 现在希格斯场的存在似乎已经被实验验证了,但是接下来的问题是:希格斯场又是怎么来的? 每当科学遇到这样的问题,总是再次给宗教发挥的空间。
个人分类: 科普|8559 次阅读|0 个评论
分享 关于走路和跑步问题的完整物理学分析
热度 4 虎老 2013-9-27 05:04
老黑鱼 : 作为学术界的权威,本鱼还是要指出小岳的另外一个问题,图画的太糟糕了,没有搞学科的天赋,哈哈哈 (9-27 04:24) 回复 虎老 : 小岳第一步的模型是不完整的。所以结论也是错的。在接下来的讨论中,两个人又在故弄虚悬,扯不清。很明显,谁也没有把握。很多时间过去了,我至今没有看到能让我接受的完整和系统的物理分析。作为物理学博士,小岳其分析问题的能力和科普精神,让我很失望。 (9-27 04:49) 回复 删除 岳东晓 : 我都已经把答案写出来了,你还没有搞懂这个初中物理问题,所以你智商不够,不足以学物理。 我给出下述标准答案。 通过仔细阅读整个教程,我发觉,北大物理学学士兼美国的物理学博士,水平比不上德国研究体育的本科生水平。 http://wiki.ifs-tud.de/biomechanik 。。。。。。 http://wiki.ifs-tud.de/adp_laufrobotik/adp_2012_ws_group2/laufmodelle http://wiki.ifs-tud.de/adp_laufrobotik/adp_2012_ws_group2/laufmodelle/bewegungsgleichung http://wiki.ifs-tud.de/adp_laufrobotik/adp_2012_ws_group2/laufmodelle/subsysteme http://wiki.ifs-tud.de/adp_laufrobotik/adp_2012_ws_group2/laufmodelle/laufen http://wiki.ifs-tud.de/adp_laufrobotik/adp_2012_ws_group2/laufmodelle/gehen http://wiki.ifs-tud.de/adp_laufrobotik/adp_2012_ws_group2/laufmodelle/laufen_seriell http://wiki.ifs-tud.de/adp_laufrobotik/adp_2012_ws_group2/laufmodelle/laufen_seriell 。。。。。。。。。
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