物理学的前世今生.docx
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物理学的前世今生
物理学的前世今生
很早以前就想写一篇关于物理学的文章了。
虽然没什么研究资历,但是各种高质量的papper以及各位大师的专业著作看了不少,同时营养价值不高的快餐文(知乎里一些PHD的文章)也看了一箩筐,导致自己脑袋里总是有一些不错的小想法。
一方面为了整理思路,一方面为了给以后看到这篇文章的自己一些启发,我决定把这些不错的小想法写出来。
物理学是很美的,就好像feyman说的那样,每堂课我都迫不及待的想要跟我的学生解释物理学究竟有多美。
当你深入其中去研究去观察的时候,你就会被物理学的美所折服。
我并不打算提到物理学中一些具体的细节,那会牵扯出太多的专业内容,一发不可收拾。
这篇文章将仅对物理学中广泛应用的思维模式与思想方法进行阐述,这样的内容对研究任何学科的人都是有帮助的。
这也是凝聚了人类几代物理学家的思想精华之所在,与君共勉。
物理学的起源即西方自然科学的起源,随着哲学的高度发展,人类的思维模式逐渐成熟,思考的内容便逐渐从假大空的哲学转向更复杂更实际的自然科学。
那时应该叫做自然哲学(NatrualPhilosophy)。
至今为止自然科学与哲学类的博士学位称号依然叫做PHD(DoctorDegreeofPhilosophy),其保留了哲学的称号,寓意为自然科学脱胎于哲学,并且是哲学的升华。
之前有个说法说很多物理学大师攀登物理学的大山,当他们历尽千辛到达山顶时发现哲学大师已在那里等候多时了。
这个说法就很愚昧无知了。
哲学与自然科学都是人类思想的产物,但是不同的发展阶段。
哲学式思维较为早期,很不成熟,是对物质世界及人类自身的一种宽泛的认知。
而自然科学则是更加具体更加深刻的认知物质世界的结构及其运作方式。
正因为哲学思维的宽泛性特点,导致了把它放在任何一个自然科学领域都是适用的,但却又不能解决任何问题。
这是它幼年期不成熟性的表现,并不是优越性。
哲学能够存活至今是因为一些极其主观的思维领域自然科学还未涉足,或者说很难涉足。
但不可否认哲学与自然科学有着纠缠不清的渊源,也是相辅相成的。
自然科学早期基本上是欧洲贵族的娱乐,因为他基本上除了帮助人们认识物质世界的构成与规律外几乎看不到什么用处,而在那一时期真正推动人类社会进步的是技术。
说到科学与技术的关系不得不说说西方与东方在思维模式上的区别。
科学研究起源与一种精神,叫做求甚解。
欧洲人在认识世界的过程中为了更好的理解世界于是发明了数学工具,并从表面现象不断深入逐步挖掘深埋着的科学规律。
而我们中国人的祖先则缺少这样一种求甚解的精神,所以自然科学并没有在古代中国盛行。
但反观之古代中国的技术水平又如何呢?
说出来你可能不信,吊打欧洲上千年,直到第一次工业革命后科学与技术相结合的力量爆发了出来,欧洲人自己都被这种可怕的催化反应给吓到了,科学是技术最高效的催化剂,从此便有了科技这个词。
所以说中国自古科技落后只对了一半,中国古代是科学落后,但技术可是很强的。
欧洲人还在沙滩上玩沙子的时候我们郑和浩浩荡荡的船队就开到他们家门口去了。
中国人发现了地磁现象,立马将其应用制造出来了指南针,但并没有深入的去研究磁现象的本质从而建立起磁学。
这个简单的例子就可以看出中国人的思维模式里缺乏求甚解的精神,但同时也具有另一种智慧,就称之为“化腐朽为传奇”吧。
马云就能抓住商机把传统商务模式彻底颠覆掉,中国各大学的教授们就很会灌水很会发文章。
我们祖先的思维模式至今依旧深入骨髓,流淌在我们的血液里。
中国人喜欢直接创造价值的东西,不喜欢深入研究不能直接创造价值的基础科学。
所以时至今日西方科学文明传入中国一百多年了,我们依旧没有掌握科学的精髓。
反观隔壁的日本,日本几乎同一时期引进了西方科学文明,但经历了一百多年的发展日本的科学水平已经有了很大的进步,甚至于在近现代物理学中有不少日本科学家都留下了自己的名字。
所以我觉得中国的路还很长很长,不要被表面的繁荣所蒙蔽,第一次工业革命已经把我们教训的够惨了,科学对技术的催化作用是不可估量的,随着科学的发展,这种催化效果将是爆炸式增长的。
求甚解作为西方科学文明的思想精髓一直主导的科学研究的进程,所以就有很多PHD调侃说,那些伟大的科学家们都是在满足自己对于自然规律的好奇心之余,顺手拯救一下世界。
有了求甚解的精神,还要有正确的思维模式才能更加精准的解读自然界的规律。
物理学研究一直有着两种重要的主导思想,还原论思想和衍生论或称唯象论思想。
还原论的思想是,如果要认清一种物质就要将它还原到分子、原子、电子、原子核,探究其本质,研究构成它的基本单元是什么,它们服从怎样的基本物理规律,物理学家们认为掌握了最根本的结构与规律就可以顺利的解释由基本组成的物质的结构与规律。
在一定程度上还原论帮助我们认识了物质世界的基本组成及基本规律,但随着研究对象的复杂化,还原论也逐渐失效。
就好像高中生都清楚,牛顿力学理论上讲可以计算任何宏观物体的刚性机械运动,但在研究实际问题的过程中,牛顿力学连三体问题的计算都力不从心。
因此就需要唯象论来弥补还原论的这一不足。
唯象论是基于现象的理论,也可以说是物理现象的总结与提炼。
比如开普勒三定律便是典型的唯象论。
其实支配天体运动的基本规律是万有引力定律,但开普勒并没有用万有引力定律去计算天体的轨迹,而是通过观察天体运动的现象总结提炼出了开普勒三定律。
因为唯象论是基于现象的理论,所以它不具备解释现象内部机理的能力,但仍然是有效的理论,并且具有可扩展性。
对于更大更复杂的系统开普勒三定律依旧是适用的。
随着自然科学的发展科学家们开始认识到科学的局限性,并提出了有效理论的概念,每一种理论在一定的范围里是有效的理论,在范围之外就需要别的理论来填补空白了。
于是就有了物理、化学、生理等各个学科门类百花齐放的画面。
直到1900年以前,各个学科相安无事,经典物理学也算是基本完备,尤其是在前不久由maxwell提出的maxwellequation近乎完美的总结了经典电磁学数百年来的成果。
正当物理学家们沾沾自喜的时候,被誉为德国近代科学之父的maxplanck做了一个关于光的实验,那个时候物理学界已经普遍认为光是一种电磁波了,maxwell的电磁学理论却解释不了planck实验的现象,实验现象表明光似乎是某种携带者一份一份能量的物质,而这一份能量的多少又与光的波长密切相关。
Planck在他的论文里第一次使用了quanta这个词来解释这种奇怪的现象。
后来爱因斯坦看到后灵光一闪立马做了一个有效的验证实验,证明了planck的猜想也许是对的,并在他的论文中正式的使用了quantam这个词,由此拉开了quantammechanics百年恩怨情仇的大幕。
为什么说恩怨情仇呢,量子力学史比我看过的任何宫斗剧的剧情都要精彩,好吧虽然我也没看过几部宫斗剧。
主角:
bohr(玻尔)、einstein(爱因斯坦)、schr?
dinger(薛定谔)、draic(狄拉克)配角:
heisenberg(海森堡)、debroglie(德布罗意)、pauli(泡利)planck(普朗克)等。
1897年的时候rutherford在英国发现了电子,1900年后随着实验手段的进步,物理学家们开始能够观测到微观粒子的一些行为了,于是他们设计了一系列巧妙的实验来观测研究微观粒子的行为。
物理学对电子这种微观粒子的研究是最广泛的,因为电子是独立在原子核之外的,并且极易受到电场或磁场的操控在物质内部运动甚至是脱离物质,所以基于对电子一些基本规律的研究发展起来了量子力学,而基于对电子在各种不同固体材料中的规律研究发展起来了凝聚态物理(关于凝聚态后面会详细说)。
随着quantam理论的提出,物理学界又一位天才,debroglie,他又提出了电子其实是相位波或者叫物质波,并以此作为了他的学位论文。
随后schr?
dinger纯属瞎猫碰到死耗子,他想到电子既然是波那肯定能波动吧,于是就参照max
well的经典波动方程也写了一个电子的波动方程,但实际上他自己都不知道他写的是啥,讽刺的是这就是量子力学最最核心的方程,薛定谔方程。
薛定谔方程的解释是印度物理学家bose给出的,也就是著名的概率学诠释。
bose指出电子的波是概率波,表达了电子出现在任意位置任意时刻的概率。
为了验证概率波的说法,海森堡等人做了大量的实验,实验结果匪夷所思。
海森堡发现原子核周围的电子无时无刻不以概率波的形式存在,只有当你观测它时,它才会以一定的概率出现在某个确定的位置,并且出现在各个位置的概率正如波函数描述的一样。
因此就有了一个叫做superposition的概念,就是量子叠加态。
电子始终处在各种状态叠加起来的量子叠加态上,当它与其他的微观粒子比如光子发生相互作用时它的量子态才会塌缩到一个确定的经典态上去。
这是完全颠覆经典理论的新理论,因此物理学家们都十分谨慎生怕出错。
在经典物理中只要直到一个物体的位置、速度与加速度就可以精确的描述物体任意时刻的运动状态,而在量子理论中想要描述一个电子的运动状态是不可能的,只能通过波函数来描述电子任意时刻处在各个位置的概率。
这就让人头疼了,planck开始怀疑自己是不是当初提出了一个错误的假说,而einstein则强硬的表示上帝不玩色子。
Einstein的意思是说量子力学用概率来描述电子的行为是因为还没有认识到支配电子行为的根本理论,也就是说他认为量子理论是典型的唯象论而不是还原论,这个过程中存在着我们还不知道的隐变量,导致了电子行为的不可预测性。
就像扔色子,其实色子的运动是典型的宏观物体的经典机械运动,理论上讲完全可以用经典力学计算出色子扔出后哪一面是朝上的,但是由于这个过程太过复杂,其中存在太多的隐变量,比如色子扔出的姿态,风阻的影响,接触面的各种影响等等这一系列的隐变量导致了我们不能计算出色子落地时哪个面朝上,因此我们把色子的规律总结为每个面朝上的概率喂六分之一。
显然einstein认为量子力学描述的问题和色子问题时类似的,电子一定受着某种还不知道的基本的规律的支配,人类无法预测电子的行为至少上帝能够预测,所以他说上帝不玩色子。
那么伟大的物理学家bohr就不干了,他坚信量子力学是还原论,量子力学所描述的现象是电子最基本的行为现象,这其中并不包含任何隐变量。
bohr为什么这么自信,因为他根据波函数的概率诠释,把自由电子的波函数放进一个球形势场中即模拟电子被原子核束缚的情况,结果惊人的发现波函数受球形势场作用导致电子的能量只能去离散值。
起初bohr还以为自己错了,立马做了氢原子能谱的实验,因为氢原子只有一个核外电子,他发现实验结果和他计算的非常吻合,氢原子电子的能量确实是离散的。
然后bohr就提出了原子能级理论和著名的氢原子模型。
量子力学核心理论的正确定是对他模型的有利支撑,由此,bohr和einstein就开始了他们长达数十年的唇枪舌战。
然而einstein的语言表达能力真的是。
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可以说每次辩论都是被bohr说的毫无还口之力,但那个时候物理学界对他们两派人的观点都持怀疑态度。
渐渐的物理学家们也就不再去讨论这个问题了,关于量子力学到底是还原论还是唯象论的问题就被暂时束之高阁了。
因为不管是唯象论还是还原论,量子力学在比电子尺度更大更复杂的系统中总是有效的,它是一个绝对有效的理论,这一点已经被无数物理学家们证实过了,所以并不存在错的可能性。
一直到上世纪末,jhonbell,一个英国物理学家提出了一个统计学不等式,用于验证量子力学究竟有没有隐变量,就是著名的bellthegreetlaw,对,贝尔大定理。
这个实验由数百名物理学家共同完成,结果表明bell给出的不等式并不成立,也就是说量子力学所描述的过程完全不存在隐变量。
争吵了近一百年的问题,终于在bohr和einstein死了很多年后盖棺定论了,einstein终究还是错了。
然而量子力学研究的对象是远离我们的生活的,因此产生的成果也不能直接应用。
我相信日常生活中不会遇到和电子握手和电子玩捉迷藏这样的诡异剧情,虽然schr?
dinger宣称电子会思考。
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真是细思极恐,那个年代物理学家脑洞都这么大吗,不过脑洞不大也不可能创造出quantammechanics这么漂亮的理论来。
所以研究清楚了电子的行为,建立起了量子力学,物理学家们并没有松懈,紧接着他们有兵分两路继续前进了。
一部分坚持还原论的人觉得原子核好像不错,玩完了电子原子核是不是也可以打开玩玩~这一玩就不得了了,玩出来了个高能物理。
另一部分人觉得玩这么几个电子没意思,还是在真空仪器中玩,不如直接把他放到固体中玩,这就更好玩了,于是这帮人就玩出了凝聚态物理。
因我是学凝聚态的,所以高能就简单的谈一下。
高能物理也叫粒子物理,但它为什么叫高能呢?
物理学中有一个能标的概念,是指所研究的对象的能量。
而粒子物理研究的对象是在原子核里面的各种亚原子粒子,要研究它们首先得得到它们,所以粒子物理研究最关键的一步就是撞,通过高能碰撞把原子核装碎,把里面的粒子撞出来好拿来玩,高能物理由此得名。
高能物理研究的是少数微观粒子在高速(接近光速)高能状态下的各种碰撞效应,因此针对单个电子的量子力学显得力不从心,使得量子场论发展了起来,对于高速电子则不再服从薛定谔方程,需要考虑相对论效应,服从狄拉克方程。
draic那一把拿了个预言家,他写完方程就开始语言了,根据狄拉克方程推导出了电子的质量和能量分别都能取正和负,排列组合一下就是四种。
质量能量都正的就是常见的电子,质量正能量负的是带正电的正电子,另外两种质量为负的对偶情况是电子和正电子的反粒子,draic说每种基本粒子都有它的反粒子,粒子与反粒子相遇时就会发生泯灭。
后来正电子真的被发现了。
证明狄拉克果然不是狼人装的预言家,看来反粒子的发现也指日可待了。
draic在提出反粒子理论的时候顺口说过一句,会不会有一种粒子它的反粒子是它本身呢?
如果有的话那一定是天使了。
后来意大利物理学家正式将这种粒子命名为Majoranafermion,也就是所谓的“天使例子”。
这个和前不久很多的张守诚团队发现的那个“天使粒子”是完全不同的,Majoranafermion是实实在在的粒子,而张发现的那个是一种准粒子,是一种数学模型,类似于固体物理中的声子。
学过固体的应该立马懂了,声子是处理电子与晶格振动相互作用时的一种数学简化,因为电子与晶格振动相互作用时总是类似于在与一种携带一份能量的粒子作用具有相同的效果,因此把它抽象成那一份能量的载体,即声子。
“天使粒子”也是一种作用机制的抽象模型罢了,并不是dirac提到的那个“天使粒子“真的被发现了。
基于狄拉克方程的相对论量子力学发展起来后,相对论的量子场论也很快发展了起来,随后杨振宁提出著名的yang-millsfiledmodel是高能物理的重要基石,在杨的基础上weinberg进一步提出了高能物理的standardmodel成为了高能物理的核心理论,也成功的统一了弱相互作用力和电磁力。
2003年的时候日本物理学家南部阳一郎发现pi介子得了nobelprize,他后来提出了著名的基本粒子论,认为物质是由强作用粒子,轻作用粒子和传播粒子三类构成的,后来这三类基本粒子都相继被发现。
南部提出基本粒子论的意图在于阻止还原论误入歧途。
但是总有一些高智商的蠢货你拦也拦不住,这群人还要问那比这些基本粒子更小的东西是什么呢?
于是这群人搞出了弦理论,超弦理论和P膜理论。
其实不管从哪个角度讲还原到这个程度的物理已经不能称为物理了,弦理论虽然从数学形式上统一了强弱电三种力,但并不意味这三种力可以随意转换了。
物质世界的发展规律是不可逆的,从数学上把它还原到宇宙诞生之初的前三秒钟那仅仅是数学,物理上是无法验证的,不能被实验证实的理论是不能作为有效理论来看待的。
这也是为什么弦理论伟大到完成了三种力的统一也没有给他nobelprize。
再来说说另一个分支,凝聚态。
凝聚态研究的对象就是我们最熟悉不过的由原子分子凝聚而成的各种物质,其中最主要的是对原子周期性规则排列的晶体系统的研究。
物质由原子构成,原子间发生化学键合即电子云交叠电子轨道杂化形成稳固的结构,而固体的大多数人们关心的性质,如导电性,导热性,磁性质等都是由电子云交叠情况的不同而决定的,因此研究固体即是研究电子群在固体系统中的行为。
这个研究对象比起量子力学早起研究极少数电子在真空中的行为要复杂的多了,凝聚态领域的物理学家们起初依旧试图用还原论的思想来研究固体系统。
于是就有了解晶体中电子的薛定谔方程的变态想法,但是后来物理学家们发现八个碳原子构成的金刚石晶体中电子的薛定谔方程需要用最先进的计算机计算上百亿年的时候果断放弃了。
这个时候瑞士又一位伟大的物理学家FelixBloch通过观察电子在晶体中的哈密顿量:
电子与晶格的互作用,电子间的互作用,电子与声子的互作用,他发现后两项都是算不出来的,所以的的处理方法是算不出来的就扔掉。
于是他大胆的将真空中自由电子的波函数即平面波扔进晶体的周期势场中去就得到了著名的blochelectron,这样一来电子的波函数不再是稳幅平面波,而变成了振幅被周期性调制的平面波,即称为blochwave。
起初大家都觉得bloch简直太sb了,那么重要的两项他竟然就直接扔掉了,还指望他的波函数是对的,但尴尬的是blochwave的确是对的。
Bloch的伟大不在于他随随便便就把不会算的两项扔掉,而在于他这么一简化,我们就要重新考虑电子在固体中的物理图像了。
没错,在晶体中电子间互作用与电子声子互作用确实可以忽略,这类系统成为弱关联系统,也是凝聚态物理研究最成功的一类系统。
这就像feyman在书中写到的那样,物理学家做看似合理的近似,伟大的物理学家做看似不合理的近似。
这样的成功需要敏锐的物理直觉和优秀的数学技巧,数学技巧是好培养,但物理直觉是没办法培养的,这就是天赋,所以只有极少数人能够成为伟大的物理学家。
有了Bloch的成功,物理学家们也开始找到了敲门,针对固体系统这个大量粒子构成的复杂体系,回避复杂的计算转而研究复杂系统中所表现出来的简单规律,之后在Bloch的基础上通过运用量子力学中的微扰理论成功的得到了energyband
theory,这是凝聚态物理的三大核心支柱之一,energybandtheory非常成功的解释了晶体的各种电磁学现象以及热现象。
不过energyband的有效性也是有范围的,在低温超导,高温超导以及铁基超导领域则不再起作用,低温超导最终由BCS理论被勉强解释,而高温超导与铁基超导至今依旧没有有效的理论可以解释。
另外在过渡金属氧化物系统中,由于电子间互作用不可忽略,即强关联系统的作用,energyband也会失效,以及在各种非晶态,玻璃态甚至更复杂的固体结构中energy
band都不是有效的理论。
而我所参加的reserchteam是做拓扑材料与自旋电子学基础理论研究的,作为新型量子运输器件与量子计算机的基础十分重要。
而固体中电子自选的理论解释还很不完善,由于凝聚态中费米子的场论还发展的不够好,因此电子在固体中的自选状态还没有得到很好的解读。
所以在凝聚态领域其实还有很多很多基础的工作可以去做,还有很多理论需要去建立,只是看你有没有Bloch那样敏锐的物理直觉和对抗世界的胆量。
很多人对物理有很大的误解,一个最经典的误解就是觉得物理难,因为它需要很高深的数学,不可否认物理需要比较好的数学工具,但物理绝不等同于数学。
我始终觉得物理最重要的是要建立起准确的物理图像,要清晰的刻画物理规律的细节,而不是一大堆草稿纸的演算,这大概就是高中物理老师一直强调的理解吧,当你真正理解了物理图像的时候,数学不过仅仅是工具罢了。
第二个经典的误解就是认为物理分为理论物理和实验物理,物理总是由理论和实验两部分构成的,实验的现象需要数学语言来表述,而理论的推测也需要实验的验证。
之所以有理论物理这个说法是因为那群搞弦理论的人他们把物理都搞成数学了,沉迷于大统一理论而无法自拔,即使有一天四种基本力的数学形式都被统一了,我们的世界也不会回到宇宙诞生之初的前三秒。
所谓理论物理就是一群披着物理学家外衣的数学家的自娱自乐罢了。
至于凝聚态物理的发展,显然需要超越energyband的理论被提出来,但也必然是对复杂系统中简单规律的提炼,也必然走向细分化,统一永远不是物理学的终点,因为它的终点将在势场为零处。
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