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讲点弦论历史|No.19


不在家好好看奥运

居然点进来看弦论

我欣赏你!

╰( ̄▽ ̄)╮


1
Q


双彩虹是怎么形成的

行者 

A

上一期科普了彩虹的光学原理,这个问题来得正好。所谓的双彩虹其实是虹和霓,虹在内圈比较明显,霓在外圈颜色较淡。


它们产生的原理是相似的,都是小水珠反射身后的阳光,加上阳光从空气射入水中从水中射入空气有折射,折射角随频率也就是颜色不同而不同产生的。

找到一个很棒的图示:


左上是霓,右上是虹。可以看到霓和虹的唯一区别就是霓的光路在小水珠多一次反射,这就是为什么霓的颜色更淡。同时仔细观察,多的这次反射也导致了霓的颜色的顺序与虹是相反的。



2
Q

我想知道如何高(zhuang)端(bi)的用物理撩妹or撩汉

12345

A

等你真的把物理学进去了并开始欣赏里头的一些思想时,你就会发现:这些感受很难说出来,很难与人分享了,很少能与人共鸣。这东西就跟做梦一样绝大多数时候只能是一个人体会。所以其实物理可能是一个会让人稍微孤独一点点的学科。不过适当的孤独不见得是坏事。

当然如果你不甘心,一定要用物理来强行撩妹/撩汉,相信我,你会变得更孤独。(思考题:小编是怎么知道的?)


3
Q

風之所以會流動是因為溫度差異、氣壓差異的關係而產生流動和循環,水銀氣壓計頂部的真空負壓和外部的大氣壓力的差異也是反差很大,是否有辦法從這個壓力差異中去提取能源(電力)?如果有的話,再生能源就不用看天吃飯了。

匿名

A

已经开始利用了呀,风力发电机啊,潮汐发电站啊不就是利用的这些能源嘛,不过目前看来,再生能源并不能做到完全不看天和不污染(主要是在装置的生产环节)。而目前最干净最清洁的能源其实恰恰是核能,然而这个舆论又压力山大。(就像飞机明明比汽车安全得多得多,但空难还是最容易拨动人们的神经。)



4
Q

围棋的棋局的变化数比已知宇宙的原子数还多?

沉默是金 

A

不只是多,是多得多得多得多…….标准围棋是19*19的棋盘,总共361个落子点,每个点有放白子,放黑子和不放子三种状态。那么棋盘总共就有3的361次方种状态,大约折合10的172次方。宇宙中已知的原子数大约是10的80次方。所以这不是多的问题,假如把很多宇宙加起来让这一堆宇宙的原子总数等于围棋的变化,那么光是这堆宇宙的数量都要比一个宇宙中的原子数量还多。



5
Q

当两个粒子以相对速度为超光速相撞时会发生什么,例如一个电子和一个质子,速度都为0.75倍光速,当它们发生对心碰撞时会发生什么,根据爱因斯坦的相对论,时间会倒流,质量会变成负数,尺寸会变成负数,这成立吗?

Lucky 

A

爱因斯坦不背这个锅= 。=  一个电子相对于你的速度是0.75c,一个质子相对于你的速度是0.75c,并且方向与电子相反,那么电子相对于质子的速度是多少呢?1.5c? 错咯,正确答案是0.96c。牛顿体系的简单速度叠加原理(伽利略变换)并不能简单地推广到相对论情况哦。这里要用洛伦兹变换。你想撒,参考系一变,长度也变了,时间也变了,咋好意思就直接把速度加起来呐。至于问题中的撞到一起会发生什么,0.75c的质子对应的能标是几百个兆电子伏。所有这就是一个典型的核物理的过程,多半是释放出伽马射线把能量辐射出来。



6
Q

处于量子纠缠态的粒子之间除了可以在瞬间传递自旋信息外,能不能传递能量?

666

A

量子纠缠态是不能传递信息的,更不必说能量了。纠缠态能够瞬时改变的是波函数的状态。这是两个概念。

比如有两个处于纠缠态的粒子,一个在地球上,一个在天狼星上,两个粒子都可能自旋向上或者自旋向下,但两个粒子的总自旋一定为零。如果我们通过测量发现地球上的那个粒子有向上的自旋,那么有些说法会说,这时候天狼星上的那个粒子的波函数瞬间从即可以向上又可以向下的状态变成了只能向下的状态。

这个过程叫做波函数的坍缩。

但是请千万注意,波函数本身并不能直接被测量(它的模方才行。),所以它并不直接对应一个物理实在。因此它的坍缩并不是那种真有什么可观测物体“轰的一下垮掉”的过程。说得准确一点就是,不会产生任何可观测的效应。不能产生可观测效应,那么很自然的,就不能传递信息,于是也不违背相对论的限制(信息传播速度不能超光速)。

再说清楚一些~信息到底是什么?信息就是一种能够把一个大集合映射到一个小集合的有用的“知识”。比如“物理所在保福寺桥”这句话就是信息,因为它把物理所从宇宙任何地方映射到了保福寺桥。再比如“比赛赢了”也是信息,因为把“输/赢”映射到了“赢”。

这样我们就来看下纠缠态为什么不能传递信息,比如小编我坐在天狼星想知道奥运会中国赢没赢。心想隔着几光年呢,只能用量子纠缠看转播了。我跟地球那边之前约定好,我测到自旋向上就表示赢了,自旋向下就表示输了。既然波函数是瞬时坍缩的,我测一下我的自旋不就立刻知道输赢了嘛。但问题是,地球那边并不能调控自旋是向上还是向下呢。地球那边测到什么自旋的完全随机的,而且这个随机性是量子力学自带的,没有任何办法消除掉。所以虽然有约在先,但地球那边并不能操纵自旋的观测结果,所以我在天狼星上测到的自旋朝向并不能缩小“输/赢”这个集合,没有任何信息。只能乖乖等八九年后光线传过来咯~


(最后再说一点,虽然波函数不对应真实物理,但纠缠效应确是客观存在的。这个有贝尔不等式做证明。正好有提问,这个答案写得太长了,下期问答小编科普贝尔不等式吧)



7
Q

超弦理论和量子力学,怎么科普一下他们的关系?及对我们未来的影响?谢谢

午后阳光 

A

简单讲一下量子力学到弦论的历史,弦论不是特别了解,欢迎勘误。

上个世纪二三十年代,量子力学的理论大厦大体建立完成。这时候人们自然想把量子力学跟同时期的相对论这两个新科学结合起来。摘得皇冠的人是狄拉克,他写出了著名的狄拉克方程,将量子力学与狭义相对论结合起来,成功预言了反物质。但狄拉克方程并不完美,比如它没有基态,有无穷多的负能量态。这样它就没有办法用来描述玻色子(因为玻色子不像费米子那样会排斥,玻色子带入狄拉克方程会掉入无尽的负能量态中的。)

不过费曼,朝永振一郎等人接过了狄拉克的接力棒。发展出QED(量子电动力学),非常非常精确的描述了带电粒子与光子的相互作用。量子场论的框架基本建立起来。不过彼时人们还不知道怎么解释原子核内部的强弱相互作用力。

到六十年代末,日本,意大利,芝加哥的一堆脑洞比较大的物理学家发现,用一条弦一样的东西似乎可以解释强相互作用诶!但可惜这是不对的,后来QCD(量子色动力学)出来完美解释强相互作用,弦论瞬间就挂了。QCD是QED以外的另一种量子场论,彼时量子场论独霸武林。然而量子场论也并不是没有要害的,比如说,它没有办法把引力(广义相对论)纳入到它的理论中。比如说它没有办法解释特别特别小的宇宙学常数。

而这两个问题在坐了十几二十年冷板凳的弦论中居然看到了一丝解决的苗头。七十年代的时候,一帮弦论家发现,和那些妖艳的量子场论不同,弦论可以非常清新自然的得到自旋为2的玻色子,而这个就是引力子!另一边,一堆人试图用超对称理论来解释宇宙学常数极小的问题,而超对称与弦论在八十年代又结合成为了超弦理论。

这样关注弦论的人多了起来。很快,第一次弦论革命爆发了。1984,史瓦兹和格林发现了一种SO(32)对称性。感觉就像找到了本武功秘籍一样。弦论瞬间不再是一门潜在的量子引力理论了,它成了万物理论的候选者!一种一统江湖的意思。

但是有个bug,当年的弦论总共有五个版本,各不相同。你想象一下,有五个人跑过来给你说:“虽然我们五兄弟性格各异,但我们每个人都是天下第一。” 你服不服?

不过好在1991年第二次弦论革命爆发了,一个比弦论还要bug的叫witten的男人跳出来说,其实还有第六个隐藏的弦论,而且六个弦论都可以结合成为同一个理论。一股葫芦娃的概念有没有?还有一个隐藏的六娃?还可以结合起来成为葫芦小金刚...啊不...结合起来形成M理论。


写了好长...所以回过头来,弦论是量子力学的一个自然延续,而且还会接着延续下去(比如最近的AdS/CFT啊,全息理论啊),毕竟,物理学的思想是连续流淌的。




写下您的问题,下周五同一时间哦~

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