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读书随笔:理查德·费曼传(5-2)

(这篇有点理科硬)

果然,严厉的泡利质疑了费曼关于时间反向的想法,纯粹只是为了数学上的方便,可能无法检测;而爱因斯坦则很赞同费曼的想法。可见爱因斯坦也是个理论构想狂。

此时,费曼对于带电粒子运动最大的障碍,在于他放弃了电磁场,把作用力打散为单个粒子,让他失去了以场作为一种“积分”工具的便利——量子力学虽然奇特,但也依然秉承了传统物理学的基本方法论——要确知一个系统的各种状态,然后才能预测下一步的状态,量子力学只不过是把传统物理学对某个系统状态的一组确定参数,变成了一堆概率,还是矩阵概率

费曼放弃了场,就要面临大量粒子的各种能量状态如何相互作用,从而形成粒子运动轨迹这个计算量巨大的问题。这个时候,他还没有想起高中的巴德老师启发过他的——最小作用量原理。

这正是上世纪40年代初,二战正在紧要关头。即便是美国这样相对开放的国度,在罗斯福的治理之下,也产生了政治上的狂飙——各个领域反犹主义盛行。

费曼是犹太人,这也是为什么他的父亲作为一个普通工人会有那样奇特的教育思维,父亲对于儿子远赴普林斯顿求学非常担心。不过好在普林斯顿作为当时世界最顶尖的研究机构,仍然能够由教授说了算,政治狂飙在这里被降到了最低。

费曼之所以能跟随惠勒做研究,也是因为惠勒本人是一个犹太同情人士。

再跳出来看量子力学。

有关的深入阐述,敝号已在诸多科普随笔中谈过了,这里不赘述。

简单来说,量子力学之迥异于经典力学的地方有两处,也是微观粒子行为与宏观物质运动行为不同的两处:

其一是量子叠加状态。即同一个粒子可以同时处于不同的位置,还可以同时在不同的位置处于不同的状态,就像同一个人可以分身同时出现在两地,而且分别以王子和乞丐的身份出现一样,可这已经为实验所证实。

其二是测不准原理。即经典力学的精准性在微观粒子身上无法体现,你无法同时确定一个粒子的动量(能量)和位置,也就是说,你测准了粒子的动量和速度,那么你就无法确定它的位置,反过来也一样。

在数学上,就是位置的不确定性与动量的不确定性之积总是不能抵消,不为零,永远不会低于一个特定的数——普朗克常数,也就是量子世界中最小的量——也许就是世界的尽头

解决叠加状态量化描述的经典之作,是薛定谔的波动力学方程,薛定谔用波函数来模拟粒子的波粒二象性,用一组概率来替代精确的参数,得到了量子力学中最重要的描述粒子行为的量化方程。

薛定谔是在瑞士山中一处小木屋里关了两周想出这一出的,而且貌似他还同时在与两个女人幽会——这行为也够量子力学的

最有趣的是,粒子的轨迹和状态,是概率,这个概率结果,来源于波函数,而且还是波函数的平方!谁也无法解释这是怎么回事,不过薛定谔方程能够得出可经检测的结果。

奇特的就在于这个平方。这里稍微深入描述一下。

首先解释一下叠加状态是怎么被实验验证的。其实就是通过托马斯·杨的双缝实验,我们中学时期都做过的。一把电子枪发射电子,通过双缝,打到终点的屏幕上。

实验是这么做的——首先,我们不去管那个双缝(就是不去观测电子会从哪条缝里穿过),只看屏幕的结果,让电子枪只发射一个电子

你猜发生了什么?

最让人惊讶的事情就是,屏幕上显示的居然是干涉条纹!而不是人们设想的一个点。

也就是说,这一个电子居然是自己跟自己发生了干涉,也就是说,它同时穿过了那两道缝How could that be!

只有用薛定谔的波函数能解释——电子在没有被观测的时候,处于一个叠加状态,它确实分身了,既在这条缝,也在那条缝

接着,人们又在双缝中的一条缝那里安装了检测器,一旦探测到电子经过,就会给出信号。这时结果就成了人们预想的,一旦我们知道电子是从哪条缝穿过去的,那么屏幕就会显示出一个点——典型的粒子行为

也就是说,人类的观测行为,会对微观粒子的行为产生影响。这可是扎扎实实的实验证明。

为了更深入揭示波函数方程的威力,我们再举个例子。

一个人要从A地,经过B地,到达C地。如果从AB有很多条路,从BC也有很多条路,如图所示:

这个人选择从AB的某条路径概率是P(AB),从BC的路径概率是P(BC),那么,从AC的选择其中一条路径的概率就是P(ABC)=P(AB)×P(BC)

当我们不去管到底B地发生了什么,在哪里,只看A和结果C,那么从AC的概率P(AC)就应该是从AC途径任意B点的概率P(ABC)之和。对吧?

问题就在于波函数里,决定总概率的是各部分路径概率振幅的乘积,而不是各部分概率的乘积。而且还有个平方

所以,我们考虑P(AC)时,其实是对P(AB)+P(BC)求平方,而我们考虑P(ABC)(也就是观察粒子在B地的行为时),则变成了P(AB)P(BC)各自平方后求和!

两个数的平方和与两个数的和的平方,不是一回事,所以,波函数就给出了两个不同的概率,对应两个状态——我们是观测还是不观测

看起来不可思议的叠加状态,居然是可以用数学方式精确计算出来的。只不过,费曼突然间把粒子的不同路径问题,与路径的概率振幅问题联系了起来,形成了一种不同于薛定谔波函数,但结果却一致的解释框架。

这就是19411942年间费曼思考的领域。

1941年费曼被惠勒邀请参加了一场普林斯顿的啤酒聚会,聚会上结识了一个欧洲物理学家赫伯特·耶勒。耶勒问费曼在想啥问题,费曼回答自己正在找量子力学里可能的最小作用量原理。耶勒顺口就告诉费曼,其实量子力学创始人之一的保罗·狄拉克写过一篇论文,就是说这个事的

这真是一语惊醒。很多时候就是这样,其实前人,而且是著名的前人有过研究,只不过一时间被湮没在浩瀚的文献里,没有被注意到。

费曼赶紧搜来了狄拉克这篇1932年发表的论文,一看标题就惊呆了:《量子力学中的拉格朗日量》,就好像是给他订制的一样

费曼此前的想法,早已被狄拉克想到了,只不过狄拉克关注的不在此,因此只是提出了一个简要的形式体系,把经典力学中的最小作用量原理,与量子力学中波函数随时间变化原理进行了一个类比。

费曼立刻就开始验算,他的想法很简单,直接拿出一些例子,按照狄拉克说的形式去演算一遍,看是否与薛定谔方程相符就可以了。

一边的耶勒也看得目瞪口呆,然后感叹,你们美国人总是想看看什么东西有什么用处,这的确是个发现新事物的好办法

费曼发现,其实引入一个简单的比例常数,就可以把最小作用量用到波函数里,并且取得正确的结果。

其后,通过最小作用量原理,还可以更加直接地看到,当系统从微观粒子转到宏观之后,波函数的方法就直接转变成了经典力学里的最小作用量原理,可以说,波函数是最小作用量在微观世界的一个应用

费曼自己也感叹,其实狄拉克已经发现了所有的事,但他没有再进一步,有可能是他并不关注,也有可能是他并不关心这个发现有什么实际用途。

这就是欧洲学人与美国学人的差异吧,正像耶勒所说的。

就在他如痴如醉地拓展狄拉克的想法时,出大事了。

1942年某一天,一个叫罗伯特·威尔逊的讲师找到了费曼,透露给他关于洛斯阿拉莫斯正在进行的工作——曼哈顿工程。当时普林斯顿大学被分派了要从铀238中提纯铀235的项目,威尔逊希望费曼能够加入这个项目组。

费曼此时正在撰写毕业论文,希望早点毕业,就结婚。

顺带说一下,费曼一直都有一个青梅竹马的女朋友——阿琳,这是他自15岁起就认识的一个女孩,十多年来两人关系极为亲密。唯一的问题是,阿琳当时已被诊断出了肺结核,费曼的父母因为这一点不大愿意。不过费曼却始终钟情于阿琳,下定决心毕业就和阿琳结婚。

不过,曼哈顿工程能给美国带来核优势,这一点也让费曼感到激动,能够尽快结束战争是他的愿望。几经衡量之后,费曼把没写完的论文锁了起来,加入了威尔逊的团队。此时,他的导师惠勒也去了芝加哥大学,加入了费米的团队,制作人类历史上第一个核反应堆。

美国那散乱的研究力量,被战争凝聚到一起,瞬间就发挥出了比纳粹德国这样集权高效体制更强悍的研发能力

1942年年中,费曼所在团队的计算任务完成,他赶紧收拾东西开始准备他的毕业论文。在惠勒的指导下,他确定了以最小作用量为基本原理,以路径求和(也就是积分)的方式对量子力学进行重塑,以不同于薛定谔波函数的方式,描述粒子的行为

为了搞清楚粒子行为对人类观测行为的反应,他与冯诺依曼进行了深入探讨,从这位老前辈手中获取了不少有趣的资料。其实观测行为对粒子的影响,在薛定谔的波函数中也有数学描述——称之为波函数的坍塌,其他可能性概率降为0,某个可能性上升为1

不过费曼不满足这种现象级描绘,他希望能够解答清楚其原因——他始终认为,意识并没有在这其中起到任何作用,毕竟,量子世界也是物理世界,并非精神世界。

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