科學日誌(主要是物理,科普,天文)
全要說自然科學的野和個人觀點
 
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二十世紀,物理的黃金時代,上圖是二十世紀初物理巨人的群英會!我們現在的科技的基礎都是上圖人物發現!
hawking
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•第十二章 新探險
•第十一章 上帝的判決
•第十章 不等式
•第九章 測量問題
•第八章 論戰
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量子力學發展大事記
前期:
1690年,惠更斯出版《光論》,波動說被正式提出
1704年,牛頓出版《光學》,微粒說成為主導
1807年,楊整理了光方面的工作,提出了雙縫干涉實驗,波動說再一次登上舞臺
1819年,菲涅爾證明光是一種橫波
1856-1865,麥克斯韋建立電磁力學,光被解釋為電磁波的一種
1885年,巴爾末提出了氫原子光譜的經驗公式
1887年,赫茲證實了麥克斯韋電磁理論,但他同時也發現了光電效應現象
1893年,黑體輻射的威恩公式被提出
1896年,貝克勒耳發現了放射性
1896年,發現了光譜的塞曼效應
1897年,J.J.湯姆遜發現了電子
量子誔生:
1900年,普朗克提出了量子概念,以解決黑體問題
1905年,愛因斯坦提出了光量子的概念,解釋了光電效應
1910年,α粒子散射實驗
1911年,超導現象被發現
1913年,玻爾原子模型被提出
1915年,索末菲修改了玻爾模型,引入相對論,解釋了塞曼效應和斯塔克效應
1918年,玻爾的對應原理成型
1922年,斯特恩-格拉赫實驗
1923年,康普頓完成了X射線散射實驗,光的粒子性被證實
1923年,德布羅意提出物質波的概念
1924年,玻色-愛因斯坦統計被提出
1925年,泡利提出不相容原理
1925年,大衛遜和革末證實了電子的波動性
1925年,海森堡創立了矩陣力學,量子力學被建立
1925年,狄拉克提出q數
1925年,烏侖貝克和古德施密特發現了電子自旋
1926年,薛定諤創立了波動力學
1926年,波動力學和矩陣力學被證明等價(由海森堡和薛定諤一起證明)
1926年,費米-狄拉克統計
1927年,G.P.湯姆遜證實了電子的波動性
1927年,海森堡提出不確定性原理 (測不準原理)
1927年,波恩作出了波函數的概率解釋
1927年,科莫會議和第五屆索爾維會議召開,互補原理成型
1928年,狄拉克提出了相對論化的電子波動方程,量子電動力學走出第一步
1930年,第6屆索爾維會議召開,愛因斯坦提出光箱實驗
1932年,反電子被發現
1932年,查德威克發現中子
1935年,愛因斯坦提出EPR思維實驗
1935年,薛定諤提出貓佯謬(薛定諤的貓實驗)
1935年,湯川秀樹預言了介子
1938年,超流現象被發現
1942年,費米建成第一個可控核反應爐
1942年,費因曼(費曼)提出路徑積分方法
1945年,第一顆原子彈爆炸
1947年,第一個電晶體
1948年,重正化理論成熟,量子電動力學被徹底建立
1952年,玻姆提出導波隱變數理論
1954年,楊-米爾斯規範場,後來發展出量子色動力學
1956年,李政道和楊振寧提出弱作用下宇稱不守恆,不久被吳健雄用實驗證實
1957年,埃弗萊特提出多世界解釋
1960年,雷射技術被發明
1963年,蓋爾曼等提出誇克模型
1964年,貝爾提出貝爾不等式
1964年,CP對稱性破缺被發現
1968年,維尼基亞諾模型建立,導致了弦論的出現
1970年,退相干理論被建立
1973年,弱電統一理論被建立
1973年,核磁共振技術被發明
1974年,大統一理論被提出
1975年,τ子被發現
1979年,惠勒提出延遲實驗
1982年,阿斯派克特實驗,定域隱變數理論被排除
1983年,Z0中間玻色子被發現,弱電統一理論被證實
1984年,第一次超弦革命
1984年,格�堛漺絕ㄔX退相干歷史解釋,後被哈特爾等人發揚
1986年,GRW模型被提出
1993年,量子傳輸理論開始起步
1995年,頂誇克被發現
1995年,玻色-愛因斯坦凝聚在實驗室被做出
1995年,第二次超弦革命開始
 
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波耳,上帝不擲骰子!
愛因斯坦,別指揮上帝應該怎麼做!
  
我想知道上帝如何創造世界,我對個別現象,個別元素的光譜等並沒有興趣,我只想明白上帝的意圖,其餘的都不過是細節而已。
 
愛因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955)
  
自然界的法則都只是近乎對稱是因為上帝不想我們妒忌上帝的完美!
  
理查德.費曼(Feynman Richard, 1918-1988)
 
上帝不單只和宇宙玩擲骰子遊戲,而且還把骰子擲到我們看不見的地方去!
  
史蒂芬.霍金(stephen hawing)
  
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  1. 哥白尼(Nicolaus Copernicus, 1473), 波蘭人
  • 24歲開始他的第一次天文觀測
  • 以各種不同的方法分析行星的運動,很快地發現到,如果以太陽為中心, 將地球視為另一個繞著太陽的行星,則可以更簡單地分析與預測太陽系的行星運轉(日心學說)。
  • 1512年建立了哥白尼理論:
    太陽是在太陽系的中心,行星繞著太陽運行, 月球繞著地球運行,恆星是在無法測量的遠處。
  • 1543出版了他的學說—On Revolutions。 
  1. 第谷•布拉赫(Tycho Brahe, 1546-1601)
    • 出色的觀測者
    • 出身於丹麥的貴族家庭,喜歡天文研究。
    • 1576以後在丹麥王腓特立二世的資助下,在哥本哈根附近的赫芬島上修建一所大的天文台稱為觀天堡。 從1576∼1596的20年內,做了大量精確的觀測。
    • 不是一位高明的理論家;因為宗教的緣故,及觀測不到日視差, 他不願意採取哥白尼的理論,他主張一種半日心半地心的混合體糸, 去解釋他的觀測。(行星繞者太陽;太陽再率領行星繞著地球。)
    • 1599年離開觀天堡至布拉格,替迷信占星術的奧皇魯道夫二世觀測天文。
    • 1601年去逝,臨死之前將畢生觀測資料贈給刻卜勒。 (刻卜勒是在1600才到布拉格擔任他的助手)
  2. 刻卜勒(Johanes Kepler, 1571-1630)
    • 主張哥白尼體糸
    • 1596年著"The Harmony of the Sphere", 天球諧合論試圖承襲畢達哥拉斯的理論,以內接正多面種來探討各行星軌導間的幾何關係。 
    • 根據第谷•布拉赫的觀測資料,仔細地計算分析, 認為火星的軌道不能是圓形的,而必須是橢圓的才能與數據資料符合。
    • 建立刻卜勒三大定律:用以描述行星運動,而且可精確地預測行星的位置。

      刻卜勒三大定律:

      1. 行星運行的軌道為橢圓,而太陽位於橢圓焦點之一。(1609)
      2. 行星與太陽的連線,在相同的時間內掃過相同的面積。(1609)
        dA/dt = 常數。
      3. 軌道半長軸a 的三次方與週期p平方之比為常值。(1619)
        a3/p2 = 常數。
  3. 伽利略(Galileo Galilei, 1564-1642)
    • 為重要的實驗物理學家。
    • 在比薩斜塔研究自由落體實驗。
    • 觀測物體運動情形,提出靜著恆靜,動者恆動的觀念。影響牛頓建立了力學系統 
    • 1610年經由望遠鏡發現了木星的四顆主要衛星 為哥白尼體系的一個強而有力的證據。
    • 觀測到金星與水星的相位(盈虧)更支持日心理論(出版"三個哲學家的對話")。
    • 望遠鏡的觀測結果提供更多更精確的觀測資料來驗證刻卜勒的運動定律。
  4. 牛頓(Isaac Newton, 1642-1727)
    • 偉大的物理學家
    • 23∼25歲之間,發明微積分,力學三大運動定律,萬有引力定律, 並研究光的性質,發明反射式望遠鏡.......
    • 牛頓的萬有引力定律:

      宇宙中任何質點都互相吸引,引力的大小與兩者質量的乘積成正比,但與距離平方成反比。

    • 牛頓運動定律:
      1. 物體所受的靜力為零時,動者恆動,靜者恆沿直線做等速運動。
      2. 每一作用在物體上的力,所產生的加速度其方向與與此力相同,但大小與物的質量成反比(F=ma)。
      3. 作用在物體上的每一個力,皆有其反作用。反作用力的大小與作用力相同,但方向相反。
  5. 愛因斯坦(Einstein, 1879-1955)
    • 偉大的理論物理學家
    • 1905年,提出狹義相對論(Special Relativity)
    • 1915年,提出廣義相義論(general Relativity) —物質的存在影響時空的彎曲程度
    • 三大實驗的驗證
    1. 水星近日點的進動 43"/100yr
    2. 星光的偏折效應 1.75秒弧
    3. 重力紅位移效應
2007 年 11 月 11 日  星期日   晴天


隱密的對稱 分類: 科普文章

 

剛獲得今年諾貝爾物理獎的葛羅斯(D. Gross)曾對過去數十年來基本物理的進展下過一句評論:「自然的秘密在於對稱。」他又認為:「在尋找新的、更基本的自然定律的時候,我們應該從尋找新的對稱下手。」葛羅斯的確說出了物理中非常重要的原則,不過他當然不是第一個有這種體認的人─在他之前,楊振寧就已經說過:「對稱決定交互作用。」可是楊振寧也不是頭一個對於對稱有深刻了解的人,他會說那個頭銜屬於愛因斯坦─愛氏的狹義相對論與廣義相對論正是闡明對稱意義的最佳例子。可是愛因斯坦只是開了個頭,我們還需要更多的具體例子才能肯定「自然的秘密在於對稱」,這裡頭包括了重要的楊振寧與密爾斯(R. Mills)的非阿貝爾(non-abelian)規範場論。

 

對一般人來說,最能夠表現對稱概念的是特殊的幾何結構(形狀),例如圓、球、正方形、正多面體等等。任何人看到這些幾何圖像,都可以馬上看出它們的對稱性。也有人因為太欣賞這些幾何結構的「完美」,而想用它們來解釋自然現象。一個的例子是古代希臘人非常喜歡圓這樣完美的曲線,因而用它們來描述天體的運動,並進而建構天體模型如地心說與日心說。另一個例子是克普勒(J. Kepler)利用五種正多面體(四面體、立方體、八面體、十二面體、二十面體)來說明為什麼太陽系有六個行星(當時人們所知道的行星只有看得見的水星、金星、地球、火星、木星、土星等六個)。儘管這些模型頗具巧思,從表面上看也似乎有其道理,但是我們已經知道這些都是錯誤的講法。因此所謂「自然的秘密在於對稱」這種觀點的意義當然不是藉著上述具體圖像的模型來展現。

 

無論是愛因斯坦,或是楊振寧、葛羅斯,或是任何其他當今的物理學家,當他們在談論「自然的對稱」的時候,他們所指的主要是「物理運動方程式的對稱」。也就是說,方程式在某些變換(例如平移、旋轉、廣義的座標變換、規範變換等)之下,仍能維持它們的形式。所以例如:方程式在平移之下不變就代表方程式有平移對稱性,而方程式在規範變換下不變就表示方程式有規範對稱。因為方程式是「看不到」的東西,不像行星的軌跡那樣「具體」,所以對於一般人來說「方程式的對稱」還是比較抽象的概念。既然方程式可以藉由最小作用量原理推導出來,所以方程式的對稱也可以解釋成是作用量的對稱,亦即作用量在前面所提的變換之下是不變的。一般而言,檢驗作用量是否不變乃是確認對稱性的最簡單方法。

 

當楊振寧說「對稱決定交互作用」的時候,他的意思是對於局部規範變換(包括廣義座標變換)這種特殊的變換而言,對稱的要求可以決定作用量的形式。換句話說,在這種變換之下,只有特定的作用量才能維持不變。由於作用量決定交互作用的形式,所以選擇了特定的局部規範對稱就等於選擇(或者說決定)了交互作用。(由於我們常常可以從物理的角度來解釋對稱變換的意義,所以我們也就有了某種物理上的理由來說明交互作用的存在。)幾個重要的例子:局部阿貝爾規範對稱決定了電子與光子之間的作用形式;局部非阿貝爾規範對稱決定了膠子與膠子間以及夸克與膠子間的作用形式;廣義座標變換對稱決定了重力交互作用等等。難怪葛羅斯會說尋找新的對稱是尋找新自然定律的捷徑。

 

一但方程式的對稱性確立了,我們馬上就有以下的好處:假如我們知道了方程式的某個解,利用對稱變換,我們就可以得到另一個解。這樣的好處在量子力學中的意義是:透過對稱變換,不同的量子態可以聯繫起來,所以光從對稱性的存在,我們就可以(由數學上的群表現理論)知道能譜的一些重要規律。例如,週期表的規律性正是旋轉對稱的展現。反過來講,我們也可以從能譜的規律去推論出對稱的形式;這個策略是粒子物理中很重要的策略,因為粒子物理的一大問題就是從所發現的粒子(或共振態)去推敲出背後的物理,發現對稱性可以說是重要的第一步。不過我得在此強調局部規範對稱和一般對稱(如旋轉、平移或其他總體對稱)不一樣:雖然一般對稱變換與局部規範對稱變換都能夠聯繫不同的解,但是一般對稱變換所聯繫的不同解的確代表不同的物理狀態,但是局部規範對稱變換所聯繫的不同解卻是代表相同的物理狀態,也就是說局部規範對稱變換所提供的是同一個物理的不同描述。另外一個重要的結果是對於一般的量子力學系統來說,最低能量態(基態)是唯一的,而且在對稱變換下是不變的狀態。

 

總之,我們已經學到,自然現象的規律背後常常有隱密的對稱。為什麼說是隱密的對稱呢?因為自然規律與對稱的關係是抽象的數學關係,而不是憑直覺就可以很快理解的簡單關係,像古希臘人那種比較單純的想像(例如把旋轉對稱與圓形軌跡聯繫起來)。

 

但是還有一種情況可以讓對稱性更為隱密,那就是所謂的「自發失稱」。這種情況只會出現在具有無窮維自由度的系統上,一般有限維的量子力學系統並不會有這種情形。簡單的說,自發失稱的意思是儘管系統的作用量有對稱性,但是系統的基態在對稱變換之下卻沒有保持不變。換句話說,系統的基態是簡併的─對稱變換可以將基態轉變成具有相同能量的另一個狀態。人們最常舉的例子是鐵磁性系統:雖然系統具有旋轉對稱,但是系統(在零溫度)的基態是自旋全部指向某特定方向(也就是磁化的方向)的狀態,所以這樣的基態就不能在任意的旋轉之下都保持不變。另外一個例子是超導體:著名的BCS超導體理論的基態並沒有規範對稱,儘管作用量具有這種對稱。(有些人把認為這種情形為「基態自動破壞了對稱」,所以才有所謂「自發失稱」的說法。)

 

自發失稱系統和前面提到的對稱系統不一樣,一般而言它的能譜不具有單純從對稱關係得出來的規律,所以我們不容易從系統所表現的物理性質去推敲出背後的對稱。(這就是為什麼人們得花上數十年時間才了解超導體的秘密。首先將自發失稱概念用於超導體的是藍道(L. Landau)與金斯堡(L. Ginzburg),金斯堡去年還因此獲得諾貝爾物理獎。)這樣的系統有一個重要的特色,那就是在沒有長距作用力(例如庫倫作用力)的情況下,它一定會有無質量的南部─戈氏玻色子(Nambu- Goldstone boson),這些粒子有特定的交互作用形式,可以用來檢驗自發失稱是否成立。磁性系統中的自旋波就是南部─戈氏玻色子的著名例子。

 

上世紀六零、七零年代,一些有遠見的物理學家如南部、萬伯格(S. Weinberg)、沙朗(A. Salam)等人,將自發失稱的概念用到粒子物理上:南部把π介子解釋成一種南部─戈氏玻色子,闡明了手徵對稱在強交互作用中的意義;萬伯格則和沙朗將希格斯機制(將自發失稱與局部規範對稱結合的一種機制,基本上就是超導態的麥士納效應Meissner effect)用於說明弱作用玻色子何以具有質量,而統一了弱交互作用與電磁交互作用。這些成就可以說是上世紀下半葉粒子物理的最高成就。

 

從古希臘的天體模型到萬伯格與沙朗的電弱理論以至現今最熱門的超弦理論,對稱所扮演的角色,無論隱密與否,可以說越來越令人稱奇。難怪很多人(如楊振寧與葛羅斯)相信對稱性在未來還大有發展前途。

 

 






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