来自 影视资讯 2019-10-16 22:34 的文章
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居里夫妇在研究中发现,这意味着如果把一个量

今晚,为了践行戒烟24小时的承诺,一个人跑到电影院看了一场近三个小时的电影。看电影戒烟真是个好主意!我成功坚持到了零点。同时,还享受到了一场顶级豪华的试听盛宴。不仅如此,美国电影人对物理学的想象力,把我这个学了十年物理、教了五年物理的物理学人,狠狠地震撼了一把。但更受震撼的,应该是美国电影人的国内同行们。而这些中国电影人中的翘楚,应该是一直被国人尊称为国师的张艺谋导演。
张导也是颇见过世面的人。对色彩和蒙太奇等电影手法的运用,几次把他推向国际领奖台。一万多名演员完成的北京奥运会开模式,颇有秦始皇兵马俑般的盛大和庄重感,体现了我泱泱大国的威风和气度。玩歌剧,能在故宫和漓江上玩出大场面。虽然现在其本人很憎恶“国师”这个称呼,但他确实占据中国电影和歌剧艺术的国师地位。
相比较之下,《星际穿越》这部电影的导演在在资历上要逊于张导,因此其身份达不到“国师”这一高度。但历数几部在中国影响力较大的美国电影,价值观和展现手法都很相近,所以这位美国导演也可以算是美国国师代表团成员,因此,称为国师也不算十分过份。
张导的成名电影《红高粱》中的人物塑造据说是受到了日本影星高仓健的影响。粗线条的人物性格和小眼睛丑星登场,震撼了柏林电影节的评委们。而《星》剧则利用物理知识挑战着观众的学识和想象力,让观众不断地回忆着自己或多或少的物理学知识和片中的情节来对应。各个高校的物理系或者学院甚至可以把这部电影当作招生广告片。一部电影,不去教人忽悠,不仅仅让观众看热闹,还能起到科普的作用,其正能量明显大于《红高粱》、《大红灯笼》等张导名作。
我不止一次在私下和公开场合下表示过物理学是我的信仰。同时物理学也是我十年来端着的饭碗。所以写到这里我也忍不住要对《星》剧中的物理学概念解读一下。我先解释一下“虫洞”。宇宙中并不存在什么虫洞。但是崂山道士如果跑得很快,理论上是能毫发无损地穿越一道墙的。这个墙就是量子力学中的“势垒”。当势垒高度和崂山道士的“几率波”的频率符合一个等式的时候,就可以穿越。如果这样还不好解释,那我们看看单反相机上的镀膜:这层膜形成的势垒,阻挡了红外光和紫外光,但可见光可以通过,就是因为可见光的频率和镀膜的势垒满足那个等式。可能目前还在从事物理教学科研的同学怀疑我的这种说法。实际上1991年我在灯泡厂工作时就用量子力学力量验证过这个观点,最后量子力学推导出了几何光学的增透膜、增反膜公式。宇宙中,可能存在某个空间点,让几率波或者电磁波满足上面那个等式的物体穿越过去,是可能的。但穿越过去以后时间倒流了,是绝对不可能的。
这就涉及到了相对论。侠义相对论是对经典物理学面对相对运动的坐标空间里,光速不变的一种“诡辩”式的解释,通过洛仑兹变幻,让运动坐标空间中的时钟变慢,尺子变长,从而让光速c不变,并能解释为什么火车上和地面上同时打开的手电筒同时照射到同一个物体上。而几率波穿越势垒时,和地面上的火车完全是不同的概念。至于怎么不同,我无法解释清楚。只是直感:几率波仅仅会有相位上的变化,时间肯定是连贯的,不可能穿越。
啰嗦了一大段,也说明的《星》剧的意义;唤起了人们对科学的重视和追求。而张导的《红高粱》则是中国酒文化的广告。作者沾染酒瘾就是在1989年开始。而《红高粱》公映则是在1988年。当年的流行音乐也是西北风。
两个国家的国师,各自的代表作,带给我的感受,是对科学的无限探索,还是无知者无谓?对我的人生影响,实在不同。

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在中国古老法术之中,穿墙术可以说是出现频率较高的法术了,如今也广泛存在于各种魔术之中,记忆犹新的就是,大卫科波菲尔当年横穿长城。然而,在现实生活中,人是不可能会穿墙术的,魔术中的穿墙术都是障眼法。不过,在微观世界里,粒子们却真的会穿墙术,而这就是著名的量子隧穿效应。

如果把一个小球扔向一堵坚固的墙壁,那么,它肯定会撞上墙壁,然后反弹回来。在经典物理学中,一个足够强的屏障会阻止其他物体从中穿过。但在量子力学来看,情况并非如此。如果把小球换成微小的量子粒子,把固体墙壁换成量子力学势垒。那么,粒子就会有一定的概率穿过势垒,它们最终会在势垒的另一边被探测到,此即为量子隧穿效应。这就好像把小球扔向墙壁,小球径直穿过,完全不受墙壁的阻碍。

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根据《自然》杂志最近刊载的一项研究1],物理学家首次成功地测出量子隧穿过程的耗时,并发现这是瞬间完成的。然而,这并不意味着量子隧穿的速度比光速还快。因为相对论表明,没有什么速度能打破光速。

举个例子,假如人在赶路,前面有一座大山挡住了去路,那么人如果要前往大山的另外一边,那么你就只能翻过山去。但是对于粒子而言,它可以直接穿过去,即使能量不足,也可以穿山而过。这就是粒子穿墙术——量子隧穿效应。

每当谈及量子世界之时,很多人可能会想到微小的粒子都在快速运动,并且互相碰撞。但量子世界并非是这个样子,它们是反直觉的。由于不确定性原理,我们不可能同时知道一个粒子的位置和动量,我们只能用概率来全面描述它们。

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1896 年,法国物理学家发现了铀的放射性,后来居里夫妇进一步对此展开研究,我们都知道,宇宙有四大力——强核力、弱核力、电磁力以及引力。杨振宁就是统一了三大力,是宇宙大一统只差临门一脚。居里夫妇在研究中发现,以最常见的α衰变来看,是从重原子核中放射出α粒子,即氦原子核。我们知道,原子核的核子之间是通过强核力联系在一起的,核子怎么会挣脱强大的强核力逃逸出来呢?

这意味着如果把一个量子粒子放在任意一个位置,然后问“它现在在哪里?”由于粒子的量子性质,这意味着它的位置是由一个波函数定义的,而这是不确定的,它只能给出在某个位置找到粒子的概率。

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量子物理的这种反直觉的奇异性质并不是我们的测量设备存在局限性,没有能力测出来,而是这就是世界的基本性质。在测量之前,没有什么是确定的,只有概率。

后来,量子力学建立,海森堡不确定性原理与德布罗意波粒二象性的确定,在 1927 年,研究分子光谱时,弗里德里希·洪德在计算双势阱的基态问题发现了有趣的现象。

考虑量子隧穿效应,如果在一个系统中,粒子会有一定的概率从量子势垒的一边穿到另一边,那么,这个跃迁的速度就会受到限制。也许它取决于势垒的大小,势垒的厚度,或者其他一些与之物理性质有关的因素。毕竟,在这个宇宙中,一切都应该受到光速的限制。

势阱是一个包围着势能局部极小点的邻域。被势阱捕获的能量无法转化为其它形式的能量(例如能量从重力势阱中逃脱转化为动能),因为它被势阱的局部极低点捕获。也正是因此,一个被势阱捕获的物体不能继续向全局势能最低处运动,即使它根据熵的原理自然地倾向于向全局最低点运动。粒子在某力场中运动,势能函数曲线在空间的某一有限范围内势能最小,形如陷阱,所以称为势阱。双势阱简单理解就是有两个局部极低点。

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最简单的设置就是把一个粒子,比如电子,束缚在一个受限的系统中,比如氢原子。那么,电子就会有一个有限且非零的概率从氢原子中隧穿到一种无束缚的状态。通过使用设备对其成像,就能精确地测量从一个束缚态隧穿到一个非束缚态所需要的时间间隔。

洪德就发现偶对称量子态与奇对称量子态会因量子叠加形成非定常波包,其会从其中一个阱穿越过中间障碍到另外一个阱,然后又穿越回来,这样往往返返的震荡。这是人们首次注意到量子隧穿现象。

澳大利亚阿秒科学院的物理学家已经做到了这一点,他们通过实验发现,这种最简单的量子隧穿过程最多需要1.8阿秒(1.8×10-18秒,不到100亿亿分之二秒)。如果以光速前进这个时间,行进的距离大约只有5.4埃米(5.4×10^-10米)。结果表明,在实验不确定度范围内,理论与瞬时隧穿是一致的。

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尽管这对于量子限制晶体管的实际应用具有不小的意义,但需要强调的是,这里的“瞬时”并不意味着它违反了爱因斯坦的相对论。

而到了 1928 年,乔治·伽莫夫正确地用量子隧穿效应解释了原子核的阿尔法衰变。在经典力学里,粒子会被牢牢地束缚于原子核内,主要是因为粒子需要超大的能量,才能逃出原子核的非常强的位势。所以,经典力学无法解释阿尔法衰变。在量子力学里,粒子不需要拥有比位势还强的能量,才能逃出原子核;粒子可以概率性的穿透过位势,因此逃出原子核位势的束缚。伽莫夫想出一个原子核的位势模型,借着这模型,借着这模型,他用薛定谔方程推导出进行阿尔法衰变的放射性粒子的半衰期与能量的关系方程,即盖革-努塔尔定律。

这不像日常生活经验那样,我们不能认为某一瞬间可以说“这个粒子在这里”,然后,过了一段很短的时间之后,又说“这个粒子现在在那里”,不能用距离变化量除以时间变化量来计算出所谓的超光速。这个实验仅仅表明,在这个隧穿跃迁过程中,没有基本的量子延迟。

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图片 10但这个实验也有助于揭示物理学家是如何设法利用多粒子系统来制造一种超光速的幻觉,这是大家喜闻乐见的。假设有一组量子粒子,它们聚在一起形成一束脉冲,然后,它们以隧穿或其他方式穿过某种势垒。结果发现,势垒另一边检测到的脉冲似乎表明,其运动速度似乎超过了光速!" style="width:60%;margin:1rem auto">

在一场伽莫夫的专题研讨会里,量子力学的核心人物玻恩听到了伽莫夫的理论之后,他敏锐地意识到,这种理论不仅仅局限于核物理学,还普遍存在于量子力学之中。玻恩对伽莫夫的理论进行了修正,因为伽莫夫理论所使用的哈密顿量是厄米算符,其特征值必须是实数,而不是伽莫夫所假定的复数。

{"type":1,"value":"那么,这是否意味着粒子能以无限快的速度运动,打破光速,穿过一个有限且非零厚度的量子力学势垒?这就是经常出现的误解,很多人误以为这打破了光速。

经过修正之后,该理论仍旧维持不变原先的结果。这是伽莫夫提出的阿尔法衰变机制是首次成功应用量子力学于核子现象的案例。

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