分类目录归档：理论物理

乱言

发表于 2010年8月24日 由 李淼

今天Michael Peskin到理论所来做Top ten top quark observations at LHC，具体报告他将会在他的主页上贴出来。 吃饭的时候，不可避免地要谈LHC上到底能发现什么。Peskin持美国主流派观点，认为应该能发现低能超对称。当然他不一口咬定，说他相信，或者打赌，但不会将自己的生命赌上。我还是说我过去几年的观点，认为不会发现低能超对称，新物理肯定会被发现。我的理论依然是，即使超弦理论也不肯定支持低能超对称，因为没有超对称但可以微调的compactifications太多了。LHC能发现什么还是众说纷纭的事情，还是让实验来说话吧。另外，提到今年诺贝尔物理学奖，我一直觉得Permultter和Riess获奖的机会极大，Peskin也这么认为。 下午和几个人聊中国的暗物质暗能量长远规划。现在清华二滩水电站的极深地下实验室有了一个很好的开头，实验也是极有希望的事情（当然还有一些人持怀疑态度，觉得我们掌握的技术不够，但我觉得这些技术问题都会一步一步解决），理论上我们该做什么？我个人的观点是，在暗物质暗能量问题上中国人已经有了很好的开头，也提出了一些比较有影响的模型。下一步不需要搞什么大规模军团什么的，只要鼓励每一个愿意进入这个领域的年轻人就行了，例如在申请基金上多支持。我们需要更多的人提出自己的理论和模型，更多的人坚持研究自己有特色的理论和模型，做的人多了，蒙对的机会就会大增。西方人其实也在蒙，其实美国人蒙对的可能性并不见得大，例如他们大多数相信暗能量就是常数，万一不是，他们输的可能性不小。

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NP\ne P，又一个数学突破？

发表于 2010年8月18日 由 李淼

所有数学问题，可以分为两类，一类是确定性问题，如一个一元二次方程的解可以套用公式。另一类是非确定性问题，不存在一个普遍公式可以套用，如决定一个整数是否是素数。 P问题：确定性问题，同时可以通过图灵机在多项式时间内解决的问题。 NP问题：非确定问题，其任何给定回答可以在多项式时间内验证是否正确。特别注意这里用了“给定”两个字。 NP与P的最大区别是你必须先猜一个解答，然后去验证。 一个没有解决的难题是，P作为P问题的集合是否等于NP作为NP问题的集合，及 这个问题被Clay数学研究所列为7个大奖问题之一。

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中国暗物质地下实验室

发表于 2010年8月14日 由 李淼

这次去了成都和位于凉山的中国锦屏极深地下实验室。 在成都，四川大学承办了暗物质研讨会，我学到了不少东西，不具。 11号去锦屏地下实验室参观，当天我用手机发了三条微博： 1、今天参观中国第一个地下实验室，探测暗物质，位于锦屏山二滩水电站一个长17.5公里隧道中间，岩石深度2500米。二滩水电站建成后日发电近两亿度。 2、看了隧道，我觉得方舟真该在中国造。 3、锦屏水电大坝，三百多米高，不得了。 地下实验室是清华和二滩水电站联合开发的，最初的实验包括清华大学的锗探测器和上海交通大学的液氙探测器。实验室建造已临近收尾阶段。

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两条新闻

发表于 2010年8月10日 由 李淼

第一天是纽约时报关于Verlinde熵力的报道。 A Scientist Takes On Gravity 拷贝这篇文章的最后一段： John Schwarz of the California Institute of Technology, one of the fathers of string theory, said the paper was “very provocative.” Dr. Smolin called it, “very interesting and also very incomplete.” At a … 继续阅读 →

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顽固的幻觉—时空

发表于 2010年8月7日 由 李淼

我们在时空中体验时空的存在。中国古代就有的宇宙一词，其中“宇”指的是空间，“宙”指的是时间。地质年代的最大单位我们就翻译成宙。人类对时空的先验直觉康德就有过深入的讨论，而直到近代科学阶段，时间和空间才有严格的数学物理定义。在牛顿那里，时间是绝对的。虽然有伽利略相对性原理，牛顿也觉得有绝对空间存在。对于牛顿，时间空间是独立的物理存在。而莱布尼兹对时空的理解更接近我们对时空的现代理解，即这些最基本的物理概念都有可操作的定义。例如时间的定义就是事件的次序，我们通常用周期性运动来定义时间单位。 为了节省时间，我引用过去给《新发现》写的一个专栏里面的一段话来说明时空： “撇开时间的单向性，我们想问，在物理学中，时间究竟是什么？很遗憾，直到今天，除了一些操作性的定义，我们并不知道时间究竟是什么。时间的操 作定义与人们心理上感到的时间很类似，也就是说，当我们感到变化，我们觉得时间流过，或时间在流逝。所以，时间和变化即运动有关。为了量度时间，我们需要找到可以信赖的运动，例如天体在天空中的位置的变化。一天，就是太阳升起落下和再升起，或星星在天上东升西落一个周期。一月，是月相变化的一个周期。一 年，是地球绕着太阳运动的一个周期。所有这些都和周期运动有关。有时，我们觉得这样定义的时间并不准，这和周期是否是严格的有关。现代授时技术已经用到了原子钟，这是基于某些原子的跃迁频率。

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阿凡达的灵魂传输

发表于 2010年8月4日 由 李淼

我看了两次詹姆斯•卡梅隆的《阿凡达》，一次在春节前，看的是IMAX，一次是春节后，看的是3D。《阿凡达》作为一部大片，自然以娱乐为主，但也有一些人文精神在里面，比如说人类过于执着于物质，反而不如潘多拉星上的土著纳威人可以“通灵”。当然纳威人的通灵不是我们地球上各种宗教中的那些方式，而是某种生物集合之间情感和精神的传输。这里我用“传输”两个字，就是想表达《阿凡达》中的一个重要科幻元素，是灵魂的teleportation，对应中文传输。 灵魂的传输是纳威人的一种本能，在地球人这里，其最高的形式就是将人类的思维移植到你的阿凡达中去。阿凡达是英文avatar的英译，这个英文单词是化身的意思。人类躺进一部机器中去，像是睡着了一样，灵魂就跑到阿凡达的大脑中去了。电影《阿凡达》在这里似乎严格忠于科学，因为在量子物理中，我们有所谓量子不可复制原理，即你不可能将某个量子系统的态严格复制到另一个量子系统上去，除非你破坏原来那个系统的状态。所以，你的灵魂只能传输到阿凡达的大脑中去，却不能被拷贝过去。传输过去后，原来的你将处于完全不同的状态，在电影中是休眠状态。 纳威人要将一个人的灵魂传输到另一个人身上去，必须借助圣树和爱娃的力量，而爱娃则借助潘多拉星球上所有生物的能力。主角杰克就是这样，在他和纳威人以及潘多拉星球上其他人一起赶走地球人之后，他更愿意活在他的阿凡达体内，所以圣树就成了量子传输机，将他的灵魂输运到阿凡达体内，而他自己的身体就死亡了。

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弦论的未来——一点个人看法

发表于 2010年7月30日 由 李淼

Witten最近获得英国物理学会的牛顿奖章，颁奖的理由是他对粒子物理、场论和广义相对论的贡献。似乎没有提到弦论，但毫无疑问他的很多贡献是通过研究弦论做出来的。 牛顿奖章颁了三次，第一次给了蔡林格，就是那位对量子计算和量子通讯做了很多贡献的。第二次颁给Guth，因为他的暴涨宇宙论和暴涨宇宙中密度涨落的计算。 Witten做了演讲，以及事后The Guardian对他的interview。演讲很遗憾地被屏蔽，但interview还是可以听到的，注意广播的第一部分是关于PLANCK实验的。Witten还是继续相信弦论，但对弦论的实验验证持谨慎态度。 Peter Woit对此事做了评论，他提到Gross对弦论的态度：认为弦景观是伪科学，但LHC会发现超对称。 我问过Gross对LHC发现超对称的期待，他说只有50%的希望，这和Woit说的不同。

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Jarzynski恒等式

发表于 2010年7月23日 由 李淼

听说Jarzynski恒等式有了几年了，但真正想去弄明白是今天。 因为我的朋友Minic和学生写了一篇文章： The Jarzynski Identity and the AdS/CFT Duality 我还没弄懂Jarzynski eqaulity的全部含义，所以还没有去读他们的文章。 JE的历史并不长，Jarzynski的经典文章发表于1997年，到今天，有很多理论和实验文章支持和推广他的公式。 在热力学中，考虑一个系统的两个平衡态A和B，并有一个过程使得系统从A变到B，假如该过程对系统做功为W，有不等式： F是系统的自由能，下标表示系统的状态。也就是说，做功的过程并不是高效的。上面的不等式可以成为等式，但只有当改变的过程是准静态的时候（过程原则上进行无限长时间）。

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量子传输

发表于 2010年7月17日 由 李淼

很难翻译英文词teleportation, 这个英文词的意思是，一件东西或一个人在一个地方非物质化，突然（同时）在另一个地方冒出来。“tele”是距离或远距的意思，所以电报叫telegram，电话叫telephone，电视叫television。为了不引起争论，我们暂时用传输指代teleportation。我们知道，任何带有能量的物体都不可能超过光速运动，所以经典意义上的传输是不可能的，而直到1993年，我们才知道量子意义上的传输是可以做到的。所以，teleportation一定会和量子组合在一起，国内有人将quantum teleportation翻译成量子隐形传态，我觉得这个翻译并不好，一来“隐形”容易引起误会，下面就会说到；二来传态太专业化，外行人根本不知道是什么意思。 今年5月16号，《自然光子学》刊物发表了一篇由清华大学和中国科学技术大学合作的论文，他们在北京和怀来之间实现了距离达16公里的量子传输实验。消息传出来，不少人在网上说这个合作小组成功地使得一个密码箱在一个地方消失而在另一个地方突然冒出来，似乎真的在现实世界实现了“传输”这个英文词的原来意义上的技术。不少人给我写信或在微博上留言问我这是真的吗？我不需要看论文也会知道这是误解。我想，也许这些误会就是量子隐形传态中的“隐形”两字引起的。 由于不可能使得能量或信息的传播超过光速，经典传输是不可能的。还有一种经典传输也是不可能的，即给你一个量子态，你对这个态实施观测，然后将观测结果通过经典的方式告诉在另一个地方的接收者，让他复制这个量子态。原因很简单，一个量子态在被观测后，状态因观测而改变，我们永远不会知道观测之前的态，更谈不上让别人来复制。当然，有一个很笨的办法，就是将这个量子态原封不动地转移到另一个地方，这样的话，不但速度低（远低于光速），在转移的过程中量子态很可能不小心被破坏。

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难以置信的萎缩中的质子

发表于 2010年7月13日 由 李淼

质子可以说是人类最先发现的“基本”粒子之一。质子的发现仅晚于电子，J.J. Thomson爵士1897年利用电子在磁场中的运动证明了阴极射线是由一个一个电子组成的，而要到1911年以后卢瑟福才在发现原子结构之后证明质子是原子核的成分之一。 氢原子的原子核就是质子，带一个单位的正电荷，这个电荷和电子的电荷符号相反，但绝对值一样大，所以由一个质子和一个电子组成的氢原子是电中性的。物质的电中性是我们这个世界稳定的原因之一，但直到现在我们还不能够完全理解为什么质子电荷的绝对值和电子电荷的绝对值一样大。到了60年代以后，我们才开始了解质子不是严格意义上的基本粒子，质子不但有结构，而且可以肯定地说是由夸克构成的，夸克有三个，种类有两种，两个上夸克，一个下夸克。上夸克的电荷数是正的，是质子电荷的2/3，下夸克的电荷是负的，是电子电荷的1/3。如果我们解释了为什么夸克带这些电荷，就能解释为什么质子电荷和电子电荷的绝对值一样大了。在某种意义上，我们可以解释：如果夸克的电荷不是这样安排的，那么描述基本粒子的理论在量子力学中是不自洽的。 其实，质子概念的出现远早于卢瑟福的发现，早在1815年，英国化学家兼生理学家William Prout就建议所有原子的重量是氢原子的整数倍，重的原子是由氢原子组成的。在某种意义，他是建议质子比其他原子更基本。有趣的是，他匿名发表了这篇论文。 稍晚发现的另一个“基本”粒子是中子，由卢瑟福的学生洽德威克在1932年发现。中子的概念是卢瑟福在1920年提出来的，中子的名称和它的电中性有关。后来知道，它也是由三个夸克组成，两个下夸克，一个上夸克，所以电荷严格为零。中子的质量比质子稍重，也只重了千分之一多点。所以在自然状态中，我们很难看到中子，因为中子比质子重所以可以衰变成质子，因为电子比质子轻了1836倍，所以中子衰变成一个质子加一个电子外带一个中微子。这个衰变过程叫做beta衰变，是最早发现的弱相互作用例子。

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