如果不是愛因斯坦,可能這位年輕人就被埋沒了!

2020-12-05 國學大觀

導讀:本章摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》。此文旨在幫助大家認識我們身處的世界。世界是確定的,但世界的確定性不是我們能把我的。

玻色和愛因斯坦也發展了玻色—愛因斯坦統計,這是物理史上的美談。

今天我們就來理解和認識一下什麼叫玻色—愛因斯坦統計?為什麼玻色子服從這樣的統計?

這個理論開始於沒錯的錯誤。大概故事是這樣的:有一次玻色在達卡大學講課,課題是光電效應及紫外災變,玻色打算向學生展示當時理論的不適之處,因為理論預測的結果跟實驗不符。在講課期間,玻色在應用理論時犯了錯,意想不到的是居然得出一個跟實驗一致的預測。(他後來將講課內容改寫成了一篇論文,叫《普朗克定律與光量子假說》。)

那錯誤是一個很簡單的錯──跟認為擲兩枚硬幣得兩正面的概率是三分之一是一樣的【實際概率為四分一】──任何對統計學有一點基礎理解的人都知道有問題。

然而預測結果跟實驗吻合,使玻色意識到事有蹊蹺。他首次提出麥克斯韋-玻爾茲曼分布對微觀粒子不會成立,這是因為由海森堡測不準原理【粒子的位置與動量不可同時被確定,位置的不確定性越小,則動量的不確定性越大,反之亦然。】所導致的變動此時會大得足夠構成影響。故此他強調在每個體積為h3的相空間中找到粒子的概率,而捨棄粒子不同的位置和動量。

好幾份物理學刊都沒有為玻色發表論文。他們認為他所展現的是一個簡單錯誤,這樣玻色的發現被忽略了。灰心的他寫了封信給愛因斯坦,愛因斯坦馬上就同意他的觀點。

愛因斯坦親自寫了一篇支持玻色理論的論文,遞予《德國物理學刊》發表,並要求將這兩篇論文一同發表,此時玻色的理論終於受到推崇。這是1924年的事。

玻色早前曾經把愛因斯坦的廣義相對論論文從德語翻譯成英語。有人說玻色把愛因斯坦當成他的「導師」。

玻色的「錯誤」能得出正確結果,這是因為光子們是不能被分辨出來的,也就是不能把任何兩個同能量的光子當作兩個能被明確識別的光子。

比方說,如果在另一個宇宙裡,硬幣表現得像光子及其他玻色子一樣,擲出兩正的概率的確是三分之一(正反=反正)。玻色的「錯誤」現在被稱為玻色-愛因斯坦統計。

愛因斯坦採取了這個概念,並把它延伸到原子去。這為預測某個現象的存在鋪好了路,這個現象就是現在的玻色-愛因斯坦凝聚,在這現象中一組高密度的玻色子(自旋為整數的粒子,以玻色命名)在超低溫狀態中會成為玻色-愛因斯坦凝聚態,於1995年被實驗所證實。

玻色的貢獻在於打破了麥克斯韋-玻爾茲曼分布,認為這個統計和分布不適用於微觀粒子。

那麼麥克斯韋-玻爾茲曼分布是一個什麼理論呢?其實這個在經典物理學發展史中,有提到的,細心的朋友肯定還記得。

麥克斯韋—玻爾茲曼統計是描述獨立定域粒子體系分布狀況的統計規律。

所謂獨立定域粒子體系指的是這樣一個體系:粒子間相互沒有任何作用,互不影響,並且各個不同的粒子之間都是可以互相區別的,在量子力學背景下只有定域分布粒子體系中的粒子是可以相互區分的,因此這種體系被稱為獨立定域粒子體系。

而在經典力學背景下,任何一個粒子的運動都是嚴格符合力學規律的,有著可確定的運動軌跡可以相互區分,因此所有經典粒子體系都是定域粒子體系,在近獨立假設下,都符合麥克斯韋-玻爾茲曼統計。

靈遁者量子物理科普書籍《見微知著》在靈遁者淘寶有。

由於量子統計在數學處理上非常困難,因此在處理實際問題時經常引入一些近似條件,使費米-狄拉克統計和玻色-愛因斯坦統計退化成為經典的麥克斯韋—玻爾茲曼統計。

那麼什麼是麥克斯韋—玻爾茲曼分布?麥克斯韋-玻爾茲曼分布是一個概率分布,在物理學和化學中有應用。最常見的應用是統計力學的領域。

任何(宏觀)物理系統的溫度都是組成該系統的分子和原子的運動的結果。這些粒子有一個不同速度的範圍,而任何單個粒子的速度都因與其它粒子的碰撞而不斷變化。然而,對於大量粒子來說,處於一個特定的速度範圍的粒子所佔的比例卻幾乎不變,如此系統處於或接近處於平衡。

這裡舉一個例子,當水分子的運動速度為H時候,水溫是20度。當速度上升為M時候,水溫為80度。

麥克斯韋-玻爾茲曼分布具體說明了這個比例,對於任何速度範圍,作為系統的溫度的函數。它以詹姆斯·克拉克·麥克斯韋和路德維希·玻爾茲曼命名。

相片中的人物就是麥克斯韋,他是電磁學的集大成者。他也是統計物理學的奠基人。可以說是毫不遜色於牛頓的物理學家。

想看看這位牛氣的物理大神給他未婚妻寫的情詩嗎?如下文:

你和我將長相廝守

在生機盎然的春潮裡,

我的神靈已經

穿越如此廣闊的寰宇?

我這就將我的整個生命

導入這生機盎然的春潮,

將真正使三個自我

穿越這世界的廣袤

在這首詩中,麥克斯韋真摯地表達了自己的情愛。 1858年7月4日麥克斯韋與凱薩琳·馬麗·迪尤爾(後來改為克拉克·麥克斯韋姓即改為麥克斯韋的姓,他們結婚時,她34歲——在維多利亞時代已經是一個老處女了。 )正式結婚, 婚禮在阿伯丁舉行。

麥克斯韋-玻爾茲曼分布形成了分子運動論的基礎,它解釋了許多基本的氣體性質,包括壓強和擴散。

麥克斯韋-玻爾茲曼分布通常指氣體中分子的速率的分布,但它還可以指分子的速度、動量,以及動量的大小的分布,每一個都有不同的概率分布函數,而它們都是聯繫在一起的。

麥克斯韋-玻爾茲曼分布可以用統計力學來推導,就是前面提到的麥克斯韋-玻爾茲曼統計。它對應於由大量不相互作用的粒子所組成、以碰撞為主的系統中最有可能的速率分布,其中量子效應可以忽略。由於氣體中分子的相互作用一般都是相當小的,因此麥克斯韋-玻爾茲曼分布提供了氣體狀態的非常好的近似。

在許多情況下(例如非彈性碰撞,比如水滴滴在地面上),這些條件不適用麥克斯韋-玻爾茲曼分布。例如,在電離層和空間等離子體的物理學中,特別對電子而言,重組和碰撞激發(也就是輻射過程)是重要的。如果在這個情況下應用麥克斯韋-玻爾茲曼分布,就會得到錯誤的結果。

另外一個不適用麥克斯韋-玻爾茲曼分布的情況,就是當氣體的量子熱波長與粒子之間的距離相比不夠小時,由於有顯著的量子效應也不能使用麥克斯韋-玻爾茲曼分布。另外,由於它是基於非相對論的假設,因此麥克斯韋-玻爾茲曼分布不能做出分子的速度大於光速的概率為零的預言。

所以在一些彈性碰撞【在理想情況下,物體碰撞後,形變能夠恢復,不發熱、發聲,沒有動能損失,這種碰撞稱為彈性碰撞。又稱完全彈性碰撞。】中要使用玻色—愛因斯坦統計,玻色—愛因斯坦分布。

因為真正的彈性碰撞只在分子、原子以及更小的微粒之間才會出現。所以說玻色的貢獻是突破性的。真正深入到量子物理層次。不像麥克斯韋-玻爾茲曼分布那樣還要考慮量子效應。

玻色-愛因斯坦統計是一種玻色子所依從的統計規律。根據量子力學,玻色子是自旋為整數的粒子,其本徵波函數對稱,在玻色子的某一個能級上,可以容納無限個粒子。因而符合玻色-愛因斯坦統計分布的粒子,當他們處於某一分布

(「某一分布」指這樣一種狀態:即在能量

的能級上同時有

個粒子存在著。

不難想像,當從宏觀觀察體系能量一定的時候,從微觀角度觀察體系可能有很多種不同的分布狀態,而且在這些不同的分布狀態中,總有一些狀態出現的機率特別的大,而其中出現機率最大的分布狀態被稱為最可幾分布。這時體系總狀態數為:

摘自獨立學者靈遁者量子力學科普書籍《見微知著》

相關焦點

  • 如果愛因斯坦在中國參加高考,他會被什麼學校錄取?
    愛因斯坦是有史以來最偉大的科學家之一,有人經常以愛因斯坦的經歷為例指責中國在教育、科研等方面的種種問題,說如果愛因斯坦降臨在中國會怎麼樣?近日中國到了高考季,又有人分析假如愛因斯坦在中國參加高考,他會考出什麼成績並會被什麼樣的學校錄取?
  • 愛因斯坦最傑出的特點不是他的科學成就,而是他偉大的人格
    過去,他對每一位客人都深表歡迎,不論是德國最著名的劇作家豪普曼,或是剛從波蘭來的窮苦學生(多半是要求愛因斯坦博士協助他進入大學就讀),他都一視同仁。但現在,似乎每個經過柏林的人都想來拜訪這位害羞的教授了。有一天,一位活潑的年輕人前來拜訪,提出一筆優厚的酬勞,請愛因斯坦寫篇介紹自己的文章給他工作的雜誌,愛因斯坦冒火了。
  • 「中國的愛因斯坦」束星北:成就遭時代埋沒,逝後遺體腐爛埋操場
    束星北在物理學界的成就足以讓他成為"中國的愛因斯坦",可是他死後遺體非但沒有按照他的要求解剖,甚至連安葬的地方都十分的草率。束星北被人們稱為"中國的愛因斯坦"並不是毫無緣由的,束星北在學術上的造詣遠非常人能比。
  • 愛因斯坦說如果自己年輕的話不再選擇做科學家
    這位偉大的物理學家不停止追求真理與正義的努力,他離開了人世,但把智量與良心留給了人類。 1945年,愛因斯坦教授退休了。對他來說,退休並不意味著放棄學術活動,一個公務員可以退休,但一個有心智的人是永遠不會退休的。
  • 還會有愛因斯坦奇蹟嗎?
    這一年愛因斯坦的父親去世,愛因斯坦與家人的關係逐漸好轉,他對米列娃畢竟沒有始亂終棄,1903年和她結了婚(但是這場衝破重重阻力贏得的婚姻並未能白頭偕老,1914年他們黯然離婚)。米列娃沒有文憑,因而也就無法找到工作,次年長子漢斯又出生了。相當沉重的家庭負擔,使得這位專利局的年輕職員那幾年的生活看起來頗有點潦倒落魄。
  • 愛因斯坦最重要的經驗,不是崇拜生產力而是擁抱孤獨,並獨自思考
    1902年,23歲的阿爾伯特·愛因斯坦,是一個沮喪而又嚴肅的年輕人,但不得不暫時放棄成為物理學家的夢想。而在這6年前,愛因斯坦在瑞士蘇黎世的瑞士上大學,學習數學和物理學專業,他經常逃課,並利用業餘時間去追求女孩,同時在女士午餐會上和雞尾酒會上拉小提琴。由於他不在乎一切的態度,愛因斯坦的教授們都不太看好他,認為他是一個註定要在物理學領域平庸一生的懶惰學生。
  • 愛因斯坦奇蹟將成絕響?媒體披露真實歷史(圖)
    這一年愛因斯坦的父親去世,愛因斯坦與家人的關係逐漸好轉,他對米列娃畢竟沒有始亂終棄,1903年和她結了婚(但是這場衝破重重阻力贏得的婚姻並未能白頭偕老,1914年他們黯然離婚)。米列娃沒有文憑,因而也就無法找到工作,次年長子漢斯又出生了。相當沉重的家庭負擔,使得這位專利局的年輕職員那幾年的生活看起來頗有點潦倒落魄。
  • 愛因斯坦留給女兒的一封信,震撼——個屁!
    但是,畢竟我們不是愛因斯坦的親人或者朋友,甚至不是跟他同時代的人,僅靠主觀臆斷既蒼白又危險。第一次聽說牛頓晚年對神學的痴迷不是也很吃驚嗎?但這種吃驚並不來自任何不合理性,而是來自我們對牛頓本人和他的時代的陌生。
  • 愛因斯坦的隻言片語:讓整個大地都成為你的祖國吧
    這裡我們把愛因斯坦的一篇法語作文———當然已經被法語老師修改過———逐字譯成英文,刊載如下。作文題目看上去像是老師給全班同學的命題,當時愛因斯坦年方十六。我對未來的計劃快樂的人滿足於現狀,不大為未來考慮。而另一方面,年輕人總喜歡大膽地暢想未來。對一個嚴肅認真的年輕人來說,儘可能準確地為自己樹立人生目標,是十分自然的事情。
  • 如果愛因斯坦是你的校長,你的學校會是什麼樣子?
    人們經常聲稱愛因斯坦是一個數學不及格的窮學生。這個老故事是假的,愛因斯坦在聽到這個故事後笑了起來。事實上,他在高中時就掌握了微積分,並能夠理解13歲時的伊曼紐爾康德(德國哲學家、天文學家)幾乎不可理解的哲學。
  • 愛因斯坦的興趣主要在於研究工作,而不是成為教授後所獲得的榮譽
    在他的相對論論文發表之後,愛因斯坦博士繼續在伯恩的專利局工作了一段時間。指導愛因斯坦研究而使他獲得博士學位的蘇黎世大學的克雷勒教授,對於他這位傑出學生所做的研究工作深感興趣。他堅持說,這位年輕人應該放棄他在專利局的那些不重要的工作。克雷勒教授宣稱,愛因斯坦所發表的論文當然可以使他在大學裡獲得一個教書的工作。
  • 如果沒有愛因斯坦,科學將會走向何處
    阿爾伯特·愛因斯坦常被認為是20世紀最有影響力的科學家之一。他的工作幫助天文學家研究從引力波到水星軌道的一切。這位科學家的方程式E=mc^2即使在那些不了解其基本物理原理的人中也很有名。愛因斯坦還因他的廣義相對論和光電效應而聞名,而光電效應為他贏得了1921年的諾貝爾物理學獎。
  • 愛因斯坦最為經典的吐舌照,其實不是PS,真相令人心疼
    文/行走天涯愛因斯坦最為經典的吐舌照,其實不是PS,真相令人悲傷愛因斯坦是世界上最偉大的科學家,因為愛因斯坦發現了廣義的和狹義的相對論。除此之外,愛因斯坦在科學領域當中還有很多成就。甚至至今還影響著無數的年輕一代的科學家們,哪怕愛因斯坦已經離開多年,依舊被認為是最值得紀念的,一位偉大的科學家,同時也是世界上最聰明的人。那麼愛因斯坦為什麼會如此的聰明呢?有人說是因為愛因斯坦是一個猶太人。因為猶太人先天智商很高。不可否認,愛因斯坦的智商高達160以上。但是世界上還有很多智商超群的人的智商遠超過160,甚至達到了230。但是這一輩子的成就卻完全比不上愛因斯坦。
  • 如果將愛因斯坦從塵世的紛擾中剝離,將會留下怎樣的思想和觀念?
    在遙遠的1954年,美國皇冠出版社出版了一本極為重要的書:《Ideas and Opinions》,它的作者是阿爾伯特·愛因斯坦。這並不是一本全新的著作,而是將當時愛因斯坦已經出版或是還未刊印成書的那些重要的文章、演講、聲明、信件等儘可能地收錄在一起,結集成冊。
  • 關於愛因斯坦的傳奇人生,你可能不知道的9件事
    圖解:阿爾伯特·愛因斯坦,14歲。(圖源:烏爾斯坦 圖片報--蓋蒂圖片社)長期以來,成績不佳的學生們一直都以愛因斯坦年輕時數學不及格作為一種安慰,但記錄顯示,如果不是被強迫的話,他實際上是一個特例。作為他們分居協議的一部分,愛因斯坦承諾每年給她一筆津貼,外加他可能從諾貝爾獎中獲得的任何獎金--他堅信自己最終會贏的諾貝爾獎。瑪麗克同意了。1922年,愛因斯坦因在光電效應方面的研究而獲獎,隨後他捐出了一筆小財產。那時,他已經和埃爾莎再婚,此後,埃爾莎一直是他的妻子,直到1936年她去世。
  • 愛因斯坦可能錯了
    在愛因斯坦的相對論中,時間與三維空間交織在一起,形成了彎曲的三維時空連續體,這是一個包括過去,現在和未來的宇宙「塊」。他寫道:「空間可以彎曲成不同的形狀。」愛因斯坦的相對論認為,空間可以彎曲成不同的形狀愛因斯坦的方程式生動地描述了宇宙中的一切,宇宙的最初條件決定了一切。絕對沒有意外發生。
  • 不僅顯得不專業而且會被埋沒!
    ,那麼就需要像歐美高校一樣,對來自全世界最頂尖的學生具有吸引力,而不是簡單的考各種的「超國民待遇」來吸引素質低,基礎差的亞非拉留學生。而目前國內的很多期刊都是由主編說了算,如果認識主編,即便是師母頌和詩歌專欄都可以刊登,而不認識主編,也沒有人推薦,那麼即便是頂尖的科研成果,由於缺乏專業素養的審核團隊,也會被埋沒在各種灌水的師母頌的海量論文中,如果你是科研人員,你希望自己辛苦十幾年的科研成果投稿國內的期刊嗎?相當於自己把一顆珍珠投向浩瀚的沙漠,即便是有影響力的科研論文,也會被直接埋沒。
  • 愛因斯坦"成績單"給家長提醒:天才悖論不存在,腳踏實地才是真
    二:天才更需要後天的努力很多成績不是很好,或者記憶力不是很好的學生,都會在心理默默地羨慕那些,看似並沒有花很多時間學習,一點就通的"天才學霸"愛因斯坦別稱為"天才"也可以說是當之無愧的,但是他本人並不認為自己的成功都歸功於天生聰慧。
  • 英國專家認為愛因斯坦和牛頓可能患有某種自閉症
    中新網5月1日電 一些專家在作出有關研究後得出結論說,著名科學家愛因斯坦和牛頓可能患有其中某種類型的自閉症。  英國劍橋和牛津兩所大學的研究人員相信,這兩位科學家都顯示出一種叫做艾斯伯格症候群(Asperger's syndrome)的症狀。  不少艾斯伯格症候群的患者都被認為行為怪異,而且缺乏人與人之間交往的伎倆。
  • 愛因斯坦的1919:是科學不是狗血
    1921年演講中的愛因斯坦,圖片來源:wikipedia原標題:愛因斯坦的1919:是科學不是狗血|施鬱專欄1919愛因斯坦本人也去看了。憤怒之下,他寫了一篇不淡定的反駁文章,提出「如果我不是猶太人,而是德國民族主義者,不管有沒有納粹標誌」,那麼他的理論就不會被攻擊,而且還指出諾貝爾獎得主、實驗物理學家勒納德對相對論的批評是膚淺的。本來批判相對論的人還沒有公開反猶,而勒納德雖然對猶太人不滿,但他對相對論的批評文章還保持在學術範圍,並未出席反相對論集會。結果愛因斯坦的反駁文章激怒了勒納德。