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2012這個末日論漫天飛舞的年份里,歐洲核子研究中心傳出一個很實在的消息;大型強子對撞機(lhc)捕獲了非常類似希格斯玻色子的信號。希格斯場是物質質量的來源,希格斯玻色子如果被確證,那楊振寧一米爾斯規范場理論的標準模型將畫下·個完美的句號。預言這個粒子的希格斯老爺爺已經80多歲了,很多人都期待著他成為今年諾貝爾物理學獎的最終贏家。
結果有些出入意料,希格斯老爺爺遺憾落選,獎項授予美國的大衛·維蘭德(david j.wineland)和法國的塞爾日·阿羅什(serge haroche)。這兩名實驗物理學家在過去20多年的研究中開創了測量與操縱單個量子系統的實驗方法。阿羅什的實驗方法是用原子測量單個光子,而維蘭德的實驗是用激光控制單個離子。他本文由收集整理們都反復進行了一系列實驗,并發表了大量論文。
科學背景
高中物理講過,原子中間是一個極小的原子核,外圍是電子,不過原子層次的物理現象沒法用牛頓的經典力學解釋,為了說清楚原子的事兒,物理學家們創立了量子理論。這個理論認為物質粒子也具有波的性質;粒子也不像皮球那樣缺乏個性地沿著確定的路徑運動,而是可以同時處于多種狀態,循著無窮多的任意路徑達到最終狀態。物理過程必須考慮所有可能路徑的總匯。
量子理論雖然如天書,卻是微觀世界真實的客觀規律。它不但用于原子能級、光譜、半導體、超導等現象,也被用于化學、生物等領域,還用來計算分子結構以及解釋生物化學過程。沒有量子理論,孰不會有晶體管、集成電路、激光,也就不會有計算機與計算機通訊。可以說,量子的宏觀應用已經使人類從電氣時代進入了微電子時代。
暈死人的量子世界
維蘭德來自于美國加州,中學時并不是最優秀學生,在高中最后一年才對物理產生了興趣。大學原本讀的數學專業,后來才改學物理,拿到物理博士學位后在美國國家標準技術研究所當研究員。他在那里干了37年,主要研究用離子束縛(iontrap)探索量子世界。
維蘭德與阿羅什的研究是直接操控并測試單個粒子的量子系統。對于維蘭德的實驗,他的方法是用電場把單個離子(如汞離子)限制在一個勢阱(可以把它想象成一個無
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形牢籠)內,就像用磁場把磁懸浮列車懸在空中一樣。這個離子在勢阱里只能來回運動,無法逃逸出去。
被束縛在勢阱里的離子整體只能來回振動(你可以理解為折返跑),而離子內部的電子也有不同的能級。這個振動的能量是量子化的,也就是一級一個臺階,只能在不同的能級之間跳躍。離子內部的能量也是量子化的,也是一級一個臺階。
維蘭德的秘訣是調節激光的頻率,迫使離子內部能級跳上一個臺階的同時讓它的振動能級跳下一階,這樣離子就會從內部高能級回落到低能級,不斷重復下去達到降低振動能級的效果,使離子處于運動能量最低的狀態。離子從高能級向低能級躍遷的時候釋放的能量轉換為一個光子,而光子的頻率正比于它的能量。在固體與氣體中,原子能級躍遷時的發光受到其他原子以及自身運動的影響,導致頻率的擾動。而單個孤立的離子則不受這些因素的干擾,因而可以實現很高的頻率精度。在另一個實驗中,通過不同的激光對離子照射,使它同時處于兩個量子狀態——這就是量子力學里“薛定諤的貓”,而且進行了相應的測量。在更為復雜的實驗中,三個離子形成量子纏繞狀態,構成三個可以用于量子計算的量子位元(qubit)……過去對量子力學的檢驗大多是基于統計結果,而通過對單個離子的精準控制,維蘭德等人的各種實驗與測量直接從微觀層次驗證了量子力學。
阿羅什與維蘭德殊途同歸。他的實驗是通過兩面鏡子來回反射把光子關進一個空腔,通過測量這些光子對高能級原子的影響得出光子的量子信息。
應用與展望
英文名稱:Acta Mathematica Scientia
主管單位:中國科學院
主辦單位:中國科學院武漢物理與數學研究所
出版周期:雙月刊
出版地址:湖北省武漢市
語
種:中文
開
本:16開
國際刊號:1003-3998
國內刊號:42-1226/O
郵發代號:38-214
發行范圍:國內外統一發行
創刊時間:1981
期刊收錄:
SCI 科學引文索引(美)(2009)
CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
核心期刊:
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽:
聯系方式
期刊簡介
《數學物理學報》(雙月刊)創辦于1981年4月,是由中國科學院主管、中科院武漢物理與數學研究所主辦的綜合性學術刊物。
英文名稱:Chinese Journal of Geophysics
主管單位:中國科學院
主辦單位:中國地球物理學會;中國科學院地質與地球物理研究所
出版周期:月刊
出版地址:北京市
語
種:雙語
開
本:16開
國際刊號:0001-5733
國內刊號:11-2074/P
郵發代號:2-571
發行范圍:國內外統一發行
創刊時間:1948
期刊收錄:
百種重點期刊
中科雙高期刊
第二屆全國優秀科技期刊
核心期刊:
中文核心期刊(2008)
中文核心期刊(2004)
中文核心期刊(2000)
中文核心期刊(1996)
中文核心期刊(1992)
期刊榮譽:
CA 化學文摘(美)(2009)
SCI 科學引文索引(美)(2009)
CBST 科學技術文獻速報(日)(2009)
Pж(AJ) 文摘雜志(俄)(2009)
中國科學引文數據庫(CSCD―2008)
聯系方式
關鍵詞:物理學;知識經濟;經典力學;工業革命;量子力學
在人類文明發展的進程中,物理學的每一次重大突破都帶動了科學技術的騰飛和社會經濟的變革。以科學技術為主要內容的“知識”改變著社會經濟的性質、特征和運行方式,給人類社會帶來了全面而深刻的影響。
一、從物理學發展理解經濟變革的根源
1、在農業經濟時代,土地是經濟發展最重要的資源。生產組織形式是自發的家庭生產方式,人類長期維持著經驗積累和簡單再生產,社會財富的增加相當緩慢。分配的主要依據是土地,擁有土地就擁有了財富和分配權,占有全部的剩余勞動成果。土地終極所有權掌握在皇帝手中,從而形成國家集權中軸支撐著社會。
科學巨匠牛頓,在哥白尼、伽利略、開普勒的基礎上,通過對天文學定律和力學實驗規律的高度概括總結,把物體的運動規律歸結為牛頓運動三定律和萬有引力定律。經典力學的成就,使機器發明成為可能,為首次工業革命提供了理論和技術支持。隨著蒸汽機的發明和使用,帶來了機器制造、交通運輸、礦山開采等產業的迅速發展,從而引起了從手工勞動向動力機器生產的飛躍,迎來了人類社會發展史上的新紀元。
2、工業經濟時代,機器、設備和原料是經濟發展最重要的資源。其主要特征是資本積累和擴大再生產,社會財富得以快速的增加,生產規模得到迅速擴大,然而最終卻導致了經濟危機。資本成為主要的分配依據,憑借著資本的大小,來瓜分社會財富和剩余勞動成果。機器大工業形成有組織的公司企業,資本被控制在資本家手中,公司企業就成為社會的中軸。
在奧斯特、法拉第的基礎上,麥克斯韋把神秘、抽象的電磁規律以數學方程完美地表示出來,從而形成了電磁場理論,同時預言了電磁波的存在。電磁場理論和實驗的巨大成就導致了電機、電燈、電報的發明和使用并引發了第二次工業革命。從此,人類全面進入了以機器大工業和社會化大生產為重要標志的工業經濟時代。
3、知識經濟是建立在知識和信息的生產、分配和使用之上的經濟。在知識經濟時代,知識將成為經濟發展最重要的資源,信息成為重要的商品和競爭要素。具有經濟發展可持續化、資產投入無形化、世界經濟一體化、經濟決策知識化等特點。知識型和科技型的勞動者,在社會生產中的作用日益增強,成為企業和經濟發展的關鍵,直接決定著企業的競爭能力和最終命運。
二、以物理學概念思考知識經濟的內涵
1、隨著信息技術的不斷發展,計算機日趨微型化,因特網使傳遞信息所需的時間節省了百萬倍,空間概念更是幾近消失。真可謂:“千里縮銀屏,數載化瞬息”。如果把信息視作物質,那么在相對高速地傳遞信息過程中,愛因斯坦相對論的“尺縮”和“鐘慢”效應會有什么體現呢?
知識經濟帶來了商業、金融、教育和文化娛樂的全球化,企事業單位在空間的分布狀態呈“無形化”和“分散性”。產品的開發與經營周期大為縮短,實現了所謂“實時運作經濟”。時間的“滯后效應”被引起重視,可持續發展問題變得極為突出。
2、物理學又是一門實驗科學,它的每一個原理和定律,都是在系統觀察和科學實驗的基礎上建立起來的,并且隨觀察和實驗水平的提高不斷完善和修正甚至被否定。如人們對光的認識就經歷了由粒子――波動――波粒二象性的曲折過程。量子理論認為一個電子究竟是粒子還是波?這要取決于選擇的實驗條件。這種不同尋常的作用對客觀實在的影響,在知識經濟中會有什么表現呢?
知識經濟對決策的基本要求是科學化、民主化、系統化和程序化。科學化就是要在決策中全面地應用知識。程序化就是把決策的過程分為準備謀劃、抉擇、控制與修正四個階段,每個階段又有若干步驟,它們是與觀察和實驗緊密聯系的。如準備階段中有關信息的收集和處理,謀劃時的預測或可行性研究都離不開觀察和調查;控制與修正階段的實施離不開實踐和檢驗。
3、縱觀物理學的發展歷史,從經典力學、電磁場理論到相對論、量子力學以及宇宙大爆炸、量子信息、統一場論等,展現在我們眼前的是一部充滿生機的探索和創新史。面對經濟全球化和日趨激烈的國際競爭,我們如何運用物理學的探索和創新精神面對知識經濟的挑戰?
探索和創新是物理學的靈魂,同樣也是知識經濟的靈魂。知識經濟提出經濟創新概念,即5個新:引入一種新產品,采用一種新的生產方法,開辟一個新的市場,獲得一種新的原料來源,實行一種新的企業組織形式。
綜上所述,物理學作為自然科學的基礎學科和帶頭學科,不僅為自然科學、工程技術提供了理論基礎和實驗技術,而且在社會經濟發展中發揮著極其重要的作用。瀏覽人類社會由農業經濟、工業經濟到知識經濟發展的歷史,不難看到物理學在其中扮演的角色。
作者單位:棗莊學院
參考文獻:
“比較法”是最好理解的科學方法,找出研究對象之間的相同點或相異點的一種邏輯方法.例如研究蒸發和沸騰的異同點.比較電壓表與電流表在使用過程中的相同點和相異點.比較電動機與發電機的結構和原理的相同點和異同點.汽油機和柴油機的相同點和異同點.
“控制變量法”是指在研究多個因素關系時,將一些因素固定不變,從而使問題簡化.利用控制變量法進行探進教學,不僅能培養學生的知識技能,還能促使學生養成良好的思維品質和科學態度、價值觀.例如,在研究異體電阻跟材料,長度,橫截面積關系時,先將材料、長度固定,研究電阻與橫截面積的關系;再如研究感應電流方向與磁感線方向的關系時要控制導體運動方向不變;探究壓強時,壓力一定時,壓強與受力面積成反比;受力面積一定時,壓強與壓力成正比;探究電流通過導體產生的熱量與電阻關系時,控制電流相等.
“等價變換法”是指讓學生把有關知識的數據、形象、動作、符號、公式、實例、文字敘述等各種信息自由的等價表示,培養學生聯想能力.例如,探究歐姆定律時,用文字敘述,用公式表示,用表格表示,用坐標圖像表示,進行計算和解釋現象等等;再例如,沸騰現象可以下定義來描述,也可以從溫度和熱傳遞變化規律來解釋,還可以畫圖像來反映.
“類比法”是指由兩種東西的一部分相似之處推測其他部分也可能相似.可幫助學生理解較復雜的實驗和較難的知識,有效地揭示自然界的秘密,特別是還不足以進行歸納推理和演繹思維的情況下,類比法更是得天獨厚.例如,研究功率時,想到功率表示做功快慢和速度表示運動快慢這一相似性,推測功率在定義、定義式、單位等方面也可能與速度相似;再例,用“水壓”“水流”來類比“電壓”“電流”等;聲波看不到摸不著,我們可以用“水波”或者“繩波”來類比,增加直觀性加深認識.
“分類法”是指將許多東西根據一定的規則進行分組.例如,將電路狀態分為通路、開路和短路;將摩擦力分為滑動摩擦和滾動摩擦;將汽化分為蒸發和沸騰等;內燃機沖程分吸氣沖程,壓縮沖程,做功沖程和排氣沖程四個程沖;凸透鏡成像分三類:u>2f時成倒立縮小實像,例如照相機;f
“轉換法”是指一些看不見,摸不著的物理現象,不好直接認識它,我們常根據它們表現出來的看的見、摸的著的現象來間接認識它們.例如,磁場看不見,我們撒上鐵粉通過鐵粉的有序排列“看見”磁場并進行研究;再如,液壓規律探究中,將探頭由淺入深放到液體中,通過觀察U型管液柱高度差來反映液壓大小隨深度的增加而增大;研究晶體熔化時,用時間的多少來表示吸熱的多少;研究電磁鐵磁性強弱時,通過觀察吸引大頭針數量來判斷.“等效法”是指在物理現象中,用不同的方式達到相同結果.例如做功和熱傳遞在改變物體的內能方面是等效的;再例如,一個5歐姆的電阻和一個20 Ω的電阻并聯起來與一個4 Ω的電阻是等效的;再例如,760 mm水銀柱產生的液體壓強跟一個標準大氣壓是等效的;虛像是無法用光屏承接的,因此虛像特點的研究成了實驗的一個難題,為了探究平面鏡所成虛像的特點,實驗中用兩支完全相同的蠟燭和可透視的平面玻璃板,采用等效法很好地解決了這一難題.
“缺點利用法”就是“將錯就錯法”,要求針對所研究知識點的缺點和不足,采取將錯就錯,變害為利,變廢為寶的方法去找到知識的應用或另一個問題的解決辦法.例如,重力的方向豎直向下易使物體下落破碎的缺點,而制成打樁機,重錘線等;再如,導體中電流過大,產生大量熱量燒壞絕緣皮而引起火災是缺點,但正是據此制成了電熱器來為人們服務.
“缺點列舉法”就是以挑剔的眼光對待問題,并想辦法解決提出的問題.例如,用電阻絲的長度的改變來改變電路中電流強度,由于太長不方便,而想到把電阻絲纏繞起來制成滑動變阻器.再例如,一根導線的磁效應比較弱,制成螺線管就能增大電流的磁效應,插入鐵心就成了電磁鐵,從而發明了電磁繼電器.