Homotopy approach to quantum gravity
量子多体系统的理论模型
量子多体系统的理论模型引言量子力学是描述微观物质行为的基本理论。
在量子力学中,描述一个系统的基本单位是量子态,而量子多体系统则是由多个量子态组成的系统。
由于量子多体系统的复杂性,需要借助一些理论模型来描述和研究。
本文将介绍一些常见的量子多体系统的理论模型,包括自旋链模型、玻色-爱因斯坦凝聚模型和费米气体模型等。
通过对这些模型的研究,我们可以深入了解量子多体系统的行为和性质。
自旋链模型自旋链模型是描述自旋之间相互作用的量子多体系统的模型。
在自旋链模型中,每个粒子可以处于自旋向上或向下的两种状态。
粒子之间通过自旋-自旋相互作用产生相互作用。
常见的自旋链模型包括Ising模型和Heisenberg模型。
Ising模型Ising模型是最简单的自旋链模型之一。
在一维Ising模型中,每个自旋可以取向上(+1)或向下(-1)。
自旋之间通过简单的相邻自旋相互作用来影响彼此的取向。
可以使用以下哈密顿量来描述一维Ising模型:$$H = -J\\sum_{i=1}^{N}s_is_{i+1}$$其中,J为相邻自旋之间的交换耦合常数,s i为第i个自旋的取向。
Heisenberg模型Heisenberg模型是描述自旋间相互作用的模型,与Ising模型不同的是,Heisenberg模型中的自旋可以沿任意方向取向。
常见的一维Heisenberg模型可以使用以下哈密顿量来描述:$$H = \\sum_{i=1}^{N} J\\mathbf{S}_i \\cdot \\mathbf{S}_{i+1}$$其中,$\\mathbf{S}_i$为第i个自旋的自旋算符,J为自旋间的交换耦合常数。
玻色-爱因斯坦凝聚模型玻色-爱因斯坦凝聚是一种量子多体系统的现象,它描述了玻色子统计的粒子在低温下向基态排列的行为。
玻色-爱因斯坦凝聚模型可以使用用薛定谔方程来描述:$$i\\hbar\\frac{\\partial}{\\partial t}\\Psi(\\mathbf{r},t) = -\\frac{\\hbar^2}{2m}\ abla^2\\Psi(\\mathbf{r},t) +V(\\mathbf{r})\\Psi(\\mathbf{r},t) +g|\\Psi(\\mathbf{r},t)|^2\\Psi(\\mathbf{r},t)$$其中,$\\Psi(\\mathbf{r},t)$是波函数,m是粒子的质量,$V(\\mathbf{r})$是外势场,g是粒子之间的相互作用常数。
物理学家提出万有引力实验新方法
附在二氧化硅制成的纳米弹簧上。
在某种程度上,这个纳米弹簧本身就是生物催化剂。
该研究主要人员之一、俄勒冈州立大学化学工程系研究生卡尔·斯格尔科说,把生物分子和纳米弹簧结合在一起,是一种高效环保的方式,可广泛应用于多种传感器、微型反应器以及其他制造业领域。
比如可用它们来制造生化传感器,迅速和有毒物质发生反应,其效率远远超过其他方式。
研究人员认为,就推动微型反应器和生物传感器技术发展而言,高效载体的研发扮演着越来越重要的角色。
而在纳米弹簧表面涂上一层酶、抗体或其他生物分子非常容易。
另外,通过化学蒸馏沉淀的方法,可制造出各种表面积的纳米弹簧,以满足不同需求。
该研究得到了美国微产品突破研究院和太平洋西北国家实验室的资助。
研究人员目前正着眼于开发基于纳米弹簧的可用于氢气储存、碳循环和芯片实验室的电子设备。
来源:《科技日报》斯坦福大学研究人员研制纸质锂电池电池是各种便携式电子产品的重要而烦人的部件。
尤其是大而且重的电池,让设备的移动性更差,而较小的电池,则会导致设备低性能降低或电池寿命变短———或两者兼而有之。
现在,斯坦福大学的新型锂离子电池不是减少了一些而是减少了一大块电池的体积。
新型的超薄的可充电电池已经可以制作在一张纸上,从此变得轻型、灵活,就像一张A4纸一样方便。
这是斯坦福大学一个材料科学家制造的,薄膜碳纳米管涂在另一张表层含有金属的锂化合物纳米管。
这些很薄的双层薄膜放在普通纸张的两面,纸张既是电池的支撑结构,同时也起到分离电极的作用。
锂作为电极,而碳纳米管层则是电流集合管。
这样的结果是,电池仅有300微米厚———灵活而超轻薄,而且节能效果比其它电池更好。
这不是一次性的电池,已经超过300次循环充电测试,性能仍然令人满意。
而且这种电池生产难度不高,比其他瘦身电池的方法更加容易投入商用化。
这种电池是并不是所有设备的最理想配件,但它们可能在未来大有用处,如智能化包装、RFID 应用以及电子纸产品。
Invariants of 2+1 Quantum Gravity
a r X i v :h e p -t h /9209031v 1 10 S e p 1992DFTT 46/92.August 1992Invariants of 2+1quantum gravityJ.E.Nelson and T.ReggeDipartimento di Fisica Teorica dell’Universit`a di Torino Via Pietro Giuria 1,I-10125,Torino.Abstract.In [1,2]we established and discussed the algebra of observables for 2+1gravity at both the classical and quantum level.Here our treatment broadens and extends previous results to any genus g with a systematic discussion of the centre of the algebra.The reduction of the number of independent observables to 6g −6(g >1)is treated in detail with a precise classification for g =1and g =2.P.A.C.S.04.601.IntroductionIn previous articles [1,2]we analysed the algebra of quantum observables for 2+1gravity on an initial data Riemann surface of genus g .The homotopy group π1(Σ)of the surface is defined by generators t i ,i =1···2g +2and presentation:t 1t 2···t 2g +2=1,t 1t 3···t 2g +1=1,t 2t 4···t 2g +2=1(1.1)The integrated anti-De Sitter connection in the surface defines a represen-tation S :π1(Σ)→SL (2,R ).The n (n −1)/2gauge invariant trace elements αij =αji =1K−1(a jm −a jk a km )(1.3)(a jk,a kl)= 1−1K (a jl a km−a kl a jm)(1.5)is the cosmological constant and h is Planck’s where K=4α−ih3α2constant.The classical limit K→1,a ih→αih of[1.2-5]are the Poisson brackets[,] defined by(A,B)+j−1.2The algebra of observables of2+1classical gravity for an initial data surface Σof genus g can be identified with a particular factor algebra of K(2g+2)as explained in[2].There exists a group D(n)of automorphisms on K(n)and A(n) implemented through exponentiated canonical transformations and induced by the mapping class group[3]as follows.Let a jk=cos(ψjk)2 .The algebra A(n)can be enlarged to B(n)by including non-periodic functions ofψjk,D(n)is then an inner group of automorphisms in B(n).Define:F(ψjk)=exp −iψ2jkElement in A(n)Imagea kl(1+K)a jk a kl−Ka jla km a mja mj(1+K)a jk a mj−Ka km(1.7)a lj a kla lm a lm−(1+K)a kl a km−(K+K2)a jl a jm+(1+K2)a jk a kl a mjThe elements a pq not listed in the table and a jk are invariant under D jk. Givenχ∈D(n)we denote by D(W,χ)the image of W under the mapχ.The action of D(n)on K(n)follows from(1.7)in the classical limit K→1, a ih→αih,i,h=1···n.In Section2we determine for each n a set of p linearly independent central (i.e invariant under(1.7))elements A nm,m=1···p in K(n)where n=2p or n=2p+1.In Section3we analyse the trace identities which follow from the presentation(1.1)of the homotopy groupπ1(Σ)and a set of rank identities with focus on g=1,2.These identities together generate an ideal I(n)⊂K(n). Finally in Section4we discuss the quantum counterpart of I(n)and of the central elements(Casimirs)A nm in B(n).2.The centre of K(n).Consider the n×n classical matrix C(β)with elements:C ij=e iβαij i>j(2.1)C ij=e−iβαij i<jC ii=cos(β)whereβis real and arbitrary.Note thatC(β)=−C(β+π)=C(β)†(2.2)C(−β)=C(β)Tand that C π2 T so that Det C(β)is real,even inβand Det C(β+π)= (−1)n Det C(β).C(0)has at most rank4(See Section3).The Fourier expansion of Det C(β)isDet C(β)=21−n cos(nβ)+pm=1cos((n−2m)β)A nm(2.3)where p=n2.LetΩ(γ)be the n×n matrix defined recursively byΩ η,γ = Ω(η),γ − Ω(γ),η +Ω(η)Ω(γ)−Ω(γ)Ω(η)(2.4) whereη,γ∈K(n)and by the initial conditionsΩ(αi,i+1)km=0k=i,i+1or m=i,i+1Ω(αi,i+1)ii=αi,i+1Ω(αi,i+1)i+1,i+1=−αi,i+1Ω(αi,i+1)i,i+1=−1Ω(αi,i+1)i+1,1=1(2.5)Letγ∈K(n)and[C(β),γ]the n×n matrix of elements[C(β)km,γ]then it can be verified that[C(β),αi,i+1]=Ω(αi,i+1)C(β)+C(β)Ω(αi,i+1)T(2.6) and by recursion that[C(β),γ]=Ω(γ)C(β)+C(β)Ω(γ)T(2.7) From the identity[Det M,γ]=Det M Tr(M−1 M,γ )(2.8) and(2.6)it follows that[Det C(β),αi,i+1]=Det C(β)Tr(Ω(αi,i+1)+Ω(αi,i+1)T)=0(2.9) But since theαi,i+1generate K(n)through their Poisson brackets we obtain the general result Det C(β),γ =0and therefore from(2.3) A nm,γ =0.Similarly let Y(λ)be the n×n matrix defined recursively byY(ηλ)=Y(η)Y(D(λ,η)),λ,η∈D(n)and Y(D i,i+1)km=0if k=m and(k=i,i+1or m=i,i+1)Y(D i,i+1)ii=2αi,i+1,Y(D i,i+1)i+1,i+1=0Y(D i,i+1)i,i+1=1,Y(D i,i+1)i+1,i=−1Y(D i,i+1)kk=1if k=i,i+1thenD(C(β),D i,i+1)=Y(D i,i+1)T C(β)Y(D i,i+1)(2.10)D(C(β),λ)=Y(λ)T C(β)Y(λ)(2.11)Since Det Y(λ)=1,from(2.10-11)it follows that Det C(β)is invariant under the action of D(n).For n=3there is only one central element:3A31=(1−α212−α213−α214−α223−α224−α234)+2α12α23α31+α12α24α41+α13α34α41+α23α34α42−2α12α23α34α411A42=A41−2 .For g=2,n=6this isΠ2=α16α25α34−α15α26α34−α16α24α35+α14α26α35+α15α24α36−α14α25α36+α16α23α45−α13α26α45+α12α36α45−α15α23α46(2.14)+α13α25α46−α12α35α46+α14α23α56−α13α24α56+α12α34α56 whereas the remaining2Casimirs follow from(2.3).3.The ideal I(n).3.1.Arbitrary genus.Let d ik=t i t i+1···t k−1represent the diagonal(seefigure)from P k to P i with.d ii=1,d j,j+1=t j,d ik d km=d im,d ki=d−1ikLet q be afixed but otherwise arbitrary point and write1αik=(Tr(u)Tr(v)−Tr(u v))(3.2)2which reduces to1∂k Det M(β)∂βk β=0=0,0≤k≤q(3.5) and in particularDet(C(0))=2−2g−1+g+1m=1A2g+2,m=0(3.6)for g>1.(3.5)reduces the number of linearly independent Casimirs A2g+2,m from g+1to2.Lowering the rank of an n×n symmetric matrix to n−k implies k(k+1)2−(n−4)(n−3)2,A42=34with A31given by(2.8).3.3g= 2.The relators t1t3t5=1,t2t4t6=1can be rewritten asd−112d13d−114d15d−116=1d12d−113d14d−115d16=1or asd−112d13d−114=d16d−115d12d−113d14=d−116d15(3.7)Tracing both of(3.7)and taking the difference and using now(3.3)with u=1,v=d12,x=d13,y=d14we see that there is a linear homogenous relation in u,v,x,y and that the Gram determinant of these4vectors vanishes. This is precisely the minor of C(0)restricted toαkm,k,m=1···4.By applying D(n)to this minor wefind that any diagonal minor of C(0)of dimension4must vanish.Therefore also all off-diagonal minors of C(0)of dimension4vanish and the rank of C(0)reduces to3.The lowering of the rank increases the number of rank identities to6and reduces the number of independent traces to9.The sum of the traces in(3.7)together with(3.4)lead to the remaining3 conditions which all follow fromΠ1−α56=α12α34+α14α23−α13α24−α56=0(3.8)and its images under D(n).The ideal I(6)is then generated by3trace identities(3.8)and the6rank identities reducing the number of independent traces from15to6.Besides(3.8) the ideal includes all its images by the action of D(6).By using I(6)we can expressαil forfixed l,i=1···6as polynomials in theαkm,k=1,m=1and show thatΠ2=1.We conjecture thatΠg=1mod I(2g+2).Further,all the tracesαkm can be expressed as polynomials or algebraic functions involving square roots,in terms of the single traceαj5for somefixed j and the restricted setαkm,k,m=1···4.However this restricted set satisfies the condition that the minor of C(0)restricted to k,m=1···4vanishes.Therefore the number of independent traces is precisely6.4.The quantum algebra.There are quantum Casimirs(ordered as in Section1)Q nm,T g which have A nm andΠg as classical limit but we have not been able to derive a generatingfunction for Q nm similar to Det C(β).By direct check we found the following quantum CasimirsQ31=3Ka12a13a23Q41=1K a12a13a23+a23a24a34+K−2a12a14a24+K−2a13a14a34 −(1+K)2References1.Nelson J.E.,Regge T.:C.M.P.141,211(1991).2.Nelson J.E.,Regge T.:Phys.Lett.B272,213(1991).3.Birman J.S.:Braids,links,and the mapping class group.Ann.Math.Stud.Princeton,NJ:Princeton University Press1975.4.Nelson J.E.,Regge T.,in preparation.5.Nelson J.E.,Regge T.,Zertuche F.:Nucl.Phys.B339,516(1990):ZertucheF.,Ph.D.Thesis,SISSA(1990),unpublished.。
研究理论物理的突破性方法
研究理论物理的突破性方法迄今为止,人类的自然科学已经有了相当程度的发展,其中的物理学,从开始到现在,经过不断的发展和完善,已经在人类社会的各个方面为我们贡献着力量,并且,这种力量是非常强大的,它极大地提高了生产力,并且以它为基础,为其他许多学科提供了科学理论依据,大到航天飞机、火箭,天眼望远镜,小到一颗LED灯珠,都离不开物理的发展。
但是,现在,物理学的发展似乎遇到了什么屏罩,我们被罩在里面,始终都无法挣脱,无法看到外面的事实真相。
其实,这个屏罩并不是现在才有的,而是从一开始就有了,并且,它一直伴随着物理学的发展,只不过是,它对物理学发展的阻碍作用并不是线性的,这个屏罩在开始的时候甚至并没有什么阻力,但是现在已经几乎是把物理的发展整个给罩住了,它把理论物理学的发展包围的严严实实,那么,这个屏罩到底是什么呢?其实它就是我们所处的这个三维世界。
我们生活在这个三维的世界里,我们的所有感观,如嗅觉,触觉,听觉,视觉等,全部是基于这个三维世界的,我们学习物理,发展物理,全部是基于这个三维的世界,物理学一开始发展的时候更是这样,我们所创造的那些基本物理单位,同样是基于这个三维世界的,这里特别提一下时间这个物理量,它其实并不属于这个三维世界,甚至不属于整个全维度的物理世界,其实根本没有时间,它是人们在当前所处的这个三维世界中所能达到的理解能力下,为了理解各种物理现象而引入的一个虚的概念,它就像我们解几何体时所做的辅助线一样,能够帮助我们理解物理世界,但是它只是辅助,而不是存在。
这点很重要,也是我们人类的伟大之处。
我们的一切活动,我们利用已经掌握的物理知识,对这个世界进行的任何的改造,也都是在这个三维世界里的规则下进行的,谁也无法打破这个规则,因为这是个因果关系的系统,规则是原因。
因为我们是这个三维世界的产物,所以我们的一切感观也仅仅是符合三维世界里的要求的,它基于的是这个三维的世界。
我们在这个三维世界里所拥有的我们自己的身体,同样是仅仅能适应这个三维世界的环境,我们人类以及各种哺乳动物、爬行动物、鸟类等,都只有两只眼睛,因为在三维世界里,两只眼睛就够了,我们的身体能发育出什么样的器官,是受到三维世界的制约的,这种制约就是一种无形的隐蔽的屏罩。
超低温螺旋型磁约束粒子托特马克超回旋
超低温螺旋型磁约束粒子托特马克超回旋随着人类对清洁能源的需求不断增加,核聚变技术备受关注。
核聚变是模仿太阳的能源产生方式,通过将多个轻原子核融合成一个更重的原子核释放出巨大能量。
而其中的一种核聚变技术——磁约束等离子体物理研究,成为了现今研究的热点。
超低温螺旋型磁约束粒子托特马克超回旋作为一种新型磁约束等离子体聚变方法,其在相关领域引起了极大的关注。
一、技术原理超低温螺旋型磁约束粒子托特马克超回旋是通过在弱磁场中利用螺旋线圈产生的辅助磁场来实现的。
通过螺旋线圈在内小于0.1T的磁场中,辅助强化等离子体的磁约束,实现了在超低温度条件下的等离子体稳态运行。
这一技术不仅克服了常规托特马克设备在超低温条件下运行的困难,更提高了设备的能效,使聚变反应更加稳定和高效。
二、技术特点1. 高效能:超低温螺旋型磁约束粒子托特马克超回旋设备采用辅助磁场,能够在极低温度条件下实现对等离子体的高效磁约束,实现更高效的能量输出。
2. 稳定性:该设备利用螺旋线圈产生的磁场,使得等离子体能够在超低温条件下保持稳定的运行状态,提高了聚变反应的稳定性。
3. 节能环保:相对于常规托特马克设备,超低温螺旋型磁约束粒子托特马克超回旋设备能够在更低的温度条件下运行,减少了能耗,减轻了对环境的影响。
三、应用前景超低温螺旋型磁约束粒子托特马克超回旋技术在核聚变领域的应用前景广阔。
其高效能、稳定性和节能环保的特点,使得其在未来能够成为清洁能源产生的主要手段之一。
该技术还可在其他领域,如医疗、材料等方面得到广泛的应用。
超低温螺旋型磁约束粒子托特马克超回旋技术作为一项创新的核聚变技术,具有巨大的发展潜力。
通过其技术原理、特点和应用前景的分析,我们可以看出其在未来的发展方向和应用前景。
希望在未来的研究中,能够进一步完善该技术,使其能够尽快投入实际生产和应用,为人类提供更多清洁能源和科技创新。
由于超低温螺旋型磁约束粒子托特马克超回旋技术在核聚变领域具有巨大的潜力,吸引了众多科研机构、高校和企业的关注和投入。
普朗克量子假说的基本内容
普朗克量子假说的基本内容一、普朗克与量子假说的提出马克斯·普朗克(Max Planck)是二十世纪初最杰出的物理学家之一。
他于1900年提出了量子假说,从根本上改变了物理学的发展轨迹。
在经典物理学中,人们普遍认为能量是连续变化的,而普朗克却提出了与之相反的观点,认为能量是以离散的、量子的形式存在的。
这一假说的提出,标志着量子力学的诞生,对整个物理学领域产生了深远的影响。
二、普朗克量子假说的基本内容1.能量辐射的量子化普朗克认为,能量不是连续地向外辐射,而是以量子的形式向外辐射。
这意味着能量的传递并不是连续的,而是分立的、离散的。
这与经典物理学中能量连续变化的观点形成了鲜明的对比。
2.辐射能量的恒定值在普朗克的假说中,每个量子的大小(或者说能量)是恒定的,不随频率的改变而改变。
这一特性也被称为“辐射能量的量子化”。
这个恒定的能量值标志着能量传递的不连续性,也是量子力学最基本的特点之一。
3.能量子间的无规律跳跃普朗克认为,能量的传递不是连续的,而是以跳跃的方式从一个能级跳到另一个能级。
这种跳跃是无规律的,不能通过连续的过程来实现。
这一观点彻底颠覆了经典物理学中能量连续传递的观念。
4.温度与能量的关系普朗克还发现了温度与能量之间的关系。
他认为物体的温度越高,其内部的能量子越活跃,即物体内部粒子的无规则运动越强烈。
这一观点对于理解热力学的基本原理有着重要的意义。
5.物质波的提出普朗克在提出量子假说的同时,也提出了物质波的概念。
他认为,所有物质都具有一定的波动性,这与经典物理学中的粒子观念形成了对比。
物质波概念的提出,为后来量子力学的发展奠定了基础。
6.能量子概念的拓展普朗克的量子假说不仅适用于光,也适用于其他形式的能量。
随着研究的深入,人们发现所有的能量都以量子的形式存在,包括电子、光子等。
这一概念的拓展,使得量子力学成为研究物质和能量最基本属性的重要工具。
三、对经典物理学的挑战普朗克的量子假说对经典物理学提出了巨大的挑战。
二维纳米材料中的自旋与谷物理研究
二维纳米材料中的自旋与谷物理研究二维纳米材料是当今材料科学研究领域的热门话题,其在电子学与光子学等领域具有巨大的潜力。
而在二维纳米材料研究中,自旋与谷物理是一项重要的研究课题,其能够为新型器件的设计与开发提供新的思路和可能性。
在二维纳米材料中,自旋与谷物理主要涉及到电子的自旋(spin)和能带结构中的谷(valley)。
自旋指的是电子的自旋角动量,可被看作是电子围绕自身轴旋转的性质。
而谷则是指能带中特定位置的能量极值点,通常用k值表示。
自旋和谷的研究不仅对于理解材料的基本性质有重要意义,也在设计新型的自旋电子学和谷电子学器件中发挥着关键的作用。
研究表明,二维纳米材料中的自旋与谷物理可以通过调控材料的结构、应力和外界电场等方式实现。
例如,通过应用外界电场可以调控材料的对称性,从而改变电子的自旋分布和谷的能量分布。
这种方法可以通过电场效应实现自旋转换和谷操控,为自旋和谷电子学器件的设计提供了一种新思路。
自旋与谷物理的研究不仅引发了学术界的广泛兴趣,也在实际应用中展现出了巨大的潜力。
一方面,自旋与谷的耦合关系可以用来设计新型的自旋逻辑门和谷逻辑门,从而实现低功耗、高速运算的自旋和谷电子学器件。
另一方面,自旋和谷也可以用来设计新型的传感器和存储器件,通过自旋和谷的调控来实现高灵敏度、高密度的信息存储和传输。
除了自旋和谷的耦合关系,二维纳米材料中的自旋和谷还可以与其他物理效应相互作用,产生更多的功能和性能。
例如,自旋和谷可以与拓扑绝缘态相互作用,产生拓扑自旋和谷态,用于实现拓扑量子计算和拓扑自旋输运。
此外,自旋和谷还可以与强关联效应相互作用,产生丰富的量子相和量子相变。
虽然在自旋与谷物理的研究中取得了很多重要的成果,但仍然面临一些挑战和难题。
例如,如何实现高效的自旋和谷操控,如何利用自旋和谷实现高性能的器件和系统等。
这些问题需要与材料科学、器件工程、量子物理等多个领域密切合作,共同攻克。
综上所述,二维纳米材料中的自旋与谷物理研究是一个既有学术价值又具有应用前景的重要课题。
斯特恩-盖拉赫量子叠加态-概述说明以及解释
斯特恩-盖拉赫量子叠加态-概述说明以及解释1.引言1.1 概述斯特恩-盖拉赫量子叠加态是量子力学中一个备受关注的概念,其由德国物理学家奥托·斯特恩和沃尔夫冈·保罗·盖拉赫于20世纪初提出。
该概念指的是一种特殊的量子态,可以同时处于多个可能性之间,而非仅限于经典物理学中的单一状态。
通过斯特恩-盖拉赫实验,他们展示了粒子可以同时存在于两个互补状态之间的叠加态,这一发现颠覆了经典物理学中对粒子运动的理解,引发了对量子力学本质的深刻思考。
本文将深入探讨斯特恩-盖拉赫量子叠加态的概念、斯特恩-盖拉赫实验的历史背景以及实验对量子力学的影响,旨在帮助读者更好地理解量子力学中的这一重要概念,并展望未来在该领域的研究方向。
1.2 文章结构文章结构部分的内容应该包括描述整篇文章的章节组成和每个章节的主要内容,以便读者能了解整篇文章的框架和主题内容。
一般情况下,文章结构部分应该包括以下内容:1. 引言部分,介绍文章的主题和目的,引导读者进入文章主题。
2. 正文部分,按照逻辑顺序展开主题,介绍相关概念、实验和影响。
3. 结论部分,总结文章的主要内容,提出未来研究方向和结论。
具体到这篇关于斯特恩-盖拉赫量子叠加态的文章,文章结构部分应该描述包括引言、正文和结论三个主要部分,分别介绍每个部分的主要内容和目的。
引言部分用于引出斯特恩-盖拉赫量子叠加态的概念和重要性,正文部分详细介绍斯特恩-盖拉赫实验的历史背景和对量子力学的影响,结论部分应该总结斯特恩-盖拉赫量子叠加态的重要性,展望未来研究方向,并总结文章的主要结论。
1.3 目的本文的主要目的是探讨斯特恩-盖拉赫量子叠加态在量子力学中的重要性和影响。
通过对斯特恩-盖拉赫实验的历史背景和概念的深入解析,我们希望读者能够更好地理解量子叠加态的概念及其在量子力学中的作用。
同时,我们也将探讨斯特恩-盖拉赫实验对于人类对于量子理论的认识和发展所起到的重要作用。
阿伦尼乌斯公式中指前因子的物理意义
阿伦尼乌斯公式中指前因子的物理意义
阿伦尼乌斯公式是描述电子绕核运动轨道的一种数学公式,具体形式为:
mvr = nh/2π
其中m为电子的质量,v为电子的速度,r为电子运动轨道的半径,n为运动轨道的主量子数,h为普朗克常数,π为圆周率。
指前因子nh/2π在阿伦尼乌斯公式中扮演的角色是将角动量量子化。
在经典物理中,角动量可以取任意值;而根据量子力学的原理,角动量是量子化的,即只能取离散的特定值。
阿伦尼乌斯公式中的指前因子nh/2π就是量子化的角动量值。
物理上,角动量是物体围绕某个轴旋转产生的属性,其大小与转动物体的质量、速度和离轴距离有关。
对于电子绕核运动,阿伦尼乌斯公式描述了电子的角动量量化规律。
通过该公式,我们可以知道,对于给定的电子轨道,其角动量只能取离散的特定值。
这一量子化的角动量对于解释原子结构和化学性质具有重要意义。
总而言之,阿伦尼乌斯公式中的指前因子nh/2π用于量子化电子绕核运动的角动量。
高等量子力学田光善讲义
高等量子力学田光善讲义
高等量子力学田光善讲义是一本关于高阶量子力学的教材。
量子力学是物理学中一门极其重要的学科,它描述了微观世界中的粒子行为和现象,如光的粒子性质以及原子和分子的稳定性等。
田光善教授是一位专业的量子力学教育家和研究者,他的教义深入浅出,为学生和研究人员们提供了全面清晰的理解量子力学的路径。
在《高等量子力学田光善讲义》中,田光善教授详细介绍了高级量子力学的概念和原理,包括:
1.正则量子化:教授清晰解释了正则量子化方法的原理和应用。
这种方法是将经典力学中的物理量和运动方程转化为量子力学中的算符,以描述粒子和系统的行为。
2.哈密顿量和薛定谔方程:田光善教授详细说明了哈密顿量的作用和意义,并引导读者理解薛定谔方程的解决方法。
这些方程是量子力学的基础,用于描述微观粒子的运动和性质。
3.角动量理论:本书涵盖了角动量算符的原理和性质,解释了自旋和轨道角动量之间的关系,并引入了角动量空间的数学描述。
4.量子力学中的对称性:田光善教授讲授了对称性在量子力学中的重要性,包括空间和时间反演对称性以及粒子统计的对称性。
5.量子力学中的近似方法:在讲义中,田光善教授介绍了多种近似方法,如微扰理论和变分法,用于处理真实系统中的复杂情况。
《高等量子力学田光善讲义》不仅包含了理论背景和数学工具,还提供了丰富的示例和习题,以帮助读者巩固所学知识并运用到实际中。
这本讲义适合量子力学学生、研究者以及对量子力学感兴趣的读者使用。
总之,高等量子力学田光善讲义是一本权威且系统的教材,对于学习和理解高级量子力学的原理和应用具有重要价值。
环形势阱中旋转玻色爱因斯坦凝聚体的基态
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收 稿 日期 : 2 0 1 4—1 2— 0 5 ;修 回 日期 : 2 0 1 5—0 2—1 3
基金项 目: 国家 自然 科 学 基 金 ( 9 1 4 3 0 1 0 9 ) , 高 等学 校 博 士 学 科 点 专 项 科 研 基 金 ( 2 0 1 1 1 4 0 1 1 1 0 0 0 4 )及 山西 省 自然 科 学 基 金 ( 2 0 1 4 0 1 1 0 0 5
环 形 势 阱 中旋 转 玻 色 爱 因 斯 坦 凝 聚 体 的 基 态
刘 燕 , 张 素英
( 山西 大 学 理论 物 理 研 究 所 ,山 西 太 原 0 3 0 0 0 6 )
摘 要 : 应 用 托 马斯 一费米 近似 和虚 时演 化 数 值 方 法 研 究 环 形 势 阱 中 旋 转 玻 色 爱 因 斯 坦 凝 聚 体 的基 态 密 度 分 布 . 当增 加 其 旋 转 角 频 率 , 或 者 增 加 环 形 势 阱 的宽 度 及 相 应 的 中 心 高 度 , 凝 聚 体 基 态 密 度 分 布 均 从 涡 旋 晶 格 相 转 变 为 巨涡 旋 相 . 当旋 转 角 频 率 为 零 时 , 增 加环 形 势 阱 的 宽度 及 相 应 的 中心 高度 , 凝 聚 体 基 态 密 度 分 布 从 一 个 圆 盘 变 为 圆 环. 解 析 结 果 与 数值 结果 相互 吻合 . 关键词 : 托 马 斯 一费米 近 似 ;中心 洞 ;巨涡 旋
亨德森-哈塞尔巴尔赫方程
亨德森-哈塞尔巴尔赫方程
哈及伦-赫伯特方程(Hilbert-Einstein equation),又称为亨德森-哈塞尔巴尔赫方程,是一个描述宇宙结构形成的物理方程。
它是20世纪物理学诺贝尔奖获得者阿尔伯特·亨德森(Albert Einstein)与荷瑟里安.哈及伦(Herbert Hilbert)的结合结果。
关于宇宙的探索,20世纪初,宇宙的结构仍然未知,但通过观察宇宙的变化,物理学家发现,当黑洞的重力足够大时,它不仅仅影响了物质的周围,还会影响周围的空间与时间。
1915年,阿尔伯特·亨德森提出了广义相对论,它预测宇宙结构包括时间。
1920年,荷瑟里安·哈塞尔巴尔赫把宇宙假设为一个充满黑洞结构的大量体系,他发现一个有趣的方程,它预测宇宙结构变化与其初始状态之间的关系。
亨德森-哈塞尔巴尔赫方程是由这个预测演变而来,它描述了宇宙结构形成的物理过程。
今天,使用该方程可以探索宇宙的结构与变化,由此可以研究宇宙的演化,以及宇宙的构造。
许多天文学家和物理学家正在尝试研究宇宙的性质。
它还能帮助人们了解高维空间,尤其是有关宇宙的运动的高维力学。
总的来说,亨德森-哈塞尔巴尔赫方程是一个重要的物理方程,它有助于人们理解宇宙的演变和结构形成,探索宇宙的性质和构造,以及了解宇宙运动的高维力学。
它已经成为物理学领域的一个重要研究方面,同时也给人类带来无限可能性。
量子引力理论及其研究方法
量子引力理论及其研究方法随着物理学的发展,物理学家们发现引力与量子力学的结合是深化对宇宙本质的一个关键。
量子引力研究的目的是造出一种理论,以此解释量子力学与引力相结合时所暗示的现象。
量子引力理论的核心在于将引力这一自然力量量子化。
历史上,爱因斯坦创立的广义相对论是描述引力作用的优秀理论,但仍然未能与量子力学结合。
因此,理论物理学家们长期以来寻求将两者综合的方法,最终的目标是建立出一种量子引力理论。
目前,学术界研究量子引力的方法主要有两种:弦论和循环量子引力。
弦论认为我们生活的宇宙具有多维空间,在这个理论中“弦”是基本组成部分,弦理论是综合量子力学和引力的一个理论架构。
循环量子引力关注引力波的研究,它给出了描述引力波的一整套公式。
弦论和循环量子引力的不同研究方法取决于如何量子化爱因斯坦场的引力。
在弦理论中,引力是由弦的震动产生的,并且系统中的所有粒子都是由弦纠缠在一起形成的。
循环量子引力则将爱因斯坦场看作离散区域的集合,通过对这些区域进行小步积分和大小选取,来构建出量子引力的理论结构。
虽然弦理论和循环量子引力有不同,但是它们有一个共同点,那就是在它们的基础上还没有得出可以检验量子引力的真实实验。
在目前的实验条件下,我们还不能证明这个理论。
因此,现时学术界需要更多的技术手段和实验数据,以提供对未来量子引力理论的支持。
近年来,学术界对量子引力理论的研究得到了新的进展。
例如,宇宙背景辐射和引力波检测等实验成果,这些结果为我们提供了更多的物理数据信息,也为量子引力研究的提供了更多的实证支持。
同时,人工智能技术和科学计算方法的发展也为解释和预测量子引力的理论提供了新的工具和平台。
总之,量子引力理论的研究是整个物理学领域中最具有挑战性和创新性的领域之一。
尽管在不断探究与实践中有一些坎坷,学术界却始终没有放弃对量子引力研究的追求。
在未来,科学家们将继续引导各类技术手段和实验方法,努力探索与研究量子引力的理论真相。
物理学家提出万有引力实验新方法
物理学家提出万有引力实验新方法
佚名
【期刊名称】《纳米科技》
【年(卷),期】2010(000)005
【摘要】美国国家标准技术研究院的科学家设计了一项新实验,能在非常微小距离内测量万有引力,有助于发现更多万有引力作用带来的新奇而微妙的现象。
实验的详细描述发表在近期出版的《物理评论快报》上。
【总页数】2页(P86-87)
【正文语种】中文
【中图分类】TB9-24
【相关文献】
1.《对玻恩及其学派的系列研究》连载(14)——哪位物理学家首先提出了可观察性原则? [J], 厚宇德
2.推动暗物质探索的九位科学大家——艾萨克·牛顿提出万有引力定律和三大运动定律 [J], ;
3.美物理学家找到测量万有引力常数新方法 [J],
4.万有引力实验新方法 [J],
5.美物理学家测定万有引力常数的最新值 [J],
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量子力学英语
量子力学英语
量子力学英语是学习和研究量子力学必不可少的一部分。
在这门学科中,学习者需要掌握一些基础的英语词汇和表达方式,例如“wave-particle duality”(波粒二象性)、“superposition”(叠加原理)、“entanglement”(纠缠)等等。
除了基础的词汇,学习者还需要掌握一些相关实验和理论的英语名词和概念,例如“Schrdinger equation”(薛定谔方程)、“Heisenberg uncertainty principle”(海森堡不确定性原理)、“quantum tunneling”(量子隧穿)等等。
随着量子技术的发展,越来越多的国家开始投入大量资源进行量子计算和量子通信的研究,因此掌握量子力学英语不仅有助于学习和理解该领域的最新进展,同时也可以为日后从事相关工作或职业发展打下坚实的基础。
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弯曲宇宙的量子引力效应
弯曲宇宙的量子引力效应
王书铨
【期刊名称】《哈尔滨科学技术大学学报》
【年(卷),期】1991(015)001
【摘要】目前,宇宙论已发展到探讨引力场的量子引力阶段.本文以各向同性均匀宇宙为基础模型,讨论成为弯曲源的标量场,文中对场的传播函数推出局部渐近的展开,Dp_((?))为实粒子的传播函数,局部项精确到粒子诞生效应.整个传播函数局部近似为 D_p_(loc),表示场源分化为极化部分与自洽引力场相互作用的实粒子贡献.我们认为弯曲宇宙中存在着各样的量子效应.
【总页数】6页(P59-64)
【作者】王书铨
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】P159.2
【相关文献】
1.宇宙相对论时空映射及引力与量子力学的研究 [J], 武圆
2.弯曲时空共形(Weyl)规范理论及引力荷、惯性因子和宇宙常数 [J],
3.诱生引力理论中的量子虫洞与宇宙量子场论 [J], 沈有根
4.研究人员最终测量到第四种基本力的微弱量子效应万有引力跃入量子世界 [J], 席鹏
5.量子引力理论与量子宇宙学 [J], 朱宗宏
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贝特与兰姆位移
贝特与兰姆位移摘要:贝特是20世纪天才的理论物理学家,他在众多领域作出了重要贡献,本文通过他在解决兰姆位移这一问题时所用的“重正化”方法,充分展现了贝特在物理学研究中惯常所用的点睛之笔.关键词:贝特兰姆位移重正化量子电动力学Bethe and Lamb ShiftAbstract:Bethe was topping theoretical pyhsicst in 20th century.He has made splendid contribution in many scientific areas.In the paper,Bethe's research technique was fully shown through the reforming methodto solve Lamb Shift.Keywards:Bethe,Lamb Shift,Renormalization,Quantum electrodynamics德国出生的美籍物理学家汉斯·贝特(H.Bethe)是20世纪天才的理论物理学家,他在粒子物理学、原子核物理学、天体物理学和量子理论等众多领域作出了一流的贡献.特别是他在解决兰姆位移(Lamb Shift)这一问题时所用的“重正化”方法,充分突出了贝特工作的一大特色,这一方法对量子电动力学费曼形式的建立产生了直接的推动作用.1.氢光谱研究的历史氢光谱作为最典型、最简单的一种原子光谱,它的研究历时100多年之久.1885年巴耳末发现14根氢谱线的波长可以用一简单的公式表示,这就是巴耳未公式.但随后不久,1887年迈克耳孙(A.Michelson)和莫雷(Moley)发现这一谱系的第一条谱线Hα线有精细结构,当时由于谱线本底太强,无法分辨结构的细节,只能认为是由双线组成.后人根据谱线强度的包络线作出种种猜测,例如,有人认为是里面包含有五条强度不等的细线.1913年,玻尔提出定态跃迁原子模型,成功地推出了巴耳未公式,然而仍不能解释精细结构.1916年索末菲对玻尔理论作了相对论修正,计算出了双线的理论值,与实验所得基本吻合.1926年,海森伯等人用量子力学计算能级,与索未菲稍有出入.1928年狄拉克用相对论量子力学,考虑到自旋-轨道耦合,提出狄拉克方程,可以描述氢原子的能级.据此得出氢谱Hα的精细结构.只是由于与Hα有关的能级中22S1/2和22P1/2,32S1/2和32P1/2,32P3/2和32D3/2能级分别相等,所以实际上Hα只有五个成分.为了检验狄拉克理论的预计,人们对氢谱结构作了大量光谱学实验,均未有定论.其中只有加州理工学院的豪斯顿(W.V.Houston)和谢玉铭的氢谱实验取得了明确的结论,他们的实验结果表明,氢谱的双线间隔比狄拉克理论预计的大约窄了3%,超出了实验误差,并且指出,可能是狄拉克未考虑电子与辐射场的相互作用所致.据此,帕斯特奈克(S.Pastemack)提出,只要假设子能级22S1/2比22P1/2高0.033 cm-1,就可以使这一分歧解除.2.兰姆位移1947年6月2日至4日在长岛顶端的谢尔特岛拉姆斯赫德酒店举行.会议的正式主题是“量子力学和电子问题”,而在科学史上被称为“谢尔特岛(Shelter Island)会议”.与会者有24人,都是美国一流的物理学家,其中有加利福利亚大学的奥本海默(Oppenheimer)、康奈尔大学的贝特、贝特的同事年轻物理学家费曼(Feymman)和哈佛大学的施温格尔(Schwinger)等人.在谢尔特岛会议上的讨论热点乃是几周前,由哥伦比亚大学的兰姆(W.E.Lamb)及其同事拉瑟福德(R.C.Retherford)在实验中发现的.他们所用的微波束探测技术,是从兰姆在二战时用于雷达的一项技术直接发展起来的,后来他们用微波束来测量氢原子中的电子的能级,实际上,他们测量了各个能级之间的能量差.按照狄拉克的理论,氢原子的一个电子可以有能量完全相同的两种量子态,类似于在同一个梯级上有一个双重的台阶.但兰姆发现,两者中有一个量子态的能量比狄拉克理论的预言值略高一些,因此在这两个能级间有个微小的能级分裂.有一个能级轻微地移位了,好比梯级中这对本应一般高的台阶却有一个比另一个稍微高了一点,后来称这个现象为“兰姆位移(Lamb Shift)”.1945年夏季,兰姆从文献中得知曾有人试图检测气体放电中氢原子的短波射频吸收,却由于微波技术欠佳而未获成功.现在,微波技术发展了,应该能够做出判决性的结果,于是他就说服了他的学生雷瑟福和他一起做这件事情.然而,开始的实验都不成功,气体放电中氢原子的短波射频吸收受到强烈的干扰.兰姆分析,必需创造一种条件,以便利用氢原子中可能具有的亚稳性的22S1/2态来做实验,当氢原子发生射频辐射而跃迁到22P1/2态时,亚稳性将会消失,大约在10-9秒内发出辐射而回到基态,就可以使亚稳态原子减少.兰姆和雷瑟福经过几次失败后,终于建立了成功的实验装置(如右图),氢气输入2500 K高温的加热炉中约有64%的氢分子离解,形成氢原子束,在输出的途中被加速到10.2 eV的横向电子束激发到n=2的各个状态.而处于22P1/2,22P3/2态的氢原子在很短的时间内就会自发地跃迁到基态12S1/2,22S1/2处于态的氢原子受选择定则的限制不能作这样的跃迁,因而形成亚稳态.当亚稳态和基态氢原子打到钨接收板时,因为钨的逸出功小于10.2eV,亚稳态氢原子有足够的能量使之电离,而基态氢原子则不能.另有一集电极A对P保持3V~4V电压,从P逸出的电子被集电极收集形成集电极电流,送往静电计测量.从电子轰击器发出的氢原子束还要经过一个射频区域,这是磁共振方法的基本部件,由电磁铁和微波系统组成.电磁铁提供0.3T以上的连续可调的恒定磁场,其作用是使氢原子产生塞曼能级分裂.微波系统可使氢原子产生2S和2P态的塞曼能级之间的共振跃迁.不同的磁场强度相应于不同的共振频率,这样就可以通过调整磁场强度,选择共振频率,微波的频率则是固定的.共振时,2S亚稳态氢原子由于跃迁到2P态而减少.兰姆和雷瑟福的实验结果确切地证明了根据狄拉克理论计算的共振频率与实际测量的共振频率相差为l000 MHZ,正好等于预期的位移值0.033 cm-1.进一步改进设备和测量方法后,兰姆和雷瑟福得到的谱线移动为1057.77±0.10 MHz.从某种意义上讲,兰姆移位的发现暗示了狄拉克理论不够完善.但是物理学家们已经知道这一点了,这是从他们试图计算电子在电磁场中的自相互作用时,无穷大进入量子电动力学(QED)的方式而获悉的.如果源于自相互作用的无穷大项是真实的话,那么,不管它的意义可能是什么,它会对应一个无穷大的“兰姆移位”.因此,在另一种意义上讲,兰姆的工作表明狄拉克的理论毕竟还不太糟糕,因为与实验不符的,远不是无穷大,而是一个对应于非常小的能级移位的很小的数.如果兰姆发现的移位是零,那就意味着狄拉克完全正确,这就会让我们面对的都是已知的东西,从那种意义上来讲就是一个坏消息.可是兰姆移位告诉在谢尔特岛的物理学家,他们必须要努力去找的不是零或者无穷大,而只是一个很小的有限的而且现在已经准确知道了的一个量.他们认为,他们应该能处理这个量,能把真正的数目放在面前的桌子上.3.贝特的重正化方法既然狄拉克理论有不足之处,那么量子理论是否能预言能级改变的正确数量呢?当时,贝特有个暑期工作,在纽约州的斯克内克塔迪的通用电器公司的研究实验室当顾问.在谢尔特岛会议散会后,当他还在从纽约到斯克内克塔迪的火车上时,氢原子中电子能量的兰姆移位的第一次“重正化”计算.虽然不是很好但很有启发性.贝特有在火车上工作的习惯,他于1938年在华盛顿特区参加的会议后返回康奈尔的火车上,解决了原子核裂变反应如何使太阳保持灼热的问题的工作荣获了诺贝尔奖.现在,他找到了一种技巧,能摆脱量子电动力学中的无穷大,只剩下一个对应于兰姆移位的小而有限的相互作用量.这里隐伏着一个困难,因为在解决这个问题的第一个回合中,他没有考虑相对论效应,只对移位做了非相对论的计算,但这仍是向正确方向迈进了一大步.所谓“重正化”计算,就是把理论上能够通过重新定义电子的电荷e0、质量m0和场量ψ这些发散量吸收过去.例如可以重新定义电子质量(称为重正化质量)m e=m0+δm,此处δm是各级修正中的发散量.然后把m e 解释为实验观测的电子质量.至于m0,它是不可观测的,因为它代表中磁场不存在时的电子质量,而不和电磁场相互作用的电子是根本不存在的.经过重正化的处理后,各阶修正的结果都不再包含发散,计算的各阶辐射修正可和实验进行比较;这一方法给出了兰姆移位的正确答案.实际上,贝特所做的就是计算氢原子中电子的能量,结果是通常的无穷大加上一个因附近的原子核(在此例中就是单个质子)之存在而引起的一个修正值.然后,他从中减去一个自由电子的能量,即无穷大量,而只剩下能量移位所要求的那个修正值.这种称为“重正化”的方法,最初源自荷兰物理学家克拉默斯(Hendri Krame),谢尔特岛会议的另一名参加者)在解决量子理论中另一个无穷大问题时的工作,不过无济于事.无穷大是个滑稽的东西,无穷大加一个小量仍是无穷大,而且在某种程度上你可能会认为贝特所做的两数相减无穷大加一小量再减去无穷大应该得零.另一方面,你可以设想通过把所有现有的整数相加来“制造”无穷大,再将每个整数加倍后再相加制造另一个无穷大.奇怪的是,第二个无穷大居然比第一个小,因为它只包含了偶数,而第一个无穷大既包含了所有偶数也包含了所有奇数.如果你从第一个无穷大中减去第二个无穷大,这时你得到的又是一个无穷大,即只剩下所有奇数之和.实际上数学家可以通过无穷大与无穷大相减而得出几乎是你想要的任何结果.事实上,正如贝特所发现的,确实可以用这种方法让量子方程中的无穷大相互抵消掉,从而给出兰姆移位的正确答案.这一点,在一些人眼中是奇迹,在另一些人眼中是诡计,而在多数物理学家看来,这是贝特对这个世界运作方式的一个基本发现,尽管他们并不太清楚这个发现究竟是什么.这一发现突出了贝特工作的一大特色,他抓住一种合适的理论,把它给出的某一个数与实验相联系,并用其中的细微之差攻其要害,直到要么它崩溃,要么迫使它与实验一致.“重正化”方法是贝特在物理学研究方面惯常所用的点睛之笔.4.量子电动力学的费曼形式当贝特做的事一传开,许多物理学家就试图寻找一种方法,去发展所需方程的相对论形式.费曼最初是在贝特从斯克内克塔迪打来的一个很兴奋的电话中听到这一消息的,但他并未马上理解到它的重要性,只是在贝特返回康奈尔大学就此发现做了一个正式的报告,并在报告的结尾处指出了相对论性不变形式对于计算的必要性之后,费曼才完全醒悟.报告一结束,费曼就找到贝特说:“我可以为你做到这一点,明天我给你讲我的方法.”1947年夏秋几个月,费曼一直是钻研如何计算自能和所有那些被忽视的问题,然后再来解决兰姆移位的问题.终于有一天在计算结果中发现无穷大消失了,方程是收敛的,而用的就是正确的“重正化”方法.1948年4月召开科学史上第二次重要会议—“波科诺(Pocono)会议”.在这次会议上,费曼公布了他已做完了他荣获诺贝尔奖的那项工作的全部事情,其中包括把正电子看做在时间上往回走的电子的最新讨论.费曼用他自己的新的量子力学,能解决贝特用重正化方法所能解决的每一个问题,而且都得到相同的答案.费曼还能解决用旧的量子力学无法处理的许多问题.费曼是以形象化的方式来思考,对习惯于用哈密顿方法和薛定谔方程来思考问题的普通物理学家要想抓住费曼的思路是实为困难的.他那形象化的方式使他对世界如何运作有一个鲜明的物理绘景,这种绘景给予他新的见解,从而用很少方程就能解决复杂的问题.波科诺会议后,费曼真正开始用一系列明晰而又深刻的论文发表了他的工作.按量子电动力学的计算,氢原子n=2时,兰姆位移的理论值为1057.56±0.10 MHz(实验值为:1057.77±0.10 MHz),两者相符甚好.因此兰姆移位实验与电子回旋比和μ子反常磁矩实验一起构成了量子电动力学的三大实验支柱.参考书目:[1].Mehra J.The beat of a different drum:the life and science of Richard Feynman.Oxford:Oxford University Press.1994.[2].约翰·格里宾玛丽·格里宾著江向东译《迷人的科学风采——费曼传》.上海:上海科技教育出版社.1999.114~119.(Gribbin J & Gribbin M.Richard Feynman:A Life in Science.Arts & Licensing International,Inc.,USA.Copyright © 1996.)[3].郭奕玲沈慧君著.诺贝尔物理学奖.北京:高等教育出版社.海德堡:施普林格出版社.1999.245~247.302~305.[4].钱临照许良英主编.世界著名科学家传记(物理卷Ⅳ)北京:科学出版社.1995.33~42.。
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a rXiv:g r-qc/6886v 118Aug26Homotopy approach to quantum gravity David Ritz Finkelstein ∗February 7,2008Abstract I construct a finite-dimensional quantum theory from general relativity by a homotopy method.Its quantum history is made up of at least two levels of fermionic elements.Its unitary group has the diffeomorphism group as singular limit.Its gravitational metrical form is the algebraic square.Its spinors are multivectors.1Strategy I report here on progress in the search for a physical theory that covers both general relativity and quantum theory.Segal 1951made a key con-tribution when he pointed out that both theories made a basic classical Lie algebra simple or at least simpler by a homotopy that introduced a small non-commutativity,with homotopy parameters having as their final values the physical constants h and c .He proposed to carry this to its logical limit,a homotopy to a simple Lie algebra,requiring additional parameters.Classical physics flattens this simple Lie algebra.The strategy of full quantization isto “flex”it back to its natural simple form.Canonical quantization in a nut-shell is a homotopy that “replaces Poisson Brackets by commutators”.Full quantization similarly compressed is a homotopy that “replaces commutator Lie algebras by simple Lie algebras”.Einstein and Heisenberg effected three homotopies,with parameters c ,G ,and .Full quantization extends all three homotopies to one that leads to a simple Lie algebra.One may explain the drift toward a simple Lie algebra,and thus both relativization and quantization,in Darwinian terms.Within the class of Liegroups,the simple Lie groups are stable against small changes in the struc-ture tensor,and the Lie groups of classical mechanics and canonical quantum mechanics are compound(not semi-simple)and are not stable.In the popula-tion of competing theories,stable ones probably survive longer and have more offspring than unstable ones.Flexing stabilizes,and so promotes survival.Each epoch defines its own stability construct.For example,Segal stabi-lized Lie algebras against variations in the Lie product but not in the Jacobi identity or co-commutativity.I follow the same strategy because it has not yet been fully executed for any physical theory.When we smash a regular algebraflat,it becomes singular and unstable. One can make itfinite by chopping it into bits of our choosing—discrete elements—and discarding all but afinite number,but this removes it even further from nature.Simple algebras havefinite-dimensional representations giving all dynamical variables discrete bounded spectra.Such a quantum theory decides its ownfinite quantum elements.In some cases,oneflexing can quantize the theory,relativize it,stabilize it,and regularize it.It does not preserve the symmetry group of theflattened structure identically like renormalization,nor break it completely like lattice regularization,butflexes it,and so slightly that it continues tofit past experiments.1.1FlexingLetΛbe the manifold of Lie algebra structure tensors on afixed vector space V.Let C n={p kcontaining allegedly absolute constructs.Therefore every physical theory has limited validity,by the nature of the enterprise.The goal of physics is therefore not afinal theory but the next step in an on-going Darwinian process of theory-selection.The universe will probably always surprise us.The search for some theoretical framework for this process sent me back to the classic work of Inonu and Wigner1952on group contraction,which now sent me to the work of Segal1951on the inverse process to group contraction, here calledflexing.In his sole illustration,Segalflexed the Heisenberg commu-tation relations for one coordinate variable q and momentum p to orthogonal group relations(qp−pq=i,iq−qi=0,pi−ip=0)=(qp−pq=r,rq−qr=αp,pr−rp=βq),(1)limα,β→0,r→1adjoining and thawing a variable r frozen in the singular limit.Segal’s proposal influenced the study of contraction and the Galilean limit by In¨o n¨u and Wigner1952,and the Gerstenhaber1964cohomological theory of Lie algebra stability.These in turn had many effects,many of themfirst brought out for me at this meeting(Oberwohlfach2006).Vilela Mendes1994first applied the stabilization strategy to a relativistic physical theory.He stabilized the Poincar´e algebra and the Heisenberg algebra of Minkowski space,using a fundamental length that could well be the one that Heisenberg prophesied a half-century earlier.His quantum space is a matrix geometry in the sense of Dubois-Violette et al1989except for the theory of connections and gravity.It is more matricial than the Matrix Model of Banks1977in that its time variable too is a matrix,and it goes beyond the deformation quantization of Flato1982in that its end Lie algebra is simple.Vilela space combines and unifies not only the homotopies of Einstein and Heisenberg,but also those of de Sitter,Snyder,and others who navigated without the stability compass and so never reached simplicity.It has the simple group SO(6;σ)of a quadratic space with somewhat unspecified signatureσ.To apply the stabilization strategy to statistics I define:Definition2A paleo-bosonic statistics is one defined by a simple Lie alge-bra having the bosonic Lie algebra as singular limit.Then the Vilela quantum space is an aggregate of paleo-bosonic sub-events that have a real six-dimensional ket space of non-Euclidean signature(§2.9). Its event coordinate operators x, p, ırepresent elements of d SO(6;σ).The dimension of the representation is unspecified but is presumably allowed to be large,since Vilela1994uses an infinite-dimensional representation for a singular limit.3The dynamics of linear systems like the harmonic oscillator is expressible by a Lie algebra and is thereforeflexible.Shiri-Garakani and Finkelstein2005 constructed a stable dynamics for such a system byflexing the usual unstable one.Theyfind that different time-eigenvalues define subspaces of different di-mensionalities,so there is no one-parameter unitary group of time translations, except in the singular limit of classical space-time.Near the beginning and end of a system time t,when|t|∼±l X,the multiplicities of the eigenvalues of|t|vary linearly in|t|−max t|and unitarity is a bad approximation.This makes room for a quantum version of the black hole.In the middle times, |t|≪max t|,unitarity is a reasonable approximation.Baugh2004flexed the Poincar¨e group to an A group,independently of the work of Vilela Mendes with a D group.The quantum event of Baugh space is an aggregate of paleo-bosonic sub-events with a six-dimensional complex ket space.For possible future needs I generalize Baugh space from dimension6to an extended event space of any dimensionalityνand signatureσ.The event coordinate operators x, p, ıthen represent elements of d SU(ν;σ).1.3OutlineIn§2I extend full quantization to the history Lie algebra,as required for gen-eral relativity,formulating a strategy of general quantization.In§3I generally quantize the Einstein space,algebra,and group.In§4I generally quantize the Einstein kinematics and discuss the spin-statistics correlation.In§5I describe a general quantum gravity.I stop in the middle of the work.It remains to reconstruct classical gen-eral relativity as singular limit of this quantum theory,verifying the heuristic arguments used to construct the theory,and to work out the experimental consequences that differ from the classical theory.The main indication that the theory worked would be getting some of the particle spectrum and forces right.The immediate problem is to get any particles and forces at all,for they live one or two levels above the level of events.2General quantization2.1ForegroundHeisenberg,emulating Einstein,set out to work solely with observables,and ultimately his quantum theory encodes operations of observation in single-time operators Q(0).But Heisenberg’s dynamical equations dQ(t)/dt=[H(t),Q(t)] do not relate these alleged observables,they relate observable-valued functions4of time Q(t),histories.A history of an observable is not an observable in the Heisenberg sense.When he works with admittedly non-observable entities Heisenberg does not yet strictly conform to his own operational principle.In a regular theory we can come closer to operationality with the following strategy: Attach observables to histories,not instants.To formulate quantum dynamics in classical space-time in a covariant way, Dirac,Schwinger,and Feynman already replaced probability amplitudes for the instantaneous system by probability amplitudes for system histories.I do the same for quantum dynamics in a quantum space of events.Continuum theories of history have been singular in the extreme,with operations like “integrating over all histories”that were programmatic rather than defined mathematical processes.Flexing,however,makes the quantum history more docile than a quantum crystal.In the fully quantum theory,sums over all histories are merely traces offinite-dimensional matrices,while for crystals today the analogous matrices are infinite-dimensional and almost all the traces diverge.To form a general quantum theory I construct a classical history Lie alge-bra(§2.2),flex it(§2.3),and represent it in a Fermi algebra(§2.10).These steps have singular correspondents in canonical quantization,which is an ini-tial stage of general quantization that does not yet require us to append frozen variables.Instead of a Fermi algebra representation,the Heisenberg Lie algebra uses the infinite-dimensional representation R fixed by Planck’s constant.Its unitaryflex has instead an infinite number offinite-dimensional non-faithful ir-reducible representations R Jfixed by weights.The Clifford and Fermi algebras that arise in general quantization define their own unique faithful irreducible representations up to isomorphism.2.2Unified historyTo start with the easiest fully quantum relativistic dynamics,Finkelstein2005flexed a real scalar mesonfield.The point of this example was to quantize the history Lie algebra as a unit,not thefield variables and the space-time variables separately.I recapitulate some necessary concepts:Definition3A q/c system is one with quantum variables and classical com-muting time and possibly space coordinates,as in canonical quantum theory; c/c and q/q systems are similarly defined.A c/c history space is the space of all possible state functions(q(t),p(t)).A c/c history algebra is the algebra of all scalar functions of the history.A c/c history Lie algebra is the trivial commutator algebra of the history algebra,which is commutative.5In the q/c case,replace real-valued functions q(t),p(t)by operator-valued functions in the above definitions.In the q/q case,the history space is a quantum space defined by its coordi-nate algebra,aflex of a q/c or c/c one.A history ket defines a fully quantum dynamics by assigning a probability amplitude to any other history ket.Toflex classical general relativity I retrace Einstein’s path to gravity at the full quantum level of resolution,one or two levels beneath classical space-time, starting from the equivalence principle andflexing as I go.Invariance under the Einstein group,the principle of general covariance, incorporates the equivalence principle and led Einstein to describe gravity with the chronometric quadratic form gµν.The Einstein group is defined by singular relations like[∂µ,xν]=δνµ,so it is an unstable compound group,ripe forflexing.Unlike canonical quantization,flexing is not intended to preserve general covariance and the classical Einstein group exactly.General covariance is clas-sical and unstable.Flexing replaces it with a stable quantum correspondent, general quantum covariance.2.3Unified algebraQuantum theory has one product while general relativity has many.Part of the solution is inspired by conversations with Aage Petersen1970: Quantization merges products.This already happens in canonical quantization,which merged(1)the commu-tative algebraic product of functions on phase space and(2)the non-associative Poisson bracket product of the same functions.Heisenberg recovered both from the non-commutative product of quantum mechanics as leading terms in an power series.General quantization merges(1)the commutative inner product v·w and (2)the anti-commutative Lie product[v,w]Lie,two products of space-time vec-torfields.These derive from two associative products on the vectorfields:the differential-operator product and the Clifford product.I merge them into one Fermi algebra of general quantum gravity,which is also the operator algebra of the quantum system,and a Clifford algebra.The history ket space of the system is then a multivector space for this Fermi algebra,and a spinor space for this Clifford algebra.A further plurality of products in the theory arises from the plurality of levels.62.4No-field theoryHilbert varied gravitationalfield variables gµν(x)without varying coordinates x=(xκ).In the resulting Poisson Bracket Lie algebra,gµνcommutes with xκ.There are no such coordinates in real life.The lattice of rods and clocks imagined by Einstein provides such coordinates at low resolution but would obliterate the system at high resolution.Our actual physical coordinates xµare all based on weak signals,usually electromagnetic,that carry us information about the intervening gravitationalfield as well as the remote event,as in thefirst astronomical observations of the solar deflection of star images.Such coordinates are more relative than general relativity,relative to thefield as well as to the frame of reference.Coordinates in the small that commute with each other and the gravitationalfield are unnatural in the canonical theory too,as Bergmann and Komar1972and Bergmann1979point out.Once coordinates fail to commute we can dispense with quantumfields,which re-emerge in the singular limit of classical space-time.One way to unifyfields is to eliminate them all together.As a classical prototype,the gravitationalfield emerges from a no-field the-ory that imbeds space-time in a higher-dimensionalflat space.In the quantum correspondent,we imbed a quantum space of actual events within a quantum space of possible events.Quantum logic originally forced me to avoid the usualfield concept.Quan-tum logic has an invariant construct of subset but no general construct of functional relation between given quantum variables,as discussed in Finkel-stein1969.In general quantum gravity the main variable,the history,is a quantum set of actual events,a variable subset of afixed quantum space of possible events.In fully quantum gravitational dynamics,gravity is already present in the quantized event coordinates.The quadratic form of general quantum gravity is defined by the Fermi-algebra product,which is also a Clifford-algebra product.If v=lim0 v is a classical vectorfield and the singular limit of an operator v in the Fermi algebra,then the value of the gravitational operator-valued quadratic form isg(v)=gµν(x)vµ(x)vν(x)( v)2.(2)=limClifford algebra guides our general quantization much as the Poisson Bracket Lie algebra guides canonical quantization.72.5Unified statisticsThe quantum event of Vilela space has a paleo-bosonic coordinate algebra of x and∂x,as though the event itself is a paleo-bosonic aggregate.And the space is cold,so most of its constituents could occupy one ket.If the Vilela Mendes quantization is correct,it is odd that history does not consist of one ground event that occurs very many times and many rare events.Instead history behaves like a fermionic aggregate;even a crystal(as Newton noted)with its transverse waves.Crystals are stabilized against collapse by the fermionic statistics of electrons;I stabilize history by a similar strategy:Analyze paleo-bosonic events into fermionic ones.(§2.13,§2.10).This also permits a formulation of the spin-statistics correlation that makes it natural to extend it to other levels.The model studied here is fermionic to its bottom,several levels of quantification down.Standard quantumfield theory works with at least the following successive levels of aggregation,listed from the top down:1.the many-quantum orfield operator historyˇψ(x),2.the single-quantum ketψ(x),3.the coordinate x= dx,4.the differential dx.Quite different bridges connect these levels.We pass from4to3by integration, from3to2by quantization,and from2to1by quantification.Each of these levels has its own algebraic structure,4and3being classical and2and1 quantum.This arrangement seems unphysical,since surely the microworld is quantum.For the purely classicalfield theory of the19th century one mode of aggre-gation,set formation,would have sufficed to express all aggregates and bridge between them.Canonical quantization must us classical modes of aggregation on some levels and quantum on others.General quantization reopens the pos-sibility of a uniform aggregation process or statistics,now quantum instead of classical.Definition4(M andµ)If S is a system(classical or quantum)then M S designates an aggregate whose generic element is S.M is for Many-,Meta-,or Menge.If A is an aggregate then in generalµA designates the generic element or quantum of A;µis for mini-,mero-,or micro-.µn and M n designate n-fold iterates ofµand M.V S designates the ket space of S,with norm ψ =ψ†ψdefined by a hermitian form†.8A S designates the coordinate†algebra of system S,the endomorphism algebra of V S.The multivalued operation Min accepts an algebra and returns a minimal left ideal of the algebra.The prefix M can designate any quantification process depending on context or labeling.In a given contextµand M are inverses of each other(as in the metric system).I designate the history that we analyze by H,and its constituent events by E=µH.Assumption1There is one basic quantifier M and it is fermionic.This is a typical assumption of the uniformity of nature,based on solid igno-rance.The quantum event is still out of reach,the chronon more so.We have a chance of describing it correctly only if it repeats what wefind on the higher levels.At least this assumption does not require us to express bosons like photons in terms of fermions like neutrinos,as de Broglie proposed.I propose to analyze all the gaugefields as I analyze gravity,into fermionic quantum events,not particles.Segal’s three variables p,q,r generate the algebra d SU(2)=d SO(3),in both the A and B series.In higher dimensions,however,one must choose between the A series of groups SU(n)on complex vector spaces and the B and D series of orthogonal groups SO on real vector spaces.This choice must correlate with the choice of statistics.There are some tentative indications that the relativity group is in the A series and that there is a basic Fermi statistics:1.The i-invariance of ordinary complex quantum theory breaks down in thereal B and D series and survives in the A series.2.The singular limit that recovers classical mechanics from quantum me-chanics automatically converts the complex theory into a real one.3.Four obvious candidates for a basic quantifier are Cliff,Min Cliff,Fermiand Min Fermi.Iterating Cliffor Fermi violates the spin-statistics corre-lation.4.Min Cliffhas afixed point at dimensions2and4,blocking analysis intobinary elements.5.Min Fermi=Grass= =M is singled out because it respects thespin-statistics correlation and permits analysis into binary elements. 6.The internal groups of the Standard Model are all unitary but not allorthogonal groups,thanks to SU(3).97.The paradigm of universal quantification theories,classicalfinite set the-ory,is an iterated fermionic statistics over the binaryfield of scalars2.8.Fermi quantification has a stable group.9.Fermi quantification accounts for both Fermi and Bose statistics at once(§2.11),and also for spin(§2.10).10.The Spin Lie algebra of Minkowski space-time is the Lie algebra of anorthogonal group,not a unitary group;but it is a singular limit of a unitary group,in the same limit that produces classical space-time. 11.Classical gravity is described by a Clifford ring;but this is a singularlimit of a Fermi algebra.(§4.1,§5).The last two indicators originally pointed to the D series but I have re-aligned them by ad hoc assumptions to secure consistency.The Kaluza-Klein strategy imbues space-time with extra internal compact dimensions.This created the compactification problem:What compactifies these dimensions?Einstein and Mayer1931evaded this problem by adding extra components to the tangent vectors of the c space-time manifold but no dimensions to the base manifold itself.Connes1994makes a similar theory in a mixed c-q event space,attaching quantum spinlike variables to a classical manifold.Assembling history from fermionic quantum events permits me to emulate them at a fully quantum level.One must posit that these quantum events bind along some dimensions of their ket space to form the macroscopic space-time dimensions,leaving all other dimensions small,on the chronon scale,like a soap bubble that is only one molecule thick in one direction but macroscopic in the other three space-time directions.The compactification problem is replaced by the extension problem:What makes some dimensions extend to macroscopic sizes?As with soap bubbles, this is a matter of the structure of the molecular elements.I do not reach this problem here.2.6RegularizationAlmost all quadratic forms are regular,almost all matrices have inverses,al-most all determinants are non-zero.The divergent cases are exceptional,rare. Therefore any singular theory is not based entirely on experiment,which is always generic,but also on belief in some occurrence of zero probability.Flex-ing eliminates such singularities as the Wronskian singularity of gauge theories and the singularities of propagators.Instead of infinite renormalizationsflex-ing introduces quantum constants that are up front andfinite.Vilela space has three new homotopy parameters and quantum constants:a space quantum X,10a momentum quantum P,and a large quantum number N,in addition to the usual quantum of action and angular momentum .The scalar meson in Minkowski space-time and general relativity both have Lie algebras which are infinite dimensional because their elements depend on arbitrary functions,for example functions of time.General quantization re-places these Lie algebras by ones of high butfinite dimensionality.2.7System structureTo structure the history H we must analyze aggregates into elements more than once.Present quantumfield theory uses several traditionally distinct aggregation processes:1.Summation makes a whole that is“the sum of its parts,”at least forsome properties such as charge.2.Integration generates quantities from their differentials.3.Quantification creates an aggregate of elements.The logician WilliamHamilton introduced“quantification”to transform yes-or-no questions about an individual into how-many questions about an aggregate.4.Exponentiation creates F X as an aggregate of F-systems,one at eachpoint of the set X.5.Group generation createsfinite transformations from infinitesimal ones.This constructs groups from their infinitesimal Lie algebras.6.Quantization can be regarded as atomization followed by quantification(§2.8).In general quantum relativity all these are provisionally replaced by one ag-gregation process.2.8Quantization and quantificationQuantification in the quantum domain,usually Bose or Fermi,formally resem-bles quantization so closely that atfirst it was called“second quantization”, although quantification converts c systems into c,and q systems into q,while quantization converts c systems into q.Nevertheless the two are related.Assertion1Quantization is quantum atomization followed by quantification.Argument(heuristic).Quantization begins by forming a Lie algebra.The vector space supporting the Lie algebra can be interpreted as the input/output11vector space of a constituent or“atom”of the system.The relations of the Lie algebra define a quantification for this atom.For example,to canonically quantize the linear harmonic oscillator,with coordinate x and momentum p,one can:(1)Posit a boson“atom”B whose sole attribute is existence,with one-component complex normalized kets|B and bras B|;and then(2)Quantify B,forming a bosonic aggregate M B with two dimensionless Lie-algebra generators,a B-creator b†= β|B and a B-annihilator b= B|β , subject to[b†,b]=c(3) where c is a third basis element that is central.Here β|is an operator-valued form converting kets into bosonic creation operators.Finally one chooses a representation.In this example the representation isfixed by the value it assigns to the central invariant c=i .The Heisenberg relations are satisfied byx=X (b+b†)2i(4)X,P are dimensional constants required for homogeneity of units,with XP=: .The classical limit is →0.Quantum electrodynamics too has been quantized by(1)atomization and (2)quantification.Akhiezer and Berestetskii1953(1)reinterpret Maxwell’s Equations as a one-photon Schr¨o dinger Equation,and(2)quantify this photon with boson statistics.2.9Paleo-bosonsBaugh2004flexed the Heisenberg Lie algebra into the unitary Lie algebra. His homotopy can also be applied to the bosonic commutation relations by a change of basis.Vilela space and Baugh space are related by an extension of the Weyl unitary trick.For brevity I write V⊕2as V.Definition5A unitarization(relative to an orthonormal basis B in a real quadratic space V with bilinear metric form hµν)is a process that1.replaces(V,hµν)→(V⊗C,hµ∗ν),(5)a complex†space with Hermitian sesquilinear metric form.2.imbeds V⊂V⊗C as the vectors with real coordinates in B.123.maps SO(V)→SU(V⊗C),keeping the same matrix elements in thebasis B.4.replaces Clifford generatorsγαobeying{γµ,γν}=2hµν(6) by Fermi generatorsγα,γ†αobeying{γα†,γβ}=2hα∗β,{γα,γβ}=0,{γα†,γβ†}=0.(7) The grade-2elementsγαβare paleo-bosonic,of even exchange parity,but the underlying grade-1generatorsγαare now odd,fermionic.2.10Fermionic aggregatesIf the Fermi-algebraic quantum theory of gravity is correct,space-time is a singular limit of a fermionic aggregate.In any case,the main sources of gravity are fermionic,not bosonic,so we require the familiar algebra of an aggregate M E of fermionic entities E(soon to be events).Assertion2A spin1/2is a fermionic aggregate.Argument:M V= V=Min Fermi V=Min CliffDup V=Spin Dup V(8) with Dup of Definition15,§9,and†induced by that of V.To see the last equality in(8),recall that for Cartan1935and Chevalley1954, V is the pro-totype spinor space for a neutral quadratic space isomorphic to V⊕V D.That is,the kets supporting the algebra Fermi V are the columns of a faithful irre-ducible representation of CliffDup V,hence spinors;and are also multivectors of the Grassmann algebra V.Usually one expresses gravity using spinors of the Minkowskian tangent space.This clashes with canonical quantum theory.Spinors require a bilinear form‡,canonical quantum theory a Hermitian form†.This discord already exists between Minkowski space-time and Hilbert space.Since we now regard the usual real Minkowski space-time as a singular limit of a quantum space-time with a Hermitian form,the discord disappears.We can expressflexed gravity using multivectors over a fermion ket space.13。