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分享从青蛙蹬腿到电子自旋: 热度 2 岳东晓 2016-8-6 05:25; 西方文明源自希腊。古代希腊人从远处的帆船总是先看到桅杆推断出地是个球；公元前 240 年（中国战国末年），希腊学者根据不同地点物体的影子不同，算出了地球的半径。中国文明固然灿烂，但在5000年历史中，却没有独立发现地球是球。今天，西方关于地是球体的古老发现应该不再存在疑问：杨利伟等人已经坐飞船亲眼看到。然而，西方文明的很多其他发现并不一定已经被中国文明所完全理解、吸收。西方的一个关键发现就是电子。电子是什么？现在的小学生都知道电子，甚至可能知道电子有多重。电子的存在对于大部分人来说就像是与生俱来、天经地义的公理，如同地球是球一样。但是，回顾一下相关的历史，仍然可以从中得到很多启发。古代希腊人、中国人都知道只知道用琥珀或者丝绸摩擦一下能吸引头发。但相关现象的系统研究是在牛顿掌管英国皇家学会之后。牛顿手下有一个人(Francis Hauksbee) 发明了一个简单的装置、转动摩擦一个玻璃瓶，然后碰一下，会产生火花，手会被震一下。此时是满清康熙年间。后来英国人又发现用一根金属线，可以把这个火花现象传到别的地方，但是用非金属的绳子就不行。因此，英国学者推断，这个导致火花的东西是像水一样可以流动的物质，但有的物体（如金属）里可以流，有的则不行。既然这个东西可以流动，是否能存储起来呢？又有人做了各种尝试，一个德国人偶然发现用一个装水的玻璃瓶子可以存储很多这种流体，能把人震晕过去。这个装置 (Leyden jar) 大家都能制造，却不知什么原理。还是美国人富兰克林提出一个解释，认为有两种电，一种正的、一种负的 -- 具体推理相当的有逻辑能力。富兰克林还猜测雷电跟实验室里的现象是同样的原理，把令人敬畏的自然现象用理性解释了。英国人继续探索，他们发现有种鱼也能让人震一下，但是引导出来，发现虽然震人，却不能产生火花。经过思考，结论是这东西一是有个强度，二是有个量（我们今天说电压、电流）。瓶子产生的强度大，量小；那鱼产生的，强度小不能产生火花，但是量大。意大利人伏特也开始试验了，发现把静电从玻璃瓶接到青蛙腿上，青蛙会抽搐，但又有人发现，就用一根铜线触碰挂在铁栏杆上的青蛙，青蛙也动。伏特经过试验，发现不同金属之间有电现象；他研究了电鱼，发现其背上有很多一格一格的结构，决定进行仿造，经过多次尝试之后，在锌片与铜片之间加上纸片倒些酸，叠在一起，大家应该猜到这是什么了。这是1800年的事情，满清嘉庆5年。一场文明的革命开始了。（以上内容是根据 BBC的一个历史节目）有了第一个电池，人类第一次可以产生连续不断的电流。有了持续电流之后，可以做的实验就多了，运用也多了（电灯、电报等等）。物理学家们发现，电流可以产生磁场，变化的磁场又能产生电。这些实验，现在大家在家里拿一节电池，弄根电线、磁铁都能试。但是现代科学的特征是数学化。光是描述一下现象是没有多大意义的，必须能够计算。早在 1785 年（清乾隆50年），法国人库伦就发现了电荷之间相互作用的平方反比规律。有了电池，人们发现电流可以导致水电解，通过电解产生气体的多少，科学家们终于有了办法可以衡量电的多少。电的多少可以量化后，就可以写下各种公式了。这些公式前面还有各种看起来奇怪的系数，是因为电量单位是根据其他现象来确定的，不是一种自然的单位。此时的人们根本不知道什么电子，只知道有电、电流。正当清慈禧太后开始垂帘听政之际，英国出现了一位叫麦克斯韦尔的物理学家。此人总结了前人实验发现的数学规律，想用一组方程系统地描述电磁现象。此前，人们已经知道电流能产生磁场（电动机原理），变化的磁场又能产生电场（这是发电机的原理））。麦克斯韦尔在审查方程时发现，必须把变化的电场视为一种电流，才能够在数学上保持电流连续。从数学出发，他推导出变化的电场会产生磁场，于是在方程中加了一项 -- 称为位移电流。1864 年，他又推导出一组方程，预言存在电磁波。解出这个方程后，他发现电磁波的速度跟光速相同，又大胆判断，光是一种电磁波。必须注意的是，麦克斯韦尔这个变化电场会产生磁场的概念是没有实验支持的，而是从物理与数学逻辑得出的结论。直到今天，电机工程系的大部分内容还是解各种条件下的麦克斯韦尔方程。 1886年，赫兹实验证实了电磁波；1894年底（甲午战争之际），意大利人马可尼开始用无线电通讯。有电池、电灯、电话、会发电了、有无线电了，而且有了精确数学化的理论（麦克斯韦尔方程已经是完全相对论性的，爱因斯坦的相对论是用于解释麦克斯韦尔方程的相对论性），人们还是不确定有电子这个东西，直到1896年，中国甲午战争失败之后。 1893年，爱尔兰物理学家从化学反应推测有一个带负电的粒子，并把它称为电子（electron）。1896年，英国物理学家汤姆森发现阴极射线管里的射线其实是一种带电粒子流，这种粒子会在电场与磁场中偏转。运用相关的方程与观测到的数据，他计算出了这种粒子的电荷 e 与质量 m 的比值 e/m，并且估计出其质量可能是氢原子的千分之一。1911年，美国人密立根公布了其油滴实验的结果，精确测量出了单个电子的电量 e（这样电子质量也就确定了）。至此，电子这才算被第一次被人类锁定，但其奥秘却远远没有被彻底揭示。电子的奇特，将彻底颠覆人们基于动物直觉的对世界的认识，迫使我们不得不进行理性的超越。 1922年（中共成立后第二年），德国人 Stern 与Gerlach 让一束银原子通过一个不均匀的磁场，进行了一个著名的实验。如果我们把银原子看成一个小小的磁铁，在磁场中它会受到一个力矩，使它绕着磁场方向进动，但磁场方向的分量不变，由于磁场是不均匀的，银原子会受到一个力。按照经典的思维，银原子的姿态各异，经过磁场后会散落在屏幕各处。但是实验结果是，银原子被分成了上下两束，而不是天女散花似的到处都是。从这个结果，物理学家们得出结论，电子具有一种称为自旋的量子特性，这个自旋在磁场中只有两种方向，或者向上、或者向下，而不存在中间值。用理论的术语，我们说电子的自旋为 1/2。下面的视频非常生动的对比了经典的磁铁与自旋 1/2 的粒子的不同表现。（参见视频） Quantum Spin And The Stern-gerlach Experiment-1.mp4 读者可能问，实验用的是银原子，为什么说是电子呢。这是因为银原子有47个电子，其中46个自旋方向相反互相抵消了，只有剩下一个电子的效应显示出来。用氢原子也能做这个实验（一个电子）。读者还可能问，为什么要用中性原子做这个实验，不能直接用电子呢？这是因为电荷在磁场中会受到电磁力作用。你拿个磁铁在老式显像管电视机附近一晃，图像变形就是这个原因。用电子去做这个自旋实验，自旋引起的效应会被淹没在其他效应里。电子的自旋为 1/2 还有一个非常重要的后果，那就是不同的两个电子不能处于同一个状态，这叫做泡利不相容原理。如果没有这一点，所有的电子都会跑到能量最低的态，把多的能量以光的形式发射出去。类似的，质子、中子也都是自旋为 1/2的粒子。如果不是如此，我们的物质世界根本就不能存在。稍微好奇一点的同学可能曾经想到过，空气中氧气这么多，为什么木头等等物体没有自动燃烧呢？其实这与电子的自旋以及量子力学有关。氧气分子里的两个未配对电子处于自旋平行的状态（术语称为三胞胎态），这导致一般情况下氧化的化学反应被禁止。可以说，没有这个自旋，地球上一切可燃物都会灰飞烟灭。那么，什么是自旋？为什么有自旋。目前无法给出一个直观的解释，只能说它超出了人类的直觉。一般的东西转360度会回到原状，1/2 自旋的东西转 720度才能复原。从数学上来说，自旋是爱因斯坦相对论的一个基本结果。用群论研究狭义相对论，我们会发现自旋 1/2 的东西是最根本的表达。麦克斯韦尔方程从数学上要求有位移电流，而这个方程又要求有相对论，相对论又要求有 1/2 的自旋。我们越来越依赖于基于数学的纯粹理性。但这种理性的威力却是不可轻视、必须尊重的。现代文明离不开电子，也离不开电子的自旋特性。; 个人分类: 科普|6202 次阅读|0 个评论

分享中华民族长期存在的原因分析: 热度 7 岳东晓 2014-4-3 14:08; 中国历史上思想、技术发展最迅速的时期应该是春秋战国时期。在各诸侯国长期的竞争之中，最终秦国脱颖而出。秦国集中了六国的人才、掌握了最先进的技术。继承秦王朝的汉帝国更是把中国文明推到了一个前所未有的高度。但从汉朝之后，中国文明就一直在走下坡路。我曾对唐朝与汉朝进行对比，发现在唐朝短暂的繁荣的背后是汉人相对胡人的衰弱。从地缘政治的角度，古代中国是孤立的，在中国周围没有出现强大的文明。这种孤立状态是中国文明从汉朝之后陷入停滞的原因。春秋战国时期通过诸侯之间的竞争机制消失之后，中国文明在没有文明竞争的情况下进入了长期的内耗。但历史上中国文明所以长久主要原因之一也恰恰是因为周围没有强大的外敌。匈奴的规模虽然与俄国接近，但是人口较少，而且汉帝国对匈奴进行了持续两百多年的打击，使之难以壮大，匈奴也一直没有发展成有文字的文明国家。可以想象，如果满人人口在5000万以上，而且有相当高度的文明，那么满人就可能不会融入汉文明、成为广义汉人，他们采取的措施可能就不仅是强制汉人男性扎辫子，而是在中国进行强制满语教学、推行满文明，那么汉文明今天是否能够存在是一个疑问。抗战期间，日本人在沦陷区进行了短短几年的日本化教育，就培养了相当数量的皇民。如果抗日战争中国失败，日本人殖民数千万到中国，如果能够像满人一样统治近300年，汉文明还能剩多少也是一个问题。对比罗马帝国就知道了。那么庞大的帝国最终完全崩溃，连罗马人的语言（拉丁语）都成了死语言。希腊人虽然在拜占庭继续维持了1000年，最终也被突厥人炮轰掉了。与罗马对比，当然中国还是有很大的优势，一是汉民族人口数量巨大，二是其语言比较独特，难以替换，三是其家庭传统坚实。汉民族能够维持巨大的人口是因为其农业技术的发达。但庞大的人口往往超过了土地能够承受的极限，一旦自然条件突变就很容易导致内乱，而导致对外抵抗力薄弱。随着日本的现代化与军事化，中国的地缘政治局势早已完全改变。中国面临着现代化的日本军国主义巨大的威胁。日本狭小的地域、贫瘠的资源与其相对巨大的人口密度意味着它必将向外争取生存空间与攫取资源。即使在目前能够对倭寇加以抑制，但其对我们后代的生存构成的威胁如果不能排除，中华民族的长期生存是一个巨大的疑问。; 个人分类: 中日关系|8485 次阅读|6 个评论

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