论文部分内容阅读
盛夏的一天，爱丽丝陪姐姐懒洋洋地坐在河边，为了打发时光，她起身去采野菊花。突然，一只穿着马甲、手拿怀表的红眼睛大白兔跑过来，而且嘴里还嘟嘟囔囔地说着什么，这下子爱丽丝精神了，她悄悄地跟在兔子后面，跑過草地，跳进了一个兔子洞，从此开始了她的奇妙旅行。这就是刘易斯·卡罗尔笔下的《爱丽丝漫游奇境》—一部无国界、无学界、老少皆宜的世界童话经典，它尤其受到学者们的青睐。卡罗尔的原名叫查尔斯·路特维奇·道奇森（Charles Lutwidge Dodgson），是英国牛津大学的数学老师，他擅长几何、逻辑、诗歌还有摄影。这本书自1865年出版以来，至今已有150多年的历史了，可它的魅力却经久不衰。无论是在文学、语言和艺术方面，还是在哲学和科学方面，这部作品都能带给我们无穷的思考乐趣。今天我们不妨就聊聊和《爱丽丝漫游奇境》有关的几个科学话题吧。
只顾着好奇，爱丽丝不管三七二十一，跟着兔子跳进了洞里。她慢慢地往下落，可好像停不下来，她怀疑自己可能会掉到地球的中心，至少能到新西兰或者澳大利亚吧。可掉呀，掉呀，还是不停，她又开始怀疑自己会不会掉到地球的另一端。如果爱丽丝真的跳进了一个能穿过地球中心的洞，会怎样呢？其实，希腊哲学家普鲁塔克（Plutarch）就曾提出过这个问题，英国哲学家弗朗西斯·培根和法国哲学家伏尔泰也曾为此争论过。被后人誉为“近代科学之父”的意大利物理学家伽利略在他1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中就给出过正确答案。
因为地球是个不均匀的球体，而且有自转和公转现象，所以实际情况有点复杂。简单地说，就是物体从地球一端落下，在落到地心之前，速度越来越快，向下的加速度越来越小，地球表面的加速度是9.8米/平方秒。当物体穿过地球中心时，加速度变成0，此时速度最快。接着呢，物体会继续下落，不过，速度越来越慢，反向加速度越来越大，直到物体降落到地球的另一端，加速度又变成了9.8米/平方秒，速度降到0。此时，因为地心引力，物体又会朝着地心的方向落去。如果不考虑空气阻力，也不考虑地球旋转产生的科里奥利力的话，爱丽丝会在这个穿过地心的兔子洞里像弹簧一样弹上来弹下去，永远出不去啦！如果考虑空气阻力呢，爱丽丝会在洞里晃上晃下，最后停在地心（真空条件下，从地球一端到另一端的旅行需要38分钟，如果有空气阻力，大约需要两天半的时间）。
爱丽丝在公爵夫人家遇见了一只奇怪的大猫，它能突然闪现，也能突然消失，最神奇的是它能隐身，只显现露齿微笑的嘴巴，这就是柴郡猫。这只猫特别有名，是因为经常被科学家用来作一些科学现象的隐喻。还记得爱丽丝看到柴郡猫趴在树上忽隐忽现的情景吗？她惊讶地说：“我常常看见没有笑脸的猫，可从未见过不见猫的笑脸呢，这是我碰到过最奇怪的事儿了！”从哲学角度看，这其实表明了猫的两种状态：显形的猫是猫的具体状态，露着牙齿的嘴巴是猫的抽象状态。美国数学家马丁·加德纳在描述数学方程与其应用的关系时，最喜欢用柴郡猫打比方了。他认为，数学方程能用来构建物理世界，但方程本身是抽象的，没有实际意义，这就好比我们只看见了露齿微笑的嘴巴，却不知道那是谁的嘴巴。但是，如果能用方程帮助我们解释世界、认知自然，那就好比让我们看到了一只完整的猫。
在异想天开的童话世界里，柴郡猫的嘴巴可以和它的身体分开，但在宏观的物理世界里，这种事情似乎不可能发生，因为嘴巴是猫的一个属性，就像我们不可能把一个旋转的球和旋转分开一样。那在微观的物理世界里，物质及其属性到底能不能分开呢？有没有像柴郡猫这样的物质呢？
20世纪90年代，以色列的理论物理学家亚基尔·阿哈罗诺夫
（Yakir Aharonov）提出了粒子
的属性可以和粒子分离的观点，并开始了寻找粒子之旅。阿哈罗诺夫大概是卡罗尔的铁杆粉丝吧，对他笔下的柴郡猫十分痴迷，于是就给要找的这个粒子起名为“量子柴郡猫”。2001年，美国的杰夫·托拉克森（Jeff Tollaksen）提出该理论的可行性;2014年，多国物理学家在法国的劳厄-朗之万研究所成功地将中子和它的磁矩分离，从而第一次用实验证明了“量子柴郡猫”的存在。
他们先用一个晶体把一束中子分成两束，接着给每束中子加上一样的磁场。因为中子有磁矩，所以会因外磁场的作用而改变方向。因此，加上磁场以后，它们朝反方向旋转。然后，再分别给它们加上另外一个磁场和干涉仪，刻意改变中子的运动状态后，奇迹便发生了：中子和它的磁性被分开了！这就好像让柴郡猫穿过晶体，加上磁场，再经过干涉仪，猫和它的嘴巴分开了一样。你看，微观的量子世界跟我们眼睛看到的世界多么得不同！
除了“量子柴郡猫”，我们再来说说物理界另外一只著名的猫—“薛定谔的猫”。薛定谔是奥地利物理学家，这只猫因为是他1935年量子理论思想实验中的主角而得名。根据量子理论，微小的粒子在同一时刻可以具有不同的物理状态，比如一个电子能同时朝相反的两个方向旋转，粒子的这种属性我们叫作“叠加态”。根据这个理论，薛定谔放进密闭盒子里的猫，同时既是活猫，也是死猫。一只猫要么是死的，要么是活的，怎么会同时存在生和死两个状态呢？这是不是太不可思议了？可是，在量子物理的世界里这种怪事儿偏偏就发生了！
不难看出，阿哈罗诺夫的“量子柴郡猫”受到了“薛定谔的猫”的启发，不过，关在盒子里的薛定谔的猫生死未卜，揪着大家的心;而“量子柴郡猫”就幸运多了，它的确能和嘴巴分离而独立存在，而且我们找到了这样的粒子，梦想最终成为现实！
最后来说说好奇心。在“疯狂下午茶”一章里，疯帽子先生从衣袋里掏出一块怀表想看看时间。他晃了晃表，发现表停了，于是问爱丽丝“今天是几号？”爱丽丝想了想说：“四号。”爱丽丝又好奇地抬起头瞧了瞧那块表，发现它只“显示几日，却不显示几点”，觉得很奇怪。疯帽子先生反问爱丽丝：“为什么一定要告诉几点呢？你的表能告诉你现在是哪年吗？”疯帽子先生的这个问题乍听上去是不是很可笑？可你想过吗，我们平时看到的表上为什么没有年呢？时间到底是什么？伟大的物理学家爱因斯坦曾经说过：“逻辑能让你从A点推导到B点，可想象力却能让你天马行空。”所以，凡事最好多问几个为什么。
爱丽丝因为好奇，跳进了兔子洞，而“好奇心”这个词贯穿了整个故事的始终。让我们也插上好奇的翅膀，翱翔于奇妙的世界，不断挑战对世界的认知。多一点好奇心，再多一点好奇心吧！
穿过地心的兔子洞
只顾着好奇，爱丽丝不管三七二十一，跟着兔子跳进了洞里。她慢慢地往下落，可好像停不下来，她怀疑自己可能会掉到地球的中心，至少能到新西兰或者澳大利亚吧。可掉呀，掉呀，还是不停，她又开始怀疑自己会不会掉到地球的另一端。如果爱丽丝真的跳进了一个能穿过地球中心的洞，会怎样呢？其实，希腊哲学家普鲁塔克（Plutarch）就曾提出过这个问题，英国哲学家弗朗西斯·培根和法国哲学家伏尔泰也曾为此争论过。被后人誉为“近代科学之父”的意大利物理学家伽利略在他1632年出版的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》中就给出过正确答案。
因为地球是个不均匀的球体，而且有自转和公转现象，所以实际情况有点复杂。简单地说，就是物体从地球一端落下，在落到地心之前，速度越来越快，向下的加速度越来越小，地球表面的加速度是9.8米/平方秒。当物体穿过地球中心时，加速度变成0，此时速度最快。接着呢，物体会继续下落，不过，速度越来越慢，反向加速度越来越大，直到物体降落到地球的另一端，加速度又变成了9.8米/平方秒，速度降到0。此时，因为地心引力，物体又会朝着地心的方向落去。如果不考虑空气阻力，也不考虑地球旋转产生的科里奥利力的话，爱丽丝会在这个穿过地心的兔子洞里像弹簧一样弹上来弹下去，永远出不去啦！如果考虑空气阻力呢，爱丽丝会在洞里晃上晃下，最后停在地心（真空条件下，从地球一端到另一端的旅行需要38分钟，如果有空气阻力，大约需要两天半的时间）。
忽隐忽现的柴郡猫
爱丽丝在公爵夫人家遇见了一只奇怪的大猫，它能突然闪现，也能突然消失，最神奇的是它能隐身，只显现露齿微笑的嘴巴，这就是柴郡猫。这只猫特别有名，是因为经常被科学家用来作一些科学现象的隐喻。还记得爱丽丝看到柴郡猫趴在树上忽隐忽现的情景吗？她惊讶地说：“我常常看见没有笑脸的猫，可从未见过不见猫的笑脸呢，这是我碰到过最奇怪的事儿了！”从哲学角度看，这其实表明了猫的两种状态：显形的猫是猫的具体状态，露着牙齿的嘴巴是猫的抽象状态。美国数学家马丁·加德纳在描述数学方程与其应用的关系时，最喜欢用柴郡猫打比方了。他认为，数学方程能用来构建物理世界，但方程本身是抽象的，没有实际意义，这就好比我们只看见了露齿微笑的嘴巴，却不知道那是谁的嘴巴。但是，如果能用方程帮助我们解释世界、认知自然，那就好比让我们看到了一只完整的猫。
寻找现实中的“量子柴郡猫”
在异想天开的童话世界里，柴郡猫的嘴巴可以和它的身体分开，但在宏观的物理世界里，这种事情似乎不可能发生，因为嘴巴是猫的一个属性，就像我们不可能把一个旋转的球和旋转分开一样。那在微观的物理世界里，物质及其属性到底能不能分开呢？有没有像柴郡猫这样的物质呢？
20世纪90年代，以色列的理论物理学家亚基尔·阿哈罗诺夫
（Yakir Aharonov）提出了粒子
的属性可以和粒子分离的观点，并开始了寻找粒子之旅。阿哈罗诺夫大概是卡罗尔的铁杆粉丝吧，对他笔下的柴郡猫十分痴迷，于是就给要找的这个粒子起名为“量子柴郡猫”。2001年，美国的杰夫·托拉克森（Jeff Tollaksen）提出该理论的可行性;2014年，多国物理学家在法国的劳厄-朗之万研究所成功地将中子和它的磁矩分离，从而第一次用实验证明了“量子柴郡猫”的存在。
他们先用一个晶体把一束中子分成两束，接着给每束中子加上一样的磁场。因为中子有磁矩，所以会因外磁场的作用而改变方向。因此，加上磁场以后，它们朝反方向旋转。然后，再分别给它们加上另外一个磁场和干涉仪，刻意改变中子的运动状态后，奇迹便发生了：中子和它的磁性被分开了！这就好像让柴郡猫穿过晶体，加上磁场，再经过干涉仪，猫和它的嘴巴分开了一样。你看，微观的量子世界跟我们眼睛看到的世界多么得不同！
既死又活的 “薛定谔的猫”
除了“量子柴郡猫”，我们再来说说物理界另外一只著名的猫—“薛定谔的猫”。薛定谔是奥地利物理学家，这只猫因为是他1935年量子理论思想实验中的主角而得名。根据量子理论，微小的粒子在同一时刻可以具有不同的物理状态，比如一个电子能同时朝相反的两个方向旋转，粒子的这种属性我们叫作“叠加态”。根据这个理论，薛定谔放进密闭盒子里的猫，同时既是活猫，也是死猫。一只猫要么是死的，要么是活的，怎么会同时存在生和死两个状态呢？这是不是太不可思议了？可是，在量子物理的世界里这种怪事儿偏偏就发生了！
不难看出，阿哈罗诺夫的“量子柴郡猫”受到了“薛定谔的猫”的启发，不过，关在盒子里的薛定谔的猫生死未卜，揪着大家的心;而“量子柴郡猫”就幸运多了，它的确能和嘴巴分离而独立存在，而且我们找到了这样的粒子，梦想最终成为现实！
再多一点好奇心吧
最后来说说好奇心。在“疯狂下午茶”一章里，疯帽子先生从衣袋里掏出一块怀表想看看时间。他晃了晃表，发现表停了，于是问爱丽丝“今天是几号？”爱丽丝想了想说：“四号。”爱丽丝又好奇地抬起头瞧了瞧那块表，发现它只“显示几日，却不显示几点”，觉得很奇怪。疯帽子先生反问爱丽丝：“为什么一定要告诉几点呢？你的表能告诉你现在是哪年吗？”疯帽子先生的这个问题乍听上去是不是很可笑？可你想过吗，我们平时看到的表上为什么没有年呢？时间到底是什么？伟大的物理学家爱因斯坦曾经说过：“逻辑能让你从A点推导到B点，可想象力却能让你天马行空。”所以，凡事最好多问几个为什么。
爱丽丝因为好奇，跳进了兔子洞，而“好奇心”这个词贯穿了整个故事的始终。让我们也插上好奇的翅膀，翱翔于奇妙的世界，不断挑战对世界的认知。多一点好奇心，再多一点好奇心吧！