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谐振子(光学-机械)走向统一之路

已有 2376 次阅读 2016-3-15 12:12 |个人分类:生活点滴|系统分类:科研笔记

 

      科学家看世界有两个目光焦点:一个是唯象(可实验测量的现象),一个是唯理(解释或描述唯象的抽象理论体系)。

      100年前,基础科学研究的重点之一是:机械谐振子。自钟摆被发明后,对它的研究(衰减、相移)始终不衰。这个振子的环境介质是空气(或流体)。此后,推广到固体的质点振动(弹性波)。在电路上,LC(电感、电容)电路谐振子是研究非常广的。直到100年前的量子力学理论建立了量子谐振子的理论。所以,也是量子力学的研究重点之一。

      在很长时间里,学者们认为,光量子尺度的量子与宏观机械谐振子没有内在联系。前者由量子理论论述,后者由牛顿力学论述。

      但是,到了21世纪,学界还是得用机械谐振子(测摆的位移及频率)的理论来测量引力波(LIGO, VIRGO探测引力波探测的基本原理)。

      从逻辑上说,在量子力学宣称牛顿力学不能描述量子尺度现象的背景下,却在实验上求助于牛顿力学量来探测量子尺度(光子)的相互作用。也就是借助于:光学-机械谐振子。(参见,M Aspelmeyer, T J Kippenberg, F Marquardt. Cavity optomechanics, Rev Mod Phy. 2014, 86(4): 1391-1452.

      在科学发展历程中,最早,开普勒就注意到彗星的光学尾巴总是指向太阳方向,从而猜想光会产生宏观物质的位移。

      而光电效应的实验观测证实了光压的存在。还提示存在光摩擦。

      对光电效应的量子力学解释(爱因斯坦公式,能量与频率成正比)为量子力学奠定了理论基础,与此同时也把另一方(压力,经典科学概念)给抛弃了。(作用的双方为:光,宏观压力)。

      这就出现问题了:宏观压力的本质是弹性变形应力,分为压应力和切应力。而依量子力学的当前理论,光子只能以量子能量传输(到量子,如原子)模式与宏观物质偶合。这样,在理论上就要由量子力学理论构造出一个宏观的牛顿运动(摆的位移)的公式。

      经近10多年的研究,实验上,光学-机械谐振子的可实验测量的现象(唯象性)越来越明确。而在理论上,由于在基本理论体系上早就切断了量子力学与经典力学的连续(联系)性,从而,无论是用量子理论建造的理论方程,还是用经典理论建造的理论方程,在把理论值与实验值对比后(综合性曲线上),相去太远。

这里的一个突出现象是:就单个实验报导论文而言,其理论值与实验值基本接近。这也表明,抛开基本理论的约束,总是能构造一个定性上正确的理论来解释实验数据。但是,并不会产生理性上完善的(与基础科学理论协调的)理论结果。(实验原理不会自动的上升为基础科学理论)。

      在这个论题上,实验远远超前于理论。发言权在实验物理学家手中,而理论物理学家质能是天马行空的想。

      在抽象理论方面看,要解决好光学-机械谐振子的理论问题,就必须面对量子尺度意义下的连续介质变形(弹性变形)。简单的说,就是光学位形的变化。而其理论结论就是:量子尺度上的量子的大小、质量问题。

      由于光学-机械谐振子的客观性,量子力学理论家只能接受:量子有大小和静止质量的概念。而且,还不得不面对光子大小和质量的问题。

      因此,量子理论被动的接受经典理论的确定性原理,而不得不放弃其概率论意义上的各类解释(非确定性)。

   光学-机械谐振子实验观测的理论意义在于:经典(连续介质)理论的最小尺度到达了量子尺度。从而,即使是在量子尺度,经典理论依旧不能被否定(不完善是绝对的)。而量子力学在此论题上理论形式的失败也表明,量子力学理论体系在量子尺度上也是失败的。

   谁也不比谁强!

   这样,一个历史的必然就是:经典理论和量子力学理论在一个理论体系下的理论构造。这就是21世纪物理理论的主题。

   两个相互对立(否定)的理论走向统一。

   中微子质量测量、中微子机械振荡模态测量、引力波测量等,实质上是围绕这条实验及理论路线的重大课题。而这个课题本身的目标是:既在有限意义上否定量子力学(不确定性),也在有限意义上否定经典力学(牛顿时空)。

   建立量子力学的确定性理论的意义在于:实现对原子的外部控制(如,激光致冷)。从而,其工程应用目标是明确的:微尺度(物质)制造技术(纳米类研究属于此类)。

   对这个战略图象我国学界应该有明确的认识。

 

 



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3 郑小康 田云川 sijin20120

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