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老杨文章与电阻网络的单调问题

已有 3458 次阅读 2014-7-6 01:51 |个人分类:物理|系统分类:科研笔记

最近看老杨的bethe ansatz方面的文章,深刻体会到老杨超一流的功力。老杨是因为宇称不守恒的工作得奖,所以一般人以为他主要贡献是在粒子物理,场论等方面。其实,按照理论所孙昌璞老师的话,其实老杨更多的是个数学物理学家,他在数学物理方面的工作其实多于他在场论粒子物理方面的工作。老杨在bethe ansatz领域有基本性的贡献。最广为人知的便是yang-baxter方程,就是bethe ansatz成立必须满足的自洽方程。

Bethe ansatz最早是hans bethe在1930年做heisenberg模型的解析解的时候提出的。在文章里,bethe还说以后有时间要回到这个问题上来。可是,他的创造力太旺盛了。作为被费曼赞扬为20世纪最牛逼的解题机器的bethe,一辈子都在搞开创性工作,所以至死他也没有机会回到bethe ansatz上面来。Bethe对自己的评价是,他是个应用物理学家。确实,他不太擅长提出基本方程或者原理,但是如果有了方程,他是最能解的。

老杨属于bethe ansatz第二波高峰的带头人之一。在bethe ansatz下,最终大家往往得到一组复杂的非线性的耦合的方程。这组方程的解的存在性,唯一性是个大问题。绝大部分物理学家当然是采用实用主义的态度,忽略此问题。但是老杨能够解析地处理这个问题。和他的弟弟杨振平一起,他证明了某些情况下,解确实存在并且唯一!他们想法的关键是,把方程寻根的问题转化为函数求极值的问题。

他们的想法非常巧妙。巧的是,我发现,他们的想法可以用来解决一个困扰了我十多年的问题。

在高中学电学的时候,有时候需要计算一个复杂的电阻网络的总电阻。一个问题便是,在任意一个电阻网络里,如果增大其中某个电阻的值,总的电阻是否非减(可以保持不变,如平衡电桥)?直觉上这是显然的,但是如何严格证明之?我后来跟很多人讲过这个问题,没人有办法。有朋友曾经研究过好久,最终也不了了之。

受老杨的启发,现在可以很容易地证明这个猜想。

考虑一个复杂电阻网络。取其任意两点,A和B。A,B之间的总电阻可以这样定义。从A注入电流I, 从B抽出电流I。在每个link上面分配电流,保证在每个节点电流守恒(也就是流进与流出相等),由此可以按照W = R*J^2计算每个电阻发热的功率,整个网络发热的功率L是所有电阻发热的功率之和。总功率L当然取决于如何分配电流。但是,可以证明,L存在唯一的最小值L_min,在达到此最小值时,每个闭合回路上的总电压降之和为零。所以,这里其实有个极值原理,就是物理实现的状态是能耗最小的状态。总电阻便是R_total = L_min/ I^2.

现在如果增加某个电阻的阻值,那么对任意一种电流分配方式,L非减。于是L_min非减,于是R_total非减。得证。



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2 李轻舟 Vetaren11

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