我家先后养过只猫,后来的那只是前一只的儿子。母子都很爱科学实验,最大的成绩是亲身重复伽利略的自由落体实验。这比那些间接的实验,应该更令人信服吧。他们是从五楼落下的,大家都虚惊一场。还好,猫猫的身体毫发无伤,物理定律得到进一步证明。以后写物理学史,别忘了加一句夸猫猫的话。
20多年前,曼哈顿的两个兽医Wayne Whitney 和 Cheryl Mehlhaff 看到好多猫从摩天大楼上落下,于是研究了“猫科动物的高楼综合征”(feline high-rise syndrome)。他们发现从五楼落下的猫猫最危险。这样看来,我的猫猫是冒着生命危险做实验的呀!
猫猫与人跳楼的不同结果。
猫猫落体实验的意义,远远超越了经典物理学。因为,他们用自己的身体践行了规范场的动力学。我们都知道,猫猫在空中能很好调整身体的姿态,这样就能保证以安全的方式落地——这个身体调整的过程,满足角动量守恒。身体姿态的改变,相当于转动惯量和转动速度的调节,可以用两个参数来描写(即图中的两个时间变量)。最终的角度改变,可以表述为一个曲线积分,而这个积分在形式上完全等同于Aharonov-Bohm效应里的相移!第一个发现这种相似的是Guichardet。后来人们发现,规范场是描述微生物在低雷诺数流体中自我推进的自然语言。Montgomery还发现,高空坠落的猫猫为了活下来,还要解决在Yang-Mills场里的运动方程呢!
这个Aharonov-Bohm效应有多重的趣味。它先证明了所谓的Arnold原理:如果一个概念、思想或结果被冠以某人的名字,那么这个名字并不是发现者的名字。 Werner Ehrenberg 和 Raymond E. Siday 在1949年就发现了相同效应,而AB老师在1959年才发表论文,两年后才知道别人早就发现了。所以,它也叫ESAB效应 。同样,还有一个Berry原理:Arnold原理也适用于其自身 。
AB效应:电子的相位受螺线管B的影响,发生干涉。
效应的意思是,带电粒子的运动受电磁势的影响,而不是电磁场的影响。电磁势存在时,电磁场可能为零。因此,电磁势比电磁场更基本——换句话说,从可观测物理量导出的不可观测的数学函数,比原来的物理量具有更深刻的物理意义。
AB效应是量子效应,更是拓扑效应,是非局域的,而是整体性的。它可以推广到更高维的空间,可以推广到其他规范场。
以后学物理,不一定要学数学,可以先跟猫猫交朋友,学猫语,说不定猫猫对物理学原理有更直接也更深刻的理解,毕竟,不论经典的落体运动还是量子的规范场动力学,他们都亲身经历过,这是任何教授都不可能做到的。
(本文材料编自俄罗斯新西伯利亚大学一位老兄的有趣文章:
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