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[watermark]评庞小峰的非线性量子力学
----21世纪新弦学概论(7)
林云璀
摘要:《非线性量子力学》论述非常清晰:为创立非线性量子力学,庞小峰大有扳倒薛定谔之势,但全书读来却峰回路转,为实实在在发展量子力学树立了好榜样。
关键词:非线性 薛定谔方程 孤子演示链
一、非线性量子力学的模具之争
笔者与庞小峰先生交往,是从1982年看到《自然杂志》第四期发表他的《宏观量子效应》之后开始的,现在还保留着他的三封回信。2011年4月2日他的一封回信说:“关于你送我的孤子演示链放在那里也没有时间去研究,不好作为一种模型去解决一些问题。请原谅!”可证我们之间已经有30年业余与专业交往的情结。这里的非线性量子力学模具之争,不是我们和庞小峰教授的争论,而是我们吸取他的《非线性量子力学》一书中的一些营养,对量子力学及非线性量子力学使用的模具,作一些讨论。周凌云博士曾发表文章评庞小峰的非线性量子力学理论,称之为“天府之国的一支奇葩”,是当之无愧。
如果说普通的老百姓,业余都去看量子力学会致富,那是疯子。但确有人说,在今日一些自诩为物理理论的精英人群,认为数学是物理理论的最高形式,其它形式都是低级形式,他们并不关心说的东西是否真正存在,这难道是要使物理理论成为既不同于宗教,又不同于自然真理的新宗教、新圣经?这就可得到崇拜者的敬仰和源源不断提供的俸禄?这就可对后来人进行愚弄?难道各个国家花费大量资金,就是为造就这几个新教主?有人又说,弦论=胡扯+八道;物理学从爱因斯坦开始,越来越向玄的方向发展;物理学家习惯从数学出发去解释物理现象,发展到登峰造极的就是弦论,这使人们的视线偏离了正确的方向。因为无论是专业人员,还是业余人员,顶尖高手都把自然界的核心秘密锁定在空间的本质上,才能解释一切物理现象。弦论认为空间加时间是11维,目的是让人看不懂,认为只有这样才是物理大师。弦论把简单的搞得太复杂了,深噢的搞得太肤浅了,以为普通的人真好骗。说这类话的同志,如果知晓庞小峰的成长和他的《非线性量子力学》,会知道自己说错了。
当然庞小峰先生也不好接触,但这要分情况。业余与专业的成长十分不同。如果把量子力学之难类比玄学、神学,也不为过。但它绝对不是玄学、神学那类没有给出相互作用数学和计算及实验证实的东西。因出生在偏僻农村,解放初看病还普遍是中医,发现农村孺幼皆知一点中医的“阴阳五行,相生相克”的知识,有的还含一点巫术迷信。1958年大跃进县里各区办中学,我们得以读上初中。一次劳动中因问一位从重庆师专远道分来的物理老师:“阴阳五行,相生相克是否属于神学?”这位物理老师一时兴起说:“物理学分为四大力学:理论力学、热力学、电动力学、量子力学。中医不是神学,它的阴阳五行,相生相克学说就类似当代的量子力学。你们初中才学的物理学,只算理论力学,而量子力学是太难学了”。
老师的话映像在我们的少年心灵,也许才喜欢上量子力学;这纯属偶然。但其目标不是为当理论物理学家,而是想把量子力学之难,变得要像中医“阴阳五行,相生相克”一样孺幼皆知,即使拿到贫穷偏僻地方,也能给普通老百姓一点实际的兴趣。就这样在上世纪数十年社会风云变幻中,我们仍走上了业余自学跋涉量子力学的不归之路。慢慢地发现量子力学就类似古代的宫廷音乐,它有类似固定的词牌、曲调,然后你可以填词演唱。这里曲调就类似相互作用的数学型式和计算,填词就类似物理模型或模具。这也和四川农村的一些古老的民歌相似。而微观物理模具不同于宏观物理模具,是它们始终只是微观粒子特征的一些模拟。
带着这种眼光,在上世纪六十、七十年代初,我们找到两种模具:线性的称为“类圈体”;非线性的称为“孤子演示链”。所谓的线性:从相互关联的两个角度来界定,其一:叠加原理成立;其二:物理变量间的函数关系是直线,变量间的变化率是恒量。对非线性界定,其—叠加原理不成立必将导致其二物理变量关系不对称;反之,如果物理变量关系不对称,那么叠加原理将不成立。联系薛定谔(Schrodinger)方程,这里是将物质波的概念和波动方程相结合建立的二阶偏微分方程。ψ(x,y,z)是待求函数,它是x,y,z三个变量的复数函数,就是说函数值不一定是实数,也可能是复数。式子最左边的倒三角是一个算符,意思是分别对ψ(x,y,z)的x,y,z坐标求偏导的平方和。E是粒子本身的能量;U(x,y,z)是描述势场的函数,假设不随时间变化。在给定初始条件和边界条件以及波函数所满足的单值、有限、连续的条件下,可解出波函数Ψ(r,t)。由此可计算粒子的分布概率和任何可能实验的平均值(期望值)。由于薛定谔方程是一个线性微分方程,所以任意几个解的线性组合还是薛定谔方程的解。因这些特征,只能联系类圈体模具。
1、庞小峰非线性量子力学之眼
由于微观粒子及其相互作用特征看不见,又极其复杂,一种模具可以解释多类现象;而一类现象又可以用多种模具,也不觉为奇。但庞小峰的非线性量子力学之眼是,他强调:1)发展是主题;2)改进的目的是使微观粒子局域,以给出合符粒子具有波-粒二象性;3)建立非线性量子力学是方向,这是把非线性相互作用加进薛定谔方程,使粒子的性质改变。
如果与云南陈蜀乔教授联系超弦目标的真空图像比较,庞小峰教授是简直不提超弦,而实际扩展了超弦理论的应用:如他创造性建立了完整的生物能量传递的新理论;建立了开放的、具有自组织结构的非平衡生命系统的能量、物质和信息相互变化的新的热力学关系及氢键高分子和生物分子系统中质子传递的新理论和生物光子发射的理论,为揭示细胞上的离子通道和植物光合作用的机理,奠定了理论基础;创造性提出和揭示了红外和微波的热和非热生物效应的机理和特征以及磁化水的机理;提出了超导电子和超流液氦原子是一类特殊孤立子,并论证了超导性和超流性是由于这类孤立子的运动引起的;创造性提出和建立了具有重要意义强耦合电-声子系统的新的状态函数等。如果与湖北王守义先生海谈Navier-Stokes(纳维-斯托克斯)方程和非线性数学对照,庞小峰教授是实实在在建立和完整了的非线性薛定谔方程及其各类解法和理论,撰写了多种非线性量子力学理论专著和论文,并在国内外出版。
2、庞小峰非线性量子力学研究之路
从刘月生教授的结构信息与交换信息看来,真实的微观粒子及其实验是结构信息;而量子力学理论无论线线的还是非线性的,其“歌词、歌曲”都只能属交换信息。所以说,把非线性相互作用加进薛定谔方程,是使粒子的性质改变,其说法不确切。实际这只是把量子力学描述的粒子的性质改变。庞小峰,四川西充县人,1945年12月出生。1999年作为特殊人才,从四川民院引进到成都电子科技大学高能电子学研究所作教授,博士导师。现是学校生物物理学科,电磁生物学和生物电子技术省重点实验室主任和生物物理与生物电子学部级重点实验室主任,享受国务院颁发的政府津贴,兼湘潭大学教授、华东师范大学和四川大学兼职教授、纽约科学院成员、美国科学促进联合会国际成员、中国高等科学技术中心成员和中国科学院国际材料物理中心的客座成员和国际一级杂志《物理评论和物理评论通讯》的评审成员等。笔者与庞小峰交往30年,其实只有15年前的一次个多小时的面对面谈话。
那是为买到重庆出版他的新著,1994年我们亲自到四川民院庞家去拜访,还送给上了“孤子演示链”的模具。孤波一般是在水槽中演示,庞先生对用铁环编码做成的孤子演示链大加赞赏。我们与他同龄也同年考入大学。他谈到了他传奇的人生经历,使人感到命运无常:他父亲解放前作过伪县长,解放初被镇压。他是跟着在南充中学教书的大哥长大的。1965年高中毕业,他考上的是四川师范学院物理系,进校的头一年就参加学校在农村搞的四清运动,即在大学就没有正规上过课。不幸中的有幸是他进的四清工作队,还有一位从天津的大学送来受锻炼的一位著名的粒子物理学教授。庞小峰和他相遇认识,关系发展好到师生情谊,并使他钻研和爱上了教授的粒子物理学。由此也很少参加学校文革的派性活动,毕业时他留校任教。文革十年后1978年的研究生开考,他在头年也就顺利考上非常难的中国科学院物理研究所的研究生。1981年研究生毕业他获数理部理学硕士,但仍回到四川师范学院任教。郭柏灵院士和他一起编著过《孤立子》一书,1987年由科学出版社出版。1995年郭柏灵院士编著的《非线性演化方程》专著由上海科技教育出版社出版,与庞小峰1994年出版的《非线性量子力学理论》专著比较,虽各有特色,但庞书的内容联系物理更多,更容易懂一些。
庞小峰正是在读研究生时,开始了专业研究量子力学和超导、超流及孤子问题之路的。他将孤子理论应用于求解超导金兹堡-朗道GL)方程和超流GP方程,由此将孤子概念引入到量子力学来研究微观粒子的特点,他确定了由非线性薛定谔方程的孤子是局域的、具有经典粒子的特点。又通过20多年的努力,他解决微观粒子的局域性和具有波粒二象性的办法是,只要计算和考虑微观粒子之间的相互作用,就可以抑制和阻止微观粒子的色散效应。
3、庞小峰的非线性量子力学孤波模具
庞小峰告诉笔者,世界上大多数实验室研究孤波的模具是水槽,他也不例外。据他书中描述,这是个长38cm,宽2-3cm的水槽,水深2-3cm高,放在一个能振动的平台上。平台安有电动机,以7-15Hz的频率作垂直振动。据庞小峰说,另一个信号发生器是用长条橡皮筋做的,它沿水槽长在水平方向作纵向振动。实验时,会有大量水分子聚焦在一起,在水表面上的一个特定位置形成水分子密度极大的一个非传播的钟型孤立波,它的剖型与非线性量子力学中薛定谔方程的孤子形状完全相同。
水槽模具的最大特色是还能形成“暗孤子”,这模拟方程解中和量子力学中的虚粒子或空穴粒子需要的。因为也有人用橡皮筋和大头针制成单摆链孤子波演示的模具,即利用橡皮筋的扭转力矩和大头针在重力场中的大角度运动,在单摆链上成功地演示了Sine-Gordon(正弦-戈登)方程的孤子波的产生和传播。我们提出的非线性的“孤子演示链”模具,不是说它比水槽、单摆链模具装置简单,成本低廉,操作方便,而是通过孤子演示链参加的非线性量子力学模具之争,支持庞小峰对薛定谔的波包模具的不完善性的说明;而庞小峰对非线性量子力学特定性的解释,也说明孤子演示链作为水槽模具的补充,使非线性量子力学的模具更加完善。
物理学中数学公式、方程本是来源于物理实验的数据,目的是为了更好地描述物理现象,为实验或工程设计、预见、检验提供精确的计算或数据,但从宏观发展到微观,更多的是一种数学模型或数学图像,并不便于数值计算,而且需要宏观的更直观的模型或模具去理解。例如超导、超流、光钎等宏观量子效应东西中的孤波现象,本身也可以作为非线性量子力学中波粒二象性说明的模具,但为什么又不能流行呢?因为对普通老百姓来说,它们的说明还是很抽象。中医中的阴阳五行,阴阳像一种模型,类似量子弦膜圈中的膜模型或膜面模具。五行金木水火土像一种模具,金木水火土直线排列类似量子弦膜圈中的弦模型或弦线模具,但它们之间的相生相克排列,又类似量子弦膜圈中的圈模型或旋圈模具,而古希腊的火气水土四元素说就没有圈态的循环。但总的来说把它们类比古代的量子力学,都没有提供实验或工程设计、预见、检验可精确计算数据的数学公式或方程,这仍需要具体问题再具体去探索。
西方近代自然科学的兴起,为这种数学公式或方程提供了大量的数学模式和求解方法。如海王星早有伽利略用望远镜看到,但它还是因天王星的轨道异常,被用数学推算出应当具备的位置和质量数据,才发现是新行星。然而20世纪进入到相对论和量子论领域,这种数学的作曲不仅更加复杂,而且作词所需的模具更难准确。这两者反映在我国,类似“伪科学”、“扳倒两论”、“弦论=胡扯+八道”等“国骂”成为一种潮流。庞小峰的非线性量子力学是中流砥柱,为各自振振有辞、五花八门“国骂”的人物找到实实在在的出路树立了好榜样。
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