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陀螺里的天文、时空与量子理论

时间: 2018年10月15日 | 作者: 弗兰克·维尔切克 | 来源: 环球注册新宝GG(huanqiukexue.com)
“如果人们能更深入地思考和研究陀螺,那么机械工程与众多工业门类将取得更大的进展……而我们对于光、热辐射以及其他电磁现象的认知也会拓展得更为迅速。”

 

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“如果人们能更深入地思考和研究陀螺,那么机械工程与众多工业门类将取得更大的进展……而我们对于光、热辐射以及其他电磁现象的认知也会拓展得更为迅速。”

这是我们今天要谈的一本书《陀螺及其运动》(Spinning Tops and Gyroscopic Motion)的开头。这本书非常有趣,而且看了很长知识。它的作者约翰·佩里(John Perry)是爱尔兰的一位工程师和数学家,于1920年去世。该书主要根据他在1890年的一个广受欢迎的课程整理而成。我最近在新罕布什尔州逛一家旧书店的时候,发现了这本书。我才翻阅了前几页,便被深深吸引住了。

这本书只有79页(包括附录在内)。其中包括了58幅图,但没有数学公式。它将插图(在这就只能靠读者自己想象了)与解释融于一体,从最简单的例子开始,逐渐过渡到复杂的情况,从而每一步都容易理解。

佩里在他的书中使用了大量的篇幅来描述陀螺仪,这种装置大致上就是安在一个架子上、可以自由旋转的陀螺。陀螺仪的神奇之处在于,它有一个简单,却又意义深刻的特点:它的旋转会锁定在一个固定方向。一个高速旋转的陀螺可以抗拒外界的干扰而保持旋转方向稳定不变,即使你把它从一个地方挪到另一个地方。因此我们可以用陀螺的转轴方向作为参考,来确定我们的方向。

与之相反的是,我们无法通过一件简单的仪器来确定我们的空间位置。为了确定你的位置,你可以通过时刻监测加速度的变化来计算你移动了多远。或者,你可以利用GPS卫星导航系统,依据三角测量原理来确定你的位置。

在佩里著书的那个时代,陀螺罗盘还属于新宝5技术,尚未发展成熟。如今,它们已经是海上导航的必备装置。由于观测者随着地球一起旋转,因此指向北方的陀螺旋转轴看似在缓慢地改变指向,其实却是固定的。 

在更广泛的层面上,陀螺仪已经发展成一个叫做惯性制导的领域。没有它,飞机和太空飞船就会迷路(或者更准确地说,晕头转向)。

自转的地球本身就是一个巨大的陀螺仪。它自转轴的倾斜度几乎是保持不变的——与地球绕太阳公转的轨道平面之间的夹角为23.5度,正因如此,才会形成四季的规律变化。宇宙中最有趣的一类天体脉冲星,就是高速自转的中子星。而目前,我们正开始观测自转的黑洞,从中寻找时空几何自身的陀螺运动。

而在自然界尺度的另一端——微观物质世界中,我们也发现了陀螺运动。电子、光子和其他的基本粒子都具有内秉的“自旋”。旋转就和这些粒子的质量一样,是它们的基本特性之一。由于这些小东西们完全不受摩擦的干扰,它们可以说是完美的陀螺。

利用激光、磁场和一些基于量子纠缠的新技巧,我们正学着如何掌握和改变这些基本粒子的自旋方向。随着我们操控光子和电子(还有原子核)自旋的技术水平日新月异,一场量子技术革命正在形成。

旧书的一大魅力便是你能够看到它们当初的预言是否成真。约翰·佩里的预言很准,陀螺的确意义重大。当我一口气读完整本书,仍然意犹未尽。书中的内容不停出现在我脑海,让我反复思考。作为一名实践派的量子力学家,我早已习惯了通过公式来思考自旋。而这本书让那些抽象的物理量变得形象化,使之成为一些奇怪却可触摸的物体,这不仅打开了新的视角,也提出了新的问题。我不知道这是否会带来什么重要的启迪。但不管怎样,我一定会拜托圣诞老人捎给我一些高质量的陀螺。