共振物理学如何塑造现实


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几乎任何时候的物理学家宣布他们发现了一种新粒子 , 无论是希格斯玻色子还是最近装袋的双魅力四夸克 , 他们实际上发现的是一个从绘图上原本平滑的曲线升起的小凸起 。 这种颠簸是“共振”的明确标志 , 这是自然界中最普遍的现象之一 。 共振是世界各个方面的基础 , 如音乐、垂死恒星的核聚变 , 甚至亚原子粒子的存在 。 以下是相同的效果如何在如此不同的环境中表现出来 , 从日常生活到最小的尺度 。 在其最简单的形式中 , 当物体经历接近其“自然”频率之一的振荡力时 , 就会发生共振 , 在该频率下它很容易振荡 。 正在写一本关于希格斯玻色子的书的哈佛大学附属粒子物理学家马特斯特拉斯勒说 , 物体具有自然频率“是数学和宇宙的基石性质之一”。 操场上的秋千是一个熟悉的例子:“敲击类似的东西 , 它总是会自动挑选出它的共振频率 , ”斯特拉斯勒说 。 或者轻弹酒杯 , 杯沿每秒会振动几百次 , 随着振动传递到周围的空气中 , 会产生一种特有的音调 。 系统的固有频率取决于其固有特性:例如 , 对于长笛 , 它们是完全适合其圆柱几何形状的声波频率 。


【共振物理学如何塑造现实】
瑞士数学家莱昂哈德·欧拉在 1739 年求解了描述一个系统在其共振频率附近连续驱动的方程 。 他发现该系统表现出“各种奇妙的运动” , 正如他在给数学家约翰·伯努利的一封信中所说的那样 , 当该系统以共振频率精确驱动 , 运动的幅度“不断增加并最终增长到无穷大” 。 以正确的频率过度驱动一个系统会产生巨大的影响:例如 , 一个训练有素的歌手可以在其共振频率持续的音符打碎玻璃 。 一座与行军士兵的脚步声相呼应的桥可能会倒塌 。 但更常见的是 , 欧拉分析忽略的能量损失会阻止物理系统的运动不受限制地发展 。 如果歌手安静地唱出这个音符 , 首先玻璃中的振动会增加 , 但更大的振动会导致比以前更多的能量以声波的形式向外辐射 , 因此最终会达到平衡 , 导致振动的振幅恒定 。



现在假设歌手从一个低音符开始 , 然后在音高上不断滑行 。 当歌手扫过酒杯共振的频率时 , 声音会瞬间变得更大 。 这种增强的出现是因为声波与已经存在的振动同步到达玻璃 , 就像在正确的时间推动秋千可以放大其初始运动一样 。 作为频率函数的声音振幅图将描绘出一条曲线 , 在共振频率周围有一个明显的凸起 , 这与预示着粒子发现的凸起惊人地相似 。 在这两种情况下 , 凸起的宽度都反映了系统的损耗程度 , 例如 , 表明玻璃在被撞击一次后会环多长时间 , 或者粒子在衰变之前存在多长时间 。 但是为什么粒子表现得像嗡嗡作响的酒杯呢?在 20 世纪之交 , 共振被认为是振动和振荡系统的一种特性 。 沿直线传播并像台球一样分散的粒子似乎与物理学的这一分支相去甚远 。 量子力学的发展表明并非如此 。 实验表明 , 被认为是电磁波的光有时表现得像一个粒子:一个“光子” , 它拥有与相关波的频率成正比的能量 。 同时 , 像电子这样的物质粒子有时会表现出类似频率和能量关系的波动行为 。 1925 年 , 受此通信的启发 , 奥地利物理学家 Erwin Schrdinger 推导出了一个氢原子方程 , 其解是以一组自然频率振荡的波 , 很像管乐器声学方程的解 。



薛定谔方程的每个解都代表原子轨道电子的一种可能状态 。 电子可以通过吸收一个光子跳到更高能量的状态 , 该光子的频率构成了两个状态的固有频率之间的差异 。 这种跃迁本身就是一种共振形式:就像酒杯一样 , 原子只能从特定频率的波中吸收能量 , 它也可以通过发射具有相同频率的波来释放能量 。 (当以正确的频率激发时 , 某些原子将振荡超过 10 万亿个周期 , 然后以光子的形式释放它们的能量 , 极其尖锐的原子共振 , 构成了世界上最精确的原子钟的基础 。 )量子理论揭示了原子的结构 , 不亚于交响乐的结构 , 与共振密切相关 。 与原子结合的电子有点像被困在长笛内的声波 。 至于原子核 , 1930年代的进一步进展表明 , 由于共振 , 今天的宇宙中只存在多种原子核 。 共振跃迁对于将一种原子核转变为另一种原子核的核聚变反应至关重要 。 这些核共振中最著名的一种能够将三个氦核融合成一个碳核 。 没有这个 , 恒星就无法产生碳或更重的元素 , 我们所知道的生命也就不可能存在 。

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