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花甲璇璣論注釋部分(六)

 

負(fù) 數(shù)

 

中國(guó)人同樣毫不費(fèi)力就得到了負(fù)數(shù)的概念。前面已經(jīng)說過,大概早在西漢時(shí)期(公元前二世紀(jì)),他們就已用赤籌表示正系數(shù),用黑籌表示負(fù)系數(shù)。加外一種方法是用三角形截面的算籌表示正數(shù),矩形截面的算籌表示負(fù)數(shù)。宋代代數(shù)學(xué)家是熟悉這種正負(fù)號(hào)的法則的。例如1299年的《算學(xué)啟蒙》就敘述過。當(dāng)然,丟番都(275年)曾把具有負(fù)數(shù)解的方程說成是“荒唐的東西”,中國(guó)人同樣也不考慮負(fù)解。在歐洲,第一部圓滿論述負(fù)數(shù)的著作是1545年卡但(Jerome Cardan)的《大法》(Ars Magna)。宋代的代數(shù)學(xué)家用兩種方法表示負(fù)數(shù):一種是把它們寫成或印成黑色,以別于赤色的正數(shù);另一種是在負(fù)數(shù)的最右一位數(shù)字上打一斜杠,這種做法也許來源于劉徽注中所說的用斜放的籌碼表示負(fù)數(shù)的古法。中國(guó)人對(duì)于求負(fù)數(shù)的平方根的問題似乎未曾留意過,雖然印度人(如大雄和巴斯卡拉)已覺察到這個(gè)問題。不過,復(fù)數(shù)和虛數(shù)的意義,在文藝復(fù)興以膠,更確切地說即在十七世紀(jì)末以前,在歐洲也確實(shí)并末被人們所理解。

自從公元前4世紀(jì),中國(guó)數(shù)學(xué)家就已經(jīng)了解負(fù)數(shù)和零的概念了。公元1世紀(jì)的《九章算術(shù)》說“正負(fù)術(shù)曰:同名相除,異名相益,正無入負(fù)之,負(fù)無入正之。其異名相除,同名相益,正無入正之,負(fù)無入負(fù)之。”(這段話的大意是“減法:遇到同符號(hào)數(shù)字應(yīng)相減其數(shù)值,遇到異符號(hào)數(shù)字應(yīng)相加其數(shù)值,零減正數(shù)的差是負(fù)數(shù),零減負(fù)數(shù)的差是正數(shù)?!保┮陨衔淖掷锏摹盁o入”通常被數(shù)學(xué)歷史家認(rèn)為是零的概念?!毒S基百科》

 

虛 數(shù)

 

物理學(xué)家戴森(1923-  )所斷言的“物理學(xué)家用數(shù)學(xué)材料來建構(gòu)理論”如果說通過實(shí)驗(yàn)與觀察來控制的想象力是物理學(xué)家不可缺少的工具,那么,大多數(shù)情形中這種想象力在其中發(fā)揮作用的框架就是數(shù)學(xué)。關(guān)于一個(gè)純數(shù)學(xué)概念變得對(duì)科學(xué)極為有用的例子,是數(shù)學(xué)系統(tǒng)擴(kuò)充為包括“虛”數(shù) 

 及它的倍數(shù)的情形,這種數(shù)最初是16世紀(jì)在解代數(shù)方程的過程中作為“不可能的”量出現(xiàn)的。(比如,方程χ2+10的解是χ=±1。在發(fā)明虛數(shù)以前,這個(gè)方程認(rèn)為無解。)佛蘭芒數(shù)學(xué)家吉拉德(1590-1633)最先明確地將這類方程的解看成是可以接受的解。我們今天稱之為“虛”數(shù)的名稱,是哲學(xué)家兼數(shù)學(xué)家笛卡爾(1590-1633)取的。然而,是通過“數(shù)學(xué)王子”高斯(1777-1855)的努力,才使得它們完全被人們重視。(即使是作為代數(shù)方程之解的負(fù)數(shù)的概念,也是到15世紀(jì)才出現(xiàn)的,而且一開始也難以為人們所接受。)由“實(shí)”數(shù)與“虛”之和構(gòu)成的數(shù),如3+5i,現(xiàn)在被稱為“復(fù)數(shù)”;在“復(fù)數(shù)”3+5i中,3被稱作“實(shí)”部,5是“虛”部。

雖然虛數(shù)概念出現(xiàn)于代數(shù)學(xué)中,但它已經(jīng)成為其他數(shù)學(xué)分支的一個(gè)不可缺少的部分,而且在許多科學(xué)領(lǐng)域中也逐漸被認(rèn)為是一個(gè)很有用的概念。20世紀(jì)20年代量子力學(xué)的誕生,顯示了這一概論強(qiáng)大的生命力;復(fù)數(shù)系統(tǒng)是該理論的一個(gè)基本組成部分,沒有它們量子理論的表述將是難以想象的。

《探求萬物之理——混沌、夸克與拉普拉斯妖》羅杰·G·牛頓 著 李香蓮 譯

 上??萍冀逃霭嫔?span lang="EN-US"> 20088月第1

 

 

進(jìn)位制/位置計(jì)數(shù)法

 

進(jìn)位制/位置計(jì)數(shù)法是一種記數(shù)方式,故亦稱進(jìn)位記數(shù)法/位值計(jì)數(shù)法,可以用有限的數(shù)字符號(hào)代表所有的數(shù)值??墒褂脭?shù)字符號(hào)的數(shù)目稱為基數(shù)或底數(shù),基數(shù)為n,即可稱n進(jìn)位制,簡(jiǎn)稱n進(jìn)制?,F(xiàn)在最常用的是十進(jìn)進(jìn)制,通常使用10個(gè)阿拉伯?dāng)?shù)字0-9進(jìn)行記數(shù)。

對(duì)于任何一個(gè)數(shù),我們可以用不同的進(jìn)位制來表示。比如:十進(jìn)靈數(shù)57,可以用二進(jìn)制表示為111001,也可以用五進(jìn)制表示為212,也可以用八進(jìn)制表示為71、用十六進(jìn)制表示為39,它們所代表的數(shù)值都是一樣的。

10進(jìn)位的位置計(jì)數(shù)法中有10個(gè)數(shù)字(0 - 9),數(shù)字

. 

 

16進(jìn)位的位置計(jì)數(shù)法中有16個(gè)數(shù)字(0–9 A–F),數(shù)字

 
 

(這里用單一的字符B表示數(shù)字11)

 
 

全序關(guān)系

 

全序關(guān)系、即在數(shù)學(xué)中,集合 X 上的全序、線性序、簡(jiǎn)單序,或(非嚴(yán)格)排序是在 X 上的反對(duì)稱的、傳遞的和完全的任何二元關(guān)系。這意味著如果我們把這種關(guān)系指示為≤ 則下列陳述對(duì)于 X 中的所有 a, b c 成立:

如果 a b b a a = b (反對(duì)稱性)

如果 a b b c a c (傳遞性)

a b b a (完全性)

配對(duì)了在其上相關(guān)的全序的集合叫做全序集合、線序集合、簡(jiǎn)單序集合或鏈。鏈還常用來描述某個(gè)偏序的全序子集,比如在佐恩引理中。

關(guān)系的完全性性質(zhì)可以如下這樣描述: 在集合中的任何一對(duì)元素在這個(gè)關(guān)系下都是相互可比較的。

注意完全性條件蘊(yùn)涵了自反性,就是說,a a。因此全序也是偏序,就是說,自反的、反對(duì)稱的和傳遞的二元關(guān)系。全序也可以定義為“全部”的偏序,就是滿足“完全性”條件的偏序。

[{ab,ab}={a,b}對(duì)于所有 a, b

我們寫 a b 當(dāng)且僅當(dāng) 。可得出全序集合是分配格。

全序集合形成了偏序集合的范疇的全子范疇,通過是關(guān)于這些次序的映射的態(tài)射,比如,映射 f 使得如果 a b f(a) f(b)

在兩個(gè)全序集合間的關(guān)于兩個(gè)次序的雙射映射是在這個(gè)范疇內(nèi)的同構(gòu)。

嚴(yán)格全序

對(duì)于每個(gè)(非嚴(yán)格)全序 ≤ 都一個(gè)一個(gè)相關(guān)聯(lián)的非對(duì)稱(因此反自反)的叫做嚴(yán)格全序的關(guān)系 <,它可以等價(jià)的以兩種方式定義:

a < b 當(dāng)且僅當(dāng) a b a b

a < b 當(dāng)且僅當(dāng)?(b a) (就是說 < 是 ≤ 的補(bǔ)關(guān)系的逆關(guān)系)

性質(zhì):

關(guān)系是傳遞的: a < b b <c 蘊(yùn)涵 a < c。

關(guān)系是三分的: a < b, b < a a = b 中精確的一個(gè)是真的。

關(guān)系是嚴(yán)格弱序,這里關(guān)聯(lián)的等價(jià)是等同性。

我們可以其他方式工作,選擇 < 為三分二元關(guān)系;則全序 ≤ 可等價(jià)的以兩種方式來定義:

a b 當(dāng)且僅當(dāng) a < b a = b

a b 當(dāng)且僅當(dāng) ?(b < a)

還有兩個(gè)關(guān)聯(lián)的次序是補(bǔ)關(guān)系 ≥ 和 >,它們一起構(gòu)成四元組 {<, >, , }

我們可以通過這四個(gè)關(guān)系中任何一個(gè)定義或解釋集合全序的方式;符號(hào)蘊(yùn)涵了我們談?wù)摰氖欠菄?yán)格的還是嚴(yán)格全序。

例子:

字母表的字母按標(biāo)準(zhǔn)字典次序排序,比如 A < B < C 等等。

全序集合的任何子集,帶有在整個(gè)集合上次序的限制。

所有的兩個(gè)元素都是可比較的任何偏序集合 X (就是說,如果 a,b X 的成員,則 ab ba 中的一個(gè)為真或二者都是真)

基數(shù)或序數(shù)(更強(qiáng)的說良序)的任何集合。

如果 X 是任何集合而 f 是從 X 到一個(gè)全序集合的單射函數(shù),則 f 引發(fā) X 上的全序,通過設(shè)立 x1 < x2 當(dāng)且僅當(dāng) f(x1) < f(x2)

在用一個(gè)序數(shù)索引的那些全序集合的笛卡爾積的一個(gè)集合上的詞典序自身是全序。例如,按字母表排序的字的任何集合是全序的,可看做通過向字母表增加空格符號(hào)(并定義空格小于任何字母)形成的集合的可數(shù)個(gè)復(fù)件的笛卡爾積的子集。

自然數(shù)集、整數(shù)集、有理數(shù)集和實(shí)數(shù)集用平常的小于(<)或大于(>)關(guān)系排序都是全序的。它們都可以被證實(shí)是帶有特定性質(zhì)的全序集合的唯一的(在同構(gòu)內(nèi))最小實(shí)例(全序 A 是帶有特定性質(zhì)的最小的,如果只要 B 有這個(gè)性質(zhì),就有從 A B 的子集的一個(gè)序同構(gòu)):

自然數(shù)集是最小的沒有上界的全序集合。

整數(shù)集是最小的沒有上界也沒有下界的全序集合。

有理數(shù)集是最小的沒有上界或沒有下界的全序集合,它在 (a, b) 對(duì)于所有 a < b 是非空的意義上是密集的。

實(shí)數(shù)集是最小的無界連通的全序集合。

 

二進(jìn)制

 

二進(jìn)制是逢2進(jìn)位的進(jìn)位制。0、1是基本算符?,F(xiàn)代的電子計(jì)算機(jī)技術(shù)全部采用的是二進(jìn)制,因?yàn)樗皇褂?span lang="EN-US">0、1兩個(gè)數(shù)字符號(hào),非常簡(jiǎn)單方便,易于用電子方式實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)算規(guī)則

四則運(yùn)算

加法:000000,000101,010001,010110

減法:000,101,110,1011

乘法:0×00,0×10,1×001×11

除法:0÷10,1÷11

拈加法

不同進(jìn)位數(shù)轉(zhuǎn)換

十進(jìn)數(shù)轉(zhuǎn)成二進(jìn)數(shù)

整數(shù)部分,把十進(jìn)制轉(zhuǎn)成二進(jìn)制一直分解至商數(shù)為1。從最底左邊數(shù)字開始讀,之后讀右邊的數(shù)字,從下讀到上。小數(shù)部分,則用其乘2,取其整數(shù)部分的結(jié)果,再用計(jì)算后的小數(shù)部分依此重復(fù)計(jì)算,算到小數(shù)部分全為0為止,之后讀所有計(jì)算后整數(shù)部分的數(shù)字,從下讀到上。

郭書春在《古代世界數(shù)學(xué)泰斗劉徽》一書指出:“事實(shí)是,萊布尼茲先發(fā)明了二進(jìn)制,后來才看到傳教士帶回的宋代學(xué)者重新編排的《周易》八卦,并發(fā)現(xiàn)八卦可以用他的二進(jìn)制來解釋?!绷鹤诰拊凇稊?shù)學(xué)歷史典故》一書對(duì)這一歷史公案進(jìn)行了更加詳盡的考證。                                 

附:戈特弗里德·威廉·萊布尼茨(Gottfried Wilhelm Leibniz1646年-1716年),德國(guó)哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家。

附:另一種說法,李約瑟在《中國(guó)科學(xué)技術(shù)史· 第二卷 科學(xué)思想史》第十章附論“《易經(jīng)》和萊布尼茨的二進(jìn)制算術(shù)”中對(duì)二進(jìn)制的起源進(jìn)行了考證。          

 

波粒二象性

 

波粒二象性(英語:Wave-particle duality)是微觀粒子的基本屬性之一。指微觀粒子有時(shí)顯示出波動(dòng)性(這時(shí)粒子性不顯著),有時(shí)又顯示出粒子性(這時(shí)波動(dòng)性不顯著),在不同條件下分別表現(xiàn)為波動(dòng)和粒子的性質(zhì)。一切微觀粒子都具有波粒二象性。

 
 

在經(jīng)典力學(xué)中,研究對(duì)象總是被明確區(qū)分為“純”波動(dòng)和“純”粒子。前者的典型例子是光,后者則組成了我們常說的“物質(zhì)”。公元1905年,愛因斯坦提出了光電效應(yīng)的光量子解釋,人們開始意識(shí)到光波同時(shí)具有波和粒子的雙重性質(zhì)。公元1924年,德布羅意提出“物質(zhì)波”假說,認(rèn)為“一切物質(zhì)”和光一樣都具有波粒二象性。根據(jù)這一假說,在“一切物質(zhì)”的范圍之內(nèi)的電子也會(huì)具有干涉和衍射(繞射)等波動(dòng)現(xiàn)象,這被后來的戴維森-革末實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

“波”和“粒子”的數(shù)學(xué)關(guān)系

物質(zhì)的粒子性由能量 E 和動(dòng)量 p 刻畫,波的特征則由頻率ν 和波長(zhǎng) λ 表達(dá),這兩組物理量由普朗克常數(shù) h 所聯(lián)系。

 


歷史

托馬斯·楊(Thomas Young)對(duì)光的干涉的實(shí)驗(yàn)研究, 1803.在十九世紀(jì)末,日臻成熟的原子論逐漸盛行,根據(jù)原子理論的看法,物質(zhì)都是由微小的粒子——原子構(gòu)成。比如原本被認(rèn)為是一種流體的電,由約瑟夫·湯姆孫的陰極射線實(shí)驗(yàn)證明是由被稱為電子的粒子所組成。因此,人們認(rèn)為大多數(shù)的物質(zhì)是由粒子所組成。而與此同時(shí),波被認(rèn)為是物質(zhì)的另一種存在方式。波動(dòng)論已經(jīng)被相當(dāng)深入地研究,包括干涉和衍射等現(xiàn)象。由于光在托馬斯·楊的雙縫實(shí)驗(yàn)中,以及夫瑯禾費(fèi)衍射中所展現(xiàn)的特性,明顯地說明它是一種波動(dòng)。

不過在二十世紀(jì)來臨之時(shí),這個(gè)觀點(diǎn)面臨了一些挑戰(zhàn)。1905年,由阿爾伯特·愛因斯坦研究的光電效應(yīng)展示了光粒子性的一面。隨后,電子衍射被預(yù)言和證實(shí)了。這又展現(xiàn)了原來被認(rèn)為是粒子的電子波動(dòng)性的一面。

這個(gè)波與粒子的困擾終于在二十世紀(jì)初由量子力學(xué)的建立所解決,即所謂波粒二象性。他提供了一個(gè)理論框架,使得任何物質(zhì)在一定的環(huán)境下都能夠表現(xiàn)出這兩種性質(zhì)。量子力學(xué)認(rèn)為自然界所有的粒子,如光子、電子或是原子,都能用一個(gè)微分方程,如薛定諤方程來描述。這個(gè)方程的解即為波函數(shù),它描述了粒子的狀態(tài)。波函數(shù)具有疊加性,即,它們能夠像波一樣互相干涉和衍射。同時(shí),波函數(shù)也被解釋為描述粒子出現(xiàn)在特定位置的機(jī)率幅。這樣,粒子性和波動(dòng)性就統(tǒng)一在同一個(gè)解釋中。

之所以在日常生活中觀察不到物體的波動(dòng)性,是因?yàn)樗麄兘再|(zhì)量太大,導(dǎo)致德布羅意波長(zhǎng)比可觀察的限度要小很多,因此可能發(fā)生波動(dòng)性質(zhì)的尺度在日常生活經(jīng)驗(yàn)范圍之外。這也是為什么經(jīng)典力學(xué)能夠令人滿意地解釋“自然現(xiàn)象”。反之,對(duì)于基本粒子來說,它們的質(zhì)量和尺度決定了它們的行為主要是由量子力學(xué)所描述的,因而與我們所習(xí)慣的圖景相差甚遠(yuǎn)。

惠更斯和牛頓,早期光理論

最早的綜合光理論是由克里斯蒂安·惠更斯所發(fā)展的,他提出了一個(gè)光的波動(dòng)理論,解釋了光波如何形成波前,直線傳播。該理論也能很好地解釋折射現(xiàn)象。但是,該理論在另一些方面遇見了困難。因而它很快就被艾薩克·牛頓的粒子理論所超越。牛頓認(rèn)為光是由微小粒子所組成,這樣他能夠很自然地解釋反射現(xiàn)象。并且,他也能稍顯麻煩地解釋透鏡的折射現(xiàn)象,以及通過三棱鏡將陽光分解為彩虹。

由于牛頓無與倫比的學(xué)術(shù)地位,他的理論在一個(gè)多世紀(jì)內(nèi)無人敢于挑戰(zhàn),而惠更斯的理論則漸漸為人淡忘。直到十九世紀(jì)初衍射現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn),光的波動(dòng)理論才重新得到承認(rèn)。而光的波動(dòng)性與粒子性的爭(zhēng)論從未平息。

費(fèi)涅爾、麥克斯韋和楊

十九世紀(jì)早期由托馬斯·楊和奧古斯丁·簡(jiǎn)·菲涅耳所演示的雙縫實(shí)驗(yàn)為惠更斯的理論提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù):這些實(shí)驗(yàn)顯示,當(dāng)光穿過網(wǎng)格時(shí),可以觀察到一個(gè)干涉樣式,與水波的干涉行為十分相似。并且,通過這些樣式可以計(jì)算出光的波長(zhǎng)。詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在世紀(jì)末葉給出了一組方程,揭示了電磁波的性質(zhì)。而方程得到的結(jié)果,電磁波的傳播速度就是光速,這使得光作為電磁波的解釋被人廣泛接受,而惠更斯的理論也得到了重新認(rèn)可。

愛因斯坦和光子

1905年,愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)提出了一個(gè)理論,解決了之前光的波動(dòng)理論所無法解釋的這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。他引入了光子,一個(gè)攜帶光能的量子的概念。

E=hv

在光電效應(yīng)中,人們觀察到將一束光線照射在某些金屬上會(huì)在電路中產(chǎn)生一定的電流。可以推斷是光將金屬中的電子打出,使得它們流動(dòng)。然而,人們同時(shí)觀察到,對(duì)于某些材料,即使一束微弱的藍(lán)光也能產(chǎn)生電流,但是無論多么強(qiáng)的紅光都無法在其中引出電流。根據(jù)波動(dòng)理論,光強(qiáng)對(duì)應(yīng)于它所攜帶的能量,因而強(qiáng)光一定能提供更強(qiáng)的能量將電子擊出。然而事實(shí)與預(yù)期的恰巧相反。

愛因斯坦將其解釋為量子化效應(yīng):電子被光子擊出金屬,每一個(gè)光子都帶有一部分能量E,這份能量對(duì)應(yīng)于光的頻率ν:

這里h是普朗克常數(shù)(6.626 x 10-34 Js)。光束的顏色決定于光子的頻率,而光強(qiáng)則決定于光子的數(shù)量。由于量子化效應(yīng),每個(gè)電子只能整份地接受光子的能量,因此,只有高頻率的光子(藍(lán)光,而非紅光)才有能力將電子擊出。

愛因斯坦因?yàn)樗墓怆娦?yīng)理論獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

德布羅意及德布羅意波

1924年,路易·德布羅意構(gòu)造了德布羅意假說,聲稱所有的物質(zhì)都有類波的屬性。他將這個(gè)波長(zhǎng)λ和動(dòng)量p聯(lián)系為:

這是對(duì)愛因斯坦等式的一般化,因?yàn)楣庾拥膭?dòng)量為p = E / cc為真空中的光速),而λ = c / ν。

德布羅意的方程三年后通過兩個(gè)獨(dú)立的電子散射實(shí)驗(yàn)被證實(shí)于電子(具有靜止質(zhì)量)身上。在阿伯丁大學(xué),喬治·佩吉特·湯姆孫將一束電子穿過薄金屬片,并且觀察到了預(yù)期中的干涉樣式。在貝爾實(shí)驗(yàn)室,克林頓·戴維森和雷斯特·革末將他們的實(shí)驗(yàn)電子束穿過一個(gè)晶體。

德布羅意于1929年因?yàn)檫@個(gè)假設(shè)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。湯姆孫和戴維森因?yàn)樗麄兊膶?shí)驗(yàn)工作共享了1937年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

 

數(shù)學(xué)歸納法

 

數(shù)學(xué)歸納法(Mathematical Induction,通常簡(jiǎn)稱為MI)是一種數(shù)學(xué)證明方法,通常被用于證明某個(gè)給定命題在整個(gè)(或者局部)自然數(shù)范圍內(nèi)成立。除了自然數(shù)以外,廣義上的數(shù)學(xué)歸納法也可以用于證明一般良基結(jié)構(gòu),例如:集合論中的樹。這種廣義的數(shù)學(xué)歸納法應(yīng)用于數(shù)學(xué)邏輯和計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域,稱作結(jié)構(gòu)歸納法。

雖然數(shù)學(xué)歸納法名字中有“歸納”,但是數(shù)學(xué)歸納法并不是不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臍w納推理法,它是屬于完全嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难堇[推理法。

附:[演繹定理]在數(shù)理邏輯中,演繹定理聲稱如果公式 F 演繹自 E,則蘊(yùn)涵 E F 是可證明的(就是或它可以自空集推導(dǎo)出來)。用符號(hào)表示,如果E F ,則├ E F

演繹定理是元定理: 在給定的理論中使用它來演繹證明,但它不是這個(gè)理論自身的一個(gè)定理。

[演繹推理]在傳統(tǒng)的亞里士多德邏輯中,演繹推理(英語:deductivereasoning)是“結(jié)論,可從叫做前提的已知事實(shí),“必然的”得出的推理”。如果前提為真,則結(jié)論必然為真。這區(qū)別于溯因推理和歸納推理,它們的前提可以預(yù)測(cè)出高概率的結(jié)論,但是不確保結(jié)論為真。

“演繹推理”還可以定義為結(jié)論在普遍性上不大于前提的推理,或“結(jié)論在確定性上,同前提一樣”的推理。

 

場(chǎng)線(磁力線)

 

場(chǎng)線是由矢量場(chǎng)和初始點(diǎn)設(shè)定的軌跡。在空間里,矢量場(chǎng)在每一個(gè)位置,都設(shè)定了一個(gè)方向。只要按照矢量場(chǎng)在每一個(gè)位置所指的方向來追蹤路徑,就可以素描出正確的場(chǎng)線。更精確地說,場(chǎng)線在每一個(gè)位置的切線必須平行于矢量場(chǎng)在那一個(gè)位置的方向。

 
 

在空間內(nèi),由于,伴隨著每一個(gè)點(diǎn)的矢量,組合起來,構(gòu)成了矢量場(chǎng),場(chǎng)線可以說是一個(gè)專為矢量場(chǎng)精心打造的顯像工具,能夠清楚地顯示出矢量場(chǎng)在每一個(gè)位置的方向。假若矢量場(chǎng)描述的是一個(gè)速度場(chǎng),則場(chǎng)線跟隨的是流體的流線。在磁鐵的四周灑散鐵粉,可以清楚地顯示出磁場(chǎng)的磁場(chǎng)線。靜電荷的場(chǎng)線稱為電場(chǎng)線,從正電荷往外擴(kuò)散,朝著負(fù)電荷聚集。

對(duì)于一個(gè)矢量場(chǎng),假若我們能夠完整地描述其所有的場(chǎng)線,那么,這矢量場(chǎng)在每一個(gè)位置的方向已完全地被設(shè)定了。為了同時(shí)表示出矢量場(chǎng)的大小值,我們必須控制場(chǎng)線的數(shù)量,促使場(chǎng)線在任意位置的密度等于矢量場(chǎng)在那位置的大小值。

場(chǎng)線的圖案能夠用來表達(dá)某些重要的矢量微積分概念。場(chǎng)線從某一個(gè)區(qū)域的往外擴(kuò)散或往內(nèi)聚斂可以表達(dá)散度。場(chǎng)線的螺旋圖案可以表達(dá)旋度。

雖然大多數(shù)時(shí)候,場(chǎng)線只是一個(gè)數(shù)學(xué)建構(gòu),在某些狀況,場(chǎng)線具有實(shí)際的物理意義。例如,在等離子體物理學(xué)里,處于同一條場(chǎng)線的電子或離子會(huì)強(qiáng)烈地相互作用;而處于不同場(chǎng)線的粒子,通常不會(huì)相互作用。

 
     

封閉系統(tǒng)

 

在熱力學(xué)之中,封閉系統(tǒng)是指一個(gè)只與外界交換能量(作功或熱量)而不交換質(zhì)量的系統(tǒng)。假如一個(gè)只擁有一種粒子(原子或分子)的系統(tǒng)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)時(shí),過程中所有種類的粒子都可以被生成或破壞。但是,封閉系統(tǒng)內(nèi)的元素原子數(shù)目將會(huì)守恒。

在量子力學(xué)中,封閉系統(tǒng)等同于孤立系統(tǒng)。而只與外界交換能量的系統(tǒng)會(huì)被視為開放系統(tǒng)。

孤立系統(tǒng):系統(tǒng)完全不與外界交換能量或質(zhì)量。

開放系統(tǒng):系統(tǒng)與外界交換能量與質(zhì)量。


鏡像世界

 

現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)生的每件事情,在某個(gè)特定的鏡像世界中都有著與其對(duì)應(yīng)的東西,且以我們的經(jīng)驗(yàn)并行的方式而存在。但這種鏡像是一種反射,即原來的東西的一種變換。在一塊鏡子中,這種變換是左右反演的形式,看著鏡子,會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)左右反演的三維像在鏡子遠(yuǎn)端“活靈活現(xiàn)”。而我們知道這并不是真的。在這種鏡子中的像不是實(shí)在的。與阿麗思(卡羅爾小說《阿麗思鏡中奇遇記》中主人公)不同,我們不能那么輕而易舉地滑進(jìn)玻璃屏障。而其他鏡子能提供更確實(shí)的反射。另一類反演是黑白照相底片,其中光照之處變暗,反之明亮。底片是個(gè)真正的鏡像,在物體和像之間是一一對(duì)應(yīng)的。可是,如果下片和負(fù)片疊合在一起,兩種像就會(huì)彼此抵消,所有的信息就會(huì)丟失。

 
 

有許多其他鏡子,真實(shí)的和隱喻的,都是通過對(duì)應(yīng)物的純粹對(duì)照來給出反射的深度。在我們這個(gè)紛亂的世界中,我們視野所及似乎常常是由一些相互間大相徑庭的事物所表征的——晝和夜、夏和冬即是這樣。這些懸殊的東西可以彼此看作鏡像。而與實(shí)時(shí)反射的鏡子不同的是,這些懸殊的東西可以出現(xiàn)在不同的時(shí)間的不同的地點(diǎn)。白天總是跟隨夜晚,一個(gè)不眠之夜的不適不久就會(huì)被遺忘。夏天總是跟隨冬天,而時(shí)間尺度卻不相同……像卡羅爾這種隨意杜撰的故事是引人入勝的,因?yàn)樗鼈兪乾F(xiàn)實(shí)世界的伴你。在現(xiàn)實(shí)世界的鏡像中,感覺和邏輯可以顛倒過來,事情會(huì)變得新奇陌生。對(duì)阿麗思的鏡子,鏡面反演把左變成右,把右變成左。左和右是由旋轉(zhuǎn)的思想緊密地聯(lián)系起來的——鏡子中一個(gè)向右旋轉(zhuǎn)(即順時(shí)針方向)反映真實(shí)的逆進(jìn)針方向的一個(gè)旋轉(zhuǎn)。實(shí)際上,鏡子中的像看碟起來是“錯(cuò)的”,因?yàn)槲覀兇竽X把它解釋為一個(gè)180°的旋轉(zhuǎn),如果我用右手拿一個(gè)物體,在鏡像中看起來卻是左手拿著該物體。而如果我們直到鏡子后面并面對(duì)來時(shí)的方向,這個(gè)物體仍牢牢地拿在右手中,從鏡子中看時(shí),一只釧會(huì)很不相同,盡管它是逆時(shí)針方向走動(dòng)的,卻持準(zhǔn)確的時(shí)間。通過左右鏡像反射,時(shí)間依然不變。

《反物質(zhì)-——世界的終極鏡像·第二章》戈登·弗雷德著 江向東 黃艷華譯 上海科教出版社 200212月第一版

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