你在物理学科普书中学到过最令人震惊的知识是怎样的？ 第1页

最让我震惊的知识，莫过于知道网上盛传的“纨绔子弟凭借一页博士毕业论文获得诺贝尔奖”的故事，是假的。下两图中被我标黄的部分，全部都是以讹传讹。

在不少的科普作品中，德布罗意就是一个只能东拼西凑出来一页博士毕业论文的“纨绔子弟”。以至于包括我在内，很长一段时间里，也都以为他的博士论文只有一页，而且也以为我也能做出这样的猜想——因为在阅读了光的波粒二象性后，我也怀疑过是不是实物粒子也有这样的性质。在武汉大学三校合编的《无机化学》中是这样介绍的——

1924年，法国年轻的物理学家德布罗意在光的波粒二象性的启发下，大胆地提出了实物粒子、电子、原子等也具有波粒二象性的假设。

当时更让我叹息自己只是生晚了年代。

后来，随着我对于量子力学更加深入的了解，我终于明白了德布罗意提出这样假设的基础——是为了解释玻尔的量子化假设；而正是因为波的性质，导致可以形成驻波，所以才会有那些量子化条件——分别是形成1个波、2个波、3个波……

在玻尔模型里，他假设轨道角动量满足量子化条件 在当时，大家都无法理解这个假设，只知道在这个假设下可以很好地退出氢原子光谱。

而利用德布罗意的方法，就能很容易推导出来。由于形成驻波 ，再由物质波公式 ，所以联立就可以退出玻尔的量子化假设。

对此我只能说，很多科普文章都没有点出这一个最最关键的点。所以，我现在觉得德布罗意提出物质波的观点真的不是一时兴起，是需要坚实的物理直觉的——我如果真的生在了那个年代，我做不到。

能够提出这个观点，在那个年代也是很不容易的。从玻尔1913年提出假设，直到德布罗意1924年提出物质波的观点，这中间的11年间，没有任何一人(包括爱因斯坦、玻尔等人)能解决这个问题。这也是为何爱因斯坦会高度赞扬德布罗意的工作——他掀起了面纱的一角。

       theta=0:0.001:2*pi; >> r=1+0.2*cos(10*theta);%0.2是驻波的振幅，1是单位圆 >> x=r.*cos(theta); >> y=r.*sin(theta);     

再往后，我甚至发现，那个一页博士论文的传说是假的！德布罗意的博士论文有80多页^[1]！法文原版甚至是100多页^[2]！而那个一页纸的传说，来源于德布罗意发表在Nature杂志上的一篇快报^[3]，来简要介绍自己的工作的。所谓快报，就是为了方便读者快速阅读的，基本都短小精悍。

经过这些颠覆性观点的洗礼后，我更加认为优秀的科普是很重要的。没有自己去严格考证的科普作者，就只会继续以讹传讹的；比如在我的另一个回答中提到了开尔文男爵从来没说过「物理学的大厦已经落成，上面只有两朵乌云」这句话，但是很多人也是以讹传讹，甚至连高中物理课本都中招了。

所以我致力于做一名负责任的科普人。

参考

1. ^ https://aflb.minesparis.psl.eu/LDB-oeuvres/De_Broglie_Kracklauer.pdf
2. ^ https://www.gsjournal.net/Science-Journals/Historical%20Papers-Quantum%20Theory%20/%20Particle%20Physics/Download/1635
3. ^ https://www.nature.com/articles/112540a0

我在物理学科普书籍中所学到的最令我震惊的知识莫过于 能量守恒定律并非是亘古不变的真理。

或者说，能量守恒定律的成立那是有前提条件的。那就是物理规律具有时间平移对称性。

我在上初中时，就已经接触到了对称这个词。什么轴对称图形，旋转对称图形。

我一直以为，对称这个词只是一个用来描述几何图形内在性质的词。

直到我读了这本书后才知道。对称不止存在于几何之中，更广泛的存在于物理之中。

让我们回想一下，我们初中所学的对称图形到底是什么呢？

把一个图形沿一直线（对称轴）旋转180度，所得到的新图形与原来的图形如果完全重合，那么我们便称这个图形具有轴对称性。

把一个图形沿着一固定点旋转特定的角度（大于0小于360），旋转后如果得到的新图形与原来的图形完全一致，那么我们便可以称这个图形具有旋转对称性。

这便是我们初中所学的对称了。

那么我们看一下，这两种对称有什么共同的特点呢？

不难发现，他们都是经过一个变换，所得的结果与原结果不变，那我们就称之为对称。

但是这种对称只存在于数学，只存于几何之中吗？

不是的！

我们今天做一个实验得到的结果，明天做同样的实验，只要其他条件不变还会得到同样的结果。

我们在北京做一个实验，在纽约也做一个同样的实验，只要其他条件不变也会同样的结果。

同样的道理，在实验室，你无论是朝东，还是朝西。只要其他参数不变，得到的结果还会相同。

说道这里大家可能会笑了，这分明是小孩子都知道的东西，难道我吃一颗棒棒糖，今天甜明天就不甜了？难不成朝东吃是甜的，朝西吃就会变成酸的吗？

但是正是这些小孩子都知道的东西却隐藏着天大的秘密。

上面的三段话分别对应着三个对称。即时间平移对称性、空间平移对称性和空间旋转对称性。

而这三个对称性又分别对应着三个守恒量，即能量守恒，动量守恒，角动量守恒。

事实上，每一个连续的对称性都对应着一个守恒量！

我假设一下。我们所处的宇宙，时间没有对称性。

我今天举起一块石头用了5牛的力。明天我举起一块同样的石头需要7牛的力。

那么我今天举起石头，明天再把石头放下来就有多余的两牛势能变成动能，能量守恒就被破坏了！

这就是能量守恒的本质。

而我说的每一个连续对称都对应着一个守恒量也是物理学中大名鼎鼎的诺特定理。

让我们记住这位伟大的女性数学家艾米·诺特女士

她所在的那个年代，对女性的歧视非常严重。即使再这样不友好的社会环境下她依然作出了大量成果，并允许学者们无条件地使用她的工作成果，是当之无愧的现代数学之母。也被爱因斯坦称为当代最伟大的女数学家。

我们再把话题引回来。

对称到底隐含着什么？

对称隐含着变化中的不变，而不变则隐含着规律！

而这些规律就是物理学家们前进的方向！

相对论存在对称性，量子色动力学中也存在对称性。

但是我们的宇宙中只有对称吗？

不是的。

我们宇宙中还有一种现象，叫做对称自发性破缺。

某些物理系统所遵守的自然定律具有某种对称性，而物理系统本身并不具有这种对称性，则称此现象为自发对称破缺。

为了方便理解我举个不太恰当但比较形象的例子。

我们想象一个理想的高速旋转的陀螺，它本身具有对称性，但是如果我们减少它旋转的能量，随着自身转速的降低，它终究会倒向一边，这种对称性消失了。这就有些类似对称自发性破缺。

还有一个经常大家常用的例子——墨西哥帽

一个小球在这个“帽子”的顶端，那么这个系统就是对称的。但是顶端是一个高势能状态，是不稳定的。系统总是趋向降低自己的势能，这个小球会滚到最下方随机的一个位置。此时系统本身便不具有对称性了。

不要小看这个对称自发性破缺，很多物理现象中都有它的影子。

就拿很多人都听说过的弱作用力与电磁作用力来说。

传递电磁力的玻色子叫做光子。

传递弱力的玻色子有三种，分别是W+，W-，Z

在我们当前的宇宙中，弱力和电磁力是完全不同的两种力。

传播弱作用力的玻色子具有很大的质量，是短程力。

传播电磁力的光子没有质量，是长程力。

但是这是在我们当前的宇宙环境下！

但是在足够高的温度下。WZ玻色子也将变成无质量的玻色子，他们具有和光子一样的耦合强度。此时的弱力和电磁力将变成一种力。

这便是对称自发性破缺的迷人之处。

不仅如此，对称自发性破缺还与基本粒子的质量有着很大的关联。前几年发现的上帝粒子——希格斯粒子便与自发对称性破缺有关。

当然物理学中的对称不只有这一点点东西。

这本书里也不仅仅讲了这么一点点东西。

物质与反物质

同位旋的对称性

胶子与夸克

无论是相对论、量子力学、引力量子化还是弦理论，此书均有所涉猎。

这是一个从对称的角度去看待物理，视角新奇，不可多得的好书。

更多精彩，就请大家自行从阅读，从书中发现吧。

都邀请了，不回答好像有点不太好。

正好回忆一下，看《果壳中的宇宙》，《时间简史》，这些科普的时光。

当时比较震惊的，我想想。

可能是格拉斯曼数和虚时间了。

格拉斯曼数之间的乘法不满足交换律，而是满足反交换律。

不过好像那会儿我已经知道叉乘了，不大应该会对格拉斯曼数乘法的反交换律太震惊。

还是想着说，毕竟知道的东西里面，乘起来的是矢量，不是单纯的一个数，格拉斯曼数。

想来可能虚时间对当时的我来说更震惊。

时间还能是虚的？接受不能啊！

还不是那种为了把洛伦兹变换写成旋转的样子引入的i，是真的时间成了虚的，跟空间没什么区别。

现在就没什么好震惊的了，基本操作了。

回过头来看，这些看上去很新奇的概念，之所以能把年少的我吓住，直呼：这不科学！

其实是因为衔接的东西在科普的过程中不得不被丢弃掉。

路径积分，费米场的路径积分量子化，针对量子隧穿的WKB近似，统计物理，等等等等

一旦补上了，就该喊真香了。

当初的接受不能，原因非常单纯：功夫没下够

数理基础的积累，不仅仅是知识的堆砌，还带有技艺性的一面。

算功，判断力，这类东西的长进，不是说光看个科普，查个资料，就做得好的，还不如说更接近体育锻炼。

功夫下够了，甚至都能从一两句话看出背后需要的基础，看出来他表达得恰到好处。

功夫没下够，门槛就是那么高。哪怕你异常聪明，搜来记住了很多东西，组织起来的时候往往在一些微妙的点上似是而非。

如此说来，震惊往往是个开端。

一上来震那么一下，脑子一片空白。

当初的空白就是以后进步的空间。

杨振宁自述的学习与研究经历中这么段小故事，补充起来，更有启发

1938年秋天我成为了西南联合大学第一届新生。为了参加那次入学考试，我借了一本高中物理教科书，闭门自修了几个星期，发现原来物理是很适合我研读的学科，所以在联大我就选择了物理系。我在教科书中读到，圆周运动加速的方向是向心的，而不是沿着切线方向的。最初我觉得这与我的直觉感受不同，仔细考虑后才了解，原来速度是一个向量，它不仅有大小而且是有方向的。这个故事给了我很大的启发：一方面直觉非常重要，可是另一方面又要能及时吸取新的观念修正自己的直觉。

最后留个鸡汤：点燃起来的兴趣会成为磨炼的动力。