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希尔伯特空间中的量子力学

1925 年和 1926 年,量子力学的两个版本几乎同时诞生。海森堡的版本使用无穷矩阵;薛定谔的版本使用一个波动方程。两者在实验中给出相同的结果,却像是在谈论不同的东西,而且物理学家们使用的一些技巧,比如狄拉克的 delta“函数”,在数学家看来是不可接受的。 在哥廷根,冯·诺依曼与希尔伯特合作,证明了二者是同一个理论在不同坐标下的写法,并用一种统一的语言重写了全部内容。1932 年出版的《量子力学的数学基础》至今仍是想要完全严格地了解这一理论的人的参考书。 态是向量 在冯·诺依曼的语言里,一个物理系统的态是希尔伯特空间中长度为 1 的向量。希尔伯特空间是带有内积的空间,就像平面或三维空间,但可以有无穷多维。举一个最简单的例子:一个测量时只能给出“上”或“下”两种结果的系统,它的态位于平面上: $$\psi = a\,\mathbf{e}_\uparrow + b\,\mathbf{e}_\downarrow, \qquad a^2 + b^2 = 1.$$把向量与实验室联系起来的规则由马克斯·玻恩提出、冯·诺依曼加以整理:每种结果的概率是对应分量的平方。取 $a = \frac35$,$b = \frac45$, $$P(\uparrow) = \left(\tfrac35\right)^2 = \tfrac{9}{25} = 36\%, \qquad P(\downarrow) = \left(\tfrac45\right)^2 = \tfrac{16}{25} = 64\%.$$条件 $a^2 + b^2 = 1$,即向量长度为 1,就是勾股定理在说:各个概率加起来等于 100%。 测量就是投影 测量之后,系统不再停留在 $\psi$:它转入与所得结果对应的态,$\mathbf{e}_\uparrow$ 或 $\mathbf{e}_\downarrow$。冯·诺依曼把这写成向量在某个轴上的投影,并把被测量的量,比如能量或位置,称为算子。测量可能得到的值就是这些算子的特征值。这是第一次完全用无穷维线性代数来描述实验室物理,冯·诺依曼也正是为此创造了今天研究生数学课程中讲授的大部分算子理论。 有漏洞的证明 在 1932 年的书中,冯·诺依曼给出了一个证明,说量子力学不能用“隐变量”,即可以让结果变得可预测的隐藏信息,来补全。作者的权威使这个证明被接受了几十年。1935 年,德国哲学家和数学家格蕾特·赫尔曼指出其中一条假设过强,但她的论文几乎无人阅读。直到 1966 年,物理学家约翰·贝尔重提这一批评,才使它为人所知。贝尔后来证明,某些隐变量理论确实不可能,但走的是另一条路,用的是另一些假设,并在此后几十年里经受了实验室的检验。 练习:把态归一化某个态正比于 $\mathbf{e}_\uparrow + \mathbf{e}_\downarrow$。把它写成长度为 1 的形式,并计算概率。 $(1, 1)$ 的长度是 $\sqrt{2}$,所以这个态是 $\psi = \frac{1}{\sqrt2}\mathbf{e}_\uparrow + \frac{1}{\sqrt2}\mathbf{e}_\downarrow$。每种结果的概率都是 $\left(\frac{1}{\sqrt2}\right)^2 = \frac12$:一枚公平的量子硬币。

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可计算数:几乎每个数都无法计算

1936 年那篇论文的标题说的不是机器,而是数:《论可计算数》。图灵这样定义它们:如果存在一台机器,能一位接一位地写出一个实数的所有数字,而且永远不写错,这个实数就是可计算的。 哪些数是可计算的 学校里出现的数几乎都是可计算的。 分数: $\frac17=0.142857142857\ldots$ 机器做长除法,永远重复这个循环。 根式: $\sqrt2=1.41421356\ldots$ 为了找出下一位,机器从 0 试到 9,看哪个最大的数字添上之后,所得的数平方仍不超过 2。 $\pi$ 和 $e$: 有些级数能把它们逼近到任意精度,例如 $e=1+\frac1{1!}+\frac1{2!}+\frac1{3!}+\cdots$,借助这些级数,机器迟早能写出任何一位数字。 看起来,似乎每个“真正的”数都是可计算的。惊人之处就在这里:几乎没有一个是。 机器可以数得过来 每台图灵机都由一张有限的规则表描述。这张表可以用固定的字母表写成一段文字,因而也可以写成一个整数,图灵称之为描述数。只要把每个符号换成一个数字即可。 于是机器可以排成一张清单:描述数最小的那台,下一台,依此类推。许多数不描述任何机器,许多机器也不写出任何数,但这无关紧要。要紧的是:可计算数可以排成一张清单 $c_1,c_2,c_3,\ldots$ 用术语来说,它们是可数的。 实数数不过来 1891 年,格奥尔格·康托尔证明了实数不能排成一张清单。证明用的就是对角线。假设有一张列出 0 到 1 之间全部实数的清单: $$\begin{aligned} r_1&=0.\underline{5}\,1\,3\,9\ldots\\ r_2&=0.2\,\underline{7}\,0\,4\ldots\\ r_3&=0.8\,8\,\underline{1}\,6\ldots\\ r_4&=0.3\,0\,2\,\underline{2}\ldots \end{aligned}$$改动对角线上的数字来构造一个数 $d$:遇到 5 就写 6,遇到其他数字就写 5。这里 $d=0.6555\ldots$ 这个 $d$ 在第一位与 $r_1$ 不同,在第二位与 $r_2$ 不同,在第 $n$ 位与 $r_n$ 不同。它不在清单上。所以没有任何清单能包含全部实数。 把两个事实放在一起:可计算数能排成清单,实数不能。于是有实数落在所有机器之外,而且它们占了绝大多数。如果你随机挑一个实数,它是可计算数的概率为零。 一个能定义却算不出来的数 可以给一个不可计算的数起名字。写下 $0.d_1d_2d_3\ldots$,其中如果清单上的第 $n$ 台机器在空白纸带上会停机,就令 $d_n=1$,否则令 $d_n=0$。这个数定义得清清楚楚。但如果有一台机器能写出它的各位数字,它就解决了停机问题,而这是不可能的。这是一个存在着、却永远没有人能写出来的数。 练习:用一用对角线清单开头是 $0.1234\ldots$、$0.5555\ldots$、$0.9090\ldots$、$0.3141\ldots$。用“5 变 6,其余变 5”的规则,写出对角线数的前四位。 对角线是 $1,5,9,1$。改动后:$1\to5$,$5\to6$,$9\to5$,$1\to5$。这个数是 $0.5655\ldots$,它在对角线那一位与这四个数各不相同。

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布里格斯与常用对数

这些数最初由最杰出的默奇斯顿男爵约翰·纳皮尔发明;后来按照他本人的意见,由亨利·布里格斯加以改变。 — 亨利·布里格斯《对数算术》扉页(1624) 亨利·布里格斯是伦敦格雷沙姆学院的几何学教授,也是英格兰最出色的计算家之一。1615 年 3 月,他写信给一位朋友说,纳皮尔的新对数让他"头脑和双手都忙个不停",并希望当年夏天去拜见他。他做到了。在默奇斯顿的交谈中,两人一致认为,对数表做两处改动会实用得多:1 的对数为 0,10 的对数为 1。 以 10 为底的对数 这样选择之后,$x$ 的对数就是要得到 $x$ 时 10 必须乘方的指数: $$\log x=y\iff10^y=x.$$数列的法则也不再有任何碍事的因子: $$\log(ab)=\log a+\log b,\qquad\log\frac ab=\log a-\log b,\qquad\log a^n=n\log a.$$计算 log 2 布里格斯怎样算出这些数?一个简单的技巧可以说明思路。我们知道 $$2^{10}=1024\approx1000=10^3.$$取对数,$10\log2\approx3$,即 $\log2\approx0.3$。为了更精确,我们利用多出来的部分:$2^{10}=10^3\times1.024$,所以 $$\log2=\frac{3+\log1.024}{10}.$$对于非常接近 1 的数,$\log(1+h)\approx0.4343\,h$。取 $h=0.024$,$\log1.024\approx0.0104$,于是 $\log2\approx0.30104$。真实值是 $0.30103$。其他的对数随之而来:$\log4=2\log2\approx0.60206$,$\log8\approx0.90309$,$\log5=\log10-\log2\approx0.69897$。 布里格斯走得远得多。他对 10 连续开了 54 次平方根,每次都算到 30 多位小数,直到得到一个非常接近 1 的数,它的对数 $1/2^{54}$ 可以直接与它超出 1 的部分相比较。这是一项巨大的工作,而他全靠手算。 首数与尾数 以 10 为底的最大好处是:移动小数点只改变对数的整数部分: $$\log2=0.30103,\quad\log20=1.30103,\quad\log200=2.30103,\quad\log2000=3.30103.$$整数部分叫首数,表示这个数有几位。小数部分叫尾数,对它们都一样。所以只要一张 1 到 10 之间各数的尾数表,就能用于任何数。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。

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方程何时可以用根式求解

有了方程的群这个概念,伽罗瓦回答了阿贝尔之后悬而未决的问题:哪些方程可以用根式求解?答案不依赖任何技巧,只取决于群的形状。 每开一次方就切小群 用根式解方程,就是在已知的数之外,一次添加一个根。一开始我们只知道有理数,方程的群是完整的。每添加一个根,比如 $\sqrt3$ 或 $\sqrt[3]{5}$,就会出现新的成立关系,尊重它们的置换就更少了。群缩小了。当群只剩下恒等置换时,方程的所有根都能用已知的数写出:方程就解出来了。 伽罗瓦证明,每开一次素数 $p$ 次方,无论是平方根、立方根还是五次方根,群都以一种非常特殊的方式缩小:新的群是原来那个群的正规子群,并且在原来的群中恰好容纳 $p$ 次。结论就是伽罗瓦定理: $$\boxed{\text{方程可以用根式求解}\iff\text{群可以经过一系列素数指数的正规步骤切到只剩恒等元。}}$$能这样切开的群,为纪念这段历史,被称为可解群。 三次方程:卡尔达诺公式 一般三次方程的群是三个根的六个置换构成的群,与三角形的六种对称相同。它可以这样切开: $$\underbrace{\{e,r,r^2,s_1,s_2,s_3\}}_{6}\ \supset\ \underbrace{\{e,r,r^2\}}_{3}\ \supset\ \underbrace{\{e\}}_{1}.$$指数是 $6\div3=2$ 和 $3\div1=3$。这意味着:先开一个平方根,再开一个立方根。这正是卡尔达诺公式的形状,平方根出现在立方根的里面: $$x=\sqrt[3]{-\frac q2+\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}+\sqrt[3]{-\frac q2-\sqrt{\frac{q^2}4+\frac{p^3}{27}}}.$$群在公式写出来之前就解释了它。 四次方程:费拉里公式 四个根的 24 个置换可以分四步切开: $$24\ \supset\ 12\ \supset\ 4\ \supset\ 2\ \supset\ 1,$$指数为 $2, 3, 2, 2$,全是素数。费拉里公式依次使用一个平方根、一个立方根(用来解拉格朗日的辅助三次方程)以及另外两个平方根。 五次方程:切不开的群 五个根的 $120$ 个置换可以切一次,对半切成一个有 $60$ 个元素的正规子群,即所谓的偶置换。但链条到此为止:这个 60 元群除了 $\{e\}$ 和它自身之外,没有别的正规子群。要到达恒等元,就需要一步指数为 60 的切割,而 60 不是素数。这是不可能的。 这就是一般五次方程没有公式的原因:这是阿贝尔定理,现在通过伽罗瓦的眼睛来看。但伽罗瓦理论走得更远。对每个具体的方程,只要算出它的群就行了。方程 $x^5-2=0$ 的群有 20 个元素,是可解的,它确实可以求解:$x=\sqrt[5]2$。而 $x^5-x-1=0$ 的群是全部 120 个置换,它的实根 $1.1673\ldots$ 不能用根式写出。 请启用 JavaScript 以使用这个交互图形。完整的推理见正文。

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把积分反过来:椭圆函数

从一个熟悉的函数开始,换一种奇怪的角度来看。积分 $$\arcsin x=\int_0^x\frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}$$给出半径为 1 的圆上一段弧的长度,从最低点量起,是高度 $x$ 的函数。这是个复杂的函数。但它的反函数,即把高度表示为弧长的函数,就是正弦,三角学里最简单的函数。而正弦有一个积分所掩盖的性质:它是周期的。因为四分之一圆周的长度是 $$\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^2}}=\frac\pi2,$$所以正弦每隔 $4\cdot\frac\pi2=2\pi$ 重复一次。 没人会算的积分 18 世纪出现了类似的积分,只是把二次多项式换成了三次或四次多项式的根。它们出现在椭圆弧长的计算中,因此得名椭圆积分;也出现在双纽线的弧长中,以及单摆的运动中。 长为 $L$、摆幅很小的单摆,周期为 $T_0=2\pi\sqrt{L/g}$,这是中学里学的。但这个公式只在摆幅小时成立。对于任意摆幅 $\theta_0$,精确的周期是 $$T=4\sqrt{\frac Lg}\,K(k),\qquad K(k)=\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{(1-t^2)(1-k^2t^2)}},\qquad k=\sin\frac{\theta_0}2.$$当 $\theta_0=90°$ 时,$k=\frac{\sqrt2}2$,$K\approx1.8541$。于是 $T\approx7.416\sqrt{L/g}$,而简单公式给出 $6.283\sqrt{L/g}$:单摆要多花 18% 的时间。当 $k=0$ 时,$K=\frac\pi2$,又回到了中学的公式。 积分 $K$ 不能用已知函数写出来。法国人阿德里安–马里·勒让德为这些积分花了四十年,把它们分为三类,并计算了庞大的数值表。他的《椭圆函数论》于 1825 年至 1828 年间出版。 阿贝尔是听从费迪南·德根的建议才研究这些积分的。1821 年,这位哥本哈根的数学家读了这个挪威青年对五次方程的错误解法之后,建议他去研究椭圆积分:它们将是一道通往发现之海的“麦哲伦海峡”。 阿贝尔的想法 阿贝尔想到了勒让德没有想到的:像对反正弦那样,把这些积分反过来。不再研究弧长作为高度的函数,而是研究高度作为弧长的函数。在最简单的情形下,定义 $$s=\int_0^x\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}\qquad\Longrightarrow\qquad x=\operatorname{sl}(s),$$即双纽线正弦。和正弦一样,反函数比积分本身性质好得多。当 $s$ 从 0 变到 $$\frac\varpi2=\int_0^1\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}\approx1.31103$$时,它从 0 增加到 1,并以 $2\varpi\approx5.2441$ 为周期重复。符号 $\varpi$ 是 π 的另一种写法,称为双纽线常数。 阿贝尔于 1827 年在《克雷勒杂志》第二卷上以《椭圆函数研究》为题发表了这个理论。德国人卡尔·雅可比在同一年独立地得到了相同的思想,两人随后进行了两年的论文竞赛。 两个周期 当允许 $s$ 取复数时,大惊喜出现了。在积分中把 $t$ 换成 $iu$。因为 $(iu)^4=u^4$,$dt=i\,du$, $$\int_0^{ix}\frac{dt}{\sqrt{1-t^4}}=i\int_0^x\frac{du}{\sqrt{1-u^4}}=is.$$这意味着 $\operatorname{sl}(is)=i\operatorname{sl}(s)$。由于 $\operatorname{sl}$ 有实周期 $2\varpi$,它免费获得了一个虚周期 $2\varpi i$:

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混合策略:点球与猜单双

每个有限博弈都有一个均衡点。 — 约翰·纳什,博士论文《非合作博弈》(1950) 有些博弈,如果每个参与者都选定一种固定的出法,就根本没有均衡。最简单的例子是猜单双。安娜押"双",布鲁诺押"单",两人各伸出一根或两根手指。和是双数,安娜得一分;是单数,布鲁诺得一分。把每人的选择简化为"一根"或"两根"手指,收益如下: 安娜 / 布鲁诺 1 根 2 根 1 根 (1, −1) (−1, 1) 2 根 (−1, 1) (1, −1) 检验这四种组合:在每一种中,输的一方换一种出法都会获益。固定出法下没有均衡。这很合理:总是出同一种的人,一旦被对方察觉就会输。 抽签是最好的策略 出路是混合:以一定的概率随机选择。混合策略就是各种出法上的一个概率分布。设安娜以概率 $p$ 伸 1 根手指,布鲁诺以概率 $q$ 伸 1 根手指,两人独立抽取。 如果安娜伸 1 根,她的期望收益是 $q\cdot1+(1-q)\cdot(-1)=2q-1$。如果伸 2 根,则是 $q\cdot(-1)+(1-q)\cdot1=1-2q$。只有当两种出法给她相同的收益时,也就是布鲁诺让她无差异时,安娜才愿意混合: $$2q-1=1-2q\quad\Longrightarrow\quad q=\frac12.$$同理,只有当 $p=\frac12$ 时布鲁诺才会混合。唯一的均衡是每人各以 50% 的概率伸 1 根或 2 根手指。面对这种混合,任何策略,无论纯的还是混合的,都无法让对方的期望收益大于零。 纳什定理 这正是 1950 年论文的重大成果:每个参与者和出法数目都有限的博弈,只要允许混合策略,就至少有一个纳什均衡。 证明用到一个不动点定理。对每一个混合策略组合,构造另一个组合:每个参与者都把自己的混合稍稍朝收益更高的出法移动一点。这就定义了策略组合集合到其自身的一个连续函数。这个集合就像一个没有洞的球,而布劳威尔定理保证:球到自身的每个连续函数都有一个不动点,即函数不移动的组合。一个不动的点,恰恰就是谁都不想改变的组合:一个均衡。 定理保证均衡存在,但不说它唯一,也不说它容易计算。今天我们知道,在大型博弈中,找到纳什均衡可能是一个极其困难的计算问题。 点球 混合策略最著名的例子发生在球场上。罚点球时,罚球者选择方向,而守门员必须在看到球之前扑出。对于右脚罚球者,自然方向是他的左侧,也就是守门员的右侧。设进球概率如下: 罚球者 / 守门员 守门员扑向自然方向 守门员扑向另一侧 射向自然方向 60% 95% 射向另一侧 90% 70% 这些数字经过取整,但接近欧洲足球的真实数据:守门员扑错方向时罚球者几乎不会失手;自然方向射起来最顺脚,但守门员扑对方向时也最容易扑出。

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分子的速度:麦克斯韦分布

我最近一直在研究完全弹性球的运动和碰撞的一些问题,作为力学练习。 — 詹姆斯·克拉克·麦克斯韦致乔治·斯托克斯的信(1859 年 5 月 30 日) 一升空气里大约有 $2.5\times10^{22}$ 个分子,它们都在运动,每秒碰撞几十亿次。追踪每一个分子是不可能的。1859 年,麦克斯韦有了一个改变物理学的想法:不去问 每个 分子在做什么,而是问 有多大比例 的分子具有某个速度。这是第一次在物理定律中使用概率。他在 1859 年阿伯丁的一次会议上报告了这一结果,并于 1860 年发表。 对称性论证 麦克斯韦的推理简短而巧妙。把分子速度的 $x$ 分量的概率密度记为 $p(v_x)$,$y$ 和 $z$ 分量也一样。他做了两个假设: 三个分量相互独立。 知道 $v_x$ 对 $v_y$ 毫无影响。所以联合密度是乘积 $p(v_x)\,p(v_y)\,p(v_z)$。 没有哪个方向是特殊的。 联合密度只能取决于速度的大小 $v^2=v_x^2+v_y^2+v_z^2$,而与方向无关。 把两者结合起来,我们需要一个函数满足 $$p(v_x)\,p(v_y)\,p(v_z)=\Phi(v_x^2+v_y^2+v_z^2).$$乘积变成了 和 的函数:这正是指数函数的性质,$e^ae^be^c=e^{a+b+c}$。唯一合理的解是 $$p(v_x)=A\,e^{-\beta v_x^2},$$一条 钟形曲线,即高斯的正态曲线。常数 $\beta$ 取决于温度和分子质量;今天写作 $\beta=\frac{m}{2k_BT}$,其中 $k_B$ 是玻尔兹曼常数,$T$ 是绝对温度。 速率分布 钟形曲线对每个可正可负的分量都成立。那么 速率,即速度的大小 $v$ 呢?大小在 $v$ 与 $v+dv$ 之间的速度构成一个半径为 $v$、厚度为 $dv$ 的球壳,体积为 $4\pi v^2\,dv$。相乘得: $$\boxed{f(v)=4\pi\left(\frac m{2\pi k_BT}\right)^{3/2}v^2\,e^{-mv^2/(2k_BT)}.}$$这就是 麦克斯韦分布。因子 $v^2$ 使曲线从零开始:几乎没有分子是静止的。指数使曲线迅速下降:几乎没有分子非常快。中间有一个峰。

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拉格朗日点:引力平衡的地方

2021 年 12 月 25 日,一枚火箭从法属圭亚那起飞,载着詹姆斯·韦伯空间望远镜。它没有像哈勃那样被送入绕地球的轨道,而是飞行了一个月,到达离我们 150 万千米、始终位于背向太阳一侧的一个空无一物的点,然后停在那里。这个点的位置来自拉格朗日 1772 年的一篇获奖论文。它叫作 L2。 三个天体 牛顿完全解决了两个相互吸引的天体的运动,比如太阳和一颗行星:每个都画出一个椭圆。换成三个天体,比如太阳、地球和月球,一切就复杂了。每个天体都在拉另外两个,运动可能变得混乱。18 世纪的数学家知道这不容易,巴黎科学院多次把这个问题定为悬赏题目。 1772 年,这项奖由欧拉和拉格朗日分享。拉格朗日的论文《论三体问题》没有找到一般解。事实上,这样的公式解并不存在,庞加莱在 1890 年证明了这一点。但他找到了令人惊讶的东西:一些特殊解,在这些解中三个天体像一个刚体一样一起转动,它们构成的图形形状始终不变。 有两种方式可以做到这一点。三个天体可以排成一直线,欧拉在 1767 年已经找到了这种解。也可以位于一个等边三角形的三个顶点上,三角形大小不限,绕质心旋转。第二种是拉格朗日的发现。 五个点 当三个天体中有一个非常小时,比如太阳和地球附近的一艘飞船,这些解就变成空间中的五个位置。放在其中任意一处的飞船会和地球一起绕太阳转动,相对于两者的位置始终不变。 日地系统的五个拉格朗日点。L1、L2 和 L3 位于连接两个天体的直线上;L4 和 L5 与它们构成等边三角形,分别在地球前方 60° 和后方 60°。Euler’s Eyes 绘图 L1 在地球和太阳之间,那里地球的引力抵消了太阳引力的一小部分。 L2 在地球的另一侧,那里两者的引力相加。 L3 在太阳的另一侧,比地球稍远一点。 L4 和 L5 是等边三角形的顶点。 L2 的计算 为什么 L2 在 150 万千米之外,而不是别处?一个物体位于地球外侧距离 $r$ 处,它到太阳的距离是 $R+r$,其中 $R$ 是日地距离。要和地球一起转动,它必须用同样的时间,也就是一年,绕太阳一周。离太阳更远时,单靠太阳的引力不足以做到这一点;地球的引力朝同一方向拉,补上了缺少的部分。 写出总引力与沿曲线运动所需的力相等的关系,并利用 $r$ 远小于 $R$,就得到一个简单的公式:

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最速降线:1696 年的挑战

给定竖直平面上的两点 A 和 B,求一条曲线 AMB,使运动物体 M 仅凭自身重量下降,沿此曲线从 A 到 B 所用时间最短。 — 约翰·伯努利,《学者学报》(1696 年 6 月) 1696 年 6 月,约翰·伯努利在《学者学报》上向"全世界最敏锐的数学家"发起挑战。这个问题听起来像游乐场里的事:两点之间最快的滑梯是什么形状?问题的名字来自希腊语:brachistos,最短;chronos,时间。最速降线,即用时最短的曲线。 约翰给了六个月的期限,并宣布自己已经有了答案。这是对所有人的挑战,但有两个目标:一个是正与他公开交战的哥哥雅各布,另一个是被莱布尼茨的朋友们指控抄袭微积分的艾萨克·牛顿。 答案不是直线 直线是 最短 的路径,但不是 最快 的。一个无摩擦下滑的小球在下落中不断加速。所以先陡峭地往下冲、尽早获得速度是划算的,即使路程因此变长。另一方面,冲得太猛又会让路程过长。最好的路径是一种折中,而找到它,就是在无穷多条可能的曲线中找出一整条曲线。 让 $x$ 轴水平,$y$ 轴 朝下,起点为 $A=(0,0)$。由能量守恒,下落高度 $y$ 后的速度是 $$\frac12mv^2=mgy\quad\Longrightarrow\quad v=\sqrt{2gy}.$$它只取决于高度,与路径无关。 约翰的想法:小球是一束光 约翰有一个绝妙的主意。费马已经证明,光从一种介质进入另一种介质时,走的是 用时最短的路径,由此得出斯涅尔折射定律: $$\frac{\sin\alpha_1}{v_1}=\frac{\sin\alpha_2}{v_2},$$其中 $\alpha$ 是光线与竖直方向的夹角,$v$ 是光在各介质中的速度。光也想尽快到达! 于是约翰设想把 $A$ 与 $B$ 之间的空间切成极薄的水平层,像一层层玻璃板,每层有一个速度 $v=\sqrt{2gy}$,越往下越大。穿过这些层的光线每经过一层就弯折一次。层无限薄时,光线就成了一条光滑曲线,斯涅尔定律在每一点都成立: $$\frac{\sin\alpha}{v}=\text{常数}.$$这就是曲线的方程。由于 $\alpha$ 是切线与竖直方向的夹角,$\sin\alpha=\dfrac{1}{\sqrt{1+y'^2}}$。代入 $v=\sqrt{2gy}$ 并平方, $$\boxed{\ y\left(1+y'^2\right)=2a\ }$$其中 $a>0$ 为常数。 答案:摆线 约翰认出了这个方程:它是 摆线 的方程。摆线是轮子沿直线滚动时,轮缘上一点画出的曲线,这里是倒过来的。半径为 $a$ 的轮子转过角 $\theta$ 时, $$x=a(\theta-\sin\theta),\qquad y=a(1-\cos\theta).$$我们来验证。两导数相除,$y'=\dfrac{\sin\theta}{1-\cos\theta}=\cot\dfrac\theta2$,又因为 $1-\cos\theta=2\sin^2\dfrac\theta2$,

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欧几里得式的毕达哥拉斯定理

在直角三角形中,直角所对的边上的正方形等于夹直角的两边上的正方形之和。 — 欧几里得,《几何原本》命题 I.47 早在希腊人之前,埃及的测量员每次尼罗河泛滥后都要重新划定田界,他们被称为 拉绳人。据说他们用一根打了 12 个等距结的绳子:拉成边长 3、4、5 的三角形,就得到一个直角。巴比伦人知道的要多得多:约公元前 1800 年的一块泥板 普林顿 322,列出了许多边长为整数的直角三角形,有些非常大,比如 3 367、3 456 和 4 825。 本站旧的几何课程从最简单的例子讲起: $$3^2+4^2=9+16=25=5^2,\qquad 6^2+8^2=36+64=100=10^2.$$埃及人和巴比伦人缺少的,是这个关系对 所有 直角三角形都成立的 证明。传统上把它归于公元前六世纪的毕达哥拉斯,但他的证明没有一个流传下来。我们所有的最古老的证明是欧几里得的,即第一卷的倒数第二个命题。(在中国,这一关系称为"勾股定理"。) 风车证明 设三角形 $ABC$ 在 $A$ 处为直角,直角边 $AB=c$,$AC=b$,斜边 $BC=a$。在每条边上各作一个正方形。得到的图形像一架风车,这个证明因此得名;阿拉伯数学家称之为"新娘的椅子"。 命题 I.47 的图。从 A 引出的高(虚线)把斜边上的正方形分成两个矩形:左边的与 AB 上的正方形面积相等,右边的与 AC 上的正方形面积相等。Euler’s Eyes 绘图 欧几里得的思路是,过 $A$ 作 $BC$ 的垂线,把 $BC$ 上的大正方形分成两个矩形,然后证明每个矩形都与一个小正方形面积相等。证明只用到两个已证明的事实: I.4:两边及其夹角对应相等的两个三角形全等,面积相等。 I.41:与平行四边形同底同高的三角形,面积是平行四边形的一半。 对左边的矩形,欧几里得考察两个以 $B$ 为顶点的三角形。第一个由 $B$、$A$ 以及下方正方形中位于 $B$ 正下方的顶点构成;第二个由 $B$、$C$ 以及 $AB$ 上的正方形中与 $B$ 相邻且不是 $A$ 的那个顶点构成。这两个三角形有两边对应相等,一边是 $AB$ 上正方形的边,一边是 $BC$ 上正方形的边,而且夹角相等:都是三角形的一个角加上一个直角。由 I.4,它们面积相等。

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狭义相对论:用光做的钟

如果我以速度 c(真空中的光速)追赶一束光,我应当看到这束光是一个在空间中振荡着的静止电磁场。可是,似乎并不存在这样的东西。 — 阿尔伯特·爱因斯坦,《自述》(1949) 16 岁时,在阿劳的中学里,爱因斯坦问了自己一个问题:如果我以同样的速度在一束光旁边奔跑,我会看到什么?按照牛顿的物理学,光看起来会是静止的,就像公路上与我们并排行驶的汽车。但 麦克斯韦 的方程不允许静止的光:在这些方程里,光总是以 $c\approx300\,000$ km/s 传播。总有一方错了。爱因斯坦花了十年才弄清是哪一方。 两条公设 1905 年 6 月,爱因斯坦把论文《论动体的电动力学》寄给了《物理学年鉴》。他从两条假设出发: 对所有做匀速运动的观察者,物理定律都相同。 在一列平稳行驶的火车里,在车厢内做的任何实验都无法判断火车是静止还是在运动。 对所有这些观察者,真空中的光速都相同,都是 $c$,不论光源或观察者如何运动。 第二条看似无害,其实令人震惊。如果你以 100 000 km/s 的速度追赶一束光,你测得那束光离你而去的速度仍然是 300 000 km/s。要让这成为可能,必须有什么东西让步。爱因斯坦证明,让步的是 时间。 光钟 设想一座钟,由两面相距 $L$ 的平行镜子构成,一个光脉冲在两镜之间来回反射。每往返一次就是一个"嘀嗒"。对站在钟旁边的人来说,一个嘀嗒持续 $$\Delta\tau=\frac{2L}{c}.$$现在把钟放进一列以速度 $v$ 从你身边驶过的火车。对站在站台上的你来说,光不是竖直地上下走:在光从一面镜子走到另一面镜子的过程中,火车向前开了,光走的是一条斜线,更长。 从站台上看光钟。光从下镜面走到上镜面时,钟前进了 v Δt/2。光走的是斜线 c Δt/2,比 L 长。Euler’s Eyes 绘图 如果你测得一个嘀嗒持续 $\Delta t$,那么在半个嘀嗒里,光走了 $c\frac{\Delta t}2$,火车走了 $v\frac{\Delta t}2$。高度仍是 $L$。由 毕达哥拉斯定理, $$\left(\frac{c\,\Delta t}2\right)^2=L^2+\left(\frac{v\,\Delta t}2\right)^2.$$因为 $L=\frac{c\,\Delta\tau}2$,代入并把各项除以 $\frac{c^2}4$: $$\Delta t^2=\Delta\tau^2+\frac{v^2}{c^2}\Delta t^2\quad\Longrightarrow\quad \Delta t^2\left(1-\frac{v^2}{c^2}\right)=\Delta\tau^2.$$于是得到 时间膨胀 公式: