这里是道长的科普频道🍦!

  正文里🉐,我们的主角王崎第二次使用的金手指🈁,是来自地球的大数学家大卫·希尔伯特的希尔伯特空间🏥。

  由于不想再正文水字数🍒,所以贫道将这个数学方法的科普贴在这里🌦!有兴趣的书友不妨进来一看哦~

  阿尔伯特空间并不是确实存在的🍞,而是抽象的🍻、用于演算的工具🌊,即相空间🈺。

  每个读过中学数学的朋友应该都建立过二维的笛卡儿平面👗:画一条x轴和一条与其垂直的y轴🎳,并加上箭头和刻度【也就是通常所说的平面直角坐标系】🐝。在这样一个平面系统里🎨,每一个点都可以用一个包含两个变量的坐标(x,y)来表示🏭,例如(1,2)🌬,或者(4.3,5.4)🍞,这两个数字分别表示该点在x轴和y轴上的投影⤵。当然🍻,并不一定要使用直角坐标系统🐕,也可以用极坐标或者其他坐标系统来描述一个点⬇,但不管怎样🌋,对于2维平面来说🌭,用两个数字就可以唯一地指明一个点了🎀。如果要描述三维空间中的一个点♒,那么我们的坐标里就要有3个数字✡,比如(1,2,3)🌌,这3个数字分别代表该点在3个互相垂直的维度方向的投影🌧。

  让我们扩展一下思维🍮:假如有一个四维空间中的点✝,我们又应该如何去描述它呢?显然我们要使用含有4个变量的坐标👫,比如(1,2,3,4)👐,如果我们用的是直角坐标系统🎄,那么这4个数字便代表该点在4个互相垂直的维度方向的投影🍽,推广到n维🌨,情况也是一样🌓。诸位大可不必费神在脑海中努力构想4维或者11维空间是如何在4个乃至11个方向上都互相垂直的🍅,事实上这只是我们在数学上构造的一个假想系统而已🍨。

  我们所关心的是🌂:n维空间中的一个点可以用n个变量来唯一描述⚾,而反过来❗,n个变量也可以用一个n维空间中的点来涵盖🌒。

  现在让我们回到物理世界🏷,我们如何去描述一个普通的粒子呢?在每一个时刻t🌖,它应该具有一个确定的位置坐标(q1,q2,q3)🍽,还具有一个确定的动量p➡。动量也就是速度乘以质量🏷,是一个矢量🌹,在每个维度方向都有分量👣,所以要描述动量p还得用3个数字🍢:p1➿,p2和p3🍸,分别表示它在3个方向上的速度🐮。总而言之🐵,要完全描述一个物理质点在t时刻的状态🐟,我们一共要用到6个变量🌜。而我们在前面已经看到了🐩,这6个变量可以用6维空间中的一个点来概括🐓,所以用6维空间中的一个点🌃,我们可以描述1个普通物理粒子的经典行为🐑。我们这个存心构造出来的高维空间就是系统的相空间👑。

  假如一个系统由两个粒子组成♿,那么在每个时刻t这个系统则必须由12个变量来描述了㊗。但同样🐃,我们可以用12维空间中的一个点来代替它✋。对于一些宏观物体🎏,比如一只猫👯,它所包含的粒子可就太多了🐝,假设有n个吧🏷,不过这不是一个本质问题🏫,我们仍然可以用一个6n维相空间中的质点来描述它🏯。这样一来🎆,一只猫在任意一段时期内的活动其实都可以等价为6n空间中一个点的运动(假定组成猫的粒子数目不变)🈵。我们这样做并不是吃饱了饭太闲的缘故👟,而是因为在数学上🏼,描述一个点的运动🌠,哪怕是6n维空间中的一个点🈵,也要比描述普通空间中的一只猫来得方便🈯。在经典物理中♈,对于这样一个代表了整个系统的相空间中的点👊,我们可以用所谓的哈密顿方程去描述⏱,并得出许多有益的结论🆙。

  ——部分选自曹天元《量子物理史话》

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