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》
本章未完,点击下一页继续阅读