物理学中的互补原理
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物理学中的互补原理
话说，暑假前接到了同事的一个小请求，帮助其做一个小课题，关于物理学中的方法论的。我就选了其中三个，物理学中的互补思想、归纳性实验、验证性实验。 其中归纳性实验已经用折射定律的发现做过简单的论述 － 当然后面还会继续补充，今天就先来说说这个互补原理。
提起这 “互补”两个字，首先涌现在我脑海里的是玻尔的那个互补原理，另一个说法叫并协原理，由于事先没怎么看相关文献，不知道这两个称呼的差别出自外文还是译文，容后补充。不过无论怎么称呼，这个原理的意思，大家基本还是明白的。玻尔自订的爵士徽章中有太极阴阳图，据说他的互补原理就是从这个图中获得的灵感，然而又据戈革先生考证，两者并无学术上的必然联系，我想这大概是哲人智者的英雄所见略同吧。
然而，玻尔的互补原理，毕竟争议很大，而且近来的量子力学理论基础研究所得到的结论，也渐渐的不利于这个原理，甚至要将其取消消解，所以，要扣题 － 物理学中的互补原理的话，还是另寻例子为妙，而且最好是那种比较确实，切实的例子。这种例子应该是很多的，试举一例：云雾室 与 气泡室
先偷懒引用几段吧：
1、云雾室
云雾室也称云室（cloud chamber）是一种早期的核辐射探测器﹐也是最早的带电粒子径迹探测器。因发明者为英国物理学家威尔逊，一般称为威尔逊云室。英国物理学家威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson, 1869-1959)经过研究，他于1894年发明了一个叫“云雾室”(Cloud Chamber, Wilson Chamber)的装置，它里面充满了干净空气和酒精（或乙醚）的饱和汽。如果闯进去一个肉眼看不见的带电微粒，它就成了“云雾”凝结的核心，形成雾点，这些雾点便显示出微粒运动的“足迹”。因此，科学家可以通过“云雾室”，来观察肉眼看不见的基本粒子（电子质子等）的运动和变化情况。同时，还发现了不少新的基本粒子。威尔逊云雾室，为研究微观世界作出了卓越贡献。1927年，他因此荣获了诺贝尔物理学奖。
2、气泡室
（bubble chamber）是探测高能带电粒子径迹的一种有效的手段，它曾在50年代以后一度成了高能物理实验的最风行的探测设备，为高能物理学创造了许多重大发现的机会。它是1952年美国人 格拉塞（Donald Arthur Glaser, 1926-）所发明。获得了1960年度诺贝尔物理学奖。它曾给高能物理实验带来许多重大的发现，如新粒子、共振态、弱中性流等等。
气泡室是由一密闭容器组成，容器中盛有工作液体，液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在一定的时间间隔内（例如50ms）处于过热状态，液体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得到记录有高能带电粒子轨迹的底片。照相结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状态，准备作下一次探测。工作液可用液氢或液氘，需在甚低温下工作，也可用液态碳氢有机物，如丙烷、乙醚等，可在常温下工作。大型气泡室容积可达20立方米。
气泡室的原理和膨胀云室有些类似，可以看成是膨胀云室的逆过程，但却更为简便快捷。它兼有云室和乳胶的优点。它和云室都可以按人们的意志在特定的时间间隔里靠特定的方法，以带电粒子为核心使气体凝结为液体，或者使液体蒸发形成气泡，从而留下粒子的径迹。它和乳胶相同的地方在于工作物质本身即可当作靶子。气泡室的优点更多，它的空间和时间分辨率高，工作循环周期短，本底干净、径迹清晰，可反复操作。但也有不足之处，那就是扫描和测量时间还嫌太长，体积有限，而且甚为昂贵，不适应现代粒子能量越来越高、作用截面越来越小的要求。
顺便还必须说到：
3、阿尔瓦雷斯（Luis W. Alvarez, 1911-1988）因对基本粒子物理的决定性贡献，特别是因他发展了氢气泡室技术和数据分析方法，从而发现了一大批共振态，获得了1968年度诺贝尔物理学奖。
1954年，高能(6.2GeV)质子同步稳相加速器首次运转时，识别到某些粒子。由于这些粒子的寿命（10-10秒）远比理论模型所预言的产生时间(10-23秒)长得多，因而人们将它们称为“奇异粒子”。要仔细研究这些粒子，电子计数器显得不够了，云室的循环周期又太长，而核乳胶又不能记录中性粒子或提供时间分辨。1953年4月，在华盛顿召开的一次会议的午宴上，格拉泽给阿尔瓦雷斯（右图）看了粒子通过一个2厘米的玻璃瓶中的乙醚时所留下的气泡径迹的照片。阿尔瓦雷斯回到伯克利就组织了以下三个方面的基本粒子物理研究工作：设计液氢气泡室；发明半自动径迹测量设备；编排计算机程序，使复杂的径迹数据化成物理上有意义的形式。经过悉心研究，制成了一套体积比格拉泽气泡室大得多的氢气泡室。1954年，阿尔瓦雷斯第一个发现在液氢上的带电粒子径迹。随后，阿尔瓦雷斯及其研究小组逐步增大气泡室的尺寸，并于1959年建成了直径为72英寸的巨大的氢气泡室。
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
为什么要再提到这第三个人 － 阿尔瓦雷斯呢？因为我小时候读伽莫夫的《物理世界奇遇记》，只记住了 阿尔瓦雷斯 这个名字，以至于把下面这段小故事的主角，也当成了他：
“气泡室是美国物理学家格莱泽发明的，他因此而获得1960年的诺贝尔物理学奖。据说，有一次他坐在酒 吧里，郁郁不乐地注视着他面前的啤酒瓶中冒起的气泡。他突然 想到，既然威尔孙可以通过气体中的液滴去研究粒子，那么，他 为什么不能通过液体中的气泡更好地对粒子进行研究呢？威尔孙 是使气体发生膨胀而使过饱和的水蒸气冷却凝成小水滴的，那么， 他为什么不能降低对液体的压力、使它变得过热而沸腾呢？”
之所以弄混，还是因为 “ 阿尔瓦雷斯澡盆” 这个富有冲击力的词语搞的怪吧 －－ 想想看，一个装满液氢的大容器，有人能把它当成澡盆吗？
再顺便说说，中国科技大学前任校长，现任南方科技大学校长（好久没关注这事儿了，老朱还当南科大校长吧？）朱清时院士的某次演讲中（在武汉大学的？），（http://news.ziqiang.net/news_10256.html）“ 举诺贝尔奖得主阿尔瓦雷斯为例，阿尔瓦雷斯受一个年轻人格拉塞的思想启发，发明了气泡室，但1960年的诺奖却授予了格拉塞，因为诺贝尔奖重视新思想的提出。”
问题是，阿尔瓦雷斯也获得了1968年的诺贝尔物理学奖，那又是因为诺贝尔奖重视什么呢？ ^_^。。。。
云室是气体中的液体，而泡室是液体中的气体，这两者在原理上，完全构成一个互补关系。
不过泡室的最初发明者 Glaser 否认了 是受到 盐入啤酒产生气泡启发而发明泡室的“谣言”：
（http://www.lbl.gov/Publications/Currents/Archive/Jul-21-2006.html）
Invention and History of the Bubble Chamber
During his talk, Donald Glaser put an end to the rumor that bubbles in beer inspired him to create the bubble chamber, which allows physicists to track electrically charged particles, and which won Glaser the 1960 Nobel Prize.
However, he did consider using beer at one point, Glaser said. He developed the concept for the bubble chamber while at Ann Arbor, Michigan, working with his advisor, Nobel Laureate Carl Anderson. Glaser’s device used glass bulbs filled with liquid. By submerging the bulbs first in cold oil and then in hot oil, he could superheat the liquid. In that state, the liquid is full of potential energy. A charged particle passing through would have enough energy to trigger bubbling and leave a visible trail. A fast action camera would photograph the trail the instant before the liquid began to boil over, providing an image physicists could use. However, Glaser needed a liquid with a low enough surface tension. Too high, and the liquid would not bubble even if a energized by a charged particle.
His experiments with beer left nothing but a stench in the room and raised a few eyebrows, he said. Instead, he filled the tubes with diethyl ether. Later bubble chambers increased in size and used liquid hydrogen.
Glaser is now a professor of physics and neurobiology, at UC Berkeley’s graduate school. He’s developing computational models of human vision. His graduate lab is a heaven for “refugees of high energy physics,” like him, he said.
既然他说，“He developed the concept for the bubble chamber while at Ann Arbor, Michigan, working with his advisor, Nobel Laureate Carl Anderson.”，而我们知道，Anderson是以首先发现正电子而闻名，所以，可以合理猜想，利用云室的逆原理来制造泡室以观察高能粒子轨迹，很可能早就是粒子物理实验学家们的想法了。当然，我们不知道他们涌现出这个想法的时候，是不是受到了互补原理的影响，但是我们的确可以从物理学直观和人类心理学方面稍加考察。
1、
从直观的角度来看：
气体宏观背景 液体局部形成 → 云室
液体宏观背景 气体局部形成 → X室 ？
泡室！
2、心理学中的格式塔
气体中的液滴 和 液体中的气泡，恰好构成一对互补的对偶，虽然这个跟格式塔原理差了那么一点，用对称性原理来描述更合适，但是，如果把对称性的追求也作为格式塔的一种，那么在认知心理上就圆满了。如果我们把 “气体中的液滴 和 液体中的气泡" 用图画出来的话，那么其中一种方案，可以选为 太极阴阳鱼， 液滴和气泡就分别成为了鱼眼。。。
这是第一个例子，实验设备设计思想上的例子。
可以再举一个例子 －－ 物质粒子的波粒二象性思想中，物质波概念涌现的例子。
德布罗意 当初思考 波粒二象性这个问题的时候，不由得进行了如下的思考（大意），”如果说，当初我们对待光的时候，过分注意了光的波动性而忽视了其粒子性，那么对待粒子，我们是否犯了过于重视其粒子性而忽视了波动性的错误呢？”（这段话大意来自于倪光炯先生的《近代物理》相关章节，准确文字容后修改）。
我们看到，在这段话中，将 粒子性 和 波动性 作为 全面考察客观物质运动规律的互补的两个主要方面 这一思想表述的非常明显透彻。尽管当时谁也不明白粒子的粒子性和波动性的真实的物理含义，但是并不妨碍人们使用这貌似矛盾的两大性质来思考问题。
这是整个现代量子力学，包括玻尔的互补原理在内的思想源头之一。
当然，任何构成矛盾的一对性质，例如有限无限、宏观微观，正反，大小。。。。。。，也都构成这种互补关系，所以我们可以把对互补关系的追寻，无限的扩展开去。
话说，暑假前接到了同事的一个小请求，帮助其做一个小课题，关于物理学中的方法论的。我就选了其中三个，物理学中的互补思想、归纳性实验、验证性实验。 其中归纳性实验已经用折射定律的发现做过简单的论述 － 当然后面还会继续补充，今天就先来说说这个互补原理。
提起这 “互补”两个字，首先涌现在我脑海里的是玻尔的那个互补原理，另一个说法叫并协原理，由于事先没怎么看相关文献，不知道这两个称呼的差别出自外文还是译文，容后补充。不过无论怎么称呼，这个原理的意思，大家基本还是明白的。玻尔自订的爵士徽章中有太极阴阳图，据说他的互补原理就是从这个图中获得的灵感，然而又据戈革先生考证，两者并无学术上的必然联系，我想这大概是哲人智者的英雄所见略同吧。
然而，玻尔的互补原理，毕竟争议很大，而且近来的量子力学理论基础研究所得到的结论，也渐渐的不利于这个原理，甚至要将其取消消解，所以，要扣题 － 物理学中的互补原理的话，还是另寻例子为妙，而且最好是那种比较确实，切实的例子。这种例子应该是很多的，试举一例：云雾室 与 气泡室
先偷懒引用几段吧：
1、云雾室
云雾室也称云室（cloud chamber）是一种早期的核辐射探测器﹐也是最早的带电粒子径迹探测器。因发明者为英国物理学家威尔逊，一般称为威尔逊云室。英国物理学家威尔逊(Charles Thomson Rees Wilson, 1869-1959)经过研究，他于1894年发明了一个叫“云雾室”(Cloud Chamber, Wilson Chamber)的装置，它里面充满了干净空气和酒精（或乙醚）的饱和汽。如果闯进去一个肉眼看不见的带电微粒，它就成了“云雾”凝结的核心，形成雾点，这些雾点便显示出微粒运动的“足迹”。因此，科学家可以通过“云雾室”，来观察肉眼看不见的基本粒子（电子质子等）的运动和变化情况。同时，还发现了不少新的基本粒子。威尔逊云雾室，为研究微观世界作出了卓越贡献。1927年，他因此荣获了诺贝尔物理学奖。
2、气泡室
（bubble chamber）是探测高能带电粒子径迹的一种有效的手段，它曾在50年代以后一度成了高能物理实验的最风行的探测设备，为高能物理学创造了许多重大发现的机会。它是1952年美国人 格拉塞（Donald Arthur Glaser, 1926-）所发明。获得了1960年度诺贝尔物理学奖。它曾给高能物理实验带来许多重大的发现，如新粒子、共振态、弱中性流等等。
气泡室是由一密闭容器组成，容器中盛有工作液体，液体在特定的温度和压力下进行绝热膨胀，由于在一定的时间间隔内（例如50ms）处于过热状态，液体不会马上沸腾，这时如果有高速带电粒子通过液体，在带电粒子所经轨迹上不断与液体原子发生碰撞而产生低能电子，因而形成离子对，这些离子在复合时会引起局部发热，从而以这些离子为核心形成胚胎气泡，经过很短的时间后，胚胎气泡逐渐长大，就沿粒子所经路径留下痕迹。如果这时对其进行拍照，就可以把一连串的气泡拍摄下来，从而得到记录有高能带电粒子轨迹的底片。照相结束后，在液体沸腾之前，立即压缩工作液体，气泡随之消失，整个系统就很快回到初始状态，准备作下一次探测。工作液可用液氢或液氘，需在甚低温下工作，也可用液态碳氢有机物，如丙烷、乙醚等，可在常温下工作。大型气泡室容积可达20立方米。
气泡室的原理和膨胀云室有些类似，可以看成是膨胀云室的逆过程，但却更为简便快捷。它兼有云室和乳胶的优点。它和云室都可以按人们的意志在特定的时间间隔里靠特定的方法，以带电粒子为核心使气体凝结为液体，或者使液体蒸发形成气泡，从而留下粒子的径迹。它和乳胶相同的地方在于工作物质本身即可当作靶子。气泡室的优点更多，它的空间和时间分辨率高，工作循环周期短，本底干净、径迹清晰，可反复操作。但也有不足之处，那就是扫描和测量时间还嫌太长，体积有限，而且甚为昂贵，不适应现代粒子能量越来越高、作用截面越来越小的要求。
顺便还必须说到：
3、阿尔瓦雷斯（Luis W. Alvarez, 1911-1988）因对基本粒子物理的决定性贡献，特别是因他发展了氢气泡室技术和数据分析方法，从而发现了一大批共振态，获得了1968年度诺贝尔物理学奖。
1954年，高能(6.2GeV)质子同步稳相加速器首次运转时，识别到某些粒子。由于这些粒子的寿命（10-10秒）远比理论模型所预言的产生时间(10-23秒)长得多，因而人们将它们称为“奇异粒子”。要仔细研究这些粒子，电子计数器显得不够了，云室的循环周期又太长，而核乳胶又不能记录中性粒子或提供时间分辨。1953年4月，在华盛顿召开的一次会议的午宴上，格拉泽给阿尔瓦雷斯（右图）看了粒子通过一个2厘米的玻璃瓶中的乙醚时所留下的气泡径迹的照片。阿尔瓦雷斯回到伯克利就组织了以下三个方面的基本粒子物理研究工作：设计液氢气泡室；发明半自动径迹测量设备；编排计算机程序，使复杂的径迹数据化成物理上有意义的形式。经过悉心研究，制成了一套体积比格拉泽气泡室大得多的氢气泡室。1954年，阿尔瓦雷斯第一个发现在液氢上的带电粒子径迹。随后，阿尔瓦雷斯及其研究小组逐步增大气泡室的尺寸，并于1959年建成了直径为72英寸的巨大的氢气泡室。
。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。
为什么要再提到这第三个人 － 阿尔瓦雷斯呢？因为我小时候读伽莫夫的《物理世界奇遇记》，只记住了 阿尔瓦雷斯 这个名字，以至于把下面这段小故事的主角，也当成了他：
“气泡室是美国物理学家格莱泽发明的，他因此而获得1960年的诺贝尔物理学奖。据说，有一次他坐在酒 吧里，郁郁不乐地注视着他面前的啤酒瓶中冒起的气泡。他突然 想到，既然威尔孙可以通过气体中的液滴去研究粒子，那么，他 为什么不能通过液体中的气泡更好地对粒子进行研究呢？威尔孙 是使气体发生膨胀而使过饱和的水蒸气冷却凝成小水滴的，那么， 他为什么不能降低对液体的压力、使它变得过热而沸腾呢？”
之所以弄混，还是因为 “ 阿尔瓦雷斯澡盆” 这个富有冲击力的词语搞的怪吧 －－ 想想看，一个装满液氢的大容器，有人能把它当成澡盆吗？
再顺便说说，中国科技大学前任校长，现任南方科技大学校长（好久没关注这事儿了，老朱还当南科大校长吧？）朱清时院士的某次演讲中（在武汉大学的？），（http://news.ziqiang.net/news_10256.html）“ 举诺贝尔奖得主阿尔瓦雷斯为例，阿尔瓦雷斯受一个年轻人格拉塞的思想启发，发明了气泡室，但1960年的诺奖却授予了格拉塞，因为诺贝尔奖重视新思想的提出。”
问题是，阿尔瓦雷斯也获得了1968年的诺贝尔物理学奖，那又是因为诺贝尔奖重视什么呢？ ^_^。。。。
云室是气体中的液体，而泡室是液体中的气体，这两者在原理上，完全构成一个互补关系。
不过泡室的最初发明者 Glaser 否认了 是受到 盐入啤酒产生气泡启发而发明泡室的“谣言”：
（http://www.lbl.gov/Publications/Currents/Archive/Jul-21-2006.html）
Invention and History of the Bubble Chamber
During his talk, Donald Glaser put an end to the rumor that bubbles in beer inspired him to create the bubble chamber, which allows physicists to track electrically charged particles, and which won Glaser the 1960 Nobel Prize.
However, he did consider using beer at one point, Glaser said. He developed the concept for the bubble chamber while at Ann Arbor, Michigan, working with his advisor, Nobel Laureate Carl Anderson. Glaser’s device used glass bulbs filled with liquid. By submerging the bulbs first in cold oil and then in hot oil, he could superheat the liquid. In that state, the liquid is full of potential energy. A charged particle passing through would have enough energy to trigger bubbling and leave a visible trail. A fast action camera would photograph the trail the instant before the liquid began to boil over, providing an image physicists could use. However, Glaser needed a liquid with a low enough surface tension. Too high, and the liquid would not bubble even if a energized by a charged particle.
His experiments with beer left nothing but a stench in the room and raised a few eyebrows, he said. Instead, he filled the tubes with diethyl ether. Later bubble chambers increased in size and used liquid hydrogen.
Glaser is now a professor of physics and neurobiology, at UC Berkeley’s graduate school. He’s developing computational models of human vision. His graduate lab is a heaven for “refugees of high energy physics,” like him, he said.
既然他说，“He developed the concept for the bubble chamber while at Ann Arbor, Michigan, working with his advisor, Nobel Laureate Carl Anderson.”，而我们知道，Anderson是以首先发现正电子而闻名，所以，可以合理猜想，利用云室的逆原理来制造泡室以观察高能粒子轨迹，很可能早就是粒子物理实验学家们的想法了。当然，我们不知道他们涌现出这个想法的时候，是不是受到了互补原理的影响，但是我们的确可以从物理学直观和人类心理学方面稍加考察。
1、
从直观的角度来看：
气体宏观背景 液体局部形成 → 云室
液体宏观背景 气体局部形成 → X室 ？
泡室！
2、心理学中的格式塔
气体中的液滴 和 液体中的气泡，恰好构成一对互补的对偶，虽然这个跟格式塔原理差了那么一点，用对称性原理来描述更合适，但是，如果把对称性的追求也作为格式塔的一种，那么在认知心理上就圆满了。如果我们把 “气体中的液滴 和 液体中的气泡" 用图画出来的话，那么其中一种方案，可以选为 太极阴阳鱼， 液滴和气泡就分别成为了鱼眼。。。
这是第一个例子，实验设备设计思想上的例子。
可以再举一个例子 －－ 物质粒子的波粒二象性思想中，物质波概念涌现的例子。
德布罗意 当初思考 波粒二象性这个问题的时候，不由得进行了如下的思考（大意），”如果说，当初我们对待光的时候，过分注意了光的波动性而忽视了其粒子性，那么对待粒子，我们是否犯了过于重视其粒子性而忽视了波动性的错误呢？”（这段话大意来自于倪光炯先生的《近代物理》相关章节，准确文字容后修改）。
我们看到，在这段话中，将 粒子性 和 波动性 作为 全面考察客观物质运动规律的互补的两个主要方面 这一思想表述的非常明显透彻。尽管当时谁也不明白粒子的粒子性和波动性的真实的物理含义，但是并不妨碍人们使用这貌似矛盾的两大性质来思考问题。
这是整个现代量子力学，包括玻尔的互补原理在内的思想源头之一。
当然，任何构成矛盾的一对性质，例如有限无限、宏观微观，正反，大小。。。。。。，也都构成这种互补关系，所以我们可以把对互补关系的追寻，无限的扩展开去。
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