什么是波?

编者按
不同材料的不同性质从何而来?我们知道材料的内部运动和形变对应于广义的波。由于每种材料有不同的内部结构,这些波可以满足不同的波动方程。而不同的波动方程就是材料不同性质的起源。凝聚态物理学家寻找打造具备各种各样不同性质的材料,其本质上就是在寻找打造各种各样不同的波动方程。而不同的波动方程,则起源于材料中不同的内部结构(这些内部结构,有个学名叫做序)。所以说凝聚态物理学家是波的工程师。

真空中也有各种各样的波,满足不同的波动方程。比如满足麦克斯韦方程的光波,和满足狄拉克方程的电子波。由于量子力学的波粒等同,真空中的波又对应于我们所谓的基本粒子。所以说,真空中波的起源对应于基本粒子的起源,也就是对应于物质的起源。那么是不是和通常的材料一样,真空中的波也是起源于真空中的内部结构(也就是真空中的序)?那么真空到底是由什么构成的?其中什么样的序可以给出麦克斯韦方程和狄拉克方程?找到这样的序就相当于找到了光和电子的起源。这些都是近代理论物理的前沿问题。

——文小刚

曹则贤(中国科学院物理所研究员,博士生导师)

1 引子

宋朝王安石作《字说》,谓“坡者,土之皮也”,苏东坡以“滑者,水之骨乎?”相讥。2007年夏在威海滩头,某与同事们提起这桩机锋,当时我的同事窦硕星研究员在场,忽大呼,曰:“曹,‘滑是水中骨’ 是有道理的。” 彼时我们都赤脚站在水下长着青苔的礁石上,顿悟古人造字之科学。滑,发生在液固界面上,果然‘乃水中骨也!’ 参照‘坡’字和‘滑’字,容易理解‘波者,水之皮也’。

地球与其它已知星球之最大区别在于地球的表面上存在大量的水。水是生命发生的前提,自然也是物理学发生的前提。水给物理学打上了深深的特征烙印,波(wave)、涨落(fluctuation)、镜像(mirror image)、涡旋(vortex)等关键物理学概念都来自于水。水表面处的分子密度大于体内,其表面张力在20℃时~72.75 mN/m,可以说水有一张弹性适中的皮,极易表现出水面的波动(图1)。因此,水波也就成为了一个人类也许在有文明之前就烂熟于胸的概念。水波随处可见,深入人心,也就深入了物理学!

 

什么是波?

 

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