Phys214 Bonus Homework

算法旅人

2022年4月7日

這篇文章起源于我們量子物理學PHYS214老師的有趣bonus作業：

Dear ALL,

I have two bonus homeworks for you. Each is worth 0.5 point. If you can finish them, you will earn 1 extra point which will be directly added to your final score. It means if you get 89 for your final score, with this 1 extra point, you can finally get 89+1=90.

Homework1: Describe at least one typical application example for quantum physics, which was developed by UIUC professors or alumni.

Homework2: Show me your understanding about "science".

For each homework, 100 or 200 words are ok, you can write in either English or Chinese.

Please submit your homeworks to your TA with your name and ZJU ID.before April 17th. Late homeworks are not accepted.

Thanks

PHYS214 prof

感覺教授很有想法，這么有趣的作業可不能放過。正好，手邊在讀《科學究竟是什么？》，結合著哲學課的思考和對科學哲學十幾年來的反思探討一下個人的見解。

預計先用中文的形式，再翻譯成英文，可以復習物理時寫作。

Homework1: Describe at least one typical application example for quantum physics, which was developed by UIUC professors or alumni.

量子物理領域，UIUC最輝煌的成就當屬晶體管的創造。1945年，約翰·巴丁（John Bardeen，1908 – 1991），時任伊大的教授，肖克利，MIT的物理學博士，對PN結造詣頗深；沃爾特·布拉頓，明尼蘇達大學博士，專精實驗。他們三人合作發明了“點接觸晶體管”。

對晶體管的課題，肖克利和布拉頓的幾次實驗都失敗了。擅長理論計算的巴丁潛心研究，發現電場無法穿越半導體的原因可能是受到金屬片屏蔽。他進而提出了固體的表面態和表面能級的概念。巴丁猜想半導體物質的表面存在著一種機制，能激發出一種可防止自身被外場貫穿的特殊狀態。這些工作涉及到半導體、導線和電解質之間的點接觸，于是小組將研究重點改為材料的表面狀態。

????? 最終，三人在1947年末發明了一種晶體三極管。晶體管的三個電極分別稱為發射極、基極和集電極，在外加直流電壓的作用下，發射極發射載流子（電子或空穴），這些載流子很小一部分流入基極，絕大部分流入集電極。如果用微弱的外加信號控制基極電流，那么小的基極電流變化會引起大的電極電流的變化，這就是三極管的放大作用。

晶體管比普通電子管具有一些明顯的優點，例如功耗低、尺寸小、壽命長等。晶體管的出現引起了電子技術的一場大革命，出現了晶體管收音機、晶體管電視機和微型電子計算機等。這場革命一直延續到現在，從分立晶體管發展到集成電路，從小規模集成電路發展到中規模、大規模和目前的超大規模集成電路。

而UIUC物理系新生代畢業生中，也有Matthew P. A. Fisher這樣的后起之秀。UIUC讀PhD的時，他的名義導師是Tony Leggett，但一直跟Fradkin做研究。2001年初Max-Planck的一個實驗室在實驗上成功地實現了從Mott絕緣體到超流體的量子相變，其理論依據之一就是M. P. A. Fisher等人的研究成果。Fisher在電荷分數化、拓撲序、規范場理論以及相漲落、準粒子局域化方面都做了很多很有價值的嘗試。

希望未來量子物理學界的研究有更多玉米地人的身影！

Homework2: Show me your understanding about "science".

科學究竟是什么？這個問題其實已經困擾了我很多年，從小我就非常喜歡理科，尤其愛好物理，至今難以忘懷小學三年級看到六年級教室后黑板報上，記錄愛因斯坦相對論“雙子詳謬”時的震撼：時間怎么會因為速度變快而變慢呢？這不可能，這“不科學”。

帶著這個問題，我讀了很多書，也是第一次意識到科學的歷程從來不是“顯而易見”，一帆風順的。科學家也不是經過某種偶然的巧合就可以撞大運般從樹上摘取智慧的果實。

實際上，科學是在一個不斷的提出新的假說，做實驗去驗證猜想，構建理論的過程。它十分曲折，其中包含有非常非常多人看來可笑的謬論與錯誤，但對于當時的人們，這其實是非常有意義的，因為這對他們來說是世界觀的延伸與探索。

其實我在本科期間有學習哲學課程，包括，Phil101和Phil206，課余時間我也閱讀了科學哲學相關的材料。因此，這里我想要從哲學上來分析一下科學需要具有的性質。首先我要反駁陳老師的一個觀點：認為哲學沒有考慮過物理學的先進內容，是缺乏實際意義的。但是事實上，哲學不但考慮了，而且更深遠的去囊括了未來的物理學發展的可能，只是可能沒有那么顯而易見的流傳開來。而大部分的物理學家心中所抱有的哲學觀念脫離不開托馬斯-庫恩的基本范式和斯賓諾莎的萬物皆有靈性主義以及總體決定論的視角。

就此，我可以陳述：科學不是科學主義(scientism)，更不是科學宗教(Scienligion)，科學需要探索，思考的過程是進步的過程，是循環上升的，既有進步也有后退，它并不是依靠于某一個特別聰慧的哲人而成立，也不是依靠于大部分人的認同什么是正確的真理。科學需要的是實踐，需要可復現性，需要可證偽性。

可以說，科學就是一個不斷跌倒又爬起來探索的過程，上帝擲不擲骰子，我們不知道，但是我們知道的是，量子力學的電子分布方式符合概率論。我們不知道有沒有那么一個第一因存在，但是我們知道，世界的運行規律，可以用數學去描述——

“你的眼睛會欺騙你，你的感覺會欺騙你，你的經驗會欺騙你，但數學不會。”

回到愛因斯坦上，最近聽了一首讓我非常感動的歌曲，《人類群星閃耀時》，它紀念圓周率日，愛因斯坦的祭日。也分享給您，感謝老師引領我們窺探量子物理世界的驚濤一角。

未來仍是無盡的荒野，

旁觀者們不理解，開拓者的不懈；

正是，竭盡全力井堅定向前，

才有了理論躍遷，

人類加速飛躍；

未來是群星閃耀的美麗世界！

Reference:

[1] 美國物理學研究重鎮: UIUC物理系 (new version) (e-yep.com)

[2]晶體管發明人曾在實驗室受排擠，但沒人能阻止他兩獲諾獎|物理學家|貝爾實驗室|巴丁|肖克利_網易訂閱 (163.com)

[3] 人 類 群 星 閃 耀 時 (bilibili.com)

總結

以上是生活随笔為你收集整理的旅人随笔[02] 量子物理的故事的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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