自然中最重要的现象之一
自然中最重要的现象之一Original Gaviota
原理 2022-07-21 05:31 Posted on 浙江
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共振是自然中最重要的现象之一。无论是日常生活中的音乐，还是宇宙中垂死恒星的聚变，共振都发挥着不可或缺的作用。
其实，在物理世界的基本过程中，特别是在粒子物理学领域，共振同样至关重要。它甚至可以说是一切存在的根本原因。
想要理解这一点，我们可以从生活中最平凡的一架秋千说起。
最简单的共振
先回想一下秋千的样子。秋千其实就是一种振荡器，它和任何种类的摆都一样。它会以一个确定的频率来回摆动，而且这种频率通常并不取决于摆动的幅度。
你可能有过这样的体会，如果想让秋千荡得更高，就要在每个周期中准确地将秋千向前推一次，这样就能一直增加秋千的振幅。如果不是这样，比如在一个周期里多推了几次，你有时或许能让它荡得更高，但有时却反而会降低了它的幅度。
在这种最简单的形式中，当一个物体受到一个接近它的“自然”频率的振荡力时，就会发生共振，它会很容易在这个频率上振荡。你推动秋千的频率与秋千本身的自然频率保持一致，它就能越荡越高。物体具有的这种自然频率是数学和宇宙的基本属性之一，它取决于系统的内禀属性。
在正确的频率下过度驱动一个系统，也可能会产生剧烈的影响。比如，一位训练有素的歌手，可以在共振频率下用持续的音符“震碎”玻璃杯。
但这仅仅是极端的情况。更常见的则是，能量损失可以防止物理系统的运动不受限制地增长。如果歌手先从小声歌唱开始，玻璃中的振动起初会增长，但更大的振动会导致更多的能量以声波的形式向外辐射，所以最终会达到一个平衡，导致振幅恒定的振动。
假设歌手从一个低沉的音符开始，然后不断升高音高。当声音掠过酒杯共振的频率时，就会瞬间变大。这种增强是由于声波到达酒杯时与已经存在的振动同步了。声音振幅与频率的函数关系图会在共振频率周围出现一条明显的凸起曲线，这实际上与预示着粒子发现的凸起惊人地相似。
粒子世界的共振
无论是大名鼎鼎的希格斯玻色子，还是最近刚刚被“收入囊中”的双粲四夸克，几乎在所有情况下，当物理学家宣布他们发现了一种新的粒子，他们看到的实际上是图像中的一处小凸起，从一条平滑的曲线中升起。这就是共振的确切标志。
在这两种情况下，凸起的宽度反映了系统的损耗程度，比如玻璃杯在被敲击一次后会响多久，或者一个粒子在衰变前会存在多久。
但是，为什么粒子会表现得像酒杯一样？
20世纪量子力学的发展告诉我们，曾被认为是电磁波的光，有时会表现得像一个粒子，也就是光子，它拥有与相关波的频率成正比的能量。同时，像电子这样的物质粒子有时也表现出波式的行为，它的频率和能量之间有着相同的关系。
1925年，受到这种对应关系的启发，物理学家薛定谔（Erwin Schrödinger）得出了一个有关氢原子的方程，它的解是在一组自然频率下振荡的波。
薛定谔方程的每个解都代表了原子轨道上的电子的一种可能状态。电子可以通过吸收一个光子跃迁到一种更高能的状态，这个光子的频率就是两种状态的自然频率之间的差。这种跃迁本身就是一种共振的形式。原子只从特定频率的波中吸收能量，它也可以通过发射相同频率的波来释放能量。
量子理论同样揭示出，原子的结构与共振密切相关。比如，20世纪30年代的进一步研究表明，许多种类的原子核因为共振才会存在于今天的宇宙。
共振跃迁对于将一种原子核转变成另一种原子核的核聚变反应至关重要。最有名的或许是将三个氦原子聚变成一个碳原子的反应。要知道，没有它，恒星就无法产生碳或更重的元素，而我们这种生命也就不复存在。
更深的根源
但基础物理学中共振的根源其实更深。
在20世纪20年代末，物理学家开始发展一种更强大的数学框架，也就是量子场论，它至今仍是粒子物理学领域的“通用语言”。
在量子场论中，宇宙的真正基本实体是充满了所有空间的场。粒子是这些场的局部共振激发。振动的频率源于基本常量，但这些基本常量的来源仍然不明确。这些频率反过来决定了相应粒子的质量。
也就是说，在适当的频率下轰击看似空无一物的真空，就会弹出一大堆粒子。从这个意义上来说，共振是粒子存在的根本原因。它也日益成为实验粒子物理学的主力。
在20世纪中期，物理学家看到了比他们预期的多得多的凸起，逐渐形成了一个越来越大、越来越丰富的粒子动物园。许多新粒子的存在时间几乎不超过一秒的万亿分之一的万亿分之一，与可以直接检测到的更熟悉的粒子不同，这些新加入的成员只能通过共振过程来观察。
物理学家后来认识到了这些新粒子的本质，并最终带来了传统强子的夸克模型。有时候，这些短寿命的粒子常常被简单地称为“共振”。这也很好地证明了，这种现象在加深我们对世界的理解方面发挥了惊人的作用。
#创作团队：
撰文：Gaviota排版：雯雯
#参考来源：
https://www.quantamagazine.org/how-the-physics-of-resonance-shapes-reality-20220126/
https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/particle-physics-basics/fields-and-their-particles-with-math/ball-on-a-spring-classical/1a-resonance/#图片来源：
封面图：publicdomainpictures首图：Jordi Torrents, Wikimedia Commons, CC BY-SA
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