密度泛函理论(学术圈的人称之为DFT)是一种求解含大量粒子的分子波函数的漂亮方法。DFT并不是把每个粒子建模成单独的点,然后一次性计算它们的相互作用,而是把大糊块中的所有电子表示成一个“电子云”。
只要把所有电子弄得模糊不清,然后计算电子密度的“厚度”,你就可以谈论原子或分子在一段时间内的行为。电子云最厚的地方对应着电子最可能出现的地方,而电子云最薄的地方就是电子很少被观察到的地方。
小分子的DFT计算可以在几小时内完成,准确率通常超过90%。与严格求解薛定谔方程(计算大分子需要几年)相比,DFT已经成为量子计算的行业标准。
附录Ⅲ:爱因斯坦的自行车
下面这个简单的设想阐明了光速的恒定,它来自科学作家和电视主持人卡尔·萨根。卡尔·萨根设想了这样一个场景:一个人骑着自行车沿公路向你而来,突然一辆大卡车横穿公路,双方急忙转向。
卡车并非朝你驶来,所以来自卡车侧面的光以正常的光速接近你,物理学家用字母c表示这个常数。骑手朝向你骑车,因此来自自行车的光接近你的速度是“c+自行车速”。这意味着来自自行车的光比来自卡车的光先到达你的眼睛。
当卡车从骑手面前冲过,骑手会转向一边,来自骑手新位置的光会率先抵达你的眼睛(告诉你他移动了),然后很快你看到了来自横穿公路的卡车的光。
如果光速不是恒定的,你会看到自行车毫无理由地转向(来自卡车的光尚未抵达),接着几秒后卡车从它后面驶过。在这种情况下,你会很奇怪为什么骑手会提前几秒转弯。当然,事实并非如此。
来自卡车的光与来自突然转向的自行车的光同时到达你的眼睛,这听起来才是一个更合理的故事。但由于自行车向你移动的速度更快,它的光线按说应该率先抵达。唯一的解释是,来自自行车的光速并不是“c+自行车速”,而是c,与来自卡车的光相同。因此,无论每个人走得多快,光速一定总是相同的。
附录Ⅳ:驯服无限
理论物理学的许多问题都来自无限。以双缝实验为例,我们可以在墙上打两个孔,然后发射一个光子,通过结合两条可能的路径来计算它可能到达的位置。
如果你在墙上打第三个孔,情况也差不多。你计算光子的三条路径(而不是两条),然后计算这三条路径的可能结果。4个孔同理,40个孔、400个孔也差不多。但最终你会发现墙上有许多孔,以至于它不再是一面墙壁,而成了一个大的空洞。
这意味着我们必须计算光子的无限多的路径,因为墙上有无限多的孔(没有墙=无限多的孔)。如果没有墙,我们直接把光子照射在探测屏上,显然光子就会走直线。这就好像光子“嗅出了”(费曼的说法)无限种可能的路径,然后它选择了经典的路线—就好像无限以某种方式被抵消了。
QED另一个棘手的问题是粒子与自身的相互作用。电子带负电荷,这意味着它与其他带负电荷的粒子相互作用。严格意义上来说,因为电子是带电的,所以它会与自身相互作用;但由于电子与自身无限靠近,当我们尝试计算其相互作用时,这种自身的相互作用会给出无限的答案。
这两个例子真让人头疼,因此无限并不是物理学中真正的东西。它存在于抽象的数学世界,而真正的宇宙没有无限(宇宙不可能容纳无限),所以当理论预测了无限的答案后,这意味着理论一定有问题。
当方程开始趋于无限时,科学家称为“发散”,许多物理学家都在努力消除这些数字爆炸。通常的方法是通过修改方程、推导新方程或改变输入值,得到更合理的答案。
一种比较笨拙也极其粗糙的方法是在数字变得太大时直接砍掉它(这种方法叫正规化)。这种方法比对着方程哭泣并忽略它好不了多少。
还有一种更复杂的方法叫“重整化”。这个方法是为场选择属性(主要是根据猜测),用这些值求解一系列不同的方程,直到与答案相匹配。被纳入的细节越多,计算值就越接近实验结果。
