物理群星
1916 量子力学

绝热不变量与绝热原理

Adiabatic Invariants and the Adiabatic Principle

把单摆的摆线慢慢缩短,能量会变,能量与频率之比却不变。埃伦费斯特把这个老结论变成旧量子论的选择标准:能被量子化的,只能是在缓慢变化中保持不变的作用量 JJ。它后来长成量子力学的绝热定理、磁约束里的磁矩不变量、贝里相位与绝热量子计算。

当时的困境

1911 年秋天,布鲁塞尔第一届索尔维会议的总讨论快结束时,与会者还在争一个看似琐碎的问题:一个转动的双原子分子,它的能量该不该也按 hνh\nu 一份一份地给?能斯特与林德曼各执一词。普朗克的量子只在一个地方算得清楚——固定频率的谐振子,能量是 hνh\nu 的整数倍。换一个系统,量子该加在哪个量上,没有人说得出道理。

主持会议的洛伦兹这时想起不久前与爱因斯坦的一次谈话。据会议记录第 450 页,他提的是一个单摆:用两根手指夹住摆线往下滑,把摆慢慢缩短。假设开始时摆恰好有一个能量子,那么到最后,它的能量似乎会小于与新频率相应的那一份能量子——量子条件岂不是被手指「破坏」了?

爱因斯坦的回答只有两句:如果摆长改变得无限缓慢,原来等于 hνh\nu 的能量就一直等于 hνh\nu,能量与频率同比例变化;无电阻的振荡电路、空腔里的自由辐射也是这样。洛伦兹说,这个结果很奇妙,困难消失了。紧接着瓦尔堡补了一句:像伽利略那样让摆线在经过最低点时撞上一颗钉子,频率可以一下子升上去而不做功——那是突变,不是缓慢变化。记录里再往下,就是庞加莱的总结发言了。

爱因斯坦说的其实是一条经典力学的老结论。瑞利 1902 年就算过:缓慢改变一个振动系统的参数,能量与频率之比 E/νE/\nu 保持不变。以一个 4 米长的单摆为例,周期约 4 秒;花上几分钟把摆长缩到 1 米,频率翻倍,能量也正好翻倍,角振幅则按摆长的 −3/4-3/4 次方放大约 2.8 倍,2° 的小摆动会变成约 5.7°。能量是外面那只手做功送进去的,E/νE/\nu 却一点没变。

问题在于:谐振子有这个巧合,别的系统呢?到 1913 年玻尔给氢原子定出量子条件时,他量子化的是角动量;1915—1916 年索末菲等人把条件推广成对每个自由度的相积分。这些规则都能算对谱线,却没人能说清,为什么偏偏是这些量。

洞见时刻

埃伦费斯特不在这届会议的受邀名单上,但同一个事实他早就用过:1911 年他追问普朗克理论里哪些部分离不开量子时,借的正是维恩推位移定律的办法——把空腔缓慢压缩,每个辐射模式的 E/νE/\nu 都不变。他从中看到的是一条普遍原则。经典力学里,参数变化比系统自身的周期慢得多时(借热力学的说法叫「绝热」变化),总有一些量守得住,叫绝热不变量。对一维周期运动,它就是相平面上一个周期围出的面积:

J=∮p dqJ = \oint p\,dq

对谐振子,这个面积恰好是 E/νE/\nu——爱因斯坦的回答只是它的一个特例。

埃伦费斯特从 1913 年起写了几篇文章,1916 年在《物理学年鉴》上发表《绝热不变量与量子论》,把论证系统化。道理很朴素:外界总可以缓慢地调动一个原子所处的环境——慢慢加电场、慢慢加磁场——而原子不会因此从「允许的状态」掉进「不允许的状态」。所以,一个量子态经过绝热变化之后,必须仍是量子态;能被量子化的,只能是绝热不变量。他称之为绝热假说。它立刻给出一个操作办法:从一个已知怎么量子化的系统出发(比如谐振子),把它绝热地变形成新系统,量子条件就跟着 JJ 一起搬过去:

J=∮p dq=nhJ = \oint p\,dq = nh

这正是索末菲条件的形式,而现在它有了理由:索末菲选的那些相积分,恰恰是在缓慢变化中守得住的量。第二年,埃伦费斯特的学生伯格斯证明,对能分离变量的多周期系统,每个自由度上的相积分各自都是绝热不变量。

埃伦费斯特起初对玻尔的原子模型颇有疑虑,玻尔却很快接住了这个想法。1918 年的长文《论线光谱的量子论》里,玻尔把它称作「力学可变换性原理」,与自己的对应原理并列为旧量子论的两根支柱:前者决定哪些定态是允许的,后者估计定态之间跃迁的强度。

绝热原理还有一层统计意义。埃伦费斯特是玻尔兹曼的学生,他注意到,只有当被量子化的是绝热不变量时,每个量子态的统计权重才能在缓慢变化中保持不变,玻尔兹曼的熵公式才能原封不动地搬进量子论。这条原理也有缺口:若系统在变化途中经过某个奇异的运动(比如某个频率降到零,摆从来回摆动变成整圈转动),不变性就会失效,量子数怎样对应要另作处理。

涟漪效应

1925 年以后,旧量子论被量子力学取代,J=nhJ = nh 退成了一个近似。但绝热原理在新理论里换了一个更干净的形式活了下来。新量子力学刚出现,玻恩就着手把它翻译过去;1928 年玻恩与福克给出证明:哈密顿量缓慢变化时,处在第 nn 个本征态的系统,会一直待在「瞬时」哈密顿量的第 nn 个本征态上,只要这条能级不与别的能级相碰。旧量子论里守住的是 JJ,量子力学里守住的是量子数本身。1950 年加藤敏夫把证明推广到一般情形,这就是今天教科书里的量子绝热定理。

经典的绝热不变量则在等离子体物理里找到了用武之地。带电粒子在磁场中绕磁力线打转,回旋运动的作用量正比于它的磁矩

μ=mv⊥22B\mu = \frac{m v_\perp^2}{2B}

磁场在一圈回旋的尺度上变化很慢时,μ\mu 几乎不变。于是粒子向强磁场区域钻去时,垂直速度被迫增大、沿磁力线的速度相应减小,最后被弹回来——这就是磁镜。两头磁场强、中间弱的磁场能把粒子来回关住;磁镜比为 4 时,只有速度方向与磁力线夹角小于 30° 的粒子会从两端漏走,各向同性分布下约占 13%。1950 年代苏联的布德克尔与美国利弗莫尔的 Post 各自把它设计成聚变约束装置;地球磁场本身也是一对天然磁镜,1958 年发现的范艾伦辐射带里,高能粒子就在南北两半球之间来回弹跳。

1984 年,布里斯托大学的贝里重新审视量子绝热定理,发现前人漏掉了一样东西。系统沿着参数空间里的一条闭合路径缓慢走一圈、回到原来的哈密顿量时,量子态确实回到原来那个本征态,却多带了一个相位:除了能量随时间积累的「动力学相位」,还有一项只取决于路径几何形状的几何相位

γn=i∮⟨n(R)∣∇R n(R)⟩⋅dR\gamma_n = i\oint \langle n(\mathbf{R})|\nabla_{\mathbf{R}}\, n(\mathbf{R})\rangle \cdot d\mathbf{R}

对磁场中的自旋,它等于磁场方向扫过的立体角乘上自旋分量。这个相位此前一直被当作可以随手去掉的规范自由度而忽略。同年 Simon 指出它是一种数学上的「和乐」,并与 1982 年量子霍尔效应里的整数联系了起来;1986 年 Tomita 与 Chiao 把光在螺旋盘绕的光纤里传播,测到偏振面转过的角度正好等于光纤方向扫过的立体角。今天说石墨烯的贝里相位是 π\pi、说拓扑绝缘体的陈数是贝里曲率的积分,用的都是这个概念。

最后一个转身发生在计算里。1998 年,东京工业大学的西森秀稔与 Kadowaki 提出量子退火;2000—2001 年,麻省理工学院的 Farhi 等人提出绝热量子计算:先把量子比特制备在一个简单哈密顿量的基态上,再把哈密顿量缓慢地变成一个「答案就编码在基态里」的哈密顿量——按绝热定理,只要变得足够慢,系统一直待在基态,终点就是答案。「足够慢」的代价由途中最小的能隙决定,大致与能隙的平方成反比。2007 年 Aharonov 等人证明,这种计算方式与标准的量子线路模型在效率上等价;2011 年加拿大的 D-Wave 公司发表了用超导人造自旋做量子退火的实验,此后造出了上千比特的退火机,用于组合优化问题。它们是否真的比经典算法快,至今仍有争论。

如果没有它

旧量子论在 1913—1925 年间是一套靠直觉拼起来的规则。没有绝热原理,「为什么量子化角动量而不是别的量」就只能回答「因为算得对」;有了它,量子条件第一次有了一条可以检验的选择标准,也让玻尔兹曼的统计力学能搬进量子论。伯格斯的证明又让多周期系统、斯塔克效应这些复杂情形里的量子条件有了同一个依据,一直用到海森堡与薛定谔的新理论接手。

更长远地看,「慢变化里什么守得住」这个问题贯穿了之后一百年的物理。它让聚变工程师知道磁场怎样关住等离子体,让固体物理学家在能带里找到了拓扑的整数,也给了量子计算一条不需要逐个操纵逻辑门的路。一个在 1911 年会议记录里只占半页纸的单摆问题,埃伦费斯特把它读成了一条原理。

出处

正文所据的原始文献与可靠二手材料。带链接的可直接查看原文。

  1. 1.朗之万与德布罗意(莫里斯)编《辐射理论与量子:1911 年 10 月 30 日至 11 月 3 日布鲁塞尔会议的报告与讨论》,Gauthier-Villars(1912)——第 450 页,洛伦兹问单摆、爱因斯坦作答
  2. 2.瑞利《论振动的压力》,《哲学杂志》第 3 卷第 338 页(1902)
  3. 3.埃伦费斯特《绝热不变量与量子论》,《物理学年鉴》第 51 卷第 327 页(1916)
  4. 4.埃伦费斯特《绝热不变量与量子论》(英文版),《哲学杂志》第 33 卷第 500 页(1917)
  5. 5.伯格斯《条件周期系统的绝热不变量》,《物理学年鉴》第 52 卷第 195 页(1917)
  6. 6.玻尔《论线光谱的量子论》第一部分,《丹麦皇家科学院文集》(1918)
  7. 7.玻恩《量子力学中的绝热原理》,《物理学杂志》第 40 卷第 167 页(1927)
  8. 8.玻恩与福克《绝热定理的证明》,《物理学杂志》第 51 卷第 165 页(1928)
  9. 9.加藤敏夫《论量子力学的绝热定理》,《日本物理学会志》第 5 卷第 435 页(1950)
  10. 10.Simon《和乐、量子绝热定理与贝里相位》,《物理评论快报》第 51 卷第 2167 页(1983)
  11. 11.贝里《伴随绝热变化的量子相因子》,《皇家学会会刊 A 辑》第 392 卷第 45 页(1984)
  12. 12.Tomita 与 Chiao《用光纤观测贝里的拓扑相位》,《物理评论快报》第 57 卷第 937 页(1986)
  13. 13.Kadowaki 与西森秀稔《横场伊辛模型中的量子退火》,《物理评论 E》第 58 卷第 5355 页(1998)
  14. 14.Farhi 等《量子绝热演化算法用于 NP 完全问题的随机实例》,《科学》第 292 卷第 472 页(2001)
  15. 15.Aharonov 等《绝热量子计算与标准量子计算等价》,《SIAM 计算杂志》第 37 卷第 166 页(2007)
  16. 16.Johnson 等《用人造自旋做量子退火》,《自然》第 473 卷第 194 页(2011)
  17. 17.Pérez《埃伦费斯特的绝热理论与旧量子论,1916–1918》,《精确科学史档案》第 63 卷第 81 页(2009)
  18. 18.马丁·克莱因《保罗·埃伦费斯特:一位理论物理学家的养成》,北荷兰出版社(1970)