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科普"集体震动模式" 2015-05-30 06:58:16
 

                曾有朋友在博客上介绍他儿子在学校组织魔方队,并自任领队兼教练,在州里比赛取得很好成绩。有人说了一句,不要这么高调吗。有人马上跟贴,写博客的人就没有打算低调过。这真是大实话。个人觉得高调必须有两个前提,一是友善(不能贬低别人),而是不撒谎,这样方舟子不会找你麻烦。

                本人从万维第一帖《马兰花开》到现在正好十年,从开博到现在,也快七年了,也算是一个高调人士。除了第一点曾违反过一次,这两条都是遵守的。曾有一次,我张贴《宝刀不老》,介绍了一道很奇特的美国数学考题以及由此产生的一个更为奇特的故事,结果括号先生通过超强的搜索技巧,居然把那个故事找了出来。我倒吸一口冷气,“亏得本刀从不撒谎。”

                昨天有人问我的科研成果,大概对这经常胡吹海侃的高调人士多少有些怀疑,这也是人之常情。我就提了集体震动模式(Collective Modes)的一维解析解。后来就没人再问,估计是过于专业,故在此科普一下。我想理科人士应该都能看懂。求和号就用Sum代替。

                一维区间[0L],有N个粒子,密度函数是 Sumδ (x - xj)).傅里叶变换为

                F(k) = Sum(exp(ikxj))

假定周期性边界条件

                K = 2nл/L, n = 1,2,3,...

但是只有N个粒子,只能由N个独立分量,我们就选取1-N

                问题就是如何把那些大于N的高频分量用N个低频分量表示出来。

                这个问题由 David Pines   Bohm1955年。后者我不清楚,但前者在物理界,尤其是凝聚态物理方面,可是大名鼎鼎。他曾任《Review of Modern Physics》的总编辑。中国人常说舆论导向,该杂志就是负责美国物理界舆论导向的。

                这个问题我们是1991年和Bell Lab一起解决的,我很荣幸的是第一作者(不仅仅是导师客气),整个故事在《华尔街数学》中《暗示的力量》一文有详细介绍。下面来看解出又怎么样,是不是一个纯粹的数学游戏。

                假定有一个准一维的系统,某一高频振动对系统运行带来很大影响。一般情况是工程师的事,用种种物理手段将其消除。但将高频振动消除一般来说很不容易,代价高昂。我们的工作指出,不用担心高频振动,只要把相应的低频振动用一支笔一张纸解出来,将这些低频振动消除就可以了。

                我们的理论是否在准一维系统被人应用过,我不知道,欢迎括老等网络高手帮着查查,先谢了。

                如果这结果被推广到二维三维,我简直不敢想下去。论文发表后,美国陆军研究所主任给我写信,索取论文。

                1991年到现在,我一直尝试能否在二维取得最小的突破,当然没有成功,否则就要更“高调”了。退休以后或许再多花点时间,但我估计,有生之年大概是看不到结果了。

浏览(623) (0) 评论(5)
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文章评论
作者:零加一中 留言时间:2015-05-30 13:07:43
我们的工作是从一个第一流的数值模拟专家的计算机实验开始的,当我们强破适当的低频分量为零,高频分量就自动为零了。
作为一个物理Ph.D.;我的物理并非人们想象中那么好,所以对您说的这么多,我确实是一知半解,似懂非懂。
但我们导出了高频分量是低频分量的非线性组合的解析表达式,所以当适当的低频分量为零,高频分量就自动为零了。实验证实了这一点,直接看解析表达式更是明白无误。
那个一流数值专家的名字,这儿不变写出,但可以告诉,他做了世界上第一次水分子相变数值模拟实验。
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作者:嘎拉哈 留言时间:2015-05-30 12:17:21
我们知道,每个傅立叶分量都是正交的,这就跟三维欧式空间的X,Y,Z 分量是正交的,是一个道理。您的做法,相当于用平面(x,y)上的一系列点的组合,来表示z 分量。这不是异想天开吗?
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作者:嘎拉哈 留言时间:2015-05-30 11:54:32
零加一中:

您有一连串的物理概念错误。

1. 如果您那一串等间距delta脉冲是代表时域的话,那么您的关于高频消震的应用解释就没有根据了。因为时域里的震动现象不可能是脉冲形式,即便是受迫(敲击)震动,总的运动解答也是稳态(hamonic)通解,加上一个暂态特解。此乃其一。

2. 其实,您这里说的,是连续系统(连续介质)震动(或者波动)问题的离散化近似。即用有限自由度系统近似无限自由度系统的震动。这样做的物理意义是把奈奎斯特以上的频率的分量直接扔掉。如果扔掉的高频分量仍然很大,或者即便是不大,但是您仍然感兴趣。您就必须增大N, 知道吧您感兴趣的高频包括进来为止。这是唯一的办法。甭想走捷径占便宜。举个例子,用 A sin(x)+ B sin(2x)永远推导不出大于包含 2x 的 sin 相。 您如果不服气可以试试。假如这个道理被推翻,那么就意味着傅立叶变换理论整个是错的。
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作者:零加一中 留言时间:2015-05-30 11:13:32
但大于N的傅里叶分量明明不为零,嘎拉哈先生如何解释。
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作者:嘎拉哈 留言时间:2015-05-30 08:23:56
【假定有一个准一维的系统,某一高频振动对系统运行带来很大影响。一般情况是工程师的事,用种种物理手段将其消除。但将高频振动消除一般来说很不容易,代价高昂。我们的工作指出,不用担心高频振动,只要把相应的低频振动用一支笔一张纸解出来,将这些低频振动消除就可以了。】

---- 真能瞎虎。这是一个伪问题。如果只有N个质点, 那就是纯粹的离散系统,那么最高的频率分量就是2piN,即一切大于 2piN的分量都是零。同理,用离散系统来近似表达一个连续系统的实质也是截断的概念。对于高于奈奎斯特频率的频率,离散近似无能为力。
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