他從一個陀螺里，看到的天文、時空與量子理論

第十二回 | 陀螺中的自然奧秘

撰文 | 弗蘭克·維爾切克（Frank Wilczek）

翻譯 | 胡風?梁丁當

「如果人們能更深入地思考和研究陀螺，那麼機械工程與眾多工業門類將取得更大的進展……而我們對於光、熱輻射以及其他電磁現象的認知也會拓展得更為迅速。」

這是我們今天要談的一本書《陀螺及其運動》（Spinning Tops and Gyroscopic Motion）的開頭。這本書非常有趣，而且看了很長知識。它的作者約翰·佩里（John Perry）是愛爾蘭的一位工程師和數學家，於1920年去世。該書主要根據他在1890年的一個廣受歡迎的課程整理而成。我最近在新罕布希爾州逛一家舊書店的時候，發現了這本書。我才翻閱了前幾頁，便被深深吸引住了。

這本書只有79頁（包括附錄在內）。其中包括了58幅圖，但沒有數學公式。它將插圖（在這就只能靠讀者自己想像了）與解釋融於一體，從最簡單的例子開始，逐漸過渡到複雜的情況，從而每一步都容易理解。

佩里在他的書中使用了大量的篇幅來描述陀螺儀，這種裝置大致上就是安在一個架子上、可以自由旋轉的陀螺。陀螺儀的神奇之處在於，它有一個簡單，卻又意義深刻的特點：它的旋轉會鎖定在一個固定方向。一個高速旋轉的陀螺可以抗拒外界的干擾而保持旋轉方向穩定不變，即使你把它從一個地方挪到另一個地方。因此我們可以用陀螺的轉軸方向作為參考，來確定我們的方向。

與之相反的是，我們無法通過一件簡單的儀器來確定我們的空間位置。為了確定你的位置，你可以通過時刻監測加速度的變化來計算你移動了多遠。或者，你可以利用GPS衛星導航系統，依據三角測量原理來確定你的位置。

在佩里著書的那個時代，陀螺羅盤還屬於前沿技術，尚未發展成熟。如今，它們已經是海上導航的必備裝置。由於觀測者隨著地球一起旋轉，因此指向北方的陀螺旋轉軸看似在緩慢地改變指向，其實卻是固定的。

在更廣泛的層面上，陀螺儀已經發展成一個叫做慣性制導的領域。沒有它，飛機和太空飛船就會迷路（或者更準確地說，暈頭轉向）。

自轉的地球本身就是一個巨大的陀螺儀。它自轉軸的傾斜度幾乎是保持不變的——與地球繞太陽公轉的軌道平面之間的夾角為23.5度，正因如此，才會形成四季的規律變化。宇宙中最有趣的一類天體脈衝星，就是高速自轉的中子星。而目前，我們正開始觀測自轉的黑洞，從中尋找時空幾何自身的陀螺運動。

而在自然界尺度的另一端——微觀物質世界中，我們也發現了陀螺運動。電子、光子和其他的基本粒子都具有內秉的「自旋」。旋轉就和這些粒子的質量一樣，是它們的基本特性之一。由於這些小東西們完全不受摩擦的干擾，它們可以說是完美的陀螺。

利用激光、磁場和一些基於量子糾纏的新技巧，我們正學著如何掌握和改變這些基本粒子的自旋方向。隨著我們操控光子和電子（還有原子核）自旋的技術水平日新月異，一場量子技術革命正在形成。

舊書的一大魅力便是你能夠看到它們當初的預言是否成真。約翰·佩里的預言很准，陀螺的確意義重大。當我一口氣讀完整本書，仍然意猶未盡。書中的內容不停出現在我腦海，讓我反覆思考。作為一名實踐派的量子力學家，我早已習慣了通過公式來思考自旋。而這本書讓那些抽象的物理量變得形象化，使之成為一些奇怪卻可觸摸的物體，這不僅打開了新的視角，也提出了新的問題。我不知道這是否會帶來什麼重要的啟迪。但不管怎樣，我一定會拜託聖誕老人捎給我一些高質量的陀螺。

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