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英国bristol大学的michael berry是我比较崇敬的物理学家。他成就巨大,最有名的当然是berry phase,这个应该得奖(虽然很多人声称类似的现象在各种场合以各种形式被前人发现过,但是毕竟是他的工作使得学界认识到其一般性)。此外,他在quantum chaos上也有著名的berry-tabor conjecture。
他是个非常有个性的人。他从来没有在美国的期刊上发表过文章,比如他的berry phase的文章就是在英国的那个几百年历史的杂志上。我曾经看过他的自我小传,讲他出身一个普通家庭,母亲老实本分靠给人做裁缝挣取家用,他父亲则是个出租车司机,经常把他母亲辛辛苦苦攒的钱拿去赌博输光。不过,他说,幸运的是他生在一个教育基本免费的国家,所以在受教育上没缺憾。
感觉他是个很有品味的人。他的文章很多,所讨论的议题貌似从来不是时代的热门,而更多是因为他本人的兴趣。比如他曾经跟那个因为石墨得奖的geim一起写文章讨论一个青蛙在一个强磁场中因为水的抗磁性而悬浮的现象。起初,他们根本没想到一个大如青蛙的物体能够因为微弱的抗磁性而悬浮。为此他们两一起得了搞笑nobel蒋。geim后来真的得奖了,希望berry也如此。
最近发现他的一个新的比较有趣的文 章:Raman and the mirage revisited: confusions and a rediscovery。里面讨论的问题起源于印度著名物理学家raman(因为发现以他命名的效应而得奖)的一个困惑。在初中的时候,大家就接触过所谓的海市蜃楼现象。这个大气光学现象我个人是没有亲身体会过,不过一般的文献对这个现象是这样解释的:因为温度不均匀,空气的折射率也不均匀。在沙漠里,靠近地面的空气显著地比远离地面的空气温度高,从而折射率低。记折射率n为高度z的函数。按照snel定律,我们有守恒量
n(z)*cos(theta(z))=n_c = constant.
这里theta(z)为光线与水平面的夹角。
按照这个公式,光线与水平面的夹角由高度z决定,因为高度z决定了折射率n。一般文献认为,光线会逐渐偏折,theta逐渐减小,在某个临界高度z_c,theta_c = 0, 也就是光线达到完全水平,之后光线继续偏折,theta又逐渐增大。这个图像貌似很合理,至少我当时是完全接受了。不过,Raman有个疑惑:在光线达到水平之后,光线为什么不保持水平前进?这个行进模式至少不违反snel定律啊。光线为什么要重新偏折?
这个疑惑完全合理!所以berry在文章开头说:The confusion of great scientists can be instructive. 所以牛人就是牛人,牛人的疑惑背后是洞见。
Berry在这个文章里就是讨论了这个问题。文章的一个关键结论是: a continuous refractive-index gradient curves a ray in a way that is analoguous to the way a force bends the trajectory of a massive particle。所以, supposing that a ray can pursue a straight course parallel to planes of equal index in a continuously varying medium 是个错误。这个错误就好比认为一个按一定倾角抛出去的球在到达最高点后会继续水平前进一样。
Raman就他的困惑,和Pancharatnam(就berry phase而言,他是早于berry的先驱,可惜早夭)一起写过一个文章。他们以为背后的原因是因为几何光学失效,所以他们采用了波动方程。不过,berry指出,其实几何光学足够。只不过,里面的计算需要细致地处理某些奇异项。
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