Newton’s Third Law, 3

The third law is just about the conservation of the momentum. It follows from the translational symmetry of the laws of physics and it holds for any description, whether or not it contains fields. The description in terms of a force, action at a distance, has the same force with the opposite sign acting on both objects. If there are fields, the fields may carry some momentum, too. In quantum field theory, the force comes from virtual particles – virtual quanta of the fields – and they again carry the right momentum so that it is always conserved. So the law always holds. Does it answer “How”?

— This work is licensed under a Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0 Unported License.

— Physics Stack Exchange

— Apr 6 ’11 at 12:17

— Lubos Motl

2013.08.23 Friday ACHK

Statistical ensemble

The ergodicity requirement is that the ensemble average coincide with the time average. A sufficient condition for ergodicity is that the time evolution of the system is a mixing. (See also ergodic hypothesis.) Not all systems are ergodic. For instance, it is unknown at this time whether classical mechanical flows on a constant energy surface are ergodic in general.

Physically, when a system fails to be ergodic, we may infer that there is more macroscopically discoverable information available about the microscopic state of the system than what we first thought. In turn this may be used to create a better-conditioned ensemble.

— Wikipedia on Statistical ensemble (mathematical physics)

2013.08.22 Thursday ACHK

量子力學 1.3

因果律 1.8 | 語意互相推卸責任論 1.8 | 西瓜 9.8 | Verification principle, 5.8

這段改編自 2010 年 4 月 3 日的對話。

當一個人可能反應的數目過多,多到外界再不能有效預測,他的行為反應時,他就是一個「極端無常系統」,或者「情緒化生命體」。

雖然,因為人的身體,是一個宏觀的物理系統,所以身體的每一個動作,都要遵守「經典物理學」的定律;但是,因為每一個動作的起點,都是思想上的一個決定,即是腦中的電子訊息,所以,決定做哪一個動作,其實是一個「量子物理學」的現象,帶有隨機性。那正正就是「自由意志」的來源。

(安:但是,那又好像沒有什麼特別,沒有什麼驚奇之處。即使不考慮「量子力學」,在日常生活中,「一因多果」的情形時有發生。例如,同樣是擲同一個錢幣,有時會擲到「公」(head),有時又會擲到「字」(tail)。正正是因為有「一因為果」的情況,我們才需要運用到「機會率」這門學問。)

情況不同。你所講的是「經典機會率」,而我所講的是「量子機會率」。分別在於,我們使用「經典機會率」時,是出於自願的;而我們使用「量子機會率」時,則是出於被迫的。

「經典機會率」,是數學家和物理學家偷懶的有效方法。理論上,我們只要知道,錢幣被擲時的角度方向、轉動速度 和 離地高度 等等,然後把它們輸入「經典物理學」的公式之中,我們就可以百分百準確地預測,錢幣落地時的結果,而百分百毋須使用機會率。

但是,實際上,每次擲錢幣時,也要量度它各項數據的話,實在太費時失事,根本沒有人願意那樣做。所以,對於參與「擲錢幣」的各方而言,任何一方都不可以,百分百準確地運算到,錢幣的公字結局。那樣,他們就用一個,不是百分百準確的方法,去運算預測結果。而那個方法,就叫做「機會率」。那樣,各方可以得到結論就只會是,錢幣擲到「公」和擲到「字」的機會率,都大概是二分之一,假設那個錢幣是正常的話。

— Me@2013.08.21

2013.08.21 Wednesday (c) All rights reserved by ACHK

Past and Future 2

Meta-time 7

What is known is in the past. What is fixed is in the past. This is the definition of “the past”.

What is unknown is in the future. What is not fixed is in the future. This is the definition of “the future”.

If “omniscience” means “knowing everything, including the future, with 100% certainty”, omniscience is incompatible with the definition of “future”.

If there is no authentic “future”, there is no “free will”.

— Me@2012.07.18

2013.08.21 Wednesday (c) All rights reserved by ACHK

量子力學 1.2

因果律 1.7 | 語意互相推卸責任論 1.7 | 西瓜 9.7 | Verification principle, 5.7

這段改編自 2010 年 4 月 3 日的對話。

而在微觀粒子的世界,正正是那麼奇幻 —— 同一個情境之下,會有超過一個可能的結果。幸而,宏觀的物理世界,通常也是「世事有常」,遵守「經典物理學」的定律。那樣,我們才可以正常生活。

但是,「宏觀世界」畢竟也是由大量的微觀粒子組成的;「經典物理學」也只是「量子物理學」的近似值。所以,即使是宏觀世界,間中也會承繼到微觀世界的隨機性,顯現出「無常」。

例如,人或者其他有「自由意志」的生物或機器,都是「無常系統」 —— 同一個「因」,有超過一個可能的「果」。即使是同一個人,受到同一個刺激,他通常也會有,超過一個可能的反應。

例如,假設你每次見到朋友甲時,都會向他打招呼。而在沒有其他額外原因的情況下,有時甲會十分高興,有時他會十分憤怒,有時則會打你,有時就會打筋斗。那就為之「相同的刺激,不同的反應」,簡稱「自由意志」。

當一個人可能反應的數目過多,多到外界再不能有效預測,他的行為反應時,他就是一個「極端無常系統」,或者「情緒化生命體」。

雖然,因為人的身體,是一個宏觀的物理系統,所以身體的每一個動作,都要遵守「經典物理學」的定律;但是,因為每一個動作的起點,都是思想上的一個決定,即是腦中的電子訊息,所以,決定做哪一個動作,其實是一個「量子物理學」的現象,帶有隨機性。那正正就是「自由意志」的來源。

— Me@2013.08.18

2013.08.18 Sunday (c) All rights reserved by ACHK

T-symmetry 10

Uncertainty principle, 5.2 | Universal wave function, 12.2 | Reductionism 5

The uncertainty principle states the limit of reductionism. Science is based on reductionism, which assumes we can investigate part of the universe. So the uncertainty principle, in effect, states the limit of science.

— Me@2011.11.29

You need to be a meta observer to get all the information of the universe in order to see the macroscopic time symmetry. However, by definition, the universe cannot have any meta. 

— Me@2013-08-17 6:52 PM

The arrow of time is due to macroscopic states, aka incomplete pieces of information about the microstates. The microscopic state information keeps losing to the environment.

— Me@2013-08-14 6:58 PM

2013.08.18 Sunday (c) All rights reserved by ACHK

Penrose diagram

Penrose diagrams are frequently used to illustrate the space-time environment of black holes. Singularities are denoted by a spacelike boundary, unlike the timelike boundary found on conventional space-time diagrams. This is due to the interchanging of timelike and spacelike coordinates within the horizon of a black hole (since space is uni-directional within the horizon, just as time is uni-directional outside the horizon). The singularity is represented by a spacelike boundary to make it clear that once an object has passed the horizon it will inevitably hit the singularity even if it attempts to take evasive action.

— Wikipedia on Penrose diagram

2013.08.15 Thursday ACHK

量子力學 1.1

因果律 1.6 | 語意互相推卸責任論 1.6 | 西瓜 9.6 | Verification principle, 5.6

這段改編自 2010 年 4 月 3 日的對話。

要知道一個問題是否「言辭之爭」,你可以考慮,問題的結果,直接或者間接地,會不會造成什麼實際的影響。如果沒有,那個問題就只是「言辭之爭」,不談也罷。

例如,「因果律」的正確與否,對人類的日常生活、科學探索 和 科技發展,會帶來一些有意義的分別嗎?

原來是有。

剛才所講「Laplace 因果律的局部版」,又名「經典物理學」,原來是錯的。或者說,「經典物理學」不盡正確。

在十九世紀末至二十世紀初期間,有些物理現象,以當時已知的物理定律,即是「經典物理學」,無論怎樣也解釋不到。直到物理學家放棄了「物理決定論」,發展出「量子物理學」時,那些異常的魔法現象,才能得到妥善的解釋和預測,正名為「正常的科學現象」。

「Laplace 因果律的局部版」的意思是「物理決定論」 —— 對於同一個物理系統而言,同一個設定(輸入),就每次也會得到,同一個對應的後果(輸出)。

例如,液態的清水,處於地球正常大氣壓力之下,會在攝氏零度開始結冰。我們所考慮的物理系統,就是「處於地球正常大氣壓力下的液態清水」。如果輸入是「溫度攝氏零度」,輸出就一定是「開始結冰」,又名「凝固」。那就為之「世事有常」。

相反,如果有些情況,對於同一個物理系統而言,在同一個設置下,竟然有超過一個可能的結果,那就代表「世事無常」。專業一點,就叫「物理決定論不成立」。

例如,如果同樣是「處於地球正常大氣壓力下的液態清水」,有時會在攝氏 10 度就凝固,有時又會在攝氏 0 度才凝固,你就會不知所措 —— 當你要製冰時,你根本不知道,應該把冰箱的溫度,調節到多少。

而在微觀粒子的世界,正正是那麼奇幻 —— 同一個情境之下,會有超過一個可能的結果。幸而,宏觀的物理世界,通常也是「世事有常」,遵守「經典物理學」的定律。那樣,我們才可以正常生活得到。

— Me@2013.08.13

2013.08.14 Wednesday (c) All rights reserved by ACHK

Grassmann, 6

Matrix representations

Grassmann numbers can always be represented by matrices. Consider, for example, the Grassmann algebra generated by two Grassmann numbers \theta_1 and \theta_2. These Grassmann numbers can be represented by 4×4 matrices:

— Wikipedia on Grassmann number

2013.08.12 Monday ACHK

Grassmann, 5

However, the Grassmann numbers can’t have particular real or complex values, not even infinite values, as I will discuss momentarily. Instead, they may be viewed as intrinsically “infinitesimal” in character. That’s why we don’t write the “plus minus infinite” limits on the definite integral.

The square of a Grassmann variable has to vanish because it’s equal to minus itself and zero is the only number that has this property. The vanishing of the square, θ^2=0, is also satisfied by “infinitesimal numbers” because we neglect (dx)^2 if we only calculate at the accuracy of dx. That’s why the Grassmann numbers are sometimes said to be “infinitesimal”.

— Celebrating Grassmann numbers

— Lubos Motl

2013.08.11 Sunday ACHK

因果律 1.5

語意互相推卸責任論 1.5

西瓜 9.5 | Verification principle, 5.5

這段改編自 2010 年 4 月 3 日的對話。

智者解結,慧者斬結。

試想想,即使約定好「因果律」這個詞語,是指「Laplace 因果律的局部版」,我們仍然要處理那麼多的枝節。如果我們討論的,是「因果律」的一般版,後果就更加不堪設想。因為「因果律」並不是常用的字眼,所以沒有一個精確的意思,更加沒有所謂的「一般版」。「因果律」的討論,在大部分的情況下,都是一項無聊的活動,只會令我們的思考越來越混亂。我們不值得,再花時間在它身上。

「因果律」這個問題的無聊之處,在於字眼意思的過份彈性,導致問題的討論不會有實質進展。你既可以歸咎於「因」這個字的意義含糊,又可以歸咎於「果」的意義閃爍,再可以歸咎於「律」的意義籠統。這個現象,我戲稱為「語意互相推卸責任現象」,簡稱為「言辭之爭」。

要知道一個問題是否「言辭之爭」,你可以考慮,問題的結果,直接或者間接地,會不會造成什麼實際的影響。如果沒有,那個問題就只是「言辭之爭」,不談也罷。

例如,「因果律」的正確與否,對人類的日常生活、科學探索 和 科技發展,會帶來一些有意義的分別嗎?

— Me@2013.08.09

2013.08.10 Saturday (c) All rights reserved by ACHK

Logical arrow of time, 4

That’s why the retrodicted probabilities of initial states pi=P(Hi) always depend on some subjective choices. What we think about the past inevitably depends on other things we have learned about the past. This is a totally new property of retrodictions that doesn’t exist for predictions. Predictions may be probabilistic (and in quantum mechanics and statistical physics, they are inevitably “just” probabilistic) but the predicted probabilities are objectively calculable for certain input data. The formulae that objectively determine these probabilities are known as the laws of physics. But the retrodicted probabilities of the past are not only probabilistic; their values inevitably depend on the subjective knowledge, too!

— Prediction isn’t the right method to learn about the past

— Lubos Motl

The future is not fixed, in the sense that the present chooses among the potential futures to evolve to. Since each higher entropy macrostate by definition is corresponding to more microstates, it has a higher probability to occur. 

However, the past is fixed. The probability is subjective probability. The present cannot “choose” among the “potential” pasts from which the present is evolved. The fact that there are more one possible pasts is due to your subjective ignorance about the past. If someone else has more data about the past, his number of possible pasts will be much smaller. If that person has a record of the past, there will be only one possible past.

The probability for predicting the future is objective, because by the definition of the word “future”, no one can have any data about the future. No one can have a record of the future now.

— Me@2013-07-26 6:01 PM

The difference between the future and the past is that logically, no one can have any data of future, but someone may have some data of the past. Also, different people can have different sets of data about the past.

— Me@2013-08-08 8:43 AM

2013.08.08 Thursday (c) All rights reserved by ACHK

因果律 1.4

語意互相推卸責任論 1.4

西瓜 9.4 | Verification principle, 5.4

這段改編自 2010 年 4 月 3 日的對話。

例如,只要知道這個房間,現在狀態的足夠詳細資料,我們就可以相對準確地,預測到它三小時後的室溫。

而科學家需要質疑的,就是這個「局部版因果律」。如果「局部版因果律」,經得起無數科學實驗的測試,而屹立不倒,科學家就可以取而用之。所以,我又稱「局部版因果律」,為「應用版因果律」。

但是,即使是「局部版因果律」本身,也有自己的微妙麻煩之處。

如果你因為實驗結果,而推翻「局部版因果律」,雖然那是高度客觀,但仍不是百分之一百的完全客觀,因為,相信實驗結果,其實就是相信那些實驗儀器;而相信那些實驗儀器,就是相信製作它們時,所用到的物理定律。

那就令我們回到這個討論的起點。如果實驗結果違反「局部版因果律」,一個可能是,「局部版因果律」本身不正確;而另一個可能是,「局部版因果律」本身正確,而那些實驗儀器,或者實驗流程有錯誤。

(安:那樣,我又要問多一次,哪一個看法才算是正確的呢?)

方便起見,我把「局部版因果律」,簡稱為「因果律」。

由於「因果律」既可以視為「經驗句子」,亦可以視為「重言句子」,所以,哪一個看法才算正確,要視乎你視「因果律」為「經驗句」,還是「重言句」。

你視它為「經驗句」的話,遇到違反「因果律」的實驗數據時,你的暫時結論是,「因果律」可能有錯。一方面,你要細心檢查自己的實驗儀器和工序,盡力刪除所有誤差的來源,然後重複實驗。經過自己多次重複實驗後,仍然發覺與「因果律」不符的話,你就應該發表你的研究結果,於學術期刊之中。那樣,其他科學家,就可以用他們的實驗儀器和流程,嘗試複製你實驗結果。如果眾多科學家,用不同的實驗設置,都得到違反「因果律」的數據,你就可以相當肯定,經驗版的「因果律」,並不是有效有用的科學定律。簡言之,它不是科學定律。

你視「因果律」為「重言句」的話,遇到違反「因果律」的實驗數據時,你就會認為,要麼你的實驗有誤,要麼已知的物理定律有錯。留意,無論是製作實驗儀器,還是推斷實驗結果,你都要用到已知的物理定律。所以,即使你執行那個實驗時,鉅細無遺、分毫不差,如果已知的物理定律未臻完善,你都可以得到違反「因果律」的結果。

因為「因果律」並不是常用的字眼,所以沒有一個精確的意思。學術討論以外,你大概不會想像得到,在日常生活中,你何來會提及「因果律」這個詞語。學術討論以內,你只要在討論之前,把「因果律」的兩個意思,分別標籤成「因果律經驗版」和「因果律重言版」,然後講清楚,將要討論的是哪一個,就能避免大部分的混淆。

而更加明智的做法是,我們索性不討論,這個「因果律」問題。

智者解結,慧者斬結。

試想想,即使約定好「因果律」這個詞語,是指「Laplace 因果律的局部版」,我們仍然要處理那麼多的枝節。如果我們討論的,是「因果律」的一般版,後果就更加不堪設想。因為「因果律」並不是常用的字眼,所以沒有一個精確的意思,更加沒有所謂的「一般版」。「因果律」的討論,在大部分的情況下,都是一項無聊的活動,只會令我們的思考越來越混亂。我們不值得,再花時間在它身上。

— Me@2013.08.07

2013.08.07 Wednesday (c) All rights reserved by ACHK

Energy conservation, 5

Defining mass in general relativity: concepts and obstacles

Generalizing this definition to general relativity, however, is problematic; in fact, it turns out to be impossible to find a general definition for a system’s total mass (or energy).

The main reason for this is that “gravitational field energy” is not a part of the energy-momentum tensor; instead, what might be identified as the contribution of the gravitational field to a total energy is part of the Einstein tensor on the other side of Einstein’s equation (and, as such, a consequence of these equations’ non-linearity).

While in certain situation it is possible to rewrite the equations so that part of the “gravitational energy” now stands alongside the other source terms in the form of the Stress-energy-momentum pseudotensor, this separation is not true for all observers, and there is no general definition for obtaining it.

— Wikipedia on Mass in general relativity

2013.08.06 Tuesday ACHK

因果律 1.3

語意互相推卸責任論 1.3

西瓜 9.3 | Verification principle, 5.3

這段改編自 2010 年 4 月 3 日的對話。

而這個「實際上」,並不是指,因為現今的人類科技未夠先進,所以未能達到;而是指,無論科技多麼先進,我們也不能,掌握宇宙某一刻的所有資料。小原因是光速有限;大原因是邏輯問題。所以,這個「實際上」,實際上是「原則上」;我剛才的那一句,應該改為:

即使假設在原則上,我們只要掌握某一個時刻,宇宙狀態的所有資料,我們就可以推斷到,宇宙在任何其他時刻的狀態;我們即使在原則上,也沒有可能,掌握某一個時刻,宇宙狀態的所有資料。

(我在同一句中,運用了兩次「即使」這個連接詞,請勿見怪。沒有這兩重的「即使」,我就不能準確展示,「因果律」的微妙麻煩之處。)

所以,即使「Laplace 因果律」是正確的,我們並不可以想像到有任何情況,可以利用它,來百分之一百準確地,預測將來,或者重造過去。

那彷彿就好像,你中了彩票,獲得了一千億元的獎金,存入了你的銀行戶口。但是,銀行的職員跟你說,你每日最多只能從那個戶口中,提款一百元。你就立刻發覺,窮你一生,甚至是十世的時間,都不能用盡那一千億元。如果你的朋友問你:「你是否擁有一千億元?」

你就唯有無奈地答:「那要視乎你『擁有』的定義。擁有而不能用,還算不算是『擁有』呢?」

(安:但是,你又真的可以,從那一千億元的戶口之中,每天提取一百元去用。因為那些一百元,始終是來自那一千億元的,你不能說,那一千億元完全沒有用,完全不屬於你。)

無錯。正正是因為這個理由,雖然「Laplace 因果律」的宇宙版(簡稱「宇宙版因果律」),你想像不到,有任何可以應用到的情況,但是它仍然沒有百分之百被棄置。反而,「宇宙版因果律」被刪剪改裝成「局部版因果律」。

一方面,我們不會再考慮「整個宇宙」,而改為研究一些特定的局部物理系統,例如這個房間。另一方面,我們不會再要求,有百分百準確的預測。百分百準確的,就不叫「預測」,而叫「知道」。我們改為研究,如何提高預測的準確度。

「局部版因果律」較為詳細的描述是:

我們越詳細地了解,越多的物理定律,只要掌握某一個時刻,某一個物理系統,越精緻和越豐富資料,我們就可以越準確地,推斷到該個物理系統,在其他時刻的狀態,無論是過去或者將來。

例如,只要知道這個房間,現在狀態的足夠詳細資料,我們就可以相對準確地,預測到它三小時後的室溫。

而科學家需要質疑的,就是這個「局部版因果律」。如果「局部版因果律」,經得起無數科學實驗的測試,而屹立不倒,科學家就可以取而用之。所以,我又稱「局部版因果律」,為「應用版因果律」。

— Me@2013.08.05

2013.08.05 Monday (c) All rights reserved by ACHK

The Beginning of Time, 3

Cumulative concept of time 1.3

The past is part of the future.

the earliest time

= the most remote past

= the smallest possible time circle

= a point where radius equals zero (r = 0)

= the centre of the time circle

The time t is like the radius r. It makes no sense to ask, “What happened before the beginning of the universe?”

Just as it is not meaningful to ask, “What if r < 0 ?"

— Me@2013-08-04

2013.08.05 Monday (c) All rights reserved by ACHK

因果律 1.2

語意互相推卸責任論 1.2

西瓜 9.2 | Verification principle, 5.2

這段改編自 2010 年 4 月 3 日的對話。

(安:那樣,哪一個看法才算是正確的呢?)

因為「因果律」並不是常用的字眼,所以沒有一個精確的意思。學術討論以外,你大概不會想像得到,在日常生活中,你何來會提及「因果律」這個詞語。

即使我們把「因果律」明確界定為

如果我們了解全部的物理定律,只要掌握某一個時刻,宇宙狀態的所有資料,我們就可以推斷到,宇宙在任何其他時刻的狀態,無論是過去或者將來。

」;

那仍然不是十分明確,因為,這句陳述有一個十分微妙的麻煩。

即使假設在原則上,我們只要掌握某一個時刻,宇宙狀態的所有資料,我們就可以推斷到,宇宙在任何其他時刻的狀態;我們在實際上,並沒有可能,掌握某一個時刻,宇宙狀態的所有資料。

而這個「實際上」,並不是指,因為現今的人類科技未夠先進,所以未能達到;而是指,無論科技多麼先進,我們也不能,掌握宇宙某一刻的所有資料。小原因是光速有限;大原因是邏輯問題。所以,這個「實際上」,實際上是「原則上」;我剛才的那一句,應該改為:

即使假設在原則上,我們只要掌握某一個時刻,宇宙狀態的所有資料,我們就可以推斷到,宇宙在任何其他時刻的狀態;我們即使在原則上,也沒有可能,掌握某一個時刻,宇宙狀態的所有資料。

我在同一句中,運用了兩次「即使」這個連接詞,請勿見怪;沒有這兩重的「即使」,我就不能準確展示,「因果律」的微妙麻煩之處。

— Me@2013.08.04

2013.08.04 Sunday (c) All rights reserved by ACHK

因果律 1.1

語意互相推卸責任論 1.1

這段改編自 2010 年 4 月 3 日的對話。

(安:在《心通識六講》之中,李教授提過,依照 Pierre-Simon Laplace(拉普拉斯)的看法,如果我們了解全部的物理定律,只要掌握某一個時刻,宇宙狀態的所有資料,我們就可以推斷到,宇宙在任何其他時刻的狀態,無論是過去或者將來。我簡稱這個理論,為之「因果律」。

而對於「因果律」,我可以有兩個截然不同的看法。

第一個看法是,視之為「經驗句子」,即是「科學理論」。意思是,我們需要靠多次的觀察,和無數的實驗,才能判斷「因果律」正確與否。

另一個看法是,我們不把「因果律」視為「科學句子」,而視之為「重言句子」。意思是,我們視它為正常人「思考架構」和「語言系統」的一部分。李教授用的比喻是,這樣對待「因果律」,就好像我們對待「度量衡系統」一樣。例如,無論我們對這個世界有什麼觀測結果,「1 米等於 100 厘米」必然正確。

但是,我就是正正不明白第二個看法。「因果律」何以視為「重言句」呢?)

我都不是十分明白。我猜想,大概的意思是,如果抱著第一個看法,當我們觀察到,涉嫌違反「因果律」的事件發生時,我們就自然會質問,「因果律」的可信性;但是,如果採取第二個看法,當我們遇到貌似違反「因果律」的實驗結果時,我們就反而會懷疑,那個實驗本身,做得不夠精確。

比喻說,你和我都是一間水果公司的員工。你負責把每 10 個蘋果放在 1 個紙皮箱之中;而我就負責在每個紙皮箱的表面,寫個「10」字,以標明箱中蘋果的數目。有一次,你只放了 9 個蘋果落一箱之中,但我仍然標示「10」個,導致訊息錯誤,被顧客投訴。那是誰人的錯呢?

我可以質疑你,為何不放 10 個;你又可以反駁我,為何不寫「9」字。

(安:那樣,哪一個看法才算是正確的呢?)

因為「因果律」並不是常用的字眼,所以沒有一個精確的意思。學術討論以外,你大概不會想像得到,在日常生活中,你何來會提及「因果律」這個詞語。

— Me@2013.08.02

2013.08.03 Saturday (c) All rights reserved by ACHK