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例三:一個物理學上的應用

在文檔中 概率萬花筒 (頁 41-44)

如果把兩個球放在三個可分辨的袋裏(譬如每個袋標上號 碼),有多少個可能的情形呢?要回答這問題,必須先弄清楚 客觀情況:例如每個袋可以不可以盛多於一個球?又兩個球可 以不可以分辨出來?為清楚起見,讓我們把幾種不同的情況用 圖表列出來(見圖 3.3)。圖(A)是球可分辨的情況,兩個球

圖 3.3

分別記作球 1 和球 2。圖(A)的第一個可能結果就是把球 1 放在袋 1,把球 2 放在袋 2,餘此類推。如果每個袋最多只能盛 一球,便只有 6 個可能結果,讓我們記作(A1)。但如果每個

袋可盛多於一球,那便有 9 個可能結果,包括圖(A)虛線以 下的部分,讓我們記作(A2)。圖(B)是球不可分辨的情況,

由於球不可分辨,圖(A)的第一和第二個可能結果,只對應 於圖(B)的一個可能結果了,即是袋 1 和袋 2 各盛一球。如 果每個袋最多只能盛一球,便只有 3 個可能結果,讓我們記作

(B1)但如果每個袋可盛多於一球,那便有 6 個可能結果,包 括圖(B)虛線以下的部分,讓我們記作(B2)。所以,在這 四個不同的客觀情況下,我們有不同的羅列方法。在每個情況 下,我們都可以引用等可能性假設來計算某事件的概率,得到 不同的答案。比方問袋 1 和袋 2 有一球的概率,答案分別是:

(A1) (球可分辨,每袋最多盛一球) 2/6 = 1/3

(A2) (球可分辨,每袋可盛多於一球) 2/9

(B1) (球不可分辨,每袋最多盛一球) 1/3

(B2) (球不可分辨,每袋可盛多於一球) 1/6

在統計物理學(Statistical Mechanics)上,這個模型很有 點意思。球代表質點(Particle),袋代表質點所處的狀態

(State)。每一個袋盛多少個球,便代表一個所謂「宏觀狀態」

(Macroscopic State)。起初物理學家以為質點是可分辨的,而 且可以有多於一個質點處於相同的狀態,即是(A2)的情況,

物理學家把(A2)叫做質點按麥克斯韋─波爾茨曼統計法則

(Maxwell-Boltzmann Statistics)行動。但這法則對於當時所知 的質點都不適用,由(A2)計算得來的結果並不符合實際觀測 結果。於是人們便引進別的理論,例如假設質點是不可分辨的,

可以有多於一個質點處於相同的狀態,即是(B2)的情況,物 理 學 家 把 (B2 ) 叫 做 質 點 按 玻 色 ─ 愛 因 斯 坦 統 計 法 則

(Bose-Einstein Statistics)行動,已知的例子有光子(Photon)、

π-介子(π-Meson)等。不過這仍然不能解釋所有質點的運動,

有時需要假設質點是不可分辨的,而且不能有多於一個質點處 於相同的狀態(物理家把這回事叫做「泡里不相容原理」(Pauli Exclusion Principle)),即是(B1)的情況,物理學家把(B1)

叫做質點按費米-狄拉克統計法則(Fermi-Dirac Statistics)行 動,已知的例子有電子(Electron)、質子(Proton)等。

你若有興趣,不妨試算一算,如果有 K 個質點和 N 個不 同的狀態,那麼各有一質點處於最初K 個狀態的概率是什麼,

分開(A2)、(B1)、(B2)的情況來討論。

第四章

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