物理学的本质.doc

引言 世界上充满了需要解释的现象.例如,想一想彩虹和肥皂泡的颜色,高速飞机的蒸汽尾迹,液态水在某一温度时突然变为固态的冰,暴风雨中的闪电及紧随其后的惊雷,美丽的六角对称的小雪花;所有这些,还有数不清的许多其它现象,都在物理学的研究范围之内.总的来说,科学的本质就是观察和探究我们周围的世界,试图从已知事物中确定某些潜在的秩序和模式.物理学是科学的一部分,主要研究无生命的世界,而且力图确认最基本的原理和统一的规律.这里指出了物理学与其他自然科学的两点区别,第一点限制在非生命世界中将它与生物学暂时区别开来;第二点力图确认最基本的原理,表明物理学与化学的区别,化学在其基本原理方面,建立在物理学的某些具体领域之上,而不考虑其他.尽管数学对于物理学是不可缺少的,但数学是一个完全不同的领域.它是自洽的,完全不依赖对真实世界的观察. 本文的主题可以从许多角度展开讨论.其中一种洞悉物理学本质的方法是看物理学从古至今是如何发展的.本文就是这样做的,尽管它并不试图列出所有那些重要的,甚至是本质的话题.本文的目的并不是为物理学自身提供一个时间表,而是举例说明,把我们关于各种现象的知识同尽可能少的普遍规律联系起来,如何成为物理学矢志不渝的追求目标. 阿基米德与杠杆 说物理学起源于力学关于机械,力和运动的科学似乎是比较合理的.物理学和应用装置之间有着比较紧密的联系,这种联系在古代力学中就已经建立起来.最好的例子可能就是杠杆了.阿基米德在公元前250年就已经认识到杠杆原理只有重量和悬挂它们的力臂成反比时,不同重量的物体才能保持平衡.这个简单的例子一个源于特定经验的理论陈述,一个象征物理学本质式的理论陈述.这一结论可能是第一个真正的物理规律.它成为杆秤或者说天平一种发明于罗马时代,至今仍在使用的装置的理论基础.有必要把这个例子做进一步的阐述.最初,不同重量的物体保持平衡可能只是实际经验,此后阿基米德将其量化,并对各量之间的关系做了一般性的陈述.但他并不满足于此,他试图把它归因于对称性物理学家使用的最有效的概念之一.阿基米德认为,同样重(W)的物体在距转轴(支点)同样远(l)的地方保持平衡是一个公理.因而他设想,其中一个重物可以被两个2W的重物代替,一个放在支点,一个放在距离支点 的地方.由于第一个l22W的重物显然不会对支点产生转动效果,因此他认为,位于 处重l22W的物体会平衡位于l处重W的物体,把这一论断外推,就会得出关于杠杆的普遍规1_rL E A ,XVp4,X _G ,X(=!b, ,XC-/ 3 G5!b G 222211lWlW l22W,X(=HAE G5!bl G W,X(=!7.B,X _ NO 0 AEG G (=,XrL ! +eK 5 E *,X / ,X K Lc , E & . $6WHHODUGPHGDOVWUXFNIRU)UHGHULFN,FJ mY* U /K$U &K$E * 7 L 2G _o:- 0J!7A,X(=) A 9 A ,XnG %& 4 5%E (=,XE | 4 0NK K AxA 7 ,X ,XV 0 K D,X!5B , E(=E |,X .nG vA|ZE oK NlJE | 1.,X5b,X n22mv5AE 7 bs!8 AE1k# 0J2mv3L8ZE o&n_ h*b. r,X (=) _ (/NS ,X ) E ) A,XAE 521 5 0P!8( 0 ,X- 0JNZ A 34 4E / F5 USAx (=) : :/ E E AE1k2 y+W(=) :,X U, ) ) ,XV _!7B5W /,XFw*W E G / ,X(=) ) B5E M6 :+,X_$A R s,X,X _B o 7 ,X & , # (=,X6 oqC*b - ,X o S rPPG ,X _VT k,XKG , AE (= o ,X ) o(=6 , W 7 o2f$+& $d*,X# D,XE$7 7ZE ,X,X CG+$d W; ,X(= ,X ,4 ,X2f$4 ,X4 K0M6 ,X _ 1b9 ,X ) E !9 ZE _(/NS#(E 2f$ _,X AAuJ )Z BF!y J 4z HYu Lc *Z o L ,X_ 4z H,P g 3Jf, t / F#) B5y# ) T ,Q, K,X ) T 8F F#, #2f$ _ G ,X 2f$ #&A6 E 2f$ _ Z 4=-,X KG ,X | _,XA BAE /3!7V!M6 ,XTz M - F,XB G E G $A *ZB FS! Ed D G $ ,X4 L,X,X |) A E 4B!( :1879-1955 1905H*7 /E # 1u*,XAE n 4 ,X ,X ZE AW,X4p # E Lc hfE fG,() s$(=) Ed ,X ) C |4 L(=) ,X M2 V!85 7 (/NS CK4- ,X 0N 4 y 1u(/NS7 3SAx n4- ,X0NK AEkAE- 0J, E |1905H( : ZM=Q ,X A K0NKF AE4- ,XW P!8, f6(2J nb#G E ,X 52(Mn AE G-AE6 * AE& ,X_ ,XW oe ,X nqC*b 5 ,X 52 E ) A (, A AEL3AEAE L P D,X- A 6 * / 1T),X6 |7导出来.它是对概念提出的挑战,因为它要求我们放弃与生俱来的直觉观念.做出这样的调整不是一件小事,但是与爱因斯坦同时代的人(至少,对很多人)很快发现这一理论具有不可否认的预言能力.例如,对我们来说,运动的时钟变慢简直就象科幻小说.在双生子佯谬中,旅行的人依然年轻,而他在地球上的兄弟则已经变老但基本效果已经通过观察精确的,放在围绕地球飞行的商务喷气式飞机上的原子钟得到直接证实,毫无异议. 对传统主义者,最大的困难是相对论否定了唯一的理想参考系的存在,即惠更斯所说的以太参考系.以太是一种假想的介质,作为光和各种电磁波的载体,它是注定不可缺少的.波不需要任何介质传播其振动的想法被认为是荒谬可笑的.但是所有测量地球穿过这种介质运动的实验的失败都是对爱因斯坦理论正确的重要支持.物理学家不得不接受电磁波的传播不需要介质,只有在需要单纯的机械模型时,这一图景才适用.19世纪末期,在创立机械模型上做出了巨大努力,直到爱因斯坦使之成为多余. 原子核 20世纪初,原子直径的数量级是 米已被接受,主要原因是知道了阿佛加德罗常数1摩尔原子或分子的数目阿佛加德罗常数可以从气体的体积推出,也可以从普朗克关于热辐射的理论分析中得出.(注意,物理量的又一次内部联系!)如果假设象金属这样的物质其原子是紧密排列的,那么推出单个原子的直径就只是一个代数问题了. 1010 在发现电子并已知其电量后,应用经典的电磁理论可以推出它的直径数量级约为 米 1410 *在现代理论模型中,这一数值已不被接受.电子被看作一个质点 考虑到这一数据,并结合电子的质量大约只占原子质量的000,101,很自然地可以把原子画成一个直径约为 米的带正电的物质球,小点一般的电子镶嵌其中.这个模型是J.J汤姆逊自己发明的.但存在很多问题,其中之一就是不能解释由原子发出的光的波长. 1010 前面已经提到,1911年,情况发生了根本性的转折,卢瑟福通过 粒子打击薄金属片后发生的强烈散射发现金或银等材料的原子绝大部分质量集中在10-14米的半径之内. 在这一发现的基础上玻尔(18851962)在1913年提出了著名的小宇宙原子模型,电子象行星一样绕带正电的原子核旋转.没有人比玻尔本人更清楚,这是一个非常武断的模型.它简单地假设电子在它们的轨道上并不向外辐射光(这一点不符合经典电磁理论的要求),没有任何理论证明.在巧妙地使用普朗克的能量量子理论之后,他还得出这些轨道的半径被限制为一系列的离散值. 这是一个彻头彻尾的权宜之计但它管用!它成功地说明了氢原子光谱,预言了一些以前不知道的原子谱线(在紫外和红外区). 然而,这个理论确实还有严重的不足之处.它不能成功地解释类氢原子系统核外只有一个电子产8*Ed V o!7/ $,XB WJAE 4 ,X) A Cw,X !,XB ) AE, G $ ,X, H ! $+$. r,X,yrP BNSrP AAE 1 A W 4 , Gb,X ,X, V)2f$ _ | _K|,X,X | AEoeAxLc ,X 4 .Z+h,XrP+$ $ G 2 9k( :,X Ax,X F L G $,X6 E /$65 K ,X B2f$,X BE 9Ax ! 5 , 02f$,X+$6 3 | KSphhB G |G mvHYE & 3kZA rK .Bn6 G ,X+$ J7 X 4 , 5 3A !y ,XGb(=) + U2 ,X8+Hs$G!6!9AE!Z_r E ,XA , G,X 6(2F / dZ U$+$Fw5y W AE* 7 ,XA n5qBW 7 ,X pAE ) !C-2f$ 1R,X$B$ / s$ $F K | KS+ 5+ 4 F )6F*| 1u4 L(=) E X M6.kQ ,XLc 2fB5 F AE6 1T)4 94 L(=) ,X A r6 D ,X/ : #K 1901 1976 ;onA oZ1(1925H7 1926H *AE,X 0 Z ,X/ :G $o:CKaeu AxA - / 1 ,X 910X射线 电子 图5两张展示了电子散射及波长相近的X射线散射的照片.这些圆环是一束电子或X射线通过一个各向同性的小晶体薄片后得到的.散射波(粒子)被放在晶片后的感光胶片所接收(After A. P. French and Edwin F. Taylor, Introduction to Quantum Physics, New York: W. W. Norton. 1978.) 薛定谔采用的方法直接建立在波粒二象性基础上,比较容易使人明白.通过接受德布罗意粒子具有波动性的观点,薛定谔得以构造一个方程解决大量的原子问题.(这种观点的量子力学被称为波动力学)非常类似于声学.我们知道,在开放的空气中,可以传播各种波长和频率的声音,但在封闭的空气中,如房间内或吹管乐器的内部,只有一些特定波长和频率的声音能够传播.与此类似,在开放地带各种波长的电子都可能存在,但在原子内部就象一个围场,带正电的原子核对电子的吸引就象软墙一般.没有一定能量的电子无法逃脱,这些电子被限制在特定的分离的能量状态.从这一模型可以自然而然地引出玻尔理论关于氢原子的结果,它也适用于许多其他的原子模型. 这里依然有一个基本问题:这些波是什么 这一问题在一篇文章中经常被讨论,这篇文章是关于托马斯.杨的第一个光的双缝实验的一个推广.可以设想用电子来做类似的实验(实际上,在波动力学建立35后,确实做了这样的实验),推测用光和电子(或其他粒子)所做的实验主要特点是否相同. 让我们先根据光来讨论这一问题;因为普遍来讲光比较容易做到,而电子束则不太容易做到.如果光的强度足够高,可以得到一个传统的波的干涉图样;在测量时,例如用感光计,光的强度可以在最大值和最小值之间连续变化.如果把光的强度减小到一个很低的水平,用一个很灵敏的,可以探测到单个光子的仪器(光电倍增管)代替感光计,会出现令人惊异的结果.这个实验可以在每次只有一个光子通过的情况下进行,当光子到达探测屏时,它可以被作为粒子探测到.但它到达探测屏的位置,完全无法预测.然而,数百万计的光子顺利通过系统之后,每个打击的贡献叠加起来就形成了传统的干涉图样.关键是,在某种意义上,每个光子同时通过仪器上的双缝并互相干扰,至少,这是解释实验结果的最简单的办法. 这是否意味着光子确实分裂了 答案是否定的,这其实涉及到一些很微妙的东西. 如果试图发现光子通过了哪一个缝,干涉图样就会消失.为描述这种现象,玻尔引进了他称之为互补原理的概念.光子的粒子性和波动性是互补的.在某一点上,光子被作为一个粒子探测到,但它从光源到探测屏的运动却需要用波动方程来描述. 波恩(1882-1970)建议把薛定谔波称为几率波(或者,更确切地说,几率振幅,几率的平方根).尽管随后有了很大进展,这一解释还是经受住了时间的考验.正如每个物理学家都承认的那样,这是一个引发很多争议的结论.在另外一些情况中,它直接指向物理学和数学的紧密联系著名的理论家Eugne Wigner(1902-1992)的一篇文章数学在自然科学中不合理的有效就以此作为主题. 作进一步的评论是合适的.放射性现象,双缝干涉实验表明在原子尺度内单个事件具有随机性.这是11否意味着物理已退出了精确科学 回答是不!经典物理的发展使我们认为各种单独的事件受严格的因果律支配.量子现象迫使我们承认这并不是真的.但是大量特定原子构成的系统的统计行为仍然可以精确预言.尽管把它引入经典物理是一个新事件,但它自身并不是一个什么新奇的想法.我们都很熟悉大量的人口服从精确的描述和预言这一事实,尽管发生在个体身上的事可能并非如此.例如,尽管每个人的命运无法预测,但保险公司却可以在确切了解人寿分布的基础上开展他们的业务.不过对量子物理进行统计预测要比对人类事务进行统计预测完美的多. 原子核内部 长期以来,我们已经很熟悉,把原子核的组成部分质子和中子称为核子.质子,也就是氢原子,大约在1910年就已经知道.质量和它大约相同的生存伙伴中子是卢瑟福在1920年预言,并被查德威克(1891-1974)在1942年实验证实的.原子核理论领域产生以后,很快就快速发展起来.很快人们就认识到一种前所未有的力,这一点让人感到震惊,因为直到核力被引入之前,当时所有已知的物理现象多可以用这两种基本的力万有引力和电磁力解释.万有引力显然是一种很弱的力,只有施力物体非常巨大时才被考虑,如地球.其它所有的力用电磁相互作用来表述.核力是严格的短程力它们的作用范围几乎不超出原子核,在不同原子之间根本不起作用.它只是在完全超出我们经验的情况下在星体的中心,更甚者,如由中子紧密排列形成的中子星上才起主要作用.人们逐渐认识到有两种核力,简单称之为强和弱.强力使质子和中子结合在一起,抵抗质子之间的静电排斥力,弱力则是隐藏在某些类型的放射性衰变背后的间谍.在这里我们不会详细讨论这些力的细节问题,只要知道它们存在就可以了. 用质子和中子把原子核的结构图景建立起来之后,物理学家很快就转入了更低一层中子的内部构造.探询者们承担起建造越来越大的粒子加速器的工作,为能量越来越高的探测粒子如电子提供粒子源.需要不断提高能量的根本原因来自于德布罗意关系式:波长等于普朗克常数除以动量.现代的粒子加速器就象研究微小物体的显微镜一样,但研究对象要比光学显微镜研究的对象小数十倍.要做到这些,要求波长比可见光短.达到这一要求的唯一途径就是提高动量,提高探测粒子的能量.开始,这一研究产生了似乎数不清的新粒子和奇异粒子(还有短寿粒子).它们中的许多显然不是原子核的组成部分.但是在1964年提出中子是由夸克由发明者Murray Gell-Mann(1929-)赋予的名字组成的.这一理论的后果意义深远,远远超出中子的内部构造.基本上所有已知的重粒子(除了电子和与它相近的粒子,如中微子)可以被看成是两个或三个夸克的结合,复杂的对称性被引入到所有这些分析中,用于预言以前没有观察到的粒子,一种处于激发态的核子.正如我们前面所说的,象这样成功的预言是衡量一个好理论的标准. 凝聚态领域 12当然,物理学不止是研究新的基本粒子.实际上,在这一领域进行研究的人比从事凝聚态物理基本是固体物理各个方面研究的人要少得多.在量子理论发表之前,对固体物质的性质如,它们是透明的,还是不透明的;是导体还是绝缘体只是经验性的研究.这并不是说这一领域没有被大面积开发.实际上,特别是在使用X射线之后,对晶体内部原子的排列情况已经获得了细致而准确的途径.但是产生它们性质的原因很大程度上还是一个秘密.量子理论的运用改变了这一切.用量子力学首先进行计算的就是单个原子的电子能态.第二步就是考虑当相似的原子越聚越多时,能态会如何变化.研究发现这时一部分电子将不再依附于某个特定的原子而属于整个集合体.在某些粒子中,这意味着集合体将变成良好的导电体;在别的例子中,它会变成绝缘体.也有折衷的情况半导体,人们认识到通过加入其它种类的原子搀杂这些性质可以得到控制.随之产生了晶体管. 凝聚态物理的另一个重要领域是低温.不象核物理学和粒子物理学家注重探测能量越来越高的物质的性质,低温物理学家对所能达到的最低能量状态下低至绝对零度以上百万分之一度的物理现象感兴趣.每一个粒子的能量大约不到现代粒子加速器所达到的最高能量的 1/1022.在不是很极端的情况下,仍在低温范围内(大约高于绝对零度 100 度),已经对超导现象做了大量的研究,在超导现象中某些材料的电阻会减小到零.这种现象的实用前景是巨大,尤其是如果能够发现接近室温下的超导材料. 微波激射器和激光器 通过考虑大量原子聚集在一起时电子间的相互作用,我们描述了固体理论是如何发展的.一个与之可比,但不同的情况则更关注于大量的,聚集在一起的原子之间通过交换量子辐射产生的相互作用.这种情况可以发生在凝聚态物体之间,也可以发生在液体和低压气体之间甚至在接近真空的星际间对它进行可控制的利用使激光的发明成为可能.这又是一个值得大书特书的基础物理能够对技术作出重要贡献的例子. 我们的故事还要从爱因斯坦开始.在1916年他发展了一种新方法,把普朗克关于热物体的公式应用于辐射光谱.人们已经接受处于激发态的原子向低能态跃迁时会自发地释放出光子.人们同样也接受处于低能态的原子如果吸收一个能量适当的光子可以跃迁到高能态.针对这些,爱因斯坦增加了一个更进一步的可能性如果被一个和它自发辐射出的光子能量相同的光子打击受激发射,原子从激发态到低能态跃迁就会被加强.这一过程将导致以前只出现一个量子的地方出现两个具有特定能量的量子.这样,如果有大量的原子处于激发态,就很有可能发生链式反应;仅仅一个能量适合的光子突然闯入,就会引起同样波长和频率辐射的大爆发,这就是激光的概念. Charles Townes(1915-)和他的学生用氨分子吸收大约波长为1厘米的氨分子辐射波,首先实现了这一过程.由于在微波电磁辐射的范围内,他们决定称他们的发明为 maser微波激射器.七年以后,一个使用可见光的类似仪器被Theodor Mainman(1927-)发明.微波这个词被Charles Townes和他的同事13用光代替,这样激光器就有了自己的名字.它非常显著的特点就是发出的光纯度惊人波长范围比普通光源中同种原子发出的光小得多.再有一个特点就是产生的光束强度很高,发散角很小,以至于可以把反射器放在月球上,观察它们反射到放在地球上的激光源处的光. 等离子体 尽管这个话题完全不涉及到任何新概念,但是任何对物理学的考察如果不提到等离子体,哪怕是很简略地提到,都不能称之为物理考察.本质上等离子体是一种气体,温度很高,使大部分原子都失去一个电子,成为正离子.电子仍保留在系统内,这样,作为整体系统是电中性的.荧光灯就是一个为人所熟知的等离子的例子.它可能摸起来并不热但是通过测量它内部自由电子的能量,得知电子的温度相当于上万度. 等离子体被称为第四种物态.尽管(除了自然现象,如闪电和极光)在地球上必须采取特殊步骤才能得到它基本上是气态电荷,但宇宙中大多数看得见的物体都处于等离子体状态.事实上,处于千万度高温以上的恒星都处于等离子体状态.这就是为什么在物理世界的讨论中包括等离子体是非常重要的.然而,在地球上等离子体对我们的意义在于利用它们可能会产生清洁能源.这种设想可以通过创造一种轻元素的等离子态来实现特别是原子量为2和3的两种氢的同位素使系统足够热以产生核聚变反应.这方面的工作大约已经进行了 50 年,成功却总是可望而不可及.从现在的情况来看,有应用价值的等离子燃料源有望在21世纪中期获得. 统一的目标 在前面我们已经指出,物理学家逐渐认识到了四种不同的力:万有引力,弱核力,电磁力和强核力(以力逐渐增大的形式排列).许多物理学家梦想能够找到一些基础把所有这些力用一个单一的统一理论结合起来.爱因斯坦没有任何收获地干了许多年,力图把万有引力(他狭义相对论中的一个主题)和电磁力结合起来,直至 1955 去世.其他人做了仔细地的研究,一个主要的收获是在 1967 年 Abdus Salam(1926-1996)和 Stephen Weinberg(1933-)统一了电磁力和弱核力.在写本书时(1996)还没有取得新进展.有一个有趣的理论认为强核力在宇宙诞生的早期同弱核力和电磁力融合在一起了,当时(根据大爆炸模型)的温度比现在的温度高得多.尽管已经作出了很大努力万有引力依然在其他三个力的框架之外,但总有一天它会被纳入同一日程.比起其他的力,它弱得难以置信,它的存在至今仍是一个迷. 混沌:经典物理接受的又一个冲击 我们已经指出,对量子现象的研究迫使我们改变单个原子事件可以预言的信仰.但是对很多物理学家而言,严格的因果律原则上允许我们预言所有原子水平以上的事件的发生过程仍然是一个信仰问题.伟大的法国物理学家Pierre Simon de Laplace(1749-1827)在一个著名的称述中清晰地吐露了这一信仰: 智力很快就会知道自然界中所有的力和位于其中的实物的情况(位置和速度),能够进一步地分析这些数据,纳入宇宙中最大的物体和最轻的原子都遵循的运动公式.对于智力,没有什么是不确定的,未来和过去一样清晰. 这一信仰的基础,早些时候我们已经提到数学描述物理本质的能力.有些问题(如湍流)事实上非常复杂,对正规的数学分析提出了挑战,这一看法已被接受.但是有人认为,这是实际情况造成的限制,而不是根本限制.另一个伟大的法国科学家Henri Poincar (1854 -1912)认为,情况不仅仅如此即便有严格的数学方程对某些物理系统进行长期预报也存在根本的限制.关键是在运动方程中存在所谓的非线性因素.在现代计算机发明之前,这些系统的行为无法探究.因为如摆钟的周期性振动追踪成千上万次的摆动太浪费时间,经受不起.但是这类工作迭代计算现代的计算机非常合适.这项工作可以被称为计算数学.方程被很好地定义,但要想出结果,应用时必须一遍又一遍地重复运算程序,结果另人吃惊.起先,人们认为初始条件中很小的变化,相应地,会在最后结果中产生微小的变化.最终却发现最后结果对初始条件非常敏感,致使长期情况无法预测,最终结果可能截然不同*. *这意味着如此地不同寻常,蝴蝶翅膀的扇动可能改变世界的天气. 这是Poincar认识到的.这种现象称为决定论混沌,这与在量子系统中因果律的本质失败不同,但是结果在某些方面是相似的.