物理學(xué)的本質(zhì).doc

引言 世界上充滿(mǎn)了需要解釋的現(xiàn)象.例如,想一想彩虹和肥皂泡的顏色,高速飛機(jī)的蒸汽尾跡,液態(tài)水在某一溫度時(shí)突然變?yōu)楣虘B(tài)的冰,暴風(fēng)雨中的閃電及緊隨其后的驚雷,美麗的六角對(duì)稱(chēng)的小雪花;所有這些,還有數(shù)不清的許多其它現(xiàn)象,都在物理學(xué)的研究范圍之內(nèi).總的來(lái)說(shuō),科學(xué)的本質(zhì)就是觀察和探究我們周?chē)氖澜?試圖從已知事物中確定某些潛在的秩序和模式.物理學(xué)是科學(xué)的一部分,主要研究無(wú)生命的世界,而且力圖確認(rèn)最基本的原理和統(tǒng)一的規(guī)律.這里指出了物理學(xué)與其他自然科學(xué)的兩點(diǎn)區(qū)別,第一點(diǎn)限制在非生命世界中將它與生物學(xué)暫時(shí)區(qū)別開(kāi)來(lái);第二點(diǎn)力圖確認(rèn)最基本的原理,表明物理學(xué)與化學(xué)的區(qū)別,化學(xué)在其基本原理方面,建立在物理學(xué)的某些具體領(lǐng)域之上,而不考慮其他.盡管數(shù)學(xué)對(duì)于物理學(xué)是不可缺少的,但數(shù)學(xué)是一個(gè)完全不同的領(lǐng)域.它是自洽的,完全不依賴(lài)對(duì)真實(shí)世界的觀察. 本文的主題可以從許多角度展開(kāi)討論.其中一種洞悉物理學(xué)本質(zhì)的方法是看物理學(xué)從古至今是如何發(fā)展的.本文就是這樣做的,盡管它并不試圖列出所有那些重要的,甚至是本質(zhì)的話(huà)題.本文的目的并不是為物理學(xué)自身提供一個(gè)時(shí)間表,而是舉例說(shuō)明,把我們關(guān)于各種現(xiàn)象的知識(shí)同盡可能少的普遍規(guī)律聯(lián)系起來(lái),如何成為物理學(xué)矢志不渝的追求目標(biāo). 阿基米德與杠桿 說(shuō)物理學(xué)起源于力學(xué)關(guān)于機(jī)械,力和運(yùn)動(dòng)的科學(xué)似乎是比較合理的.物理學(xué)和應(yīng)用裝置之間有著比較緊密的聯(lián)系,這種聯(lián)系在古代力學(xué)中就已經(jīng)建立起來(lái).最好的例子可能就是杠桿了.阿基米德在公元前250年就已經(jīng)認(rèn)識(shí)到杠桿原理只有重量和懸掛它們的力臂成反比時(shí),不同重量的物體才能保持平衡.這個(gè)簡(jiǎn)單的例子一個(gè)源于特定經(jīng)驗(yàn)的理論陳述,一個(gè)象征物理學(xué)本質(zhì)式的理論陳述.這一結(jié)論可能是第一個(gè)真正的物理規(guī)律.它成為桿秤或者說(shuō)天平一種發(fā)明于羅馬時(shí)代,至今仍在使用的裝置的理論基礎(chǔ).有必要把這個(gè)例子做進(jìn)一步的闡述.最初,不同重量的物體保持平衡可能只是實(shí)際經(jīng)驗(yàn),此后阿基米德將其量化,并對(duì)各量之間的關(guān)系做了一般性的陳述.但他并不滿(mǎn)足于此,他試圖把它歸因于對(duì)稱(chēng)性物理學(xué)家使用的最有效的概念之一.阿基米德認(rèn)為,同樣重(W)的物體在距轉(zhuǎn)軸(支點(diǎn))同樣遠(yuǎn)(l)的地方保持平衡是一個(gè)公理.因而他設(shè)想,其中一個(gè)重物可以被兩個(gè)2W的重物代替,一個(gè)放在支點(diǎn),一個(gè)放在距離支點(diǎn) 的地方.由于第一個(gè)l22W的重物顯然不會(huì)對(duì)支點(diǎn)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)效果,因此他認(rèn)為,位于 處重l22W的物體會(huì)平衡位于l處重W的物體,把這一論斷外推,就會(huì)得出關(guān)于杠桿的普遍規(guī)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導(dǎo)出來(lái).它是對(duì)概念提出的挑戰(zhàn),因?yàn)樗笪覀兎艞壟c生俱來(lái)的直覺(jué)觀念.做出這樣的調(diào)整不是一件小事,但是與愛(ài)因斯坦同時(shí)代的人(至少,對(duì)很多人)很快發(fā)現(xiàn)這一理論具有不可否認(rèn)的預(yù)言能力.例如,對(duì)我們來(lái)說(shuō),運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢簡(jiǎn)直就象科幻小說(shuō).在雙生子佯謬中,旅行的人依然年輕,而他在地球上的兄弟則已經(jīng)變老但基本效果已經(jīng)通過(guò)觀察精確的,放在圍繞地球飛行的商務(wù)噴氣式飛機(jī)上的原子鐘得到直接證實(shí),毫無(wú)異議. 對(duì)傳統(tǒng)主義者,最大的困難是相對(duì)論否定了唯一的理想?yún)⒖枷档拇嬖?即惠更斯所說(shuō)的以太參考系.以太是一種假想的介質(zhì),作為光和各種電磁波的載體,它是注定不可缺少的.波不需要任何介質(zhì)傳播其振動(dòng)的想法被認(rèn)為是荒謬可笑的.但是所有測(cè)量地球穿過(guò)這種介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)的失敗都是對(duì)愛(ài)因斯坦理論正確的重要支持.物理學(xué)家不得不接受電磁波的傳播不需要介質(zhì),只有在需要單純的機(jī)械模型時(shí),這一圖景才適用.19世紀(jì)末期,在創(chuàng)立機(jī)械模型上做出了巨大努力,直到愛(ài)因斯坦使之成為多余. 原子核 20世紀(jì)初,原子直徑的數(shù)量級(jí)是 米已被接受,主要原因是知道了阿佛加德羅常數(shù)1摩爾原子或分子的數(shù)目阿佛加德羅常數(shù)可以從氣體的體積推出,也可以從普朗克關(guān)于熱輻射的理論分析中得出.(注意,物理量的又一次內(nèi)部聯(lián)系!)如果假設(shè)象金屬這樣的物質(zhì)其原子是緊密排列的,那么推出單個(gè)原子的直徑就只是一個(gè)代數(shù)問(wèn)題了. 1010 在發(fā)現(xiàn)電子并已知其電量后,應(yīng)用經(jīng)典的電磁理論可以推出它的直徑數(shù)量級(jí)約為 米 1410 *在現(xiàn)代理論模型中,這一數(shù)值已不被接受.電子被看作一個(gè)質(zhì)點(diǎn) 考慮到這一數(shù)據(jù),并結(jié)合電子的質(zhì)量大約只占原子質(zhì)量的000,101,很自然地可以把原子畫(huà)成一個(gè)直徑約為 米的帶正電的物質(zhì)球,小點(diǎn)一般的電子鑲嵌其中.這個(gè)模型是J.J湯姆遜自己發(fā)明的.但存在很多問(wèn)題,其中之一就是不能解釋由原子發(fā)出的光的波長(zhǎng). 1010 前面已經(jīng)提到,1911年,情況發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)折,盧瑟福通過(guò) 粒子打擊薄金屬片后發(fā)生的強(qiáng)烈散射發(fā)現(xiàn)金或銀等材料的原子絕大部分質(zhì)量集中在10-14米的半徑之內(nèi). 在這一發(fā)現(xiàn)的基礎(chǔ)上玻爾(18851962)在1913年提出了著名的小宇宙原子模型,電子象行星一樣繞帶正電的原子核旋轉(zhuǎn).沒(méi)有人比玻爾本人更清楚,這是一個(gè)非常武斷的模型.它簡(jiǎn)單地假設(shè)電子在它們的軌道上并不向外輻射光(這一點(diǎn)不符合經(jīng)典電磁理論的要求),沒(méi)有任何理論證明.在巧妙地使用普朗克的能量量子理論之后,他還得出這些軌道的半徑被限制為一系列的離散值. 這是一個(gè)徹頭徹尾的權(quán)宜之計(jì)但它管用!它成功地說(shuō)明了氫原子光譜,預(yù)言了一些以前不知道的原子譜線(xiàn)(在紫外和紅外區(qū)). 然而,這個(gè)理論確實(shí)還有嚴(yán)重的不足之處.它不能成功地解釋類(lèi)氫原子系統(tǒng)核外只有一個(gè)電子產(chǎn)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射線(xiàn) 電子 圖5兩張展示了電子散射及波長(zhǎng)相近的X射線(xiàn)散射的照片.這些圓環(huán)是一束電子或X射線(xiàn)通過(guò)一個(gè)各向同性的小晶體薄片后得到的.散射波(粒子)被放在晶片后的感光膠片所接收(After A. P. French and Edwin F. Taylor, Introduction to Quantum Physics, New York: W. W. Norton. 1978.) 薛定諤采用的方法直接建立在波粒二象性基礎(chǔ)上,比較容易使人明白.通過(guò)接受德布羅意粒子具有波動(dòng)性的觀點(diǎn),薛定諤得以構(gòu)造一個(gè)方程解決大量的原子問(wèn)題.(這種觀點(diǎn)的量子力學(xué)被稱(chēng)為波動(dòng)力學(xué))非常類(lèi)似于聲學(xué).我們知道,在開(kāi)放的空氣中,可以傳播各種波長(zhǎng)和頻率的聲音,但在封閉的空氣中,如房間內(nèi)或吹管樂(lè)器的內(nèi)部,只有一些特定波長(zhǎng)和頻率的聲音能夠傳播.與此類(lèi)似,在開(kāi)放地帶各種波長(zhǎng)的電子都可能存在,但在原子內(nèi)部就象一個(gè)圍場(chǎng),帶正電的原子核對(duì)電子的吸引就象軟墻一般.沒(méi)有一定能量的電子無(wú)法逃脫,這些電子被限制在特定的分離的能量狀態(tài).從這一模型可以自然而然地引出玻爾理論關(guān)于氫原子的結(jié)果,它也適用于許多其他的原子模型. 這里依然有一個(gè)基本問(wèn)題:這些波是什么 這一問(wèn)題在一篇文章中經(jīng)常被討論,這篇文章是關(guān)于托馬斯.楊的第一個(gè)光的雙縫實(shí)驗(yàn)的一個(gè)推廣.可以設(shè)想用電子來(lái)做類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)(實(shí)際上,在波動(dòng)力學(xué)建立35后,確實(shí)做了這樣的實(shí)驗(yàn)),推測(cè)用光和電子(或其他粒子)所做的實(shí)驗(yàn)主要特點(diǎn)是否相同. 讓我們先根據(jù)光來(lái)討論這一問(wèn)題;因?yàn)槠毡閬?lái)講光比較容易做到,而電子束則不太容易做到.如果光的強(qiáng)度足夠高,可以得到一個(gè)傳統(tǒng)的波的干涉圖樣;在測(cè)量時(shí),例如用感光計(jì),光的強(qiáng)度可以在最大值和最小值之間連續(xù)變化.如果把光的強(qiáng)度減小到一個(gè)很低的水平,用一個(gè)很靈敏的,可以探測(cè)到單個(gè)光子的儀器(光電倍增管)代替感光計(jì),會(huì)出現(xiàn)令人驚異的結(jié)果.這個(gè)實(shí)驗(yàn)可以在每次只有一個(gè)光子通過(guò)的情況下進(jìn)行,當(dāng)光子到達(dá)探測(cè)屏?xí)r,它可以被作為粒子探測(cè)到.但它到達(dá)探測(cè)屏的位置,完全無(wú)法預(yù)測(cè).然而,數(shù)百萬(wàn)計(jì)的光子順利通過(guò)系統(tǒng)之后,每個(gè)打擊的貢獻(xiàn)疊加起來(lái)就形成了傳統(tǒng)的干涉圖樣.關(guān)鍵是,在某種意義上,每個(gè)光子同時(shí)通過(guò)儀器上的雙縫并互相干擾,至少,這是解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最簡(jiǎn)單的辦法. 這是否意味著光子確實(shí)分裂了 答案是否定的,這其實(shí)涉及到一些很微妙的東西. 如果試圖發(fā)現(xiàn)光子通過(guò)了哪一個(gè)縫,干涉圖樣就會(huì)消失.為描述這種現(xiàn)象,玻爾引進(jìn)了他稱(chēng)之為互補(bǔ)原理的概念.光子的粒子性和波動(dòng)性是互補(bǔ)的.在某一點(diǎn)上,光子被作為一個(gè)粒子探測(cè)到,但它從光源到探測(cè)屏的運(yùn)動(dòng)卻需要用波動(dòng)方程來(lái)描述. 波恩(1882-1970)建議把薛定諤波稱(chēng)為幾率波(或者,更確切地說(shuō),幾率振幅,幾率的平方根).盡管隨后有了很大進(jìn)展,這一解釋還是經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn).正如每個(gè)物理學(xué)家都承認(rèn)的那樣,這是一個(gè)引發(fā)很多爭(zhēng)議的結(jié)論.在另外一些情況中,它直接指向物理學(xué)和數(shù)學(xué)的緊密聯(lián)系著名的理論家Eugne Wigner(1902-1992)的一篇文章數(shù)學(xué)在自然科學(xué)中不合理的有效就以此作為主題. 作進(jìn)一步的評(píng)論是合適的.放射性現(xiàn)象,雙縫干涉實(shí)驗(yàn)表明在原子尺度內(nèi)單個(gè)事件具有隨機(jī)性.這是11否意味著物理已退出了精確科學(xué) 回答是不!經(jīng)典物理的發(fā)展使我們認(rèn)為各種單獨(dú)的事件受?chē)?yán)格的因果律支配.量子現(xiàn)象迫使我們承認(rèn)這并不是真的.但是大量特定原子構(gòu)成的系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)行為仍然可以精確預(yù)言.盡管把它引入經(jīng)典物理是一個(gè)新事件,但它自身并不是一個(gè)什么新奇的想法.我們都很熟悉大量的人口服從精確的描述和預(yù)言這一事實(shí),盡管發(fā)生在個(gè)體身上的事可能并非如此.例如,盡管每個(gè)人的命運(yùn)無(wú)法預(yù)測(cè),但保險(xiǎn)公司卻可以在確切了解人壽分布的基礎(chǔ)上開(kāi)展他們的業(yè)務(wù).不過(guò)對(duì)量子物理進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)要比對(duì)人類(lèi)事務(wù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)完美的多. 原子核內(nèi)部 長(zhǎng)期以來(lái),我們已經(jīng)很熟悉,把原子核的組成部分質(zhì)子和中子稱(chēng)為核子.質(zhì)子,也就是氫原子,大約在1910年就已經(jīng)知道.質(zhì)量和它大約相同的生存伙伴中子是盧瑟福在1920年預(yù)言,并被查德威克(1891-1974)在1942年實(shí)驗(yàn)證實(shí)的.原子核理論領(lǐng)域產(chǎn)生以后,很快就快速發(fā)展起來(lái).很快人們就認(rèn)識(shí)到一種前所未有的力,這一點(diǎn)讓人感到震驚,因?yàn)橹钡胶肆Ρ灰胫?當(dāng)時(shí)所有已知的物理現(xiàn)象多可以用這兩種基本的力萬(wàn)有引力和電磁力解釋.萬(wàn)有引力顯然是一種很弱的力,只有施力物體非常巨大時(shí)才被考慮,如地球.其它所有的力用電磁相互作用來(lái)表述.核力是嚴(yán)格的短程力它們的作用范圍幾乎不超出原子核,在不同原子之間根本不起作用.它只是在完全超出我們經(jīng)驗(yàn)的情況下在星體的中心,更甚者,如由中子緊密排列形成的中子星上才起主要作用.人們逐漸認(rèn)識(shí)到有兩種核力,簡(jiǎn)單稱(chēng)之為強(qiáng)和弱.強(qiáng)力使質(zhì)子和中子結(jié)合在一起,抵抗質(zhì)子之間的靜電排斥力,弱力則是隱藏在某些類(lèi)型的放射性衰變背后的間諜.在這里我們不會(huì)詳細(xì)討論這些力的細(xì)節(jié)問(wèn)題,只要知道它們存在就可以了. 用質(zhì)子和中子把原子核的結(jié)構(gòu)圖景建立起來(lái)之后,物理學(xué)家很快就轉(zhuǎn)入了更低一層中子的內(nèi)部構(gòu)造.探詢(xún)者們承擔(dān)起建造越來(lái)越大的粒子加速器的工作,為能量越來(lái)越高的探測(cè)粒子如電子提供粒子源.需要不斷提高能量的根本原因來(lái)自于德布羅意關(guān)系式:波長(zhǎng)等于普朗克常數(shù)除以動(dòng)量.現(xiàn)代的粒子加速器就象研究微小物體的顯微鏡一樣,但研究對(duì)象要比光學(xué)顯微鏡研究的對(duì)象小數(shù)十倍.要做到這些,要求波長(zhǎng)比可見(jiàn)光短.達(dá)到這一要求的唯一途徑就是提高動(dòng)量,提高探測(cè)粒子的能量.開(kāi)始,這一研究產(chǎn)生了似乎數(shù)不清的新粒子和奇異粒子(還有短壽粒子).它們中的許多顯然不是原子核的組成部分.但是在1964年提出中子是由夸克由發(fā)明者M(jìn)urray Gell-Mann(1929-)賦予的名字組成的.這一理論的后果意義深遠(yuǎn),遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出中子的內(nèi)部構(gòu)造.基本上所有已知的重粒子(除了電子和與它相近的粒子,如中微子)可以被看成是兩個(gè)或三個(gè)夸克的結(jié)合,復(fù)雜的對(duì)稱(chēng)性被引入到所有這些分析中,用于預(yù)言以前沒(méi)有觀察到的粒子,一種處于激發(fā)態(tài)的核子.正如我們前面所說(shuō)的,象這樣成功的預(yù)言是衡量一個(gè)好理論的標(biāo)準(zhǔn). 凝聚態(tài)領(lǐng)域 12當(dāng)然,物理學(xué)不止是研究新的基本粒子.實(shí)際上,在這一領(lǐng)域進(jìn)行研究的人比從事凝聚態(tài)物理基本是固體物理各個(gè)方面研究的人要少得多.在量子理論發(fā)表之前,對(duì)固體物質(zhì)的性質(zhì)如,它們是透明的,還是不透明的;是導(dǎo)體還是絕緣體只是經(jīng)驗(yàn)性的研究.這并不是說(shuō)這一領(lǐng)域沒(méi)有被大面積開(kāi)發(fā).實(shí)際上,特別是在使用X射線(xiàn)之后,對(duì)晶體內(nèi)部原子的排列情況已經(jīng)獲得了細(xì)致而準(zhǔn)確的途徑.但是產(chǎn)生它們性質(zhì)的原因很大程度上還是一個(gè)秘密.量子理論的運(yùn)用改變了這一切.用量子力學(xué)首先進(jìn)行計(jì)算的就是單個(gè)原子的電子能態(tài).第二步就是考慮當(dāng)相似的原子越聚越多時(shí),能態(tài)會(huì)如何變化.研究發(fā)現(xiàn)這時(shí)一部分電子將不再依附于某個(gè)特定的原子而屬于整個(gè)集合體.在某些粒子中,這意味著集合體將變成良好的導(dǎo)電體;在別的例子中,它會(huì)變成絕緣體.也有折衷的情況半導(dǎo)體,人們認(rèn)識(shí)到通過(guò)加入其它種類(lèi)的原子攙雜這些性質(zhì)可以得到控制.隨之產(chǎn)生了晶體管. 凝聚態(tài)物理的另一個(gè)重要領(lǐng)域是低溫.不象核物理學(xué)和粒子物理學(xué)家注重探測(cè)能量越來(lái)越高的物質(zhì)的性質(zhì),低溫物理學(xué)家對(duì)所能達(dá)到的最低能量狀態(tài)下低至絕對(duì)零度以上百萬(wàn)分之一度的物理現(xiàn)象感興趣.每一個(gè)粒子的能量大約不到現(xiàn)代粒子加速器所達(dá)到的最高能量的 1/1022.在不是很極端的情況下,仍在低溫范圍內(nèi)(大約高于絕對(duì)零度 100 度),已經(jīng)對(duì)超導(dǎo)現(xiàn)象做了大量的研究,在超導(dǎo)現(xiàn)象中某些材料的電阻會(huì)減小到零.這種現(xiàn)象的實(shí)用前景是巨大,尤其是如果能夠發(fā)現(xiàn)接近室溫下的超導(dǎo)材料. 微波激射器和激光器 通過(guò)考慮大量原子聚集在一起時(shí)電子間的相互作用,我們描述了固體理論是如何發(fā)展的.一個(gè)與之可比,但不同的情況則更關(guān)注于大量的,聚集在一起的原子之間通過(guò)交換量子輻射產(chǎn)生的相互作用.這種情況可以發(fā)生在凝聚態(tài)物體之間,也可以發(fā)生在液體和低壓氣體之間甚至在接近真空的星際間對(duì)它進(jìn)行可控制的利用使激光的發(fā)明成為可能.這又是一個(gè)值得大書(shū)特書(shū)的基礎(chǔ)物理能夠?qū)夹g(shù)作出重要貢獻(xiàn)的例子. 我們的故事還要從愛(ài)因斯坦開(kāi)始.在1916年他發(fā)展了一種新方法,把普朗克關(guān)于熱物體的公式應(yīng)用于輻射光譜.人們已經(jīng)接受處于激發(fā)態(tài)的原子向低能態(tài)躍遷時(shí)會(huì)自發(fā)地釋放出光子.人們同樣也接受處于低能態(tài)的原子如果吸收一個(gè)能量適當(dāng)?shù)墓庾涌梢攒S遷到高能態(tài).針對(duì)這些,愛(ài)因斯坦增加了一個(gè)更進(jìn)一步的可能性如果被一個(gè)和它自發(fā)輻射出的光子能量相同的光子打擊受激發(fā)射,原子從激發(fā)態(tài)到低能態(tài)躍遷就會(huì)被加強(qiáng).這一過(guò)程將導(dǎo)致以前只出現(xiàn)一個(gè)量子的地方出現(xiàn)兩個(gè)具有特定能量的量子.這樣,如果有大量的原子處于激發(fā)態(tài),就很有可能發(fā)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng);僅僅一個(gè)能量適合的光子突然闖入,就會(huì)引起同樣波長(zhǎng)和頻率輻射的大爆發(fā),這就是激光的概念. Charles Townes(1915-)和他的學(xué)生用氨分子吸收大約波長(zhǎng)為1厘米的氨分子輻射波,首先實(shí)現(xiàn)了這一過(guò)程.由于在微波電磁輻射的范圍內(nèi),他們決定稱(chēng)他們的發(fā)明為 maser微波激射器.七年以后,一個(gè)使用可見(jiàn)光的類(lèi)似儀器被Theodor Mainman(1927-)發(fā)明.微波這個(gè)詞被Charles Townes和他的同事13用光代替,這樣激光器就有了自己的名字.它非常顯著的特點(diǎn)就是發(fā)出的光純度驚人波長(zhǎng)范圍比普通光源中同種原子發(fā)出的光小得多.再有一個(gè)特點(diǎn)就是產(chǎn)生的光束強(qiáng)度很高,發(fā)散角很小,以至于可以把反射器放在月球上,觀察它們反射到放在地球上的激光源處的光. 等離子體 盡管這個(gè)話(huà)題完全不涉及到任何新概念,但是任何對(duì)物理學(xué)的考察如果不提到等離子體,哪怕是很簡(jiǎn)略地提到,都不能稱(chēng)之為物理考察.本質(zhì)上等離子體是一種氣體,溫度很高,使大部分原子都失去一個(gè)電子,成為正離子.電子仍保留在系統(tǒng)內(nèi),這樣,作為整體系統(tǒng)是電中性的.熒光燈就是一個(gè)為人所熟知的等離子的例子.它可能摸起來(lái)并不熱但是通過(guò)測(cè)量它內(nèi)部自由電子的能量,得知電子的溫度相當(dāng)于上萬(wàn)度. 等離子體被稱(chēng)為第四種物態(tài).盡管(除了自然現(xiàn)象,如閃電和極光)在地球上必須采取特殊步驟才能得到它基本上是氣態(tài)電荷,但宇宙中大多數(shù)看得見(jiàn)的物體都處于等離子體狀態(tài).事實(shí)上,處于千萬(wàn)度高溫以上的恒星都處于等離子體狀態(tài).這就是為什么在物理世界的討論中包括等離子體是非常重要的.然而,在地球上等離子體對(duì)我們的意義在于利用它們可能會(huì)產(chǎn)生清潔能源.這種設(shè)想可以通過(guò)創(chuàng)造一種輕元素的等離子態(tài)來(lái)實(shí)現(xiàn)特別是原子量為2和3的兩種氫的同位素使系統(tǒng)足夠熱以產(chǎn)生核聚變反應(yīng).這方面的工作大約已經(jīng)進(jìn)行了 50 年,成功卻總是可望而不可及.從現(xiàn)在的情況來(lái)看,有應(yīng)用價(jià)值的等離子燃料源有望在21世紀(jì)中期獲得. 統(tǒng)一的目標(biāo) 在前面我們已經(jīng)指出,物理學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到了四種不同的力:萬(wàn)有引力,弱核力,電磁力和強(qiáng)核力(以力逐漸增大的形式排列).許多物理學(xué)家夢(mèng)想能夠找到一些基礎(chǔ)把所有這些力用一個(gè)單一的統(tǒng)一理論結(jié)合起來(lái).愛(ài)因斯坦沒(méi)有任何收獲地干了許多年,力圖把萬(wàn)有引力(他狹義相對(duì)論中的一個(gè)主題)和電磁力結(jié)合起來(lái),直至 1955 去世.其他人做了仔細(xì)地的研究,一個(gè)主要的收獲是在 1967 年 Abdus Salam(1926-1996)和 Stephen Weinberg(1933-)統(tǒng)一了電磁力和弱核力.在寫(xiě)本書(shū)時(shí)(1996)還沒(méi)有取得新進(jìn)展.有一個(gè)有趣的理論認(rèn)為強(qiáng)核力在宇宙誕生的早期同弱核力和電磁力融合在一起了,當(dāng)時(shí)(根據(jù)大爆炸模型)的溫度比現(xiàn)在的溫度高得多.盡管已經(jīng)作出了很大努力萬(wàn)有引力依然在其他三個(gè)力的框架之外,但總有一天它會(huì)被納入同一日程.比起其他的力,它弱得難以置信,它的存在至今仍是一個(gè)迷. 混沌:經(jīng)典物理接受的又一個(gè)沖擊 我們已經(jīng)指出,對(duì)量子現(xiàn)象的研究迫使我們改變單個(gè)原子事件可以預(yù)言的信仰.但是對(duì)很多物理學(xué)家而言,嚴(yán)格的因果律原則上允許我們預(yù)言所有原子水平以上的事件的發(fā)生過(guò)程仍然是一個(gè)信仰問(wèn)題.偉大的法國(guó)物理學(xué)家Pierre Simon de Laplace(1749-1827)在一個(gè)著名的稱(chēng)述中清晰地吐露了這一信仰: 智力很快就會(huì)知道自然界中所有的力和位于其中的實(shí)物的情況(位置和速度),能夠進(jìn)一步地分析這些數(shù)據(jù),納入宇宙中最大的物體和最輕的原子都遵循的運(yùn)動(dòng)公式.對(duì)于智力,沒(méi)有什么是不確定的,未來(lái)和過(guò)去一樣清晰. 這一信仰的基礎(chǔ),早些時(shí)候我們已經(jīng)提到數(shù)學(xué)描述物理本質(zhì)的能力.有些問(wèn)題(如湍流)事實(shí)上非常復(fù)雜,對(duì)正規(guī)的數(shù)學(xué)分析提出了挑戰(zhàn),這一看法已被接受.但是有人認(rèn)為,這是實(shí)際情況造成的限制,而不是根本限制.另一個(gè)偉大的法國(guó)科學(xué)家Henri Poincar (1854 -1912)認(rèn)為,情況不僅僅如此即便有嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方程對(duì)某些物理系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期預(yù)報(bào)也存在根本的限制.關(guān)鍵是在運(yùn)動(dòng)方程中存在所謂的非線(xiàn)性因素.在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)發(fā)明之前,這些系統(tǒng)的行為無(wú)法探究.因?yàn)槿鐢[鐘的周期性振動(dòng)追蹤成千上萬(wàn)次的擺動(dòng)太浪費(fèi)時(shí)間,經(jīng)受不起.但是這類(lèi)工作迭代計(jì)算現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)非常合適.這項(xiàng)工作可以被稱(chēng)為計(jì)算數(shù)學(xué).方程被很好地定義,但要想出結(jié)果,應(yīng)用時(shí)必須一遍又一遍地重復(fù)運(yùn)算程序,結(jié)果另人吃驚.起先,人們認(rèn)為初始條件中很小的變化,相應(yīng)地,會(huì)在最后結(jié)果中產(chǎn)生微小的變化.最終卻發(fā)現(xiàn)最后結(jié)果對(duì)初始條件非常敏感,致使長(zhǎng)期情況無(wú)法預(yù)測(cè),最終結(jié)果可能截然不同*. *這意味著如此地不同尋常,蝴蝶翅膀的扇動(dòng)可能改變世界的天氣. 這是Poincar認(rèn)識(shí)到的.這種現(xiàn)象稱(chēng)為決定論混沌,這與在量子系統(tǒng)中因果律的本質(zhì)失敗不同,但是結(jié)果在某些方面是相似的.