《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第5节

作者: 浅论物理
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  爱因斯坦与玻尔之争论就是闻名遐迩的巨人之争,由来以久。著名的爱因斯坦光盒便是其中一例。当时经过三年深思熟虑的爱因斯坦,胸有成竹地向玻尔发动了进攻。他在黑板上画了一个盒子,盒子里装有放射性物质,并可在时钟的控制下单个地放出粒子,这样可以精确的测出粒子放出的时间,称一下粒子放出前后盒子的重量可知粒子的质量。经由E=MC2质能关系式,能量也就准确地计算出来了,就此“测不准关系”就破灭了;因果关系和准确性都恢复了;……。一场新论战戏剧性地展开了。玻尔遇到了严重的挑战,却又一时找不到答案。他喃喃地自语:“如果爱因斯坦是对的,那么物理学就完了。”他垂头丧气地离开现场。他和同事们彻夜未眠,通宵达旦地奋战,终于找到了反驳的办法。……再次论战时,玻尔也在黑板上面画了一个草图,还是那个一模一样的小盒,再用弹簧称把小盒吊了起来,以便读出粒子跑出前后的重量。他指出根据广义相对论中的等效原理,钟在重力场发生位移时,它的快慢会发生变化,因而粒子跑出时钟随盒子在重力场不可避免地产生位移,因而读出的时间也有所改变;从而导出了测不准关系。爱因斯坦也不得不承认玻尔竟然用自己的相对论驳倒自己的推论,这是无懈可击的。离场时在红光满面、趾高气扬高谈阔论的玻尔身边,爱因斯坦低头蹒跚而行。直到多少年以后玻尔逝世之时身边放着的唯一图片就是当年的爱因斯坦光盒;可见当年这场巨人之争意义之深远。爱因斯坦失败了,但因为量子力学本身无法证明机率特征是微观粒子本身的属性。他仍然坚持他的信念:“上帝是不会掷骰子的。”他极力反对波函数的统计解释,终身不满量子力学解释的几率性质,他对这种解释作了最尖锐的批评,但并没有多少人支持他的这种观点。

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日期:2009-10-09 08:57:53

  狄拉克(1902~1984年)把狭义相对论同量子力学结合,得到了极富成果的量子场论。量子场论是物理学描述一切微观粒子的框架。从他所建立的狄拉克方程中可以推导出反粒子的概念;量子电动力学能描述电子、光子、正电子的湮灭、创生和转变。从而由此发展出了当代粒子物理学。在剑桥大学他曾担任过崇高的卢卡逊数学教授职位。

  20世纪20年代狄拉克方程发现后不久,1928年玻恩喜形于色骄傲地向社会宣称:“尽我们所知,物理学将在六个月内完结。”因为狄拉克方程制约了电子的行为,人们预料要不了多久,就会找到一个类似的方程来制约住质子,而质子却是当时仅仅知道的另一种据认为是最后一种假设的基本粒子。然而,中子和核力的发现给了玻恩的预言当头棒喝,砸得他不知所以了。这也正和当初在19世纪末由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论趋于完善时,一些物理学家抑制不住喜悦的心情扬言:“物理学的发展实际上已经结束”一样;如出一辙物理学顿时从几近完美的顶峰又一次堕入倍受磨难的深渊。

  实际上物理学也和其它一切科学一样,由于人们的认识总是要落后于客观现实而有待于进步,物理学也就永远不可能到达完美无缺的终极理论的巅峰,它的内容的有限性总是和可能观测到的事物的无限丰富多样性相对立,但也正是这两者的矛盾,形成了物理学发展永远的动力。
  将人类引入量子时代的爱因斯坦及其他科学家们,他们最大的动机,不是财富,不是名声,也不是别的更高尚的目标。爱因斯坦创建了质能方程式,揭示了暗藏的核能,为了怕希特勒抢先掌握核武器,他写信给美国总统罗斯福,劝他研制原子丨弹丨,在战后他极力从事阻止核战争的工作,1952年他被推荐为以色列总统,但他谢绝了,他说:“方程对我而言更重要,它是一种永恒的东西。”多少科学家为了科学而牺牲世俗中的健康,财富和名声。而普天下人所拥有的一切,除了科学发现和艺术创造的喜悦之外都是可能被剥夺的,人类对科学的好奇心和科学的美的追求,把人类带往更美好的未来。

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日期:2009-10-10 00:00:03

  霍金(1942年1月8日生~)现任剑桥大学有史以来最为崇高的卢卡逊数学教授职务;这职务曾经为牛顿及狄拉克所荣任过。他是当代最重要的广义相对论家和宇宙论家。70年代他和彭罗斯一起证明了著名的奇性定理,共同获得了1988年的沃尔夫物理奖。为此他成为英国皇家学会最年青的会员。
  他还证明了黑洞的面积定律;随着时间的增加面积不减。1973年他发表了“霍金辐射”的观点,指出黑洞会发射出基本粒子和辐射。黑洞辐射的发现有着重大的意义,它将引力、量子力学和统计力学统一在一起。1974年他的研究转向量子引力论,探索把量子力学和广义相对论结合在一起的途径。1980年以后他转向了量子宇宙论的研究,他关于宇宙无边界假说,是研究宇宙创生的科学理论。

  他的专著《时间简史》在全球流传甚广,共用40种语言发行了2500万册。他的生平富有传奇性,是最杰出的科学家之一。他的伟大成果是在他20多年被卢伽雷病禁锢在轮椅上的情况下做出来的,这在常人是难以想象的空前壮志。他犹如一颗科学巨星,不断放射出瑰丽夺目的光彩。他所在科学荆棘中探索的道路,遍布半个世纪以来整个物理领域。

  相对论和量子力学是20世纪物理学中的两次重要革命。其间,物理界各学派分门别类的在争论中努力勤奋的研究推动了物理学的加速发展。这当中比较突出的是超弦理论,甚至该派别的一些著名学者将它称誉为20世纪物理学的第三次革命。
  弦理论是在30多年前提出来的,当时是用来解决强力的问题的,后来发现弦理论本身就是一个统一理论。在弦理论中要求引力存在,同时它还包括有电磁力和弱力。由于量子理论和广义相对论实质上只能在各自的领域起作用,实质上两者不相容。后来出现了一种11维的超引力理论,主要目的也是要想建立一个统一的理论,但在1984年超引力理论丧失了领头理论的地位因而出现了10维的超弦理论替代了它。超弦理论,是用极小的弦的闭合圈取而代之电子、光子和夸克……这些基本粒子,用闭弦的不同振动和运动来表示这些粒子。

  超弦理论最大的特点是时空坐标是以场量的形式出现的,而不象一般的理论中时空坐标是参数空间。在弦理论中原先以为是粒子的东西被描绘成弦里传播的波动,如同振动着的弦上的波动,一个粒子从另一个粒子发射出来或者被吸收对应于弦的分解和合并;粒子已不再是占有空间的点,而是只有长度的,像是一根无限细的弦一样的东西。

  自1984年以后,物理学界中相当多一批人的看法显著地改变为更钟情于这维数甚多的弦理论。但结论无法予以实验证实,却是超弦理论的致命的难解之缘。因为如果想要进入弦的世界那就必须有一个圆周长达1000光年的粒子加速器,而整个太阳系的直径也不过才1光年直径,但没有这如同银河系一般大的加速器,我们就无法进入4维之外的那6个维度。

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日期:2009-10-10 17:27:16

  结果十年以后历史又开了个极大的玩笑,1994年开始的弦理论的第二次革命中,超弦理论又回到了11维时空。并寻求一个称为膜理论的完整理论。而最新发展的弦理论中增添了许多内容,故被称为膜理论。如今物理学界超弦理论、膜理论为首的代表人物就是杰出的引力理论物理学家霍金。不过超弦理论、膜理论相当深奥,普通人一般都无法轻易理解。这里引用当年卓别林与爱因斯坦第一次会面时的一段对话,也许会对理解这点有所帮助——卓别林说:“爱因斯坦先生,你是世界上最伟大的科学家,你的相对论,没有几个人懂。”爱因斯坦笑容可掬风趣地回答:“卓别林先生,你是世界上最伟大的艺术家,你的电影没有人不懂。”

  前面说到中子的出现,向物理学界提出了新的要求,从而发展出了当代粒子物理学。20世纪物理学家发现了原子的基本模型,以后随着中子及各种介子相继发现,基本粒子也越来越小了。如今人们知道了原子中的核子是由质子、中子组成。而中子失去电子以后即成质子,而它们又是由更小的微粒夸克所组成,如今已知的组成物质的最小的12种基本粒子已全部发现了,其中有6种夸克、6种轻子,而最后一个被发现的是一种轻子叫做τ中微子,它是在20世纪末发现的。而基本粒子除了物质粒子之外,还有一类是携带力的。目前已知的基本微粒共有62种。

  物质科学将物质运动规律归于由物质(粒子)间的四种基本相互作用的结果。这四种基本力是:一、强力。它是四种基本力中最强的,作用距离最短的,它束缚了夸克形成质子和中子,束缚住质子和中子形成了原子核。二、电磁力。是第二强的力,它在带电荷的粒子之间作用。是一种长距离作用力。三、弱力。是第二弱的力,作用于物质粒子之间的短距离作用力。四、引力。是最弱的一种长距离作用力,在所有物质之间发生作用。

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