《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第11节作者:
浅论物理 19世纪末,正当经典物理得心应手地解释了一切人们所感知的物理现象,物理学家们正为他们所观察到的一切事物,完全遵循他们掌握的物理定律按部就班的运行,而发出会心的微笑。经过几百年的考验,他们胸有成竹地自豪的宣布,物理学中的全部工作已即将结束了。要不了多久物理界已不存在什么新的尚待研讨的问题了。化学家也以掌握了原子而自豪,化学家道尔顿敢用“原子”这个名字的意思,本身就意味着人类已经知道了物质中最原始最小的不可再分的单位了,而掌握了原子不久就可以随心所欲地组成任何物质了。
最先和经典物理过不去的却是那被人们忽视它还存在的,比原子还小的小不点微粒,刚开始它们那有违经典物理的举止,并没有引起物理学家的多少注意,只需套用某一部分经典物理理论,片面解释一下就懵过去了,矛盾在这样的解释下就越来越多了。而当受紫外线照射的金属放射出电子的现象在经典物理中根本找不到解释。对经典物理来说,终于酿成了“紫外灾”。实际上凡是频率超过紫外线的微粒运动从χ光直至γ射线这部分理论在经典物理中几乎完全是空白的,至于千奇百怪的宇宙粒子更是一无所知了。
“最小的不可再分的原子”终于被发现可分解得支离破碎了。甚至连其原子核也被砸开了,从里面蹦出来质子、中子又可再分成更小的微粒。物理学终于打破了旧框框迈入了量子力学的新时代。这个新时代的领路人是爱因斯坦,他因正确解释了光电效应而荣获1921年度诺贝尔物理奖。
那么物理界最小的物质到底有多大呢?现在的回答只能说是无穷小。这正如现在尚不具备探测无穷大的宇宙空间一样,现在同样也不具备探知无穷小的微粒的手段。我们只能想象一下,既然是物理界最小的物质,那么它必定是小到不可能再分解的最小的微粒了。那么它远远小于原子,及组成原子核的中子、质子、甚至小于组成中子的夸克、轻子等微粒;它应该比目前认为已发现齐了的十二种最小的组成物质的微粒——6种夸克和6种轻子还要小。而夸克和轻子的大小已不到原子的十亿分之一了。
小到什么程度呢?应该想象将它砸开后只可能得到与它物理性能完全一致的东西,否则若还出现别的东西,它就无法称为最小的物质了。并且继续砸下去均只能得到更小的同样物质,至于究竟能砸到多小,难以想象出来,只是估计会出现人类也许是暂时再也没办法将其砸碎的情况,相对而言这就是极小的物质了。
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日期:2009-10-21 09:06:03
这最小的物质可以称之为“基本粒子”它无论是在传输过程还是在参加组成其它物质的过程都必须也只可能以自身整体不可分裂的形式百分之一百的参与进去。
人们在寻求物理界的大统一理论时,应该是追寻适用于一切物理界从无穷大到无穷小均统一的规律,同时也是寻求组成从无穷小直至无穷大的所有物理世界的最基本物质,那么该物质必定属于我们目前尚只能归之于无穷小的极小物质了。一旦找到了它,就如同当年化学界发现了原子一样令人欣喜若狂,人们可以遵循已知的所有物理规律,按照人类的意愿选取捷径,来组合成所有需要的东西以及获得巨大的能源。
按照爱因斯坦的质能方程式,极小的物质可以变成巨大的能量。人类最初利用物体的动能、势能、那时只能在质量很大的物体中取得很少的能量。随着科学进步,人类学会利用化学能,这时在单位物质中获取的能量远远胜于前者,人们由组成分子的原子间取得了能量。物质燃烧时只能放出几个电子伏的能量。进入量子时代,原子已不再是不可分的了,人类砸碎了原子,向组成原子的微粒索取了巨大的核能,一克U235全部分裂时,可放出的能量相当于2.5吨优质煤所提供的能量,那么我们若向组成原子核中的质子、中子的更小阶层的微粒索取的能量,是否应该比核裂变、核聚变产生的能量更大呢?爱因斯坦的质能公式是否在启示人类逐层向物理界的无穷小进军,就能逐级取得一次比一次更为巨大的能量。
宇宙大爆炸前,在奇点内蕴藏有整个宇宙的物质和能量,而奇点的直径至少小到近似于零,它应该就是物理界的无穷小的微粒组成。这是否能说明越小层次的微粒之间,包含有更为巨大的能量,这不正是我们索求的吗?
在黑洞形成的理论中谈到,当质量为0.08~8个太阳质量的恒星塌陷时,当由其质量形成的引力与中心能量形成的张力达到平衡时,最终变成了直径为几千英里、密度达每立方英寸几百吨的白矮星,当塌陷的恒星质量增加到30个太阳质量时,最终变成了直径为几十英里、密度高达每立方英寸几亿吨的中子星。当质量继续增加到大于50个太阳质量时,最终塌陷成奇点——黑洞;这也就意味着黑洞中的微粒比中子更小,它也就是我们寻求的物理界中的最小物质。黑洞——奇点的直径应该不为零,它应该是所有组成黑洞的最小物质所形成的球体,直径仅仅是近似于零。
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日期:2009-10-22 07:53:09
进入量子时代,人们已逐步认识到宇宙中充满微粒,一些物理试验要躲到1000米厚的石洞里去做,就是尽力躲避空间微粒的影响。抽成真空的玻璃瓶,液体、气体均无法钻进去,但却阻止不了光子长驱直入,穿行无阻。物理界拿不出任何坚固的物体能全部阻当住电子、光子、χ射线、γ射线等等微粒的前进,就是我们人体本身每秒钟就会有100个次级低能粒子毫无知觉地穿越每个人的身体。每天都不住地被无以计数的微粒穿行。这就说明通常物质中永远存在无数大大小小的间隙,尽管这些间隙并不允许液体、气体通过,但总有某些微粒可轻而易举地畅通无阻,不仅是分子之间,就拿组成分子的原子来讲,在原子核与围绕它旋转不息的电子之间就存在着远大于原子核万倍以上的间隙,这也就是说在小小的原子中,真实的实物的体积只占它总体积不足万分之一。这对比中子还小的微粒来说,这通道可就太宽敞了。黑洞——奇点、质量远比中子星大,直径远比它小,是否也暗示了我们,中子内部含有间隙,并且这间隙相对小微粒来说太大了。当然,微粒主要还是凭借着自己具有巨大的能量及极高的频率与速度闯行无阻的。而它那微小的体积既利于穿越又不至于给被穿行者带来危害。
我们正在探索物理界的无穷大与无穷小之谜,为的是全面了解物理界,寻求整个物理界统一的规律。我们至少应能争取了解到:大到人类生存所需的宇宙空间,小到组成一切物质的基本粒子。目前人类仅具备对小到10^(—17)米的亚核世界,大到150亿光年(1.439×10^27米)左右的整个宇宙范围进行研究的能力。
牛顿对宇宙的看法是所有天体都是静止的,空间范围无限大。爱因斯坦早期是坚信不变的稳态的宇宙,并曾为自己的相对论方程预言宇宙会坍缩深深困扰。后期终于接受了宇宙膨胀演变理论。
霍金主张宇宙由一个具有无限密度,体积为零的奇点,大爆炸而诞生。而大挤压时宇宙又坍缩成同样体积为零具有无限密度的一个奇点而终结。这也是目前在宇宙理论中占主流地位的理论,该理论也是由相对论发展来的。
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日期:2009-10-23 08:54:31
第四章真 空
说起真空,几乎所有的人都会告诉你,那就是什么也不存在的空间。
不过,我们通常所讲的真空 :譬如暖瓶胆夹层里抽成的真空、在电灯泡制作过程里面抽成真空等等。
谁都能举出这样一个实验例子:在一个密闭的玻璃罩中放置着一个闹钟正在闹响。当将玻璃罩中的空气逐渐抽尽的过程中,发现闹铃声逐渐减弱,以至于最后只能看见闹钟上的小锤正在不住地左右晃动敲击小铃铛,但是却一点声音也听不见。这便就是因为玻璃罩里面的空气已经被抽完,变成真空了。
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