# 第二章 基本物理

# 引言

所谓“理解”某种事情指得是什么意思?可以作一想象:组成这个“世界”的运动 物体的复杂排列似乎有点像是天神们所下的一盘伟大的国际象棋,我们则是 这盘棋的观众。我们不知道弈棋的规则,所有能做的是就是观看这场棋赛。当然,假如我们观看了足够长的时间,总归了看出几条规则来。这些弈棋规则就是我们所说的基础物理

# 1920 年以前的物理学

在 1920 年以前,我们的世界图像大致是这样的:宇宙活动的“舞台”是欧几里得所描绘的三维几何空间,一切事物在被称为时间的一种介质理变化,舞台的基本元素是粒子,例如原子,他们具有某些特性。首先它们具有惯性:如果一个粒子正在运动,它将沿着同一方向继续运动下去,除非有力作用其上。此外第二个基本元素就是力,当时认为共有两类力。第一类是一种极其复杂细致的相互作用,它们以复杂的方式将各种原子约束在不同的组合之中,它们决定当温度升高时食盐是溶解的快些还是慢些;另一类已知的力是一种长程的相互作用,它是与距离平方成反比而变化的平缓的吸引力,称为万有引力。

事实上,在 1920 年之前,爱因斯坦就已改变了把空间看作是三维空间,把时间看成单独存在的这种图像。他首先把它们组合在一起,并且称之为时空,然后又进一步用弯曲的时空来描绘万有引力,这样,“舞台”就变为时空 ,而万有引力则大概是时空的一种调整。

# 量子物理学

量子力学有许多观点。

首先,一个粒子既有确定的位置也有确定的速度这种概念已被抛弃,那是不正确的想法。表明经典物理是怎样不正确的一个例子是,在量子力学中有一条定则:不可能既知道某个粒子在什么地方,又知道它运动得多块。动量的不确定性与位置的不确定性是并协的,两者的乘积是常数。

另一个由量子力学带来的在科学的观念和哲学方面最有趣的变化是,在任何情形下要精确的语言会发生什么事都是不可能的。

哲学家曾经声称:科学所必须的基本东西之一就是,每当你安排了相同的条件时,那么发生的必定是同一件事。但是,这完全不正确,它并不是科学的基本条件。事实是所发生的并不是同一件事,我们所能得到的只是发生一些什么的统计平均。

假如有人告诉我们说,同样的实验总是产生同样的结果,这固然很好。但是当我们试了一下后,发现并非如此,因而结论的确就是并非如此。我们正是必须相信自己所看到的,然后才能借助实际的经验来形成我们的一切其他观念。

现在让我们回到量子力学和基本物理上来。当然,我们还不能详细阐述量子力学的原理,我们假定它们成立,然后叙述一些结果。其中一个结果是,我们通常视为波的那些事物也具有粒子的特性,而粒子则具有波的特性。实际上,每一种事物的行为都是一样的,不存在波和粒子的区别[^1]。这样量子力学就将场的概念和波与粒子统一起来。

于是,我们对电磁相互左右有了新的见解。我们把一种新类型的粒子加入电子、质子及中子的行列,这种新的粒子称为光子。而这种电子与质子相互作用的新的见解称为量子电动力学,它就是电磁理论,不过其中的一切在量子力学上都是正确的。这是光和物质,或电场与电荷之间相互作用的基本理论,就物理学来说它是我们最伟大的成就。在这个理论中,我们得到了除万有引力与原子核过程之外的所有一般现象的根本规则。

这样,在原则上,量子电动力学是一切化学以及生命的理论——如果生命最终归结为化学,因而也就归结为物理的话。 不仅如此,量子电动力学这个伟大的理论还预言了许多新的事实。比如高能光子、γ射线,反物质等。

# 原子核与粒子

原子核是由什么组成的,这些东西又是怎样结合在一起的?人们发现,原子核是靠巨大的作用力结合在一起的,当这种力释放时,其放出来的能量比化学能大得多,问题是,究竟是什么力使得原子核中的质子和中子结合在一起呢?

汤川秀树提出,就好像电磁相互作用可以与光子联系起来,中子和质子之间的作用力也有某种场,当这个场晃动时就好像一个粒子一样。他预言它们应当由二三百个电子那样大的质量,后来被发现确实有这样的粒子,被命名为 π\pi 介子。

这样除去质子和中子外,为了得到核力,我们还必须加上 π\pi 介子。但我们被这个理论难住了,我们不知道它究竟时正确的还是错误的,但却知道它有点小小的错误,或者至少是不完全的。

今天我们已经发现了大约30种粒子,我们并没有把这些不同的粒子理解为同一件事情的不同方面,我们有这么多相互无关的粒子这件事本身就表明,我们还没有一个能够说明这么多相互无关的信息的良好理论。

这样,我们就面对着一大群粒子,它们看来都是物质的基本组成部分。幸运的是,这些粒子彼此之间的相互作用并不完全都是不同的。事实上,粒子间的相互作用看来可以分为四类,按照强度递减的顺序排列,它们就是:核力(强相互作用 ),电磁相互作用,β衰变(弱相互作用)以及引力。

其中,光子与所有带点粒子会发生耦合,这种耦合的详细定律已经知道,那就是量子电动力学。引力和所有的能量发生耦合,这条定律也已经知道了。然后还存在所谓的弱衰变——β衰变,它使中子蜕变为质子、电子及中微子,其过程是比较缓慢的,这种作用的定律只是部分知道 。还有所谓的强相互作用——介子和中子之间的相互作用,它的规律则完全不知道。

# 总结

总结一下,这样说:在核外,看来一切都已经知道了;在核内,量子力学是正确的。可以说容纳我们所有知识的舞台是相对论性时空;也许引力也包括在时空之中。


[^1]: 德布罗意波,也称为物质波(英语:Matter waves)是量子力学理论的中心部分,同时也是波粒二象性的一个例子。该理论指出所有物质都表现出波动性。