关于二十世纪物理学与人类发展的联想

发布时间:2015-01-11    编辑:物理学法小组    来源:网络&投稿

著名法国物理学家朗之万(Paul Langevin)曾在1931年发表的一篇文章中写道:“必须放弃许多旧的习惯和概念,必须在理解上和想象上尽最大的努力,才可以发展可及时领悟那些研究者们为解释新观察到的事实而提出的越来越大胆的新理论。我们感觉到很难按现代物理学所呈现的宇宙形式来训练我们的思想。我们的思想需要不断创造出一些新的解释方法,以免落后于实验科学的惊人的进步。”

朗之万当年所面对的仅仅是80年前的“新观察到的事实”和“物理学所呈现的宇宙形式”,就已经为之感叹“实验科学的惊人的进步”。而在这以后,实验科学的发展速度之迅猛、新观察到的事实之多样、物理学所呈现的宇宙形式之奇妙,更是令人难以想象的。在这之后,愈益复杂的仪器和技术的发展和应用,大大超出了前人的预料。伽利略的望远镜、列文虎克的显微镜、卢瑟福的“线和封蜡”,诸如此类曾经做出过重大科学发现的实验工具,统统被送进了历史博物馆。取而代之的是,巨型天文望远镜或者卫星载大型望远镜、大型地面探测器阵列、能透视大型集装箱货车的自动化检测装置、能产生光束亮度比最强的探照灯还强百亿倍的激光器、能对DNA分子实施切割技术的扫描探针显微镜、用上万个新式微处理器连成巨大并行机的超级计算机、用航天飞机载往空间站并在太空运行的磁谱仪,如此等等。描述集成电路技术进展速度的“莫尔定律”最能表达这种快速发展。自20世纪60年代以来,集成电路的发展就一直遵循英特尔公司的创始人莫尔(Gordon E.Moore)于1965年预言的关于集成电路的发展规律,即莫尔定律。莫尔定律是说,集成电路的集成度(一块晶片上集成的晶体管和其他元件的数目)每3年增长4倍,而特征尺度每3年缩小一半。1958年基尔比发明集成电路时,一块硅片上只安装了12个元件,如今一块小小的芯片上则含有数百万个独立的元件,使微电子技术中的“微”字真正名副其实了。

实验科学技术令人瞠目的突飞猛进,使得以物理学和相关学科的发展为基础的自然科学,在横向和纵向上的延伸都超出了先哲和先贤们的预料。许多新兴学科,例如粒子物理学或者说高能物理学、原子核物理学、电子学、微电子学、等离子体物理学、低温物理学、宇宙线物理学、空间物理学、天体物理学、宇宙学、分子生物学、生物化学、量子化学、神经物理学和计算机科学等等,遍及宏观、宇观、介观、生物、微观领域。知识总量的大幅膨胀使得科学家中有人如此感叹:“如今没有几个学者能够不加任何限制而自称为数学家或物理学家或生物学家。”

在19世纪与20世纪之交,原子是否存在的问题,在科学界曾是长期争议和冲突的焦点。著名物理学家玻耳兹曼(Luduig Boltzmann)不幸于1906年自杀而亡,不少人猜测导致这一惨剧的主要原因是他的分子运动论受到实证论者的攻击。在实证论者看来,整天拿假设的、不能直接看到的像原子那样的东西说事是不科学的。原子假说自道尔顿(Johh Dolton)1803年提出之日到玻耳兹曼自杀之时,争论历时百年。如今还会有人怀疑原子的存在吗?正常心智的人是不会的。人类的科学实践不仅以原子弹、氢弹那种骇人的方式把“原子能”呈现于世,而且以“眼见为实”的方式把单个原子撷取出来让人直接看到它(例如科学家们用扫描探针显微镜把48个铁原子排列在铜表面上形成一个圆形围栏)。

我们的先人曾经用神话和臆想来描绘世界。例如“嫦娥奔月”和“盘古开天地”的故事。而在当代,人类已实现了登月的壮举,对有史以来总是可望而不可及的嫦娥的居所进行了实地考察。更有甚者,人们不仅用“大爆炸”理论解释了宇宙的起源,还在实验上探测到了大约150亿年前那次“大爆炸”的“回声”;而且,高能实验物理学家们已经在用相对论重离子对撞实验来产生原初物质,以模拟和再现宇宙诞生时的情景。

如果没有正确的元素概念及其科学的研究,人类就会局限在“水大、地大、风大、火大”或者“金、木、水、火、土”的圈子里,任凭炼金或炼丹术士的风箱和坩埚吞云吐雾;如果不了解空气的组成,人类就不知道自己赖以生存的氧气为何物,更谈不上气体的液化和由此引出的超导现象;如果没有原子、分子论的建立,就无所谓认识生物大分子DNA(脱氧核糖核酸)的双螺旋结构,也就无所谓认识生命现象最本质的内容;如果不对原子和原子核做解剖,就不会发现“比一千个太阳还亮”的新能源,也就不会发现奥妙无穷的粒子世界。总而言之,是探索自然奥秘的科学研究方法的发展和进步,使人类在认知过程中到达一个崭新的境界。

不论是刀耕火种的远古,还是星际遨游的现代,人类总是以无限的激情和不尽的欲望来积极从事所有可能的智力活动。而智力活动的发展,也是人类根据不同时期所能感悟到的物质的尺度的发展。这种尺度在向着一大一小两个方面延伸,一个是极大的宇观尺度,一个是极小的微观尺度。若将日常生活中的或者说传统的大小概念与宇观世界的“大”和微观世界的“小”做比较,则真是小巫见大巫。我们的眼睛无法直接看到这样的“大”和“小”,它们都不属于“眼见为实”的范畴。下面让我们看看这种“大”,大到什么样子;看看这种“小”,小到什么程度。

宇观世界指的是整个宇宙即总星系。总星系含有上百亿或者说个10的10次方星系。较大星系的半径为10的18次方千米的数量级。我们熟悉的银河系只是一个不算大的星系。业已观测到的宇宙,若把它看做球状,其半径则大于10的23次方千米。

我们人类得以衍生和赖以生存的地球,不过是个半径为6385千米的较小的行星,它环绕着一颗半径约为70万千米的恒星即太阳运行。太阳位于一个包含上亿颗星的巨大星系即银河系的边缘上。根据天文观测资料的证据和宇宙学标准模型的预言,银河系和其他星系正以每秒几百甚至几千米的速度各向远离我们而去。这种速率与星系间的距离成正比,即相距越远的星系,各向飞离的速度也越大。不论是银河系还是宇宙,都像一个被不尽水流灌注着的湖面,它不停地向四周盈溢,日益辽远。

我们能够局部地看到并容易意识到宇宙世界的存在。倘要领会深奥性和复杂性都与之相仿佛的微观世界,或者说“朦胧的量子世界”的存在,则更费心神。

我们的眼睛看到某个物体,是看到这个物体发出或反射的光并将它转变成信号,由大脑将其理解为相应的图像。然而,即便是最敏锐的眼睛,也无法辨别尺度小于视网膜上感光细胞间距的物体。为了看到这样小的东西,需要借助显微镜一类仪器或者其他探测工具。微观世界的国门是建立在原子尺度界碑上的,它为10的-10次方米。略大于这个尺度的领域,例如纳米(10的-9次方米)附近范围的,新兴了一门介观物理学,意指介于宏观和微观之间的物理学。为了观察微观世界,物理学家们采用了各种各样的方法,主要是利用粒子加速器来产生越来越短的波长,以便探测到越来越精细的东西。现在介观物理的一个分支──纳米科技已取得了长足的进展。比细菌的微米(10的-6次方米)尺度还小4个数量级的原子竟有深层的内部结构,这点似乎不可思议。然而,在20世纪初期就已确认,原子是由电子和原子核构成的。原子核的半径虽然只有10的—15次方米,即大小仅为原子的十万分之一,科学家却具有整个原子的几乎全部的质量。到了20世纪30年代,物理学家们得知原子核又是由质子和中子组成的,以为这就是微观世界的终极。可是,对来自外层空间的宇宙线的研究和通过强大有力的加速器实验,却在60年代发现了物质结构的更深层次,即发现质子和中子等所谓基本粒子大都是由叫做夸克的更小的粒子组成的。

人类集体的创造力建立起来的20世纪物理学,已经能够解释大自然的很多现象。从极大尺度的宇宙到极小尺度的粒子世界,这两个极端尺度之间的物质运动的很多细节都能得到合理的解释。关于宇宙的演化问题和物质的结构问题,原来以为是两个互不相干的研究课题。而当人类感悟到的物质尺度,大的如此之大而小的如此之小时,却发现极大与极小之间有着密切的联系。对宇宙的起源及其演化的解释,离不开物质的微观结构理论。例如,应用粒子物理知识,可以计算大约150亿年前宇宙诞生最初几分钟的化学元素的生成情况,而用任何其他方法都做不到这一点。反过来,对粒子物理的探索,又常受宇宙学原则和天文观测资料的制约,广漠的天宇成了物质结构研究的天然实验室。只要让我们的思想跟上科学技术的进步,就能对我们所热爱的大自然有着比较全面的了解。

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