毛主席“物质无限可分”思想及相关科学史素材

关键词: 层子理论,坂田模型,毛粒子

早在1963年的下半年,毛主席看到日本物理学家坂田昌一所撰写的《基本粒子的新概念》一文后,就再一次地提出了粒子是否可分的问题。

1964年8月8日,毛主席找了几位哲学工作者谈话,特别赞扬了坂田所说的“基本”粒子并不是最后的不可分的粒子的观点。毛主席说:“列宁讲过,凡事都可分,举原子为例,不但原子可分,电子也可分。可是从前原子不可分。”坂田的《对话》在《红旗》重新发表以后,《红旗》及其他报刊又约请了一些哲学家和科学家进行座谈和撰写讨论性文章。1965年第9期的《红旗》还出了一个讨论专辑。著名哲学家艾思奇等许多学者都参加了讨论。

早在1960年,中国在杜布纳从事粒子理论研究的几位工作者,朱洪元、周光召、汪容、何祚庥等人,曾在1960年第二期的《自然辩证法研究通讯》上发表过一篇《现代基本粒子理论的新发展以及其中存在的一些哲学问题》的论文,其中已指出:“实践已经证明基本粒子有一定的结构”,“对称性质是基本粒子最根本的性质”,“在原子的概念确立以前,人们苦于化学化合物种类的繁复和纷杂,但是在原子的概念确立以后,复杂而纷乱的化学现象便得到了统一的解释。……今天基本粒子的数已经多达27个,而且还有继续增加的趋势。因而人们当然有理由期待在如此丰富的基本粒子现象里面,也一定能找到一个能更深入地反映全部基本粒子运动规律的统一的理论,解释一些目前理论所不能解释的基本现象,并且预言一些新的目前未发现的事实。”如此等等。那么,到了1965年,在毛主席的“无限可分”的哲学思想启示下,粒子理论工作者就更是跃跃欲试地共同参加到粒子结构问题的研究之中。

从1964~1966年间,不仅仅中国科学工作者关注到粒子中的强子的结构,而且有许多世界一流科学人士,也都关注到这一重大理论问题。其中最为突出的是美国科学家盖尔曼教授的一项经典式的工作,亦即提出了强子可能由“夸克”的组成的观念。从1965~1966年,在总数为39位学者的共同工作之中,中国物理学家们终于建立了一个能解释许多粒子物理实验现象的理论——层子模型。这一模型不仅可以包容盖尔曼教授所提出的夸克方案,也还能包容其它可能的,也能解释许多粒子物理实验现象的各种方案。

1977年,诺贝尔奖获得者格拉肖还对毛主席所说“物质无限可分”的观念作了如下的评述: “洋葱还有更深的一层吗?夸克和轻子是否都有共同的更基本的组成部分呢?许多中国物理学家一直是维护这一观念的。我提议把构成物质的所有这些假设的组成部分命名为‘毛粒子’(Maons),以纪念已故的毛主席,因为他一贯主张自然界有更深的统一。”

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[ 本帖最后由 斗争 于 2010-2-26 23:11 编辑 ]

据国外媒体报道,伦敦大学学院科学家在《生物学论文集》上发表的文章称,海底热液喷口的地球化学能量形成了最早的生命有机体。这个研究结果直接挑战80年来已广为人们熟知的生命起源“原始汤”理论。
科学家J.B.S. 霍尔丹(J.B.S. Haldane)在1929年发表了关于生命起源的“原始汤”理论,他认为甲烷、氨和水在紫外线等能量的作用下,逐渐变成了原始地球海洋中的第一批有机分子。
但持怀疑态度者提出,依托“原始汤”理论,不能产生持续的能量来使得反应继续,生命在没有能量的情况下是不可能存在的。文章第一作者,进化生物学家威廉·马丁(William Martin)说:“作为生命起源的主流假说“原始汤理论”存在生物能量和热力学方面的缺陷,因为依托这个理论,不能产生生命所需要的能量。”
伦敦大学学院尼克·巷(Nick lane)博士带领研究团队,通过研究天然溶洞的微观蜂窝状热液喷口的地球化学梯度来确认出形成第一个生命体的能量来源。
研究团队利用化学家迈克尔·J·拉塞尔( Michael J. Russell)的理论,即在碱性深海热液喷口所形成的化学梯度和现在的所有活生命体使用的化学梯度非常相似的理论来开展研究。早期生物利用这些梯度进行了一个称之为化学渗透的过程,质子梯度用来驱动合成生命体活动能量的直接来源ATP,细胞随后进化,通过从捐赠者到受体之间进行电子转移的方式,形成自身的质子梯度。研究者认为,第一个捐赠者为H,第一个受体为CO2。
尼克·巷博士说:“教科书上都说生命起源于“有机汤”,有机分子发酵产生第一个细胞,并产生ATP,ATP是生命活动能量的直接来源。我们的研究为生命起源研究提供了新的视野。我们认为生命起源于诸如H2、CO2、N2和H2S等气体,而形成第一个生命的能量来源于地球深海热液喷口的化学能。”(尚力)

海底生命起源

在太古代,生命刚刚起源的时候,地球上还没有绿色植物。那个时候,地球处于高温、缺氧的环境,与今天深海海底环境十分相似。因此,科学家们非常想通过研究深海环境,来想象当年太古代的情景,探寻生命起源之谜。

通常以为,越往深海的地方水温越冷,可其实并不都是这样。1977年,美国的“阿尔文”号深潜器在东太平洋下潜时,发现了令人吃惊的事实:原来这里的洋中脊有海底热液口,温度高达300℃,富含硫化物的高温热液如“黑烟”状喷出,冷却后形成“黑烟囱”,竖立在海底。

2007年,我国的“大洋一号”执行第19次海洋科考,在西南印度洋中脊成功发现了新的海底热液区,并取回了珍贵的“黑烟囱”样本。这是西南印度洋在超慢速扩张的洋中脊上,首次发现的热液喷口。

有趣的是,在“黑烟囱”的周围,发现了大量以硫细菌为基础、以管状蠕虫为代表的动物群,它们依靠地球内源能量即地热的支持,在深海黑暗和高温的环境下,通过化学合成作用生产有机质,构成“黑暗食物链”。以后的调查,又在各大洋的洋中脊分别发现了不同类型的“烟囱”和热液动物群。原来在深海的海底,沿着地球深部的“窗口”,有着另一个奇特的世界:这里的“黑烟囱”一天可以长30厘米,但长得快、倒得也快;热液生物也生长神速,那里的蛤类有1尺大,管状蠕虫可以有3米长。对这些全新的成矿过程、全新的生物群,人类完全缺乏了解。

深海热液作用的发现,为生命起源的研究开拓了新途径。达尔文对生命起源并无专门论着,但他1871年在给朋友的一封信里提到,最早的生命可能产生在“一个小的暖水池”里,这即是后来各种版本“原始汤”的来源。“原始汤”的生命起源假说至今未能证实,但热液假说可以帮助克服其中的困难。因为在热液口,温度的梯度非常大,刚喷出的热液是300℃,而海底的水温是2℃~4℃,而且这个地方pH值和氧化还原点也有极大的梯度,在这种时候最容易形成、进行化合作用。而“黑烟囱”上面有各种各样的物质,生命起源可能就在这“铁硫世界”里。当然这一假说有待证明。

此外,光合作用也有可能起源于深海。科研人员在大西洋深海热液口发现,有一种虾虽然没有眼睛,但背上有一条感光区,对蓝绿光极为敏感。在黑暗的大洋深处,为什么要感光?难道深海中有光吗?为了探明这点,美国科学家在2000米深的海底曾关闭深潜器灯光5分钟,结果,在热液口拍到了光。这是一种物理现象,当温度很高的时候可以发出光来,而这种光显然被最早的某一种生物利用,这种生物的优越性就显示出来了,把生物的演化往前推进——可能这就是光合作用的起源。

达尔文进化论的思想虽然产生于“贝格尔”号环球航行,但他的依据并不是来自海洋。40年后英国“挑战者”号的环球航行才开启了深海研究的新时期。最近30年来对深海的研究,更是大大拓展了生物圈的概念,现在有人认为,地球上活的生物量的30%是在地下“深部生物圈”里。深海的探索为进化论提出了全新的命题,也为进化论的深入提供了全新的机会。
如果我们用1天24小时来比喻自地球起源直至今日的进程,那么,地球形成是在零点(约45~48亿年前),最古老的原核生物出现在凌晨4点(约38亿年前),中间有一段很长的时间,地球上一直十分平静,直至寒武纪生命大爆发,是在晚上9点15分(5亿4千万年前),出现了大量动物门及亚门生物,各种各样高级动物造型及骨骼和器官开始出现。哺乳动物出现在晚上23点40分,而人类登场是在最后的1分多钟。

1831年底,达尔文随“贝格尔”号扬帆起航,途经大西洋、南美洲和太平洋,沿途考察地质、植物和动物,一路上做了大量的观察笔记,采集了无数的标本,为后来的进化论研究提供了第一手资料。5年后,“贝格尔”号绕地球一圈回到英国。

这里不得不提的是南美洲西岸的加拉帕戈斯群岛——达尔文进化论的发祥地。在那里,达尔文发现许多种燕雀,有的雀喙细弱,专吃昆虫;有的雀喙短粗,可啄食坚硬的种子;还有其他形状的雀喙,可兼吃多种食物,如幼芽、树叶、昆虫等。达尔文认为,这些不同的燕雀是来自美洲大陆的同一种燕雀的后代,它们各自为尽量利用当地的食物而演化出不同的形态。达尔文推断,一种动物会演化出许多不同的新种。

在此之前,达尔文在美洲大陆也有非常重要的发现:相邻地区分布着相近物种,从北到南可排成系列。距离越远,区别越大,可见地理隔离与物种变化关系密切。此外,多少万年前已经灭绝的物种,与南美大陆现存的生物间也有着绝妙的关系,如犰狳、树獭、羊驼等,均源自南美同一祖先。

回到英国后,达尔文经过20多年长时间的认识和思考,终于完成了《物种起源》这部巨著,对生命起源和演化这一极其漫长而又纷繁复杂的过程提出了“进化论”的科学解释。

但是达尔文也有很多困惑,如眼睛是怎么会产生的?鸟类的羽毛有什么意义?是否存在生物突变?还有很多生物他找不到中间过渡类型。

古生物学者重视化石记录和含化石的地层学,尽管化石记录有其不完备性,但它是客观、栩栩如生、可靠和可信赖的,没有这些,难以信服演化进程与模式。

化石是地球历史的见证者,在人类还未出现的数亿年前,要了解生物的进化过程,最可靠的证据就是地层中出土的古生物化石,目前发现的古生物化石记录证实,生物的确是适应环境、进化的结果。

我国地大物博,古生物学、地层学、地史学方面的科学材料与信息资源浩如烟海。自上世纪以来,在我国境内发现的多处古生物化石群为进化理论提供了有力佐证——

我国华南的瓮安生物群,保存着6亿年前后多个多细胞生物化石库。其中胚胎和幼虫化石对比研究发现了不同类型分裂方式的胚胎。

位于云南的“澄江动物群化石”,是目前世界上发现最古老、保存最完整的软体动物化石群,曾被国际学术界列为“20世纪重大科学发现之一”。澄江化石群生动地再现了“寒武纪”之初的生物世界,不仅包含了许多早已灭绝的奇异生物类型,还将现生动物几乎所有门类的祖先追溯到寒武纪初期。科学家们在这里发现了40多个门类的80多种动物,其中包括已知最早期的节肢动物——抚仙湖虫、地球上最早的步行者——微网虫以及最早的脊椎动物——云南虫的化石,成为探索早期海洋生命世界和多样性的特异窗口。其中海口鱼和昆明鱼化石,被学者认为是代表着鱼类从无头类向有头类演化的一个过渡类型。
在我国东北部,包括辽宁、内蒙古、河北,出现了侏罗纪到白垩纪时代的保存非常完美的化石,其中最著名的是热河生物群,展示了一个从植物、无脊椎动物、爬行类到哺乳类动物充满生机的生物辐射世界。其中鸟类的演化最引人注目。通过对恐龙和早期鸟类羽毛的研究,学者们提出了羽毛起源的不同假说。我国专家发现了四肢都长羽毛的爬行动物,为验证鸟类飞行的“树栖起源”说提供了重要证据,也首次为“四个翅膀阶段”说提供了新的关键性证据。

整个地球世界除了有生物辐射外,还发生过大大小小许多灭绝事件,其中最明显的是5次大的生物灭绝事件,不但波及面广、涉及类别多,且灭绝量大,大约60%以上的类别均遭灭绝,导致多样性和悬殊性下跌、生态位明显空缺、生物地理分区的格局发生了很大改变。

然而,在生物灭绝事件中也出现几个特点:一是原来占优势的种群开始“落伍”,而以前不起眼的弱势类群慢慢“崛起”,如古生代海洋中处于优势地位的腕足动物门在二叠纪末大灭绝以后,如今只残留近100个属。可是软体动物双壳类,如牡蛎等,却由于腕足动物的衰退而因祸得福,至今一直是世界上最繁盛的海洋生物之一。二是那些个体变大、器官特别发达、只适应某种环境、一时得天时地利的优势种群,由于适应环境突然变化的能力下降,一旦遇到灾突,便束手无策。如6500万年前的那次大灭绝,恐龙、霸王龙等体型庞大的动物都灭绝了,少量的爬行动物发展到现在,而哺乳动物却成为世界的霸主。

从上面的例子可以看出,生命有简单和复杂之分,但没有高贵和低微之分。人类在过多地关注自身发展、破坏环境的过程中,自身抗灾害能力在下降。同时,变化会在一切时空范围内产生,所以,我们应平静地面对所有的变化、变异、变革,适应社会,适应环境。竞争不是为了消灭对方,更重要地是应该在竞争中帮助对方,学会共存。很多生物之间的关系表明,如果把对方消灭了,自己也很难生存下来。

生命进化的历程是曲折、漫长、纷繁复杂的,生命进化的历史就是长期、缓慢的变化过程被一系列事件,如环境的突变或灾变所打断,生生灭灭,不断地革新。人类是属于大自然的,但不能超脱于大自然,更不能破坏大自然。

达尔文发表《物种起源》到现在只有150年,而我们的一生更为短暂。进化问题大得出奇,化石研究历史却非常有限,很多化石还没有被发现,重大演化问题尚未解决。进化宣传普及任重而道远,需很多代人不懈努力。

seti计划 (地外文明搜寻计划)

SETI@home是一项旨在利用连入因特网的成千上万台计算机的闲置计算能力“搜寻地外文明(SETI)”的巨大工程。参加者可以用下载并运行屏幕保护程序的方式来让自己的计算机检测射电讯号。


seti是如何工作的?
目前存在的绝大多数SETI程序,包括在加州伯克利大学(UC Berkeley)大楼里大型计算机上运行的程序,都在实时的对从天文望远镜收集来的数据进行分析。这些计算机都没有对这些微弱的 信号进行深入的分析,也没有试图搜索更多种类的信号(关于信号的类型,将在后面讨论)。之所以没有这样做的原因是用来进行分析的计算机的处理能力是有限的。要想从大量的极其微弱的信号中发现什么的话,必须需要极其大量的计算机的处理能力,因此需要一台完全难以实 现的超级计算机来完成这个工作。SETI计划根本不可能也没有能力建造或者购买这样的计算机,因此他们采取了另一种平衡的方法。那就是用比较小的计算机而花更多的时间来完成这个 工作,而不是用超级计算机和比较短的时间内完成这个工作。但是新的问题是,这样就会有许许多多的堆积如山的数据等待处理。那么,他们是否可以利用大量的这种小型计算机同时处理 不同的数据呢?SETI计划能在那里找到成千上万的计算机,并且能过不断的处理从阿雷西博 (Arecibo)射电望远镜收集的数据呢?
伯克利(UC Berkeley)的SETI计划的成员注意到已经有成千上万的计算机是可以利用的。这些计算机中有很多通常都是什么也不做,只是在运行屏幕保护,白白的浪费电。因此,SETI@home也就产生了。SETI@home希望你能够允许我们在你不使用计算机的时候借用它来 帮助我们“……寻找新的生命形式,寻找新的文明”。我们将利用运行在你的计算机上的屏幕保护程序来完成这个工作,它能够通过互联网从我们的服务器上获得一个数据包,分析它并将 结果返回给我们。当你需要用你的计算机工作的时候,屏幕保护程序会立即退出,只有在你完成工作而不使用计算机的时候才开始继续进行分析的工作。
这是一项既有趣而又十分困难的任务。因为这里有太多的的数据要分析,几乎是不可能完成。好在这些要被分析的数据可以很容易的被分解成很多小的数据包,这些小的数据包可以同时被处理,因为它们之间是相互独立的。而且,目前只有很有限的天空能够被阿雷西博(Arecibo)射电望远镜扫描到。在未来的两年里,能过被望远镜扫描的天空将被扫描三次。我们认为对于 这个计划已经是足够了。到那个时候,我们将完成对天空的三次扫描后,我们将会有新的望远镜,新的试验和SETI计划的新的进展。我们希望,那个时候你还能够参加到我们的计划中来。

探索宇宙中的地外文明
如果假设我们的外星邻居们在试图与我们接触,我们也应该寻找他们。目前我们已经启动了若干个计划,用来搜索在宇宙中的其他地方存在着生命的证据。这些计划总称为“SETI(the Search for Extra-Terrestrial Intelligence)”。
我们的太阳只是银河系中大约4000亿颗恒星中的一颗;银河系也只不过是宇宙中数十亿星系中的一个。所以看起来似乎应该有很多的生命存在,我们是否可以做一个初步的估算?第一个做 这件事的人是天文学家弗兰克德瑞克(Frank Drake)。他利用了一个很简单的方程式,现在我 们称为“德瑞克方程(Drake Equation)”,来计算存在其他生命的可能性。方程式非常容易理解,所以别担心,即使是你的数学不是你的强项也没关系。方程式是这样的:
N=R*f(p)*n(e)*f(l)*f(i)L
“N”代表的是在我们的银河系里面可以沟通的文明的数量,它取决于很多因素。
“R”代表在银河系中“合适的”恒星形成的速度。
“f(p)”代表有行星的恒星的比例。
“n(e)”代表在每个恒星的行星中存在着合适的生物圈的恒星的数量。生物圈是指在恒星的一 定范围之内的,并且适合于生命形成的环境。离恒星太近,就会太热;而离恒星太远,就会太冷。
“f(l)”代表那些能够让智慧生命进化发展的行星的分数(比例)。
“f©”代表那些行星上的智慧生命能够达到一定的科技并且试图和外界交流的的行星的分数 (比例)。 “L”代表智慧的,可交流的文明所存在的时间的长短。 让我们简要的看一下这些因素,试着用一些比较合理的数字来代替他们。
虽然毫无疑问的,“合适的”恒星的形成的速度要比银河系的形成要快的多,我们现在仍然可 以“看到”新的恒星的诞生。哈勃太空望远镜(Hubble Telescope)拍摄到天鹰座星云(Eagle nebula)和猎户座星云(Orion nebula),这些星云被称为 “恒星的托儿所”。在这里,巨大的星云气体坍塌形成恒星。一个比较好的关于恒星形成速度的数值是每年20颗恒星,所以R=20。
许多这样的星云都会自转。随着他们的坍塌,星云会越转越快,就象滑冰运动员举起她的胳膊 时一样越转越快,这样会形成碟状的气体团。在碟状气体中心,会形成主要的恒星;逐渐向外侧,小的气体漩涡会形成行星。到目前为止,我们还没有证据表明发现了太阳系以外的行星。 最近几年,有一些由天文学家组成的小组声称发现了围绕邻近的恒星运转的行星(见与Geoff Marcy和Didier Queloz的访谈录)。这些令人兴奋的发现增加了其他行星围绕其他恒星运转的 可能性。我们可以估计一下,由二分之一的恒星是由行星的,而另一半的恒星是双子星系统,所以f(p)=0.5。
n(e)这个参数有点儿麻烦。小型恒星一般是红色且温度比较低的。行星需要运行在离恒星比较 近的轨道上才能处于恒星的生态圈内。而且这种生态圈的范围都比较窄,就象桔子皮一样,能 过留给行星的空间很小。如果行星的轨道离恒星比较近,他们通常都是被“固定”住,永远是 行星的一面对着恒星。在这样的行星上,背对恒星的一侧会及其寒冷,不可能会产生生命。另 一方面,大型的,蓝色并温度比较高的恒星具有比较远和宽的生态圈。当然,从太阳系的情况 来看,行星之间的距离进一步增加了太阳系他们到恒星的距离,所以所谓的比较宽的生态圈也由于这 种情况而不存在了。恒星越大,它的能量就消耗的越快,它存在的时间就不会很长。它们的寿 命是如此之短,以至于在它们形成新星或超新星并自我毁灭之前,生命都还没有产生。在我们 的太阳系里,以中等大小,黄色的太阳为中心的生态圈里面,有两颗(地球和火星)或者三颗(金星)行星。那么处于“生命区”或者说生态圈(ecosphere)里的行星数量的保守估计是1,所以n(e)=1。
下一个参数,f(l)的定义是比较困难的。问题在于,我们只有很少的有关行星可以适合于生命进化的例子。如上面提到的,金星,地球和火星都应该具有合适的环境和条件。我们知道,在地 球上发生了生命的进化,而且似乎现在也有证据表明数十亿年前火星上就存在着简单的生命形 式。这个参数的保守估计是0.2,或者说五分之一的行星上具有可以让生命进化的合适的条件。 所以,f(l)=0.2。
究竟有多少这样的星球能够孕育智慧生命?这是一个很难回答的问题。但是如果我们真的相信 自然选择和适者生存的话,几乎所有的科学家都会认为这个数字应该是百分之百。也就是说, 智慧生命是自然进化的结果。当然,我们只有一个这样的例子,那就是地球。所以,f(i)=1。
有多少智慧生命将会发展科技并用来与外界沟通?如果我们观察一下地球,我们会发现人类正在做这样的事情;但是我们也同时可以看到鲸鱼和海豚,它们也拥有一定的智力,但是它们却从来没有发展它们的科技。我们可以初步估计这个数字为0.5,即f©=0.5。
最后,我们要看看最难决定的参数了。“L”代表的是一个具有高度发达科技和可以沟通交流 的文明所持续的年数。人类也不过仅仅处于进化的这一阶段中大约50年。难道发达的文明在发 展科技到一定程度之后就会毁灭自己吗?还是它们结合在一起在问题发生以前就解决它了呢? 现在我们先不用数字来代替“L”,让我们先代入其他数字,看看我们可以得到什么。
N=R
f(p)n(e)f(l)f(i)L
N=20
0.5
1
0.2
1
0.5
L
将所有的数字都代入等式,我们就得到了N=L。换句话说,在银河系里,智慧的可以沟通的文 明的数量就等于这样的文明存在的年数。我们所用的计算方式至少给我们了一些很有意义的启 示。很多科学家认为,如果一个文明能够在开始就克服科技发展而带来的毁灭自己的趋势,那 么这个文明可能会持续非常长的时间。我们希望那些科学家是正确的。在任何情况下,文明至 少应该持续50年(这也正是我们所开始经历的50年),而且如果文明可以存在上百万年的话,那么我们有可能能够寻找到上百万个文明。

[ 本帖最后由 斗争 于 2010-2-24 13:31 编辑 ]

世人尽知,爱因斯坦把生命的后期投注于找寻至少在原则上能完整解释自然定律的理论。爱因斯坦相信此“统一场理论”能使把广义相对论之美带到所有的自然定律。爱因斯坦留下许多想象空间,却没有如何进行的种种概念。任职普林斯顿高等技术研究院、为物理学界公认的弦论研究先驱爱德华·威顿(Edward Witten)在《自然》(Nature)杂志发表专文,介绍了他对弦论的看法(上图为威顿照片)。
威顿在文章中说,事实上,有许多理由去怀疑爱因斯坦的远景能否实现,或至少在可见的未来,叫人难信可能实现。重要的线索无从取得。回顾爱因斯坦的科学工作,多数的物理学者会说统一场理论的许多重要线索,譬如强与弱的核交互作用、规范理论的角色以及基本粒子的世界等,在他那个时代没人知道。
此外,即便我们设法找到统一场理论,它是否正确我们也不全然有把握。只要简单地结合普朗克常数、光速与牛顿重力常数,我们便可得出长度的一个自然单位,也就是普朗克长度。马克斯普朗克(Max Planck)在100年前首先做出界定,此长度难以置信的小,如果它,或者是像是它的什么东西,是物理的根本,那么一些最重要的现象,人类也许永远无从由实验验证。
1981年当杰出的实验物理学家拉姆西(Norman Ramsey)预测50年内可以厘清统一场理论的纲要,“虽然不尽完美,但能适当结合所有的力。”我依稀记得当时的崇拜之情。拉姆西后来以磁振研究荣获诺贝尔奖。我显然在这方面还没看到什么有效之法,也怀疑有看到的一天。
同时,我只是朦胧知道格林(Michael Green)史瓦兹( John Schwarz)布尔克,(Lars Brink)以及其它人的研究,重启弦论帷幕。最早弦论只是“核力理论”的可能说法之一,十几年前开始发展后遭弃置。后来再度受到重视,主要是寄望它能提供统一场理论一个基础。
到了1982或1983年,我开始注意这方面的研究,它已发展到能成为一个说得通的结合量子重力与物质的多元理论。然而有个明显的瑕疵。弦论看来与弱交互作用(如核贝他衰变)中的“宇称不守恒”不合。宇称不守恒就是指镜象反射中自然定律不变的事实;是基本粒子领域中最重要的一项发现。
1984年,格林与史瓦兹发现反常消除(anomaly cancellation)这一简练的新机制,迅速克服了此项错误。不仅弱交互作用中宇称可以不守恒,尤其在杂弦(heterotic string)之说出现后,得出类似真实的基本粒子模型,很快就变成可能,这些模型结合了所有已知的力包括重力。此时,在统一场理论下功夫,看来就真的有点道理了。
过去20年弦论如此吸引人,有三个基本理由。第一理论在哪儿。弦论是个唯一已知的综合论述,可以把量子场理论说得通。狭义相对论加上量子力学的框架相当严谨,我们等于被动地接纳量子场理论。当前理论框架的严谨性,是物理学家能够发现基本粒子标准模型的主因。像统一论述量子场理论这种巨思,只是偶而出现。因此我们有责任严肃以对。
第二个理由是物理学家在发展弦论所学到的知识。弦论迫使我们接受广义相对论,而标准的量子场理论显然又无法整合广义相对论。而弦论却以极巧的简单方法,得出结合粒子物理与重力的合理雏形。
最后,弦论事后看来内容丰富,比热衷其事者想的更加丰富。弦论让人对夸克囚禁(quark confinement)与黑洞的量子力学,甚至纯粹几何学上的诸多问题,有了透视的洞见。这些都显示弦论方向正确,要不,如许多未预见的概念从何而来?当有人提出不同的看法,弦论又能将之吸纳其中,不管是黑洞熵(物理学家把有序的相反概念,也就是无序状态叫做熵)、量子重力的全像原理、非对易几何(noncommutative geometry)或扭子理论(twistor theory)等。
但弦论是什么?它是唯一能结合重力与量子力学的论述,但其核心概念又是什么?爱因斯坦早在得出细部的公式前许多年,就了解广义相对论的核心概念。但弦论不是如此,它是拼凑发现的,历经近40年的时期,没人真正了解主要的内容。结果,每发现一片新的内容,就让人大吃一惊。我们至今不清楚这些概念来自何处,或要往哪去。
有一天我们或许能了解弦论究竟为何,但如果我们了解了,理论方向也走对了,我们有可能知道在自然世界它是如何运作的吗?

爱因斯坦的理性主义及其对弦论的影响

这个题目比较正式,因为我打算将这个系列连贯成一篇文章以应《科学文化评论》的约稿。
说到爱因斯坦和弦论的关系,人们会立刻想到统一理论。爱因斯坦的半生精力花费在追求统一理论中,他的第一篇统一场论的文章完成于1922年1月份,在时间上早于量子力学的建立,也早于玻色-爱因斯坦统计的发现。第一个试图统一引力和电磁力的理论是外尔作出的,外尔在广义协变性之外引入了共形不变性,从而将电磁势和时空度规联络结合起来,这个理论很快为爱因斯坦本人否定,但外尔成了引进规范不变性的第一人。外尔的理论出现在1918年,在广义相对论建立后不久。卡鲁查受到外尔的启发第一次将4维时空推广到高维,高维时空的对称性在4维时空看来就成了规范不变性。卡鲁查的理论同样早于爱因斯坦本人的第一个理论,发表于1921年。外尔和卡鲁查的理论都失败了,但理论的核心思想一直留存到今天,在弦论中得到了体现。爱因斯坦从1922年起直到去世前一天,都在研究统一场论,一般人已经无法统计他尝试了多少种理论,许多人认为他后半生的不懈努力是一个悲剧。
要说明一下,爱因斯坦在他的第一篇统一场论的文章中没有提出新的统一场论。他和合作者试图在卡鲁查理论的没有源的纯粹场方程中找到没有奇性的点粒子解,这样的解用今天的术语说就是孤子解。爱因斯坦的尝试是想完全统一引力和电磁力,包括电子。所以,爱因斯坦的这个尝试早于弦论中将弦和膜看成孤子解许多年。当然,他和他的合作者失败了,没有找到他们想要的电子解。
将爱因斯坦的不成功的努力看成悲剧显然是非常片面的,这种看法源于一种误解,以为爱因斯坦的后半生完全脱离了物理学的主流,完全为追求简单的数学结构所误导。爱因斯坦本人的出发点是物理的,也许在他的心目中,一个成功的统一场论将会象他的广义相对论一样,在新的理论取代旧的理论的时候,新的理论同时预言了新的物理现象。可以说,广义相对论的出现是为了解决新的相对性原理与牛顿引力理论的矛盾,而光线弯曲这样经典的新物理是很难简单地由两个旧的理论直接看出的。事实证明,即使是新的原理-等效原理,也只能解释光线弯曲的一半,另一半则由空间弯曲给出。类似地,爱因斯坦想,新的统一理论会给出一些出人意料之外的预言。从另一方面看,爱因斯坦的努力也没有脱离物理影响。在1922年,他还完成了多普勒现象在量子论中的体现的论文;1923年,他完成了一生中最后一篇实验物理文章,关于毛细管。
然而爱因斯坦的毕生信念的确是简单而优美的统一,世界上所有的物理现象都根源于一个简单的物理原理,或者一个简单的形式理论。这个信念在一段Gross经常引用的话中发挥到极致:
“自然界是由一些被强制性决定的定律所制定,在这些定律约束下,所有可能出现的常数都被固定了,一旦改变这些常数,整个理论就会被破坏。”
(原文: Nature is constituted so that it is possible to lay down such strong determined laws that within these laws only rationally completely determined constants occur, not constant therefore that could be changed without completely destroying the theory。 如果这段英文不是爱因斯坦自己说的,也应该很近似他的德文原话,因为这段话的意思很难用另一种方式更加优美地表达出来。)
这段话代表了典型的极端还原论者的看法,而Gross是弦论界中的一个极端还原论者。我本人虽然不是一个极端还原论者,但日常研究的过程是受着这样的极端信念推动的,这就规定了我的研究内容,那就是和大部分弦论者的研究内容一样,尽量避免以纯粹唯象作为出发点。可是我到底不是一个极端还原论者,所以近几年的一些工作中,包括全息暗能量,有一些唯象的参数出现。而根据Gross,象弦论这样的理论中应该没有可调常数,没有任意性。这种极端观点可能会对健康地发展弦论带来危害。
对以上信念的全面反动是最近被讨论得最多的弦景观(string landscape)和人择原理,相信弦景观的一派弦论学者以为,没有原理会对一些物理学常数作出任何约束,相反,很多物理学常数,甚至相互作用形式,都是任意的,是类似今天的温度这样受着环境决定的参数。我们这个世界中的物理学常数之所以取今天的值,是偶然的,有些与观测者出现有关。毫无疑问,如果爱因斯坦活在今天,一定会说,如果自然界真是这样的,我宁愿做一个管子工,而不来研究物理。
西方用纯理性来把握自然规律的传统并不是自爱因斯坦始,爱因斯坦作为和牛顿一样划时代的人不过成了一种象征,当然,他的广义相对论的巨大的成功给他带来对理性的空前的相信。他的名言:“宇宙中最不可理解之处的就是宇宙可以理解”说明了用纯粹思维可以把握宇宙,进而使得他相信:“某种意义上,我相信,纯粹思维可以把握实在,如同古人梦想的那样。”进一步,他说:“一个象我这样的人存在的意义不能以他做了什么或者他的经历作判断,而是根据他思考什么和如何思考去判断。”
爱因斯坦的纯粹思维其实是包括了实验的影响,理论必须建立在实验的总和上,而仅仅以实验本身出发是无法达到理论的高度的。也就是说,概念是纯思维的产物,而不是实验的产物。另一方面,用没有实验的纯粹思维来总结自然规律在希腊就有了,到了亚里士多德那里,纯粹思维居然得出重的物体下落得快,轻的物体下落得慢得结论,这要等到伽利略来做实验才知道是错的。我们通常说西方科学起源于培根,那是因为培根将实验提高到它们应得的位置上去。
另一个现代科学之父是笛卡儿,笛卡儿同样强调要拒绝纯粹的假设以及带有情感色彩的信念,而只接受通过系统的实验得到的想法(我想当时所谓民科思维方式太流行了,所以需要笛卡儿这样的人专门反对这种思维方式)。当然,笛卡儿更为著名的是强调理性思维,“我思,故我在。”
我经常喜欢讲的一个故事就是关于概念如何只能是思维的产物的,更具体地说,物理学中的可观测量取决于理论本身。我们知道,海森堡在建立矩阵力学时发现,所谓的原子中的电子轨道不是可观测到的物理实在,只有轨道之间的跃迁几率才是可观测量,因为这些量与电子发出的光的强度有关。在他的理论中,跃迁振幅可以写成厄米矩阵。后来量子力学系统发展出一个重要的概念,只有厄米算苻才是可观测量。海森堡在建立矩阵力学的过程中深受爱因斯坦早年建立狭义相对论的影响,因为在狭义相对论中,时间只有在作了操作性的定义后才是一个物理量。海森堡在见到爱意斯坦时对后者说,你的“理论中只允许可观测量存在”对我的量子理论有很大的影响,爱因斯坦听后对海森堡说“我已经改变了看法,只有理论才能决定什么是可观测量。”爱因斯坦无疑也是对的,因为可观测量是理论结构的一个重要部分。
弦论在前一段时间遇到的德西特空间的挑战,其中一个关键难题是,德西特空间不能包容我们熟知的可观测量,也就是量子场论中的散射矩阵。德西特空间在某种意义上是一个有限的空间,在一个有限的空间中,我们不能定义量子场论中的绝热渐近态,也就无从定义散射矩阵。有一些激进的人如Susskind,觉得应该放弃德西特空间。我觉得我们应该从爱因斯坦所说的中找到解决问题的途径,既然过去的理论决定的可观测量可能与观测矛盾,何不寻找新的理论结构?
另一方面,弦论研究者将爱因斯坦的“纯粹思维可以把握实在”发挥到了极致。在宇宙学家们利用超新星作为标准烛光发现暗能量之前,弦论家们一直坚信宇宙学常数等于零,因为这似乎是弦论中唯一可以理解的结果-当然,弦论直到今天也无法给出宇宙学常数等于零的理论。Witten在暗能量发现的几个月前还在说,一个不为零的宇宙学常数难以置信。后来,A. Zee喜欢嘲笑这些自以为世界上最聪明的人:“理论界最好的最聪明的人错过了一个预言不为零的宇宙学常数的黄金机会,这个机会如同年轻的施温格计算电子反常磁矩的黄金机会一样。”

[ 本帖最后由 classwar 于 2010-2-26 15:29 编辑 ]

《科学文化评论》电子版

[url=http://sci-cul.ihns.ac.cn/review/index.htm]http://sci-cul.ihns.ac.cn/review/index.htm[/url]

金星探测
最早向金星发射探测器的是苏联,曾于1961年1月24日,进行了一次试验性发射,但因探测器失去控制而失败。20天后,2月12日,苏联第一个金星探测器“金星”1号发射上天。这个探测器重643千克,装有轨道测量系统、发动机校正装置和首次启用的远程通信装置、新型耐高温太阳能电池等先进设备。飞到距金星10万千米后这个探测器与地面的通信中断。
1965年11月12日和15日,苏联成功发射了“金星”2号和3号探测器,它们均重963千克,装有电视摄像系统和考察金星的全套设备,“金星”2号在翌年的2月27日飞到距金星2.4万千米处掠过时,通信中断;“金星”3号在次年的3月1日接近金星时遥测失灵,无法判明它的着陆舱是否抵达金星表面。1967年6月12日,“金星”4号发射升空,探测器重达1106千克,飞行128天后与金星交会,放出着陆舱,1个半小时后,它探测了金星大气层的密度、温度及化学成分,但着陆舱还未到达金星表面就被高气压压瘪了。
1969年1月5日和10日,苏联发射了“金星”5号和6号探测器。它们分别于同年5月16日和17日在金星着陆,测量了大气的数据,但未能发回金星表面的资料。1970年8月17日发射的“金星”7号,终于在同年12月15日实现在金星的软着陆,首次向地球传回了金星表面的情况。“金星”7号重1180千克,其中着陆舱约500千克。它在23分钟的降落过程中,考察了金星大气层的内部情况及表面结构。传回的数据表明,着陆舱受到的压力达90个大气压,温度高达摄氏470度。大气组成主要是二氧化碳,还有少量的氧、氮等气体。“金星”7号成为第一个到达金星实地考察的人类使者。此后,苏联又发射了9个金星探测器。1972年3月27日升空的“金星”8号,同年7月22日着陆舱探测了金星表面的土壤,从发回的图像表明,金星表面十分明亮。
1975年6月8日和14日“金星”9号和10号启程,4个月后的10月22日和25日,它们分别进入不同的金星轨道,两个探测器和着陆舱重量均增加到1560千克。1978年9月9日和14日发射的“金星”11号和12号,在金星表面软着陆后工作110分钟。1981年10月30日和11月4日上天的“金星”13号和14号,携带有自动钻采装置,在金星上采集了岩石样品。1983年发射的“金星”15号和16号,发回了金星图像。1984年12月,苏联发射两个“韦加”号探测器,于1985年6月11日和15日先后向金星表面投放探测装置,对金星土壤和云层进行了考察,向地面发回了宝贵资料。“金星”号系列探测器总共进行了24年的飞行考察。

狭义与广义相对论浅说
译者: 杨润殷
作者: (美)爱因斯坦(Einstein,A.)
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2006-1-1

物种起源
译者: 舒德干等
作者: (英)达尔文
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2005-10-1

自然哲学之数学原理
译者: 王克迪
作者: (英)牛顿
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2006-1-1

关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话
译者: 周煦良
作者: 伽利略
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2006-4-1

薛定谔讲演录
译者: 胡新和
作者: (奥)E.薛定谔
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2007-10-1

天体运行论
译者: 叶式辉
作者: 哥白尼
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2006-5-1

科学素养文库.科学元典丛书-基因论
译者: 卢惠霖
作者: 摩尔根
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2007-1-1

光学
译者: 周岳明
作者: 牛顿
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2007-01-01

心血运动论
译者: 田洺
作者: (英)哈维
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2007-2-1

海陆的起源
译者: 李旭旦
作者: (德)魏格纳
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2006-11-1

化学哲学新体系
译者: 盛根玉
作者: 道尔顿
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2006-7-1

光论(挑战牛顿光学)
译者: 蔡勖
作者: (荷兰)惠更斯
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2007-10-1

笛卡儿几何
译者: 袁向东
作者: [法] 笛卡儿
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2008-11-1

希尔伯特几何基础
译者: 江泽涵
作者: [德] 希尔伯特
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2009-09-28

化学基础论
译者: 任定成
作者: 拉瓦锡
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2008-8-1

热的解析理论
译者: 桂质亮
作者: 傅立叶
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2008-6-1

人类在自然界的位置 (全译本)
译者: 王鑫
作者: (英) 赫胥黎
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2010-01-15

条件反射–动物高级神经活动
译者: 周先庚
作者: 巴甫洛夫
出版社: 北京大学出版社
出版年: 2010年01月

[ 本帖最后由 classwar 于 2010-5-19 19:18 编辑 ]

在奇妙的1905年之后100多年的今天,物理学面临着新的挑战。

万有理论

物质的最终本质是什么?关键词可能会是“弦”。弦论把所有的点状粒子统一为没有厚度的一维物体,所有的基本粒子都对应“弦”的一个振动模式,就像吉他上某根琴弦的振动。弦论,又称M理论,目前仍是一个谜。到现在为止,我们找到了5种仅能对M理论进行部分阐述的理论。尽管这一理论现阶段仍只是纯粹的理论猜想,但物理学家们相信“一个在数学上如此优美的理论是不可能不真实的”。

略带夸张地讲,这一理论被认为是可以解释一切的理论,凭借弦论可以统一当前物理学的两大基础理论:描述宏观宇宙的“广义相对论”和描述微观世界的“量子力学”。有人曾经说过,弦论是“潜入20世纪的21世纪物理学的一部分”。

光电子学

如果专家的预言能够实现,那么10年之内我们就能在市场上出售的计算机、电视机以及影碟机中见到一种全新的电路。未来使用光学技术的计算机的运行速度将大大超过现有的计算机。

随着我们用以连接芯片的金属元件越做越小,其稳定性也越来越差。光学电路是解决这一问题的找到能够从微观上控制和引导光传播的材料。目前看来,现有的光子技术的一个不错的选择,但问题是需要效果可能还不及电子线路,因此科学家们目前正在进行光电子学的研究,设计同时使用电子技术和光子技术的电路。

量子计算

量子理论从两个方面冲击了我们原有的普遍认知。首先,“观察”定义世界:没有绝对深奥难解的事实,我们所处的世界只是我们能够感知和测量的世界;第二,在亚原子世界里,因果关系的概念不复存在,剩下的只有“可能性”。不过,其中任何一点都能使我们在信息世界里发动一场革命。

著名物理学家理查德-费曼在一次学术会议开幕时说“那里有巨大的自由空间”,由此发出了探索物质内部广阔的原子世界的号召。现在的物理学为什么不能对此加以发掘和利用呢?例如将其用于传输、保存和处理信息等方面,即所谓的量子信息技术。你能想像未来有一天美国国会
图书馆能够压缩进一个针尖大小的空间吗?不仅如此,我们还可以据此发展无懈可击的量子密码技术以及制造新一代的超级计算机。到那时,新计算机几秒钟内处理的信息就足以使现在的超级计算机运算数百万年。

捕捉神奇粒子

物质是由什么组成的?物理学家会说,物质是由原子组成的。原子由电子、质子和中子组成,而质子和中子由一种更小的叫夸克的微粒组成。当初夸克理论预言夸克有六种,分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克,这六种夸克现在都已经在加速器中发现。

但还有一种理论预计存在尚未发现的粒子,那就是希格斯玻色子。科学家们在30年前探求为什么基本粒子会有质量时提出可能是由于希格斯玻色子的存在,不过要证实这一点就必须找到它。新的高能加速器承担了捕捉这种粒子的任务,前提是它确实存在……

新纳米科学

我们正面临着同蒸汽机的应用相类似的新的技术革命。全世界的物理学家们都在为能够在原子级别进行“手工操作”而努力,五花八门的成果让人眼花缭乱:磁性隧道结技术、量子阱技术、让电子一个接一个地通过晶体管…以后还会有纳米机器人。总之,纳米很时髦。

高温超导材料

超导现象为量子世界的存在提供了确凿的宏观证据。电流在超导材料中能够无损失地传递,因此电流强度可以达到普通电缆电流的2000倍以上。超导技术在许多设备中得到了应用,从
医院的磁共振设备,到针对比地球磁场的数十亿分之一还要小的小型磁场的研究,都能见到超导技术。

现阶段的问题在于超导材料工作时所需的温度过低。所谓的高温超导材料是那些在零下138摄氏度就能表现超导特性的材料。目前还不清楚超导现象的原理是什么,1957年发表的著名的“平均场理论”(BCS理论)最终没能解决问题。现在人们在超导领域进行了大量的研究,核心的任务就是找到能够在常温下表现出超导特性的材料。

复杂的生命

多年以来,物理在探究生命的研究中扮演了重要的角色。表面上看,大部分复杂的系统都是在自发的过程中形成的。在这些过程中,像神经元细胞一样,最基本的“元素”只同邻近的“元素”联络,从而形成了复杂的组织结构,产生了人们的记忆。但是,若不对整个系统进行全面的研究,仍不能理解这一切到底是怎么发生的。

复杂的组织似乎是在井然有序和杂乱无章之间游走:保存信息需要一定秩序来规范,而与此同时,很强的适应能力和信息处理能力又需要在一定程度的“混乱”中获取,DNA的结构就是一个绝佳的例子。

在生命领域进行研究的科学家们所面临的最大问题之一就是无法解释蛋白质的弯曲方式,也就是说,为什么长长的氨基酸链是这种形状,而不是别的形状。关键在于蛋白质是在稳定的边缘建立的:若再松一点儿,蛋白质会跨掉;如果紧一些它将无法发挥功能。

宇宙常数

对于许多人来说,这是物理学中最神秘的谜。到现在为止,所有猜想都不管用。宇宙膨胀是根据广义相对论产生的一个结果,可是爱因斯坦并不相信这个结果,于是他对相对论做出了修改,加入了宇宙常数。后来埃德温-哈勃发现宇宙确实是在膨胀的,于是爱因斯坦又发表声明,承认宇宙常数是他一生中所犯下的最大错误,几近70年之后,天文学家发现,宇宙正以超出常理的速度加速膨胀。据说这种星体间的排斥现象可能缘于某种神秘的能量,可是这种能量到底是什么却没人能够准确回答。诺贝尔奖获得者史蒂文-温伯格对这一困惑的表达可能最为到位:“对于物理学家们来说,在不知道需要对什么做出解释的情况下就去处理这个问题是件很艰难的事,”确实如此,如果那种神秘的未知能量是以宇宙常数的形式存在的话,我们就不得不面对科学史上最尴尬的理论猜测了。

引力辐射

大家都知道运动的电磁场会产生电磁辐射和电磁波。大家也知道任何物质都有引力,形成引力场,质量越大,引力场越强。爱因斯坦在1916年预言,加速运动的质量(即引力场)会产生引力辐射或引力振荡,也就是会向外发射引力波。
不过,引力波一般很微弱,很难探测到。只有大质量天体的激烈活动才产生很强的引力波,如双星系统的公转、中子星的快速自转、超新星爆发、黑洞碰撞和捕获物质等过程。
1974年,天文学家发现天鹰座一双星脉冲星(旋转的中子星),它们距地球1.7万光年,由于高速相互绕转,应该发射引力波。而引力波会带走能量,它们的运行轨道会缓慢地衰减,即以螺旋轨道相互靠近。天文学家为此一直在进行测量。1978年,终于测得它们的轨道衰减率,而且正好与爱因斯坦广义相对论预言的一致。这被认为是对引力波理论的第一个观测证明。

引力辐射是引力波的另一种称呼,它是指引力波从星体或星系中辐射出来的现象。
在具有质量的物体周围都存在有引力场,当物体发生加速运动时,引力场会发生扰动并伴随有引力波的产生,引力波像水波一样向外传播,这种传播的现象就是引力辐射现象。
引力辐射是一种能量的辐射。假如一个行星围绕恒星运动,恒星的旋转会伴随有引力辐射的发生,使得行星的轨道发生变化,其主要变化特征是行星运动周期的减小。
这一现象在1974年,被赫尔斯和泰勒二人所证实。他们对脉冲双星PSR1913+16进行观测,发现它们的公转周期变小率为(-2.40±0.09)*10^-12,这个数值与广义相对论的计算符合的很好,广义相对论的预言值为(-2.403±0.002)*10^-12,这一点充分证明了引力辐射的存在性。
引力辐射的存在,可以间接的证实引力波的存在,揭开引力波存在的谜团。

弦理论的雏形是在 1968 年由 Gabriele Veneziano 发现. 他原本是要找能描述原 子核内的强作用力的数学公式, 然后在一本老旧的数学书里找到了有 200 年之久的尤拉公式(Euler’s Function),这公式能够成功的描述他所要求解的强作用力.然而 进一步将这公式理解为一小段类似橡皮筋那样可扭曲抖动的有弹性的"线段"

弦论顾名思义类似一维的直线,直线横向运动就成了平面,平面类似膜,所以一般称零维的弦是点,一维的弦是线,二维的弦是膜。膜即流形—是一类可微分的函数空间。把弦论与 D膜和反D膜联系,也就是要归类到这种数学的微分流形方法上去。德国数学家、力学家狄利克雷(1805~1859)对椭球体产生的引力、球在不可压缩流体中的运动、由太阳系稳定性导出的一般稳定性等数学,及1850年发表有关位势理论,论及著名的第一边界值问题的现称狄利克雷问题等有贡献。Dp膜的英文名 Dp brane ,是弦论要谈到的一类空间,p为维数,D为狄利克雷,D膜是弦线所“固定”的流形或空间,黏附其上的弦坐标满足垂直膜的狄利克雷边界条件;这是弦线两端都要连接的流形空间。属于只有单端在流形上的,是切于膜方向的诺伊曼边界条件约束。

又如追随爱因斯坦的广义相对论方程式,1919年德国的数学家卡路扎和1926年瑞典的物理学家克林提出的将引力和电磁力统一起来的五维卡路扎-克林模型,第五维度因紧致化而隐藏不见,这可比拟为一根水龙软管,软管由片状的二维物质制成,在第三维度中卷绕成圆形;但它从远处看来却像一根一维的线,时空中的每个点可以描述成由卷绕起来的五维时空中的螺环所构成,因而看起来像是四维的,其条件是‘卷绕’的尺度应远小于一个原子核,成为弦论的先声。1968年在以色列魏斯曼科学研究院的意大利的物理学家維尼奇亚诺,试图用数学式來表示強作用力的瑞吉轨道时,发現十九世紀的数学家尤拉所完成的尤拉貝他函数,几乎符合所有基本粒子強交互作用所需要的特征,而使弦论正式诞生。一年后,在芝加哥大学的南部和日本大学的后藤為首的物理学家注意到,根据這个方程式,粒子可視為具有某特定的空间延伸量——也就是可以为一段线段,或一段弦。再到1981年和1984年英国科学家格林和施瓦兹提出超弦理论,把强子尺度的弦发展为普朗克尺度的弦,把开弦发展为还有闭弦。可见弦论这棵树最初的路线图是德国—瑞典—以色列-意大利—美国-日本—英国,也说明创新不一定要另起炉灶。

[ 本帖最后由 classwar 于 2010-5-19 20:27 编辑 ]

1921
克鲁札–克莱因(Kaluza-Klein)

1926,爱因斯坦(Albert Einstein)的同事克鲁札(Theodore Kaluza)率先发表一篇论文,之后波尔(Niels Bohr)的同事克来因(Oscar Klein)加以改进,形成了所谓的克鲁札–克莱因理论(Kaluza-Kleintheory),这是个五次元的理论,试图结合马克思威尔(James Clerk Maxwell)的电磁学方程式,和爱因斯坦重力方程式,可说是超弦理论的先声。在这个理论中,克鲁札、克莱因两人将原本爱因斯坦重力方程式中4×4度规(metric)矩阵,进一步扩充成5×5矩阵,至于多出来的空间,刚好可摆上马克思威尔的电磁学方程式.。仅仅多加一个次元,就巧妙的结合重力与光,就连当时的爱因斯坦也不免大为震惊。

然而,第五度空间是如此的小,甚至可能仅仅藏于普朗克尺度(Planck length)之下,换句话说,只有10-33公分。若要探测此尺度,所需的普朗克能量(Planckenergy),相当于1020亿电子伏特(1019 billion electron volts),远远超过在人类往后数百年间在加速器中所能产生的能量。过去一般的物理学家对于高次元的理论有先天上的偏见,对于无法在近期内做实验观测的理论不抱太多兴趣。另一方面,当时量子理论的诞生,引发世界的潮流,克鲁札–克莱因理论的五次元理论终于胎死腹中。

1970
弦的诞生

1968,当时还在魏斯曼科学研究院(Weizmann Institute of Science)的一名意大利的物理学家维那亚多(Gabriel Veneziano)试图了解强作用力时发表了一篇文章,用数学式来表示瑞吉轨道[1](Regge trajectory))。他意外发现十九世纪的数学家尤拉(Leonhard Euler)所完成的尤拉贝他函数(Euler beta function),几乎符合所有基本粒子强交互作用所需要的特质。

一年后,另外一群以芝加哥大学的南部(Yoichiro Nambu)和日本大学(Nihon University)的后藤Tetsuo Goto为首的物理学家注意到,根据这个方程式,粒子可视为具有某特定的空间延伸量——也就是可以为一段线段,或一段弦。

根据维那亚多模型(Veneziano-Nambumodel),这些弦由两个反方向的作用力保持微妙的平衡,一是张力,使弦的两端拉近,另一为使弦两端分离的加速力。弦就好像飞机的螺旋桨,随时随地都在转动,所谓的离心力使得弦的两端向外拉,而弦本身内收的张力,恰好与之平衡,此一内收的张力非常强劲,每根弦上约十三吨左右。

这种将次原子粒子描绘成像弦一般的构想,对理论物理而言是极端新奇的。以前,粒子理论学家一直将基本粒子视为没有大小,不占空间的点,尽管如此,将粒子延伸于空间中,确实有几个长处,第一、它合理地解释了瑞吉轨道;第二:弦的假说为夸克拘禁(quark confinement)现象提供了一套可以接受的模型,圆满地解释了为什么科学家从来不曾在加速器上看到夸克,而只看到夸克组合而成的较大粒子。

一时之间,弦模型吸引了各方的瞩目,至少是好一阵子。然而,最后物理学家终于明白,那些研究没有一篇符合事实。因为物理学家发现:处在基态的弦不只是无质量,事实上还应该具有「虚质量」(质量平方为负数)才对。具有虚质量的超光子(tachyons),可以跑得比光速还快,虽然这仍符合相对论的说法,附加的结果却很不受欢迎,例如时光的倒流、违反因果律等等。

此外还有多维数的问题,基于某些数学上的原因,弦论必须有二十六维才行,即使对惯于玩弄古怪假说空间的理论物理学家而言,也会对二十六维的宇宙感到难以捉摸。

另一方面,量子色动力学QCD的问世,也如秋风扫落叶一般,完整而成功地解释强交互作用,成就了弦论的初衷。一时之间,弦论失去了战场,被物理学家再次冰冻起来。

1971
超对称理论(Supersymmetry)

最早的超对称理论是由威斯(JuliusWess)和苏米诺(BrunoZumino)所提出。之后,越来越多的各种超对称理论被相继提出。在超对称理论里的所有粒子都有超伴子(super partners),称为超粒子(sparticles)。每一种玻色子有一个费米伴子(fermionic partner),而每一种费米子也有一个玻色伴子(bosonic partner)。

在克鲁札–克莱因理论蛰伏了近六十年,物理学家又多认识了两种力,强作用力和弱作用力。物理学家希望将四种力统一起来,在搜寻了各种统一的可能途径后,这个理论又被人重新提出,物理学家开始克服对高次元空间的歧视偏见,将希望寄托在更高的次元当中,并且尝试将超对称并入。

1974

重力子(Graviton)

一开始,弦论只能用来描述包括胶子的玻色子,而且也很快地被夸克模型所取代,但是它的内涵却仍被继续发展。在1970,史瓦兹(JohnSchwarz )和他的同事南夫(AndreNeveu)发现可以描述费米子的弦论。1974,就在量子色动力学(QCD,quantum chromodynamics)能够将强子描述得很完备的同时,Schwarz和其它同事,发现弦论与重力之间的关系。

这个描述费米子的弦论令人困惑的是,它产生了一些实验上发现不到的粒子,它在数学上自动地引进一种无质量、自旋2的粒子。但实验上却没有任何强子可以符合这个数学架构,同时理论学家也在思考,如何摆脱这个不希望产生的粒子。后来,他们了解到这是对重力子(gravitons)的描述。重力子是想象中描述量子重力场论的媒介,由于这个特性,弦论当仁不让的成为量子重力理论的候选人。

1976
超重力(Supergravity)

1976年,纽约石溪分校(State University of New York at Stony Brook)的费礼曼(Daniel Freedman),斐拉(Sergio Ferrara)和冯纽文惠仁(Peter van Nieuwenhuizen)写下他们超对称重力理论的版本。然而,物理学家逐渐看到此理论的问题,经过密集的寻找,并没有在实验室里发现超粒子。物理学家也无法顺利的将SUGRA重整化,

1980
超弦(Superstrings)

第一个超弦理论模型在1980由史瓦兹和格林(Michael Green)所发展,处理在十维空间里的开弦振荡,彼此间能够连结或断裂。它并不是Nambu模型的缩小版,事实上,它更近一步,包括了所有已知的粒子和场,和所有费米子和玻色子的对称和超对称关系。

1984
The Big Year——第一次革命

在1984,史瓦兹和格林发现存在着一种对称,SO(32),可消除所有的畸变和无限大。他们找到了万有理论的候选人,这使得其它物理学家再一次开始注意起弦论。

同时,普林斯顿大学(PrincetonUniversity)成立了一个小组。格罗斯(DavidGross)和三名他的同事(EmilMartinec、JeffreyHarvey和Ryan Rohm,人称「弦乐四重奏」)试图再一次回到环圈的想法,利用不同的数学方式写下。他们的成果丰硕,涉及到费米子在十维空间振动,但是玻色子的振动仍由当初南部的第一个弦论版本所描述着,而且必须发生在二十六次元的空间内。格罗斯和他的同事发现一个利用单环圈混和两种振动的方法,十维振动用一种方式绕着环圈,二十六维振动用另一种方式绕着环圈。这个版本的弦论被称为混合弦(或译杂弦,heteroticstring)。

1991
第二次革命(TheDuality Revolution)

在第二次革命前,共有五种不同的弦论版本,它们分别是E8 ×E8 heterotic,SO(32) heterotic,SO(32) Type I,Type II 和Type IIB。虽然弦论的成功,给万有理论带来一线暑光,但依然有着几个重要疑问︰第一,我们无法用传统方式去证明弦论的对错,人造的加速器无论无何都无法达到弦论所需的能量,我们需要新的技术和方法。第二,为什么会有五个弦论的版本?如果它真是我们所期待的万有理论,五个不同的理论似乎太多了点。第三,如果超对称允许十一维,为什么超弦只有十维?最后,如果我们可以将点状粒子当作弦的振动,那么似乎没有理由不能是由二维的膜,三维的方块,或是更高维的物理的振动。

到了九零年代,物理学家开始了解到各版本间的对偶性(duality)。最重要的突破是在1995年,由当时在南加州大学(Universityof Southern California)的维敦(Edward Witten)所完成,他将迄今所知的各种对偶性统一在十一维的M理论[2]之下。

1996
黑洞的熵

1974年剑桥大学(University of Cambridge)的霍金(Stephen W. Hawking)认为黑洞并非完全的黑而是会有辐射能量的放射,由这个角度,黑洞必须拥有熵。哈佛大学(Harvard University)的史卓明勒(Strominger)和法发(Cumrun Vafa)发现由M理论所计算出的黑洞的熵符合霍金所预测的值。

最近罗格斯大学(RutgersUniversity)的本克(ThomasBanks)和雪克(Stephen H.Shenker)、德州大学(Universityof Texas )的玺斯勒(WillyFishler)和史丹佛大学(StanfordUniversity)的萨斯坎(LeonardSusskind)的矩阵理论指出我们的时空几何可能是非交换的,即XY不等于YX。这显示着我们时空的结构可能远比我们所想的还要复杂。

[1]重子有一种特性,就是其角动量对质量平方作图,会得到一条相当直的线,这些曲线就称为瑞吉轨道,以纪念其发明人瑞吉(Tullio Regge)

[2] M-theory, M表示mother, mystery, membrane,视你所看的角度而定,这是由维敦所命名。笔者在此喜欢称M-theory为膜理论,读者可以想象一个二维的膜的振动,取代一维的弦的振动。

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应当指出,文革中的革命大批判同样涉及到了自然科学领域。而在资本主义复辟后,各种曾被批判过的所谓“科学理论”又纷纷粉墨登场。

1967年6月,“首都批判刘邓科研路线联络委员会”创办的《科研批判》杂志“创刊词”说,建国17年来在科技战线推行了一条“彻头彻尾的反革命修正主义科研路线”,这条路线取消党的领导,抹杀阶级斗争,反对突出政治,鼓吹业务挂帅,提倡白专道路,制定了一系列黑纲领、黑文件以及种种规章制度,力图把中国的科技事业引入歧途.《科研批判》认为,国家科委党组和中国科学院党组1961年制定的《科研十四条》集中代表了这条“反革命修正主义科研路线”,必须“打一场人民战争”,对之进行彻底批判,“把反革命修正主义分子在科技界的流毒彻底肃清”.该杂志刊载的批判文章——《科研工作“十四条”反毛泽东思想三十例》,对《科研十四条》中的30项内容诸一进行了批判.例如:《科研十四条》说:“不要给自然科学技术的不同学派,不同主张,贴上什么‘资产阶级的’、‘无产阶级的’、‘资本主义的’、‘社会主义的’之类的阶级标签.” 这篇批判文章则说,反映在科学技术界的两种世界观的斗争,是不可避免的、不以人的意志为转移的,把这种严肃的阶级斗争污蔑为贴“阶级标签”,企图藉以调和这种斗争,这是粉饰太平,是绝对不能允许的.《科研十四条》说:“自然科学学术问题上的争论……即使是有关唯物主义与唯心主义,辩证法同形而上学的争论,也是属于学术性质的问题.” 这篇批判文章则指出,科技界里唯物主义与唯心主义,辩证法与形而上学之争,是意识形态上的阶级斗争,将这种斗争看成 “学术性质的问题”,是抹杀两军之争的阶级内容。

1968年,河南“郸城自然辩证法学习研究组”编印的《新科学》杂志提出了“无产阶级科学大革命”的口号,认为无产阶级科学大革命是无产阶级文化大革命的重要组成部分,强调无产阶级要彻底批判和砸烂资产阶级的旧科学,打倒科学上的反动派,建立社会主义的新科学。该杂志“发刊词”说,现在的自然科学战线,没有高举毛泽东思想的伟大红旗,仍是形而上学和唯心主义占统治地位,一些反动的理论和观点还在泛滥;只有对这些形而上学、唯心主义和反动观点痛加批判,才能使自然科学理论适应社会主义的经济基础.“发刊词”号召:“一切有志为无产阶级科学事业而舍生忘死的人联合起来!冲决罗网,踏平险阻,开辟出无产阶级科学的新天地!”“科学上的反动派,也像社会上的反动派一样,是纸老虎!我们一定能戳穿它!打碎它!消灭它!”

在物理学领域,批判了热力学第二定律,哥本哈根学派。

在化学领域,批判了化学结构理论中的“共振论”,以及“热寂说”。

在天文学领域,批判了“大爆炸宇宙学”、“黑洞学说”。

特别需要指出的是,文革中对相对论进行了批判。

特别可贵的是,当时的无产阶级革命派还对所谓“能源枯竭”和“生态危机”的说法进行了剖析。

1974年,《自然辩证法》杂志第1和第4期分别发表了《评环境污染》和《评能源枯竭论》两篇文章,前一篇文章认为,环境污染的根源“并不取决于工业生产本身,而是取决于社会制度,取决于这是一种什么性质的生产”;环境污染“是资本主义从娘胎里带来的先天性脓疡;”社会主义社会不会出现这种问题,因为“社会主义制度为解决环境污染问题提供了充分的可能性”;“在对待环境污染问题上,仍然存在着两条道路、两条路线、两种世界观的斗争。后一篇文章认为,能源危机是资本主义制度已经“枯竭”的反映,是资本主义社会的“不治之症”.这篇文章还认为,自然界的能源永远也不会枯竭,人类对能源的认识和利用也永远不会有极限.文章论证说:“所谓能源,无非是可以产生出供人们利用的能量的物质.普天之下,都是物质;凡是物质,总在运动,也总是具有能量.因此,举凡自然界的一切物质,其实都是能源.物质不灭,可以利用的能源无穷.”这篇文章强调:资本主义国家出现的“能源危机”,“实际上是资本主义制度的危机,是资本主义制度日薄西山,人命危浅,朝不保夕的又一大暴露.”

1975年,《中国科学》第6期发表一篇文章,对“能源枯竭”的说法从政治上和“科学”做了进一步批判。文章认为,西方资本主义国家在能源与整个自然界的关系上,在能源利用与人类生存和社会发展的关系上,都制造了种种唯心主义和形而上学的反动谬论;美帝和苏修一起鼓吹“能源枯竭”论,企图用所谓自然界能源枯竭来掩盖他们反革命社会力量的枯竭;他们宣扬能源决定社会发展的反动观点,把经济危机、通货膨胀、工人失业等等资本主义制度的必然产物,通通归到所谓“能源危机”头上;它们宣扬“能源发展极限”论,是为了掩盖资本主义制度的罪恶.文章强调:大规模污染,决不是能源发展的必然产物,而恰恰是资本主义制度的产物,严重的污染不是什么能源发展的极限,而恰恰是资本主义制度发展到了极限;正是由于资本主义世界对能源的大肆浪费和破坏,由于资产阶级不顾劳动人民的死活,疯狂追求巨额利润,因而随着能源利用大量增长,带来了严重的污染,造成了劳动人民的巨大灾难.另外,文章还认为:能源枯竭的论调,完全违反自然界存在的客观事实,完全违反辩证唯物主义的认识论,是对科学的一种反动;它不仅不符合自然界存在的客观事实,也不符合近百万年来人类认识和利用能源的历史事实,能源枯竭论也是根本违反自然界能量转换和物质不灭的客观规律的.文章同样认为,严重的污染不是什么能源发展的极限,而恰恰是资本主义制度发展到了极限;目前资本主义世界愈来愈严重的污染,完全是由帝国主义制度所决定的。

1976年,《植物学报》也连续发表文章,对“生态危机论”进行批判,认为环境污染和生态危机是由资本主义制度造成的,“苏美两个超级大国大肆宣传生态危机,是他们没落的资产阶级的哀鸣,是对资本主义制度绝望的写照;”“破坏生态平衡的根源绝不是‘人类的错误行为’,而是资本主义的剥削制度”。

无产阶级社会主义革命的确是人类历史上最彻底的一次革命,当然也是最为剧烈的一场社会革命。
“无产阶级必须在上层建筑其中包括各个文化领域中对资产阶级实行全面的专政”,的确是一条须臾不能忘记的颠扑不破的真理。

想当年,资产阶级反动学术权威极力叫嚣“外行不能领导内行”,向马列毛主义猖狂进攻,毛主席为首的无产阶级予以了坚决反击。马列毛主义真理告诉我们,掌握了马列毛主义理论武器的无革派,是可以做到“外行领导内行”的。

而事实上,马恩列斯毛,无论他们哪一个,都不是资产阶级反动学术权威鼓噪的所谓“外行”。了解导师生平的人都知道,马恩列斯毛都不仅仅是革命家、哲学家、思想家,他们还都对所处那个时代前沿的自然科学做过精深的研究。
读过马恩著作的人们也知道,马恩都是在自然科学上有着深广研究的科学家,马克思就是一个数学家,而恩格斯的《自然辩证法》则是基于对当时人类自然科学最重要成就深湛总结后加以提炼而写出的一部辩证唯物主义的杰作。当然,这部著作在恩格斯生前未能完成,全书也未能发表。而就是这部未完稿的著作向我们充分证明:马列毛主义的革命理论完全能够而且必须要领导资产阶级反动学术权威们这些所谓的“内行”。

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恩格斯 自然辩证法 摘录【摘于1995年版《马克思恩格斯选集》(第四卷)】:

[《费尔巴哈》的删略部分]
…许许多多的自然研究家已经给我们提供了证明,他们在他们自己的那门科学中都是坚定的唯物主义者,但是在本门科学以外不仅是唯心主义者,甚至是虔诚的正教教徒。
————参阅1972年版《马克思恩格斯选集》(第三卷)P528

[札记和片断] 毕希纳
…大批自然研究家仍然束缚在旧的形而上学的范畴之内,而且当他们必须合理地解释这些新近的事实,即这些可以说在自然界中证实了辩证法的事实并把它们彼此联系起来的时候,便束手无策。…
…哲学因自然科学抛弃了它而对自然科学事后进行了报复。而自然研究家们本来可以从哲学家们在自然科学上的成就中看到:在这全部哲学中隐藏着某种即使在自然研究家们自己的领域中也比他们高明的东西…
————参阅1972年版《马克思恩格斯选集》(第三卷)P532

…自然研究家相信,他们只有不理睬哲学或羞辱哲学,才能从哲学中解放出来。但是,因为他们离开思维便不能前进,而且要思维就得有思维规定,而这些范畴是他们从所谓有教养者的那种受制于
早已过时的哲学残渣的一般意识中盲目地取来的,或是从大学必修的哲学课中听到的一点儿东西(这种东西不仅是片断的,而且是分属于极不相同的和多半是最蹩脚的学派的人们的观点的杂烩)中取来的,或是从各种各样的哲学著作中缺乏批判的和杂乱无章的读物中取来的,——正因为这样,他们同样做了哲学的奴隶,而且遗憾的是大多做了最蹩脚的哲学的奴隶,而那些辱骂哲学家骂得最厉害的人恰好成了最蹩脚的哲学家的最蹩脚的庸俗残渣的奴隶。
——
自然研究家尽管可以采取他们所愿意采取的态度,他们还是得受哲学的支配。问题只在于:他们是愿意受某种蹩脚的时髦哲学的支配,还是愿意受某种以认识思维的历史及其成就为基础的理论思维形式的支配。

自然研究家由于靠旧形而上学的残渣还能过日子,就使得哲学尚能苟延残喘。只有当自然科学和历史科学本身接受了辩证法◎第308页◎的时候,一切哲学的废物——除了纯粹的关于思维的理论以外——才会成为多余的东西,在实证科学中消失掉。
————参阅1972年版《马克思恩格斯选集》(第三卷)P533

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马克思:机器。自然力和科学的应用
[url=http://mao.bu1917.info/yuanzhu/ziran/jiqi.rar]http://mao.bu1917.info/yuanzhu/ziran/jiqi.rar[/url]

恩格斯:自然辩证法
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牛顿:自然哲学之数学原理
[url=http://mao.bu1917.info/yuanzhu/ziran/lixue.pdf]http://mao.bu1917.info/yuanzhu/ziran/lixue.pdf[/url]

爱因斯坦:狭义与广义相对论浅说
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当温度下降到相当于寒冷冬季的温度时,蒸汽会变成水,水会变成冰,这种现象称为相变。由经典物理理论可以粗略地描述和释解这种物质状态变化的物理现象。按经典理论,随着温度的下降,固体、液体和气体的随机热运动会减弱。但是,如果温度继续下降,并接近绝对零度时,情况将完全不同。在此温度下的液氦样品会发生所谓超流动性,这种现象是不能用经典物理理论解释的。当液体变为超流体时,液体中的原子突然失去随机运动的特性,而以有序的方式运动。这种情况下液体失去所有的内摩擦力,它们可以从杯子中溢出,可以从很小的孔内流出,此外还表现出其它许多非经典的效应。要对这样的液体有一个基本的了解必须借助于高等量子物理学。这种在极低温下的液体也被称为量子液体。通过详细研究量子液体的特性,并把这些特性与低温下量子物理的预言相比较,研究人员获得了从微观上描述这种物质的极有价值的理论。

70年代初,在康奈尔大学的低温物理实验室里戴维·李、奥谢罗夫和R.C.里查森发现氦的同位素——3He在绝对零度之上约0.002K时变为超流体。这种超流动性量子液体与30年代已经发现的氦的常规同位素——4He超流体十分不同,4He的超流动性是在绝对温度约为2K发现的(比前者的温度高1000倍)。新型的量子液体3He具有许多非常特殊的特性。这些特性说明,微观物理量子规律有时会直接影响宏观物体的行为。

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量子力学的宏观现象:超导与超流

早在1911年,荷兰物理学家卡末林-昂内斯(H. Kamerlingh Onnes)最先发现了超导现象。粗略地说,就是某些金属和化合物在非常低的温度下电阻会突然变为零。当时卡末林-昂内斯是在利用他本人最先成功地液化的氦而获得的大约摄氏零下269度左右的温度下,在金属汞中发现的这一现象。后来,人们又陆续发现了这些超导体的其它一些性质,如它们在磁性质上与正常导体的不同等。对于这超导现象,人们几乎从一开始就努力要从物理学理论上予以解释,但在理论研究方面的进展却非常缓慢。到了20世纪30年代,才有了最初的关于超导体的热力学和电动力学唯象理论(如基于戈特-卡西米尔的“二流体”模型的热力学理论和伦敦兄弟的电动力学超导理论)。所谓唯象理论,就是指不是从第一性的基本原理(如量子力学等)出发,而是预先做了一些假定(比如说假定了超导体中有超导电子和正常电子),然后再在这些假定的基础上结合其它基本理论来说明物理现象。至于第一个比较成功地从量子力学出发直接解释超导体的微观理论,则直到1957年才由巴丁(J. Bardeen)、库珀(L.N. Cooper)和施里弗(J.R. Schrieffer)这三位美国物理学家提出,而他们三人也因此工作于1972年获得了诺贝尔物理学奖。

1908年,还是那位曾发现了超导现象的荷兰物理学家卡末林•昂内斯将成功地将氦气液化,这是地球上最后一种被液化的气体。但是,在这种奇异的气体中,在20世纪30年代,苏联物理学家卡皮查(P.L. Kapitsa)等人又陆续又发现了更加奇异的现象,即超流动性。卡皮查于1978年,“因为低温物理方面的基本发明和发现”而获得了诺贝尔物理学奖。如果说有什么巧合的话,那就是这次的获奖者莱格特出生的那年,正是超流动性在实验上被正式明确认可的那年。所谓超流动性,就是说在特定的低温下,液态氦的粘性会完全消失,并因而可以表现出一系列令人匪夷所思的神奇现象。液氦的这种与超导有些类似的奇异性质,其实与超导一样,都是一种宏观的量子现象。对于液氦的超流动性的研究,特别是理论研究,也是多年来理论物理学中的一个难题。前面曾提到,苏联物理学家朗道就是因其超流动性的理论研究而在1962年获得诺贝尔奖的。

但是,在以往的研究中,人们知道的都是有关氦4的超流动性,而氦的另一种同位素氦3的超流动性,则直到20世纪70年代才为三位美国物理学家李(D.M. Lee)、奥谢罗夫(D.D. Osheroff)和理查森(R. Richardson)在实验发现(他们三人也因此而获得1996年的诺贝尔物理学奖)。氦3的超流动性,在物理机制上要比氦4的超流动性更为复杂。这次获奖的莱格特,就是于20世纪70年代在英国工作时最先成功地从理论上根据氦原子自旋和轨道的对称性自发破缺机制解释了新发现的氦3的超流动性。他的这种超流动性理论,对于人们理解极端条件下的物质的性质是非常有用的,而且,除了对于解释氦3的超流动性本身的意义之外,在其它的一些物理领域中,例如像在粒子物理学和宇宙学中,也被证明是非常有用的。

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