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上帝与新物理学

时间:2014-02-24 22:44:08  来源:  作者:保罗·戴维斯  [ 下载本书 ]
简介:上帝是什么、存在吗?宇宙何以存在?世界的本质是什么?,,,,诸如此类的问题在本书中将进行深入细致的讨论。《上帝与新物理学》不是谈宗教的书。《上帝与新物理学》谈的是新物理学——从牛顿经典力学到相对论再到量子力学再到大统一理论——对以前的属于宗教的问题产生的影响。《上帝与新物理学》也不是一纯科学的书。《上帝与新物理学》从哲学的角度发问,是关于科学及其广泛含义的书。...
  通过把引力理论置于超对称的构架之中,引力的信使粒子(称作引力子)就获得了以一种“好玩的”方式旋转的同伴粒子(称作gravitinos),以及其他的粒子。这么多种类的粒子进入超引力理论,这就有力地表明,那可怕的无穷难题被压下去了,而且,到目前为止利用这一理论进行的一切具体运算得出的结果都是有穷的。
  在最为人们看好的一种超引力理论中,整个的粒子大家族的成员总数不超过70。这种理论所包含的许多粒子都能够被认定就是现实世界中已知的粒子。不能被认定的粒子则是可能存在但现在尚未发现的粒子。这一理论是否将迄今为止被认作基本粒子的一切粒子都包括进去了?是否实际上可能会有更多的基本粒子?对此,人们的意见尚不统一。有的理论物理学家认为,夸克的数目太多,现在是进一步深入研究,搞明白这么多的夸克是否是由更小的物质单位构成的时候了。对此看法,有人提出了反对意见,认为物质的结构没有比夸克更低的层面了,夸克的世界已经是原子核的大 了模糊不清的东西,在这一尺度上谈论什么东西存在于什么东西“之内”就变得无意义了。因此,关于是否还有更基本的物质单位的研究工作仍在进行。
  我希望,我对物理学家们正在进行的揭示物质终极结构的工作所做的简略介绍,至少能让大家多少对现代物理学研究有点认识。物理学家对待其研究对象的态度近乎敬畏,因为他们总是受一种信仰的支配,这就是,大自然是由数学的优美和质朴统治的;通过深入探究物质的结构,大自然的统一性将会显明出来。迄今为止的一切经验表明,所探寻的系统越小,所发现的原理就越一般。按照这一经验来看,被我们偶然发现的世界的复杂性,在很大程度上纯是我们的物质取样系统的能量相对较低的结果。人们相信,随着取样系统的能量越来越高,大自然的统一性和质朴性也会变得越来越显明。这也就是为什么这么多的人力物力被投入建造超高能粒子加速器的缘故。人们想通过超高能粒子加速器闯进那质朴的状态去探寻究竟。
  然而,曾经有过那么一个时期,当时,这种质朴的状态被大自然探寻过。那时,宇宙在大爆炸中诞生还没有一秒,当时的温度高达1027度,正好可以用作探寻原初质朴状态所需的能量。这一段时间,物理学家们称之为大统一时代,因为当时的物理正是受基本力的大统一理论的过程支配的。我们在第三章里所提到的至关重要的非平衡就是在当时确立的,而有了那种非平衡,才导致了物质稍稍多于反物质。后来,随着宇宙的冷却,原初的统一力也分化为三种不同的力——电磁力,弱作用力,强作用力。这些力都是我们在相对冷却下来的宇宙中所看到的。
  今天的复杂的物理,是由原初大爆炸火焰构成的质朴的物理冷却而成的。这种看法,倒是美妙而吸引人。大自然的最终原理,也就是惠勒所孜孜以求的“闪光的中心机制”,我们因能量不足而难以窥见。假如人们追踪到大统一时代以前的那些时期,追到离时间起始处更近、温度更高的地方,就可以找到超引力了。超引力所代表的,就是存在的起始,在起始之处,时间和空间同基本力都结为一体。大多数物理学家认为,时空的概念在超引力时代之内是不能用的。实际上,有迹象显示,时间和空间也应被看作是两种场,这两种场本身也是先几何元素组成的原初汤“冷却”而成的。因而,在这超引力的时代中,大自然的四种力是浑沌一体的,而时空则尚未成一个象样子的形。当时的宇宙只是一堆超质朴的元件,是一些上帝用以造出时间、空间和物质的原料。
  本章描述了物理学关于基本力研究的新近进展。这些进展已使人们以全新的观点看待大自然。这种观点的影响在物理学家和天文学家中间迅速扩大。现在,人们已开始把宇宙看成是由质朴的东西冷却而生成的复杂的东西,颇象是浑然无形的海洋冻成了姿态各异的浮冰。科学家们有一种感觉,这就是宇宙学的研究课题和人们对物质当中的基本力的研究正在为宇宙提供一个统一的描述。在这种描述中,物质的极微结构与宇宙的总体结构紧密联系在一起,两种结构都以一种微妙而复杂的方式影响着彼此的发展。
  本章所描述的物理学的一系列成功,无疑代表了以还原论理论为其基础的现代物理学思想的一个胜利。物理学家们试图把物质还原为最终的构件——轻子、夸克、信使粒子——从而得以瞥见那基本的定律。而正是那基本的定律控制着形成物质的结构和行为的力量,从而能够解释宇宙的很多基本特点。
  尽管如此,以这种方式追寻某种已被感觉到的终极真理是远远不够的。我们在前面的几章里看到,还原论不能够解释很多明显的具有整体性特征的现象。例如,我们不能用夸克来理解意识,活的细胞,甚至也不能以之理解诸如龙卷风之类的无生命的系统。否则,一定会闹出笑话的。
  到目前为止,本章所用的语言在很大程度上并没有传达出物理学家心目中的物质结构的概念。当一个物理学家说,质子是由夸克“组成的”时,他的本意并非如此。比如,我们说一个动物是由细胞组成的,或一个图书馆是由书组成的时,我们的意思是说我们可以拿来一个细胞或一本书,或从那较大的系统那里随便拿来什么东西,进行孤立的研究。但夸克却不是这样。就我们所知,不可能真地拆开质子拿出夸克来。
  然而,拆开有着辉煌的历史。拆开原子现在已成了家常便饭;原子核敲开较难,但在高能的冲击下也会分裂。这或许意味着用高速粒子轰击质子或中子,将会把质子或中子粉碎为夸克。然而,实际情况却不是这么回事。一个极小的高速电子会穿过质子的内部,将其中的一个夸克猛烈地弹开,从而使我们确信质子内部的什么地方确有夸克。但是,若打击质子的不是小小的电子,而是一个大锤,即另一个质子,那么,我们就不会在质子的碎片中看见夸克,而只能看见更多的强子(质子、介子等等)。换言之,夸克从不孤立地出现。大自然似乎只准许夸克以集体的面目出现,出现的时候总是2个2个或3个3个地在一起。
  因此,当物理学家说质子是由夸克组成的时,他的意思并不是说这些神秘的夸克可以单独地显现出来。他只是指一个描述层面,这一层面比质子层面更基本。管辖夸克的数学法则要比管辖质子的更质朴,更基本。从某种意义上说,质子是合成的,不是基本的;但质子由夸克的合成与图书馆由图书的合成不是一码事。
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