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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。...
  圣经上说上帝“头一日”创造了宇宙,但没有讲明当时具体是怎么回事。现在,实际上有两种上帝造天地的说法,但两种说法都没有明确地说,用来造恒星、行星、地球以及人的身体的物质在造天地这件事之前就存在了。基督教教义中有一历史悠久的一条,这就是相信上帝从无中创造出宇宙间的物质。倒也是,假如认定上帝无所不能,便得相信这一点。这是因为,假设上帝没有创造物质,这就是暗示,上帝在进行创造的过程中受到了原材料的性质的限制。
  本世纪之前,科学家和神学家都认为,物质是不能用自然的方法创造(或毁灭)的。当然,物质的形态有变化,比如,在化学反应的过程中,物质的形态发生变化,但物质的总量被认为总是恒定的。科学家们在面对物质起源这道难题时,倾向于相信宇宙的年龄是无限的,这就避开了创造物质的问题。在永恒的宇宙中,物质可以是一直就存在的,于是,物质的起源这道难题也就被绕开了。
  那种认为物质不可能以自然的方法创造出来的信念,在本世纪30年代戏剧性地崩溃了。当时,头一次在实验室里造出了物质。导致这一发现的事件便是现代物理学处于全盛时期的最好例证。
  这发现过程的故事,如同其他很多同类的故事一样,是由爱
  因斯坦在1905年开的头。他那有名的E=mc2方程式就是“质量与能量等同”这一陈述的数学体现。质量有能量,能量有质量。质量是物质的定量,说一物体的质量是多少,就是说它有多少物质。质量大就意味着沉重,难移动;质量小就意味着轻快,容易移动。质量等同于能量这一点就意味着在某种意义上说,物质是“被锁闭的”能量。如果能找到什么方法把它释放出来,物质就会在能量的爆炸中消失。反之,如果想办法把能量集中起来,就会出现物质。
  爱因斯坦的方程式是他相对论的一个副产品,在一开始进行构思时,该方程式所涉及的是以接近光速的超高速运动的物体性质。根据相对论,某物体运动所耗用的能量应该使该物体显得变重了(质量增加)。当物体以平常速度运动时,质量的增加是微小的,因为一丁点质量就相当于很大很大的能量,举例来说,1克质量相当于以目前的价格要花10亿美元才能买到的能量。然而,现代亚原子粒子加速器却能把电子和质子的速度提高到十分接近光速,获得这样的速度之后,人们观测到电子和质子的质量增加了几十倍。
  当然,质量随着速度的增加而增加还不是物质的创生,只不过是现存的物质增加了重量而已。保罗·狄拉克1930年前后进行的划时代的数学推导,使得通过聚集能量造出全新的物质粒子的可能性出现了。狄拉克当时正试图将爱因斯坦的相对论及其E=mc2与20世纪物理学的另一重大革命——量子论——调合起来。量子论涉及的是原子及亚原子物质的行为。描述以近于光速的速度运动的亚原子粒子,需要有一个统一的相对论量子论。能量的放射性发射就产生以接近光速的速度运动的亚原子。
  狄拉克进行了数学分析之后,提出了一个新方程式来描述高速的原子物质。该方程式立刻获得了成功,解释了一个当时一直令人困惑的电子的特征,即电子总是以与常识和基本几何完全相悖的方式旋转。粗略地说,一个电子得自旋两周才能再现出同一个面孔。狄拉克方程式又是一个好例,说明在探寻基本物理学的抽象世界时,数学如何必须取代直觉。
  然而,狄拉克的方程式却还有令人不解的一面。方程式的各个解答正确地描述了普通电子的行为,但每一个解答都伴有另一个解答,这种相伴解答在已知的宇宙里似乎没有任何对应物。只要稍微发挥一下想象力,就可能想出这未知的粒子是怎样的东西。它们的质量和旋转方式与普通的电子一样,只不过所有的电子都带负电荷,而这些神秘粒子却要带正电荷。它们的其他特征,如它们的旋转,也要与电子相反,使这种新粒子成为电子的一种镜像。
  更有意思的是狄拉克的预言。他预言说,假如能聚集起足够的能量,以前没有这种粒子的地方就会出现这么一个“反电子”。为了电荷守恒,出现这么一个“反电子”的同时,必定也得出现一个电子。这样,能量就可以以电子——反电子的形式直接用来创造物质了。
  大约在这个时候(1930年),物理学家赵忠尧正用铅之类的重材料做γ射线(高能光子)穿透力的试验。他注意到,最有力的γ射线被以一种无法理解的高效率减弱了。γ射线被额外吸收,其原因当时对赵来说是个谜。但我们现在知道,那是因为生产电子——反电子的缘故。
  后来,到了1933年,卡尔·安德森在用金属薄板研究宇宙线(即来自宇宙空间的高能粒子)时,头一次明确地发现了狄拉克所预言的反电子。在实验室里的受控实验中,物质被造出来了。接着很快证实了,新发现的粒子具有已预言过的一切特征,于是,狄拉克和安德森因这精彩的预言和发现分享了一项诺贝尔奖。
  在其后的年月里,制造电子和反电子(反电子通常被称为正电子)成了范围广泛的实验室实验过程中的家常便饭。第二次世界大战之后,亚核粒子加速器的发展也使得受控生产其他种类的粒子成为可能。反质子、反中子也制造出来了。今天,正电子和反质子可以大批量制造,并被储存在磁“瓶”里。镜像粒子或曰反粒子都被称为反物质。现在,人们在物理实验室里例行公事般地制造反物质。
  有了这些事实作后盾,人们似乎摸到了门路,可以对一切物质的本源给出一个自然的解释了。发生大爆炸时,有大量的能量,使物质和反物质得以断续地大量产生出来。最后,爆炸热冷却下来,这些物质就聚集成恒星和行星。不幸,这简洁干净的解释却有个大漏洞;因为物质遇上反物质时,二者会彼此湮灭,同时会有剧烈的能量释放,而这正与物质创造的过程相反(见图4)。
  因而,由物质和反物质混合组成的宇宙是极不稳定的。在我们的星系中掺加反物质得有非常严格的条件限制,因而,反物质的量是微乎其微的。
  那么,那些该有却不在的反物质都到哪里去了呢?在实验室中,每造出一个粒子,就必有一反粒子。照理说,宇宙中的物质与反物质之比该是一比一,但多次观测的结果却排除了这照理说是该有的事。有些天体物理学家提出一种假说,认为物质和反物质不知怎么彼此分离开来,彼此天各一方了。这些天体物理学家试图以这种假设来解释反物质的失踪之谜。或许,一些星系是由反物质组成的,另一些星系是由物质组成的。然而,迄今为止,还没有人提出过令人信服的物质与反物质的分离机制。因而,对称宇宙论失宠了。
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