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量子物理史话-第章

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当物质落入黑洞的时候,它所包含的信息被完全吞噬了。因为按照定义,没什么能再从黑洞中逃出来,所以这些信息其实是永久地丧失了。这样一来,我们的决定论再一次遭到毁灭性的打击:现在,即使是预测概率的薛定谔波函数本身,我们都无法确定地预测!因为宇宙波函数需要掌握所有物质的信息,而这些信息却不断地被黑洞所吞没。霍金对此说了一句同样有名的话:〃上帝不但掷骰子,他还把骰子掷到我们看不见的地方去!〃这个看不见的地方就是黑洞奇点。不过由于蒸发过程的发现,黑洞是否在蒸发后又把这些信息重新〃吐〃出来呢?在这点上人们依旧争论不休,它关系到我们的宇宙和骰子之间那深刻的内在关系。
最后,很有可能,我们对于宇宙终极命运的理解也离不开量子论。大爆炸的最初发生了什么?是否存在奇点?在奇点处物理定律是否失效?因为在宇宙极早期,引力场是如此之强,以致量子效应不能忽略,我们必须采取有效的量子引力方法来处理。在采用了费因曼的路径积分手段之后,哈特尔(就是提出DH的那个)和霍金提出了著名的〃无边界假设〃:宇宙的起点并没有一个明确的边界,时间并不是一条从一点开始的射线,相反,它是复数的!时间就像我们地球的表面,并没有一个地方可以称之为〃起点〃。为了更好地理解这些问题,我们迫切地需要全新的量子宇宙学,需要量子论和相对论进一步强强联手,在史话的后面我们还会讲到这个事情。
量子论的出现彻底改变了世界的面貌,它比史上任何一种理论都引发了更多的技术革命。核能、计算机技术、新材料、能源技术、信息技术……这些都在根本上和量子论密切相关。牵强一点说,如果没有足够的关于弱相互作用力和晶体衍射的知识,DNA的双螺旋结构也就不会被发现,分子生物学也就无法建立,也就没有如今这般火热的生物技术革命。再牵强一点说,没有量子力学,也就没有欧洲粒子物理中心(CERN),而没有CERN,也就没有互联网的服务,更没有划时代的网络革命,各位也就很可能看不到我们的史话,呵呵。
如果要评选20世纪最为深刻地影响了人类社会的事件,那么可以毫不夸张地说,这既不是两次世界大战,也不是共产主义运动的兴衰,也不是联合国的成立,或者女权运动,殖民主义的没落,人类探索太空……等等。它应该被授予量子力学及其相关理论的创立和发展。量子论深入我们生活的每一个角落,它的影响无处不在,触手可得。许多人喜欢比较20世纪齐名的两大物理发现相对论和量子论究竟谁更〃伟大〃,从一个普遍的意义上来说这样的比较是毫无意义的,所谓〃伟大〃往往不具有可比性,正如人们无聊地争论李白还是杜甫,莫扎特还是贝多芬,汉朝还是罗马,贝利还是马拉多纳,Beatles还是滚石,阿甘还是肖申克……但仅仅从实用性的角度而言,我们可以毫不犹豫地下结论说:是的,量子论比相对论更加〃有用〃。
也许我们仍然不能从哲学意义上去真正理解量子论,但它的进步意义依旧无可限量。虽然我们有时候还会偶尔怀念经典时代,怀念那些因果关系一丝不苟,宇宙的本质简单易懂的日子,但这也已经更多地是一种怀旧情绪而已。正如电影《乱世佳人》的开头不无深情地说:〃曾经有一片属于骑士和棉花园的土地叫做老南方。在这个美丽的世界里,绅士们最后一次风度翩翩地行礼,骑士们最后一次和漂亮的女伴们同行,人们最后一次见到主人和他们的奴隶。而如今这已经是一个只能从书本中去寻找的旧梦,一个随风飘逝的文明。〃虽然有这样的伤感,但人们依然还是会歌颂北方扬基们最后的胜利,因为我们从他们那里得到更大的力量,更多的热情,还有对于未来更执着的信心。

但量子论的道路仍未走到尽头,虽然它已经负担了太多的光荣和疑惑,但命运仍然注定了它要继续影响物理学的将来。在经历了无数的风雨之后,这一次,它面对的是一个前所未有强大的对手,也是最后的终极挑战广义相对论。   
标准的薛定谔方程是非相对论化的,在它之中并没有考虑到光速的上限。而这一工作最终由狄拉克完成,最后完成的量子场论实际上是量子力学和狭义相对论的联合产物。当我们仅仅考虑电磁场的时候,我们得到的是量子电动力学,它可以处理电磁力的作用。大家在中学里都知道电磁力:同性相斥,异性相吸,量子电动力学认为,这个力的本质是两个粒子之间不停地交换光子的结果。两个电子互相靠近并最终因为电磁力而弹开,这其中发生了什么呢?原来两个电子不停地在交换光子。想象两个溜冰场上的人,他们不停地把一只皮球抛来抛去,从一个人的手中扔到另一个人那里,这样一来他们必定离得越来越远,似乎他们之间有一种斥力一样。在电磁作用力中,这个皮球就是光子!那么同性相吸是怎么回事呢?你可以想象成两个人背靠背站立,并不停地把球扔到对方面对的墙壁上再反弹到对方手里。这样就似乎有一种吸力使两人紧紧靠在一起。
但是,当处理到原子核内部的事务时,我们面对的就不再是电磁作用力了!比如说一个氦原子核,它由两个质子和两个中子组成。中子不带电,倒也没有什么,可两个质子却都带着正电!如果说同性相斥,那么它们应该互相弹开,而怎么可能保持在一起呢?这显然不是万有引力互相吸引的结果,在如此小的质子之间,引力微弱得基本可以忽略不计,必定有一种更为强大的核力,比电磁力更强大,才可以把它们拉在一起不致分开。这种力叫做强相互作用力。
聪明的各位也许已经猜到了,既然有〃强〃相互作用力,必定相对地还有一种〃弱〃相互作用力,事实正是如此。弱作用力就是造成许多不稳定的粒子衰变的原因。这样一来,我们的宇宙中就总共有着4种相互作用力:引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。它们各自为政,互不管辖,遵守着不同的理论规则。
但所有这些力的本质是什么呢?是不是也如同电磁力那样,是因为交换粒子而形成的?日本物理学家汤川秀树他或许是日本最著名的科学家预言如此。在强相互作用力中,汤川认为这是因为核子交换一种新粒子介子(meson)而形成的。他所预言的介子不久就为安德森等人所发现,不过那却是一种不同的介子,现在称为μ子,它和汤川理论无关。汤川所预言的那种介子现在称为π子,它最终在1947年为英国人鲍威尔(Cecil Frank Powell)在研究宇宙射线时所发现。汤川获得了1949年的诺贝尔物理奖,而鲍威尔获得了1950年的。对于强相互作用力的研究仍在继续,人们把那些感受强相互作用力的核子称为〃强子〃,比如质子、中子等。1964年,我们的盖尔曼提出,所有的强子都可以进一步分割,这就是如今家喻户晓的〃夸克〃模型。每个质子或中子都由3个夸克组成,每种夸克既有不同的〃味道〃,更有不同的〃颜色〃,在此基础上人们发明了所谓的〃量子色动力学〃(QCD),来描述。夸克之间同样通过交换粒子来维持作用力,这种被交换的粒子称为〃胶子〃(gluon)。各位也许已经有些头晕脑胀,我们就不进一步描述了。再说详细描述基本粒子的模型需要太多的笔墨,引进太多的概念,但我们的史话所留下的篇幅已经不多,所以只能这样简单地一笔带过。如果想更好地了解有关知识,盖尔曼曾写过一本通俗的读物《夸克与美洲豹》,而伟大的阿西莫夫(Isaac Asimov)则有更多精彩的论述,虽然时代已经不同,但许多作品却仍然并不过时!
强相互作用是交换介子,那么弱相互作用呢?汤川秀树同样预言它必定也交换某种粒子,这种粒子被称为〃中间玻色子〃。与强作用力所不同的是,弱相互作用力的理论形式看上去同电磁作用力非常相似,这使得人们开始怀疑,这两种力实际上是不是就是同一种东西,只不过在不同的环境中表现得不尽相同而已?特别是当李政道与杨振宁提出了弱作用下宇称不守恒之后,这一怀疑愈加强烈。终于到了60年代,统一弱相互作用力和电磁力的工作由美国人格拉肖(Sheldon Glashow)、温伯格(Steven Weinberg)和巴基斯坦人萨拉姆(Aldus Salam)所完成,他们的成果被称为〃弱电统一理论〃,3人最终为此得到了1979年的诺贝尔奖。该理论所预言的3种中间玻色子(W+,W和Z0)到了80年代被实验所全部发现,更加证实了它的正确性。
物理学家们现在开始大大地兴奋起来了:既然电磁力和弱作用力已经被证明是同一种东西,可以被一个相同的理论所描述,那么我们又有什么理由不去相信,所有的4种力其实都是同一种东西呢?所有的物理学家都相信,上帝大自然的创造者他老人家是爱好简单的,他不会把我们的世界搞得复杂不堪,让人摇头叹气,他必定按照某一种标准的模式创造了这个宇宙!而我们要做的工作,就是把上帝所依据的这个蓝图找出来。这蓝图必定只有一份,而所有的物理现象,物理力都被涵盖在这个设计之中!如果模仿《独立宣言》中那著名的句子,物理学家完全愿意宣称:
我们认为这是不言而喻的事实:每一种力都是被相同地创造的。
We hold the truth to be selfevident; that all forces are created equal。
是啊,要是真有那么一个理论,它可以描述所有的4种力,进而可以描述所有的物理现象,那该是怎样一幅壮观的场面啊!那样一来,整个自然,整个物理就又重新归于统一之中,就像史诗中所描写的那个传奇的黄金时代与伟大的经典帝国,任何人都无法抗拒这样一种诱人的景象,仿佛一个新的伟大时代就在眼前。戎马已备,戈矛已修,浩浩荡荡的大军终于就要出发,去追寻那个失落已久的统一之梦。
现在,弱作用力和电磁力已经被合并了,下一个目标是强相互作用力,正如我们已经介绍的那样,这块地域目前为止被量子色动力学所统治着。但幸运地是,虽然兵锋指处,形势紧张严峻,大战一触即发,但两国的君主却多少有点血缘关系,这给和平统一留下了余地:它们都是在量子场论的统一框架下完成的。1954年,杨振宁和米尔斯建立了规范场论,而吸取了对称性破缺的思想之后,这使得理论中的某些没有质量的粒子可以自发地获得质量。正因为如此,中间玻色子和光子才得以被格拉肖等人包含在同一个框架内。而反观量子色动力学,它本身就是模仿量子电动力学所建立的,连名字都模仿自后者!所不同的是光子不带电荷,但胶子却带着〃颜色〃荷,但如果充分地考虑自发对称破缺的规范场,将理论扩充为更大的单群,把胶子也拉进统一中来并非不可能。这样的理论被骄傲地称为〃大统一理论〃(Grand Unified Theory,GUT),它后来发展出了多个变种,但不管怎样,其目标是一致的,那就是统一弱相互作用力、强相互作用力和电磁力3种力,把它们合并在一起,包含到同一个理论中去。不同的大统一理论预言了一些不同的物理现象,比如质子可能会衰变,比如存在着磁单极子,或者奇异弦,但可惜的是,到目前为
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