[转]人类对物质世界的微观本质探究

摘 要：德谟克利特“不可分割的原子”给我们带来了哪些启示？而古代中国的“阴阳五行学说”对现在的人又有什么新的启发？构成物质世界最小基本单元是什么？几千年来，人类对物质世界微观本质的探究从未停歇。本文简要地介绍了相关理论的发展以及其重要意义。仿佛人类从产生自我意识的那一刻起，就开始了对周围客观世界的观察与描述。从一些原始人类居住过的洞穴遗址的洞壁上看，我们就不难发现，我们的祖先已经学会用简单的几何线条来描绘周围的事物。这里一只牛，那里一颗树，几组画面就可以构成一个场景。后来诞生的语言，除了沟通交流的功能以外，还有一个重要的功用，那就是描述我们的世界。从亚历山大灯塔里的莎草纸，到飞檐挑梁下的龟甲竹简，先哲们一直试图弄清楚这么一个问题：是什么构成了我们这个世界？或者说：物质世界的微观本质是什么？德谟克利特“不可分割的原子”给我们带来了哪些启示？而古代中国的“阴阳五行学说”对现在的人又有什么新的启发？几千年来，人类对物质世界微观本质的探究从未停歇。从文艺复兴开始，随着西方科学的兴起，科学家们获得了一系列的重要发现，诞生了诸多学科。虽然这些发现加深了我们对世界本源的认识，但是还是不能解决“构成物质世界最小基本单元是什么？”等诸如此类的问题。本文简要地介绍了相关理论的发展以及其重要意义。一、 东西方早期观点的对比“文王拘而演周易”，早在三千多年前的周朝，就诞生了描述世界本源的“阴阳学说”。早期的人类思想总是深深地根植于自然万物之中，从所见、所闻、所感、所触出发，来解释风云的变换，万物的吐纳。《周易》就是为了解释自然界中的诸多现象，用“易有太极，是生两仪；两仪生四象，四象生八卦”（《易经·系辞上》），说明天、地、山、泽、水、风、雷这8种自然现象。与此同时，阴阳这一概念穿插在其中，“将阴阳作用形式化和符号化”【1】，构成一幅和谐统一的自然世界图景。这一点，“阴阳学说”与毕达哥拉斯学派的“万物皆数”理论有异曲同工之妙。该理论认为，数是万物的根基，有了数，才有了零维的点，进而产生一维的线，线衍生出二维的面，最后产生三维的立体，有了立体才有世间万物。与此同时，古代中国人更是将金、木、水、火、土作为万物的五种最基本元素。这五种元素彼此相生相克，相互作用，生成世间万物。所谓：“土生金、金生水、水生木、木生火、火生土；土克水、水克火、火克金、金克木、木克土”【2】。无独有偶，从米利都的泰勒斯的“万物皆水”学说开始，再到赫拉克利特的“万物本质归于火”，一直到到恩培多克勒的“四元素”学说，最后由亚里士多德进行总结归纳，形成了一套完整的体系。对于处于蒙昧阶段的文明来说，解释自然，总是用最形象最直观的方式。古代中国与古希腊文明在此产生了交集。然而，交集却不仅仅只限于此。在古希腊的众多学说之中，德谟克利特的“原子说”是十分具有前瞻性的。根据德谟克利特的观点，宇宙是由不可分割的“原子”和“虚空”构成。这一理论虽然历史上并未受到足够的重视，但是伊壁鸠鲁还是提出了关于原子自身性质的一些独到观点。但是如果你认为“原子说”属西方独创，那你就错了。几乎是同一时期，中国的名家与墨家学派也提出了类似的观点。只不过这里的“原子”被称之为“端”，是物质构成的最小单元。由此可见，东西方早期的哲学思想上还是有很多共同之处的。“元气说”与“阴阳说”“五行说”，共同构成了古代中国物质世界观的一部分。古人认为，“气是很小的颗粒，非人的视力所能及”【3】。同时气是可以变化的，而且在不断地转化，这种气弥漫在虚空中，或者说虚空就是气，控制着自然万物的运动规律。这种思想与西方的“以太说”有类似之处，虽然“以太”作为原子说论补充早已被人证伪，但是这些思想在现代物理中仍然会发挥积极的作用。比如，“量子场论中采用了类似气形转化的观点，即把光子看作是电磁场的表现形式，且每一种粒子都对应一种量子场，以场的激发和退激表示为粒子的产生和消失”【4】。二、 原子物理学的兴起提到原子物理学的兴起，就不得不提到这场运动的关键人物——法国学者伽桑狄。正是他对古代原子论思想的不懈研究与宣传，才促使人类“重新发现”原子论。胡克在1678年提出，“空气是由大量快速运动的粒子组成的，它们对四壁的碰撞，形成了空气对器壁的压力”【5】。作为现代原子学说的源头的分子动理论就是在这一时期发端的。稍早些时候，也就是1666年，牛顿利用三棱镜将白光分成不同颜色的光，从而发现了光谱。后来这方面大量资料的积累便成为了后来者探究原子结构的重要依据。原子物理学的真正发展，则开始于十九世纪。随着拉瓦锡发现其用水制备氢气过程中，“得到的氧气与氢气的比重总是8：1”【6】，原子世界的大门逐渐敞开了一条缝。英国化学家道尔顿通过对大气成分、性质以及气体的扩散和混合现象的研究，由此发现了气体分压定律，并产生出一套关于原子的新理论。他认为“一切化学元素都是由不可分割的原子组成的；各种元素的原子以简单整数的比例相结合而形成各种化合物的原子”【7】。由于当时还没有分子的概念，道尔顿就称其为“复杂原子”。布朗运动给出了分子运动的证据，进一步揭示了微观物质世界的面目。1833年，法拉第通过一系列的实验，将原子的思想应用到电上，他认为电“流是‘带电微粒’——电子组成的”【8】，从而预言了电子的存在。而门捷列夫利用道尔顿的概念组织了所有已知的元素，制成了著名的元素周期表。通过元素周期表我们可以发现，这其中蕴含着更加深入、更加有意义的结构。1885年巴耳末发现氢光谱线系的规律，1887年赫兹发现光电效应，1895年伦琴发现X射线，1896年贝克勒尔发现放射性，1897年，汤姆逊发现电子，原子物理学的发展进入了爆发期。对于原子的结构，汤姆逊提出了实心带电球模型，认为电子均匀分布在实心的带正电荷的圆球上，从而整体上对外不显电性。然而卢瑟福持不同的观点，他通过做α粒子散射实验，发现了原子的核式结构，进而提出了原子的行星模型。这一理论虽然存在很多致命缺陷，比如电子的能量耗散问题。但在当时，这一理论还是非常具有划时代的意义。随着量子论的发展以及玻尔、泡利等一大批科学家的不懈努力，原子的结构愈加清晰。这一时期的科学家之所以能够做出如此多的发现，很重要的一点就在于随着西方工业革命的继续，实验仪器的制造水平以及精度不断提高。威尔逊云室、气泡室等一大批先进仪器的使用为其造就了合适的条件。与此同时，资本主义社会发展迅速，思想言论自由，各种理论层出不穷。因此可以这样讲，正是社会生产力的发展，才促成了原子物理学的诞生。三、 粒子物理学——寻找希格斯粒子十九世纪末到二十世纪初，随着人类对原子结构逐步了解，天然放射性的发现，越来越多的证据表明，原子不是物质世界的最基本单元。那么什么又是构成物质世界的最小基本单元呢？要试图回答这个问题，我们还得从原子核的结构说起。上一节已经提到过，卢瑟福通过用α粒子轰击金箔的实验，从而证明了原子是有“核式结构”的。那么，是什么构成了原子核呢？从1917年开始，卢瑟福就开始用α射线反复轰击氮原子核，企图弄清楚原子核的成分。直到1919年，“卢瑟福明确表达了α粒子轰击氦核产生了氢核（质子）”【9】，从而揭示了质子的存在。1932年，查得维克公布了中子的存在。至此，原子的核式结构基本确立，即由带正电的质子和不带电的中子组成，二者质量相当。那么，电子、质子与中子以及光子就是我们这个世界的最基本结构啰？但是人们很快发现，要解释质子与中子之间的相互作用，必须引入一种“交换力”。【10】而这种交换力的假设，使得汤川秀树预言出了一种新的“粒子”——介子。他认为“核力是任意两个核子之间交换一种尚未发现的新的重粒子产生的”【11】。可是随着μ子以及π介子的发现，人们进一步地认识到，核力的作用机制要复杂得多，不能把核力的作用简单地归结为核子之间交换π介子的过程。虽然如此，汤川秀树的理论依然有他的重要意义。二十世纪初，相对论逐步确立和量子力学飞速发展，随着狄拉克方程的建立，人们很快发现，实际上，这预言了一种新的粒子——“反电子”。后来安德森发现了反电子，证实了狄拉克的理论。一些物理学家开始投入寻找其他的“反粒子”，经过不懈地努力，1955年，张伯伦-赛格雷小组发现了“反质子”。不久以后，他们又发现了“反中子”。从此，反物质世界的大幕缓缓拉开。到后来，大型的回旋加速器不断建立，粒子加速能及不断提升。物理学家用来“劈开”原子的小刀变得越来越锋利，上百种粒子被发现。但很快，人们便陷入了困境，究竟哪一个才是物质世界的最基本单元？随着夸克的发现，这种困惑变得越来越深。难道微观世界就是一个俄罗斯套娃么？一层套一层，无穷无尽。很快，一种“终极粒子”便浮出水面——希格斯粒子。这种粒子的作用是“把质量赋予那些没有质量的粒子”【12】。而且，这种新的观点认为，“所有的空间都包含着一个场——希格斯场，他渗入到真空中而且处处相同”【13】。欧洲大型强子对撞击就是为了寻找这种粒子而建立的，物理学家相信，只有找到这种“上帝粒子”，微观物质世界基本构成的奥秘才能解开。四、 当今物理学界的超级任务自上世纪60年代起，一种新的理论逐渐地走进了人们的视野。这是一种声称可以“包罗万象”的理论，它就是超弦理论。弦论认为，基本粒子是由弦构成。每一跟弦都在做着永恒地振动，而弦不同的振动模式，就形成了不同性质的粒子。弦振动的越剧烈，粒子的能量就越大；振动越轻柔，粒子的能量就越小。根据爱因斯坦的质能方程，质量与能量只是同一种事物的两种不同表现形式。因此，振动较剧烈的粒子质量较大，振动较弱的质量较小。而要描述这种粒子，则需要在十维空间中，而且宇宙之中只有一种作用力（而不是我们熟悉的四种），那就是引力。根据超弦理论的解释，电磁力、强力与弱力只是引力不同表现形式。这些颠覆传统的观点在理论上完美地解决了一系列的问题，似乎真的可以包罗万象。然而，至今没有任何实验证据来支持这一理论，这始终还是一种假说。不过，根据超弦理论的预言，我们的宇宙是“超对称”的【14】。寻找这一理论的实验证据便成为了当今物理学界的超级任务。五、 π型三重波粒二象性与太极粒子波历史上关于光本质的争论由来已久，从牛顿坚持的微粒说到惠更斯的波动说，两方争执激烈，似乎都握有“坚实的”证据证明自己的观点，然而谁也说服不了对方。直到爱因斯坦的出现，才终结了这一论战。1905年，爱因斯坦发表具有划时代意义的五篇论文，其中一篇，就是用光量子的观点解释“光电效应”。这一理论预言光既是粒子又是波，成功地揭示了光的本质。很快，在1924年，德布罗意在他的博士论文中史无前例的指出实物粒子也具有波动性，从而预言了德布罗意波的存在。很快，G·P·汤姆逊通过实验，观察到了电子的衍射，从而证实了德布罗意的理论。然而爱因斯坦和德布罗意本人自始至终没有搞清粒子与波之间的关系。1994年，甘永超通过对电磁场按光子对应分解的数学方法，分离出一个个“电磁基波”，而且每一份电磁基波都与其对应光量子的能量、动量、角动量严格相等，从而揭示出光的第三种波粒二象性。并且，甘永超对爱因斯坦和德布罗意的波粒二象性进行了修正，与第三种波粒二象性完美统一，形成了“π型三重波粒二象性”理论。甘认为，“光的波粒二象性有如下三重含义：1、电磁波的波粒二象性，当光以电磁波形式存在时，波动为本体（物态），颗粒为属性（电磁波相的性质）；2、当光以光子气的形式存在时，例子为本体（物态），波动为属性（光子气相的性质）；3、光存在电磁波与光子气两种状态，而这两种状态在一定条件下可以相互转化。”【15】第一条即为甘揭示的波粒二象性，第二、三条分别为德布罗意和爱因斯坦的波粒二象性。在爱因斯坦的理论中，“光既是粒子又是波”，没有给出时间上的解释。甘为此给出了爱因斯坦的波粒二象性异时性的说法，即粒子态与波态不同时存在，只在一定条件下相互转化。而德布罗意的波粒二象性和甘的波粒二象性却是同时性的。德的波粒二象性指的是实物粒子在运动的过程中有波的性质。甘的波粒二象性指的是电磁（波）场具有粒子结构。基于上述理论，甘永超为我们又展开了一个全新的图景，即“太极粒子波”的假设。让我们先画一个太极图，太极阴阳合抱可以代表爱因斯坦的波粒二象性，其中阴鱼代表粒子，阳鱼代表波，表示同一事物相互转化。阴鱼之阳眼代表德布罗意的波粒二象性，阳鱼之阴眼代表甘的波粒二象性。甘永超相信，微观世界的最基本单元必将是这样一种结构。虽然这一理论还需实验的验证，但无论对错，对我们对微观世界本质的认识而言，依然是划时代的一步。注 释：【1】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版，第34页。【2】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版，第35页。【3】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版，第36页。【4】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版，第40页。【5】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版，第165页。【6】《上帝粒子》中文1版，上海科技教育出版社2003版，第117页。【7】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版，第166页。【8】《上帝粒子》中文1版，上海科技教育出版社2003版，第350页。【9】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版，第322页。【10】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版，第338页。【11】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版，第338页。【12】《上帝粒子》中文1版，上海科技教育出版社2003版，第379页。【13】《上帝粒子》中文1版，上海科技教育出版社2003版，第379页。【14】《超对称——当今物理学界的超级任务》中文1版，汕头大学出版社2004版，第11页。【15】《一种自洽的波粒二象性图景》甘永超，荆州师专学报（自然科学版），1996年参考文献：【1】《物理学史》中文1版，科学出版社2003版【2】《上帝粒子》中文1版，上海科技教育出版社2003版【3】《原子物理学》中文1版，高等教育出版社2009版【4】《诺贝尔奖百年回顾》中文1版，国防工业出版社2003年版【5】《超对称——当今物理学界的超级任务》中文1版，汕头大学出版社2004版【6】《一种自洽的波粒二象性图景》甘永超 吴美钧，荆州师专学报（自然科学版），1996年【7】《论电磁场的自身量子化》甘永超 吴美钧，荆州师专学报（自然科学版），1994年发布于刚刚转引自：https://www.douban.com/note/124602303/