AL123 人文社科会员免费专区文学 2022-09-15

费曼的彩虹_AZW3_MOBI_EPUB_伦纳德•蒙洛迪诺

内容节选

第九章就在我继续寻找可供研究的问题时，我想起费曼所说的关于优势的话。我的长处是什么？我一直比大多数同学更喜欢数学。而且我还是个叛逆的人——天生就会被违反常理的事物吸引。同层大多数教员都和费曼一样，研究的是如何找到解决量子色动力学问题的更好方法。这主要涉及普通数学，而且被认为是当下最重要的问题之一。但是其中有这样一位教授，约翰·施瓦茨（John Sch-warz），他的研究涉及相当奇特的数学方法，完全徘徊于主流之外。自然界存在四种已知的力——电磁力、引力、强核力及其亚核伙伴，弱核力。物理学家发明了一种描述这些力之间相互作用的理论——量子电弱理论（Quantum Electroweak Theory），它是量子电动力学的概括和总结，不仅描述了电磁力，还包括弱核力；广义相对论（不属于量子理论）描述了引力；而量子色动力学描述了强核力。认为基本物理定律可以解释一切自然现象的观点被称为还原论（Reductionism）。物理学圈子中相信还原论的大有人在，甚至跨越了“学派界限”，从像默里这样的希腊派到费曼这样的巴比伦派都有。这说明大多数物理学家认为，宇宙中的万事万物（不论是婴儿的出世还是星系的诞生）都是这四种基本力中一种或几种作用的结果。鉴于大多数物理学家都秉持这种观点，建立起描述这四种力的单一理论便是理论物理学家所能从事的最重要的工作。如果施瓦茨所研究的单一理论被证实是正确无误的，那么它就会被纳入（并且改变）所有这些理论。他的新理论将会一举改写它们，用一个非常全面的理论取代它们。考虑到这四种力相互迥异，用单一理论来描述它们似乎可望而不可即。例如，电磁力既可以相互吸引也可以相互排斥，而引力总是相互吸引的。当距离缩短时，强核力会变弱，而引力和电磁力则会增强。这些力的强度范围也大到令人难以想象：强核力的强度大约是电磁力的100倍，而电磁力的强度又是弱核力的1000倍，弱核力又比引力强几十亿的几十亿的几十亿倍。这四种力在我们的生活中承担不同的角色，在宇宙中也发挥着不同的作用。顾名思义，引力是将我们吸引在地球上的力，也是潮汐涨落的原因。然而，它最重要的影响主要表现在宇宙范围内。在引力的作用下，行星才会形成，并且绕着恒星运动，位于恒星中心的核反应堆才会产生光和热，从而出现生命。在行星诞生之前，恒星一直都是依靠引力的挤压作用才完成自身的合并。电磁力的重要性主要体现在原子的范畴。例如，原子和分子间的电磁力使物体变得可见，使氧气与红细胞结合，并且在你的手靠在墙上时，防止它穿墙而过。这种力赋予了材料自身的大部分特性。正是人们在20世纪利用了这种力，才有了现代社会的大部分便利设施：从电灯、电话、收音机，到电视和电脑。另外两种力——强核力和弱核力，控制着比电磁学原子尺度更小的世界：原子核的内部。弱核力掌管原子核的放射性衰变，即β衰变。强核力是原子能的来源。曾经，正是这股从原子核（相当于不到三分之一盎司的铀）中释放出的力量，摧毁了日本的广岛。那么，怎么能够用单一的理论来描述这四种力呢？历史为我们提供了一条宝贵经验：其实世界上曾经存在有五种力，但是我们只提到四种，这就是因为很久以前发生过一次力的统一。那是电力和磁力理论的统一，有点像当前研究的“前传”。故事是这样的：很久很久以前（公元前6世纪），在遥远的国度（古希腊），有一位智慧的哲学家泰勒斯，研究着最简单的电磁现象——磁力和静电。从那时起直到19世纪，人类对电与磁的了解越来越深入，但是仍然没有发现它们其实并非两种不同的现象。电力、磁力连同引力一起，构成了三种已知的自然力。接着在1820年左右，几位来自欧洲的科学家发现，带电导线具有神秘的磁性。这强烈地暗示出电与磁之间的相关性，只不过没有人特别清楚其中的原因。在接下来的几十年里，人们只能用各种经验法则来描述自己观察到的效应。1865年，苏格兰一位身高只有1.62米的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell），利用这些大杂烩般的法则推导出了一组了不起的方程式。短短几行就向全世界展示了电力和磁力如何从电荷和电流中产生，以及最重要的，如何从它们的相互作用中产生。因此，麦克斯韦将三种古老之力中的两种（电和磁）统一了起来，创造了我们现在所说的电磁学理论。历史也表明，麦克斯韦统一电磁学不仅体现了理论之美，而且对其实质的研究还显示出划时代的新效应。例如，他的方程表明，加速的电荷可以产生电磁波。这些波总是以相同的速度（他所计算出的光速）运动。这为爱因斯坦的狭义相对论提供了灵感。在麦克斯韦发现光是一种电磁现象后，其他种类电磁波存在的可能性就变得格外明显。这也为德国实验学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）发现无线电波铺平了道路，进而由此诞生出广播、电视、雷达、卫星通信、X光机和微波炉等技术。在《费曼物理学讲义......