物理学和哲学-第15章

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之上的力之外，它们之间没有任何关系）？或者它们正是同类物质的不同形式，它们是否还能相互嬗变，是否还能嬗变成其他的物质形式？在着手解决这个问题的实验中，所需要集中于原子粒子的力和能量远大于研究原子核时所需要的力和能量。因为原子核中所蕴藏的能量还不够大，不足以作为我们进行这类实验的工具，物理学家如不依靠宇宙规模的力，就得依靠工程师的天才和技巧了。
实际上，在这两条路线上都有了进展。在第一种情况下，物理学家使用了所谓宇宙辐射。广延在巨大空间中的星体表面的电磁场在一定的环境下能够加速带电的原子粒子、电子和原子核。由于原子核的惯性较大，它们似乎有较多的机会在加速电场中多停留一长段距离，并且最后当它们离开星体表面进入空虚的空间时，它们已穿过了几十亿代的电势。在星体间的磁场中它们可能进一步被加速；总之，原子核似乎有很长一段时间被不断变化的磁场保留在星系空间中，而最后它们在这个空间中装满了人们称为宇宙辐射的那种东西。这种辐射从外面到达地球，它实际上由各种原子核所组成，例如由氢原子核和氦原子核和其他较重元素的核所组成，它们大约具有一亿或十亿电子伏的能量，在比较稀有的情况下，还可到达这个数量的一百万倍。当这种宇宙辐射的粒子穿入地球大气时，它们击中大气中的氮原子和氧原子，或者可以击中受到辐射的任何实验装置中的原子。
另一条研究路线是建造大的加速器，它的典型就是劳仑斯（Lawrence）在三十年代初期在美国加利福尼亚州建立的所谓回旋加速器。这些加速器的基本思想是用强磁场把带电粒子保持在圆圈上运动许多次，使它们能够在旋转过程中一次又一次地为电场所加速。能量达到几亿电子伏的机器已在英国使用。通过十二个欧洲国家的合作，一个这种类型的非常巨大的机器目前正在日内瓦建造，我们期望它的能量能达到250亿电子伏。由宇宙辐射式大加速器所完成的实验已经显示了物质的新的有意义的特征。除了物质的三种基本的建筑基石——电子、质子和中子——之外，已发现了一些新的基本粒子，它们能够在这些极高能过程中产生出来，并且在很短的时间之后消失。这些新的粒子，除了它们的不稳定性之外，具有与老粒子相似的性质。即使最稳定的这种粒子，它们的寿命也只有大约百万分之一秒，而其他粒子的寿命甚至比这还要小一千倍。现在，大约已知道25个不同的新基本粒子；最新的一个是反质子。
乍看起来，这些结果似乎离开了物质统一性的概念十因为物质基本单位的数目又增加到可以和不同化学元素的数目相比较的数值。但这不是一个适当的解释。实验同时表明，粒子能够从其他粒子产生出来，或仅仅由这些粒子的动能产生出来，而它们又能蜕变为其他的粒子。实验已经实际证明了物质的完全互换性。在能量足够大时，所有的基本粒子都能嬗变为其他粒子，它们能够仅仅从动能产生，并能湮灭而转化为能量，譬如说转化为辐射。因此，这里我们实际上有了对物质统一性的最终证明。所有基本粒子都由同一种实体制成，我们可以称这种实体为能量或普遍物质（universal
matter）；所有的基本粒子正是这种物质所能呈现的不同形式。
如果我们将这种状况与亚里士多德关于物质和形式的概念相比较，我们可以说，亚里士多德的物质既然仅仅是“潜能”，就应当可以和我们的能量概念相比较，当基本粒子产生时，它通过形式转化为“现实”。
现代物理学当然不能满足于物质基本结构的仅仅是定性的描述；它必须尝试根据仔细的实验研究，为决定着物质“形式”、基本粒子和它们的力的那些自然律建立一个数学形式系统。在这部分物理学中不能再在物质和力之间划一条清楚的界线，因为每一种基本粒子不仅产生某些力并受力的作用，它同时还代表某种力场。鼻子理论的波粒二象性使得同一种实体既以物质的形式出现，又以力的形式出现。
建立关于基本粒子的定律的数学描述的一切尝试早从波场的量子论就已开始了。关于这种类型理论的理论工作早在三十年代已经开始。但在这条路线上的最早的研究就发现了严重的困难，其根源是在量子论与狭义相对论结合之处。乍看起来似乎是这样：量子论和相对论这两个理论所涉及的自然的方面是如此不同，所以它们实际上应当互不相关，从而在同一个形式系统中容易满足两个理论的要求。然而更深入的了解表明：两个理论在一点上还是互相干扰的，而全部困难正是从这一点上产生的。
狭义相对论已经显示了一种时间空间结构，它和自牛顿力学以来普遍假设的时间空间结构有所不同，这个新发现的时间空间结构的最突出的特征是存在着一个极限速度，这就是任何运动体或任何传递信号均不能超越的光速。因此，如果在相距很远的两点上的两个事件发生于这样的时间，使得在一个点上发生事件的瞬间发出的光信号只是在另一点发生了另一事件之后才能到达该点，那么，这两个事件之间就不能有任何直接的因果联系；反之亦然。在这种情况下，两个事件可以称为是同时的。因为没有任何一种作用能从一点到达另一点，所以，没有任何东西从一点上发生的事件及时地传给另一点发生的另一事件而把两个事件联系起来，两个事件之间没有任何因果联系。
由于这个理由，任何类型的超距作用，例如牛顿力学中的万有引力，同狭义相对论都是不相容的。这个理论必须用从一点到另一点，即从一点到无限邻近的点的作用来代替超距作用。这类作用的最自然的数学表示是关于波或场的微分方程，这些微分方程相对于洛伦兹变换是不变的。这样的微分方程排斥“同时”事件间的任何直接作用。
由此可见，狭义相对论所表示的时间空间结构隐隐地包含着这样一个意思，即在同时性的区域和其他区域之间存在着无限明确的界限：在同时性区域内，不能传递任何作用，而在其他区域内，从一个事件到另一个事件的直接作用是能够发生的。
另一方面，量子论的测不准关系对于能够同时测量的位置与动量、或者时间和能量的准确度施加了明确的限制。因为一个无限明确的界限意味着关于空间时间中的位置的无限准确性，所以动量或能量必须是完全不确定的，或者说在事实上，任意高的动量和能量必须以占压倒优势的几率出现。由此可见，任何企图同时满足狭义相对论和量子论的要求的理论将导致数学上的自相矛盾，导致极高能量与动量区域的发散。上述结论的这个后果或许不象是有严格约束力的，因为所考察的任何一个这种类型的形式系统都是很复杂的，并且或许可能提供避免量子论与相对论间的冲突的某些数学可能性。但是，迄今为止，所有曾经尝试过的数学方案在事实上要不是导致发散（即导致数学的矛盾），就是不能满足两个理论的全部要求。很容易看出，这种困难实际上正是来自上面讨论过的那一点。
有一种方法，虽然它所用的收敛的数学方案不满足相对论或量子论的要求，然而这种方法本身却十分有意思。例如，有过一个方案，当用时间空间中的实际事件来解释它时，会导致某种时间倒流；这种方案会预言出这样一种过程，在这种过程中，粒子会突然地在空间某点产生，而它的能量却在后来才由在另外的某个点的基本粒子间的某个碰撞过程所提供。物理学家根据他们的实验，深信这类过程不在自然中产生，至少这两个过程如果在空间时间中分隔着一个可测间隔是不可能的。另一个数学方案试图通过所谓重正化的教学方法来避免发散，它似乎能将形式系统中的无穷大逼近到一个位置，那里它们不会妨碍那些能被直接观测的物理量间的确定关系的建立。实际上这个方案已经使量子电动力学得到非常实质性的进展，因为它说明了氢光谱中以前所不了解的某些有意义的细节。然而，对这种数学方案的更深人的分析表明，它可能会出现这样的情形，就是在重正化的形式系统中，那些在正常的量子论中必须解释为几率的物理量在一定的条件下能够变成负的。这将使人们无法前后一致地使用这种形式系统来描述物质。
这些困难的最终的解决办法尚未发现。有朝一日，它将从关于各种不同的基本粒子、它们的产生与湮灭、它们之间的力的日益准确的实验资料的积累中浮现出来。在寻求这种困难的可能解决方案时，人们或许应当想起：带有前面讨论过的时间倒流的这种过程，可能是不应从实验上排除的，如果它们只在我们现在的实验装置所能及的范围之外的极端小的时间空间区域内发生的话。当然，人们或许将勉强地接受这种带有时间倒流的过程，如果在以后物理学的任何阶段有可能象人们追踪普通的原子事件一样地从实验上追踪这种事件。但是，在这里对量子论和相对论的分析，可能会又一次帮助我们从新的角度看看这个问题。
相对论与自然中的一个普适常数光速相联系，这个常数决定了时间与空间的关系，因而隐含于必须满足洛伦兹不变式的任何自然律之中。我们的自然语言和经典物理学概念只能适用于在实际上可把光速看作无限大的那些现象。
当我们在实验中接近光速的时候，我们就必须准备对付不能用这些概念解释的结果。
量子论是和自然界的另一个普适常数——普朗克作用量子——相联系的。只有当我们在一个可把普朗克常数当作无限小的较大标尺上处理对象和过程时，关于时间和空间中事件的客观描述才是可能的。当我们的实验接近作用量子成为不可忽略的区域时，我们就接触到本书前几章讨论过的有关日常概念的所有那些困难。
自然中必定还存在第三个普适常数。从纯量纲的推理看来，这是很明显的。普适常数决定着自然的标度，决定着那些不能归结为其他物理量的特征量。对于一个完全的单位集，至少需要三个基本单位。这从物理学家使用的c－g－s制（厘米…克…秒制）这样的惯例中很容易看出来。一个长度单位、一个时间单位和一个质量单位就足以构成一个完全的单位集；但至少也必须有三个单位。人们还可以用长度、速度和质量的单位代替它们；或者用长度、速度、能量的单位代替它们，等等。但是，至少三个基本单位是必要的。现在，光速和普朗克作用常数只提供了这些单位中的两个。必定有第三个普适常数，并且只有包含这第三个单位的理论才能确定基本粒子的质量和其他性质。从我们现有的关于基本粒子的知识加以判断，乌队这第三个普适常数的最适宜方法或许是假设一个普遍长度，其值应当差不多为10－13
厘米，即比较原子核的半径稍小一些。当人们用这样三个单位构成了一个表示式，使它的量纲相当于质量时，它的值就正好具有基本粒子质量的数量级。
如果我们假设自然律确实包含具有长度量纲、数量级为10…13
厘米的第三个普适常数，那么，我们还可以预料，我们的日常概念只适用于比这个普适常数大的时空区域。当我们的实验接近于小于原子核的半径的时间空间区域时，我们又应当准备应付在性质上具有新的特征的现象。前面说过的时间倒流现象，迄今为止还只是从理论考察中得出的一种数学可能性，它可能就属于这些最小的区域。都果事情就是这样，那么，或许就不能以可用经典概念描述的方式观测到它。这样的过程，在它们能被观测和能用经典术语描述的范围内，或许服从通常的时间顺序。
但所有这些问题将是原子物理学未来研究的课题。人们可以希望高能区域的实验和数学分析的联合努力有一天终将导致对物质统一性的完全理解。“完全理解”这几个字意味着，亚里士多德哲学意义上的物质形式或许会作为表示物质的自然律的一个闭合数学方案的解，作为它的结果而出现。

第十章　现代物理学中的语言和实在

贯穿整个科学史，新的发现和新的思想总是引起科学上的争论，引出一些批评新思想的论战性论著，而这样的批评却常常有助于它们的发展；但是这种论战在过去从未到达象相对论发现时所达到的那种激烈程度，而量子论的发现所引起的争论的激烈程度又较差一些。在这两个例子中，科学问题最终都与政治争端发生联系，而且有些科学家就曾依靠政治的方法来贯彻推行他们的观点。只有当人们认识到现代物理学的最新发展已使物理学的基础发