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人文视角下对物理的认知(粒子)

在十九世纪及以前,在欧美国家中,哲学一直作为各门科学的统领,哲学家也拥有很高的社会地位。随着实用科技的发展,及世界两次大战的爆发,科学家参与了战争武器的研发,并在政府职能部门中占据了一定职位。原子弹在战争中的使用,对战争的进程产生了很大影响,并对人的心理产生了巨大的震撼和冲击。哲学衰落了,物理学崛起了。

原子弹和氢弹的成功,助长了人类对物质的微观结构的好奇和探索。但人类目前最高倍的电子显微镜也只能分辨到原子和分子级别。爱因斯坦曾说:“一个人把观察到的东西记在心里,会有启发帮助的。在原则上试图单靠可观察量来建立理论,那是完全错误的。实际上恰恰相反,是理论决定我们能观察到的东西。只有理论,即只有关于自然规律的知识,才能使我们从感觉印象推论出基本现象”。电子围绕原子核旋转的原子内部结构,是人类借助物理和数学知识推理出来的,是无法用电子显微镜直接观测到的。

比原子小得多的基本粒子的发现和理论的建立,借助了人类的物理、数学知识及人类丰富的想象力。至上世纪80年代,人类从宇宙射线中和粒子对撞机中,已经发现数十种基本粒子。基本粒子中包括的大量共振态粒子寿命很短,是不稳定态的粒子。物质波发生交汇,形成波包,并发生共振,于是产生了各种共振态粒子。

科学家们曾希望借助粒子加速器,让粒子高速对撞,将质子撞碎,来发现其内部结构。但实际结果,质子并没有破碎,却发现了许多比质子还大的粒子。

自伽利略、开普勒开始,将数学和物理学紧密联系在了一起,到牛顿时,可以说获得了巨大的成功。到量子力学和相对论的建立:数学和物理的联姻达到了登峰造极的程度,而将哲学置于了冷板凳的位置。

爱因斯坦的引力场方程,是以一个非线性偏微分方程来描述的。引力场方程,即求解出了黑洞的存在,也是宇宙起源于数学模型中的奇点的理论支柱。标准粒子模型也是一种数学模。

广义相对论,量子力学,弦论,都严重依赖数学模型。世间万物,是发展变化的,有时也是相互影响的。数学模型在表达物质之间关系的时候,往往会不可避免的忽略掉一些次要因素,用于研究宇宙天体时,可能会导致失之毫厘,谬之千里的后果。

为了解释光速不变,根据洛伦茨变换,引入了尺缩效应和时间膨胀效应。根据广义相对论原理,我们的导航卫星上的星载的原子钟的快慢会和地面的原子钟有差异。高空中的原子钟,由于运动速度大于地面原子钟的速度,引起高空中的钟时间变慢。但引力对原子钟的影响更大,高空中的原子钟由于受到地球的引力小,高空中的原子钟会比地面的钟快。两者综合下来,相对论效应引起星载钟的时间会快于地上的原子钟的时间。引力的变化和速度的不同,也是动能量和能量场强弱的变化,作用到原子钟的微波震荡系统,是可以引起原子钟变快或变慢的,不必解释为抽象的时间膨胀效应。

由于水是反磁性物质,所以水可以悬浮于地球上的一定强度的磁场中。磁悬浮列车,利用电磁力实现列车与轨道之间的无接触悬浮和导向。对于悬浮于磁场中的物体,磁力抵消了地球引力。对悬浮的物体来说,磁场和引力场是等效的,并且互相抵消了。太阳的光是一种电磁波,光子流可以对它照射到的物体产生微小的压力。根据广义相对论,大质量天体太阳会引起它周围的时空扭曲。因为引力和电磁力是等效的,电磁力(也包括弱作用力等)可以抵消引力,并且要大于引力,光子(包括伽马射线等)才可以以光速离开太阳。如果其它恒星的光线经过太阳附近时,除了会受到太阳的引力,还会受到光子流的外推力。越靠近太阳,受到的引力越大,但同时光子的密度越大,外推力也越大。广义相对论所预言的光线偏折,是难以精确测出的,偏折角度也会很小,存在人为选择和神化的可能。宇宙中的引力透镜现象,普通人是无法验证的。

现在又出现一个小热点,即不需要工质的微波推进器。如果将微波视为工质,类似于光可以产生光压,微波产生轻微的推力是正常的。利用光压对太阳帆产生持续不断的加速度也只是一厢情愿。太空中并非绝对真空,最起码有红外线及微波等电磁波,也会有其它基本粒子,甚至稀薄的气体。若利用太阳光的光压推动太阳帆,光子入射角度和运动方向并非平行(太阳帆应是绕太阳的螺旋线远去的方向)。随着离太阳的渐行渐远,光子流的密度会下降,推力下降。太阳帆前进时也会受到轻微的阻力的。

英国的物理学家霍金很瞧不起哲学家,认为哲学家们的知识已被数学家和物理学家远远地甩在了后面。数学是其它一切学科的基础和决定者。由一个数学偏微分的场方程,即求出了黑洞解,也得出了成功的宇宙模型必须起源于数学上的奇点,于是宇宙大爆炸学说成为最成功的宇宙起源学说。

数学能决定一切吗?答案是否定的。如果数学模型真的那么管用和灵验,那么物理学家和数学家们早就可以推导出谁会在总统竞选中胜出了。

再回到粒子的话题,61种标准粒子,也是由近乎完美的数学模型预言的,与宇宙大爆炸学说相互印证。因为宇宙起源于一个能量极高的数学奇点。因为是个能量点,所以在宇宙大爆炸的初始阶段只有能量,没有质量。而各种基本粒子的质量的获得,要借助于希格斯场。因为基本粒子之间发生作用力往往以能量场的方式,(比如磁铁之间的同级相斥,异级相吸),作用方式太复杂,不易定量计算。于是运用数学模型,将能量场量子化为虚粒子,即波色子。这样符合了数学模型的计算方法,但产生了失真,也人为凭空增加了基本粒子的数目。基本粒子模型,验证了爱因斯坦的话:“是理论决定了我们能观察到的东西。”粒子加速器中,高能对撞的结果,并非是越撞越小,基本上越撞越大。有许多粒子,只能在高能试验中制造出来,而且会在短时间内衰变为第一代粒子。

希格斯波色子,也被称为上帝粒子,它的质量是电子的1260亿倍,或是质子的0.686亿倍。希格斯场诞生于宇宙的起源,希格斯场引起自发性对称破缺,并将质量赋予规范波色子和费米子。希格斯粒子是希格斯场的场量子化激发。欧洲大型强子对撞机,将质子加速对撞出质量是质子质量6860万倍的希格斯波色子,堪称撞出了大运。中国高能物理所倡议中国建能级更高的对撞级,令人费解。难道能级越高,撞到大运的概率就越高?依据在哪里?在微观领域,由理论决定了能观察到的东西。这种寡头化,精英化的试验的结论的真实性如何保障?人类应该更关注现在和未来,而不是上百亿年前宇宙是如何诞生的。而所谓的希格斯粒子可能会造成宇宙末日,与一些邪教宣称的世界末日在可靠性上又有多大区别?

应该牢记物理学家施温格的话:我们不应该告诉大自然怎样做,我们必须要向自然界折腰。而作为中国人,更应懂得真理是需要人类实践检验的,并非只有大的试验装置才能检验。

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