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上帝如是说:要有光!——便有了宇宙。

2011-04-03  青青果冻5...


光构成了宇宙

七岁的儿子在看《宇宙与人》这盘光碟的时候,向我提出了这样的问题:宇宙是由什么构成的?我是这样回答他的:宇宙是由物质和虚空构成的,宇宙的全部物质又都是由光构成的。值得庆幸!他没有对这一观点表示反对,更为重要的是他那稚嫩的大脑开始学会了思考,这进一步让我坚信:对基本问题的思考就是对物质世界的统一性和宇宙和谐的追求。
宇宙的全部物质都是由光构成的!这是我的观点。二十三岁那年,我得到并坚持着这个关于万物统一于光的基本观念。这,也是两千五百年来人们在对宇宙的认识、理解的过程中一直渴望得到的东西,尤其是那些现代粒子物理学家和宇宙学家们。在此,我恭请任何人暂时不要批判这个观点,自己先认真去思考;不能要求我能给你逻辑证明,逻辑证明对你们来说只能是陷阱;更不要指望我能把宇宙的全部物质砸碎来给你们看,我不是上帝。倘若你们要问我光是从那里来的,我只能这样回答:
上帝说“要有光”,于是便有了光。

原子论和基本粒子
我们从来就不相信宇宙万物可以无中生有!我们自然就会认为宇宙万物必定是由存在着的原初物质构造出来的,那么这种原初物质到底是什么呢?
在追求宇宙万物的简单性和统一性的思想方面,早在公元前四世纪的古希腊哲学家德谟克利特就提出了“原子”这一概念,并把它当作物质的最小单元。他相信万物都是由原子构成的,原子在物理上——而不是在几何上——是不可分的;原子之间存在着虚空;原子是不可毁灭的;原子曾经永远是,而且将永远是在运动着的。由于原子间的联合就产生了物质的生、成,由于原子间的分离就产生了物质的毁灭。当然,这种关于基本物质的观念,仅仅是出于古希腊哲人对宇宙万物质朴的猜测和臆想,并没有多少科学的根据。
1803年,英国人道尔顿将“原子”从一个抽象的哲学术语变为化学中的实在客体。道尔顿是这样定义原子的:物体的终极原子就是气体状态时被热氛围绕着的质点或核心。他认为:元素的最终组分就是简单的原子,它们是既不能创造,也不能毁灭,而且是不可能再分割的。它们在一切化学变化中保持基本性不变。同种元素的原子,其形状、质量及各种性质都相同,不同种元素的原子的性质则不相同。每一种元素以其原子的质量为基本的特征。不同元素的原子以简单的数目的比例相结合,就形成了化学中的化合现象。
1897年,英国物理学家汤姆逊通过对阴极射线的进一步研究,证实了阴极射线是所谓终极原子的组分之一----电子,从而打破了原子不可分的观念,使人类对物质结构的认识深入了一个层次。电子是人类认识的第一个基本粒子。
1911年,英国人卢瑟福提出了原子核和电子的行星模型的原子结构。1917年,他又通过人工核分裂方法发现了质子。
1932年,卢瑟福的学生查德威克又发现了中子,从而将中子和质子视为原子核的组分。原子核的结构被揭示后,人们便认为通常的物质是由电子、质子、中子构成的,并且认为光子是电磁作用的媒介粒子。上个世纪三十年代初期,人们普遍认为电子、质子、中子和光子这四种粒子是基本的,即它们不再是由更小的基元构成的。随着人们在宇宙射线中对正电子和介子等多种新粒子的发现,以及加速器的建立发现了反粒子和多种基本粒子的变种,这迫使人们重新去思考基本粒子更新的层次。
1964年,美国物理学家盖尔曼和茨韦提出了夸克模型,认为重子和介子都是由夸克组成的。
现在,按照大家普遍接受的标准模型来看,把夸克和轻子放在同一物质层次,不可再分的物质基本组元是夸克和轻子。它们又通过交换光子,三种弱力粒子,八种胶子来实现电磁、弱、强三种相互作用力。根据作用力的特点,粒子分为强子、轻子和传播子三大类。强子是所有参与强力作用的粒子的总称,质子、中子、π介子等都属于强子,它们由夸克组成。夸克有六“味”,分别是上、下、奇异、魅、底、顶六味夸克,而每味夸克都带有三种“色”,即红、绿、蓝。那么,夸克的种类是多少呢?六“味”三“色”,就是十八种夸克,加上各自的反粒子十八种反夸克,夸克的种类应该是三十六种。轻子只参与弱力、电磁力和引力,而不参与强相互作用。轻子共有六种,即电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子,加上各自的反粒子,轻子的种类应该有十二种。传播子也属于基本粒子,传递强相互作用的胶子共有八种,传递弱作用的是W+、W-、和Z0中间玻色子三种,还有传递电磁作用的光子,那么传播子的种类应该有十二种。在未涉及引力作用的标准模型中,把夸克、轻子以及传播子都放在同一的基本粒子层次来看,那么构成世界物质的基本粒子至少有六十种以上。这些粒子都有各自的基本性质,难道它们是真正的不可再分意义上的、最终的基本粒子吗?构成世界万物的最基本的构件究竟是什么呢?能量更大的加速器可以帮助我们回答这个关于宇宙最基本的问题吗?
也许!我们必须重新思考才能找到答案。

原子论——原子唯一论
无论是古希腊哲学的原子论还是现代物理学的标准模型,它们都允许构成宇宙万物的最终不可分的基本粒子有多种类的存在,换句话说,我们的宇宙物质是由多种不可再分的“原子”或基本粒子所构成的,就像标准模型所描述的——构成宇宙物质的基本粒子达六十多种。我们之所以能够区别这些粒子的种类是因为它们各自有着不同的属性,当试图对这些不同的属性作出说明的时候,我们就不得不把这些属性归咎于粒子自身,正如荷兰哲学家斯宾诺莎所言:物质的任何一种性质无论多么根本,总是由其自身决定的。我们要对粒子的属性作出说明,自然就会考虑到粒子的组成乃至其结构,正如在物理学中,我们把化学原子之间的差别解释为它们内在结构的不同以及构成微粒的排列方式和特征的差别,除非我们确信这些属性是粒子的终极属性——不再需要作出说明。于是,我们在思考不可分“原子”的时候就遇到了这样一个问题:只要通过粒子属性的差异来区分粒子不同的种类时,我们都渴望对这些属性的差异作出说明,免不了要去考虑粒子的自身组成。这样一来,这些粒子在我们思想上就不再是不可分的了。如果基本粒子只有一种的话,它所具有的一切属性都是终极属性,它就是自身同一的终极粒子,粒子及其属性就是不生不灭的终极存在。这样一来,我们就摆脱了无休止的说明,不生不灭的存在就是终极的说明。何况,我们有着追求宇宙万物简单性和统一性的趋势,“不可分”、“原子”和“基本粒子”这些概念的产生不就是这种追求的结果吗!我们的思想完全有理由在原子论的基础上走得更远一些——我们不仅相信宇宙万物是由不可再分的“原子”构成的,我们甚至相信只有一种不可再分的基本粒子构成了我们的宇宙万物! 那么,这一种不可再分基本粒子到底是什么呢?

一种特殊的物质——光
光,是光照亮了我们的眼睛,我们才得以观察到纷繁复杂的物质世界以及浩瀚无垠的宇宙。光到底是什么东西呢?这个问题困扰一直我们。
古希腊哲学家们认为光是高速运动的粒子流。凡是发光的物体,例如太阳,都能发出这样的粒子流。当这些微小的粒子流接触到眼睛上时,就引起了人们对光的感觉。
1665年,牛顿进行了太阳光的实验,它把太阳光分解成简单的组成部分,这些成分形成一个颜色按一定顺序排列的光分布——光谱。它使人们第一次接触到光的客观的和定量的特征,各单色光在空间上的分离是由光的本性决定的。进一步的研究使牛顿提出著名的光微粒说:光是由极小的高速运动微粒组成的;不同色光有不同的微粒,其中紫光微粒的质量最大,红光微粒的质量最小。利用这种学说,牛顿解释了光的折射、反射和上面描述的色散现象。微粒说合乎人们日常直观心理的要求,由于光是直线行进的,人们很容易相信光是粒子流。而且由于牛顿的巨大声望,微粒说一时独领风骚。
1678年,荷兰人惠更斯提出波动理论来解释光的本性。他认为光的微粒理论无论解释光线可以相互交叉通过而互不影响,但这却是波的基本性质。利用光的波动理论也很容易解释光的反射与折射现象。那么,到底光是波还是粒子呢?19世纪初期,发现了光的干涉、衍射和偏振现象,这些行为只适合于用光的波动理论来解释。同时,若根据微粒理论,光在水中的传播速度要大于光在空气中的传播速度,而根据波动理论计算的结果则正好相反。在牛顿和惠更斯时期,人们还无法精确测量光速,因此无法用实验判定两个理论的正误。1862年,福科测得了光在水中的传播速度,证实了其小于光在空气中的传播速度。这时光的微粒说基本上是彻底的被放弃了。
1864年,麦克斯韦发表了著名的电磁理论,揭示了光波其实是电磁波的一种,这时波动理论的最后的一个难题——传播媒质问题也被解决了。按照传统的机械波理论,光振动是在弹性媒质中的一种机构振动。由于光速极大,人们不得不臆造一种弹性极大但密度极小的媒质“以太”,作为光传播的媒质而散布在宇宙空间。可是,任何实验都测不到以太的存在,而假定它的存在却引起了许多麻烦。麦克斯韦的理论告诉我们,电磁波的传播不需要媒质。变化的电场产生变化的磁场,变化的磁场产生变化的电场。这样,变化电、磁场的交替产生就构成了电磁波由近及远的传播。因此,如果我们把光视为一种电磁波,则“以太”难题就迎刃而解了,因为根本就不需要以太。麦克斯韦理论完美地解释了当时已知的所有光学现象。在19九世纪末,人们却发现了一系列令人困惑的新的实验结果。这些结果共同的特点是,它们无法用麦克斯韦理论来解释,其中最典型的是光电效应实验。
光电效应实验使传统的光学理论受到严峻考验。1905年,爱因斯坦提出光量子说来解释该实验。想法是革命性的,即认为光是一束束以光速运动的粒子流,每一个光粒子都携带着一份能量。光量子说受到普朗克量子说的很大影响。普朗克在解释黑体辐射问题时认为光在发射和吸收过程中具有粒子性。爱因斯坦则进一步认为光在传播过程中也具有粒子性。
光一方面具有波动的性质,如干涉、偏振等;另一方面又具有粒子的性质,如光电效应等。这两方面的综合说明光不是单纯的波,也不是单纯的粒子,而是具有波粒二象性的物质。这是认识上的不断加深而得到的结论。应该注意这也还不是最后的答案。对于光的本性,虽然经过这么多年的探索,我们所知道的也的确是太少了。光到底是什么呢?
1676年,丹麦天文学家罗麦第一次发现光以有限但非常高的速度传播这一事实,他不仅证明了光以有限的速度运动,并且测量了光速。 1864年,英国的物理学家麦克斯韦成功地将当时用以描述电力和磁力的部分理论统一起来以后,才有了光传播的真正的理论。麦克斯韦方程预言,在合并的电磁场中可以存在波动的微扰,它们以固定的速度运动。 如果这些波的波长为1米或更长一些,这就是我们所谓的无线电波;更短波长的波被称作微波或红外线;可见光的波长在百万分之四十到百万分之八十厘米之间;更短的波长被称为紫外线、X射线和γ射线。
麦克斯韦理论预言,无线电波或光波应以某一固定的速度运动着。但是牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念,所以如果假定光是以固定的速度传播,人们必须说清这固定的速度是相对于何物来测量的。这样人们就提出,甚至在“真空”中也存在着一种无所不在的被称为“以太”的物质。正如声波在空气中一样,光波应该通过这以太来传播,所以光速应是相对于以太而言的。相对于以太运动的不同观察者,应看到光以不同的速度冲着他们而来,但是光对以太的速度是不变的。特别是当地球穿过以太绕太阳公转时,在地球通过以太运动的方向测量的光速(当我们对光源运动时)应该大于在与运动垂直方向测量的光速(当我们不对光源运动时)。1887年,阿尔贝特.迈克尔逊和爱德华.莫雷在克里夫兰的卡思应用科学学校进行了非常仔细的实验。他们将在地球运动方向以及垂直于此方向的光速进行比较,使他们大为惊奇的是,他们发现这两个光速完全一样!
在1887年到1905年之间,人们曾经好几次企图去解释迈克尔逊——莫雷实验。最著名者为荷兰物理学家亨得利克.洛伦兹,他是依据相对于“以太”运动的物体的收缩和钟变慢的机制。
1905年,阿尔伯特.爱因斯坦在他一篇著名的论文中指出,只要人们愿意抛弃绝对时间的观念的话,整个以太的观念则是多余的。一个被称之为相对论的基本假设是:不管观察者以任何速度作匀速运动,相对于他们而言,科学定律都应该是一样的。这对牛顿的运动定律当然是对的,但是现在这个观念被扩展到包括麦克斯韦理论和光速:不管观察者运动多快,他们应测量到一样的光速。这样简单的观念导致了一些非凡的结论。相对论中最著名者莫过于质量和能量的等价,这可用爱因斯坦著名的方程E=mc2来表达(这儿E是能量,m是质量,c是光速),以及没有任何东西能运动得比光还快的定律。由于能量和质量的等价,物体由于它的运动所具的能量应该加到它的质量上面去。换言之,要加速它将变得更为困难。这个效应只有当物体以接近于光速的速度运动时才有实际的意义。例如,以10%光速运动的物体的质量只比原先增加了0.5%, 而以90%光速运动的物体,其质量变得比正常质量的2倍还多。 当一个物体接近光速时,它的质量上升得越来越快,它需要越来越多的能量才能进一步加速上去。实际上它永远不可能达到光速,因为那时质量会变成无限大,而由质量能量等价原理,这就需要无限大的能量才能做到。由于这个原因,相对论限制任何正常的物体永远以低于光速的速度运动。只有光或其它没有内禀质量的物质才能以光速运动。爱因斯坦把光的传播问题放在首位,导致了狭义相对论的产生。光,是光又一次照亮了我们的头脑!
哲学家康德曾经喊出如此豪迈的声音:“我们在这里可以在某种意义上毫不夸张地说,给我物质,我就用它造出一个宇宙来!这就是说,给我物质,我将给你们指出,宇宙是怎样由此形成的。”事实上,康德没能作到!至今,现代宇宙学家们还在臆断宇宙的起源与命运,其言不仅豪迈,而且更是令人毛骨悚然。对于物理学而言,何种物质以何种方式构成了现在的宇宙,首要问题是物质问题。如何看待物质,这是物理学的首要出发点。物理学的任务就是要用物质去造出现存的宇宙,简单地说,去发现构成宇宙单一的实体,认识其基本属性,因为我们相信物质实体及其属性就决定了现存的宇宙。光的粒子性观念:不连续性,一份一份的物质能量单元;光速不变原理:真空中光的传播速度在各个方向都是相同的,与光源的运动无关;光速不可逾越论:一切质点的运动,一切场的传播速度以及一切真实物体相互作用的传播速度,都不能大于真空中的光速C。对光有了这样的认识,如果要坚持用原子论的观点去寻找构成宇宙物质的最终单元的话,我们思考的焦点自然会被集中到光这种特殊的物质上,于是我们就会发现宇宙中有一种动的,不朽的客体——“光原子”的存在。这种特殊的物质可能构成我们宇宙的全部物质吗?包括我们人类自己。

光和物质的转化
在《光学》一书所加的《疑问》中,牛顿就提出过如此尖锐的问题:“粗大的物体和光是否能够相互转化?物体是否能从进入它们组织中的光粒子那里得到其大部分活动能力呢”?正是在回答这些问题的时候,他明确地表达了他一般的世界观的结论:“自然界似乎是喜欢变化的,物体变光,光变物体,十分合乎这个自然界的趋势”,他还十分有信心地反问“……既然自然界处在如此千差万别,光怪陆离的变化之中,为什么它就不能把光变为物体和把物体变为光呢”。这,正表达了了牛顿追求物质统一性的思想。
在量子力学的发展过程中,英国物理学家狄拉克把量子力学与高速运动所必须的相对论力学相结合,导致产生了反物质的概念。1932年,由美国物理学家安德逊在宇宙射线中发现了正电子,从而证实了狄拉克的理论。今天的粒子物理学告诉我们,任何粒子都有和它相湮灭的反粒子。一对正、反粒子相遇时,会同时消失而转化为别种粒子,这种现象叫做湮灭(湮没)。正电子的质量和电子相等,它的电量的数值和电子相等而符号相反,即带正电。一个电子和一个正电子相遇会发生湮没而转化为一对光子,即:

一对正、负电子,常称为正负电子对(电子偶)。能量超过1.02MeV(兆电子伏特)的光子穿过铅板时,会产生电子、正电子对,这个反应表示为:

这些粒子物理的成就给我们揭示了光和电子之间可以相互转化的事实。
一对正、负电子不仅可以转化成一对光子,而且根据其能量的大小还可以转化为其它的各种实物粒子,那么粒子间相互转化过程中永恒不变的原始物质存在吗?按照原子论的观点,这种物质应当存在,那么这种基本的物质是什么呢?应该是不同于别的物质,可以有着比别的物质粒子更小的质量,有着力学原因不可造成差别的恒定的运动速度,有着不可逾越的极限速度,它就是光。

最小的光子
1905年,爱因斯坦为了解释光电效应提出了光量子假设。他认为一束光是一束以光速C运动的粒子流,这些粒子称为光量子,即光子。每个光子都有一定的能量,对于频率为γ的光子,其能量为E=hγ,h为普朗克恒量。这个假设成功地解释了光电效应,后来也为许多实验(如康普顿效应)所证实。这个假设给我们确立了以分立粒子的观点来看待宇宙物质本质的可能:频率γ是一个波动理论的概念,本质上γ表征的是光量子所含物质或能量的多少,物质或能量的最小单元就是一个普朗克量h,频率为1的光量子就是构成各种不同频率光量子的基本单元。也就是说,频率为γ的光量子是由γ个基本光量子组成的。德布罗义关于物质波的概念表明了,在波动现象上对物质的物理描述并不否定诸如电子、质子这类物质的粒子本质。我们完全有理由这样认为:能量为h的基本光量子构成了所有的不同频率的光量子,它是光的基本的物质、能量单元。

光是构成宇宙最基本的物质
爱因斯坦说过:……这也许是物理学的一个特征,某些基本问题可能会永远纠缠着我们。
狄拉克临终前提醒我们:……对狭义相对论的认识还远没有完善。
我们物理学的首要的任务是和谐统一地认识物质世界 ,狭义相对论导致了这样一个结果:在我们思考物质、运动和力这些基本概念的时候,把我们的注意力集中到一种特殊的物质和一种特殊的运动——光和光速运动上,光成为了我们统一认识宇宙的基础。100年来,我们要么遵循相对论的种种限制,结果导致了物理学对物质自身的忽视,在彼此孤立的基础上看待物质结构、物质运动、物质间相互作用,停留在寻求一种表面上、形式上统一认识物质世界的物理学模式上;要么对相对论本身的逻辑喋喋不休。但是,我们究竟得到了什么呢?100年前,爱因斯坦就已经把光的传播问题放在了狭义相对论的首位,得到了关于物质世界的一些最根本的人识。不过,由于他不能摆脱经典力学的关于力和运动的改变这种表面上的因果联系以及电磁学关于场传递相互作用的错误观念,加之当时特定的历史情形 ,虽然从形式上解决了牛顿力学和电磁学的冲突,并在表面上完成了它们的统一,但是却把物理学最根本的问题——物质自身的问题留给了后来的物理学。今天,我们需要去分析和整理爱因斯坦留下的那些接近自然本质的知识,才能最终找到物质世界的统一性。
人类对物质微观结构的认识经历了两千多年的艰苦努力,在19世纪初才真正弄清了原子的内部结构。一代又一代的科学家经过一次次科学实验,对物质微观结构的认识从一个层次深入到另一个层次,却始终未能找到物质微观结构的最小单元。粒子物理学的标准模型罗列出夸克、轻子、作用粒子这一 结构层次上六十种之多的基本粒子,难道这些粒子真的就不可分割吗?正、负电子不就能够湮灭成光子吗?难道我们只能够把希望寄托于制造能量更大的加速器,对于那些质量更大物质碎片,尽管我们可以通过新的理论称它们为基本粒子,但是越来越多的人不再会相信我们找到了构成宇宙的不可分割的基本粒子!那么,我们为什么不能把光看作是构成宇宙一切物质的基础呢?最小的光物质构成了不同大小的光子、电子、质子、中子等物质粒子,进而构成了原子、分子到巨大的星球乃至整个宇宙。这样一来, 对于物理学而言,我们完成了宇宙物质的统一 。
最小的基本光量子构成了全部的宇宙物质!这,也许正是宇宙秘密之所在。
光构成了宇宙!这,也许正是上帝的精神。


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