wgs9007 / 文化苦旅 / 对称美与物理学

0 0

   

对称美与物理学

2011-10-31  wgs9007

 

 

对称美与物理学

 

生活中的对称与不对称

    人类在长期的保存个体、繁衍种族这种极为低下的生产水平和生活水平的斗争中不断发展;随着生产水平和生活水平不断提高,逐渐发展起对美和美感的追求,并逐惭开始去思考美和探索美。对称性就是人类对美的思考和探索之一。

    人们在自己的实践中相继发现了一些能引起自己欢快愉悦感受的因素,把它们称作具有对称性,即具有对称性的形体是美的。例如花朵,一朵有5个花瓣的花绕它的轴旋转一周,有5个位置看上去是完全一样的,它给人以匀称的感受;一个圆形则旋转任意的角度保持形状不变,它具有更大的旋转对称性。又例如人体或一些动物的形体一边与另一边完全相同,可以折叠重合,它具有左右对称,它也给人以匀称和均衡的感觉。再例如竹节或串珠,平行移动一定的间隔,图形完全重复,它具有平移对称性,它给人以连贯、流畅的感受。久而久之,这些对称性的感受逐惭成为一项美学准则,广泛应用于建筑、造型艺术、绘画以及工艺美术的装饰之中。你可以从许多中、外著名的建筑、艺术珍品中看到。天坛的建筑、天安门的建筑、颐和园长廊的建筑以及各种花瓶、古人饮酒的爵和各种花边等等是旋转对称、左右对称和平移对称的典型例子。

    这些对称美给人以匀称、均衡、连贯、流畅的感受,因而体现着一种娴静、稳重、庄严,但却也显得有些平淡、单调、缺乏生机和妙趣横生,这是因为对称性并没有包揽美的全部。人们发现,美除了对称之外,还需要蜿蜒曲折、错落有致、此起彼伏,美是对称与不对称结合的表现。你看那起伏于山峦间蜿蜒曲折层层叠起的长城峰火台构成的美景不是给人以宏伟、博大、气势磅礴而又峰回路转、巧夺天工的美的感觉吗!

    美更是现代人的追求。美吸引着各行各业的人去创造美好的人生,享受美好的生活。

物理学中的形体对称性

    物理学的研究中也注意到形体上的对称性。形体上的对称性常常使得我们可以不必精确地去求解就可以获得一些知识,使问题得以简化,甚至使得某些颇难解的问题迎刃而解。例如一个无阻力的单摆摆动起来,其左右是对称的,不必求解就可以知道,向左边摆动的高度与右边摆边的高度一定是相等的,从中间平衡位置向左摆到最高点的时间一定等于从中间平衡位置向右摆到最高点的时间,平衡位置两边等当位置处摆球的速度和加速度的大小必定是相等的,等等。再例如一张无限大平面方格子的导体网络,方格子每一边的电阻是r,在这张方格子网络的中间相邻格点连出两条导线,问这两条导线之间的等效电阻是多少?这个问题看上去似乎很难求解,它涉及到无穷多个回路和无穷多个节点,要用直流电路中普遍的基尔霍夫方程组将得到无穷多个方程,难以求解。然而这一无穷的方格子网络具有形体上的对称性,利用对称性分析,求解变得相当简单。设想用一根导线连接到一个格点,通以电I,电流从网络的边缘流出,由于从该格点向四边流过的电流具有对称性,因此流过与该可知点连接的每一边的电流必定是I/4。再设想电流I从网络的边缘流入,再从网络中心的一个格点上连接的一条导线从上流出,根据同样的对称性分析,流过与该格点连接的每一边的电流也必定是I/4。我们要求解的情形正是这两种情形的叠加,电流I从连接到一个格点的导线流入,从连到相邻格点的导线流出,而在网络边缘,两种情形流出和流入的电流相互抵消。结果在连接导线的两相邻格点之间的那条边上通过的电流是上述两种情形的叠加,即为I/2,这条边的电阻是r,这意味剩下的电流I/2通过其它边,它相应的电阻应是r,换句话说,从相邻格点来看,这一无穷方格子网络的等效电阻是两个阻值为r 的并联,其等效电阻为r/2。由此可以看出,对称性分析在物理学中非常有用,一旦明确了具有对称性,问题常常变得简单可解。

    在物理学中,还利用形体上的对称性来研究晶体的分类等物理问题,并取得丰硕的成果。

物理规律的对称性

    对称性的概念是否能进一步拓宽呢?在这里,我们需要把对称性概念更加精确休。我们把事物的一种情况变化到另一种情况叫做变换(操作)。如果一个变换使事物的情况没有变化,或者说事物的情况在此变换下保持不变,我们就说这个事物对于这一变换是对称的。这个变换称为事物的对称变换。在前面举的形体对称性的例子中,旋转就是一种变换操作,一个有5个相同花瓣的花朵(如香港特区区旗上的紫荆花)绕垂直花面的轴旋转2π/52π/5整数倍角度,完全是一样的,没有什么变化,我们就说它具有2π/5旋转对称性。一个圆形则旋转任意角度保持形状不变,它具有更大的旋转对称性。相反地,一个圆形边缘上有一个点或有些残缺,这个点或残缺就能区分旋转前后的情况,我们就说它不具有旋转对称性或旋转对称性是破缺的。从左到右或从右到左的变换称为镜向变换,人体和动物形体具有镜向变换不变性。而竹节或串珠则具有空间平移不变性。某一对称性,即某一变换下的不变性,粗浅而形象地看,就是换一角度或换一场合来观察事物保持不变。在旋转对称性中,就是换一方向来观察,在镜向对称性中,是换到镜子里来观察,在空间平移对称性中,则是平移一位置来观察。

    在上面谈到对称性的时候,提到的“事物”不一定限指一个具体物件的形体,物理学家更注意到物理规律的对称性。就拿牛顿定律来说吧,粗浅而形象地说,从不同的方向看,物体的运动都遵从牛顿定律,牛顿定律具有旋转对称性;镜子里和镜子外物体的运动都遵从牛顿定律,牛顿定律具有镜向对称性(或空间反射对性);在不同的时间,昨天、今天或明天,物体的运动也都遵从牛顿定律,牛顿定律具有时间平移对称性,等等。其他已知的物理定律也都具有类似的情况。

    物理定律的这些对称性是偶然的吗?是无关紧要的吗,还是它意味着同物理定律本身有着某种更深刻更紧密的联系?这个问题在本世纪以前似乎没有注意到,本世纪开拓了许多新的物理研究领域,在探索其中的物理定律的研究中,这个问题变得突出地重要了。

爱因斯坦把对称性推上主角

    1905年,爱因斯坦发表了一篇具有划时代意义的论文,建立了狭义相对论,论文的题目是“论动体的电动力学”。论文中,爱因斯坦提出相对性原理和光速不变原理,在此基础上导出洛伦兹变换,得到一系列不同于牛顿力学的得要结论;不久,爱因斯坦又得出了质能关系。这些不同于牛顿力学的得要结论改变了人们的时空观,统一了力学和电磁学,解决了许多重要的物理问题,并且还带给人类释放核能。这样的巨大的实用价值。这一系列的具体结论无疑是十分重要的,人们常常仅仅是注重狭义相对论的这些具体结论,而忽略了爱因斯坦在思考问题和研究问题上对人类作出的巨大贡献,这就是他提示了物理规律上的一种新的对称性,并且认识到对称性是制约物理规律的利器,从而把对称性推到物理基础研究的主角地位。

    这一新的对称性就是物理定律的洛伦兹变换不变性,即物理定律必须具有洛伦兹变换下的不变性,也就是说从不同惯性系来看物理定律的形式保持不变。从内容上说,它无非就是相对性原理内容的重复表述,似乎一点也不起眼;然而从探索物理基本定律的高度来看,洛伦兹不变性实在是对物理定律的形式所加的一条强有力的限制,物理定律的形式必须受到洛伦兹变换不变性的制约。爱因斯坦审查了电磁学的麦克斯韦方程组。它确实是洛伦兹不变性的;而牛顿定律不是洛伦兹不变性的,它必须改造以符合洛伦兹不变性的要求,对它的改造则获得相对论的力学定律。      以后,爱因斯坦认识到狭义相对论还存在某些不足,它不过是必然发展过程的第一步,一方面狭义相对论否定了一个特别优越的参考第(绝对静止的惯性系),但是它却肯定了一类特别优越的参考系,那就是惯性系,它比非惯性要更优越,其中的物理规律的形式特别简捷,这表明狭义相对论在运动的相对性上还不够彻底;另一方面狭义相对论在整个物理学中排除了超距作用,而牛顿引力定律的表述是超距作用的。作为力学重要研究课题的引力问题还不能在狭义相对认论中予以处理,因此需要发展一种把引力 问题纳入且能回答是否存在特别优越参考系的更为广泛的相对论。

    爱因斯坦在建立狭义相对论中领悟了对称性的威力,他就去寻找一种新的对称性来发展他的广义相对论。他终于从伽利略时代已经知道一切物体的重力加速度均相同的物理事实中凝炼出这一新的对称性。爱因斯坦设想一个观察者在密封的升降机里做实验,一种情形是升降机静止在地面(地球看作是惯 性系)上,其中存在地球的引力场,任何物体的重力加速度均相等为g;另一种情形是升降机远离一切物体,即处于没有引力场的地方,相对于某个惯性系以加速度g上升,它是一具非惯性系。在这两种情形下,观察者测得物体下落的加速度都是g,他观察到的力学现象都相同,他无法断定他所在的参考系究竟是引力场的惯性系,还是并无引力的非惯性系。这表明引力场作用的效果可以等效地用加速参考系来描述,爱因斯坦把它称为等效原理。根据等效原理,非惯性系与引力场等价,非惯性系与惯性系没有原则性的区别。它们都可以同样好地用来描述物体的运动,没有哪一个比另一个更优越,由此爱因斯坦把相对性原理进一步推广,一切参考系都是等价的,物理定律应该具有广义的时空坐标变换的不变性,而洛伦兹不变性只是它的一个特例。爱因斯坦在等效原理和广义协变原理的基础上建立起广义相对论。

    爱因斯坦的对称性制约物理定律的思想可以说是二十世纪物理基础研究方法上的一大飞跃,他为物理学基础树立了一个光辉的典范。二十世纪以前,在力学方面从古希腊时期开始,人们研究物体的运动、行星的运动、杠杆、滑轮,逐惭获得一些具体的结论,在同错误的斗争中获得的力学知识日益增多,经过漫长的历史发展,到十七世纪八十年代才由牛顿总结出力学的基本定律;在电磁学方面,也是从古希腊时期开始,人们发现摩擦起电、磁石吸铁,以后研究静电感应、莱登瓶放电、电流的磁效应等等,积累了许多关于电荷相互作用、电流产生磁、磁产生电方面的知识,经过漫长的历史发展,到十九世纪六十年代才由麦克斯韦总结出电磁场的基本方程组。二十世纪以前的物理基础研究路线可以概括为从一些具体事物入手研究它们的具体规律,经过漫长的历史发展,积累到一定程度才由某个伟大的物理学家,总结前人研究成果得到该领域的物理基本定律,这些物理基本定律的广泛应用更加丰富了人们的认识,也包括对物理基本定律的认识。爱因斯坦的研究方法与此有着根本的不同,它不是从琐碎的具体问题入手,而是一开始就从研究物理定律应有的对称性入手,找出这些对称性来,然后根据对称性确定物理定律的形式,这是二十世纪以来物理基础研究的路线。这一现代物理基础研究的路线充分体现了物理学中崇尚理性的威力,它不是从众多 具体而琐碎的事物中一点一滴地积累材料,然后再整理出事物的基本定律,而是一开始就从整体上寻找制约事物基本定律的普遍原则,从中得出事物的基本定律,这就大大地缩短了探索事物基本定律的历程,物理基础研究的高速发展与此不无关系。

对称性与最小作用原理

    物理学中有一些规律属于基本定律,它们具有支配全局的性质,掌握它们显然是极端重要的。例如力学中的牛顿定律是质点、质点组机械运动(非相对论)的基本定律,电磁学的麦克斯韦方程组是电磁场分布、变化的基本定律,物理学中还有另外一种基本定律的表述形式,这就是最小作用原理(变分原理),它可表述为系统的各种相邻的经历中,真实经历使作用量取极值。可以看出最小作用原理的表述形式与牛顿定律、麦克斯韦方程组的表述形式极不相 同。牛顿定律告诉我们,质点此时此刻的加速度由它此时此刻所受的力和它的质量的比值决定;麦克斯韦方程组告诉我们,此时此刻的电场分布由此时此刻的电荷分布以及此时此刻的磁场的变化决定,此时此刻的磁场分布由此时此刻的电流分布以及此时此刻的电场的变化决定,它们以微分方程 式的形式出现,指明所研究系统(质点或场)的状态在其真实经历中是如何随时间变化的。而最小作用原理则告诉我们,系统的各种可能的经历中,真实的经历总是使作用量取极值。牛顿定律和麦克斯韦方程组把注意力集中在每一时刻系统所处的状态,而最小作用原理则是总观系统的各种可能的 经历,并用作用量取极值挑选出真实的经历来。可以看出牛顿定律和麦克斯韦方程组比较具体细致,而最小作用原理则比较抽象含蓄。正是最小作用原理比较抽象含蓄,它概括的面更广泛,不仅适用于机械运动(非相对论)场合,可以导出牛顿定律;而且也适合于电磁场场合,可以导出麦克斯韦方程组;甚至它还可以适合其他场合,导出物理学其他领域的基本定律。可见最小作用原理才是综合整个物理学的真正的基本定律。

    根据最小作用原理导出各个领域的具体基本定律的方法就是先找出系统不同经历的作用量来,然后从中选择出相对邻近的经历作用量取极值的经历,它就是真实的经历,其中隐含了系统变化的基本定律。在这点,要找出游同经历的作用量,对称性分析起着决定性的作用,对称性制约物理定律的形式得到最好的体现。如果一具研究领域内的全部对称性已经清楚,则作用量可以完全被确定,从而也就可以得出这个领域的基本定律。例如在非相对论力学范围内,根据空间各向同性、空间平移不变性、时间平移 不变性和伽利略变换不变性,可以找出作用量等于系统的动 能减去势能对经历的累加,由此可导出牛顿定律。

    由于存在最小作用原理,对称性在物理基础研究中显示出其重要地位。物理学家通过对称性分析找出不同经历的作用量,从而确定具体领域的基本定律。物理学家们研究一个新的领域,常常是试探地分析其中的对称性,在描述这个世界的作用量公式中增加一些描述新领域的项,从而得到该领域的新的基本定律。

对称性与守恒定律

    对称性制约作用量的形式,然而物理学家并不可能先验地知道我们这个世界所涉及到的全部对称性,而已经确实知道的对称性又不足以完全确定作用量的形式。尽管作用量可能具有的形式已经大大受到限制,但他们仍然可以具有许许多多种可能的形式,物理学家们不得不采用试探性的方法,根据物理上的可能性依次考察每一个作用量的候选者,这种试探性的方法艰巨而繁难,而且很难说是有成效的。1916年诺 特(A?E?Noether)提出一个著名定理,给探寻作用量的形式带来了曙光。

    特定理是说,作用量的每一种对称性都对应一个守恒定律,有一个守恒量。对称和守恒这两个得要概念是紧密地联系在一起的。

    在经典力学中,我们所熟悉的这种对应关系是;时间平移对称性(时间平移不变性)对应于能量守恒;空间旋转对称性(空间各向同性)对应于角动量守恒。我们可以用浅显的例子加以说明。先看时间平移对称性和能量守恒。时间平移对称性要求物理定律不随时间变化,即昨天、今天和明天的物理定律都应该是相同的。如果物理定律随时间变化,例如重力法则随时间变化,那还想利用重力随时间的可变性,就可以在重力变弱时把水提升到蓄水池中去,所需做的功较少;在重力变强时把蓄水池中的水泄放出来,利用水力发电,释放出较多的能量,这是一架不折不扣的能创造出能量的第一类永动机,这是与能量守恒定律相违背的,这就清楚地说明时间平移对称性与能量守恒之间的联系。再看空间平移对称性与动量守恒。考虑两个质点组成的系统,它们的相互作用热能为UU是这两个质点位置r1r2的函数,Ur1r2 ),由于物理定律具有空间平移对称性,质点的绝对位置是一个不可观测量,质点间的相互作用势能只能依赖质点间的相对位置,即Ur1r2 )。将质点1和质点2移动相同的小量,相互作用热能U不变,则相互作用力做功的总和为零。由于位移相同,因此相互作用力之和为零,即两个质点之间的作用力与反作用力大小相等,方向相反,且在一条直线上,这正是牛顿每三定律。而我们知道,在力学范围内牛顿第三定律与动量守恒是互为因果的。可见空间平移对称性与能量守恒之间的联系。至于空间各向同性与角动量守恒,考虑两个质点组成的系统,固定质点1,将质点2以质点1为中心移动一小段弧长S,如果相互作用力存在切向力分量,则相互作用热能改变为U=fS。空是各向同性意味着两个质点相互作用势能只与它们之间的距离有关,与两者联线在空间的取向无关,所以移动操作不改变相互作用热能,从而U=0,于是相互用力切向分量f =0,或者说两质点的相互作用力沿两者的联线,这与“角动量守恒”是等价的,从而空间各向同性与角动量守恒是联系在一起的。

    诺特定理引导物理学家们去寻找新领域中的守恒定律和守恒量,由此确定其中的对称性,从而获得作用量的形式和基本定律;反过来,如果知道了使一个给定的作用量保持不变的对称变换,从而也就可以知道相应的守恒定律和守恒量。这样使得物理学的基础研究有法可循而变得富有成效。

    二十世纪三十年代以后,由于加速机器技术和探测技术的发展,利用粒子的碰撞和粒子相互作用的衰变,实验物理学家相继发现了许多新粒子,这些粒子中只有极少数的几个是理论上预言的,绝大多数的粒子是突出其来的,它们在性质上和相互关系上表现出极大的差别,极大地丰富了人们对于粒子世界的认识,形成了庞大的粒子物理领域。而对如此庞大的粒子家庭,亟须把它们整理出次序来。物理学家们分析实验资料,找出许多守恒量和守恒定律,这些为认识粒子世界的对称性和探索其中的基本定律准备了条件。

对称性的凯旋

     到二十世纪中叶,粒子世界呈现出非常复杂的局面,粒子数目众多,而且实验上发现和确证的粒子还在不断地增加,粒子之间的相互作用有电磁作用、引力作用、强作用、弱作用四种,它们的区别很大,电磁作用和引力作用是长程力,强作用和弱作用是短程力,它们的强度差别非常大,强作用最强,电磁作用次之,弱作用更次,引力作用最弱,在粒子物理中引力作用可以不考虑。对于电磁作用,已经建立起量子电动力学,它是物理学中最成功的理论。在这个理论中,力的传递者是电磁场,场的量子是光子,电磁作用是通过交换光子而传递的,光子的静质量为零,与电磁作用的长程性联系在一起。关于弱作用,在弱作用宇称不守恒基础上发展了弱作用的中间玻色子理论,认为弱作用是交换中间玻色子W±而传递的,中间玻色子的质量很大,与电磁作用中的光子不同,它是与弱作用的短程性联系在一起。

    人们研究发现,这四种相互作用所遵从的守恒定律不同,强作用具有的守恒量最多,电磁作用次之,弱作用更次,这表明它们具有的对称性是不同的。对称性概念似乎不是严格的,因此有人怀疑对称性概念是否普遍有效。1954年,杨振宁和米尔斯以一种并非象历史上的情况那样受到实验观察的启示,而是以统一的美学原则为基础,提出各种作用都可以适用的新的对称性,称为阿贝尔群规范对称,它是一种精确的定域规范变换对称性。它要求存在一个场,称为规范场。对于电磁作用,这一规范场就是电磁场,相应的量子(称为规范玻色子)就是无静质量的光子。规范场可以是多自由度的,对每个自由度有相应的规范场。这样,这种精确对称性的存在就意味着存在许多组特性完全相同的、质量均为零的粒子。然而在现实世界里,除了电磁作用的光子之外,人们没有见到其他质量为零的规范玻色子。因此,杨一米尔斯理论尽管很优美,但它似乎毫无用处。

     对称是美的,完美的对称只有唯一的一种相互作用,世界也就变得单调而乏味。1964年希格斯找到了使规范粒子获得质量的途径,他得出,描述规范场与其他场相互作用的方程式具有杨一米尔斯对称性,但其解描述真实世界表现出不对称性,这种对称性方程的不对称解称为“自发破缺的对称性”,对称性自发破缺使规范粒子获得质量。1967年温柏格了萨拉姆各自独立地抓住对称性自发破缺的思想,在格拉肖电弱统一模型的基础上构思了统一电磁作用和弱作用的规范场理论,其基本思想是电磁作用和弱作用本来属于具有有一种对称性的统一的相互作用,这种相互作用通过交换四种规范粒子来传递,它们的质量均为零,在能量较低的范围,对称性自发破缺了,其中一种规范粒子仍然是无质量的,它就是传递电磁作用的光子,另外三种都获得较大的质量,质量大约是质子的100倍,它们是传递弱作用的W± Z0粒子。1983年电弱统一理论预言的结果被实验证实。格拉肖、温伯格了萨拉姆的电弱统一理论获得极大的成功。

    电弱统一理论是对称性在物理基础研究中的一次伟大胜利,它鼓舞物理学家们进而研究包括强作用的大统一理论,以及把四种相互作用都统一起来的超对称大统一理论。对称性概念将近一步发展,并将进一步扩大其胜利成果。

    从以地球自转为基准到机械钟、石英钟、原子钟的出现,人类在追求精确计时的道路上经历了巨大的飞跃。

    人类的日常生活、科研、导航有测绘都离不开时间。时间计量涉及两个量:历元和时间间隔。任何具有周期性变化的自然现象都可以用来测量时间。各种时钟是守时的仪器。除地球可被看作是一座时钟外,根据历史发展顺序,相继出现了机械钟、石英钟和原子钟。

    机械钟可以指示时间间隔或时间的流逝。它由两部分组成:摆动部分和计时部分。1583年,伽俐略发现摆的周期与摆的幅度无关,这是守时史上的一大进步。1656年,荷兰天文学家、数学家惠更斯提出了单摆原理并制作了第一座摆钟。到1925年,摆钟已有很大进步,最好的摆钟每日误差仅0.001秒。20世纪70年代,机械钟已不再用于精密守时,而仅在日常生活中使用。

    石英钟靠准确控制电路的振荡频率来测量时间,其原理是基于石英晶体的压电效应。石英钟自20世纪30年代开始投入使用,到60年代已有极大改进和提高。

    原子钟的问世开辟了时间计量和守时的新纪元。原子钟是利用原子内部的量子跃迁产生极规则的电磁波辐射,并计数这种电磁波的一种时钟。

    今天,名为NIST F-1的原子钟是世界上最精确的钟,但它并不能直接显示钟点。它的任务是提供秒这个时间单位的准确计量。这一计时装置安放在美国科罗拉多州博尔德的国家标准和技术研究所(NIST)物理实验室的时间和频率部内。1999年才建成的这座钟价值65万美元,可谓身份不非。在2000万年内,它既不会少1秒也不会多l秒,其精度之高由此可见一斑。这架钟既没有指针也没有齿轮,只有激光束、镜子和铯原子气。铯是一种比较稀有的金属,主要用于制造一些特种合金。

    为了确定1秒钟的持续时间,今天,人们向原子“要答案”,从而完全摆脱了对天文现象的依赖。过去,人类一直以天文现象为标准计量时间,直到1956年,秒的持续时间还是以地球自转为基础进行计算的:秒被定义为平均太阳日的1/86400,即一天内有86400个称为秒的“时间段”。但是,地球是一个并不可靠的时钟,其自转所用的时间也并非固定不变:地球会发生摆动,有时,围绕太阳的旋转运动显示出轻微的不规则性。

    所有这些现象对地球自转都有影响,因此也就影响了一天的持续时间。这样,以年的长度而不是以目的长度为基础的另一种定义秒的办法实施了仅仅几年后,到1967年,秒的持续时间不再取决于地球的自转,而是以原子为基准。实际上,人们利用的是原子发射电磁波的能力。在特殊情况下,可以让一个原子充满能量,使它开始振动,这有点像吉它的弦,经过弹拨后发生振动。当原子振动的时候,先前获得的能量以电磁波的形式释放,其频率 (以赫兹表示)相当于1秒钟之内振动的次数。

第一架氨钟诞生

    NIST的美国物理学家哈罗德?莱昂斯 (Harold Lyons)1949年利用氨分子的振动制造出了第一架原子钟。由l个氮原子和3个氢原子组成的氨分子形状规则,很像一个三棱锥。人们可以想像,在三棱锥底部的每一角有一个氮原子,而在顶部有惟一的一个氮原子。在遭到微波“雨”的轰击之后,氨分子吸收其能量,然后,一旦分子开始振动,能量就被释放。事实上,如果我们能够观察到氨分子的话,我们就能看到氮原子像悠悠球(一种线轴形玩具)一样上下移动,这样,三棱锥顶部就好像不断地在颠倒。这些原子振动速度极快,l秒钟内发生240亿次。240亿赫兹就是氨分子发出的电磁波的频率。这样,秒就可以被定义为氨分子震荡240亿次所需的时间。自1955年起,氨被铯133取而代之。其原理与氨钟一样:向原子“注人”能量,然后测量发出的电磁波的频率。

最精确的秒长 

1999年是NIST F-l年。它的精度达到了其前身NIST-73倍,后者是由NIST的研究员斯蒂夫?杰弗 斯和道恩?米克霍夫研制的。NIST F-l被称为“喷泉钟”,因为铯原子被高高顶起,正像垂直喷射的水流。这种运动可以使频率的计算更加精确。一切始于由铯原子组成的气体,铯被引人到钟的真空室中。6束红外线激光束对准这种气体,这样,气体将呈球状。在这个过程中,由于激光放慢了原子的运动速度,气体的温度因此降低,接近于绝对零度(-273?15C)

    一束激光垂直向上,把“气球”推向上方。在上升过程中,气体穿过一个充满微波的腔:穿过这个装置后原子就充满了能量。在重力的影响下,气球开始向下坠落,再次穿过微波腔。一旦原子同微波再次发生相互作用,一些原子就会发现充入其中的能量己被掏空了。腔中的微波好像挤海绵一样,把浸满能量的原子球“挤干了”。事实上,受微波刺激,铯原子开始振动,这样就释放 出电磁波,这些电磁波的能量 等同于第一次穿过微波腔期间 所吸收的微波的能量。鉴于释 放能量的原子的数目越多,频 率计算就更精确 (因而秒的定 义就更精确),因此,制作的 装置应满足的要求是,在从微波腔出来时释放数目要最多。为了得到这一点,必须具有适当频率的微波才能使铯原子吸入能量,也就是说相当于铯所谓的“固有”频率。这个过程被多次重复,当铯原子每次向上“喷射”时,微波 频率就会被轻微地调整,直到 这些微波成为一个具有适当频 率的“能量池”。

    当铯原子气再从微波腔 出来时,就会被另一束激光撞 击:激光从铯原子中“挤”出光能量,当在微波腔中的微波达到铯原子的固有频率时,这种能量的释放达到最大,也就是电磁辐射最强。

在铯133固有频率的基础上,总部位于巴黎的国际标准局保存了正式定义秒的官方文件:秒是铯133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。

原子钟入住国际空间站

    NIST的形容人员很快就将开始制造另外一座使用激光进行冷却的铯原子钟,安放在国际空间站里。这架原子钟的优势是它将不受重力影响,因此,定义秒的精确度将进一步提高。这套系统将用于研究原子核的物理实验,完善GPS(全球定位系统)卫星的轨道计算,改进以与卫星发出的信号完全同步为基础的各种应用。

    事实上,地球上原子钟的精度受到铯原子可被观察的时间十分短暂的限制(大约1秒钟)。在地球上,重力很快把原子从观察区移走;而在太空中,即在几乎没有重力的条件下,铯原子气可以被观察数秒钟。

在影片《回到本来》中的时光穿梭机是有趣的幻想。费曼的物质——反物质机器是值得称赞的,但对我们来说这种机器实在太小了。然而许多科学家深信在宇宙的不同点上存在时间机器。美国图兰大学的弗兰克?蒂普勒早在1974年的《物理学杂志》上发表了关于宇宙中有时间机器的首篇作品。这就是所谓“时空隧道”,即虫洞(Wormholes),一种恒星的出入口。当时空结构发生变化时,时空隧道就会把处于不同空间和时间的两个黑洞瞬间连接起来。根据英国天体物理学家约翰 ?格里宾(John Gribbin)的看法,这些宇宙时间机器可以被拖拉在一起,一个靠近另一个,而两个机器之间的年代差可以保持不变。格里宾说,假定有一个隧道能把两个黑洞联系起来,两个黑洞之间的时差仅为1小时,它们之间的距离只用10分钟就可到达,那么一个宇航员于12时从第一个黑洞出发,1210分抵达第二个黑洞的入口处,但实际上第二个黑洞那时还是1110分。那么宇航员进入第一个黑洞和瞬间钻出第一个黑洞时间都是1110分,就是说出他出发时早了50分钟。

      另一种宇宙时间机器是一种与黑洞性质有关的现象。物理学家尤其主张,没有东西可阻止称为“裸露”的黑洞存在,在这种黑洞中,光可从其中逃逸。在这种情况下,在黑洞内部由于时间可向后移动,从理论上讲,我们可从逃逸的光得到有关黑洞反方向活动现象的信息:首先“我们将看到”它的结束,之后才是它的开始。这种设想并不像感觉的那样奇异,因为某些天体物理学家深信这些宇宙时间机器是存在的。它们的存在可以从观察宇宙中得到证实。例如,如果按反方向观察一个恒星的爆炸,那么就会做出它的光是经过一部宇宙时间机器传递的解释。

      对我们来说,这类系统作为返回过去和走向来的交通工具是无法使用的,但作为类似“电视”的效应,它能使我们看到发生事情之前发生的事和发生事情之后将要发生的事。

时间向哪个方向走?这个提问把问题搞复杂了。例如我们问,为什么时间总好像从过去向未来流逝。人们不知道这种进程是物理现实的客观情况还是一种头脑中的构思。这是一些2000多年前就提出过的问题,但在上世纪对不可逆转现象(即不可能发生相反的现象)的研究,才科学地说明了这些问题。

    热能就是一个例子,温度高的物体上的能量自然地传递到温度低的物体上,但不能倒过来。如果我们在装烈酒的杯子里放些冰块,较热的烈酒把它的热能传递给冰块,冰块融化直到杯子里的东西达到相同的温度。相反,冰块不可能把热能传递给烈酒,使冰块更冷而烈酒

更热。

    由于热是能量,在这类现象中能量是递降的,利用价值会变得越来越小。例如,当我们刹车时车的动能转换成热(制动器变热),但不能发生相反的情况:即使加热制动器,也不可能风到汽车会自行开起来。这些定律证实某些自然现象的不可逆转性,并用一个叫“时间之箭”的示意词指明时间的精确方向。而另一些物理现象是可以逆转的,例如液体可以变成固体,如果改变温度又可以回到液体。如何解释既存在着可逆转现象(其中时间似乎可前进和后退)又存在着不可逆转现象 (其中时间只能从过去走向未来)的这种共处局面呢?奥地利物理学家路德维格?波尔兹曼(Ludwig Boltzmann1844——1906)假设,在无限小世界中发生的过程 (这些过程与单个分子运动有关)全部可以逆转;相反,含有大量分子的宏观世界的过程都是不可逆转的。那么,为什么只有后者的这些过程存在时间之箭呢?据大多数科学的看法,决定性的原因是宇宙的膨胀,这一点我们在前面已经谈到了。

    然而人们不知道这种膨胀会一直继续下去,还是会倒转来发生宇宙回缩,从而将时间拉向后退。

     使时间流逝减慢的引力现象在黑洞面前产生了极端的结论。黑洞这种所谓的“空中强盗”其实不过是比太阳至少大3倍的大质量的恒星演化的最后阶段,由于发生引力坍缩而缩小到极小的程度,形成理论上称为“奇点”的孤立点。

如果说时间的减慢取决于光速的减慢,而光速的减慢又与引力引起的物体坠落速度有关的话,那么我们就导出了一个极端的结论:当一个物体坠落速度与光速抵消时,时间就会无限地放慢;当一个物体越接近吸引和吞没它的质量很大的黑洞时,射向外部的光的速度就越慢,光到达远处观察点所用的时间也就越长。

    如果我们能够观察一个人被黑洞吞没的过程的话,我们就会看到,他在接近黑洞表面时速度十分缓慢,就好像停留在那里犹豫不决,永远也到不了目的地。但从这个可怜的、凶多吉少的人的视点来看,坠落只是一瞬间的事。

    在黑洞附近,时间过得特别慢,而在坍缩恒星的表面一一 “视界”上,时间就停住了。黑洞的内部呢?引力仍然极强,强到能阻止光的逃逸,对其他物体更不必说了,因为不存在比光速快的物体。所有掉进去的东西被留住并在一个狭小的空间内消失,这个空间被命名为:“奇点”。在奇点里,物质可能消失或变成认不出来的样子,在那里也不存在空间和时间。特别对在黑洞外部观察的人来说,内部时间显确显示出同外部时间是分开的,这种区分发生在视界时间停住的时刻。

    但是,在深入揭开奇点深奥的谜团之前,发生了科学家们称为“时空倒置”的谜。让我们来看一下。

    在黑洞外面,空间可向任何方向扩张,相反,时间只能走向未来。而在黑洞内部,空间只能走向中央奇点。

     随着狭义相对论中达到顶点的有关时间理论的革命,时间向我们表现出另一种惊人的面貌,即所谓“时间膨胀”,它违背普通常识,但去被不同的实验所证实。

    时间的流逝根据观察者是静止还是运动状态以及运动的速度而定,用简单的话来说,就是一个跑着的人的时间流逝得慢,他跑得越快,其时间放慢得越明显。爱因斯坦本人也对这个论题提出著名的“双生子佯谬”,我们把它概括如下:两个孪生兄弟在宇宙飞船发射场相互离别,一个留在地球上,另一个上了以光速的80%的速度飞行的宇宙飞船。过了50年,留在地球上的兄弟去迎接航天兄弟的归来,人们会发现航天兄弟的面孔更年轻,事实上他只过了30年。这种现象在日常生活中并不明显,因为对乘坐时速为1000公里的喷气机的旅行者来说,每秒只减慢万亿分之一秒,因此他大约要旅行3万年才能积累下减慢的一秒。对乘坐时速1万公里的运载工具一一航天飞机的宇航员来说,这并不是长寿航程,因为每秒只减慢百亿分之一秒。不管怎样,科技进步使人们可以证实时间的减慢,人们用两个超精密度相同的原子钟进行实验,一个放在陆地上,一个放在时速超过3000公里的军用飞机或空间探测器上。实验证实了这样的假设:旅行过的钟比另一个钟走得慢。

    1916年,爱因斯坦扩充了相对论原理,把地球引力置于其理论的中心。从而对时间得出了惊人的结论:引力场对自然钟起减慢作用,类似我们前面所说的由运动产生的减慢。这就是说,不管在哪里,只要有强引力张力的存在,时间的消逝就会减慢:地球上的这种减慢相当于每秒减慢十亿分之一秒。

     1907年,物理学家艾伯特?迈克耳孙(Albert Michelson1852——1931)因为“光速的准确测定”而幸运地成为第一个获得诺贝尔奖的美国人,随后爱因斯坦在向他致贺时说道:“通过您杰出的实验工作,您已经为相对论理论的发展开辟了道路……”

    他究竟做了什么大事呢?从1887年起,他与他的同事爱德华?莫雷“简单地”证实了光速是永远不变的,即使由一个物体在运动中“发射”的光,其速度也是不变的。

当时人们的意识还停留在绝对空间和绝对时间的概念上,在此基础上,当追踪某种速度的光线时,人们看到光线行进得应该慢一些。就像我们在生活中所见到的那样,如果我们坐汽车旅行,时速100公里,并追踪在同一方向以时速200公里行驶的火车,就会感到火车的时速好像仅为100公里

在迈克耳孙和莫雷实验的推动下,爱因斯坦开始修正时间的概念,开导致他于1905年提出狭义相对论的理论。一方面是光速的不变性,另一方面有距离的作用:事实上,这两个同时发生的事件,对于两个处在不同位置的观察者来说,感觉它们是在不同时间发生的。这就是为什么光传递的信息需用一定的时间才能到达目的地。为了弄清这一概念,我们同以设想两个宇航员,一个在空间站,另一个在附近的行星上,他们仔细观看由空间站中心点发出的光,不管这种光的方向是与空间站运动的方向一致,还是相反,空间站的宇航员可以同时看到光的前部和后部,而在行星上的宇航员则是先看到后部的光,然后才看到从发射点向前离去的前部的光。

必须承认,把地球作为测量时间的仪器是不可靠。20世纪初,天文学家就觉察到这个问题,但出于天文观测的需要,采用了“历书时”的概念,于1960年起作为世界各国的基本时间计量系统。历书时从19001012开始计算,定义一秒钟为那一年太阳由相对较远恒星回到起点的一个回归年的1/31556925.97474

    其实,太阳也是个有争议的时钟,因为当地球更加接近太阳时,太阳相对背景恒星的视在运动加快,这就是产生“"平均太阳时”想法的原因,是通过虚拟的太阳设定出来的。虚拟太阳的视在运动是以匀速沿地球赤道线运行的。这样就决定称它为“民用时”,即平均太阳时一天的长度。但这对天文学家来说还不够,他们使用的是“恒星日”,即地球相对于遥远恒星自转一周所需的时间。所有这一切都是关于时间的测量。然而几个世纪前科学家就开始提问,时间是否与宇宙的物质有联系,它本身是不是一个单独的实体。这种想法刺激了艾萨克?牛顿,他问道:“如果所有时钟消失了,之后所有物质也消失了,在空间什么也没有留下,既无地球也无太阳,连最小的粒子也没有了,那时还有时间吗?”而他的回答是:“‘绝对时’本身是真实的、数学的,就其性质讲它与外界事物无关地、均匀地流逝;‘相对时’是一个表面的、通俗的量度(精确或不精确),一般用来代替绝对时间的量度,这就是时、日月、年。”在经典力学中,需要绝对时间和绝对空间一起来确定物体的位置和速度。

时间没有起点,但它一直存在

    时间没有开始也没有终结吗?在宇宙事件的流逝中从来就没有一个起点?这些事件中的一部分已经被证实,另一部分仅仅是理论物理学家的假设。这些事件也不会有终结吗?

    爱因斯坦在科学界发起的革命开始与牛顿创立的曾为科学界广泛使用的“绝对时间”和“绝对空间”的概念分道扬镳了,这场革命更确切地说是对于宇宙命运的一种新见解——如果宇宙继续无限地膨胀下去(开放的宇宙),那么时间将永远不会终结;相反,如果宇宙在某个时候停止了膨胀,开始发生逆转,越来越收缩(封闭宇宙),直至回到什么也没有的状态,那么时间也就不复存在了。

    但时间是从什么时候开始的呢?

    根据最新的假设,在大爆炸前已经存在许多小宇宙,它们从“无”这种物态开始形成和消失,在这种物态中既无时间、空间,也无物质。由于有了称为波动的量子现象才使这些宇宙得以形成。我们的宇宙也许不会消失,因为它还刚刚诞生,由于扩张得特别快和特别强劲,故取名为膨胀 (或日宇宙超级扩张),它或许是在无节制地长大之后才发生了大爆炸。因此时间或许应先于大爆炸,它的起点或许应追溯到从无到膨胀的过渡期内。诺贝尔化学奖获得者伊利亚?普里戈金(Ilya Prigogine)还谈到:“一个潜在时间,它总是处于休眠状态,并不要求波动现象唤醒它而变为现实。从这个意义上讲,时间不与我们的宇宙同时产生,而是早就存在的。”

 

 

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章
    喜欢该文的人也喜欢 更多