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在对“看不见”的微观世界的研究中，传统的物质实验在科学理论进步的过程中仅仅能够起到验证的作用，而在理论构建与探索中，思想实验逐渐占据主导地位。 当今科学前沿，特别是对微观粒子世界的探寻，已经进入到一个“看不见”的世界之中。在对“看不见”的微观世界的研究中，传统的物质实验在科学理论进步的过程中仅仅能够起到验证的作用，而在理论构建与探索中，思想实验逐渐占据主导地位。 面包思想实验：微观世界探索的先驱 在人类早期，有关物质是无限可分的思想较为盛行。《庄子·天下篇》就有“一尺之棰，日取其半，万世不竭”的观点。庄子认为，一根一尺长的木棒，今天取其一半，明天取剩下的一半的一半，后天再取一半的一半的一半，每天如此，但总有一半留下，永远也取不尽。木棒如此，其他一切事物皆等同此理。庄子借此为人们塑造了一个无限可分的世界。 不过，有关物质是否是无限可分的论断在古代是充满争议的。事实上，由于受到人类自身感觉器官的限制，人们无法直接观测到微观世界的真实情形，但德谟克利特却借助一个思想实验，提出了世界存在最小单元——原子的思想。据说，有一天，德谟克利特走在大街上突然闻到一股面包的香味，他环顾四周却并未看到面包。当他继续向前走，转过一个弯之后，发现有一家面包店。他突然想到，面包会不会是由无数个看不见的微小粒子所组成的，正是有些微小的粒子从面包中跑了出来漂浮在空气中，才会让人闻到它的味道。面包是如此，万事万物都是这样。德谟克利特继续设想，假如有一把极其锋利又极其微小的刀，我们就可以拿着这把刀去切割一个面包，一分为二、二分为四、四分为八……直到最后面包变成了一个个微小的不可再分的粒子，他称之为原子。 德谟克利特的面包思想实验之后的两千多年间，人们一直在追寻原子的下落。曾几度有人宣称发现了世界最基本构件——原子，但后来都被人们证明有误。直到今天，物理学家们依然在苦苦地追寻着德谟克利特的“原子”。 物理学标准模型：基本粒子的家园 19世纪末，第一个真正的基本粒子——电子，被汤姆逊所“捕获”。在随后的二三十年间，科学家们陆陆续续地发现了质子、中子、介子等微观粒子。这一过程基本贯穿了整个20世纪，形成了20世纪现代物理学的一大特色。刚开始时，每发现一种新粒子，科学家们都会为之兴奋，但随着发现的粒子越来越多，科学家们逐渐陷入困境中：这些乱哄哄的粒子是以何种方式存在的？物理学标准模型理论是目前回答这一问题的最为成功的理论。该理论认为，构成世界的基本粒子包括18种夸克、6种轻子，以及14种规范玻色子，再加上每一种物质粒子都对应着一种反粒子（其中，规范玻色子本身就是自己的反粒子），共有62种之多。 物理学标准模型理论为基本粒子的存在方式，以及不同种类粒子之间的相互关系提供了一个令人满意的说明。可是，对标准模型理论框架下的粒子行为进行研究，依然是一项相当困难的任务，其主要原因是“在十分小和十分大的尺度内的实验经验不再提供给我们直观的图像”。这就意味着，宏观世界的经验无法同样适用于微观世界和宇观世界，我们不能再凭借日常生活中的思维把微观和宇观看成是我们身边事物的扩大或缩小版，“因为‘分割’或‘组成’等词已在很大程度上失去了它们的意义”。不过，基本粒子的古怪之处远不仅止于此，夸克的行为更让人困惑。标准模型理论中的夸克大致有6类，每一类又有3种色，总共有18种之多，而且夸克还是构成世界的主要砖块。但夸克从不单独露面，它们都是以夸克对或夸克群组成重子和介子面目现身，科学家们从来没有见到过自由的、孤立的夸克。而且人们相信“色以及夸克和胶子永远只是黑箱的一部分，只是个抽象体，它永远无法触发盖革计数器，永远不会在气泡室留下踪迹，也永远不会触动电子探测器的导线”。 足球思想实验：基本粒子的存在方式 人们对微观粒子世界探寻的前沿早已进入到一个完全看不见的领域之中。基本粒子古怪的存在方式，导致科学家们对其的研究必须建立在有限的间接经验累积的基础之上，依靠思想实验去探寻它们的属性。甚至连物理学标准模型自身的构建也必然是思想实验的产物。 诺贝尔物理学奖得主莱德曼曾以一个足球思想实验为我们说明粒子物理学的研究情形。他设想存在一个名为特维洛的星球，上面生活着一些与人类相似的生命形态——特维洛人。特维洛人与地球人表面上基本一样，只有一点不同，就是他们无法看到黑白对比鲜明的事物，比如斑马、足球等。不过，地球人并不知晓特维洛人的这一特点。当有特维洛星球的代表团来访地球时，出于友好的目的，地球人带领特维洛人观看了一场足球比赛。令特维洛人困惑的事情发生了。他们看到两组队员在球场上奔跑、追逐、踢腿、对抗，时不时地还相互撞在一起，人仰马翻。有时守门员会突然扑倒在地，随后观众们就爆发出一阵欢呼。当然，自始至终，对于球场上所发生的一切，特维洛人感到莫名其妙。为了弄清楚地球人究竟在干什么，特维洛人将此次足球比赛的录像带回去进行了研究。不同的人进行了各种各样的设想，其中，有一个特维洛人发现，每当守门员倒地，人群欢呼的时候，球网的后面总会在一刹那间凸起一块。他据此认为，存在一个他们看不见的球。 当然，那个提出存在一个看不见的球的特维洛人，一定是一个极具科学家潜质的人。事实上，无论粒子物理学家们在云室、气泡室中所见到的粒子运行的蛛丝马迹，还是在盖革计数器上得到的信息，都与足球思想实验中“球网”凸起的那一刻相似。 思想实验在当代科学前沿的运用 需要强调的是，科学前沿的“看不见”的世界远非仅仅是由于天体太过遥远，或者是由于基本粒子太过微小所致。当下科学前沿的一项重要任务就是探寻暗物质与暗能量的下落。目前有关暗物质的踪迹只能通过引力透镜的作用，表明一些星系团的内部存在着暗物质，此外就很难得出有关暗物质的其他信息了。为此，许多国家的科学家都设计了各种方法，试图捕获暗物质，以进一步研究其基本属性。而暗能量则更为神秘，人们有关暗能量存在的判断，仅仅是有关天体运行的理论要求必须有某种存在——暗能量，当然，近年来新发现的宇宙加速膨胀的事实也为暗能量的存在提供了新的支撑。不过，科学家们对有关暗能量的其他信息尚不够了解，甚至连一个有效地探测暗能量的方案都没有。因此，截止到目前，有关暗物质与暗能量属性的研究基本属于思想实验的范畴。在可预见的将来的很长一段时间内，思想实验方法将占据科学前沿的主导地位。 |
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