29 EPR 悖论 119 瞬间传输 瞬 间 传 输 是 伴 随 着 科 幻 电 视 剧 星 际 迷 航 科幻小说中经常会出现瞬间传输的场 景 19 世 纪 电 报 等 通 信 技 术 的 出 现 使 远 Star Trek 的出现而腾飞的 剧中有句著名 的台词 把我传送出去 斯考蒂 进取号 距离信

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1 118 第三部分 29 量 子 谜 题 EPR 悖论 第三部分 量子谜题 量子力学指出信息可以在各个系统之间瞬间传输 而与系统之间的距离无关 这种纠缠的现象表明宇宙中的粒子之间存在着一张巨大的互联网络 爱因斯坦 波多 尔斯基和罗森认为该结论是荒谬的 于是在EPR悖论中对此提出了质疑 实验表明量 子纠缠是存在的 自此 量子纠缠开始应用于量子密码学 量子计算 甚至于瞬间传 输 爱因斯坦一直不接受量子力学的哥本哈根诠释 哥本哈根诠释认为 量子系统是以概率叠加态存在的 只有对量子系统进行观察时 系统才 会采取终态 没有观察时 系统的存在状态有多种可能性 爱因斯坦对 该种解释很不满意 认为这样的混合存在状态是不现实的 自相矛盾的粒子 1935 年 爱因斯坦与波里斯 波多尔斯基 Boris Podolsky 和内森 罗森 Nathan Rosen 一起 提出了爱因斯坦 波多 尔斯基 罗森 Einstein-Podolsky-Rosen 悖论 简称 EPR 悖论 请读者想象由一个粒子衰变成两个较小的粒子 我始终相信 上帝是不 如果原来的母粒子是静止的 则两个子粒子必须具有大 会掷骰子的 小相等 方向相反的线动量和角动量 以保证动量总和 阿尔伯特 爱因斯坦 1926 年 仍然为 0 守恒 因此子粒子将互相分开 且旋转方向 相反 子粒子对的其他量子属性也是类似的 只要发生 大事年表 公元 1927 年 提出了哥本哈根诠释 1935 年 爱因斯坦 波多尔斯基和罗森提 出了 EPR 悖论

2 29 EPR 悖论 119 瞬间传输 瞬 间 传 输 是 伴 随 着 科 幻 电 视 剧 星 际 迷 航 科幻小说中经常会出现瞬间传输的场 景 19 世 纪 电 报 等 通 信 技 术 的 出 现 使 远 Star Trek 的出现而腾飞的 剧中有句著名 的台词 把我传送出去 斯考蒂 进取号 距离信号传输成为可能 20 世纪 20 和 30 年 代 瞬间传输开始在亚瑟 柯南 道尔 Arthur Enterprise 星舰瞬移机可以将传输物拆分为 单个的原子进行传输 然后再把这些原子完美 Conan Doyle 等所著的书中出现 成为科幻 组合起来 在现实生活中 受海森堡不确定性 故 事 的 重 要 部 分 在 乔 治 兰 吉 尔 George Langelaan 所 著 的 变 蝇 人 The Fly 中 原理的限制 人们认为瞬移是不可能的 虽然 无法对实际的原子进行瞬移 但是通过量子纠 一位科学家将自己的身体瞬间传输 而身体的 缠却可以实现信息的长距离传输 不过目前 信息却与家蝇混在了一起 变成了半人半蝇 的怪物 该作品现已有三个不同的电影版本 这种传输只对小粒子有效 衰变 那么只要测得了其中一个子粒子的自旋方向 就能马上知道另一 个子粒子的自旋方向是相反的 即便经历了很长时间 粒子已经运动到 远处 看不见了 也仍然如此 这就好像是看到一对双胞胎 如果发现 其中一个双胞胎的眼睛是绿色 我们马上就能猜到另一个双胞胎的眼睛 也是绿色的 如果采用哥本哈根诠释对此进行解释 那么就意味着在测量之前 两个粒子 或双胞胎 处于多种可能状态的叠加 粒子的波函数包括各 方向上的自旋信息 而对于双胞胎来说 他们的眼睛则是各种颜色的叠 加 只要测量了两个粒子之一 那么二者的波函数就会同时坍缩 爱因 1964 年 1981~1982 年 1993 年 约翰 贝尔 John Bell 提出 了 局 部 现 实 local reality 不 等式 贝尔不等式被证明是不成立的 由此支持了量子纠缠说 量 子 比 特 quantum bit 被重新命名为量子位 qubit

3 120 第三部分量子谜题 斯坦 波多尔斯基和罗森认为这样的解释是没有意义的 如果两个粒子相隔甚远, 怎么可能同时对其施加某种作用呢? 爱因斯坦已经指出光速是一切速度的极限, 任何物体的速度都不能超过光速 对第一个粒子的观察行为如何能传达到第二个粒子? 测量宇宙一侧的物质并不能同时影响宇宙另一侧的物质 这就说明, 量子力学是错误的 纠缠在描述薛定谔猫悖论的论文中, 薛定谔还采用了 纠缠 一词描述在一定距离下的这种奇怪的行为 对玻尔而言, 宇宙在量子水平上是相互联系的 但爱因斯坦的观点与此不同, 他更倾向于承认 局部现实, 也就是说世界的信息在局部是确定的 好比一对双胞胎如果生下来时眼睛的颜色一样, 那么他们的眼睛在我们观察之前也不会处于模糊的多色状态 爱因斯坦由此假定粒子对一旦出现, 就固定不变了, 观察者在一定距离下进行观察时无需通信, 也无需发挥任何作用 爱因斯坦猜想有一些隐变量 ( 现称 贝尔不等式 ) 的存在将被发现, 最终可以证明自己是正确的, 不过目前还没有证据能支持这个猜想 爱因斯坦的 局部现实 理论现已被证实是错误的 实验表明量子纠缠是存在的 即便粒子的数目不止 2 个, 或者粒子之间的距离有几米远, 纠缠仍然是存在的 量子信息量子纠缠开始时是一个哲学上的争论 不过现在量子纠缠已经能用前所未有的方式实现信息的编码和传输 在一般的计算机中, 信息是以二进制固定值的位编码的 量子编码中采用两个或两个以上的量子态, 系统也以这些状态的叠加态存在 1993 年, 量子比特 开始被简称为 量子位 ( 比特值的量子叠加 ) 基于这些原理, 现已设计出了量子计算机 纠缠态为量子位之间的通信提供了新的方式 如果有测量动作发生, 就会引发系统的各个部分之间爆发式的量子通信 测出了系统一部

4 29 分的值 就能设置系统其他所有部分的值 该效应在量子 密码学和量子瞬移上是很有用的 EPR 悖论 121 看起来似乎连上 帝也受不确定性原理的约 束 无法知道粒子的位置 和速度 那么上帝也跟宇 宙玩掷骰子吗 所有的证 据都表明上帝是赌鬼 一 有机会就掷骰子 量子力学的不确定性实际上排除了科幻中所描述的瞬 移 要实现这种瞬移 科学家需要采集到物体的所有信息 之后在别处重新组装 而不确定性原理使我们想要获取所 有信息的想法破灭 因此 要实现一个人 哪怕是一只苍 蝇 的瞬移是不可能的 但是 通过操作纠缠系统 可能 会实现量子瞬移 如果有两个人 物理学家们通常称为爱 斯蒂芬 霍金 1993 年 丽丝和鲍勃 共享一对纠缠的光子 则爱丽丝可以对她的 光子进行测量 之后将最初所有的信息传送给鲍勃的纠缠 态光子 鲍勃的光子和爱丽丝的虽然不是同一个 但此时却无法把二者 区分开来 不管事实是否如此 瞬移这个问题本身还是很好的 没有任 何光子和信息是能够到达任意地方的 因此爱丽丝和鲍勃可能位于宇宙 两边 并变换各自的纠缠态光子 量子密码学采用量子纠缠作为关联加密密钥 发送者和接收者分别 持有纠缠系统的一部分 信息被随机置乱后 唯一的解密码通过连接到 接收者的量子纠缠进行发送 这样做的好处是 如果信息被拦截 那么 任何测量行为都会造成信息的破坏 量子态改变了 因此信息只能使 用一次 而且只能被那些了解如何通过密钥进行量子测量的人读取 纠缠告诉我们 世界并不是独立存在的 它依赖于测量的形式 空 间中除信息外的所有物体都是不固定的 人们只能对信息进行收集 按 照认为合适的方式进行排序 使信息变得更有意义 宇宙是信息的海 洋 人们赋予信息的形式是次要的 瞬间传输

5 122 第三部分 30 量 子 谜 题 泡利不相容原理 泡利不相容原理解释了物质为什么是坚硬和难以穿透的 为什么人不会陷入地 板中 手进不到桌子当中去 该原理还对中子星和白矮星作出了解释 沃尔夫冈 泡 利所提出的泡利不相容原理适用于电子 质子和中子 对物质具有深远的影响 该原 理表明粒子不能同时具有相同的量子数 物质为什么具有硬度 我们知道原子之间大部分是真空 那为什么 不能像挤海绵那样挤压物体 或者像在刨丝器上粉碎奶酪一样 将不同 物质彼此挤入呢 物质为何会占据空间是物理学上的重大问题之一 如 果实际情况不是这样 我们就会掉到地球的中心 或陷到地板里去 而 建筑物也会被自身的重量压扁 并不相同 泡利不相容原理是由泡利于 1925 年提出的 该原理解 释了正常原子无法共存于同一空间的原因 泡利指出 原子和粒子的量 子行为决定了它们必须遵循一定的规则 不能具有相同的波函数 也就 是说不能具有相同的量子属性 该原理主要是为解释原子中电子的行为 提出的 电子倾向于以特定能量状态 轨道 绕核运动 电子在这些轨 道上排布 而不会挤到能量更低的轨道上 它们似乎是按照泡利提出的 原理填充的 大事年表 公元 1925 年 1933 年 泡利提出了不相容原理 发现了中子 预测了中子星的存在

6 30 泡利不相容原理 牛顿物理学表示式中含有力 动量和能量等参数 量子力学也一 样 有自己的一套参数 例如 量子自旋与角动量类似 但自旋是量 子化的 只能取某些特定值 通过求解薛定谔方程就会发现 描述任 何粒子 都需要 4 个量子数 包括 3 个空间坐标和 1 个自旋坐标 泡利规则说的是同一原子中 没有任何两个电子的 4 个量子数完全相 同 当原子变大 电子数增多时 电子就会填充到分配的空间上去 逐渐占据更高能级的轨道 这就好比小剧院里已座无虚席 只能靠外 坐了 费米子 泡利规则适用于所有自旋量子数等于基本单位半整数倍的 电子和其他粒子 包括质子和中子 为纪念意大利物理学家恩里科 费 米 Enrico Fermi 这些粒子被命名为 费米子 按照薛定谔方程 费米子具有不对称的波函数 可从正变到负 自旋是有方向的 如果两 个费米子具有相反的自旋 就可以互相靠近 两个电子只有自旋方向相 反 才能占据原子中最低的能量状态 物质的基本组成单元 电子 质子和中子 都是费米子 而泡利不 相容原理描述的实际上是原子的行为 这些粒子都不能与其他粒子共用 同一量子能量状态 因而硬度就成为原子的固有属性 分布在不同能量 壳层上的电子无法都挤到离核最近的轨道上 实际上 电子还会强烈抵 抗这种压缩 两个费米子不能 坐 到同一个 座位 上 1967 年 发现了脉冲星 中子星的一种 123

7 124 第三部分 量 子 谜 题 沃尔夫冈 泡利 Wolfgang Pauli 年 泡利最著名的工作是提出了泡利不相容原 理和指出了中微子的存在 泡利大器早成 学 生时代就阅读爱因斯坦的著作 并写出了有关 相对论的论文 海森堡说泡利是夜猫子 常常 在咖啡馆中干工作 早上却很少去听课 泡利 本人受到了诸多私人问题困扰 母亲自杀 短 暂的婚姻失败和酗酒成性等 为寻求帮助 他 找到了瑞士心理学家卡尔 荣格 荣格记录了 泡利所做的上万个梦 再婚后泡利的生活有了 起色 可不久二战就爆发了 他虽身在美国 仍致力于维持欧洲科学的活力 战后 他返回 瑞士苏黎世 于 1945 年获得诺贝尔奖 晚年 的泡利致力于量子力学的哲学和心理学研究 量子简并 中子星和白矮星的存在也可由泡利不相容原理得到 解释 恒星生命即将结束时 就不再燃烧燃料 而发生向心聚爆 它自身巨大的万有引力将所有气层拉向内部 恒星塌陷时 有些气 体会被炸飞 如超新星爆炸 不过剩下的物质将继续收缩 由于原 子之间压得更紧了 电子就会产生抵抗压缩的斥力 在不违反泡利 不相容原理的前提下 电子优先占据最内的能量壳层 靠 简并压 力 支撑起整个恒星 白矮星的质量与太阳接近 但其半径却被压 缩到接近地球半径的水平 白矮星的密度非常之高 一块方糖大小 的白矮星材料就重达 1 吨 1 吨 =1000 千克 地球 白矮星 中子星 对自引力更大的恒星 尤其是超过太阳质量 1.4 倍 称为钱德 拉塞卡极限 的恒星来说 事情到压缩为止还没结束 在此后的另 一过程之中 质子和电子结合形成中子 从而巨大的恒星会收缩成 致密的中子球体 如前所述 因为中子是费米子 所以不能具有完全相同的量子 态 简并压力可以将中子聚集在一起形成中子星 直径仅有 10 千米 左右 中子星的大小与美国的曼哈顿相当 质量却相当于一个或者

8 30 泡利不相容原理 为什么基态原子的电子并不是填充在最 内层上 玻尔曾着重指出这是个基础性的问题 经典力学对该现象的解释是无能为力的 泡利 1945 年 几个太阳的大小 中子星的密度也非常高 方糖大小的一块中子星质量 就会超过 1 亿吨 如果 例如对于最大的恒星的 万有引力比这还要大 的话 则中子星经进一步压缩最终会形成黑洞 玻色子 泡利规则仅适用于费米子 自旋为基本单元整数倍且具 有对称波函数的粒子称为 玻色子 为纪念印度物理学家萨特延德拉 纳特 玻色 以他的名字命名 玻色子包括与基本作用力相关的粒子 如光子和某些对称的核 如氦原子核 它有两个质子和两个中子 玻 色子可具有相同的量子态 且数目不受限制 因而可产生协同群体行 为 激光就是许多单色的光子共同发挥作用产生的 泡利不相容原理开始只是玻尔原子模型的延伸 之后 经过以海森 堡和薛定谔为代表的物理学家们的努力 引领了量子力学的进展 但泡 利不相容原理是研究原子世界的基础 得出的结果却能为人们所感知 这点是量子力学所不能及的 这个座位有人吗 125

9 126 第三部分 31 量 子 谜 题 超导性 某些导电金属和合金在极低温度下电阻会变为零 在这种超导体中的电流可以流 动几十亿年 而不损失任何能量 此时电子成对存在 并一起移动 因为电子之间不 存在碰撞 也就不存在电阻 到达了永动状态 水银的温度如果降低到几开尔文 电阻就不存在了 1911 年 荷 兰物理学家海克 昂尼斯 Heike Onnes 将水银的温度降低到液氦的温 度 4.2 开尔文 时 发现了超导现象 由此 人们发现了第一种超导 材料 不久 人们又发现其他冷金属 如铅 和化合物 如氮化铌 也 有类似行为 不同材料的临界温度不同 在临界温度以下 材料的电阻 为零 永动 零电阻使电流可以在超导体中永远流动下去 在实验室中 这种电流可以维持若干年 物理学家估计 在没有任何能量损失的情况 下 电流可以维持几十亿年 这与科学家们提出的永动概念已经非常接 近了 群体思维 物理学家们对低温下物质的这种转变深感疑惑 临 界温度的存在表明在材料中发生了相变 由此 物理学家们转而考 察金属中电子的量子行为 在这方面 量子力学提供了一些线索 20 世 纪 50 年 代 出 现 了 几 种 思 想 1957 年 美 国 物 理 学 家 约 翰 巴 丁 大事年表 公元 1911 年 昂尼斯发现了超导性 1925 年 1933 年 20 世纪 40 年代 预 测 了 玻 色 爱 因 斯 坦凝聚物的存在 发现超导体与 磁场是互斥的 发现了超导化合物

10 31 超导性 127 超流体 超流体没有粘度 因此可以一直在管中 无摩擦地流动 早在 20 世纪 30 年代人们就知 道了超流体 超流体的一个例子是过冷氦 4 原 子质量为 4 含有 2 个质子 2 个中子和 2 个电 子 氦 4 原子是玻色子 由费米子对组成 容器内的超流体会表现出非常特殊的行 为 它可以沿着器壁流动 流体层的厚度仅有 一个原子厚度的大小 在超流体中 温度梯 度无法存在 热导率无限大 热会导致压力的 变化 因此如果插入一段毛细管并对其加热 就会有流体喷出形成 小喷泉 对一桶超流 体进行旋转时 就会出现奇特现象 因为流体 没有粘度 刚开始旋转的时候 它是不动的 随着旋转速度的加快 超过某个临界值流体就 会突然开始旋转 转速是量子化的 也就是说 流体只能以特定的转速转动 John Bardeen 利 昂 库 珀 Leon Cooper 和 约 翰 施 瑞 弗 John Schrieffer 对金属和简单合金的超导现象提出了一个令人信服的完整解 释 现称为 BCS 理论 该理论认为超导性之所以存在 是因为电子成 对出现所产生的特殊行为 BCS 理论将电子对称为库珀对 库珀对可通过两个电子之间的束 缚力与金属原子晶格发生相互作用 金属是由带正电的核构成的晶格与 自由移动的电子构成的 海洋 组成的 在金属温度极低时 晶格是固 定的 带负电荷的电子经过晶格时 就会对晶格上带正电的核产生拉 力 形成波纹 在附近运动的另一个电子受到该区域较强正电的吸引 就会形成电子对 后者围绕前者转动 这种现象对于金属中的电子非常 普遍 许多同步电子对共同形成了移动的波动图形 1957 年 1986 年 1995 年 提出了超导性的 BCS 理论 制得了高温超导体 在实验室中制出了玻色 爱 因斯坦凝聚物

11 128 第三部分量子谜题 玻色 爱因斯坦凝聚态 在极低温度下, 玻色子的群体行为大不相同 接近绝对零度时, 多个玻色子可占据相同的量子态 此时, 在宏观范围内可观察到量子行为 根据印度物理学家玻色的理论, 爱因斯坦于 1925 年首次预测出了玻色 爱因斯坦凝聚态 (BEC) 的存在 但直到 1995 年, 人们才第一次在实验室中制得该凝聚态 科罗拉多大学的埃里克 康奈尔 (Eric Cornell) 和卡尔 威曼 (Carl Wiemann) 以及不久后 MIT 的沃尔夫冈 凯特勒 (Wolfgang Ketterle) 在将 气态铷原子冷却到一千七百亿分之一开尔文时观察到了这种行为 在 BEC 中, 所有成簇原子均具有大致相同的速度, 中间的偏差是由于海森堡不确定性原理 BEC 与超流体的行为类似 不同玻色子的量子态彼此可以相同 由此, 爱因斯坦推断, 将玻色子冷却到极低的临界温度以下, 可以使其进入 ( 凝聚 ) 能量最低的量子态, 产生新的物质形式 BEC 很容易分解, 目前离实际应用也仍有较大距离 不过, 从中人们能对量子力学有更深入的了解 单个电子必须遵守泡利不相容原理 该原理不允许波函数不对称的粒子 ( 费米子 ) 占据相同的量子态 因此, 同一区域如有多个电子, 则必然它们彼此的能量不同 原子或金属中的电子就是如此 如果电子以单粒子的形式成对存在, 就不受上述原理的限制 此时, 电子的整体波函数就变成对称的, 整体上看也不再是费米子, 而是玻色子了 作为玻色子的电子对可以具有相同的最小能量 这样一来, 金属中的电子以成对形式存在时总能量就比单个存在时来得小了 正是这种特定的能量差, 导致了材料在临界温度下的迅速转换 如果晶格的热能低于该能量差, 就会观察到电子对的连续流动和与此耦合的晶格振动, 即超导性 晶格波驱动晶格内的长距离运动, 使电阻为变为零, 所有的电子对都在移动 这些电子对就像超流体一样, 流动起来没有障碍, 也不存在与静止晶格原子间的碰撞 温度较高时, 库珀对被破坏, 并失去类似玻色子的特性 此时, 电子会与温

12 31 超导性 129 度较高的振动晶格离子发生碰撞, 产生电阻 电子从一致流动的玻色子转变为无规则运动的费米子后, 就会在不同状态之间发生快速转换, 反之亦然 高温超导体 20 世纪 80 年代, 超导体技术有了飞速的发展 1986 年, 瑞士研究者发现了一种新型陶瓷材料 这类材料可在较高温度下变成超导体, 即所谓的 高温超导体 第一个高温超导体材料是由镧 钡 铜和氧等元素组成的化合物 ( 称为铜氧化物 ), 可在 30 开尔文转变为超导材料 1 年后, 又有人设计出了转变温度为 90 开尔文的超导体材料 这个温度已经超过了液氮的温度 目前, 采用钙钛陶瓷和 ( 铊掺杂的 ) 汞 铜氧化物超导体的转变温度已经达到了 140 开尔文左右 在高压条件下, 还可以获得更高的临界温度 一般认为陶瓷是绝缘体, 因此陶瓷超导体的出现是人们之前没有想到的 目前, 物理学家们仍在寻找解释高温超导性的新理论 这是物理学中发展较快的领域之一, 必将对电子学产生革命性的影响 超导体有什么用处? 它们是强电磁铁, 常用在粒子加速器和医院的 MRI 扫描仪上, 将来还可用于高效变压器, 甚至磁悬浮列车上 但超导体极低的临界温度限制了它的应用 因此, 人们仍在不断寻找新的高温超导体, 期待有朝一日能使其在实际中获得广泛应用 失效的电阻

13 130 第三部分量子谜题

14 31 超导性 131 第四部分 原子结构 32 卢瑟福原子 33 反物质 34 核裂变 35 核聚变 36 标准模型 37 费曼图 38 上帝粒子 39 弦论

15 132 第四部分 32 原 子 结 构 卢瑟福原子 第四部分 原子结构 人们一直以来都认为原子是物质的最小组成单元 早在20世纪初 欧内斯特 卢瑟福等物理学家就已经开始研究原子内部的结构 指出原子是由电子层和包含质子 和中子的硬核 原子核 组成的 为解释核子之间的束缚作用 一种新的基本作用 力 强核力被提出 自此 人们迎来了原子时代 远在希腊时代 人们就认为物质是由许多微小的原子组成的 不 过 与希腊人认为原子是不可分割的物质最小单元不同 20 世纪的物 理学家们认识到原子未必不可分 并转而研究原子内部结构 葡萄干布丁模型 人们研究原子结构 首先发现的就是电子 1887 年 约瑟夫 约翰 汤姆逊将一束电流通过封有气体的玻璃管 从原子 中激发出了电子 1904 年 汤姆逊提出了原子的 葡萄干布丁模型 带负电的电子像葡萄干一样点缀在一团正电荷上 人们现在将该模型称 为 蓝莓松糕模型 汤姆逊的原子模型实质上是包含电子的正电荷云 模型 且电子很容易释放出来 电子和正电荷在整个 布丁 中混在一 起 原子核 不久之后的 1909 年 卢瑟福做了一个实验 他将重 α 粒 子射到非常薄的金箔上 大部分 α 粒子能直接通过 不过实验结果却 令他大为不解 因为有少部分的 α 粒子被从金箔上直接反弹了回来 粒 大事年表 公元 1887 年 汤姆逊发现了电子 1904 年 1909 年 汤姆逊提出了葡萄干布丁模型 卢瑟福进行了金箔实验

16 32 卢瑟福原子 133 欧内斯特 卢瑟福 Ernest Rutherford 年 卢瑟福是新西兰人 他采用放射性方法将 一种元素 氮 变成另一种元素 氧 是当 代的 炼金术士 他是英国剑桥大学卡文迪 许实验室的领导者 颇具感召力 指导的学生 中有多人成为诺贝尔奖得主 卢瑟福的外号是 鳄鱼 时至今日 这种动物仍然是卡文迪许 实验室的标志 1910 年 他通过研究 α 射线的 散射和原子的内部结构 发现了原子核 子的运动方向改变了 180 度 好像撞到墙上一样 卢瑟福意识到到金箔 的金原子中 存在一种硬度 质量均较大的粒子 能够排斥较重的 α 粒 子 卢瑟福认为汤姆逊的葡萄干布丁模型无法解释上述现 这真是令人难以置 信 就 好 像 把 一 颗 15 英 寸 1 英 寸 =2.54 厘 米 的炮弹打向一张薄纸 却 同位素 物理学家们既然能测出元素周期表中不同元素 被反弹回来一样 象 如果原子只是正负电荷混合体的话 则二者的重量均不 足以将较重的 α 粒子弹回 因此 他认为金原子内部一定有 一个硬核 称为 原子核 希腊语是 坚果的核 之意 从此 原子核物理诞生了 的质量 也就能测出原子的相对质量 不过要知道电荷的分 布就比较困难了 卢瑟福只知道原子包括电子和带正电的原 子核 为使电荷达到平衡 他假设原子核是由质子 带正电的 由卢瑟 福于 1918 年通过分离氢核发现 和中和部分质子正电荷的电子组成的 其余的电子在核外的量子化轨道上绕原子核旋转 最简单的元素 氢 的原子核只包含 1 个质子和 1 个绕核运动的电子 卢瑟福 1964 年 1911 年 1918 年 1932 年 1934 年 卢瑟福提出了原子核模型 卢瑟福分离出了质子 查德威克发现了中子 汤川提出了强核力

17 134 第四部分 原 子 结 构 三种放射性射线 放射性物质有三种射线 分别称为 α 射线 β 射线和 γ 射线 α 射线由含有两个质子和两个中子的重氦核构成 由于 α 粒子质量较大 在能量损失之前运动的距离有限 用纸就能轻易将其截获 第二种辐 射是由 β 粒子实现的 β 粒子是高速运动的电子 质量较小 带负电 其运动距离比 α 粒子远 但也能轻易用铝板之类的金属截获 第三类 是 γ 射线 它是电磁波 没有质量 具有较高的能量 γ 射线普遍存 在 只能通过高密度混凝土块或铅块对其进行屏蔽 这三种类型的辐 射都是由不稳定的放射性原子发射出来的 其他具有特殊质量数的元素称为同位素 碳 原子质量数通常为 12 但也有质量数为 14 的 碳 14 不稳定 可释放出 β 粒子变成氮 14 半衰期 原子释放出次级粒子 衰变一半数目所需的时 间 为 年 该反应常用于放射性碳年代测定 法 对数千年历史的古代文物进行年代测定 例 如烧制过的木头和炭 电子 中子 质子 中子 20 世纪 30 年代早期 人们发现了一种 新的射线 它可以将石蜡中不带电的质子轰击出 来 剑桥大学物理学家詹姆斯 查德威克 James Chadwick 发现这种新的射线产生的实际上是一 种不带电的粒子 它的质量与质子相同 这种粒 子被命名为中子 并且原子核模型也相应作出了 调整 例如 科学家们认识到 碳 12 原子的原子 核中有 6 个质子和 6 个中子 因此质量数为 12 核外有 6 个电子 中子和质子都是核子

18 32 卢瑟福原子 135 强力 与整个原子和原子的核外电子相比 原子核 -15 宇宙中只有原子和空 是非常小的 它的直径只有几飞米 1 飞米 =10 米 间 剩下的都是思想 大小只有原子的十万分之一 如果将原子放大到地球直 德谟克利特 公元前 460 年 径大小 那么中心原子核的直径只有 10 千米 相当于曼 公元前 370 年 哈顿的大小 但是 原子核虽然很小 却集中了几乎整 个原子的质量 并且一个原子核可能有几十个质子 是 什么力将这些正电荷如此紧密地束缚在这样狭小的空间呢 为解释正电 荷之间的电磁排斥 物理学家们只好发明出一种新的力 称为强核力 两个质子相互靠近 起初会因为二者携带同种电荷而相互排斥 麦 克斯韦平方反比定律 如果进一步靠近 强核力就会发挥作用 将二 者束缚在一起 强核力只在距离很小的情况下发挥作用 但它却远比电 磁力大 如果两个质子进一步靠近 它们就会像硬球一样相互排斥 因 此质子之间的距离有一个限度 这种行为表明核是紧密束缚的 结构紧 凑 硬度较大 1934 年 汤川秀树 Hideki Yukawa 提出核力是由一种特殊粒子 称为介子 产生的 作用方式与质子类似 质子和中子通过交换介子 结合在一起 人们尚不清楚为什么强核力会在这样的特定距离尺度下发 挥作用 为什么强核力在核外很弱 而在近距离时却很强 它好像就是 为了使核子以精确间距结合在一起而存在的 强核力与万有引力 电磁 力和弱核力一样 也是四种基本力之一 坚硬的核

19 136 第四部分 33 原 子 结 构 反物质 科幻小说中宇宙飞船的动力常常是 反物质 反物质的确存在 甚至在地球上 就能人工制得 反物质是物质的镜像 具有负能量 反物质和物质不能长时间共存 两者只要相互接触就会湮灭 并释放出能量 反物质的存在表明粒子物理学深层的对 称性 沿街走的时候就会看到另一个你 这个人就是你的反物质孪生子 你会与他握手吗 物理学家在 20 世纪 20 年代就预测出反物质的存在 并在结合量子理论和相对论的基础上于 20 世纪 30 年代发现了反物质 反物质是物质的镜像 反物质粒子的电荷 能量和其他量 有 十 亿 个 反 物 质 粒 子属性都是反号的 因此 反电子 正电子 具有与电子 子 就有十亿零一个物质粒 相同的质量 但所带电荷是正的 质子和其他粒子也都有 子 当反物质和物质相互接 各自的反物质 触湮灭后 就只剩下了十亿 负能量 英国物理学家狄拉克于 1928 年建立了电子的 分之一的物质了 而这就是 方程 发现电子的能量可以为正 也可以为负 就像方程 x 2=4 有两个解 x=2 和 x= 2 一样 狄拉克从电子的方程中也 现在的宇宙 得出两个解 正能量 对应于普通电子 和负能量 无意 义 不过狄拉克没有忽视后者 他指出具有负能量的电子 实际也可能是存在的 物质的互补态就是 反 物质 爱因斯坦 年 大事年表 公元 1928 年 1932 年 狄拉克推出了反物质的存在 安德逊探测到了正电子

20 33 反粒子 人们很快就开始寻找反物质 1932 年 卡尔 安德逊 Carl Anderson 通过实验确 认了正电子的存在 他沿着宇宙射线 从宇宙空 间进入大气层中的高能粒子 产生的粒子流的轨 迹 发现一种带正电的粒子具有与电子相同的质 量 即正电子 于是人们证明了反物质不再是抽 象的想法 而是实际存在着的 反物质 137 反氢原子 正电子 电子 反质子 二十几年之后 人们又探测到第二种反粒子 反质子 物理学家们建造出新的粒子加速器 利 质子 氢原子 用磁场提高粒子在加速器中飞行的速度 1955 年 人们利用运动的高 能质子束获得足够大的能量 发现反质子是存在的 不久 人们又发现 了反中子 既然反物质也是宇宙的基本组成单元 那么人工能否制出反原子 或至少制出反原子核呢 答案是肯定的 1965 年 欧洲的 CERN 欧洲 原子核研究委员会 和美国布鲁克海文实验室的科学家们制出了由反质子 和反中子组成的重氢 氘 反原子核 反重氢核 直到 1995 年 科学家 们才把反质子和反电子结合在一起 制出了氢反原子 反氢原子 目前 实验物理学家们正在测试反氢原子是否具有类似正常氢原子的行为 物理学家在地球上的粒子加速器中就能制出反物质 瑞士的 CERN 和芝加哥附近的费米实验室都有这样的粒子加速器 粒子束与反粒子束 相遇时 就会湮灭 并释放出能量 质能转换关系由爱因斯坦的 E=mc2 方程给出 因此 如果你遇见了自己的反物质孪生子 最好不要伸出胳 膊去拥抱他 1955 年 1965 年 1995 年 人们探测到了反质子 制出了第一个反原子核 制出了反氢原子

21 138 第四部分 原 子 结 构 保罗 狄拉克 Paul Dirac 年 狄拉克是一位腼腆的天才英国物理学家 人们开玩笑说 狄拉克的词典里只有 是 不是 和 我不知道 他曾说 学校的老 师告诉我 如果不知道怎么给句子结尾 那就 干脆不要造句 他力求精简 数学能力突出 他的博士论文以简明扼要著称 提出了描述量 子力学的新的数学方法 他不仅实现了量子力 学和相对论的部分统一 而且在磁单极方面的 普遍不对称性 工作也很出色 预测出反物质的存在 1933 年 狄拉克获得诺贝尔奖 他得知获奖后的第一个 想法就是拒绝领奖 以避免引起公众注意 不 过在得知拒绝会更加引人注目之后 他作出了 让步 狄拉克未邀请自己的父亲参加诺贝尔奖 颁奖典礼 可能是因为兄长自杀导致父子关系 紧张的缘故 如果反物质在宇宙中普遍分布 那么湮灭就是一直 在进行的 物质和反物质通过微小的爆炸逐渐湮灭 可事实上人们所看 到的并不是这样 也就是说宇宙中并没那么多反物质 人们 一般所看到的粒子是普通物质 它们分布广泛 占了很大的 科学家以通俗易懂 范围 因此 最初宇宙中物质和反物质一定不平衡 物质的 的方式 让一般人能理解 数量多于反物质的数量 之前不为人所知的科学 粒子与反粒子之间的各种对称性正如物体与镜像的关系 而诗人恰与此相反 狄拉克 年 二者相互关联 其中一种对称性与时间有关 反粒子具有负 的能量 在数学上等价于时间上倒退的普通粒子 因此 可 以将正电子理解成是从未来到过去的电子 第二种对称性与粒子电荷的 正负有关, 正反粒子的电荷相反 称为 电荷共轭 第三种对称性与 空间中的运动有关 根据马赫原理 改变空间网格坐标的方向 一般不 会对运动产生影响 从左到右运动的粒子与从右到左运动的粒子并无差 别 顺反时针旋转亦是如此 这种所谓的 宇称 对称性对大多数原子 都是成立的 但也并非总是成立 有几个例外 例如 中微子只有一种 形式 即左旋中微子 它只向一个方向旋转 右旋中微子是不存在的

22 33 反中微子则相反 都是右旋的 没有左旋的 因此 虽然电 反物质 139 荷耦合和宇称加起来是守恒的 简称电荷宇称或简称为 CP 物理学家对为什么宇宙主要是物质而不是反物质甚是困惑 尼尔斯 玻尔 年 正确的陈述的对立 面是错误的陈述 可真理 对称性 但并非总是成立 的对立面往往却蕴含着另 化学家们发现某些分子倾向于采取左旋或右旋的构型 一个真理 宇宙中只有很少一部分 0.01% 是反物质 但宇宙中包含各 种形式的能量 如大量的光子 因此 在大爆炸期间很可能产生了大量 物质和反物质 其中大部分很快都湮灭了 现在留下的只是冰山一角 只要物质的数量比反物质稍多一点 就能解释今天的宇宙 事实上 只 要大爆炸后的瞬间能有一百亿 分之一的物质粒子遗留下来就够 了 其余的物质和反物质均发生湮灭 不复存在 残留下来的物质很可 能是因为 CP 对称性破坏造成了微小不对称性 这种不对称性涉及的粒子是一种重玻色子 称为 X 玻色子 目前 还没有被发现 它们以一种不太对称的方式衰变 所产生的物质稍有过 量 X 玻色子也可与质子发生相互作用 使质子发生衰变 不过这并非 是人们所希望的 这种衰变最终会使所有物质都消失 变成许多更小的 粒子 不过 可以放心的是该过程进行得很慢 至今还从未有人发现质 子的衰变 说明质子是很稳定的 它的寿命在 1017 到 1035 年之间 远远 大于宇宙目前的寿命 但是也应该知道 如果宇宙年龄变得足够大时 最终普通物质也会消失 镜像物质

23 140 第四部分 34 原 子 结 构 核裂变 核裂变是科学上的重大发现之一 也是人类在核物理学理解上的重大飞跃 它 开辟了原子能的新纪元 不过在战争的庇护下 该技术却在核武器研制上得到迅速应 用 日本的广岛和长崎市就曾受核武器的重创 由此所产生的核扩散问题至今仍难以 解决 20 世纪初叶 人们逐渐认识了原子的内部结构 原子的结构类似 于俄罗斯套娃 由硬的原子核和围绕原子核运动的多层核外电子组成 到 20 世纪 30 年代早期 人们又进一步深入到原子核内 发现原子核是 由带正电的质子和不带电的中子组成的 二者的质量均远大于核外电 子 通过强核力结合在一起 于是 解释原子核的结合能就成为科学家 的重要研究课题 突破 早在 1932 年就有人成功研究了原子核的内部结构 英国牛 津大学的科克罗夫特和沃尔顿从金属中轰击出了快质子 这样一来 金 属的组成发生了变化 并按照爱因斯坦的质能方程 E=mc2 释放出能量 不过 实验中释放的能量小于输入的能量 因此 物理学家们认为无法 从这类反应中获得能量 以作商用 1938 年 德国科学家奥托 哈恩 Otto Hahn 和弗里茨 斯特拉 斯曼 Fritz Strassmann 用中子轰击重元素铀 希望能制出新的重元 大事年表 公元 1932 年 1938 年 查德威克发现了中子 发现了原子裂变现象

24 34 核裂变 141 素 不过 他们却意外发现了一种很轻的元素 只有铀的质量 我们渐渐认识到 的一半 从实验结果来看 铀原子核受到不足其质量一半的粒 原子核的裂变并不是像西 子轰击时 被 撕成 了两半 就像切开的西瓜一样 哈恩将 瓜刀切西瓜那样的 玻尔 此现象记录下来 并写信给莱丝 梅特娜 Lise Meitner 梅 的理论可能在告诉我们 特娜是奥地利人 刚逃离法西斯德国去往瑞士 梅特娜对此也 原子核更像水滴 同样感到困惑 于是与她的侄子 物理学家奥托 弗里希 奥托 弗里希 1967 年 Otto Frisch 一起讨论 梅特娜和弗里希认为原子核裂变后所 形成的两半的质量之和小于裂变前核的总质量 因此有能量 的释放 回到丹麦后 弗里希抑制不住内心的激动 将想法告诉了玻尔 玻尔当时正在去美国的船上 他马上着手对此做出解释 并将此事告诉 了哥伦比亚大学的意大利物理学家恩里科 费米 Enrico Fermi 梅特娜和弗里希先于玻尔发表了他们的研究论文 并仿照生物细 胞分裂的概念 引入了 裂变 一词 回到纽约后 费米和流亡的匈牙 利人里奥 齐拉特 Leo Szilard 发现 铀的反应可以产生剩余中子 而中子可以继续诱导铀的裂变 形成核链式反应 自维持反应 1942 年 费米在芝加哥大学足球场上实现了第一个链式反应 核能 人们可以设法将链式反应控制在亚稳状 态 用于核电厂发电 为调节铀燃料中的中子 的流动 可采用硼控制棒吸收多余的中子 另 外 为吸收裂变反应所产生的热量 需要采用 冷却剂 水是最常用的冷却剂 另外还可采用 加压水 氦气和液态金属钠 目前 法国的核 能利用量在世界上处于领先地位 约占全世界 核能发电量 70% 以上 而英国和美国则只占 到 20% 左右 1942 年 1945 年 1951 年 获得了第一个链式反应 美国在日本投下了原子弹 开始利用核能发电

25 142 第四部分 原 子 结 构 链 式 反 应 费 米 的 同 事 物 理 学 家 亚 瑟 康 普 顿 Arthur Compton 对当天的情景仍记忆犹新 露台上十 几位科学家在查看仪器 操作控制部件 我们进行链式反 应的整个房间几乎都被层层堆起的石墨块和铀块占据了 各层的小孔上都插有安全控制棒 初步试验后 费米 命令将控制棒向外拉 1 英寸 大家都知道此刻在进行 的可是实际测试 于是 记录反应器中子数的盖革计数 器的滴答声越来越快 最后变成了卡嗒卡嗒的声音 反应 仍在继续进行 产生的辐射对我们所在的露台可能都会构成 威胁 此时费米又下令 放入安全棒 这时计数器的滴答声又 慢下来了 人类历史上首次原子能释放试验就这样被成功控制和 停止了 人们递给费米一瓶意大利酒 随后大家欢呼起来 曼哈顿工程 里奥 齐拉特担心德国科学家会如法炮制 于是他 找到爱因斯坦 两人于 1939 年联名向卢瑟福总统递交了一份信件 不 过没产生什么效果 直到 1941 年 英国物理学家通过计算表明核武器 制造如何容易 并把数据与美国共享之后 才有实质性的进展 此时 恰逢日本偷袭珍珠港 于是卢瑟福迅速启动了名为曼哈顿工程的美国 核弹项目 该项目由伯克利大学物理学家罗伯特 奥本海默 Robert 核废料 裂变反应器虽能有效产生能量 却也会产生放射性废料 铀燃料 的残留物和重元素都是毒性最大的副产品 铀燃料的残留物即便经过几 千年的漫长时间 也仍具有放射性 而像钚一类的重元素 放射性可能 会持续几十万年的时间 虽然这些危险废物的制造量很少 但在从矿石 和其他过程中提取铀时却会产生一系列低放射性废物 如何处置这些废 物是目前世界各国正在研究的课题

26 34 Oppenheimer 领导 秘密基地位于新墨西哥的洛斯 阿拉 莫斯 1942 年夏 奥本海默领导的团队提出了核弹的原理 要达到引爆链式反应所需的临界质量 需要一定量的铀 但在爆炸之前 铀需要一分为二 常采用的技术有两种 一种是 枪 机理 即将一块铀射入到另一块中 辅以一 般的炸药使两者融合达到临界质量 另一种是 内爆 机 理 通过炸药形成中空的铀球 之后向心挤压到钚核上 核裂变 143 我认为这一天将是 人类历史上黑暗的一天 我很清楚地知道 如果德 国人率先造出了原子弹 我们自己也绝不能落后 德国具备充足的人力来做 成此事 因此我们别无选 择 或者说我们认为自己 别无选择 铀元素有两种形态 或者两种同位素 同位素是原子 核内的质子数相同 中子数不同的元素 常见同位素铀 238 里奥 齐拉特 Leo Szilard 年 的丰度是铀 235 丰度的 10 倍 对原子弹而言 铀 235 最有 效 因此原料中的铀以铀 235 的形式富集 铀 238 得到一 个中子变成钚 239 钚 239 不稳定 进一步分解释放出更多的中 子 因此 与钚混合就能很容易地触发链式反应 第一种类型的 原子弹是采用枪法 利用浓缩铀制成的 叫做 小男孩 第二种 类型是含钚的球形内爆原子弹 叫做 胖子 8 月 6 日 小男孩 被投放到广岛 3 天之后 胖子 被投 放到长崎 几乎摧毁了整个城市 每颗原子弹所释放出的能量约 相当于 吨炸药的威力 瞬间就造成 人丧 生 最终统计的实际丧生人数在上述统计人数的基础上还要翻一 番 劈开原子

27 144 第四部分 35 原 子 结 构 核聚变 我们身边 包括身体内的所有元素都是核聚变的产物 聚变所产生的能量可以作 为太阳等恒星的能量来源 其内部所有的重氢元素都通过聚变反应而来 实际上 人 也是由星尘组成的 如果能在地球上收集到恒星的能量 那么利用恒星核聚变就能获 得无尽的清洁能源 核聚变是轻核相互结合变成重核的过程 将氢原子核不断压缩 就 能形成氦核 并在压缩过程中释放出大量能量 经过一系列的聚变反 应 就会逐渐形成较大的核 现在所看到的各种形式的元 请 从 两 方 面 考 虑 该 素都是通过聚变产生的 问题 了解恒星的知识需要 紧密挤压 使氢核发生聚变反应是极其困难的 一般 从了解原子开始 而有关原 只有在极端条件下 如内部温度和压力都极高的太阳和其 子的重要知识也可以通过研 他恒星中 才可能会发生核聚变 两个核要融合 必须克 究恒星得到 服二者之间的核力 原子核包括质子和中子 二者通过强 亚瑟 爱丁顿爵士 Sir Arthur 核力结合在一起 强核力在原子核的微观尺度内占主导地 位 但在核外就弱得多了 由于质子带正电 同种电荷互 相排斥 因此质子之间有微小的斥力 相对而言 强核力 很大 因此原子核总是以整体存在 Eddington 1928 年 强核力只在很短的精确范围内有效 因此小核的组合强度比大核要 大事年表 公元 1920 年 爱丁顿将聚变思想应用 到恒星上 1932 年 在实验室中验证了氢聚变

28 35 核聚变 145 大 对重核来说 例如有 238 个核子的铀原子 原子核两端核子相互之 间的引力就没有那么强 另一方面 距离较大时 电斥力依然存在 电 斥力在整个核上均有分布 原子核越大 电斥力越强 核内大量的正 电荷对此亦有贡献 这种平衡的净效果就是使原子核以整体形式存 在所需的能量 平均到每个核子上 先是随着原子质量的增加而增 加 直到镍元素和铁元素 但随着原子质量的进一步增加又有所下 降 大核的聚变相对容易些 因为它们更易被小的撞击扰动 氢的同位素只有一个质子 发生聚变反应所需克服的能垒最低 氢原子有 3 种类型 氕 含有 1 个质子和 1 个电子的 普通 氢原 子 氘 又称重氢 含有 1 个质子 1 个电子和 1 个中子 氚 含 有 1 个质子 1 个电子和 2 个中子 它的质量最大 最简单的聚 变反应是氘和氚反应得到氦 -4 和一个中子 聚变反应堆 物理学家尝试在聚变反应堆的极端条件下重复这些 反应 用来发电 但离实际应用尚需几十年 即使是目前最先进的聚变 机 输入能量也超出输出能量几个数量级 聚变能是产能量的关键 与裂变技术相比 聚变反应堆相对清洁 如能投入实际运行 将获得较高产能 按爱因斯坦的质能方程 E=mc2 聚变反应只需很少原子就能获得大量能量 且废物极少 不存在裂变反 应堆所产生的超重元素 核聚变电厂不产生温室气体 有完备可靠的能 源做燃料 氢和氘等均可人工生产 不过 核聚变也并非完美 在主 反应中会产生中子之类的放射性副产物 需要对其进行处理 1939 年 1946/1954 年 1957 年 汉斯 贝蒂描述了恒星的聚变 过程 佛瑞德 霍伊尔 Fred Hoyle 解释了重元素形成的原因 伯比奇夫妇 福勒和霍伊 尔发表了著名的关于核合 成的论文

29 146 第四部分原子结构 冷聚变 1989 年, 科学界经历了一场争论 马丁 弗莱希曼 (Martin Fleischmann) 和斯坦利 庞斯 (Stanley Pons) 共同声明他们在试管中实现了需要在巨型反应堆中才能实现的核聚变反应 他们将一束电流通过盛有重水 ( 水中的氢原子被氘所替换 ) 的烧杯, 认为通过 冷 聚变产生了能量 二人称因为发生了聚变的关系, 所以实验所释放出的能量大于输入能量 这一结 论立即引起了轰动 大部分科学家认为弗莱希曼和庞斯在能量计算上出了问题, 不过至今尚未得到证实 其他实验室的核聚变反应也时有报道, 不过也备受争论 2002 年, 拉什 塔拉亚克汉 (Rudi Taleyarkhan) 提出, 流体中的气泡受到超声波的快速脉冲 ( 加热 ) 作用时会发光 问题的焦点仍在于聚变反应到底能否在实验室的烧瓶中实现 在高温下控制灼热气体是主要的困难 因此核聚变虽然可以实现, 但每次运行时间却仅有几十秒 为了攻克下一个技术壁垒, 目前各国科学家组成的团队正在法国建设更大的聚变反应堆, 称为国际热核试验反应堆 (ITER), 旨在测试核聚变商业化运营的可行性 星尘恒星就是天然的核聚变反应堆 德国物理学家汉斯 贝蒂 (Hans Bethe) 提出了恒星通过氢核 ( 质子 ) 聚变为氦核 ( 两个质子和两个中子 ) 发光的原理 该过程中还有其他粒子 ( 正电子和中微子 ) 的参与, 使两个质子经过该过程后变成两个中子 在恒星内部, 重元素通过聚变反应逐渐积累 随着氢 氦以及比铁轻和比铁重的其他元素的不断燃烧, 核也越来越大 太阳之类恒星的发光主要依赖于氢聚变为氦的反应 该反应速度极慢, 只形成极少量的重元素 而较大的恒星中因为有碳 氮 氧等元素的参与, 聚变反应的速度较快, 产生重元素的质量更大, 速度更快 一旦有氦存在, 就可以产

30 35 核聚变 147 生碳 3 个氦 4 原子与不稳定的铍 8 发生聚变 而碳还能进一步与氦 结合成氧 氖和镁 这些转化的速度较慢 转化过程占去了恒星寿命的 大部分 产生比铁重的元素的反应稍有不同 它们是按着周期表中核的 顺序逐渐生成的 第一代恒星 有些早期轻元素不是在恒星中形成的 而是在大爆炸 火球中形成 宇宙最开始温度很高 连原子都处于不稳定状态 随着温 度的下降 氢原子最先发生凝聚 其次是少量的氦 锂和微量的铍 它 们是宇宙所有恒星和其他星体的最初组成元素 其他更重元素都是在恒 星的内部或周围产生 并通过恒星爆炸 超新星 被抛到各处 但是 目前仍不十分清楚第一代恒星是如何出现的 这些 恒星中没有重元素 只有氢原子 无法迅速冷却 我们只是意外感冒了的星 坍缩 引发聚变反应 恒星在万有引力作用下的坍 体物质 一颗出了差错的星体 缩过程使氢气温度急剧升高 体积迅速膨胀 重元 艾丁顿爵士 年 素通过辐射光可将氢气冷却 因此在第一代恒星已 存在 并通过超新星爆发将副产物抛到空间之时 恒星的产生就相对容易了 不过 要在短时间内快速形成第一代恒星 目前对理论物理学家仍是一个挑战 核聚变是宇宙的基本能量来源 如果能对其加以利用 能源危机 即可迎刃而解 不过 要在地球上利用恒星蕴含的巨大能量 也并非 易事 恒星的能量

31 148 第四部分 36 原 子 结 构 标准模型 质子 中子和电子只是粒子物理的冰山一角 质子和中子是由更小的夸克组成 的 电子伴随着中微子 粒子之间的作用力是通过一整套包括光在内的玻色子介导 的 这种 标准模型 将除引力子外的所有粒子统一了起来 希腊人认为原子是物质的最小组成单元 直到 19 世纪末期人们才 发现了比原子更小的粒子 最先被发现的是电子 之后是质子和中子 它们都是原子的组成单元 那么 这三种粒子是物质的终极组成单元 吗 哪怕统一理论只可 能有一个 也不过是一组 规则和方程罢了 是什么 把火吹进了方程里边 造 出一个宇宙来 好让人们 来描述 斯蒂芬 霍金 1988 年 大事年表 约公元前 400 年 德谟克利特提出了原子的概念 当然不是 即便是质子和中子也还是可以继续分下去 它们都是由更小的叫做 夸克 的粒子组成的 并且不止于 此 正如光带有电磁力 其他各种粒子也能传输各种基本形 式的力 我们已经知道 电子是肉眼看不可见的 与几乎没 有质量的中微子成对存在 粒子都有各自的反粒子 这些听 起来复杂 可实际上确实如此 不过所有的粒子却都可以在 一种框架内理解 这就是粒子物理的标准模型 探索 20 世纪早期 物理学家们已经知道物质是由质 子 中子和电子组成的 玻尔用量子理论 描述了电子在原

32 36 标准模型 149 子核外的壳层上的排布 类似于行星绕太阳的运转 原子核的性质更 加特殊 虽然正电荷相排斥 在狭小的硬核内却能容纳几十个质子以及 中子 这些核子被精确的强核力束缚在一起 人们采用放射性手段 对 核裂变和核聚变的了解不断深入 又发现了更多需要解释的现象 首先 在太阳内部 氢燃烧聚变成氦 表明存在着一种叫做中微 子的粒子 它能将质子变成中子 1930 年 人们为了解释中子衰变成 质子和电子的过程 也就是 β 放射性衰变 推出了中微子的存在 直到 1956 年 人们才观察到它 中微子几乎是没有质量的 关于中微子的 零碎资料在 20 世纪 30 年代就有不少 物理学家顺藤摸瓜 于 20 世纪 40 和 50 年代又分别发现了其他粒子 扩大了粒子的范围 标准模型是在寻找粒子的过程中产生的 它是亚原子粒子的系谱图 基本粒子有有三种类型 由 夸克 组成的 强子 包含电子在内的 轻子 和传输力的玻色子 如光子 夸克和轻子都有各自的反粒子 夸克 20 世纪 60 年代 物理学家用电子轰击质 子和中子后 发现它们是由更小的粒子组成的 称为 夸克 夸克有三种 颜色 红 蓝和绿 电子和 质子带有电荷 而夸克带有 颜色荷 并且从一种 形式转化成另一种形式时 荷 保持守恒 颜色荷与 可见光的颜色是完全不同的概念 是物理学家为描述 夸克的奇特量子属性而随意发明的一种命名法 夸克 夸 克 一 词 源 于 詹 姆 斯 乔 伊 斯的 芬尼根守灵夜 Finnegan s Wake 一书对海鸥叫声的描述 乔 伊斯在其中写道了海鸥的 三声夸 克 公元 1930 年 1956 年 20 世纪 60 年代 1995 年 泡利预测了中微子的存在 人们探测到了中微子 提出了夸克 发现了顶夸克

33 150 第四部分 原 子 结 构 正像电荷可以产生力一样 颜色荷 夸克 间也存在 力的作用 颜色力通过称为 胶子 的力粒子进行传递 夸 克之间的距离越远 颜色力就越大 好像被看不见的弹性条 联系在一起 弹性力场很强 因此夸克无法单独存在 必须 亚瑟 爱丁顿爵士 1928 年 组合在一起 保持颜色荷整体的中性 没有颜色荷 重子 baryon 有 3 种类型 普通的质子 中子和夸克 反夸克对 称为介子 人的灵感就像回旋 加速器中的微小基本粒子 一样转瞬即逝 夸克不仅有电荷 而且按其 味道 还可以分为 6 种类型 3 对夸 克按质量递增的顺序构成一代 最轻的是 上 夸克和 下 夸克 其 次是 奇 夸克和 粲 夸克 最后是质量最大的 顶 和 底 夸 克 与质子 +1 或电子 1 所带的整数电荷不同 夸克带有分数电 荷 上夸克 粲夸克和顶夸克所带电荷为 +2/3 下夸克 奇夸克和底夸 克所电荷为 1/3 要形成质子 两上一下 或中子 两下一上 需要 3 个夸克 轻子 第二类粒子与电子有关 它包括电子 称为轻子 它们按质 量递增的顺序有三代 分别是电子 μ 子和 τ 子 μ 子的质量比电子重 200 倍 τ 子比电子重 3700 倍 轻子带有一个负电荷 并且带有一个 不带电的伴生粒子 叫作中微子 电子型中微子 μ 中微子和 τ 型中微 子 中微子几乎没有质量 与任何物体都没有强相互作用 以至于中 微子可以很容易地穿过地球而不被人们所发现 因此也难以捕捉 所有 的轻子都有反粒子 相互作用 基本力是通过交换粒子来传递的 既然电磁波可看作光 子流 那么弱核力就可以看成是由 W 粒子和 Z 粒子传递的 强子则是 由胶子传递的 这些粒子与光子同样是玻色子 可同时以相同的量子态 存在 夸克和轻子是费米子 不能以相同量子态存在 粒子轰击 人们是怎么知道这些亚原子粒子是存在的呢 20 世纪

34 36 标准模型 151 后半叶, 物理学家采用强力将粒子打碎, 揭示了原子和粒子的 内部结构 打个比方来说, 粒子物理就像是要研究精密瑞士 表的工作原理, 于是, 就需要用小锤将表打碎, 然后去研究零 件, 了解表的工作原理 在粒子物理的研究中, 人们采用粒子 加速器中的巨大磁铁将粒子加速到极高速度, 之后用这些粒子 束去撞击靶或者与另一束粒子迎面相撞 在中等速度的条件 下, 小部分粒子会发生分解, 并释放出最轻一代的粒子 质量 意味着能量, 为释放出下一代 ( 较重的 ) 粒子, 就需要采用高 能粒子束 在粒子加速器中产生粒子后, 就需要知道产生的具体是何 种粒子 物理学家通过记录粒子在磁场中的运动轨迹判断粒子 的类型 在磁场中, 带正电荷的粒子向某一侧偏转, 带负电荷 的粒子向另一侧偏转 通过计算粒子打到检测器上的速度和粒 子在磁场中的弯曲程度就能得出粒子的质量 因此较轻的粒子 在磁场中的路径仅是发生弯曲, 而较重的粒子则会形成环状螺旋式的 路径 将粒子在检测器中的行为与理论比较, 粒子物理学家就能确认 粒子的类型 夸克 轻子 u 上 d 下 e 电子 v e 电子中微子 费米子 c 粲 s 奇 µ µ 子 v µ µ 子中微子 玻色子 γ 光子 t 顶 b 底 τ τ 子 v τ τ 子中微子 标准模型中不包括万有引力 人们预测 引力子 ( 携带引力的粒子 ) 可能存在, 不过目前也仅是猜测而已 与光不同的是, 引力微粒结构的证据目前还没有 已经有物理学家在试着将万有引力纳入到标准模型中, 形成大统一理论 (GUT) 不过离实现该目标还有相当的距离 粒子大家庭 力传播子 W W 玻色子 Z Z 玻色子 g 胶子 希格斯玻色子?

35 152 第四部分 37 原 子 结 构 费曼图 费曼图是为了方便计算复杂的粒子物理方程而提出的一种示意图速记法 粒子的 相互作用由相交于一点的三个箭头表示 其中两条箭头表示入射粒子和出射粒子的路 径 另一条表示力的携带子的路径 将这些箭头相互叠加 就能得出发生相互作用的 可能性 费曼对他的费曼图甚 为着迷 把它画到了 自己的面包车的车身 上 人 们 问 他 原 因 时 得到的回答很简 单 因为我是理 查德 费曼 大事年表 理查德 费曼生于加利福尼亚州 是一位魅力超凡的粒子物理学 家 不仅如此 他还是出色的演讲家和技术精湛的小手鼓演奏者 并且 名气不亚于他的物理学 他发明了一种新的符号语言 采用箭头替代复 杂的数学方程 描述粒子的相互作用 该法简单易用 一直沿用至今 该语言有一个入射箭头 一个出射箭头和一个表示相互作用的弯箭头 每条箭头分别代表一个粒子 因此 粒子的相互作用可以用交于一点 顶点 的三条箭头表示 将这些图形叠加 就能处理更复杂的相互作 用问题 费曼图不仅是图形工具 它还可以帮助物理学家了解亚原子粒子相 互作用的机制 协助他们计算相互作用发生的概率 示意图 费曼图采用一系列描述粒子路径的箭头来描述粒子的相互 作用 示意图横坐标为时间 入射和出射电子的箭头方向指向右侧 箭 公元 1927 年 20 世纪 40 年代 开始量子场理论的研究 提出了量子电动力学

36 37 费曼图 153 头通常都有一定的倾斜度, 表明运动的方向 对于反粒子, 它们的运动方向与实际粒子在时间上相反, 因此箭头的方向也要反过来, 变为从右向左 下面提供几个实例 图 37-1 表示释放出一个光子的电子 入射电子 ( 左边的箭头 ) 在三条箭头的交点处受到电磁相互作用的影响, 产生出射电子 ( 右边的箭头 ) 和光子 ( 波纹线 ) 图中并未绘出实际粒子, 只绘出了相互作用的机制 质子释放光子的情形与此类似 如图 37-2 所示, 入射电子或其他粒子吸收光子后, 会产生能量更大的电子 现在如果将箭头反向, 那么图 37-1 和图 37-2 中的粒子就应该变为反粒子 上边几幅图所描述的情形在图 37-3 中就变成反电子 ( 即正电子, 见左边的箭头 ) 吸收光子的能量变成另一个反电子 ( 右边的箭头 ) 如图 37-4 所示, 电子和反电子相互结合, 发生湮灭, 产生光子 光子只具有能量 将两个或更多的交点联合起来使用, 就能够显示一系列发生的事件 图 37-5 表示的是粒子和反粒子结合后发生湮灭, 产生光子 光子再继续衰变为一对粒子 反粒子 这些交点可用于表示各种不同类型的相互作用, 它适用于包括夸克和轻子在内的任何粒子, 以及这些粒子之间的电磁相互作用 弱核相互作用和强核相互作用等 它们均遵循如下基本规则 : 能量必须守恒, 进出图中的粒子必须是实际粒子 ( 如质子和中子 自由夸克因无法独立存 图 37-1 图 37-2 图 37-3 图 37-4 图 年 1975 年 研究和使用原子弹 提出了量子色动力学

37 154 第四部分原子结构 理查德 费曼 (Richard Feynman) 年 理查德 费曼是一位幽默睿智的物理学家 他在普林斯顿的新生入学考试中获得极高分数, 受到了爱因斯坦等教员的注意 费曼参加曼哈顿工程时, 还只是一名年轻的物理学家, 当时他声称自己直接观察到了爆炸的过程 ( 同时不断告诉自己透过宽玻璃屏观察是安全的, 能将紫外线阻挡住 ) 呆在洛斯阿拉莫斯的沙漠的无聊日子里, 他就破解档案柜的密码 物理学家常用的自然对数 e= 之类的密码, 都曾被他猜出 事后, 他还煞有介事地留下小纸条, 害得同事们以为他们当中出了间谍 闲暇时, 费曼喜欢击鼓, 这为他赢得了行为古怪的名声 战后, 他来到了加州理工学院 因为热爱教学, 费曼被人称为 伟大的 讲师 此外, 他还编写了多部著作, 包括著名的 费曼物理学讲义 费曼还是挑战者号航天飞机失事事件调查委员会的成员 他本人的个性是坦率直言, 无所顾忌 研究工作包括量子色动力学 超流体物理学和弱核力 在职业生涯的后期, 他在一次讲演中提出了 底层尚有很多空间 的思想, 为量子计算和纳米科学的发展作了铺垫 费曼喜欢冒险, 爱好旅行, 擅长各种符号文字, 甚至还曾尝试破译玛雅象形文字 他的同事, 物理学家弗里曼 戴森 (Freeman Dyson) 曾说费曼是 一半天才, 一半小丑, 后来又改成 既是天才, 也是小丑 d d n u u d u 在, 故不在此列 ), 但中间过程中可包括亚原子粒子和虚拟粒子 ( 只要最后能归结到实际粒子上即可 ) 左图为 β 放射性衰变的示意图 左边是一个中子, 由 2 个 下 夸克和 1 个 上 夸克组成 在相互作用中, 中子 v e e - 变为质子 (2 个上夸克和 1 个下夸克 ), 外加 1 个 p 电子和 1 个反中微子 这当中涉及的相互作用有两种 中子的下夸克变为上夸克, 并产生 1 个 W 玻色子 ( 如波纹线所示 ) W 玻色子是弱核载力粒子 之后,W 玻色子衰变成 1 个电子和 1 个反电子中微子 W 玻色子并未作为相互作用的产物出现, 但却包含在中间过程中

38 37 概率 费曼图不仅使相互作用变得形象生动 也使 其使用起来很方便 它还能告知相互作用发生的概率 因此 费曼图也是描述复杂方程的有力数学工具 要知 道相互作用发生的概率 就得知道有多少种途径 这正 是费曼图的来由 只要画出各种形式的相互作用 也就 是输入到输出之间的诸多相互作用 就能算出每一事件 发生的概率 量子电动力学 费曼是在 20 世纪 40 年代研究量子 电动力学 QED 时 提出路径积分思想 并采用费曼 图的 路径积分蕴含的思想与费马的光传播原理是类似 的 光可以采取所有可能的路径进行传播 但只有在最 短路径上传播的概率才最大 此时 大部分光都是同相 传播的 将类似的思想应用到量子场上 就有了 1927 年 后出现的量子场理论以及后来的量子电动力学 155 粒子物理学家约翰 埃利斯 John Ellis 常使用一种类似 企鹅的费曼图 他将它们称为 企鹅图 说到该图 就得提一 下他在酒吧中跟自己的学生打 的一个赌了 埃利斯说如果自 己的掷标输了 就得在下一篇 论文中使用企鹅一词 他认为 该图看上去有点像企鹅 此名 一直沿用至今 QED 描述了光子交换介导的电磁场相互作用 因此 QED 通过描述 电磁场和亚原子粒子 与量子力学结合在一起 费曼本人正是在研究各 种相互作用的发生概率时提出费曼图的 继 QED 之后 物理学家们对 费曼图进行了拓展 覆盖了夸克的色力场 称为量子色动力学 QCD 理论 在此之后 QED 与弱核力相结合 成为统一的 电弱 力 三叉线法 费曼图

39 156 第四部分 38 原 子 结 构 上帝粒子 物理学家彼得 希格斯 Peter Higgs 1964年走在苏格兰高地上时 想出了一种 解释粒子质量的方法 他将其称为他的 一个大想法 粒子之所以有质量 似乎是因 为在力场中运动时被减速了 该场现称为希格斯场 希格斯场由希格斯玻色子传递 诺 贝尔奖获得者里昂 莱德曼 Leon Lederman 称希格斯玻色子为 上帝粒子 物体为什么有质量 卡车质量大 是因为它含有大量的原子 且每 个原子的质量都较大 卡车的钢板含有铁原子 而铁位于元素周期表中 非常靠下的部位 原子为什么有质量 我们已经知道 原子内部大部分 实际上都是空间 为什么质子比电子 中微子和光子都要重呢 虽然人们早在 20 世纪 60 年代就已经知道了有 4 种基本作用力 相 互作用 但这 4 种力的力传播粒子却截然不同 光子带有电磁相互作 用的信息 胶子通过强核力将夸克联系在一起 而 W 玻色子和 Z 玻色 子携带弱核力 但为什么光子没有质量 W 玻色子和 Z 玻色子却有质 量呢 质子质量的 1/100 为什么存在这种差别 如果考虑到电磁理 论和弱核力可以相互统一成电弱力 那这种差距就显得尤其大 但该 理论却并不能预测弱核力粒子 W 玻色子和 Z 玻色子为什么有质量 它们好像应该和光子一样 没有质量 大统一理论在统一基本作用力时 也有这个问题 载力粒子按理说也不应该有质量 为什么它们不像光子 一样没有质量呢 大事年表 公元 1687 年 牛顿在 自然哲学的数学 原理 中给出了质量方程

40 38 上帝粒子 157 缓慢运动 希格斯认为 载力粒子在经过背景力场时速 很明显 所要做的 度减慢了 该场现称为希格斯场 通过希格斯玻色子的传输 就是试着用最简单的规范 发挥作用 设想将一个小球扔到玻璃杯中 如果杯子不是空 理论 亦即电动力学 打 的 里面装满了水 那么小球落到杯底就需要较长的时间 破对称性 看看到底发生 小球在水中的质量好像变大了 因为重力需要更长的时间 了什么 才能使其沉到水底 在水中行走时的道理是一样的 速度比 彼得 希格斯 生于 1929 年 较慢 腿会感到比较重 如果将小球扔到一杯果汁中 下沉 的速度就更慢了 希格斯场的作用方式与黏稠的液体类似 它可以降低其他载力粒子的速度 它们的加速变得不那么容易 惯性变 大 实际上也就是赋予它们质量 希格斯场对 W 玻色子和 Z 玻色子的 作用比光子更加强烈 使前两者的质量更大 希格斯场非常类似于电子经过带正电原子核晶格 如金属 时的情 形 电子受到正电荷的吸引 速度会有点减慢 有正离子时 电子的质 量好像变大了 此时发挥作用的是光子传递的电磁力 希格斯场的原理 类似 只是载力粒子是希格斯玻色子 读者也可以想象 某位影星参加 鸡尾酒会 周围全是希格斯玻色子时的情形 他经过房间时会感到很困 难 因为房间里的社交互动减慢了他的速度 如果是希格斯场让其他力的中介玻色子有了质量 那希格斯玻色 子的质量又是多少呢 希格斯玻色子的质量从何而来呢 这是不是又是 一个 鸡生蛋还是蛋生鸡的问题 呢 遗憾的是 理论无法预测出玻色 子的质量 只能预测在粒子物理的标准模型内 希格斯玻色子必然有质 量 因此 物理学家们期望能在实验室里观察到这一点 不过却并不清 楚难度有多大 什么时候能观察到 目前还没有观察到 现在 从人 1964 年 2007 年 希格斯研究粒子具有质 量的原因 在 CERN 建 成 了 大 型 强子对撞机

41 158 第四部分原子结构 磁铁中对称性的破坏 高温条件下, 磁铁中的原子会变得杂乱无序, 固有磁场变为随机排列, 使材料失去磁性 当温度降低到某个温度 ( 称为居里温度 ) 以下时, 磁偶极又会再次排列整齐, 产生宏观磁场 们对与希格斯粒子特点相同的粒子的搜寻结果来看, 我们知道希格斯粒子的质量一定比已有实验得到的要大 希格斯玻色子质量应该较大, 不过要知道它的准确质量还需要一些时间 确凿证据位于瑞士的 CERN( 欧洲核子研究中心 ) 中的大型强子对撞机 (LHC) 将对希格斯粒子进行深入研究 CERN 位于日内瓦附近, 是一座大型粒子物理实验室 它拥有最大周长为 27 千米的环形隧道 该隧道位于地下 100 米处 LHC 中的巨型磁铁对质子进行加速, 使质子沿着轨道发生弯曲 粒子在运动过程中不断加速, 速度越来越快 两束方向相反的粒子分别被加速, 且速度达到最大值后, 使二者相互撞击, 这样两束质子束中的质子就会迎面相撞 这些巨大的粒子如果寿命很短, 那么随着它们的衰变, 产生的巨大能量会暂时释放出大量能够被探测器探测到的巨大粒子 LHC 的目标是寻找数十亿粒子中的希格斯粒子 物理学家已经知道了要寻找的粒子, 但现在要捕捉到它还很困难 如果能量足够高, 希格斯粒子可能会存在几分之一秒, 然后再衰变成其他粒子 因此, 物理学家们不再直接寻找希格斯粒子本身, 转而去寻找能证明它存在的间接证据, 然后再将所有粒子组合起来, 推断希格斯粒子存在与否 对称性的破坏希格斯粒子什么时候才能出现? 由此出发, 如何解释光子和其他玻色子? 由于希格斯玻色子的质量一定很大, 因此只可

42 38 上帝粒子 159 能在极端能量条件下出现 而且, 根据海森堡不确定性原理 ( 见第 106 页 ), 该粒子在极端能量下出现的时间很短 理论假定, 在早期宇宙中各种形式的力都是以同一种力的形式存在的 随着宇宙温度的下降, 经过某种叫作对称破缺的过程,4 种基本力才逐渐分离出来 对称性破坏听上去难以想象, 实际却很简单 它标志着系统的对称性被某一事件消除了 设想有一张圆形餐桌, 上面已经放好了餐巾和餐具 不管你坐在什么位置, 桌子看上去都是一样的, 我们说此时桌子是对称的 如果有人把拿餐巾拿了起来, 那么对称性就消失了 ( 其他人可以说出自己相对于此人的位置 ), 于是发生了对称性的破坏 仅这一个拿起餐巾的事件就会产生一系列连锁反应 其他人拿起的自己面前的餐巾都是左侧的 ( 相对于上述事件来说 ) 如果从另一侧拿起餐巾, 情况就正好相反 这说明, 随后的模式是由触发它的随机事件建立的 与此类似, 宇宙温度下降时, 力的依次分离也是因为事件造成的 即便科学家无法用 LHC 探测到希格斯粒子, 结果也是很有趣的 中微子与顶夸克的质量相差 14 个数量级, 需要用标准模型给出解释 这即便用希格斯玻色子也难以做到, 何况现在还没发现这种粒子 如果能发现上帝粒子, 那么所有一切就都能解释 ; 如果观测不到, 就需要修正标准模型, 建立新的物理学理论 我们自认为已经了解了宇宙中所有的粒子 只有希格斯粒子是个例外 逆流而上

43 160 第四部分 39 原 子 结 构 弦论 大多数物理学家都喜欢使用已有的成功标准模型处理问题 哪怕这模型还并不完 整 另外一些物理学家则在确定标准模型的对错之前 就开始寻找新的物理学理论 一些物理学家试着将基本粒子视作弦上的波 而非点粒子 对基本粒子类型加以解 释 为波粒二象性增添了些许现代色彩 该思想考虑了介质的作用 被称为弦论 弦论学家对基本粒子 如夸克 电子和质子 是不可见的物质或 能量的说法并不满意 粒子所具有的特定质量 电荷和能量表明某种层 次组织结构的存在 科学家认为这些模式表明了深层上的统一 而每个 质量子或能量子都是微小弦上振动的谐音 基本粒子不能再被视为无结 构的点状物体 而应被视为振动的弦或环 从某种程度上说 这继承和 发展了开普勒对于理想几何球体的钟爱 所有粒子都不过是一种振动模 式 体现出单根弦上的调和音阶 振动 弦论中所说的弦不是一般意义上吉他的弦 吉他的弦在三 维空间中振动 而如果将振动想象为是被限制在长度所在的平面内的 那么也可近似认为弦在二维空间中振动 但亚原子弦的振动是一维的 大事年表 公元 1921 年 提 出 克 鲁 札 克 莱 因 Kaluza-Klein 理 论 旨 在统一电磁学和万有引力 1970 年 南 部 阳 一 郎 Yoichiro Nambu 采 用 量 子 力 学 弦对强核力进行描述

44 39 弦论 161 也不像零维的粒子 对于我们来说 弦是不可见的 为进行数学计算 科学家们计算了多维情况下 高达 10 或 11 维 弦的振动 我们所在 的世界拥有 3 个空间维度和 1 个时间维度 弦论学家认为有些维度人 看不见 它们会卷曲 不为人所注意 粒子弦就是在所有这些维度中 振动的 弦可以是两端断开的一段弦 也可以是闭合的弦 这无关大碍 基 本粒子之所以不同 是因为弦的振动形式 谐波 不同 而非弦的材料 不同 离奇思想 弦论完全是数学思想 从来没人看到过弦 也无人知道弦是否存在 因此 也就没人能设计出实验来 验证弦论的真伪 有人说 有多少个弦论学家 就有多少 种弦论 在科学家中 弦论处于尴尬的境地 在如此多的维度 下 弦就能以多种方式在 不同方向上振动 这正是 弦论可描述我们看到的所 有粒子的关键 哲学家卡尔 波普尔 Karl Popper 认为科学的进步源 于证伪 有了想法 就通过实验去检验其真伪 去伪存真 爱德华 威滕 Edward Witten 生于 1951 年 一番 就能学到新的知识 使科学进步 如果观察结果与 模型相符 就等于没学到新知识 因为弦论尚未发展成熟 所以没有明 确的 可被证伪的假设 有些科学家认为 弦论的形式太多 不是真正 的科学 这类争论充斥着杂志 甚至还有报纸的来信页 不过 弦论专 家认为他们的探索是值得的 20 世纪 70 年代中期 1984~1986 年 20 世纪 90 年代 提出量子引力理论 弦论 解释了 所有粒子 威滕和其他人提出了 11 维 的 M 理论

45 162 第四部分 原 子 结 构 M 理论 弦 实 际 上 就 是 线 但 在 多 维 空 间 中 弦 是 几 何 学 的 极 限 条 件 几 何 体 还 包 括 面 和 其 他 多 维 形 状 描 述 所 有 这 些 几 何 对 象 的 这 一 普 遍 理 论 称 为 M 理 论 M 本身不代表任何意思 可以是隔膜 membrane 也 可 以 是 谜 mystery 粒 子在空间运动时会绘出一条曲线 将粒子 浸入到墨水中 移动时也能绘出一条线 称为该粒子的世界线 弦 比如环套 可 绘出圆柱体的形状 这时我们就说弦具有 世界面 这些面如果相交 就会在弦断裂 和重组的地方出现相互作用 因此 M 理 论实际上研究的是所有这些几何体在 11 维 空间中的形状 万有理论 弦论能在一个框架下对各种粒子及其相互作用作出解 释 所以是一种 万有理论 该理论将所有 4 种基本作用力 电磁力 万有引力 强核力和弱核力 统一了起来 并解释了粒子的结构及其所 有特性 万有理论是万物的深层基础 20 世纪 40 年代 爱因斯坦曾尝 试统一量子论和万有引力 一直没有成功 在他之后也没人成功过 在 别人认为不可能成功的事情上浪费时间 爱因斯坦遭到了嘲笑 弦论作 为一种万有理论 其巨大潜力或许是人们热衷的原因 但目前离准确提 出原理还有很长的路要走 对它的验证就更不必提了 弦论的新奇之处在于它的数学之美 20 世纪 20 年代 西奥多 卡 鲁扎 Theodor Kaluza 采用卷曲的高维空间作为另一种描述粒子异常 特性的方式 物理学家发现 相同的数学公式也可以描述相同的量子现

46 39 象 从本质上说 波动数学既可应用于量子力学 也可应用 于由它延伸出的粒子物理领域 万有理论有多种形式 不过 距普适理论尚有距离 弦论 163 我不喜欢这种并不 面面俱到的计算方法 不 喜欢他们对自己的思想都 不加验证的态度 不喜欢 这种一旦与实验不符 就 另寻解释的思路 找到 后 就 会 说 你 看 还 是 对的嘛 万有理论是某些物理学家的目标 这类物理学家一般 都是还原论者 认为只要理解了世界的基本组成部分 就能 理解整个世界 只要理解了 弦振动产生的 原子 就能理 解所有化学和生物学现象 其他科学家认为这样的态度是很 荒谬的 难道仅仅理解了原子的知识 就能让你理解社会理 论 进化和税收吗 不是什么都能这样简单换算的 这些科 理查德 费曼 年 学家认为这样的理论将世界描述成了亚原子相互作用产生的 无意义的杂声 属于虚无主义 是错误的 还原论者的观点忽略了显著 的宏观行为 如各种形式的飓风和混沌现象 物理学家史蒂文 温伯格 Steven Weinberg 认为这种观点 不人性化 令人不寒而栗 应该承 认 我们对宏观行为的认可并非出于个人喜好 而是因为世界确实是这 样的 弦论目前还处于发展变化之中 没有形成最终的理论 弦论被物理 学家搞得很复杂 需包含的内容甚多 因此最终理论出现尚需时日 将 宇宙视为振动的弦有其吸引人的地方 但这种理论的赞成者有时也会走 极端 他们过于关注细枝末节 忽视了宏观模式的重要性 目前 弦论 学家对弦论持观望态度 希望将来有更令人信服的理论出现 然而 科 学的真谛也正在于此 我们欣喜地看到 人们正孜孜以求地进行着这方 面的研究 颇有出奇制胜之意 宇宙谐音

47 164 第三部分量子谜题

48 39 弦论 165 第五部分 时空宇宙 40 狭义相对论 41 广义相对论 42 黑洞 43 奥伯斯佯谬 44 哈勃定律 45 大爆炸 46 宇宙膨胀 47 暗物质 48 宇宙常数 49 费米悖论 50 人择原理

49 166 第五部分 40 时 空 宇 宙 狭义相对论 第五部分 时空宇宙 牛顿运动定律描述了从板球 汽车到彗星等物体的运动 但爱因斯坦在1905年提 出 物体在高速运动时会产生奇怪的现象 物体在接近光速运动时 质量会变大 长 度会收缩 衰老速度会变慢 由于任何物体的速度都不能超过光速 因此在接近这个 宇宙中的速度极限时 时间和空间本身会发生改变 声波可通过空气传播 但却无法在没有任何原子的真空中传播 在外太空 没有人能听得到你的尖叫 正是道出了这个物理学原理 编者注 引号中的话原文为 In space no one can hear you scream 是美国经典科幻电影 异形 Alien 中的经典台词 在美国 这句话 几乎人人耳熟能详 我们知道 光可以在真空中传播 因为我们可以 看见太阳和其他恒星 那么 宇宙中是不是存在着一种特殊介质 比方 说一种 电气 使电磁波可通过它而传播呢 19 世纪末 最不能理解的事情 就 期的物理学家们也是这么认为的 他们深信宇宙中充满着 某种气体或者 以太 是世界是完全可以理解的 阿尔伯特 爱因斯坦 年 光速 1887 年 人们用一个著名实验证明了以太是 不存在的 地球围绕太阳公转 因此它在空间中的位置 不断变化 阿尔伯特 迈克尔逊 Albert Michelson 与爱德华 莫雷 Edward Morley 根据以太固定不动这一条件 设计了一个巧妙的实 验 可以探测出地球相对以太的运动 他们比较两束不同路径上传播的 大事年表 公元 1881 年 迈克尔逊和莫雷无法证 实以太的存在 1905 年 爱因斯坦发表了狭义相对论

50 40 狭义相对论 167 双生子佯谬 考虑将时间膨胀应用在人身上 这当然 并非不可能 如果将双胞胎中的一个 A 通 过速度足够快的宇宙飞船送到太空 并在太空 中逗留足够长的时间 那么他衰老的速度就比 地球上另一个双胞胎 B 要慢得多了 A 回 来时 会发现 B 已经垂垂老矣 而自己依旧青 春焕发 这虽然看上去不可能 但 A 在太空遨 游时受到强力的影响 的确导致上述变化的发 生 因此 双生子佯谬实际上并不是佯谬 因 为时间上的移位 在某个参考系中同时发生的 事件 在另一个参考系中就不是同时的了 就 像时间减慢 长度会收缩一样 以光速运动的 物体或人不会注意到这两种效应 只有其他观 察者才能观察到 光线 二者互成直角 都是从同样遥远的镜子反射回来的 我们知道 游泳者从岸边游到对岸 再游回来所需的时间 比前半程顺流后半程逆 流游过同样的距离所需的时间要短 他们认为光的传播也类似 水流就 好比地球在以太中的运动 但实验表明 两束光传播所用的时间却没有 什么不同 它们同时回到了起点 不管光的传播方向如何 地球的运动 方向如何 光速均保持不变 不受运动的影响 该实验证明了以太是不 存在的 不过 这是用爱因斯坦的理论来解释的 与马赫原理类似 见第 2 页 上述实验结果意味着物体运动时不 存在固定的背景网格 与水波和声波不同的是 光波总以相同的速度传 播 这比较特殊 与速度可以叠加的一般经验截然不同 如果你驾驶的 汽车速度为 50 千米每小时 另一个人驾车的速度为 65 千米每小时 那 么就好像你静止不动 而另一人以 15 千米每小时的速度行驶 不过 哪怕你的速度达到了几百千米每小时 光速也不会有任何变化 不管是 坐在喷气式飞机上 还是自行车座上 手中所持火炬所发出的光的速度 1971 年 通过飞机上的钟表证实了时间膨胀

51 168 第五部分 时 空 宇 宙 引入光 以太的 概念其实是多余的 因 为绝对静止的空间不会 具有特殊的属性 而且 速度矢量也不会与发生 电磁过程的真空中的某 点产生联系 都严格等于 米每秒 光速不变一直困扰着爱因斯坦 最终使他于 1905 年提出 了狭义相对论 那时的爱因斯坦还只是瑞士专利局的一个不起 眼的职员 相对论方程完全是他利用闲暇时间自己研究出来的 狭义相对论是自牛顿以来物理学界最大的突破 也是物理学的 革命 爱因斯坦假定 不论观察者的速度如何 光速都是定值 由此 他提出 如果光速不变 其他量必须发生变化以进行补 偿 阿尔伯特 爱因斯坦 1905 年 10% 光速 86.5% 光速 空间和时间 在爱德华 洛伦兹 Edward Lorenz 乔 治 菲茨杰拉德 George Fitzgerald 和亨利 庞加莱 Henri Poincare 等人研究成果的基础上 爱因斯坦指出 为适应速度接近于光速的不同 观察者的视角 时间和空间必须要发生扭曲 空间是三维的 时间 是一维的 二者一起构成四维空间 速度等于距离除以时 间 为使任何物体的速度都不超过光速 距离就要收缩 时间就要减慢 接近于光速发射的火箭看上去变短了 而 时间则变慢了 爱因斯坦给出了适用于不同速度观察者的运动定律 他排除了以太 等固定参考系的存在 认为所有运动都是相对的 坐在火车上的人看到 另一辆火车移动 是无法确认究竟是哪一辆在动的 而且 即便看到自 己所乘坐的火车在站台上保持静止 也不能说火车是不动的 而只能说 火车相对站台是静止的 我们都感觉不到地球围绕太阳的公转 同样 也感觉不到太阳系在银河系里的运动 或者银河受室女星座星系簇吸引 而发生的运动 我们所能感觉到的只是自己和站台 或者地球相对其他 恒星的旋转之类的相对运动 爱因斯坦将这些不同的视角称为惯性系 惯性系是以恒定速度发生 相对运动的空间 没有加速度 不受外力作用 速度为 50 千米每小时 的汽车就是一个惯性系 同样 速度为 100 千米每小时的火车或者 500

52 40 千米每小时的喷气式飞机也都是惯性系 爱因斯坦指出 物 理定律在所有惯性系中都是成立的 无论是在汽车 火车还 是飞机上 将笔从空中扔下 它都会以相同的方式落地 狭义相对论 169 任何速度都不能超 过光速 这也正是我们所 希望的 不然 帽子早被 更慢更重 接下来考虑在接近物质所能达到的最快速 吹飞了 度 光速时的相对运动 爱因斯坦预测此时时间会变慢 伍迪 艾伦 Woody Allen 时间膨胀说明了这样一个事实 钟表在速度不同的参考系中 1935 年 的运动速度是不同的 1971 年 人们用实验证明了这一点 在飞机上放置四个完全相同的原子钟 两架飞机向东飞 另两架向西 飞 将飞机上原子钟的时间与地面上的美国钟表时间相比较 人们发现 空中的钟表时间比地面上的慢了不到 1 秒 这与爱因斯坦的相对论是一 致的 物体无法达到光速的另一个原因是 接近光速时物体质量会变大 E=mc2 物体达到光速时 质量会变为无穷大 此时要加速是不可能 的 任何物体 只要有质量 就无法达到光速 只能接近光速 而且越 接近光速 质量就越大 加速就越困难 光子没有质量 所以光不受影 响 爱因斯坦的狭义相对论与以前的物理学理论有本质的不同 它提出 的质能等价原理以及时间膨胀和质量的含义给人以强烈震撼 爱因斯坦 在发表狭义相对论时还只是一个无名小辈 普朗克在读到他的论文后 对文中的观点表示认同 或许正因如此 狭义相对论才没有被冷落 并 为人们所接受 爱因斯坦方程中的美被普朗克看在心里 他最终能一举 成名 誉满五洲 与普朗克的赏识和帮助是分不开的 运动是相对的

53 170 第五部分 41 时 空 宇 宙 广义相对论 爱因斯坦的广义相对论将万有引力统一到了狭义相对论中 对人们的时空观产生 了革命性的影响 它跳出了牛顿定律的范围 向人们展示了具有黑洞 虫洞和引力透 镜的宇宙 人从高高的建筑物上跳下 或者从飞机上乘降落伞跳下 会因为受 到万有引力的作用加速向地面坠落 爱因斯坦发现 自由落体时人相当 于不受万有引力的作用 也就是说此时人是没有重量的 宇航员在训练 时也是通过类似的办法获得无重力的条件的 喷气式客机 人们戏称为 呕吐彗星 在飞行时采取与过山车类似的姿态和路径 飞机向上飞行 时 乘客会靠到椅背上 所感受到的重力会增大 而当飞机向前下方俯 冲时 乘客就不再受重力的作用 甚至可以浮在飞机中 加速 爱因斯坦认为加速度与重力是等价的 狭义相对论所描述的 是以恒定相对速度运动的参考系 惯性系 中的运动 而重力则是参考 系加速的结果 爱因斯坦称这个发现是他一生中最幸福的想法 随后的几年里 爱因斯坦对此进行了进一步的研究 他与自己信 任的同事讨论此问题 并采用最新的数学形式对其进行表述 将所有这 些形成统一的理论 称为广义相对论 1915 年他发表了这项工作 之 大事年表 公元 1687 年 1915 年 牛顿提出万有引力定律 爱因斯坦发表了广义相对论

54 41 广义相对论 时间 空间和引力同存在于物质中 三者互不可分 阿尔伯特 爱因斯坦 1915 年 后又忙着对其进行了数次修正 同事们对他的工作进展大为吃惊 该理 论还预测出了一些奇怪而可测的结果 例如光在经过引力场时会发生弯 曲 以及因为受到太阳引力的作用 水星在椭圆形轨道上的旋转速度变 慢等 时空 在广义相对论中 空间的三个维度和时间的一个维度组合成 四维时空网格 度规 此时 光速仍然不变 是所有速度的极限 运 动或加速时 为保持光速固定不变 时空度量会发生弯曲 广义相对论最形象的比喻是把时空想象成平铺在桌面上的一张胶 皮 且桌面上有一个洞 把一些具有一定质量的球之类的物体放在胶 皮上 这些球会压低其周围的 时空 拿一个球来代表地球 该球就 会压低附近的胶皮 导致胶皮下凹 再拿一个小些的 球 代表一个小行星 则小球就会沿着大球压低胶 皮所形成的斜面滚下 我们说小球受到了引力 的作用 如果小球的速度足够快 而凹面又足 够陡 则小球就会像月球一样绕着圆形轨道运 动 类似于自行车手在倾斜的轨道上骑行 读 者可以将整个宇宙想象成一张巨大的胶皮 宇 宙中的所有行星 恒星和星系都会对胶皮产生压 力 吸引附近经过的小天体 或者改变其运动方向 1919 年 20 世纪 60 年代 日食观测验证了爱因斯坦的理论 在宇宙空间中发现了黑洞的证据 171

55 172 第五部分 时 空 宇 宙 使这些小天体就像在高尔夫球场上滚动的球一样 恒星的实际位置 太阳 恒星的表 观位置 爱因斯坦认为 时空的弯曲导致光线经过太阳之类的大 型天体时会发生弯曲 他预测 既然光线经过太阳时会发生 弯曲 那么位于太阳正后方的恒星的位置将发生一定的偏移 1919 年 5 月 29 日 全球的天文学家通过观察日全食验证了爱 地球 因斯坦的预测 对爱因斯坦来说 这是一个伟大的时刻 该理 论曾一度被一部分人认为是疯狂的 而事实证明了它是正确的 弯曲和洞 光线的弯曲现象已为穿越宇宙的光所证实 遥远星系发 出的光在经过大型天体时 如星系的巨集或大星系 会发生明显的弯 曲 光的背景点会变模糊 最后成为一段圆弧 该效应与透镜产生的效 果类似 被称为引力透镜效应 如果背景星系恰好位于大型天体的正后 方 那么它所发出的光就会成为一个完整的环 称为爱因斯坦环 人们 已经用哈勃太空望远镜拍摄了许多漂亮的爱因斯坦环照片 爱因斯坦的广义相对论目前已被应用于整个宇宙的建模 我们可将 时空想象成一幅风景画 其中有高山 低谷和洞穴 广义相对论与目前 重力波 广义相对论的另一点是说时空面上可以产生波 引力波可 以辐射 而黑洞和脉冲星之类的高密度旋转致密星的辐射尤其 大 天文学家们已经发现了脉冲星的自转减慢现象 认为损失 的能量转化成了引力波 不过人们目前尚未探测到引力波 物 理学家已经在地球和太空中安装了巨型探测器 通过超长激光 束的振动对通过的波及进行定位 如能探测到引力波 将为爱 因斯坦的广义相对论提供又一有力证据

56 41 我们应该假定引力场与相应参考系的加 速度在物理上完全等价 这个假设可以将相对 论原理拓展到参考系匀加速运动的情形 阿尔伯特 爱因斯坦 1907 年 为止的观测结果一致 观测最多的是重力极强的区域 也可能是极弱 黑洞 见第 174 页 是时空面中 极深的洞 其深度和倾斜度 足以使任何靠它够近的物体落入 连光都不例外 黑洞代表时空中的 洞 也称 奇点 时空也可能弯曲成虫洞 但人们目前还没有观察 到虫洞 在维度的另一端 万有引力很弱 最终可能会破碎成微小的量子 类似于光的光子 不过目前尚未有人观察到引力的量子结构 人们已经 提出了万有引力的量子理论 可目前还缺乏证据的支持 这样一来 量 子理论和万有引力的统一变得令人难以捉摸 爱因斯坦后半生致力于此 方面的研究 但终未能如愿 仍有待后人继续研究 时空是弯曲的 广义相对论 173

57 174 第五部分 42 时 空 宇 宙 黑洞 掉到黑洞里边可不是什么好事 落入后 人的四肢就会被撕成碎片 并且对于外 部的观察者来说 时间在落入的那一刻仿佛就停止了 黑洞最初被想象成冻星 其逃 逸速度超过了光速 不过现在 人们认为黑洞是爱因斯坦时空中的洞或奇点 黑洞不 是想象出来的 确实有巨型黑洞聚集在星系的中心 包括银河系 而较小的黑洞则 会像死亡恒星一样不时地侵扰太空 将小球抛入空中 小球会在上升到一定高度后落下 抛出的速度越 快 小球上升得就越高 如果抛出的速度足够快 小球甚至可以脱离地 球引力飞入太空 此时所需的速度称为 逃逸速度 其大小为 11 千米 每秒 或大约 英里每小时 火箭如果要离开地球就 需要达到这个速度 如果是在较小的月球上 逃逸速度就比 上 帝 不 光 玩 骰 子 较小 只有 2.4 千米每秒 行星的质量越大 所需的逃逸速 而且还经常把它们扔到看 度越大 如果行星的质量足够大 那么逃逸速度可能需要达 不见的地方 到或超过光速 也就是说 此时连光都不能逃过其引力的作 斯蒂芬 霍金 1977 年 用 对于那些质量和密度大到连光都无法逃脱的天体 我们 就将其称为黑洞 黑 洞 表 面 黑 洞 的 思 想 是 在 18 世 纪 由 地 质 学 家 约 翰 米 切 尔 John Michell 和 数 学 家 皮 埃 尔 西 蒙 拉 普 拉 斯 Pierre-Simon 大事年表 公元 1784 年 20 世纪 30 年代 米切尔推断出 暗星 是可能存在的 预测了冻星的存在

58 42 黑洞 175 Laplace) 提出的 后来, 在爱因斯坦提出相对论后, 卡尔 史瓦兹旭尔得 (Karl Schwarzschild) 计算出了黑洞的形状 根据爱因斯坦的广义相对论, 时间和空间被相互联系在一起, 形成一张巨大的 胶皮 物体的质量所产生的万有引力使胶皮发生弯曲 质量越大的行星在时空中陷得越深, 且万有引力越大, 经过其凹处附近的天体所受的力也越大, 从而使天体的运动路径发生弯曲, 甚至会被其捕获 什么是黑洞? 黑洞是一个很深很陡的坑 任何物体, 只要离黑洞足够近, 就会落入其中, 无法逃离 它是时空面上的一个洞, 类似于篮球网, 球一旦掉进去, 就出不来了 物体经过黑洞, 但离黑洞的距离比较远时, 它的运动路径会弯向黑洞, 而不一定会掉进去 ; 如果物体离黑洞的距离很近, 那么就会被卷进去, 即便是光子也不能例外 这两种情形的分界线, 也就是临界线, 称为 黑洞视界 在黑洞视界以内的任何物体都会落入黑洞中, 包括光 落入黑洞的物体会被 拉成意大利面条 黑洞的内壁非常陡, 内部重力的梯度很大 只要掉进去一只脚 ( 希望这事可别摊到谁身上 ), 脚上就会受到很大的拉力, 那种被强烈拉扯的滋味跟旧时的拉肢刑具上的犯人没什么两样 就像是进入了一台纺织装置, 再想出来可就难了 您不妨想想怎么把和意大利面搅在一起的口香糖弄出来 可真不是好受的啊 要是有人真不小心掉了进去, 那怎么办呢? 有些物理学家对此颇为担心 有一个容易想到的 能保护自己的办法就是带上铅制的救生圈 1965 年 1967 年 20 世纪 70 年代 发现了类星体惠勒将冻星重新命名为黑洞霍金提出黑洞会蒸发掉

59 176 第五部分时空宇宙 蒸发 黑洞最终会蒸发掉? 听上去还真有点奇怪 20 世纪 70 年代, 斯蒂芬 霍金指出黑洞并非漆黑一团 根据量子效应, 黑洞可向外辐射粒子 因此, 黑洞的质量会逐渐减小, 发生收缩, 直至消失 黑洞的能量则不断转化成粒子对和相应的反粒子 这个过程如果发生在黑洞表面, 粒子对中的某个粒子就可能逃逸 尽 管仍会有一个粒子落入黑洞, 但从外部来看黑洞好像是在发射粒子, 这被称为霍金辐射 黑洞因为不断辐射能量, 因而会逐渐消失 不过该现象目前尚停留在理论阶段, 黑洞里到底发生了什么也没人知道 不过可以确认的是, 黑洞的存在相对比较普遍, 说明黑洞的蒸发是一个漫长的过程 了 要是救生圈的质量和密度够大, 就能抵抗重力梯度, 保人性命 冻星 黑洞 是 1967 年由约翰 惠勒 (John Wheeler) 命名的, 目的是使冻星更易记 冻星是在 20 世纪 30 年代根据爱因斯坦和史瓦兹旭尔得的理论预测的 物质在黑洞表面附近具有特殊的时空行为, 因此落入黑洞的发光物质的速度看起来在减慢, 减慢的原因是光波到达 ( 远处的 ) 观察者需要的时间更长 在外部观察者看来, 发光物质通过黑洞表面后, 时间就停止了 所以物质通过黑洞表面后在时间上也就停止了 由此, 人们预测出冻星的存在 冻 字是指物质通过黑洞表面进入内部之后, 时间被 冻结 了 天体物理学家苏布拉马尼扬 钱德拉塞卡 (Subrahmanyan Chandrasekhar) 预测, 恒星质量只要大于太阳质量的 1.4 倍, 最终就会坍缩成黑洞 实际上现已知道, 因为泡利不相容原理, 白矮星和中子星可通过量子压力支撑自身的结构, 因此, 要形成黑洞, 恒星质量要大于太阳质量的 3 倍 直到 20 世纪 60 年代, 人们才发现了冻星 ( 黑洞 ) 存在的证据 要是黑洞能吸入光线, 那如何知道黑洞是存在的呢? 有两种方法 一种方法是考虑黑洞对附近其他物体的吸引 另一种方法是考虑气体一旦接近黑洞, 温度会升高, 气体会发光, 然后消失 我们用第一种方法

60 42 黑洞 177 确认了银河系中心存在着的一个黑洞 经过该黑洞附近的恒星会加速 并被抛到更长的轨道上 银河系黑洞的质量约相当于一百万个太阳的大 小 而其半径则仅有一千万千米 30 光秒 左右 位于星系中的黑洞 称为超大质量黑洞 目前还不清楚其成因 不过黑洞似乎会影响星系的 演变 黑洞在创世之初可能就已存在 也可能是由上百万颗恒星坍缩成 一点演变而来 另一种方法是观察热气落入黑洞中所发射的光 类 星体是宇宙中最亮的天体 它的发光是遥远星系中心的 超重黑洞吸入了气体所致 质量仅有几个太阳大小的小 黑洞也可通过落入黑洞的气体发出的 X 射线被确认 自然界中的黑洞是宇 宙中最完美的宏观天体 因 为它唯一的组成元素是我们 的时空概念 苏布拉马尼扬 钱德拉塞卡 1983 年 虫洞 时空面上的黑洞位于何处 黑洞的底部可 能是一个很尖的点 也可能是一个穿破时空面的洞 理 论物理学家提出了一个问题 两个黑洞如果连接起来 会有什么现象出 现 读者可以把相邻的两个黑洞想象成从时空面上垂下的长管 两条长 管连成一体后 在黑洞的出口之间就会形成管或虫洞 在铅救生圈的保 护下 就可以跳进一个黑洞中 再从另一个黑洞中跳出来 许多科幻作 品都采用了这样的跨时空传输场景 经过虫洞还可能进入某个完全不同 的宇宙中 宇宙穿梭 无限可能 但别忘了带上救生圈 光也有跑不掉的时候

61 178 第五部分 43 时 空 宇 宙 奥伯斯佯谬 为什么晚上天空是黑的 如果宇宙漫无边界 并且可以一直存在下去 那么夜 空应该是跟太阳一样明亮的 然而事实却并非如此 仰望夜空 看见的是宇宙的整个 发展历史 我们知道 恒星的数量是有限的 也就是说 宇宙的大小和年龄也是有限 的 奥伯斯佯谬为现代宇宙学和大爆炸模型铺平了道路 读者可能会认为 了解整个宇宙和它的历史是一件难事 需要昂贵 的太空卫星和巨大的望远镜 必须得到遥远的山巅之上 而且还要有爱 因斯坦那样的大脑 其实 您完全可以选择一个晴朗的夜晚 去作出自 己的观察 并且你所作的观察在重要性上丝毫不亚于广义相对论 夜空 是黑的 虽然人们对此早已司空见惯 但是黑暗的夜空却告诉了人们宇 宙的许多奥秘 星星闪 星星亮 如果宇宙是无限大的 在各个方向上都无限延 伸 那么在所有可能的观察方向上都会观察到一颗恒星 从每一个方向 上看去 都能看到恒星表面的情况 离开地球进入太空 就会发现太空 中的恒星越来越多 就好像在森林里看树木一样 在近处还能分辨开不 同的树干 而且 近处的树木也显得大些 要是把视线逐渐拉长 距离 更远的话 则视线里就满是树木了 所以 如果森林确实很大的话 就 无法看见森林以外的景色了 宇宙如果无穷大 所产生的情形就与上述 大事年表 公元 1610 年 开普勒注意到夜空是黑的

62 43 奥伯斯佯谬 179 情况完全类似了 即便恒星的间距远远 大于树木的间距 最终这些恒星也能轻 易地阻挡住人们的视线 如果所有恒星都像太阳一样能发光 则天空中的所有点都将布满星光 即便 那颗恒星的距离比较远 光线比较暗淡 同等距离下的恒星也有很多 将这些恒星所发出的光加起来 产生的亮 度也不亚于太阳 由此说来 整个夜空应该是与太阳一样明亮的 事实显然并非如此 17 世纪 开普勒首先注意到了这个问题 但 直到 1823 年 德国天文学家海因里希 奥伯斯 Heinrich Olbers 才正 式提出奥伯斯佯谬 对这一问题的解释有着深远的意义 目前的解释已 有几种 每种解释都包含了某些已为人们所了解 并为现代天文学家所 黑暗的夜空 因为城市在晚上发出的光 现在已经越 来越难以看到黑暗夜空的美丽了 在过去 人 们在晴朗的夜空抬头仰望 就可以看到天空中 明亮的星座 人们将其称为银河 现在已经知 道 我们所观察到的其实只是银河系的中心平 面 就算是在大城市 50 年以前我们还能看 到天空中最亮的行星和银河的轨迹 可如今在 城镇甚至是在乡村 天空都蒙上了一层黄雾 什么行星也看不见了 这种激发人们世世代代 产生灵感的夜景正在变得模糊 而街头的钠灯 正是罪魁祸首 尤其是向上或向下直射 造成 浪费的灯光 世界上的一些组织 如国际暗天 协 会 International Dark-Sky Association 目 前正在开展限制光污染的运动 使人们能够清 晰地观察宇宙 1832 年 1912 年 奥伯斯提出了以其名字命名的佯谬 维 斯 托 斯 莱 弗 Vesto Slipher 测出了星系的红移

63 180 第五部分 时 空 宇 宙 我发现了 埃德加 艾伦 坡 Edgar Allan Poe 在他 1848 年写的一首散文 诗 我发现了 Eureka 中 写道 如果恒星的数量是无限的 那么宇宙背景的亮度就是一致的 正如银河系所呈现出的那样 这是由于在天空背景中 绝对找不出 一个没有恒星存在的方向来 在这种情况下 想要理解为什么从数不 清的方向用望远镜望去只能望见空茫 只能有一种解释 该解释认为 宇宙背景的距离实在是太遥远了 肉眼根本无法看到 因为它所发出 的光从来没有到达地球 采用的事实 但是 这样一个简单的观测就能告诉人们如此之多的奥秘 的确令人甚为惊奇 视力的极限 第一种解释是宇宙不是无限大的 宇宙在某处必有界 限 这样一来 宇宙中恒星的数目就是有限的 并非从任何方向看去都 能看到恒星 站在森林边上或小树林里 能看到外面的天空也是类似的 道理 另一种解释是 距离越远 恒星数量就越少 从而叠加产生的光 线强度较低 光速总是不变的 所以远处恒星发出的光到达地球所需的 时间就比近处恒星要长 太阳所发出的光需要 8 分钟才能到达地球 除 太阳外 离地球最近的恒星 半人马座阿尔法星 所发出的光到达地球 所需的时间为 4 年 而银河系另一端的恒星发出的光要到达地球则需要 年 离我们最近的星系仙女座所发出的光要 年才能到 达 是人类肉眼能观察到的最遥远的物体 我们深入宇宙的内部 实际 上是在沿着时间之箭回溯 因此 遥远的恒星看上去比近处的恒星要年 轻 如果这些年轻的恒星最终比近处类似太阳的恒星要少 就可以帮助 我们解释奥伯斯佯谬 类似太阳的恒星寿命可达 10 亿年 大恒星寿命

64 43 奥伯斯佯谬 181 短, 小恒星寿命长 ), 因此恒星具有一定寿命这一事实也能用来解释该佯谬 恒星在某个时间之前之所以不存在, 是因为尚未形成 恒星不会永远存在下去 红移现象也可能使遥远恒星的亮度变得比太阳低 宇宙膨胀使光的波长发生延伸, 使遥远恒星发射的光产生红移 所以, 远处的恒星比近处的看上去冷一些 这也会限制来自宇宙最外部的光线的数量 也有人提出了一些古怪的解释, 比方说远处发射的光被外星文明的烟灰 铁刺或者怪异的灰色灰尘遮住了 不过被吸收的光还可以以热的形式再次释放出来, 从而在光谱上其他位置表现出来 天文学家已经检查了夜空中的光的所有波长范围, 从无线电波到 γ 射线, 没有发现星光被遮挡的证据 宇宙的历史那么, 仰望夜空这样一个最简单的观察行为就能告诉我们宇宙并不是无限的 它只存在了有限的一段时间, 大小也是有限的 宇宙中的恒星也不会永远存在下去 现代宇宙学都是基于上述思想的 我们所能看到的最古老的恒星, 年龄大约是 130 亿光年 因此, 宇宙的实际年龄一定大于 130 亿年 奥伯斯佯谬指出宇宙的实际年龄并不会比 130 亿年大太多, 否则就应该能看到很多年龄更大的恒星了, 而人们并未观测到这样的行星 因为红移现象的存在, 遥远的恒星星系的确比附近的星系要红一些 这样一来, 采用光学望远镜进行观察, 并确认宇宙的膨胀现象就比较困难了 目前已知的最遥远星系的红移现象非常严重, 肉眼已不可见, 只能利用红外设备进行观察 所有这些都为宇宙大爆炸提供了证据, 也就是说宇宙是由 137 亿年前的一次大爆炸产生的 有限的宇宙

65 182 第五部分 44 时 空 宇 宙 哈勃定律 埃德温 哈勃 Edwin Hubble 率先提出太阳系外的星系都在离我们远去 根据 哈勃定律 星系离我们越远 离去的速度就越快 星系的离去为宇宙膨胀提供了第一 个证据 这个惊人的发现改变了人类对整个宇宙及其归宿的认识 哥白尼在 16 世纪提出的日心说引起了人们的震惊 人类所居住的 星球其实并不是宇宙的中心 但在 20 世纪 20 年代 美国天文学家埃德 温 哈勃通过望远镜测量发现了更加令人不安的现象 他发现 整个宇 宙并不是静止的 而是在不断膨胀的 哈勃测量出了其他星系的距离 以及这些星系相对于银河系的运动速度 发现它们都在 天文学的历史就像不 快速地离我们而去 地球在宇宙中仅仅是一颗很不起眼的 星球 只有几颗比较近的天体邻居是在向着地球慢慢移动 断远去的地平线 埃德温 哈勃 1938 年 的 星系的距离越远 离去的速度就越快 且速度与距离 成正比 哈勃定律 速度和距离之比为常数 称为哈勃 常数 如今 天文学家们已经测量出哈勃常数的值等于 75 千米每秒每 兆秒差距 1 兆秒差距等于 1 秒差距的 倍 等于 光 年或者等于 米 星系以该速度离我们远去 大争论 20 世纪之前 人们对于银河系的了解还是很有限的 这 时已经测定了银河系中的上百颗恒星 但同时也发现银河系中散布着一 些暗色的云 称为星云 星云中有一部分是气态的云 与恒星的诞生和 大事年表 公元 1918 年 1920 年 维斯托 斯莱弗测量出 了星系的红移 夏普利和柯蒂斯针对银河系的大 小问题发生了争论

66 44 哈勃定律 183 死亡有关 也有一些星云看起来有些不同 有的是螺旋形的 有的是卵 形的 比一般的云要规则一些 1920 年 两位著名天文学家就星云的起源问题产生了争论 哈洛 夏 普利 Harlow Shapley 认为天空中的一切都是银河的一部分 并构成 了整个宇宙 另一方面 赫伯 柯蒂斯 Heber Curtis 认为某些星云是 分离的 岛宇宙 或者位于银河系之外的外部 宇宙 星系 一词 也只是后来为了描述星云宇宙所提出的 两位天文学家都援引证据支持 自己的观点 争论也一直没有平息 哈勃后来的工作证明柯蒂斯的观点 是正确的 螺旋星云的确是外部的星系 并不在银河系的内部 此时 展现在世人面前的宇宙变成了一幅巨大的图景 飞散 哈勃采用位于威尔逊山上 100 英寸的胡克望远镜来测量仙 女座中闪烁的恒星所发出的光 现已知道 仙女座星系 是螺旋星系 与银河系非常类似 属于与银河系相 关联的星系之列 这些闪烁的恒星被称为造父变星 现在仍可作为了解距离的珍 Cepheid variable star 贵探测器 它们是在原型星座 仙王座被发现之 后才被命名的 闪光的亮度和持续时间与恒星本来的 时间 亮度成正比 只要知道了恒星发光的变化 就可以知道 其亮度 恒星的距离越远 亮度就越低 因此只要知道了恒星的亮度 就能知道它离地球的距离 这就好比把一个 100 瓦的灯泡放在一定的距 离以外 可以读出其亮度 再将另一个 100 瓦的灯泡放在另一不同的距 离处 那么通过将其亮度与之前的读出值相比较 就可以知道该灯泡的 距离 1922 年 1924 年 1929 年 亚 历 山 大 弗 里 德 曼 Alexander Friedmann 发表了宇宙大爆炸模型 发现了造父变星 哈勃和米尔顿 赫马森 Milton Humason 发现了哈勃定律

67 184 第五部分 时 空 宇 宙 哈勃太空望远镜 哈勃太空望远镜无疑是有史以来最著名 的卫星观测站 在将近 20 年的时间里 哈勃 望远镜所拍摄的星云 遥远星系和围绕在恒星 周围的尘埃盘的精美图片一直占据着诸多报纸 的头版 它的大小跟双层公交车相差无几 长 13 米 宽 4 米 重 千克 于 1990 年由 发现号 航天飞船送入太空 它的主镜镜面 直径有 2.4 米 并附有一整套相机和电子探测 器 用于拍摄清晰的透明照片 可见 紫外和 红外 哈勃望远镜的优势在于它位于大气层 的上方 因此照片不会出现模糊现象 目前 哈勃已经接近使用年限 其未来的用途还未确 定 可能 NASA 会对某些设备进行升级 但需 要载人宇宙飞船输送人员 当然也可能会终止 该项目 将其回收留作后用 或直接安全沉入 大海 * * 编者注 2009 年 5 月 NASA 已派遣 亚特兰蒂 斯号 航天飞机对其进行了修复 哈勃测量仙女座的距离采用的也是这种方法 该星座的距离远远大 于夏普利给出的银河系大小 因此它必定位于银河系之外 这个事实虽 然再简单不过 但却有着革命性的意义 它说明宇宙是广袤的 中间遍 布着像银河系一样的星系 如果说日心说激怒了教会和人类敏感的神经 的话 那么把银河系降级为百万星系中再普通不过的一颗则会彻底粉碎 人类的自尊心 于是 哈勃开始测量许多星系的距离 他还发现这些星 系的发光都存在红移现象 且红移量与距离成正比 此处所 不断增加的时候 就已经 说的红移类似于物体快速运动的多普勒效应 见第 76 页 光的频率 如氢原子跃迁 的红移现象 说明这些星系是正 深入太空的内部了 如果 在离我们而去的 正如救护车在远去时鸣笛声的频率会下降 用最大的望远镜能观察到 一样 这种现象是很奇怪的 因为除这些星系之外 只有 发光最暗的星云 就说明 近处 一些星系是向着银河系运动的 星的距离越远 离去 已经到达已知宇宙的尽头 的速度就越快 哈勃指出星系也并不是简单地离我们而去 了 果真如此 地球还真是成为宇宙中一颗 待遇特殊 的星球 埃德温 哈勃 1938 年 了 实际上 所有星系都是在相互远离的 哈勃由此推断 我们发现的恒星体 积变小 发光变暗 数量

68 44 哈勃定律 185 宇宙本身一直都是在膨胀的, 像一只充满气的巨大气球一样 而星系就好比气球上的点, 气球膨胀得越厉害, 这些点之间的距离越远 距离和速度如今, 天文学家们依然采用造父变星来描述宇宙的膨胀现象 如此一来, 准确测定哈勃常数就是主要任务了 这样就需要知道星系的距离及其速度 ( 或红移 ) 红移量可通过原子光谱直接测量出来 将星光的特定原子跃迁频率与实验室已有的波长数据进行比对, 就可得出红移量 比较难测的是距离, 因为需要知道遥远星系中准确长度已知或者真实亮度已知的参照物 ( 这种参照物叫作 标准烛光 或 量天尺 ) 推测天文距离的方法有好几种 对于近处可分辨开来的星系, 可采用造父变星法 如果距离比较远, 就需要其他方法了 将所有不同的技术依次整合起来, 形成所谓的巨大 测量杆, 或 定距梯 但每种方法都有其特定的适用范围, 所以, 仍有一些不确定的因素会影响到准确度 现已知道, 哈勃常数的准确度大约为 10%, 主要是由于哈勃太空望远镜对星系的测量结果和宇宙微波背景辐射所确定的 宇宙膨胀始于大爆炸, 大爆炸发生后, 宇宙诞生, 星系彼此分开 哈勃定律设定了宇宙年龄的限值 宇宙一直是在膨胀的, 如果沿着时间轴回溯到膨胀的起始点, 就可以知道宇宙的年龄约为 137 亿年 幸运的是, 宇宙的膨胀速率还不足以使其自身发生分裂 相反, 宇宙一直处于细微的平衡之中, 不会完全散开, 且其质量也不足以使其最终发生坍缩 宇宙膨胀

69 186 第五部分 45 时 空 宇 宙 大爆炸 宇宙的诞生源于一次剧烈的爆炸 自此才有了我们所知道的空间 物质和时间 宇宙大爆炸已为广义相对论的数学计算所预测 并已被星系的远去 宇宙中轻元素的 数量以及遍布天空的微波辐射等现象所证实 大爆炸是终极爆炸 导致了宇宙的诞生 环顾四周 就能发现宇 宙膨胀的迹象 从而使人能推断出 从前的宇宙体积一定较小 温度一 定较高 由此得出的逻辑上的结论就是整个宇宙最初不过是一个点 这 个点一经点燃 就在宇宙的大火球中诞生出了空间 时间和物质 经历 了漫长的 140 亿年之后 这种密度很大的炙热的云开始膨胀 温度也开 始下降 并最终分裂形成了今天遍布天空的恒星和星系 大事年表 并非玩笑 大爆炸 一词实际上有点玩笑的意思 著名英国天文 学家弗莱德 霍伊尔 Fred Hoyle 认为整个宇宙始于一个点的说法是 荒谬的 他在 1949 年所做的一系列演讲中 嘲笑比利时数学家乔治 勒 梅特 Georges Lemaitre 从爱因斯坦的广义相对论方程中得出这样的推 论 未免过于牵强 相反 霍伊尔更倾向于认同宇宙持续发展的观点 他认为宇宙处于永久的 稳态 中 物质和空间都是被连续创造和消灭 的 因此可以永远存在下去 即便如此 仍不断有证据表明宇宙的确是 因大爆炸而来的 于是到了 20 世纪 60 年代 霍伊尔的稳态宇宙说终于 作出了让步 公元 1927 年 1929 年 弗里德曼和勒梅特提出 了大爆炸理论 哈勃观测到了宇宙膨胀现象

70 45 大爆炸 187 膨胀的宇宙 有三个重要的发现支持了大爆炸理论 第一个是 20 世纪 20 年代 哈勃观察到的大多数星系都在离去的现象 从远处看 所有星系都在相互远离 好像时空根据哈勃定律不断膨胀和延伸 延伸 的结果就是光线要经过更长的时间才能通过不断膨胀的宇宙到达地球 该现象可通过所谓的 红移 也就是光的频率的变化得 将电视机调到一个没 到证实 到达地球的光线比刚从遥远恒星或星系所发出的 有节目的频道 此时屏幕上 光要 红 一些 红移可用于计算天文距离 跳动的静电有 1% 来自大爆 轻元素 让我们回到宇宙诞生的最初几个小时 大爆 炸遗留下来的残留物 下次 炸后的宇宙是一个 温度极高的熔炉 所有物质都紧密 你再抱怨没有节目的时候 堆积在一起 在最初的 1 秒内 宇宙的密度和温度非常之 高 连原子都无法稳定存在 随着宇宙的膨胀和温度的下 记住自己实际上看到了宇宙 降 粒子汤 最先形成 其中包括夸克 胶子和其他一 诞生的情形 比尔 布莱森 Bill Bryson 些基本粒子 见第 148 页 几十微秒后 夸克开始互相 2005 年 结合 形成质子和中子 在最初的 3 分钟内 质子和中子 依照宇宙化学和各自的相对质量数组合成原子核 除氢原子之外的其他 元素都是通过这种核聚变形成的 一旦宇宙温度降到聚变限值之下 比 铍更重的元素就无法形成了 因此在大爆炸之初宇宙中只有氢原子核 氦原子核以及痕量的氘 重氢 锂和铍 20 世纪 40 年代 拉尔夫 阿尔弗 Ralph Alpher 和乔治 伽莫夫 George Gamow 预测有部分轻元素是在大爆炸中形成的 这一现象已 为银河系中慢燃恒星和原始气云的最新测量结果所证实 微波背景辐射 支持大爆炸理论的另一个证据是 1965 年发现的大 爆炸自身的微弱波 阿诺 彭齐亚斯 Arno Penzias 和罗伯特 威尔 1948 年 1949 年 1965 年 1992 年 预测了宇宙微波背景 阿尔弗和伽莫夫计算了大爆炸 的核合成 霍伊尔提出了 大爆炸 一词 彭泽斯和威尔逊探测到 了宇宙微波背景 COBE 卫星测出了宇 宙微波背景斑

71 188 第五部分 时 空 宇 宙 大爆炸年表 137 亿年 大爆炸之后 现在 温度 T=2.726 开尔文 2 亿年 再电离 太初恒星加热和 电离氢气 T=50 开尔文 38 万年 再次结合 形成氢原子 T=3 000 开尔文 1 万年 辐射主导时期结束 T= 开尔文 时间 秒 中子衰变 T=5 亿开尔文 180 秒 核合成 自氢合成氦和其他 元素 T=10 亿开尔文 10 秒 电子 - 正电子对湮灭 T=50 亿开尔文 1 秒 中微子去耦 T 100 亿开尔文 100 微秒 介子湮灭 T 1 万亿开尔文 50 微秒 量子色动力学相变 夸克 结合成中子和质子 T=2 万亿开尔文 10 皮秒 电弱相变 电磁力和弱力 成为不同的力 T 约为 1~2 千万亿开尔文 在此之前温度太高 我们对其物理状态尚 不清楚 逊 Robert Wilson 在新泽西的贝尔实验室 一起研究雷达接收器的过程中 一直被无法 消除的微弱噪声信号所困扰 宇宙中似乎有 一个信号源在不断发射信号 信号强度相当 于温度若干度的物体 他们在与附近普林斯顿大学的天文物理 学家罗伯特 迪克 Robert Dicke 讨论后 认为信号与人们预测的大爆炸余辉是一致 的 这样 宇宙微波背景辐射在无意间被他 们发现了 该辐射源于最初的炽热宇宙遗留 下来的大量光子 迪克也曾搭建了一台类似 的雷达天线搜寻背景辐射 听到这个消息他 可没那么高兴 还嘲弄着说 伙计们 咱 们让人家抢了先了 乔治 伽莫夫 拉尔夫 阿尔法和罗伯 特 赫曼 Robert Hermann 在 1948 年已经 预测到大爆炸理论中微波背景的存在 虽然 原子核是在大爆炸之后的最初 3 分钟内形成 的 但是此后的 40 万年里 却一直没有形 成原子 最后 带负电的电子和带正电的原 子核结合成氢原子和轻元素 由于带电粒子 可散射光 阻挡光线的通过 因此原子核和 电子的消失使迷雾般混沌的宇宙变得透明 自此之后 光就可在宇宙中自由传播 我们 今天所看到的正是此后的宇宙 大爆炸 虽然初生宇宙开始为一层热雾所笼盖 约 开尔文 但因为宇宙膨胀导致发 射光发生红移 所以今天所看到的宇宙温度并不到 3 开尔文 绝对零度 3 度以上 这 是由彭齐亚斯和威尔逊提出的 这三条基础至今未变 大爆炸理论也因此仍为大多数

72 45 天文物理学家所接受 少数物理学家还在继续研究弗莱德 霍 伊尔 Fred Hoyle 的稳态模型 但要在另一模型中解释上述 三条发现仍很困难 大爆炸 189 宇宙之中有一个 协调一致的计划 不过我 并不知道为什么要有这计 过去和将来 大爆炸之前发生了什么 因为时空是在 划 大爆炸中产生的 所以这个问题就不是那么有意义了 就像 弗莱德 霍伊尔 Fred Hoyle 年 地球是从哪里开始出现的 或者 地球上北极的北边是哪 里 之类的问题一样 但是数学物理学家的确在多维空间下 通常是 11 维 采用 M 理论和弦论对大爆炸的起源进行了研究 他们研 究弦的物理学以及多维空间中的膜 并引入粒子物理和量子力学思想 尝 试引发宇宙大爆炸 与此同时 有些宇宙学家也讨论了平行宇宙存在的可 能性 与稳态模型不同 大爆炸模型中的宇宙是在不断进化的 宇宙的未 来主要是由受万有引力作用的物质数量及其他拉伸力 包括宇宙膨胀 之间的平衡决定 如果万有引力占了上风 宇宙膨胀在某天就会停止 并开始收缩 形成大爆炸的逆过程 称为大坍缩 这样的生死循环在宇 宙中可能会反复出现 也可能 如果宇宙膨胀和其他斥力 如暗能量 占了上风 所有恒星和星系最终就会分开 宇宙变成黑洞和粒子的孤寂 荒漠 即 大寒冷 状态 近来又出现了一种 歌蒂的宇宙 模型 它 指的是如果引力和斥力达到平衡 宇宙会永远持续膨胀 但膨胀速度逐 渐减慢 编者注 歌蒂的宇宙 英文是 Goldilocks universe 来源 于 格林童话 中金发小姑娘歌蒂在三只小熊家里要喝 既不冷也不 热 刚刚好的粥 的故事 在此引申为宇宙不冷不热 恰到好处 地 适于生命 现代宇宙学认为 歌蒂的宇宙 最有可能是宇宙的最终归 宿 不管怎么说 宇宙总是按其自己的规律行事 终极膨胀

73 190 第五部分 46 时 空 宇 宙 宇宙膨胀 为什么宇宙不管从哪个方向看都是相同的 平行光在太空中传播时 为什么仍保 持平行 让我们能看到一颗颗星星 我们认为问题的答案是宇宙膨胀 亦即初生的宇 宙瞬间膨胀 磨去了皱纹 之后宇宙膨胀与引力正好相互平衡 人们生活的宇宙是很特殊的 向宇宙中看去 能清楚看到众多恒星 和遥远的星系 而且没有失真 其实 出现失真也是很可能的 爱因斯 坦的广义相对论将重力描述为弯曲的时空面 光线在时空面上沿着弯曲 的路径传播 见第 170 页 因而光线可能会交叉错乱 宇宙 人们都说天下没有 免费的午餐这回事 但是 看上去变得扭曲 像是从镜中反射出来的 但整体来说 除 了星系边缘有异常偏差外 光线差不多还是以直线的形式在 宇宙却是最彻底的免费午 宇宙中传播 从观察点到星系边缘中间的视野依旧是清晰的 餐 平坦性 虽然相对论认为时空是弯曲的 天文学家有时 艾伦 古思 Alan Guth 却将宇宙描述为 平坦 的 也就是说 平行的光线 不管 生于 1947 年 在宇宙中传播了多远的距离 最终仍旧保持平行 像是在沿 着平面传播 时空可以被形象地视为橡胶板 重物施加的压力较大 所 形成凹面代表引力 实际上 时空具有多重维度 至少 4 个 即 3 个空 大事年表 公元 1981 年 1992 年 古思提出了宇宙膨胀说 COBE 卫星探测到了冷热斑点 并对其温度进行了测定

74 46 宇宙的形状 按最近的微波背景观测结果 如 WMAP 探测器 威尔金森微波 各向异性探测器 在 2003 年和 2006 年的观测结果 物理学家已能测 定整个宇宙的时空形状 将微波天空的冷热斑点大小与大爆炸理论的 预测结果进行比较 物理学家说明了宇宙是 平的 哪怕平行光束沿 着整个宇宙传播几十亿年之后 它们依然保持平行 间维度和 1 个时间维度 但较难以想象 大爆炸后 宇宙构造也在不 断膨胀 宇宙的形状基本还是像桌面一样 是一个平面 但因为不同物 质形式的存在 这个平面上也存在一些小的凹陷和突起 如此一来 光 线在宇宙中传播时 路径就基本不受影响了 不过在经过大型天体时就 得绕道了 如果物质数量巨大 那么所有物质都会对时空面施加压力 最终使 时空面折叠 使膨胀逆转 在这种情况下 开始相互平行的光线 最终 会汇聚到一点 如果施加压力的物质量太少 时空面就会伸展拉开 平 行光线在经过时空面后就会发散 但实际的宇宙好像是上述两种情形的 折中 物质的数量可在宇宙稳定膨胀的同时 保持宇宙构造的稳定 因 此 宇宙看似达到了精确的平衡 2003 年 WMAP 探测器测出宇宙微波背景辐射 宇宙膨胀 191

75 192 第五部分 时 空 宇 宙 微波背景 微波背景辐射的发现包括了上述所有问 题 这个背景是大爆炸火球的余辉 余辉又发 生了红移 现在的温度是 2.73 开尔文 整个 宇宙的微波背景温度严格为 2.73 开尔文 冷 热斑点与该温度的偏差仅为十万分之一 该温 度至今仍然是所有物体中测得最准确的 宇宙 各向同性 的这种均一性让人感到意外 因为它还很年 轻 其中遥远的区域即便用光速也无法通信 因此这些相隔甚远的区域具有相同的温度这一 事实 的确令人费解 温度的微小波动是宇宙 诞生早期量子波动给我们留下的久远的印迹 宇宙的另一个特点是从各个方向看去均相同 宇宙中 的星系并非集中在一点上 而是在各个方向上均匀分布 乍看好像没什 么 其实却是出乎意料的 使人们困惑的是 宇宙这么大 即便是采用 光速 它的两头也是无法通信的 宇宙只存在了 140 亿年 但宇宙的大 小已经超过了 140 亿光年 因此 哪怕光以传播信号所能达到的最快速 度进行传播 也来不及从宇宙的一头到达另一头 那宇宙的一头怎么知 道另一头是什么样的呢 这就是所谓的 视界问题 视界 是光自宇宙诞生起所能传播的最远距离 外观 1010 年 稳定膨胀 现在 呈一个亮球 因此 宇宙中有一些区域是人无法看到 也永远不可能看到的 从这些区域发射的光无法到达 地球 暴胀 秒 光滑性 宇宙也是相当光滑的 星系在宇宙中均 匀分布 如果斜着看 这些星系会产生均匀的发光 而不是形成一些大的亮斑 实际情况并非一定如此 因为引力的存在 星系随时间增长 最初的星系只是 大爆炸 大爆炸后余下的气体中稍显致密的点 受引力的影响

76 46 宇宙膨胀 193 这些点开始坍缩 形成恒星 最终形成星系 形成星系的过密点是由量 子效应 即炽热幼年宇宙中粒子能量的微小变动产生的 这些致密点不 断放大 形成了星系团 星系团似牛皮 而不似分布广泛 的大海 星系分布图多有丘陵 却鲜见大山脉 急剧增长 宇宙的平坦性 视界和光滑性等问题都可 从一种理论得到解释 暴胀 暴胀理论是于 1981 年由美 国物理学家艾伦 古思提出的 视界问题指的是虽然宇宙 很大 两头无法通信 但从各方向看去却都相同 这表明 宇宙以前曾经很小 光可在其内部所有区域通信 不过今 天的宇宙变得和以前不一样 因此必定有一个暴胀的过程 才形成了今天我们所看到的大宇宙 暴胀阶段一定是非常 快的 比光速还要快得多 这种瞬间的快速膨胀 使宇宙 万物是怎样从随机 量子波动中被创造出来的 经 历 了 150 亿 年 的 风 风 雨 雨 物质是怎样通过如此 复杂的方式才组织成今天 能坐在这里谈话 并按自 己意志工作的人 物理学 定律能给出这些问题的答 案 真是太奇妙了 体积不断变大 并消除了量子扰动带来的微小密度差异 就像气球充气时上面印着的图案颜色会变浅一样 暴胀过 程随后也使引力和膨胀最终达到平衡 此后膨胀的速度就慢下来了 暴 -35 胀几乎是在大爆炸后瞬间 10 秒 发生的 暴胀理论现在尚未得到证明 其根本原因也不甚清楚 理解暴胀理 论是下一代宇宙学实验的目标 这些实验包括获得宇宙微波背景辐射的 明细图及其极化情况 宇宙暴胀 艾伦 古思生于 1947 年

77 194 第五部分 47 时 空 宇 宙 暗物质 宇宙中有90%的物质都不发光 而呈黑色 通过引力效应可以探测到暗物质 但 它却难以与光波或物质发生相互作用 科学家认为暗物质的存在形式有MACHO 大 质量致密天体 死亡退恒星 气态行星 WIMP 弱相互作用重粒子 或者奇异亚 原子粒子 目前 寻找暗物质是物理学研究的前沿 暗物质一词听上去很奇特 或许它也的确是奇特的 而实际上 暗 物质这个定义是很直观的 我们看到宇宙中的物体能发光 是因为它们 本身能发射出光线 或者可以反射光线 恒星闪烁是因为本身能发光 而行星则能反射太阳光 没有光就看不到星星 当月球从地球后方经过 时 我们就看不到了 恒星如果燃烧殆尽 余下的是一个看不见的壳 大如木星的行星 如果失去束缚力的作用 离开太阳太远 也就看不见 了 如此看来 宇宙中大部分的物质都不发光这一事实也就没什么令人 吃惊的了 这些物质就是暗物质 暗面 虽然无法直接看见暗物质 但通过它对其他天体或者光线的 吸引作用还是能探测出其质量 哪怕并不知道月球是存在的 也还是可 以间接推断出它的存在 因为月球的引力会使地球的运行轨道发生略微 的偏移 人们已经利用引力造成的母星摆动发现了围绕遥远恒星运行的 行星 大事年表 公元 1933 年 扎维奇测定了后发星系团 Coma cluster 中的暗物质