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咯噔实验—元素周期表普适宇宙外星系？
热度 15 kiwaho 2016-3-3 12:13
咯噔实验（ Gedanken experiment ）是一种重要的科研方法学，俗称思想实验。百科全书介绍，这种实验经常要离经叛道地想问题，否则，没资格称咯噔。 永垂不朽的物理大师爱因斯坦，也时常动用这一招。 今天，我心里也咯噔一下，冥思苦想一番太阳系之外的其余宇宙到底该神秘到啥程度。 坦白地说，是强大到地球人无法想象的宇宙射线钩起了我的咯噔。 话说 1991 年 10 月 15 日，美国犹他州的一个宇宙射线观测站，探测到有史以来最猛的一颗宇宙射线粒子。其能量不是 MeV 级，也不是 GeV 级， TeV 也太小儿科了，它竟然高达 3*10 20 eV ，即比地球上最高能粒子对撞机加速器产出的 TeV 级，还高 3 亿倍！而这颗“逆天”的粒子仅是一颗剥光电子的裸体铁原子核。 你要是对 20 次方电子伏特没有直观概念的话，那就这样说吧：观测到的能量相当于一只美式棒球以高速行驶的汽车速度（ 100km/h ）飞驰过来 ! 美国人一下懵了，直呼 Oh my God ！经慎重核实不是插头松了或其他因素导致的误判后，庄严地将这颗天外“铁坚强”核，命名为 Oh-My-God粒子 。 纵览全世界常年累月积累的宇宙射线能量谱，平均宇宙射线能量在 300GeV 。 看看地球上的高能物理世界：单个原子核的简单反应，释放的能量大部分在 10MeV 以下；核能发电的铀 U235 原子裂变，放出 200MeV ，即 0.2GeV， 算是一览众山小的极限能量。 天庭里到底在搞啥鬼？竟永不停歇地密集射来地球人无法在本地获得的天量能量！ 不是地球人不想山寨这高档次能量，谁不想与天庭接轨啊，而是想接轨也不具备物理条件--人类身边的这百来号元素没一个争气长脸的！就算全人类不吃不喝、省吃俭用、占尽陆地，造出的粒子加速器，也没法把粒子加速到 Oh-My-God那样的能量级！ 幸亏造物主没有忘记给地球，提供几百公里厚的大气层做缓冲，加上地球磁极偏转带电粒子，要不咱们人类早被来自天堂的高能粒子雨灭绝了！ 我的思想实验 ：说不定系外星球的元素根本就不是地球上的这一套，质子、中子、电子等基本粒子恐怕也与地球不一样。抑或 天庭的元素周期表是个超集 ，地球版只是其中一个子集？基本粒子表也是超集，地球版本的 质子、中子、电子等基本粒子，也只是其旮旯里的一个子集？ 超集元素周期表似乎可能性高一些，如果连基本粒子都与地球不一样，咱们何以知晓砸下来的粒子，大部分能在地球版元素周期表，和地球版基本粒子表中找到呢？ 科学家们承认96%以上的不可知的暗物质、暗能量在宇宙晃荡。我在傻傻地想：这些暗家伙会不会是--那个超集元素周期表中其它子集的元素、和超集基本粒子表中其它子集的粒子呢？ 太阳系这一支的门捷列夫子集已无发现新元素的可能，92号铀元素以上的全都靠加速器来撸。 元素号大于137之后，最里层1s2轨道电子速度，将超过光速。因而137以上元素不存在，人工也不能合成。137恰是宇宙精细结构常数的倒数。 其它咯噔子集内的元素，很可能不能用地球人知道的质子中子电子组成，否则早就发现了。如果由暗重子+暗轻子组成的话，必然得到的是暗原子，因而整个该子集元素“万马齐暗”。或许还不止一个暗子集呢，who konws？ 暗粒子也应有暗反粒子，或许反粒子就是其自身(Majorano类型)，两者相撞就能产生地球人认得出的超能伽玛光子。这暗正+暗反--〉伽玛光子--〉正负电子创生明物质，或许是不同元素表子集内物质转换的渠道之一。 如果真是这样悲催的话，至少宇宙射线的能量奇高之谜，有望说得通：逆天的 能量也许正是来自 暗元素的 核反应，再通过碰撞或其它机制，传递给地球人认得的明元素。 当今天体物理学权威们建立的相关理论，诸如大爆炸、黑洞、中子星、霍金辐射、方励之辐射等等，说白了大部分是“咯噔理论”。 切记：别大惊小怪，这只是一个普通的思想实验，就像著名的“中文房间” (Chinese room) 咯噔实验一样。我并不相信这个实验结果为真，就算读者推荐本文，也不代表认可本咯噔的臆想结果。 科学网不乏咯噔大师。例如，资深咯噔专家 檀成龙 就颇具雄才大略：他设想东水西调让大西北变绿洲！另一个咯噔大枷，就是那个曾作“ 玩的就是心跳 ”的暧昧先生YC啦！ 前几天，引力波着实热闹了一阵子。据说爱因斯坦提出引力波概念，也不过是百思不得其解后的咯噔实验。真没有想到百年之后竟然LIGO实验证实，可喜可贺！ 因百年前的精英物理学家群体，相当一部分具有德意志血统，大伙儿都象德裔带头大哥爱因斯坦那样，整天神叨叨咯噔丫丫的，终于“逼宫”牛津英语字典，收编了这个热门德语词汇：gedanken--纯脑洞臆想也。 蜚声物理界的咯噔实验--薛定谔的猫 参考文献： https://en.wikipedia.org/wiki/Oh-My-God_particle http://baike.baidu.com/view/57369.htm 宇宙射线 http://baike.baidu.com/view/911657.htm 中文房间 http://baike.baidu.com/view/6820411.htm 十大思想实验 http://www.physixfan.com/archives/1423 物理学中十大牛逼的思想实验
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统一路-13-基本粒子知多少
热度 15 tianrong1945 2015-5-21 08:53
13. 基本粒子知多少 1869 年，俄国化学家门捷列夫将化学元素分类排队组成了元素周期表。正是元素分类的这种重复模式，启发了科学家的思维，感觉其中隐藏着物质结构更为深层更为基本的秘密。最后，发现并证实了所有的原子都是由质子、中子、电子组成的结论。 图 13-1 ：从元素周期表到基本粒子表 a ）粒子动物园 1933 年，狄拉克关于正电子存在的预言被证实之后，接连又有好几种反粒子及介子等被陆续发现。特别是上世纪 30 年代发明并开始建造高能回旋粒子加速器之后，发现的新粒子的种类和数量越来越多。到了被科学家们笑称为“粒子家族大爆炸”的 60 年代，观察到的不同粒子高达 200 多种。这其中大部分来自于宇宙射线，其中许多是与强相互作用相关、寿命超短（～ 10 -23 秒）的共振态粒子。接二连三涌现的粒子新品种，也许能使实验物理学家们兴奋雀跃一阵子，但却使得理论物理学家们一筹莫展，似乎还有点脸面无光、忍辱蒙羞的感觉。人们问：难道这两、三百种粒子都是“基本”的吗？物理学家面临着与 19 世纪中期化学家们同样的困境。 同时，在量子场论的理论研究方面也遇到了挫折。尽管狄拉克、费曼等人开创的量子电动力学对处理电磁作用取得了可喜的成功，但将这个理论用于其它相互作用则困难重重。物理学家们所追求的统一理论，企图统一的对象就是组成物质世界的基本粒子以及它们之间的相互作用。到上世纪后期，发现了 200 多种粒子，但相互作用仅仅四种而已：电磁作用、引力、弱相互作用、强相互作用。电磁和引力现象是大家所熟悉的，弱相互作用和强相互作用属于短程力，只在微观世界中起作用，下表是对四种相互作用属性的简单概括。 电磁 引力 弱 强 强度 1/137 10 -39 10 -13 1 范围 ∞ ∞ 10 -17 10 -15 传递子 光子 引力子 W + 、 W - 、 Z 0 胶子 荷 电荷 质量 弱荷 色荷 作用粒子 强子、轻子、光子 所有粒子 强子、轻子 强子 如前所述，上世纪 60 年代，研究四种相互作用的理论碰到了困难。引力就不用说了，至今难以驯服；原来在 QED 中工作良好的重整化方法，应用到弱相互作用中却不那么顺畅；强相互作用对重整化方法倒还算马马虎虎，但是由于相互作用太强了，作为戴森级数和费曼图基础的微扰论难以得到好的计算结果；此外，对称性原理的使用似乎也陷入了困境。这些问题使得场论的发展停滞不前，理论物理学家们有些灰心丧气的感觉。 有人说，危机就是契机，历史总是这样反复玩弄“危机 - 契机”的花招来折磨科学家，它将危机用来吓唬老者，将契机留给年轻一代，理论物理似乎总是年轻人的游戏，这是继承了二十世纪初量子力学发展时代的传统。唯有那永不止步的时间见证了科学史上这一切：有时候充满辉煌和成就，也有时似乎只见困难和谬误，但无论是高潮期还是缓慢期，暗的还是明的，科学本身总会不停地进步和发展。如同植物界动物界的果子或胚胎，都需要有一个生长成熟的过程，拔苗助长是无用的，不是不长苗，时辰尚未到。那时候的物理理论界也如此，新思想孕育等待于沉寂中。 默里·盖尔曼（ Murray Gell-Mann ， 1929 年 - ）出生于纽约曼哈顿，是早年从奥匈帝国移居美国的犹太家庭的后代。盖尔曼记忆超群、兴趣广泛、语言能力极强，曾被同学们誉为“百科全书”，他本来特别喜欢花鸟虫草，各种植物动物，但一不小心误闯入了理论物理的象牙塔中。盖尔曼在耶鲁读本科，麻省修博士，又到著名的普林斯顿研究院呆了一年，正是爱因斯坦在那儿闭门营造统一梦的日子。 1952 年，盖尔曼来到芝加哥大学的费米手下工作，并对强相互作用发生了兴趣。 是什么力将原子核中同带正电荷、本应相互排斥的质子（以及不带电的中子）紧紧地结合在一起？海森伯很早就提出了“同位旋”的概念，试图对此给以某种解释，后来，日本物理学家汤川秀树大胆地为这种作用构造了一个核子间通过介子而传播相互作用的理论模型，并预言了介子的存在。之后，介子得到了实验的证实。尽管汤川秀树的介子理论与现在标准模型对强相互作用的描述不一致，但历史地看，它是人类对强相互作用认识深化的一大进步。 提出“奇异数”的概念是盖尔曼对强相互作用所做的第一项重要贡献 【 1 】 。后来，盖尔曼转到加州理工学院，在李政道和杨振宁提出弱相互作用中宇称不守恒之后，与费曼合作研究弱相互作用。两人成果不凡，盖尔曼和比他大 10 岁的费曼，加州理工学院的这一对天才，成为 50-60 年代物理界最耀眼的明星。许多物理思想在两位对手间激烈的竞争和永无休止的争吵辩论中发展成熟起来，据说这成为加州理工学院物理系的传统风格。包括温伯格在内的许多物理学家对那儿强烈的“攻击性”和“战斗性”都有所体会，到那儿去作报告时务必得作好长时间“激战”的准备。 b ）八正法和夸克模型 1954 年，在布鲁克海文实验室工作的华裔物理学家杨振宁，和他同一办公室的米尔斯（当时仍是哥伦比亚大学的博士生）一起，写了一篇文章 【 2 】 ，提出后来著名的 Yang-Mills 非阿贝尔规范理论，企图仿造外尔用以解决电磁作用的 U(1) 规范理论，用 SU(2) 群来解决强相互作用的问题，但在质量问题上碰到了困难（见下一节）。然而，这个思想却启发了盖尔曼，他开始思考使用群论来表述粒子动物园中的对称性。 比 SU(2) 更复杂一些的下一个群是 SU(3) ，这是一个有 8 个参数的李群，其生成元（盖尔曼矩阵）： SU(3) 群的生成元中有两个对角矩阵，对应于其李代数是 2 阶的。因此， SU(3) 的不可约表示可以用两个非负整数 (p,q) 来表征，不同的组合代表不同的群表示，比如： (0,0) ＝ 1 维表示， (1,0) ＝ 3 维表示， (0,1) ＝ 3 维共轭表示， (1,1) ＝ 8 维表示……，以致更高阶的表示状态，等等。这些表示有可能用以代表物理中的粒子共振态吗？ 盖尔曼将“粒子动物园”中的成员排列到 SU(3) 群的这些表示中。他首先研究 SU(3) 的 8 重态表示，因为自旋为 1/2 的重子正好也有 8 个。他将这 8 个重子按照奇异数和电荷数的不同，排列成了一个正 6 边形图案（图 13-2a ）。在图 13-2 中， S 是奇异数，表示纵向坐标，斜向的对角线表示粒子具有相同的电荷。然后，根据 SU(3) 群的对称性进行研究。接着，盖尔曼如法炮制，又将不同种类的介子也排成了 8 个一组的正 6 边形，得到了他称之为“八正法”模型，据说这个奇怪的名词来源于佛教的“八正道”。 图 13-2 ： SU(3) 群的几种表示 虽然 SU(3) 群是 8 阶李群，但它的表示并不是只限于 8 重态 (1,1) ，还有 10 重态 (3,0) 、 27 重态 (2,2) 等，这些表示又代表哪些粒子呢？况且盖尔曼也不高兴这样没完没了地排下去。此外，还有一个最简单的 3 重态表示也尚未用上，从图 13-2 中，似乎 SU(3) 的这几个表示都可以用 3 重态的图案（三角形）扩展构造而成。 当时的盖尔曼，并非唯一的一个，也不是第一个认识到 SU(3) 群的潜力的人。日本的坂田昌一研究小组 50 年代就提出基于 SU(3) 的坂田模型，他们将质子、中子和 L 粒子作为基本砖块，企图构成其它的重子。盖尔曼，还有以色列的內埃曼（ Yuval Ne'eman ）也都产生了 3 个砖块构造其它粒子的想法，但他们都是认为这 3 个砖块应该是比质子和中子更小、更为基本的某种粒子。 真是无巧不成书，盖尔曼和內埃曼几乎同时独立地预言了 W - 粒子的存在。他们用自旋为 3/2 的粒子填充到 SU(3) 十重态表示的结构中，见图 13.2b ，发现最下面一个位置还空着，那应该对应于一个奇异数 -3 、电荷 -1 、自旋 3/2 、质量约为 1675Mev 的重子。这个粒子在 1964 年被发现，这是对八正法模型的强有力支持。 看起来，数字 3 与强子的构造一定有点关系。质子和中子为什么不可以是由 3 个更基本的粒子构成的呢？让物理学家们在这个念头上止步的原因与电荷有关，因为这个理论需要假设这些更“基本”的砖块具有分数电荷，比如 1/3 个电子电荷。可是，在实验中谁也没见过分数电荷。但没见过的东西不等于不存在，历史上这种事情多的是。最后，盖尔曼终于越过了这个“坎”，开始用这些带分数电荷的东西来构建理论，并且给它们起了一个古怪的名字“夸克”，它来自于盖尔曼当时正在读的乔伊斯的一本小说，盖尔曼欣赏其中的一句：“冲马克王叫三声夸克！”太好了，念起来声音响亮，含义带点莫名其妙的色彩，又与数字 3 有关，真是一个恰当的名字！ 于是，经过了多次的反复和犹豫之后，盖尔曼提出夸克模型 【 3 】 ，认为每个重子由 3 个夸克（或反夸克）组成，每个介子都由两个夸克（或反夸克）构成 【 4 】 。但是，实验中从未观察到单独的夸克，这点可由“夸克禁闭”的理论来解释。 1968 年，斯坦福大学的 SLAC 用深度非弹性散射实验，证明了质子存在内部结构，也间接证明了夸克的存在。之后，又有更多的实验数据验证了强子的夸克模型。盖尔曼因为他对基本粒子的分类及其相互作用的贡献，单独获得了 1969 年的诺贝尔物理奖。 tu-13-1.jpg tu-13-2.jpg 参考资料： 【 1 】 M. Gell-Mann, IsotopicSpin and New Unstable Particles, Phys. Rev. 92, 833-834 1953 【 2 】 Yang, C. N.; Mills, R. (1954). Conservation ofIsotopic Spin and Isotopic Gauge Invariance. Physical Review 96 (1): 191–195. 【 3 】乔治·约翰逊 《奇异之美—— 盖尔曼传》上海科技教育出版社， 2002 【 4 】 M. Gell-Mann (1964). A Schematic Model of Baryonsand Mesons. Physics Letters 8 (3): 214–215. 上一篇：粒子和场 系列科普目录 下一篇： 杨 - 米尔斯规范场
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统一路-12-粒子和场
热度 10 tianrong1945 2015-5-14 05:49
12. 粒子和场 世界的本源是什么？是物质和运动。那么，物质和运动的本源又是什么？如果将“本源”理解为构成世界的最基本成分的话，根据目前大多数物理学家所认可的“标准模型”，这些基本成分归结为 62 种基本粒子（暂且不作具体讨论）和 4 种相互作用。实际上，相互作用在“基本粒子”表中也有它们所对应的“作用传播子”，所以，不妨就可以将世界当作是这 62 种基本粒子组成的。然而，虽然仍然把它们称作基本“粒子”，但它们已经远不是人们脑袋中那种经典的、一个一个小球模样的“粒子”形象了。上面这句话其实不完全正确，对光量子，或电磁场而言，粒子说和波动说一直都在交叉地争夺天下。原来那种“小球粒子”，主要是针对电子、原子、质子、中子一类的“物质粒子”而言的。 是 1900 年诞生的量子力学，摧毁了经典粒子和经典场的形象。所有问题都是这个奇怪的“量子”带来的，量子力学赋予了光波以粒子的属性，又粉碎了实物粒子的经典图像。按照经典的说法，实物由粒子构成，光和引力，是场。但量子力学的诞生模糊了两者的界限。实物粒子表现出波动性，电磁场却表现出了粒子性。上节介绍的路径积分方法十分确切地将这两者统一在同一个思想框架中：量子力学可以被看作是经典运动在微观尺度下的修正，这些修正来源于不同的路径，在相位上相对于经典路径成指数衰减，它们使得经典的轨道和环境都变得“模糊”起来。 既然粒子和场之间是模模糊糊的，并没有明确的界限，为何不干脆将它们都用一种单一的“形象”表达出来呢？回答应该是肯定的，这也算是统一的第一步吧。然后，下一个问题便是：这个形象应该是粒子为本，还是场为本呢？也许你可以说，两者都是“本”，一切都既是粒子又是波。既是波又是粒子。但大多数的人都认为只应该有一个本体，到底哪一个才是更基本的？并且，当物理学界构造理论和数学模型时，也需要决定首先构造哪一个呀。最后，物理学家们选择了“以场为本”，并将此理论取名为“量子场论”。显而易见，量子场论还应该与狭义相对论相容 【 1 ， 2 】 。 历史地看，量子场论的提出与之前介绍过的狄拉克方程有关。狄拉克的电子方程本来是用来解释单个电子的相对论运动状态的，但是，它却引导出了无限多的负能量的能级，为此，狄拉克不得不假设了一个狄拉克“海”的概念，认为真空中的负能级上已经充满了电子，偶然出现一个“洞”，便意味着出现了一个正电子，虽然这个理论成功地预言了正电子的存在，但并不说明这个理论就是完全正确的。狄拉克的本意是像薛定谔方程那样，得到单电子的波函数，最后却想不到拉扯出了无穷多个电子。无穷多个电子存在的状态，还能被称为“真空”吗？真空中无穷多个能级被占据，也导致了无限大又不可测量的能量密度。此外，这种思维方式是基于电子这种费米子所遵循的泡利不相容原理。如果试图以类似的方式来建立玻色子的方程就不适用了，因为玻色子并不受泡利不相容原理的束缚。既然狄拉克海的解释涉及到了无穷多个电子，还不如一开始就考虑多电子的运动而不要只考虑单电子的运动。正电子也可以从一开始就冠冕堂皇地进入理论中，而没有必要作为真空的一个空洞而出现。所以，狄拉克海的假设虽然不完善，这种“真空不空”的思想却被大家接受并移植到量子场论中。对量子场论还有另外一个要求：要能够处理粒子数变化的情形。量子力学提供的是单电子图景，电子数是固定的，永远是那一个电子。而描述光子运动的麦克斯韦电磁理论，虽然方程描述的电磁场是弥漫于空间中的“场”，但是，也无法处理光子数改变的情况，比如说，应该如何描述原子中因为电子状态的跃迁而辐射光子的过程？如果系统中本来没有任何经典电磁场存在，为什么突然就冒出了几个光子呢？这种现象是经典电磁场无法解释的。 按照量子场论的观点，每一种基本粒子，都应该有一个与它对应的场，这些场互相渗透、作用、交汇在一起，就像大气那样，充满了整个空间。真空被看作是各种量子场的基态，粒子则被看成是场的瞬息激发态，例如，电子和正电子是电子场的激发态，夸克是夸克场的激发态……。不同的激发态，有不同的粒子数和不同的粒子状态。不同场之间的相互作用，引起各种粒子的碰撞、生成、湮灭等等过程，用作用在这些量子态上的算符（包括产生、湮灭、粒子数算符等）来描述。上世纪 20 年代末，狄拉克、约旦和维格纳等人，为量子场论建立了一套称之为“正则量子化”的数学模型，根据这个模型，麦克斯韦的电磁场，以及从薛定谔方程、狄拉克方程等解出的波函数，都可以被量子化。人们将这种方法称为“二次量子化”，意思是有别于量子力学中求解波函数的量子化过程。 实际上，“二次量子化”只是一种因为历史过程而形成的说法。从费曼路径积分的观点，可以说不存在什么“一次”“二次”量子化的问题，因为路径积分的思想对两者是一样的，只是讨论的对象不同而已。量子力学中研究的是单粒子的时空运动：一个粒子从时空中一个点到达另一个点的总概率幅，等于所有可能路径的概率幅之和。在量子场论中，研究的是系统量子态的演化：系统从一个状态过渡到另一个状态的总概率幅，也是等于所有可能演化路径的概率幅之和。两种情形下的路径积分，用的是形式相类似的同一公式： 图 12-1 ：量子场论中的路径积分 路径积分应用到量子力学和量子场论的区别只是在于积分的空间不同，以及拉格朗日量表达式的不同。量子场论路径积分表达式（ 12-1 ）中包含两个积分：一是对所有路径贡献的概率幅求和，对各种不同系统而言，在它可能历经的所有路径构成的空间中进行。出现在指数函数中的另一个积分，是对某个给定的路径，从拉格朗日函数密度计算作用量时的积分，在场分布的真实空间中进行。因为量子场论是量子力学和相对论结合而成，第二个积分空间的维数通常是（ n=1+m ）。当 m=3 时，这是包括时间和 3 维空间的闵可夫斯基空间（不考虑引力的话）。当 m=0 的时候，计算作用量的积分空间只有一维时间轴（ t ），公式（ 12-1 ）便简化回归到单粒子量子力学的情况。另外，空间维数 m 也可以扩展到大于 3 的情形，等于 10 或者别的什么正整数值都行，其数学表达式都是类似的，只需要根据具体情况将物理意义加以推广到高维而已。 路径积分表达式（ 12-1 ）是最小作用量原理的量子场论版，我们在上一节中曾经指出：对应于作用量最小的那条轨道是经典粒子的轨道，如果令 S 的变分为 0 ，可以得到欧拉 - 拉格朗日方程，再进一步可以导出经典粒子的运动规律，即牛顿定律。类似地，从（ 12-1 ）式出发，设定变分为 0 ，也能对应于一条系统演化的经典轨道。相应的欧拉 - 拉格朗日方程被称为 Schwinger–Dyson 方程。换言之，从量子场论的观点看， Schwinger–Dyson 方程是欧拉 - 拉格朗日方程的量子场论版，是该系统的某种经典场描述。例如，对标量场而言，在一定的条件下， Schwinger–Dyson 方程成为克莱因 - 高登方程。换句话说，从量子场论的观点看，量子力学中描述单粒子运动的波函数是一种经典场。 无论是用正则方法，还是用路径积分，量子场论中的具体计算都不容易，对复杂的系统更是困难重重。比如说，所谓的“路径空间”实际上是一个无穷维的空间，积分是无穷维重积分，一般无法精确计算。 不过，观察一下（ 12-1 ）中的两个积分可知，路径积分的计算结果依赖于拉格朗日函数的具体形式。我们在本系列第 4 节中介绍了经典粒子及场的拉氏函数，大致都是如图 12-2 中所示的某种“动能减势能”的形式。 图 12-2 ：拉格朗日函数 动能部分稍微好办一些，因为它们是场（或者场的微分）的二次项。如果没有后面势能 l V( f ) 一项的话，经过一系列繁复的代数运算之后，最终可以将路径积分的结果表示成图中所示的高斯积分的形式。势能项描述的是相互作用，当相互作用比较小而被忽略不予考虑的情况下，得到的便是“自由场”的结果。 对于复杂而任意变化的相互作用，物理学家也想出了一些可行的办法。因为势能部分 l V( f ) 的大小取决于相互作用常数（假设为 l ），当 l 比较小的时候，可以将拉氏函数中包括 l V( f ) 的指数函数用 l 的泰勒级数展开，展开式通常被称为戴森级数，它描述了相互作用对自由场的各级修正。 费曼提出了一种形象化的方法来表示戴森级数，叫做费曼图。费曼给费曼图制定了一套简单形象的规则，可以很方便地计算粒子因相互作用产生的各种反应的散射截面（即发生反应的可能性），欲知详情，请见参考资料中所列的任何一本量子场论参考书 【 1 ， 2 ， 3 】 。 费曼图的两个简单例子如图 12-3 所示，描述了发生在 2 维时空（ x, t ）中的相互作用。 图 12-3 ：费曼图 图 12-3a ：时空点 1 的电子，和时空点 2 的正电子，在时空点 3 相遇并湮灭，产生一个虚光子。虚光子运动到时空点 4 时，生成夸克和反夸克，反夸克在时空点 5 发射一个胶子。最后，夸克运动到 6 ，反夸克到 7 。 图 12-3b ：电子从时空点 1 运动到 2 的费曼图，最左边的图是没有产生虚光子的直接路径；第二个图中产生一个光子，后来又吸收了这个光子；第三个图包括了两次产生和吸收光子的过程；第四个图是更高阶的修正。 量子场论“以场为本”，认为粒子只是场的“激发态”，犹如水波中的涟漪。但是，对如此而定义的“场”的本质，应该如何理解？它们到底是某种物理实在，还是仅仅是为了“激发”出可观测“粒子”而使用的一种数学方法？这仍然是物理学界难以回答、颇存争议的问题。不过，类比电磁场的例子，笔者认为，“场”和“粒子”两者都应该是物理实在，这种观点似乎更具有说服力。对此，你的答案是什么呢？ 参考文献： 【 1 】 M. E. Peskin and D. V. Schroeder ， An Introduction to Quantum Field Theory ， RedwoodCity: Addison-Wesley ， 1995 【 2 】 Stephen Weinberg ， The QuantumTheory of Fields ， Cambridge University Press ， 1996 【 3 】 A. Zee ， Quantum Field Theory in a Nutshell ， PrincetonUniversity Press ， 2003 ，好像有中译本。 上一篇：费曼的游戏 系列科普目录 下一篇：基本粒子知多少
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半个世纪后的大奖：２０１３年诺贝尔物理奖介绍
热度 10 fouyang 2015-1-21 07:58
上个世纪中叶，是物理学的黄金时期之一。四十年代后期，费曼等人发明了重整化技术，首次为量子电动力学提供了实用的计算工具，电磁力成为了人们在量子层次上了解的第一种自然相互作用。从那以后短短二十多年，到七十年代初 “标准模型”问世。它涵盖了自然界四种相互作用中的三种：电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用。标准模型奠定了基本粒子物理的框架。它所应用的场论方法也在其它物理领域做出了重大贡献。相比于之后的四十年，那二十多年物理学的进展真可说是“沧海桑田”。直到今天，诺贝尔奖中还有很多那个时代的成果。 ２０１３年的诺贝尔物理奖，表彰的就是那个年代的一个重要工作： BEH 机制（又称希格斯机制）。 在量子电动力学确立后，人们就自然把眼光投向主宰原子核以及更小尺度的弱相互作用和强相互作用，希望用同样的场论工具去了解这两种自然力。不仅如此，人们还希望这个新理论不仅能解释相互作用，还能给当时看来杂乱无章的基本粒子家族带来一个和谐的结构。 当然，要解释已知的自然现象，有很多理论的选项。但物理学家有着独特的“品味”，给这些理论加上了种种限制。其中最重要的有两个。一个是必须可重整化，否则现有的大量物理和数学工具都无用武之地。（今天，量子引力理论的一个大困难也是重整化。）另一个是必须满足某些对称性，如与相对论有关的洛伦茨对称，导致电荷守恒的规范对称，以及电荷，时间和宇称反演的 CPT 对称等。不满足对称性的理论不一定就错，但它挑战了已有的物理图景，所以必须有非常强的实验证据才能被接受（杨振宁，李政道发展的宇称守恒破缺理论就是一个例子）。对物理学家来说，同样能解释实验结果的理论中，对称性越强的就越优美。（重整化是一个相当特别的数学概念，这里提过就算。关于对称，守恒和下面将要讲到的对称破缺，请见文末所引的２００８年诺贝尔物理奖介绍文章。） 到了六十年代初，有两个新理论给人们带来了希望。一个是２００８年得了诺贝尔奖的对称破缺理论。南部（ YoichiroNambu ）和戈德斯通（ JeffreyGoldstone ）指出，如果一个场的自相互作用满足一些很普遍的性质，那么它的基态就不是一无所有，而是因为对称破缺而有一些粒子存在，称为戈德斯通玻色子。（玻色子是自旋为整数的一类基本粒子，它的特性在本文中无关紧要。）另一个工具是杨振宁（ ChenNing Yang ）和米尔斯（ RobertMills ）在五十年代发展的杨－米尔斯场理论。它引入了一种更为复杂的对称性（称为规范对称，但比上面说的电荷守恒的规范更加一般化），从而有希望产生更多的粒子来重现基本粒子的家族。看来，通过这些理论应该能建立关于核子和基本粒子的模型了。 但是这其中有个非常重大的困难。根据量子理论，相互作用的“场”都有对应的“介质”粒子。例如，电磁场对应的粒子是光子。上面说的两种理论，其对应的粒子中都有质量为零的成员。特别是杨－米尔斯理论中，规范对称性要求所有粒子的质量都为零。但是，质量为零的粒子对应的场是长距的，也就是其强度随距离的平方而衰减。例如，光子质量为零，而对应的电磁场就是长距的（引力也是）。但核子世界中的强，弱相互作用都是短距的（也就是强度随距离衰减得非常快），所以不应该有质量为零的粒子产生。这个“零质量”粒子问题，成了这两个理论的克星。 柳暗花明又一村。兼通粒子物理和凝聚态物理的大师安德森（ Philip Anderson ）提出了一个直觉：把这两种理论结合起来，那些零质量粒子会相互抵消。这个直觉在１９６４年被三篇几乎同时发表的论文证实了。如果在杨－米尔斯场和戈德斯通场之间引入一个相互作用，那两个零质量的粒子就会结合成一个有质量的粒子。再加上其它本来就有的有质量粒子。这样，解决那些短距作用就有希望了。这就是所谓的 BEH 机制（或称希格斯机制）。 与许多开创性的物理工作一样，最初的论文用的是一个很简单体系来阐述这个理论，以便直接触及问题的精髓。在得到了“在规范守恒前提下赋予粒子质量”这个核心成果后，人们就把同样的思路用于更为复杂的场论体系，来描述现实的基本粒子体系。没过几年，基于 BEH 机制的“弱，电统一理论”就建立了。弱电统一理论包含了杨－米尔斯规范场和希格斯场（类似于上面说到的戈德斯通场）。在低能状态下，通过对称破缺，以及规范场与希格斯场的相互作用，原来规范场中没有质量的四个粒子变成了一个无质量的玻色子－光子（对应于电磁场）和三个有质量的玻色子－ W+,W- 和 Z （对应于弱相互作用）。在此基础上再加上同时发展起来的描写强作用的量子色动力学，最终导致了七十年代初“标准模型”的建立，从而将电磁相互作用，和弱相互作用和强相互作用都统一到了同一个理论之中。 提出这个“质量产生机制”的三篇论文中的一篇的作者是在比利时的恩格勒（ F. Englert ）和布罗特（ R.Brout ），后者已逝世。另一篇的作者是在苏格兰的希格斯（ P.Higgs ）。２０１３年诺贝尔物理奖就由恩格勒与希格斯分享了。还有一篇论文的三个作者虽然与诺贝尔奖“擦肩而过”，但在同行中还是得到广泛承认的。这种两个场相互作用的机制常被称为“希格斯机制”，也被称为以三位作者命名的 BEH 机制或以六位作者命名的 EBHGHK 机制。２０１０年（希格斯粒子被证实之前），美国物理学会表彰高能物理学家的樱井奖（ J.J.Sakurai Prize ）颁发给了这六位物理学家。 当年，希格斯的论文首先投到了欧洲的《物理通信》杂志，却被退稿，理由是“与物理关系不大”。于是他修改了一下然后投到了美国的《物理评论通信》。为了增加“物理含量”，他明确点出了这个理论的一个预言：希格斯粒子。这次，论文很快就被接受发表了。于是“希格斯粒子”就这样诞生了。希格斯粒子并非这个理论的中心。它只是一个副产品，是戈德斯通场那个无质量粒子被“吞并”后，留下的另一个有质量的粒子。 标准模型建立以后，它所预言的基本粒子在高能物理实验中相继现身，各种参数和细节也都与理论相符。所以标准模型的正确性至今已经基本没有异议了。而希格斯粒子则成了这个模型中最后一个未经实验证实的部分。在标准模型中，希格斯粒子也可算是个“异数”：它是唯一一个自旋为零的粒子（称为标量粒子）。而且它的质量是一个“自由参数”，不能从其它物理参数中推导出来。有不少粒子物理学家不完全相信 BEH 机制，而希望找到新的物理原理来解释质量的来源。所以希格斯粒子的发现，最终证明了 BEH 机制的正确，给标准模型的实验证明画上了一个句号。 这次发现希格斯粒子的大型强子对撞机（ LHC ），从上世纪八十年代就开始计划了。经过近三十年的设计和建造（期间美国还搞了个半途而废的超导超大型对撞机 SSC ），这个耗资约八十亿美元（不含运行费用）的巨无霸终于在２０１０年开始物理测量。２０１１年，在 LHC 上开始了寻找希格斯粒子的努力。经过一年多的数据积累，两个研究团队在２０１２年７月宣布发现了希格斯粒子。其实，寻找希格斯粒子的努力在 LHC 运行之前已经进行了很久了。由于无法在理论上预计它的质量，寻找希格斯粒子比“大海捞针”还要困难千百倍。经过很多年的努力，人们逐渐缩小了它的质量的可能范围。这才给 LHC 的“临门一脚”创造了条件。 找到希格斯粒子，可算是给 BEH 机制和标准模型的最终认定。但它同时也开创了好几个新的研究领域。首先，希格斯粒子的质量揭示了关于标准模型中戈德斯通场的强度。如果这个强度太低，我们的宇宙就不稳定，有可能因为偶然涨落而灾变。按照测量到的质量推算，这种灾变的确有可能发生，但几率非常小（大概每１０的１００次方年发生一次，而目前宇宙的“年龄”只有１０的１０次方年）。所以也许是我们至今运气还不是太坏，也许是有目前未知的物理机制保障了宇宙的稳定。 “暗物质”是宇宙学和基本粒子研究的另一个热点。在宇宙中，暗物质的量是我们熟知的“平常物质”的五倍多（还有一大半是暗能量，这里暂且不表）。但是除了它的引力效应外，暗物质却是看不见摸不着的，因为它似乎与“平常物质”没有相互作用。目前有几种理论，预言某些基本粒子会与暗物质相互作用。但实验上至今未能找到证据，使得这种可能性越来越小。于是，希格斯粒子可说是唯一的希望了。据推测，也许未来几年就有足够数据来探测这种相互作用，从而检验目前的某些暗物质理论了。 虽然 BEH 机制早已得到证实而且成为基本粒子理论的基石，它的发明人却要等半个世纪，到了希格斯粒子“现身”以后才能得到诺贝尔奖。在诺贝尔委员会的官方科学介绍中，几乎一半的篇幅是关于寻找希格斯粒子的实验努力，特别是 LHC 的实验工作，虽然那两个几千人的实验团队并未得奖。不管怎样，希格斯粒子的发现使得当今最宏大的物理设备 LHC 显得物有所值（当然它也支持很多其它重要的研究项目，包括超越标准模型的探索）。 虽然标准模型是物理研究中的一个划时代成就，但它显然不是终结的物理理论。一个最重要，也是最显然的弱点是它不能包括万有引力理论。这是个困扰了理论物理学家半个多世纪的问题，至今大家还在摸索之中。除此之外，标准模型也不能自然地解释中微子为何有质量，为何有暗物质等一些问题。另外，标准模型中要求自然界存在一些非常精巧的平衡，也就是说有些自然参数的数值如果变化一点点，我们的世界就会大不一样。在物理学家看来，这种“巧合”背后很可能有更深的自然规律。而这种“精巧平衡”的一个表现，就是希格斯粒子的质量是如此之小（虽然它在标准模型中已经是最重的了）。 所以，希格斯粒子既是标准模型中最后被发现的成员，也很有希望成为标准模型以外的物理现象（例如前面说到的暗物质问题）的探针。详细研究希格斯粒子不仅有助于完善标准模型，也是跨出标准模型，寻找新的物理理论的重要一步。为此，我们就需要更强大的加速器。 LHC 即将进行升级增加亮度和能量，以便更精确地测量希格斯粒子的参数。 LHC 的所在地欧洲核子研究中心（ CERN ）正在研究计划一个８０到１００公里轨道周长的“未来环形对撞机”（ FutureCircular Collider ）。它的第一步是一千二百亿电子伏的正负电子对撞机（ LHC 是正负质子对撞），其主要功能就是进一步研究希格斯粒子。对于研究希格斯粒子这个目的，电子对撞要比质子对撞更容易精确控制，背景噪声也更少。 FCC 的下一步是升级到一百万亿电子伏的质子对撞（比 HLC 的十四万亿电子伏高出一个数量级），以便检验试图包含引力的“超对称”理论的一些预言。中国也在筹划一个类似的计划。 然而，在这兴奋的时候，我们也要认识到，在加速器越来越昂贵而研究经费越来越紧张的今天，用加速器实验这种“大军团作战”的方式来验证基本粒子理论的做法恐怕是难以持久了。基本粒子理论和宇宙学要继续发展，也许需要走出一条新路来。 参考文章： “ The BEH-Mechanism, Interactions with Short Range Forcesand Scalar Particles - Scientific Background on the Nobel Prize in Physics 2013” http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2013/advanced-physicsprize2013.pdf “2013 Nobel Prize in Physics” http://www.aps.org/publications/apsnews/updates/nobel13.cfm “The future of the Higgs boson” http://scitation.aip.org/content/aip/magazine/physicstoday/article/66/12/10.1063/PT.3.2212 有关博文： 衔接量子与经典物理：２０１２年物理诺贝尔奖介绍 http://blog.sciencenet.cn/blog-309766-683773.html 谈谈 2011 年物理诺贝尔奖：成功的道路很多条 http://blog.sciencenet.cn/blog-309766-537920.html 石墨烯的传奇： 2010 年诺贝尔物理奖介绍 http://blog.sciencenet.cn/blog-309766-423262.html 诺贝尔物理奖介绍 2009: 闲谈 CCD http://blog.creaders.net/fouyang/user_blog_diary.php?did=55767 http://blog.sciencenet.cn/blog-309766-296228.html 诺贝尔物理奖介绍 2009: 闲谈光纤 http://blog.sciencenet.cn/blog-309766-291771.html1 对称破缺之美： 2008 年物理诺贝尔奖工作介绍 http://blog.sciencenet.cn/blog-309766-488650.html 诺贝尔物理奖介绍 2007 ：巨磁阻和自旋电子学 http://blog.sciencenet.cn/blog-309766-390041.html
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当前量子场论中的几个疑问（2）
热度 3 chenfap 2014-2-26 12:33
当前量子场论中的几个疑问（2） 常有人询问，一对正反粒子为何会湮灭？一个较为普遍的回答是：“这是由于这两个粒子的重子数或轻子数一正一负，致使其总数为零的缘故”。但这不过是实验事实的总结，还没有表示出物理本质。对于这个问题还可以提出如下看法：“倘若认为正粒子的质量为正值，反粒子的质量为负值，但两者绝对值相等，则当正反粒子相碰时，正负质量相消为零，因之正、反粒子便湮灭了”。这种看法可以认为是反映了物理本质并肯定了质量守恒。 那么，反粒子的质量是否为负值呢？还可更一般地问，是否存在质量为负值的粒子呢？这类问题一直有物理学者在研究。令人难解的是，质量为负值的粒子总是有一些奇怪的表现，例如质量为正的粒子吸引质量为负的粒子，而质量为负的粒子排斥质量为正的粒子，可形成质量为负的粒子追赶质量为正的粒子之现象 。如果是反粒子追赶同类的正粒子，还可使它们的加速度完全相同，速度也完全相同，致使它们不可能相碰，也就不能湮灭了。可是，到目前为止，上述这些表现，既没有实验证实，也没有实验否定。 在场论中，于一定条件下，可以证明正能量定理，即一个孤立的物质体系之能量为正值。由于当物质体系静止时，其能量正比于质量。因之在量子场论中，通常认为粒子的能量恒为正，粒子的质量也恒为正。可是在另一方面，于量子场论中，不仅考虑了波动方程的正能解，还考虑了波动方程的负能解，但把正能解和负能解分别对应于粒子的消灭和产生，但这种对应主要是用数学公式来表示，其物理实质解释得不够。 上述讨论都表明在当前的量子场论和基本粒子理论中，还存在很多缺点和疑问。对其重新进行分析探讨是很有必要的。本博主还认为，有些分析探讨不必等到新一代的粒子加速器的建成，无论是在实验和理论方面，都可以做些工作。 参考文献 H. Bondi. Negative Mass in General Relativity , Rev. Mod. Phys. 29, 423.
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当前量子场论中的几个疑问（1）
热度 1 chenfap 2014-2-16 12:06
就当前的物理理论来说，研究基本粒子的理论基础是量子场量。在当前，所谓量子场论的主要内容和特点是：1、它符合狭义相对论，这意味着时空的度规可取为（1-1-1-1）；2、它认为物质存在的形式可以为质点，也可以为场，质点的物质在时空中可以看成是一个4维的几何点，而场的物质往往是分布在时空中某可变的4维体积内，对于质点，其质量m与能量E的关系必满足 (E/c)2-(p1)2-(p2)2-(p3)2= m2c2 (1) 3、物质具有量子性，所谓量子性，对于质点来说，表现为要满足测不准原理，即质点的位置、动量不可能同时都有一确定的数值，并且质点的各个物理量均表现为算符，场的量子性则表现为：场量及其正则动量要满足一定的对易关系。此外，对当前的量子场论，还可列举一些主要内容和特点，例如要满足定域规范不变性等等，由于与本文关系不太大，我们就不一一列举了。本文要着重指出的是：4、当前的量子场论所讨论的Klein-Gordon 场和 Dirac 场均是以质点形式存在的单粒子物质所产生的场，这只要从它们的场方程均满足式（1）就可得知。 在牛顿质点力学的理论中，也曾认为质点可产生引力场，后来随着牛顿力学的引力场论的发展，便逐渐认为引力场是连续分布于空间中的质量（称为质量密度）所产生的，因为这样更符合场论的观点。同样道理，我认为在当前的量子场论中，只考虑以质点形式存在的单粒子物质所产生的场，而不去研究连续分布于空间中的质量密度所产生的场，应当是个问题。 当前的量子场论中的问题和缺点还有一些，本文将陆续对之作些讨论。希格斯粒子得到确认后，有人认为，基本粒子的标准模型已达到完美。科学网著名的博主鲍得海则认为“标准模型一点也不完美！（甚至可以说很丑陋！）”。我认为鲍博主的看法有道理。目前，一些世界一流的物理学家正在开始讨论：希格斯粒子发现之后，基础物理学向何处发展？这正表明，当前的理论还存在问题。对于“基础物理学将向何处发展？”这个问题，有些人认为，须要等待实验的结果。当然，最终的结论要由实验事实来决定。但在等待实验结果的同时，仍可对原有理论框架，作些分析讨论。这不仅物理学者可以做，懂得量子场论和基本粒子理论的理论物理爱好者也可以做。我只是个理论物理的爱好者，限于学识和精力，要深入研究量子场论和基本粒子理论存在的问题已不可能了，但发现理论中的疑问还是有可能的，这就是我写作本文的动机。
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关于相对论中不存在质量守恒规律的对话
热度 2 chenfap 2013-11-23 12:54
关于相对论中不存在质量守恒规律的对话 乙：此博曾发表过博文，认为在相对论和基本粒子理论中，不存在质量守恒规律，我认为其证明可能有错误。因为在证明中只考虑了粒子的质量，没有考虑了粒子之间的相互作用所对应的质量，但粒子之间的相互作用是具有能量（势能或结合能）的，而一定的能量要对应着一定的质量。 甲：这个证明可能说的不够详细，但我认为它没有错误。在相对论和基本粒子理论中于一定的条件下，一个物质体系可以全部用粒子来表达。若采用这种表达，当两个粒子存在相互作用时，其中一个粒子放出表示该相互作用的虚粒子，之后另一粒子则吸收这个虚粒子。所说的证明就是采用这种看法的，要注意虚粒子也有能量和质量的，故证明中应包括了虚粒子（但未强调指出，这是缺点！）。既然整个物质体系（包括相互作用）全部用粒子来表达了，就不应当再重复考虑势能或结合能所对应着的质量。 乙：一个物质体系也可以部分用粒子、部分用场来表达；如果用场来表达相互作用，这相互作用的能量和质量就应当考虑吧，结果会如何呢？ 甲：对。如果用场来表达相互作用，这相互作用的能量和质量就必须考虑。但要
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寻求诺贝尔物理学奖得主：还有两种基本粒子
Moneypond 2013-10-15 09:06
比利时 物理学家弗朗索瓦·恩格勒特和 英国 物理学家彼得·希格斯描述了粒子物理学的标准模型，其预测的基本粒子—— 希格斯玻色子 ，被欧洲核子研究中心运行的大型强子 对撞机 通过实验发现。因此获得2013年诺贝尔物理学奖。 其实，标准模型不标准。还有2种基本粒子未被发现。本人不是物理工作者，也不能提供科学依据。仅在此处提出此说，待有心人证明之。如世人不笑我无知，甚幸！
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CERN Announcement。麻将牌凑齐了，可以和了
热度 2 liwei999 2012-7-6 08:18
Re: CERN Announcement 麻将牌凑齐了，可以和了。基本粒子在理论上有17个，至今只发现了16个： 作者: mirror (*) 日期: 07/04/2012 08:30:19 4个规玻色粒子，掌管着4种基本的力，有6个轻子，6个夸克。轻子里有著名的电子， 夸克以前登过图片，top是捂着上边儿，down是捂着下边儿。他们的组合，构成了原子。通俗地说，4种规玻色粒子是胶，12种轻子夸克是砖、是费米子。胶和砖构成了物质世界。 这是一章，是说组织结构的。 另有一章是说时间发展的。宇宙从开始到今天有过四次相变。1次分出一个力去，4个力用了三次，时间分别是在10 -44 sec、10 -36 sec和10 -11 sec处。在第二次相变时，这16个基本粒子还没有质量呢。当然，今天也有没有的，比如光子。宇宙的大小大约在水星轨道内的空间。今天的自然界是在第三次相变时诞生的，这时有个机制给了他们质量。这个机制叫做希格斯机制，其中参与者的名字叫希格斯粒子。是个玻色粒子。 然后就是第四次相变，在10 -4 sec时，宇宙的大小是太阳系大小，今天宇宙间所有的东西都在这个空间里，1cc的质量1t重的密度。 今天的宇宙时间是5x10 17 sec，135亿年。 这个粒子的发现有啥重大意义呢？就是说，这些故事不是“编”的，而是认为是 被证实了的 、 确实存在过的 事儿（东西）。人能“造”圣经，也可以“造”宇宙。这就是今天科学的本领。 ---------- 就“是”论事儿，就“事儿”论是，就“事儿”论“事儿”。 Re: 叫好！ 谈恋爱时管用，过日子时不管用。 作者: mirror (*) 日期: 07/04/2012 08:46:38 写这样故事的人只有有钱人出钱养着。同样编故事的小说家要靠市场养着。能养到什么档次的人物、机器，是个“符号”。 类似经历在座的都有过：家里来客人了，当然要撮一顿（鼻、口），聊一阵（嘴、耳），然后呢，有稀罕东西就要给大家披露一番、解释一番了（赏心悦目）。大约是这么个分类。 镜某的这样的分类法，按现代构造主义的说法，与宇宙诞生的故事是“相似”的。这样看，不会总是想着为什么人家过得比咱好了，就容易找到幸福了。 找宝石、造博物馆的时代过去了，如今是到月球上那个石头的时代了。怎么找新鲜事儿呢？就让这帮人搞个“宇宙考古学”吧。 ---------- 就“是”论事儿，就“事儿”论是，就“事儿”论“事儿”。 镜某也是“不懂”，也就是个“知道”、知道的连贯些罢了。 作者: mirror (*) 日期: 07/04/2012 19:45:44 一般人就了解到原子的层次。再高一些就是原子核，这在今天也不被看好了，然后是基本粒子。 佛门前的小和尚也会念 几句经。听多了，就不怵了。 还要有一轮。因为质子对撞“太脏”，质量不好。但质子的能量大，所以先行。 作者: mirror (*) 日期: 07/04/2012 20:45:28 然后再用电子对撞的办法改善品质。电子是基本粒子，对撞后的结果干净。电子很小，加速起来容易，但是加高能量不容易 。能量都在拐弯处被同步辐射带走了。这个事情与日常的感觉是相通的：轻的棉花加不上能量，重的铅球就使得上劲了。 这次希格斯粒子的能量区知道了，建设电子加速器的事情也就好办多了。为了避免辐射损失，他们正在商议做一条30km长的直线对撞机。 处理对撞的结果，需要一个巨大的数据处理系统。前沿工作的好处就是可以用到最好的东西。没有的话，可以造。这对年轻人来说，是难得的机会。因此，也吸引有理想、有能力的人到那个领域里。 ---------- 就“是”论事儿，就“事儿”论是，就“事儿”论“事儿”。
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《核与粒子物理导论》许咨宗
ustcpress 2012-4-19 16:09
《核与粒子物理导论》许咨宗
丛书：中国科学技术大学精品教材（“十一五”、“十二五”国家重点图书出版规划项目） 出版日期：2009年8月 出版社：中国科学技术大学出版社 书号（ISBN）：978-7-312-02310-1 页码：456页（16开） 定价：48.00元 编辑邮箱： edit@ustc.edu.cn （欢迎来索要目录、样章的PDF） 当当网购买地址： http://product.dangdang.com/product.aspx?product_id=20695446 【 内容简介 】 本书讲述近代物理学中的原子核物理和粒子物理的基础知识，内容包括研究核与粒子的基本实验方法（第 1 ， 2 ， 4 ， 12 章），核与粒子的基本性质（第 3 章）、结构（第 7 ， 9 章）、相互作用（第 8 ， 10 章）以及不同相互作用过程遵循的守恒定律（第 5 ， 6 章），并简要讨论了与宇宙学相关的一些核与粒子物理问题（第 11 章）。《核与粒子物理导论》侧重对基本物理定律、基本物理概念的介绍，为实验物理的学生提供简要的理论背景知识，为理论物理的学生提供简单的实验背景知识。本书适合作为物理系近代物理专业本科生和研究生的教材，也可供相关研究人员参考。 【 作者简介 】 许咨宗，中国科学技术大学近代物理系教授、博导。 1958 — 1963 年在中国科学技术大学本科学习，毕业于实验原子核物理专业， 1963 — 1966 在中国科学技术大学（中国科学院研究生院）师从梅镇岳先生攻读实验原子核物理专业硕士研究生， 1967 年毕业留校 , 聘任为近代物理系助教。 1983 年晋升副教授， 1993 年晋升教授。享受国务院特殊津贴。
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米拉围脖：狼狈可以为奸
liwei999 2011-11-30 16:45
狼狈还能为奸，不同领域的人之间更应该合作。 作者: mirror (*) 日期: 11/24/2011 07:35:48 最好的“狼狈为奸”的要数基本粒子和加速器两家了。要钱的是基本粒子的人，用钱的是加速器的人 。一个技术，只有别人用了，尤其是化学的人用后，事态就大不一样了。 ---------- 就“是”论事儿，就“事儿”论是，就“事儿”论“事儿”。 事情的提法比较微妙。应该说依然是粒子物理是“主要客户”。 作者: mirror (*) 日期: 11/24/2011 17:45:25 这是看“主”和“要”。如果看数量和人数，医疗用的加速器也许最多。不过从能量上看，癌症治疗用的加速器都很小。 ---------- 就“是”论事儿，就“事儿”论是，就“事儿”论“事儿”。 生物领域里也有干不完的活儿，而且是说为了人类的健康。 作者: mirror (*) 日期: 11/24/2011 08:18:37 有了这面“锦旗”，很多事情就都可以“忽悠”了。 ---------- 就“是”论事儿，就“事儿”论是，就“事儿”论“事儿”。
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"基本粒子”(中外学界的定义)不等于中医的”气”
热度 1 jitaowang 2011-7-7 01:16
作者 王季陶 ” 基本粒子 ”( 中外学界的定义 ) ¹ 中医的 ” 气 ”( 中外学界的定义 ?) “ 基本粒子 ” 是一个近代科学中的名词 . 它不等于所谓 ” 中外学界的定义 ” 中医的 ” 气 ”. 许培扬老师的中医的 ” 气 ” 一文中在 科技名词定义 “ 气 ” 的下方 , 删除了一个重要的标注 . 以及 ” 官方 ” 定义和 ” 其他概念 ” 的分界线 . 因此某种意义上说 , 这是中国官方对 ” 气 ” 的定义 . 国外主要是翻译中国的 ”qi( 中国拼音 , 不是英文 )” 定义 , 还 往往说明 ” In traditional Chinese culture, qi (also chi or ch'i) is an active principle forming part of any living thing . Qi is frequently translated as " lifeforce " or 等等 . 以下才真正是 ” 基本粒子 ”( 中外学界的定义 ), 今后随着科学的发展 , “ 基本粒子 ” 的定义也可能发生变化 . 但是 ” 基本粒子 ” 定义中不含 " lifeforce " 等中医"气"的含义 . 两者决不能混淆 . http://baike.baidu.com/view/24904.html 基本粒子 baikeViewInfo.expIndex="0"; 求助编辑 百科名片 基本粒子 基本粒子，即在不改变物质属性的前提下的最小体积物质。它是组成各种各样物体的基础。并不会因为小而断定它不是某种物质。现在科学家利用粒子加速器加速一些粒子，有时候用粒子相撞的方法，来研究基本粒子。 目录 简介 1. 基本粒子 2. 强子 3. 轻子 4. 传播子 主要特征 1. 粒子的质量 2. 粒子的寿命 3. 粒子具有对称性 4. 自旋 5. 守恒 6. 双重属性粒子性和波动性 主要结构 1. 基本粒子的秘密 2. 夸 克 模 型 基本粒子表 1. 第一代 2. 第二代 3. 第三代 基本粒子理论 1. 一个发展中的理论 2. 各种大统一模型理论相继提出 3. 基本粒子分族特性 基本粒子物理学 1. 第一阶段 2. 第二阶段 3. 第三阶段 1. 基本资料 2. 演职员表 3. 制作发行 4. 幕后制作 5. 幕后花絮 6. 影片评价 7. 剧情简介 简介 1. 基本粒子 2. 强子 3. 轻子 4. 传播子 主要特征 1. 粒子的质量 2. 粒子的寿命 3. 粒子具有对称性 4. 自旋 5. 守恒 6. 双重属性粒子性和波动性 主要结构 1. 基本粒子的秘密 2. 夸 克 模 型 基本粒子表 1. 第一代 2. 第二代 3. 第三代 基本粒子理论 1. 一个发展中的理论 2. 各种大统一模型理论相继提出 3. 基本粒子分族特性 基本粒子物理学 1. 第一阶段 2. 第二阶段 3. 第三阶段 http://en.wikipedia.org/wiki/Elementary_particle Elementary particle Standard Model of Elementary Particles In particle physics , an elementary particle or fundamental particle is a particle believed not to have substructure ; that is, it is believed not to be made up of smaller particles. If an elementary particle truly has no substructure, then it is one of the basic building blocks of the universe from which all other particles are made. In the Standard Model , the quarks , leptons , and gauge bosons are elementary particles. Historically, the hadrons ( mesons and baryons such as the proton and neutron ) and even whole atoms were once regarded as elementary particles. A central feature in elementary particle theory is the early 20th century idea of " quanta ", which revolutionized the understanding of electromagnetic radiation and brought about quantum mechanics . For mathematical purposes, elementary particles are normally treated as point particles , although some particle theories such as string theory posit a physical dimension. Contents 1 Overview 2 Standard Model 2.1 Fundamental fermions 2.1.1 Antiparticles 2.1.2 Quarks 2.2 Fundamental bosons 2.2.1 Gluons 2.2.2 Electroweak bosons 2.2.3 Higgs boson 3 Beyond the Standard Model 3.1 Grand unification 3.2 Supersymmetry 3.3 String theory 3.4 Technicolor 3.5 Preon theory 3.6 Acceleron theory 4 See also 5 Notes 6 Further reading 6.1 General readers 6.2 Textbooks 7 External links 附 : 科技名词定义 中文名称： 气 英文名称： qi 定义： 中医学中指构成人体及维持生命活动的最根本、最微细的物质，同时也具有生理机能的含义。在中医学术语中，气与不同的词合用表达各种不同的意义。 应用学科： 中医药学 （一级学科）； 中医基础理论 （二级学科）；气血津液精神（三级学科） 本内容由 全国科学技术名词审定委员会 审定公布 Qi - Wikipedia, the free encyclopedia - In traditional Chinese culture, qi (also chi or ch'i) is an active principle forming part of any living thing. Qi is frequently translated as "lifeforce" or ... en.wikipedia.org/wiki/ Qi - 网页快照 - 类似结果
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永远是由粒子组成粒子吗？
shujie100 2010-12-26 10:31
永远是由粒子组成粒子吗？ 殳节 近代物理的所谓标准粒子模型 , 粒子是由粒子构成的 . 这种构成是由相互传递力的两个基本粒子为载体而结合的。如强相互作用是由胶子作载体而传递的，从而构成了基本粒子或原子核。最近的发展是已给出了标准模型的基本粒子表 , 其是由六个轻子与六个夸克组成 . 而所有的其它粒子都是由这些基本粒子构成的 . 如质子是由两个上夸克 (u) 与一个下夸克 (d) 组成 , 中子是由两个下夸克 (d) 与一个上夸克 (u) 组成等等 . 尤其实验结果还显示 , 夸克也末必不可分 , 其也有内部结构 , 存在有如卢瑟福散射那样的硬碰撞 . 由此下去 , 那将是又一轮的由粒子组成粒子的追逐实验了 , 当然这种实验所要求提供的能量将会更高 . 难道真的永远是这种由粒子组成粒子 , 无限的发展下去吗？ 物质是由粒子组成的 , 最早是由古希腊的自然哲学家们提出来的 , 如德谟克利特等人设想物质是由不可分割的粒子 原子组成 . 继后这种思想根深蒂固的宠照着物理学界 , 以至到牛顿时代把光都作为粒子来对待 , 虽经惠更斯及其后来人的奋斗 , 光的波动性得以最终被物理学界承认 , 但粒子的幽灵仍最终经爱因斯坦的光电效应解释而复活 , 又恢复成为光量子 , 粒子又成为物理世界的主宰 . 就是量子力学的诠释也是说 , 粒子、波动的二重性所指的波 , 也已不再是经典意义下的波 , 而只是微观客体运动的一种统计规律性 , 即其为几率波 , 并不是实在物理量的波动现象 . 至此物理学完全统一在新诠释或称新认识下的粒子世界里 . 这样粒子永远由粒子组成也就顺理成章的成为标准概念了 . 早在量子力学成立以前 , 根据 粒子散射提出的有核原子模型就遇到了两大难题 . 其一是原子的大小问题 , 这一问题用作用量子 h 而获得圆满解决；第二个问题是原子稳定性问题 , 即电子绕原子核旋转运动 , 其是一种加速运动 , 按电动力学电子作加速运动必然要辐射能量 , 这种同步辐射不仅被证实 , 且已在实践中被人广泛应用了 , 由此在原子中的电子将不断损失能量 , 而最后掉到原子核上去 . 对这一问题量子力学的回答是 , 电子并末绕原子核作圆周运动 , 而是在原子核周围空间存在一个几率分布 , 即所谓的电子云 . 这其实是一种回避回答的回答 , 电子在原子核外处于一种什么运动状态并没有回答 . 显然按照点粒子的概念 , 电子在原子核外不会是相对静止的 , 如是静止不动的 , 则将掉到原子核上去 , 如果其是运动的 , 在原子核周围的小空间中 , 纵使它不作圆周运动 , 也必然是一种加速运动 , 也必将损失能量而最终掉到原子核上去 . 有人说这种说法是又回到经典物理上去了 , 按量子力学电子这时是波 , 并不是粒子 . 确实 , 量子力学将电子作为一种几率波使其分布在原子核周围 , 且这种几率分布在原核外是稳定不变的 . 但现在要讨论的问题是这种几率分布是如何形成的 . 现在进行一个思想实验,在原子核外空间中一次测量电子在A点,又一次测量电子在B点,经过多次测量则会得到电子在原子核外出现的几率分布,即电子的几率波.而现在要解决的问题是这种几率波形成过程中的问题,即电子是如何由原子核外的A点到B点的.电子要由A点到B点必然是运动过去的,而在原子范围内怎样的运动才能避免电子辐射能量呢？作为几率在形成的过程中,总体分布是多次统计的结果,但在形成的过程中,每次都是确切的,正如掷硬币一样,每面的几率各为50%,但每次掷的结果必定不是正面就是反面,而不可能每面各一半.对此德布罗意作出过一种解释,认为原子核外的定态电子是一个驻波,其波是在原子核外首尾相联的驻波,并由此得出了量子化条件.即这时认为电子是一个驻波,而并非点粒子,这个波一直在原子核外运动着,但并不存在电荷粒子的运动,由此也就不存在什么电子的同步辐射损失问题了.也就是说,将电子作为一种实在的物理量的波动现象,才能较好的回答原子的稳定性问题. 与德谟克利特(公元前460年～前375年)同时代的东方中国,战国时代(公元475年～前221年)的惠施就曾提出:至小无内,谓之小一.即是说最小的单元是不可分的,这就是一.这与原子说其实是不谋而合.而比之略早的中国春秋时代(公元前770年～前476年),老子又提出了与之完全不同的看法,他在道德经的一开始就提出:无,名天地之始;有,名天地之母.而后又讲:反者之动,弱者之用.天下万物生于有,有生于无.用现代的物理语句其解释应是说,物质运动是自然规律的根本,只有在物质运动的连接过程中人才能利用自然规律为人服务.天下所有的物质都是由有构成的,而有生于无.如果将这个有理解为基本粒子,这也就是说宇宙间的所有实物质都是由有(基本粒子)构成的,而基本粒子(有)又生于无.这里的无绝对不是什么都没有,只能理解为是无静止质量,无确定位置等等的无粒子特征的物质形态,而这无却可生出有(粒子)来.这是否正是物理实验中正、反粒子对生成的写照？从哲学思想上也就表明,由粒子构成粒子不管其层次如何多,终有一个终点,这个终点并不是不可分的终点,而是不再是由粒子构成粒子的结果,即是由不同于粒子(有)的无来生成.这也完全符合由量变到质变的自然辨证法.如果永远由粒子构成粒子那不正是形而上学吗？ 确实物质是无限可分的,但这并不意味着实物粒子永远由粒子组成,不发生质的变化.这也就是说,在实物质世界中,由粒子构成粒子是在一定限度内成立的,并不会永远由粒子构成粒子.虽然现在还不能确切说出来最终是由什么构成了基本粒子,但终有一天人会最终认识这一问题.从哲学上讲,早在二千五百年前的老子,已经讲了有生于无,但限于他所在的时代,有、无究竟是什么,恐怕是讲不清的,这正可谓道可道,非常道的原由吧！在近代,德布罗意已经提出了电子是首尾相接的驻波,但这思想一萌芽就被量子力学正统的哥本哈根学派的几率诠释给淹没了,没有获得进一步发展的机会.由此物理世界仍被粒子论统冶着. 笔者大胆假设,粒子并不是永远由粒子组成,在粒子到基本粒子时,其实是不能再分下去了,如果要再分下去,就会发生质的变化,即粒子不再是粒子了,其将失去粒子属性,而呈现出粒子所不具备的属性了.由于这种变化是由量变而最终发生质变的过程,故在变化的过程中,在某一阶段必然的会出现二象性.也就是说波粒二象性是从量变到质变过程的必然显示.也正由此,可以说,基本粒子是时空中实在物理量的波动形式,是实实在在的波.而量子力学是研究系统运动的统计描述,故量子力学的诠释及结果与实验结果也应该是相符合的. 　　　　　　　　　　节　2000年　冬　北京　新都
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十岁的小男孩问研究基本粒子做甚？
liwei999 2010-10-14 14:14
十岁的小男孩问研究基本粒子做甚？ (1046 bytes) Posted by: mirror Date: July 27, 2008 06:38PM 比较难说明。如同爬山一样，爬上去做甚？只有爬上去过的人才能知道景观的不同。研究基本粒子也是爬人造大山了。 J师傅出山是算轮胎的体积，文章里有几分灵气。麦子们的文章也有几分灵气。各领风骚若干年吧。 但是灵气也有不灵的时候。用材料的物性指标和力学来说事本来很好。可是导数没有做好，导到歪路上了。 油桶盖子柔度高如何理解？这才是个中医的说法。饮料的罐子设计与油罐是相通的：受压时尽量不破，在省工省料的条件下。新一代的饮料罐一般都很薄，不论是铝的还是铁的。罐底一般有个失稳构造，以达到受压时尽量不破的设计标准。 一个直径1mm约100mm长的铁丝，如何能让他伸长1％而不用大力气？脑筋急转弯就是先让铁丝打个弯。铁丝上有个半径1mm的弯，这个机构使得铁丝伸长不太费力，直到铁丝被拉直。 假定一个矩形一边是直线，300mm，一对边是打着半径1mm弯的边，直线长度也是300。那么当弯被抻直时，矩形所围面积要变化多少呢？这个模型是否适用于油桶呢？ 如果说这个桶的争议有什么科学意义的话，破损的地方不一定是物性最弱的地方可算是一个正面的结论了。什么叫做科学主义呢？就是试图用一种力学的指标决定一切的思路。具体的代表人物就不指明了。 http://www.starlakeporch.net/bbs/read.php?1,31968,31968#msg-31968
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[转载]生命是什么？
chenfap 2010-9-13 07:02
生命是什么？ 从老子、朱熹到Schrodinger, Feynman和Mandelbrot 许靖华2002年5月22日在南京大学的演讲，陈道元译 引言 - 生命的一种定义 - 真理可以用日常生活的语言说明 - 时间是实在的，生命沿着时间的方向前进 - 生命由称为时子的基本粒子组成 - 生命有记忆，可以产生有序的连续事件 - 生命随着时间流逝而衰老 - 生命可以自我保持 - 生命取得 - 生命并不总遵循最少作用法则 - 生命的相互作用：阴、阳和奇异吸引者 - 生命的反射和智慧 - 时钟机构和偶然性 - 生命的终结 - 生命的起始和进化 - 死亡以后的生命和不朽 - 身体和思想 - 致谢 引言 什么是生命？能科学地回答这个问题吗？ Richard Feynman曾说过，物理科学中的所有物体都是一堆质子、中子和电子，而在日常生活中，我们谈的是人、历史、美好和希望。 生命造成了人和历史。生命给予我们美好和希望。但是，我们能把生命也简化到一堆质子、中子和电子吗？ Erwin Schrodinger在1944年曾试图这样作。他认为生命源于非常少的原子以及它们的质子、中子和电子。中国的哲学家以日常生活的语言来探讨这个问题，他们说阴、阳，理、气。 作为一个华裔的物理科学工作者，我曾思索，在这个问题上，西方的物理和中国的哲学间有没有共同点？除很多质子、中子和电子外，生命还有更多东西吗？质子、中子和电子在新儒家的理、气世界中扮演什么角色？我们能在Feynman的讲学中找到老子的智慧吗？我们能在Benoit Mandelbrot的浑沌状态理论中找到阴、阳吗？有希望互相理解吗？有希望找到共同语言吗？古典哲学、特别是中国哲学的传统智慧能以自然科学的方式表述吗？ 任何一个人不揣冒昧地要探讨这样困难的问题，会承担被认为是天真无知的傻子或花言巧语的骗子的风险。但是，在我被邀请在这世界著名科学家论坛上发言的时候，我无法抵御试一试的诱惑。我已入古稀之年了，孔子说七十而从心所欲不逾矩，因此，我这样作或者可以得到人们的理解吧。 生命的一种定义 约翰福音说： 太初有道，道与上帝同在，道就是上帝。这道太初与上帝同在。万物是藉着他造的；凡被造的，没有一样不是藉着他造的。生命在他里头，这生命就是人的光。 现代生物学家发现道在DNA中1）。将圣经中的道以DNA代替，就可以按上述福音的句子写出： 太初有DNA。有生命的万物是藉着DNA编码造的；凡被造的，没有一样不是藉着DNA编码造的。生命在DNA里头。 那么，什么是DNA呢？ 它们是分子。分子是由很多质子、中子和电子组成的。而这些子又是由更基本的粒子构成的。 DNA的分子又是什么呢？ DNA的分子存储了使生命形成可以自我保持、繁殖、作用、反应的自我组成的系统的信息。 接受了这样的科学假设，就可以将生命定义为： 生命是一种物体，由称为时子（chronon）2）的基本粒子组成，由自我组成的系统的连续作用（action）表现。这系统从带有记忆的种子里生长起来。这记忆使系统可以发展为自我保持的系统，可以繁殖，可以获得知识以改善系统本身，以至可以作用、可以反作用，可能违背物理上的最少作用法则。 在这定义中我用了一些和通常用法不同的词和术语。本文以我们的科学知识为基础，探讨一下这些词和术语的意义。 什么是基本粒子？什么是时子？ 什么是作用？ 什么是自我组成系统？ 什么是生长？生命如何生长？ 什么是自我保持的系统的记忆？ 什么是年龄？什么是时间？ 什么是最少作用法则？ 什么是违背最少作用法则？ 什么时候生命发生？什么时候生命终止？ 生命如何进化？ 真理可以用日常生活的语言说明 在人们发现DNA以前，Schrodinger就写了他的古典名著什么是生命？。他从热力学第二定律开始，说宇宙万物的自然倾向是向浑沌状态发展。例如，死去的有机物被氧化，分解为二氧化碳和水。而活着的有机体则有一种奇异的本能延缓这变化过程。这定义启发了Robert Pirsig，他在他的小说丽娜里说：生命将二氧化碳和水合成到一个化学教授的身体里，而死亡将这位教授的身体还原为二氧化碳和水。 什么是延缓死亡变化过程的生命的奇异的本能？ Schrodinger说（1944，68页）这奇异本能是一种物质的有序的、合法的行为，不完全以有序变无序的趋向为基础，而是部分地以生存要求为基础，那就是坚持下去。 他以热力学的语言告诉我们，人不仅要呼气也还要吸气。对物理学者，而且仅对他们，在从数学上讨论了量子理论的一个间歇后，为使他的论点更清楚，他说，活着的有机体是一个宏观的系统，它的行为部分地趋向于所有系统都趋向的纯机械的行为，象温度趋向于绝对零度，分子的无序被消除那样。 我不懂量子理论，不理解所有系统都趋向的纯机械的行为，象温度趋向于绝对零度那样的意义。Schrodinger的定义使我灰心了。但是，我相信这杰出的物理学家的智慧，直到有一天我的朋友Paul Feyeraband和我说，量子力学中数学语言的真理并不比希腊神话中普通语言的真理多。 那么，什么是真理呢？ 我没有怎么思考过这个问题，直到有一天我们全家参加John Cage在慕尼黑举行的一次音乐会。我对这音乐会非常不满意。因为我不大懂音乐，就问我的音乐家的儿子Andrew： 他怎么创作了这样的噪声？他故意要我们难受吗？ 不，完全不是这样。Andrew回答，Cage只是试着去寻找真理。就象你们科学家一样。 Andrew的观点是：真理是存在的，但表现方式不同。自然科学家和哲学家用日常生活的语言，画家用绘画手法，音乐家用音符表达他们对真理的理解，而量子物理学家在数学中发现了真理。 当然，每个人都有自己的语言。但是，在爱因斯坦和量子物理学家就科学的哲学向我们社会说下面这样一段话时，就有问题了： 用日常语言表达的关于相对论和量子物理的逻辑说法是不恰当的，只有数学方程式是真实的。 例如，物理学家已说明，质子既是粒子也是波。但在字典上，粒子是一个很微小的东西。一个微小的粒子也是有质量的，即使它的质量太小了，以至用现代技术测量也只是零。但是，这个零不是什么都没有，粒子是有质量的。波不是一个很微小的东西，不以质量为特征。波不是粒子，波是传递能量的一种运动形式。以我们的日常生活语言，说质子具有波和粒子的双重性是难以理解的。 一次．我向我的同事说起我天真的想法。他建议我想想老子的理论：道可道，非常道（可以用文字说明的真理，不是真正的真理）。他试图说服我，真正的真理只能用数学表述：实验证明了质子和电子都是粒子和波。他说，这个真理已由马克斯韦方程式数学地表述，但不能用日常语言表述。 恰巧，我具有Popperian现实主义的观点，认为数学只是一种不完善的语言，一种不精确的、速记式的语言，不能区分零和什么都没有的概念（许，2002）。波和粒子是不同的事物或概念，可以用日常生活语言表述，为什么被认为兼存波和粒子的现象或过程就不能用日常语言表述呢？ 作为一个地球物理学者，我很熟悉包含粒子和波的宏观现象。空气是粒子，声音是波。水是分子，海浪是波。在地球这弹性固体里有原子，也有地震的波。我们地质学者也研究光波在矿物中的传播，象Fresnel讲的那样。光以切变波的形式在以太中传播，光波可以被极化。作为Mandelbrot的信徒：自然界的分形几何（fractal geometry）理论是与对象大小无关的，我找不着能说明光的切变波传播在本质上就应与宏观的切变波传播不同的理由。 切变波必须通过固体介质传播。没有哪种物理理论会去假设波的能量能在空无一物的空间里传播。物理学家引用了场的概念：质子和电子在电磁场中传播；水的分子在水力场中传播；岩石在应力场中分化；场以场势描述等等。场这个字在日常生活语言中和数学物理语言中的意义太不相同了。一般说来，场是一个区域，而在势的理论中，场是一个三维空间。一个元件，例如一个光子、一个电子、一个水分子或应力，在场中移动，或在势差下传输。场这个字在物理学中是一个抽象的概念。它的物理属性是不能以日常生活语言准确定义的。这样看来，这个字对我说来只是无知的一个简单的代用词。 科学家常用以太这个词代替上面说的无知。我们现在得知，根据对Michelson和Morley的实验的正规的解释，以太是不存在的。实验数据是以物理模型为基础而表述的。看来以太曾被认为是气体。这显然是因为它是看不见的。粒子可以通过位移在气体物质中穿过。实验表明，光子并没有在以太中位移或穿过。 可能有人要说：以太不是气体。光作为切变波而传输，证明以太在固态中存在。 不，有人会本能地反辩道，以太不可能是固体。它是看不见的。 为什么由很小、很小的微粒组成的网格就应该看得见呢？我们看不见空气，但空气的存在已为各种实验所证实。 如果以太是固体，粒子撞击着它并不一定穿过它，但可以引发固体中波的运动。当介质的粒子被一种输入的能量激励，激起波的运动，波的能量就通过这介质而传播。例如，地下核爆炸的粒子的动能，包括光子的动能，通过地壳中粒子的运动，作为切变波传输到远方的观测站。光子和其他裂变产物没有通过介质穿行，但它们的能量通过了。以此类比，光子撞击了以太，不在以太里穿过，而引发了以太中波的运动。光的速度不是光子在以太中位移的速度，而是通过以太的波的运动的速度。光电仪器或衍射试验检测到的光子不是原来激发波的运动的光子，而是排出的光子，是从以太的不连续的表面出来的。（许，1998） 光子既是粒子也是波的说法，不大符合语言的语法，使物理难以理解。高级的物理学家深信，真理只存在于数学中。象埃及法老时代抄写经书的那些人一样，他们不再和我们普通人交流。 有思想的哲学家、科学家，如Karl Popper，Eric Lerner，注意到量子物理学家和宇宙论学家在和现实及实际观测的联系方面已经走得太远了，已走向纯数学的无效果的冥想中。爱因斯坦在将理论和科学观察的分离方面走了第一步，Heisenberg和Bohr走得更远。他们得出道家的思想：自然是不能被人们理解的。他们说，只有数学公式是真的，其他都只是外表的表现。 老子写了道德经：道可道，非常道。随着Kahl Popple，我叹息科学从现实退化到数学的无理中。数学只是一种语言。没有实在的证据证明某种语言可以垄断对真理的解释。是的，真的真理不能用文字说明，如果这文字不能被理解。正确的理解是：光子并不既是粒子也是波，而是一种很微小的东西，是一种可以激发光以波的运动的形式在固体介质中传播的很小很小的粒子。 我们必须接受真理可以用文字说明的事实，以回答什么是生命？这个问题。 Schrodinger尝试着用我们理解的文字翻译他的数学语言，但没有成功。我应该再尝试一下去寻找现代科学和传统哲学之间的共同语言。 时间是实在的，生命沿着时间的方向前进 生命是一种自然现象。生命在前进，因为时间在前进。这是常识性的概念，但也受到相对论的质疑。我们被告知，在普通的空间时间概念中，时间流逝的概念是没有意义的。科学家的错误在于他们对时间的看法和人们的经验看法太一致了。相对论者已将移动着的现在搬出了宇宙的上层建筑，搬进它所属的人的意识中。（Davies, 1944） 爱因斯坦熟练地运用相对论的数学，证明了双胞胎中的一个经历了一次很长的空间旅行，在他回来的时候会发现他比留在家里的那个双胞胎年轻得多。爱因斯坦把我们带到康德的唯心主义的世界，声称时间是一种意识中的假象。这样的哲学看来支持中国佛教名僧玄奘的论点：宇宙万物，包括外部世界的客观现象和似乎真实的主观自我，都是虚幻的，它们只是纯粹的理念。事实上，康德还没有这样极端的观点。他认为，在每一个物理现象后面，总有什么东西是实在的（即使它是看不见的，难以理解的）：是自在之物（thing-in-itself）3）。 那么，时间是自在之物（time-in-itself）吗？时间是实在的吗？空间是实在的吗？ 我们很容易理解空间物体的实在性。我们可以直接观察或间接理解空间物体。它们的大小可以用米，或光年，或其他什么人为单位度量，它们也可以由质量定量地确定。但是，空间物体的存在与它们是否可以被度量，或是否可以被现代科学仪器观察是两回事。 以此类比，我们可以说，我们可以直接观察或间接理解时态的现象。时间可以用秒，年，或其他什么人为单位度量。无论如何，时态的现象不是人造的假象。它们能被事件和系列事件证实。事件可以用物理参数定量地度量。这个参数在物理学中定义为作用（action），是能量和时间的乘积。时间是实在的，它是作用的一个分量，不是人们意识中的假象。 作用或事件的时态分量总是前进的，沿着时间流的方向前进。事件发生了，作用是有形的、实在的，如Ilya Priogogine强调的那样，是不可逆的。事件的持续时间在累加着，因为时间的前进总是正方向的。过去的事就是过去了，象过去了的时间一样，不会再回来。 相对论物理学家没有抓住时间的量度和时间是自在之物的区别，没有抓住理解的和实在的世界的区别。不是所有的科学家都这样的极端，因为所有科学，除物理以外，都已发展到成为历史的科学这样的阶段。时间必须是实在的，这样才有历史。一个词深层时间（deep time）已被用来表述自在之物的时间实体。 时间没有尺寸大小。物理中的尺度是为便于测量设立的。量纲秒和米、千克一样都是物理的基本单位，但秒不是空间的度量，而是年的一部分，是地球轨道公转运动的时态分量的一部分。 作用是实在的。因为作用作为能量和时间的乘积，是由实在的、物质的、有质量的物体进行的。事件是实在的，因为它们是作用的物理表现。千百万年来北极那里就下雪了，虽然没有人在那里（直到近年才有人去）观察这些事件或记录时间的流逝。下雪是实在的，因为如果那里没有下雪，就不会有北极的冰盖。生命也象这样，是一连串沿着时间流方向前进的事件和作用。 生命由称为时子的基本粒子组成 生命是物质的。一个人站在磅秤上，看到自己的质量是70 kg，可以用Feynman 的话说，这是一堆质子、电子和中子。虽然这些粒子很小，看不见，但物理学家还不认为这些就是基本粒子。它们的质量各不相同，可能由更基本的粒子或更小的质量组成。粒子物理学家确实发现了很多更小的粒子，夸克4）、胶子5）等等，但看来在它们中也还没有一个是最基本的粒子。 中微子（neutrino）和光子看来是不可分的，而且它们太小了，以至被认为没有质量而只是一点很小的束缚能量（bundle of energy）。不能将小的束缚能量看作基本粒子，而且光子的能量也随着光波运动的频率而不同。 基本粒子的特征应是质量最小并相等，或能量最小并相等。既然找不到这样的最小的质量或能量，寻找基本粒子的工作就没有结束。我们可以回想Max Planck在一世纪多以前，在他的黑体辐射实验里，确实发现了一种物理实体，这种实体被证明为在各种物理现象中是最小的不变的。这就是Planck常数： h = E / 式中E是能量，是波的频率。频率是周期的倒数，或： = 1 / 将以上关系代入Planck方程式， h = E 这样，Planck常数的量纲就是能量和时间的乘积。物理中的实体作用（action）正具有这种量纲。Planck常数的值代表了量子作用的大小。 量子作用包含在无数量子物理的现象里：黑体辐射包含量子作用，光电包含量子作用，电子的轨道移动包含量子作用，氢键（hydrogen-bond）包含量子作用。量子作用是最小的不可分的质量带有的能量和它作用的很短的、离散的时间的乘积。 造成世界的质子、电子和中子都有自旋，它们都已由能量定义。自旋需要时间。当这些束缚能量自旋时，它们就是作用。因此，我想，我们或应放弃粒子是占据空间的一个纯实体的想法：粒子是作用。 作用是能量和时间的乘积。能量是力和距离的乘积，或动量和速度的乘积。不论是参量力或参量动量都要有变量质量才能定量地表示。因此能量必须有具有质量m的物质载体。例如，在光电子学里，一个光子带有的动能转换为一个电子。碰撞的持续时间很短很短，是波的传输的周期。能量和持续时间的乘积构成量子作用，是最小的不可分割的作用，虽然能量和时间这两个变量还和光传输的波长有关。将量子作用作为最小的不可分割的物理实体，宇宙的基本粒子就不是光子、电子或其他粒子，而是它们的量子作用。为便于叙述，我建议将它简称为时子。 宇宙由基本粒子构成。因此，宇宙是基本作用的一个无尽的序列。作用的组合为事件所证实，这些事件形成了宇宙的历史。 生命为出生、成长、死亡这些事件证实。这些事件可以用物理参量作用度量。生命由称作时子的基本粒子组成，生命的持续可以用时态的单位度量。时间是生命的一个基本分量。生命是一序列的作用，生命是由时间组成的。诗人Jorge Luis Borges在他的诗里很恰当地表达了这个概念： 时间是形成我的物质。时间是让我随波而下的江河，而我就是这江河本身。 基本粒子是动态的实体这样的概念是早期爱奥尼亚的希腊人和传统中国人的宇宙观。例如，新儒学家声称，整个宇宙是由气组成的。 什么是气？ 气是看不见的。中国人用这个字一般表示气体和空气，而新儒学的气表示一些看不见的要素。他们认为，气存在于地球上、外层空间里和我们身体里，气无处不在。气由基本粒子组成。生命由气组成，由宇宙的基本粒子组成。 世界不是停滞不前的。我们也不说宇宙是物质，宇宙是连续的事件或连续的作用。所有作用基本上都是量子作用的组合和连续。有了这样的定义，我们就能赞赏朱熹的智慧：气由宇宙的基本要素组成。同样，生命不是停滞不前的。生命是连续的事件，生命由连续的综合的量子作用组成，生命由时子组成。 新儒学的宇宙观还包含凝聚、扩散。在二氧化碳和水组合成一个化学教授的时候，气是凝聚的。在教授的身体腐烂成二氧化碳和水的时候，气是扩散的。生命是凝聚和扩散的循环变化。 气根据相同的自然法则理而凝聚或扩散。身体和思想的理叫做生理和心理。指导人们在社会中的行为的理是伦理。无生命的世界的理是物理。自然科学家发现的自然法则应可以用来理解生命、身体和人们的思想。而道家和儒家就不试图用物理学（自然科学）去理解生理学、心理学和伦理学。 生命有记忆，可以产生有序的连续事件 Schrodinger在发现DNA分子以前就写道，他为遗传和胚胎的发育而迷惑，生命生长的时钟般的精确性给了他极深刻的印象。 生命可以生长，而无机物也可以生长。螺钉长锈是个例子。这是氧化铁和氧化氢的成长，由螺钉所在的微化学环境中铁的氧化形成的：空气中的氧、水蒸汽和螺钉中的铁原子化合起来。这过程是随机地发生的：一个铁原子先被氧化，然后又一个。这化学过程由化学法则控制：铁生锈在海水中更快一些；如将铁涂上油脂，储存在很干燥的地方，就可能完全不生锈。 生命的生长不是简单的化学化合过程，而是通过细胞分裂进行的。例如人的细胞可以分裂五、六十次，每次分裂都是一个事件，包含在连续的量子作用或时子中。Schrodinger写道：生命是事件的有序的、合法的展开，他们由与无机世界的概率机制完全不同的机制指导。生命的种子具有惊人的记忆。难以置信的一点原子就注定要产生有序的连续事件。这是有条理、有秩序的典范。这种情况是无先例的。除有生命的机体外，其他物体是不会这样的。（Schrodinger, 1947） 一个精子和一个卵子在人体内结合，一个受精卵单细胞就产生了。受精卵有46条染色体，染色体中的每个基因复制成两个，一个继承自卵子，一个继承自精子。生命是通过自发的细胞分裂成长起来的：一个先分裂成两个，然后再分裂成四个。胚胎在开始时是一个由显然相同的细胞组成的简单的球，称为卵蘖球。随着身体的发育，分裂的细胞又分裂为特定的、不同种类的细胞，例如肌肉细胞、肝细胞、脑细胞等等。在一个细胞沿着一定途径演变时，它的DNA中的特定的基因程序就激活了。每种特定的细胞开始具有一些特定的功能。各种细胞不同功能的组合生成了源于生命种子的自我保持、自我形成的系统。 生命和无生命物体的区别在于生命是由种子生长出来的，种子具有惊人的记忆，可以产生有序的连续事件。这种记忆存储在一种软件里，那就是惊人的DNA分子。各种生物就这样地形成：存储在文本里的记忆产生了有序的连续事件，那就是生命。 生命随着时间流逝而衰老 生命在生长，并随着时间流逝而衰老。树木的年龄由年轮体现。人的年龄以年计算。年轮和年都是时间的单位，一个和地球上季节变化有关，一个和地球围绕太阳的轨道运动周期有关。和相对论物理学家的观点不同，时间不仅是感觉范畴里的事物。人确实在变老，树确实在长大，即使它们的年龄有时不能准确地或定量地表述。生物的时间是实在的，不是四维的时间-空间坐标系统中的一个尺度。 树木在生长，它的年龄可以通过它的年轮的数量来度量。一棵树从种在土地里的一粒种子生长出来，另一棵树从同时种在飞速前进的火箭的温室里的一粒种子生长出来。如果温室的温度变化被自动地控制着和地面上的季节变化一样，这两棵树的年轮应该一样多。生命的生物年龄和运动的速度无关。爱因斯坦的双胞胎的说法是一种和有生命的机体的世界里的实验不一致的想法。 人在老，可能看起来比他的实际年龄老一些或年轻一些。人的年龄和细胞分裂的速度有关，也不准确地和地球轨道公转的时间有关。不正常的加速衰老来自细胞不正常的加速分裂，这是一种病，称为早衰症。一个六岁或八岁的孩子可能看起来象他的十倍年龄那样老，这样的孩子也难以活到十岁以上。 有放射性的无生命物质也有年龄。木头有三种碳原子：碳-12、碳-13和碳-14。碳-14有放射性。在它的原子核中的一个中子变成一个留在原子核里的质子和围绕原子核作轨道旋转的电子以后，它就衰变成了氮原子。 放射性物质的年龄用半衰期表述。一些实验证实半衰期是常数。例如，碳-14的半衰期是5700年。换句话说，在这样长的时间里，有一半的碳原子衰变了，消失了。 放射性衰变的法则是个统计法则。一块木头有千百万个碳-14原子，不可能预知哪个原子明天就要衰变，哪个要过1000年，哪个要过10000年。看来，在木头里没有一种告警系统会告诉这个或那个碳原子，说你变成一个氮原子的时间到了。但是，看来是有这样一个统计法则：放射性元素的半衰期基本上是常数。 为什么会这样？ 一般是认为衰变是自发进行的：不稳定的原子就是要衰变，没有什么理由。 我不满足于这种近于无的概念。放射性是可以通过实验激发的。例如，X射线是一种衰变，它们可以通过实验由变动电子轨道激发，由电子轰击的能量激发。衰变和衰变也可以由反应堆激发。以此类比，我很高兴，可以这样假设，自然界放射性衰变也是一种粒子的碰撞现象，虽然自然发生的产生碰撞的粒子还没有被证实。 为探索放射性物质的衰变过程，我和台湾的同事不久前作了实验，观测碳-14的衰变率。我们发现了宇宙射线粒子的通量和半衰期改变之间的一种关系。我们的实验结果表明，衰变可能由中子和中微子的相互作用产生：在碳-14的原子核中的一个中子被宇宙射线中的中微子轰击后，这个碳-14的原子就衰变了。（许等，2000） 如果放射性衰变确实由于偶然的碰撞产生，放射性衰变的法则就不仅是个统计法则，而是典型的支配其他物理现象的概率法则。就可以将生命衰老和放射性元素衰变之间的差异，和生命成长的宿命论的生物机理和无生命世界偶然发生的概率机理之间的差异，作惊人的对比。 生命可以自我保持 种子发芽，秧苗在光合作用的滋养下生长，新陈代谢的废弃物被蒸发掉。孩子在取得空气、水、食物情况下成长，新陈代谢的废弃物被呼出或排出。生命的保持需要通过细胞里的物理和化学过程产生和消耗能量。每一个细胞都是一个化学系统。生命在自我保持着。 从种子发芽起，植物的生命就开始了，生命就开始自我保持了。一粒种子不是，但可以成为，一个有生命的机体。人的生命从什么时候开始这个问题就不这样清楚了。保护生命论者认为生命从卵子受精时开始6）。但是，一个受精卵还只是母亲生命的一部分，还不能自我保持。如采用生命可以自我保持的定义，就须按照拥护选择论者的观点，认为生命开始于婴儿出生的时候：从婴儿开始呼吸时候起，生命就可以自我保持了7）。 自我保持是可以区别人和机器人的一个特征，是生命的定义中必需的，但不是充分的一个部分。生命是按照指令而自我保持的。通过存储在一个自我组成的系统中的软件的编码，生命取得也付出。这个系统就是生命。 生命取得 植物在白天进行光合作用，取得太阳能，以二氧化碳和水制造有生命的物质。在为生命的机能消耗了能量以后，新陈代谢产生了二氧化碳和水，也以热的形式产生多余的能量，返回给大气。植物的生命在取得。 动物吃东西，喝水，呼吸。素食动物吃植物；杂食动物吃植物和动物；肉食动物吃动物。它们直接或间接地从太阳能中取得。它们为新陈代谢的需要而饮水、呼吸空气，以产生进行生命机能需要的能量。废弃物被呼出或排出。动物的生命也在取得。 在达尔文的自然界生存竞争的世界中，自私、利己的基因是主要的。但是生命并不这样简单。生命不只是自己的生存。不仅在人类的文明社会中，而且在动物世界里，也有仁慈、爱或利他。例如，母兽对幼仔的爱护就是一个证明。取得并不是生命的唯一策略，生命也要付出。在生存竞争中，最大的赢家也可能是最大的付出者。 生命并不总遵循最少作用法则 一个人从A点扔一块石头，在空中飞过，落在前面的B点。可以根据牛顿定律计算石头落在什么地方。飞行的路径和距离决定于射出的角度、离开人手的初速度等等。更准确的计算还需考虑风速、空气阻力等其他因素。但是，Richard Feynman发现，可以用另一种方法分析这个现象：由牛顿运动定律规定的飞行路径也可以预计，因为这路径是一种最少作用。无生命的物体选择了最少作用的路径，就好象它探索了附近所有路径，最后再选择最少作用的路径那样。（Feynman, 1964, 19.9页） 如果你从A点扔出一个黄蜂，它在空中飞行，会落在什么地方，这地方可能比B点近些或远些。你不能用任何物理定律，不论是牛顿的或Feynman的定律来预计它的飞行路径。黄蜂可能向这个方向或另一个方向飞行，最后不一定落在B点。如它最后到达了B点，它从A点到B点的所有作用的总和当然大于扔一块石头的最少作用。 很容易明白为什么有这样的区别。一个无生命的物体，石头运动这个简单系统遵循一个或一组物理定律。一个有生命的有机体，很多细胞的总和，它的作用在一个系统中遵循一个自然法则，在另一个系统中遵循另一个自然法则。可以说黄蜂有它自己的思想，有一种生命力，改变最少运动法则的简单的指令。 单细胞的机体在为获得最低给养的竞争中要遵循简单系统的最少运动法则。为获利的基因驱使，事实上他们会选择以最少作用获得最大回报的途径。即使是高级机体的软件，为适应复杂的环境，也会这样的编程：指示它的个体选择最少作用的途径。举一个简单的例子，一个人工作以后骑自行车回家。他会选择直的路径，以通常速度回家。他本能地按最少作用法则选择自己的路径。当然，他也可以不这样作。他可以绕点路去商店买一块面包，甚至可以在一个酒吧停下来，喝一杯啤酒。他不是一个机器人，不必须按照一定路径，不象扔一块石头。一个人在沮丧中可能浪费很多精力和时间，可能很少遵循最少作用法则。生命包含着这一类的作用浪费，以至中国的哲人老子教导我们要无为： 为学日益，为道日损。损之又损，以至于无为。无为而无所不为。（研究学问应日日增益，探求大道应日日减损。减损再减损，以至于无所为。无所为而无所不能为。） 当然，一个人作的每件事，例如呼吸，都是作用。无为不是完全不作事，而是尽量少作事。老子要我们以自然界最少作用的物理作人类行为理论的指导原则。 在人们相互作用比较少的社会里，老子教导的价值很高。Thoreau去Waldon那里，发现了他的无为。但是世界上有60亿人口，不是每个人都可以找得到他的Waldon，将最少作用法则在他的生命中体现的。无为可能使道的地位更好一些，但是为养育世界上的众多人口，显然，是必需比最少作用多作一些的。 法家或现实主义者的哲学实事求是地面向世界。生命作用的最终目的是要获得自己的利益，但是自己的利益并不都是通过最少作用法则的实践得到的。生命虽然也是一场生存竞争，但和其他生命体的竞争或相互作用并不总是短见的、自私的或敌意的。在生物世界里，共生是一种自然法则，是一种双赢，甚至可以看成是利他的。生命不仅是获得，在和其他机体相互作用中，生命也要付出。 生命的相互作用：阴、阳和奇异吸引者8） 机体不能生活在完全隔离的状态中。动物要吃东西，它们的食物包括另一种形式的生命。生命相互作用着。但是：赛跑并不总是跑得快的赢，战争并不总是强者胜，生存的也不总是适者。 生命是非线性的，它的基本规律可以用捕猎者和猎物的归一化数量关系图示说明。下面几个图中坐标x是猎物的群体密度（相对于某一基准值的标幺值），坐标y是捕猎者的群体密度（相对于另一基准值的标幺值）。捕猎者以猎物为食物，它的群体密度和猎物的群体密度有近似以下函数的关系： yn = xn（1 - xn） 将以下直线作为将猎物群体密度再归一化的参照线： xn+1 = yn 如捕猎者过分捕获（图2），猎物群体密度就要减少，也会影响捕猎者的捕食，使其群体密度减少： yn+1 = xn+1（1 - xn+1） ， 重复这过程，每再归一化一次，y和x值都要减少一些，导致最后捕猎者群体和猎物群体都灭绝。 图2中的抛物线较低，它的值小（0.8），是捕猎者过度捕食的竞争情况。人类实在太贪婪，不管自然界和谐发展的要求，沉溺于过度捕猎和捕捞。例如，欧洲北海过度捕鲸，鲸鱼（猎物）愈来愈少，捕鲸业（捕猎者）效益也愈来愈小，形成鲸鱼和捕鲸业都将灭绝的趋势，就象图2的曲线那样。假如取值大一些，就出现一种奇异吸引者可以共存的情况，捕猎者群体会适度发展，猎物群体会恢复。生态学者发现，没有哪种野生物种是由于人类以外的捕猎者过度捕食而灭绝的。 图4曲线取值为3.1，反映猎物的恢复。猎物的恢复导致它们群体密度xn+1增加，也使得捕猎者群体密度yn+1（= xn+2）相应增加。这就会到达某一点，猎物群体密度太高，使捕猎者难以发展，捕猎者群体反而要减少，从而有了新一轮的开始，使新的猎物群体密度减少。图中的再归一化表明，捕猎者群体和猎物群体可以在奇异吸引者的小范围内调整。 野生动植物的模式不符合达尔文适者生存的教义。自然界有和谐。这就是孔子讲的中庸。中国的传统智慧说，阴、阳是天地之道。宇宙一直在变动中，但这种变动有固定的因此可以说明的规律，由闭合的循环运动组成。人类世界是宇宙的一部分，和宇宙一样，也符合一种固定的、循环的而不是线性的运动模式。被奇异吸引者控制着的循环转化的观点是中国哲学的本质。易经说有两种宇宙的力量在永恒地相互作用着：万物都带着阴，也含有阳。两者的交替就是道。 阴、阳组成了整体，可以用式子表示： xn (阴) + (1 - xn) (阳) = 1 (整体) 宇宙是阴、阳的相互作用。社会也是阴、阳的相互作用。老子说： 其政闷闷，其民醇醇。其政察察，其民缺缺。（为政宽厚，似若无为，百姓会淳朴自然。为政严格，明察秋毫，百姓会感觉有所缺失，抱怨不满。） 老子的智慧可以用奇异吸引者之间的作用图解（图4、图5）。图中以xn为治理的严格程度，yn为百姓的缺失抱怨程度。治理国家手段太严格会使百姓的缺失抱怨增加，直到到达某一点，治理国家改用宽厚手段，百姓的抱怨相应减少。阴、阳就象奇异吸引者那样转化。 生命是宇宙、社会的反映。生命体是一个自我组成的系统，由相同的理支配。生命不是沿着直线前进的运动（图1），而是一种无尽的反复过程。时间在前进，事物也在转化。生命是奇异吸引者的循环转化的表现。 中医药的理论说，如果身体里的阴太盛或阳太盛，人就要生病。生病是由于失去调和，或失去奇异吸引者的控制。在两根直线的相互作用中（图1）， yn = c xn xn+1 = yn 这里只有盘旋式的膨胀，没有控制无限增长的反馈。用这样的阴阳失调可以解释，例如，癌症病人身体里失控的细胞分裂。因此，中医强调人的健康需要阴、阳调和。 生命的反射和智慧 一个朋友在休士顿跑步锻炼身体时死了。他的心脏停止了跳动。验尸官说他的死因是缺钾。在通过神经元通道薄膜进行的离子交换中，钾是不可缺少的；而这种离子交换是传递神经系统的信号必需的。他跑步出汗太多，在消耗完了他的钾以后，脑细胞为心脏继续跳动发出的指令不能通过离子交换传递，我的朋友就去世了。 另一个朋友服用了很多安眠药，陷入沉睡状态。脑细胞被麻醉了，不能发出指令。他的心脏停止了跳动，也死了。 这样，信息的传递就是事关生死的大问题。传递信息给心脏让它跳动的系统是存储在受精卵的基因中的记忆在人体中安装的。其他生命功能，如呼吸、血液循环、饮食、消化等等也是这样。发这些指令是本能的，是从DNA分子的编码中发出的。所有知识也都编程为软件而存储在按基因的编码而发育起来的我们的头脑中。在自动地发出命令以保持生命时，生命就成长为一个自我组成的系统。 不是所有的反射都是保持生命必需的。割橡胶树的皮，胶液就流出。打狗，狗就叫。婴儿饿了，他就哭。这都是本能。这些反射的软件都存储在基因里。生命机体的保持不都需要教，他们有本能，或他们有与生俱来的智慧。 不是所有的软件都是在出生时的基因里编程的。生命不是一个单纯的时钟机构，生命可以即席演奏。婴儿出生时就具备了基本硬件和不可缺少的软件以执行生命的基本功能。同时，在成长过程中这个硬件还在改善着，新的软件也不断地安装着，以优化这自我组成的系统的功能。 软件处理信息和存储信息。什么是信息？ 信息不是物质的。 您进入一个商场，看见人们在等待。他们没有排队，但您看见了。您得到了信息，也等着您的轮次买东西。这信息存储在您的记忆里。这时，又来了一个顾客，他问了您关于您存储的信息，又有了他的记忆。这里就有了这样的事实：您或他中有一个人先来了，不论这事实是否正确地记录在您或他的记忆中，或被一种什么监视器记忆。 您来了，他来了。这些是作用。您先来，他后来。这是顺序排列的作用。作用是物质的，包括能量通过载体的转换以及时间的消逝。然而，关于作用的信息却不是物质的。信息存储在人的头脑中，象软件存储在计算机里那样，是文本而不是作用。信息记录了作用和事件、它们之间的时间关系、它们的原因和结果等等，然后又转化为软件的文本，用以指导自我组成的系统的功能和反应。有生命的机体的这种存储、利用新的信息的能力是生命的另一种奇异的本能。我们不仅生活着，我们还学习着。 信息是记忆，象软件那样存储在我们头脑中。记忆是我们生命的一部分。我们以文字，书籍，音符，或以绘画记下这些经处理或未经处理的信息，这些信息就离开了自我组成的系统，也就是离开了生命。人们脑力劳动的产物，象有血有肉的孩子，在子孙后代中有他自己的生命，可以在我们过世以后继续活下去。创造性的劳动是不朽的。 时钟机构和偶然性 Joseph Needham发现了西方和中国思想方式的一种差异。他认为西方的世界观可以追索到古代的美索不达米亚，想象着宇宙（包括生命）远离自我包含、自我运作的机体，认为宇宙是在某个时刻创造出来的并且一直被神的力量外在地控制着。神为世界上的各种现象制定着法则。而中国的关于天的思想和宇宙观则立足于完全不同的思想路线。万物（包括生命）的协调配合不来自外在的超权威给予它们的命令，而来自它们是宇宙结构中的各个部分的这样的事实。它们服从的是来自它们本性的内在的命令。（Needham, 1951） 当今的主张宇宙大爆炸的宇宙学者和西方的传统观点偏离得也不太远，因此受到罗马天主教的欢迎。幸好不是所有宇宙学者都相信宇宙大爆炸的教条。等离子物理学者的工作不从认定的时间的起点以后作起，而从现在起向前作。他们认为宇宙一直存在着，发展着，还将继续发展下去。宇宙大爆炸从来没有发生过。 这样的现代理论使我们回忆起新儒家的学说。在中国的理气世界里，既没有起点也没有终结。世间万物产生时来于太空 9），消逝后又归于太空。它们在产生、消逝两者之间交替地变化着。阴、阳的平衡，或奇异吸引者的转化，确定了产生或消逝都不是事物的全部：既没有宇宙大爆炸，也没有宇宙大粉碎。 Schrodinger的古典思想和我在本文阐述的思想的差异也反映了东西方哲学上的差异。一些著名物理学家强调生命具有时钟结构那样的规律性，认为生命从DNA的编码发展起来，机体，象计算机中的硬件那样，根据存储在DNA中的记忆，有规律地或合法地活动着。在我看来，生命不止是个时钟结构。除掉遗传赠予的那部分以外，一个活着的机体具有这样的软件：可以获得信息，并在很大程度上按自己的兴趣，在他所处客观环境的限制范围内行动。 西方的科学总去研究事物的起因或第一个原因。他们在说明、预期无生命世界形成的发展演变方面获得了一些显著的成就。例如，地球的历史起始于放射性热的产生。为了散发热量就有了地球覆盖层的对流或移动，导致了地球动力学的研究。喜马拉雅山的隆起估计约在一亿年以前。地质学家预计在下一个亿年里，在欧洲和非洲之间，会因象喜马拉雅山那样的挤压而形成山脉。但是，地球上生命的历史是难以估计的，其中生命个体的连续事件更难以估计。生命不是一个时钟机构，而是时间和偶然性的结合体。 中国的民间传说中有宿命论的观点。一个中国故事说，婚姻是上天决定的：一个男孩出生了，在他的脚上系了一根红线，红线的另一头系在在另一个地方出生的一个女孩的脚上。月老牵着这根红线，直到这两个人长大了，走到一起并结为夫妻。现在的中国人还常说起这个美丽的故事。我们回顾自己的婚姻，看到了机遇起着主要作用。两个人就象两个粒子，或象在宇宙的气的演化中的两个作用。我们的路径交叉着，某种机遇下碰到一块。我们结合了，我们的命运交织在一起。 人们有自己的思想。思想是一种存储在我们的身体这个硬件里的软件。软件接收着信息。什么信息能够被接收取决于连续的事件，也就是宇宙的气。思想这软件常被补充修改，发指令给身体 一个自我组成的系统，让它对从外界接收来的信息作出反应。在我们的命运中没有时钟机构。时间和机遇在人和宇宙的气的相互作用中扮演着单独的角色。 生命的终结 如果一个人死了，他的生命也就终结了。 中国人用断气这个词作为死的同义语。从字面上可以理解为一个活着的人的连续事件也可以认为是气 中断了，生命就终结了。从此，自我保持、自我组成的系统就不再运行了 生命停止了。死者的身体会被按物理和化学的最少作用法则发生的连续事件改变。这法则控制着尸体的各部分。 法律上的死亡是心脏停止跳动。心脏停止跳动可能比身体不再是自我保持、自我组成的系统晚一些时间。一个人的心脏跳动可以由外部接入的设备来维持。当自我保持、自我组成的系统功能不再来自自己的身体，当生命要由机器维持的时候，这个人在临床病理上实际就死亡了。 生命的起始和进化 一个有生命的机体，不论它由无性的细胞分裂产生，或由有性的受精卵发育生成，都含有它的双亲的因素。从生命开始时刻起，我们就含有母亲的DNA。母亲的DNA又是从她的先人那里遗传来的，如此等等。如果我们相信地球上的生命是在某一次产生的，所有有生命的机体都是从它们祖先那里进化出来的，那么，就应该有第一个祖先。古孢粉学研究的迹象说明最初的生命是单细胞细菌，约生活在40亿年前。在有性繁殖以前，生命只能靠细胞分裂繁殖。 达尔文的进化论只是生命进化的多种假说中的一种。这种理论认为原始物种是通过变异，不适者灭绝和适者生存而选择性地进化为新物种的。但是，根据对机体化石的消失的研究，很多地质学者得到这样的结论：促进进化的因素是群体的消失，而不是自然选择。很多物种的生存环境在大灾难中毁灭了，它们也消失了。一种群体消失后，新的物种大量进化出来。 达尔文理论至今仍被认为是准则，新变异的自然选择仍被认为是产生新物种的唯一力量。Schrodinger指出，达尔文理论使我们感到前景暗淡：变异是在染色体中本能地产生的，又是所谓自然选择的。什么都由机遇决定了，可能由自私的基因决定了，个体很难对遗传因素产生什么影响。写在看不见的化学介质（DNA）中的文本可以决定个人的行为，但它不是由智者写的，而是由与道德智慧无关的自然选择写的，人文主义者对此十分反感。生命的进化不由上帝决定，不由盖娅10）决定，也不由称为理的宇宙法则决定，而仅由机遇决定！ Lamarck的学说优于达尔文理论，说生命体可以通过适应环境而获得新的特点，新的特点还可以遗传。 不幸，Schrodinger接受了他的生物学方面的同事的论点，写道：Lamarck主义是站不住脚的。因为他的立足点 后天获得的特点可以遗传 是错误的。据我们所知这是不可能的。进化的每一步都是自发的、偶然的突变。个体在他生命期间的适应行为和进化没有关系。 环境进化论的基本点是错误的吗？环境对生命体的基因的进化没有影响吗？ Lynn Margonis学校就共生起源作的关于进化论的陈述是最令人高兴的科学新进展。这新学说的基本思想有三点： 1) 单个的有生命机体要聚集起来形成群体，象珊瑚礁那样。这种生长形式在基因中是编码保存的。 2) 群体有时也需要与非共生的机体共同生存，象共生的珊瑚礁和红海藻那样。这种共生是两个物种的自愿行为，每个物种还有它自己的基因。共生不在基因中编码保存。 3) 经过相当长的时间，一个共生物种的某些DNA分子可能偶然地和另一个物种的基因的DNA分子结合，两个物种的信息在一个新结合起来的基因中编码。新染色体包含新的基因，是指导新物种发展的新的文本。 Margolis阐述了他关于线粒体基因在高级生命体中的存在的观点。约20亿年前，线粒体是一种自由生存的细菌物种，它可以将糖转化为能量。线粒体的这功能很有用，因此它成为另一个物种的细胞中的共生体。经过一些时间，线粒体细菌和它的后代丧失了它们可以到处生存的自由，而只能在共生物种的细胞中生存。这个信息编码保存在共生宿主的染色体中。 将糖转化为能量在生命中是一种非常有用的功能。在长时间进化过程中，线粒体结合到很多物种的基因里，在所有高级形式的生命体（真核生物）的细胞中实际上都可以发现它。如果没有线粒体和人类基因的结合，也就没有智人的出现。 线粒体进化的这种学说使突变不再来自随机机遇。新的基因是通过和共生体的老基因结合形成的。环境因素为各种形式的共生体所必需，可能是推动进化的力量。 死亡以后的生命和不朽 生命是一个自我组成的系统的连续的作用。有生命的机体死亡了，生命的作用停止了，自我保持、自我组成的系统都没有了。死亡的躯体是一个没有生命的物体，不能违背最少作用的物理法则：尸体开始腐烂。 死者生命的一部分以身体或思想的形式留给了他的子孙，或存在于子孙后代的记忆里。后代的生命历程和祖先不同，但他们从祖先那里获得了基因。聪明的后代是他们的祖先的复制品：一个人对另一个人的记忆在这个人的生命中只是复制的软件。 不朽是指有关一个人的连续事件的信息保存在后人的软件中。这里的事件是过去发生的作用，保存的是关于过去事件的信息。死亡就是死亡。我们看不见一个曾经自我保持、自我组成的死亡的躯体还真能继续进行连续的作用，不论是在这个世界上，还是在天堂里或甚至在地狱里。 身体和思想 我将生命定义为：生命是一种物体，由称为时子的基本粒子组成，由自我组成的系统的连续作用表现。这系统从带有记忆的种子里生长起来。这记忆使系统可以发展为自我保持的系统，可以繁殖，可以获得知识以改善系统本身，以至可以作用、可以反作用，可能违背物理上的最少作用法则。 我说明了生命的高级形式，例如智人，有身体和思想。身体是一个由细微的物理化学系统组成的能够作用的复杂的集合体。作用是在一定时间过程中能量的转化。能量以占有一定空间的有质量的物体为载体。时间只在发生事件的情况下才有意义。身体根据存储在种子里的DNA分子的编码信息生长起来，身体的每一种微系统功能都符合自然法则。身体可以和装着软件的计算机硬件相比拟。有生命的身体的功能是自动地、无意识地执行的。另一方面，思想具有获得信息、存储信息以及开发自我组成的系统的软件程序的能力。软件对来自外部的信号发出作用或反应的指令。软件的算法是用浑沌的、不规则碎片形的语言写的。 生命将二氧化碳和水合成到一个化学教授的身体里，而死亡将这位教授的身体还原为二氧化碳和水。生命的循环让人们想起中国关于宇宙循环的说法：世间万物在产生时来于太空，消逝后又归于太空。它们在产生、消逝两者之间交替地变化着。 致谢 1990年，加州理工学院请我去讲沉积学的物理原理课程。我到Pasadena后系秘书告诉我只有一个学生注册了我的课。我不希望在一个几乎空着的教室里讲课，象常在苏黎士做的那样，决定讲一些生动的内容。由于这样的促进和机会，我将课程改为时间的分形几何。这就是事情的起因，然后经过一系列的作用，终于有了今天的发言：什么是生命？ 我曾作过地质史中群体消失的记录。我体会到一个统计规律：稀有物种所以稀少，不是由于它们的本性，而是由于它们的数量。例如，小地震每天都会发生，而9级大地震在10年里也难得出现一次。我在一次汉堡的报告中说了这个体会。Don Turcotte出席了这个会，告诉我Benoit Mandelbrot将这个统计关系定义在分形几何里。我写信给Mandelbrot，他为我打开了通往浑沌和不规则碎片的世界的大门。 在我改变课程题目以后，还是只有一个学生听我的课，但是很多有名的同事参加了。其中，特别要感谢Don Anderson, Yuk Yung, Peter Wiley, Barclay Kamb, Lee Silver, Gerry Wasserburg和Kerry Sieh等先生。和他们在教室里和饭桌上进行的讨论促使我反复思考着时间的意义。 李白 中国的大诗人，牛顿 微积分的发明者，都比较过时间的消逝和江河的奔流。水的流动是连续的，而水的分子是离散的。这比较启发着我去考虑时间的消逝是否也由一种离散粒子的流动组成。我的妻子Christine是希腊文的学生，告诉我希腊文　的意思是立即，而（不可分的）可以用来表示一个不可分的、离散的时间单元。她将我引向时子的概念。 Yuk Yung介绍我去看T. D. Lee的文章，其中将时间按离散的动态的变量处理。他也是使我注意到Planck常数在描述量子现象的数学式中重现的第一个人。Hans Schillnhuber赞成我关于时子的假设，请我去Posdam在他的研究所里发言。 感谢杨振宁和Paul Chu，他们提醒我注意中国古老的智慧。虽然他们不介入我的独特想法，但对我很友好。感谢Frank Dickson送我Popper和Priogogine的书。我高兴地和Eric Lerner通信，他参与了我关于科学哲学的观点的讨论。 Don Anderson, Paul Feyerabend和Dave Olgarrd看了我的时间的分形几何初稿。他们想放射性衰变可能由时子的作用引起，需要实验证实。这使我想起时子可能是质量非常小的粒子，以至它的作用也难以探测得到。我请陈民本、黄朝凯进行观测碳-14的半衰期变化的实验。他们进行了实验，将实验结果和其他几种变量的暂时变化比较，黄发现衰变率和宇宙线的强度有关。他们的实验结果是衰变中时子的作用可能是中微子和中子的相互作用的第一个观测到的证据。感谢Kurt Dressler，他告诉我，用这个假设可以解释自由中子的不稳定性。 最后，要向我的家人表示谢意。我和女儿Elisabeth讨论了中国古代思想并从中受益。儿子Andreas和Martin让我了解了音乐和视觉艺术中的美的分形几何。妻子Christine和儿子Peter十多年来常在饭桌上听我自言自语。从我的胡乱言辞中他们可能或不能得到什么益处，但他们一直都支持着我。 参考文献 Borges, J. L., 1970 时间的新驳斥 Penguin Books, Harmondsworth, 269页 Chan Wing-tsit, 1986 朱熹和新儒学 Univ. Hawaii Press, Honolulu, 644页 Davis, P. C. W., 1994 时间不对称的物理 Univ. Calif. Press, Berkeley CA, 214页 Einstein, A., 1956 狭义及广义相对论 Springer Verlag Edition, Heidelberg, 112页 许靖华，1992 时间的物理理论的研究 Proc.Natl. Acad. 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中微子为什么要振荡？（下）
songshuhui 2010-7-8 19:26
Sheldon 发表于 2010-07-07 8:50 中微子为什么要振荡？（上） 《2012》的致命漏洞 前文我们提到过，在太阳内部的核聚变反应中，弱相互作用占有重要的地位。许多弱相互作用都会产生电子中微子。我们知道中微子不带电，又不像电子，质子，中子那样参与那么多相互作用。因此，许多中微子一经产生，就很容易以（接近）光速从半径几十万公里的太阳内部跑出来。相比之下，核聚变释放出的光子，由于频繁参与相互作用，反复被吸收发射，从太阳内部跑出来的平均时间是1万年到17万年。这是多么不可思议的事情，我们所沐浴的温暖阳光，竟然是数万年前从太阳内部产生的，虽然跑完从太阳表面到地球的距离，光只需要8分钟。 因此，虽然人类从宇宙中获得的绝大部分信息来自于光，但是从太阳这样的恒星中获得的信息有点儿过时。如何才能获得即时的信息呢？那就探测太阳发出的电子中微子吧！【注1：1987年一颗超新星爆发时发射的中微子流比可见光早了两个半小时抵达地球】 说到太阳发出的电子中微子，大家也许会立刻想起电影《2012》来。在这个伪科幻电影中，人类之所以面临地狱般的劫难，就是因为这些电子中微子加热了地核。实际上，《2012》的漏洞非常明显。地球上的每一平方厘米的地方，每秒钟都有百亿个太阳中微子穿过。如果从太阳内部发出的中微子能加热半径数千公里的地球，那么它首先应该加热数十万公里的自身才对。那样的话，人们早就会发现太阳不对劲了，还用的着挖那么大的一个坑才发现？其次，人体本身也是由基本粒子组成，人体内的放射性同位素每天都会发出约3.4亿个中微子。如果中微子的能量那么容易被吸收，难道人类不会先被照出病来吗？况且，地球本身也会发射大量中微子在所谓的太阳中微子引起的山崩地裂之前，人类早该变成蜂窝煤了。 真实的情况是，中微子能够很容易地穿透地球，然后它们挥一挥衣袖，不带走一片云彩。这是因为能够吸收中微子的弱相互作用反应截面比较小，而中微子又不参与强相互作用和电磁相互作用。这个原因很好理解，设想影视歌三栖明星，外加金马奖金曲奖得主，让他不戴墨镜不乘车在南京路步行街走两圈试试看？肯定没两步就让人拦住签名了，说不定还有人即兴求爱呢。可同样是名人，你把诺贝尔物理学奖得主温伯格请到南京路，抬一块写着电弱相互作用哈密顿量的小黑板，再拿个高音喇叭边走边喊：瞧一瞧看一看，温伯格来上海啦。可能一条街走七个来回都没几人待见他。为啥？这就是由相互作用类型不同，反应截面太小造成的。 温伯格有时候也会上科普纪录片，他写的每一部书都是经典。 实验报告出炉日，家祭无忘告乃翁 因此，好消息是2012年不会像电影里一样，坏消息是探测太阳中微子非常困难。上世纪60年代，物理学家来到美国南达科他州的一个1千5百米深的矿井中，安置了一个装有近40万升四氯乙烯的储液罐。他们预计太阳中微子会被氯37原子核内的中子吸收，使后者变成一个质子，并释放出一个电子。然后，氯37就变成了氩37。物理学家想办法数一数产生了多少氩37，就会知道这个装置吸收了多少中微子。不过，这些被吸收的中微子并不全是太阳发出的。除去噪声，物理学家得到的结果是平均每天吸收0.5个太阳中微子，一年才180多个！为了得到令人信服的大量数据，在参考文献引用的一张一页半长的表格里，这个实验整整跨越了25年！设想一个学生刚刚博士毕业，打算测量一下中微子，出一些有意义的成果评个好职称。运气好的话，论文发表时，他同学的娃都大学毕业了；运气不好的话，实验进行到一半就下岗了。正可谓：实验报告出炉日，家祭无忘告乃翁（当然，阶段性的成果还是会有的）。 （这是中微子吸收过程的一个费曼图的演示，中子和质子被表示成了三个上、下夸克和胶子组成的束缚态） 实验报告的出炉并没有让忙碌了大半辈子的物理学家松一口气，反而更加疑惑起来。因为根据对太阳模型的理论计算，中微子的吸收率应该是实验值的3倍左右。其余的中微子跑到哪儿去了呢？这个事情被称为太阳中微子丢失之谜。此时，善于根据答案解释英文阅读理解题的理论物理学家们开始发挥特长了，为了能在数据的枪林弹雨中生存下来，各种理论物理小白鼠要开始突变了。物理学家最先想到的是修改太阳模型，但很快宣告失败。因为太阳模型一更改，跟其他的观测就对不上了。那么太阳的中微子为什么会丢失呢？聪明的你一定猜出来了，是因为普天同庆变成了团队之星，中微子发生振荡啦！ 上述实验中的四氯乙烯是专门用于探测吸收太阳电子中微子的，如果电子中微子在到达地球前，转化成了子中微子或者子中微子的话，得到的数据当然比理论值偏小了。按照这个解释，如果设计一个能够同时探测普天同庆和团队之星的实验，就可以了解它们之间是否可以相互转化了。 上世纪90年代初，日本物理学家在岐阜县的一个1千米深的矿井下建造了一个装有5万吨超纯水的大水缸，并在水缸四周安装了1万3千只光电倍增管。大家知道水中的光速比真空中的光速小很多。如果中微子被水中的原子核吸收，并相应的释放出高能电子或者子的话，后者的速度可能高于水中的光速，发出切伦科夫辐射。此时，1万3千只光电倍增管就像1万3千只眼睛一样记录下这一切。如果电子中微子被吸收，释放出高能电子，它的轨迹会像水中的乒乓球一样飘忽；如果子中微子被吸收，释放出高能子的话，它的轨迹会像水中的铅球一样稳定。所以，让电子眼们数一数多少事件飘忽多少事件稳定就大功告成啦。这就是超级神冈探测器。 小柴昌俊 1998年，以小柴昌俊（Masatoshi Koshiba）为代表的中微子振荡联合研究小组用这种方法成功证明了，大气中微子发生了代与代之间的振荡。大气中微子来自于宇宙高能射线和大气的相互作用（ 参见 游识猷 ： 疯狂科学家的公式化生存 ），因此，它的能量往往比太阳中微子的能量高出很多。因为子质量是电子的200多倍，吸收子中微子释放子的过程，要比吸收电子中微子释放电子的过程需要消耗更多的能量。所以，美国的太阳中微子实验测不到子中微子而日本的大气中微子实验可以。2001年，该实验小组又证明了太阳中微子也发生了代与代**之间的振荡。一年之后，小柴昌俊等人被授予诺贝尔物理学奖。 （超级神冈探测器，理论物理研究和实验物理研究的精髓都在于挖坑和灌水！） 答案在于地磁偏角 中微子确实会发生振荡，那么它们为什么要振荡呢？终于到了回答这个问题的时刻了！原来，上帝造三代基本粒子的时候，就像造地球的时候一样，故意留下了一些不完美。例如，地球的地磁南北极和自转南北极以及公转南北极并不重合，前者的夹角叫做地磁偏角，后者的夹角叫做赤道黄道夹角。从理论上讲，地球上的任意一点都可以定义为北极，指向北极的方向可以定义为正北，然后再据此定义其他方向。但实际上，人类对方向的感知、测量和定义都和具体的测量手段密不可分。如果夜观星象，那么很容易找到地理北极的方向，从而定义正北。如果野外又碰上下雨天，那么只能依靠指南针测量地磁北极*的方向了。可是，你要寻找的是地理北极的正北，却只能测得地磁北极的正北，那怎么办呢？你会发现，只要相对于地磁北极的正北，再偏转一定的地磁偏角之后就搞定了。实际上，地球表面每一点地磁偏角的数值都不相同。你要是绕着地球一遍又一遍的走，就会发现一个奇怪的现象，地磁北极和地理北极的夹角发生了振荡，有时候偏东了，有时候偏西了，有时候又偏南了。可实际上，地磁北极的经度纬度都是固定的，只不过随着你的位置不同，它和地理北极的相对夹角发生了变化而已。 相同的道理，所谓的这个中微子，那个中微子，不过是量子场态空间的地磁南北极而已（叫做味本征态）。弱相互作用就是阴雨天的指南针，可以告诉我们探测到的中微子代表哪个方向【注2，我们可以看出上下夸克的名字就是方向】。而我们无法直接测量中微子的质量本征态指向哪个方向，也就是对应的地理南北极（叫做质量本征态，就像地理南北极一样，它决定了量子态随时间演化的性质）。然而，当时间流逝时，中微子场态空间的地磁南北极和地理南北极之间的地磁偏角就会不断振荡。于是，纯种的电子中微子从太阳中发射出来后，立刻就会成为一定比例的三种中微子的量子线性叠加。当它们到达地球上的探测器时，相互作用的测量会破坏量子线性叠加态，使它按照比例，以一定概率坍缩成电子中微子，子中微子或子中微子。就像地磁偏角的振荡跟你的位置和速度有关一样，中微子振荡也跟中微子流的位置和能量有关。例如，在我国的大亚湾核电站附近建立几个不同位置的中微子探测器，我们就会发现不同探测器中得到的三种中微子的比例是不同的，由近及远会得到周期性振荡的结果。 看完中微子振荡的故事，大家一定想问，作为中微子的兄弟姐妹，夸克，电子们会不会也有振荡呢？答案是肯定的。实际上，由于夸克是参与强相互作用的粒子，夸克振荡的现象要比中微子振荡的发现早得多。只不过由于强相互作用的色禁闭，夸克不能独立存在，所以科学家观测到的是由（反）下夸克和奇夸克组成的K 0 介子振荡。为了描述这两代夸克和质量本征态之间的夹角，1963年（当时还没发现第3代夸克），卡比波(Cabbibo)引入了一个2乘2的矩阵。当时日本的年轻学生小林诚（Kobayashi）和益川敏英(Maskawa)发现，2乘2的矩阵好像不够用，就顺手弄了一个3乘3的矩阵出来（叫做CKM矩阵，是三者名字的缩写，这也从某种意义上预言了第三代夸克的存在）。四十多年之后的2008年，小林诚和益川敏英被授予诺贝尔物理学奖。笔者了解CKM矩阵的时候是2007年，当时年少无知，不知道这个工作如此重要。曾经幼稚的幻想，这有什么了不起，一会儿我就写个4乘4的，5乘5的矩阵出来！ 原来CKM矩阵的意义不仅在于揭示了夸克这种基本粒子的性质，更重要的在于它体现了物理学中的CP破坏问题【注3，C和P分别代表物理学过程的两种对称性变换，CP破坏就是某个反应在CP共同变换下无法保持对称性】。物理学家们相信，宇宙诞生之初一定是正反物质各占一半，由于某些原因使得后来正反物质比例发生变化，没有完全湮灭成光子。而CP破坏是一种对称性的破坏，正好可以影响宇宙中正反物质的比例。因此，CKM矩阵不但是一个重要的工作，而且是个很要命的工作。看来我们的上帝把基本粒子Ctrl+C，Ctrl+V了三代，又让它们振荡来振荡去，并非任性胡闹，而是有深刻的原因啊！ 由此我们知道，夸克振荡和中微子振荡是板上钉钉的事情，而从理论上讲，中微子的对称性伙伴电子、子和子之间也应该发生类似的振荡。目前还没有确凿的实验证据能够证明这一观点，不过可以想象，一旦实验报告出炉，那一定又是一个诺贝尔奖级别的成果。大家不要着急，等大家的娃们大学毕业之后，电子振荡的实验报告应该就完成的差不多了。那时候不知道世界杯会在哪儿举行，不知道中国足球处在什么水平，不知道谁还能回忆起普天同庆和团队之星。 参考文献：1.超级神冈探测器的网站 2.邢志忠教授的学术报告 3.维基百科及其相关参考文献 4.感谢conq和iceherMIT的相关讨论 5. 在南极冰下建造世界上最大的望远镜 *.文中的地磁北极特指靠近地理北极的那个磁极。 **.流行的表述是中微子发生了味的振荡。文中提到过的任何物质粒子都可以看做一种味。
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中微子为什么要振荡？（上）
songshuhui 2010-7-8 17:28
Sheldon 发表于 2010-07-05 16:00 世界杯足球赛的某场关键比赛中，主队和客队在120分钟内战成了0:0，只能通过点球大战决出胜负。双方共派出的10名主发点球的球员依次出场，在前9次的点球互射中，主队和客队分别打入4个球。此时，客队最后一名发点球的13号球员出场了，全场观众都安静了下来，气氛紧张到了极点。如果他成功打入这个点球的话，那么客队将获得整场比赛的胜利。世界杯的历史将再一次刷新，而13号球员将和他的队友教练员们一起成为整个国家的英雄。 120分钟的比赛几乎耗尽了队员们的绝大部分体力。不过13号是下半场才替换上场的小将，体力充沛，加上教练员要求大家全线龟缩，因此13号此时看起来充满着信心。只见他不慌不忙的走到点球区，将本届世界杯的专用足球普天同庆按在草皮上，摆正了方向，再缓缓后退3步。此时，对方门将也异常紧张，双眼紧盯13号的双腿，祈祷能够有奇迹发生。 裁判的哨声响起，13号大力推射，门将奋力扑救，球应声入网。全场顿时响起轰炸机般的呜呜祖啦声，庆祝客队取得了本次比赛的最终胜利。客队的替补球员们冲入球场疯狂庆祝，而主队的球员们则垂头丧气的避开摄影机镜头，打算迅速离开这个伤心之地。主队门将1号拾起球门内的足球，正打算狠狠的摔一下发泄失败的烦闷。可是他发现情况有些不对，追上去将球呈给了裁判。裁判立刻判罚进球无效，比赛仍未结束，同志仍需努力。 原来，被13号射出的普天同庆，在空中飞行的一段时间后，竟然变成了上一届世界杯专用足球团队之星，然后落入球门。根据本届世界杯的规则，这样的进球无效。 真的有奇迹发生了吗？当然，谁也不会相信这样匪夷所思的事情，除了专门研究匪夷所思的粒子物理学家们。普天同庆不可能变成团队之星，不过组成普天同庆的基本粒子，夸克，电子，以及发射出的中微子们，却个个都有七十二般变化的本领。如果那一脚射出去的是电子中微子的话，那么飞入球门时，很有可能就变成子中微子；如果射门距离更长的话，后者很有可能又在途中变回原来的电子中微子。这样的现象叫做中微子振荡。那么，好好的中微子为什么非要振荡呢？你是普天同庆就是普天同庆，为什么非要变成团队之星呢？如果要变的话，有没有可能变成2002年的飞火流星呢？要想了解这个问题，让我们先了解一下中微子是个什么东西吧。 士农工商中微子和它的兄弟姐妹 我们给基本粒子分类起名字，就像给任何新鲜事物起名字一样，总是力图概括它的基本特征。而这一概括，总是建立在某些特殊背景的基础上，使普通读者们觉得词不达意，不知所云。比如，我这样的理科书生看电影《杜拉拉升职记》，发现开头的人物介绍完全看不懂，什么大客户经理，行政秘书，助理人事行政经理，不知道在说什么。如果有人在旁边介绍一下，说大客户经理相当于饭店里管包厢服务员的，行政秘书是扫地打杂的，助理人事行政经理是小监工领班的，我就能明白了。所以，让我们了解一下中微子和它的兄弟姐妹，以及基本粒子物理的一些背景吧。 就像中国古代社会分为士农工商四个阶层一样，自然界存在着四种的基本相互作用：强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用，引力相互作用。士是能量最大的一级阶层，它能够管理其余三个阶层。而强相互作用顾名思义是最强大的一种相互作用，参与强相互作用的物质基本粒子夸克，同时也参与弱、电磁、引力其他三种相互作用，是基本粒子中质量最大的一类。例如质量最大的顶夸克，跟一个铅原子的质量差不多。强相互作用把夸克捆绑成质子，中子，又把后者捆绑成原子核（这个捆绑的有效距离仅限于原子核内，因此日常生活当中感觉不到）。要是没有强相互作用，宇宙也许不过是一锅夸克汤，更加不可能有人类。 原子弹释放的大部分能量来自强相互作用 商是能量较小的一级阶层，但其作用范围相当广泛，除了不能买卖官爵之外，什么都能买卖。而许多社会活动的价值，都需要通过商的作用才能得到体现。比如明朝张居正以前，据说收税直接收实物，给士发工资也直接发实物。当官的要是不把棉花天麻找商人换成钱，日子根本没法过。因此，电磁相互作用相当于商的阶层，它的作用体现在了日常生活当中的每一个角落。你看电视（视力），这是电磁相互作用，你踢足球（压力），这是电磁相互作用，你骑单车（摩擦力），这是电磁相互作用，你划小船（浮力），这还是电磁相互作用。 摩擦力 在物理学中，就算你要研究除电磁相互作用以外的其他三种相互作用，对不起，你还需要借助电磁相互作用。人类几乎所有的先进探测仪器都借助了电磁相互作用。如果没有天线，没有光电倍增管，没有威尔逊云室中的过饱和，以及将信息最终带至视网膜的光，物理学也许还停留在牛顿时代，更不用说人脑中分析信息的亿万个神经元，参与的也是电磁相互作用了。因此，在物质基本粒子中，电磁相互作用的代表电子，同时也参与弱、引力其他两种相互作用。我们知道爱因斯坦的质能定律E=mc 2 ，也就是说质量和能量可以互相转化。由于电子不参与强相互作用，因此电子的质量比夸克小的多，大约是后者的几分之一到十几分之一。 太阳妈妈释放的能量大部分来自强相互作用，却主要是通过电磁相互作用（发光）传播到地球的。 工在古代是指手工业，现代社会中对应于中低端的制造业。在基本粒子物理学中，弱相互作用还真有点儿中低端制造业的样子。我们知道太阳是万物之母，地球上一切人类活动的能量大都来源于太阳能，而太阳能来自于氢核子聚变成氦核子的一系列核反应过程。这一系列核反应包括了强、弱两种相互作用（ 参见 游识猷 ： 疯狂科学家的公式化生存 ），虽然弱相互作用释放的能量相对较少，但没有了它，整个核聚变反应根本无法进行。 太阳之中的核反应，碳循环，看起来很像二氧化碳合成葡萄糖的那个循环。lam1指出该循环对太阳核反应的贡献远小于质子质子循环，而更多的出现在更大质量恒星的核反应中。 如果再往前追溯，我们会问，恒星中哪儿来的这么多氢和氦呢？这是宇宙大爆炸后的核合成时期形成的。宇宙最初三分钟的一种弱相互作用导致的核反应决定了质子和中子的比例。我们知道氢原子核中只有质子，而氦原子核当中有质子和中子。因此，是最初三分钟的弱核反应决定了我们宇宙的原初元素组成。这怕是名副其实的中低端制造业了。如果这个制造业当初稍有偏差，改变了质子中子的比例，也许宇宙中的星系、恒星、行星、生命等高端制造业就永远无法出现了。顺便说一句，弱相互作用的应用越来越广泛，例如医院放射科用于治疗癌症的钴-60，测定文物年代的碳-14等等。因此，弱相互作用虽然不起眼，但对于宇宙、对于人类来讲仍然是至关重要的。弱相互作用的代表粒子就是中微子，它同时也参与引力相互作用。中微子的质量只有电子的百万分之一，不参与电磁相互作用，当然也就不带电。此时，我们一定能够理解中微子的名字和它的特征之间的关系它是一种中性的微小的只参与两种相互作用的基本粒子。 Co-60的衰变会放出电子和反中微子，不过治病靠的是随后放出的伽马射线 农在我们的比方中对应着万有引力的相互作用。就好像任何时代任何国家的发展都离不开农业，一切基本粒子都参与引力相互作用。只不过，相对于其他四种相互作用，引力的强度是最弱的。只有在宏观尺度上，引力才会起到决定性的作用。目前人类还没有得到自洽的微观的量子引力理论。因此，我们不知道是否存在引力子这样的代表引力相互作用的基本粒子。 我们提到了三类基本粒子：参与四种相互作用的夸克，参与三种相互作用的电子，和参与两种相互作用的中微子。还有一类粒子，它们的主要功能是负责传播相互作用，因此得名传播子。例如，传播强相互作用的叫胶子，它能把夸克们粘在一起，形成中子质子介子等亚原子粒子。传播弱相互作用的叫W + ，W - ，Z玻色子。传播电磁相互作用的叫光子。我们知道现代社会经常把工和商放在一起，比如工商局，工商大学，工商银行。同样，弱相互作用也可以和电磁相互作用一起，统一为电弱相互作用，正所谓五百年前是一家。由于类似的原因，我们经常把电子和中微子归为一类，称为轻子；而夸克自成一类，称为强子。还有一种理论上预言的希格斯粒子，人们认为它赋予了基本粒子的质量。粒子物理学标准模型中的四大类粒子就是：强子，轻子，传播子，和希格斯粒子。我们要讨论的中微子振荡现象，主要集中在强子和轻子之中。 （基本粒子无时不刻的沐浴在相互作用真空的海洋中） 三生万物基本粒子家族的血缘关系 明朝开国皇帝朱元璋设计了一个很变态的户籍制度：龙生龙，凤生凤，老鼠儿子只能去打洞。也就是说，每个人都只能继承它父亲的职业，不得随便更改。这个制度放在粒子物理的观点来看，似乎有一定的道理。 上夸克，下夸克，电子，和电子中微子互为兄弟姐妹。前面两个是强子，后面两个是轻子。而下夸克是上夸克的对称性伙伴，电子中微子是电子的对称性伙伴。这就好像一家的大儿子叫阿龙，再生个儿子就叫阿虎一样，上夸克，下夸克，电子，和电子中微子的名字反映了它们之间的血缘关系。 上帝不知道为什么在制造了上下夸克，电子，电子中微子之后，又心血来潮，Ctrl+C，Ctrl+V，又Ctrl+C，又Ctrl+V，硬要把这个组合复制两遍，一共弄出三代来。正所谓一生二，二生三，三生万物，不是二生万物，也不是一生万物。所以，上夸克的后代叫粲（漂亮的意思）夸克，下夸克的后代叫奇（奇怪的意思）夸克；粲夸克的后代叫顶夸克，而奇夸克的后代叫底夸克。 同样的道理，电子的后代是子，电子中微子的后代是（缪）子中微子；子的后代是（套）子，子中微子的后代是子中微子。这里后代的名字受到历史原因的影响，比较拗口。大家喜欢的话，完全可以给他们改个名字叫普天同庆团队之星和飞火流星。 普天同庆变成团队之星，讲述的就是电子中微子转化为子中微子的故事。 土鳖啃铁牛
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蜜蜂的故事
liuxiaod 2010-3-13 11:48
小秦五岁的时候问妈妈，自己在出生之前在什么地方， 在妈妈的肚子里 有多大？ 像蜜蜂一样大。妈妈说。 那么在你出生以前在什么地方？ 在姥姥的肚子里，也像蜜蜂一样大。妈妈说。 那么在你是蜜蜂的时候，我在哪里？ 你在蜜蜂的肚子里，比蜜蜂还小。妈妈说。 小秦很迷惑，如果妈妈说的是正确的，那么每一个女人的肚子里都要装着她所有的后代，即使每一代都比前一代个头小，但是因为后代无穷无尽，那么任何女人的肚子都是装不下的。为了解决这个问题，小秦想了一个办法，那就是每个女人肚子里只有她下一代子女，她的孙子辈后代并不存在，在子女出生以后，女儿的肚子里重新合成新的蜜蜂，新的蜜蜂是由女儿所吃的食物合成的，这样就把问题解决了。 这样的想法对于成年人来说不值一提，但是对于一个5岁的孩子来说却很独到。小秦后来听说物理学家认为基本粒子无限可分，核子下有层子，层子下有亚层子，亚层子下还有更小的，显然物理学家不知道蜜蜂的故事。
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物质无限可分吗？
liuying56 2009-2-8 02:04
看了几篇关于物质是否无限可分的博文，又引起了我对哲学问题的兴趣。 我上中学时赶上全民学哲学，那时还买了本坂田昌一 《新基本粒子观对话》，虽然看不懂， 但 毛主席讲得很明白，从哲学的观点来看，物质是无限可分的。质子、中子、电子，也应该是可分的，一分为二，对立统一嘛！。但是我偏偏认为物质不可能无限可分。这导致我后来远离哲学问题，学了物理，但对粒子物理没有兴趣。 我的考虑其实很简单: 即使我们认为 对立统一规律是唯物辩证法的核心，但对立统一也不是唯物辩证法的一切，因此也不是自然规律的一切。唯物辨证法中，除了对立统一规律，还有量变引起质变、否定之否定规律，那时对否定之否定还不甚理解，但量变引起质变深信不移。随着物质越分越小，量变会引起质变，那么我们原来面对的物质还有吗？如果物质不灭，新的物质形态，还会是粒子吗？还能让我们分吗？ 物质不能无限可分并不与马克思主义哲学相违背，而坚持 物质无限可分会把 物理学引入一个死胡同。 物质无限可分吗？（续）
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