单位文秘网 2021-09-02 09:07:08 点击: 次
思想”这样的提法。“万物理论”的许多支持者在心理上仍然是柏拉图主义者。
如今,我们可以从数字仪表上读出车速,想想当年有人试图发现“速度”,着实是惊人的想法。
为了对“物理学是什么”有更细致的理解并明确地表达出来,我们需要在柏拉图主义之外寻找途径。我们需要解释数学在这个世界上“产生”的途径,而不是理所当然地认为它是某个超人预先放在那里的东西,或是某种超现实活动的产物。要想不带偏见地解决这个问题,我们必须将注意力从“创造世界”移开,转向把物理学“创造”成一门科学。
我们说“数学是物理的语言”,指的是物理学家有意识地梳理这个世界,找出其中的模式,然后利用数学进行描述。这些模式就是自然法则。既然数学模式始于数字,物理学家的大部分任务就是找到将物理现象抽象成数字的方法。在16世纪至17世纪,哲学讨论称其为量化过程,今天我们称之为测量。思考现代物理学的一种方法,就是把它看作一个越来越精密的量化过程,把我们从世界中抽象提取数字的方式多样化,从而获得探求模式或法则所需的原材料。这可不是微不足道的事,物理学由此实际上转向了“什么能够测量、如何测量”的问题。
现在,停下手头的工作,看看你的周围。你认为哪些东西可以量化?你看到了哪些颜色和形状?你的房间是明亮还是昏暗?空气酷热还是寒冷?有没有鸟儿在叫?你还听到了什么?你能摸到什么?你能闻到什么?你的这些体验是否能够测量?哪些可以测量?
早在14世纪,牛津大学的一帮被称为“计算家”的学术修士就已经开始思考这些问题了。他们首先认识到速度和加速度,前者指的是物体位置变化的比率,后者是速度本身的变化比率。如今,我们可以从数字仪表上读出车速,想想当年有人试图发现“速度”,着实是惊人的想法。
然而,尽管有计算家的成果,运动学还是几乎没有什么进展,直到16世纪晚期伽利略和他的同辈才接过这根接力棒。他们认识到,要让物理学得到发展,视野就得缩小一些。准确地说,是17世纪的法国数学家兼哲学家勒内·笛卡尔明确提出如何缩小的。一门基于数学的科学可以描述什么?笛卡尔的答案是,新一代的自然哲学家必须将自己的研究集中在穿越空间和时间的、运动的物质上。他说,数学可以描述其延伸领域,或者说“广延实体”。思维、感觉、情绪和道德则被他归入“思维领域”,或称“精神实体”,并认为它们是不能量化的,因此超出了科学的视野。笛卡尔的这一区分并没有像希腊人那样将意识从肉体中剥离出去,只是澄清了新物理学的研究对象。
那么,除了运动之外,还有什么可以量化呢?在很大程度上说,物理学的发展就是逐渐扩展范围的过程。以色彩为例,在19世纪晚期,物理学家通过棱镜散射发现,彩虹中的每一种颜色都对应不同波长的光。红光的波长在700纳米左右,紫光则在400纳米左右。色彩可以与数字关联,即电磁波的波长和频率。这里我们就有了二象之一的波。电磁波的发现是量化工程的一大胜利。
现在,让我们转向二象的另一边:粒子。19世纪末至20世纪初,随着一系列电磁设备的问世,物理学家开始研究物质。他们发现,原子中带负电的电子成对围绕带正电的原子核运动,每对中的两个电子处于稍有不同的状态,或者称为“自旋”状态。后来,科学家证明这是亚原子领域的一个基本特征。物质粒子,如电子,其自旋值为1/2;光粒子,或称“光子”,其自旋值为1。简言之,区分物质与能量的性质之一就是其粒子的自旋值。
过去一个世纪里,在许多实验中,光的表现反而像一束粒子。在光电效应中,个体光子撞击电子使其脱离原子轨道。爱因斯坦解释了光电效应,并因此于1921年获得诺贝尔奖。在1805年托马斯·扬著名的双缝实验中,光的行为既像波又像粒子。在这次实验中,一种波神秘地引导着可检测到的离散光子束,其效果在很长一段时间后才会显现。这种波来自何处?它是如何影响孤立的光子的?量子理论先驱之一、已故诺贝尔奖得主理查德·费曼在1965年曾说过,双缝实验是“量子力学的核心”。
就像光波有时表现得像物质粒子,物质粒子有时也会表现为波。在围绕原子的轨道运动中,电子更像是三维波。电子显微镜利用的就是这些粒子的波性质。
波粒二象性是现代物理的一个核心特征。或者更确切地说,它是我们对自己这个世界进行数学描述的核心特征。但需要注意的是,不管我们看到的图像多么模棱两可,宇宙本身仍然是一个整体,显然没有分裂成碎片。正是这种充满诱惑的整体性驱使物理学家向前迈进,就像永恒诱人的光,可望而不可即。
说到这里,我们应该谨慎对待终极真理的断言。量化作为一项工程还远没有完成,其最终会包含哪些内容还没有得到解决。笛卡尔就非常聪明,他把现实分为物质实体和精神实体,捕捉到某些对人类经验至关重要的东西。
从最本质上来说,可以量化的特性是那些共有的特性。所有的电子在本质上都是相同的,但人类可不是这样,人类的个性决定了我们只能是人,而不能成为别的什么。当科学试图将我们描述为电子时,文学教授当然会嘲笑。
如果所有可能的方程都必须得到物质上的证明,这就有点太咬文嚼字了……
你会注意到,这些例子关注的都是时间问题,与相对论和量子理论相关的许多悖论都是这样。时间确实是贯穿物理学的一大难题,围绕它在许多层次都存在悖论。在《时间重生:从物理学的危机到宇宙的未来》(2013年)一书中,美国物理学家李·斯莫林认为,400多年来,物理学家一直在思考时间问题,他们思考的方式从根本上来说都有悖于人类经验,因此是错误的。他说,要想从某些物理学最深的悖论中挣脱出来,我们必须重新认识其基础。
他认为,从根本上讲,自然是由原子构成的;原子具有永恒不变的性质,在不变的空间移动,受到不随时间变化的规律的支配。这个观点是几百年来科学进步的基础,但是它对基础物理学和宇宙学的作用要到此为止了。为了解决物理学家描述的时间和我们感受到的时间之间的矛盾,是时候放弃时间不变的理念,转而接受自然规律也在演变的观念了。
这是很激进的观点。不过,斯莫林素以异见闻名,而且这本书的核心思想还是很有价值的——反对方程的自反性物化。他说,如果数学上对时间的描述明显违背了我们对时间的体验,那么要改变的就应该是我们的数学描述。
我们会在某个时候接受“量化工程像其他所有分类体系那样存在极限”的观点吗?我们会陷入更复杂、代价更高的探寻中,以根除每一个悖论吗?在道格拉斯看来,这种含糊性是语言的固有特征,在一定程度上我们必须面对,否则只能让我们心烦意乱。
作者简介
玛恪丽特·沃特海姆,1958年主,澳大利亚人,著名科普作家,常年为《纽约时报》《洛杉矶时报》等着名媒体撰写科普文章。2004年,她作为随队记者,随美国国家科学基金会前往南极考察。她致力于理论物理的文化探讨,著有《毕达哥拉斯裤子》《虚拟空间的天堂之门》《边缘物理学》。《边缘物理学》着眼于展示物理学门外汉眼里的物理学世界,本文就选自该书。
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