科学经典品读丛书:物质构成之梦

作者简介

史蒂芬·霍金（1942-2018）当代最著名的科学家。他以畅销书《时间简史》、《果壳中的宇宙》等而闻名环宇。媒体将他誉为“当今世界最智慧的人”和“爱因斯坦，牛顿和伽利略的科学传人”。

内容简介

引言 史蒂芬·霍金 物理科学的目标是要解释宇宙是由什么组成的，以及它是如何运转的。自开普勒、伽利略和牛顿以来，我们一直借助于物理定律来表示我们对自然现象的认识。随着我们不断扩大我们的观察领域，这些定律一直随时代变迁而更替。当20世纪初物理学家开发出用以研究原子结构及其与辐射之间的相互作用的工具后，他们发现，他们原先的那种基于对日常生活中物体的观察而确立的关于自然的图像，从根本上说是不完备的。本书以宏大的篇幅，采用原始文献来追溯那些为解释原子和亚原子尺度上自然景观所需的革命性新概念的发展轨迹。这是一个引人入胜的故事，一段关于一系列令人烦恼的观察以及由此带来的灵光闪现的深刻见解的传奇。这些见解导向一种新的世界观，它为那些诸如位置和动量等熟悉的属性赋予了新的意义，而像粒子的运动轨迹等概念则被抛弃，甚至像所谓预言到底是指的什么这样的概念都不得不重新定义。 正是对发光物体所发出的光——所谓“黑体辐射”——的观察，使得古老的“经典”图像的可信性第一次受到挑战。基于这种图像的理论不仅不符合实验观察结果，而且还预言这种发光物体将会释放出无限多的辐射。这显然是一个荒谬的结果。1899年，马克斯?普朗克表示，如果他采用在当时看来似乎是限定性的和临时的假设，他就能得到关于辐射体辐射的正确的数学描述。他的假设是：对任何频率的光，都存在基本能量单元。由此得到的结果是，黑体辐射的任何频率下的能量都必然是这个基本“量子”的整数倍。 差不多同时，经典图像也无法解释另一种现象——光电效应——的性质。所谓光电效应是指光照在金属上会产生电流的效应。1905年，阿尔伯特?爱因斯坦运用普朗克的上述想法解释了其中奥秘。但爱因斯坦的解释的重要性远远超出了光电效应本身。通过采用量子概念来解释一种与黑体辐射无关的现象，爱因斯坦表明，普朗克的想法有着根本性的重要意义，量子不是黑体辐射所特有的神秘性质。量子物理学诞生了。 在随后的20年里，实验揭示出许多新的奥秘，而量子概念似乎总能够成为解决这些谜团的法宝。例如，厄内斯特?卢瑟福和汉斯?盖革所进行的实验似乎表明，原子里的质子聚集在其中心原子核上，电子则在核的周围作轨道运动。但根据经典理论，以这种方式运动的带电粒子将辐射掉其能量而呈轨道半径逐渐收缩的内旋螺线运动。若果真如此，那么为什么原子又是稳定的呢？ 尼尔斯·玻尔运用量子概念解释了这一点。他提出，电子的轨道半径，像能量一样，也是量子化的。这将意味着电子只能在距原子核一定的离散距离上运动，因此不可能螺旋向内收缩。在玻尔模型中，当电子从一个允许轨道跃迁到另一个允许轨道时，它会发出或吸收能量。正是通过这种方式，玻尔解释了氢原子光谱。 原子中的量子化轨道和能级的想法是量子原理的普遍性的另一个印记，但直到海森伯和薛定谔于1926年提出了他们的描述量子系统如何随时间演化及其受力作用的方程后，量子理论才成为一种充分成熟的理论。几年后，保罗·狄拉克展示了如何修改这一理论以便将狭义相对论包括进来。狄拉克的理论要求存在一种新的物质——反物质。量子理论曾预言存在正电子，此后不久实验上就发现了这种新粒子。 量子理论的成功及其解释提出了许多哲学问题，因为量子理论是非确定性的，这意味着当一个系统从某一给定状态出发后，其未来状态的测量结果一般来说不可能被准确地预言。人们可以计算得到不同结果的概率，但是，如果以相同的初始状态出发重复实验，所得到的将是不同的结果。量子理论的发展意味着这样一种理念——只要有关于一个系统目前状态的足够充分的信息，原则上科学可以预言其今后所有的一切——的终结。这一点困扰了许多物理学家，如爱因斯坦和薛定谔，他们提出了反对量子理论的论据，但他们的具体的反对意见最终都被证明是无效的。 ???今天，多亏了理查德·费曼，我们知道，量子理论意味着一个物理系统没有单一的历史，而是有多重历史，每一个历史关联着不同的概率。这一图像被用来创建量子电动力学理论，它解释了量子化粒子是如何与电磁场相互作用的，以及它们如何发射和吸收辐射。量子电动力学的预言与实验观察到的结果相吻合的精确度是其他科学无与伦比的。 本书在追踪所有这些发展成就时，我们想起了罗素的名言：“我们都是从‘幼稚的实在论’，即从事情如同它看起来那样的学说出发。我们认为，草是绿的，石头是硬的，雪是冷的。但物理学让我们确信，草的绿色、石头的坚硬和雪的寒冷并不是我们从我们的经验所获知的那种绿色、硬度和寒冷，而是某种非常不同的性质……”[ 这一段话出自罗素的《意义与真理探讨》（An inquiry into meaning and truth）一书。——译注] 正是这些梦想构成了本书的材料。 第一章 光的性质问题一直是大部分物理学史中的核心问题。牛顿理论认为，光是粒子状的东西——光束就是微小的粒子流，正如同水流是由微小的水分子组成的一样。鉴于他作为伟大的物理学创始人之一的声誉，他的光学理论被广泛接受。然而，在1801年，托马斯·扬明确指出，牛顿的粒子理论不可能是对光的完整描述。他表明，光入射到两个紧密相邻的狭缝上会在远处的屏上产生干涉条纹。而干涉是一种波动现象，不能由光的粒子理论来解释。对光的粒子理论的另一个重大打击来自19世纪60年代，当时詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将电学和磁学的理论统一起来并证明，光是一种电磁波。因此，光的波动理论有着非常良好的实验基础和理论依据。 然而，到了20世纪初，对两个令人不安的观察结果的开创性解释改变了我们对光的理解并开始了量子革命。我们发现，光和物质都是既有波动性又有粒子性。其中第一项解释便是对黑体辐射谱的形状的说明。 我们都看到过热的东西会发光——火的余烬或电炉的加热丝所发出的红光，普通白炽灯的钨丝产生的光，甚至太阳表面发出的明亮的白光，所有这些都是同一现象的例子。我们将明亮的灼热物体所产生的光称为黑体辐射。我们每天都会以各种不同的方式感受到它。它看似很普通，因此当人们意识到要理解黑体辐射需要突破经典物理学，开启量子力学革命之门时感到十分惊奇。但事情恰恰就是这样发生了。 黑体辐射被认为仅取决于物体的温度。较热的物体辐射出较多的能量，与此相应，发射光谱的峰值位置移向光的较高的频率处。作为一个例子，我们来考虑一根加热的金属棒。起初，它看起来根本不发光。当然，实际上它仍在辐射能量，只不过所辐射的波主要在电磁波谱的红外区域，我们的眼睛看不见而已。当它被加热后，它开始泛出暗红色，就是说它的发射光谱移到了可见光范围内。随着进一步加热，金属棒发出的光变为鲜红色，然后是橙色，再后来是黄色……它的谱峰遍历电磁波谱的可见光部分。 黑体辐射产生的光谱是可以测量的，几位研究人员在19世纪下半叶对此进行了研究。然而，当时没有一种物理理论能够正确预言随着物体温度升高其频谱该如何变化。威廉·维恩发现了一种可用于描述高频情形下频谱的经验关系式。但他无法从先前发现的物理定律导出这一关系，因此这一经验公式从概念上说基础并不牢靠。换句话说，维恩定律好用，但没人知道为什么。更糟的是，在19世纪90年代末，人们对低频端的黑体辐射谱的观测表明，谱的低频部分完全背离了维恩定律的预言。 在“论正常频谱的能量分布律”一文中，马克斯·普朗克不仅解决了这种不一致性，而且导出了一个能够正确描述所有频率下的黑体辐射谱的数学表达式。为了做到这一点，普朗克不得不做出一项后来被认为是革命性的假设。他假设，黑体辐射是由大量的微观振子产生的，并且该黑体的总热能不是连续地分布于这些振子上，而是以有限的和离散的形式分布于振子上。换句话说，能量被“量子化了”，每个振子的能量都是某个小的能量单位的整数倍。普朗克证明了这种小的能量元正比于振子的频率。比例系数是一常量，他标记为h，即著名的普朗克常数——它是量子力学的基本参数。它的值规定了尺度水平，而正是在这个地方经典物理学失效，我们需要用到量子物理学的理论。 第二个无法用光的经典波动理论来解释的令人不安的现象称为光电效应。在20世纪初人们注意到，当光照在金属上时会有电流生产。在今天看来，这是一个众所周知且广为运用的概念。事实上，太阳能电池在太阳光照之下产生电力就是基于这一效应。然而在当时，光电效应却是个谜。乍一看，光的波动理论提供了一个简单的解释：光波冲击金属，将能量传递给了金属表面的电子，从而使这些电子脱离了束缚它们的原子。它们可以自由移动，所以能产生电流。根据波动理论，光越强，电子获得的能量就越多。但观察结果却不是这样。菲利普·勒纳德在1902年观察到，释放出的电子的能量与光强无关。光越强，产生的电子越多，但单个电子的能量则不受光强的影响，而是取决于光的颜色。这是一个奇怪的结果，因为光波的颜色（或频率）应该与波的能量无关。更奇怪的是，光电效应有一个截止频率，低于这个频率，无论光有多强，都不会有电子释放出来。要解释这些奇怪的细节，这已经超出了光的波动理论。 在“关于光的生产和转化的一启发性观点”一文中，阿尔伯特·爱因斯坦运用普朗克的量子化原理能够解释这种光电效应。他的理论是，光射线的能量不是连续分布的，而是由有限数量的不可再分的“能量子”构成的。因此，单色光是由大量但数量有限的光的粒子构成的，每一个光粒子携带一份由普朗克常数与光的频率的乘积所确定的能量。光粒子现在被称为光子。单个光子只能以一个完整的单元被吸收。当电子吸收了一个光子的能量后，正是光子的能量，而不是光强，决定了电子获得了多少能量。在光电效应中，需要一定量的能量才能移除金属中的电子。如果光的频率太低，那么不管有多少光子存在（即不论光强有多强），都没有光子有足够的能量来除去电子。因此，借助于能量量子化的假设，爱因斯坦可以解释光电效应的奇怪的细节。 随着普朗克对黑体辐射的解释和爱因斯坦对光电效应的解释的发表，量子物理学的理论诞生了。对于所引入的这一概念的革命性本质，我们可以问，“普朗克是从何处获得的灵感提出这个假设的？”对此，1909年，普朗克在哥伦比亚大学所做的题为“物质的原子理论”的演讲中，透露了他是如何由统计力学的工作导致他做出的能量量子化这一辉煌的假设的。不过，很可能普朗克和爱因斯坦都没有真正明白他们的工作结果会给物理学带来的深刻改变的程度，因为两人都反对量子物理学完全成熟后所带来的某些后果。在随后的章节里，我们将看到，我们在基本层面上对宇宙和实在的理解是如何因量子革命的影响而从根本上改变的。 ？物理学的目标是要解释宇宙是由什么组成的，以及它是如何运转的。当20世纪初物理学家开发出研究原子结构及辐射的工具后，他们发现对日常生活中物体的观察而确立的自然的图像，从根本上说是不完备的。本书以宏大的篇幅，采用原始文献来追溯那些为解释原子和亚原子尺度上自然景观所需的革命性新概念的发展轨迹。 ？这部文集追溯了过去100年间量子力学建立过程中最重要的原创性文献，很好地平衡了哥本哈根学派与哥廷根学派对量子力学建立的贡献之争，展开了一幅人类思想变革的历史画卷。 ？霍金为每一章撰写了导读, 加插了大量评注。 大师选大师, 名家释名家. 一卷在握, 众星在手. 读读大师, 走向科学！ ？对于广大的科学爱好者来说,一篇篇原汁原味的大师原著,是值得珍藏的艺术品。