你错了,爱因斯坦先生!(哲人石丛书第三辑:当代科普名著系列)

你错了,爱因斯坦先生!(哲人石丛书第三辑:当代科普名著系列)
ISBN: 
978-7-5428-5336-3/N·835
出版日期: 
2012-03
开本: 
大32开
页码: 
171
定价(元): 
19.00
作者: 
哈拉尔德·弗里
译者: 
邢志忠 邢紫烟
  

目录

序言

引言  1

第一章  量子理论的起点  9
第二章  原子  21
第三章  波与粒子  35
第四章  量子振子  53
第五章  氢原子  61
第六章  自旋:一个新量子数  71
第七章  力与粒子  79
第八章  元素周期表  91
第九章  狄拉克方程与反粒子  99
第十章  电子和光子  109
第十一章  色夸克和胶子  119
第十二章  中微子振荡  133
第十三章  粒子的质量  141
第十四章  自然界的基本常量  147
第十五章  结局  157

物理学家小传  159

译后记  167

内容提要

        对绝大多数人而言,量子力学似乎是一门与日常生活毫不相干而且神秘莫测的学科,只有物理学家才能理解它的真谛以及它所描绘的量子世界。但事实并非如此。其实我们每个人都可以轻松地领会量子物理学的基本原理,并从中感知和欣赏那些存在于我们的视野之外、趣味横生的量子现象。在科学化和文明化的现代社会,量子力学至关重要,因此它理应被大众所了解。
        作者在本书中模仿了伽利略《关于两大世界体系的对话》(Dialogue Concerning the Two Chief World Systems)一书的写作风格,以虚拟的对话形式,让五位不同时代的物理学家展开一系列关于量子力学的起源和发展的热烈讨论,文笔生动有趣、通俗易懂。参与讨论的是牛顿、爱因斯坦、海森伯、费恩曼以及作者本人的化身哈勒尔教授,他们的身份象征了从经典力学到量子力学,再到基本粒子物理学的历史发展脉络,而他们的话题涵盖了现代物理学的很多基本概念和原理。牛顿起初对量子物理学一无所知,但是在讨论过程中,他慢慢地也变成了一位量子物理学家。爱因斯坦虽然为量子理论的创立做出过杰出贡献,但后来却不断地质疑这一理论的基础和推论,因此他不得不经常面对海森伯、费恩曼和哈勒尔的批评。刚开始完全不了解量子力学的读者会像牛顿那样从讨论中学到很多东西,也会像爱因斯坦那样惊叹于相对论和量子力学相结合的产物(量子场论)在基本粒子物理学领域所取得的巨大成功。
 

前言

        弗里奇让四位伟大的科学家复生,并展开了关于量子理论的起源和发展的热烈对话。他们讨论的话题包括:普朗克(Planck)不情愿地引进的量子(quanta)概念,玻尔(Bohr)发明的特设的量子规则,薛定谔(Schrodinger)和海森伯(Heisenberg)共同发现的量子力学(quantum mechanics),以及量子力学和爱因斯坦(Einstein)的狭义相对论(special theory of relativity)相结合的丰硕成果——相对论性量子场论(relativistic quantum field theory)。他们的对话揭示出这些早期的科学成就如何将我们引向如今已取得巨大成功的“标准模型”(standard model),后者几乎为所有已知的基本粒子现象提供了一个显然正确的、完备的而且前后一致的描述。
        我将简要回顾量子物理学的某些方面,我们是如何得到它们的,以及还存在哪些未解之谜。所有的自然现象都是由四种基本力产生的:引力、电磁力和两种核力——一种是弱相互作用力,另外一种是强相互作用力。在爱因斯坦整个人生的后几十年,他对核力的态度几乎是敷衍了事,不闻不问。与此相反,他却竭尽全力去构建一个关于引力和电磁力的统一理论,但没有成功。我们必须承认,我们所获悉的关于核力的知识对其他大部分的科学学科几乎不会产生直接的影响。原因在于对那些学科而言,原子核同电子一样可以被看做具有特定质量和电荷的类点粒子(pointlike particle)。通过这种理想化的处理,可用薛定谔方程完美地描述每种化学元素的原子。实际上,该方程提供了一个基本的理论框架,支撑着诸如化学、生物学和地质学等许多自然科学分支。当然,懂得了基本规则并不会使这些学科的挑战性降低,就像懂得了国际象棋的规则并不会使人人都成为国际象棋大师一 样……但这终究是一个好的开端。
        尽管引力在这四种力中最弱,但它的效应却最显而易见。引力解释了地球上和天空中的运动现象。它把属于我们的大气和海洋挽留了下来,并让我们站在地面上。然而,与其他几乎所有现象有关的却是电磁力:它使原子结合在一起,然后使它们组合成诸如分子、老鼠和山脉等。我们自己本质上是电磁生物,我们所看到的、感觉到的、听到的、品尝到的、触摸到的或者制造出来的一切东西也都是电磁力作用所致。引力和电磁力合起来解释了这个世界的几乎所有特性,不管是大尺度的还是小尺度的。这样看来,爱因斯坦忽视核力或许是有道理的。
        不过电磁力和引力无法解释太阳和恒星是如何发光的,也不能解释构成人体的化学元素是怎样产生的。如果没有对原子核的深入了解,我们就不会面对核能所带来的希望和危险。这一切都始于1897年放射性的发现以及那之后不久原子核本身的发现。科学家们发现原子核是由两种粒子组成的:中子和质子——它们通过很强的短程核力结合在一起。对宇宙线的研究揭示了其他看来是基本的粒子:正电子、μ子、π介子和好几种所谓的奇异粒子(strange particle)。越来越强大的粒子加速器的设计、开发和投入运行,导致了几百种其他粒子的发现。它们的数目太多了,不可能都是基本粒子。
        我们已经知道,这些粒子中的大多数根本不是基本的。所有强相互作用的粒子[叫做强子(hadron)]都是由夸克(quark)组成的,夸克之间通过交换胶子(gluon)而束缚在一起。比方说,质子是由两个上夸克(up quark)和一个下夸克(down quark)组成的束缚态,而奇异粒子只不过是含有奇异夸克(strange quark)的束缚态。(然而,我们不可能观测到单个夸克或胶子。)把夸克结合在一起的力,即色相互作用力或量子色动力学(QCD),是一种与数学上的SU(3)群有关的规范理论(gauge theory)。把核子结合在一起形成原子核的核力只是把夸克结合在一起的色相互作用力的微弱的剩余效应,就像把原子结合在一起形成化合物的化学力其实只是把原子结合在一起的电力的微弱的剩余效应一样。
        我们的相互作用力四剑客中的最后一位是弱相互作用力,它容许质子变成中子,从而使得太阳能通过核聚变过程产生能量,也使得死亡已久的恒星能够制造出构成人体的元素。它还容许中子在β衰变的过程中变成质子,而β衰变是三种天然放射性形式中的一种。如今我们知道弱相互作用力和电磁力是密切相关的,有些人把这种相关性说成是这两种力的统一。这两种力无法分开来理解,而只能合在一起在电弱理论(electroweak theory)的框架中来理解。电弱理论基于另外一种规范理论,这种规范理论涉及自发破缺的规范群SU(2)×U(1)。在这种理论中,无质量的光子与很重的弱相互作用的传播子(mediator)W玻色子和Z玻色子联系在一起。电弱理论已经通过了种种实验检验。实际上,它的建立和发展产生了包括我本人在内的八位诺贝尔奖获得者。
        电弱理论连同量子色动力学是如今取得巨大成功的标准模型的两个组成部分。标准模型基于作用在三个基本费米子家族上的 规范群SU(3)×SU(2)×U(1),而每个费米子家族是由一对夸克和一对轻子(lepton)组成的。尽管标准模型取得了很多实验上的成功,但仍然存在许多令人烦恼的问题没有得到解决。我开列其中的一部分难题,以此为这篇简短的序言画上句号:

        问题(一):怎样处理被标准模型忽略掉的引力?虽然这种力极其微弱,因此和基本粒子现象没有什么关系,但它在量子世界里不可能仍旧只是一种经典的力。因此建立引力的量子理论至关重要。这项任务也许已经在超弦理论(superstring theory)的框架内实现了,但是到目前为止这个雄心勃勃的理论既没有被实验证实,也没有被证伪。
        问题(二):是什么导致了弱电对称性的破缺,从而使得弱相互作用力很弱,并给出了大多数粒子的质量?希格斯机制(Higgs mechanism)提供了一个简单的解释,但是它也导致了一个深刻的理论问题。许多有独创性的解决方案被提了出来,例如超对称和彩(technicolor)模型,但没有一个答案是令人信服的。正在大型强子对撞机(LHC)上开展的实验将会引导我们朝着正确的答案前进,或许我们沿着这条途径会发现那个令人难以捉摸的希格斯玻色子。
        问题(三):宇宙学家和天文学家已经做出了很多令人吃惊的新发现,包括:我们的宇宙是平坦的,它膨胀得越来越快,宇宙中的大部分质量是暗的,且并非由任何已知的粒子构成的。我们现在知道,宇宙包含大约70%的暗能量、25%的暗物质和仅仅5%的普通物质,如标准模型所描述的那样。因此人们提出了两个意义深远的问题:什么是暗能量?什么是暗物质?前一个问题似乎很难处理,而暗物质的问题则可以通过几种有希望的途径来研究:通过大型强子对撞机产生并探测暗物质;或者当它经过地下深处的探测器时观测它的相互作用;或者在空中观测它的间接效应。
        问题(四):标准模型比它初看起来的样子要更为错综复杂。它含有许多可调节的参量,其数值必须通过实验来确定。比方说,各种夸克和轻子的质量和它们的混合就涉及至少20个独立参量(其中大部分参量已经得到了测量)。对于这些参量而言,它们的取值似乎没有任何规律或者理由。毫无疑问,(我们希望)存在尚未被发现的物理原理,使我们最终能够从这些第一性原理出发来计算这些参量,或者至少能发现它们之间的某些关系。

        或许在遥远的未来,这本书的新版可能会让那些设法解决这些难题中的任何一个或者全部难题的人复生,他们会在我们中间或者会是我们的继承人。不过,在此期间,仍然有很多工作要做。

谢尔登·李·格拉肖(Sheldon L. Glashow)*
波士顿大学
美国马萨诸塞州

作者简介

        哈拉尔德·弗里奇(Harald Fritzsch),国际著名理论物理学家与科普作家。早年就学于民主德国,1969年移居联邦德国,1971年在慕尼黑工业大学获得博士学位。曾经工作于美国斯坦福大学、加州理工学院和欧洲核子研究中心,1980年成为慕尼黑大学久负盛誉的索末菲讲席教授,2008年退休。他与诺贝尔物理学奖得主盖尔曼(Murray Gell-Mann)合作多年,共同为量子色动力学(描述强相互作用的理论)做出了意义深远的奠基性工作。他在大统一理论、味物理学、中微子物理学等许多领域都做出了原创性的重要贡献。他的科普著作被译成多种文字出版,影响十分广泛,其中《夸克》(Quarks)和《改变世界的方程》(Eine Formel verandert die Welt)中译本拥有众多读者。在20世纪80年代,他制作的题为《微观世界》(Mikrokosmos)的电视系列片在德国常播不衰,影响广泛。

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