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分类： 4.物理:生活·口诀·故事 |
原文地址：从物理学的发展看宇宙之和谐美作者：悟理
中国古代道家的思维本质，就是世界上所有的事物都具有统一性和相互关系，《老子》曰：“祸兮福之所倚，福兮祸之所伏”。道家的思维传统不追求绝对的一致，而企望在两极之间保持一种协调或互补的关系。有趣的是在物理伟人爱因斯坦的头脑中，自然界中所有存在的事物，也都是处于密切的相互联结和普遍的联系中，它们都服从普适的、固定不变的规律，整个宇宙就是由它们构成的一个和谐有序的总体或系统。爱因斯坦认为，科学家和艺术家都是以“最适当的方式来画出一幅简化的和易于领悟的世界图象”。虽然科学家和艺术家的创作手段和方式不同，但他们都是为了在纷乱中找出秩序，从现象中揭示本质，都是为了认识世界和改造世界，都是为了勾勒出反映自然界和谐与秩序的宏伟蓝图。宇宙的和谐在物理学的发展历程中处处有体现。
1．电与磁的和谐
1．1电生磁与磁生电
静磁现象和静电现象很早就受到人类的重视，对这些现象进行系统研究则始于16世纪，但这些研究始终只是将静电学和静磁学孤立开来进行的，电和磁究竟是否有联系？这个问题悬了几百年，1800年伏打电池的发明提供了产生恒定电流的电源，这使人们有可能从各个方面研究电流的各种效应。1820年4月，丹麦物理学家奥斯特发现了电流的磁效应，从此电学与磁学彼此隔绝的状况有了突破，电磁学的新阶段开始了。1822年，法拉第在日记中写下了一个崭新的研究课题：把磁转变成电。从1824年起，法拉第开始用实验的方法探索这一课题。1824年至1828年间，法拉第进行了多次电磁学实验，但磁生电的迹象却始终未出现，然而，失败并没有使他放弃实验，转磁为电的想法一直萦绕在他的心头。因为他坚信自然力是统一的、和谐的，电和磁是彼此有关联的。既然奥斯特实现了电产生磁，那么反过来，磁也一定能产生电。1825年，斯特詹发明了电磁铁，1818～1831年亨利和莫尔等相继对电磁铁作了重大改进，从而获得了更强的磁场，这给法拉第的研究带来了新的希望。在1831年10月17日这一天，磁变成电的理想终于实现了！
1．2分子电流假说
1820年奥斯特发现电流磁效应的消息由阿拉果带回巴黎，安培作出迅速反应，在短短的一个多月时间内，提出了3篇论文，报告他的实验研究结果：通电螺线管与磁体相似；两个平行长直载流导线之间存在相互作用。进而他用实验证明，在地球磁场中，通电螺线管犹如小磁针样取向。一系列实验结果，提供给他一个重大线索：磁铁的磁性，是由闭合电流产生的。起先，他认为磁体中存在着一个大的环形电流，后来经好友菲涅耳提醒（宏观圆形电流会引起磁体中发热），提出分子电流假说，实现了磁铁的磁场与电流的磁场在本质上的统一，即磁场的本质是电。
1．3电磁场理论
1864年12月8日，麦克斯韦在英国皇家学会的集会上宣读了题为《电磁场的动力学理论》的重要论文，对以前有关电磁现象和理论进行了系统的概括和总结，提出了联系着电荷、电流和电场、磁场的基本微分方程组。该方程组后来经H．R．赫兹，O．亥维赛和H．A．洛伦兹等人整理和改写，就成了作为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。这理论所宣告的一个直接的推论在科学史上具有重要意义，即预言了电磁波的存在。变化的电场产生磁场，同样变化的磁场也能产生电场，这是多么美的和谐啊！交变的电磁场以光速和横波的形式在空间传播，这就是电磁波；光就是一种可见的电磁波。电、磁、光的统一，被认为是19世纪科学史上最伟大的综合之一。1888年，麦克斯韦的预言被H．赫兹所证实。
1．4寻找磁单极子
和谐统一是人类的最朴素、最深切的愿望。所以既然电场中有正电荷和负电荷，磁极有北极（N极）和南极（S极），那么是否也象正负电荷一样，也存在单独的“磁荷”──即磁单极子呢？1931年英国物理学家狄拉克从理论上预言：存在只有一个磁极的粒子，即“磁单极子”。1982年，美国物理学家卡布莱设计了一个寻找磁单极子的实验。然而实验没有能够被重复，因此这一假说到现在为止，还没有能在实验上得到最后的证实，但它仍是当代物理学上引人注目的基本理论研究和实验研究的课题之一。
2．现代物理学中的和谐
2．1波粒二象性
在光的本质研究的过程中，爱因斯坦在总结已有的理论和事实的基层上，提出了光的波粒二象性理论。波动和粒子两重性被发现后，许多著名的物理学家感到困扰。年轻的德布罗意却由此得到启发，大胆地把这两重性推广到物质客体上去。他在1923年9～10月间，连续在《法国科学院通报》上发表三篇短文：《辐射──波和量子》《光学──光量子、衍射和干涉》《物理学──量子、气体动理论及费马原理》，在1924年通过的博士论文《量子论研究》中他作了系统阐述，提出了德布罗意波（相波）理论。这一理论以后为薛定愕接受而导致了波动力学的建立。并且把爱因斯坦关于光的波粒二象性的思想加以扩展。他认为实物粒子如电子也具有物质周期过程的频率，伴随物体的运动也有由相位来定义的相波即德布罗意波，后来薛定愕解释波函数的物理意义时称为“物质波”。德布罗意的新理论在物理学界掀起了轩然大波。这种在并无实验证据的条件下提出的新理论使得人们很难接受。就连德布罗意的导师朗之万也根本不相信这种观念，只不过觉得这篇论文写得很有才华，才让他得到博士学位。1927年，美国贝尔实验室的戴维孙（C．J．Davisson，1881～1958）、革未（L．H．Ger－mer，1896～1971）及英国的汤姆孙（G．P．Thomson，1892～1975）通过电子衍射实验，都证实了电子确实具有波动性。至此，德布罗意的理论作为大胆假设而成功的例子获得了普遍的赞赏，他荣获了1929年诺贝尔物理学奖。纵观物质波思想的提出过程，可以说物质波思想直接受惠于爱因斯坦的光的波粒二象性。
现在，在物理学中，同时运用粒子和波的概念描述物质已成通例，物质的波粒二象性直接导致了量子理论的阐述。现代物理学家承认这样的事实：物质是以看来互不相容的方式来表现自己的。为了解决粒子同时又是波的困难，现代物理学家引进了几率波的概念，有关一个粒子几率的信息包含在所谓几率函数这个量中，而这个量的数学形式则是波。波粒二象性是宇宙统一和谐的又一个反映。
2．2物理概念的统一
宇宙的和谐在现代物理中还有很多的反映。比如，时间和空间这两个似乎是截然不同的概念，在相对论物理中得到统一，质量与能量、运动与静止、存在与虚无，这些都是对立或矛盾的概念，在现代物理学中得到和谐存在的解释。质量与能量在相对论力学中通过爱因斯坦质能方程得到统一；在匀速行驶的车厢中，有一个点电荷Q，以车厢为参照系，点电荷Q是静止的，没有磁场，但若以地面为参照系，点电荷Q是运动的，有磁场。
就是这么神奇，就是这么不可思议，看似不同的两种运动形式，物质的两种不同属性，竟然可以和谐地统一。
2．3经典物理与非经典物理的对应和谐
如果让h→0，则，能量子即能量间隔（不连续的“台阶”）趋于零，因而能量的变化成了连续的；对于德布罗意波长，→0，因而宏观物质没有波动性；在康普顿效应中，→0，因而，这是电磁波经物质散射后波长不变的经典理论；在不确定关系中，→0，这粒子就有正确的位置和动量，这是经典力学的结论；相对论质量中，当物体的速度v远小于光速时，分母趋于1，从而相对论质量就等于静止质量，这就是在经典物理范畴内研究的质量。可见，非经典理论在适当的极限条件下就过渡到经典理论。
3．引力与斥力的统一之迷
在分子力中，有分子引力和斥力；在静电力中，有静电引力和静电斥力──这是多么令人欣慰的和谐统一啊！万有引力和静电引力有着惊人的相似，都遵循平方反比定律。然而万有引力对应的万有斥力在哪里？万有引力常量和静电力常量都是用巧妙的扭秤试验，分别由卡文迪许和库伦测出的，然而两个常量数量级相差为何如此巨大（万有引力常量G=6。67×10-11N·m2/kg2，静电常量k=9×109N·m2/C2）？
这一层层的迷有待于后人去揭开，它激励人们去探索、发现新的统一、新的和谐，看到更深层次的本质。
4．寻找反物质
1928年，狄拉克与海森伯合作，发现交换相互作用，引入交换力。同年，建立了相对论性电子理论，提出描写电子运动并且满足相对论不变性的波动方程（相对论量子力学）。在这个理论中，把相对论、量子和自旋这些在此以前看来似乎无关的概念和谐地结合起来，并得出一个重要结论：电子可以有负能值。由此出发，于1930年提出“空穴”理论，预言了带正电的电子（即正电子）的存在。1931年预言了反粒子的存在，电子──正电子对的产生和湮没。1932年，安德森在宇宙射线中果然发现了正电子。不久，布莱克特在用云室观察宇宙线时又发现了电子──正电子对成对产生和湮没的现象。正电子的预言并被证实是相对论量子力学的一个重要功绩。
1931年，狄拉克提出关于“磁单极”存在的假设。论证了以磁单极子为基础的对称量子电动力学存在的可能性。进而于1933年提出反物质存在的假设。狄拉克的工作，开创了反粒子和反物质的理论和实验研究。如果狄拉克的预言再次被证实的话，那么我们生存的世界就有一个与之对应的“反世界”，有一个我，就有一个“反我”，那该是多么令人神往的和谐之蓝图啊！！
尽管就自然科学而言，“真”比“美”更本质，但只是美，才能使真获得升华，也就是：由求美而促真；由接受美而接受真。从而使美能够赋予真一种新的目的和价值。其次，上述过程又是一个审美过程，当科学家创立起一种能显示出理性的和谐统一的科学理论体系，并由此能直接洞察到该理论对象所构造的宇宙图式时，一种为之颤栗、为之陶醉的审美情感就会油然而生。
参考文献：
[1]爱因斯坦文集（卷1）[M]。上海：商务印书馆。1976
[2]赵玲慧。近代物理学思维与中国传统文化
[3]王较过。现代物理知识
1999。3
[4]束炳如等。物理学家传。湖南教育出版社。1985
[5]钱临照等。世界著名科学家传记。科学出版社。1994
[6]郭奕玲．沈慧君。物理学史。清华大学出版社。1993
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