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物理学步入禅境:缘起性空——朱清时

2009年04月01日 18:03:00 佛教在线 点击:0

朱清时

中国科学技术大学前校长

序言

二十世纪是人类历史上一个有趣的时期,这个时期的人类一面尽情地享受着自然科学创造的巨大物质财富:核能、镭射、电子技术,等等,一面却不了解甚至不接受它的一些基本观念。其实这些观念有大量严谨的科学根据,不过真正懂得它们的人太少,因此没有被人们重视和接受。

下面这则消息就说明了这种状况:

[中新网]北京8月19日消息:霍金在昨天的科普报告过程中只赢得了两三次掌声,全场几乎没有会心的笑——他的理论太玄奥,以至于大多数来自北大、清华的学子都说没太听懂。据北京晨报报导,昨天下午,北京国际会议中心排起数百米的长队。门口有人私下兜售门票——最少500元一张。询问退票的人也不少,大家都期待着一睹霍金风采。但两个小时的公众科普报告尚未结束,已有人提前退场——实在听不懂。

霍金这次讲的《宇宙的起源》,其基础是当代自然科学的最新成就—弦论。真正懂得这个理论的人,都会产生一种强烈的敬畏、惊讶和震撼感。本文尝试用大家听得懂的语言,大致解说一下弦论的主要概念,以期让读者体会些敬畏和震撼,并一窥宇宙的奥秘。

我们从当代著名的哲学家施太格缪勒(Wolfgang Stegmuller)在《当代哲学主流》[1]一书中写的一段名言开始。他写道:“未来世代的人们有一天会问:二十世纪的失误是什么呢?对这个问题他们会回答说:在二十世纪,一方面唯物主义哲学(它把物质说成是唯一真正的实在)不仅在世界上许多国家成为现行官方世界观的组成部分,而且即使在西方哲学中,譬如在所谓身心讨论的范围内,也常常处于支配地位。但是另一方面,恰恰是这个物质概念始终是使这个世纪的科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念。”这就是说,一方面以“唯物主义”为标记的哲学广为流行,而另一方面“物质”究竟是什么?却又说不清。施太格缪勒正是在这里看到了“二十世纪的失误”[2]。

你可能会问,究竟什么是物质?它为什么是科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念?

早在古希腊时代,原子论者就猜想,物质是构成宇宙的永恒的砖块,万物从它所出,最后又复归于它,它不生不灭,不增不减,是世界过程绝对同—的起点和终点。物质作为普遍的、不变的东西,必然是绝对的实体和基质。实体者,“实实在在”的客体之谓也。物质及其性质必须独立于人类的意识而存在,是客观的实体。

后来,以牛顿力学为基础的经典物理学,继承了上述古代原子论的观点,把物质归结为具有某些绝对不变属性的质点的集合。质点概念本来是对作整体运动的固体的一种抽象,但它在液体、气体乃至热现象中的应用也获得了成功。对于所有这些能够具有机械运动的物质形态,物理学称之为实物。在当时的自然哲学中.又称之为实体。把物质归结为物体,进而把物质看成实体,这同品质在牛顿力学中的特殊地位和作用有关。牛顿之所以把品质定义为“物质多少”的量度,就是因为在任何机械运动过程中,乃至在化学反应中,品质始终如一。品质被理所当然地看成是物质本身所绝对固有的,被看成物质不灭或实体不变原理的具体表现。

以牛顿力学为代表的经典物理学在十九世纪末所取得的巨大成功,使得认为物质是绝对实体的唯物主义成了在二十世纪处于支配地位的哲学,正如前面引用的施太格缪勒的名言所讲的。

然而,二十世纪爱因斯坦发明的相对论开始揭示出了物质的实体观的谬误。首先,相对论证明品质与速度有关,同一个物体,相对于不同的参考系,其品质就有不同的值。

想像一个人在推一辆没有任何阻力的小板车,只要持续推它,速度就会越来越快,但随着时间的推移,它的品质也越来越大,起初像车上堆满了木柴,然后好像是装着钢铁,最后好像是装着一个地球……当小板车达到光速时,整个宇宙好像都装在了它上面——它的品质达到无穷大。这时,无论施加多大力,它也不能运动得再快一些。

当物体运动接近光速时,不断地对物体施加能量,可物体速度的增加越来越难,那施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了品质。爱因斯坦在说明物体的品质与能量之间的相互转化关系时,提出了著名的质能方程:能量等于品质乘以光速的平方。不久后科学家们发现了核裂变和链式反应,把部分品质变成巨大能量释放出来。现在知道原子弹的人,都相信品质可以转化成能量。

既然品质不再是不变的属性,那种认为品质是物质多少的量度的概念就失去了意义。既然物质与能量是可以相互转化的,能量并非“实体”,物质也就不能再被看作是实体。

与此同时,科学家对物质结构的认识也迅速深入发展。在本世纪30年代以前,经典物理学一直认为:物质是由分子构成的,分子是由原子构成的。原子是组成物质的最小“砖块”。1932年,科学家经过研究证实:原子是由电子、中子和质子组成的。以后,科学家们把比原子核次一级的小粒子,如质子、中子等看作是物质微观结构的第三个层次,统称为基本粒子。1964年,美国物理学家马雷?盖尔曼大胆地提出新理论:质子和中子并非是最基本的颗粒,它们是由一种更微小的东西——夸克构成的。为了寻找夸克,全世界优秀的物理学家奋斗了20年,虽然一些实验现象证实了夸克的存在,然而单个的夸克至今未找到,人们始终不识庐山真面目。对此,粒子学家们的解释是:夸克是极不稳定的、寿命极短的粒子,它只能在束缚态内稳定存在,而不能单个存在。

不仅如此,迄今人们所知道的300多种基本粒子中,除少数寿命特别长的稳定粒子(如光子、中微子、电子和质子)外,其他都是瞬息即逝的,也就是说,它们往往在诞生的瞬间就已夭折。例如,通过弱相互作用衰变的粒子有20余种。其中,π±介子的寿命大致为2.6 ×10-8秒,即π±介子经过一亿分之一秒就衰变成了其他粒子。通过电磁相互作用衰变的粒子共两种,它们的寿命就要短得多了。π0介子的寿命是0.84×10-16秒,η介子的寿命是3×10-19秒。比起π±介子来,它们的寿命竟分别要短8~11个数量级。寿命最短的,则要算通过强相互作用衰变的“共振态粒子”(如Δ粒子、Σ粒子等)。它们的伙伴特别多,占基本粒子家族成员的一半以上,共200多种。它们的寿命之短达到了惊人的地步,以致于人们很难用确切的形容词来描述它们的衰变过程;粒子物理学家即使利用最优的实验手段也已无法直接测量它们,而只能用间接的方法推算出它们的寿命。它们只能生活一千万亿亿分之一秒左右,即寿命大致是10-28秒。

为什么绝大多数基本粒子都如此短命?如何理解我们的物质世界就是建立在这些瞬息即逝的“砖块”上?

在二十世纪的后期,物理学的一个前沿领域-弦论的发展又使我们对物质的看法更进了一步。

什么是弦论呢?爱因斯坦在后半生中,一直在寻找统一场论,即一个能在单独的包罗万象的数学框架下描写自然界所有力的理论。他渴望以前人从未成功达到过的清晰来揭示宇宙活动的奥秘,由此而展示的自然界的动人美丽和优雅。爱因斯坦未能实现他的梦,因为当时人们还不知道自然界的许多基本特征。但在他去世以后的半个世纪中,人们已构筑起越来越完整的有关自然界的理论。如今,相当一部分物理学家相信他们终于发现了一个框架,有可能把这些知识缝合成一个无缝的整体--一个单一的理论,一个能描述一切现象的理论,这就是弦论。它正在实现当年爱因斯坦满怀热情追求的统一理论的理想。

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