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大道至简

2017-07-07阿·热荀坤劳玉军

新高考·高一物理 2016年11期
关键词:光子物理学家物理学

阿·热 荀坤 劳玉军

我想知道上帝是如何创造这个世界的。对这个或那个现象、这个或那个元素的谱我并不感兴趣。我想知道的是他的思想,其他的都只是细节问题。

——A.爱因斯坦

在向着简单性的行进中,物理学总是大刀阔斧的。物理学之所以成为物理学是因为能从各种复杂现象中找出简单本质。

从历史上看,为了物理学的进步,许多“为什么”式的问题只得换成“如何”式的问题。“一块石头在下落时为什么会加速”?古人认为,这块石头也像马一样是急于回到家中。从伽利略开始的物理学,就不再问石头为什么会下落,而是去測量它怎样下落。

当我们还是孩子时满口都是“为什么”。而对每一个为什么的回答马上又引出了新的为什么。“为什么树叶在春天会这么绿?”,是这样,教授解释说,树叶中含有一种复杂的原子团,叫叶绿素,它和光以一种复杂的方式相互作用。这种叶绿素吸收了除人眼感觉是绿色的那些光以外的大多数光,于是树叶看上去就是绿色的了。这种解释会使普通的外行人觉得乏味(今天,许多物理学家也一样)。最终,对此问题和许许多多其他类似问题的解释都将归结为电子与光的基本粒子——光子如何相互作用。

物理学家大约从1928年开始,并在50年代早期完成了电子与光子间相互作用的现代理论。彻底理解电子与光子的相互作用已经有30多年了,然而,还是有人禁不住要问,为什么这两种基本粒子要以这种特别的方式相互作用呢?这个问题也已经得到回答,物理学家们现在知道,电子和光子的这种相互作用完全是由一种叫规范原理的对称性原理确定的,这种原理遍及整个自然。显然,物理学家现在又可以接着问,自然为什么要这样敬重规范原理呢?当代物理学在这里停住了,这个问题实质上相当于问为什么会有光。对此所作的讨论都融成了一团充满各种推测和沉思的迷雾。

在一些为什么取代了另一些为什么时,物理学就已经取得了不小的进步:一个为什么取代了许多个为什么。我不仅能用电子一光子相互作用理论来解释春天草木的青翠,而且还能用它来解释弹簧的伸长,更不用说激光和晶体管的行为了。事实上,几乎所有我们直接感受到的现象都可以用电子与光子间的相互作用来解释。

物理学是最最简约的科学。与此相反,我们在生物学通俗读物中读到的解释虽然也吸引人,但完全不能说是简约的。用生物化学过程来作的解释常常比问题本身所涉及的现象更复杂。

当代物理学正着手向进一步的简化进发。我们对自然探究得越深,她就越显得简单。这个结果确实是惊人的。因为并无先置的理由使我们能期望,这个包含极多迷惑人的复杂现象的宇宙,最终只是由几个简单的规则支配的。

——摘编自《可怕的对称——探索现代物理学中的关》(湖南科学技术出版社1992年出版)

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