微观粒子世界_超越中的探索与探索中的超越.pdf

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1、第 36 卷第 5 期 2008 年 9 月 Vol . 36No. 5 Sept. 2008 文章编号: 1000-2367( 2008) 05-0075-04 微观粒子世界 : 超越中的探索与探索中的超越 摘要:通过对微观粒子理论建立, 和微观粒子探测器的发展与改进, 可以清楚地看出人类探索未知世界的过 程, 以及科学理论、科学技术的发展和进步的一般规律, 并且由此不难得出如下思想和结论: 科学理论的发展和科学 技术的进步是一个肯定、否定、否定之否定的辩证超越过程. 其中, 质疑与批判是科学研究不可或缺的基本素质; 必 然与偶然是科学进步的内在规律; 危机、变革与创新形成了科技进步与社会发

2、展的良性互动. 关键词:微观粒子理论; 微观粒子探测; 必然与偶然; 质疑与批判 中图分类号:O4-09文献标识码 :A 事物的发展是一个辩证的否定过程. 从 19 世纪物理学的危机, 到量子理论架起宏观世界与微观世界的桥梁, 人们对微观 世界的每一次探索, 微观粒子理论大厦的每一次建立与重构, 都显示了理论建构的继承、超越与发展. 1 基本粒子理论: 微观世界探测的先导 1. 1天才的猜测: 古代哲学家的微观粒子初探 美丽而神秘的爱琴海不仅孕育了古希腊文明中的灿烂神话, 同时也造就了古希腊哲学家的理性思维, 并从对始基的思考 入手, 开始了对自然唯物的追问. 古希腊的自然哲学就是在对世界始基

3、的探索中, 逐步形成了原子论的思想. 对万物本原的探 索是从古希腊时期被称为“科学之祖”的米利都学派创始人泰勒斯开始的. 泰勒斯认为“水生万物, 万物复归于水”并把水定为 万物的本原. 泰勒斯的思想被他的学生阿那可西曼德所发展, 认为“ 无定形”才是万物的本源. 另一位米利都的学者阿那克西 米尼则认为“ 气”是世界的本源. 希腊爱菲斯的哲学家赫拉克利特沿着米利都学派的路线, 坚信万物的本原是火, 一切都由火 生成, 又回归于火. 后来的恩培克勒特扬弃了一元素说, 提出了“ 四根说” , 认为世界的原始物质是土、水、气、火 4 种元素, 并且 这四种元素是永远不灭的. 恩培克勒特的四根说, 涉及

4、的不只是物质的本原问题, 里面已经包含了对物质结构的猜想. 后来 “ 四根说”由阿纳克萨克拉推进, 形成了“ 种子说”, 认为万物都可以无限分割, 在小的东西里面, 总是还有更小的. 在这里他提出 了一种无限小的概念, 并且已经包含了物质守恒的思想了. “ 四根说”和“ 种子说”后来由古希腊留基伯和德谟克利特师徒继承 与发展, 古代原子理论思想最终形成. 1后经古希腊另一哲学家伊壁鸠鲁的发展, 使原子论形成较为完整的理论形态. 到了古 罗马时期, 唯物主义哲学家卢克莱修在总结当时的自然科学成果的基础上, 把伊壁鸠鲁的原子论进一步哲学化. 1. 2科学地论证: 近代原子论科学根基的探索与建立 经

5、过漫长的中世纪的沉默, 西方文艺复兴之后, 科学思想得到解放, 原子论思想也得到了恢复与发展, 原子论再一次被纳 入到自然哲学的讨论之中. 在早期近代科学中 , 波义耳的“ 火粒说”和牛顿的“ 微粒说”明显受到古希腊原子论的启迪. 在晚期 近代科学发展时期, 古希腊原子论孕育出来的第一个理论成果是康德的天体演化说, 它所孕育出来的第二个理论成果是道尔 顿的化学原子论. 2为了清楚地解释化学领域的当量定律、定比定律等一系列化学定律, 英国化学家道尔顿在对大气进行研 究的基础上, 根据实验观察, 吸收了古希腊朴素的原子论思想和当时关于物质组成的微粒思想, 在 1803 年提出了原子假说. “ 道尔

6、顿的原子论的建立, 是继拉瓦锡的氧化学说建立以后, 在理论化学中所取得的最重大的进步在科学上, 原子论首次 揭示出了原子这一化学现象的物质载体, 揭示出了一切化学现象不过是原子的运动这一化学本质在哲学上, 由于原子论 以元素的原子量为元素的本质属性, 这就初步揭示出了化学变化中的质与量的关系, 揭示出了化学反应中的本质与现象的关 系, 并由此初步揭示出元素的内在联系及其相互关系. ” 2但他却认为原子是组成物质的最小部分, 原子是不可分的, 没有从 根本上克服关于原子的逻辑可分性的问题. 近代原子论认识模式达到了原子这一物质层次, 但是它还缺乏一系列的科学实验, 并没有深入到原子内部去, 因此

7、, 道尔顿的原子论仍然具有很大的局限性. 1. 3系统的实验: 打开原子世界的大门 收稿日期: 2008-03-02 作者简介: 王睿侠( 1986- ), 女, 山东茌平人, 山东大学物理与微电子学院在读硕士研究生, 研究方向: 自然科学史. DOI : 10. 16366/ j. cnki . 1000 - 2367. 2008. 05. 015 19 世纪中期以后, 欧洲各主要资本主义国家的工业生产有了很大发展. 电的广泛应用, 促使人们对电的本质和现象进行 更加深入地研究, 从而导致了电子等一系列离子和射线的发现. 19纪末, X 射线、贝克勒尔射线、电子和放射性元素的发现, 打 开了

8、原子世界的大门, 使人们逐渐认识到: 原子不是组成物质的最小单元, 它还有内部结构. 1897 年, 人们发现了第一个基本 粒子电子. 1919 年, 物理学家卢瑟福用粒子轰击原子核, 首次发现了质子, 据此, 卢瑟福提出了原子有核模型. 1932 年英国 的查德 威克在实验中又发现了组成原子核的另一种基本粒子中子, 从而形成所有物质都是由基本的结构单元质子、中 子、电子构成的统一的世界图像. 在此阶段, 量子力学建立了起来 , 这是人们在挣脱了经典力学以及一系列经典理论的束缚后 建立起来的微观粒子运动普遍遵从的基本规律. 在相对论量子力学的基础上, 通过场的量子化初步建立量子场论, 很好地解

9、 决了场的粒子性和描述粒子的产生、湮没等问题. 之后的几十年里, 科学家们先后陆续发现了众多的粒子. 20 世纪 50 年代粒 子加速器和各种粒子探测器有了很大发展, 从而开始了用加速器研究并大量发现基本粒子的新时期, 各种粒子的反粒子被证 实; 发现了为数不少的寿命极短的共振态. 1903 年, 汤姆逊发展了他前一年提出的原子构造模型; 卢瑟福在 1911 年提出了他 的原子核式结构学说; 1913年, 丹麦物理学家玻尔在卢瑟福所提出的核模型的基础上, 结合原子光谱的经验规律, 应用普朗克 于 1900 年提出的量子假说, 和爱因斯坦于 1905 年提出的光子假说, 提出了原子所具有的能量形

10、成不连续的能级, 当能级发生 跃迁时, 原子就发射出一定频率的光的假说, 为以后各种物理量的量子化打开了大门, 并提出了新的原子结构原子壳层模 型理论. 玻尔于 1913 年首先把量子理论应用于原子内部, 提出了与经典理论不相容的原子模型理论. 玻尔理论虽然有很大的 成就, 但也具有局限性, 其原因是玻尔理论并没有真正解释微观粒子运动的规律性. 1. 4量子理论的创立: 超越中的探索, 探索中的超越 19 世纪物理学的各个领域都取得了巨大成就之时, 经典物理学达到了完整、系统和成熟的阶段. 物理学家曾经感叹: “ 物 理学将无所作为了, 至多也只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了.

11、 ”然而, 19世纪末 20 世纪初, 在物理学晴 朗天空的远处, 却出现了两朵令人不安的乌云, 使当时的经典物理理论大厦出现了危机. 实验上陆续出现了一系列重大发现, 如固体比热, 黑体辐射, 光电效应, 原子结构等. 这引起了物理学家的极大震惊, 一些物理学家惊呼“ 现代物理学的危机到来 了” , 但也由此揭开了物理学革命的序幕. 随着德国物理学家普朗克的一篇关于热物体的辐射热能在各波长上的分布问题的 论文的发表, 量子理论在 1900 年蹒跚地起步了. 1905年, 量子假说受到爱因斯坦的支持, 他成功地说明了光电效应. 然而, 波 粒二象性并不局限于光, 为了进一步说明这一问题, 到

12、20年代中期, 一个新的力学体系 量子力学理论由薛定谔和海森伯 独立地发展起来了. 这是一个真正值得注意的理论, 是人类认识史上一次巨大的飞跃, 它发现了宏观低速领域内所不曾发现 的物质运动规律, 而且揭示了时间、空间、物质、运动之间的有机联系, 揭示了波动性和粒子性、连续性和间断性、必然性和偶 然性之间的辩证关系, 从而更加广泛、更加深入、更加迅速地改变着人类的物质生活和精神生活面貌. 1. 5对称中的不对称: 大统一理论的先驱 随着离子的不断被发现, 粒子世界呈现出非常复杂的局面, 粒子之间的相互作用有电磁作用、引力作用、强作用、弱作用 等. 人们研究发现, 这 4 种相互作用所遵从的守恒

13、定律不同, 这表明它们具有的对称性是不同的, 因此有人怀疑对称性概念是 否普遍有效. 1954 年, 杨振宁和米尔斯提出各种作用都可以适用的新的对称性, 称为阿贝尔群规范对称. 这种精确对称性的存 在意味着存在许多组特性完全相同的、质量均为零的粒子. 然而在现实世界里, 人们所发现的质量为零的规范玻色子只有光 子. 因此, 杨 -米尔斯理论尽管很优美, 但它似乎毫无用处. 1964 年希格斯找到了使规范粒子获得质量的途径, 他得出, 描述规 范场与其他场相互作用的方程式具有杨-米尔斯对称性, 但其解描述真实世界表现出不对称性. 这种对称性方程的不对称解 使规范粒子获得质量. 1967 年温柏格

14、、萨拉姆各自独立地构思了统一电磁作用和弱作用的规范场理论. 1983 年电弱统一理论 预言的结果被实验证实. 格拉肖、温伯格、萨拉姆的电弱统一理论获得极大的成功. 电弱统一理论是对称性在物理基础研究中 的一次伟大胜利, 它使现存的 4 种基本相互作用实现了部分统一. 统一场论是爱因斯坦继创立相对论后毕生追求的目标, 尽管 弱电统一理论距离爱因斯坦所设想的包括引力场在内的统一场论还很远, 但终究使人类在揭示自然奥秘的征途中又前进了 一大步. 它鼓舞物理学家们进而研究包括强作用的大统一理论, 以及把 4 种相互作用都统一起来的超对称大统一理论. 1. 6标准模型: 微观粒子世界的统治与超越 20

15、世纪 60 年代以来, 人们对粒子世界物质结构和运动的基本规律的认识有了重大的突破 , 形成了粒子物理的标准模型, 它使得物理学家可以对自然界多种作用力有一个统一的描述方式. 标准模型是一套描述强力、弱力及电磁力这 3 种基本力及 组成所有物质的基本粒子的理论. 今天, 标准模型早已成为粒子物理学的主流理论, 它的很多预言不断为一个又一个激动人 心的实验成果所证实. 然而标准模型自身有两个很重要的缺陷: 一是模型中包含了过多的参数, 并且理论未能描述重力. 二是 标准模型预言的一种自旋为零的玻色子希格斯玻色子, 至今尚未在实验中观察到. 因此, 标准模型更倾向于被认为是某个 更基本理论的有效理

16、论. 毋庸置疑, 随着科学探索的不断发展, 标准模型将会不断地被发展与完善, 并在微观粒子的研究中发 挥重要作用. 2 微观粒子探测: 理论的检验与超越 2. 1山顶上的奇观, 科学史上的飞越: 威尔逊云室 76 河南师范大学学报( 自然科学版)2008 年 1894 年 9 月, 威尔逊在本奈维斯山顶发现了山上阳光返照云朵的光学现象, 并决定在实验室中再现这种奇观, 1895 年, 他 设计了一套设备, 使水蒸气冷凝来形成云雾. 当时人们认为, 每颗雾珠必须有一个尘埃为核心. 威尔逊仔细除去仪器中的尘埃 后发现, 无需尘埃, 而用 X 射线照射云室, 云雾立即出现, 这证明凝聚现象是以离子为

17、中心出现的. 1912 年, 威尔逊为云室增设 了拍摄带电粒子径迹的照相设备, 使它成为研究射线的重要仪器, 并用这个云室拍摄了 粒子的图象. 威尔逊云室是最早的带 电粒子探测器, 他的发明使得粒子的性质得以确定, 是离子探测技术史上的一次飞跃. “ 由于它采用凝结蒸汽而使荷电离子的 路径变得可见”, 威尔逊分享了 1927 年诺贝尔物理学奖. 2. 2粒子物理世界盛开的“ 啤酒之花”: 格拉泽的气泡室 1952 年的一天, 格拉泽打开了一瓶啤酒, 看见冒出的一串串被誉为“ 啤酒之花”的啤酒气泡, 之后又渐渐消失. 格拉泽随手 将一粒沙子扔进啤酒瓶, 只见沙子下沉时, 周围又不断产生气泡, 沙

18、子使啤酒继续产生气泡的现象, 点燃了格拉泽的灵感. 他 回到实验室, 把这一偶然发现, 运用到带电粒子射入液态氢的研究中, 从而发明了气泡室. 气泡室实质上是一个液体容器, 当 高能粒子穿过室内过热液体时, 它就会同液体中的原子和分子发生碰撞, 并把自己的一部分能量转移给它们, 蒸汽的气泡就 会先沿着亚原子粒子途径上留下能量的那条路线形成. 因此, 就会有一条可以见到的气泡径迹指示出那个粒子是从哪里经过 的, 这种径迹很容易被拍成照片. 与云室相比, 气泡室更为简便快捷. 它的空间和时间分辨率高, 工作循环周期短, 本底干净、 径迹清晰. 但它也有不足之处, 那就是扫描和测量时间还嫌太长, 体

19、积有限, 而且甚为昂贵, 不适应现代粒子能量越来越高、作 用截面越来越小的要求. 于是科学技术的进步对粒子探测器技术提出了新的要求. 2. 3攀登新的高峰: 快速响应 切伦科夫探测器 现代离子能量越来越高, 速度越来越快, 气泡室已不能很好地满足探测的要求. 对一个粒子而言, 虽然它永远不能比真空 中的光速更快, 然而, 光通过水等透明媒质时, 速度要比在真空中慢. 这时, 高能粒子通过这类媒质时, 它的速度就可能超过光 在该媒质中的速度. 这样, 它就会拖着一条发光的“尾巴” , 称为切伦科夫辐射. 可以利用切伦科夫辐射来激励计数器, 这样, 能 量极高的粒子就能被检测到, 而其他一些粒子则

20、无影响地通过, 这样的装置称为切伦科夫计数器. 3 切伦科夫计数器的发明 是高能粒子的探测成为可能, 使微观粒子的探测技术登上了新的高峰. 1955年, 塞格雷就利用它发现了反质子. 2. 4粒子探测器发展史上的里程碑: 多丝正比探测器 基本粒子间的反应通常非常复杂-有时在一个反应中会产生几百个粒子. 为了解释这些反应, 科学家往往需要记录每个 粒子的轨迹. 直到 1970 年, 这类记录常用的方法是各种照相法, 工作过程缓慢而又劳累. 而夏帕克发明的多丝正比室很好地解 决了上述困难. 这种装置由大量平行细丝组成, 所有这些细丝都处于两块相距几厘米的阴极平面之间的一个平面内, 阳极细 线的直径

21、约为十分之一毫米, 间距约为一或几毫米. 同时, 多丝正比室结构易于做成大面积, 并能以模块方式组成所需的各种 体积和形状, 适于进行不同规模和特点的实验, 使高能粒子探测技术有了新的提高. 多丝正比室的性能大大超过了以往各种 探测器, 使实验粒子物理学迅速改变了面貌. 3 思考与结论 3. 1理论的进步: 超越中的探索与探索中的超越 从微观粒子的探索过程看来, 物理学的本质是“ 批判性”的, 其间经历的历次重大发现, 都引起了人类观念上深刻的变革. 科学理论的发展就是由一个常规科学传统代替另一个常规科学传统, 即由一种科学理论体系代替另一种科学理论体系. 但是 这种代替不是完全的抛弃, 而是

22、包容基础之上的扬弃. 古希腊时期的“ 四根说”继承了一元素论中“ 元素”构成物质的基本思 想, 却否定了万物是由一种元素构成的这一假设; 现代的微观粒子理论延续了近代的原子学说, 却推翻了旧原子论中原子不 可再分的结论, 以科学实验无可辩驳的展现给世人一个全新的原子世界; 牛顿力学理论的成功建立并不是对其之前的开普勒 三定律、伽俐略的自由落体定律与惯性定律的完全的否定, 而是把 3 者包含于其中. 同样, 爱因斯坦相对论的提出也并非是对 牛顿理论体系的完全的否定, 而是要得出后者是前者理论的低速极限状态. 当大量重子和介子在云雾室里留下令人惊叹的完 美弧线之时, 卢瑟福或者汤姆孙因为基本粒子的

23、发现而获得荣耀的英雄时代已经过去, 而之后反应更快、性能更强的新型粒 子探测器又使曾经在科学探索的征途中留下辉煌战果的云雾室、气泡室成为了永久的历史. 翻阅一页一页的历史画卷, 我们 清楚地感知到: 新理论决不仅仅是对旧理论的简单否定 , 而是一种批判的继承和发展, 是一种螺旋式的上升. 科学上的每一个 进步和创造, 总会涉及到超越前人工作的思想飞跃, 科学中的每一个新的发现, 总是要求重新整理和构思原有的思想和理论, 并对以前的事实进行重新的认识和评价. 物理学家们在追求真理的进程中, 总是再不断地进行着肯定、否定, 否定之否定的过 程, 总是感叹自己是“ 不断地站在巨人的肩膀上. ” 4一

24、切理论的发展都是在不断的探索中的超越, 在超越中探索. 3. 2科学发展: 必然与偶然的辩证统一 科学发展是有规律的, 规律性是不以任何人的意志为转移的, 尽管科学发展的每个时期都与一些科学家的偶然发现与相 关研究活动紧密相联, 但科学发展的历史却是偶然中的必然. “ 人们自己创造着自己的历史, 但是到现在为止, 他们并不是按 照共同的意志, 根据一个共同的计划, 甚至不是在某个特定的局限的社会内来创造这个历史. 他们的意向是相互交错着的, 因 77 第 5 期王睿侠: 微观粒子世界: 超越中的探索与探索中的超越 此在所有这样的社会里, 都是那种以偶然性为其补充和表现形式的必然性占统治地位.

25、”在这里透过各种偶然性来为自己开 辟道路的, 归根到底仍然是必然性. 5“在表面上是偶然性在起作用的地方, 这种偶然性始终是受内部的隐蔽着的规律支配 的, 而问题只是在于发现这些规律. ” 6然而, 科学研究发展的加速和延缓在很大程度上却是取决于这些“偶然性”的事件, 科 学研究中总要伴随着偶然现象, 而机遇只偏爱那些不断钻研、勇于大胆探索的人们. 因此, 我们每一个人都要努力把握科学技 术发展的客观规律, 悉心钻研, 刻苦努力, 敏锐地把握住每一次时机, 为世界科技的发展和人类的进步作出自己应有的贡献. 3. 3质疑与批判: 科学研究不可或缺的基本素质 科学研究最宝贵品格即强烈的批判意识.

26、所谓批判意识, 即研究主体以自己审慎的态度去认识和发现问题, 用审视的眼 光去辨识真伪, 用大无畏的精神和无所顾忌的勇气去否定伪科学和假知识, 用审慎的态度去认真探索和周密实验; 用科学的 态度和虚怀若谷的精神去吸收和借鉴人类一切有价值的科学成果. 这是因为科学的事业是在不断地纠正错误的过程中发展 起来的, 并且, 由于种种原因, 科学的发展也并非是一帆风顺的. 在科学史上被证明为错误的观念, 被观察和实验所否定的理 论何止一个两个, 也唯其如此, 人们才应该更加珍科学的质疑和批判意识. 比如伽利略的比萨斜塔的铁球实验来自于对亚里 士多德的质疑与批判; 惠更斯提出光的波动学说是对牛顿的质疑与批

27、判; 卢瑟福的核式结构是对汤姆孙的质疑与批判只有 具备了质疑与批判的信心和勇气, 才会有发现和创新. 7 3. 4危机、创新与变革: 社会发展与科技进步的良性互动 科技进步是社会发展的主要推动力量, 从一定意义上来讲, 社会发展过程就是人们一次次直面科学理论的大厦被动摇的 危机, 不断在危急中寻求变革, 寻求科技进步的过程, 人类社会的文明史就是一部科技演化史. 一方面, 千百年来科技的进步 极大地推动了社会的发展与进步. 20 世纪物理学发展更是深刻地影响着现代科技的进步. 随着新的理论的诞生, 相继产生了 各个领域中高新技术的重大突破: 激光技术、纳米技术、超导技术、现代信息技, 和一系列

28、震惊人类的生物技术, 正在深刻地改 变着我们的世界. 另一方面, 社会需求又有力地推动了科技的发展. 恩格斯曾经说过: “ 社会一旦有技术上的需要, 则这种需要 就会比 10 所大学更能把科学推向前进. ” 8人们对电的需求导致了电子、X 射线和放射效应的发现, 医学上的需求是人们不断 探索新的技术, 产生了医用直线加速器、医用回旋加速器等诊断、治疗仪器. 而如今人们对计算机更高运算速度、更高安全性 的需求促进了科学家对量子计算机的研究. 它可以在一瞬间搜寻整个互联网, 使任何任务变得轻而易举. 从微观粒子的探测 对人类生产力的推动可以看出: 科学技术是推动社会发展的不竭动力, 而社会需求又反

29、作用于科学技术的发展, 使科学技术 呈现出强大的生命力. 二者相辅相成、相互促进、共同发展, 形成了良性互动, 在这条人类不断征服自然、改造自然的奋斗中, 以其巨大的生命力极大地改变了整个物质世界! 参考文献 1 于秀彬. 原子论认识模式之启示 J . 吉林师范大学学报( 人文社会科学版) , 2005( 4) : 14-16. 2 董粉. 世界近代中期科技史 DB/OL . ( 2007/01/13: 25) 2007/7/11 . http: /forum. xilu. com/msg/wqh550816/m/8656. html. 3 史蒂夫. 亚当斯. 20 世纪的物理学 M . 上海

30、. 上海科学技术出版社, 2006. 4 李先荣. 20 世纪物理学对人类社会的深刻影响 J . 黔南民族师范学院学报, 2005( 6) : 6-9. 5 马克思恩格斯全集: 第 39 卷 M . 北京: 人民出版社, 1974. 6 马克思恩格斯全集: 第 21 卷 M . 北京: 人民出版社, 2003. 7 戴伟纲. 谈物理学史的教育功能 J . 物理通报, 2007,( 7) : 55-56. 8 马克思恩格斯全集: 第 39 卷 M . 北京: 人民出版社, 1974. Micro Particle : Surpassing in the Exploration WANG Rui-

31、xia ( School of Phy sics, Shandong University , Jinan 250100, China) Abstract:With the establishment of the micro particle theory and the development and improvement of the micro particle detector, we can see the process of exploring the unknown world as long as the universal law of the development

32、and improve- ment of the scientific theory and technology. From that we can get the thought and result easily:the development and improve- ment of the scientific theory and technology is a course of negation and negation of negation.Among them, question and criti- cize is an integral part of the bas

33、ic quality in scientific research; necessity and contingency are the inherent laws of the scientific progress; Crisis, change and innovation formed the benign interaction between the technological progress and social develop- ment. Key words:micro particle theory;micro particle detecting;necessity and contingency ; questioning and criticizing 78 河南师范大学学报( 自然科学版)2008 年