科学解释的追溯

《终极理论之梦》读书笔记
作者：S·温伯格（Steven Weinbeng）

第2章 一支粉笔

1、解释的追溯

  科学家发现了很多奇特的东西，还有许多美妙的东西；而他们发现的最美妙也最奇特的东西也许是科学本身的模式。我们的科学发现不是独立分散的事实；一个科学事实可以在另一个那里找到解释，而那解释本身还需要别的解释。追溯这些解释的箭头，我们发现它们在源头惊人地会聚在一起了——这也许是我们迄今所知道的关于宇宙的最深刻的图景。

2、颜色的产生

  彩虹的每种颜色与一定波长的光有关——较长的光波趋向光谱的红端，较短的光波趋向光谱的蓝端或紫端。白光是许多不同波长的光的混合体。
  光照在不透明物质（如粉笔）上时，只有部分被反射回来，其余的都被吸收了。具有确定颜色的物质，像许多青绿色的铜化合物（例如绿松石里的磷酸铝铜）或紫色的铬化合物，之所以显现那种颜色，是因为它们倾向于强烈吸收一定波长的光，我们通过从物质反射回来的光看到的颜色，是没有被强烈吸收的那些光的颜色。
  对组成粉笔的碳酸钙来说，强烈吸收正好只发生在不可见的红外和紫外波段，所以从粉笔反射回来的光简直就跟照射它的光在可见波段的分布一模一样。白色的感觉，不论来自云朵、雪花还是粉笔，都是这样产生的。

3、为什么有的物质在特殊波段强烈吸收可见光而另一些物质不会呢？

  为什么？为什么有的物质在特殊波段强烈吸收可见光而另一些物质不会呢？答案与原子和光的能量有关。
  问题的认识是从爱因斯坦和玻尔在20世纪最初20年的研究开始的。1905年，爱因斯坦首先认识了光线是由无数粒子（后来叫光子）组成的粒子流。光子没有质量，也没有电荷，但每个光子都有一定的能量，与光的波长成反比。
  1913年，玻尔提出原子和分子只能存在于某些确定的状态，也就是那些具有确定能量的稳定的组成形式。虽然原子常常被比做小小太阳系，但还是存在关键的区别。在太阳系，如果一颗行星离太阳更远或更近一点儿，它的能量都会增加或减少一点儿。但是原子的状态却是离散的——原子的能量只能发生一定的有限的量的改变。原子或分子的正常状态是能量最低的状态。当原子或分子吸收了光，它将从一个能量较低的状态跳跃到一个能量更高的状态（如果是发射光子，则发生相反的过程）。
  总的说来，爱因斯坦和玻尔思想告诉我们，原子或分子只能吸收具有一定数值的波长的光。那些波长所对应的光子能量，正好等于原子或分子的正常状态与某个能量较高的状态之间的能量差。如果不是那样，那么当光子被原子或分子吸收时，能量就不守恒了。
  典型的铜化合物表现青绿色，是因为铜原子正好有一个比正常状态的能量高2伏特的状态，于是，铜原子很容易通过吸收1个能量为2伏特的光子发生跃迁。那样的光子，波长为0.62微米，呈橘红色，它们被吸收以后，便留下青绿色的反射光。（这并不只是在笨拙地重复讲那些化合物是青绿色的；即使用电子束或其他方式来给铜原子增加能量，我们还是会看到相同的原子能量模式。）粉笔之所以是白的，因为组成它的分子碰巧没有一个状态能特别容易地通过吸收任何一种颜色的可见光来达到。

4、为什么原子和分子以离散的具有一定能量的状态出现？

  为什么？为什么原子和分子以离散的具有一定能量的状态出现？为什么是那样一些数值的能量？为什么光子一个一个地来，每一个还具有与光的波长成反比的能量？为什么原子或分子的有些状态特别容易通过吸收光子而达到？
  光、原子和分子的这些性质，等到20世纪20年代中叶建立了一个新的物理学框架（即大家知道的量子力学）以后才可能为人们所认识。在量子力学里，原子或分子的粒子是用所谓的波函数来描述的。
  波函数的行为有点儿像光波或声波，但它的大小（准确说，是它的振幅的平方）给出的是在某个位置找到一个粒子的几率。原子或分子的波函数只能以一定的模式或量子态出现，每个态都有各自的能量；这就像风琴里的空气，只能以某些确定的模式振动，每种模式都有自己的波长。把量子力学方程用于铜原子，可以发现原子的高能外围轨道上电子束缚较松，容易吸收可见光而跳跃到下一个能量更高的轨道上去。
  量子力学计算表明，这两个状态的能量差是2伏，等于一个橘红色光子的能量。
  另一方面，粉笔里的碳酸钙分子正好没有类似的能吸收任何特殊波长光子的松散电子。至于光子，以同样方式对它们应用量子力学原理，其性质也能得到解释。
  结果发现，光子跟原子一样，也只能存在于具有确定能量的某些量子态。例如，波长为0.62微米的橘红色光只能存在于能量为0，2，4或6伏特……的那些量子态，我们说那些态分别包含了0，1，2或3个光子……每个光子的能量为2伏。

5、为什么主宰原子中粒子的量子力学方程是那样的？

  为什么？为什么主宰原子中粒子的量子力学方程是那样的？为什么物质由那些粒子（电子和原子核）组成？还有，为什么存在光那样的东西？
  在20世纪二三十年代，当量子力学初次用于原子和光时，那些事情还很神秘。近15年来，随着所谓基本粒子和力的标准模型的成功，它们才得到了很好的认识。这种新认识的一个重要前提，是量子力学与20世纪物理学的另一伟大革命——爱因斯坦相对论，在40年代的结合。量子力学的原理与相对论的原理几乎是互不相容的，只有在极有限的某些理论中才可能共存。在20年代的非相对论量子力学里，我们可以想象在电子和原子核中存在任何形式的力。但是，正如我们将看到的，在相对论的情形，就不是那么回事：粒子间的力只能来自其他粒子的交换。而且，所有那些粒子都是各种类型的场的能量束，或者叫量子。像电场或磁场那样的场，是空间的一种应力，跟固体中可能存在的各种应力差不多，不过场是空间本身的应力。每一类基本粒子只有一种场。在标准模型里，有电子场，它的量子是电子；有电磁场（由电场和磁场组成），它的量子是光子；原子核或者组成原子核的粒子（我们知道的质子和中子），没有相应的场；
  但被称作夸克的各种粒子（即组成质子和中子的粒子）却都有各自的场；另外还有些场，我在这里就不多讲了。在像标准模型那样的场理论中，方程不跟粒子打交道，而是跟场打交道；粒子是作为那些场的代表出现的。寻常物质由电子、质子和中子组成，只不过是因为所有其他有质量的粒子都是极不稳定的。我们说标准模型是一种解释，因为它不仅是计算机黑客所谓的杂牌电脑，把乱七八糟的零碎揉在一块儿胡乱地运行；实际上，只要确定了标准模型应该包括的场的类型和决定它们相互作用的一般原理（如相对论原理和量子力学原理），它的结构也就基本上固定下来了。

6、为什么世界只有那么一些场

  为什么？为什么世界只有那么一些场：夸克的场、电子的场、光子的场……为什么它们具有标准模型归纳的那些性质？还有，为什么大自然遵从相对论和量子力学的原理？
  很抱歉——这些问题还没有答案。在评论当今物理学现状时，普林斯顿的理论家格罗斯（David Gross）提出了以下几个尚未解决的问题：“现在我们知道了它是如何发生作用的，我们于是要问，为什么有夸克和轻子，为什么物质的模式重复表现着三代夸克和轻子，为什么所有的力都来自规范对称性？为什么，为什么，为什么？”（这些“为什么”里的术语在后面的章节解释。）令基本粒子物理学家如此兴奋的，正是他们有希望回答这些问题。

7、科学解释正如爱和艺术，是给我们带来愉悦的事情。

  科学解释正如爱和艺术，是给我们带来愉悦的事情。
  理解科学解释的本质的最好办法，是切实去经历一番，当你自己成功解释了某件事情时，会感觉那是怎样特别的兴奋。
  我并不是说，追求科学解释可以像追求爱和艺术那样不顾任何约束。实际上，这3种情形都存在着我们需要尊重的真理标准，尽管真理在科学跟爱和艺术中当然有不同的意思。我也不是想说，一般地描绘科学如何作为没有一点儿意思，只是在科学中，跟爱和艺术的情形一样，那是不必要的。

  我已经讲过，科学解释显然关联着从一个真理导出另一个，但解释比推导意味着更多，也更少。仅从一个论断导出另一个，不一定能构成一个解释，正如我们看到的，有时两个论断的随便一个都可以从另一个导出来。1905年，爱因斯坦推测光子的存在，靠的是5年前普朗克提出的成功的热辐射理论；19年后，玻色（Satyendra Nath Bose）证明普朗克的理论可以从爱因斯坦的光子理论推导出来。解释跟推导不同，它带着独特的方向的感觉。我们强烈感到，光子理论比其他任何关于热辐射的论断都更基本，因而是热辐射的解释。同样，尽管牛顿导出他有名的引力定律部分根据了更早的描写太阳系行星运动的开普勒（Kepler）定律，我们还是说牛顿定律解释了幵普勒定律，而不是相反。