引言：21世纪的新物理学
物理学是关于物质和能量的科学。物质是构成我们周围的宇宙的材料,而能量则是物质以不同的方式运动的能力。物理学是对这种物质和能量行为的系统研究,对这种研究所揭示的东西的说明,以及它所带来的对自然的了解。对物理学家的所作所为,《圣经》旧约的约伯书第28章有一个优美的比喻：
“因他鉴察直到地极,遍观普天之下。要为风定轻重,又度量诸水。他为雨
露定命令, 为雷电定道路。那时他看见智慧, 而且述说”
如果认为我们的周围是由物质构筑而成,那么关于大自然的许多知识最终就是物理学,因此物理学是许多别的科学学科的基础。这样的目标已经够宏伟的了,但是,就像这样大胆的目标还够不上一个挑战似的,新物理学继续不断地发现,物质和能量的存在形式和行为方式可以与我们在日常生活中所知道的很不相同。目标变得更雄心勃勃了。大自然,从而物理学,变得比我们在周围通常看到的要更复杂得多。
科学的进步不是来自对自然的肤浅观察,而是要长途跋涉进行某种发现之旅,到达一个不同的观测点。从这个新的制高点望去,风景呈现出新的景色和侧面,带来新的洞察和满足。看到这幅景象之后,下一步也许更令人感到满意――预言在更高的立足点上能看到什么。
在历史上,物理学中曾出现过几次重要的分水岭,对其中的每一次,都值得出版一本名叫《新物理学》的书。许多这样的分水岭事件揭开了宇宙的新鲜方面。一次是第二个千年的中叶发生在欧洲的文艺复兴,开普勒、哥白尼和伽利略这些巨人的新见解表明地球并不是宇宙的中心。这个结论不是轻易能咽下的,它的影响隆隆回响了几个世纪,但是对科学家来说,它的逻辑上的顶峰是随着牛顿关于力学和引力的杰作到来的。牛顿的《原理》阐明了新的力学,它的第一版由伦敦的皇家学会于1687年出版,经过修订的第二版是由剑桥大学出版的,于1713年问世。由牛顿的工作得出的滚滚而来的成果鼓励了决定论的观念――当下发生的每一件事都来自以前所发生的事,未来只不过是等着发生的历史。
物理学中的下一座分水岭与19世纪和20世纪的交界巧合。在此之前,物理学家一直试图把我们周围的世界描绘为由精密的零部件利索地组装在一起构成的一个集合体,像一具瑞士钟表一样,它遵照不变的法则运动,对大自然在时间和空间的任何尺度上如何运转给出一幅生动的心智图像。但是,20世纪的黎明似乎在人类文明的各方面都激发出想象力。科学和绘画与音乐一样,转向一个新的、异乎寻常的方向。在几年时间里,发现了电子,引进了量子原理,提出了相对论,它们揭示了自然界的出人意料的方面。
20世纪的起初二三十年揭开了相对论和量子力学的内涵。这些主要的发明今天对初学者而言仍然公认为难以理解,它们惹人注目地表明我们怎样被自己有限的日常经验所束缚,以及自然界在我们不熟悉的条件下能够表现得多么不可思议。在物理学的另一方向上,大型望远镜揭露了宇宙的新的纵深,表明我们的银河系只是多不胜数的星系之一,隐藏在无足轻重的后排座位上。天文学的这一重大的新结论的影响与四百年前哥白尼的揭示相似。
对于20世纪的好几代物理学家来说,相对论和量子力学曾是“新物理学”。用齿轮和弹簧构成的精致的模型不得不放弃,20世纪初期表明,大自然并不是这样运转,而是按照不同的规则运转的。简单的模型和熟悉的关于因果关系的先入之见可能曾经一度是有用的,但是对它们的浅薄之见则是进一步理解的主要障碍。宇宙最终是由概率支配的。在量子力学发现后不久,这种不确定性的种种涵义就开始扎根了,但是用了几十年,才理解和证实了别的一些主要概念,如量子纠缠。
在这一时期,物理学的中心目标仍然是：从最小的一组假设出发,试图揭示尽可能多的东西。用广义相对论和薛定谔方程,并且后来依靠强有力的计算机的帮助,也许有可能算出一切有关的内涵和概率。
简单性和复杂性
由于物理学的范围很广,在传统上它就在两个相反的前沿上发展――对非常微小的客体和极其巨大的客体的研究。向物质内部看,基本粒子物理学家试图认出大自然最基元的成分――夸克、电子等,而他们研究场论的同行则试图弄清楚它们的意义,说明这些粒子怎样相互作用以构成物质和物体。向外看,天文学家和天体物理学家要画出在令人头晕目眩的一组尺度上成群结队的恒星和星系构成的宇宙的大尺度地图,宇宙学家则试图理解这一切是怎么来的。
本书的第一部分“物质和宇宙”讨论我们在周围看到的东西的组成。它的第一篇文章说明经过系统的研究后宇宙本身是怎么来的,并补充叙述了观察宇宙在不同尺度上的各种组成部分所得到的知识。这幅更宽广的图景揭示出这也许是一切谜中最大之谜,宇宙必定包含比我们能看到的多得多的东西,这是一次新的哥白尼革命。我们熟悉和了解的物质和能量看来只是一座庞大的宇宙冰山露出水面外的顶端,其余的部分――“暗物质”和“暗能量”则是我们看不见的。宇宙冰山的可见的顶端由一个庞大的看不见的基础在神秘的力的补充作用下支撑着,这种力使熟知的引力的吸引作用变模糊了。尽管我们迄今做了种种努力,我们还不知道宇宙的大部分究竟是什么,甚至也不知道它究竟在哪里。
不论它究竟是什么和在哪里,宇宙是庞大的,而最终它又是由极小的东西构成的。在大尺度上,宇宙是由相对论性引力描述的,而在小尺度上是由量子物理学描述的。单单这两种描述之间在尺度上的巨大差异和它所带来的二者的研究方法的截然相反,使它们多年以来就互相隔离。但是在20世纪后期人们认识到,宇宙是在一次大爆炸中创生的,所谓大爆炸就是一次巨大而高度集中的能量迸发,这种事件是由量子物理学支配的而引力又在这里起主要作用。宇宙就是最大的物理学实验。这种认识预告了一种新的综合。对宇宙的微观结构的更多的知识带来了对大爆炸,从而也对其后续的演化和宇宙的大尺度结构的更深的理解。本书的前几篇文章覆盖了这个正在进行中的大与小的综合。引力和量子物理学二者棘手的协调仍然是这一工作的一个关键性目标。
有了这种综合,一些满怀豪情壮志的物理学家开始寻求建立一个“万能理论”,即大爆炸和其后的万事万物所遵从的一组简洁的方程式。这样一个理论必须把量子世界和引力协调起来。“超弦”理论常常被当作这样一个理论的候选者。第5章的作者MichaelB.Green并不完全同意这个观点;不过,在这种研究方法中,长久以来追求的引力和量子力学的统一的确显得是可行的。但是,这样雄心勃勃的冒险行动是要付出代价的,那就是引进了多个看不见的额外的维度,来补充通常的时空的四维。
尽管承认了概率和额外的维度的存在以及纯粹的计算困难,20世纪的进展还是不断表明,一味分解化简的研究方法并不是唯一的解答,在有些情形下甚至是不可能的。
通过系统成分的行为来理解一个系统的物理学的最早的企图是气体动理论,它把气体看成是微观弹性弹子球的无结构的集合体。若仅限于所规定的适用范围,这个朴实的理论是非常成功的。在认识到成分的运动最终必须量子化之后,随之而来的量子统计力学的图像带来了新的理解。
把宇宙看成由星系构成的气体可以给出一些有用的结果,但是它的局限性太明显了。在我们周围处处都看到结构：行星系,晶体,原子..这些结构的每一层级都有自己独特的特征行为。新物理学已经表明,物质可以以我们不太熟悉但是却很引人注目的结构形式存在,如超导体、半导体、等离子体、液晶等,这些新型物质的外貌常常由相变即新行为的突然出现标志。这些新形式中有许多是在我们周围的宇宙中难以看到甚至难以存在的,它们有非常奇特的行为。许多是由于微观量子效应,而这种效应只能存在于大块物质中没有孤独的超导电子这类东西,也从来没有人找到过磁单极子。这种新的合成材料在第二部分――“量子物质”中描述。
这种大块物质行为一旦发现后,是比较容易认出的,但是从最基本的原理出发对它的解释却远非那么显然。自古已知的铁磁性就是一个经典例子。从超导性和超流性的发现到用量子术语对它们进行最初的说明所用的时间尺度没有铁磁性那么长,但也经过了半个世纪。20世纪初为说明不多几个电子之间的相互作用而发展起来的量子力学表明,我们深信不疑的对日常自然现象的熟悉是多么靠不住。而量子力学,尽管显得陌生,却能帮助我们了解和说明物质行为的更多的方面。
本书的第三部分“运作中的量子”中几篇文章的内容是关于量子纠缠,关于量子、密码和计算机,以及关于小尺度结构和纳米科学的。这些文章提供了良好的例子,表明量子力学如何能够不再只适用于一个遥远的、难以进入的王国,而是变得越来越同日常现象交织在一起,使得能够解释更多的现象,发现新现象,合成新型材料,探索新的研究方法。量子世界不再是只有前排观众才能看见的一块模糊背景,对自然界可以在量子层级上控制和操作的认识,成了物理学和技术的一个新的推动力。
量子物理学和测量之间微妙的相互作用长久以来就是一个困难的概念障碍,甚至像玻尔和爱因斯坦这样伟大的心灵提出的异议也被当作纯哲学问题或迂腐的问题而束之高阁。AntonZeilinger在他关于量子纠缠的文章第10章中解释了这些问题是怎样解决的,由此而得出的更深刻的理解怎样被用于新的探索甚至可能的应用,如量子远程传态teleportation、量子加密术、量子计算等。这些新方法可以将信息作为量子比特qubit处理,同时对量子力学的更深刻的探究将不断告诉我们更多的有关实在之谜。
一个特别重要的基本的量子效应是玻色?爱因斯坦凝聚,在这一效应中,被冷却到极低温度的原子走下量子阶梯,在能量地板上堆积起来。像最终导致发现量子纠缠及有关现象的那些问题一样,这种行为是在四分之三个世纪前首次预言的,但仅仅在不久前才实现,它的技术难点是要发展出把原子冷却到离绝对零度只有几分之一度的精巧技术。
WilliamD.Phillips和ChristopherFoot的文章第7章及ClaudeCohen-Tannou-dji和JeanDalibard的文章第6章描述了超冷的原子怎么在新世纪和新千年开始时成了新物理学注意的焦点。这种物理学要求特殊的技巧,但是不要求重大的资源,完全处于大学的研究实验室的力所能及的范围之内。它不是大科学。对玻色?爱因斯坦凝聚的兴趣的共鸣使人回想起19世纪末研究阴极射线的风尚如何为20世纪的新物理学的许多研究铺好道路。正如SubirSachdev的文章第9章中说明的,玻色?爱因斯坦凝聚是许多别的现象的基础机制。
理论物理学与数学不可分地联结在一起,数学是大自然的最自然的语言。当尚未找到合适的文辞描述自然界中将会发生的许多不熟悉的现象时,数学提供了草稿虽然本书包括的数学表述是最小限度的。举个例子：黎曼几何提供了理想的画布,让爱因斯坦在其上涂抹他关于相对性和引力的想法。受到这个例子和别的成功例子如群论的应用的鼓舞,物理学家期待着会出现下一步的数学工具。
但是,某些发展却开始建议别种表述方式。自然界是复杂的,也是真相被遮掩着的,这个复杂性的前沿为物理学提供了另外一个非常新的方向,作为极其微小的客体和非常巨大的客体这两个传统的极端的补充,并且有可能开辟理解早期宇宙的现象的新途径。这些对复杂性的见解部分来自对一些很熟悉但仍然不明真相的系统的研究湍流、颗粒物质动力学。在这样的系统中,微小的变化产生的效果却不微小。一个似乎不起眼的脚印能够引发一场大雪崩,但是要从第一性的原理出发追踪这场灾难却是困难的。在一些现代物理学家依赖高技术之时,用沙堆或芥末堆做的朴实实验仍然会提供有价值的见解。
物理学家在其不断的对理解的追求中做出简化假设,把问题层层简化直到只剩下毫无遮掩的本质。二体问题是最容易分析的,把一幅复杂的图像拆分为一对对相互作用的组成部分之和能够得到而且的确得出了突破性的结果。但是这里有一个危险：如果这种分析做得太过头了,那么所得出的各个组成部分就会丧失一些它们的联结性质。原来的系统不能精确地复现出来――只能得到它的一个近似。不能强迫这个世界变得比它实际更简单。
HenryD.I.Abarbanel在他关于非线性的文章第13章中指出,100年前,在量子理论出现之前,庞加莱就发现了只要有三个充分相互作用的物体就会给出高度复杂的结果。就像害怕这个结论似的,许多物理学家回避这个难以处理的新发现,而宁肯去研究一些更可预言的系统,哪怕这些系统是更不熟悉的。而可预言性是理解的终极的判据。随着更多的系统被我们研究,计算变得越来越困难,精确的可预言性越来越是一件奢侈物了。
描述这些非线性系统常常是混沌系统同时要求重新确定基本目标和使用全新技术。已经找到了能够将微观客体的物理性质与高度复杂系统的基本经验性定律联结在一起的通用例子,它们提供了有价值的新观点。在不可能进行解析的数学处理时,强有力的计算机就接过手来,计算机模拟提供了另一种可能是新的理解高度。HenryAbarbanel的文章第13章和AntonioPoliti的文章第14章漂亮地总结了非线性和复杂性的这些内涵。这两篇文章,连同TonyHey和AnneTrefethen关于合作物理学与e科学的文章第15章,就组成了本书的第四部分“计算物理学”。
物理学家除了要跨越夸克粒子与宇宙之间在大小上相差的许多个数量级以外,现在还得试着把他们传统的寻求简单性的目标与事物固有的复杂性它表现在我们周围的一切层级上协调起来,与各种客体不论它们是存在于晶体、星系、铁磁体还是生物细胞之中把自己它们是处于大小悬殊的很不相同的尺度上“组织”成自我持续的结构的能力协调起来。从复杂性的物理学所得到的知识在其他学科中有重要的意义,有助于说明生命的功能、甚至人的大脑是怎样察觉和理解自己的环境的。人类神经系统内的天然信号与穿过电路或光纤传送的人造脉冲是很不相同的。NikolajPavel关于医学物理学的文章第17章概述了大脑功能如何开始受到探索,而AntonioPoliti关于复杂系统的文章第14章则试图理解我们的理解力,物理学技术在这里提供了有用的类比。
CyrusSa.nia关于生物物理学的有趣的文章第16章表明复杂的生物分子的行为和生物学功能如何最终受到物理学的支持。超分子生物物理学有助于设计用于基因疗法和研究染色体结构与功能的DNA载体。它还能弄清楚神经细胞的结构和动力学,以及控制DNA的机制。这肯定是21世纪一个充满物理学潜力的题目。
精巧的技术
实验物理学牢固地植根于精巧的技术之中,新发现常常可以由技术突破和设备革新而得到。17世纪初望远镜的出现使天文学发生了革命。19世纪和20世纪之交的许多发展来自当时新掌握的高电压和高真空技术。在20世纪,氦的液化打开了超导电性和超流动性的低温世界。
曾有人提过,爱因斯坦的相对性观念可能受到过19世纪末和20世纪初越来越多地意识到有必要对不同的时钟进行同步的启发。地方时的规定曾一度非常任意,但是大规模运输需要在长距离范围内适用精确的时间表。无线电通信的出现极大地扩展了这一要求。
后来,在20世纪,第二次世界大战给原子核物理学、微波技术和数字计算机带来了巨大的进展。这起初是将科学应用于战争的努力,但是随着战争过去,纯科学却从这些进展收获到巨大的回报。这种应用科学的规模也为纯科学研究设定了一个新的规模尺度。“大科学”来临了,它要求大规模支持和国际合作。空间研究是一个好例子,在地球大气这床使人受到很大限制的毯子之外做实验的能力打开了一扇巨大的新窗户。宇宙学现在变成了既是一门理论科学,又是一门实验科学。
大科学在传统上涉及研究巨大客体的物理学前沿如空间研究,它要求大量的仪器和卫星和研究微小客体的物理学前沿主要是建立在大量高能加速器上的粒子物理学。但是,大量的努力也投入到复杂性的前沿中。新的国际协作集中在控制热核聚变的长期目标上。在更小一些的规模上,应用物理学实验室如贝尔实验室和IBM研究部得出了一系列令人印象深刻的纯科学突破。这些发展得到了像半导体和晶体管这样的成果,它们对产业和生活方式有重大的影响。
晶体管是一个工业实验室通过应用物理学的努力,在半导体的基本科学道理充分弄懂之前发展起来的。但是,纯科学研究也能带来有价值的副产品――伦琴发现X射线就是一个经典例子,X射线在其原子物理学起源机制搞清楚之前就已被用在医学成像上了。
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