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物理学和哲学-第12部分
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两个邻近原子间的力首先是异性相吸和同性相斥的电力；电子受到原子核的吸引，电子与电子又相互排斥。但这些力不按照牛顿力学定律起作用，而是按照量子力学定律起作用。
这导致原子之间两种不同类型的结合。在一种类型中，一个原子的电子跑到另一个原子中，例如，去填满一个几乎闭合的电子壳层。在这种情况下，两个原子最后都带电，而形成物理学家所谓的离子，并且因为它们的电荷是相反的，他们互相吸引。
在另一种类型中，一个电子以量子论所特有的方式同时属于两个原子。利用电子轨道的图象，人们可以说电子围绕着两个原子核旋转，并在每一个原子中都逗留相当的时间。这第二种结合类型相当于化学家所称的共价键。
这两类力可以以任何混合的形式发生，而促使各种原子团的形成，并且似乎是物理学和化学中研究的大量物质的一切复杂结构的最终原因。化合物的形成是通过包含不同原子的小的闭合原子团的形成而发生的，每个原子团是化合物的一个分子。晶体的形成是由于原子排列成规则的点阵。当原子是如此紧密地排列着，以致它们的外层电子能够离开它们的壳层而在整个晶体中移动时，就形成了金属。磁性是由于电子的自旋运动引起的，如此等等。
在所有这些例子中，物质与力之间的二重性仍能保持，因为人们可以认为原子核与电子是由电磁力联结在一起的物质的碎片。
这样，物理学与化学在它们与物质结构的关系方面差不多完全联合起来了，而生物学则处理更为复杂的并多少有所不同的类型的结构。确实，虽然生命机体是一个整体，生命物质与非生命物质的严格界线仍然是无法作出的。生物学的发展为我们提供了大量例子，在这些例子中人们可以看到，特殊的大分子或大分子团或链具有特殊的生物学功能，并且在现代生物学中有着一种日益增长的把生物学过程解释为物理学与化学定律的结果的趋势。但是生命机体显示的稳定性的类型在本质上多少与原子或晶体的稳定性有所不同。这与其说是形式的稳定性，不如说是过程式功能的稳定性。无疑的，量子论定律在生物学现象中起着很重要的作用。例如，只能用化学价的概念不准确地描述的那些特殊的量子理论性的力，对于了解大的有机分子和它们的各种各样的几何形式是不可缺少的；辐射引起生物学突变的实验，既显示了统计量子理论定律的关联，又显示了放大机构的存在。我们的神经系统的工作与现代电子计算机的功能之间的极其类似，又一次说明了在生命机体中单个基元过程的重要性。然而所有这些并不足以证明物理学、化学以及进化概念有朝一日将提供生命机体的完全描述。实验科学家在探讨生物学过程时，必须比探讨物理学和化学更要小心翼翼。“正如玻尔所指出，很可能，从物理学家的观点看来可以称为完全的那种对生命机体的描述是不能作出的，因为这需要一些十分强烈地干预生物学功能的实验。玻尔曾经描述了这种状况，他说，在生物学中，同我们发生关系的，与其说是我们自己所能完成的各种实验的结果，不如说是我们所属的自然界中各种可能性的表示。这种表述所暗示的互补状况在现代生物学研究方法中被描述为一种倾向，这种倾向一方面充分利用了全部的物理学和化学的方法与结果，另一方面，是奠基于有机界的不包含于物理学和化学中的那些特征的概念，例如生命的概念等等。
到这里，我们追踪了一个方向的物质结构分析；从原子到包括许多原子的更复杂的结构；从原子物理学到固体物理，到化学和生物学。现在我们必须转向相反的方向，并且追随从原子外部到内部和从原子核到基本粒子的研究路线。正是这条路线可能导致对物质统一性的理解。这里我们不需要害怕我们的实验会破坏了特征性的结构。当提出的任务是试验物质的最终统一性时，我们可以将物质置于尽可能强的力之前，置于最极端的条件下，以便看一看是否任何物质最终能够增变为任何其他物质。
这个方向的第一步是对原子核的实验分析。在差不多充满于本世纪的头三十年内的这些研究的初始时期中，唯一对原子核运用的实验工具是放射性物质所发出的α粒子。卢瑟福在
1919年利用这些粒子成功地促成了较元素原子核的嬗变；例如，他能使一个氮原子核嬗变为氧原子核，方法是在氮原子核中加一个α粒子同时打出一个质子，这是使人联想起化学变化过程的原子核范围的变化过程的第一个例子，它导致元素的人为嬗变。第二个实质性的进展是，如所周知，用高压装置把质子人工加速到足以促使原子核嬗变的能量。为此目的，差不多需要一百万伏特，而考克饶夫（Cockcroft）和瓦尔顿（Walton）在他们的第一次决定性实验中就成功地使银原子核嬗变成为氧核。这个发现开辟了一条全新的研究路线，它在适当的意义上可以称为原子核物理学，并且它立刻导致对原子核结构的定性理解。
原子核结构确实是很简单的。原子核只由两类基本粒子组成。一类是质子，它同时也就是氢原子核；另一类是所谓中子，它是质量与质子差不多的电中性粒子。每一个原子核可以由组成它的质子和中子的数目来表征。例如，正常的碳原子核由6个质子和6个中子组成。还有其他的碳原子核，比较不大常见（称为前者的同位素），由6个质子和7个中子组成，等等。所以，人们最后得到一种对物质的描述，在这种描述中，代替许多不同的化学元素，只出现三个基本单元：质子、中子和电子，所有由原子构成的物质都是由这三类基本建筑基石组成。这还不是物质的统一，但确实是朝向统一化和——或许更重要的——简单化的重大步骤。当然，从关于原子核的两种建筑基石的知识过渡到完全了解它的结构还有很长的路程。这里问题与二十世纪中叶已经解决的外层原子壳的相应问题多少有所不同。电子壳层中粒子间的作用力已很准确地知道了，但是必须寻找动力学定律，这在量子力学中找到了。在原子核中的动力学定律可以设想为就是量子力学中的那些定律，但是粒子间的力并不是预先就知道的；它们必须从原子核的实验性质中推导出来。这个问题尚未完全解决。力或许不是如电子壳展中静电力那样简单形式的力，因此，由于根据复杂的力来计算原子核的性质的数学困难和实验的不准确性使得进展十分困难。但是，原子核结构的定性理解肯定已经得到了。
这样，就剩下最后一个问题，即物质统一性的问题。是不是基本建筑基石——质子、中子和电子——就是物质的最终的不可毁灭的单位，就是德谟克利特意义上的原子（除了作用于它们之上的力之外，它们之间没有任何关系）？或者它们正是同类物质的不同形式，它们是否还能相互嬗变，是否还能嬗变成其他的物质形式？在着手解决这个问题的实验中，所需要集中于原子粒子的力和能量远大于研究原子核时所需要的力和能量。因为原子核中所蕴藏的能量还不够大，不足以作为我们进行这类实验的工具，物理学家如不依靠宇宙规模的力，就得依靠工程师的天才和技巧了。
实际上，在这两条路线上都有了进展。在第一种情况下，物理学家使用了所谓宇宙辐射。广延在巨大空间中的星体表面的电磁场在一定的环境下能够加速带电的原子粒子、电子和原子核。由于原子核的惯性较大，它们似乎有较多的机会在加速电场中多停留一长段距离，并且最后当它们离开星体表面进入空虚的空间时，它们已穿过了几十亿代的电势。在星体间的磁场中它们可能进一步被加速；总之，原子核似乎有很长一段时间被不断变化的磁场保留在星系空间中，而最后它们在这个空间中装满了人们称为宇宙辐射的那种东西。这种辐射从外面到达地球，它实际上由各种原子核所组成，例如由氢原子核和氦原子核和其他较重元素的核所组成，它们大约具有一亿或十亿电子伏的能量，在比较稀有的情况下，还可到达这个数量的一百万倍。当这种宇宙辐射的粒子穿入地球大气时，它们击中大气中的氮原子和氧原子，或者可以击中受到辐射的任何实验装置中的原子。
另一条研究路线是建造大的加速器，它的典型就是劳仑斯（Lawrence）在三十年代初期在美国加利福尼亚州建立的所谓回旋加速器。这些加速器的基本思想是用强磁场把带电粒子保持在圆圈上运动许多次，使它们能够在旋转过程中一次又一次地为电场所加速。能量达到几亿电子伏的机器已在英国使用。通过十二个欧洲国家的合作，一个这种类型的非常巨大的机器目前正在日内瓦建造，我们期望它的能量能达到250亿电子伏。由宇宙辐射式大加速器所完成的实验已经显示了物质的新的有意义的特征。除了物质的三种基本的建筑基石——电子、质子和中子——之外，已发现了一些新的基本粒子，它们能够在这些极高能过程中产生出来，并且在很短的时间之后消失。这些新的粒子，除了它们的不稳定性之外，具有与老粒子相似的性质。即使最稳定的这种粒子，它们的寿命也只有大约百万分之一秒，而其他粒子的寿命甚至比这还要小一千倍。现在，大约已知道25个不同的新基本粒子；最新的一个是反质子。
乍看起来，这些结果似乎离开了物质统一性的概念十因为物质基本单位的数目又增加到可以和不同化学元素的数目相比较的数值。但这不是一个适当的解释。实验同时表明，粒子能够从其他粒子产生出来，或仅仅由这些粒子的动能产生出来，而它们又能蜕变为其他的粒子。实验已经实际证明了物质的完全互换性。在能量足够大时，所有的基本粒子都能嬗变为其他粒子，它们能够仅仅从动能产生，并能湮灭而转化为能量，譬如说转化为辐射。因此，这里我们实际上有了对物质统一性的最终证明。所有基本粒子都由同一种实体制成，我们可以称这种实体为能量或普遍物质（universal
matter）；所有的基本粒子正是这种物质所能呈现的不同形式。
如果我们将这种状况与亚里士多德关于物质和形式的概念相比较，我们可以说，亚里士多德的物质既然仅仅是“潜能”，就应当可以和我们的能量概念相比较，当基本粒子产生时，它通过形式转化为“现实”。
现代物理学当然不能满足于物质基本结构的仅仅是定性的描述；它必须尝试根据仔细的实验研究，为决定着物质“形式”、基本粒子和它们的力的那些自然律建立一个数学形式系统。在这部分物理学中不能再在物质和力之间划一条清楚的界线，因为每一种基本粒子不仅产生某些力并受力的作用，它同时还代表某种力场。鼻子理论的波粒二象性使得同一种实体既以物质的形式出现，又以力的形式出现。
建立关于基本粒子的定律的数学描述的一切尝试早从波场的量子论就已开始了。关于这种类型理论的理论工作早在三十年代已经开始。但在这条路线上的最早的研究就发现了严重的困难，其根源是在量子论与狭义相对论结合之处。乍看起来似乎是这样：量子论和相对论这两个理论所涉及的自然的方面是如此不同，所以它们实际上应当互不相关，从而在同一个形式系统中容易满足两个理论的要求。然而更深入的了解表明：两个理论在一点上还是互相干扰的，而全部困难正是从这一点上产生的。
狭义相对论已经显示了一种时间空间结构，它和自牛顿力学以来普遍假设的时间空间结构有所不同，这个新发现的时间空间结构的最突出的特征是存在着一个极限速度，这就是任何运动体或任何传递信号均不能超越的光速。因此，如果在相距很远的两点上的两个事件发生于这样的时间，使得在一个点上发生事件的瞬间发出的光信号只是在另一点发生了另一事件之后才能到达该点，那么，这两个事件之间就不能有任何直接的因果联系；反之亦然。在这种情况下，两个事件可以称为是同时的。因为没有任何一种作用能从一点到达另一点，所以，没有任何东西从一点上发生的事件及时地传给另一点发生的另一事件而把两个事件联系起来，两个事件之间没有任何因果联系。
由于这个理由，任何类型的超距作用，例如牛顿力学中的万有引力，同狭义相对论都是不相容的。这个理论必须用从一点到另一点，即从一点到无限邻近的点的作用来代替超距作用。这类作用的最自然的数学表示是关于波或场的微分方程，这些微分方程相对于洛伦兹变换是不变的。这样的微分方程排斥“同时”事件间的任何直接作用。
由此可见，狭义相对论所表示的时间空间结构隐隐地包含着这样一个意思，即在同时性的区域和其他区域之间存在着无限明确的界限：在同时性区域内，不能传递任何作用，而在其他区域内，从一个事件到另一个事件的直接作用是能够发生的。
另一方面，量子论的测不准关系对于能够同时测量的位置与动量、或者时间和能量的准确度施加了明确的限制。因为一个无限明确的界限意味着关于空间时间中的位置的无限准确性，所以动量或能量必须是完全不确定的，或者说在事实上，任意高的动量和能量必须以占压倒优势的几率出现。由此可见，任何企图同时满足狭义相对论和量子论的要求的理论将导致数学上的自相矛盾，导致极高能量与动量区域的发散。上述结论的这个后果或许不象是有严格约束力的，因为所考察的任何一个这种类型的形式系统都是很复杂的，并且或许可能提供避免量子论与相对论间的冲突的某些数学可能性。但是，迄今为止，所有曾经尝试过的数学方案在事实上要不是导致发散（即导致数学的矛盾），就是不能满足两个理论的全部要求。很容易看出，这种困难实际上正是来自上面讨论过的那一点。
有一种方法，虽然它所用的收敛的数学方案不满足相对论或量子论的要求，然而这种方法本身却十分有意思。例如，有过一个方案，当用时间空间中的实际事件来解释它时，会导致某种时间倒流；这种方案会预言出这样一种过程，在这种过程中，粒子会突然地在空间某点产生，而它的能量却在后来才由在另外的某个点的基本粒子间的某个碰撞过程所提供。物理学家根据他们的实验，深信这类过程不在自然中产生，至少这两个过程如果在空间时间中分隔着一个可测间隔是不可能的。另一个数学方案试图通过所谓重正化的教学方法来避免发散，它似乎能将形式系统中的无穷大逼近到一个位置，那里它们不会妨碍那些能被直接观测的物理量间的确定关系的建立。实际上这个方案已经使量子电动力学得到非常实质性的进展，因为它说明了氢光谱中以前所不了解的某些有意义的细节。然而，对这种数学方案的更深人的分析表明，它可能会出现这样的情形，就是在重正化的形式系统中，那些在正常的量子论中必须解释为几率的物理量在一定的条件下能够变成负的。这将使人们无法前后一致地使用这种形式系统来描述物质。
这些困难的最终的解决办法尚未发现。有朝一日，它将从关于各种不同的基本
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