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物理学和哲学-第22部分
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之后狄拉克和约尔当的变换理论也出来了。在这理论中，可以从ψ（q）变换到（比如说）ψ（p），而且很自然地可以认为，平方值｜ψ（p）｜2
应当是找到动量为p的电子的几率。因此我们逐渐获得这样的概念：波函数的平方意味着某种几率，顺便提一下，这并非三维空间中的波函数，而是在位形空间中的波函数。有了这种认识以后，我们再回到云室中的电子。会不会是我们问了错误的问题，我记得，爱因斯坦告诉过我：“正是理论决定什么是可以观测的。”那意味着，如果认真一点讲，我们不应当问：“我们怎样才能表示云空中电子的径迹？”而应当问：“在自然界中，是否真的只有那些能用量子力学或波动力学表示的情况才会出现？”
围绕这个问题，我们立刻看到，云室中电子的径迹并不是具有明确位置和速度的一条无限细的线，实际上云空中的径迹是一系列点，这些点是由水滴不太精确地确定的，而速度也同样不能太精确地确定的。因此我简单地提这个问题：“如果从‘只有能用量子力学的数学程式表示的那些情况，才能在自然界中找到’这样的基本原则出发，那么，当我们想知道一个波包的速度同时又想知道它的位置时，所能获得的最佳准确度是怎样的呢？”这是一个简单的数学问题，其结果便是测不准原理，它看来与实验情况相符。我们终于知道了怎样表示电子径迹这类现象，但又一次付出了很高的代价。就是说，这个解释意味着，表示电子的波包在每个观察点都在变化，也就是在云空中的每个水滴处都在变化。在每一点上，我们获得关于电子态的新信息，所以必须把原来的波包代以一个新波包，以表示这种新的信息。
这样表示的电子态，不允许我们赋与轨道中的电子以确定的性质，如坐标、动量等等。我们所能做的，仅仅是谈到几率：在适当的实验条件下，于某点找到电子的几率，或找到电子速度为某一值的几率。因此，最后我们得到的态的定义，比原来的电子轨道抽象得多。数学上，我们用希耳伯特空间中的一个矢量来描述它，并且这个矢量决定了在这个态时进行的各种实验的结果的几率。每一个新的信息，都会使态改变。
态的这个定义，对自然现象的描述作了一个巨大变革，或者如狄拉克所说是一个巨大的跳跃；并且我怀疑，爱因斯坦、普朗克、冯·劳埃和薛定谔的不愿接受它，是否可以单纯归结为偏见。偏见这个字眼在这里是太消极了，并没有概括所有情况。当然那也是真实的，例如爱因斯坦就以为，必然能够在旧物理学同样的意义上，对原子态这种事情给出一种客观描述。放弃这种观念的确非常难，因为我们的所有语言都同客观性的概念紧紧地连结在一起。所以在物理学中用来描述实验的字眼，例如测量、位置、能量、温度等等，都是以经典物理和它的客观性概念为根据的。宣称在原子世界中这种客观描述成为不可能，而只能用希耳伯特空间中的一个方向来规定一个态，这样的讲法实在是太革命性了；我想那时的许多物理学家干脆不愿接受它是并不奇怪的。
1954年，爱因斯坦死前几个月，他同我讨论了一下这问题。那是我同爱因斯坦渡过的一个愉快的下午，但一当谈到量子力学的诠释时，仍然是他不能说服我，我也不能说服他。他总是说：“是的，我承认，凡是能用量子力学算出结果的实验，是如你所说的那样出现的，然而这样的方案不可能是自然的最终描述。”
现在来谈我要讨论的第三个概念：基本粒子的概念。1928年以前，每个物理学家都知道，基本粒子意思指的是什么。电子和质子是最明白的例子，那时我们喜欢简单地把它们当作点电荷：体积无限小，仅由它们的电荷与质量所确定。我们不得不勉强地承认，它们必须有一半径，因为它们的电磁质量应当是有限的。这类对象应有半径之类的性质这样的想法，我们是不喜欢的；但至少它们看来似乎像球一样完全对称，所以我们还算高兴。然而以后发现了电子自旋，使这个图象大大改变了。电子并不对称。它有一根轴，并且这结果突出地指出，恐怕这种粒子具有更多的性质，它们并不是简单的，不像我们原先所想的那样基本。1928年狄拉克发展了电子的相对论理论并发现了正电子，情况又完全改变了。一个新观念不可能在一开始时就十分清楚的。狄拉克起初想，他理论中的负能量空穴可以等同于质子；但后来很明显，它们应当具有与电子相同的质量，最后在实验中发现了它们，并称之为正电子。我觉得这个反物质的发现恐怕是本世纪物理学中所有巨大跃进中的最大的跃进。这是一个无比重要的发现，因为它把我们关于物质的整个图景改变了。在我这次谈话的最后部分里，我想对此作较详尽的说明。
开始狄拉克提出：这种粒子可能在成对产生过程中产生出来。一个光量子，能把真空中的一个虚电子从一些负能态中的一个提到较高的正能量，这就意味着，光量子产生了一对电子和正电子。但这立刻意味着，粒子数不再是个好量子数了，没有关于粒子数的守恒律了。例如，按照狄拉克的新观念，我们可以说氢原子不一定要由质子和电子构成。它也可暂时由一个质子，两个电子，一个正电子构成。实际上，在考虑到量子电动力学的更精细的细节时，这些可能性确实起一些作用。
在辐射与电子相互作用的场合中，成对产生这种现象是会出现的。但这样就可很自然地假设，类似过程可能在远为广泛的物理领域中出现。1932年时我们已知道，原子核里没有电子，原子核是由质子和中子构成的。但后来泡利提出：β衰变也许可以这样来描述，就是说一个电子与一个中微子在β衰变中产生了出来。后来费米在他的产衰变理论中表述了这种可能性。由此可见，早在那时候粒子数守恒律就已完全被抛弃了。我们知道，在有些过程中，粒子是从能量产生出来的。当然，这种过程的可能性，在狭义相对论中已经给出：能量在转化为物质，但它的实在性却是联系到狄拉克关于反物质和成对产生的发现而首次出现的。
β衰变的理论，是费米在1934年发表的。不多几年后，连系着宇宙辐射我们提出一个问题：“如果两个基本粒子以很高能量相碰，将发生什么？”自然的回答是，没有什么良好理由可以认为，在这样的过程中不应当产生许多粒子。所以，实际上，在狄拉克的发现之后，高能碰撞中粒子多重产生的假设是十分自然的。十五年后，当人们研究极高能量的现象并能够在大加速器中观察到这些过程时，才对这个假设作了实验验证。但是，如果我们知道，在极高能量的碰撞中，任何数目的粒子都可能产生，唯一条件是初始的对称性与最终的对称性相同，那么我们还得假定，任何粒子实际上是一个复杂的复合体系，因为在某种程度的真实性上我们可以说，任何粒子实际上是由任何数目的其它粒子所构成。当然，我们还得承认，把一个
π介子看作仅由核子和反核子所构成大概是合理的近似，我们无须考虑更高级的结构了。但那只是个近似，如果我们一定要讲得严谨的话，那么我们应当说，对任一π介子，我们有几个粒子甚至任意多个粒子的多种组态，只要总的对称性与
π介子的对称性一样就行了。所以狄拉克的发现的最惊人结果之一是：基本粒子的旧概念完全崩溃了。基本粒子不再是基本的了。它实际上是一个复合体系，说得更确切些是个复杂的多体体系，它所具有的复杂性完全不下于分子或任何其他这类物体真正具有的复杂性。
狄拉克理论还有另一个重要结果。在旧理论中，我们说的是在非相对论性量子论中，基态是一个极简单的态。它就是真空，空的世界，没有任何别的东西，所以它有最高可能的对称性。狄拉克理论中的基态就不同了。它是一个充满着看不到的负能粒子的客体。除此以外，如果引入了正反粒子对产生的过程，我们就可以预期，基态必须包含几乎无穷多个虚正电子、电子对或虚粒子反粒子对；因此马上可以看出，基态是个复杂的动力学体系。它是基本自然定律所确定的本征解之一。如果基态按这种方式解释，我们可以进一步看到，在基本自然定律群中，它不需要是对称的。事实上，电动力学最自然的解释看来是：在同位旋群里，基本自然定律是完全不变的，而基态却不然。因而在同位旋空间里的旋转中基态是简并的假设，按照哥耳德斯通的一个定理，要求远程力或静止质量为0的粒子的存在。库伦相互作用和光子或许也应当以这种方式来解释。
最后，狄拉克根据他的空穴理论在1941年的贝克讲座里阐述了一种思想：在相互作用的相对论场理论中，应当使用不定度规的希耳伯特空间。究竟通常的量子理论的这种推广是否真正必要，这仍是个有争执的问题。但在近数十年内经过许多讨论后，我们已不能怀疑，不定度规的理论确可以前后一贯地建立起来，并可导致合理的物理诠释。
所以在这一点上最后的结果看来是，狄拉克的电子理论改变了原子物理的全部面貌。放弃了基本粒子的旧概念以后，曾经被称为基本粒子的那些客体现在必须看成是复杂的复合体系，总有一天可从基本自然定律把它们计算出来，正如复杂分子的定态可以从量子力学或波动力学计算出来一样。我们已经知道，当取基本粒子的形式时，能量变成物质。那些叫做基本粒子的态，与原子分子的态一样复杂。或者把这似非实是地表述为：每个粒子由其他一切粒子构成。所以我们不能期望，基本粒子物理学会比量子化学简单。这是一个重要之点，因为即使现在，还有很多物理学家盼望有那么一天，我们会发现一种非常简单的方法去描述基本粒子物理，好像当年的氢光谱那样。这个我想是不可能的。
在结论中，关于什么叫做“偏见”我想再说几句。可以说，我们相信有基本粒子是一种偏见。但我又觉得那将是太消极的说法。因为在近二百年内，我们在原子物理中使用的语言，都是直接间接地以基本粒子的概念为基础的。我们经常问：“这物体由什么构成？较小粒子在较大物体中的几何或力学组态怎样？”实际上我们总是回到了德谟克利特的哲学；但我想现在我们已从狄拉克那里懂得了：这是个错误的问题。要避开已成为我们语言一部分的那些问题，仍是很困难的。所以很自然地，即便现在，许多实验物理学家，甚至还有一些理论物理学家，仍在寻找真正的基本粒子。例如，他们希望夸克能够担任这种角色，假如它存在的话。
我想这是个错误。其所以错误，因为即使夸克存在，也不能说质子是由三个夸克构成。我们必须说，它可能暂时由三个夸克构成，也可能由四个夸克一个反夸克，或五个夸克两个反夸克构成，等等。而所有这些组态都应包含在质子中；而一个夸克又可以由两个夸克一个反夸克所组成如此等等。因此我们无法回避这种基本的状况；但既然我们仍有从旧观念来的问题，避开它们是极端困难的。许许多多的物理学家在寻找夸克，并且将来大概还要找下去。以往十年内，有很强的偏见偏爱夸克，我以为假如它们真存在的话，应当已被发现了。但这是一件要由实验物理学家来决定的事。
还留有这样一个问题：应当用什么去代替基本粒子的概念呢？我想我们应当用基本对称性的概念来代替这个概念。基本对称性规定了决定基本粒子谱的基础定律。现在我不预备详细讨论这些对称性。仔细分析了观察的结果以后，我想作出论断：除洛伦兹群外，还有SU2，标度定律，以及分立变换P，C，T，都是真正的对称性。但我不想把SU3或这类高阶对称包括到基本对称性里去，它们可由体系动力学产生而作为近似对称性。
但这又是一件要由实验决定的事。我只想说，我们必须寻找的不是基本粒子，而是基本对称性。当我们确实作出了这个决定性的概念变化（这是由狄拉克发现反物质而来的）以后，我认为就不需要什么进一步的突破去理解基本（毋宁说是非基本）粒子了。我们只须学会用基本对称性这个新的、不幸是很抽象的概念去进行工作；但这可能是够糟糕的了。
＇侯德彭译自《美国物理学期刊》（American Journal of Physics）1975年 5月号＇
基本粒子是什么？
“基本粒子是什么？”这个问题当然必须首先由实验来回答，而且必定要涉及哲学思考。因此，我首先要对近五十年来的基本粒子物理学的最重要的实验成果作一简要的综合评述，并试图说明：如果人们无成见地考察这些实验，那末这些成果已经在相当大的程度上回答了上述问题，从而理论家也没有什么更多的话可补充的了。然后，我在第二部分将补充探讨与基本粒子概念相联系的哲学问题。因为，我认为，基本粒子理论的某些错误的发展——而我就怕确有这样的错误发展——是由于理论的创立者固执地对哲学模不关心，可是他们实际上不自觉地从坏的哲学出发从而由于成见提出了不合理的问题。人们或许可以稍为有点夸张地说，好的物理学不自觉地被坏哲学腐蚀了。最后我将讨论这些成问题的发展，它们可以和我亲身经历过的量子力学的历史中的错误发展相对比，我还将提出人们怎样才能避免这样的错误的一些建议。因此，这个报告的结论应该还是比较乐观的。
最重要的实验结果和它们的理论解释
我首先谈谈实验事实。差不多在五十年前，狄拉克在他的电子论中预言，除电子之外，必定还有它的反粒子——正电子；不多几年之后，安德森和布莱凯特（Blackett）用实验证明了正电子的存在（它在电子偶的产生过程中出现）以及所谓反物质的存在。这是头等重要的发现。因为在这以前，人们一般设想有两类基本粒子：电子和质子，它们与一切其他粒子的不同之点是，它们是决不能改变的，因此它们的数目也总是守恒的。正因为如此，人们称它们为基本粒子。一切物质被认为最终都应该由电子和质子组成。电子仍的产生和正电子的实验证明表明，这种设想是错误的。电子既可以产生，也可以湮灭；因此它们的数目决不守恒；它们不是原来意义上的基本粒子。
第二个重要步骤是F．约里奥和I．居里发现人工放射性。人们从许多试验知道，一个原子核可以通过发射粒子转变为别的原子核，只要能量、角动量、电荷等守恒定律允许这种转变。能量转化为质量，这在爱因斯坦的相对论中早已被认为是可能的，现在就成了经常观测到的现象了。这样也就谈不到什么粒子数的守恒了。可是还有一些可用量子数表征的物理性质——例如角动量或电荷，它们的量子数可以取正值或负值，而且守恒定律对于它们是有效的。
在三十年代，还有另一个重要的实验发现。人们证实了，在宇宙辐射中有能量很高�
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