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物理学和哲学-第24部分
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错误的问题和错误的观念总是一再潜入粒子物理学中并导致错误的发展，我马上就要讲到这一点。可是在这以前，我还要对直观性作一点评述。
有这样的哲学家，他们主张直观性是一切真正理解的前提。例如，慕尼黑的哲学家丁格勒（Dingler）针对相对论就表示了这样的观点，他认为直观的欧几里得几何学是唯一真正的几何学，因为我们在建造我们的量度仪器时是以它的正确性为前提的；关于后一点，丁格勒当然是对的。因此，他这样说，人们不能用背离欧几里得几何的一般黎曼几何来描述作为广义相对论基础的实验经验；因为，否则人们就要陷入矛盾。但是这种要求显然是过分了。为了证明我们用实验做的那些事是正确的，只要知道在我们的仪器的尺度内欧几里得几何是足够好地近似正确就行了。因此我们必须容忍这样的事情，就是在十分小和十分大的尺度内的实验经验不再提供我们直观的图象。然后我们才能理解前面说过的无限小的二难推论在基本粒子物理学中已以一种非常微妙的方式解决了，这是一种既非康德也不是古代哲学家所能想到的方式：这就是说，“分割”一词失去了它的意义。
如果人们一定要把今天粒子物理学的认识同任何以往的哲学相类比的话，那本只有柏拉图的哲学才能相比；因为现代物理学中的粒子是对称群的表示（量子论就是这样说的），在这方面它类似于柏拉图学说中的对称体。
基本粒子物理学中成问题的问题提法
也是我在这里并不是要讨论哲学，而是要讨论物理学，因此我现在要谈谈在我看来是从错误的问题提法出发的那些理论基本粒子物理学的发展。首先就是这样的命题：象质子、π介子、超子以及许多其他粒子那样的已被观测到的粒子，是由更小的、未被观测到的粒子——夸克，或者还有部分子、胶子，粲粒子以及一切不管叫什么的这类假想粒子——所组成。显然，这里提出了这样一个问题：质子是由什么组成的？但是提问者忘了，“组成”一词只有当粒子能以比它的静止质量小得多的能量消耗分裂为它的组成部分时才多少有一点意义，否则“组成”一词就丧失了它的意义。对于质子也是这种状况。为了说明一个好象是明确定义了的词会失去它的意义，我不得不重述玻尔在这种场合乐于引用的一个故事。一个小孩跑到一家店销中，手中拿着两个芬尼跟店员说，我要买两芬尼的杂拌糖。店员给他两块糖并对他说，你自己可以把它们杂拌起来。对于质子，“组成”这一概念同这个小孩的故事中的“杂拌”的概念具有同样的意义。
对此会有许多反对的意见：夸克假说也是从实验经验中得来的，也就是说，SU3群的经验关系的证实中得来的，甚至超出SU3群的适用范围它也能成功地解释许多实验。这确不能否认。但我可以根据我亲身经历的量子力学的历史提出一个反证，这个反证可以明显地揭示出这种论证的弱点。在玻尔的理论提出之前，有许多物理学家主张，一个原子必定由一些谐振子所组成。因为光谱中包含了只能由谐振子发射出来的锐线。而这些振子的电荷必须对应干不同于电子电荷的e／m值，此外，因为在光谱中有许许多多谱线，就必须假设有许许多多振子。
尽管有这些困难，沃耳德玛·福格特（Woldemar
Voigt）1912年在哥丁根以下列方式建立了一个关干钠光谱D线的反常塞曼效应的理论：他假定有两个耦合的振子，它们在没有外部磁场的情况下发射出两条D线。他把振子的相互耦合以及它们和外场的耦合作了这样的安排：在弱磁场的情况下真正出现反常塞曼效应，而在很强的磁场下也可以正确描述帕邢…伯克效应。对于中等场的中间范围，由很长和复杂的平方根给出频率和强度，虽然是非常繁杂的公式，可是显然很好地符合实验结果。十五年后，约尔丹和我根据量子力学的微优理论费力地计算了同一问题。引起我们很大惊讶的是，我们得到的正好是福格特的关于频率以及强度的老公式，而且也包括关于中间场的复杂部分。其理由，如我们后来所了解的，纯粹是由于形式上的数学方法的缘故。量子力学微扰理论导致一个耦合线性方程组，方程组的本征值确定了频率。一个耦合谐振子系统在经典理论中同样导致这样一个耦合线性方程组。因为在福格特理论中人们已校正了最重要的参数，所以，用不着奇怪会得到正确的结果。但是，福格特理论没有对理解原子结构作出贡献。
为什么福格特的尝试在一方面如此成功，在另一方面又如此无用呢，因为福格特只考察D线，而没有掌握整个线性光谱的知识。福格特现象论地应用了振子假说的某一方面，而忽略了这一模型的其他的不合理方面，并且有意识地把这个问题留下来不作明确解答。实际上，他并没有十分严肃地对待他的假说。我怕夸克假说的创造者们也同样没有严肃对待他们的假说。关于夸克的统计学问题，关于把它们结合在一起的力的问题，与这种作用力相对应的粒子的问题，为什么夸克从不作为自由粒子出现的原因问题，夸克粒子在基本粒子内部成对产生的问题，所有这些问题都还或多或少没有作出明确解答。如果人们真要严肃对待夸克假说的话，那末就必须作出关于夸克的动力学和把夸克结合在一起的力的一个准确的数学假说，并证明，至少定性地证明，这些假说可以真正再现基本粒子物理学今天已知的特征。在基本粒子物理学中不应当有不能够应用这个假说的问题。我还不知道有这样的尝试，并且我还怕，每一个这样的用精确的数学语言描述的尝试都会很快导致矛盾。因此，我可以用问题的形式来表述我的反对意见：“难道夸克假说对粒子谱的理解比当时福格特的振子假说对凉子壳层结构的理解会作出更多的贡献，在夸克假说后面不是又隐藏着那个早被实验否定了的观念，即人们可以区分简单和复合粒子的那个观念吗，
我还想简要地讨论一些专门的问题。如果SU3在粒子谱的结构中起着重要的作用，并且如果根据实验的证据人们必须接受它的话，那末，它究竟是一种作为自然规律基础的基本对称性呢，还是一种从一开始就只是近似地有效的动力学对称性呢，对此作出判定，那就很重要了。如果这个判定悬而未决，那末关于作为粒子谱基础的动力学的一切其他假设都也无法判定，从而人们也不能有更多的理解。象SU4，SU6，SU12，SU2XSU2等等这种更高的对称性有更大的可能性是属于动力学对称性，它们在描述现象中可能是有用的；但是，它们的启发性价值，在我看来，同天文学中托勒密的本轮和均轮的启发性价值差不多。它们只给出关于基本自然规律的结构的间接结论。
最后还要谈一谈近年来的最重要的实验结果。这就是新近发现的具有比较大的质量（约为30－40亿电子伏）和较长寿命的玻色子。这样的状态在原则上是绝对有人预料到的，就象迪尔（Durr）曾特别强调指出过的那样。是否人们可以根据它们的长寿命的特点，近似地把它们解释为由其他已知的长寿命粒子所合成呢，这确实是一个困难的动力学问题，在这个问题中多作物理学的全部复杂性都将起作用。当然，在我看来，为此又一次引进新粒子，把已知对象假设为由新粒子所组成的那种尝试是一种完全无用的思辨。因为这又是错误地提出问题，它无助于对粒子谱的理解。
近年来，人们用日内瓦的储存环和巴达维亚加速器测量了很高能量的质子…质子碰撞的有效总截面。得到的结果是，有效截面大约随能量对数的平方而增长，这种行为早就在有关渐近区的理论中被预测到了。其他粒子的碰撞也得到同样的结果，因此这多少表示，在大加速器中已经到达了渐近区，从而人们在那里不用再期望会有什么令人惊讶的奇迹。
一般人们不应当期望用新实验得到一种“解围的神力”（Densex machina），它可以立即导致对粒子谱的理解。因为近五十年的实验对“基本粒子是什么？”这个问题已经定性地作出了十分令人满意的、不自相矛盾的、完满的回答。至干定量的细节，只能（就象量子化学中那样〕随着岁月的流逝通过许多物理学和数学的更为细致的工作来加以阐明，而不可能立即做到。
因此，我能够以一种预期粒子物理学发展将取得成功的乐观的展望来作结束。新的实验结果总是有价值的，它们首先就扩大了粒子的表册；但当它们回答了理论的关键问题时，它们就特别有意义了。在理论中人们必须尝试作出物质的基本的动力学的精确假设，而不带任何哲学的偏见。人们必须充分严肃地对待这个动力学问题，而不应当满足于含糊的假说，而对主要问题不作明确的解答。因为粒子谱只有当人们认识了物质的基本动力学时，才能真正理解；这个动力学是中心问题。动力学以外的一切只是数据表册的一种字面的描述，即使数据表册也许会比字面描述具有更多的内容。
＇译自西德《自然科学》（Die Naturwissenschaften）
1976年1月号＇
宇宙辐射和物理学中的基本问题
宇宙辐射，自从它在大约六十年前被发现以来，已经在物理学的发展中起了很重要的作用。从第一次证实自外层空间来到地球的射线到发现这种辐射中很高能量的粒子，发现具有意想不到的性质的新粒子，到发现自然规律中新的基本对称性，最后到发现星际空间中残余物质和磁场的大量信息，以及关于可能产生宇宙辐射的那些过程的大量信息，这是一个非常有趣的历史过程。但是我不想追随这条历史线索。
我试图把我的讲话仅限于宇宙辐射的知识进展所接触到的或大大推进了的那些物理学基本问题。我在这个讲话中主要关心的是这个非常特殊的物理学领域和成为整个物理学基础的那些基本问题之间的相互作用。在三十年代初，当宇宙辐射在本世纪最重要的物理发现之———正电子的发现——中起了必不可少的作用时，这种相互作用就显示出来了。固然，正电子的发现不是在宇宙线研究中最先作出的。狄拉克在他的电子理论中已预言了带正电的电子的对应物，但是关于正电子的存在的第一个令人信服的证据是安德森、布莱凯特和奥基亚利尼（Occhialiui）在宇宙辐射中发现的。第一批关于簇射的云室照片（在这张照片上，光子产生了电子和正电子对，而这些粒子当穿过物质时又产生光子）毫无疑问地证实了正电子的存在和狄拉克理论的正确性。不久以后，正电子也在原子核过程中，即在β
衰变中找到了。
关于这个发现的基本重要性，我或许还得稍微多说几句。到那时为止，物理学家们或多或少不自觉地遵循古希腊哲学家德谟克利特的哲学。如果一个人试图把一块物质一次又一次地分割下去，他就会——人们这样推测——最后分到物质的最小部分而告终，这些最小的部分不能再进一步分割了，因此被称为原子。这些原子被认为是物质的不可分的、不能改变的单位，作为构成所有物质的基本单元，而原子（或者如我们今天所说的：基本粒子）应当以它们的相对位置和运动来决定各种各样物质的可见的性质。整个这幅图象，看来似乎合理，却被狄拉克的理论和它的后果——正电子的发现彻底摧毁了。决定性的要害主要不在于存在一种迄今未知的新粒子，——以后还发现了许多新粒子，对于物理学基础并没有严重的影响，要害在于发现了一种新的对称性，即粒子…反粒子共轭，它同狭义相对论的洛伦兹群，也同能量与质量的相互转化密切相关。在非相对论性物理学中，任何一种粒子的数目都是一个运动常数，就象能量和动量一样。在相对论性物理学中，这个数不再是一个合适的量子数了。譬如说，一个氢原子不一定是由质子和电子所组成，它也可以当作是质子、两个电子和一个正电子所组成，尽管后面这种组成仅仅相当于对氢的整个波函数作很小的相对论性的改正。这种状况的后果之一，就是推测在两个粒子的高能碰撞中可以产生大量新粒子，而这些可能性仅受能量、动量、同位旋等守恒定律的限制。又正是在宇宙辐射中，可以检验这种推测。
实际上，在三十年代后期，布劳（Blau）和瓦姆巴歇尔（Wambacher）在很高的高空曝光的照相底片上发现了所谓的“星”，就是在底片的同一点开始发出许多径迹。显然，一个原子核被一个射来的高能粒子击中，由于碰撞的结果，它发射出许多不同的粒子。解释这些“星”不是简单的事，因为过程的开端可能是原子核中的一种级联，这种级联同众所周知的电子…正电子级联相类似，随后就是某种原子核的蒸发。所以这些结果并不立即证实我在前面作出的推测，即仅由两个粒子的碰撞产生了多数的粒子。但是，随着时间的流逝，宇宙线实验能够得到改进，而在十五年之后，多倍地产生粒子的现象确定不移地实现了。
这些结果意味着“分割”和“组成”的概念只有有限的适用范围。就象相对论中的“同时”概念和量子论中的“位置”和“速度”概念只能在特殊的限制下使用，而当不分青红皂白地用错了地方时就失去意义一样，“分割”和“组成”的概念也只有在特定的情况下才有确定的意义。当一个粒子可以被少量能量分解为两个或几个部分，而粒子的静止质量比这一小份能量来大得很多，这时，也只有这时，人们可以说粒子由这些部分组成，并可分解为这些部分。在所有其他场合，“分割”或“组成”这类词就没有确定意义。而在两个粒子的高能碰撞中，实际发生的事是由动能产生了新的粒子。采取基本粒子的形式，能量变成了物质。但是，“基本”粒子和“复合系统”之间的区分也没有确定的意义。粒子是物理系统“物质”的定态。所有这些很重要而又基本的结果在宇宙线研究中有它们的实验基础。
宇宙线研究的另一个引人注意的结果是1937年尼特迈耶尔（Neduermayer）和安德森发现μ子，即μ介子。这种客体起先被误认为是汤川曾预言过的作为核子间强相互作用的物质对应物的那种粒子。但是不久就弄清楚了，μ子同质子和中子这一类重粒子的相互作用是太小了；μ子不可能承担起原子核中的强相互作用。倒可以说，μ子显得象是电子的较重的哥哥，它同电子的区别仅在于它有较大的质量。μ子的发现并不象正电子的发现那样引起物理学基础发生根本性的变化，但它显示出粒子谱系中的一个有趣的特征。这个谱系被分为两个仅仅微弱地结合在一起的谱项系统，即强子系统和轻子系统。人们从原子光谱已熟悉这种微弱地结合起来的谱项系统。但是，在这两个场合中引起这种分裂的原因是否相似，还是一个没有解决的问题。μ子——加上中微子——组成了宇宙辐射中最有穿透力的部分，因此在确定作为大气高度的一个函数的宇宙辐射强度中起着重要的作用。
我或许还应当提到另一个颇为奇特的情况，在这里μ子也有助于解决一个根根本的问题。德国在大战前夕，相对论不为当权者所认可，特别是运动物体中的时间的延缓被批评为荒谬的和纯理论的思辨。关于相对论可否在大学中讲授的问题，甚至还举行过审判。在这种争论中，有一次我能够指出μ子的蜕变时间应当同它们�
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