你知道吗--现代科学中的100个问题-第12部分

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　　　　不过，现在让我们先来设想一个由快子构成的宇宙，在这个宇宙中，所有粒子的速度全都大于光速。当这种粒子所获得的能量越来越多时，它们的运动速度就变得越来越慢，到它们得到无限大的能量时，它们的速度就降低到等于光速。当它们失去的能量越来越多时，它们就运动得越来越快，到它们的能量等于零的时候，它们的运动速度就达到无限大。▌米▌花▌书▌库▌ ；http：//__

　　　　我们可以想象到，在这样的宇宙中，粒子的能量范围是很宽广的：有些粒子的能量非常高，有些粒子的能量非常低，有些粒子的能量则介于这两者之间（就象我们这个宇宙中粒子的实际情况那样）。

　　　　在这样的宇宙中（就象在我们这个宇宙中一样），能量必须通过某种相互作用才能从一个粒子转移给另一个粒子，比如说，要通过两个粒子的碰撞，如果低能粒子Ａ同高能粒子Ｂ发生碰撞，那么，粒子Ａ获得能量而粒子Ｂ损失能量的机会是非常大的，所以，一般的趋势是形成两个具有中等能量的粒子。

　　　　当然，也会有一些例外的情形。如果是两个能量相等的粒子发生相互作用，那么，其中的一个粒子可能获得能量，另一个粒子则损失能量，从而把能量范围拉大了。甚至还有可能（尽管可能性不大）发生这样的情形：一个高能粒子通过同一个低能粒子相碰撞而获得更多的能量，而那个低能粒子所剩下的能量却比原来还要少。

　　　　考虑到这种碰撞的随机性和能量转移的随机性，我们就会得出结论说，这些粒子的能量分布必定是大多数粒子具有中等能量，有些粒子具有较高（或较低）的能量，少数粒子具有非常高（或非常低）的能量，非常少的粒子具有极高极高（或极低极低）的能量，只有痕量的粒子才具有极高极高极高（或极低极低极低）的能量。

　　　　在某一个范围内的能量分布可以用数学方法表示出来。并且我们会看到，实际上既没有任何粒子具有无限大的能量，也没有一个粒子的能量等于零，粒子只能非常接近这两个能量值，但永远不能达到它们。快子有时会以稍稍大于光速的速度运动，但它的速度永远不会正好等于光速；快子也可能以确实非常巨大的速度运动，比光速还要快上百万倍（或者上亿倍或万亿倍），但它永远不会达到真正是无限大的速度。

　　　　假定有两个能量正好相同的快子非常准确地发生对头碰撞。这时，它们的动能难道不会正好互相抵消掉，从而使两者以真正无限大的速度离开碰撞地点而飞开吗？这同样是个只能逼近而无法达到的想法。两个快子具有正好相同的能量，并且非常准确地对头碰撞的机会，那是小到等于零的。

　　　　换句话说吧，在快子的宇宙中，真正无限大的速度是只能逼近、但无法达到的——在这种情况下，我们就不必去为无限大总是要引起的种种似乎荒谬绝伦的事情多伤脑筋了。
第53节
　　　　要解释测不准的问题，我们先得问一问：什么叫做测准了？当你深信你精确地了解到某种物体的某种性质时，那么，不管你得到的数据怎么样，你都确信它没有问题。

　　　　但是，你怎样才能了解到那个物体的某种性质呢？无论用什么方法，你都必定要同那个物体发生相互作用。你必须把它称一称，看看它有多重；或者把它敲一敲，看看它的硬度有多大；再不然，你就得直盯着它，看看它在什么地方。而这时就必定有相互作用，不过这些相互作用是比较缓和的。

　　　　现在我就可以争辩说，这种相互作用总是会给你所力求测定的那种性质本身带来一些变化。换句话说，在了解某种事物时会由于了解它那个动作本身而使那种事物发生改变，因此，归根结蒂，你根本没有精确地了解到这种事物。

　　　　举个例子吧，假定你想测量出澡盆里热水的温度。于是，你把一根温度计放入水中，对水的温度进行测量。可是温度计是凉的，它放入水中就会使水的温度稍稍降低。这时，你仍然可以得到热水温度的很好的近似值，但是它不会精确到一万亿分之一度。温度计已经改变了它所要测量的那个温度，而这种变化几乎是无法测出的。

　　　　再举个例子，假定你想测量轮胎中的空气压力，你就要让轮胎逸出极小量的空气来推动测压计的活塞。但是，有空气逸出这个事实就说明，空气的压力已经由于测量它这一动作而稍稍降低了。

　　　　有没有可能发明一些非常微小、非常灵敏，而又不直接同所要测量的性质发生关系的测量器件和方法，因而也就根本不会给所要测量的性质带来丝毫变化呢？

　　　　德国物理学家维尔纳·海森堡在１９２７年断言说，这是不可能做到的。一个测量器件只能小到这种程度：它可以小到同一个亚原子粒子一样小，但却不能小于亚原子粒子。它所使用的能量可以小到等于一个能量子，但再小就不行了。然而，只要有一个粒子和一个能量子就已经足以带来一定的变化了。即使你只不过为了看到某种东西而瞧它，你也得靠从这个物体上弹回来的光子才能看到它，而这就已经使它发生变化了。

　　　　这样的变化是极其微小的，在日常生活中我们可以把它们忽略掉，而且我们也正是这样做的——但是，这种变化仍然存在。不过，要是你所碰到的是极其微小的物体，这时就连极其微小的变化也显得挺大，那又会出现什么情况呢？

　　　　例如，如果你想要说出某个电子的位置，那么，为了“看到”这个电子，你就得让一个光量子（更可能是一个γ射线光子）从它上面弹回来。这样一来，那个光子就会使电子的位置发生变化。

　　　　具体地说吧，海森堡成功地证明了，我们不可能设想出任何一种办法，把任何一种物体的位置和动量两者同时精确地测量下来。你把位置测定得越准确，你所能测得的动量就越不准确，你测得的动量越准确，你所能测定的位置就越不准确。他还计算出这两种性质的不准确度（即“测不准度”）应该是多大，这就是他的“测不准原理”。

　　　　这个原理指出，宇宙具有某种“微粒性”。你要是尽力把报纸上的图象放大，最后，你就会把它放大到这样一个程度：你会看到许多细小的颗粒或是斑点，而根本看不到图象的详细结构。如果你想细致地观察宇宙，你也会碰到同样的情况。

　　　　这一点使某些人感到失望，他们把这个原理看作是人类永远无知的自供状。但事情根本不是如此。我们感兴趣的是想知道宇宙是怎样工作，而测不准原理正好是宇宙的工作的一个关键性因素，宇宙存在着“微粒性”，问题就在这里。海森堡为我们指出了这一点，对此，物理学家是非常感激的。
第54节
　　　　假定我们把每一个亚原子粒子都挂上标签：要嘛是Ａ，要嘛是Ｂ，二者必居其一。现在再进一步假定，一个Ａ粒子只要分裂成两个粒子，这两个粒于要不是统统属于Ａ类，就必定统统属于Ｂ类。这时我们可以写出Ａ＝Ａ＋Ａ或Ａ＝Ｂ＋Ｂ。一个Ｂ粒子如果分裂成两个粒子，这两个粒子当中总是有一个属于Ａ类，另一个则属于Ｂ类，所以我们可以写出Ｂ＝Ａ十Ｂ。

　　　　你还会发现另一种情形：如果两个粒子互相碰撞而分裂成三个粒子，这时你就可能发现Ａ＋Ａ＝Ａ＋Ｂ＋Ｂ或Ａ＋Ｂ＝Ｂ＋Ｂ＋Ｂ。

　　　　但是，有些情形却是观察不到的。例如，你不会发现Ａ＋Ｂ＝Ａ＋Ａ或Ａ＋Ｂ＋Ａ＝Ｂ＋Ａ＋Ｂ。

　　　　这一切是什么意思呢？好吧，让我们把Ａ看作２，４，６这类偶数当中的一个，而把Ｂ看作３，５，７这类奇数。两个偶数相加总是等于偶数（６＝２＋４），所以Ａ＝Ａ＋Ａ。两个奇数相加也总是等于偶数（８＝３＋５），所以Ａ＝Ｂ＋Ｂ。但是，一个奇数和一个偶数之和却总是等于奇数（７＝３＋４），所以Ｂ＝Ａ＋Ｂ。

　　　　换句话说，有些亚原子粒子可以称为“奇粒子”，另一些亚原子粒子可以称为“偶粒子”，因为它们所能结合成的粒子或分裂成的粒子正好与奇数和偶数相加时的情况相同。

　　　　当两个整数都是偶数或者都是奇数时，数学家就说这两个整数具有“相同的奇偶性（宇称）”；如果一个是奇数，一个是偶数，它们就具有“不同的奇偶性（宇称）”。这样一来，当有些亚原子粒子的行为象是奇数，有些象是偶数，并且奇数和偶数的相加法则永远不被破坏时，那就是过去所说的“宇称守恒”了。

　　　　１９２７年，物理学家魏格纳指出，亚原子粒子的宇称是守恒的，因为这些粒子可以看作是具有“左右对称性”。真有这种对称性的东西与它们在镜子里所成的像（镜像）完全相同。数字０和８以及字母Ｈ和Ｘ都具有这样的对称性。如果你把８，０，Ｈ和Ｘ转一下，让它们的右边变成左边，左边变成右边，那么，你仍旧会得到８，０，Ｈ和Ｘ。字母ｂ和ｐ就没有这种左右对称性。要是你把它们转个１８０°，ｂ就会变成ｄ，ｐ就变成ｑ——成为完全不同的字母了。

　　　　１９５６年，物理学家李政道和杨振宁指出，在某些类型的亚原子事件中宇称应该不守恒，并且实验很快就证明他们的说法是对的。这就是说，有些亚原子粒子的行为好象它们在某些条件下是不对称似的。

　　　　由于这个原因，人们研究出了一个更普遍的守恒律。在一个特定粒子不对称的地方，它的反粒子（即具有相反的电荷或磁场）也是不对称的，但两者的模样相反。因此，如果粒子的形状象ｐ，它的反粒子的形状就象ｑ。

　　　　如果把电荷（Ｃ）和宇称（Ｐ）放在一起，就能建立一条简单的法则，来说明哪些亚原子事件能够发生，哪些亚原子事件不能够发生。这个法则称为“ＣＰ守恒”。

　　　　后来，人们又明白了，为了使这个法则真正保险，还必须考虑到时间（Ｔ）的方向；因为一个亚原子事件看起来既可以是在时间中向前推进，也可以是在时间中向后倒退。添上时间以后的法则称为“ＣＰＴ守恒”。

　　　　近来，就连ＣＰＴ守恒也成问题了，不过到底怎么样，目前还没有得出最后的结论。

　　　　译注：到目前为止，所有的实验仍证明ＣＰＴ是守恒的。
第55节
　　　　有些原子是不稳定的，这样的原子如果听其自然，早晚必定会自发地发生变化。那时就会有一个高能粒子或γ射线光子从它的原子核里飞出，因而它就变成另一种原子（属于同一种元素的原子可以称为这种元素的同位素）。如果在某个地方有大量的不稳定原子，它们就会朝四面八方辐射出粒子或γ射线，所以我们说，这样的原子是放射性的。

　　　　我们无法说一个特定的放射性原子什么时候会发生变化。这可能在一秒钟内发生，也可能过了一年还不发生，甚至可能过一千万亿年还不发生。因此，你无法测定放射性原子的“总寿命”（即它保持不变的时间）。这种“总寿命”可以具有任意值，所以，谈“总寿命”是没有用的。

　　　　不过，假定在某个地方有很多很多某种特定放射性同位素的原子。在任何一个指定的时刻，其中都有一些原子在发生变化。这时你会发现，尽管你在任何条件下都不能够说某个特定的原子将在什么时候发生变化，但你却可以预言说，在（比方说）一百万亿亿亿个原子当中，有多少个原子在多少秒钟以后会发生变化。

　　　　这是个统计学的问题。你完全不可能说出某个特定的美国人在某一年会不会死于车祸，但你却有可能相当精确地预言说，在某一年内会有某一数量的美国人在车祸中丧命。

　　　　只要给出大量某一特定同位素的原子，我们就可以测出它们在某一指定时刻的辐射量，因而就能够预言在将来任何时刻会有多大的辐射量（会有多少个原子在发生变化）。已经查明，只要把原子发生变化的方式规定下来，那么，不管在开始时有多少原子，在原子总数中有１／１０发生变化所需要的时间总是相同的，事实上，这些原子当中的２／１０（或４／１７，１９／５７３还是任何别的特定的分数）发生变化所需要的时间总是固定不变的，不管最初有多少个原子。

　　　　因此，我们不说某一特定同位素原子的“总寿命”有多长（这是没有什么用处的），却说其中某一部分发生变化所需要的时间有多长，因为这个时间长度比较容易测量出来。但是，这个某一部分到底应该是多大呢？在所有分数当中最简单的是１／２，所以通常就用某一特定同位素原子的一半发生变化所需要的时间来作标准，这就是这种同位素的“半衰期”。

　　　　某种特定的同位素越稳定，它的原子就越不容易发生变化，因而在你开始进行观察以后的（比方说）一个钟头内，某一特定数量的原子发生变化的可能性也越小，这就是说，其中一半原子发生变化所需要的时间也越长。

　　　　换句话说，某种特定同位素的半衰期越长，它就越稳定；半衰期越短，它就越不稳定。

　　　　有些同位素的半衰期确实很长。钍２３２这种同位素的半衰期为１４０亿年，任何一个数量的钍２３２，都要经过这样长的时间，才有一半发生衰变。这就是为什么钍２３２在地壳中尽管已经呆了将近５０亿年的时间（而且在不断衰变着），至今蕴藏量还非常丰富的原因了。

　　　　但是，有些同位素的半衰期却确实非常短。氦５这种同位素的半衰期大约只有一千亿亿亿分之一秒。
第56节
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　　　　这个问题的答案主要是一句话：“为了更多的能量。”

　　　　物理学家用一种非常粗鲁的办法去研究原子核的内部结构。他们全力以赴地用亚原子粒子去撞击原子核，把原子核粉碎成碎片，然后研究这些碎片。

　　　　最近三十年来所发生的变化，一直是在提高那些轰击原子核的微小的亚原子“炮弹”的能量。本世纪三十年代，这类炮弹的能量是几百万电子伏；四十年代是几亿电子伏：五十年代是几十亿电子伏；到六十年代，已提高到几百亿电子伏。看来，在七十年代大概会有能量达到几千亿电子伏的炮弹了。

　　　　轰击原子核的能量越大，击碎后所产生的粒子的数量就越多，并且这些粒子也越不稳定。你可能会想到，随着冲击力量的加强，所出现的粒子会变得越来越小（不是吗，狠狠的一击可以把一块岩石分裂成两大块，而更猛烈地一击却可以把同一块岩石分裂成十多块小碎片呀）。但是，在原子核的场合下，事情却不是这样。击碎后出现的那些粒子都倾向于成为相当重的粒子。

　　　　我们知道，能量可以转化成质量。在粉碎原子的过程中出现的那些亚原子粒子，并不是原来在原子核中就一直存在、后来才被击出的。它们是在原子核被击碎的瞬间由入射粒子的能量形成的。所以，入射粒子的能量越大，所能产生的粒子的质量就越大，并且这些粒子一般也越不稳定。

　　　　从某种意义上说，从被击碎的原子核飞出的亚原子粒子，就象