16 费曼物迎学讲义(第一卷 請勿用於 事.但是,这完全不正确,它不是科学的基条件事实是所发生的并不是同一件事,我们 所熊得到的只是发生一些什么的汁平均.不过,科学并没有完全崩溃.顺便地说,哲学家 们讲了一大套科学之绝对必需是什么,但就象人们所能看到的那样,这些总是相当天真的, 甚至还是错误的.例如,某个哲学家宣称对科学的成就来说十分重要的是,如果同一个实验 先在某处比如说在斯德哥尔摩做,然后在另一处,比如说在基多(南美厄瓜多尔首都译 利者注)做,那么必定会出现同样的结果这纯粹是一派胡言对科学来说,这并不是必然的;它 可能是一个经验事实,但并不是必然的请况.比如有一个实验是在斯德哥尔摩观察天空,这 时会看到北极光,如果在基多则看不到这种现象,这就是出现了不同的情况.“但是,你会 的 说:“这是一件与外部情况有关的事,如果你把自己关在斯德哥尔摩的一个房间里拉下窗帘 的话,那么会发现什么差别吗?”肯定会.假如我们在一个方向接头上挂一个摆,让它开始摆 动,它就会差不多在一个平面里摆动,但也并不完全如此.在斯德哥尔摩,平面会缓慢地转 动着.但是在某多就不会,在那里,窗帘也是垂下的.这件事的发生并没有引起科学的毁 灭.科学的基本假设,它的基本暂学观念是什么呢?我们在第一章里讲到过:实验是任何观 念的正确性的谁一试金石,假如果是在基多所作的大多数实验与在斯德哥尔摩所作的实 验效果一样,那么这大多数实验”就可用来提出某种一般性的定律,至于对那些效梨不同的 实验我们就将说:“这是由于斯德哥尔摩周围的环境不同所引起的”.我们将能想出一些办 法来概括实验结果,而没有必要在事先就被告诫说这些办法看起来象什么.假如有人告诉 我们说,同样的实验总是产生同样的结果这固然很好但是当我们试了一下后发现并非如 此,因而结论的确就是并非如此.我们正是必须相信自己所看到的,然后才能借助于实际的 经验来形成我们的一切其他观念 现在让我们回到量子力学和基本物理上来,当然,我们在此刻还不能详细叙述量子力学 的原理,因为它们是颇难理解的.我们将假定它们成立然后叙述→下某些结果,其中一个 是,我们通常视作为波的那些物也具有粒子的习性,而粒子则具有波的习性,实际上每一 种事物的行为都是一样的.不存在波和粒子的区别,这样,量子力学就将场的概念以反场 的波与粒子统一趄来.的确,频率低时,现象的场的方面比较明显,或者说作为根据日常经 验的近似抽写时比较有用.但当频率增加时,现象的粒子方面对于我们通常用来作为测量 用的仪器来说更为明显,实际上,虽然我们提到过许多频率,但目前还没有探测到任何直接 涉及频率在每秒10f以上的现象,我们只是在假定了量子力学的波粒二象性概念是正确 之后,根据有关规则从粒子的能量来推断出这些较高的频率的 于是,我们对电磁相互作用有了新的见解.我们把一种新的粒子加入到电子、质子及中 子的行列,这种新的粒子称为光子.新的电子质子相作用的见解称为量子电动力学,它就 是电磁理论,不过其中的一切在量子力学上都是正确的.这是光和物质,或电场与电荷之间 相互作用的基夲理论,就物理学来说它是我们最伟大的戍就.在这个理论中,我们得到了除 万有引力与原子核过程之外的所有一般现象的根本规则.比如,从量子电动力学可以得出 所有已知的电学、力学和化学定律:弹子碰撞的定律,导线在磁场中运动的定律,一氧化碳的 比热,霓虹灯的色彩,盐的密度,以及氢与氧形成水的反应等全都是这一理论的推论.所有 这些细节,如果简单到能使我们运用近似方法的话,都可以得出,这实际上当然不可能,不 过我们总能对发生的事多少有所理解.目前,在原子核外面还没有发现量子电动力学定律 有什么例外,对于原子核我们不知道是否会有例外,因为对于核内的过程我们简直还不太
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第2章基本物理 勿清楚 这样在原则上量子电动力学是一切化学以及生命的理论——如果生命最后归结为化 学,因而也就归结为物理的话(因为化学本身已经归结为物理,涉及化学中的郑部分物理早 於就知道了1).不仅如此,量子电动力学这个伟大的理沦还预言了许多新的事实,首先,它说 明了甚高能光子、γ射线等等的性质,它还预言了另一个十分出乎意外的事:除电子外, 利还应当有间样质量、但带有正电荷的称为正电子的粒子,并且这两种粒子碰在一起时,会彼 之此湮没面放出光或y射线(其实,光与y射线完全是一回事,只是频率不同面已).这件事情 的推广一即对每个粒子总有一个反粒子—现在知道是正确的.电子的反粒子有纡一个 名称,即正电子,但其他大多数反粒予,就称反某某子,如反质子、反中子.在量子电动力 中,提出了两个基本效据——电子质量勻电荷,所有世界上其他的数被认为可以从这两个数 据推导出来.实际上这不完全正确,因为化学还有一整套数据,它告诉我们原子核是多重 这就把我们引导到下一部分内容中去了! 2-4原子核与粒子 原子核是由什么组成的,这些东西又是怎样结合在一起的?人们发现,原子核是靠巨大 的作用力结合在一起的.当这种力释放时,其释放出κ的能量比化学能大得多.前者与后者 之比就好象原子弹爆炸与TNT炸药的爆炸相比一样,当然,这是因为原子弹爆炸时与原子 核里的变化有关,而TNT的爆炸则与原子外层的电子变化有关.问题是,究竞是什么力使 原子核中的质子与中子结合在一起呢?汤川秀树提出,就好象电相互作用可以与一种粒 子—光子联系起来一样,中子与质子之间的作用力也有某种场,当这个场晃动时,就好象 一个粒子一样.所以除去中子与质子外,在世界上应当有一些别的粒子,而汤川能从已知的 核力特征推导出这些粒子的性质,比如,他预言它们应当有二、三百个电子那样大的质量 你!在宇宙间竞然真的发现了这样质量的粒子!但是,后来发现这并不正是预言的粒子, 它被称为B介子 然丽,没有过多少时候,在19年或1948年就发现了另一个粒子一介子,它满足 汤川的判据.这样,除去质子与中子外,为了斜到核力,我们还必须加上介子、你可能会 说,“太好了!借这饣理论就可以象沏川所希望的那拌建立起利用π介子的逯子核动力 学,然后看看它是否成立,如暴成立的话,那么每件事都可得到解释了.不莘的是,包含在 这种理论中的计算是郊此困难,以致一直到今天,已将近20年了,从来还没有一个人够从 这个理论中得出什么结果来,或者能够用实验去验证一下 所以我们被这个理论难住了,我们不知道它究竟是正确的还是错误的,但却知避它有点 小小的错误,或者至少是不完全的.正当我们在理论上徘徊并且试图用这个理论计算出结果 来时,实验物理学家发现了一些事情.比郊,他们早已发现了H介子,而我们却还不知道把 它归到哪里去.而且,在宇宙线里,还发现了大量的其他“额外”粒子今灭我们已大约有近 80种粒子,理解所有这些粒子的棉互关系是非常困难的大自然要它们来干针么?这 个粒子与另一个粒子之间的联系是什么?我们今天并没有把这些不同的粒子理解为同一件 事情的不同的方面.我们有这么多相互无关的粒子这件事本身就表明了没有一个能够说明 这么多相互无关的信息的良好理论由于量子电动力学的伟大成功,我们具备了一定的核物 理的知识,它是一种粗糙的、半经验、半理论的知识,假设一种质子与中子间的力的类型然
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赀曼物理学讲义(笫一卷) 勿 后看看会发生什么事情,但是并不确实知道力的来源.除此以外,我们很少取得进展,在 化学上,人们曾搜集大量的化学元素,以后突然在元素之间显现出一种没有预期到的关系, 於它航体现在门捷列夫元素周期表中,比如钠和钾的化学性质几乎是相同的,它们就在周期 表的同一行里.对于新粒子而言,我们一直在探索着这种门捷列夫式的表.有一张这样的 值新粒子表是由美国的溢尔曼与本的西岛各自独立作出的.他们分类的基础是一个新的 利数.类似于电子的电荷,这和新的数叫做“奇异数”S,对每个粒子都指定了这样一个数,它 之象电荷一样是守恒的,即在核力的反应中保持不变 表2-2慧本粒子 表2-2列出了所有的粒予.跟下我们对之还 电荷 无法讨论得很多,但是这张表格至少向你们表明 分类与奇异性 我们不知道的东西们多少.每个粒子下写着它的 质量,其单位是MeV(兆电子伏).1MeV等于 甚 1.782×10克,进取这种单位的理由是出自历 史的原因,我们现在不去说它.质量大的粒子在 話而匙子表中放在较高的位置;可以看到中了与质子的质 而 量是差不多相同的,在垂直的栏内的粒子都有同 样的电荷,所有的中性粒子都放在同一栏内,所有 带正电的粒子在这一栏的右边,所有带负电的粒 子则在左边 表2-2中实线标出的是粒子,虚线标明的 是“共振态”.表中略去了几个粒子,包括重要的 零质量、零电荷的粒子,即光子与引力子;它们并 不属于重子-介子轻子分类图.此外,还有某些 较新的共振态(K;dm)也不包括在这里.介子 的反粒子也列在表格内,但轻子与重子的反粒子 詬叫介就需要另列一张表了,它看起来正好是前面那张 表格对零电荷栏的反演.虽然除去电子、中微子、 光子、引力子和质子外,所有的粒子都是不稳定 的,但是在这里只列出了共振态的衰变产物.奇 异数并不适用于轻子,因为它们与核之间并没有 的s 强作用 所有与中子、质子放在一起的粒子统称为重 轻子子,共存在着以下几种:介子,质量为11MeN 另外三个:(士Σ)介子,(一》)介子;∑介子,质量 是相近的.这里运有成群或者说成多重态的粒子,带有差不多相同的质量,相差不到百分之 或二.在乡重态内的每个粒子都有同样的奇异数.第-个多重态是质子中子二重态,以 后是单重态(λ介子),再以后是三重态,最后是二重态.最近,在1961年,又发现少数 几个粒子,但它们都是粒子吗?它们的寿命是如此短暂,当刚形成时,几乎就立刻蜕变了所 以我们不知道,它们究意应被认为是新的粒子还是在它们蜕变成介子及霈介子时,后二者 之间某种确定能量的“共振作用呢
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鄭2基本物理 請勿用 除去重子外,其他包括在核内互作用中的粒子称为介子.首先是介子,有三种形 态:正、负及中性;它们组成了另一多重态我们还发现一些新的称为K介子的粒子它们作 於为五及面出现,其次每个粒子都有反粒子除非一个粒子是它自已的反粒子,侧如 J反粒子 是反粒子对、附带说一下,在19年我们又发现了一些介子或可能的介子,它们几乎即刻 利就蜕变了,有一个称为的东西带有780MV的质量分解为三个介子,有一个还不怎么 之 确定的东西分解为两个霈介子,那些被称为介子与重子的粒子与介子的反粒子放在同 表格里,但重子的反粒子必须放到另一张通过零电荷栏“反射而来的表格里去 门捷列夫周期表是很完美的,除去有一些稀土元素挂在外面.同样,这里也有一些粒子 挂在表外,它们在核内的相互作用不强,跟核相玩作用根本无关,跟核之间也没有强相互作 用。(我们所指的是那利强的核能相互作用.)它们被称为轻子,主要有如下几种:电子,其 质量很小,只有0510MeV;然后是介子,质量约为电子的206倍.根据所有的实验,我 们今天所能说的是电子与H介子之间的差测仪仅是质量不同己,除了介子比电子重外 其他二者都完仝一样,为什么一个比另一个豆?介子有什么用?我们不知道;此外,有一 种轻子是中性的,叫做中微子,具有零质,事实上,现在知道有两中微子,一类与电子有 关,另一类与介子有关 最后,还有两种与核内其他粒子问没有强作用的粒子:一个是光子,另一个(或许)是具 有零质量的引力子—假如引力场也有量子力学的类比的话(引力的量子化理论还没有建 什么是“零质量”?这里所标明的质量是粒子在静止时的质量.事实上,一个粒子具有 零质量在某种程度上就意味着它不可能静止.光子是永远不会静止的,它一直以每秒 186,000英里(300,000公里)的速度运动.当我们在适当的时候学习了相对论的内容后,对 于质量就会理解得更多一些 这样,我们就面对着一大群粒子,它们看来都是物质的基本组成部分.芈运的是,这些 粒子彼此之间的相互作用并不全都是不同的.事实上,粒子之间怕剂互作看來可以分 四类,按强度降低凶顺序排列吋,它们就是:核力、电相互作月、B衰变作用以及引力.光子÷ 所有带电粒子会发生朝合,作用的强度用某个数(1/187)来量度.这种耦合的详细定倖已 经知道,那就是贔子电动力学,引力和所有的能发生耦合,但它的耦合是非常弱約,远运 小于电的作用,这条定律也已经知逭了,然后,还存在着所谓的弱衰变—B安变,它使中 孑蜕变为质子,电子及中微子,其过程是比较慢的,这种作用的定律只是部分地知道.还有 所谓的强相互作用,介予重子相互作,其强度为1,它的律完全不知道,虽然已经知道 几条法则,譬如重子的数月在任何反应中都不改变 表2-3基本相互作月 耦合关系 光子对带电粒子 已知 引力对所有其他能量 弱衰支 部分已知 介子对重了 不知(部分法蚓巴知 这里强度是包含在种相互卡用巾的合富数的无量纲的量医
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費曼物型学讲义(第一卷) 勿 这些就是当代物理学的惊人的状况.总结一下,我可以这样说:在核外,看来一切都知 用道了:在核内,量子力学是正确的还没有发现量子力学原理失效的情况.可以说纳我们 於所有知识的舞台是相对论性空时也许引力也包括在时之中,我们不知道宇宙是怎样 开始的,我们从来没有做过实验来精确地检查在某个徵小距离下的空时观念,所以只知道 在那个距离以上我们的空时观念行得通.我们还应当补充说:这个伟大的象棋赛的规则就 利 是量子力学的原理,到现在为止我们可以说,这些原则应用于新的粒子时与应用于过去已发 ∠现的粒子一样成功,核力的起源将我们引向新的粒子,但是遗憾的是出现的粒子实在太多, 以致使我们感到迷惑不解,虽然我们已经知道在它们之间存在着一些非常出人意外的关系 的但对它们的互相关系缺乏完整的理解,看来我们正摸索着前进,逐渐趋近于对亚原子粒子 世界的理解,但是,我们实在不清楚,在这种摸索中我们还必须走多远
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