第3章基本物理 17 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一一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，涉及化学中的那部分物理早 就知道了！)，不仅如此，量子电动力学这个伟大的理论还预言了许多新的事实，首先，它说 明了甚高能光子、y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 还应当有同样质量、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 此湮没而放出光或y射线（其实，光与Y射线完全是一回事，只是领率不同而已）.这件车情 的推广一即对每个粒子总有一个反粒子一现在知道是正确的。电子的反粒子有号一个 名称，即正电子，但其他大多数反粒子，就称反某某子，如反质子、反中子.在登子电动力学 中，提出了两个基本数据一一电子质量与电荷，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，其释放出来的能量比化学能大得多.前者与后者 之比就好象原子弹操炸与T炸药的燥炸相比一样，当然，这是因为原子弹爆炸时与原子 核里的变化有关，而T的爆炸则与原子外层的电子变化有关.问题是，究竟是什么力侧 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 子一光子联系起米一样，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 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，他颈言它们应当有二、三百个电子那样大的质症 你藤！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， 它被称为出介子。 然而，没有过多少时候，在1947年或1948年就发现了另一个粒子一x介子，它满足 汤川的判据.这样，除去质子与中子外，为了得到核力，我们还必须加上需介子、你可能会 说，“太好了！借助这个理论就可以象汤川所希望的那样建立起利用π介子的量子核动力 学.然后看看它是否成立，如果成立的话，那么每件事都可得到解释了.”不幸的是，包含在 这种理论中的计算是如此困难，以致一直到今天，已将近20年了，从来还没有一个人多从 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，我们不知道它究竞是正确的还是错误的，但却知道它有点 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。比如，他们早已发现了“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.今天，我们已大约有近 30种粒子，理解所有这些粒子的相互关系是非带困难的 大自然要它们来干什么？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铭说明 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 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
数曼物理学讲义（第一卷） 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， 它就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，我们一直在探素着这种门捷列夫式的表.有一张这样的 新粒子表是由美国的盖尔曼与6本的西岛各自独立作出的.他们分类的基础是一个新的 数.类似于电子的电荷，这种新的数叫做“奇异数”S,对每个粒子都指定了这样一个数，它 象电荷一祥是守恒的，卸在核力的反应中保持不变. 法2-2装本粒子 表2-2列出了所有的粒子.跟下我们对之还 质量(Gen)e 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 我们不知道的东西有多少.每个粒子下写者它的 4经r好g新s2 质量，其单位是MeV(兆电子伏).1MeV等于 1.782×10~7克.选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 斋s 重子 表中放在较高的位；可以肴到中子与质子的质 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 时品$0 子则在左边. 表2-2中实线标出的是粒子，虚线标明的 亚型 50 是“共振态”.表中略去了儿个粒子，包括重要的 g-Tar S.c 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(”，中，)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 备 子 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 强作用 轻子 所有与中子、质子放在一起的粒子统称为重 oL 子.共存在着以下儿种：元介子，质量为1154MV 另外三个：（+)介子，（一）介子，Σ介子，质量 是相近的。这里冠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 一或二.在多重态内的每个粒子都有同样的奇异数.第一个多重态是质子-中子二重态，以 后是单重态（亿介子），再以后是2三重态，最后是Ξ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，它们究竟应被认为是新的粒子还是在它们蜕变成入介子及介子时，后二者 之间某种确定能量的“共振”作用呢？
弟：中基本物理 除去重子外，其他包括在核内相互作用中的粒子称为介子.首先是露介子，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 为K+及K~而出现.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.例如 和π+是一对反粒子，但是是它自己的反粒子；K及K+是反粒子对，K及也 是反粒子对.附带说一下，在1961年我们又发现了一些介子或可能的介子.它们几乎即刻 就蜕变了，有一个称为ω的东西带有780MV的质量，分解为三个介子，有一个还不怎么 确定的东西分解为两个：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一张 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，跟核相互作用根本无关，跟核之间也没有强相互作 用.（我们所指的是那种强的核能相互作用）它们被称为轻子，主要有如下几种：电子，其 质量很小，只有0.510M©V;然后是4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“介子之间的差别仅仅是质量不同而已，除了“介子比电子重外， 其他二者都完全一样。为什么一个比另一个重？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，具有零质量，事实上，现在知道有两类中微子，一类与电子有 关，另一类与心介子有关. 最后，还有两种与核内其他粒子间没有强作用的粒子：一个是光子，另一个（或许）是具 有零质量的引力子 一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 立). 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。北子是永远不会静止的，它一育以每秒 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，我们就面对者一大群粒子，它们看来都是物质的基本组成部分.幸运的是，这丝 粒子彼此之间的相互作用并不金都是不同的.事实上，粒子之间的相互作阳看来可以分为 四类，按强度降低的顺序排列时，它们就是：核力、电相互作用、B衰变作用以及引力.光子 所有带电粒子会发生耦合，作用的强度用某个数(1/137)来量度.这种耦合的详细定仲已 经知道，那就是量子电动力学.引力和所有的能量发生耦合，但它的耦合是非常弱的，远运 小于电的作用，这条定律也已经知道了.然后，还存在着所谓的弱衰变一B衰变，它使中 子蜕变为质子，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，介子重子相互作用，其强度为工，它的规律完全不知道，虽然已经知道 几条法则，譬如重子的数目在任何反应中都不改变. 表2-3参本相互作用 粉合类系 安 度 定 光子对带电粒子 104 已知 引力对所有其他能量 ~10- 已知 弱在变 10- 部分巳知 介子对重子 不知（部分法则已知） 这里强度是包含在每种相互作用中的合常数的无是钢的皮
20 费受物理学讲义（第一卷） 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，看来一切都臾 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：容纳我价 所有知识的舞台是相对论性空-时；也许引力也包括在空-时之中，我们不知道，字宙是怎样 开始的，我们从来没有做过实验来精确地检查在某个微小距离下的空-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 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：遗截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， 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
3 物理学与其他科学的关系 83-1引言 物理学是最基本的、包罗万象的一门学科，它对整个科学的发展有深远的影响.事实上， 物理学是与过去所谓的“自然哲学”相当的现代名称，现代科学大多数就是从自然哲学中产 生的.许多领域内的学生都发现自己正在学习物理学，这是因为它在所有的现象中起着基 本的作用.在本章中我们试图说明其他科学中的基本问题是什么，当然，在这么一点篇輛内 要真正地处理这些领域中的复杂、精致而美妙的事情是不可能的。正因为篇幅较少，使我们 不能讨论物理学与工程、工业、社会和战争之间的关系，甚至不能讨论数学与物理之间的最 令人注目的关系.（按照我们的观点，从数学不是一门自然科学这个意义上来说，它不是 门科学。它的正确性不是用实验来检验的)顺便提一下，我们必须从一开始就说清楚：如果 一件事情不是科学，这并不一定不好.例如，爱好就不是科学。所以，如果说某件事不是科 学，这并不意味着其中有什么错误的地方：这只是意味着它不是科学而已。 83-2化学 也许受物理学影响最深的科学就是化学了，在历史上，早期的化学几乎完全讨论那些现 在称为无机化学的内容，即讨论那些与生命体不发生联系的物质。 人们曾经进行了大量的 分析才发现许多元素的存在以及它们之间的关系一一即它们是怎样组成在矿石、土壤里所 发现的简单化合物的，等等。早期的化学对于物理学是很重要的.这两门科学间的相互影 响非常大，因为原子的理论在很大程度上是由化学实验来证实的.化学的理论，即化学反应 本身的理论，在很大程度上总结在门捷列尖周期表里，周期表体现了各种元素之间的许多奇 特的联系，它汇总了有关的规则：哪一种物质可以与哪一种物质化合，怎样化合，等等，这些 就组成了无机化学.原则上，所有这些规则最终可以从量子力学得到解释，所以理论化学实 际上就是物理.。但是，必须强调的是，这种解释只是原则上的。我们已经讨论过了解下棋规 则与擅长下棋之间的差别.也就是说，我们可能知道有关的规则，但是下得不很好.我们知 道，精确地预言某个化学反应中会出现什么情况是十分困难的：然而，理论化学的最深刻部 分必定会归结到量子力学 还有一门由物理学与化学共同发展起来的极其重要的分支，这就是把统计学的方法应 用于力学定律起作用的场合，这被恰当地称之为统计力兰。在任何化学状态中都要涉及大 量的原子，我们已经看到原子总是以复杂而毫无规则的方式不停地晃动。假如我们能够分 析每一次碰撞，并且跟踪每一个分子的运动细节的话，就能判断出将会发生一些什么，但是 要记录所有这些分子就需要许许多多数据，这远远超过了任何计算机的容量，当然也一定超 过人脑的容量，所以为了处理这样复杂的情况，重要的是要采取一种有效的方法.统计力学 就是关于热现象或热力学的理论.作为一门科学，无机化学现在基本上已归结为所谓物理 化学和量子化学；物理化学研究反应率和所发生的详细变化（分子间如何碰撞？哪一些分子