• 《科学巨人牛顿》第六章 牛顿与造币厂 九、量子力学呼之欲出

  • 发布时间:2016-01-07 18:44 浏览:加载中
  •   牛顿将炼金术、数学和物理学融会贯通起来,业已展现出万有引力是如何运作的,但是他无法解释万有引力运作的机制是什么。他预期《光学》第四册能够说明 所有的自然现象,是如何以一些基本力场为基础互相作用,他在《原理》结论的片段中,提出来了发展方向:地球、太阳、月球和一颗颗的行星,这些庞大的个体如 何彼此相吸,它们在远近不同距离下的吸引力、所依据的定律,以及这些物体的所有运动如何受重力的规范等疑问,我都已经在我的《自然哲学的数学原理》中为读 者一一给出满意的说明。如果大自然是最单纯且又完全一致的,她对大物体所遵行的方法,会和规范小物体(也包括光的粒子)时一样。牛顿那惊人的假说认为,规 范较大尺度、宏观宇宙物体的力和定律,应该可以反映出次原子粒子(牛顿称为较小颗粒)、微观宇宙之力的行为,但那些论说和他的炼金术论文,以及大部分他对 宗教及神秘主义的推测文稿一样,都是相同的命运,失传于世约达250年之久,只有一些由追随者保存的核心文件,留传了下来。1693年较晚时,牛顿为《光 学》第四册写了一些资料,才写完就藏起来了,当时几乎没有人知道。1694年5月,格雷果里曾经到剑桥去拜访牛顿,只看到了那部巨著的前三册,不过,即使 只有三册,他立即反应“如果将它发表,应可与《原理》媲美”。

      尽管《原理》是最重要的科学巨著之一,《光学》则因其普遍化、可以目见的题材,和较少难懂、令人不快的数学,也带给后来若干世纪至为深远的影响。

       它从解释反射和折射开始,接下来是彩虹和干涉的现象,以及镜子和棱镜的作用。这些全都以牛顿自1664年开始所做的一系列实验为基础,并迅速扩大讨论范 围,囊括了各种不同的问题,例如重力现象、新陈代谢、感觉器官、眼球的功能,最后甚至还出现如大洪水和上帝创造宇宙等题外话。

      然而, 不管牛顿有多大的决心绝不提纯属假说的论点,也不谈他尚未成功达成的统一场论梦想,牛顿还是不禁叙及一些他猜测出来的东西。在三册遗留下来的《光学》里 头,他在一些不甚显著的地方加入了随意的判断,认为光和万有引力一样,有超距作用的力。在第二册(主要是讨论反射与折射)中,针对光可能是由看不见的粒子 组成的观点,他提出了辩解:此一问题殆无他法可以解释,只能说光线的反射不是只受到反射物体上一个点的影响,而是受到该物体均匀扩散于整个表面的某种力, 隔空作用于光线上。关于物体对光线可发生超距作用力的部分,将于此后证明。尽管还存有这些明显的失误,牛顿已经在全书的内容中小心谨守着戒条,只叙述可以 验证的假设。但是如他自己在书中所言,“我此时无法思考这些问题”,而决定在第四册中将所有问题集中起来,写成他称为“质疑”的部分。

       “质疑”的目的是方便他提出较为极端的看法,不至于将它们写成普通问题的形式,而致有遭受批评者嘲笑之虞。在第一版《光学》的附录中,他一共列举了16 则质疑。第一则质疑中,他直奔会被许多人认为属于半秘术的论点:质疑一,物体能有超距作用,而此作用会使光线弯折吗?若是如此,此作用在距离最短时会最强 吗?对于18世纪早期的人而言,这种观点可能令人觉得有些秘术的味道,可是在几乎整整两个世纪之后,恒星的重力效应使光线偏折的说法,已成为爱因斯坦广义 相对论的核心。根据广义相对论,时空的扭曲造成光线沿曲线前进。

      接下来牛顿又问:质疑五,物体与光线不是互相作用的吗?也就是说物体 以射出、反射、折射和偏射作用于光,而光则是加热于物体,以及使发热的部分产生振动而作用于物体吗?这种思想与量子力学(物理学的一支,专门讨论原子以下 层次的物质与能量的关系)的基本观念相去不远。量子力学于20世纪之初开始发展,今天在次原子的层次中,光与物质的相互作用已是量子力学的基本教义了。

       1905年,就在第一版《光学》出版之后约整整200年,爱因斯坦提出光电效应的理论,指出光线如何能影响原子内部的构造。光电效应也让我们认识到,物 体所表现的颜色一部分是由物体内部的分子结构而决定的。所有这些都证明了,牛顿质疑“物体与光线不是互相作用的吗”是非常具有远见的。

       英文版《光学》发行两年之后,又发行了拉丁文版,在拉丁文版中牛顿有机会增加了一些质疑。除了增加了7则质疑之外,更在附录中增添3项推测。过了几年英 文版第二版发行,这个版本有牛顿最后的一组8则新质疑。在这些新加入的资料中,最令人感到震撼,也是牛顿自己所能允许发表的最前卫预测,乃1706年出的 拉丁文版中第31则质疑:物体内部的小粒子是不是具有某些力,凭借它们,物体可以有超距作用,不仅使得光线发生反射、折射和偏折,并且还会互相作用以致产 生大部分的自然现象?犹如我们熟知的,物体因地心引力、磁力和电力而互相作用,这些例子显示出大自然的旨意和方法。除了上述之外,有更多的其他吸引力存 在,是十分可能的。因为大自然是恒常不变且自我保持一致的。单独这一段就完整涵盖了牛顿的统一场论观念,也就是我们今天所知统一场论的理念,那就是将所有 微观宇宙(通过量子力学的例证)和宏观宇宙(由相对论予以规范)的全部线索绑在一起。这是牛顿所说过的话中最接近于他的期望的,也就是希望能找到一个各种 力的简单集合体,除了能说明重力现象之外,也对这个看得见的宇宙中的几乎所有物理现象负责。
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