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第12章 物理之谜(2)

对1971年新墨西哥州发生的那次放电现象,有人分析,是由于某些电流通过空间电荷管状区,引起空间电荷密度的相应突变而出现的。

对1964年发生在亚利桑那州的那次放电事件,有人做过这样的分析:在湿润的雪花上,存在着相互隔离,以小阱方式存在的电荷被带到地面,在这场暴风雨进入尾声时,最后把空问电荷耗尽了,便形成了这种放电现象。

要想对这种放电现象做出令人满意的解释,还需掌握更多的有力证据。

宇宙第五种力之谜

早在17世纪,伟大的意大利物理学家伽利略,曾在高高的比萨斜塔上做过一次具有深远意义的实验,让两个重量不等的铁球从同一高发自由下落,结果两个铁球同时着地。他得出结论说,任何物体,不管是一个铁球还是一根羽毛,如果在真空中自由下落,其加速度必然是一样的,因而必定同时落地。这一观点,直接推动了伟大物理学家牛顿总结出关于力的运动的三大定律。而爱因斯坦的相对论,也是在这一基础上提出来的。

可是,三百多年来这一颠扑不破的真理,近来却受到了严重的挑战。一个以美国物理学家费希巴赫为首的科研小组,经实验发现,不同质量的物体在真空中实际上并不具相同的加速度。费希巴赫推测,其原因很可能是在物体下落时除了受引力的作用外,还受到一种尚不为人所认识的作用。

迄今为止,多数科学家公认,在宇宙中存在着四种力:第一种是引力,它是一个物体或一个粒子对于另一个物体或一个粒子的吸引力,是四种力中最弱的一种;第二种力叫做电磁力,由于它的作用,形成了不同的原子结构和光的运动;第三种是强相互作用力,它把原子核内各个粒子紧紧地吸引在一起;第四种是弱相互作用力,它使物体产生某种辐射。

按费希巴赫的看法,现在新发现的这种力,应该是宇宙中的第五种力,它是一种排斥力,只能在几英尺到几千英尺的有限距离内对物体起作用。这可能是以一种“超电荷”形式出现的。从实验中可以推断出,“超电荷”抵消了一部分引力的作用,从而减缓了下落物体的加速度。减速的值取决于质子和中子的比,而且和原子的总质量——即质子,中子总数加上结合能值——成反比。由于结合能的大小随原子而异,它所产生的这第五种力也就随结合能大小而异。由此得出的结论是:两个体积不同的物体,如一个体积较小的铁块和一个体积较大的木块,即使它们的重量完全一样,也将因为它们结合能的不同而以稍稍不同的速度下落。铁原子的结合能要比木原子的结合能大,所以铁块下落的速度要比木块的稍慢。

费希巴赫小组的新发现,在科学界引起了极大的兴趣。同时,围绕是否存在着第五种力,也展开了激烈的争论。

许多科学家在进行各种有关引力的实验时,也同样遇到了无法单纯以引力解释的现象,因此,一些科学家提出了一些支持费希巴赫的证据。如澳大利亚昆士兰大学的斯塔绥教授,还有美国爱克森石油公司的探油专家们。

但是,也有为数不少的科学家坚持声称他们自己的实验表明,还找不到存在新的力的证据。美国加利福尼亚大学著名物理学家纽曼就做过这样一个实验:他把扭秤放在一个钢的圆筒内,让扭秤悬挂一块铜块,铜块刚好处于圆筒中心靠边的位置,然后使它变换不同的位置。整个实验是在真空环境中并且严格排除磁场的影响下进行的。记录表明钢圆筒的引力,并没有使变动位置的铜块所受的重力产生影响。

面对双方都持有证据,又难说服对方的情况下,费希巴赫也承认,要做出定论还需要进行一系列的实验。已经有不少科学家正在摩拳擦掌,准备投入这场争论。美国舆论界认为,可能很快将掀起一个以现代先进技术重新证明伽利略论断和牛顿定律的高潮。

美国科罗拉多州的实验物理联合研究所计划重做伽利略的落体实验,并采用激光来监测物体下落的速度。他们准备把下落物体放在上个盒子的真空轴内,以免在实验时受到气流的干扰,盒子下面装一面反射镜,可将光线沿射来的方向反射回去。盒子中还另有装置,以确保在下落时,盒子及所装的各种物体保持相对稳定。物体下落时,一束激光被分割为二,有一半射向盒子,被反射回来,与另一半会合,产生出各种投影,从而可以更加准确地描绘出一个下落物体在速度增加时所受到的各种干扰情况。他们还准备在水面上进行实验,让要进行比较的试验物体浮游在水面,而不是悬在扭秤上。为了防止水中热的流动,要严格使水温保持在其密度量大时的3℃。

美国华盛顿大学的物理学家则计划把诺特费思实验移到靠近一个巨大的悬崖峭壁的地方进行,以观察一个庞大物体的质量对原子核中具有不同结合能的物体究竟有多大影响。纽曼教授也准备重复他的扭秤试验,但将试验的铜块改成由两种不同材料各居一半的一个混合物,从而判断不同材料的物体下落时是否会有不同的速度。

上述实验设想,可以证明宇宙中确实存在着一种新的力吗?许多科学家并不感到乐观。美国普林顿大学的一位科学家指出,证明枷利略论断的实验“在原则上是最简单的,但是在实践中是最复杂的。”因为人们在实验中很难照顾到全部复杂的因素,以及排除各种外部干扰。实验时即使近处地层发生一次难以察觉的运动,或者实验者本人引力的影响,都可能使精心炮制的各种方案功亏一篑。

科学家们对第五种力可能带来的影响的估计也不一致。多数人认为这将是物理学上的一次“革命”,要动摇爱因斯坦相对论的理论基础,而且可能对今后物理学发展的方向以及新兴的航天学都会产生重大的影响。但也有人认为,这第五种力充其量是一种极其微弱、只能在局部范围起作用的现象,它不见得能动摇爱因斯坦的相对论。

神奇反引力之谜

强度随距离平方而减少的场有两种:电磁场和引力场。这种减少是比较缓慢的,因此,即使在很远的地方,也能发现这两种场的存在。地球离开太阳有1.5亿公里远,但仍被太阳的引力场紧紧地抓住不放。

但是,在这两种场当中,引力场又比电磁场弱得多。一个电子所产生的电磁场要比它所产生的引力场大约强4亿亿亿亿倍。

表面上看到引力场似乎更强大,每次我们从高处跌落下来时,都会痛苦地体验到这一点,这只是因为地球太大了的缘故。由于地球的每个小块都对引力场有贡献,一点一点加起来,总的引力场就显得可观了。

可是如果我们拿出1亿个电子(这个数量是太微不足道了,如果把它们集中到一点上,那么,即使用显微镜也无法看到它们),并让它们散布在地球那么大的空间里。这时,这些电子所生产的电磁场,就会和整个巨大的地球所建立的引力场一样强大。

为什么我们对电磁场的感觉不像对引力场那样明显呢?

这是因为二者之间是不同的,电荷有两种:正电荷和负电荷,因此,电磁场既可产生吸引作用(在正电荷和负电荷之间),也可产生排斥作用(在两个正电荷或两个负电荷之间)。事实上,如果在像地球那么大的体积内除了1亿个电子之外别无他物的话,这些电子就会互相排斥,远远地散布开来。

由于电磁吸引力和排斥力的作用,会使正电荷与负电荷均匀地混合起来,这样,两种电荷的效应就趋于互相抵消。至于电荷数目的及其微小的差别,则是有可能存在的。我们所研究的正是这种多了一点或少了一点某种电行时的电磁场。

然而,引力场看米仅仅产生吸引力,每一种具有质量的物体都会吸引其他具有质量的物体,而当质量增加时,引力场也会增大,它们是不会抵消的。

如果某个具有质量的物体,能够排斥另一个具有质量的物体——其强度和排斥方式正好与一般情况下它们互相吸引时一样,那么,我们就得到了“反引力”,或叫“负引力”。

人们还从未发现这种引力排斥作用,不过,这很可能是由于我们所能研究的一切物体都是由普通的物质微粒构成的缘故。

世界上存在着一种“反粒子”,它们在各方面都与普通的粒子相同,只是它们所产生的电磁场恰好同普通粒子相反。例如,如果某一种粒子具有负电荷,相应的反粒子就会有正电荷。也许,反粒子也会具有相反的引力场。两个反粒子会像两个普通粒子一样以引力互相吸引,但是,一个反粒子却会排斥一个普通粒子。

麻烦的是,引力场太微弱了,只有在相当大的质量下,才能发现引力场,而单个粒子或反粒子的引力场,则是无法发现的。我们能够得到普通粒子构成的大质量,但是,到现在仍未能将足够的反粒子搜罗到一起。而且时到今日,也没有哪个人能够提出一种能够发现反引力效应的切实可行的办法来。

时间的本质之谜

时间是什么?文学家说,时间是铁面无私的法官;企业家说,时间是金钱;政治家说,时间是生命。诸如此类说法,均涉及人的情感。只有科学家才是关于时间的最公正的裁判。

到目前为止,科学家已认识到时间具体有两重性:对称性(或可逆性)及其破缺(或不可逆性)。对称性时间源自牛顿力学(牛顿第二定律的表述方程经时间反演变化即用——t替代t后保持不变),按照这种时间观,现在、过去、未来是没有区别的,如行星无休止的圆周运动,钟表指针圈复一圈及气候春夏秋冬年夏一年的循环。

19世纪中期,开尔文(英国)等发现了热力学第二定律。按照这个定律,物质和能量只能沿着一个方向转换,即从可利用到不可利用,从有效到无效,从有秩序到无秩序。如煤燃烧后,成为无法生热的煤灰,并向大气层放出一氧化碳等废气。这就意味着时间对称性的破缺,宇宙万物从一定的价值与结构开始,不可挽回地朝着混乱与荒废发展,不同时刻的价值与结构不相同。第二定律揭示了一种“退化”的非对称性时间。“君不见高堂明镜悲白发,朝如青丝暮成雪”(李白《将进酒》)就反映了这种时间观。

几乎与此同时,进化论者发现了发生在生物界和人类社会的时间对称性破缺,创立了进化时间观。达尔文认为,地球上的生物处在不断进化之中,从简单到复杂,从生命的低级形式向高级形式,从无区别的结构到互不相同的结构。马克思认为,人类社会是逐渐由低级向高级,向更加完善更加有序的阶段发展的。与退化论者恰成对照,进化论者的这些发现是令人十分乐观的:随着时间的流逝,宇宙将进化得越来越精美,不断地向更高水平发展。

从人的一生依稀可见时间的进化性、对称性和退化性的缩影。在一个受精卵发育成人的过程中,体内的组织逐渐从简单向繁多精密发展。从脱离母体到成年(约20—35岁),人体器官逐步向功能完善发展。从成年到40岁左右,人体各器官的功能基本保持不变。此后,人体各器官的功能逐渐衰老。

20世纪70年代中期,通过对自组织现象的仔细考察和长期研究,普利戈津提出了耗散结构理论。按照该理论,可逆性是时间具体有对称性的基础,不可逆性是时间进化和退化的本质,一个非平衡系统(系统的温度等状态参量随时间变化,或系统与外界存在诸如热流粒子等宏观流动)的演化过程,可用数学中的分支点理论的描绘。一个非平衡系统(无论是生物或非生物系统)经过分叉点A、B演化到C时,对C态的解释必然暗含着对A态与B态的了解。C态的秩序和结构比A态与B态的既有可能更高级精密(进化)也可能更低级简单(退化)。普利戈津就这样定量统一地解释了时间的进化性和退化性。

大爆炸模型(伽莫夫等,20世纪40年代)和爆胀模型(古斯等,80年代)揭示了时间在宇宙尺度上的对称性破缺:约200亿年前,宇宙还是一个质量密度无限大的“奇点”,一次巨大的爆炸,并经过200亿年的近光速膨胀,形成了现在的宇宙,且还在膨胀。在基本粒子领域,美国科学家克罗宁和菲奇发现了时间对称性自发破缺的现象(1964年):C介子在衰变过程中,对于空间反射和电荷共轭变换不守恒,从而说明了时间反演对称性自发破缺。

爱因斯坦曾认为,时间不过是人的主观“幻觉”而已。他说:“对我们这些信念坚定的物理学家来说,过去、现在与未来之间的差别只是一种幻觉,虽然是一种长久不变的幻觉。”这种观点未免过于偏颇。如上所述,时间是具有客观性(事物或发展或退化或不变是客观的)。但不可否认,时间确与人(的主观性)有联系。搞清楚时间的最终本质是科学家的一大愿望。

极光之谜

在我国东北的黑龙江北部,有时在万籁俱寂的夜晚,茫茫天穹中,摹然出现一片红色绒幕。正当人们惊疑之际,它又突然变成一片蓝色草地。时而有似蟒蛇游动,时而有似骏马奔驰;或者像山间燃起巨火;刀光剑影,旌旗变幻;或者像天神睁开了慧眼,光焰喷射,窥视人间……人们把这种在夜晚天空中出现的光怪陆离的奇景,称为极光。

1982年6月18日晚10时左右,在我国黑龙江和吉林西部以及内蒙古和河北北部地区,有人看见了这样一种极光。在北面天空离地平线不远处,先出现了一个月亮大小的半圆形乳白色光片,随后,光片呈扇形向东北方向逐渐扩大。约10时15分时,形成弧形光幕,边缘较亮,中部较暗,光幕内看不见星星。然后,弧形光幕继续扩大,亮度变暗,10时30分时光幕最大,约占天空1/5,而光幕内星星已能看见。大约10时50分,光幕大部分消失。大约10时58分,光幕全部消失。

极光在世界其他一些地方也出现过。在北半球能看见极光机会最多的区域是美国阿拉斯加北部、加拿大北部、冰岛北部,挪威北部、新西伯利亚群岛南部。相比之下,我国黑龙江北部能见到极光机会比上述地区少,并且主要是在三月、九月份左右,也即在春分和秋分前后才有。

极光是地球上最壮观的自然现象之一,但又具有强大的破坏力。极光爆发期间,严重骚扰电离层,从而破坏短波无线电信号的传播,这时通讯、交通都会带来严重的影响。例如在美国,一个远在阿拉斯加的出租车司机,在极光强烈活动之际,竟收到来自本土东部的新泽西州调度员的命令;同时,监视横跨极地飞行器的预警雷达屏幕上,也可能突然出现虚假的图像,因而报警。同时,极光不断变化可能会在输电线、电话线和输油管道等细长的导体中感生出强大的电流。受感生电流冲击,输油管道可能会发生严重的腐蚀。1972年,一次极光使哥伦比亚的一台23万伏变压器炸毁,还造成美国缅因州至德克萨斯州的一条高压输电线跳闸。

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