第14章 物理大發現(7)(2 / 3)

60年代以來,脈衝星的發現、黑洞的探索、河外星係的紅移、大爆炸宇宙理論的提出,都表明了廣義相對論是指導人們認識世界的有力武器。

但是,愛因斯坦當年預言的引力波,至今還沒有找到,相對論是否真正是引力之謎的謎底還有待科學的驗證。可以肯定的是,廣義相對論把人們對引力的認識大大提高了一步。

愛因斯坦的預言

當科學界還在努力理解狹義相對論和廣義相對論時,愛因斯坦已經對這兩種理論感到不滿意了。雖然狹義相對論把經典力學與電磁理論從基礎上統一起來了,廣義相對論又進一步把相對性原理從慣性係擴大到非慣性係,但是引力和電磁兩大相互作用卻沒有統一起來,而愛因斯坦追求的目標是世界的統一性。

愛因斯坦又向新的更高目標攀登了。在完成廣義相對論之後,他立即著手建立統一場論,試圖把引力場與電磁場統一起來。他把建立統一場論看作是發展相對論的第三階段。

愛因斯坦從1923年開始到1955年去世,把後半生的主要精力都投入到建立統一場論的工作中,但是最終沒有成功。

不是統一場論的大方向錯了,也不是愛因斯坦的個人智慧不夠,而是客觀曆史條件還不具備,還缺乏經驗和事實作為向導。

狹義相對論的建立依據了兩個基本事實,即相對性原理和光速不變原理,廣義相對論有慣性質量和引力質量相等的基本事實為依據。統一場論卻沒有事實作根據,愛因斯坦隻能作一些數學上的簡單努力,因而失敗了。

當愛因斯坦孤獨一人、埋頭於統一場論研究的時候,從他身邊奔馳而過的是量子物理學、原子物理學、固體物理學的時代洪流。許多科學家對愛因斯坦脫離了物理學的發展主流深感惋惜,但愛因斯坦卻始終堅持對統一場論的研究是有意義的。他在晚年時對他的老朋友索洛文說:“我完成不了這項工作了,它將被遺忘,但是將來會被重新發現。”

曆史正像愛因斯坦所預言的那樣。

人們後來發現,宇宙中不隻有電磁相互作用和引力場相互作用,還有強相互作用和弱相互作用。1961年到1968年,物理學家格拉肖、溫伯格和薩拉姆提出了弱相互作用和電磁相互作用的統一模型,並得到了實驗的驗證,他們因此獲得了1979年諾貝爾物理獎。

四種相互作用的大統一研究,今天重新成為理論物理研究的前沿課題之一,人們正在朝著大統一的目標不懈地努力。

發現原子核

原子是由電子和原子核組成的,原子核又是由質子和中子組成的,利用原子核能還可以發電。

這在今天已是中學生們都知道的常識了。可是過去,在很長很長的時間中,人們並不知道這一點,人們一直以為,原子是組成物質的最小的不可分的微粒。

原子的概念最早是由2500多年以前古希臘哲學家留基伯和他的學生德謨克利特提出來的。他們認為宇宙萬物都是由看不見的,不可再分的微粒組成的,這種微粒就叫原子。在古希臘文中,原子一詞的原意就是不可分的。當然,那時誰也沒有看到而且也無法證明原子是存在的,原子隻不過是先哲們頭腦思辨的產物。

是英國化學家道爾頓第一個把原子論建立在了科學的基礎上的。1808年,道爾頓提出,物質是由不可分割的最小微粒——原子組成,同一種元素是由同一種原子組成,而化合物則是由不同原子按不同比例組成的。無數的化學反應都證明了他的原子學說:不管化學反應怎樣千變萬化,原子始終是不變的,不同原子組合在一起,組成了千千萬萬不同的化合物。

從此,人們對原子學說深信不疑,原子是組成物質的最小微粒在幾乎整整一個世紀的時間中,都被科學家們當做是無可懷疑的真理。

那麼,人們是怎樣發現原子是可分的,是由更小的粒子組成的呢?又是怎樣把隱藏在原子核內的巨大能量釋放出來的呢?

打開通往基本粒子物理學的大門

19世紀,隨著電磁學的興起,人們對電發生了濃厚的興趣。電的本質是什麼?要是能把電流從導線中取出來看一看就好了。

人們發現,當電路斷開,中間有一個小空隙時,電流依然可以通過,並打出電火花,發出劈啪聲。不過亮光和聲音本身並不是電,那是電流與空氣作用的結果。要想真正探測到電,應該讓電流通過一個真正空無一物,連空氣也沒有的間隙。1836年,法拉第曾做過真空放電管的實驗,可惜他的放電管真空度不高。

1855年,德國波恩大學的儀器工人蓋斯勒利用托裏拆利原理製成了一種水銀真空泵,用它可以把玻璃管抽到接近真空的程度,這樣,世界上第一個真空度比較高的低壓放電管誕生了。