物理学和哲学-第25章
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的对称性有更大的可能性是属于动力学对称性，它们在描述现象中可能是有用的；但是，它们的启发性价值，在我看来，同天文学中托勒密的本轮和均轮的启发性价值差不多。它们只给出关于基本自然规律的结构的间接结论。
最后还要谈一谈近年来的最重要的实验结果。这就是新近发现的具有比较大的质量（约为30－40亿电子伏）和较长寿命的玻色子。这样的状态在原则上是绝对有人预料到的，就象迪尔（Durr）曾特别强调指出过的那样。是否人们可以根据它们的长寿命的特点，近似地把它们解释为由其他已知的长寿命粒子所合成呢，这确实是一个困难的动力学问题，在这个问题中多作物理学的全部复杂性都将起作用。当然，在我看来，为此又一次引进新粒子，把已知对象假设为由新粒子所组成的那种尝试是一种完全无用的思辨。因为这又是错误地提出问题，它无助于对粒子谱的理解。
近年来，人们用日内瓦的储存环和巴达维亚加速器测量了很高能量的质子…质子碰撞的有效总截面。得到的结果是，有效截面大约随能量对数的平方而增长，这种行为早就在有关渐近区的理论中被预测到了。其他粒子的碰撞也得到同样的结果，因此这多少表示，在大加速器中已经到达了渐近区，从而人们在那里不用再期望会有什么令人惊讶的奇迹。
一般人们不应当期望用新实验得到一种“解围的神力”（Densex machina），它可以立即导致对粒子谱的理解。因为近五十年的实验对“基本粒子是什么？”这个问题已经定性地作出了十分令人满意的、不自相矛盾的、完满的回答。至干定量的细节，只能（就象量子化学中那样〕随着岁月的流逝通过许多物理学和数学的更为细致的工作来加以阐明，而不可能立即做到。
因此，我能够以一种预期粒子物理学发展将取得成功的乐观的展望来作结束。新的实验结果总是有价值的，它们首先就扩大了粒子的表册；但当它们回答了理论的关键问题时，它们就特别有意义了。在理论中人们必须尝试作出物质的基本的动力学的精确假设，而不带任何哲学的偏见。人们必须充分严肃地对待这个动力学问题，而不应当满足于含糊的假说，而对主要问题不作明确的解答。因为粒子谱只有当人们认识了物质的基本动力学时，才能真正理解；这个动力学是中心问题。动力学以外的一切只是数据表册的一种字面的描述，即使数据表册也许会比字面描述具有更多的内容。
＇译自西德《自然科学》（Die Naturwissenschaften）1976年1月号＇
《物理学和哲学》
W·海森伯著 范岱年译
宇宙辐射和物理学中的基本问题
宇宙辐射，自从它在大约六十年前被发现以来，已经在物理学的发展中起了很重要的作用。从第一次证实自外层空间来到地球的射线到发现这种辐射中很高能量的粒子，发现具有意想不到的性质的新粒子，到发现自然规律中新的基本对称性，最后到发现星际空间中残余物质和磁场的大量信息，以及关于可能产生宇宙辐射的那些过程的大量信息，这是一个非常有趣的历史过程。但是我不想追随这条历史线索。
我试图把我的讲话仅限于宇宙辐射的知识进展所接触到的或大大推进了的那些物理学基本问题。我在这个讲话中主要关心的是这个非常特殊的物理学领域和成为整个物理学基础的那些基本问题之间的相互作用。在三十年代初，当宇宙辐射在本世纪最重要的物理发现之———正电子的发现——中起了必不可少的作用时，这种相互作用就显示出来了。固然，正电子的发现不是在宇宙线研究中最先作出的。狄拉克在他的电子理论中已预言了带正电的电子的对应物，但是关于正电子的存在的第一个令人信服的证据是安德森、布莱凯特和奥基亚利尼（Occhialiui）在宇宙辐射中发现的。第一批关于簇射的云室照片（在这张照片上，光子产生了电子和正电子对，而这些粒子当穿过物质时又产生光子）毫无疑问地证实了正电子的存在和狄拉克理论的正确性。不久以后，正电子也在原子核过程中，即在β
衰变中找到了。
关于这个发现的基本重要性，我或许还得稍微多说几句。到那时为止，物理学家们或多或少不自觉地遵循古希腊哲学家德谟克利特的哲学。如果一个人试图把一块物质一次又一次地分割下去，他就会——人们这样推测——最后分到物质的最小部分而告终，这些最小的部分不能再进一步分割了，因此被称为原子。这些原子被认为是物质的不可分的、不能改变的单位，作为构成所有物质的基本单元，而原子（或者如我们今天所说的：基本粒子）应当以它们的相对位置和运动来决定各种各样物质的可见的性质。整个这幅图象，看来似乎合理，却被狄拉克的理论和它的后果——正电子的发现彻底摧毁了。决定性的要害主要不在于存在一种迄今未知的新粒子，——以后还发现了许多新粒子，对于物理学基础并没有严重的影响，要害在于发现了一种新的对称性，即粒子…反粒子共轭，它同狭义相对论的洛伦兹群，也同能量与质量的相互转化密切相关。在非相对论性物理学中，任何一种粒子的数目都是一个运动常数，就象能量和动量一样。在相对论性物理学中，这个数不再是一个合适的量子数了。譬如说，一个氢原子不一定是由质子和电子所组成，它也可以当作是质子、两个电子和一个正电子所组成，尽管后面这种组成仅仅相当于对氢的整个波函数作很小的相对论性的改正。这种状况的后果之一，就是推测在两个粒子的高能碰撞中可以产生大量新粒子，而这些可能性仅受能量、动量、同位旋等守恒定律的限制。又正是在宇宙辐射中，可以检验这种推测。
实际上，在三十年代后期，布劳（Blau）和瓦姆巴歇尔（Wambacher）在很高的高空曝光的照相底片上发现了所谓的“星”，就是在底片的同一点开始发出许多径迹。显然，一个原子核被一个射来的高能粒子击中，由于碰撞的结果，它发射出许多不同的粒子。解释这些“星”不是简单的事，因为过程的开端可能是原子核中的一种级联，这种级联同众所周知的电子…正电子级联相类似，随后就是某种原子核的蒸发。所以这些结果并不立即证实我在前面作出的推测，即仅由两个粒子的碰撞产生了多数的粒子。但是，随着时间的流逝，宇宙线实验能够得到改进，而在十五年之后，多倍地产生粒子的现象确定不移地实现了。
这些结果意味着“分割”和“组成”的概念只有有限的适用范围。就象相对论中的“同时”概念和量子论中的“位置”和“速度”概念只能在特殊的限制下使用，而当不分青红皂白地用错了地方时就失去意义一样，“分割”和“组成”的概念也只有在特定的情况下才有确定的意义。当一个粒子可以被少量能量分解为两个或几个部分，而粒子的静止质量比这一小份能量来大得很多，这时，也只有这时，人们可以说粒子由这些部分组成，并可分解为这些部分。在所有其他场合，“分割”或“组成”这类词就没有确定意义。而在两个粒子的高能碰撞中，实际发生的事是由动能产生了新的粒子。采取基本粒子的形式，能量变成了物质。但是，“基本”粒子和“复合系统”之间的区分也没有确定的意义。粒子是物理系统“物质”的定态。所有这些很重要而又基本的结果在宇宙线研究中有它们的实验基础。
宇宙线研究的另一个引人注意的结果是1937年尼特迈耶尔（Neduermayer）和安德森发现μ子，即μ介子。这种客体起先被误认为是汤川曾预言过的作为核子间强相互作用的物质对应物的那种粒子。但是不久就弄清楚了，μ子同质子和中子这一类重粒子的相互作用是太小了；μ子不可能承担起原子核中的强相互作用。倒可以说，μ子显得象是电子的较重的哥哥，它同电子的区别仅在于它有较大的质量。μ子的发现并不象正电子的发现那样引起物理学基础发生根本性的变化，但它显示出粒子谱系中的一个有趣的特征。这个谱系被分为两个仅仅微弱地结合在一起的谱项系统，即强子系统和轻子系统。人们从原子光谱已熟悉这种微弱地结合起来的谱项系统。但是，在这两个场合中引起这种分裂的原因是否相似，还是一个没有解决的问题。μ子——加上中微子——组成了宇宙辐射中最有穿透力的部分，因此在确定作为大气高度的一个函数的宇宙辐射强度中起着重要的作用。
我或许还应当提到另一个颇为奇特的情况，在这里μ子也有助于解决一个根根本的问题。德国在大战前夕，相对论不为当权者所认可，特别是运动物体中的时间的延缓被批评为荒谬的和纯理论的思辨。关于相对论可否在大学中讲授的问题，甚至还举行过审判。在这种争论中，有一次我能够指出μ子的蜕变时间应当同它们的速度有关：以接近光速运动的μ子应当比那些以较小速度运动的μ子蜕变得慢一些。——这是相对论的预言。实验结果证实了这个预言；时间膨胀能够被直接观测到，从而为开设相对论课程开辟了道路。所以我对μ子总是怀有感激之情。
战后不久，鲍威耳在布里斯托发现了μ子，它在大多数宇宙线现象中起着很重要的作用。这种客体满足了汤川所表述的强相互作用的物质对应物的全部条件；后来知道，这种粒子不是这类粒子中的唯一的一种，而不过是质量最小的一种强子。不久，差不多在所有高能事件中都发现了它。此外，π子变为μ子和中微子，结果也搞清楚了μ子的来源。
就象μ子一样，π子并没有引起物理学基础发生根本性的变化。它只证实了各种各样的粒子都是成体系的物的各种定态，因它们在基本群的变换中的不同行为而有所不同。这些群要比粒子更为根本。
那时，除了相对论的洛伦兹群，只有同位旋群被认为是基本的。它是在1932年联系着原子核物理而发现的；但首先是通过π子，它的基本特性才被完全了解。关于π子的宇宙线实验证明，同位旋群对于强相互作用是严格对称的，而只有电磁相互作用和弱相互作用破坏这种对称性。只要假设构成粒子港基础的自然定律在同位旋变换下是严格不变的，就可以解释上述结果，而对于这种对称性的偏离是由于不对称的、简并的基态所引起。在固体的量子力学中，类似的情况是众所周知的。
几乎与发现π子同时，在宇宙辐射中也发现了其他一些粒子，它们比π子重，而它们的行为有某种“奇异性”。它们有相当长的寿命，数量级为10 －10 秒，因此它们的径迹可以在云室和乳胶中观测到。但是如果只考虑已知的对称性和相应的量子数（重子数、同位旋、角动量〕，这种长寿命就不能理解。人们所预期的寿命要比这短得多，就此而论，它们的行为是奇异的。正确的解释是1952年由派司（Pais）作出的，他引入了一个叫做奇异性的量子数和相应的对称性（或变换性）。这样，宇宙线研究引入了一个新的对称群；并且因为如我在前面所指出的，群比粒子更重要，这又是对物理学基本问题一个很根本的贡献。
当时大多数物理学家普遍同意，如果寿命很短的客体可以被观测到，就可以发现另外的一些粒子。这些粒子不过是成体系的物的一些定态，因此人们可以预期有许多不同的粒子，它们大多具有很短的寿命。这样的客体只能作为所谓共振态而被观测到，而为了这个目的，需要有比宇宙线观测所能提供的更好的统计资料。对于粒子物理学家说来，幸运的是第一批大加速器在当时已经建成并开始运转，这些加速器就是：布鲁克海文的同步稳相加速器、伯克利的高能质子加速器和日内瓦欧洲原子核研究中心（CERN）的质子同步加速器。在此后的一个长时期内，粒子物理学的重要结果都是用大加速器得到的，而宇宙线研究把它的注意力主要转向天体物理学问题。这种发展趋势是不可避免的，但并不总是符合粒子物理学家的愿望；这是一个可悲的转变。
浪漫的时期过去了，在那个时期，在高海拔的高山实验室对云空照片的研究，可以同滑雪和登山相结合，或者，气球实验可以象我们的意大利朋友所做的那样，在意大利海军的飞机和军舰的支援下，从地中海的一个风景秀丽的岛屿出发。无疑，地中海和煦的太阳对科学实验的成功已作出了贡献。但是，这个欢乐的时期现在已经一去不复返了，粒子研究必须在大加速器机构的“干巴巴的”气氛中进行。
在天体物理学中，宇宙辐射成了一个很有价值的新工具，它有可能在恒星的可见光和红外光所得的信息之外提供新的信息。第一个问题当然是宇宙辐射的起源。福尔布希（Forbush）已经认识到，宇宙辐射的某些低能部分偶尔也从太阳发射出来，就是从太阳表面的某种湍流现象发出。但是很快就知道，要对宇宙线的起源问题作确定的回答，需要对恒星之间、我们的行星系中（这里我可以提醒你们注意比尔曼（Biermann）最先讨论的太阳风）、我们的银河系中、最后在河外空间中的等离子体的电磁场有充分的知识。对这些电磁场的研究成了近年来天体物理学的中心部分，并且利用宇宙辐射已得到了许多信息。关于它的起源，现在普遍的意见似乎是：超新星和它们的遗骸脉冲星是高能宇宙线的主要来源。但是，我不想深入探讨天体物理的细节，而想回到我最初提出的问题：宇宙辐射在哪些地方触及了物理学的基本问题？
我刚才提到了脉冲星，它属于迄今为止观察到的具有最大密度的恒星。它们的物质密度可以和原子核的密度相比较。它们由引力聚集在一起。这样的恒星引起了两个基本问题：一个涉及物质中引力和其他相互作用力之间的关系；另一个涉及到那种较高密度甚至更高密度的物质的状态方程。但在我进入讨论这些问题之前，我还想提一下，甚至在有了大加速器的时代，宇宙线研究对粒子物理学的很重要的问题也有几个很有价值的贡献。
宇宙辐射的粒子具有高达10 19 电子伏的能量，显然这样高的能量是加速器所不能达到的，至少在最近的将来是不可能达到的。因此，对于这样极高能量的粒子的碰撞只能在宇宙辐射中加以研究。即使低的强度和很少的统计资料不利干得到准确的结果，但还是提出了这样的问题：簇射的截面和其他特性在极高能量范围内应当怎样随能量而变化？在远远超过普通粒子和共振态的能量的地方，是否有一个渐近区，在那里不会发现或预料不会出现比较惊人的新事件或比较剧烈的变化吗，从宇宙辐射所得到的关于这个问题的信息不过是一个模糊的提示，但它还是刺激了理论研究，这种研究在二十多年前导致了这样的推测：任何强子的整个碰撞截面在高能时应当随能量的对数的平方而增加。因此应当有一个渐近区，但是在这个区域中，整个截面不应当是常数，它们应当按照对数的比例而增加。这种推测已在最近用欧洲原子核研究中心的储存环和用巴�
