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一等于MC平方的发现是个转折点
标志着物理学家看待能量的新方式
它让我们认识到质量本身储存着一种巨大的潜在能量
之前没有人能够想象到这种能量的规模
单个质子质量中所储存的能量
是典型化学反应所释放能量的十亿倍
乍一看
我们好像找到了解决能源问题的办法
并且这种方法长期有效
但美中不足的是
物质很难被完全摧毁
在核电站中
只有很小一部分核燃料的质量被摧毁
其余的则转化为较轻的元素
其中一些还是剧毒的核垃圾
即便是在太阳内部的核聚变过程
质量转化为能量的效率也非常低
被摧毁的质量占比微乎其微
这仅仅是原因之一
另一个原因是
质子发生核聚变的机会非常渺茫
因为反应的第一步是质子转化为中子的过程
这是一个非常罕见的过程
事实上
在太阳的内核
一个质子与另一个质子聚合成刀核并释放能量的过程
平均需要大约五十亿年的时间
此外
若不是量子理论在小尺度占据了核心地位
这个过程可能永远不会发生
在前量子的世界里
太阳的温度根本不足以让质子靠的足够近
引发聚变反应
太阳的温度必须是一千万度
比当前太阳温度高一千倍
一九二零年
当英国物理学家阿瑟
艾丁顿爵士首次提出核聚变可能是太阳的能量来源时
他很快意识到这一理论所潜在的问题
艾丁顿十分坚信氢聚变成氦是其能量的来源
并且坚信很快就会找到解决低温难题的方法
他说
我们拥有的氦气一定是在某个时间
某个地方通过挤压而形成的
他还说
不要与那些认为星星的温度不足以产生这个过程的专家争论
告诉他们
去寻找一个更热的地方
半斤换八两
质子转化为中子的过程非常难实现
以至于太阳将质量转化为能量的效率比人体低几千倍
平均来说
一千克太阳上的物质只能产生五千分之一瓦的能量
而一千克人体产生的能量一般在一瓦以上
当然
太阳巨大的身段最后弥补了相对低效的智能转化效率
本书一直强调自然运行的规律性
因此
不要因为像一等于MC平方这样的方程预示了某种希望就兴奋不已
人类的想象和实际的事物有着天壤之别
尽管e等于MC平方给予希望让我们兴奋
但是我们必须理解质量是如何被摧毁的
能量是如何被释放的
毕竟
从这个方程
我们看不出任何把质量转化为能量的发展
过去的一百年
物理学取得了长足的发展
其中最奇妙的一点是
它让人认识到
一小部分定律就可以解释几乎所有的物理现象
起码原理上可以摆平它们
早在十七世纪末
当牛顿写下他的运动定律时
物理学似乎已达到了这个目标
因为他之后的两百年
几乎没有任何科学发现与之相悖
在这件事上
牛顿相当谦虚
他曾经说过
我就像一个在海边玩耍的孩子
不时的捡起一块光滑的鹅卵石或漂亮的贝壳
然而我对浩瀚的真理之海却熟视无睹
牛顿的比喻捕捉到了物理研究的本质
我们花费时间
我们收获一个个小的奇迹
对于美丽的自然
宣称找到了终极理论
几乎是没有必要的
甚至是鲁莽的
尽管科学的哲学思考有着适当的谦虚态度
但是后牛顿时代的世界观却认为万物是由完全遵守牛顿物理定律的小单元组成的
不可否认
这一世界观有很明显的问题没有给出解答
事物到底是如何组合在一起的
这些小单元究竟又是由什么组成的
即便如此
也很少有人怀疑牛顿理论在事物中的核心地位
剩下要做的事
被认为是些修修补补的工作
然而
随着物理学的发展
等到了十九世纪
人们发现了一些新的现象
对这些现象的分析推翻了牛顿理论
并最终打开了爱因斯坦相对论和量子力学的大门
牛顿建立的理论大厦最终被推翻了
更准确的说
它成了一个自然理论的更准确近似理论
一百年后
情形相同
我们可能没能吸取教训
再次声称我们有了一个关乎几乎所有自然现象的理论
我们很可能又错了
当然
这也不是坏事
需要铭记的是
科学的傲慢往往最后自取其辱
那种认为我们对自然界的运作了解的足够多
甚至都要了解的看法
损害了
也将永远损害人类的精神
在一八一零年
汉弗莱
戴维做了一次公开演讲
对此
他给了一个完美的阐述
认为我们的科学是终极的
认为自然界中不再有新的秘密
认为我们取得了最终胜利
认为再没有可征服的新领域了
没有什么比这些假定更损害人类心智的进步了
也许现有的物理学只是冰山一角
也许我们这在接近一个万有理论
无论哪种情况
可以肯定一件事
我们掌握了一个确实被证明的理论
为此
全世界成千上万的科学家付出了巨大的努力
历经了艰辛的过程
研究了各个领域的实验现象
这个理论相当惊人
尽管它统一了许多内容
但它的核心方程却能写在一张信封的背面
这个核心方程为主方程
它是粒子物理标准模型的核心
虽然对大多数读者来说
瞅一眼这个方程没有多大的意义
但我们还是忍不住把它拿了出来
只有专业的物理学家才会去搞懂方程里面的细节
我们不为他们费心思
我们首先讲述一个最奇妙的物理学方程
一会儿我们会多花点时间解释它的奇妙特性
我们完全可以把里面的数学丢在一边
仅凭符号的讨论取得对它的理解
那么
先让我们热热身
介绍一下主方程吧
它用来做什么
它能干什么
主方程的作用是给定宇宙中粒子与其他粒子相互作用的规则
唯一例外的是没有考虑万有引力
这使很多人懊恼不已
尽管没包括万有引力
它的应用范围还是非常广泛的
因此
主方程的求解无疑是物理学史上最伟大的成就之一
首先
让我们弄清楚两个粒子相互作用的意思
当我们说两个粒子相互作用时
我们是指粒子的运动由于一个粒子作用到另一个粒子上发生了改变
例如
当两个粒子相互作用时
它们改变了运动方向
从而互相散开
或者
它们会因相互作用
旋转着进入彼此环绕的轨道
从而被俘获到物理学家常说的束缚态中
原子就是这样
拿氢原子来说
一个电子和一个质子就是根据主方程的规则束缚在了一起
上一章中
我们了解了许多有关结合能的知识
了解了计算原子
分子和原子核的结合能的规则
这些规则都包含在主方程中
从某种意义上说
知道了这一规则
意味着我们是在一个非常基本的层面解释宇宙运行的
那么
构成万物的粒子是什么呢
它们又是如何相互作用的呢