网站首页 (Homepage) 欢  迎  访  问  谢  国  芳  的  网  站  “语  数  之  光
Welcome to Guofang Xie's Website
返回 (Return)

 

质量的起源

  —— 作者 [美] 弗朗克·韦尔切克

   英语原文(original text)


 

中文译者:  谢国芳(Roy Xie)

      Email:  roixie@163.com  

  

 

1.  引子

现代物理学前沿的日常工作通常是和复杂的概念和极端的条件打交道。我们谈论量子场,(量子)纠缠或者超对称,分析小到简直令人觉得荒唐的至小或者在思维中把握大到匪夷所思的至大。正如威利·萨顿那句著名的解释,他说他抢银行是因为“那里是钱的所在”。我们做这些事情是因为“那里是未知的所在”。

然而,一个令人既惊诧又高兴的事实是,偶而这种复杂的工作会给出关于我们熟悉的事物的幼稚的问题的解答,下面我想讲述自己关于亚核力即夸克和胶子世界的工作如何给一个这样幼稚的问题提供了绝妙的新解,这个问题就是:

质量的起源是什么?

 

2004年弗朗克·韦尔切克(右)和导师戴维·格娄斯(左)获得诺贝尔物理学奖后接受采访。

 

 

 

2.  质量有一个起源吗?

一个问题从语法上分析有意义并不一定保证它是可以解答的,甚至是清楚合理的。

质量的概念是我的大一力学课中我们最先讨论的事情之一,没有它经典力学是无法想象的,牛顿的第二运动定律说,一个物体的加速度等于作用于其上的力除以它的质量,因此一个没有质量的物体就不知道如何运动了,因为你要除以零。还有,在牛顿的引力定律中,一个物体的质量决定了它所施加的力的强度。我们不可能用没有引力作用的材料构造出一个有引力作用的物体,所以你无法取消质量而不同时取消引力。最后,经典力学中质量的最基本属性是它是守恒的,比如说,当你把两个物体放到一起,总的质量就是单个质量的和。这个假定在我们的头脑中是如此根深蒂固,以至于它并没有作为一个定律被明确地提出来(虽然我是把它作为牛顿第零定律教给学生的)。总之,在牛顿力学的框架中很难想象什么东西能构成一个“质量的起源”,或者甚至于这话可能是什么意思,在这一框架中质量就是质量一一一个本原的概念。

物理学后来的发展使得质量的概念显得不那么本原了,爱因斯坦狭义相对论的著名的质能公式通常写成 E = mc2 的形式,这反映了我们应当用质量来表示能量的偏见。但是我们也可以把同一个方程改写成 m = E/c2 的形式,写成这种形式后,它就暗示了用能量解释质量的可能性。爱因斯坦从一开始就认识到了这种可能性。事实上,他的那篇1905年的原始论文的标题是《一个物体的惯性是否和它所包含的能量有关?》,论文推导出了m = E/c2 ,而不是 E = mc2。爱因斯坦当时脑子中考虑的是物理学的根本问题,而不是原子弹。

 

           

阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein, 1879 - 1955)

 

在现代粒子加速器中,方程 m = E/c2 变成了现实。比方说,在位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)实验室的大型正负电子对撞机 LEP 中,电子和反电子(即正电子)曾被加速到巨大的能量,强大的特别设计的磁体控制粒子的轨迹,使它们顺着一个巨大的存储环以相反的方向打转。这些粒子束的轨迹在几个相互作用区相交,在那里就会发生碰撞。(在十多年富有成果的运行之后——麻省理工学院的科学家在其中担当了主角,2000年,LEP 的机器被拆卸了,它要让位于大型强子对撞机 LHC ,后者将使用同一个隧道。LHC 要碰撞的是质子而不是电子,它将会在高得多的能量级上运行。这就是前面我之所以用了过去时态的原因。)  

当一个高能电子和一个高能正电子发生碰撞的时候,我们常常观测到事后会产生大量粒子,这些粒子的总质量可能是原来的电子和正电子质量的几千倍。这样一来,我们就真的在现实世界中由能量创造出了质量。

 

        

欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机(LEP)中的碰撞事件示意图

 

 

 

未完待续 (to be continued)