突飛猛進的現代物理(下篇)

量子力學的發展

量子力學使人類的認識深入到微觀粒子層次，在經典物理中，只要知道物體的初始狀態和受力情況，利用牛頓力學，就可以確定其后任何時刻的運動狀態，因此我們可以發射衛星和宇宙飛船，但是對微觀粒子，在同樣條件下，以后任何時刻運動狀態并不能完全確定，根據量子力學計算的結果，只是粒子在某時刻處于某個可能狀態的幾率，而且在量子力學中，粒子位置和動量不能同時精確測量，能量和時間也不能同時精確測量，量子力學促進了人們對原子和原子核結構的研究，粒子物理學得到蓬勃發展，隨著粒子加速器實驗技術的進步，現在已經發現了787種粒子，形成了分子一原子一原子核一強子一輕子一夸克這樣的微觀物質結構鏈條，而且認識了物質之間四種基本作用力，即強作用力，弱作用力，電磁力和萬有引力。

大爆炸宇宙模型

愛因斯坦狹義相對論開創了利用原子能的新時代，他的廣義相對論又有力地促進了人類對宇宙模型的研究，古代人們認為宇宙是體積有限、有邊的球形，恒星處于最遠的球面上，后來牛頓認為宇宙是體積無限、無邊的三維空間。但有許多不能自圓其說的地方，根據廣義相對論，愛因斯坦認為宇宙是有限無邊的三維彎曲空間，為現代宇宙學的發展奠定了基礎，

1922年。俄國年輕的數學家弗里德曼得出廣義相對論方程的一種解。說明宇宙在不斷膨脹，1929年，美國天文學家哈勃發現所有河外星系的光譜線普遍有紅移現象，提出了哈勃定律，證明宇宙正在不斷膨脹中，既然宇宙在不斷膨脹中，如果逆向思考，早期宇宙一定是從很小的體積、很大的密度開始膨脹的，20世紀40年代美籍俄國科學家伽莫夫提出了宇宙大爆炸學說，認為今天的宇宙是在一百多億年前某時刻，由高溫、高密狀態爆炸膨脹而來的，并且指出當今宇宙中應該存在大爆炸的遭跡背景輻射，這種背景輻射相應溫度為5K左右，1965年，美國科學家彭齊亞斯和威爾遜在天文觀察中果然發現了這種宇宙輻射，對應溫度約為3K，宇宙大爆炸模型成為至今大家公認的標準模型。

根據粒子物理理論和宇宙大爆炸學說，我國北京大學羅先漢教授指出：“如果把宇宙年齡小于1s的混沌體稱之為‘道’，則該混沌體經過中微子退耦(氣之始也)、輕核合成(質之始也)和光子退耦(形之始也)等幾個階段而變成一個赤熱火球，就是‘道生一’了，后來，隨著原始火球的不斷膨脹和冷卻，才得以相繼產生出眾多的星系、恒星、行星以及包括人類在內的天下萬物等，也同老子表達的樸素宇宙生成觀是一脈相承的，”老子的《道德經》凝聚著中華民族的卓越智慧，同時也說明現代宇宙觀與粒子物理理論在宇宙生成初期是可以統一起來的，現代物理大統一理論和超對稱理論都明確指出，前述四種基本作用力強弱，都是隨粒子問作用距離或能量大小而改變的，當能量極高或距離極小時，四種基本作用力會變成同一種力，這就是宇宙大爆炸初期的情況。

黑洞的形成

廣義相對論和量子力學有力地促進了天體恒星演變的研究，1968年，美國普林斯頓大學的物理學家惠勒首先提出“黑洞”這個名詞，用來說明某些大質量的恒星在強大引力作用下，坍縮到某一臨界體積時，會形成一個封閉的邊界，強大的吸引力使邊界外的物質和輻射只能進入，不能逃出，消失在黑暗之中，形成黑洞，著名的英國物理學家霍金根據量子力學不確定原理。計算表明黑體有溫度，在不斷產生和發射粒子，而且發射粒子的譜恰好是一個熱體的輻射譜，不違背熱力學第二定律，人們把這種黑洞輻射能量的現象稱之為霍金輻射，通俗說法是黑洞不太黑，霍金還推論“隨著黑洞質量的喪失。它的溫度和發射率就會升高，于是它的質量就減少得更加快”，最后，“它會在一次可怕的、相當于幾百萬顆氫彈爆炸的最終發射爆發中完全消失”，有人將這種狀態稱之為“白洞”，正好與吸收物質的“黑洞”對稱：真是有趣!

由于有廣義相對論和量子力學的理論支持，人們普遍相信宇宙中存在著黑洞，但是由于黑洞無法直接觀測。只能從某些做環繞運動的星球過快轉動現象，或者從χ射線、γ射線異常爆發等現象，間接判斷黑洞的位置，有人指出一些星系的中心存在黑洞。如銀河系中心就是一個大黑洞，還有比行星小的黑洞，甚至還有宇宙大爆炸遺留下來的太初黑洞等等，隨著現代科學技術的發展，人們總有一天會揭開黑洞的神秘面紗，由此可見，相對論與量子力學給人類帶來多么巨大的指導作用!

責任編輯 程 哲