由"超光速"想到的

不久前,惊闻一华裔物理学家在一次实验中把光速提高了300倍.众媒体直言:"这个实验直接向爱因斯坦的相对论中的‘光速恒定'挑战,并将动摇如今的物理学大厦……"云云.其实,这个实验结果的真实性还有待进一步证实,不过实验本身却为我们提供了一个认识物理学自身发展及相关方法论的机会.     

“控制”光速

<正>在爱因斯坦的相对论中,光速被认为是无法"超越"的,光速有多快?每秒299781.819008千米,以光速从地球到月球只要1.2862秒,是目前人类已知的、在宇宙中最快的速度。虽然,目前我们无法实现超光速飞行,但我们已经能够成功地"控制"光速。来自德国达姆斯塔特大学的研究人员使用了一种被称为电磁感应透明效应的技术,成功地将光"困"在晶     

时间为何不同于其他维度?

似乎所有人都知道时间的特殊性,但物理学——迄今最精密、最成功的科学怎么处理它?梳理2000多年来物理学的基本运动理论的发展,一个初步的脉络呈现在我们面前.亚里士多德认为时间维度与空间维度是互不影响的,空间维度可能更为重要——天上和地面的运动规律是不一样的.牛顿引入绝对时间与绝对空间的概念,在经典力学中时间维度是与空间维度地位平等的.牛顿提出三大运动定律以后,物理学的基本运动理论一分为三:爱因斯坦的(狭义)相对论力学、量子力学和演化力学.三个力学理论分别引入一个普适物理常数:真空中光速c、普朗克常数h和玻尔兹曼常数k,各自界定了对物理世界认识的一个极限:光速不变性、不确定性和不可逆性.对时间的认识也一分为三:量子力学基本沿用经典力学的时间概念;基于相对论,力学时间与空间统一了,可以在一定程度相互转换,但基本的时序是相对性不变的,时间与空间有所不同;基于热力学第二定律和耗散-涨落定理所代表的不可逆性,演化力学给予了时间一个特别地位.这些显然还不是最后答案.三种普适力学若是统一,以后时间的作用怎样?     

挑战光速

据媒体2011年9月和11月报道,意大利科学家在两次实验中都发现中微子束的速度比光速快。这个令人惊诧的实验结果如果得到验证,那么奠定爱因斯坦狭义相对论的基石——光速不变原理就垮塌了,现代物理学的根基也就没有了!那么,这个实验结果可信吗？超越光速意味着什么？光是什么？它有哪些奇妙之处？令人不可思议的极限速度——光速是如何测定的？本刊特别约请有关专家为读者释疑解惑。     

生命信息科学概述

引言人类对客观世界的认识总是从简单到复杂;从宏观到微观;从局部到整体;从具体到抽象,科学的重点也随着人类对大自然认识的深化而转移。一、物理学革命: 传统的概念认为:看得见、摸得着的东西是物质,19世纪物理学家法拉第、麦克斯韦、赫兹使物理学导致了一场大革命,论证了无静止质量物质(以下简称能量物质)——电磁波是物质运动的一种形式,论证了每一种有静止质量物质(以下简称质量物质),都对     

中微子可能突破宇宙速度极限

时下,物理学界被一则新闻打破了平静:一个由欧洲物理学家组成的团队宣布,经测定,一种名为中微子的亚原子粒子的突发速度打破了宇宙速度的极限——即由爱因斯坦于1905年确立的光速极限。如果此言不虚,那么这一事实将会改变我们的世界。然而这个"如果"却蕴含着一个大大的不确中微子突发速度似乎是宇宙速度极限的一个例外     

让会聚科研为人类健康服务

正学科会聚:集物理科学、工程学与生物医学为一体。数十年来,科学家一直呼吁加强生命科学与物理学的融合。基于此,我们提出了创建一个新的国家研究策略——我们称之为"会聚科研"———旨在将工程学、物理学、计算科学、数理学与生物医学整合为一体。幸运的是,生物学日新月异的新发现、计算科学不断增强的实力以及工程学在生物相容性材料和纳米技术上新的关注点,使得这样一种     

太空中的主题乐园

正人类区别于生活在地球上的其他物种的标志,不只在于我们会用工具,更在于我们可以将以往的知识积累运用到新的研究领域,无限拓展思维的空间。由于将视野拓展到了更宏观的宇宙中,物理学才在过去百年间得到了迅猛发展——不仅是在与数学、化学、生物学、电子学等其他学科前沿交叉领域产生大量推动人类科技史的重要研究成果,而且今日的物理学已能     

物理学的新曙光

<正>大型强子对撞机上的粒子粉碎实验给出的结论正在逐渐得到证实，我们现在终于可以见识到这股新的力量及其背后更深层次的现实理论。物理学家哈利·克利夫这样说道。2021年1月20日，这是漫长冬日中的一个阴天。晚上6点30分，一个科研小组召开视频会议，共同度过了这个可能永远改变物理学的时刻。“我当时真的在发抖。”伦敦帝国理工学院的米蒂什·帕特尔（Mitesh Patel）说道。他和他的团队即将在瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究组织粒子物理实验室揭晓众人期待已久的LHCb实验的测量结果。这一结果很可能会在最后推翻标准模型——我们目前描述自然界基本运作法则的最佳模型。     

Tevatron关闭令美国物理学家心碎

9月23日,在欧洲的主要粒子物理学实验室——欧洲核子中心(CERN)——工作的研究人员中引起轰动。他们指出,谜一样的充满整个宇宙但却几乎不与任何物质发生作用的中微子,其速度可以超过光速。然而,根据爱因斯坦的狭义相对论,这显然是不可能的。2007年曾得出相同结论CERN的"乳胶寻迹设备开展中微子振荡实验项目"(OPERA)的物理学家向730公里处的意大利格     

物理学的教训

如何对待自然界或实验观察中出现的新现象、新问题?是抓住它深入地进行探索、研究,找出其内在规律,从而建立新的理论,把人类对自然界的认识大大提高一步;还是囿于旧理论的框架,故步自封,原地徘徊。这是科学事业能否发展的一个关键问题。《物理学的教训》一文从近代物理学所取得的巨大成就中指出:其发展的基太原动力是科学实验,因此科学理论必须和实验密切相结合。而一旦当新的实验事实出现时,人们的思想必须冲破传统束缚的囚笼,扬弃旧的观念,发展新的学说。文章内容涉猎中外,论及今古,行文严谨,文笔洗炼;而作者语重心长之情,更是溢于言表,读来发人深省,是篇值得一读的好文章。     

物理界名人质疑中微子比光速快

几十纳秒,这在我们日常生活中是感觉不到的一瞬间,但在实验物理学中却能产生重大差别。9月23日,一个欧洲物理学合作项目——OPERA(利用乳胶寻迹设备开展中微子振荡实验项目)——宣布了一项令人震惊的发现:在位于瑞士和意大利两地实验室之间进行了一次中微子基本粒子的地下之旅后,经过测速,研究人员发现,中微子完成这段行程要比光速走完同样距离     

3种超光速可能性

<正>我们从小接受的观点一直是:宇宙中没有什么东西的速度会比光速更快。但物理学暗示,光子有可能输在终点线。1宇宙膨胀这是宇宙突然变大的假想时刻。为了这件事的发生,时空的膨胀速度必须是光速的许多倍。这并不违反物理学法则,因为宇宙速度这个限制只适用于在时空中运动的物体,而不适用于时空自身的运动。宇宙膨胀是否真的发生过,迄今并不清楚。然而,空间膨胀正在让遥远的星系看上去不断远离我们,而且离开的速度是光速的好几倍。     

生物工程改变世界

正从癌症治疗,到DNA分子计算机,生物工程科学正在推动一场新的技术革命。让我们来盘点一下生物工程科学给我们带来的惊喜。所有地球生命都有一个共同的起源,都是"地球生命树"开枝散叶的结果,所以它们都拥有一些共同的特征,从只在显微镜下才能看得到的细菌,到海洋中最庞大的蓝鲸,构成生命基础的都是DNA"字母表",以及以DNA语言为基础的编码方式。人类饲养家畜、改良物种的历史已有一万多年,但直到20世纪70年代,DNA技术的崛起才真正让人类认识     

知识与无知:为什么?

这是1978年美国出版的《无知百科全书》中的第一篇文章。这本书试图通过知识的进展以说明人类在各个领域中的无知,也即从无知的大海中看知识的增长。这对于人类的妄自尊大,是一付清凉剂。本刊将陆续选译其中部分文章。作为该书第一篇文章,著名物理学家O. R. Frisch一下子就抓住了科学发展历史中一个根本性问题:对于这个千百年来的老大难问题“为什么”,人类究竟回答得怎样了?物理学的回答,例如说人跑是因为大脑传输了有关信息,往往象是开玩笑。但是要进一步问为什么,就只能得到目的论的答案:跑是为了赶汽车,光折射是为了走最短的路程,等等。今天物理学已不接受这种答案,但生物学仍接受。为什么生物会有那样一些器官和特性?为了生存,也即由于“自然选择”的合乎目的的作用。今天的粒子物理学用来源于赌窟的概率观念解释一些物理现象,以掩饰自己的无知。也许我们会找到还在隐蔽着的“隐变量”,但这也不过是再一次复辟一个关于粒子可以预测的幻觉而已,将有更多的意想不到的“为什么”——永恒的科学之谜——在等待着我们!     

科学史的历史价值和现实意义

科学史反映了人类对自然界迄今的整个认识过程,即对人类在历史上积累起来的,与自然的共存和搏斗中得出的技术、经验和知识体系的产生、发展以及规律性的理论总结。不仅如此,科学史还应是人类对这一认识过程的反思。著名科学史学家萨顿也说过:“科学是人类真正有积累性和进步性的唯一活动”。从古希腊朴素的原子论和物质元素构成说到现代核物理学;从周易卦象中的原始二进制到现代信息理论,如果我们承认每一代科学的高峰都是过去知识的沉淀和升华,那么要达到未来科学之巅就必须对以往的人类科学成就有一个整体纵向的考察,即研究人类获得知识的过程。科学离不开积累和创造,科学观应是历史观和创造观的统一。人类是不断发展的,向前看,面向未来,无疑至关重要,但轻视历史,将现在和过去对立起来却是缺乏远见卓识的。我们不能偏狭地把历史理解为古人、古董、古纸堆和一切陈旧     

“冰立方”藏在南极的中微子“捕手”

<正>中微子,这个曾在2011年的"超光速"乌龙事件中一度街知巷闻的粒子物理学名词,在国际物理学的舞台上几度掀起了波澜。先是2013年11月,位于南极的"冰立方"中微子天文台首次确定探测到了来自太阳系外的深空中微子;而后是2014年的2月11日,一组英国科学家对中微子的质量提出了新的见解,认为中微子比先前认知的要重得多;最近     

电子的发现

正当历史的车轮快要进入二十世纪时,物理学也令人欣慰地放射出新时代的曙光.1897年,人们对物质结构的研究取得了一次重大的突破,比原子更深一个层次的电子被发现了!但当时谁也没能料到,这即是人类发现的第一个“基本粒子”,人类对种类繁多的基本粒子世界的开拓,就是从这里开始的.如今,基本粒子大家庭的成员已骤然增加到三百多个,基本粒子物理学已成为一门人类探索物质世界结构的最前沿的科学.因此,我们追溯一下电子是怎样发现的,深刻认识这一发现的科学和哲学意义,对于了解基本粒子物理学的历史渊源,促进科学研究与发展,是有助益的。     

知与无知:知之本性

本文选自《无知百科全书》。作者是英国著名的天文学家、宇宙学家,现任剑桥大学理论天文学教授。他以一位实际科学家的身分来谈论这种几乎是纯粹的认识论问题,是很耐人寻味的。这表明,现代科学发展本身确实不断提出一点重大的认识论问题。文章一开始就提出一个尖锐的问题:科学向何处去?或者说科学的目的是什么?可惜,对这个重大问题,实际科学家很少有时间去考虑,结果,科学界中只能听任一些传统观念的流行。人们以为,一些天才科学家已经建立了基本理论,我们只要认真进行观察和实验,就可以使科学不断前进。但是,科学发展的历史却提出一个誖理:观察激发人们去建立理论,但又只有建立了理论才能更好地观察到事实。因此,那种表面上可以解释一切观察现象的表面理论,是称不上真正的科学理论的。科学理论不仅是描述已有的事实,更重要的是预测未来的事实。要超越现实而预测未来,就不能保证不犯错误,就要求任何理论不能僵化,要根据变化的事实加以调整。由此,对待一切科学理论应保持一种明智的、灵活的、清醒的科学态度。作者为此提出了一个“珠子模型”。他要求科学家使珠子保持在0、1区间的线段上,不要陷入0(绝对不信任)或者1(绝对信任)的深渊之中。这也就是说,人类总是在知与不知的两个极端之间活动,总是不断地力求向知的方面有所进展。人类永远也不能陷到任何一个极端之中。知之本性,总是同无知相联系。只有这样,人类才能保持科学想象力,不为已有成见所束缚,使科学理论不断受到科学实践的调整,保持最大的解释现实、预测未来的能力。在作者看来,这就是科学的目的,也是科学发展的总的方向。如果许多人因衣衫褴褛和家俱破旧而感到耻辱,那么,让我们因思想卑劣和哲学庸俗而倍感耻辱吧! 阿尔伯特·爱因斯坦     

量子引力:回到未来

在更高的精度下重复19世纪的物理实验,借此也许我们能首次一窥爱因斯坦相对论之后的新物理学——