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姚毓成的博客

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科学哲学视域下的仪器测不准问题(4)-姚毓成  

2015-04-04 23:39:47|  分类: 探讨现代西方哲学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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《物理奖:挑战更高的测量精确度》----王义遒
 2005年诺贝尔物理学奖授给了美国科学家罗伊·格劳伯、约翰·霍尔和德国科学家奥多尔·亨施,以表彰他们在光学领域做出的开创性贡献。其中,格劳伯因光学相干性的量子理论而独得奖金的一半,另一半由后两人共享,他俩在发展激光精密光谱学尤其是光频梳技术上有革命性的研究成果,使光频率测量取得了前所未有的精密度,达到18位数。为什么要把诺贝尔奖授给他们,他们的研究工作有什么重要意义?
  我们知道,光是人类认识世界的重要工具。我们能看到世界,靠的就是五颜六色的光。什么是光?光是一种电磁波。我们听广播、看电视、打手机,都是通过空中传播的电磁波做媒介来传递信息的。这种电磁波有振幅、频率和相位。光的亮度大,就是电磁波的振幅大,光有五颜六色,就是电磁波的频率不同,比如,蓝光的频率要比红光的高,而相位则是描写某一时刻收到的电磁波的形貌的。一个世纪以前,爱因斯坦提出了一种看法,说光也是一种粒子。光有能量,从电磁波的观点看来,光的能量表现在电磁波振幅的大小上,原则上可以从无穷小到无穷大。但爱因斯坦却说光的能量是一份一份的,有一个最小数,不能比这最小数再小了。这个最小数叫做“能量子”,或“量子”。所以,光也可以看成是由大量的“光量子”组成的。这种光量子后来就叫做“光子”。电磁波和“粒子”在物理性质上有很大差别,在理论处理上也用很不同的方法。比如,把光作为电磁波,它的行为可用19世纪英国物理学家麦克斯韦提出的一组方程式来描写;而作为微观粒子,则需用量子力学来处理它们的变化规律。后来发展出一种理论,叫“量子电动力学”,它可以把电磁场也“量子化”起来,所以又叫“量子场论”。这样,似乎用这种理论就可以把电磁波和粒子统一起来了。不过,在激光器出现以前,人们并没有把两者的差别看得有多么了不起。普通光相位混乱,两束普通光合在一起,不能产生“干涉”现象,激光则有这种可能。这叫光的“相干性”。激光是高度相干的光,而普通光则很少或没有相干性。
  在解释一些激光相干性和光电探测实验的时候,纯粹的经典波动理论就不管用了。格劳伯就把量子电动力学的理论应用到激光上来。他引进了一个叫做“相干态”的概念来描述相干的量子光场,并且发展了一套数学表示方法和计算理论。他用这种理论解释了一系列用电磁场光学理论所不能解释的光学现象,开辟了一门新的学科,叫做“量子光学”。这门学问后来得到许多科学家的开拓,有了长足的发展。现在用这种理论已经证实和预见了很多极有用的实验现象。例如,它给出了由“量子噪声”所限制的物理实验的测量极限;它提出了一种称为“压缩态”的特殊量子状态,利用这种状态可以使测量精密度大大提高。量子光学的发展产生了一系列新应用,像量子密码通信、量子计算等。这些技术为下一代通信和计算机技术的发展开辟了崭新的途径,对于未来科技的进步具有重大影响。

  霍尔和亨施共享的另一半诺贝尔奖是关于精密光谱学的。我们知道,人类对原子、分子结构的认识主要是从光谱中得到的。光谱就是原子(分子)能吸收或发射不同颜色(频率)的光的系列。不同原子(分子)的光谱很不一样,这取决于它们内部结构(包括原子中电子的分布)和运动状态。好比医生可以用心电图去诊断心脏的结构和运动状态一样,科学家可以通过光谱来了解原子结构和运动状态。原子和原子核带有磁矩(好像小磁针一样)就是这样发现的。我们对光谱了解得越细密,对原子结构和运动就知道得越清楚。因此,不断提高光谱的精密度是科学家长期奋斗的目标。霍尔和亨施相互独立地或共同合作地发展了许多精密光谱的实验方法。精密光谱是用频率确定的激光照射原子、分子系统而得到的。这里有一个前提,就是要求激光频率非常单一和稳定。但实际上激光频率总有一个分布范围,叫做“线宽”,而且总是随着时间而变化的。因此,要得到精密光谱首先要压缩激光的线宽,把激光频率做得非常稳定。在这方面,他们两人都取得了空前的成就。
  精密的光谱测量不仅对了解原子结构有重要意义,而且对物理学甚至整个科学技术的发展还有更基本的意义。这就是它能确定一些物理常数,研究它们是否真正是“常数”,即看它们是否会随着时间的推移而有缓慢而微小的变化。这里,亨施通过测量氢原子光谱在确定一个对原子结构具有特殊意义的物理常数———里德伯常数做出了创造性成就;而霍尔则测得了光速的值———每秒299792458米。这个值现在已被国际科学界定为光速的“定义值”,它没有任何误差。由于原子钟的发展,时间是现在能测得最准确的物理量,国际上定义一秒是铯原子发出的一种电磁波的9192631770个周期的时间。根据这个定义值和“秒”长单位,国际计量局已把长度单位“米”定义为:1米是299792458分之一秒时间内光在真空中走过的路程。这样,精确测量长度就可以变成精确测量时间了。这无论对科学还是对工程技术都是十分有意义的。

参考资料:在物理学理论的发展中,对称性思想起到了举足轻重的作用。按照克莱因的观点,伽利略变换了不变性导致牛顿力学;洛仑兹不变性导致狭义相对论;坐标变换的不变性导致了广义相对论。对称性在现代物理学中的作用是再强调也不会过分的。那么当代粒子物理学中的“对称性破缺”会对对称性思想带来什么样的影响呢?人类生活在“自组织的宇宙”之中。“宇宙设计”的最基本原则就是:寻求内在的对称与和谐之美,这一信念已经深入物理学家的骨髓。但对称性破缺,作为宇宙设计的辅助原则,则是隐含对称性的间接表现形式。“对称性自发破缺”本身就具有“正言若反”的辩证性质。居里说:“非对称创造了世界”,这句话包含了深邃的辩证法。对称性往往需要以“对称性破缺”的方式开辟道路。纯粹对称性和必然性的世界将会是呆板的死气沉沉的、而带有“对称性破缺”的世界,所展示的则是一幅更加充满生机、富有创造力的图景。实际上正是“对称性破缺”才创造了活生生的现象世界,对称性表现了宇宙设计中的数学和谐。近代物理学本身就是作为哲学的一个组成部分诞生的,而不是已经证明的实验事实与神圣不可侵犯的理论的简单集合。从伽利略的《关于托勒密与哥白尼的两大世界体系的对话》和牛顿的《自然哲学和宇宙体系的数学原理》,到麦克斯韦确立的场论观点和玻耳兹曼捍卫的原子论,再到爱因斯坦所创立的相对论体系和玻尔、玻恩、海森伯及薛定谔等共同建造的量子力学大厦及目前对量子场论和量子引力提出的物理学基本概念的基础和时间与空间等问题的思考,都在某种程度上蕴含了一系列本体论、认识论、方法论及价值论层次的基本假设,提出了一连串备受哲学界关注的哲学问题。与量子力学相关的的问题,在实践中,涉及实验的设计与选择、测量的操作与赋值等问题;在理论上,涉及数学符号的释义与指称、物理概念的语义与语用和公理系统的自洽性与一致性等问题;在本体论层次上,涉及如何回答微观实体的本体论地位,如何理解量子世界的实在性等问题;在认识论层次上,涉及如何修正经典物理学中的某些传统观念,重新认识物理学的研究传统,如何重新解读某些传统的哲学观念等问题;在社会学层次上,涉及科学研究范式的转变、科学家的行为规范、科学家的责任与道德等伦理学问题。还涉及大科学时代来临之际,如何理解科学与社会、经济、文化等系统之间的相互作用等问题。
法国德斯帕纳特说,从量子关联的观点看,当人们用仪器观察自然界时,自然就会变化,观察到的自然现象不再是纯粹的自然客体,而是“被污染的自然”。判断物理现象要预置一个观念:仪器会不会错;康德在进行诠释之前,首先追问有效诠释可能性的条件。“延迟实验”是由爱因斯坦的同事约翰·惠勒提出的,1979年为纪念爱因斯坦诞辰100周年而在普林斯顿召开了一场讨论会,会上约翰·惠勒提出了“延迟实验”的构想,惠勒通过一个戏剧化的思维实验指出,对电子的双缝干涉进行了进一步思考,并指出我们可以“延迟”电子的决定,使得它在已经实际通过了双缝屏幕之后,再来选择究竟是通过了一条缝还是两条。此种说法震惊当时的学术界。他提出了“参与者的宇宙”概念。他认为,把独立于人类而存在的实体看作世界本原的观点,已经不能反映量子力学的基本精神。“在某种奇特的意义上,量子原理告诉我们,我们正在研究一个参与者的宇宙。”也就是说,人是嵌入在人所描述的自然之中的,人以自己的方式来解读自然,自然是人的自然,它以人的活动的对象与结果现身。 
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