第二篇 三观—— 微观——第九章 诸子百家

第五章  诸子百家

[if !supportLists]第一节          [endif]撬开微观的大门：放大镜、显微镜 进入微观世界

要说微观世界，那就不得不先说说这两样东西放大镜与显微镜，它们是人类开启微观世界大门的第一把钥匙。

放大镜定义：放大镜(英文名称：magnifier)：用来观察物体微小细节的简单目视光学器件，是焦距比眼的明视距离小得多的会聚透镜。物体在人眼视网膜上所成像的大小正比于物对眼所张的角（视角）。

为看清楚微小的物体或物体的细节，需要把物体移近眼睛，这样可以增大视角，使在视网膜上形成一个较大的实像。但当物体离眼的距离太近时，反而无法看清楚。换句话说话，要明察秋毫，不但应使物体对眼有足够大的张角，而且还应取合适的距离。显然对眼睛来说，这两个要求是相互制约的，若在眼睛前面配置一个凸透镜便能解决这一问题。凸透镜是一个最简单的放大镜，是帮助眼睛观察微小物体或细节的简单的光学仪器。

关于第一个放大镜是谁以及在什么时间发明的，现在有很多说法。人类可能早在千年前就发现了，使用透明水晶或宝石磨制成的「透镜」具有放大影像的功能；但是真正将透镜嵌入镜架做成「眼镜」呢，据说是在13世纪末叶时，同时出现在中国与欧洲。有人说是中国一位不知名的工艺匠所发明的；有人说是中世纪义大利多斯加尼的一个位尚－亚历山大．史毕那 (Alessandro di Spina)；也有人说是十三世纪英国学者－罗杰．贝肯 (Roger Bacon)所发明的。

在西元1260年，马可波罗就曾经描述中国老人家戴著眼镜看小字的景象。据说，中国古代的眼镜呈大椭圆形，镜片由水晶石、石英、黄玉或紫晶磨制成，镶在龟壳做的镜框里，用铜制的眼镜脚卡在鬓角上，或用细绳子栓在耳朵上，或者直接把眼镜固定在帽子上。而且当时的眼镜造价不斐，也因此被当作身份地位的象徵。据说，就有一位乡绅用一匹马的代价换一付眼镜的记录。

不管怎说，放大镜在十三世纪已经大量出现在世界各地了。随着人类对自然认识的不断深入，放大镜把一些微小物体的细节呈现在了我们的眼前，使我们能够更清楚的看清这个世界，也是人类向微观世界迈出的第一步！

显微镜是人类16世纪最伟大的发明物之一。在它发明出来之前，人类关于周围世界的观念局限在用肉眼，或者靠手持透镜帮助肉眼所看到的东西。它把一个全新的世界展现在人类的视野里。人们第一次看到了数以百计的“新的”微小动物和植物，以及从人体到植物纤维等各种东西的内部构造，打开了通向另一个神秘世界（微观世界）的大门。显微镜还有助于科学家发现新物种，有助于医生治疗疾病。

显微镜是由一个透镜或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，分光学显微镜和电子显微镜。最早的显微镜是在1590年在荷兰制造出来的。发明者是亚斯·詹森,荷兰眼镜商，或者另一位荷兰科学家汉斯·利珀希，他们用两片透镜制作了简易的显微镜。真正开始在科学上使用显微镜的第一个是意大利科学家伽利略。他通过显微镜观察到一种昆虫后，第一次对它的复眼进行了描述。第二个是荷兰亚麻织品商人列文虎克（1632年-1723年），他自己学会了磨制透镜。他第一次描述了许多肉眼所看不见的微小植物和动物，其对显微镜的改进和微生物学做出了巨大的贡献！

直到1931年，由恩斯特·鲁斯卡和马克斯·克诺尔研制出了第一台透视电子显微镜，使生物学发生了一场革命。这使得科学家能观察到像百万分之一毫米那样小的物体。1986年恩斯特·鲁斯卡被授予诺贝尔奖。随着科学技术的不断进步，显微镜的功能日益强大！

上一个千年的末期，人类的科学技术日新月异，呈现爆涨势进步！微生物世界早已不再能够阻挡我们我们前进的步伐，随着分子、原子等诸多更微小的粒子不断呈现在科学家们的眼前，更先进的仪器以及探测方法也在不断更新。1950年前盖革计数器、照相乳胶和威尔逊云室，作为人类通向微观世界的主要桥梁，之后气泡石取代了它们。在20世纪60年代早期的火花室就开始出现，慢慢的演化成了所谓的多丝正比室。{《神奇的粒子世界》荷兰---韦尔特曼   著   丁亦兵等 译    科学出版社出版  }  

人类对整个世界的宏观、微观认识不断深入，理论、实验器材更是不断创新，粒子加速器、对撞机的越来越先进、庞大，使得人类对于“物质”的了解越来越深刻。也许在不久的将来我们将成为我们如今人在崇拜的神，掌握物质的秘密，就是不知道最终会不会上演《诸神的黄昏》！

[if !supportLists]第二节          [endif]从细胞到分子、原子等，原子内的大世界：详细说说原子的一切。

人类通过显微镜，观察到了平常肉眼无法看到的，世界的微小细节，从微生物，到其最小单元——细胞。我们知道了生命体是由无数个，有各自功能的细胞组成，不再是女娲随手捏的泥团，也不是诸神的复制品。没有了诸神,整个世界却依旧在照常平稳的运行着，这是不是一个奇迹呢，还是我们早已在内心明了！细胞的结构，很快就被科学家攻破，但是人类追寻物质的本质的步伐，却刚刚开始！

原子理论的成型是经历过漫长的时间的，在历史上，各个民族先哲们的理论，都会涉及到对这个世界最基本的思考——万物之本原！在《庄子

天下篇》末段记录了一个叫做惠施的人，说他认为“至大无外，谓之大一；至小无内，谓之小一。……一尺之棰，日取其半，万世不竭。”虽然庄子的评价“由天地之道观惠施之能，其犹一蚊一虻之劳者也。其于物也何庸！夫充一尚可，曰愈贵，道几矣！惠施不能以此自宁，散于万物而不厌，卒以善辩为名。”《易经》的“阴、阳论”，还有“五行论”都是对于物质的本质的一种理解，但是在探讨物的本质方面中国的人太注重理学，忽略了实践！古希腊有四元素说、五元素说；古印度也有四大种学说。

原子论起源于古希腊爱奥尼亚地区米利都的留基伯（leucippus，月公元前500——到公元前440年），他作为早起的米利都学派的思想家，对于那时希腊的哲学家们在讨论物质是有什么构成的问题上给了一个“物质世界的本身基础不能变化无常”被后人尊为“原子论之父”。而他的学生做德谟克利特（公元前450年——公元前370年）的发展了这个想法。即如果某一种物体被切割成可能的最小快，它将仍然是是同样的物体，具有同样的性质。德谟克利特还是最早使用“原子”一词的人。因此也有许多著作把他尊为“原子之父”。

德谟克利特认为,万物的本原或根本元素是“原子”和“虚空”。“原子”在希腊文中是“不可分”的意思。德谟克利特用这一概念来指称构成具体事物的最基本的物质微粒。原子的根本特性是“充满和坚实”,即原子内部没有空隙,是坚固的、不可入的,因而是不可分的。德谟克利特认为,原子是永恒的、不生不灭的;原子在数量上是无限的;原子处在不断的运动状态中,它的惟一的运动形式是“振动”;原子的体积微小,是眼睛看不见的,即不能为感官所知觉,只能通过理性才能认识。[3]

亚里士多德（公元前384——公元前322年）是当时非常有影响力的哲学家，他认为，如果物质是由微小颗粒组成的，那么这些小颗粒之间，一定存在着空间，这些空间是空的。他认为实际上不可能存在这样的空间，所以他认为德谟克利特的说法是错的。

亚里士多德修整了恩培多克勒（公元前492——公元前432年）的四元素理论，认为所有物质是由4种元素：火、土、水、气构成的，并且这四种元素能够相互转变。这种理论主导了近两千多年人们的认知。直到17、18世纪人们才不断转变思维，支持德谟克利特的原子理论。

按照英国哲学家罗素（bertrand  Russell ，1872——1970）的观点，自然哲学从德谟克利特之后就开始走下坡路了。直到文艺复兴时期才苏醒过来。这期间原子论几经沉浮，有柏拉图（Plato，公元前427年—公元前347年）和亚里士多德提出的异见和批评，但也有伊壁鸠鲁（Epicurus，公元前341 - 前270年）坚持不懈的宣传。经过漫长的中世纪的冷遇和摧残，在法国人皮埃尔伽桑狄（Pierre

gassend，1592——1655）1658年出版《伊壁鸠鲁哲学体系》（syntagma  philosophiae  epicure）中关于物质本质的理论，认为一切存在的东西都是有“具有内在于运动倾向的”原子和真空组成，原子既不能被创造，也不能被毁灭。原子是固体的，具有质量也不能在分割。他还是光的微粒说的创始人之一。罗伯特波伊尔（1672——1691）的《怀疑派的化学家》（sceptical  chymist）书中认为物质是由微粒子组成的，而微粒子本身是由他称为“基本粒子”的粒子经各种不同组合而构成的。当然对于亚里士多德的四大元理论最后一击的是18世纪的英国化学家一共化学家约瑟夫-普利斯特里（Joseph priestley，1733——1804）和法国化学家安托万—拉瓦锡（antoine  lavoisier，1743——1794）完成的。他们通过一系列的化学实验，分解了空气，并且测定了空气中的氧和氮，从而否定了亚里士多德的四大元素说，并为原子论的进一步发展奠定了基石。

1803年9月6日英国自学成才的化学家约翰道尔顿（John Dalton，1766年9月6日－1844年7月27日）制定了第一章原子相对重量（原子量）表，一个半月后，道尔顿在曼彻斯特文学哲学会上，宣读了论文《论谁对气体的吸收作用》，在论文中他第一次明确阐述了他的科学原子论，并公布了他的原子量表。

道尔顿的原子理论，比以前任何化学理论更深入的探讨了化学变化的本质，比较完满的说明了一些换定律的内在联系，成为了解释化学现象的统一理论，并使化学从此走向了定量发展的道路。因此他也被成为“化学原子论的缔造者”

在原子理论的不断深入研究中，人类对于整个物质世界的理解也越来越清晰。无数的科学家们为此而废寝忘食的努力钻研，俄国化学家德米特里—门捷列夫（1834年2月8日—1907年2月2日）最终为我们今天所熟悉的元素周期表创立了基础。这是一个系统性的重大突破。

在19世纪末期原子的存在与否，由于实验的缺乏，依旧没有实质性的进展，争论也没有停止的趋势。一位英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊（Thomson，Joseph John；1856年—1940年）却石破天惊的用实验证实：宇宙万物由原子组成是正确的，但是原子并不是不可分的，原子还有更小的粒子组成。这些更小的粒子之一被称为“电子”！整个世界因此一下子跨入了原子内部的美丽世界。佛语说的是“一花一世界”，而一个原子里面的大千世界也从此展现在人们的眼前。这是一种质的飞跃，人类开启了横跨“三观”的通道！

[if !supportLists]第三节          [endif]诸子百家：原子之后，出现的各种粒子   量子理论的快速发展。各种粒子的发现。

轻子 基本粒子 其它

在20世纪初，物理学家们像剥洋葱头似的，从细胞剥到分子、原子。随着高能粒子加速器应用不断推广，原子的内部，一个充满奇异的世界——核子、强子、夸克相继进入我们的视野。

我们知道分子是事物具有原来化学性质的最小单元。而1911年，由欧斯特卢瑟福首次通过实现确定了原子的结构。在了解原子方面迈出了第一步。接下来尼尔斯  玻尔把普朗克和爱因斯坦的旧量子观应用到了卢瑟福的原子模型上成功解释了氢原子的光谱。最后新的量子理论的发现，给理解原子的特性提供了数学基础。我们的世界从此变了！

原子核占据了原子的大部分质量，但是体积却占原子很小。起初，它就像个谜一样困扰着物理学家们。直到1932年英国的物理学家查德  威克发现了一种呈电中性的重要粒子——中子，才使人们对于原子核的组成有了更深入的认识。但是一直到核物质显微镜（特别是回旋加速器）出现之后，原子核的秘密才真正呈现世人。而新器材的应用也为我们撬开了一个更加神秘的世界，这里充满着未知和希望。

一副新的世界地图，这里的一切都显得光怪陆离。1946年，日本物理学家汤川秀树以类比方法为基础，推导核力源头——介子，在宇宙线中被发现了。而当性能更高的加速器被引进到实验室后，大量的新粒子相继被发现。这些新粒子的出现，让物理学家们经历了一个由开始的惊喜到惊奇，最后演变成麻木、惊恐的过程。这些层出不穷的“强子”，让物理学家恩科特费米都曾抱怨还不如去学动物学呢。

通过更多的努力、总结，1961年美国的物理学家默里  盖尔曼和以色列的物理学家尤瓦尔内曼各自独立地在已有的强子分类中注意到了一种格局。他们把研究的基础放在数字对呈上，这种对称综合了各种强子荷载的已知守恒律，这种方法被称为——八正法，它不仅更好的解释了强子的许多问题，同样也像化学元素周期表一样具有预见性。在1963年末，预言的欧比个负粒子有布鲁克黑纹实验室的工作者们发现。从而确定了“八正法”的作用。

强子之谜似乎已经解开了，似乎路还很长。在发现强子不久，物理学家们就通过实验发现它们有一定的额空间延展性，也不像电子那样表现的似乎是一个几何点，而更像一个小球。在接下来，更多的实验中只是造就了更多的强子，而其内部到底是什么样子，仍就是一个谜。

写于2015/11/5  晚 

强子是否可以再分，理论上是可以的。夸克就是由理论物理学家为了解释强子而从数学想象中创造出来的。默里 盖尔曼和乔治 茨威格各自独立的设想强子是由更基本的粒子组成。以此来解决层出不穷的强子和其家族特征。1969年盖尔曼因揭开了强子对称的秘密而赢得了诺贝尔奖金。

究竟夸克是否真实的存在，直到1968年斯坦福大学的电子直线加速器（SLAC）投入使用才得到佐证。实验虽然并没有直接测到夸克，但是结论揭示了质子的电荷集中在点状结构上。从侧面说明了质子仍可以再分。

起初物理学家们认为所有的强子是由三种夸克（上、下夸克；奇异夸克）和其伙伴反夸克组成，但是随着不断的研究深入，数学对物理的影响逐渐加深。理论物理学家们以漂亮的数学对称为基础的有关相互作用着夸克的新理论认为夸克应该还有第四种，谢尔登 格拉肖及其在哈佛大学的同事们都始终坚持这种观点，并将新的夸克命名为“粲夸克”，在1974年夏，丁肇中和其合作者在布鲁克黑文国家实验室里面发现了一种新的介子，其组成符合关于粲夸克的预测。然而在这一发现不久，斯坦福又发现了一种介子，最终这些介子的集合体被称为粲偶素。1978年利昂 莱德曼领导的小组发现了另一种高质量的介子，它们被称为r介子，从而为夸克群增添了底夸克，1995年顶夸克也被找到。但是要说夸克是否只有这么多，这个谁也不敢保证。如果爱因斯坦的质能公式确实成立的话，粒子是由能量转化而成，那么夸克绝对不会是终点！

到现在一直讲的是关于“核子”的历史，但是这些核子只占粒子本身很小一部分的空间，还有大部分的空间存在，哪里又会有那些发现呢！

写于 2015/11/6

从原子的结构我们认识到，原子核虽然集中了原子的绝大部分质量，但是其体积却只有原子的万分之一大小，整个原子的大部分空间都被电子云占据着，电子早在1897年就已经被确认为粒子了。而物理学上，把与其具有相似特性的粒子统称为轻子。现在已知的轻子有电子、中微子、μ子、τ子。

保罗狄拉克把量子理论与相对论思想用数学方法结合起来，推导出了一个电子波必须遵守的方程——狄拉克方程。这个方程使人们能够更深刻的认识电子，而且方程的两个解将人们带入了正反物质的世界。二战后。蓬勃发展的量子电动力学内包了狄拉克方程，并且指认电子是真正的点粒子，没有进一步结构。似乎已是航程的终点，但它并不孤独！

μ子是1937年发现的，他是地球上宇宙线的主要成分，在μ子及其某些性质被揭示之后，物理学家II拉比曽发问“这是谁定的货”。物理学家们似乎不知道怎么对待μ子。

中微子的穿透性非常的强，泡利为了解决原子核放射性衰变前后能量差，而假定一种粒子的存在，当然在之后，人们找到了这些小家伙，因为其呈电中性，费米给它们起的名字叫“小小的中性粒子”。

τ子的发现即迟缓、又安静。早在1976年由马丁珀尔领导的小组在电子正电子对撞环里看到了一种奇特的效应，并推测这是一种新的轻子所引起的。在接下来的两年里，德国汉堡用类似的实验得到了肯定的数据。有一种新的质量约为电子3500倍的粒子。

这些轻子因为它们在高能状态下也表现为纯粹的点粒子，而被认为是真正的基本粒子。夸克被禁闭在强子内，轻子受到的作用力较弱，科学家们在思考轻子与夸克之间是如何进行相互作用的，胶子是作为两者之间的媒介而被引入的然而胶子是什么呢？物理学家在微观量子层次（原子、亚原子）来观察物质时发现其间只有四种基本的量子相互作用。分别是：引力相互作用；导致放射性的弱相互作用；电磁相互作用；束缚夸克的强相互作用。与之相对应的胶子则为：引力子；弱胶子；W正负粒子、Z0粒子；光子；色胶子。

引力之所以被认为是长程力，是因为在量子层次上引力极为微弱，一个质子与一个电子间的电磁力是其间引力的10的36次方倍，而在宏观层次上，则是引力占主导。

1923年一些实验检测到了质子发出的反冲电子，使得大多数物理学家认同光子的真实存在。20世纪20年代建立的量子电动力学，把光子看成是电磁场的胶子，光子被解释成量子化的电磁场。而电子则被解释成量子化的电场。经过许多物理学家们的努力，量子电动力学因为符合爱因斯坦的狭义相对论原理而被认为是巨大的成功，从而也为其他几种相互作用的解释提供了参照。

从历史上看，人类首先碰到的是弱相互作用，19世纪后期看到的镭盐奇异的辉光就是弱相互作用的体现，这种辉光其实是原子核发射的粒子所致。同引力相互作用和电磁相互作用一样，以“弱胶子”作为弱相互作用的媒介。而已知的弱胶子——W正负粒子、Z0粒子，都是欧洲核子研究中心通过270Gev的质反质子对撞机在1983年前后观察到的。

  强相互作用是束缚夸克的相互作用，而量子色动力学就是为了解释强相互作用而被创建的。根据其原理，一共有八种色胶子来提供束缚夸克的强力。

随着高能物理的快速发展，在能量不断升高的情况下，四种相互作用的区别开始缩小，大统一理论一直都是物理学家们所向往的。统一场理论认为在宇宙的初始，能量超高的那一小段时间，曾有一种高度对称的相互作用，随着宇宙的演进，能量的分散，逐渐分解成了现在的四种基本相互作用。我时常想，不知在那个小阶段“胶子”又该是怎样呢！现在的这些胶子和其他各种粒子，在宇宙最初的时间，是否也是统一的，只是一种粒子承载着我们现今这个五彩缤纷的世界，就像每一个人都是有受精卵分裂演化而成的一样。

写于2015/11/9晚 

诸子百家  告一段落