在创造专有名词时,⼀个原则是要揭示事物的本质或指出其最重要的特性。新⽣事物刚出现的时候,科学家根据当时的理解⽽命名之。然⽽,随着科学的不断发展,在有些情况下,最初的理解不⼀定正确,所⽤的名词容易造成曲解。但由于该名词已经被⼈们⼴泛使⽤,要改过来就不容易了。笔者将对物理学中的⼀些重要名词作⼀番“咬⽂嚼字”,细究其词义,探讨背后深刻的物理含义。
量⼦⼒学是20世纪物理学最伟⼤的成就之⼀。量⼦⼒学中有很多经典物理中没有的概念,有些甚⾄违反⼈们的直觉。然⽽,正是引⼊这些看起来奇异的概念,才能准确有效地解释微观世界的实验现象。在量⼦⼒学的基础上,物理学家进⼀步发展出量⼦场论。在现代物理中,量⼦场论成为描述微观粒⼦的基本理论。
量⼦物理中的很多概念与⼈们在⽇常⽣活中的所⻅所闻相去甚远,要⽤恰当的专有名词描述这些概念并⾮易事。本⽂将基于量⼦⼒学与量⼦场论,考究与微观粒⼦相关的⼀些物理名词,探讨其物理含义。
原⼦可以分割。⼈们⽇常所⻅的宏观物体由原⼦或分⼦构成。19世纪初,化学家道尔顿建⽴原⼦论,认为物质世界的最⼩单位是原⼦,原⼦在化学变化中保持不变。分⼦是由多个原⼦通过化学键结合在⼀起⽽形成的。化学反应的本质就是分⼦分解为原⼦再重新结合成新的分⼦。
原⼦的英⽂是Atom,来源于希腊语,其本意是单⼀的、不可分割的。中⽂的“原”是象形字,本意是⽔流的发源地,后来写作“源”。原字的抽象意义是最初的、本来的,指事物的开始或根源,也可指原始的东⻄。例如,原料的意思是未经⼈为改变过的东⻄。中⽂的原⼦与英⽂的Atom在词义上相符合。
20世纪,随着近代物理实验和理论的发展,物理学家发现原⼦内部还有结构,是可以分割的。原⼦由原⼦核和电⼦构成,原⼦核在中⼼,电⼦分布在原⼦核周围。尽管原⼦的物理含义发⽣了变化,但不论是英⽂的Atom还是中⽂的原⼦这个词早已被⼴泛运⽤,因此也就⼀直沿⽤下来了。
基本粒⼦不可分割、没有形状。原⼦核也可以分割。原⼦核由质⼦和中⼦构成。质⼦和中⼦可以进⼀步分割,它们由夸克构成。夸克和电⼦是最基本的粒⼦。构成物质的最⼩或最基本的单元称为基本粒⼦。基本粒⼦不可分割。
根据量⼦统计理论,基本粒⼦可以分为费⽶⼦和玻⾊⼦两⼤类。费⽶⼦的⾃旋为半整数,玻⾊⼦的⾃旋为整数,分别以物理学家费⽶、玻⾊命名。
按照粒⼦物理的标准模型,世间万物皆由三代基本费⽶⼦构成。
例如,夸克、轻⼦都是最基本的费⽶⼦。电⼦是轻⼦的⼀种。夸克的英⽂原意是⼀种海鸥的叫声,其发现者盖尔曼从⽂学作品中得到灵感⽽⽤这个词来命名。三个夸克构成重⼦。重⼦因质量⽐轻⼦⼤很多⽽得名。质⼦和中⼦都属于重⼦。⼀个夸克和⼀个反夸克构成介⼦。介⼦的英⽂单词Meson源⾃希腊语的Mesos,是中间的意思。其发现者汤川秀树之所以⽤Meson命名,是因为介⼦的质量介于电⼦与质⼦之间。
⾃然界有四种基本相互作⽤,从强到弱依次是:强相互作⽤、电磁相互作⽤、弱相互作⽤和引⼒。传递相互作⽤的基本粒⼦称为“规范玻⾊⼦”。“玻⾊⼦”的意思是说⾃旋为整数,⽽“规范”则是因为与杨-⽶尔斯规范场理论有关。
例如,胶⼦是传递强相互作⽤的基本粒⼦。“胶”字形象地描述了强相互作⽤将夸克紧密地“粘”在⼀起,从⽽构成重⼦或介⼦。重⼦和介⼦因此统称为强⼦。原⼦核中的质⼦具有正电荷,质⼦之间有电磁排斥⼒,正是通过胶⼦传递强相互作⽤才能将质⼦“粘”在⼀起。
光⼦也是⼀种基本粒⼦。光⼦的英⽂是Photon,在希腊语⾥是光的意思。1926年,物理化学家吉尔伯特·路易斯⾸次使⽤Photon这个词来命名光的载⼦。后来这个术语被学术界⼴泛采⽤。由于光是⼀种电磁波,也是最常⻅的电磁波,因此光⼦的词义被进⼀步拓展,物理学家⽤它来命名传递电磁相互作⽤的基本粒⼦。
光⼦这个词让⼈直观地认为其具有粒⼦性。光⼦确实具有粒⼦性,这被光电效应实验证实。然⽽,光⼦同时也具有波动性,这被杨⽒双缝⼲涉实验证实。波动性这个特征并没有反映在“光⼦”这个词上。作者认为,将传递电磁相互作⽤的基本粒⼦命名为“电磁元”⽐“光⼦”更能反映其物理含义。
中⽂的“粒⼦”这个词容易让⼈联想起宏观世界中的固体颗粒,让⼈直观地以为粒⼦是有形状的。可能有⼈会问,电⼦是什么形状的?质⼦是什么形状的?是不是球状的?答案是:基本粒⼦没有形状。
粒⼦的英⽂是Particle,其词义是不可分割的基本单元。⾄于这个基本单元是什么形状,甚⾄是否有形状,与Particle的词义没任何关系。根据量⼦场论,基本粒⼦是量⼦场的⼀个最⼩能量单元。这是⼀个抽象概念,不像宏观物体那样有具体形状。因此,将Particle翻译成“基元”,⽐“粒⼦”更为确切。
原⼦轨道⽆轨迹。微观世界很多新的事物刚被发现时,⼈们习惯从熟知的宏观世界中借⽤已有的术语来命名之。随着科学的发展,⼈们才逐渐发现这些事物的本质与原先的理解并不⼀致,原有的术语不能很好地描述其真正含义。⼀个有名的例⼦是“原⼦轨道”。
在宏观世界,物体按照⽜顿⼒学定律沿着⼀定的轨迹运动。如果这个轨迹是确定的,通常被称为轨道。例如,地球围绕太阳公转,其轨道为椭圆形。在微观世界,情况则有所不同。
举个例⼦,电⼦刚被发现时,⼈们按照习以为常的经典⼒学观念,认为电⼦的运动具有轨迹,就像地球围绕太阳公转的椭圆轨道⼀样,电⼦也是沿着⼀个围绕原⼦核的椭圆轨道转动。然⽽,这个基于经典⼒学的模型有着严重的缺陷,它不能解释为什么加速运动的带电的电⼦不向外辐射能量。
量⼦⼒学建⽴后,电⼦由波函数描述,波函数的模⽅代表电⼦在空间出现的概率。
原⼦中的电⼦处于束缚态,这是微观世界的⼀种量⼦态,不同于宏观物体的运动状态。束缚态的电⼦像“云”⼀样分布在原⼦核周围,没有确定的运动轨迹。以氢原⼦为例,基态电⼦的概率分布是球状的,第⼀激发态电⼦的概率分布是哑铃状的,与经典物体的椭圆形运动轨迹完全不同。根据不确定性原理,电⼦的位置和动量不可同时被测量,也就是说,电⼦的运动轨迹是不确定的,没有运动轨道。
由此可⻅,⽤轨道即Orbit来描述电⼦的运动状态是不合适的。1932年,化学家罗伯特·⻢利肯提出以Orbital取代Orbit。这个提法被⼴泛接受,在现今的英⽂教科书和⽂献中,⽤Atomic Orbital来表示原⼦中电⼦的运动状态,简称为Orbital。在中⽂⽂献中,⼀般仍将Atomic Orbital翻译为原⼦轨道。值得注意的是,Orbital与Orbit的词义并不相同。
Orbit是指经典物理中所说的宏观物体的运动轨道。Orbital本来是由Orbit演化⽽来的形容词,本意是指与轨道相关的。但是,当Orbital作为名词使⽤时,特指量⼦⼒学中的原⼦轨道,其真实意思是束缚态电⼦的空间分布模式,与经典运动轨道完全不同。作者认为,将Orbital翻译成“束缚模式”⽐“轨道”更合理。Orbital也可以理解为电⼦在空间出现概率较⼤的区域,因此有些⽂献翻译为“轨域”。
还有些⽂献将Orbital翻译为“轨态”,意指⼀种量⼦束缚态。可惜的是,这些说法都没有被⼴泛采⽤。
⾃旋不是旋转。另⼀个从宏观世界借⽤来描述微观事物的术语是“⾃旋”。⾃旋是量⼦⼒学中⼀个容易让⼈曲解的概念。
1924年,泡利提出了著名的泡利不相容原理,即没有两个电⼦可以在同⼀时间处在相同的量⼦态。为了使得这个原理成⽴,泡利给电⼦引⼊⼀个新的⾃由度,称之为“双值量⼦⾃由度”。但是泡利没能说明这个“⾃由度”对应的物理实在是什么。
1925年,由克勒尼希、乌伦⻉克与古德斯⽶特提出,这个⾃由度对应的是电⼦⾃旋。按照经典物理的图像,将电⼦假想为⼀个带电的球体,其⾃转具有⻆动量,产⽣⼀个磁场,从⽽解释了在外磁场中原⼦能级分裂的实验现象。
然⽽,这个基于宏观物体⾃转的解释却有很⼤的问题。宏观物体的⾃转是指相对⾃身的某个轴做旋转运动,例如地球的⾃转。后来随着量⼦⼒学的进⼀步发展,理论和实验都认为,基本粒⼦不可分割的点粒⼦,没有轴,因此宏观物体的⾃转⽆法直接套⽤到微观粒⼦的⾃旋。
微观粒⼦的⾃旋只能⽤量⼦⼒学去解释。量⼦⼒学认为,⾃旋与质量、电量⼀样,是基本粒⼦的内禀属性。
⾃旋的运算规则类似于经典⼒学的⻆动量,也能产⽣⼀个磁场,但本质上与经典⼒学中的⾃转是不同的。⾃旋并不是指粒⼦⾃身在“旋转”,⽽是粒⼦与⽣俱来的⼀种“内禀⻆动量”。内禀的意思是说,⾃旋的取值只依赖于粒⼦的种类,不能被外部作⽤所改变。⾃旋的数值是量⼦化的,⽤⾃旋量⼦数描述。例如,电⼦的⾃旋量⼦数为1/2,光⼦的⾃旋量⼦数为1。
与⾃旋类似的概念是同位旋。同位旋是与强相互作⽤相关的量⼦数,⽤来区分处在不同电荷状态的粒⼦,例如质⼦和中⼦。同位旋是⼀个⽆量纲的物理量,不具有⻆动量的单位,因此与经典物理中的旋转⼀点关系都没有。之所以叫做“同位旋”,仅仅是因为其数学描述与⾃旋很类似。