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科學發(fā)現的性質和數量判斷

2022-06-16 22:44 作者:鄧如山  | 我要投稿

事物內在的性質亦即事物的固有屬性,事物內在的數量亦即事物的固有數量,物理學的最小作用量原理在科學哲學上表述為“固有量原理”??梢远x一個物理學的“最小量原理”并將其分為最小作用量原理和最小轉化量原理,相應地可以把科學哲學的“固有量原理”分為固有作用量原理和固有轉化量原理。什么是科學哲學的固有量原理?可以將其統一地表述為:在物質和物質、物質和能量、能量和能量的相互作用和相互轉化中,物能體的相互作用遵守固有的或獨有的作用量,物能體的相互轉化遵守固有的或獨有的轉化量。

舉例說明什么是事物固有的屬性和固有的數量,氫在元素周期表中排在第一位,它是宇宙大爆炸首先產生的最輕、最簡單的物質元素,宇宙“大道至簡”的起源是從由一個質子和一個電子構成的氫原子開始的。氫原子在最早期的宇宙占到了物質原子的99.99%以上,在經歷了近138億年的物質元素核合成之后,今日宇宙的氫元素物質仍占到宇宙總質量的75%。地球上儲存的煤、石油和天燃氣將在本世紀末基本耗盡,作為“宇宙能源”的氫氣還將驅動宇宙數百億年的運行。

人類利用二次能源的氫氣已悄然興起,氫氣的熱值為120MJ/kg,相當于同質量的焦炭、汽油等化石燃料熱值的2到4倍。氫氣是一種理想的“綠色燃料”,它在和氧氣的燃燒過程中產生了“零碳排放”的水,而化石燃料的最大問題是在燃燒過程中產生了大量的二氧化碳等溫室氣體。引起了全球氣候的變暖,氫能和太陽能的固有清潔屬性使得它們成為了人類在二十一世紀理想的開發(fā)能源。

科學家預計,氫能在2050年將占到全球總能源消費的18%以上,市場價值高達2.5萬億美元。氫的固有熱值大,但氫在制取、儲存和運輸的每一個環(huán)節(jié)都面臨了技術、成本和安全的難題,氫在自然界屬于易燃、易爆的不穩(wěn)定氣體,氫在空氣中的體積濃度達到4%到75.6%時,遇到明火會產生爆炸。氫和水的存在方式遵循科學哲學形態(tài)論的等效原理,水有水蒸氣、流動的水和冰雪的形態(tài),氫有氣體、液體和固體的不同形態(tài),人們利用氫的三種形態(tài)進行氫的儲存和運輸。

舉例說明什么是科學哲學的等效原理?2012年7月4日,歐洲原子能研究中心所屬的大型強子對撞機(LHC)中兩個高精密度實驗室(ATLAS和CMS)的科學家宣布,他們找到了理論預期的“上帝粒子”或希格斯粒子。對撞機是物理學家用于發(fā)現基本粒子和檢驗標準模型理論的大型實驗儀器,這臺超級機器好似觀測微觀世界的超級顯微鏡?;玖W油ǔR跃薮蟮慕Y合能束縛在極其微小的物質結構中,大型加速器或對撞機通過高速粒子的碰撞獲得所需的高能量,能夠將基本粒子從結合能的束縛中解脫出來。


物理學家先是研制了直線和環(huán)形的大型正負電子對撞機,后是研制了能級更高的環(huán)形大型強子對撞機。通過電子束以接近光速的相互碰撞產生了希格斯粒子和其它高能粒子,通過質子束或離子束以接近光速的相互碰撞產生了希格斯粒子和其它高能粒子。物理學家在加速器內先是發(fā)現了三種夸克:粲夸克、底夸克和頂夸克,W±和Z玻色子,后是在LHC的實驗中發(fā)現了粒子標準模型中最后一個粒子或質量大約為1.25GeV的希格斯粒子。從上帝粒子的預言到初步證實,時光過去了48年,英國的物理學家希格斯活到了接受諾貝爾物理學獎的年齡。

通過大型正負電子對撞機和通過大型正負質子對撞機批量產生了希格斯粒子,兩種方式適合科學哲學途徑論的等效原理。電子對撞機和質子對撞機的兩種“希格斯工廠”各有各的優(yōu)勢,質子對撞機產生了很多的強子本底和非常大的信號噪音,難以精確測量希格斯粒子的特性,電子對撞機產生的電子本底很低,信號清晰,有利于對希格斯粒子的持性進行精確測量。中國科學家目前采用了高能環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)。

科學發(fā)現既是發(fā)現物能體固有屬性的過程,也是發(fā)現物能體在相互作用和相互轉化中固有作用量和固有轉化量的過程??茖W哲學的等效原理在事物固有屬性的概念上表現為等質原理,在事物固有量或固有作用量和固有轉化量的概念上表現為等量原理。有了等質和等量的“標準模型”,事物的低質性和高質性、同質性和異質性,低量性和高量性、少量性和多量性有了相互比照的判斷依據。

比如:從粒子標準模型預言的和從LHC證實的希格斯粒子存在固有的屬性,它是一種自旋為零的玻色子,但有些物理學家認為它的自旋不為零。希格斯粒子是自身的反粒子,不帶電荷,狀態(tài)極不穩(wěn)定的它在產生后立刻會發(fā)生衰變,希格斯場自發(fā)引起的對稱性破缺機制將質量賦予了基本粒子,W±和Z玻色子、電子和中微子等費米子,希格斯粒子或希格斯玻色子通過希格斯場獲得了不同的質量。人們在對撞機內通過探測器發(fā)現希格斯粒子的機會很小,它的固有衰變時間量很短,希格斯粒子一旦產生就會迅速地衰變?yōu)閯e的粒子,平均壽命僅為1.56×10的負22次方秒。

相信上帝存在的科學家似乎多于不相信上帝存在的科學家,英國科學家希格斯卻是一位無神論者,但“上帝粒子”的稱呼不是希格斯給出的。為什么物質和能量擁有這種基本屬性,而不是那種基本屬性?為什么物質和能量保持這樣的固有量,而不是那樣的固有量?比如:希格斯粒子形成了希格斯場,希格斯場賦予基本粒子以固有量的質量。希格斯粒子的更多屬性有待探明,它與粒子物理學和宇宙物理學有某些奇異的關聯性,希格斯粒子的質量和壽命是一個固有的常量??茖W難以問答的基本屬性和基本常量問題或者導向了宗教的信仰,或者導致了科學哲學客觀的不確定性原理和主觀的認不準原理。


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