厄缶實驗裝置

A. 快子難道比光子還快嗎

60年代以來，有人提出了超光速粒子的新課題，他們稱這種粒子為「快子」。超光速理論工作一般從狹義相對論出發，將其推廣，求得既適合於慢子(低於光速的粒子)和光子，又適合於快子的相對論理論。據理論上的推測，快子具有奇異的物理性質。它的質量是虛數，它的速度將隨能量的耗散而無限增加，當它的能量趨於零時，則速度趨於無窮大。快子一旦產生，就具有大於光速的速度。要使它的速度減小，必須供給它能量。如要減小到光速，則必須供給它無限大的能量才行，因此其速度不可能減小到光速或低於光速。快子的負能問題是一個復雜的問題。由於負能量的出現，將意味著任何一個物理系統，因為可能無限地釋放快子而處於不穩定狀態，系統將無限地增加自己的能量，從而導致永動機的出現。而且，更為使人驚異的是，即使無限地產生快子對，也不會破壞能量動量守恆定律，同時也不會改變真空中的總能量。另外，根據洛倫茲變換，快子從一個坐標系轉換到另一個坐標系的過程中，可能改變時間的順序，即時間倒流。這樣一來，也許就要出現像打油詩「年青女郎名葆蕾，神行有術光難追，快子理論來指點，今日出遊昨夜歸」所描繪的 「奇跡」。這兩個困難問題雖然可以藉助二次說明原理(即應該將一個具有負能量的粒子看作是先被吸收，然後再發射，這樣一來，負能量與時間倒流和正能量與時間順流的物理意義完全一樣，因而變換坐標系後物理定律依然不變)來解釋，但它並沒有解決不變的因果律的問題。另外，快子有可能以無限大的速度傳播，因而假若存在著快子，就可能瞬時傳遞作用信息，似乎又可能回到「超距作用」論的概念上去。不過，近10多年來，雖說在理論方面和實驗方面都作了不少的工作，但至今尚未取得重大突破。要使快子理論與現代物理學理論協調起來，還需要克服相當多的困難。不過，這卻有可能迫使人們跳出目前的理論框架，克服早已習慣了的觀念，從而產生巨大而深遠的影響。

相對性原理是狹義相對論的另一個基本原理，它認為一切慣性系彼此等價，沒有任何實驗能確定那個更為優越。但是，作為現代宇宙學兩個理論基礎之一的哥白尼原理(另一個是廣義相對論)卻要求，存在著描述宇宙演化的宇宙時標和宇宙空間的標准坐標，典型星系或星系團在其中的分布是均勻各向同性的。宇宙背景輻射和各向同性的發現等大量觀察資料都支持把哥白尼原理作為描述宇宙大尺度行為的基本原理。於是，宇宙時標就是相對優越的時標，它描述著宇宙的演化，而相對於這個時標的同時性在宇宙演化上具有本質的意義。典型星系或星系團均勻各向同性的空間就是宇宙背景空間，它相當於一個優越的坐標系。可以推知，若在相對於該坐標系以某一速度運動的參照繫上觀測星系，就會發現它們的分布不是均勻各向同性的，因此原則上就有可能測出運動坐標系相對於優越背景空間的速度。現在，已有人測出地球相對於各向同性背景輻射(優越的背景空間)的速度為每秒數百公里，這和地球相對於典型星系或星系團的速度是基本一致的。眾所周知，作為整個相對論物理學根基的狹義相對論，恰恰否定了牛頓的絕對時間和絕對空間，否定了同時性的絕對性。雖然宇宙時標和宇宙背景空間的概念並不是牛頓的絕對時間和絕對空間，相對於宇宙演化的同時性也不是牛頓意義的同時性的絕對性，但在概念的物理意義上畢竟有可以比擬之處。這表明，狹義相對論的時間、空間概念以及慣性運動和慣性系的概念，還有相對性原理本身，在宇觀尺度上統統不再成立了。這樣一來，對於這個宇宙背景空間上的局部引力現象的更精確的描述就應以宇宙學原理為基礎，而不應當以廣義相對論為基礎。這意味著相對論在宇觀尺度范圍內必須從根本上加以改造。

愛因斯坦為了在相對性原理(意味著一切慣性系平權，沒有優越的慣性系)和光速不變原理(指光速在「空虛空間」中不變)上建造他的狹義相對論，他就沒有必要再保留以太概念。但是，空虛空間的概念畢竟是一個令人困惑的概念，愛因斯坦本人在建立廣義相對論時，也認為空虛空間是不可思議的，為此他賦予空間以物質的內容，引入了所謂的「相對論以太」。但廣義相對論並非狹義相對論的簡單推廣，所以狹義相對論中的「空虛空間」是一個幽靈。愛因斯坦後來想在統一場論中解決這個問題，但他的宿願未能實現。1929年，狄喇克在解決相對論性電子理論產生的負能困難時，提出了一個基於新的真空圖像的解決方案。原來，空虛空間即真空並非一無所有，而是所有的負能態都已填滿，所有的正能態都未被占據的最低能態，它作為一種普通存在的背景並沒有可觀察效應。因此，真空不再是絕對的虛空，而是—種充滿了物質實體的存在形式，這就給愛因斯坦的「相對論以太」描繪了一幅實在的圖景。在某種意義上也可以說，這是古老的以太概念在新科學中獲得了「新生」。比如，在現代場論中佔有重要地位的真空自發破缺，就與這種「新以太」觀念有著內在的聯系，而當前對真空結構的研究就可以看作是對以太結構的研究。其實，李政道博士在研究「不尋常核態」的工作中，也發現空虛空間存在著真空物質。現在，人們已經認定，真空是一種物理實體，它能對其它物質發生影響；真空具有相對論不變性，在有的情況下，真空也系某種介質，當不滿足某種不變性時，就形成真空自發破缺，從而使規范場粒子獲得靜止質量；處於真空狀態的場仍保持持續不斷的振盪，即所謂真空起伏，非阿貝爾規范場有一類特殊的叫作「瞬子」的真空物質。

廣義相對論是物理學理論寶庫中前所未有的珍品。這個理論以其概念的深刻、結構的嚴謹，內容的新穎和推論的精確而為人稱道，但它之所以能轟動一時，主要還在於它解釋了牛頓引力理論無法解釋的水星近日點的剩餘進動，並預言出不久經過實驗證實的光線偏折和引力紅移。50年代，有人改良了儀器設備，將厄缶實驗的精度10－8提高到10－11，證明引力質量與慣性質量相等，近幾年又有人將精度提高到10－12的數量極，這也是對等效原理的支持。由於採用穆斯堡爾效應，科學家在實驗室中驗證了引力紅移。有人早已通過測量人造衛星中懸浮陀螺的進動，來驗證廣義相對論。70年代初，又有人通過測量對遙遠行星的雷達回波的方式檢驗了廣義相對論。70年代末，幾家大天文台同時報道採用射電天文學的方法測量某些類星體發出的射電信號經過太陽的彎曲程度，大大提高了檢驗光線偏折的精度，對廣義相對論提供了新的實驗支持。

但是，廣義相對論也面臨著一些困難和亟待解決的問題。廣義相對論一建立，愛因斯坦就企圖用它來描述作為一個整體的宇宙大尺度的行為。從此以後，廣義相對論和天文學密切結合，形成了相對論天體物理學的一個富有成果的領域——現代宇宙學。值得一提的是，現代宇宙學在60年代取得丁長足的進展，觀察材料已經支持早期宇宙的大爆炸模型，發現了空間各向同性的微波背景輻射。在這里，尤為值得一提的是霍金(S．Hawking)等著名的相對論學者關於黑洞理論和大尺度時空結構的研究。

廣義相對論的引力場在理論上存在著奇性，這種奇性具有十分奇特的性質，沿著短程線運動的粒子或光線會在奇性處「無中生有」或不知去向。按照廣義相對論，演化到晚期的星體只要還有兩三個太陽的質量，就會遲早變為黑洞，包括光線在內的任何物體都會被黑洞的強大引力吸到裡面而消失得無影無蹤。不僅如此，黑洞還要不斷坍縮到時空奇性。時間停止了，空間成為一個點，一切物理定律，包括因果律都失去意義，一切物質狀態都被撕得粉碎。此外，經典理論中的一個黑洞永遠不能分裂為兩個黑洞，只能是兩個或兩個以上的黑洞合為一個黑洞，其結果很可能是整個宇宙變為一個大黑洞，並且早晚要坍縮到奇性。尋找黑洞的觀測工作也在穩步進展。1970年底，美國和義大利聯合發射了載有X射線探測裝置的衛星，這顆衛星工作到1974年，共探測到161個射線源，經篩選確認，天鵝座X-1最有希望是一個黑洞。另外，圓規座X-1與天鵝座X-1數據非常相似，也很有希望被證認為黑洞。現在，關於黑洞的理論的研究正在進展，觀察結果還有待進—步證實。無論如何，廣義相對論竟然要求這類難以接受的奇性，無疑是一個難題。或者廣義相對論本身要修改，或者物理學的其他基本概念和原理要有重大變更。

大爆炸宇宙學的研究越來越追溯到更早期的宇宙。特別是80年代以來，根據大統一理論發展起來的暴漲宇宙學，開始研究宇宙年齡約為10－36秒或更早期的情況。當宇宙年齡小於10－36秒時，宇宙間不僅沒有星球，沒有化學元素，甚至連任何基本粒子也沒有，有的只是時間、空間和物理的真空。繼續追溯這種非常單純、非常對稱的狀態，便會得出時空創生於無(當然也就是說宇宙創生於無)的結論。其實，空間和時間的非永恆性，在相對論和量子論中已有強烈的暗示。按照相對論，不同的運動觀測者將測得不同的時間值。最有趣的例子就是雙生子佯謬，它描述的是兩個觀察者開始在一起，最終又在一起，但由於中間的運動情況各不相同，則二者所測得的歷時是不一樣的。因此，原則上講，要精確地測量時間，就必須精確地知道測量者的運動軌跡。然而，量子論中的測不準原理告訴我們，不可能精確地了解任何一個物體在時間中的運動軌跡，從而也就原則上否認了精確測定時間的可能性。這個精度的限制是

lp～(hG/c3)1/2～10－33厘米，

tp～(hG/c3)1/2～10－43秒，

其中h是普朗克常數，G是萬有引力常數，c是光速。lp和tp分別叫做普朗克長度和普朗克時間。它們的意義是：我們無法造出一種「尺」和「鍾」，用來測定小於lp的長度和小於tp的時間。一個量在原則上不能測量，就不會有物理意義。這表明，在小於lp和tp的范圍內，空間、時間概念就失效了。1983 年以來，霍金就致力於發展一種宇宙的自足理論。1984年初，他和他的合作者得到了第一個完整的宇宙自足解。該理論的第一個要點是建立非時間的理論，這種新的「時」空，實際上是一種歐幾里得空間，其中不再含有時間坐標。該理論的第二個要點是給出上述歐氏空間的創生幅度，即宇宙創生於無的幅度。霍金只就簡單的情況作了計算，還不能看作是真實宇宙的解，而不過是玩具式的模型而已，但它無疑向人們提出了一個值得深思的問題：我們關於時空和宇宙的傳統觀念是否一貫正確?這當然是向現代物理學和哲學的挑戰。

50年代末到70年代初，廣義相對論經典理論的研究也大大深化了，其中引人注目的是引力波的進展。一開始，對於廣義相對論是否存在引力波的問題一直爭論不休，因為人們當時搞不清廣義相對論中的引力波會不會僅僅是一種坐標效應，這在很大程度上是對廣義相對性原理的不恰當的理解而引起的。60年代初，人們弄清了在理論上的確存在引力波。引力波可以看作是以光速傳播的力場，它和電磁波在許多方面類似，和坐標系的選擇毫無關系。由於引力波與物質的相互作用十分微弱，這給探測引力波的工作帶來了很大的困難，用實驗方法產生引力波的困難尤為嚴重。美國馬里蘭大學韋伯(J．Weber)教授於1958年開始進行引力波的實驗，經過10餘年的努力，曾宣布檢測到來自銀河系中心的引力波，但結果不十分可靠，目前尚無定論。美國的泰勒等人測出射電脈沖雙星PSRl913+ 16的公轉周期變短，測得周期變率為(－3.2±0.6)×10－12，並在20％的誤差范圍內與廣義相對論輻射阻尼理論符合，這個結果可以看作是引力波存在的第一個間接的定量證據。1982年，他們又進一步發展了減小誤差後的結果。不過，人們還希望利用多普勒跟蹤法或激光測距法觀測兩天體在引力波作用下間距的變化來直接探測引力波。現在，美國航天局和歐洲航天局正在加速這方面的研究，並使測距精度大大提高(例如地球和月亮的距差為±5厘米)，其靈敏度 Δl／l已達10－13～10－16，即便如此，還需把精度提高四個數量級才有可能探測到引力波。為此，歐美曾計劃在1985年發射兩艘深空間飛船（伽利略號和國際太陽極任務號），屆時可望將測量精度提高到10－20。一旦引力波探測工作取得成功，就可以進而研究引力波的性質，從而就會判明那種度規理論對宏觀引力現象的描述更符合客觀事實。

由以上有關描繪也可以看出，引力問題已處於一個充滿矛盾的新時期。雖然廣義相對論經過一些實驗檢驗，與其他理論相比可以看作是描述宏觀引力現象的一個較成功的理論，但它在處理某些極端條件下的問題(黑洞、引力坍縮、奇點、宇觀優越坐標系、10－36秒之前的早期宇宙等)時，又表現出一定的局限性。因此，廣義相對論也是人們認識發展過程中的相對真理，它也面臨著亟待改革的形勢。人們為了解決四種作用力的統一描述和引力領域內的各種矛盾問題，正在已有的理論上發展引力規范理論和超引力理論。

關於統一場論，愛因斯坦從1923年起直到1955年去世，一直從幾何學的觀點出發，企圖把電磁場和引力場統一起來(幾何統一場論)，但是沒有取得具有物理意義的成果。但是，在30年代和40年代，隨著弱相互作用、強相互作用以及各種基本粒子的大量發現，統一場論又中興起來。50年代，海森伯不是從幾何學角度，而是從量子場論的角度出發，提出了一種量子統一場論，想用統一的自旋場把各種基本粒子和它們的相互作用都囊括進去，也沒有獲得決定性的成功。 1954年，楊振寧和米爾斯為統一場論開辟了道路。他們推廣了魏耳的規范不變思想，提出了揚-米爾斯場即非阿貝爾規范場理論。這種理論與拓撲學中的纖維叢概念有著密切的聯系，它雖然在數學上很完美，但在描述各種相互作用時卻遇到了困難。三年後，施溫格建議一種可能導致弱電統一理論的矢量介子理論。到60年代，電磁場理論已由20年代的非量子化的相對論性電動力學發展成量子化的量子電動力學(QED)，為統一場論的建立奠定丁理論基礎。1961年，施溫格的學生格拉肖發展了一種弱相互作用理論，它同電磁相互作用有驚人的相似之處，並採用四個生成元，即光子、W＋、W－粒子和中性流矢量玻色子，也就是現在的 Z0粒子的SU(2)XU(1)群。1967年，溫伯格和薩拉姆分別獨立地採用這四個生成元發展了一種弱、電統一理論。這種統一理論解決了楊-米爾斯理論的困難，它後來被稱為量子味動力學(QED)。70年代以來，不僅弱、電統一理論得到了一些實驗的支持，而且描述強相互作用的量子色動力學(QCD)的出現也為統一強相互作用提供了可能性。在量子色動力學中，強相互作用也是非阿貝爾規范場，它存在於強子之間和之中，它的場源是色荷，規范變換群是SU(3) 群，其規范粒子是膠子，強相互作用是膠子同色荷相耦合而成的。這樣，弱、電、強三種相互作用的表現形式是一樣的，它們都是規范場。在這個基礎上，美國物理學家格拉肖和喬奇等人通過選擇新的規范群SU(3)，建立起統一描述弱、電，強三種相互作用的大統一理論。至此，人們自然希望把引力相互作用也用規范場統一起來。愛因斯坦在世時就知道引力相互作用也是一種規范場，現在的問題在於不了解引力相互作用與其他三種相互作用如何發生聯系。盡管引力場的量子化問題已經取得實質性的進展，然而廣義相對論的引力論卻在量子化以後可否重正的問題上遇到了難以克服的障礙。有人雖則在廣義相對論的基礎上加進了含場量高階微商的新的作用量，得到了可以重整化的量子引力理論，但這又破壞了保證幾率守恆的幺正性，在物理上也是不能成立的。關於四種相互作用的統一，另一類工作是超對稱、超引力理論，這是近年蘇聯、美國和西歐一些學者致力研究的課題，並相繼提出了幾種理論，但在理論上還存在不少困難，在學術界爭議也很大。不過，令人欣慰的是，西歐核子研究中心龐大的超同步質子加速器讓正反質子對撞並湮沒，在1983年1月首次報道產生了W＋和W－粒子，6月又報道發現了Z0粒子，這是 20世紀物理學的最重大事件之一。這三種傳播弱相互作用的粒子是溫伯格-薩拉姆理論所預言的，它們的產生給弱電統一理論以決定性的支持。就在同一年，丁肇中小組三噴注事例的發現，證實了膠子的存在，從而有力地支持了量子色動力學和格拉肖、喬奇等人的大統一理論。人們可望在四種相互作用的統一方面取得突破，這將對物理學產生舉足輕重的影響。

粒子物理學也是當代物理學發展的前沿之一。從30年代起，人們把當時已知的電子、陽電子、質子、中子和光子統稱為「基本粒子」，認為它們是構成物質世界最基本的磚塊，這樣就誕生了「基本粒子物理學」。從40年代起，在約20年之間，人們發現的粒子已達30種，從而認識到「基本粒子」並非基本，研究它們的學問也就被稱為「粒子物理學』了。

當時，人們按自旋將粒子分為兩類：凡自旋為h／2的奇數倍的粒子叫費密子，凡自旋為h／2的偶數倍的粒子叫玻色子。這樣，參與電磁相互作用的光子是玻色子，參與電磁和弱相互作用的輕子是費密子，而參與電、弱、強三種相互作用的強子既有費密子(即重子)，又有玻色子(即介子)。不論光子、輕子、強子，都參與引力相互作用。60年代伊始，由於高能質子加速器的建成，在短短的兩年內就產生了壽命約為10－23至10－24秒的短命強子。這樣一來，人們自然提出了一個問題：這些粒子是不是有更深的層次?於是，誇克(國內稱層子)模型應運而生。這種模型指出，在強子之下還有一個物質結構層次，即誇克，而強子則是由誇克或反誇克組成的。與此同時，還有弱作用不守恆和電荷共軛不守恆的發現。60年代到現在，正如我們在上面所述的，關於統一場論的理論研究和相互作用粒子的實驗工作也取得了長足的進步。截止目前，人們知道的誇克和反誇克共有36種(它們有不同的「色」和「味」)，輕子和反輕子共有12種，而由誇克和反誇克構成的強子已達數百種之多。但是，人們花了20年時間，「上窮碧落下黃泉，兩處茫茫皆不見」，至今仍未找到自由誇克的影子。於是有人認為，誇克好像永遠 「禁閉」在強子中一樣，只有用無限大的能量才能把它「拉」出來，這就是所謂的「誇克禁閉」問題。九年前有人利用電子計算機作非微擾計算，發展了一種格點規范理論，初步肯定了禁閉的存在，但依然不了解其具體機制。由於各種誇克和輕子多到48種，而它們的電荷和其他性質又有周期性的變化，人們又設想它們是否還有更深的層次，為此也提出了一些亞誇克模型，但這只是誇克模型的仿製品，並無質的突破。這就向人們提出：物質是否無限可分?可分性究竟應該如何理解?而且，粒子物理學的研究表明，量子化的場是比粒子更為根本、更為普遍的存在。自由粒子只不過是場在激發時的一種狀態，在真空情況下，沒有自由粒子，但場依然存在。這也許為最終消除愛因斯坦所不滿意的二元論(粒子和場)找到了歸宿。不用說，這一切還有待於深入揭示，新的突破必定會引起科學理念的革新。

磁單極子問題也是當代物理學一個饒有興味的課題。自1931年狄喇克從理論上提出磁單極子(帶正磁荷或負磁荷的粒子)可能存在的論證後，人們對這個課題開始了積極的實驗探索和理論研究。目前，實驗上的探測主要從三方面著手：高能加速器的實驗，宇宙線的觀測，古老岩石的觀測。用第—種方法還未觀測到磁單極子，一般認為這是能量尚不夠高的緣故。從宇宙線中找磁單極子的物理根據有兩方面；—種是宇宙線本身可能含有磁單極子，另一種是宇宙線粒子與高空大氣原子、離子、分子等碰撞會產生磁單極子對。近年，人們曾採用超導量子干涉式磁強計在實驗室中進行了151天的實驗觀察記錄。據1982年初報道，測量到一次磁單極子事件。在排除了各種可能的於擾因素後，計算出到達地球表面的磁單極子上限為每立體角的單位面積上每秒有6.1×10－10個磁單極子，即每年用這種裝置可測到1.5次磁單極事件。這一實驗探索還在進一步進行中，人們不斷改進實驗裝備，以求得到更加可靠的觀察結果。另外，如果磁單極子含量很少，那麼異號磁單極子復合湮沒的幾率就很低，因而它們就有可能保存下來，能在地球上的古岩石、隕石或其他天體的岩石中找到。可是，迄今還沒有找到確鑿的證據。與此同時，關於磁單極子的理論研究也在積極進行之中。施溫格(1966年)和茲萬齊格(1971年)分別克服了狄喇克理論中的若干困難和不足之處，利用兩個電磁勢建立了電荷與磁荷完全對稱處理的理論。1976年，楊振寧等利用纖維叢的新數學方法，建立了沒有無物理意義的奇點的磁單極子理論，在磁單極子理論的發展中開辟了新的途徑。近年來，也出現了一些超越麥克斯韋電磁方程組框架的非傳統理論，例如統一規范理論、愛因斯坦-麥克斯韋耦台場理論和超光速參考系理論。而且，有關理論還在基本粒子的微觀世界和宇宙演化的宇觀世界得到了應用。總而言之，在關於磁單極子實驗探索和理論研究的半個多世紀中，人們進行了遍尋天上、地下的各種現代實驗探測，採用了量子論、相對論和統一場論的復雜理論手段，聯繫到最廣袤的宇觀世界(宇宙論)和最細微的微觀世界（粒子物理），涉及到極漫長的(古岩石)和極短暫的(宇宙演化早期)時間尺度。當前，這一探索和研究仍在繼續之中，它不僅給物理學帶來了活力，而且也向兩極不可分離的哲學信條提出挑戰。

近10多年來，關於非平衡統計物理學的研究前景也十分誘人，非平衡相變、耗散結構、協同學等就是其中比較活躍的研究領地。這幾年，人們注意到，遠離平衡的系統可能經過突變進入混沌(chaos)狀態，而且混沌態可能並不比時空有序的狀態更「無序」，混沌態和耗散結構還可能交替出現。現在，人們大體上已了解到，混沌是非常普遍的自然現象，在一定的意義上講，混沌狀態比無理數要多得多，而且混沌序(內在隨機性)比自然界存在的有理序(周期性)、無理序(准周期性)更「高級」，即使在通常認為由決定論統治的牛頓力學中，也普遍地存在著內在隨機性，完全確定論的描述在牛頓力學中倒是少如鳳毛麟角。但是，混沌決不是簡單的無序，而更像是不具備周期性和其他明顯對稱特徵的有序態。在理想情況下，混沌狀態具有無窮的內部結構，只要有足夠精密的觀察手段，就可以在混沌態之間發現周期和准周期運動，以及在更小的尺度上重復出現的混沌運動。正因為如此，我國學者才從古漢語中引用「混沌」一詞(氣似質具而未相離，謂之混沌)來描述這種奇特的現象。混沌轉變和非平衡相變都是經過突變而不是漸變實現的，這說明混沌狀態的出現也與對稱破缺有關。現在重整化技術已經成功地用於混沌轉變的研究，已有一批反映通向混沌道路的數學模型，而且新的實驗報道也在不斷涌現。這個成為80年代重要研究課題的進展，也許不僅會導致數理科學中基本觀念的又一次革新，而且可能導致對偶然性和必然性、確定論和概率論等哲學范疇以及自然科學方法論的更深刻的認識。

此外，等離子體物理、凝聚態物理等領域，也是當代物理學的前沿，我們就不在這里一一評論了。有興趣的讀者，可參閱國內有關學者一些評述性文章和國外的有關雜志。不過，從上述材料我們可以看到，當代物理學的發展雖然存在著一些革命性的因素，暴露出相對論和量子力學的某些局限性，並誕生了某些新科學觀念，但是十分明顯的是，它們基本上還是在相對論和量子力學這兩大理論體系的基礎上發展著。這些革命性的因素盡管還未使當代物理學面臨「山雨欲來風滿樓」、「黑雲壓城城欲摧」的危機之勢，但隨著它們的日積月累，必將在將來的某個時候導致新的物理學革命，從而使整個物理學乃至人們的思維方式來一個大改觀。

B. 厄缶實驗:重的與輕的物體誰下落得快

在沒有空氣阻力的情況下，一樣快

C. 1980年厄缶精密扭秤實驗

假說的提出
這是一個「老掉牙」的故事，想必大家都聽說過。16世紀末，義大利著名物理學家伽利略，在比薩斜塔上做了一次公開實驗：他的兩只手中，拿著兩個不同重量的鐵球，一個十磅重，一個一磅重，兩個鐵球同時脫手，而且同時著地。這個實驗結果，推翻了亞里士多德保持了兩千多年的理論，因而在近代物理學史上傳為佳話。
可是問題並沒有就此完結。現代物理學的理論可以證實，真空中兩個不同重量的鐵球，從相同的高度同時下落，一定會同時著地的。但是兩個不同材料構成的物體，比如一根羽毛和一個鐵球，是不是也具備同樣的性質呢？
我們知道，在生活中，羽毛的下落速度，明顯比鐵球慢得多。據說這也是當初亞里士多德理論的來源之一。伽利略認為，這是由於羽毛的重量太輕，因此在下落的過程中，會受到較大的空氣阻力。如果在真空中，羽毛和鐵球從相同的高度同時下落，一定也會同時著地的。
由於實驗條件的局限，伽利略沒能在有生之年完成這個實驗。隨著科技的發展，人類在自然界中製造出了高真空，伽利略的遺願終於可以實現了。在真空中，人們看到羽毛和鐵球從相同的高度同時下落，果然是同時著地的。
本來，這個懸案應該到此為止了。可是進入20世紀以後，人們又發現了新的問題。1922年，匈牙利科學家富佛斯在一次真空實驗中發現，不同重量、不同材料的物體，從相同的高度同時下落，並不是完全同時著地的，而是存在微小的時間差距。但是富佛斯的發現並沒有引起當時物理界的關注。
富佛斯的發現被擱置了60多年。直到1986年，世界物理學界才開始認真研究富佛斯的真空下落實驗，結果得到了令人更為吃驚的結論： 在真空中，羽毛竟然比鐵球先著地！400年前伽利略的猜想，又被推翻了。
經過大量細致的研究，現代的物理學家們總結出了如下結論：正在下落的物體，不僅受到重力的作用，而且還有一個較小的「排斥力」在搗亂。這種「排斥力」的方向剛好與重力相反，因此影響了物體下落的速度。現代物理學中，把這種「排斥力」稱為「超負載力」（也稱為「超電荷力」）。由不同材料構成的物體，所受到的「超負載力」也不同。這就是「真空中羽毛比鐵球下落快」的原因。
在「超負載力」被發現之前，人類所知道的「力」總共可以歸結為四大類，即萬有引力、電磁力、強相互作用和弱相互作用。而這種「超負載力」不能歸於四類中的任何一類，只能獨立成「第五種力」。
當然，這「第五種力」是不是存在，物理學界尚有爭論，因為大量實驗的結果並不是完全一致的。因此，人類對這種「超負載力」的認識，還處在初級階段。亞里士多德和伽利略這兩位偉人留給後人的懸案，何時能夠完全了結呢？讓我們拭目以待吧。
在現實生活中，雞毛和鐵塊，哪個落得快，答案是清楚的。至於雞毛為何比鐵塊下落得慢呢？人們解釋說，這是由於地球周圍存在著大氣圈，雞毛所受的浮力大於鐵塊。
如果在真空管中，雞毛和鐵塊，哪個落得快，情況就不同了。當然，答案也是清楚的：雞毛和鐵塊將同時落到底部。
至此，不同重量的兩個物體究竟誰先落地似乎已明白無誤了。
然而在1992年，匈牙利的勞倫特·馮·富佛斯等在一次實驗中發現：不同重量物體的下落時間略有不同。可當時這一發現卻未引起人們的重視。
近二十餘年來，美國的朗格等對富佛斯的實驗重新進行分析，他們發現：雞毛和鐵塊的下落速度確實不同，而且雞毛的下落速度要略大於鐵塊。請注意，現在是輕物要比重物下落得快，這又是什麼原因呢？
朗格根據自己的實驗及1891年以來有相當可靠程度的七組實驗結果認為，在實驗室尺度上，牛頓的引力平方反比定律和實驗相比有一系統的偏差。這個偏差，可以表示為引力常數隨距離的變化。
以後，對大量地球物理實驗結果的分析證實了它的存在，並把它歸結為存在一種不同於牛頓引力的新力，稱之為第五種力。正是由於這種新力的暗中作梗，才使得雞毛捷足先登。當然，第五種力的提出，畢竟還只是一種假說而已。
為了弄清這種新力的起源，以弗許貝克博士為首的一組美國物理學家，還重新分析了歷史上著名的厄缶的質量等價實驗。
我們知道，質量有兩個定義，一個反映慣性的大小，叫慣性質量，以符號m慣表示，根據的是牛頓第二定律：F=m慣·a式中，a為力F作用下的物體的加速度。
另一個反映引力的大小，叫引力質量，以符號M引表示，根據的是萬有引力定律：
式中，G為引力常數，m與R分別為地球的質量與半徑，F為物體所受地球的引力。
對於地面上的自由落體運動，應有
這兩個定義不同的質量，是否有一定的比例關系。通過實驗證明，它們之間有嚴格的比例關系。
最早的證明就是伽利略的自由落體實驗，可得：
其次，牛頓提出三大運動定律和萬有引力定律，也必然碰到兩種質量的關系問題。他用不同材料充當單擺的擺錘，進行比較它們的擺動周期的實驗，亦可得：
但是，從實驗方法來說，不論是自由落體實驗，還是單擺實驗，測量精度都不高。因為這兩種實驗都是動態的，涉及位置和狀態的變化，還會受其它因素，例如，空氣阻力的干擾。
於是，匈牙利的厄缶設計了更為精確的質量等價實驗。他採用扭秤方法，把動態實驗改為靜態實驗，直接比較兩個物體的慣性質量和引力質量，從而大大地提高了實驗精度。
一根橫桿懸掛在細線下，橫桿兩端對稱地固定著材料不同、但質量相同的重物A和B。這兩種重物都會受到重力m引·g和地球自轉造成的離心力
性質量與引力質量等價，則兩重物所受離心力相等，力矩互相抵消，扭秤維持平衡。如果慣性質量與引力質量不成正比，則扭秤失去平衡，而使懸絲扭轉。
那麼，如何測定懸絲扭轉呢？厄缶用望遠鏡對准懸絲上掛著的小反射鏡，觀察望遠鏡上方的短刻度標尺，從而測量偏轉角。為了避免系統誤差，厄缶還將橫桿轉180°，換一個方向測量。
如此精確系統的測量，1889年厄缶得到的第一次結果，實驗精度達η≤5×10-8。1980年得到第二次結果，η=3×10-9，後一結果直到厄缶死後三年才正式發表。
細心的弗許貝克認為，厄缶當年列出不同材料引力加速度的極微小差別也許不是實驗誤差，有可能是真實效應。也就是說，對於真空的自由落體，輕物下落快、重物下落慢，過去把它歸咎於實驗中偶然出現的一種干擾，可是弗許貝克等卻不輕易放過這一反常現象。
他們認為，在真空中，輕物（比如雞毛）之所以比重物（比如鐵塊）下落快，正是因為對物體起作用的不僅是重力，另外還有一個較小的排斥力，弗許貝克等稱其為「超電荷力」，也就是第五種力，它與兩個物體之間的引力方向相反，並使不同結構和質量的物體產生稍微不同的加速度。
[編輯本段]已知的四種力
本質上講，自然界所存在的多種類型的力，都可歸結為四種基本相互作用。那就是引力作用、電磁作用、強相互作用、弱相互作用。
我們現在所觀察到的宇宙，其尺度約為150～200億光年。宇宙中的一切物體都是由一種看不到的力量在主宰著，那就是引力作用。但是它在強度上是四種基本相互作用中最弱的一種。
電磁作用是帶電粒子與電磁場的相互作用以及帶電粒子之間通過電磁場傳遞的相互作用。在強度上它次於強相互作用而居於四種基本相互作用的第二位。電磁力和萬有引力一樣是宇宙中普遍存在的一種長程力。
主宰著微觀世界的是強相互作用和弱相互作用。強相互作用是使核子結合成原子核的作用。在強度上它是四種基本相互作用中最強的一種。它不像萬有引力和電磁力那樣是長程力而是短程力。但是它的力程比弱相互作用的力程長，約為10-13cm。大約等於原子核中核子間的距離。
弱相互作用是存在於原子核內部的一種相互作用。在強度上它次於強相互作用和電磁作用之後居於四種基本相互作用的第三位。它也是一種短程力，力程約為10-15cm，比原子核的半徑還小兩個數量級。因此，這種力在極短距離內起作用，盡管如此，它在自然界中卻扮演著相當重要的角色。沒有它，太陽和許多恆星就會熄滅，無法產生由氫形成氦的持續聚變。
這樣，四種強度懸殊、性質各異的基本力，完全控制了我們的宇宙。不過，物理學家們早就懷疑這四種力在宇宙混沌初開的某一階段可能原來是一種作用力，後來隨著宇宙的演化而各自成家了。
長期以來，不少物理學家就致力於這四種基本力的統一工作，以還其廬山真面目。1967年溫伯格和薩拉姆成功地把電磁作用和弱相互作用統一起來，建立弱電統一理論。
目前，物理學家們正乘勝出擊，致力於建立所謂大統一理論，把電磁作用、弱相互作用和強相互作用三種基本力統一在一起，以及更進一步地建立起大統一理論，把所有四種基本力統一起來。
由於自然界的四種基本力是決定所有物質運動及其運動狀態的依據。現在有可能存在第五種基本力，自然引起物理學界的極大興趣。
[編輯本段]實驗證明
然而，第五種力是否真正存在，首先是一個實驗問題。所以近二十餘年來，人們在實驗室里、礦井中、電視塔上、懸崖旁、海底下做了大量實驗，設計了許多精密儀器，以便證實或否定它的存在。探測第五種力的實驗大致可以分成下列三類。第一類實驗是把地球作為引力源，測量離地心不同距離處重力加速度的變化，以此和按牛頓平方反比定律算得的理論值相比較。例如，墨西哥灣1100平方公里范圍內海底海面的703個重力數據；澳大利亞西北昆士蘭14000個鑽孔提供的地層及重力數據等。
第二類實驗是測量同一引力源（如大崖岩石）對質量相同而成分不同的物體的引力作用差別。例如美國布魯海文國家實驗室的新型加速度儀，實驗中浸在水中的懸浮銅球殼（內充滿水），在高出哈得遜河161米的崖壁的作用下，測其加速度，分析銅與水所受到的作用力大小。
第三類實驗測量反物質——目前用的是反質子和正電子——在地球引力作用下的加速度，如果存在與重子數和輕子數相關的第五種力，則其加速度將和質子、電子的不同。實驗計劃已獲得批准，但還未取得結果。
顯然，理論認識是否正確，最後要經過實驗的檢驗。盡管目前第五種力的存在的探索實驗多種多樣，但要真正證實第五種力的存在，尚需做更多、更精密的實驗才能做出最終結論。

D. 宇宙間最快速度的物質是什麼

質量越小的速度越快。光子質量為零，所以速度最快（？）
有質量的越接近版光速，要求的能量越大權。相比質量大的 質量越小的速度越大 要求能量越小所以只有質量為零的速度達到的那個值就是無法超越的。光（還有電磁波）質量都為0 所以 它們最快了！！
不過我個人認為，空間彎曲了你從地球到太陽一步就到了，光走現在的空間到地球還要七八分鍾呢。（本人也對老愛的相對論一知半解~此屬個人看法）就看你相對誰的時間了。
不過這個問題解答了之後 出現下一個問題的速度 絕對比光快，而那就是上樓老兄說的人的思維。
沒有人在宇宙中領跑 什麼都是最慢的。哪個答案喜歡自己挑一個

E. 厄缶實驗

證明比例對任何物質都相同,這就足夠了!因為這個比例只要是普適的,就可以專人為規定屬這個比例為1.
就像1卡=4.2焦耳,這里的比例是4.2,原因只是最開始採用的單位各不相同.只要不再用卡,熱和功的單位就都可以用焦耳.
兩種質量是按兩種方式引入的,開始的單位也不同,只要認為舍棄一種,就能令其相等.

F. 厄缶實驗證明慣性質量等於引力質量的細節

1，與物體的種類關系不大。總之不能用鐵磁材料，否則試驗過程中會受到地磁影響。
2，實驗精度是靠扭秤臂長、物體質量、懸絲的彈性物理性質確定的。

G. 厄缶實驗的介紹

精確檢驗物體的引力質量與慣性質量相等的著名實驗。引力質量取決於物體的引力性質，出現在牛頓萬有引力定律中；慣性質量描述物體的慣性，出現在牛頓第二定律中