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太极图哲理与反原子探索

来源:www.sepu.net
摘要:对称是重要的美学要素,可以从“对称”研究物质世界、大自然、文化和社会。要了解中华文化,先要了解“道”、“太极图”和“龙”。中华之道,从图形来说,就是太极图。它是典型的反对称图。...

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    对称是重要的美学要素,可以从“对称”研究物质世界、大自然、文化和社会。
    要了解中华文化,先要了解“道”、“太极图”和“龙”;三者最精练地体现了中华文化的精神。什么是“道”,用哲学语言:“形而上者谓之道,形而下者谓之器”;用普通语言:“道是宇宙和社会运行法则和规律”。中华之道,从图形来说,就是太极图。它是典型的反对称图。
    对称有虚实之分,实的对称,即三维空间内存在的对称,可以用物理学对称操作讨论;虚的对称是概念性的,如左旋、右旋、手性等。对称又有正反之分,反对称是在对称之上加相反的东西(如正反、正负、黑白等);正反对称都有虚实之分。
    对称的科学概念是:物体相同部分有规律地重复。所谓“反对称”,就是在“对称”的概念上加上相反的东西。“对称”和“反对称”对理解宇宙、大自然、艺术、文化、社会等都有意义,再加上“对称破缺”的概念,就会对和谐的大自然和人类社会有更好的理解。
    世界是物质的,物质由原子组成。能否用中华古老的阴阳二元学说来讨论物质呢?回答应是肯定的。本文将就反对称太极图的哲理思想对反原子及20世纪基本粒子物理的研究成果,作些梳理。这里只想用例子说明:东方的整体综合思维不会妨碍按西方的分析逻辑思维的科学探索,而是互补的,有助于对整体的理解。
    太极图的反对称操作
    古希腊毕达哥拉斯学派就已从数学研究中发现和谐之美,称一切立体图形最美的是球形,一切平面图形中最美的是圆形。
    从物理学的概念,本文提出:“反对称是在对称操作的基础上,加上二元(如黑白)互换操作,使操作前后两图完全重合。”从日常生活来看,白昼与黑夜是相反的二元;正数与负数、中国传统文化的阴和阳、天和地、男和女等也是相反的二元,如令其中一元为0,另一元为1,就可视为二进制的单元。在平面图形中什么是最完美的反对称呢?笔者认为:我国传统文化中的太极图(俗称阴阳鱼,如图1左图是正面、右图是反面)是最完美的反对称。这种反对称图与圆有关系。从图1可以看出,它是由一个大圆、两个以半径为直径的小半圆和两个小圆组成,有一半面积涂成黑色,另一半保留白色。黑色代表阴,白色代表阳。依照传统,图中左边的阴阳鱼按逆时针方向游动称为正面,而右边镜像对称的顺时针方向游动的阴阳鱼为反面。对正面阴阳鱼来说,以大圆心为中心,在该平面内按逆时针方向转动180o,再进行黑白对换操作,便可使操作前后两图完全重合。可见太极图是最完美的反对称。

    中华文化中的反对称太极图与八卦
    前面已经讨论过,太极图是最完美的反对称。此图的起源已无法考证,它在新石器时代彩陶图案(《中国造型艺术》第58页)和5000多年前长江中游屈家岭文化彩陶图案(《中国艺术:历程与文化》第16页),已可看出它的脉络。学者们从各方面去寻找它的发展史,其中与天文观察挂钩最引人注目。该书说明了“立杆测影”复原成太极图的方法。
    太极图可以用老子的《道德经》第四十二章“万物负(包涵)阴而抱阳,冲气(冲虚而无形的气)以为和(和谐、统一)”来说明。从太极图可以体会中国哲学的一些基本原则;①太极图是中国的天道:黑为阴,白为阳,一阴一阳谓之道。负阴抱阳,首尾相衔,无始无终,周而复始,无所不包,流转生动,相反相成,如日月相替、昼夜相继,其循环是由阴阳互动所推动。②白可视为“无”,黑可视为“有”,太极图又有:有无相生,一虚一实,实为体,虚为用,中国的器皿、建筑均体现此种思维特点,也是中华美学和艺术的特点。③太极图俗称阴阳鱼,“阴中有阳,阳中有阴”(用鱼眼表示)是中华哲学的特色。④太极图也表明由“圆”到“和”,是中国传统文化的最高理想境界,对中华的文学、艺术产生深远的影响。
    在我国,另一个用阴阳概念创造的图形是八卦图。相传中华民族的始祖之一伏羲氏“仰则观天象于天,俯则观法于地,观鸟兽之文,与地之宜,近取诸身,远取诸物,于是作八卦”。(《周易·系辞下》)。于是有中心的太极图与四周的八卦纹式组合在一起(见图2太极八卦图),正像双鱼落网底,显然是和原始人的渔猎活动有关。它巧妙地象征天地、阴阳、男女、虚实、正负等对立的统一发展和变化,充满了朴素的辨证观点。
    八卦图又称“先天图”,它由上、中、下三个横道组成,每横道可以是中间不断的阳爻(—)和中央断开的阴爻(--),故有八种排列。如将八卦上下重叠,共有六个横道,则有六十四种排列,称为六十四卦。《易经》对六十四卦用阴阳学说作了解释。如全部均为阳,称乾下乾上,表示好上加好,是第一卦。象曰:“天行健,君子以自强不息”。如全部为阴,称坤下坤上,是第二卦。象曰:“地势坤,君子以厚德载物”。其余各卦各有名称和解说。(“自强不息,载物厚德”成为清华大学校训)《周易》由《易经》和《易传》两部分组成;《易经》形成于殷周之际,用阴阳学说对六十四卦作出解说,是占卜的工具书;《易传》是由后人对《易经》研究的诠释。但从孔子开始把《易经》看作是一部哲学著作。
 近几年,国内出现《周易》的讨论热。例如,李申写的《从二进制看〈周易〉与现代科学的关系》一文中介绍数学家莱布尼茨的“二进制”论文与白晋神父于1701年11月4日寄的“先天图”的关系。莱布尼茨给白晋的回信中说:“这个易图可以认为是现存科学之最古老的纪念物,然而依我之见,这种科学虽为四千年以上的古物,但数千年来却无人了解它的意义,这是不可思议的。然而它却与我的新数学完全一致。”事实上,我国历史上有阴阳互换法则,但却没有发展成:“阳阳相遇得阴而生阳(加法),阳阳相遇得阳(乘法),阴阳相遇得阳(加法),阴阳相遇得阴(乘法),阴阴相遇得阴而不能生阳(加法和乘法)”的二进制算术运算法则。为什么不能产生这种算术运算规则,还有待研究。
    物质世界存在反对称物质
    前面讨论过太极图和它的哲理,现在讨论物质世界也存在“阴阳对称”、“正反对称”和“有无相生”。物质由原子组成,原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成,正负电荷数相等,原子呈中性。设想将原子中的正负电荷对换,即原子核带负电荷,而周围的电子带正电荷,这样的原子有可能存在吗?如果是可能的,则这种反对称原子可称为反物质。科学需要证据,科学家要寻找证据、寻找规律。上世纪的科技史证明的确存在这种反对称物质。
    (1)物质世界存在“正反对换”和反物质。
    我们习惯于利用电子,发展高新技术。有没有带正电荷的电子呢?1928年,物理学家狄拉克建立了描写相对论性电子行为的方程,此方程“无中生有”地指出为什么电子有自旋,而且自旋量子数为1/2而不是整数;得出负能量值的解,并提出“反粒子”理论(1931)来解释。1932年8月2日C·D·安德森使用云雾室从宇宙射线中发现了电子的反粒子——正电子。这是人类第一次证实自然界的确有反粒子存在。(图3)左下方示出他首次拍摄到的正电子轨迹,右上方示出在强磁场作用下,电子与正电子对的运动轨迹,呈相反的螺旋形。此工作获1936年诺贝尔物理学奖。狄拉克因其方程和其他理论工作而获1933年诺贝尔物理学奖。1955年E·C·塞格尔和O·钱伯伦合作用高能加速器研究并发现了质子的反粒子——反质子(反质子与质子的差别只是由正电荷变成负电荷),因而获诺贝尔物理学奖。原子核中还有中子,中子没有电荷,没有正负电荷对换。但反中子经过衰变后就变成一个反质子,而不是一个带正电荷的质子。因此反质子和反中子可以组成反原子核。1956年科学家宣布发现了反中子。1964年找到由一个反质子和一个反中子组成的反氘核。20世纪60年代前后相继发现了一系列反粒子。其中,1959年我国物理学家王淦昌参加前苏联联合研究,发现了反西格玛反超子,并获国家自然科学一等奖。1974年美籍华人科学家丁肇中和里希德分别发现了大质量的电中性介子,从而证明了夸克的存在,于1976年获诺贝尔物理学奖。
  如果用仪器将反质子减速,而且让它们有机会与正电子相遇,就可能形成反氢原子。1998年初和年底,欧洲和美国的科研机构先后宣布他们制造出9个和7个反氢原子,这是人类探索反物质的一大进步。
    (2)物质世界存在“有无相生”。
    物质世界存在“有中生无”和“无中生有”吗?答案是肯定的。例如从图3中可以看出,宇宙射线的轨迹突然终止,而产生电子—正电子对轨迹。可见电子和正电子都是新生的。这就说明有“无中生有”。
    科学家已经观察到:粒子和反粒子相遇时会出现物质消失,科学家称之谓“湮灭”或“湮没”,而且会释放出大量的能量。这种“有无相生”的科学规律是由爱因斯坦于1905年提出的质能关系式E=mc2,预言质量和能量有互换可能。1905年,爱因斯坦提出包括狭义相对论在内的五篇论文,因而被称为“爱因斯坦奇迹年”。2005年是“奇迹年”的一百周年。2004年联合国决定把2005年定为“世界物理年”进行纪念。
    1932年以前,我国物理学家赵忠尧在英国探索反粒子研究,安德森参加此项工作;赵先生离开后,安德森因拍出正电子轨迹的照片而得奖。当正电子与负电子相遇后会出现“湮灭”,赵先生是观察到此现象的第一人。
    反物质粒子和正物质粒子相遇会产生湮灭,变为光子和介子,释放巨大能量。一个质子和一个反质子湮灭时释放大约1800兆电子伏的能量;而在热核聚变(如氢弹)中,一个质子和一个中子发生反应形成氘核(有部分质量损耗)时,释放2兆电子伏的能量。在石油资源短缺的今天,人们看到未来能源的希望之所在。
    (3)物质细分和正负物质构成的统一美。
    物质由原子组成,原子由带正电荷的原子核和电子组成。原子的尺寸约在十分之一纳米;原子核的尺寸约10飞米(千分之一纳米为1皮米,千分之一皮米为1飞米)。原子核由质子和中子组成,质子和中子的尺寸约1飞米。质子和中子由6种夸克组成,夸克的尺寸小于千分之一飞米。科学家现已找到全部6种夸克的存在。现在的了解,物质是由6种夸克和6种轻子等基本粒子组成。它们都存在反粒子。夸克由什么组成,现在还不知道。笔者认为两个6种是有意义的数字。如将八卦单元的三个横道拆开而与次序无关,则每横道各有两种可能,共有六种(2×1+2×1+2×1),或将其中某一横道拆开,也有六种(2×1+2×2)。6种夸克和6种轻子由什么组成还有待于实验探索。
   科学的对称(包括反对称)美在这些发现中得到了生动的体现。统一美给人以浑然一体、和谐一致的美感。科学的统一美是大自然和谐统一的本质在科学中的体现。在大自然中,各种不相同和对立的现象通过种种关系被联系在一起,它们相互依存、相互作用、环环相扣、配合有致,呈现出和谐统一的壮丽图景。
    对称破缺
    对称破缺对大自然和社会及生产都有重要意义。这种破缺有绝对和相对二种。一般都是相对的破缺,即一方占极大多数。
    前面讨论过物质粒子遇到反物质粒子会产生湮灭。在同一小空间内就不会同时存在物质与反物质。我们见到的物质世界是一个对称破缺的世界,也就是正物质世界。对称破缺是宇宙和大自然和谐运转的需要。

 

 

作者: 2007-5-18
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