目录

相 对 论 的 一 些 问 题 李 学 生 山 东 大 学 xiandaiwulixue@21cn.com 摘 要 : 本 文 描 述 了 相 对 论 的 一 些 问 题 [Academia Arena, 2009;1(4):75-87]. [ISSN 1553-992X]. 关 键 词 : 哲 学 ; 科 学 ; 物 理 学 ; 相 对 论 一. 引 言 1 如 果 把 哲 学 理 解 为 是 在 最 普 遍 和 最 广 泛 的 形 式 中 对 知 识 的 追 求, 那 么 显 然, 哲 学 可 以 被 认 为 是 全 部 科 学 研 究 之 母 可 是, 科 学 的 各 个 领 域 对 那 些 研 究 哲 学 的 学 者 们 也 发 生 强 烈 的 影 响, 此 外, 还 强 烈 地 影 响 着 每 一 时 代 的 哲 学 思 想 大 家 都 认 为, 当 我 回 顾 自 己 一 生 的 工 作 时, 会 感 到 坦 然 和 满 意 但 事 实 恰 恰 相 反 在 我 提 出 的 概 念 中, 没 有 一 个 我 确 信 能 坚 如 磐 石, 我 也 没 有 把 握 自 己 总 体 上 是 否 处 于 正 确 的 轨 道 从 某 个 优 秀 公 式 出 发, 使 用 演 绎 逻 辑 推 导 出 超 越 前 提 的 一 个 一 个 有 用 结 果 在 建 立 一 个 物 理 学 理 论 时, 基 本 概 念 起 了 最 主 要 的 作 用 在 物 理 学 中 充 满 了 复 杂 的 数 学 公 式, 但 是, 所 有 的 物 理 学 理 论 都 起 源 于 思 维 与 观 念, 而 不 是 公 式 科 学 研 究 的 领 域 已 大 大 地 扩 张 了, 每 一 门 科 学 的 理 论 知 识 都 已 变 得 非 常 深 奥 但 是 人 类 智 慧 的 融 会 贯 通 的 能 力 总 是 被 严 格 限 制 着 的 因 此, 无 可 避 免 地, 研 究 者 个 人 的 活 动 势 必 限 于 愈 来 愈 狭 小 的 人 类 知 识 部 门 里 更 糟 糕 的 是, 这 种 专 门 化 的 结 果, 使 我 们 愈 来 愈 难 以 随 着 科 学 进 步 的 步 调 来 对 科 学 的 全 貌 作 个 哪 怕 是 大 略 的 了 解, 而 要 是 没 有 这 种 了 解, 真 正 的 研 究 精 神 必 定 要 受 到 损 害 情 况 的 发 展 很 像 圣 经 中 的 Babel 通 天 塔 的 故 事 所 象 征 的 那 样 每 一 位 严 肃 的 科 学 工 作 者 都 痛 苦 地 意 识 到, 他 们 被 违 反 本 意 识 地 放 逐 到 一 个 在 不 断 缩 小 着 的 知 识 领 域 里, 这 是 一 种 威 胁, 它 会 使 研 究 者 丧 失 广 阔 的 眼 界, 并 且 使 他 下 降 到 一 个 匠 人 的 水 平 一 切 理 论 科 学 总 是 力 图 用 尽 可 能 少 的 基 本 概 念 和 逻 辑 上 互 不 相 关 的 基 本 假 设 ( 基 本 原 理 ) 为 基 础 来 建 立 理 论 体 系 自 然 规 律 的 简 单 性 也 是 一 种 客 观 事 实, 而 且 正 确 的 概 念 体 系 必 须 使 这 种 简 单 性 的 主 观 方 面 和 客 观 方 面 保 持 平 衡 逻 辑 简 单 的 东 西, 当 然 不 一 定 就 是 物 理 上 真 实 的 东 西 但 是, 物 理 上 真 实 的 东 西 一 定 是 逻 辑 上 简 单 的 东 西, 也 就 是 说, 它 在 基 础 上 具 有 统 一 性 如 果 自 然 界 把 我 们 引 向 极 其 简 单 而 美 丽 的 数 学 形 式, 即 假 设 公 理 等 等 的 贯 彻 一 致 的 体 系, 我 们 就 不 得 不 承 认 这 些 形 式 是 " 真 " 的, 它 们 显 示 出 自 然 界 的 真 正 特 征 Einstein 2 在 我 看 来, 物 理 学 只 有 通 过 给 哲 学 以 真 正 的 帮 助 才 能 赢 得 其 未 来 的 尊 贵 我 之 所 以 会 有 这 种 看 法 是 因 为 所 有 科 学 必 须 以 哲 学 为 其 公 共 的 核 心 组 织 起 来, 而 且 是 它 的 最 终 目 的 这 样, 只 有 这 样, 才 能 在 科 学 日 益 不 可 阻 挡 地 趋 于 专 业 化 的 情 况 下 保 持 科 学 文 化 的 统 一 性, 没 有 这 个 统 一 性 整 个 文 化 都 会 走 向 衰 败 马 克 斯 冯 劳 厄 3 中 国 科 学 之 所 以 缺 乏 原 始 性 创 新, 与 缺 乏 哲 学 思 维 有 关 相 对 论 是 二 十 世 纪 最 伟 大 的 科 学 发 现 之 一, 直 到 今 天 仍 然 显 示 强 大 的 生 命 力 可 以 预 期, 与 天 体 物 理 量 子 场 论 和 现 代 数 学 相 结 合, 相 对 论 将 继 续 向 前 发 展, 在 认 识 宇 宙 的 起 源 演 化 时 空 和 物 质 的 结 构 和 运 动 方 面 取 得 重 大 的 科 学 突 破 在 中 国 本 土 上 第 一 个 获 得 诺 贝 尔 奖 的 人, 一 定 是 地 处 边 远 山 区 一 个 在 自 由 自 在 地 做 深 入 研 究 的 民 间 科 技 工 作 者 在 主 流 科 学 家 不 赞 成 的 情 况 下, 提 出 自 己 的 看 法, 坚 持 自 己 的 看 法, 并 不 断 用 科 学 方 法 加 以 验 证, 而 且 要 准 备 有 一 段 时 间 坐 冷 板 凳, 或 者 是 受 到 各 种 批 评 周 光 召 4 一 项 重 要 的 科 学 发 明 创 造, 很 少 是 逐 渐 争 取 和 转 变 它 的 对 手 而 获 得 成 功 的, 扫 罗 变 成 保 罗 是 罕 见 的 而 一 般 的 情 况 是, 对 手 们 逐 渐 死 去, 成 长 中 的 一 代 从 一 开 始 就 熟 悉 这 种 观 念 普 朗 克 5 自 然 科 学 从 主 要 是 搜 集 材 料 的 科 学 和 关 于 既 成 事 实 的 科 学 到 本 质 是 整 理 材 料 的 科 学, 关 于 过 程 关 于 这 些 事 物 的 发 生 和 发 展 以 及 关 于 把 这 些 自 然 过 程 结 合 为 一 个 伟 大 整 体 的 联 系 的 科 学 世 界 的 真 正 统 一 性 在 于 它 的 物 质 性, 而 这 种 物 质 性 不 是 魔 术 师 的 三 两 句 话 所 能 证 明 的, 而 是 由 哲 学 和 自 然 科 学 的 长 期 和 持 继 的 发 展 来 证 明 恩 格 斯 75

6 量 子 力 学 的 直 观 诠 释 迄 今 仍 然 是 充 满 矛 盾 的, 这 些 矛 盾 涉 及 不 连 续 性 理 论 和 连 续 性 理 论 颗 粒 和 波 动 等 观 点 的 争 论 中 人 们 由 此 已 经 可 以 得 到 结 论, 利 用 通 常 的 运 动 学 概 念 和 力 学 概 念 来 对 量 子 力 学 做 出 一 种 诠 释, 在 任 何 情 况 下 都 是 不 可 能 的 事 实 上, 量 子 力 学 恰 恰 起 源 于 这 样 一 种 努 力 : 打 破 通 常 的 运 动 学 概 念, 代 之 以 具 体 的 由 实 验 给 出 的 一 些 数 之 间 的 关 系 ---Heisenberg 7 著 名 的 物 理 学 家 诺 贝 尔 奖 金 获 得 者 普 里 高 津 讲 : 我 们 正 处 在 一 个 新 的 自 然 观 念 的 起 点 上, 也 许 我 们 最 终 有 可 能 把 强 调 定 量 描 述 的 西 方 传 统 和 着 眼 于 自 组 织 描 述 的 中 国 传 统 结 合 起 来 8 美 国 高 能 物 理 学 家 卡 普 拉 认 为 : 过 去 数 十 年 间 现 代 物 理 学 引 起 的 巨 大 变 化, 好 象 正 走 向 类 似 东 方 的 世 界 观 宇 宙 的 全 部 现 象 是 一 个 不 可 分 离 的 和 谐 的 整 体 9 海 森 堡 讲 : 在 人 类 思 想 发 展 史 中, 最 确 定 成 果 的 发 展 几 乎 总 是 发 生 在 两 种 不 同 思 维 方 法 的 交 会 点 上 它 们 可 能 起 源 于 人 类 文 化 中 十 分 不 同 的 部 分, 不 同 的 时 间, 不 同 的 文 化 环 境 或 不 同 的 宗 教 传 统 因 此, 如 果 它 们 真 正 地 汇 总, 也 就 是 说, 如 果 它 们 之 间 至 少 关 联 到 这 样 的 程 度, 以 致 于 发 生 真 正 的 相 互 作 用, 那 么 我 们 就 可 以 预 期 将 继 之 以 新 颖 有 趣 的 发 展 10 当 一 个 人 看 清 了 真 理 的 时 候 就 不 能 妥 协, 不 管 有 多 么 宽 容 的 理 由 在 事 关 重 大 的 根 本 问 题 上, 逃 避 良 心 的 要 求 就 是 祛 懦 George Sarton 11 一 个 民 族 要 想 站 在 世 界 的 最 前 列, 就 一 刻 也 不 能 停 止 其 理 论 的 思 考 一 切 科 学 都 是 历 史 科 学. 马 克 思 12 科 学 没 有 永 恒 的 理 论, 一 个 理 论 所 预 言 的 论 据 常 常 被 实 验 所 推 翻 任 何 一 个 理 论 都 有 它 的 逐 渐 发 展 和 成 功 的 时 期, 经 过 这 个 时 间 以 后, 它 就 很 快 地 衰 落 发 现 一 个 问 题 远 远 比 解 决 一 个 问 题 更 重 要, 因 为 解 决 一 个 问 题 也 许 只 需 要 一 个 技 巧, 而 发 现 一 个 问 题 则 需 要 更 高 的 智 慧 和 意 识 与 一 个 没 有 意 义 问 题 的 正 确 答 案 相 比, 一 个 重 要 问 题 的 错 误 答 案 具 有 无 法 比 拟 的 重 要 意 义 物 理 学 构 成 一 种 处 在 不 断 进 化 过 程 中 的 思 想 逻 辑 体 系 真 理 是 经 得 起 经 验 的 考 验 的 我 想 知 道 上 帝 是 如 何 创 造 这 个 世 界 的, 对 这 个 或 那 个 现 象, 这 个 或 那 个 元 素 的 谱 我 并 不 感 兴 趣 我 想 知 道 的 是 他 的 思 想, 其 他 的 都 只 是 细 节 对 真 理 的 追 求 要 比 对 真 理 的 占 有 更 为 可 贵 为 寻 求 真 理 的 努 力 所 付 出 的 代 价, 总 是 比 不 担 风 险 地 占 用 它 要 高 昂 的 多 Einstein 13 1900 年 以 来 的 数 学 基 础 的 进 展 是 令 人 迷 惑 (bewildering) 的, 而 数 学 目 前 的 状 况 则 是 反 常 和 可 悲 (anomalous and deplorable) 的 前 进 的 道 理 上 不 再 有 真 理 的 光 芒 尽 管 数 学 的 证 明 方 法 仍 然 存 在 需 要 修 正 的 地 方, 但 是 数 学 曾 经 是 唯 一 能 够 得 到 普 遍 欣 赏 和 普 遍 接 受 的 东 西, 被 当 作 是 可 靠 推 理 的 极 致, 然 而, 现 在 我 们 只 能 以 矛 盾 的 方 式 对 待 数 学 (we now have conflicting approaches to mathematics) 旨 在 消 除 可 能 存 在 的 矛 盾 以 及 与 建 立 数 学 结 构 相 容 性 的 努 力 宣 告 彻 底 失 败 已 经 再 也 不 会 存 在 一 致 的 看 法 了 按 照 目 前 流 行 的 观 点, 数 学 不 过 是 不 同 结 构 的 聚 合, 每 一 个 结 构 建 立 在 属 于 自 己 的 公 理 化 集 合 上 (a collection of structures each based on its own set of axioms) 因 此, 需 要 宣 示 : 必 须 放 弃 没 有 瑕 疵 (impeccable) 的 推 理 事 实 上, 不 同 的 数 学 实 体 只 是 选 择 多 样 性 的 结 果 (different bodies of mathematics will result from the multiplicity of choices) 一 部 分 数 学 家 仍 未 意 识 到 数 学 基 础 的 危 险, 也 不 知 道 数 学 大 厦 即 将 倒 塌, 仍 然 沿 袭 传 统 的 数 学 而 乐 此 不 疲 但 是, 对 于 另 外 一 些 同 时 代 的 数 学 家 而 言, 他 们 完 全 清 楚 数 学 基 础 的 变 幻 无 常 (uncertainties) 只 不 过 他 们 更 愿 意 无 动 于 衷 那 些 被 他 们 视 为 与 纯 粹 数 学 相 对 立 的 哲 学 问 题 他 们 发 现, 相 信 在 数 学 基 础 或 者 起 码 在 他 们 自 己 从 事 的 数 学 活 动 中 存 在 需 要 予 以 严 重 关 切 的 问 题 是 困 难 的 对 于 他 们 来 说, 潜 台 词 就 是 : 让 我 们 继 续 前 进, 好 像 过 去 的 75 年 中 什 么 事 情 也 从 来 没 有 发 生 过 他 们 仍 然 按 照 那 种 被 普 遍 接 受 的 理 性 意 识 (in some universally accepted sense) 谈 论 证 明, 而 完 全 不 在 乎 这 样 的 证 明 是 否 存 在 ; 他 们 撰 写 和 发 表 文 章, 似 乎 数 学 基 础 的 不 可 靠 性 问 题 从 未 存 在 一 样 他 们 关 注 的 就 是 不 断 有 新 的 出 版, 并 且 越 多 越 好 个 人 的 成 就 是 必 需 的, 无 论 是 对 还 是 错 --------M. Kline 14 要 想 象 一 些 你 从 未 看 过 的 事 物, 这 些 事 物 必 须 跟 已 经 看 到 过 的 东 西 完 全 吻 合 不 悖, 同 时 又 要 和 已 被 想 出 来 的 完 全 不 同 ; 此 外, 它 更 必 须 是 一 些 明 确 不 模 糊 的 设 想 那 真 是 困 难 呀 科 学 家 会 做 的 是 聆 听, 如 果 对 方 说 的 听 起 来 很 值 得 尝 试, 他 的 想 法 很 是 与 别 不 同, 粗 看 之 下 没 有 和 以 前 累 积 76

下 来 的 观 测 结 果 矛 盾, 那 么 就 很 让 人 兴 奋, 值 得 一 试 你 不 会 担 心 他 到 底 研 究 了 多 久 或 者 是 为 什 么 他 要 你 听 他 说 就 这 方 面 而 言, 新 想 法 从 何 而 来 根 本 无 关 重 要 费 曼 15 我 们 通 观 现 代 科 学 的 各 个 领 域, 可 以 看 到 一 种 戏 剧 性 的 令 人 惊 异 的 进 化 在 各 个 完 全 不 同 的 领 域 中 出 现 了 相 似 的 概 念 和 原 理, 虽 然 这 些 观 念 的 类 似 性 是 各 个 领 域 独 立 发 展 的 结 果, 而 且 个 别 领 域 的 工 作 者 几 乎 没 意 识 到 这 种 共 同 的 趋 势 因 为, 在 科 学 的 所 有 领 域 中 都 出 现 了 整 体 原 理, 组 织 原 理, 实 在 的 动 态 概 念 原 理 " 这 在 生 物 学 得 到 证 实 原 来 基 因 中 也 有 物 质 时 空 和 力 牛 顿 力 学 基 本 概 念 同 时 也 有 相 对 论 量 子 力 学 原 理 它 具 有 最 高 抽 象 性 和 简 洁 性 此 时 如 果 在 哲 学 思 想 上 没 有 认 识 论 的 提 高,DNA 结 构 模 型 绝 对 时 空 与 牛 顿 经 典 力 学 绝 对 时 空 一 样, 人 们 仍 然 要 在 牛 顿 经 典 力 学 的 限 制 下 费 劲 地 理 解 DNA 时 空 生 命 科 学 研 究, 已 经 到 了 必 须 在 观 念 上 发 生 改 变 的 时 候 了 ---- 贝 塔 朗 菲 ( 生 命 问 题 ) 16 从 传 统 上 说, 找 出 一 个 矛 盾 一 直 是 证 明 某 个 系 统 必 须 被 拒 斥 的 途 径, 容 纳 矛 盾 被 认 为 在 理 智 上 是 自 毁 的 但 是, 近 来 已 经 有 人 在 探 索 和 研 究, 似 乎 能 够 容 忍 某 些 矛 盾 的 逻 辑 系 统 如 果 说 Heisenberg 的 成 长 是 自 己 天 才 的 努 力 与 使 一 代 科 学 家 的 精 心 培 养, 那 么,Einstein 的 情 况 则 完 全 不 一 样 Einstein 是 完 全 依 靠 自 己 他 在 中 学 时 就 不 受 老 师 喜 欢, 第 一 次 考 大 学 也 没 有 考 上, 在 瑞 士 大 学 毕 业 时 想 留 校 做 研 究 也 没 有 成 功, 做 了 两 年 不 受 欢 迎 的 中 学 老 师 后 到 专 利 局 做 职 员 就 是 在 专 利 局 工 作 期 间 他 发 表 了 包 括 狭 义 相 对 论 在 内 的 四 篇 划 时 代 的 论 文,1905 年 因 此 成 为 Einstein 生 命 中 的 奇 迹 年 17 整 个 科 学 史 表 明, 一 种 概 念 或 科 学 假 设 从 来 不 会 是 一 开 始 就 完 美 无 缺, 总 有 后 人 去 继 承 它 发 展 它 或 修 正 它 一 百 多 年 来, 直 到 今 天 仍 有 很 多 人 对 狭 义 相 对 论 (SR) 和 广 义 相 对 论 (GR) 作 进 一 步 的 讨 论 和 进 行 大 规 模 的 实 验, 甚 至 提 出 不 同 的 意 见 这 是 正 常 现 象, 是 科 学 技 术 得 以 兴 旺 发 达 的 必 由 之 路 我 们 并 不 是 否 定 Einstein; 但 任 何 一 个 科 学 理 论 均 有 其 适 用 范 围, 不 可 能 主 宰 一 切 在 科 学 研 究 中, 如 果 思 想 不 解 放, 就 不 可 能 创 新 美 国 三 个 科 学 院 组 织 的 21 世 纪 委 员 会 提 交 过 一 个 报 告, 其 中 说 Einstein 的 理 论 并 不 是 最 终 真 理, 意 思 是 说 关 于 相 对 论 研 究 仍 然 是 open 的! 宋 健 18 ( 基 础 物 理 学 ) 历 史 的 风 险 在 于, 在 思 考 过 去 的 伟 大 工 作 ( 比 如 相 对 论 量 子 力 学 等 ) 的 那 些 伟 大 而 勇 敢 的 思 想 过 程 中, 我 们 增 加 了 对 它 们 的 这 种 崇 敬, 在 我 们 想 像 的 一 种 终 极 的 物 理 学 理 论 中, 我 们 变 得 无 法 再 重 新 评 价 它 们 的 地 位 物 理 学 并 不 是 一 个 已 完 成 的 逻 辑 体 系. 相 反, 它 每 时 每 刻 都 存 在 着 一 些 观 念 上 的 巨 大 混 乱, 有 些 像 民 间 史 诗 那 样, 从 往 昔 英 雄 时 代 流 传 下 来 ; 而 另 一 些 则 是 像 空 想 小 说 那 样, 从 我 们 对 于 将 来 会 有 伟 大 的 综 合 理 论 的 向 往 中 产 生 出 来. 这 种 几 何 观 点 在 广 义 相 对 论 和 基 本 粒 子 物 理 之 间 造 成 人 为 隔 阂 只 要 还 能 够 指 望, 如 爱 因 斯 坦 曾 指 望 过 的, 物 质 最 终 可 以 用 几 何 语 言 来 理 解, 那 么 在 描 述 引 力 理 论 时 给 黎 曼 (Riemann) 几 何 以 首 要 地 位 才 是 有 意 义 的 但 是 现 在, 时 间 流 逝 已 教 导 我 们 不 能 指 望 强 作 用 弱 作 用 和 电 磁 作 用 都 可 以 用 几 何 语 言 来 理 解 因 而 过 分 地 强 调 几 何, 只 能 模 糊 引 力 理 论 与 物 理 学 其 余 部 分 之 间 的 深 刻 联 系. 除 非 相 应 的 经 典 场 论 服 从 等 效 原 理, 看 来 就 不 可 能 建 立 质 量 为 零 自 旋 为 2 的 粒 子 的 任 何 洛 伦 兹 协 变 的 量 子 理 论 这 样, 等 效 原 理 似 乎 就 成 了 引 力 理 论 和 基 本 粒 子 理 论 之 间 的 最 好 的 桥 梁 史 蒂 文 温 伯 格 19 认 识 能 力, 对 普 通 人 来 说 是 照 亮 生 活 道 路 的 提 灯, 对 天 才 则 是 普 照 大 地 的 太 阳! 叔 本 华 20 科 学 发 展 的 最 终 目 的 就 是 要 建 立 一 个 单 一 的 科 学 理 论 体 系 来 描 述 整 个 宇 宙 的 物 质 存 在 与 运 动 变 化 21 能 嘲 笑 哲 学, 这 才 是 真 正 的 哲 学 思 考 帕 斯 卡 尔 22 目 前 物 理 学 对 宇 宙 的 了 解, 包 括 猜 想 只 有 4%, 而 完 全 不 知 的 竟 占 到 了 70% 知 识 还 有 一 个 副 产 品 权 威 与 偏 见 相 对 论 体 系 存 在 有 待 验 证 的 假 定, 基 本 原 理 不 够 完 善, 相 互 之 间 存 在 不 协 调 ; 理 论 和 时 空 观 念 都 有 需 要 改 进 之 处 这 个 伟 大 体 系 同 样 不 是 一 个 完 成 了 的 理 论 体 系 相 对 论 体 系 其 实 包 含 着 许 多 重 要 的 假 设 要 素 今 天, 宇 观 尺 度 上 的 观 测 数 据 分 析 结 果, 对 相 对 论 体 系 提 出 了 严 重 挑 战 郭 汉 英 23 知 识 最 重 要 的 产 品 是 无 知 2004 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 得 主 大 卫 格 罗 斯 24 世 界 上 任 何 发 明 创 造 都 是 可 及 的, 不 是 不 可 及 的 钱 学 森 25 人 的 天 职 是 勇 于 探 索 真 理 -------- 哥 白 尼 26 所 有 的 物 理 学 定 律 最 终 都 是 从 宇 宙 中 获 取 信 息 的, 从 牛 顿 定 律 到 量 子 力 学 的 所 有 原 理 都 可 以 用 同 一 种 方 法 推 导 出 来 ------- 物 理 学 家 弗 里 敦 27 不 容 置 疑, 一 种 疯 狂 的 理 论 摆 在 我 们 面 前 问 题 在 于, 要 成 为 正 确 的 理 论, 它 是 否 足 够 疯 狂 77

-----Bohr 28 人 类 的 认 识 史 就 是 一 部 认 识 错 误 的 历 史 ----------------- 罗 巴 切 夫 斯 基 29 在 理 论 认 识 方 面, 如 果 不 对 概 念 基 础 深 刻 地 理 解, 并 作 必 要 的 改 革, 就 不 可 能 出 现 革 命 性 的 发 展 即 使 是 最 高 权 威 的 理 论, 对 它 也 要 通 权 达 变 灵 活 运 用 --------------- 卢 鹤 绂 30 理 论 物 理 界 的 精 英 既 是 天 才, 也 是 疯 子. 丁 肇 中 31 当 一 个 人 看 清 了 真 理 的 时 候 就 不 能 妥 协, 不 管 有 多 么 宽 容 的 理 由 在 事 关 重 大 的 根 本 问 题 上, 逃 避 良 心 的 要 求 就 是 祛 懦 George Sarton 二 现 代 物 理 学 的 辉 煌 成 就 及 其 困 难 1 现 代 物 理 学 辉 煌 的 成 就 科 学 研 究 来 源 于 科 学 问 题, 科 学 问 题 产 生 于 社 会 实 践, 社 会 实 践 的 不 断 发 展 就 会 产 生 不 断 的 科 学 问 题, 故 尔 科 学 的 发 展 实 际 上 也 就 是 问 题 的 产 生 和 问 题 解 决 的 过 程, 科 学 问 题 的 提 出 确 认 以 及 解 决 就 构 成 了 科 学 发 展 的 内 在 动 力 Francis Bacon 1561-1626, 文 艺 复 兴 时 期 的 英 国 作 者, 演 绎 推 理 的 创 立 者 1605 年 启 蒙 运 动 中, 将 综 合 性 科 学 的 这 个 原 则 形 象 地 预 示 为 没 有 一 种 完 善 的 发 现 能 够 在 一 个 平 面 或 一 个 水 平 上 做 出 如 果 你 站 在 相 同 科 学 同 一 水 平 上 而 不 是 更 高 层 的 科 学 水 平 上, 不 可 能 发 现 任 何 科 学 更 遥 远 或 更 深 层 次 的 部 分 早 在 1964~1965 年 间, 张 文 裕 朱 洪 元 汪 容 何 祚 庥 等 人 曾 经 分 析 物 理 学 发 展 的 历 史 过 程, 指 出 在 物 理 学 的 发 展 史 上 有 三 次 大 突 破 第 一 次 是 宏 观 低 速 运 动 领 域 的 大 突 破, 这 集 中 表 现 为 牛 顿 力 学 以 及 牛 顿 力 学 基 础 上 所 建 立 的 各 种 应 用 科 学 ; 第 二 次 是 在 宏 观 高 速 运 动 领 域 的 大 突 破, 这 就 是 法 拉 第 和 麦 克 斯 韦 的 电 磁 方 程 式 以 及 狭 义 相 对 论 的 建 立, 随 之 而 是 电 和 光 的 技 术 的 发 展 和 各 方 面 的 广 泛 应 用 ; 第 三 次 大 突 破 是 在 微 观 低 速 运 动 领 域, 这 就 是 量 子 力 学 的 建 立, 伴 随 而 来 的 是 原 子 物 理 分 子 物 理 各 种 凝 聚 态 物 理 原 子 核 物 理 的 建 立, 原 子 能 半 导 体 激 光 电 脑 等 技 术 的 出 现 和 它 们 的 广 泛 的 应 用 霍 金 宣 称 : 我 们 可 能 已 经 接 近 于 探 索 自 然 的 终 极 定 律 的 终 点, 人 类 未 来 的 科 学 研 究 仅 仅 是 如 何 应 用 这 些 知 识 的 问 题 2 现 代 物 理 学 的 困 难 阿 兰 杉 德 基 在 起 源 中 说 : 科 学 是 唯 一 的 自 动 纠 错 的 人 类 系 统, 不 过, 科 学 也 是 只 有 通 过 证 明 自 己 错 误 才 得 以 进 步 的 过 程 物 理 学 最 基 本 的 目 的 是 寻 求 自 然 界 物 质 运 动 的 统 一 规 律, 然 而 现 代 物 理 学 拥 有 一 个 支 离 破 碎 的 物 理 理 念 世 界 : 超 宏 观 的 有 天 文 学 的 " 黑 洞 "," 宇 宙 大 爆 炸 "; 微 观 的 有 微 观 粒 子 的 波 粒 二 象 性 ; 介 于 其 间 的 有 狭 义 和 广 义 相 对 论 量 子 力 学 的 不 确 定 原 理, 使 真 空 中 充 满 虚 实 粒 子 对, 它 们 具 有 无 限 大 的 能 量, 按 照 相 对 论 就 应 该 有 无 限 大 的 质 量, 进 而 产 生 无 限 大 的 引 力, 宇 宙 就 会 坍 塌 成 一 个 点, 但 实 际 宇 宙 并 未 坍 塌 我 们 的 科 学 被 划 分 成 了 一 个 个 相 对 孤 立 的 体 系, 并 不 断 地 进 行 继 续 的 分 化, 看 起 来 科 学 之 树 越 来 越 枝 繁 叶 茂, 但 同 时 也 越 来 越 繁 琐, 越 来 越 孤 立 实 验 和 理 论 的 对 立 统 一 作 为 科 学 发 展 的 内 在 动 力 是 根 本 的, 也 是 显 而 易 见 的 但 是, 世 纪 之 交 的 物 理 学 革 命 表 明, 各 理 论 体 系 之 间 的 对 立 统 一 也 是 科 学 发 展 的 一 种 不 可 忽 视 的 内 在 动 力, 它 有 时 也 会 导 致 新 概 念 或 新 理 论 的 提 出 客 观 世 界 是 统 一 的, 作 为 反 映 客 观 世 界 运 动 规 律 的 理 论 必 然 具 有 某 种 内 在 的 联 系 这 是 从 表 面 上 的 对 立 入 手, 追 求 本 质 上 统 一 的 理 论 的 客 观 基 础 作 为 演 绎 前 提 的 基 本 概 念 和 基 本 假 设 变 得 愈 来 愈 抽 象, 愈 来 愈 远 离 感 觉 经 验 仅 仅 通 过 实 验, 用 构 造 性 的 努 力 去 发 现 真 实 定 律 是 相 当 困 难 的, 甚 至 是 不 可 能 的 着 眼 于 各 理 论 体 系 之 间 的 对 立 统 一, 往 往 能 创 出 新 路 由 于 种 种 条 件 的 限 制, 有 关 实 验 在 一 定 的 历 史 时 期 内 不 可 能 实 现 或 一 时 难 以 完 成 如 果 要 等 实 验 与 现 有 科 学 理 论 发 生 尖 锐 矛 盾 时 再 立 足 于 实 验 事 实 进 行 研 究, 势 必 大 大 延 缓 科 学 发 展 的 进 程 在 这 种 情 况 下, 从 旧 有 理 论 体 系 之 间 的 矛 盾 入 手, 往 往 能 取 得 突 破 实 验 由 于 设 备 复 杂 要 求 精 度 很 高 等 原 因, 其 他 人 往 往 难 以 重 复, 这 样 便 难 于 及 时 得 到 科 学 界 的 公 认 和 受 到 应 有 的 重 视 科 学 家 ( 包 括 实 验 者 本 人 ) 对 新 实 验 的 认 识 有 一 个 曲 折 的 过 程, 特 别 是 那 些 触 及 传 统 观 念 的 实 验, 其 深 刻 意 义 往 往 需 要 很 久 才 能 被 揭 示 出 来 联 合 国 教 科 文 组 织 1998 年 世 界 科 学 报 告 中 有 一 段 话 : 爱 因 斯 坦 的 理 论 ( 相 对 论 ) 和 量 子 理 论 是 二 十 世 纪 的 两 大 学 术 成 就 遗 憾 的 是, 这 两 个 理 论 迄 今 为 止 被 证 明 是 对 立 的 这 是 一 个 严 重 的 障 碍 物 理 学 家 S. 温 伯 格 在 引 力 论 和 宇 宙 论 一 书 的 绪 论 中 写 道 : 物 理 学 并 不 是 一 个 已 经 完 成 的 体 系, 相 反 它 每 时 每 刻 都 存 在 着 一 些 观 念 上 的 巨 大 混 乱, 有 些 观 念 像 民 间 史 诗 那 样, 从 往 昔 的 英 雄 时 代 流 传 下 来 ; 而 另 一 些 则 像 空 想 小 说 那 样, 从 我 们 对 于 将 来 会 有 伟 大 的 综 合 理 论 的 向 往 中 产 78

生 出 来 诺 贝 尔 奖 获 得 者 海 森 伯 (W.Heisenberg) 说 过 : 在 人 类 思 想 发 展 史 上, 最 高 成 果 的 发 展 几 乎 总 是 发 生 在 两 种 不 同 思 维 方 法 的 交 会 点 上 它 们 可 能 起 源 于 人 类 文 化 中 十 分 不 同 的 部 分 因 此, 如 果 它 们 真 正 地 汇 合, 也 就 是 说, 如 果 它 们 之 间 至 少 关 联 到 这 样 的 程 度, 以 致 于 发 生 真 正 的 相 互 作 用, 那 么 我 们 就 可 以 预 期 将 继 之 以 新 颖 有 趣 的 发 展 近 10 多 年 来, 关 于 非 平 衡 统 计 物 理 学 的 研 究 前 景 也 十 分 诱 人, 非 平 衡 相 变 耗 散 结 构 协 同 学 等 就 是 其 中 比 较 活 跃 的 研 究 领 地 这 几 年, 人 们 注 意 到, 远 离 平 衡 的 系 统 可 能 经 过 突 变 进 入 混 沌 (chaos) 状 态, 而 且 混 沌 态 可 能 并 不 比 时 空 有 序 的 状 态 更 无 序, 混 沌 态 和 耗 散 结 构 还 可 能 交 替 出 现 现 在, 人 们 大 体 上 已 了 解 到, 混 沌 是 非 常 普 遍 的 自 然 现 象, 在 一 定 的 意 义 上 讲, 混 沌 状 态 比 无 理 数 要 多 得 多, 而 且 混 沌 序 ( 内 在 随 机 性 ) 比 自 然 界 存 在 的 有 理 序 ( 周 期 性 ) 无 理 序 ( 准 周 期 性 ) 更 高 级, 即 使 在 通 常 认 为 由 决 定 论 统 治 的 牛 顿 力 学 中, 也 普 遍 地 存 在 着 内 在 随 机 性, 完 全 确 定 论 的 描 述 在 牛 顿 力 学 中 倒 是 少 如 风 毛 麟 角 但 是, 混 沌 决 不 是 简 单 的 无 序, 而 更 像 是 不 具 备 周 期 性 和 其 他 明 显 对 称 特 征 的 有 序 态 在 理 想 情 况 下, 混 沌 状 态 具 有 无 穷 的 内 部 结 构, 只 要 有 足 够 精 密 的 观 察 手 段, 就 可 以 在 混 沌 态 之 间 发 现 周 期 和 准 周 期 运 动, 以 及 在 更 小 的 尺 度 上 重 复 出 现 的 混 沌 运 动 正 因 为 如 此, 我 国 学 者 才 从 古 汉 语 中 引 用 混 沌 一 词 ( 气 似 质 具 而 未 相 离, 谓 之 混 沌 ) 来 描 述 这 种 奇 特 的 现 象 混 沌 转 变 和 非 平 衡 相 变 都 是 经 过 突 变 而 不 是 渐 变 实 现 的, 这 说 明 混 沌 状 态 的 出 现 也 与 对 称 破 缺 有 关 现 在 重 整 化 技 术 已 经 成 功 地 用 于 混 沌 转 变 的 研 究, 已 有 一 批 反 映 通 向 混 沌 道 路 的 数 学 模 型, 而 且 新 的 实 验 报 道 也 在 不 断 涌 现 这 个 成 为 80 年 代 重 要 研 究 课 题 的 进 展, 也 许 不 仅 会 导 致 数 理 科 学 中 基 本 观 念 的 又 一 次 革 新, 而 且 可 能 导 致 对 偶 然 性 和 必 然 性 确 定 论 和 概 率 论 等 哲 学 范 畴 以 及 自 然 科 学 方 法 论 的 更 深 刻 的 认 识 美 籍 华 人 著 名 的 物 理 学 家 诺 贝 尔 奖 金 获 得 者 李 政 道 把 一 些 物 理 现 象 理 论 上 对 称, 但 实 验 结 果 不 对 称 暗 物 质 问 题 暗 能 量 问 题 " 类 星 体 的 发 能 远 远 超 过 核 能, 每 个 类 星 体 的 能 量 竟 然 是 太 阳 能 量 的 10 15 倍 " 夸 克 禁 闭 称 为 是 21 世 纪 科 技 界 所 面 临 的 四 大 难 题 无 论 是 现 存 理 论 间 或 理 论 与 事 实 间 的 微 妙 冲 突 都 会 引 导 代 表 人 类 的 思 维 拓 展 科 学 发 现 的 新 疆 界 2000 年 弦 理 论 会 议 上, 弦 理 论 家 提 出 了 跨 世 纪 的 十 大 理 论 问 题 : (1) 表 征 物 理 宇 宙 的 所 有 ( 可 测 量 的 ) 无 量 纲 参 数 是 否 原 则 上 都 是 可 计 算 的, 或 其 中 某 些 仅 仅 是 由 历 史 或 量 子 力 学 等 偶 然 因 素 所 确 定, 因 而 是 不 可 计 算 的? 这 是 由 超 弦 会 议 组 织 者 之 一, 因 夸 克 渐 进 自 由 研 究 后 来 获 得 2004 年 诺 贝 尔 奖 物 理 学 奖 的 戴 维. 格 罗 斯 所 命 题 的 纽 约 时 报 知 名 的 科 学 记 者 乔 治. 约 翰 逊 在 报 道 中 对 这 第 一 个 问 题 进 一 步 作 了 展 开 说 明 : Einstein 的 表 述 更 为 清 楚 : 上 帝 在 创 造 宇 宙 时 是 否 有 选 择? 想 象 上 帝 坐 在 控 制 台 前, 准 备 引 发 宇 宙 大 爆 炸 我 该 把 光 速 定 在 多 少? 我 该 让 这 种 叫 电 子 的 小 粒 子 带 多 少 电 荷? 我 该 把 决 定 量 子 大 小 的 普 朗 克 常 数 定 在 多 大? 上 帝 是 不 是 为 了 赶 时 间 而 胡 乱 抓 来 几 个 数 字? 抑 或 这 些 数 值 必 须 如 此, 因 为 其 中 深 蕴 着 某 种 逻 辑? (2) 量 子 引 力 如 何 有 助 于 解 释 宇 宙 起 源 问 题? (3) 什 么 是 质 子 的 寿 命? 理 论 上 如 何 解 释?(4) 自 然 是 超 对 称 的 吗? 若 是, 超 对 称 怎 样 破 缺? (5) 为 什 么 宇 宙 看 来 只 有 一 维 时 间 和 三 维 空 间?(6) 为 何 宇 宙 学 常 数 会 有 其 值? 是 零 吗? 是 常 数 吗?(7) 何 为 M 理 论 基 本 自 由 度? 果 真 描 述 自 然 吗?(8) 如 何 解 决 黑 洞 的 信 息 佯 谬?(9) 引 力 尺 度 和 基 本 粒 子 的 典 型 质 量 尺 度 之 间 的 差 异 如 此 巨 大, 什 么 物 理 可 予 以 解 释?(10) 如 何 定 量 解 释 量 子 色 动 力 学 中 的 夸 克 胶 子 的 禁 闭, 以 及 质 量 间 隙 的 存 在? 理 论 物 理 学 家 2004 年 诺 贝 尔 物 理 学 奖 获 得 者 美 国 凯 乌 利 理 论 物 理 研 究 所 所 长 大 卫 格 罗 斯 教 授, 于 2005 年 3 月 在 中 国 科 学 院 理 论 物 理 研 究 所 前 沿 科 学 论 坛 做 了 题 为 物 理 学 的 将 来 的 演 讲, 讨 论 当 前 物 理 学 面 临 的 25 个 问 题, 及 它 们 如 何 引 导 物 理 学 未 来 25 年 的 发 展 ( 注 : 引 领 物 理 学 发 展 的 25 个 问 题 摘 自 2005-3-15 [ 国 际 数 学 动 态 ] 科 学 时 报 2005 年 3 月 7 日 作 者 : 黎 明 ) 问 1. 宇 宙 起 源 : 宇 宙 学 观 测 表 明 宇 宙 是 膨 胀 着 的 通 过 对 微 波 背 景 辐 射 和 宇 宙 大 尺 度 结 构 等 的 观 测, 宇 宙 的 历 史 可 以 追 溯 到 极 早 期 发 生 的 大 爆 炸 我 们 所 知 的 基 本 物 理, 比 如 广 义 相 对 论 和 粒 子 物 理 标 准 模 型, 在 那 里 都 不 适 用 为 理 解 宇 宙 起 源, 需 要 了 解 大 爆 炸 时 期 的 基 本 物 理 问 2. 暗 物 质 的 本 质 : 现 代 宇 宙 学 观 测 表 明 宇 宙 中 存 在 暗 物 质 和 暗 能 量 但 是 它 们 的 起 源 仍 然 是 个 谜 问 3. 暗 能 量 的 本 质 问 4. 恒 星 行 星 的 形 成 : 天 体 的 形 成 是 天 体 物 理 学 中 的 重 要 问 题 适 合 生 物 存 在 的 行 星, 在 银 河 系 中 出 现 的 几 率 到 底 是 多 少? 问 5. 广 义 相 对 论 : 广 义 相 对 论 在 所 有 尺 度 上 都 是 正 确 的 吗? 问 6. 量 子 力 学 : 量 子 力 学 取 得 了 巨 大 成 功, 但 它 描 述 的 是 自 然 的 最 终 理 论 吗? 也 许 它 会 在 很 小 的 距 离 上 和 非 常 复 杂 的 系 统 中 失 效, 是 否 可 用 来 描 绘 整 个 宇 宙 也 还 值 得 探 讨 问 7. 标 准 模 型 : 粒 子 物 理 标 准 模 型 无 疑 极 为 成 功, 但 人 们 并 没 有 理 解 夸 克 和 轻 子 的 质 量 混 合 的 物 理 起 源 和 中 微 子 的 质 量 等 问 8. 超 对 称 : 存 在 低 能 超 对 称 吗? 超 对 称 伴 子 的 质 量 谱 是 什 么? 问 9. 量 子 色 动 力 学 (QCD): 79

量 子 色 动 力 学 可 以 完 全 求 解 吗? 问 10. 弦 论 : 超 弦 理 论 是 一 个 有 望 成 功 地 统 一 自 然 相 互 作 用 的 理 论, 但 它 到 底 是 什 么? 问 11. 时 空 的 观 念 : 时 空 是 什 么? 超 弦 理 论 最 终 可 能 会 放 弃 时 间 和 空 间 这 两 个 概 念 问 12. 物 理 理 论 是 否 与 环 境 相 关 : 物 理 的 基 本 参 数 和 规 律 都 可 以 计 算, 还 是 仅 由 历 史 的 或 量 子 的 偶 然 性 决 定, 或 者 是 由 人 择 原 理 来 确 定? 景 观 的 图 像 是 对 的 吗? 问 13. 新 物 态 : 存 在 常 规 实 验 可 探 查 的 一 般 非 费 米 流 体 行 为 吗? 问 14. 复 杂 性 : 对 一 般 的 复 杂 大 系 统 而 言, 其 内 在 的 混 沌 特 性 决 定 了 系 统 的 不 可 预 测 性 如 何 运 用 计 算 手 段 来 分 析 这 类 系 统 鉴 别 哪 些 特 征? 问 15. 量 子 计 算 机 : 如 何 防 止 量 子 计 算 中 的 退 相 干? 如 何 实 际 制 造 量 子 计 算 机? 问 16. 物 理 学 的 应 用 : 如 何 得 到 室 温 甚 至 室 温 以 上 的 超 导 材 料? 如 何 用 电 子 材 料 ( 如 半 导 体 ) 制 造 室 温 铁 磁 体? 问 17. 理 论 生 物 学 : 生 物 学 的 理 论 是 什 么? 理 论 物 理 学 有 助 于 生 物 学 研 究 吗? 需 要 新 的 数 学 吗? 如 何 描 述 生 物 体 这 样 呈 现 出 多 时 间 尺 度 动 力 学 的 体 系? 问 18. 基 因 组 学 : 物 理 学 家 如 何 参 与 基 因 组 的 解 密? 可 能 拥 有 一 个 定 量 的 可 预 测 的 进 化 理 论 吗? 甚 至 能 否 直 接 从 基 因 组 出 发 计 算 有 机 体 的 形 状? 问 19. 意 识 的 研 究 : 记 忆 和 意 识 后 面 的 自 组 织 原 则 是 什 么? 有 可 能 在 幼 儿 期 测 量 到 意 识 的 发 生 吗? 什 么 时 候? 如 何 发 生? 如 何 测 量? 能 否 制 造 一 个 具 有 自 由 意 志 的 机 器? 问 20. 计 算 物 理 学 : 计 算 机 能 代 替 解 析 计 算 吗? 如 果 是, 那 么 将 来 物 理 学 家 所 受 的 训 练 该 如 何 相 应 改 变? 问 21. 物 理 学 的 分 化 : 物 理 学 自 身 发 展 日 益 分 化, 如 何 面 对 这 种 状 况? 问 22. 还 原 论 : 是 否 应 该 怀 疑 这 个 物 理 学 的 根 本 逻 辑? 是 否 保 持 一 个 开 放 的 态 度? 问 23. 理 论 应 该 扮 演 何 种 角 色 : 理 论 是 否 应 仅 仅 靠 实 验 来 判 断 正 误, 或 者 应 该 是 由 基 本 物 理 原 理 发 展 出 来 的 对 自 然 更 高 层 次 的 理 解, 而 可 以 不 顾 及 是 否 能 在 实 际 中 实 现? 在 对 复 杂 系 统 的 细 节 描 述 中, 如 何 估 价 物 理 学 家 一 贯 坚 持 的 简 洁 性 和 数 学 优 美 性 等 原 则? 问 24. 物 理 学 未 来 发 展 中 潜 在 的 危 险 : 如 何 面 对 越 来 越 大 越 来 越 难 以 实 现 的 物 理 学 实 验 计 划? 在 这 种 形 式 下, 新 的 研 究 途 径 该 是 怎 样 的? 理 论 在 探 索 自 然 方 面 应 该 起 什 么 作 用? 问 25. 物 理 学 是 否 仍 将 是 最 重 要 的 科 学? 在 这 些 种 种 矛 盾 和 非 协 调 的 物 理 现 象 背 后, 存 在 着 一 个 更 为 基 本 的 自 然 层 面 所 有 的 问 题, 如 不 涉 及 或 深 入 到 这 一 层 面 是 不 可 能 得 出 一 个 完 整 的 解 来 的 统 一 目 前 物 理 理 论 中 的 各 个 局 部 理 论 的 工 作, 不 应 当 是 建 立 在 通 过 修 改 或 扩 展 某 一 具 体 定 律 来 实 现 的 这 里 需 要 的 是 一 个 更 为 有 力 的 思 想 工 具, 或 说 是 观 念 三 相 对 论 与 量 子 力 学 的 不 协 调 问 题 在 现 代 物 理 学 把 各 个 学 科 的 观 察 分 别 描 述 成 各 种 互 相 独 立 的 力 作 用 系 统, 而 忽 略 了 其 中 的 内 在 联 系 中 科 院 原 院 长 理 论 物 理 学 家 周 光 召 2005 年 在 中 科 院 理 论 物 理 所 的 一 次 演 讲 中 所 说 : 像 相 对 论 量 子 力 学 或 是 量 子 场 论 这 些 最 基 本 的 理 论, 到 现 在 为 止, 仍 有 迹 象 表 明 都 不 是 最 终 的 理 论 无 论 是 基 本 粒 子, 还 是 天 体 物 理, 都 在 不 断 提 供 很 多 新 的 现 象, 对 这 些 现 象, 现 有 的 理 论 完 全 无 法 解 释 我 国 著 名 科 学 家 周 光 召 先 生 在 21 世 纪 一 百 个 科 学 难 题 一 书 的 序 言 中 明 确 指 出 : 科 学 问 题 的 产 生 和 出 现 往 往 是 科 学 真 理 产 生 的 标 志, 往 往 也 是 一 个 全 新 科 学 体 系 诞 生 的 前 提 条 件 如 果 说 目 前 尚 有 100 道 物 理 难 题 困 扰 着 人 类 ; 然 而 比 起 其 他 99 道 物 理 难 题 来, 量 子 力 学 同 相 对 论 的 协 调 问 题 乃 是 所 有 问 题 的 根 本 此 问 题 实 乃 20 世 纪 人 类 留 给 21 世 纪 物 理 学 的 第 一 朵 乌 云 一 位 学 者 说 : 现 在 的 物 理 学 家 应 该 是 这 样 的 一 些 人, 星 期 一 三 五 研 究 量 子 理 论, 星 期 二 四 六 研 究 引 力 相 对 论, 星 期 日 就 去 向 上 帝 祈 祷 让 别 人, 最 好 是 他 自 己 能 把 量 子 理 论 与 相 对 论 结 合 在 一 起 也 有 人 说 : 量 子 理 论 同 相 对 论 之 间, 有 着 深 刻 的, 尖 锐 的, 灾 难 性 的 矛 盾 妥 善 解 决 量 子 理 论 同 相 对 论 之 间 的 问 题, 应 该 是 蕴 含 了 一 场 科 学 的 革 命 本 世 纪 20 年 代 量 子 力 学 建 立 以 后, 狭 义 和 广 义 相 对 论 与 量 子 理 论 相 结 合, 一 直 是 理 论 物 理 学 发 展 的 坚 实 基 础 半 个 世 纪 以 来, 这 种 结 合 不 断 发 展 和 深 化, 也 不 断 接 受 科 学 实 验 的 检 验 一 方 面, 实 验 事 实 充 分 证 明 相 对 论 和 量 子 力 学 在 其 有 效 范 围 内 是 可 靠 的 理 论 ; 另 一 方 面, 实 验 研 究 和 理 论 进 展 表 明, 它 们 也 遇 到 了 一 些 难 以 解 决 的 反 常 问 题, 其 中 一 些 问 题 是 带 有 根 本 性 的 和 革 命 性 的, 似 乎 难 以 容 纳 在 相 对 论 和 量 子 力 学 的 框 架 内 广 义 相 对 论 中 应 用 的 是 张 量 算 子, 而 它 是 以 微 分 学 为 基 础 的, 这 要 求 空 间 是 光 滑 的, 但 是 量 子 力 学 要 求 空 间 的 量 子 化, 必 然 对 广 义 相 对 论 建 立 的 基 础 产 生 冲 击, 量 子 力 学 的 基 本 方 程 是 薛 定 鄂 方 程, 为 一 波 函 数 的 二 阶 偏 微 分 方 程, 因 为 波 函 数 的 标 准 条 件 是 有 限, 唯 一, 连 续, 所 以 事 实 上 量 子 化 的 结 论 只 是 波 函 数 求 解 时 为 了 满 足 连 续 这 一 标 准 条 件 所 得 出 的 结 果. 运 用 薛 定 鄂 方 程 证 明 波 尔 的 定 态 假 设 即 是 例 证 Einstein 讲 的 好 : 任 意 次 实 验 都 不 能 证 明 我 是 对 的, 但 只 要 一 次 实 验 就 能 证 明 我 是 错 误 的 因 此, 在 相 对 论 和 量 子 力 学 还 处 于 兴 盛 时 期 的 80

今 天, 汲 取 这 些 理 论 的 真 理 性 的 内 容, 克 服 它 们 所 面 临 的 疑 难, 进 一 步 探 索 自 然 界 的 奥 秘, 就 已 经 提 到 当 代 物 理 学 家 的 议 事 日 程 上 来 了 在 这 些 种 种 矛 盾 和 非 协 调 的 物 理 现 象 背 后, 存 在 着 一 个 更 为 基 本 的 自 然 层 面 所 有 的 问 题, 如 不 涉 及 或 深 入 到 这 一 层 面 是 不 可 能 得 出 一 个 完 整 的 解 来 的 统 一 目 前 物 理 理 论 中 的 各 个 局 部 理 论 的 工 作, 不 应 当 是 建 立 在 通 过 修 改 或 扩 展 某 一 具 体 定 律 来 实 现 的 这 里 需 要 的 是 一 个 更 为 有 力 的 思 想 工 具, 或 说 是 观 念 前 苏 联 科 学 院 院 士 塔 姆 说 : 我 们 现 在 正 处 在 认 识 自 然 构 造 的 根 本 规 律 的 一 个 新 阶 段, 量 子 理 论 相 对 论 牛 顿 理 论 等 等 都 将 作 为 这 些 普 通 规 律 的 一 个 个 特 殊 情 况 引 伸 出 来 无 法 预 言 新 的 彻 底 的 物 理 理 论 何 时 才 能 建 立 起 来, 也 不 知 它 将 如 何 建 立 起 来 的 但 在 全 世 界 有 成 千 上 万 实 验 工 作 者 和 理 论 工 作 者 奋 战 在 物 理 学 的 这 块 前 沿 阵 地, 这 个 事 实 使 我 们 相 信, 这 一 时 刻 已 为 期 不 远 了 科 学 体 系 越 是 成 就 辉 煌, 魅 力 无 限, 它 的 基 本 理 论 就 越 容 易 被 赋 予 类 似 宗 教 里 教 义 的 地 位 相 对 论 体 系 作 为 一 个 理 论 体 系 并 没 有 完 成 从 前 人 继 承 下 来 的 惯 性 和 惯 性 运 动 的 起 源 问 题 尽 管 有 所 发 展, 但 并 没 有 解 决 1960 年 代 末 以 来, 发 现 广 义 相 对 论 存 在 时 空 失 去 意 义 的 奇 性, 宇 宙 起 源 于 奇 性, 星 系 演 化 经 过 黑 洞 终 结 于 奇 性 黑 洞 不 黑, 任 何 有 序 物 体 掉 进 黑 洞, 都 变 成 无 序 的 热 辐 射 发 射 出 来, 从 而 信 息 丢 失 这 不 仅 与 物 理 学 理 论 基 础 之 一 的 量 子 力 学 薛 定 谔 方 程 的 概 率 流 守 恒 矛 盾, 也 与 其 他 理 论 冲 突 作 为 量 子 论 和 狭 义 相 对 论 的 结 合 的 量 子 电 动 力 学 和 量 子 场 论 更 是 如 此 一 方 面, 量 子 电 动 力 学 取 得 了 巨 大 成 功, 可 以 给 出 与 实 验 精 确 符 合 的 微 扰 论 计 算 结 果, 例 如 : 关 于 电 子 反 常 磁 矩 的 微 扰 论 计 算 结 果 与 实 验 结 果 可 以 符 合 到 十 几 位 有 效 数 字 ; 格 拉 肖 - 温 伯 格 - 萨 拉 姆 (Glashow-Weinberg-Salam) 的 弱 电 模 型 在 很 大 程 度 上 统 一 了 微 观 尺 度 上 的 电 磁 作 用 和 弱 作 用, 在 相 当 于 1000 倍 质 子 质 量 的 能 量 尺 度 下 与 几 乎 所 有 实 验 符 合 ; 包 括 量 子 色 动 力 学 在 内 的 标 准 模 型 对 于 强 作 用 的 一 些 性 质 也 能 给 出 令 人 满 意 的 结 果 等 另 一 方 面, 与 实 验 精 确 符 合 的 微 扰 论 计 算 在 理 论 上 却 并 不 成 立, 微 扰 级 数 本 身 一 定 会 发 散 标 准 模 型 中 有 20 几 个 自 由 参 数 需 要 实 验 输 入, 其 中 包 括 一 些 极 重 要 的 无 量 纲 参 数, 如 精 细 结 构 常 数 μ 介 子 与 电 子 质 量 之 比 等 为 了 减 少 参 数 的 大 统 一 理 论 或 超 对 称 大 统 一 理 论, 往 往 会 导 致 质 子 衰 变 可 是, 实 验 上 一 直 没 有 观 测 到 质 子 衰 变 现 象, 也 没 有 观 测 到 超 对 称 粒 子, 这 是 为 什 么? 超 对 称 如 何 破 缺? 为 什 么 有 夸 克 禁 闭 和 色 禁 闭? 为 什 么 夸 克 质 量 谱 中 存 在 极 大 的 质 量 间 隙? 为 什 么 会 有 三 代 夸 克 - 轻 子 及 其 质 谱? 理 论 上 作 用 极 大 的 真 空 到 底 是 什 么? 理 论 上 计 算 的 真 空 能 量, 与 宇 宙 学 常 数 观 测 值 相 应 的 真 空 能 相 比, 高 出 几 十 到 一 百 多 个 数 量 级, 这 又 是 为 什 么? 这 些 问 题 都 难 以 回 答 著 名 的 物 理 学 家 诺 贝 尔 奖 金 获 得 者 史 蒂 文 温 伯 格 说 : ( 基 础 物 理 学 ) 历 史 的 风 险 在 于, 在 思 考 过 去 的 伟 大 工 作 ( 比 如 相 对 论 量 子 力 学 等 ) 的 那 些 伟 大 而 勇 敢 的 思 想 过 程 中, 我 们 增 加 了 对 它 们 的 这 种 崇 敬, 在 我 们 想 像 的 一 种 终 极 的 物 理 学 理 论 中, 我 们 变 得 无 法 再 重 新 评 价 它 们 的 地 位 当 代 著 名 的 数 学 家 和 理 论 物 理 学 家 霍 金 教 授 Stephen W. Hawking 在 他 的 时 间 简 史 一 书 的 结 尾 处 这 样 写 到 : 然 而, 如 果 我 们 确 实 发 现 了 一 套 完 整 的 理 论, 它 应 该 在 一 般 的 原 理 上 及 时 让 所 有 人 ( 而 不 仅 仅 是 少 数 科 学 家 ) 所 理 解 那 时, 我 们 所 有 人, 包 括 哲 学 家 科 学 家 以 及 普 普 通 通 的 人, 都 能 参 加 为 何 我 们 和 宇 宙 存 在 的 问 题 的 讨 论 杨 振 宁 曾 经 说 过, 物 理 学 的 革 命 往 往 是 从 最 简 单 最 根 本 的 问 题 开 始 的 我 们 应 该 深 究 发 生 这 些 现 象 的 原 因, 找 出 事 物 运 动 的 内 在 规 律 Einstein 认 为 : 我 们 关 于 物 理 实 在 的 观 念 决 不 会 是 最 终 的 为 了 以 逻 辑 上 最 完 善 的 方 式 来 正 确 地 处 理 所 感 觉 到 的 事 实, 我 们 必 须 经 常 准 备 改 变 这 些 观 念 也 就 是 说, 准 备 改 变 物 理 学 的 公 理 基 础 他 还 说 : 然 而 为 了 科 学, 就 必 须 反 反 复 复 地 批 判 这 些 基 本 概 念, 以 免 我 们 会 不 自 觉 地 受 它 们 支 配 在 传 统 的 基 本 概 念 的 贯 彻 使 用 碰 到 难 以 解 决 的 矛 盾 而 引 起 了 观 念 的 发 展 的 那 些 情 况 下, 这 就 变 得 特 别 明 显 在 这 种 思 想 的 指 导 下,Einstein 曾 多 次 表 示, 他 的 理 论 绝 不 是 完 美 无 缺 的 终 极 理 论, 它 们 将 来 一 定 会 被 其 他 更 完 善 的 理 论 来 代 替 你 一 定 想 象 我 在 此 时 此 刻 一 定 以 满 意 的 心 情 来 回 顾 我 一 生 的 成 就 但 是 仔 细 分 析 一 下, 却 完 全 不 是 这 么 一 回 事 我 感 到 在 我 的 工 作 中 没 有 任 何 一 个 概 念 会 很 牢 靠 地 站 得 住 的, 我 也 不 能 肯 定 我 所 走 的 道 路 一 般 是 正 确 的 但 是 确 实 有 一 种 不 满 足 的 心 情 发 自 我 自 己 的 内 心, 这 种 心 情 是 很 自 然 的, 只 要 一 个 人 是 诚 实 的, 是 有 批 判 精 神 的 ; 1 当 年 还 是 无 名 小 卒 的 罗 素 将 理 发 师 悖 论 论 文 寄 给 德 国 著 名 逻 辑 学 家 特 洛 伯. 弗 理 兹, 此 时 特 洛 伯. 弗 理 兹 已 完 成 他 的 最 重 要 著 作 算 法 基 础, 自 认 可 以 作 为 整 个 数 学 的 基 础, 准 备 付 印 看 完 罗 素 信 特 洛 伯. 弗 理 兹 一 声 长 叹, 便 在 书 的 最 后 加 上 一 段 话 : 一 个 科 学 家 所 遇 到 的 最 不 合 心 意 的 事, 莫 过 于 在 他 的 工 作 即 将 结 束 时 发 现 其 基 础 崩 溃 了, 我 把 罗 素 的 来 信 发 表 如 下... 参 考 文 献 : 81

1 Einstein 的 文 集 第 1 卷, 商 务 印 书 馆 1976 年, 许 良 英 范 岱 年 编 译, 第 485 页 四 笔 者 对 于 现 代 物 理 学 基 础 的 思 考 一 部 近 代 物 理 学 史 启 示 我 们 : 功 夫 应 在 文 章 外, 最 可 能 带 来 根 本 性 突 破 的 理 论 创 新, 应 该 是 在 旧 有 理 论 的 框 架 之 外 独 立 地 提 出 某 种 全 新 的 概 念, 再 以 此 为 基 础 构 筑 起 既 可 以 兼 容 旧 有 理 论 解 释 已 有 的 观 测 数 据 又 能 够 定 量 地 预 言 未 知 效 应 的 自 洽 的 理 论, 而 这 些 在 旧 理 论 中 不 能 得 出 的 预 言 必 须 可 以 接 受 实 验 观 测 的 检 验 最 好 能 够 使 用 现 有 的 实 验 观 测 手 段 立 即 加 以 检 验 所 有 这 一 切 都 仰 仗 期 望 中 的 那 个 新 概 念 的 建 立 这 是 真 正 意 义 上 的 原 始 性 理 论 创 新, 如 费 曼 所 说 的, 要 想 象 一 些 你 从 未 看 过 的 事 物, 这 些 事 物 必 须 跟 已 经 看 到 过 的 东 西 完 全 吻 合 不 悖, 同 时 又 要 和 已 被 想 出 来 的 完 全 不 同 ; 此 外, 它 更 必 须 是 一 些 明 确 不 模 糊 的 设 想 那 真 是 困 难 呀 1, 在 主 流 科 学 家 不 赞 成 的 情 况 下, 提 出 自 己 的 看 法, 坚 持 自 己 的 看 法, 并 不 断 用 科 学 方 法 加 以 验 证, 而 且 要 准 备 有 一 段 时 间 坐 冷 板 凳, 或 者 是 受 到 各 种 批 评 2 : 科 学 家 会 做 的 是 聆 听, 如 果 对 方 说 的 听 起 来 很 值 得 尝 试, 他 的 想 法 很 是 与 别 不 同, 粗 看 之 下 没 有 和 以 前 累 积 下 来 的 观 测 结 果 矛 盾, 那 么 就 很 让 人 兴 奋, 值 得 一 试 你 不 会 担 心 他 到 底 研 究 了 多 久 或 者 是 为 什 么 他 要 你 听 他 说 就 这 方 面 而 言, 新 想 法 从 何 而 来 根 本 无 关 重 要 1 Einstein 给 人 类 留 下 的 最 大 财 富 是 他 的 那 种 质 疑 权 威 和 常 识 的 开 创 性 思 维 方 式! 这 一 点 不 但 科 学 界 受 益 很 大, 就 连 对 于 整 个 社 会 都 有 重 大 的 积 极 价 值!! Einstein 说 : 阻 碍 我 们 学 习 的 正 是 我 们 所 受 到 的 教 育 一 个 正 确 的 有 价 值 的 新 理 论, 必 须 要 立 论 正 确, 能 涵 盖 现 有 的 科 学 理 论, 并 能 合 理 地 解 释 旧 理 论 不 能 解 释 的 问 题, 又 能 推 断 出 可 为 科 学 验 证 的 结 论 来. 笔 者 从 唯 物 辩 证 法 出 发, 结 合 现 代 科 技 通 过 多 方 面 论 证 相 对 绝 对 论 是 自 然 界 的 一 条 基 本 规 律, 利 用 对 称 的 相 对 性 与 绝 对 性 原 理 解 释 了 分 立 对 称 性 失 效 的 根 本 原 因 ; 狭 义 相 对 论 认 为 时 间 与 空 间 是 密 不 可 分 的, 那 么 space-time 的 本 质 是 什 么? 笔 者 经 过 认 真 地 思 考 后 提 出 了 space-time 平 权 理 论 和 引 力 场 的 space-time 本 质 的 观 点, 阐 述 了 时 间 与 空 间 的 关 系, 指 出 空 间 是 静 止 的 时 间, 时 间 是 运 动 的 空 间, 把 时 间 单 位 与 空 间 单 位 统 一 起 来, 使 国 际 基 本 物 理 量 减 少 一 个, 在 此 基 础 上 根 据 量 纲 推 导 出 了 质 能 方 程, 指 明 了 暗 物 质 与 暗 能 量 的 来 源 于 space-time( 引 力 场 ); 狭 义 相 对 论 认 为, 静 止 质 量 是 不 变 的, 运 动 质 量 是 改 变 的, 变 化 的 机 制 又 是 什 么? 笔 者 通 过 修 正 Lorentz transformation 变 换, 圆 满 地 解 释 了 双 生 子 徉 谬 和 潜 水 艇 悖 论, 使 狭 义 相 对 论 中 的 尺 缩 钟 慢 效 应 与 广 义 相 对 论 效 应 统 一 起 来, 说 明 了 相 对 性 原 理 正 确 的 原 因 文 章 的 主 题 是 阐 述 引 力 质 量 与 电 磁 质 量 的 关 系 Einstein 当 时 已 经 认 识 到 electric charge 没 有 引 力 质 量 的 问 题, 指 明 引 力 场 和 lectriec field 是 逻 辑 上 毫 无 联 系 的 部 分 文 章 首 先 回 顾 了 惯 性 质 量 和 引 力 质 量 之 间 的 关 系 的 认 识, 然 后 分 析 了 经 典 电 动 力 学 和 量 子 电 动 力 学 对 于 电 磁 质 量 计 算 结 果 的 差 异, 从 六 个 方 面 分 析 了 电 磁 质 量 不 是 引 力 质 量 的 一 部 分, 通 过 把 引 力 质 量 与 电 磁 质 量 区 分 开 来, 把 电 量 的 度 量 单 位 库 仑 与 质 量 的 度 量 单 位 千 克 统 一 起 来, 从 而 把 国 际 基 本 物 理 量 减 少 为 5 个, 说 明 了 希 格 斯 机 制 的 引 入 是 多 余 的, 希 格 斯 粒 子 根 本 不 存 在, 说 明 了 牛 顿 力 学 不 适 用 于 微 观 世 界 的 主 要 原 因, 从 根 本 上 解 决 了 升 降 机 中 静 止 电 荷 的 辐 射 问 题 和 狭 义 相 对 论 中 的 奇 点 问 题 光 子 的 静 止 质 量 问 题, 提 出 了 Lorentz transformation 变 换 不 适 用 于 电 磁 质 量, 量 子 力 学 的 统 计 观 点 不 适 用 于 引 力 质 量, 从 根 本 上 解 决 了 薛 定 谔 猫 徉 谬 的 问 题, 把 质 能 方 程 从 引 力 质 量 推 广 到 电 磁 质 量, 预 言 了 新 的 能 量 来 源, 定 性 地 解 释 了 类 星 体 的 爆 炸, 通 过 电 磁 质 量 的 量 子 化 解 决 了 夸 克 禁 闭 问 题, 解 释 了 光 速 不 变 性 原 理 光 速 为 物 体 运 动 的 极 限 速 度 的 原 因 与 广 义 相 对 论 的 红 移 危 机, 说 明 了 引 力 与 电 磁 力 的 传 播 速 度 相 等 的 原 因, 预 言 了 光 子 带 有 极 其 微 弱 的 电 量 质 子 与 电 子 辐 射 的 光 子 的 能 量 相 反 以 及 引 力 波 为 横 波, 否 定 了 超 光 速 问 题, 提 出 了 太 阳 能 的 本 原 是 电 磁 能, 从 根 本 上 解 决 太 阳 中 微 子 失 踪 之 迷, 分 析 了 中 微 子 问 题 量 子 力 学 的 基 础, 根 据 引 力 场 的 space-time 本 质 的 观 点 从 根 本 上 解 决 了 Einstein 与 哥 本 哈 根 学 派 之 间 关 系 量 子 力 学 基 础 之 间 的 争 论 现 代 科 学 认 为, 自 然 界 由 很 少 的 几 条 规 则 支 配, 而 存 在 着 无 限 多 种 这 些 支 配 规 律 容 许 的 状 态 和 结 构 任 何 尚 未 发 现 的 力, 必 将 是 极 微 弱 的, 或 其 效 应 将 受 到 强 烈 的 限 制 这 些 效 应, 要 么 被 限 制 在 极 短 的 距 离 内, 要 么 只 对 极 其 特 殊 的 客 体 起 作 用 现 代 物 理 学 认 为 弱 相 互 作 用 和 强 相 互 作 用 只 适 用 于 微 观 世 界, 可 是 微 观 与 宏 观 没 有 截 然 的 界 限, 这 显 然 存 在 着 不 协 调 性 笔 者 指 明 了 四 种 相 互 作 用 力 之 间 的 关 系, 万 有 引 力 与 弱 相 互 作 用 电 磁 力 与 强 相 互 作 用 是 互 为 反 作 用 力, 从 根 本 上 解 决 了 宇 宙 常 数 暗 物 质 与 暗 能 量 引 力 徉 谬 和 密 度 徉 谬 太 阳 角 动 量 的 逃 逸 的 问 题, 否 定 了 Big Bang 82

Cosmology 理 论 和 黑 洞 的 存 在, 定 性 地 解 释 了 DI 海 格 立 斯 双 星 进 动 问 题 和 彗 尾 的 变 化 规 律, 对 统 一 场 论 的 研 究 可 能 会 有 所 帮 助 文 章 在 写 作 的 过 程 中, 许 多 专 家 给 予 了 大 量 的 帮 助, 在 此 表 示 谢 意, 下 面 仅 列 出 其 中 的 几 位 : 虞 昊 ( 清 华 大 学 物 理 系 ) 曹 昌 祺 ( 北 京 大 学 物 理 科 学 与 技 术 学 院 理 论 物 理 博 士 生 导 师 ) 彭 桓 武 ( 两 弹 元 勋 中 国 科 学 院 院 士 中 国 科 学 院 理 论 物 理 研 究 所 第 一 任 所 长 爱 尔 兰 皇 家 科 学 院 院 士 ) 孟 昭 曜 ( 重 庆 教 育 学 院 计 算 机 与 现 代 教 育 技 术 系 ) 陈 寿 元 ( 山 东 师 范 大 学 信 息 管 理 学 院 ) 高 秉 坤 ( 大 学 物 理 的 副 主 编 ) 张 礼 ( 清 华 大 学 原 工 程 物 理 系 主 任 理 论 物 理 博 士 生 导 师 ) 郭 东 升 ( 美 籍 华 人 中 国 科 学 院 上 海 光 学 精 密 仪 器 研 究 所 特 聘 专 家 理 论 物 理 博 士 生 导 师 ) 尚 仁 成 ( 清 华 大 学 物 理 系 副 主 任 ) 周 卫 平 ( 湖 南 城 市 学 院 ) Frank Meng( 美 籍 华 人 ) 邝 宇 平 ( 清 华 大 学 物 理 系 中 国 科 学 院 院 士 ) 李 国 栋 ( 中 国 科 学 院 物 理 研 究 所 ) 石 益 祥 ( 舟 山 学 院 数 学 系 ) 参 考 文 献 : 2 费 曼, 关 于 科 学 的 演 讲 3 周 光 召, 如 何 发 展 中 国 的 理 论 物 理, 科 学 2004.6 五 相 对 绝 对 论 1. 问 题 的 提 出 20 世 纪 以 来, 以 相 对 论 与 量 子 力 学 的 创 立 为 标 志 的 现 代 物 理 学 研 究 工 作, 从 理 论 和 实 践 两 个 方 面, 对 人 类 认 识 和 社 会 发 展 起 到 了 难 以 估 量 的 作 用 物 理 学 理 论 的 发 展, 在 三 个 层 次 上 把 人 类 对 自 然 界 的 认 识 推 进 到 了 前 所 未 有 的 深 度 和 广 度 在 微 观 领 域 内, 已 经 深 入 到 基 本 粒 子 的 亚 核 世 界 (10-15 厘 米 ), 并 建 立 起 统 一 描 述 电 磁 弱 强 相 互 作 用 的 标 准 模 型, 还 引 起 了 人 们 测 量 观 因 果 观 的 深 刻 变 革 特 别 是 量 子 力 学 的 建 立, 为 描 述 自 然 现 象 提 供 了 一 个 全 新 的 理 论 框 架, 并 成 为 现 代 物 理 学 乃 至 化 学 生 物 学 等 学 科 的 基 础 在 宇 观 领 域 内, 研 究 的 探 针 已 达 到 10 28 厘 米 的 空 间 标 度 和 10 17 秒 的 宇 宙 纪 元 ; 广 义 相 对 论 的 理 论 预 言, 在 巨 大 的 时 空 尺 度 上 得 到 了 证 实, 引 起 了 人 们 时 空 观 宇 宙 观 的 深 刻 变 革 在 宏 观 领 域 内, 关 于 物 质 存 在 状 态 和 运 动 形 式 的 多 样 性 复 杂 性 的 探 索, 也 取 得 了 突 破 性 的 进 展 凝 聚 态 物 理 层 出 不 穷 令 人 眼 化 缭 乱 的 新 成 果 和 混 沌 现 象 奇 特 规 律 的 惊 人 发 现, 给 人 类 原 有 的 知 识 体 系 以 巨 大 的 冲 击, 在 动 力 学 系 统 长 期 行 为 的 确 定 性 与 随 机 性, 决 定 性 描 述 与 概 率 性 描 述 等 方 面, 引 起 了 认 识 上 的 深 刻 变 革 自 20 世 纪 以 来, 以 相 对 论 与 量 子 理 论 为 基 础 的 现 代 物 理 学 的 显 著 特 征 是 它 的 广 泛 性 与 深 刻 性 广 泛 性 : 在 宏 观 上 我 们 开 始 了 对 整 个 宇 宙 的 严 肃 研 究, 而 没 有 广 义 相 对 论 的 基 础 这 是 不 可 能 的 古 典 哲 学 对 整 个 宇 宙 的 最 好 的 认 识 也 只 是 到 康 德 的 " 先 验 概 念 微 观 上, 基 本 粒 子 不 再 只 是 哲 学 思 辩 的 产 物, 我 们 对 物 质 结 构 有 了 真 正 的 认 识 深 刻 性 : 古 典 物 理 里 面 很 多 不 同 的 概 念 我 们 突 然 发 现 原 来 是 统 一 的 比 如 我 们 发 现 了 时 间 和 空 间 只 是 统 一 的 时 空 的 两 个 部 分, 宇 宙 和 物 质 的 基 本 结 构 可 能 与 制 约 它 们 的 基 本 规 律 是 同 一 回 事 现 代 物 理 学 的 一 个 重 要 目 的, 是 为 了 获 得 一 种 对 自 然 的 深 刻 理 解 和 洞 察 力, 使 我 们 能 够 以 一 种 接 近 上 帝 的 角 度 观 察 我 们 的 宇 宙 牛 顿 在 他 的 原 理 中 表 达 这 样 的 观 点 : 我 只 写 下 这 些 自 然 规 律 的 数 学 公 式, 至 于 为 什 么 这 些 公 式 是 这 样, 不 是 我 需 要 关 心 的 问 题 在 实 践 方 面, 现 代 物 理 学 的 发 展 导 致 了 原 子 能 的 释 放 和 应 用, 导 致 了 半 导 体 光 通 讯 等 新 兴 工 业 的 崛 起, 为 激 光 技 术 新 材 料 研 制 新 能 源 开 发 开 辟 了 新 的 技 术 途 径, 并 推 动 了 计 算 机 革 命 的 进 展 现 代 物 理 学 在 推 动 能 源 科 学 空 间 科 学 材 料 科 学 信 息 科 学 环 境 科 学 海 洋 科 学 的 发 展 中 起 到 了 关 键 性 的 作 用, 成 为 20 世 纪 下 半 叶 以 来 蓬 勃 发 展 的 现 代 科 学 技 术 革 命 的 重 要 科 学 基 础 现 代 物 理 学 以 新 兴 高 技 术 群 为 中 介 向 生 产 力 的 转 化, 极 大 地 改 变 了 人 类 的 生 产 方 式 和 生 活 方 式, 成 为 推 动 现 代 社 会 发 展 的 重 要 杠 杆 50 年 代 以 来 的 当 代 物 理 学 已 经 发 展 成 为 一 个 相 当 庞 大 的 学 科 群, 包 括 了 高 能 物 理 ( 粒 子 物 理 ) 原 子 核 物 理 等 离 子 体 物 理 凝 聚 态 物 理 原 子 分 子 物 理 光 物 理 声 学 计 算 物 理 和 理 论 物 理 等 主 体 学 科 以 及 难 以 数 计 的 分 支 学 科 物 理 学 内 部 各 个 分 支 学 科 的 渗 透 和 交 叉, 物 理 学 和 化 学 生 物 学 材 料 科 学 天 文 学 等 其 他 学 科 的 渗 透 和 交 叉, 又 产 生 了 许 多 新 的 富 有 生 命 力 的 边 缘 学 科, 形 成 了 众 多 极 有 发 展 前 途 的 科 学 前 沿 当 代 物 理 学 还 呈 现 出 高 速 发 展 的 趋 势, 现 代 物 理 学 中 90% 的 知 识 是 1950 年 以 后 取 得 的 其 发 展 之 快, 分 支 之 多, 变 化 之 大, 已 使 人 们 很 难 及 时 作 出 全 面 的 概 括 当 代 物 理 学 研 究 的 综 合 性 深 入 性 复 杂 性 创 新 性 和 可 应 用 性, 都 呈 现 出 鲜 明 的 时 代 特 点 物 理 学 在 21 世 纪 发 展 的 全 景, 人 们 无 法 作 出 全 面 的 预 测 只 能 根 据 我 们 目 前 的 认 识 水 平, 根 据 当 代 物 理 83

学 发 展 的 状 况 和 特 点, 对 21 世 纪 最 初 几 十 年 的 发 展 趋 势 作 豹 斑 之 窥 大 体 说 来, 在 科 学 技 术 整 体 发 展 的 推 动 下, 物 理 学 仍 将 加 速 地 发 展 和 分 化, 同 时 又 会 出 现 更 多 的 渠 道, 增 强 各 个 分 支 之 间 的 交 叉 和 非 线 性 作 用, 导 致 更 为 广 泛 和 深 刻 的 综 合, 朝 着 各 个 分 支 学 科 不 断 深 入 而 整 体 领 域 综 合 交 叉 的 整 体 化 方 向 进 展 物 理 学 作 为 精 密 科 学 的 典 范, 并 以 其 探 索 视 野 的 广 阔 性 研 究 层 次 的 广 谱 性 理 论 适 用 的 广 泛 性, 在 今 后 很 长 时 期 内 仍 将 发 挥 其 中 心 科 学 和 基 础 科 学 的 作 用 它 也 仍 将 不 断 地 推 出 新 思 想 新 原 理 和 新 方 法, 孕 育 出 功 能 奇 特 威 力 巨 大 的 新 技 术, 成 为 新 技 术 和 新 兴 产 业 部 门 的 源 泉 和 生 长 点 物 理 学 与 未 来 高 新 技 术 将 更 加 紧 密 地 发 生 融 合, 互 相 促 进, 协 同 发 展, 成 为 科 学 技 术 革 命 深 入 发 展 的 主 旋 律 ; 物 理 科 学 技 术 领 域 愈 来 愈 频 繁 出 现 的 突 破 性 进 展, 将 会 更 加 吸 引 社 会 公 众 对 物 理 学 事 业 发 展 的 热 切 关 注 Einstein 是 本 世 纪 初 物 理 学 学 革 命 的 巨 人,Einstein 说 过 : 常 听 人 说, 科 学 家 是 蹩 脚 的 哲 学 家, 这 句 话 肯 定 不 是 没 有 道 理 的 那 么, 对 于 物 理 学 家 来 说, 让 哲 学 家 去 做 哲 学 推 理, 又 有 什 么 不 对 呢? 当 物 理 学 家 相 信 他 有 一 个 由 一 些 基 本 定 律 和 基 本 概 念 组 成 的 严 密 体 系 可 供 他 使 用, 而 且 这 些 概 念 和 定 律 都 确 立 的 如 此 之 好, 以 及 怀 疑 的 风 浪 不 能 波 及 它 们, 在 那 样 的 时 候, 上 述 说 法 固 然 可 能 是 对 的 ; 但 是 象 现 在 这 样, 当 物 理 学 的 这 些 基 础 本 身 成 为 问 题 的 时 候, 经 验 迫 使 我 们 去 寻 求 更 新 更 可 靠 的 基 础, 物 理 学 家 就 不 可 以 简 单 地 放 弃 对 理 论 基 础 作 批 判 性 的 思 考, 也 最 确 切 地 感 到 鞋 子 究 竟 在 哪 里 夹 脚 的 在 寻 求 新 的 基 础 时, 他 必 须 在 自 己 的 思 想 上 尽 力 弄 清 楚 他 所 用 的 概 念 究 竟 有 多 少 根 据, 有 多 大 的 必 要 性 整 个 科 学 不 过 是 日 常 思 维 的 一 种 提 炼 正 因 为 如 此, 物 理 学 家 批 判 性 思 考 就 不 可 能 只 限 于 检 查 他 自 己 特 殊 领 域 里 面 的 概 念 如 果 他 不 去 批 判 地 考 查 一 个 更 加 困 难 得 多 的 问 题, 即 分 析 日 常 思 维 的 本 性 问 题, 他 就 不 能 前 进 一 步 7 海 森 伯 在 谈 到 Einstein 的 贡 献 时 说, 他 有 点 像 艺 术 领 域 中 的 达 芬 奇 或 者 贝 多 芬,Einstein 也 站 在 科 学 的 个 转 折 点 上, 而 他 的 著 作 率 先 表 达 出 这 一 变 化 的 开 端 ; 因 此, 看 来 好 像 是 他 本 人 发 动 了 我 们 在 本 世 纪 上 半 期 所 亲 眼 目 睹 的 革 命 的 确, 从 1905 年 的 幸 运 年 年 到 1916 年 广 义 相 对 论 论 文 标 准 版 本 的 发 表,Einstein 在 两 个 研 究 方 向 上 奠 定 了 20 世 纪 物 理 学 的 基 础 一 是 不 变 性 原 理 的 研 究, 最 终 创 立 了 狭 义 相 对 论 (1905 年 ) 和 广 义 相 对 论 (1915 年 ) 二 是 统 计 理 论 的 研 究, 其 结 果 导 致 布 朗 运 动 理 论 (1905 年 ) 分 子 大 小 测 定 法 光 量 子 假 设 (1905 年 ) 首 次 固 体 量 子 论 (1907 年 ) 光 的 波 粒 二 象 性 (1907 年 ) 以 及 导 致 激 光 发 现 的 A B 系 数 (1916 年 ) 最 后, 在 1925 年, 他 完 成 了 另 一 主 要 创 造 性 工 作, 即 独 立 于 德 布 罗 意 的 关 于 物 质 波 粒 二 象 性 的 假 设 指 明 不 变 原 理 和 统 计 涨 落 这 两 个 别 出 心 裁 的 研 究 方 向, 乃 是 Einstein 前 不 见 古 人, 后 不 见 来 者 的 杰 作 在 1916 年 之 后, 这 两 个 方 向 合 二 而 一, 成 为 Einstein 探 索 统 一 场 论 的 指 南 Einstein 认 为 : 我 们 关 于 物 理 实 在 的 观 念 决 不 会 是 最 终 的 为 了 以 逻 辑 上 最 完 善 的 方 式 来 正 确 地 处 理 所 感 觉 到 的 事 实, 我 们 必 须 经 常 准 备 改 变 这 些 观 念 也 就 是 说, 准 备 改 变 物 理 学 的 公 理 基 础 Einstein 曾 对 他 的 相 对 论 等 理 论 作 过 交 代 : 我 的 工 作 中 没 有 一 个 概 念 是 站 得 住 的, 我 不 能 肯 定 我 所 走 过 的 道 路 一 般 是 正 确 的 然 而 为 了 科 学, 就 必 须 反 反 复 复 地 批 判 这 些 基 本 概 念, 以 免 我 们 会 不 自 觉 地 受 它 们 支 配 在 传 统 的 基 本 概 念 的 贯 彻 使 用 碰 到 难 以 解 决 的 矛 盾 而 引 起 了 观 念 的 发 展 的 那 些 情 况 下, 这 就 变 得 特 别 明 显 他 曾 多 次 表 示, 他 的 理 论 绝 不 是 完 美 无 缺 的 终 极 理 论, 它 们 将 来 一 定 会 被 其 他 更 完 善 的 理 论 来 代 替 我 们 的 科 学 被 划 分 成 了 一 个 个 相 对 孤 立 的 体 系, 并 不 断 地 进 行 继 续 的 分 化, 看 起 来 科 学 之 树 越 来 越 枝 繁 叶 茂, 但 同 时 也 越 来 越 繁 琐, 越 来 越 孤 立. 划 分 这 些 体 系 的 是 一 个 个 开 创 新 学 科 的 大 师 们 所 进 行 的 分 析 与 简 化 回 顾 科 学 大 师 们 的 足 迹, 我 们 不 得 不 惊 叹 他 们 对 于 事 物 本 质 的 把 握 能 力, 但 他 们 把 握 的 依 然 不 是 事 物 的 完 全 真 实 本 质, 而 只 是 相 对 正 确 审 视 整 个 科 学 之 树, 我 们 看 到, 新 的 科 学 体 系 的 诞 生 无 不 是 在 固 有 体 系 的 基 础 上, 根 据 当 时 所 了 解 的 知 识, 理 想 化 出 一 系 列 基 本 理 论, 并 在 这 些 基 本 理 论 基 础 上 发 展 出 来 整 个 体 系 但 没 有 人 能 保 证 这 些 基 本 理 论 始 终 有 效 当 我 们 学 习 这 些 科 学 体 系 时, 对 权 威 的 崇 拜, 对 这 些 科 学 体 系 魅 力 的 迷 恋, 对 整 个 科 学 体 系 坍 塌 的 恐 惧 使 得 我 们 的 自 由 意 志 与 既 有 结 论 或 权 威 对 立 时, 我 们 的 第 一 个 反 应 就 是 逃 避 而 作 为 科 学 基 本 的 态 度 和 精 神 的 怀 疑 与 批 判, 则 早 已 被 我 们 置 之 于 脑 后 逐 渐 地, 我 们 就 把 这 些 基 本 理 论 看 成 神 圣 不 可 侵 犯 的 " 公 理 ", 即 使 它 们 已 经 不 合 时 宜 狭 义 相 对 论 天 空 存 在 着 两 朵 乌 云, 这 是 Einstein 发 现 的 : 第 一 朵 乌 云 在 狭 义 相 对 论 中, Einstein 采 用 了 欧 氏 几 何 对 于 确 定 绝 对 刚 体 的 空 间 位 置 是 正 确 的 这 个 假 设, 并 采 用 了 惯 性 系 和 惯 性 定 律, 从 而 给 出 力 学 相 对 性 原 理 因 此 在 力 学 相 对 原 理 的 推 论 中 起 着 基 本 作 用 的 是 绝 对 刚 体 的 概 念 1923 年,Einstein 提 交 哥 德 堡 北 欧 自 然 科 学 家 会 议 的 报 告 中 又 意 识 到 这 种 做 法 有 着 缺 欠, 而 84

且 这 个 缺 欠 存 在 于 整 个 相 对 论 中 是 的, 把 全 部 的 物 理 学 研 究 建 立 在 绝 对 刚 体 的 概 念 上, 然 后 又 用 基 本 的 物 理 定 律 在 原 子 论 上 再 重 新 建 立 刚 体 的 概 念, 而 基 本 的 物 理 定 律 又 是 用 刚 体 的 概 念 建 立 起 来 的, 这 在 逻 辑 上 是 不 正 确 的 同 时 他 也 承 认, 由 于 我 们 还 没 有 充 分 认 识 大 自 然 的 基 本 规 律, 以 致 不 能 够 提 出 一 个 更 为 完 善 的 方 法 来 解 脱 我 们 的 困 境 可 惜 的 是, 一 直 到 他 去 世 也 没 有 找 到 解 脱 这 个 困 境 的 办 法 这 个 问 题 就 这 样 挂 起 来 了, 而 且 一 挂 就 是 近 百 年 第 二 朵 乌 云 在 狭 义 相 对 论 中, 任 何 事 物 都 随 观 察 者 的 不 同 而 不 同 它 还 包 含 下 面 两 层 意 思 : 一 个 是 每 个 观 察 者 都 只 承 认 自 己 的 结 论 正 确, 其 他 观 察 者 的 结 论 不 正 确 ; 另 一 个 是 所 有 观 察 者 都 对 想 在 两 个 观 察 者 中 决 定 谁 是 正 确 的, 既 没 有 经 验 上 的 方 法, 也 没 有 理 论 上 的 方 法 这 就 是 相 对 论 的 相 对 性 很 明 显, 这 个 观 点 与 经 典 天 体 力 学 中 的 观 念 相 矛 盾 Einstein 自 从 量 子 力 学 革 新 了 物 理 学 中 的 思 想 方 法 以 后, 到 他 逝 世 为 止, 一 直 想 要 保 持 经 典 天 体 力 学 中 的 观 念, 即 一 个 系 统 的 客 观 物 理 状 态 必 须 跟 观 察 它 的 方 式 完 全 无 关 虽 然 Einstein 坦 白 地 承 认, 他 对 这 方 面 达 成 一 个 完 整 的 解 答 的 希 望 到 目 前 为 止 尚 远 未 满 足, 而 且 他 还 没 有 证 明 这 一 观 点 的 可 能 性, 他 认 为 这 是 一 个 有 待 解 决 的 问 题 (W. 泡 利 的 相 对 论 补 注 23) 不 排 除 相 对 论 与 其 它 学 科 的 认 识 存 在 严 重 矛 盾 的 情 况 也 许 在 过 去 我 们 过 多 地 在 相 对 论 中 自 言 自 语, 缺 乏 与 其 它 学 科 认 识 的 比 较 研 究 或 者 说 相 对 论 的 革 命 并 不 彻 底 普 遍, 在 相 对 论 中 推 翻 了 的 概 念 在 其 他 学 科 中 依 然 成 立, 这 必 然 导 致 矛 盾 冲 突 Einstein 传 395 页 : Einstein 很 快 乐, 并 且 还 自 己 编 了 一 个 小 幽 默 : 对 于 那 个 Einstein 来 说, 这 是 非 常 容 易 的 事 每 年 他 都 取 消 上 一 年 所 做 的 工 作 在 Einstein 以 前, 物 理 学 家 从 来 没 有 认 识 到 区 分 绝 对 物 理 量 和 相 对 物 理 量 在 理 论 上 有 多 么 得 重 要!Einstein 也 在 << 相 对 论 >> 中 写 道 : 如 果 相 关 于 K,K1 是 一 个 匀 速 运 动 而 全 无 转 动 的 坐 标 系, 那 么, 自 然 现 象 在 K1 中 的 发 生 过 程, 和 K 中 的 发 生 过 程 遵 循 完 全 一 样 的 基 本 定 律. 这 就 是 相 对 性 原 理 (Principle of Relativity). 回 顾 科 学 大 师 们 的 足 迹, 我 们 不 得 不 惊 叹 他 们 对 于 事 物 本 质 的 把 握 能 力, 但 他 们 把 握 的 依 然 不 是 事 物 的 完 全 真 实 本 质, 而 只 是 相 对 正 确 2005 年 6 月, 英 国 的 J.Dunning-Davies 教 授 曾 说 过 一 段 很 有 意 思 的 话 : 在 20 世 纪 末, 许 多 人 仍 象 对 待 圣 物 那 样 盲 目 相 信 由 相 对 论 推 出 的 任 何 结 果 他 们 忘 记 了 所 有 理 论 都 是 人 为 的, 而 宇 宙 却 不 是 人 造 的 任 何 理 论 或 模 型, 只 不 过 是 微 不 足 道 的 人 类 智 力 作 出 的 某 种 解 释 但 许 多 人 如 此 深 信 某 个 理 论 的 正 确, 而 知 名 权 威 们 竟 不 惜 代 价 地 阻 止 任 何 人 对 这 些 理 论 提 出 任 何 问 题 Dingle( 对 相 对 论 ) 的 忧 虑 至 今 被 隐 藏 起 来,Thornhill 对 狭 义 相 对 论 (SR) 的 有 效 性 的 怀 疑 难 见 天 日 实 际 上, 主 流 物 理 学 并 非 如 大 多 数 人 所 以 为 的 那 样 坚 实 与 无 懈 可 击 在 两 次 革 命 之 间, 有 一 个 较 长 的 所 谓 常 规 科 学 时 期 在 这 个 时 期, 新 范 式 被 发 展 被 应 用 同 时 占 统 治 地 位 的 范 式 也 逐 渐 暴 露 出 无 法 使 人 满 意 的 地 方, 不 断 产 生 反 常 现 象 大 量 反 常 现 象 的 涌 现 导 致 危 机, 危 机 是 新 理 论 诞 生 的 一 种 适 当 的 前 奏, 是 科 学 革 命 的 前 兆 库 恩 的 科 学 发 展 动 态 模 式 是 : 前 科 学 常 规 科 学 危 机 科 学 革 命 新 的 常 规 科 学 早 在 1908 年, 在 物 理 学 急 剧 发 展 的 浪 潮 中, 列 宁 就 一 针 见 血 地 指 出 : 一.. 般 自 然 科 学 家 以 及 物 理 学 这 一 专 业 部 门 中 的 自 然 科 学 家, 极 大 多 数 都 始 终 不 渝 地 站 在 唯 物 主 义 方 面 但 也 有 少 数 新 物 理 学 家, 在 近 年 来 伟 大 发 现 所 引 起 的 旧 理 论 的 崩 溃 的 影 响 下, 在 特 别 明 显 地 表 明 我 们 知 识 的 相 对 性 的 新 物 理 学 危 机 的 影 响 下, 由 于 不 懂 得 辩 证 法, 就 经 过 相 对 主 义 而 陷 入 了 唯 心 主 义 3 Rosenberg 在 科 学 哲 学 一 书 中 给 科 学 哲 学 下 的 一 个 工 作 定 义 : 哲 学 处 理 两 类 问 题 : 首 先, 科 学 - 如 物 理 科 学 生 物 科 学 社 会 科 学 和 行 为 科 学 等 - 现 在 不 能 回 答 也 许 永 远 不 能 回 答 的 问 题 其 次, 有 关 为 什 么 科 学 不 能 回 答 第 一 种 类 型 的 问 题 的 问 题 科 学 哲 学 担 负 了 区 分 科 学 与 伪 科 学 的 一 种 持 久 的 责 任 霍 金 在 时 间 简 史 中 说 : 迄 今, 大 部 分 科 学 家 太 忙 于 发 展 描 述 宇 宙 为 何 物 的 理 论, 以 至 于 没 有 工 夫 去 过 问 为 什 么 的 问 题 另 一 方 面, 以 寻 根 究 底 为 己 任 的 哲 学 家 不 能 跟 得 上 科 学 理 论 的 进 步 在 18 世 纪, 哲 学 家 将 包 括 科 学 在 内 的 整 个 人 类 知 识 当 作 他 们 的 领 域, 并 讨 论 诸 如 宇 宙 有 无 开 初 的 问 题 然 而, 在 19 世 纪 和 20 世 纪, 科 学 变 得 对 哲 学 家, 或 除 了 少 数 专 家 以 外 的 任 何 人 而 言, 过 于 技 术 性 和 数 学 化 了 哲 学 家 如 此 地 缩 小 他 们 的 质 疑 范 围, 以 至 于 连 维 特 根 斯 坦 这 位 本 世 纪 最 著 名 的 哲 学 家 都 说 道 : 哲 学 仅 余 下 的 任 务 是 语 言 分 析 这 是 从 亚 里 斯 多 德 以 来 哲 学 的 伟 大 传 统 的 何 等 堕 落! 2. 相 对 与 绝 对 的 辨 证 关 系 物 理 学 在 一 开 始 就 与 哲 学 紧 紧 地 联 系 在 一 起 哲 学 的 思 维 始 终 影 响 着 物 理 学 的 发 展, 物 理 85

学 的 新 发 现 又 影 响 着 哲 学 的 新 认 识 其 中, 尤 以 相 对 性 与 绝 对 性 最 为 突 出 相 对 性 原 理 在 不 同 的 惯 性 系 中 找 到 了 相 同 的 部 分, 这 些 部 分, 无 论 是 观 察 还 是 实 验, 都 不 可 否 认 的 是 " 这 个 " 样 子, 它 也 就 是 我 们 的 常 识. 绝 对 量 和 相 对 量 的 区 分 依 据 就 是 相 对 所 有 的 惯 性 测 量 坐 标 系 变 换 而 言, 凡 是 那 些 不 变 的 物 理 量 即 绝 对 量, 只 有 这 种 绝 对 物 理 量 才 可 以 称 之 为 基 本 物 理 量 ; 也 是 所 谓 的 不 可 测 的 物 理 量 也 是 永 远 不 可 测 知 的 物 理 量 同 时 也 是 最 核 心 的 物 理 量 凡 是 那 些 可 变 的 物 理 量 即 相 对 量, 这 种 相 对 物 理 量 只 有 技 术 工 程 学 的 意 义 当 然, 这 是 可 测 知 的 物 理 量 是 核 心 物 理 量 的 外 围 物 理 量 是 次 基 本 物 理 量 绝 对 式 和 相 对 式 的 区 分 依 据 就 是 相 对 所 有 的 惯 性 测 量 坐 标 系 变 换 而 言, 凡 是 那 些 不 变 的 物 理 式 即 绝 对 式, 只 有 这 种 绝 对 物 理 式 才 可 以 称 之 为 基 本 物 理 定 律 ; 也 是 所 谓 的 不 可 测 分 的 物 理 式 同 时 也 是 最 核 心 的 物 理 定 律 凡 是 那 些 可 变 的 物 理 式 即 相 对 式, 这 种 相 对 物 理 式 只 有 技 术 工 程 学 的 意 义 当 然, 这 是 可 测 分 的 物 理 式 是 核 心 物 理 式 的 外 围 物 理 式 是 次 基 本 物 理 式 绝 对 和 相 对 区 分, 早 在 18 世 纪 的 数 学 大 师 就 自 觉 地 明 确 区 分 开 来, 并 且 深 知 只 有 那 些 绝 对 量 和 绝 对 式 才 有 核 心 意 义 研 究 物 理 必 须 要 有 哲 学 观 点 作 指 导 把 简 单 的 哲 学 观 点 用 数 学 表 达 出 来, 并 进 行 逻 辑 验 算, 进 而 解 释 预 言 实 验 现 象, 这 就 是 物 理 Einstein 是 这 一 方 面 的 杰 出 代 表 不 管 是 狭 义 相 对 论, 还 是 广 义 相 对 论, 都 是 从 基 本 假 设 开 始, 进 行 数 学 验 算, 继 而 形 成 物 理 理 论 恩 格 斯 说 : 世 界 真 正 的 统 一 性 是 它 的 物 质 性, 而 这 种 物 质 性 并 不 是 魔 术 师 的 三 两 句 话 所 能 证 明 的, 而 是 哲 学 和 自 然 科 学 的 长 期 的 持 续 的 发 展 来 证 明 的 自 然 科 学 的 物 质 观 在 于 研 究 物 质 的 构 造, 是 随 着 自 然 科 学 的 进 步 而 变 化 的, 它 总 是 具 有 近 似 的 相 对 的 性 质, 而 这 些 相 对 真 理 的 总 和, 使 我 们 日 益 接 近 于 客 观 的 绝 对 的 真 理 从 逻 辑 上 来 说, 相 对 性 原 理, 最 小 作 用 原 理, 守 恒 原 理, 不 可 逆 原 理 不 能 认 为 是 独 立 的 若 是 以 要 求 世 界 线 和 测 地 线 重 合, 即 一 般 说 来 和 以 要 求 非 欧 氏 空 间 的 短 程 线 重 合 这 种 形 式 提 出 相 对 性 原 理, 那 么 相 对 性 原 理 和 变 分 原 理 的 联 系 就 变 得 十 分 明 显 了 守 恒 原 理 和 变 分 原 理 的 联 系 是 如 此 紧 密, 以 致 拉 格 朗 日 也 不 再 认 为 变 分 原 理 是 独 立 的 热 力 学 第 二 定 律 并 不 能 归 结 到 第 一 定 律 或 力 学 原 理 上 面 去, 然 而 在 逻 辑 上 却 同 这 些 原 理 密 不 可 分 现 在 已 逐 渐 形 成 的 时 间 空 间 理 论 就 是 同 相 对 性 概 念, 守 恒 概 念 和 不 可 逆 概 念 联 系 在 一 起 的 绝 对 和 相 对 的 关 系, 是 辨 证 的 统 一 没 有 绝 对, 就 没 有 相 对 ; 没 有 相 对, 也 就 无 所 谓 绝 对 绝 对 存 在 于 相 对 之 中, 并 通 过 无 数 相 对 来 体 现 ; 在 相 对 中 有 绝 对, 离 开 绝 对 的 相 对 是 没 有 的 绝 对 和 相 对 的 区 别 既 是 绝 对 的, 又 是 相 对 的, 二 者 是 相 互 渗 透 的, 在 一 定 条 件 下 相 互 转 化 1 黑 格 尔 说 : 无 论 这 命 题 是 如 何 的 真, 但 它 是 否 意 味 这 它 所 包 含 的 真 理, 却 是 有 疑 问 的, 因 此 至 少 这 个 命 题 的 表 达 方 式 是 不 完 满 的 因 为 我 们 不 能 明 确 决 定 它 所 意 味 的 是 抽 象 的 知 性 同 一, 亦 即 与 本 质 的 其 他 规 定 相 对 立 的 同 一, 还 是 本 身 具 体 的 同 一 而 具 体 的 同 一, 我 们 将 会 看 到, 最 初 [ 在 本 质 阶 段 ] 是 真 正 的 根 据, 然 后 在 较 高 的 真 理 里 [ 在 概 念 阶 段 ], 即 是 概 念 况 且 绝 对 一 词 除 了 常 指 抽 象 而 言 外, 没 有 别 的 意 义 譬 如 绝 对 空 间 绝 对 时 间, 其 实 不 过 指 抽 象 空 间 抽 象 时 间 罢 了 6 绝 对 空 间 和 绝 对 时 间, 无 非 是 抽 象 空 间 和 抽 象 时 间 而 已, 换 言 之, 与 客 观 事 物 存 在 形 式 完 全 一 致 的 空 间 尺 度 就 是 该 客 观 事 物 的 绝 对 空 间, 与 客 观 事 物 运 动 过 程 完 全 一 致 的 时 间 尺 度 就 是 该 客 观 事 物 的 绝 对 时 间 正 如 黑 格 尔 所 说 : 如 果 我 们 将 同 一 与 绝 对 联 系 起 来, 将 绝 对.. 作 为 一 个 命 题 的 主 词, 我 们 就 得 到 : 绝 对 是 自 身 同 一 之 物 这 一 命 题... 也 就 是 说, 只 要 一 种 描 述 能 够 与 自 在 之 物 完 全 一 致, 也 就 真 正 体 现 了 这 种 描 述 本 身 的 绝 对 意 义... 当 然, 这 是 从 形 式 逻 辑 的 意 义 上 来 说 的 如 果 从 辩 证 逻 辑 的 意 义 上 来 看, 则 如 同 黑 格 尔 所 说 : 无 论 这 命 题 是 如 何 的 真, 但 它 是 否 意 味 这 它 所 包 含 的 真 理, 却 是 有 疑 问 的, 因 此 至 少 这 个 命 题 的 表 达 方 式 是 不 完 满 的 因 为 我 们 不 能 明 确 决 定 它 所 意 味 的 是 抽 象 的 知 性 同 一, 亦 即 与 本 质 的 其 他 规 定 相 对 立 的 同 一, 还 是 本 身 具 体 的 同 一 而 具 体 的 同 一, 我 们 将 会 看 到, 最 初 [ 在 本 质 阶 段 ] 是 真 正 的 根 据, 然 后 在 较 高 的 真 理 里 [ 在 概 念 阶 段 ], 即 是 概 念 况 且 绝 对 一 词 除 了 常 指 抽 象 而 言 外, 没 有 别 的 意 义 譬 如 绝 对 空 间 绝 对 时 间, 其 实 不 过 指 抽 象 空 间 抽 象 时 间 罢 了 4 物 理 学 家 普 朗 克 曾 说 过 吗, 一 项 重 要 的 科 学 发 明 创 造, 很 少 是 逐 渐 地 争 取 和 转 变 它 的 对 手 而 获 得 成 功 的, 扫 罗 变 成 保 罗 的 事 是 罕 见 的 而 一 般 的 情 况 是, 对 手 们 逐 渐 死 去, 成 长 中 的 一 代 从 一 开 始 就 熟 悉 这 种 观 念 2 相 对 绝 对 论 应 当 是 唯 物 辩 证 法 的 一 条 基 本 原 理, 毛 泽 东 讲 : 相 对 绝 对 的 道 理, 是 关 于 矛 盾 问 题 的 精 髓 相 对 与 绝 对 是 指 世 界 上 一 切 事 物 都 具 有 相 对 与 绝 对 两 种 不 同 的 属 性, 笔 者 认 为 它 们 之 间 的 关 系 可 以 用 量 子 力 学 的 互 补 原 理 ( 或 者 中 国 古 典 哲 学 中 阴 阳 太 极 图 ) 来 表 述 彼 此 互 补 的 两 种 事 物, 不 可 能 用 任 何 方 式 把 它 们 结 合 成 一 个 无 矛 盾 的 统 一 体 ( 统 一 图 景 ), 86

只 有 这 些 现 象 的 总 体 才 能 将 关 于 客 体 的 可 能 性 包 罗 尽 光 的 波 粒 二 象 性 正 是 这 一 问 题 的 表 现 形 式 之 一 正 如 Bohr 所 讲 的 : 在 伟 大 的 戏 剧 存 在 中, 我 们 既 是 观 众 又 是 演 员 原 子 客 体 和 测 量 仪 器 之 间 的 相 互 作 用, 构 成 原 子 现 象 中 一 个 不 可 分 割 的 整 体 从 超 对 称 到 超 引 力, 从 量 子 理 论 到 M 理 论, 从 全 息 论 到 对 偶 论, 把 Einstein 的 广 义 相 对 论 和 费 因 曼 的 多 重 历 史 思 想 结 合 成 能 描 述 发 生 在 宇 宙 中 的 一 切 完 备 的 统 一 理 论, 都 说 明 了 相 对 绝 对 论 的 正 确 当 我 们 终 于 知 道 物 理 学 的 最 终 定 律 时, 我 们 一 定 会 感 到 意 外, 为 什 么 它 们 一 开 始 不 是 那 么 明 显 呢? 假 如 是 这 样, 我 们 要 探 索 的 就 是 : 寻 求 一 组 简 单 的 物 理 原 理, 它 们 可 能 具 有 最 必 然 的 意 味, 而 且 我 们 所 知 有 关 物 理 学 的 所 有 一 切, 原 则 上 都 可 以 从 这 些 原 理 推 导 出 来 5 参 考 文 献 : 1 邢 贲 思 主 编. 哲 学 小 百 科 中 国 青 年 出 版 社 1984 年 10 月 2 转 引 自 方 励 之 哲 学 是 物 理 学 的 工 具 长 沙 : 湖 南 科 学 技 术 出 版 社,1988 年 版, 第 6 页 3 唯 物 主 义 与 经 验 批 判 主 义, 列 宁 著, 第 359 360 页 4 小 逻 辑 第 247~248 页 5 理 查 德 费 曼 S 温 伯 格. 从 反 粒 子 到 最 终 定 律 [M]. 湖 南 : 湖 南 科 学 技 术 出 版.2003.5 6 小 逻 辑 第 247~248 页 7 物 理 学 与 实 在 原 载 Einstein 文 集 中 文 版 第 一 卷 第 341 页 Relative Questions Li Xuesheng Shandong University, Shandong, China xiandaiwulixue@21cn.com Abstract: This paper discusses relative questions. [Academia Arena, 2009;1(4):64-69]. ISSN 1553-992X. Key words: relative; science; physics 87