世紀之交談物理學(xué)發(fā)展的方向
論文摘要：回顧了物理學(xué)發(fā)展的歷史，討論了二十一世紀物理學(xué)發(fā)展的方向。認為二十一世紀物理學(xué)將在三個(gè)方向上繼續發(fā)展：(1)在微觀(guān)方向上深入下去;(2)在宏觀(guān)方向上拓展開(kāi)去;(3)深入探索各層次間的聯(lián)系，進(jìn)一步發(fā)展非線(xiàn)性科學(xué)�？赡軕搹膬煞矫嫒ヌ綄がF代物理學(xué)革命的突破口：(1)發(fā)現客觀(guān)世界中已知的四種力以外的其他力;(2)通過(guò)審思相對論和量子力學(xué)的理論基礎的不完善性，重新定義時(shí)間、空間，建立新的理論。
二十世紀即將結，二十一世紀即將來(lái)臨，二十世紀是光輝燦爛的一個(gè)世紀，是個(gè)類(lèi)社會(huì )發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀，也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個(gè)世紀。在 這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命，建立了相對信紙和量子力學(xué)，完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現代物理學(xué)的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學(xué)在深度和廣度上有了進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科，人類(lèi)對物質(zhì)世界的規律有了更深刻的認識，物理學(xué)理論達到了一個(gè)新高度，現代物理學(xué)達到了成熟的階段。
在此世紀之交的時(shí)候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學(xué)的發(fā)展前景，探索今后物理學(xué)發(fā)展的方向。我想談一談我對這個(gè)問(wèn)題的一些看法和觀(guān)點(diǎn)。首先，我們來(lái)回顧一下上一個(gè)世紀之交物理學(xué)發(fā)展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學(xué)發(fā)展的方向是很有幫助的。
一、歷史的回顧
十九世紀末二十世紀初，經(jīng)典物物學(xué)的各個(gè)分支學(xué)科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著(zhù)熱力學(xué)和統計力學(xué)的建立以及麥克斯韋電磁場(chǎng)理論的建立，經(jīng)典物理學(xué)達到了它的頂峰，當時(shí)人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫(huà)，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀(guān)察到的物理現象。由于經(jīng)典物理學(xué)的巨大成就，當時(shí)不少物理學(xué)家產(chǎn)生了這樣一種思想：認為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，物理學(xué)的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達 到了終點(diǎn)。物理學(xué)的一些基本的、原則的問(wèn)題都已經(jīng)解決，剩下來(lái)的只是進(jìn)一步精確化的問(wèn)題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個(gè)常數測得更精確一些。
然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學(xué)家在慶賀物理學(xué)大廈落成之際，科學(xué)實(shí)驗卻發(fā)現了許多經(jīng)典物理學(xué)無(wú)法解釋的事實(shí)。首先是世紀之交物理學(xué)的三大發(fā)現：電子、X射線(xiàn)和放射性現象的發(fā)現。其次是經(jīng)典物理學(xué)的萬(wàn)里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。這些實(shí)驗結果與經(jīng)典物理學(xué)的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學(xué)的傳統觀(guān)念受到巨大的沖擊，經(jīng)典物理發(fā)生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學(xué)的一場(chǎng)偉大的革命。愛(ài)因斯坦創(chuàng )立了相對論;海林堡、薛定諤等一群科學(xué)家創(chuàng )立了量子力學(xué)�，F代物理學(xué)誕生了!
把物理學(xué)發(fā)展的現狀與上一個(gè)世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。
在相對論和量子力學(xué)建立起來(lái)以后，現代物理學(xué)經(jīng)過(guò)七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達到了成熟的階段。人類(lèi)對物質(zhì)世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象�？梢哉f(shuō)，現代物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。在這一點(diǎn)上，目前有情況與上一個(gè)世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學(xué)家認為今后物理學(xué)不會(huì )有革命性的進(jìn)展了，物理學(xué)的根本性的問(wèn)題、原則問(wèn)題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發(fā)展現代物理學(xué)，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經(jīng)驗，多數物理學(xué)家并不贊成這種觀(guān)點(diǎn)，他們相信物理學(xué)遲早會(huì )有突破性的發(fā)展。
另一方面，雖然在微觀(guān)世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現象是現代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個(gè)世紀之交的情況不同。在上一個(gè)世紀之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴重的危機”;而在本世紀之交，現代物理學(xué)并無(wú)“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。
雖然在微觀(guān)世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現象是現代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個(gè)世紀之交的情況不同。在上一個(gè)世紀之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴重的危機”;而在本世紀之交，現代物理學(xué)并無(wú)“危機”。因此，我認為目前發(fā)生現代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。
客觀(guān)物質(zhì)世界是分層次的。一般說(shuō)來(lái)，每個(gè)層次中的體系都由大量的小體系(屬于下一個(gè)層次)構成。從一定意義上說(shuō)，宏觀(guān)與微觀(guān)是相對的，宏觀(guān)體系由大量的微觀(guān)系統構成。物質(zhì)世界從微觀(guān)到宏觀(guān)分成很多層次。物理學(xué)研究的目的包括：探索各層次的運動(dòng)規律和探索各層次間的聯(lián)系。
回顧二十世紀物理學(xué)的發(fā)展，是在三個(gè)方向上前進(jìn)的。在二十一世紀，物理學(xué)也將在這三個(gè)方向上繼續向前發(fā)展。
1) 在微觀(guān)方向上深入下去。
在這個(gè)方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結構，發(fā)現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學(xué)和粒子物理學(xué)，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會(huì )有新的進(jìn)展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務(wù)，所以我認為近期內在這個(gè)方向上難以有突破性的進(jìn)展。
2) 在宏觀(guān)方向上拓展開(kāi)去。
1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時(shí)并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀(guān)測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀(guān)測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時(shí)提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3] 等人開(kāi)始論述宇宙的創(chuàng )生，認為宇宙從“無(wú)”誕生，今后在這個(gè)方向上將會(huì )繼續有所發(fā)展。從根本上來(lái)說(shuō) ，現代宇宙學(xué)的繼續發(fā)展有賴(lài)于向廣漠的宇宙更遙遠處觀(guān)測的新結果，這需要人類(lèi)制造出比哈勃望遠鏡性能更優(yōu)越得多的、各個(gè)波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務(wù)。
我個(gè)人對于近年來(lái)提出的宇宙創(chuàng )生學(xué)說(shuō)是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個(gè)近似的描述。因為現在的宇宙學(xué)研究的只是我們能觀(guān)測到的范圍以?xún)鹊?ldquo;宇宙”，而我相信宇宙是無(wú)限的，在我們這個(gè)“宇宙”以外還有無(wú)數個(gè)“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的�，F代宇宙學(xué)只研究我們這個(gè)“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng )生了初及遙遠的未來(lái)，則失誤更大。
3)深入探索各層次間的聯(lián)系。
這正是統計物理學(xué)研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統計物理學(xué)有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結構”理論、協(xié)同論和突變論，接著(zhù)混沌論和分形論相繼發(fā)展起來(lái)了。近年來(lái)把這些分支學(xué)科都納入非線(xiàn)性科學(xué)的范疇。相信在二十一世紀非線(xiàn)性科學(xué)的發(fā)展有廣闊的前景。
上述的物理學(xué)的發(fā)展依然 現代物理學(xué)現有的基本理論的框架內。在下個(gè)世紀，物理學(xué)的基本理論應該怎樣發(fā)展呢?有一些物理學(xué)家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛(ài)因斯坦、海森堡等天才科學(xué)家努力探索“統一場(chǎng)論”;直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”;目前有一些物理學(xué)家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來(lái)的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。
愛(ài)因斯坦當初探索“統一場(chǎng)論”是基于他的“物理世界統一性”的思想 ，但是他努力探索了三十年，最終沒(méi)有成功。我對此有不同的觀(guān)點(diǎn)，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質(zhì)世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學(xué)發(fā)展的終點(diǎn)。因為“在絕對的總的宇宙發(fā)展過(guò)程中，各個(gè)具體過(guò)程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長(cháng)河中，人們對于在各個(gè)一定發(fā)展階段上的具體過(guò)程的認識只具有相對的真理性。無(wú)數相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實(shí)踐中對于真理的認識也就永遠沒(méi)有完結。”
現代物理學(xué)的革命將怎樣發(fā)生呢?我認為可能有兩個(gè)方面值得考試：
1) 客觀(guān)世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢?現在我們不知道。我的直覺(jué)是：將來(lái)最早發(fā)現的第五種力可能存在于生命現象中。物質(zhì)構成了生命體之后，其運動(dòng)和變化實(shí)在太奧妙了，我們沒(méi)有認識的問(wèn)題實(shí)在太多了，我們今天對于生命科學(xué)的認識猶如亞里斯多德時(shí)代的人們對于物理學(xué)的認識，因此在這方面取得突破性的進(jìn)展是很可能的。我認為，物理學(xué)業(yè)與生命科學(xué)的交叉點(diǎn)是二十一世紀物理學(xué)發(fā)展的方向之一，與此有關(guān)的最關(guān)于復雜性研究的非線(xiàn)性科學(xué)的發(fā)展。
2) 現代物理學(xué)理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過(guò)審思現代物理學(xué)理論基礎的不完善性來(lái)探尋現代物理學(xué)革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀(guān)點(diǎn)。
二、現代物理學(xué)的理論基礎是完美的嗎?
相對論和量子力學(xué)是現代物理學(xué)的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的呢?我們來(lái)審思一下這個(gè)問(wèn)題。
1) 對相對論的審思
當年愛(ài)因斯坦就是從關(guān)于光速和關(guān)于時(shí)間要領(lǐng)的思考開(kāi)始，創(chuàng )立了狹義相對論。我們今天探尋現代物理學(xué)革命的突破口，也應該從重新審思時(shí)空的概念入手。 愛(ài)因勞動(dòng)保護坦創(chuàng )立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點(diǎn)的兩個(gè)“事件”的同時(shí)性開(kāi)始的，他規定用光信號校正不同地點(diǎn)的兩個(gè)時(shí)鐘來(lái)定義“同時(shí)”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進(jìn)一步導致一個(gè)四維時(shí)空(x，y，z，ict)(c是光速)。為什么愛(ài)因勞動(dòng)保護擔提出用光信號來(lái)校正時(shí)鐘，而不用別的信號呢?在他的論文中沒(méi)有說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，其實(shí)這是有深刻含意的。
時(shí)間、空間是物質(zhì)運動(dòng)的表現形式，不能脫離物理質(zhì)運動(dòng)談?wù)摃r(shí)間、空間，在定義時(shí)空時(shí)應該說(shuō)明是關(guān)于什么運動(dòng)的時(shí)空�，F代物理學(xué)認為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過(guò)一定的場(chǎng)傳遞過(guò)去，傳遞需要一定的時(shí)間，時(shí)間、空間的定義與這個(gè)傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場(chǎng)是電磁場(chǎng)，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛(ài)因斯坦定義的時(shí)空實(shí)際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運動(dòng)的時(shí)空，適用于描述這種運動(dòng)。
愛(ài)因斯坦把他定義的時(shí)間應用于所有的 物質(zhì)運動(dòng)，實(shí)際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢?令引力相互作用的傳遞速度為c'。至今為止，并無(wú)實(shí)驗事實(shí)證明c'等于c。愛(ài)因斯坦因他的“物質(zhì)世界統一性”的世界觀(guān)而在實(shí)際上假定了c=c'。我持有“物質(zhì)世界既統一，又多樣化的”以觀(guān)點(diǎn)，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c'可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運動(dòng)的四維時(shí)空(x，y，z，ict)和關(guān)于由引力引起的運動(dòng)的時(shí)空(x'，y'，z'，ic't')是不同的。如果研究的問(wèn)題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來(lái)的運動(dòng)方程的形式不變。例如，愛(ài)因斯坦引力場(chǎng)方程的形式不變，只需把常數c改為c'。如果研究的問(wèn)題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過(guò)，首要的事情是由實(shí)驗事實(shí)來(lái)判斷c'和c是否相等;如果不相等，需要導出c'的數值。
我在二十多年前開(kāi)始形成上述觀(guān)點(diǎn)，當時(shí)測量引力波是眾所矚目的一個(gè)熱點(diǎn)，我曾對那些實(shí)驗寄予厚望，希望能從實(shí)驗結果推算出c'是否等于c。令人遺憾的是，經(jīng)過(guò)長(cháng)斯的努力引引力波實(shí)驗沒(méi)有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛(ài)國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實(shí)驗技術(shù)能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話(huà)，長(cháng)期的實(shí)驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點(diǎn)。應該從c'可能不等于c這個(gè)角度來(lái)考慮問(wèn)題，如果c'和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛(ài)因勞動(dòng)保護坦理論預言的強度弱得多的結果。
弱力、強力與引力、電磁力有本質(zhì)的不同，前兩者是短程力，后兩者是長(cháng)程力。不同的相互作用是通過(guò)傳遞不同的媒介粒子而實(shí)現的。引力相互作用的傳遞者是引力子;電磁相互作用的傳遞者是光子;弱相互 作用的傳遞者是規范粒子(光子除外);強相互作 用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛(ài)因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。
在研究由弱或強相互作用引起的物質(zhì)運動(dòng)時(shí)，定義慣性系中不同的地點(diǎn)的兩個(gè)“事件”的“同時(shí)”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢?我對核物理學(xué)和粒子物理學(xué)是外行，不想貿然回答這個(gè)問(wèn)題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關(guān)于由弱力或強力引起的物質(zhì)運動(dòng)的時(shí)空和關(guān)于由電磁力引起的運動(dòng)的時(shí)空(x，y，z，ict)及關(guān)于由引力引起的運動(dòng)的時(shí)空(x'，y'，z'，ic't')
有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c''，c''不是常數，而是可變的，則關(guān)于由弱或強力引起的運動(dòng)的時(shí)空為(x''，y''，z''，Ic''t'')，時(shí)間 t''和空間(x''，y''，z'')將是c'的函數。然而，很可能應該這樣來(lái)考慮問(wèn)題：關(guān)于由弱力引起的運動(dòng)的時(shí)空，在定義中應該以規范粒子的靜質(zhì)量取作零時(shí)的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來(lái)了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運動(dòng)的時(shí)空和關(guān)于由電磁力引起的運動(dòng)的時(shí)空是相同的，同為(x，y，z，ict)。關(guān)于由強力引起的運動(dòng)的時(shí)空，在定義中應該以介子的靜質(zhì)量取作零(在理論上取作零，在實(shí)際上沒(méi)有靜質(zhì)量為零的介子)時(shí)的速度c''取代光速 c，c''可能不等于c。則關(guān)于由強力引起的運動(dòng)的時(shí)空(x''，y''，z''，Ic''t'')不同于(x，y，z，ict)或(x'，y'，z'，ic't')。無(wú)論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個(gè)物質(zhì)世界的時(shí)空將是高于四維的多維時(shí)空。對于由短程力(或只是強力)引起的物質(zhì)運動(dòng)，如果時(shí)空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說(shuō)需要建立新的量子場(chǎng)論、新的核物理學(xué)和新的粒子物理學(xué)等。如果研究的問(wèn)題既清及長(cháng)程力，又涉及短程力(尤其是強力)，則更需要建立新的理論。
2)對量子力學(xué)的審思
從量子力學(xué)發(fā)展到量子場(chǎng)論的時(shí)候，遇到了“發(fā)散困難”。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著(zhù)邏輯上的缺陷，并沒(méi)有徹底克服這一困難。“發(fā)散困難”的一個(gè)基本原因是粒子的“固有”能量(靜止能量)與運動(dòng)能量、相互作用能量合在一起計算，這與德布羅意波在υ=0時(shí)的異性。
現在我陷入一個(gè)兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關(guān)系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性;如果采納修正的德布羅意關(guān)系，就必須面對使新的理論滿(mǎn)足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問(wèn)題的其他途徑呢?我認為這個(gè)問(wèn)題或許還與時(shí)間、空間的定義有關(guān)�，F在的量子力學(xué)理論中時(shí)寬人的定義實(shí)質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀(guān)世界的一條基本規律，所以時(shí)間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時(shí)空要領(lǐng)不再適用。在時(shí)間或空間的間隔非常小的時(shí)候，描寫(xiě)事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時(shí)空時(shí)還應考慮相關(guān)的物質(zhì)運動(dòng)的類(lèi)別。模糊數學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當成熟了，把這個(gè)數學(xué)工具用到微觀(guān)世界時(shí)空的定義中去可能是很值得一試的。
1)在二十一世紀物理學(xué)將在三個(gè)方向上繼續向前發(fā)展(1)在微觀(guān)方向上深入 下去;(2)在宏觀(guān)方向上拓展開(kāi)去;(3)深入探索各層次間的聯(lián)系，進(jìn)一步發(fā)展非線(xiàn)性科學(xué)。
2) 可能應該從兩方面去控尋現代物理學(xué)革命的突破口。(1)發(fā)現客觀(guān)世界中已知的四種力以外的其他力;(2)通過(guò)審思相對論和量子力學(xué)的理論基礎，重新定義時(shí)間、空間，建立新的理論
3)由于現代物理學(xué)尚未發(fā)生“危機”，因此目前發(fā)生現代物理學(xué)革命的條件也許還不成熟，物理學(xué)的發(fā)展和物理學(xué)革命都有賴(lài)于在物理實(shí)驗和對客觀(guān)物質(zhì)世界的觀(guān)測中獲得新的結果，實(shí)驗和觀(guān)測是發(fā)展物理學(xué)的量重要手段，這是我們要關(guān)注的首要問(wèn)題。然而，科學(xué)的發(fā)展和物理學(xué)的發(fā)展有本身的邏輯，符合客觀(guān)規律的、有真知灼見(jiàn)的思維也是一個(gè)關(guān)鍵。
我的觀(guān)點(diǎn)與眾不同，可能不算什么真知灼見(jiàn)，也可能被有些人認為是不合常規、有悖常理的。然而我期望這些觀(guān)點(diǎn)能起到拋磚引玉的作用，引出大量有真知灼見(jiàn)的“玉”。當不合目前的“常規”和“常理”的思想在物理學(xué)花園中百花盛開(kāi)的時(shí)候，我們將迎來(lái)物理學(xué)更光輝燦爛的明天!
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