物理學(xué)的現(xiàn)狀、問題根源與突破困境的方法

johntong 2015-02-13

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關(guān)于當代物理學(xué)存在的一些深層次的問題，一些專家、學(xué)者通過各種不同的渠道提出了自己的見解，可謂“仁者見仁，智者見智”。本文提出的觀點是作者多年潛心研究的成果，刊發(fā)于此，以饗讀者。本文僅代表作者觀點。

----《科技創(chuàng)新與品牌》編輯部

美國物理學(xué)家L·斯莫林在《物理學(xué)的困惑》一書中說，從18世紀80年代到20世紀70年代，我們對物理學(xué)基礎(chǔ)的認識，大概每10年就有一次大的進步，但自20世紀70年代以來，我們對基本粒子的認識還沒有一個真正的突破^[1]。許多科學(xué)界人士和我們一樣，不禁要問：物理學(xué)到底怎么了？

1. 物理學(xué)的現(xiàn)狀與困惑

撥開歷史的長卷可看到，自16世紀自然科學(xué)從神學(xué)中解放出來以來，物理學(xué)經(jīng)歷了波瀾壯闊的發(fā)展歷程。伴隨經(jīng)典力學(xué)和熱力學(xué)的創(chuàng)立與發(fā)展，人類開始了轟轟烈烈的機械工業(yè)革命；伴隨愛因斯坦相對論和量子理論的創(chuàng)立與發(fā)展，人類構(gòu)建起了日新月異的現(xiàn)代文明。這就是讓無數(shù)人為之奮斗的物理學(xué)，正是它推動著人類的發(fā)展進程！

然而，自上世紀70年代后，宇觀方面物理學(xué)面臨越來越多的挑戰(zhàn)和課題，且遲遲得不到解決，如暗物質(zhì)和暗能量至今給不出合理的解釋；微觀方面提出的攸關(guān)量子場論命運的諸多預(yù)言得不到檢驗，如希格斯粒子、質(zhì)子衰變等至今尚未找到或證實。

問題還遠不止這些。隨著現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，它與經(jīng)典物理學(xué)間的矛盾日趨尖銳，本想通過深入研究找到彌合矛盾的方法，然而得到的卻是事與愿違的結(jié)果:變得更加難以調(diào)和；再比如，盡管二百多年來科學(xué)家們已竭盡全力，但引力常數(shù)G的測量精度仍然是物理學(xué)基本常數(shù)中最差的，等等。

針對物理學(xué)面臨的問題和困境，一些新的理論被紛紛提出，然而這些理論大都曇花一現(xiàn)。卡魯扎-克萊因理論、愛因斯坦統(tǒng)一場論、SU(5)大統(tǒng)一理論、超對稱理論等都先后失敗的事實表明，物理學(xué)陷入了重重彌障之中，已經(jīng)迷失了方向。

2. 導(dǎo)致物理學(xué)現(xiàn)狀的根源

斯莫林斷言，“弦理論、圈量子引力和其他方法，它們都還沒有到達那個前沿。我相信我們還缺失某個基本的東西，我們還在做著錯誤的假定。我猜它涉及兩個因素：量子力學(xué)的基礎(chǔ)和時間的本質(zhì)?！?我越來越覺得量子理論和廣義相對論在深層次上都把時間的本質(zhì)弄錯了?！?^[1]

如果將人類認識自然界的方式放在微觀、宏觀和宇觀的尺度軸上進行觀察，不難發(fā)現(xiàn)人類認識自然界，既不是從微觀粒子開始的，也不是從宇觀的天體、星系開始的，而是從宏觀的身邊事物開始的，而后才開始向微觀和宇觀延伸。如圖1所示。

物理學(xué)的現(xiàn)狀、問題根源與突破困境的方法

在宏觀領(lǐng)域，根據(jù)萬有引力和庫倫力的作用力性質(zhì)不同，對物質(zhì)的表述分別用質(zhì)量和電荷兩個概念。然而，我們從宏觀所看到物質(zhì)的性質(zhì)是由物質(zhì)微觀層面上的性質(zhì)所決定的。事實是，我們根據(jù)宏觀上建立的質(zhì)量、電荷概念來推導(dǎo)物質(zhì)在微觀上的性質(zhì)，顯然這是本末倒置了。

宏觀環(huán)境的物質(zhì)模型是我們動用所有的感官才建立起來的。然而到了微觀和宇觀環(huán)境，我們只能靠視覺觀察，探索者唯一倚重的知識只有宏觀經(jīng)驗，而問題恰恰就出在這里。比如，在廣義相對論的框架下，我們得到了一個宇宙大爆炸模型，然而發(fā)生宇宙大爆炸的奇點卻不適用任何物理定律。我們從已知導(dǎo)出了一個未知事物，單從邏輯上看就已經(jīng)不自洽了。

牛頓力學(xué)和電磁理論在宏觀應(yīng)用上的巨大成功，使人們不加思索地將質(zhì)量和電荷直接引入到微觀和宇觀領(lǐng)域，導(dǎo)致更多物質(zhì)概念被提出，如圖2所示。可見，將宏觀體驗直接推廣到宇觀和微觀是導(dǎo)致物理學(xué)陷入困境的根源。

物理學(xué)的現(xiàn)狀、問題根源與突破困境的方法

3. 突破物理學(xué)困境的方法

由于我們用宏觀物質(zhì)層面的概念去認識微觀現(xiàn)象難以理解，于是為了能從宏觀知識推導(dǎo)出微觀現(xiàn)象的規(guī)律，不得不借用復(fù)雜的數(shù)學(xué)工具，從此物理學(xué)就被數(shù)學(xué)化了。

廣義相對論和量子理論都帶有濃重的數(shù)學(xué)化色彩。由于錯誤的根源在于宏觀概念的超范圍運用，導(dǎo)致數(shù)學(xué)化了的物理學(xué)最終還是走進了死胡同（當然，數(shù)學(xué)也被殃及了）。比如，量子電動力學(xué)用拉格朗日的數(shù)學(xué)方程來描述，后來遇到發(fā)散困難后，不得不打上一個“重整化”的補丁；當發(fā)現(xiàn)跟費米理論不相協(xié)調(diào)后，又不得不再打上“規(guī)范不變性”的補??；規(guī)范不變性與對稱性相對應(yīng)，當發(fā)現(xiàn)許多粒子不具有這種對稱性時，又不得不再打上一個“對稱性自發(fā)破缺”的補丁。

然而這個經(jīng)過多次修補后的規(guī)范理論，自上世紀70年代以來，不論在解釋或預(yù)見基本粒子的新性質(zhì)方面，還是在解決它所面臨的概念困難方面，再也沒能取得進一步的進展。

可見，物理學(xué)的數(shù)學(xué)化并不能將誤入歧途的物理學(xué)拉回到正確的軌道上來。美國物理史學(xué)家曹天元教授在《量子物理史話》一書中說，“以往人們喜歡先用經(jīng)典手段確定理論的大框架，然后再從細節(jié)上做量子論的修正，這可以稱為‘自大而小’的方法?！?現(xiàn)在人們開始認識到，也許‘自小而大’才是根本的解釋宇宙的方法?！?/p>

弦理論是采用“自小而大”方法的一個理論，它幾經(jīng)沉浮最終脫胎換骨成有11個時空維度的M理論。在科學(xué)界經(jīng)歷了一系列的失敗后，霍金和大多數(shù)科學(xué)家認為M理論是大設(shè)計的唯一候選者。但三維空間中的動態(tài)宇宙，在四維時空中成為愛因斯坦的靜態(tài)宇宙----一種永恒的“存在”，而這種永恒的“存在”本質(zhì)上是不存在，因為永恒“存在”意味著時間靜止了，而存在的時間為零的事物是不存在的。

既然四維時空意味著不存在，那么5個維度下的宇宙就更不存在了，更何況多達11維的宇宙?？梢?，用弦理論這根“弦”是無法將廣義相對論和量子理論連接起來的。

4. 系統(tǒng)相對論的物理統(tǒng)一方法

系統(tǒng)相對論^[2]采用 “自小而大”的研究方法，從cn粒子假設(shè)入手，逐步架構(gòu)起各種粒子、物體和天體。通過流體態(tài)物質(zhì)和剛體態(tài)物質(zhì)定義與分類，系統(tǒng)相對論將自然界形態(tài)各異的所有物質(zhì)統(tǒng)一在能量的概念下，從而實現(xiàn)了物質(zhì)的統(tǒng)一。

從微觀到宏觀、宇觀，整個宇宙是一個不可分割的有機整體，如圖3所示。適用于宇觀高速領(lǐng)域的廣義相對論和適用于微觀的量子理論，如同黑輻射理論中的適用于高頻段的維恩公式和適用于低頻段的瑞利-瓊斯公式一樣，它們都是不正確的；所不同的是，后者在普朗克公式中可以退居到“近似”的地位上；而前者只能退居到“相當于”的地位上，因為它們的基礎(chǔ)存在問題，如時間概念。

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