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科学理论之批判(10)基本常数之谜

(2007-12-16 11:17:01)
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科学

 
 
  十节    基本常数之谜 
 

    自哥白尼之后,自然科学体系得到确立,并日益发展,几百年后的今天,绝大多数科学家都具有这样的信念,相信宇宙是以自洽的方式产生与演化的。并非什么造物主有目的而精巧设计创造的,但自然科学发展至今,人们还并未找到一种机制,来完善而合乎逻辑地说明宇宙是怎样自洽产生与演化的。

    在自然科学体系认识宇宙的方法中,有一种现象使科学家们无比惊讶并大惑不解,这就是由一些所谓宇宙基本常数之间的数学关系,似乎非常清晰地显示,我们的宇宙并非什么原始的、粗糙的和天然的事物,倒非常类似人工精巧的制成品。正如有人所比喻过的,当你在海滩边散步时,随意拾到的一个鹅卵石,其光滑的表面和特殊的形状都不会使你惊讶,你会如此认为:它原本就一直这么存在的。但假若你弯腰拾到的是一块闪亮的手表,则必然意识到,它是由某人出于某种目的----计时----而制造出来的。

    由宇宙基本常数之间的精巧结合,总是促使人联想到,我们的宇宙就象那块闪亮的手表一样,是由谁以超自然的力量和智慧精巧设计制造的产品。

    正是由宇宙常数所体现出的宇宙小尺度上与大尺度上的严密精巧结合长期得不到合理的解释,甚至使部分自然科学家在对宇宙的整体思维上,放弃了在具体科技活动上惯有的理性思维,而类似于艺术地运用拟人化的想象,将宇宙的产生与演化最终归因于造物主的设计,就象牛顿曾经做过的那样。因为除此之外,实在没有人能够完满地解释宇宙整体由各层次所体现出来的严密自洽性。

    这些被称为宇宙基本常数的物理量包括:G(引力常数);C(光速);h[h = h/2p](普朗克常数)以及e(电子或质子的电荷)。

    在科学家看来,上述这些常数决定了宇宙中多姿多彩的物体各自具有的质量、大小和总体特征,决定了核子、原子、行星、恒星、星系等各种“粒子” 由小到大在不同尺度上的存在形式。

    有科学家作出这样的假设,这些基本常数哪怕有微不足道的改变,都将对整个宇宙产生巨大的影响,恒星的构造及演变规律将完全不同,生物现象也会受到直接影响,宇宙将完全不是以现在人类所了解的状态存在.总之,就如米尔顿 .穆尼茨在《理解宇宙》一书中谈到的,“基本常数在宇宙的各个角落都具有相同的值”“宇宙常数的值把宇宙的、生物的、人类的和微观物理的领域都联结在一个相互依存的紧密的网络之中了。”

    看来,如果不能完满解释基本常数带来的种种巧合,就不能彻底解释宇宙,最终使我们仍有可能被迫无奈地将宇宙的产生归因于全能的造物主。这样就决定了我们必须对这些基本常数有本质上的理解,以认识宇宙为何在大尺度和小尺度上有着如此密切的关联。

    那么,基本常数究竟是怎样产生的呢?

    首先,所有这些基本常数都来自于自然科学知识体系,它们是人类认识宇宙的非常有效的这一方法体系中的基本概念,是以量化、约化和简化原则构成的标准化思维方式的产物,是高度抽象的数学性概念。

    接下来,让我们回忆一下前三章的有关论述,搞清楚它们分别具有怎样的涵意。

    关于e,我们已知道, 这是一个涉及一切电磁现象的常数,它表示电子所具有的电荷;实际上,物理学家用它来表征的是质子场中,核心质子与外围虚空部分极高的与极低的两种不同质能密度之间的力;是以电子伏特(eV)这样的量级单位去量化认识这种力而得出的概念;它表述了在这一基本的粒子力场系统中,1836份与1份基本单位的质能之间的关系, 也就是通常所谓的电磁力。

    关于光速C, 本文已将可见光光子的概念定格为质子场膨胀与收缩之间,可视为一份一份的质能连续变化量。这一变化量在空间任何一维度上以波动方式传播的速度,就是光速。

    至于普朗克常数h与引力常数G,则是在常观物质世界的量化分析基础上,在更小的量级单位上,由经验推导出来的一种数学比例。可以说,h显示的是宇宙中进入量子世界的空间尺度所具有的一种基本比例关系,而G则是超量子世界即以质能因子为单位的谐振圈内的最为基本的一种比例关系。

    通过第一章有关质子场的论述,我们已经了解质子场各项物理数据对维持一个动态平衡的场的至关重要性,可以说,宇宙在宏观上具有观测效应的一切层次显示,物质世界稳定存在的各种规模的“粒子” ,如各种原子、分子和化合及混合的物质等,都是在永不衰变而动态平衡的质子场的基础之上建立的,所以,e和C这两个与质子场密切相关的数学量,也就从根本上决定了一切更高层次上物质世界的比例关系,而在更低的层次上,它们与反映量子世界的比例关系的h,以及更为基本的引力关系的G,同样存在着严格的数学比例。

    在宇宙天体尺度上,不管规模有多么大的恒星、星系,都是由不同数量的质子场累积而成的,在更深层的意义上,是由基本粒子,甚至最终可视为由质能因子累积而成的,星系或恒星反映着不同数量的基本常数的比例关系,正因为如此,大尺度上存在的一切物质形式都已决定了被这种比例关系所确定,在人类以光为基础的观测活动中,宇宙只能对我们以如此被确定的方式,以常被人们感悟到的秩序与和谐而显示,别无选择!

    在人类标准化思维方式的概念体系中,宇宙中的一切存在形式,就是这样被几个基本常数以成比例关系地确定了,人们对这一切存在形式的认识也就如此地被确定了,本文反复多次强调的“量变引起质变”的原则,也正是在这种比例关系的意义上显示着真谛!

这就是长期以来使人迷惑不解的,由宇宙基本常数反映出的在大尺度与小尺度上的数学巧合的实质,了解了这种实质,就从根本上懂得了宇宙自洽形成与演化的秘密,自然不会也没有必要再将宇宙理解为由造物主有目的而精巧设计的作品!諦

 

 

在整体上分析了自然科学思维体系认识宇宙的方法本质之后,本章又将这一体系中几个具体的课题进行了重点的研究探讨,因为这些问题在更为基本的层面上与怎样认识宇宙密切相关,有必要在诸如概念的重新界定,相关原理与机制的原始意义等方面有更深入的理解,以从根本上杜绝那些因概念相近造成似是而非的偷换所带来的佯谬。

如图所示,在更为宽广以及更深的时空尺度背景上,我们可以完整地理解各自然学科与重大理论所涵盖的范畴。

自然科学体系在从普朗克尺度至星系尺度上建立了相关物质及运动的物理研究科目。随着科学研究的深入,更为精细的子科目相继诞生。如在分子这一层次上,二十世纪新兴学科就出现了不少。如高分子化学、分子生物学等等。如今技术手段日益精良,随着象碳纳米管、巴基球、分子开关、分子马达、分子棘轮等高尖新诸多技术的涌现,人类不再象以往只能在统计水平上认识原子与分子,观察及操纵单个原子和分子的相应技术日渐成熟,无疑更深化了对物质世界的认识。

一方面学科科目越分越细,另一方面各学科之间交叉渗透,打破了原有范畴,组合产生了一些更前沿的新科目。以至于象研究极小尺度的量子物理学甚至于与研究极大尺度的天体物理学,如今都能结合为一门量子宇宙学。这些无疑是人类文化中极为可喜的现象。至二十世纪结束,整个自然科学体系比以往任何时候都更强盛更占统治地位地覆盖着人类社会文化园地,并已大体掌握了物质世界各尺度上的大量局部真理。按理说应能完整自洽地以一套系统理论正确地将宇宙的过去现在以及未来清晰描述。但遗憾的是,科学理论远不如人们所企盼的那样完美,一些不完备的理论,不恰当引伸的理论,甚至错误的理论比比皆是。相对于日新月异的应用技术的发展,理论显得明显地滞后,没有表现出与时俱进的同步发展。

科学与技术是一有机整体,但通常认为人类对自然的认识表现为科学,对自然的改造表现为技术。当世纪之交辞旧迎新之际,科学权威人士在总结人类科学成就时都不得不承认,在几个大的问题上,科学还没有让人们完全认识大自然的奥秘。

首当其冲的大问题就是:一、物质是怎样产生的。二、宇宙是怎样形成与演化的。三、生命是如何诞生的。

生命具有存在的物质基础,而宇宙这一概念,实际上是通过物质及其运动由可观察的物质世界体现出存在的,因而这三大问题的关键最终必归结到第一个大问题上。‘物质是怎样产生的?’在科学家看来,这一问题又具体体现于对物质世界‘质量因’和‘动力因’的寻找上。前者因‘夸克’理论在观察中得不到验证而受阻,后者则由于引力还不能与其他三种力在数学上完美统一而难以进展。在认识物质上遇到的困难,扩展到宇宙大尺度规模,则体现为找不准宇宙的始与终。

这种理论上的困惑,颇有些与一百多年前即十九世纪末自然科学体系内出现的情况相类似。当时,一直由实践证明是正确因而被奉为经典的牛顿机械力学,就是因为始终无法与由电磁现象和放射现象所带来的理论问题相吻合,常常使许多学者苦恼。而理论问题最终得到突破所启示的是,对理论上出现的问题,在原有概念基础上去修修补补是无济于事的。唯有像爱因斯坦那样,在涉及构成经典理论的传统概念层面上去进行突破,才能获得较根本性的解决。

如今,爱因斯坦的理论已经使人类认识在时空领域有了极大的拓展。在我们的空间尺度图上,大致可以说其宏观扩大到星系层次,微观则深入到原子层次。就是说在这两种层次之间的物质现象,都与其物理学理论基本相符,可以说在上述范畴内,通过大量观测事实验证,爱因斯坦理论也已被奉为经典。然而这一理论纵然涵盖层面比牛顿理论更深更广,毕竟也是有局限性的,相对宇宙而言仍只能算是一个局部理论,这一点连理论家自己也十分清楚。它的真理性质只能是相对其范畴所限定的框架内而言,一经超越,与理论不符的情况就必然出现。

二十世纪能与相对论相提并论的另一重大理论则是量子理论。所谓量子理论是一泛称,表明其研究的领域是比原子更小的世界。量子力学才是这一领域的具体理论。量子力学在数学计算与技术应用上表现了其精确无比的魅力,在经典理论涵盖领域与量子世界之间搭建了一座方便的桥梁,这是众所周知而被一致认可的。然而科学的价值体现在对自然的认识上,正是在此意义上,量子力学并不构成人类对亚原子世界完整的认识。虽然也具有一定的认识价值,它更多表现出的是技术价值。关于这点并不需要人们来特别指出,只要了解理论家们如今还在一个又一个地继续抛出种种理论模式就自然明白了。象夸克理论、量子场论、S矩阵理论、量子靴袢理论、超弦理论等,这些理论均在某一方面体现了精到的认识价值,但却同样在全面性与自洽性上表现出一定程度的不完备。还不能象牛顿理论之于常观物质世界,相对论之于原子  -星系领域那样具有统一的权威性。

    现今理论上遇到的问题,正是突破相对论表述范畴所必须面对的问题,具体来说就是在比原子更深而比星系更宽广的层次上出现的问题,是表述宇宙的过去与未来,以及在物质的产生上不能回避的问题。历史的经验告诉我们,同样不能只在理论上采取修修补补的方式,而需要更大的勇气,必须突破整个自然科学体系赖以构建的最基本层面上的种种概念的束缚,更确切地说就是重新认识如空间、时间、光速以及质与能、粒与波、场与力等概念,不是舍弃而是在更广阔的意义上包容并拓展对这些概念的理解,才能得到一个更为完备自洽的统一理论,从而真正找到物质世界的质量因与动力因,并准确地认识宇宙的过去和未来。

    艺术家总是乐于以某种方式摹仿或重现大自然,科学家则更关心怎样真实地剖析大自然,哲学家却更倾向于刨根问底地追问大自然为何会是如此的。很早以前一个哲学家较易于将整个人类知识大体掌握,以充实他对这个世界的看法,但自从自然科学体系确立之后,人类知识变得日益繁杂精细,专业知识与更复杂的数学结合得更紧密,这种情况使大多数哲学家在知识上难以继续全能化,迫不得已撤离某些研究领域,这样,关于物质世界的理论研究基本上都留给了科学家。至二十世纪,哲学家大多只能在关系到人类社会层面的一些问题如政治、经济、伦理等上面施展才华。而在自然科学家中,绝大多数人热衷于某些具体问题的探究,只剩下少部分人在理论科学方面坚持着原来哲学担负的任务:追问“为什么?”

科学家需要高等数学和专业技术知识,这一点大家都很清楚,而哲学家应该具备一些什么专业素质,往往被人忽视。一个科学家相信他对某事物的描述是真实的,当别人质疑时,他会说,这是由无数次观测实验所证实,并与精确的数学计算相吻合的。一个哲学家更应具有的是一种全方位思考的能力。他不是忙于解决问题,而是应当提得出更多别人认为是不成问题的问题。比喻说他将询问那位科学家,你的观测实验方法是否有局限性,存在别的或者说更好的方法吗?计算结果虽然精确,但是否与得出的结论构成必然的联系?诸如此类的问题,实际上是在从不同角度或更高层次来审视结论,而不仅仅是求取一个结论。

爱因斯坦提出狭义相对论已经一百年了,他至死不渝所追求的一个完整解释物质世界的科学统一理论至今尚未获取,不禁使人要问“科学究竟怎麽了?”科学理论困顿的事实从一个侧面启示,新世纪的理论科学有必要突破固有的思维模式,从更高的文化层面全方位审视自然科学迄今所获得的一切成果,相对性地看待和分析那些经典理论,认识科学方法的有效性与局限性,从基本概念的界定、科学发现与由此演化延伸的理论之间关系的准确性等不同角度提出问题,并争取获得全新的理解,若能如此,理论问题的突破应指日可待。

 

 

 

 

            (后    语)

 

    通过以上论述,我们已经了解自然科学体系是以量化、 约化、 简化原则构成的标准化方式去认识宇宙的,这种思维方式必然促使科学家们要将宇宙整体分成许多部分,并且越分越细,去分别进行专题研究。一个自然科学家不必去笼统地思考整个宇宙的问题,而将主要的精力与智力投放在对某一课题的具体钻研上,这无疑能促使相关的问题得到较透彻的理解。于是,随着科学的发展,宇宙各个部分的真理被逐一揭示,这就使由无数代众多科学家构成的这一认识体系积累了大量的宇宙局部真理,并且得到广泛的传播,一代一代完整地保留下来。

    以统一的标准化方式去认识事物,以一种合乎逻辑的理性语言去简洁近似地表述事物,无疑便于人们之间的交流传播,并促使担任主要的交流传播职能的人类文化教育事业蓬勃发展。

    标准化思维方式还通过便于交流传播这一特点,而显示出了其极大的有效性优势。近几百年来,自然科学体系确立后的迅猛发展,比以往更大程度地开发了人类的聪明才智,使对宇宙的理解在逐渐积累的知识中,通过不断渐进而奋进,并由渐悟达顿悟,产生一次次的质的飞跃。

    人类智能的有效开发,改善了人在自然环境中完全处于被动的状况,认识自然、改造自然和掌握自然使人类获得了丰厚的物质财富。历史早已证明,自然科学的发展使人类的物质文明与精神文明都得到了极大的提高,这也就同时自证了自然科学体系标准化思维方式的有效性。

    自然科学体系在将宇宙分化成由基本粒子至星系团的不同部分去分别予以研究,量化原则总是与这种还原论认识方式密切联系。如今,当科学已大体上各个部分都取得进展后,如果想要真正完整彻底地认识宇宙,将这些局部真理有机地联系起来,以整体论的思维方式与还原论的思维方式形成互补,并进行创造性的结合就成了当务之急。

当代管理科学的发展及交叉、横断、综合性学科在体系内的紧密联系,  就是上述互补性思维方式的体现,但是必须指出,这种属于体系内部的互补是远远不够的。

在众多应用科学家潜心于专题研究的成果基础之上,理论科学家中很多人开始对整个科学体系进行全面的批判性思考,其中一些非常优秀的学者,勇敢地抛弃掉传统的门户偏见,将视野扩大,开始注意到人类中始终存在的,完全不同于自然科学体系的思维方式,美国理论科学家卡普拉畅销全世界的名著《物理学之“道”》, 就是其中杰出的代表作。

    科学给人类带来了翻天覆地的变化,在肯定自然科学思维方式积极有效的巨大作用时,不要忘了在地球的东部地域,从古至今,另外还有完全不同的思维方式以其独特的形式在广泛流传,它也是人类的精神财富,并在历史上曾直接导致了东方各种不同宗教的产生。这类思维方式究竟有些什么特点,与自然科学思维方式有什么本质上的差别,二十一世纪的人类能够将两者有机地结合在一起,去更深刻地认识宇宙吗?

    这一问题的提出,迫切要求我们对被称为 “古代东方神秘主义哲学”的思维特质进行专题探讨, 在这种探讨中,必然要涉及到生命与精神现象,涉及到艺术与宗教,涉及到各种宗教尤其是东西方宗教产生的基础及本质差别.而在这种探讨中,本文将在最后向世人揭示,就在东方古代哲学体系之内,有着一种更为独特而神秘,在本质上却又与自然科学思维方式有着极密切相近联系,但并不完全类同的思维方式,这就是中国古代各种哲学思想的源头,以极其精炼的图符形式表达出各种数学原理的思维方式,本文将其称为“易经--太极思维体系”(简称‘易学体系’)。并且将深入剖析八卦和太极图的本质,提出一个石破天惊的论点,阐述易经并不象千古定论的那样仅仅是一部关于预测的书----虽然预测是它的主要功能,指出八卦与太极图实质上是用一套完整精炼的语言编码系统,在向人们揭示物质是怎样产生的,生命是怎样产生的,以及宇宙是怎样产生与演化的,只是长期以来无人能通过这些图符编码,破译这些巨大的秘密罢了。

    所有这些问题的分析探讨,都只能在我们对科学思维的本质有了充分的理解之后,以较大的篇幅来完整地进行才会更有成效,虽然本文上篇已对我们存在于其中的这个物质世界的产生与演化作了详尽的论述,可以独立成篇,仍希望读者有兴趣关注下篇对生命及人类精神世界,包括上述所有这些问题的讨论,并积极地投入到相关的研究中来,更为深刻地认识伟大的古代中国思想----易经-太极思维体系。

                       (时空论上篇全文完)

                       

                 易子          2001年5月

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