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对物理学现状的哲学思考

(2017-07-19 09:17:24)
标签:

物理学

量子理论

广义相对论

牛顿力学

电磁理论

分类: 一元二态物理(PMT)

摘要:在分析了物理学的发展现状与困惑的基础上,大胆指出了导致物理学困惑的根源,进而提出了突破物理学困境的方法。然后从一元二态物理的视角,给出了一个全新的物质大循环原理和宇宙运行原理图,这为我们所面临的诸多挑战和困扰,提供了一个全新的解决思路。

  关键字:物理学,研究方法,时间,宇宙运行原理,一元二态物理

  中图分类号:N02 文献标识码:A

  一、引言

  从18世纪80年代到20世纪70年代,我们关于物理学基础的认识,大概每10年就有一次大的进步。但自20世纪70年代以来,我们对基本粒子物理学的认识还没有一个真正的突破。〔1〕64许多科学界人士和我们一样,不禁要问:物理学到底怎么了?

  二、物理学的现状与困惑

  拨开历史的长卷,我们可以看到,自16世纪自然科学从神学中解放出来以来,物理学经历了史诗般的波澜壮阔的伟大的发展历程。伴随着经典力学和热力学的创立与发展,人类开始了轰轰烈烈的机械化工业革命;伴随着爱因斯坦相对论的创立与发展,人类建立起一种理解宇宙的新方式,并将视线延伸到100亿光年之外;伴随着量子理论的创立与发展,人类又步入了自动化和信息化的伟大时代,进而构建起了日新月异的现代文明。这就是令人景仰的、让无数人为之奋斗终生的物理学,正是它推动着人类的发展进程!

  然而,自上世纪70年代以来,在宇观方面,物理学面临越来越多的挑战和课题,且迟迟得不到解决,如暗物质和暗能量的概念至今给不出合理的解释。在微观方面,提出的攸关量子场论命运的诸多预言得不到检验,如磁单极子、质子衰变等至今尚未找到或证实。

  另一方面,自广义相对论和量子理论创立以来,为了实现二者的统一,多少仁人志士前仆后继,至今已经奋斗了90多年,仍无结果。比较爱因斯坦相对论和量子理论不难发现,爱因斯坦相对论是决定论的,而量子理论遵循不确定性原理,因此在因果性上二者是相互对立的(这只是其中一个方面)。这两套理论是如此的互不相容,以至于直到现在,人们所做的所有试图统一它们的努力都以失败而告终。于是,人们不得不象接受光的“波粒二象性”一样,再次面对“同时接受爱因斯坦相对论和量子理论”的尴尬局面。

  问题还远不止这些,随着现代物理学的发展,它与经典物理学间的矛盾也日趋尖锐,本来想通过深层次的研究找到弥合矛盾的方法,然而得到的却是事与愿违的结果:变得更加难以调和。比如,尽管两个多世纪以来科学家们已经竭尽全力,但万有引力常数G的测量精度仍然是物理学基本常数中最差的,科学家们期望通过测量技术的不断改进来提高G值的精度,然而G值的不确定度却越来越大。

  还有,在广义相对论和量子理论中,都不约而同地引入了“观察者”的角色。在广义相对论中,对于同一个事件,不同的观察者会得出不同的结论;在量子理论中,对于一个微观粒子,不观察时它是一个广域的波包,一旦观察它就坍缩为一个定域的粒子。最终物理学走入了“人择原理”的“观察者困境”之中,陷入意识哲学的泥潭而不能自拔。

  面对物理学所面临的问题和困境,一些新的理论被纷纷提出。然而这些理论大都昙花一现,于是又有新的理论被提出,甚至有些理论被反复提出多次。卡鲁扎-克莱因理论失败了、爱因斯坦的统一场论失败了、SU(5)大统一理论失败了、超对称理论也失败了。这种状况一直持续至今。显然,物理学陷入了重重弥障之中,已经迷失了正确的方向。

  三、导致物理学现状的根源

  在潜心研究了物理学的发展历程后,美国物理学家斯莫林断言,“弦理论、圈量子引力以及其他试图统一物理学的各种方法,它们都还没有到达那个前沿。通常的借口是说,那个尺度的实验还无法实现----但我们已经看到,事情不是这样的。因此一定还有其他原因。我相信我们还缺失某个基本的东西,我们还在做着错误的假定。那样的话,我们需要将错误的假定找出来,用新的思想来取代它。”

  斯莫林进一步分析道,“那个错误的假定会是什么呢?我猜它涉及两个因素:量子力学的基础和时间的本质。…… 我越来越觉到量子理论和广义相对论在深层次上都把时间的本质弄错了。但只结合它们是不够的,还有一个更深层次的问题,也许要追溯到物理学的起源。” 〔1〕252

  如果我们将人类认识自然界的方式,放在微观、宏观、宇观的尺度轴上进行观察,不难发现,人类认识自然界,既不是从微观粒子开始的,也不是从宇观的天体、星系开始的,而是从宏观的身边事物开始的。换言之,我们既不是从物质的最低层次、也不是从物质的最高层次开始认识自然界的,而是从物质的中间层次开始的,而后才开始向更小尺度的微观和更大尺度的宇观延伸。如图1所示。

对物理学现状的哲学思考

  在宏观领域,人们根据万有引力和库仑力的作用力性质不同,对物质的表述分别用质量、电荷两个概念。然而,我们从宏观所看到的物质性质是物质在宏观层次上的一种表现,显然这种性质是由物质微观层面上的性质所决定的。因此,质量和电荷的基本性是令人怀疑的。

  换言之,质量和电荷的本性可以根据物质的微观性质推导出来,它是物质的微观性质在宏观上的一种表现形式。而在物理实践中,我们却用微观性质在宏观上的这种表现形式来推导物质的本质,显然这是本末倒置了,我们在方法和方向上出了问题。由此可见,将质量和电荷概念引入微观和宇观领域需要特别慎重,否则会将我们引入歧途。

  实际上,宏观环境的物质模型,是我们动用所有的感官才建立起来的。然而到了微观和宇观环境,我们只能靠视觉观察,其它所有感官都不能派上用场。显然对于试图了解微观和宏观的探索者而言,在这种没有任何经验且只能靠视觉观察的陌生环境中,到处都布满了陷阱。在这些环境中,探索者唯一倚重的知识只有宏观经验,而问题恰恰就出在这里。

  在广义相对论的框架下,我们目前得到了被大多数人所接受的宇宙大爆炸模型,然而发生宇宙大爆炸的奇点,却不适用于所有物理定律,显然我们从已知的定律推导出了一个不满足这个已知定律的事物,单从逻辑上讲就已经不自洽了。同样,在量子理论体系内,符合不确定性原理的标准模型,几乎无法准确预言实验结果,而只能根据实验给出的结果,通过调节那些可自由调节的若干参数,才能保证与实验基本符合,显然量子理论也将我们带入了不可知的误区。

  我们知道,质量和电荷概念是经典物理学的两大支柱,牛顿力学和电磁理论在宏观应用上的巨大成功,使人们不加思索(因为不清楚概念的适用范围)地将它们直接引入到微观和宇观领域,导致更多物质概念的提出,如暗物质、暗能量、色荷等,如图2所示。可见,随着人们的视野从宏观拓展到宇观和微观,物质概念进一步多元化了。显然这是物理学误入歧途后必然导致的结果。

对物理学现状的哲学思考

  如果说,宏观体检与宏观观察相结合就可以得到一个有效的宏观理论的话(牛顿力学和麦克斯韦电磁理论在宏观领域的成功已经证明了这一点),那么,我们已经建立的宇观和微观领域的理论就值得商榷了。这是因为,这些宇观(或微观)领域的理论并非宇观(或微观)体验与宇观(或微观)观察相结合的产物,而是宏观体验(即依托宏观物理概念)与宇观(或微观)观察相结合的产物。因此,我们已经建立起来的宇观或微观领域的理论逐渐陷入更加艰难的困境之中,也就不足为奇了。

  令人遗憾的是,为了摆脱困境,许多科学家还在不遗余力地对这些宇观或微观领域的理论进行一些“枝叶”上的修正。由于问题的根源在于宏观概念的直接引入(即理论的根基──基本概念──存在问题),虽然对这些理论修正的努力可以解决一些燃眉之急的问题,但不可避免地会引发一些新的问题和矛盾,故不可能从根本上解决问题。

  进一步讲,我们的一切体验都依赖于我们的感官,而我们的感官是经长期与地表环境相互作用而与之相适应的产物。笔者认为,既然感官是与环境相适应的产物,那么它就不可能超越环境,而是与所处环境相协调的一种特设。

  一方面,相对浩渺而复杂的整个宇宙,地表环境是极其微小和极为特殊的一种环境。与这种特殊环境相协调的感官,也只能感受到地表环境所呈现出的某些特殊的物质性质。换言之,我们的感官只能感受到物质在宏观层面上的部分侧面的性质而已。显然,这些被感受到的物质性质与物质的本性相比,还远不在一个层次上。

  另一方面,人们特定的活动方式和竞争关系,也决定着感官的局限性。如果我们的眼睛具有跟鹰眼一样的功能,那么我们的世界将不存在色彩,而是一个黑白世界。也就是说,在物质的性质中,我们要去掉“颜色”这一项。还有,我们的感官是在环境的差别刺激下而不断强化的。因此对于那些无处不在的背景物质(如充满整个空间和物体内部的超流体物质),我们也是无法看到和感知的,如同水中的微生物感觉不到水的存在一样(因为那就是它的全部世界)。

  由此可见,由于感官的局限性,导致我们的宏观经验被推广到宇观(或微观)过程中必然存在偏差。换言之,我们戴着宏观经验这幅眼镜,看到的宇观(或微观)现象,既有图像上的扭曲,也存在认识上的曲解。

  综上所述,笔者认为,导致物理学陷入困境的根源,是人们将宏观体验直接推广到宇观和微观而引起的。宇观和微观的环境与宏观环境都是不同的,如果我们身临其境会有完全不同的体验。然而,宏观个体的我们既不能进入微观环境中,也无法直接感知大尺度的宇观环境。于是,人们就想当然地将宏观经验直接用于微观和宇观的观测中,从此物理学就偏离了它的正确道路。在后来的物理学的继续发展中,物理学偏离正确的道路越来越远。

  四、突破物理学困境的方法

  如上所述,在微观领域,由于用宏观物质层面的概念与知识去认识微观现象,发现难以理解,于是,为了能从宏观原理推导出微观现象的规律,不得不借用复杂的数学工具、甚至创造出一些新的数学工具来使用(当然,这些根据解决问题的需要所创建的新的数学工具,其正确性也是令人怀疑的)。从此物理学就被数学化了。

  广义相对论和量子理论都带有浓重的数学化色彩。由于错误的根源在于质量、电荷等宏观概念的超范围运用,导致数学化了的物理学最终还是走进了死胡同(当然,数学也被殃及了)。比如,在量子场论中,量子电动力学是用拉格朗日的数学方程来描述的,后来遇到发散困难后,为了与现象保持一致,不得不打上一个“重整化”的补丁;在用这个重整化后的数学方程去实现更大的统一过程中,发现跟弱相互作用的费米理论和强核力的介子理论不相协调后,又不得不再打上一个“规范不变性”的补丁;规范不变性是与所谓的粒子对称性相对应的,当发现许多粒子不具有这种对称性时,又不得不再次在“对称性”上打上一个“对称性自发破缺”的补丁。

  如此一来,起初的一件“新衣服”,现在已经变得破烂不堪。即使这样,许多人还推崇它为一件合身的“新衣服”。然而,这个经过多次修补而建立起来的规范理论,自上世纪70年代以来,不论在解释或预见基本粒子的新性质方面,还是在解决它所面临的概念困难方面,再也没能取得进一步的进展。显然,标准模型已经走进了死胡同,这就是物理学数学化的一个必然结果!

  可见,物理学的数学化并不能将误入歧途的物理学拉回到正确的轨道上来。美国华裔物理史学家和哲学家曹天元教授认为,“以往人们喜欢先用经典手段确定理论的大框架,然后再从细节上做些量子论的修正,这可以称为‘自大而小’的方法。…… 现在人们开始认识到,也许‘自小而大’才是根本的解释宇宙的方法。” 〔2〕337

  据笔者所知,截止目前,采用“自小而大”研究方法的理论的确有一个,那就是当前在科学界备受推崇的弦理论。弦理论中流淌的是“波”的血液——振动的“弦”,它几经沉浮最终脱胎换骨成具有11个时空维度的M理论。在科学界经历了一系列的失败后,M理论成为大多数科学家期望实现大统一的唯一希望。

  对于当前为多数人普遍看好的M理论,笔者有一个不太恰当比喻:M理论如同拾荒者用的那辆车,对于任何新现象总可以通过调整那些自由参数来满足,这就像拾荒者将遇到的所有物品都捡起,并总能在车上找到一个合适的位置放下一样。当车上实在放不下更多的物品或找不到合适的位置时,他就使出独门绝技,再开辟出一维新的空间,于是车子上的空间一下子扩大了无数倍。这时如果有人问拾荒者,增加如此多的空间计划放些什么东西时,他直截了当地回答:捡到什么就放什么。当然,这样的车子可以装下我们的整个宇宙,但他却永远不知道下一次要捡到何物,也永远不知道何时才能捡完所有物品。这就是M理论所面临的困境,结局可想而知。

  虽然霍金等一些人认为“M理论是大设计的唯一候选者” 〔3〕154,但笔者认为,三维空间系中的动态宇宙,在四维时空系下已经成为爱因斯坦的静态宇宙----一种永恒的“存在”。而这种永恒的“存在”本质上是不存在,因为永恒“存在”意味着时间静止了,而存在的时间为零的事物是不存在的。

  既然四维时空意味着不存在,那么5个维度下的宇宙就更不存在了,更何况多达11个维度甚至几十个维度的宇宙。可见,用弦理论的这根“弦”是无法将爱因斯坦相对论和量子论连接起来的。令人欣慰的是,据2010年3月13日《新科学家》祝贺彭罗斯八十华诞文章透露:“最近,弦论的创立者威藤已采用彭罗斯的扭量理论,试图将弦论的11维时空减为较易对付的4维。”笔者认为,威藤弃11维用4维时空,无疑是向正确的物理学道路靠近了一大步,但这还只是回归到爱因斯坦的4维时空,距离正确的道路还有一步之遥。

  总之,通过修正现有理论的方法是不可能解决当前所面临的各种挑战和课题的。笔者认为,只有改变原来的“自大而小”的研究方法,首先找到真正的宇宙之砖,才能构建出一个真实的宇宙,进而一揽子解决物理学当前所面临的各种挑战和课题。

  五、一元二态物理的统一方法

  一元二态物理(详见笔者著《系统相对论》〔4〕和《天体演化概论》〔5〕)摆脱了质量、电荷与“波粒二象性”等概念的束缚,采用“自小而大”的研究方法,从物质基元粒子(即“宇宙之砖”)假设入手,逐步架构起各种光子、有质量粒子、物体和天体。这为我们所面临的诸多挑战和困扰,提供了一个全新的解决思路。《系统相对论》中许多概念的内涵和外延,与物理学上的定义存在不同程度的差异。由此可见,一元二态物理采用的是一套与以往不同的全新的概念体系,也正是通过概念的创建与更新,才建立起了一种描述自然界的新方法和一种理解自然界的新方式,进而描绘出了一个全新的世界图景。

  一元二态物理是以流体理论和涡运动理论为基础架构起来的。涡运动理论中的涡量场是以实物粒子组成的流体为原型构建的,当以无粘性的完全弹性流体为模型时,发现存在自诱导运动速度为无穷大的奇异性,为避免这个问题而引入了涡核的概念。《系统相对论》中的爽子场是以爽子组成的理想流体为本体构建的,根据一元二态物理的物质量子化假设,可以从非线性薛定谔方程的孤立波解〔6〕142-160中自然地得到一个涡核(cn粒子),而不存在奇异性。因此,一元二态物理与涡运动理论还是存在着本质上的不同。

  通过流体态物质和刚体态物质〔4〕7-18定义与分类,一元二态物理将自然界形态各异的所有物质统一在能量的概念下,从而实现了物质的大统一。这里所说的流体态物质是指爽子和由爽子构成的系统;这里所说的刚体态物质是指cn粒子和由cn粒子通过场的耦合而构成的各种粒子和物体;这里所说的能量是通过涡通量与物理学上的能量(即热能,而与机械能无关)概念建立联系的,之所以使用能量这个名词,仅是为便于理解而采取的一种技术处理而已。

  正如波普尔的证伪理论所说,任何科学理论都无法“证实”而只能“证伪”。纵观科学发展史,许多当初认为正确的理论后来却发现是错误的。记得霍金曾说过,如果两个理论都能描述相同的事实,我们就不能确定哪一个理论更正确。但是,如果一个理论比另一个理论描述了更多的事实,我们就可以认为,这个理论比另一个理论更有效,因为它有更大的适用范围;或者说,这个理论比另一个理论更基本,因为它能包含另一个理论。

  实际上,自牛顿提出水桶实验以来,关于引力场、空间以及时间的本性问题,人们已经争论了300多年,而尚无定论。但这并没有阻止人们探索宇宙的步伐,显然理论已经被实践远远地抛在了后面。霍金将科学理论滞后实践的现状简单归罪于哲学(他认为“哲学已死”〔3〕3),这是不公平的。

  如果人们将事物的一部分性质或一个侧面看作了它的全部,那么,当看到该事物另一部分性质(或另一个侧面)时,人们自然会认为这是与之完全不同的另外一种新的事物。比如,中性场〔4〕81。由于人们已经将引力性质视为中性场的全部性质(这也许就是“引力场”称谓的由来吧),当看到中性场的斥力性质时,就认为这是一个新事物,而取名为暗能量。在一元二态物理看来,如果将中性场视为一枚硬币,引力场和暗能量就是这枚硬币的正面和反面。

  毫无疑问,从微观到宏观、宇观,整个宇宙是一个不可分割的有机整体,如图3所示〔5〕154。适用于宇观高速领域的广义相对论和适用于微观的量子理论,如同黑辐射理论中适用于高频段的维恩公式和适用于低频段的瑞利-琼斯公式一样,它们都是不正确的;所不同的是,维恩公式和瑞利-琼斯公式在普朗克公式中可以退居到“近似”的地位上;而广义相对论和量子理论,在一元二态物理看来,只能退居到“相当于”的地位上,这是因为它们在基础概念上出了问题,如时间概念。

对物理学现状的哲学思考

图3 宇宙运行原理图

  我们知道,质量是对物体所受万有引力大小的一种度量方式,本质上表达的是物体的中性涡通量(即能量)性质;电荷是度量库仑力大小的一种方式,本质上表达的是物体或粒子的极性涡通量(也是能量)性质;与质量、电荷一样,时间是物体运动速度大小或事物变化快慢的一种度量方式,表达的是物体的运动性质和存在性(因为存在时间为0的事物是不存在的)。可见,时间、质量、电荷都是一种物理量,是我们理解和描述事物的一种方法和工具,而不是事物本身。

  虽然一元二态物理与现代物理学在基本物质观和时空观上存在巨大差异,但在一元二态物理中,能够容纳下现代物理学的各理论分支,只是对这些理论分支给出了明确的适用范围。换言之,在一元二态物理的框架下,现代物理学中的一些普适的基本的概念不再具有普适性和基本性,而成为局部适用的物理概念或物理量。因此,纳入到一元二态物理下的各物理理论分支,不可避免地退居到“近似”或“相当于”的理论地位上。

  六、结束语

  毫无疑问,爱因斯坦相对论和量子理论是对经典物理学发起的一场大革命。然而,这两套理论互不相容、各管一方,如同整个宇宙这枚硬币的正面和反面。统一宇宙的观念使人们逐渐认识到,这两套理论也许只是一种过渡性的理论。可见,20世纪初发起的这场物理学革命还尚未成功,究其原因,还是牛顿水桶的问题没有彻底解决所致。随着宇宙越来越多的不同层面和不同侧面的现象纷纷呈现在我们面前,人们渐渐退却的革命热情正再次凝聚,预示着这场物理学革命的最后总攻即将到来。

  参考文献

  〔1〕[美]L·斯莫林.物理学的困惑[M].李泳,译,长沙:湖南科学技术出版社,2008.

  〔2〕[美]曹天元.量子物理史话—上帝掷骰子吗[M].沈阳:辽宁教育出版社,2008.

  〔3〕史蒂芬·霍金,列纳德·蒙洛迪诺.大设计[M].长沙:湖南科学技术出版社,2011.

  〔4〕刘泰祥.系统相对论[M].北京:科学技术文献出版社,2012.

  〔5〕刘泰祥.天体演化概论[M].台北:蘭壹出版社,2015.

  〔6〕童秉纲,尹协远,朱克勤.涡运动理论[M].合肥:中国科学技术大学出版社,2009.

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