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物理学思想道路的转变与结合
摘自《宇宙之光》——赵薪墉 物理学思想道路的转变与结合 早在古希腊的自然哲学家们就开始了对物质世界的沉思，对物理学思想影响最深的有两位：一位是“力是物体运动的原因”这个观点持有者亚里斯多德；另一位是“原子论”的创立者的德谟克利特。正是他们的哲学思想给后来的物理学的发展开辟了两条独立的科学思想道路。 亚里斯多德认为，物质的原始状态是静止的，力是物体运动的原因。尽管这个观点是错误的，但是它反映了人们认识物质世界的基本思想——追求宇宙物质运动（原因）的统一性！他试图把物质运动的原因统一归结于力，才确立了力和运动之间存在着某种联系这个基本的思想。正是这种力和运动的关系给后来的物理学开辟了一条认识物质世界的科学思想道路。 德谟克利特提出了“原子”这一概念，并把它当作物质的最小单元。他相信万物都是由原子构成的，原子在物理上——而不是在几何上——是不可分的；原子之间存在着虚空；原子是不可毁灭的；原子曾经永远是，而且将永远是在运动着的。由于原子间的联合就产生了物质的生、成，由于原子间的分离就产生了物质的毁灭。这，反映了人们认识物质世界的另一基本思想——追求宇宙万物的简单性和统一性！正是这个基本的哲学思想，给后来的物理学对宇宙物质组成、结构的认识奠定了科学的道路。宇宙万物最终是由什么样的最小的物质单元构成的，这个问题仍然困扰着物理学，现今粒子物理学认定的基本粒子是真正意义上的基本粒子吗？ 恰好！正是这两个基本的自然哲学思想确立了当今物理学关于宇宙的内容——基本粒子和力。物理学的发展也正是沿着物质的结构组成和力与运动的关系这两条道路独立的认识着物质世界。如今，无论是宇宙学、粒子物理学自身，还是宇宙学和粒子物理学结合来统一认识宇宙，越来越多的情形已经表明：要么宇宙本身就缺少什么东西，要么物理学的认识还欠缺许多！ 我们尝试着将这两条独立的道路结合起来，看能否找到未来物理学发展道路的新起点呢！ （一）第一条道路的发展 从亚里斯多德“力是物体运动的原因”的错误臆想到伽利略“力是物体运动改变的原因”的实验结果的转变，这就成了自然科学正确认识运动和力及其关系得真正起点。牛顿正是在这个基础上建立了他的力学原理并且发现了自然力——万有引力的存在。在《自然哲学的数学原理》的序言中，牛顿明确地提出了他的科学纲领：“我把这部著作叫做自然哲学的数学原理，因为哲学的全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其它现象……，我希望能用同样的推理方法，从力学中推导出自然界的其它现象。” 由此可以看出，力成了牛顿自然哲学的核心概念，运动仅仅是复杂的自然界现象，正是力和他的力学法则支配着自然界的一切运动——这就导致了物理学的力学自然观。 在对运动现象认识过程中，我们的运动观念在不断地发生着深刻的变革。如何和描述物体的运动呢？速率表征物体运动的快慢程度，将速率还原成物体通过的距离和所花的时间，那么我们关于运动的观念就不可避免的导致了空间和时间的观念。力的真正功效在于总是改变物体的运动，而不是使物体发生运动，牛顿力学关注的焦点是物体运动的改变而不是运动本身，这样一来，亚里斯多德和伽利略-牛顿的运动观念存在着巨大的差别：亚里斯多德相信物体存在着一个优越的静止状态，在不受外力和其它冲击的情况下都保持这种状态。但是从牛顿定律引出，并不存在一个静止的唯一标准，也就是说，绝对位置或者绝对空间的概念在牛顿力学中没有实在的意义。不过，亚里斯多德和牛顿都相信绝对时间，也就是说，他们都相信时间均匀的流逝着，两个事件之间的时间间隔，只要用相同标准的钟，无论谁去测量，都是相同的。随着电磁学的发展，麦克斯韦预言了电磁波以某一固定的速度运动着。但是，牛顿力学已经摆脱了绝对静止的观念，如果要说光以固定的速度传播，那么就必须说明这个固定的速度是相对于何物来测量的。当然，人们提出了一种新的物质“以太”来作为电磁波的传播载体，电磁波的固定速度就是相对于“以太”而言的。根据通常的相对性原理，相对于以太运动的不同观察者，应该看到光以不同的速度冲他们而来。正是基于这个思想，阿尔伯特•迈克尔逊和爱德华•莫雷利用了地球和以太的相对运动，将地球运动方向和垂直于这个方向的光速进行了比较，结果这两个方向的光速完全一样！难道相对性原理不再适合电磁现象了？正是阿尔伯特.爱因斯坦提出，只要人们愿意抛弃绝对时间的概念，整个以太的概念则是多余的。迈克尔逊-莫雷的实验结果被看成是相对性原理同样适应于电磁现象的有力证明，是对“以太”的一个根本否定，也就彻底否定了绝对空间的存在。爱因斯坦的相对论把两个基本的原理——相对性原理和光速不变原理，以及光速极限论结合在一起，改造了我们的时、空观念，修正了牛顿力学。相对论迫使人们从根本上改变了对时间和空间的根本看法，必须接受这样的观念：时间不能完全独立于空间，而必须和空间结合在一起形成所谓的空-时客体。 在亚里斯多德运动观念里，他相信绝对空间的存在，同时他相信绝对时间的存在，因而他承认物体的绝对静止和绝对运动状态的存在；牛顿力学否定了绝对空间的存在，保留着绝对时间的观念，所以他否认绝对静止的观念，但不否定绝对运动的存在；爱因斯坦的相对论则彻底抛弃了绝对时间的观念，他认为时间和空间都是相对性的，因而否定了绝对运动的存在，并把物体的相对运动提高到了本体的位置。从亚里斯多德到牛顿，再从牛顿到爱因斯坦的运动观念以及时、空观念的转变过程中，我们不难看出运动观念发生转变的实质就在于：围绕力和运动的关系这个核心，对力的功效的认识不断改变， 不断深入 。在亚里斯多德看来，力的功效在于使物体发生运动；在伽利略-牛顿看来，力的功效在于使物体的运动发生改变；在爱因斯坦看来，对于光以某一固定速度运动着这一事实来说，力实际上就不再有任何功效。 我们的运动观念与对“力的功效”的认识息息相关，那么力的真正功效是什么呢？亚里斯多德应该这样问自己：既然物体运动的原因不是力，那么物体运动的原因是什么呢？伽利略-牛顿应该这样问自己：光以固定的速度运动着，这怎么可能！难道力不能支配光的运动，固定的光速运动的原因究竟又是什么呢？各种物体对于光是否有超距作用，而且是否在其作用下使光线发生了弯曲？爱因斯坦则应该这样问自己：为什么有的物质必须以固定的光速运动着，而有的物质又必须在低于光速的速度范围运动着呢？为什么在光速运动和亚光速运动着两个物质领域的运动界限处，力就丧失了功效呢？离开力的线索，物质运动的真正原因究竟是什么？ 在对力现象的认识过程中，我们坚持了力是运动改变的原因，但并不清楚物质间相互作用的真正本质是什么？日常的推、拉、压以及碰撞等这些力现象都是物体之间的直接相互作用，万有引力和电、磁力则是空间上远离物体之间彼此发生的相互作用。在牛顿力学看来，无论是物体之间的直接相互作用还是空间远离物体间的相互作用，它们的功效都是改变物体的运动。根据牛顿第二定律f=ma，虽然能够知道力与物体运动改变程度的数学关系，我们可以在知道力的大小以及物体质量的情形下，就能够知道物体可能发生的速度改变，但是我们并不知道物体如何感受力而发生运动改变的，我们不竟要问：物体之间相互作用的真正机制是什么？ 对于空间上远离的物体之间的相互作用来说情况更为复杂，除了物体如何感受力的作用而发生运动改变之外，还存在着作用的传播问题以及力的物理原因是什么的问题。牛顿发现了自然力——万有引力的存在，他指出“物质的所有粒子相互吸引，这种作用与质量成正比，而与它们彼此的距离的平方成反比”。尽管牛顿给出了两个一定质量的物体之间相互吸引力大小的数学关系式，但是他对引力存在的原因以及引力是怎样发生作用的这样的问题“不会杜撰假说”。为此，牛顿作出过这样的困惑：“不可思议的是，在没有另外一些非物质的东西作媒介的情况下，无生命的、呆钝的物质能够不相互接触而施加作用于其它物质并影响其它物质；如果引力在伊壁鸠鲁的涵义上在物质中是本质的和固有的话，那么它必然如此作用和影响，这是我要求你不要把天生的引力归于我的一个理由。至于引力对物质而言应该是天生的、固有的和本质的，以致一个物体可以通过真空超距地作用于另一个物体，而没有任何其它事物作媒介——凭借并通过该媒介可能把作用和力从一个物体传递给另一个物体，这一切在我看来是荒谬透顶的，我相信在哲学问题上具有足够思考能力的人，永远也不会陷入其中。引力必定是按某一规律不断作用的动因，但是这个动因是物质的还是非物质的，我把它留给我的读者去考虑。” 对于另一种自然力——电、磁力来说，这样的问题同样存在。后来，为了描述电、磁相互作用，法拉第提出了“力线”的概念，导致了“场”这种现实存在的中介物质来传递相互作用的观点。随着对场物质的量子化认识，便有了现在粒子物理学的相互作用机制：物质粒子——譬如电子或夸克——发出携带力的粒子，由于发射粒子所引起的反弹，改变了物质粒子的速度，携带力的粒子又和另一物质粒子碰撞从而被吸收。这碰撞改变了第二个粒子的速度，正如同两个物质粒子之间存在过一个力。四种相互作用都有各自得力的传播粒子：万有引力可以归结为两个物体之间引力子的交换；电磁相互作用可以归结两个物体之间光子的交换；弱相互作用被归结为w+、w-、z0三种粒子的交换；强相互作用是通过交换八种被称为胶子的粒子而实现的。到此，我们应该清楚地认识到：尽管我们把空间远离的物质之间的相互作用机制解释为通过中介物质的发射，中介物质的空间传播以及中介物质被另一个物体吸收三个过程来实现，但是中介物质的发射和吸收机制我们根本不清楚，何况我们并不知道物体自身是如何感受力的作用而发生运动改变的。最后，这些问题还是集中到了物质自身那里！ 沿着力和运动之间的关系这条道路，物理学的发展导致了我们关于运动和力的观念的进化，最终物理学还是逃脱不了“运动和力的真正本质是什么？”这样的疑难，并最终追寻到物质自身！ （二）第二条道路的发展 从德谟克利特的“原子”这一个抽象的哲学术语到道尔顿的化学原子这一实在客体的转变，这就成了自然科学认识物质结构组成的真正起点。1803年，道尔顿给了原子的这样定义：物体的终极原子就是气体状态时被热氛围绕着的质点或核心。他认为：元素的最终组分就是简单的原子，它们是既不能创造，也不能毁灭，而且是不可能再分割的……。1897年，英国物理学家汤姆逊发现了电子，于是人们不再认为原子是不可分的。1911年，英国人卢瑟福提出了原子核和电子的行星模型的原子结构。1917年，卢瑟福又通过人工核分裂方法发现了质子。1932年，查德威克又发现了中子,从而将中子和质子视为原子核的组分。同年，由美国物理学家安德逊在宇宙射线中发现了正电子，从而证实了狄拉克关于反物质存在预言。 1964年美国物理学家盖尔曼和茨韦提出了夸克模型,认为重子和介子都是由夸克组成的。现在，根据大家普遍接受的标准模型来看,把夸克和轻子放在同一物质层次,不可再分的物质基本组元是夸克和轻子。它们又通过交换光子,三种弱力粒子,八种胶子来实现强、弱、电磁三种相互作用力.根据作用力的特点,粒子分为强子、轻子和传播子三大类.强子是所有参与强力作用的粒子的总称,质子、中子、π介子等都属于强子，它们由夸克组成。夸克有六“味”，分别是上、下、奇异、魅、底、顶六味夸克,而每味夸克都带有三种“色”,既红、绿、蓝。那么夸克的种类是多少呢?六“味”三“色”就是十八种夸克，加上各自的反粒子十八种反夸克，夸克的种类应该是三十六种。轻子只参与弱力电磁力和引力,而不参与强相互作用.轻子共有六种,即电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子.加上各自的反粒子,轻子的种类应该有十二种.传播子也属于基本粒子.传递强相互作用的胶子共有八种,传递弱作用的是W+、W-、和Z0中间玻色子三种,还有传递电磁作用的光子,那么传播子的种类应该有十二种.在未涉及引力作用的标准模型中,把夸克、轻子以及传播子都放在同一的基本粒子的层次来看,那么构成世界物质的基本粒子至少有六十种以上。 这些粒子是真正意义上的基本粒子吗？电子在电磁作用过程中能够发射出光子，夸克在强相互作用过程中能够发射出胶子，那么把轻子、夸克和力的传播粒子放在同一层次妥当吗！光子为什不是电子的组成部分，胶子为什么不是夸克的组成部分呢？正、负电子可以湮灭成光子，光子可以转化成正、负电子，那么，光子为什么不可以构成了电子呢？正、负电子还可以湮灭成其它的基本粒子，其它的基本粒子与它的反粒子可以湮灭成另外的物质粒子，那么光子为什么不可能构成所有的物质粒子呢！ 到此，德谟克利特应该这样感叹：难道不正是最小的不可再分的基本光量子构成了宇宙万物吗！ （三）最终的道路 我们对物质世界的认识总是刨根问底，追寻物理学的或者哲学的终极解释。对运动和力的认识，我们最终追寻到物质自身；对物质的结构、组成的认识，我们力图找到构成宇宙万物的不可再分的基本“原子”。 我们很难乞求一个新现象的猛然发现能带给物理学光明的前景，因为无论是对宏观宇宙的观测，还是微观粒子物理学实验都要我们付出昂贵的代价；更何况实验原理本身又是由旧的、庞杂的物理学理论为基础，实验现象的新发现只能是间接的又间接的，带给我们的认识只能是推测的，甚至是猜测的结果。今天，我们尽可能广泛地概括自然现象以及认识上的种种疑问，历史的分析不同时期物理思想的转变过程及其原因，也许我们能够得到某种新的启示，恰好正是这些启示带给我们了惊人的发现！ 德谟克利特以为，原子是最小的、不可分割的物质粒子，原子之间存在着虚空，无数原子从古以来就存在于虚空之中，既不能创生，也不能毁灭，它们在无限的虚空中运动着构成万物。今天，我们似乎发现了这种“原子”的存在——频率为1的、质量最小、能量最小的光量子的存在，它以固定的光速在虚空中永恒地运动着，正是这种基本的光量子构成了其它不同大小的光子，构成了电子、质子、中子等一切物质粒子。 亚里斯多德以为，物体的初始状态是静止的，力是物质运动的原因。今天在我们看来，一切物质自身都处于运动状态，一定质量m（物体所含基本物质的多少）的物体永远保持不变的运动量mc2；力的功效在于改变物体的运动状态——物体的内、外运动的转化（mc2=mv2+mu2）及其方向的改变。亚里斯多德的“不被任何别的事物推动的第一推动者”不再有哲学或物理学上存在的原因，因为我们发现宇宙物质都是不被推动的永动者。亚里斯多德相信绝对的空间和时间的存在，他以“一张平整的白纸”为固定的背景来描述物质世界。现在看来，无论是物理学还是哲学上来说，要想看清物质的结构组成、物质的运动以及力的本质，我们还真的离不开这张平整的的白纸——固定的背景——绝对的时、空观念。 牛顿以为，任何物体在不受外力作用的情况下，都保持静止或匀速直线运动状态，并称物体的这种保持原有运动状态不变的属性为惯性，用惯性质量来表征这种属性的大小；力是物体运动状态改变的原因，用数学式f=ma来表达力和物体运动改变的关系。在牛顿力学中，根本无须对物质的结构组成进行广泛的自然哲学的思考，任何物体都被抽象成一种理想化的模型——刚体，在不考虑物体的大小、形状并把质量看作集中在一点的物体，最终物体被抽象成质点，于是牛顿力学中的物体只是一种被动感受力的，僵死的物质。牛顿力学最为关注的是物体的运动改变和它受到的力，并不在乎物体自身的结构组成、自身的运动状态以及物质自身如何感受力的作用而发生运动的改变。尽管牛顿相信绝对运动的存在，但是描述绝对运动的固定背景已经动摇。今天，在我们看来，物体的运动状态以及运动的改变都与物体的自身的结构相关，正如正、负电子不同的运动结构才决定了它们的差别；力对物质的作用是通过改变物质的结构运动——内、外运动的相互转化来实现的。如果不承认物质自身的运动结构，我们根本就无法真正认识物质、运动和力的本质。牛顿发现了万有引力的的存在，但他并不真正理解引力的本质！今天，我们把引力归结为物质之间的本质联系，是物质天生的，固有的属性，因为我们清楚了力的作用本质——相互改变运动结构——物质内、外运动的转化，根本不存在物质或能量由此及彼的传递。 爱因斯坦未能摆脱力和运动的关系的限制，和牛顿一样忽视物质的自身结构和物质自身的运动，他把相对运动放在了物质本体的位置，从根本上否定了物质的运动。电、磁现象的新发现越来越明显的揭示了物质的运动与物质自身的运动结构相关性，物质的力与物质自身的运动结构相关性，但是爱因斯坦则把电磁现象所揭示的物质自身的结构运动（v 、u=(c2-v2)1/2）和物质的运动的这种相关性（(1-v2/c2)1/2）看作是一种新的时、空结构和物质运动的相关性。总之，无论是在牛顿还是爱因斯坦的物理学观念中，最大的缺憾就是对物质自身的运动结构的忽视！今天我们已经看到，物理学沿着力和运动的关系这条道路的已经走到了尽头，越来越多的疑问都集中到了物质自身！物质的结构和物质的运动怎样相关？物质的结构和物质的力了又是怎样的相关呢？物质的结构和它的运动状态相关，物质的内部运动和外部运动同时决定了物质的运动结构状态（v2+u2=c2）；物质的运动结构又决定物质力的属性，正如正、负电荷的力的方向以及大小都与带电粒子的运动结构相关；另一方面，力的作用可以改变物质的运动结构，从而改变物质的运动状态。 阿尔伯特.爱因斯坦的相对论带给物理学的关于时空观念的变革，只不过是把亚里斯多德的那“一张平整的白纸”折皱后又涂抹上了其它的颜色。这，对我们理解宇宙本身并没有太多的用处，因为，不管我们以何种方式去描述宇宙，首先我们必须真正理解宇宙；之所以要去臆想时、空的种种属性，那是因为物理学对物质本身还不够了解。 今天，尽管有不少的人还在继续玩弄着那“一张平整的白纸”，但是在此，我要奉劝两句： 要想真正认识运动和力，不要忽视物质自身！ 要想真正理解宇宙，不要忽视物质自身的、固有的属性——运动和力！ |