主题:聚焦物理学："请循其本"
(2006-02-21 09:54:45)
王中宇
庄周与惠施
《庄子秋水》载：庄周与惠施在濠梁之上，讨论"鱼之乐"，两位都是逞口舌之辩的大师，一番云山雾罩的唇枪舌箭之后，庄周机锋一转，说："请循其本，子曰‘汝安知鱼乐'云者，既已知吾知之而问我，我知之濠上也。"就此赢了这场口舌官司。
庄周在这里说的"本"其实是诡辩。然而，当思考陷入纠结、争辩没了基础时，"请循其本"却能帮我们跳出混沌。
回顾科学史，"危机"似乎始终伴随人们的认识过程。每当人们打算欢呼理论大厦的落成时，天边就会飘来片片乌云，乌云之下的大厦恰如纸牌搭的建筑。数学是这样（数学史上几度发生类似的危机），物理学更是这样。
上个世纪初，当经典物理学陷入危机时，人们回到物理学最基本的概念，审视其基础，于是有了相对论和量子力学。经过大半个世纪的理论辉煌，正当人们认为对一切物理现象的理解即将大功告成时，一个又一个的疑难浮出了地平线，对物理世界的理解再次陷入危机。
人们不得不再次"请循其本"。
现代物理学与经典物理学分手的地方
这个"本"在哪里？首先在现代物理学与经典物理学分手的地方。这里，最易产生困惑的问题有三：
其一，相对论对质能公式的解释：质量和能量同质。物理学的基本量纲包括时间、长度和质量，其他物理量的量纲都是由它们派生的，如能量的量纲同时由质量、时间、长度组成。说两个不同量纲的物理量同质，所谓质能转换，能量爆发了，质量消失了，置逻辑于何处？
其二，测不准原理：有多种版本的解释，最极端的说法是，一个亚原子粒子，其动量与位置不能同时有明确的定义。不但任何一个有逻辑思维的人都觉得无法理解，连爱因斯坦都不能接受它，称"上帝不掷骰子"。
其三，时空一体：不存在独立的时间与空间，时空无差别，由此导致时间可逆。这明显与人们的经验相悖，如果时间可逆，逻辑上的因果关系将陷入一片混乱。而且也与热力学第二定律相悖。
于是牺牲形式逻辑，牺牲从数千年经验中获得的各种概念，成了现代物理学的基本特征。在这样的基础上，不得不使用越来越复杂的数学手段解释实验现象，而对数学手段本身的解释，却成了"不可言说"的秘境，学者们绞尽脑汁，也找不到数学公式之外的交流语言。只好说"自旋不是通常意义上的旋转"，夸克有一种属性是"味道"，不过这"味道"与味蕾无关。更有趣的是，这些数学公式中包含许多"奇点"，为玄幻留下了无穷的空间......
物理学家越来越相信，在超出日常经验的尺度上，我们熟悉的基本概念乃至思维模式似乎都失效了。能描述那个世界的只有数学公式，而对数学公式的解释，离玄学越来越近。于是一本《现代物理学与东方神秘主义》红遍国内外，本质上是无神论的佛老被定性为"神秘主义"，"现代物理学"也因与神秘主义的亲缘而得到"升华"。
由此，一些思考物理学基础的人们开始怀疑，上个世纪初，物理学选择的基本方向是否有误。不少人考虑回到牛顿，因为牛顿那里所谓危机出现在理论体系的外缘，而现代物理学却在"本"上让人迷惑不解。
冯劲松、熊承堃、刘良俊他们都有回到经典理论的倾向。冯劲松是给牛顿力学的公式加一个修正项，熊承堃、刘良俊者则将分子运动论和统计力学的方法用于更微观的层次。其实有这种倾向的人还不少，例如杨新铁试图证明不可压流体介质方程和电磁场方程的等价，进而证明洛伦兹时空是用不可压缩介质来表示可压缩介质的辅助变换，从而在经典物理学的框架内考察现代物理学理论。
他们的这些工作能否站住脚，尚需争辩、讨论与实验验证。但从这个"本"上反思现代物理学，恐怕是不可避免的。
何为知识？
更深层的"本"在于何为知识？
记得在上学时，一位同学对牛顿三定律提出了疑问，当时的物理学老师用斩钉截铁的口气讲，对牛顿定律要"坚信不疑"。很久以后，同学们还记得他那铿锵有力的湖南方言。事实上整个上学时期，各科老师表现出的姿态都是在传授"真理"。
现在，我们知道，人类精神活动的成果其实是一个个知识系统，或者说是一个个假说系统。我们不能要求这些系统就是真理，更不能将这些系统当真理来信仰。我们只能通过不断地修正这些假设来逼近真知。
在创造这些假设的过程中，我们应遵循什么准则？换而言之，我们应如何评估、比较这些假说系统的价值？
上一个世纪之交，德国数学家希尔伯特提出了建立一个公理化体系的原则，即在一个公理体系中，取哪些公理、应包含多少公理必须考虑以下三点：
第一，相容性，即各公理须是互相不矛盾的，同存于一个体系中。
第二，独立性，即每条公理是各自独立的，不能由其他公理推出。
第三，完备性，即体系中所包含的公理应足以推出本学科的任何命题。
物理学不同于数学，数学是一个封闭的逻辑体系，它处理的对象本质上是在体系内自我定义的。正因为如此，歌德尔定理打破了希尔伯特对数学公理化建设的期望。而物理学的定义本质上来自客观世界，它要描述的也是客观世界，于是，由希尔伯特的启示，检验物理学假说系统的价值，要看以下三点：
第一，自洽性，系统内部自相容，无矛盾；
第二，简洁性，作为基础，不加证明的原始概念、原理、参数尽可能少；
第三，与所描述领域现实的吻合程度，预见能力。
事实上，希尔伯特本人就关注物理学的公理化，他提出的著名的23个问题中，第六个问题就是："对数学起重要作用的物理学的公理化"。这方面统计力学是一个成功的典范。从对微观粒子运动特性的研究出发，用严谨的逻辑体系导出了宏观物体的热力学属性。而熊承堃、刘良俊走的正是这一条路，所不同的是，他们研究的粒子是"太极子"，比统计力学中的粒子小得多得多。
一些学者将熟知现代物理学的数学模型作为反思现代物理学的前提。而今天的现代物理学，已经被纤维丛之类复杂的数学工具，缠绕成了戈迪亚斯结。当年亚历山大并没有追随绕结者的思路去做反演，而是挥剑一砍，奠定了亚细亚王的基础。
因为亚历山大看到了"本"。
(王中宇)
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