時間：2024-01-04 11:53:27
導(dǎo)語：在量子力學(xué)和相對論的意義的撰寫旅程中，學(xué)習(xí)并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優(yōu)秀范文，愿這些內(nèi)容能夠啟發(fā)您的創(chuàng)作靈感，引領(lǐng)您探索更多的創(chuàng)作可能。
本文的主要內(nèi)容就是20世紀(jì)是如何完成科學(xué)的社會化和社會的科學(xué)化的。20世紀(jì)整個的一百年里，理論科學(xué)的發(fā)展基本上可以概括為兩次科技革命和四大理論模型；應(yīng)用科學(xué)也可以概括為兩大超級能量和兩大生活技術(shù)。
兩次科技革命的第一次指的是在19世紀(jì)20世紀(jì)之交物理學(xué)領(lǐng)域發(fā)生的科技革命，包括相對論和量子力學(xué)的出現(xiàn)。第二次科技革命，在我看來還是一個正在進(jìn)行中的、尚未完成的革命。這場革命發(fā)生在20世紀(jì)后半期，就是非線性科學(xué)的革命。四大理論模型是在20世紀(jì)快結(jié)束的時候基本形成的。這個四個模型包括宇宙學(xué)中的大爆炸模型、粒子物理學(xué)中的夸克模型、分子生物學(xué)當(dāng)中的DNA雙螺旋模型、地學(xué)中的大地板塊模型。也有人說還可以再加一個計算機(jī)領(lǐng)域的馮？諾伊曼模型。這四個模型或者五個模型大體可以表達(dá)20世紀(jì)最重要的一些理論成就。當(dāng)然不是說其他的成就就不重要，而是說這幾個成就格外的重要，因?yàn)樗鼈儤?gòu)成了20世紀(jì)理論科學(xué)發(fā)展的一個平臺。
應(yīng)用科學(xué)的兩大超級能量，第一個能量就是核能量的釋放，包括核武器的研制、核能量的釋放和利用等。這個可以稱之為超級能量的釋放。第二個是登月工程。登月工程之所以能夠稱為一種超級能量，是因?yàn)樗砹巳祟悓Φ厍蛞Φ恼鞣砹巳祟愖呦蛱?。這是一個人類自古以來從未想象過的一種現(xiàn)實(shí)，可以稱它為一種超級能量的開發(fā)。
那么什么是兩大生活技術(shù)呢？這指的是20世紀(jì)后期發(fā)生在我們眼前的兩種技術(shù)。第一個就是生物技術(shù)，第二個是信息技術(shù)。人有兩方面的存在，一個是社會學(xué)存在，一個是生物學(xué)存在。人類的生物學(xué)存在正在遭受生物技術(shù)的改造和改變，這是一種生活技術(shù)。人作為社會學(xué)意義上的存在，是一種交往性的存在。人是通過交往來認(rèn)同自己的，每個人都要跟人家交往，把一個人關(guān)在一個屋子里老不讓他交往，他最后不是發(fā)瘋就是變成非人。但是交往是要依靠技術(shù)的，基本的交往技術(shù)就是信息技術(shù)。所以今天的信息技術(shù)就是我們第二大生活技術(shù)。
一、世界圖景的重建
我們先來看物理學(xué)革命。物理學(xué)革命分為相對論革命和量子力學(xué)革命。相對論基本上是家喻戶曉的了，因?yàn)閻垡蛩固故?0世紀(jì)最大的科學(xué)明星。愛因斯坦曾經(jīng)跟卓別林說，為什么所有人都喜歡你，是因?yàn)樗麄兌祭斫饽?；為什么所有人都喜歡我，是因?yàn)樗麄兌疾焕斫馕?。這就反映了愛因斯坦的相對論非常難理解，不要說一般大眾，就是學(xué)物理的要真正地理解相對論也是很不容易的，所以愛因斯坦就開了這么一個玩笑。
大家知道相對論分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論主要是在時間空間問題上的一場革命。關(guān)鍵是引出了同時性的相對性。比如說現(xiàn)在我們正在王府井搞講座，此刻天安門那兒有一場隆重的儀式，那么在什么意義上說，此刻天安門和王府井的兩個事件是同時的呢？你可以說我們看表看到是同時的，都是10點(diǎn)鐘開始，那邊也10點(diǎn)，我們這兒也10點(diǎn)?？墒沁@畢竟是兩塊表，如何才能知道它們是一致的呢？的確，我們不能肯定現(xiàn)在這塊表定的時間和天安門廣場那塊表的時間完全一樣，因此講同時性就需要對鐘。愛因斯坦說，你必須告訴我你是怎么對鐘的，他要求同時性要有一個操作的定義。由于要對鐘，所以需要信號。最快的信號是光，可以用光來對鐘。但是光的速度仍然是有限的，這就意味著在對鐘的過程中光信號從天安門傳到王府井是需要時間的，這就會遭遇一種相對性效應(yīng)。在一個靜止的人看你對鐘和一個運(yùn)動的人看你對鐘，對出來的是不一樣的。愛因斯坦借此提出同時性的相對性，也就是說，對于一個參照系中的觀察者來說是同時的，對另一個參照系的觀察者就不是同時的。根據(jù)這個同時性的相對性，愛因斯坦就推出了他所謂的狹義相對論。同時性的相對性還比較好理解，但由此出發(fā)得出了很多很古怪的結(jié)果。
第一個古怪的效果叫尺縮鐘慢。在不同的參照系里的人看來，尺子的長度是不一樣的。一個運(yùn)動的尺子會比在靜止時短，這個叫尺縮；運(yùn)動的鐘要慢一點(diǎn)，這是鐘慢。這個尺縮鐘慢效應(yīng)不是任何外力作用造成的，就是參照系本身造成的，是運(yùn)動學(xué)效應(yīng)不是動力學(xué)效應(yīng)。由于運(yùn)動是相對的，你看見我的鐘慢了，我看見你的鐘也慢了，那么到底是誰慢了呢？由于處在不同的參照系，這個問題是沒有意義的。但是，要是讓一對雙生子派一個人先出去跑一圈再回來，由于他們都會發(fā)現(xiàn)對方時鐘慢了，生命的生長也慢了，于是對方都比自己年輕了，這樣再次碰面就會出現(xiàn)悖論：到底是哪一個更年輕？這就是著名的雙生子悖論。這個悖論在狹義相對論里解決不了，只有在廣義相對論才能解決。大家知道，一個宇宙飛船飛出去又飛回來，它必然要經(jīng)歷一個加速運(yùn)動才能飛出去，飛出去之后要想再回來，它又要經(jīng)歷一個減速運(yùn)動。一加速一減速就不符合狹義相對論的條件，就是廣義相對論處理的問題了。經(jīng)歷了加速場的人，按照廣義相對論來說，他應(yīng)該是絕對地變年輕了。因此按照廣義相對論，這個雙生子悖論是可以解決的，答案是坐宇宙飛船出去轉(zhuǎn)一圈的那個人變年輕了。這是我們要說的尺縮鐘慢效應(yīng)。
還有一個很重要的推論，就是很多人都知道的質(zhì)能轉(zhuǎn)化公式，E等于MC2，E是能量，M是質(zhì)量，C是光速。根據(jù)這個公式，稍微有一點(diǎn)點(diǎn)質(zhì)量的損失，可以變成巨大的能量。過去分別有質(zhì)量守恒和能量守恒，現(xiàn)在兩者是一回事，合起來叫質(zhì)能守恒，這個也是狹義相對論所得出的結(jié)論。
接著我們說一說廣義相對論。廣義相對論處理的是加速問題。牛頓力學(xué)里面有兩個質(zhì)量，一個是牛頓第二定律規(guī)定的那個質(zhì)量，我們稱為慣性質(zhì)量；另外一個是萬有引力定律里面的，叫引力質(zhì)量。在牛頓時代，引力質(zhì)量和慣性質(zhì)量被認(rèn)為當(dāng)然是同樣一個質(zhì)量，但是這個并沒有予以說明。愛因斯坦認(rèn)為，這兩個質(zhì)量的同一性實(shí)際上表明了引力場和加速場的等效性。說白了就是，引力場和加速場本質(zhì)上是一回事。愛因斯坦最喜歡用電梯做思想實(shí)驗(yàn)，歷史上稱為愛因斯坦電梯。比如說你坐在封閉的電梯里，并且用臺秤秤自己的重量，現(xiàn)在你發(fā)現(xiàn)臺秤上顯示你的重量大于你的體重，那么愛因斯坦說，你不能肯定究竟是你所在的電梯正在向上加速運(yùn)動，還是地球的引力突然增大了。這就是加速場和引力場兩者不可分的意思。根據(jù)這個等效原理，他推出了廣義相對論。
廣義相對論也有很多重要的預(yù)言。其中最有意思的一個推論就是，他認(rèn)為物質(zhì)和空間之間不能夠像過去那樣看成相互外在的兩個東西，比如說空間是一個籃子，物質(zhì)就像籃子里的菜；空間是那個書架子，物質(zhì)就是書架上的書。愛因斯坦說這不對的，實(shí)際情況是，空間變成了物質(zhì)的某種幾何性質(zhì)。廣義相對論主張，有什么樣的物質(zhì)，就會有什么樣的空間。就好比籃子裝了菜，籃子就發(fā)生變化；書架裝了書，書架會發(fā)生變化。任何有質(zhì)量的物質(zhì)都會引起周圍空間的彎曲，質(zhì)量越大、引力場越大，空間彎曲得越厲害。過去我們認(rèn)為月亮繞地球轉(zhuǎn)，是因?yàn)橛械厍虻囊υ诶?，現(xiàn)在，按照廣義相對論的說法，好是因?yàn)榈厍虻囊鲎尩厍蛑苓叺目臻g變彎了。月亮某種意義上是在走一個直路，只不過空間彎了，它走的直路在我們看來也是一個彎路。
空間彎了，一向走直路的光線當(dāng)然也會彎曲。這個說法當(dāng)然是非常奇特的，一般人覺得不可思議。愛因斯坦說只有在特別強(qiáng)大的引力場之中，光才能發(fā)生彎曲。我們地球周圍最大的引力場就是太陽，太陽質(zhì)量最大，可是白天太陽很亮，沒有辦法用它來判定光線是否在經(jīng)過它是否發(fā)生了彎曲。但也有辦法，就是等日全食的時候，月亮正好把太陽全部遮住的時候，我們再來看一看處在太陽背后的那個恒星的光，能不能繞過太陽被我們看見，如果能的話就證明愛因斯坦說得是對的。這件事情正好發(fā)生在第一次世界大戰(zhàn)之后，英國的愛丁頓率領(lǐng)一個考察隊專門去考察日全食的時候光線是不是發(fā)生彎曲，考察的結(jié)果居然是真的發(fā)生了彎曲。當(dāng)時就一下子轟動了，愛因斯坦從此成為家喻戶曉的科學(xué)家。
我們講這些基本的東西，是要想說明愛因斯坦的相對論，對人類關(guān)于時間、空間、宇宙的基本觀念產(chǎn)生了一場革命性的轉(zhuǎn)變，因此我們說愛因斯坦是20世紀(jì)的一個科學(xué)革命家。下面我們再來講講量子力學(xué)。量子力學(xué)從某種意義上說，比愛因斯坦的相對論還要深刻，它里面所包含著的革命性因素還要多，主要表現(xiàn)在幾個方面。
第一個是微觀領(lǐng)域里物質(zhì)的波粒二象性。微觀粒子既表現(xiàn)出波的特性，又表現(xiàn)出粒子的特性。粒子的一個特點(diǎn)是它有個定義明確的界限，有自己獨(dú)一無二的位置。波則是一個彌散的東西，不能說波在什么位置，波是處在整個空間之中。這本來是兩種完全不一樣的物質(zhì)形態(tài)，但量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)，微觀粒子既像是粒子也像波。比如說這個屋子有兩個門，我們每個人進(jìn)來的時候總只能從一個門進(jìn)來，你不能說我同時從兩個門進(jìn)來的?？墒橇孔恿W(xué)發(fā)現(xiàn)，微觀領(lǐng)域的粒子就是從兩個門進(jìn)來的。同樣，它也是從兩個門出去的，因此，你就不好說它出去之后究竟在什么地方。
第二個叫做測不準(zhǔn)原理。一個粒子的能量和時間、質(zhì)量和動量不能夠同時精確測定，也稱為不確定性原理。為什么量子領(lǐng)域會發(fā)生這個事情呢？主要的一個原因是我們對量子領(lǐng)域的現(xiàn)象必須通過實(shí)驗(yàn)才能了解，可是實(shí)驗(yàn)總是會對對象有干預(yù)。比如說我們這個黑屋子里面有一個球，現(xiàn)在我們來問這個球在什么位置，當(dāng)然我們不知道在什么位置，因?yàn)槲葑犹诹宋覀兛床灰?。為了知道它在什么位置我必須把燈打開?？墒前褵粢淮蜷_之后，那個燈的光線就對那個球產(chǎn)生作用。對一個宏觀的球來說，光線不大可能對它產(chǎn)生什么明顯的影響，可是在量子微觀領(lǐng)域，這個光子跟這個球差不多，它就完全有可能把球打到不知道什么地方去了。即使你打開燈之后看見那個球在某個位置，你也不能說沒打開燈之前那個球在什么位置。如果你不開燈你看不見，一開燈球又變了位置了，所以這就是為什么量子力學(xué)說搞不清楚它在什么位置的一個根本原因。
量子力學(xué)還有很多這類稀奇古怪的現(xiàn)象。經(jīng)常有物理學(xué)家自嘲說，如果你在學(xué)過了量子力學(xué)之后沒有意識到自己根本不懂量子力學(xué)，那么你就真是不懂量子力學(xué)。只有當(dāng)你知道自己不懂量子力學(xué)之后，你才能說自己稍微懂得一點(diǎn)量子力學(xué)。量子力學(xué)在20世紀(jì)初產(chǎn)生后，與實(shí)驗(yàn)符合得非常好，成了整個20世紀(jì)科學(xué)的一個基本的平臺。今天諸位都用了手機(jī)，用了電子設(shè)備，其實(shí)里面都包含著量子力學(xué)的理論成就。量子力學(xué)我們就講到這里。
下面我們講講四大理論模型。
四個理論模型里面宇宙學(xué)和相對論聯(lián)系最深。牛頓以來的宇宙學(xué)基本上就沒了，因?yàn)橛钪姹徽J(rèn)為是無限的，無限的宇宙沒法研究。愛因斯坦相對論提出來之后，他發(fā)現(xiàn)可以把宇宙整體作為一個研究對象，建立方程。這個宇宙方程導(dǎo)出的解都表明宇宙不是穩(wěn)定的，但他當(dāng)時覺得宇宙總體上應(yīng)該是一個穩(wěn)定的東西，所以他加了一個宇宙學(xué)項(xiàng)，強(qiáng)行把從相對論宇宙學(xué)中導(dǎo)出了一個靜止的宇宙模型。也有一些數(shù)學(xué)家試解愛因斯坦的宇宙方程，提出了好多次數(shù)學(xué)方案，這些方案都表明宇宙是不穩(wěn)定的。由于沒有觀測證據(jù)，數(shù)學(xué)家自己算著玩，也沒有人當(dāng)真。
有意思的是，大概在2 0年代末，美國的一位天文學(xué)家叫哈勃（哈勃望遠(yuǎn)鏡就是以他的名字命名的），他發(fā)現(xiàn)銀河系外面的星系都有紅移現(xiàn)象。紅移就是光譜向紅端移動，向低頻段移動，人們馬上聯(lián)想到多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)很簡單，說的是一個運(yùn)動的振動源在觀察者看來，振動的波長和頻率都是要發(fā)生改變的。我們都有這個經(jīng)驗(yàn)，一列火車鳴著汽笛向我們開來的時候聲音越來越尖銳，離我們而去的時候聲音越來越低沉。這不是因?yàn)樗@個汽笛聲調(diào)發(fā)生了變化，而是因?yàn)槲覀兒突疖囍g的運(yùn)動關(guān)系發(fā)生了變化。它向著我們來的時候是越來越尖銳，聲音的頻率發(fā)生了藍(lán)移；離我們而去的時候聲音越來越低沉，發(fā)生了紅移。河外星系都有這樣的紅移現(xiàn)象，這就意味著所有的星系實(shí)際上都在離我們遠(yuǎn)去。如果所有的星系都離我們遠(yuǎn)去，這就意味著整個宇宙都在膨脹。
這個觀察證據(jù)發(fā)現(xiàn)之后，立即就被人聯(lián)想到那些數(shù)學(xué)家所給出的宇宙膨脹模型。理論與觀測相遇了，現(xiàn)代宇宙學(xué)就這樣成長起來了。如果說宇宙是膨脹的話，那么往回追溯它應(yīng)該越來越小，小到一定地步應(yīng)該就變成一個點(diǎn)。從點(diǎn)狀如何膨脹出一個宇宙？點(diǎn)之前又是什么東西？這就是一個大問題。宇宙學(xué)家提出一個理論說，宇宙是從起點(diǎn)處高溫、高壓、高密度的奇點(diǎn)狀態(tài)爆炸過來的，爆炸瞬間之后，是一團(tuán)宇宙霧，或者說一鍋宇宙湯，隨著溫度慢慢變低，依次產(chǎn)生現(xiàn)在我們看到的這些物質(zhì)，核子啊、電子啊這些東西，后來慢慢再出現(xiàn)星系、星云，出現(xiàn)行星，整個宇宙就出來了。在冷卻的過程中實(shí)際上還有點(diǎn)霧沒有徹底冷卻，這個很稀薄的一層霧始終還在，大概相當(dāng)于絕對溫度三度這樣子的輻射，是早期宇宙湯的一個遺跡。這個遺跡后來居然也被發(fā)現(xiàn)了，這個發(fā)現(xiàn)也是非常巧的。幾個搞射電天文的人做了一個射電望遠(yuǎn)鏡調(diào)試，怎么調(diào)試也不能復(fù)零，老有一點(diǎn)本底噪音。這個本底噪音當(dāng)時被認(rèn)為是望遠(yuǎn)鏡沒做好的一種表現(xiàn)，他們很苦惱。但是他們在普林斯頓大學(xué)吃飯的時候跟同事們談起來，說我們造了一個望遠(yuǎn)鏡，怎么調(diào)也調(diào)不到零，本底噪音不知道怎么來的。說者無心聽者有意，旁邊的理論宇宙學(xué)家一聽，這個本底噪音不就是宇宙背景輻射嗎？他們于是結(jié)合起來研究，證明那個本底噪音就是宇宙湯在冷卻過程中留下的那一點(diǎn)點(diǎn)霧，稱為微波背景輻射。這個輻射的發(fā)現(xiàn)就成了對熱大爆炸宇宙模型的一個有力的支持，這個模型從此就有力地確立下來了。這個模型也很受理論物理學(xué)家喜愛，因?yàn)楹芏喔吣芪锢韺?shí)驗(yàn)在地面上不好做，做不出來，但有了這個模型，我們就可以虛擬地在宇宙早期去做。因?yàn)橛钪嬖缙跍囟雀?，密度大，成了理論物理學(xué)家很鐘愛的一個模型，他們可以在這個模型的基礎(chǔ)上做思想試驗(yàn)。
第二個模型就是所謂的夸克模型。大家知道一分為二的思想。所有的物質(zhì)都是由分子構(gòu)成，所有的分子都是由原子構(gòu)成，所有的原子都是原子核和電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子和中子由基本粒子構(gòu)成，還能不能接著分下去呢？過去我們說一尺之捶，日取其半，萬世不竭?？墒菃栴}是，你想是可以這么想，但能不能真的分得下去得靠科學(xué)來說話，得做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻表明，這個夸克模型分不下去了。因?yàn)榈搅肆孔宇I(lǐng)域之后，質(zhì)能轉(zhuǎn)換關(guān)系開始起作用了。打個比方說，你用刀去切蘋果，在宏觀領(lǐng)域里，蘋果是蘋果刀是刀，是兩個不同的東西。可是到了微觀領(lǐng)域，代表著分解方的刀和代表著被分解方的蘋果是可以互相轉(zhuǎn)換的，相當(dāng)于說，你切著切著，刀切沒了，變成蘋果了。本來應(yīng)該是蘋果越切越小，由于刀切沒了，轉(zhuǎn)化成了蘋果，因此蘋果被切之后有可能變成兩個更大的蘋果。由于質(zhì)量和能量可以相互轉(zhuǎn)化，高能粒子在切割的過程中并不是越變越小，這樣一來，所謂的無限可分就變得沒有意義了?？淇四Ｐ驼J(rèn)為夸克實(shí)際上根本打不開，一個很重要的原因是道高一尺魔高一丈，你敲擊的能量越大，它禁閉的能量也越大，所以根本就打不開。這是夸克模型。
大家都很熟悉了。今天我們處在一個生物技術(shù)的時代，基因的時代?；驎r代之所以能夠到來，與DNA雙螺旋模型的發(fā)現(xiàn)是有關(guān)系的。過去我們只知道有基因，基因在染色體上，那么具體來說基因是什么樣，有什么樣的內(nèi)在結(jié)構(gòu)，過去都不知道，現(xiàn)在都搞清楚了。20世紀(jì)50年代有兩位英國的年輕人，在前人的工作的基礎(chǔ)上最終發(fā)現(xiàn)了DNA實(shí)際上是兩個鏈纏在一起，纏成一個雙螺旋，有了這個雙鏈條模型后人們才能精細(xì)地對基因進(jìn)行研究和加工。今天我們知道的基因復(fù)制、基因修補(bǔ)、基因重組，都是建立在這個DNA雙螺旋模型的基礎(chǔ)之上。所以這個模型對于今天生物科學(xué)的發(fā)展，對于我們生物技術(shù)的發(fā)展都是功莫大焉。但是大家也要注意到，DNA雙螺旋模型的發(fā)現(xiàn)是與微觀物理學(xué)的發(fā)現(xiàn)有直接關(guān)系的，剛才我們講的量子論和相對論都是有貢獻(xiàn)的。因?yàn)镈NA這個東西很小，必須用電子顯微鏡來看。電子顯微技術(shù)實(shí)際上是建立在當(dāng)時量子力學(xué)這樣一些物理學(xué)基礎(chǔ)之上的。所以某種意義上說，這個DNA雙螺旋模型的發(fā)現(xiàn)，理論物理學(xué)也是有很大功勞的。
大地我們過去只知道有縱向的運(yùn)動，地震就是典型的縱向運(yùn)動，上下動。人們從來沒想到大地還有水平的運(yùn)動，地那么大的東西怎么會水平運(yùn)動呢。但是有些人就注意到了，我們的世界地圖幾大塊之間的關(guān)系，實(shí)際上暗示了它過去可能是一個整體。有一位地質(zhì)學(xué)家叫魏格納，有一天他躺在床上看世界地圖就發(fā)現(xiàn)，非洲大陸跟美洲大陸邊界好像能接上，他就想是不是早期它們是一整塊的，后來才分開的。這個思想當(dāng)然過于大膽了，人們很難設(shè)想地球那么大的玩意兒還能夠水平運(yùn)動。他有了這個設(shè)想之后，就想去驗(yàn)證它，而且寫了書，但是得不到大多數(shù)人的認(rèn)同。所以這個大地水平運(yùn)動理論，一直經(jīng)歷了大概半個世紀(jì)的爭論，反復(fù)地研討，最終在20世紀(jì)60年代終于得到了地質(zhì)學(xué)界的認(rèn)同，被認(rèn)為是地質(zhì)學(xué)中的一場革命。這場革命確立了大地的板塊模型，以及這個板塊的漂移運(yùn)動。有了這個板塊模型，所有的關(guān)于地質(zhì)、地球物理的研究就有了一個嶄新的面貌。所以板塊模型也被認(rèn)為是20世紀(jì)最重要的一個模型。
第五個模型我們講的是馮？諾伊曼模型。馮？諾伊曼模型是計算機(jī)領(lǐng)域的一個模型，今天我們用的電腦基本上都屬于馮？諾伊曼機(jī)。馮？諾伊曼機(jī)的一個基本原理就是把操作程序代碼化，把數(shù)據(jù)和程序儲存在一起。大家知道我們今天的硬盤里既存數(shù)據(jù)，也存軟件。軟件就是操作程序，數(shù)據(jù)是我們用的，比如說文字、圖象等。馮？諾伊曼機(jī)發(fā)現(xiàn)把它混在一起可以提高效率，過去這兩個部分是分開的，操作是操作、數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)，但是運(yùn)算速度很慢。馮？諾伊曼提出來把兩者混在一起，統(tǒng)一編碼，這樣就大大地提高計算機(jī)的運(yùn)算的速度。今天我們用的電腦依然屬于這個范疇。因此有人認(rèn)為馮？諾伊曼模型也是20世紀(jì)最重要的理論模型之一。
20世紀(jì)60年代以來，不斷出現(xiàn)了一批橫斷學(xué)科、新興學(xué)科，被有人稱為第二次科學(xué)革命。在我看來，這場科學(xué)革命是比相對論、量子力學(xué)更加深遠(yuǎn)的一場思想變革，它要打破近代自牛頓以來的一些對世界的看法，參與這場科學(xué)革命的學(xué)科很多，非線性科學(xué)、復(fù)雜性科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、生態(tài)科學(xué)都卷入其中。
這些新的科學(xué)都想破除傳統(tǒng)科學(xué)里面的機(jī)械決定論思想。牛頓力學(xué)世界觀的一個理想是，給定全部的初始條件我就能告訴你世界的過去、現(xiàn)在和未來。法國科學(xué)家拉普拉斯對此有一個形象的表述。他說只要有一個萬能的計算者，你告訴他這個宇宙的初始條件，他就能算出宇宙的過去、現(xiàn)在、未來。在他看來，難題只在于有沒有這樣一個萬能的計算者，世界的決定論特征是沒有問題的。拉普拉斯的這個形象的說法，現(xiàn)在看來是有問題的。決定論的信奉者也是征服自然、改造自然的信奉者。我們因?yàn)槟芷悖軌蚓_地預(yù)言、預(yù)測，因此我們什么都不怕，我們可以無所顧忌地改天換地。因?yàn)槲夷軌蚓_地知道，我對自然界的改造會造成什么樣的后果。如果你不能夠知道后果，那么人類對自然會有所敬畏。新的科學(xué)認(rèn)為人類對自然的研究，并不能夠獲取完全的確定性。我們只能或然地了解世界，我們對于世界長遠(yuǎn)的后果是沒法了解。這就是所謂的非線性效應(yīng)、復(fù)雜性效應(yīng)、生態(tài)效應(yīng)。過去有一個箴言說人算不如天算，包括這個意思。歷史上的許多原始文化、傳統(tǒng)文化都強(qiáng)調(diào)要敬畏自然，主張自然的很多后果我們是難以預(yù)料的。但是，這個論調(diào)是近代科學(xué)所不理會的，近代數(shù)理科學(xué)傳統(tǒng)認(rèn)為自然界是一個確定的體系，現(xiàn)在看來這個信念過于理想。新的科學(xué)發(fā)現(xiàn)了路徑依賴和初始條件敏感，就是說初始條件微小的變化將會非線性放大，放大到不成樣子。通俗的講法就是所謂的蝴蝶效應(yīng)，說的是北京的一個蝴蝶扇一下翅膀，結(jié)果在紐約造成一場風(fēng)暴。一個玩笑說，壞了一只馬蹄鐵，損失一匹戰(zhàn)馬，損失一匹戰(zhàn)馬帶來一場小小戰(zhàn)役的失敗，小小戰(zhàn)役的失敗帶來一場大戰(zhàn)役的失敗，大戰(zhàn)役的失敗帶來戰(zhàn)略性的失敗，戰(zhàn)略性失敗帶來國家的滅亡。這每一步都是非線性放大，結(jié)果是一只馬蹄鐵壞了導(dǎo)致一個國家滅了。非線性效應(yīng)在現(xiàn)在看來不是個別的、孤立的，而是普遍的，處處都存在。過去認(rèn)為整個宇宙尺度上，還是牛頓力學(xué)說了算，現(xiàn)在看來牛頓力學(xué)只能是小范圍說了算，大范圍反而都是非線性系統(tǒng)。我想這是一個很重要的觀念革命。
第二個方面是整體論的出現(xiàn)。過去的科學(xué)都主張對世界進(jìn)行分割、切割，把宏觀的東西還原為微觀的東西，把整塊的東西切割成小的東西。我們先對小的、簡單的東西進(jìn)行研究，研究了小的東西，那么大的東西自然就可以拼出來了。方程都是微分方程，微分方程算出來之后進(jìn)行積分。微積分的過程就是一個原子化的過程，積分的過程就是一個拼裝的過程。所以近代以牛頓力學(xué)為代表的世界觀，基本上是一個拼裝、拆拼的世界觀。我們做什么事、看什么問題，都先是把這個事情把它拆開了、分解了，模塊、板塊化。現(xiàn)在我們管理學(xué)里面經(jīng)常搞模塊化、板塊化，其實(shí)就是來自經(jīng)典科學(xué)里面的原子論思維。流水線生產(chǎn)也是，把汽車都拆散了。過去造東西是一個工匠從頭造到尾，現(xiàn)在是一個人造一點(diǎn)點(diǎn)，造完以后拼起來就行了，又快又好。這是現(xiàn)代性思維的一個很重要的部分，也是古典科學(xué)的拼裝世界觀的反映。這種拆拼世界觀、原子論世界觀有個問題，就是忽視了世界、事物本身是個有機(jī)的整體，拆和拼的過程中肯定會損壞或者忽略掉有機(jī)的部分。我們都知道有許多東西是拆不出來也拼不出來的，這就是整體的東西。比如我們說一個和尚挑水吃，兩個和尚抬水吃，三個和尚沒水吃，這就是一個整體論效應(yīng)。如果按照線性相加的原則，一個和尚挑水，兩個和尚就挑兩擔(dān)水，三個和尚挑三擔(dān)水。但這是原子論的思維，實(shí)際上并不是這么回事，和尚越多越?jīng)]有水吃。也有人說，一個中國人是一條龍，三個中國人成了一條蟲，這也是整體論效應(yīng)，搞在一起反而內(nèi)訌、相互拆臺。這個效應(yīng)你通過拆分拆不出來，拆出來之后的東西就像我們剛才講的量子效應(yīng)那樣，有可能越拆越大，越拼越小，這就不是線性效應(yīng)。
還有一個方面是，新科學(xué)確認(rèn)了世界的不可逆性。牛頓力學(xué)根本上認(rèn)為，一個物理系統(tǒng)是可以反演的。時間變成負(fù)的無所謂，反正牛頓方程里面的時間都是以平方的方式出現(xiàn)的。不可逆性早在19世紀(jì)后期熱力學(xué)第二定律出現(xiàn)的時候就已經(jīng)認(rèn)識到了。人們發(fā)現(xiàn)一杯熱水放在空氣里面，它只會越來越?jīng)?，一直涼到和空氣溫度一樣為止。從來沒有一杯冷水放在桌上，能從空氣中吸熱把自個兒燒開了。從來只聽說過破鏡難圓，沒聽說過一個破碎的鏡子最后自己能重回圓滿，打碎的瓷器難復(fù)原、覆水難收都是這個意思?？墒前凑张ｎD力學(xué)，這種逆轉(zhuǎn)原則上是可以的。宏觀上看一個物理系統(tǒng)總是按照一個不可逆的方向發(fā)展，一杯水總是慢慢地變冷或者變熱和室溫保持平衡，從來沒有越來越偏離室溫的情況出現(xiàn)。這種不可逆現(xiàn)象出來以后，很多科學(xué)家很苦惱。因?yàn)樗^的熱力學(xué)定律不過就是微觀定律的一個宏觀表現(xiàn)而已，微觀領(lǐng)域的粒子肯定都是符合牛頓定律的，因而是可逆的，可是為什么微觀里面是可逆的，宏觀就不可逆呢？當(dāng)時有一位奧地利的物理學(xué)家叫玻耳茲曼，一直在試圖解決這個問題，結(jié)果到死也沒有解決問題。最后他是自殺的，沒解決這個問題很苦惱，自殺了。這個問題到現(xiàn)在也沒有完全解決，但是新科學(xué)，就是非線性科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)、復(fù)雜性科學(xué)、生態(tài)科學(xué)都試圖把這個不可逆性作為一個基本的現(xiàn)象來處理，而讓牛頓力學(xué)的東西作為一個次級的現(xiàn)象。這是新科學(xué)的一個嶄新的變化，這個變化將更加符合我們的日常生活經(jīng)驗(yàn)。
科學(xué)與人文在現(xiàn)代之所以分裂有一個重要的原因就是古典的物理學(xué)、古典科學(xué)不再關(guān)注價值問題，只關(guān)注事實(shí)，造成了事實(shí)和價值的二分。事實(shí)和價值之所以二分，是因?yàn)楣诺淞W(xué)、古典物理學(xué)、古典科學(xué)所面對的對象是一個機(jī)械。機(jī)械本身是沒有目的的，沒有目的就沒有價值。有機(jī)體都是有目的的，機(jī)械沒有目的。如果你把世界本身看成個機(jī)械，那么這個世界本身就談不上什么價值，價值只屬于人。于是，人和自然、事實(shí)和價值、科學(xué)與人文之間就發(fā)生了分裂?？墒切碌目茖W(xué)認(rèn)為世界本質(zhì)上不是一個機(jī)械，而是一個有機(jī)體。這個有機(jī)體有自身的目的、有自身整體的效應(yīng)。機(jī)械論理想局部是合理的，但是它是有限度的。因?yàn)樘囟ǖ哪康摹⑻囟ǖ哪繕?biāo)我們可以把世界看成個機(jī)械，但是根本上來看，世界并不是一個機(jī)械，而是一個有機(jī)體。這個有機(jī)體有整體效應(yīng)，有非線性效應(yīng)，它的變化過程是不可逆的。一個人只能由小孩長成青年，青年長成中年，中年變成老年，老年最后死掉，不可能倒著長，倒著長不是有機(jī)體的模式。想倒著長恰恰是機(jī)械自然觀的一個必然后果。從這個意義上說愛因斯坦的相對論，特別是狹義相對論總體上看也還屬于機(jī)械自然觀的范圍。愛因斯坦相對論是允許時間倒流的，邏輯上它允許時間倒流。好萊塢電影里面特別喜歡借用這個東西，來幻想時間倒流，從而產(chǎn)生一些非常異樣的場景疊加，那就有戲可看了。電影總是要有戲可看，所以他們特別喜歡援引相對論這些東西。其實(shí)可逆性思想已經(jīng)遭到了新科學(xué)的質(zhì)疑。
關(guān)鍵詞:經(jīng)典相對論;宇宙學(xué);量子引力;概念解釋;形而上學(xué)
正如巴特菲爾德和厄爾曼編撰的《物理學(xué)哲學(xué)》一書所言，近半個世紀(jì)以來，物理學(xué)哲學(xué)充滿活力有兩個重要的原因，第一是與所分析的科學(xué)哲學(xué)的形成期相關(guān)，第二則是近半個世紀(jì)以來物理學(xué)自身的研究有關(guān)。也正因此，在物理學(xué)哲學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中，其研究的論題和研究方法也隨著科學(xué)哲學(xué)和物理學(xué)自身的論題和方法進(jìn)行著改變。在很長一個歷史時期內(nèi)，物理學(xué)哲學(xué)曾經(jīng)關(guān)注經(jīng)驗(yàn)物理學(xué)領(lǐng)域，物理學(xué)哲學(xué)的探討與對客觀性、真理性以及科學(xué)合理性的辯護(hù)分不開。而在當(dāng)前宇宙學(xué)、量子引力發(fā)展的前沿時刻，《物理學(xué)哲學(xué)》一書體現(xiàn)了當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)研究的新特點(diǎn)。本書與以往物理學(xué)哲學(xué)書籍最大的不同之處就在于，在以往物理學(xué)哲學(xué)著作往往重點(diǎn)討論統(tǒng)計物理學(xué)、相對論和量子力學(xué)的哲學(xué)問題的基礎(chǔ)上，增加了新的領(lǐng)域:“這些支柱的結(jié)合”———量子引力，并運(yùn)用決定論和對稱性這兩個“能架起聯(lián)結(jié)物理學(xué)理論間(甚至三大支柱間)鴻溝的橋梁”的主題，把最終的討論由具體引向一般，從而讓我們看到兩個結(jié)論:第一，物理學(xué)哲學(xué)和物理學(xué)之間并不存在清晰的界限。第二，物理學(xué)概念的復(fù)雜化，想要借由物理學(xué)去豐富哲學(xué)，并非容易。本文主要就書中的“經(jīng)典相對論”、“宇宙學(xué)中的哲學(xué)問題”和“量子引力”等內(nèi)容進(jìn)行分析，指出它們所揭示的物理學(xué)概念解釋的新特征以及物理學(xué)理論理解的新特征。
一相對論、宇宙學(xué)和量子引力哲學(xué)概要
巴特菲爾德在引言中指出，數(shù)學(xué)的相對論者在不斷深化我們對廣義相對論基礎(chǔ)的理解。大衛(wèi)•馬拉蒙特的“經(jīng)典相對論”［1］一文就明顯具有這樣的特點(diǎn)，并不討論經(jīng)典相對論的歷史發(fā)展及其實(shí)驗(yàn)依據(jù)，而是以微分幾何的語言，從概念和形式化的角度對相對論的結(jié)構(gòu)以及相對論引發(fā)的一些基礎(chǔ)問題進(jìn)行了分析和討論。首先從描述相對時空的結(jié)構(gòu)開始，相對論的彎曲時空是一類幾何模型(M，gab)表示的相對時空，其中M為一個平滑的連續(xù)的四維流形，gab是M中的一個平滑的半黎曼度規(guī)。其中每個模型都代表一個與理論的約束條件相容的可能世界。M可以解釋為世界中點(diǎn)事件的流形，而gab的解釋則關(guān)乎四個物理學(xué)解釋性原理，由點(diǎn)粒子和光線的行為決定，由此把引力和時空幾何效應(yīng)等同起來。當(dāng)粒子只受到引力作用時，它的軌跡為彎曲時空的測地線。而任何質(zhì)量粒子的加速度即偏離測地線的軌跡，由引力以外的力決定。馬拉蒙特詳細(xì)地描述了gab的解釋性原理和限定條件。在此基礎(chǔ)上分析了本征時間、某一點(diǎn)的空間時間分解及粒子動力學(xué)、物質(zhì)場、愛因斯坦方程、類時曲線的匯與“公共空間”、基靈場與守恒量等內(nèi)容。經(jīng)典相對論中所有發(fā)生的事件都可以用物質(zhì)場F表示，為時空流形M中的一個或者多個平滑張量或旋量，滿足包含gab的場方程。Tab為與F相關(guān)的能量－動量場，時空的彎曲受物質(zhì)分布的影響，任意區(qū)域的時空度規(guī)和物質(zhì)場會發(fā)生動力學(xué)相互作用，遵循愛因斯坦方程。在專題討論部分，關(guān)于閔可夫斯基時空中的相對同時性的地位，試圖還原愛因斯坦定義同時性對標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系選擇的特定背景;關(guān)于牛頓引力理論的幾何化，將引力化的牛頓理論與愛因斯坦相對論進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上的對比;關(guān)于時空的整體“因果結(jié)構(gòu)”，關(guān)注了什么程度上時空的整體幾何結(jié)構(gòu)能夠從其“因果結(jié)構(gòu)”中得到?！坝钪嬲軐W(xué)中的問題”［2］的作者是喬治•F．R．埃利斯。宇宙學(xué)哲學(xué)的部分在書中起著承上啟下的作用，因?yàn)橐环矫?，宇宙學(xué)哲學(xué)的研究基于愛因斯坦廣義相對論引力理論時空曲率和宇宙的演化由物質(zhì)決定的思想，用廣義相對論描述宇宙遠(yuǎn)古時期之后的演化;另一方面，由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物質(zhì)高密度狀態(tài)下無法忽略引力問題，因而無法避免引力理論?？偟膩碚f，整篇文章把當(dāng)代宇宙學(xué)看作是觀測宇宙學(xué)、物理宇宙學(xué)、天文宇宙學(xué)與各種形式的量子宇宙學(xué)共生共長、互惠互補(bǔ)的綜合理論系統(tǒng)，想要給出一個“描繪真實(shí)宇宙起源和演化的理論”。主要內(nèi)容分為兩大部分，第一部分為宇宙學(xué)概論，包括基本理論、熱大爆炸、宇宙觀測、因果和可視世界、理論的發(fā)展、暴脹、極早期宇宙、一致性模型等內(nèi)容，并澄清了關(guān)于宇宙暴脹和超光速等問題的一些誤解。在埃利斯看來，“宇宙學(xué)正在由一種猜測性的事業(yè)向真正的科學(xué)轉(zhuǎn)變，這不僅帶來了與科學(xué)革命相近的多種哲學(xué)問題，也使得其他哲學(xué)問題更加緊迫，例如關(guān)于宇宙學(xué)中的說明和方法等問題?！币虼宋恼碌诙糠诌M(jìn)行的問題討論圍繞這些說明和方法問題展開，討論了宇宙的唯一性、宇宙在空間和時間上的巨大尺度、早期宇宙中的無約束能量、宇宙起源的解釋問題、作為背景存在的宇宙、宇宙學(xué)明確的哲學(xué)基礎(chǔ)、有關(guān)人類的問題:生命的精細(xì)調(diào)節(jié)、多元宇宙存在的可能性和存在的本質(zhì)等九大問題。在此過程中，埃利斯提出了34個論點(diǎn)，關(guān)涉到這9個問題的方方面面，包括人擇原理和多重宇宙存在的可能性等。這些論述關(guān)乎幾何學(xué)、物理學(xué)和哲學(xué)，它們構(gòu)成了宇宙學(xué)面面臨的哲學(xué)問題的環(huán)境及其與局域物理學(xué)之間的關(guān)系。埃利斯期望通過這一系列討論改變?nèi)藗冋J(rèn)為宇宙學(xué)只不過是確定一些物理參數(shù)的簡單看法?！傲孔右Α保?］一文的作者是卡羅爾•羅韋利，內(nèi)容大致可分為四個方面。第一，量子引力的研究方法，包括早期的歷史和方向、目前的主要嘗試性理論等。量子引力的早期思想可以概括為“用一個理論來描述引力的量子特性”。期間出現(xiàn)的第一種方法是羅森菲爾德等人的“協(xié)變化”方法，通過引入一個虛構(gòu)的“平坦空間”來考慮周圍度規(guī)的微小漲落，并且運(yùn)用電磁場中的方法來對這些波進(jìn)行量子化;第二種是伯格曼等人的“正則化”方法，研究和量子化整個廣義相對論的哈密頓函數(shù)，而不只是量子化其圍繞平坦空間的線性化函數(shù);第三種是米斯納等人的路徑積分方法。目前主要的嘗試性理論主要介紹了基于協(xié)變化方法發(fā)展起來的弦理論和基于正則化方法發(fā)展起來的圈量子引力理論以及它們之間的爭論。第二，關(guān)于量子引力研究方法論問題。指出量子引力研究的理由包括經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺乏和對引力是否應(yīng)當(dāng)量子化的思索。分析了當(dāng)前量子引力研究中的各種態(tài)度以及科學(xué)知識的累積性和科學(xué)哲學(xué)的影響。第三，空間和時間的本質(zhì)，包括廣義相對論的物理意義、背景無關(guān)性、時間的本質(zhì)等。第四，與其他未決問題之間的關(guān)系，包括統(tǒng)一、量子引力學(xué)的解釋宇宙學(xué)常數(shù)、量子宇宙學(xué)等等。這些章節(jié)的詳細(xì)內(nèi)容不是本文的重點(diǎn)，我們想要做的，是分析作者的研究方式所代表的當(dāng)代物理學(xué)哲學(xué)研究的視野和方法的轉(zhuǎn)變。本書的研究方式明顯地具有兩個特征:第一個特征關(guān)乎物理學(xué)概念的解釋:物理學(xué)的概念解釋脫離不開數(shù)學(xué)形式化下的整體系統(tǒng);第二個特征關(guān)乎新的物理學(xué)理論的理解:在理論的發(fā)展中處處顯示物理學(xué)和形而上學(xué)的交織統(tǒng)一。這兩個特征與這些物理學(xué)研究領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)檢驗(yàn)的缺乏以及理論構(gòu)造的特征密切相關(guān)。
二物理學(xué)概念解釋的新特征:數(shù)學(xué)形式化整體系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)解釋
巴特菲爾德相信當(dāng)前基本物理學(xué)中的基礎(chǔ)問題會為物理學(xué)哲學(xué)提供從最為有趣且最為重要的問題，而我們關(guān)注的是本書處理這些基礎(chǔ)問題的方式。雖然從章節(jié)上來看，物理哲學(xué)的論題被劃分為若干個領(lǐng)域，但從內(nèi)容上，完全可以看到作者的用心，站在當(dāng)代數(shù)學(xué)物理學(xué)發(fā)展的高度用整體微分幾何等數(shù)學(xué)語言對物理學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行重新形式化和解釋，每一章節(jié)的緊密聯(lián)系使得物理學(xué)作為一個整體系統(tǒng)得以呈現(xiàn)。其中對每一個物理概念解釋的細(xì)節(jié)，正是物理學(xué)哲學(xué)追求的基礎(chǔ)問題的答案?？梢哉f，概念解釋居于本書的核心地位，物理學(xué)哲學(xué)解釋問題的最重要的方式就是處理當(dāng)代物理學(xué)中的概念和解釋問題。
(一)物理學(xué)概念的解釋:我們理解世界的基礎(chǔ)
物理學(xué)的發(fā)展時時刻刻影響著人們對世界的理解方式，其途徑就是物理學(xué)概念的解釋。經(jīng)典物理學(xué)、相對論和量子力學(xué)曾極大地改變我們對世界的看法，它們在經(jīng)驗(yàn)上的有效性曾經(jīng)強(qiáng)化過我們對科學(xué)理論客觀性和真理性的觀點(diǎn)，也曾讓很多物理學(xué)家追求理論的實(shí)用性而認(rèn)為有些基礎(chǔ)性的問題毫無意義。但當(dāng)前宇宙學(xué)和量子引力理論的提出，使人們重新注視廣義相對論和量子力學(xué)的不相容性的時候，從廣義相對論以來的一些基礎(chǔ)性問題和哲學(xué)問題得以重新復(fù)興。相對論為我們宇宙的時空結(jié)構(gòu)確定了一類幾何模型，其中每個模型都代表了一個與理論的約束條件相融的可能世界或區(qū)域。而我們對時空的理解涉及整體時空結(jié)構(gòu)和愛因斯坦方程的約束條件等等。宇宙學(xué)和量子引力的研究則讓我們明白，改變我們對空間和時間的理解的廣義相對論是在可以忽略引力的量子特性時對引力進(jìn)行描述的場理論，那么真正的空間和時間的本質(zhì)又是如何呢?我們對宇宙起源的理解繞不開量子引力方法的嘗試，但這種嘗試要受到很多約束，比如成熟量子引力理論的缺乏、量子力學(xué)基礎(chǔ)問題，比如測量問題、波函數(shù)的塌縮問題等。現(xiàn)在人們期望得到的成功量子引力的路徑基于目前理論的發(fā)展，比如惠勒－德維特方程和宇宙波函數(shù)思想、來自弦論思想的高維時空方法，或者圈量子引力的應(yīng)用等。但這些問題是否能真正解決宇宙起源的問題卻并沒有確切的答案，比如維蘭金的創(chuàng)生虛無的真理論的理解要依賴于量子場論的精致框架和粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型等很多結(jié)構(gòu)，而這些基礎(chǔ)本身也是需要解釋的?？梢哉f，我們理解世界的基礎(chǔ)就在于我們用于理解它的那些概念的意義。
(二)概念解釋的新特點(diǎn):數(shù)學(xué)形式化下整體系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)解釋
巴特菲爾德在經(jīng)典力學(xué)的辛約化中指出，經(jīng)典力學(xué)的核心理論原理已經(jīng)被歐拉、拉格朗日、哈密頓和雅可比等改寫，“我們已經(jīng)認(rèn)不出來了，因此對它們的哲學(xué)反思也發(fā)生了變化。”因此引入辛幾何、李代數(shù)等語言對理論進(jìn)行形式化，旨在利用辛約化理論使連續(xù)對稱和守恒量之間產(chǎn)生聯(lián)系的特征，從理論結(jié)構(gòu)上顯現(xiàn)經(jīng)典力學(xué)與量子物理學(xué)的聯(lián)系，這是運(yùn)用數(shù)學(xué)形式化系統(tǒng)展現(xiàn)物理學(xué)理論的對稱性本質(zhì)。相對論、宇宙學(xué)和量子引力哲學(xué)部分，情況也是如此。整本書是站在當(dāng)代數(shù)學(xué)發(fā)展的高度，運(yùn)用拓?fù)鋵W(xué)、群理論和微分幾何等重新形式化物理學(xué)的整個體系，并對其概念進(jìn)行剖析的一個過程。而對基本問題的理解，則建立在概念剖析的基礎(chǔ)之上。在這些文章中，理論發(fā)展的歷史狀況和實(shí)驗(yàn)成果，只是系統(tǒng)闡釋整個理論概念和解釋的背景而已。作者們的重點(diǎn)則放在用數(shù)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展和物理學(xué)理論形式化的訴求，促進(jìn)對物理學(xué)理論結(jié)構(gòu)的探索，進(jìn)而把論題轉(zhuǎn)化為對其哲學(xué)問題的探討。理論的形式化體系、概念結(jié)構(gòu)和物理學(xué)解釋是有機(jī)地結(jié)合在一起的。在牛頓引力的幾何化中，也是站在當(dāng)代物理學(xué)和數(shù)學(xué)發(fā)展的高度，重新形式化作為相對論弱場近似的牛頓理論，得到與廣義相對論類似的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，正是在這個意義上，才能夠好地發(fā)現(xiàn)兩個理論在何種條件和何種程度上是相符的，又在何種條件和何種程度上是區(qū)別的。在這個形式化的整體系統(tǒng)中，對于物理概念的解釋不再是孤立的解釋，而是站在理論的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)的高度，成為一個整體系統(tǒng)中的關(guān)聯(lián)解釋。這在很大程度上突出了物理學(xué)哲學(xué)中語義分析方法的重要性，因?yàn)闆]有完全獨(dú)立的概念，物理學(xué)的概念定義之間互相依賴，只有在一個系統(tǒng)的語義結(jié)構(gòu)中才能理解概念的意義。如普斯洛斯在這套愛思唯爾哲學(xué)手冊的《一般科學(xué)哲學(xué)》一書中所言:“理論解釋的唯一方式就是把它嵌入到同類概念的框架中，并嘗試著解開它們的相互關(guān)聯(lián)?！保?］
(三)舊概念重新解釋的意義:還原理論創(chuàng)立過
程中概念選擇的特定背景在物理學(xué)的發(fā)展中，每一次理論創(chuàng)新和進(jìn)步都伴隨著新概念的提出或舊概念的重新解釋，站在理論發(fā)展的角度考慮，這樣的解釋會讓我們更好地理解物理學(xué)理論的提出、發(fā)展和變遷的合理性。比如蒙特在經(jīng)典相對論一文中對閔可夫斯基時空環(huán)境下相對同時性關(guān)系的重新考慮。蒙特指出，當(dāng)相對于一個四維速度矢量將一點(diǎn)上的矢量分解為“時間”和“空間”分量進(jìn)行討論時，我們理所當(dāng)然地相信包含正交性的相對同時性的標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)同。在解釋這種認(rèn)同的理由時，根據(jù)方便在閔可夫斯基時空結(jié)構(gòu)即狹義相對論體系下進(jìn)行分析。他援引霍華德•斯坦的論述，指出采用相對同時性的標(biāo)準(zhǔn)(ε=1/2)的慣例是需要特定背景的。在他們看來，愛因斯坦是為了解決我們無法檢測到地球相對于以太的運(yùn)動而采取的解決方案，以一種特定的方式(ε=1/2)來思考同時性，但如果并非從愛因斯坦最初的思路來考慮，而是從一個成功理論的高度來理解它，把相對論視為是針對時空結(jié)構(gòu)不變性的論述時，其意義就完全不同了。這在很大程度上還原了愛因斯坦對同時性做出的“定義”中挑選出來的這種標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系的實(shí)質(zhì)，它可能并非一種自然的存在，而是理論選擇的特定需要，還原這個過程，對我們更好地理解理論和概念的本質(zhì)有著重要的意義。
(四)新理論的概念澄清:科學(xué)進(jìn)步的必然現(xiàn)象
物理學(xué)史上每一個新理論的誕生都會引起舊的概念的澄清，量子引力就是個很典型的例子。量子引力是對空間和時間本質(zhì)的探索，它引導(dǎo)我們重新思考關(guān)于時間、空間、“在某處”、運(yùn)動和因果觀測者的地位等很多問題。作為試圖把廣義相對論和量子理論結(jié)合的理論，我們需要以歷史的眼光重新追問。我們都知道，廣義相對論改變了我們對牛頓獨(dú)立于物質(zhì)運(yùn)動的絕對空間和時間的理解。量子力學(xué)則用我們關(guān)于運(yùn)動的一般性理論替代了經(jīng)典力學(xué)，并改變了物質(zhì)、場和因果性的觀念。但量子力學(xué)的外在時間變量和量子場論靜止的背景時空都是和廣義相對論不相容的。而廣義相對論中引力場被假設(shè)為一個經(jīng)典決定論的動力學(xué)場，無法處理小尺度引力的量子特性。因此，想要把二者進(jìn)行結(jié)合的量子引力就遇到了困難。正因?yàn)槿绱?，羅韋利直言盡管基礎(chǔ)物理學(xué)在經(jīng)驗(yàn)上有效，但它正處于一種深刻的概念混亂的狀態(tài)。雖然20世紀(jì)后半葉，物理學(xué)注重實(shí)用而忽略了這些基本問題，但量子引力告訴我們這些基本問題必須得到新的答案。但問題的澄清并沒有一條唯一明確的路可以走，超弦理論和圈量子引力在假設(shè)、成就、具體結(jié)果以及概念框架上都有著顯著的不同，但它們都有自己的代價，弦理論的思想基礎(chǔ)是為了消除廣義相對論的微擾量子化的困難，保留了量子場論的基本概念結(jié)構(gòu)，其代價之一是放棄廣義相對論的廣義協(xié)變性。圈量子引力植根于描述廣義相對論的協(xié)變性，但它的代價是忽略了理論的不完備性，放棄了幺正性、時間演化、基本層次上的龐加萊不變性以及物理學(xué)對象是在空間中局域化的且在時空中演化的概念?？梢钥闯龅氖?，新理論澄清概念的過程是科學(xué)理論進(jìn)步的必然現(xiàn)象，而這一過程是通過分析在描述世界結(jié)構(gòu)時所產(chǎn)生的概念上的困難來對以往科學(xué)的研究框架予以質(zhì)疑或辯護(hù)，這涉及的是對世界本質(zhì)更深刻的哲學(xué)和形而上的思考。
三物理學(xué)理解的新特征:物理學(xué)和形而上學(xué)的交織統(tǒng)一
人們通常把愛因斯坦與玻爾之間關(guān)于如何理解量子力學(xué)的爭論，看成是繼地心說與日心說之后科學(xué)史上最重要的爭論之一。就像地心說與日心說之爭改變了人們關(guān)于世界的整個認(rèn)知圖景一樣，愛因斯坦與玻爾之間的爭論也蘊(yùn)含著值得深入探討的對理論意義與概念變化的全新理解以及關(guān)于世界的不同看法。有趣的是，他們倆人雖然都對量子力學(xué)的早期發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，但是，愛因斯坦在最早基于普朗克的量子概念提出并運(yùn)用光量子概念成功地解釋了光電效應(yīng)，以及運(yùn)用能量量子化概念推導(dǎo)出固體比熱的量子論公式之后，卻從量子論的奠基者，變成了量子力學(xué)的最強(qiáng)烈的反對者，甚至是最尖銳的批評家。截然相反的是，玻爾在1913年同樣基于普朗克的量子概念提出了半經(jīng)典半量子的氫原子模型之后，卻成為量子力學(xué)的哥本哈根解釋的奠基人。愛因斯坦對量子力學(xué)的反對，不是質(zhì)疑其數(shù)學(xué)形式，而是對成為主流的量子力學(xué)的哥本哈根解釋深感不滿。這些不滿主要體現(xiàn)在愛因斯坦與玻爾就量子力學(xué)的基礎(chǔ)性問題展開的三次大論戰(zhàn)中。他們的第一次論戰(zhàn)是在1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開的第五屆索爾未會議上進(jìn)行的。這次會議由洛倫茲主持，其目的是為討論量子論的意義提供一個最高級的論壇。在這次會議上，愛因斯坦第一次聽到了玻爾的互補(bǔ)性觀點(diǎn)，并試圖通過分析理想實(shí)驗(yàn)來駁倒玻爾—海森堡的解釋。這一次論戰(zhàn)以玻爾成功地捍衛(wèi)了互補(bǔ)性詮釋的邏輯無矛盾性而結(jié)束；第二次大論戰(zhàn)是于1930年10月20日至25日在布魯塞爾召開并由朗子萬主持的第六屆索爾未會議上進(jìn)行的。在這次會議上，關(guān)于量子力學(xué)的基礎(chǔ)問題仍然是許多與會代表所共同關(guān)心的主要論題。愛因斯坦繼續(xù)設(shè)計了一個“光子箱”的理想實(shí)驗(yàn)，試圖從相對論來玻爾的解釋。但是，在這個理想實(shí)驗(yàn)中，愛因斯坦求助于自己創(chuàng)立的相對論來反駁海森堡提出的不確定關(guān)系，反倒被玻爾發(fā)現(xiàn)他的論證本身包含了駁倒自己推論的關(guān)鍵因素而放棄。
當(dāng)這兩個理想實(shí)驗(yàn)都被玻爾駁倒之后，愛因斯坦雖然不再懷疑不確定關(guān)系的有效性和量子理論的內(nèi)在自洽性。但是，他對整個理論的基礎(chǔ)是否堅實(shí)仍然缺乏信任。1931年之后，愛因斯坦對量子力學(xué)的哥本哈根解釋的質(zhì)疑采取了新的態(tài)度：不是把理想實(shí)驗(yàn)用作正面攻擊海森堡的不確定關(guān)系的武器，而是試圖通過設(shè)計思想實(shí)驗(yàn)導(dǎo)出一個邏輯悖論，以證明哥本哈根解釋把波函數(shù)理解成是描述單個系統(tǒng)行為的觀點(diǎn)是不完備的，而不再是證明邏輯上的不一致。在這樣的思想主導(dǎo)下，第三次論戰(zhàn)的焦點(diǎn)就集中于論證量子力學(xué)是不完備的觀點(diǎn)。1935年發(fā)表的EPR論證的文章正是在這種背景下撰寫的。從寫作風(fēng)格上來看，EPR論證既不是從實(shí)驗(yàn)結(jié)果出發(fā)，也不再是完全借助于思想實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行，而是把概念判據(jù)作為討論的邏輯前提。這樣，EPR論證就把討論量子力學(xué)是否完備的問題，轉(zhuǎn)化為討論量子力學(xué)能否滿足文章提供的概念判據(jù)的問題。由于這些概念判據(jù)事實(shí)上就是哲學(xué)假設(shè)，這就進(jìn)一步把是否滿足概念判據(jù)的問題，推向了潛在地接受什么樣的哲學(xué)假設(shè)的問題。例如，EPR論證在文章的一開始就開門見山地指出：“對于一種物理理論的任何嚴(yán)肅的考查，都必須考慮到那個獨(dú)立于任何理論之外的客觀實(shí)在同理論所使用的物理概念之間的區(qū)別。這些概念是用來對應(yīng)客觀實(shí)在的，我們利用它們來為自己描繪出實(shí)在的圖像。為了要判斷一種物理理論成功與否，我們不妨提出這樣兩個問題：（1）“這理論是正確的嗎？”（2）“這理論所作的描述是完備的嗎？”只有在對這兩個問題都具有肯定的答案時，這種理論的一些概念才可說是令人滿意的。”〔3〕從哲學(xué)意義上來看，這段開場白至少蘊(yùn)含了兩層意思，其一，物理學(xué)家之所以能夠運(yùn)用物理概念來描繪客觀實(shí)在，是因?yàn)槲锢砀拍钍菍陀^實(shí)在的表征，由這些表征描繪出的實(shí)在圖像，是可想象的。這是真理符合論的最基本的形式，也反映了經(jīng)典實(shí)在論思想的核心內(nèi)容；其二，如果一個理論是令人滿意的，當(dāng)且僅當(dāng)，這個理論既正確，又完備。那么，什么是正確的理論與完備的理論呢？EPR論證認(rèn)為，理論的正確性是由理論的結(jié)論同人的經(jīng)驗(yàn)的符合程度來判斷的。只有通過經(jīng)驗(yàn)，我們才能對實(shí)在作出一些推斷，而在物理學(xué)里，這些經(jīng)驗(yàn)是采取實(shí)驗(yàn)和量度的形式的?！?〕也就是說，理論正確與否是根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來判定的，正確的理論就是與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的理論。但文章接著申明說，就量子力學(xué)的情況而言，只討論完備性問題。言外之意是，量子力學(xué)是正確的，即與實(shí)驗(yàn)相符合，但不一定是完備的。為了討論完備性問題，文章首先不加證論地給出了物理理論的完備性條件：如果一個物理理論是完備的，那么，物理實(shí)在的每一元素都必須在這個物理理論中有它的對應(yīng)量。物理實(shí)在的元素必須通過實(shí)驗(yàn)和量度來得到，而不能由先驗(yàn)的哲學(xué)思考來確定。基于這種考慮，他們又進(jìn)一步提供了關(guān)于物理實(shí)在的判據(jù)：“要是對于一個體系沒有任何干擾，我們能夠確定地預(yù)測（即幾率等于1）一個物理量的值，那末對應(yīng)于這一物理量，必定存在著一個物理實(shí)在的元素?！?/p>
文章認(rèn)為，這個實(shí)在性判據(jù)盡管不可能包括所有認(rèn)識物理實(shí)在的可能方法，但只要具備了所要求的條件，就至少向我們提供了這樣的一種方法。只要不把這個判據(jù)看成是實(shí)在的必要條件，而只看成是一個充足條件，那末這個判據(jù)同經(jīng)典實(shí)在觀和量子力學(xué)的實(shí)在觀都是符合的。綜合起來，這兩個判據(jù)的意思是說，如果一個物理量能夠?qū)?yīng)于一個物理實(shí)在的元素，那么，這個物理量就是實(shí)在的；如果一個物理理論的每一個物理量都能夠?qū)?yīng)于物理實(shí)在的一個元素，那么，這個物理學(xué)理論就是完備的。然而，根據(jù)現(xiàn)有的量子力學(xué)的基本假設(shè)，當(dāng)兩個物理量（比如，位置X與動量P）是不可對易的量（即，XP≠PX）時，我們就不可能同時準(zhǔn)確地得到它們的值，即得到其中一個物理量的準(zhǔn)確值，就會排除得到另一個物理量的準(zhǔn)確值的可能，因?yàn)閷笠粋€物理量的測量，會改變體系的狀態(tài)，破壞前者的值。這是海森堡的不確定關(guān)系所要求的。于是，他們得出了兩種選擇：要么，（1）由波動函數(shù)所提供的關(guān)于實(shí)在的量子力學(xué)的描述是不完備的；要么，（2）當(dāng)對應(yīng)于兩個物理量的算符不可對易時，這兩個物理量就不能同時是實(shí)在的。他們在進(jìn)行了這樣的概念闡述之后，接著設(shè)想了曾經(jīng)相互作用過的兩個系統(tǒng)分開之后的量子力學(xué)描述，然后，根據(jù)他們給定的判據(jù)，得出量子力學(xué)是不完備的結(jié)論。EPR論證發(fā)表不久，薛定諤在運(yùn)用數(shù)學(xué)觀點(diǎn)分折了EPR論證之后，以著名的“薛定諤貓”的理想實(shí)驗(yàn)為例，提出了一個不同于EPR論證，但卻支持EPR論證觀點(diǎn)的新的論證進(jìn)路。出乎意料的是，愛因斯坦卻在1936年6月19日寫給薛定諤的一封信中透露說，EPR論文是經(jīng)過他們?nèi)齻€人的共同討論之后，由于語言問題，由波多爾斯基執(zhí)筆完成的，他本人對EPR的論證沒有充分表達(dá)出他自己的真實(shí)觀點(diǎn)表示不滿。從愛因斯坦在1948年撰寫的“量子力學(xué)與實(shí)在”一文來看，愛因斯坦對量子力學(xué)的不完備性的論證主要集中于量子理論的概率特征與非定域性問題。他認(rèn)為，物理對象在時空中是獨(dú)立存在的，如果不做出這種區(qū)分，就不可能建立與檢驗(yàn)物理學(xué)定律。因此，量子力學(xué)“很可能成為以后一種理論的一部分，就像幾何光學(xué)現(xiàn)在合并在波動光學(xué)里面一樣：相互關(guān)系仍然保持著，但其基礎(chǔ)將被一個包羅得更廣泛的基礎(chǔ)所加深或代替。”顯然，愛因斯坦后來對量子力學(xué)的不完備性問題的論證比EPR論證更具體、更明確。EPR論證中的思想實(shí)驗(yàn)只是隱含了對非定域性的質(zhì)疑，但沒有明朗化。但就論證問題的哲學(xué)前提而言，愛因斯坦與EPR論證基本上沒有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別。因此，本文下面只是從哲學(xué)意義上把EPR論證看成是基于經(jīng)典物理學(xué)的概念體系來理解量子力學(xué)的一個例證來討論，而不準(zhǔn)備專門闡述愛因斯坦本人的觀點(diǎn)。
二、玻爾的反駁與量子整體性
玻爾在EPR論證發(fā)表后不久很快就以與EPR論文同樣的題目也在《物理學(xué)評論》雜志上發(fā)表了反駁EPR論證的文章。玻爾在這篇文章中重申并升華了他的互補(bǔ)觀念。玻爾認(rèn)為，EPR論證的實(shí)在性判據(jù)中所講的“不受任何方式干擾系統(tǒng)”的說法包含著一種本質(zhì)上的含混不清，是建立在經(jīng)典測量觀基礎(chǔ)上的一種理想的說法。因?yàn)樵诮?jīng)典測量中，被測量的對象與測量儀器之間的相互作用通?？梢员缓雎圆挥嫞瑴y量結(jié)果或現(xiàn)象被無歧義地認(rèn)為反映了對象的某一特性。但是，在量子測量系統(tǒng)中，不僅曾經(jīng)相互作用過的兩個粒子，在空間上彼此分離開之后，仍然必須被看成是一個整體，而且，被測量的量子系統(tǒng)與測量儀器之間存在著不可避免的相互作用，這種相互作用將會在根本意義上影響量子對象的行為表現(xiàn)，成為獲得測量結(jié)果或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象的一個基本條件，從而使人們不可能像經(jīng)典測量那樣獨(dú)立于測量手段來談?wù)撛蝇F(xiàn)象。玻爾把量子現(xiàn)象對測量設(shè)置的這種依賴性稱為量子整體性（whole-ness）。
在玻爾看來，為了明確描述被測量的對象與測量儀器之間的相互作用，希望把對象與儀器分離開來的任何企圖，都會違反這種基本的整體性。這樣，在量子測量中，量子對象的行為失去了經(jīng)典對象具有的那種自主性，即量子測量過程中所觀察到的量子對象的行為表現(xiàn)，既屬于量子對象，也屬于實(shí)驗(yàn)設(shè)置，是兩者相互作用的結(jié)果。因此，在量子測量中，“觀察”的可能性問題變成了一個突出的認(rèn)識論問題：我們不僅不能離開觀察條件來談?wù)摿孔蝇F(xiàn)象，而且，試圖明確地區(qū)分對象的自主行為以及對象與測量儀器之間的相互作用，不再是一件可能的事情。玻爾指出，“確實(shí)，在每一種實(shí)驗(yàn)設(shè)置中，區(qū)分物理系統(tǒng)的測量儀器與研究客體的必要性，成為在對物理現(xiàn)象的經(jīng)典描述與量子力學(xué)的描述之間的原則性區(qū)別?！薄?〕海森堡也曾指出，“在原子物理學(xué)中，不可能再有像經(jīng)典物理學(xué)意義下的那種感知的客觀化可能性。放棄這種客觀化可能性的邏輯前提，是由于我們斷定，在觀察原子現(xiàn)象的時候，不應(yīng)該忽略觀察行動所給予被觀察體系的那種干擾。對于我們?nèi)粘Ｉ钪信c之打交道的那些重大物體來說，觀察它們時所必然與之相連的很小一點(diǎn)干擾，自然起不了重要作用?！?/p>
另一方面，作用量子的發(fā)現(xiàn)，揭示了量子世界的不連續(xù)性。這種不連續(xù)性觀念的確立，又相應(yīng)地導(dǎo)致了一系列值得思考的根本問題。首先，就經(jīng)典概念的運(yùn)用而言，一旦我們所使用的每一個概念或詞語，不再以連續(xù)性的觀念為基礎(chǔ)，它們就會成為意義不明確的概念或詞語。如果我們希望仍然使用這些概念來描述量子現(xiàn)象，那么，我們所付出的代價是，限制這些概念的使用范圍和精確度。對于完備地反映微觀物理實(shí)在的特性而言，描述現(xiàn)象所使用的經(jīng)典概念是既相互排斥又相互補(bǔ)充的。這是玻爾的互補(bǔ)性觀念的精神所在。有鑒于此，玻爾認(rèn)為，EPR論證根本不會影響量子力學(xué)描述的可靠性，反而是揭示了按照經(jīng)典物理學(xué)中傳統(tǒng)的自然哲學(xué)觀點(diǎn)或經(jīng)典實(shí)在論來闡述量子測量現(xiàn)象時存在的本質(zhì)上的不適用性。他指出：“在所有考慮的這些現(xiàn)象中，我們所處理的不是那種以任意挑選物理實(shí)在的各種不同要素而同時犧牲其他要素為其特征的一種不完備的描述，而是那種對于本質(zhì)上不同的一些實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)步驟的合理區(qū)分；……事實(shí)上，在每一個實(shí)驗(yàn)裝置中對于物理實(shí)在描述的這一個或那一個方面的放棄（這些方面的結(jié)合是經(jīng)典物理學(xué)方法的特征，因而在此意義上它們可以被看作是彼此互補(bǔ)的），本質(zhì)上取決于量子論領(lǐng)域中精確控制客體對測量儀器反作用的不可能性；這種反作用也就是指位置測量時的動量傳遞，以及動量測量時的位移。正是在這后一點(diǎn)上，量子力學(xué)和普通統(tǒng)計力學(xué)之間的任何對比都是在本質(zhì)上不妥當(dāng)?shù)摹还苓@種對比對于理論的形式表示可能多么有用。事實(shí)上，在適于用來研究真正的量子現(xiàn)象的每一個實(shí)驗(yàn)裝置中，我們不但必將涉及對于某些物理量的值的無知，而且還必將涉及無歧義地定義這些量的不可能性。”其次，就量子描述的可能性而言，玻爾認(rèn)為，我們“位于”世界之中，不可能再像在經(jīng)典物理學(xué)中那樣扮演“上帝之眼”的角色，站在世界之外或從“外部”來描述世界，不可能獲得作為一個整體的世界的知識。玻爾把這種描述的可能性與心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中對自我認(rèn)識的可能性進(jìn)行了類比。在心理學(xué)和認(rèn)知科學(xué)中，知覺主體本身是進(jìn)行自我意識的一部分這一事實(shí)，限制了對自我認(rèn)識的純客觀描述的可能性。用玻爾形象化的比喻來說，在生活的舞臺上，我們既是演員，又是觀眾。因此，量子描述的客觀性位于理想化的純客觀描述與純主觀描述之間的某個地方。
為此，玻爾認(rèn)為，物理學(xué)的任務(wù)不是發(fā)現(xiàn)自然界究竟是怎樣的，而是提供對自然界的描述。海森堡也曾指出，在原子物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)，“我們又尖銳地碰到了一個最基本的真理，即在科學(xué)方面我們不是在同自然本身而是在同自然科學(xué)打交道?！睈垡蛩固箘t堅持認(rèn)為，在科學(xué)中，我們應(yīng)當(dāng)關(guān)心自然界在干什么，物理學(xué)家的工作不是告訴人們關(guān)于自然界能說些什么。愛因斯坦的觀點(diǎn)是EPR論證所蘊(yùn)含的。這兩種理論觀之間的分歧，事實(shí)上，不僅是有沒有必要考慮和闡述包括概念、儀器等認(rèn)知中介的作用的分歧，而且是能否把量子力學(xué)納入到經(jīng)典科學(xué)的思維方式當(dāng)中的分歧。EPR論證以經(jīng)典科學(xué)的方法論與認(rèn)識論為前提，認(rèn)為正確的科學(xué)理論理應(yīng)是對自然界的正確反映，認(rèn)知中介對測量結(jié)果不會產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響；而玻爾與海森堡則以接受量子測量帶來的認(rèn)識論教益為前提，認(rèn)為量子力學(xué)已經(jīng)失去了經(jīng)典科學(xué)具有的那種概念與物理實(shí)在之間的一一對應(yīng)關(guān)系，認(rèn)知中介的設(shè)定成為人類認(rèn)識微觀世界的基本前提。第三，就主體與客體的關(guān)系問題而言，EPR論證認(rèn)為，認(rèn)知主體與客體之間存在著明確的分界線。這意味著，所有的主體都能對客體進(jìn)行同樣的描述，并且他們描述現(xiàn)象所用的概念與語言是無歧義的。無歧義意味著對概念或語言的意義的理解是一致的。而對于量子測量而言，對客體的描述包含了主體遵守的作為世界組成部分的描述條件的說明，從而顯現(xiàn)了一種新的主客體關(guān)系。為此，我們可以把主體與客體之間的關(guān)系劃分為三類：其一，能夠在主體與客體之間劃出分界線，所有的主體對客體的描述都是相同的，EPR論證屬于此類；其二，能夠在主體與客體之間劃出分界線，但主體對客體的描述是因人而異的，人們對藝術(shù)品的欣賞屬于此類；其三，不可能在主體與客體之間劃出分界線，主體對客體的描述包括了對測量條件的描述在內(nèi)，玻爾對EPR論證的反駁屬于此類。顯然，EPR論證隱含的主客體關(guān)系與玻爾所理解的量子測量中的主客體關(guān)系之間存在著實(shí)質(zhì)性的差別。EPR論證是沿襲了經(jīng)典實(shí)在論的觀點(diǎn)，而玻爾的觀點(diǎn)代表了他基于量子力學(xué)的形式體系總結(jié)出來的某種新的認(rèn)識。在這里，就像不能用歐幾里得幾何的時空觀來反對非歐幾何的時空觀一樣，我們也不能用經(jīng)典意義上的理論觀反對量子意義上的理論觀。因此，可以說，物理學(xué)家關(guān)于如何理解量子力學(xué)問題的爭論，在很大程度上，蘊(yùn)含了他們關(guān)于科學(xué)研究的哲學(xué)假設(shè)之間的爭論。
三、實(shí)驗(yàn)的形而上學(xué)
EPR論證不僅引發(fā)了量子物理學(xué)家關(guān)于物理學(xué)基礎(chǔ)理論問題的哲學(xué)討論，而且還創(chuàng)立了“實(shí)驗(yàn)的形而上學(xué)”，提供了物理學(xué)家如何基于形而上學(xué)的觀念之爭，最終探索出通過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)其結(jié)論的一個典型案例。這一過程與尋找量子論的隱變量解釋的努力聯(lián)系在一起。量子力學(xué)的隱變量解釋的最早方案是德布羅意在1927年提出的“導(dǎo)波”理論。1932年，馮•諾意曼在他的《量子力學(xué)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)》一書中曾根據(jù)量子力學(xué)的概念體系提出了四個假設(shè)，并且證明，隱變量理論和他的第四個假設(shè)（即，可加性假設(shè)）相矛盾，認(rèn)為通過設(shè)計隱變量的觀念來把量子理論置于決定論體系之中的任何企圖都注定是失敗的。馮•諾意曼的這一工作在為量子論的隱變量解釋判了死刑的同時，也極大地支持了量子力學(xué)的哥本哈根解釋。有意思的是，曾是量子力學(xué)的哥本哈根解釋的支持者與傳播者的玻姆，在1951年基于量子力學(xué)的哥本哈根精神出版了至今仍然有影響的《量子理論》一書，并在書的結(jié)尾，以EPR論證為基礎(chǔ)，提出了“量子理論同隱變量不相容的一個證明”之后，從1952年開始反而致力于從邏輯上為量子力學(xué)提供一種隱變量解釋的研究。
玻姆闡述隱變量理論的目標(biāo)可以大致概括為兩個方面，一是試圖用能夠直覺想象的概念為量子概率和量子測量提供一種可理解的說明，證明為量子論提供一個決定論的基礎(chǔ)是可行的；二是希望從邏輯上表明，隱變量理論是有可能的，“不論這種理論是多么抽象和‘玄學(xué)’?！辈Ｄ返淖非箫@然是一種信念的支撐，而不是事實(shí)之使然。在這種信念的引導(dǎo)下，玻姆在1952年連續(xù)發(fā)表了兩篇闡述隱變量理論的文章，在這些文章中，他用經(jīng)典方式定義波函數(shù)，假定微觀粒子像經(jīng)典粒子一樣總是具有精確的位置和精確的動量，闡述了一種可能的量子論的隱變量解釋，最后，用一個粒子的兩個自旋分量代替EPR論證中的坐標(biāo)與動量，討論了EPR論證的思想實(shí)驗(yàn)，并運(yùn)用量子場與量子勢概念解釋了測量一個粒子的位置影響第二個粒子的動量的原因。
貝爾在讀了玻姆的文章之后，認(rèn)為有必要重新系統(tǒng)地研究量子力學(xué)的基本問題。貝爾試圖解決的矛盾是：如果馮•諾意曼的證明成立，那么，怎么會有可能建立一個邏輯上無矛盾的隱變量理論呢？為了搞明白問題，貝爾首先重新剖析了馮•諾意曼的關(guān)于隱變量的不可能性的證明和EPR論證中設(shè)想的思想實(shí)驗(yàn)，然后，抓住了隱變量理論的共同本質(zhì)，于1964年發(fā)表了“關(guān)于EPR悖論”的文章。在這篇文章中，貝爾引述了用自旋函數(shù)來表述EPR論證的玻姆說法，或者說，從EPR—玻姆的思想實(shí)驗(yàn)出發(fā)，以轉(zhuǎn)動不變的獨(dú)立波函數(shù)描述組合系統(tǒng)的態(tài)，推導(dǎo)出一個不同于量子力學(xué)預(yù)言的、符合定域隱變量理論的關(guān)于自旋相關(guān)度的不等式，通常稱為貝爾不等式或貝爾定理，然后，用歸謬法了量子力學(xué)的預(yù)言和貝爾不等式相符的可能性，說明任何定域的隱變量理論，不論它的變數(shù)的本性是什么，都在某些參數(shù)上同量子力學(xué)相矛盾。貝爾還假設(shè)，如果所進(jìn)行的兩個測量在空間上彼此相距甚遠(yuǎn)，那么，沿著一個磁場方向的測量，將不會影響到另一個測量結(jié)果。貝爾把這個假設(shè)稱為“定域性假設(shè)”。從這個假設(shè)出發(fā)，貝爾指出，如果我們可以從第一個測量結(jié)果預(yù)言第二個測量結(jié)果，測量可以沿著任何一個坐標(biāo)軸來進(jìn)行，那么，測量的結(jié)果一定是已經(jīng)預(yù)先確定了的。但是，由于波函數(shù)不對這種預(yù)先確定的量提供任何描述，所以，這種預(yù)定的結(jié)果一定是通過決定論的隱變量來獲得的。貝爾后來申明說，他在“關(guān)于EPR悖論”一文中假設(shè)的是定域性，而不是決定論，決定論是一種推斷，不是一個假設(shè)，或者說，貝爾的這篇文章是從定域性推論出決定論，而不是開始于決定論的隱變量。從邏輯前提上來看，貝爾的假設(shè)更接近于愛因斯坦的假設(shè)，他們都把“定域性條件”看成是比“決定論前提”更基本的概念。因此，貝爾的工作比馮•諾意曼和玻姆的工作更進(jìn)一步地推進(jìn)了關(guān)于量子力學(xué)的根本特征的理解。貝爾的這篇文章具有劃時代的意義。它不僅成為20世紀(jì)下半葉物理學(xué)與哲學(xué)研究中引用率最高的文獻(xiàn)之一，而且為進(jìn)一步設(shè)計具體的實(shí)驗(yàn)來澄清量子力學(xué)的內(nèi)在本性邁出了決定性的一步。粒子物理學(xué)家斯塔普（HenryStapp）甚至把貝爾定理的提出說成是“意義最深遠(yuǎn)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)。”
同EPR論證一樣，貝爾的這一發(fā)現(xiàn)也不是從實(shí)驗(yàn)中總結(jié)出來的，而是基于哲學(xué)信念的邏輯推理的結(jié)果。此后，量子物理學(xué)界進(jìn)一步推廣貝爾定理的理論研究與具體實(shí)驗(yàn)方案的探索工作并行不悖地開展起來。而這些工作都與EPR論證相關(guān)。就實(shí)驗(yàn)進(jìn)展而言，物理學(xué)界承認(rèn)，阿斯佩克特等人于1982年關(guān)于“實(shí)現(xiàn)EPR-玻姆思想實(shí)驗(yàn)”的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，支持了量子力學(xué)，針對這樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，貝爾指出：“依我看，首先，人們必定說，這些結(jié)果是所預(yù)料到的。因?yàn)樗鼈兣c量子力學(xué)預(yù)示相一致。量子力學(xué)畢竟是科學(xué)的一個極有成就的科學(xué)分支，很難相信它可能是錯誤的。盡管如此，人們還是認(rèn)為，我也認(rèn)為值得做這種非常具體的實(shí)驗(yàn)。這種實(shí)驗(yàn)把量子力學(xué)最奇特的一個特征分離了出來。原先，我們只是信賴于旁證。量子力學(xué)從沒有錯過。但現(xiàn)在我們知道了，即使在這些非?？量痰臈l件下，它也不會錯的?！?/p>
雖然EPR論證的初衷是希望證明量子力學(xué)是不完備的，還沒有提出量子測量的非定域性概念，但是，物理學(xué)家則通常運(yùn)用EPR思想實(shí)驗(yàn)的術(shù)語來討論非定域性問題。經(jīng)過40多年的發(fā)展，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果使EPR論證失去了對量子力學(xué)的挑戰(zhàn)性。一方面，這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)了非定域性是所有量子論的一個基本屬性，要求把在同一個物理過程中生成的兩個相關(guān)粒子永遠(yuǎn)當(dāng)作一個整體來對待，不能分解為兩個獨(dú)立的個體，其中，一個粒子發(fā)生任何變化，另一個粒子必定同時發(fā)生相應(yīng)的變化，這種相互影響與它們的空間距離無關(guān)；另一方面，這些實(shí)驗(yàn)也表明了EPR論證提供的哲學(xué)假設(shè)不再是判斷量子力學(xué)是否完備的有效前提，而是反過來提醒我們需要重新思考玻爾在反駁EPR論證的觀點(diǎn)中所蘊(yùn)含的哲學(xué)啟迪。總而言之，EPR論證盡管是基于哲學(xué)假設(shè)，運(yùn)用思想實(shí)驗(yàn)，來駁斥量子力學(xué)的完備性，但在客觀上，物理學(xué)家圍繞這一論證的討論，最終在思想實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上出乎意料地發(fā)展出可以具體操作的實(shí)驗(yàn)方案，并且獲得了有效的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這一段歷史發(fā)展不僅證明，無論在哲學(xué)假設(shè)的問題上，還是在物理概念的意義理解的問題上，量子力學(xué)都不是對經(jīng)典物理學(xué)的補(bǔ)充和擴(kuò)展，是一個蘊(yùn)含有新的哲學(xué)假設(shè)的理論。正是在這種意義上，物理學(xué)家玻恩得出了“理論物理學(xué)是真正的哲學(xué)”的斷言。
四、認(rèn)識論的思維方式
如前所述，EPR論證—玻姆—貝爾這條發(fā)展主線是把對物理學(xué)問題鑲嵌在哲學(xué)信念中進(jìn)行思考的。這一歷史片斷揭示出，基于哲學(xué)信念的邏輯推理在物理學(xué)的理論研究與實(shí)驗(yàn)研究中起到了積極的認(rèn)知作用。一方面，在這些探索方式中，不論是EPR論證的真理符合論假設(shè)，玻姆的決定論假設(shè)，還是貝爾的定域性假設(shè)，它們的初衷都是希望能夠把量子力學(xué)納入到經(jīng)典物理學(xué)的概念框架或哲學(xué)信念之中。另一方面，檢驗(yàn)貝爾不等式的物理學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對量子力學(xué)的支持和對貝爾不等式的違背意味著，我們不應(yīng)該依舊固守經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)假設(shè)來質(zhì)疑量子力學(xué)，而是應(yīng)該顛倒過來，積極主動地揭示量子力學(xué)蘊(yùn)含的哲學(xué)思想，以進(jìn)一步明確經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)假設(shè)的適用范圍。
但是，這種視域的逆轉(zhuǎn)不是簡單地倡導(dǎo)用量子力學(xué)的哲學(xué)假設(shè)取代經(jīng)典物理學(xué)的哲學(xué)假設(shè)，也不是武斷地主張用玻爾的理論觀替代EPR論證所蘊(yùn)含的理論觀，而是提倡擺脫習(xí)以為常的自然哲學(xué)的思維方式，確立認(rèn)識論的思維方式。自然哲學(xué)的思維方式是一種本體論化的思維方式。這種思維方式是從古希臘延續(xù)下來的，追求概念與實(shí)在之間的直接的一一對應(yīng)關(guān)系，忽視或缺乏對認(rèn)知過程中不可避免的認(rèn)知中介和理論框架的考慮。從起源上來講，這種無視認(rèn)知中介的本體論化的思維方式，源于常識，是對常識的一種延伸外推與精致化。近代自然科學(xué)的發(fā)展進(jìn)一步強(qiáng)化與鞏固了這種思維方式。EPR論證也是基于這種思維方式使經(jīng)典科學(xué)蘊(yùn)含的哲學(xué)假設(shè)以具體化的判據(jù)形式呈現(xiàn)出來。然而，與過去的物理學(xué)理論所不同的是。量子力學(xué)不再是關(guān)于可存在量（beable）的理論，而是關(guān)于可觀察量（observable）的理論，“是理論決定我們的觀察內(nèi)容”這一句話，既是愛因斯坦創(chuàng)立相對論的感想，也為海森堡提出不確定關(guān)系提供了觀念啟迪。就理論形式而言，量子力學(xué)的理論描述用的是數(shù)學(xué)語言，而不是日常語言。用數(shù)學(xué)語言描述的微觀世界是一個多位空間的世界，而我們作為人類，很難直觀地想象這樣的世界，更不可能直接“進(jìn)入”這個世界來“觀看”一切。人類感知的這種局限性是原則性的，從而限制了我們對微觀世界的知識的全面獲得。用玻爾的話來說，我們對一個微觀對象的最大限度的知識不可能從單個實(shí)驗(yàn)中獲得，而只能從既相互排斥又相互補(bǔ)充的實(shí)驗(yàn)安排中獲得。用玻恩的話來說，在量子測量中，觀察與測量并不是指自然現(xiàn)象本身，而是一種投影。
關(guān)鍵詞：對稱性；物理學(xué)；具體表現(xiàn)
隨著物理學(xué)的不斷發(fā)展，人們對自然界規(guī)律的認(rèn)識也逐漸深入，一些原本看似無關(guān)緊要的東西卻日益變得舉足輕重起來，物理學(xué)中的對稱性便是其中之一。物理學(xué)從過去單純地將對稱性看作對物理現(xiàn)象的一種限制，轉(zhuǎn)向把它確立為物理定理的一塊基石。加利福尼亞大學(xué)教授阿?熱在《可怕的對稱》一書中指出“沒有對稱性思想的引導(dǎo)，當(dāng)代物理學(xué)家將無法工作”。諾貝爾物理學(xué)獎得主李政道教授指出：“藝術(shù)和科學(xué)，都是對稱和不對稱的巧妙組合?！笨梢?，對稱在物理學(xué)中扮演著非常重要的角色。本文試圖對物理學(xué)的一些科目中的對稱性思想進(jìn)行一番分析，以引起大家對對稱性的重視。
一、關(guān)于對稱性
（一）對稱與對稱破缺
日常生活中大家可以看到許多對稱的例子，例如，人體和許多特定的生物體形態(tài)，以及自然界中的礦物晶體，雪花的形狀等。大家還可以注意到許多建筑和美術(shù)設(shè)計的圖案也都具有對稱性。之所以有如此多的對稱的例子，那是因?yàn)槿藗冋J(rèn)為對稱是一種美。
但仔細(xì)看來，人們并不滿足于絕對意義上的對稱，總是在整體的對稱中設(shè)置局部的不對稱，即對稱性被破壞了，物理學(xué)上稱這種情況為對稱破缺。
（二）對稱的分類
根據(jù)上述的對稱定義，不同的對稱操作對應(yīng)著不同的對稱性，如體系A(chǔ)經(jīng)空間平移后變?yōu)轶w系B，若A、B等價，則空間平移就是一種對稱操作；若體系A(chǔ)經(jīng)時間平移后變?yōu)轶w系B，若A、B等價，則時間平移就是一種對稱操作，等等。常見的對稱操作主要有：空間操作：轉(zhuǎn)動、平移、空間反演等；時間操作：時間平移、時間反演等；其它：置換、電荷共軛變換等。
當(dāng)然，操作的類型遠(yuǎn)不止于此，這里列舉的僅是一些比較簡單的，其它的操作會在下面的論述中逐步指出。
（三）對稱性和守恒律
守恒量和守恒律是物理研究的一個重要內(nèi)容，守恒律常被看作是最基本的自然定律，它以確定的可靠性和極大的普遍性預(yù)言著哪些過程是允許的，哪些過程是禁戒的，它為物理學(xué)的研究指明了方向。
1918年德國女?dāng)?shù)學(xué)家尼約特發(fā)表了著名的將對稱性和守恒律聯(lián)系在一起的定理，即每一種自然界的對稱性都可得到一種守恒律。該定理揭示出了守恒律產(chǎn)生的原因，即守恒律是自然界的對稱性所導(dǎo)致的。根據(jù)法國物理學(xué)家皮埃爾?居里的對稱性原理，對稱的原因產(chǎn)生守恒的結(jié)果。若將自然界中的某一對稱性看作原因，則必有作為結(jié)果的一個守恒律。如：系統(tǒng)總機(jī)械能函數(shù)對空間坐標(biāo)系平移的對稱性導(dǎo)致了動量守恒定律。
二、對稱性在物理學(xué)中的具體表現(xiàn)：
將對稱應(yīng)用于物理學(xué)的研究對象不僅僅是圖形，還有物理量，物理定律等。下面我就物理學(xué)主要學(xué)科中所蘊(yùn)含的對稱性思想試作淺述，希望能引起大家對對稱性的重視。
（一）力學(xué)
力學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科，從牛頓到愛因斯坦，力學(xué)由絕對時空觀發(fā)展到了相對時空觀，相應(yīng)地也就有了經(jīng)典力學(xué)和相對論力學(xué)。
在經(jīng)典力學(xué)中，有許多相對性思想，伽利略變換便是一個典型。若將質(zhì)點(diǎn)系加速度視為一個物理量，伽利略變換視作一個操作，則經(jīng)伽利略變換后，加速度保持不變，故質(zhì)點(diǎn)加速度對伽利略變換的不變性可視為加速度對伽利略變換具有對稱性。牛頓第二定律F=ma對慣性系A(chǔ)成立，對慣性B亦成立，而慣性系A(chǔ)、B的變換滿足伽利略變換，故牛頓第二定律具有伽利略變換對稱性。而若將動量視為一個物理量，伽利略變換視為一個操作，由于從不同參考系中觀察到的動量不同，故動量不具有伽利略變換不變性，但動量守恒律由于對不同的慣性系均成立，故動量守恒定律對伽利略變換具有對稱性。
相對論力學(xué)本身就是愛因斯坦考慮對稱性的產(chǎn)物，近代物理學(xué)家十分重視物理美，即對稱、簡單、和諧等，他們認(rèn)為支配自然界的規(guī)律應(yīng)該是簡單的、對稱的?；趯ΨQ性，愛因斯坦認(rèn)為對描述一切物理過程，包括物置變動，電磁以及原子過程的規(guī)律，所有的慣性系都是等價的，只是不同的物理過程對應(yīng)著不同的操作而已，如力學(xué)規(guī)律關(guān)于伽利略變換對稱，而電磁規(guī)律關(guān)于洛倫茲變換對稱。
（二）光學(xué)
光學(xué)可以分為幾何光學(xué)和波動光學(xué)，在幾何光學(xué)中平面鏡所成像與物體關(guān)于鏡面對稱，這即所謂的鏡像對稱，它在物理學(xué)中有著重要的運(yùn)用，如宇稱、電像法等。光速作為一個物理量，具有時空對稱性。不論昨天、今天，還是明天，不論是中國、美國，還是其他星球，光速在同一介質(zhì)中的速度都是恒定的，所以光速具有時空對稱性。
（三）粒子物理學(xué)
粒子物理學(xué)是一門新興學(xué)科，它主要研究基本粒子以及它們間相互作用的規(guī)律，在粒子物理學(xué)的研究中對稱性很重要，許多問題本身研究的就是對稱問題。
宇稱是粒子物理研究的一個重要概念，宇稱是一種函數(shù)的性質(zhì)，在物理學(xué)中也是函數(shù)所代表的物理狀態(tài)的性質(zhì)。對函數(shù)u=u（x），若u（-x）=u（x），則u（x）的宇稱是偶性的，若u（-x）=-u（x），則u（x）的宇稱是奇性的。物理學(xué)家把宇稱看作粒子的一種基本性質(zhì)，相當(dāng)于自旋電荷的質(zhì)量等。研究宇稱對我們掌握粒子的性質(zhì)，以及粒子的分類都有重要作用。宇稱守恒定律反映了粒子間相互作用的一種性質(zhì)，在已知的相互作用中，強(qiáng)相互作用和電磁相互作用中，宇稱守恒；而弱相互作用中，宇稱不守恒，這說明了弱相互作用有一種特殊性質(zhì)。
（四）量子力學(xué)
量子力學(xué)被認(rèn)為是二十世紀(jì)的三大發(fā)現(xiàn)（量子力學(xué)，相對論，生物DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)）之一，它以全新的理論使人們重新審視自然規(guī)律。對稱性思想可指導(dǎo)我們對未知領(lǐng)域進(jìn)行搜索，并據(jù)此提出合理假設(shè)，特別是量子力學(xué)所研究的微觀結(jié)構(gòu)，用實(shí)驗(yàn)研究很不方便，所以很多時候可以先用理論進(jìn)行研究，再用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。物質(zhì)波粒二象性的發(fā)現(xiàn)正是遵循著這條規(guī)律，當(dāng)初德布羅意正是在對稱性的指導(dǎo)下，預(yù)言了物質(zhì)的波粒二象性。
通過上面的分析，大家可以看出，物理學(xué)的各個分支學(xué)科蘊(yùn)含著豐富的對稱思想，研究對稱性對于我們掌握物理規(guī)律，探索或發(fā)現(xiàn)未知領(lǐng)域的新情況起著重要作用。從對稱性的角度出發(fā)分析和解決問題，是當(dāng)今在前沿工作的物理學(xué)家習(xí)慣采用的方法。因此，在基礎(chǔ)物理的教學(xué)中，適當(dāng)介紹一些在前沿工作的物理學(xué)家正在使用的概念、理論和方法，對于物理的學(xué)習(xí)是非常有必要的，而據(jù)我所知，許多教師和學(xué)生在物理學(xué)的教與學(xué)中，對此漠然視之，所以我撰寫此文，希望能夠引起大家對對稱性的重視。
參考文獻(xiàn)
二十世紀(jì)即將結(jié)，二十一世紀(jì)即將來臨，二十世紀(jì)是光輝燦爛的一個世紀(jì)，是個類社會發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)，也是物理學(xué)發(fā)展最迅速的一個世紀(jì)。在這一百年中發(fā)生了物理學(xué)革命，建立了相對信紙和量子力學(xué)，完成了從經(jīng)典物理學(xué)到現(xiàn)代物理學(xué)的轉(zhuǎn)變。在二十世紀(jì)二、三十年代以后，現(xiàn)代物理學(xué)在深度和廣度上有了進(jìn)一步的蓬勃發(fā)展，產(chǎn)生了一系列的新學(xué)科的交叉學(xué)科、邊緣學(xué)科，人類對物質(zhì)世界的規(guī)律有了更深刻的認(rèn)識，物理學(xué)理論達(dá)到了一個新高度，現(xiàn)代物理學(xué)達(dá)到了成熟的階段。
在此世紀(jì)之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展前景，探索今后物理學(xué)發(fā)展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點(diǎn)。首先，我們來回顧一下上一個世紀(jì)之交物理學(xué)發(fā)展的情況，把當(dāng)前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向是很有幫助的。
一、歷史的回顧
十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，經(jīng)典物物學(xué)的各個分支學(xué)科均發(fā)展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學(xué)和統(tǒng)計力學(xué)的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經(jīng)典物理學(xué)達(dá)到了它的頂峰，當(dāng)時人們以系統(tǒng)的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經(jīng)觀察到的物理現(xiàn)象。由于經(jīng)典物理學(xué)的巨大成就，當(dāng)時不少物理學(xué)家產(chǎn)生了這樣一種思想：認(rèn)為物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成，物理學(xué)的發(fā)展基本上已經(jīng)完成，人們對物理世界的解釋已經(jīng)達(dá)到了終點(diǎn)。物理學(xué)的一些基本的、原則的問題都已經(jīng)解決，剩下來的只是進(jìn)一步精確化的問題，即在一些細(xì)節(jié)上作一些補(bǔ)充和修正，使已知公式中的各個常數(shù)測得更精確一些。
然而，在十九世紀(jì)末二十世紀(jì)初，正當(dāng)物理學(xué)家在慶賀物理學(xué)大廈落成之際，科學(xué)實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)了許多經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的事實(shí)。首先是世紀(jì)之交物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)：電子、X射線和放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。其次是經(jīng)典物理學(xué)的萬里晴空中出現(xiàn)了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結(jié)果”和黑體輻射的“紫外災(zāi)難”。[1]這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果與經(jīng)典物理學(xué)的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經(jīng)典物理學(xué)的傳統(tǒng)觀念受到巨大的沖擊，經(jīng)典物理發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”。由此引起了物理學(xué)的一場偉大的革命。愛因斯坦創(chuàng)立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學(xué)家創(chuàng)立了量子力學(xué)。現(xiàn)代物理學(xué)誕生了！
把物理學(xué)發(fā)展的現(xiàn)狀與上一個世紀(jì)之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。
在相對論和量子力學(xué)建立起來以后，現(xiàn)代物理學(xué)經(jīng)過七十多年的發(fā)展，已經(jīng)達(dá)到了成熟的階段。人類對物質(zhì)世界規(guī)律的認(rèn)識達(dá)到了空前的高度，用現(xiàn)有的理論幾乎能夠很好地解釋現(xiàn)在已知的一切物理現(xiàn)象?？梢哉f，現(xiàn)代物理學(xué)的大廈已經(jīng)建成。在這一點(diǎn)上，目前有情況與上一個世紀(jì)之交的情況很相似。因此，有少數(shù)物理學(xué)家認(rèn)為今后物理學(xué)不會有革命性的進(jìn)展了，物理學(xué)的根本性的問題、原則問題都已經(jīng)解決了，今后能做到的只是在現(xiàn)有理論的基礎(chǔ)上在深度和廣度兩方面發(fā)展現(xiàn)代物理學(xué)，對現(xiàn)有的理論作一些補(bǔ)充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經(jīng)驗(yàn)，多數(shù)物理學(xué)家并不贊成這種觀點(diǎn)，他們相信物理學(xué)遲早會有突破性的發(fā)展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀(jì)之交的情況不同。在上一個世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無“危機(jī)”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。
雖然在微觀世界和宇宙學(xué)領(lǐng)域中有一些物理現(xiàn)象是現(xiàn)代物理學(xué)的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴(yán)重到了非要徹底改造現(xiàn)有理認(rèn)紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀(jì)之交的情況不同。在上一個世紀(jì)之交，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)生了“嚴(yán)重的危機(jī)”；而在本世紀(jì)之交，現(xiàn)代物理學(xué)并無“危機(jī)”。因此，我認(rèn)為目前發(fā)生現(xiàn)代物理學(xué)革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質(zhì)世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構(gòu)成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統(tǒng)構(gòu)成。物質(zhì)世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學(xué)研究的目的包括：探索各層次的運(yùn)動規(guī)律和探索各層次間的聯(lián)系。
回顧二十世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展，是在三個方向上前進(jìn)的。在二十一世紀(jì)，物理學(xué)也將在這三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展。
1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經(jīng)了解了原子核的結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)了大量的基本粒子及其運(yùn)規(guī)律，建立了核物理學(xué)和粒子物理學(xué)，認(rèn)識到強(qiáng)子是由夸克構(gòu)成的。今后可能會有新的進(jìn)展。但如果要探索更深層次的現(xiàn)象，必須有更強(qiáng)大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務(wù)，所以我認(rèn)為近期內(nèi)在這個方向上難以有突破性的進(jìn)展。
2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當(dāng)時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結(jié)果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據(jù)，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創(chuàng)生，認(rèn)為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續(xù)有所發(fā)展。從根本上來說，現(xiàn)代宇宙學(xué)的繼續(xù)發(fā)展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠(yuǎn)處觀測的新結(jié)果，這需要人類制造出比哈勃望遠(yuǎn)鏡性能更優(yōu)越得多的、各個波段的太空天文望遠(yuǎn)鏡，這是很艱巨的任務(wù)。
我個人對于近年來提出的宇宙創(chuàng)生學(xué)說是不太信的，并且認(rèn)為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因?yàn)楝F(xiàn)在的宇宙學(xué)研究的只是我們能觀測到的范圍以內(nèi)的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數(shù)個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的?，F(xiàn)代宇宙學(xué)只研究我們這個“宇宙”，當(dāng)然只能得到近似的結(jié)果，把他們的延伸到“宇宙”創(chuàng)生了初及遙遠(yuǎn)的未來，則失誤更大。
3）深入探索各層次間的聯(lián)系。
這正是統(tǒng)計物理學(xué)研究的主要內(nèi)容。二十世紀(jì)在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態(tài)統(tǒng)計物理學(xué)有了得大的發(fā)展，然后建立了“耗散結(jié)構(gòu)”理論、協(xié)同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發(fā)展起來了。近年來把這些分支學(xué)科都納入非線性科學(xué)的范疇。相信在二十一世紀(jì)非線性科學(xué)的發(fā)展有廣闊的前景。
上述的物理學(xué)的發(fā)展依然現(xiàn)代物理學(xué)現(xiàn)有的基本理論的框架內(nèi)。在下個世紀(jì)，物理學(xué)的基本理論應(yīng)該怎樣發(fā)展呢？有一些物理學(xué)家在追求“超統(tǒng)一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學(xué)家努力探索“統(tǒng)一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統(tǒng)一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學(xué)家正在探索加上強(qiáng)力的“大統(tǒng)一理論”以及再加上引力把四種力都統(tǒng)一起來的“超統(tǒng)一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。
愛因斯坦當(dāng)初探索“統(tǒng)一場論”是基于他的“物理世界統(tǒng)一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點(diǎn)，根據(jù)辯證唯物主義的基本原理，我認(rèn)為“物質(zhì)世界是既統(tǒng)一，又多樣化的”。且莫論追求“超統(tǒng)一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學(xué)發(fā)展的終點(diǎn)。因?yàn)椤霸诮^對的總的宇宙發(fā)展過程中，各個具體過程的發(fā)展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發(fā)展階段上的具體過程的認(rèn)識只具有相對的真理性。無數(shù)相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實(shí)踐中對于真理的認(rèn)識也就永遠(yuǎn)沒有完結(jié)?！盵5]
現(xiàn)代物理學(xué)的革命將怎樣發(fā)生呢？我認(rèn)為可能有兩個方面值得考試：
1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現(xiàn)在我們不知道。我的直覺是：將來最早發(fā)現(xiàn)的第五種力可能存在于生命現(xiàn)象中。物質(zhì)構(gòu)成了生命體之后，其運(yùn)動和變化實(shí)在太奧妙了，我們沒有認(rèn)識的問題實(shí)在太多了，我們今天對于生命科學(xué)的認(rèn)識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學(xué)的認(rèn)識，因此在這方面取得突破性的進(jìn)展是很可能的。我認(rèn)為，物理學(xué)業(yè)與生命科學(xué)的交叉點(diǎn)是二十一世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的方向之一，與此有關(guān)的最關(guān)于復(fù)雜性研究的非線性科學(xué)的發(fā)展。
2）現(xiàn)代物理學(xué)理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應(yīng)該通過審思現(xiàn)代物理學(xué)理論基礎(chǔ)的不完善性來探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，在下一節(jié)中將介紹我的觀點(diǎn)。
二、現(xiàn)代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)是完美的嗎？
相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎(chǔ)是否十全十美的
呢？我們來審思一下這個問題。
1）對相對論的審思
當(dāng)年愛因斯坦就是從關(guān)于光速和關(guān)于時間要領(lǐng)的思考開始，創(chuàng)立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口，也應(yīng)該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護(hù)坦創(chuàng)立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點(diǎn)的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規(guī)定用光信號校正不同地點(diǎn)的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導(dǎo)出了洛侖茲變換，進(jìn)一步導(dǎo)致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護(hù)擔(dān)提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實(shí)這是有深刻含意的。
時間、空間是物質(zhì)運(yùn)動的表現(xiàn)形式，不能脫離物理質(zhì)運(yùn)動談?wù)摃r間、空間，在定義時空時應(yīng)該說明是關(guān)于什么運(yùn)動的時空?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為超距作用是不存在的，A處發(fā)生的“事件”影響B(tài)處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關(guān)的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實(shí)際上是關(guān)于由電磁相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動的時空，適用于描述這種運(yùn)動。
愛因斯坦把他定義的時間應(yīng)用于所有的物質(zhì)運(yùn)動，實(shí)際上就暗含了這樣的假設(shè)：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實(shí)驗(yàn)事實(shí)證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質(zhì)世界統(tǒng)一性”的世界觀而在實(shí)際上假定了c=c＇。我持有“物質(zhì)世界既統(tǒng)一，又多樣化的”以觀點(diǎn)，再加之電磁力和引力的強(qiáng)度在數(shù)量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關(guān)于由電磁力引起的物質(zhì)運(yùn)動的四維時空（x，y，z，ict）和關(guān)于由引力引起的運(yùn)動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現(xiàn)在的理論建立起來的運(yùn)動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數(shù)c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實(shí)驗(yàn)事實(shí)來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導(dǎo)出c＇的數(shù)值。
我在二十多年前開始形成上述觀點(diǎn)，當(dāng)時測量引力波是眾所矚目的一個熱點(diǎn)，我曾對那些實(shí)驗(yàn)寄予厚望，希望能從實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經(jīng)過長斯的努力引引力波實(shí)驗(yàn)沒有獲得肯定的結(jié)果，隨后這項(xiàng)工作冷下去了。根據(jù)愛國斯坦理論預(yù)言的引力波是微弱的，如果在現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)技術(shù)能夠達(dá)到的測量靈敏度和準(zhǔn)確度之下，這樣弱的引力波應(yīng)該能夠探測到的話，長期的實(shí)驗(yàn)得不到肯定的結(jié)果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點(diǎn)。應(yīng)該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導(dǎo)出引力波的強(qiáng)度比根據(jù)愛因勞動保護(hù)坦理論預(yù)言的強(qiáng)度弱得多的結(jié)果。
弱力、強(qiáng)力與引力、電磁力有本質(zhì)的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實(shí)現(xiàn)的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規(guī)范粒子（光子除外）；強(qiáng)相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質(zhì)量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質(zhì)量和能量有關(guān)，因而其傳遞速度是多種多樣的。
在研究由弱或強(qiáng)相互作用引起的物質(zhì)運(yùn)動時，定義慣性系中不同的地點(diǎn)的兩個“事件”的“同時”，是否應(yīng)該用弱力或強(qiáng)力信號取代光信號呢？我對核物理學(xué)和粒子物理學(xué)是外行，不想貿(mào)然回答這個問題。如果應(yīng)該用弱力或強(qiáng)力信號取代光信號，那么關(guān)于由弱力或強(qiáng)力引起的物質(zhì)運(yùn)動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運(yùn)動的時空（x，y，z，ict）及關(guān)于由引力引起的運(yùn)動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）
有很大的不同。設(shè)弱或強(qiáng)相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數(shù)，而是可變的，則關(guān)于由弱或強(qiáng)力引起的運(yùn)動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數(shù)。然而，很可能應(yīng)該這樣來考慮問題：關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動的時空，在定義中應(yīng)該以規(guī)范粒子的靜質(zhì)量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統(tǒng)一起來了，因此有可能c1=c，則關(guān)于由弱力引起的運(yùn)動的時空和關(guān)于由電磁力引起的運(yùn)動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動的時空，在定義中應(yīng)該以介子的靜質(zhì)量取作零（在理論上取作零，在實(shí)際上沒有靜質(zhì)量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關(guān)于由強(qiáng)力引起的運(yùn)動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質(zhì)世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強(qiáng)力）引起的物質(zhì)運(yùn)動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學(xué)和新的粒子物理學(xué)等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強(qiáng)力），則更需要建立新的理論。
1）對量子力學(xué)的審思
從量子力學(xué)發(fā)展到量子場論的時候，遇到了“發(fā)散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費(fèi)曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發(fā)散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難?！鞍l(fā)散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運(yùn)動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。
現(xiàn)在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統(tǒng)的德布羅意關(guān)系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關(guān)系，就必須面對使新的理論滿足相對論協(xié)變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認(rèn)為這個問題或許還與時間、空間的定義有關(guān)。現(xiàn)在的量子力學(xué)理論中時寬人的定義實(shí)質(zhì)上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規(guī)律，所以時間、空間都不是嚴(yán)格確定的，決定論的時空要領(lǐng)不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應(yīng)考慮相關(guān)的物質(zhì)運(yùn)動的類別。模糊數(shù)學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)成熟了，把這個數(shù)學(xué)工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。
1）在二十一世紀(jì)物理學(xué)將在三個方向上繼續(xù)向前發(fā)展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯(lián)系，進(jìn)一步發(fā)展非線性科學(xué)。
2）可能應(yīng)該從兩方面去控尋現(xiàn)代物理學(xué)革命的突破口。（1）發(fā)現(xiàn)客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學(xué)的理論基礎(chǔ)，重新定義時間、空間，建立新的理論
最吸引人的是美猴王。孫悟空有一個功能就是分身術(shù)，毫毛一拔，到處一扔，就變出好多個孫悟空。他還有另外一種非常強(qiáng)大的功能――筋斗云。翻一個筋斗，就可以從一個地方消失，在另一個非常遙遠(yuǎn)的地方出現(xiàn)。這有點(diǎn)像我們前陣子看到的科幻電影《星際穿越》里面的場景。
神話與現(xiàn)實(shí)：人可以在不同的時空生活
大家就問了，這些東西在我們現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中到底能不能實(shí)現(xiàn)？大家都知道，得益于電動力學(xué)的建立，我們能進(jìn)行無線電的通信。在1888年，赫茲在卡爾斯魯厄――德國的小鎮(zhèn)，做了一個實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證電磁波是不是存在。赫茲在這邊一抖，那邊即時的電火花就發(fā)生了。正因?yàn)橛羞@些發(fā)明，后來有了電話，有了電視機(jī)，到現(xiàn)在我們用的手機(jī)，都可以現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)千里眼、順風(fēng)耳這么神奇的功能了。所以我說，物理學(xué)真的非常有意思，它可以保證信息的有效傳輸。
狹義相對論和廣義相對論都告訴了我們確實(shí)存在某種特殊的情況，有些地方時間過得慢一點(diǎn)，有的地方時間就過得快一點(diǎn)。比如在一個引力特別強(qiáng)的地方，一個小時甚至等于遠(yuǎn)處地方的七年。舉個例子，如果有對雙胞胎兄弟，有一個是宇航員，坐著宇宙飛船在宇宙中進(jìn)行快速的旅行。等他回來之后，他雙生的兄弟，已經(jīng)變得很老了。這樣的現(xiàn)象，在物理世界、在高速飛行的粒子里面，已經(jīng)能看到了。確實(shí)是可以實(shí)現(xiàn)的。
因此形成了這樣一種觀點(diǎn)：我們在古代通過口口相傳，進(jìn)行信息的傳遞、交流和共享。隨后我們有了文字，也可以通過書信來傳遞信息。到了后來，隨著科技的發(fā)展，第一次工業(yè)革命熱力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，電動力學(xué)的運(yùn)用，信息的傳遞效率變得越來越高。到了現(xiàn)代，因?yàn)橛杏嬎銠C(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，整個地球都變成一個村子了。
有兩個永恒主題將一直伴隨著我們?nèi)祟愡M(jìn)化和社會發(fā)展：首先，怎樣來加強(qiáng)信息交互的效率，把信息中有用的知識提取出來，進(jìn)行傳播、共享？這是非常重要的。同時，要加強(qiáng)隱私的保護(hù)，保證每個人思想的自由。比如說，如果可以非常方便地看到別人在想什么，可以控制他的思想的話，每個人都不可能進(jìn)行自由的創(chuàng)造了。所以我覺得，隱私的保護(hù)是我們?nèi)祟愇磥淼囊粋€基本保證。不然，我們就沒辦法繼續(xù)進(jìn)化下去了。
量子世界：事物可以同時在兩個地方“存在”
我今天想跟大家分享的一個觀點(diǎn)，就是量子力學(xué)在近百年的發(fā)展過程當(dāng)中已經(jīng)為解決這些重大的問題做好了準(zhǔn)備。
量子力學(xué)認(rèn)為：第一，在某些特殊的情況下，如果說你沒有看這個客體到底是處于哪個位置的時候，在特定情況它可以同時處在兩個位置。第二，就是客體的狀態(tài)，只要觀測一下，對它的影響就不可逆轉(zhuǎn)了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。
牛頓力學(xué)是一個非常美的理論。它告訴我們一個粒子和周圍環(huán)境明確的話，它未來的運(yùn)動狀態(tài)，就可以計算出來了。如果所有的粒子都是由牛頓力學(xué)在控制的話，那么我們什么時候死、誰做生命學(xué)家、誰做物理學(xué)家，在宇宙大爆炸這個時候就已經(jīng)確定了，個人的努力是毫無意義的。
從這個角度上講，量子力學(xué)比經(jīng)典牛頓力學(xué)哲學(xué)，要更加積極一些。量子力學(xué)告訴我們個人的行為、對體系的測量是可以影響世界的，從哲學(xué)上講是非常積極的。
舉個例子，我到北京來，送給朋友一個骰子，我事先做好了，送給他的這個骰子跟另一個骰子是糾纏態(tài)。然后我回到上海去了，就跟他說，你扔手中的那個骰子。他扔了好多次，把結(jié)果寫下來，每次隨機(jī)得到1到6里面的某一個點(diǎn)數(shù)。我就能跟他說你第一次扔的點(diǎn)數(shù)是多少，第二次是多少，我都可以猜得出來。這樣的現(xiàn)象，我們把它叫作遙遠(yuǎn)地點(diǎn)之間的詭異互動。在2015年，這現(xiàn)象基本在物理角度被確證了，只剩一個很小的漏洞。這是我們正在做的一個研究。
量子通信：隱密、高速的信息交互
由此，新的科學(xué)就誕生了。有了量子的0加1之后，一些新的東西就誕生了。例如，可以利用它來保證原理上無條件的安全通信。如果將來立法，我們可以利用這種手段，保證我們的隱私。
利用這種量子計算手段，也可以算得非常地快，可以有效地揭示復(fù)雜物理體系的規(guī)律。就是說，可以把計算能力和信息安全兩個問題都比較好地解決。
具體來說，比如說量子通信，我們可以用量子密鑰分發(fā)。因?yàn)樗遣豢蓮?fù)制的，你去探測就會被發(fā)現(xiàn)。所以我們就可以有一種絕對安全的通訊方式。其實(shí)還有另外一種比較有意思的、利用這樣的量子糾纏的概念。
因?yàn)闀r間關(guān)系，我只舉一個例子。比如說要求解一個10的24次方的變量的線性方程組，用目前最快的天河2號超級計算機(jī)大概需要100年左右的時間。而利用萬億次的量子計算機(jī)，盡管計算的頻率比天河2號要慢1萬倍，但它只需要0.01秒就可以把這個方程給求解出來。所以它可以廣泛地應(yīng)用于藥物設(shè)計、金融分析、氣象預(yù)報、密碼分析等等，用途是比較大的。
當(dāng)然，也可以利用量子通訊，來構(gòu)建一個非常好的網(wǎng)絡(luò)，有城域網(wǎng)、城際網(wǎng)，利用衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)的這種廣域的量子通信，可以比較好地保證我們的網(wǎng)絡(luò)安全。
關(guān)鍵詞：校本化；高中歷史；科學(xué)史
科學(xué)史是溝通自然科學(xué)和人文學(xué)術(shù)的最好橋梁。通過科學(xué)史的訓(xùn)練和熏陶，不僅可以培養(yǎng)文理兼通的人才素質(zhì)，而且還可以優(yōu)化人才的知識結(jié)構(gòu)，這是其他學(xué)術(shù)無法替代的?？茖W(xué)史是人類文明發(fā)展的一個重要組成部分，如果不懂科學(xué)史，就不能真正理解社會發(fā)展的歷史。就科學(xué)高中的培養(yǎng)目標(biāo)而言，大部分畢業(yè)生將會從事理工科專業(yè)的學(xué)習(xí)和工作。而一個從事科學(xué)技術(shù)工作并且力求在科學(xué)技術(shù)上有所創(chuàng)新的人，如果對科學(xué)的發(fā)展缺乏整體上的了解，不能掌握科學(xué)技術(shù)發(fā)展的規(guī)律以及其他學(xué)科對本門學(xué)科的影響，就很難有所成就。因此，開設(shè)科學(xué)史這門課程尤為必要。這門課程重在還原人類認(rèn)識自然界的本質(zhì)和運(yùn)動規(guī)律的發(fā)展歷程，揭示科學(xué)發(fā)展的一般規(guī)律，特別是向?qū)W生提供著名科學(xué)家、發(fā)明家解決問題的思路和方法，進(jìn)而為科高學(xué)子在科學(xué)研究的道路上提供借鑒，讓他們站在巨人的肩膀上，走得更遠(yuǎn)。以下為科學(xué)史的具體學(xué)習(xí)要點(diǎn)：
一、科學(xué)史的意義與研究現(xiàn)狀
1.了解科學(xué)史的確立及其諸種功用，理解科學(xué)與正確之間的關(guān)系。2.掌握科學(xué)史研究中的內(nèi)史和外史，了解科學(xué)史在中國的發(fā)展現(xiàn)狀。
二、古希臘的科學(xué)與哲學(xué)
1.了解古希臘科學(xué)產(chǎn)生的背景。2.概述古希臘賢人對萬物本原的探究，認(rèn)識對萬物本原的探究意義。3.了解亞里士多德在自然哲學(xué)、邏輯學(xué)以及系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)考察等方面的貢獻(xiàn)。4.知道古希臘在數(shù)學(xué)、物理、天文學(xué)等方面的貢獻(xiàn)，理解其對古代世界的影響。
三、古代中國的自然觀與科學(xué)技術(shù)
1.知道天人感應(yīng)與天人相分及宇宙演化思想，理解中國古代的時空觀念。2.了解天文學(xué)上的曠世之爭――渾蓋之爭，認(rèn)識其對中國天文學(xué)發(fā)展的影響。3.概述中國古代傳統(tǒng)數(shù)學(xué)、計時技術(shù)和測向技術(shù)的發(fā)展演變。
四、阿拉伯的科學(xué)及科學(xué)在歐洲的復(fù)興
1.概述阿拉伯科學(xué)產(chǎn)生的歷史背景，了解其與古代希臘羅馬文化的淵源，認(rèn)識“翻譯”為阿拉伯科學(xué)的真正起點(diǎn)。2.了解阿拉伯在數(shù)學(xué)、天文學(xué)、醫(yī)學(xué)、光學(xué)和化學(xué)方面的發(fā)展，理解阿拉伯科學(xué)的世界意義。3.了解基督教、亞里士多德思想以及農(nóng)業(yè)技術(shù)革命對中世紀(jì)歐洲科學(xué)發(fā)展的影響，認(rèn)識“1277大譴責(zé)”對人們打破亞里士多德思想對科學(xué)的束縛作用。4.理解文藝復(fù)興、宗教改革以及不同文明間技術(shù)的交往對歐洲近代科學(xué)革命的影響，準(zhǔn)確把握宗教與科學(xué)的關(guān)系。5.了解培根倡導(dǎo)的實(shí)驗(yàn)、哈維的血液循環(huán)說以及數(shù)學(xué)的新進(jìn)展對科學(xué)在歐洲復(fù)興的作用。
五、近代科學(xué)革命――天文學(xué)、新物理學(xué)、數(shù)學(xué)、化學(xué)
1.理解哥白尼《天體運(yùn)行論》在近代天文學(xué)方面的革命性作用，了解伽利略望遠(yuǎn)鏡以及第谷的精密天文學(xué)對傳統(tǒng)天文學(xué)的沖擊，概述開普勒三大定律對哥白尼天文學(xué)的繼承與批判，理解近代天文學(xué)革命是近代科學(xué)革命的切入點(diǎn)。2.說明斯蒂文鏈、伽利略的實(shí)驗(yàn)方法、笛卡爾的機(jī)械主義方法論、牛頓的萬有引力定律和物體運(yùn)動三定律等對近代物理學(xué)發(fā)展的意義，明確近代物理學(xué)是近代科學(xué)的核心領(lǐng)域。3.了解微積分的創(chuàng)立，列舉笛卡爾、費(fèi)馬、牛頓、萊布尼茨、歐拉、拉格朗日等人在微積分發(fā)展過程中的貢獻(xiàn)。4.概述古代煉金術(shù)對近代化學(xué)產(chǎn)生的影響，了解波義耳、拉瓦錫對近代化學(xué)誕生的貢獻(xiàn)。
六、生物學(xué)的重大突破――從進(jìn)化論到遺傳學(xué)
1.了解達(dá)爾文進(jìn)化論提出的背景以及達(dá)爾文的生平，認(rèn)識其個人經(jīng)歷對其提出自然選擇的進(jìn)化論的影響。2.認(rèn)識孟德爾定律，理解孟德爾被稱為現(xiàn)代遺傳學(xué)的奠基人的原因，了解遺傳基本因子――DNA的發(fā)現(xiàn)對遺傳學(xué)發(fā)展的意義。
七、物理學(xué)的新突破
1.了解電磁學(xué)理論的建立和通信技術(shù)的發(fā)展，認(rèn)識其對第二次工業(yè)革命的作用。2.簡述能量守恒定律和熱力學(xué)定律的建立過程，理解熱力學(xué)第一定律與能量守恒定律之間的關(guān)系，并說明熱力學(xué)的基本定律對化學(xué)、天文學(xué)等學(xué)科發(fā)展的影響。3.了解狹義相對論的兩條基本原理，概述廣義相對論的三大驗(yàn)證，說明對廣義相對論正確性的認(rèn)識。4.了解愛因斯坦對量子論方面的貢獻(xiàn)，理解相對論和量子力學(xué)之間的關(guān)系，認(rèn)識量子力學(xué)的測不準(zhǔn)原理。
八、數(shù)學(xué)的新時代
摘 要 運(yùn)動和靜止無論在哲學(xué)還是在物理學(xué)上，自有人類以來就一直為之爭論不休：古瑪雅哲學(xué)認(rèn)為萬物是靜止的；佛家哲學(xué)認(rèn)為萬物運(yùn)動是隨緣的，道家學(xué)說認(rèn)為萬物運(yùn)動其實(shí)是心動，經(jīng)典的物理學(xué)和馬克思的唯物辯證法認(rèn)為，萬物運(yùn)動是絕對的。但物體究竟可不可以絕對靜止，如果不可以那么其在不受外界擾動下的速度（固有速度）是多少，下面將具體說明。
關(guān)鍵詞 固有速度 光速 宇宙膨脹
如果形成的寄點(diǎn)[1]理論成立，那么宇宙必由幾種有限的微粒組成，目前發(fā)現(xiàn)的最小微粒是呈量子態(tài)的電磁波，事實(shí)上，由愛因斯坦的質(zhì)能方程[2]我們已不可能發(fā)現(xiàn)比量子態(tài)電磁波更小的物質(zhì)。而這些最小的物質(zhì)是純粹的能量態(tài)，它們所表現(xiàn)的一切全是能量態(tài)的屬性，比如：激發(fā)電子，電離……而不含有物質(zhì)態(tài)的屬性，為什么呢？因?yàn)槌尸F(xiàn)物質(zhì)態(tài)的物質(zhì)必有一個屬性，那就是慣性。組成宇宙的兩個根本的要素是能量和空間[3]。因此物質(zhì)不是憑空出現(xiàn)的，這個有霍金的《時間簡史》可以得到，物質(zhì)是由能量轉(zhuǎn)化而來的。要承認(rèn)萬物發(fā)展的規(guī)律性。第一，因果定律，即相同的原因，產(chǎn)生相同的結(jié)果，相同的事物產(chǎn)生相同的事物[4]。第二，萬物的發(fā)展，是趨向混亂的，即萬物的發(fā)展不會主動從無規(guī)律向有規(guī)律發(fā)展，且是從簡單規(guī)律，向復(fù)雜規(guī)律發(fā)展。第三，物質(zhì)屬性的統(tǒng)一性，即如果較大的物質(zhì)由較小的物質(zhì)組合而成，則該較大的物質(zhì)的性質(zhì)一定是由較小物質(zhì)性質(zhì)疊加所體現(xiàn)的結(jié)果，只是由于各種各樣的原因，這些性質(zhì)以較扭曲的形式存在。
一、幾個基本假設(shè)量的說明
：固有速度，即物質(zhì)在不受任何外界擾動下的速度，且物體的固有速度，不會因任何參考系改變而改變的量。
：假設(shè)總質(zhì)量為M的物質(zhì)，呈能量態(tài)的質(zhì)量，這種狀態(tài)的質(zhì)量可以使物質(zhì)自主趨向運(yùn)動。（注：呈能量態(tài)的質(zhì)量并不真的存在與物體之中，只是為了研究的方便，假設(shè)某一確定物體中，有一部分質(zhì)量是以純能量態(tài)的形式存在的。）
： 假設(shè)總質(zhì)量為亦為M的同一物質(zhì)，呈物質(zhì)態(tài)的質(zhì)量。（注：呈物質(zhì)態(tài)的質(zhì)量也不是真正的存在與物體之中，也只是為研究問題的方便，假定的有這么一部分質(zhì)量其能量完全固化，只對外顯物質(zhì)屬性，沒有能量屬性。）
二、理論推導(dǎo)
對量子態(tài)的電磁波[5]： （1）
其中， 為自由量子態(tài)的電磁波的頻率， 為單個自由態(tài)電磁波能量態(tài)的質(zhì)量。如果一個質(zhì)量為M的物質(zhì)由n個自由電磁波組成，且假設(shè)在理想狀態(tài)下：既沒有任何外來物質(zhì)，能量干擾的情況下。
則： （2）
由質(zhì)量守恒得： （3）
令： 則（2）式化簡，變形得： （4）
由德布羅意方程[6]得： （5）
由（6）得： （6）
由波動關(guān)系[7]： （7）
（4）、（6）、（7）得到： （8）
化簡（8）得： （9）
現(xiàn)在，為進(jìn)一步確定 之間的關(guān)系，運(yùn)用愛因斯坦的質(zhì)量與速度關(guān)系進(jìn)一步求解：假設(shè)物體完全靜止，則其完全不具有外在能量，所以其能量態(tài)質(zhì)量為0，即 ，
因?yàn)椋?得： （10）
現(xiàn)物體在理想狀態(tài)下（既不受任何外界干擾狀態(tài)），以 的固有速度運(yùn)動，則按照相對論原理[8]可知： （11）
（12）
化簡： （13）
將 帶入得：
得到： （14）
將（9）代入（14）得： （15）
化簡： （16）
又因： 所以得到： （17）
接（16）式，令：
則得： （18）
得到K=0 或K=1，當(dāng)K=1， 無意義故舍去
則： K=0； 也即： （19）
綜上得到： （20）
其物理意義是：物質(zhì)和能量兩相并存。
也得到： （21）
即：任何物質(zhì)的固有速度均是光速。
三、結(jié)論
：即任何物質(zhì)在不受任何外界擾動的情況下，自發(fā)的無限趨近于光速運(yùn)動。但物質(zhì)常態(tài)下的幾乎不動有兩方面原因：1、各種外界因素的阻擾；2、慣性（關(guān)于慣性，在愛因斯坦的相對論中是沒有提及的，但是慣性對于有質(zhì)量的物體的確是存在的，只是微觀領(lǐng)域其作用微乎其微，就如同萬有引力一樣）。當(dāng)然，如果這一假設(shè)成立，則對宇宙膨脹理論可以有一個幾乎完美的解釋：宇宙大爆炸之初，宇宙就如同炸彈一樣呈放射狀散開，越在宇宙的物質(zhì)，受到其他因素的影響越少，該物質(zhì)運(yùn)動的速度越接近光速。導(dǎo)致的結(jié)果就是，物質(zhì)自身的固有速度會體現(xiàn)的更充分，直到無限接近光速。宇宙膨脹的結(jié)果是，物質(zhì)由于相互遠(yuǎn)離，結(jié)果便是在空間的分布密度無限趨近零，沒一點(diǎn)達(dá)到與宇宙誕生之前相同的狀態(tài)，新的宇宙又從寄點(diǎn)誕生。但如果簡單的如上所說，理論上現(xiàn)實(shí)世界會有越來越多的物質(zhì)和能量，空間也會越來越大。但實(shí)際上不是的，物質(zhì)和能量的也是有壽命的，物質(zhì)和能量會從寄點(diǎn)中誕生，也會由真實(shí)的存在變得真實(shí)的不存在。因?yàn)橛泻蜔o并不是對立的，是和諧統(tǒng)一的。所謂存在與虛無，只是有因果關(guān)系所產(chǎn)生的。所以不用追究那些已有的物質(zhì)最終會不會無限積聚。在這個問題上不論在經(jīng)典哲學(xué)還是量子力學(xué)，霍金的宇宙寄點(diǎn)理論都是完全可以說的通的。
參考文獻(xiàn)：
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[2]阿爾伯特·愛因斯坦.相對論.重慶長虹印務(wù)有限公司出版.2010.6.
[4]黃柏中.江恩理論-金融走勢分析.地震出版社.2011.1.
物理教學(xué)是一門基礎(chǔ)教育，它使受教育者獲得科學(xué)知識，掌握科學(xué)方法，培養(yǎng)科學(xué)精神。學(xué)生怕學(xué)物理的狀況，已成為一個國際性的問題。怎樣面對這一現(xiàn)實(shí)，如何迎接這一挑戰(zhàn)？“智者見智，仁者見仁”。筆者認(rèn)為，培養(yǎng)學(xué)生的興趣才是提高教學(xué)效果的根本途徑。在這里，我們試圖從文化的角度和用科學(xué)的觀點(diǎn)來了解這個社會的現(xiàn)象，從而表達(dá)對中學(xué)物理教學(xué)未來發(fā)展的自己的看法。
1 中國與歐洲文化的對比
中國文化是建基于黃河河谷的大農(nóng)業(yè)社會，以“人本”的家族文化為主，人與人的關(guān)系比人與自然界的關(guān)系更為密切和重要，社會的主要問題和興趣是在于人而不在于物。家族文化是一個整體文化，個體有義務(wù)要支持整體的共同性，而整體亦有義務(wù)要照顧個體的特殊性。人是來自現(xiàn)實(shí)的祖先，必須對祖先負(fù)責(zé)。中國文化是強(qiáng)調(diào)整體、務(wù)實(shí)、內(nèi)向、兼容、義務(wù)、約束、合作和相對性，重視對個人天賦欲念的自我克制和自我修養(yǎng)的人為能力，稱之為“德”。人的問題只可以靠人自己去了解和處理，發(fā)展了人本的“人理(倫理)學(xué)”。無論從《易經(jīng)》、《道家》、《儒家》到《諸子百家》等，都是以人本為基礎(chǔ)來發(fā)展。
歐洲文化建基于游牧文化。游牧人逐水草而居，多見樹木，少見人鄰。人與自然界的關(guān)系比人與人的關(guān)系更為密切和重要。生活的主要問題和興趣是在于物而不在于人。由于自然界的存在和變化，并非人力可以改變和控制，認(rèn)為所有自然現(xiàn)象都來自能力最高的主宰。摘食獵魚的簡單生活，各人的功能差別不大，分工制度弱，獨(dú)立性強(qiáng)，自由性大，平等性高。生活環(huán)境的不斷改變，只有天，才有永恒的意義，傾向上天單極宗教的信仰。
2 科技的發(fā)展
科學(xué)是物質(zhì)世界的了解，是一種思想系統(tǒng)，也是一種順其自然的思想活動，其探索的目標(biāo)是“發(fā)現(xiàn)”。技術(shù)是物質(zhì)世界的應(yīng)用，是一種行動系統(tǒng)，也是一種事在人為的行動活動，其運(yùn)作的目標(biāo)是“發(fā)明”。早期的技術(shù)發(fā)展主要是靠嘗試和經(jīng)驗(yàn)，與科學(xué)的發(fā)展并沒有一定的姻親關(guān)系。后來的科技就是把科學(xué)與技術(shù)結(jié)合起來，利用科學(xué)知識來改進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，目標(biāo)是“創(chuàng)新”。物理學(xué)是科學(xué)的基石。
3 物理學(xué)的發(fā)展
萌芽時代：物理學(xué)的起源是來自古希臘時代的幾個重要思想。
(1)自然現(xiàn)象是根據(jù)“固定的自然定律”而發(fā)生(賽勒斯thales，俗稱為科學(xué)之父)——定律概念和演繹邏輯。(2)要描述所有自然現(xiàn)象，數(shù)字是扮演中心角色(畢達(dá)哥拉斯pythag0ras)——數(shù)量描述。(3)要改變自然狀態(tài)，必需有起因(柏拉圖plato)——牛頓第二運(yùn)動定律的廣泛含意。(4)物質(zhì)的原子(德謨克利特democritus)和元素(亞里斯多德aristotle)的概念——物體結(jié)構(gòu)的基本成份概念。古希臘文化是強(qiáng)調(diào)個人自由和思想系統(tǒng)的探索，奠定了基本的科學(xué)精神、態(tài)度、構(gòu)思、概念、邏輯、原則和言語。希臘化時代：主要的興趣在解決實(shí)用問題，知識分類及技術(shù)成就。重要思想發(fā)展有：①幾何學(xué)定理的公理化(歐幾里得euclid)——演繹邏輯。②以地球?yàn)橹行妮斔蛨A的均速運(yùn)動為主，運(yùn)轉(zhuǎn)圓的均速運(yùn)動為微擾，可以準(zhǔn)確解釋包括太陽在內(nèi)的各行星在天上的運(yùn)動。③物體“比重”物性的發(fā)現(xiàn)(亞基米德archimedes)，后來進(jìn)一步發(fā)展到“密度”物性。
黑暗時代：這是物理學(xué)發(fā)展a冬眠時代。(1)羅馬帝國：羅馬人是實(shí)用民族，他們強(qiáng)勢在軍事，行政和工程，而不在學(xué)術(shù)和科學(xué)。大量收集和發(fā)展希臘哲學(xué)思想，而很少有原始的創(chuàng)作。為了要準(zhǔn)確解釋以地球?yàn)橹行牡男行沁\(yùn)動，增加了偏心圓的微擾(托勒密ptolemy)。(2)中世紀(jì)：中世紀(jì)的歐洲是一個宗教和封建的封閉保守時代。研究希臘哲學(xué)和科學(xué)的中心便轉(zhuǎn)移到阿拉伯和波斯。(3)：二百年運(yùn)動，動搖了歐洲的封建制度和教會權(quán)力。伊斯蘭的優(yōu)秀文化開始對歐洲人開放。
復(fù)興時代：大亂之后必有大治。經(jīng)歷過的浩劫之后，歐洲從一個保守封閉的教條社會轉(zhuǎn)入一個改革開放，實(shí)事求是和解放思想的文藝復(fù)興時代，由神本回歸到人本。文藝復(fù)興使歐洲恢復(fù)對人，人的成就和人的世界的興趣。文藝復(fù)興把歐洲從一個較為落后的社會在五百年內(nèi)，先后超過伊斯蘭和中國社會。
3.1機(jī)動力學(xué)(mechan0dynamics)
從希臘時代到黑暗時代這一千六百多年，物理學(xué)發(fā)展的主要興趣上行星運(yùn)動。發(fā)展以數(shù)學(xué)的歐幾里得幾何學(xué)為基礎(chǔ)，均速圓周運(yùn)動為核心。到了復(fù)興時代，以既定的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)來了解觀測的事實(shí)，改變?yōu)閺氖聦?shí)去尋找事實(shí)背后的數(shù)學(xué)原理。由實(shí)是求事改變?yōu)閷?shí)事求是，由以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)改變?yōu)橐晕锢頌榛A(chǔ)。
(1)天上行星的日心橢圓運(yùn)動的發(fā)現(xiàn)(開普勒kepler)和地上物體的重力加速度及拋物線運(yùn)動的了解(伽利略galileo)。
(2)機(jī)動力學(xué)的誕生：為了解決重力問題，牛頓認(rèn)為，天上月球圍繞地球的運(yùn)動與地上物體的拋物線運(yùn)動是同一根源，及推出它們之間與地球中心距離的關(guān)系。他成功發(fā)現(xiàn)三個物體的運(yùn)動定律：慣性定律，動力定律和反作用定律。更由第二和第三個定律推出物體之間的重力定律。
(3)牛頓動力定律理論的普遍化，以位能和動能取代外力和加速度：拉格朗日(lagran—ge)和哈密頓hamilton)。從物理定律推理到物理理論是符合從幾何公理推理到幾何定理的——演繹邏輯。
(4)牛頓動力學(xué)對隨機(jī)過程的應(yīng)用：麥克斯韋(maxwell)，玻耳茲曼(boltzmann)。19世紀(jì)未，機(jī)動力學(xué)已發(fā)展成為宏觀物質(zhì)世界一個完美的理論：完整，合理和前后一致。
3.2電動力學(xué)(electrodynamics)電磁現(xiàn)象
(1)電磁相互作用的關(guān)系：庫侖(coulomb)電荷與電荷和磁極與磁極的相互作用，奧斯特(oersted)磁極與電流的相互作用，安培(ampere)電流與電流的相互作用，法拉第(faraday)電荷與運(yùn)動磁極的相互作用。
(2)法拉第提倡電磁的“本地作用”來代替“超距作用”，導(dǎo)致“電磁場”物理量的誕生。
(3)電磁學(xué)的基本定律：根據(jù)電磁相互作用的關(guān)系和以電磁場為基礎(chǔ)，麥克斯韋完成完整的“電磁場定律”，相當(dāng)于牛頓機(jī)動力學(xué)中的物體重力定律。后來洛倫茲(lorentz)更進(jìn)一步完成電荷在電磁場中運(yùn)動的“電磁場力定律”。“輻射反作用力定律”也是電磁學(xué)一個基本定律，只是直到現(xiàn)在，符合邏輯的定律還未完成。
(4)帶電粒子動力學(xué)：洛倫茲的電磁場力是一個與速度有關(guān)的力。愛因斯坦(einstein)采用牛頓動力推出
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電磁場力在速度為零的情況，再用洛倫茲慣性變換，把速度為零情況的結(jié)果變換到速度不等于零的情況。結(jié)果推出帶電粒子在電磁場力的洛倫茲動量=v×牛頓動量。v是洛倫茲因子，與速度有關(guān)。fl=d(vp)／dt。相當(dāng)于牛頓機(jī)動力學(xué)中的物體第二運(yùn)動重力定律愛因斯坦后來把這方面的理論改稱為“狹義相對論”。在狹義相對論的基礎(chǔ)上，以微分幾何為工具，愛因斯坦用演繹方法建立他的重力場論，稱為“廣義相對論”。可以說是一種重力場的電磁化。到這個階段，除了輻射反作用力定律之外，電動力學(xué)基礎(chǔ)的探索已基本完成。
(5)電功力學(xué)定律理論的普遍化：相當(dāng)于拉格朗日和哈密頓對牛頓動力定律的理論推廣和發(fā)展。
(6)電動力學(xué)對隨機(jī)過程的應(yīng)用：無規(guī)則電磁場的統(tǒng)計特性的發(fā)展。其結(jié)果應(yīng)該符合量子力學(xué)和量子動力學(xué)的結(jié)果。
3.3輻射動力學(xué)(radiodynamics)：輻射反映了物質(zhì)世界的微觀結(jié)構(gòu)。
(1)量子論的誕生：普朗克(planck)創(chuàng)立“量子”的新物理概念，成功解釋黑體輻射的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。后來，愛因斯坦和玻恩(born)分別用量子來成功解釋光電效應(yīng)和氫原子光譜。
(2)量子力學(xué)：在數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)上，由海森伯(heisenberg)，薛定諤(schrodinger)等所發(fā)展的量子數(shù)學(xué)系統(tǒng)(量子力學(xué))，不但可以用來了解原子物理現(xiàn)象，也可以用來了解分子物理現(xiàn)象。
(3)基本粒子物理：基本粒子物理實(shí)驗(yàn)觀察的新結(jié)果，促使大量相關(guān)理論的發(fā)展：量子電動力學(xué)，相對性量子力學(xué)，楊一(yang-mils)場等，其中楊一米場有更突破性的廣泛意義。
20世紀(jì)的世界發(fā)生了重大變化。(1)物理學(xué)發(fā)展已由宏觀的物質(zhì)世界轉(zhuǎn)入微觀的物質(zhì)世界。 (2)經(jīng)過兩次世界大戰(zhàn)后，影響人類社會的重心已由歐洲社會，轉(zhuǎn)移到?jīng)]有傳統(tǒng)民族文化的美國移民社會。
4 中國文化與未來科學(xué)發(fā)展
雖然科學(xué)的發(fā)展是源于古希臘，但亦需要通過歐洲各種不同的文化時代，才可以孵育發(fā)展出來。歐洲文化對科學(xué)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn)可能已經(jīng)到了飽和狀態(tài)?？茖W(xué)思想發(fā)展的進(jìn)一步突破，必須要有新的文化來推動。中國文化對人理思想發(fā)展雖然是一個有五千多年的舊文化，但對物理思想發(fā)展卻是一種很新的文化。中國復(fù)雜而辯證的人理思想，吸收和結(jié)合歐洲簡單而演繹的物理思想，必定融合成為一種新力量，把科學(xué)發(fā)展推到更上一層樓，尤其是生命科學(xué)，醫(yī)理科學(xué)和心理科學(xué)。中國社會現(xiàn)在正是一個民族文化復(fù)興新時代的開始：改革開放，實(shí)事求是，解放思想，自主創(chuàng)新，可以比美歐洲后的文藝復(fù)興。中國是一個非常不均勻的大社會。各地區(qū)都有不同的方言、生活環(huán)境、生活方式、和風(fēng)俗習(xí)慣，自然形成中國社會的多元多樣和多姿多彩。在這種復(fù)雜的文化環(huán)境，必須要因人制宜，因事制宜，或因地制宜，“一刀切”便會弄巧反拙。相反地，美國是一個非常均勻的大社會，自然形成美國社會的一體化思想。一體化社會并不符合中國社會的實(shí)際情況。
5 提高學(xué)生物理學(xué)習(xí)興趣的方法
了解以上物理學(xué)思想發(fā)展與文化關(guān)系后，我們來看一下在提高學(xué)生學(xué)習(xí)物理興趣的一些做法。
5.1聯(lián)系生活和生產(chǎn)實(shí)際
在物理教學(xué)中，如果注意結(jié)合學(xué)生熟悉的生活、生產(chǎn)實(shí)際，提出與教學(xué)有關(guān)的問題讓學(xué)生去思考，往往能激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。例如：講授《光的折射》時，可先提出以下一些問題：透過老花鏡看緊靠鏡子的物體，顯得比原來怎么樣？透過老花鏡看遠(yuǎn)處物體，物體又會怎樣呢？透過圓形金魚缸看缸里的魚發(fā)現(xiàn)魚會變大，透過裝滿水的杯子看插入的筷于發(fā)現(xiàn)筷子會在分界處折彎，這又是為什么呢？夏天，我們扎泥鰍時應(yīng)扎的比觀察位置深還是淺些?帶著這些問題來學(xué)習(xí)，學(xué)生必然會產(chǎn)生興趣，從而達(dá)到提高課堂效率的作用，而課后又是課堂的延伸。
5.2制造學(xué)習(xí)上的懸念
在物理教學(xué)中，如果我們能夠不斷地制造懸念，使學(xué)生對新知識產(chǎn)生一種急于探求的心情，那么就會引起學(xué)生對新知識的興趣。例如在《超重與失重》一節(jié)的教學(xué)中，我們可以把一臺磅秤放在教室前頭，讓一個學(xué)生稱量自己的體重，然后觀察該學(xué)生突然尊下和站起瞬間磅秤發(fā)生的現(xiàn)象，此時，一般學(xué)生會感到好奇，基礎(chǔ)
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扎實(shí)的學(xué)生會感到是人對磅秤的壓力變大或變小，但不知原因，因此產(chǎn)生強(qiáng)烈興趣，同時渴望得到的答案，這樣老師講得輕松，學(xué)生學(xué)得愉快。
5.3保持刺激的新穎和變化
高中生對新鮮事物總是充滿好奇心，教學(xué)內(nèi)容是否有興趣，興趣的大小，對教學(xué)效果都有直接的影響，在物理教學(xué)中若能經(jīng)常保持刺激和變化，就能不斷引起學(xué)生的好奇心和新鮮感，從而激發(fā)起他們的興趣，使他們樂于學(xué)習(xí)、想要學(xué)習(xí)。
5.4及時給予成功的滿足
興趣是帶有情緒色彩的認(rèn)識傾向，在物理學(xué)習(xí)中，如果學(xué)生獲得成功，就會產(chǎn)生愉快的情緒，若反復(fù)多次，學(xué)習(xí)和愉快的情緒則會建立固定的聯(lián)系，也就會形成越學(xué)越有興趣，越有興趣就越想學(xué)的良性循環(huán)。
5.5精心設(shè)計教學(xué)過程