物理学的现状、问题根源与突破困境的方法

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——编者

美国物理学家L·斯莫林在《物理学的困惑》一书中说，从18世纪80年代到20世纪70年代，我们对物理学基础的认识，大概每10年就有一次大的进步，但自20世纪70年代以来，我们对基本粒子的认识还没有一个真正的突破[1]。许多科学界人士和我们一样，不禁要问：物理学到底怎么了？

1. 物理学的现状与困惑

拨开历史的长卷可看到，自16世纪自然科学从神学中解放出来以来，物理学经历了波澜壮阔的发展历程。伴随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工业革命；伴随爱因斯坦相对论和量子理论的创立与发展，人类构建起了日新月异的现代文明。这就是让无数人为之奋斗的物理学，正是它推动着人类的发展进程！

然而，自上世纪70年代后，宇观方面物理学面临越来越多的挑战和课题，迟迟得不到解决，如暗物质和暗能量至今给不出合理的解释；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，如希格斯粒子、质子衰变等至今尚未找到或证实。

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日趋尖锐，本想通过深入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；再比如，尽管200多年来科学家们已竭尽全力，但引力常数G的测量精度仍然是物理学基本常数中最差的，等等。

针对物理学面临的问题和困境，一些新的理论被纷纷提出，然而这些理论大都昙花一现。卡鲁扎—克莱因理论、爱因斯坦统一场论、SU（5）大统一理论、超对称理论等都先后失败的事实表明，物理学陷入了重重困惑之中。

2. 导致物理学现状的根源

斯莫林断言，“弦理论、圈量子引力和其他方法，它们都还没有到达那个前沿。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。我猜它涉及两个因素：量子力学的基础和时间的本质……我越来越觉得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。”[1]

如果将人类认识自然界的方式放在微观、宏观和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，而后才开始向微观和宇观延伸。

在宏观领域，根据万有引力和库伦力的作用力性质不同，对物质的表述分别用质量和电荷两个概念。然而，我们从宏观所看到物质的性质是由物质微观层面上的性质所决定的。事实是，我们根据宏观上建立的质量、电荷概念来推导物质在微观上的性质，显然这是本末倒置了。

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，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。比如，在广义相对论的框架下，我们得到了一个宇宙大爆炸模型，然而发生宇宙大爆炸的奇点却不适用任何物理定律。我们从已知导出了一个未知事物，单从逻辑上看就已经不自洽了。

牛顿力学和电磁理论在宏观应用上的巨大成功，使人们不假思索地将质量和电荷直接引入到微观和宇观领域，导致更多物质概念被提出，如图1所示。可见，将宏观体验直接推广到宇观和微观是导致物理学陷入困境的根源。

3. 突破物理学困境的方法

由于我们用宏观物质层面的概念去认识微观现象难以理解，于是为了能从宏观知识推导出微观现象的规律，不得不借用复杂的数学工具，由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，量子电动力学用拉格朗日的数学方程来描述，后来遇到发散困难后，不得不打上一个“重整化”的补丁；当发现跟费米理论不相协调后，又不得不再打上“规范不变性”的补丁；规范不变性与对称性相对应，当发现许多粒子不具有这种对称性时，又不得不再打上一个“对称性自发破缺”的补丁。

然而这个经过多次修补后的规范理论，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，再也没能取得进展。

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。美国物理史学家曹天元教授在《量子物理史话》一书中说，“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。”

弦理论是采用“自小而大”方法的一个理论，它几经沉浮最终脱胎换骨成有11个时空维度的M理论。在科学界经历了一系列的失败后，霍金和大多数科学家认为M理论是大设计的唯一候选者。但三维空间中的动态宇宙，在四维时空中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维的宇宙。可见，用弦理论这根“弦”是无法将广义相对论和量子理论连接起来的。

4. 系统相对论的物理统一方法

系统相对论[2]采用“自小而大”的研究方法，从cn粒子假设入手，逐步架构起各种粒子、物体和天体。通过流体态物质和刚体态物质定义与分类，系统相对论将自然界形态各异的所有物质统一在能量的概念下，从而实现了物质的统一。

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2所示。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，如同黑辐射理论中的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，后者在普朗克公式中可以退居到“近似”的地位上；而前者只能退居到“相当于”的地位上，因为它们的基础存在问题，如时间概念。

时间是物体运动速度大小的一种度量方式，表达的是物体的运动性质和存在性。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。

5. 结束语

笔者认为，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；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，进而一揽子解决当前所面临的各种挑战和课题。

参考文献：

[1] L·斯莫林[美] 物理学的困惑·李泳译· 长沙：湖南科学技术出版社，2008 P64，P252

[2] 刘泰祥·系统相对论·北京：科学技术文献出版社，2012

作者简介：刘泰祥，1969生年，山东莱芜人，高级工程师，研究方向：理论物理。

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