世紀之交談物理學發展的方向

論文類別:理學論文 > 物理學論文
論文標簽:物理教育論文
論文作者: 朱振和
上傳時間:2003/4/30 9:10:00

摘要: 回顧了物理學發展的歷史,讨論了二十一世紀物理學發展的方向。認為二十一世紀物理学將在三個方向上繼續發展:(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联系,進一步發展非線性科學。可能應該從兩方面去探尋現代物理學革命的突破口:(1)發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力;(2)通過審思相對论和量子力學的理論基礎的不完善性,重新定義時間、空間,建立新的理論。
二十世紀即將結,二十一世紀即將來臨,二十世紀是光辉燦爛的一個世紀,是個類社會发展最迅速的一個世紀,是科學技術發展最迅速的一個世紀,也是物理學發展最迅速的一個世紀。在 這一百年中發生了物理學革命,建立了相對信紙和量子力學,完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后,現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展,產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣学科,人類對物質世界的規律有了更深刻的認識,物理學理論達到了一個新高度,現代物理學达到了成熟的階段。
在此世紀之交的時候,人們自然想展望一下二十一世紀物理学的發展前景,探索今後物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先,我们來回顧一下上一個世紀之交物理學发展的情況,把當前的情況與一百年前的情况作比較對於探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。
一、歷史的回顧
十九世紀末二十世紀初,經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段,隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁场理論的建立,經典物理學達到了它的頂峰,當時人們以系統的形式描绘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觀察到的物理現象。由於經典物理學的巨大成就,当時不少物理學家產生了這樣一種思想:認為物理學的大廈已经建成,物理學的發展基本上已經完成,人們對物理世界的解釋已經達 到了終點。物理學的一些基本的、原則的问題都已經解決,剩下來的只是進一步精確化的問题,即在一些細節上作一些補充和修正,使已知公式中的各個常數測得更精確一些。
然而,在十九世紀末二十世紀初,正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際,科學實验卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發现:電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬裏晴空中出現了兩朵“烏雲”:“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗结果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾,經典物理學的傳統观念受到巨大的沖擊,經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦创立了相對論;海林堡、薛定谔等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了!
把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較,可以看到两者之間有相似之 外,也有不同之處。
   在相對論和量子力學建立起來以後,現代物理學經過七十多年的發展,已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的认識達到了空前的高度,用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象。可以說,現代物理學的大廈已經建成。在這一點上,目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此,有少數物理學家認為今後物理學不會有革命性的進展了,物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了,今後能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學,對現有的理論作一些補充和修正。然而,由於有了一百年前的歷史經驗,多數物理學家并不贊成這種觀點,他們相信物理學遲早會有突破性的發展。 另一方面,雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解释的,但是這些矛盾並不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面,目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交,經典物理學发生了“嚴重的危機”;而在本世紀之交,現代物理學並無“危機”。因此,我認為目前發生現代物理學革命的条件似乎尚不成熟。
雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的,但是這些矛盾並不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面,目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交,經典物理學發生了“嚴重的危機”;而在本世紀之交,現代物理学並無“危機”。因此,我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。   客觀物質世界是分層次的。一般說来,每個層次中的體系都由大量的小體系(屬於下一個層次)構成。從一定意義上說,宏观與微觀是相對的,宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括:探索各層次的運动規律和探索各層次間的联系。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com
  回顧二十世紀物理學的發展,是在三個方向上前進的。在二十一世紀,物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。
1) 在微觀方向上深入下去。 在這個方向上,我們已經了解了原子核的結構,發現了大量的基本粒子及其運規律,建立了核物理學和粒子物理學,認識到強子是由誇克構成的。今後可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象,必須有更強大得多的加速器,而這是非常艱巨的任務,所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。
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,當時並未引起重视。1965年美國的彭齊亞斯和威尔遜觀測到宇宙背景輻射,再加上其他的觀測结果,為“大爆炸”理論提供了有力的證據,從此“大爆炸”理论得到廣泛的支持,1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以後,英國的霍金[2,3] 等人開始论述宇宙的創生,認為宇宙從“無”誕生,今後在这個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說 ,现代宇宙學的繼續發展有賴於向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果,這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡,這是很艱巨的任務。

我個人對於近年来提出的宇宙創生學說是不太信的,並且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一个近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的範圍以內的“宇宙”,而我相信宇宙是無限的,在我們這個“宇宙”以外還有無数個“宇宙”,這些宇宙不是互不相幹、各自孤立的,而是互相有影响、有作用的。現代宇宙學只研究我們這個“宇宙”,當然只能得到近似的結果,把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來,則失誤更大。

3)深入探索各層次間的聯系。

  這正是統计物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就,先是非平衡態統計物理學有了得大的發展,然後建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論,接著混沌論和分形論相繼发展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的範疇。相信在二十一世紀非線性科学的發展有廣闊的前景。
上述的物理學的發展依然 现代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀,物理學的基本理论應該怎樣發展呢?有一些物理學家在追求“超统一理論”。在這方面,起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場论”;直到1967、1968年,美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”;目前有一些物理学家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超统一理論”,他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統一場論”是基於他的“物理世界統一性”的思想[4] ,但是他努力探索了三十年,最終沒有成功。我對此有不同的觀点,根據辯證唯物主義的基本原理,我認為“物質世界是既統一,又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功,即便此理論完成了,它也不是物理學發展的終點。因为“在絕對的總的宇宙發展過程中,各個具體過程的發展都是相對的,因而在絕对真理的長河中,人們對於在各個一定發展階段上的具體過程的认識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和,就是絕對的真理。”“人們在實踐中對於真理的认識也就永遠沒有完结。”[5]

現代物理學的革命將怎樣發生呢?我認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?現在我们不知道。我的直覺是:將來最早發現的第五種力可能存在於生命現象中。物質构成了生命體之後,其運動和變化实在太奧妙了,我們沒有認識的問題實在太多了,我们今天對於生命科學的認識犹如亞裏斯多德時代的人们對於物理學的認識,因此在這方面取得突破性的进展是很可能的。我認為,物理学業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一,與此有關的最關於復雜性研究的非線性科學的發展。 免費論文下載中心 http://www.hi138.com

2) 現代物理学理論也只是相對真理,而不是绝對真理。應該通過审思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理学革命的突破口,在下一節中將介紹我的觀點。

三、現代物理學的理论基礎是完美的嗎?

相對論和量子力學是現代物理學的两大支柱,這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢?我們來審思一下這個問題。

1) 对相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關於光速和關于時間要領的思考開始,創立了狹義相對論[1]。我們今天探寻現代物理學革命的突破口,也應該從重新審思時空的概念入手。 愛因劳動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4],他规定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”,這樣就很自然地導出了洛侖茲变換,進一步導致一個四維时空(x,y,z,ict)(c是光速)。為什麽愛因勞動保護擔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,其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現形式,不能脫离物理質運動談論時间、空間,在定義時空时應該說明是關於什麽运動的時空。現代物理學認為超距作用是不存在的,A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳递過去,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的。如果這種場是电磁場,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際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空,適用於描述這種運动。

  愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的 物質運動,实際上就暗含了這樣的假設: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递速度為c'。至今為止,並無實驗事實證明c'等於c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c'。我持有“物質世界既統一,又多樣化的”以觀點,再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多,因此我相相信c'可能不等於c。工樣,關于由電磁力引起的物質運動的四维時空(x,y,z,ict)和關於由引力引起的運动的時空(x',y',z',ic't')是不同的。如果研究的問题只涉及一種相互作用,則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如,愛因斯坦引力場方程的形式不變,只需把常數c改為c'。如果研究的问題涉及兩種相互作用,則需要建立新的理論。不過,首要的事情是由實驗事實來判斷c'和c是否相等;如果不相等,需要導出c'的數值。
我在二十多年前開始形成上述觀點,當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點,我曾對那些實驗寄予厚望,希望能從實驗結果推算出c'是否等于c。令人遺憾的是,經過長斯的努力引引力波實驗沒有获得肯定的結果,隨後這項工作冷下去了。根據愛国斯坦理論預言的引力波是微弱的,如果在現代實驗技术能夠達到的測量靈敏度和准確度之下,這樣弱的引力波應該能夠探測到的話,長期的實驗得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該从c'可能不等於c這個角度來考虑問題,如果c'和c有較大的差異,則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同,前兩者是短程力,後两者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。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 作用的傳遞者是规範粒子(光子除外);強相互作 用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零,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。並且與傳遞粒子的静質量和能量有關,因而其傳遞速度是多種多樣的。

  在研究由弱或強相互作用引起的物質運动時,定義慣性系中不同的地点的兩個“事件”的“同時”,是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢?我對核物理學和粒子物理學是外行,不想貿然回答這个問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號,那麽關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關於由電磁力引起的運動的时空(x,y,z,ict)及關於由引力引起的運動的時空(x',y',z',ic't') 免費論文下载中心 http://www.hi138.com
有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c'',c''不是常數,而是可变的,則關於由弱或強力引起的運动的時空為(x'',y'',z'',Ic''t''),時间 t''和空間(x'',y'',z'')将是c'的函數。然而,很可能應該这樣來考慮問題:關於由弱力引起的運動的時空,在定義中應該以規範粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由於“電弱理论”把弱力和電磁力统一起來了,因此有可能c1=c,則關於由弱力引起的運動的時空和關於由電磁力引起的運動的時空是相同的,同為(x,y,z,ict)。關於由強力引起的運动的時空,在定義中應該以介子的靜质量取作零(在理論上取作零,在實際上沒有靜質量為零的介子)時的速度c''取代光速 c,c''可能不等於c。則關於由強力引起的運動的時空(x'',y'',z'',Ic''t'')不同於(x,y,z,ict)或(x',y',z',ic't')。無論上述两種考慮中哪一種是对的,整個物質世界的時空將是高於四維的多維時空。對於由短程力(或只是強力)引起的物質運動,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、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力,又涉及短程力(尤其是强力),則更需要建立新的理論。

1)對量子力學的審思

从量子力學發展到量子場論的時候,遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間,日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法,克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷,並沒有徹底克服這一困難。“發散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量(靜止能量)与運動能量、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。
現在我陷入一個兩难的處境:如果采用傳統的德布罗意關系,就只得接受不合理的德布罗意波奇異性;如果采纳修正的德布羅意關系,就必須面對使新的理論滿足相對論协變性的難題。是否有解決問题的其他途徑呢?我認為這个問題或許還與時間、空間的定義有关。現在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定义,而不確定原理是微觀世界的一条基本規律,所以時間、空间都不是嚴格確定的,決定論的時空要領不再適用。在時间或空間的間隔非常小的時候,描寫事情順序的“前”、“後”概念將失去意義。此外,在重新定義時空時還應考慮相關的物質運动的類別。模糊數學已經發展得相当成熟了,把這個數學工具用到微观世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1)在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展(1)在微觀方向上深入 下去;(2)在宏观方向上拓展開去;(3)深入探索各層次間的聯系,進一步发展非線性科學。

2) 可能應該從兩方面去控尋现代物理學革命的突破口。(1)發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力;(2)通過審思相對论和量子力學的理論基础,重新定義時間、空間,建立新的理論

3)由於現代物理學尚未发生“危機”,因此目前發生現代物理學革命的條件也許還不成熟,物理學的發展和物理學革命都有賴於在物理实驗和對客觀物質世界的觀測中獲得新的结果,實驗和觀測是發展物理學的量重要手段,這是我們要關註的首要問題。然而,科學的發展和物理學的發展有本身的邏輯,符合客觀规律的、有真知灼見的思維也是一个關鍵。

我的觀点與眾不同,可能不算什麽真知灼見,也可能被有些人認为是不合常規、有悖常理的。然而我期望這些觀點能起到拋磚引玉的作用,引出大量有真知灼見的“玉”。當不合目前的“常规”和“常理”的思想在物理学花園中百花盛開的時候,我們將迎來物理學更光輝燦爛的明天!




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