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篇1

下圖是目前物理學的四個“基本理論”所統治的區域，它是一個普遍的力學系統，用一個數學模型來描述物質、時間和空間，以及他們之間的關系。這四個“基本理論”是人類幾百年來“縱向深入”所得到的四個核心物理模型。

一、經典力學（Classical Mechanics）

圖中左下區域是“宏觀低速”區域，稱為經典力學（Classical Mechanics）領域，即最早的牛頓力學及其后續發展的拉格朗日力學，哈密頓力學等。在中學物理課程中主要涉及的部分是牛頓力學。這里基本的數學模型是：空間是最簡單的歐幾里得幾何的三維空間，時間是另外一個和空間維完全無關的維度。物質是質點，或者是有限體積的質點集合（剛體，流體），或者是遍布全空間無限體積的質點集合（場，如電磁場）。質點在空間中的運動符合伽利略變換。

這個領域孕育了第一次工業革命和第二次工業革命。它的“縱向深入”突破點是麥克斯韋的電動力學，并由此導致量子力學和相對論力學領域的出現。

二、相對論力學（Relativistic Mechanics）

圖中的右下區域是縱向深入到“宏觀高速”的區域，即愛因斯坦的相對論力學（Relativistic Mechanics）領域。

這里基本的數學模型是：狹義相對論（Special Relativity）時空是閔可夫斯基四維時空，即一維時間和三維空間由光速不變原理緊密聯系，組成一個平直的四維時空背景。廣義相對論（General Relativity）的時空是黎曼時空，即一個彎曲的四維時空。相對論力學里物質依然是經典力學里的質點、體或場，但是它會直接影響時空背景。質點在四維時空中的運動符合洛侖茲變換。

這個模型揭示了時間和空間不再是經典力學中和物質運動獨立無關的背景，而是與物質的質量、能量和運動緊密聯系。

三、量子力學（Quantum Mechanics）

圖中左上區域是縱向深入到“微觀低速”的區域，即量子力學（Quantum Mechanics）的地盤。它的建立以普朗克、愛因斯坦、波爾、德布羅意等物理學家的工作為先導，以海森堡、薛定諤、狄拉克、泡利等物理學家的工作為主體。

這里基本的數學模型是：時空還是經典力學中歐幾里得的三維空間加上獨立的一維時間，物質運動還是符合伽利略變換，但物質本身卻不再是質點或者質點的集合，而是分布在全空間的波函數。一切物理量的取值都要靠它與波函數在全空間的積分才能得到。

這個模型揭示了真實的微觀物質不是只具備粒子性的質點，而是同時具有波動性，即分布在全空間的波。

這個領域是現代物理學最大的領域，它孕育了20世紀后半葉的高新技術產業革命，使人類全面步入信息時代。

四、量子場論（Quantum Field Theory）

圖中右上區域便縱向深入到“微觀高速”區域，即量子場論（Quantum Field Theory）領域。它是量子力學和狹義相對論的結合。從量子力學的幾位創始人到標準模型的建立者，諸多20世紀物理學家們的工作完成了這個建立過程，其中包括楊振寧教授和李政道教授的貢獻。

這里基本的數學模型是：物質的基本粒子是分布在完全的閔可夫斯基四維時空的波動場的激發態，場的基態是能量不為零的真空態。一個基本粒子的出現和消失（產生和湮滅）是它的場在該模式上的躍遷。場用量子化的拉格朗日密度來描述。

這個模型揭示了真實的物質不僅是量子力學中分布在全空間的波，還和狹義相對論中的時空背景緊密相連。

從各個區域所建立起來的基本數學模型來看，量子場論區域是目前描述自然界最精確的模型，量子力學區域是描述自然界的低速近似，相對論力學區域是描述自然界的宏觀近似，經典力學是描述自然界的宏觀低速近似（顯然關系已經不大了）。

在這我們只能用“近似”兩個字，因為人類在了解和認識自然界的過程中是一個不斷深入的漸進的認識過程，一個不斷積累的認識過程，這個過程將永遠不斷地有新的發現，就像我們觀賞大自然的美景一樣，沒有終極，越看越美麗，越看越新奇。

橫向世界

一、經典力學（Classical Mechanics）

經典力學模型應用到具體的物質運動形式上就可建立剛體力學、流體力學、聲學，以及經典的光學、電學、熱力學、磁學等學科。現在的物理學家已經很少涉及這個領域，因為在這個領域里基本的模型早已建立完畢并經受住了時間的考驗，物理學家也早已把這個地盤交到工程師的手上了，研究的主流變成是對這些規律的應用，這個領域與人類日常生活關系最近。

對于有志于從事機械、建筑、汽車、航天、熱能動力等專業的學子來說，牛頓力學和熱力學等是必須要掌握的物理基礎，這些物理基礎引發了人類第一次工業革命。對于有志于從事電力、通訊、電子工程等專業的學子來說，經典電磁學和電動力學是必須要掌握的物理基礎，這些基礎引發了人類第二次工業革命。

學好這些基礎，能讓你輕快地進入到這些實用的領域中發展。

二、相對論力學（Relativistic Mechanics）

相對論力學模型應用到具體的物質運動形式上就可建立天體物理學、宇宙學等學科方向，研究宇宙大尺度物理現象，如引力等，從業人數在物理學界占較小的部分。

對于有志于研究天文學和恒星、地外行星、黑洞等各種天體以及宇宙奧秘的學子來說，這個領域便是其歸宿。這個領域的實驗主要以望遠鏡觀測為主。相對論力學領域是人類認識宇宙和了解宇宙的最前沿，它是人類了解太空的一扇窗口，但是離人類日常生活較遠。工作單位一般是各個天文臺、大型的地面觀測站和太空觀測站等科研部門。

三、量子力學（Quantum Mechanics）

量子力學模型應用到具體的物質運動形式上就可建立原子物理學、分子物理學、量子光學、量子電子學，以及凝聚態物理學等學科。物理學家中在這個領域的人數最多，僅凝聚態物理專業的人數就要占所有物理學家的三分之一以上，是物理學最大的分支。保守估計以量子力學為基礎理論的這個區域中的物理學家人數應該超過所有物理學家總人數的一半。近十年的諾貝爾物理學獎有6次頒給了這個領域的科學家。

這個領域的特點是基礎理論模型完善，計算方便。實驗規模小，可在實驗室桌面上進行。理論和實驗課題數量多且分散，而且作為研究物質結構的基礎領域，和化學與生物學等其他學科聯系緊密，因此它橫向擴張的速度最快，成果也遠多于物理學其他三個區域。

這個領域孕育了20世紀的現代科技革命，如半導體元件的發明、激光器的誕生、磁存儲介質、液晶，以及最熱門的納米材料、超導體等都是拜他它所賜。因此這個領域不但適合想從事物理研究的學子加入，而且也適合想從事微電子學、納米材料、量子信息技術等新興專業的學子們學習。

四、量子場論（Quantum Field Theory）

量子場論模型應用到具體的物質運動形式上建立了量子電動力學（QED），電弱統一理論，量子色動力學（QCD）等理論，作為粒子物理（高能物理）的基礎理論，同時研究基本粒子的束縛態如重子、介子和原子核結構等。這個領域是向物質奧秘探索的最前沿，基本理論內容最深奧、計算難度大，但是橫向擴張的工作很多。實驗需要在大型的粒子加速器上進行，規模龐大，課題集中，成果多是十年磨一劍，因此進展緩慢。

對于有志于探索物理最前沿的學子來說，這個領域最適合,但更需要具備耐得住寂寞和世俗誘惑的能力。這個領域風光無限，魅力無限。

篇2

1 有效場論思想的提出分析

一般意義的有效場論指的是某一個研究領域事物內在機制理論問題，也就是用粒子物理學家話來說就是有效理論對于物理參數空間物理實體描述，從物理學看，很多物理學理論都是隨著不斷變化而形成了多樣性，也就是同一物理實體中的粗放型和精致形理論，這就構成了物理學參數空間唯像學理論研究。不需要費心去尋找一個物理終極理論，只要能夠恰當的描述一切現象就可以了，從本質上講也就是說對于物理具有本身局限性，是反映物理世界信息模型問題。

為了能夠很好協調量子力學和相對論之間量子場論，就應該考慮到二次量子化，也就是一種包含粒子生產的基本粒子問題，在數學中量子場論系統擁有無窮自由度，數學中對于理論有很多新的要求，對于重整化問題解釋爭論也是突出表現了場論思想提出，從歷史發展來看，重整化理論是具有一定場論理論依據的。對于有效場論思想提出都有一定追溯作用。

從重整化方法發展歷史看，有效思想在建立量子場論中是非常富有啟發作用的，量子場論語言的作用是非常恰當描述依賴作用的，本質就是能夠超級力量。有效理論思想可以很好推動量子場論深入發展，也就是說基礎物理學家說的基礎物理學問題，本質上就是高能物理學和低能物理學之間相互隔離和各個擊破研究問題。如何劃分物理現象標準能否跨度，形式隨著精度分化不斷變化，也就是在重整化基礎上能夠實現對于理論重整。能夠就會出現很多處理重整化物理學理論發展的初始階段是處理量子電動力學發散引進方法，對于物理學家首先應該引起截至作用，將發散部分吸收，然后再進行重新定義理論參數問題，在這個過程就會出現很多處理方法問題，重整方法從此就會成功開始。隨著測試現象尺度變化物理學作用和結構也會發生變化，接著人們就會緩慢減小截至思想指導，運用重整化參數變化情況進行更深度分析和研究，有效的將參數和分數關系用數學方式描述出來。能夠在群方程參數變化中，降低重整化的有限維子叢。有效的低能理論有別于高能的情形，不同的高能日量可能 會產生相同低能日量，事實上在數眾多不同質量粒子共存體系中，系統能量遠會小于粒子質量，這時質量扮演截至就可以近似重整化有效場論，質量的影響也會相互作用不可重整化，一種新的可重整化量子場論理論廣泛應用自然會導致人們對于基礎物理學看法，這種觀點的轉變結果是量子場論的標準模型問題。

2有效場論引發的爭論問題

人們認為基礎物理學研究宇宙物質基礎結構和物質運動規律的學科，所以說近代自然科學追求的確定性和必然性，根據這個觀點對于高能物理學享有的基礎地位和粒子物理學的終極理論都是有一定領地的。從弱點理論到量子色動力學發展起來的標準模型，在基礎物理研究中都具有里程碑意義和作用，根據標準模型可以看出，物質有夸克和輕子組成，他們之間相互作用可以用一個統一規場論來完成，量子場論這種進展就是重整化方法更加深入人心。

重整化概念對于標準模型哲學基礎構成需要更加深入分析和研究，在理論早起時候，重整化的概念在處理微饒問題時，物理學家對于突現駕駛主要是糾纏于兩種備選方案，就是前面提及到的還原論和反還原論述，分別指的是高能物理學和凝聚態物理學問題。粒子高能物理學的科學家以高能物理學基礎來辯護，就是粒子物理學提升了人們對于物理世界的認識，引領人們一步步走到宇宙絕對性結構面前，在還原論中也有很多關鍵性詞語，所以說凝聚物理學家工作和粒子物理學家工作是一樣的基礎性。

還原重整化概念建立的歷史進行實證分析，確實是可以提供理論之間相關性依據問題，但是這種論證本身沒有堅實基礎。理論之間聯系建立只是局限于特定語境，另外理論之間是否存在基礎性問題，也只是局限于各種文化層次之間，理論是否具有一定基礎性爭論，將是未來人類文明發展的重要問題。也就是理論之間存在內在很多聯系，反還原階段基于突現事實理論之間聯系，量子場確實恰當又方面的描述了特定精度物理現象問題。根本上依賴于特定語境中和物理相對應的世界，其中包括主觀意向、理論背景和實驗測量問題等，所以要不斷結合各種綜合要素進行分析和科學解釋人類現象。

3結語

粒子物理中物理場論等多個理論之間相互競爭并存在很多現象，有效的微觀世界信息，可以反映客觀理論語境，這樣就會避免工具主義無法解釋參量問題，和實在主義經驗數據問題，總之就是客觀事物本身是非常豐富多彩和復雜多變的，一種語言描述復雜事物行不通，對于還原論和反還原論爭論，問題不是一方壓倒另一方，而是要相互之間能夠互補，全面客觀的把兩者進行相互結合起來，做到最大限度的兼收并蓄、取長補短和綜合統一。

參考文獻：

[1] 王博濤，舒華英.基于自組織理論的信息系統演化研究[J]；北京郵電大學學報（社會科學版），2006年01期.

[2] 林禎祺.從量子論到玻色-愛因斯坦統計[J]；重慶師范大學學報（自然科學版），2006年04期.

篇3

2 拉格朗日量的特點

對于這種系統的量子化和正則對稱性質的分析，目前已經有了比較完整的闡述[4]。從狄拉克對動力學齊次變量的分析開始，Bergmann等人闡述了約束和不變性關系。他們的研究為約束系統的量子化奠定了基礎。Shanmugadhasan和Kamimura分別探究了奇異性對拉格朗日方程的影響和拉格朗日約束與哈密頓約束的關系。而Sudarshan和Mukunda等人，也曾經從數學的角度出發，分析了狄拉克括號的結構。現代物理學中的約束正則系統在現代量子場論中起到了很重要的作用。

3對拉格朗日量的分析

對于我們前面得到兩個的拉氏量，我們不能采取傳統或者簡單的高階微商拉氏量的量子化方法。因為這個拉氏量中含有矢勢的一次項和二次項，是一個一般的二階拉氏量。傳統的正則量子化方法中，需要通過線性組合獲得最大數目的第一類約束，這種方法在這里不能使用。因為通過這個方法獲得的第一類約束形式可變，數目不能確定，會干擾我們在量子化中得到的結果。而一般的高階微商場論的量子化方法是針對時間的高階項進行的，與我們的拉格朗日量中含有的對矢勢的二階項有很大不同。通過正則動量的定義，我們可以得到系統的初級約束，然后我們根據初級約束的自洽性條件，可以得到與一般約束系統不同的次級約束。

篇4

1.對稱美

由于物理學揭示了自然界物質的存在、構成、運用及其轉化等規律的對稱性而產生的美感,稱為物理學的對稱美。

物理學中的對稱主要表現為時空對稱、數學對稱和抽象對稱。

時空對稱有空間對稱、時間對稱、時間和空間同時對稱三種類型。時空對稱表示物理現象在時空變換下的不變性。如杠桿的平衡、平面鏡成像、磁體的兩極、電荷的正負表現了物質的直觀形象在空間上的對稱;勻速運動的速率在運動過程中的任一點都相等,相干光在干涉空間任一區域都保持相等的條紋寬度等表現了物質在運動變化過程中的空間對稱;周期、節奏、頻率等表示了時間對稱;不隨時間變化的勻強電場、勻強磁場表現出既具有時間對稱,又具有空間對稱等等。

數學對稱表示物理內容在教學形式(圖與式)上的對稱性。如簡諧振動的振動圖線、簡諧波的波形圖線具有對稱性。這種對稱性表示了物理內容在數學圖形形式上的對稱。萬有引力定律、庫侖定律與距離之間都具有對稱性,這些對稱性表示了物理內容在數學表達式上的對稱。

抽象對稱表示以抽象的方式所反映出的物理內容的對稱。由于在無窮大或無窮小的尺度上研究物理問題,很難具有直觀性,故很多物理形象及物理內容所呈現的對稱具有抽象性。如處于平衡態的氣體對容器壁的壓強處處相等;處于平衡態的氣體分子的熱運動在三維空間各個自由度上發生的幾率相等,這些都體現了物理內容的抽象對稱美。

2.簡潔美

由于物理學揭示了自然界物質的存在、組成、運動及其轉化等規律的簡單性而產生的美感,稱為物理學的簡潔美。

從物理理論的整體來看,在形形的物理世界中,各種物理現象和過程千差萬別,但在本質上卻可邏輯地歸結為為數不多的若干基本概念和原理。例如,宇宙中紛亂的種種作用力,在本質上可歸結為四種:萬有引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力;牛頓定律將宏觀低速條件下各種機械運動的現象都置于其統治之下;麥克斯韋方程組使復雜的電磁運動形成了一個和諧美滿的家庭;量子力學理論使行蹤飄忽的微觀粒子眉目清晰……F=ma,E=mc2等等,其形式是多么的簡潔而優美。這些都體現了物理學理論整體的簡潔美。

物理學中的理想化方法是從多維的具體形象中,抓住最具有本質特征的主要形象,舍棄一些次要形象,建立起一個輪廓清晰、主題突出的新形象,從而簡化物理問題。顯然,具有簡潔美。

3.和諧美

和諧是指由于組成整體的各個要素相互間恰到好處而在整體上顯現出協調。和諧給人以一種恰如其分、渾然一體、輕松自如的美感。物理學的和諧美,主要是指由于物理理論揭示了自然界物質的存在、構成、運動及其轉化等整體上的和諧性而產生的美感。它主要表現在自洽、對應和互補三個方面。

自洽,與其基本含義一致,即自身內不存在不可統一的矛盾。物理學中的自洽和諧美,主要體現在物理學各分支理論內部以及各分支理論之間在現象、概念、規律等方面都是互不矛盾的。

對應和諧美是指由物理學不同理論間的對應關系而展現的物理學和諧美。對應是高級理論對低級理論的包容,或者是說低級理論是與高級理論在某一特定條件下的結論相一致。具體地說,對某領域正確的物理理論,在新的、更加普遍的理論出現時,并不作為錯誤的東西被拋棄,而是作為新理論的極限形式和局部情況,在新理論中保持原有的意義。如當v

互補和諧美是由物理學各部分之間的互補關系而展現出的物理學和諧美。所謂互補,就指彼此間彌補、相輔相成。物理學中的互補主要表現在不同的、甚至是相互排斥的物理理論,從不同的側面描述物理學的研究對象。如光的波動性與粒子性、微觀粒子的波動性與粒子性,都分別從不同的側面反映了光與微觀粒子的本質。在這里,波動性與粒子性既互斥,又互補。

4.多樣統一美

篇5

本書是一部關于經典哈密頓動力學的教科書，其對象主要為剛剛進入研究生學習的物理領域學生。本書目的在于以一種相對簡潔而又不失知識連貫性和概念準確性，闡述相關內容所涉及的全部論題。

本書作者John H. Lowenstein是紐約大學榮譽教授，從事非線性動力學研究20多年。在那之前，他的研究重點是量子場論，特別是可解模型和可重整微擾理論。他在紐約大學同事的鼓勵下，決心撰寫一部用于21世紀學生的教科書。為此，作者立足于假定學生們已經系統學過牛頓力學（包括拉格朗日形式以及一些標準應用實例）的課程，對本書所涵蓋的內容范圍做了嚴格的篩選，忽略了耗散系統、非完整約束、以及狹義和廣義相對論、連續體力學和經典場論，并限制了高等微分幾何的應用。

作者認為對于21世紀的學生，優勢之一是熟悉計算機的使用以及軟件知識，因此具有擺脫冗長繁瑣的代數與分析計算的基礎。寫這本書時作者假定讀者熟悉初等的科學編程并愿意和能夠用這種能力解決遇到的實際問題。他發現，MATHEMATICA軟件最適合做本課程所需要的一些小規模的計算。因此本書自始至終提供了許多把解析推導、數值計算和圖形處理結合起來的MATHEMATICA具體的例子。

本書內容分為6章。開始的1章標題為“經典動力學基礎”，在其中作者非常簡略地評述了經典力學。第2-6章內容：2.引入哈密頓形式的核心概念，特別強調了以某種方式平行于量子力學正則對易關系的代數方法進行闡述；3.一種極為重要類型的動力學系統的細致處理，即具有完備的守恒量集合的“可積系統”的介紹；4.非可積系統的正則攝動理論；5.討論了KAM理論和哈密頓動力學系統中有序與混沌之間迷人的相互作用；6.把前面幾章所發展的概念和方法綜合應用與詳細地處理彈性三維擺，即所謂的“擺動彈簧”，它提供了二氧化碳分子的某種激發的非常好的模型。書末有一個附錄，給出了幾個用MATHEMATICA軟件編寫的樣本程序。并提示讀者，可以在網上找到本書習題的解題手冊以及對于MATHEMATICA軟件的介紹。網址為/lowenstein。

經典力學是物理學、工程科學和應用數學高等教育的基石之一，它的應用范圍極為廣泛。在本書中，作者以一種簡潔的教學風格涵蓋了哈密頓方法動力學研究生課程所必須的所有論題。向讀者介紹了20世紀后半葉該領域取得的令人印象深刻的進展。對于已經熟悉經典力學的牛頓和拉格朗日處理的研究生和高年級本科生，本書無疑是一本理想的教材。

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量子力學是近代物理學的基礎，并且其應用領域已延伸至化學、生物等許多交叉學科當中，這一課程已成為當今大學生物理教學中一個極為重要的組成部分．由于量子力學主要是描述微觀世界結構、運動與變化規律的學科，微小尺度下的許多自然現象與人們日常生活經驗相距甚遠，量子力學的概念有悖于人們的直覺，難以被初學者接受．如果在教學中能夠結合具體的物理實驗，從現象到本質引導學生思考，就可以使抽象的量子概念落實到對具體實驗現象的歸納總結上來．偏振光實驗是一個現象直觀而且學生容易操作的普通物理實驗，在學生掌握的已有知識基礎上，進行新內容的教學，符合初學者的認知規律．利用光的偏振現象來闡述量子力學基本概念已被一些國內外經典教材采納，如物理學大師狄拉克所著的《量子力學原理》［1］，費因曼所著的《費因曼物理學講義》［2］，曾謹言教授所著的《量子力學卷1》［3］，趙凱華、羅蔚茵教授合著的《量子物理》［4］等教材．在本文中，筆者結合自己的教學體驗，著重從可觀測量和測量的角度來考慮問題，在以上經典教材的基礎上，進一步整理和挖掘光子偏振所能體現的量子力學基本概念．從量子力學的角度對偏振實驗現象進行分析，使同學們對態空間、量子力學表象、波函數統計解釋、態疊加原理等量子力學概念有一個直觀形象的認識，領會量子力學若干基本假定的內涵思想．最后，從量子角度分析了一個有趣的偏振光實驗，加深學生對量子力學基本概念的理解，并展示了量子力學的奇妙特性．

1偏振光實驗的經典解釋

如圖1(a)所示，沿著光線傳播的方向，順次擺放兩個偏振片P1、P2．光束經過P1后變為與其透振方向一致且光強為I0的偏振光．兩偏振片P1和P2的透振方向之間夾角為θ，由馬呂斯定律可知，透過偏振片P2的光的強度為I0cos2θ．按照經典的光學理論，此現象可理解如下:在一個與光傳播方向垂直的平面內選定一個xy平面直角坐標系，這里為了描述問題的方便，選定x軸沿P2的透振方向．如圖1(b)所示，透過偏振片P1的光電場矢量E可分解為兩個分量:沿x方向振動的電場矢量Ex和沿y方向振動的電場矢量Ey．偏振光照射到P2偏振片時，投影到y方向的電場矢量被吸收，投影到x方向的電場矢量透過，振幅增加了一個常數因子cosθ，因而強度變為原來的cos2θ倍，這正是馬呂斯定律所給出的結果．

2偏振光實驗體現的量子力學概念

下面我們由偏振光的實驗現象出發，引出量子態、態空間等量子概念，并用量子力學的語言來描述單個光子與偏振片發生相互作用的過程，討論在多個光子情況下的量子行為與馬呂斯定律的一致性．

2．1量子態

從實驗得知，當線偏振光用于激發光電子時，激發出的光電子分布有一個優越的方向(與光偏振方向有關)，根據光電效應，每個電子的發射對應吸收一個光子，可見，光的偏振性質是與它的粒子性質緊密聯系的，人們必須把線偏振光看成是在同一方向上偏振的許多光子組成，這樣我們可以說單個光子處在某個偏振態上．沿x方向偏振的光束里，每個光子處在|x〉偏振態，沿y方向偏振的光束中，每個光子處在|y〉偏振態．假設我們在實驗中把光的強度降到足夠低，以至于光子是一個一個到達偏振片的．在圖1所示的例子中，通過P1偏振片的光子處在沿P1透振方向的偏振態上，如果P2與P1透振方向一致(θ=0)，則此光子完全透過P2，如果P2與P1透振方向正交(θ=π/2)，則被完全吸收．如果P1與P2透振方向之間角度介于兩者之間，會是一種什么樣的情形，會不會有部分光子被吸收，部分光子透過的情況發生，但是實驗上從來沒有觀察到部分光子的情形，只存在兩種可能的情況:光子變到量子態|y〉，被整個吸收;或變到量子態|x〉，完全透過．下面我們用量子力學的語言來描述單個光子與偏振片發生相互作用的過程，引入量子測量、態空間、表象、態疊加原理、波函數統計解釋等量子概念．

2．2量子測量、態空間、表象

單個光子與偏振片發生相互作用的過程，可以看成是一個量子測量的過程，偏振片作為一個測量裝置，迫使光子的偏振態在透振方向和與其相垂直的方向上作出選擇，測量的結果只有兩個，透過或被吸收，透過光子的偏振方向與透振方向一致，被吸收光子的偏振方向與透振方向垂直，可見光子經過測量后只可能處在兩種偏振狀態，這正是量子特性的反應．在量子力學中，針對一個具體的量子體系，對某一力學量進行測量，測量后得到的值是這一力學量的本征值，我們稱它為本征結果，相應的量子態坍縮到此本征結果所對應的本征態上，所有可能的本征態則構成一組正交、規一、完備的本征函數系，此本征函數系足以展開這個量子體系的任何一個量子態．很自然，我們在這里把經過偏振片測量后，所得到的兩種可能測量結果(透過或吸收)作為本征結果，它們分別對應的兩種偏振狀態，此兩種偏振狀態可以作為正交、規一、完備的函數系，組成一個完備的態空間，任何偏振態都可以按照這兩種偏振態來展開，展開系數給出一個具體的表示，這就涉及到量子力學表象問題．在量子力學中，如果要具體描述一個量子態通常要選擇一個表象，表象的選取依據某一個力學量(或力學量完備集)的本征值(或各力學量本征值組合)所對應的本征函數系，本征函數系作為正交、規一、完備的基矢組可以用來展開任何一個量子態，展開系數的排列組合給出某一個量子態在具體表象中的表示．結合我們的例子，組成基矢組的兩種偏振狀態取決于和光子發生相互作用的偏振片，具體說來是由偏振片的透振方向決定．在具體分析問題時，為了處理問題的方便，光子與哪一個偏振片發生相互作用，在數學形式上，就把光子的偏振狀態按照此偏振片所決定的基矢組展開，這涉及到怎么合理選擇表象的問題．

2．3態疊加原理、波函數統計解釋

以上簡單的試驗也可以作為一個形象的例子來說明量子力學中的態疊加原理．態疊加原理的一種表述為［5］:設系統有一組完備集態函數{φi}，i=1，2，．．．，t，則系統中的任意態|ψ〉，可以由這組態函數線性組合(疊加)而成(1)另一種描述為:如果{φi}，i=1，2，．．．，t是體系可以實現的狀態(波函數)，則它們的任何線性疊加式總是表示體系可以實現的狀態．在我們的例子中，任何一個偏振片所對應的透振態和吸收態構成完備集態函數，任何一個偏振態都能夠在以此偏振片透振方向所決定的基矢組中展開，參照圖1所示，通過偏振片P1的偏振態可以在以偏振片P2透振方向所決定的基矢組{|x〉，［y)}中表示為(2)相反，|x〉、|y〉基矢的任意疊加態也都是光子可能實現的偏振態．量子力學還假定，當物理體系處于疊加態式(1)時，可以認為體系處于φi量子態的概率為|ci|2．從前面的分析我們知道，當用偏振片P2對偏振態|P1〉進行測量時，此狀態隨機地坍縮到|x〉偏振態或|y〉偏振態，坍縮到|x〉偏振態的概率為cos2θ，也就是單個光子透過偏振片的概率，多次統計的結果恰好與馬呂斯定律相對應，這充分體現了波函數的概率統計解釋．

3典型例子

在教學中我們可以引入一個有趣形象的例子，進一步加深對量子力學基本概念的理解．如圖2(a)所示，一束光入射到兩個順序排列的偏振片上，偏振片P3的透振方向相對于偏振片P1的透振方向順時針轉過90°角，我們不妨在一個與光傳播方向垂直的平面內選定一個xy平面直角坐標系，P1的透振方向沿x軸，P3的透振方向沿y軸．光通過偏振片P1后變成光強為I0的偏振光，偏振方向與偏振片P1透振方向平行，但與P3的透振方向垂直，則光完全被偏振片P3吸收，不能透過．下面我們將看到一個有趣的現象，在偏振片P1和偏振片P3間插入一個偏振片P2，其透振方向在P1和P3之間，這時光竟可以透過P3偏振片．對此試驗，我們可由馬呂斯定律給出經典的解釋．我們不妨設P2的透振方向相對于P1順時針轉過45°角，通過偏振片P1后，變為光強是I0的偏振光，且偏振方向與P1透振方向一致;再通過偏振片P2后，光強變為I0/2，偏振方向沿順時針轉過45°角，與偏振片P2透振方向一致;最后通過偏振片P3后，光強進一步減弱為I0/4，偏振方向又沿順時針改變45°角，與偏振片P3透振方向一致．可以看到一個有趣的現象，雖然介于偏振片P1和P2間的光束其偏振方向與偏振片P3的透振方向正交，但最后透過偏振片P3的光束其偏振方向卻恰恰沿偏振片P3的透振方向，這正是中間偏振片P2所起的作用．下面用我們前面分析偏振光與偏振片相互作用過程中，所建立起來的量子概念給出具體解釋．取直角坐標系xy，x軸沿偏振片P1的透振方向，基矢組為{|x〉，［y)};由偏振片P2的透振方向所決定的基矢組為{|x'〉，［y')}，其透振方向沿x'方向，如圖3所示，兩組基矢之間的關系可表示為(3)由偏振片P3所決定的基矢組仍為{|x〉，|y〉}，不過透過的光子處在|y〉基矢態．光子透過偏振片P1后，其偏振狀態處在|x〉態，由式(3)，此狀態可以按P2的基矢組展開為(4)根據式(4)，經過P2偏振片的測量，光子有1/2的概率坍縮到|x'〉態，光子透過P2，有1/2的概率坍縮到|y'〉態，光子被吸收．由式(3)，|x'〉態在由偏振片P3所決定的基矢組同樣展開為3的測量下，偏振狀態發生改變，有1/2的概率坍縮到|y〉態，透過偏振片，有1/2的概率坍縮到|x〉態，被偏振片吸收，總體來說透過偏振片P1的光子有1/4的概率透過偏振片P3，與經典的馬呂斯定律相一致．特別注意到光子透過偏振片P1后，狀態為|x〉態，與|y〉態正交，沒有|y〉態的組分，但光子透過偏振片P3后卻正處在|y〉態，這充分體現了測量可以使量子態改變的量子假定，展示了量子測量的奇妙特性．

4總結

結合對偏振光實驗的量子解釋，我們分析了若干重要的量子力學概念．但嚴格說來，光子的問題不屬于量子力學問題，只有在量子場論中才能處理．采用光子的偏振情形來討論某些量子概念，理論上雖稍欠嚴謹，但如上文所述，確實能夠直觀形象地反映量子力學中的若干基本假定，使抽象的量子力學概念落實到對具體實驗的分析中來，易于被初學者接受，我們不妨在學生開始學習量子力學時引入此例，有助于學生理解抽象的量子概念，領會量子力學的思維方式．

參考文獻:

［1］狄拉克．量子力學原理［M］．北京:科學出版社，1966．

［2］費因曼．費因曼物理學講義［M］．上海:上海科學出版社，2005．

［3］曾謹言．量子力學卷1．［M］．北京:科學出版社，2006．

篇7

一相對論、宇宙學和量子引力哲學概要

巴特菲爾德在引言中指出，數學的相對論者在不斷深化我們對廣義相對論基礎的理解。大衛•馬拉蒙特的“經典相對論”［1］一文就明顯具有這樣的特點，并不討論經典相對論的歷史發展及其實驗依據，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構以及相對論引發的一些基礎問題進行了分析和討論。首先從描述相對時空的結構開始，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為一個平滑的連續的四維流形，gab是M中的一個平滑的半黎曼度規。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事件的流形，而gab的解釋則關乎四個物理學解釋性原理，由點粒子和光線的行為決定，由此把引力和時空幾何效應等同起來。當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。馬拉蒙特詳細地描述了gab的解釋性原理和限定條件。在此基礎上分析了本征時間、某一點的空間時間分解及粒子動力學、物質場、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容。經典相對論中所有發生的事件都可以用物質場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相關的能量－動量場，時空的彎曲受物質分布的影響，任意區域的時空度規和物質場會發生動力學相互作用，遵循愛因斯坦方程。在專題討論部分，關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準關系選擇的特定背景;關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行了結構上的對比;關于時空的整體“因果結構”，關注了什么程度上時空的整體幾何結構能夠從其“因果結構”中得到。“宇宙哲學中的問題”［2］的作者是喬治•F．R．埃利斯。宇宙學哲學的部分在書中起著承上啟下的作用，因為一方面，宇宙學哲學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決定的思想，用廣義相對論描述宇宙遠古時期之后的演化;另一方面，由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物質高密度狀態下無法忽略引力問題，因而無法避免引力理論。總的來說，整篇文章把當代宇宙學看作是觀測宇宙學、物理宇宙學、天文宇宙學與各種形式的量子宇宙學共生共長、互惠互補的綜合理論系統，想要給出一個“描繪真實宇宙起源和演化的理論”。主要內容分為兩大部分，第一部分為宇宙學概論，包括基本理論、熱大爆炸、宇宙觀測、因果和可視世界、理論的發展、暴脹、極早期宇宙、一致性模型等內容，并澄清了關于宇宙暴脹和超光速等問題的一些誤解。在埃利斯看來，“宇宙學正在由一種猜測性的事業向真正的科學轉變，這不僅帶來了與科學革命相近的多種哲學問題，也使得其他哲學問題更加緊迫，例如關于宇宙學中的說明和方法等問題。”因此文章第二部分進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、宇宙學明確的哲學基礎、有關人類的問題:生命的精細調節、多元宇宙存在的可能性和存在的本質等九大問題。在此過程中，埃利斯提出了34個論點，關涉到這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。這些論述關乎幾何學、物理學和哲學，它們構成了宇宙學面面臨的哲學問題的環境及其與局域物理學之間的關系。埃利斯期望通過這一系列討論改變人們認為宇宙學只不過是確定一些物理參數的簡單看法。“量子引力”［3］一文的作者是卡羅爾•羅韋利，內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”。期間出現的第一種方法是羅森菲爾德等人的“協變化”方法，通過引入一個虛構的“平坦空間”來考慮周圍度規的微小漲落，并且運用電磁場中的方法來對這些波進行量子化;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，而不只是量子化其圍繞平坦空間的線性化函數;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變化方法發展起來的弦理論和基于正則化方法發展起來的圈量子引力理論以及它們之間的爭論。第二，關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驗數據的缺乏和對引力是否應當量子化的思索。分析了當前量子引力研究中的各種態度以及科學知識的累積性和科學哲學的影響。第三，空間和時間的本質，包括廣義相對論的物理意義、背景無關性、時間的本質等。第四，與其他未決問題之間的關系，包括統一、量子引力學的解釋宇宙學常數、量子宇宙學等等。這些章節的詳細內容不是本文的重點，我們想要做的，是分析作者的研究方式所代表的當代物理學哲學研究的視野和方法的轉變。本書的研究方式明顯地具有兩個特征:第一個特征關乎物理學概念的解釋:物理學的概念解釋脫離不開數學形式化下的整體系統;第二個特征關乎新的物理學理論的理解:在理論的發展中處處顯示物理學和形而上學的交織統一。這兩個特征與這些物理學研究領域實驗檢驗的缺乏以及理論構造的特征密切相關。

二物理學概念解釋的新特征:數學形式化整體系統中的關聯解釋

巴特菲爾德相信當前基本物理學中的基礎問題會為物理學哲學提供從最為有趣且最為重要的問題，而我們關注的是本書處理這些基礎問題的方式。雖然從章節上來看，物理哲學的論題被劃分為若干個領域，但從內容上，完全可以看到作者的用心，站在當代數學物理學發展的高度用整體微分幾何等數學語言對物理學系統進行重新形式化和解釋，每一章節的緊密聯系使得物理學作為一個整體系統得以呈現。其中對每一個物理概念解釋的細節，正是物理學哲學追求的基礎問題的答案。可以說，概念解釋居于本書的核心地位，物理學哲學解釋問題的最重要的方式就是處理當代物理學中的概念和解釋問題。

(一)物理學概念的解釋:我們理解世界的基礎

物理學的發展時時刻刻影響著人們對世界的理解方式，其途徑就是物理學概念的解釋。經典物理學、相對論和量子力學曾極大地改變我們對世界的看法，它們在經驗上的有效性曾經強化過我們對科學理論客觀性和真理性的觀點，也曾讓很多物理學家追求理論的實用性而認為有些基礎性的問題毫無意義。但當前宇宙學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的不相容性的時候，從廣義相對論以來的一些基礎性問題和哲學問題得以重新復興。相對論為我們宇宙的時空結構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域。而我們對時空的理解涉及整體時空結構和愛因斯坦方程的約束條件等等。宇宙學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行描述的場理論，那么真正的空間和時間的本質又是如何呢?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、量子力學基礎問題，比如測量問題、波函數的塌縮問題等。現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展，比如惠勒－德維特方程和宇宙波函數思想、來自弦論思想的高維時空方法，或者圈量子引力的應用等。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標準模型等很多結構，而這些基礎本身也是需要解釋的。可以說，我們理解世界的基礎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:數學形式化下整體系統中的關聯解釋

巴特菲爾德在經典力學的辛約化中指出，經典力學的核心理論原理已經被歐拉、拉格朗日、哈密頓和雅可比等改寫，“我們已經認不出來了，因此對它們的哲學反思也發生了變化。”因此引入辛幾何、李代數等語言對理論進行形式化，旨在利用辛約化理論使連續對稱和守恒量之間產生聯系的特征，從理論結構上顯現經典力學與量子物理學的聯系，這是運用數學形式化系統展現物理學理論的對稱性本質。相對論、宇宙學和量子引力哲學部分，情況也是如此。整本書是站在當代數學發展的高度，運用拓撲學、群理論和微分幾何等重新形式化物理學的整個體系，并對其概念進行剖析的一個過程。而對基本問題的理解，則建立在概念剖析的基礎之上。在這些文章中，理論發展的歷史狀況和實驗成果，只是系統闡釋整個理論概念和解釋的背景而已。作者們的重點則放在用數學領域的發展和物理學理論形式化的訴求，促進對物理學理論結構的探索，進而把論題轉化為對其哲學問題的探討。理論的形式化體系、概念結構和物理學解釋是有機地結合在一起的。在牛頓引力的幾何化中，也是站在當代物理學和數學發展的高度，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學結構，正是在這個意義上，才能夠好地發現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別的。在這個形式化的整體系統中，對于物理概念的解釋不再是孤立的解釋，而是站在理論的數學結構的高度，成為一個整體系統中的關聯解釋。這在很大程度上突出了物理學哲學中語義分析方法的重要性，因為沒有完全獨立的概念，物理學的概念定義之間互相依賴，只有在一個系統的語義結構中才能理解概念的意義。如普斯洛斯在這套愛思唯爾哲學手冊的《一般科學哲學》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聯。”［4］

(三)舊概念重新解釋的意義:還原理論創立過

程中概念選擇的特定背景在物理學的發展中，每一次理論創新和進步都伴隨著新概念的提出或舊概念的重新解釋，站在理論發展的角度考慮，這樣的解釋會讓我們更好地理解物理學理論的提出、發展和變遷的合理性。比如蒙特在經典相對論一文中對閔可夫斯基時空環境下相對同時性關系的重新考慮。蒙特指出，當相對于一個四維速度矢量將一點上的矢量分解為“時間”和“空間”分量進行討論時，我們理所當然地相信包含正交性的相對同時性的標準認同。在解釋這種認同的理由時，根據方便在閔可夫斯基時空結構即狹義相對論體系下進行分析。他援引霍華德•斯坦的論述，指出采用相對同時性的標準(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構不變性的論述時，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準關系的實質，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有著重要的意義。

(四)新理論的概念澄清:科學進步的必然現象

物理學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的探索，它引導我們重新思考關于時間、空間、“在某處”、運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立于物質運動的絕對空間和時間的理解。量子力學則用我們關于運動的一般性理論替代了經典力學，并改變了物質、場和因果性的觀念。但量子力學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為一個經典決定論的動力學場，無法處理小尺度引力的量子特性。因此，想要把二者進行結合的量子引力就遇到了困難。正因為如此，羅韋利直言盡管基礎物理學在經驗上有效，但它正處于一種深刻的概念混亂的狀態。雖然20世紀后半葉，物理學注重實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、成就、具體結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構，其代價之一是放棄廣義相對論的廣義協變性。圈量子引力植根于描述廣義相對論的協變性，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對象是在空間中局域化的且在時空中演化的概念。可以看出的是，新理論澄清概念的過程是科學理論進步的必然現象，而這一過程是通過分析在描述世界結構時所產生的概念上的困難來對以往科學的研究框架予以質疑或辯護，這涉及的是對世界本質更深刻的哲學和形而上的思考。

篇8

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場理論的建立，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觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當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經建成，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、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，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，科學實驗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現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，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。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤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，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，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認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后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，今后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，由于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釋的，但是這些矛盾并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，現代物理學并無“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。

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，但是這些矛盾并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，現代物理學并無“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：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。

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，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。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果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，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生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于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。

我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“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。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。

這正是統計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，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；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”；目前有一些物理學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“超統一理論”，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”是基于他的“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。我對此有不同的觀點，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。因為“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，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認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。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[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？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學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，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

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

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，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）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋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。愛因勞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]，他規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變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么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，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空。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際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實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遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于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＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（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獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，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結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從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，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規范粒子（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。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，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動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“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，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

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，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（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＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（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（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從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，并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）與運動能量、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。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，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系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。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義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。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考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學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）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。

篇9

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場理論的建立，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觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當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經建成，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、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，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，科學實驗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現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，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。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤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，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，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認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后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，今后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，由于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釋的，但是這些矛盾并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，現代物理學并無“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。

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，但是這些矛盾并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，現代物理學并無“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：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。

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，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。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果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，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生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于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。

我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“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。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。

這正是統計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，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；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”；目前有一些物理學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“超統一理論”，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”是基于他的“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。我對此有不同的觀點，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。因為“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，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認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。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[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？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學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，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

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

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，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）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋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。愛因勞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]，他規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變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么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，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空。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際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實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遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于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＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（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獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，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結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從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，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規范粒子（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。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，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動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“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，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

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，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（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＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（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（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從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，并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）與運動能量、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。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，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系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。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義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。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考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學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）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。

篇10

把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，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認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后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，今后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，由于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釋的，但是這些矛盾并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，現代物理學并無“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。

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，但是這些矛盾并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，現代物理學并無“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：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。

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，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。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果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，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生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于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。

我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“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。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。

這正是統計物理學研究的主

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，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；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”；目前有一些物理學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“超統一理論”，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”是基于他的“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。我對此有不同的觀點，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。因為“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，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認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。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[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？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學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，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

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

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，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）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋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。愛因勞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]，他規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變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么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，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空。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際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實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遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于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＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（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獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，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結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從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，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規范粒子（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。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，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動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“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，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

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，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（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＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（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（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從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，并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）與運動能量、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。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，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系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。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義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。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考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學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）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控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）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論

篇11

范拉姆斯東克和他的同事們認為，物理學如不能解釋時空是如何以及從哪里產生的，它的任務就不算完成。時空可能從某種更基本的東西產生，這種東西尚未命名，至少需要構造一個像“全息”那樣大膽的概念。他們認為，這種從根本上對現實的重新定義，是解釋黑洞核心那個無限致密的“奇點”怎樣扭曲了時空構造的唯一方式，這超越了所有的認知。或者說，研究人員怎樣才能把原子尺度的量子理論和行星尺度的廣義相對論統一起來，有一個東西長期阻礙了理論學家的構建工作。

“所有的經驗都告訴我們，我們對現實不該有兩種顯著不同的構想，它必然是一個龐大的包含所有的理論。”美國賓夕法尼亞大學物理學家阿貝?阿什特卡說。

找到一個龐大的理論是一項艱巨挑戰。為此，《自然》雜志探索了現代幾種較有前途的前進路線――一些新興的觀點以及對它們的檢驗。

熱力學萬有引力

人們可能會問的一個最明顯的問題是，這種努力是否徒勞？是否真的有某種東西比時空更基本？證據何在？一個令人興奮的線索來自上世紀70年代早期取得的一系列不尋常的發現。當時，量子力學和萬有引力與熱動力學開始緊密結合在一起，這一趨勢日益明顯。

1974年，英國劍橋大學的斯蒂芬?霍金證明，黑洞周圍空間存在著量子效應，這使得黑洞向外發出輻射，就好像它很熱一樣。其他物理學家也很快得出結論，這種現象在宇宙中其實相當普遍。即使在真空里，正在加速的宇航員會感到他自己像是被包圍在熱水浴中。雖然對目前火箭可達到的加速而言，這種效應太微弱了而無法被覺察到，但這或許是個基本原理。如果量子理論和廣義相對論是正確的――這二者都已被眾多實驗所證實――那霍金輻射的存在似乎是理所當然。

第二個重要發現也與此密切相關。根據標準熱力學理論，一個物體要輻射出熱量必須降低熵值，這也是檢測其內部量子狀態的一種數量方法。所以黑洞也是如此：甚至早在霍金1974年發表其論文之前，現在以色列耶路撒冷希伯來大學任職的雅各布?貝肯斯坦就曾證明了黑洞擁有熵值。但二者之間還是有差異的。對于大部分物體來說，它們的熵與物體所含原子數目成比例，也就是和體積成比例；但黑洞的熵卻與其事件視界的表面積成比例。事件視界是光無法逃逸的界限，這就好像黑洞的表面是其內部信息的某種編碼，正像以二維全息編碼的形式來表現三維圖像那樣。

1995年，美國馬里蘭大學物理學家泰德?雅各布森將二者的發現結合起來提出一種假設：空間中的每個點上都有一個微小的“黑洞視界”，并服從熵與面積關系。結果他發現，這樣在數學上就變成了愛因斯坦的廣義相對論方程――只用了熱力學概念，而沒有用時空彎曲理論。

“這好像涉及某種深入萬有引力起源的東西。”雅各布森說。尤其是，熱力學定律的本質是一種統計表現，即大量原子和分子運動在宏觀上的平均，所以該計算結果也意味著，萬有引力也是統計上的表現，是對時空的某種看不見的成分的一種宏觀近似。

2010年，荷蘭阿姆斯特丹大學的弦理論學家埃里克?韋林德證明了時空成分的統計熱力學――無論它們最終是什么，都會自動產生牛頓的萬有引力定律。

而在另一項獨立研究中，印度浦那校際中心天文與天體物理學中心的宇宙學家薩努?帕德曼納班指出，愛因斯坦方程可以改寫成另一種等同于熱力學定律的形式――就像萬有引力的許多其他替換理論一樣。帕德曼納班最近正在擴展熱力學方法，試圖以此解釋暗能量的起源及其在宇宙中的量級。暗能量是推動宇宙加速膨脹的一種神秘力量。

要想用實驗來驗證這些想法是非常困難的。就好像水看起來是光滑完美的流體，但如果用顯微鏡深入觀察到能看見水分子的程度，也就是不到1納米，情況就會完全不同。據此人們估計，時空雖然看起來是連續的，但如果小到普朗克級別，大致是10的負35次方米，比一個質子還小約20個數量級，情況也可能完全不同。

但這并非不可能。人們經常提到一種方法可以檢驗時空的結構是否為離散的，就是尋找高能光子延遲。在遙遠的宇宙角落，由某個宇宙事件（比如超新星爆發）拋射出大量γ射線，這些高能光子到達地球可能會產生時間上的延遲。事實上，這些波長最短的光子能感覺到它們所穿越的太空旅途是由某種微小的、崎嶇不平的成分構成，正是這種崎嶇不平略微延緩了它們的行程。

2013年4月，意大利羅馬大學量子-引力研究員喬瓦尼?阿麥利諾-卡梅利亞和同事在一次γ射線爆發記錄中，發現了這種光子延遲的線索。阿麥利諾-卡梅利亞說，這些結果還不是最后定論，他們打算進一步擴展研究，觀察宇宙事件中產生的高能中微子的旅行時間。他說，如果這些理論無法被檢驗，“那么對于我來說，它們就不是科學，而是，我對此并無興趣。”

其他物理學家也在尋求實驗的證明。比如在2012年，奧地利維也納大學和英國倫敦帝國學院的科學家提出了一項“桌面實驗”，實驗中用到一種能在激光驅動下來回運動的顯微鏡。他們認為，當光從鏡面反射時，普朗克尺度的時空間隔會產生能探測得到的變化。

圈量子引力

即使這種理論是正確的，從熱力學的角度來看，時空的基本構成也可能什么都不是。姑且這么說，如果時空由某種東西編織而成的，那織造它的“線”又是什么？

目前一個還算實際的答案就是圈量子引力（loop quantum gravity）理論。該理論是上世紀80年代中期由阿什特卡等人發展而來，將時空構造描述為就像一張展開的蜘蛛網，網線上攜帶著它們所通過區域的量子化的面積和體積信息。每根網線的末端最終一定會連在一起而形成圈狀――正如該理論的名字――但這與更著名的弦理論的“弦”沒什么關系。弦理論的“弦”在時空中來回運動，而圈量子引力的“網線”則構成了時空本身：它們攜帶的信息定義了周圍時空構造的形狀。

由于這種圈是量子的，所以該理論也定義了一個最小面積單位，非常類似于在普通量子力學中，對氫原子一個電子的最小基本能量態的定義。這種面積量子是大約一個普朗克單位那么大的一個面。要想再插入一根面積更小的“線”，它就會跟其余的“網線”斷開。它不能與任何其他東西連接，只好從時空中退出。

定義了最小面積帶來了一個令人欣慰的結果，就是圈量子引力不能被無限擠壓到一個無限小的點。這意味著在大爆炸瞬間以及在黑洞中心，它不會產生那種打破愛因斯坦廣義相對論方程的奇點。

2006年，阿什特卡和同事報告他們利用這一優勢進行了一系列模擬，他們用愛因斯坦方程的圈量子引力版本反演了時鐘倒轉，以可視化形式展示了大爆炸之前發生了什么：宇宙如預期那樣反向演化，回溯到大爆炸時。但在它接近由圈量子引力決定的基本大小極限時，一股斥力進入奇點迫使其打開，成為一個隧道，通向另一個先于我們宇宙之前而存在的宇宙。

今年，烏拉圭大學物理學家魯道夫?甘比尼和美國路易斯安那大學的喬奇?普林也報告了相似的黑洞模擬。他們發現，當一個觀察者深入到黑洞核心時，遭遇到的不是奇點，而是一條狹窄的時空隧道，通向空間的另一部分。

“排除了奇點問題是一項重大成就。”阿什特卡說，他正和其他研究人員一起辨認那些留在宇宙微波背景上的特征標志。宇宙微波背景是宇宙在嬰兒時期迅速膨脹殘留的輻射。那些標志則可能是由一次反彈留下來的，而不是爆炸。

圈量子引力論還不是一個圓滿統一的理論，因為它沒有包括任何其他的力，而且物理學家們也還沒能說明，正常時空是怎樣從這種信息網中出現的。對此，德國馬克思?普朗克萬有引力物理學研究所的丹尼爾?奧利提希望在凝聚體物理學中尋找靈感。他在物質的過渡階段生成了一種奇異相態，這種相態可以用量子場論來描述。宇宙可能也經過類似的變化階段，奧利提和同事正在尋找公式來描述這一過程：宇宙怎樣從一系列離散的圈過渡到光滑而連續的時空。“我們的研究還處在初期階段，還很困難。我們就像是魚，游在難以理解的時間之流的最上游。”奧利提說。探索的艱難使一些研究人員轉而追求另一種更抽象的過程，由此提出了著名的因果集合論（causal set theory）。

因果集合論

因果集合論由加拿大周界研究所物理學家拉斐爾?索爾金創立。該理論提出，構成時空的“基本之磚”是簡單的數學上的點，各點之間由關系（links）連接，每個關系指示著從過去到未來。這種關系是因果性表現的本質，意味著前一個點會影響后一個點，但反過來不行。最終的因果網就像一棵不斷生長的樹，逐漸形成了時空。“你可以想象為，時空是由于這些點而出現的，就像溫度是由于原子而出現的那樣。”索爾金說，“但要問‘一個原子的溫度是多少？’是沒有意義的，要有一個整體的概念才有意義。”

上世紀80年代末時，索爾金用這一框架估算了可見宇宙可能包含的點的數量，推導出它們應該能產生一種小的內在能量，從而推動宇宙加速膨脹。幾年后，人們發現宇宙中存在一種暗能量，證實了他的猜想。“通常人們認為，從量子引力做出的預測是不可檢驗的，但這種情況卻可以。”倫敦帝國學院量子引力研究員喬?漢森說，“如果暗能量的值更大，或是零，因果集合論就成為不可能。”

雖然很難找到支持證據，因果集合論還是提供了其他一些可檢驗的預測，一些物理學家利用計算機模擬得到了更多結果。其中一種理論觀點可追溯到上世紀90年代初，大致上認為，普通時空由某種未知的基本成分構成，這些成分是微小的塊體，淹沒在混亂的量子漲落的海洋中，隨后這些時空塊自發地黏合在一起而形成更大的結構。

最早的研究是較令人失望的，荷蘭內梅亨大學物理學家雷內特?羅爾說。時空的“基本之磚”是一種簡單的超級金字塔，即三維四面體的四維形式。通過模擬的黏合規則讓它們自由結合，結果就成了一系列奇幻的“宇宙”，有的有太多維度而有的太少，它們自己會折疊起來或破成碎片。“就像是一場自由混戰，任何東西無法恢復原狀，類似于我們周圍所看到的一切。”羅爾說。

但是，像索爾金、羅爾他們的發現增加了改變一切的因果性。畢竟時間維度與三維的空間維度不同，羅爾說，“我們不能在時間中來回旅行。”所以她的研究小組對模擬做了改變，以保證后果不會跑到原因的前面。然后他們發現，時空小塊開始持續地自行組裝，成為光滑的四維宇宙，其性質正和我們所在的宇宙類似。

有趣的是，這一模擬還暗示了在大爆炸之后不久，宇宙在嬰兒期時只有二個維度：一維空間和一維時間。還有其他嘗試推導量子引力方程的實驗也得到了同樣預測，甚至還有人提出，暗能量的出現是我們的宇宙正在發展出第四空間維度的一個信號。其他人還證明了，在宇宙早期的二維階段可能形成一些花紋，類似于我們在宇宙微波背景上所看到的那樣。

全息論

篇12

夸克理論和標準模型

構成自然界的基本組元有夸克和輕子；夸克和輕子被認為是物質世界，包括人類自身的最小構成元素。由夸克和輕子作為物質的基本組元而建立的粒子物理標準模型取得了極大的成功，堪稱20世紀物理學最重大的成就之一。

“夸克(quark)”一詞是由美國人默里?蓋爾曼改編自詹姆斯?喬斯的小說《芬尼根守靈夜》中的詩句：“三個夸克才頂得上一個馬克”。1962年，他仿佛教八正道提出了粒子分類的“八重法”，把全部粒子歸劃為簡單有序的族類系統，成為粒子系統的“元素周期表”，1964年建立了關于強子結構的夸克模型，提出了中子、質子這一類強子是由更基本的單元――夸克組成的。這位粒子及其相互作用分類的創立者，獲1969年物理學獎。。

夸克理論認為，所有的重子(如質子、中子)都是由三個夸克組成的，反重子則是由三個相應的反夸克組成的。電子和中微子是最輕的輕子。夸克是具有分數電荷，是電子電量的2/3或-1/3倍。最初解釋強相互作用粒子的理論需要三種夸克，分別是上夸克、下夸克和奇異夸克。1974年發現了J／ψ粒子，要求引入第4種夸克――粲夸克。1975年發現了T粒子，要求引入第5種夸克――底夸克。1995年美國費米實驗室宣布發現發現第6種夸克一頂夸克，人們相信這是最后一種夸克。頂、底、奇、粲夸克由于質量太大，很短的時間內就會衰變成上夸克或下夸克。

諾貝爾獎與標準模型

探索微觀世界奧秘的粒子物理學創建了夸克理論和標準模型，成為獲得諾貝爾物理學獎最多的學科一竟占到全部獎項的四分之一。

英國人狄拉克1928年把愛因斯坦相對論引入量子力學，創立了電子波動方程，1930年提出空穴理論，預言正電子的存在，獲1933年獎。

美國人維格納1928年提出宇稱守恒原理，1936年提出中子吸收理論和核力的概念，獲1963年獎。

美國人鮑林(1954年化學獎得主)1936年研究衰變的B能譜，提出中微子假設。

美籍意大利人費米1933年提出原子核B衰變理論，首先描述了弱相互作用，獲1933年獎。

日本人湯川秀樹根據中國道家思想提出傳遞核力的介子理論，認為核力是由于核子之間交換某種粒子(介子)而產生的，獲1935年獎，。

英國人鮑威爾根據湯川的預言，在宇宙線中發現了π介子的存在，獲1950年獎。

美國人施溫格、費恩曼和日本人朝永振一郎將量子電動力學中出現的無窮大歸并入物理質量和物理電荷中，提出重正化方案，使其愛因斯坦狹義相對論完全符合，獲1965年獎。

美國人萊因斯1955年在實驗中首次發現了中微子，證實了鮑林的預言；佩爾1974年發現了一種比電子重3700倍，帶負電的重輕子一t輕子。他們的發現證明，自然界存在著第三代夸克和輕子，獲1995年獎。

美籍華人李政道和楊振寧1956年提出θ介子和t介子實際上是同一種K介子，并推導出弱相互作用中宇稱不守恒定律，獲1957年獎。1965年獎得主施溫格1957年提出弱相互作用是由光子和兩個矢量玻色子傳遞的。

美籍華人丁肇中和美國人里克特1974年同時發現了J／ψ粒子，為具有粲(charm)特性的第4種夸克，獲1976年獎。

美國人弗里德曼、肯德爾和加拿大人泰勒1968年用電子一質子非彈性散射實驗，首次證實了夸克的存在，獲1990年獎。

美國人格拉肖、溫伯格和巴基斯坦人薩拉姆1970年提出弱電相互作用理論及模型，獲1979年獎。他們為實現愛因斯坦設想的自然界中存在的4種基本力(引力、電磁力、強相互作用力、弱相互作用力)的統一場理論邁出了重要一步。

荷蘭人范德梅爾和意大利人魯比亞1984年1月用自己設計的高能物理加速器，發現了傳遞場粒子w±Z°，從而最終驗證了弱電統一場理論，獲1984年獎。

美國人克羅寧和菲奇1964年從長壽命的K°介子的衰變實驗中發現CP不守恒的事例，獲1980年獎。這個發現意味著時間反演、物質與反物質在微觀過程是不對稱的，可以解釋宇宙形成極早期粒子生成這個懸而未決的問題。

荷蘭人霍夫特1971年證明無質量的規范場的量子化方法，可以直接推廣到有自發破缺機制的情況，這對弱電理論的量子化至關重要；霍夫特與其師韋爾特曼1972年提出弱電統一理論的量子結構，證明弱電統一理論可重正化，從而為建立包括強、弱電相互作用理論的標準模型奠定了基礎。師徒二人因此榮膺了1999年獎。

美國人格羅斯、維爾切克和波利策1973年提出粒子相互作用的“漸近自由”理論：強作用力會隨夸克彼此距離增大而增大，因此沒有夸克可以從原子核里外遷的自由；強作用力會隨夸克的距離變小而減弱，這就意味著約束在原子內部的夸克，可以自由的運動。夸克漸近自由的發現，確立了粒子物理學的標準模型，獲2004年獎。

標準模型不是終結

“標準模型”是目前描述粒子之間相互作用的最佳理論。標準模型的主要內容有以下幾點：物質的基本組成單元是三代帶色夸克和三代輕子，它們之間作用著四種基本相

互作用一強相互作用，電磁相互作用、弱相互作用和引力相互作用。除了可以忽略的引力作用外，其他三種作用的媒介場都是規范場。傳遞強相互作用的是膠子，傳遞電磁相互作用的是光子，傳遞弱相互作用的是中間玻色子w+、w-和Z°。在現有實驗條件下，標準模型能解釋粒子世界的主要規律，而且提出了一系列重要預言，有待進一步探索求證。

標準模型是將自然界4種基本力中的3種以及所有物質的基本粒子都統一到一套理論之中，非常成功的理論，但可能不是粒子物理學的最終理論。

標準模型中至少包括19個待定參數，像粒子的質量、相互作常數及混合角等。這些參數該取多大值，不能從基本原理中推導出來，而必須徑由實驗數據來確定，這就使理論的簡潔性、確定性和預言能力大打折扣，難以其他物理基本理論媲美。此外，標準模型中還有許多有待進一步確認的問題。

標準模型有個致命缺陷，那就是無法解釋物質質量的來源。有科學家認為，其中奧妙可能在于自發對稱性破缺機制。根據有關理論，在宇宙大爆炸時存在一種處于完全對稱狀態的“希格斯場”，其中所有粒子都不存在質量。但“希格斯場”就像筆尖直立的鉛筆一樣并不穩定，隨著宇宙逐漸冷卻，它的對稱性被破壞，一些基本粒子在這一過程中產生不同的質量。誰來解決標準模型的致命缺陷呢?2008年獎的獲得者回答了這一問題。

闡明“對稱破缺”的真諦

南部陽一郎因發現亞原子物理學的自發性對稱破缺機制而獲獎。所謂自發對稱性破缺，是指一個物理系統的拉格朗日量(概括整個系統動力狀態的函數)具有某種對稱性，而基態(系統的最低能階)卻不具有該對稱性。他的理論涉及廣泛領域，今年9月歐洲核子研究中心啟動“大型強子對撞機”實驗，就和自發對稱破缺機制密切相關，其基本理論模型―“標準模型”就包括南部的研究，對撞機實驗的主要目的是尋找質量的起源。“真空”并不完全是空的，有人假設其中存在著一種叫玻色子的粒子。根據自發性對稱破缺機制真空中有并非玻色子的物質，它和粒子發生作用產生了質量。因此南部的研究奠定了“對稱破缺”理論基礎。

什么是“對稱破缺”呢?瑞典皇家科學院用一個形象的類比來解釋什么是自發對稱性破缺：一支以筆尖直立于水平面上的鉛筆，可以被看成是完全對稱的，任何方向對它來說都沒有區別；但如果這支鉛筆倒在水平面上，它的對稱性就被“打破”了，而它也同時達到了自己的基態或者說最低能階，此時它的狀態最為穩定。諾貝爾獎評委拉斯?布林克用一只普通的橘子深入淺出的解釋了這三位科學家的重要成就世界萬物并不存在完美的對稱，就像看上去對稱的橘子在顯微鏡下會呈現出對稱性的偏離。

自發對稱性破缺的概念最早出現在凝聚態物理中，20世紀60年代被南部陽一郎引入量子場論。他的理論某種程度上揭示出在大自然混亂的表面下所隱藏著的對稱性。目前，有關基本粒子物理學標準模型的所有理論中，幾乎都滲入了南部的成果。

我們的世界并非以一種完美對稱的方式運行，這歸因于微觀層面上對稱性的“偏離”。早在1960年，南部就給出了基礎粒子物理中的對稱性自發破缺的數學描繪。根據他的有關理論，大自然顯然很混亂的表面下隱藏著秩序。目前，有關基本粒子物理學標準模型的所有理論中，幾乎都滲入了南部的成果。標準模型將自然界4種基本力中的3種以及組成所有物質的基本粒子都統一到一套理論之中。

南部所研究的對稱性自發破缺與小林、益川所描述的對稱性破缺存在不同。這些自發事件看起來在宇宙開始出現就存在，當這一現象1964年首次出現在小林、益川的粒子實驗時，人們對此感到非常震驚。小林和益川于1972年在標準模型的框架下，就特定對稱性破缺的起源給出了解釋。但根據他們的預言，標準模型中必須包括一些當時還未發現的夸克。他們在標準模型的框架下對對稱破缺進行了解釋，但是需要將模型擴展至三個夸克家族。他們所預言的這些夸克最近才在物理實驗中出現。2001年和2004年，美國斯坦福實驗室和日本高能加速器研究機構的粒子探測器分別獨立實現了對稱性破缺。“結果與小林、益川30年前的預測一致，”諾貝爾委員會的評語特意點出。

3名物理學家分別在上世紀60年代和70年代通過數學模型“預言”了量子世界自發性對稱破缺現象的存在機制和根源。然而，這些預言直到本世紀初才能通過高能粒子實驗驗證。今年9月11日啟動的世界最大強子對撞機探索的粒子世界正是這些科學家的“領地”。南部因發現亞原子物理學中的自發性對稱破缺機制而獲獎；小林和益川則因有關對稱性破缺起源的發現而獲獎。

對稱破缺是量子場論的重要概念，對探索宇宙的本原有重要意義。它包含“自發對稱破缺”和“動力學對稱破缺”兩種情形。

根據已知理論，大約137億年前，宇宙在“大爆炸”中誕生。之后，夸克、電子等粒子和同樣數量質量但電荷相反的反粒子構成物質。粒子和反粒子一旦碰撞，將在釋出光后“同歸于盡”。因此，如果兩者始終并存，宇宙中的物質最終將消失殆盡，但是，現在的宇宙中只有粒子“幸存”，沒有發現反粒子。

科學家認為，反粒子幸存率不如粒子，是因為除電荷相反外，還存在其他微小的差異，這種粒子和反粒子的性質差異被稱為“自發對稱破缺”，它的機制是亞原子物理學的一大謎團。因此，南部對自發性對稱破機制的研究奠定了亞原子物理學的“標準理論”基礎。對稱破缺產生根源是什么昵?小林和益川1972年，解釋了對稱破缺的起源。

預言六種夸克的存在

南部對自發性對稱破缺機制的研究奠定了亞原子物理學的“標準理論”基礎。

“早在1960年，南部陽就闡明了基本粒子物理中自發對稱破缺的數學描述。”瑞典皇家科學院在授獎評語寫道，“自發對稱破缺機制隱藏著表面上雜亂無序的自然秩序。它被證明極其有用，南部的理論奠定了基本粒子物理學的標準模型。這一模型融合了所有物質最微小的組成部分，使4種自然力量即電磁力、強核力、弱核力和引力中的3種在同一理論中得到解釋。”

小林和益川的貢獻體現在他們“在標準模型的框架內解釋了對稱破缺機制”，并據此“預言”了3種夸克的存在。他們早在1973年就提出了“小林一益川理論”，認為造成宇宙中粒子多于反粒子的原因是夸克的反應衰變速率不同。他們還預言存在6種夸克。另外3種夸克分別發現于1974、1977和1995年。

在小林和益川提出預言之初，科學家只發現了3種夸克，因此一直難以證明他們的理論。1995年，6種夸克都被發現。2001年，日

本和美國科學家確認了由夸克構成的正反粒子―B介子和反B介子的“CP對稱性破缺”現象，從而證明了“小林一益川理論”。現在，“小林-益川理論”已得到全球基本粒子物理學家的普遍認可。

授獎評語說，自發對稱破缺似乎早在宇宙誕生時就存在，但直到小林和益川于1964年通過粒子試驗才向世人證實了這一“神秘存在”。“小林一益川理論”也因此成為支撐亞原子物理學標準理論的重要支柱。

探索物質世界存在之謎

現代物理學理論認為，宇宙大爆炸時應產生同等數量的粒子，二者相遇會湮滅，同時釋放能量。如果真如此，整個的物質世界、包括人類自身都將不會存在。

物質為何會多出反物質?對稱性破缺是背后的關鍵原因。據測算，宇宙中物質粒子的數量只要比反物質粒子多出百億分之一，就足以形成我們今天的物質世界。但為什么會出現這種對稱性的微小“偏離”，一直是科學家未能揭開的一個重大謎團。三位獲獎者提出的有關理論，為解釋宇宙的構成提供了重要線索。

到目前為止，人們仍無法解釋一種同類型的對稱破稱，它是140億年前宇宙大爆炸時宇宙起源的幕后力量。如果宇宙大爆炸產生了相同的物質和反物質，它應當互相抵消，但這并沒有發生，每100億個反物質粒子就有一個額外的物質粒子發生了微小的偏移。這種對稱破缺可能是使我們宇宙得以幸存的原因。這究竟是如何發生的仍待探索，也許日內瓦的歐洲核子研究中心的新型粒子加速器將幫助解開這個謎。

標準模型永不終結

幾乎四分之一的諾貝爾獎的研究成果都與粒子物理學標準模型相關。然而標準模型還有許多進一步確認的和尚待探明的問題。例如：

希格斯粒子是否存在?1964年，美國學者希格斯提出用自發破損機制使矢量玻色子獲得質量。盡管希格斯機制是挽救弱電統一理論的關鍵，然而這個理論所預言的“希格斯粒子”至今還沒有找到。也許這就是為什么這位希格斯機制創立者為什么至今還沒獲諾貝爾獎的原因吧!

中微子質量否為零?日本神崗的物理學家已于本世紀初宣布探測到表明中微子質量不等于零的中微子振蕩現象，但還需最后確認。如果中微子質量不是“零”，那么僅從弱相互作用宇稱不守恒就推不出存在右旋中微子的結論，理論上必須作出相應的修正才能說明為什么觀測不到右旋中微子。誰能解決右旋中微子這個難題呢?這個智慧者必定獲諾貝爾獎。

CP破壞的根源是什么?在強相互作用方面，雖然從表面上看，有了量子色動力學就可以解釋夸克的相互作用過程了，但是實際上問題不那么簡單。比如我們知道，夸克總是呆在強子里面，不能獨立存在，所以強子里面的任一個夸克在與外面的其他粒子發生相互作用時，強子里面別的夸克不會一點也不受影響。而恰恰對于這一塊，目前還沒有好的辦法去精確處理。這個精確處理者，必將榮獲諾貝爾獎。

所以，標準模型的建立并不說明粒子物理的研究任務已基本完成，前面還有許多領域等著人們去開拓，比如：

沿著尋找構成物質量基本組分的研究思路，，對于標準模型中的25種粒子(6種輕子，6種夸克，1種光子，3種中間玻色子，8種膠子和1種希格斯粒子)，我們能在更基本組分和更基本過程中統一描述它們的性質嗎還存在其他粒子和相互作用嗎?

電與磁是統一的；電磁與弱力是統一的；那么，弱電磁、強相互作用是否也是統一的?

篇13

主要分兩方面來說明：

1、關于自然宇宙和認知思維

東方宇宙觀的基本要素：宇宙是對立統一的和固有的動態性質看成是一切自然現象和一切人類境遇的本質。包含著時間與變化為其基本特征，認為天地萬物都是宇宙整體中相互依賴不可分割的部份。“對立物是互補的”，古代東方的智慧與現代西方的科學之間多么深刻地和諧一致：近代物理認為對立統一是微觀世界的波和粒子的二重性；光以光子的形式發射或吸收，以電磁波的形式在空間傳播，既是粒子又是波。

系統論的研究方法有力地強調近代物理與東方哲學之間的相似性，不僅在物理學中，而且在生物學、心理學和其他學科中存在著相似。

中國哲學中的“氣”所表達的思想與近代物理學中的“場”極其相似；古代中國哲學認為“空”、“無”或“道”是產生一切有形實體的基礎。“氣”：古代的中國用它來表示生命的氣息；或表示使宇宙具有生氣的能量。武術太極拳流暢的動作的依據也是“氣”的流通。“氣”有節奏地聚和散，產生了一切形體，最終又散歸于“空”。“空”、“無”：不能把“無”當作只是空無一物。相反，它是一切形式的本質，是一切生命的泉源，是一種具有無限創造潛力的“空”。“空”可被感知的表現不是靜止和永久的，而是動態和暫時的。《管子》中說：“虛而無形謂之道”。在量子場論中“場”或者說“氣”，不僅是一切有形物體的潛在本質，而且還以波的形式載帶著它們的相互作用。近代物理學的量子場論的概念為這一古老的問題找到了一種出人意料的答案。近代物理學的主要理論所導致的宇宙觀與中國古代哲理觀點有內在的一致性，并且完全互相協調。

人類精神的兩個方面：一種是理性的能力，一種是直覺的能力。兩者即不同又互補，只有互相補充，才能更全面地認識世界。察知近代物理學的宇宙觀與東方哲理觀點之間深刻地和諧一致，是一個廣泛得多的文化變革中不可缺乏的一部份。

東方哲學的知識嚴格地以經驗為基礎：道家哲學成為中國科學和技術的認知基礎，于是有：“為學日益，為道日損，損之又損，以至于無為”《老子》，“圣人之心靜乎，天地之鑒也，萬物之鏡”、“墮肢體、黜聰明，離形去知，同于大道，此謂坐忘”《莊子》。與之相對立，科學知識嚴格地以實驗為基礎，科學實驗似乎可以在任何時候由任何人來重復；東方哲學的經驗似乎僅限于少數人在特定場合下才能獲得。然而直覺常給科學家以新的領悟，并使之富有創造性，研究工作的理性部分如果得不到直覺的補充將會是難展身手。愛因斯坦廣義相對論的提出，首先通過直覺和領悟，得到天文物理學家愛丁頓對日食的觀察中證實，充分說明了問題。

2、關于天人合一和時空滲透

東方哲學認為：排除世事的騷擾，把自己看作自然界的一物，達到天人合一的境界。近代物理學認為宇宙是一個動態的不可分割的整體，觀察者總是必不可少地包括在這個整體之中。而在量子理論和相對論中這種相似性顯得更明顯了。

“互相滲透的空間和時間”，東方的“時一空”哲學：道家認為，“靜中靜，非真靜，動處靜得來 ，才是性天之真境”、“人法地，地法天，天法道，道法自然”其直覺常常十分接近于近代相對論所含有的自然觀，即空間與時間的統一，意味著物質不能與它的能動性相分離，空間與時間也是相互滲透的。量子場論認為：物質從不靜止，而總是處于一種運動的狀態，一切相互作用都與粒子的產生和消滅有關，粒子與反粒子之間基本對稱性，物質在本質上是永不靜止的，這也是亞原子世界的特點。愛因斯坦的狹義相對論，以物體運動速度不能超過光速為前提，指出時間與空間都不是絕對的，時間與空間不是單獨存在的單位，而是一個因觀測者的情況而不同的連續的時空；時間也不是絕對的，時間的快慢決定于運動的速度。從這一理論中，愛因斯坦得出了質量守恒律E=mc2，這公式最終導致了原子彈的產生。在廣義相對論中提出時間與空間的存在不能獨立于宇宙，也不能相互獨立。從最小的夸克到最大的宇宙，愛因斯坦使我們對世界有了全新的看法，我們的宇宙像一張有了彈性的膜，在某些地方伸展，而另一些地方卷曲。而時間不是絕對的，它的消逝完全取決于我們的運動速度。自然界不是處于一種靜態的平衡，而是處于一種動態的平衡中。近代天文學的重要發現，世界在膨脹，整群的星系在膨脹， 并以非常協調一致的方式在膨脹。宇宙的基本統一性不僅表現在非常小的微觀世界，而且也表現在非常大的宏觀世界里；同時也表現在太極拳的內涵中，以“一動一太極，處處皆太極”、“靜動全身、意在蓄神”、“漸至懂勁，階及神明”，領悟“空”、“意”、“精”、“氣”、“神”以求虛無、松靜、柔化、整合、霹雷的生克轉換，對自身、對手、時際、空間、場合、趨勢等等審時度勢，把握戰機、運用謀略，得心應手地達到“法”、“術”、“道”的最佳耦合，抓住對方的缺陷處，兵貴神速以迅雷不及掩耳之勢，用突發性脈沖波形式將能量從零點驟然升到極大，在不知不覺中以雷霆萬鈞之勢制服對方，達到“出手不見手，出勁不見勁，眼前一片空，轟然如驚雷”的神妙地步，使拳藝漸入“太極”之境，真正獲得養生健身和技擊制敵的精髓。

有機宇宙觀雖在原子和亞原子層次上極為有用，但對于人類尺度上的科學與技術層面來說意義不大，對于建造機械和解決建設、優化生活問題等沒有幫助。東方了解“道”的根本而不是它的枝節，科學家則了解它的枝節，而不是它的根本， 欲使兼而有之并根深葉茂就需要多方面作出努力。

四、繼承弘揚傳統文化，滲透現代科學精粹，創新奮進，中國文化必將再顯輝煌

中國古代自然哲學沒有能產生向近代科學轉化的革命，不管是內在的機制或者是外在的環境因素，都是我們應該正視的問題。弘揚和繼承中華文化，不斷創新推進，在傳統文化哲理的基礎上，循著機械論的自然觀走向近代科學，再將循著現代科學走向新的有機宇宙論，找準傳統文化與現代科學相貫通的脈絡，同步進行科學的現代化和文化的現代化，包括發展武術太極拳。

1、不斷創新

應該說，創新是的本質特征。“創新是一個民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭動力”（）。愛因斯坦“最看不起那些只知夸耀前人而不思進取的人。”樹立全民族的創新意識，對于我們二十一世紀的發展至關重要。武術太極拳走向世界也絕對不能例外。改革與現代化建設一刻不能沒有創新思維，改革已經極大地改變了并正在迅速地深刻地改變著以往阻礙中華民族理性思維發展的那些社會條件，引起思維特征的革命性變革。通過思維特征的革命，我們的民族成為一個崇尚理性的民族之后，一定能使中國的現代化建設進行得更快更好，我們偉大的祖國一定能在新的世紀里再創輝煌，其中包括武術太極拳的發展，實現偉大的復興。世界必須繼承、保存中華文明中的人類學術的傳統；中國更需要弘揚人類的創新精神。

2、一點嘗試

武術太極拳同樣要在繼承、發揚的基礎上結合現代科學的成就和優勢，在傳授培訓方法上、養生健身機理研究上，以及攻防技擊的發展上都應不斷創新、不斷前進。中國科學院武術協會在大力發展太極拳運動的基礎上，運用傳統哲理和現代科學相結合，對太極拳健身機理進行微觀定量測試，以揭開太極拳優化生命質量的奧秘作出一點嘗試，測試發現并證實了許多“陰陽轉化”、“五行相克”、“守中和諧”、“相互依存”、“相互消長”以及與醫學、生命科學的緊密聯系。今舉述一二，以此拋磚引玉。

（1）一對神經與兩個心臟

一對神經，指的是人體植物神經即交感神經與副交感神經。不同于手腳運動，心臟的跳動、肺的呼吸、肝及胃的活動不受人主觀因素控制，服從于植物神經系統的指揮。內臟器官的工作節律是這一系統負責的，它專門控制著人體心率、血壓和呼吸的功能，植物神經分為交感神經和副交感神經（又叫迷走神經）其作用與分工是：

這個系統共同指揮著人體內最基本的生命活動，兩個系統之間的相互制約、相互促進，形成一種動態平衡。

通過初步科學測試，武術太極拳鍛煉者，其心律變異（體現上述兩個系統功能運作的比值 ）較一般其他運動者得到良好比值，甚至達到“七十歲的人，三十歲的心臟”。顯然，這與太極拳“意、氣、神”的鍛煉密不可分，也與醫學上的“情致”攸然有關。緊張、焦慮、抑郁、恐懼這些不良情緒持續發展，就導致植物神經系統處于緊張狀態，形成紊亂，最終失調；功能的改變，導致嚴重疾病，引發甲亢、糖尿糖、神經性皮炎、潰瘍等不同癥狀。另一方面，腦血管、帕金森癥、甲亢、糖尿病等身體癥狀也導致焦慮、抑郁等不良情緒，使病難以診斷或久治不愈。

所說兩個心臟，那就是主循環和微循環。人體是一個復雜而又奇妙的機體，遍布全身的血液是從心臟的舒張、收縮把血液泵到動脈中去，然后再從靜脈回流到心臟，這叫主循環。可是怎么從動脈過渡到靜脈，而又如何將氧氣與養料帶給每個細胞，并將二氧化碳和廢料帶出來的呢？這就要說到微循環了。這也就是人體新陳代謝的內環境，是生命機體的基本保證，即“生命的源泉”。全身微血管長度達96，500公里，相當繞地球一周半，僅靠心臟有限的收縮力難以將血液輸送到每個細胞并帶回二氧化碳和廢料，還必須靠微血管的節律運動（與心跳并不同步），起到了第二項調節供血的輔助作用，成為“第二心臟”，亦即傳統醫學上的氣血運行。

正常情況下，微循環血流量與人體組織器官代謝水平相適應，使人體內各器官生理功能得以正常進行，微循環功能良好就會健康長壽。早衰或患病引起微循環功能障礙，難以滿足組織氧化代謝的需要，造成組織器官功能的不全或衰竭，是許多疾病發生和發展的主要原因。現代醫學證明，人體的衰老、高血壓、糖尿病以及許多心腦血管疾病都與微循環有密切關系，微循環的功能正常與否是人體健康狀態的重要標志。通過科學測試，得知太極拳鍛煉極大地改善了微循環狀態。

正確地把握意念、放松和安定，所謂“松靜平和、意念導引氣血”起到調動微循環的主要效應，有效地改善了人體不同部位的微循環狀態，并有效地改善人體末端微循環狀態，提高人體對外界氣候變化的適應能力，符合醫學中所謂氣血運用，增強營衛的道理。

交感神經和迷走神經，第一心臟和第二心臟各是一對矛盾的兩個方面，是生命結構中相輔相成而又相克相生的“陰”和“陽”，太極拳“陰平陽秘”的鍛煉要領既強化了交感神經、第一心臟的主循環，也調動了迷走神經、第二心臟的微循環，致使肢體神經系統的信息傳遞和每個細胞營養豐富、排泄順暢、氣血調和、生態旺盛，使生命生生不息、頤養天年。

（2）一組腦波和兩個大腦

一組腦波指的是腦電α波與δ波。武術太極拳中的“松靜自然”和中醫養生學的“藥補不如食補，食補不如神補”，使大腦產生一種持久快樂的“內啡肽”物質，即腦內嗎啡。其最有效物質，即β－內啡肽，促進大腦進入α波（α、δ與β、θ波是兩對矛盾的腦電波，即清醒波8－13Hz與睡眠波1－3．5Hz，興奮波14－30 Hz與抑制波4－7 Hz）為主導的同步化有序狀態。通過科學測試，太極拳鍛煉使α波功率增強幾倍，也即大腦活動進入一種高度寧靜的覺醒狀態，對中樞神經系統一種特殊有意識的訓練，有效地解除人體因高節奏工作所引起的緊張狀態。醫學上證明：這種狀態對人體內臟生理機能及免疫功能起到重要促進。我們把這種狀態起名叫它為“太極態”。

人體有兩個大腦：一個在顱內，另一個卻在肚子里，又被稱為“腹部神經系統”，是原始的神經系統的直接產物，只在物種進行的最初階段出現過。但腹部神經系統并沒有消失，留存在某些哺乳動物體內，以幫助母體中胚胎的發育，在某一發育階段，胚胎中會出現兩個腦。起初，兩者的發育是完全獨立的，到后來它們通過獨特的纜索－－迷走神經相連。觀察到兩個腦子在節奏上存在相似之處，一個出了毛病，另一個就受到影響，也跟著出現問題，成相互因果。對于兩神經系統間相互關聯的研究，促成了一門新興學科“神經元胃腸學科”的產生，這一領域的研究目前已取得了重大進展。當頭部大腦遇到危急時，迅速分泌激素，使人體作好應戰或回避的準備；同時胃部的敏感神經也隨著興奮起來，神經與腸道之間存在特殊的聯系，因而有時食不甘味，驚嚇過度或激動萬分時，腹部容易產生痙攣。這個內在聯系即兩個腦子在節奏上存在相似而且相互聯系、相互因果，就像一對連體嬰兒。

武術太極拳鍛煉和傳統醫學中所說的上丹田（在顱內）和下丹田（在腹內），即“神”與“氣”的相互聯系與相互因果關系，拳論上有“氣沉丹田”、“氣宜鼓蕩”、“尾閭中正神貫頂”、“腹內松靜氣騰然”，對頭部和腹部的要求，為兩個腦子的溝通與反饋創造了條件，使大腦對腹腦產生了有效的調節；腹腦也對大腦起到一種功能的反饋，消除了逆向效果：即腸胃部位的不適導致神經衰弱、記憶力減弱和影響睡眠，使大腦處于更加發揮優勢的地位。可以設想，通過傳統醫學的臟腑學說、經絡理論和武術太極拳意、精、氣、神的鍛煉，培養腦的思維能力，使之人類具有兩套思維器官，產生第二智慧，“肚子一鼓，計上心來”，將是對人類智慧的重大突破和飛躍，使中華民族領先進入一個高度智能的新時代。

3、升華文化

東方哲理的體驗對于認識事物最深刻的本質來說是必要的；而現代科學則對于當代生活和社會建設來說是必要的。在宇宙整體中不僅包含著我們的自然環境，而且也包含著人類自己。近代物理學所含有的宇宙觀與我們當前的社會是不協調的，這種社會并沒有反映出我們在自然界中觀察到的那種和諧的相互關系，未來的理論完全可能從它們的匯合中產生。

把世界看作一個整體，而不是相互分離為局部的集合，也即是生態學的世界觀，一種新生的世界觀。認知所有現象之間根本的相互依存，以及個體和社會都包含在自然界周而復始的過程中，由客觀的科學向認知的科學轉變，對認識過程的理解必須被明確地包括在對自然現象的描述中。自然界被看作是相互關聯的動態關系網，它把觀察者作為構成整體所必要的組成部分包括在內，改變構成科學和技術的基礎方法和價值觀的情況下，人類才有可能生存。從主宰和控制包括人類在內的自然界的態度，轉變為一種合作的態度，從認識自然、融入自然、改造自然、回歸自然到人與自然共榮。即一種極為生態學的態度，通過太極拳的發展使人類健康智慧盡享天年。歸于《老子》：“故從事于道者，同于道”和《莊子》：“天地與我并生，萬物與我為一”。遵從自然規律，人隨著“道”而“回歸自然、與之并生”。物理學家們借助于復雜儀器探索著物質，古哲們借助于微妙的沉思探索著精神。物理學家們以微觀圖像相互關聯方式反映著古哲們以宏觀圖像相互關聯方式投身“升華的文化”，使傳統中華文化再現輝煌！

認識到人的意識和它與宇宙其余部分之間的關系，是一切古哲學家體驗的起點，如果物理學家們真想把人類意識的本質納入自己研究的范圍，那么對東方思想的研究完全有可能為科學家們提供起激勵作用的新觀點。