关于物理学的一些思考(1)问题

二十世纪是一个知识大爆炸的时代，物理学理论也在其中得到了暴涨，但爆炸和暴涨并不意味着深刻；能够利用核能发电，并不表明已经知道裂变和聚变的内在机理；把飞行器送到遥远的太阳系之外，也不代表真正懂得了万有引力；发达的计算机网络世界，光纤和芯片中究竟在忙碌着什么？N维空间、上帝的粒子和弦，真的能叩开通向揭示自然真知的大门？实际上，在对许多最基本问题的深层内涵认识上，现代物理学并没有明显超越经典，经典留下的问题，现在仍然还是问题。仅仅限于形式和量化的描述，并不意味着物理学进入真正的理性，只有了解了内在的因果和机理，才是真正的知识。本文以有限的视点，提出一些问题，其中某些或许简单和古老，但却决定着物理学能走多远。 一、两大认识分歧 在对自然的最基本认识上，存在着两种基本的认识分歧： 1、关于宇宙时空观的分歧，即经典的绝对三维平直空间和一维均匀流动时间与二十世纪以来相对论所提出的由物质的分布和相对运动所决定的可变的四维时空之间的分歧 二十世纪以来，相对论得到了广泛的流行和推广，曾被认为从根本上颠覆了经典物理学。但是在事实上，相对论到目前为止仍然只是一个推论，并没有真正经过科学的检验，曾被认为证明相对论正确的水星进动、光线的引力弯曲、谱线红移等，属于弱证，且并非唯一的可以由相对论来解释；而相对论直接导出的黑洞、引力波等具有强逻辑支持的预言，在实测中并未被证实。 相反，通过对已知的150亿光年的宏观范围进行的实际观测，并没有发现时空出现任何真正的变化，时空在任意的方向上都显现出各相同性，目前的物理学和科学理论事实上仍然建立在经典的时空基础上。并且，时间和空间任何一个量的不确定，都会使建立在这个坐标上的所有物理量不可确定，包括光速本身也无法得到确定，这是逻辑。时空观是物理学的基础，应当予以厘清。 2、关于自然是服从确定性的还是服从非确定性的分歧，即经典物理学包括相对论物理学关于自然从根本上服从确定性与以量子论为代表的自然从根本上服从非确定性的认识之间的分歧 在客观证据方面，整个经典物理学定律，也包括二十世纪以来不断丰富的、可被精确量化的各种知识，以及可被复制的和可信的对自然规律的应用，都支持存在着一个由确定性支配的宇宙。但这些来自经验的支持仍然是一种统计意义上的证据，不具有绝对的排他性。在关于自然从根本上服从确定性与非确定性的问题上，对确定性最大的支持来自于逻辑,如果逻辑本身是具有自然属性的，确定性是不可推翻的。但在目前逻辑仍然是一种自明的和好用的哲学思维模式，还不能认为逻辑的就一定是真理的。 支持量子论非确定性的实验基础和理论主要有电磁量子的非连续性、元素衰变的概率性、量子的非因果超距关联性、测不准原理等。确定论目前不能对电磁波的量子性、元素衰变的不可测性以及一些自然的突变过程、自发组织过程等作出确定的因果解释，不能从理论和实验上对非确定性作出绝对的否定；非确定论也不能从理论上或实验中证明无序混沌状态可以合理的产生有序，或仅依据已有的部分有限观测而作出绝对的排除确定性的结论。因此，目前没有足够的理由证明自然从根本上是服从确定性或非确定性，也不存在确定性的终结，需要进一步论证。 时空观决定了物理学和现代科学的基本理论框架基础，确定性与非确定性的问题直接影响现代科学的认识论和方法论的基础，二者都直接影响到物理学和现代科学发展的基本方向，应当作出明确的选择，如果在这个问题上持模糊态度，可能会使整个物理学长期的在误区中徘徊。 二、四个重要的知识断层 人类目前已经能够对从宏观到微观，从宇宙大爆炸起源到150亿年来的演化过程和现状，从亚原子粒子到分子、大分子、生命原质、细胞直至高等生命的物质存在形式和相互关系作出一个大致的、由已知的自然规律进行因果链接的框架概括，但有几个关键的节点尚在已有的知识之外。 1、宇宙起源与奇点 宇宙有没有一个起始，如果没有，为什么观测中的宇宙存在着随着矢量时间顺序的膨胀和演化？如果有，比如大爆炸，奇点之前是一个什么状况，大爆炸的初始能量来自何方？宇宙起源是一个古老的问题，从古希腊泰勒斯的水、赫拉克利特的火、德谟克利特原子，到牛顿的第一推动，乃至大爆炸宇宙理论的提出，创世的问题始终是人类知识的一个因果断点。对这一问题，尽管目前已经提出了一些理论，如涨落理论，或是通过数学的方式对奇点进行消除等，但都没有也不可能得到满意的逻辑结论，或许它不是我们目前物理学、哲学甚至思维能力水平所能够解决的，但这是一个问题。 2、热力学定律与复杂作用之间缺乏理论的连贯 在经验和逻辑上，热力学定律应该是主宰宇宙物质运动的一个最基本法则，但观测宇宙现状则又存在与热力学第二定律不相容的，一是物质的分布处于极端的非均匀性，在微观层次高密凝聚，在宏观层面高密聚集，对此目前只能指出有引力的存在，而未能解释这种反第二定律的反向作用的物质的和物理的本性是什么。 在热力学过程与电磁作用之间，热力学定律揭示的是由物质分布的能密度决定的能量张量和质点的矢动量运动关系，电磁作用则是与能密度无关的、由特殊物质——电荷支配的、局域的、时空变换势能和闭合的曲率负能流之间的关系，现代物理学尚未对二者之间内在的物理转换机制做出描述，如果不能在热力学定律与电磁定律之间达到还原和统一，意味着在目前的物理理论中，宇宙存在着两个互相平权的基本力学定律，而在哲学上则意味着宇宙本身存在着本源的二元性，这是物理学应该考虑的。 3、突变过程的因果断点 目前所知的各种粒子存在形式，都严格的遵循着一定的固定模式，在分子层中，也基本都遵循更为底层的热力学和电磁定律。但是，当分子的凝聚和聚集超过一定的阈值形成自组形式时，例如生命体产生时，底层的、精确量化的物理定律将不再起主导作用，自组织系统开始按照一个新的规律运行。超越阈值打破原来平衡的过程我们称为突变，这个突变过程的内在因果关系，不在已有的知识之中。 4、物质与精神现象之间的关联我们知之更少 这个问题不是物理的，但与物理有关，从最简单的生命形式到最高等的灵长目动物之间的联系，目前已经有了基本的了解，虽然还有一些环节需要进一步深化和丰富，但目前尚未发现涉及整个理论体系正确性的关键性障碍，基本上已由越来越多的实际证据给予了证实和完善。但是，同物质是如何产生生命不能仅仅通过底层的规律来解释一样，生命又是如何继而又创造了精神的，更是远在人类的知识之外。精神是寄托于物质之上的一种功能和现象，还是精神本身就是物质的某种存在模式？很显然，精神与作为其物质载体的生命体存在关系，因此，这个问题仅仅通过形而上学是不能作出最终的判定的，需要获得实证的支持，最终的源还是要回到物理学中。 以上四个方面，是较为关键的知识断层，这些问题迟早要碰到，应该予以认真考虑。 三、十个需要认真思考的问题 1、基本作用力的基本性问题 宇宙中万物运动的“第一推动”，或许是一个难以穷尽的问题，但科学并没有停步，始终在努力。二十世纪的物理学在观测的基础上提出了四种基本作用力的概念，即核内强作用力、电磁作用力、弱相互作用力和万有引力，这种提法有一定的实验的基础，问题是：什么是基本力，定义的标准是什么？所谓基本性，应该是作用力最本源的物质属性和能量属性，而不是能量大小的梯度，物质属性和能量属性决定了作用力最基本的热力学性质，从而决定了作用力的方向。 强力中就存在强斥力和强引力，电磁作用中存在电斥力和电磁引力，万有引力也存在热力学意义下的吸引和排斥两种相反的作用，同一梯度的作用力就存在着截然相反的属性，这种属性应该更具有基本性，更能反映出力的物质本性和能量属性。所有的引力作用都是反热力学第二定律的，这意味着这种作用不是我们所理解的物质所能产生的，必定有我们所未知的内在的物质、物理内涵。所有表现为引力的强引力、电引力、万有引力之间，更具有本质的同一性，而强弱只是同一属性作用力的不同梯度表现形式；在强力作用中，强引力和强斥力之间存在着根本的能量性的不同，是两种力，把二者概括为一种力，是一种逻辑错误。 所谓四种基本力，确切一点讲应该是在不同梯度上的几种力的作用形式，这种作用形式都是可被因果的，不具有基本性。从形而上的角度来讲，四种基本力的提法也存在问题，在一个一元的宇宙中，基本力应该是一元的、呈正反规范对称的，不可能有四种。大统一的理论至今并未得到实质性的进展，且遇到难以克服的障碍，或许就是先在的观念存在问题吧。至于弱电作用的统一，也比较牵强，弱力本质上不能算作一种基本力，β衰变的作用距离L<10－15cm ，比强相互作用力的发生距离小100倍，不符合距离决定力的强弱的规则，应该是电磁作用梯度范围内的一种核子内在动力平衡调整的能量泄漏。这是一个需要重新考虑的问题。 2、粒子的交换能否产生势动？ 主流现代物理学用粒子的交换来描述作用力，强力交换胶子，电磁力交换光子，弱力交换中微子，引力交换引力子。这种描述方式，在量的方面是近于精准的，没有什么问题。但是，交换粒子能够产生动力势吗？如何产生？没有做出令人信服的因果的、机理的解释，仍然属于形式描述，而不是内涵揭示。 在我们已有的知识中，任何作用力的最深根本源来自于能量的势差，这是热力学定律的规定。能量势差产生作用力，并决定作用力的大小与方向。在已知的强度相异的所谓四种基本力中，都存在着两种作用方向不同的力，一种呈排斥性，一种呈吸引性。对于排斥性作用，我们从经验到理论上都有很好的解释，是一种符合第二定律的能量由高密度、高势位向低密低位的流动，因果关系清晰，与是否交换粒子无关。对于吸引作用，如万有引力等，只是在经验中知道它的存在，知道之间的量化关系，但这种反热力学定律的负势能是如何形成的，内在机理如何，目前没有好的解释，则仍然是处于知识空白状态。交换粒子不能产生这种负的能量势，不是引力作用的科学解释。 另外，交换粒子在逻辑上也存在难以克服的障碍，如果万有引力是在交换引力子，它是以什么速度进行的，地球与太阳之间的距离是约500光秒，引力子是如何在二者之间进行交换的？似乎讲不通。 3、目前主流的天体演化理论对吗? 目前主流的天体演化理论，基本上还是建立在康德和拉普拉斯的模型上，即宇宙中的物质从混沌状态，逐步凝聚成为星系、星体。这个过程对吗？从观测的结果来看，离我们越远的星系越趋于正圆形，由远到近逐步呈椭圆形、S形、旋涡状，这意味着什么呢？很显然，这是一个由光信息传达的宇宙演化的时间顺序，这个顺序表明，星系、星体的形成，不是由弥漫于整个空间的微粒凝聚成为星云、星体，而是完全相反，星系是从各个致密的中心逐步散开的，宇宙中天体的演化是一个完全反康德——拉普拉斯过程，并且这个过程还在继续。这个过程是与宇宙大爆炸相一致的，应该重新考虑我们关于宇宙星体演化的理论。 4、元素和粒子是如何能够以凝聚态存在的？ 在传统的观念上，物质的粒子被认为是一种实体，这种实体的粒子是本来就存在的，它们为什么以这种状态存在，不需要作出任何解释。二十世纪以来，人类发现元素在衰变的过程中失去质量而释放出能量，并能精确的对其进行量化，得出了E=mc²的质能关系。在这个意义上，所有的粒子都应该是一份高密的能量单元，不应该以凝聚态存在，但如此高密的能量却以凝聚态存在，并且长期的保持着这种稳定状态，是什么原因在制约着这份能量使其能够成为一个“粒子”？又是什么原因使原子在特定的条件下发生裂变或聚变？为什么只释放出一部分能量而不完全释放？为什么释放出的能量具有规则性？是什么在支配着这一过程？这决不是一个通过夸克和胶子能够解决的问题。 5、为什么宇宙中的基本粒子模式趋于均匀、规则和统一的？ 在观测的宇宙中，所有的亚稳态粒子的质量和空间参数都具有相同性，只以质子、中子、电子以及由其构成的有限的元素模式存在。如果说粒子是一种物质能量的凝聚模式，它应该也可以像聚集态宏观星体那样在质量和密度上存在完全不规则性，是什么因素使粒子形成了这种均匀和规则的状态呢？当然，二十世纪以来随着科学技术的进步，发现了许多前所未知的粒子，使基本粒子的队伍扩大到200多个，并且随着加速器功率的增大，还有增长之势，似乎在展示宇宙中粒子模式的多样性。但不同的是，这些所谓的粒子都不能以亚稳态存在，在极短的时间内就会发生衰变，如在中子的衰变过程中，中子首先衰变为一个质子和一个πˉ介子，πˉ在2.6×10－8S内又衰变为一个μˉ介子，μˉ又在2.2×10－ 6S内衰变为一个电子，最终还是回到质子、中子、电子三种状态，才能成为一个亚稳态的粒子模式。这恰恰又证明了，宇宙中有一种无形的力量，制约着粒子模式的选择，它不允许违反规定的粒子模式存在，我们看到的那些介子，仅仅是粒子衰变过程中出现的某种过度状态，或者说是共振态吧。是什么力量在即时的控制着这种全宇宙的调整呢？ 6、宇宙允许反物质缺席吗？ 狄拉克电磁方程揭开了反物质概念的序幕，安德森验证了反电子的存在，从真空中激发激发出正反粒子对也得到了实验的证实，粒子物理的无数次试验表明，在任何已知的过程中，重子与反重子的粒子数总是守恒的，从未出现违反，这些实验都说表明，物质的对称性应该是自然的本性。但是，目前的观测表明，在我们所观测的宇宙中，只存在正的物质，而未发现反物质的存在，宇宙存在着正反物质的不对称性。 部分理论认为，宇宙中可以存在不对称，物质的不对称可以在大爆炸早期的高温状态下差额产生，这种观点不正确，因为对称性不仅仅是一种经验，从逻辑的规定出发，作为具有内禀能量的物质，必须存在对称性，否则所有的自然律的因果性和逻辑关系都将被破坏，质能守恒定律、力学定律、电磁定律等都将不再有效，整个宇宙将因不对称而倾覆，不可能以目前的亚稳态存在。 物质的概念是物理学的最基本概念，解决宇宙正反物质不对称的问题，是物理学进一步寻求发展的不可逾越的问题，如果不能对这个问题作出一个合理的回答，意味着人类的物理学仅仅建立在对一半物质理解的基础上，缺失了二分之一，物理学理论显然是不可能完美的。 7、宇宙中的物质为什么存在非均匀性分布？ 假如热力学定律在宇宙中是被服从的，那么，按照热力学第二定律，宇宙在大爆炸发生后会在最短时间内达到最大熵，物质完全进入均匀分布状态；并且，即便是从未发生过大爆炸，宇宙也不可能在热力学定律的支配下形成目前的极端非均匀态，作为能量的凝聚态的物质在第二定律的规定下，始终追求能密度的平坦化而不是相反。但是，我们观测的宇宙则完全处于一个非均匀的、但又相对稳恒的状态，几乎所有的物质和能量都聚集在恒星上，并且缓慢的燃烧和演化着。为什么宇宙诞生以来已经历150亿年还是这样一种有序的状态？我们的宇宙为什么远离最大熵而所有的系统都处于一个小熵有序结构状态？是什么作用在阻滞和延缓着第二定律对于宇宙的支配？玻尔兹曼曾在十九世纪提出了这个伟大而深邃的问题：“为什么所有的热都流向星球，而使它们长久不熄的发出光和热，宇宙在本质上必定是处于热平衡态，不可能是我们观测中所看到的热都流向星球。”这个问题的提出已经一百多年了，现在它仍然是一个问题。 8、粒子还是波？ 从牛顿时代就已经开始了光是粒子还是波讨论，先是牛顿的粒子说战胜了惠更斯的波的理论，而后托马斯•杨的双缝实验又使波动说占了上风，十九世纪末的光电实验又使光的粒子说得到了复兴，最后由德布罗意和爱因斯坦等作出了一个折中的、光具有波粒二相性的判定。自然界中有同时既是粒子又是波的东西存在吗？粒子是一种物质本身的空间存在状态概念，波是物质的时空运动行为概念；粒子是通过割断某些联系而保留另一些联系从而使其区别于周围环境的、具有独特性的物质存在模式，是一种存在物；而波则是依托某种存在物为介质，通过引起介质的状态变化而产生的能动量传播运动。这些最基本的本质区别决定了判定标准，不可能存在既是物质的存在模式又是介质的状态变化一种东西，如果它是一种介质的行为，它必定不是粒子，假如不是某种介质的规则震荡行为，那么它必定不是波，在概念的精确定义上不存在任何的折中性。你可以说某种物质粒子以波动的形式在运动，或是在某种介质在以波的形式传导某种能动量，但不能说这个粒子本身具有波性，或是把的规则震荡行为说成是物质粒子的本身。所有的波的传导速度取决于介质的谐振性，所以无论给的能量大小如何变化，只会改变频率，都与传导速度无关；所有的物质位移，都与惯性有关，服从牛顿力学定律，高速运动服从洛伦茨变换。不存在不服从力学定律和洛伦茨变换的粒子，因而光不可能是粒子；也不存在服从力学定律和洛伦茨变换的波，因而光只能是波。 用光电效应来证明光是粒子太牵强，任何波动能流都可以在特定的传感器上显现为质动量效果，关键在于你想看到什么，想看到波就去测光的频率和偏振，想看到粒子就去测光的能动量，关键的问题在于，当你测得了光的能动量之后，这时的光还是光吗？塌缩后和塌缩前能算作一种状态吗？ 9、空间曲率、黑洞、暗物质有可能存在吗？ 相对论认为，由于引力的存在，导至了空间由物质的分布而形成弯曲，宇宙存在着由物质的密度所产生的曲率，曲率的大小，决定了宇宙的封闭、开放或平直状态，而大质量物体则会由于引力塌缩而形成黑洞。时空弯曲和黑洞理论在二十世纪曾风靡整个物理界，整整讨论了近一个世纪。到了二十世纪后期，又有观点根据广义相对论的空间曲率理论，为满足宇宙封闭而提出了宇宙中存在暗物质的构想。 空间是否存在曲率呢？黑洞和暗物质是否存在呢？从其最初的来源来看，空间曲率是在相对论基础上所作出的一种推论，而不是来自于观测和实验结论，它的存在与否，最终需要通过观察来证实。从目前已有的观测的事实来看，在可探测的150亿光年的范围内，宇宙空间是一个常三维空间，宇宙中的物质分布在大空间尺度上基本处于均匀状态，没有发现空间存在任何的曲率。 黑洞的提法最早来自拉普拉斯的一个想法，他认为一个质量等于250个太阳且体积相当于地球的发光星体，由于引力作用，将不允许光偏离它。相对论提出后，按照爱因斯坦场方程，史瓦西得出了一个数学的黑洞，使黑洞理论开始风靡，后又出现科尔半径、霍金黑洞等等。这些理论都考虑到了引力与质量的关系，但都没有同时考虑到热力学定律以及质量与能量的关系。按照热力学定律和能量公式，黑洞这样的现象有可能在宇宙中存在吗？物质的能量是E=mc²，而万有引力的大小是F=GMm/r2，两者之间相差几十个数量级，引力能把太阳所有物质压缩在3000km的史瓦西半径之内吗？当然，还有后来的科尔半径之内吗？显然是缺乏总体的自洽考虑。在实际观测上，目前虽然多次有报道声称发现了黑洞，但都带有推理和猜测性，事实是直到目前，并没有确认真正观测到一个可以确定的黑洞。与之相反，我们观测到大于地球质量300倍的木星是比地球密度更小的气体，大于0.08太阳质量的星体就会发生氢点火而不再塌缩，这些应该已经是常识了。 至于宇宙中90%的物质是以暗物质的形式存在这个问题，目前更是一种理论的再推论，没有任何观测证据的支持。从常识来讲，任何物质的存在都不是孤立的，都会对整个宇宙的状态作出贡献，目前我们已知的自然定律与已知的宇宙中的物质量具有着量的相对应的因果关联性，如果说宇宙中还存在我们未知的90%的暗物质，目前所知的自然定律的因果关联性就会被破坏，占90%的暗物质不可能不发言，仅占10%的物质不可能主宰着这个宇宙的基本定律。 10、量子的超距关联意味着什么？ 爱因斯坦与玻尔之间关于E、P、R的未果争论之后，经过贝尔等人的努力，提出了一个能够检验量子之间的关联程度在理论上有何限制的不等式，使得E、P、R的争论及其后来的各种延伸理论有了可通过实验来进行检验的可能。50年代之后，几个小组对这个不等式进行了多次实验，其中最具代表性的是阿斯派克特所做的双光子级联辐射实验，实验的结果揭示了量子态在宇宙中存在着某种关联性，否定了爱因斯坦的定域性思想，这一发现的意义无疑是深刻的。许多人认为它似乎是印证了玻尔的某种关于自然非确定性猜测，但从逻辑上，它实际上并没有在玻尔和玻姆之间做出确定的选择，而只是验证了一个问题，即：量子的非定域的关联是存在的。那么这种关联意味着什么呢？这个问题实际上涉及的内涵要深刻的多，尽管不能确认这之间真的有某种传统意义上的信息在传递，但它证明了这种关联是一种真实的存在，并且可以为物理学所描述和认识。这意味着宇宙存在着某种我们尚未认识到可传递这种整体关联的某种存在，这种存在与真空的属性密切相关，而对真空的物质本性和物理属性，我们完全陌生。 知识有限，想不明白的问题就提出来，想到多少就提多少，与朋友交流。 自由学生