| 词条 | 《我的物理哲学之路》 |
| 释义 | § 简介 科学出版社出版了我的《基础物理述评教程》(以下简称《述评》)，书中提出了引－电统一场论，用逻辑方法导出了量子力学，对大爆炸宇宙论提出了尖锐的批评。不少人对此发生兴趣，他们希望能知道与这些工作有关的背景，本文就是为此而写，并顺便对最大概率原理、宇宙学原理、引力佯谬、粒子结构、电荷失恒、超光速之类的问题作补充说明。 § 写作背景 我的书具有鲜明的个性，这是由我所处的特殊环境和特殊经历决定的． Ⅰ．特殊的家庭环境 我出身在江苏南通教师世家，祖父曾被清末状元张謇聘为家庭教师，父亲是语文教师．家中有不少古书，文史类、伦理类、哲学类、书画类都有。因而我在家中首先是受中国传统文化的熏陶。 父亲是个怪人，他不信鬼神，却喜欢结交和尚、道士，祭祖时也总是非常虔诚．建国前，他每天早晨都要背诵中山遗嘱，晚上则背诵观音经．我在童年时代常跟他到庙里去玩，站在旁边听他与和尚、道士聊天，读初中时，我问起鬼神问题，父亲说：“我从来就不相信鬼神．孔夫子说祭如在，这就表明他也不信鬼神，只是在祭祀时假定有鬼神存在．不能把祭祖当做迷信，中国人烧纸类似于外国人献花圈，只是怀念的形式．一个人如果连父母都不爱，还能相信他爱民吗？我念经只念观音经，只不过是一种精神寄托。 我在通州师范时有三个要好的同学，后来他们，一个成为红十四军的领导人，一个出家当了和尚，一个蓄发成为道士．和尚工于书法，道士擅长绘画．其实，和尚并不信佛，道士也不信仙，只是为了摆脱世俗的烦恼才以寺庙为栖身之地．我到庙里去只是为了在工作之余放松一下，切搓诗文书画和哲学．哲学能使人进入高尚的境界。佛、道、儒是不同的哲学，但都是教人从善．以善为本，存仁于心。家里有不少哲学书，将来你应当读一点．要览百家之说，以防一家之偏。” 进高中后，语文课本里有了几篇古文．父亲翻了翻课本，说：“太少，搞现代文也需要有古文根底．”随即拿出一本《论语》，说：“要从如何做人、如何做学问学起．”我读了第一页，“子曰学而时习之不亦悦乎”，但怎么也不能使我“悦”得起来．父亲也不勉强我，说：“挑你自己最感兴趣的书读吧．多读一点总会有好处，但不要影响学校里的正常功课．”我对《庄子》较感兴趣，因为它是通过故事来阐明哲理．它的第一篇就让我骑着鲲鹏入海上天．天之苍苍，其本性也，其远无极．我顿时感到：万物都在宇宙之中，宇宙则在庄子书中．先秦诸子的书很难读懂，那倒也好，学五柳先生不求甚解，读不懂就猜．猜就是独立思考．猜对了等于读懂，猜错了就算是修正或发展了前人的思想。 宋以后的书就比较好读了。父亲偶尔要考考我，发现我在某些方面是在胡说八道，便取出明末哲学家王夫之的《船山文集》，说：“看来学古文需要由近及远．此书深入浅出，值得一读．”此后不久，我就接受了王夫之的关于物质不生不灭和万物统一于阴阳二气的思想．后来我把阴阳元气论同爱因斯坦的场本原论联系起来思考，把阴阳二气理解为引力场和电磁场，我的引－电统一场论就是立足于此．家中缺少科技方面的书籍，好在我家离当时全市最大的新华书店只有两三百米，该书店里对于我来说是一个开架的图书馆，我在星期天多半是全天站在书店里阅读，科普作品使我对多种学科产生了兴趣．特别是各种稀奇古怪天体的诱惑力和宇宙的神秘性，使天文学成为我的业余爱好之一。 高一时已经知道爱因斯坦有限无界宇宙模型的大意，一度成为大爆炸宇宙论的虔诚信徒．后来进一步思考并亲自论证，才认为大爆炸宇宙论是物理学有史以来最具有欺骗性的无稽之说． 多变的专业方向 我于１９５７年考入南京大学物理系．该校有一个“庙小而菩萨大”的天文学系．物理系所有的基础课和理论物理课都是与天文系合班上课，这种条件是国内其他高校没有的，而天文学又偏偏是我的业余爱好，因而天文系的一些教材就自然地成为我业余自学的对象．这是我与物理系的其他学生不同之处。 １９５８年教育革命开始，使我有机会在读完一年级之后就接下了研制红外线防护镜的任务，随后创办工厂．这种实践使我意识到综合性知识的重要性。 １９５９年５月，我被分配到原子核物理专业。 １９６０年７月，在核物理专业刚读完三年级，就奉命转到无线电专业担任预备教师，迫使我利用暑假补学无线电专业的电路分析课。 １９６０年９月初，我还没有来得及以预备教师的身份前往无线电教研室上班，就接到“前往学校举办的自然辩证法学习班报到”的通知。 １９６１年２月回到物理系，承担电动力学与相对论习题课的教学任务。 １９６１年７月得到高教部关于预备教师一律回班学习的通知，重新成为学生，但又一次以工作需要的名义要我改读半导体物理专业，因而整个暑假都用于按新专业的需要来自学所缺的课，直到五年级第二学期才跟上同班同学的进度。这种涉猎多种专业的求学经历不是一种享受，幸好物理系的不同专业有不少课是相同的，而专业课又都比基础理论课易学，总算是熬了过来。 多变的教学任务 １９６２年毕业留校，但不是留在半导体物理教研室，而是定位于纯属教学编制的基础物理教研室，并担任学生的政治辅导员，兼任团总支副书。这就意味着，今后不仅没有机会接触科研设备，而且连接触教学仪器的机会也没有。 当年的教学编制与科研编制是分得很清的．科研人员可以兼搞教学，教学人员如果主动要求兼搞点科研，那就会被认为是有“白专道路”之嫌，就要开会帮助帮助你。政治辅导员又不同于一般教师，兼搞教学是可以的，但不能脱离他所带领的年级，所以只能采用跟班教学的办法，每个学期换一门新的习题课．当年的助教是要承担答疑任务的，要应付学生有可能提出的各种问题，总不能留给学生一问三不知的印象，所以这种每学期都换新课的兼职教学工作是很苦的。 １９７３年“复课闹革命”，文革前的骨干教师已有一批归天或靠边，我已步入中年教师的行列，开始担任主讲教师．此后奉命对多门课进行教改试点，十年里开了十门新课、不久就连续担任国家教委理科普通物理教材组秘书达十年之久．秘书有起草会议纪要的义务，开会时不能思想开小差，被迫集思广益。 我的满荷的大班课教学任务从未能有一学期间断，因而在科研方面只能是利用业余时间搞那种自选的不需要经费和设备的纯理论性课题。 这种特殊的背景，注定了我在教学和科研方面都有与众不同之处。 对运动基本形式的认定 １９６０年暑假． 上文已经说过，我在读完三年级以后，突然接到由原子核物理专业调到无线 电专业的通知，迫使我自学无线电专业的课程．在这之前，我刚刚读完量子力学 课．电动力学和相对论课也只比量子力学早一个学期，因而印象也很深．相对论 使我明确了这样一点：四维空时框架应当适用于自然科学的一切领域．量子力学 使我获得这样的印象：波粒二象性似乎是物质在运动形式方面的基本特征． 在自学无线电专业课程的过程中，我发现了傅里叶分析这个数学工具的重要 性．在对无线电信号进行频谱分析时是使用一维傅里叶变换，在对光学信号进行 频谱分析时是使用二维傅里叶变换．我想到，完备的空时是四维的，因而产生出 这样的想法：如果把傅里叶分析应用于四维空时，那么就应当能得到具有普遍意 义的结果．于是发现：波动是一切物质运动的惟一基本形式．推论是： １）未来的量子力学应当以波动一元论取代目前的波粒二元论，粒子应当是 波包，终极意义下的基本粒子根本不可能存在； ２）单色波是一切波的基本成分，它是连续函数，只在无限多种单色波叠加 之后才会出现间断区，这就表明连续性是绝对的，不连续性是属于假象； ３）连续性意味着因果律是绝对的，目前在量子力学领域内占统治地位的基 本观点应被推翻，量子力学迟早会回到爱因斯坦因果决定论的立场； ４）单色波在空间上和时间上都是无限的，因而宇宙应当是无限的． 作为一种数学工具，傅里叶分析应当是普遍适用的．因此，在认定波动是物 质运动的惟一基本形式之后，传统的那种把机械运动、热运动、电磁运动之类都 当做“基本运动”的观点，从此从我的脑海里一扫而空．在《述评》中，量子力 学所需的力学量算符全部是用四维傅里叶变换来导出的(见《述评》 p.670)；在 推导薛定谔方程时，也是以四维傅里叶分析为数学工具(见《述评》 p.809)． 三、对物质基本成分的认定 １９６０年９月至１９６１年１月． １９６０年暑假一过，我就进入了学校专为培训理科各系教师而举办的自然 辩证法学习班．郭影秋校长向学员们提出了“关起门来好好读书”的要求，又向 各系领导人打招呼：要把学习班看作是办在外地，不许以任何理由干扰学员们的 学习．这在当年政治运动连续不断的社会环境里，是极为难得有的读书机会．在 学员里，我是情况最特殊的一个，特殊之处是： １）我是惟一的预备教师，年龄最小，孤身一人，因而读书的时间比任何人 .3. 都多，每天的读书时间不少于１４小时，节假日也不例外． ２）我是惟一来自物理系的学员，并且是刚刚学过哲学气味很浓的相对论和 量子力学，是带着物理学中的哲学问题进入学习班的． ３）哲学本来就是我的业余爱好，上级指定的哲学著作多半是我过去已经自 学过的，所以我的大部分时间是用于阅读科学史、哲学史和逻辑学方面的著作． ４）由于在学习班里提出了一个与科技战略问题有关的哲学观点，使我意外 地结识了国内的一流天文学家戴文赛教授和一流哲学家孙叔平教授． 在引－电统一场论这个课题方面，有一半关键性的工作是在自然辩证法学习 班学习期间完成的． 在认定波动是物质运动的惟一基本形式之后，我的注意力就集中到“物质的 基本成分究竟是什么”的问题上．我把已有的物理学知识以及从科学史、哲学史 中学到的知识立即同这个问题联系起来，并注意到：古代哲学中的元素论、原子 论、元气论、道本原论、数本原论，实际上已经把“本原”的各种可能性都包括 了．因而认为：现实世界的本原物质应当是属于上述五种可能性中的某一种．要 想从中把具有现实性的那一种挑选出来，就应当提出一种让各学派都能接受的判 据．我注意到：尽管各种哲学流派在基本观点上有原则性分歧，但都认为基本的 东西应当具有简单性．因而可以把简单性原则当做一种判据． 光有“简单”这个概念还不够，因为不仅一元论、二元论是简单的，稍许复 杂一些的四元论、五元论也还是相当简单．因此，如果要把简单性原则当做判据 来使用，那么就应当首先对它所包含的概念进行规范．爱因斯坦所追求的简单是 指“尽量简单”，这是前人未能强调的．用数学语言讲，“尽量”就是表示要追 求极限．在物理学中，能让机械运动与随机运动共存的分支学科是热学，因而热 学能够最全面地反映自然，其中的熵增加原理清楚地反映了自然界具有追求极限 的自发倾向，因而我认为爱因斯坦的观点与现实世界的实际情形是一致的． 我同意简单性原则，但又认为应当把简单性与它的对立面复杂性统一起来认 识．简单性是就世界的本原本身来说的，由本原构成的展现在人们面前的现实世 界是表现为无限制的复杂性．如果本原只有一种，那就意味着不存在对立面，只 能形成单质的世界，单质的世界只能是表现为简单，这就与观察到的现实世界不 符．因此，叙述简单性原则时，应当把对立统一的思想包括进去．我所作的表述 是：尽量简单而又能保持对称性．这里是说“尽量简单”而未说“最简单”，没 有把话讲绝．最简单的对称性是两极对称，也就是说，自然界至少需要有一对最 基本的物质．实际上，只要有了一对最基本的物质，就总能通过各种组合、叠加 之类的方式得到任意复杂的事物，所以我在使用简单性原则时是选用两极对称． 我们首先看看欧洲特有的数本原论．该论是古希腊哲学家和数学家毕达哥拉 斯提出的，认为“数支配着世界”．当初的数是专指正实数．如今知道，完备的 数应当是复数，包含实数和虚数的对立统一，因而可以认为数本原论完全符合简 单性原则．但该论是把数与物的关系搞颠倒了．由于把数视为本原，所以不需要 考虑物质能否生灭的问题．目前宇宙学领域内的主流派也是完全不考虑物质能否 生灭的问题，认为单纯地从数学方程中就能导出整个物质性的宇宙．可以认为这 是数本原论的现代表现． 再看看中国特有的道本原论．该论是老子提出的，认为万物源出于道，复归 于道．道作为一种本原，不是静止的，它自身隐含着对立面．因而可以认为道本 原论完全符合简单性原则．但是，道不是物质，而是先天地生的、超物质的理性 .4. 原则．在该论中，物质是能生能灭的．在欧洲，与道本原论类似的哲学是二十世 纪才出现的玻尔哲学．玻尔哲学实际上是直接来源于老子的道本原论，他把道解 释为非决定论意义下的随机性规律，并以不确定关系式为数学依据、以电子衍射 实验为实物依据，认定这种哲学为量子力学的灵魂，对隧道效应作出了违背能量 守恒原理的解释．这种观点至今统治着物理学界． 元素论、原子论和元气论都属于唯物论范畴，可被统称为物本原论． 古希腊哲学中的四元素论和中国的五行论最初是以探索基本物质为目的，后 来的事实表明，四元素或五行实际上是指四类物质或五类物质，每类物质都很复 杂，分明不符合简单性原则． 古希腊原子论中所说的原子就是今人所说的基本粒子，认为万物都是由基本 粒子构成．这种哲学观点在欧洲曾长期占主导地位，并且成功地指导了化学和原 子物理的发展．中国先秦哲学中的“至小无内的小一”也是基本粒子的意思，但 这种思想未能流传．如今，“万物由基本粒子构成”的思想在粒子物理领域内仍 占主导地位．目前人们预测，认为基本粒子总共有６０种．从基本粒子品种数量 方面看虽不够简单，但对称性倒是具有的．电子和夸克都存在着无法用参考系的 变换来消除的自旋，这就表明其内幕的复杂性使人们摸不着头脑，谈不上与简单 性原则一致． 元气论是中国特有的，萌芽于公元前七世纪的精气论，公元前二世纪明确为 阴阳二气，十一世纪时实现系统化，十七世纪时为王夫之所发展．王说：“阴阳 二气充满太虚，此外更无他物，亦无间隙．”该论显然完全符合简单性原则．在 欧洲，直到二十世纪二十年代，与元气论类似的哲学观点才由爱因斯坦提出，他 一开始就是立足于现代物理学．起初是因为受到德布罗意波的启发，提出“粒子 的每一运动都伴随着一个波场”的观点．这种提法是属于波粒二元论．后来他认 为，原则上应当能用逻辑方法从广义相对论中导出粒子，这就意味着已让粒子隶 属于波场．我把他的这种哲学称为场本原论． 我在中学时代已接受元气论，因而也容易接受场本原论．元气论中已经明确 元气只有阴、阳两种，但完全没有回答、并且完全没有条件回答“元气究竟是什 么物质”的问题，没有论证“为什么只有两种元气”的问题．场本原论中已经明 确地提出了引力场，但没有回答“总共有多少种场”的问题．我的想法是：元气 既然是“无间隙”的，那就应当正是今人所说的场，阴阳二气应当是代表有联系 的两种不同的场，引力场是其中之一，另一种应当是电磁场． 为什么说基本的场只有两种？为什么说基本的场应当是引力场和电磁场？我 是从以下三个方面来论证的： １）利用简单性原则来论证，“场只有两种”是最简单的方案，根据“尽量 简单”的原则，应当认为该方案在各种可能的方案中是概率最大的一种． ２）利用数的特点来论证．我从自己所反对的数本原论中吸取营养，把“数 支配着世界”改为“数反映着世界”．也就是说，认为可以通过数的特点来认识 物的特点．完备的数只包含实数和虚数两部分，暗示着完备的物理量也应当是这 样．物理量的种类虽然很多，但都可以采用无量纲的形式．物理方程中的物理量 一旦采用无量纲的形式，那么就变为纯粹的数字关系．这就意味着：用数来描绘 基本物质时，只需考虑实与虚组成的一对矛盾． ３）利用粒子物理方面实验结果来论证．这一点是最重要的．尽管粒子的种 类很多，但描述它们的性能时都是以质量、电荷量之类为参数，意味着它们周围 .5. 的场都是引力场和电磁场．粒子与反粒子相遇时都是化为光子．反过来，光子在 一定条件下也能产生出粒子和反粒子来．光子是电磁场，具有质量，因而应当伴 有引力场． 结论：万物皆由引力场和电磁场构成，别无他物．推论是：引力场和电磁场 都是以波的形式运动，意味着波动是物质运动的惟一基本形式．这个推论与用傅 里叶分析法导出的结论完全相同． 至此，我自己心里对基本物质的认识是已经清楚了．但是，能否说服别人则 是另一个问题．在我面前仍存在非常棘手的问题，因为道本原论和数本原论也都 符合简单性原则，它们与物本原论之间的分水岭是在物质能否生灭问题上，人们 在这个问题上的认识不是很容易统一的． 四、关于物质能否生灭问题 １９６０年１０月１日凌晨． 这一天正是国庆节，几十万人的游行队伍要提前四五个小时到马路上的指定 地段等候．无事可做，星空就成为我与蔡建华教授的聊天话题．我们从星星谈到 宇宙，从宇宙谈到物质． 蔡说：“爱因斯坦居然能用逻辑方法证明宇宙有限，这样的超人智慧不仅是 空前的，恐怕也是绝后的．” 我说：“但是，超人毕竟还是人，而不是神，仍可能有考虑不周的时候．宇 宙是否有限与物质能否生灭，实际上是同一个问题的两种不同的提法．如果爱因 斯坦的有限无界宇宙模型是正确的，那么物质就应当是凭空创生的，意味着要否 定物质不灭原理．这个原理是唯物论哲学的核心．它一旦遭到否定，唯物论哲学 以致整个物理学就都完蛋了．在我看来，物质不灭原理是可靠的．” 蔡说：“我们确实从未见过物质创生和消灭的事件，可是，从逻辑上讲，又 怎能凭眼前的经验就说生灭事件过去从未发生、并且将来也永远不可能发生呢？ 所以，物质不灭，物质创生，都只不过是哲学信仰．信仰是靠不住的．真正可靠 是实验和逻辑．你说物质不灭原理是可靠的，你能用逻辑方法证给我看看吗？” 当时我被问住了．游行开始之后，我仍在思考这个问题． 我有个怪观点，就是，认为探索性的工作类似于写诗，需要有灵感．灵感是 外界景物诱发的结果．如果希望获得灵感，那就应当主动为“触景生情”创造条 件．因此，每当我碰到问题而又久思不得其解的时候，就索性决定把问题暂搁一 下，然后环顾周围的一切，并且希望看到尽量多的不同事物，看看在它们表现出 的多种情态之中，是否存在着一种与我所考虑的问题有相似之处的情态． 游行时，最具有动感的自然是游行队伍本身，其特点是具有整齐性，但不是 绝对整齐，而是存在着随机性的偏离现象．如果把“游行队伍具有整齐性”这句 话理解为物理学中的经验定律，那么就可用误差来衡量该定律的正确程度．这件 事启发了我，使我觉得可以利用概率论来估算物质不灭原理的置信度． 当天夜里，我还作了具体的计算．做法是：首先假定“物质不灭”和“物质 创生”这两种可能性都存在着，然后假定各种守恒定律的实验误差都有可能是由 物质创生或物质消灭引起的，最后用概率论计算出这两种可能性的概率，结果发 现，“物质凭空创生”的概率几乎等于零(见《述评》 p.3)．从此，物质不灭原 理就成为我心目中的不容怀疑的哲学信条． .6. 《述评》一书正是以物质不灭原理为基本的哲学信条．正因为承认物质不灭 原理，我才能让质量守恒原理和电荷守恒原理在引－电统一场论中处于基本定律 的位置． |
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