|
美哉，物理！（四） 沈 葹 1.4 “道，可道，非常道；名，可名，非常名。” 这几句出于《老子》的名言，倒颇切合辩证唯物主义认识论的精神实质，物理学的进展脉络足可为之作证。物质世界是可以认识的，物理学的概念、原理、定律可以正确反映各种物质系统之物理性状和物理运动规律，它们既是其科学真理性的写照，又闪烁着科学美学的光芒。当然，对真理的认识与时俱进，概念、原理、定律又时而改变其表述形式。尤其是现代物理，愈来愈呈现瞬息万变的惊人态势；那末，物理美、物理学所内蕴的科学美学旨意亦随着学科及其理论近百余年来的巨变而发生显著的变易。由以即可领会所谓“道”与“名”者无常的意思。鉴此，须着力于创新和变通，自然科学才会生气勃勃、兴盛不衰。 且以几例说明之。物质结构探索，本是物理学研究的基本任务之一。而19、20世纪从分子物理→原子物理→核物理→粒子物理的发展过程证明：物质可层层分割，即物质微观层面具有多层次结构。物质无限可分，乃人们早已确认的朴素辩证法思想；此观念指引着物理学家向物质深层次挺进。但上述夸克被“禁闭”，夸克-轻子被看作“基底”粒子层次。由夸克构成的强子（诸如核子等）难以分割为自由夸克；这显然是对物质无限可分思想的非难。量子色动力学作为描述夸克间色相互作用之迄今最有效的理论，给出夸克禁闭以适宜的解释：夸克彼此距离很近时，其间色作用力甚小（夸克“渐近自由”）；距离增大，色作用力却增强（夸克“渐远束缚”）。这种情况与原子里原子核与电子间的电磁作用以及原子核里核子间的核力作用均随彼此距离增大而减弱颇为不同；对于后者，只要供以足够大能量，就能克服电磁作用或核力作用而将原子分割成核和电子或将核分割成核子。
图1-8 北京正负电子对撞机。 型式繁多的粒子加速器是高能粒子物理（兼及高能核物理等）研究的主要工具。用来加速电子、质子等带电粒子达到甚高能量，以研究核反应或粒子反应、探索核和强子的内部结构、并通过粒子反应产生新粒子。一般的加速器是将较轻粒子加速后轰击静止的靶核（或靶粒子）。入射粒子和静止靶组成的系统的质心动量不为零，故入射粒子的能量有相当一部分消耗在质心运动上。而如果使两束粒子对撞，其质心动量为零，则能量全部用于粒子反应上。这就是对撞机比一般加速器（直线加速器、回旋加速器等）的优越之处。我国自行设计制造的北京正负电子对撞机已用来做了许多出色工作（诸如精确测定τ子质量、发现多夸克粒子态等）。
而夸克被分离到一定距离，则其间色作用力甚至趋于无穷大；即使供以巨大能量，也并不能从强子内游离出自由夸克，而是强子吸收能量使其内组分夸克转变成较重夸克、然后再衰变成新的强子。所以，强子不能再分割；此乃关于物质结构探索的一个新观念，似应以其替代物质无限可分思想，因为夸克禁闭是优异理论的逻辑推论，又经由实验的反复验证。然而，如果以后制成能量更高的加速器和精度更高的探测器，抑或设想在宇宙早期的甚高能量场合，或许就不必完全排斥夸克得以游离存在的可能性；倘若揭露出夸克-轻子层次的有悖于夸克禁闭这一结论的未知性状，则会对量子色动力学作出新的突破。看来，物质是无限可分抑或“至小无内”？必然跟随微观物理之实验和理论的进步而变更着基本看法。 颇相仿佛，宇宙是无限辽阔抑或“至大无外”？也会跟随宇观物理（宇宙学）之观测和理论的进步而变更着基本看法。20世纪以前的唯物论者大多认为宇宙乃恒静不变、无始无终、无边无际的。可是，由相对论宇宙学推理得出：宇宙并非恒静不变，而是有多种演化模式——或者是闭合型的脉动（胀缩相间），或者是开放型的永远膨胀；又鉴于天文观测成果，物理学家认为，宇宙乃从原始大爆炸中产生、并不断膨胀而成，曾经历过极短时间的暴胀，而目前大小有限、尚在加速膨胀之中。前文提及宇宙中除有可见物质外，还有更大量的暗物质和暗能量，从而导致宇宙膨胀以至加速膨胀；这不仅是观测、分析的结果，而且原本就是相对论宇宙学的逻辑推论。 显然，宇宙学的发展促使人们放弃宇宙恒静而无限的传统观念。这发展还凭藉于天文观测仪器之日趋精密至极，特别是接收辐射之频段宽阔的射电望远镜等（置于地面或遨游太空的探索卫星和空间站上）是关键性仪器，其效用如同粒子加速器对于粒子物理实验乃至粒子物理发展一样重要。所以，对宇宙演化模式以及演化细节的更精致研究，还有待于日后对更精密、高超的射电望远镜等天文观测仪器的进一步研制；也许日后取得的新天文观测成果会使人们对宇宙图像的描绘又有新的转变。因此，尽管亚核粒子那么幽微、宇宙整体那么浩瀚，人们却可利用自己研制的精密仪器去展示其美妙绝伦的“庐山真面目”，并藉以对它们的运动规律的认识趋于准确、明朗。 物理真空，作为物质场的背景，也是一个甚为重要的基本概念（见第三篇）。此概念有经典定义和量子定义之别。经典真空就是指“以太”。在20世纪以前，以太被假设成一种机械媒质，经典电磁场理论将此作为电磁场的载体。而爱因斯坦建立相对论以及相对论时空观，乃与其变革经典真空概念直接相关。第一步，爱氏摒弃了机械以太假设，把电磁场当作一种独立的物质存在形式，从而否定了绝对时空观念，赋予时空以相对性意义。第二步，随着广义相对论构建成功，爱氏重又引入新的以太假设，谓之“广义相对论以太”；这以太当然并非机械媒质，而是被赋予了动力学机制的、经典物质场的背景空间。 如此，爱氏从摒弃机械以太到引入新的以太，使经典真空概念发生很大变易。并且，此新以太与相对论性引力场方程中的宇宙学因子项相对应，从而可由以与宇宙整体运动联系起来。进而，量子理论的建树又导致量子真空概念形成，与经典真空概念相与并立。狄拉克相对论量子力学把真空背景解释成在所有负能级上布满各种粒子而组成的“粒子海”。量子场论则给予量子真空概念以十分符合量子场之本性的诠释；一言以蔽之，真空即指各种量子场均处于基态，无任何粒子产生。倘若某一量子场被激发，相应之粒子便从富含物质蕴藏的真空——量子场背景中产生；狄拉克设想的“粒子海”可谓这量子场背景的形象化描绘。 李政道在几年前曾指出，20世纪的物理学尚遗留四个疑难问题，有待本世纪去解决。它们是：对称性破缺的起因；夸克禁闭的缘由；宇宙中暗物质、暗能量的性状；类星体之特大能量的来源。其实，这些问题都与真空机制相关。量子真空具有复杂的结构，呈现种种宏观量子效应，探究其机制，或能为解开这四大“世纪之谜”找到钥匙。 譬如说，李政道等学者利用量子真空概念提出一些强子模型来唯象地说明导致夸克禁闭的缘由；如果以后能得到更深刻的说明，就会明白：夸克禁闭到底能否打破、强子到底能否分割为自由夸克，此其一。其二，利用真空的自发破缺或可解释微观物质层面若干对称性及其破缺的问题。其三，可以把暗能量与“广义相对论以太”挂起钩来，但若要探明暗能量、暗物质的具体性状，必须借助于粒子物理以及量子场论的实验探测和理论探讨，亦即依然要倚重于对量子真空机制的探究。其四，类星体之特大能量来源问题也许与宇宙大爆炸以及黑洞、白洞等问题有类似或相关之处：都涉及广义相对论所给出的时空结构的内禀奇异性。而凭藉量子真空概念及其理论研究，或可克服这种由广义相对论自身所无法克服的时空奇异性困难；并由以解释宇宙演化过程中的、以及特异天体的突变现象（诸如宇宙大爆炸、宇宙极早期的暴胀、天体爆发等），这些突变现象或许都是起因于真空相变、即都是从真空背景里获取突变的动力和特大能量。 创建完善的量子真空理论，算得上是本世纪理论物理研究的特别重要的目标之一，它与另两项主要目标——促成广义相对论与量子场论相互结合乃至最终建成量子超统一理论——密不可分。真空被认定为一种特殊的宏观凝聚态，充当宏观物质场、甚至整个宇宙的本底背景，具有复杂的微观结构，所以它是一个牵涉到宏观物理、宇观物理、微观物理的综合性概念；对其深入探讨，会导致这三个物质层面的物理理论彼此综合、趋于统一。目前对暗能量的实验探测表明，广义相对论与量子场论的观念悖逆在真空背景探讨上凸显出来，故而彻底弄清真空机制，便有可能找到促成这两个理论相互结合的可行途径。 关键更在于，用量子场论改造经典真空概念，亦即使其由量子真空概念取而代之；并且，通过对依据于量子场论的量子真空理论的创建而使量子真空概念的创新涵义进一步充实之。这或许是解决引力场量子化、调和以至化解广义相对论与量子场论之抵牾的切入口；于是，四种基本相互作用的超统一探索亦可望有更显著得多的进展。温伯格(S.Weinberg)于上世纪末曾作出估计：在2050年前后，勉力构建中的超统一新理论之眉目将比较清晰；但我们还认为，超统一的最终完成，亦即达到所谓的“终极”统一，必定伴随以对相对论和量子理论这两大体系的较大突破和创新，对此恐怕需要较长时间的努力。 本世纪的物理学研究有一个醒目的发展趋向——向复杂性课题进军；这当然是学科进步之必然，也是人类对自然界认识深化之必然。探究量子真空的结构和机制，就是复杂性探索之典型一例。诚然，广义相对论和一些成功的量子场论都是深奥复杂的理论，但有待构建的量子真空理论和超统一理论等，其复杂程度更甚十分。而且，复杂性往往涉及非线性（但二者并非等同的概念）；在许多物理学分支领域里，非线性探讨转变为主流，也就是非线性物理将成为本世纪物理学扩充、铺展出的一大片畴域。普利高津（I. Prigogine）还将他的可用非线性动力学解释的耗散结构论看作是“人与自然的新对话”（见第十四篇）。 然则，复杂性探索也好、所涉及的非线性探讨也好，追求统一与和谐总是其基础研究的主旋律；况且，这些基础研究——研究课题从相对简单到比较复杂、从线性处理到非线性展示——始终会崭露物质世界愈益深广、愈高阶层的对称性。即便是复杂性课题的非线性展示（诸如超统一研究），也冀图其理论体系有简单、明确的逻辑前提、立足于简单、创新的概念基础，在数学表述和逻辑演绎上采取尽可能简洁、便易的形式和方法，并充分反映所研究之物质系统的运动规律的甚高对称性。所以说，今后物理学的进一步发展，依然凭倚于对称性、统一性、简单性等科学美学原理所彰显的科学方法论原则。
图1-9 射电望远镜及其阵列。 图中所示乃计划中将设计制造的最庞大的射电望远镜阵列——平方公里阵列（SKA），由上百台望远镜组成，必定会铺设成一道蔚为壮观的亮丽风景线。而已经确定将在我国贵州省平塘地区建造口径为500米的特大型射电望远镜，比目前世界上最大的美国阿里西伯射电望远镜（口径为305米）更大、更精致，可用以深空探测、进一步研究宇宙的起源和演化等高级课题。
然而，随着物理学疆域的不断延拓，物理学所蕴含的科学美学意义、或曰科学美学原理和科学美学旨意的物理学涵容也持续地扩充，三百余年的物理学发展史证实了这一点，第十二篇等篇章对此作了专题论述。上文提及的量子统一理论从小统一到大统一、再到超统一，显见赋予统一性原理以越来越丰富的物理学涵容，将此原理推向至高境界。广义相对论与量子场论的结合尝试，所遇障碍既在于引力场量子化的数学困难，更在于这两个理论之观念上的悖逆；如果调和以至化解了二者在这方面的抵牾，势必导致基础理论的根本转变、并使物理学总体的和谐性达到极致。再者，从牛顿力学到狭义相对论、再到广义相对论，又从经典场论到量子（规范）场论，所揭示的时空对称性一而再地提高其阶层、并从运动学对称性延拓为动力学对称性，又从宏观、宇观层面的时空几何之动力学对称性延拓为微观物质系统的内禀动力学对称性。 因此，对称性原理（这里乃指空间变换不变性原理）实系物理学、尤其是现代物理学中的一个至为关键的几何动力学原理。对称性之阶层的逐渐提高，则就标志着物理学理论渐趋精深、精致、精确。一般说来，物质运动规律总是非线性的，线性运动只是在某些可予忽略非线性因素的场合下的特例；或者说，在一定条件下可将非线性运动规律作线性近似处理而建立线性理论。进一步发展，倘若构建成展示其非线性规律的高级理论，则其适用面更广、精确度更高；此乃往往因其中经修改而表述得更精当的空间变换不变性能反映甚高阶层的动力学对称性之故。 非线性理论纵然比相应的线性近似理论复杂一些，但前者对甚高阶层对称性的揭示可使其理论构建和逻辑演绎趋于简单。所以，对称性原理之物理学涵容的扩充，倒是使得依然凭借简单性原理去探究一些复杂的非线性系统、以至于拓展物理理论成为可能。此外，对孤波、混沌和分形等效应的考察（见第十五篇），近三四十年来已成为不少非线性动力学领域里的复杂性课题。这几种典型、显扬的非线性效应中的对称性表现有着与空间变换不变性不尽相同或甚不相同的新特色，对其细致地探索也有助于解析其甚为复杂、玄奥的非线性机理。看来，崇尚对称性原理，总能使复杂性课题变得简单。而且，许多不同的非线性动力学系统常会呈现这几种效应；由此则表明，物质世界之形形色色的复杂性现象亦都能趋于统一。 致力于研究这几种效应及其对称性表现，也是倚重统一性原理和简单性原理的体现。充分展示非线性效应的对称性表现，并探明效应中复杂性与简单性、随机性与决定性之间的关系，才可能构建较严密、完备的非线性综合理论体系——非线性物理学；其概念、原理、定律与原来的物理学各分支学科甚有差别，所显露的物理美也别具风采。建立并完善此揭示非常规之美的综合性学科理论，乃是现代物理学的一项特特别拓展任务，恐怕也需经过较长时间的努力才能达成。 “物无不变、变无不通”（宋·欧阳修语）；始终注重于变通和创新，才使得物理学及其蕴含的科学美学旨意永久地发展和升华。物理学家发扬意在变通、旨在创新的科学精神，当然出于其探求真理的强烈愿望，同时与其具有臻美意念和审美意趣也密切相关。然而，求真和臻美，乃落实于为善；造福人类，终究是发展物理学以至自然科学、升华其科学美学旨意的根本目的（见第二十篇）。而真、善、美三者的结合，随着现代物理学以至现代自然科学的未来进展，会达到非常圆满的境地。展望未来，在这已经跨入的21世纪，现代物理学自然会继续扩展、并有望取得全方位、多方面、高阶层、深层次的应用（故而与称之为物理学世纪的20世纪相比照，我们以为，21世纪或可称作物理学应用的世纪）。 根据上文所述，概括言之，在今后百多年时间里，首先是凭藉相对论和量子理论及其结合体系，还会延拓出现代物理学之众多新的分支学科和交叉学科，扩大各物质层面的可知范围；而这两个理论本身的真理底蕴亦尚待进一步挖掘和展露；二者之结合体系在克服有关困难的同时，可能得以更有效、完整、合理的构建。其次，量子理论的丰硕成果偕同相对论成就，广泛地应用于现代科技各领域（包括现代物质科学中的非物理学领域），并兴许会促发信息科技、材料科技、生命科学等领域里的宏伟革命，由以产生进一步推动社会生产、优化社会生活、以至更全面地造福人类的巨大物质力量。第三，基于现代物理学过去百余年进展而确立的现代自然观已深入人类思想的概念结构，以至于对哲学-社会科学、思想意识形态、甚至文化-教育事业逐渐显示其深刻影响，并形成为现代文明建设中的一股强大的精神力量。 科学也可算是一种文化；科学美学亦乃和谐文化的一部分。科学的真和美、物理学的真和美，不仅能用来造福人类，而且使人喜悦、使人激奋。大数学家希尔伯特（D. Hilbert）如此形容科学家们探索真理时的审美情趣：“……我们对科学的热爱超过了一切。在我们眼里，它就是一座鲜花盛开的园林。花园里有被人踩就了的路，空闲时可循路漫步、观花赏景。……但是我们还喜欢寻觅深藏不露的小径，去发现更多出乎意料的奇妙景致，看了更觉心旷神怡。……我们共同赞美它，真是其乐无穷。” 此可谓“曲径通幽”：曲径可觅，真理可求，幽幽美景足可观赏取乐；真理探索永无止境，探索中撷美的乐趣也是无穷无尽的。当然，辟径求真，着实艰难异常；然而，“渴望看到这种先定的和谐，是无穷的毅力和耐心的源泉”（爱因斯坦语），唯有付出艰辛劳动，才能抵达美妙的真理彼岸。看来，真理探索，对于探索者本身来说，实在是非功利的；尽管科学技术及其物理学基础的“功德无量”，为人民大众带来无限福利，为人类文明进程竖起一座座丰碑。就此意义而论，我们忍不住又要赞叹一声：美哉，物理；美哉，科学！伟哉，为探索真理而孜孜以求的纯真科学家！（续完） |
|
|
