现代物理学危机探讨系列

现代物理学危机之一

什么是物理学的危机作者

苟文俭

到十九世纪后期，当经典物理学完整的理论体系已经形成，几乎能说明当时所有已知的物理现象时，在物理学领域又发生了以下事件，不论是当时有智慧的物理学家，还是今天所有的物理学工作者，都普遍认为在那个时代经典物理学发生了危机。

概括起来，构成经典物理学危机的事件主要是以下三个方面：

1、19世纪80年代迈克耳孙-莫雷精密的“以太漂移”实验均得到了“零结果”，这就直接否定了主流的静止以太说，从而动摇了光学和电磁学的静止以太的表述基础，使这两个理论面临了表述基础被破坏的危险，对此就称构成了经典物理学的基础危机。象迈克耳孙-莫雷实验这样，理论表述基础与事际不相符的物理学事件，就称是物理学基础危机事件。

2、在对比热和热辐射的研究中，主流的玻耳兹曼和麦克斯韦提出的能量均分定理能够解释许多现象，对于常温下的一般固体和单原子气体的比热，也都给出了比较满意的答案。但是对于多原子气体，实测的定压热容量与定容热容量之比显著地大于理论计算值，出现了所谓的“紫外灾难”。这一事件使经典热力学的演绎面临了危机，对此也称构成了经典物理学的演绎危机。象“紫外灾难”这样，理论演绎结果与事实矛盾的物理学事件，就称是物理学演绎危机事件。

3、实验发现了X射线和放射性,接着又发现了电子和镭等等，这就使一向被看作是天经地义的原子不可分和元素的不变性、物质不灭和能量守恒、空间和时间的绝对性、运动的连续性等等，都产生了动摇，使经典物理学的许多基本概念都受到质疑，对此也就称是经典物理学的概念危机。象放射性这类事实的被发现这样，使物理理论使用的基本概念受到了质疑的物理学事件，就称是物理学概念危机事件。

分析上述使经典物理学发生危机的三个方面的事件可以确定，构成物理学危机的事件，有以下两个显著特征：

1、形成于理论自身，被事实所证实，而不是由数学规则或哲学原理的逻辑论证或判断的结果。

2、相对于主流物理学的整个体系而言，而不是物理学体系中的某个理论。总结上述论述就可以有如下结论：相对于主流物理学的整个体系而言，如果理论自身形成了被事实证实的基础危机事件、演绎危机事件和概念危机事件，物理理论体系就面临了崩潰，也就构成了物理学危机。

上述就是根据经典物理学危机的历史事实，对什么是物理学危机所做的明确回答。

               现代物理学的基础危机

                            作者  苟文俭

如作者在《现代物理学危机之一》所述：象迈克耳孙-莫雷实验这样，理论表述基础与事际不相符的物理学事件，使理论面临了表述基础被破坏的危险，就称是物理学基础危机事件；构成物理学危机的事件有两个显著特征，第一形成于理论自身，被事实所证实，第二它是相对于主流物理学的整个体系而言的。

现代的主流物理学，是指由量子力学、相对论、规范物理的标准模型、大爆炸的宇宙标准模型形成的物理理论体系。

根据上述对物理学基础危机事件的定义，很容易发现现代主流物理理论体系中、其描述基础与事实不相符的一些基础危机事件。对此本文举如下三例。

1、量子场理论只能描述没有大小的点粒子，但标准模型要把量子场理论类推到粒子内部，去表述粒子内部的组成存在的规律，就构成了标准模型表述基础的点粒子与事实不符的基础危机事件。

这一事实作为标准模型础危机事件，是因为标准模型描述的是粒子有大小的存在内容，这就不允许再用点粒子的理想化方法处理。即标准模型表述基础的点粒子与它表述的粒子有内部组成的事实并不相符。

2、现代物理理论表述基础是物质世界的对称性存在，而在物质世界起根本作用的却是不对称。即在现代物理理论中，因为表述基础的对称存在、与表述对象不对称起根本作用的事实不相符合而构成了基础危机。

3、由于相对论与量子论表述基础的相互拒绝，如下所述也就构成了现代物理理论体系的基础危机。

相对论的形式化表述是建立在因果决定性基础之上的，狭义相对论中时空具有随物质运动情形不同的相对性，广义相对论时空则是随物质质量的多少而具有形变的相对性；量子论的形式化表述、是建立在随机不确定性基础之上的，时空具有不准确测量的量子性，描足海森堡测不准原理。

相对论与量子论的表述基础相互拒绝，表明它们各自有非常明确的表述范围，但在现代物理理论体系中，相对论与量子论都是作为普遍适用的理论使用的。显然，现代物理理论体系中、把相对论与量子论作为普遍适用的理论，由于与它们表述基础相互拒绝的事实完全不相符合，这就必然构成了现代物理理论体系的基础危机。

以上这些事实就充分表明：对现代主流物理学理论体系来说，它确实有由基础危机事件构成的基础危机。现代主流物理理论体系的基础危机是千真万确的事实。

       现代物理学的演绎危机

                  作者 苟文俭

如作者在《现代物理学危机之一》所述：象“紫外灾难”这样，理论演绎结果与事实矛盾的物理学事件，就是物理学演绎危机事件；构成物理学危机的事件有两个显著特征，第一是形成于理论自身，被事实所证实，第二是相对于主流物理学的整个体系而言的。

现代的主流物理学，是指由量子力学、相对论、规范物理的标准模型、大爆炸的宇宙标准模型形成的物理理论体系。

根据上述对物理学概念危机事件的定义，很容易发现现代主流物理理论体系中、其理论演绎结果与事实不相符的一些演绎危机事件。对此本文也仅举如下三例。

1、量子场理论需要使用微扰方法计算，而且其结果总有无穷大量生成。

因为无穷大量在实际中根本就不存在，这一事实作为现代物理主流理论体系中的演绎危机事件是显而易见的。在量子场理论中，在规范粒子质量为零的条件下，虽然可以用重正化的数学技巧消除微扰计算中的无穷大量，但这一方法并不是对量子场理论所有计算都有效，而且这一纯数学方法仅仅是一种人为的数学技巧而已。

2、在准标模型形式化表述中，也还演绎出了粒子有分数电荷、磁单极子、质子衰变等在经验领域根本就不存在的结果。很明显，这也就是准标模型的又一个演绎危机事件。

3、在大爆炸宇宙标准模型中，根据观测事实，使用广义相对论的引力理论形式化表述的需要，就演绎出了宇宙约有30%的暗物质、和约70%的暗能量。

暗物质暗能量因为不可观测，必然不参与电磁作用。我们知道，在标准模型的大统一理论中，在宇宙大爆炸初期，电磁作用是先于万有引力从“超引力”中分离出来的力。即是说，标准模型的大统一理论，将不允许有只参与万有引力、而不参与电磁作用的暗物质暗能量存在。这样，由于宇宙标准模型的演绎结果与标准模型的大统一理论演绎结果相互矛盾而构成了危机；对此称是现代物理理论体系内部的演绎危机。

我们还知道，把量子场理论用于宇宙学研究，把演绎与观测事实对照，就竟有上百个数量级的差异。这也是现代物理理论体系内部演绎危机的另一个事例。

以上这些事实也充分表明：对现代主流物理理论体系来说，它确实有由演绎危机事件构成的演绎危机。现代主流物理理论体系的演绎危机也是千真万确的事实。

              现代物理学的概念危机

                      作者   苟文俭

如作者在《现代物理学危机之一》所述：象放射性的发现这样，使物理理论使用的基本概念受到了质疑的物理学事件，就称是物理学概念危机事件；构成物理学危机的事件有两个显著特征，第一形成于理论自身，被事实所证实，第二是相对于主流物理学的整个体系。

现代的主流物理学，是指由量子力学、相对论、规范物理的标准模型、大爆炸的宇宙标准模型形成的物理理论体系。

根据上述对物理学演绎危机事件的定义，很容易发现现代主流物理理论体系中、理论使用的基本概念受到质疑的概念危机事件，对此本文同样也仅举如下三例。

1、规范理论在对粒子对称性存在分析中，得到了夸克这样的粒子组成单元，但这却是不可观测。即夸克是否是真的，这是不可证实的。这就使夸克作为标准模型使用的重要基本概念，它到底是什么的实在性存在，是否是一种实在性存在，都受到了质疑，由此也就构成了标准模型对夸克这一基本概念使用的概念危机事件。

2、现代物理在对粒子构成描述的理论表述中，如粒子同位旋、弱荷、内禀轨道、奇异教、色荷等等，并不明确它们与粒子构成相关的特定的客体化存在内容到底是什么关系；现代物理在宇宙领域的描述中，如宇宙为什么会发生奇点大爆炸、宇宙物质惯性到底是怎样形成的、宇宙膨漲的边界条件是什么、类星体到底是怎样形成的巨大能量等等，都只有猜测和想像。上述涉及这些方面涉及的所有概念，因为不具有描述对象的客体化意义，理论表述中使用这些概念来解决相关问题时，也就自然具有了不确定性，理性的逻辑判断也就必然会质疑这些概念在理论表述中的使用是否可靠。即现代物理理论体系中，因为诸多概念不具有描述对象的客体化意义也会构成理论的概念危机事件。

3、在广义相对论中:(1）对空间测量就只能沿球弧面进行，当运动速度增加至接近光速，只要静止质量不太大，其测量值缩减以至趋近于零的情形就决不会发生，即广义相对论的黎曼空间就完全拒绝了狭义相对论中空间运动的相对性。（1）为了使广义相对论与狭义相对论具有逻辑一致性，在广义相对论的形式化表述中，爱因斯坦认为引力就构成于各个局部惯性系之间的相互联系；但在对引力的解释上，广义相对性又认为引力就产生于客体外部空间的形变，而且这种形变空间是连续的，它既不存在整体惯性系，也不存在哪怕是一个点位置的局部惯性系；即广义相对论对万有引力产生原因的解释又从根本上否定了它的形式化表述依据。

上述这些事实表明，广义相对论与狭义相对论之间，或在广义相对论内部，概念的使用有相互矛盾的内容，对这些相关概念的使用也就必然要受到质疑，对此也就称是现代物理理论体系内部的概念危机事件。

以上这些事实就充分表明：对现代主流物理学理论体系来说，它确实有使用的概念受到质疑的危机事件，从而构成了现代主流物理理论体系的概念危机。现代主流物理理论体系的概念危机同样也是千真万确的事实。

                    现代物理学危机之五

             现代物理学的危机不容否认

                           作者  苟文俭

如作者在《现代物理学危机之一》所述：相对于主流物理学的整个体系而言，如果理论自身形成了被事实证实的基础危机事件、演绎危机事件和概念危机事件，物理理论体系就面临了崩潰，也就构成了物理学危机。

现代的主流物理学，是指由量子力学、相对论、规范物理的标准模型、大爆炸的宇宙标准模型形成的物理理论体系。

在《现代物理学危机》之二至之四的三篇文章中，作者用事实证明，对现代主流物理理论体系有基础危机、演绎危机和概念危机，这是千真万确的。因此现代物理理论体系与十九世纪后期经典物理论体系一样，也面临了崩潰；现代物理学的危机不容否认。

但在我国主流物理学界，就并不承认现代物理学也面临了危机。

2005年，我国一位最高的自然科学权威在一个报告中就指出：“今天的物理学，诚然面临着一些重要的理论与实验问题亟待解决，比如类星体的能源问题，暗物质，暗能量和反物质的问题，爱因斯坦场方程的宇宙项问题等，中微子振荡问题，质子衰变问题等，但是到现在为止，物理学家还没有人像19世纪20世纪惊呼物理学的危机”。2007年元27日，在中央电视台十频道《大师讲科学》的节目中，我国另一位最高物理学权威也向人们说：现代物理学，不象上世纪初期那样，有大问题需要爱因斯坦他们来解决，……现代物理学没有大问题需要解决，只是些小问题，是许许多多的小问题需要我们解决，……如纳米科学，就有许多小问题还没有解决，需要我们去解决。

这两位权威级大人物的见解，代表了是我国物理学界的主流，在现代物理学正在蕴酿着突破性革命的今天，他们完全不承认现代物理学面临了危机，这也正是十九世纪后期一些经典物理学权威、没有觉察到经典物理学正面临危机的历史的重演。

例如当年英国物理学界元老开耳芬，他就认为，在那个时期经典物理学的发展不过是遇到了几个较为严重的困难而已，这些困难能够通过适当的方案逐一加以解决，而无须触动整个物理学的基础。因此他对于动摇这个基础的新实验和新理论往往持怀疑态度，甚至公开站出来反对。还有如当年最著名的维恩、瑞利、洛伦兹等人，他们也都力图在经典理论的框架内解决面临了危机的那些难题；维恩、瑞利直到1905年都不同意普朗克为解决“紫外灾难”提出来的量子概念，洛伦兹在1908年的罗马讲演中，也还是表示难以接受普朗克的理论。

在二十世纪来临之前，经典物理学面临了危机，历史给出的是如下两种选择：

1、以那个时代经典物理学的一些权威为代表，他们不承物理学面临了危机，总是试图在经典物理的逻辑体系内，用在经典力学理论框架内演绎法的主流和时尚，凭籍自身天才的头脑，采取修补的办法来解决问题，虽然展现了他们的大师风范，其结果是经典物理理论面临的危机并没有真正被消除，也没有实现物理理论有新的较大的发展。

2、进入二十世纪后，以爱因斯坦、普朗克、玻尔、德布罗意等那个时代物理学后生为代表，他们离开经典物理理论框架内演绎法的主流和时尚，在经验领域给出了“同时性”、“量子态”、“物质波”等基本概念的实在性意义后，在新的描述范围，构建了与经典物理理论体系完全不同的现代物理基础理论，对彻底解决经典物理理论危机做出了成功选择。

解决经典物理理论困难的成功选择，首先就在于要有发现经典物理学面临危机的敏銳眼光，在于要有勇气放弃因为主流的成功使你头戴的闪闪光环。这些，也就是我们今天解决现代物理理论问题、进一步发展现代物理学最重要的历史参照。

                   作者  苟文俭

物理学作为自科学的基础学科，但现代物理理论面临的现实是：

1、包括量子力学、相对论、规范理论的标准模型、大爆炸宇宙标准模型在内所有最有成效的物理理论，它们都还不是万物之理，都有其自身的局限性和相互的不相融，都有自身无法解决的诸多疑难。

2、在理论的进一步发展中：对探索自然奥秘的理性化思考，总是依赖于猜测与想像，以致于在整个现代物理理论逻辑体系中，人为地制造了形形色色的矛盾与悖论，构成了观念的极大混乱；从弱电统一理论、量子色动力学、规范场的大统一理论、大爆炸宇宙模型，直至超弦理论及M理论，确是向着未知因素增多、表述不确定性增大、可直接验证的经验实证的程度降低、理论自身制造的疑难也越来越多的方向。

毫无疑问，现代物理理论的进一步发展，使物理学继续成为自科学的基础学科遇到了严重挑战，对每一位热爱物理学的学者，都应该团结起来，共同面对物理学的这种严重挑战。为此，我们应该有以下明确观念、有真正学者的操手。

1、现代物理理论对自然奥秘的探索已是步履维艰，这决不是现代物理理论的错，因为现代物理不同理论，都只是描述范围有限的有限真理，我们不应当着眼于去否定或推翻现代物理物理的某个基础理论或某个结论；试图否定或推翻已取得成功的任何探索，都无疑缺乏理智。同时，对学习过现代物理理论、或达到了某种程度的人，也不应该自以为是手握真理而在他人面前招摇卖弄，因为这至少不能算是有“真人不露相”的君子作风，而是应该再回过头来思考：在现代物理理论取得了成功后，理论的进一步发展我们还应该再去怎样做。

2、现代物理理论对自然奥秘的进一步发展，决不是用已有理论、通过演绎来解决某个具体的疑难所能完成的，而是应当从理论的公理系统入手，做的是理论的基础性工作，考虑的首先是怎么做的问题。在这方面，经验直觉起到至关重要的作用。

在发展理论的基础性工作中，产生于经验直觉的任何思想都应当受到尊重。但来自经验直觉的思想又决不等于科学，只有经过了实验的严格检验，又与现存已有的成功理论完全自洽，这种经验直觉的思想才具有了科学性。

作者认为现代物理需要革命性突破，提出了探索物理学第三次革命的课题，也出版了专著《粒子及其质计算》，搭建了现代物理理论表述平台，这既不是自己在吹牛皮，是不懂希格斯机制之类的专业知识的胡言乱语，也并不认为就有什么了不起，这只不过是积个人30多年学习与思考的结果。目前我非常希望的，就是有人也能够认识到现代物理需要革命性突破，能与人讨论现代物理怎样实现革命性突破，能在物理学的茫茫人海中找到志同道合者。