時間：2024-01-04 11:53:27
導語：在量子力學和相對論的意義的撰寫旅程中，學習并吸收他人佳作的精髓是一條寶貴的路徑，好期刊匯集了九篇優秀范文，愿這些內容能夠啟發您的創作靈感，引領您探索更多的創作可能。
本文的主要內容就是20世紀是如何完成科學的社會化和社會的科學化的。20世紀整個的一百年里，理論科學的發展基本上可以概括為兩次科技革命和四大理論模型；應用科學也可以概括為兩大超級能量和兩大生活技術。
兩次科技革命的第一次指的是在19世紀20世紀之交物理學領域發生的科技革命，包括相對論和量子力學的出現。第二次科技革命，在我看來還是一個正在進行中的、尚未完成的革命。這場革命發生在20世紀后半期，就是非線性科學的革命。四大理論模型是在20世紀快結束的時候基本形成的。這個四個模型包括宇宙學中的大爆炸模型、粒子物理學中的夸克模型、分子生物學當中的DNA雙螺旋模型、地學中的大地板塊模型。也有人說還可以再加一個計算機領域的馮？諾伊曼模型。這四個模型或者五個模型大體可以表達20世紀最重要的一些理論成就。當然不是說其他的成就就不重要，而是說這幾個成就格外的重要，因為它們構成了20世紀理論科學發展的一個平臺。
應用科學的兩大超級能量，第一個能量就是核能量的釋放，包括核武器的研制、核能量的釋放和利用等。這個可以稱之為超級能量的釋放。第二個是登月工程。登月工程之所以能夠稱為一種超級能量，是因為它代表了人類對地球引力的征服，代表了人類走向太空。這是一個人類自古以來從未想象過的一種現實，可以稱它為一種超級能量的開發。
那么什么是兩大生活技術呢？這指的是20世紀后期發生在我們眼前的兩種技術。第一個就是生物技術，第二個是信息技術。人有兩方面的存在，一個是社會學存在，一個是生物學存在。人類的生物學存在正在遭受生物技術的改造和改變，這是一種生活技術。人作為社會學意義上的存在，是一種交往性的存在。人是通過交往來認同自己的，每個人都要跟人家交往，把一個人關在一個屋子里老不讓他交往，他最后不是發瘋就是變成非人。但是交往是要依靠技術的，基本的交往技術就是信息技術。所以今天的信息技術就是我們第二大生活技術。
一、世界圖景的重建
我們先來看物理學革命。物理學革命分為相對論革命和量子力學革命。相對論基本上是家喻戶曉的了，因為愛因斯坦是20世紀最大的科學明星。愛因斯坦曾經跟卓別林說，為什么所有人都喜歡你，是因為他們都理解你；為什么所有人都喜歡我，是因為他們都不理解我。這就反映了愛因斯坦的相對論非常難理解，不要說一般大眾，就是學物理的要真正地理解相對論也是很不容易的，所以愛因斯坦就開了這么一個玩笑。
大家知道相對論分為狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論主要是在時間空間問題上的一場革命。關鍵是引出了同時性的相對性。比如說現在我們正在王府井搞講座，此刻天安門那兒有一場隆重的儀式，那么在什么意義上說，此刻天安門和王府井的兩個事件是同時的呢？你可以說我們看表看到是同時的，都是10點鐘開始，那邊也10點，我們這兒也10點。可是這畢竟是兩塊表，如何才能知道它們是一致的呢？的確，我們不能肯定現在這塊表定的時間和天安門廣場那塊表的時間完全一樣，因此講同時性就需要對鐘。愛因斯坦說，你必須告訴我你是怎么對鐘的，他要求同時性要有一個操作的定義。由于要對鐘，所以需要信號。最快的信號是光，可以用光來對鐘。但是光的速度仍然是有限的，這就意味著在對鐘的過程中光信號從天安門傳到王府井是需要時間的，這就會遭遇一種相對性效應。在一個靜止的人看你對鐘和一個運動的人看你對鐘，對出來的是不一樣的。愛因斯坦借此提出同時性的相對性，也就是說，對于一個參照系中的觀察者來說是同時的，對另一個參照系的觀察者就不是同時的。根據這個同時性的相對性，愛因斯坦就推出了他所謂的狹義相對論。同時性的相對性還比較好理解，但由此出發得出了很多很古怪的結果。
第一個古怪的效果叫尺縮鐘慢。在不同的參照系里的人看來，尺子的長度是不一樣的。一個運動的尺子會比在靜止時短，這個叫尺縮；運動的鐘要慢一點，這是鐘慢。這個尺縮鐘慢效應不是任何外力作用造成的，就是參照系本身造成的，是運動學效應不是動力學效應。由于運動是相對的，你看見我的鐘慢了，我看見你的鐘也慢了，那么到底是誰慢了呢？由于處在不同的參照系，這個問題是沒有意義的。但是，要是讓一對雙生子派一個人先出去跑一圈再回來，由于他們都會發現對方時鐘慢了，生命的生長也慢了，于是對方都比自己年輕了，這樣再次碰面就會出現悖論：到底是哪一個更年輕？這就是著名的雙生子悖論。這個悖論在狹義相對論里解決不了，只有在廣義相對論才能解決。大家知道，一個宇宙飛船飛出去又飛回來，它必然要經歷一個加速運動才能飛出去，飛出去之后要想再回來，它又要經歷一個減速運動。一加速一減速就不符合狹義相對論的條件，就是廣義相對論處理的問題了。經歷了加速場的人，按照廣義相對論來說，他應該是絕對地變年輕了。因此按照廣義相對論，這個雙生子悖論是可以解決的，答案是坐宇宙飛船出去轉一圈的那個人變年輕了。這是我們要說的尺縮鐘慢效應。
還有一個很重要的推論，就是很多人都知道的質能轉化公式，E等于MC2，E是能量，M是質量，C是光速。根據這個公式，稍微有一點點質量的損失，可以變成巨大的能量。過去分別有質量守恒和能量守恒，現在兩者是一回事，合起來叫質能守恒，這個也是狹義相對論所得出的結論。
接著我們說一說廣義相對論。廣義相對論處理的是加速問題。牛頓力學里面有兩個質量，一個是牛頓第二定律規定的那個質量，我們稱為慣性質量；另外一個是萬有引力定律里面的，叫引力質量。在牛頓時代，引力質量和慣性質量被認為當然是同樣一個質量，但是這個并沒有予以說明。愛因斯坦認為，這兩個質量的同一性實際上表明了引力場和加速場的等效性。說白了就是，引力場和加速場本質上是一回事。愛因斯坦最喜歡用電梯做思想實驗，歷史上稱為愛因斯坦電梯。比如說你坐在封閉的電梯里，并且用臺秤秤自己的重量，現在你發現臺秤上顯示你的重量大于你的體重，那么愛因斯坦說，你不能肯定究竟是你所在的電梯正在向上加速運動，還是地球的引力突然增大了。這就是加速場和引力場兩者不可分的意思。根據這個等效原理，他推出了廣義相對論。
廣義相對論也有很多重要的預言。其中最有意思的一個推論就是，他認為物質和空間之間不能夠像過去那樣看成相互外在的兩個東西，比如說空間是一個籃子，物質就像籃子里的菜；空間是那個書架子，物質就是書架上的書。愛因斯坦說這不對的，實際情況是，空間變成了物質的某種幾何性質。廣義相對論主張，有什么樣的物質，就會有什么樣的空間。就好比籃子裝了菜，籃子就發生變化；書架裝了書，書架會發生變化。任何有質量的物質都會引起周圍空間的彎曲，質量越大、引力場越大，空間彎曲得越厲害。過去我們認為月亮繞地球轉，是因為有地球的引力在拉著它，現在，按照廣義相對論的說法，好是因為地球的引力場讓地球周邊的空間變彎了。月亮某種意義上是在走一個直路，只不過空間彎了，它走的直路在我們看來也是一個彎路。
空間彎了，一向走直路的光線當然也會彎曲。這個說法當然是非常奇特的，一般人覺得不可思議。愛因斯坦說只有在特別強大的引力場之中，光才能發生彎曲。我們地球周圍最大的引力場就是太陽，太陽質量最大，可是白天太陽很亮，沒有辦法用它來判定光線是否在經過它是否發生了彎曲。但也有辦法，就是等日全食的時候，月亮正好把太陽全部遮住的時候，我們再來看一看處在太陽背后的那個恒星的光，能不能繞過太陽被我們看見，如果能的話就證明愛因斯坦說得是對的。這件事情正好發生在第一次世界大戰之后，英國的愛丁頓率領一個考察隊專門去考察日全食的時候光線是不是發生彎曲，考察的結果居然是真的發生了彎曲。當時就一下子轟動了，愛因斯坦從此成為家喻戶曉的科學家。
我們講這些基本的東西，是要想說明愛因斯坦的相對論，對人類關于時間、空間、宇宙的基本觀念產生了一場革命性的轉變，因此我們說愛因斯坦是20世紀的一個科學革命家。下面我們再來講講量子力學。量子力學從某種意義上說，比愛因斯坦的相對論還要深刻，它里面所包含著的革命性因素還要多，主要表現在幾個方面。
第一個是微觀領域里物質的波粒二象性。微觀粒子既表現出波的特性，又表現出粒子的特性。粒子的一個特點是它有個定義明確的界限，有自己獨一無二的位置。波則是一個彌散的東西，不能說波在什么位置，波是處在整個空間之中。這本來是兩種完全不一樣的物質形態，但量子力學發現，微觀粒子既像是粒子也像波。比如說這個屋子有兩個門，我們每個人進來的時候總只能從一個門進來，你不能說我同時從兩個門進來的。可是量子力學發現，微觀領域的粒子就是從兩個門進來的。同樣，它也是從兩個門出去的，因此，你就不好說它出去之后究竟在什么地方。
第二個叫做測不準原理。一個粒子的能量和時間、質量和動量不能夠同時精確測定，也稱為不確定性原理。為什么量子領域會發生這個事情呢？主要的一個原因是我們對量子領域的現象必須通過實驗才能了解，可是實驗總是會對對象有干預。比如說我們這個黑屋子里面有一個球，現在我們來問這個球在什么位置，當然我們不知道在什么位置，因為屋子太黑了我們看不見。為了知道它在什么位置我必須把燈打開。可是把燈一打開之后，那個燈的光線就對那個球產生作用。對一個宏觀的球來說，光線不大可能對它產生什么明顯的影響，可是在量子微觀領域，這個光子跟這個球差不多，它就完全有可能把球打到不知道什么地方去了。即使你打開燈之后看見那個球在某個位置，你也不能說沒打開燈之前那個球在什么位置。如果你不開燈你看不見，一開燈球又變了位置了，所以這就是為什么量子力學說搞不清楚它在什么位置的一個根本原因。
量子力學還有很多這類稀奇古怪的現象。經常有物理學家自嘲說，如果你在學過了量子力學之后沒有意識到自己根本不懂量子力學，那么你就真是不懂量子力學。只有當你知道自己不懂量子力學之后，你才能說自己稍微懂得一點量子力學。量子力學在20世紀初產生后，與實驗符合得非常好，成了整個20世紀科學的一個基本的平臺。今天諸位都用了手機，用了電子設備，其實里面都包含著量子力學的理論成就。量子力學我們就講到這里。
下面我們講講四大理論模型。
四個理論模型里面宇宙學和相對論聯系最深。牛頓以來的宇宙學基本上就沒了，因為宇宙被認為是無限的，無限的宇宙沒法研究。愛因斯坦相對論提出來之后，他發現可以把宇宙整體作為一個研究對象，建立方程。這個宇宙方程導出的解都表明宇宙不是穩定的，但他當時覺得宇宙總體上應該是一個穩定的東西，所以他加了一個宇宙學項，強行把從相對論宇宙學中導出了一個靜止的宇宙模型。也有一些數學家試解愛因斯坦的宇宙方程，提出了好多次數學方案，這些方案都表明宇宙是不穩定的。由于沒有觀測證據，數學家自己算著玩，也沒有人當真。
有意思的是，大概在2 0年代末，美國的一位天文學家叫哈勃（哈勃望遠鏡就是以他的名字命名的），他發現銀河系外面的星系都有紅移現象。紅移就是光譜向紅端移動，向低頻段移動，人們馬上聯想到多普勒效應。多普勒效應很簡單，說的是一個運動的振動源在觀察者看來，振動的波長和頻率都是要發生改變的。我們都有這個經驗，一列火車鳴著汽笛向我們開來的時候聲音越來越尖銳，離我們而去的時候聲音越來越低沉。這不是因為它這個汽笛聲調發生了變化，而是因為我們和火車之間的運動關系發生了變化。它向著我們來的時候是越來越尖銳，聲音的頻率發生了藍移；離我們而去的時候聲音越來越低沉，發生了紅移。河外星系都有這樣的紅移現象，這就意味著所有的星系實際上都在離我們遠去。如果所有的星系都離我們遠去，這就意味著整個宇宙都在膨脹。
這個觀察證據發現之后，立即就被人聯想到那些數學家所給出的宇宙膨脹模型。理論與觀測相遇了，現代宇宙學就這樣成長起來了。如果說宇宙是膨脹的話，那么往回追溯它應該越來越小，小到一定地步應該就變成一個點。從點狀如何膨脹出一個宇宙？點之前又是什么東西？這就是一個大問題。宇宙學家提出一個理論說，宇宙是從起點處高溫、高壓、高密度的奇點狀態爆炸過來的，爆炸瞬間之后，是一團宇宙霧，或者說一鍋宇宙湯，隨著溫度慢慢變低，依次產生現在我們看到的這些物質，核子啊、電子啊這些東西，后來慢慢再出現星系、星云，出現行星，整個宇宙就出來了。在冷卻的過程中實際上還有點霧沒有徹底冷卻，這個很稀薄的一層霧始終還在，大概相當于絕對溫度三度這樣子的輻射，是早期宇宙湯的一個遺跡。這個遺跡后來居然也被發現了，這個發現也是非常巧的。幾個搞射電天文的人做了一個射電望遠鏡調試，怎么調試也不能復零，老有一點本底噪音。這個本底噪音當時被認為是望遠鏡沒做好的一種表現，他們很苦惱。但是他們在普林斯頓大學吃飯的時候跟同事們談起來，說我們造了一個望遠鏡，怎么調也調不到零，本底噪音不知道怎么來的。說者無心聽者有意，旁邊的理論宇宙學家一聽，這個本底噪音不就是宇宙背景輻射嗎？他們于是結合起來研究，證明那個本底噪音就是宇宙湯在冷卻過程中留下的那一點點霧，稱為微波背景輻射。這個輻射的發現就成了對熱大爆炸宇宙模型的一個有力的支持，這個模型從此就有力地確立下來了。這個模型也很受理論物理學家喜愛，因為很多高能物理實驗在地面上不好做，做不出來，但有了這個模型，我們就可以虛擬地在宇宙早期去做。因為宇宙早期溫度高，密度大，成了理論物理學家很鐘愛的一個模型，他們可以在這個模型的基礎上做思想試驗。
第二個模型就是所謂的夸克模型。大家知道一分為二的思想。所有的物質都是由分子構成，所有的分子都是由原子構成，所有的原子都是原子核和電子構成，原子核由質子和中子構成，質子和中子由基本粒子構成，還能不能接著分下去呢？過去我們說一尺之捶，日取其半，萬世不竭。可是問題是，你想是可以這么想，但能不能真的分得下去得靠科學來說話，得做實驗。實驗結果卻表明，這個夸克模型分不下去了。因為到了量子領域之后，質能轉換關系開始起作用了。打個比方說，你用刀去切蘋果，在宏觀領域里，蘋果是蘋果刀是刀，是兩個不同的東西。可是到了微觀領域，代表著分解方的刀和代表著被分解方的蘋果是可以互相轉換的，相當于說，你切著切著，刀切沒了，變成蘋果了。本來應該是蘋果越切越小，由于刀切沒了，轉化成了蘋果，因此蘋果被切之后有可能變成兩個更大的蘋果。由于質量和能量可以相互轉化，高能粒子在切割的過程中并不是越變越小，這樣一來，所謂的無限可分就變得沒有意義了。夸克模型認為夸克實際上根本打不開，一個很重要的原因是道高一尺魔高一丈，你敲擊的能量越大，它禁閉的能量也越大，所以根本就打不開。這是夸克模型。
大家都很熟悉了。今天我們處在一個生物技術的時代，基因的時代。基因時代之所以能夠到來，與DNA雙螺旋模型的發現是有關系的。過去我們只知道有基因，基因在染色體上，那么具體來說基因是什么樣，有什么樣的內在結構，過去都不知道，現在都搞清楚了。20世紀50年代有兩位英國的年輕人，在前人的工作的基礎上最終發現了DNA實際上是兩個鏈纏在一起，纏成一個雙螺旋，有了這個雙鏈條模型后人們才能精細地對基因進行研究和加工。今天我們知道的基因復制、基因修補、基因重組，都是建立在這個DNA雙螺旋模型的基礎之上。所以這個模型對于今天生物科學的發展，對于我們生物技術的發展都是功莫大焉。但是大家也要注意到，DNA雙螺旋模型的發現是與微觀物理學的發現有直接關系的，剛才我們講的量子論和相對論都是有貢獻的。因為DNA這個東西很小，必須用電子顯微鏡來看。電子顯微技術實際上是建立在當時量子力學這樣一些物理學基礎之上的。所以某種意義上說，這個DNA雙螺旋模型的發現，理論物理學也是有很大功勞的。
大地我們過去只知道有縱向的運動，地震就是典型的縱向運動，上下動。人們從來沒想到大地還有水平的運動，地那么大的東西怎么會水平運動呢。但是有些人就注意到了，我們的世界地圖幾大塊之間的關系，實際上暗示了它過去可能是一個整體。有一位地質學家叫魏格納，有一天他躺在床上看世界地圖就發現，非洲大陸跟美洲大陸邊界好像能接上，他就想是不是早期它們是一整塊的，后來才分開的。這個思想當然過于大膽了，人們很難設想地球那么大的玩意兒還能夠水平運動。他有了這個設想之后，就想去驗證它，而且寫了書，但是得不到大多數人的認同。所以這個大地水平運動理論，一直經歷了大概半個世紀的爭論，反復地研討，最終在20世紀60年代終于得到了地質學界的認同，被認為是地質學中的一場革命。這場革命確立了大地的板塊模型，以及這個板塊的漂移運動。有了這個板塊模型，所有的關于地質、地球物理的研究就有了一個嶄新的面貌。所以板塊模型也被認為是20世紀最重要的一個模型。
第五個模型我們講的是馮？諾伊曼模型。馮？諾伊曼模型是計算機領域的一個模型，今天我們用的電腦基本上都屬于馮？諾伊曼機。馮？諾伊曼機的一個基本原理就是把操作程序代碼化，把數據和程序儲存在一起。大家知道我們今天的硬盤里既存數據，也存軟件。軟件就是操作程序，數據是我們用的，比如說文字、圖象等。馮？諾伊曼機發現把它混在一起可以提高效率，過去這兩個部分是分開的，操作是操作、數據是數據，但是運算速度很慢。馮？諾伊曼提出來把兩者混在一起，統一編碼，這樣就大大地提高計算機的運算的速度。今天我們用的電腦依然屬于這個范疇。因此有人認為馮？諾伊曼模型也是20世紀最重要的理論模型之一。
20世紀60年代以來，不斷出現了一批橫斷學科、新興學科，被有人稱為第二次科學革命。在我看來，這場科學革命是比相對論、量子力學更加深遠的一場思想變革，它要打破近代自牛頓以來的一些對世界的看法，參與這場科學革命的學科很多，非線性科學、復雜性科學、系統科學、生態科學都卷入其中。
這些新的科學都想破除傳統科學里面的機械決定論思想。牛頓力學世界觀的一個理想是，給定全部的初始條件我就能告訴你世界的過去、現在和未來。法國科學家拉普拉斯對此有一個形象的表述。他說只要有一個萬能的計算者，你告訴他這個宇宙的初始條件，他就能算出宇宙的過去、現在、未來。在他看來，難題只在于有沒有這樣一個萬能的計算者，世界的決定論特征是沒有問題的。拉普拉斯的這個形象的說法，現在看來是有問題的。決定論的信奉者也是征服自然、改造自然的信奉者。我們因為能掐會算，能夠精確地預言、預測，因此我們什么都不怕，我們可以無所顧忌地改天換地。因為我能夠精確地知道，我對自然界的改造會造成什么樣的后果。如果你不能夠知道后果，那么人類對自然會有所敬畏。新的科學認為人類對自然的研究，并不能夠獲取完全的確定性。我們只能或然地了解世界，我們對于世界長遠的后果是沒法了解。這就是所謂的非線性效應、復雜性效應、生態效應。過去有一個箴言說人算不如天算，包括這個意思。歷史上的許多原始文化、傳統文化都強調要敬畏自然，主張自然的很多后果我們是難以預料的。但是，這個論調是近代科學所不理會的，近代數理科學傳統認為自然界是一個確定的體系，現在看來這個信念過于理想。新的科學發現了路徑依賴和初始條件敏感，就是說初始條件微小的變化將會非線性放大，放大到不成樣子。通俗的講法就是所謂的蝴蝶效應，說的是北京的一個蝴蝶扇一下翅膀，結果在紐約造成一場風暴。一個玩笑說，壞了一只馬蹄鐵，損失一匹戰馬，損失一匹戰馬帶來一場小小戰役的失敗，小小戰役的失敗帶來一場大戰役的失敗，大戰役的失敗帶來戰略性的失敗，戰略性失敗帶來國家的滅亡。這每一步都是非線性放大，結果是一只馬蹄鐵壞了導致一個國家滅了。非線性效應在現在看來不是個別的、孤立的，而是普遍的，處處都存在。過去認為整個宇宙尺度上，還是牛頓力學說了算，現在看來牛頓力學只能是小范圍說了算，大范圍反而都是非線性系統。我想這是一個很重要的觀念革命。
第二個方面是整體論的出現。過去的科學都主張對世界進行分割、切割，把宏觀的東西還原為微觀的東西，把整塊的東西切割成小的東西。我們先對小的、簡單的東西進行研究，研究了小的東西，那么大的東西自然就可以拼出來了。方程都是微分方程，微分方程算出來之后進行積分。微積分的過程就是一個原子化的過程，積分的過程就是一個拼裝的過程。所以近代以牛頓力學為代表的世界觀，基本上是一個拼裝、拆拼的世界觀。我們做什么事、看什么問題，都先是把這個事情把它拆開了、分解了，模塊、板塊化。現在我們管理學里面經常搞模塊化、板塊化，其實就是來自經典科學里面的原子論思維。流水線生產也是，把汽車都拆散了。過去造東西是一個工匠從頭造到尾，現在是一個人造一點點，造完以后拼起來就行了，又快又好。這是現代性思維的一個很重要的部分，也是古典科學的拼裝世界觀的反映。這種拆拼世界觀、原子論世界觀有個問題，就是忽視了世界、事物本身是個有機的整體，拆和拼的過程中肯定會損壞或者忽略掉有機的部分。我們都知道有許多東西是拆不出來也拼不出來的，這就是整體的東西。比如我們說一個和尚挑水吃，兩個和尚抬水吃，三個和尚沒水吃，這就是一個整體論效應。如果按照線性相加的原則，一個和尚挑水，兩個和尚就挑兩擔水，三個和尚挑三擔水。但這是原子論的思維，實際上并不是這么回事，和尚越多越沒有水吃。也有人說，一個中國人是一條龍，三個中國人成了一條蟲，這也是整體論效應，搞在一起反而內訌、相互拆臺。這個效應你通過拆分拆不出來，拆出來之后的東西就像我們剛才講的量子效應那樣，有可能越拆越大，越拼越小，這就不是線性效應。
還有一個方面是，新科學確認了世界的不可逆性。牛頓力學根本上認為，一個物理系統是可以反演的。時間變成負的無所謂，反正牛頓方程里面的時間都是以平方的方式出現的。不可逆性早在19世紀后期熱力學第二定律出現的時候就已經認識到了。人們發現一杯熱水放在空氣里面，它只會越來越涼，一直涼到和空氣溫度一樣為止。從來沒有一杯冷水放在桌上，能從空氣中吸熱把自個兒燒開了。從來只聽說過破鏡難圓，沒聽說過一個破碎的鏡子最后自己能重回圓滿，打碎的瓷器難復原、覆水難收都是這個意思。可是按照牛頓力學，這種逆轉原則上是可以的。宏觀上看一個物理系統總是按照一個不可逆的方向發展，一杯水總是慢慢地變冷或者變熱和室溫保持平衡，從來沒有越來越偏離室溫的情況出現。這種不可逆現象出來以后，很多科學家很苦惱。因為所謂的熱力學定律不過就是微觀定律的一個宏觀表現而已，微觀領域的粒子肯定都是符合牛頓定律的，因而是可逆的，可是為什么微觀里面是可逆的，宏觀就不可逆呢？當時有一位奧地利的物理學家叫玻耳茲曼，一直在試圖解決這個問題，結果到死也沒有解決問題。最后他是自殺的，沒解決這個問題很苦惱，自殺了。這個問題到現在也沒有完全解決，但是新科學，就是非線性科學、系統科學、復雜性科學、生態科學都試圖把這個不可逆性作為一個基本的現象來處理，而讓牛頓力學的東西作為一個次級的現象。這是新科學的一個嶄新的變化，這個變化將更加符合我們的日常生活經驗。
科學與人文在現代之所以分裂有一個重要的原因就是古典的物理學、古典科學不再關注價值問題，只關注事實，造成了事實和價值的二分。事實和價值之所以二分，是因為古典力學、古典物理學、古典科學所面對的對象是一個機械。機械本身是沒有目的的，沒有目的就沒有價值。有機體都是有目的的，機械沒有目的。如果你把世界本身看成個機械，那么這個世界本身就談不上什么價值，價值只屬于人。于是，人和自然、事實和價值、科學與人文之間就發生了分裂。可是新的科學認為世界本質上不是一個機械，而是一個有機體。這個有機體有自身的目的、有自身整體的效應。機械論理想局部是合理的，但是它是有限度的。因為特定的目的、特定的目標我們可以把世界看成個機械，但是根本上來看，世界并不是一個機械，而是一個有機體。這個有機體有整體效應，有非線性效應，它的變化過程是不可逆的。一個人只能由小孩長成青年，青年長成中年，中年變成老年，老年最后死掉，不可能倒著長，倒著長不是有機體的模式。想倒著長恰恰是機械自然觀的一個必然后果。從這個意義上說愛因斯坦的相對論，特別是狹義相對論總體上看也還屬于機械自然觀的范圍。愛因斯坦相對論是允許時間倒流的，邏輯上它允許時間倒流。好萊塢電影里面特別喜歡借用這個東西，來幻想時間倒流，從而產生一些非常異樣的場景疊加，那就有戲可看了。電影總是要有戲可看，所以他們特別喜歡援引相對論這些東西。其實可逆性思想已經遭到了新科學的質疑。
關鍵詞:經典相對論;宇宙學;量子引力;概念解釋;形而上學
正如巴特菲爾德和厄爾曼編撰的《物理學哲學》一書所言，近半個世紀以來，物理學哲學充滿活力有兩個重要的原因，第一是與所分析的科學哲學的形成期相關，第二則是近半個世紀以來物理學自身的研究有關。也正因此，在物理學哲學發展的進程中，其研究的論題和研究方法也隨著科學哲學和物理學自身的論題和方法進行著改變。在很長一個歷史時期內，物理學哲學曾經關注經驗物理學領域，物理學哲學的探討與對客觀性、真理性以及科學合理性的辯護分不開。而在當前宇宙學、量子引力發展的前沿時刻，《物理學哲學》一書體現了當代物理學哲學研究的新特點。本書與以往物理學哲學書籍最大的不同之處就在于，在以往物理學哲學著作往往重點討論統計物理學、相對論和量子力學的哲學問題的基礎上，增加了新的領域:“這些支柱的結合”———量子引力，并運用決定論和對稱性這兩個“能架起聯結物理學理論間(甚至三大支柱間)鴻溝的橋梁”的主題，把最終的討論由具體引向一般，從而讓我們看到兩個結論:第一，物理學哲學和物理學之間并不存在清晰的界限。第二，物理學概念的復雜化，想要借由物理學去豐富哲學，并非容易。本文主要就書中的“經典相對論”、“宇宙學中的哲學問題”和“量子引力”等內容進行分析，指出它們所揭示的物理學概念解釋的新特征以及物理學理論理解的新特征。
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。
三物理學理解的新特征:物理學和形而上學的交織統一
人們通常把愛因斯坦與玻爾之間關于如何理解量子力學的爭論，看成是繼地心說與日心說之后科學史上最重要的爭論之一。就像地心說與日心說之爭改變了人們關于世界的整個認知圖景一樣，愛因斯坦與玻爾之間的爭論也蘊含著值得深入探討的對理論意義與概念變化的全新理解以及關于世界的不同看法。有趣的是，他們倆人雖然都對量子力學的早期發展做出了重要貢獻，但是，愛因斯坦在最早基于普朗克的量子概念提出并運用光量子概念成功地解釋了光電效應，以及運用能量量子化概念推導出固體比熱的量子論公式之后，卻從量子論的奠基者，變成了量子力學的最強烈的反對者，甚至是最尖銳的批評家。截然相反的是，玻爾在1913年同樣基于普朗克的量子概念提出了半經典半量子的氫原子模型之后，卻成為量子力學的哥本哈根解釋的奠基人。愛因斯坦對量子力學的反對，不是質疑其數學形式，而是對成為主流的量子力學的哥本哈根解釋深感不滿。這些不滿主要體現在愛因斯坦與玻爾就量子力學的基礎性問題展開的三次大論戰中。他們的第一次論戰是在1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開的第五屆索爾未會議上進行的。這次會議由洛倫茲主持，其目的是為討論量子論的意義提供一個最高級的論壇。在這次會議上，愛因斯坦第一次聽到了玻爾的互補性觀點，并試圖通過分析理想實驗來駁倒玻爾—海森堡的解釋。這一次論戰以玻爾成功地捍衛了互補性詮釋的邏輯無矛盾性而結束；第二次大論戰是于1930年10月20日至25日在布魯塞爾召開并由朗子萬主持的第六屆索爾未會議上進行的。在這次會議上，關于量子力學的基礎問題仍然是許多與會代表所共同關心的主要論題。愛因斯坦繼續設計了一個“光子箱”的理想實驗，試圖從相對論來玻爾的解釋。但是，在這個理想實驗中，愛因斯坦求助于自己創立的相對論來反駁海森堡提出的不確定關系，反倒被玻爾發現他的論證本身包含了駁倒自己推論的關鍵因素而放棄。
當這兩個理想實驗都被玻爾駁倒之后，愛因斯坦雖然不再懷疑不確定關系的有效性和量子理論的內在自洽性。但是，他對整個理論的基礎是否堅實仍然缺乏信任。1931年之后，愛因斯坦對量子力學的哥本哈根解釋的質疑采取了新的態度：不是把理想實驗用作正面攻擊海森堡的不確定關系的武器，而是試圖通過設計思想實驗導出一個邏輯悖論，以證明哥本哈根解釋把波函數理解成是描述單個系統行為的觀點是不完備的，而不再是證明邏輯上的不一致。在這樣的思想主導下，第三次論戰的焦點就集中于論證量子力學是不完備的觀點。1935年發表的EPR論證的文章正是在這種背景下撰寫的。從寫作風格上來看，EPR論證既不是從實驗結果出發，也不再是完全借助于思想實驗來進行，而是把概念判據作為討論的邏輯前提。這樣，EPR論證就把討論量子力學是否完備的問題，轉化為討論量子力學能否滿足文章提供的概念判據的問題。由于這些概念判據事實上就是哲學假設，這就進一步把是否滿足概念判據的問題，推向了潛在地接受什么樣的哲學假設的問題。例如，EPR論證在文章的一開始就開門見山地指出：“對于一種物理理論的任何嚴肅的考查，都必須考慮到那個獨立于任何理論之外的客觀實在同理論所使用的物理概念之間的區別。這些概念是用來對應客觀實在的，我們利用它們來為自己描繪出實在的圖像。為了要判斷一種物理理論成功與否，我們不妨提出這樣兩個問題：（1）“這理論是正確的嗎？”（2）“這理論所作的描述是完備的嗎？”只有在對這兩個問題都具有肯定的答案時，這種理論的一些概念才可說是令人滿意的。”〔3〕從哲學意義上來看，這段開場白至少蘊含了兩層意思，其一，物理學家之所以能夠運用物理概念來描繪客觀實在，是因為物理概念是對客觀實在的表征，由這些表征描繪出的實在圖像，是可想象的。這是真理符合論的最基本的形式，也反映了經典實在論思想的核心內容；其二，如果一個理論是令人滿意的，當且僅當，這個理論既正確，又完備。那么，什么是正確的理論與完備的理論呢？EPR論證認為，理論的正確性是由理論的結論同人的經驗的符合程度來判斷的。只有通過經驗，我們才能對實在作出一些推斷，而在物理學里，這些經驗是采取實驗和量度的形式的。〔4〕也就是說，理論正確與否是根據實驗結果來判定的，正確的理論就是與實驗結果相吻合的理論。但文章接著申明說，就量子力學的情況而言，只討論完備性問題。言外之意是，量子力學是正確的，即與實驗相符合，但不一定是完備的。為了討論完備性問題，文章首先不加證論地給出了物理理論的完備性條件：如果一個物理理論是完備的，那么，物理實在的每一元素都必須在這個物理理論中有它的對應量。物理實在的元素必須通過實驗和量度來得到，而不能由先驗的哲學思考來確定。基于這種考慮，他們又進一步提供了關于物理實在的判據：“要是對于一個體系沒有任何干擾，我們能夠確定地預測（即幾率等于1）一個物理量的值，那末對應于這一物理量，必定存在著一個物理實在的元素。”
文章認為，這個實在性判據盡管不可能包括所有認識物理實在的可能方法，但只要具備了所要求的條件，就至少向我們提供了這樣的一種方法。只要不把這個判據看成是實在的必要條件，而只看成是一個充足條件，那末這個判據同經典實在觀和量子力學的實在觀都是符合的。綜合起來，這兩個判據的意思是說，如果一個物理量能夠對應于一個物理實在的元素，那么，這個物理量就是實在的；如果一個物理理論的每一個物理量都能夠對應于物理實在的一個元素，那么，這個物理學理論就是完備的。然而，根據現有的量子力學的基本假設，當兩個物理量（比如，位置X與動量P）是不可對易的量（即，XP≠PX）時，我們就不可能同時準確地得到它們的值，即得到其中一個物理量的準確值，就會排除得到另一個物理量的準確值的可能，因為對后一個物理量的測量，會改變體系的狀態，破壞前者的值。這是海森堡的不確定關系所要求的。于是，他們得出了兩種選擇：要么，（1）由波動函數所提供的關于實在的量子力學的描述是不完備的；要么，（2）當對應于兩個物理量的算符不可對易時，這兩個物理量就不能同時是實在的。他們在進行了這樣的概念闡述之后，接著設想了曾經相互作用過的兩個系統分開之后的量子力學描述，然后，根據他們給定的判據，得出量子力學是不完備的結論。EPR論證發表不久，薛定諤在運用數學觀點分折了EPR論證之后，以著名的“薛定諤貓”的理想實驗為例，提出了一個不同于EPR論證，但卻支持EPR論證觀點的新的論證進路。出乎意料的是，愛因斯坦卻在1936年6月19日寫給薛定諤的一封信中透露說，EPR論文是經過他們三個人的共同討論之后，由于語言問題，由波多爾斯基執筆完成的，他本人對EPR的論證沒有充分表達出他自己的真實觀點表示不滿。從愛因斯坦在1948年撰寫的“量子力學與實在”一文來看，愛因斯坦對量子力學的不完備性的論證主要集中于量子理論的概率特征與非定域性問題。他認為，物理對象在時空中是獨立存在的，如果不做出這種區分，就不可能建立與檢驗物理學定律。因此，量子力學“很可能成為以后一種理論的一部分，就像幾何光學現在合并在波動光學里面一樣：相互關系仍然保持著，但其基礎將被一個包羅得更廣泛的基礎所加深或代替。”顯然，愛因斯坦后來對量子力學的不完備性問題的論證比EPR論證更具體、更明確。EPR論證中的思想實驗只是隱含了對非定域性的質疑，但沒有明朗化。但就論證問題的哲學前提而言，愛因斯坦與EPR論證基本上沒有實質性的區別。因此，本文下面只是從哲學意義上把EPR論證看成是基于經典物理學的概念體系來理解量子力學的一個例證來討論，而不準備專門闡述愛因斯坦本人的觀點。
二、玻爾的反駁與量子整體性
玻爾在EPR論證發表后不久很快就以與EPR論文同樣的題目也在《物理學評論》雜志上發表了反駁EPR論證的文章。玻爾在這篇文章中重申并升華了他的互補觀念。玻爾認為，EPR論證的實在性判據中所講的“不受任何方式干擾系統”的說法包含著一種本質上的含混不清，是建立在經典測量觀基礎上的一種理想的說法。因為在經典測量中，被測量的對象與測量儀器之間的相互作用通常可以被忽略不計，測量結果或現象被無歧義地認為反映了對象的某一特性。但是，在量子測量系統中，不僅曾經相互作用過的兩個粒子，在空間上彼此分離開之后，仍然必須被看成是一個整體，而且，被測量的量子系統與測量儀器之間存在著不可避免的相互作用，這種相互作用將會在根本意義上影響量子對象的行為表現，成為獲得測量結果或實驗現象的一個基本條件，從而使人們不可能像經典測量那樣獨立于測量手段來談論原子現象。玻爾把量子現象對測量設置的這種依賴性稱為量子整體性（whole-ness）。
在玻爾看來，為了明確描述被測量的對象與測量儀器之間的相互作用，希望把對象與儀器分離開來的任何企圖，都會違反這種基本的整體性。這樣，在量子測量中，量子對象的行為失去了經典對象具有的那種自主性，即量子測量過程中所觀察到的量子對象的行為表現，既屬于量子對象，也屬于實驗設置，是兩者相互作用的結果。因此，在量子測量中，“觀察”的可能性問題變成了一個突出的認識論問題：我們不僅不能離開觀察條件來談論量子現象，而且，試圖明確地區分對象的自主行為以及對象與測量儀器之間的相互作用，不再是一件可能的事情。玻爾指出，“確實，在每一種實驗設置中，區分物理系統的測量儀器與研究客體的必要性，成為在對物理現象的經典描述與量子力學的描述之間的原則性區別。”〔8〕海森堡也曾指出，“在原子物理學中，不可能再有像經典物理學意義下的那種感知的客觀化可能性。放棄這種客觀化可能性的邏輯前提，是由于我們斷定，在觀察原子現象的時候，不應該忽略觀察行動所給予被觀察體系的那種干擾。對于我們日常生活中與之打交道的那些重大物體來說，觀察它們時所必然與之相連的很小一點干擾，自然起不了重要作用。”
另一方面，作用量子的發現，揭示了量子世界的不連續性。這種不連續性觀念的確立，又相應地導致了一系列值得思考的根本問題。首先，就經典概念的運用而言，一旦我們所使用的每一個概念或詞語，不再以連續性的觀念為基礎，它們就會成為意義不明確的概念或詞語。如果我們希望仍然使用這些概念來描述量子現象，那么，我們所付出的代價是，限制這些概念的使用范圍和精確度。對于完備地反映微觀物理實在的特性而言，描述現象所使用的經典概念是既相互排斥又相互補充的。這是玻爾的互補性觀念的精神所在。有鑒于此，玻爾認為，EPR論證根本不會影響量子力學描述的可靠性，反而是揭示了按照經典物理學中傳統的自然哲學觀點或經典實在論來闡述量子測量現象時存在的本質上的不適用性。他指出：“在所有考慮的這些現象中，我們所處理的不是那種以任意挑選物理實在的各種不同要素而同時犧牲其他要素為其特征的一種不完備的描述，而是那種對于本質上不同的一些實驗裝置和實驗步驟的合理區分；……事實上，在每一個實驗裝置中對于物理實在描述的這一個或那一個方面的放棄（這些方面的結合是經典物理學方法的特征，因而在此意義上它們可以被看作是彼此互補的），本質上取決于量子論領域中精確控制客體對測量儀器反作用的不可能性；這種反作用也就是指位置測量時的動量傳遞，以及動量測量時的位移。正是在這后一點上，量子力學和普通統計力學之間的任何對比都是在本質上不妥當的———不管這種對比對于理論的形式表示可能多么有用。事實上，在適于用來研究真正的量子現象的每一個實驗裝置中，我們不但必將涉及對于某些物理量的值的無知，而且還必將涉及無歧義地定義這些量的不可能性。”其次，就量子描述的可能性而言，玻爾認為，我們“位于”世界之中，不可能再像在經典物理學中那樣扮演“上帝之眼”的角色，站在世界之外或從“外部”來描述世界，不可能獲得作為一個整體的世界的知識。玻爾把這種描述的可能性與心理學和認知科學中對自我認識的可能性進行了類比。在心理學和認知科學中，知覺主體本身是進行自我意識的一部分這一事實，限制了對自我認識的純客觀描述的可能性。用玻爾形象化的比喻來說，在生活的舞臺上，我們既是演員，又是觀眾。因此，量子描述的客觀性位于理想化的純客觀描述與純主觀描述之間的某個地方。
為此，玻爾認為，物理學的任務不是發現自然界究竟是怎樣的，而是提供對自然界的描述。海森堡也曾指出，在原子物理學領域內，“我們又尖銳地碰到了一個最基本的真理，即在科學方面我們不是在同自然本身而是在同自然科學打交道。”愛因斯坦則堅持認為，在科學中，我們應當關心自然界在干什么，物理學家的工作不是告訴人們關于自然界能說些什么。愛因斯坦的觀點是EPR論證所蘊含的。這兩種理論觀之間的分歧，事實上，不僅是有沒有必要考慮和闡述包括概念、儀器等認知中介的作用的分歧，而且是能否把量子力學納入到經典科學的思維方式當中的分歧。EPR論證以經典科學的方法論與認識論為前提，認為正確的科學理論理應是對自然界的正確反映，認知中介對測量結果不會產生實質性的影響；而玻爾與海森堡則以接受量子測量帶來的認識論教益為前提，認為量子力學已經失去了經典科學具有的那種概念與物理實在之間的一一對應關系，認知中介的設定成為人類認識微觀世界的基本前提。第三，就主體與客體的關系問題而言，EPR論證認為，認知主體與客體之間存在著明確的分界線。這意味著，所有的主體都能對客體進行同樣的描述，并且他們描述現象所用的概念與語言是無歧義的。無歧義意味著對概念或語言的意義的理解是一致的。而對于量子測量而言，對客體的描述包含了主體遵守的作為世界組成部分的描述條件的說明，從而顯現了一種新的主客體關系。為此，我們可以把主體與客體之間的關系劃分為三類：其一，能夠在主體與客體之間劃出分界線，所有的主體對客體的描述都是相同的，EPR論證屬于此類；其二，能夠在主體與客體之間劃出分界線，但主體對客體的描述是因人而異的，人們對藝術品的欣賞屬于此類；其三，不可能在主體與客體之間劃出分界線，主體對客體的描述包括了對測量條件的描述在內，玻爾對EPR論證的反駁屬于此類。顯然，EPR論證隱含的主客體關系與玻爾所理解的量子測量中的主客體關系之間存在著實質性的差別。EPR論證是沿襲了經典實在論的觀點，而玻爾的觀點代表了他基于量子力學的形式體系總結出來的某種新的認識。在這里，就像不能用歐幾里得幾何的時空觀來反對非歐幾何的時空觀一樣，我們也不能用經典意義上的理論觀反對量子意義上的理論觀。因此，可以說，物理學家關于如何理解量子力學問題的爭論，在很大程度上，蘊含了他們關于科學研究的哲學假設之間的爭論。
三、實驗的形而上學
EPR論證不僅引發了量子物理學家關于物理學基礎理論問題的哲學討論，而且還創立了“實驗的形而上學”，提供了物理學家如何基于形而上學的觀念之爭，最終探索出通過實驗檢驗其結論的一個典型案例。這一過程與尋找量子論的隱變量解釋的努力聯系在一起。量子力學的隱變量解釋的最早方案是德布羅意在1927年提出的“導波”理論。1932年，馮•諾意曼在他的《量子力學的數學基礎》一書中曾根據量子力學的概念體系提出了四個假設，并且證明，隱變量理論和他的第四個假設（即，可加性假設）相矛盾，認為通過設計隱變量的觀念來把量子理論置于決定論體系之中的任何企圖都注定是失敗的。馮•諾意曼的這一工作在為量子論的隱變量解釋判了死刑的同時，也極大地支持了量子力學的哥本哈根解釋。有意思的是，曾是量子力學的哥本哈根解釋的支持者與傳播者的玻姆，在1951年基于量子力學的哥本哈根精神出版了至今仍然有影響的《量子理論》一書，并在書的結尾，以EPR論證為基礎，提出了“量子理論同隱變量不相容的一個證明”之后，從1952年開始反而致力于從邏輯上為量子力學提供一種隱變量解釋的研究。
玻姆闡述隱變量理論的目標可以大致概括為兩個方面，一是試圖用能夠直覺想象的概念為量子概率和量子測量提供一種可理解的說明，證明為量子論提供一個決定論的基礎是可行的；二是希望從邏輯上表明，隱變量理論是有可能的，“不論這種理論是多么抽象和‘玄學’。”玻姆的追求顯然是一種信念的支撐，而不是事實之使然。在這種信念的引導下，玻姆在1952年連續發表了兩篇闡述隱變量理論的文章，在這些文章中，他用經典方式定義波函數，假定微觀粒子像經典粒子一樣總是具有精確的位置和精確的動量，闡述了一種可能的量子論的隱變量解釋，最后，用一個粒子的兩個自旋分量代替EPR論證中的坐標與動量，討論了EPR論證的思想實驗，并運用量子場與量子勢概念解釋了測量一個粒子的位置影響第二個粒子的動量的原因。
貝爾在讀了玻姆的文章之后，認為有必要重新系統地研究量子力學的基本問題。貝爾試圖解決的矛盾是：如果馮•諾意曼的證明成立，那么，怎么會有可能建立一個邏輯上無矛盾的隱變量理論呢？為了搞明白問題，貝爾首先重新剖析了馮•諾意曼的關于隱變量的不可能性的證明和EPR論證中設想的思想實驗，然后，抓住了隱變量理論的共同本質，于1964年發表了“關于EPR悖論”的文章。在這篇文章中，貝爾引述了用自旋函數來表述EPR論證的玻姆說法，或者說，從EPR—玻姆的思想實驗出發，以轉動不變的獨立波函數描述組合系統的態，推導出一個不同于量子力學預言的、符合定域隱變量理論的關于自旋相關度的不等式，通常稱為貝爾不等式或貝爾定理，然后，用歸謬法了量子力學的預言和貝爾不等式相符的可能性，說明任何定域的隱變量理論，不論它的變數的本性是什么，都在某些參數上同量子力學相矛盾。貝爾還假設，如果所進行的兩個測量在空間上彼此相距甚遠，那么，沿著一個磁場方向的測量，將不會影響到另一個測量結果。貝爾把這個假設稱為“定域性假設”。從這個假設出發，貝爾指出，如果我們可以從第一個測量結果預言第二個測量結果，測量可以沿著任何一個坐標軸來進行，那么，測量的結果一定是已經預先確定了的。但是，由于波函數不對這種預先確定的量提供任何描述，所以，這種預定的結果一定是通過決定論的隱變量來獲得的。貝爾后來申明說，他在“關于EPR悖論”一文中假設的是定域性，而不是決定論，決定論是一種推斷，不是一個假設，或者說，貝爾的這篇文章是從定域性推論出決定論，而不是開始于決定論的隱變量。從邏輯前提上來看，貝爾的假設更接近于愛因斯坦的假設，他們都把“定域性條件”看成是比“決定論前提”更基本的概念。因此，貝爾的工作比馮•諾意曼和玻姆的工作更進一步地推進了關于量子力學的根本特征的理解。貝爾的這篇文章具有劃時代的意義。它不僅成為20世紀下半葉物理學與哲學研究中引用率最高的文獻之一，而且為進一步設計具體的實驗來澄清量子力學的內在本性邁出了決定性的一步。粒子物理學家斯塔普（HenryStapp）甚至把貝爾定理的提出說成是“意義最深遠的科學發現。”
同EPR論證一樣，貝爾的這一發現也不是從實驗中總結出來的，而是基于哲學信念的邏輯推理的結果。此后，量子物理學界進一步推廣貝爾定理的理論研究與具體實驗方案的探索工作并行不悖地開展起來。而這些工作都與EPR論證相關。就實驗進展而言，物理學界承認，阿斯佩克特等人于1982年關于“實現EPR-玻姆思想實驗”的實驗結果，支持了量子力學，針對這樣的實驗結果，貝爾指出：“依我看，首先，人們必定說，這些結果是所預料到的。因為它們與量子力學預示相一致。量子力學畢竟是科學的一個極有成就的科學分支，很難相信它可能是錯誤的。盡管如此，人們還是認為，我也認為值得做這種非常具體的實驗。這種實驗把量子力學最奇特的一個特征分離了出來。原先，我們只是信賴于旁證。量子力學從沒有錯過。但現在我們知道了，即使在這些非常苛刻的條件下，它也不會錯的。”
雖然EPR論證的初衷是希望證明量子力學是不完備的，還沒有提出量子測量的非定域性概念，但是，物理學家則通常運用EPR思想實驗的術語來討論非定域性問題。經過40多年的發展，具體的實驗結果使EPR論證失去了對量子力學的挑戰性。一方面，這些實驗證實了非定域性是所有量子論的一個基本屬性，要求把在同一個物理過程中生成的兩個相關粒子永遠當作一個整體來對待，不能分解為兩個獨立的個體，其中，一個粒子發生任何變化，另一個粒子必定同時發生相應的變化，這種相互影響與它們的空間距離無關；另一方面，這些實驗也表明了EPR論證提供的哲學假設不再是判斷量子力學是否完備的有效前提，而是反過來提醒我們需要重新思考玻爾在反駁EPR論證的觀點中所蘊含的哲學啟迪。總而言之，EPR論證盡管是基于哲學假設，運用思想實驗，來駁斥量子力學的完備性，但在客觀上，物理學家圍繞這一論證的討論，最終在思想實驗的基礎上出乎意料地發展出可以具體操作的實驗方案，并且獲得了有效的實驗結果。這一段歷史發展不僅證明，無論在哲學假設的問題上，還是在物理概念的意義理解的問題上，量子力學都不是對經典物理學的補充和擴展，是一個蘊含有新的哲學假設的理論。正是在這種意義上，物理學家玻恩得出了“理論物理學是真正的哲學”的斷言。
四、認識論的思維方式
如前所述，EPR論證—玻姆—貝爾這條發展主線是把對物理學問題鑲嵌在哲學信念中進行思考的。這一歷史片斷揭示出，基于哲學信念的邏輯推理在物理學的理論研究與實驗研究中起到了積極的認知作用。一方面，在這些探索方式中，不論是EPR論證的真理符合論假設，玻姆的決定論假設，還是貝爾的定域性假設，它們的初衷都是希望能夠把量子力學納入到經典物理學的概念框架或哲學信念之中。另一方面，檢驗貝爾不等式的物理學實驗結果對量子力學的支持和對貝爾不等式的違背意味著，我們不應該依舊固守經典物理學的哲學假設來質疑量子力學，而是應該顛倒過來，積極主動地揭示量子力學蘊含的哲學思想，以進一步明確經典物理學的哲學假設的適用范圍。
但是，這種視域的逆轉不是簡單地倡導用量子力學的哲學假設取代經典物理學的哲學假設，也不是武斷地主張用玻爾的理論觀替代EPR論證所蘊含的理論觀，而是提倡擺脫習以為常的自然哲學的思維方式，確立認識論的思維方式。自然哲學的思維方式是一種本體論化的思維方式。這種思維方式是從古希臘延續下來的，追求概念與實在之間的直接的一一對應關系，忽視或缺乏對認知過程中不可避免的認知中介和理論框架的考慮。從起源上來講，這種無視認知中介的本體論化的思維方式，源于常識，是對常識的一種延伸外推與精致化。近代自然科學的發展進一步強化與鞏固了這種思維方式。EPR論證也是基于這種思維方式使經典科學蘊含的哲學假設以具體化的判據形式呈現出來。然而，與過去的物理學理論所不同的是。量子力學不再是關于可存在量（beable）的理論，而是關于可觀察量（observable）的理論，“是理論決定我們的觀察內容”這一句話，既是愛因斯坦創立相對論的感想，也為海森堡提出不確定關系提供了觀念啟迪。就理論形式而言，量子力學的理論描述用的是數學語言，而不是日常語言。用數學語言描述的微觀世界是一個多位空間的世界，而我們作為人類，很難直觀地想象這樣的世界，更不可能直接“進入”這個世界來“觀看”一切。人類感知的這種局限性是原則性的，從而限制了我們對微觀世界的知識的全面獲得。用玻爾的話來說，我們對一個微觀對象的最大限度的知識不可能從單個實驗中獲得，而只能從既相互排斥又相互補充的實驗安排中獲得。用玻恩的話來說，在量子測量中，觀察與測量并不是指自然現象本身，而是一種投影。
關鍵詞：對稱性；物理學；具體表現
隨著物理學的不斷發展，人們對自然界規律的認識也逐漸深入，一些原本看似無關緊要的東西卻日益變得舉足輕重起來，物理學中的對稱性便是其中之一。物理學從過去單純地將對稱性看作對物理現象的一種限制，轉向把它確立為物理定理的一塊基石。加利福尼亞大學教授阿?熱在《可怕的對稱》一書中指出“沒有對稱性思想的引導，當代物理學家將無法工作”。諾貝爾物理學獎得主李政道教授指出：“藝術和科學，都是對稱和不對稱的巧妙組合。”可見，對稱在物理學中扮演著非常重要的角色。本文試圖對物理學的一些科目中的對稱性思想進行一番分析，以引起大家對對稱性的重視。
一、關于對稱性
（一）對稱與對稱破缺
日常生活中大家可以看到許多對稱的例子，例如，人體和許多特定的生物體形態，以及自然界中的礦物晶體，雪花的形狀等。大家還可以注意到許多建筑和美術設計的圖案也都具有對稱性。之所以有如此多的對稱的例子，那是因為人們認為對稱是一種美。
但仔細看來，人們并不滿足于絕對意義上的對稱，總是在整體的對稱中設置局部的不對稱，即對稱性被破壞了，物理學上稱這種情況為對稱破缺。
（二）對稱的分類
根據上述的對稱定義，不同的對稱操作對應著不同的對稱性，如體系A經空間平移后變為體系B，若A、B等價，則空間平移就是一種對稱操作；若體系A經時間平移后變為體系B，若A、B等價，則時間平移就是一種對稱操作，等等。常見的對稱操作主要有：空間操作：轉動、平移、空間反演等；時間操作：時間平移、時間反演等；其它：置換、電荷共軛變換等。
當然，操作的類型遠不止于此，這里列舉的僅是一些比較簡單的，其它的操作會在下面的論述中逐步指出。
（三）對稱性和守恒律
守恒量和守恒律是物理研究的一個重要內容，守恒律常被看作是最基本的自然定律，它以確定的可靠性和極大的普遍性預言著哪些過程是允許的，哪些過程是禁戒的，它為物理學的研究指明了方向。
1918年德國女數學家尼約特發表了著名的將對稱性和守恒律聯系在一起的定理，即每一種自然界的對稱性都可得到一種守恒律。該定理揭示出了守恒律產生的原因，即守恒律是自然界的對稱性所導致的。根據法國物理學家皮埃爾?居里的對稱性原理，對稱的原因產生守恒的結果。若將自然界中的某一對稱性看作原因，則必有作為結果的一個守恒律。如：系統總機械能函數對空間坐標系平移的對稱性導致了動量守恒定律。
二、對稱性在物理學中的具體表現：
將對稱應用于物理學的研究對象不僅僅是圖形，還有物理量，物理定律等。下面我就物理學主要學科中所蘊含的對稱性思想試作淺述，希望能引起大家對對稱性的重視。
（一）力學
力學是一門基礎學科，從牛頓到愛因斯坦，力學由絕對時空觀發展到了相對時空觀，相應地也就有了經典力學和相對論力學。
在經典力學中，有許多相對性思想，伽利略變換便是一個典型。若將質點系加速度視為一個物理量，伽利略變換視作一個操作，則經伽利略變換后，加速度保持不變，故質點加速度對伽利略變換的不變性可視為加速度對伽利略變換具有對稱性。牛頓第二定律F=ma對慣性系A成立，對慣性B亦成立，而慣性系A、B的變換滿足伽利略變換，故牛頓第二定律具有伽利略變換對稱性。而若將動量視為一個物理量，伽利略變換視為一個操作，由于從不同參考系中觀察到的動量不同，故動量不具有伽利略變換不變性，但動量守恒律由于對不同的慣性系均成立，故動量守恒定律對伽利略變換具有對稱性。
相對論力學本身就是愛因斯坦考慮對稱性的產物，近代物理學家十分重視物理美，即對稱、簡單、和諧等，他們認為支配自然界的規律應該是簡單的、對稱的。基于對稱性，愛因斯坦認為對描述一切物理過程，包括物置變動，電磁以及原子過程的規律，所有的慣性系都是等價的，只是不同的物理過程對應著不同的操作而已，如力學規律關于伽利略變換對稱，而電磁規律關于洛倫茲變換對稱。
（二）光學
光學可以分為幾何光學和波動光學，在幾何光學中平面鏡所成像與物體關于鏡面對稱，這即所謂的鏡像對稱，它在物理學中有著重要的運用，如宇稱、電像法等。光速作為一個物理量，具有時空對稱性。不論昨天、今天，還是明天，不論是中國、美國，還是其他星球，光速在同一介質中的速度都是恒定的，所以光速具有時空對稱性。
（三）粒子物理學
粒子物理學是一門新興學科，它主要研究基本粒子以及它們間相互作用的規律，在粒子物理學的研究中對稱性很重要，許多問題本身研究的就是對稱問題。
宇稱是粒子物理研究的一個重要概念，宇稱是一種函數的性質，在物理學中也是函數所代表的物理狀態的性質。對函數u=u（x），若u（-x）=u（x），則u（x）的宇稱是偶性的，若u（-x）=-u（x），則u（x）的宇稱是奇性的。物理學家把宇稱看作粒子的一種基本性質，相當于自旋電荷的質量等。研究宇稱對我們掌握粒子的性質，以及粒子的分類都有重要作用。宇稱守恒定律反映了粒子間相互作用的一種性質，在已知的相互作用中，強相互作用和電磁相互作用中，宇稱守恒；而弱相互作用中，宇稱不守恒，這說明了弱相互作用有一種特殊性質。
（四）量子力學
量子力學被認為是二十世紀的三大發現（量子力學，相對論，生物DNA雙螺旋結構）之一，它以全新的理論使人們重新審視自然規律。對稱性思想可指導我們對未知領域進行搜索，并據此提出合理假設，特別是量子力學所研究的微觀結構，用實驗研究很不方便，所以很多時候可以先用理論進行研究，再用實驗驗證。物質波粒二象性的發現正是遵循著這條規律，當初德布羅意正是在對稱性的指導下，預言了物質的波粒二象性。
通過上面的分析，大家可以看出，物理學的各個分支學科蘊含著豐富的對稱思想，研究對稱性對于我們掌握物理規律，探索或發現未知領域的新情況起著重要作用。從對稱性的角度出發分析和解決問題，是當今在前沿工作的物理學家習慣采用的方法。因此，在基礎物理的教學中，適當介紹一些在前沿工作的物理學家正在使用的概念、理論和方法，對于物理的學習是非常有必要的，而據我所知，許多教師和學生在物理學的教與學中，對此漠然視之，所以我撰寫此文，希望能夠引起大家對對稱性的重視。
參考文獻
二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。
在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。
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。
二、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
最吸引人的是美猴王。孫悟空有一個功能就是分身術，毫毛一拔，到處一扔，就變出好多個孫悟空。他還有另外一種非常強大的功能――筋斗云。翻一個筋斗，就可以從一個地方消失，在另一個非常遙遠的地方出現。這有點像我們前陣子看到的科幻電影《星際穿越》里面的場景。
神話與現實：人可以在不同的時空生活
大家就問了，這些東西在我們現實生活當中到底能不能實現？大家都知道，得益于電動力學的建立，我們能進行無線電的通信。在1888年，赫茲在卡爾斯魯厄――德國的小鎮，做了一個實驗來驗證電磁波是不是存在。赫茲在這邊一抖，那邊即時的電火花就發生了。正因為有這些發明，后來有了電話，有了電視機，到現在我們用的手機，都可以現場實現千里眼、順風耳這么神奇的功能了。所以我說，物理學真的非常有意思，它可以保證信息的有效傳輸。
狹義相對論和廣義相對論都告訴了我們確實存在某種特殊的情況，有些地方時間過得慢一點，有的地方時間就過得快一點。比如在一個引力特別強的地方，一個小時甚至等于遠處地方的七年。舉個例子，如果有對雙胞胎兄弟，有一個是宇航員，坐著宇宙飛船在宇宙中進行快速的旅行。等他回來之后，他雙生的兄弟，已經變得很老了。這樣的現象，在物理世界、在高速飛行的粒子里面，已經能看到了。確實是可以實現的。
因此形成了這樣一種觀點：我們在古代通過口口相傳，進行信息的傳遞、交流和共享。隨后我們有了文字，也可以通過書信來傳遞信息。到了后來，隨著科技的發展，第一次工業革命熱力學的發現，電動力學的運用，信息的傳遞效率變得越來越高。到了現代，因為有計算機和互聯網的出現，整個地球都變成一個村子了。
有兩個永恒主題將一直伴隨著我們人類進化和社會發展：首先，怎樣來加強信息交互的效率，把信息中有用的知識提取出來，進行傳播、共享？這是非常重要的。同時，要加強隱私的保護，保證每個人思想的自由。比如說，如果可以非常方便地看到別人在想什么，可以控制他的思想的話，每個人都不可能進行自由的創造了。所以我覺得，隱私的保護是我們人類未來的一個基本保證。不然，我們就沒辦法繼續進化下去了。
量子世界：事物可以同時在兩個地方“存在”
我今天想跟大家分享的一個觀點，就是量子力學在近百年的發展過程當中已經為解決這些重大的問題做好了準備。
量子力學認為：第一，在某些特殊的情況下，如果說你沒有看這個客體到底是處于哪個位置的時候，在特定情況它可以同時處在兩個位置。第二，就是客體的狀態，只要觀測一下，對它的影響就不可逆轉了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。
牛頓力學是一個非常美的理論。它告訴我們一個粒子和周圍環境明確的話，它未來的運動狀態，就可以計算出來了。如果所有的粒子都是由牛頓力學在控制的話，那么我們什么時候死、誰做生命學家、誰做物理學家，在宇宙大爆炸這個時候就已經確定了，個人的努力是毫無意義的。
從這個角度上講，量子力學比經典牛頓力學哲學，要更加積極一些。量子力學告訴我們個人的行為、對體系的測量是可以影響世界的，從哲學上講是非常積極的。
舉個例子，我到北京來，送給朋友一個骰子，我事先做好了，送給他的這個骰子跟另一個骰子是糾纏態。然后我回到上海去了，就跟他說，你扔手中的那個骰子。他扔了好多次，把結果寫下來，每次隨機得到1到6里面的某一個點數。我就能跟他說你第一次扔的點數是多少，第二次是多少，我都可以猜得出來。這樣的現象，我們把它叫作遙遠地點之間的詭異互動。在2015年，這現象基本在物理角度被確證了，只剩一個很小的漏洞。這是我們正在做的一個研究。
量子通信：隱密、高速的信息交互
由此，新的科學就誕生了。有了量子的0加1之后，一些新的東西就誕生了。例如，可以利用它來保證原理上無條件的安全通信。如果將來立法，我們可以利用這種手段，保證我們的隱私。
利用這種量子計算手段，也可以算得非常地快，可以有效地揭示復雜物理體系的規律。就是說，可以把計算能力和信息安全兩個問題都比較好地解決。
具體來說，比如說量子通信，我們可以用量子密鑰分發。因為它是不可復制的，你去探測就會被發現。所以我們就可以有一種絕對安全的通訊方式。其實還有另外一種比較有意思的、利用這樣的量子糾纏的概念。
因為時間關系，我只舉一個例子。比如說要求解一個10的24次方的變量的線性方程組，用目前最快的天河2號超級計算機大概需要100年左右的時間。而利用萬億次的量子計算機，盡管計算的頻率比天河2號要慢1萬倍，但它只需要0.01秒就可以把這個方程給求解出來。所以它可以廣泛地應用于藥物設計、金融分析、氣象預報、密碼分析等等，用途是比較大的。
當然，也可以利用量子通訊，來構建一個非常好的網絡，有城域網、城際網，利用衛星實現的這種廣域的量子通信，可以比較好地保證我們的網絡安全。
關鍵詞：校本化；高中歷史；科學史
科學史是溝通自然科學和人文學術的最好橋梁。通過科學史的訓練和熏陶，不僅可以培養文理兼通的人才素質，而且還可以優化人才的知識結構，這是其他學術無法替代的。科學史是人類文明發展的一個重要組成部分，如果不懂科學史，就不能真正理解社會發展的歷史。就科學高中的培養目標而言，大部分畢業生將會從事理工科專業的學習和工作。而一個從事科學技術工作并且力求在科學技術上有所創新的人，如果對科學的發展缺乏整體上的了解，不能掌握科學技術發展的規律以及其他學科對本門學科的影響，就很難有所成就。因此，開設科學史這門課程尤為必要。這門課程重在還原人類認識自然界的本質和運動規律的發展歷程，揭示科學發展的一般規律，特別是向學生提供著名科學家、發明家解決問題的思路和方法，進而為科高學子在科學研究的道路上提供借鑒，讓他們站在巨人的肩膀上，走得更遠。以下為科學史的具體學習要點：
一、科學史的意義與研究現狀
1.了解科學史的確立及其諸種功用，理解科學與正確之間的關系。2.掌握科學史研究中的內史和外史，了解科學史在中國的發展現狀。
二、古希臘的科學與哲學
1.了解古希臘科學產生的背景。2.概述古希臘賢人對萬物本原的探究，認識對萬物本原的探究意義。3.了解亞里士多德在自然哲學、邏輯學以及系統的經驗考察等方面的貢獻。4.知道古希臘在數學、物理、天文學等方面的貢獻，理解其對古代世界的影響。
三、古代中國的自然觀與科學技術
1.知道天人感應與天人相分及宇宙演化思想，理解中國古代的時空觀念。2.了解天文學上的曠世之爭――渾蓋之爭，認識其對中國天文學發展的影響。3.概述中國古代傳統數學、計時技術和測向技術的發展演變。
四、阿拉伯的科學及科學在歐洲的復興
1.概述阿拉伯科學產生的歷史背景，了解其與古代希臘羅馬文化的淵源，認識“翻譯”為阿拉伯科學的真正起點。2.了解阿拉伯在數學、天文學、醫學、光學和化學方面的發展，理解阿拉伯科學的世界意義。3.了解基督教、亞里士多德思想以及農業技術革命對中世紀歐洲科學發展的影響，認識“1277大譴責”對人們打破亞里士多德思想對科學的束縛作用。4.理解文藝復興、宗教改革以及不同文明間技術的交往對歐洲近代科學革命的影響，準確把握宗教與科學的關系。5.了解培根倡導的實驗、哈維的血液循環說以及數學的新進展對科學在歐洲復興的作用。
五、近代科學革命――天文學、新物理學、數學、化學
1.理解哥白尼《天體運行論》在近代天文學方面的革命性作用，了解伽利略望遠鏡以及第谷的精密天文學對傳統天文學的沖擊，概述開普勒三大定律對哥白尼天文學的繼承與批判，理解近代天文學革命是近代科學革命的切入點。2.說明斯蒂文鏈、伽利略的實驗方法、笛卡爾的機械主義方法論、牛頓的萬有引力定律和物體運動三定律等對近代物理學發展的意義，明確近代物理學是近代科學的核心領域。3.了解微積分的創立，列舉笛卡爾、費馬、牛頓、萊布尼茨、歐拉、拉格朗日等人在微積分發展過程中的貢獻。4.概述古代煉金術對近代化學產生的影響，了解波義耳、拉瓦錫對近代化學誕生的貢獻。
六、生物學的重大突破――從進化論到遺傳學
1.了解達爾文進化論提出的背景以及達爾文的生平，認識其個人經歷對其提出自然選擇的進化論的影響。2.認識孟德爾定律，理解孟德爾被稱為現代遺傳學的奠基人的原因，了解遺傳基本因子――DNA的發現對遺傳學發展的意義。
七、物理學的新突破
1.了解電磁學理論的建立和通信技術的發展，認識其對第二次工業革命的作用。2.簡述能量守恒定律和熱力學定律的建立過程，理解熱力學第一定律與能量守恒定律之間的關系，并說明熱力學的基本定律對化學、天文學等學科發展的影響。3.了解狹義相對論的兩條基本原理，概述廣義相對論的三大驗證，說明對廣義相對論正確性的認識。4.了解愛因斯坦對量子論方面的貢獻，理解相對論和量子力學之間的關系，認識量子力學的測不準原理。
八、數學的新時代
摘 要 運動和靜止無論在哲學還是在物理學上，自有人類以來就一直為之爭論不休：古瑪雅哲學認為萬物是靜止的；佛家哲學認為萬物運動是隨緣的，道家學說認為萬物運動其實是心動，經典的物理學和馬克思的唯物辯證法認為，萬物運動是絕對的。但物體究竟可不可以絕對靜止，如果不可以那么其在不受外界擾動下的速度（固有速度）是多少，下面將具體說明。
關鍵詞 固有速度 光速 宇宙膨脹
如果形成的寄點[1]理論成立，那么宇宙必由幾種有限的微粒組成，目前發現的最小微粒是呈量子態的電磁波，事實上，由愛因斯坦的質能方程[2]我們已不可能發現比量子態電磁波更小的物質。而這些最小的物質是純粹的能量態，它們所表現的一切全是能量態的屬性，比如：激發電子，電離……而不含有物質態的屬性，為什么呢？因為呈現物質態的物質必有一個屬性，那就是慣性。組成宇宙的兩個根本的要素是能量和空間[3]。因此物質不是憑空出現的，這個有霍金的《時間簡史》可以得到，物質是由能量轉化而來的。要承認萬物發展的規律性。第一，因果定律，即相同的原因，產生相同的結果，相同的事物產生相同的事物[4]。第二，萬物的發展，是趨向混亂的，即萬物的發展不會主動從無規律向有規律發展，且是從簡單規律，向復雜規律發展。第三，物質屬性的統一性，即如果較大的物質由較小的物質組合而成，則該較大的物質的性質一定是由較小物質性質疊加所體現的結果，只是由于各種各樣的原因，這些性質以較扭曲的形式存在。
一、幾個基本假設量的說明
：固有速度，即物質在不受任何外界擾動下的速度，且物體的固有速度，不會因任何參考系改變而改變的量。
：假設總質量為M的物質，呈能量態的質量，這種狀態的質量可以使物質自主趨向運動。（注：呈能量態的質量并不真的存在與物體之中，只是為了研究的方便，假設某一確定物體中，有一部分質量是以純能量態的形式存在的。）
： 假設總質量為亦為M的同一物質，呈物質態的質量。（注：呈物質態的質量也不是真正的存在與物體之中，也只是為研究問題的方便，假定的有這么一部分質量其能量完全固化，只對外顯物質屬性，沒有能量屬性。）
二、理論推導
對量子態的電磁波[5]： （1）
其中， 為自由量子態的電磁波的頻率， 為單個自由態電磁波能量態的質量。如果一個質量為M的物質由n個自由電磁波組成，且假設在理想狀態下：既沒有任何外來物質，能量干擾的情況下。
則： （2）
由質量守恒得： （3）
令： 則（2）式化簡，變形得： （4）
由德布羅意方程[6]得： （5）
由（6）得： （6）
由波動關系[7]： （7）
（4）、（6）、（7）得到： （8）
化簡（8）得： （9）
現在，為進一步確定 之間的關系，運用愛因斯坦的質量與速度關系進一步求解：假設物體完全靜止，則其完全不具有外在能量，所以其能量態質量為0，即 ，
因為： 得： （10）
現物體在理想狀態下（既不受任何外界干擾狀態），以 的固有速度運動，則按照相對論原理[8]可知： （11）
（12）
化簡： （13）
將 帶入得：
得到： （14）
將（9）代入（14）得： （15）
化簡： （16）
又因： 所以得到： （17）
接（16）式，令：
則得： （18）
得到K=0 或K=1，當K=1， 無意義故舍去
則： K=0； 也即： （19）
綜上得到： （20）
其物理意義是：物質和能量兩相并存。
也得到： （21）
即：任何物質的固有速度均是光速。
三、結論
：即任何物質在不受任何外界擾動的情況下，自發的無限趨近于光速運動。但物質常態下的幾乎不動有兩方面原因：1、各種外界因素的阻擾；2、慣性（關于慣性，在愛因斯坦的相對論中是沒有提及的，但是慣性對于有質量的物體的確是存在的，只是微觀領域其作用微乎其微，就如同萬有引力一樣）。當然，如果這一假設成立，則對宇宙膨脹理論可以有一個幾乎完美的解釋：宇宙大爆炸之初，宇宙就如同炸彈一樣呈放射狀散開，越在宇宙的物質，受到其他因素的影響越少，該物質運動的速度越接近光速。導致的結果就是，物質自身的固有速度會體現的更充分，直到無限接近光速。宇宙膨脹的結果是，物質由于相互遠離，結果便是在空間的分布密度無限趨近零，沒一點達到與宇宙誕生之前相同的狀態，新的宇宙又從寄點誕生。但如果簡單的如上所說，理論上現實世界會有越來越多的物質和能量，空間也會越來越大。但實際上不是的，物質和能量的也是有壽命的，物質和能量會從寄點中誕生，也會由真實的存在變得真實的不存在。因為有和無并不是對立的，是和諧統一的。所謂存在與虛無，只是有因果關系所產生的。所以不用追究那些已有的物質最終會不會無限積聚。在這個問題上不論在經典哲學還是量子力學，霍金的宇宙寄點理論都是完全可以說的通的。
參考文獻：
[1][3]史蒂芬·霍金，列納德·蒙諾迪諾.時間簡史（第六版）.湖南科學技術出版社.2008.
[2]阿爾伯特·愛因斯坦.相對論.重慶長虹印務有限公司出版.2010.6.
[4]黃柏中.江恩理論-金融走勢分析.地震出版社.2011.1.
物理教學是一門基礎教育，它使受教育者獲得科學知識，掌握科學方法，培養科學精神。學生怕學物理的狀況，已成為一個國際性的問題。怎樣面對這一現實，如何迎接這一挑戰？“智者見智，仁者見仁”。筆者認為，培養學生的興趣才是提高教學效果的根本途徑。在這里，我們試圖從文化的角度和用科學的觀點來了解這個社會的現象，從而表達對中學物理教學未來發展的自己的看法。
1 中國與歐洲文化的對比
中國文化是建基于黃河河谷的大農業社會，以“人本”的家族文化為主，人與人的關系比人與自然界的關系更為密切和重要，社會的主要問題和興趣是在于人而不在于物。家族文化是一個整體文化，個體有義務要支持整體的共同性，而整體亦有義務要照顧個體的特殊性。人是來自現實的祖先，必須對祖先負責。中國文化是強調整體、務實、內向、兼容、義務、約束、合作和相對性，重視對個人天賦欲念的自我克制和自我修養的人為能力，稱之為“德”。人的問題只可以靠人自己去了解和處理，發展了人本的“人理(倫理)學”。無論從《易經》、《道家》、《儒家》到《諸子百家》等，都是以人本為基礎來發展。
歐洲文化建基于游牧文化。游牧人逐水草而居，多見樹木，少見人鄰。人與自然界的關系比人與人的關系更為密切和重要。生活的主要問題和興趣是在于物而不在于人。由于自然界的存在和變化，并非人力可以改變和控制，認為所有自然現象都來自能力最高的主宰。摘食獵魚的簡單生活，各人的功能差別不大，分工制度弱，獨立性強，自由性大，平等性高。生活環境的不斷改變，只有天，才有永恒的意義，傾向上天單極宗教的信仰。
2 科技的發展
科學是物質世界的了解，是一種思想系統，也是一種順其自然的思想活動，其探索的目標是“發現”。技術是物質世界的應用，是一種行動系統，也是一種事在人為的行動活動，其運作的目標是“發明”。早期的技術發展主要是靠嘗試和經驗，與科學的發展并沒有一定的姻親關系。后來的科技就是把科學與技術結合起來，利用科學知識來改進技術的發展，目標是“創新”。物理學是科學的基石。
3 物理學的發展
萌芽時代：物理學的起源是來自古希臘時代的幾個重要思想。
(1)自然現象是根據“固定的自然定律”而發生(賽勒斯thales，俗稱為科學之父)——定律概念和演繹邏輯。(2)要描述所有自然現象，數字是扮演中心角色(畢達哥拉斯pythag0ras)——數量描述。(3)要改變自然狀態，必需有起因(柏拉圖plato)——牛頓第二運動定律的廣泛含意。(4)物質的原子(德謨克利特democritus)和元素(亞里斯多德aristotle)的概念——物體結構的基本成份概念。古希臘文化是強調個人自由和思想系統的探索，奠定了基本的科學精神、態度、構思、概念、邏輯、原則和言語。希臘化時代：主要的興趣在解決實用問題，知識分類及技術成就。重要思想發展有：①幾何學定理的公理化(歐幾里得euclid)——演繹邏輯。②以地球為中心輸送圓的均速運動為主，運轉圓的均速運動為微擾，可以準確解釋包括太陽在內的各行星在天上的運動。③物體“比重”物性的發現(亞基米德archimedes)，后來進一步發展到“密度”物性。
黑暗時代：這是物理學發展a冬眠時代。(1)羅馬帝國：羅馬人是實用民族，他們強勢在軍事，行政和工程，而不在學術和科學。大量收集和發展希臘哲學思想，而很少有原始的創作。為了要準確解釋以地球為中心的行星運動，增加了偏心圓的微擾(托勒密ptolemy)。(2)中世紀：中世紀的歐洲是一個宗教和封建的封閉保守時代。研究希臘哲學和科學的中心便轉移到阿拉伯和波斯。(3)：二百年運動，動搖了歐洲的封建制度和教會權力。伊斯蘭的優秀文化開始對歐洲人開放。
復興時代：大亂之后必有大治。經歷過的浩劫之后，歐洲從一個保守封閉的教條社會轉入一個改革開放，實事求是和解放思想的文藝復興時代，由神本回歸到人本。文藝復興使歐洲恢復對人，人的成就和人的世界的興趣。文藝復興把歐洲從一個較為落后的社會在五百年內，先后超過伊斯蘭和中國社會。
3.1機動力學(mechan0dynamics)
從希臘時代到黑暗時代這一千六百多年，物理學發展的主要興趣上行星運動。發展以數學的歐幾里得幾何學為基礎，均速圓周運動為核心。到了復興時代，以既定的數學基礎來了解觀測的事實，改變為從事實去尋找事實背后的數學原理。由實是求事改變為實事求是，由以數學為基礎改變為以物理為基礎。
(1)天上行星的日心橢圓運動的發現(開普勒kepler)和地上物體的重力加速度及拋物線運動的了解(伽利略galileo)。
(2)機動力學的誕生：為了解決重力問題，牛頓認為，天上月球圍繞地球的運動與地上物體的拋物線運動是同一根源，及推出它們之間與地球中心距離的關系。他成功發現三個物體的運動定律：慣性定律，動力定律和反作用定律。更由第二和第三個定律推出物體之間的重力定律。
(3)牛頓動力定律理論的普遍化，以位能和動能取代外力和加速度：拉格朗日(lagran—ge)和哈密頓hamilton)。從物理定律推理到物理理論是符合從幾何公理推理到幾何定理的——演繹邏輯。
(4)牛頓動力學對隨機過程的應用：麥克斯韋(maxwell)，玻耳茲曼(boltzmann)。19世紀未，機動力學已發展成為宏觀物質世界一個完美的理論：完整，合理和前后一致。
3.2電動力學(electrodynamics)電磁現象
(1)電磁相互作用的關系：庫侖(coulomb)電荷與電荷和磁極與磁極的相互作用，奧斯特(oersted)磁極與電流的相互作用，安培(ampere)電流與電流的相互作用，法拉第(faraday)電荷與運動磁極的相互作用。
(2)法拉第提倡電磁的“本地作用”來代替“超距作用”，導致“電磁場”物理量的誕生。
(3)電磁學的基本定律：根據電磁相互作用的關系和以電磁場為基礎，麥克斯韋完成完整的“電磁場定律”，相當于牛頓機動力學中的物體重力定律。后來洛倫茲(lorentz)更進一步完成電荷在電磁場中運動的“電磁場力定律”。“輻射反作用力定律”也是電磁學一個基本定律，只是直到現在，符合邏輯的定律還未完成。
(4)帶電粒子動力學：洛倫茲的電磁場力是一個與速度有關的力。愛因斯坦(einstein)采用牛頓動力推出
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電磁場力在速度為零的情況，再用洛倫茲慣性變換，把速度為零情況的結果變換到速度不等于零的情況。結果推出帶電粒子在電磁場力的洛倫茲動量=v×牛頓動量。v是洛倫茲因子，與速度有關。fl=d(vp)／dt。相當于牛頓機動力學中的物體第二運動重力定律愛因斯坦后來把這方面的理論改稱為“狹義相對論”。在狹義相對論的基礎上，以微分幾何為工具，愛因斯坦用演繹方法建立他的重力場論，稱為“廣義相對論”。可以說是一種重力場的電磁化。到這個階段，除了輻射反作用力定律之外，電動力學基礎的探索已基本完成。
(5)電功力學定律理論的普遍化：相當于拉格朗日和哈密頓對牛頓動力定律的理論推廣和發展。
(6)電動力學對隨機過程的應用：無規則電磁場的統計特性的發展。其結果應該符合量子力學和量子動力學的結果。
3.3輻射動力學(radiodynamics)：輻射反映了物質世界的微觀結構。
(1)量子論的誕生：普朗克(planck)創立“量子”的新物理概念，成功解釋黑體輻射的實驗結果。后來，愛因斯坦和玻恩(born)分別用量子來成功解釋光電效應和氫原子光譜。
(2)量子力學：在數學的基礎上，由海森伯(heisenberg)，薛定諤(schrodinger)等所發展的量子數學系統(量子力學)，不但可以用來了解原子物理現象，也可以用來了解分子物理現象。
(3)基本粒子物理：基本粒子物理實驗觀察的新結果，促使大量相關理論的發展：量子電動力學，相對性量子力學，楊一(yang-mils)場等，其中楊一米場有更突破性的廣泛意義。
20世紀的世界發生了重大變化。(1)物理學發展已由宏觀的物質世界轉入微觀的物質世界。 (2)經過兩次世界大戰后，影響人類社會的重心已由歐洲社會，轉移到沒有傳統民族文化的美國移民社會。
4 中國文化與未來科學發展
雖然科學的發展是源于古希臘，但亦需要通過歐洲各種不同的文化時代，才可以孵育發展出來。歐洲文化對科學發展的優點可能已經到了飽和狀態。科學思想發展的進一步突破，必須要有新的文化來推動。中國文化對人理思想發展雖然是一個有五千多年的舊文化，但對物理思想發展卻是一種很新的文化。中國復雜而辯證的人理思想，吸收和結合歐洲簡單而演繹的物理思想，必定融合成為一種新力量，把科學發展推到更上一層樓，尤其是生命科學，醫理科學和心理科學。中國社會現在正是一個民族文化復興新時代的開始：改革開放，實事求是，解放思想，自主創新，可以比美歐洲后的文藝復興。中國是一個非常不均勻的大社會。各地區都有不同的方言、生活環境、生活方式、和風俗習慣，自然形成中國社會的多元多樣和多姿多彩。在這種復雜的文化環境，必須要因人制宜，因事制宜，或因地制宜，“一刀切”便會弄巧反拙。相反地，美國是一個非常均勻的大社會，自然形成美國社會的一體化思想。一體化社會并不符合中國社會的實際情況。
5 提高學生物理學習興趣的方法
了解以上物理學思想發展與文化關系后，我們來看一下在提高學生學習物理興趣的一些做法。
5.1聯系生活和生產實際
在物理教學中，如果注意結合學生熟悉的生活、生產實際，提出與教學有關的問題讓學生去思考，往往能激發起學生的學習興趣。例如：講授《光的折射》時，可先提出以下一些問題：透過老花鏡看緊靠鏡子的物體，顯得比原來怎么樣？透過老花鏡看遠處物體，物體又會怎樣呢？透過圓形金魚缸看缸里的魚發現魚會變大，透過裝滿水的杯子看插入的筷于發現筷子會在分界處折彎，這又是為什么呢？夏天，我們扎泥鰍時應扎的比觀察位置深還是淺些?帶著這些問題來學習，學生必然會產生興趣，從而達到提高課堂效率的作用，而課后又是課堂的延伸。
5.2制造學習上的懸念
在物理教學中，如果我們能夠不斷地制造懸念，使學生對新知識產生一種急于探求的心情，那么就會引起學生對新知識的興趣。例如在《超重與失重》一節的教學中，我們可以把一臺磅秤放在教室前頭，讓一個學生稱量自己的體重，然后觀察該學生突然尊下和站起瞬間磅秤發生的現象，此時，一般學生會感到好奇，基礎
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扎實的學生會感到是人對磅秤的壓力變大或變小，但不知原因，因此產生強烈興趣，同時渴望得到的答案，這樣老師講得輕松，學生學得愉快。
5.3保持刺激的新穎和變化
高中生對新鮮事物總是充滿好奇心，教學內容是否有興趣，興趣的大小，對教學效果都有直接的影響，在物理教學中若能經常保持刺激和變化，就能不斷引起學生的好奇心和新鮮感，從而激發起他們的興趣，使他們樂于學習、想要學習。
5.4及時給予成功的滿足
興趣是帶有情緒色彩的認識傾向，在物理學習中，如果學生獲得成功，就會產生愉快的情緒，若反復多次，學習和愉快的情緒則會建立固定的聯系，也就會形成越學越有興趣，越有興趣就越想學的良性循環。
5.5精心設計教學過程