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评论:物理学思想能否实现新的超越

http://www.sina.com.cn 2000/01/28 10:56 中华读书报

  1900年,英国的开尔文勋爵在皇家学会的新年致辞中自负地宣称,物理学的大厦已经完成,今后物理学家的任务 只是把实验做得更精确些。但是,他并没有料到,他眼中小小的“两朵乌云”——黑体辐射的理论解释和迈克尔逊——莫雷实 验对以太观念的冲击——引起了现代物理学翻天覆地的变化。本世纪理论物理学中最伟大的两项成就——相对论与量子力学均 与这两朵“小小的乌云”大有干系。

  一个世纪已经过去,当我们回顾物理学的发展历程,不得不为人类在这一百年里的智慧成就所折服。在微观领域,我 们有所谓的标准模型来解释强、弱、电三种相互作用的本质和各种基本粒子的存在;在宏观上,建立在广义相对论基础上的大 爆炸宇宙学描绘了整个宇宙演化的图景,正在不断改变和深化人类关于整个世界的看法。而对宇宙创生的研究则使“第一推动 ”这个本属于宗教神学的问题变得理性了。斯蒂芬·霍金即因这方面的开拓性成就而受到梵蒂冈教廷的敬仰。

  历史总有许多相似之处。当人类站在新世纪的门槛上,思考我们这个时代的物理学,发现今天的情形竟然和一百年前 如此的类似。我们有量子场论,在探索粒子物理领域取得了巨大的成就,但理论本身并不完美:在一些计算过程中出现了无穷 大。虽然用重整化方案方可消除这些发散,然而这种技术近乎是一种“耍赖皮”(王竹溪语)的手段,在概念上也存在不自洽 之处。虽然这种技术很有效,但物理学家相信这只是一时的权宜之计。另外,强、弱、电三种相互作用并未得到真正的统一, 标准模型也只是一个唯象的理论,其中含有十几个可调参数、任意性太大。物理学家希望,真正的统一方案应该用一个单群来 描述三种相互作用的对称性、并且在理论中只出现一个耦合常数来描述相互作用强度,更具体一些说,三种相互作用具有不同 的强度,这只是在低能量情况下的行为、是对称性发生破缺的结果。而在更高的能量标度上,三种相互作用统一成为一种力, 只有一个作用强度。就像是麦克斯韦方程把电力和磁力统一成为一种电磁相互作用。物理学中的最大困难恐怕要算是广义相对 论中的奇点。霍金和彭若斯早在70年代就已经证明,经典广义相对论中的奇点是不可避免的。在奇点处,曲率和密度无限大 、一切物理规律都已失效。对于这样一种只在数学定义中出现却威胁到物理学的东西,是不受物理学家欢迎的。人们普遍相信 ,考虑到引力场在微观尺度上的量子效应,奇点应该是可以避免的,就像当年用量子论来解释黑体辐射从而避免了紫外发散一 样。然而,目前基于广义相对论的量子引力理论却是不成功的。究其原因,在于引力场本质上是弯曲的时空背景,充当供其他 物质场“表演”用的舞台;而当对它进行量子化时,又把它作为演员来看待。同一事物充当两个互为矛盾的角色,这在哲学概 念上可以辩证地理解,但在物理理论的具体操作中却存在无法克服的困难。这显然是一件非常糟糕的事情。

  量子引力的困难,暗示了对通常物质场有效的量子化方案引力场已不再适用。这就是为什么大统一理论不能纳入引力 相互作用的原因,甚至于形式上的统一也办不到。当然,问题也可能出在我们普遍接受的引力理论——广义相对论本身。近二 十年的研究表明,广义相对论和热力学之间存在密切的联系。举一个例子,关于黑洞的经典理论中,有一组定理和热力学定律 很相似,而发现黑洞有热辐射则确证这些定理是真正的热力学定律。有的学者甚至从热力学推导出了广义相对论的场方程!尽 管还有争议,但这一切都已经强烈地暗示广义相对论也许只是一个唯象的理论,相当于热力学的那个层次。场方程则相当于热 力学中的态方程。把这个理论量子化在概念上和方向上都是错误的。因为态方程本身没有可以进行量子化的动力学变量。举个 例子,气体理论的玻义耳——玛略特定律里有两个状态参量:压强和体积,都不是动力学变量,无法进行量子化。我们用薛定 谔方程而不是玻——玛方程来研究气体分子的量子效应,然而这种效应不会在宏观的状态参量中表现出来。

  理论中出现无穷大总是令物理学家头痛的事情。但是,一些思想开放的人却欢迎这种无穷大。从历史上看,量子论的 诞生正是源于解决黑体辐射的紫外发散问题。我们不禁要问:“历史是否会重演?现今物理学的困难是否预示着一场物理学革 命的到来?”

  物理学归根结底是一门实验科学。但是,审视一下我们今天的物理学,不难发现理论已经远远走在了实验的前面。新 的理论无法在现有条件下得到证实,有的预言根本无法在实验室里得到验证,因为需要建造的加速器得有银河系那么大!缺少 实验的推动,理论物理已经走入低谷,进展缓慢。为了解决物理学的困难,需要有创造性的新的物理思想。站在世纪的交点, 隐隐的雷声和片片乌云又喻示着一场暴风雨的来临。我们期望着理论物理学又一次全新的超越。1900年,英国的开尔文勋 爵在皇家学会的新年致辞中自负地宣称,物理学的大厦已经完成,今后物理学家的任务只是把实验做得更精确些。但是,他并 没有料到,他眼中小小的“两朵乌云”——黑体辐射的理论解释和迈克尔逊——莫雷实验对以太观念的冲击——引起了现代物 理学翻天覆地的变化。本世纪理论物理学中最伟大的两项成就——相对论与量子力学均与这两朵“小小的乌云”大有干系。李 翔






 
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