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物理常数的解析与哲学思考

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一般物理常数又称为物质常数与具体物质及其所处的环境有关,原则上量子力学已可以对它进行解释.如固体比热,爱因斯坦将固体等效成平均能量为ω的N个相同的谐振子,考虑每个振子有三个维度,推得固体比热为其中k是玻尔兹曼常数,τ=kT.该式在T足够大时,可得到CV=3Nk的推论,即杜隆-珀替定律,并解释了固体比热在T0时,CV0的特性.这个比较粗糙的理论,在物理学史上,揭开了量子力学应用于固体物理学的序幕.由此我们可以认为,一般物理常数不是真正的物理常数,它们可以用量子理论解释.因为物质本身的复杂性,以及与环境相互作用的不易确定性,我们对一般物理常数的解释是有限的.如固体间的摩擦因数μ,虽然我们能够分析出许多形成摩擦因数的因素,然而,至今仍无法确定各种因素是如何作用的,主要还是依据唯像的公式进行测量.这样做并不影响实际运用,表明物质的微观结构及其运动具有宏观的收敛性,是各层次物质存在自身规律性及其层间偶合不强或脱偶的依据.但毕竟我们已有了原则上的解释手段,因此,在理论上不必为其烦恼.然而,对于基本物理常数(以下简称“物理常数”),也称普适常数或自然常数,却不断地困扰着物理学家,因为“至今还没有人成功地预测或解释过任何自然常数……”这种情况到现在也没有多少改变,因此是文章讨论的重点.

1解释物理常数的动机

据传泡利一生始终感到奇怪,为什么无单位的精细结构常数的近似值为1137.他得病住入苏黎世的红十字会医院后,有一次他的助手去看望他,他就问他的助手:“你看到这间房的号码了吗?”他的病房号码恰好是137.故事有些宿命,但它引出这样的问题,物理常数难于解释,是什么原因推动物理学家要解释它们呢?从物理常数在物理学中的地位与作用的角度分类,它们大致可以分为三类.第一类是用来表征特定物理实体属性的物理常数.这类常数主要有反映基本粒子性质的质量、电荷和磁矩等,它们在各种物理规律中保持不变,描述着构成整个物质世界基础的各种基本粒子的性质.因此,具有深入认识物质的基本组成、结构与性质等作用,并引起物理学家进一步的追溯.这类常数可以称为基本粒子常数.第二类是用来表征物理现象某一重要特征的物理常数.这类常数主要反映物理实体(包括4种基本力)的运动、变化,以及相互作用的效应与关系等,如精细结构常数、约瑟夫森常数、冯•克利青常数等.它们具有引起深入认识物质基本运动、变化及其相互联系的作用,常引起物理实验方法的重大改变,拓展物理理论的适用范围或发现反常,因此,常令物理学家感到惊讶.这类物理常数可以称为物理效应常数.第三类是用来表征物理学某一基本理论基础的物理常数.

这类常数通常出现在物理学的基本方程或公式中,如万有引力常数、光速、普朗克常数等.它们不仅在不同的物理规律中保持不变,而且构成物理学理论的基础.对它们的深入认识,不仅能够发现更深层次的物理理论,而且可以改变物理学家对于自然的图景,形成新的自然观.这类物理常数可以称为基本物理方程常数.上述三类物理常数的发现或认识历史表明,对物理常数的发现或认识,即意味着物理学有新的重大发现或发展,它们对物理学表现出以下几方面的作用与意义.(1)基础性.物理常数的基础性,主要表现在两方面.1)物理学的每一次飞跃总伴随着一个重要的关键物理常数的发现,如牛顿力学与万有引力常数G有关;电磁理论及后来的狭义相对论与光速c有关;量子力学的产生与发展与普朗克常数h有关,以至于有学者据此将物理学划分为三个发展阶段.2)物理学理论的自洽性本身可能并不一定需要依赖于物理常数,但理论预言的证实则极度地依赖于物理常数,因此物理常数是物理学理论与实验之间的桥梁,是物理学理论可靠与否的基石.(2)关联性.物理常数可以建立物理学中多种形式的关联,这种关联既可以是因果性的,也可以是非因果性的.主要有:1)不同层次的关联,如摩尔质量μ=NAm,其中m为分子质量,式中阿伏伽德罗常数NA联系了宏观与微观量;2)不同性质的关联,如λ=hp,式中普朗克常数h联系了微观物质的波动性和粒子性;3)不同物理理论的关联,如导致磁、电、光的统一;4)物理常数间的关联,如各种组合常数.(3)认识性.对于物理常数的认识性,首先,表现在物理常数本身具有潜在的探索价值,需要不断的认识,如对光速的认识,人们经历了三次飞跃,而每次“飞跃”都伴随着物理学的深刻变化,并引起人们自然观的改变;其次,表现在物理常数所具有的认识作用,拓展物理学的研究领域,如电子电量与质量的被测量,证实了原子的可分性,使人们对物质及其结构产生突破性的新认识,开启对原子结构及其更基本的粒子研究.另外,物理常数的认识作用还与其强烈的反常性有关,如阿伏伽德罗常数NA的发现,曾遭到道尔顿等当时著名化学家的强烈反对;普朗克常数h的发现,连普朗克自己都长时间不敢相信.(4)启发性.大多数物理常数是量子力学常数,它们描述着物质的基本组成、结构和相互作用等性质,而这又与现代宇宙学关于宇宙的演化、星体的形成相联系,与最终能否建立统一理论有关,因此,它们给物理学家以丰富的想象,启发着他们去探究.

如在精细结构常数刚被发现时,物理学家认为1α可能是个精确的整数137,由此引起的丰富想象启发着他们去研究,物理学家派斯曾这样回顾当时的历史,“这个数字引起了人们许多的冥思苦想、不眠长夜和离奇幻想……论证这个物理学上最大笑话的文章,居然溜过一家一流物理学期刊编辑的审查被发表出来.”除以上作用与意义外,物理常数已成为现代计量学的基础,而这些均建立在物理常数的恒常性与普适性的特征之上.然而,物理学家既不放心物理常数的恒常性,也不能确定物理常数是否有“普适”范围,因此物理常数的成因问题自然成为物理学家苦苦思索的问题.为此,物理学家不断提高物理常数的测量精度,以便从中发现蛛丝马迹,并将目光从实验室投向宇宙空间,探测宇宙早期的信息,但至今仍不能确定物理常数是否变化,是否有普适范围.在测量的基础上,他们更希望能发现第一性原理,由第一性原理给出物理常数的完美解释.

2物理常数解释的几种尝试

对物理常数的关注与重视,大致开始于20世纪初,特别是在量子力学建立之后.当时对已发现的物理常数,物理学家已有精确测量的要求和整理分类的需要,而鉴于物理常数在物理学中起到越来越重要的作用,如何解释与预言它们,则更成为自那以后各代物理学家要解决的重要问题之一.以下是其中较为典型的几种.

2.1从数字本身寻找物理常数的解释

数字自古就能唤起人们某种神秘的心理反应,用数字猜测命运是其中较为典型的表现,这种迷信方法,在现代世俗生活中仍有残余.在科学史上,有着神秘主义倾向的古希腊毕达哥拉斯学派认为“万物皆数”,他们对“数”产生极度虔诚的信仰,这在今天看来有些可笑.然而,就是这一个学派奠定了现代数学的基础,并发现具有后来物理学数学化特征的谐和音程与不同弦长之间有整数比例的关系,被人们称为毕达哥拉斯律制.因此,如果剥去对数字的迷信部分,以及对数字的实在化问题,对数字本身的分析也可算作一种研究和解决问题的方法.部分物理学家结合自身的研究经验,就曾运用这种方法,试图对物理常数进行解释,如爱丁顿以其对相对论的熟悉与偏好,通过对四维空间的大胆构想,对精细结构常数进行了被同行斥之为“数字学”的分析,他的研究发表后曾遭到同行嘲笑,前文派斯所说的“物理学的最大笑话”,大概就是指这件事.用这种方法解释物理常数,还没有成功案例.

2.2运用组合法获得物理常数的解释

用几个已知物理常数的简单组合,先于物理学理论与测量构造出可能的新物理学常数,在启发物理学研究的同时,尝试理解和解释物理常数.这种方法的合理性在于:(1)物理学的发展并不是旧理论的逻辑结果,而物理学研究也需要或然性的思维方法,依照一定的目的组合物理常数,正是这种思维方法的尝试;(2)部分物理常数间的确存在着简单的数学关系,其中比较典型的有光速物理常数间不仅有着严谨的数学关系,而且它们本身都具有明确的物理意义,可以通过不同的实验方法测定.在看似不成逻辑的物理常数间存在着严密的数学关系,是令人惊奇的,它们极其自然地揭示着物质之间存在的联系,说明着物理常数存在某种自洽性,对此已有学者进行研究,他们认为一个物理常数,可以由数学常数π,e和其他基本物理常数的组合来计算.在用组合法构造的物理常数中,比较有影响的是由普朗克和狄拉克两位物理学家提出的.普朗克在1912年用G,h,c构造了自然界中空间、时间和质量的基本值,其中质量的基本值已认为有着确切的物理意义,它是核力场的场量子———引斥子的质量,其他还处于猜测中.普朗克质量所具有的能量与普朗克空间、时间和质量组合的能量值具有相同的数量级,也令人遐想,其约为质子能量的1019倍,所显示的“小而强”特征,可猜测与宇宙的早期相联系.由于普朗克常数所具有的物理意义,它们已被列入物理常数;狄拉克1937年2月在《自然》杂志发表了一篇短文,提出了自己的宇宙学观点,给出了三个无量纲的组合常数,即大数假设.大数假设得出了一些诱人的推论,并对万有引力常数G提出了一种解释,认为它与时间t成反比例.然而因为缺少实验的支持,大数假设,至今还是个迷.组合法为物理学提出了一些涉及认识物质和宇宙尺度等的有启发性的基本问题,但基本上还只是一些猜测,因此,不可能给物理常数提供完善的解释.

2.3用人择原理对物理常数进行解释

人择宇宙的思想可以追溯到上千年前的古代,然而用来解释宇宙的起源、演化和结构,是由美国物理学家R•H•迪克在1961年首先提出来的.在迪克人择理论的基础上,现在已演化出多个版本,其中主要有弱人择原理与强人择原理,前者即是迪克的人择宇宙理论,后者由英国物理学家B•卡特提出.弱人择原理认为,在一个大的或具有无限空间和时间的宇宙里,只有在空间和时间有限的一定区域里,才存在智慧生命发展的必要条件.根据弱人择原理由智慧的演化的必要条件,估算了宇宙大爆炸发生的时间,并成功地推算出狄拉克的“大数假设”.强人择原理认为,存在多个宇宙或单一宇宙的多个不同区域,在我们的宇宙或区域中之所以有这些巧合的常数,是因为只有当这些常数具有现在为我们的实验所测得的数值时才会有人类存在.由强人择原理出发,物理学家们惊奇地发现,原子和分子的结构几乎完全由电子和质子的质量比,以及精细结构常数来控制它们稍微有点变化,有序的分子结构就不存在,生命需要的碳原子就不稳定,DNA的复制就会消失,恒星不能够燃烧氢和氦……以至于霍金惊呼:“这些数值看来是被非常细致地调整到使得生命的发展成为可能.”然而“人择原理”只是对观察结果的可能推测,而不是物理学解释,甚至与解释物理常数没有关系,因为它不能导致建立关于物理常数的物理学方程,并给出预言.

2.4寻求统一理论对物理常数的解释

统一理论的建立,必以某个第一性原理为前提,因此,统一理论可以为物理常数提供完美的解释,所以霍金说:“也许有一天,我们会发现一个将它们所有都预言出来的一个完整的统一理论”.在各种统一理论中,弦/M理论无疑是最受物理学家追捧的.从弦理论到M理论,已经过二次革命.第一次革命是在1984年秋提出超弦理论,解决了弦理论存在的25维、快子和强子无质量等问题,但不久就发现在10维空间里,超弦存在着5个相对独立的且和谐的理论,对它们使用卡丘空间处理了额外的6维后,每个超弦理论仍需要标志不同几何特征的数百个常数,因此不但不能解释物理常数,反而使问题变得更加复杂.第二次革命发生在1995年,著名的美国物理学家威藤在一次洛杉矶弦论会议上提出了一个用有着11维的M理论,来统一5个超弦理论设想,并认为它们其实是同一个理论,然而直到现在也没有建立起合适的物理学方程,产生任何可观察的实验预言,因此,也不能给出物理常数的解释.对此美国物理学家L•斯莫林认为:“M理论的关键问题就在于寻找一种能与量子力学理论和背景独立性相容的形式……遗憾的是,这方面几乎没有什么进展.有一些迷人的线索,但我们还不知道M理论是什么.”因此,物理学家对弦/M理论产生了怀疑,他们被分为乐观派和悲观派,其中不乏反对的声音.

3对物理常数解释问题的初步讨论

伽莫夫曾说过,对物理常数的认识便构成未来物理学.对物理常数的解释的困难,表明我们对物理常数还存在严重的认识问题,这就需要对“什么是物理常数的解释”,“物理常数能不能解释”,“怎样才能解释物理常数”等基本问题进行讨论.

3.1对物理常数解释的理解

对于物理常数的解释,如果只是阐明其物理意义,则问题会简单得多,如光速可由计算,表示光是电磁波,该式表达了电磁波在真空中的速度等.即使后来认识到它的不变性,以及是一切物体的速度极限,那也是可以述说的.但如果问及它的速度为什么是这个值,是否可能变化,是否有超光速存在,以及它为什么可以用两个真空电磁常数确定等时,就不容易讲得清楚,人们自然会联系到真空结构和宇宙演化等问题,需要更深层次的理论来解释.如果说像光速这样的有量纲常数,还可能采用合适的单位制进行协调的话,无量纲常数则更令人困惑.因此,所谓物理常数的解释,就不仅是对物理常数的物理意义进行阐释,而且是使它们成为前文提到的某个第一性原理的逻辑结果,并逻辑地确定它们是否变化和如何变化.就此而言,弦/M理论走的是一条解释物理常数的进路,它定义“弦”模型为“第一性原理”,建构物理学统一理论,给出物理常数的动力学解释.然而目前的弦/M论研究因有过于追求理论美妙的倾向,反而有脱离实验的危险.物理学脱离实验,那就不是在做物理,而是在做哲学.

3.2物理常数可能被解释的理由

根据前文讨论,物理常数能否被解释,关键是能否发现第一性原理,形成更深层次的理论,为物理常数提供动力学解释.因为同一层次的物理常数尽管可能自洽,但不可能得到前文所讨论的解释.然而物理学家也注意到,每一次更深层理论的发现,往往因为新的粒子或现象等的发现,又会带来新的常数,如此往复,要获得物理常数的最后解释似不可能,除非能够建立终极理论———统一理论.对此,有必要对现代物理学做点粗略的考察.随着量子理论、非线性等复杂物理学的研究发展,以及对不同层次物质存在的脱偶现象的认识,使得物理学也采用生成论、整体论和层创论等方法进行研究,但还原论仍是物理学研究的基本方法.还原论是基于复杂性背后存在简单性的信仰形成的基本物理方法,物理学家期望用该方法,获得关于物质世界的最基本的基元及其相互作用的关系,然后建立统一理论.目前虽然关于是否存在最基本的物质基元,物理学界仍在争论,但像温伯格等物理学家赞同“并非所有的粒子都是相等的”观点,认为存在一些基本粒子,如光子、中微子、夸克等,而其余的基本粒子是它们的复合物,这个理论在众多场合非常有效.但是几十年来,物理学家并没有探测到自由夸克.尽管对此现象有非阿贝尔规范理论的渐近自由说可以解释,但还没有得到实验证实.不过以还原论的观点,我们还是可以认为该理论最接近事实.

这样自然要追问,那些更基本的粒子是否有相同的起源?这可能是现在许多物理学将基本粒子统一到“弦”的原因,在他们看来,各种基本粒子就是“弦”振动的各种模态,由此传统的物质概念将被消解为“无”,用朱清时院士的话说(2009年的一次讲演),就是物理学进入了“自性本空”的阶段,只剩下“事物间的关系”,即哲学家说的“关系实在”,由此“弦”难免不进入“玄”境.好在物理学的研究途径并非只有弦/M理论,宇宙大爆炸学说、量子规范场理论及其相关的测量与实验,已触及基本粒子形成的原因,早期“宇宙可能曾发生过相跃迁”,物理学家已开始关注和猜测1032K时宇宙的状态(在那里粒子的意义将不存在),并与宇宙大爆史有关的已发现或待证实的残迹相联系,如宇宙背景辐射、暗能量和暗物质等.由于物理学是从对宏观物质研究开始到分子、原子,现在已进入基本粒子层次.从每一层次的理论可以为上一层次理论提供解释来看,我们可以猜测,物理常数的最终解释将在于基本粒子形成理论的发现,在那里尽管还可能存在某些自由参数,那也将是数量不多,而且是可以讨论的,物理学也将在那里达到统一.因此,解释物理常数与统一理论的建立具有同一性.我们有理由相信物理常数可以解释,虽然可能正如康德所认为的“心灵独特的活动是综合并统一我们的经验”,物理学的发展也表明自然比人的想象更丰富,但这就是物理学的认识之路,除非有一天统一之路被证否.

3.3物理常数可能被解释的逻辑

物理常数解释的逻辑,本质上也就是物理学研究的逻辑.由于物理学研究物质世界最基本的规律,因此,当对它的基本问题进行研究时,某些哲学观念就会呈现出来,前文提到的“第一性原理”就有着哲学中的“本体”意蕴,一不小心很容易让人滑入形而上学的思辨.因此,尽管有对物理常数解释的各种推测与设想,具体解决问题还要回到物理学的研究逻辑,其中主要有以下几方面.(1)更深层次物理学理论的发现发生在已有理论的适用边界上.这时,有充分的观察数据或发现大量的反常现象,为此,多数物理学家开始进行新理论的建构,甚至有局部的合理的理论出现.(2)在大量观察数据或反常现象出现的基础上,新物理理论的建立,通常还要等待某些关键环节的发现.如狭义相对论中光速不变性的发现,量子力学中作用量子的发现等.目前相对论与量子理论尽管存在一些理论问题,但并没有走到理论的适用边界,因此它们的统一问题,有待于进一步的反常发现,以发现“关键环节”.(3)寻找“关键环节”,要物理理论为物理实验提供可操作的预言,同时物理理论要接受物理实验的检验,并在此过程中产生思维方式的飞跃.因此,建构物理理论只是现象,本质上是物理理论与物理实验辩证运动的结果,是思维对现象背后实在的把握.正因为这样,基于不同物理思想建立的物理理论,可以殊途同归,如海森伯、薛定谔与费曼等人不同的量子力学程式的等效性即是例证,这是物理学理论具有客观性的基石。

作者:陈华单位:台州广播电视大学

科学技术哲学研究杂志责任编辑:田老师    阅读:人次