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标  题: 3.2 物理学的阴影
发信站: 哈工大紫丁香 (Thu Jan  2 18:36:04 2003) , 转信

 


物理学的阴影

　　　
作者：惠勒

　　
　　惠勒（1911——），美国物理学家。早年在巴尔的摩学院和霍普金斯大学学习，193
3年获博士学位。曾在哥本哈根大学从事核物理研究，在核裂变研究领域取得创造性成果
，确定铀为制造原子弹的原料。他是第一位从事原子弹理论研究的美国科学家。曾任美
国物理学会主席。著有《几何动力学》、《引力理论和引力坍缩》、《黑洞、引力波和
宇宙学》等。

　　我们能否希望终有一天抓住宇宙构造的中心原理呢？不错，爱因斯坦曾用一句名言
向我们说过：“这个世界上最不可理解的事情就是世界是可以理解的。”
　　爱因斯坦逝世24年以来，我们取得了多少进步呢？粒子物理学的巨大发展，统一自
然力方面的某些进展，等等。但是到头来我们必须说，所学越多，所知越少。在发挥这
个主题之前，让我试着概述一下将要讲的东西。我要提起那条古代的物理学原理，“没
有悖论，就没有进步。”此处我用“悖论”一词指的是困难、明显的不一致、所期望与
所发现的东西之间的歧异等等。没有悖论，我们就不能得到任何真正新的东西；而有了
悖论，我们就有了一点希望。为了取得进步，需要有两种因素既相对抗又相平衡。
　　今日物理学使我们面临着两个悖论的挑战。没有比它们更大的阴影了，但由于它们
是破坏和建设的结合，也没有比它们更充满希望和鼓舞人心的了。第一个悖论是破坏性
的，它声称物理学在时间的大门口——大爆炸、大坍缩和黑洞——走到了尽头；但另一
方面，尽管有那么多表面上的变化，物理学在人们心目中始终仍在走着它的永恒之路。
所以说，物理学停止了，但是物理学在进步，这就是第一个悖论。怎样消除这个困难呢
？我想指出在物理学的描述中，“时间”不是一个原始范畴。因此我们使用时间已临近
“时间的大门口”这一观念是错误的，正是这个错误才使我们陷入了第一个悖论。
　　第二个悖论是建设性的。它和量子力学有关，即与基本的量子观测行为——更确切
地说是记录行为——在“造成”对象方面所起的作用有关。悖论何在呢？我们历来相信
，物理学也总是预先假定：世界是存在于我们之外的，不依赖于任何观测行为。然而量
子力学却告诉我们，世界并非存在于我们之外和独立于所有的观测行为。这就是第二个
悖论。
　　这些悖论的教训是什么呢？可以用三句乩语式的格言来表达：“必须构造！确在构
造！怎样构造？”没有什么东西能逃得脱第一条教训：“必须构造”。大爆炸告诉我们
，无论粒子、力场还是自然规律都不可能永久存在，它们必定都有开端。
　　第二条教训是量子物理学的中心教义。每做一次基本的量子观测，我们就“构造”
了一个我们称为实在的微观小体。第三条隐语“怎样构造？”概述了一个中心问题：怎
样使一加一等于二？既然自然界已经通过基本的量子行为向我们显示了一条我们用以“
确在构造”的途径，那么我们又何须另外去执行“必须构造”的律令呢？然而，不计其
数的基本量子记录行为究竟是怎样结合在一起构造成大尺度水平上的实在呢？对此我们
还根本一无所知。“怎样构造”这条隐语就是旨在号召我们解开这个谜。
　　我们并没有接触粒子和场物理学（这是当代进展所开拓的一个极宏伟的领域）中的
奇妙发现，却怎么能够径直达到中心点呢？答案是简单的：所学越多，所知越少。
　　孩子们都喜欢送给他们中国套箱作为礼物。揭开一个，露出一个，揭开一个，又露
出一个，直至最后露出那个秘藏的珍品。然而，要是这一列套箱没完没了，孩子们终究
是会失去兴趣的。这难道就是我们在粒子物理学中的处境吗？我们从分子开始，然后是
原子、核子、中子和质子，再后是各种各样的夸克。我的一位在这一领域贡献颇多的杰
出的同事认为，我们能够做的只是设计更高能量的加速器，以便打开通向更小尺度的道
路，去发现粒子世界更深层次的结构。我们距离那个古老的梦想——找到一种基本的单
元，一种最终的粒子，一种其他所有一切赖以构成的魔术般的建筑砖块，依然和过去的
人们一样遥远。
　　如果根本不存在处于物理学最底层的魔术般的粒子，那我们为什么不能转而用一种
魔术般的力场来解释一切呢？在全部物理学中，再没有比电磁场、引力场与所谓场——
米尔斯夸克束场的“三和弦”更优美的东西了。人们相信这最后一种场把夸克集在一起
构成了中子、质子以及其它的基本粒子。这组“三和弦”解释了物体运动的所以然。
　　能否将这些力统一起来，作为单独一种场的诸方面呢？在过去若干年里，某些最有
才能的物理学家已经向这个目标迈出了意义深远的步子。然而，不管我们是把这三种场
看作彼此独立的，还是设想它们处于某种尚有待发现的统一之中，我们在今日的场与一
百年前的弹性之间发现了某种相似性。只需要假定物体是匀质和各向同性的，人们就能
够用简单的对称性论证表明弹性是仅仅由两个常数就能充分刻划的。在这个基础上，当
时的物理学家建立了一个完备的理论，有定理，有分析方法，也有工程上的应用。但是
弹性对于物质的本性却没有提供任何线索。对弹性进行一百年的研究也没揭示出分子与
原子的存在。同样，对分子、原子之间的力作一个世纪的研究也不会揭示出它们仅仅是
建立在正负电荷之间的力以及薛定谔波动方程之上。我们先得知道，不能用弹性来说明
电子运动，而应该用电子运动来说明弹性。在这个意义上，我们发现理解的方向不是从
表面的对称性指向内部机制，而应该反过来，从内部机制指向表面的对称性。
　　　　　　　　 （童世骏　陈克艰　译）
 




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