物理常數(shù)的解析與哲學思考范文

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一般物理常數(shù)又稱為物質常數(shù)與具體物質及其所處的環(huán)境有關，原則上量子力學已可以對它進行解釋．如固體比熱，愛因斯坦將固體等效成平均能量為ω的N個相同的諧振子，考慮每個振子有三個維度，推得固體比熱為其中k是玻爾茲曼常數(shù)，τ＝kT．該式在T足夠大時，可得到CV＝3Nk的推論，即杜隆－珀替定律，并解釋了固體比熱在T0時，CV0的特性．這個比較粗糙的理論，在物理學史上，揭開了量子力學應用于固體物理學的序幕．由此我們可以認為，一般物理常數(shù)不是真正的物理常數(shù)，它們可以用量子理論解釋．因為物質本身的復雜性，以及與環(huán)境相互作用的不易確定性，我們對一般物理常數(shù)的解釋是有限的．如固體間的摩擦因數(shù)μ，雖然我們能夠分析出許多形成摩擦因數(shù)的因素，然而，至今仍無法確定各種因素是如何作用的，主要還是依據(jù)唯像的公式進行測量．這樣做并不影響實際運用，表明物質的微觀結構及其運動具有宏觀的收斂性，是各層次物質存在自身規(guī)律性及其層間偶合不強或脫偶的依據(jù)．但畢竟我們已有了原則上的解釋手段，因此，在理論上不必為其煩惱．然而，對于基本物理常數(shù)（以下簡稱“物理常數(shù)”），也稱普適常數(shù)或自然常數(shù)，卻不斷地困擾著物理學家，因為“至今還沒有人成功地預測或解釋過任何自然常數(shù)……”這種情況到現(xiàn)在也沒有多少改變，因此是文章討論的重點．

1解釋物理常數(shù)的動機

據(jù)傳泡利一生始終感到奇怪，為什么無單位的精細結構常數(shù)的近似值為1137．他得病住入蘇黎世的紅十字會醫(yī)院后，有一次他的助手去看望他，他就問他的助手：“你看到這間房的號碼了嗎？”他的病房號碼恰好是137．故事有些宿命，但它引出這樣的問題，物理常數(shù)難于解釋，是什么原因推動物理學家要解釋它們呢？從物理常數(shù)在物理學中的地位與作用的角度分類，它們大致可以分為三類．第一類是用來表征特定物理實體屬性的物理常數(shù)．這類常數(shù)主要有反映基本粒子性質的質量、電荷和磁矩等，它們在各種物理規(guī)律中保持不變，描述著構成整個物質世界基礎的各種基本粒子的性質．因此，具有深入認識物質的基本組成、結構與性質等作用，并引起物理學家進一步的追溯．這類常數(shù)可以稱為基本粒子常數(shù)．第二類是用來表征物理現(xiàn)象某一重要特征的物理常數(shù)．這類常數(shù)主要反映物理實體（包括4種基本力）的運動、變化，以及相互作用的效應與關系等，如精細結構常數(shù)、約瑟夫森常數(shù)、馮•克利青常數(shù)等．它們具有引起深入認識物質基本運動、變化及其相互聯(lián)系的作用，常引起物理實驗方法的重大改變，拓展物理理論的適用范圍或發(fā)現(xiàn)反常，因此，常令物理學家感到驚訝．這類物理常數(shù)可以稱為物理效應常數(shù)．第三類是用來表征物理學某一基本理論基礎的物理常數(shù)．

這類常數(shù)通常出現(xiàn)在物理學的基本方程或公式中，如萬有引力常數(shù)、光速、普朗克常數(shù)等．它們不僅在不同的物理規(guī)律中保持不變，而且構成物理學理論的基礎．對它們的深入認識，不僅能夠發(fā)現(xiàn)更深層次的物理理論，而且可以改變物理學家對于自然的圖景，形成新的自然觀．這類物理常數(shù)可以稱為基本物理方程常數(shù)．上述三類物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或認識歷史表明，對物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或認識，即意味著物理學有新的重大發(fā)現(xiàn)或發(fā)展，它們對物理學表現(xiàn)出以下幾方面的作用與意義．（1）基礎性．物理常數(shù)的基礎性，主要表現(xiàn)在兩方面．1）物理學的每一次飛躍總伴隨著一個重要的關鍵物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)，如牛頓力學與萬有引力常數(shù)G有關；電磁理論及后來的狹義相對論與光速c有關；量子力學的產生與發(fā)展與普朗克常數(shù)h有關，以至于有學者據(jù)此將物理學劃分為三個發(fā)展階段．2）物理學理論的自洽性本身可能并不一定需要依賴于物理常數(shù)，但理論預言的證實則極度地依賴于物理常數(shù)，因此物理常數(shù)是物理學理論與實驗之間的橋梁，是物理學理論可靠與否的基石．（2）關聯(lián)性．物理常數(shù)可以建立物理學中多種形式的關聯(lián)，這種關聯(lián)既可以是因果性的，也可以是非因果性的．主要有：1）不同層次的關聯(lián)，如摩爾質量μ＝NAm，其中m為分子質量，式中阿伏伽德羅常數(shù)NA聯(lián)系了宏觀與微觀量；2）不同性質的關聯(lián)，如λ＝hp，式中普朗克常數(shù)h聯(lián)系了微觀物質的波動性和粒子性；3）不同物理理論的關聯(lián)，如導致磁、電、光的統(tǒng)一；4）物理常數(shù)間的關聯(lián)，如各種組合常數(shù)．（3）認識性．對于物理常數(shù)的認識性，首先，表現(xiàn)在物理常數(shù)本身具有潛在的探索價值，需要不斷的認識，如對光速的認識，人們經歷了三次飛躍，而每次“飛躍”都伴隨著物理學的深刻變化，并引起人們自然觀的改變；其次，表現(xiàn)在物理常數(shù)所具有的認識作用，拓展物理學的研究領域，如電子電量與質量的被測量，證實了原子的可分性，使人們對物質及其結構產生突破性的新認識，開啟對原子結構及其更基本的粒子研究．另外，物理常數(shù)的認識作用還與其強烈的反常性有關，如阿伏伽德羅常數(shù)NA的發(fā)現(xiàn)，曾遭到道爾頓等當時著名化學家的強烈反對；普朗克常數(shù)h的發(fā)現(xiàn)，連普朗克自己都長時間不敢相信．（4）啟發(fā)性．大多數(shù)物理常數(shù)是量子力學常數(shù)，它們描述著物質的基本組成、結構和相互作用等性質，而這又與現(xiàn)代宇宙學關于宇宙的演化、星體的形成相聯(lián)系，與最終能否建立統(tǒng)一理論有關，因此，它們給物理學家以豐富的想象，啟發(fā)著他們去探究．

如在精細結構常數(shù)剛被發(fā)現(xiàn)時，物理學家認為1α可能是個精確的整數(shù)137，由此引起的豐富想象啟發(fā)著他們去研究，物理學家派斯曾這樣回顧當時的歷史，“這個數(shù)字引起了人們許多的冥思苦想、不眠長夜和離奇幻想……論證這個物理學上最大笑話的文章，居然溜過一家一流物理學期刊編輯的審查被發(fā)表出來．”除以上作用與意義外，物理常數(shù)已成為現(xiàn)代計量學的基礎，而這些均建立在物理常數(shù)的恒常性與普適性的特征之上．然而，物理學家既不放心物理常數(shù)的恒常性，也不能確定物理常數(shù)是否有“普適”范圍，因此物理常數(shù)的成因問題自然成為物理學家苦苦思索的問題．為此，物理學家不斷提高物理常數(shù)的測量精度，以便從中發(fā)現(xiàn)蛛絲馬跡，并將目光從實驗室投向宇宙空間，探測宇宙早期的信息，但至今仍不能確定物理常數(shù)是否變化，是否有普適范圍．在測量的基礎上，他們更希望能發(fā)現(xiàn)第一性原理，由第一性原理給出物理常數(shù)的完美解釋．

2物理常數(shù)解釋的幾種嘗試

對物理常數(shù)的關注與重視，大致開始于20世紀初，特別是在量子力學建立之后．當時對已發(fā)現(xiàn)的物理常數(shù)，物理學家已有精確測量的要求和整理分類的需要，而鑒于物理常數(shù)在物理學中起到越來越重要的作用，如何解釋與預言它們，則更成為自那以后各代物理學家要解決的重要問題之一．以下是其中較為典型的幾種．

2.1從數(shù)字本身尋找物理常數(shù)的解釋

數(shù)字自古就能喚起人們某種神秘的心理反應，用數(shù)字猜測命運是其中較為典型的表現(xiàn)，這種迷信方法，在現(xiàn)代世俗生活中仍有殘余．在科學史上，有著神秘主義傾向的古希臘畢達哥拉斯學派認為“萬物皆數(shù)”，他們對“數(shù)”產生極度虔誠的信仰，這在今天看來有些可笑．然而，就是這一個學派奠定了現(xiàn)代數(shù)學的基礎，并發(fā)現(xiàn)具有后來物理學數(shù)學化特征的諧和音程與不同弦長之間有整數(shù)比例的關系，被人們稱為畢達哥拉斯律制．因此，如果剝去對數(shù)字的迷信部分，以及對數(shù)字的實在化問題，對數(shù)字本身的分析也可算作一種研究和解決問題的方法．部分物理學家結合自身的研究經驗，就曾運用這種方法，試圖對物理常數(shù)進行解釋，如愛丁頓以其對相對論的熟悉與偏好，通過對四維空間的大膽構想，對精細結構常數(shù)進行了被同行斥之為“數(shù)字學”的分析，他的研究發(fā)表后曾遭到同行嘲笑，前文派斯所說的“物理學的最大笑話”，大概就是指這件事．用這種方法解釋物理常數(shù)，還沒有成功案例．

2.2運用組合法獲得物理常數(shù)的解釋

用幾個已知物理常數(shù)的簡單組合，先于物理學理論與測量構造出可能的新物理學常數(shù)，在啟發(fā)物理學研究的同時，嘗試理解和解釋物理常數(shù)．這種方法的合理性在于：（1）物理學的發(fā)展并不是舊理論的邏輯結果，而物理學研究也需要或然性的思維方法，依照一定的目的組合物理常數(shù)，正是這種思維方法的嘗試；（2）部分物理常數(shù)間的確存在著簡單的數(shù)學關系，其中比較典型的有光速物理常數(shù)間不僅有著嚴謹?shù)臄?shù)學關系，而且它們本身都具有明確的物理意義，可以通過不同的實驗方法測定．在看似不成邏輯的物理常數(shù)間存在著嚴密的數(shù)學關系，是令人驚奇的，它們極其自然地揭示著物質之間存在的聯(lián)系，說明著物理常數(shù)存在某種自洽性，對此已有學者進行研究，他們認為一個物理常數(shù)，可以由數(shù)學常數(shù)π，e和其他基本物理常數(shù)的組合來計算．在用組合法構造的物理常數(shù)中，比較有影響的是由普朗克和狄拉克兩位物理學家提出的．普朗克在1912年用G，h，c構造了自然界中空間、時間和質量的基本值，其中質量的基本值已認為有著確切的物理意義，它是核力場的場量子———引斥子的質量，其他還處于猜測中．普朗克質量所具有的能量與普朗克空間、時間和質量組合的能量值具有相同的數(shù)量級，也令人遐想，其約為質子能量的1019倍，所顯示的“小而強”特征，可猜測與宇宙的早期相聯(lián)系．由于普朗克常數(shù)所具有的物理意義，它們已被列入物理常數(shù)；狄拉克1937年2月在《自然》雜志發(fā)表了一篇短文，提出了自己的宇宙學觀點，給出了三個無量綱的組合常數(shù)，即大數(shù)假設．大數(shù)假設得出了一些誘人的推論，并對萬有引力常數(shù)G提出了一種解釋，認為它與時間t成反比例．然而因為缺少實驗的支持，大數(shù)假設，至今還是個迷．組合法為物理學提出了一些涉及認識物質和宇宙尺度等的有啟發(fā)性的基本問題，但基本上還只是一些猜測，因此，不可能給物理常數(shù)提供完善的解釋．

2.3用人擇原理對物理常數(shù)進行解釋

人擇宇宙的思想可以追溯到上千年前的古代，然而用來解釋宇宙的起源、演化和結構，是由美國物理學家R•H•迪克在1961年首先提出來的．在迪克人擇理論的基礎上，現(xiàn)在已演化出多個版本，其中主要有弱人擇原理與強人擇原理，前者即是迪克的人擇宇宙理論，后者由英國物理學家B•卡特提出．弱人擇原理認為，在一個大的或具有無限空間和時間的宇宙里，只有在空間和時間有限的一定區(qū)域里，才存在智慧生命發(fā)展的必要條件．根據(jù)弱人擇原理由智慧的演化的必要條件，估算了宇宙大爆炸發(fā)生的時間，并成功地推算出狄拉克的“大數(shù)假設”．強人擇原理認為，存在多個宇宙或單一宇宙的多個不同區(qū)域，在我們的宇宙或區(qū)域中之所以有這些巧合的常數(shù)，是因為只有當這些常數(shù)具有現(xiàn)在為我們的實驗所測得的數(shù)值時才會有人類存在．由強人擇原理出發(fā)，物理學家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，原子和分子的結構幾乎完全由電子和質子的質量比，以及精細結構常數(shù)來控制它們稍微有點變化，有序的分子結構就不存在，生命需要的碳原子就不穩(wěn)定，DNA的復制就會消失，恒星不能夠燃燒氫和氦……以至于霍金驚呼：“這些數(shù)值看來是被非常細致地調整到使得生命的發(fā)展成為可能．”然而“人擇原理”只是對觀察結果的可能推測，而不是物理學解釋，甚至與解釋物理常數(shù)沒有關系，因為它不能導致建立關于物理常數(shù)的物理學方程，并給出預言．

2.4尋求統(tǒng)一理論對物理常數(shù)的解釋

統(tǒng)一理論的建立，必以某個第一性原理為前提，因此，統(tǒng)一理論可以為物理常數(shù)提供完美的解釋，所以霍金說：“也許有一天，我們會發(fā)現(xiàn)一個將它們所有都預言出來的一個完整的統(tǒng)一理論”．在各種統(tǒng)一理論中，弦／M理論無疑是最受物理學家追捧的．從弦理論到M理論，已經過二次革命．第一次革命是在1984年秋提出超弦理論，解決了弦理論存在的25維、快子和強子無質量等問題，但不久就發(fā)現(xiàn)在10維空間里，超弦存在著5個相對獨立的且和諧的理論，對它們使用卡丘空間處理了額外的6維后，每個超弦理論仍需要標志不同幾何特征的數(shù)百個常數(shù)，因此不但不能解釋物理常數(shù)，反而使問題變得更加復雜．第二次革命發(fā)生在1995年，著名的美國物理學家威藤在一次洛杉磯弦論會議上提出了一個用有著11維的M理論，來統(tǒng)一5個超弦理論設想，并認為它們其實是同一個理論，然而直到現(xiàn)在也沒有建立起合適的物理學方程，產生任何可觀察的實驗預言，因此，也不能給出物理常數(shù)的解釋．對此美國物理學家L•斯莫林認為：“M理論的關鍵問題就在于尋找一種能與量子力學理論和背景獨立性相容的形式……遺憾的是，這方面幾乎沒有什么進展．有一些迷人的線索，但我們還不知道M理論是什么．”因此，物理學家對弦／M理論產生了懷疑，他們被分為樂觀派和悲觀派，其中不乏反對的聲音．

3對物理常數(shù)解釋問題的初步討論

伽莫夫曾說過，對物理常數(shù)的認識便構成未來物理學．對物理常數(shù)的解釋的困難，表明我們對物理常數(shù)還存在嚴重的認識問題，這就需要對“什么是物理常數(shù)的解釋”，“物理常數(shù)能不能解釋”，“怎樣才能解釋物理常數(shù)”等基本問題進行討論．

3.1對物理常數(shù)解釋的理解

對于物理常數(shù)的解釋，如果只是闡明其物理意義，則問題會簡單得多，如光速可由計算，表示光是電磁波，該式表達了電磁波在真空中的速度等．即使后來認識到它的不變性，以及是一切物體的速度極限，那也是可以述說的．但如果問及它的速度為什么是這個值，是否可能變化，是否有超光速存在，以及它為什么可以用兩個真空電磁常數(shù)確定等時，就不容易講得清楚，人們自然會聯(lián)系到真空結構和宇宙演化等問題，需要更深層次的理論來解釋．如果說像光速這樣的有量綱常數(shù)，還可能采用合適的單位制進行協(xié)調的話，無量綱常數(shù)則更令人困惑．因此，所謂物理常數(shù)的解釋，就不僅是對物理常數(shù)的物理意義進行闡釋，而且是使它們成為前文提到的某個第一性原理的邏輯結果，并邏輯地確定它們是否變化和如何變化．就此而言，弦／M理論走的是一條解釋物理常數(shù)的進路，它定義“弦”模型為“第一性原理”，建構物理學統(tǒng)一理論，給出物理常數(shù)的動力學解釋．然而目前的弦／M論研究因有過于追求理論美妙的傾向，反而有脫離實驗的危險．物理學脫離實驗，那就不是在做物理，而是在做哲學．

3.2物理常數(shù)可能被解釋的理由

根據(jù)前文討論，物理常數(shù)能否被解釋，關鍵是能否發(fā)現(xiàn)第一性原理，形成更深層次的理論，為物理常數(shù)提供動力學解釋．因為同一層次的物理常數(shù)盡管可能自洽，但不可能得到前文所討論的解釋．然而物理學家也注意到，每一次更深層理論的發(fā)現(xiàn)，往往因為新的粒子或現(xiàn)象等的發(fā)現(xiàn)，又會帶來新的常數(shù)，如此往復，要獲得物理常數(shù)的最后解釋似不可能，除非能夠建立終極理論———統(tǒng)一理論．對此，有必要對現(xiàn)代物理學做點粗略的考察．隨著量子理論、非線性等復雜物理學的研究發(fā)展，以及對不同層次物質存在的脫偶現(xiàn)象的認識，使得物理學也采用生成論、整體論和層創(chuàng)論等方法進行研究，但還原論仍是物理學研究的基本方法．還原論是基于復雜性背后存在簡單性的信仰形成的基本物理方法，物理學家期望用該方法，獲得關于物質世界的最基本的基元及其相互作用的關系，然后建立統(tǒng)一理論．目前雖然關于是否存在最基本的物質基元，物理學界仍在爭論，但像溫伯格等物理學家贊同“并非所有的粒子都是相等的”觀點，認為存在一些基本粒子，如光子、中微子、夸克等，而其余的基本粒子是它們的復合物，這個理論在眾多場合非常有效．但是幾十年來，物理學家并沒有探測到自由夸克．盡管對此現(xiàn)象有非阿貝爾規(guī)范理論的漸近自由說可以解釋，但還沒有得到實驗證實．不過以還原論的觀點，我們還是可以認為該理論最接近事實．

這樣自然要追問，那些更基本的粒子是否有相同的起源？這可能是現(xiàn)在許多物理學將基本粒子統(tǒng)一到“弦”的原因，在他們看來，各種基本粒子就是“弦”振動的各種模態(tài)，由此傳統(tǒng)的物質概念將被消解為“無”，用朱清時院士的話說（2009年的一次講演），就是物理學進入了“自性本空”的階段，只剩下“事物間的關系”，即哲學家說的“關系實在”，由此“弦”難免不進入“玄”境．好在物理學的研究途徑并非只有弦／M理論，宇宙大爆炸學說、量子規(guī)范場理論及其相關的測量與實驗，已觸及基本粒子形成的原因，早期“宇宙可能曾發(fā)生過相躍遷”，物理學家已開始關注和猜測1032K時宇宙的狀態(tài)（在那里粒子的意義將不存在），并與宇宙大爆史有關的已發(fā)現(xiàn)或待證實的殘跡相聯(lián)系，如宇宙背景輻射、暗能量和暗物質等．由于物理學是從對宏觀物質研究開始到分子、原子，現(xiàn)在已進入基本粒子層次．從每一層次的理論可以為上一層次理論提供解釋來看，我們可以猜測，物理常數(shù)的最終解釋將在于基本粒子形成理論的發(fā)現(xiàn)，在那里盡管還可能存在某些自由參數(shù)，那也將是數(shù)量不多，而且是可以討論的，物理學也將在那里達到統(tǒng)一．因此，解釋物理常數(shù)與統(tǒng)一理論的建立具有同一性．我們有理由相信物理常數(shù)可以解釋，雖然可能正如康德所認為的“心靈獨特的活動是綜合并統(tǒng)一我們的經驗”，物理學的發(fā)展也表明自然比人的想象更豐富，但這就是物理學的認識之路，除非有一天統(tǒng)一之路被證否．

3.3物理常數(shù)可能被解釋的邏輯

物理常數(shù)解釋的邏輯，本質上也就是物理學研究的邏輯．由于物理學研究物質世界最基本的規(guī)律，因此，當對它的基本問題進行研究時，某些哲學觀念就會呈現(xiàn)出來，前文提到的“第一性原理”就有著哲學中的“本體”意蘊，一不小心很容易讓人滑入形而上學的思辨．因此，盡管有對物理常數(shù)解釋的各種推測與設想，具體解決問題還要回到物理學的研究邏輯，其中主要有以下幾方面．（1）更深層次物理學理論的發(fā)現(xiàn)發(fā)生在已有理論的適用邊界上．這時，有充分的觀察數(shù)據(jù)或發(fā)現(xiàn)大量的反常現(xiàn)象，為此，多數(shù)物理學家開始進行新理論的建構，甚至有局部的合理的理論出現(xiàn)．（2）在大量觀察數(shù)據(jù)或反常現(xiàn)象出現(xiàn)的基礎上，新物理理論的建立，通常還要等待某些關鍵環(huán)節(jié)的發(fā)現(xiàn)．如狹義相對論中光速不變性的發(fā)現(xiàn)，量子力學中作用量子的發(fā)現(xiàn)等．目前相對論與量子理論盡管存在一些理論問題，但并沒有走到理論的適用邊界，因此它們的統(tǒng)一問題，有待于進一步的反常發(fā)現(xiàn)，以發(fā)現(xiàn)“關鍵環(huán)節(jié)”．（3）尋找“關鍵環(huán)節(jié)”，要物理理論為物理實驗提供可操作的預言，同時物理理論要接受物理實驗的檢驗，并在此過程中產生思維方式的飛躍．因此，建構物理理論只是現(xiàn)象，本質上是物理理論與物理實驗辯證運動的結果，是思維對現(xiàn)象背后實在的把握．正因為這樣，基于不同物理思想建立的物理理論，可以殊途同歸，如海森伯、薛定諤與費曼等人不同的量子力學程式的等效性即是例證，這是物理學理論具有客觀性的基石。

作者：陳華單位：臺州廣播電視大學