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再谈物理的“无理” 精选

已有 8531 次阅读 2008-6-4 16:53 |个人分类:信笔小文|系统分类:观点评述

自从笔者的《无理的物理》一文在科学网发表后,等到了许多博友的热烈回应,当中的意见和回复有许多,读者可以查看原文(http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=27010)。承蒙大家的厚爱,许多读者觉得“有意思”、“很生动”,于是推荐到了博客首页,这让小的有点受宠若惊。虽然以前许多文章都被编辑在首页推荐过,只是这一次,得到的响应最多也最为热烈。其中吴中祥先生更是言辞激烈地反驳道“物理应该,也应是,有理的!”(http://www.sciencenet.cn/blog/user_content.aspx?id=27272)并一而再发表评论说道本文“很不恰当,误导公众”,“从根本上否定整个物理学”,要我“更好地做好科普工作”。对于尊敬的吴老前辈,网络上给出介绍如下:吴中祥 参加“两弹理论设计”,1980年获国家自然科学奖一等奖。1972年调中国科学院力学研究所,研制高能激光器、研究激光物理,为研究员。离休后,创建了“时空可变系多线矢世界”新理论体系,提出了一些新的物理理论和结果,是相对论、量子力学及其场论的新发展。(吴先生的博客主页是http://www.sciencenet.cn/blog/可变系时空多线矢主人.htm吴老先生是我们的物理学前辈,为中国的物理学发展做出了杰出的贡献,虽然鄙人未曾有幸谋面,但心目中只要用曾谋面过的何祚庥先生、黄祖洽先生、周光召先生等老一辈科学家做模型,想必吴老先生也是如此可亲可敬罢。能得到吴老先生的批评指点,可谓三生有幸。因此也希望能在与吴先生的探讨当中获得一些深刻的认识。因此,为了回应读者的评论,尤其是吴先生的深刻批评,我想再次撰文说明一下《无理的物理》一文的写作动机和所希望表达的思想。当中应该还会有许多不得当的地方,同样恳请大家批评指正。

关于此文的写作动机,来源于科学院组织的科普征文,在看到征文通知后,我就曾构思文章。最终我决定尝试撰写两篇以投稿,《无理的物理》是第一篇。其后一篇更为专业化,也将在我的科学博客登出以期待大家的批评指正。初想写《无理的物理》只是出自于一个简单的想法,就是如何把现代物理的一些前沿进展用简单生动一些的语言串起来做一个大杂烩的科普。倘若取为《现代物理的前沿进展》,恐怕很少人在看到标题之后愿意继续读下去,——那实在太令人望而却步了。为此我一再思索,后来在看Green的《The elegant universe》突然受到启发:我们描述这个世界的努力是无止境的,但是描述这个世界的方法却存在许多难以用常理理解的地方。再思考下去就会发现,任何物理定律都有一定的前提、假设、公理、模型等等,这些东西的存在使得物理定律有各自的适用范围,换而言之,没有任何一个不需要依赖于任何前提假设就可以严格描述自然界一切东西的物理定律。需要说明的是,这和“物理学的终结”是不一样的,固然,若等四种相互作用的大统一最终完成,你可以说我们得到了一个万物之理(Theory of everything),物理学的大厦仿佛就此大功告成。当然,历史的教训告诉我们这是不对的,物理学不会有终结,也不应该被终结。人类探索未知的步伐永不停滞,人类也永远不会全部认知未知世界,甚至认识越多越丰富就会发现不懂的东西更多更可怕。暗物质和暗能量就是一个例子,原以为我们对这个宇宙过去和未来了解的很清楚了,但是从微波背景辐射的各向异性中可以推断出我们的宇宙96%以上的物质为我们所不知。既然如此,那我们就是在用我们所知的一小部分世界去探索更广袤的未知世界,那这样得出的认识有几成是接近事实的,确实也值得商榷。鉴于此,我便尝试用“无理”这个形容词来串联起现代物理进展的点点滴滴。

关于“无理”的含义,其实并非就此“否定整个物理学”。这话我可不敢说,否则被无数物理学家踩成肉酱都不知道咋死的,何况我还是个不入流的科研小混混。“无理”的意思,不是说物理学是没有理性的科学,物理学根本就没有理等,这些理解都是不对的也是不应该的。物理学之所以叫物理学,就是因为“格物致知、穷理明辨”是其根本研究方法,所以物理学本身,当然就是一个给众人讲理的科学。说它“无理”,只是它的“另一张面孔”,即物理学本身并非如你想象中的那么严谨对事实忠贞不二,而为了真正描述这个客观世界,任何一套成功的理论或者可以理解的理论都需要一定的前提假设之类的东西,还有一些理想化、模型化、概率化的思想。物理学的这些做法,按照吴先生的说法,当然应该也必须是有理的。只是,这样的“理”也同样必须在一定的条件范围内才成立,如果放弃所有条件约束而要求物理定律成立并且“有理”,恐怕有点牵强。另外,其实《无理的物理》中的“无理”的“理”和物理的“理”是不一样的,为了避免在哲学层面上的思辨,我没有在文中说明,是我的失误,敬请各位谅解。物理的“理”我想文章中已经讲了,那就是:“物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法。”而所谓“无理”其实说的是道理问题,就是我们日常生活中所说的“你这个人讲不讲理”的“理”。文中我只是一笔带过这个“理”与物理本身的理的区别,就是怕讲不清楚,无奈本人哲学功底太差啊。换句话说,“无理”的物理说的是,物理这个学科本身存在许多用常理不大好理解的地方,用生活中的话来说,就是“不讲理”了。鉴于此,我只能把原文的“无理”统统加上了引号,希望读者理解。毕竟没有人有这个胆子站出来说,物理其实是一个没理的科学,那娄子可就捅大发了。

说到此,我们再来看看《“无理”的物理》真正想说的东西。公众一般都认为自然科学应该是严格描述这个世界的,比如我们熟知的数学,很多时候都是逻辑严谨得要命。物理学作为理解这个世界的重要工具,理所当然应该能完全描述这个世界,所以,也理所当然应该是异常严谨客观的。可是事实并非想象那么简单,当我们面临一个实际问题的时候,倘若欲把所有内容都考虑到,恐怕就直接造成无法理解的结果了。这些情况有如考虑物体的形状大小、组分构成等等,比如,若我们把固体中的每一个微粒都用薛定谔方程描述,然后把这十的二十三次方个薛定谔方程联立求解,那恐怕就是用100年后世界上最聪明的计算机也算不出来,甚至可能这就是一个没有解析解的问题。如果我们按照“常理”去要求物理学也必须这样,那就太困难了!可是,事实告诉我们,适当条件下可以允许一些模型和近似的存在,这样得出的结果尽管不是完全严格描述事实的,可是也基本能描述事实。正是如此,固体物理里的能带论才能取得成功,我们的半导体工业才能如此发达并为日常生活提供莫大的方便。从科学的角度来看,这些模型和近似的成功运用,当然应该是“有理”的,——否则不会得到实验的验证。不过从日常社会生活的逻辑来看,它们又是“无理”的,因为毕竟它们本身就是理想化的模型和近似。如果,仅仅是如果, 不要这些模型和近似的话,我们只能陷入死胡同。这或许就是物理的“无理性”所在。

关于“模糊化”、“臆想化”、“赖皮化”的物理,我想只是反映了物理学的一些方面。物理学并非一定能给出确定论的结果,这让日常的“讲理”思维有点不可思议。合着整了半天,你只能告诉我,那只猫既不是活着也不是死去,而是既可能活着也可能死去?如果你这么对一小朋友讲的话,那他肯定回你两个字:“废话!”正是用熟知的常理去理解是不对的,所以说它模糊化的结果显得“无理”了。物理学喜欢试图描述所有已知甚至未知的事物,并义不容辞地一揽子包过这个艰巨的任务,尽管我们对这个宇宙一无所知,我们却喜欢说我们对这个宇宙了解的“差不多”了。这样的臆想会让我们产生一种错觉,我们的物理到底是对还是错。答案当然不是那么简单的,在我们的世界,我们目前的物理当然是对的,因为它们接受了实验的验证,但在别的世界里,我们的物理对不对应该值得考虑。也正是如此,在大爆炸奇点附近,我们的物理定律只能崩溃,上帝或许知道发生了些什么,更可能是他也一无所知。若要再深究下去,就只能耍点赖皮来回避问题了。你要是问我们的物理为什么要是这样?我们的宇宙为啥会是如此?那恐怕是个太大的问题。这个之后,人择原理不得不上台,因为若非要给你个答案,那么这就是答案了。人类得出的理论,都不能让人类诞生,那还会有人类的理论么?我们没有机会可以验证关于我们诞生的理论是不是一定如此这般,所以只能陷入哲学的思辨中去,——那已经不属于物理学的范畴了。所以,你若还在用常理的思维去理解物理的这些方面的话,恐怕只能沦入哲学的沼泽之中,至于那里“有理”还是“无理”,那是个问题。

鉴于此,我想《“无理”的物理》一文应该能得到大家的理解了罢。说白了,它无非是一篇“现代物理前沿问题大杂烩科普文章”,主要目的是为了讲解现在物理前沿中一些有趣的话题,若要说它“涉及科学实质问题”或者“否定整个物理学”,那恐怕是把它抬举了无数个数量级了。敬请吴老先生及各位读者高抬贵手,小的禁不住捧、更害怕摔的很惨……



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