“西医底蕴”反思(九)之『物理迷途』

兮招天

【百年西风东渐，破除洋人迷信，看清史实真相，反思重建信心】

　　本系列转载自｛马海飞 新浪博客《关于西方科学史上，与物理学有关的几个重要理论，它们对于“华人思想，心灵枷锁”的功过大反思》｝

　　亚里士多德(地心说)、哥白尼(日心说)、开普勒(轨道说)、牛顿(万有－引力说)、爱因斯坦(相对论)……原来这些科学巨人，真相皆是毁誉参半，功过两分！

　　但是，真正蒙骗我们的乃是“现行一刀切式应试教育的中、小教材”，而非是……

　　“天行健，君子以自强不息”，让我们追本溯源，第一次看清楚“那些西医洋人昂昂盛姿的历史底蕴所在”，而不必妄自菲薄……

　　“天作孽，犹可违；自作孽，不可活。”客观公正的文化反思，将给予我们重建中医华人信心的磐底，但前提是立刻行动起来，时不我待！】
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《物理学简史》目录

1经典物理学
　1.1力学的发展史
　　1.1.1力学的历史背景
　　1.1.2伽利略的动力学
　　1.1.3牛顿三大定律和万有引力定律
　　1.1.4牛顿的绝对时空观
　1.2热学的发展史
　　1.2.1热功当量和热力学第一定律
　　1.2.2热机效率和热力学第二定律
　　1.2.3分子运动论
　　1.2.4统计力学的建立
　1.3电磁学的发展史
　　1.3.1电磁学的历史背景
　　1.3.2静电学和库仑定律
　　1.3.3对稳恒电流的研究
　　1.3.4安培的电磁学定理
　　1.3.5电磁感应现象
　　1.3.6麦克斯韦电磁场理论
　1.4光学的发展史
　　1.4.1几何光学的发展
　　1.4.2光的色散
　　1.4.3光的本性
　　1.4.4光谱学的发展
　1.5经典物理学的革命
　　1.5.1历史背景
　　1.5.2 X射线和电子的发现
　　1.5.3以太风
　　1.5.4紫外灾难
2相对论
　2.1相对论产生的历史背景
　2.2狭义相对论
　　2.2.1论动体的电动力学
　　2.2.2狭义相对论的参考溯源
　　2.2.3早期科学界的接受
　2.3广义相对论
　　2.3.1狭义相对论+等效原理
　　2.3.2引力场方程的建立
　　2.3.3广义相对论的实验验证
3量子理论
　3.1旧量子论
　　3.1.1普朗克能量子
　　3.1.2玻尔模型
　　3.1.3波粒二象性
　3.2现代量子力学
　　3.2.1矩阵力学
　　3.2.2波动力学
　　3.2.3相对论量子力学
　　3.2.4玻尔-爱因斯坦论战
　3.3量子场论
　　3.3.1量子电动力学
　　3.3.2量子色动力学
4原子核物理和粒子物理
　4.1原子核物理学
　4.2粒子物理学
　　4.2.1介子的发现
　　4.2.2中微子的发现
　　4.2.3夸克模型的建立
　　4.2.4宇称不守恒的发现
　　4.2.5标准模型的建立
5近代物理的其他发展
　5.1凝聚态物理学
　5.2当代天体物理学
　5.3宇宙学（含“宇宙大爆炸”、“黑洞”假说）
　5.4万有理论
6参考文献

兮招天

物理学是不是科学？
马海飞

　　我们经常看到有人讨论“数学是不是科学？”或“中医学是不是科学？”的问题，但是从来没有人提出过“物理学是不是科学？”的问题。我想，这是因为在人们的心目中，如果物理学不是科学的话，就没有什么学科可以算得上是科学了。

　　然而，在现实世界中，那些被认为是最理所当然的事情也许正是人们最不了解的事情。就像哥白尼以前的人认为太阳和月亮都理所当然地围绕地球旋转一样。如果没有哥白尼捅破这层“窗户纸”，也许这种看法还会持续很久。因此，对那些理所当然的事情提出质疑也许会产生出推动科学发展的巨大意义。

　　本文不打算用讲大道理的方式来探讨“物理学是不是科学？”这个问题。而是用两个人的对话让读者自己从中找出答案。这两个人当中一个是非物理专业的“老张”，另一个是 物理学家 “老李”。他们是旧识。最近偶然一次机会，老张到老李的单位办事，之后顺便到老李的物理学研究室拜访。

兮招天

　　老张：好久没见面了，你在忙什么？
　　老李：是啊。你还好吧？我还在研究有关万有引力的问题。

　　老张：那都是好几百年还没搞清楚的问题，就剩下这么几个月了，你还搞它干什么？
　　老李：什么还剩几个月了？你指的是什么意思？

　　老张：怎么这么大的事情你都没听说？玛雅人早就预言，2012年12月21日是世界末日，地球将毁灭。现在都快到七月底了，剩下没多少日子了。你不好好享受人生，还在研究那些别人几百年都研究不出来的问题，何苦呢？
　　老李：你竟然会相信那种没有任何科学依据的预言。我不相信。如果地球要毁灭的话，无论如何事先一定都是会有征兆的。科学家们至今为止根本就没有发现任何能够导致地球在近期毁灭的证据。我们还是相信科学吧。

　　老张：话是那么说，可是大地震、大海啸出现之前不是也没有征兆吗？不管怎么说，什么事情都是有可能发生的。
　　老李：但我还是相信科学。大自然不可能无中生有。地球毁灭与地震、海啸不同。这么大的事件一定会有征兆。

　　老张：不管怎么样，反正我认为这样的事情不是一点可能性都没有。话又说回来了，你是如何研究万有引力的？
　　老李：当然是在前人的基础上建立数学模型了。你看，牛顿说万有引力是两个物体之间的相互吸引作用，爱因斯坦说万有引力并不存在，它只不过是时空弯曲的一个几何效应。万有引力以光速的形式传播。你知道如果太阳突然消失的话，地球会出现什么样的反应吗？

兮招天

　　老张：怎么，连太阳突然消失对地球的影响你们也研究？
　　老李：对啊。因为这与引力问题有关。根据爱因斯坦和他之后科学家的研究结果发现，如果太阳突然消失的话，时空不可能在瞬间从弯曲状态变成平直状态。引力波与光的传播速度相同。因为光线从太阳到达地球所用的时间是8分钟左右，所以，在太阳消失之后的8分钟之内，地球仍然会在它原来的轨道上运行。8分钟之后地球才会脱离原来的轨道飞走。

　　老张：这么大的事件你们也能搞得这么清楚。你确定这种事情是真实的吗？
　　老李：当然确定。这是很多科学家通过严格的数学运算得出来并进行过反复科学验证过的科学结论，不会有错的。只不过，太阳在人类生存期间不可能突然消失罢了。如果太阳突然消失的话，那么地球就会按照科学家计算的结果，在原来的轨道上继续运行8分钟后飞离。

　　老张：我怎么感到有点不大对劲儿？太阳真的有可能突然消失吗？我是说竟然连质量也消失了吗？消失后去哪里了？说句心里话，如果说这是对地球命运的一种预测的话，我怎么觉着这种预测还不如玛雅人的预测更靠谱呢？玛雅人预测的事情不是完全没有发生的可能，就算整个地球不毁灭，地球上的局部区域也有可能会因某种原因而遭到毁灭。可是，像“太阳突然消失”这种事情根本就是不可能发生的，除非有一个上帝突然让它消失。如果太阳都能突然消失的话，地球有什么理由不可以突然毁灭呢？你前面还说：你相信科学。大自然不可能无中生有。不知道你们这些物理学家为什么就相信“太阳会突然消失”呢？
　　老李：这你就不懂了。做物理学研究需要建立数学模型。建立数学模型就必须要有一定的假设。这里说的“太阳突然消失”只不过是一个假设，如果没有假设，数学模型就建立不起来。今天的科学理论研究就是这样进行的。爱因斯坦假设光速是不变的，在这个基础上形成了他的相对论，因此而让他成为了人类历史上与牛顿齐名的大科学家。所以，你不应该怀疑我们的研究方法。

　　老张：我是外行，当然不懂你们的方法和大理论。但是，说句不好听的话，站在一个外行人的立场看，你刚才说的那些物理学理论非常像算命先生说出来的预言，有些“凭空想象”的味道。如果说玛雅人的预言不是科学的话，那么这样的物理学就更不能算得上是科学了。我本来还以为物理学是研究物质世界运行原理的学科，感情物理学还研究物质世界里根本就不存在的东西。如果是这样的话，我更要劝你别再继续瞎忙活下去了。还是好好享受剩下的人生吧。
　　老李：唉，你们这些外行人真的不懂什么叫物理学。跟你说也说不明白。咱们还是换个话题吧。
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令人深思的几个问题：
　　1.玛雅人的预言与太阳突然消失后的地球命运的数学计算预测那个更脱离现实？
　　2.用现实中不可能存在的“现象”（实际上是“想象”）为基础建立起来的物理学理论是否可以算是科学理论？
　　3.没有客观的物质存在和物理机制支持的物理学理论是否可以算是科学理论？
　　4.是“科学方法”决定理论的科学性还是“研究对象”决定理论的科学性？
　　5.理论物理学是不是科学？

兮招天

理论物理学有待解决的基本问题是什么？
马海飞

　　相信很多读者看到这个题目之后马上会联想到“暗物质”和“暗能量”的问题、引力子和引力波的问题、引力与其他三种力统一的问题等一些“时髦”的所谓“物理学基本问题”。但是，我的想法不同。我认为：今天，理论物理学有待解决的最基本问题是“有关物理机制的问题”。

　　至今为止，物理学的理论研究几乎很少涉及到物理机制，而是把主要精力放在了“对表面现象的描述上”。例如，牛顿的三大运动定律完全是对现象的描述性结论。根本就没有从物理机制上说明物质为什么会有惯性，物体为什么在受到外力的作用以后需要产生一个加速度，而不是瞬间达到末速度。万有引力定律也是如此。几乎没有人对万有引力产生的过程从物理机制上进行过彻底的研究。

　　牛顿说：万有引力是任意两个质点之间的相互吸引作用。这也不过就是一句信口之言，其中并没有任何对万有引力现象产生的物理机制的解释。而且，也几乎没有后人去认真地研究过这个机制问题。

　　到了爱因斯坦以及之后的时代，问题就更严重了。人们不但没有重视物理机制的问题，反而连研究的对象也从客观世界转移到了主观世界当中：面对的不再是客观现实存在的东西，而是在主观世界里形成的抽象概念。例如根本就无法在客观世界中找到的“弯曲时空”等等。

　　用“纸上谈兵”的方式和“制作皇帝新衣的方法”在脱离物质世界的精神世界中研究物理学问题。描述的方法也从普通语言叙述变成了数学模型。表面看上去似乎更“科学”了，但实际上背离物理机制越来越远了。要知道，对表面现象的描述是不可能得到正确结果的。就像对鲸鱼和鲨鱼的外观描述是不可能区别出二者之间在本质上的不同一样。

　　物理学理论不研究物理机制的话，单靠纯表面现象的描述是很容易产生错觉的。也许暗物质和暗能量之类的“东西”都是来自某种错觉。如果不首先深入研究物理机制的话，就无法知道它们是不是真实存在的东西。如果它们都不是真实的客观存在，那么，无论如何研究也不会有结果。所以，研究物理机制对物理学理论研究而言才是最基本和首要的问题。

　　我认为，没有物理机制的理论根本就算不上是物理学理论。而当今物理学的理论研究中最缺乏的就是有关物理机制方面的研究。因此，有关各种物理现象中的物理机制问题才是当今理论物理学有待解决的基本问题。而且有很多的机会让人们去研究。
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你又不是专家，你懂什么？

　　一群顶级的专业裁缝聚在一起讨论“皇帝新衣的制作”问题。有的说：衣服的样式最重要，所以，制作皇帝新衣的关键是样式问题。另一些人说：样式固然重要，但是，在衣服上的镶边可以起到画龙点睛的作用，所以镶边问题不可忽视。还有人说：衣服领子才是关键部位，也有人说花纹和图案给人第一印象更重要。讨论十分热烈。

　　一直坐在附近的一个木匠听不下去了，插嘴说：关键的是这件“皇帝的新衣”能不能穿的问题。
　　同坐在附近的铁匠听见了说：人家专家在讨论问题。你又不是专家，你懂什么？

兮招天

本文来自“科学美国人”中文版《环球科学》

　　本博客（Cross-Check）的读者们应该知道，去年暮春，在英格兰举办的一次名为“How the Light Gets In”的会议上我作了发言，会场上我游走于各个领域的“现实思虑者”间。

　　Carlo Rovelli说：“过去几十年，理论物理领域鲜有建树。为什么？我想原因之一是，它陷入了错误的哲学泥潭。
　　当时我对和我下榻在同一房间的两位发言人作了采访，其中一位是生物学家Rupert Sheldrake，他主张，科学家们应更为认真地对待心灵感应问题，而另一位物理学家George Ellis则对一些物理学家的功利主义表示惋惜。具体的对话实录均已在博客中挂出。下面是我与另一位“室友”——物理学家Carlo Rovelli——的访谈实录，上世纪90年代初，我曾对他进行过电话采访，当时我正在为《科学美国人》杂志撰写关于圈量子引力理论的文章。圈量子引力理论是关于引力的量子解释（爱因斯坦的引力理论广义相对论很难与量子力学相协调），由Rovelli、Lee Smolin和Abhay Ashtekar提出的。我十分想与Rovelli面谈，尤其是得知他是和Sheldrake和Ellis一样聪颖优秀的人。Rovelli编纂过一本水平一流的量子引力方面的教材，此外他还写过古希腊哲学家Anaximander的传记（下面会讨论到）。想了解更多Rovelli对于物理和哲学的观点，点此链接2012年conversation with him on  Edge.org.

兮招天

　　Horgan（以下简称H）:你为什么要成为物理学家？
　　Rovelli（以下简称R）：在我小的时候，六七十年代，我和小伙伴们谈起我的理想——改变世界，使之更为公正和“温和”。当时我们都很茫然，我不知道下一步该做什么。之后，我发现了物理学，在她那里，我得以“突围”。于是，我深深地爱上了她，这份热爱就再也没停止过。

　　H：物理学如你所愿了吗？
　　R：远远超出了我的预期。那是无尽的乐趣和热忱，是探究万物之理，是思考前人未曾想过的问题，是思想上伟大的探险、旅途中伟大的同伴。它很美妙。

　　H：圈量子引力理论是什么？
　　R：以鄙人之见，它是目前最好的试探性的量子引力理论。我们不清楚它到底对不对。但是我们知道有一个悬而未决的问题，而这个理论是目前为止解决这一问题的最佳方案。

　　H：这一理论可以作为大一统理论吗？
　　R：“大一统理论”通常指一种可以统一所有形式的力和场的“万能理论”。圈量子引力理论（LQG）与此无关。（Horgan注：LQG不涉及电磁力和核力。）我认为，目前，我们对“大一统理论”一无所知，对此所做的尝试也为时过早、考虑欠妥。因此，LQG并不是一种大一统理论。再退一步说，它仅仅是一个相对简单的问题的一种试探性解决方案，即对于引力问题作出量子层面的诠释。这也够难了，但不至于难到连解决的可能都没有，因为我们有了可能成功的要素。

　　H：如果多宇宙理论和量子引力理论不能被证伪，它们还值得重视吗？
　　R：不值得。

　　H：你觉得物理学家现在应放弃对大一统理论的探求吗？
　　R：“对大一统理论的探求”是一种误解，因为物理学家们还从未真正找寻过它。他们曾在弦论上跌过跤：对一些人而言，这一理论可以作为候选的万能理论，而由于想象力的匮乏，他们在其中已筋疲力尽。弦论已经开始褪去旧日的光泽，许多人因此而迷失。由于弦论中所预测的超对称现在没有表现出来，弦论本身并不能自恰。

兮招天

　　H：物理学或者通常意义上的科学，能否完全揭开宇宙之谜？
　　R：什么是“宇宙之谜”？我觉得，并不存在所谓的“宇宙之谜”。我们的周遭甚至就是一片茫茫的未知之海。如果人类能继续保持些许理性，并且不互相残杀（这十分可能），我们还将会理解许多未知的东西。但也总会有很多东西我们不能理解，我又知道什么呢？总之，我们对想要明白的万事万物还所知甚少，十分十分地少。

　　H：科学能够获得绝对真理吗？
　　R：我不知道“绝对真理”是什么。有的人声称知道什么是绝对真理，我觉得，科学就是觉得这些人十分可笑的人的一种态度。科学意指我们的知识总处于不确定的状态。我所知道的是至今我们有大量的问题科学不能解释。而目前为止，科学就是被发现的获得基本可靠的知识的最佳工具。

　　H：对于最近由Stephen Hawking、Lawrence Krauss和Neil deGrasse Tyson三人提出的哲学抨击论，你怎么看待？
　　R：严肃地讲，我觉得在这一点上他们犯了糊涂。我很欣赏他们的其他事迹，但在这一点上，他们真的错了。爱因斯坦、海森堡、牛顿、玻尔……历史上众多伟大的科学家，显然与你刚提及的三位相比伟大很多，他们阅读哲学，从中汲取营养，倘若没有哲学的给养，他们可能无法做出如此伟大的科学成果，这也是他们反复强调的。那些不看重哲学的科学家实在肤浅了些：他们有着自己的一套哲学（一般是源于对Popper和Kuhn两人的误解），并认为那是真正的哲学，但他们却没有意识到它的局限性。
　　比如，过去几十年，为什么理论物理领域鲜有建树？我想原因之一是，它陷入了错误的哲学泥潭，即猜测新的理论，忽视先前理论的质性，藉此获得进展。这是“为什么不”物理学？为什么不研究这个理论、那个理论？为什么不研究另一个维度、另一种场、另一个宇宙？历史上科学从未以这样的方式前进。科学的进步不能靠猜测。推动科学前行的是新的数据、深入的调研或者先前成功的经验性理论出现了明显的矛盾。很明显，在你刚才提到的三位中，霍金提出的黑洞辐射就是很好的物理理论。而现在很多理论物理研究并不是这种类型。为什么？大抵因为现在有一部分科学家存留着“肤浅的哲学思辨”。

兮招天

　　H：你曾写过关于希腊哲人Anaximander的书。他是谁，他的哪些地方吸引你？
　　R：他所理解的地球，是一块漂浮在天空中央不会下落的石头。而且他认为天空不仅仅在我们的头顶上，也在我们的脚下方，即从各个方向环绕着我们，环绕着地球。他是历史上唯一一位这样理解的人，并说服别人这样理解。事实上，他所做的远不止这一点，但这是他最伟大的成就。我觉得他非常有趣，因为他在科学思维的发展中代表了重要的一环。他就是一位伟人。

　　H：科学需要一种新的范式来解释生命起源和宇宙中的意识，你同意哲学家Thomas Nagel的这一论断吗？
　　R：不同意。当人们对某事不理解时，就会禁不住想到，是不是需要“一种新范式”，或者还有更重大的秘密没有发现。而当理解了之后，一切疑云又都烟消云散。

　　H：你信仰上帝吗？
　　R：不相信，但也许我应该补充说明一下，因为这样的问题问得有些笼统。我不清楚“信仰上帝”指的是什么意思。于我而言“信仰上帝”的人似乎是火星人，我搞不懂他们。从这一点来说，我是“不信仰上帝”的人。如果问题换成：你认为是否有这样一个人，创造了天与地，回应我们的祷告？那么我的回答一定是否定的，确定无疑。
　　如果问题是：你是否相信“上帝”在人们心中有着某种力量，这既带来了很多灾难，又有诸多益处？那我的回答当然是肯定的。事实上，我对宗教很感兴趣。而宗教中有禁忌，一种出于对“信仰上帝”的人的尊重，这让理解“信仰上帝”变得困难。
　　我认为，把“信仰上帝”看作是愚昧的迷信是不对的。“信仰上帝”是人类宗教态度的一种形式，而人类的宗教态度是很正常很普遍的，关乎我们的运作方式，对人类意义重大，而我们至今还未理解它。

　　H：科学与宗教相容吗？
　　R：当然是的——你可以十分擅长解麦克斯韦方程，而在晚上，又向上帝作祷告。但在科学与宗教之间难免有冲突，尤其是基督教和伊斯兰教这种形式的宗教，它们自称保管了“绝对真理”。问题的关键不在于科学家们自以为无所不知，恰恰相反，他们知道我们真的有所不知，因而自然地会对那些假装明白的人表示怀疑。许多宗教人士对此感到不安，也不知该如何应对这一点。宗教人士说，“我知道，上帝在创造光的时候会说‘Fiat Lux’。”而科学家不相信这个。宗教人士感到受到了威胁。这样一来冲突就发生了。然而，不是所有的宗教都这样，像佛教的很多派别容易接受持续性、批判性的科学态度。而一神论宗教，特别是伊斯兰教和基督教，有时就表现得不够智慧。
　　关于科学与宗教间的冲突，我想到的一点是：有一项出色的研究，由澳大利亚的人类学家完成，它表明宗教信仰常被视为一成不变的，而实际上，它在一直变化，顺应新的环境、新的知识等。这一结论是通过比较当地澳大利亚人在30年代和70年代的宗教信仰而得出的。所以，在自然状态下，宗教信仰随人类的文化和知识而改变。伊斯兰教和基督教的问题在于，好几百年前，有人就想到了将信念写下来，因此，现在那些宗教人士是深陷在几百年前的文化氛围和知识体系中，就像是掉进了一潭死水里的鱼儿。

兮招天

　　H：你能接受来自军方的资金吗？
　　R：不能。在我年轻的时候，在我的国家（意大利，译者注），服兵役是强制性的。当时我拒绝加入军队，并因此被短期拘留。

　　H：你认为物理学家和通常意义上的科学家有反对军国主义的道德责任吗？
　　R：我认为，全体人类都应肩负这一道德责任，而不仅仅是物理学家或科学家。问题在于每个人仅仅口头上提提反战，实际上，他们为了维护自己的利益、权力和经济优势，早已另有盘算。对此，人们三缄其口，而说一些“助人”、“反恐”等听上去不错的词汇。我觉得这在道德上令人厌恶。我希望人们心中少一些宗教信仰，多一些道德义理。

　　H：2002年，我和物理学家Michio Kaku下了1000美元的赌注，我赌在2020年前，诺贝尔奖不会颁给弦论、膜论以及其他试图囊括自然界所有形式的力的大一统理论领域的人。你觉得谁会赢？（Horgan注：开始LeeSmolin要和我打赌，可最后一刻又站到我这边了，这个胆小鬼。）
　　R：肯定是你。（撰文：约翰?霍根（John Horgan） 翻译:吴东远 审校：赵欢）