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1、 现代物理学基础思考之十一：统一场论 目录第一章 科学统一性思想溯源 1、牛顿力学前科学统一性思想溯源 2、牛顿统一性思想 3、麦克斯韦科学统一思想4、彭加勒科学统一思想5、爱因斯坦统一性思想一窥第二章 相对论和量子力学统一进程 1、当代物理学家对于现代物理学基础批判2、爱因斯坦对于引力场与电磁场统一性探索3、爱因斯坦后对于引力场与电磁场统一研究4、相对论和量子力学之间矛盾浅议5、狭义相对论与量子力学矛盾6、广义相对论与量子力学矛盾7、引力场量子化及其局限性8、相对论与量子力学统一意义及展望 第三章 统一场论进展1、强相互作用、弱相互作用与电磁相互作用统一2.量子色动力学进展及其局限性3、大统
2、一理论困难4、现代物理学对于统一场论研究基本思路5、弦理论在现代物理学中重要性6、超弦理论简介7、超对称问题简介8、弦理论局限性 9、弦膜圈说发展历史回顾第四章 统一场论展望1、引力场与电磁场统一途径展望2、量子几何与现代物理学3、经络理论实质第一章 科学统一性思想溯源 1、牛顿力学前科学统一性思想溯源物理学是研究物质最简单运动规律科学，其最终目是：找到物质运动、变化与相互作用内在联系，以最少假设，通过分析、推理解释所有相关实验结果，预言新实验现象.早在文化灿烂古希腊时期，原始唯物论者就把纷繁复杂大千世界统一看成是顺理成章.泰勒斯（活跃于公元前580年左右）认为世界是由水组成，道尔顿(1766
3、-1844)科学原子论把原子作为构成世界基本粒子，奥斯特瓦尔德(1853-1932)把能作为物理世界统一本原.统一思想不仅是哲学基本思想，而且也是基本思想.（1）、古希腊时代统一性思想古希腊时代，自然哲学家们把自然现象无限多样性统一看作是顺理成章，并且在特定物质和物质范畴中探索着这种统一.泰勒斯经过研究发现，这种特定物质具有水特质.他学生和追随者又通过分析和验证逐渐把这种基本物质性质表述更加精确，并使这种物质兼具统一性和不灭性.人们后来又假定了许多种基本物质组成世界本源，这些物质混合和分离就会形成不同物质，从而引起自然界绚丽多彩变化.到了留基伯和德谟克利特时期，他们认为这种物质是不可分割原子.
4、在他们看来物质和自然界万物区别不是由于其内在性质，而只是在于组成它们原子多少、形状、位置和运动不同，所以他们用原子学说来解释各种各样自然现象.毕达哥拉斯学派学者在研究琴弦振动时发现，只有当两根弦长度互相成简单有理数比例时，就会发出和谐声音.他们从中得到启发：既然在音乐和谐中数结构是它本质核心，那么我们周围自然界中一定也存在着这种内在和谐，那门就可以从数学核心中找到自然界本源.因此，毕达哥拉斯学派提出了统一数量说，并对这种统一作数解释. （ 2）、哥白尼统一性思想哥白尼时代统一性思想第一次取得了丰硕成果.在那个年代，在当时观察所要求精确度范围，托勒密地心说虽然解释事实是非常成功，但是在几何学观点
5、上其弱点是均轮和本轮繁复性，使得编制历表所依托理论非常繁琐，这种客观情势使人们关注天文学理论变革.哥白尼深受毕达哥拉斯学说影响，所以在他看来，宇宙应当符合数学和谐性，而且这种和谐性越简单以数学研究看来就越好，也越接近于自然.他说“在这极美丽庙堂中，谁能把这个火炬放在更好地位，使它光明同时照到各个体系呢?有人把太阳叫做宇宙灯，有人称作宇宙心，更有人称作宇宙统治者，都没有什么不适当.这样我们就发现在这样有秩序安排下，宇宙里有一种奇妙对称，轨道大小与运动都有一定谐和关系.这样情形是用别方法达不到.所以，哥白尼用太阳取代地球位为宇宙中心，所有行星包括地球均以太阳为中心转动.这一伟大变革使得各大行星运动
6、获得了统一性.哥白尼日心说体系是行星运行具有了确定性和统一性. （3）开普勒统一性思想哥白尼体系执着坚持希腊古典正圆运动观念，这使它不得不继续沿用本轮、均轮组合法，以获得与观测现象相符.开普勒对数学爱好、对自然界效和谐神秘感受，始终支配着他对天空奥秘探索活动.正是哥白尼体系那令人赞叹数学和谐和美使他直觉到它就是真实宇宙图景.但是当他着手研究弟谷所遗留下来天文观测资料时，他发现如果按照哥白尼体系里天体运动是匀速和遵循正圆轨道，则不能准确得到弟谷所测算结果，于是1618年开普勒出版哥白尼天文学概论，将他已经发现火星运动二大定律推广到了太阳系所有行星，而且同时公布开普勒第三定律将所有行星运动与太阳紧
7、密地联系在一起，彻底清除托勒密和哥白尼体系中运用一大堆本轮和均轮，确立了太阳系概念，实现了开普勒定律对所有行星运动统一，完成科学史上一大伟业.自17世纪伽利略开始，物理学家职责就在于用公式来解释自然力量，寻找能够描述自然力量在时空中支配物质方式数学语言.科学发展最终目就是要建立一个单一科学理论体系来描述整个宇宙物质存在与运动变化.2、牛顿统一性思想 爱因斯坦(Einstein)说过：至今还没有可能用一个同样无所不包统一概念，来代替牛顿关于宇宙统一概念 .而要是没有牛顿明晰体系，我们到现在为止所取得收获就会成为不可能 . 物理学史上第一次大综合：牛顿万有引力定律 17世纪，牛顿“站在巨人们肩膀上
8、”，把地面上物体运动（伽利略）和天体运动（开普勒）统一起来，揭示了天上地下一切物体普遍运动规律，建立了经典力学体系. 恩格斯对牛顿给予这样评价: “牛顿由于发现了万有引力定律而创立了科学天文学，由于进行了光分解而创立了科学光学，由于创立了二项式定理和无限理论而创立了科学数学，由于认识了力本性而创立了科学力学.力概念诞生至今已有2000多年历史，尽管现在人们都知道力是物体间相互作用，是物体运动状态发生变化原因，但人们仍然无法进一步弄清力究竟是一种什么样作用，力产生是一种什么样具体原因.力概念仍然难以被人理解、物理意义不确切、其本质也没有被揭示出来.著名物理学家牛顿在开普勒和伽利略研究基础上，创立
9、了运动三定律把大至辽阔宇宙中恒星，小至微小粒子物质运动统一了起来.对于苹果落地与行星运转这两类极不相同现象，也找出了支配它们共同力万有引力，并且对开普勒定律中行星按照椭圆轨道运行给出了合理解释.牛顿还把在月球方面所得结果推广到其它行星运动上去，使得整个太阳系错综复杂运动就统一到一个理论中了，从而建立起一个包括天体运动、潮汐涨落和堤上物体运动在内自然现象做出统一解释经典力学体系，在人类认识史上构造出第一个系统而又统一科学图景. 单值决定论是以经典力学中动力学规律为基础，认为世界上大到恒星，小至沙粒一切物质，只要给出精确初始条件，就可以根据物理中既有规律单一测算出它在之前和之后状态.正如拉普拉斯所
10、描述到：“如果有一种智慧能了解在一定时刻支配着自然界所有力，了解组成它实体各自位置，如果它还伟大到足以分析所有这些事物，它就能用一个单独公式概括出宇宙万物运动，从最大天体到最小原子，都毫无例外，而且对于未来，就像对于过去那样，都能一目了然”.对于牛顿来说，“自然界是一本打开书，一本他读起来毫不费力书”.牛顿用具有思辨特征概念(质点、绝对时空等)和微分定律，揭示了自然界完整因果性链条，成功地把“天上力学”和“地上力学”统一起来，构造了一个逻辑完备理论体系，从中能够逻辑地、定量地演绎出范围很广现象，并且能同经验相符合.必须把那些从各种现象中运用一般归纳法导出命题看作是完全正确.在自然哲学数学原理序
11、言中，牛顿明确地提出了他科学纲领：“我把这部著作叫做自然哲学数学原理，因为哲学全部任务看来就在于从各种运动现象来研究各种自然之力，而后用这些力去论证其它现象，我希望能用同样推理方法，从力学中推导出自然界其它现象.” 物理定律来源于人们对简单性与和谐性追求，而物理定律应用却是对复杂性追求.大多数物理学家认为物理定律日臻完善，而人类却已进入复杂性研究黄金时代. 由于牛顿引力论和力学，促使拉普拉斯提出下述观点：“一种智慧存在，在任一给定时刻如能知道所有自然力和构成宇宙所有物质瞬间位置，而且能分析所有有关数据，则能用公式描述世上最大物体和最微小原子运动.对其而言，没有东西是不可确定，历史和未来在其眼前
12、展现.” 3、麦克斯韦科学统一思想 物理学史上第二次大综合：18世纪，经过迈尔、焦耳、卡诺、克劳修斯等人研究，经典热力学和经典统计力学正式确立，从而把热与能、热运动宏观表现与微观机制统一起来. 物理学史上第三次大综合：19世纪，麦克斯韦在库仑、安培、法拉第等物理学家研究基础上，经过深入研究，把电、磁、光统一起来，建立了经典电磁理论，预言了电磁波存在. 1855年麦克斯韦发表了法拉第力线，这是他第一篇关于电磁学论文.在论文中，麦克斯韦通过数学方法，把电流周围存在磁力线这一特征，概括为一个数学方程.1862年，麦克斯韦在英国哲学杂志上，发表了第二篇电磁论文论物理力线.论物理力线不是法拉第观点单纯数
13、学解释，而是有了创造性引伸和发展.麦克斯韦从理论上引出了位移电流概念，这是电磁学上继法拉第电磁感应提出后一项重大突破.麦克斯韦由这一科学假设出发，推导出两个高度抽象微分方程式，这就是著名麦克斯韦方程式.这组方程不仅圆满地解释了法拉第电磁感应现象，还作了推广：凡是有磁场变化地方，周围不管是导体或者介质，都有感应电场存在.方程还证明了，不仅变化磁场产生电场，而且变化电场也产生磁场.经过麦克斯韦创造性总结，电磁现象规律，终于被他用明确数学形式揭示出来.电磁学到此才开始成为一种科学理论.在自然科学史上，只有当某一科学达到了成熟阶段，才可能用数学表示成定律形式.这些定律不仅能解释已知现象，还可以揭示出某
14、些尚未发现东西.正如牛顿万有引力定律预见了海王星一样，麦克斯韦方程式预见了电磁波存在.因为，既然交变电场会产生交变磁场，而交变磁场又会产生交变电场，这种交变电磁场就会以波形式，向空间散布开去.1865年，他发表了第三篇电磁学论文.在这篇重要文献中，麦克斯韦方程形式更完备了.他并且采用一种新数学方法，由方程组直接推导出电场和磁场波动方程，从理论上证明了电磁波传播速度正好等于光速！这与麦克斯韦四年前用实验推算出结论完全一致.至此，电磁波存在是确信无疑了！于是，麦克斯韦大胆地宣布：世界上存在一种尚未被人发现电磁波，它看不见，摸不着，但是它充满在整个空间.光也是一种电磁波，只不过它可以被人看见而已.一
15、位著名现代物理学家曾感叹说：“麦克斯韦思想是太不平常了，甚至象亥姆霍兹和波耳兹曼这样有异常才能人，为了理解它，也花了几年力气.” 爱因斯坦在自传中说：“在我求学时代，最吸引人题目就是麦克斯韦理论”，“特殊相对论起原于麦克斯韦电磁场方程”.1931年，在纪念麦克斯韦诞生100周年时，爱因斯坦把麦克斯韦电磁场贡献评价为“自牛顿时代”以来物理学所经历最深刻最有成效变化.” 4、彭加勒科学统一思想在50年间，我们生活在著名德国数学家定理上，我们从各个角度应用、研究它们，但是没有添加任何基本东西.正是彭加勒，第一个粉碎了这个似乎是包容一切框架，设计出展望外部世界新窗户.达布彭加勒正是在科学与假设中通过对
16、非欧几何学深入研究以及对经典力学和经典物理学慎密考察揭示出，科学基本概念和原理不是经验直接归纳，而只能以经验事实为指导，通过精神自由活动(其产品即约定)来创造.彭加勒通过对数理科学基础进行了敏锐、批判性审查和分析后得出：几何学公理既非先验综合判断，亦非经验事实，它们原来都是约定.物理学尽管比较直接地以经验为基础，但它一些基本原理也具有几何学公理那样约定特征.例如惯性原理，它不是先验地支配我们真理，否则希腊学者早就知道它了，它也不是经验事实，因为人们从来也不能用不受外力物体做实验，因而无法用实验证实或否证它.经过最终分析，它们化归为约定或隐蔽定义.因此，彭加勒得出结论说：在数学及其相关学科中，“
17、可以看出自由约定特征”;他进而指出：“约定是我们精神自由活动产品”，“我们在所有可能约定中进行选择时，要受实验事实引导;但它仍是自由，只是为了避免一切矛盾起见，才有所限制.” 彭加勒在考察了物理学理论后认为，物理学有两类陈述原理和定律.定律是实验概括，它们相对于孤立系统而言可以近似地被证实，原理是约定而成公设，它们是十分普遍、严格真实，超越了实验所及范围.彭加勒还阐述了约定主义方法论意义.他说，当一个定律被认为由实验充分证实时，我们可以采取两种态度.我们可以把这个定律提交讨论，于是，它依然要受到持续不断修正，毋庸置疑，这将仅仅以证明它是近似而终结.或者，我们也可以通过选择这样一个约定使命题为真
18、，从而把定律提升为原理.在彭加勒看来，经典力学和经典物理学六大基本原理(迈尔原理即能量守恒原理、卡诺原理即能量退降原理、牛顿原理即作用与反作用原理、相对性原理、拉瓦锡原理即质量守恒原理、最小作用原理)就是这样形成.彭加勒提出约定主义并不是无缘无故.相对性原理是人类长期生活与科学实践经验总结，是众多科学巨匠智慧结晶：伽利略（Galileo Galilei）、博斯科维奇（R. J. Boscovich）、艾弗里特（J. D. Everett）、牛顿（Isaac Newton）、麦克斯韦（J. C. Maxwell）、洛伦兹（H. Lorentz）以及庞加莱（H. Poincare）.伽利略是经典力
19、学相对性原理确立者，而Poincare则是包括光学与电磁学在内这一原理第一个明确表述者：庞加莱1895：“我们经验揭示了一系列丰富事实，它们可以总结为如下公式：要想确定物质绝对运动是不可能，或者更准确地说，要想确定物质相对于以太运动是不可能；我们所能发现只是物质相对于物质运动.”彭加勒1899：相对性原理不仅是近似成立，而且应该是严格成立；也就是说，基于光学现象绝对运动不可探测性不仅在二阶误差或三阶误差上成立（一阶误差当时已被证明不存在），而且理论上应该是无误差.他于1900年再次重复了上述思想.事实上，彭加勒不仅赋予了相对性原理以精确实质性内容，而且给予了这个原理现在通行名字.庞加莱1902
20、（科学与假设）：“相对运动原理有时人们尝试着把加速度定律跟一个更普遍原理联系起来.任何系统运动都应该遵从相同规律，不管它运动是以固定坐标为参照还是以做匀速直线运动坐标为参照.这就是相对运动原理.我们被迫接受它有两个原因：一、最普通实验证实了它，二、相反假设或想法被我们头脑所严重地抗拒.”彭加勒1904（数学物理原理）：“相对性原理即是说，物理规律，不管是由固定观察者来看还是由做匀速直线平动观察者来看，都是一样，从而我们没有也不可能有办法发现我们是否被该运动所带走.”彭加勒看到，无论是经验论还是先验论，都不能圆满地说明科学理论体系特征.为了强调在从事实过渡到原理时，科学家应充分有发挥能动性自由，
21、他于是提出了约定主义.约定主义既要求摆脱狭隘经验论，又要求摆脱先验论，它顺应了科学发展潮流，反映了当时科学界自由创造、大胆假设要求，在科学和哲学上都有其积极意义. 5、爱因斯坦统一性思想一窥统一性思想不仅是哲学上，也是科学上重要思想.20世纪大师爱因斯坦学术生涯中处处体现出了这一光辉思想，世界是和谐统一，也成为爱因斯坦心目中最高、最神圣追求目标.自然界是统一物质世界，反映客观世界本质和规律不同理论之间应该具有逻辑上统一性.如果不同理论之间出现了逻辑上不统一，那就说明这些理论本身没有真实地反映自然界统一性.这个时候我们就应当重新审视我们理论，在统一性思想指导下，从不同理论矛盾冲突中探求它们统一性
22、，建立新理论体系来实现现有理论体系统一性，当然这是一个无休止过程.作为一位战斗在最前沿和富有哲学素养科学家，爱因斯坦“最晓得，也最确切地感觉到鞋子究竟是在哪里夹脚.”狭义相对论、广义相对论创立以及统一场论探索都是为了消除不同理论之间或内在不一致.1901年，爱因斯坦在给格罗斯曼信中说，他曾想把原子之间引力推广到气体分子之间，找出分子引力与牛顿超距作用力之间内在联系.他说：以那些看来同直接可见真理十分不同各种现象中认识到他们统一性，那是一种壮丽感觉.爱因斯坦有关布朗运动著名论文，提出通过分子无规则布朗运动测定原子大小方法建议.这篇论文成功在很大程度上也要归功于对统一性追求.在这篇论文开始爱因斯坦
23、指出，在古典热力学中存在着这样一个理论上不统一性：溶质有渗透压而悬浮体则没有.爱因斯坦最辉煌理论、人类知识宝库中重要财富.相对论理论，其中统一性思想更是熠熠闪光.狭义相对论在运动学水平上把力学运动和电磁运动统一起来，把互相独立时间和空间量度与物质运动状态联系起来，得到了比较统一理论. 1916年，爱因斯坦从全新观点出发刨立了新引力理论一一广义相对论，这一新引力理论是建立在等效原理和广义协变原理基础之上，这是人类对引力认识第二次升华爱因斯坦刨立广义相对论美妙在于，它将空一时几何和引力场统为一体，认为时间、空间会因物质存在和分布变得不平直，即发生.时空弯曲”根据广义相对论，空间、时间弯曲结构决定于
24、物质能量密度、动量密度在空间、时间中分布；而空问、时间弯曲结构又反过来决定物体运行轨道这使人们对于时空和引力有了一个全新认识，也是人类认识自然界历史上一次巨大飞跃引力场研究从此获得了前所未有发展，新观念也不断涌现自从广义相对论问世以来，又有许多人提出过新理论，但到目前为止，经得起实验和观测检验，仍然只有爱因斯坦广义相对论最为简洁Thirring，Feymnan，Weinberg和D姻er等曾企图修改洛伦兹协变张量理论，虽然克服了各种困难，但最后形式仍然与广义相对论完全等效.广义相对论和量子理论在各自领域内都经受了无数实验检验，迄今为止，还没有任何确切实验观测与这两者之一矛盾. 广义相对论和量子
25、理论是现代物理学两大支柱.二十世纪物理学家一个很大梦想就是把这两大支柱合而为一 .在量子理论发展早期，广义相对论是除电磁场理论外唯一基本相互作用场论.引力一直只能作为经典场，即无量子涨落场来处理 ,把它纳入量子理论框架就成为继量子电动力学后一种很自然想法. 统一性思想是一种在人类思想结构中科学与哲学信念.爱因斯坦从青少年时期就对统一性思想有着浓厚兴趣，在他科学研究生涯中始终不渝地坚持着这一光辉思想.正是在科学研究中坚持统一性思想，爱因斯坦创立了相对论，把电场和磁场统一起来了、把质量和能量统一起来了、把牛顿力学方程作了相对论修正，使牛顿力学方程和麦克斯韦方程真正和谐起来.另外，在统一性思想导引下
26、爱因斯坦还把引力现象也纳入了相对论范畴，建立了相对论引力场方程，将狭义相对论推广到了非惯性系中，形成了广义相对论.统一性思想是他在科学研究领域奋斗不息力量之源，也是他不断追求真知人生目标.在爱因斯坦心目中，统一性思想就是为这种“内在和谐”世界提供统一理论，追求自然界和谐统一是爱因斯坦理性思维重要特征，也是爱因斯坦创立一个个科学理论思想动机.综上，在科学上统一性思想是爱因斯坦科学探索最高目标，在哲学上统一性思想是爱因斯坦哲学思想精髓，在方法论上统一性思想是爱因斯坦科学方法核心.一直以来，关于爱因斯坦哲学思想和爱因斯坦相对论解释科学界和哲学界一直都在进行积极探索，也从未间断，并取得了丰硕研究成果.
27、一次，纽约时报花了整整一版印上了令专业人士都费解数学符号，并郑重地宣布：爱因斯坦新理论试图包括：行星旋转，光线疾驶，地球引力，钻石光泽，镭元素不稳定性，轻氢和重铅，通过线圈电流，物质，能量，时间，空间.经过数十年努力，物理学家们还没有将广义相对论和量子力学成功地结合起来，这个问题应是二十一世纪物理学家面对最大挑战.相对论及一系列重大科学理论建立后，爱因斯坦所信仰心中上帝彼此作用着物体相对运动构成世界，呈现出了它那和谐统一面目，使他欣喜不已.然而宁静和喜悦是短暂，因为引力作用和电磁作用区别在科学中还保留着，这同他世界和谐统一理想格格不入.它又是那样地引人注目，似乎上帝在同爱因斯坦开玩笑，然而又不
28、是玩笑.不久，在基本粒子运动中发现了一些特殊性，它们也不能纳入上述世界理想和谐图式中.测不准原理粒子位置和动量不能同时精确地规定，不仅与经典牛顿力学而且也与后来爱因斯坦力学相背离，因为在它们那里粒子位置和动量可以由初始条件及其互相作用同时地规定.按照Einstein想法，相对论发展有两个方向，其一是能够与量子力学相融合，因为“在坚持物理实在只有一个前提下，不可能存在着物理学理论基础即是一种场论（相对论观点），同时又是一种统计性理论（量子力学观点），并且二者在一定意义上都是正确.其二是发展到统一场中去，其目是要“赋予引力场和电磁场以统一意义”，“引力理论（从数学形式化观点看来就是黎曼几何）应当推
29、广到把电磁场定律也包括在内”.从表面上看，这两个方向没有什么联系，但实际上是统一，就是在物理上坚持物理实在场论纲领，先统一引力场和电磁场以达到统一场，再用这种统一场去把量子力学也统一起来.看来，这种思维一直在笼罩着Einstein以来大多数物理学家.因此，希望把相对论和量子力学及引力场和电磁场（现在还包括强作用场和弱作用场）统一到一起努力，就成为了现代物理学源头和活力，试看现在所谓量子引力论，超弦理论，现代宇宙学等，都是发源于此.然而，从因果性原理角度上看，相对论与量子力学理论基础，正如我们所看到那样，是无法达到统一.相反，相对论与牛顿力学因果观，从根本上讲是相同，它们共同一致基础是因果性绝对
30、概念，因此，用时间和空间形式来描述物体（即质点）运动就成了它们惟一途径和方法.这样看来，相对论与量子力学矛盾，也可以说是传统物理理论与量子力学矛盾，在这一点上讲，相对论属于传统理论，而我们应该称量子力学以外理论为经典物理学.如此看来，相对论两个方向发展目标，特别是相对论与量子力学融合，如果不改变传统绝对因果观念，显然是无法达到.然而，把一种相对性因果观念贯彻到物理学所有方面，必然要产生新现代物理学.爱因斯坦明确而坚定地指出：物理学前途在于建立统一场论.只有统一场才能更深入，更完全地解决物理学最终面临不可逾越困难，是物理学研究唯一方向,如果没有统一场就没有物理学，没有“统一场”建立，物理学最终将
31、面临不可逾越困难.杨振宁说，爱因斯坦有关统一场论工作并不太成功，但他是如此沉迷于统一场论，这种沉迷将持续对21世纪理论物理学产生巨大影响，他思想还将统治基础物理学前沿.杨振宁高度评价爱因斯坦统一性思想，他说：“ 曾经有一段时间，在一些人中有这样印象，认为统一想法是在爱因斯坦老年侵袭了他某种成见.是，它是成见，但这是关于理论物理学基本结构应该是怎样一个有洞察力成见.我还要加上一句，这种洞察力是今天物理学中经常出现主题.虽然爱因斯坦在晚年陷入孤独，但美国著名科学史学家霍耳顿在爱因斯坦，历史和其他激情著作中却认为，在爱因斯坦逝世后好几十年现在，比起在其生命最后二十年期间所应得到信任来说，物理学许多分
32、支更加意识到他那富有生命力作用.科学家为了认识宇宙最终规律，用科学精神坚持探索，推动了人类文明发展.爱因斯坦崇尚科学，沉稳坚定，不管对方如何占据优势，只要自己认为有理，就坚持.不管最终结果如何，科学家在探索宇宙征途上各种观点碰撞，却共同推动着人类文明发展.第二章 相对论与量子力学统一进程 1、当代物理学家对于现代物理学基础批判统一性思想有着悠长历史渊源，在人类科学思想发展历史中，思想丰富而又多彩，但统一性思想则是其中最典型而又古老一种.从古代哲学家到现代科学家，有人在探讨纷繁复杂物质世界组成基质，还有人在探讨物质世界运动规律及表现形式.泰勒斯水，奥斯特瓦尔德能，道尔顿原子都曾一度被当作物理世界
33、统一本原.每一个从事自然科学研究人，都从统一性思想中获取了研究动力，当然也包括爱因斯坦.Einstein 曾经很怀念 Newton 时代，因为那是物理学幸福童年时代，充满了生机； Einstein 之后也有一些理论物理学家很怀念 Einstein 时代，因为那是物理学伟大变革时代，充满了挑战.今天理论物理学依然充满了挑战，但是与 Newton 和 Einstein 时代理论与实验 “亲密接触” 相比，今天理论物理挑战和发展更多地是来自于理论自身要求，来自于物理学追求统一，追求完美不懈努力.不管是从科学角度还是从哲学角度出发，我们都有理由认为物质世界是高度统一.目前物质现象差异以及物理理论之间割
34、裂状态主要是由于我们对物质世界还缺乏深入认识，只有在物质现象和物理理论都统一之后，我们对物质世界认识才算是彻底.在宏观世界中总结出来物理规律，在微观世界中同样适用和有效.从低速状态中概括出物理学公式，对高速状态也同样适用和有效.若有问题，一般也只是精度问题，实际上这个问题在得出规律世界和运动状态中原本也是存在，只不过问题有时没有表现得那么突出那么明显罢了.公式修正也是统一性，若公式适用性表现出明显局域性，则说明该公式是不完备，有待进一步完善.对同一问题若从两个不同世界或状态中得到两个形式上不同公式，而又不能合理过渡，则说明两个公式中至少有一个是错误.物理学最基本目是寻求自然界物质运动统一规律，
35、然而现代物理学拥有一个支离破碎物理理念世界:超宏观有天文学黑洞，宇宙大爆炸;微观有微观粒子波粒二象性;介于其间有狭义和广义相对论.在现代物理学把各个学科观察分别描述成各种互相独立力作用系统，而忽略了其中内在联系.描述物质宏观现象牛顿动力学无法用于描述微观电子运动规律，在描述宇观物质现象（如星系动力学现象）时它也导致了很严重暗物质问题等.描述物质微观现象量子力学也无法用于描述宏观物质动力学规律，更无法用于描述天体运动.总而言之，在现有物理学理论体系中，物质微观规律、宏观规律之间似乎是大相径庭、毫不相容，这是现有物理学理论体系主要缺陷.世界是统一，它统一性源于它物质性.现代科学表明，宇宙具有无穷多
36、连续系列层次结构.我们目前所认识世界可细分为宇观世界、宏观世界和微观世界，不管宇宙中物质形态是多么千差万别，表面上差异是多么巨大，但蕴藏在物质中道理是统一，贯穿于各个层次各个世界，物理学规律因而具有放之四海而皆准普遍性意义.王正行近代物理学（北京大学教材）书末结语最后一段告诫：“尽管相对论与量子力学已经取得了很大成功，但我们还不能把近代物理学看成一门已经完成了物理学.在当代物理学研究中，绝大部分挑战和机会都是属于近代物理学.在未来一段时间内，情况肯定还会是如此.我们还不能肯定地预测在什么时候、在什么问题上将会有原则性地突破.不过，如果在实验上发现对相对论或量子力学作原则上修改，也不会是完全出乎
37、预料.在迎接21世纪到来时，近代物理学基础正期待着原则性新突破.”王正行编著 近代物理学 （北京大学教材），北京大学出版社 1995年，第 570页中科院原院长、理论物理学家周光召2005年在中科院理论物理所一次演讲中所说：“像相对论、量子力学或是量子场论这些最基本理论，到现在为止，仍有迹象表明都不是最终理论.无论是基本粒子，还是天体物理，都在不断提供很多新现象，对这些现象，现有理论完全无法解释.”广义相对论和量子理论在各自领域内都经受了无数实验检验，迄今为止，还没有任何确切实验观测与这两者之一矛盾.有段时候，人们甚至认为生在这么一个理论超前于实验时代对于理论物理学家来说是一种不幸. Eins
38、tein 曾经很怀念 Newton 时代，因为那是物理学幸福童年时代，充满了生机； Einstein 之后也有一些理论物理学家很怀念 Einstein 时代，因为那是物理学伟大变革时代，充满了挑战.今天理论物理学依然充满了挑战，但是与 Newton 和 Einstein 时代理论与实验 “亲密接触” 相比，今天理论物理挑战和发展更多地是来自于理论自身要求，来自于物理学追求统一，追求完美不懈努力.（1） 物理学家对于相对论质疑郭汉英曾任中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，他在经济物理、场论和数学物理等研究领域成果显著，两次获得国家自然科学二等奖.为了希望中国在跨世纪中出现自己基础研究大家和独
39、创理论，郭汉英研究员说，目前物理学对宇宙了解，包括猜想只有4%，而完全不知竟占到了70%.同时郭汉英研究员提出：“相对论体系存在有待验证假定，基本原理不够完善，相互之间存在不协调；理论和时空观念都有需要改进之处”.相对论体系作为一个理论体系并没有完成.从前人继承下来惯性和惯性运动起源问题尽管有所发展，但并没有解决.1960年代末以来，发现广义相对论存在时空失去意义“奇性”，宇宙起源于奇性，星系演化经过黑洞终结于奇性.黑洞不“黑”，任何有序物体掉进黑洞，都变成无序热辐射发射出来，从而信息丢失.这不仅与物理学理论基础之一量子力学薛定谔方程概率流守恒矛盾，也与其他理论冲突. (2)物理学家对于量子力
40、学基础质疑Einstein认为：量子论学说是一个不完备学说，它违反了因果律和决定论.但是，量子力学创立者们却认为：测不准原理反映了微观世界客观实际.也就是说，对微观高速运动粒子不允许人们用经典力学语言进行全方位描述.Einstein不但是相对论奠基人，而且也是量子力学主要创立者之一，量子力学哲学基础是Einstein实证哲学观体现.Heisenberg说：“量子力学直观诠释迄今仍然是充满矛盾，这些矛盾涉及不连续性理论和连续性理论、颗粒和波动等观点争论中.人们由此已经可以得到结论，利用通常运动学概念和力学概念来对量子力学做出一种诠释，在任何情况下都是不可能.事实上，量子力学恰恰起源于这样一种努力
41、：打破通常运动学概念，代之以具体、由实验给出一些数之间关系.”费恩曼(R. P. Feynman)说过：“我可以放心地说，没有一个人懂得量子力学.按照量子力学观点看待世界，我们总是会遇到许多困难.至少对我是如此.现在我已老迈昏花，不足以达到对这一理论实质透彻理解.对此，我一直感到窘迫不安.”盖尔曼(M. Gell-Mann)也说过：“全部现代物理为量子力学所支配.这个理论华丽宏伟，却又充斥着混乱.这个理论经受了所有检验，没有理由认为其中存在什么缺陷.我们知道如何在问题中运用它，但是却不得不承认一个事实，没有人能够懂得它.”事实上，薛定谔方程作为量子力学基本方程，只能描述经典位势系统量子行为，无
42、论是正则量子化，还是路径积分量子化都是如此.经典与量子力学界限在哪里？量子测量过程涉及突变等非位势系统特征，这类系统如何量子化？如何建立量子测量理论？这些都是应该解决，而又没有解决重大问题.目前量子力学实际使用“数学语言”是由Dirac创造出来一个“特殊语言”系统，这个“形式系统”构建者于1975年发表了一篇名为量子力学发展著名演讲，Dirac首先告诉人们一个极为重要，原则上（逻辑上）可以彻底颠覆整个量子力学形式表述系统事实：量子力学中数学不过是一个有趣游戏.在这篇演讲最后，Dirac又特地郑重其事做出如下告诫：我认为量子力学基础还没有正确地建立起来.即使工具量子力学规则得出结果与观测相符合，
43、但毕竟是人为规则.因此，关于现在量子力学基础是正确说法，我是不能接受.1975年8月25日,狄拉克在澳大利亚悉尼新南威尔大学, 关于量子力学发展演讲时曾讲到：“上面我已经讲了量子力学发展问题，并且特别讨论了这个理论与高速运动所必须Einstein力学相结合问题，这个结合导致产生反物质概念.然而这个工作并没有解决量子理论问题，还有许多遗留问题，这些遗留问题集中在建立带电粒子和电磁场相互作用精确理论问题上. 你们可以把带粒子电荷看成集中在一个点上,对这个点上,对这个点模型进行研究.如果你用这样模型，你就会发现点电荷能量是无穷大.这是试图建立粒子相互作用精确理论时出现典型困难. 假如我们不把量子理论
44、推广得太远，即不把它用于能量非常高粒子，也不把它用于非常小距离，那么现在量子理论是很好.当我们试图把它推广到高能粒子和很小距离时，我们得到方程就没有合理解，相互作用总是导致无穷大出现，这个问题使物理学家困惑了40年，没有取得任何实质性进展. 正是由于这些困难，我认为量子力学基础还没有正确地建立起来.在当前这个基础上所进行研究，在应用方面已经做了极其大量工作，在这方面，人们能够找出抛弃无穷大一些规则，然而即使根据这些规则得出结果与观测相符合，但毕竟是人为规则.因此，关于现在量子力学基础是正确说法，我是不能接受.”物理学，实际上是一门实验科学，离开了实验为基础所建立物理学它就不是物理学.也许，它就
45、是一种纯数学.虽然这种纯数学，在一定条件下，可以在自然界里找到相对应物理现象，但也绝不能认为它就是一种物理学.虽然，普朗克、玻尔、海森堡、薛定锷、狄拉克等科学家创立量子力学能够解释一些物理实验，但也存在许多问题.最大问题：(1)用量子力学对物理实验解释，只能描述它统计性质，只能描述它们集体运动规律，不能措述单个粒子运动规律；( 2)量子力学无法将电动力学、热力学、化学、生物学植物学、动物学、医学、超导理论、热核聚变理论有效地统一起来.即各种物质各种形态相互转化，不能用旧量子力学去统一解释，更不能解释新实验结果.70多年来，许多有识之士在这方面做了大量工作，但未能取得实质性突破. 2、爱因斯坦对
46、于引力场与电磁场统一性探索爱因斯坦指出引力场与电磁场区别是：一个是标量场，一个是矢量场.他希望能找到一个总物理场，这个总场象引力场一样可以用某种几何形式表示，但它是由一个标量场和一个矢量场组成，从标量场中可以引出广义引力理论，从矢量场中可以引出电磁场规律，进而揭示物理结构规律，并把麦克斯韦方程作为其一级近似结果.于是，绝对统一场问题也就解决了.爱因斯坦这样憧憬这个理论前景：“如果引力场和电磁场合并成为一个统一定律，那当然是一个巨大进步.那时，由法拉第和麦克斯韦所开创理论物理学新纪元，才获得令人满意结果.那时，以太-物质这种对立就会逐渐消失，整个物理学通过广义相对论而成为类似几何学、运动学和引力
47、理论那样一种完备思想体系，能够表现自然界普遍原理，能够使推理一个接着一个出现精密公式 .”郭光灿在爱因斯坦幽灵“跋”中说：“爱因斯坦沉浸在引力几何化优美思想中无法自拔爱因斯坦思想中还存在很多经典偏见.正如爱因斯坦自己所言，他不是一个革命者.”.既然广义相对论已经揭示引力场是一种弯曲空间，可以用几何化方法来描述.那么，电磁场也应该可以用同样几何化方法来描述.1923年之后，在别人工作影响下，Einstein试图进一步推广相对论，企图建立一个既包括引力场又包括电磁场统一场理论，用以解释物质基元结构.他先后提出过不少方案，在1929年、1945年和1954年曾取得了一些进展，但都只停留在数学表述形式上，没有得到有物理意义结果.【1】Einstein认为广义相对论仍是不完备，它只能较为另人满意地把广义相对性原则应用到引力场，而不能用于总场.我们仍不能确切知道在空间中总场可用什么数学机制来描述，以及总场遵从何种广义不变定律.但是有一点似乎可以确定，即：广义相对性原理将会被证明是解决统一场问题一个必要而且有效工具.【5】首先总场是由逻辑上毫无联系两部分组成引力场与electric field，其次与早些时候场论一样，这个理论迄今未能对物质原子论性结构提出解释失败，可能与它至今未能有助于理解量子现象有关.【5】在20世纪初