吴国林

我们要认识实在,离不开从物理学角度对实在概念的研究。

科学的物质实体概念是从近代科学革命以来才产生的。首先，在化学上波义尔提出了元素概念，17世纪形成了玻义耳的微粒哲学，物质是由微小的、不连续的粒子或称之为原子组成的，物质的物理性质和化学性质可以用组成的粒子的大小、形状和运动来解释。[1] 在玻意耳哲学的基础上，牛顿从力学的角度确立了物质的原子理论。他说：“据我看来，上帝始选物时，很可能先选结实、沉重、坚硬、不可入而易于运动的粒子，其大小、形状和其他一些性质以及空间上的比例都恰好有助于达到他创造它们的目的。”[2] 1799年道尔顿提出了原子论，1811年阿伏伽德罗提出分子概念，形成了科学的原子——分子学说。由此形成了近代较完整的物质实体观：（1）物质，由具有广延性、质量、形状等不变属性，并且具有不可入、不可再分的原子构成的。（2）一切自然过程都按照力学定律变化，所有的物质运动服从严格的决定论规律。（3）时间与空间是绝对的、无限的和分立的，独立于物质与物质运动。

在玻意耳哲学的基础上，牛顿从力学的角度提出了物质的原子理论。1799年道尔顿提出了原子论， 1811年阿伏伽德罗提出分子概念，形成了科学的原子——分子学说。由此形成了近代较完整的物质实体观：（1）物质，是由具有广延性、质量、形状等不变属性，并且具有不可入、不可再分的原子构成的。（2）一切自然过程都按照力学定律变化，所有的物质运动服从严格的决定论规律。（3）时间与空间是绝对的、无限的和分立的，独立于物质与物质运动。

物理学家法拉第反对原子论，否定力可以通过空虚空间而起超距作用的观念。提出了“场”概念，他把场称为“力线”。他认为，场是一种充满空间媒质的应力状态。麦克斯韦则发展了法拉第“场”的思想，用连续的场表示这种新的物理实在，用偏微分方程描述场，从而否定了对场的机械论的解释，给场赋予了新的内容和更普遍的意义。

麦克斯韦“场”概念的提出改变了牛顿关于物理实在观念，动摇了牛顿体系的理论基础。爱因斯坦对“场”概念给予很高的评价，他说：“法拉第和麦克斯韦的电场理论摆脱了这种不能令人满意的状况，这大概是牛顿时代以来的物理学的基础所经历的最深刻的变化。……在这理论中，场最后取得了根本的地位，这个位置在牛顿力学中是被质点占据着的。”[3]

到20世纪，形成了较为完整的“场”理论。场是物质存在的一种基本形式，其基本特征在于场是弥散于全空间的，物的物理性质可以用一些定义在全空间的量来描述。在场论中，场与粒子是统一的，粒子是场的激发态，真空是场的基态。

场表现出与近代物质实体不一样的特点，但是，场仍然满足规范不变性。迄今为止，描述相互作用的场理论只有三种，即电磁场、引力场和非阿贝尔场，分别由麦克斯韦、爱因斯坦和杨振宁（及他的合作者米尔斯）所建立。正如诺贝尔物理学奖获得者杨振宁认为：“由于理论和实验的进展，人们现已清楚地认识到，对称性、李群和规范不变性在确定物理世界的基本力时起着决定性的作用。我已把这个原则称为对称性支配相互作用。”[4]

以“场”为观念建立的实在论有一个共通特点，变换不变性或规范不变性是其基础，即原来近代的“实体”代之以“变换不变性”。变换不变性就是一种对称性。

法拉第作为一名实验物理学家，他反对原子论，否定力可以通过空虚空间而起超距作用的观念。他通过铁屑实验直观地感受到了电荷之间和磁之间的相互作用不是超距的，而是由带电体和磁体周围空间客观存在着的“场”传递的。法拉第把场称为“力线”，他认为，场是一种充满空间媒质的应力状态。为了形象地说明场的存在，他用力线的概念描述场，把电力线、磁力线比作橡皮绳，看作实实在在的物质。在当时，几乎所有的科学家都把场的观念看作是离经叛道的妄想。

麦克斯韦发展了法拉第“场”的思想，用连续的场表示这种新的物理实在，用偏微分方程描述场，从而否定了对场的机械论的解释，给场赋予了新的内容和更普遍的意义。

麦克斯韦“场”概念的提出改变了牛顿关于物理实在观念，动摇了牛顿体系的理论基础。牛顿把质点作为表示物理实在的惟一形式，把各种物理事件都看作质点的有规律的运动，把整个宇宙描述成大量质点在机械运动规律支配下的超距离运动。爱因斯坦对“场”概念给予很高的评价，他说：“法拉第和麦克斯韦的电场理论摆脱了这种不能令人满意的状况，这大概是牛顿时代以来的物理学的基础所经历的最深刻的变化。……在这理论中，场最后取得了根本的地位，这个位置在牛顿力学中是被质点占据着的。”[5]

到20世纪，场论得到了很好地发展。从“场”的观念出发建立起来的描述物体间相互作用的理论就是场论。场是物质存在的一种基本形式，其基本特征在于场是弥散于全空间的，物质的物理性质可以用一些定义在全空间的量来描述。以量子场论为例，它所给出的物理图景是：在全空间充满着各种不同的场，它们互相渗透并且相互作用着；场的激发态表示为粒子的出现，不同的激发态表现为粒子的数目和状态不同，场的相互作用可以引起场激发态的改变，表现为粒子的各种反应过程，在考虑相互作用后，各种粒子的数目一般不定恒。[6] 在场论中，场与粒子是统一的，粒子是场的激发态，真空是场的基态。

场表现出与近代物质实体不一样的特点，但是，场仍然满足规范不变性。迄今为止，描述相互作用的场理论只有三种，即电磁场、引力场和非阿贝尔场，分别由麦克斯韦、爱因斯坦和杨振宁（及他的合作者米尔斯）所建立。这三种场理论都满足规范不变性，都是规范场。现在业已清楚，规范不变性就是相位不变性，规范场就是相位场。定域相位不变性就是电磁场的本质特点。由于电磁场理论的规范变换是一种可以交换的规范变换，因此电磁场又称之为阿贝尔规范场。规范不变性实质上就是一种对称性，由规范不变性决定相互作用，就是对称性支配相互作用。为此，杨振宁认为：“由于理论和实验的进展，人们现已清楚地认识到，对称性、李群和规范不变性在确定物理世界的基本力时起着决定性的作用。我已把这个原则称为对称性支配相互作用。”[7]

但是，仅在对称性还不能解决非阿贝尔规范粒子的质量问题，为此需要引入对称破缺机制。1967年，描述弱作用与电磁作用相互统一的格拉肖—温伯格—萨拉姆模型产生了，它正是通过对称破缺的希格斯机制使规范介子获得质量。在对称性与对称破缺机制的引导下，在弱电统一基础上，物理学家们正在朝着弱、电磁和强作用相统一的大统一，以及弱、电磁、强与引力相互作用相统一的超大统一方向前进。目前有希望统一4种相互作用是11维的M理论，它是10维超弦理论的11维推广。超弦理论有5种独立的、自洽的形式。M理论的核心在于引入对偶性，5个不同的超弦理论提示了不同的基本结构，但是，它们都是同一基本物理的不同表现形式。

场论表明，场是弥漫于全空间的。场物质不同于通常的由电子、质子、中子等基本粒子所构成的实物物质。实物可以以任意的速度在空间中运动，其速度相对于不同的参考系也不同。而场在真空中运动的速度永远是光速，其传播速度在任何的参考系中都相同（因为狭义相对论）。实物的微粒所占据的空间不能同时为另一个微粒所占据，但不同的场可以互相迭加，可以占据同一个空间。在一定条件下，场与粒子是可以相互转化的。

场本身也不意味着存在一个不变化的场，即使是作为场的基态——真空也在不断发生变化，因为受海森堡不确定性原理制约，真空中不断有虚粒子的生成与湮灭。按照著名物理学家狄拉克的见解，真空是具有无穷负能的海洋。可见，物质的实体概念与场概念有很大的不同。