一、公设与原理

  现实物理学是研究物质的结构、运动、状态及其变化规律的公理化理论体系。物理公设是关于物质、时空和相互作用的基本假设，它们是理论表述和演绎的逻辑出发点。现实物理学有五条基本公设。①物质：离散粒子的有限集合。②实粒子：质量守恒体积有限的弹性粒子。③实空间：布满粒子的三维欧氏空间。④实时间：独立于空间的单向变化参数。⑤相互作用：质量吸引和运动排斥。

  现实物理学的基本原理是客观性原理，它要求物理理论必须符合客观实在性条件。客观性原理是超越基本公设的普适性指导原则，它为物理理论提供自然观、认识论和方法论依据，并为物理公设的数学化提供范式基础。客观性原理并非空泛的哲学论点，而是具有实在内容的科学概念。客观性原理是现实物理学的核心，是贯穿理论的主线，是数学建模的基础。现实物理学的简单性和统一性都根源于客观性。只有理解客观性原理之要义，方能领悟现实物理学之精妙。

二、原理概要

1. 原理表述：物质世界是客观的，它独立于人的意识而存在；物质运动规律是客观的，不依赖于观察者的主观意识而变化；物理学研究物质的客观存在与运动，必须排除人为主观因素的影响。

2. 主观因素：当代物理学包含如下主观因素。①数学模型的抽象性。例如，将粒子抽象为点（经典物理）和线（弦论）等几何对象是人类思维的结果，相对性原理导致的四维时空纯属数学想象。数学建模是物理学公理化的基础，抽象与现实的任何偏差都将扭曲客观世界的真实面目。②测量单位的主观性。用于计算和测量物理量的单位是人为制定的，采用客观事物作为参考标准只是为了使物理单位具备统一性、稳定性和精确性。③坐标系选择的任意性。坐标系包括坐标原点和坐标框架，选择坐标原点就是选择参考系，选择坐标框架就是选择测量单位，两者都离不开观察者的参与。（参见笔者博文：科学网—上帝的归上帝，人类的归人类—谈现实物理学的客观性原理 http://blog.sciencenet.cn/blog-3379195-1230395.html）

3. 客观条件：基于上述主观因素的分析，现实物理学提出如下客观性前提条件。①坚持数学建模的客观标准，通过基本公设确立基于现实的物质结构和时空模型。②明确测量标准的主观性本质，将物理单位视为数学变量。③放弃坐标系的使用，拒绝观察者的介入。

4. 数学模型：物理学研究客观量，客观量是可测度的。现实物理学引入带测度的真实量表示物理量。①真实量。真实量q是标度因子q_s和数字因子的乘积，即。真实量（标量或矢量）定义在有限实数域(–∞ < |q| < ∞)，标度因子（标量）限制在正实数域(0 < q_s < ∞)。标度因子是物理量的测度，其实质就是量子。②实空间。实空间的位置用位矢表示，其中位矢标度r_s称为空间量子。体积量子V_s = (r_s)³称为空胞，空间充满粒子意为空胞内必含粒子，空间的粒子密度不为零。③实时间。实时间的表达式是，其中t_s是时间量子，是自然数序列，时间原点由同步协议规定。④量子化。通过真实量建立的数学模型实现了物理量的全面量子化，同时蕴含了空间和时间的基本属性。例如，标度的标量性和全局性分别反映了实空间的各向同性和平移不变性，时间数字的自然数序列反映了实时间的均匀性和不可逆性，不同的标度规定表明了空间和时间的相互独立性。⑤物质结构。物质结构由粒子层次嵌套模型描述（顶层粒子介层粒子 基层粒子潜层粒子）。上层粒子包含下层粒子，下层粒子的运动是上层粒子弹性的来源。基层粒子数N是物体的统计基数。⑥粒子运动。弹性粒子的空间状态包括位态、形态和姿态，位态用粒子质心的空间位置表征，形态用粒子惯量矩阵的本征值表征，姿态用惯量矩阵本征矢的方向表征。弹性粒子有平动、转动和振动三种独立的运动模式，分别对应于位态、姿态和形态随时间的变化。⑦相互作用。弹性粒子的相互作用包括质量吸引和运动排斥两种类型，质量吸引由质量势F（标量势）表征，运动排斥由动量势A（矢量势）表征。

5. 标度无关：真实量是客观量和绝对量；标度是广义的物理单位，是主观因子；数字是真实量与标度的比值，是相对因子。客观性原理要求物理关系与数字关系一致，不受主观因子影响，即

其中f表示物理量{x, y, z}之间的关系。数字关系称为标度无关性，标度关系z_s = f_s称为标度协变性。标度无关性表明物理公式适用于任意标度范围（任意物质层次），标度协变性为物理理论提供了全新的分析和计算方法。

6. 原点无关：真实量q(t)定义在任意时刻。真实量的时间微分dq(t) = q(k+1) – q(k)是k+1时刻相对于k时刻的变化量，它与时间原点无关。粒子位矢的时间微分是单位时间位移，它与空间原点O无关。定义粒子的位移速度，则粒子的运动与参考系的选择无关。

7. 运算规则：标度无关性规定了真实量数学的运算规则。

   ①加减法 

  ②乘法 

  ③除法 

  ④实微分

  ⑤实导数

  ⑥实积分

  ⑦数字运算（可以视为x_s=1的情况）

三、哲理思辨

1. 科学与哲学。科学是关于自然、社会和思维发展规律的知识体系，科学分为自然科学和社会科学两大类。哲学研究人与自然、意识与存在的一般形式和相互关系，是自然科学和社会科学的概括和总结。哲学通过吸收科学成果丰富自己，同时对科学的发展提供世界观、认识论和方法论指导。现实物理学的创立受益于深入和全面的自然哲学思考。首先，客观性原理是唯物主义自然观的直接体现。物理学的研究对象是自然物质，必须以唯物论为基础；物理学研究离不开人的思维，主观因素必然参与其中。客观性原理要求明确区分物理理论中的客观与主观因素，并通过制定规则消除人为影响和主观效应。其次，实在论是现实物理学公理化的基本立场。鉴于实证主义带给现代物理的负面影响，现实物理学确立以经典常识为基础的物理公设，并寻求新的数学工具建立理论模型。例如，物质的粒子本性公设要求将场视为粒子的统计效应，弹性粒子公设要求运动描述方式不同于经典力学和量子力学，实空间和实时间公设则是创立真实量数学的灵感来源。

2. 物理与数学。物理学的研究对象是实在物体的结构、状态和变化规律，数学的研究对象是抽象事物的数量、结构和相互关系。物理学的公理化需要数学，但数学不是物理学。物理学公理化不仅需要满足相容性、独立性和完备性这些数学条件，还必须满足客观性这个物理学条件。公理化理论中的结论是前提的同义反复，物理理论的适用范围受到基本公设的严重限制。例如物质的质点假设束缚了经典物理学，波粒二象性假设困扰了现代物理学，它们的局限性不是凭借复杂的数学工具能够突破的。弹性粒子是符合客观性条件的经典概念，基于该公设采用的数学工具简单直观、精准实用。

科学研究中的物理直觉往往是新数学的向导。例如，量子论诠释的困惑与物理测量这个基础问题密切相关，能够意识到测量单位的主观本性是一种物理直觉。进一步将测量单位视为可变因子，就引导到真实量数学这个关键概念。真实量是标度因子和数字因子的乘积，引进真实量的目的是将测量单位纳入数学运算体系，从而建立一个全面量子化的物理理论。从另一个角度看，每个物理量都伴随着一个标度（能量有三个独立的标度），相当于在抽象的高维数学空间描述现实的低维物理问题，这就大大扩展了理论研究的自由度。例如，真实量数学中的线段是1+1维，标度维是r_s；面积是2+1维，标度维是(r_s)²；体积是3+1维，标度维是(r_s)³。由于标度维相互并不独立，真实量数学空间具有非线性特征。在标度协变性条件约束下，标度维的引入为物理学理论提供了一种非线性分析方法和研究范式。

3. 客观与主观。客观指不依赖于人的意识而存在的事物，主观是指由人类意识和思维所支配的全部。物理学研究物质世界的运动变化规律，客观性应该是物理学区别于其它学科的根本标志。但是这个经典物理学圭臬被现代物理学遗弃了一百多年。在现代物理正统学者眼中，客观与主观没有界限，存在与意识也无法区分，坚持物理规律的客观真实性往往被贴上机械还原论的标签。这种否定客观存在的反实在论思潮严重影响了物理学的统一进程。现实物理学继承了经典物理学传统，将客观性作为理论的基本法则。现实物理学深刻分析相对论和量子论隐含的非客观因素（参考系和测量标准），找到了排除人为主观影响的具体方法（原点无关和标度无关），从而实现了爱因斯坦毕生追求的物理学统一梦想。

4. 实在与实证。实在论认为科学现象是对存在的描述，现象背后是客观实在。实证论认为科学是对现象本身的描述，客观实在没有意义。受实证主义影响，现代物理学的明显特征就是只关心“观测到什么”，不关心“存在什么”。例如，量子力学只需要“计算有效”，不理会“为何有效”；有效场论只满足“描述现象”，不解释“产生机制”。通过继承经典物理基因和吸纳现代物理精华，现实物理学成功协调了实在论和实证论立场。在现实物理学中，物质被还原为弹性粒子的存在，并用弹性粒子的运动解释一切物理现象。现实物理学建立了真实量与观察量的对应关系，所有物理量都是可测量和可验证的。

5. 离散与连续。离散性和连续性的矛盾既存在于经典物理学（质点粒子和电磁场两种不同的物质形态），也表现于现代物理学（量子力学与广义相对论互不兼容）。经典物理学采用连续性数学表述，物理规律通常以微分方程表示，但是现代物理的离散性量子彻底破坏了经典物理的连续性和谐。爱因斯坦晚年对离散与连续的对立甚为忧虑，他在给老朋友贝索的最后一封信（1954年）中说：“很有可能物理学不能建立在场的概念上，即不能建立在连续的元素上。如果是这样，那么，我的全部空中楼阁——包括引力理论，甚至大部分当代物理学——都将荡然无存。”现实物理学从物质的离散本性出发，通过统计和积分变换架设了从粒子到场的数学桥梁。现实物理学创立的真实量数学揭示了量子的本质，实现了从连续到离散的自然过渡。现实物理学完全化解了离散性和连续性的对立。

6. 有限与无限。有限是物理存在的客观概念，无限是数学想象的主观概念。人类只能认识有限的客观世界，所以现实物理学不考虑无限的主观世界。现实物理学将真实量限制在有限实数域 (–∞ < |q| < ∞)，将标度限制在正实数域(0 < q_s < ∞)。线段、面积和体积的标度分别为r_s，(r_s)² 和(r_s)³。“空间点”和“时间点”不属于物理量，因为点是没有标度的。现实物理学采用位移速度取代经典力学的瞬时速度。位移速度的标度是u_s=r_s/t_s，由于标度不为零，避免了瞬时速度所用的无限小时间概念。真实量的导数和积分不包含无限概念和求极限过程，从而消除了无限所导致的各种悖论。

7. 相对与绝对。相对和绝对是用对比方式描述同一事物特性的范畴。相对属于对比产生的主观性质（如物体的大小和轻重），绝对属于非对比的客观性质（如物体的成分和结构）。现实物理学将测量视为对比过程。被测的物理量是客观量，具有绝对意义；测量标准（标度因子）是人为选择的，具有主观意义；测量过程是将物理量与标准对比，比较结果（数字因子）只有相对意义。经典力学的运动相对性来自与参考系的对比，运动的主观效应通过相对性原理化解；现实物理学不采用参考系对比运动，测量过程的主观因素通过客观性原理消除。

8. 必然和偶然。必然性和偶然性是表示客观事物发生和发展不同趋势的范畴。经典物理学规律通常用微分方程表示，反映确定性（必然性）趋势。量子力学也可以表示为微分方程（如薛定谔方程）的形式，但是测量结果却表现出随机性（偶然性）特征。不同于经典力学，量子力学的随机性来源是延续至今的争议话题。现实物理学的研究对量子力学给出如下经典性解释：电子波函数描述的是电子团簇而非单个电子的运动状态；波函数的模平方给出运动模式的发生几率；电子团簇的运动状态由薛定谔方程确定；动量算符、角动量算符和哈密顿算符分别确定团簇的平动、转动和振动状态；普朗克能量(H_s=hv)是电子系统振动能的平均值；海森堡不确定原理反映的是特定的标度关系(h = r_sp_s= E_st_s)。现实物理学本质上是弹性粒子的统计理论，但最终表现为微分方程的决定论形式，这充分表明了物质的粒子性是微观过程随机性的真实来源。

9. 简单与复杂。简单性和复杂性是反映主体认识客体难易程度的范畴。判断简单性和复杂性和认识主体所处的地位密切相关，认识层次和方法不同，简单还是复杂不尽相同。简单性是传统自然科学、特别是经典物理学的基本信仰。物理简单性思想主要体现在物质构成、运动规律和研究方法的简单性。从牛顿经典力学到麦克斯韦电磁场理论，再到爱因斯坦相对论，人类对自然的认识逐步从复杂走向简单。但是，人类对简单性和复杂性的认识在上世纪下半叶发生了变化。随着自然界在众多领域展现的随机性、非线性和演化特征，特别是统一物理学的努力屡遭挫折以后，人们开始怀疑客观世界的简单性，趋向于认同自然的复杂性。这种对客观本体的认识变化导致了还原论的衰落和整体论的兴起，突出表现为物理学基础研究中数学工具的专业化、仪器设备的复杂化以及人员组织的团队化。不幸的是，近几十年来物理基础研究进展缓慢，并没有获得真正的突破。人类穷尽智力与物力，物理学期许的统一前景只是象超弦理论那样的空中楼阁。

现在应该彻底反思了。如果粒子需要十维空间的超弦描述，人们当然会问：物质真的那么复杂吗？如果宇宙中还有百分之九十以上的暗物质和暗能量没有被发现，难道不应该怀疑物理学的基础出了问题吗？现实物理学秉承简单性和客观性原则，提出弹性粒子模型，利用真实量数学统一了物理学。令人遗憾的是，人们宁愿相信粒子是抽象的点、弦或波，不愿相信是实在的弹性粒子（因为它们“太小”了吗？）。理论物理学家乐于从高深的数学构想复杂的物理概念，却对能够分析复杂物理问题的简单数学视而不见。迷信当代物理学基础是造成这种状况的历史原因，大科学时代怀疑个人作用是人们不相信简单理论的现实原因。从认识论角度分析，物理学基础存在本体错位的问题。物理学的研究对象是客观物质，不包含认识主体，让观察者置身其中必然混淆主体和客体的作用，导致简单问题的复杂化。现实物理学通过分析当代物理基础中的主观因素，找到了解决问题的途径，提出了客观性原理，奠定了新理论的基础。现实物理学结合还原论和整体论方法，构建了公理化理论框架，实现了简单性与复杂性的统一。首先，贯彻客观性原理，拒绝观察者介入，排除人为主观因素。第二，将自然界的物质构成还原为弹性粒子，发现了弹性粒子的基本运动形式和相互作用规律。第三，提出了物质结构的层次模型，发现了适用不同层次的标度协变性规律。第四，建立了运动状态和热力学理论，从还原论角度揭示了物体从微观到宏观的状态变化规律。第五，建立了弹性粒子场论，从整体论角度揭示了物体的相互作用和运动演化规律。现实物理学的结果确凿表明：物质的本源是简单的，物质的运动规律和数学形式也是简单的。自然界的复杂性和多样性都是物质相互作用的结果，是物质结构层次性和非线性的反映。现实物理学将客观世界的简单性与复杂性在本体论、认识论和方法论意义上统一了起来。

 参考文献

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