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量子力学与相对论之间的不协调

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学已经达到了成熟的阶段.人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象.可以说，现代物理学的大厦已经建成.杨振宁认为，现代物理大厦在过去的世纪已经封顶，其最后一片瓦就是他自己的“规范对称”.在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似.因此有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正.然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展.现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理.应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口.另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理论的程度.我们应该有勇气对科学体系怀疑和批判，即使是错误的怀疑与批判也更有助于我们了解理论的本质，而正确的怀疑和批判往往意味着新理论的诞生，重生的理论体系终将包容旧体系，并且比旧体系更加全面和完备.

从科学的目的看，科学无非是追求发现自然界的杂多中的统一，或者更严格地讲，追求发现我们经验的多样性中的统一.然后，科学又用统一的自然定律和公式解决各种各样的、纷繁复杂的具体问题.美是多样性中的统一（unityinvariety）和统一中的多样性.20世纪自然科学领域许多重大的新发现，呼唤科学家们必须“从新的角度去看问题”，经典物理学的理论框架，应该从“廓清概念”切入，进行新的梳理和整合.在研究过程中应该最大限度地拓宽观察认识问题的视野、宏观地观察认识问题的各个方面、全面掌握各种现象、各种存在之间的相互关系、宏观地思考研究各种问题之间的相互联系.在研究某一问题时，不要将着眼点和思考范围只放在某一个狭小的空间范围内，更不能局限于前人划定的圈子，要将整个宇宙放在视野范围内和思维头脑中.也就是说，研究科学问题，不仅要看到个别点，而且要看到整体、部分以及整体与部分、部分与部分之间的相互关系.这样，问题研究结果就不会出现片面性缺陷.

在各自领域内都分别取得极大成功的量子力学和相对论，是20世纪物理学乃至整个自然科学的两大支柱，但是在人们企图把它们结合的时候却遇到了难以克服的困难.20世纪20年代量子力学建立以后，狭义和广义相对论与量子理论相结合，一直是理论物理学发展的坚实基础.半个世纪以来，这种结合不断发展和深化，也不断接受科学实验的检验.一方面，实验事实充分证明相对论和量子力学在其有效范围内是可靠的理论；另一方面，实验研究和理论进展表明，它们也遇到了一些难以解决的反常问题，其中一些问题是带有根本性的和革命性的，似乎难以容纳在相对论和量子力学的框架内.日本著名理论物理学家益川敏英说，理论物理学的主要任务，是阐述应用物理学中发现的新现象及其产生的原因、所需具备的条件等.

相对论和量子力学的表述形式在其本身范围内提供一切可能经验的适当方法，甚至这两种理论的表述形式也显示了深刻的类似性.事实上，在两种情况下，通过应用多维几何学和非对易代数学来推广经典物理理论而得到的惊人的简单性，本质上是以习见符号i的引用为基础的.事实上，仔细分析起来，这些表述形式的抽象性，对于相对论和量子理论都是同样典型的特点；如果相对论被看成经典物理学的一种完满化，而不被看成在近代物理学发展的促使下彻底修正我们在比较观察结果时的思维方法的一个根本性的步骤，那不过是一个传统问题罢了.狄拉克认为：“我们所能建立的理论是非局域性的，对此当然不能感到满足.我认为应该说，量子论与相对论的调解问题尚待解决.物理学家们目前使用的概念是不恰当的，只是以形式性方式应用这些概念已变得很人为的了.……我感到，如果我们只是应用数学规则，就完全不能有明确的物理概念，这不是物理学家所能感到满意的.……我们必然要期待看到有基本特征的未来发展.”量子力学认为，微观世界可以用量子态，也就是波函数来描写，不是用位置、速度、动量等这些物理量来描写的.量子态的演化确定性地服从薛定谔方程.就像位置、速度这些经典物理量确定性地服从牛顿定律一样.用量子态描写虽然有些抽象，但更合理.说它抽象，是因为量子态是一种数学上的波函数，包含了虚数这样“无意义”的东西；说它更合理，是因为量子态包含了一个客体的“全部信息”.

把量子电动力学推广为普遍的量子场论，用以描述电磁相互作用以外的基本相互作用及诸相互作用的统一，既有成功也有困难.弱电统一标准模型比较成功，但也还不能算是真正的统一理论.它不仅包含两个独立的规范群及两个独立的耦合常数，而且黑格斯机制也未经实验证实.量子色动力学是最有希望的强相互作用模型，但它只能定性地解释渐近自由.SU（5）大统一模型预言的质子衰变也尚无实验证据.这种不令人满意之处是否暗示，相对论和量子论隐藏着某些彼此冲突的基本假设？首先，这种取代不表示相对论错了，而表示以前我们对量子力学的理解错了，也即在量子场论中更加进一步地确定了场（原本的“几率波”）的本体论地位，而废弃粒子本体论地位.由此可得一些列数学上的必然结果.狭义相对论，则没有任何问题.事实上，物理界的一致看法，是量子场论是狭义相对论与量子力学原理的完美结合.在量子场路问题中，狭义相对论没有问题，但广义相对论的量子场论化过程则出现各种问题，从而表明广义相对论的至少部分看法是存在问题的.没有狭义相对论，就没有量子场论，量子场论是量子力学原理和狭义相对论原理结合的自然产物.

狄拉克于1970年说：“相对论要求我们采用一种不同于以前的宇宙图象，一种空间、时间图象，一种不存在绝对时间的四维图象.彼此相对运动着的各个观察者会有不同的时间观念.他们会使用不同的时间轴，而所有这些时间轴都具有同等的权利，自然界不偏袒其中某一个而牺牲其他.但是量子力学的两种形式（海森堡形式和薛定谔形式）都是从运动方程着手，运动方程的观念是：你用数学变数来描述世界在某一时刻的状态，并且列出方程，这些方程会告诉你这些变数是怎样随时间而变化的，然后把这些方程进行积分，你就能够看出，在从初始状态开始的某一未来时刻，世界的状态是怎样的，而且能够把你的结果同实验相比较.现在你会看出，这里我们是在绝对意义上使用了时间概念，而相对论则认为这是不容许的.这里我们就碰到了巨大困难的开头.我们有了相对论和量子论，两个建立得非常完善的理论，每一个在它自己的领域内都是非常可靠的，可是它们彼此之间都难以互相协调.如果两个理论都是正确的，那么会想到，它们马上就应该协调成一个单一的体系.但是相对论和量子力学的情况并非如此，它们之间有一定的抵触.这个抵触是最近四十年来物理学的主要问题.这种辐射对于一个适当的观测者来说，正是从一切方向同等地来到.如果选择另一个相对于前一个观测者运动的观测者，他将看到辐射在他前进的方向上来得强一些，而从他背后来的则没有那么强.因此它仅对于一个观测者来说才会是对称的.这样就有一个优惠的观测者，对他来说，微波辐射是对称的.可以说，这个优惠的观测者在某种绝对意义上是静止的，也许他就是对于以太是静止的.这恰恰与爱因斯坦的观点相矛盾.”