3.爱因斯坦科学统一性思想一窥

爱因斯坦说过：“科学没有永远的理论.从希腊哲学到现代物理学的整个科学史中不断有人力图把表面上极为复杂的自然现象归结为几个简单的基本概念和关系，这就是整个自然哲学的基本原理.”爱因斯坦之所以不放弃追求统一性，这与他对自然统一性的深层次信仰有极大关系，因为他“从一开始就一直存在着这样的企图，即要寻求一个关于所有这些学科的统一的理论基础，它由最少数的概念和基本关系所组成，从它那里，可用逻辑方法推导出各个分科的一切概念和一切关系.这就是我们所以要探求整个物理学的基础的用意所在.认为这个终极目标是可以达到的，这样一个深挚的信念，是经常鼓舞着研究者的强烈热情的主要源泉.”爱因斯坦是 20 世纪物理学的一面旗帜，是统一性思想的集大成者，在这种思想的指引下，物理学家普遍认为自然界是有秩序的，是谐统一的，科学的目标就是追求自然界的这种统一性.由此，20 世纪下半叶开始了轰轰烈烈地追求统一性的科学思潮.

科学家认为应该有一个万物理论，因为过去的许多物理学突破都是某种统一.因此，这里的目标是找一个更深层次的底层结构，在某些情况下看起来像量子论，在其他情况下又像相对论.20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦有一个梦想，他认为我们的世界应该是和谐统一的，所有的基本相互作用都应该统一在一个理论框架之下；爱因斯坦梦想自然界的相互作用和基本粒子需要在一个统一理论中进行描述.统一性思想不仅是哲学上，也是科学上的重要思想.20世纪大师爱因斯坦的学术生涯中处处体现出了这一光辉思想，世界是和谐统一的，也成为爱因斯坦心目中最高、最神圣的追求目标.自然界是统一的物质世界，反映客观世界本质和规律的不同理论之间应该具有逻辑上的统一性.如果不同理论之间出现了逻辑上的不统一，那就说明这些理论本身没有真实地反映自然界的统一性.这个时候我们就应当重新审视我们的理论，在统一性思想的指导下，从不同理论的矛盾冲突中探求它们的统一性，建立新的理论体系来实现现有理论体系的统一性，当然这是一个无休止的过程.作为一位战斗在最前沿和富有哲学素养的科学家，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的.”狭义相对论、广义相对论的创立以及统一场论的探索都是为了消除不同理论之间或内在的不一致.

科学家发现自然界中，物质之间基本的相互作用力有四种：强核力，弱核力，电磁力，万有引力.爱因斯坦后半辈子大部分时间主要从事力的统一方面的研究，希望用一条方程来表述万有引力和磁力与电力.把自然的力统一成用一条方程来描述的理论叫大统一理论（GUT理论）.爱因斯坦到死也没有成功.20世界50年代以后，科学家逐步罗列，塑造了标准模型理论（SM），以杨-米尔斯方程为核心的规范对称场论，是最接近把强核力弱核力电磁力三者统一在一起的大统一理论.近100年来的科学史表明，几乎所有的全世界科学精英沿着爱因斯坦的大统一理念，从不间断地，孜孜不倦地企图用实验观测总结和数学分析的方法，进行设计设想计算，试图来达到自然力的统一.直至如今，美国的爱德华·威滕等人的M理论，把5种超弦理论与11维时空的超引力理论结合起来，企图用一条规律来描述已知的所有的力（电磁力、弱核力、强核力、万有引力）.有人认为M理论是宇宙终极理论的候选者.

1901年爱因斯坦在给格罗斯曼的信中说，他曾想把原子之间的引力推广到气体分子之间，找出分子引力与牛顿的超距作用力之间的内在联系.他说：以那些看来同直接可见的真理十分不同的各种现象中认识到他们的统一性，那是一种壮丽的感觉.爱因斯坦有关布朗运动的著名论文，提出通过分子无规则的布朗运动测定原子大小的方法的建议.这篇论文的成功在很大程度上也要归功于对统一性的追求.在这篇论文的开始爱因斯坦指出，在古典热力学中存在着这样一个理论上的不统一性：溶质有渗透压而悬浮体则没有.爱因斯坦最辉煌的理论、人类知识宝库中的重要财富.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的水平上把力学运动和电磁运动统一起来，把互相独立的时间和空间的量度与物质运动状态联系起来，得到了比较统一的理论.

1916年爱因斯坦从全新的观点出发刨立了新的引力理论一一广义相对论，这一新的引力理论是建立在等效原理和广义协变原理的基础之上，这是人类对引力认识的第二次升华．爱因斯坦刨立的广义相对论的美妙在于，它将空一时几何和引力场统为一体，认为时间、空间会因物质的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、时间的弯曲结构决定于物质的能量密度、动量密度在空间、时间中的分布；而空问、时间的弯曲结构又反过来决定物体的运行轨道．这使人们对于时空和引力有了一个全新的认识，也是人类认识自然界历史上的一次巨大飞跃．引力场的研究从此获得了前所未有的发展，新的观念也不断涌现．自从广义相对论问世以来，又有许多人提出过新的理论，但到目前为止，经得起实验和观测检验的，仍然只有爱因斯坦的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，但最后的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的领域内都经受了无数的实验检验，迄今为止，还没有任何确切的实验观测与这两者之一矛盾.广义相对论和量子理论是现代物理学的两大支柱.二十世纪物理学家的一个很大的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的基本相互作用场论.引力一直只能作为经典场，即无量子涨落的场来处理，把它纳入量子理论的框架就成为继量子电动力学后一种很自然的想法.

统一性思想是一种在人类思想结构中的科学与哲学信念.爱因斯坦从青少年时期就对统一性思想有着浓厚的兴趣，在他的科学研究生涯中始终不渝地坚持着这一光辉的思想.正是在科学研究中坚持统一性的思想，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的修正，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的力量之源，也是他不断追求真知的人生目标.在爱因斯坦心目中，统一性思想就是为这种“内在和谐”的世界提供统一的理论，追求自然界的和谐统一是爱因斯坦理性思维的重要特征，也是爱因斯坦创立一个个科学理论的思想动机.综上，在科学上统一性思想是爱因斯坦科学探索的最高目标，在哲学上统一性思想是爱因斯坦哲学思想的精髓，在方法论上统一性思想是爱因斯坦科学方法的核心.一直以来，关于爱因斯坦的哲学思想和爱因斯坦相对论的解释科学界和哲学界一直都在进行积极的探索，也从未间断，并取得了丰硕的研究成果.一次，《纽约时报》花了整整一版印上了令专业人士都费解的数学符号，并郑重地宣布："爱因斯坦的新理论试图包括：行星的旋转，光线的疾驶，地球的引力，钻石的光泽，镭元素的不稳定性，轻的氢和重的铅，通过线圈的电流，物质，能量，时间，空间."经过数十年的努力，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的最大挑战.

相对论及一系列重大科学理论建立后，爱因斯坦所信仰的心中的上帝彼此作用着的物体相对运动构成的世界，呈现出了它那和谐统一的面目，使他欣喜不已.然而宁静和喜悦是短暂的，因为引力作用和电磁作用的区别在科学中还保留着，这同他的世界和谐统一的理想格格不入.它又是那样地引人注目，似乎上帝在同爱因斯坦开玩笑，然而又不是玩笑.不久，在基本粒子的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的图式中.测不准原理——粒子的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的爱因斯坦力学相背离，因为在它们那里粒子的位置和动量可以由初始条件及其互相作用同时地规定.

按照爱因斯坦的想法，相对论的发展有两个方向，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的前提下，不可能存在着物理学的理论基础即是一种场论（相对论的观点），同时又是一种统计性的理论（量子力学的观点），并且二者在一定意义上都是正确的.其二是发展到统一场中去，其目的是要“赋予引力场和电磁场以统一的意义”，“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，但实际上是统一的，就是在物理上坚持物理实在的场论纲领，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爱因斯坦以来的大多数物理学家.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）统一到一起的努力，就成为了现代物理学的源头和活力，试看现在的所谓量子引力论、超弦理论、现代宇宙学等，都是发源于此的.然而，从因果性原理的角度上看，相对论与量子力学的理论基础，正如我们所看到的那样，是无法达到统一的.相反，相对论与牛顿力学的因果观，从根本上讲是相同的，它们共同的一致的基础是因果性的绝对概念，因此用时间和空间的形式来描述物体（即质点）的运动就成了它们惟一的途径和方法.这样看来，相对论与量子力学的矛盾，也可以说是传统物理理论与量子力学的矛盾，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的理论为经典物理学.如此看来，相对论的两个方向的发展目标，特别是相对论与量子力学的融合，如果不改变传统的绝对的因果观念，显然是无法达到的.然而，把一种相对性的因果观念贯彻到物理学的所有方面，必然要产生新的现代的物理学.

爱因斯坦明确而坚定地指出：物理学的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的不可逾越的困难，是物理学研究的唯一方向，如果没有统一场就没有物理学，没有“统一场”的建立，物理学最终将面临的不可逾越的困难.杨振宁说，爱因斯坦有关统一场论的工作并不太成功，但他是如此沉迷于统一场论，这种沉迷将持续对21世纪的理论物理学产生巨大影响，他的思想还将统治基础物理学的前沿.杨振宁高度评价爱因斯坦的统一性思想，他说：“曾经有一段时间，在一些人中有这样的印象，认为统一的想法是在爱因斯坦的老年侵袭了他的某种成见.是的，它是成见，但这是关于理论物理学的基本结构应该是怎样的一个有洞察力的成见.我还要加上一句，这种洞察力是今天物理学中经常出现的主题.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》的著作中却认为，在爱因斯坦逝世后好几十年的现在，比起在其生命的最后二十年期间所应得到的信任来说，物理学的许多分支更加意识到他那富有生命力的作用.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的碰撞，却共同推动着人类文明的发展.

毫无疑问，广义相对论与量子论的统一至今仍是理论物理界的研究热点.”物理学家常常会“围绕‘量子场论本质上是关于粒子还是关于场的理论’这个问题产生激烈的争论.”当前物理学界很多人反对爱因斯坦相对论，一方面是因为，爱因斯坦自己都承认了相对论失败；另一方面是因为，爱因斯坦相对论的理论出发点不够简单，其多个彼此独立的基本假设不统一.同时也有很多人质疑用不可观测量建立起来的量子论，即认为我们应当完全用可观察量来建立理论.爱因斯坦说：“物理学统一基础的建立看来却的确很渺茫.而且这种情况又由于随后［爱因斯坦与以玻尔为首的哥本哈根学派之争］的发展而更加恶化起来.二十世纪的发展是由两个在本质上各自独立的理论体系来表征的，那就是［宏观的］相对论和［微观的］量子论.这两个体系彼此没有直接的矛盾；但是似乎很难融合成一个统一的理论.”其原因的确主要出在爱因斯坦的相对论理论，即爱因斯坦承认道：“［相对论］这理论直到现在还未提出一个关于物质的原子论性结构的解释.这种失败，也许同它对理解量子现象至今尚无贡献的这一事实有关.”

物理学和哲学博士、德国比勒费尔德大学的梅纳尔·库尔曼（Meinard Kuhlmann）教授说：“首先，基本粒子和场的分界含混不清.量子场论为每种基本粒子都配上一个相应的场，因此如果有电子就一定有电场.而从另一角度来说，力场并不是连续的，而呈量子化，因而产生了像声子（phonon）这样的粒子.如此一来，粒子和场的区分看起来就是人为定义的［按：即没有从公理出发的演绎推导证明］，物理学家常常会谈论这两个概念哪个更基础.围绕‘量子场论本质上是关于粒子还是关于场的理论’这个问题，产生了激烈的争论，论战的双方都是物理学和哲学领域的著名人物，俨然一场巨人之战.直到今天，我们在描述中仍然使用粒子和场这两个概念，尽管大多数物理学家都承认，这些经典概念并不符合量子场论描述的内容.如果我们对‘粒子’和‘场’的传统认知观念并不符合理论描述，物理学家和哲学家就必须弄清楚用什么来取而代之.”《辞海》“场”条目：“场，物质存在的两种基本形态之一.”《辞海》“实物”条目：“实物，物质存在的两种基本形态之一.……与场（物质的另一种形态）既有区别又有联系，并能互相转化.”内蒙古大学物理系冯启元说：“实物是以颗粒状运动方式（粒子性）存在的，场则以波动方式（波动性）存在.”[4]实物与场是按照观察到的运动形式来区分（定义）的.（举个简单的例子：同样是空气物质，对于空气流动形式（流形）而言，则为实物的运动形式；对于声音传播而言，则为场波动的运动形式.又如水流为实物运动形式，投入水中的石子为实物运动形式，石子激起的水波为场波动形式.）

英国著名物理学家狄拉克（P. A. M. Dirac，1902—1984）说：“我相信，几率幅度概念也许是量子论的最基本的概念.”他论述道：海森堡的理论表述中的基本量是矩阵元，这些矩阵元的模数通常是复数.薛定谔波动函数的模数也是复数.我们取这些模数的平方就得到一个实数，这个实数决定着一个发射过程或者一个吸收过程的几率，例如得到电子处在某一位置或者具有某一动量值的几率.人们不断地在计算出几率，但是在得到几率之前，他得有另一种被他取其模数平方的量.这另一种量叫做几率幅度.狄拉克还说：“现在有很多物理学家采取海森堡原来的观点，即认为我们应当完全用可观察量来建立理论，但是他们并没有严格地坚持这一观点.他们说，让我们完全用几率幅度来建立理论，而几率幅度是同可观察的几率有联系的［?］.今天理论物理学的困难是同高能过程有关的，在这种过程中，极小的距离起着重大的作用.为了进行这种高能实验，人们拿来一个靶，用一些粒子射击它，然后看一看从这个靶上打出了什么.实验的结果在于观察你用不同的东西打进去的时候从靶上产生出各种不同东西的几率.……同这些几率幅度相联系的几率一般并不是可以直接观察到的东西，它们是关于假想实验结果的几率.你拿来薛定谔波动函数，取它的模数的平方，把它解释为在某一时刻原子中的各个电子处于一定位置的几率.可是，却没有一个实验能够告诉你这些粒子在某一时刻处于一定位置的几率是什么，这些几率被设想为一个完备理论的建筑块料，它们指的是实际的实验范围之外的假想几率.不过，我们还是得到了关于它们的某种图象.……我十分相信，当前量子理论所面临的困难以及作为量子论和相对论之间的阻力而出现的困难要得到克服，就必须进行变革.”

科学或者说物理学之所以能够诞生，就是因为人们总是想以一种最简单的定律来描述更多的现象.用牛顿的话来说，我们需要用最少的原因描述最多的现象.这就是物理学最抽象的地方.越是最厉害的理论，也就是越底层的理论，越是能够解释越多现象的理论.牛顿发现了万有引力定律，不仅地上的物体满足这个定律，天上的物体也满足.这就是物理学发现的第一个普适的相互作用定律.做到了这一点，第一个物理学体系才真正建立起来.

在电磁学定律发现的过程当中，人们发现电和磁现象不过也是同一个东西的一体两面.电能转化成磁，磁能转化成电.因此它俩本质上是一个东西，即电磁场.它们的力学表现是电磁相互作用.在物理学后面的发展过程当中，追求理论的统一性，在某种程度上遵循了还原性的研究方法，总是能够极大的促进物理学的发展，或者说这就是物理学理论本质的要求.爱因斯坦之所以能够提出相对论，就是因为发现了牛顿力学的时空观跟麦克斯韦理论相冲突的地方，并提出了新的时空观，修正了这个冲突.之后的弱相互作用和强相互作用的发现，以及弱电统一理论的发现都是基于这个思路.所以这个问题的答案是，物理学之所以能够诞生，之所以能够发展，就是因为追求理论的统一性.目前物理学的重大发展还都是以还原论为主.像很多做凝聚态的人觉得应该要追求另外一种新的研究思路，经常说more is different.但凝聚态物理并不算是物理学当中最基础且底层的学科，它是构建在很多底层基本理论之上的一门学科.因此本人在这里有一个观点，正是由于在构建统一理论的不成功，因此才导致了凝聚态物理中萌发出这样的观点.但是凝聚态物理这种观点，也并不是说保持世界的多样性.

想要保持世界的多样性其实暗含了一种不可知论，也即我们不能够了解这个世界各种事物之间的关联定律，这是跟物理学本质要求是冲突的.可惜的是由于长时间的统一理论构建的失败，越来越多的做物理的人走向了一种不可知论的观点.但其实我们看历史上，构建一个相互作用的基本理论是需要很长的一段.