《一只大象——体系与体系的对话》内容简介

《一只大象——体系与体系的对话》
——李春生著

这是一本特别的物理科普书。和《七堂极简物理课》这类无立场解读的科普书不同的是,这本书以旁观者的角度对物理学发展史进行了重新梳理,还原了一些不为人知或被扭曲的历史细节,提醒人们注意“证实性偏见”的危害性。

盲人摸象的故事大家都知道,4个盲人只能够通过手的触摸来探知大象到底长什么样。摸到耳朵的,觉得大象长得像一把扇子,摸到鼻子的觉得大象长得像蛇一样,而摸到身体和摸到腿的,大象在他们看来,就如同墙壁和柱子一样。四个盲人争吵不休,谁也无法说服谁。同样,我们生存在同一个宇宙,却存在着经典物理学、相对论、量子力学和弦理论4种互不相容的物理理论。哪一种理论可以自洽地解释这个宇宙?哪一种理论才是唯一正确的终极理论呢?

证实性偏见

“证实性偏见”是指个人(包括学者)在主观上支持某种观点的时候,往往倾向于寻找那些能够支持自己原来的观点的信息,而忽视那些对己不利或矛盾的信息,以支持自己想法的现象。

1919年,在对日全食的观测中发现了星光偏折现象,这被认为是证明时空弯曲的证据,这也是相对论被认为是正确理论的转折点。问题是,如果时空空无一物,是什么东西弯曲了呢?时间如何弯曲呢?时间可以违反因果律吗?

对星光偏折现象,有没有更自洽的解释呢?

我们知道,根据费马最小光程定律,在不同的空间媒质中光的传播速度不同,光线的传播路径应是使光尽快地传到终点。根据光的波动理论,空间介质密度越高,光速越慢,空间介质密度越低,光速越快。以地球大气层为例,越接近地面大气密度越高,距离地面越远(高度越高)大气密度越低。

薛定谔认为:当光从太空进入大气层越深,空气的密度越大,光的传播速度越慢。虽然在传播速度上差异很小,但是根据费马原理,光线应向地面弯曲。这样,虽然在光速大的较高的大气层中路径较长,但也要比原比沿着较直线路径的光更早的到达终点。诸位一定看见过太阳落到地平线时不是圆的而是扁的,看起来垂直方向的直径好像缩短了,这正是光线弯曲的结果……根据光的波动理论,严格地说,光线只是虚构的意义,光线不是某些粒子的物理路径,而是一种数学图形,即所谓波阵面的正交轨迹,也就是想象的有指向的线。有向线垂直于波阵面,指向波的前进的方向。

[摘自薛定鄂《薛定鄂讲演录-波动力学的基本思想》207~208页(包含图片)]

如果空间由物质构成,解释空间弯曲的原理就非常简单了,根据费马最小光程定律,空间媒质的密度越大,光的传播速度越慢,光线应向空间媒质密度大的方向弯曲。空间媒质密度的不均匀造成了不同传播路径上的光的速度不同,形成折射现象,这就是星光偏折现象的形成原理。

时间是否会有快慢呢?宇宙空间空间探测器靠近恒星时会产生通讯延迟现象,这被认为是时间变慢的证据。我们知道,最短的距离是直线,弯曲的路径路程会变长,在速度不变的前提下,更长的路程需要更长的时间。根据费马最小光程定律,光的路径如有很小的偏差(偏离直线),所需时间就会增加,造成传播时间的延迟。同样原理,一块凸透镜的折射也会造成光程的增加,也会造成光的传播时间延长。因此,宇宙空间探测器的通讯延迟现象仅仅是因为更长的路径需要更长的时间而已,这就是时间变慢的真相。我们能说地球大气层是因为地球的引力作用而发生了时空弯曲了吗?我们能说海市蜃楼是因为时空弯曲了吗?我们能说一块凸透镜是时空弯曲的证据吗?

综上所述,经典物理学的波动力学可以更自洽地解释星光偏折现象和宇宙空间探测器的通讯延迟现象,这是客观常识,是非常简单的光学现象。

两种解释孰优孰劣可以说一目了然,但是,人们接受的是哪一种解释呢?人们认为哪种理论正确呢?结论让人震惊,是相对论!人们总是使用经典波动力学来解释自然现象,却相信相对论完全正确。问题出在哪里呢?

我们只有一个宇宙,却有四种互不相融的理论,哪一种才是唯一正确的理论呢?

《尼罗河上的惨案》这部悬疑片的破案前提是所有人都有作案嫌疑,不能有不证自明的“好人”。寻找真相时我们必须保持怀疑才能避免“证实性偏见”。理性告诉我们,所有的理论解释的都是同一个宇宙。目前没有哪种理论符合终极理论的标准,因此,我们必须承认,现有的物理理论并不完美,也不存在完全正确且神圣不可侵犯的理论。

奇怪的现状

2017年,一位物理教授在一次关于什么是物理学的演讲中谈到,希望在21世纪,量子力学和相对论能成为科学常识。这个愿望让人奇怪,为什么这两个理论现在还不是科学常识呢?目前的科学常识是什么?答案是经典物理学。

我们提起伽利略、牛顿、惠更斯、菲涅耳、托马斯·杨、法拉第、麦克斯韦、普朗克、薛定谔等经典物理学家的名字人们就如雷贯耳。经典物理学是一个包括力学、热力学、声学、光学、电动力学等学科在内的理论体系。理论严谨、明晰,这就是科学常识。如今,从家用电器到宇宙飞船,人类的科技都建立在经典物理学的基础之上。但是,经典物理学却处在理论物理学鄙视链的最底端,相对论和量子力学认为经典物理学是一个落后的理论,弦理论又认为相对论和量子力学终将会被弦理论所取代。同学们觉得惊讶吗?

量子是什么?目前的标准答案是量子具有波粒二象性。但是,这个答案早已经过时了。弦理论认为量子既不是粒子也不是波,而是不同振动模式的弦。因此,从20世纪80年代开始,量子就具有了波、粒、弦三象性。哪一种答案正确呢?对同一只动物,我们能说它是鹿,是马,又是驴吗?现实是这三种解释并存,人们并没有确认哪一种解释是唯一正确的解释,现实就是这样荒谬。

各个理论的量子是什么模样(图像)呢?

经典物理学的电磁波的图像是这样的:

量子力学的粒子震荡图像是这样的:

弦理论的弦的图像的是这样的: 1.开弦图像

2.闭弦图像

经典物理学的环状驻波图像是这样的:

相对论的量子呢?抱歉,相对论没有量子的具体图像。

综上所述,除了相对论,其他理论的量子图像完全相同。但是,粒子学家们顽强地用频率和波长来描述他们心中那些实实在在的粒子;弦理论学家们顽强地用频率和波长来描述他们心中那些实实在在的弦。对同一种事物,各理论的描述却完全不同,问题出在哪里呢?当我们在科学探索中迷失方向的时候,我们是否应该审视曾经走过的每一条路,反思在每一个路口的抉择呢?

矛盾的焦点:波粒之争

光是什么?水波是水在上下波动,声波是空气在振动。波必须要有振动的媒质,光可以在宇宙空间中传播,对波动说来说,宇宙空间必然存在着某种媒质。因为任何惯性粒子在非真空空间中都会因为阻力而无法保持恒定速度,因此,粒子说必须建立在无一物的真空的基础上。必须注意的是,“有”的反义词是“无”,“无”的反义词是“有”,不能是半有或半无,空间要么由物质构成,要么是空无一物的真空,不存在自欺欺人的充满了物质的“真空”或“虚空”。因此,粒子说和波动说争论的焦点是空间性质之争,空间是空无一物的真空还是由某种物质构成将决定粒子说和波动说的命运

第一次波粒之争

15世纪,笛卡尔认为物体之间的所有作用力都必须通过中间媒介物质以太来传递,不存在任何超距作用。以太虽然不能为人的感官所感觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对潮汐的作用力。英国物理学家胡克提出了光波是横波,解决了纵波不能解释的光的偏振现象和直线传播现象。这一时期的以太称为“发光以太”或“光以太”。 不幸的是,早期的波动说遇到了一个划时代的科学巨人——牛顿,他认为光是一束高速运动的粒子流。随着《自然哲学之数学原理》的巨大成功,以及引力的平方反比定律在天体力学方面的成功,牛顿成为学界的权威,光的波动说被放弃,第一次波粒之争以牛顿为首的粒子说的胜利告终。

第二次波粒之争

1801年,托马斯· 杨在《声和光的实验和探索纲要》一书中的宣言中写到:“尽管我仰慕牛顿的大名,但是我并不因此而认为他是万无一失的。我……遗憾地看到,他也会弄错,而他的权威有时甚至可能阻碍科学的进步。” 托马斯· 杨做了一个实验,他把一支蜡烛放在一张开了一个小孔的纸前面,形成一个点光源。第二张纸上开了两道平行的狭缝。点光源的光穿过两道狭缝投到屏幕上,就会形成一系列明、暗交替的条纹,这就是著名的双缝干涉条纹。

当今,即使是精确地用单个的光子或电子也会产生同样的明暗干涉条纹。没人能够用粒子说的逻辑解释两道光叠加在一起怎么反而造成了黑暗。而波动说的解释却是简单而直接的——两条狭缝距离屏幕上某点的距离会有所不同,当这个距离差是波长的整倍数时,两列光波正好相互加强,于是这个位置就会出现明亮条纹。反之,当距离差刚好造成半个波长的相位差时,两列波就正好相互抵消,这个位置就会出现暗的条纹。理论计算出的明亮条纹距离和实验值分毫不差。托马斯·杨的双缝实验、菲涅耳的泊松亮斑和傅科对光速的测量都证明光是波。第二次波粒之争以波动说的胜利告终。19世纪末,随着麦克斯韦电动力学的成功,波动说处于绝对的主导地位。经典力学、经典电动力学和经典热力学成为经典物理学的三大支柱,经典物理学达到最鼎盛的时期。

第三次波粒之争

但是不久,经典物理学的天空飘来了两朵乌云。第一朵乌云——迈克尔逊——莫雷实验导致了狭义相对论的降生,第二朵乌云——“紫外灾变”问题导致了量子力学的降生。

1859年的斐索实验证明,光的速度会与空间介质的运动速度叠加或递减,即光的速度会增快或减慢。按照托马斯·杨的“以太漂移假说”,以太作为绝对静止参照系,星体与以太空间会产生绝对运动。例如地球的自转,地球表面必然会遇到每秒30公里的“以太风”。如何检验是否存在“以太风”呢?1879年,麦克斯韦提出了一种检验方法:让光线分别在平行和垂直于地球运动方向等距离地往返传播,如果存在每秒30公里的“以太风”,那么平行于地球运动的方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间。1884年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷在美国凯斯技术学院的地下室里进行了这个实验。实验结果显示并没有在两个方向上测量出光速的差异,这意味着地球表面与以太并无相对运动。

1905年,狭义相对论诞生。1919年,爱因斯坦预言的星光偏折现象被“证实”,并因光电效应荣获若贝尔奖,他认为‘光以太’是多余的,爱因斯坦的断言和迈——莫实验的结论判处了以太的“死刑”。随着原子领域的新发现,原子核的质子和中子及各种亚原子粒子都显示出物质的粒子性。随着量子力学(哥本哈根学派)的成功,波动说日渐势微。但是,因为粒子说的所有理论均无法自洽地解释双缝干涉实验,因此,第三次波粒之争的结果是量子具有波粒二象性,这是一场平局

尴尬的现实

1900年,普朗克提出辐射量子假说。假定电磁场和物质交换能量是以间断(非连续辐射)的辐射(能量子)实现的,能量子的能量大小同辐射频率成正比。普朗克认为能量子是一种并不连续辐射的波,后来他又提出万物皆是波。1905年,爱因斯坦提出了光量子慨念,他认为光量子是一种粒子。量子力学由此建立。

需要注意的是,存在两种量子力学,一种是波动说的量子力学,即普朗克、德布罗意、薛定谔的物质波理论和玻姆的隐变量理论;一种是粒子说的量子力学,由玻尔、海森堡和玻恩的哥本哈根解诠释、费曼的路径求和解释、埃弗雷特的平行宇宙理论、惠勒的延迟实验解释,多历史解释、多维度解释和多伊奇的超级大脑解释等互不相融的解释构成。虽然量子力学的数学公式全部使用的是波动力学方程,但是,因为粒子说逐渐主导了话语权,因此,人们在谈到量子力学时一般指的是粒子说的量子力学。量子学者们一般也自称为粒子学家。

现在我们简要介绍一下粒子说的量子力学的几个主要理论(解释)。

哥本哈根诠释:当不去观测粒子到底通过了那条狭缝时,它就会同时通过了两条狭缝并产生干涉条纹;当去测量粒子具体通过哪条狭缝时,粒子就选择一条狭缝穿过而不会产生干涉条纹。测量是哥本哈根诠释的核心,测量行为“创造”了整个世界。例如,只要不观测,月亮就处于存在与不存在的状态。有趣的是,人择原理必然推导出神择原理,因为宇宙需要一个无处不在的有智能的观测者以让宇宙的每个角落同时保持存在。

延迟实验解释:人择原理的增强版。所谓的“延迟”指的是粒子通过双缝后再来选择粒子究竟是通过了一条缝或是同时通过了两条缝,即用结果决定原因。

路径求和解释:为了摆脱观测者,费曼的解释是粒子从A地运动到B地,它并不具有经典理论中所描述的那样有一个确定的轨道,而是一种所有可能运动路径轨迹的叠加。 平行宇宙理论:为了摆脱观测者,埃弗雷特的解决办法是,粒子穿过双缝的一瞬间,宇宙就在瞬间分裂为两个一模一样的宇宙,在一个宇宙一个粒子从左边缝隙穿过,另一个宇宙里一个粒子从右边缝隙穿过来绕过双缝难题。请注意,从双缝分裂后的平行宇宙永远分离并且不再相关联,另一个粒子如何回到同一个宇宙并产生干涉条纹呢?

多维度解释:让两个粒子分别穿越不同的空间维度来替代平行宇宙理论分裂后无法再合并的两个宇宙。即让一个粒子变成“鬼”粒子穿过抽象的n维空间来绕过双缝难题。

以上这些基于粒子说的解释都不过是双缝干涉实验的不同解释版本,都纠结于一个粒子怎样同时穿越两条狭缝,问题是,两条狭缝的解释都不能自洽,一副偏光眼镜有数十万条狭缝,为什么一粒光子同时穿越了十万条狭缝同时到达了我们的眼睛呢?还有,这些解释无一例外的都无法解释一个粒子如何产生干涉条纹。正确的答案只有一个,哪一种解释是唯一正确的呢?

《寻找薛定谔的猫》的作者约翰·格里宾总结道:“许多量子学家设计一些实验并不是为了解释疑惑,而是想告诉众人量子力学的本质就是奇异性的。他们认为量子理论最显著的特征之一就是存在着许多关于这种存在‘究竟意味着什么的’的不同解释。就其哲学基础而言,这些解释之间大多是相互矛盾的。量子理论看起来对许多相互之间相互排斥的解释都是允许的。就像在实验中光子同时通过双孔(双缝)一样,在某种意义上,所有的解释都是正确的,有一些物理学家并不试图说明哪一些解释是正确的,而是建议我们从各种不同的解释中多少了解了解一下量子世界,将所有的观点都考虑进去,将其看成各种可能的叠加。事实上你可能会发现有少数物理学家(这些人根本就不愿意去思考这些事情)顽固地坚持一种观念,那就是他们所喜欢的那种解释才是正确的,而其他的解释‘显然’都是错误的。”[《寻找薛定谔的猫》354页]

滑稽的是,这些逻辑上不能自洽、并且相互矛盾的解释都被成了科学理论,在科幻小说里大行其道,广受追捧。令人遗憾的是,过去都是江湖骗子们装神弄鬼,但是现在,一些科学工作者也在故弄虚玄。有些人甚至认为“既然宇宙中还有95%的我们不知道的物质,那灵魂、鬼都可以存在。既然量子能纠缠,那第六感、特异功能也可以存在。”由此看来,物理理论的混乱现状的确使一些人的认知崩塌了。

细节里的魔鬼:迈克尔逊——莫雷实验

迈克尔逊——莫雷实验结果显示并没有在两个方向上测量出光速的差异。问题出在哪里呢?事实上,当时还有两种以太假说

1.“以太部分曳引假说”。菲涅尔认为以太绝对静止,当一个物体相对以太参照系运动时,其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动。

2.“以太完全曳引假说”。英国物理学家乔治·斯托克斯认为把以太分成不动(以太漂移假说)和可动(以太部分曳引假说)的两部分不如假设星体能够完全拖曳一部分以太,在物体表面附近的以太有一个速度逐渐减慢的区域,星体曳引周围的这部分以太一起运动,而距离星体更远空间中的以太则完全静止。即在地球表面,以太与地球具有相同的速度,即地球完全曳引这部分以太。只有在离开地球表面某一高度的地方,才可以认为以太是静止的。[《狭义与广义相对论浅说》导读第17页]因此,在地球表面附近的以太空间与地球并无相对运动。

还有,迈——莫实验在美国凯斯技术学院的地下室里进行,除非地球如同托马斯·杨所认为的那样是一种镂空结构,以太“就像风穿过小树林”一样穿过地球这种镂空结构到达地下室内,否则,实验就不可能在地下室里测量到“以太风”的存在。这和在一个密封的盒子里测量风速一样滑稽。根据“以太完全曳引假说”,迈——莫实验根本不可能在地球表面检测到“以太风”。

请注意,迈——莫实验是以1859年的斐索实验为基础的实验。前者是观察光速是否受到传播介质运动的影响来验证空间介质是否存在相对运动,后者是制造空间介质的运动来验证光速是否受到传播介质运动的影响。斐索实验证明运动的介质会改变光的传播速度,这意味着真空中光速不变原理并不成立。请注意,正是在已知空间介质会影响光速和使光的方向产生偏移的情况下,迈——莫实验才得出了空间介质与实验装置并无相对运动的结论。如果斐索实验不能证伪光速不变,那么迈——莫实验也就不能证伪以太,哪种结果对相对论来说都是灾难。但是,“以太完全曳引假说”和斐索实验被选择性遗忘了,这就是“证实性偏见”的魔力。

被隐瞒的真相:广义相对论以太

证伪以太的实验证据只有迈——莫实验,还有就只有爱因斯坦的思想假设了。人们不敢相信的是,以太的掘墓人和以太的拯救者竟然是同一个人。

1905年,爱因斯坦认为:企图证实地球相对于“光媒质”运动的实验的失败,引起了这样一种猜想,绝对静止这概念,不仅在力学中,而且在电动力学中也不符合现象的特性……“光以太”的引用将被证明是多余的。因为按照这里所要阐明的见解,既不需要引进一个具有特殊性质的‘绝对静止的空间’,也不需要给发生电磁过程的空虚空间中的每一个点规定一个速度矢量。[《狭义与广义相对论浅说》194~195页]

从狭义相对论的观点来看,以太假说首先是一种无用的假说。[《狭义与广义相对论浅说》174页]

以上是爱因斯坦的早期观点。

1921年,爱因斯坦又宣布:但是,否认以太的存在,意味着承认空虚空间绝对没有任何物理物质,这种见解不符合力学的基本事实……为了至少能够在形式上把体系的转动看成某种实在的东西,牛顿就把空间客观化了。既然他认为他的绝对空间是实在的东西,那么在他看来,相对于一个绝对空间的转动也就该是某种实在的东西了。牛顿同样也可以恰当的把他的绝对空间叫做以太 。[《狭义与广义相对论浅说》175页]

狭义相对论并不一定要求否定以太,可以假定有以太存在,只是必须不再认为它是确定的运动状态……狭义相对论不允许我们假定以太是由那些可以随时间追踪下去的粒子所构成的,但是以太假说本身同狭义相对论并不抵触,只要我们当心不要把运动状态强加给以太就行了。[《狭义与广义相对论浅说》173~174页]

依照广义相对论,一个没有以太的空间是不可思议的,因为在这样一种空间里,不但光不能传播,而且量杆和时钟也不可能存在,因此也就没有物理意义上的空间-时间间隔。[《狭义与广义相对论浅说》177页]

广义相对论以太是这样一种媒质,它本身完全没有一切力学和运动学的性质,但它却参与对力学(和电磁学)事件的决定。[《狭义与广义相对论浅说》176页]

请注意,当爱因斯坦将以太以“广义相对论以太”的名义复活后,就没有任何证据可以撼动以太地位的力量了。唯一对以太不利的东西只有人脑中陈旧且不能及时更新的观念。

波动说与粒子说争论的焦点是以太和真空之争,如果空间由“广义相对论以太”构成,相对论和量子力学的立论基础都会崩塌。因此,除了爱因斯坦在自己的[《狭义与广义相对论浅说》有介绍以外,粒子学家们对这个可以摧毁粒子说理论的“广义相对论以太”绝口不提,绝大多数人根本没听说过这个词,更不敢相信它竟然出自以太掘墓人之口。

重正化的真相

关于能量和动量。目前,在宏观领域,经典力学的牛顿力学公式E=1/2mv²不可替代。E表示能量,1/2是系数,m表示质量,v表示速度。从日用电梯到火箭宇宙飞船,从扔块石头到子弹、穿甲弹的能量(动量)计算依赖的都是牛顿力学公式,这个没有争议。微观领域,因为光子和电子无法称量,所以光子和电子的能量计算依赖的都是普朗克E=hν公式。E表示能量,h是频率,ν是普朗克常数,即能量=频率×普朗克常数。人们期待用一个公式来统一宏观和微观世界。E=mc²公式可以转换为M=ec²和C=em²,不仅简洁,思路也相当新颖,可以把质量和能量统一在一个公式里,所以备受推崇。但是,问题来了,E=mc²的E表示能量,m表示质量,c表示的是光速(约30万公里/每秒)。公式中只有一种速度,即能量=质量×光速。任何有质量的物质乘以光速都会得到无穷大的结果,无质量的物质(例如光子)则无法计算。我们知道,根据相对论,把任何有质量的物质加速到光速,需要无穷大的能量。这个结论怎么来的?是不是很吊诡?好了,既然大家都认为相对论是正确的理论,那么不使用E=mc²公式是说不过去的。于是,人们想到了一个“解决”办法。费恩曼和他的同事们提议说:“不管在什么情况下,只要这个讨厌的无穷大出现,我们都可以通过引入电子的已知质量来回避这个问题。在现实中,你也许会把它叫做蒙混过关,不过理论上我们称之为重正化。这只是我们遇到讨厌的无穷大——这个在现实中绝对不会出现的情况时所采取的一种数学辅助手段。不过别担心,这种方法是行之有效的,并且在和上面所提及的精密计算吻合的相当好。就这样,我们回避了质量问题,但并没有解决它。它仍像一颗滴答作响的定时炸弹,随时可能引爆。”[《上帝粒子》291页]需要说明的是,电子的已知质量由普朗克E=hν公式得出。简单的说,重正化就是人们可以心安理得地声称计算结果是根据E=mc²公式得出,但是实际上使用的却是普朗克E=hν公式的计算结果。E=mc²公式根本无法在实践中应用,这是物理界半公开的秘密,但是没人敢于说破。

粒子学家利昂·莱德曼认为:
1.(量子力学)它是反直觉(反常识)的;
2.它是适用的;
3.量子力学还存在一些问题。
[《上帝粒子》第187~192页 ]真相是,适用的是波动说的波动力学方程,因为粒子说的量子力学使用的数学公式全部是波动力学方程。

双生子佯谬与动钟变慢假说

根据相对论,A的运动意味着B的运动,A和B具有绝对的相对性。1911年,法国物理学家朗之万以其之矛攻其之盾指出,如果A因为运动而时间变慢,那么B也将因运动而时间变慢,这就是双生子佯谬。但是,现在这个思想实验却被后人扭曲成解释动钟变慢“原理”的教材。运动会使时间变慢吗?我们知道,地球有自转,也围绕太阳旋转,太阳系又围绕着银河系的中心旋转,星系又如同一粒尘埃在宇宙空间中飘零。宇宙中没有绝对静止的物质,所有的“钟”都处于相对运动状态,所有的“钟”都是“动钟”,只有假设地球绝对静止时(即回到地心说),“动钟变慢”假说才有可能成立。事实非常简单,但是就是没人敢去质疑,“证实性偏见”无处不在。

怎样评价相对论呢?我们还是看看1951年12月12日爱因斯坦写给老朋友兼知己米歇尔·贝索的信吧:这50年来,冥思苦想并没有让我接近这个问题的答案,什么是光量子?当今任何一个普通人,都认为他知道这个答案,但是他是错的。”[《时间之箭》123页]请注意,人们头脑中的光粒子——光量子的槪念正来自爱因斯坦。一个人最大的悲哀在于,当生命将要终结时,才发现他所经历的一切都不过是一场梦境,一生的心血随着梦醒时刻而烟消云散。

特洛伊木马:弦

上世纪80年代,弦理论异军突起。弦理论是弦理论、超弦理论和膜(M)理论的统称。弦理论认为,既然波动说和粒子说都不能自洽地解释宇宙,那么,宇宙万物应由另一种物质——弦构成。弦的不同共振模式构成不同的粒子和力荷。

当前,物理学者(包括粒子学家)在演讲稿的末尾总是不忘提到弦理论,认为构成物质的最小单元是振动的弦,人们会误以为微观世界粒子以下是更小的弦。事实上,弦理论用不同振动模式的弦一对一地来替换量子力学粒子标准模型中的粒子,用弦的标准模型替换粒子标准模型。弦理论一个试图统一相对论和量子力学而成为万物理论——终极理论。弦理论真的可以成为终极理论吗?

问题是,哪种弦理论都无法解释无线电波、红外线、可见光等电磁波,也不能解释波的衍射和偏振现象。更致命的是,构成宇宙的最基本物质——弦理应随处可见,但是在客观世界中却没有发现任何形式的弦,也无法验证。不过,弦理论无意间在数学上解决了薛定谔的二次量子化难题(第1次量子化是薛定谔用不同波长的波包来表征粒子。第2次量子化是当量子以波的状态穿越双缝后,因产生干涉而无法恢复到粒子状态。),拯救了经典物理学同时也拯救了弦理论自己。事实上,弦和波一样有波峰、波谷、振动的频率和波长,事实上,弦就是波,波就是弦。也许,波动说正借助弦这个特洛伊木马卷土重来,第4次波粒之争将以波动说的胜利来终结所有的争论。

怀疑与批判

理论物理学目前的现状是没有一个理论可以自洽地解释宇宙所有问题。虽然各个理论的观点互不相融,但是谁也无法证明其他理论的错误,大家处于一种和谐共处的“共和”状态。既然所有的理论都是正确的理论,为什么它们又都不是可以自洽地解释宇宙所有问题的终极理论呢?为什么还有那么多问题无法解释呢?相对于突飞猛进的应用物理学,理论物理学处于停滞状态。是什么阻碍的科学的发展呢?

是我们的科学范式出了问题吗?

目前理论物理学的基本共识是:

1.(狭义/广义)相对论是完全正确的理论。所有论文或文章的结论必须是相对论是完全正确的理论,其他的可以自由发挥。

2.量子是具有波粒二象性的粒子。请注意,结论是粒子。虽然事实上现在的量子具有波、粒、弦三象性,但是,在一事实并没有影响弦理论学家们把量子看作是振动的弦,也没有影响量子学家们自称为粒子学家。

3.空间是空无一物的真空。无论后来修改为各种各样的“场”、虚空、虚无,甚至称为“以太”,但是,在粒子学家们的脑海深处,空间必须空无一物。因为任何惯性粒子在非真空空间中都会因为阻力而无法保持恒定速度,粒子说只能建立在空无一物的真空之上,空间由任何物质构成,粒子说就无法自洽!把充满空间的物质称为暗物质,意图回避空间由物质构成这一事实。但是,暗物质也是物质,是物质就会被别的物质吸引和吸引别的物质(暗物质光晕证明了这点),因此,暗物质的存在还是意味着空间并非空无一物的真空。

我们知道,如果范式错了,同样的证据往往能得出完全相反的结论;如果范式错了,信息、数据、史料越多,距离真知反而越来越远。

还有一个重要的问题,在经典物理学时代,物理学是从自然现象中发现规律,总结出因果逻辑关系,这些认知构成我们的常识。而相对论、量子力学和弦理论却提出:理论告诉我们能发现什么。这是科学研究思维方式的巨大差异。问题是,理论又从哪里来?脱离客观事实的物理理论都存在无法消除的奇异性。我们必须回答一个问题,物理理论是为解释客观世界呢?还是需要为每一个物理理论创造一个适用这个理论的世界呢?

理论从哪里来?也许,当物理理论回归常识时,理论物理学才能继续进步。

《人类简史》的作者尤瓦尔·赫拉利在2017年指出:“尊重知识、听取学者意见很好,但发展到崇拜任何人的程度都很危险,包括崇拜学者。一个人一旦被推崇为先知或权威,他(她)自己都可能信以为真,进而变得骄傲自大,甚至陷入疯狂。对追随者而言,一旦他们信奉某人为权威,便会自我设限,停止努力,只期待着偶像来告诉他们全部问题的答案和解决方法。即使答案是错误的、方法是糟糕的,他们也会通盘接受。”智慧从怀疑开始,真正的科学精神是怀疑与批判。终极理论不会是一个全新的理论,它就藏在现有的理论之中,当我们以客观逻辑为工具,就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络。

先贤们几千年积攒下来的思想成果滋养了我们的智慧,他们点亮了一个又一个灯塔,指引着人类的发展方向。没有人的观点全部正确,也没有人的观点一无是处。有些观点后来被事实证明是一个个错误,那也是他们在错误的地方树立起了一个个指引正确航道的航标灯。

受伽利略的《关于托勒密和哥白尼,两大世界体系的对话》的启发,这本书也借四个虚拟人物的对话来阐述四大物理理论针锋相对的观点。书中引用均来自权威专著,并采用页下注,这也是能够通过专家审稿并获准出版的原因之一。书中还用一些通俗易懂的小寓言来解析复杂的物理理论,相对来说比较通俗易懂。这本书并非严谨的学术著作,仅为读者提供一个了解物理学的新视角,希望能够给喜爱物理学的同学们带来启发。

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