1、 4、相对论与量子力学的不协调问题物理学最基本的目的是寻求自然界物质运动的统一规律，然而现代物理学拥有一个支离破碎的物理理念世界:超宏观的有天文学的黑洞，宇宙大爆炸;微观的有微观粒子的波粒二象性;介于其间的有狭义和广义相对论。在现代物理学把各个学科的观察分别描述成各种互相独立的力作用系统，而忽略了其中的内在联系。联合国教科文组织在1988年世界科学报告中指出：“相对论和量子理论是20世纪的两大学术成就，遗憾的是这两个理论迄今为止被证明是对立的。”中科院原院长、理论物理学家周光召2005年在中科院理论物理所的一次演讲中所说：“像相对论、量子力学或是量子场论这些最基本的理论，到现在为止，仍有迹象表
2、明都不是最终的理论。无论是基本粒子，还是天体物理，都在不断提供很多新的现象，对这些现象，现有的理论完全无法解释。” 我国一位著名理论物理学家曾表示：“从五十年代开始广义相对论引力论工作者用不同的条件和数学方法发表了数以百计篇的场方程准确解的论文。但是，作者们自己也不得不承认这些解的绝大多数和物理现象没有关系。”如果说目前尚有100道物理难题困扰着人类；然而比起其他99道物理难题来，量子力学同相对论的协调问题乃是所有问题的根本。此问题实乃20世纪人类留给21世纪物理学的第一朵“乌云”。 一位学者说：现在的物理学家应该是这样的一些人，星期一、三、五研究量子理论，星期二、四、六研究引力相对论，星期日
3、就去向上帝祈祷。让别人，最好是他自己能把量子理论与相对论结合在一起。Einstein于1946年就指出：“迄今为止想把量子论和相对论融合起来的一切努力都遇到了抵制”。 【2】30余年后惠勒再次指出：“我们常说，物理学中最大的问题是协调量子论和相对论。我现在更显明地说：量子论和相对论根本不能协调”。 【3】霍夫曼则说：“虽然在我们寻求知识当中，这两个理论一起作出了最深刻的进展，然而它们必将彼此为敌，要等到一个更加有力的理论把这两个理论都征服了，它们的根本分歧才会得到解决。新理论会消除我们现在煞费苦心获得的关于空间、时间、物质和辐射及因果性等的幻想。” 【4】也有人说：量子理论同相对论之间，有着深
4、刻的，尖锐的，灾难性的矛盾。妥善解决量子理论同相对论之间的问题，应该是蕴含了一场科学的革命。李政道提出，在21世纪会出现四个重大的研究领域：目前在原来的物理学框架上，理论发展已经很困难，应该有一个大的突破。应该着眼于微观的基本粒子和宏观的真空态统一起来研究，这比20世纪初的理论革命会有更加大的突破。量子力学的不确定原理，使真空中充满虚实粒子对，它们具有无限大的能量，按照相对论就应该有无限大的质量，进而产生无限大的引力，宇宙就会坍塌成一个点，但实际宇宙并未坍塌。我们的科学被划分成了一个个相对孤立的体系，并不断地进行继续的分化，看起来科学之树越来越枝繁叶茂，但同时也越来越繁琐，越来越孤立。实验和理
5、论的对立统一作为科学发展的内在动力是根本的，也是显而易见的。但是，世纪之交的物理学革命表明，各理论体系之间的对立统一也是科学发展的一种不可忽视的内在动力，它有时也会导致新概念或新理论的提出。客观世界是统一的，作为反映客观世界运动规律的理论必然具有某种内在的联系。这是从表面上的对立入手，追求本质上统一的理论的客观基础。作为演绎前提的基本概念和基本假设变得愈来愈抽象，愈来愈远离感觉经验。仅仅通过实验，用构造性的努力去发现真实定律是相当困难的，甚至是不可能的。着眼于各理论体系之间的对立统一，往往能创出新路。由于种种条件的限制，有关实验在一定的历史时期内不可能实现或一时难以完成。如果要等实验与现有科学
6、理论发生尖锐矛盾时再立足于实验事实进行研究，势必大大延缓科学发展的进程。在这种情况下，从旧有理论体系之间的矛盾入手，往往能取得突破。实验由于设备复杂、要求精度很高等原因，其他人往往难以重复，这样便难于及时得到科学界的公认和受到应有的重视。科学家(包括实验者本人)对新实验的认识有一个曲折的过程，特别是那些触及传统观念的实验，其深刻意义往往需要很久才能被揭示出来。本世纪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
7、，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。广义相对论中应用的是张量算子，而它是以微分学为基础的，这要求空间是光滑的，但是量子力学要求空间的量子化，必然对广义相对论建立的基础产生冲击，量子力学的基本方程是薛定鄂方程，为一波函数的二阶偏微分方程，因为波函数的标准条件是有限，唯一，连续，所以事实上量子化的结论只是波函数求解时为了满足连续这一标准条件所得出的结果运用薛定鄂方程证明波尔的定态假设即是例证。因此，在相对论和量子力学还处于兴盛时期的今天，汲取这些理论的真理性的内容，克服它们所面临的疑难，进一步探
8、索自然界的奥秘，就已经提到当代物理学家的议事日程上来了。在这些种种矛盾和非协调的物理现象背后，存在着一个更为基本的自然层面。所有的问题，如不涉及或深入到这一层面是不可能得出一个完整的解来的。统一目前物理理论中的各个局部理论的工作，不应当是建立在通过修改或扩展某一具体定律来实现的。这里需要的是一个更为有力的思想工具，或说是观念。前苏联科学院院士塔姆说：“我们现在正处在认识自然构造的根本规律的一个新阶段，量子理论、相对论、牛顿理论等等都将作为这些普通规律的一个个特殊情况引伸出来。无法预言新的彻底的物理理论何时才能建立起来，也不知它将如何建立起来的但在全世界有成千上万实验工作者和理论工作者奋战在物理
9、学的这块前沿阵地，这个事实使我们相信，这一时刻已为期不远了”。科学体系越是成就辉煌，魅力无限，它的基本理论就越容易被赋予类似宗教里教义的地位。相对论体系作为一个理论体系并没有完成。从前人继承下来的惯性和惯性运动的起源问题尽管有所发展，但并没有解决。1960年代末以来，发现广义相对论存在时空失去意义的“奇性”，宇宙起源于奇性，星系演化经过黑洞终结于奇性。黑洞不“黑”，任何有序物体掉进黑洞，都变成无序的热辐射发射出来，从而信息丢失。这不仅与物理学理论基础之一的量子力学薛定谔方程的概率流守恒矛盾，也与其他理论冲突。作为量子论和狭义相对论的结合的量子电动力学和量子场论更是如此。一方面，量子电动力学取得
10、了巨大成功，可以给出与实验精确符合的微扰论计算结果，例如：关于电子反常磁矩的微扰论计算结果与实验结果可以符合到十几位有效数字；格拉肖-温伯格-萨拉姆(Glashow-Weinberg-Salam)的弱电模型在很大程度上统一了微观尺度上的电磁作用和弱作用，在相当于1000倍质子质量的能量尺度下与几乎所有实验符合；包括量子色动力学在内的标准模型对于强作用的一些性质也能给出令人满意的结果等。另一方面，与实验精确符合的微扰论计算在理论上却并不成立，微扰级数本身一定会发散。标准模型中有20几个自由参数需要实验输入，其中包括一些极重要的无量纲参数，如精细结构常数、介子与电子质量之比等。为了减少参数的大统一
11、理论或超对称大统一理论，往往会导致质子衰变。可是，实验上一直没有观测到质子衰变现象，也没有观测到超对称粒子，这是为什么？超对称如何破缺？为什么有夸克禁闭和色禁闭？为什么夸克质量谱中存在极大的质量间隙？为什么会有三代夸克-轻子及其质谱？理论上作用极大的“真空”到底是什么?理论上计算的“真空”能量，与宇宙学常数观测值相应的“真空能”相比，高出几十到一百多个数量级，这又是为什么？这些问题都难以回答。诺贝尔奖获得者阿尔文（H.O.G.Alfven）认为相对论“不过是一个小摆设”，“抹杀了科学与伪科学之间的界线”。 德国资深理论物理学家韦斯雷（J.P.Wesley）博士说：“相对论从来不顶用”。量子物理
12、学伯克力物理学教程第四卷，这是美国上个世纪60年代以来大学理工科流行教材。在全书最后的结束语中告诉你一个真实的物理学：“读完本书直至最后一章结尾的读者已初步看到某些近代物理学中最核心的问题，他知道了物理学还不是成熟的学科，存在很多基本问题，这些问题目前还看不到解决的办法。”美E.H.Wichmann 量子物理学（伯克利物理学教程第四卷），复旦大学物理系译，科学出版社，1978年，502页王正行近代物理学（北京大学教材）书末结语最后一段告诫：“尽管相对论与量子力学已经取得了很大成功，但我们还不能把近代物理学看成一门已经完成了的物理学。在当代物理学研究中，绝大部分挑战和机会都是属于近代物理学的。在
13、未来的一段时间内，情况肯定还会是如此。我们还不能肯定地预测在什么时候、在什么问题上将会有原则性地突破。不过，如果在实验上发现对相对论或量子力学作原则上的修改，也不会是完全出乎预料的。在迎接21世纪到来时，近代物理学基础正期待着原则性的新的突破。”王正行编著 近代物理学 （北京大学教材），北京大学出版社 1995年，第 570页狄拉克是一位可以同玻尔、Einstein齐名的著名物理学家，他的最大贡献是建立相对论性电子运动方程（狄拉克方程），并成功的通过方程的负能解预言了电子的反粒子正电子的存在。作为处理数学物理问题得心拿手的物理学大师，他对量子力学问题及其哈密顿描述有着深刻的系统的研究，对量子力
14、学确定性争论问题有着清醒的、独到的深刻见解，还指出含有时间变量的量子力学方程无解，也指出量子电动力学为消除无穷大发散的重整化措施的依据不足。他声名显赫但始终对物理学保持低调，认为现有的自然科学概念存在着成见，是暂时的、过渡的，过分看重这些现有概念是错误的，必须质疑，用更精确东西取而代之。狄拉克这些精辟的观点，集中体现在1972年9月在意大利的物理学自然概念发展的国际讨论会上的发言中：“在回顾物理学的大发展时，我们看到，物理学的发展可以描绘为一个由许多小的进展所组成的相当稳定的发展过程，再叠加上几个巨大的飞跃。当然，正是这些大飞跃构成了物理学发展中最有意义的特征。作为背景的稳定发展大都是逻辑性的
15、，这时人们得出的一些思想都是按照标准的方法从以往的结果推导出来的，但是一旦有一个大飞跃时，这就意味着必须引入某种全新的概念。“这些大飞跃经常是在于克服某种成见。我们曾有自古以来形成的种种成见，我们曾经不加思索地接受了某种东西，只因为它们是如此地显然，不容置疑。然而物理学家发现，必须对这些成见提出疑问，必须以某种更精确的东西来代替这些成见，从而导出某种全新的自然概念。“最后，我愿意对将来的展望略谈几句。物理学家的自然概念的发展当然不会就此止步。所以，对目前的一些概念赋予过分的重要性将是错误的。目前也许不过是一个中间阶段，我们必须认为将来的发展将是根本性的。我想将来的根本性将不亚于从玻尔轨道到海森
16、堡量子力学的发展过程。我不知道我们应该等待多久这些未来的发展才会出现。但是，它们肯定要出现，而且就像我在前面提到的，这些将来的发展可能对决定论与非决定论的争论给予新的启示。“人们常常试图找出得到这些新概念的途径，有些人在当前量子力学的公理体系概念上下功夫，我认为这不会有任何效果。你们只要想象一下过去有人曾在玻尔轨道理论的公理体系上下过功夫，他们决不会想到把不可对易的乘法作为他们的公理之一提出来接受挑战。同样，将来的任何发展都必然会涉及改变某种东西，而这种东西到目前为止，人们还不曾提出过异议，它们不会由公理体系显示出来。”P.A.M.Dirac 物理学家自然概念的发展，载于中国科大 现代物理学参
17、考资料 第一集，科学出版社，1976年，第1页Einstein曾多次表示，他的理论绝不是完美无缺的终极理论，它们将来一定会被其他更完善的理论来代替。当年还是无名小卒的罗素将“理发师悖论”论文寄给德国著名逻辑学家特洛伯.弗理兹，此时特洛伯.弗理兹已完成他的最重要著作算法基础，自认可以作为整个数学的基础，准备付印。看完罗素信特洛伯.弗理兹一声长叹，便在书的最后加上一段话：“一个科学家所遇到的最不合心意的事，莫过于在他的工作即将结束时发现其基础崩溃了，我把罗素的来信发表如下.”。在这些种种矛盾和非协调的物理现象背后，存在着一个更为基本的自然层面。所有的问题，如不涉及或深入到这一层面是不可能得出一个完
18、整的解来的。统一目前物理理论中的各个局部理论的工作，不应当是建立在通过修改或扩展某一具体定律来实现的。这里需要的是一个更为有力的思想工具，或说是观念。郭汉英现任中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，他在经济物理、场论和数学物理等研究领域成果显著，两次获得国家自然科学二等奖。为了希望中国在跨世纪中出现自己的基础研究大家和独创理论，郭汉英研究员说，目前物理学对宇宙的了解，包括猜想只有4%，而完全不知的竟占到了70%。同时郭汉英研究员提出：“相对论体系存在有待验证的假定，基本原理不够完善，相互之间存在不协调；理论和时空观念都有需要改进之处”。陈一文先生说“当代Einstein式国际大师级科学家已经
19、出现，只不过像Einstein当初崭露头角时那样，相当时期内未能被科学界主流多数学者发现与认识”。 英国当代科学史家F查尔默斯在科学究竟是什么中写道：在这些领域里自称为“科学家”的人，往往认为自己是遵循物理学的经验方法的幽禁在他们现代化的实验室里，透过数字仔细端详世界，不能知道他们努力遵循的方法不仅必然是无结果和没有成效的，而且也不是使物理学取得成功的那种方法。 （1）该理论能够给其理论内容范围之内的观察事实提供解释。理论的成熟程度与能解释的观察事实的全面性、准确性、无歧义性成正比。如果该理论不能给其理论内容范围之内的观察事实提供解释，那么这个理论就毫无意义了。如果理论的框架十分庞大、外表十分
20、华丽，而能解释是事实并不多，理论的成熟度显然不够。（2）为建立该理论的公理、假设和参量是充分的和必要的。因为公理和假设是理论的基础，因此理论的成熟程度与公理和假设的严密程度成正比，与公理、假设和可调节参量的数量成反比。 （3）该理论应该是一个逻辑系统。不可存在内部逻辑混乱、自相矛盾之处，是自洽和完备的。因为数学是表现逻辑的最好方法，所以理论应尽可能数学化。这里应注意数学化的目的是使该物理理论的逻辑系统严密化、简明化和可操作化，而不是使物理数学化，来个喧宾夺主，可是现在的物理理论却不遗余力地力图走这条路，以至于用数学的结果代替物理结论，认为只要数学上可靠的结果，必然是物理上可能的结果。（4）该理
21、论应该具有预言性和可证伪性。即不但能够提出还未被观察到的可能性，还可以具有被质疑的余地。预言的证实和准确度是理论成熟与否的重要标志之一。可证伪性是包含了预言的可重复性这一必要条件在内，所以是该理论能够经得起考验的科学标志。没有预言性和可证伪性的理论都不是科学理论。（5）物理理论必须同时是可定量的科学。理论给出的计算值与观察量的吻合程度是理论质量的重要标志。物理理论是严密的科学理论，它只能允许理论上肯定存在（如测不准关系）的偏差和测量仪器限制的及环境条件所造成的技术性偏差。（6）一个成熟的理论还应具有可扩延性，即该理论与相关的理论可以在一定的边界条件下相互自然的衔接，如果能够通过推广甚至延伸为相
22、关的理论的，则更为优良。相对论和量子力学相对于经典物理都具有这样的特点，但是它们两者之间却不能满足可扩延性。Einstein开创了一个物理学的新时代Einstein时代，这个时代的特征是：物理学远离人们的常识。相对论的问世完全改变了物理学家们的思想方法，如果说过去 人们相信仅仅靠勤奋、耐心和严谨就能在物理学领域获得成功，那么，现在人们却相信要在这里获得关键性的突破，只有具有非凡的想象力才能胜任。于是这个时代的一流的物理学家们的想象力一个比一个更丰富，玻尔、海森堡等量子物理学家们所提出的“匪夷所思”的“新颖观念”，甚至连始作俑者Einstein都拒绝接受。作为经典理论的狭义相对论是否也应该服从量
23、子力学的原则要求？如何满足这种要求、从而全面实现物理学两大台柱在“最深层次上的融合”（爱因斯坦语）？在Einstein时代，物理学一直朝越来越“匪夷所思”的方向发展，新的发展方向在这个时代的初期确实成绩斐然，日新月异的“新颖观念”让人们目不暇接，使得物 理学成了高高在上、玄之又玄的“天书”，其他领域的科学家们只可仰望而不可接触；另一方面，取得物理学的最新成果的实验也越来越昂贵，只有富甲天下的国家 才敢问津。物理学家长期以来认为，在众科学中独领风骚的物理学本该如此。但到了今天，这个发展方向似乎已经把物理学引向尽头，以至有人断言：“曾经风光无限的物理学现在正在走向衰微，沦为一门边缘学科”。参考文献：【1】 Einstein的文集第1卷，商务印书馆1976年，许良英、范岱年编译，第485页【2】 H.Goldstcin, Classical Mechanics,c hap.6, Addison-Wesley,Cambridge,Mass,1953.【3】 （美）惠勒著 物理学和质朴性 安徽科学技术出版社 1982年【4】 B霍夫曼著 马元德译 量子史话 科学出版社 1979年14 / 14
