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从哲学“等效原理”展望相对论和量子论统一

作者:邓如山

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爱因斯坦说过,“不要努力做一个成功的人,但要努力做一个有价值的人”,人们的哲学价值观决定了他们做一个什么样的人。哲学价值观对人的认识论和价值论的影响可能在“不知不觉”的过程中发生,我们有时发现,有意识、主动和自觉地选择哲学价值观和无意识、被动和不自觉地选择哲学价值观,两者可以产生一种“等效原理”,比如:爱因斯坦在年轻时,更多地从理论科学的角度来思考广义相对论;在年老时,更多地从哲学的视野来看待广义相对论。一般说来,理论物理学家比应用物理学家倾向于自觉地将哲学思维融入到理论的分析和建构中,同样,科学家比工程师倾向于用哲学思维之光照亮分析的对象。又比如:我们买房和租房主要为了解决住房的需求,住房的基本功能是用来住的,不是用来炒的,然而,从哲学价值观的角度来讲,买房和租房和我们选择一种生活和工作方式是一致的,甚至和我们选择一种投资理财的方式是适配的。我们在近日的新闻中了解到中国科学院和阿里巴巴集团签署了战略合作协议,科学院的“大数据”和阿里巴巴的“云计算”实现了融合,双方获得了“双赢”,双方的资源利用效益实现了在整合基础上的更大化,科学院追求科学价值的更大化,而阿里巴巴集团则追逐商业价值的更大化,将科学价值和商业价值很好地结合起来,创造出一种相互促进、相互增值的经营哲学,如此的哲学价值观推动了科学和商业的发展,将为我们带来更多的科学认识和商业服务的价值。

相对论和量子论的结合无疑是理论科学家过去和现在最富有创建力的尝试,可以从不同哲学价值观中分析相对论和量子论的分离和结合,本作者选择的一种哲学认识论和价值观就是“等效原理”,尽管狭义、广义相对论和量子论有如此的不同,研究对象、范围、方法和数学工具的选择可谓“大相径庭”,但是,存在相对论和量子论之间遵循“等效原理”的可能,正是两者之间存在某种“等效原理”的可能性,我们有理由相信,爱因斯坦“最后拼图”的物理学大统一理论,广义相对论和量子物理的大综合理论才会有哲学认识论和价值论的基础。广义相对论和量子力学的“等效性”和“统一性”、“同一性”无论在过去和现在都是物理学“梦寐以求”和“孜孜不倦”的追求目标,本作者相信,即使科学家不能找到它们之间全部的“交集”,也能找到局部的“交汇”,在两者之间即使不存在全部的“等效原理”,也有局部的“等效原理”,如何能够从广义相对论和量子力学各自的理论体系中找到“统一解释”、“同一解释”,写出“等效性解释”的数学方程式?这在过去和现在都是一项“不可能完成的使命”,可用“挑战与机遇并存”的语句来描述目前的物理学家对“统一理论”的探索。

本作者之所以坚信相对论和量子论存在“交集”和融合的可能,符合局部“等效原理”的解释,不是出于对物理学家建构一种又一种“量子化相对论”的考虑,而是出于对物理实验和天文观测成果的思索,我们知道,其一:黑洞的发现已经不是一个罕见的天文事件,天文学家在最近的几十年中发现了各种质量、各种类型和尺度的黑洞,黑洞的发现印证了广义相对论的预言,同时印证了量子力学的描述。其二:LIGO的国际合作团队初步发现了引力波,引力波的发现印证了广义相对论的预言,同时印证了引力波物理学和量子引力的描述。黑洞的多次发现和引力波的初步证实可以作为“量子化相对论”、或“相对论量子化”的客观基础,黑洞和引力波的存在可以作为相对论和量子论存在“交集”的事件依据,必然存在狭义相对论和量子论之间、广义相对论和量子论之间转换性的可能,在“转换原理”的作用下,在极端的物理条件下,宏观的相对论“转换”为量子论,或者微观的量子论“转换”为相对论,物理学家在过去和现在只是没有发现转换的机制是如何发生的?如何从过去和现在的数学工具中写下符合这种转换机制的方程式。所有的导致物理学家不能很好地解释两种理论转换机制的因素都可能存在,比如:广义相对论和量子力学的解释“不兼容”,现有的数学工具不足,物理学家和天文学家对黑洞和引力波的认识水平有限等,本作者特别给出的原因则是“广义测不准原理”的限制,根据这一原理给出的理由,在广义相对论如此宏大的宇宙学尺度上,在量子力学如此微小的量子学尺度上,“广义测不准原理”的表现已经十分明显,我们不得不考虑这一原理的影响,既然相对论和量子论没有达到物理学理论的“顶峰”,我们也不能确定科学的“终结理论”——广义相对论和量子论的“大综合理论”、或者宇宙中一切物质和存在的理论不会达到科学的“顶峰”,如果我们认为“万物理论”达到了科学理论的“顶峰”,那么“广义测不准原理”失灵、失效了。既然本作者声明“广义测不准原理”能够推进科学的发展,那么,我们有理由相信,相对论和量子论,相对论和量子论融合的“相对量子论”、或“量子相对论”能够获得更好的解释,可以用我们熟悉的“没有最好、只有更好”的流行语来描述未来物理学理论的发展。

以普朗克和爱因斯坦的“理论原点”建立起来的广义相对论和量子论代表了二十和二十一世纪的理论物理学两大支柱,爱因斯坦的主要贡献是独自建立了广义相对论,次要的贡献是奠定了量子力学的基础,他只是不同意同时代量子物理学家对量子规律的认识和解读,并没有反对建立一门量子物理学,和爱因斯坦同时代的物理学家在实验观测的基础上建立了具有经验色彩的量子物理学。量子论属于“群论”,或者“一大群”物理学家创建了量子理论。爱因斯坦在创立广义相对论之后,致力于创建物理学的“大统一理论”,涉及到了将广义相对论和量子论相结合的设想,他没有提出“相对论量子化”、“引力场量子化”这类概念,本作者把“后爱因斯坦时代”物理学家将相对论和量子论相结合的尝试称之为“广义相对论量子化”、或“量子化广义相对论”,这些尝试取得了很大成效,但是,没有取得彻底的成功,我们常常听说爱因斯坦和后爱因斯坦时代的物理学家在两大理论相结合的探索中失败了,实际上,“物理学家失败了”的说法没有我们想象得那么夸张,不能简单地认为,广义相对论和量子论成功了,两者融合的“统一论”失败了,比如:在二十世纪理论物理发展的大潮中,狭义相对论和量子力学的结合非常成功,导致了量子场论的诞生,这一理论成为了粒子物理学的理论基础,在探索微观粒子的领域发挥了重要作用,相比较而言,广义相对论和量子论的结合不尽如人意,过去和现在的物理学家正在寻求一种能够将引力作用机制量子化的解释,他们将引力量子化称之为“量子引力理论”,属于目前物理学界最艰难、最热门的科学理论。

本作者相信在爱因斯坦的引力论和现代物理的量子论之间存在局部的“等效性解释”,因为通过“转换原理”,大质量的恒星物质可以在恒星生命的晚期转变成粒子和能量形态的黑洞,相当于大质量的引力转换成为微小的“量子引力”,黑洞能做到的,我们的理论家也能揭示,准确地说,理论家最终能够从物理和数学上准确地描述大质量物体的引力发生的量子化过程。量子论的支柱已经支撑起现代物理学的宏伟殿堂,就像广义相对论的支柱已经支撑起现代物理学另一个巍峨的大厦一样。爱因斯坦没有实现将引力和其它自然基本力相结合的梦想,在他之后的物理学家基本上实现了除引力以外其它三种基本力的统一描述。二十一世纪仍然是广义相对论和量子论的时代,仍然需要将量子论的殿堂和广义相对论的大厦连成整体,实现两者的“无缝对接”和“整合重组”。不管物理学家在过去的几十年和在多大的程度上实现了相对论和量子论的“大综合”,他们在“量子引力理论”的基础上还是建立了“量子宇宙学”、“量子黑洞学”,成动地解释了极早期宇宙和黑洞的行为,特别是在“黑洞物理学”中发现了“熵定律”和“霍金辐射”。广义相对论和量子论在各自的领域都取得了非凡的成果,经受了无数次的严格检验,一些物理学家能够指出两大理论体系的不足,指明某种“相对论和量子论错了”的解释,但是,两种理论很好地符合物理实验和天文观测的检验,如何解释两种理论的某些解释错了,而实验和观测的结果对了?这同样是物理学家无法回避的问题,否定相对论解释的专业和非专业人士不在少数,他们往往难以面对广义相对论的主要预言得到基本验证的事实。

在过去的十几年,物理学家在量子引力理论领域取得了“突飞猛进”的成果,已经在“超越爱因斯坦”的方向上走得很远,我们在学习和分析相对论和量子论融合的“统一论”时,常常感到无所适从,觉得自己的物理和数学知识远远不够,无法理解其中的深意和语境,几十位、几百位量子引力领域的物理学家把他们的名字“成群结队”地摆在我们的眼前,我们需要“具体人物,具体分析”,理清他们究竟属于量子引力理论的哪一个流派,代表了某个流派的那一种观点,但是,哲学的逻辑和语言分析能够帮助我们发现物理学流派的不同,不同流派的观点差别,在最深的物理领域,物理学和哲学总能找到一种“等效性解释”,我们因此相信,极端条件的物理学指向了哲学,指向了我们的哲学价值的取向,就像买房和租房行为指向了我们的生活和工作方式一样。物理学家罗森菲尔德早在1930年的“爱因斯坦时代”就提出了引力量子化的概念,广义相对论作为一种描述引力相互作用的场论,对引力的量子化和引力场的量子化解释是一致的,在量子场论的早期,电磁场的量子化得到了成功的描述,建立了解释电磁力量子化行为的“量子电动力学”,物理学家从“隐隐约约”的哲学“等效原理”中感觉到相应的引力场量子化的可能性,这是一种自然的联想和过渡。也许可以将爱因斯坦晚年建立物理学“统一场论”的努力理解为广义相对论的“量子化”,否则,我们无法理解什么是物理学的大统一理论,如何将引力和电磁力进行统一的、形式一致的量子化解释。

(邓如山2017-2-20&160;邮箱:[email protected]&160;)

(Outlookingontheunityofthetheoryofretivityandthetheoryofquantumfromphilosophical“equivalenceprinciple”)

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