現代物理學所面臨的困境與出路

2019-05-27 08:16:16

現代物理學所面臨的困境與出路

從二十世紀起,人類的認識由原來的巨集觀範圍,擴充套件至高速領域、宇觀領域和微觀領域,發現了許多新的現象和新的實驗。這些新的現象與實驗都是原有的經典力學所無法解釋的。於是,近一百多年來陸續建立了許多新的理論,它們是狹義相對論、廣義相對論、量子力學、標準粒子理論、大爆炸理論和絃論等。為與經典力學相區別,我們把上述這些理論統稱為現代學。

雖然,上述新的理論在各自的領域中,都在一定的程度上很好地描述了新的現象和新的實驗,使人類的認識獲得了極大的提高。然而,隨著人類認識的進一步深入與發展,這些理論卻又都逐漸地陷入了認識的困境之中。

現代物理學所面臨的困境與出路

比如,狹義相對論提出了速度的增加會導致長度變短、質量增加和時間變慢。然而,上述變化究竟是測量的結果,還是真實發生的物理現象呢?由於愛因斯坦提出了相對性原理,認為所有的參照系都是平權的。所以,根據狹義相對論,上述變化僅只是測量的結果,並無實際的物理意義。然而,作為一個物理理論,卻又不可避免地做出了具體的物理預測。由此,產生了認識上的混亂,比如產生了雙生子佯謬。

比如,廣義相對論將兩個原本不同概念的引力質量和慣性質量相等價,從而建立了物質與空間的聯絡,將引力歸結為空間的幾何彎曲。其存在的問題是,由於缺乏具體的物理機制,並沒有消除距離為零時,導致引力的無窮大。由此,推論出了和宇宙的奇點,使物理有條件的雙向變化變為絕對的單向演化,從而使認識陷入了困境。

比如,量子力學認為微觀粒子的波動性是粒子內在的屬性,由此認為物質的存在形式是各種可能狀態的疊加。只有當人觀察時,該物質才會由疊加態瞬間塌陷為其中某一具體的現實。由此進一步推論出量子糾纏現象,該現象意味著存在非定域性和超距現象。正是這些不可思議的推論,使量子力學陷入了認識上的絕境。

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比如,標準粒子理論認為,各種基本粒子是有更為細小的夸克組成的。該理論曾因準確地預言新的粒子並將各種基本粒子都囊括於理論之中而大獲成功。然而,儘管粒子加速器越造越大,卻始終沒有發現具有分數電荷的夸克。而且,作為更加基本的粒子,其種類應該越來越少。比如,分子的種類遠大於原子的品種,原子的種類遠多遠基本粒子的數量。然而,夸克的數量,卻隨著要說明的粒子數量的增多在不斷地擴充套件,已經由最初的3種擴充套件至36種夸克,成發散的趨勢。人們很難接受,最為底層的粒子種類竟然有如此多的數量。此外,標準理論的成功,是建立在多個可調引數的設立之上的。該理論所含有自由參量的數目至少有數十個。而且,不僅不知道為什麼這些引數取現有的數值,甚至我們都不知道這些引數的物理意義是什麼。

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比如,宇宙大爆炸理論,由於宇宙間普遍存在著星光的紅移現象,且該紅移被認定是由星系的退行產生的。由此,得出的推論是宇宙在不斷地膨脹。又由於不同的觀測方法,得出的宇宙膨脹速度不同,遠處的觀測方法得出的紅移與距離之比,略小於近處的觀測方法得出的紅移與距離之比,由此意味著將星光的紅移歸結為星系的退行是有疑問的。然而,由於思維的慣性,卻反而更進一步地推論出宇宙是在加速膨脹。於是,需要假設暗能量的存在,以滿足宇宙加速膨脹的要求。如果把宇宙中所有的質量與能量合計在一起的話,則要求暗能量佔有的比例竟然高達69%。不過,幾十年過去了,我們仍然不知道暗能量為何物。

現代物理學所面臨的困境與出路

比如,弦論認為宇宙是由一維的線段及其不同的震動頻率構成的。弦論的主要問題有兩個。

第一個問題,由於萬有引力強度太弱,為了說明萬有引力,弦的最小尺寸被縮小至普朗克長度,僅為10-35釐米量級,而構成原子的電子和質子的半徑約為10-16釐米。實在是無法想象,具有如此懸殊的尺度,弦是如何與各種基本粒子建立起相互聯絡的。

第二個問題,根據弦論,宇宙是由弦的震動頻率構成的。然而,遺憾的是,為了說明萬千世界,需要引入多個參變數即多維空間,其副作用是弦的震動方式極大地增加,其可能的方式竟然高達10500種,比宇宙中的質子還要多。我們不知道究竟哪一種震動方式是我們宇宙的存在方式。根據波普爾的理論,任何一個科學理論都必須具有可否證性。顯然,弦論不符合這一科學的標準。弦論,與其說是一個物理理論,毋寧說是一個數學理論。前者具有現實性,後者則具有可能性。

綜上所述,現代物理學雖然取得了很大的進步,但是隨著認識的深入,它們的不足也逐漸地顯現了出來。於是,我們不由得產生了以下三個疑問:

現代物理學相較經典力學究竟有何不同,其進步意義是什麼?

導致現代物理學陷入認識困境的根本原因是什麼?

如何使現代物理學走出認識的困境?

現代物理學所面臨的困境與出路

由於各種不同的微觀粒子都具有波動性,由於普朗克常數h的普遍存在,由於物體運動速度的增加是受到限制的,由於物質可以使光線彎曲即存在著遠端作用力——萬有引力和庫侖力,上述種種現象說明,在我們的宇宙中,除了作為物理物件的物質之外,還存在著統一的物理背景。所以,經典力學只是在巨集觀範圍內忽略空間效應的理想物理學。所以,現代物理學的進步意義,就在於它們是在各自的領域,分別描述不同的空間效應的理論

然而,由於現代物理學初次涉及空間效應,只是上述領域初級的唯象型理論。這些理論注重的是建立新現象和新實驗的外在聯絡,卻沒有提出產生新現象和新實驗的物理機制。因此,它們都在各自的領域內,採取了鴕鳥的心理狀態,將認識的頭顱埋入了沙土中,試圖為新的認識畫上終止符。

現代物理學所面臨的困境與出路

比如,量子力學的不確定原理、狹義相對論的光速絕對不變性、廣義相對論的幾何彎曲、標準粒子模型的夸克禁閉、弦論的無盡可能性和宇宙的奇點等。

因此,使現代物理學走出認識困境的途徑是構建統一的物理機制。根據該物理機制,各種不同領域的現象,只是同一物理機制在不同極限情況下的不同表現。由此,形成一個統一的,關於空間效應的物理理論。

比如,在我們的宇宙中,存在著不可再分的最小粒子——量子,即宇宙是由量子構成的:

離散的基態量子構成空間;受到激發的量子成為能量,屬於能量的範疇;由高能量子組成的封閉體系,就是各種基本粒子;由基本粒子再進一步地形成一系列更高層次的封閉體系,它們依次為原子、分子和巨集觀物質。

現代物理學所面臨的困境與出路

於是,根據這一有機的量子宇宙觀,宇宙中的一切物理現象和相互作用,都可以歸結為量子及其不同狀態之間的相互聯絡、相互影響、相互作用和相互轉化。

比如,物體的加速運動,會導致量子空間的不對稱碰撞,從而產生慣性力;

比如,物體的高速運動,會使空間效應變強,從而限制了物體運動速度的進一步提高;

比如,由於物質是由量子高速運動所形成的封閉體系,當其運動速度接近於光速時,會因空間效應的變強而解體。所以,任何物質都無法達到光速;

比如,微觀粒子的半徑遠小於空間量子的間距,使空間量子對微觀粒子的碰撞是不對稱的,從而使微觀粒子呈現出波動性;

比如,由於所有物體的封閉性都是小於1的,因此每一個物體都會對量子空間輻射熱能,從而使兩物體內外側受到空間量子的碰撞是不對稱的。由此形成的空間壓力差,就是我們熟知的萬有引力。

現代物理學所面臨的困境與出路

比如,根據宇宙的微波背景輻射溫度絕對溫度2.7k,可以換算出單個空間量子的能量為1.83×10-15爾格。又由於強相互作用是藉助於空間量子間距附近量子空間密度的急劇變化而產生的,所以空間量子的間距略小於原子核半徑。根據計算,空間量子的間距為2.913×10-14釐米。由此得到的量子空間密度為,每立方厘米含有4.045×1040個量子。於是,量子空間的量子密度乘上單個量子的能量,就得出了量子空間的能量密度,即每立方厘米含有的能量為7.4×1025爾格,其大致相當於82公斤的質量。這就是維持宇宙膨脹所需要的暗能量。

總之,在我們的宇宙中存在著量子空間,現代物理學就是關於該物理空間的理論。這些理論的不足,在於缺乏具體的物理機制;這些理論的出路,就在於建立統一的物理機制。從現有的認識來看,這一物理機制就是量子的有機世界。




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