現代物理學為什麼遭遇到前所未有的挑戰？

作者丨李春生（書房記團隊作者）

奇怪的現狀如何看待現代物理學

2017年，一位物理教授在一次關於什麼是物理學的演講中談到，希望在21世紀，量子力學和相對論能成為科學常識。這個願望讓人奇怪，為什麼這兩個理論現在還不是科學常識呢？目前的科學常識是什麼？答案是經典物理學。一個物理理論如果不是常識，那意味著違反常識嗎？這是怎麼回事兒呢？

提起物理學，人們最先想到的會是相對論和量子力學。在大眾的眼中，愛因斯坦、玻爾、海森伯、惠勒等物理學家都是神一樣的存在。對物理學比較瞭解的人會想起弦理論和“火星人”威藤（弦理論的靈魂人物）。提起伽利略、牛頓、惠更斯、法拉第、麥克斯韋、安倍、赫茲、普朗克等物理學家的名字，人們也如雷貫耳，但是談到經典物理學，人們卻既熟悉又陌生。我們知道，當今時代，大到宇宙空間探測器、哈勃太空望遠鏡、地球上大陣列射電望遠鏡太空和超級計算機，小到數碼照相機、個人電腦、智能手機還有隨身攜帶的各種電子小玩藝兒，這些都與光、電和無線電技術有關。光、無線電、電和亞原子粒子都稱之為量子，這個時代也稱為量子時代.。

但是，量子的本質是什麼？目前，智能手機已成為人類不可或缺的夥伴，問題是，智能手機利用了哪些關鍵技術？依據的是哪種理論？Wi-Fi信號是粒子還是波？人們只知道微觀物質——量子具有波粒二象性。但是，這個答案早已經過時了！弦理論/M理論認為量子既不是粒子也不是波，而是不同振動模式的弦。因此，量子不僅具有波粒二象性，而是具有波、粒、弦三象性。是不是很驚訝？對同一只動物，不可能既是鹿、又是馬、又是驢、又是豬。令人尷尬的是，人類可以利用新發現的物質的特性（實驗物理學）來推進科技的進步，卻無法解釋這些特性之後的本質。物質的本質是什麼？以什麼形式構成？質量從哪裡來？萬有引力如何產生？如何相互作用？為什麼要把宇宙空間中不知名的物質和不能解釋的能量分別命名為暗物質和暗能量？黑洞是什麼？它是一個空洞嗎？很遺憾，這些問題都沒有邏輯自洽的答案。

在普通人眼裡，物理學是一個理論，是一個鐵板一塊的整體。但是，事實並非如此。我們生存在同一個宇宙，卻存在著4種互不相容的物理理論解釋體系。事實上，在理論物理圈也存在一個“鄙視鏈”，相對論學家和量子力學專家認為經典物理學是一個落後的理論（注意不是說是錯誤的理論），而弦理論學家又認為相對論和量子力學終將會被弦理論所取代（弦理論被認為是最有望成為終極理論的理論）。當今的物理學界很像諸子百家爭鳴時期，物理理論沒有正確與否之分，只有個人認同或喜歡的理論才是最好的理論。雖然每種理論都認為各自的理論已經解決或可以解決宇宙的大部分問題，但是，各個理論卻在一些基本問題上爭執不休：

一． 空間是什麼？

經典物理學：空間由以太這種物質構成，即空間是物質的廣延（第二次波粒之爭之後以太成為波動說的基礎）。空間由三維空間和一維絕對的時間構成的絕對時空結構，即三一時空。

相對論：空間為空無一物的真空。狹義相對論認為空間是平直的和剛性的；廣義相對論認為空間是“柔軟的”、可形變（彎曲）的。空間由三維空間和一維時間構成的4維時空結構。1921年，為了避免引力波的超距作用，愛因斯坦又提出“廣義相對論以太”的概念。現狀是，人們接受了引力波，但拒絕了“廣義相對論以太”這種概念，所以，現在的人們大多沒聽說過“廣義相對論以太”這個名詞。

量子力學：同相對論一樣，粒子說的量子力學最初也認為空間是空無一物的真空，但是，隨著宇宙微波背景輻射的發現，量子力學認為空間充滿了量子空間漲落。空無一物的真空被修改為充滿了“能量”的“虛空”——“場”（注意！不同的粒子需要不同的“場”）。著名粒子學家利昂·萊德曼（Leon Lederman）在他的《上帝粒子》的名詞解釋中定義：

虛空（The void）：即虛無，它指原子能夠在其中移動的地方。今天，理論學家們給虛空裡塞滿了五花八門的真實粒子和其他碎片。虛空在現代的相應術語是“真空”，有時也用“以太”。

以太：它指充滿宇宙空間的那種物質。雖然愛因斯坦不相信也不使用以太，但現在這一概念又經歷了尼克松式的迴歸，它事實上就是真空，只不過其中充滿了怪異的理論粒子而已。（請注意量子力學的觀點轉到了爭鬥了幾百年的對手的立場之上！）

弦/M理論：空間為空無一物的真空。因為弦理論用不用振動模式（具有頻率和波長）的弦一對一替代量子力學的不同的粒子，因此，弦理論的真空空間裡同樣塞滿了不同振動模式的弦。

二． 光是什麼？

經典物理學：光、電子和不同頻率的電磁波都是以太的橫振動。

相對論：光、電子和不同頻率的電磁波都是不同的粒子。

量子力學：光、電子、亞原子粒子和不同頻率的電磁波都是沒有質量、沒有尺度的點粒子。

弦/M理論：光、電子、不同頻率的電磁波和構成宇宙萬物的物質都是不同振動模式（具有頻率和波長）的弦。

三．引力是什麼？引力的作用原理是什麼？

經典物理學：牛頓發現了物質的質量與引力成正比，與距離的平方成反比定律，根據這個引力公式可以精確計算引力的大小並計算星體的運行軌道和相互關係。牛頓力學奠定了經典物理學不可動搖的地位（其他理論在引力問題上都沒有實質上的超越）。但是，經典物理學沒有具體的引力的作用原理模型。

相對論：相對論的引力模式是星體的重力（注意，用重力而不是引力這個詞看似意義相近卻暴露了思維方式的差異）改變時空的曲率，即星體的重力引起周圍真空空間的彎曲。重力通過周圍時空的彎曲使其他星體“滾向”自己。這個2維的引力模型用一塊“橡膠膜”來描述，星體的重力使周圍橡膠膜凹陷，使周圍的星體向自己靠攏。這個引力模型只有在兩種情況下是正確的：第一，宇宙是平坦的，就如大航海時代之前人們普遍認為地球是一個平面類似。第二，這個平坦的宇宙空間必須是由物質構成，沒有物質星體就沒有平臺，沒有物質空間也就不存在是否彎曲的問題。

1916年，愛因斯坦基於廣義相對論預言了引力波的存在。引力波也稱為引力輻射，引力波是指時空彎曲中的漣漪，通過波的形式從輻射源向外傳播，這種波以引力輻射的形式傳輸能量。引力波的主要性質是：它是橫波，在遠源處為平面波；有兩個獨立的偏振態；攜帶能量；在真空中以光速傳播等。問題是，空無一物的真空是什麼物質在波動？空間如果空無一物就不存在波動。所以，1921年，愛因斯坦又提出了“廣義相對論以太”來解決引力波的超距作用問題。事實上，引力波的確存在，不過，引力波只是引力的作用現象，而不是引力的作用原理。

量子力學：量子力學認為所有的物質都是由粒子構成，所有的相互作用力由交換信使粒子來傳遞，四種基本作用力之首的引力也由一種信使粒子——引力子來傳遞。所有有質量的物質（即使一粒沙子）都必須無限量地向空間發射引力子，並接收其他物體發出的引力粒子來達到物質間相互吸引的結果。問題是，宇宙中任何一種物質，即使一粒沙子也必須與宇宙中任何一種物質（包括宇宙邊緣的物質）同時交換引力子，即無論遠近，所有有質量的物質都必須同時交換引力子，即同時發射，同時接收，如果不能滿足同時性和對稱性的要求，就產生對稱性破缺問題。事實上，這是一個根本不可能完成的任務。

還有，根據這種引力子交換模式，引力巨大的黑洞將必須向宇宙空間發射“海量”的引力子。問題是，連光都無法逃脫的黑洞卻“慷慨地”發射引力子，同時，這個“魅力四射”的黑洞卻是“隱形”的。還有一個問題，黑洞中光也無法逃脫，光是否也會發射引力子與黑洞的引力子進行交換？

弦/M理論：弦理論致力於將量子力學和相對論統一起來，因此，弦理論的引力作用模式完全照搬了量子力學交換引力子的引力作用模式。在弦理論看來，這個傳遞引力的引力子不過是看起來像顆粒子的“引力弦”而已。請注意！這種引力作用模式同樣是用排斥力來達到相互吸引的結果，只是將引力粒子換成了“引力弦”而已。量子力學引力作用模式的缺陷在弦理論中同樣存在，同樣在邏輯上不能自洽。

綜上所述，目前的現狀是，四大物理理論在最基本問題上都不能達成共識，各個理論的觀點尖銳對立，互不相容。面對宇宙這隻大象，我們其實都是盲人。

我們知道，宇宙是一個統一的整體，牽一髮而動全身，所有的問題都相互關聯，沒有孤立的問題。物質的引力與生俱來的（所以才稱為萬有引力），僅僅解釋引力只會走向形而上學的歧途，所以，解釋引力的作用原理，就必須同時解析物質的生成和構成原理；解析了物質的生成和構成原理，才能解析波粒二相性原理，才能最終解析宇宙的運作原理。請注意！目前所有的物理理論解析的都是同一個宇宙，問題是，人類只需要一個能夠自洽地解釋宇宙運作原理的理論，即終極理論。目前哪種理論符合終極理論的標準呢？答案是：沒有。那就引出一個問題，這些理論都是錯誤的嗎？當然不是，每個理論都能解釋宇宙的一部分問題。這些理論既不完全正確，也不完全錯誤，所有這些理論都是人類智慧的結晶，因此，終極理論一定是統一了所有理論的理論。問題是，我們如何評判這些理論中哪些觀點正確、哪些觀點錯誤？哪些觀點應該保留、哪些觀點需要摒棄呢？評判的標準是什麼？終極理論應建立在什麼樣的邏輯基礎之上？

《尼羅河上的慘案》這部懸疑片的破案前提是所有人都有作案嫌疑，不能有不證自明的“好人”。尋找真相時我們必須保持懷疑才能避免“證實性偏見”這個思維陷阱（“證實性偏見”是指個人（包括學者）在主觀上支持某種觀點的時候，往往傾向於尋找那些能夠支持自己原來的觀點的信息，而忽視那些對己不利或矛盾的信息，以支持自己想法的現象）。 例如，運動會使時間會變慢嗎？每當有人質疑“動鍾變慢效應”，就有些人指指天空，你看，證據就在天空上！真的嗎？事實恰恰相反！衛星上的時鐘不是變慢了！而是變快了！

衛星上的時鐘不是變慢了！而是變快了！

衛星上的時鐘不是變慢了！而是變快了！

重要的事情說三遍！！！

但是，人們仍然堅信相對論是絕對正確的理論。面對鐵的事實，人們不敢再提“動鍾變慢效應”，而是用“相對論效應”來模糊處理。這已不僅是證實性偏見的問題，而是達到了“群體性謊言”的程度。

其實，更重要的問題是，是時鐘有快有慢還是時間會變快變慢？“二樓鐘慢效應”告訴我們，這計時的鐘好像有問題。1樓的鐘和2樓的鐘走時都不同，並且這兩個鍾並沒有相對運動。人類時間的基準是處於海撥0度的原子鐘來校準的，環境要求非常嚴格，環境的任何微小改變，原子鐘的走時都會走時不穩，變快或變慢。我們知道，十鍾九不同！如果一個人自己的手錶慢了，卻聲稱他的時間變慢了，人們一定認為這人是個神經病。所以，在不受環境變化、絕對精準的原子鐘出現之前，人類不能愚蠢到去推翻時間的因果律。

還有，根據相對論，A的運動意味著B的運動，A和B具有絕對的相對性。1911年，法國物理學家朗之萬以其之矛攻其之盾指出，根據相對論，如果A因為運動而時間變慢，那麼B也將因運動而時間變慢，這就是著名的雙生子佯謬。請注意，這個思想實驗為質疑相對論而提出的！

這個思想實驗是為質疑相對論而提出的！

這個思想實驗是為質疑相對論而提出的！

重要的事情說三遍！！！

但是，現在這個思想實驗卻被後人扭曲成解釋動鍾變慢“原理”的教材。類似的問題還有薛定諤為質疑哥本哈根學派的“人擇原理”而提出的貓實驗，即又死又活的薛定諤的貓思想實驗，也被扭曲成解釋量子力學奇異性的教材。

運動會使時間變慢嗎？這個問題非常簡單。我們知道，地球有自轉，也圍繞太陽旋轉，太陽系又圍繞著銀河系的中心旋轉，星系又如同一粒塵埃在宇宙空間中飄零。宇宙中沒有絕對靜止的物質，所有的“鍾”都處於相對運動狀態，所有的“鍾”都是“動鍾”，只有假設地球絕對靜止時（即回到地心說），“動鍾變慢”假說才有可能成立。還有非常多的例子。事實明明非常簡單，但是就是沒人敢去質疑，“證實性偏見”無處不在。

理性告訴我們，所有的理論解釋的都是同一個宇宙。目前沒有哪種理論符合終極理論的標準，因此，我們必須承認，現有的物理理論並不完美，也不存在完全正確且神聖不可侵犯的理論。

懷疑與批判

理論物理學目前的現狀是各個理論的觀點互不相融，但是誰也無法證明其他理論的錯誤，於是大家處於一種和諧共處的“共和”狀態。如果所有的理論都是正確的理論，為什麼它們又都不是可以自洽地解釋宇宙所有問題的終極理論呢？為什麼還有那麼多問題無法解釋呢？相對於突飛猛進的應用物理學，理論物理學處於停滯狀態。是什麼阻礙的科學的發展呢？

《人類簡史》的作者尤瓦爾·赫拉利在2017年指出：“尊重知識、聽取學者意見很好，但發展到崇拜任何人的程度都很危險，包括崇拜學者。一個人一旦被推崇為先知或權威，他（她）自己都可能信以為真，進而變得驕傲自大，甚至陷入瘋狂。對追隨者而言，一旦他們信奉某人為權威，便會自我設限，停止努力，只期待著偶像來告訴他們全部問題的答案和解決方法。即使答案是錯誤的、方法是糟糕的，他們也會通盤接受。”智慧從懷疑開始，真正的科學精神是懷疑與批判。終極理論不會是一個全新的理論，它就藏在現有的理論之中，當我們以客觀邏輯為工具，就能在錯綜複雜的觀點中找出宇宙真實的脈絡。

先賢們幾千年積攢下來的思想成果滋養了我們的智慧，他們點亮了一個又一個燈塔，指引著人類的發展方向。沒有人的觀點全部正確，也沒有人的觀點一無是處。有些觀點後來被事實證明是一個個錯誤，那也是他們在錯誤的地方樹立起了一個個指引正確航道的航標燈。

和《七堂極簡物理課》這類無立場解讀的科普書不同的是，《一隻大象》這本書以旁觀者的角度對物理學發展史進行了重新梳理，還原了一些不為人知或被扭曲的歷史細節，提醒人們注意“證實性偏見”的危害性。受伽利略的《關於托勒密和哥白尼，兩大世界體系的對話》的啟發，這本書也借四個虛擬人物的對話來闡述四大物理理論針鋒相對的觀點。書中引用均來自權威專著，並採用頁下注，這也是能夠通過專家審稿並獲准出版的原因之一。書中還用一些通俗易懂的小寓言來解析複雜的物理理論，相對來說比較通俗易懂。這本書並非嚴謹的學術著作，僅為讀者提供一個瞭解物理學的新視角，希望能夠給喜愛物理學的同學們帶來啟發。

《一隻大象》

《一隻大象》目錄

緒論:科學的精神

智慧從懷疑開始

先有雞還是先有蛋的啟示

第1章 矛盾的焦點 波粒之爭

奇怪的現狀

鬼門關

風暴之門

第一次波粒之爭

第二次波粒之爭

第三次波粒之爭

反思：三個重要的實驗

第2章狹義相對論與廣義相對論

賣矛盾者新說

奇怪的賽場

理性

狹義的狹

真空中光速不變原理

時間的座標

洛倫茲變換

E=mc²

廣義相對論

等效原理與經典力學

經典引力與廣義相對論引力

同時性的相對性

三星佯謬

運動與彎曲

狹義與廣義相對論矛盾的本質

第3章 困惑

經典物理學與狹義、廣義相對論在空間和運動概念上的差異

關於空間性質與運動性質的爭論

統一場論無法統一的困惑

愛因斯坦的困惑

牛頓的困惑

第4章 量子時代：矛盾與衝突

大時代的前夜

打開原子的大門

玻爾的軌道

泡利不相容原理

相波與波粒二象性

讓人困惑的十字路口

劍走偏鋒：粒子說的量子力學

經典的延續：建立波動說的量子力學（量子波動力學）

解開波粒二象性之祕的幾次嘗試

分水嶺

哥本哈根詮釋

混戰的前奏

內戰

薛定諤的貓

第5章 量子力學是什麼？

奇怪的天氣預報

費曼的解決辦法

馮·諾伊曼的無限復歸

維格納的朋友

逆流而上

惠勒的因果

分裂的世界

從多世界解釋到多維度世界

量子自殺

多伊奇的超級大腦

從多世界到多歷史

GRW自發定域理論

量子力學是什麼？

第6章 量子幽靈：量子力學的不確定性

實在性與定域性

從思想實驗走向實驗

致命的實驗

無法繞過的頻率和偏振問題

自旋與對稱

理性與分析

第7章 虛構的世界

打開原子的果核

最初的撞擊

撞擊的哲學

撞擊的盛宴

問題來了

力與場的困惑

強相互作用力

弱相互作用力

電磁相互作用力

萬有引力

希格斯玻色子

重正化揭示的深層次問題

量子力學的本質

第8章 第三條道路

理想

另闢蹊徑：弦

弦的革命：超弦

第二次超弦革命

從微擾論到對偶性

問題來了

大統一的嘗試

三維之外

蜷縮的維是什麼

粒子與弦

空間的扭曲與蜷縮

空間與時間的困惑

如何評價弦理論

第9章 宇宙學問題：黑洞

（一）一個針尖上能夠站立多少位天使

（二）世界是一幅全息圖？

（三）矛與盾的故事

第10章 狂想曲：正本清源

邏輯的起點

回顧與反思

空間的本質

實驗：斐索實驗

空間與時間

多胞胎佯謬

第11章 假設與推導

波粒二象性

弦與波的統一

物質的形成機制與四大基本相互作用力的作用原理

宇宙的狂想曲：暗物質和暗能量的統一

黑洞與宇宙的未來

宇宙的圖景

啟示：《加勒比海盜——世界的盡頭》

後記

諸神的黃昏

參考及引用

1.[美]約翰·格里賓（John Gribbin）：《尋找薛定諤的貓》，海南出版社，2009年2月第2版，ISBN978-7-80645-813-6

2.[奧]E·薛定諤（Erwin Schrödinger）：《薛定諤講演錄》，北京大學出版社，2007年10月第1版。2013年10月第10次印刷

3.[美]利昂·萊德曼（Leon Lederman），迪克·泰雷西（Dick Teresi）：《上帝粒子》，上海科技教育出版社，2003年12月第1版

4.[美]愛因斯坦（Albert．Einstein）：《狹義與廣義相對論淺說》，北京大學出版社，2006年1月第1版

5.[[美]B·格林（Brian R Greene）：《宇宙的琴絃》，湖南科學技術出版社，2007年4月第3版，ISBN978-7-5357-3270-5

6.[中]趙凱華、鍾錫華：《光學》（上冊），北京大學出版社，1984年1月第1版，2011年10月第20次印刷，ISBN978-7-301-3/O.025

7.[英]牛頓（Sir Isaac Newton）：《自然哲學之數學原理》，北京大學出版社，2006年1月第1版，2014年4月第15次印刷

8.[英]彼得·柯文尼（Peter Coveney），羅傑·海菲爾德（Roger Highfield）：《時間之箭》，湖南科學技術出版社，2008年3月第2版第15次印刷

9.[美]S·溫伯格（Steven Weinberg）：《終極理論之夢》，湖南科學技術出版社，2007年3月第2版第3次印刷

10. [美]倫納德·薩斯坎德（Leonard Susskind）：《黑洞戰爭》，湖南科學技術出版社，2010年11月第1版第1次印刷

11. [英]史蒂芬·霍金（Stephen William Hawking）：《時間簡史》，湖南科學技術出版社，2014年6月第1版第28次印刷

12.[美]基普·S·索恩（Kip Stephen Thorne）：《黑洞與時間彎曲》，湖南科學技術出版社，2010年第2版第10次印刷

13.[美]卡洛林·皮特森（Carolyn Collins Petersen），約翰·布蘭特（John C.Brandt）：《從哈勃看宇宙》，海南出版社，2004年1月第1版，ISBN 7-5443-0710-7/P.3

14.[意]伽利略（（Galileo Galilei））：《兩大世界體系的對話》，北京大學出版社，2006年4月第1版，2013年2月第5次印刷

15.曹天元，《上帝擲骰子嗎？：量子物理史話》，北京聯合出版公司出版。2013年9月第一版，2014年12月第七次印刷。ISBN-978-5502-1745-4

16. ［英］保羅·戴維斯（Paul Davies），朱利·安布朗（J.R.Brown），《原子中的幽靈》，湖南科學技術出版社。2018年1月第1版。ISBN978-5357-9533-5

17.［布魯斯·羅森布魯姆，弗雷德·庫特納，《量子之謎》，湖南科學技術出版社，2016年］