我们面临“哲学已死”与“物理重建”的抉择

第1章 物质概论

对物质的认识是随着人类的实践而不断发展的。古代唯物论者把物质归结为某一种或几种物质的形态，近代形而上学唯物论者将物质归结于原子；现代唯物哲学认为，物质就是客观实在，主要包括实物和场两种形态。然而，无论是物质的客观实在性、还是物质不同形态之间的关系，在哲学和物理学上都只是停留在较为笼统的、定性的理解上，而缺乏明晰的、系统的阐述。

1.1 认识物质的方法与进展

物质的客观实在性是通过人的感觉感知的，它不依赖于我们的感觉而存在。由于感官的局限性，导致我们由此建立起来的宏观经验被推广到微观和宇观过程中必然存在偏差。换言之，我们戴着宏观经验这副眼镜，看到的宇观和微观现象，既有图像上的扭曲，也存在认识上的曲解。

1.1.1 感官的适应性与局限性

我们知道，一些远古的昆虫进化到现在，进入地下穴居的昆虫分支，视觉器官已经退化，取而代之的是，进化出了较为发达的触觉器官--触角；而留在地面的昆虫分支，视觉器官进一步得到强化和完善。类似实例不胜枚举。

这些事实表明，感官的种类及其识别范围是经过长期进化与环境相适应的结果。既然感官是与环境相适应的产物，那么它就不可能超越环境，而是与所处环境相协调的一种特设。

首先，人类生存于地球表面环境中，相对浩渺的、复杂的宇宙，地表环境是极其微小的和极为特殊的一种环境。因此，对于认识整个宇宙，我们的感官种类存在不可逾越的局限性。另一方面，特定的活动方式和竞争关系，也决定了感官种类的有限性。在现实环境中，如果我们的眼睛具有和鹰一样的功能，那么我们的世界将不存在色彩而是一个黑白世界。也就是说，在物质的客观实在性中，我们要去掉“颜色”这一项。还有，我们的感官是在环境的差别刺激下而产生和强化的，因此对于那些无处不在的背景物质(如流体态物质--空间，详见1.2节)，我们也是无法看到和感知的，如同水中的微生物感觉不到水的存在一样。

由此可见，相对纷繁复杂的自然界，我们的感官种类存在局限性，并因此决定了我们只能看到物质世界的部分侧面而不是全部。

其次，特定的活动方式和竞争环境，还决定着感官在分辨能力上的局限性。比如，空中一些飞禽的视觉分辨能力优于我们，地上一些走兽的嗅觉分辨能力优于我们等等。虽然我们通过各种仪器可以更好地观察微观和宇观现象，但这只是感官分辨能力的有限提升而已，所看到的还只是事物的表象、甚至假象。

比如电流，我们通过电流计观测到的电流，是将导线视作一维的线，认为电子在这条线上作直线运动，进而得出正交电磁场的认识(如图1-1a所示)。如果用放大镜观察(当然无法直接观测)，我们会发现自由电子是沿导线表面螺旋前进的，磁场是由导线表面自由电子之间的耦合场所形成的，磁力线的方向与电子的运动方向是平行的。从图1-1b还可以看出，电子运动方向与导线轴线夹角θ总是小于π/2的，显然电流产生的磁场与导线并非严格正交。详见6.2节。

由此可见，面对由基本粒子逐级构成的自然界，我们的感官分辨能力存在局限性，并因此决定了我们看到的只是事物的某些层面而不是本质。

1.1.2 认识物质需要抽象思维

感官的局限性，决定了我们通过感官认知的物质客观实在性是局部的和表象的。虽然我们的感官是认识我们所处的极为有限环境的有效工具，但对于认识整个宇宙和物质的本质，它显然是无法胜任的。因此，在认识宇宙的过程中，除了感官直觉，我们更需要大脑的抽象思维。

从历史上看，通常总是实验给理论以寻求更新理论的推动力。而在狭义相对论的建立过程中，实验似乎并没有起到这样的作用，相反，是观念上的洞察力起了独一无二的作用。实际上，狭义和广义相对论的建立，是爱因斯坦对当时已知的各种物理现象进行抽象思维(归纳总结)而创造出来的，而不是基于当时的已知理论通过逻辑推理推导出来的。量子理论的创立过程亦是如此。

宏观环境的物质模型，是我们动用所有的感官而建立起来的。然而到了微观和宇观环境，我们只能靠视觉观察，其它所有感官都不能派上用场。显然对于试图了解微观和宇观的探索者而言，在这种没有任何经验可借鉴的陌生环境中，到处布满了陷阱。在这些环境中，探索者唯一倚重的知识只有宏观经验，而问题恰恰就出在这里。在广义相对论框架下，我们目前得到的被普遍接受的是宇宙大爆炸模型，然而发生宇宙大爆炸的奇点，却不适用于所有物理定律，显然我们从已知定律步入了不可知的误区。同样，在量子理论体系内，不确定性原理和标准模型的若干可自由调节的参数，也将我们带入了不可知的误区。

纵观人类发展的历程，对物质的认识过程是循序渐进的、有层次的。真正的理论源于归纳总结而非逻辑推理，它超前于实践并为实践指引方向；当实践突破了理论的适用范围时，必然催生出新的理论，旧理论自然地成为新理论的一个子集或特例，新理论再次引领人们在其适用范围中前进。周而复始，人类不断扩大实践的疆域、不断逼近自然界的真相和物质的本质。

然而，人类似乎永远无法将实践疆域扩大到整个宇宙。这似乎表明，我们对物质的认识，只能无限靠近而不能到达物质的本质，这不免让我们感到气馁。为了实现到达本质的理想，我们需要另辟蹊径。如果星系或星系团是构成宇宙的基本单元(这可以从黑洞大爆炸和星系结构存在有限尺度的数据中找到答案)，我们就可以推出整个宇宙的性质来，也就可以到达物质的本质。这让我们充满希望。

倘如此，通往物质本质的路又在哪儿呢？

1.1.3 现代物理学对物质的表述方式

唯物论认为，物质的唯一特性是客观实在性，即一元论。当然，“客观实在性”是哲学语言对物质的表述方式；在物理学上，物质的表述方式存在多种形式，而且对物质的一元性表述模糊不清、甚至相背离。

在宏观领域，根据作用力性质(万有引力和库仑力)的不同，对物质的表述分别用质量、电荷两个概念。也就是说，物质包括质量物质和电(磁)物质两种，物质是“二元性”的。然而，这两种物质之间到底存在什么关系，至今物理学界给不出令人信服的答案。毫无疑问，质量和电荷概念是经典物理学的两大支柱，牛顿力学和电磁理论在宏观领域的巨大成功，使人们不假思索(因为不清楚这些概念的适用范围)地将它们直接引入到微观和宇观领域，导致更多物质概念的提出，如暗物质、暗能量、色荷等。可见，随着人们的视野从宏观拓展到宇观和微观，物质概念进一步多元化了。

在宇观领域，随着广义相对论的创立和太空观测研究的不断深入，现代宇宙学认为，物质存在三种形态：普通物质、暗物质、暗能量，它们分别占宇宙的4%、23%和73%，对于这个比例还存在一些相近但不同的观点。20世纪20年代，随着哈勃定律的问世，膨胀宇宙模型取代了静态宇宙模型，并从膨胀宇宙模型反推出了“宇宙大爆炸学说”。科学家推测暗能量能够产生与引力相反的排斥力，导致宇宙膨胀，这进一步支持了“宇宙大爆炸”学说。但是至今，科学界仍然无法对暗物质和暗能量进行解释。

在微观领域，20世纪初，实验证实原子是由电子和原子核组成，从而打破了长久以来认为原子是构成物质的基本单元的认识。到20世纪30年代人们已经普遍接受电子、质子和中子是基本粒子的观念。随着量子论的创立和加速器的建成，微观研究向纵深发展，更多的微观粒子被发现，因而现在大家倾向于不再用“基本粒子”这个名称，而改称为“粒子”。但事实是，仍将光子、电子等视为基本粒子，而且还推导出“胶子”、“希格斯粒子”、“引力子”、“磁单极子”等更多基本粒子概念。

随着人们视野的不断拓宽，物质概念的内涵变得愈加丰富多彩，相对物理学的快速进展，哲学似乎是在原地踏步，这不免使S.W.Hawking发出“哲学已死”的感慨。然而，随着物质认识的不断深入，不但没有使物质概念变得更加清晰，相反出现了更多的新概念，对物质的理解更加纷乱、模糊。

1.1.4 我们面临“哲学已死”与“物理重建”的抉择

质量和电荷都是从相互作用导出的概念，它们都源于人们对万有引力和库仑力的体验，将这种体验与对宏观现象的视觉观察相结合，找出它们与运动的关系，于是创立了牛顿力学和电磁理论。系统相对论认为，经典物理学是建立在人身体验和近身观察(即宏观环境)基础之上的，称之为宏观物理学。

随着人们视野进入宇观和微观领域，由于我们无法从中获得人身体验，而只有视觉观察一个手段，人们自然而然地沿用了在宏观中形成的经验，即将宏观体验与宇观(或微观)观察进行结合，开展研究。如图1-2所示。

但是，宇观的大尺度环境和微观的量子环境，与地表的宏观环境都是完全不同的，如果我们能够身临其境，会有完全不同的人身体验。因此，将宏观经验直接嫁接到宇观或微观观察上是存在问题的。也就是说，将质量和电荷概念引入微观和宇观领域需要特别慎重，否则会将我们引入歧途。

随着光子和一些微观粒子没有“静止质量”被实验证实，已经发现“能量比质量更基本”的事实。基于较大粒子由较小粒子组成的观念，人们自然产生“无质量的粒子是如何产生出质量来的？”疑问。通过极为复杂的数学运算，在量子色动力学(QCD)框架内，仅导出了大部分质量的来源。纵观质量和电荷的认识过程，质量概念进入宇观成为部分物质的概念、进入微观最终化作了能量而消失；单位电荷进入微观开始分数化(最终也化为能量)。沿着这个方向，似乎让我们看到，可以用能量概念将质量和电荷统一的曙光。

对于宇宙谱线“红移”的原因一直存在争论，大多数天文学家赞成“宇宙学红移”的观点，另一种观点认为类星体红移是局地的、非宇宙学的。系统相对论赞成光子衰老的观点。实际上，在类星体辐射出的光子穿越太空到达地球的过程中，难免会穿越黑洞史瓦西半径内的空间，导致光子中部分cn粒子的散解而发生衰变(见8.4节)。从“光子衰变”原理看，多普勒的红移解释和哈勃定律是不正确的，由此宇宙年龄的问题也就成了一个伪命题。

毫无疑问，强子不是基本粒子，那么电子、光子呢？一方面，compton effect表明，被散射光子的频率f随散射角θ改变；根据光子能量公式E=hf=nε0(见2.3节)，光子频率变小，说明光子能量降低，即光子中所含能量子ε0的数量n减少，意味着光子发生了衰变。另一方面，频率和自旋量子数的存在事实，表明光子、电子存在着极性，而极性又预示着结构的存在。从普朗克能量子概念出发，似乎可以将所有粒子，统一在一种终极的、唯一的“基本粒子”的麾下。

2011年，欧洲研究人员发现了中微子超光速现象，这一发现的意义在于，包括爱因斯坦相对论和量子论在内的现代物理大厦的一个基本假设--“光速恒定”是不成立的，它动摇了现代物理大厦的根基，如果中微子超光速现象被证实，我们几百年构建起来的物理大厦将需要推倒重建。根据系统相对论，光速并不恒定(见4.2.6节)，中微子超光速现象无疑是对系统相对论的一种证实。

是“哲学已死”还是需要“物理重建”，已到我们必须抉择的时候了。