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引用
einstein.newton 的 相互作用种类及强度的物理意义
在正式开始讨论前，先扯一点写本文的2个背景。
1.程然学长提到Berry相位对于他选择理论物理的决定性影响，使我回想起以前看科大近代物理系网站时遇到过（在资源下载里），于是就下载并打印 出来。读过后觉得确实很有意思，于是又去那网站上下载其他资源（共8个讲座，Berry相位只是其中之一）。那里面讨论了好多量子力学的概念和哲学问题， 让我对量子力学的兴趣空前高涨。我见到那个讲座中提到这个讲座共30个，于是想找到另外22个讲座（因为科大网站上仅有8个），于是四处搜寻张永德的论 文。好多尝试失败了，最满意的是在图书馆中找到了他编的教材。那本书与一般量子力学书的区别是，文字解释特别多，很有哲学的味道（尤其第1章讲物理基础， 第6章讲全同性，第12章讲量子纠缠），确实和那些讲座一样激动人心。
2.前些天看狄拉克的《量子力学原理》，开篇对于微观世界的讨论激起我很大兴趣。我回想起以前与尤亦庄学长讨论《牛顿力学的适用范围》那封站内信。 印象最深的是那句话：“因为小而造成的不确定，是量子不确定性；因为多而造成的不确定，是统计不确定性。两者有明确的区别，但是在量子场论的层次上，他们 可以有很深刻的联系”。我开始反思量子不确定与统计不确定的根源：“对微观系统测量，只能得到平均值；对宏观系统测量却不是；因为仪器分辨率不能无限提 高，所以在10^（-15）以下的时间不能引起仪器的反应。这说明统计效应（平均值）要基于量子效应（因为小，才无法精确测量）。而天体系统（暂不考虑小 行星）却不出现不确定，虽然天体那么多，却未因为多而造成不确定（统计不确定性）。所以，统计不确定性要基于量子不确定性（天体是宏观，不小，所以体现不 出统计不确定性）。 但考虑另一种情况。如果天体离得很近或微观粒子离得很远，还会出现不确定性吗？ 再有，小和大应该不仅仅是尺度问题，还要考虑轻重。比如宇宙中有大量同体积的球，但其中一个质量相当大，而其余都很小，那么，一群轻球（乒乓球）能引起一 个重球（铅球）的不确定性吗？”这反映出我开始觉得相互作用强度对于不确定性的影响。所以，很自然想到好友靳硕文曾经写过一篇题为《数量级猜想》的日志。 我于是回复道：“从大到小就需要量子力学，从少到多就需要统计力学，从慢到快就需要相对论力学，既小又快就需要量子场论，既小又多就需要量子统计……”。 于是又反复思考，在这个过程中，张永德的讲座、讲义和教材给了我很多启示。另外，也参考了《自然规律中蕴蓄的统一性》。
扯完了最近的活动状态，开始正文。我觉得自己似乎有了对宇宙的总体看法（当然还很不成熟，以后的研究还会改变这些想法，所以下面的观点只是暂时的）。
1.既然宇宙万物都由基本粒子构成，那么宏观世界的现象都要由微观理论来解释，也就是要一直坚信还原论。这一点主要针对好友王琦。对他的另一个建议是，科学需要实验，不能纯粹思辨。
2.粒子的种类决定相互作用的种类，相互作用的种类及强度决定宇宙面貌。从哲学上看，这里我用的是粒子本体论，而没有提到场，也没有融入相对论的物 质与时空关系。之所以这样做，一方面是因为我觉得量子场论似乎表明传递相互作用的是粒子，而不是场。比如传递电磁作用的是光子，传递强相互作用的是胶子。 既然没有场也可以解释非直接接触的相互作用，而且不会导致经典的超距作用，为什么还需要场呢？这时，场变成了和空间一样的东西。另一方面，如同A-B效应 是个拓扑学理论一样，广义相对论本质上也是个几何学理论，而不是个动力学理论。虽然动力学理论有局限性，几何学解释更为普适而且根本，但我这里主要目的是 阐明不确定原理的概念基础，所以追问动力学根源似乎更利于看清微观世界与宏观世界的本质差别。
首先，相互作用的种类决定宇宙面貌。这个观点是《自然规律中蕴蓄的统一性》中提到的。书中《量子革命》一章中“电子是可以彼此分开的吗”一节中讲到 假如电子、质子等都是玻色子会造成的后果。众所周知，宏观万物的现象都基于分子原子（研究这个尺度规律的学问是化学），而化学的本质又基于量子力学，尤其 全同性原理对于元素周期律具有决定性的意义。
其次，宇宙面貌不仅由相互作用种类决定，还与相互作用强度有着深刻的联系。这就是上面评述《数量级猜想》时的结论。费曼讲义第二卷谈到很多重大问 题。其中第一章开篇讲电力时解释了原子构成的动力学原因。质子之间电磁斥力与强相互作用的吸引力的抗衡造就了原子核的平衡。其中比较重要的是，相互作用的 强度具有决定性的意义。假如强相互作用不是短程力，或者电磁作用不是平方反比而是立方或一次方反比，我们这个世界一定会是另一种面貌。第一章还谈到这样一 个问题：两个平行运动的电子之间有没有磁相互作用呢？对于与电子速度相同的观察者来说就没有，但对地面的观察者呢？这很容易想到两根平行通电导线，它是有 吸引力的。费曼解释说，导线中正负电荷抵消，电相互作用不复存在，这才允许磁效应出现。为什么呢？因为磁力相对于电力来说太微弱了，磁效应是一种相对论效 应，所以只有当电子速度接近光速时，磁效应才被重视。因为物理学一大特点就是近似，如果某个量相对来说很小，我们就把它忽略。大多数模型都是线性的，就是 这个原因。激光的一些效应表明，高能会导致非线性（参见杰克逊《经典电动力学》绪论）。另外，正是由于黑洞引力太强了，才导致连光这样快的粒子都逃不出它 的“手掌心”。所有这些，都表明相互作用强度的重要意义。
为什么花这么大力气解释相互作用强度呢？所有解释都为了一个目的：不确定性的根源。尤亦庄学长已经解释了不确定性分为量子不确定性和统计不确定性两 种情况，下面就来思考造成这两种不确定性的原因。尤学长提到，“统计涨落的最终来源是量子涨落，但是像经典力学中的混沌之类的也可以处理成统计涨落，这些 就是天体物理中星系动力学的涨落来源。事实上天体物理就是把星球当成无规运动的分子的，尽管本质上它们的运动是决定论的。”为了把量子不确定与统计不确定 区分开，我想到两种极端情形：一是宇宙中只有一个没有内部结构的基本粒子，这样就排除了统计不确定性。另一种是宏观天体，这样就排除了量子不确定性，所以 只有统计不确定性。对于第一种情况，显然不可能在宇宙中成立，这说明我们必须把多粒子体系作为基本前提，所以，统计不确定性将会在所有体系都有表现； 那么来考察第二种情况：为什么宏观天体的运动没有反映出本来应有的统计不确定性？我想，这是由于相互作用强度太弱造成的。假如天体之间距离很近，而且天体 质量很大，那么也会出现混沌。事实上，湍流等现象就是很好的例子。下面我们来考察另一个方面。尤学长前面提到“天体物理就是把星球当成无规运动的分子的， 尽管本质上它们的运动是决定论的”，我们来看另一方面，我引用科大张永德教授一句话：尽管测量是随机的，但薛定谔方程却表明体系的动力学演化是决定论的。 这和尤学长那句话多么相似。从张永德那句话可以看出量子不确定的根源是测量。为什么一定要测量？因为主观思辨得出的结果可能不是客观世界本来面目（所以物理学必须依赖实验），没有测量就什么也得不到。测量意味着什么？干扰！这样，我们就找到了不确定的根源：当干扰足够强时，就会扰乱原来的运动状态，从而出现不确定。 这也暗示出宏观与微观的一个根本区别：实验对于宏观体系的干扰足够小，可以忽略；而对于微观扰动很大，不能忽略。徐晶津曾拿einstein的问题问我： “is the moon there when nobody looks?”有了上面的讨论，我们可以这样回答：微观物体在不观测时是一套规律，比如电子波出现干涉条纹，测量的后果是使得条纹消失，因为干扰很强；月 亮是宏观物体，观测也会扰动它，但由于扰动很小，可以忽略，所以不观测时运动规律与观测时的规律一样。不论如何，没有观测的宇宙都会有一套规律（不观测月 亮，月亮也在确定的时间有确定的位置）；关键是，没有观测你怎么知道它那样运动呢？只能是杜撰一个上帝那样的神学做法。举个例子，没吃过葡萄，怎么会知道 葡萄是什么滋味？但你没吃过就说葡萄不是酸的吗？要获得某种信息，就必须做实验！这是认识世界的前提。应该明白，物理学中数量级（相互作用强度）非常重 要。前面提到高能导致非线性。宏观观测对于微观体系来说就是高能（即干扰很强，不可忽略），导致的非线性就是不确定性。
综上所述，由于宇宙必然是个多粒子体系，所以统计不确定性贯穿从微观、宏观到宇观的所有数量级；对于宏观、宇观世界来说，自身数量级比较大，因而扰 动（相互作用强度）就显得小而可以忽略，这是很好的近似（宏观物体的德布罗意波长如此之小，因而可以完全看做粒子）；对于微观世界来说，自身数量级就很 小，相对扰动就很大而不可忽略，从而出现不确定性。
波动性是所有物质的根本属性，但在宏观尺度下近似为粒子性；对此，张永德《量子力学》书上论述很经典：双缝实验中粒子不是一定从哪一条中通过，而是 同时在两缝中通过，实际观测是两个态的叠加（薛定谔猫是广义杨氏双缝干涉，猫的状态是两个态的叠加。正如一个人早晨一副笑面孔，中午一副哭面孔，不应该追 问这个人到底什么面孔一样，我们也不应该追问电子到底是什么，而应该问电子在什么情况下表现出一副波的面孔，在什么情况下看起来又像粒子面孔。不同测量方 法就决定了我们最终看到不同的面孔）。测量时，叠加的两种状态坍缩掉一个，从而使我们观测到另一个。需要说明的是，尽管测量的坍缩是随机的，但不去测量时 的波函数是按照决定论式的薛定谔方程演化的。态演化的决定论形式与态测量的随机坍缩形式的有机结合，就是微观世界的新的因果规律。另外，波动性反映在单个 粒子上就是共轭测不准关系，反映在同类粒子建就表现为全同性原理，即全对称或反对称的量子纠缠：波动性越明显，波函数的空间延展越大，来源于交换作用的干 涉效应就越显著；反之，粒子性越明显，波函数的空间延展越小，干涉效应就越小。
数量级很难理解吗？其实从哲学上看，不就是量变引起质变嘛！从霍尔效应到量子霍尔效应再到分数化量子霍尔效应，以及从连续带电体系到元电荷再到分 数电荷（如夸克），都是反映量变引起质变啊~质变是什么？用物理语言描述，就是相变，例如水的三相变化。值得注意的是，发生相变的位置可能不是一个点，而 是一个范围。比如导体和绝缘体就没有一个绝对的界限。所以，“宇宙具有负热容，微观粒子具有正热容，这一正一负的界限在哪里”的问题似乎无法回答，能回答 的只是造成负热容和正热容的原因。二级相变的问题似乎还与对称性破缺有关，这个问题我还没有弄懂，以后再讨论吧~
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