这种将物质看作是空间，几何场及信息的奇怪观点并不是科学中所独有的，在柏拉图的哲学中

首页>>学科资源栏目>>学科教学资源>>高中物理>>物理博览>>剑桥,科学精神的家园

第十章 物质的比喻性 加到收藏夹 添加相关资源



http://202.198.141.13:8080/Resource/GZ/GZWL/WLBL/JQKXJY/WL100076ZW_0014.htm


剑桥，科学精神的家园 ——序《剑桥文丛》 萧乾 - 剑桥，科学精神的家园 ——序《剑桥文丛》 萧乾
致谢 - 致谢
引言 - 引言
第一章 狭义相对论 - 第一章 狭义相对论
第二章 空间和时间的暗喻，第一部分 - 第二章 空间和时间的暗喻，第一部分
第三章 广义相对论 - 第三章 广义相对论
第四章 空间和时间的暗喻，第二部分 - 第四章 空间和时间的暗喻，第二部分
第五章 机械论的世界观 - 第五章 机械论的世界观
第六章 宇宙学 - 第六章 宇宙学
第七章 科学与宗教 - 第七章 科学与宗教
第八章 光子和电子 - 第八章 光子和电子
第九章 新量子理论 - 第九章 新量子理论
第十章 物质的比喻性 - 第十章 物质的比喻性
第十一章 量子理论的阐释 - 第十一章 量子理论的阐释
第十二章 客观性、测量和现实 - 第十二章 客观性、测量和现实
第十三章 物理和意识 - 第十三章 物理和意识
第十四章量子理论 - 第十四章量子理论
第十五章 原子核 - 第十五章 原子核
第十六章 原子能和原子弹 - 第十六章 原子能和原子弹
第十七章 物理学与良知 - 第十七章 物理学与良知
第十八章 粒子和统一性 - 第十八章 粒子和统一性
第十九章 物理学和神学 - 第十九章 物理学和神学
第二十章 物理学与艺术 - 第二十章 物理学与艺术
第二十一章 自然科学与人文科学 - 第二十一章 自然科学与人文科学
第二十二章 物理学教育 - 第二十二章 物理学教育


第十章 物质的比喻性



当我们研究20世纪的物理学时，物质和空间属性的问题变得越来越多，18世纪和19世纪的物理学家们试图用空间的物质运动来解释所有的自然现象：恒星在银河系中的运动，行星在太阳系中的运动，原子在物体中的运动，以及电子在原子中的运动。物质由许多细小的、不可分的微粒组成，这些微粒充满其中并不停地运动。空间被认为是和物质有着明显区别的。空间是空洞的，静止的和绝对的，它只是容纳各种物质现象的“舞台”而已。但是爱因斯坦就一直不主张这种空间和物质的明显区别。在相对论中，空间是流动和变化的，并和物质一样具有一定的几何形状。在量子理论中，电子用波的函数来表示，这种函数并不代表物体的振动，而只是一种信息的数学表示，这是一种完全的抽象概念。在这里，以前的物质概念已经变得完全没有意义了。物理学上关于空间和物质观点的转变代表了比喻形式深远的进化过程。



白描和比喻



我们在前面章节和本章中所使用的比喻的观点，似乎和一本物理学书籍是没有任何关系的。简单地说，比喻是将两种不同的事物做象征性的比较以产生讽刺的、幽默的、象征的或诗意的效果。像“生活像一场梦”、“鳄鱼的眼泪”就是这样的例子，好像只有诗人和艺术家才擅长这些技巧，比喻是产生创造性的很好手段，没有了拟人、对比和比喻，我们几乎不能思考，实际上比喻在科学中的应用比人们想象的要普遍得多，将宇宙或人体比作一部机器，以及将人的大脑比作计算机是人们经常使用的。即使是像空间、时间、物质、数字等这些基本的物理学概念也都有比喻的特点。

将曲面空间比做引力场无疑是一种比喻，当然也许会有一些物理学家，因为这种比喻代表了一种精确的数学等式关系而对此提出疑议。因为曲线空间和引力场在相对论中是用相同的公式来表示的。一般来说比喻是一个文学概念，在数学中是不存在的。但如果空间和引力场是同一种事物，我们为什么要把它们等同起来呢？相等意味着两种事物间的等价性，比喻则反映了两个不同事物之间的关系。数学公式实际上是一种比喻。如果我们有意地割裂语言学与数学之间有联系，那么我们就不可能清楚地解释任何一条数学公式或定理，语言在物理学的发展和实践中所起的作用和在数学中所起的作用是一样的。

即使在科学领域，白描与比喻之间的明显区别也是无法详细描述出来的。一个科学家眼中的“肥肉”则可能是另一个科学家眼中的“毒药”。如果我们去掉数学公式中的所有比喻成分，那它将是无法讨论和发表的，更重要的是，不使用比喻将无法进行科学创造，所有的创造性工作都使用了比喻。分不清比喻和白描的中世纪科学思想大多数已被现代科学所否定。但是相对论的曲线空间理论和量子理论的互补原理，又重新确立了比喻在20世纪科学中的中心角色地位。





物质的本质



关于组成物质的最微小、基本的微粒的思想可以追溯到古希腊的德谟克里特时代。“原子”在古希腊语中的意思是“不可分的”，在现代科学开端时期，笛卡尔特别强调基本粒子的运动是解释各种物理现象的基础，尽管牛顿拒绝接受笛卡尔的大多数理论，但他却接受了笛卡尔基本粒子结构的思想，在19世纪末之前，所有物质现象都是用基本粒子的运动和空间电磁波理论来解释的。

尽管原子、电子以及后来发现的质子和中子曾一度被认为是基本粒子，20世纪物理学使人们从更深层来理解物质并发现了更小的基本微粒。很久以前，人们就知道原子由电子和原子核组成，原子核则由质子和中子组成，到目前为止，电子依然无法分解，它依旧是现代物理学理论中的基本粒子之一，质子和中子已不再是基本粒子，它们是由一种叫“夸克”的粒子组成。

尽管已经有了以上的分解和探索，我们对基本粒子的组成几乎一无所知，电子和夸克是目前我们所能探测到的最小的最基本的粒子（夸克只能间接探测到），夸克比质子和中子小几千倍，比原子小上亿倍，这意味着由于受到粒子加速器最小测量范围的限制，电子和夸克目前被认为是不可分的和没有任何内部结构的粒子。也就是说即使电子和“夸克”是由其他粒子组成的，目前我们也无法“看见”它们。

由于现代测量技术最小范围的限制，我们认为电子和夸克是质点粒子——也就是说，它们是没有任何尺寸的。质点是物理学中关于物质的一种非常有用的理想模型，它不占有任何空间，这也是一种比喻。在物理现实中它是不可能存在的。如果真的存在，其密度将是无穷大——从物理学的角度来看这是不可能的，如果这些微小的粒子不占用任何空间，那么由它们组成的较大物体，直至整个宇宙，也可以不占用任何空间。为了避免对物理上不可能事件的解释，人们迟早会揭示出夸克和电子的大小和结构。从比喻的观点看，质点在物理学上是非常有用的概念，而从现实的观点看，它则造成了一种尴尬的局面。

即使我们能绕过质点大小的问题，那么，基本粒子又是由什么物质组成的呢？我们已经看到在量子理论中是用波函数来描述电子的，它并不说明电子的物质性特点。量子理论告诉了我们关于电子所处位置的一些信息，但它却不能描述我们所处的物质空间是由什么物质组成的这样的信息，在这些问题上量子理论没有任何发言权。

如果波函数不具备物质属性，它们至少还具有数学属性。那么，每一种事物都是由数学组成的吗？而这又意味着什么呢？数学模型是否构成了宇宙的基本框架？数学和比喻一样，是一种人类思维的技巧，我们很高兴地看到，从宇宙到夸克的每一种事物都能用一种数学结构或模型来表示。但如果宇宙是由数学组成的，那么它还有其他结构吗？如果它是由数学组成的，那么我们可以把宇宙看成是人类思想的产物吗？



一个棘手的问题



如果我们不能指出物质是什么东西构成的，我们是否对其固态性和不可分性有些了解呢？有句古老的谚语说：“你不可能在同一时间内在同一位置放置两种不同的东西。”量子理论中的泡利排他律反映了同样的观点，该定律认为同一原子的两个电子不可能同时处于同一量子状态。因此物质的固态性和不可压缩性以及化学元素的周期性结构都依赖于分子、原子、电子的不可分性，但如果物质或电子不是由其他粒子构成的，那么究竟是什么保证它的不可分性呢？



我们必须注意，物质的不可分性不只是物质的一个属性，它还同其坚固性相联系——它保证物质不会崩溃并使其占有相应的空间。原子之间的作用力使它们保持一定的距离，这种相互吸引排斥的作用力被称作自然中的电磁现象，这种作用使得物质中的原子相互之间保持一定的距离，因此，物质的形状、硬度和伸展性可以用原子之间和分子之间的相互作用力来解释。

然而这存在着一个逻辑上的问题。在我们对相对论中的引力场进行讨论时，我们注意到引力场不会被直接观察到，我们是通过行星的运动，抛物线运动和下落的物体来判断它的存在。宇宙引力场的假说能使我们利用这一准则解释许多不同的自然现象——从银河系恒星的活动到关于漂浮物的阿基米德定律等，我们将永远不会实际看到引力场，我们只能通过其作用的结果来了解它。这个事实，同引力加速度的不可区分性合在一起，构成了爱因斯坦广义相对论的关键点，在广义相对论中，他完全忽略了引力场作用的影响。

在这一点上物质和电磁力之间已没有什么区别，力的作用是通过它们作用的效果被观察到的，当我们看到指北针的指针发生偏移时，我们认为这是地球磁场作用的效果，我们永远不能直接看到这种磁力，我们只能看到它作用的结果。关于地球磁场的特点，结构等信息全都是人们推理的结果。同样的，我们将物质的硬度，形态和不可分性归结于电磁力的作用，这也是无法直接观察到的。从科学的角度上来看，这不是一个什么问题，因为电磁力存在的假说能如此完善的解释许多物理现象，以致人们几乎忘掉了它是一个假说。电磁力理论被认为是一个普遍适用的自我验证的系统。



物质的逻辑学



从逻辑学的观点来看物质结构，还是有问题的。我们用电磁力来解释物质的硬度，而另一方面，我们又用物质的硬度来推理电磁力的存在，这是一种逻辑上的谬论，这是一种循环论证。科学中常常使用这种循环论证。例如，我们通过对电子碰撞结果的观察来推测电磁力的存在，然后又用这种力来“解释”物体的固态性。这就显得有些勉强——实际上这是用一种现象来解释另一种现象，而第二种现象由于包括上亿个原子的相互作用又比简单的电子碰撞要复杂得多。

再者，为解释物质的硬度而假设的力又是和物质本身相联系的，而物质的组成对我们来说依然是个谜。在物理学中力和物质是联系在一起的。用物质内部的作用力来解释物质的硬度就好像是在说，因为物质是稳定的所以它是稳定的一样。力即不能被直接观察又不能脱离物质本身。力是物质本身内在的属性，它们的存在和特点同物质本身一样依然是个谜。

力的暂时性是相对论中最清楚的观点之一，在该理论中，几何场代替了引力场——由于爱因斯坦已经创建了一种更加完善和完整的理论，因此所有从行星运动和下落物体得到的关于引力场的结论都没有意义了。如果爱因斯坦在其晚年成功地解答了其对几何电磁学的置疑，正如他以前对引力场所作的那样，那么现在我们就没有必要再讨论电磁力了。当然他没能做到这一点。量子理论由于对电磁学的处理而闻名于世。量子电动力学被称为是历史上最精确的理论，从这个角度来看，电磁力是安全的。

退一步讲，即使力的解释有一个合理的逻辑，它们依然是站不住脚的，因为原子之间、分子之间的作用力已经不能用来解释电子和夸克现象，如果这些基本粒子不是质点，那么到底是什么把它们维系在一起的呢？为什么电子的充放电将导致它的排斥性和跃迁呢？如果我们还用力的观点来解释这一切，我们又回到了以前的循环论证，用力来解释物质的组成和状态并不比抽象的描述物质本身有多少优势。

以上这些问题在多年以前罗素就已有过以下精辟论述：由于我们定义的结果，因此我们所构造的物质是不可分的：放在一个地方的所有事物构成了该物质，因此其他任何物质都不能再放在那个地方。这是一个重复说明，并不是物理事实；一个人可以声称伦敦是不可分的，其原因是住在城中的居民都是伦敦人。



物质的核心



物理学给我们提供了一系列令人困惑的理论，模型和比喻：比如像牛顿论述的存在于空间之中的物质，爱因斯坦提出的物质与空间的关系、引力与加速度的关系、引力场、粒子和波动性、波动函数、概率分布以及其他我们在以后章节会讨论的一些例子等。关于物质人们开始认为它是实体，然后认为它是空间，最后转变为一种数学的抽象，这种观点的转变揭示了比喻的深远进化过程。物质的实体概念在我们心中越来越模糊，我们日常生活中的各种事物好像已逐渐在眼前消失，从现代物理学的角度来看，我们几乎无法区分物质与空间。

这种将物质看作是空间，几何场及信息的奇怪观点并不是科学中所独有的，在柏拉图的哲学中，宇宙本身是一个完整的有机体，它的空间就像是智慧、意识、思想的广阔天国，他认为天体的循环运动和人的思想过程之间没有明显的区别。空间的运动，时间的变化，以及人的思想是有着复杂的关联的。所有这些都表明了一种思维的比喻状态，这种状态在中世纪的占星术也一直被采用，但我们从未把这种实践看成是一种文化，我们只把它看成一种原始的、迷信的、拟人化的意识。

在印度教中，也有一种叫AKASHA的概念，这种观点认为空间即是一种盛满各种物质的仓库，也是一个记载着过去、现在和未来事物的图书馆。AKASHA是关于空间、时间、生命力以及人们理解并解决问题能力相结合的一种理论。在量子理论中对物质的数学描述和在相对论中对物质的空间化也都有明显的相似的痕迹，印度教哲学把物质世界看作是一种幻觉，这种幻觉同抽象和数学有什么不同呢？20世纪人们的幻觉又会是什么呢？思想、数学、比喻……？



（姜雪松译）






相关资源 加到收藏夹 添加相关资源