量子力學與相對論的矛盾精選(九篇)

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第1篇：量子力學與相對論的矛盾范文

經典物理的產生一般認為從文藝復興時期開始，前期經過許多科學家，特別是伽利略、笛卡爾、惠更斯等先賢的努力，建立起力學的實驗基礎。牛頓總結前人的成果，確立了經典力學的基本理論體系，麥克斯韋、玻爾茲曼等確立了經典統計力學和電磁場理論。經典物理經過幾百年的不斷發展和完善，形成了自然科學中唯一有完整的理論、思想、數學推理和研究方法體系的學科。牛頓力學和麥克斯韋電動力學號稱經典物理的兩大支柱，牛頓和麥克斯韋在物理學界的位置，可以相比于中醫學的先圣張仲景。

現代物理從20世紀初始興起，由愛因斯坦、玻爾為代表的眾多科學家的杰出工作，創立了相對論和量子力學，開創了物理學的新局面。以相對論和量子力學標志的、研究微觀、高速物理現象的新的理論和方法體系，統稱現代物理學。現代物理學在原子、分子、固體、原子核、天體力學和宇宙學、等離子體、激光技術、基本粒子、半導體、超導的研究中得到了廣泛的應用。

有人稱相對論和量子力學的創立是“物理學上的一次革命”。更多的局外人則認為現代物理是一種全新的理論，完全推翻和取代了經典物理學，經典物理已經完成了自己的歷史使命，現代社會已經不再需要她。這其實是一種誤解。如果我們從歷史和現實的的角度重新審視事實，就會發現，經典物理沒有被拋棄，她不僅是現代物理產生的溫床、理論與方法的啟示、研究的工具，更是現代社會的頂梁柱，仍在現今眾多高科技領域中發揮著不可替代的作用。下面，我從以下三個方面討論現代物理與經典物理的關系，從而說明重視經典是物理發展的需要，是現代科學、社會發展的需要。

1 現代是經典恰當的擴展

愛因斯坦在創立狹義相對論時，提出了兩個基本假定：相對性原理和光速不變原理[1]。首先我們注意到，愛因斯坦的相對性原理與伽利略相對性原理驚人地相似，比較一下就可以看到：

伽利略相對本文由收集整理性原理（由伽利略等人經過反復多次的實驗檢驗而提出）：一個相對于慣性參照系做勻速直線運動的系統，其內部所發生的一切力學過程，都不受系統運動的影響，或一切慣性系統都是等價的。

愛因斯坦假定，不僅力學過程，所有的物理過程都不受系統運動的影響，即：

物理學的基本規律在相互作勻速運動的一切參照系中都是相同的；或：一切慣性系統都是等價的。

從中我們不僅看出，愛因斯坦對伽利略的相對原理有著非常深刻的、超出常人的理解，已經達到了熟能生巧的地步，自然會有如此隨手拈來、為我所用的“上工”境界；也看出創造經典的先賢們的超前意識和睿智之魅力所在。

再看光速不變原理，只要對經典電磁理論稍有了解的人都會發現，麥克斯韋的電磁理論完全可以給出明確的關于光速不變的預言。這是因為，只要從著名的麥克斯韋方程組出發，利用簡單的數學推演，可以毫不困難地導出電磁場波動方程，不僅預言了電磁波的存在，還給出了電磁波在真空中的傳播速度。用c表示電磁波在真空中的速度，c的大小是：

c=■≈3.0×10■米秒

其中μ■為真空磁導率，ε■為真空介電常數，由于μ■和ε■數值的大小固定，與參照系的選擇無關，換句話說，與系統的運動狀態無關，這正是光速（光屬于電磁波）不變原理。

愛因斯坦在創立狹義相對論時，對當時著名的、能夠證明光速不變的邁克耳孫光干涉實驗并不知曉，他能參考的資料只有經典電動力學，麥克斯韋方程組和電磁場波動方程表達的深刻內涵才是他提出光速不變假設的根據。

2 現代是對經典的包容而非否定

無論是相對論和量子力學，都無法否定經典物理，也沒有否定經典的企圖。相反，所有的新理論都試圖找到和經典的聯系，如果找不到應有的聯系，這樣的新理論有可能破產。所以，相對論和量子力學實際都包含了經典。這與所有的后世中醫大家，在發表自己的新見解時，都要證明自己的觀點與《內經》、《傷寒論》有內在聯系如出一轍。

相對性原理最著名的數學表示即洛侖茲變換，具體表述如下：設兩個相對有勻速運動，速度為v參照系統，它們沿v方向各自建立的直角的坐標系分別為x，y，z，t和x’，y’，x’，z’，t’，若初始時，兩坐標原點重合，兩坐標系由以下變換公式[1]聯系：

x′=■ y′=y z′=z t′=■

式中 c 是前面提到的光速，具體數值為30萬公里每秒。我們通常能見到的物體運動速度，如汽車、火車、飛機，能達到1公里每秒的速度并不多見，宇宙飛船的速度，也最多達到10幾公里每秒，即使將來提高100倍，與光速相比仍顯得微不足道。而上式表明，當系統的相對速度v遠遠達不到光速的時候，（日常中大量事實正是如此）上面的公式就變成伽利略變換：

x′=x-vt y′=y z′=z t′=t

說明洛侖茲變換與經典的伽利略變換并沒有矛盾，前者包含了后者，后者用更加廣泛。

再看量子力學，量子力學的基本原理是測不準關系[2]。其典型的表述是：粒子的位置和動量不能同時確定。它們在某一方向上不確定量的乘積大于或等于h/2。即

δx？誗δpx≥■， h=6.62×10-32焦耳秒

可以看出，h是一個很小的量，小到什么程度呢？小數點后面有34個0！是6的百億億億億分之一。一般氣體分子夠小

轉貼于

的了，如氧氣分子質量為10-23的數量級，常溫下速度大約為102的數量級，則動量為10-21的數量級，和h相比大了10萬億倍，完全可以不考慮測不準關系的影響。所以，當我們研究的對象系統中物理量的數量級遠遠大于普朗克常數時，不確定度數值相對來講，必然微不足道，量子力學很自然地回歸到經典力學。也可以說，測不準關系包容了經典力學，后者應用更為廣泛。

3 現代對經典的接收和繼承

現代物理不是空中樓閣，它是采用經典的材料和藝術，一磚一瓦構建的絕美珍品。在現代物理學中，經典的概念、定義、研究方法無處不在，發揮著主導的、關鍵的作用。在相對論力學中，我們可以看到力、加速度和動量以及它們的矢量形式，能量、拉格朗日量、哈密頓量等在經典中熟知的力學量。這些力學量全部統一到了滿足洛侖茲協變的四維形式中去。至于經典電磁理論中所有規律，由于自然地滿足相對性協變，幾乎很少更改地進入相對論，成為相對論的重要的組成部分。

在量子力學中，同樣采用了經典力學的所有量，只是為了描述測不準關系、描述系統的狀態需要，力學量在不同的表象中可以有不同的形式，可以是標量、矢量、張量算符。如在坐標表象中，動量具有梯度矢量的算符形式，哈密頓量則包含了拉普拉斯算符。量子力學的創立者之一海森堡更是心有靈犀，他把測不準關系表示成為力學量的對易關系[2]：

q■p■δ■■i■

這很容易想到經典力學中的泊松括號

q■p■δ■■

第2篇：量子力學與相對論的矛盾范文

本世紀以來，物理學哲學研究有了長足的進步，這與現代物理學所具有的一些新特點有很大關系：一是本世紀理論物理學研究在許多方面超前于實驗物理學的研究，人們無法對理論物理學的一些結構及時通過觀察和實驗進行檢驗，這就使得人們從認識論和方法論角度對物理學思想的合理性和物理學理論自身邏輯結構的自洽性的驗前評價變得十分重要；二是當今各種物理學理論（如相對論和量子論）在逐步統一過程中所顯現出的整體有機聯系的自然圖景和對在極端條件下（如宇宙爆炸初期）的物質特性的探索都促使物理學與哲學進一步融合起來，使物理學家感到了從哲學的高度去更深刻地把握物理學前沿提出的種種物理學理論和概念問題的必要性；三是當代物理學所研究的微觀和宇觀客體的物理性質與規律，由于不能被我們的感官所直接感知，這就必須從認識論的角度說明現代物理學理論描述的微觀或宇觀世界圖景的合理性與真實性，從而在微觀或宇觀世界與我們日常生活的宏觀世界之間建立起一道相互理解的橋梁。

正是現代物理學的這些特點，決定了當代物理學哲學的不同研究途徑，即從不同的角度出發，對物理學進行哲學反思，達到豐富和發展哲學認識論與方法論以及加強對物理學理論和概念自身理解的目的。

一

物理學哲學的研究途徑之一是從通過對物理學概念，尤其是新物理學概念，物理意義的闡釋入手，提高到哲學高度進行分析，進而促進了哲學的發展。這一方面是由于如量子力學創始人之一的海森堡所說：“一部物理學發展的歷史，不只是一本單純的實驗發現的流水帳，它同時還伴隨著概念的發展，或者概念的引進。……因為正是概念的不確定性迫使物理學家著手研究哲學問題”。（〔（7）〕，第185頁），另一方面則是因為物理學是研究最基本的物質運動規律的科學，所以許多最基本的物理學概念，如物質、運動、時間、空間、宇宙等也同時是哲學的基本概念，這些基本概念的變化不僅導致物理學理論的變更，也標志著哲學的重大發展。因此，對這些基本概念的理解，往往是各個哲學流派之間爭論的焦點。而對這些概念的哲學爭論，又總是圍繞著物理學的最新進展而展開，所以從物理學概念入手進行物理學哲學的研究是中外許多哲學家和物理學家最為關注的研究途徑。

科學研究從問題開始，而現代物理學的建立則是從概念問題的突破開始的。普朗克1900年為了解決黑體輻射問題提出了作用量子的概念，但他受經典物理學思維框架的約束，當時并沒有深刻的理解這個概念實質性的物理意義，只把它當成了一般的工作假說加以運用。只是當愛因斯坦（1905年）運用這個概念建立起光量子假說后，它的實質性的、突破傳統經典思維模式的巨大意義才得以凸現出來，并引起物理學界乃至于后來哲學界的廣泛關注。玻爾、海森堡等人沿此思路建立了原子結構模型，并最終建立了量子力學理論，對量子概念物理意義的探討又導致與傳統決定論思維模式相悖的非決定論思維模式的產生，這不僅使物理學的理論基礎發生了根本的變化，而且使傳統的認識論觀念也有了重大的轉變。

當人們對邁克爾遜—莫雷實驗的否定結果迷惑不解時，彭加勒、洛侖茲等人為了維護牛頓的絕對時空不得不提出“虛擬時間”的概念來解釋這一奇怪的結果。愛因斯坦則從麥克斯韋電磁學理論與經典力學伽利略變換之間的矛盾中看出了問題的實質所在。他看出了牛頓所謂的絕對時間并非是有物理意義的真實時間，而彭加勒、洛侖茲等人認為是“虛擬時間”的概念卻是在實際觀測中可以測量到的真實時間，這不僅使邁克爾遜—莫雷實驗的難題迎刃而解，而且一舉建立了狹義相對論。從這里又引發了一輪重新認識時間和空間這一對古老哲學概念的熱潮。

隨著廣義相對論的提出和現代宇宙學的建立，使人們對時間和空間的研究進入了一個新階段。哲學家們紛紛依據物理學的最新研究成果對時間空間概念進行新的闡釋，乃至于給一些古老的哲學命題，如康德的“二律背反”以新的說明。（參見〔（1）〕原蘇聯和我國的一些哲學工作者通過對相對論時間和空間概念與物質運動、物質分布狀態關系的分析，進一步論證了恩格斯當年對時間和空間這對哲學范疇的正確定義。隨著現代宇宙學的興起和發展，人們對“宇宙”概念也有了新的認識，于是，有關宇宙有限還是無限、哲學的“宇宙”概念與現代宇宙學所說的“宇宙”之間究竟是什么關系等問題的討論，又成了哲學界和科學界共同關心的熱點。可是，當人們正沉浸在廣義相對論解決宇宙演化問題所取得的成就時，卻不得不沮喪地發現，所有已知的物理學定律在廣義相對論時空曲面的奇點處都失效了。從理論上來說，所謂宇宙大爆炸最初的原始火球在數學上的表示就應該是一個奇點，也就是說，如果宇宙起源于奇點，我們難以用現有的任何物理學定律說明宇宙爆炸的原因。于是有的科學家戲稱說，既然宇宙是上帝創造的，那么只好把這個問題留給上帝，膽敢問這個問題的人，上帝將使他下地獄。

英國著名物理學家霍金是最早開始研究奇點問題的物理學家之一，近年來也是他提出了試圖用量子引力理論來繞開奇點問題的方法。他為了避免當年費因曼處理微觀粒子時假設的各態歷經的技術困難，并類比他用交換虛粒子來說明粒子間相互作用的方法，提出了“虛時間”的概念。雖然如他自己所說：“虛時間”是一個意義明確的數學概念，“就普遍的量子力學而言，我們可以把我們對虛時和歐幾里得時空的運用，僅僅視作一個計算實時空答案的數學方法（或手段）。”（〔（8）〕，第162頁）但由于量子引力理論假定宇宙沒有任何邊界，“宇宙將完全是獨立的，不受外界任何事物的影響。它既不會被創造，也不會被消滅，它將只是存在”。（〔（8）〕，第164頁）而“虛時間”的應用，則使人們繞開了宇宙起源于奇點和終止于奇點這種用奇點構成時空邊界的困難，讓物理學定律在任何時空區間都有效。正是有這個意義上霍金認為：“所謂的虛時實際上是實的，而我們所說的實時只是我們想象中虛構的事物”，“也許我們所說的虛時實際上是更基本的東西，而我們稱作實時的只是為了幫助我們描述我們想象中的宇宙模樣而創造的一種想法。”（〔（8）〕，第168頁）

霍金對科學理論的看法持有工具論的立場，但對于“虛時間”的概念是否如他所說是更基本的東西，不在于理論上是否更為合用，而在于它是否能夠作出可觀察的預言并在實踐中得到確證。在此以前，我們至少應當接受本世紀初的教訓，不要把我們現有的物理學理論所描述的時空概念又看成是絕對不可改變的，更不應該在沒有充分理解一些物理學家所提出的新物理概念的明確物理意義之前，甚至在沒有仔細閱讀霍金原著的上下文意思之前，就把他們與哲學中的后現代主義思潮拉扯在一起。在這里，重溫一下愛因斯坦的一段話，可能對我們會有所啟發：“為了科學，就必須反復地批判這些基本概念，以免我們會不自覺地受到它們的支配。在傳統的基本概念的貫徹使用碰到難以解決的矛盾而引起了觀念發展的那些情況，這就變得特別明顯。”（〔（15）〕，第586頁）

近期物理學哲學的發展中可能更加值得注意的動向是，隨著本世紀許多新興學科的興起，使許多新的科學概念越來越滲入到哲學研究之中，如系統、信息、控制、混沌、有序、無序等等概念，早已不再是某些專門學科的專業術語。由于這些概念的普適性，它們已成為各門學科中廣泛使用，乃至于在日常生活中經常提到的概念。它們不可避免地會逐步上升為哲學范疇。對這些新概念的產生和普及，物理學有很大的貢獻，正是由于本世紀對遠離平衡態熱力學的研究，才加深了人們對時間方向性，對物質系統的演化，對有序、無序、混沌等等物質狀態的認識，從而也極大豐富了哲學的內容。下面我們還將談到，正是由于這些研究引起了人們思維觀念的巨大變化。從而也使得傳統的哲學在許多方面發生了革命性的變革。

對概念的更高層次的元理論研究已不局限于物理學哲學的范圍，而是在更為廣泛的科學哲學層次里展開的，不過，由于物理學相對于其他學科而言更為成熟，更為精確，物理學史的研究也比其他學科史更為細致，所以許多科學哲學家仍利用對某些物理學概念的分析作為闡述自己觀點和與他人論爭的依據。例如，庫恩和費耶阿本德通過對“質量”這個概念在經典力學與相對論中的不同涵義，以及“電子”這個術語在不同時期指稱對象意義變化的分析，得出了前后相繼的科學理論或不同范式之間不可通約的觀點（參見〔（14）〕、〔（22）〕），從而引起了科學哲學界的極大爭議。而普特南等人則同樣根據對“電子”一詞涵義變化的分析，說明了他的有關自然種類名詞因果—歷史指稱理論，并駁斥了庫恩和費耶阿本德的不可通約性的觀點。

目前，隨著物理學和哲學的進展，沿著這個途徑的物理學哲學研究正在蓬勃發展。一方面，新的物理學概念不斷涌現，人們常常需要從物理學之外對這些概念進行闡釋才能理解它們更深刻更普遍的意義，而這些概念的廣泛應用也不斷充實了哲學的內容；另一方面，哲學自身的發展也需要不斷從自然科學，包括物理學概念的變革中吸取養料，提出新的問題、新的觀點，拓展新的思路。

二

物理學哲學研究的另一個途徑是通過物理學前沿哲學問題的討論，使一些傳統的哲學觀點產生根本變革。這條途徑在很大程度上離不開對新物理概念的分析。從這個意義上說，它與前面所討論的途徑并無根本的區別，只是這條途徑更著重于對物理學前沿所涉及到的一些基本哲學問題，如認識過程中主客體之間的關系，因果性的決定論與非決定論以及與其相關的必然性與偶然性的關系，可知論與不可知論，實在論和工具論等等，進行進入地探討。

本世紀在物理學界和科學哲學界影響最大的一場爭論就是愛因斯坦和以玻爾為首的哥本哈根學派關于量子力學理論基礎的爭論，這場爭論的和至今余波未息的爭論焦點集中在對愛因斯坦等人提出的EPR悖論的理解上。這場發生在量子力學創始人之間的爭論雖然是從對諸如量子力學中波函數的物理意義、海森堡不確定性原理（或譯測不準關系）和玻爾互補原理的理解開始，進而討論到量子力學是否完備的問題，但這場似乎只是純物理學，甚至是理論物理學的科學爭論，一開始就帶上了濃厚的哲學色彩。

這主要是因為微觀客體所表現出來的諸如波粒二象性等特征，用描繪宏觀現象的日常語言實在難以準確表達其確切含義，再加上對微觀客體的實驗安排也呈現出與經典物理學實驗許多不同的特征。如何正確理解量子力學的數學符號所蘊涵的物理意義？量子力學描述的微觀客體的行為特征究竟是不受主體干擾的客觀規律所致，還是宏觀儀器對微觀客體不可避免的干擾下主客體相互作用的結果？微觀客體所表現出的隨機性究竟是微觀客體的本質特征，還是認識主體認識局限性的結果？進而，到對微觀客體行為的理論描述究竟應當堅持決定論的思維模式，還是非決定論的思維模式，用愛因斯坦的話來說，就是我們是否相信上帝會擲骰子？物理理論的每個元素是否都必須在實在中有它的對應物，亦或物理理論只是一種對實在的本體論承諾，甚至只是我們為了解釋現象或解決問題的方便而使用的一種工具或符號系統？這些問題早已不是物理學本身所能解決的，但又是物理學家們不得不解決的，人類不倦的求知欲促使他們轉而尋求哲學的幫助。這就使得本世紀初許多量子力學的創始人都是哲學家，普朗克、愛因斯坦、玻爾、玻恩、海森堡、薛定鍔等人在哲學界的影響并不比他們在科學界的影響小。他們的哲學觀點往往是本世紀科學哲學討論問題的出發點，由此而引發的實在論與非實在論之爭仍是科學哲學界的熱點問題之一。他們的哲學專著又成了許多一流科學家案頭必備的讀物，以便隨時從中得到智慧的啟迪。實際上，愛因斯坦與玻爾這場上升到哲學的爭論，經過貝爾等人的努力，重又變成了用物理學實驗可以進行經驗檢驗的問題，檢驗的結果雖不足以最終決定誰是誰非（盡管哥本哈根學派明顯占了上風），但卻明確說明了物理學與哲學的密切關系，物理學哲學絕不是純思辨的玄學。

當然，一流科學家也是哲學家的現象絕不僅限于量子力學領域。彭加勒、布里奇曼等人不僅在物理學界享有盛譽，甚至還是一些哲學流派（約定主義，操作主義）的創始人。維納、普里高津等人雖然算不上正統的哲學家，但他們的哲學素養卻為世人所公認，他們的科學成就對哲學思維方式的影響應當說有劃時代的意義。從康德提出星云假說開始在當時占統治地位的形而上學世界觀上打開了第一個缺口，但完成這個星云假說的拉普拉斯卻把從牛頓開始的機械決定論思維推向了極端，并且產生了巨大的影響。如果說量子力學哥本哈根學派的非決定論思想是對這種機械決定論思想發起的一場重要挑戰的話，那么由于量子力學只涉及到微觀領域，還不足以在思想界和科學界抵消拉普拉斯的影響。19世紀德國古典哲學家們總結的辯證法思想雖然曾對19世紀科學的發展產生過影響，但由于其思辨色彩太濃也受到了許多科學家的抵制。但貝塔朗菲、維納等人創立了系統科學，尤其是普里高津等人從熱力學等實證的經驗科學本身得出系統演化的思想以后，普遍聯系和發展的觀點對于科學家們來說，不再是外在的哲學教條，而是在科學中必須嚴格遵守的思維準則。更重要的是，自組織理論、非線性科學所揭示偶然性與必然性之間的新聯接清楚地表明，非決定論的思維方式絕不僅限于微觀領域，嚴格因果決定論在我們日常生活中也不是普遍適用。我們不能再用嚴格因果決定的觀點來作為可知與不可知的界限，我們知道我們認識的某些界限（例如長期準確天氣預報的不可能）也是可知，甚至是認識深化的表現。對看似無序的混沌現象的研究，卻使我們能夠說明許多過去簡直無法理解的復雜現象，例如天氣變化，中樞神經系統運動等等。物理學哲學在這方面的研究方興未艾，盡管已有了一些成果，但還只能算是剛剛起步。物理學哲學的發展，已經引起了越來越多在物理學前沿領域工作的第一流科學家們的注意，對他們的研究工作產生了一定的啟迪作用。

三

利用當代物理學及其相關學科的最新成果構建新的自然圖景，并對此進行哲學反思是物理學哲學的又一研究途徑。其實，這個研究傳統由來已久，哲學既是一種理論化、系統化的世界觀，對世界作一個總體的描繪和系統全面的認識就是它的首要任務。古代自然哲學憑借哲學家自己的直觀和猜測來構建整體的世界自然圖景，結果是五花八門，莫衷一是。自從近代科學誕生以后，哲學家們（即使是宗教哲學家）或多或少都要依居他們所知的自然科學成果來構建自己的自然圖景，但他們對這幅圖景的理解或解釋卻可以由于他們的信仰而有很大的差異，甚至根本對立，尤其是當他們面對最新的科學成果，而這些科學成果表現出了一些與傳統哲學不同的思維方式時，更會使哲學家們對這些科學成果的理解上產生更大的差異，由此而引起的爭論往往成為哲學界的熱點。

現代物理學的發展使古老的涉及到自然圖景的爭論，如物質是否無限可分和宇宙是否無限等問題又增添了許多新的內容。

上世紀末物理學中關于X射線、電子和放射性現象的三大發現打破了原子不可再分的古老神話，揭開了人類對物質結構探索的新篇章。隨著原子結構和基本粒子的大量發現，物質無限可分的觀點似乎得到了科學實驗的有力證明。但正當人們信心百倍地探索到更深層次的亞基本粒子結構——夸克層次的時候，卻碰到了在實驗中無法測到自由夸克的所謂“夸克禁閉”現象。那么，這個目前得到量子色動力學理論說明的現象是否意味著物質有不可再分極限的古老原子論觀點又有抬頭的可能呢？對這個問題的爭論正在繼續進行。

相對論的建立不僅賦予時間和空間概念以新的含義，而且極大地改變了人們對自然圖景的看法，尤其是廣義相對論對宇宙時空幾何結構的描述，使從牛頓時代建立起來的宇宙圖景發生了重大的變革。現代宇宙學的誕生向人們描繪了一幅宇宙演化的生動圖景，一方面更充分地說明了宇宙中事物普遍聯系和無限發展的辯證唯物主義觀點，另一方面也使人們對宇宙時空結構是否無限的問題產生了新的疑惑。顯然，過去停留在從純哲學思辨或純邏輯學論證（如康德的“二律背反”）上來討論宇宙有限無限這一古老問題是遠遠不夠了。離開了對現代宇宙學，天體物理學，乃至于非歐幾何學的深刻理解來奢談這一問題，已顯得是隔靴搔癢，不得要領了。

實際上，今天我們討論自然圖景的問題還不能僅僅停留在物理學層次上，我們這個時代已經形成了關于自然進化的自組織理論和全球生態學的理論，這些綜合性的學科已經大大豐富和更新了我們的自然圖景。這迫使我們不僅要立足于當代物理學發展的最新成果，而且還要聯系到其他學科發展的最新成果，樹立把自然界看成是不斷演化的有機體的認識原則，去構筑最新的完整的自然圖景。這顯然對哲學家提出了更高的要求。當然，即使如此，物理學仍然是各門經驗自然科學的基礎。任何對自然圖景的描述，都不可能脫離這個基礎。這一發展趨勢只是為物理學哲學的這一研究途徑開辟了更為廣闊的發展前景。

四

物理學方法論的研究也是物理學哲學的一個重要內容。物理學理論的發展總是與物理學方法的更新與發展緊密相連，相輔相成的。例如，近代物理學的誕生，就得益于伽利略，牛頓等人在研究方法上的大膽創造與革新，他們把觀察、實驗等經驗方法與數學、邏輯等理論方法有機結合起來，還創造了諸如將形象思維和邏輯思維巧妙結合的理想實驗方法（伽利略），甚至發明新的數學工具——微積分（牛頓）。這些方法上的成就不僅大大推進了物理學的進展，而且具有重大的方法論意義，為以后物理學的發展起了巨大的示范作用。現代物理學的發展更清楚地表明，物理學每前進一步，都伴隨著方法上的重大革新與改進；而物理學作為一門基礎科學，它的每一步發展，又為人們創造新的方法、設計新的實驗儀器和設備提供了新的理論基礎，從而不僅為本學科的發展開辟了新的領域，創造了新的條件，而且還大大影響和促進了其他學科的發展。本世紀物理學借助相對論和量子力學的相繼建立取得了重大的進展，而如何將二者更緊密結合起來創造一種統一的物理學似乎是下個世紀物理學發展的一個方向。如何為實現這個目標取得方法上的突破便成了當前物理學方法論研究中的一個熱門問題。

美國哲學家蒯因曾經把知識體系比喻成為一個整體場。他說：“整個科學是一個力場，它的邊界條件就是經驗，在場的周圍同經驗的沖突引起內部的再調整。”（〔（18）〕，第694頁）也就是說科學的理論陳述和與之相應的數學、邏輯和形而上學陳述一起組成了這個整體的知識場，“根據任何單一的相反經驗要給哪些陳述的再評價的問題上有很大的選擇自由，并無任何特殊的經驗是和場內部的任何特殊陳述相聯系的”。（同上）為了適應經驗的變化，例如說要解釋一個新的觀察現象，不僅可以改變理論陳述，也可以調整其他的陳述，如改變一種數學方法，調整我們的本體論信念，乃至于修改有關的邏輯規則，“有人曾經提出甚至邏輯的排中律的修正作為簡化量子力學的方法”（同上）。蒯因的上述想法并非是純哲學的思辨。現代物理學的發展已更清楚地表現出了理論與方法之間這種聯動的特征。

首先，現代物理學對物質結構和宇宙起源的探索，涉及諸如“夸克禁閉”和真空特性等問題，解決這些問題，一方面依賴于理論的進一步突破，另一方面也依賴于實驗手段的改進。

其次，本世紀初，相對論與量子力學的思想一經形成，就可以在19世紀下半葉新興的數學分支中找到相應的數學工具，如非歐幾何學、張量分析、線性代數等等。在有關基本粒子的規范場論中，群論也得到了很好的應用，但隨著現代物理學的進一步發展，數學手段已顯得不夠得力。例如，目前關于大統一理論的研究難以取得有效的突破，癥結究竟是在相對論與量子力學自身難以統一，需要建立一種能取代二者的新理論，還是缺乏必要的數學處理方法就是尚待解決的問題。

第三，在量子力學的賴辛巴哈解釋中，賴辛巴哈試圖建立一種消除形式邏輯排中律的三值邏輯來消除用經典語言描述微觀客體行為時與量子力學結論相悖的因果異常。這種新的邏輯形式揭示了用傳統形式邏輯描述不確定現象時的困難。（參見〔（5）〕）沿著賴辛巴哈的思路，有人進一步發展出應用抽象代數學中“格演算”的工具，用基本聯詞“遇”與“接”來取代“與”和“或”用以更好地刻劃量子領域中的“亦此亦彼”現象，并使這種最子邏輯可以用一種廣義的命題演算工具表述。（參見〔（23）〕）雖然這一設想還沒有得到廣泛應用，但畢竟給我們一個啟示。量子物理的理論具有高度的辯證性質，“非此即彼”的形式邏輯思維已不足以解釋量子物理實驗中眾多的“亦此亦彼”的現象，而一種新的邏輯思維方式可能是現代物理學取得進一步突破的關鍵。這正如日本物理學家武谷三男所說：“量子力學的情況，如果從我們通常的觀念看來，是充滿著矛盾和難以克服的困難，但量子力學卻是以獨特的數學結構卓越而合理地把握了它，要理解這種邏輯結構，唯有依靠辯證邏輯。”（〔（3）〕，第100—101頁）形式邏輯產生了古希臘時期，是人類對宏觀事件進行思維時對規律的總結。但當我們深入到前人未曾接觸過的微觀和宇觀領域時，由于物質決定意識，我們的思維方式是否也應該發生某種變化呢？現在的問題是，針對現代物理學中出現的一些難以解決的問題，如EPR悖論，我們除了繼續在物理學理論上尋求突破之外，是否也可以換一種邏輯思維方式，甚至如本世紀一些杰出物理學家，如玻爾、普里高津等人所說的那樣，現代物理學可以從古老的東方文化中吸取有益的營養，來幫助尋求現代物理學的突破口呢？

五

以上我們雖然分別評述了物理學哲學研究的不同途徑，但這并不意味著物理學哲學研究途徑之間的差別就是涇渭分明的，恰恰相反，正如我們在上面敘述中已經表露出來的那樣，這些研究途徑之間是緊密相連、相輔相成的，其區別只在于我們研究的問題傾重點不同罷了。任何最新自然圖景的構建都要建立在自然科學前沿的研究成果之上，對自然科學前沿問題的正確理解就是構建新自然圖景的關鍵所在。但任何新理論成就的取得又都離不開概念的更新和對這些概念的澄清。上述研究當然也離不開對物理學方法的反思和創造。總之，當代物理學哲學是對物理學的歷史與現狀進行全面反思的一門哲學分支學科，它的研究既會對物理學的進一步發展有一定的啟發作用，也由于涉及到哲學的本體論、認識論和方法論的各個方面，又會對豐富和發展當代哲學做出應有的貢獻。

近年來，我國一些物理學家和自然辯證法工作者運用辯證唯物主義思想，從以上各條途徑上全面展開了研究，尤其是對物理學前沿科學成果所產生的哲學問題的辯論，例如，涉及到大爆炸宇宙學的有關宇宙有限無限問題，涉及到“夸克禁閉”現象的物質是否無限可分問題，對有關EPR悖論的阿斯佩克特實驗結果的理解問題等等，都引起了哲學界和部分物理學家的廣泛關注。我們還注意到，國內一些哲學教科書已經根據上述問題的討論充實和更新了有關的教學內容，這是值得欣慰的。但我們也應當看到，我國目前物理學哲學研究的水平與國外同行相比還有一定差距。其主要表現就是對當代物理學基本思想的理解還不深，還難以提出獨到的令物理學界和哲學界都信服的觀點，而當年賴辛巴哈、波普爾、邦格等哲學家參與有關量子力學基礎問題的爭論時，都曾提出過令當時還健在的量子力學創始人和眾多諾貝爾物理學獎金得主都不得不重視的觀點。（參見〔（3）〕、〔（4）〕、〔（5）〕）這主要是因為我國第一流的物理學家關心物理學哲學的人數還太少，而受過專門物理學訓練的哲學工作者（包括自然辯證法工作者）也不多，二者之間交流的機會就更少。我們熱情地期待，會有更多的哲學和物理學工作者參加到物理學哲學研究的行列中來。

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第3篇：量子力學與相對論的矛盾范文

人們通常把愛因斯坦與玻爾之間關于如何理解量子力學的爭論，看成是繼地心說與日心說之后科學史上最重要的爭論之一。就像地心說與日心說之爭改變了人們關于世界的整個認知圖景一樣，愛因斯坦與玻爾之間的爭論也蘊含著值得深入探討的對理論意義與概念變化的全新理解以及關于世界的不同看法。有趣的是，他們倆人雖然都對量子力學的早期發展做出了重要貢獻，但是，愛因斯坦在最早基于普朗克的量子概念提出并運用光量子概念成功地解釋了光電效應，以及運用能量量子化概念推導出固體比熱的量子論公式之后，卻從量子論的奠基者，變成了量子力學的最強烈的反對者，甚至是最尖銳的批評家。截然相反的是，玻爾在1913年同樣基于普朗克的量子概念提出了半經典半量子的氫原子模型之后，卻成為量子力學的哥本哈根解釋的奠基人。愛因斯坦對量子力學的反對，不是質疑其數學形式，而是對成為主流的量子力學的哥本哈根解釋深感不滿。這些不滿主要體現在愛因斯坦與玻爾就量子力學的基礎性問題展開的三次大論戰中。他們的第一次論戰是在1927年10月24日至29日在布魯塞爾召開的第五屆索爾未會議上進行的。這次會議由洛倫茲主持，其目的是為討論量子論的意義提供一個最高級的論壇。在這次會議上，愛因斯坦第一次聽到了玻爾的互補性觀點，并試圖通過分析理想實驗來駁倒玻爾—海森堡的解釋。這一次論戰以玻爾成功地捍衛了互補性詮釋的邏輯無矛盾性而結束；第二次大論戰是于1930年10月20日至25日在布魯塞爾召開并由朗子萬主持的第六屆索爾未會議上進行的。在這次會議上，關于量子力學的基礎問題仍然是許多與會代表所共同關心的主要論題。愛因斯坦繼續設計了一個“光子箱”的理想實驗，試圖從相對論來玻爾的解釋。但是，在這個理想實驗中，愛因斯坦求助于自己創立的相對論來反駁海森堡提出的不確定關系，反倒被玻爾發現他的論證本身包含了駁倒自己推論的關鍵因素而放棄。

當這兩個理想實驗都被玻爾駁倒之后，愛因斯坦雖然不再懷疑不確定關系的有效性和量子理論的內在自洽性。但是，他對整個理論的基礎是否堅實仍然缺乏信任。1931年之后，愛因斯坦對量子力學的哥本哈根解釋的質疑采取了新的態度：不是把理想實驗用作正面攻擊海森堡的不確定關系的武器，而是試圖通過設計思想實驗導出一個邏輯悖論，以證明哥本哈根解釋把波函數理解成是描述單個系統行為的觀點是不完備的，而不再是證明邏輯上的不一致。在這樣的思想主導下，第三次論戰的焦點就集中于論證量子力學是不完備的觀點。1935年發表的EPR論證的文章正是在這種背景下撰寫的。從寫作風格上來看，EPR論證既不是從實驗結果出發，也不再是完全借助于思想實驗來進行，而是把概念判據作為討論的邏輯前提。這樣，EPR論證就把討論量子力學是否完備的問題，轉化為討論量子力學能否滿足文章提供的概念判據的問題。由于這些概念判據事實上就是哲學假設，這就進一步把是否滿足概念判據的問題，推向了潛在地接受什么樣的哲學假設的問題。例如，EPR論證在文章的一開始就開門見山地指出：“對于一種物理理論的任何嚴肅的考查，都必須考慮到那個獨立于任何理論之外的客觀實在同理論所使用的物理概念之間的區別。這些概念是用來對應客觀實在的，我們利用它們來為自己描繪出實在的圖像。為了要判斷一種物理理論成功與否，我們不妨提出這樣兩個問題：（1）“這理論是正確的嗎？”（2）“這理論所作的描述是完備的嗎？”只有在對這兩個問題都具有肯定的答案時，這種理論的一些概念才可說是令人滿意的。”〔3〕從哲學意義上來看，這段開場白至少蘊含了兩層意思，其一，物理學家之所以能夠運用物理概念來描繪客觀實在，是因為物理概念是對客觀實在的表征，由這些表征描繪出的實在圖像，是可想象的。這是真理符合論的最基本的形式，也反映了經典實在論思想的核心內容；其二，如果一個理論是令人滿意的，當且僅當，這個理論既正確，又完備。那么，什么是正確的理論與完備的理論呢？EPR論證認為，理論的正確性是由理論的結論同人的經驗的符合程度來判斷的。只有通過經驗，我們才能對實在作出一些推斷，而在物理學里，這些經驗是采取實驗和量度的形式的。〔4〕也就是說，理論正確與否是根據實驗結果來判定的，正確的理論就是與實驗結果相吻合的理論。但文章接著申明說，就量子力學的情況而言，只討論完備性問題。言外之意是，量子力學是正確的，即與實驗相符合，但不一定是完備的。為了討論完備性問題，文章首先不加證論地給出了物理理論的完備性條件：如果一個物理理論是完備的，那么，物理實在的每一元素都必須在這個物理理論中有它的對應量。物理實在的元素必須通過實驗和量度來得到，而不能由先驗的哲學思考來確定。基于這種考慮，他們又進一步提供了關于物理實在的判據：“要是對于一個體系沒有任何干擾，我們能夠確定地預測（即幾率等于1）一個物理量的值，那末對應于這一物理量，必定存在著一個物理實在的元素。”

文章認為，這個實在性判據盡管不可能包括所有認識物理實在的可能方法，但只要具備了所要求的條件，就至少向我們提供了這樣的一種方法。只要不把這個判據看成是實在的必要條件，而只看成是一個充足條件，那末這個判據同經典實在觀和量子力學的實在觀都是符合的。綜合起來，這兩個判據的意思是說，如果一個物理量能夠對應于一個物理實在的元素，那么，這個物理量就是實在的；如果一個物理理論的每一個物理量都能夠對應于物理實在的一個元素，那么，這個物理學理論就是完備的。然而，根據現有的量子力學的基本假設，當兩個物理量（比如，位置X與動量P）是不可對易的量（即，XP≠PX）時，我們就不可能同時準確地得到它們的值，即得到其中一個物理量的準確值，就會排除得到另一個物理量的準確值的可能，因為對后一個物理量的測量，會改變體系的狀態，破壞前者的值。這是海森堡的不確定關系所要求的。于是，他們得出了兩種選擇：要么，（1）由波動函數所提供的關于實在的量子力學的描述是不完備的；要么，（2）當對應于兩個物理量的算符不可對易時，這兩個物理量就不能同時是實在的。他們在進行了這樣的概念闡述之后，接著設想了曾經相互作用過的兩個系統分開之后的量子力學描述，然后，根據他們給定的判據，得出量子力學是不完備的結論。EPR論證發表不久，薛定諤在運用數學觀點分折了EPR論證之后，以著名的“薛定諤貓”的理想實驗為例，提出了一個不同于EPR論證，但卻支持EPR論證觀點的新的論證進路。出乎意料的是，愛因斯坦卻在1936年6月19日寫給薛定諤的一封信中透露說，EPR論文是經過他們三個人的共同討論之后，由于語言問題，由波多爾斯基執筆完成的，他本人對EPR的論證沒有充分表達出他自己的真實觀點表示不滿。從愛因斯坦在1948年撰寫的“量子力學與實在”一文來看，愛因斯坦對量子力學的不完備性的論證主要集中于量子理論的概率特征與非定域性問題。他認為，物理對象在時空中是獨立存在的，如果不做出這種區分，就不可能建立與檢驗物理學定律。因此，量子力學“很可能成為以后一種理論的一部分，就像幾何光學現在合并在波動光學里面一樣：相互關系仍然保持著，但其基礎將被一個包羅得更廣泛的基礎所加深或代替。”顯然，愛因斯坦后來對量子力學的不完備性問題的論證比EPR論證更具體、更明確。EPR論證中的思想實驗只是隱含了對非定域性的質疑，但沒有明朗化。但就論證問題的哲學前提而言，愛因斯坦與EPR論證基本上沒有實質性的區別。因此，本文下面只是從哲學意義上把EPR論證看成是基于經典物理學的概念體系來理解量子力學的一個例證來討論，而不準備專門闡述愛因斯坦本人的觀點。

二、玻爾的反駁與量子整體性

玻爾在EPR論證發表后不久很快就以與EPR論文同樣的題目也在《物理學評論》雜志上發表了反駁EPR論證的文章。玻爾在這篇文章中重申并升華了他的互補觀念。玻爾認為，EPR論證的實在性判據中所講的“不受任何方式干擾系統”的說法包含著一種本質上的含混不清，是建立在經典測量觀基礎上的一種理想的說法。因為在經典測量中，被測量的對象與測量儀器之間的相互作用通常可以被忽略不計，測量結果或現象被無歧義地認為反映了對象的某一特性。但是，在量子測量系統中，不僅曾經相互作用過的兩個粒子，在空間上彼此分離開之后，仍然必須被看成是一個整體，而且，被測量的量子系統與測量儀器之間存在著不可避免的相互作用，這種相互作用將會在根本意義上影響量子對象的行為表現，成為獲得測量結果或實驗現象的一個基本條件，從而使人們不可能像經典測量那樣獨立于測量手段來談論原子現象。玻爾把量子現象對測量設置的這種依賴性稱為量子整體性（whole-ness）。

在玻爾看來，為了明確描述被測量的對象與測量儀器之間的相互作用，希望把對象與儀器分離開來的任何企圖，都會違反這種基本的整體性。這樣，在量子測量中，量子對象的行為失去了經典對象具有的那種自主性，即量子測量過程中所觀察到的量子對象的行為表現，既屬于量子對象，也屬于實驗設置，是兩者相互作用的結果。因此，在量子測量中，“觀察”的可能性問題變成了一個突出的認識論問題：我們不僅不能離開觀察條件來談論量子現象，而且，試圖明確地區分對象的自主行為以及對象與測量儀器之間的相互作用，不再是一件可能的事情。玻爾指出，“確實，在每一種實驗設置中，區分物理系統的測量儀器與研究客體的必要性，成為在對物理現象的經典描述與量子力學的描述之間的原則性區別。”〔8〕海森堡也曾指出，“在原子物理學中，不可能再有像經典物理學意義下的那種感知的客觀化可能性。放棄這種客觀化可能性的邏輯前提，是由于我們斷定，在觀察原子現象的時候，不應該忽略觀察行動所給予被觀察體系的那種干擾。對于我們日常生活中與之打交道的那些重大物體來說，觀察它們時所必然與之相連的很小一點干擾，自然起不了重要作用。”

另一方面，作用量子的發現，揭示了量子世界的不連續性。這種不連續性觀念的確立，又相應地導致了一系列值得思考的根本問題。首先，就經典概念的運用而言，一旦我們所使用的每一個概念或詞語，不再以連續性的觀念為基礎，它們就會成為意義不明確的概念或詞語。如果我們希望仍然使用這些概念來描述量子現象，那么，我們所付出的代價是，限制這些概念的使用范圍和精確度。對于完備地反映微觀物理實在的特性而言，描述現象所使用的經典概念是既相互排斥又相互補充的。這是玻爾的互補性觀念的精神所在。有鑒于此，玻爾認為，EPR論證根本不會影響量子力學描述的可靠性，反而是揭示了按照經典物理學中傳統的自然哲學觀點或經典實在論來闡述量子測量現象時存在的本質上的不適用性。他指出：“在所有考慮的這些現象中，我們所處理的不是那種以任意挑選物理實在的各種不同要素而同時犧牲其他要素為其特征的一種不完備的描述，而是那種對于本質上不同的一些實驗裝置和實驗步驟的合理區分；……事實上，在每一個實驗裝置中對于物理實在描述的這一個或那一個方面的放棄（這些方面的結合是經典物理學方法的特征，因而在此意義上它們可以被看作是彼此互補的），本質上取決于量子論領域中精確控制客體對測量儀器反作用的不可能性；這種反作用也就是指位置測量時的動量傳遞，以及動量測量時的位移。正是在這后一點上，量子力學和普通統計力學之間的任何對比都是在本質上不妥當的———不管這種對比對于理論的形式表示可能多么有用。事實上，在適于用來研究真正的量子現象的每一個實驗裝置中，我們不但必將涉及對于某些物理量的值的無知，而且還必將涉及無歧義地定義這些量的不可能性。”其次，就量子描述的可能性而言，玻爾認為，我們“位于”世界之中，不可能再像在經典物理學中那樣扮演“上帝之眼”的角色，站在世界之外或從“外部”來描述世界，不可能獲得作為一個整體的世界的知識。玻爾把這種描述的可能性與心理學和認知科學中對自我認識的可能性進行了類比。在心理學和認知科學中，知覺主體本身是進行自我意識的一部分這一事實，限制了對自我認識的純客觀描述的可能性。用玻爾形象化的比喻來說，在生活的舞臺上，我們既是演員，又是觀眾。因此，量子描述的客觀性位于理想化的純客觀描述與純主觀描述之間的某個地方。

為此，玻爾認為，物理學的任務不是發現自然界究竟是怎樣的，而是提供對自然界的描述。海森堡也曾指出，在原子物理學領域內，“我們又尖銳地碰到了一個最基本的真理，即在科學方面我們不是在同自然本身而是在同自然科學打交道。”愛因斯坦則堅持認為，在科學中，我們應當關心自然界在干什么，物理學家的工作不是告訴人們關于自然界能說些什么。愛因斯坦的觀點是EPR論證所蘊含的。這兩種理論觀之間的分歧，事實上，不僅是有沒有必要考慮和闡述包括概念、儀器等認知中介的作用的分歧，而且是能否把量子力學納入到經典科學的思維方式當中的分歧。EPR論證以經典科學的方法論與認識論為前提，認為正確的科學理論理應是對自然界的正確反映，認知中介對測量結果不會產生實質性的影響；而玻爾與海森堡則以接受量子測量帶來的認識論教益為前提，認為量子力學已經失去了經典科學具有的那種概念與物理實在之間的一一對應關系，認知中介的設定成為人類認識微觀世界的基本前提。第三，就主體與客體的關系問題而言，EPR論證認為，認知主體與客體之間存在著明確的分界線。這意味著，所有的主體都能對客體進行同樣的描述，并且他們描述現象所用的概念與語言是無歧義的。無歧義意味著對概念或語言的意義的理解是一致的。而對于量子測量而言，對客體的描述包含了主體遵守的作為世界組成部分的描述條件的說明，從而顯現了一種新的主客體關系。為此，我們可以把主體與客體之間的關系劃分為三類：其一，能夠在主體與客體之間劃出分界線，所有的主體對客體的描述都是相同的，EPR論證屬于此類；其二，能夠在主體與客體之間劃出分界線，但主體對客體的描述是因人而異的，人們對藝術品的欣賞屬于此類；其三，不可能在主體與客體之間劃出分界線，主體對客體的描述包括了對測量條件的描述在內，玻爾對EPR論證的反駁屬于此類。顯然，EPR論證隱含的主客體關系與玻爾所理解的量子測量中的主客體關系之間存在著實質性的差別。EPR論證是沿襲了經典實在論的觀點，而玻爾的觀點代表了他基于量子力學的形式體系總結出來的某種新的認識。在這里，就像不能用歐幾里得幾何的時空觀來反對非歐幾何的時空觀一樣，我們也不能用經典意義上的理論觀反對量子意義上的理論觀。因此，可以說，物理學家關于如何理解量子力學問題的爭論，在很大程度上，蘊含了他們關于科學研究的哲學假設之間的爭論。

三、實驗的形而上學

EPR論證不僅引發了量子物理學家關于物理學基礎理論問題的哲學討論，而且還創立了“實驗的形而上學”，提供了物理學家如何基于形而上學的觀念之爭，最終探索出通過實驗檢驗其結論的一個典型案例。這一過程與尋找量子論的隱變量解釋的努力聯系在一起。量子力學的隱變量解釋的最早方案是德布羅意在1927年提出的“導波”理論。1932年，馮•諾意曼在他的《量子力學的數學基礎》一書中曾根據量子力學的概念體系提出了四個假設，并且證明，隱變量理論和他的第四個假設（即，可加性假設）相矛盾，認為通過設計隱變量的觀念來把量子理論置于決定論體系之中的任何企圖都注定是失敗的。馮•諾意曼的這一工作在為量子論的隱變量解釋判了死刑的同時，也極大地支持了量子力學的哥本哈根解釋。有意思的是，曾是量子力學的哥本哈根解釋的支持者與傳播者的玻姆，在1951年基于量子力學的哥本哈根精神出版了至今仍然有影響的《量子理論》一書，并在書的結尾，以EPR論證為基礎，提出了“量子理論同隱變量不相容的一個證明”之后，從1952年開始反而致力于從邏輯上為量子力學提供一種隱變量解釋的研究。

玻姆闡述隱變量理論的目標可以大致概括為兩個方面，一是試圖用能夠直覺想象的概念為量子概率和量子測量提供一種可理解的說明，證明為量子論提供一個決定論的基礎是可行的；二是希望從邏輯上表明，隱變量理論是有可能的，“不論這種理論是多么抽象和‘玄學’。”玻姆的追求顯然是一種信念的支撐，而不是事實之使然。在這種信念的引導下，玻姆在1952年連續發表了兩篇闡述隱變量理論的文章，在這些文章中，他用經典方式定義波函數，假定微觀粒子像經典粒子一樣總是具有精確的位置和精確的動量，闡述了一種可能的量子論的隱變量解釋，最后，用一個粒子的兩個自旋分量代替EPR論證中的坐標與動量，討論了EPR論證的思想實驗，并運用量子場與量子勢概念解釋了測量一個粒子的位置影響第二個粒子的動量的原因。

貝爾在讀了玻姆的文章之后，認為有必要重新系統地研究量子力學的基本問題。貝爾試圖解決的矛盾是：如果馮•諾意曼的證明成立，那么，怎么會有可能建立一個邏輯上無矛盾的隱變量理論呢？為了搞明白問題，貝爾首先重新剖析了馮•諾意曼的關于隱變量的不可能性的證明和EPR論證中設想的思想實驗，然后，抓住了隱變量理論的共同本質，于1964年發表了“關于EPR悖論”的文章。在這篇文章中，貝爾引述了用自旋函數來表述EPR論證的玻姆說法，或者說，從EPR—玻姆的思想實驗出發，以轉動不變的獨立波函數描述組合系統的態，推導出一個不同于量子力學預言的、符合定域隱變量理論的關于自旋相關度的不等式，通常稱為貝爾不等式或貝爾定理，然后，用歸謬法了量子力學的預言和貝爾不等式相符的可能性，說明任何定域的隱變量理論，不論它的變數的本性是什么，都在某些參數上同量子力學相矛盾。貝爾還假設，如果所進行的兩個測量在空間上彼此相距甚遠，那么，沿著一個磁場方向的測量，將不會影響到另一個測量結果。貝爾把這個假設稱為“定域性假設”。從這個假設出發，貝爾指出，如果我們可以從第一個測量結果預言第二個測量結果，測量可以沿著任何一個坐標軸來進行，那么，測量的結果一定是已經預先確定了的。但是，由于波函數不對這種預先確定的量提供任何描述，所以，這種預定的結果一定是通過決定論的隱變量來獲得的。貝爾后來申明說，他在“關于EPR悖論”一文中假設的是定域性，而不是決定論，決定論是一種推斷，不是一個假設，或者說，貝爾的這篇文章是從定域性推論出決定論，而不是開始于決定論的隱變量。從邏輯前提上來看，貝爾的假設更接近于愛因斯坦的假設，他們都把“定域性條件”看成是比“決定論前提”更基本的概念。因此，貝爾的工作比馮•諾意曼和玻姆的工作更進一步地推進了關于量子力學的根本特征的理解。貝爾的這篇文章具有劃時代的意義。它不僅成為20世紀下半葉物理學與哲學研究中引用率最高的文獻之一，而且為進一步設計具體的實驗來澄清量子力學的內在本性邁出了決定性的一步。粒子物理學家斯塔普（HenryStapp）甚至把貝爾定理的提出說成是“意義最深遠的科學發現。”

同EPR論證一樣，貝爾的這一發現也不是從實驗中總結出來的，而是基于哲學信念的邏輯推理的結果。此后，量子物理學界進一步推廣貝爾定理的理論研究與具體實驗方案的探索工作并行不悖地開展起來。而這些工作都與EPR論證相關。就實驗進展而言，物理學界承認，阿斯佩克特等人于1982年關于“實現EPR-玻姆思想實驗”的實驗結果，支持了量子力學，針對這樣的實驗結果，貝爾指出：“依我看，首先，人們必定說，這些結果是所預料到的。因為它們與量子力學預示相一致。量子力學畢竟是科學的一個極有成就的科學分支，很難相信它可能是錯誤的。盡管如此，人們還是認為，我也認為值得做這種非常具體的實驗。這種實驗把量子力學最奇特的一個特征分離了出來。原先，我們只是信賴于旁證。量子力學從沒有錯過。但現在我們知道了，即使在這些非常苛刻的條件下，它也不會錯的。”

雖然EPR論證的初衷是希望證明量子力學是不完備的，還沒有提出量子測量的非定域性概念，但是，物理學家則通常運用EPR思想實驗的術語來討論非定域性問題。經過40多年的發展，具體的實驗結果使EPR論證失去了對量子力學的挑戰性。一方面，這些實驗證實了非定域性是所有量子論的一個基本屬性，要求把在同一個物理過程中生成的兩個相關粒子永遠當作一個整體來對待，不能分解為兩個獨立的個體，其中，一個粒子發生任何變化，另一個粒子必定同時發生相應的變化，這種相互影響與它們的空間距離無關；另一方面，這些實驗也表明了EPR論證提供的哲學假設不再是判斷量子力學是否完備的有效前提，而是反過來提醒我們需要重新思考玻爾在反駁EPR論證的觀點中所蘊含的哲學啟迪。總而言之，EPR論證盡管是基于哲學假設，運用思想實驗，來駁斥量子力學的完備性，但在客觀上，物理學家圍繞這一論證的討論，最終在思想實驗的基礎上出乎意料地發展出可以具體操作的實驗方案，并且獲得了有效的實驗結果。這一段歷史發展不僅證明，無論在哲學假設的問題上，還是在物理概念的意義理解的問題上，量子力學都不是對經典物理學的補充和擴展，是一個蘊含有新的哲學假設的理論。正是在這種意義上，物理學家玻恩得出了“理論物理學是真正的哲學”的斷言。

四、認識論的思維方式

如前所述，EPR論證—玻姆—貝爾這條發展主線是把對物理學問題鑲嵌在哲學信念中進行思考的。這一歷史片斷揭示出，基于哲學信念的邏輯推理在物理學的理論研究與實驗研究中起到了積極的認知作用。一方面，在這些探索方式中，不論是EPR論證的真理符合論假設，玻姆的決定論假設，還是貝爾的定域性假設，它們的初衷都是希望能夠把量子力學納入到經典物理學的概念框架或哲學信念之中。另一方面，檢驗貝爾不等式的物理學實驗結果對量子力學的支持和對貝爾不等式的違背意味著，我們不應該依舊固守經典物理學的哲學假設來質疑量子力學，而是應該顛倒過來，積極主動地揭示量子力學蘊含的哲學思想，以進一步明確經典物理學的哲學假設的適用范圍。

但是，這種視域的逆轉不是簡單地倡導用量子力學的哲學假設取代經典物理學的哲學假設，也不是武斷地主張用玻爾的理論觀替代EPR論證所蘊含的理論觀，而是提倡擺脫習以為常的自然哲學的思維方式，確立認識論的思維方式。自然哲學的思維方式是一種本體論化的思維方式。這種思維方式是從古希臘延續下來的，追求概念與實在之間的直接的一一對應關系，忽視或缺乏對認知過程中不可避免的認知中介和理論框架的考慮。從起源上來講，這種無視認知中介的本體論化的思維方式，源于常識，是對常識的一種延伸外推與精致化。近代自然科學的發展進一步強化與鞏固了這種思維方式。EPR論證也是基于這種思維方式使經典科學蘊含的哲學假設以具體化的判據形式呈現出來。然而，與過去的物理學理論所不同的是。量子力學不再是關于可存在量（beable）的理論，而是關于可觀察量（observable）的理論，“是理論決定我們的觀察內容”這一句話，既是愛因斯坦創立相對論的感想，也為海森堡提出不確定關系提供了觀念啟迪。就理論形式而言，量子力學的理論描述用的是數學語言，而不是日常語言。用數學語言描述的微觀世界是一個多位空間的世界，而我們作為人類，很難直觀地想象這樣的世界，更不可能直接“進入”這個世界來“觀看”一切。人類感知的這種局限性是原則性的，從而限制了我們對微觀世界的知識的全面獲得。用玻爾的話來說，我們對一個微觀對象的最大限度的知識不可能從單個實驗中獲得，而只能從既相互排斥又相互補充的實驗安排中獲得。用玻恩的話來說，在量子測量中，觀察與測量并不是指自然現象本身，而是一種投影。

第4篇：量子力學與相對論的矛盾范文

二十世紀即將結，二十一世紀即將來臨，二十世紀是光輝燦爛的一個世紀，是個類社會發展最迅速的一個世紀，是科學技術發展最迅速的一個世紀，也是物理學發展最迅速的一個世紀。在這一百年中發生了物理學革命，建立了相對信紙和量子力學，完成了從經典物理學到現代物理學的轉變。在二十世紀二、三十年代以后，現代物理學在深度和廣度上有了進一步的蓬勃發展，產生了一系列的新學科的交叉學科、邊緣學科，人類對物質世界的規律有了更深刻的認識，物理學理論達到了一個新高度，現代物理學達到了成熟的階段。

在此世紀之交的時候，人們自然想展望一下二十一世紀物理學的發展前景，探索今后物理學發展的方向。我想談一談我對這個問題的一些看法和觀點。首先，我們來回顧一下上一個世紀之交物理學發展的情況，把當前的情況與一百年前的情況作比較對于探索二十一世紀物理學發展的方向是很有幫助的。

一、歷史的回顧

十九世紀末二十世紀初，經典物物學的各個分支學科均發展到了完善、成熟的階段，隨著熱力學和統計力學的建立以及麥克斯韋電磁場理論的建立，經典物理學達到了它的頂峰，當時人們以系統的形式描繪出一幅物理世界的清晰、完整的圖畫，幾乎能完美地解釋所有已經觀察到的物理現象。由于經典物理學的巨大成就，當時不少物理學家產生了這樣一種思想：認為物理學的大廈已經建成，物理學的發展基本上已經完成，人們對物理世界的解釋已經達到了終點。物理學的一些基本的、原則的問題都已經解決，剩下來的只是進一步精確化的問題，即在一些細節上作一些補充和修正，使已知公式中的各個常數測得更精確一些。

然而，在十九世紀末二十世紀初，正當物理學家在慶賀物理學大廈落成之際，科學實驗卻發現了許多經典物理學無法解釋的事實。首先是世紀之交物理學的三大發現：電子、X射線和放射性現象的發現。其次是經典物理學的萬里晴空中出現了兩朵“烏云”：“以太漂移”的“零結果”和黑體輻射的“紫外災難”。[1]這些實驗結果與經典物理學的基本概念及基本理論有尖銳的矛盾，經典物理學的傳統觀念受到巨大的沖擊，經典物理發生了“嚴重的危機”。由此引起了物理學的一場偉大的革命。愛因斯坦創立了相對論；海林堡、薛定諤等一群科學家創立了量子力學。現代物理學誕生了！

把物理學發展的現狀與上一個世紀之交的情況作比較，可以看到兩者之間有相似之外，也有不同之處。

在相對論和量子力學建立起來以后，現代物理學經過七十多年的發展，已經達到了成熟的階段。人類對物質世界規律的認識達到了空前的高度，用現有的理論幾乎能夠很好地解釋現在已知的一切物理現象。可以說，現代物理學的大廈已經建成。在這一點上，目前有情況與上一個世紀之交的情況很相似。因此，有少數物理學家認為今后物理學不會有革命性的進展了，物理學的根本性的問題、原則問題都已經解決了，今后能做到的只是在現有理論的基礎上在深度和廣度兩方面發展現代物理學，對現有的理論作一些補充和修正。然而，由于有了一百年前的歷史經驗，多數物理學家并不贊成這種觀點，他們相信物理學遲早會有突破性的發展。另一方面，雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。

雖然在微觀世界和宇宙學領域中有一些物理現象是現代物理學的理論不能很好地解釋的，但是這些矛盾并不是嚴重到了非要徹底改造現有理認紗可的程度。在這方面，目前的情況與上一個世紀之交的情況不同。在上一個世紀之交，經典物理學發生了“嚴重的危機”；而在本世紀之交，現代物理學并無“危機”。因此，我認為目前發生現代物理學革命的條件似乎尚不成熟。客觀物質世界是分層次的。一般說來，每個層次中的體系都由大量的小體系（屬于下一個層次）構成。從一定意義上說，宏觀與微觀是相對的，宏觀體系由大量的微觀系統構成。物質世界從微觀到宏觀分成很多層次。物理學研究的目的包括：探索各層次的運動規律和探索各層次間的聯系。

回顧二十世紀物理學的發展，是在三個方向上前進的。在二十一世紀，物理學也將在這三個方向上繼續向前發展。

1）在微觀方向上深入下去。在這個方向上，我們已經了解了原子核的結構，發現了大量的基本粒子及其運規律，建立了核物理學和粒子物理學，認識到強子是由夸克構成的。今后可能會有新的進展。但如果要探索更深層次的現象，必須有更強大得多的加速器，而這是非常艱巨的任務，所以我認為近期內在這個方向上難以有突破性的進展。

2）在宏觀方向上拓展開去。1948年美國的伽莫夫提出“大爆炸”理論，當時并未引起重視。1965年美國的彭齊亞斯和威爾遜觀測到宇宙背景輻射，再加上其他的觀測結果，為“大爆炸”理論提供了有力的證據，從此“大爆炸”理論得到廣泛的支持，1981年日本的佐藤勝彥和美國的古斯同時提出暴脹理論。八十年代以后，英國的霍金[2,3]等人開始論述宇宙的創生，認為宇宙從“無”誕生，今后在這個方向上將會繼續有所發展。從根本上來說，現代宇宙學的繼續發展有賴于向廣漠的宇宙更遙遠處觀測的新結果，這需要人類制造出比哈勃望遠鏡性能更優越得多的、各個波段的太空天文望遠鏡，這是很艱巨的任務。

我個人對于近年來提出的宇宙創生學說是不太信的，并且認為“大爆炸”理論只是對宇宙的一個近似的描述。因為現在的宇宙學研究的只是我們能觀測到的范圍以內的“宇宙”，而我相信宇宙是無限的，在我們這個“宇宙”以外還有無數個“宇宙”，這些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影響、有作用的。現代宇宙學只研究我們這個“宇宙”，當然只能得到近似的結果，把他們的延伸到“宇宙”創生了初及遙遠的未來，則失誤更大。

3）深入探索各層次間的聯系。

這正是統計物理學研究的主要內容。二十世紀在這方面取得了巨大的成就，先是非平衡態統計物理學有了得大的發展，然后建立了“耗散結構”理論、協同論和突變論，接著混沌論和分形論相繼發展起來了。近年來把這些分支學科都納入非線性科學的范疇。相信在二十一世紀非線性科學的發展有廣闊的前景。

上述的物理學的發展依然現代物理學現有的基本理論的框架內。在下個世紀，物理學的基本理論應該怎樣發展呢？有一些物理學家在追求“超統一理論”。在這方面，起初是愛因斯坦、海森堡等天才科學家努力探索“統一場論”；直到1967、1968年，美國的溫伯格和巴基斯坦的薩拉姆提出統一電磁力和弱力的“電弱理論”；目前有一些物理學家正在探索加上強力的“大統一理論”以及再加上引力把四種力都統一起來的“超統一理論”，他們的探索能否成功尚未定論。

愛因斯坦當初探索“統一場論”是基于他的“物理世界統一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最終沒有成功。我對此有不同的觀點，根據辯證唯物主義的基本原理，我認為“物質世界是既統一，又多樣化的”。且莫論追求“超統一理論”能否成功，即便此理論完成了，它也不是物理學發展的終點。因為“在絕對的總的宇宙發展過程中，各個具體過程的發展都是相對的，因而在絕對真理的長河中，人們對于在各個一定發展階段上的具體過程的認識只具有相對的真理性。無數相對的真理之總和，就是絕對的真理。”“人們在實踐中對于真理的認識也就永遠沒有完結。”[5]

現代物理學的革命將怎樣發生呢？我認為可能有兩個方面值得考試：

1）客觀世界可能不是只有四種力。第五、第六……種力究竟何在呢？現在我們不知道。我的直覺是：將來最早發現的第五種力可能存在于生命現象中。物質構成了生命體之后，其運動和變化實在太奧妙了，我們沒有認識的問題實在太多了，我們今天對于生命科學的認識猶如亞里斯多德時代的人們對于物理學的認識，因此在這方面取得突破性的進展是很可能的。我認為，物理學業與生命科學的交叉點是二十一世紀物理學發展的方向之一，與此有關的最關于復雜性研究的非線性科學的發展。

2）現代物理學理論也只是相對真理，而不是絕對真理。應該通過審思現代物理學理論基礎的不完善性來探尋現代物理學革命的突破口，在下一節中將介紹我的觀點。

三、現代物理學的理論基礎是完美的嗎？

相對論和量子力學是現代物理學的兩大支柱，這兩大支柱的理論基礎是否十全十美的

呢？我們來審思一下這個問題。

1）對相對論的審思

當年愛因斯坦就是從關于光速和關于時間要領的思考開始，創立了狹義相對論[1]。我們今天探尋現代物理學革命的突破口，也應該從重新審思時空的概念入手。愛因勞動保護坦創立狹義相對論是從講座慣性系中不同地點的兩個“事件”的同時性開始的[4]，他規定用光信號校正不同地點的兩個時鐘來定義“同時”，這樣就很自然地導出了洛侖茲變換，進一步導致一個四維時空（x，y，z，ict）（c是光速）。為什么愛因勞動保護擔提出用光信號來校正時鐘，而不用別的信號呢？在他的論文中沒有說明這個問題，其實這是有深刻含意的。

時間、空間是物質運動的表現形式，不能脫離物理質運動談論時間、空間，在定義時空時應該說明是關于什么運動的時空。現代物理學認為超距作用是不存在的，A處發生的“事件”影響B處的“事件”必須通過一定的場傳遞過去，傳遞需要一定的時間，時間、空間的定義與這個傳遞速度是密切相關的。如果這種場是電磁場，則電磁相互作用傳遞的速度就是光速。因此，愛因斯坦定義的時空實際上是關于由電磁相互作用引起的物質運動的時空，適用于描述這種運動。

愛因斯坦把他定義的時間應用于所有的物質運動，實際上就暗含了這樣的假設：引力相互作用的傳遞速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速傳遞的呢？令引力相互作用的傳遞速度為c＇。至今為止，并無實驗事實證明c＇等于c。愛因斯坦因他的“物質世界統一性”的世界觀而在實際上假定了c=c＇。我持有“物質世界既統一，又多樣化的”以觀點，再加之電磁力和引力的強度在數量級上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工樣，關于由電磁力引起的物質運動的四維時空（x，y，z，ict）和關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的問題只涉及一種相互作用，則按照現在的理論建立起來的運動方程的形式不變。例如，愛因斯坦引力場方程的形式不變，只需把常數c改為c＇。如果研究的問題涉及兩種相互作用，則需要建立新的理論。不過，首要的事情是由實驗事實來判斷c＇和c是否相等；如果不相等，需要導出c＇的數值。

我在二十多年前開始形成上述觀點，當時測量引力波是眾所矚目的一個熱點，我曾對那些實驗寄予厚望，希望能從實驗結果推算出c＇是否等于c。令人遺憾的是，經過長斯的努力引引力波實驗沒有獲得肯定的結果，隨后這項工作冷下去了。根據愛國斯坦理論預言的引力波是微弱的，如果在現代實驗技術能夠達到的測量靈敏度和準確度之下，這樣弱的引力波應該能夠探測到的話，長期的實驗得不到肯定的結果似乎暗示了害因斯坦理論的缺點。應該從c＇可能不等于c這個角度來考慮問題，如果c＇和c有較大的差異，則可能導出引力波的強度比根據愛因勞動保護坦理論預言的強度弱得多的結果。

弱力、強力與引力、電磁力有本質的不同，前兩者是短程力，后兩者是長程力。不同的相互作用是通過傳遞不同的媒介粒子而實現的。引力相互作用的傳遞者是引力子；電磁相互作用的傳遞者是光子；弱相互作用的傳遞者是規范粒子（光子除外）；強相互作用的傳遞者是介子。引力子和光子的靜質量為零，按照愛因斯坦的理論，引力相互作用和電磁相互作用的傳遞速度都是光速。并且與傳遞粒子的靜質量和能量有關，因而其傳遞速度是多種多樣的。

在研究由弱或強相互作用引起的物質運動時，定義慣性系中不同的地點的兩個“事件”的“同時”，是否應該用弱力或強力信號取代光信號呢？我對核物理學和粒子物理學是外行，不想貿然回答這個問題。如果應該用弱力或強力信號取代光信號，那么關于由弱力或強力引起的物質運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空（x，y，z，ict）及關于由引力引起的運動的時空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。設弱或強相互作用的傳遞速度為c＇＇，c＇＇不是常數，而是可變的，則關于由弱或強力引起的運動的時空為（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），時間t＇＇和空間（x＇＇，y＇＇，z＇＇）將是c＇的函數。然而，很可能應該這樣來考慮問題：關于由弱力引起的運動的時空，在定義中應該以規范粒子的靜質量取作零時的速度c1取代光速c。由于“電弱理論”把弱力和電磁力統一起來了，因此有可能c1=c，則關于由弱力引起的運動的時空和關于由電磁力引起的運動的時空是相同的，同為（x，y，z，ict）。關于由強力引起的運動的時空，在定義中應該以介子的靜質量取作零（在理論上取作零，在實際上沒有靜質量為零的介子）時的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。則關于由強力引起的運動的時空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。無論上述兩種考慮中哪一種是對的，整個物質世界的時空將是高于四維的多維時空。對于由短程力（或只是強力）引起的物質運動，如果時空有了新的一義，就需要建立新的理論，也就是說需要建立新的量子場論、新的核物理學和新的粒子物理學等。如果研究的問題既清及長程力，又涉及短程力（尤其是強力），則更需要建立新的理論。

1）對量子力學的審思

從量子力學發展到量子場論的時候，遇到了“發散困難”[6]。1946——1949年間，日本的朝永振一郎、美國的費曼和施溫格提出“重整化”方法，克服了“發散困難”。但是“重整化”理論仍然存在著邏輯上的缺陷，并沒有徹底克服這一困難。“發散困難”的一個基本原因是粒子的“固有”能量（靜止能量）與運動能量、相互作用能量合在一起計算[6]，這與德布羅意波在υ=0時的異性。

現在我陷入一個兩難的處境：如果采用傳統的德布羅意關系，就只得接受不合理的德布羅意波奇異性；如果采納修正的德布羅意關系，就必須面對使新的理論滿足相對論協變性的難題。是否有解決問題的其他途徑呢？我認為這個問題或許還與時間、空間的定義有關。現在的量子力學理論中時寬人的定義實質上依然是決定論的定義，而不確定原理是微觀世界的一條基本規律，所以時間、空間都不是嚴格確定的，決定論的時空要領不再適用。在時間或空間的間隔非常小的時候，描寫事情順序的“前”、“后”概念將失去意義。此外，在重新定義時空時還應考慮相關的物質運動的類別。模糊數學已經發展得相當成熟了，把這個數學工具用到微觀世界時空的定義中去可能是很值得一試的。

1）在二十一世紀物理學將在三個方向上繼續向前發展（1）在微觀方向上深入下去；（2）在宏觀方向上拓展開去；（3）深入探索各層次間的聯系，進一步發展非線性科學。

2）可能應該從兩方面去控尋現代物理學革命的突破口。（1）發現客觀世界中已知的四種力以外的其他力；（2）通過審思相對論和量子力學的理論基礎，重新定義時間、空間，建立新的理論

第5篇：量子力學與相對論的矛盾范文

根據愛因斯坦的廣義相對論，黑洞里面是個奇點，那是個物質密度無限大的點。但是科學家又說，在這樣一個密度無限大、引力無限大的奇點里，所有的物理定律統統失效，科學完全不起作用，當然相對論在黑洞無限大的奇點處不再成立。那么這個密度無限大的奇點到底存不存在？這里面有個邏輯上的悖論。如果黑洞里沒有奇點，那么廣義相對論就會成立，可是之后，適用的廣義相對論又會推論出黑洞里有奇點。如果黑洞里有奇點，那么廣義相對論就不再成立，但是這個奇點的存在又證明了廣義相對論的正確性和適用性。推論與條件顯然是相矛盾的。這樣一個悖論式的理論到底能不能說明黑洞里的情況呢？

拋開廣義相對論不說，從現實出發，這樣密度無限大的點真的會存在嗎？如果真的存在的話，我們還真的無法想象。一般的科學家都傾向于認為，無限的情況或許只是在數學里有。

這么說的話，黑洞里可能還真的沒有那個可怕的奇點，我們如果把這個奇點鏟除了，黑洞就會變得有些奇妙了。量子力學認為，如果1立方米的空間里，物質的含量超過1050千克，也就是密度達到1050千克/立方米的話，物質就無法再壓縮了，物質粒子之間的排斥力會超過引力，那么之后，這些被壓縮的物質就會反彈，膨脹開來。這個過程就像我們壓縮一個彈簧的過程一樣，開始的時候，壓力超過彈簧的反彈力，彈簧不斷被壓縮，但是壓縮到一定程度后，彈簧的反彈力就會超過壓力，從而反彈開來。

這么說來，在黑洞里的物質反彈膨脹的時候，黑洞里的物質分布也許就像我們這個不斷膨脹的宇宙一樣，很可能這個時候，黑洞里的物質上面也會演化出生命來呢。甚至我們本身就可能生活在一個不斷膨脹的黑洞里，大爆炸產生我們宇宙的時候，可能就是黑洞里的物質被壓縮到極限后開始反彈的時候。

如果我們真的生活在黑洞里，黑洞之外的智慧生命是無法發現我們的，因為他們是無法看到來自黑洞內部的光線的。但是黑洞里的生命卻可以看到黑洞之外的世界，因為外面的光子會不斷掉進來，這些光子就攜帶了外面世界的信息。但我們雖然能看見黑洞外面的世界，卻無法走出黑洞，去探索那個外面的世界。因為光子都無法走出黑洞，我們就更無法走出去了，黑洞外的世界對于黑洞里的生命來說，是可望而不可及的。這么說的話，如果我們生活的黑洞并不大，我們看到的宇宙范圍應該還包括了黑洞之外的世界，例如也許幾億光年外的世界就是黑洞之外的世界。可我們也許永遠也無法去探索那幾億光年之外的世界。

第6篇：量子力學與相對論的矛盾范文

【關鍵詞】正電子；狄拉克方程；湮滅；空穴

1.引言

正電子的理論預言和實驗發現揭開了反粒子的發現之幕，這也無疑是近代物理界的極為重要的和極其有意義的發現，它的發現標志著我們對物質的內涵有了更進一步的理解，尤其是對基本粒子的認識進一步加深。構成物質的基本粒子是既不能產生，也不會湮滅，如電子，我們通常的電子都是指帶負電，而且規定電子所帶的電量大小為單位電量，直到正電子的發現，對基本粒子的認識翻開了新的一頁。現如今，我們發現在一定條件下，正、負電子可以相互轉化，成對的產生或者湮滅。我們在認識世界的過程中，總是從感性上升到理性，通過概括和整理，使之成為概念。本文簡單介紹我們該如何去理解正電子的概念，這就是本文探索的目的。

2.正電子的理論來源

1928年，英國物理學家提出了著名的狄拉克方程，該方程式描述自旋為粒子的波函數方程，是對薛定諤方程進行洛倫茲變換得到的，它同時遵循狹義相對論與量子力學的原理，是相對論量子力學重要基礎。

狄拉克1928年提出了合理真空理論假說――狄拉克之海，認為這些粒子是電子的反物質，很好的解釋了方程中反常的負能量問題，對反粒子的存在做出了合理的預言。

此外，根據狄拉克方程求解得到的結果，電子不僅有能量取正值的情況，還有負值的情況，而且正負態關于能量為零的點完全對稱。雖然這個結果很有意思，但解釋起來遇到了“永動機”的問題，這與物理基本規律是肯定矛盾的。針對這個矛盾，狄拉克于1930年提出了空穴理論。該理論考慮了電子是費米子，那就必須滿足泡利不相容原理，負電子填滿了所有的真空狀態，這樣電子就不能找到能量更低的態，而且正能量態中也就沒有電子，所以任何一個電子都不能找到能量更低的狀態，也就是說整個系統非常穩定，電子不可能跳到能量更低的狀態，對外輻射能量。此外，我們至少需要兩倍于電子靜止質量的能量，才能把某個電子從原來的負能態激發到正能態，可以看作一個正能態對應著一個負能態空穴。正能態電子所帶電荷為-e，而且所具有的能量大于或等于一個電子靜止能量，因為它們必須滿足電荷守恒定律和能量守恒定律，所以負能態的電子的帶電量應該就是+e，能量也應該大于或等于一個電子靜止能量。這個粒子就是狄拉克所預言的“正電子”。

3.實驗發現

狄拉克本人雖然對理論作出了完美的解釋，空穴理論給出了反粒子概念，但實驗上還并沒有觀測到正電子，正電子理論并沒有得到學術界的承認，包括狄拉克本人，當時也不是完全確認理論自身的正確性。

不過，狄拉克的預言因為找到實驗上的證據被證實了。1932年，美國物理學家安德森等人在研究宇宙射線是電磁輻射還是單純的粒子問題，觀察到高能光子穿過重原子核附近時在磁場中的偏轉情況，這一細節引起了他的注意，雖然當時著名的物理學家康普頓做出了解釋，但并沒有使安德森及其合作者信服，隨著后來的觀測，在云室中拍攝了一張照片，發現宇宙射線進入云室穿過鉛板后，軌跡確實發生了彎曲，而且，在高能宇宙射線穿過鉛板時，有一個粒子的軌跡和電子的軌跡完全一樣，但是彎曲的方向卻“錯”了。第二年，安德森又用γ射線轟擊方法產生了正電子，從而從實驗上完全證實了正電子的存在，正電子得到學術界的廣泛認可。

4.結束語

對于大學生本科生來說，我們大學生在學學物理中該如何理解正電子，本人認為我們大學生要了解一些有關于正電子的理論來源，從源頭了解正電子的實質。當然考慮到本科生物理知識有限還不具備研究高等量子力學的客觀條件所以大學生只需了解其基本大意就行，對于某些學有余力的同學可以刨根問底，可以說這對學生的學習能力能有一定的提高和發展。但我們大學生要對正電子的性質與概念要有清楚的了解，一定要區分開正電子與空穴，兩者有極其相似的地方。但本質不同。正電子真實存在的。如同電子、質子一樣時基本粒子而空穴則不然，它是一個為方便解決物理問題而創造出的一種概念不是真實存在的，這一點我們要清晰。

【參考文獻】

[1]P.A.M.Dirac，The Quantum Theory of the Electron. Proceedings of the Royal Society of London：Series A.1928，117（778）：610-624.Doi：10.1098/rspa.1928.0023. Bibcode 1928RSPSA.117.610D.

第7篇：量子力學與相對論的矛盾范文

關鍵詞：本體論；能量；廣義物質；波粒場；五構素

方向是指總星系、物體、人、粒子、云氣等在運動場中發生相互作用時產生的波走向，即“波（方向）、粒（物）、場”說中的波為方向元。其中總星系、物體、人、粒子、云氣定義為常規物質概念即實物質；物體粒子表現自身特征、地位的波動環境范圍即場是物理學上的時空結構（傳遞介質）；波反映了物體能量、意志、特征和運動趨勢，定義為與實物質概念對稱的虛物質（范疇）。但它們都是能量在冷脹宇宙中的表現形式，即在一定條件下，事物都可從能量中轉化而來。由代物理理論可推知原始宇宙是純能量的；據陰陽學說和宇稱均勻特性，可擬設世界為虛物質、實物質（軟硬）二元；為應用數理生化研究手段對人文社科作數量化技術化處理，應建冷脹宇宙構造模型于力量與熱量（力熱）、實物質、方向、空間、時間五維坐標系中。至此，我們同時得到能量一元論、內容對稱的廣義物質虛實二元論、波粒場三元論和力熱、實物質、方向、時間、空間五構素的設定。

“波、粒、場”是關于物質間地位聯系通過場發生波的干涉作用的三元論，其中波正是五構素說中的方向，并對應于廣義物質中的虛物質范疇。可見，虛物質決定了物體在實現消費體系的運動場中體現自身特征與價值的大方向不變，從而規定和影響了一切事物發展的大體趨勢，而不是事先計劃或安排好了事物的一切。故虛物質論關于方向不變屬大尺度范疇的概念正是相對論所研究的范疇。因為每秒30萬公里速度的光子行進空間正常情況下是大尺度的，而相對論是在光速不變的支持下推導出來的，主要涉及到大尺度時空中宇宙根本律和運動總方向不變問題。虛物質論強調自由至高無上，因為自由在消費體系內容中位于最高層次，因為量子測不準原理表明粒子運動中存在無限自由；無限自由標志著沒有運動相同的粒子，是任何高超的檢測手段都測不出來的；虛物質論關于自由至上是低層物體（層次高尺度大），特別是量子世界的普遍要求。這些是虛物質論同量子力學相關的局部方向變化原理。由于廣義物質范疇是指物體的虛、實二個層面，則可界定弦理論所描述的“弦”上的一個波動或振動模式為構成物體的一個最基本微觀粒子（量子），即“波粒場”中定義波屬虛物質范疇已觸及到弦理論，說明物體的本質是實物質中潛在虛物質振動。虛物質振動體現物體意志，在實現消費體系的過程中表現出復雜的社會現象和矛盾事件。對社會現象和矛盾進行分析，人們得出人與自然的關系是生產力，人與人的關系是生產關系，生產力與生產關系的矛盾決定社會形態與制度。這證明實物質是廣義物質的宏觀顯性表現，虛物質是廣義物質的微觀顯性表現，二者是物體的二個層面，不可分離但可相互轉化，以致人們日常從看到物體認知到實物質，雖看到事件矛盾卻看不見虛物質。

能量轉化為廣義物質，廣義物質包括虛、實二個側面，二個面在一定場相位條件滿足下構成物體。如果忽略虛物質其它范疇不計，則虛物質可展開為方向、時間、空間等。當將虛物質、實物質構成物體后的熱量和力量抽離出來考慮時，物體構成要素則成了力熱、實物質、方向、時間、空間五元。對虛物質中方向加以研究，發現的社會矛盾和運動規律可歸結到方向不變原理和層次結構論上；結合數學推出五構素坐標系來觀察宇宙得到遵循五大律使用三大模件去達成責權利一致原則的531理論，進而使管理經濟學等人文社科理論數量化技術化。在這二個基礎上，社會全員之能力信譽、需求欲望在網上按程序進行交換的意控式TMS網系作為解決社會問題與矛盾的先進平臺就能形成。

世界觀即微觀、宏觀、宇觀，概稱宇宙觀。宇宙產生前先是空無后是能量湯，自宇宙大爆炸后的世界是能量的也是廣義物質的，即能量、實物質與虛物質三者同時存在并共同構成事物而不能單獨存在。如時空（虛物質范疇）決定（實）物質運動軌跡而（實）物質迫使時空發生變形，它們誰也不比誰優越，平權共處卻不能單獨存在。五構素只是描述宇宙觀一個比較方便的坐標系，從廣義物質范疇來看，也可以說世界是五構素的。一句話，能量、廣義物質應是哲學上的主要概念，波粒場是物理學上的新學說，而五構素則可通過數理論而成科技中概念。世界統一于能量，宇宙是唯能量的。

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第8篇：量子力學與相對論的矛盾范文

1耗散結構理論的建立

1.1 “時間悖論”產生的思想火花

在1940年至1955年這段時間里,密希里·貝索(Michele Besso)與愛因斯坦(Einstein)之間不斷地進行著書信的來往。借以來討論時間及其不可逆性等問題。而愛因斯坦給以的回答是“不可逆性是一種幻覺,是一種主觀印象,它來自某種意外的初始條件。”[2]但是,貝索沒有停止他探尋真理的腳步,直到80歲,他試圖用一種方法調和廣義相對論和時間的不可逆性直至他逝世離開。而愛因斯坦另一段文字:“過去、現在和將來之間的區別只是一種幻覺,然而,這種區別依然持續著。”[2]很多看過這樣話的人,都無法從中發現什么,唯有他,普利高津以一個科學家的視角對這些文字認真參悟著,通過翻閱大量愛因斯坦與貝索之間的信件的方式,并深入體味愛因斯坦的這段話,產生了這樣的疑問:一種幻覺又怎么能說“這種區別依然持續著”呢？

1.2 動力學與熱力學之間的“時間悖論”

“時間悖論”無法得到的進一步解釋令普利高津漸漸開始癡迷地進行著這一命題的研究,因為他知道這些都是有前人可靠知識理論作為基礎的。首先,時間作為一種外部參量是沒有方向的,時間僅僅是描述物理過程的時空行為的第四坐標。在動力學中,是無法區分過去和將來的。因此,傳統力學上的物理圖像是可逆并且對稱的[7]。但是熱力學第二定律指出力學能可全部轉換成熱能[9],但是熱能卻不能以有限次的實驗操作全部轉換成功(熱機不可得)即一個孤立系統,無論其初始條件和歷史如何,它的一個狀態函數熵會隨著時間的推移單調的增加,直至達到熱力學平衡態時趨于極大,從而指明了不可逆過程的方向性[4]。由此,是否存在一個理論可以同時實現兩者的完美解釋？就成為了普利高津丞待解決的問題。

1.3 熱力學第二定律與生物進化論之間的矛盾

生物進化論闡明了一個低級到高級,簡單到復雜,無序到有序的演化方向。而熱力學第二定律則說明了一個有序到雜亂的過程,兩者之間有著極大的矛盾。當牛頓“把分割天體和地球之間的壁壘推倒,并且把兩者結合起來,統一成為一個整體的宇宙”的時候,我們的世界被分成了兩部分,即一個物理的世界、量的世界;一個生物的世界、質的世界。普利高津試圖將這兩種文化,兩個世界完美地聯系在一起,并為之不懈奮斗二十年,終于在1969年的“理論物理與生物學”國際會議上提出這一新的理論來進行完美解釋。

縱觀耗散結構理論的建立,回想偉大的先哲列寧曾說過,“自然科學的成果是概念。任何物理理論的建立,人體那是從總結現象入手,進而建立物理概念,提出物理模型,尋找它們的運動規律,并不斷回到實踐中去,進一步豐富和發展已經提出的理論。其中新的物理概念的提出具有決定性的意義。”耗散結構理論的建立也大體經歷了同樣的歷程。正是普利高津存疑并遷移到物理學史上,不斷地進行審視,思考,并發現“時間悖論”的不可調和,最終建立了與經典力學,量子力學,相對論三座豐碑相媲美的物理學第四大擎天柱。

2耗散結構理論的建立對當代大學生的啟示

2.1 存疑質理勇于突破

知識就像大海般廣而深,每每遇到一個問題,我們要用進行思考,研究,正如前人的“寧信書不如無書”。普利高津始終堅持留存著“時間悖論”的疑惑,這是他研究的開始,并最終獲得意想不到的啟發,我們當代大學生在學習中也要學會提出問題,從辯證唯物主義的角度去思考,切勿讓自己的疑惑停留在懵懂階段,要大膽質疑,勇敢地去探究,才能深入體會各個理論的精妙之處。

2.2 永不言棄勇于探索

任何一個問題的提出都需要反復進行思考,研究,只有朝著自己堅持的方向努力前進會有成功的可能。當我們回首普利高津建立耗散理論全過程的時候,倘若,每遇到一個矛盾就放棄,那么,他所要放棄的不是一個科學研究,而是他的青春,他那如黃金般寶貴的二十年。很多人在許多個矛盾面前的時候,也許會被嚇到,還能夠像普利高津一樣不斷地思索探求嗎？答案也許是否定的。倘若,當代大學生以這樣的一種持之以恒的態度去學習那么我們將收獲的是無盡的知識。面對難以簡單分析的數據的時候,首先要相信只要自己堅持計算下去總會有結果的。不論結果如何,當我們努力在復雜的數據里進行多個運算的時候,總會收獲一些知識。普利高津也正是抱著這樣一種探求知識的態度才得以成功構建出耗散理論。而當下大學生一旦擁有這樣的品質才能攻克一個個難關,收獲屬于自己的成功。

2.3 細微之處尋求真知

嚴謹是一種態度,一種對事一絲不茍的態度。而作為耗散理論的建立者普利高津同樣有著這樣一種可貴的科學作風。誠然,愛因斯坦與貝索的通信是簡單的學術探討,誰能想象這些書信給這個比利時科學家打開了一扇怎樣的大門？去探求自然界的發展方向,普利高津在巨大的矛盾促使下,開始了屬于他一生的工作。確立了一個自組織體系來裝載兩個分立的世界。在這個躁動的時代,當代大學生缺少了一份屬于科學求知特有的淡定氣度。而有了這樣一個嚴謹的學習態度才能在繁雜的社會生活里尋得屬于自己的幸福。踏實地翻閱書籍,深深地汲取知識,牢牢地構建一個強有力的知識體系。試想,普利高津曾經也是這樣踏實地進行實驗,小心地求證,在求索的道路上不斷向前成長著。

2.4 推陳出新引領創新

當一個個矛盾出現的時候,普利高津以其獨特的視角,站在物理學、生物學上進行審視,思考,研究同時不懈求索,勇于創新,從平衡態轉移到衡態,當最小熵產生原理在衡線性區的成功又進一步促使普利高津試圖將它用到遠離平衡的非線性區去,經過多年的努力,始終沒能成功。但是正是挫折,讓他認識到在遠離平衡的系統的熱力學性質可能與平衡態、衡態的熱力學性質有重大原則差別。他們在這種新的思想指導下重新進行探索,終于建立起了—種新的學說—— 耗散結構理論,最終他成功了。不是所有人的探索都是成功的,但是他們的精神是值得我們學習繼承的。當代大學生需要創新地學習,我們學會用新的方式去認識世界。就像我們不再用手中的筆去演算數據而是利用excel來進行數據處理,既節省了時間也避免了人工計算的誤差,符合當代社會對大學生的要求,不是簡單的一處便利,而是優秀的創新遷移品質的體現。當代大學生引領了潮流,而創新則可為這股潮流注入活力,卷起滔天巨浪,為我們走向社會奠定基石。

3創新有利于當代大學生走向社會

3.1 創新使社會服務更顯優質高效

當代大學生進入社會之后,需要提供各種各樣優質高效的服務,而原有固定的方式去提供服務當然可以產生一定的經濟效益,但是就目前激烈的競爭環境而言,需要我們要有更加全新的模式來提供服務,以求獲得更高的經濟效益。便捷快餐的應運而生是一種創新,正是這樣的創新帶來了全球性的可觀收益。當代大學生應當敢于創新,用創新的思維方式去需求更加優質高效的服務。

3.2 創新使社會發展愈發迅猛有力

社會的發展需要創新來提供動力。科學創新能夠在技術上為社會發展提供保障,若沒有在水稻品種上的創新,怎么能有充足的糧倉以確保人民溫飽？創新并不僅僅是科學技術上的創新,生活中細微之處的改變,嘗試用全新的觀念去看人待物也是一種創新,由此當代大學生應當懂得創新有利于我們更快融入社會,并且為社會發展貢獻自己的力量。

市場經濟的就業環境下,當下大學生需要有一個全新的理念去應對,因而需要創造性的思維方式,通過各種不同的方式實現就業從而走向社會。不但如此,企事業單位也需要一批勇于突破,善于思考,敢于創新的大學畢業生帶來新的思想。誠如是,科學的發展需要我們開動思維的馬達,用創新的泉流去澆灌一個個前人無法解釋的干癟之花,才能綻放新的艷麗。在探求真理的道路上,需要有新的理論來支持無法解釋參透的現象,新理論構建起的是一個百家爭鳴,百花齊放的科學世界。因為創新,普利高津構建了耗散結構理論;因為創新,喬布斯讓“蘋果”起死回生;還是因為創新,才有了知識的一次次爆炸。

4結語

普利高津帶給我們的不僅僅是一個讓世界震驚的理論,同時展現了一個科學家之于世界的社會價值。對于當代大學生,需要有科學求知的素養,離開學校,走上社會的時候依然要堅定自己的方向,試圖通過自己的努力,以及敢于質疑,思考,探究的決心為社會留下屬于的光輝燦爛的一筆。對于社會和國家,這樣的科學精神會不斷地促進知識文化的發展。當代的中國社會需要一批普利高津式的科學家,不斷地創新,不管社會的大氣候如何,不管面對怎樣的人生,敢于執著地向著自己認定的方向努力,從而成就夢想。創新是一個民族的靈魂,一個國家發展的不竭動力。

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第9篇：量子力學與相對論的矛盾范文

一、21世紀物理學的幾個活躍領域

蒸蒸日上的凝聚態物理學

自從80年代中期發現了所謂高臨界溫度超導體以來，世界上對這種應用潛力很大的新材料的研究熱情和樂觀情緒此起彼伏，時斷時續。這種新材料能在液氮溫區下傳導電流而沒有阻抗。高臨界溫度超導材料的研究仍是今后凝聚態物理學中活躍的領域之一。目前，許多國家的科學工作者仍在爭分奪秒，繼續進行競爭，向更高溫區，甚至室溫溫區超導材料的研究和應用努力。可以預計，這個勢頭今后也不會減弱，此外，高臨界溫度的超導材料的機械性能、韌性強度和加工成材工藝也需進一步提高和解決。科學家們預測，21世紀初，這些技術問題可以得到解決并將有廣泛的應用前景，有可能會引起一場新的工業革命。超導電機、超導磁懸浮列車、超導船、超導計算機等將會面向市場，屆時，世界超導材料市場可望達到2000億美元。

由不同材料的薄膜交替組成的超晶格材料可望成為新一代的微電子、光電子材料。超晶格材料誕生于20世紀70年代末，在短短不到30年的時間內，已逐步揭示出其微觀機制和物理圖像。目前已利用半導體超晶格材料研制成許多新器件，它可以在原子尺度上對半導體的組分摻雜進行人工“設計”，從而可以研究一般半導體中根本不存在的物理現象，并將固態電子器件的應用推向一個新階段。但目前對于其他類型的超晶格材料的制備尚需做進一步的努力。一些科學家預測，下一代的電子器件可能會被微結構器件替代，從而可能會帶來一場電子工業的革命。微結構物理的研究還有許多新的物理現象有待于揭示。21世紀可能會碩果累累，它的前景不可低估。

近年來，兩種與磁阻有關的引起人們強烈興趣的現象就是所謂的巨磁阻和超巨磁阻現象。一般磁阻是物質的電阻率在磁場中會發生輕微的變化，而巨磁和超巨磁可以是幾倍或數千倍的變化。超巨磁現象中令人吃驚的是，在很強的磁場中某些絕緣體會突變為導體，這種原因尚不清楚，就像高臨界溫度超導材料超導性的原因難以捉摸一樣。目前，巨磁和超巨磁實現應用的主要障礙是強磁場和低溫的要求，預計下世紀初在這方面會有很大的進展，并會有誘人的應用前景。

可以預計，新材料的發展是21世紀凝聚態物理學研究重要的發展方向之一。新材料的發展趨勢是：復合化、功能特殊化、性能極限化和結構微觀化。如，成分密度和功能不均勻的梯度材料；可隨空間時間條件而變化的智能材料；變形速度快的壓電材料以及精細陶瓷材料等都將成為下世紀重要的新材料。材料專家預計，21世紀新材料品種可能突破100萬種。

等離子體物理與核聚變

海水中含有大量的氫和它的同位素氘和氚。氘既重氫，氧化氘就是重水，每一噸海水中含有140克重水。如果我們將地球海水中所有的氘核能都釋放出來，那么它所產生的能量足以提供人類使用數百億年。但氘和氚的原子核在高溫下才能聚合起來釋放能量，這個過程稱為熱核反應，也叫核聚變。

核聚變反應的溫度大約需要幾億度，在這樣高的溫度上，氘氚混合燃料形成高溫等離子體態，所以等離子體物理是核聚變反應的理論基矗1986年美國普林斯頓的核聚變研究取得了令人鼓舞的成績，他們在TFTR實驗裝置上進行的超起動放電達到20千電子伏，遠遠超過了“點火”要求。1991年11月在英國卡拉姆的JET實驗裝置上首次成功地進行了氘氚等離子體聚變試驗。在圓形圈內，2億度的溫度下，氘氚氣體相遇爆炸成功，產生了200千瓦的能量，雖然只維持了1.3秒，但這為人類探索新能源——核聚變能的實現邁進了一大步。這是90年代核能研究最有突破性的工作。但目前核聚變反應距實際應用還有相當大的距離，技術上尚有許多難題需要解決，如怎樣將等離子加熱到如此高的溫度？高溫等離子體不能與盛裝它的容器壁相接觸，否則等離子體要降溫，容器也會被燒環，這就是如何約束問題。21世紀初有可能在該領域的研究工作中有所突破。

納米技術向我們走來

所謂納米技術就是在10[-9]米（即十億分之一米）水平上，研究應用原子和分子現象及其結構信息的技術。納米技術的發展使人們有可能在原子分子量級上對物質進行加工，制造出各種東西，使人類開始進入一個可以在納米尺度范圍，人為設計、加工和制造新材料、新器件的時代。粗略的分，納米技術可分為納米物理、納米化學、納米生物、納米電子、納米材料、納米機械和加工等幾方面。

納米材料具有常規材料所不具備的反常特性，如它的硬度、強度，韌性和導電性等都非常高，被譽為“21世紀最有前途的材料”。美國一研究機構認為：任何經營材料的企業，如果現在還不采取措施研究納米材料的開發，今后勢必會處于競爭的劣勢。

納米電子是納米技術與電子學的交叉形成的一門新技術。它是以研究納米級芯片、器件、超高密度信息存儲為主要內容的一門新技術。例如，目前超高密度信息存儲的最高存儲密度為10[12]畢特／平方厘米，其信息儲存量為常規光盤的10[6]倍。

納米機械和加工，也稱為分子機器，它可以不用部件制造幾乎無任何縫隙的物體，它每秒能完成幾十億次操作，可以做人類想做的任何事情，可以制造出人類想得到的任何產品。目前采用分子機器加工已研制出世界上最小的（米粒大小）蒸汽機、微型汽車、微型發電機、微型馬達、微型機器人和微型手術刀。微型機器人可進入血管清理血管壁上的沉積脂肪，殺死癌細胞，修復損壞的組織和基因。微型手術刀只有一根頭發絲的百分之一大小，可以不用開胸破腹就能完成手術。21世紀的生物分子機器將會出現可放在人腦中的納米計算機，實現人機對話，并且有自身復制的能力。人類還有可能制造出新的智能生命和實現物種再構。

“無限大”和“無限斜系統物理學

“無限大”和“無限斜系統物理學是當今物理學發展的一個非常活躍的領域。天體物理和宇宙物理學就屬于“無限大”系統物理學的范疇，它從早期對太陽系的研究，逐步發展到銀河系，直到對整個宇宙的研究。熱大爆炸宇宙模型作為本世紀后半葉自然科學中四大成就之一是當之無愧的。利用該模型已經成功地解釋宇宙觀測的最新結果。如宇宙膨脹，宇宙年齡下限，宇宙物質的層次結構，宇宙在大尺度范圍是各向同性等重要結果。可以說具有暴脹機制的熱大爆炸宇宙模型已為現代宇宙學奠定了一定的基矗但是到目前為止，關于宇宙的起源問題仍沒有得到解決，暴脹宇宙論也并非十全十美，事實上想一次就能得到一個十分完善的宇宙理論是很困難的，這還有待于進一步的努力和探索。

“無限大”系統物理學還有兩個比較重要的問題是“類星體”和“暗物質”。“類星體”是1961年發現的，一個類星體發出的光相當于幾千個星云，而每個星云相當于1萬億個太陽所發出的光，所以對類星體的研究具有十分重大的意義。60年代末，科學家們發現一個編號為3C271的類星體，一天之內它的能量增加了一倍，到底是什么原因使它的能量增加如此迅速？有待于21世紀去解決。“暗物質”是一種具有引力，看不見，什么光也不發射的物質。宇宙中百分之九十以上的物質是所謂的“暗物質”，這種“暗物質”到底是什么？我們至今仍不清楚，也有待于下世紀去解決。

原子核物理和粒子物理學則屬于“無限斜系統物理學的范疇，它從早期對原子和原子核的研究，逐步發展到對粒子的研究。粒子主要包括強子（中子、質子、超子、л介子、K介子等）、輕子（電子、μ子、τ輕子等）和媒介子（光子、膠子等）。強子是對參與強相互作用粒子的總稱，其數量幾乎占粒子種類的絕大部分；輕子是參與弱相互作用和電磁相互作用的，它們不參與強相互作用；而媒介子是傳遞相互作用的。目前，人們已經知道參與強相互作用的粒子都是由更小的粒子“夸克”組成的，但是至今不能把單個“夸克”分離出來，也沒有觀察到它們可以自由地存在。為什么“夸克”獨立不出來呢？還有一個不能解釋的問題是“非對稱性”，目前我們已有的定理都是對稱的，可是世界是非對稱的，這是一個有待于解決的矛盾。尋找獨立的夸克和電弱統一理論預言的、導致對稱性自發破缺的H粒子、解釋“對稱”與“非對性”的矛盾，是21世紀粒子物理學研究的前沿課題之一。

從表面上看“無限大”系統物理學與“無限斜系統物理學似無必然的聯系。其實不然，宇宙和天體物理學家利用廣義相對論來描述引力和宇宙的“無限大”結構，即可觀察的宇宙范圍；而粒子物理學家則利用量子力學來處理一些“無限斜微觀區域的現象。其實宇宙系統與原子系統在某些方面有著驚人的相似性。預計21世紀“無限大”系統物理學將會與“無限斜系統物理學結合得更加緊密，即宏觀宇宙物理學和微觀粒子物理學整體聯系起來。熱大爆炸宇宙模型就是這種結合的典范，實際上該模型是在粒子物理學中弱電統一理論的基礎上建立起來的。可以預計，這種結合對科技發展和應用都會產生巨大的影響。

二、跨世紀科學技術的發展趨勢

科學技術能否取得重大突破的關鍵取決于基礎科學的發展。所以，首先必須重視基礎科學的研究，不能忽視更不能簡單地以當時基礎科學成果是否有用來衡量其價值。相對論和量子力學建立時好像與其他學科和日常生活無關，直到20世紀中期相對論和量子力學在許多科學領域中引起深刻的變革才引起人們的足夠重視。可以說，20世紀幾乎所有的重大科技突破，像原子能、半導體、激光、計算機等，都是因為有了相對論和量子力學才得以實現。可以說，沒有基礎科學就沒有科學技術、社會和人類的發展。

20世紀重大科技成果的成功經驗證明，不同學科間的互相交叉、配合和滲透是產生新的發明與發現，解釋新現象，取得科學突破的關鍵條件之一。例如，核物理與軍事技術的交叉產生了原子彈；半導體物理與計算技術的交叉產生了計算機。可以預計，21世紀待人類掌握核聚變能的那一天，一定是核物理、等離子體物理、凝聚態物理和激光技術等學科的交叉和配合的結果。這也是21世紀科學技術的發展趨勢之一。