时间：2024-01-04 11:53:27
导语：在量子力学和相对论的意义的撰写旅程中，学习并吸收他人佳作的精髓是一条宝贵的路径，好期刊汇集了九篇优秀范文，愿这些内容能够启发您的创作灵感，引领您探索更多的创作可能。
本文的主要内容就是20世纪是如何完成科学的社会化和社会的科学化的。20世纪整个的一百年里，理论科学的发展基本上可以概括为两次科技革命和四大理论模型；应用科学也可以概括为两大超级能量和两大生活技术。
两次科技革命的第一次指的是在19世纪20世纪之交物理学领域发生的科技革命，包括相对论和量子力学的出现。第二次科技革命，在我看来还是一个正在进行中的、尚未完成的革命。这场革命发生在20世纪后半期，就是非线性科学的革命。四大理论模型是在20世纪快结束的时候基本形成的。这个四个模型包括宇宙学中的大爆炸模型、粒子物理学中的夸克模型、分子生物学当中的DNA双螺旋模型、地学中的大地板块模型。也有人说还可以再加一个计算机领域的冯？诺伊曼模型。这四个模型或者五个模型大体可以表达20世纪最重要的一些理论成就。当然不是说其他的成就就不重要，而是说这几个成就格外的重要，因为它们构成了20世纪理论科学发展的一个平台。
应用科学的两大超级能量，第一个能量就是核能量的释放，包括核武器的研制、核能量的释放和利用等。这个可以称之为超级能量的释放。第二个是登月工程。登月工程之所以能够称为一种超级能量，是因为它代表了人类对地球引力的征服，代表了人类走向太空。这是一个人类自古以来从未想象过的一种现实，可以称它为一种超级能量的开发。
那么什么是两大生活技术呢？这指的是20世纪后期发生在我们眼前的两种技术。第一个就是生物技术，第二个是信息技术。人有两方面的存在，一个是社会学存在，一个是生物学存在。人类的生物学存在正在遭受生物技术的改造和改变，这是一种生活技术。人作为社会学意义上的存在，是一种交往性的存在。人是通过交往来认同自己的，每个人都要跟人家交往，把一个人关在一个屋子里老不让他交往，他最后不是发疯就是变成非人。但是交往是要依靠技术的，基本的交往技术就是信息技术。所以今天的信息技术就是我们第二大生活技术。
一、世界图景的重建
我们先来看物理学革命。物理学革命分为相对论革命和量子力学革命。相对论基本上是家喻户晓的了，因为爱因斯坦是20世纪最大的科学明星。爱因斯坦曾经跟卓别林说，为什么所有人都喜欢你，是因为他们都理解你；为什么所有人都喜欢我，是因为他们都不理解我。这就反映了爱因斯坦的相对论非常难理解，不要说一般大众，就是学物理的要真正地理解相对论也是很不容易的，所以爱因斯坦就开了这么一个玩笑。
大家知道相对论分为狭义相对论和广义相对论。狭义相对论主要是在时间空间问题上的一场革命。关键是引出了同时性的相对性。比如说现在我们正在王府井搞讲座，此刻天安门那儿有一场隆重的仪式，那么在什么意义上说，此刻天安门和王府井的两个事件是同时的呢？你可以说我们看表看到是同时的，都是10点钟开始，那边也10点，我们这儿也10点。可是这毕竟是两块表，如何才能知道它们是一致的呢？的确，我们不能肯定现在这块表定的时间和天安门广场那块表的时间完全一样，因此讲同时性就需要对钟。爱因斯坦说，你必须告诉我你是怎么对钟的，他要求同时性要有一个操作的定义。由于要对钟，所以需要信号。最快的信号是光，可以用光来对钟。但是光的速度仍然是有限的，这就意味着在对钟的过程中光信号从天安门传到王府井是需要时间的，这就会遭遇一种相对性效应。在一个静止的人看你对钟和一个运动的人看你对钟，对出来的是不一样的。爱因斯坦借此提出同时性的相对性，也就是说，对于一个参照系中的观察者来说是同时的，对另一个参照系的观察者就不是同时的。根据这个同时性的相对性，爱因斯坦就推出了他所谓的狭义相对论。同时性的相对性还比较好理解，但由此出发得出了很多很古怪的结果。
第一个古怪的效果叫尺缩钟慢。在不同的参照系里的人看来，尺子的长度是不一样的。一个运动的尺子会比在静止时短，这个叫尺缩；运动的钟要慢一点，这是钟慢。这个尺缩钟慢效应不是任何外力作用造成的，就是参照系本身造成的，是运动学效应不是动力学效应。由于运动是相对的，你看见我的钟慢了，我看见你的钟也慢了，那么到底是谁慢了呢？由于处在不同的参照系，这个问题是没有意义的。但是，要是让一对双生子派一个人先出去跑一圈再回来，由于他们都会发现对方时钟慢了，生命的生长也慢了，于是对方都比自己年轻了，这样再次碰面就会出现悖论：到底是哪一个更年轻？这就是著名的双生子悖论。这个悖论在狭义相对论里解决不了，只有在广义相对论才能解决。大家知道，一个宇宙飞船飞出去又飞回来，它必然要经历一个加速运动才能飞出去，飞出去之后要想再回来，它又要经历一个减速运动。一加速一减速就不符合狭义相对论的条件，就是广义相对论处理的问题了。经历了加速场的人，按照广义相对论来说，他应该是绝对地变年轻了。因此按照广义相对论，这个双生子悖论是可以解决的，答案是坐宇宙飞船出去转一圈的那个人变年轻了。这是我们要说的尺缩钟慢效应。
还有一个很重要的推论，就是很多人都知道的质能转化公式，E等于MC2，E是能量，M是质量，C是光速。根据这个公式，稍微有一点点质量的损失，可以变成巨大的能量。过去分别有质量守恒和能量守恒，现在两者是一回事，合起来叫质能守恒，这个也是狭义相对论所得出的结论。
接着我们说一说广义相对论。广义相对论处理的是加速问题。牛顿力学里面有两个质量，一个是牛顿第二定律规定的那个质量，我们称为惯性质量；另外一个是万有引力定律里面的，叫引力质量。在牛顿时代，引力质量和惯性质量被认为当然是同样一个质量，但是这个并没有予以说明。爱因斯坦认为，这两个质量的同一性实际上表明了引力场和加速场的等效性。说白了就是，引力场和加速场本质上是一回事。爱因斯坦最喜欢用电梯做思想实验，历史上称为爱因斯坦电梯。比如说你坐在封闭的电梯里，并且用台秤秤自己的重量，现在你发现台秤上显示你的重量大于你的体重，那么爱因斯坦说，你不能肯定究竟是你所在的电梯正在向上加速运动，还是地球的引力突然增大了。这就是加速场和引力场两者不可分的意思。根据这个等效原理，他推出了广义相对论。
广义相对论也有很多重要的预言。其中最有意思的一个推论就是，他认为物质和空间之间不能够像过去那样看成相互外在的两个东西，比如说空间是一个篮子，物质就像篮子里的菜；空间是那个书架子，物质就是书架上的书。爱因斯坦说这不对的，实际情况是，空间变成了物质的某种几何性质。广义相对论主张，有什么样的物质，就会有什么样的空间。就好比篮子装了菜，篮子就发生变化；书架装了书，书架会发生变化。任何有质量的物质都会引起周围空间的弯曲，质量越大、引力场越大，空间弯曲得越厉害。过去我们认为月亮绕地球转，是因为有地球的引力在拉着它，现在，按照广义相对论的说法，好是因为地球的引力场让地球周边的空间变弯了。月亮某种意义上是在走一个直路，只不过空间弯了，它走的直路在我们看来也是一个弯路。
空间弯了，一向走直路的光线当然也会弯曲。这个说法当然是非常奇特的，一般人觉得不可思议。爱因斯坦说只有在特别强大的引力场之中，光才能发生弯曲。我们地球周围最大的引力场就是太阳，太阳质量最大，可是白天太阳很亮，没有办法用它来判定光线是否在经过它是否发生了弯曲。但也有办法，就是等日全食的时候，月亮正好把太阳全部遮住的时候，我们再来看一看处在太阳背后的那个恒星的光，能不能绕过太阳被我们看见，如果能的话就证明爱因斯坦说得是对的。这件事情正好发生在第一次世界大战之后，英国的爱丁顿率领一个考察队专门去考察日全食的时候光线是不是发生弯曲，考察的结果居然是真的发生了弯曲。当时就一下子轰动了，爱因斯坦从此成为家喻户晓的科学家。
我们讲这些基本的东西，是要想说明爱因斯坦的相对论，对人类关于时间、空间、宇宙的基本观念产生了一场革命性的转变，因此我们说爱因斯坦是20世纪的一个科学革命家。下面我们再来讲讲量子力学。量子力学从某种意义上说，比爱因斯坦的相对论还要深刻，它里面所包含着的革命性因素还要多，主要表现在几个方面。
第一个是微观领域里物质的波粒二象性。微观粒子既表现出波的特性，又表现出粒子的特性。粒子的一个特点是它有个定义明确的界限，有自己独一无二的位置。波则是一个弥散的东西，不能说波在什么位置，波是处在整个空间之中。这本来是两种完全不一样的物质形态，但量子力学发现，微观粒子既像是粒子也像波。比如说这个屋子有两个门，我们每个人进来的时候总只能从一个门进来，你不能说我同时从两个门进来的。可是量子力学发现，微观领域的粒子就是从两个门进来的。同样，它也是从两个门出去的，因此，你就不好说它出去之后究竟在什么地方。
第二个叫做测不准原理。一个粒子的能量和时间、质量和动量不能够同时精确测定，也称为不确定性原理。为什么量子领域会发生这个事情呢？主要的一个原因是我们对量子领域的现象必须通过实验才能了解，可是实验总是会对对象有干预。比如说我们这个黑屋子里面有一个球，现在我们来问这个球在什么位置，当然我们不知道在什么位置，因为屋子太黑了我们看不见。为了知道它在什么位置我必须把灯打开。可是把灯一打开之后，那个灯的光线就对那个球产生作用。对一个宏观的球来说，光线不大可能对它产生什么明显的影响，可是在量子微观领域，这个光子跟这个球差不多，它就完全有可能把球打到不知道什么地方去了。即使你打开灯之后看见那个球在某个位置，你也不能说没打开灯之前那个球在什么位置。如果你不开灯你看不见，一开灯球又变了位置了，所以这就是为什么量子力学说搞不清楚它在什么位置的一个根本原因。
量子力学还有很多这类稀奇古怪的现象。经常有物理学家自嘲说，如果你在学过了量子力学之后没有意识到自己根本不懂量子力学，那么你就真是不懂量子力学。只有当你知道自己不懂量子力学之后，你才能说自己稍微懂得一点量子力学。量子力学在20世纪初产生后，与实验符合得非常好，成了整个20世纪科学的一个基本的平台。今天诸位都用了手机，用了电子设备，其实里面都包含着量子力学的理论成就。量子力学我们就讲到这里。
下面我们讲讲四大理论模型。
四个理论模型里面宇宙学和相对论联系最深。牛顿以来的宇宙学基本上就没了，因为宇宙被认为是无限的，无限的宇宙没法研究。爱因斯坦相对论提出来之后，他发现可以把宇宙整体作为一个研究对象，建立方程。这个宇宙方程导出的解都表明宇宙不是稳定的，但他当时觉得宇宙总体上应该是一个稳定的东西，所以他加了一个宇宙学项，强行把从相对论宇宙学中导出了一个静止的宇宙模型。也有一些数学家试解爱因斯坦的宇宙方程，提出了好多次数学方案，这些方案都表明宇宙是不稳定的。由于没有观测证据，数学家自己算着玩，也没有人当真。
有意思的是，大概在2 0年代末，美国的一位天文学家叫哈勃（哈勃望远镜就是以他的名字命名的），他发现银河系外面的星系都有红移现象。红移就是光谱向红端移动，向低频段移动，人们马上联想到多普勒效应。多普勒效应很简单，说的是一个运动的振动源在观察者看来，振动的波长和频率都是要发生改变的。我们都有这个经验，一列火车鸣着汽笛向我们开来的时候声音越来越尖锐，离我们而去的时候声音越来越低沉。这不是因为它这个汽笛声调发生了变化，而是因为我们和火车之间的运动关系发生了变化。它向着我们来的时候是越来越尖锐，声音的频率发生了蓝移；离我们而去的时候声音越来越低沉，发生了红移。河外星系都有这样的红移现象，这就意味着所有的星系实际上都在离我们远去。如果所有的星系都离我们远去，这就意味着整个宇宙都在膨胀。
这个观察证据发现之后，立即就被人联想到那些数学家所给出的宇宙膨胀模型。理论与观测相遇了，现代宇宙学就这样成长起来了。如果说宇宙是膨胀的话，那么往回追溯它应该越来越小，小到一定地步应该就变成一个点。从点状如何膨胀出一个宇宙？点之前又是什么东西？这就是一个大问题。宇宙学家提出一个理论说，宇宙是从起点处高温、高压、高密度的奇点状态爆炸过来的，爆炸瞬间之后，是一团宇宙雾，或者说一锅宇宙汤，随着温度慢慢变低，依次产生现在我们看到的这些物质，核子啊、电子啊这些东西，后来慢慢再出现星系、星云，出现行星，整个宇宙就出来了。在冷却的过程中实际上还有点雾没有彻底冷却，这个很稀薄的一层雾始终还在，大概相当于绝对温度三度这样子的辐射，是早期宇宙汤的一个遗迹。这个遗迹后来居然也被发现了，这个发现也是非常巧的。几个搞射电天文的人做了一个射电望远镜调试，怎么调试也不能复零，老有一点本底噪音。这个本底噪音当时被认为是望远镜没做好的一种表现，他们很苦恼。但是他们在普林斯顿大学吃饭的时候跟同事们谈起来，说我们造了一个望远镜，怎么调也调不到零，本底噪音不知道怎么来的。说者无心听者有意，旁边的理论宇宙学家一听，这个本底噪音不就是宇宙背景辐射吗？他们于是结合起来研究，证明那个本底噪音就是宇宙汤在冷却过程中留下的那一点点雾，称为微波背景辐射。这个辐射的发现就成了对热大爆炸宇宙模型的一个有力的支持，这个模型从此就有力地确立下来了。这个模型也很受理论物理学家喜爱，因为很多高能物理实验在地面上不好做，做不出来，但有了这个模型，我们就可以虚拟地在宇宙早期去做。因为宇宙早期温度高，密度大，成了理论物理学家很钟爱的一个模型，他们可以在这个模型的基础上做思想试验。
第二个模型就是所谓的夸克模型。大家知道一分为二的思想。所有的物质都是由分子构成，所有的分子都是由原子构成，所有的原子都是原子核和电子构成，原子核由质子和中子构成，质子和中子由基本粒子构成，还能不能接着分下去呢？过去我们说一尺之捶，日取其半，万世不竭。可是问题是，你想是可以这么想，但能不能真的分得下去得靠科学来说话，得做实验。实验结果却表明，这个夸克模型分不下去了。因为到了量子领域之后，质能转换关系开始起作用了。打个比方说，你用刀去切苹果，在宏观领域里，苹果是苹果刀是刀，是两个不同的东西。可是到了微观领域，代表着分解方的刀和代表着被分解方的苹果是可以互相转换的，相当于说，你切着切着，刀切没了，变成苹果了。本来应该是苹果越切越小，由于刀切没了，转化成了苹果，因此苹果被切之后有可能变成两个更大的苹果。由于质量和能量可以相互转化，高能粒子在切割的过程中并不是越变越小，这样一来，所谓的无限可分就变得没有意义了。夸克模型认为夸克实际上根本打不开，一个很重要的原因是道高一尺魔高一丈，你敲击的能量越大，它禁闭的能量也越大，所以根本就打不开。这是夸克模型。
大家都很熟悉了。今天我们处在一个生物技术的时代，基因的时代。基因时代之所以能够到来，与DNA双螺旋模型的发现是有关系的。过去我们只知道有基因，基因在染色体上，那么具体来说基因是什么样，有什么样的内在结构，过去都不知道，现在都搞清楚了。20世纪50年代有两位英国的年轻人，在前人的工作的基础上最终发现了DNA实际上是两个链缠在一起，缠成一个双螺旋，有了这个双链条模型后人们才能精细地对基因进行研究和加工。今天我们知道的基因复制、基因修补、基因重组，都是建立在这个DNA双螺旋模型的基础之上。所以这个模型对于今天生物科学的发展，对于我们生物技术的发展都是功莫大焉。但是大家也要注意到，DNA双螺旋模型的发现是与微观物理学的发现有直接关系的，刚才我们讲的量子论和相对论都是有贡献的。因为DNA这个东西很小，必须用电子显微镜来看。电子显微技术实际上是建立在当时量子力学这样一些物理学基础之上的。所以某种意义上说，这个DNA双螺旋模型的发现，理论物理学也是有很大功劳的。
大地我们过去只知道有纵向的运动，地震就是典型的纵向运动，上下动。人们从来没想到大地还有水平的运动，地那么大的东西怎么会水平运动呢。但是有些人就注意到了，我们的世界地图几大块之间的关系，实际上暗示了它过去可能是一个整体。有一位地质学家叫魏格纳，有一天他躺在床上看世界地图就发现，非洲大陆跟美洲大陆边界好像能接上，他就想是不是早期它们是一整块的，后来才分开的。这个思想当然过于大胆了，人们很难设想地球那么大的玩意儿还能够水平运动。他有了这个设想之后，就想去验证它，而且写了书，但是得不到大多数人的认同。所以这个大地水平运动理论，一直经历了大概半个世纪的争论，反复地研讨，最终在20世纪60年代终于得到了地质学界的认同，被认为是地质学中的一场革命。这场革命确立了大地的板块模型，以及这个板块的漂移运动。有了这个板块模型，所有的关于地质、地球物理的研究就有了一个崭新的面貌。所以板块模型也被认为是20世纪最重要的一个模型。
第五个模型我们讲的是冯？诺伊曼模型。冯？诺伊曼模型是计算机领域的一个模型，今天我们用的电脑基本上都属于冯？诺伊曼机。冯？诺伊曼机的一个基本原理就是把操作程序代码化，把数据和程序储存在一起。大家知道我们今天的硬盘里既存数据，也存软件。软件就是操作程序，数据是我们用的，比如说文字、图象等。冯？诺伊曼机发现把它混在一起可以提高效率，过去这两个部分是分开的，操作是操作、数据是数据，但是运算速度很慢。冯？诺伊曼提出来把两者混在一起，统一编码，这样就大大地提高计算机的运算的速度。今天我们用的电脑依然属于这个范畴。因此有人认为冯？诺伊曼模型也是20世纪最重要的理论模型之一。
20世纪60年代以来，不断出现了一批横断学科、新兴学科，被有人称为第二次科学革命。在我看来，这场科学革命是比相对论、量子力学更加深远的一场思想变革，它要打破近代自牛顿以来的一些对世界的看法，参与这场科学革命的学科很多，非线性科学、复杂性科学、系统科学、生态科学都卷入其中。
这些新的科学都想破除传统科学里面的机械决定论思想。牛顿力学世界观的一个理想是，给定全部的初始条件我就能告诉你世界的过去、现在和未来。法国科学家拉普拉斯对此有一个形象的表述。他说只要有一个万能的计算者，你告诉他这个宇宙的初始条件，他就能算出宇宙的过去、现在、未来。在他看来，难题只在于有没有这样一个万能的计算者，世界的决定论特征是没有问题的。拉普拉斯的这个形象的说法，现在看来是有问题的。决定论的信奉者也是征服自然、改造自然的信奉者。我们因为能掐会算，能够精确地预言、预测，因此我们什么都不怕，我们可以无所顾忌地改天换地。因为我能够精确地知道，我对自然界的改造会造成什么样的后果。如果你不能够知道后果，那么人类对自然会有所敬畏。新的科学认为人类对自然的研究，并不能够获取完全的确定性。我们只能或然地了解世界，我们对于世界长远的后果是没法了解。这就是所谓的非线性效应、复杂性效应、生态效应。过去有一个箴言说人算不如天算，包括这个意思。历史上的许多原始文化、传统文化都强调要敬畏自然，主张自然的很多后果我们是难以预料的。但是，这个论调是近代科学所不理会的，近代数理科学传统认为自然界是一个确定的体系，现在看来这个信念过于理想。新的科学发现了路径依赖和初始条件敏感，就是说初始条件微小的变化将会非线性放大，放大到不成样子。通俗的讲法就是所谓的蝴蝶效应，说的是北京的一个蝴蝶扇一下翅膀，结果在纽约造成一场风暴。一个玩笑说，坏了一只马蹄铁，损失一匹战马，损失一匹战马带来一场小小战役的失败，小小战役的失败带来一场大战役的失败，大战役的失败带来战略性的失败，战略性失败带来国家的灭亡。这每一步都是非线性放大，结果是一只马蹄铁坏了导致一个国家灭了。非线性效应在现在看来不是个别的、孤立的，而是普遍的，处处都存在。过去认为整个宇宙尺度上，还是牛顿力学说了算，现在看来牛顿力学只能是小范围说了算，大范围反而都是非线性系统。我想这是一个很重要的观念革命。
第二个方面是整体论的出现。过去的科学都主张对世界进行分割、切割，把宏观的东西还原为微观的东西，把整块的东西切割成小的东西。我们先对小的、简单的东西进行研究，研究了小的东西，那么大的东西自然就可以拼出来了。方程都是微分方程，微分方程算出来之后进行积分。微积分的过程就是一个原子化的过程，积分的过程就是一个拼装的过程。所以近代以牛顿力学为代表的世界观，基本上是一个拼装、拆拼的世界观。我们做什么事、看什么问题，都先是把这个事情把它拆开了、分解了，模块、板块化。现在我们管理学里面经常搞模块化、板块化，其实就是来自经典科学里面的原子论思维。流水线生产也是，把汽车都拆散了。过去造东西是一个工匠从头造到尾，现在是一个人造一点点，造完以后拼起来就行了，又快又好。这是现代性思维的一个很重要的部分，也是古典科学的拼装世界观的反映。这种拆拼世界观、原子论世界观有个问题，就是忽视了世界、事物本身是个有机的整体，拆和拼的过程中肯定会损坏或者忽略掉有机的部分。我们都知道有许多东西是拆不出来也拼不出来的，这就是整体的东西。比如我们说一个和尚挑水吃，两个和尚抬水吃，三个和尚没水吃，这就是一个整体论效应。如果按照线性相加的原则，一个和尚挑水，两个和尚就挑两担水，三个和尚挑三担水。但这是原子论的思维，实际上并不是这么回事，和尚越多越没有水吃。也有人说，一个中国人是一条龙，三个中国人成了一条虫，这也是整体论效应，搞在一起反而内讧、相互拆台。这个效应你通过拆分拆不出来，拆出来之后的东西就像我们刚才讲的量子效应那样，有可能越拆越大，越拼越小，这就不是线性效应。
还有一个方面是，新科学确认了世界的不可逆性。牛顿力学根本上认为，一个物理系统是可以反演的。时间变成负的无所谓，反正牛顿方程里面的时间都是以平方的方式出现的。不可逆性早在19世纪后期热力学第二定律出现的时候就已经认识到了。人们发现一杯热水放在空气里面，它只会越来越凉，一直凉到和空气温度一样为止。从来没有一杯冷水放在桌上，能从空气中吸热把自个儿烧开了。从来只听说过破镜难圆，没听说过一个破碎的镜子最后自己能重回圆满，打碎的瓷器难复原、覆水难收都是这个意思。可是按照牛顿力学，这种逆转原则上是可以的。宏观上看一个物理系统总是按照一个不可逆的方向发展，一杯水总是慢慢地变冷或者变热和室温保持平衡，从来没有越来越偏离室温的情况出现。这种不可逆现象出来以后，很多科学家很苦恼。因为所谓的热力学定律不过就是微观定律的一个宏观表现而已，微观领域的粒子肯定都是符合牛顿定律的，因而是可逆的，可是为什么微观里面是可逆的，宏观就不可逆呢？当时有一位奥地利的物理学家叫玻耳兹曼，一直在试图解决这个问题，结果到死也没有解决问题。最后他是自杀的，没解决这个问题很苦恼，自杀了。这个问题到现在也没有完全解决，但是新科学，就是非线性科学、系统科学、复杂性科学、生态科学都试图把这个不可逆性作为一个基本的现象来处理，而让牛顿力学的东西作为一个次级的现象。这是新科学的一个崭新的变化，这个变化将更加符合我们的日常生活经验。
科学与人文在现代之所以分裂有一个重要的原因就是古典的物理学、古典科学不再关注价值问题，只关注事实，造成了事实和价值的二分。事实和价值之所以二分，是因为古典力学、古典物理学、古典科学所面对的对象是一个机械。机械本身是没有目的的，没有目的就没有价值。有机体都是有目的的，机械没有目的。如果你把世界本身看成个机械，那么这个世界本身就谈不上什么价值，价值只属于人。于是，人和自然、事实和价值、科学与人文之间就发生了分裂。可是新的科学认为世界本质上不是一个机械，而是一个有机体。这个有机体有自身的目的、有自身整体的效应。机械论理想局部是合理的，但是它是有限度的。因为特定的目的、特定的目标我们可以把世界看成个机械，但是根本上来看，世界并不是一个机械，而是一个有机体。这个有机体有整体效应，有非线性效应，它的变化过程是不可逆的。一个人只能由小孩长成青年，青年长成中年，中年变成老年，老年最后死掉，不可能倒着长，倒着长不是有机体的模式。想倒着长恰恰是机械自然观的一个必然后果。从这个意义上说爱因斯坦的相对论，特别是狭义相对论总体上看也还属于机械自然观的范围。爱因斯坦相对论是允许时间倒流的，逻辑上它允许时间倒流。好莱坞电影里面特别喜欢借用这个东西，来幻想时间倒流，从而产生一些非常异样的场景叠加，那就有戏可看了。电影总是要有戏可看，所以他们特别喜欢援引相对论这些东西。其实可逆性思想已经遭到了新科学的质疑。
关键词:经典相对论;宇宙学;量子引力;概念解释;形而上学
正如巴特菲尔德和厄尔曼编撰的《物理学哲学》一书所言，近半个世纪以来，物理学哲学充满活力有两个重要的原因，第一是与所分析的科学哲学的形成期相关，第二则是近半个世纪以来物理学自身的研究有关。也正因此，在物理学哲学发展的进程中，其研究的论题和研究方法也随着科学哲学和物理学自身的论题和方法进行着改变。在很长一个历史时期内，物理学哲学曾经关注经验物理学领域，物理学哲学的探讨与对客观性、真理性以及科学合理性的辩护分不开。而在当前宇宙学、量子引力发展的前沿时刻，《物理学哲学》一书体现了当代物理学哲学研究的新特点。本书与以往物理学哲学书籍最大的不同之处就在于，在以往物理学哲学著作往往重点讨论统计物理学、相对论和量子力学的哲学问题的基础上，增加了新的领域:“这些支柱的结合”———量子引力，并运用决定论和对称性这两个“能架起联结物理学理论间(甚至三大支柱间)鸿沟的桥梁”的主题，把最终的讨论由具体引向一般，从而让我们看到两个结论:第一，物理学哲学和物理学之间并不存在清晰的界限。第二，物理学概念的复杂化，想要借由物理学去丰富哲学，并非容易。本文主要就书中的“经典相对论”、“宇宙学中的哲学问题”和“量子引力”等内容进行分析，指出它们所揭示的物理学概念解释的新特征以及物理学理论理解的新特征。
一相对论、宇宙学和量子引力哲学概要
巴特菲尔德在引言中指出，数学的相对论者在不断深化我们对广义相对论基础的理解。大卫•马拉蒙特的“经典相对论”［1］一文就明显具有这样的特点，并不讨论经典相对论的历史发展及其实验依据，而是以微分几何的语言，从概念和形式化的角度对相对论的结构以及相对论引发的一些基础问题进行了分析和讨论。首先从描述相对时空的结构开始，相对论的弯曲时空是一类几何模型(M，gab)表示的相对时空，其中M为一个平滑的连续的四维流形，gab是M中的一个平滑的半黎曼度规。其中每个模型都代表一个与理论的约束条件相容的可能世界。M可以解释为世界中点事件的流形，而gab的解释则关乎四个物理学解释性原理，由点粒子和光线的行为决定，由此把引力和时空几何效应等同起来。当粒子只受到引力作用时，它的轨迹为弯曲时空的测地线。而任何质量粒子的加速度即偏离测地线的轨迹，由引力以外的力决定。马拉蒙特详细地描述了gab的解释性原理和限定条件。在此基础上分析了本征时间、某一点的空间时间分解及粒子动力学、物质场、爱因斯坦方程、类时曲线的汇与“公共空间”、基灵场与守恒量等内容。经典相对论中所有发生的事件都可以用物质场F表示，为时空流形M中的一个或者多个平滑张量或旋量，满足包含gab的场方程。Tab为与F相关的能量－动量场，时空的弯曲受物质分布的影响，任意区域的时空度规和物质场会发生动力学相互作用，遵循爱因斯坦方程。在专题讨论部分，关于闵可夫斯基时空中的相对同时性的地位，试图还原爱因斯坦定义同时性对标准关系选择的特定背景;关于牛顿引力理论的几何化，将引力化的牛顿理论与爱因斯坦相对论进行了结构上的对比;关于时空的整体“因果结构”，关注了什么程度上时空的整体几何结构能够从其“因果结构”中得到。“宇宙哲学中的问题”［2］的作者是乔治•F．R．埃利斯。宇宙学哲学的部分在书中起着承上启下的作用，因为一方面，宇宙学哲学的研究基于爱因斯坦广义相对论引力理论时空曲率和宇宙的演化由物质决定的思想，用广义相对论描述宇宙远古时期之后的演化;另一方面，由于在黑洞以及宇宙大爆炸初期物质高密度状态下无法忽略引力问题，因而无法避免引力理论。总的来说，整篇文章把当代宇宙学看作是观测宇宙学、物理宇宙学、天文宇宙学与各种形式的量子宇宙学共生共长、互惠互补的综合理论系统，想要给出一个“描绘真实宇宙起源和演化的理论”。主要内容分为两大部分，第一部分为宇宙学概论，包括基本理论、热大爆炸、宇宙观测、因果和可视世界、理论的发展、暴胀、极早期宇宙、一致性模型等内容，并澄清了关于宇宙暴胀和超光速等问题的一些误解。在埃利斯看来，“宇宙学正在由一种猜测性的事业向真正的科学转变，这不仅带来了与科学革命相近的多种哲学问题，也使得其他哲学问题更加紧迫，例如关于宇宙学中的说明和方法等问题。”因此文章第二部分进行的问题讨论围绕这些说明和方法问题展开，讨论了宇宙的唯一性、宇宙在空间和时间上的巨大尺度、早期宇宙中的无约束能量、宇宙起源的解释问题、作为背景存在的宇宙、宇宙学明确的哲学基础、有关人类的问题:生命的精细调节、多元宇宙存在的可能性和存在的本质等九大问题。在此过程中，埃利斯提出了34个论点，关涉到这9个问题的方方面面，包括人择原理和多重宇宙存在的可能性等。这些论述关乎几何学、物理学和哲学，它们构成了宇宙学面面临的哲学问题的环境及其与局域物理学之间的关系。埃利斯期望通过这一系列讨论改变人们认为宇宙学只不过是确定一些物理参数的简单看法。“量子引力”［3］一文的作者是卡罗尔•罗韦利，内容大致可分为四个方面。第一，量子引力的研究方法，包括早期的历史和方向、目前的主要尝试性理论等。量子引力的早期思想可以概括为“用一个理论来描述引力的量子特性”。期间出现的第一种方法是罗森菲尔德等人的“协变化”方法，通过引入一个虚构的“平坦空间”来考虑周围度规的微小涨落，并且运用电磁场中的方法来对这些波进行量子化;第二种是伯格曼等人的“正则化”方法，研究和量子化整个广义相对论的哈密顿函数，而不只是量子化其围绕平坦空间的线性化函数;第三种是米斯纳等人的路径积分方法。目前主要的尝试性理论主要介绍了基于协变化方法发展起来的弦理论和基于正则化方法发展起来的圈量子引力理论以及它们之间的争论。第二，关于量子引力研究方法论问题。指出量子引力研究的理由包括经验数据的缺乏和对引力是否应当量子化的思索。分析了当前量子引力研究中的各种态度以及科学知识的累积性和科学哲学的影响。第三，空间和时间的本质，包括广义相对论的物理意义、背景无关性、时间的本质等。第四，与其他未决问题之间的关系，包括统一、量子引力学的解释宇宙学常数、量子宇宙学等等。这些章节的详细内容不是本文的重点，我们想要做的，是分析作者的研究方式所代表的当代物理学哲学研究的视野和方法的转变。本书的研究方式明显地具有两个特征:第一个特征关乎物理学概念的解释:物理学的概念解释脱离不开数学形式化下的整体系统;第二个特征关乎新的物理学理论的理解:在理论的发展中处处显示物理学和形而上学的交织统一。这两个特征与这些物理学研究领域实验检验的缺乏以及理论构造的特征密切相关。
二物理学概念解释的新特征:数学形式化整体系统中的关联解释
巴特菲尔德相信当前基本物理学中的基础问题会为物理学哲学提供从最为有趣且最为重要的问题，而我们关注的是本书处理这些基础问题的方式。虽然从章节上来看，物理哲学的论题被划分为若干个领域，但从内容上，完全可以看到作者的用心，站在当代数学物理学发展的高度用整体微分几何等数学语言对物理学系统进行重新形式化和解释，每一章节的紧密联系使得物理学作为一个整体系统得以呈现。其中对每一个物理概念解释的细节，正是物理学哲学追求的基础问题的答案。可以说，概念解释居于本书的核心地位，物理学哲学解释问题的最重要的方式就是处理当代物理学中的概念和解释问题。
(一)物理学概念的解释:我们理解世界的基础
物理学的发展时时刻刻影响着人们对世界的理解方式，其途径就是物理学概念的解释。经典物理学、相对论和量子力学曾极大地改变我们对世界的看法，它们在经验上的有效性曾经强化过我们对科学理论客观性和真理性的观点，也曾让很多物理学家追求理论的实用性而认为有些基础性的问题毫无意义。但当前宇宙学和量子引力理论的提出，使人们重新注视广义相对论和量子力学的不相容性的时候，从广义相对论以来的一些基础性问题和哲学问题得以重新复兴。相对论为我们宇宙的时空结构确定了一类几何模型，其中每个模型都代表了一个与理论的约束条件相融的可能世界或区域。而我们对时空的理解涉及整体时空结构和爱因斯坦方程的约束条件等等。宇宙学和量子引力的研究则让我们明白，改变我们对空间和时间的理解的广义相对论是在可以忽略引力的量子特性时对引力进行描述的场理论，那么真正的空间和时间的本质又是如何呢?我们对宇宙起源的理解绕不开量子引力方法的尝试，但这种尝试要受到很多约束，比如成熟量子引力理论的缺乏、量子力学基础问题，比如测量问题、波函数的塌缩问题等。现在人们期望得到的成功量子引力的路径基于目前理论的发展，比如惠勒－德维特方程和宇宙波函数思想、来自弦论思想的高维时空方法，或者圈量子引力的应用等。但这些问题是否能真正解决宇宙起源的问题却并没有确切的答案，比如维兰金的创生虚无的真理论的理解要依赖于量子场论的精致框架和粒子物理学标准模型等很多结构，而这些基础本身也是需要解释的。可以说，我们理解世界的基础就在于我们用于理解它的那些概念的意义。
(二)概念解释的新特点:数学形式化下整体系统中的关联解释
巴特菲尔德在经典力学的辛约化中指出，经典力学的核心理论原理已经被欧拉、拉格朗日、哈密顿和雅可比等改写，“我们已经认不出来了，因此对它们的哲学反思也发生了变化。”因此引入辛几何、李代数等语言对理论进行形式化，旨在利用辛约化理论使连续对称和守恒量之间产生联系的特征，从理论结构上显现经典力学与量子物理学的联系，这是运用数学形式化系统展现物理学理论的对称性本质。相对论、宇宙学和量子引力哲学部分，情况也是如此。整本书是站在当代数学发展的高度，运用拓扑学、群理论和微分几何等重新形式化物理学的整个体系，并对其概念进行剖析的一个过程。而对基本问题的理解，则建立在概念剖析的基础之上。在这些文章中，理论发展的历史状况和实验成果，只是系统阐释整个理论概念和解释的背景而已。作者们的重点则放在用数学领域的发展和物理学理论形式化的诉求，促进对物理学理论结构的探索，进而把论题转化为对其哲学问题的探讨。理论的形式化体系、概念结构和物理学解释是有机地结合在一起的。在牛顿引力的几何化中，也是站在当代物理学和数学发展的高度，重新形式化作为相对论弱场近似的牛顿理论，得到与广义相对论类似的数学结构，正是在这个意义上，才能够好地发现两个理论在何种条件和何种程度上是相符的，又在何种条件和何种程度上是区别的。在这个形式化的整体系统中，对于物理概念的解释不再是孤立的解释，而是站在理论的数学结构的高度，成为一个整体系统中的关联解释。这在很大程度上突出了物理学哲学中语义分析方法的重要性，因为没有完全独立的概念，物理学的概念定义之间互相依赖，只有在一个系统的语义结构中才能理解概念的意义。如普斯洛斯在这套爱思唯尔哲学手册的《一般科学哲学》一书中所言:“理论解释的唯一方式就是把它嵌入到同类概念的框架中，并尝试着解开它们的相互关联。”［4］
(三)旧概念重新解释的意义:还原理论创立过
程中概念选择的特定背景在物理学的发展中，每一次理论创新和进步都伴随着新概念的提出或旧概念的重新解释，站在理论发展的角度考虑，这样的解释会让我们更好地理解物理学理论的提出、发展和变迁的合理性。比如蒙特在经典相对论一文中对闵可夫斯基时空环境下相对同时性关系的重新考虑。蒙特指出，当相对于一个四维速度矢量将一点上的矢量分解为“时间”和“空间”分量进行讨论时，我们理所当然地相信包含正交性的相对同时性的标准认同。在解释这种认同的理由时，根据方便在闵可夫斯基时空结构即狭义相对论体系下进行分析。他援引霍华德•斯坦的论述，指出采用相对同时性的标准(ε=1/2)的惯例是需要特定背景的。在他们看来，爱因斯坦是为了解决我们无法检测到地球相对于以太的运动而采取的解决方案，以一种特定的方式(ε=1/2)来思考同时性，但如果并非从爱因斯坦最初的思路来考虑，而是从一个成功理论的高度来理解它，把相对论视为是针对时空结构不变性的论述时，其意义就完全不同了。这在很大程度上还原了爱因斯坦对同时性做出的“定义”中挑选出来的这种标准关系的实质，它可能并非一种自然的存在，而是理论选择的特定需要，还原这个过程，对我们更好地理解理论和概念的本质有着重要的意义。
(四)新理论的概念澄清:科学进步的必然现象
物理学史上每一个新理论的诞生都会引起旧的概念的澄清，量子引力就是个很典型的例子。量子引力是对空间和时间本质的探索，它引导我们重新思考关于时间、空间、“在某处”、运动和因果观测者的地位等很多问题。作为试图把广义相对论和量子理论结合的理论，我们需要以历史的眼光重新追问。我们都知道，广义相对论改变了我们对牛顿独立于物质运动的绝对空间和时间的理解。量子力学则用我们关于运动的一般性理论替代了经典力学，并改变了物质、场和因果性的观念。但量子力学的外在时间变量和量子场论静止的背景时空都是和广义相对论不相容的。而广义相对论中引力场被假设为一个经典决定论的动力学场，无法处理小尺度引力的量子特性。因此，想要把二者进行结合的量子引力就遇到了困难。正因为如此，罗韦利直言尽管基础物理学在经验上有效，但它正处于一种深刻的概念混乱的状态。虽然20世纪后半叶，物理学注重实用而忽略了这些基本问题，但量子引力告诉我们这些基本问题必须得到新的答案。但问题的澄清并没有一条唯一明确的路可以走，超弦理论和圈量子引力在假设、成就、具体结果以及概念框架上都有着显著的不同，但它们都有自己的代价，弦理论的思想基础是为了消除广义相对论的微扰量子化的困难，保留了量子场论的基本概念结构，其代价之一是放弃广义相对论的广义协变性。圈量子引力植根于描述广义相对论的协变性，但它的代价是忽略了理论的不完备性，放弃了幺正性、时间演化、基本层次上的庞加莱不变性以及物理学对象是在空间中局域化的且在时空中演化的概念。可以看出的是，新理论澄清概念的过程是科学理论进步的必然现象，而这一过程是通过分析在描述世界结构时所产生的概念上的困难来对以往科学的研究框架予以质疑或辩护，这涉及的是对世界本质更深刻的哲学和形而上的思考。
三物理学理解的新特征:物理学和形而上学的交织统一
人们通常把爱因斯坦与玻尔之间关于如何理解量子力学的争论，看成是继地心说与日心说之后科学史上最重要的争论之一。就像地心说与日心说之争改变了人们关于世界的整个认知图景一样，爱因斯坦与玻尔之间的争论也蕴含着值得深入探讨的对理论意义与概念变化的全新理解以及关于世界的不同看法。有趣的是，他们俩人虽然都对量子力学的早期发展做出了重要贡献，但是，爱因斯坦在最早基于普朗克的量子概念提出并运用光量子概念成功地解释了光电效应，以及运用能量量子化概念推导出固体比热的量子论公式之后，却从量子论的奠基者，变成了量子力学的最强烈的反对者，甚至是最尖锐的批评家。截然相反的是，玻尔在1913年同样基于普朗克的量子概念提出了半经典半量子的氢原子模型之后，却成为量子力学的哥本哈根解释的奠基人。爱因斯坦对量子力学的反对，不是质疑其数学形式，而是对成为主流的量子力学的哥本哈根解释深感不满。这些不满主要体现在爱因斯坦与玻尔就量子力学的基础性问题展开的三次大论战中。他们的第一次论战是在1927年10月24日至29日在布鲁塞尔召开的第五届索尔未会议上进行的。这次会议由洛伦兹主持，其目的是为讨论量子论的意义提供一个最高级的论坛。在这次会议上，爱因斯坦第一次听到了玻尔的互补性观点，并试图通过分析理想实验来驳倒玻尔—海森堡的解释。这一次论战以玻尔成功地捍卫了互补性诠释的逻辑无矛盾性而结束；第二次大论战是于1930年10月20日至25日在布鲁塞尔召开并由朗子万主持的第六届索尔未会议上进行的。在这次会议上，关于量子力学的基础问题仍然是许多与会代表所共同关心的主要论题。爱因斯坦继续设计了一个“光子箱”的理想实验，试图从相对论来玻尔的解释。但是，在这个理想实验中，爱因斯坦求助于自己创立的相对论来反驳海森堡提出的不确定关系，反倒被玻尔发现他的论证本身包含了驳倒自己推论的关键因素而放弃。
当这两个理想实验都被玻尔驳倒之后，爱因斯坦虽然不再怀疑不确定关系的有效性和量子理论的内在自洽性。但是，他对整个理论的基础是否坚实仍然缺乏信任。1931年之后，爱因斯坦对量子力学的哥本哈根解释的质疑采取了新的态度：不是把理想实验用作正面攻击海森堡的不确定关系的武器，而是试图通过设计思想实验导出一个逻辑悖论，以证明哥本哈根解释把波函数理解成是描述单个系统行为的观点是不完备的，而不再是证明逻辑上的不一致。在这样的思想主导下，第三次论战的焦点就集中于论证量子力学是不完备的观点。1935年发表的EPR论证的文章正是在这种背景下撰写的。从写作风格上来看，EPR论证既不是从实验结果出发，也不再是完全借助于思想实验来进行，而是把概念判据作为讨论的逻辑前提。这样，EPR论证就把讨论量子力学是否完备的问题，转化为讨论量子力学能否满足文章提供的概念判据的问题。由于这些概念判据事实上就是哲学假设，这就进一步把是否满足概念判据的问题，推向了潜在地接受什么样的哲学假设的问题。例如，EPR论证在文章的一开始就开门见山地指出：“对于一种物理理论的任何严肃的考查，都必须考虑到那个独立于任何理论之外的客观实在同理论所使用的物理概念之间的区别。这些概念是用来对应客观实在的，我们利用它们来为自己描绘出实在的图像。为了要判断一种物理理论成功与否，我们不妨提出这样两个问题：（1）“这理论是正确的吗？”（2）“这理论所作的描述是完备的吗？”只有在对这两个问题都具有肯定的答案时，这种理论的一些概念才可说是令人满意的。”〔3〕从哲学意义上来看，这段开场白至少蕴含了两层意思，其一，物理学家之所以能够运用物理概念来描绘客观实在，是因为物理概念是对客观实在的表征，由这些表征描绘出的实在图像，是可想象的。这是真理符合论的最基本的形式，也反映了经典实在论思想的核心内容；其二，如果一个理论是令人满意的，当且仅当，这个理论既正确，又完备。那么，什么是正确的理论与完备的理论呢？EPR论证认为，理论的正确性是由理论的结论同人的经验的符合程度来判断的。只有通过经验，我们才能对实在作出一些推断，而在物理学里，这些经验是采取实验和量度的形式的。〔4〕也就是说，理论正确与否是根据实验结果来判定的，正确的理论就是与实验结果相吻合的理论。但文章接着申明说，就量子力学的情况而言，只讨论完备性问题。言外之意是，量子力学是正确的，即与实验相符合，但不一定是完备的。为了讨论完备性问题，文章首先不加证论地给出了物理理论的完备性条件：如果一个物理理论是完备的，那么，物理实在的每一元素都必须在这个物理理论中有它的对应量。物理实在的元素必须通过实验和量度来得到，而不能由先验的哲学思考来确定。基于这种考虑，他们又进一步提供了关于物理实在的判据：“要是对于一个体系没有任何干扰，我们能够确定地预测（即几率等于1）一个物理量的值，那末对应于这一物理量，必定存在着一个物理实在的元素。”
文章认为，这个实在性判据尽管不可能包括所有认识物理实在的可能方法，但只要具备了所要求的条件，就至少向我们提供了这样的一种方法。只要不把这个判据看成是实在的必要条件，而只看成是一个充足条件，那末这个判据同经典实在观和量子力学的实在观都是符合的。综合起来，这两个判据的意思是说，如果一个物理量能够对应于一个物理实在的元素，那么，这个物理量就是实在的；如果一个物理理论的每一个物理量都能够对应于物理实在的一个元素，那么，这个物理学理论就是完备的。然而，根据现有的量子力学的基本假设，当两个物理量（比如，位置X与动量P）是不可对易的量（即，XP≠PX）时，我们就不可能同时准确地得到它们的值，即得到其中一个物理量的准确值，就会排除得到另一个物理量的准确值的可能，因为对后一个物理量的测量，会改变体系的状态，破坏前者的值。这是海森堡的不确定关系所要求的。于是，他们得出了两种选择：要么，（1）由波动函数所提供的关于实在的量子力学的描述是不完备的；要么，（2）当对应于两个物理量的算符不可对易时，这两个物理量就不能同时是实在的。他们在进行了这样的概念阐述之后，接着设想了曾经相互作用过的两个系统分开之后的量子力学描述，然后，根据他们给定的判据，得出量子力学是不完备的结论。EPR论证发表不久，薛定谔在运用数学观点分折了EPR论证之后，以著名的“薛定谔猫”的理想实验为例，提出了一个不同于EPR论证，但却支持EPR论证观点的新的论证进路。出乎意料的是，爱因斯坦却在1936年6月19日写给薛定谔的一封信中透露说，EPR论文是经过他们三个人的共同讨论之后，由于语言问题，由波多尔斯基执笔完成的，他本人对EPR的论证没有充分表达出他自己的真实观点表示不满。从爱因斯坦在1948年撰写的“量子力学与实在”一文来看，爱因斯坦对量子力学的不完备性的论证主要集中于量子理论的概率特征与非定域性问题。他认为，物理对象在时空中是独立存在的，如果不做出这种区分，就不可能建立与检验物理学定律。因此，量子力学“很可能成为以后一种理论的一部分，就像几何光学现在合并在波动光学里面一样：相互关系仍然保持着，但其基础将被一个包罗得更广泛的基础所加深或代替。”显然，爱因斯坦后来对量子力学的不完备性问题的论证比EPR论证更具体、更明确。EPR论证中的思想实验只是隐含了对非定域性的质疑，但没有明朗化。但就论证问题的哲学前提而言，爱因斯坦与EPR论证基本上没有实质性的区别。因此，本文下面只是从哲学意义上把EPR论证看成是基于经典物理学的概念体系来理解量子力学的一个例证来讨论，而不准备专门阐述爱因斯坦本人的观点。
二、玻尔的反驳与量子整体性
玻尔在EPR论证发表后不久很快就以与EPR论文同样的题目也在《物理学评论》杂志上发表了反驳EPR论证的文章。玻尔在这篇文章中重申并升华了他的互补观念。玻尔认为，EPR论证的实在性判据中所讲的“不受任何方式干扰系统”的说法包含着一种本质上的含混不清，是建立在经典测量观基础上的一种理想的说法。因为在经典测量中，被测量的对象与测量仪器之间的相互作用通常可以被忽略不计，测量结果或现象被无歧义地认为反映了对象的某一特性。但是，在量子测量系统中，不仅曾经相互作用过的两个粒子，在空间上彼此分离开之后，仍然必须被看成是一个整体，而且，被测量的量子系统与测量仪器之间存在着不可避免的相互作用，这种相互作用将会在根本意义上影响量子对象的行为表现，成为获得测量结果或实验现象的一个基本条件，从而使人们不可能像经典测量那样独立于测量手段来谈论原子现象。玻尔把量子现象对测量设置的这种依赖性称为量子整体性（whole-ness）。
在玻尔看来，为了明确描述被测量的对象与测量仪器之间的相互作用，希望把对象与仪器分离开来的任何企图，都会违反这种基本的整体性。这样，在量子测量中，量子对象的行为失去了经典对象具有的那种自主性，即量子测量过程中所观察到的量子对象的行为表现，既属于量子对象，也属于实验设置，是两者相互作用的结果。因此，在量子测量中，“观察”的可能性问题变成了一个突出的认识论问题：我们不仅不能离开观察条件来谈论量子现象，而且，试图明确地区分对象的自主行为以及对象与测量仪器之间的相互作用，不再是一件可能的事情。玻尔指出，“确实，在每一种实验设置中，区分物理系统的测量仪器与研究客体的必要性，成为在对物理现象的经典描述与量子力学的描述之间的原则性区别。”〔8〕海森堡也曾指出，“在原子物理学中，不可能再有像经典物理学意义下的那种感知的客观化可能性。放弃这种客观化可能性的逻辑前提，是由于我们断定，在观察原子现象的时候，不应该忽略观察行动所给予被观察体系的那种干扰。对于我们日常生活中与之打交道的那些重大物体来说，观察它们时所必然与之相连的很小一点干扰，自然起不了重要作用。”
另一方面，作用量子的发现，揭示了量子世界的不连续性。这种不连续性观念的确立，又相应地导致了一系列值得思考的根本问题。首先，就经典概念的运用而言，一旦我们所使用的每一个概念或词语，不再以连续性的观念为基础，它们就会成为意义不明确的概念或词语。如果我们希望仍然使用这些概念来描述量子现象，那么，我们所付出的代价是，限制这些概念的使用范围和精确度。对于完备地反映微观物理实在的特性而言，描述现象所使用的经典概念是既相互排斥又相互补充的。这是玻尔的互补性观念的精神所在。有鉴于此，玻尔认为，EPR论证根本不会影响量子力学描述的可靠性，反而是揭示了按照经典物理学中传统的自然哲学观点或经典实在论来阐述量子测量现象时存在的本质上的不适用性。他指出：“在所有考虑的这些现象中，我们所处理的不是那种以任意挑选物理实在的各种不同要素而同时牺牲其他要素为其特征的一种不完备的描述，而是那种对于本质上不同的一些实验装置和实验步骤的合理区分；……事实上，在每一个实验装置中对于物理实在描述的这一个或那一个方面的放弃（这些方面的结合是经典物理学方法的特征，因而在此意义上它们可以被看作是彼此互补的），本质上取决于量子论领域中精确控制客体对测量仪器反作用的不可能性；这种反作用也就是指位置测量时的动量传递，以及动量测量时的位移。正是在这后一点上，量子力学和普通统计力学之间的任何对比都是在本质上不妥当的———不管这种对比对于理论的形式表示可能多么有用。事实上，在适于用来研究真正的量子现象的每一个实验装置中，我们不但必将涉及对于某些物理量的值的无知，而且还必将涉及无歧义地定义这些量的不可能性。”其次，就量子描述的可能性而言，玻尔认为，我们“位于”世界之中，不可能再像在经典物理学中那样扮演“上帝之眼”的角色，站在世界之外或从“外部”来描述世界，不可能获得作为一个整体的世界的知识。玻尔把这种描述的可能性与心理学和认知科学中对自我认识的可能性进行了类比。在心理学和认知科学中，知觉主体本身是进行自我意识的一部分这一事实，限制了对自我认识的纯客观描述的可能性。用玻尔形象化的比喻来说，在生活的舞台上，我们既是演员，又是观众。因此，量子描述的客观性位于理想化的纯客观描述与纯主观描述之间的某个地方。
为此，玻尔认为，物理学的任务不是发现自然界究竟是怎样的，而是提供对自然界的描述。海森堡也曾指出，在原子物理学领域内，“我们又尖锐地碰到了一个最基本的真理，即在科学方面我们不是在同自然本身而是在同自然科学打交道。”爱因斯坦则坚持认为，在科学中，我们应当关心自然界在干什么，物理学家的工作不是告诉人们关于自然界能说些什么。爱因斯坦的观点是EPR论证所蕴含的。这两种理论观之间的分歧，事实上，不仅是有没有必要考虑和阐述包括概念、仪器等认知中介的作用的分歧，而且是能否把量子力学纳入到经典科学的思维方式当中的分歧。EPR论证以经典科学的方法论与认识论为前提，认为正确的科学理论理应是对自然界的正确反映，认知中介对测量结果不会产生实质性的影响；而玻尔与海森堡则以接受量子测量带来的认识论教益为前提，认为量子力学已经失去了经典科学具有的那种概念与物理实在之间的一一对应关系，认知中介的设定成为人类认识微观世界的基本前提。第三，就主体与客体的关系问题而言，EPR论证认为，认知主体与客体之间存在着明确的分界线。这意味着，所有的主体都能对客体进行同样的描述，并且他们描述现象所用的概念与语言是无歧义的。无歧义意味着对概念或语言的意义的理解是一致的。而对于量子测量而言，对客体的描述包含了主体遵守的作为世界组成部分的描述条件的说明，从而显现了一种新的主客体关系。为此，我们可以把主体与客体之间的关系划分为三类：其一，能够在主体与客体之间划出分界线，所有的主体对客体的描述都是相同的，EPR论证属于此类；其二，能够在主体与客体之间划出分界线，但主体对客体的描述是因人而异的，人们对艺术品的欣赏属于此类；其三，不可能在主体与客体之间划出分界线，主体对客体的描述包括了对测量条件的描述在内，玻尔对EPR论证的反驳属于此类。显然，EPR论证隐含的主客体关系与玻尔所理解的量子测量中的主客体关系之间存在着实质性的差别。EPR论证是沿袭了经典实在论的观点，而玻尔的观点代表了他基于量子力学的形式体系总结出来的某种新的认识。在这里，就像不能用欧几里得几何的时空观来反对非欧几何的时空观一样，我们也不能用经典意义上的理论观反对量子意义上的理论观。因此，可以说，物理学家关于如何理解量子力学问题的争论，在很大程度上，蕴含了他们关于科学研究的哲学假设之间的争论。
三、实验的形而上学
EPR论证不仅引发了量子物理学家关于物理学基础理论问题的哲学讨论，而且还创立了“实验的形而上学”，提供了物理学家如何基于形而上学的观念之争，最终探索出通过实验检验其结论的一个典型案例。这一过程与寻找量子论的隐变量解释的努力联系在一起。量子力学的隐变量解释的最早方案是德布罗意在1927年提出的“导波”理论。1932年，冯•诺意曼在他的《量子力学的数学基础》一书中曾根据量子力学的概念体系提出了四个假设，并且证明，隐变量理论和他的第四个假设（即，可加性假设）相矛盾，认为通过设计隐变量的观念来把量子理论置于决定论体系之中的任何企图都注定是失败的。冯•诺意曼的这一工作在为量子论的隐变量解释判了死刑的同时，也极大地支持了量子力学的哥本哈根解释。有意思的是，曾是量子力学的哥本哈根解释的支持者与传播者的玻姆，在1951年基于量子力学的哥本哈根精神出版了至今仍然有影响的《量子理论》一书，并在书的结尾，以EPR论证为基础，提出了“量子理论同隐变量不相容的一个证明”之后，从1952年开始反而致力于从逻辑上为量子力学提供一种隐变量解释的研究。
玻姆阐述隐变量理论的目标可以大致概括为两个方面，一是试图用能够直觉想象的概念为量子概率和量子测量提供一种可理解的说明，证明为量子论提供一个决定论的基础是可行的；二是希望从逻辑上表明，隐变量理论是有可能的，“不论这种理论是多么抽象和‘玄学’。”玻姆的追求显然是一种信念的支撑，而不是事实之使然。在这种信念的引导下，玻姆在1952年连续发表了两篇阐述隐变量理论的文章，在这些文章中，他用经典方式定义波函数，假定微观粒子像经典粒子一样总是具有精确的位置和精确的动量，阐述了一种可能的量子论的隐变量解释，最后，用一个粒子的两个自旋分量代替EPR论证中的坐标与动量，讨论了EPR论证的思想实验，并运用量子场与量子势概念解释了测量一个粒子的位置影响第二个粒子的动量的原因。
贝尔在读了玻姆的文章之后，认为有必要重新系统地研究量子力学的基本问题。贝尔试图解决的矛盾是：如果冯•诺意曼的证明成立，那么，怎么会有可能建立一个逻辑上无矛盾的隐变量理论呢？为了搞明白问题，贝尔首先重新剖析了冯•诺意曼的关于隐变量的不可能性的证明和EPR论证中设想的思想实验，然后，抓住了隐变量理论的共同本质，于1964年发表了“关于EPR悖论”的文章。在这篇文章中，贝尔引述了用自旋函数来表述EPR论证的玻姆说法，或者说，从EPR—玻姆的思想实验出发，以转动不变的独立波函数描述组合系统的态，推导出一个不同于量子力学预言的、符合定域隐变量理论的关于自旋相关度的不等式，通常称为贝尔不等式或贝尔定理，然后，用归谬法了量子力学的预言和贝尔不等式相符的可能性，说明任何定域的隐变量理论，不论它的变数的本性是什么，都在某些参数上同量子力学相矛盾。贝尔还假设，如果所进行的两个测量在空间上彼此相距甚远，那么，沿着一个磁场方向的测量，将不会影响到另一个测量结果。贝尔把这个假设称为“定域性假设”。从这个假设出发，贝尔指出，如果我们可以从第一个测量结果预言第二个测量结果，测量可以沿着任何一个坐标轴来进行，那么，测量的结果一定是已经预先确定了的。但是，由于波函数不对这种预先确定的量提供任何描述，所以，这种预定的结果一定是通过决定论的隐变量来获得的。贝尔后来申明说，他在“关于EPR悖论”一文中假设的是定域性，而不是决定论，决定论是一种推断，不是一个假设，或者说，贝尔的这篇文章是从定域性推论出决定论，而不是开始于决定论的隐变量。从逻辑前提上来看，贝尔的假设更接近于爱因斯坦的假设，他们都把“定域性条件”看成是比“决定论前提”更基本的概念。因此，贝尔的工作比冯•诺意曼和玻姆的工作更进一步地推进了关于量子力学的根本特征的理解。贝尔的这篇文章具有划时代的意义。它不仅成为20世纪下半叶物理学与哲学研究中引用率最高的文献之一，而且为进一步设计具体的实验来澄清量子力学的内在本性迈出了决定性的一步。粒子物理学家斯塔普（HenryStapp）甚至把贝尔定理的提出说成是“意义最深远的科学发现。”
同EPR论证一样，贝尔的这一发现也不是从实验中总结出来的，而是基于哲学信念的逻辑推理的结果。此后，量子物理学界进一步推广贝尔定理的理论研究与具体实验方案的探索工作并行不悖地开展起来。而这些工作都与EPR论证相关。就实验进展而言，物理学界承认，阿斯佩克特等人于1982年关于“实现EPR-玻姆思想实验”的实验结果，支持了量子力学，针对这样的实验结果，贝尔指出：“依我看，首先，人们必定说，这些结果是所预料到的。因为它们与量子力学预示相一致。量子力学毕竟是科学的一个极有成就的科学分支，很难相信它可能是错误的。尽管如此，人们还是认为，我也认为值得做这种非常具体的实验。这种实验把量子力学最奇特的一个特征分离了出来。原先，我们只是信赖于旁证。量子力学从没有错过。但现在我们知道了，即使在这些非常苛刻的条件下，它也不会错的。”
虽然EPR论证的初衷是希望证明量子力学是不完备的，还没有提出量子测量的非定域性概念，但是，物理学家则通常运用EPR思想实验的术语来讨论非定域性问题。经过40多年的发展，具体的实验结果使EPR论证失去了对量子力学的挑战性。一方面，这些实验证实了非定域性是所有量子论的一个基本属性，要求把在同一个物理过程中生成的两个相关粒子永远当作一个整体来对待，不能分解为两个独立的个体，其中，一个粒子发生任何变化，另一个粒子必定同时发生相应的变化，这种相互影响与它们的空间距离无关；另一方面，这些实验也表明了EPR论证提供的哲学假设不再是判断量子力学是否完备的有效前提，而是反过来提醒我们需要重新思考玻尔在反驳EPR论证的观点中所蕴含的哲学启迪。总而言之，EPR论证尽管是基于哲学假设，运用思想实验，来驳斥量子力学的完备性，但在客观上，物理学家围绕这一论证的讨论，最终在思想实验的基础上出乎意料地发展出可以具体操作的实验方案，并且获得了有效的实验结果。这一段历史发展不仅证明，无论在哲学假设的问题上，还是在物理概念的意义理解的问题上，量子力学都不是对经典物理学的补充和扩展，是一个蕴含有新的哲学假设的理论。正是在这种意义上，物理学家玻恩得出了“理论物理学是真正的哲学”的断言。
四、认识论的思维方式
如前所述，EPR论证—玻姆—贝尔这条发展主线是把对物理学问题镶嵌在哲学信念中进行思考的。这一历史片断揭示出，基于哲学信念的逻辑推理在物理学的理论研究与实验研究中起到了积极的认知作用。一方面，在这些探索方式中，不论是EPR论证的真理符合论假设，玻姆的决定论假设，还是贝尔的定域性假设，它们的初衷都是希望能够把量子力学纳入到经典物理学的概念框架或哲学信念之中。另一方面，检验贝尔不等式的物理学实验结果对量子力学的支持和对贝尔不等式的违背意味着，我们不应该依旧固守经典物理学的哲学假设来质疑量子力学，而是应该颠倒过来，积极主动地揭示量子力学蕴含的哲学思想，以进一步明确经典物理学的哲学假设的适用范围。
但是，这种视域的逆转不是简单地倡导用量子力学的哲学假设取代经典物理学的哲学假设，也不是武断地主张用玻尔的理论观替代EPR论证所蕴含的理论观，而是提倡摆脱习以为常的自然哲学的思维方式，确立认识论的思维方式。自然哲学的思维方式是一种本体论化的思维方式。这种思维方式是从古希腊延续下来的，追求概念与实在之间的直接的一一对应关系，忽视或缺乏对认知过程中不可避免的认知中介和理论框架的考虑。从起源上来讲，这种无视认知中介的本体论化的思维方式，源于常识，是对常识的一种延伸外推与精致化。近代自然科学的发展进一步强化与巩固了这种思维方式。EPR论证也是基于这种思维方式使经典科学蕴含的哲学假设以具体化的判据形式呈现出来。然而，与过去的物理学理论所不同的是。量子力学不再是关于可存在量（beable）的理论，而是关于可观察量（observable）的理论，“是理论决定我们的观察内容”这一句话，既是爱因斯坦创立相对论的感想，也为海森堡提出不确定关系提供了观念启迪。就理论形式而言，量子力学的理论描述用的是数学语言，而不是日常语言。用数学语言描述的微观世界是一个多位空间的世界，而我们作为人类，很难直观地想象这样的世界，更不可能直接“进入”这个世界来“观看”一切。人类感知的这种局限性是原则性的，从而限制了我们对微观世界的知识的全面获得。用玻尔的话来说，我们对一个微观对象的最大限度的知识不可能从单个实验中获得，而只能从既相互排斥又相互补充的实验安排中获得。用玻恩的话来说，在量子测量中，观察与测量并不是指自然现象本身，而是一种投影。
关键词：对称性；物理学；具体表现
随着物理学的不断发展，人们对自然界规律的认识也逐渐深入，一些原本看似无关紧要的东西却日益变得举足轻重起来，物理学中的对称性便是其中之一。物理学从过去单纯地将对称性看作对物理现象的一种限制，转向把它确立为物理定理的一块基石。加利福尼亚大学教授阿・热在《可怕的对称》一书中指出“没有对称性思想的引导，当代物理学家将无法工作”。诺贝尔物理学奖得主李政道教授指出：“艺术和科学，都是对称和不对称的巧妙组合。”可见，对称在物理学中扮演着非常重要的角色。本文试图对物理学的一些科目中的对称性思想进行一番分析，以引起大家对对称性的重视。
一、关于对称性
（一）对称与对称破缺
日常生活中大家可以看到许多对称的例子，例如，人体和许多特定的生物体形态，以及自然界中的矿物晶体，雪花的形状等。大家还可以注意到许多建筑和美术设计的图案也都具有对称性。之所以有如此多的对称的例子，那是因为人们认为对称是一种美。
但仔细看来，人们并不满足于绝对意义上的对称，总是在整体的对称中设置局部的不对称，即对称性被破坏了，物理学上称这种情况为对称破缺。
（二）对称的分类
根据上述的对称定义，不同的对称操作对应着不同的对称性，如体系A经空间平移后变为体系B，若A、B等价，则空间平移就是一种对称操作；若体系A经时间平移后变为体系B，若A、B等价，则时间平移就是一种对称操作，等等。常见的对称操作主要有：空间操作：转动、平移、空间反演等；时间操作：时间平移、时间反演等；其它：置换、电荷共轭变换等。
当然，操作的类型远不止于此，这里列举的仅是一些比较简单的，其它的操作会在下面的论述中逐步指出。
（三）对称性和守恒律
守恒量和守恒律是物理研究的一个重要内容，守恒律常被看作是最基本的自然定律，它以确定的可靠性和极大的普遍性预言着哪些过程是允许的，哪些过程是禁戒的，它为物理学的研究指明了方向。
1918年德国女数学家尼约特发表了著名的将对称性和守恒律联系在一起的定理，即每一种自然界的对称性都可得到一种守恒律。该定理揭示出了守恒律产生的原因，即守恒律是自然界的对称性所导致的。根据法国物理学家皮埃尔・居里的对称性原理，对称的原因产生守恒的结果。若将自然界中的某一对称性看作原因，则必有作为结果的一个守恒律。如：系统总机械能函数对空间坐标系平移的对称性导致了动量守恒定律。
二、对称性在物理学中的具体表现：
将对称应用于物理学的研究对象不仅仅是图形，还有物理量，物理定律等。下面我就物理学主要学科中所蕴含的对称性思想试作浅述，希望能引起大家对对称性的重视。
（一）力学
力学是一门基础学科，从牛顿到爱因斯坦，力学由绝对时空观发展到了相对时空观，相应地也就有了经典力学和相对论力学。
在经典力学中，有许多相对性思想，伽利略变换便是一个典型。若将质点系加速度视为一个物理量，伽利略变换视作一个操作，则经伽利略变换后，加速度保持不变，故质点加速度对伽利略变换的不变性可视为加速度对伽利略变换具有对称性。牛顿第二定律F=ma对惯性系A成立，对惯性B亦成立，而惯性系A、B的变换满足伽利略变换，故牛顿第二定律具有伽利略变换对称性。而若将动量视为一个物理量，伽利略变换视为一个操作，由于从不同参考系中观察到的动量不同，故动量不具有伽利略变换不变性，但动量守恒律由于对不同的惯性系均成立，故动量守恒定律对伽利略变换具有对称性。
相对论力学本身就是爱因斯坦考虑对称性的产物，近代物理学家十分重视物理美，即对称、简单、和谐等，他们认为支配自然界的规律应该是简单的、对称的。基于对称性，爱因斯坦认为对描述一切物理过程，包括物置变动，电磁以及原子过程的规律，所有的惯性系都是等价的，只是不同的物理过程对应着不同的操作而已，如力学规律关于伽利略变换对称，而电磁规律关于洛伦兹变换对称。
（二）光学
光学可以分为几何光学和波动光学，在几何光学中平面镜所成像与物体关于镜面对称，这即所谓的镜像对称，它在物理学中有着重要的运用，如宇称、电像法等。光速作为一个物理量，具有时空对称性。不论昨天、今天，还是明天，不论是中国、美国，还是其他星球，光速在同一介质中的速度都是恒定的，所以光速具有时空对称性。
（三）粒子物理学
粒子物理学是一门新兴学科，它主要研究基本粒子以及它们间相互作用的规律，在粒子物理学的研究中对称性很重要，许多问题本身研究的就是对称问题。
宇称是粒子物理研究的一个重要概念，宇称是一种函数的性质，在物理学中也是函数所代表的物理状态的性质。对函数u=u（x），若u（-x）=u（x），则u（x）的宇称是偶性的，若u（-x）=-u（x），则u（x）的宇称是奇性的。物理学家把宇称看作粒子的一种基本性质，相当于自旋电荷的质量等。研究宇称对我们掌握粒子的性质，以及粒子的分类都有重要作用。宇称守恒定律反映了粒子间相互作用的一种性质，在已知的相互作用中，强相互作用和电磁相互作用中，宇称守恒；而弱相互作用中，宇称不守恒，这说明了弱相互作用有一种特殊性质。
（四）量子力学
量子力学被认为是二十世纪的三大发现（量子力学，相对论，生物DNA双螺旋结构）之一，它以全新的理论使人们重新审视自然规律。对称性思想可指导我们对未知领域进行搜索，并据此提出合理假设，特别是量子力学所研究的微观结构，用实验研究很不方便，所以很多时候可以先用理论进行研究，再用实验验证。物质波粒二象性的发现正是遵循着这条规律，当初德布罗意正是在对称性的指导下，预言了物质的波粒二象性。
通过上面的分析，大家可以看出，物理学的各个分支学科蕴含着丰富的对称思想，研究对称性对于我们掌握物理规律，探索或发现未知领域的新情况起着重要作用。从对称性的角度出发分析和解决问题，是当今在前沿工作的物理学家习惯采用的方法。因此，在基础物理的教学中，适当介绍一些在前沿工作的物理学家正在使用的概念、理论和方法，对于物理的学习是非常有必要的，而据我所知，许多教师和学生在物理学的教与学中，对此漠然视之，所以我撰写此文，希望能够引起大家对对称性的重视。
参考文献
二十世纪即将结，二十一世纪即将来临，二十世纪是光辉灿烂的一个世纪，是个类社会发展最迅速的一个世纪，是科学技术发展最迅速的一个世纪，也是物理学发展最迅速的一个世纪。在这一百年中发生了物理学革命，建立了相对信纸和量子力学，完成了从经典物理学到现代物理学的转变。在二十世纪二、三十年代以后，现代物理学在深度和广度上有了进一步的蓬勃发展，产生了一系列的新学科的交叉学科、边缘学科，人类对物质世界的规律有了更深刻的认识，物理学理论达到了一个新高度，现代物理学达到了成熟的阶段。
在此世纪之交的时候，人们自然想展望一下二十一世纪物理学的发展前景，探索今后物理学发展的方向。我想谈一谈我对这个问题的一些看法和观点。首先，我们来回顾一下上一个世纪之交物理学发展的情况，把当前的情况与一百年前的情况作比较对于探索二十一世纪物理学发展的方向是很有帮助的。
一、历史的回顾
十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。
然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！
把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。
在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。
虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。
回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。
1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。
2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。
我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。
3）深入探索各层次间的联系。
这正是统计物理学研究的主要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。
上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。
爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]
现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：
1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。
2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。
二、现代物理学的理论基础是完美的吗？
相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的
呢？我们来审思一下这个问题。
1）对相对论的审思
当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。
时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。
爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。
我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。
弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。
在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）
有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。
1）对量子力学的审思
从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。
现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。
1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。
2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论
最吸引人的是美猴王。孙悟空有一个功能就是分身术，毫毛一拔，到处一扔，就变出好多个孙悟空。他还有另外一种非常强大的功能――筋斗云。翻一个筋斗，就可以从一个地方消失，在另一个非常遥远的地方出现。这有点像我们前阵子看到的科幻电影《星际穿越》里面的场景。
神话与现实：人可以在不同的时空生活
大家就问了，这些东西在我们现实生活当中到底能不能实现？大家都知道，得益于电动力学的建立，我们能进行无线电的通信。在1888年，赫兹在卡尔斯鲁厄――德国的小镇，做了一个实验来验证电磁波是不是存在。赫兹在这边一抖，那边即时的电火花就发生了。正因为有这些发明，后来有了电话，有了电视机，到现在我们用的手机，都可以现场实现千里眼、顺风耳这么神奇的功能了。所以我说，物理学真的非常有意思，它可以保证信息的有效传输。
狭义相对论和广义相对论都告诉了我们确实存在某种特殊的情况，有些地方时间过得慢一点，有的地方时间就过得快一点。比如在一个引力特别强的地方，一个小时甚至等于远处地方的七年。举个例子，如果有对双胞胎兄弟，有一个是宇航员，坐着宇宙飞船在宇宙中进行快速的旅行。等他回来之后，他双生的兄弟，已经变得很老了。这样的现象，在物理世界、在高速飞行的粒子里面，已经能看到了。确实是可以实现的。
因此形成了这样一种观点：我们在古代通过口口相传，进行信息的传递、交流和共享。随后我们有了文字，也可以通过书信来传递信息。到了后来，随着科技的发展，第一次工业革命热力学的发现，电动力学的运用，信息的传递效率变得越来越高。到了现代，因为有计算机和互联网的出现，整个地球都变成一个村子了。
有两个永恒主题将一直伴随着我们人类进化和社会发展：首先，怎样来加强信息交互的效率，把信息中有用的知识提取出来，进行传播、共享？这是非常重要的。同时，要加强隐私的保护，保证每个人思想的自由。比如说，如果可以非常方便地看到别人在想什么，可以控制他的思想的话，每个人都不可能进行自由的创造了。所以我觉得，隐私的保护是我们人类未来的一个基本保证。不然，我们就没办法继续进化下去了。
量子世界：事物可以同时在两个地方“存在”
我今天想跟大家分享的一个观点，就是量子力学在近百年的发展过程当中已经为解决这些重大的问题做好了准备。
量子力学认为：第一，在某些特殊的情况下，如果说你没有看这个客体到底是处于哪个位置的时候，在特定情况它可以同时处在两个位置。第二，就是客体的状态，只要观测一下，对它的影响就不可逆转了，而且是永久的、不可避免的、不可忽略的。
牛顿力学是一个非常美的理论。它告诉我们一个粒子和周围环境明确的话，它未来的运动状态，就可以计算出来了。如果所有的粒子都是由牛顿力学在控制的话，那么我们什么时候死、谁做生命学家、谁做物理学家，在宇宙大爆炸这个时候就已经确定了，个人的努力是毫无意义的。
从这个角度上讲，量子力学比经典牛顿力学哲学，要更加积极一些。量子力学告诉我们个人的行为、对体系的测量是可以影响世界的，从哲学上讲是非常积极的。
举个例子，我到北京来，送给朋友一个骰子，我事先做好了，送给他的这个骰子跟另一个骰子是纠缠态。然后我回到上海去了，就跟他说，你扔手中的那个骰子。他扔了好多次，把结果写下来，每次随机得到1到6里面的某一个点数。我就能跟他说你第一次扔的点数是多少，第二次是多少，我都可以猜得出来。这样的现象，我们把它叫作遥远地点之间的诡异互动。在2015年，这现象基本在物理角度被确证了，只剩一个很小的漏洞。这是我们正在做的一个研究。
量子通信：隐密、高速的信息交互
由此，新的科学就诞生了。有了量子的0加1之后，一些新的东西就诞生了。例如，可以利用它来保证原理上无条件的安全通信。如果将来立法，我们可以利用这种手段，保证我们的隐私。
利用这种量子计算手段，也可以算得非常地快，可以有效地揭示复杂物理体系的规律。就是说，可以把计算能力和信息安全两个问题都比较好地解决。
具体来说，比如说量子通信，我们可以用量子密钥分发。因为它是不可复制的，你去探测就会被发现。所以我们就可以有一种绝对安全的通讯方式。其实还有另外一种比较有意思的、利用这样的量子纠缠的概念。
因为时间关系，我只举一个例子。比如说要求解一个10的24次方的变量的线性方程组，用目前最快的天河2号超级计算机大概需要100年左右的时间。而利用万亿次的量子计算机，尽管计算的频率比天河2号要慢1万倍，但它只需要0.01秒就可以把这个方程给求解出来。所以它可以广泛地应用于药物设计、金融分析、气象预报、密码分析等等，用途是比较大的。
当然，也可以利用量子通讯，来构建一个非常好的网络，有城域网、城际网，利用卫星实现的这种广域的量子通信，可以比较好地保证我们的网络安全。
关键词：校本化；高中历史；科学史
科学史是沟通自然科学和人文学术的最好桥梁。通过科学史的训练和熏陶，不仅可以培养文理兼通的人才素质，而且还可以优化人才的知识结构，这是其他学术无法替代的。科学史是人类文明发展的一个重要组成部分，如果不懂科学史，就不能真正理解社会发展的历史。就科学高中的培养目标而言，大部分毕业生将会从事理工科专业的学习和工作。而一个从事科学技术工作并且力求在科学技术上有所创新的人，如果对科学的发展缺乏整体上的了解，不能掌握科学技术发展的规律以及其他学科对本门学科的影响，就很难有所成就。因此，开设科学史这门课程尤为必要。这门课程重在还原人类认识自然界的本质和运动规律的发展历程，揭示科学发展的一般规律，特别是向学生提供著名科学家、发明家解决问题的思路和方法，进而为科高学子在科学研究的道路上提供借鉴，让他们站在巨人的肩膀上，走得更远。以下为科学史的具体学习要点：
一、科学史的意义与研究现状
1.了解科学史的确立及其诸种功用，理解科学与正确之间的关系。2.掌握科学史研究中的内史和外史，了解科学史在中国的发展现状。
二、古希腊的科学与哲学
1.了解古希腊科学产生的背景。2.概述古希腊贤人对万物本原的探究，认识对万物本原的探究意义。3.了解亚里士多德在自然哲学、逻辑学以及系统的经验考察等方面的贡献。4.知道古希腊在数学、物理、天文学等方面的贡献，理解其对古代世界的影响。
三、古代中国的自然观与科学技术
1.知道天人感应与天人相分及宇宙演化思想，理解中国古代的时空观念。2.了解天文学上的旷世之争――浑盖之争，认识其对中国天文学发展的影响。3.概述中国古代传统数学、计时技术和测向技术的发展演变。
四、阿拉伯的科学及科学在欧洲的复兴
1.概述阿拉伯科学产生的历史背景，了解其与古代希腊罗马文化的渊源，认识“翻译”为阿拉伯科学的真正起点。2.了解阿拉伯在数学、天文学、医学、光学和化学方面的发展，理解阿拉伯科学的世界意义。3.了解基督教、亚里士多德思想以及农业技术革命对中世纪欧洲科学发展的影响，认识“1277大谴责”对人们打破亚里士多德思想对科学的束缚作用。4.理解文艺复兴、宗教改革以及不同文明间技术的交往对欧洲近代科学革命的影响，准确把握宗教与科学的关系。5.了解培根倡导的实验、哈维的血液循环说以及数学的新进展对科学在欧洲复兴的作用。
五、近代科学革命――天文学、新物理学、数学、化学
1.理解哥白尼《天体运行论》在近代天文学方面的革命性作用，了解伽利略望远镜以及第谷的精密天文学对传统天文学的冲击，概述开普勒三大定律对哥白尼天文学的继承与批判，理解近代天文学革命是近代科学革命的切入点。2.说明斯蒂文链、伽利略的实验方法、笛卡尔的机械主义方法论、牛顿的万有引力定律和物体运动三定律等对近代物理学发展的意义，明确近代物理学是近代科学的核心领域。3.了解微积分的创立，列举笛卡尔、费马、牛顿、莱布尼茨、欧拉、拉格朗日等人在微积分发展过程中的贡献。4.概述古代炼金术对近代化学产生的影响，了解波义耳、拉瓦锡对近代化学诞生的贡献。
六、生物学的重大突破――从进化论到遗传学
1.了解达尔文进化论提出的背景以及达尔文的生平，认识其个人经历对其提出自然选择的进化论的影响。2.认识孟德尔定律，理解孟德尔被称为现代遗传学的奠基人的原因，了解遗传基本因子――DNA的发现对遗传学发展的意义。
七、物理学的新突破
1.了解电磁学理论的建立和通信技术的发展，认识其对第二次工业革命的作用。2.简述能量守恒定律和热力学定律的建立过程，理解热力学第一定律与能量守恒定律之间的关系，并说明热力学的基本定律对化学、天文学等学科发展的影响。3.了解狭义相对论的两条基本原理，概述广义相对论的三大验证，说明对广义相对论正确性的认识。4.了解爱因斯坦对量子论方面的贡献，理解相对论和量子力学之间的关系，认识量子力学的测不准原理。
八、数学的新时代
摘 要 运动和静止无论在哲学还是在物理学上，自有人类以来就一直为之争论不休：古玛雅哲学认为万物是静止的；佛家哲学认为万物运动是随缘的，道家学说认为万物运动其实是心动，经典的物理学和马克思的唯物辩证法认为，万物运动是绝对的。但物体究竟可不可以绝对静止，如果不可以那么其在不受外界扰动下的速度（固有速度）是多少，下面将具体说明。
关键词 固有速度 光速 宇宙膨胀
如果形成的寄点[1]理论成立，那么宇宙必由几种有限的微粒组成，目前发现的最小微粒是呈量子态的电磁波，事实上，由爱因斯坦的质能方程[2]我们已不可能发现比量子态电磁波更小的物质。而这些最小的物质是纯粹的能量态，它们所表现的一切全是能量态的属性，比如：激发电子，电离……而不含有物质态的属性，为什么呢？因为呈现物质态的物质必有一个属性，那就是惯性。组成宇宙的两个根本的要素是能量和空间[3]。因此物质不是凭空出现的，这个有霍金的《时间简史》可以得到，物质是由能量转化而来的。要承认万物发展的规律性。第一，因果定律，即相同的原因，产生相同的结果，相同的事物产生相同的事物[4]。第二，万物的发展，是趋向混乱的，即万物的发展不会主动从无规律向有规律发展，且是从简单规律，向复杂规律发展。第三，物质属性的统一性，即如果较大的物质由较小的物质组合而成，则该较大的物质的性质一定是由较小物质性质叠加所体现的结果，只是由于各种各样的原因，这些性质以较扭曲的形式存在。
一、几个基本假设量的说明
：固有速度，即物质在不受任何外界扰动下的速度，且物体的固有速度，不会因任何参考系改变而改变的量。
：假设总质量为M的物质，呈能量态的质量，这种状态的质量可以使物质自主趋向运动。（注：呈能量态的质量并不真的存在与物体之中，只是为了研究的方便，假设某一确定物体中，有一部分质量是以纯能量态的形式存在的。）
： 假设总质量为亦为M的同一物质，呈物质态的质量。（注：呈物质态的质量也不是真正的存在与物体之中，也只是为研究问题的方便，假定的有这么一部分质量其能量完全固化，只对外显物质属性，没有能量属性。）
二、理论推导
对量子态的电磁波[5]： （1）
其中， 为自由量子态的电磁波的频率， 为单个自由态电磁波能量态的质量。如果一个质量为M的物质由n个自由电磁波组成，且假设在理想状态下：既没有任何外来物质，能量干扰的情况下。
则： （2）
由质量守恒得： （3）
令： 则（2）式化简，变形得： （4）
由德布罗意方程[6]得： （5）
由（6）得： （6）
由波动关系[7]： （7）
（4）、（6）、（7）得到： （8）
化简（8）得： （9）
现在，为进一步确定 之间的关系，运用爱因斯坦的质量与速度关系进一步求解：假设物体完全静止，则其完全不具有外在能量，所以其能量态质量为0，即 ，
因为： 得： （10）
现物体在理想状态下（既不受任何外界干扰状态），以 的固有速度运动，则按照相对论原理[8]可知： （11）
（12）
化简： （13）
将 带入得：
得到： （14）
将（9）代入（14）得： （15）
化简： （16）
又因： 所以得到： （17）
接（16）式，令：
则得： （18）
得到K=0 或K=1，当K=1， 无意义故舍去
则： K=0； 也即： （19）
综上得到： （20）
其物理意义是：物质和能量两相并存。
也得到： （21）
即：任何物质的固有速度均是光速。
三、结论
：即任何物质在不受任何外界扰动的情况下，自发的无限趋近于光速运动。但物质常态下的几乎不动有两方面原因：1、各种外界因素的阻扰；2、惯性（关于惯性，在爱因斯坦的相对论中是没有提及的，但是惯性对于有质量的物体的确是存在的，只是微观领域其作用微乎其微，就如同万有引力一样）。当然，如果这一假设成立，则对宇宙膨胀理论可以有一个几乎完美的解释：宇宙大爆炸之初，宇宙就如同炸弹一样呈放射状散开，越在宇宙的物质，受到其他因素的影响越少，该物质运动的速度越接近光速。导致的结果就是，物质自身的固有速度会体现的更充分，直到无限接近光速。宇宙膨胀的结果是，物质由于相互远离，结果便是在空间的分布密度无限趋近零，没一点达到与宇宙诞生之前相同的状态，新的宇宙又从寄点诞生。但如果简单的如上所说，理论上现实世界会有越来越多的物质和能量，空间也会越来越大。但实际上不是的，物质和能量的也是有寿命的，物质和能量会从寄点中诞生，也会由真实的存在变得真实的不存在。因为有和无并不是对立的，是和谐统一的。所谓存在与虚无，只是有因果关系所产生的。所以不用追究那些已有的物质最终会不会无限积聚。在这个问题上不论在经典哲学还是量子力学，霍金的宇宙寄点理论都是完全可以说的通的。
参考文献：
[1][3]史蒂芬·霍金，列纳德·蒙诺迪诺.时间简史（第六版）.湖南科学技术出版社.2008.
[2]阿尔伯特·爱因斯坦.相对论.重庆长虹印务有限公司出版.2010.6.
[4]黄柏中.江恩理论-金融走势分析.地震出版社.2011.1.
物理教学是一门基础教育，它使受教育者获得科学知识，掌握科学方法，培养科学精神。学生怕学物理的状况，已成为一个国际性的问题。怎样面对这一现实，如何迎接这一挑战？“智者见智，仁者见仁”。笔者认为，培养学生的兴趣才是提高教学效果的根本途径。在这里，我们试图从文化的角度和用科学的观点来了解这个社会的现象，从而表达对中学物理教学未来发展的自己的看法。
1 中国与欧洲文化的对比
中国文化是建基于黄河河谷的大农业社会，以“人本”的家族文化为主，人与人的关系比人与自然界的关系更为密切和重要，社会的主要问题和兴趣是在于人而不在于物。家族文化是一个整体文化，个体有义务要支持整体的共同性，而整体亦有义务要照顾个体的特殊性。人是来自现实的祖先，必须对祖先负责。中国文化是强调整体、务实、内向、兼容、义务、约束、合作和相对性，重视对个人天赋欲念的自我克制和自我修养的人为能力，称之为“德”。人的问题只可以靠人自己去了解和处理，发展了人本的“人理(伦理)学”。无论从《易经》、《道家》、《儒家》到《诸子百家》等，都是以人本为基础来发展。
欧洲文化建基于游牧文化。游牧人逐水草而居，多见树木，少见人邻。人与自然界的关系比人与人的关系更为密切和重要。生活的主要问题和兴趣是在于物而不在于人。由于自然界的存在和变化，并非人力可以改变和控制，认为所有自然现象都来自能力最高的主宰。摘食猎鱼的简单生活，各人的功能差别不大，分工制度弱，独立性强，自由性大，平等性高。生活环境的不断改变，只有天，才有永恒的意义，倾向上天单极宗教的信仰。
2 科技的发展
科学是物质世界的了解，是一种思想系统，也是一种顺其自然的思想活动，其探索的目标是“发现”。技术是物质世界的应用，是一种行动系统，也是一种事在人为的行动活动，其运作的目标是“发明”。早期的技术发展主要是靠尝试和经验，与科学的发展并没有一定的姻亲关系。后来的科技就是把科学与技术结合起来，利用科学知识来改进技术的发展，目标是“创新”。物理学是科学的基石。
3 物理学的发展
萌芽时代：物理学的起源是来自古希腊时代的几个重要思想。
(1)自然现象是根据“固定的自然定律”而发生(赛勒斯thales，俗称为科学之父)——定律概念和演绎逻辑。(2)要描述所有自然现象，数字是扮演中心角色(毕达哥拉斯pythag0ras)——数量描述。(3)要改变自然状态，必需有起因(柏拉图plato)——牛顿第二运动定律的广泛含意。(4)物质的原子(德谟克利特democritus)和元素(亚里斯多德aristotle)的概念——物体结构的基本成份概念。古希腊文化是强调个人自由和思想系统的探索，奠定了基本的科学精神、态度、构思、概念、逻辑、原则和言语。希腊化时代：主要的兴趣在解决实用问题，知识分类及技术成就。重要思想发展有：①几何学定理的公理化(欧几里得euclid)——演绎逻辑。②以地球为中心输送圆的均速运动为主，运转圆的均速运动为微扰，可以准确解释包括太阳在内的各行星在天上的运动。③物体“比重”物性的发现(亚基米德archimedes)，后来进一步发展到“密度”物性。
黑暗时代：这是物理学发展a冬眠时代。(1)罗马帝国：罗马人是实用民族，他们强势在军事，行政和工程，而不在学术和科学。大量收集和发展希腊哲学思想，而很少有原始的创作。为了要准确解释以地球为中心的行星运动，增加了偏心圆的微扰(托勒密ptolemy)。(2)中世纪：中世纪的欧洲是一个宗教和封建的封闭保守时代。研究希腊哲学和科学的中心便转移到阿拉伯和波斯。(3)：二百年运动，动摇了欧洲的封建制度和教会权力。伊斯兰的优秀文化开始对欧洲人开放。
复兴时代：大乱之后必有大治。经历过的浩劫之后，欧洲从一个保守封闭的教条社会转入一个改革开放，实事求是和解放思想的文艺复兴时代，由神本回归到人本。文艺复兴使欧洲恢复对人，人的成就和人的世界的兴趣。文艺复兴把欧洲从一个较为落后的社会在五百年内，先后超过伊斯兰和中国社会。
3.1机动力学(mechan0dynamics)
从希腊时代到黑暗时代这一千六百多年，物理学发展的主要兴趣上行星运动。发展以数学的欧几里得几何学为基础，均速圆周运动为核心。到了复兴时代，以既定的数学基础来了解观测的事实，改变为从事实去寻找事实背后的数学原理。由实是求事改变为实事求是，由以数学为基础改变为以物理为基础。
(1)天上行星的日心椭圆运动的发现(开普勒kepler)和地上物体的重力加速度及抛物线运动的了解(伽利略galileo)。
(2)机动力学的诞生：为了解决重力问题，牛顿认为，天上月球围绕地球的运动与地上物体的抛物线运动是同一根源，及推出它们之间与地球中心距离的关系。他成功发现三个物体的运动定律：惯性定律，动力定律和反作用定律。更由第二和第三个定律推出物体之间的重力定律。
(3)牛顿动力定律理论的普遍化，以位能和动能取代外力和加速度：拉格朗日(lagran—ge)和哈密顿hamilton)。从物理定律推理到物理理论是符合从几何公理推理到几何定理的——演绎逻辑。
(4)牛顿动力学对随机过程的应用：麦克斯韦(maxwell)，玻耳兹曼(boltzmann)。19世纪未，机动力学已发展成为宏观物质世界一个完美的理论：完整，合理和前后一致。
3.2电动力学(electrodynamics)电磁现象
(1)电磁相互作用的关系：库仑(coulomb)电荷与电荷和磁极与磁极的相互作用，奥斯特(oersted)磁极与电流的相互作用，安培(ampere)电流与电流的相互作用，法拉第(faraday)电荷与运动磁极的相互作用。
(2)法拉第提倡电磁的“本地作用”来代替“超距作用”，导致“电磁场”物理量的诞生。
(3)电磁学的基本定律：根据电磁相互作用的关系和以电磁场为基础，麦克斯韦完成完整的“电磁场定律”，相当于牛顿机动力学中的物体重力定律。后来洛伦兹(lorentz)更进一步完成电荷在电磁场中运动的“电磁场力定律”。“辐射反作用力定律”也是电磁学一个基本定律，只是直到现在，符合逻辑的定律还未完成。
(4)带电粒子动力学：洛伦兹的电磁场力是一个与速度有关的力。爱因斯坦(einstein)采用牛顿动力推出
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电磁场力在速度为零的情况，再用洛伦兹惯性变换，把速度为零情况的结果变换到速度不等于零的情况。结果推出带电粒子在电磁场力的洛伦兹动量=v×牛顿动量。v是洛伦兹因子，与速度有关。fl=d(vp)／dt。相当于牛顿机动力学中的物体第二运动重力定律爱因斯坦后来把这方面的理论改称为“狭义相对论”。在狭义相对论的基础上，以微分几何为工具，爱因斯坦用演绎方法建立他的重力场论，称为“广义相对论”。可以说是一种重力场的电磁化。到这个阶段，除了辐射反作用力定律之外，电动力学基础的探索已基本完成。
(5)电功力学定律理论的普遍化：相当于拉格朗日和哈密顿对牛顿动力定律的理论推广和发展。
(6)电动力学对随机过程的应用：无规则电磁场的统计特性的发展。其结果应该符合量子力学和量子动力学的结果。
3.3辐射动力学(radiodynamics)：辐射反映了物质世界的微观结构。
(1)量子论的诞生：普朗克(planck)创立“量子”的新物理概念，成功解释黑体辐射的实验结果。后来，爱因斯坦和玻恩(born)分别用量子来成功解释光电效应和氢原子光谱。
(2)量子力学：在数学的基础上，由海森伯(heisenberg)，薛定谔(schrodinger)等所发展的量子数学系统(量子力学)，不但可以用来了解原子物理现象，也可以用来了解分子物理现象。
(3)基本粒子物理：基本粒子物理实验观察的新结果，促使大量相关理论的发展：量子电动力学，相对性量子力学，杨一(yang-mils)场等，其中杨一米场有更突破性的广泛意义。
20世纪的世界发生了重大变化。(1)物理学发展已由宏观的物质世界转入微观的物质世界。 (2)经过两次世界大战后，影响人类社会的重心已由欧洲社会，转移到没有传统民族文化的美国移民社会。
4 中国文化与未来科学发展
虽然科学的发展是源于古希腊，但亦需要通过欧洲各种不同的文化时代，才可以孵育发展出来。欧洲文化对科学发展的优点可能已经到了饱和状态。科学思想发展的进一步突破，必须要有新的文化来推动。中国文化对人理思想发展虽然是一个有五千多年的旧文化，但对物理思想发展却是一种很新的文化。中国复杂而辩证的人理思想，吸收和结合欧洲简单而演绎的物理思想，必定融合成为一种新力量，把科学发展推到更上一层楼，尤其是生命科学，医理科学和心理科学。中国社会现在正是一个民族文化复兴新时代的开始：改革开放，实事求是，解放思想，自主创新，可以比美欧洲后的文艺复兴。中国是一个非常不均匀的大社会。各地区都有不同的方言、生活环境、生活方式、和风俗习惯，自然形成中国社会的多元多样和多姿多彩。在这种复杂的文化环境，必须要因人制宜，因事制宜，或因地制宜，“一刀切”便会弄巧反拙。相反地，美国是一个非常均匀的大社会，自然形成美国社会的一体化思想。一体化社会并不符合中国社会的实际情况。
5 提高学生物理学习兴趣的方法
了解以上物理学思想发展与文化关系后，我们来看一下在提高学生学习物理兴趣的一些做法。
5.1联系生活和生产实际
在物理教学中，如果注意结合学生熟悉的生活、生产实际，提出与教学有关的问题让学生去思考，往往能激发起学生的学习兴趣。例如：讲授《光的折射》时，可先提出以下一些问题：透过老花镜看紧靠镜子的物体，显得比原来怎么样？透过老花镜看远处物体，物体又会怎样呢？透过圆形金鱼缸看缸里的鱼发现鱼会变大，透过装满水的杯子看插入的筷于发现筷子会在分界处折弯，这又是为什么呢？夏天，我们扎泥鳅时应扎的比观察位置深还是浅些?带着这些问题来学习，学生必然会产生兴趣，从而达到提高课堂效率的作用，而课后又是课堂的延伸。
5.2制造学习上的悬念
在物理教学中，如果我们能够不断地制造悬念，使学生对新知识产生一种急于探求的心情，那么就会引起学生对新知识的兴趣。例如在《超重与失重》一节的教学中，我们可以把一台磅秤放在教室前头，让一个学生称量自己的体重，然后观察该学生突然尊下和站起瞬间磅秤发生的现象，此时，一般学生会感到好奇，基础
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扎实的学生会感到是人对磅秤的压力变大或变小，但不知原因，因此产生强烈兴趣，同时渴望得到的答案，这样老师讲得轻松，学生学得愉快。
5.3保持刺激的新颖和变化
高中生对新鲜事物总是充满好奇心，教学内容是否有兴趣，兴趣的大小，对教学效果都有直接的影响，在物理教学中若能经常保持刺激和变化，就能不断引起学生的好奇心和新鲜感，从而激发起他们的兴趣，使他们乐于学习、想要学习。
5.4及时给予成功的满足
兴趣是带有情绪色彩的认识倾向，在物理学习中，如果学生获得成功，就会产生愉快的情绪，若反复多次，学习和愉快的情绪则会建立固定的联系，也就会形成越学越有兴趣，越有兴趣就越想学的良性循环。
5.5精心设计教学过程
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