美哉，物理！（四）
沈 葹
1.4 “道，可道，非常道；名，可名，非常名?！?/span>
這幾句出于《老子》的名言，倒頗切合辯證唯物主義認識論的精神實質，物理學的進展脈絡足可為之作證。物質世界是可以認識的，物理學的概念、原理、定律可以正確反映各種物質系統之物理性狀和物理運動規(guī)律，它們既是其科學真理性的寫照，又閃爍著科學美學的光芒。當然，對真理的認識與時俱進，概念、原理、定律又時而改變其表述形式。尤其是現代物理，愈來愈呈現瞬息萬變的驚人態(tài)勢；那末，物理美、物理學所內蘊的科學美學旨意亦隨著學科及其理論近百余年來的巨變而發(fā)生顯著的變易。由以即可領會所謂“道”與“名”者無常的意思。鑒此，須著力于創(chuàng)新和變通，自然科學才會生氣勃勃、興盛不衰。
且以幾例說明之。物質結構探索，本是物理學研究的基本任務之一。而19、20世紀從分子物理→原子物理→核物理→粒子物理的發(fā)展過程證明：物質可層層分割，即物質微觀層面具有多層次結構。物質無限可分，乃人們早已確認的樸素辯證法思想；此觀念指引著物理學家向物質深層次挺進。但上述夸克被“禁閉”，夸克-輕子被看作“基底”粒子層次。由夸克構成的強子（諸如核子等）難以分割為自由夸克；這顯然是對物質無限可分思想的非難。量子色動力學作為描述夸克間色相互作用之迄今最有效的理論，給出夸克禁閉以適宜的解釋：夸克彼此距離很近時，其間色作用力甚?。淇恕皾u近自由”）；距離增大，色作用力卻增強（夸克“漸遠束縛”）。這種情況與原子里原子核與電子間的電磁作用以及原子核里核子間的核力作用均隨彼此距離增大而減弱頗為不同；對于后者，只要供以足夠大能量，就能克服電磁作用或核力作用而將原子分割成核和電子或將核分割成核子。
圖1-8 北京正負電子對撞機。型式繁多的粒子加速器是高能粒子物理（兼及高能核物理等）研究的主要工具。用來加速電子、質子等帶電粒子達到甚高能量，以研究核反應或粒子反應、探索核和強子的內部結構、并通過粒子反應產生新粒子。一般的加速器是將較輕粒子加速后轟擊靜止的靶核（或靶粒子）。入射粒子和靜止靶組成的系統的質心動量不為零，故入射粒子的能量有相當一部分消耗在質心運動上。而如果使兩束粒子對撞，其質心動量為零，則能量全部用于粒子反應上。這就是對撞機比一般加速器（直線加速器、回旋加速器等）的優(yōu)越之處。我國自行設計制造的北京正負電子對撞機已用來做了許多出色工作（諸如精確測定τ子質量、發(fā)現多夸克粒子態(tài)等）。
而夸克被分離到一定距離，則其間色作用力甚至趨于無窮大；即使供以巨大能量，也并不能從強子內游離出自由夸克，而是強子吸收能量使其內組分夸克轉變成較重夸克、然后再衰變成新的強子。所以，強子不能再分割；此乃關于物質結構探索的一個新觀念，似應以其替代物質無限可分思想，因為夸克禁閉是優(yōu)異理論的邏輯推論，又經由實驗的反復驗證。然而，如果以后制成能量更高的加速器和精度更高的探測器，抑或設想在宇宙早期的甚高能量場合，或許就不必完全排斥夸克得以游離存在的可能性；倘若揭露出夸克-輕子層次的有悖于夸克禁閉這一結論的未知性狀，則會對量子色動力學作出新的突破?？磥?，物質是無限可分抑或“至小無內”？必然跟隨微觀物理之實驗和理論的進步而變更著基本看法。
頗相仿佛，宇宙是無限遼闊抑或“至大無外”？也會跟隨宇觀物理（宇宙學）之觀測和理論的進步而變更著基本看法。20世紀以前的唯物論者大多認為宇宙乃恒靜不變、無始無終、無邊無際的?？墒?，由相對論宇宙學推理得出：宇宙并非恒靜不變，而是有多種演化模式——或者是閉合型的脈動（脹縮相間），或者是開放型的永遠膨脹；又鑒于天文觀測成果，物理學家認為，宇宙乃從原始大爆炸中產生、并不斷膨脹而成，曾經歷過極短時間的暴脹，而目前大小有限、尚在加速膨脹之中。前文提及宇宙中除有可見物質外，還有更大量的暗物質和暗能量，從而導致宇宙膨脹以至加速膨脹；這不僅是觀測、分析的結果，而且原本就是相對論宇宙學的邏輯推論。
顯然，宇宙學的發(fā)展促使人們放棄宇宙恒靜而無限的傳統觀念。這發(fā)展還憑藉于天文觀測儀器之日趨精密至極，特別是接收輻射之頻段寬闊的射電望遠鏡等（置于地面或遨游太空的探索衛(wèi)星和空間站上）是關鍵性儀器，其效用如同粒子加速器對于粒子物理實驗乃至粒子物理發(fā)展一樣重要。所以，對宇宙演化模式以及演化細節(jié)的更精致研究，還有待于日后對更精密、高超的射電望遠鏡等天文觀測儀器的進一步研制；也許日后取得的新天文觀測成果會使人們對宇宙圖像的描繪又有新的轉變。因此，盡管亞核粒子那么幽微、宇宙整體那么浩瀚，人們卻可利用自己研制的精密儀器去展示其美妙絕倫的“廬山真面目”，并藉以對它們的運動規(guī)律的認識趨于準確、明朗。
物理真空，作為物質場的背景，也是一個甚為重要的基本概念（見第三篇）。此概念有經典定義和量子定義之別。經典真空就是指“以太”。在20世紀以前，以太被假設成一種機械媒質，經典電磁場理論將此作為電磁場的載體。而愛因斯坦建立相對論以及相對論時空觀，乃與其變革經典真空概念直接相關。第一步，愛氏摒棄了機械以太假設，把電磁場當作一種獨立的物質存在形式，從而否定了絕對時空觀念，賦予時空以相對性意義。第二步，隨著廣義相對論構建成功，愛氏重又引入新的以太假設，謂之“廣義相對論以太”；這以太當然并非機械媒質，而是被賦予了動力學機制的、經典物質場的背景空間。
如此，愛氏從摒棄機械以太到引入新的以太，使經典真空概念發(fā)生很大變易。并且，此新以太與相對論性引力場方程中的宇宙學因子項相對應，從而可由以與宇宙整體運動聯系起來。進而，量子理論的建樹又導致量子真空概念形成，與經典真空概念相與并立。狄拉克相對論量子力學把真空背景解釋成在所有負能級上布滿各種粒子而組成的“粒子?！?。量子場論則給予量子真空概念以十分符合量子場之本性的詮釋；一言以蔽之，真空即指各種量子場均處于基態(tài)，無任何粒子產生。倘若某一量子場被激發(fā)，相應之粒子便從富含物質蘊藏的真空——量子場背景中產生；狄拉克設想的“粒子?！笨芍^這量子場背景的形象化描繪。
李政道在幾年前曾指出，20世紀的物理學尚遺留四個疑難問題，有待本世紀去解決。它們是：對稱性破缺的起因；夸克禁閉的緣由；宇宙中暗物質、暗能量的性狀；類星體之特大能量的來源。其實，這些問題都與真空機制相關。量子真空具有復雜的結構，呈現種種宏觀量子效應，探究其機制，或能為解開這四大“世紀之謎”找到鑰匙。
譬如說，李政道等學者利用量子真空概念提出一些強子模型來唯象地說明導致夸克禁閉的緣由；如果以后能得到更深刻的說明，就會明白：夸克禁閉到底能否打破、強子到底能否分割為自由夸克，此其一。其二，利用真空的自發(fā)破缺或可解釋微觀物質層面若干對稱性及其破缺的問題。其三，可以把暗能量與“廣義相對論以太”掛起鉤來，但若要探明暗能量、暗物質的具體性狀，必須借助于粒子物理以及量子場論的實驗探測和理論探討，亦即依然要倚重于對量子真空機制的探究。其四，類星體之特大能量來源問題也許與宇宙大爆炸以及黑洞、白洞等問題有類似或相關之處：都涉及廣義相對論所給出的時空結構的內稟奇異性。而憑藉量子真空概念及其理論研究，或可克服這種由廣義相對論自身所無法克服的時空奇異性困難；并由以解釋宇宙演化過程中的、以及特異天體的突變現象（諸如宇宙大爆炸、宇宙極早期的暴脹、天體爆發(fā)等），這些突變現象或許都是起因于真空相變、即都是從真空背景里獲取突變的動力和特大能量。
創(chuàng)建完善的量子真空理論，算得上是本世紀理論物理研究的特別重要的目標之一，它與另兩項主要目標——促成廣義相對論與量子場論相互結合乃至最終建成量子超統一理論——密不可分。真空被認定為一種特殊的宏觀凝聚態(tài)，充當宏觀物質場、甚至整個宇宙的本底背景，具有復雜的微觀結構，所以它是一個牽涉到宏觀物理、宇觀物理、微觀物理的綜合性概念；對其深入探討，會導致這三個物質層面的物理理論彼此綜合、趨于統一。目前對暗能量的實驗探測表明，廣義相對論與量子場論的觀念悖逆在真空背景探討上凸顯出來，故而徹底弄清真空機制，便有可能找到促成這兩個理論相互結合的可行途徑。
關鍵更在于，用量子場論改造經典真空概念，亦即使其由量子真空概念取而代之；并且，通過對依據于量子場論的量子真空理論的創(chuàng)建而使量子真空概念的創(chuàng)新涵義進一步充實之。這或許是解決引力場量子化、調和以至化解廣義相對論與量子場論之抵牾的切入口；于是，四種基本相互作用的超統一探索亦可望有更顯著得多的進展。溫伯格(S.Weinberg)于上世紀末曾作出估計：在2050年前后，勉力構建中的超統一新理論之眉目將比較清晰；但我們還認為，超統一的最終完成，亦即達到所謂的“終極”統一，必定伴隨以對相對論和量子理論這兩大體系的較大突破和創(chuàng)新，對此恐怕需要較長時間的努力。
本世紀的物理學研究有一個醒目的發(fā)展趨向——向復雜性課題進軍；這當然是學科進步之必然，也是人類對自然界認識深化之必然。探究量子真空的結構和機制，就是復雜性探索之典型一例。誠然，廣義相對論和一些成功的量子場論都是深奧復雜的理論，但有待構建的量子真空理論和超統一理論等，其復雜程度更甚十分。而且，復雜性往往涉及非線性（但二者并非等同的概念）；在許多物理學分支領域里，非線性探討轉變?yōu)橹髁?，也就是非線性物理將成為本世紀物理學擴充、鋪展出的一大片疇域。普利高津（I. Prigogine）還將他的可用非線性動力學解釋的耗散結構論看作是“人與自然的新對話”（見第十四篇）。
然則，復雜性探索也好、所涉及的非線性探討也好，追求統一與和諧總是其基礎研究的主旋律；況且，這些基礎研究——研究課題從相對簡單到比較復雜、從線性處理到非線性展示——始終會嶄露物質世界愈益深廣、愈高階層的對稱性。即便是復雜性課題的非線性展示（諸如超統一研究），也冀圖其理論體系有簡單、明確的邏輯前提、立足于簡單、創(chuàng)新的概念基礎，在數學表述和邏輯演繹上采取盡可能簡潔、便易的形式和方法，并充分反映所研究之物質系統的運動規(guī)律的甚高對稱性。所以說，今后物理學的進一步發(fā)展，依然憑倚于對稱性、統一性、簡單性等科學美學原理所彰顯的科學方法論原則。
圖1-9 射電望遠鏡及其陣列。 圖中所示乃計劃中將設計制造的最龐大的射電望遠鏡陣列——平方公里陣列（SKA），由上百臺望遠鏡組成，必定會鋪設成一道蔚為壯觀的亮麗風景線。而已經確定將在我國貴州省平塘地區(qū)建造口徑為500米的特大型射電望遠鏡，比目前世界上最大的美國阿里西伯射電望遠鏡（口徑為305米）更大、更精致，可用以深空探測、進一步研究宇宙的起源和演化等高級課題。
然而，隨著物理學疆域的不斷延拓，物理學所蘊含的科學美學意義、或曰科學美學原理和科學美學旨意的物理學涵容也持續(xù)地擴充，三百余年的物理學發(fā)展史證實了這一點，第十二篇等篇章對此作了專題論述。上文提及的量子統一理論從小統一到大統一、再到超統一，顯見賦予統一性原理以越來越豐富的物理學涵容，將此原理推向至高境界。廣義相對論與量子場論的結合嘗試，所遇障礙既在于引力場量子化的數學困難，更在于這兩個理論之觀念上的悖逆；如果調和以至化解了二者在這方面的抵牾，勢必導致基礎理論的根本轉變、并使物理學總體的和諧性達到極致。再者，從牛頓力學到狹義相對論、再到廣義相對論，又從經典場論到量子（規(guī)范）場論，所揭示的時空對稱性一而再地提高其階層、并從運動學對稱性延拓為動力學對稱性，又從宏觀、宇觀層面的時空幾何之動力學對稱性延拓為微觀物質系統的內稟動力學對稱性。
因此，對稱性原理（這里乃指空間變換不變性原理）實系物理學、尤其是現代物理學中的一個至為關鍵的幾何動力學原理。對稱性之階層的逐漸提高，則就標志著物理學理論漸趨精深、精致、精確。一般說來，物質運動規(guī)律總是非線性的，線性運動只是在某些可予忽略非線性因素的場合下的特例；或者說，在一定條件下可將非線性運動規(guī)律作線性近似處理而建立線性理論。進一步發(fā)展，倘若構建成展示其非線性規(guī)律的高級理論，則其適用面更廣、精確度更高；此乃往往因其中經修改而表述得更精當的空間變換不變性能反映甚高階層的動力學對稱性之故。
非線性理論縱然比相應的線性近似理論復雜一些，但前者對甚高階層對稱性的揭示可使其理論構建和邏輯演繹趨于簡單。所以，對稱性原理之物理學涵容的擴充，倒是使得依然憑借簡單性原理去探究一些復雜的非線性系統、以至于拓展物理理論成為可能。此外，對孤波、混沌和分形等效應的考察（見第十五篇），近三四十年來已成為不少非線性動力學領域里的復雜性課題。這幾種典型、顯揚的非線性效應中的對稱性表現有著與空間變換不變性不盡相同或甚不相同的新特色，對其細致地探索也有助于解析其甚為復雜、玄奧的非線性機理。看來，崇尚對稱性原理，總能使復雜性課題變得簡單。而且，許多不同的非線性動力學系統常會呈現這幾種效應；由此則表明，物質世界之形形色色的復雜性現象亦都能趨于統一。
致力于研究這幾種效應及其對稱性表現，也是倚重統一性原理和簡單性原理的體現。充分展示非線性效應的對稱性表現，并探明效應中復雜性與簡單性、隨機性與決定性之間的關系，才可能構建較嚴密、完備的非線性綜合理論體系——非線性物理學；其概念、原理、定律與原來的物理學各分支學科甚有差別，所顯露的物理美也別具風采。建立并完善此揭示非常規(guī)之美的綜合性學科理論，乃是現代物理學的一項特特別拓展任務，恐怕也需經過較長時間的努力才能達成。
“物無不變、變無不通”（宋·歐陽修語）；始終注重于變通和創(chuàng)新，才使得物理學及其蘊含的科學美學旨意永久地發(fā)展和升華。物理學家發(fā)揚意在變通、旨在創(chuàng)新的科學精神，當然出于其探求真理的強烈愿望，同時與其具有臻美意念和審美意趣也密切相關。然而，求真和臻美，乃落實于為善；造福人類，終究是發(fā)展物理學以至自然科學、升華其科學美學旨意的根本目的（見第二十篇）。而真、善、美三者的結合，隨著現代物理學以至現代自然科學的未來進展，會達到非常圓滿的境地。展望未來，在這已經跨入的21世紀，現代物理學自然會繼續(xù)擴展、并有望取得全方位、多方面、高階層、深層次的應用（故而與稱之為物理學世紀的20世紀相比照，我們以為，21世紀或可稱作物理學應用的世紀）。
根據上文所述，概括言之，在今后百多年時間里，首先是憑藉相對論和量子理論及其結合體系，還會延拓出現代物理學之眾多新的分支學科和交叉學科，擴大各物質層面的可知范圍；而這兩個理論本身的真理底蘊亦尚待進一步挖掘和展露；二者之結合體系在克服有關困難的同時，可能得以更有效、完整、合理的構建。其次，量子理論的豐碩成果偕同相對論成就，廣泛地應用于現代科技各領域（包括現代物質科學中的非物理學領域），并興許會促發(fā)信息科技、材料科技、生命科學等領域里的宏偉革命，由以產生進一步推動社會生產、優(yōu)化社會生活、以至更全面地造福人類的巨大物質力量。第三，基于現代物理學過去百余年進展而確立的現代自然觀已深入人類思想的概念結構，以至于對哲學-社會科學、思想意識形態(tài)、甚至文化-教育事業(yè)逐漸顯示其深刻影響，并形成為現代文明建設中的一股強大的精神力量。
科學也可算是一種文化；科學美學亦乃和諧文化的一部分?？茖W的真和美、物理學的真和美，不僅能用來造福人類，而且使人喜悅、使人激奮。大數學家希爾伯特（D. Hilbert）如此形容科學家們探索真理時的審美情趣：“……我們對科學的熱愛超過了一切。在我們眼里，它就是一座鮮花盛開的園林。花園里有被人踩就了的路，空閑時可循路漫步、觀花賞景?！俏覀冞€喜歡尋覓深藏不露的小徑，去發(fā)現更多出乎意料的奇妙景致，看了更覺心曠神怡?！覀児餐澝浪媸瞧錁窡o窮?！?/span>
此可謂“曲徑通幽”：曲徑可覓，真理可求，幽幽美景足可觀賞取樂；真理探索永無止境，探索中擷美的樂趣也是無窮無盡的。當然，辟徑求真，著實艱難異常；然而，“渴望看到這種先定的和諧，是無窮的毅力和耐心的源泉”（愛因斯坦語），唯有付出艱辛勞動，才能抵達美妙的真理彼岸。看來，真理探索，對于探索者本身來說，實在是非功利的；盡管科學技術及其物理學基礎的“功德無量”，為人民大眾帶來無限福利，為人類文明進程豎起一座座豐碑。就此意義而論，我們忍不住又要贊嘆一聲：美哉，物理；美哉，科學！偉哉，為探索真理而孜孜以求的純真科學家！（續(xù)完）
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