物理學的陰影
作者：惠勒
惠勒（1911——），美國物理學家。早年在巴爾的摩學院和霍普金斯大學學習，1933年獲博士學位。曾在哥本哈根大學從事核物理研究，在核裂變研究領(lǐng)域取得創(chuàng)造性成果，確定鈾為制造原子彈的原料。他是第一位從事原子彈理論研究的美國科學家。曾任美國物理學會主席。著有《幾何動力學》、《引力理論和引力坍縮》、《黑洞、引力波和宇宙學》等。
我們能否希望終有一天抓住宇宙構(gòu)造的中心原理呢？不錯，愛因斯坦曾用一句名言向我們說過：“這個世界上最不可理解的事情就是世界是可以理解的。”
愛因斯坦逝世24年以來，我們?nèi)〉昧硕嗌龠M步呢？粒子物理學的巨大發(fā)展，統(tǒng)一自然力方面的某些進展，等等。但是到頭來我們必須說，所學越多，所知越少。在發(fā)揮這個主題之前，讓我試著概述一下將要講的東西。我要提起那條古代的物理學原理，“沒有悖論，就沒有進步。”此處我用“悖論”一詞指的是困難、明顯的不一致、所期望與所發(fā)現(xiàn)的東西之間的歧異等等。沒有悖論，我們就不能得到任何真正新的東西；而有了悖論，我們就有了一點希望。為了取得進步，需要有兩種因素既相對抗又相平衡。
今日物理學使我們面臨著兩個悖論的挑戰(zhàn)。沒有比它們更大的陰影了，但由于它們是破壞和建設(shè)的結(jié)合，也沒有比它們更充滿希望和鼓舞人心的了。第一個悖論是破壞性的，它聲稱物理學在時間的大門口——大爆炸、大坍縮和黑洞——走到了盡頭；但另一方面，盡管有那么多表面上的變化，物理學在人們心目中始終仍在走著它的永恒之路。所以說，物理學停止了，但是物理學在進步，這就是第一個悖論。怎樣消除這個困難呢？我想指出在物理學的描述中，“時間”不是一個原始范疇。因此我們使用時間已臨近“時間的大門口”這一觀念是錯誤的，正是這個錯誤才使我們陷入了第一個悖論。
第二個悖論是建設(shè)性的。它和量子力學有關(guān)，即與基本的量子觀測行為——更確切地說是記錄行為——在“造成”對象方面所起的作用有關(guān)。悖論何在呢？我們歷來相信，物理學也總是預先假定：世界是存在于我們之外的，不依賴于任何觀測行為。然而量子力學卻告訴我們，世界并非存在于我們之外和獨立于所有的觀測行為。這就是第二個悖論。
這些悖論的教訓是什么呢？可以用三句乩語式的格言來表達：“必須構(gòu)造！確在構(gòu)造！怎樣構(gòu)造？”沒有什么東西能逃得脫第一條教訓：“必須構(gòu)造”。大爆炸告訴我們，無論粒子、力場還是自然規(guī)律都不可能永久存在，它們必定都有開端。
第二條教訓是量子物理學的中心教義。每做一次基本的量子觀測，我們就“構(gòu)造”了一個我們稱為實在的微觀小體。第三條隱語“怎樣構(gòu)造？”概述了一個中心問題：怎樣使一加一等于二？既然自然界已經(jīng)通過基本的量子行為向我們顯示了一條我們用以“確在構(gòu)造”的途徑，那么我們又何須另外去執(zhí)行“必須構(gòu)造”的律令呢？然而，不計其數(shù)的基本量子記錄行為究竟是怎樣結(jié)合在一起構(gòu)造成大尺度水平上的實在呢？對此我們還根本一無所知。“怎樣構(gòu)造”這條隱語就是旨在號召我們解開這個謎。
我們并沒有接觸粒子和場物理學（這是當代進展所開拓的一個極宏偉的領(lǐng)域）中的奇妙發(fā)現(xiàn)，卻怎么能夠徑直達到中心點呢？答案是簡單的：所學越多，所知越少。
孩子們都喜歡送給他們中國套箱作為禮物。揭開一個，露出一個，揭開一個，又露出一個，直至最后露出那個秘藏的珍品。然而，要是這一列套箱沒完沒了，孩子們終究是會失去興趣的。這難道就是我們在粒子物理學中的處境嗎？我們從分子開始，然后是原子、核子、中子和質(zhì)子，再后是各種各樣的夸克。我的一位在這一領(lǐng)域貢獻頗多的杰出的同事認為，我們能夠做的只是設(shè)計更高能量的加速器，以便打開通向更小尺度的道路，去發(fā)現(xiàn)粒子世界更深層次的結(jié)構(gòu)。我們距離那個古老的夢想——找到一種基本的單元，一種最終的粒子，一種其他所有一切賴以構(gòu)成的魔術(shù)般的建筑磚塊，依然和過去的人們一樣遙遠。
如果根本不存在處于物理學最底層的魔術(shù)般的粒子，那我們?yōu)槭裁床荒苻D(zhuǎn)而用一種魔術(shù)般的力場來解釋一切呢？在全部物理學中，再沒有比電磁場、引力場與所謂場——米爾斯夸克束場的“三和弦”更優(yōu)美的東西了。人們相信這最后一種場把夸克集在一起構(gòu)成了中子、質(zhì)子以及其它的基本粒子。這組“三和弦”解釋了物體運動的所以然。
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