＂无理＂的物理

物理学是一门自然科学，研究物质世界中最基本的结构、最常见的相互作用、最常见的运动规律以及实验和思维方法。什么是物理学，中国古代哲学家们早已讨论过，老子的“道”就是物理学概念的雏形。“韩非子。“一切事物都有不同的原则，但陶把一切事物都考虑进去了。”探索万物的原因是物理学的内涵。宋、明哲学家朱、、程颐、罗钦顺等人强调“学物以知、理而辩”。他们解释了物理学的研究方法，即在“研究事物”型实验的基础上获得物质信息，借助“理解”型推测分析信息中的一般规律，然后解释更多的现象和规律。物理学的基础来自完全真实的物质实验信息，物理学的灵魂在于它能够提取一般规律并将其应用到真实的物质世界中。换句话说，物理是人类寻找真理的一种方式。它目的是向人们解释一切事物的原因。然而，物理学真的是这样一门“合理的”科学吗？数学是物理学的重要基础。它以严谨著称，但物理学真的能如此严谨吗？确切的答案简直令人沮丧。在许多方面，给别人讲道理的物理学实际上是“不合理的”。请不要惊讶，这是事实。本文试图从以下几个方面向你展示物理学的另一面——“非理性”物理学。

理想化物理学

物理学喜欢理想化，因为当你试图用公式定理或类似的东西来描述一件事时，你会发现有许多具体的问题。如果你把它们都考虑在内，你会感到无助。举一个简单的例子，在牛顿的万有引力理论中，两个物体互相吸引。它们的重力与质量成正比，与它们之间距离的平方成反比。乍一看，这个理论用数学公式写出来是简单明了的。但是如果你仔细想想，实际情况是非常复杂的，因为任何质量物体都应该有一定的形状、大小等。如果把这些因素考虑在内，那么两个物体不同部分之间的距离就不一样了。你如何计算它们的引力？也许你可以通过引入微积分来扩展原来的简单问题。不同的距离和不同的质量可以通过积分求和来计算总重力。但是等一下，事实上，对于微积分，你总是把对象分成无数的小块，但是严格地说，任何小块都有它的形状和大小，你永远不能把所有的宏小块都分成相同的。换句话说，把数学上可行的微积分放到这个实际问题中是不合理的。这简直是在给人们制造麻烦！是的，所以物理学家使用了一种非理性的方法——理想化。它只是把物体简化成一个有质量的点——“粒子”。零维点没有形状或体积。重力问题变成了两点与质量的相互作用。上述问题已经不存在了。这的确是一个聪明的举动。它不是直接面对问题，而是直接删除现有的问题，并使用理想化的假设来使原本复杂的问题变得过于简单。但是粒子真的存在吗？

不幸的是，现代物理学中最困难的问题之一就是这个粒子。据估计，那些在经典物理学中提出粒子概念的人一定为其解决问题的独创性而自豪。出乎意料的是，当粒子的概念悄悄进入现代物理学时，它引起了一系列大麻烦。因为，事实上，在我们的宇宙中没有不存在的大质量或小质量。有些人可能会认为宇宙中黑洞的奇点就是这样。不幸的是，尽管霍金和彭罗斯严格证明了奇点的存在，我们也应该注意到奇点本身并不属于我们的时间和空间。我们的宇宙不允许零维质量点存在。

让我们来看看一个古老的哲学问题——世界是无限可分的吗？众所周知，我们的物质世界可以被不断分割。从宏观到宏观，从宏观到介观，从介观到微观，你的尺度可以不断缩小，仿佛你总能找到相关的物质和它们的对应。物质通常由分子组成，分子由原子组成，原子由原子核和核外电子组成。质子和中子通过强相互作用将原子核结合在一起...似乎所有这些都可以无限期地分开。从半经典物理学的观点来看，在每一步，你似乎都把相应的“孩子”简单地理解为一个粒子。接下来，问题出现了。电子有尺寸吗？质子和中子有内部结构吗？这两个问题的答案都是肯定的。然而，如果你想知道电子的内部结构，恐怕到目前为止没有人知道。在许多物理问题中，电子被视为粒子——尽管我们清楚地知道，这仍然是不对的。对于质子和中子的内部结构，它由三个相互作用的夸克组成。三个夸克的质量之和不等于质子或中子的质量。事实上，它们的质量来自夸克和夸克之间的相互作用力，但这不再是引力相互作用，而是所谓的强相互作用。这才是质量的真正来源。质量是不存在的。当然，有些人可能会问，夸克有结构吗？这对物理学家来说又很难。问题是质子和中子可以被直接观察到，而独立的夸克却找不到。它们被质子和中子锁住了。它们之间的力随着距离的增加而迅速增加，并且根本无法与粒子分离。至于夸克的内部结构，估计这将是下个世纪的一个难题。

此外，将微观粒子视为没有体积的零维点直接给现代物理学带来许多麻烦。它直接导致许多物理问题无法解决，也给相对论和量子力学框架下基本粒子的统一造成不可逾越的障碍。然而，物理学家非常聪明。他们发明了许多新理论来解决这些问题。弦理论是其中之一。由于零维粒子不能工作，粒子被扩展成一维的“弦”，粒子的特性表现为弦的缠绕和振动，这自然克服了上述问题。然而，弦理论仍然是有缺陷的，然后二维膜理论甚至被扩展到所谓的M理论(没有人知道M代表什么)，试图主宰自然界的相互作用世界。弦理论预言我们的宇宙由更多的维度组成。除了常见的三维空间和时间维度之外，我们还必须引入在非常小的尺度上卷曲和包裹的六个维度。m理论甚至需要一个额外的维度。至于需要多少个维度来描述这个世界，这是本世纪最突出的物理问题之一。

近似物理学

除了理想化和模拟复杂的情况，物理学也喜欢近似。因为如果我们想严格地求解数学解析解，即使在理想化了对象之后，它仍然是不可能的。这个问题存在于经典力学中，如太阳-地球-月球三体系统。即使你把这三者都看作粒子，只使用经典的牛顿万有引力公式来列出方程，也不可能用解析数学公式来表示任何积分轨道。此时只能用近似值，因为太阳的质量远远大于月球的质量，所以在考虑地球的轨道时根本忽略了月球，而月球的轨道主要受地球的影响，至于太阳本身可以视为常数。(也许这就是恒星理论的来源？)

物理学的近似反映在许多方面，最常见的是凝聚态物理。在经典力学中，只要它是一个三体和多体问题，就没有严格的解析解，在量子力学中仍然是这样。恐怕量子力学能严格解决的唯一结果是氢原子问题，这是一个典型的双体问题。如果我们遇到氦原子多一个电子的问题，我们只能近似它。固体物理学的实际问题远比小物体的问题可怕，因为固体中的粒子实际上是十的23次方，这是一个天文数字！如果全世界的人都要计算这么多的谷物，需要多少年？严格求解每个粒子的运动规律是绝对不可能的！这时，物理学不管三七二十一，先近似再说。例如，金属中原子的最外层电子是高度可移动的，基本上不受原子核的约束，电子和电子之间的关联效应非常弱，因此可以逐个独立地看到电子，而其他原子核和内部电子可以被视为正背景，带负电的*电子在这个正背景下移动，这返回到二元问题，并且容易得多。传统的超导性是两个*电子的配对，因此允许电子对在固体中不受阻碍地移动。事实上，传统的超导是一种宏观的量子现象，所有行进的电子应该同时配对和凝聚。为了说明实际问题，近似*电子模型仍然是可行的，典型的例子可以简单地用两个电子配对来解释。然而，在高温超导体中，电子和电子之间的关联效应显著增强，不再能被独立地观察到。因此，以前的*电子几乎是无效的，这个问题变得更加复杂。这是凝聚态物理的前沿问题之一。

数学家通常不理解物理学家。他们总是困惑地看着他们，问:“这怎么会如此相似？”尽管物理学家解释了很多，恐怕他还是很难理解。物理学确实有如此不合理的成分。没有这些，我恐怕无法得出许多“合理”的结论。

模糊物理学

物理学的另一个令人烦恼的方面是许多问题无法得到准确的回答。牛顿力学中的许多人已经形成了一种习惯性思维，即对于一个应力完全清楚的物体，你可以在下一刻预测它的所有运动状态。换句话说，这应该是必然的。真的是这样吗？事实上，确定性理论的出现只能发生在理想条件下。一般来说，只有线性方程才能得到解析解。然而，对于非线性方程，在许多情况下无法获得解析解。解决这个问题有两种方法。一种是寻求适当的近似，一些理想化的模型被用来简化方程。另一种是放弃解析解，寻求数值解。后者相对容易，但数值解的结果很大程度上取决于你设置的初始值和所谓的边界条件，而它是否正确取决于实际情况。当然，这不是决定论的结果，但它能告诉你某些事件的可能性有多大。非线性条件下有许多有趣的现象，如混沌。在这种状态下，物体的运动几乎是随机的。你能预测的是模糊地说出某个运动状态的可能性有多大。要说出物体在特定时刻的真实运动状态是绝对不可能的。此外，物体的运动状态对初始情况很敏感。只要起始条件稍有不同，就会得到完全不同的结果。物理学家用所谓的“蝴蝶效应”来描述这一现象:南美一只轻轻拍打翅膀的蝴蝶可能会被无限放大，一个月后在北美引发一场龙卷风。这可能有点夸张，但这是一种真实的可能性。

决定论的丧失在量子力学中更为深刻。用爱因斯坦的话说，“上帝掷骰子。”确切地说，上帝不仅是一个赌徒，也是一个赌徒。微观世界如此奇妙，以至于对微观粒子的描述不能使用经典力学的粒子或钢球模型。必须使用量子力学。在神奇的量子世界里，微观粒子的能量不是不断变化的，而是一个个离散的状态。微观粒子在某个地方的出现也是不可预测的，只有在这个地方出现的概率才能得到。微观粒子的状态甚至是不可观察的，因为一旦被观察到，它必须被破坏才能得到反应。所有这些都让人觉得不可理喻，全能的上帝扔骰子点数，连上帝自己都不知道。

让薛定谔的猫来说明这个问题。量子力学的创始人之一薛定谔说，你把一只猫放在一个黑盒子里，然后在里面放另一瓶毒药。毒药的转换是由放射源控制的。只要放射源发出粒子，药瓶就会被打翻，猫就会中毒，否则猫就会活着。问题是，对于那些站在黑盒子外面的人来说，你知道猫是活着还是死了吗？正确的答案应该是活着或者死了。那不是胡说吗？不，量子力学告诉我们，猫活着和死去的概率分别是一半。至于你说它是活的、死的还是半死的，这是不对的。它不是活着就是死了！你愿意接受这样的回答吗？当然，知道猫是活着还是死了的方法很简单。打开盒子，你就会知道。然而，一旦你打开盒子，观察将破坏猫的原始状态，不是活着就是死了。那么只有一个结果，生或死。我不知道我是否已经在这一点上迷惑了你。"生与死是一个问题。"(莎士比亚的《哈姆雷特》)

想象物理学

物理学不仅喜欢通过理想化和近似来建立模型，然后给出模糊的结论。有时它只是充满了想象。自然科学的存在正是因为人类对未知世界充满好奇。对未知领域的不断探索和研究导致了物理学的不断进步。声称包含所有事物的物理学，更坚持不懈地试图解释人类已知和未知的一切。有时候，甚至有点想象不到的情况。

例如，我们的宇宙从哪里来，又去哪里？物理学告诉我们，宇宙起源于大约150亿年前的一次“大爆炸”。宇宙将在哪里进化取决于今天宇宙中物质的密度。令人沮丧的是，我们仍然不太清楚宇宙中存在什么物质。目前的研究结果表明，我们的宇宙由70%的暗能量、22%的暗物质和约4%的重子和轻子组成。人类能看到多少这样的成分？不是大多数，而是最少的部分——我们能观察到的星系只占宇宙的4%，这真可怜。更可怜的还在后面。即使我们能看到这4%的东西，我们真正理解的材料可能也很少。对于我们这些生活在一个比4%小得多的世界里的人来说，我们可以勇敢地站起来，试着解释整个宇宙的诞生和演化，就好像我们有点盲目，觉得自己在自嘲一样。这不是猜测。什么事？

如果这不是一个假设，那么所谓的平行宇宙、超对称粒子和其他假设都可以解决这个问题。人类不仅想象他们的宇宙是什么样的，而且试图解释除了他们自己还有无数平行的宇宙，它们在另一个时间和空间按照那个宇宙的法则进化。宇宙的大爆炸甚至可能起源于两个平行的宇宙膜之间的碰撞，所以在大爆炸之前有一个镜像宇宙，或者我们宇宙的大爆炸在更高的维度空间中广泛存在并不奇怪。同样，为了解释我们的宇宙为何如此，理论家们也构想了许多超对称粒子——我们现在知道的每个粒子都有一个与之对应的超对称粒子。不幸的是，我们不能观察超出我们宇宙维度的事物，因此在平行宇宙和超对称粒子的实验验证中有许多不可克服的困难。也许这是一种检测高能粒子对撞机释放的引力子的方法，但迄今为止，费米实验室和欧洲核子研究中心都没有任何相关的实验证据。如果这一切都是错的，那么这种想法只不过是人类美丽而优雅的想象。

重复物理学

物理学不仅想象了许多它根本不知道的事情，而且当它面临许多它真的无法解释的问题时，它只是欺骗。

如前所述，我们的宇宙起源于一次大爆炸。这场大爆炸的前身是时间和空间中的一个奇点和一个无穷小的点。真烦人！如果有人问你大爆炸附近的宇宙是什么样子的？物理学家的一般回答是:“别问了！我不知道。”或者病人会说，“当所有的物理定律都不起作用时，抱歉，我们的物理学家无法回答！”这不是作弊。什么事？难道物理学不应该解释一切的“原因”吗？为什么此时没有“理由”？这真的很无助，因为我们的物理学只能描述大爆炸后10-43秒发生的事情。我不知道之前发生了什么！

这种无知在很多情况下都能看到。例如，如果尺度变得无限小，小于普朗克长度，物理定律也会失效。如果时空尺度无限扩大到我们的宇宙之外，我们也无法知道宇宙之外的宇宙发生了什么或将要发生什么。这时，只能回答:我不知道，真的不知道，只是不知道。-高跟鞋是胜利！

最独特的游手好闲是人类选择的原则。在我们宇宙的演化过程中，有许多奇怪的事情，例如强相互作用、弱相互作用和引力相互作用的及时分离，中子与质子比率的一对一偏离，以及核聚变的及时发生。在大爆炸后的早期，有另一种所谓的“激增”，即宇宙在很短的时间内膨胀了很多。为什么我们的宇宙进化成这样？我不知道，我们只知道只有在这种进化中，才会有我们的星系、太阳系、地球等等。如果我们加上地球本身的进化，那么人类的诞生就是奇迹中的奇迹。于是一个超级高跟鞋理论诞生了:大爆炸理论是由我们人类创造的。如果没有人能被制造出来，就不会有这样的大爆炸，更不用说这样的理论了。换句话说:“因为这样一个宇宙允许类似人类的智能物种存在，所以生物有可能意识到宇宙的概念。包含智慧的信息处理过程肯定会出现在宇宙中，一旦出现，就不会消亡。”这不是高跟鞋吗？

这是物理学家的痛苦。物理真的不是万能的。它在某些条件或特殊情况下什么也做不了，甚至不得不陷入哲学思辨。然而，当物理学演变成哲学时，它可能失去了“理性”的意义。

不合理的物理学

说到这样一个例子，恐怕你已经开始怀疑严格的物理学了。事实上，物质世界中有比上面提到的更多的“不合理的”元素。物理学似乎是一门“不合理”的科学。在许多情况下，物理学必须引入一些前提、公理、假设、模型等。要客观地描述世界，物理定律也有一定的适用范围。不过，等一下。让我们逆向思考。如果所谓的真理是在没有任何先决条件的情况下，一丝不苟地、严格地描述现实世界，那对物理学来说就太难了，这个世界就会变得不可理解。当然，这不是我们想要看到的。爱因斯坦曾叹道:“宇宙最不可理解的地方是它是可理解的。”正如《道德经》所说:“慷慨无门，大事来迟。当声音很大时，大象是看不见的。”人类对万物原理的探索是无止境的。也许真理的最高境界是不合理的。

作者:罗中国科学院物理研究所