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 李学生 （lixueshenglxs@21cn.com） 2007.05
三、相对论与量子力学的不协调问题
在现代物理学把各个学科的观察分别描述成各种互相独立的力作用系统，而忽略了其中的内在联系。中科院原院长、理论物理学家周光召2005年在中科院理论物理所的一次演讲中所说：“像相对论、量子力学或是量子场论这些最基本的理论，到现在为止，仍有迹象表明都不是最终的理论。无论是基本粒子，还是天体物理，都在不断提供很多新的现象，对这些现象，现有的理论完全无法解释。”我国著名科学家周光召先生在《21世纪一百个科学难题》一书的序言中明确指出：“科学问题的产生和出现往往是科学真理产生的标志，往往也是一个全新科学体系诞生的前提条件。”如果说目前尚有100道物理难题困扰着人类；然而比起其他99道物理难题来，量子力学同相对论的协调问题乃是所有问题的根本。此问题实乃20世纪人类留给21世纪物理学的第一朵“乌云”。
本世纪20年代量子力学建立以后，狭义和广义相对论与量子理论相结合，一直是理论物理学发展的坚实基础。半个世纪以来，这种结合不断发展和深化，也不断接受科学实验的检验。一方面，实验事实充分证明相对论和量子力学在其有效范围内是可靠的理论；另一方面，实验研究和理论进展表明，它们也遇到了一些难以解决的反常问题，其中一些问题是带有根本性的和革命性的，似乎难以容纳在相对论和量子力学的框架内。广义相对论中应用的是张量算子，而它是以微分学为基础的，这要求空间是光滑的，但是量子力学要求空间的量子化，必然对广义相对论建立的基础产生冲击，量子力学的基本方程是薛定鄂方程，为一波函数的二阶偏微分方程，因为波函数的标准条件是有限，唯一，连续，所以事实上量子化的结论只是波函数求解时为了满足连续这一标准条件所得出的结果．运用薛定鄂方程证明波尔的定态假设即是例证。Einstein讲的好：“任意次实验都不能证明我是对的，但只要一次实验就能证明我是错误的。”因此，在相对论和量子力学还处于兴盛时期的今天，汲取这些理论的真理性的内容，克服它们所面临的疑难，进一步探索自然界的奥秘，就已经提到当代物理学家的议事日程上来了。在这些种种矛盾和非协调的物理现象背后，存在着一个更为基本的自然层面。所有的问题，如不涉及或深入到这一层面是不可能得出一个完整的解来的。统一目前物理理论中的各个局部理论的工作，不应当是建立在通过修改或扩展某一具体定律来实现的。这里需要的是一个更为有力的思想工具，或说是观念。前苏联科学院院士塔姆说：“……我们现在正处在认识自然构造的根本规律的一个新阶段，量子理论、相对论、牛顿理论等等都将作为这些普通规律的一个个特殊情况引伸出来。……无法预言新的彻底的物理理论何时才能建立起来，也不知它将如何建立起来的……但在全世界有成千上万实验工作者和理论工作者奋战在物理学的这块前沿阵地，这个事实使我们相信，这一时刻已为期不远了”。科学体系越是成就辉煌，魅力无限，它的基本理论就越容易被赋予类似宗教里教义的地位。
相对论体系作为一个理论体系并没有完成。从前人继承下来的惯性和惯性运动的起源问题尽管有所发展，但并没有解决。1960年代末以来，发现广义相对论存在时空失去意义的“奇性”，宇宙起源于奇性，星系演化经过黑洞终结于奇性。黑洞不“黑”，任何有序物体掉进黑洞，都变成无序的热辐射发射出来，从而信息丢失。这不仅与物理学理论基础之一的量子力学薛定谔方程的概率流守恒矛盾，也与其他理论冲突。作为量子论和狭义相对论的结合的量子电动力学和量子场论更是如此。一方面，量子电动力学取得了巨大成功，可以给出与实验精确符合的微扰论计算结果，例如：关于电子反常磁矩的微扰论计算结果与实验结果可以符合到十几位有效数字；格拉肖-温伯格-萨拉姆(Glashow-Weinberg-Salam)的弱电模型在很大程度上统一了微观尺度上的电磁作用和弱作用，在相当于1000倍质子质量的能量尺度下与几乎所有实验符合；包括量子色动力学在内的标准模型对于强作用的一些性质也能给出令人满意的结果等。另一方面，与实验精确符合的微扰论计算在理论上却并不成立，微扰级数本身一定会发散。标准模型中有20几个自由参数需要实验输入，其中包括一些极重要的无量纲参数，如精细结构常数、μ介子与电子质量之比等。为了减少参数的大统一理论或超对称大统一理论，往往会导致质子衰变。可是，实验上一直没有观测到质子衰变现象，也没有观测到超对称粒子，这是为什么？超对称如何破缺？为什么有夸克禁闭和色禁闭？为什么夸克质量谱中存在极大的质量间隙？为什么会有三代夸克-轻子及其质谱？理论上作用极大的“真空”到底是什么?理论上计算的“真空”能量，与宇宙学常数观测值相应的“真空能”相比，高出几十到一百多个数量级，这又是为什么？这些问题都难以回答。
著名的物理学家、诺贝尔奖金获得者史蒂文·温伯格说：“（基础物理学）历史的风险在于，在思考过去的伟大工作（比如相对论、量子力学等）的那些伟大而勇敢的思想过程中，我们增加了对它们的这种崇敬，在我们想像的一种终极的物理学理论中，我们变得无法再重新评价它们的地位。”当代著名的数学家和理论物理学家霍金教授Stephen
W. Hawking在他的《时间简史》一书的结尾处这样写到：“然而，如果我们确实发现了一套完整的理论，它应该在一般的原理上及时让所有人（而不仅仅是少数科学家）所理解。那时，我们所有人，包括哲学家、科学家以及普普通通的人，都能参加为何我们和宇宙存在的问题的讨论”。杨振宁曾经说过，物理学的革命往往是从最简单、最根本的问题开始的。我们应该深究发生这些现象的原因，找出事物运动的内在规律。Einstein认为：“我们关于物理实在的观念决不会是最终的。为了以逻辑上最完善的方式来正确地处理所感觉到的事实，我们必须经常准备改变这些观念——也就是说，准备改变物理学的公理基础”。他还说：“然而为了科学，就必须反反复复地批判这些基本概念，以免我们会不自觉地受它们支配。在传统的基本概念的贯彻使用碰到难以解决的矛盾而引起了观念的发展的那些情况下，这就变得特别明显”。在这种思想的指导下，Einstein曾多次表示，他的理论绝不是完美无缺的终极理论，它们将来一定会被其他更完善的理论来代替。“你一定想象我在此时此刻一定以满意的心情来回顾我一生的成就。但是仔细分析一下，却完全不是这么一回事。我感到在我的工作中没有任何一个概念会很牢靠地站得住的，我也不能肯定我所走的道路一般是正确的……但是确实有一种不满足的心情发自我自己的内心，这种心情是很自然的，只要一个人是诚实的，是有批判精神的；……”【1】。
参考文献：
【1】
《Einstein的文集》第1卷，商务印书馆1976年，许良英、范岱年编译，第485页
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