--《物理学原理（第三卷）相对论、量子力学、数理逻辑》

§1.2 电动力学与电磁场理论

我们很难说清楚电动力学与电磁场理论之间有什么差别。实际上这两者之间的差别不是研究的物理世界的对象之间的差别，而只是人类的认识过程、认识方法和结果上的差异。一般物理学界的理论体系中都把它称为电动力学，作为一种对于物质世界的认知体系；而把电磁场理论作为一种技术和应用科学体系。但是实际上作为一个物理世界的实际领域只有在人们的工程实践中才能够得到真正的人人可以感受到的感性知识，同样也只有在那些感性知识的基础上才能够获得合理的理性知识。当然我们并不是说，只要从电子技术和信息工程的实践中，我们就能够获得关于电磁理论的普遍的理性知识，直到现在电子技术和信息工程中并没有得到关于电磁理论的普遍的理论知识。但是物理学的发展同样也无法获得对于电磁理论的普遍的理性知识。

麦克斯韦只是一种对于电磁理论的物理探索，从这种探索中既没有得到明确的数理逻辑也没有得到实践的证明，但是这种探索的方向是完全正确的，人们沿着这一方向前进，终于获得了人类有史以来对于物质世界的认识和技术应用上的最伟大的成功。但是随后人们在电磁问题上分离成两条不同的发展方向:工程技术应用的经典电磁场理论和物理上的电动力学。这两者实际上都是片面的不完善的理论体系。特别是物理上的电动力学的又分为经典的和量子的电动力学，可以这样说，整个现代物理学都是在认识电磁场这个物理世界的过程中发展起来的。人类现在确实掌握的物理世界中有可能建立起定量化的公理体系的领域实际上只有两个：一个是牛顿的力学世界，这是没有结构的理想化的物质的“质点”模型和与此联系在一起的引力和运动的数学体系；另一个就是电、磁和电磁波的物理世界。但是人们对这两个物理世界的认识还都不全面，对于牛顿理论，它的数理逻辑体系是自洽的，逻辑前提、逻辑基元(时间、距离和质量)和在这样的逻辑前提上的数学体系是逻辑自洽的，但是物质模型是过于简单了：人类所有的实践对象都是有结构的物质，而牛顿的物质模型是没有结构的。电磁世界有了最简单的物质结构的模型，首先有了两种不同的“粒子”，即能够产生相反方向的力(引力和斥力)的粒子；两种相反方向的力与单一方向的力相比，就是本质上的差别，就会形成与牛顿力学相比是非常复杂的力的体系，物质间的相互作用就变得非常复杂了。这是直到现在我们都没有搞清楚的问题。

对于牛顿理论体系的逻辑讨论中，我们反复强调的是它的物质模型和质量的逻辑界定。而不去着重地讨论牛顿理论中的力和运动，以及在此基础上的其它的物理量，如动量、能量等。因为从人类认知的发展过程中，我们需要保持一些能够把人类的知识连贯起来的东西。否则我们就会像霍金和某些现代物理学家那样，他们的知识永远漂浮在无根的、无垠的宇宙的海洋中。这就像苟文俭老师在一份电子邮件中所说：“当代粒子主流理论朝着未知因素增多、表述不确定性增大、可验证程度降低、理论自身制造的疑难也越来越多的方向发展”。我们必须把人类的认知与人类原初理念中的一些公理连接在一起；除了数字和运算以外，时间、空间和质量就是组成那种知识基础的原初理念。当然牛顿理论中质量的理念，是与质点模型和引力联系在一起的，也许不是不可以发展的，但是即使在发展了以后，还应该保持某些依然是能够坚实地把人类的认知过程连接在一起的东西。现在人类的应用科学体系的整个逻辑基础依然建立在时间、空间和质量这三个支柱上，所以有理由保持这三个逻辑基元的稳定性。力是不确定的，所以与力相联系的功、能量和动量都会发生改变，但是我们仍然没有理由怀疑引力和运动规律在牛顿理论的有限论域内的合理性，所以可以保留质量以及与引力相联系的那些能量、动量和其它物理量的实在性。但是所有那些物理量不再是整个宇宙中的普遍的物理量，而仅仅是对应于引力，或与牛顿引力有相同数学性质的那部分力(即保守力)相联系的物理量。我们不是去否定质量的逻辑界定，而是需要引入新的逻辑基元来反映与引力不同的性质的“力”(非保守场)和与那些与非保守场相联系的物理量。这就是我对于物理学发展的基本的哲学观。当然这是一个极为艰巨的过程。我们要向着这一方向前进。这就是我们所要研究的电磁场理论，即不是纯感性材料的，更不是在没有逻辑的人为假定基础上的“普遍理论”。而是用工程技术的感性材料去否定那些在“假设”基础上的“理论”，在“否定”过程中把现代物理和现代数学中的合理成分与工程实践的感性材料结合起来，从而去创立一种的新的理论体系。这个理论体系实际上是在探索过程中，在我们前面还有一条很长的路要走，这个很长是指不是一个人、一代人甚至几代人所能够完成的。中国人关于用太阳光影子的测量来建立“天时、地利、人和”的哲学体系用了多长的时间？谁也说不清；欧几里德的几何学的建立过程用了多长时间，也是说不清楚的，但是到现在为止还在讨论“空间”是什么样子的，还在“测量空间是怎样扭曲着”？所以对于物质“理念”的建立过程，也会是一个同样漫长的过程。我们希望的只是能够沿着人类思维发展的正确方向来推进我们的知识的发展过程，而不要再一次回到中国几百年前所走的老路上去，那就是在一个把人为的假设当作真理来崇拜的那种僵化思维的道路上去。

杨本洛是研究力学的，他却写了一本电磁场理论的书。这本书受到电磁场理论主流派的排斥，其实他的工作与我这里的工作一样都是一种探索，为什么要排斥探索呢？“科学共同体”实在是“宗教裁判所”在我们这个年代的翻版。但是它与“宗教裁判所”之间有一个差别，那就是在那个年代科学可以看成一个整体，所以“宗教裁判所”有无所不包的无上的权力，而现在科学分成了越来越多的部门，现在的“科学共同体”实际上是不再存在了，存在的只是一个一个科学领域中的“利益共同体”；“理论物理”作为一门寻求物质运动普遍规律的学科，应该密切地与技术发展相结合，但是现在却走上了相反的道路，他们以科学的主流派自居，尽量遏制其它科学领域的介入，实际上最终是竭力阻止“理性与逻辑”的审查与仲裁。但是我相信理性与逻辑的发展是不可阻挡的，像杨振宁教授和陈省身教授所说的，连他们自己也搞不清楚的支离破碎的现代物理学和现代数学决不是一条科学发展的正确道路，最终会在逻辑与理性的审查与仲裁下，否定其中所有的僵化的人为假定，而与技术科学中所获得的实实在在的感性材料融合成一个新的自然科学的逻辑体系。当然，我们否定那个已经僵化的科学体系，绝不是否定曾经为那个体系的建立和发展过程中作出了贡献的前辈科学家。他们是我们的老师，我们要踩着他们的肩膀去攀登，没有他们的肩膀就没有我们的立足点，而且我们实际上还需要与现代的理论物理学家共同来攀登。没有对现代物理学和现代数学中大量的合理内核的吸收和消化，新的理念也是不可能产生的。科学永远只是人类的共同事业。

要建立电磁理论的逻辑自洽的数理逻辑体系是一件复杂的工作，我们从下面四个方面来推进这一工作：一是电磁场理论中的基本的物质模型，这就是关于粒子与波的复杂的物质模型，这也是电磁场理论与牛顿理论体系之间关系的讨论；二是这一模型下的基本数学方法，那就是关于复数的数学体系，和与此相联系的时间和空间的逻辑关系；三是对于空间的矢量函数的数理逻辑体系的讨论，与此相联系的就是电磁问题中的力与质量的讨论。四是带电粒子于波的相互作用和与此相联系的时间的逻辑前提的进一步的讨论。实际上这些问题不仅是工程和技术中的电磁场理论所面临的问题，也是整个现代物理学所面临的基本问题，也是相对论和量子力学所讨论的问题。只是相对论和量子力学是人类对于电磁场与波的还没有足够的感性材料、在数学上也没有相应的数学演绎理念的时期，对于电磁现象，特别是对于带电粒子与电磁波所持有的一种朦胧的认识，一种以猜想和假设为基础的认识。这是人类认识发展所必须经过的一个阶段，但是最后一定要被感性材料和逻辑数学所取代，也就是说要在逻辑和理性的审查下被否定，而被一种真实的、以信息社会提供的感性材料和信息技术所提供的数学逻辑方法之间的合理关系为基础的逻辑自洽的自然哲学体系所代替。虽然在很多问题上我们，这里只是开了一个头，也许需要几代人的反复的探索才能够完成。但是我们相信现在是拨正数理基础理论工作方向的时候了。