宋文淼 （wenmiaosong@gmail.com）　2008.04.21 14:12:17

--《物理学原理（第三卷）相对论、量子力学、数理逻辑》

1.2.1 粒子与场

要研究清楚电磁场理论，或者说要把工程科学的经典电磁场理论与现代物理的量子场论搞清楚，就必须搞清楚粒子与场的问题。现代物理学的发展过程实际上就是一种把“粒子”与“潮合成为一个叫做“量子”的虚妄的、谁也弄不清楚的词来表示。量子原来是一个谁也说不清楚的东西，讲的人多了，似乎就成了一种人人都在争者说的科学名词，其实它依然没有任何明确的内容。然后发展出大量没有逻辑的、因而也没有明确的数学演绎形式的方程式，把那些方程式所得到的结果去进行“实验”，而所有“实验”的结果是一般人所无法感受的，只有再用他们的“假设”下的没有明确性的数学演绎方法，选择他们所需要的某种结果，来宣称他们已经获得了能够解决所有宇宙规律的普遍理论。现代物理学的问题，不在普朗克、爱因斯坦和玻尔的时代；在那个时代他们所提出的“假设”，他们之间的争论，是人类思维和认知过程发展的最宝贵的财富。现代物理学发展而走向僵化是在玻珥以后的年代，两种片面的认识或“假定”被僵化地用一个称为“量子”的词和一个没有逻辑的“几率”的理念统一起来，从此没有再得到过有用的东西。我们可以从爱因斯坦的时间和空间的假设中获得关于发展时间和空间的逻辑理念的启发，从普朗克、爱因斯坦和玻尔对于那些与原子结构相联系的物理实验的解释中得到那些牛顿理论已经完全无法解释的感性材料，他们对此所作的理论解说虽然并不完善，但是对于建立完善的理论是不可缺少的发展过程，我们还可以从“测不准原理”中获得数理逻辑发展的启示，最后我们也可以从玻色和费米两种粒子的概念中获得物质多样性的启发，实际上玻尔的量子数和玻色提出、并得到爱因斯坦的支持所确立的自旋量子数，都是人类认识物质世界复杂性过程中最伟大、最有意义的感性材料，虽然它们的理性的表达形式不完善，它们都是发展和建立自然科学理论所不可缺少的基矗所以不论相对论还是量子力学都是人类认识大自然的复杂的物质运动规律所不可缺少的过程。但是自从玻珥提出了对于量子现象的几率解释以后，特别是把广义相对论和量子力学结合为一个广义相对论量子力学以后，情况就不一样了，他们认为已经找到了一个人类知识的“源”了。从此以后理论科学的主流就走上了反科学的道路，只能给人们带来愚昧和无知。

但是我们一定要分清整个现代物理和现代哲学与那些打着主流派的旗号吓唬人的那些人，现代物理和现代哲学，还是为人类积累了不少有用的感性材料和思维方式。现代物理的实验中有的大多数感性材料都是极为宝贵的，如哈勃关于宇宙星体的原子光谱红移的实验，只要不把它加上错误的理论结论，实际上是人类认识遥远宇宙中运动体发射的电磁波的最重要的感性材料；粒子物理的实验，只要有了对于粒子测量手段的正确的物理认识，就是极宝贵的实验材料。一些有远见的西方的现代哲学家也是我们时代的先驱，如在杨本洛的哲学著作中所提到的那些20世纪以后的哲学家，和山风网站上陈一文的一些翻译的国外的哲学文章和他自己写的文章，还有我国的哲学工作者在解读杨本洛的逻辑梳理中，所指出的现代哲学中的“计算论”和“物理实体”论的结合的那些哲学思维方法，对于我们探索物理学的方向都是有益的。

在科学的发展过程中，当然不能否定那些“人为的假设”，实际上在没有足够的感性材料的时候，人们总是要依靠某些“假设”来发展思维。在需要打破旧理论框架的束缚时，“假设”就是探索，一些杰出的科学家们的“假设”或“约定”对科学的发展是起着无可估量的作用的。比较一下东西方文明发展的过程，我们都可以看到这一点。科学理念在更新的时期，会出现一些矛盾和混乱的“假设”，这些假设在一定时期能够引导人们去进行新的实践和思维，但是在获得了足够的新的感性材料以后，那些没有实践基础的“假设”都是要被否定的。有一批人热衷于用那些“假设”去制造虚假的“实验结果”，为了制造虚假的实验结果的需要，又不断的发展新的“假定”式的理论，走得越远，它的引导科学发展的作用就越小，而障碍科学发展的作用就越大。

要说清楚这个问题实在不容易，我们已经出版的一本书《信息社会的物理世界——实物与暗物的数理逻辑》想说明的就是这个问题：想用统一概念的“粒子”——具有波粒二象性的“量子”，是不可能说清楚这个物理世界的。必须用两类不同的物质形式才能够描述清楚我们的物理世界。大自然中，并不存在既有波动性又有粒子性的“量子”，任何与量子有关的现象只存在于具有粒子性的“实体物质”和具有波动性的“暗物”的相互作用过程中。我们那里的暗物指的就是波。我们能够看见任何东西，都是实物与暗物(波)相互作用的结果：我们观察到的是实物，而依赖的是暗物(波)。人类对于大自然的任何实验和观察都离不开实物(粒子)与暗物(波)的相互作用。人类的观察总是与于某种空间的局域分布相联系，这种联系性实际上就是把空间的逻辑理念转化为对于某种特殊物体的“映像”，这时，空间不再只是一个存在于人类思维中的纯粹理念，也是所描述物质世界运动过程的一个基本的物理量，即粒子的位置；而只有时间仍保持着只存在于人类头脑中的逻辑基元的性质。但是要完整地认识物质世界的运动形式，只有这一过程还不够，必须在另一过程的相互作用中才能完成。那个另一个过程就是我们对波的作用的认识过程。在那个过程中，时间成了“局域”的，转化为与物理实在相联系的量，而空间成了逻辑基元；要对任何一个为物理过程进行描述，必须有这样两个过程的结合。很多情况下并不用这样的复杂的方法去描述我们的观察过程，那是因为对于我们人类，通过生理功能直接观察的过程中，用的是不相干的原子激发的“不相干光”，它的频率极高，空间分布范围极小，人类的头脑直接进行了对于这种“光波包”与实物之间的相互作用过程的信息处理工作，虽然我们并不清楚人脑是怎样获得这样的能力的，但是生物学家会告诉我们，人类处理自然光信号的能力并不是最高明的，一些动物具有各种更加复杂获取自然光信息的能力，但是也无法搞清楚这一信号处理过程的细节，更无法搞清楚获取那样一些能力的过程。这就是“造物”的过程。在现代信息理论中我们应用了相干的、波长较长的电磁波，就必须进行上面所说的那样的信息处理，也就是说，信息社会已经给我们提供了这样的感性材料。人类确实具有在造物基础上进一步发展我们的实践和思维的“进化”的能力。

要完全说清楚这个问题实在是很困难的，不仅需要理论、需要实验、需要数学和逻辑，更需要打破社会上习惯势力的各种阻力。实际上早期的量子力学中已经提出了“物质多样性”的问题，这就是玻色所提出的一些观念，在爱因斯坦的支持下，得到了当时的“科学共同体”同意建立了关于两类粒子——玻色子和费米子的观念。爱因斯坦从来也不相信以几率波解说为基础的量子力学，但是为了把玻色所提出的那个理念在科学书籍中保留下来，他还是支持了两类粒子性质的理论，把两类粒子用一个整数和半整数的“自旋量子数”来表示，并塞进到相对论量子力学中。这也是爱因斯坦的一个功绩，他的一生不接受把逻辑混乱的理论作为科学的普遍理论，但是为了保留有意义的科学想法，他也会与并不同意的理论体系妥协，他在追求公理体系的过程中，先允许没有逻辑自洽性的暂时的理论存在，然后再去探索逻辑自洽的道路，为了寻找公理，他在晚年不惜否定为他自己获得了最大荣誉的相对论。这就是爱因斯坦与现代物理学的某些人人所完全不同的地方。一些现代物理学家^[7]，在把现代物理学称为基本理论的同时，也都留下了余地，他们把玻尔的氢原子光谱的量子力学的体系称为是一个不自然的体系，但是在加入了薛定谔方程、德布罗意波和波珥的几率波假定后，就认为量子力学是一个基本物理体系了。其实，搞量子物理的人自己都知道量子力学，特别是加上了自旋量子数以后的相对论量子力学和基本粒子物理，不确定性越来越多了，越来越“不自然”了。自旋量子数只是一种没有明确数学运算形式也没有物理实在的依据的符号；谁能看得或描绘得出电磁波(光)的自旋，实际上到现在没有一个人能够描述出电磁波是怎样自旋的，电子是怎样自旋的？

我们这里所讨论的电磁场理论就是要从哲学上和逻辑上讨论关于电磁波的合理的逻辑理念，而不是实际工程应用中的一些具体方法。那些工程应用中的电磁场理论现在实在已经太多了，那是实在无法完全写清楚的。这种哲学上和逻辑上的电磁场理论的观念，与牛顿的理论框架一样，最主要的就是对于物质存在和运动形式的观念。当然这个关于物质存在形式的具体观念是不一样的：牛顿的物质观就是没有结构的物质的“力学质点”的模型，而电磁理论中则必须建立关于粒子和波的两类不同物质模型的观念。当然那种观念依然只是存在于人的头脑中的理想化的理念，但是他像“空间和时间”的逻辑理念那样，组成了一对既独立又可以相互联系的理念。用这样一对理念我们可以获得具有更加丰富的表达能力的数学演绎体系，从而使理论和实践的结果保持更加合理的关系，这种关系的合理程度就是信息社会中人们所认可的程度。当然，那也不是十全十美的，但是比现在有哪些理论物理学家所提供的相对论量子力学模型下的合理程度是无法相比的。用粒子和波是两种不同的物质存在和运动形式，来描述这个物质世界已经是我们获得了信息社会所提供的认识世界的新能力，这种能力仍然是有缺陷的，但已经是任何以前的这会所不能比拟的。它有缺陷是因为现在相对论和量子理论依然束缚着人们的思维，一种与此相应的完善的自然哲学体系还没有建立起来，以至于在信息社会的这个特殊的阶段，真实的信息已经快被虚假的海量的信息的所掩没了。这也是现在世界级那样富有，又那样动荡不安的根本原因。

通过信息社会的大量实践，我们已经知道，人类获取知识的基本元素是“数字”而不是“粒子”。我在中国科学院电子学研究所工作了一辈子，从研究生到退休，电子所搞的就是关于电磁波的产生、传播和电磁波信息的处理。但是在现在的世界，这两部分的工作只作为工程技术，而不把其作为理论科学和物理科学。实际上现在人类的实践都离不开电磁波的产生、传播和从电磁波中提劝数字”，并进行信号处理。现代物理学家们离开了人类的观察手段和从这种观察手段所获得结果的描述方法，来研究理论；或者说不是用20和21世纪之交的，而是一直用20世纪初期的对于电磁波的那些粗浅的模糊的认识来谈论物理，指导应用物理学科和理论物理学科。这就造成了两种后果：应用物理和高新技术找不到合适的理论支撑，理论物理缺失了合理的逻辑前提。

我们到知道，当世界僵化于不论东方的盖天说、还是西方的地心说的时候，随着人类实践能力的发展，大家都会感觉到人们对于宇宙的描述与观察到的事实越来越不相符，科学成了玄学。在现代世界中，我们的实践能力提高了，但是我们对于宇宙的描述比中世纪更为混乱和荒谬。其原因只有一个就是我们没有一个符合当前的观察手段的自然哲学的逻辑体系。在我们的观察仅仅靠人眼和自然光的时候，这种波与实体物质之间的相互作用之间的规律，是由造化(造物或进化)直接安放在我们的头脑和视觉系统里了，有了牛顿理论体系，大都说得清楚了；那时所有由电磁波所产生的影响都可以看作是说不清楚的干扰所产生的误差。现在各行各业都用电磁波，这是与自然光有完全不同性质的相干波，要看到真实的情况就必须有关于电磁波理论的合理的思维逻辑的理念，没有对于电磁波产生、传播和数据获取和处理的相应的知识，我们就什么有用的信息也得不到。

没有对于“粒子”(空间局域分布)和波(时间局域分布)的物质多样性的理念，没有对于波和粒子相互作用的知识，我们不可能获得任何关于用电磁波进行远距离观察的正确描述。在二十世纪里，我们已经发展了关于电磁波传播的理论、波与粒子相互作用的理论和数据处理的理论，所以信息社会发展起来了，用一个僵化的“量子”式的“粒子”来描述世界的现代物理学家，对于这些，实际上是什么也看不到的。但是在应用物理中所有的那些理论都是分割成不同分支学科的，没有逻辑自洽的局部的理论知识；那些知识都是在近似理论和实验结果不断的比较和筛选过程中保存下来的，这样的理论自身也不能再向前发展了。这些理论一旦离开实验检验过的那些范围，它的结果一般也是没有价值的。但是现在积累了那么多的工程技术成果的感性材料，那么多的局部理论，应该是建立新的逻辑体系的时候了。当然这需要一个过程，而且这个所谓过程，绝不是一个、两个不管多么大的基础研究项目所能够完成的，也不是单凭一些个人所能够完成的。现在的问题是要拨正自然科学基础研究的方向，通过几代人的努力，才能够实现的问题。要通过理论和应用物理学、数学和逻辑学的结合才能够完成。

信息时代是以数学与物理学的分离为标志的。信息时代人类有了获取信息的巨大的能力，但是没有相应的合理的逻辑前提，信息能力会僵化为制造虚假的工具。现在我所见到的虚拟世界，不论是自然科学的世界，还是人类社会的世界，要远远多于实在的世界；我们的精英们也大多数是虚拟世界中的精英，我们的教育一直主要在培养、造就虚拟世界中的明星和英雄。人类的思维理念(或数学能力)只有通过对于时间和空间这两个来自物理实在的理念(逻辑基元)，才能够描述出物质世界的存在和运动形式。数学必须与物理学相结合，理念必须与逻辑相一致。所以信息时代将在数学和物理学的重新结合中结束。那时候当信息的真伪能够逻辑地得到解决的时候，一些人类更重要的问题将会提到社会事务的核心位置上来。我们相信人类思维的发展不是来源于某些天才人物的假定，而来自理性和逻辑——人类实践和思维能力的历史的积累，这个积累是在对物质世界认识的有层次的发展过程中获得的，在每一个层次上都会有类似时间和空间那样一对理念作为基矗不断在继承的基础上发展理念是人类能够不断保持理论和实践合理关系的基矗

网站简介　投稿指南　特别声明