物理学需要开辟新路<%=id%>

　　番山科学会议第242次学永讨论会，最近在北京胜利闭幕，会议主题是“宇航科学前沿与光障问题”。这是在科学发展的重要时刻、探讨关键问题的一次重要学术会，具有历史里程碑的意义。联合国教科文组织《1998年世界科学报告》中指出：“爱由斯坦的理论(相对论)和量子理论是二十世纪的两大学术成就。遗憾的是，这两个理论迄今为止被证明是对立的。这是一个严重的障碍。”其实并不只是相对论与量子理论被证明是对立的，更重要的是，不论相对论还是量子理论都是与宏观理论相对立的，只不过物理学界早把宏观物理学从物理理论中排除了(认为它是相对论的近似或量子理论的近似)。他们热衷的只是寻找相对论与量子理论的结合，而把人类几千年发展过程中所由直接经验所积累起来的知识和形成知识基础的逻辑排除在一边，不是一条科学发展的明智途径。整个20世纪物理世界被分割为微观世界、宏观世界和宇观世界三大块，它们各自独立地发展着：有各自妁逻辑前提、各自的研究方法和对于物理世界的各自的基础规律。联合国教科文组织在世纪之交指出这一“严重障碍”，这就说明，现在这一状况不仅已经成为科学发展的严重障碍，同时也已有了克服这一障碍的客观条件，那就是工程技术科学的发展跨越了三个物理世界之间的交界线，积累了大量的感性材料：如宏观电磁场理论的发展已经彻底改变了20世纪初期对光的认识，对光速也有了完全不同于爱因斯坦时代的理解；激光技术的发展使得计时达到了极高的精度，以前用一句 “宏观理论是相对论的一种低速下的近似形式”，就可把两者的逻辑体系上的矛盾轻易掩盖过去，如今测时精度已经可以直接检验这两者的真实关系了；航天和信息科学的发展更使时间和空间概念已经不再是理论物理学家在象牙之塔上争论的虚拟命题，而成了与成千上万人的生产、生活和安全密切相关的问题。爱因斯坦对牛顿说的那段请牛顿原谅的著名的话时所指的“离直接经验较远的概念”，现在已经或正在变成“与人类的生产和生活息息相关的”直接经验了。但是由于在这些交叉领域之间存在着相互矛盾的理论，使建立这些感性材料之间的正确关系处于亟待解决而又无从下手的境况。要建立能够解释交叉领域技术实践中获得的感性材料，并指导这些领域的技术发展，就必须把三个不同世界中的理论逐步统一起来，建立一种能够符合不同尺度的物理世界的完整的科学理论。而这次科学讨论会正是在这关键时刻，由来自这三个不同学术领域的科学家一起，来讨论这样一个关键问题。
　　这次会议中讨论的。属于不同物理世界范畴的交叉性问题有：如量子光学与宏观电磁场理论，量子理论与宏观的信息理论，狭义相对论中质量—速度关系与经典电子学、流体动力学中波与实体物质相互作用理论和实践，狭义相对论中的时空关系与宇航、计量科学中的时间测量和定标问题等等。通过广泛而热烈的讨论，不同研究背景的科学家从各自的实践和不同的理论体系畅所欲言，发表自己的意见，既有激烈的争论又有沟通后的理解与共识，从争论、交流中学到很多平时难以学到的东西。
　　每当科学处于十字路口的时候，科学理论上的激烈争论不仅涉及科学自身，也会影响到哲学上和人类意识形态上的分歧和斗争。这一次与以前的几次科学历史性争论的情况大不同了：前两次的人类科学大争论中，中国人沉睡在封建礼教的迷梦中，做着天圆地方、天不变道亦不变的美梦，这一次有中国人参与了，这是历史悠久的文明古国在21世纪重新崛起的先兆。作为一名工程技术科学工作者，我觉得需要很好地重新认识与理解爱因斯坦相对论对于科学发展的历史作用：它到底真正解决了那些物理问题?为什么能成功解释一些现象?到底在什么范围内、什么意义上和怎样解释了那些以前得不到解释的物理现象?
　　我们更应该理解一部分理论物理学家是从什么地方失足的。霍金说：“我认为，无论是爱因斯坦还是别的什么人在1905年都会意识到，相对论这种新理论是多么简单而优雅。他完全变革了我们关于时间和空间的观念。这个例子很好地阐明，在科学方面很难成为实在主义者。因为我们认为实在是以我们所采用的理论为前提的。”这就是为什么某些现代物理学家会像一些不负责任的商人推销劣质商品那样，把广义相对论当作能够成批生产劣质理论的机器。随着技术和生产的发展，20世纪以来人类获得了大量感性材料需要分析、研究。这些感性材料来自整个人类社会的生产实践，而不是那些多么优雅的理论。我相信广义相对论只要用c这个常数作为时间和空间之间联系的唯一桥梁，尽管它也可能得到某些有意义的近似物理关系，但是它终究不会是真实的物理理论。
　　国际计量组织已经重新规定了一个作为计量标准的光速。爱因斯坦当时所理解的光速实际上已经不复存在了，因为从理论上那是一个测不准的量。国际计量组织所定义的光速实际上是极限意义上的光速，它是真空中平面波理想情况下光的传播速度。但在自由空间中平面波实际是不存在的，所以这个频率乘以波长的光速严格意义上应是频率乘上真空中两个相邻等相位面间的最短距离。从物理上或逻辑上我们实在看不出这个物理量会成为主宰自然界物理运动规律的理由。当然，由于这个常数在目前是可以测量到的把时间与距离联系在一起的最精确的数，把它用作计量标准是合适的。由于光是迄今为止人类传递信息的基本工具，因而在人类获取信息中有特殊的重要性，在我们还不能从逻辑上把时间和空间联系起来的时候，用光速把它们联系起来，通过研究时空关系的数学性质，也许可以得到一些在特定范围内有近似意义的规律，但只能是近似的关系。而且是在特定范围内的，因为即使在真空中电磁波也并不是严格以c传播的。
　　正像学术讨论会上林金教授所指出的，在卫星的时间校准中真正有用的还是牛顿时间。不过我想光速c可能仍是一个需要注意的问题，但那不是由于相对论而是由于麦克斯韦的电磁场理论。从现代电磁场理论，我们已经知道自由空间中理想的平面波和球面波都是不存在的，所存在的都是从不同天线发出的不同的赋形波束。对于这类赋形波束，在传播的轴线方向上以c传波，在偏离轴线方向上波速一般都要比c大。但是这一差别有多大，是否会对时间的校准产生影响，是需要仔细计算的。这是一个与电波传播中的其他因素一样需要(也是可以)计算的，而不像相对论中的时间那样是没有逻辑依据的。所以物理问题最终还是应该通过分析物质运动规律来解决，而不能从臆造的时间空间来解决。只有从实践得到的大量感性认识中提炼出合适的逻辑前提，才能产生真正有普遍意义的逻辑自洽的科学理论。科学理论不可能来自一个逻辑不自洽的方程式，当然一个逻辑不自洽的方程式在特定情况下，也许会给新理论的产生带来一些启发，指出某种方向，如果把方程式作为产生理论的依据，连客观实在也必须依据它，那么科学的发展必然会失去正确的方向。
　　这次会议只是一个开端，期待着进一步的深入，物理学需要开辟新路。

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