物理學(xué)中的理性和感性

曾 光

（贛州市潭東中學(xué)，江西 贛州 341400）

一、物理學(xué)的“主觀理想”

在各種物理試題中，我們常?？吹皆S多理想化的語(yǔ)言，這些特定的限定往往是為了適用于某些物理定律。如“光滑的平面”表示不需要考慮摩擦力，“剛性球體”就可以看作不損失能量的彈性碰撞，至于“無(wú)限大平行板電容器、理想氣體、無(wú)窮小等分、不受任何外力”，更是明確告訴我們有些因素完全不用考慮。然而，這些不合實(shí)際的假設(shè)恰恰是為了更方便地用理性語(yǔ)言來(lái)描述客觀事實(shí)。

影響一個(gè)事件的因素實(shí)在太多了，于是，物理學(xué)家認(rèn)為，只要抓住關(guān)鍵因素，其他次要因素完全可以忽略。物理學(xué)在處理具體問(wèn)題的時(shí)候，往往會(huì)引入一些主觀臆斷的前提條件，讓問(wèn)題簡(jiǎn)單化。如“質(zhì)點(diǎn)模型”，當(dāng)相互作用物體尺寸和其距離相差足夠大的時(shí)候，物理學(xué)往往忽略物體的形狀和體積因素，而把它理想化成一個(gè)有質(zhì)量的點(diǎn)——“質(zhì)點(diǎn)”。毫無(wú)疑問(wèn)，自然界根本不存在一個(gè)有質(zhì)量無(wú)體積的物體，因此質(zhì)點(diǎn)模型從一開(kāi)始就完全是人們的主觀假設(shè)。

二、物理學(xué)的“投機(jī)取巧”

早期的物理學(xué)處理的問(wèn)題實(shí)際上都是單體問(wèn)題，即研究對(duì)象往往只有一個(gè)，通過(guò)判斷該對(duì)象受到其他物體的相互作用而推測(cè)其可能的運(yùn)行形式。面對(duì)二體問(wèn)題，盡管在數(shù)學(xué)上不存在困難，但物理學(xué)中為了方便，還是常常取二體質(zhì)心作為單體研究對(duì)象。但是進(jìn)一步到三體問(wèn)題時(shí)，物理學(xué)家往往手足無(wú)措，因?yàn)橐雵?yán)格計(jì)算出三體中任何一體的運(yùn)行方式都是非常困難的，而質(zhì)心假設(shè)同樣不夠方便。

例如，太陽(yáng)、地球和月亮構(gòu)成的三體系統(tǒng)，經(jīng)典物理學(xué)往往認(rèn)為月亮質(zhì)量太小，因此計(jì)算地球軌跡只考慮太陽(yáng)引力即可。盡管這種“合理的忽視”可以給出地球公轉(zhuǎn)的結(jié)果，但是永遠(yuǎn)無(wú)法解釋地球上潮汐的形成。再如，固體材料中存在大量的原子數(shù)目。原則上，我們有發(fā)展成熟的量子力學(xué)，它在氫原子這個(gè)單體問(wèn)題上面取得了極大的成功，如果每一個(gè)原子都可以用量子力學(xué)描述，那么一大群原子是否也可以呢？物理學(xué)家通過(guò)一些對(duì)稱(chēng)性分析，發(fā)現(xiàn)固體材料中的原子排列大致可以分成14 個(gè)大類(lèi)、230 個(gè)子類(lèi)，即所謂的14種晶系和230 種空間群。這意味著，原子的排列是有規(guī)律可循的，如果考慮到排列的周期結(jié)構(gòu)，那么就可以大大簡(jiǎn)化固體物理中的復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題。如金屬電子論就認(rèn)為，固體中原子最外層電子不受到原子核束縛，電子和電子之間也不存在相互作用，這些電子以近似自由的形式在周期性排列的原子晶格中運(yùn)動(dòng)，一下子就把復(fù)雜的系統(tǒng)變成了一個(gè)周期性的背景，而研究主題又可以回歸到一個(gè)電子的單體問(wèn)題。不可否認(rèn)，這種感性化的理想設(shè)定確實(shí)取得了巨大的成功，它可以解釋金屬導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的微觀物理本質(zhì)，現(xiàn)代半導(dǎo)體技術(shù)乃至信息革命都以此為基礎(chǔ)，但一旦電子和電子之間存在很強(qiáng)的相互作用，那整套理論就完全失效了。

三、物理學(xué)的“理所當(dāng)然”

現(xiàn)代物理學(xué)的基本規(guī)律告訴我們對(duì)稱(chēng)性和守恒律的重要性，每一個(gè)對(duì)稱(chēng)性對(duì)應(yīng)著一種守恒律，反過(guò)來(lái)，每一條守恒律都意味著存在一種對(duì)稱(chēng)性。在處理對(duì)稱(chēng)性和守恒律的問(wèn)題上，物理學(xué)非常喜歡理所當(dāng)然的事情，能量守恒定律，至今仍然是物理學(xué)基本規(guī)律之一。在早期的粒子物理學(xué)中，人們想當(dāng)然地認(rèn)為所有粒子相互作用過(guò)程都需要滿足宇稱(chēng)守恒定律，即給這組相互作用粒子照鏡子的話，鏡子里面發(fā)生的事情和鏡子外應(yīng)該得到一樣的結(jié)果。然而，越來(lái)越多的物理事實(shí)開(kāi)始質(zhì)疑這個(gè)假設(shè)的準(zhǔn)確性。楊振寧和李政道敏銳地意識(shí)到這個(gè)錯(cuò)誤并大膽地從理論上論證了弱相互作用過(guò)程宇稱(chēng)不守恒的可能，隨后，吳健雄精巧的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這個(gè)推測(cè)，一條“金科玉律”就此被打破。如最早發(fā)現(xiàn)的超導(dǎo)材料都是金屬單質(zhì)或合金，但導(dǎo)電性極好的金、銀、銅卻無(wú)法在低溫下超導(dǎo)。相反，1986年發(fā)現(xiàn)的銅氧化物高溫超導(dǎo)體，盡管其母體本身是絕緣體，卻可以實(shí)現(xiàn)高溫超導(dǎo)電性。同樣地，多年的超導(dǎo)材料探索經(jīng)驗(yàn)似乎告訴我們，鐵這類(lèi)磁性元素對(duì)超導(dǎo)有極大的破壞作用。然而，2008年發(fā)現(xiàn)的鐵基高溫超導(dǎo)材料打破了這個(gè)固定思維。在新材料探索過(guò)程中，往往充滿各種打破常規(guī)思維的偶然性，這些意外的收獲，正是科學(xué)研究的樂(lè)趣之一。

四、物理學(xué)的“好大喜功”

物理學(xué)既然號(hào)稱(chēng)“萬(wàn)物之理”，在許多方面都想盡可能地建立一個(gè)“完善”的理論體系，有一種不達(dá)目的不罷休的“好大喜功”的傾向。在量子力學(xué)建立之初，玻爾和愛(ài)因斯坦之間關(guān)于量子力學(xué)是否完備的爭(zhēng)論一度動(dòng)搖堅(jiān)持量子論的人們的信念。為什么一套新理論一定要完備描述我們的物理世界呢？歸根結(jié)底還是物理學(xué)家們希望建立的理論是“完善”的，甚至是“無(wú)懈可擊”的。不少人仍然認(rèn)為量子力學(xué)和相對(duì)論推翻了整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)。實(shí)際上，量子論和相對(duì)論是建立在經(jīng)典物理學(xué)大廈基礎(chǔ)之上的，只不過(guò)把經(jīng)典物理學(xué)的視野拓展到了微觀世界、近光速狀態(tài)乃至宇觀世界。之前，經(jīng)典物理學(xué)在這些方面過(guò)于粗糙地“想當(dāng)然”，以至于在認(rèn)識(shí)上不是很準(zhǔn)確。任何一個(gè)理論，都有它的適用范圍，其根本原因就是建立理論時(shí)的幾條基本原理假設(shè)，離開(kāi)這個(gè)范圍討論的物理學(xué)，一定要慎之又慎。在凝聚態(tài)物理學(xué)中，也存在類(lèi)似問(wèn)題，傳統(tǒng)的朗道費(fèi)米液體理論確實(shí)解釋了許多重要的物理問(wèn)題，但是它面對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)時(shí)就失效了。在粒子物理學(xué)中，人們花了多年時(shí)間建立了粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型，并耗費(fèi)巨資去尋找最后一個(gè)粒子——希格斯粒子，目標(biāo)就是證明標(biāo)準(zhǔn)模型是完備的，或者說(shuō)是“對(duì)的”。然而，標(biāo)準(zhǔn)模型之外呢？是否還存在其他粒子不能被標(biāo)準(zhǔn)模型描述？沒(méi)有人可以給出肯定答復(fù)，這也是為何大型加速器物理的研究不會(huì)因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)希格斯粒子停止腳步，相反，人類(lèi)探究未知的好奇心將會(huì)一直延續(xù)下去。我們不知道走到最后的“萬(wàn)物統(tǒng)一理論”能否為我們理解這個(gè)世界帶來(lái)巨大的幫助，然而可以肯定的是，即使你知道這個(gè)理論，也未必能夠看清楚世間一切。就像即使你知道寫(xiě)固體材料中每一個(gè)電子的薛定諤方程，卻無(wú)法精確預(yù)言它們的集體量子行為。這也預(yù)示著，即便走到了“萬(wàn)物之理”這一步，也不會(huì)是物理學(xué)的終結(jié)，而不過(guò)是一個(gè)小小的里程碑。

總之，物理學(xué)的“感性”是人們?cè)谠噲D用“理性”來(lái)理解我們的世界過(guò)程中形成的各種思維和處理問(wèn)題的習(xí)慣?！案行浴钡拇嬖诓⒉徽f(shuō)明物理學(xué)過(guò)于“情緒化”而顯得不可信，事實(shí)上，“感性”從另一面彰顯了“理性”的必要性和局限性?！案行浴焙汀袄硇浴钡臎_突說(shuō)明，理解世界既是一件有趣的事情，又是一件非常困難的事情。