陳 華

(臺州廣播電視大學(xué) 浙江 臺州 318000)

物理常數(shù)是物理學(xué)重要的組成部分，在物理學(xué)中占有特殊的地位，“各種物理現(xiàn)象以各種不同的方式聯(lián)系到有關(guān)的一些物理常數(shù).”[1]物理常數(shù)在物理學(xué)中的重要性，也受到一些哲學(xué)家的關(guān)注，羅素認(rèn)為，“基本物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)和測量是現(xiàn)代物理學(xué)最堅實的成就.”[2]隨著現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展，物理常數(shù)的存因問題越來越受到物理學(xué)家的重視，為此像愛丁頓等一些前輩物理學(xué)家不惜拆諸“數(shù)字學(xué)”[3]，期望從中能發(fā)現(xiàn)物理常數(shù)解釋的端倪；現(xiàn)代一批天才的物理學(xué)家想用弦/M理論構(gòu)建的統(tǒng)一理論，一攬子解決物理常數(shù)的解釋問題.雖然這些工作對物理常數(shù)的解釋不無啟發(fā)，但均沒有獲得顯著的進展.因此有必要做些哲學(xué)上的思考，以厘清對物理常數(shù)的認(rèn)識與解釋上存在的問題.本文擬在這方面做些嘗試，引為拋磚引玉.

1 關(guān)于物理常數(shù)

對什么是物理常數(shù)，恩格斯曾經(jīng)給出過一個定義，即“物理學(xué)的所謂常數(shù)，大部分不外是這樣一些關(guān)節(jié)點的標(biāo)記，在這些關(guān)節(jié)點上，運動的量的變化(增加或減少)會引起該物體狀態(tài)的質(zhì)的變化，所以在這些關(guān)節(jié)點上，量轉(zhuǎn)化為質(zhì).”[4]實際上,恩格斯在這里只是對當(dāng)時已認(rèn)識的物理常數(shù)做的一點哲學(xué)概括，以闡明哲學(xué)的“量變質(zhì)變規(guī)律”.其實在這段話中，恩格斯所指的物理常數(shù)，主要是那些引起物質(zhì)的物性和現(xiàn)象變化的臨界值，如熔點、沸點、汽化點等，所以,他認(rèn)同黑格爾的觀點，認(rèn)為“化學(xué)可以被稱為研究物體由于量的構(gòu)成的變化而發(fā)生的質(zhì)變的科學(xué).”[4]現(xiàn)在看來，更多的物理常數(shù)并不表示物質(zhì)的臨界值，如折射率、電阻率、介電常數(shù)等.從物理學(xué)的角度看，物理常數(shù)就是那些用來反映各種層次物質(zhì)屬性的一些數(shù)值，它們具有一定的穩(wěn)定性，可以用來區(qū)分不同的物質(zhì)及其所在層次，即物理常數(shù)是反映物質(zhì)客體物理屬性不變的或相對不變的數(shù)，它們不僅有臨界值，還有極限值等.

其中k是玻爾茲曼常數(shù)，τ=kT.該式在T足夠大時，可得到CV=3Nk的推論，即杜隆-珀替定律，并解釋了固體比熱在T→0時，CV→0的特性.這個比較粗糙的理論，在物理學(xué)史上，揭開了量子力學(xué)應(yīng)用于固體物理學(xué)的序幕.由此我們可以認(rèn)為,一般物理常數(shù)不是真正的物理常數(shù)，它們可以用量子理論解釋.

因為物質(zhì)本身的復(fù)雜性，以及與環(huán)境相互作用的不易確定性，我們對一般物理常數(shù)的解釋是有限的.如固體間的摩擦因數(shù)μ，雖然我們能夠分析出許多形成摩擦因數(shù)的因素，然而，至今仍無法確定各種因素是如何作用的，主要還是依據(jù)唯像的公式進行測量.這樣做并不影響實際運用，表明物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)及其運動具有宏觀的收斂性，是各層次物質(zhì)存在自身規(guī)律性及其層間偶合不強或脫偶的依據(jù).但畢竟我們已有了原則上的解釋手段，因此，在理論上不必為其煩惱.然而，對于基本物理常數(shù)(以下簡稱“物理常數(shù)”)，也稱普適常數(shù)或自然常數(shù)，卻不斷地困擾著物理學(xué)家，因為“至今還沒有人成功地預(yù)測或解釋過任何自然常數(shù)……”[6]這種情況到現(xiàn)在也沒有多少改變，因此是文章討論的重點.

2 解釋物理常數(shù)的動機

從物理常數(shù)在物理學(xué)中的地位與作用的角度分類，它們大致可以分為三類.

第一類是用來表征特定物理實體屬性的物理常數(shù).這類常數(shù)主要有反映基本粒子性質(zhì)的質(zhì)量、電荷和磁矩等，它們在各種物理規(guī)律中保持不變，描述著構(gòu)成整個物質(zhì)世界基礎(chǔ)的各種基本粒子的性質(zhì).因此,具有深入認(rèn)識物質(zhì)的基本組成、結(jié)構(gòu)與性質(zhì)等作用，并引起物理學(xué)家進一步的追溯.這類常數(shù)可以稱為基本粒子常數(shù).

第二類是用來表征物理現(xiàn)象某一重要特征的物理常數(shù).這類常數(shù)主要反映物理實體(包括4種基本力)的運動、變化，以及相互作用的效應(yīng)與關(guān)系等，如精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)、約瑟夫森常數(shù)、馮·克利青常數(shù)等.它們具有引起深入認(rèn)識物質(zhì)基本運動、變化及其相互聯(lián)系的作用，常引起物理實驗方法的重大改變，拓展物理理論的適用范圍或發(fā)現(xiàn)反常，因此,常令物理學(xué)家感到驚訝.這類物理常數(shù)可以稱為物理效應(yīng)常數(shù).

第三類是用來表征物理學(xué)某一基本理論基礎(chǔ)的物理常數(shù).這類常數(shù)通常出現(xiàn)在物理學(xué)的基本方程或公式中，如萬有引力常數(shù)、光速、普朗克常數(shù)等.它們不僅在不同的物理規(guī)律中保持不變，而且構(gòu)成物理學(xué)理論的基礎(chǔ).對它們的深入認(rèn)識，不僅能夠發(fā)現(xiàn)更深層次的物理理論，而且可以改變物理學(xué)家對于自然的圖景，形成新的自然觀.這類物理常數(shù)可以稱為基本物理方程常數(shù).

上述三類物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或認(rèn)識歷史表明，對物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)或認(rèn)識，即意味著物理學(xué)有新的重大發(fā)現(xiàn)或發(fā)展，它們對物理學(xué)表現(xiàn)出以下幾方面的作用與意義.

(1)基礎(chǔ)性.物理常數(shù)的基礎(chǔ)性，主要表現(xiàn)在兩方面.1)物理學(xué)的每一次飛躍總伴隨著一個重要的關(guān)鍵物理常數(shù)的發(fā)現(xiàn)，如牛頓力學(xué)與萬有引力常數(shù)G有關(guān)；電磁理論及后來的狹義相對論與光速c有關(guān)；量子力學(xué)的產(chǎn)生與發(fā)展與普朗克常數(shù)h有關(guān)，以至于有學(xué)者據(jù)此將物理學(xué)劃分為三個發(fā)展階段.2)物理學(xué)理論的自洽性本身可能并不一定需要依賴于物理常數(shù)，但理論預(yù)言的證實則極度地依賴于物理常數(shù)，因此物理常數(shù)是物理學(xué)理論與實驗之間的橋梁，是物理學(xué)理論可靠與否的基石.

(3)認(rèn)識性.對于物理常數(shù)的認(rèn)識性，首先,表現(xiàn)在物理常數(shù)本身具有潛在的探索價值，需要不斷的認(rèn)識，如對光速的認(rèn)識，人們經(jīng)歷了三次飛躍，而每次“飛躍”都伴隨著物理學(xué)的深刻變化，并引起人們自然觀的改變；其次,表現(xiàn)在物理常數(shù)所具有的認(rèn)識作用，拓展物理學(xué)的研究領(lǐng)域，如電子電量與質(zhì)量的被測量，證實了原子的可分性，使人們對物質(zhì)及其結(jié)構(gòu)產(chǎn)生突破性的新認(rèn)識，開啟對原子結(jié)構(gòu)及其更基本的粒子研究.另外，物理常數(shù)的認(rèn)識作用還與其強烈的反常性有關(guān)，如阿伏伽德羅常數(shù)NA的發(fā)現(xiàn)，曾遭到道爾頓等當(dāng)時著名化學(xué)家的強烈反對；普朗克常數(shù)h的發(fā)現(xiàn)，連普朗克自己都長時間不敢相信.

除以上作用與意義外，物理常數(shù)已成為現(xiàn)代計量學(xué)的基礎(chǔ)，而這些均建立在物理常數(shù)的恒常性與普適性的特征之上.然而，物理學(xué)家既不放心物理常數(shù)的恒常性，也不能確定物理常數(shù)是否有“普適”范圍，因此物理常數(shù)的成因問題自然成為物理學(xué)家苦苦思索的問題.為此,物理學(xué)家不斷提高物理常數(shù)的測量精度，以便從中發(fā)現(xiàn)蛛絲馬跡，并將目光從實驗室投向宇宙空間，探測宇宙早期的信息，但至今仍不能確定物理常數(shù)是否變化，是否有普適范圍.在測量的基礎(chǔ)上，他們更希望能發(fā)現(xiàn)第一性原理[9]，由第一性原理給出物理常數(shù)的完美解釋.

3 物理常數(shù)解釋的幾種嘗試

對物理常數(shù)的關(guān)注與重視，大致開始于20世紀(jì)初，特別是在量子力學(xué)建立之后.當(dāng)時對已發(fā)現(xiàn)的物理常數(shù)，物理學(xué)家已有精確測量的要求和整理分類的需要，而鑒于物理常數(shù)在物理學(xué)中起到越來越重要的作用，如何解釋與預(yù)言它們，則更成為自那以后各代物理學(xué)家要解決的重要問題之一.以下是其中較為典型的幾種.

3.1 從數(shù)字本身尋找物理常數(shù)的解釋

數(shù)字自古就能喚起人們某種神秘的心理反應(yīng)，用數(shù)字猜測命運是其中較為典型的表現(xiàn)，這種迷信方法，在現(xiàn)代世俗生活中仍有殘余.在科學(xué)史上，有著神秘主義傾向的古希臘畢達(dá)哥拉斯學(xué)派認(rèn)為“萬物皆數(shù)”，他們對“數(shù)”產(chǎn)生極度虔誠的信仰，這在今天看來有些可笑.然而，就是這一個學(xué)派奠定了現(xiàn)代數(shù)學(xué)的基礎(chǔ)，并發(fā)現(xiàn)具有后來物理學(xué)數(shù)學(xué)化特征的諧和音程與不同弦長之間有整數(shù)比例的關(guān)系，被人們稱為畢達(dá)哥拉斯律制.因此,如果剝?nèi)?shù)字的迷信部分，以及對數(shù)字的實在化問題，對數(shù)字本身的分析也可算作一種研究和解決問題的方法.部分物理學(xué)家結(jié)合自身的研究經(jīng)驗，就曾運用這種方法，試圖對物理常數(shù)進行解釋，如愛丁頓以其對相對論的熟悉與偏好，通過對四維空間的大膽構(gòu)想，對精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)進行了被同行斥之為“數(shù)字學(xué)”的分析，認(rèn)為

3.2 運用組合法獲得物理常數(shù)的解釋

3.3 用人擇原理對物理常數(shù)進行解釋

人擇宇宙的思想可以追溯到上千年前的古代，然而用來解釋宇宙的起源、演化和結(jié)構(gòu)，是由美國物理學(xué)家R·H·迪克在1961年首先提出來的.在迪克人擇理論的基礎(chǔ)上，現(xiàn)在已演化出多個版本，其中主要有弱人擇原理與強人擇原理，前者即是迪克的人擇宇宙理論，后者由英國物理學(xué)家B·卡特提出.弱人擇原理認(rèn)為，在一個大的或具有無限空間和時間的宇宙里，只有在空間和時間有限的一定區(qū)域里，才存在智慧生命發(fā)展的必要條件.根據(jù)弱人擇原理由智慧的演化的必要條件，估算了宇宙大爆炸發(fā)生的時間，并成功地推算出狄拉克的“大數(shù)假設(shè)”.強人擇原理認(rèn)為，存在多個宇宙或單一宇宙的多個不同區(qū)域，在我們的宇宙或區(qū)域中之所以有這些巧合的常數(shù)，是因為只有當(dāng)這些常數(shù)具有現(xiàn)在為我們的實驗所測得的數(shù)值時才會有人類存在.由強人擇原理出發(fā)，物理學(xué)家們驚奇地發(fā)現(xiàn)，原子和分子的結(jié)構(gòu)幾乎完全由電子和質(zhì)子的質(zhì)量比，以及精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)來控制[12]，它們稍微有點變化，有序的分子結(jié)構(gòu)就不存在，生命需要的碳原子就不穩(wěn)定，DNA的復(fù)制就會消失，恒星不能夠燃燒氫和氦……以至于霍金驚呼：“這些數(shù)值看來是被非常細(xì)致地調(diào)整到使得生命的發(fā)展成為可能.”[13]然而“人擇原理”只是對觀察結(jié)果的可能推測，而不是物理學(xué)解釋，甚至與解釋物理常數(shù)沒有關(guān)系，因為它不能導(dǎo)致建立關(guān)于物理常數(shù)的物理學(xué)方程，并給出預(yù)言.

3.4 尋求統(tǒng)一理論對物理常數(shù)的解釋

統(tǒng)一理論的建立，必以某個第一性原理為前提，因此，統(tǒng)一理論可以為物理常數(shù)提供完美的解釋，所以霍金說：“也許有一天，我們會發(fā)現(xiàn)一個將它們所有都預(yù)言出來的一個完整的統(tǒng)一理論”.[13]在各種統(tǒng)一理論中，弦/M理論無疑是最受物理學(xué)家追捧的.從弦理論到M理論，已經(jīng)過二次革命.第一次革命是在1984年秋提出超弦理論，解決了弦理論存在的25維、快子和強子無質(zhì)量等問題，但不久就發(fā)現(xiàn)在10維空間里，超弦存在著5個相對獨立的且和諧的理論，對它們使用卡丘空間處理了額外的6維后，每個超弦理論仍需要標(biāo)志不同幾何特征的數(shù)百個常數(shù)，因此不但不能解釋物理常數(shù)，反而使問題變得更加復(fù)雜.第二次革命發(fā)生在1995年，著名的美國物理學(xué)家威藤在一次洛杉磯弦論會議上提出了一個用有著11維的M理論，來統(tǒng)一5個超弦理論設(shè)想，并認(rèn)為它們其實是同一個理論，然而直到現(xiàn)在也沒有建立起合適的物理學(xué)方程，產(chǎn)生任何可觀察的實驗預(yù)言，因此，也不能給出物理常數(shù)的解釋.對此美國物理學(xué)家L·斯莫林認(rèn)為：“M理論的關(guān)鍵問題就在于尋找一種能與量子力學(xué)理論和背景獨立性相容的形式……遺憾的是，這方面幾乎沒有什么進展.有一些迷人的線索，但我們還不知道M理論是什么.”[14]因此，物理學(xué)家對弦/M理論產(chǎn)生了懷疑，他們被分為樂觀派和悲觀派，其中不乏反對的聲音.

4 對物理常數(shù)解釋問題的初步討論

伽莫夫曾說過，對物理常數(shù)的認(rèn)識便構(gòu)成未來物理學(xué)[3].對物理常數(shù)的解釋的困難，表明我們對物理常數(shù)還存在嚴(yán)重的認(rèn)識問題，這就需要對“什么是物理常數(shù)的解釋”，“物理常數(shù)能不能解釋”，“怎樣才能解釋物理常數(shù)”等基本問題進行討論.

4.1 對物理常數(shù)解釋的理解

4.2 物理常數(shù)可能被解釋的理由

根據(jù)前文討論，物理常數(shù)能否被解釋，關(guān)鍵是能否發(fā)現(xiàn)第一性原理，形成更深層次的理論，為物理常數(shù)提供動力學(xué)解釋.因為同一層次的物理常數(shù)盡管可能自洽，但不可能得到前文所討論的解釋.然而物理學(xué)家也注意到，每一次更深層理論的發(fā)現(xiàn)，往往因為新的粒子或現(xiàn)象等的發(fā)現(xiàn)，又會帶來新的常數(shù)，如此往復(fù)，要獲得物理常數(shù)的最后解釋似不可能，除非能夠建立終極理論——統(tǒng)一理論.對此，有必要對現(xiàn)代物理學(xué)做點粗略的考察.

隨著量子理論、非線性等復(fù)雜物理學(xué)的研究發(fā)展，以及對不同層次物質(zhì)存在的脫偶現(xiàn)象的認(rèn)識，使得物理學(xué)也采用生成論、整體論和層創(chuàng)論[15]等方法進行研究，但還原論仍是物理學(xué)研究的基本方法.還原論是基于復(fù)雜性背后存在簡單性的信仰形成的基本物理方法，物理學(xué)家期望用該方法，獲得關(guān)于物質(zhì)世界的最基本的基元及其相互作用的關(guān)系，然后建立統(tǒng)一理論.目前雖然關(guān)于是否存在最基本的物質(zhì)基元，物理學(xué)界仍在爭論，但像溫伯格等物理學(xué)家贊同“并非所有的粒子都是相等的”[16]觀點，認(rèn)為存在一些基本粒子，如光子、中微子、夸克等，而其余的基本粒子是它們的復(fù)合物，這個理論在眾多場合非常有效.但是幾十年來，物理學(xué)家并沒有探測到自由夸克.盡管對此現(xiàn)象有非阿貝爾規(guī)范理論的漸近自由說可以解釋，但還沒有得到實驗證實.不過以還原論的觀點，我們還是可以認(rèn)為該理論最接近事實.這樣自然要追問，那些更基本的粒子是否有相同的起源？這可能是現(xiàn)在許多物理學(xué)將基本粒子統(tǒng)一到“弦”的原因，在他們看來，各種基本粒子就是“弦”振動的各種模態(tài)，由此傳統(tǒng)的物質(zhì)概念將被消解為“無”，用朱清時院士的話說(2009年的一次講演)，就是物理學(xué)進入了“自性本空”的階段，只剩下“事物間的關(guān)系”，即哲學(xué)家說的“關(guān)系實在”，由此“弦”難免不進入“玄”境.好在物理學(xué)的研究途徑并非只有弦/M理論，宇宙大爆炸學(xué)說、量子規(guī)范場理論及其相關(guān)的測量與實驗，已觸及基本粒子形成的原因，早期“宇宙可能曾發(fā)生過相躍遷”[16]，物理學(xué)家已開始關(guān)注和猜測1032K時宇宙的狀態(tài)(在那里粒子的意義將不存在)，并與宇宙大爆史有關(guān)的已發(fā)現(xiàn)或待證實的殘跡相聯(lián)系，如宇宙背景輻射、暗能量和暗物質(zhì)等.

由于物理學(xué)是從對宏觀物質(zhì)研究開始到分子、原子，現(xiàn)在已進入基本粒子層次.從每一層次的理論可以為上一層次理論提供解釋來看，我們可以猜測，物理常數(shù)的最終解釋將在于基本粒子形成理論的發(fā)現(xiàn)，在那里盡管還可能存在某些自由參數(shù)，那也將是數(shù)量不多，而且是可以討論的，物理學(xué)也將在那里達(dá)到統(tǒng)一.因此，解釋物理常數(shù)與統(tǒng)一理論的建立具有同一性.我們有理由相信物理常數(shù)可以解釋，雖然可能正如康德所認(rèn)為的“心靈獨特的活動是綜合并統(tǒng)一我們的經(jīng)驗”，[17]物理學(xué)的發(fā)展也表明自然比人的想象更豐富，但這就是物理學(xué)的認(rèn)識之路，除非有一天統(tǒng)一之路被證否.

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4.3 物理常數(shù)可能被解釋的邏輯

物理常數(shù)解釋的邏輯，本質(zhì)上也就是物理學(xué)研究的邏輯.由于物理學(xué)研究物質(zhì)世界最基本的規(guī)律，因此，當(dāng)對它的基本問題進行研究時，某些哲學(xué)觀念就會呈現(xiàn)出來，前文提到的“第一性原理”就有著哲學(xué)中的“本體”意蘊，一不小心很容易讓人滑入形而上學(xué)的思辨.因此，盡管有對物理常數(shù)解釋的各種推測與設(shè)想，具體解決問題還要回到物理學(xué)的研究邏輯，其中主要有以下幾方面.(1)更深層次物理學(xué)理論的發(fā)現(xiàn)發(fā)生在已有理論的適用邊界上.這時，有充分的觀察數(shù)據(jù)或發(fā)現(xiàn)大量的反?，F(xiàn)象，為此，多數(shù)物理學(xué)家開始進行新理論的建構(gòu)，甚至有局部的合理的理論出現(xiàn).(2)在大量觀察數(shù)據(jù)或反常現(xiàn)象出現(xiàn)的基礎(chǔ)上，新物理理論的建立，通常還要等待某些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的發(fā)現(xiàn).如狹義相對論中光速不變性的發(fā)現(xiàn)，量子力學(xué)中作用量子的發(fā)現(xiàn)等.目前相對論與量子理論盡管存在一些理論問題，但并沒有走到理論的適用邊界，因此它們的統(tǒng)一問題，有待于進一步的反常發(fā)現(xiàn)，以發(fā)現(xiàn)“關(guān)鍵環(huán)節(jié)”.(3)尋找“關(guān)鍵環(huán)節(jié)”，要物理理論為物理實驗提供可操作的預(yù)言，同時物理理論要接受物理實驗的檢驗，并在此過程中產(chǎn)生思維方式的飛躍.因此，建構(gòu)物理理論只是現(xiàn)象，本質(zhì)上是物理理論與物理實驗辯證運動的結(jié)果，是思維對現(xiàn)象背后實在的把握.正因為這樣，基于不同物理思想建立的物理理論，可以殊途同歸，如海森伯、薛定諤與費曼等人不同的量子力學(xué)程式的等效性即是例證，這是物理學(xué)理論具有客觀性的基石.

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