1、1辐射量子论与物理学危机第三，当银河系的每一颗恒星都死亡时，就是银河系的末日。 恩格斯的这种观点正是热寂说的要害，下面我们将批判这种观点。先考察另一个领域中的例子。 我们知道，处于“激发态”的单个原子总是倾向转移到“基态”。如果一个原子处于寂静的天空，它或许可以在某一激发态滞留几百天，但终究会达到基态，以后只要没有外界干扰，它就会永远滞留在基态。用亚历斯多德的话来说，基态乃是原子的自然位置，原子总是倾向于走向自己的这一自然位置，这是一种不可逆的进程。另一方面，如果大量相同的单原子分子形成气体，则这些原子的状态经过相互碰撞会形成某种分布，这种分布乃是气体的自然位置，这又是一种不可逆的进程。这里有
2、一个明显的事实：当这种气体达到它的平衡状态时，它的诸原子的状态分布并不是每一个都处于基态。 现在我们转向天体。像太阳这样的恒星的演化有一定方向，按照宇宙学（其中的一种观点） ，它们最终要演化成为2白矮星或中子星这样的星体残核。这种星体残核乃是恒星的演化的自然位置。另一方面，像银河系这样的“宇宙岛”，其中的诸恒星的状态也会倾向于形成某种分布，这种分布乃是该宇宙岛的自然位置。同样明显的事实是：当一个宇宙岛达到平衡状态时，它的诸恒星的状态分布并不是每一个都成了星体残核。 无论是开尔文和克劳修斯的热寂说还是现代的“倒了头”的宇宙热寂说都可以表述为：“整个宇宙将达到其自然位置”，它们的差别仅在于对自然位
3、置的理解不同。但我们已经看到，宇宙分为一些层次，它的各个层次各有其自然位置，特别是我们的太阳系和太阳所属的银河系这两个相邻的层次并没有共同的自然位置，因此不可能有“整个宇宙的自然位置”。 宇宙的各个层次走向其自然位置的趋向都是一种不可逆性。热力学第二定律所表述的不可逆性只是其中的一种，这种不可逆性适用于从气体的诸原子走向对应于气体平衡状态的状态分布，到恒星走向星体残核这一广阔领域（这个领域似乎可以用玻尔兹曼常量来表征）的一切过程。但它不能描写单个原子走向基态的不可逆趋向，也不能描写银河系诸恒星走向对应于整个宇宙岛的平衡状态的状态分布的不可逆趋向。因此，热力学第二定律所表述的不可逆性不适用于“整
4、个宇宙”。 3综上所述，我们得出结论：“宇宙的每一个层次都在走向自然位置，但各个层次走向自然位置的不可逆趋向相互冲突、相互制约，因此任何一个层次都不可能一直滞留在自然位置。 ” 因为对于不同层次，自然位置（即“死寂的永恒状态”）的含义不同，因此从一个层次来说，某物走向自然位置的运动，从另一层次来说，就是该物离开自然位置的运动。因此，如果不指明是相对哪一个层次而言，该物的运动就既是走向自然位置的运动，也是离开自然位置的运动。在这种意义下， G 万物都在走向自然位置，又都在离开自然位置。 然而，恩格斯在导言中却认为星系（例如银河系）的末日将是诸恒星（例如太阳）的先后死亡。他写道：“曾经有一个时期，
5、我们的宇宙岛的物质?发展出两千万个星的种种太阳系，而这些太阳系的逐渐灭亡同样是肯定的。 ”从而为如下问题所苦恼：“辐射到太空中的11 热怎样才能重新集结和活动起来?”这一苦恼的根源就是如下错误的命题：“当银河系的每一颗恒星都死亡时，就是银河系的末日。 ” 从这个例子我们看到，恩格斯也有失误的时候。 然而，恩格斯毕竟是一代宗师，在面对热寂说时，他随4着那个时代的顶尖学者一起误入歧途，但在离开这一专题时，却在无意间提供了解决问题的途径。恩格斯在另一个地方曾经写道：“个别运动趋向于平衡，而整体运动又破坏了个别的平衡。 ”，如果再补充一句：“整体运动破坏个别的平衡，是为了达到整体的平衡。 ”就是对我们
6、的命题 G 的阐述。例如，气体中的每一个原子趋向于达到基态，但气体为了达到整体的平衡，即它的诸原子达到与气体的平衡状态相对应的状态分布，不得不破坏每一个原子都走向基态的趋向。同样，我们银河系的每一颗恒星趋向于走向星体残核，但银河系为了达到整体的平衡，即它的诸恒星达到与银河系的平衡状态相对应的状态分布，不得不破坏它的诸恒星先后都走向星体残核的趋向。 由此可见，在恩格斯的著作中还有许多宝藏等待我们去开发。 7. 结束语 从上面考察的诸问题从各种角度为恩格斯的命题 D 提供了例证：当某一问题超过什么界限时，人们会遇到什么矛盾，形而上学的思维方式怎样使他们陷入困惑，而辩证法又怎样解除困惑。 孤岛上的男
7、孩对“一个人既是儿子又是父亲”一事感到困惑，但只要走出孤岛，他用不着学习哲学，就会很快就会摆脱这种困惑。 5“必然性与偶然性”是辩证法中的主要范畴之一，但学者们似乎并未从自己的专门领域接触到“一件事情既是必然的又是偶然的”这一事实，从而未曾在这里感到困惑。更糟糕的是，哲学家们似乎也从来没有为此感到困惑，他们颇为惬意地写书教导读者们：“世界上某些事情的必然的，另一些事情则是偶然的。 ” 数学家们倒是一开始就知道“一个对象既是集合也是元素”的事实，他们的困惑来自这一事实引起的“不可解决的矛盾”。他们的起点较高，也自己解决了问题。可惜的是，他们似乎从来没有走出自己专门领域的狭小范围。 物理学家至今不
8、知道对于不同层次，自然位置（或“死寂的永恒状态”）具有不同的含义，因此不明白热寂说的困扰来自命题 G。这一隐秘的矛盾困扰了物理学一百多年，许多人前仆后继地寻找出路，可至今还不知路在何方。幸运的是，由于热寂说涉及的是大尺度的时空范围，它所引起的困惑，并没有引起迫在眉睫的危机。 真正使物理学陷入不可解决的矛盾之中的还是普朗克的辐射量子论。 “量子”的问世使物理学家们劈头遇到了“一个过程既是连续的也是不连续的”的事实，从而把自然界的辩证性质以极端的形式展现出来，不容躲闪，不容回避。不幸的是，面临如此危机时物理学的情况却糟糕到了极点：一方面，经典物理学已经积累了大量的错误，有如奥吉亚6斯的牛圈积累了大
9、量的牛粪。另一方面，由于物理学家们一直坚持着一种极为狭隘的思想方法，并且为此而固12 步自封、自鸣得意。 在物理学之外，情况又怎么样呢？ 数学家们诚然已经对过去的数学作了初步的大扫除，从而不再像物理学那样到处都是极为初等的错误，但从他们对“罗素悖论”的惊慌可以看到，他们也远没有掌握辩证法。再看看哲学方面的情况。黑格尔的逻辑学虽然集辩证法之大成，但这一著作对物理学家们无异于“无字天书”。恩格斯诚然把黑格尔的辩证法大大地通俗化了，但也远没有被广大的物理学家们所接受，从恩格斯对热寂说的批判我们看到，即使他能活到 1900 年以后，凭他对物理学和辩证法的认识，也未必能立刻解除危机。更不幸的是，早在18
10、95 年，这位人类思维的天空中的巨星就已经陨落。 由此可见。无论从物理学自身还是从它的外部条件来看，“量子”的问世都预示物理学将大难临头。 Radiation Quantum Theory and Physical Crises Abstract：Radiation quantum theory is traced back to two premises as follows: Firstly, the radiation of material is the superposition of the radiations of the atoms. Secondly, 7the radia
11、tion of a single atom is an instant event. Therefore, this theory is brought into the frame of classical physics again. Also, the infiltration on each other for continuity and discontinuity is revealed. Afterwards, illustrating of the generation in family as well as the grade in necessity, the admin
12、istration structure of natural world is explained. Finely, start off this structure, two knotty problems in science: the antinomy in mathematics and the heat death theory in physics is examined. To sum up, it is indicated that physics should be faced with imminent disaster because that the quantum c
13、omes out. Key words: classical physics; radiation quantum theory; continuity and discontinuity; metaphysics; positivism philosophy; dialectics; contingence and necessity; administration structure; antinomy; heat death theory. 13 我的私人物理学 谭天荣 发表于 - 2009-2-15 17:29:00 1. 引言 我今年 74 岁，似乎该好好回顾一下自己的一生了。我没有
14、家庭，没有财产，也没有“成功的事业”，然而我还是有一件难以割舍的东西，我一直戏称它为我的“私人物理学”。81956 年，我是北京大学物理系三年级的学生，我们年级的电动力学的老师有一次说到：“波动方程的超前解违背因果律，因此我们放弃这个解。 ”我觉得难以接受：波动方程的一个解怎么能说放弃就放弃呢？如果“超前解”违背因果律，那一定是它的“定解条件”有问题，我们就该弄清楚到底出了什么问题。于是我没日没夜研究波动方程达半年之久，终于得出结论：“超前解”描写一个特殊的波动过程，并不违背因果律。当我沿着这个方向继续探讨时，惊讶地发现在原子的有核模型中，电子绕原子核旋转并不与经典物理学相矛盾，这是我的私人物
15、理学的起点。 到今天，五十多年过去了，我的私人物理学已经初步成型，它到底是怎么回事呢？我的回答是：我按照爱因斯坦建立相对论的精神，重建了量子力学。那么，什么是爱因斯坦建立相对论的精神，我又是怎样按照这种精神重建量子力学的呢？我想从一个众所周知的故事开始说起。 2. 相对论与量子力学 19 世纪的最后一天，欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上，英国著名物理学家开尔文男爵（即 W汤姆生）发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说，物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。同时，他在展望 20世纪物理学前景时，却若有所思地讲道： 9“动力理论肯定了热和光是运动的两种方式，现在，它的美丽而晴朗的天空却
16、被两朵乌云笼罩了。 ”不久，开尔文又补充说，这两朵乌云分别是“以太危机”和“紫外灾难”。 “以太危机”是指几个光学实验关于“以太”的结论相互矛盾：按照迈克尔遜和莫雷的实验，相对“以太”运动的物体会带走以太；按照菲左实验，运动的物体将部分地带走“以太”，甚至还给出了“带走系数”；可是，根据“光行差”现象，“以太”却是静止的，运动物体不能带走以太。 为了调解这一矛盾，德高望重的荷兰物理学家洛仑兹提出了时间坐标与空间坐标在参照系变换时的“洛仑兹变换”，并把这一变换理解为“运动物体的机械收缩”；而初出茅庐的爱因斯坦则把“洛仑兹变换”理解为对“伽利略变换”的修正，从而推广了“伽利略相对性原理”。从这一点
17、出发，爱因斯坦建立了“相对论”，用这个新理论统一地解释了引起以太危机的几个实验，同时，还统一地解释了整个宏观物理学。 另一朵乌云“紫外灾难”是指黑体辐射的能量分布中的一个问题。1900 年，德国物理学家普朗克为解决“紫外灾难”而提出了“辐射量子论”。这样，紫外灾难消失了，但新的问题又呈现出来，它就是爱因斯坦的光子论首先表述的光的“波粒二象性”的疑难。当德布洛意14 10提出的电子也有“波粒二象性”的假设并得到实验证实以后，这一疑难成了微观物理学的根本问题。量子力学就是在探讨这一疑难的过程中建立起来的。今天， “哥本哈根诠释”是量子力学的主流，该诠释的中心点是玻尔的“互补原理”，这个“原理”宣称
18、：光或电子在某些实验中表现为波，在另一些实验中表现为粒子，这两种表象互补，就是光和电子的本性。 爱因斯坦的相对论与波尔的互补原理是两种迥然不同的解决问题的方式。为了比较这两种方式，我们不妨提问：第一，如果把玻尔的互补原理应用于“以太危机”，将会建立什么样的理论？第二，如果用相对论解决“以太危机”的精神应用于“波粒二象性”，又该建立什么样的理论？ 玻尔的“互补原理”乃是一个万灵药方，它一劳永逸地消除了作为物理学动力的一切疑难。如果把这个“互补原理”应用于“以太危机”，结论一目了然：“运动物体在某些实验中带走以太，在另一些实验中不带走以太；在某些实验中部分地带走以太，在另一些实验中完全带走以太，这些表象互补，就是以太的本性。 ”如果这一结论在相对论建立以前已经为物理学所接受，高速领域的物理学在那个时候就会停滞下来。 诚然，从表面上来看，这种立足于“互补原理”的关于“以太”的物理学还是会继续“发展”，人们会通过实验事实逐步
