盧力華：二十一世紀物理學的困境與突破

06-28

二十一世紀物理學的

困境與突破

近些年來，物理學界關於物理學的困境和未來的爭論沸沸揚揚，莫衷一是。學界一度認為暗能量、暗物質是21世紀物理學天空的兩朵烏雲，但經過仔細梳理與探究後不難發現，隨著人類對宏觀宇宙和微觀粒子探究的不斷深入，掃清暗能量、暗物質兩朵烏雲的困難在於，突破光速極限和粒子觀的束縛，探究粒子與產生粒子的背景之間的聯繫及轉化機制，進而探究物質進化和宇宙分化的機制和過程。如果這個問題解決了，那麼，就可以將宇觀的問題和渺觀的問題聯繫起來一併解決，徹底掃除暗能量、暗物質這兩朵物理學天空的烏雲。

「兩朵烏雲」所表徵的物理學困境到底是怎樣的困境？走出困境的突破口又在哪裡呢？

其實，物理學的困境來源於哲學的困境。辯證唯物主義認為，物質是世界的本原。這不僅意味著物質是世界的最初原因，也意味著世界是由物質構成的。前者是哲學家們研究的範疇，而後者則是科學家們研究的範疇。哲學家們側重於從物質和世界的關係方面展開研究，科學家們則側重於從物質與宇宙的關係方面進行探究。但這並不影響運用哲學的觀點來分析這個問題。既然物質是世界的構成因素，那麼，物質是怎樣構成宇宙的？物質構成宇宙的機制和過程又是怎樣的？要回答這些問題，我們又不能不首先來分析宇宙和物質的關係以及物質的運動形式和規律。因為正是物質的運動導致了物質的演化和宇宙的分化。辯證唯物主義還認為，物質不僅是運動的，而且具有兩個基本特徵，即時間和空間。也就是說，物質是在一定的時間和空間中運動的。儘管人們似乎逐漸遺忘了辯證唯物主義理論，也淡忘了恩格斯的《自然辯證法》，但是辯證唯物主義關於物質的這些觀點並沒有過時，只是有的需要發揚光大，有的還需要繼續補充和完善，而不是一知半解甚至於誤解了它。

首先，人們對於物質與世界（宇宙）的關係缺乏深刻的認識，常常將二者混為一體而混為一談。事實上，物質就是物質，世界（宇宙）就是世界（宇宙），物質與世界（宇宙）不是簡單的同一關係，而是複雜的對立統一關係，也理應成為哲學的基本問題。物質不等於世界（宇宙）。從二者的關係來說，可以認為物質不僅是世界（宇宙）的本原，更是構成世界（宇宙）的因素（簡稱「構因」）；世界（宇宙）是物質構成的現象（簡稱「構象」）。從數學的角度看，也可以將世界（宇宙）與物質之間的關係定義為集合關係，即世界（宇宙）是物質的集合，物質是世界（宇宙）的要素。什麼樣的物質就構成什麼樣的世界（宇宙），什麼樣的世界（宇宙）也就包含什麼樣的物質。這樣一來，物質和世界（宇宙）之間就建立起了一種相互對應的關係。從科學的角度說，一定的物質形態對應於一定的宇宙形態。原子、分子對應於無機的宇宙，細胞對應於生命的宇宙。只不過因為宇宙中的萬物過於繁雜，使得這種原本簡單的關係變得極其複雜而不易發現了。

其次，物質的演化與宇宙的分化也是既有區別又有聯繫的。一方面，物質的演化與宇宙的分化不是同一碼事，而是一個過程的兩個方面。物質在其演化的歷程中具有不同的形態，我們稱之為物質單元。例如，原子，分子，細胞，人，等等。不同的物質單元對應於不同的運動形式。例如，原子是一種物質單元，它對應於粒子的運動形式；細胞也是一種物質單元，它對應於生命的運動形式；等等。宇宙在其演化的歷程中同樣具有不同的形態，我們稱之為宇宙層次。例如，混沌宇宙，恆星，行星，生物圈，人類社會，等等。不同的宇宙層次對應於不同的天體系統。例如，混沌宇宙對應於初始宇宙系統；原子宇宙對應於星系系統，生命宇宙對應於生物系統；等等。另一方面，物質的演化與宇宙的分化又是同一碼事，物質的演化與宇宙分化具有某種對應關係。物質單元的演化具有進化的特徵，也就是物質單元是從低級向高級、簡單向複雜演化的。在這個演化的過程中，物質單元總是由一個節點（物質的基本單元）經過一系列的過渡環節演化出下一個節點。例如，原子是一個這樣的節點，經過小分子到大分子直到生物分子，最後形成一個新的節點——細胞。同時，宇宙層次的分化也具有進化的特徵，即宇宙層次是從單一向豐富、簡單向複雜的演化。同樣，在這個過程中宇宙層次也總是由一個系統（宇宙基本層次）經過一系列的過渡形式演化出下一個系統。例如，原始恆星中合成的粒子形成星雲，經過數代恆星的更迭而演化出具有多種元素原子的行星。有趣的是，物質單元的進化與宇宙層次的分化具有某種對應性，二者的演化本來就是既有區別又有聯繫的同一過程的兩個方面。物質單元的進化導致宇宙層次的分化。即：物質單元的進化是宇宙層次分化的原因；宇宙層次的分化，是物質單元進化的結果。任何物質單元都會對應於一定宇宙層次，任何宇宙層次都有一定的物質單元與之對應。宇宙大爆炸之後是這樣，相信之前也會是這樣。宇宙也好，物質也好，都絕對不會從絕對的「無」中產生出來。而人們在探究宇宙演化的時候似乎忽視了這些，以至於被紛繁複雜的宇宙事件蒙蔽了眼睛，看不清宇宙演化的真相。

再次，黑格爾說過終極原因是相互作用。前面我們討論了物質與宇宙的關係，但究其原因，物質演化與宇宙分化的對應關係還是源自於物質的相互作用。從哲學層面看是物質如何構成世界的問題，從科學層面看是物質如何演化出宇宙的問題。然而從根本上說，宇宙的演化過程事實上是一個物質單元的相互作用導致物質單元進化和宇宙層次分化的過程。但是，這個過程由於宇宙已經演化出相當複雜的狀態，所以貫穿於其間的基本相互作用形式已經被紛繁複雜的現象所掩蓋。總體說來不外乎兩個方面，即同一層次物質單元間的相互作用和不同層次間物質單元的相互作用。前者的相互作用主要包括聚合形式和組合形式。並列形式相互作用是同一層次物質單元間的基本相互作用形式，主要表現為物質單元的聚集，在此基礎上產生的組合形式相互作用，才可能導致更高層次物質單元的出現。後者除了聚合形式和組合形式外，至少還包括包含形式的相互作用。包含形式的相互作用表現為高層次物質單元不僅可以包含較低層次物質單元，而且可以包含它們的相互作用，直到演化出更高層次的物質單元。認識這些規律有助於人們探究物質和宇宙的演化路徑、演化過程和演化規律。

最後，物質的根本特點是運動，同時還具有空間和時間兩個基本屬性。而事實上物質的運動不僅要在一定的空間與時間中進行，而且還要具備一定的運動形式。例如，物理運動、化學運動、生命運動和社會運動，等等。那麼，又是什麼決定物質的運動形式呢？毫無疑問是速度，是物質自身振動的頻率。這裡所說的速度不同於物理學意義上的速度。物理學意義上的速度是相對於物體的空間位移而言的。哲學意義上的速度是指物質單元的不同運動形式所具有的振動頻率，與它對應的是物質單元的生命周期。過去一直把速度作為一個物理學的概念來對待，其實它完全有理由上升為一個哲學上的概念，成為物質的第三個基本屬性。完整的觀點應該是，物質具有空間、時間和速度三個基本屬性，物質的運動是在一定的空間、時間中以一定的頻率（運動形式）進行的。擴展到科學領域，我們在從事物理學研究的時候，不能僅僅從空間和時間兩個維度考慮，還有增加一個維度，那就是頻率。也就是說，任何物理現象，不僅具有一定的時空屬性，同時也具有一定的頻率屬性。宏觀運動的低速性和微觀運動的高速性也正好印證了這一點。事實上，我們通常所說的三維空間中的「三維」，只是空間的三個維度，它們不應該也不能和時間、頻率相互並列。這本是兩個不同層次的概念。物質原本只具有三維，即空間、時間和頻率。這樣，不僅避免了將空間的三個維度與物質的三個維度混為一談，而且也解決了人們在談到四維空間時總是覺得時間一維不能與空間三維並列的尷尬。

只有解決了上述幾個哲學問題，才能幫助人們順利找到走出物理學困境的突破口，並帶來自然科學的又一個春天。第一，確定物質與宇宙的對立統一關係，就會確定物質單元演化與宇宙層次分化的互為因果關係。因果關係始終存在，這樣就否定了無因之果的觀點。任何現象都是因果鏈上的一環，即使存在宇宙大爆炸也是如此。第二，物質演化與宇宙分化的對立統一關係啟示人們，應當自覺地從物質單元與宇宙層次的對應關係中了解宇宙萬物的演化過程和規律，而不是盲人摸象式的摸到什麼就說宇宙是什麼模樣。第三，雖然相互作用無處不在，但是同類物質單元之間的基本相互作用卻並不複雜。正是這些基本的相互作用，才形成了支配物質單元演化和宇宙層次分化的基本規律。一切不同層次的物質單元之間的相互作用規律都是由它們演化出來的。第四，宇宙四維時空觀的說法必須由宇宙三維演化觀取代。宇宙三維演化觀是指宇宙的演化具有時間、空間和頻率三個維度，宇宙即是物質在一定時空中以一定的頻率存在的集合。

對於宇宙時空的研究已經很深入了，但當代科學還是走入了困境。當代科學走出困境的突破口就在於對物質頻率的深入研究和對宇宙時空觀與宇宙頻率觀的整合，以形成完整的宇宙三維演化觀。物質頻率觀是指任何物質單元都具有一定的生命周期，小到基本粒子，大到星系團。宇宙頻率觀是物質頻率觀的整合，研究的是宇宙的生命過程。總之，宇宙三維演化觀應該探究和揭示宇宙中一切物質單元存在的時間、空間和頻率的形式，進而探究和揭示宇宙存在的時間、空間和頻率的形式。

物理學作為基礎學科之一，必須走在前面發揮先驅者的作用。也就是在對微觀物質和渺觀宇宙的探究中，除了考慮時空兩個維度以外，還應該考慮頻率這個維度。物質單元有其自身的時間、空間和頻率形式，宇宙也有其自身的時間、空間和頻率形式，並且二者之間還具有特定的對應關係。例如，一種原子具有它獨特的時間、空間和頻率形式。在它創生之初一定也有某種單純的宇宙層次與之對應。但隨著原子種類的增加，相互對應的宇宙層次不斷疊加，宇宙逐漸變得豐富、複雜了。直到分子、高分子、細胞的出現，一個全新的宇宙層次——生物圈創生了。

如果物理學能夠率先揭示這些，必將帶來其它學科的全面變革。它的意義之大，不言而喻。