《现代物理学与东方神秘主义》（4）

阿克

4 新物理学

按照东方神秘主义的观点，关于实在的神秘主义经验是动摇一个人世界观的重大事件。铃木大拙把这称为“人类意识范围内最引人注目的事件……推翻了常规经验的任何形式。”他把这种特点说成是漏了底的桶。
本世纪初的物理学家也有同样的感觉，他们世界观的基础被原子事实的新经验动摇了。海森伯这样写道：
只有当一个人意识到物理学的基地开始移动时，才能理解现代物理学最新发展的强烈影响；这种运动引起的感觉是，这块基地将同科学分离。
爱因斯坦最初接触原子物理学的实在时也体验到同样的冲击。他在自传中写道：


当我竭尽全力想使物理学的基础与这种知识相适应时，我完全失败了。仿佛这块基地同更深的基础分离了，似乎哪几也找不到一个可靠的基础可以把它建立起来。

现代的物理的新发现必然会深刻地改变人们关于空间、时间、物质、因果等概念，因为这些概念对于我们体验世界的方式来讲是带有根本性的。因此迫使物理学家们感到一种冲击也是不足为奇的。这些变化产生了一种截然不同的世界观，它仍然通过最新的科学研究在形成的过程中。
看来东方神秘主义者与西方物理学家有类似的经验。这种经验导致他们以一种全新的观点去观察世界。玻尔说过：
近年来我们经验的大大扩展显示了我们简单的机械观概念的不足之处，其结果是动摇了观察的习惯解释所依赖的基础。
而印度的神秘主义者斯里·奥罗宾多则说过：
事实上所有的东西都开始改变了它们的性质和外貌，一个人对于世界的整个经验完全不同了……这是一种经验、观察、理解、接触事物的新的深刻的方式。

这一章就是要以经典物理学的背景作为对照，勾画一幅关于世界新概念的基本画面，说明在这个世纪初为什么要放弃经典力学的世界观，而量子论及相对论如何迫使我们接受一种更加微妙的“有机”自然观。
经典物理学
现代物理学的发现所变革的世界观是以牛顿力学的宇宙模型为基础的。它象一块巨石一样支撑着整个科学；为自然哲学提供了稳固的基础达三个世纪之久。

在牛顿的宇宙里，所有的物理现象在三维的经典欧几里得空间中发生。这是一种绝对的、静止的、不能变化的空间。在这个物理世界中发生的一切变化都用另外独立的一维，即时间的术语来加以描述。它也是绝对的、与空间无关，从过去到现在，再到将来。

在这种绝对的空间和时间里，牛顿世界的元素就是物质的粒子。在数学方程中则把它们处理成为“质点”。牛顿把所有物质都看成是由这种质密的微小粒子构成。这个模型与希腊原子论者的模型很相似。两个模型都区别实体与真空、物质与空间，都把这些粒子看成有不变的质量与形状。因此质量总是正的。重要的区别在于，牛顿原子论者对于物质粒子之间的作用力作了精确的描述。这种力仅仅取决于质量及相互之间的距离。这就是万有引力；在牛顿看来，这种力把相互作用的物体牢牢地联结在一起，它的作用是超距的、瞬时的。虽然这种假设看起来很怪，但无法作进一步的探讨，似乎是上帝创造了它们。

牛顿力学把所有的物理事件都归结于质点在空间里的运动。为了对此作出精确的数学描述，牛顿只好发明了全新的概念和数学技巧，即微积分学。爱因斯坦把这誉为“个人有幸作出的最伟大的进展。”

牛顿运动方程是经典力学的基础。这是质点运动的规律，一切物理变化都要遵循这些规律。这种机械的自然观是与严格的决定论密切联系在一起的。巨大的宇宙机器似乎是因果完全确定的。这个系统的任何一部分的未来完全可以预测。这种严格决定论的哲学基础就是在我和世界之间可以分割开来，这是由笛卡儿引进的。由于这种分割就可以对世界作出客观的描述。
牛顿力学在18和19世纪获得了极大的成功。牛顿自己利用这种理论解释了行星的运动和太阳系的基本性质。

伟大的数学家拉普拉斯雄心勃勃，要改进和完善牛顿的计算；为太阳系所显示的伟大力学问题提供完备的解，并使理论精确地符合观察结果，使得经验方程在天文学的桌子边没有座位。其结果是浩翰的五卷巨作《天体力学》。它成功地解释了行星、月亮和慧星的运动，详尽到最小的细节，象潮汛以及与引力有关的<敏感詞>现象。

牛顿力学在天文学中的辉煌成功鼓励了物理学家把它推广到流体的连续运动及弹性体的振动，并再次奏效。最后当人们认识到热是由于分子的无规则运动所产生的一种能量后，连热学理论也可以归结为力学。

力学模型所获得的巨大成功使得19世纪初期的物理学家相信，宇宙确实是一个庞大的机械系统。它遵照牛顿力学定律而运行。这些定律似乎是自然的基本定律，从而可以把牛顿力学视为自然现象的本理论。然而，过了不到一百年，发现了新的物理实在，显示了牛顿模型的局限性，并证明了这些性质并不是绝对的真理。

这种认识并不是突如其来的，而是有一定的发展过程，早在19世纪就开始为我们时代的科学革命开辟道路了。这些发展的第一步就是电磁现象的发现和研究，它无法用力学模型作出适宜的描述并且包括了一种新型的力。法拉弟和麦克斯韦迈出了这重要的一步。法拉弟在磁铁附近移动铜线圈产生了电流。他的实验不仅使电气工程技术得以诞生，而且为麦克斯韦完整的电磁理论提供了基础。他们不仅研究电磁力的效应而且把这些力本身作为研究的对象。他们还用力场的概念代替了力，从而首先越出了牛顿物理学的边界。

这是人们关于物理实在概念最深刻的变革。按照牛顿的观点，力是相互作用物体之间的刚性联结。而现在取而代之的场的概念本身就具有实在性，可以不涉及物体而进行研究。这种理论的最高峰被称一为电动力学，它把光看成是交替迅速变换的电磁场，以波的形式在空间传播。我们现在知道，无线电波、光波和X射线都是电磁波，是电磁场的交替迅速变换，只是振动的频率有所不同而已。而可见光只是电磁波谱中很窄的一段。

尽管有这些深远的变革，牛顿力学起初仍然保持着作为所有物理学基础的地位。麦克斯韦本人就力图用牛顿力学的术语来解释场，把电磁波解释成以太的弹性波。以太是一种假想的能充满空间、非常轻的介质。这是一种很自然的想法，因为我们通常经验中的波都是某种物质的振动，如水波是水的振动，声波是空气的振动。但是麦克斯斯韦同时对他的理论作出几种力学的解释，这表明他对哪一种也不是很认真的。他一定直觉地意识到，尽管他没有明确地说明，他的理论的基本内容不是力学模型而是场。
于是在20世纪初出现了两种物理学理论，它们成功地应用了不同的现象。这就使牛顿模型不再成为所有物理学的基础。
现代物理学

我们这一世纪的最初30年根本改变了物理学的面貌。相对论与原子物理学的发展粉碎了牛顿世界观的基本概念，即绝对空间和时间，基本的质密粒子、物理现象的严格因果性以及客观描述自然的思想。

相对论几乎完全是由爱因斯坦建立起来的。他坚信自然界有一种内在的和谐，他用毕生的精力寻求物理学统一的基础。他一开始是为电动力学及牛顿力学寻找一个共同的框架。这个框架就是狭义相对论。它统一并完善了经典物理学的结构，同时又使时空概念发生了根本性的变革。

按照相对论，空间不是三维的，时间也不是独立的。两者密切联系在一起构成了四维的“时——空”连续区。这样在某个观察者看来是同时发生的事件，在别的观察者看来可能是不同时的。而所有的测度，包括时间与空间的测度。都失去了绝对的意义。空间与时间成了特定观察者用来描述现象的语言要素。

因为时间与空间的概念是描述自然现象的基础，因此它们的改进引起了我们描述自然整个框架的改进。其重要结果之一就是认识到质量不过是能量的一种形式。即使静止的物体也有储备在质量中的能量，两者之间的关系就是著名的方程式E＝MCC，其中C为光速。
光速这个常数对于相对论是至关重要的。当我们描述的物理现象接近光速时，就必须考虑到相对论，对于电磁现象尤其是这样。

1915年爱因斯坦提出了广义相对论。这是狭义相对论的推广并包括了引力。狭义相对论得到许多实验的肯定，而广义相对论却没有得到决定性实验的肯定。然而这是一种多么受人欢迎、前后一致、极其优美的理论。它在天体物理和宇宙学中被广泛地接受了，并用来描述大尺度的宇宙。

按照爱因斯坦的理论，引力具有使时间和空间“弯曲”的效应。这就意味着欧几里得几何不再适用了。爱因斯坦的广义相对论完全抛弃了绝对空间与时间的概念。不仅所有的尺度，包括空间和时间在内都是相对的，而且整个时一主结构依赖于物质在宇宙中的分布。于是“完全真空”的概念也就失去了意义。

在世纪之交，发现了一些与原子有关的现象，这是无法用经典物理来解释的。X射线的发现说明原子具有某种结构。但是这并不是原子发射的唯一射线。不久人们就发现所谓的放射性物质具有放射性。它们不仅发射各种射线，而且从一种物质转变成另一种物质。
人们不仅对于这种现象进行了深入的研究，而且用它作为工具去深入地探测物质的性质。例如研究晶体中原子的分布和原子的内部结构。
卢瑟福用α粒子轰击原子核得出了意想不到的结果。自古以来被认为是质密固体粒子的原子内部原来大部分是空间，只有极小的电子绕着原子核旋转。

虽然与宏观物体相比原子是极小的，但是与位于它中心的原子核相比却是极大的。而在这种原子的“星系”模型出现后不久，人们便发现，原子中电子的数目是元素改变化学性质的决定性因素。我们现在知道如何构造整个元素周期表，即可以逐次添加中子与质子到原子的“壳层”上去。各种化学过程是由原子之间的相互作用引起的，因此原则上可以根据原子物理学的定律来理解全部化学。

但是这些规律是很难认识的。发现它们靠了一批各国的物理学家。其中包括玻尔、德布罗意、薛定锷、泡利、海森伯、狄拉克等人。他们打破国界齐心协力创造了现代科学最灿烂夺目的时代。当他们首次接触到亚原子世界新奇而出乎意料的实在时感到兴奋无比。每当物理学家在原子实验中向自然界提出一个问题，自然界的回答就是一个悖论。他们越是想把它弄清楚，这种似是而非的情形就越严重。很久以后，他们才接受这样的现实，这种矛盾性属于原子物理的固有结构，并认识到只要用物理学的传统术语去描述原子事件就会出现这种矛盾。物理学家一旦意识到这一点就开始学会以正确的方式提出问题，并终于找到了阐述这种理论的精确而一致的数学形式。

即使在完成量子理论的数学表述之后，理解它仍然是很困难的。它对于物理学家的想象具有摧毁性的作用。量子理论澄清了原子并非如经典物理学所说的那样是质密的粒子。物质的亚原子单元是非常抽象的实在，具有两重性。它们有时呈现波动性，有时则呈现粒子性，这取决于我们如何去看待它们。光也具有两重性，可以采取电磁波或者光粒子的形式。

这种性质似乎是难以接受的，居然有某种东西可以是一种粒子——有非常小体积的实体——同时又是一种波——弥散在很大的空间区域之内。这种矛盾引起了许多佯谬并最终导致量子理论的建立。这种发展是从普朗克开始的，他发现热辐射不是连续的而是采取“能包”的形式。爱因斯坦把这称为“量子”，并认为它们是自然界的基本性质。他敢于主张电磁辐射不仅可以以电磁波的形式出现，而且可以采用量子的形式。而光量子也就可以看成真正的粒子，即光子。但这是一种特殊的粒子。它没有质量，以光速传播。

粒子与波的图象所呈现的矛盾是以一种出乎意料的方式解决的，即对机械世界观的基础，关于物质实在性提出了疑问。在亚原子的水平上，物质并不是存在于确定的地点而是显示出某种“存在的倾向性”。原子事件也不是在确定的时间以确定的方式发生，而是具有某种“发生的倾向性”。用量子论的表述方法就是说这种倾向性可以用概率来表示，它与采用波的形式的数学量有关。这就是为什么粒子同时又可以是波。它们并不是象声波、水波那样“真实”的三维波。这种波是抽象的“几率波”，它与在特定位置特定时间找到这和粒子的几率有关。原子物理学的所有定律都可以用这种几率的术语来表达。我们无法肯定地预言某一原子事件，我们只能说它有可能发生。

于是量子论推翻了经典物理学关于刚性物体及自然界决定性规律的概念。在亚原子的水平上，经典物理中的刚性物体解体成类似波那种型式的概率，而这种模式最终并不是表示事物的可能性，而是表示相互关系的概率。对于原子物理学中的观察过程进行细致的分析表明，亚原子的粒子并不是指孤立的实体，而是要理解为实验条件与测量结果之间的相互作用关系。于是量子论揭示了宇宙的一种基本性质。它表明我们无法把世界分成独立存在的最小单元。当我们深入物质的内部时，自然界并不是呈现为相互分离的“基本建筑材料”，而是表现为各部分组成整体的各种关系的网络。这种关系中也包括观察者。它构成了观察过程的最后一个环节，任何原于对象的性质都应该理解为这种对象与观察者相互作用的结果。这就是说，经典的能够客观地描述自然的思想不再是正确的。在原子世界中无法把我与世界分割开来。在原子物理学中我们无法在谈论自然的同时也谈论我们自己。

新的原子理论立刻解决了原子结构中的许多难题，这是卢瑟福的星系模型无法解释的。例如什么使物体呈现固体的性质？为什么原于具有不寻常的稳定性？量子论用原子中电子的波动性来解释这些性质。物体的固体性质是由于与物质波粒两重性有关的“量子效应”。粒子是被约束在一个很小的空间区域内，约束的区域越小，粒子的运动速度就越快。这种高速度就使原子显得和刚性球一样，就象螺旋桨转起来测圆盘一伴
这样的原子时难以压缩的，因而使物质具有固体的性质。

在原子轨道上的电子是处于核对它的引力和它抗拒这种束缚的最佳平衡状态。但是它与行星系的轨道不同，应该把它想象成分布在不同轨道上的几率波。电子波在轨道上的配置可以理解成是一种驻波。我们可以根据弦的振动来理解驻波的型式。在通常条件下，电子处于能量最低的轨道上，我们称之为“基态”。如果它获得足够的能量就可以被“激发”到较高能量的轨道上。然后又可以从那儿回到“基态”。而多余的能量则以电磁辐射量子或光子的形式释放出去。具有相同数目电子的原子的这些态都是相同的。就是说它们具有相同的形状。轨道之间的距离也相同。

原子的态还有一个性质，就是可以用一组称为“量子数”的整数来描述，这些数表明了电子轨道的位置和形状。第一个量于数表示轨道的号码，并确定了在轨道上的电子所必须具有的能量；<敏感詞>两个数表示在这轨道上电于波的具体形状，它和电子旋转的速度及方向有关。这些细节用整数来表示，说明电于的旋转不能连续地变化，只能从一个值跳到另一个值，即只能从一个轨道跳到另一个轨道。所谓基态就是所有的电子都在可能的最低的轨道上，旋转变化的可能性也最小。

存在的趋势、粒子通过运动对限制作出反应、原子突然从某一“量子态”变换到另一个、所有这些现象都有着本质上的相互联系——这些就是原子世界不寻常的性质。但是另一方面，引起所有原子现象的基本力又是我们熟悉的并且可以在宏观世界经验到。这就是在带正电荷的原子核与带负电荷的电子之间的相互吸引力。这种力与电子波的相互作用引起了我们环境中大量的不同结构与现象。它关系到化学反应、分子的构成。电子与原子核的相互作用也是所有固体、液体和气体的基础，这也包括所有的生物以及有关的生物过程。

要理解我们周围的大部分自然现象，我们对于原子核只要了解它的电荷与质量就可以了。但是要想了解物质的性质，要想知道物质到底是由什么构成的，那么还需要对原子核作进一步的研究。

在这方面重要的第一步就是发现中子为核的一种组成部分。这种粒子的质量与质子差不多，大约是电子质量的两千倍，但不带电荷。物理学家很快认识到，自然界还有一种新的力只是在原予核的内部才显示出来。这就是核力。
核力很强但作用的距离非常短，只有当核子——质子与中子——非常接近时，即为它们直径的二、三倍时才起作用。在这样的距离，核力是强烈吸引的。但是距离更近时，就是强烈的斥为，它使核子不能更加靠近。核力就是以这种方式使得原子核极为稳定。当然这是一种动态的平衡。

不过物质的这种形式连同它多种多样的形态和结构以及复杂的分子结构只能在非常特殊的条件下才能存在。当温度升得很高时所有的原子和分子的结构就被破坏了。事实上，在宇宙中存在的大部分物质并不是采取我们刚才描述过的那种状态。

在人类探索亚原子微观世界的历史上，在20世纪30年代，科学家们认为他们终于发现了物质的“基本建筑材料”。当时他们已经知道所有的物质都由原于组成，而所有的原于又都由质于、中于和电子组成。这些所谓的“基本粒子”似乎是物质不可分割的最小单元。

但是现代物理学又作出了两个进一步的发展，表明这种观念必须抛弃。一个发展是实验方面的，另一个则是理论上的。用实验发现的粒子数目到现在已经增加到两百多。显然不能把它们都说成是基本的，而越来越多的物理学家接受了这样的观点：它们中没有一个是名符其实的基本粒子。

这种信念由于理论上平行的发展而得到了加强。在量子论建立后不久，人们便清楚地看到，必须用一种完整的理论把量子论与相对论协调起来，因为这些粒子的运动速度常常接近光速。我们确实已经有了几种“相对量子论”的模型，可以很好地描述基本粒子世界的某些方面。但是把相对论和量子论融合成有关粒子的完整理论体系仍然是现代物理学的中心任务和对现代物理学家的巨大挑战．

相对论对于我们认识世界有深远的影响。它迫使我们修正关于粒子的基本概念。在经典物理中，质量与组成物质的材料有关。而相对论证明了质量不过是能量的一种形式。能量是与运动及过程有关的一种动态性质。因此粒子的质量可以看成是一种动态的模式与过程。

狄拉克最先采用了这种观点并建立了相对论方程来描述电子的行为。狄拉克的理论不但极其成功地解释了原子的精细结构，而且揭示了物质与反物质之间的基本对称关系。他预言了正电子的存在，它和电子质量相同，电荷相反。而在这种预见两年之后，确实发现了这种粒子，对称性意味着每一种粒子都有相应的反粒子，它们质量相同，带相反的电荷。只要有足够的能量就能产生一对粒子与反粒子．而在相反的湮灭过程中，它们又转化为纯粹的能量。狄拉克所预言的这种粒子对的产生和湮灭在自然界也发现了，以后则多次被观察到。

狄拉克的发现使得人们从全新的角度去看待分割物质的问题。当两个高能量的粒子相撞时一般都要裂成碎片，但是它们并不小于原来的粒子。因此亚原子的粒子既是可分的，同时又是不可分的。
高能亚原于粒子的碰撞是物理学家研究这些粒子性质的主要手段。因此粒子物理又叫做“高能物理”。碰撞实验所需要的动能是通过庞大的粒子加速器获得的。

在这种碰撞中产生的大部分粒子都是极为短命的，只有不到百万分之一秒，然后它们就蜕变为质子、中子和电于。尽管它们的寿命这样短，仍然可以对它们进行检测，它们留下的踪迹还能照相！

过去几一十年的高能散射实验表明，粒子是可以互相转化的，能够从能量中产生又复归于能量。在这个世界里“基本粒子”、“材料”或“孤立的物体”这样一些经典概念都失去了意义。它们还表明了粒子的性质只能从它们与周围环境的相互作用来理解。而不能看成是孤立的实体。应该把它们看成是整体中不可分割的一部分。

相对论不仅影响到我们关于粒子的概念，而且也影响到我们对于这些粒子间相互作用力的看法。这种力的作用是采取交换<敏感詞>粒子的方式。很难形象地表达这一点，因为这是四维时空的性质。不过力和物质这两个概念具有统一性，它们都源自我们称为粒子的动态模式。

最近已有大量的证据表明，质子和中子具有复杂的结构。但是把它们结合成整体的力如此之强，用相对论的观点来看这种力也就是一种粒子。于是粒子与作用力之间的界线消失了，而基本粒子也就无法分解成更基本的粒子。

在现代物理学中，宇宙在经验中是不可分割的动力学系统，而观察者也作为基本的因素被包括在内。在这种经验里，关于空间与时问、孤立物体以及因果关系的传统概念都失去了意义。这种经验与东方的神秘主义很相似。