清华大学高等研究院
摘要
       对物质世界基本组成与基本规律的追求贯穿现代自然科学史, 并逐步确立了还原论的思想方法. 但仅从这些基本规律出发即可演绎出整个宇宙的信条则受到了凝聚态物理学中逐渐揭示的演生论的质疑与挑战. 演生论认为, 物质世界依复杂性划分为不同的层次. 每一层次在低能下由于有序态的形成以及高能自由度的冻结, 其性质可由少量自由度的低能激发及其有效理论完全描写. 从而每一层次可以演生出全新的 “基本” 规律, 形成物质世界的层次结构. 本文介绍 “演生论” 的基本观点, 并提出所谓 “终极理论” 的问题.
关键词 自然观 演生原理 层次结构 有效理论 元激发 终极理论
       人类一直尝试以不同方式认识和理解我们所面对的物质世界. 从这些尝试中生长出哲学与自然科学两种主要的思维方式. 前者侧重思辨的, 定性的讨论; 而后者则更加注重实证的, 定量的分析. 近代以来, 自然科学研究中的问题与结论往往经过哲学的反思, 最终深刻影响了大众的思维方式.
       现代物理学的研究主流可以概括为探索物质的基本组成与运动的基本规律. 综合大量的研究成果, 人们逐渐确立了对物质世界 “还原论” 的认识, 并进而上升到对整个物质世界 “构造式” 的理解, 即相信从最终可以认识的物质 “原子” 的运动规律出发, 通过逻辑与数学的演绎即可理解整个物质世界的运动. 然而, 这种构造论从上世纪70年代起不断受到质疑与挑战, 这与物理学本身, 特别是凝聚态物理学的发展密不可分的. 经过长期的研究与阐释, 人们逐渐形成了对物质世界 “演生论” 与层次结构的认识. 在本文中, 我们将介绍 “演生论” 的基本观点, 并尝试提出所谓 “终极理论” 的问题.
I. 还原主义
       物质是否是无限可分的? 物质的基本组成是什么? 自人类文明开始, 人们就在思考这样的问题. 古希腊哲学家德谟克利特 (Democritus) 等更是对此给出了明确的回答: 物质不是无限可分的, 而是由基本的单位组成, 这一基本单位被称为 “原子”, 其原意即 “不可分的”. 近代化学家道尔顿 (Dalton), 阿伏伽德罗 (Avogadro) 等通过对化学反应的计量分析, 重新发现原子的观念并在此基础上提出了系统的原子-分子假说. 在此假说的基础上, 近代化学得到了长足发展; 同样基于这一假说, 玻尔兹曼 (Boltzmann), 吉布斯 (Gibbs) 等人建立了经典的统计物理学. 至于原子假说本身, 则直到二十世纪初才得到普遍的承认. 在此过程中, 爱因斯坦 (Einstein) 的理论工作以及皮兰 (Perrin) 等对布朗运动的直接观测起到了关键的作用.
       1897年汤姆逊 (J. Thomson) 在阴极射线的研究中发现了电子, 并随后确认了它普遍存在于不同物质中, 应当看作是原子的组成部分. 据此, 他提出了第一个原子结构模型, 开启了亚原子物理研究的时代. 被海森伯 (Heisenberg) 称为 “原子物理学”[1] 的基本粒子物理学的发展历程贯穿二十世纪的现代物理学史. 人们先后通过观测原子分子光谱, 原子核的放射现象, 高能宇宙射线以至高能加速器中的散射现象, 建立起了对基本粒子的量子力学和量子场论的描写.
       这一 “还原论” 的基本信条可以概括为: 物质是由相互作用的 “原子” (基本粒子) 组成的, 原子的运动决定了物质的性质与运动规律, 而原子本身的运动规律则是相对简单的, 可以用简洁 (优美) 的数学形式描写.