论物理学的人文精神

论现代物理学的人文精神

张驰宬

（上海交通大学应用物理系5140729017）

摘要: 现代物理学既是对古典、经典物理学的颠覆，又是对古典、经典物理学的补充。现代物理学在经典物理、相对论、量子理论在基础上，既对自然规律进行归纳和抽象，又利用抽象化的自然规律去发现未知的自然现象。现代物理学展现了这个时代如何处理理性和世界本源关系的缩影，依旧为人类理性最终理解世界本源的目标而努力。

关键词: 相对论；量子理论；自然规律；理性与世界本源

本文主要通过分析现现代物理学的两大理论“相对论”和“量子理论”所诠释的人文精神为基础，讨论现代物理学的人文价值。

一、现代物理学的两大支柱

经典物理学是人类重新关注于纯粹的自然世界的形而上学——自然世界的运行规律是不受人的干涉的，是一个绝对的抽象的半“理性世界”，因为虽然通过抽象的理论来解释自然的运动规律，但是它的理论是基于“表象世界”的表象；这和柏拉图的洞穴之喻中哲学家，哲学家是通过自身理性摆脱了表象世界的影响，而经典物理学家是透过表象去归纳理性世界。相比人只是通过物理学研究去发现和验证这些真理。

而现代物理学则是人类开始研究人和自然世界之间对立统一的关系的科学。现代物理学家首要思考的问题是：自然规律真的是绝对的吗？人有没有能力去影响自然规律呢？第一个问题使得现代物理脱离了形而上学的观点，第二个问题则开始讨论人的理性和世界本源之间的关系问题，使得人们对自身理性的强大再次产生质疑和收敛。而现代物理学的两大支柱——相对论和量子理论就是现代物理学家思考之下的结果。

物理学上的两朵乌云

“物理学上的两朵乌云”是1999年由英国著名物理学家威廉.汤姆生提出的物理学无法解释的两大实验——迈克尔逊-莫雷实验和普朗克黑体辐射实验。

实验的具体内容本文不再赘述，有兴趣的读者可以自行查阅相关资料进行了解。主要的矛盾在于迈克尔逊-莫雷实验结果和经典物理理论的基础之一的以太漂移说相矛盾；普朗克黑体辐射实验结果和经典热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论结果不符，即“紫外灾难”。

第一朵“乌云”导致了爱因斯坦对经典力学的“绝对时空观”和光的波粒性产生了怀疑，1905年爱因斯坦提出狭义相对论并于1915年再次发表广义相对论，解决了迈克尔逊-莫雷实验的以太问题。第二朵“乌云”导致了1900年普朗克提出普朗克黑体辐射定律，之后普朗克、薛定谔、海森堡等人对量子概念的进一步发展。这是第一次物理学家对经典物理的普适性产生了质疑，并做出补充性的修正。（简述牛顿的时空观）（光的波粒性）

狭义相对论

狭义相对论主要包含两个原理：相对性原理和光速不变原理。这两个原理使得狭义相对论乃至广义相对论与经典牛顿物理相矛盾。

相对性原理：一切物理定律在所有惯性系中均有效；一切物理定律（除引力外）的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变。

光速不变原理：光在真空中总是以确定的速度c传播，速度的大小同光源的运动状态无关。在真空中的各个方向上，光信号传播速度（即单向光速）的大小均相同（即光速各向同性）；光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关。

相对性原理的主要内容是在任一惯性系下的观察者所受到的物理规律的影响是一样的。从表述来看，物理定律依旧是绝对的，不受人干涉的。但是，爱因斯坦逐渐从经典物理研究纯粹物理规律的形式中脱离出来，已经转向了从人（观察者）的视角去观察世界运行的规律，从本质上看是在寻求人（观察者）和自然规律之间的必然关系。

光速不变原理则是颠覆牛顿的“绝对时空观”，甚至颠覆了经典物理学的形而上学观点。经典物理认为，光速在绝对静止空间是一个恒定的值，而对于人（观察者）而言由于运动状态不同所以观察到的光速是不同的。而如果基于光速不变原理，对于人（观察者）而言，光速是恒定的，即物理规律是静止的、绝对的。而不存在一个绝对空间使得只有静止的人（观察者）才能观察到恒定的光速，即物理规律是随着不同人（观察者）变化的、相对的。经典物理的自然规律依赖于绝对时空，而相对论下的自然规律脱离了绝对时空这些具象，依赖于人本身的状态更抽象的概念。规律爱因斯坦的理论重心从“世界应该怎么运行？”转移到了“我们应该看到什么样的世界？”这种自然规律被抽象化和个人化，从爱因斯坦的相对论，人已经和自然规律产生了必然性的联系——即使这种自然规律对于每个人是一样的，但是人的状态确实影响了他所观察到的自然规律。

量子理论

这种物理规律的抽象性也体现量子理论上。量子理论最早由普朗克提出，其核心理论基于德布罗意的波理论提出“每个粒子的能量都是某个常数的整数倍”。这完全颠覆了经典物理能量连续性的运理。而泡利、薛定谔、海森堡等人发展出早期量子理论的两个最主要的理论基础：态函数和不确定原理。

态函数：量子力学中，一个物理体系的状态由态函数表示，一般一个物理体系的状态（非事件）有几个确定的态函数，被称为本征函数。而体系在某个事件上的可能状态可以由这些本征函数的任意线性叠加来表述。状态随时间的变化遵循一个线性微分方程，该方程预言体系的行为，物理量由满足一定条件的、代表某种运算的算符表示；测量处于某一状态的物理体系的某一物理量的操作，对应于代表该量的算符对其态函数的作用；测量的可能取值由该算符的本征方程决定，测量的期待值由一个包含该算符的积分方程计算。

态函数挑战了经典物理唯一性原理，即确定的物理条件只能确定唯一的物理状态，因此人观测到的就只能是这一状态。态函数的概念的颠覆了这一观点——确定的物理条件可以对应多个物理状态，人观测到的物理状态取决于这些状态的几率（概率）。换而言之，这些状态我们都可以观测到，每种状态出现的次数取决于状态的本征函数的几率。

现代物理学家把几率认为是超越经典物理诠释的自然规律，是为了解决黑体辐射与经典热学所带来的矛盾。就像古希腊人将他们无法通过理性解释和理解的力量归结为“命运”，现代科学家将经典物理诠释的自然规律进一步抽象化，提取出“几率”的概念——人所能观测到的自然现象不再是由自然规律决定的，而是由更高的“几率”决定的。

所以这一过程值得和古希腊人的“命运观”相比较。古希腊在处理人和神的关系上，将原始宗教的自然规律作为神的形式上升到古希腊时期自然规律作为人神之上的“命运”的形式出现。现代物理学家将自然现象作为自然规律的表象的观念，进一步抽象出“几率”概念，