物理学现况的一些辩证思考，本文主要内容关键词为：现况论文,物理学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
物理学是探讨物质与运动基本规律的科学，其内容包括物质的结构、运动形式，以及它们的改变与转化。虽然这一定义点明了物理学的一些特征，但不免显得过于宽泛，没有将它和其他自然科学分支予以明确界定。
首先，应对物质的运动形式加上适当的限制：应该从中剔除与生命现象有关的运动形式，这样就将物质科学与生命科学区分开来；进而再将涉及化学变化的运动形式剔除出去，从而划清物理学与化学的界限。这里所指的物质结构为微观结构，更大尺度的物质聚集态诸如地层、大气层等属于地球科学的领域；而地球以外的天体乃至整个宇宙属于天文学领域。当然，各种物质结构层次和运动形式之间必然存在相互关联，这就构成了物理学与其他学科相互交叉的领域，诸如物理化学与化学物理、生物物理、地球物理、天体物理与宇宙论。
学科分划与发展趋势
研究表明，物质结构在尺度上和能量上都呈现不同的层次。明确这一点，当代物理学的分支学科如何划分的问题，也就迎刃而解了。
最微小（也是能量最高）的层次是粒子物理学（也称为高能物理学），然后是原子核物理学。原子核物理学研究原子核的性质，包括核的内部结构与运动、激发态、衰变裂变过程，以及它们之间的反应。再上去就是原子物理学和分子物理学，研究原子和分子的结构及其相互作用，以及原子、分子与光的相互作用。激光器问世之后，这一学科获得了新的生命力。而这方面技术的进展对其他分支学科也产生重大影响。原子、离子或分子聚集起来构成了不同的聚集相：气相、液相和固相，乃至于固液之间的中介相，如液晶、复杂流体与聚合物等软物质。其中凝聚态物质（固相、液相和软物质）构成了凝聚态物理学的研究对象。由于其结构与物性丰富多彩，新现象与新概念层出不穷，又与当代高新技术密切相关，它已成为当代物理学中最庞大也是十分活跃的分支学科。
另一类气相（由宏观中和的正负带电粒子所构成的）就是等离子体，相应的学科是等离子体物理学。等离子体的研究是在实验室、地球外的空间和星际中并行发展起来的。电离层的研究，范阿仑带与太阳风的发现，表明必须用等离子体物理学来考虑地球与太阳周围的空间。而受控热核聚变的困难，又促使科学家去研究复杂等离子体中各种不稳定性与湍流。这些又与当代流体力学所面临的问题有不少相似性。
尽管处理大块物质的固体力学和流体力学已经偏离了物理学的主流，但仍有不少问题需要物理学家的参与，例如流体的湍流和固体的塑性形变与断裂；聚集相的复杂组合构成了岩石、土壤、河流、山脉、湖泊、海洋、大气、地幔与内核等，成为地球物理学的研究对象；而细胞、器官、植物、动物及人体构成了生物物理学的研究对象。继续扩大物质研究的空间尺度，就引导到空间物理学和行星物理的领域，进而包括太阳、恒星、星系、星系团乃至于整个宇宙，构成天体物理学和宇宙论的内容。这里似乎遗漏了一些传统物理学的分支学科，如光学与声学。目前的情况是，它们的部分内容正在朝向偏重技术的工程学科转化，而另一部分则和某些结构层次的物理学相结合。例如光物理就和原子物理、分子物理密不可分，也和凝聚态物理学关系密切；而物理声学则与凝聚态物理学及固体力学、流体力学密切相关。
粒子物理学与天体物理学（及宇宙论）这两者表面上看来南辕北辙，结果却殊途同归，有合二为一的趋向，奇妙地体现了大与小辩证的统一。粒子物理学所面临的挑战在于探索更加细微尺度下也就是更高能区物质结构的规律，希望能超越现有的标准模型，追求相互作用的进一步统一。而宇宙大爆炸的标准模型则表明早期宇宙是处于超高能状态。因而高能物理学从某种意义上来说是对宇宙进行考古学研究。提高研究的能量范围，就等于追溯到更早期的宇宙。高能物理和天体物理的实验研究都属于大科学的范畴。大科学威风凛凛，但大也有大的难处，所面临的问题在于如何持续地获得社会的支持。在冷战时期，巨型加速器成为国力的象征，理所当然地得到国家的支持。冷战以后，情况显然有所不同，需要考虑这类基础科学研究的社会效益问题。今后的出路在于走国际合作道路。对高能物理和天体物理这两个前沿而言，目前是机遇和挑战并存。
除了这两个很明显的前沿外，应该还存在一个前沿问题，即位于各个结构层次之上、总的说来就是朝复杂物质展开，探讨不同结构层次上复杂物质的结构与物性。以凝聚态物质这个层次为例：固体物理早期所研究的多半是简单物质。在进一步研究中，方始接触到比较复杂的物质，当中蕴含有许多尚待发展、挖掘的物性。就半导体而言，最简单的硅研究得最清楚，应用最广泛；然后是复杂一点的砷化镓这类化合物半导体（Ⅲ—Ⅴ族与Ⅱ—Ⅵ族）；更进一步就涉及结构更加复杂的聚合物半导体。近年来，聚合物半导体研究十分引人注目，已能做出聚合物晶体管来。当然，聚合物的集成电路在当前还不能与硅片竞争，但它有廉价、容易制备的优点，因而可在其他方面发展。由聚合物想到人的大脑问题，大脑里头并没有硅片，但其思维复杂程度远远超过现代大型计算机。故从简单物质到复杂物质的研究过程中，物理学应该是大有用武之地的。
物理学不同分支学科与所研究结构的尺度 从物质结构层次化的图表来看，物理学的主要空白区域突出地显示为图表的底部和顶部。其一是尺度上最微小但能量最高的世界，对应的学科为粒子物理学（亦称高能物理学）；其二是最宏大的世界，即天体与宇宙，对应的学科为天体物理学和宇宙论。这两者表面上看来南辕北辙，结果却殊途同归，有合二为一的趋向。
统一性与多样性
物理学家惯用的一个观点往往是还原论。所谓还原论，就是将世界分成许多小的部分，每一部分研究清楚了，最后拼起来问题就解决了。这个观点是很自然的，物理学家过去受到的正是这个训练，基本上就接受这一观点。鼎鼎大名的爱因斯坦就讲过：“物理学家的无上考验在于达到那些普适性的基本规律，再从它演绎出宇宙。”这可以说是爱因斯坦的雄心壮志，也是几代物理学家抱有的看法。就是说，如果把世界基本规律搞清楚了，那么一切事情都解决了。著名理论物理学家狄拉克也讲过一句很有代表性的话，当时适逢量子力学初步建立之后，他说：“现在量子力学的普遍理论业已完成，作为大部分物理学与全部化学的物理定律业已完全知晓，而困难仅在于把这些定律确切应用将导致方程式太繁杂而难以求解。”他的意思是基本的物理规律已经知道了，下面似乎就是一个求解的问题，至于求解，由于有些方程过于复杂，似乎还解不出来。这话并不错，但低估了复杂事物中可能蕴含了新的规律。而且基本规律知道了，具体规律是不是就一定能推出来，这一直是有争议的。
19世纪有一种极端的意见，就是所谓实证论的观点，以奥地利科学家马赫为代表。马赫也是个哲学家，他认为物理学家只要追求宏观物体之间的规律，去搞清微观的东西似乎没有用处，且对微观世界是否存在，分子、原子是否存在，他一概采取否定态度。显然这类观点过于极端。实际上应该看到，物质结构存在不同的层次，层次与层次之间是有关联、有耦合的，因此需要理解更深层次的一些规律。譬如固体的导电问题，牵涉到电子在固体中的行为问题，如果把这一行为搞清楚了，那么对固体为什么导电，为什么有的是半导体，有的是金属，有的是超导体这类问题都可给出解释。这就有利于推动人们去研究导电现象，以及利用这些现象做出晶体管，做出集成电路，做出超导的约瑟夫森结，来为人类服务。这就说明层次与层次之间存在耦合现象。
另一方面，层次与层次之间也存在脱耦现象。所谓脱耦现象，就是下一个层次的现象对上个层次未必有重要关系。例如，1995年发现了顶夸克，这在粒子物理界是件大事，因为设想的几种夸克包括最后一种顶夸克也都发现了。但是这一发现对固体物理或凝聚态物理有没有可以观察到的影响呢？没有，到现在为止，似乎一点影响也没有。粒子物理的进一步发展，对其本身，对理解粒子的性质和宇宙早期的问题，确实具有极大的重要性，对于原子核理论也具有一定意义。但是，它对理解相隔好几个层次的物质就丧失了重要性。再如，原子核的壳结构对遗传有没有影响呢？一般说来看不出太大的影响。这些例子都表明，层次之间既存在耦合，又存在脱耦，而且大量粒子构成的体系往往涌现新的规律。
对此，物理学家提出了所谓层创论的观点。这里是著名凝聚态理论家安德森（P.W.Anderson）讲的一段话：“将一切事物还原成简单的基本规律的能力，并不意味着我们有能力从这些规律来重建宇宙，当面对尺度与复杂性的双重困难时，构筑论的假设就被破坏了。大量复杂的基本粒子集体，并不等于几个粒子性质的简单外推。”也就是说，知道两三个或四五个粒子的规律，并不能说明10[20]或10[24]个粒子的集体规律。在每一种复杂的层次上，会有完全新的性质出现，而且对这些新的性质的研究，其基本性并不亚于其他研究。也就是说物质结构存在不同的层次，大量的粒子会构成一个新的层次，也展现了新的规律，对这些新的规律的研究，本身也具有基本性。重要的是要认识到各个层次之间既有耦合，也存在脱耦。并非是探究清楚最微观层次的规律，就可以把世界上的问题全部解决。
近年来有些科学家提出一个观点，认为粒子物理理论中建立的标准模型面临着新的挑战，下一步就是希望建立“万事万物的理论”。进行这类尝试是完全应该的，要向未知领域再推进！但一定要采取辩证的观点对待：即使这个理论取得进展，也并不意味着万事万物的问题就可迎刃而解了。物理学现在的生命力，并不是要把它的全部命运都跟万事万物理论联系在一起，而是体现在众多的发展层次，在不同层次上都有新的挑战和机遇，存在广泛发展的天地。
尽管由于物质结构层次化的结果，使得当今物理学家很难精通、也不必要精通物理学的各个分支，但是物质结构在概念上是有其统一性的。相同的概念会在不同的层次上出现。著名物理学家巴丁（J.Bardeen）的一段话很有启发性，他说：“处在这日益专业化的时代之中，得以认识到基本物理概念可能应用于一大批看起来五花八门的问题，是令人欣慰的。理解某一领域所获得的进展常常可以应用于其他领域。这不仅对材料科学的众多领域是确实的，对广义而言的物质结构亦复如此。作为阐述的例证，为理解磁性、超流性和超导性所发展的概念也被推广应用于众多的领域，如核物质，弱与电磁相互作用，高能物理学的夸克结构与众多的液晶相。”这段话值得我们深思。