[转帖]量子理论作为基础的总体评估

yetiaoxin

八、量子理论作为基础的总体评估
你说重整化蛮不讲理，我说重整化成绩辉煌；你说同位旋没有道理，我说同位旋有创意；你说共振态不是粒子，我说共振态排成的八重态非常玄妙。好像这只是一个见仁见智的问题。好在科学有最公正的裁判：现实世界。理论物理不能仅仅是理论家们追求某种数学美，或者方程式“大 统一”的数学游戏。经典力学和牛顿的引力理论对机械工业，建筑工业，天文学，空间科学提供了理论基础；热力学为工业革命提供了理论基础，经典电动 力学为电力工业，无线电通信，电子技术，电脑和网络技术提供了理论基础。可以说，没有经典理论物理，就没有现代化的工业。这也是物理学界和整个社会重视理论物理研究，重视基础科学的原因。
作为基础科学的量子理论成绩如何？不管理论物理界自己如何庆祝一个接一个的理论突破，一个接一个的新发现，一个接一个的思想革命；一个接一个的新粒子，越来越高的维度，越来越深的数学，最终必须走出自己的俱乐部，告诉科学界：作为基础科学，我们的理论对科学的其他分支的发展起了多大的基础作用？我们的理论对工业和国防的发展起了多大的促进作用？薛定谔的经典量子力学的成绩是辉煌的。在原子物理方面，薛定谔方程导出了里德伯公式，对原子分子频谱的计算和本征半导体能级的计算，使得量子力学成 了这些领域的标准语言。因为有了原子分子频谱和能级的计算，经典量子力学对化学的发展也起到了很大作用。在这个意义上，经典量子力学确实表现了“基础科 学”的特征。
在固体物理方面，经典量子力学对本征半导体的计算非常成功，但是一旦参入杂质，就麻烦了。有人说没有量子力学就没有电子技术，就没有计算机革命和网络技术，这是言过其实。半导体技术的进展，关键在晶体生长技术，PN 结的发现，二极管，三极管和其他半导体元件的发明，集成电路的开发与大规模生产。在这些技术的开发中，量子力学提供了一些理论支持，但是还没有到“没有量子力学就没有电子工业”的程度。量子力学很多时候是在实验工作者有了结果之后进行一些理论总结的工作。
根据量子力学计算的能级关系，或许可以对杂质元素和浓度提供某些理论提示。这种理论指导的能力是有限的，不一定保证都能成功。凝聚态物理是实践性非常强的学科。比如要得到某种激光材料或高温超导材料，必须在微量杂质的选择，浓度的精密控制，退火温度及退火时间的设计等等方面作不厌其烦的尝试，才有可能得到理想的产品。这些也往往是专利和技术机密。有了结果以后，再用量子力学进行理论总结包装，在文献和学术会议上发表。如果可以根据量子力学理论指导得出产品，那凝聚态物理中的许多难题早就解决了。
和经典量子力学对其他科学的推动作用相比，以相对论量子力学为起点的量子场论对科学其他分支的影响基本为零。核物理是量子理论的娘家，可是我们对核裂变，核聚变，和放射性同位素的了解，和二次大战时相比，没有太大的进步。在核物理中，还是三四十年代的液滴模型和壳层模型管些用。粒子物理理论可以日新月异，核物理却依然故我。无论是核军工还是核能工业，没有，也不太可能指望从量子场论和粒子物理中得到什么帮助。在凝聚态物理方面，粒子物理也基本上没有什么用处。粒子物理与科学的其他分支如化学和生物学根本绝缘。相对论量子力学以后的量子理论，基本上是理论家们试图理解亚原子状态的一种探索。这种理论本身非常生涩，存在太多的假定和前提，有些结论或预言与实验的结果还有相当大的差异。量子场论基本上是一个与其它学科（最近的应该是核物理和凝聚态物理）没有太大关系的自产自销的自我封闭的理论体系。粒子物理理论本身离一个完备的自恰的理论要求还相当远，遑论成为其他科学分支的“基础”。
正因为成绩不太好，所以一些“前沿科学家们”只好以未来的美好憧憬来搪塞现实的考绩。他们说：虽然理论物理现在不能为受控热核反应和凝聚态物理给出具体的指导，可是理论物理是基础科学，不能对基础科学提出功利主义的要求。如果基础物理研究使我们找到了最终的万能理论，对科学将是多大的贡献啊！
为了进一步渲染“前沿科学”的重要性，霍金在《果壳中的宇宙》一书中说：“公开猜想时间旅行是需要耍诡计花招的。你将冒两种危险：或者被批判为将老百姓的血汗钱浪费在如此荒唐的东西上，或者被纳入为了军事目的的绝密研究项目。毕竟，面对拥有时间机器的敌人我们如何能够自卫呢？他们可是有可能改变历史统治世界的人啊！只有我们这些傻帽才会从事这样一种在物理学上政治错误的研究。我们于是用技术术语将事实伪装起来。这些技术术语就是时间旅行的密码代号。”
你看，他的时间机器是一种无法防卫的绝密武器，谁拥有了他，谁就有可能“改变历史统治世界”！谁还敢不给他们研究经费？虽然现在看来他的时间机器还没有影子，可是万一哪个国家第一个拥有了这种无敌的武器，我们的国家安全岂不是危如累卵？这可是比缝制皇帝陛下的新衣还要重要得多的战略项目啊！
文化革命中，有的物理学家给领导上课，也说：如果我们能够造出夸克弹，就可以立即打倒美帝苏修！物理学家到了需要靠江湖术士的市场推销手段来维持民众心理支持的地步，是物理学的悲哀，物理学的耻辱。
经典量子力学作为基础物理，从一开始就对原子物理，核物理，固体物理和化学产生了巨大的推动作用，並沒有要求遙遙無期的等待。难道仅仅因为粒子物理继承了量子力学作为基础科学的贵族血统，就可以奉先君之成业，荷本朝之厚恩，逃避科学界的考绩和检验？号称“前沿科学”理论所需的加速器和附属设备昂贵得社会无法承受，在启动这些大型项目之前对这些“前沿理论”的理论架构的正确性，合理性和可行性进行透彻的分析和评估，难道不是对纳税人应尽的起码责任吗？
九、美国的觉醒
美国是一个讲究功用的国家，讲究权利制衡，讲究实效检验，没有永久的特权，永久的铁饭碗。这种负反馈和制衡机制，也反映在科学研究上。二次大战期间，盟国和轴心国双方都在争分夺秒地研制原子弹。谁抢先造出了原子弹，谁就有可能赢得这场战争。盟国方面领导原子弹研制的奥本海默和费米，和轴心国方面领导原子弹研制的海森伯，都想赢得这场竞赛。所以，那时人们的心理是大胆假定。不要因为一个假定看来不可思议而轻易否定。说不定一个背理的假定会正好撞上正确的办法。只要能够把原子弹做出来，理论是否有问题，假定是否正确，可以以后慢慢梳理。战争时期抢时间抢先机，是头等大事。
盟国赢了这场竞赛。赢的原因，不是什么天才的理论假定，而是橡树岭国家实验室一个工程师的建议：将铀235置于普通的炸药中间，点燃炸药向心爆炸，将两块低于临界质量的铀挤压到一起，变成一个整块，其总质量超过临界质量，立即爆炸。
二次大战以后，进入冷战时期。冷战双方仍然被同样的心理统治着：尽量大胆探索，一百个假定中99个错了都不要紧，只要有一个正确，就可以在核竞赛中占上风。在实验核物理中也同样鼓励大胆探索。说不定某一种粒子打到某一种靶子就产生意想不到的核反應。不知不觉地，战后的核物理研究逐渐潛移默化。第一个变化是理论与实践的分离。费米不仅是理论家，更是实践家。自持的链式核反应就是费米领导的小组在芝加哥大学的实验室中首先实现的。
随着量子场论变得越来越复杂，实验家们往往很难兼顾理论研究；另一方面，加速器变得越来越大，探测器变得越来越复杂，越来越五花八门，从事理论工作的研究人员很难兼顾实验。至上世纪末叶，理论物理和实验高能物理的分家基本上已经彻底完成。既懂理论又懂实验的物理学家即使有，也是鳳毛麟角。伴随着理论与实验的分离的是加速器功能的变化。冷战时期以前的加速器物理中，相当大的一部分工作是以核物理研究为目的。这一任务逐渐让位于根据理论模型的需要寻找特定的粒子。
实验工作慢慢远离自己的娘家—核物理。近年来，新加速器的建立和相关实验提案基本上是围绕证实弱電统一理论，寻找上帝粒子等课题设计的，和核物理毫不相干了。加速器越做越大，其经费随所需能量指数上升。建设一个大加速器成了国家级甚至跨国项目。除了加速器以外，质子寿命测量，重中微子探测等等也都是在标榜为“基础科学”的大爆炸宇宙学，量子引力的理论旗帜下推出的大型项目。这就势必挤掉其他科研项目的经费。使凝聚态物理，能源物理，低温超导，激光物理， 等离子体物理，受控热核反应等等的研究经费愈益捉襟见肘。理论物理的不作为也使工业界失望。
美国民间企业对基础物理研究的经费支持基本上停止。对物理专业，尤其是理论物理專業的毕业生的需求锐减。劳工市场的冻云暗淡天气，自然使物理系的学生锐减。许多学理论物理的博士毕业后不得不改行。物理学的不景气其实已经是国际性的现象。与这种物理学不景气形成强烈反差的是以“前沿科学”自居的大统一理论，超弦理论，大爆炸宇宙学等等，反而声浪日高。欧洲核子研究中心宣布找到了上帝粒子存在的“证据”成了头号新闻。“万能理论”“最终理论”也重新成了媒体炒作的话题。
美国并没有跟着赶时髦。美国前些年曾经打算建造一个超高能对撞机（SSC），设计能量为40 TeV，相当于LHC能量（8 TeV)的五倍。1987年筹划SSC的时候，预算44亿美元，可是到了1993年，预计要120 亿美元才能完工。经过激烈争论以后，克林顿总统终于签字下马。此时已经耗费了20 亿美元。SSC 下马的结果，几千个博士被重新抛回劳工市场。为了善后，这个项目下马以后的善后经费约每年两百万美元。美国理论学界有些人对SSC下马感到惋惜。我觉得这 是好事，标志着美国物理学界在开始觉醒。欧洲迟早也会觉醒。
当时极力主张下马的一个重要人物是时任美国物理学会会长的凝聚态物理学家安德逊。他也是一个诺贝尔奖得主。安德逊教授对于过分强调“基础物理研究”的观点进行了反驳。他的主要观点是，科学的不同学科都有自己的基础，不能指望通过微观的粒子理论推导出其他学科的理论。因为，当作许多粒子组成更复杂的系统以后，其运动规律并不是单个粒子运动规律的简单重复和叠加，而是完全不同的更为复杂的系统，需要不同的理论来描述! 描述复杂系统的理论不是描述简单元素的理论的“应用”或堆砌。那种认为一切科学理论都可以从某种简单的“基础理论”推导出来的观点是“还原主义” 。另一个诺贝尔得主，弱電统一理论的提出者之一温伯格教授针锋相对，坚决维护“还原主义”。温伯格和安德逊对于“基础理论”的不同意见，代表着“基础物理”和其他被贬为“应用物理”的学科之间的微妙矛盾。
作为一个普通公民，我在田納西州競標建造SSC之時，我就反对建造这样的项目。我反对的理由并不光是经费问题，也不仅仅是“还原主义”的问题，而是对现时标榜为“前沿科学”的理论结构和逻辑体系以及哲学思维的彻底失望。
十、评估粒子物理的意義
相对论和量子理论是20世纪近代物理的两大支柱。要对近代物理有一个全面的评估，必须对这两大支柱的理论基础，逻辑体系和实验检验进行梳理。
对相对论的梳理相对容易，因为它是爱因斯坦一个人的作品。整个理论的大前提，概念的演绎和推广，逻辑推理以及数学工具都比较清晰。只要抓住了问题的关键，提纲挈领地对其进行剖析不是太难。量子理论就大不一样了，它不是一个人的作品，而是几代物理学家通过接力传承建立起来的一座迷宫。其结构中有许多转折，逻辑联结 比较牵强，追加的基本假定非常生涩，有些会前后矛盾。对相互作用拉格朗日函数的构造，对传播子的取舍（费曼图的选择），边界条件的假定，波函数的选择等等，等等，有太多的任意性。选择定则比中药配伍禁忌还複雜，而且还不一定严格遵守。所以，要想将整个粒子物理的理论框架梳理清楚，是一件非常吃力不讨好的事。
但是这又是一件不得不做的工作。因为非如此便不能将理论物理从困境中解脱。由于几代人的传承，在理论上和人脉上盘根错节，整个理论界因循守成，敬畏权威，迷信数学，守不住科学的基本原则，使得理论家们眼睁睁看着理论物理的沉沦和物理学的衰败而不敢作为。对理论物理的基本困难讳不敢言。你膽敢批評，人們會立即跳將起來：“難道你要否認整個20世紀的現代物理學？難道這麽多諾貝爾獎得主還沒有你聰明？”可是理论物理发展到今天，发展出了像超对称，超弦理论这些被权威理论物理学家如里奇特和格拉肖称之为“神学”的理论。
許多人都在批評相對論。批评相对论之困难，不是因为其道理难懂，也不是因为实验检验剖析之难，而是因为它被编织进了量子场论的整个体系，牵涉到整个 理论物理学界的功过荣辱。许多人不清楚理论物理已经走入困境，更不知道量子理论从比较成功的经典量子力学过渡到远离科学和物理现实的关键一步就是将量子力学与相对论结合。人們會說，相對論已經融入到了理論物理的全部體系，如果相對論錯了，爲什麽現代理論物理會取得這麽大的成績呢？所以，不把量子场论的现状讲清楚，就很难说清楚相对论的功过是非。
十一、二十一世紀是物理學復興的世紀
上世纪初，当物理学界遇到一些新的物理现象而不容易用当时的已知理论解释时，物理学家们像一群探险寻宝的孩子， 20世纪物理学的先驱们有没有可能一开始就找錯了入口？在碰到了基本困难以后，他们并没有思考是不是走错了路，而是一 味地追加假定，继续一步步地走下去，以至于越走离物理世界越远。如果说，在森林中探险的童子军迷了路，有可能找不到回头的路，那理论物理学家们的运气就好得多。如果我们想重新试一条完全不同的路，只需要从头开始，从20世纪初的入口开始，看是不是会有不同的发现。我想提出一些猜想，供朋友们讨论：
1）将核力分为弱相互作用和强相互作用两个基本相互作用力是錯誤的。弱相互作用和强相互作用是同一种核相互作用力，只是反应速度不一样而已。正如燃烧和生锈都是氧化反应，只是反应速度不同。
2）“共振态”都不是基本粒子。能观测到的粒子只有质子，电子，中子和介子。光是电磁波，不是粒子。其他几百号“基本粒子”都是理论本身的需要，不是真正的基本粒子。
3）中子是质子和电子的不稳定结合，并不是“基本粒子”，也不是“夸克”的组合。最基本的粒子是质子和电子。
4）Alpha粒子（氦核）是一种稳定性非常高的粒子，即使在核爆炸中也是稳定的。找出氦核稳定性和介子不稳定的原因，可能是揭开核物理秘密的关键一步。
希望朋友们记住我们对科学和对后代的责任感和使命感：復興物理學，保護後代。這是多麽神聖而偉大的責任啊！和物理學的復興相比，世界上所有的名利都只是過眼雲煙。忘却世俗的追求，物理学的复兴有赖于吾侪不懈的努力与奋斗。