物理科学创新发现的方法论分析
2012-03-09 11:57:38
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物理科学创新发现的方法论分析
——以杨振宁为例

一、前言
物理科学是由物理学家们创立和发展的。他们通过观察和实验,发现物理系统的各种现象,通过精密测量得出物理现象中的物理量之间的严格数量关系,从而建立起 唯象的物理定律;再经过周密的思考和逻辑推理,把全部物理现象及物理量的数量关系,归纳到一组美丽的数学物理方程之中,揭示出物理世界的数学结构,从而使 物理学成为人们认识和掌握物质世界运动规律的一门强有力的科学。
所以物理科学是关于物理系统的现象、规律和数学结构三元一体完美结合的一门科学。中国古老的《易经》指出,每个卦(系统)都包含象、理、数三个内涵 [1],即每个系统都在自身本质中包含着它的外部表现(象)、内在规律(理)及物理量间的数量关系(数),这三者是三元一体的,对认识和掌握一个系统是缺 一不可的。只有全面深刻地把握了一个系统的象、理、数,才算真正把握了这个系统,才算有了关于这个系统的科学。
二、“弱相互作用下宇称不守恒”律的提出和确定
上世纪五十年代,在高能物理实验中发现了“两种”粒子(分别称为θ和τ),分别衰变成两个π或三个π粒子。但这“两种”粒子的质量和寿命几乎是一样的,只 能认为θ、τ是同一种粒子,而不是“两种”粒子。但同一种粒子却有两种衰变方式,相应的宇称(P)数分别是(+1)或(-1)。暗示出在这种情形下,宇称 不守恒。与当时已确立的在电磁相互作用及强相互作用中宇称守恒是相抵触的。人们普遍地偏好地相信,宇称在一切相互作用中都应是守恒的。连当时的物理权威泡 利都坚定地认为,“上帝不是无能的左撇子”(宇称是关于左右对称性的)。这就是著名的所谓“θ—τ之谜”,使物理学家们陷在深深的迷茫之中。
在这种情形下,李政道和杨振宁正确地把这种粒子的衰变现象归在弱相互作用的现象之中,然后夜以继日地查找并计算所有有关弱相互作用下的实验数据。结果惊奇 地发现,以前所有的有关弱相互作用的数据都没有涉及弱相互作用的宇称问题。“在并没有实验支持的情况下,长期以来,人们竟错误地相信弱相互作用中宇称守 恒,这个事实本身是令人吃惊的”[2]。杨振宁在诺贝尔授奖仪式上的演讲回顾了当时的历程。他和李政道在物理现象的事实面前,不盲目地顺从权威的看法,不 为已有的理论思维所束缚,勇敢地提出了“弱相互作用中宇称不守恒”的石破天惊的论断,并建议了几种检验弱相互作用宇称是否守恒的新实验。吴健雄与她的合作 者利用低温技术率先完成了钴60的 β衰变实验,加上其他人们所做的其它许多实验,观察并测量了更多的弱相互作用现象中的宇称,从而使“弱相互作用中宇称不守恒”律完全得以确立,并由此导致 发现弱相互作用中其它许多特性也不守恒(如 CP不守恒,T不守恒等)。
从“弱相互作用中宇称不守恒”的提出到确立,我们看到,必须从实验现象所提供的数量关系,进行理论思维和逻辑推理,找出规律再以实验验证,从而真正掌握一 个物理系统。这种全面把握系统的象、理、数的方法,是中国古老易经所指示的方法,就是象、理、数三元一体的观点和方法,是每个科学工作者都必须熟练掌握的 方法。
三、再谈象、理、数三元一体
物理科学首先是实验科学,它是建立在物理实验所积累的事实基础之上的。在面对一种新现象时,首先是力求分辨清楚它是属于什么相互作用范围的现象,或者是多 少种相互作用共同造成的现象。这样才不致于混淆自己的感觉而作出错误的判断。在“θ—τ之谜“中,如果不首先正确地界定它是一种弱相互作用现象,在弱相互 作用中寻找宇称是否守恒的实验事实,而到电磁相互作用及强相互作用中寻找,那就会旷日持久,陷入迷宫而劳而无功的。这种情形在物理学发展早期有关重力加速 度的实验也曾发生过。在日常生活中,人们看到地面上愈重的物体下落愈快,而轻的物体则下落较慢,于是就沿袭亚里斯多德的看法,认为愈重的物体的重力加速度 愈大,重力加速度不是常数(在地面附近)。直到伽利略在比萨科塔上作了著名的实验,证明相同形状、大小而不同重量的球体是以同一加速度下落的。日常看到的 现象是受了空气浮力的影响。
所以一定要重视实验事实,又一定要分辨清楚事实真相。只有把不同相互作用造成的现象分辨清楚了,才能对不同相互作用的规律得出正确的认识。如果不重视事 实,不弄清事实真相,只凭主观直觉爱好去作判断,或者凭空臆造一种物理模型,那是不会有真正的物理科学的。现在在宇宙和天文学中,预言了越来越多的黑洞和 暗物质,人们不得不去重新思考万有引力规律的问题。这必然对牛顿和爱因斯坦的引力理论,提出挑战,这已经有科学家在作这方面的工作了。[3]
但物理实验所呈现的现象事实,如果不经过理论的抽象和概括,不经数学给出现象间严格的数量变化关系,则始终是现象学而已,不能成为指导人类认识和改造自然 的科学。只有符合物理事实的理论思维,并以严格精确的数学结构表达出来,象、理、数三元一体,才能成为真正的物理学,真正的科学。
人们把理论物理看作是人类思维精神对自然奥秘的一种猜测,如果它被实验和数学逻辑证明了,它就接近于真理了。在这个意义上,物理理论是物理学家心灵的“自 由创造”。哲学家的“哲学”可能不会影响到物理学家,但是物理学家自己的世界观和人生价值观,却确定地主宰他对物理世界的思维和认识的,而他的世界观和人 生观就是他的哲学他的物理理论必然折射出他的哲学甚至宗教情怀。相信宇宙是普遍联系和统一的,追求宇宙的统一解释这是许多物理学家的普遍信念和追求 的目标。爱因斯坦毕甚一生寻求统一场论,虽因尚未成功而遗憾,但并不后悔。史宾格勒说,每种物理学的背后都有它的宗教精神[4]爱因斯坦说,科学没有宗教 是瞎子,宗教没有科学是跛子。科学背负着宗教精神才能站得高,看得远。牛顿作为基督徒,在完成了他的“自然哲学之数学原理”后,提出了宇宙“第一推动力” 的假设;在物理学中把“力”的概念推到极致,而“力”不就是宇宙的意志和主宰吗?而关于宇宙起源问题,仍是宇宙学远未解决的问题。
但是正如杨振宁所说,“一个人不与现象接触,便容易误入形式主义的歧途。现在许多物理学的研究是在没有实验基础的纯结构上锦上添花,脱离实验愈来愈远,这是危险的”。[5]所以建构物理理论,必须联系实验事实,才有可能成为成功的理论。
李炳安在《基本物理学的精髓——九组方程式》一文中指出:“物理学是自然科学的重要部分,内容极其广泛,小至基本粒子,大到宇宙都受物理学基本规律的支 配。今日物理学的基本规律由九组方程式表示。它们是物理学的精髓,是物理学家传世的衣钵,是宇宙结构的诗篇。”[6]伽利略早就说过,自然界这本硕大无朋 的书,是用数学语言写就的。数量关系是物理系统本身所具有的,需要人们竭力去发现它们;但另一方面,物理科学不是纯数学。企图以纯数学逻辑的方法,去构造 整个自然科学,那是注定要失败的。如果一种数学结构与实验事实无关,与物理理论没有联系,那它就是一种纯数学结构,而不会是物理学。只有那些符合自然界其 内部数量关系的数学结构,才能真正描写它。相应地,一种物理理论,如果没有一种合适的数学结构去体现它的话,它就是一种空洞的理论,是一种没有结果的理 论,也不能真正成为物理科学。
物理学家的工作是发现物理系统的新现象,新实验事实,并分析它们,作出判断,提出假设,再归结到相应的数学结构中去。一个物理学家不可能是全才,只能在某 一方面有天赋、爱好和特长,或者擅长于实验技术,或者重于理论思维或数学能力。就拿杨振宁来说吧,在芝加哥大学时曾师从艾里逊教授,从事物理实验研究。尽 管这给了他不少锻炼,了解了物理实验的精神和一些技巧。但实验终究非他所长,以至同学们给他编了顺口溜:“哪儿炸得乒乓作响,那里准有杨振宁在场”。他有 很强的数学能力,但也不全面。他很早就有把规范不变性推广到基本粒子相互作用中去的想法,但长期陷于数学结构上的困难而没有实现。直到他和米尔斯合作,后 者给了他在场量子化和计算表述形式上的帮助,终于实现了这一设想,诞生了物理学基本规律的第九组方程,即杨振宁—米尔斯方程,这组方程奠定了今日对宇宙各 种相互作用机制的了解。因此,在实验和数学上的不足,并没有影响杨振宁成为二十世纪最伟大的物理学家之一。他根据实验事实而作的理论思维,极富有创造性, 既打破传统又开创未来;他善于与人合作,取长补短,这是他成功的重要原因。
物理学家自己不可能是全才,但是他必须全面深刻地把握物理系统的象、理、数,这才会成功。因为物理系统本身,既表现出人们可以观察测量的外部现象,又有它 的内在运动规律,以及这些规律的数学表述。一旦发现了系统的数学结构,又可导出在各种特殊情形下,系统的全部特性。就是说,系统本身具有象、理、数的内 涵,人们要研究和认识它们,就必须采用三元一体的观点和方法,用符合事物本身特性的观点和方法去研究它们,即实事求是,这是物理科学研究最根本的方法,也 是科学创新的最根本的方法。
中国著名的历史学家和思想史专家庞朴在《浅说一分为三》一书中指出:“一分为三是天地之道”、“人间之德”。他说:“中国哲学并不主张用综合去取代分析, 而是“综合”其综合与分析,此之谓整体性思维”。“整体地而非割裂地、综合地而非分析地对待世界,有助于克服认识中的许多痼疾;而提倡天下不可分离的思 想,则能帮助人类使濒临死寂的生存环境重新萌发生机”。“中国哲学主张世界是一个动态的平衡系统,包容了亚里斯多德和黑格尔所描绘的全部情景。这个系统, 既非笔直的线,也非平铺的面,而是球状的网。网上的每一个点,既是独立的存在,也是相依的关系,用以表示这种存在和关系的范畴,叫做‘参’”[7],这就 是一分为三,三元一体。
 
参考文献:
[1]南怀谨《易经杂说》(M)上海,复旦大学出版社,2002
[2]、[5]甘幼坪:《杨振宁评传》(M)南宁,广西科学技术出版社,1992
[3]《DISCDVER》Aug 2006
[4]史宾格勒《西方的没落》(M)华新出版有限公司,1975
[6]《杨振宁——20世纪一位伟大的物理学家》(C)桂林,广西师范大学出版社,1996
[7]庞朴:《浅说一分为三》(M)北京,新华出版社,2004

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