從物理學最新發展看唯物主義的“物質”
2012-04-29 00:00:00
社會科學研究 2012年4期
〔摘要〕 辯證唯物論認為物質是標志客觀存在的哲學范疇，是對一切可感知事物的共同本質的抽象。物質的唯一特性就是客觀實在性。現代科學發現世界上有正物質、反物質和暗物質。弦理論表明物質不是無限可分的“粒子”，而是閉弦的不同振動模式。中微子振蕩的發現更證明了反物質理論的正確性。科學發現對哲學的“物質”范疇起了很大的豐富和拓展作用。物質概念在不斷深化和發展，但并不違背馬克思主義哲學關于物質的客觀實在性的論述。
〔關鍵詞〕 物質；反物質；暗物質；弦理論
〔中圖分類號〕B016 〔文獻標識碼〕A 〔文章編號〕1000-4769（2012）04－0136－06
〔作者簡介〕李單晶，電子科技大學馬克思主義教育學院碩士研究生，四川成都 611731；
李后卿，四川省社會科學院哲學與文化院副研究員，四川成都 610071；
羅大明，電子科技大學馬克思主義教育學院教授，博士生導師，四川成都 611731；
羅文鋒，四川大學物理系副教授，四川成都 610064。
早在19世紀80年代，恩格斯在總結當時哲學和自然科學發展成果時就指出：“物、物質無非是各種物的總和，而這個概念就是從這一總和中抽象出來的。”(1)這就是說，物質這個名詞是對各種物的共同屬性的簡稱，“我們就用這種簡稱把感官可感知的許多不同的事物依照其共同的屬性概括起來”(2)，所以，“通過認識個別的物和個別的運動形式，我們就相應地認識物質和運動本身”(3)。恩格斯的論述明確指出了哲學物質概念與自然科學關于具體的物質形態之間共性與個性的關系。20世紀初，列寧從物質與意識的關系上對“物質”下了一個科學的定義：“物質是標志客觀實在的哲學范疇，這種客觀實在是人通過感覺感知的，它不依賴于我們的感覺而存在，為我們的感覺所復寫、攝影、反映。”(4)物質范疇是馬克思主義哲學關于世界本原和統一性的最高抽象，是唯物主義世界觀的基石。世界是物質的，物質決定意識，意識是物質的反應，意識對物質具有能動作用。世界是多樣的，又是統一的，世界是多樣性的統一，世界統一于物質。物質的唯一特性是客觀實在性。
一、物質范疇的演進與“二十世紀的失誤”
對“物質”的認識是隨著科技進步和社會發展而不斷深化的。古代樸素唯物主義依據對自然現象的籠統直觀認識，把物質歸結為一種或幾種實物。有的認為“水”是世界的本原，有的認為“火”是世界的本原，有的認為“五行”是世界的本原。這種認識缺乏科學依據，過于簡單化，屬于猜測。近代機械唯物主義根據當時自然科學關于原子是物質最小單位的認識，認為“原子”是世界的本質，是最初的物質，原子的屬性就是一切物質形態的共同屬性。這種認識雖然建立在一定的科學基礎上，但是混淆了自然科學一定階段的物質結構概念同哲學物質范疇的區別，不能適應自然科學發展的檢驗。現代辯證唯物主義從豐富多彩、無窮無盡的物質具體形態中抽象出物質的共同本質，從哲學上作了最高概括，指出客觀實在性是物質的本質規定，是物質的唯一屬性。
原中國科學技術大學校長、現南方科技大學校長、中國科學院院士朱清時教授在《物理學步入禪境：緣起性空》(5)的演講中認為，二十世紀初愛因斯坦發明的相對論證明，物體的質量是變化的，同一個物體在不同的參考系下有不同的速度，速度的變化導致其質量不同。既然質量隨速度而改變，傳統認為質量是物質的不變屬性，是物質的量度的概念就缺乏根據。愛因斯坦還提出了著名的質能方程E=mc2，證明物體的能量等于其質量與光速平方的乘積，即質量與能量不是固定的，而是可以相互轉化的。既然兩者可以相互轉化，而已知能量并非“實體”，那么物質也就不應當再被看作是實體，所以相對論開始揭示出了物質的實體觀的謬誤。朱清時院士引證指出，著名哲學家施太格繆勒（Wolfgang Stegmuller）在《當代哲學主流》一書中寫道：“未來世代的人們，有一天會問： 二十世紀的失誤是什么呢? 對這個問題，他們會回答說：在二十世紀， 一方面唯物主義哲學(它把物質說成是唯一真正的實在)不僅在世界上許多國家成為現行官方世界觀的組成部分，而且即使在西方哲學中，譬如在所謂身心討論的范圍內，也常常處于支配地位。” “但是另一方面，恰恰是這個物質概念始終是使這個世紀的科學感到最困難、最難解決和最難理解的概念。”(6)也即是說，雖然以“唯物主義”為標簽的哲學在二十世紀廣泛傳播，但是“唯物主義”的“物質”內涵是模糊不定的，是說不清的。因此施太格繆勒在哲學上看到了“二十世紀的失誤”。 那么，究竟應當怎樣理解物質？物質有哪些不變屬性?
二、物理學最新發展與“物質”
哲學作為時代精神的精華，一定要以當時的科學成就、特別是自然科學成就為基礎。二十世紀自然科學特別是物理學取得了突破性的發展，為現代唯物主義提供了知識土壤，也為進一步深化對哲學物質范疇的認識提供了可能。
1.基本粒子與弦理論
在近代以來的很長時間里，科學家一直認為，分子是構成物質的基本單位，分子是由原子組成的，原子是最小的“原始”單元。1932年，物理學研究表明，原子是由更小的原子核和電子組成的。以后近30年里，物理學中把比原子核和電子更次一級的物質，如質子、中子等看作是沒有內部結構的、不可再分的微觀粒子，它們被統稱為基本粒子。1964年，美國物理學家馬雷?蓋爾曼的新理論指出，質子和中子不能被看成是最基本的微粒，它們也是有層級結構的，它們是由一種更微小的名叫夸克的物質構成。夸克是極不穩定的、壽命極短的粒子。在已知的300多種“基本粒子”中，只有光子、質子和電子等極少數粒子壽命特別長，絕大多數在誕生的瞬間就已消失，例如，η介子的生命期只有3×10-19秒，而通過強相互作用衰變產生的Σ粒子等“共振態粒子”，它們的壽命大約為10-28秒左右。這些粒子的壽命如此之短，以至于任何最先進的科學儀器都無法直接測量它們，科學家只能借助于理論間接地推算出其物理特性和壽命。這些粒子的數量特別多，比例達到基本粒子總數的三分之二。什么原因造成絕大多數基本粒子竟然如此夭壽？如何理解物質世界（包括人類）竟然建立在這樣轉瞬即逝的基礎上？ 物理學在二十世紀后期的新成就----弦論的提出及其發展把我們對物質的認識更向前深入推進了一步。
弦論是在愛因斯坦統一場思想基礎上發展起來的。在廣義相對論得到科學共同體的承認后，愛因斯坦終其一生、窮盡畢生精力企圖構建統一場論——用一個理論把自然界的四種力（電磁力、引力、強相互作用力、弱相互作用力）統一在協和的數學框架下。由于當時人們對四種力的許多基本特征還認識不夠，所以愛因斯坦沒能完成他的使命。如今，物理學家相信他們終于找到了這種理論，它有可能把自然界的四種力統一在一個單一的、一個能描述一切現象的理論中，這就是弦理論，簡稱弦論。弦理論（string theory）認為(7)，自然界的初始磚塊不是已知的300多種“基本粒子”，而是由極其微小的一維弦的振動形成的閉合圈（閉弦），各種各樣的“基本粒子”皆歸因于一維弦的不同振動模式。一維弦的典型尺度約為普朗克長度（10-35米），即長度的基本單位。弦理論認為(8)，自然界中所有的物質和能量，所有的現象，都來源于弦的分裂和組合。
2.暗物質、反物質與中微子震蕩
科學家很早就預言宇宙中隱藏著大量反物質和暗物質。它們究竟是什么東西？為什么這么多年來科學家一直孜孜不倦地探尋它們？它們可能會對人類認識帶來哪些影響？
(1)暗物質
今天所說的暗物質，最早是由瑞士天文學家弗里茲?茲威基(Fritz Zwicky)發現的。茲威基在1930年初指出：茫茫宇宙中，看得見的星系物質只是很小很小的一部分，其只占總質量的1/160以下，而質量超過99%以上的星系是看不見的，這些看不見的星系物質就是暗物質。不過，多數科學家認為這是天方夜譚 。20世紀70年代后，大量的證據逼迫天文學界普遍接受了暗物質的存在。理解暗物質的道理很簡單，根據萬有引力定律，只要測出星體或氣團環繞星系運行的速度及其與星系中心的距離，就能夠估算出星系范圍內的總質量。按照同樣道理計算，結果表明星系的總質量遠遠大于可見星體的質量總和，這說明星系中還存在看不見的質量。后來，天文學家又計算更大的星系團，發現依然出現這樣的問題，于是科學家們猜測，在宇宙中還存在著人類目前無法看到的神秘物質，而且它們占據的比例非常大。這些物質是自身不發射電磁輻射，也不與電磁波相互作用的一種物質，很難被直接觀測到，但是通過萬有引力效應可以推斷其存在，所以人們把這些物質叫做暗物質。目前人們已確認暗物質占宇宙總密度約20%—25%，它是普通物質密度的4到5倍。而且，大量天文學觀測證據表明：這些暗物質不可能由現在已知的任何一種粒子組成。
暗能量是近年宇宙學研究的一個里程碑性的重大成果。盡管暗能量難以被直接觀測到，而且具有特殊的性質，但科學理性可以幫助我們認識它。有兩個主要證據印證暗能量的存在，一是對遙遠的超新星的大量觀測數據表明，星系膨脹的速度不是恒定的，宇宙在不斷加速膨脹，這種現象能推論出宇宙中存在著愛因斯坦引力場方程預言的壓強為負的“暗能量”。二是近年來通過微波背景輻射的研究，科學家計算出了宇宙中物質的總密度，結果是即使普通物質加上暗物質，質量和也只占宇宙中總質量的1/3左右，還有約2/3的缺失。這一缺失的物質歸因于暗能量，它具有負壓，在宇宙中呈現均勻分布的狀態，主導著今天的宇宙。
（2）反物質
我們習以為常的物質，其實就是正物質。無論宏觀物質還是微觀粒子，都是由原子構成的，原子是由質子、中子和電子組成，其中質子帶正電荷，電子帶負電荷，中子不帶電，這樣的物質叫做正物質。而反物質一切皆相反，它的質子帶負電荷，電子帶正電荷，中子的自旋也是相反的，由這些相反的基本單元構成的“物質”就是反物質。1932年美國物理學家卡爾?安德森在實驗中證實了正電子的存在。隨后又發現了負質子和自旋方向相反的反中子。2011年5月，中國科學技術大學與美國科學家合作發現了迄今最重的反物質粒子——反氦4。歐洲核子研究中心的科研人員在2011年6月5日的英國《自然?物理》雜志上報告說，他們成功地將反氫原子“抓住”長達一千秒的時間。歐洲航天局的伽馬射線天文觀測臺，證實了宇宙間反物質的存在。此外，他們還證明，這些反物質來源很多，它不是聚集在某個確定的點周圍，而是廣布于宇宙空間。
雖然人們已經找到了反物質，但目前的發現還只是九牛一毛。南京大學陳鵬飛認為：“我們現在只是知道了反物質的存在，但是還有很多關于反物質的問題沒有弄清，其中一個疑問就是宇宙中的反物質為什么比想象的少。”(9)現有理論認為，宇宙大爆炸將產生同樣數量的正物質和反物質，也就是說任何事物都是“對稱”的。物質和反物質擁有相反的電性和磁場特性。當兩者相遇時便會發生“湮滅”，僅剩下“純粹”的能量。如果事實果真如此，那么宇宙中就不應該存在任何真實的物質。可事實上物質又確實普遍存在著，而反物質倒是不見了，那反物質跑到哪里去了？這是需要探索的問題。另外，如果在宇宙的某個角落發現了反物質，會對我們人類產生什么影響？萬一碰到了反物質，我們能否有辦法不湮滅呢？這就是中微子振蕩的問題(10)。
(3)中微子振蕩
中微子是構成物質世界的最基本單元之一，它質量極其微小，不帶電。中微子有三種類型，即μ中微子、電子中微子以及τ中微子。中微子在宏觀的宇宙起源及微觀的粒子物理中都起著極為重要的作用，因為它的數量在構成物質世界的12種基本粒子中占據了1/4。中微子性質特異，它在飛行中可以從一種類型蝶變成另一種類型，這就是中微子振蕩。理論物理學家布魯諾?龐蒂科夫首先提出中微子振蕩猜想，他認為夸克模型中特定味的某一中微子可以轉化為不同的味，所探測到的中微子可能處于哪個味要由傳播中不斷改變的波形決定。三種中微子相互兩兩振蕩，原則上應該有三種模式，其中“太陽中微子之謎”和“大氣中微子之謎”兩種模式在1960年后被多個實驗證實。第三種振蕩模式則成為科學懸案，50年來一直未被發現。
經過近半個世紀的探索，第三種中微子振蕩模式終于得到證實。廣東大亞灣中微子實驗國際合作組于2012年3月8日宣布(11)，我國在大亞灣中微子實驗中發現了一種中微子振蕩的新模式，并測量到其振蕩幾率。關于第三種中微子振蕩模式的論文已送交美國物理評論快報發表。第三種中微子振蕩模式為反物質理論提供了實驗證據，被認為是對最基本物理參數的測量，深化了對自然界基本規律的認識。中微子振蕩意味著中微子具有質量，這與粒子物理標準模型不相吻合，對理論物理和實驗物理都會產生一定的影響。
雖然暗物質迄今尚是一種理論猜測，但就目前的科學研究進展看，暗物質、反物質都具有客觀實在性，都是物質的具體形態，都是“物質”存在的不同方式。中微子振蕩作為理論預言得到了實驗證實，進一步豐富和完善了各種物質之間的內在聯系，深化了對“物質”范疇的認識。
三、科學最新成就與對哲學“物質”的思考
朱清時院士認為，在弦論之前，物質的實在性體現在上百種“原子”上，因而可以把物質世界看作是物質實體。(12)但是在弦論中，組成多種多樣、豐富多彩的物質世界的基本單元不是以往認為的基本粒子，也不是宇宙弦自身，而是宇宙弦的各種可能的振動態，是宇宙弦振動所產生的各種“音符”。按照朱清時院士的觀點(13)，物質是宇宙弦的振動態，不再具有客觀實在性了。那么，世界上還有什么事物是實在的呢? 朱清時院士認為，唯事物之間的關系是實在的。
根據物理學的最新發展，我們對唯物主義哲學的“物質”有以下思考：
思考之一：聯系的觀點是馬克思主義哲學的基本觀點，事物之間是相互聯系的，聯系是物質存在的方式，聯系表征客觀實在性。朱清時院士關于宇宙弦的振動態是聯系的觀點有新意，因為它基于現代科學的最新發現，特別是基于弦論的一系列邏輯論述。物質的具體形態在不同的觀察尺度下呈現出差異，在宏觀視域下的物質與構成它的原子甚至物理化學性質都不一樣，但這并不能否認物質的客觀實在性。在宇宙弦這種至小無內尺度下研究實在性與聯系的關系。必將拓展人類認識物質客觀實在性的新領域。
思考之二：弦理論現在并沒有否定“物質”。物理學早就證明物質具有“波粒二象性”， 如具有質量m和速度v的運動粒子具有的波長等于普朗克恒量h 跟粒子動量mv 的比．即λ= h/（mv），這個關系式叫做德布羅意公式，由此公式很容易算出運動粒子的波長。這個理論對于質量m趨于零的粒子還適用嗎？與弦理論有內在關系嗎？在未獲判決性實驗證實之前，弦理論只是認識事物的一種方式方法，不能完全算是科學理論。以一個自身尚待確證的理論去否定物質的客觀實在性不能令人信服。用這樣的理論能動地作用于對象，無異于盲人摸象。目前弦理論無法處理好時間依賴與宇宙論背景的問題，這可能說明物質與時間有著復雜的關系，也說明弦理論還需進一步完善，這種完善當然包括對宇宙弦上的各種“音符”是否具有物質屬性的再認識。
思考之三：弦理論是現在最有希望將自然界的基本粒子和四種相互作用力統一起來的理論，如果它為實驗所證實，這將從根本上改變人們對物質結構、空間和時間的認識，甚至也會改變對世界本原的認識。但是在決定性實驗驗證弦理論之前，人們仍然有必要對它進行更深刻的認識和探索，不應匆忙地推廣到其他領域。
思考之四：在弦論中，人們順理成章地推演出規范對稱性、超對稱性以及引力，這些結論在弦論以前的標準模型中要么是人為強加進去的， 要么就與量子力學相沖突，但在弦論中這些結論都內在自洽地統一起來了，這說明物質世界的確是有內在統一性的。世界的統一性在于其物質性，這種統一性在科學上表現為統一的理論，作為統一場理論發展的弦理論具有其哲學內在合理性依據。
思考之五：宇宙物質起源在弦理論的框架下能得到解決嗎？量子力學和廣義相對論在20世紀取得了巨大成功，但是這兩個理論在適用對象和數學描述上是相沖突的。舉例來說，量子力學認為任何粒子的微觀運動都是不規則的，都有起伏漲落，但宏觀上都遵從統計規律。廣義相對論認為萬有引力來源于彎曲時空。從這兩個理論就可以推論出彎曲時空每時每刻都在經歷著微觀粒子時高時低的漲落變化。在通常情況下，這些漲落小得可以忽略不計，但在極短距離、在大爆炸的初始時刻、在黑洞的視界附近等一些極端情況下，這些量子漲落將起著決定性作用。在這些極端情況下，量子力學和廣義相對論只能得到一些結果為無窮小或無窮大的荒謬結論。很顯然，我們需要一個更完備的理論。令人驚訝的是弦理論第一次將廣義相對論和量子力學自然地結合到一個數學上協和的框架里(14)。在弦理論中，由于弦的延展性(一維而不是一個點)，引力和光滑的時空觀念在比宇宙弦尺度還小的距離下失去了意義，時空量子泡沬由“弦幾何”代替了。現在，用弦理論已經解決了有關黑洞量子力學的一些疑難問題。如何用弦理論來說明宇宙大爆炸的初始奇點仍然是一個沒有解決的大問題，物質起源還需研究。
思考之六： 11維時空是真實可靠的嗎？ 宇宙學研究和觀測數據都指出，人類生活生存的三個空間維數正在膨脹，由此便能推測空間曾經是很小和曲率很大的。自然的一種解釋是，在我們觀測到的三個空間維數以外還存在與它垂直的其他空間維數，由于這些額外空間維數的尺度足夠小和高度彎曲，以至于現有的實驗條件不能直接觀測到它們，但是它們仍能以許多間接的效應顯示出來。例如，在低維空間中觀測到的不同粒子，卻可能是在額外維數空間中同一粒子在不同方向的運動。實際上，額外維數還是弦理論的必然要求，目前弦理論的空間是9維的，再加上一維度的時間總共是10維。(15)弦理論的更進一步研究揭示了還應有第10維方向的空間，所以11維時空在理論上是充分的。弦理論11維時空不純粹是思維的產物，其必將極大地拓展人們的科學研究視野和生產活動空間。相對論揭示了時間空間與物質的密切聯系，弦理論在更大維數范圍內進一步揭示了物質與時空的不可分割性，這對我們站在科學前沿深刻把握“物質”具有重要意義。
思考之七：弦理論的第二次革命。弦理論的第一次革命性突破是用一個數學方程將量子力學和廣義相對論統一起來了，近年來的第二次革命性成就則是將五種不同的弦理論和11維超引力統一起來了，并預言了存在一個包容性更強的M理論(16)。M理論揭示了時空的部分本質和相互作用，并隱含了時間和空間也不算最基本的，而是從一些更基本的量演化形成或可以從該理論直接導出。如果M理論成
功，那么將帶來人類的時空概念、時空維數等認識一場革命的飛躍。
人們對科學的探索沒有止境，物質的內涵必然隨著科學研究的新成就而不斷豐富，物質的客觀實在性在微觀、宏觀、宇觀不同視野下可能有不同形式。
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（責任編輯：謝 科）
