關于物理常數的解釋與哲學思考*

陳 華

(臺州廣播電視大學 浙江 臺州 318000)

物理常數是物理學重要的組成部分，在物理學中占有特殊的地位，“各種物理現象以各種不同的方式聯系到有關的一些物理常數.”[1]物理常數在物理學中的重要性，也受到一些哲學家的關注，羅素認為，“基本物理常數的發現和測量是現代物理學最堅實的成就.”[2]隨著現代物理學的發展，物理常數的存因問題越來越受到物理學家的重視，為此像愛丁頓等一些前輩物理學家不惜拆諸“數字學”[3]，期望從中能發現物理常數解釋的端倪；現代一批天才的物理學家想用弦/M理論構建的統一理論，一攬子解決物理常數的解釋問題.雖然這些工作對物理常數的解釋不無啟發，但均沒有獲得顯著的進展.因此有必要做些哲學上的思考，以厘清對物理常數的認識與解釋上存在的問題.本文擬在這方面做些嘗試，引為拋磚引玉.

1 關于物理常數

對什么是物理常數，恩格斯曾經給出過一個定義，即“物理學的所謂常數，大部分不外是這樣一些關節點的標記，在這些關節點上，運動的量的變化(增加或減少)會引起該物體狀態的質的變化，所以在這些關節點上，量轉化為質.”[4]實際上,恩格斯在這里只是對當時已認識的物理常數做的一點哲學概括，以闡明哲學的“量變質變規律”.其實在這段話中，恩格斯所指的物理常數，主要是那些引起物質的物性和現象變化的臨界值，如熔點、沸點、汽化點等，所以,他認同黑格爾的觀點，認為“化學可以被稱為研究物體由于量的構成的變化而發生的質變的科學.”[4]現在看來，更多的物理常數并不表示物質的臨界值，如折射率、電阻率、介電常數等.從物理學的角度看，物理常數就是那些用來反映各種層次物質屬性的一些數值，它們具有一定的穩定性，可以用來區分不同的物質及其所在層次，即物理常數是反映物質客體物理屬性不變的或相對不變的數，它們不僅有臨界值，還有極限值等.

其中k是玻爾茲曼常數，τ=kT.該式在T足夠大時，可得到CV=3Nk的推論，即杜隆-珀替定律，并解釋了固體比熱在T→0時，CV→0的特性.這個比較粗糙的理論，在物理學史上，揭開了量子力學應用于固體物理學的序幕.由此我們可以認為,一般物理常數不是真正的物理常數，它們可以用量子理論解釋.

因為物質本身的復雜性，以及與環境相互作用的不易確定性，我們對一般物理常數的解釋是有限的.如固體間的摩擦因數μ，雖然我們能夠分析出許多形成摩擦因數的因素，然而，至今仍無法確定各種因素是如何作用的，主要還是依據唯像的公式進行測量.這樣做并不影響實際運用，表明物質的微觀結構及其運動具有宏觀的收斂性，是各層次物質存在自身規律性及其層間偶合不強或脫偶的依據.但畢竟我們已有了原則上的解釋手段，因此，在理論上不必為其煩惱.然而，對于基本物理常數(以下簡稱“物理常數”)，也稱普適常數或自然常數，卻不斷地困擾著物理學家，因為“至今還沒有人成功地預測或解釋過任何自然常數……”[6]這種情況到現在也沒有多少改變，因此是文章討論的重點.

2 解釋物理常數的動機

從物理常數在物理學中的地位與作用的角度分類，它們大致可以分為三類.

第一類是用來表征特定物理實體屬性的物理常數.這類常數主要有反映基本粒子性質的質量、電荷和磁矩等，它們在各種物理規律中保持不變，描述著構成整個物質世界基礎的各種基本粒子的性質.因此,具有深入認識物質的基本組成、結構與性質等作用，并引起物理學家進一步的追溯.這類常數可以稱為基本粒子常數.

第二類是用來表征物理現象某一重要特征的物理常數.這類常數主要反映物理實體(包括4種基本力)的運動、變化，以及相互作用的效應與關系等，如精細結構常數、約瑟夫森常數、馮·克利青常數等.它們具有引起深入認識物質基本運動、變化及其相互聯系的作用，常引起物理實驗方法的重大改變，拓展物理理論的適用范圍或發現反常，因此,常令物理學家感到驚訝.這類物理常數可以稱為物理效應常數.

第三類是用來表征物理學某一基本理論基礎的物理常數.這類常數通常出現在物理學的基本方程或公式中，如萬有引力常數、光速、普朗克常數等.它們不僅在不同的物理規律中保持不變，而且構成物理學理論的基礎.對它們的深入認識，不僅能夠發現更深層次的物理理論，而且可以改變物理學家對于自然的圖景，形成新的自然觀.這類物理常數可以稱為基本物理方程常數.

上述三類物理常數的發現或認識歷史表明，對物理常數的發現或認識，即意味著物理學有新的重大發現或發展，它們對物理學表現出以下幾方面的作用與意義.

(1)基礎性.物理常數的基礎性，主要表現在兩方面.1)物理學的每一次飛躍總伴隨著一個重要的關鍵物理常數的發現，如牛頓力學與萬有引力常數G有關；電磁理論及后來的狹義相對論與光速c有關；量子力學的產生與發展與普朗克常數h有關，以至于有學者據此將物理學劃分為三個發展階段.2)物理學理論的自洽性本身可能并不一定需要依賴于物理常數，但理論預言的證實則極度地依賴于物理常數，因此物理常數是物理學理論與實驗之間的橋梁，是物理學理論可靠與否的基石.

(3)認識性.對于物理常數的認識性，首先,表現在物理常數本身具有潛在的探索價值，需要不斷的認識，如對光速的認識，人們經歷了三次飛躍，而每次“飛躍”都伴隨著物理學的深刻變化，并引起人們自然觀的改變；其次,表現在物理常數所具有的認識作用，拓展物理學的研究領域，如電子電量與質量的被測量，證實了原子的可分性，使人們對物質及其結構產生突破性的新認識，開啟對原子結構及其更基本的粒子研究.另外，物理常數的認識作用還與其強烈的反常性有關，如阿伏伽德羅常數NA的發現，曾遭到道爾頓等當時著名化學家的強烈反對；普朗克常數h的發現，連普朗克自己都長時間不敢相信.

除以上作用與意義外，物理常數已成為現代計量學的基礎，而這些均建立在物理常數的恒常性與普適性的特征之上.然而，物理學家既不放心物理常數的恒常性，也不能確定物理常數是否有“普適”范圍，因此物理常數的成因問題自然成為物理學家苦苦思索的問題.為此,物理學家不斷提高物理常數的測量精度，以便從中發現蛛絲馬跡，并將目光從實驗室投向宇宙空間，探測宇宙早期的信息，但至今仍不能確定物理常數是否變化，是否有普適范圍.在測量的基礎上，他們更希望能發現第一性原理[9]，由第一性原理給出物理常數的完美解釋.

3 物理常數解釋的幾種嘗試

對物理常數的關注與重視，大致開始于20世紀初，特別是在量子力學建立之后.當時對已發現的物理常數，物理學家已有精確測量的要求和整理分類的需要，而鑒于物理常數在物理學中起到越來越重要的作用，如何解釋與預言它們，則更成為自那以后各代物理學家要解決的重要問題之一.以下是其中較為典型的幾種.

3.1 從數字本身尋找物理常數的解釋

數字自古就能喚起人們某種神秘的心理反應，用數字猜測命運是其中較為典型的表現，這種迷信方法，在現代世俗生活中仍有殘余.在科學史上，有著神秘主義傾向的古希臘畢達哥拉斯學派認為“萬物皆數”，他們對“數”產生極度虔誠的信仰，這在今天看來有些可笑.然而，就是這一個學派奠定了現代數學的基礎，并發現具有后來物理學數學化特征的諧和音程與不同弦長之間有整數比例的關系，被人們稱為畢達哥拉斯律制.因此,如果剝去對數字的迷信部分，以及對數字的實在化問題，對數字本身的分析也可算作一種研究和解決問題的方法.部分物理學家結合自身的研究經驗，就曾運用這種方法，試圖對物理常數進行解釋，如愛丁頓以其對相對論的熟悉與偏好，通過對四維空間的大膽構想，對精細結構常數進行了被同行斥之為“數字學”的分析，認為

3.2 運用組合法獲得物理常數的解釋

3.3 用人擇原理對物理常數進行解釋

人擇宇宙的思想可以追溯到上千年前的古代，然而用來解釋宇宙的起源、演化和結構，是由美國物理學家R·H·迪克在1961年首先提出來的.在迪克人擇理論的基礎上，現在已演化出多個版本，其中主要有弱人擇原理與強人擇原理，前者即是迪克的人擇宇宙理論，后者由英國物理學家B·卡特提出.弱人擇原理認為，在一個大的或具有無限空間和時間的宇宙里，只有在空間和時間有限的一定區域里，才存在智慧生命發展的必要條件.根據弱人擇原理由智慧的演化的必要條件，估算了宇宙大爆炸發生的時間，并成功地推算出狄拉克的“大數假設”.強人擇原理認為，存在多個宇宙或單一宇宙的多個不同區域，在我們的宇宙或區域中之所以有這些巧合的常數，是因為只有當這些常數具有現在為我們的實驗所測得的數值時才會有人類存在.由強人擇原理出發，物理學家們驚奇地發現，原子和分子的結構幾乎完全由電子和質子的質量比，以及精細結構常數來控制[12]，它們稍微有點變化，有序的分子結構就不存在，生命需要的碳原子就不穩定，DNA的復制就會消失，恒星不能夠燃燒氫和氦……以至于霍金驚呼：“這些數值看來是被非常細致地調整到使得生命的發展成為可能.”[13]然而“人擇原理”只是對觀察結果的可能推測，而不是物理學解釋，甚至與解釋物理常數沒有關系，因為它不能導致建立關于物理常數的物理學方程，并給出預言.

3.4 尋求統一理論對物理常數的解釋

統一理論的建立，必以某個第一性原理為前提，因此，統一理論可以為物理常數提供完美的解釋，所以霍金說：“也許有一天，我們會發現一個將它們所有都預言出來的一個完整的統一理論”.[13]在各種統一理論中，弦/M理論無疑是最受物理學家追捧的.從弦理論到M理論，已經過二次革命.第一次革命是在1984年秋提出超弦理論，解決了弦理論存在的25維、快子和強子無質量等問題，但不久就發現在10維空間里，超弦存在著5個相對獨立的且和諧的理論，對它們使用卡丘空間處理了額外的6維后，每個超弦理論仍需要標志不同幾何特征的數百個常數，因此不但不能解釋物理常數，反而使問題變得更加復雜.第二次革命發生在1995年，著名的美國物理學家威藤在一次洛杉磯弦論會議上提出了一個用有著11維的M理論，來統一5個超弦理論設想，并認為它們其實是同一個理論，然而直到現在也沒有建立起合適的物理學方程，產生任何可觀察的實驗預言，因此，也不能給出物理常數的解釋.對此美國物理學家L·斯莫林認為：“M理論的關鍵問題就在于尋找一種能與量子力學理論和背景獨立性相容的形式……遺憾的是，這方面幾乎沒有什么進展.有一些迷人的線索，但我們還不知道M理論是什么.”[14]因此，物理學家對弦/M理論產生了懷疑，他們被分為樂觀派和悲觀派，其中不乏反對的聲音.

4 對物理常數解釋問題的初步討論

伽莫夫曾說過，對物理常數的認識便構成未來物理學[3].對物理常數的解釋的困難，表明我們對物理常數還存在嚴重的認識問題，這就需要對“什么是物理常數的解釋”，“物理常數能不能解釋”，“怎樣才能解釋物理常數”等基本問題進行討論.

4.1 對物理常數解釋的理解

4.2 物理常數可能被解釋的理由

根據前文討論，物理常數能否被解釋，關鍵是能否發現第一性原理，形成更深層次的理論，為物理常數提供動力學解釋.因為同一層次的物理常數盡管可能自洽，但不可能得到前文所討論的解釋.然而物理學家也注意到，每一次更深層理論的發現，往往因為新的粒子或現象等的發現，又會帶來新的常數，如此往復，要獲得物理常數的最后解釋似不可能，除非能夠建立終極理論——統一理論.對此，有必要對現代物理學做點粗略的考察.

隨著量子理論、非線性等復雜物理學的研究發展，以及對不同層次物質存在的脫偶現象的認識，使得物理學也采用生成論、整體論和層創論[15]等方法進行研究，但還原論仍是物理學研究的基本方法.還原論是基于復雜性背后存在簡單性的信仰形成的基本物理方法，物理學家期望用該方法，獲得關于物質世界的最基本的基元及其相互作用的關系，然后建立統一理論.目前雖然關于是否存在最基本的物質基元，物理學界仍在爭論，但像溫伯格等物理學家贊同“并非所有的粒子都是相等的”[16]觀點，認為存在一些基本粒子，如光子、中微子、夸克等，而其余的基本粒子是它們的復合物，這個理論在眾多場合非常有效.但是幾十年來，物理學家并沒有探測到自由夸克.盡管對此現象有非阿貝爾規范理論的漸近自由說可以解釋，但還沒有得到實驗證實.不過以還原論的觀點，我們還是可以認為該理論最接近事實.這樣自然要追問，那些更基本的粒子是否有相同的起源？這可能是現在許多物理學將基本粒子統一到“弦”的原因，在他們看來，各種基本粒子就是“弦”振動的各種模態，由此傳統的物質概念將被消解為“無”，用朱清時院士的話說(2009年的一次講演)，就是物理學進入了“自性本空”的階段，只剩下“事物間的關系”，即哲學家說的“關系實在”，由此“弦”難免不進入“玄”境.好在物理學的研究途徑并非只有弦/M理論，宇宙大爆炸學說、量子規范場理論及其相關的測量與實驗，已觸及基本粒子形成的原因，早期“宇宙可能曾發生過相躍遷”[16]，物理學家已開始關注和猜測1032K時宇宙的狀態(在那里粒子的意義將不存在)，并與宇宙大爆史有關的已發現或待證實的殘跡相聯系，如宇宙背景輻射、暗能量和暗物質等.

由于物理學是從對宏觀物質研究開始到分子、原子，現在已進入基本粒子層次.從每一層次的理論可以為上一層次理論提供解釋來看，我們可以猜測，物理常數的最終解釋將在于基本粒子形成理論的發現，在那里盡管還可能存在某些自由參數，那也將是數量不多，而且是可以討論的，物理學也將在那里達到統一.因此，解釋物理常數與統一理論的建立具有同一性.我們有理由相信物理常數可以解釋，雖然可能正如康德所認為的“心靈獨特的活動是綜合并統一我們的經驗”，[17]物理學的發展也表明自然比人的想象更豐富，但這就是物理學的認識之路，除非有一天統一之路被證否.

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4.3 物理常數可能被解釋的邏輯

物理常數解釋的邏輯，本質上也就是物理學研究的邏輯.由于物理學研究物質世界最基本的規律，因此，當對它的基本問題進行研究時，某些哲學觀念就會呈現出來，前文提到的“第一性原理”就有著哲學中的“本體”意蘊，一不小心很容易讓人滑入形而上學的思辨.因此，盡管有對物理常數解釋的各種推測與設想，具體解決問題還要回到物理學的研究邏輯，其中主要有以下幾方面.(1)更深層次物理學理論的發現發生在已有理論的適用邊界上.這時，有充分的觀察數據或發現大量的反常現象，為此，多數物理學家開始進行新理論的建構，甚至有局部的合理的理論出現.(2)在大量觀察數據或反常現象出現的基礎上，新物理理論的建立，通常還要等待某些關鍵環節的發現.如狹義相對論中光速不變性的發現，量子力學中作用量子的發現等.目前相對論與量子理論盡管存在一些理論問題，但并沒有走到理論的適用邊界，因此它們的統一問題，有待于進一步的反常發現，以發現“關鍵環節”.(3)尋找“關鍵環節”，要物理理論為物理實驗提供可操作的預言，同時物理理論要接受物理實驗的檢驗，并在此過程中產生思維方式的飛躍.因此，建構物理理論只是現象，本質上是物理理論與物理實驗辯證運動的結果，是思維對現象背后實在的把握.正因為這樣，基于不同物理思想建立的物理理論，可以殊途同歸，如海森伯、薛定諤與費曼等人不同的量子力學程式的等效性即是例證，這是物理學理論具有客觀性的基石.

參考文獻

1 王竹溪.基本物理常數的概況及其在物理學中的作用.物理,1973,2(2):100

2 (英)羅素.人類的知識.張金言譯.北京:商務印書館,1989.38

3 (美)喬治·伽莫夫.物理學發展史.高士圻譯.北京:商務印書館,1981.314,311

4 恩格斯.自然辯證法.于光遠,等譯.北京:人民出版社,1984.78～79

5 王飛,胡秀華.物理常數的分類.齊齊哈爾師范學院學報(自然科學版),1992,12(1):51

6 John D.Barrow,John K.Webb.變化的常數.科學,2005(8):27～28

7 陳華.淺論物理常數教學.浙江萬里學院學報,2008,21(5):105

8 (美)阿伯拉罕·派斯著.基本粒子物理學史.關洪,楊建鄴譯.武漢:武漢出版社,2002.269

9 楊福家.原子物理學(第三版).北京:高等教育出版社,2000.48

10 王濤,劉勝洪.關于基本物理常數之間的定量關系.中國組織化學與細胞化學雜志,2012,21(6) :603

11 汪世清.淡普朗克質量.物理,2002,31(5):303

12 (英)約翰·巴羅著.大自然的常數.陸棟譯.上海:上海世紀出版社,2006.170

13 (英)史蒂芬·霍金著.時間簡史——從大爆炸到黑洞.許明賢,吳忠超譯.長沙:湖南科學技術出版社,1996.117

14 (美)L·斯莫林著.物理學的困域.李冰譯.長沙:湖南科學技術出版社,2008.143

15 馮端.漫談物理的過去、現在與未來.物理,1999,28(9):524

16 (美)史蒂文·溫伯格著. 最初三分鐘.張承泉,等譯.北京: 中國對外翻譯出版公司,2000.110,113

17 (美)S·E·斯通普夫,J·菲澤著.西方哲學史——從蘇格拉底到薩特及其后(第8版).匡宏,鄧曉芒,等譯.北京:世界圖書出版公司,2009.274