物理學中的理性和感性

曾光

[摘 要] 物理作為一門理科科目，是以理性為基礎的學科，也是我們理解世間萬物運動規律的工具。面對實際問題的時候，物理學難免體現它的另一面——感性。文章從物理學中常用的一些問題處理方法入手，分析物理學的感性成分，探究物理學的豐富性和復雜性。

[關鍵詞] 物理學;理性;感性

一、物理學的“主觀理想”

在各種物理試題中，我們常常看到許多理想化的語言，這些特定的限定往往是為了適用于某些物理定律。如“光滑的平面”表示不需要考慮摩擦力，“剛性球體”就可以看作不損失能量的彈性碰撞，至于“無限大平行板電容器、理想氣體、無窮小等分、不受任何外力”，更是明確告訴我們有些因素完全不用考慮。然而，這些不合實際的假設恰恰是為了更方便地用理性語言來描述客觀事實。

影響一個事件的因素實在太多了，于是，物理學家認為，只要抓住關鍵因素，其他次要因素完全可以忽略。物理學在處理具體問題的時候，往往會引入一些主觀臆斷的前提條件，讓問題簡單化。如“質點模型”，當相互作用物體尺寸和其距離相差足夠大的時候，物理學往往忽略物體的形狀和體積因素，而把它理想化成一個有質量的點——“質點”。毫無疑問，自然界根本不存在一個有質量無體積的物體，因此質點模型從一開始就完全是人們的主觀假設。

二、物理學的“投機取巧”

早期的物理學處理的問題實際上都是單體問題，即研究對象往往只有一個，通過判斷該對象受到其他物體的相互作用而推測其可能的運行形式。面對二體問題，盡管在數學上不存在困難，但物理學中為了方便，還是常常取二體質心作為單體研究對象。但是進一步到三體問題時，物理學家往往手足無措，因為要想嚴格計算出三體中任何一體的運行方式都是非常困難的，而質心假設同樣不夠方便。

例如，太陽、地球和月亮構成的三體系統，經典物理學往往認為月亮質量太小，因此計算地球軌跡只考慮太陽引力即可。盡管這種“合理的忽視”可以給出地球公轉的結果，但是永遠無法解釋地球上潮汐的形成。再如，固體材料中存在大量的原子數目。原則上，我們有發展成熟的量子力學，它在氫原子這個單體問題上面取得了極大的成功，如果每一個原子都可以用量子力學描述，那么一大群原子是否也可以呢？物理學家通過一些對稱性分析，發現固體材料中的原子排列大致可以分成14個大類、230個子類，即所謂的14種晶系和230種空間群。這意味著，原子的排列是有規律可循的，如果考慮到排列的周期結構，那么就可以大大簡化固體物理中的復雜系統問題。如金屬電子論就認為，固體中原子最外層電子不受到原子核束縛，電子和電子之間也不存在相互作用，這些電子以近似自由的形式在周期性排列的原子晶格中運動，一下子就把復雜的系統變成了一個周期性的背景，而研究主題又可以回歸到一個電子的單體問題。不可否認，這種感性化的理想設定確實取得了巨大的成功，它可以解釋金屬導體、半導體、絕緣體的微觀物理本質，現代半導體技術乃至信息革命都以此為基礎，但一旦電子和電子之間存在很強的相互作用，那整套理論就完全失效了。

三、物理學的“理所當然”

現代物理學的基本規律告訴我們對稱性和守恒律的重要性，每一個對稱性對應著一種守恒律，反過來，每一條守恒律都意味著存在一種對稱性。在處理對稱性和守恒律的問題上，物理學非常喜歡理所當然的事情，能量守恒定律，至今仍然是物理學基本規律之一。在早期的粒子物理學中，人們想當然地認為所有粒子相互作用過程都需要滿足宇稱守恒定律，即給這組相互作用粒子照鏡子的話，鏡子里面發生的事情和鏡子外應該得到一樣的結果。然而，越來越多的物理事實開始質疑這個假設的準確性。楊振寧和李政道敏銳地意識到這個錯誤并大膽地從理論上論證了弱相互作用過程宇稱不守恒的可能，隨后，吳健雄精巧的實驗驗證了這個推測，一條“金科玉律”就此被打破。如最早發現的超導材料都是金屬單質或合金，但導電性極好的金、銀、銅卻無法在低溫下超導。相反，1986年發現的銅氧化物高溫超導體，盡管其母體本身是絕緣體，卻可以實現高溫超導電性。同樣地，多年的超導材料探索經驗似乎告訴我們，鐵這類磁性元素對超導有極大的破壞作用。然而，2008年發現的鐵基高溫超導材料打破了這個固定思維。在新材料探索過程中，往往充滿各種打破常規思維的偶然性，這些意外的收獲，正是科學研究的樂趣之一。

四、物理學的“好大喜功”

物理學既然號稱“萬物之理”，在許多方面都想盡可能地建立一個“完善”的理論體系，有一種不達目的不罷休的“好大喜功”的傾向。在量子力學建立之初，玻爾和愛因斯坦之間關于量子力學是否完備的爭論一度動搖堅持量子論的人們的信念。為什么一套新理論一定要完備描述我們的物理世界呢？歸根結底還是物理學家們希望建立的理論是“完善”的，甚至是“無懈可擊”的。不少人仍然認為量子力學和相對論推翻了整個經典物理學。實際上，量子論和相對論是建立在經典物理學大廈基礎之上的，只不過把經典物理學的視野拓展到了微觀世界、近光速狀態乃至宇觀世界。之前，經典物理學在這些方面過于粗糙地“想當然”，以至于在認識上不是很準確。任何一個理論，都有它的適用范圍，其根本原因就是建立理論時的幾條基本原理假設，離開這個范圍討論的物理學，一定要慎之又慎。在凝聚態物理學中，也存在類似問題，傳統的朗道費米液體理論確實解釋了許多重要的物理問題，但是它面對強關聯電子系統時就失效了。在粒子物理學中，人們花了多年時間建立了粒子物理的標準模型，并耗費巨資去尋找最后一個粒子——希格斯粒子，目標就是證明標準模型是完備的，或者說是“對的”。然而，標準模型之外呢？是否還存在其他粒子不能被標準模型描述？沒有人可以給出肯定答復，這也是為何大型加速器物理的研究不會因為發現希格斯粒子停止腳步，相反，人類探究未知的好奇心將會一直延續下去。我們不知道走到最后的“萬物統一理論”能否為我們理解這個世界帶來巨大的幫助，然而可以肯定的是，即使你知道這個理論，也未必能夠看清楚世間一切。就像即使你知道寫固體材料中每一個電子的薛定諤方程，卻無法精確預言它們的集體量子行為。這也預示著，即便走到了“萬物之理”這一步，也不會是物理學的終結，而不過是一個小小的里程碑。

總之，物理學的“感性”是人們在試圖用“理性”來理解我們的世界過程中形成的各種思維和處理問題的習慣。“感性”的存在并不說明物理學過于“情緒化”而顯得不可信，事實上，“感性”從另一面彰顯了“理性”的必要性和局限性。“感性”和“理性”的沖突說明，理解世界既是一件有趣的事情，又是一件非常困難的事情。