物理学革命的基本特征

作者     苟文俭          

如《物理学第三次革命探索（一）》所述：在对自然奥妙的探索中，不论是深入到粒子内部还是涉及全宇宙，对QM（量子力学）、相对论及其它现存理论的现代物理理论，都需要有革命性突破，从而使物理学实现又一次革命。

（一）

“物理学”即英语里的“physics”，最早见于古希腊亚里士多德的《物理学》一书。在古希腊，虽然阿基米德对力学的研究形成了著名的浮力原理，但古希腊的物理学涉及的是整个自然科学，研究的是自然界的总原理，实际是思辩的自然哲学。因此，从古希腊提出物理学以来，人类历史上对物理学整体观念实现的革命性突破已经经历了如下两次：

1、第一次革命性突破，应追溯到1543年哥白尼公开发表的《天体运行论》，后来又由伽利略开创了定量化的物理理论。

这一次整体观念的革命性突破、完成于以牛顿力学为核心内容的经典物理理论体系的形成。这也就实现了人类历史上物理学的第一次革命，它使物理学离开思辨哲学。如1590年伽利略在比萨斜塔所做的“两个铁球同时落地”的著名定量实验，就更正了亚里士多德关于“物体落下的速度和重量成比例”的错误论述这样，物理学的这一次革命纠正了亚里士多德的许多错误，也使物理学完全摆脱了神学的束缚，而成为了一门实证科学，开始了物理理论形式化的数学表述，把古希腊的物理学转变成了近代科学中最基础的学科。

    2、第二次革命性突破，也可以上溯到1883年马赫在《力学史评》一书中对经典力学的批判，直到上世纪初QM与相对论的创立，把定量化的物理学深入到了细微的粒子世界、以及广袤的宇宙，以完全不同于经典物理理论的公理系统，再次改变了人们对物质世界的认识，将物理学再次引向了全新时代，实现了人类历史上物理学的第二次革命。

可以认为，物理学第二次革命完成于以相对论及QM为基础内容的现代物理理论体系。因此，如果我们实现了对现代物理学的革命性突破，也就在人类历史上实现了物理学的第三次革命。

（二）

完成物理学革命的物理理论的基本特征，即是本文所称的物理学革命的基本特征。

总结完成于经典物理理论与现代物理理论的两次物理学革命，从物理理论自身实现对描述对象表述的角度考虑，就很容易得到物理学革命有如下基本特征，对此也称是物理学革命的表述基本特征。

1、理论对描述对象的表述，都有由全新依据及出发点形成的公理系统。

物理理论公理系统，包括物理理论公理及表述需要的基本概念这两个部分。物理学中，物理理论公理是对描述对象做形式化表述、构成物理理论逻辑体系的出发点，它来自人们的经验知识，是真的但不可证明，满足戈德尔不完全定理，即是一种不需要证明的自明之理。

经典物理理论表述依据，是建立在质点、连续化能量、静止时空的基本概念之上的，其公理是欧几里德几何公理及牛顿力学三大定律。对在经典物理描述的宏观低速范围建立起来的分析力学，这样的公理都具有能够推导出任何物理定理的完备性，具有它们不能彼此取舍的独立性，和相互无矛盾的相容性。因此可以认为，实现物理学的第一次革命的牛顿力学公理系统，在经典物理描述范围内是自洽的完美的。

分析以QM与相对论的现代物理公理系统：QM表述是建立在点粒子、不连续能量、时空不确定的基本概念之上的，狭义相对论则建立在质点物质可变、连续化能量、时空相对性的基本概念之上的，广义相对论则是建立在质点物质惯性质量与引力质量相等、连续化能量、非欧几里德几何时空的基本概念之上的。现代物理不同理论在它们各自描述范围，也都有由经验知识归纳总结出来的、可以导出其各自物理定理、相互不能取舍和无矛盾的公理。但很容易看清楚：形成现代物理不同理论的基本概念、及由经验知识归纳总结出来的公理，有些又是互不相容的。因此，现代物理理论体系虽然完成了物理学第二次革命，但其公理系统在现代物理理论描述涉及到的整个物质世界，又远远不及牛顿力学公理系统在经典物理描述范围内那么自洽和完美。

2、有完全不同的逻辑体系，对物质世界或自然界的理解，也都形成了完全不同的观念。

物理理论形式化表述体系，也称是物理理论逻辑体系。经典物理与现代物理由于各有完全不同的公理系统，其逻辑体系自然也就完全不同。这已是显而易见的事实了。

物理学对物质世界或自然界的理解，主要体现在物质世界的构成、运动与能量、时空等观念上。在古希腊的物理学中，物质世界由理想化的抽象原子构成，认为时空是一片混沌，自然现象由神主宰，没有明确的运动与能量概念。物理学第一次革命后，在经典物理学中，物质世界由形成元素的不可分的原子构成，认为时空绝对静止，天上与地上的运动都有统一的规律，也均可以用以某种形式连续变化的能量来表述。物理学第二次革命后，又形成了原子可分、元素可变、物质有波-粒二象性、能量分立、质能互换、时空随物质存在变化而变化等现代物理学的全新观念。

3、完成物理学革命的新理论，总是以已有的科学成果为发展起点，体现了对过去理论成果的全面继承。如经典物理理论，就完全继承了古代物理学原子论的科学思想，而现代物理理论，从夸克到超弦及形式化表述，既继承了古代物理学原子论的科学思想，也完全继承了伽利略物理理定量化的科学思想。而且，物理学的每一次革命，也都有效解决了过去旧理论完全不能解决的疑难问题。

4、都完成了物理学逻辑体系的大综合。如经典物理理论中，牛顿的《自然哲学的数学原理》就形成了综合表述所有机械运动的逻辑体系，麦克斯韦电磁理论则是综合表述电、磁、光的逻辑体系，而现代物理则又是综合表述不同性质力的逻辑体系。  

5、理论描述范围都实现了新的扩展。如由于能量守恒原理的发现、麦克斯韦电磁理论的成就以及分子运动论的建立，经典物理就包罗了大至日月星辰，小至原子、分子的运动，而现代物理理论则试图囊括小至基元、大到宇宙学大尺度结构的所有实际可能的物质存在。

（三）

每一次物理学革命，最终不仅会引起人类理解物质世界观念的根本转变，也引起了人的思维意识、观察手段、生活方式的根本性转变。因此，在社会学意义上，物理学革命就还表现了以下两个不容忽视的方面。

1、第一个方面，是每一次物理学革命都带动了人类自然科学、哲学、思想的大飞跃，也带动了各个领域的技术革命，推动了人类社会巨大进步，为人类文明开辟了新纪元。

如实现第一次物理学革命的牛顿力学创立以后的一两百年间，不仅自然科学界，连心理学、经济学和社会学工作者，都企图用力学的方式来解决它们各自的问题；而经典热学则带来了以蒸汽机的使用为标志的人类社会的第一次工业革命，经典电磁理论则又使人类社会从机械化跃变为了电气化，实现了机械能、光能、热能、电能间的相互转化，形成了人类社会的第二次工业革命，并进一步转变为了西方的近代工业文明，使人类在政治、技术、社会形态等各个方面都跃上了一个新台阶。

又如实现第二次物理学革命的的现代物理理论，就为原子物理学、固体物理学、核物理学和粒子物理学的发展奠定了理论基础，开创了人类文明史上的信息技术、新能源技术、新材料技术、生物技术、空间技术和海洋技术领域的革命，不仅极大地再一次推动了人类社会经济、政治、文化领域的变革，而且也引起人类劳动方式和生活方式的变革，使人类社会生活和人的现代化发展到了今天这样的高度，形成了人类文明史新的里程碑。

2、任何历史时期，人们过去思维习惯形成的常识常理，也就成为了这个历史时期的社会主流价值观。革命对认识观念的革命性突破，也总是要背叛社会的常识常理，背叛主流的价值观。在物理学领域，物理学革命自然也要背叛现存物理学形成的主流价值观，这也首先就表现在对坚持现实主流价值观的权威的冒犯。这就是物理学革命在社会学意义上表现的不容忽视的第二个方面。

如狭义相对论中，运动的尺要缩短钟要变慢,任何物体运动速度都不可能超过光速。这些显然都为十九世纪的物理常识所不容；又如QM的波粒二象性、物理量的不可对易性、不确定度量关系、互补原理等等，也都与典型物理概念格格不入。

社会学意义上物理学革命在这个方面的表现，对物理学的革命者来说往往要付出巨大代价。对此最典型的事件，就是在十六世纪物理学第一次革命开始期间，欧洲的布鲁诺为宣传地球不是宇宙中心、一切自然现象都有共同的物质基础、自然界万物皆处于普遍联系与不断运动之中等朴实的物理学观念，由于是对当时罗马天主教教义主流价值观的背叛，竞被判死刑而被活活烧死。

当然，在人类文明高度发展了的今天，我们并不担心开展物理学第三次革命、就会被坚持物理学主流价值观的权威们判死刑烧死，但在我国一些坚持物理学主流价值观的人，他们不仅把QM及相对论这些相对真理捧成了与宗教教义无异的绝对真理，更是以此招摇过市，唯我独尊、排斥学术异己，对敢于对这种绝对化价值观说“不”的人之厌恶，与当年罗马天主教徒厌恶布鲁诺并无什么两样。

在社会学意义上，物理学革命上述这两个方面的表现，也就构成了物理学革命的社会学基本特征。

（四）

总结物理学革命的表述基本特征，在逻辑上物理学革命又具有以下基本特征：

1、对实现了革命的物理学理论，其依据及出发点是全新的公理系统，这就注定了会形成新的逻辑体系，是有全新逻辑体系的全新物理理论。

2、对实现了物理学革命的全新物理理论，作为理论表述出发点的公理，及作为描述依据的基本概念，都是从自明的经验知识归纳总结出来的，是真的但又不是由任何现存理论演绎出来的。

3、实现物理学革命的全新物理理论也总是对过去全部理论成就的继承，也总是对物质世界整体存在的描述，实现的也总是物理学整体观念的革命性突破。

上述这些也就统称是物理学革命的逻辑学基本特征。据此，我们就很容易澄清关于物理学革命的如下两种不确切或不正确的说法。

第一种说法，出现在一些史学家对二十世纪物理学史的回顾。他们认为二十世纪物理学发生了三次革命：第一次革命始于1900年普朗克的能量子假说，完成于QM；第二次革命完成于爱因斯坦创立的相对论，二十世纪下半叶出现的非线性科学，它发现了混沌现象及其非线性规律，是人类认识自然的一次飞跃，标志人类认识自然由线性现象进入非线性现象，被认为是继QM与相对论之后，二十世纪物理学的第三次革命。

实际上，QM也好，相对论或非线性科学也好，它们描述的都是物质世界的各个不同领域，是对物质世界各个不同领域、分别实现的认识论观念的革命，不是物理学整体观念的革命性突破，不满足物理学革命的逻辑学基本特征的上述第三条，不属于可以描述物质世界整体存在的物理学第三次革命。

第二种说法，出现在当今一些立志对物理理论创新的探索者，他们根据数学规律、或哲学原理，通过对现代量子场论或宇宙学理论的某些修正，得到了不同于量子场论或宇宙学理论的一些新结果，于是就认为自己实现了物理学的革命。

根据数学规律或哲学原理，通过修正现代量子场论或宇宙学理论得到的新理论，不论解决了现代物理学的什么困难，在观念上对QM与相对论实现了多少突破，因为不满足物理学革命逻辑学基本特征的上述第一条和第二条，也都不能称是物理学革命。