物理学中实在观念演变

作者:李润东

作为探寻物质世界终极规律的科学，物理学中实在和实体的观念始于朴素的直观，并在理性洞察与实验观测的互动中扩展和改变其内涵。今天，物理学对实在和实体的看法已经与最初的朴素观念大相径庭。

　　日常生活的经验告诉我们，物质世界是由“看得见，摸得着”的物体组成的，这些物体具有占据一定空间的广延性、抗拒外力的不可入性以及一定的运动状态。自牛顿力学建立，这种关于实在的朴素观念被抽象和定量化，实物粒子成为最基本的物理实体。依照这种观念，物质皆由连续或分立的实物微粒组成，这些微粒在数学上被抽象为质点，具有一定的空间位置、速度和质量。这一实在观念虽然最初只是被用来解释机械运动，但由于符合我们的直观，在牛顿力学诞生之后的两百多年内，物理学家试图把全部物理学建立其上，认为所有的物质和物理现象都可以归结到实物粒子这一最终实体。

　　19世纪中期，随着人们对电磁现象的深入探索，场的概念被引入物理学。实验物理学家法拉第认为电和磁相互作用，通过弥漫于空间的被称为场的介质传递。法拉第还用“力线”的概念描述场在空间的分布。之后，理论物理学家麦克斯韦等人建立了电磁场的数学理论，提出了描述统一的电磁相互作用的方程组，并发现光其实就是电磁场的波动。场可以由时间和空间中每一点上的一个或一组数来描述。比如，某一时刻水面上每一点的起伏程度可以被看做一个场，其波动即水波；某一时刻固体中每一点偏离其平衡位置的程度也可以被看做一个场，其波动即弹性波，或称声波。然而场不是独立存在的物理实体，它依赖于某种由实物粒子组成的介质（在上例中是水或固体）而存在，用来描述该介质的运动。如果要把电磁学统一于以实物粒子为实体的观念，那么电磁场的存在依托于什么介质？由于光作为电磁波可以在真空中传播，人们设想了一种弥漫于真空中的介质，称之为以太，电磁场则是以太振动的状态。从此直到19世纪末，实物粒子和场的概念并存，但作为物质实体，实物粒子是第一性的，场则是第二性的，实物粒子的实体观一统物理学世界。

　　依据电磁场的以太学说，如果电磁场依托于以太这一载体，那么电磁波的速度即光速应该和观测者的速度有关，正如对于在岸上不动的人和行进的人，水波的速度是不同的。然而出乎意料，19世纪末由迈克尔孙和莫雷所做的实验发现光速与观测者无关。为了弥补实物粒子的实体观与实验事实之间的裂痕，物理学家对以太理论提出各种假设，作了各种修补，但这些尝试都显得缺乏说服力。最终爱因斯坦抛弃以太学说，把电磁场当做不依赖于实物粒子的第一性的物理实体。摆脱束缚的爱因斯坦证明，电磁场方程在所有参照系下具有相同的形式，即电磁学规律的形式具有不依赖于参照系的普适性，从而提出了狭义相对论。之后，爱因斯坦提出的广义相对论则可以看做是关于作为第一性的物理实体的引力场的理论。

　　通常，人们对于相对论的评论专注于其变革时空观的意义，实际上其另一非凡意义在于，它表明场可以是独立于实物粒子的物理实体，而这在日常经验看来是难以想象的。

　　在相对论看来，实物粒子和场都是第一性的物理实体。而同一时期发生的另一场物理学变革——量子物理的诞生则颠覆了人们对于实物粒子的实在观念。依据量子力学，粒子不再具有一定的位置和速度，而是由弥漫于空间的波函数描述，而波函数本身不是可以被直接观测的物理量。此时，关于场的量子理论被建立起来，形成了量子场论，认为量子化的场是最基本的物理实体，场的能量最低的状态即真空，场的激发状态则表现为有粒子存在的状态。场是第一性的物理实体，实物粒子是第二性的。

　　以量子场论描述的粒子物理的标准模型是迄今已被实验证实的最基本的物理理论。但依据标准模型，不同的基本粒子由不同的场描述，不同种类的场未能最终统一成为单一的物理实体，另外，引力场未能纳入量子理论。探索更终极理论的尝试采纳了新的实体观，例如弦理论认为最基本的物理实体是极为微小的一维的“弦”，其不同振动模式表现为不同的基本粒子。

　　纵观物理学的发展历程，理性与科学实践认定的物理实体越来越不具有日常经验中的实在性，而日常经验认定的实在之物在现代物理学看来则并非真正的物理实体。更为深刻的变革在于，对于量子场论或弦理论，我们不能说作为物理实体的场或弦构成了万物，而应该说场或弦的运动即万物。借用中国传统文化中的观念，作为物理实体的场或弦可称为“质”，万物（在日常经验看来坚实可靠的“质”）则是现形于其上的“文”；物理世界之“质”对直观而言愈发抽象和单一，却能承载具有无穷无尽丰富性的万物之“文”。