物理学中的理性和感性

曾光

[摘 要] 物理作为一门理科科目，是以理性为基础的学科，也是我们理解世间万物运动规律的工具。面对实际问题的时候，物理学难免体现它的另一面——感性。文章从物理学中常用的一些问题处理方法入手，分析物理学的感性成分，探究物理学的丰富性和复杂性。

[关键词] 物理学;理性;感性

一、物理學的“主观理想”

在各种物理试题中，我们常常看到许多理想化的语言，这些特定的限定往往是为了适用于某些物理定律。如“光滑的平面”表示不需要考虑摩擦力，“刚性球体”就可以看作不损失能量的弹性碰撞，至于“无限大平行板电容器、理想气体、无穷小等分、不受任何外力”，更是明确告诉我们有些因素完全不用考虑。然而，这些不合实际的假设恰恰是为了更方便地用理性语言来描述客观事实。

影响一个事件的因素实在太多了，于是，物理学家认为，只要抓住关键因素，其他次要因素完全可以忽略。物理学在处理具体问题的时候，往往会引入一些主观臆断的前提条件，让问题简单化。如“质点模型”，当相互作用物体尺寸和其距离相差足够大的时候，物理学往往忽略物体的形状和体积因素，而把它理想化成一个有质量的点——“质点”。毫无疑问，自然界根本不存在一个有质量无体积的物体，因此质点模型从一开始就完全是人们的主观假设。

二、物理学的“投机取巧”

早期的物理学处理的问题实际上都是单体问题，即研究对象往往只有一个，通过判断该对象受到其他物体的相互作用而推测其可能的运行形式。面对二体问题，尽管在数学上不存在困难，但物理学中为了方便，还是常常取二体质心作为单体研究对象。但是进一步到三体问题时，物理学家往往手足无措，因为要想严格计算出三体中任何一体的运行方式都是非常困难的，而质心假设同样不够方便。

例如，太阳、地球和月亮构成的三体系统，经典物理学往往认为月亮质量太小，因此计算地球轨迹只考虑太阳引力即可。尽管这种“合理的忽视”可以给出地球公转的结果，但是永远无法解释地球上潮汐的形成。再如，固体材料中存在大量的原子数目。原则上，我们有发展成熟的量子力学，它在氢原子这个单体问题上面取得了极大的成功，如果每一个原子都可以用量子力学描述，那么一大群原子是否也可以呢？物理学家通过一些对称性分析，发现固体材料中的原子排列大致可以分成14个大类、230个子类，即所谓的14种晶系和230种空间群。这意味着，原子的排列是有规律可循的，如果考虑到排列的周期结构，那么就可以大大简化固体物理中的复杂系统问题。如金属电子论就认为，固体中原子最外层电子不受到原子核束缚，电子和电子之间也不存在相互作用，这些电子以近似自由的形式在周期性排列的原子晶格中运动，一下子就把复杂的系统变成了一个周期性的背景，而研究主题又可以回归到一个电子的单体问题。不可否认，这种感性化的理想设定确实取得了巨大的成功，它可以解释金属导体、半导体、绝缘体的微观物理本质，现代半导体技术乃至信息革命都以此为基础，但一旦电子和电子之间存在很强的相互作用，那整套理论就完全失效了。

三、物理学的“理所当然”

现代物理学的基本规律告诉我们对称性和守恒律的重要性，每一个对称性对应着一种守恒律，反过来，每一条守恒律都意味着存在一种对称性。在处理对称性和守恒律的问题上，物理学非常喜欢理所当然的事情，能量守恒定律，至今仍然是物理学基本规律之一。在早期的粒子物理学中，人们想当然地认为所有粒子相互作用过程都需要满足宇称守恒定律，即给这组相互作用粒子照镜子的话，镜子里面发生的事情和镜子外应该得到一样的结果。然而，越来越多的物理事实开始质疑这个假设的准确性。杨振宁和李政道敏锐地意识到这个错误并大胆地从理论上论证了弱相互作用过程宇称不守恒的可能，随后，吴健雄精巧的实验验证了这个推测，一条“金科玉律”就此被打破。如最早发现的超导材料都是金属单质或合金，但导电性极好的金、银、铜却无法在低温下超导。相反，1986年发现的铜氧化物高温超导体，尽管其母体本身是绝缘体，却可以实现高温超导电性。同样地，多年的超导材料探索经验似乎告诉我们，铁这类磁性元素对超导有极大的破坏作用。然而，2008年发现的铁基高温超导材料打破了这个固定思维。在新材料探索过程中，往往充满各种打破常规思维的偶然性，这些意外的收获，正是科学研究的乐趣之一。

四、物理学的“好大喜功”

物理学既然号称“万物之理”，在许多方面都想尽可能地建立一个“完善”的理论体系，有一种不达目的不罢休的“好大喜功”的倾向。在量子力学建立之初，玻尔和爱因斯坦之间关于量子力学是否完备的争论一度动摇坚持量子论的人们的信念。为什么一套新理论一定要完备描述我们的物理世界呢？归根结底还是物理学家们希望建立的理论是“完善”的，甚至是“无懈可击”的。不少人仍然认为量子力学和相对论推翻了整个经典物理学。实际上，量子论和相对论是建立在经典物理学大厦基础之上的，只不过把经典物理学的视野拓展到了微观世界、近光速状态乃至宇观世界。之前，经典物理学在这些方面过于粗糙地“想当然”，以至于在认识上不是很准确。任何一个理论，都有它的适用范围，其根本原因就是建立理论时的几条基本原理假设，离开这个范围讨论的物理学，一定要慎之又慎。在凝聚态物理学中，也存在类似问题，传统的朗道费米液体理论确实解释了许多重要的物理问题，但是它面对强关联电子系统时就失效了。在粒子物理学中，人们花了多年时间建立了粒子物理的标准模型，并耗费巨资去寻找最后一个粒子——希格斯粒子，目标就是证明标准模型是完备的，或者说是“对的”。然而，标准模型之外呢？是否还存在其他粒子不能被标准模型描述？没有人可以给出肯定答复，这也是为何大型加速器物理的研究不会因为发现希格斯粒子停止脚步，相反，人类探究未知的好奇心将会一直延续下去。我们不知道走到最后的“万物统一理论”能否为我们理解这个世界带来巨大的帮助，然而可以肯定的是，即使你知道这个理论，也未必能够看清楚世间一切。就像即使你知道写固体材料中每一个电子的薛定谔方程，却无法精确预言它们的集体量子行为。这也预示着，即便走到了“万物之理”这一步，也不会是物理学的终结，而不过是一个小小的里程碑。

总之，物理学的“感性”是人们在试图用“理性”来理解我们的世界过程中形成的各种思维和处理问题的习惯。“感性”的存在并不说明物理学过于“情绪化”而显得不可信，事实上，“感性”从另一面彰显了“理性”的必要性和局限性。“感性”和“理性”的冲突说明，理解世界既是一件有趣的事情，又是一件非常困难的事情。