四，20实际物理学发展的特点

　 （一）研究的领域不断扩大和延伸　　
　　　　　　　　　　　
　　物理学研究范围的空间尺度之广和时间跨度之长是其他任何一门学科所不能比拟 的。

　　在16世纪前后，物理学研究的领域仅局限于人体大小可以比拟的范围。17—18世 纪，由于光学仪器的出现，大大扩大了人的视野，使物理学的范围向大小两个方向延 伸：借助于显微镜，人们可以看到液体内部存在的布朗运动；望远镜的出现把人类的事业扩大到太阳系边缘。特别是随着高能加速器和现代观测手段的出现，使物理学研究的空间尺度从10^-17cm～10²⁶m （现代物理实验所设计的粒子“内部”空间尺度约为 10^-17cm ；已观测到的宇宙范围为10¹⁰光年，即10²⁶m），相差达10⁴⁵数量级。从时间范围看，到目前为止，我们所知的这一部分宇宙寿命约为200亿年，即10¹⁸s 。而粒子物理实验表明，粒子寿命最短的为10^-23s （共振态粒子），两者相差10⁴¹数量级。物理学研究领域的另一个扩展是向极端物理环境进军。现代物理实验室已可以实现地球表面并不存在的各种物理环境，如超低温，超真空，超高压等。在这些极端物理环境下，物质表现出极端特性。现代天体物理学所涉及的各种物质状态又是现代实验室内还无法实现的。中子星内部物质密度在10¹⁵g/cm³ 以上；超新星一次爆发其功率相当于100亿颗太阳；黑洞引力强大到使得人们从外部观察它，除了电荷，质量，角动量以外，其他特性基本消失。在这些极端物理环境下展现出来的物理现象，大大丰富了物理学研究的内容。物理学研究领域另一个扩展是朝着复杂物质展开：固体物理早期所研究的多数是简单的物 质。在进一步研究中，方能接触到比较复杂的物质。从20世纪下半叶以后，大量人工制造的材料问世，如近年来聚合物半导体研究十分引人注目。从聚合物和复杂结构的分子再进一步，就到达生物大分子，进而到更复杂的生命体等等。这些复杂物质蕴含着许多尚待发展，挖掘的物性结构，对此，物理学应该是大有用武之地的。而且当今物理学的研究范围仍在不断的更大，更深的层次发展。

[案例4]（二）“大”与“小”的对立统一　　　　　　返回　
　　　
　 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　　

　　人类对物质世界的认识规律与宇宙进化的进程基本上呈倒时关系，见图1.8。当代天文学研究总结出来的宇宙演化的热大爆炸理论被称为宇宙论的标准模型。按此理论设想，宇宙起源约在一百几十亿年前的一次大爆炸。大爆炸前宇宙原是时空奇点（密度和曲率无限大），四种相互作用统一在一起。从爆炸开始到10^-43s，发生了引力从统一形式中分离的对称破缺； 到10^-35s， 发生了强相互作用从统一形式分离的对称破缺；到10^-10ｓ，又发生了弱力与电磁相作用的分离，从而成为如今四种相互作用并存的世界。大爆炸后，在10^-43s到10^-6s之间宇宙内充满夸克和轻子物质；到10^-6s，夸克开始合成强子；到3min（分）后形成原子核，在逐步形成各种原子及各种星体与星系，早期宇宙（大爆炸后的3min内）是物质以基本粒子形式存在的粒子物理学的天下。另外从图1.5和图1.6来看，图的底部是尺度上最微小但能量最高的世界，对应的学科为粒子物理学（亦称高能物理学）；图的定部是最宏大的世界，即天体与宇宙，对应学科为天体物理学与宇宙论。这两者从表面看来，南辕北辙，互不相干，但从图1.8看来，两者研究相互结合，结果却殊途同归，有合二为一的趋向，奇妙地体现了大与小的辨证统一。

（一）复杂与简单、关联与不关联

　1．复杂和简单的相对性

　　通常所指的是物质结构的复杂和简单（结构），但从相互作用来考虑又是另外一回事了，比如对原子系统一般只考虑核与电子的电磁作用就可以了，而对强子，由于它可以同时参与弱，电，强三种相互作用，而且实验测量的物理量可能不是基本理论直接描写的量，问题就复杂多了，所以并非越小越简单，复杂和简单是相对的，是看对什么具体对象而言的。

　2．从结构上的复杂和简单（层次）来看

　　物质结构各层次之间既存在关联，耦合现象，也存在不关联和脱耦现象。例如，核的壳层结构或其他的结构对遗传有没有影响？尽管遗传规律与DNA分子结构中某些单元的排列顺序有关，在分子结构与遗传物质这两个层次之间存在关联和耦合，但从目前状况来看，核结构对遗传没有太大的影响。又如夸克结构与固体或凝聚态物理这两个层次之间，到目前为止，似乎还没有发现关联和耦合。这些都说明了层次之间（特别是相隔几个层次）存在着脱耦现象。在这里，关联的临界限度ξ 起着极为重要的作用，不同的层次，不同的结构对不同的作用，其关联的临界线度ξ迥然各异，这样就必然会在一些层次之间出现关联，而在另一些层次之间不会出现关联的复杂情况。

　3．＂还原论＂剖析

　　所谓还原论，就是将整体分成许多小的部分，把每一部分研究清楚了，整体问题就解决了．这对于线性系统满足线性叠加原理，整体等于部分的叠加是对的。从伽利略，牛顿以来的经典物理学中的还原论占主导地位（如力的叠加，场的叠加），认为整体或高层次的性质可以还原为部分或低层次的性质，认识了部分或低层次的性质通过分析累计，即可认识整体或高层次的性质．但对非线性系统来说，把各个部分搞清楚了，并不等于了解整体情况，整体不再等于部分的简单叠加，就像牛不等于牛肉加牛皮，牛骨，牛内脏的叠加一样．再者，还原论认为理想系统的长期行为是由短期行为累加构成的，于是，由短期行为可预测性理应推断长期行为的可预测性．但事实上，洛伦兹发现气象变化的长期行为是不可见的，显然其短期行为的可预见性并不能导致长期行为可预见性．世界是复杂的，宇宙间主要是非线性，非理想的实际事物，绝不是用线性的，简单的还原理论所能解释的．

　4．温伯格在他所著的《终极理论之梦》里曾说到：“……但我并不认为基本粒子物理的问题，在科学中，即便物理中，是唯一有趣和深奥的。我也不认为化学家应该放下手头正做的其他事情而致力于求解各种分子的量子力学方程；生物学家应该停止所有有关植物和动物的思考而只考虑细胞和脱氧核糖核酸（DNA）。”这里有两层意思，第一层是承认物质是有层次的；第二层是并非探究清楚最微观层次的规律，就可以把世界上的一切问题全部解决。化学家，生物学家仍然应各干各的事，各自探究各自领域的科学规律。即使是几个粒子的规律搞清楚了，也不能说明10²⁰或10²⁴个粒子形成集团的规律。在每一种复杂的层次上，会有全新的规律出现，对这些新的规律的研究，本身也具有基本的重要性。这些就是物质层次结构中的复杂和简单的辩证关系。

（四）四种相互作用从统一到不统一再到统一的辩证过程
　　物理学的基本目的是寻求自然界的统一规律，从物理学诞生之日起，这一目的就从来没有改变过。一部物理学史，可以说是一步不间断的追求“统一”和“联系”的历史，这是符合辩证唯物论的认识论和方法论的。这些论述，在好多书中都能找到。这里，我们仅从四种相互作用来讨论“统一性”的问题。

　１． 四种相互作用从统一到不统一
　　在第（二）部分讨论“大”与“小”的辩证统一关系时，从图1.8中我们可以看到：在宇宙大爆炸的0～10^-43S这段时间内，宇宙中各种相互作用是无法分开的，是统一的；到10^-43S发生了引力相互作用的分离；到10^-35S发生了强相互作用的分离；到10^-10S又发生了弱相互作用和电磁相互作用的分离，这与对称破缺有关。

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　２． 四种相互作用从不统一再到统一 
　
　　如果说四种相互作用从统一再到统一是自发进行的，那么从不统一再到统一的可能性如何呢？

　　首先，涉及为什么要研究物质结构？如果没有正确的元素概念及其科学的研究，人们就会局限在“金，木，水，火，土”的圈子里；如果不了解空气的组成，人类就不知道自己赖以生存的氧气为何物，更谈不上气体的液化和由此引出的超导，超流现象；如果没有原子，分子论的建立，就无从认识生物大分子DNA的双螺旋结构，也就无所谓认识生命现象最本质的内容；如果不对原子核进行研究，也就不会发现“比一千个太阳还亮”的新能源，也就不会发现奥妙无穷的粒子世界。一句话，从物质深层结构来认识物质，是探索自然奥妙的一种基本而又有效的方法。

　　其次，研究物质深层结构，必然要涉及四种相互作用的再统一，物理学最基本的目的是寻求自然界的统一规律。从物理学诞生之日起，这一目的就从来没有改变过。例如：
　　（１） 牛顿的引力论和物体运动动力学规律将天体的运动与地上物体的运动规律统一起来。
　　（２） 麦克斯韦的电磁理论又将电与磁两类不同现象统一起来。
　　（３） 爱因斯坦花费了后半生寻求引力与电磁相互作用的统一理论，但没有成　功。
　　（４） 大统一理论的建立。大统一理论实际上是相互作用的统一，是要找到已知的四种基本相互作用的统一规律。相互作用的统一，实际上是相互作用强调的统一。从前面讨论的可以看出，四种作用十分不同，且相对强度相差如此之大，要将这些作用统一起来，那是一件多么艰巨的工作！目前，粒子间的电磁相互作用的统一问题已获得了成功，并称为弱电统一理论。这个理论把两种从表面上看来差异很大的相互作用统一到了一个理论框架中，从而揭示了它们所具有的相同的本质。这个理论预言了传递弱相互作用的媒介子W^± Z^O粒子的存在，并在1983年得到证实，这给弱电统一理论以极大的支持，它是当代物理学中的重大成果。为什么人们最先认识弱、电之间的统一呢？实际上，在历史上也是这两种相互作用最后被分离开来的（在图1.8上的10^－10s处），分离所需要的能量较低，是目前实验条件允许的。

　　接下来是电、弱、强三种作用的统一，称为“大统一理论”。从1.8上看，强相互作用后被分离出来，理应最先与电、弱作用统一起来。电、弱作用是能量为10²GeV时的统一，此能量相当于宇宙在大爆炸后10^-10s时的温度。从理论上估计，能量到达到10¹⁵GeV时，电、弱、强三种作用将合并成大统一相互作用。

　　剩下的是电、弱、强与引力相互作用的超大统一作用，称之为“超大统一理论”，从理论上估计其能量大约为10¹⁹GeV时， 超大统一作用才能完成， 这相当于图１.８上10^-43s时的温度。

　　就辨证法看来，各种相互作用都不会丧失，因此，种种相互作用从统一到不统一，又再到统一；对称到破缺又恢复对称都会伴随着宇宙物质的伟大的螺旋式的循环而一一地呈现出来。

　　“统一性”的追求就是“对称性”的追求，也就是“美”的追求，这是杨振宁先生说的。世界的统一性在于它的物质性，而物质又具有多样性。因此，统一与不统一；对称与不对称（破缺）是物质多样性的体现。“统一”并不是主观的臆想，而是在实践中不断修正，不断符合客观实际的结果。20世纪物理学最大成功和特点在这一点上。