相对论与量子力学的矛盾精选(九篇)

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第1篇：相对论与量子力学的矛盾范文

关键词：因果论；经典物理学；爱因斯坦；近代物理学

Abstract： the classical causal theory is a kind of experience， but the causal theory has a more far-reaching influence on most of the people. In the process of the development of physics， also left a deep mark has a causal theory. In this paper， from the development of physics to talk about in the process of causal theory.

Keywords： Causal theory， Classical physics， Modern physics， Einstein

因果论也称因果定律或因果法则，是指任何事物的产生和发展都有一个原因和结果。一种事物产生的原因，必定是另一种事物发展的结果；一种事物发展的结果，也必定是另一种事物产生的原因。原因和结果是不断循环，永无休止的。

而因果论该词则是由著名哲学家苏格拉底提出的，但是在西方哲学中很少讲因果，往往喜欢将因果割裂开进行研究，早期西方哲学中，亚里士多德的四因说详细分析了事物存在以及发生的原因。讲因果在佛教中却是普遍的。

相信一提及因果论，对于我们大家来说也一定不是陌生的。几乎每个人从小就在自己生长的环境中去了解因果性，甚至已经在潜意识中成为了因果论坚定的支持者。

而早期许多的物理学家们的看法，和我们大家是一致的，都不曾对因果论产生过怀疑。特别是当牛顿发表了力学三大定律，确立了经典力学后，物理学家们就对因果论更加深信不疑。因为在这时，只要你为他们提供一颗炮弹的发射速度，风阻等一些所需数据，他们就能足够精准地计算出炮弹会击中哪里。多么地神奇！多么地伟大！仿佛他们自己已经成为了上帝。因为有着因果论，这个世界在物理学家面前仿佛变得有规律可循。

这个时期的物理可谓发展到了巅峰；凭借着伟大的牛顿三大定律和麦克斯韦的电磁理论，这座物理学大厦拔地而起并且坚不可摧，它发出的光芒是那么地耀眼，那么地令人神往至今记得，当拿破仑问拉普拉斯为什么在你的演算中为什么看不到上帝时，他回答到：“我不需要上帝这个假设。”

然而，这么一个令人无限向往的“黄金时代”，终究随着那著名的“两朵乌云”而一去不返。

第一朵乌云，主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾；他所说的第二朵乌云，主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及势辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果，其中尤以黑体辐射理论出现的“紫外灾难”最为突出。第一朵乌云后来导致了相对论的产生，第二朵乌云后来则导致了量子力学的产生。

一提到这两个近代物理学上最伟大的发明，相对论和量子力学，就不得不提及一位伟人-阿尔伯特・爱因斯坦。就只在1905年，他就在三个领域做出了四个有划时代意义的贡献，发表了关于光量子说、分子大小测定法、布朗运动理论和狭义相对论这四篇重要论文。

就是这么一位伟人，最终却站在了反对量子力学的对立面。 爱因斯坦的挚友埃伦菲斯特都直言不讳地当着爱因斯坦的面发牢骚：“爱因斯坦，我真为你感到羞耻！想不到你居然也扮演了那些反对相对论的人的角色！”

到底是什么原因使得思想开明的爱因斯坦要反对量子力学？是他对于因果论的坚持。

对于因果性，爱因斯坦的理解是这样的：“我们必须把作为指向理论的一个公设的因果性和指向可观察量的一个公设的因果性区别开来。后者这一要求始终得不到满足――经验的因果性并不存在――而且以后还将仍然如此。把因果性看成现在和将来之间时间上必然的序列，这样一种公式是太狭窄了。那只是因果律的一种形式――而不是惟一的形式。……在四维空间的世界里， 因果性只是两个间断（breaks）之间的一种联系。”他指出：“我一如既往地坚信，把自然规律加以几率化，从更深邃的观点看来，是个歧途，尽管统计法获得了实际上的成功。”

然而，直到现在却有许多的事实在证明，他，爱因斯坦，确实错了。因果论真的在微观上是不存在的！ 上帝真的就是在掷骰子！

按动力学意义上的因果论说，量子力学的运动方程也是因果律方程，当体系的某一时刻的状态被知道时，可以根据运动方程预言它的未来和过去任意时刻的状态。但是量子力学对决定状态的物理量不能给出确定的预言，只能给出物理量取值的几率。在这个意义上，经典物理学因果律在微观领域失效了。

其实有许多的物理学家都在对量子力学进行争辩。争论的本质是哲学的争论，即微观世界到底是否遵守因果律的问题，放弃因果律，本质上等同于承认这个世界的本质是不可知的，而经典物理学家因为深信物质世界是可知的，才作出不断探索的努力。

对于爱因斯坦在此的失败，我们真的只能感到非常的惋惜。他的失败不是因为自己的能力，而更大的程度上是因为量子力学本身过于光怪陆离。量子力学真的非常神奇与让人很难理解，就像哥本哈根学派创始人， 量子力学的创始人玻尔说的：“ 谁如果在量子面前不感到震惊，他就不懂得现代物理学；同样如果谁不为此理论感到困惑，他也不是一个好的物理学家。 ”以至于让许许多多曾为量子力学做出过伟大贡献的人，在后来又站在了它的对立面。像爱因斯坦，像薛定谔等。

因果论，这个我们大多数人一直以来都深信不疑的观点，在物理学的发展过程中开始受到了怀疑，甚至要变得“生”“死”难测了。近代物理学在发展的过程中变得越来越玄妙，越来越深奥，在哲学意味上的联系也更加密切。但这，却也给了我们更多机遇和挑战，给了我们更多思考的必要；也使得我们对于物理学的未来有了更加美好的憧憬。

参考文献

第2篇：相对论与量子力学的矛盾范文

图景。

一、量子力学突破了经典科学的机械决定论，遵循因果加统计的非机械决定论

经典力学是关于机械运动的科学，机械运动是自然界最简单也是最普遍的运动。说它最简单，因为机械运动比较容易认识，牛顿等人又采取高度简化的方法研究力学，获得了空前成功；说它最普遍，因为机械力学有广泛的用途，容易把它绝对化。[2]机械决定论是建立在经典力学的因果观之上，解释原因和结果的存在方式和联系方式的理论。机械决定论认为因和果之间的联系具有确定性，无论从因到果的轨迹多么复杂，沿着轨迹寻找总能确定出原因或结果；机械决定论的核心在于只要初始状态一定，则未来状态可以由因果法则进行准确预测。[3]其实，机械决定论仅仅适用于宏观物体，而对于微观领域以及客观世界中大量存在的偶然现象的研究就产生了统计决定论。[4]

量子力学是对经典物理学在微观领域的一次革命。量子力学所揭示的微观世界的运动规律以及以玻尔为代表的哥本哈根学派对量子力学的理解，同物理学机械决定论是根本相悖的。[5]按照量子理论，微观粒子运动遵守统计规律，我们不能说某个电子一定在什么地方出现，而只能说它在某处出现的几率有多大。

玻恩的统计解释指出，因果性是表示事件关系之中一种必然性观念，而机遇则恰恰相反地意味着完全不确定性，自然界同时受到因果律和机遇律的某种混合方式的支配。在量子力学中，几率性是基本概念，统计规律是基本规律。物理学原理的方向发生了质的改变：统计描述代替了严格的因果描述，非机械决定论代替了机械决定论的统治。

经典统计力学虽然也提出了几率的概念，但未能从根本上动摇严格决定论，量子力学的冲击则使机械决定论的大厦坍塌了。量子力学揭示并论证了人们对微观世界的认识具有不可避免的随机性，它不遵循严格的因果律。任何微观事件的测定都要受到测不准关系的限定，不可能确切地知道它们的位置和动量、时间和能量，只能描述和预言微观对象的可能的行为。因此，量子力学必须是几率的、统计的。而且，随着认识的发展，人们发现量子统计的随机性，不是由于我们知识和手段的不完备性造成的，而是由微观世界本身的必然性（主客体相互作用）所注定。

二、量子力学使得科学认识方法由还原论转化为整体论

还原论作为一种认识方法，是指把高级运动形式归结为低级运动形式，用研究低级运动形式所得出的结论代替对高级运动形式的本质认识的观点。它用已分析得出的客观世界中的主要的、稳定的观点和规律去解释、说明要研究的对象。其目的是简化、缩小客体的多样性。这种方法在人类认识处于初级水平上无疑是有效的。如牛顿将开普勒和伽利略的定律成功地还原为他的重力定律。但是还原论形而上学的本质，以及完全还原是不可能的，决定了还原论不能揭示世界的全貌。

量子力学认为整体与部分的划分只有相对意义，整体的特征绝非部分的叠加，而是部分包含着整体。部分作为一个单元，具有与整体同等甚至还要大的复杂性。部分不仅与周围环境发生一定的外在联系，同时还要表现出“主体性”，可将自身的内在联系传递到周边，并直接参与整体的变化。因而，部分与整体呈现了有机的自觉因果关系。在特定的临界状态，部分的少许变化将引起整体的突变。[6]

波粒二象性是微观世界的本质特征，也是量子论、量子力学理论思想的灵魂。用经典观点来看，也就是按照还原论的思想，粒子与波毫无共同之处，二者难以形成直观的统一图案，这是经典物理学通过部分还原认识整体的方法，是“向上的原因”。可是微观粒子在某些实验条件下，只表现波动性；而在另一些实验条件下，只表现粒子性。这两种实验结果不能同时在一次实验中出现。于是，玻尔的互补原理就在客观上揭示了微观世界的矛盾和我们关于微观世界认识的矛盾，并试图寻找一种解决矛盾的方法，这就是微观粒子既具有粒子性又具有波动性，即波粒二象性。这就是整体论观点强调的“向下的原因”，即从整体到部分。同样，海森伯的测不准原理说明不能同时测量微观粒子的动量和位置，这也说明绝不能把宏观物体的可观测量简单盲目地还原到微观。由此我们可以看出，造成经典科学观与现代科学观认识论和方法论不同的根本在于思考和观察问题的层面不同。经典科学一味地强调外在联系观，而量子力学则更强调关注事物内部的有机联系。所以，量子力学把内在联系作为原因从根本上动摇了还原论观点。

三、量子力学使得科学思维方式由追求简单性发展到探索复杂性

从经典科学思维方式来看，世界在本质上是简单的。牛顿就说过，自然界喜欢简单化，而不喜欢用什么多余的原因以夸耀自己。追求简单性是经典科学奋斗的目标，也是推动它获取成功的动力。开普勒以三条简明的定律揭示了看似复杂的太阳系行星运动，牛顿更是用单一的万有引力说明了千变万化的天体行为。因而现代科学是用简单性解释复杂性，这就隐去了自然界的丰富多样性。

量子力学初步揭示了客观世界的复杂性。经典科学的简单性是与把物理世界理想化相联系的。经典物理学所研究的是理想的物质客体。它不但用理想化的“质点”、“刚体”、“理想气体”来描述物体，而且把研究对象的条件理想化，使研究的视野仅仅局限于人们自己制定的范围之内。而客观世界并不是如此，特别是进入微观领域，微观粒子运动的几率性、随机性；观测对象和观测主体不可分割性等都足以说明自然界本身并不是我们想象的那么简单。

在现代科学中，牛顿的经典力学成了相对论的低速现象的特例，成为非线性科学中交互作用近似为零的情况，在量子力学中是测不准关系可以忽略时的理论表述。复杂性的提出并不是要消灭简单性，而是为了打破简单性独占的一统地位。复杂性是把简单性作为一个特例包含其中，正如莫兰所说的，复杂性是简单性和复杂性的统一。复杂性比简单性更基本，可能性比现实性更基本，演化比存在更基本。[7]今天的科学思维方式，不是以现实来限制可能，而是从可能中选择现实；不是以既存的实体来确定演化，而是在演化中认识和把握实体。复杂性主张考察被研究对象的复杂性，在对其作出层次与类别上的区分之后再进行沟通，而不是仅仅限于孤立和分离，它强调的是一种整体的协同。

四、量子力学使科学活动中主客体分离迈向主客互动

经典科学思维方式的一个指导观念就是，认为科学应该客观地、不附加任何主观成分地获取“照本来样子的”世界知识。玻尔告诉人们，根本不存在所谓的“真实”，除非你首先描述测量物理量的方式，否则谈论任何物理量都是没有意义的！测量，这一不被经典物理学考虑的问题，在面对量子世界如此微小的测量对象时，成为一个难以把握的手段。因为研究者的介入对量子世界产生了致命的干扰，使得测量中充满了不确定性。在海森伯看来，在我们的研究工作由宏观领域进入微观领域时，我们就会遇到一个矛盾：我们的观测仪器是宏观的，可是研究对象却是微观的；宏观仪器必然要对微观粒子产生干扰，这种干扰本身又对我们的认识产生了干扰；人只能用反映宏观世界的经典概念来描述宏观仪器所观测到的结果，可是这种经典概念在描述微观客体时又不能不加以限制。这突破了经典科学完全可以在不影响客体自然存在的状态下进行观测的假定，从而建立了科学活动中主客体互动的关系。

例如，关于光到底是粒子还是波，辩论了三百多年。玻尔认为这完全取决于我们如何去观察它。一种实验安排，人们可以看到光的波现象；另一种实验安排，人们又可以看到光的粒子现象。但就光子这个整体概念而言，它却表现出波粒二象性。因此，海森伯就说，我们观测的不是自然本身，而是由我们用来探索问题的方法所揭示的自然。[8]

量子力学的发展表明，不存在一个客观的、绝对的世界。唯一存在的，就是我们能够观测到的世界。物理学的全部意义，不在于它能够描述出自然“是什么”，而在于它能够明确，关于自然我们能够“说什么”。

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[摘要]20世纪三次物理学革命之一的量子力学突破了经典科学的机械决定论，使之转化为非机械决定论；使得科学认识方法由还原论转化为整体论；使得科学思维方式由追求简单性到探索复杂性；确立了科学活动中主客体互动关系。

关键词：量子力学；经典科学世界图景；

参考文献：

[1]林德宏.科学思想史[M].第2版.南京：江苏科学技术出版社，2004：270-271.

[2]郭奕玲，沈慧君.物理学史[M].第2版.北京：清华大学出版社，1993：1-2.

[3]刘敏，董华.从经典科学到系统科学[J].科学管理研究，2006，24(2)：44-47.

[4]宋伟.因果性、决定论与科学规律[J].自然辩证法研究，1995,11(9)：25-30.

[5]彭桓武.量子力学80寿诞[J].大学物理，2006，25(8)：1-2.

[6]疏礼兵，姜巍.近现代科学观的演进及其启示[J].科学管理研究，2004,22(5)：56-58.

第3篇：相对论与量子力学的矛盾范文

摘?要：基本物理常数是物理学中的一些普适常数。这些常数与自然科学的各个分支有着密切的联系，物理学中许多划时论的创立和新研究领域的开辟，往往与某个基本物理常数的发现或准确测定密切相关。

关键词：物理常数；光速；普朗克常数

基本物理常数是物理学中的一些普适常数。这些常数与自然科学的各个分支有着密切的关系，在科学理论的提出和科学试验的发展中起着很重要的作用。

物理学中许多新领域的开辟以及重大物理理论的创立，往往与相关基本物理常数的发现或准确测定密切相关。基本物理常数的测定及其精度的不断提高，生动地反映了实验技术和测量方法的发展与更新，现在，许多基本物理常数的精度已达10-6量级，有的甚至达到10-8~10-10量级。本文仅以光速C和普朗克常数h为例来说明。

光速是光波的传播速度，原与声波、水波等的传播速度类似，并不具有任何“特殊的”的地位。但细分析起来，光速也似乎确有一些特殊之处。其一是光速的数值非常大，远非其他各种波动速度所能比拟；其二是光波可以在真空中传播，而其他波动则离开了相应的弹性介质便不复存在，由此引来了关于以太（假想的弹性介质）的种种争论。

1865年麦克斯韦建立了电磁场方程组，证明了电磁波的存在，并推导出了电磁波的速度C等于电流的电磁单位与静电单位之比。1849年斐索用实验测出光在空气中的传播速度为C =3.14858×108米/秒。分属光学和电磁学的不相及的两个传播速度C电磁波与C光波之间出乎意料的惊人相符，使麦克斯韦立即意识到光波就是电磁波。于是，以C为桥梁把以前认为彼此无关的光学与电磁学统一了起来。同时，由于电磁波传播依赖的是电磁场的内在联系，无需任何弹性介质，使得“以太”的存在和不存在没有什么差别，不需要强加在它身上种种性质。至此，光速C的地位陡然升高。

麦克斯韦电磁场理论揭示了电磁场运动变化的规律，统一了光学与电磁学，开创了物理学的新时代。但同时它也提出了新的更深刻的问题：麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系还是适用于一切惯性系。如果麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系，则不仅违背相对性原理，且该惯性系就是牛顿的绝对空间，地球相对它运动将受到以太风的吹拂，然而试图探测其影响的Michelson-Mor1ey实验却得出了否定的结果。如果麦克斯韦方程组适用于一切惯性系，则根据伽利略变换得出的经典速度合成规律，在不同惯性系中的光速应不同，甚至会出现违背因果关系的超光速现象，也难以解释。总之，对于麦克斯韦电磁场理论，伽利略变换和相对性原理之间存在着不可调和的深刻矛盾。直至1905年Einstein以相对性原理和光速不变原理为前提，并借助洛伦兹变换方程建立起狭义相对论之后，这一切矛盾和困惑才最终得以解决。

由此可见，真空中的光速C从光波的速度上升为一切电磁波的传播速度之后，又进一步成为一切实际物体和信号速度的上限，并且在任何惯性系中C的取值都相同。C作为基本物理常数，提供了不可逾越的速度界限，从根本上否定了一切超距作用，成为相对论和新时空观的鲜明标志。

1900年普朗克为解释黑体辐射，提出谐振子能量不连续的大胆假设。1905年Einstein为解释光电效应，把能量子假设推广到电磁波，提出“光量子”。1924年德布罗意通过粒子与波的对比，假设微观粒子也具有波动性，也就是波粒二象性，设其动量为p，则其德布洛依波长由下式绝定：pλ=h，这里h是一常量，叫普朗克常数，h几乎处处出现，它宣告物理学新的研究领域――量子物理学诞生了。

量子物理学的进展表明，普朗克常数h是量子物理学的重要常数， h不仅必然成为微观粒子运动特征的定量标准，而且成为划分量子物理与经典物理的定量界限（正如C是划分相对论与非相对论的定量界限一样）。如果物理体系具有作用量纲的物理量与h可相比拟，则该体系的行为必须在量子力学的框架内描述；反之，如果物理体系具有作用量纲的物理量远大于h，则经典物理学的规律就在足够的精确度对该体系有效。普朗克常数h的深刻含义和重要地位，使之得以跻身基本物理常数之列。

普朗克常数h的一个意外而有趣的含义在于，它是一个直接关系到宇宙存在形式的基本常数。宇宙中广泛存在着有形的物质与辐射，其间的能量交换（如物体发光或吸收光）遵从一条物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常数，即若h=0，则表明辐射与有形物质之间的能量交换可任意进行。由于辐射的自由度与频率的平方成正比，随着频率增高，辐射自由度在数量上是没有上限的。因此，辐射通过与有形物质的能量交换，将不断地从有形物质中吸取能量，最终导致有形物质的毁灭。于是，整个宇宙只剩下辐射，没有原子、分子，没有气体、液体、固体等，生命与人类当然无从谈及。幸而普朗克常数h不为零，辐射的能量是不连续的，存在着ε=hv的能量台阶，波长越短频率越高的辐射其能量台阶越高，在与有形物质的能量交换中越不起作用，相应的辐射自由度冻结，从而使有形物质与幅射的能量交换受到限制，两者才能达到平衡，我们这个宇宙才能以当今丰富多采的形式存在下去。

下面介绍一下近代精确测量C和h的方法。

测量真空中光速的精确方法是，直接测量激光的频率ν和真空波长λ，由两者乘积得出真空光C。1972年，通过测量甲烷谱线的频率与真空波长，得出真空中光速为c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17届国际计量大会规定新的米定义为：“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。”由于光速是定义，不确定度为零，从此不再需要任何测量，结束了300多年精密测量C的历史。

h首先由普朗克给出，他利用黑体辐射位移定律中的Wien常数b与k（Boltzmann常数）、C、h的关系，由b、k、C算出h，用实验方法测定h则始于Millikan，他利用光电效应的实验得出h，近代精确测定h的方法是利用Josephson效应，这是超导体的一种量子效应。

1900年，Thomson在总结以往几百年的物理学时指出：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”这两朵乌云就是当时无法解释的黑体辐射和Michel-son―MOrley实验，正是它们引起了物理学的深刻变革，导致量子力学和相对论的诞生，与此同时出现了两个基本物理常数h和C。

参考文献：

[1] [美]威切曼著，复旦大学物理系译，《量子物理学》，科学出版社，1978年

第4篇：相对论与量子力学的矛盾范文

二十世纪即将结，二十一世纪即将来临，二十世纪是光辉灿烂的一个世纪，是个类社会发展最迅速的一个世纪，是科学技术发展最迅速的一个世纪，也是物理学发展最迅速的一个世纪。在这一百年中发生了物理学革命，建立了相对信纸和量子力学，完成了从经典物理学到现代物理学的转变。在二十世纪二、三十年代以后，现代物理学在深度和广度上有了进一步的蓬勃发展，产生了一系列的新学科的交叉学科、边缘学科，人类对物质世界的规律有了更深刻的认识，物理学理论达到了一个新高度，现代物理学达到了成熟的阶段。

在此世纪之交的时候，人们自然想展望一下二十一世纪物理学的发展前景，探索今后物理学发展的方向。我想谈一谈我对这个问题的一些看法和观点。首先，我们来回顾一下上一个世纪之交物理学发展的情况，把当前的情况与一百年前的情况作比较对于探索二十一世纪物理学发展的方向是很有帮助的。

一、历史的回顾

十九世纪末二十世纪初，经典物物学的各个分支学科均发展到了完善、成熟的阶段，随着热力学和统计力学的建立以及麦克斯韦电磁场理论的建立，经典物理学达到了它的顶峰，当时人们以系统的形式描绘出一幅物理世界的清晰、完整的图画，几乎能完美地解释所有已经观察到的物理现象。由于经典物理学的巨大成就，当时不少物理学家产生了这样一种思想：认为物理学的大厦已经建成，物理学的发展基本上已经完成，人们对物理世界的解释已经达到了终点。物理学的一些基本的、原则的问题都已经解决，剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作一些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更精确一些。

然而，在十九世纪末二十世纪初，正当物理学家在庆贺物理学大厦落成之际，科学实验却发现了许多经典物理学无法解释的事实。首先是世纪之交物理学的三大发现：电子、X射线和放射性现象的发现。其次是经典物理学的万里晴空中出现了两朵“乌云”：“以太漂移”的“零结果”和黑体辐射的“紫外灾难”。[1]这些实验结果与经典物理学的基本概念及基本理论有尖锐的矛盾，经典物理学的传统观念受到巨大的冲击，经典物理发生了“严重的危机”。由此引起了物理学的一场伟大的革命。爱因斯坦创立了相对论；海林堡、薛定谔等一群科学家创立了量子力学。现代物理学诞生了！

把物理学发展的现状与上一个世纪之交的情况作比较，可以看到两者之间有相似之外，也有不同之处。

在相对论和量子力学建立起来以后，现代物理学经过七十多年的发展，已经达到了成熟的阶段。人类对物质世界规律的认识达到了空前的高度，用现有的理论几乎能够很好地解释现在已知的一切物理现象。可以说，现代物理学的大厦已经建成。在这一点上，目前有情况与上一个世纪之交的情况很相似。因此，有少数物理学家认为今后物理学不会有革命性的进展了，物理学的根本性的问题、原则问题都已经解决了，今后能做到的只是在现有理论的基础上在深度和广度两方面发展现代物理学，对现有的理论作一些补充和修正。然而，由于有了一百年前的历史经验，多数物理学家并不赞成这种观点，他们相信物理学迟早会有突破性的发展。另一方面，虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。

虽然在微观世界和宇宙学领域中有一些物理现象是现代物理学的理论不能很好地解释的，但是这些矛盾并不是严重到了非要彻底改造现有理认纱可的程度。在这方面，目前的情况与上一个世纪之交的情况不同。在上一个世纪之交，经典物理学发生了“严重的危机”；而在本世纪之交，现代物理学并无“危机”。因此，我认为目前发生现代物理学革命的条件似乎尚不成熟。客观物质世界是分层次的。一般说来，每个层次中的体系都由大量的小体系（属于下一个层次）构成。从一定意义上说，宏观与微观是相对的，宏观体系由大量的微观系统构成。物质世界从微观到宏观分成很多层次。物理学研究的目的包括：探索各层次的运动规律和探索各层次间的联系。

回顾二十世纪物理学的发展，是在三个方向上前进的。在二十一世纪，物理学也将在这三个方向上继续向前发展。

1）在微观方向上深入下去。在这个方向上，我们已经了解了原子核的结构，发现了大量的基本粒子及其运规律，建立了核物理学和粒子物理学，认识到强子是由夸克构成的。今后可能会有新的进展。但如果要探索更深层次的现象，必须有更强大得多的加速器，而这是非常艰巨的任务，所以我认为近期内在这个方向上难以有突破性的进展。

2）在宏观方向上拓展开去。1948年美国的伽莫夫提出“大爆炸”理论，当时并未引起重视。1965年美国的彭齐亚斯和威尔逊观测到宇宙背景辐射，再加上其他的观测结果，为“大爆炸”理论提供了有力的证据，从此“大爆炸”理论得到广泛的支持，1981年日本的佐藤胜彦和美国的古斯同时提出暴胀理论。八十年代以后，英国的霍金[2,3]等人开始论述宇宙的创生，认为宇宙从“无”诞生，今后在这个方向上将会继续有所发展。从根本上来说，现代宇宙学的继续发展有赖于向广漠的宇宙更遥远处观测的新结果，这需要人类制造出比哈勃望远镜性能更优越得多的、各个波段的太空天文望远镜，这是很艰巨的任务。

我个人对于近年来提出的宇宙创生学说是不太信的，并且认为“大爆炸”理论只是对宇宙的一个近似的描述。因为现在的宇宙学研究的只是我们能观测到的范围以内的“宇宙”，而我相信宇宙是无限的，在我们这个“宇宙”以外还有无数个“宇宙”，这些宇宙不是互不相干、各自孤立的，而是互相有影响、有作用的。现代宇宙学只研究我们这个“宇宙”，当然只能得到近似的结果，把他们的延伸到“宇宙”创生了初及遥远的未来，则失误更大。

3）深入探索各层次间的联系。

这正是统计物理学研究的主要内容。二十世纪在这方面取得了巨大的成就，先是非平衡态统计物理学有了得大的发展，然后建立了“耗散结构”理论、协同论和突变论，接着混沌论和分形论相继发展起来了。近年来把这些分支学科都纳入非线性科学的范畴。相信在二十一世纪非线性科学的发展有广阔的前景。

上述的物理学的发展依然现代物理学现有的基本理论的框架内。在下个世纪，物理学的基本理论应该怎样发展呢？有一些物理学家在追求“超统一理论”。在这方面，起初是爱因斯坦、海森堡等天才科学家努力探索“统一场论”；直到1967、1968年，美国的温伯格和巴基斯坦的萨拉姆提出统一电磁力和弱力的“电弱理论”；目前有一些物理学家正在探索加上强力的“大统一理论”以及再加上引力把四种力都统一起来的“超统一理论”，他们的探索能否成功尚未定论。

爱因斯坦当初探索“统一场论”是基于他的“物理世界统一性”的思想[4]，但是他努力探索了三十年，最终没有成功。我对此有不同的观点，根据辩证唯物主义的基本原理，我认为“物质世界是既统一，又多样化的”。且莫论追求“超统一理论”能否成功，即便此理论完成了，它也不是物理学发展的终点。因为“在绝对的总的宇宙发展过程中，各个具体过程的发展都是相对的，因而在绝对真理的长河中，人们对于在各个一定发展阶段上的具体过程的认识只具有相对的真理性。无数相对的真理之总和，就是绝对的真理。”“人们在实践中对于真理的认识也就永远没有完结。”[5]

现代物理学的革命将怎样发生呢？我认为可能有两个方面值得考试：

1）客观世界可能不是只有四种力。第五、第六……种力究竟何在呢？现在我们不知道。我的直觉是：将来最早发现的第五种力可能存在于生命现象中。物质构成了生命体之后，其运动和变化实在太奥妙了，我们没有认识的问题实在太多了，我们今天对于生命科学的认识犹如亚里斯多德时代的人们对于物理学的认识，因此在这方面取得突破性的进展是很可能的。我认为，物理学业与生命科学的交叉点是二十一世纪物理学发展的方向之一，与此有关的最关于复杂性研究的非线性科学的发展。

2）现代物理学理论也只是相对真理，而不是绝对真理。应该通过审思现代物理学理论基础的不完善性来探寻现代物理学革命的突破口，在下一节中将介绍我的观点。

三、现代物理学的理论基础是完美的吗？

相对论和量子力学是现代物理学的两大支柱，这两大支柱的理论基础是否十全十美的

呢？我们来审思一下这个问题。

1）对相对论的审思

当年爱因斯坦就是从关于光速和关于时间要领的思考开始，创立了狭义相对论[1]。我们今天探寻现代物理学革命的突破口，也应该从重新审思时空的概念入手。爱因劳动保护坦创立狭义相对论是从讲座惯性系中不同地点的两个“事件”的同时性开始的[4]，他规定用光信号校正不同地点的两个时钟来定义“同时”，这样就很自然地导出了洛仑兹变换，进一步导致一个四维时空（x，y，z，ict）（c是光速）。为什么爱因劳动保护担提出用光信号来校正时钟，而不用别的信号呢？在他的论文中没有说明这个问题，其实这是有深刻含意的。

时间、空间是物质运动的表现形式，不能脱离物理质运动谈论时间、空间，在定义时空时应该说明是关于什么运动的时空。现代物理学认为超距作用是不存在的，A处发生的“事件”影响B处的“事件”必须通过一定的场传递过去，传递需要一定的时间，时间、空间的定义与这个传递速度是密切相关的。如果这种场是电磁场，则电磁相互作用传递的速度就是光速。因此，爱因斯坦定义的时空实际上是关于由电磁相互作用引起的物质运动的时空，适用于描述这种运动。

爱因斯坦把他定义的时间应用于所有的物质运动，实际上就暗含了这样的假设：引力相互作用的传递速度也是光速c.但是引力相互作用是否也是以光速传递的呢？令引力相互作用的传递速度为c＇。至今为止，并无实验事实证明c＇等于c。爱因斯坦因他的“物质世界统一性”的世界观而在实际上假定了c=c＇。我持有“物质世界既统一，又多样化的”以观点，再加之电磁力和引力的强度在数量级上相差太多，因此我相相信c＇可能不等于c。工样，关于由电磁力引起的物质运动的四维时空（x，y，z，ict）和关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）是不同的。如果研究的问题只涉及一种相互作用，则按照现在的理论建立起来的运动方程的形式不变。例如，爱因斯坦引力场方程的形式不变，只需把常数c改为c＇。如果研究的问题涉及两种相互作用，则需要建立新的理论。不过，首要的事情是由实验事实来判断c＇和c是否相等；如果不相等，需要导出c＇的数值。

我在二十多年前开始形成上述观点，当时测量引力波是众所瞩目的一个热点，我曾对那些实验寄予厚望，希望能从实验结果推算出c＇是否等于c。令人遗憾的是，经过长斯的努力引引力波实验没有获得肯定的结果，随后这项工作冷下去了。根据爱国斯坦理论预言的引力波是微弱的，如果在现代实验技术能够达到的测量灵敏度和准确度之下，这样弱的引力波应该能够探测到的话，长期的实验得不到肯定的结果似乎暗示了害因斯坦理论的缺点。应该从c＇可能不等于c这个角度来考虑问题，如果c＇和c有较大的差异，则可能导出引力波的强度比根据爱因劳动保护坦理论预言的强度弱得多的结果。

弱力、强力与引力、电磁力有本质的不同，前两者是短程力，后两者是长程力。不同的相互作用是通过传递不同的媒介粒子而实现的。引力相互作用的传递者是引力子；电磁相互作用的传递者是光子；弱相互作用的传递者是规范粒子（光子除外）；强相互作用的传递者是介子。引力子和光子的静质量为零，按照爱因斯坦的理论，引力相互作用和电磁相互作用的传递速度都是光速。并且与传递粒子的静质量和能量有关，因而其传递速度是多种多样的。

在研究由弱或强相互作用引起的物质运动时，定义惯性系中不同的地点的两个“事件”的“同时”，是否应该用弱力或强力信号取代光信号呢？我对核物理学和粒子物理学是外行，不想贸然回答这个问题。如果应该用弱力或强力信号取代光信号，那么关于由弱力或强力引起的物质运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空（x，y，z，ict）及关于由引力引起的运动的时空（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）

有很大的不同。设弱或强相互作用的传递速度为c＇＇，c＇＇不是常数，而是可变的，则关于由弱或强力引起的运动的时空为（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇），时间t＇＇和空间（x＇＇，y＇＇，z＇＇）将是c＇的函数。然而，很可能应该这样来考虑问题：关于由弱力引起的运动的时空，在定义中应该以规范粒子的静质量取作零时的速度c1取代光速c。由于“电弱理论”把弱力和电磁力统一起来了，因此有可能c1=c，则关于由弱力引起的运动的时空和关于由电磁力引起的运动的时空是相同的，同为（x，y，z，ict）。关于由强力引起的运动的时空，在定义中应该以介子的静质量取作零（在理论上取作零，在实际上没有静质量为零的介子）时的速度c＇＇取代光速c，c＇＇可能不等于c。则关于由强力引起的运动的时空（x＇＇，y＇＇，z＇＇，Ic＇＇t＇＇）不同于（x，y，z，ict）或（x＇，y＇，z＇，ic＇t＇）。无论上述两种考虑中哪一种是对的，整个物质世界的时空将是高于四维的多维时空。对于由短程力（或只是强力）引起的物质运动，如果时空有了新的一义，就需要建立新的理论，也就是说需要建立新的量子场论、新的核物理学和新的粒子物理学等。如果研究的问题既清及长程力，又涉及短程力（尤其是强力），则更需要建立新的理论。

1）对量子力学的审思

从量子力学发展到量子场论的时候，遇到了“发散困难”[6]。1946——1949年间，日本的朝永振一郎、美国的费曼和施温格提出“重整化”方法，克服了“发散困难”。但是“重整化”理论仍然存在着逻辑上的缺陷，并没有彻底克服这一困难。“发散困难”的一个基本原因是粒子的“固有”能量（静止能量）与运动能量、相互作用能量合在一起计算[6]，这与德布罗意波在υ=0时的异性。

现在我陷入一个两难的处境：如果采用传统的德布罗意关系，就只得接受不合理的德布罗意波奇异性；如果采纳修正的德布罗意关系，就必须面对使新的理论满足相对论协变性的难题。是否有解决问题的其他途径呢？我认为这个问题或许还与时间、空间的定义有关。现在的量子力学理论中时宽人的定义实质上依然是决定论的定义，而不确定原理是微观世界的一条基本规律，所以时间、空间都不是严格确定的，决定论的时空要领不再适用。在时间或空间的间隔非常小的时候，描写事情顺序的“前”、“后”概念将失去意义。此外，在重新定义时空时还应考虑相关的物质运动的类别。模糊数学已经发展得相当成熟了，把这个数学工具用到微观世界时空的定义中去可能是很值得一试的。

1）在二十一世纪物理学将在三个方向上继续向前发展（1）在微观方向上深入下去；（2）在宏观方向上拓展开去；（3）深入探索各层次间的联系，进一步发展非线性科学。

2）可能应该从两方面去控寻现代物理学革命的突破口。（1）发现客观世界中已知的四种力以外的其他力；（2）通过审思相对论和量子力学的理论基础，重新定义时间、空间，建立新的理论

第5篇：相对论与量子力学的矛盾范文

关键词:物理常数;光速;普朗克常数

基本物理常数是物理学中的一些普适常数，是人类在探索客观世界基本运动规律的过程中提出和确定的基本物理常量。这些常数与自然科学的各个分支有着密切的关系，在科学理论的提出和科学试验的发展中起着很重要的作用。基本物理常数包括牛顿引力常数G、真空中的光速C、普朗克常数h、基本电荷e、电子静止质量Me、阿伏伽德罗常数Na等。

物理学中许多新领域的开辟以及重大物理理论的创立，往往与相关基本物理常数的发现或准确测定密切相关。基本物理常数描绘和反映了物理世界的基本性质和特征，它们为不同领域的区分提供了定量的标准。基本物理常数的测定及其精度的不断提高，经历了漫长的历史时期，生动地反映了实验技术和测量方法的发展与更新，现在，许多基本物理常数的精度已达10-6量级，有的甚至达到10-8～10-10量级。本文限于篇幅，仅以光速C和普朗克常数h为例来说明。

光速是光波的传播速度，原与声波、水波等的传播速度类似，并不具有任何“特殊的”的地位。但细分析起来，光速也似乎确有一些特殊之处。其一是光速的数值非常大，远非其他各种波动速度所能比拟；其二是光波可以在真空中传播，而其他波动则离开了相应的弹性介质便不复存在，由此引来了关于以太（假想的弹性介质）的种种争论。

1865年麦克斯韦建立了电磁场方程组，证明了电磁波的存在，并推导出了电磁波的速度C等于电流的电磁单位与静电单位之比。1849年斐索用实验测出光在空气中的传播速度为C=3.14858×108米/秒。分属光学和电磁学的不相及的两个传播速度C电磁波与C光波之间出乎意料的惊人相符，使麦克斯韦立即意识到光波就是电磁波。于是，以C为桥梁把以前认为彼此无关的光学与电磁学统一了起来。同时，由于电磁波传播依赖的是电磁场的内在联系，无需任何弹性介质，使得“以太”的存在和不存在没有什么差别，不需要强加在它身上种种性质。至此，光速C的地位陡然升高。

麦克斯韦电磁场理论揭示了电磁场运动变化的规律，统一了光学与电磁学，开创了物理学的新时代。但同时它也提出了新的更深刻的问题：麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系还是适用于一切惯性系。如果麦克斯韦方程组只适用于某个特殊的惯性系，则不仅违背相对性原理，且该惯性系就是牛顿的绝对空间，地球相对它运动将受到以太风的吹拂，然而试图探测其影响的Michelson-Mor1ey实验却得出了否定的结果。如果麦克斯韦方程组适用于一切惯性系，则根据伽利略变换得出的经典速度合成规律，在不同惯性系中的光速应不同，甚至会出现违背因果关系的超光速现象，也难以解释。总之，对于麦克斯韦电磁场理论，伽利略变换和相对性原理之间存在着不可调和的深刻矛盾。直至1905年Einstein以相对性原理和光速不变原理为前提，并借助洛伦兹变换方程建立起狭义相对论之后，这一切矛盾和困惑才最终得以解决。

由此可见，真空中的光速C从光波的速度上升为一切电磁波的传播速度之后，又进一步成为一切实际物体和信号速度的上限，并且在任何惯性系中C的取值都相同。C作为基本物理常数，提供了不可逾越的速度界限，从根本上否定了一切超距作用，成为相对论和新时空观的鲜明标志，同时又成为是否需要考虑相对论效应的定量判断标准。

1900年普朗克为解释黑体辐射，提出谐振子能量不连续的大胆假设。1905年Einstein为解释光电效应，把能量子假设推广到电磁波，提出“光量子”。1924年德布罗意通过粒子与波的对比，假设微观粒子也具有波动性，也就是波粒二象性，设其动量为p，则其德布洛依波长由下式绝定：pλ=h，这里h是一常量，叫普朗克常数，h几乎处处出现，它宣告物理学新的研究领域——量子物理学诞生了。

量子物理学的进展表明，普朗克常数h是量子物理学的重要常数，凡是涉及量子效应的一切物理量都与它有关，h不仅必然成为微观粒子运动特征的定量标准，而且成为划分量子物理与经典物理的定量界限（正如C是划分相对论与非相对论的定量界限一样）。如果物理体系具有作用量纲的物理量与h可相比拟，则该体系的行为必须在量子力学的框架内描述；反之，如果物理体系具有作用量纲的物理量远大于h，则经典物理学的规律就在足够的精确度对该体系有效。普朗克常数h的深刻含义和重要地位，使之得以跻身基本物理常数之列。

普朗克常数h的一个意外而有趣的含义在于，它是一个直接关系到宇宙存在形式的基本常数。宇宙中广泛存在着有形的物质与辐射，其间的能量交换（如物体发光或吸收光）遵从一条物理原理，即能量按自由度均分。如果不存在普朗克常数，即若h=0，则表明辐射与有形物质之间的能量交换可任意进行。由于辐射的自由度与频率的平方成正比，随着频率增高，辐射自由度在数量上是没有上限的。因此，辐射通过与有形物质的能量交换，将不断地从有形物质中吸取能量，最终导致有形物质的毁灭。于是，整个宇宙只剩下辐射，没有原子、分子，没有气体、液体、固体等，生命与人类当然无从谈及。幸而普朗克常数h不为零，辐射的能量是不连续的，存在着ε=hv的能量台阶，波长越短频率越高的辐射其能量台阶越高，在与有形物质的能量交换中越不起作用，相应的辐射自由度冻结，从而使有形物质与幅射的能量交换受到限制，两者才能达到平衡，我们这个宇宙才能以当今丰富多采的形式存在下去。

下面介绍一下近代精确测量C和h的方法。

测量真空中光速的精确方法是，直接测量激光的频率ν和真空波长λ，由两者乘积得出真空光C。1972年，通过测量甲烷谱线的频率与真空波长，得出真空中光速为c＝299792458±1.2米/秒。1983年第17届国际计量大会规定新的米定义为：“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度。”由于光速是定义，不确定度为零，从此不再需要任何测量，结束了300多年精密测量C的历史。

h首先由普朗克给出，普朗克利用黑体辐射位移定律中的Wien常数b与k（Boltzmann常数）、C、h的关系，由b、k、C算出h，用实验方法测定h则始于Millikan，他利用光电效应的实验得出h，近代精确测定h的方法是利用Josephson效应，这是超导体的一种量子效应。

1900年，Thomson在总结以往几百年的物理学时指出：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家似乎只要做一些零碎的修补工作就行了；但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云。”这两朵乌云就是当时无法解释的黑体辐射和Michel-son—MOrley实验，正是它们引起了物理学的深刻变革，导致量子力学和相对论的诞生，与此同时出现了两个基本物理常数h和C。

参考文献

[1][美]威切曼著，复旦大学物理系译，《量子物理学》，科学出版社，1978年

第6篇：相对论与量子力学的矛盾范文

正电子，又称阳电子、反电子、正子，基本粒子的一种，带正电荷，质量和电子相等，是电子的反粒子。最早是由狄拉克从理论上语言的。1932年8月2日，美国加州理工学院的安德森等人向全世界庄严宣告，他们发现了正电子。正负电子一旦相遇，则发生湮灭，是正电子的最基本性质。在这之前是不具有我们理解的正电子的最基本性质。那么对于大学生在学学物理中该如何理解正电子，本人在文章简单介绍了正电子的发现过程，让大学生对正电子的概念有一个基本的了解。

【关键词】

正电子；狄拉克方程；湮灭；空穴

1.引言

正电子的理论预言和实验发现揭开了反粒子的发现之幕，这也无疑是近代物理界的极为重要的和极其有意义的发现，它的发现标志着我们对物质的内涵有了更进一步的理解，尤其是对基本粒子的认识进一步加深。构成物质的基本粒子是既不能产生，也不会湮灭，如电子，我们通常的电子都是指带负电，而且规定电子所带的电量大小为单位电量，直到正电子的发现，对基本粒子的认识翻开了新的一页。现如今，我们发现在一定条件下，正、负电子可以相互转化，成对的产生或者湮灭。我们在认识世界的过程中，总是从感性上升到理性，通过概括和整理，使之成为概念。本文简单介绍我们该如何去理解正电子的概念，这就是本文探索的目的。

2.正电子的理论来源

1928年，英国物理学家提出了著名的狄拉克方程，该方程式描述自旋为12粒子的波函数方程，是对薛定谔方程进行洛伦兹变换得到的，它同时遵循狭义相对论与量子力学的原理，是相对论量子力学重要基础。狄拉克1928年提出了合理真空理论假说———狄拉克之海，认为这些粒子是电子的反物质，很好的解释了方程中反常的负能量问题，对反粒子的存在做出了合理的预言。此外，根据狄拉克方程求解得到的结果，电子不仅有能量取正值的情况，还有负值的情况，而且正负态关于能量为零的点完全对称。虽然这个结果很有意思，但解释起来遇到了“永动机”的问题，这与物理基本规律是肯定矛盾的。针对这个矛盾，狄拉克于1930年提出了空穴理论。该理论考虑了电子是费米子，那就必须满足泡利不相容原理，负电子填满了所有的真空状态，这样电子就不能找到能量更低的态，而且正能量态中也就没有电子，所以任何一个电子都不能找到能量更低的状态，也就是说整个系统非常稳定，电子不可能跳到能量更低的状态，对外辐射能量。此外，我们至少需要两倍于电子静止质量的能量，才能把某个电子从原来的负能态激发到正能态，可以看作一个正能态对应着一个负能态空穴。正能态电子所带电荷为-e，而且所具有的能量大于或等于一个电子静止能量，因为它们必须满足电荷守恒定律和能量守恒定律，所以负能态的电子的带电量应该就是+e，能量也应该大于或等于一个电子静止能量。这个粒子就是狄拉克所预言的“正电子”。

3.实验发现

狄拉克本人虽然对理论作出了完美的解释，空穴理论给出了反粒子概念，但实验上还并没有观测到正电子，正电子理论并没有得到学术界的承认，包括狄拉克本人，当时也不是完全确认理论自身的正确性。不过，狄拉克的预言因为找到实验上的证据被证实了。1932年，美国物理学家安德森等人在研究宇宙射线是电磁辐射还是单纯的粒子问题，观察到高能光子穿过重原子核附近时在磁场中的偏转情况，这一细节引起了他的注意，虽然当时著名的物理学家康普顿做出了解释，但并没有使安德森及其合作者信服，随着后来的观测，在云室中拍摄了一张照片，发现宇宙射线进入云室穿过铅板后，轨迹确实发生了弯曲，而且，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全一样，但是弯曲的方向却“错”了。第二年，安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子，从而从实验上完全证实了正电子的存在，正电子得到学术界的广泛认可。

4.结束语

第7篇：相对论与量子力学的矛盾范文

首先我们承认，每个科学理论都必须接受人们对自然现象的观察和人为实验的检验。实践是检验真理的标准。到了自然科学或科学以后，要经过自然现象和人工设计实验的检验。具体的发现过程在哪里呢？从原来的科学理论推出的逻辑结论与我们现在进行的实验结果有矛盾的时候，才会有科学发现――这点大家都承认。比如哥白尼、爱因斯坦的发现都是这样的。在这种情况下，创新思维是什么？是以实验结果为依据，分析原来的理论中哪些是与现在的实验结果和观察记录有矛盾，找到这些矛盾并删除，提出符合新实验结果的东西――这是从哲学的角度看。还可以往下走，把它变成科学。

要研究这些，我们要用到专有的对象语言。如物理学中有专用的语言，有专有的概念、定律，质量、能量、加速度、速度、势能、动能等。生物学中有物种等。每个学科都不一样。计算机也一样。研究发现的逻辑语言最早是由弗雷格和罗素建立的一阶语言。一阶语言定义了两类对象，一类对象叫做项。项是递归定义的，要么是一个常元符号，要么是个变元符号，如果f是函数符号，t1,t2,t3都是项，f(t1)也是一个项。项描述常量、变量、函数关系。一阶语言另外一类对象叫做逻辑公式，就是在所有知识里出现的各种命题、句子、描述知识的句子。句子可以是一个等式，描述函数之间的关系，如t1=t2，但在一阶语言里是符号，另外可以描述一个集合的关系，关系可以是一个集合，用P表示谓词。剩下的是，如果B是一个句子，在一阶语言里是逻辑公式，那么它的否定也是一个逻辑公式，如果A和B都是逻辑公式(逻辑公式描述的是一个命题)，那么A∧B、A∨B、AB，∀xA、∃xA都是句子，每一个句子描述一个命题，命题反映了我们认识到的一个知识，很简单，比程序设计语言还简单。这样我们可以把注意力集中到研究逻辑关系。比如举例：

物理学中的伽利略变换：

如果x是一物体， 和 为彼此做匀速直线运动的参考系， 相对于 的速度为 ，并且x相对于 的速度为 ，那么x相对于 的速度为 + 。

如果用一阶语言来表示伽利略变换，就是：

B(x)代表：“x是一物体”；

A(x)代表： 和 为彼此做匀速直线运动的参考系， 相对于 的速度为 ，并且x相对于 的速度为 ，那么x相对于 的速度为 + 。

则伽利略变化可以写成：

∀x(B(x)A(x))。

又比如：达尔文的自然选择原理：

由于每一个物种所产生的个体数量，远远超过其可能生存的数量，所以反复引起生存斗争，而且任何生物所发生的变异，无论多么微小，只要在复杂而时常变化的生活条件下，以任何方式有利于自身，就会有较好的生存机会。

如果用E代表“每一个物种所产生的个体数量，远远超过其可能生存的数量”，F代表“反复引起生存斗争，而且任何生物所发生的变异，无论多么微小，只要在复杂而时常变化的生活条件下，以任何方式有利于自身，就会有较好的生存机会”，那么自然选择原理就可以用EF来描述。

一阶语言和C语言的不同之处在于，C语言可以描述任何一个计算现象，而一阶语言因为关注逻辑推理，因此每一个问题可以有多个一阶语言，取决于研究中逻辑分析的深入程度。比如用E代表“每一个物种所产生的个体数量，远远超过其可能生存的数量”，P代表“反复引起生存斗争”，B代表“物种的特征是不变的”，F代表“任何生物所发生的变异，无论多么微小，只要在复杂而时常变化的生活条件下，以任何方式有利于自身，就会有较好的生存机会”。在这种情况下，自然选择原理可以用以下公式更准确地描述：

E(P(BF))。

有了一阶语言，任何一个自然科学理论在一阶语言里就变成了形式理论。形式理论是由有穷的逻辑公式组成的集合，它们彼此不矛盾。比如用一阶语言分析经典力学，用R代表相对性原理，N1、N2、N3代表牛顿三定律，E代表万有引力定律，B(x)表示x是一刚体，A(x)表示相对运动，那么伽利略变换就可以用∀x(B(x)A(x))来描述，经典力学的公理系统就可以用下述形式理论来描述：

｛∀x(B(x)A(x))，R，N1，N2，N3，E｝。

有了一阶语言后，我们要研究发现过程的逻辑思维方式是什么，它和平常的数理逻辑推理有何区别？数理逻辑中的各种证明是描述数学证明的，数学证明的特点是有一个前提，即形式理论，如几何的二十条公理，量子力学的六条公理等，再根据公理进行证明，所有的证明都是对每个句子中的逻辑连接词的分析。所以一阶逻辑中的系统都是为了分析和描述证明用的。而科学发现与证明的不同在于，科学发现是实验的结果与原来的理论有矛盾时，分析哪些原来的理论和实验结果有矛盾。是以实验和观察的结果作为出发点，分析和寻找原来理论和实验结果有矛盾的东西。如果数学推理是正向的，科学发现就是反向的。科学发现也是可以形式化的。

要做科学发现，第一，首先要描述科学实验的结果，从这里出发寻找科学理论哪里有错误。刚才谈到，传感器技术的发展，使我们所观察到的自然现象和所有现象都可以变成数据，数据在一阶语言中就是常元符号，数据间的关系可以列表，就是函数符号。数据间的集合和分类就是谓词。(谓词就是描述一套数据的集合)数据间的关系就是方程式(等式)。所以t1=t2这个等式是一个最简单的谓词。然后还可以定义其他谓词，每个谓词代表一个集合。所以传感器技术的发展，使我们把实验数据的结果变成了用一阶语言的原子语句和原子语句的否定来描述。(原子语句要么是个等式，要么是个谓词)

一边是实验数据结果，一边是原有理论，所以逻辑推理两边都不可少，如果用Γ表示原有理论(经典力学、进化论)，Δ表示用原子语句和原子语句否定所描述的实验结果，这一对Γ和Δ就形成了对立统一，这是科学发现必须具有的两个东西。用表达式表示就是Δ┃Γ。如果Δ和Γ有矛盾，说明实验结果和现有理论有矛盾，此时理论是必须要修改的，如果Δ和Γ没有矛盾，说明现在的实验进一步证明了理论的正确性，不用再进行科学发现了。

科学发现的目标是什么？根据实验结果的原子语句和原子语句非消灭右边原有理论中和实验结果有矛盾的东西，一直删到没有矛盾，抛弃了旧的，保持新的，再增加新的和没有矛盾的原理。因此它的演算变得很简单，每一步逻辑推理是一个 ，表示从现有的实验结果删掉一个原有理论里的有矛盾的东西，一直删下去，删到没有矛盾，然后再加入新的东西，这就是科学发现的抽象过程。用表达式表示就是Δ┃Γ Δ′┃Γ′。而表达式Δ┃A,Γ Δ┃Γ表示现在的状况经过一次科学发现的推理，变成新的东西，即把其中和实验结果有矛盾的A定律删掉。

整个科学发现的逻辑由七个公式组成，既是完全的且是可靠的。

第一个是公理，公理很简单，即A,Δ┃A,Γ A,Δ┃Γ，如果左边的实验结果是原子语句A，右边出现A，那么它与左边的A有矛盾，则右边的A必须被删除。不用任何逻辑前提。

第二，什么情况下删除A B？

从逻辑上发现，如果A(前提)和实验结果Δ不矛盾，B(结论)和实验结果Δ矛盾，那么A B形式的知识应该去掉。用表达式表示即：

Δ┃A,Γ Δ┃Γ

Δ┃B,Γ Δ┃Γ

那么：Δ┃A B,Γ Δ┃Γ。

第三，什么情况下删除∀xA(x)？

如果存在一个项t，使得A[t/x]与Δ有矛盾，则∀xA(x)也与Δ有矛盾，必须被删除。用表达式表示即：

Δ┃A[t/x] ,Γ Δ┃Γ

那么Δ┃∀xA(x) ,Γ Δ┃Γ。

第四，R删除规则。

如果C是理论Γ1、A、Γ2的逻辑结论，而C与实验结果Δ有矛盾，则C必须被删除。但C并没有出现在公理系统中，则导致C的必要前提A应该被删除。用表达式表示即：

Γ1,A,Γ2┝C A T C

Δ┃C,Γ2 Δ┃Γ2

那么：Δ┃Γ1,A,Γ2 Δ┃Γ1,Γ2。

总的结果一共是七条规则。理论上讲对描述发现逻辑足够用了。它们是：

1. R公理：

2. R-∧规则：

3. R-∨规则：

4. R-规则：

5. R-∀规则：

6. R-∃规则：

7. R-删除规则：

举例说明，爱因斯坦狭义相对论：爱因斯坦说，按伽利略变换，经典物理学预言：光速在不同坐标系下测出的光速是不一样的，这是经典力学中的逻辑结论。而迈克尔逊和莫雷反复实验表明，光速不依赖于发光体的运动速度。因此爱因斯坦的结论是：删除伽利略原理，增加光速在任何坐标系下测量速度不变(30万公里/秒)原理，在不同坐标系下计算速度选择洛伦茨变换，与光速不变不矛盾。现在就可以用这套规则分析爱因斯坦相对论。Γ代表经典物理学，用R代表相对性原理，N1、N2、N3代表牛顿三定律，E代表万有引力定律，B[c]光量子具有固体的特性，则：

Γ：=｛R,N1,N2,N3,E,B[c]，∀x(B(x)A(x))｝

Γ′：=｛R,N1,N2,N3,E,B[c]｝

Δ：=｛B[c] ,A [c]｝(实验结果)

根据R公理，由于A [c]和A [c]互为否定，说明A [c]与实验结果矛盾，因此要删除A [c]，即B[c] ,A [c]┃A [c] ,Γ′B[c] ,A [c]┃Γ′；

根据R公理，B[c]和B[c]互为否定，因此右边的B[c]应该被删除。即B[c],A[c]┃B[c] ,Γ′B[c] ,A [c]┃Γ′。

以上两点合在一起，根据蕴含公式，前提与实验结果不矛盾，结论与实验结果矛盾，则B[c]A [c]应该删除，即B[c],A [c]┃B[c]A [c],Γ′ B[c],A [c]┃Γ′。

再根据全程量词规则，光速与实验结果出现矛盾，则∀x(B(x)A(x)应该删除。即：B[c]，A [c]┃∀x(B(x)A(x)，Γ′ B[c],A [c]┃Γ′。

这就是爱因斯坦选择去掉伽利略定律的逻辑验证。原来人们认为爱因斯坦是天才，一旦我们把发现的规则找到，这个结论就可以演算出来，也就是说，可以用计算机来证明。

本例是最简单的例子。下面再看达尔文的学说，他的贡献不简单。

先考虑一个形式理论Γ：{ A,AB,BC,EF}，让A、B、C、F都取真，结果就是真，说明这是一个协调的形式理论。进一步分析，C是这个理论的逻辑结论。如果C遇到了事实反驳，实验结果证明C不对，那么我们的目标最大限度地保留原有理论，只删除必须引起C的必要前提。那么从逻辑上有三种可能：

第一，{ A,AB,EF}

第二，{ A,BC,EF}

第三，{ AB,BC,EF}

如果使用R删除规则，则以上三条规则都可以通过计算机演算出来。

现在给A、B、C解释：

A：代表“每一物种都是独立被创造出来的”；

B：代表“每一物种的基本特征是不变的”；

C：代表“同属物种都不是另一个普通物种的直系后裔”。

达尔文之前流行的“物种不变理论”用：Ω：{ A,AB,BC }来描述。

达尔文经过长期的研究，在他的《贝格尔舰上的航行》和《物种起源》两部著作中列举了大量经过他的观察和实验所获得的事实用以支持下述命题：

C：“同属物种可以是另一个普通物种的直系后裔”；

EF：自然选择原理。

达尔科学研究从这两个观察得来的事实出发，又加上自己的猜想，即“经过我能做到的精密研究和冷静判断，我毫无疑虑地相信，许多博物学家最近还保持着的和我以前所保持过的观点”，这就是“物种是被独立创造出来的论点是错误的”，即A。因此，达尔文的进化论的核心内容就是：Ξ：{ EF,C,A}。

整理一下下述五个语句：

Ξ*：{ AB,BC,EF}∪{C,A}

它们是不矛盾的，且Ξ*的前三个语句恰好是Γ关于C的第三个R缩减，是使用R演算推导出来的。

实际上，A是达尔文的一个“信念”，更为重要的是：从逻辑的角度看，A与{ EF，C}并不矛盾，如果放弃A，可以使前面使用R演算推导出的Γ的第二个R缩减，即{ A，BC，EF}成为另一种合理的选择，由此可以得到：

Ξ+：{ A，BC，EF}∪{C}

这可以视为进化论的另一个版本。这样的结论更具有开放性，与达尔文的实验结果也不矛盾，不会引起很多争论，与现在基因论理论的矛盾更小。这说明科学发现的逻辑并不是大家所想象的发散的思维、猜想，也是一种逻辑推理。不同的是，第一，要把实验结果作为前提，第二，以实验结果为前提，对原有的结论进行逻辑演算，把所有的结论分析出来，客观地选择一种会更好。

再引申，科学中最复杂的公理系统平面几何有20条公理，数学中策梅罗-弗伦克尔公理系统有10条公理，算数9条，量子力学6条，牛顿力学7条。发现逻辑在软件中使用，因为任何一个软件成为一个实用的软件，至少有几万条。如Windows XP有三千万条，也是形式理论，谁也不敢保证前面没有错误。我们现在的公司里100人做开发，250人做测试，就是没有充分使用这套逻辑系统，实际上是可以进行逻辑分析的。任何一个人找错儿都不是盲目的，实际走的规律就是以错误为依据，进行逻辑分析，任何逻辑分析都没有离开这7条规则。

第8篇：相对论与量子力学的矛盾范文

关键词：创新能力；思想；科学方法；课堂讨论

在为培养创新人才而实施的研究性教学中，课堂教学仍然占有主导地位，而创新能力的培养则应成为课堂教学的主旋律。在理科的课堂教学中怎样培养大学本科生的创新能力呢?笔者通过自己多年的教学与教学督导实践，提出以下几点思考供各位同仁参考，不当之处，请批评指正。

一、思想是课堂教学的主线

创新是一个民族进步的灵魂。创新人才的基本素质是具有创新意识、创新精神和创新能力。因此培养学生的创新意识、创新精神和创新能力是教学的首要任务。任何一门学科都是人类数千年文化思想发展与继承的结晶，现代科学特点之一是发展神速，呈现了知识量激增和知识更新，新陈代谢加速的形势。以此出发，知识的学习是无穷尽的，学习并掌握一门学科或一堂课的基本内容只是走了一个台阶，而形成这些内容或问题(定义、定律、规律、原理……)的历史背景，提出或解决问题的出发点、观点和方法则是教学中的精髓所在，这些东西能使学生进入一个更新、更高的境界，这也就是我们的先辈早就说过的“与其给人以鱼，不如授人以渔”。正是在此意义上，我们说思想是课堂教学的主线，或者说，思想是课堂教学的龙骨。为此，在课堂中教师要带领学生一道去分析、研究、探索、发现，一道跟随历史发展的足迹去类比、归纳、演绎、综合、假定……在引入新课时，也要从历史发展的角度提出所要讨论问题的实验材料、各种矛盾或困难，可以这样向学生表述：“这就是当时摆在科学大师面前的难题，也是现在呈现在我们面前的问题，请大家和我一道思考。”例如，在物理和化学专业的量子物理(或量子力学)、结构化学课中，电子自旋的本质是一个尚待解决的问题，我们在课堂上对学生说：“自旋的本质至今仍是一个谜，诺贝尔奖的桂冠正等待着勇于攀登者去探索!”正是这种诱导与启发，让学生自己去“发现”与研究问题，能激发学生强烈的兴奋感与探本求源的积极性，这种亲历探究，是让学生真正体验科学魅力的最佳途径。

任何科学的发展都离不开人，任何科学的内涵都有不少有关人的丰富的内容。每一个科学规律，每一个科学发现不仅伴随着这些智者长年累月的艰苦探索，也几乎都伴随着无数次失败或失误，从成功与失误的对比中，更能使学生得到启迪，更利于培育他们的创新精神。英国著名化学家戴维就曾感触至深地说：“我的那些最重要的发现是受到失败的启发而获得的。”为此，要求教师能有机地、恰如其分、不喧宾夺主地结合课程内容阐述科学史。已故北大化学家付鹰教授说得好：“一门科学的历史，是那门科学中最宝贵的一部分，科学只能给我们知识，而历史却能给我们智慧。”因此在理科教学中，我们可以选择一些典型事例(如物理学中热的本质、光的本性、化学中的电离学说……)进行分析，从成功与失误，正确与错误，一个观点或另一个观点的对比中传授知识，引导学生跟踪历史的步伐去探索与判断。在“结构化学”课量子力学基础中讲爱因斯坦关于光量子假设时，我们用几分钟讲了普朗克的悲剧：到19世纪末，经典物理学已发展到了很完善的地步，以至不少物理学家公开声称，物理学的基本定律已被发现完了，剩下的事仅仅是解方程，“玩弄”数字符号罢了。可是随着人们实践的不断发展，经典物理学的天空出现了两朵乌云。其一就是黑体辐射的规律，维恩和瑞利・金斯的理论都只能解释部分现象，如果按照瑞利・金斯公式，在紫外波段能量将发散，这就是艾伦费思特所说的紫外灾难。1900年当时已年过40的普朗克运用内插法将维恩与瑞利・金斯的两个公式结合成一个新的公式，能完全与实验吻合，这就是大名鼎鼎的普朗克公式。在这个公式中他不得不提出一个假设：E=hv――“能量子”，普朗克也因此获1918年诺贝尔物理奖。但是由于传统观念的束缚，他日夜操劳：或者把能量子假设纳入经典理论的轨道，或者寻找回避这一假设的途径。就这样整整花了十五年，力图放弃这一革命的假设。他有一次和儿子散步时，甚至说：“我现在做的事或者毫无贡献，或者可能成为牛顿以后物理学上最大的发现。”就在旧的传统观念禁锢普朗克思想的时候，1905年当时年仅26岁的爱因斯坦，接过并推广了由普朗克提出几乎又被他扼杀的能量子假设，提出了新的“光量子”假设，建立了爱因斯坦的光量子说，同年，爱因斯坦还用能量子假设探讨了固体的比热。可是就在此时，普朗克还认为爱因斯坦“在其思辨中有时可能走得太远了”。普朗克的这个悲剧是发人深省的。

在自然科学的发展史中，人类对真、善、美的追求，文化艺术的熏陶也是激发科学家创新思维的原动力。数学中的一个重要分支――群论，在物理和化学中占有重要的地位，它源于“对称性”这一基本概念，而对称性又源于人类对美的追求。在古希腊、古埃及、我国殷商时期出土的大量文物中，从花鸟虫鱼、飞禽走兽到飞天的，无不呈现为各种各样的对称图案。正是这种对称性，导致了一系列守恒定律，其中由左右对称导致的宇称守恒律，它们都被认为是永恒的颠不可破的绝对真理。至20世纪50年代，在亚原子领域，种种实验表明：θ介子与τ介子具有相同的质量、电荷与寿命，应为同一种κ介子，但在衰变中却显示它们的宇称不相同，与其他实验矛盾，这就是著名的之θ～τ谜。坚信宇称守恒的绝大多数物理学家对此迷惑不解，而深受中国古老文化熏陶的两位年轻的中国科学家李政道、杨振宁，也许受了阴阳太极图的启示，敢于“冒天下之大不韪”，提出在弱相互作用中宇称不守恒及实验验证的建议。可是当时另一位很著名的以理论思维极强、发现错误见长的物理学家泡利却扬言：“我不相信上帝是一个软弱的左撇子，我可以跟任何人打赌，做出来的结果一定是左右对称的。”以中国女科学家吴健雄为首的实验小组证实了这一发现。李、杨因此获1957年度诺贝尔物理学奖。可见，具有一定的文化艺术素养对于理科生也是有益的。事实上，许多著名的科学家都有很好的文化素养，有的甚至可以说是多才多艺。如：爱因斯坦不仅是一位大物理学家，也是一个造诣很深的哲学家，一个很优秀的小提琴手。相对论量子力学的奠基人著名物理学家狄拉克的文学水平很高，杨振宁称赞他的文章是“秋水文章不染尘”，没有一点渣子，他的笔是神来之笔。我国科学家杨振宁、李政道、钱学森、苏步青的文采都令人称羡。因此，在课堂中，结合教学内容花3～5分钟，用三言两语“打侃”，对学生的启迪与激励远远超过知识的传授。

在科学发展的漫长历程中，人们对于自然规律的认识是逐渐深化的，绝对真理少之又少，现今广泛呈现在各学科中的定理、定律或理论都只是相对真理。随着生产力水平与科技水平的提高，这些相对真理或则被，或则会被修改、被完善。因此，在教学中一定要以辩证

的发展的观点讲解这些内容，要讲它们的局限和不足。要使学生不仅对定理、定律不迷信、不僵化，反而有敢于挑刺、敢于质疑的叛逆精神。教师还可结合自己的科研向学生简介自己的构思，引导学生去创造。例如，我们在结构化学中，对阐释分子结构中的两种理论分子轨道理论与价键理论进行了对比分析，指出其不足与发展前景，也简介我们自己的工作。这样不仅破除了大二学生对科研的神秘感，也激起了学生对科学研究的热情。

二、科学方法――培养创新能力的基本途径

科学方法是人们发现真理和改造自然的桥梁与手段。一般地说，科学方法包括归纳、演绎、观察、实验、假定、类比、推断、分类、理想模型、思想实验等方法。在课堂中结合科学史进行科学方法的教育，就不仅可以让学生学到作为知识活动结果的结论，还可以学到如何运用这些科学方法来进行创造，发展科学。

在科学发展史中，运用科学方法进行科学创造，取得重大成果的例子比比皆是。众所周知，抽象的逻辑思维与演绎是数学家发展数学的最基本方法，数学领域的绝大部分辉煌成果都由此而得。类比法是古今中外物理学家最常运用的思维方法，类比使物理学家取得重大突破的例子不胜枚举：库仑定律把静电相互作用与万有引力类比；卢瑟福将原子结构与太阳系进行类比；德布罗意将微观粒子与光子类比；薛定谔将物质波与机械波类比……归纳法是使化学家取得重大发现的主要方法之一，人们熟知的元素周期律就是门捷列夫在分析当时已发现的六十余种化学元素的性质与原子量的关系后归纳得出的。在当代，对有机合成具有重要指导意义的“分子轨道对称守恒原理”也是以大量有机化学实践为基础，正确运用归纳、类比、综合等方法而得出的，这一规律的发现者之霍夫曼因此获1981年诺贝尔奖。在天文学、地学、生命科学等学科中也可举出许多类似的例子。

在教学中，教师不仅要通晓本学科的科学发展史，更要善于精心组织教学内容，运用科学方法进行教学活动。尤为重要的是教师若能在讲授中逻辑思维缜密、推理演绎严格、讲授语言简练准确，娓娓道来、滔滔不绝，这种示范作用将使学生折服，受益终身。我国著名科学家吴有训两支粉笔讲完一堂课的完美形象，使同样是著名科学家的钱伟长在进入耄耋之年后仍念念不忘。

三、课堂讨论――激发创新火花的催化剂

在以学生为主、学习为主的开放式、研究性教学实施时，由教师根据教学内容精心组织适量的课堂讨论，是激发创新火花的催化剂。上世纪中叶以著名物理学家玻尔为首的哥本哈根学派培养了一大批诺贝尔奖获得者，他们以各种形式进行的学术讨论会对科学创造或发现所带来的推动作用是举世闻名的。

第9篇：相对论与量子力学的矛盾范文

当然，我们不可能预知未来。除非真正遇到我们试图跨越的障碍，否则我们永远无法知道，人类的认知是否有极限。就目前而言，没有任何迹象表明，我们面临着这一认知极限。也许，我们正面临着某些障碍，但是，所有的迹象无不显示出这些障碍都只是暂时的。因为，就我从事的领域――宇宙学――而言，就算在50年前，也没有人能够预见我们对宇宙的认知会以这种方式增长。

即便在最晴朗的天气，我们也不可能看到无穷远：理论上，你最远只能看到453亿光年远的地方。虽然这表示我们的认知有一个直接的限制，但这无法阻挡我们掌握自然界的基本运行规律。

这并不是说大自然对我们所能观察的事物以及我们观察事物的方式没有任何限制，海森堡提出的不确定性原理就对我们观察一个粒子在任意时间的运动做出了限制，光速则限定了我们在一个给定的时间间隔内能看多远或者能走多远。但是这些限制只不过是告诉我们哪些是我们无法观测到的，并非说这些事物是我们最终无法知晓的。不确定性原理并没有妨碍我们获悉量子力学的

规则，也没有妨碍我们了解原子的行为，更没有妨碍我们发现那些我们永远也无法直接看到，但确实存在的粒子。

人们观测到的宇宙正在膨胀，的确意味着一个开端。这是因为，如果我们反推过去，那么在遥远的过去的某一个时间点，我们可观测宇宙中的任何事物都将回到一个点――奇点。在那一瞬间，也就是现在被称为大爆炸的时间点上，我们目前所知的所有物理学定律都土崩瓦解了，因为描述万有引力的广义相对论，无法与描述微观尺度物理学的量子力学成功地整合在一起。但是大多数科学家并不认为这就是认知的根本边界，因为他们正试图通过对广义相对论进行必要的修正，使其成为相容量子理论的一部分。而弦理论，正是人们取得的主要成果之一。

如果我们在一个方向上看得足够远，就能看见自己的后脑勺。

鉴于这样一个理论，我们也许能够回答大爆炸之前都发生了些什么――如果有的话。这种最简单的、可能的回答，或许也是最不令人满意的回答。无论是狭义相对论还是广义相对论，都将时间与空间捆绑在一起，成为一个单一的实体――时空。如果空间是在大爆炸中产生的，那么时间可能也是。如果是这样的话，那就没有“之前”了，“大爆炸之前有什么”这个问题也就不是一个问题了。不过，这并不是唯一可能的解答。我们需要等到一个能够解释万有引力的量子理论

的出现，并且在它被实验证实之后，才能对我们的回答有一定的信心。

接下来的问题是：从空间的角度来说，我们是否能够知道在我们的宇宙之外都有些什么？我们宇宙的边界在哪里？让我们再一次大胆假设。如果我们的时空是自然而然地产生的，那么，正如我在我的新书《从虚无中诞生的宇宙》中长篇大论地讨论过的那样，看似最有可能的场景是宇宙的总能量为零――物质表现出的能量正好与引力场表现的能量相互抵消。简言之，如果某些事物总计为零，那么这些事物就能够从虚无中诞生。现在，我们能够查证的唯一的宇宙，其总能量为零，这是一个闭宇宙。这样的一个宇宙是有限而无边际的。正如你可以沿着一个球体的表面一直走下去而不会遇到任何边界一样，对我们的宇宙来说，如果我们在一个方向上看得足够远，就能看见自己的后脑勺。

而在实践中，我们是做不到这一点的，这也许是因为对我们来说可见的宇宙，仅仅是更大尺度宇宙的一部分而已。其原因与被人们称为暴胀的现象有关。微观尺度上自发出现的大多数宇宙会在瞬间塌陷，而不会持续存在数十亿年。但是，在其中的某些宇宙中，空白空间会被赋予能量，而在这种情况下，该宇宙将呈指数级快速膨胀。这一现象至少会维持一个较短的时间。我们认为，在我们的宇宙大爆炸扩张的最初瞬间，出现过这样一个暴胀期，从而使我们的宇宙免于立刻塌陷。在这一过程中，宇宙的尺度极度膨胀，以至于无论从哪一点来看，它似乎都是平坦且无限的。这就是即使我们的宇宙在其最大尺度上可能是封闭的，但当我们极目太空时仍无法看到自己后脑勺的原因。虽然从理论上来讲，如果我们等的时间足够长就能看见全部的事物，但这里有个前提，即暴胀没有在我们的宇宙中发生。 正在发生碰撞的星系，这种宇宙暴乱终有一天会偃旗息鼓，而在遥远的未来，观测者可能永远也不会意识到，我们的宇宙曾经是多么轰轰烈烈。

宇宙中我们至今仍无法观测的区域或许是我们永远也无法观测到的区域，那里可能正在暴胀。事实上，就我们目前的理论来看，这一情况是极有可能的。如果我们认为“我们的宇宙”这个词指的是我们已经能够或者是终有一天能够与之沟通的区域，那么，一般来说，暴胀还会在我们的宇宙之外创造出别的宇宙。在我们身边的空间体量内，暴胀可能不那么明显，但是在此之外的空间，则在永不止息地以指数级膨胀，偶尔会有像我们的宇宙一样的孤立区域与膨胀脱钩。正如当温度低于冰点时，冰块能够在快速流动的水面上形成一样。每一个这样的宇宙都有一个起点，这个起点是与暴胀在其空间中结束的时间挂钩的。在这种情况下，我们宇宙的起点就不一定是时间的起点了。这让我们更有理由怀疑大爆炸是否真的代表着我们认知的终极限制了。

我们已经发现，将推理与实验观测相结合，我们的认知就不会有任何局限。

每个宇宙从背景空间中脱离而出的过程不同，它们的物理学定律可能也不相同。我们把可能存在的宇宙形成的这一集合称为“多元宇宙”。“多元宇宙”的概念在科学界广受关注，不仅仅是因为该概念是在宇宙暴胀之类现象的推动下产生的，还因为该概念提出的拥有其自身独特物理定律的多个不同宇宙存在的可能性，可以解释我们的宇宙中存在的各种看似莫名其妙的基本参数。这些参数只不过是在我们的宇宙诞生时随机产生的。

如果除了我们的宇宙之外还有其他宇宙存在，那么它们与我们之间的距离将是非常遥远的，而且它们还会以超越光速的相对速度远离我们而去，因此，我们也许永远也无法直接探测到它们。那么，“多元宇宙”理论仅仅是一种空头理论吗？对“多元宇宙”存在可能性的验证代表着我们认知上的一个根本极限吗？答案是：这可不一定。虽然我们可能永远也无法直接看到另一个宇宙，但是我们依然能够以经验主义的方式来检验该理论，比如说，观测暴胀产生的引力波。理论

上，这一举措可使我们检测出导致我们宇宙产生的暴胀过程的详尽细节。这些引力波与被激光干涉引力波天文台发现的引力波相似，但是它们的起源不同。后者产生于诸如遥远星系中巨型黑洞之间发生碰撞一类的大事件，而前者产生于宇宙大爆炸的早期，也就是人们认定的暴胀时期。如果我们能够直接探测到这些引力波（就像现在我们可以通过不同的实验，来寻找宇宙大爆炸遗留下的宇宙微波背景辐射中的蛛丝马迹一样），我们就可以探究暴胀过程中都发生了哪些物理变化，从而断定这永不止息的暴胀是否正是这一物理变化的结果。因此，即便我们不能直接探测到其他宇宙，但是我们仍可以间接检验其他宇宙是否必然存在。

简言之，我们已经发现，将推理与实验观测相结合，我们的认知就不会有任何局限。无限的宇宙引人入胜，并且激励着我们不断进行探索。但是，我们可以自信地说，我们的认知永远也没有局限吗？这可就不一定啦。

暴胀确实给我们的认知设置了一个根本性的限制，特别是对过去的认知。暴胀在本质上重置了宇宙，在这一过程中，就很可能摧毁了暴胀之前所有有关动态过程的信息。在暴胀期间，由于空间的快速膨胀大大降低了所有区域的物质密度，因此，可能抹去了诸如磁单极子等的踪迹。理论表明，磁单极子应该是一种在宇宙很早时期大量产生过的粒子。这是暴胀独有的特点之一，它很好地解释了这样一个矛盾：为什么诸如磁单极子一类的粒子理论上会产生，而在现实中我们至今也未观测到过。

但在化解矛盾时，暴胀抹去了我们的过去。更糟糕的是，暴胀抹去信息的行为也许仍未停止。很显然，现在的我们仍处在这一暴胀过程的另一个阶段。通过对那些正在离我们远去的遥远星系与我们之间距离的测量，表明我们的宇宙正在加速膨胀，丝毫没有慢下来。这是否说明占主导地位的引力仅仅存在于物质或辐射内，在虚空中不存在呢？（译者注： 在这里，笔者的意思是，如果宇宙是由引力主导的，那么宇宙应该是塌缩的。而现实并非如此，好像引力被限制在了物质和辐射内。而在宇宙的虚空中，应该存在另外一种能量，它抵消了引力的作用，使得宇宙加速膨胀。）我们现在对这一能量的起源一无所知，每种潜在的解释都是对认知发展，甚至是对我们自身存在的根本限制。