曹天予教授譯本序

丁印教授寫的《20世紀文壇的概念發展》一書在上海世紀出版集團科技教育出版社出版。這是一部杰作。這是自然科學史領域內一部開創性的而且是劃時代的著作。正是此書完整、翔實、準確而且首先分析和總結了“20世紀場論的概念發展”;并根據大量歷史發展的史實,在嶄新的科學事實、科學理念的基礎上,深入、具體地探討了人類認識物理世界的歷程和客觀規律。過去人們所認識的物理世界,是由物質的“三態”(即固態、液態、氣態)組成的宏觀物理世界;后來就逐步深入、深化為分子、原子、原子核、質子、中子、電子、中微子等粒子的系列;現在卻發現還要加上“場”的理念,由重力場、電磁場發展為膠子場、中間玻色子場,還有有待超大型對撞機確證的希格斯場……;而極令人感興趣的是,原來被認為屬于“粒子”系列的分子、原子、原子核、質子、中子、電子、中微子等,竟然也“演化”為場的量子激發態的表現;因此,物理世界,也就是物質世界,就此統一在一個新的“圖景”,統一于由“場”的理念所描述、所刻畫的物質世界!毫無疑問,這是人們對“物質”世界認識的大轉變,也可以認為是大變革。不連續的“粒子”世界,竟然轉變為連續的“場”的世界;連續介質的“場”的物質觀,竟然取代了不連續的“粒子”的物質觀!所有這一觀念上的“大轉變”、“大變革”,究竟是怎樣發生的?這就是本書所要回答的中心內容。如果略為追蹤一下認識史,在20世紀以前,人們多半把“場”的理念,看作是空幻的“猜想”,有些人更看作是“精神”領域中的“事物”。自20世紀以來,由于一個世紀來一連串大物理學家的共同努力,現在已完全確立了以所謂“規范場”為綱領的量子場論的“標準”模型!!!當然,還要回答:這一“標準”模型,將往何處去?將會碰到什么新問題?有哪些“理念”,需要進一步深化、發展,甚而要作哪些修改?!這就是本書所要探討和回答的問題。重要的是:本書并不是以某種虛無縹緲的“猜想”,或虛構某種“高超的胡說”,來探討、回答這些問題,而是盡可能立足于現代科學基礎,來分析和研究這些問題。這就是本書可貴之處!本書包含下列一些內容。一、場綱領作為一個新的存在本書的第57頁,作者曾扼要地做如下的概述:“經典場論的興起,在尋求表觀超距作用的動力因(efficientcause)方面有很深的淵源。就電磁學來說,威廉·湯姆孫與麥克斯韋在他們的以太場論中,通過引入新的實體(電磁場)與新的本體(連續以太),成功地解釋了超距作用。場具有能量,因而代表物理實在。但是,作為機械以太的一種狀態,場不能獨立存在。在洛倫茲的電動力學中,場仍然是以太的一種狀態。但是,既然洛倫茲的以太被剝奪了所有物質屬性,變成了虛空(voidspace)的同義詞,那么場就享有獨立的本體論地位,與物質平起平坐。因此,在物理學研究中出現了新的研究綱領,一種建立在場本體基礎上的場論綱領,與建立在粒子本體(與空間和力一起)基礎上的力學綱領形成對照。”凡是在大學里學過麥克斯韋電磁定律的學生,對于這里的敘述,自然是很熟悉的!例如,早在60年前,我在清華大學物理系學習電磁學時,葉企孫老師就向我們說過:“場是以太的力學的某種狀態接著,曹天予教授又寫道:“當電磁場被看作是世界的基本本體,而不只是一種數學裝置或機械以太的一種狀態時,存在著比這表面差別更深刻的東西。場是一種新型的實體……場因其非機械的行為而既不同于物質個體,也不同于機械以太。這種新的非機械本體的引入,開創了一個新的綱領———場綱領。場綱領不同于機械綱領之處在于:首先,它拋棄了機械以太,致使電磁相互作用的傳輸不能在機械綱領中得到解釋。其次,它引入了一種獨立的,不能還原為機械本體的電磁場實體。而這就為場綱領的進一步發展鋪平了道路(見第2章)。”我以為作者的這些論述是十分重要的。如果“場”不被看作是某種“世界的基本本體”的話,那還有什么對物質世界場的綱領的研究?!但是,事情的發展,遠沒有“圈外”人士想象的那么簡單,因為必須解釋“電荷”的存在。例如,描述靜電場勢能V的方程通常會寫成,但勢能V是和電荷密度ρ有聯系的。如果我們把勢能V看成描述“世界的基本本體”的某種方程式,那么就要回答電荷密度ρ———其特殊情況會蛻化成一個點函數δ(x在第50-53頁上曹天予教授介紹了洛倫茲的工作。洛倫茲的以太“擯棄了所有機械的性質,因而完全從物質中分離出來。在這個框架中,電磁場被當作是以太的狀態。既然以太沒有機械性質,其性質只是如同構成電磁場與物質之基礎的虛空一樣,那么電磁場就享有與物質一樣的本體論地位。即,它代表著獨立于物質的一種物理實在,而不是物質的一種狀態,像物質一樣具有能量,因而具備非機械實體的資格”。但是洛倫茲并沒有完全拋棄以太的概念。因為還需要解釋“物體”,也就是指場體系中的“源”和“匯”,在運動時如何能保持內部的力的平衡。“洛倫茲假設,當物體在以太中運動時,除了電磁力,決定物體大小的分子力也受到影響……作為物理現象的原因,分子力的變化被設想為是由以太與物體分子之間一些未知的物理相互作用引起的,因此以太必定是實體的,這樣它才能與分子相互作用。”洛倫茲的“以太”也取得某些成功。因為他“據此試圖對1887年邁克耳孫—莫雷實驗(Michelson&Morleyexperiment)的否定結果作出清楚解釋。”但是洛倫茲的理念,也遭到了許多批評,“龐加萊(Poincar伢)批評洛倫茲……違背了牛頓第三運動定律”。但是洛倫茲的杰出成就是:“洛倫茲的工作在電磁世界觀對機械世界觀的文化交鋒中很有影響,并起了決定性作用。”而且,愛因斯坦在“晚年曾經對洛倫茲在發展場論過程中走的這一步的重要性作出評論:‘這是令人驚奇與大膽的一步,要是沒有它,以后[場論綱領]的發展將是不可能的。’(Einstein,1949)”為什么要在這一短“序”里,較長地引用作者對“場”的觀念發展的某些概述?原因是:⑴這是“場綱領”或非機械的電磁場模型取代機械的或力學模型的“基礎”,而這是物理觀念的重大轉變;⑵這樣的觀念的轉變———并不如通常人們所設想的那樣———不能簡單地歸結為由于狹義相對論的出現,就此從物理世界力學模型轉變為電磁場模型;⑶但是,本書作者卻將這一轉變過程細致地勾畫了出來,這對于我們這些僅熟悉“近代”物理的發展,不熟悉“古典”物理的后學者來說,是一種教育和學習;⑷順便說說,本書對這類觀念上大轉變的考證還有很多很多,不能一一細述,現在只較詳細地舉出一例,而且是易于理解的一例,足證此書的價值。二、等效原理還是“場”的“幾何領”?狹義相對論獲得了空前成功;進一步發展是走向廣義相對論。隨著廣義相對論的三大觀測的驗證的出現,廣義相對論也就成為物理學界所認同的理論。但是,廣義相對論是有重大爭議的理論,尤其是廣義相對論的進一步發展,愛因斯坦盡畢生之力追求的統一場論實際上只限于引力和電磁力的統一,卻沒有成功!那么,人們將怎樣看待廣義相對論,怎樣看待伴隨廣義相對論的成功而出現的“場”的幾何化綱領?本書對這些問題也有相當細致而精辟的敘述。廣義相對論的基本理念,是用時空扭曲解釋引力。廣義相對論所以獲得成功,主要是基于下列實驗事實:慣性質量和引力質量存在著嚴格的比例關系。愛因斯坦認為,“一個物理系統的慣性質量與能量,似乎表現為同一個東西”,“慣性質量與引力質量之間的比例性,在目前所能達到的精度內,對于所有物體都是普適有效的;……我們必須把它作為普適有效的來接受它。(Einstein,1907b)”正是在上述思想指引之下,愛因斯坦做出如下假定:“從現在開始,我們同意假設,引力場與參考系里的加速度在物理上是完全等價的(1907b)。”“愛因斯坦在論文(1912b)中把這個陳述稱為等效原理(簡稱EP),在論文(1919)中,把這個思想稱為‘我一生中最愉快的思想’。”進一步,愛因斯坦把引力場歸結為時空的彎曲本質。到了統一場論,愛因斯坦則進一步也希望將電磁場歸結為時空的某種特性。這就是“場”的“幾何綱領”的由來!問題是:電磁場和引力場之間并不存在像“慣性質量和引力質量”那樣的“同一性”,想從時空性質來統一解釋引力場和電磁場,只能認為是缺乏實驗基礎的一種假想。歷史上有不少物理學大師作出種種嘗試———在《20世紀場論的概念發展》一書有較詳細的介紹———但均沒有獲得成功。雖然愛因斯坦及其追隨者在物理學基本理論方面作出許多劃時代的貢獻,但總的來說,場體系的“幾何化”是一個失敗的綱領。極有意義的是:在“場”的“幾何綱領”方面,曹天予教授卻注意到“幾何綱領”存在強版本和弱版本的區別。“根據強版本,(i)時空的幾何結構本身是物理上實在的,如同物質與電磁場的實在性一樣,而且具有作用于物質的實在效應;(ii)引力相互作用被看作物質運動的時空幾何效應的局域測量,作為時空曲率的一種表現,并通過測地線偏差方程得到表達。”至于“幾何綱領的弱版本拒絕時空結構的獨立存在,只是把它們看作場的結構性質。愛因斯坦在他追求統一場論的晚年,堅持這種立場。但是,從邏輯上講,弱版本不必預設統一場論。它所預設的是時空的幾何結構在本體論上是由物理(引力)場構成的。”為什么在“幾何綱領”中會存在這兩種版本?原因還在于“愛因斯坦為等效原理列出的唯一經驗證據是,‘所有物體在引力場中經歷相同的加速度’。這個事實所支撐的只是所謂的弱等效原理(weakEP),弱等效原理要求力學實驗在一個勻加速系統中與在一個處于匹配的均勻的引力場里的靜止系統中遵循相同的過程。但愛因斯坦主張的卻是所謂的強等效原理(strongEP),強等效原理假設兩個這樣的系統是完全等價的,以至于不可能借助于任何一種物理實驗來區分它們。”對于等效原理這兩種不同的理解,導致場體系幾何化也出現“強”和“弱”兩種不同的綱領。為什么這一“強”和“弱”的區分如此重要?因為這涉及如何理解哲學實在論。實在論的基本思想是:世界統一于不隨人們的主觀意志而轉移的客觀實在,而時間空間卻是客觀實在存在的形式。重要的是,形式并不等同于內容。但是,在愛因斯坦的“強”幾何綱領中,卻把“時空的幾何結構≡物理實在”。對此,曹天予教授歷述了愛因斯坦在“引力理論的幾何化”方面所獲得的成就,但同時又指出愛因斯坦的缺失———“將時空幾何引力化”的缺失———并公正地指出,這是愛因斯坦走向統一場論、但又是走向失敗的根本原因。其實愛因斯坦并非一點也沒有察覺“時空幾何引力化”或“時空幾何的場化”的假想里存在著某些原則性的困難。1915年,著名的廣義相對論學者施瓦西曾給出“真空中一個靜態球對稱質點的近似引力場解”,到了1916年,又得到了“一個孤立質點的精確解”。這些“近似解”和“精確解”均具有一個特征:當球坐標R趨向無窮大時,亦即在無限遠處的度規,一定是閔可夫斯基度規。這意味著廣義相對論并沒有能完全做到“時空的引力化”。至少,在R→∞大時,時空是空無所有或沒有任何場的時空,亦即“時空是客觀實在存在的形式”。所以,在現代場論學者看來,廣義相對論只是描述引力場的理論,原因就在于厄缶(E觟tv觟s)有關引力質量和慣性質量成正比的實驗,所證明的僅僅是“弱”等效原理。三、《量子場論》的特色本書的第二篇和第三篇都是討論長期以來物理學所追求的一個宏偉目標:物理世界能否在量子化的場的理念里,統一地由“場”來描述,而且是以某種“統一的場”來描述?其實,在上述“走向場的幾何綱領”的追求中,即使已“做成”引力場和電磁場的“統一”場論,但場的“源”和“匯”的問題,其實仍需要在“場”綱領以外分別加以處理。洛倫茲曾經有如下嘗試:用電磁場來解釋電子質量,而且還能解釋洛倫茲收縮!但是,即令電子質量可以用電磁場的“凝聚”來解釋,但不能由此而推廣到質子、中子、μ子、中微子等其他粒子!極為有意義的是,這一“粒子”觀和“場”觀的矛盾,竟然在量子化的“場”的理念中得到較完滿的解決———但同時又提出許多原則性問題!本書對這一歷史過程做了詳細的追蹤和回答。本書的第二篇和第三篇所涉及的內容有:a)量子論的建立,即量子力學及其核心問題,波粒二象性理念的建立;b)量子場論的基本概念的形成,其中包括玻色子場的量子化和更為困難一些的通常稱為實物的費米子場的量子化;c)可重正量子場論的形成;d)規范不變性和規范場概念的確立;e)走向量子規范場論;f)走向標準模型和量子規范場綱領的確立———這實際上是幾何綱領和量子場綱領的綜合,因為從幾何學的觀點來看,規范場是和“纖維叢”相聯系的一種幾何學。對于我們這些長年從事粒子物理學和量子場論的研究工作者來說,對這段長達五六十年的現代物理學發展史,無疑既饒有興趣又耳熟能詳。但是,本書的突出優點在于:不僅促使我們“溫故”,而且還啟示我們“知新”。下面僅舉兩例:事例一,是此書對韋爾特曼工作的評價。量子規范場論有兩大難點:一是如何走向量子化,這首先是由法捷耶夫和波波夫用“費恩曼路徑積分+法捷耶夫—波波夫鬼態”所回答和解決的;二是如何進行重正化,而人們所熟知的“事實”是由特霍夫特發展的維數正規化方法所回答和解決的。實際上更準確的歷史是,首先是韋爾特曼提出規范場論如何進行重正化的許多理念,并最終由特霍夫特完整地實現。所以,就在與此書出版的1999年同年年底,韋爾特曼和他的學生特霍夫特共同獲得了諾貝爾物理學獎。事例二,標準模型,亦即弱電統一模型的建立,有賴希格斯引進的希格斯機制和希格斯粒子。至于希格斯工作的先驅———南部陽一郎所做的真空自發破缺的經典工作———卻為人們所忽略。但是,此書卻公正地作了敘述,準確地評價了南部陽一郎所做的歷史性貢獻。2008年,南部陽一郎也獲得了諾貝爾物理學獎。令人驚訝的是,在本書的第二篇和第三篇中,曹天予教授不僅準確無誤地敘述了量子場論、量子規范場論的基本概念以及這些概念的發展和變化,而且對各個階段不同學者的貢獻均給予了符合歷史事實并且是科學的評價。這是很不容易做到的事情,曹天予教授竟然做到而且極好地做到了!所以,此書得到一大群著名物理學家(其中有些是諾貝爾物理學獎獲得者)的極高評價。這些物理學家包括格拉肖、韋爾特曼、賈基夫、施韋伯、法因、庫欣。四、以理論之名界定數據的“我不作假設”本書除了對物理學、物理學史作了巨大貢獻以外,還對科學哲學也作了重大貢獻———以大量的物理學發展史實,科學地確立了結構實在論。用中國人喜歡用的哲學語言來說,本書豐富和發展了唯物主義哲學,自然界的實體或物理實在已統一于有“規范”不變特征的“量子”化的“場”。只不過在西方哲學著作里,他們認為唯物論是一種低級的、庸俗的、品格不高的哲學名詞。有一個值得討論的問題是:本書有沒有缺點?本書是一部開拓性的著作。任何開拓性或首倡性的科學工作,包括科學史,總是有缺點的。我以為本書在總體上是為了闡明作者所持的自然觀———結構實在論———而如果自然界的某種物理“結構”構成了“實在”的話,那一部“20世紀場論的概念發展史”,就不能僅限于討論場的“理論”框架的演變和確立,而是還要看到構成“場”的“實體”,是如何從紛亂的實驗事實里涌現出來的。沒有電子、光子就不會有量子電動力學,沒有夸克和膠子和它們所滿足的“色”規范群,就不會有量子色動力學。沒有中間玻色子,沒有希格斯機制及其相應的希格斯粒子,就沒有弱電統一理論;甚而這一理論的可重正化性問題,也有賴于夸克和輕子的對稱性,才能消除三角形曲線圖的反常。2005年,已故著名物理學家、“兩彈一星”元勛、我們這代許多理論物理學工作者的老師彭桓武教授,在談及科學研究與創新時曾意味深長地引述了兩段愛因斯坦名言:“Purelogicalthinkingcannotyieldusanyknowledgeoftheempiricalworld.Allknowledgeofrealitystartsfromexperienceandendsinit.”“Wenowrealize,withspecialclarity,howmuchinerrorarethosetheoristswhobelievetheorycomesinductivelyfromexperience.EventhegreatNewtoncouldnotfreehimselffromthiserror(Hypothesesnonfingo).”有不少人翻譯過愛因斯坦的這兩句話。我所喜歡的譯文是:“純粹的邏輯思維不能給我們關于經驗世界的任何知識;一切關于實在的知識,都是以經驗開始,以經驗結束。”“我們現在特別清楚地認識到,那些相信理論是從經驗中歸納出來的理論家是多么荒謬,甚至偉大的牛頓也不能從這種錯誤中擺脫出來!偉大的牛頓就說過,‘我不作假設’。”據此,彭桓武教授指出:“愛因斯坦的兩段話是互補的,前段話強調理論對實驗的依賴性,后面這一段強調單純從經驗進行歸納是不夠的,從經驗到理論的飛躍很