廖 瑋

（華東理工大學(xué)物理學(xué)院 200237）

在物理學(xué)中有所謂還原論(reductionism)和演生論(emergence)的爭(zhēng)論。還原論觀點(diǎn)認(rèn)為，物理問(wèn)題可以簡(jiǎn)化成關(guān)于物質(zhì)的基本組成以及基本組成的相互作用的問(wèn)題，復(fù)雜的事物和現(xiàn)象可以最終由簡(jiǎn)單的基本組成和基本相互作用來(lái)解釋。還原論是一種以少量原理理解萬(wàn)事萬(wàn)物的思路，被很多人認(rèn)為是物理學(xué)的傳統(tǒng)思路。這種思路體現(xiàn)在物理學(xué)的許多方面，例如把物質(zhì)還原為原子分子、把原子還原為原子核和電子、把原子核還原為質(zhì)子和中子、把質(zhì)子中子還原為夸克。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的建立最終統(tǒng)一了電磁力和弱力，并且使人們認(rèn)識(shí)到電磁力、弱力和強(qiáng)力都是同一種類(lèi)型的力，即規(guī)范相互作用。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型一般被認(rèn)作是還原論思路的成功典范。

演生論觀點(diǎn)認(rèn)為，宏觀尺度的問(wèn)題十分復(fù)雜，大量原子分子的復(fù)雜行為并不總是可以還原論式的由單獨(dú)原子分子的性質(zhì)而簡(jiǎn)單地推導(dǎo)出來(lái)。相反地，演生論認(rèn)為①：在每一個(gè)復(fù)雜性的層次之中都需要全新的物理定律、全新的物理概念和全新的普遍化，就其所需的創(chuàng)造性而言，與其他研究相比毫不遜色。著名凝聚態(tài)物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者安德森(P.W.Anderson)在1972 年的論述《More is different》被認(rèn)作是演生論的宣言①。當(dāng)代凝聚態(tài)物理的基石，朗道(L.D.Landau)的費(fèi)米液體理論和威爾遜(K.G.Wilson)關(guān)于相變的重整化群理論，被認(rèn)為是演生論思路的成功典范。朗道的費(fèi)米液體理論認(rèn)為，可以把具有復(fù)雜的相互作用的多粒子費(fèi)米系統(tǒng)視為一種自由的多粒子費(fèi)米系統(tǒng)，這種多粒子費(fèi)米系統(tǒng)由自由的“準(zhǔn)粒子”構(gòu)成，而且這種“準(zhǔn)粒子”只能在多體系統(tǒng)中“存在”，不能單獨(dú)“存在”。朗道的費(fèi)米液體理論描述了幾乎所有已知金屬的低溫物理性質(zhì)，獲得了驚人的成功。朗道的費(fèi)米液體理論中的這種“準(zhǔn)粒子”就是安德森所說(shuō)的在復(fù)雜多體系統(tǒng)中出現(xiàn)的全新的物理概念。比起作為物質(zhì)基本組成的原子分子電子，“準(zhǔn)粒子”這樣不算基本的概念更加適合于描述多體系統(tǒng)的現(xiàn)象?，F(xiàn)代凝聚態(tài)物理中有大量這類(lèi)演生概念和基于這類(lèi)演生概念的物理規(guī)律，例如相變和臨界現(xiàn)象的物理②、描述量子霍爾效應(yīng)的拓?fù)湟?guī)范場(chǎng)論等。

許多人認(rèn)為物理學(xué)中的演生論思想起于20 世紀(jì)50～60 年代，是隨著凝聚態(tài)物理的發(fā)展而來(lái)的。例如，著名凝聚態(tài)物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊格特(A.J.Leggett)認(rèn)為朗道費(fèi)米液體理論的發(fā)明標(biāo)志著凝聚態(tài)物理研究的范式轉(zhuǎn)換。他回憶說(shuō)③：朗道開(kāi)創(chuàng)性工作的重要性在于，他沒(méi)有像大多數(shù)前人那樣提問(wèn)，我們?nèi)绾螐奈⒂^的哈密頓量計(jì)算宏觀凝聚態(tài)系統(tǒng)的性質(zhì)，他提出了一個(gè)不同的問(wèn)題：“我們?nèi)绾螌⒑暧^系統(tǒng)的不同物理性質(zhì)聯(lián)系起來(lái)?”其后，關(guān)于相變的重整化群理論的成功以及普適性和破缺對(duì)稱(chēng)性思想的發(fā)展進(jìn)一步展現(xiàn)了演生論思路的威力。著名理論物理學(xué)家卡達(dá)諾夫(Leo Kadanoff)對(duì)這一發(fā)展有一個(gè)評(píng)論③：物理學(xué)的實(shí)踐已經(jīng)由求解問(wèn)題改變?yōu)閷で髥?wèn)題之間的關(guān)系。

1.現(xiàn)象運(yùn)作的模式與現(xiàn)象背后的原因

然而，如果仔細(xì)考察物理學(xué)的歷史，我們可以發(fā)現(xiàn)演生論的思路實(shí)質(zhì)上是現(xiàn)象學(xué)的思路。這種現(xiàn)象學(xué)的思路并不是新生的思路，而是早已存在于物理學(xué)的血脈之中的思路，可以說(shuō)是自誕生之日起物理學(xué)就具有的最典型的研究思路，也是廣泛存在于物理學(xué)眾多分支和歷史中的思路。對(duì)比伽利略、開(kāi)普勒和牛頓的貢獻(xiàn)，我們可以很清楚地發(fā)現(xiàn)伽利略和開(kāi)普勒的發(fā)現(xiàn)可以說(shuō)是發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”，而牛頓建立力學(xué)的綜合體系以及發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力可以說(shuō)是發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”，而這兩者是現(xiàn)象學(xué)思路的兩個(gè)方面。演生論所討論的研究思路實(shí)際上就是發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”的思路，是現(xiàn)象學(xué)思路的一個(gè)方面。

牛頓的綜合力學(xué)體系和引力的平方反比律把從天上到地上的許多運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象都?xì)w結(jié)為少數(shù)幾條原理。特別是質(zhì)量概念的引入使人們可以對(duì)比不同物體在不同力的作用下的不同運(yùn)動(dòng)，使它們被聯(lián)系在一起，并且被歸結(jié)于相同的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理。在這個(gè)意義上，牛頓的綜合確實(shí)是找到了“事物背后的原因”。世人把牛頓力學(xué)當(dāng)作科學(xué)的典范，正是因?yàn)榕ｎD力學(xué)成功展現(xiàn)了這樣一種把許多現(xiàn)象歸結(jié)于少數(shù)原理的可能。牛頓的綜合可以說(shuō)成是通過(guò)原因建立起現(xiàn)象與現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)，即

現(xiàn)象??現(xiàn)象背后的原因??現(xiàn)象

在這個(gè)意義上，我們也可以說(shuō)牛頓的力學(xué)體系是還原論的一個(gè)最初成功典范。

與牛頓形成對(duì)比的是，伽利略和開(kāi)普勒的主要貢獻(xiàn)是在現(xiàn)象的層面揭示現(xiàn)象的運(yùn)作模式。他們做的是通過(guò)現(xiàn)象與現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)揭示現(xiàn)象運(yùn)作的模式，又通過(guò)現(xiàn)象運(yùn)作的模式建立更多的現(xiàn)象與現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)。開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)的行星運(yùn)行的三大定律很明顯是行星運(yùn)行的模式，開(kāi)普勒只是從觀測(cè)數(shù)據(jù)中揭示了這個(gè)模式。當(dāng)然揭示這個(gè)模式需要很多的思考和想象，但是這些規(guī)律并不是行星運(yùn)動(dòng)的“背后的原因”。開(kāi)普勒確實(shí)想要把行星軌道歸因于他的幾何模型，但是沒(méi)有獲得成功④。

在《關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)談》一書(shū)第一天的對(duì)話(huà)中，伽利略通過(guò)比較不同物體在水銀、水和空氣等不同媒質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)重建起對(duì)運(yùn)動(dòng)的直覺(jué)，再得出結(jié)論任何物體在真空中的下落都是一樣的。伽利略注意到具有不同比重的物體在不同媒質(zhì)中表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)，他借薩爾維亞蒂之口總結(jié)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和觀察并做出了猜想⑤:

薩爾維亞蒂：……我們已經(jīng)看到，不同比重的物體之間的速率差，在那些阻滯性最強(qiáng)的媒質(zhì)中最為顯著；例如，在水銀這種媒質(zhì)中，金不僅比鉛更快地沉到底下，而且還是能夠下沉的唯一物質(zhì)，所有別的金屬，以及石頭，都將上升而浮在表面。另一方面，在空氣中，金球、鉛球、銅球、石球以及其他重材料所做之球的速率之差都是那樣的小，以致在一次100 腕尺的下落中，一個(gè)金球不會(huì)超前于一個(gè)銅球到4 指的距離。既已觀察到這一點(diǎn)，我就得到結(jié)論說(shuō)，在一種完全沒(méi)有阻力的媒質(zhì)中，各物質(zhì)將以相同速率下落……

伽利略認(rèn)為在自然界中不存在真空，所以實(shí)際上無(wú)法做實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和檢驗(yàn)在真空中的運(yùn)動(dòng)。但是，他認(rèn)為物體在真空中的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)思考和比較物體在不同媒質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)而推理出來(lái)。其理由是，在密度較大的媒質(zhì)中(例如水銀、水)不同物體表現(xiàn)出不同的運(yùn)動(dòng)，而在稀薄的空氣中具有不同比重的金球、鉛球、木球等表現(xiàn)出幾乎相同的下落。因此可以判斷，密度較大的媒質(zhì)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響較大，而稀薄的空氣對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的影響較小，在真空中沒(méi)有媒質(zhì)的阻礙，物體在真空中的運(yùn)動(dòng)應(yīng)該更加接近于金球、鉛球、木球等在空氣中運(yùn)動(dòng)的情況。根據(jù)這個(gè)推理，在真空中羊毛和鉛塊將以相同的速度下落，雖然人們?cè)诳諝庵锌吹降那闆r是羊毛很緩慢地下落。這是以外推的方法思考這個(gè)問(wèn)題，是典型的以實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)矯正對(duì)物理問(wèn)題的直覺(jué)，再以直覺(jué)推論到真空中的情況。如果僅僅考慮在空氣中物體的運(yùn)動(dòng)，人們實(shí)際上無(wú)法或很難建立起對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的正確直覺(jué)，而通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和比較不同物體在不同媒質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)之后，人們就有機(jī)會(huì)重建對(duì)運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的直覺(jué)，發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

我們看到伽利略對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)的研究就是通過(guò)現(xiàn)象與現(xiàn)象之間的關(guān)聯(lián)發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的模式。伽利略還建立起沿斜坡上的運(yùn)動(dòng)與垂直自由落體運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)聯(lián)，通過(guò)研究沿斜坡的運(yùn)動(dòng)來(lái)研究重力導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而研究拋射體的運(yùn)動(dòng)。這些對(duì)物體運(yùn)動(dòng)問(wèn)題的研究，最終形成了一個(gè)整體圖像，關(guān)聯(lián)到更多現(xiàn)象，變成了對(duì)日心說(shuō)和地動(dòng)說(shuō)的支持。這種模式可以簡(jiǎn)單表述為

現(xiàn)象??現(xiàn)象運(yùn)作的模式??現(xiàn)象伽利略還揭示了地球表面的重力導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)是勻加速運(yùn)動(dòng)。他不滿(mǎn)足于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的結(jié)果，即運(yùn)動(dòng)距離正比于時(shí)間的平方，而是通過(guò)復(fù)雜的推理和想象，最終把這種運(yùn)動(dòng)歸結(jié)于重力產(chǎn)生勻加速運(yùn)動(dòng)。這是把經(jīng)驗(yàn)規(guī)律抽象化為一個(gè)具有更普遍意義的抽象規(guī)律④。但是這個(gè)規(guī)律距離經(jīng)驗(yàn)規(guī)律并不遙遠(yuǎn)，可以說(shuō)仍然是描述性的，是描述運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的本來(lái)面目的規(guī)律。伽利略所做的是通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及復(fù)雜的推理和想象揭示日常所見(jiàn)的現(xiàn)象的本來(lái)面目，并且找到合適的語(yǔ)言描述現(xiàn)象。在《關(guān)于兩門(mén)新科學(xué)的對(duì)談》一書(shū)第三天對(duì)話(huà)中，伽利略表達(dá)了這種看法。他說(shuō)⑤:

……在這一信念中，我們主要是得到了一種想法的支持，那就是，我們看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果和我們一個(gè)接一個(gè)地證明了的這些性質(zhì)相符合和確切地對(duì)應(yīng)。最后，在自然地加速的運(yùn)動(dòng)的探索中，我們就仿佛被親手領(lǐng)著那樣去追隨大自然本身的習(xí)慣和方式，按照它的各種其他過(guò)程來(lái)只應(yīng)用那些最平常、最簡(jiǎn)單和最容易的手段。

2.現(xiàn)象與現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)

應(yīng)該注意到的是，伽利略和開(kāi)普勒的成就是牛頓能夠獲得成功的基礎(chǔ)。正是因?yàn)榍叭藢?duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的本來(lái)面目的揭示以及合適的語(yǔ)言的發(fā)明才使牛頓的綜合力學(xué)體系成為可能。所以，發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”是發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”的基礎(chǔ)。物理學(xué)在更加深廣的意義上是研究“現(xiàn)象與現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)”。這個(gè)詞匯包含了兩層意思，即研究現(xiàn)象層面的“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”以及超越現(xiàn)象層面的“現(xiàn)象背后的原因”。這個(gè)詞既表明了物理學(xué)研究的目標(biāo)，即發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”，也表明了發(fā)現(xiàn)的途徑，即發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”。

這一要點(diǎn)非常鮮明地反映了物理學(xué)思維的特色以及物理學(xué)反形而上學(xué)的實(shí)質(zhì)④。例如，量子場(chǎng)論的重整化理論非常鮮明地反映了這一思維特色。重整化理論的要點(diǎn)是重新定義量子場(chǎng)論理論中的參數(shù)，消除理論中對(duì)無(wú)法測(cè)量的“裸量”的依賴(lài)，建立關(guān)于可觀測(cè)的物理量和物理量之間的關(guān)系，最終以對(duì)一部分物理量的測(cè)量預(yù)言另外一些物理量。雖然這個(gè)理論有所謂無(wú)窮大發(fā)散的問(wèn)題，在數(shù)學(xué)上難以被人理解，但是其在可觀測(cè)的物理量層次上的關(guān)聯(lián)卻是有限的、可以明確計(jì)算的。這個(gè)理論具有非常強(qiáng)大的預(yù)言能力，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了重整化理論的許多預(yù)言，這一理論取得了難以想象的輝煌成功。

量子電動(dòng)力學(xué)的建立者之一、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者施溫格(J.Schwinger)回憶自己在二戰(zhàn)期間研究波導(dǎo)問(wèn)題和后來(lái)發(fā)明重整化理論之間的聯(lián)系時(shí)說(shuō)⑥：“在戰(zhàn)爭(zhēng)期間，我還研究了微波和波導(dǎo)的電磁問(wèn)題。我也從物理學(xué)家的方法開(kāi)始，包括使用散射矩陣。但早在這三年結(jié)束之前，我就開(kāi)始用工程師的語(yǔ)言說(shuō)話(huà)了。我想，對(duì)我和朝永振一郎來(lái)說(shuō)，這些年的分心并非沒(méi)有有益的教訓(xùn)。波導(dǎo)研究顯示了重組理論來(lái)分離那些在給定的實(shí)驗(yàn)條件下無(wú)法探測(cè)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的成效。這個(gè)教訓(xùn)不久就被應(yīng)用于核力的有效范圍的描述之中，也正是這個(gè)觀點(diǎn)導(dǎo)致了量子電動(dòng)力學(xué)的自洽減除或重整化的觀念?！?/p>

施溫格和量子電動(dòng)力學(xué)的另一位建立者朝永振一郎(S.Tomonaga)都在二戰(zhàn)期間從事過(guò)微波和波導(dǎo)的研究。他們都發(fā)現(xiàn)，對(duì)于波導(dǎo)問(wèn)題而言麥克斯韋方程包含了過(guò)多的信息，直接使用麥克斯韋方程到波導(dǎo)問(wèn)題之中使該問(wèn)題變得十分復(fù)雜而難以解決，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)只關(guān)心少量的宏觀信息，實(shí)際上可以在此問(wèn)題中使用與觀測(cè)量直接聯(lián)系的、更加唯象的語(yǔ)言簡(jiǎn)化問(wèn)題。這實(shí)際上是類(lèi)似于引文中施溫格提及的散射矩陣的思路，即放棄從基本相互作用開(kāi)始的想法，而直接在可觀測(cè)的物理量的層次上建立關(guān)聯(lián)。這些研究經(jīng)驗(yàn)最終啟發(fā)施溫格在量子電動(dòng)力學(xué)的重整化理論上做出了重要貢獻(xiàn)。當(dāng)然散射矩陣?yán)碚撛谶@條道路上走得更遠(yuǎn)，而量子電動(dòng)力學(xué)或者量子場(chǎng)論的重整化理論沒(méi)有像散射矩陣?yán)碚撃菢影堰@種思想推向極端。

我們可以看到，這樣一種在現(xiàn)象的層面研究現(xiàn)象與現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)的思路在物理學(xué)中不僅具有悠久的歷史，而且在卡達(dá)諾夫所說(shuō)的由凝聚態(tài)物理導(dǎo)致的轉(zhuǎn)變發(fā)生之前仍然具有巨大的影響，散射矩陣?yán)碚摵椭卣碚摱挤从沉诉@種思路的影響。實(shí)際上，這種影響深植于物理學(xué)發(fā)展的土壤之中，這體現(xiàn)在科學(xué)發(fā)現(xiàn)的主要路徑實(shí)際上是先發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”再進(jìn)而發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”。

3.現(xiàn)象學(xué)：從現(xiàn)象運(yùn)作的模式到現(xiàn)象背后的原因

需要注意的是，發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”和發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”這兩個(gè)層次上的區(qū)別并不是可有可無(wú)的語(yǔ)言游戲。物理學(xué)歷史上有許多例子說(shuō)明這兩者的區(qū)別，這些例子同時(shí)也說(shuō)明了發(fā)現(xiàn)的主要路徑是先發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”，再發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”，這是許多科學(xué)發(fā)現(xiàn)所經(jīng)過(guò)的路徑，這也就是本文強(qiáng)調(diào)的現(xiàn)象學(xué)的思路。

一個(gè)典型的例子是熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)力學(xué)的對(duì)比。熱力學(xué)使用熱、溫度、壓強(qiáng)、體積、做功、能量、平衡態(tài)等概念描述系統(tǒng)的熱學(xué)以及力學(xué)行為。雖然熱力學(xué)是以抽象的方式以及數(shù)學(xué)化的方式討論問(wèn)題，但是熱力學(xué)使用的概念是停留在現(xiàn)象層面的，是對(duì)現(xiàn)象的直接抽象。熱力學(xué)的內(nèi)容是對(duì)宏觀現(xiàn)象抽象研究的結(jié)果，完全不依賴(lài)于物質(zhì)的組成是什么。熱力學(xué)的內(nèi)容是典型的揭示“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”。統(tǒng)計(jì)力學(xué)是以大量看不見(jiàn)的原子分子的運(yùn)動(dòng)和關(guān)于微觀世界的原理來(lái)解釋宏觀系統(tǒng)的熱學(xué)性質(zhì)和力學(xué)性質(zhì)，是典型的以“現(xiàn)象背后的原因”來(lái)解釋現(xiàn)象。例如，理想氣體狀態(tài)方程是典型的對(duì)氣體的現(xiàn)象的運(yùn)作模式的表述，而克勞修斯基于原子分子假說(shuō)對(duì)理想氣體狀態(tài)方程的解釋是尋求現(xiàn)象背后的原因來(lái)解釋這一運(yùn)作模式，并以此為證據(jù)支持原子分子假說(shuō)。熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)遵循的是不同的思路，熱力學(xué)和統(tǒng)計(jì)力學(xué)發(fā)展的歷史很清楚地告訴我們，發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”的熱力學(xué)是發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”的統(tǒng)計(jì)力學(xué)的基礎(chǔ)。

粒子物理與核物理研究的是物質(zhì)的基本組成和基本的力，粗看起來(lái)粒子物理與核物理是典型的研究“現(xiàn)象背后的原因”。這是一種非常典型的誤解，這種誤解把目標(biāo)與手段和路徑混為一談。實(shí)際上，在粒子物理與核物理的研究中有非常多的純粹基于現(xiàn)象的研究，這些研究揭示基本粒子的構(gòu)成和相互作用的模式。在被揭示的模式的基礎(chǔ)之上，人們進(jìn)一步提出更加基本的原理，從而構(gòu)建關(guān)于基本粒子的理論。一個(gè)非常好的例子是同位旋對(duì)稱(chēng)性。

20世紀(jì)初，人們認(rèn)識(shí)到原子由原子核與核外電子組成，而原子核由質(zhì)子(p)和中子(n)兩種核子組成。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子的質(zhì)量差非常小，例如現(xiàn)代的測(cè)量表明中子質(zhì)量(mn)與質(zhì)子質(zhì)量(mp)之比是

中子和質(zhì)子都是強(qiáng)相互作用粒子，而這兩者的質(zhì)量又相差這么小。海森堡意識(shí)到，在強(qiáng)相互作用中實(shí)際上很難分辨出質(zhì)子和中子的區(qū)別，雖然質(zhì)子帶電而中子不帶電。換句話(huà)說(shuō)，在強(qiáng)相互作用的現(xiàn)象中，質(zhì)子和中子就像是長(zhǎng)得很像的雙胞胎，人們很難區(qū)分。具體一些說(shuō)，如果在強(qiáng)相互作用中交換質(zhì)子和中子，除了因?yàn)殡姾蓪?dǎo)致的效應(yīng)外，應(yīng)該看不出區(qū)別。如果把一個(gè)物理過(guò)程中的中子代換成質(zhì)子、質(zhì)子代換成中子，即

則通過(guò)代換得到的新物理過(guò)程與老物理過(guò)程具有幾乎相同的散射截面等物理性質(zhì)。用專(zhuān)業(yè)語(yǔ)言說(shuō)，在強(qiáng)相互作用中交換質(zhì)子和中子是對(duì)稱(chēng)的，這種對(duì)稱(chēng)性被稱(chēng)作同位旋對(duì)稱(chēng)性。更進(jìn)一步，質(zhì)子和中子這樣的核子是通過(guò)π介子發(fā)生強(qiáng)相互作用，如果同位旋對(duì)稱(chēng)性是對(duì)的，在π介子那里也應(yīng)該有類(lèi)似的對(duì)稱(chēng)性質(zhì)。π介子有三種，分別帶有正電荷、負(fù)電荷和零電荷，即π+、π-和π0。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)這三種π介子的質(zhì)量非常也接近，例如現(xiàn)代的測(cè)量表明帶電π介子的質(zhì)量(mπ±)與不帶電的π介子的質(zhì)量(mπ0)之比是

這說(shuō)明，在強(qiáng)相互作用中π介子也是很難分辨的三胞胎。海森堡認(rèn)識(shí)到，應(yīng)該在強(qiáng)相互作用中把質(zhì)子和中子當(dāng)作“一個(gè)東西”(N)的兩個(gè)分量來(lái)看待，就如同平面上的一個(gè)矢量有兩個(gè)分量，即表示成

這被稱(chēng)作是同位旋的二重態(tài)，即質(zhì)子和中子是N的兩個(gè)分量，而三個(gè)π介子應(yīng)該被類(lèi)似地寫(xiě)在一起，成為同位旋的三重態(tài)。海森堡的建議是一個(gè)思想的飛躍，他實(shí)際上建議了當(dāng)人們寫(xiě)出質(zhì)子和中子的強(qiáng)相互作用理論的時(shí)候應(yīng)該遵守一個(gè)規(guī)則，即使用同位旋二重態(tài)N。同位旋對(duì)稱(chēng)性在粒子物理與核物理的發(fā)展中曾經(jīng)起到非常重要的作用。直到今天，這一對(duì)稱(chēng)性仍然是核物理和強(qiáng)子物理研究的基本概念和基本研究手段之一。

我們可以看到，海森堡的同位旋是典型的現(xiàn)象學(xué)研究的結(jié)果。他提出的規(guī)則基于現(xiàn)象，是對(duì)現(xiàn)象的抽象。這個(gè)規(guī)則并不是“現(xiàn)象背后的原因”，而僅僅是對(duì)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”的一個(gè)抽象表達(dá)。楊振寧對(duì)同位旋對(duì)稱(chēng)性的成功印象深刻，他試圖找到能夠理解強(qiáng)相互作用的原理，他把電磁相互作用中的規(guī)范對(duì)稱(chēng)性推廣到同位旋，在20 世紀(jì)50 年代提出了基于同位旋對(duì)稱(chēng)性的非阿貝爾規(guī)范理論，即楊-米爾斯理論。這個(gè)理論雖然用錯(cuò)了地方，沒(méi)有立即獲得成功，但是在后來(lái)的發(fā)展中，人們認(rèn)識(shí)到粒子物理的大廈可以建筑在楊-米爾斯規(guī)范理論的原理之上，楊-米爾斯理論成為物理學(xué)的一個(gè)基本原理。

我們可以看到的另一個(gè)典型例子是，蓋爾曼(M.Gell-Mann)和奈曼(Y.Ne’eman)基于對(duì)強(qiáng)子的質(zhì)量和量子數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別提出了對(duì)強(qiáng)子分類(lèi)的方法。蓋爾曼將其稱(chēng)為八重法，即由八個(gè)強(qiáng)子組成具有近似特性的一個(gè)八重態(tài)，形成八胞胎。這是一個(gè)類(lèi)似于同位旋的對(duì)稱(chēng)性，但是是一個(gè)更大的對(duì)稱(chēng)性。蓋爾曼用這個(gè)對(duì)稱(chēng)性預(yù)言了一個(gè)新的粒子，并且被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。蓋爾曼也因?yàn)閷?duì)強(qiáng)子分類(lèi)的貢獻(xiàn)而獲得了1969 年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。八重法使用的是這個(gè)對(duì)稱(chēng)性的八重態(tài)，從數(shù)學(xué)上可以很清楚地看到這個(gè)對(duì)稱(chēng)性還可以有三重態(tài)。在八重法的成功的基礎(chǔ)之上，也因?yàn)槭艿狡渌说膯l(fā)，蓋爾曼與他的學(xué)生茨威格(G.Zweig)分別提出了現(xiàn)在所說(shuō)的夸克模型，即由上夸克、下夸克和奇異夸克組成當(dāng)時(shí)已知的強(qiáng)子，這三個(gè)夸克形成了這個(gè)對(duì)稱(chēng)性的三重態(tài)(注：當(dāng)時(shí)有一些中國(guó)物理學(xué)家認(rèn)為強(qiáng)子應(yīng)該由更小的基本粒子組成，提出了層子模型)。我們可以看到，從強(qiáng)子分類(lèi)到夸克模型也是一個(gè)典型的由發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”到發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”的過(guò)程。此外，強(qiáng)子物理中在現(xiàn)象層次描述現(xiàn)象的重要語(yǔ)言還有比約肯(J.Bjorken)提出的比約肯標(biāo)度性、費(fèi)曼(R.Feynman)提出的部分子模型。這些對(duì)現(xiàn)象的研究打開(kāi)了對(duì)強(qiáng)子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，基于楊-米爾斯規(guī)范理論的量子色動(dòng)力學(xué)才能得以建立。

需要注意的一點(diǎn)是，尋找“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”并不是不創(chuàng)造概念。實(shí)際上，人們常常不得不創(chuàng)造全新的、合適的概念來(lái)描述現(xiàn)象，例如伽利略引入加速度的概念、海森堡引入同位旋的概念。但是這些概念表達(dá)的并不是“現(xiàn)象背后的原因”，而只是現(xiàn)象層面的規(guī)律，是對(duì)現(xiàn)象的直接抽象。這種概念甚至不一定具有必然性，例如同位旋的概念。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為同位旋對(duì)稱(chēng)性起源于上夸克和下夸克的質(zhì)量很小，實(shí)際上與基本相互作用無(wú)關(guān)。從基本相互作用的觀點(diǎn)看來(lái)同位旋是一個(gè)偶然的對(duì)稱(chēng)性，如果上夸克和下夸克的質(zhì)量比較大，就不會(huì)有這種對(duì)稱(chēng)性。但是這種偶然的對(duì)稱(chēng)性卻在歷史上發(fā)揮了重要的作用，甚至在今天仍然是核物理和強(qiáng)子物理研究中的基本概念之一。這是因?yàn)閺?qiáng)子的性質(zhì)十分復(fù)雜，從基本原理出發(fā)直接理解強(qiáng)子的性質(zhì)實(shí)質(zhì)上非常困難，而使用同位旋這樣的現(xiàn)象學(xué)語(yǔ)言卻可以得到很多很有價(jià)值的信息。這是同位旋、部分子這類(lèi)現(xiàn)象學(xué)概念之所以被廣泛使用的根本原因。在這個(gè)意義上，前文談及的所謂還原論與演生論的爭(zhēng)議沒(méi)有多大意義。我們看到，使用同位旋的語(yǔ)言實(shí)際上就是類(lèi)似于以演生論的方式研究問(wèn)題，即以演生的語(yǔ)言而不是從基本原理出發(fā)研究問(wèn)題。研究現(xiàn)象與現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)需要人們?nèi)?chuàng)造合適的概念描述現(xiàn)象，實(shí)際上已經(jīng)包含了可以用演生的語(yǔ)言描述現(xiàn)象。粒子物理與核物理雖然很想以還原論的方式從最基本層次建造起物理學(xué)大廈，但是在實(shí)際中同樣需要很多這類(lèi)演生的概念。演生論接近于以現(xiàn)象層面的“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”來(lái)描述現(xiàn)象和理解現(xiàn)象，而還原論接近于以“現(xiàn)象背后的原因”來(lái)理解現(xiàn)象，這兩種研究思路都是科學(xué)研究需要的思路，都是研究現(xiàn)象與現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)的一個(gè)方面。當(dāng)然不可否認(rèn)的是，在物理學(xué)中還有完全放棄以“現(xiàn)象背后的原因”解釋現(xiàn)象的思路，例如前文提及的海森堡的量子散射理論。量子散射理論試圖完全拋棄量子力學(xué)的波函數(shù)等隱藏于現(xiàn)象背后的語(yǔ)言和相關(guān)理論，完全在現(xiàn)象的層面直接建立物理可觀測(cè)量之間的關(guān)聯(lián)。這是一種完全以“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”來(lái)理解自然現(xiàn)象的努力，到目前為止這種理論獲得了一些很有益的結(jié)果，但是距離成功還有很大距離。

如果不局限在物理學(xué)的歷史，我們可以很清楚地在更廣大的范圍內(nèi)看到這種兩種思路的重要作用及其相互關(guān)系。例如，門(mén)捷列夫發(fā)現(xiàn)了元素的周期性排列性質(zhì)，制作了元素周期表。幾十年之后，原子核、質(zhì)子和中子等的發(fā)現(xiàn)以及原子理論的發(fā)明才使人們認(rèn)識(shí)到元素的周期性源于質(zhì)子和中子形成了原子核。又例如，達(dá)爾文根據(jù)對(duì)生物現(xiàn)象的廣泛觀察提出了進(jìn)化論、孟德?tīng)柊l(fā)現(xiàn)了生物的遺傳特性，差不多一百年之后人們才尋找到攜帶遺傳信息的基因的分子物質(zhì)。這些重大發(fā)現(xiàn)都遵循了由發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”到發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”的過(guò)程。對(duì)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”的發(fā)現(xiàn)設(shè)立了路標(biāo)，給出了具體的線(xiàn)索，啟發(fā)后人沿著正確的方向不斷做出思考，進(jìn)而最終發(fā)現(xiàn)了“現(xiàn)象背后的原因”。

4.結(jié)語(yǔ)

發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”是發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”的基礎(chǔ)，這兩種思路都不可偏廢。如果人們不能認(rèn)識(shí)到這兩種思路的不同，特別是不能認(rèn)識(shí)到在現(xiàn)象的層次發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”的重要性，科學(xué)研究就很可能陷入空想之中。古希臘哲學(xué)家探討本性和本質(zhì)問(wèn)題，專(zhuān)注于討論“現(xiàn)象背后的原因”，不知道需要首先發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”，也就很難取得實(shí)質(zhì)的進(jìn)步。現(xiàn)代有些學(xué)科受到物理學(xué)的成功的啟發(fā)，想要像牛頓那樣建立起由少數(shù)原理解釋眾多現(xiàn)象的宏大理論，但是卻很難獲得成功。這些研究在很大程度上是略過(guò)了發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”的階段，而想要直接到達(dá)發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象背后的原因”，實(shí)質(zhì)上是接近于古希臘哲人的空想。這種努力實(shí)際上是想要略過(guò)伽利略的階段，而直接到達(dá)牛頓的階段。根據(jù)從物理學(xué)研究歷史中得到的教訓(xùn)，不論使用了多么高深的數(shù)學(xué)，不論使用看起來(lái)多么合理、多么自明的原理，這樣的研究都是很難獲得成功的。

近代科學(xué)之所以取得成功，最根本的一條是放棄臆測(cè)的玄想，踏踏實(shí)實(shí)地去研究現(xiàn)象與現(xiàn)象的關(guān)聯(lián)，在這個(gè)研究中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象運(yùn)作的模式、發(fā)明和創(chuàng)造描述現(xiàn)象的合適概念和語(yǔ)言，最終才達(dá)到以少數(shù)的原理解釋眾多的現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”是科學(xué)之所以可能的基石。我們可以更進(jìn)一步說(shuō)，是否學(xué)會(huì)了基于發(fā)現(xiàn)“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”開(kāi)展探索實(shí)質(zhì)上說(shuō)明了一門(mén)學(xué)科是否是一門(mén)科學(xué)。

總之，“現(xiàn)象運(yùn)作的模式”和“現(xiàn)象背后的原因”是物理學(xué)的現(xiàn)象學(xué)研究的兩個(gè)方面，一個(gè)代表了物理學(xué)研究的路徑和方法，一個(gè)代表了物理學(xué)研究的目標(biāo)和動(dòng)力，人們不應(yīng)該把這兩個(gè)方面對(duì)立起來(lái)。關(guān)于物理學(xué)的現(xiàn)象學(xué)的更多論述，可見(jiàn)于本文作者的著作《科學(xué)思維的價(jià)值——物理學(xué)的興起、科學(xué)方法與現(xiàn)代社會(huì)》(圖1)。

圖1 《科學(xué)思維的價(jià)值》封面，科學(xué)出版社，2021年8月出版