物理学的暗伤

发自普林斯顿——每年2月笔者都要在普林斯顿大学开设一门叫“电磁导论”的课程，并且在第一堂课上告诉学生们：正是在本学期所讲到的内容奠定了现代文明.

试问谁会质疑这么一个简单直白的观点？没有19世纪物理学家及其后继者的发现，当今世界简直无法想象：没有输电网，没有电视机，没有卫星，连iPad都不存在。

物理学家们有理由为他们对人类所做出的众多贡献而感到自豪。但能制造一个电灯泡或者电话并不意味着你就一定懂得其基本原理（爱迪生和亚历山大·贝尔显然都不懂）。不幸的是，我的许多同僚——特别是编教科书的那几位——将物理学描绘成一座壮丽无瑕的万丈高楼，却忽视了这个由众多古怪模型所构成的理论大杂烩其实早已千疮百孔。事实上与其说这是座光彩照人的大教堂，不如说是一座仓促搭建起来的贫民窟。

比如说，一个学生只需运用第一学期所学的公式就能完美解释陀螺仪的运作特性；随后工程师们就可以着手制造旋转罗盘来引导飞机或导弹飞向指定目标。但如果你简单地问一句：“陀螺仪指向的究竟什么？”那你就当即遭遇了物理学其中一个最深奥的问题，这个问题引导爱因斯坦创立了广义相对论——甚至至今都没有一个明确的答案。而在我印象中也没有任何本科生教材提到过这一问题。

换一个更加显浅，也不那么深奥的理论层面，所有大学一年级物理教材都会提到摩擦力。我们似乎斩钉截铁的宣称：摩擦力阻碍了两个互相接触的物体之间的相对运动，而且还运用精密的显微镜模型来展示跑步者的鞋底是如何抓紧跑道的。

但摩擦力产生热量并因此导致熵的增加——熵代表一种测量在动力学方面不能做功的能量总数——并因此将过去和未来区分开来。而熵的增加——热力学第二定律——则是唯一个描述这一基本差别的自然定律。

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如果牛顿力学是一切的基础，那么就必然能从其中推导出热力学第二定律。但这点却从未被完美地实现过：因为该定律与其他基本定律的不相容性或许已成为了物理学中最大的矛盾难题。

但我们却对此视若无睹，依然厚着脸皮将这一难题编入大学一年级课程中。我们写下那些解释摩擦力为何减慢滑动物体相对运动或者减弱弹簧往复振动的公式，但归根结底，这些数学公式只不过是重现了我们——在故意忽略这些现象真正内部原因的情况下——观察的结果。

在连续几十年（事实上是几百年）运用这些伎俩之后，物理学家已经忘记了自己其实在模拟某些现象，而非发现绝对真理。比如我们可以轻易写出公式来描述一个悬挂在弹簧上的小球如何运动，但如果我们拉伸弹簧且晃动小球到一定程度，这些公式就失效了。整个运动变得一片混沌，根本无法得出一个精确的数学解释。

如今随着电脑的运用，我们可以尽可能精确地估算物体的运行轨道。但问题在于：大多数物理学家和学生都忘记了估算和精确值之间的区别。当然我们也可以在不解开这些公式的情况下学习一些关于混沌系统的东西，但如果一个老派数学家要求一个学生用数学方式精确预测球究竟将落在何处，那么学生铁定无法满足他的要求。

甚至连牛顿万有引力定律这样的基础理论都是某些估算。教科书作者们恭敬地将这条定律写在书中，却没有提到这条定律推导出当两个互相吸引的物体无限接近时，相互产生的引力也将无限大。只要一触及到引力无限大这一点，整个理论都变得站不住脚：但笔者桌面的众多教科书却集体失明，无一提到这一硬伤。

而普林斯顿大学教材则使这一失明状况进一步恶化，宣称“严格来说”，牛顿万有引力定律只适用于质点。但质点恰好才是牛顿出错的地方——而且不仅涉及到第一学期物理课程。关于电的基本定律是“库仑定律”，主要描述带电荷粒子之间的吸引和排斥力，并与牛顿万有引力定律看上去极为相似。如今我们却常常在需要考虑无限大引力影响的情况下要求学生们将这些电子假设成质点。

这种将粒子假设为无限小的点的错误已经蔓延到了物理学的所有前沿领域。任何量子力学课程的核心都是电子“自旋”，但究竟是什么东西在自旋却没人说得清楚。该概念的创始人之一沃尔夫冈·鲍利最初曾反对这一理念，因为如果电子真的拥有一个确定的半径，那么其表面的旋转速度将大于光速。另一方面，如果你将电子视为一个质点，那又该如何想象一个连半径都没有的东西在自旋呢？

为了解决这个点-粒子难题，物理学家们发明了现代场理论，还创造出类似量子电气力学这样的光鲜名词。但这些理论和它们的祖父母（万有引力定律和库仑定律）一样在无限的问题上纠缠不清，结果物理学家们只好又发明出复杂的专门理论来解释这些新产生的问题。

因此，尽管也取得了弦理论这种举世闻名的进步，物理学却走到了如斯境地。没人能质疑现代物理学所取得的预测性成就，但人们也必须牢记：当一个人在解释自然的时候，他其实不一定懂得自然。