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自然科学四大基本问题的交叉与统一

来源:自然科学史研究 【在线投稿】 栏目:综合新闻 时间:2020-08-10
作者:网站采编
关键词:
摘要:在展望21世纪时,人们也许会问,自然科学的四大基本问题,即宇宙的演化、物质的结构、生命的起源、意识的产生(或大脑的功能)会不会交叉甚至统一起来。有迹象表明,自然科学的四

在展望21世纪时,人们也许会问,自然科学的四大基本问题,即宇宙的演化、物质的结构、生命的起源、意识的产生(或大脑的功能)会不会交叉甚至统一起来。有迹象表明,自然科学的四大基本问题有相似或共同的机理即对称性破缺,而对称性破缺的根源可能是真空涨落。

自然科学四大基本问题有可能交叉与统一于真空对称性破缺。

一、“分久必合,合久必分”

自然科学发展的历史,也是“分久必合,合久必分”。 20 世纪的自然科学以分为主。21 世纪的自然科学可能以合为主。在20 世纪,科学的学科越分越细,物质的空间结构越分越小。这样分出了许多激动人心的发明和发现,分出了许多令人眼花缭乱的理论,也分出了数百项诺贝尔奖。与此同时,分出了核能、半导体、激光、超导、超级计算机、基因工程。当然还分出了原子弹、氢弹。分的观念也深深影响了人们的思维定势与价值取向。总之,在一定

程度上,分出了20 世纪的文明。另一方面,也是分中有合。最典型的例子是合出了弱电作用的统一理论。在技术方面,多媒体也是一种合。总的来看, 20世纪的科学,以分为主,分中有合,分得较有成效,合的任务要留给21 世纪。

在21 世纪,分还要深入,合将成为主旋律。分要分得精美,合要合得漂亮。合的潮流将势不可挡,合将影响人们的思维方式、价值观念、经济结构与社会基础。总之, 21 世纪的文明,可能是合的文明。

最近几年,一批中国科学家不约而同地把智慧的光芒聚焦到自然科学理论的大综合、大统一的趋势。在《21 世纪初科学发展趋势》、《21 世纪100 个科与宏观的统一,地学各学科的统一,地球演化的统一理论,遗传、发育与进化的统一理论,统一生物学,统一医学等。我国如此众多的学者,在这样的广度和深度上探讨自然科学理论的大综合、大统一,在当今国际学术界是独一无二的,在科学史上也是罕见的。

量子力学创始人之一海森伯早就指出:“在这个时代里,各种不同的自然科学似乎正在开始融合成一个巨大的统一体”,“这正是自然科学世界图像的统一性。”李政道先生说:“20 世纪的文明是微观的。我认为,21 世纪微观与宏观应结合为一体。”“21 世纪将要把微观和宏观整体地结合起来,这不光影响,物理,也许会影响生命(科学的)发展。微观与宏观必须结合起来。”“这个突破会影响科学的将来。'

二、自然科学的四大基本问题

自然科学理论的大交叉、大综合、大统一趋势,又会仅限于各学科、各领域的统一。微观与宏观的结合,可能还有更深远的影响。受《21世纪初科学发展趋势》和《21世纪100个科学难题》的启发,我们建议探讨自然科学四大基本问题交叉与统一的可能性。

自然科学的四大基本问题,即宇宙的演化,物质的结构,生命的起源,意识的产生(或大脑的功能)。这究竟是四个互不相干的问题还是本质上的同一问题呢?有迹象表明,自然科学的四大基本问题,有相似或共同的机制,即对称性破缺,而对称性破缺的原因可能是真空涨落。自然科学的四大基本问题可能统一于真空对称性破缺,简称“四大皆空”猜想。

什么是对称性破缺呢?原来均匀的变得不均匀,原来不可分别的可以区分开,原来在一定操作下保持不变的却成为有变化的,原来无序的变成相对有序的,对称性就降低了或减少了,这就叫对称性破缺。无序的对称性高,有序的对称性低。从无序到有序就是对称性破缺。相变是从无序转化为有序,所以相变是对称性破缺。自组织的本质也是对称破缺。

对称性破缺和夸克囚禁,是当代物理学的两大疑难。李政道先生认为,“对称和不对称是从宏观世界到微观世界普遍存在着的现象”。对称性破缺的根源可能来自真空。真空涨落可以破坏对称性。夸克囚禁也可能与真空有关。“真空是很复杂的,是个凝聚态,是有构造的”。也许21世纪自然科学的一个基本任务就是揭示真空的本质,理解真空、激发真空、开发真空、利用真空。

三、宇宙的演化

我们的宇宙起源于大约150亿年前的大爆炸。宇宙大爆炸之始,只有单纯、均匀、对称的真空状态。宇宙大爆炸就是真空的激发。在大爆炸开始时,没有粒子、原子、分子,更没有天体。那时,引力、强力、弱力和电磁力四种基本作用力是不可区分的、对称的。在大爆炸后的10^-43s、首先发生超统一相变,引力作用被首先分离出来。大爆炸后10^-35s,发生大统一相变,强作用又与弱电作用分离。在10^-10以后,发生弱电相变,弱作用与电磁作用分离。相变也就是对称性破缺。自然界四种基本作用力分离的过程,就是对称性破缺。正是对称性破缺产生了四种相互作用与相互作用规律。

文章来源:《自然科学史研究》 网址: http://www.zrkxzzs.cn/zonghexinwen/2020/0810/541.html



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