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物理|物理学的现象学( 七 )

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我们可以看到 ， 海森堡的同位旋是典型的现象学研究的结果 。 他提出的规则基于现象 ， 是对现象的抽象 。 这个规则并不是 “现象背后的原因” ， 而仅仅是对 “现象运作的模式” 的一个抽象表达 。 杨振宁对同位旋对称性的成功印象深刻 ， 他试图找到能够理解强相互作用的原理 ， 他把电磁相互作用中的规范对称性推广到同位旋 ， 在上世纪五十年代提出了基于同位旋对称性的非阿贝尔规范理论 ， 即杨-米尔斯理论 。 这个理论虽然用错了地方 ， 没有立即获得成功 ， 但是在后来的发展中 ， 人们认识到粒子物理的大厦可以建筑在杨-米尔斯规范理论的原理之上 ， 杨-米尔斯理论因此成为物理学的一个基本原理 。
我们可以看到的另一个典型例子是 ， 盖尔曼 (M. Gell-Mann) 和奈曼 (Y. Ne’eman) 基于对强子的质量和量子数的实验结果分别提出了对强子分类的方法 。 盖尔曼将其称为八重法 ， 即由八个强子组成具有近似特性的一个八重态 ， 形成八胞胎 。 这是一个类似于同位旋的对称性 ， 但是是一个更大的对称性 。 盖尔曼用这个对称性预言了一个新的粒子 ， 并且被实验所证实 。 盖尔曼也因为对强子分类的贡献而获得了 1969 年度的诺贝尔物理学奖 。 八重法使用的是这个对称性的八重态 ， 从数学上可以很清楚地看到这个对称性还可以有三重态 。 在八重法的成功的基础之上 ， 也因为受到其他人的启发 ， 盖尔曼与他的学生茨威格 (G. Zweig) 分别提出了现在所说的夸克模型 ， 即由上夸克、下夸克和奇异夸克组成当时已知的强子 ， 这三个夸克形成了这个对称性的三重态。 (注：当时有一些中国物理学家认为强子应该由更小的基本粒子组成 ， 提出了层子模型)我们可以看到 ， 从强子分类到夸克模型也是一个典型的由发现 “现象运作的模式” 到发现 “现象背后的原因” 的过程 。 此外 ， 强子物理中在现象层次描述现象的重要语言还有比约肯 (J. Bjorken) 提出的比约肯标度性、费曼 (R. P. Feynman) 提出的部分子模型 。 这些对现象的研究打开了对强子内部结构的认识 ， 基于杨-米尔斯规范理论的量子色动力学才能得以建立 。
需要注意的一点是 ， 寻找 “现象运作的模式” 并不是不创造概念 。 实际上 ， 人们常常不得不创造全新的、合适的概念来描述现象 ， 例如伽利略引入加速度的概念、海森堡引入同位旋的概念 。 但是这些概念表达的并不是 “现象背后的原因” ， 而只是现象层面的规律 ， 是对现象的直接抽象 。 这种概念甚至不一定具有必然性 ， 例如同位旋的概念 。 粒子物理标准模型认为同位旋对称性起源于上夸克和下夸克的质量很小 ， 实际上与基本相互作用无关 。 从基本相互作用的观点看来同位旋是一个偶然的对称性 ， 如果上夸克和下夸克的质量比较大 ， 就不会有这种对称性 。 但是这种偶然的对称性却在历史上发挥了重要的作用 ， 甚至在今天仍然是核物理和强子物理研究中的基本概念之一 。 这是因为强子的性质十分复杂 ， 从基本原理出发直接理解强子的性质实质上非常困难 ， 而使用同位旋这样的现象学语言却可以得到很多很有价值的信息 。 这是同位旋、部分子这类现象学概念之所以被广泛使用的根本原因 。 在这个意义上 ， 前文谈及的所谓还原论与演生论的争议没有多大意义 。 我们看到 ， 使用同位旋的语言实际上就是类似于以演生论的方式研究问题 ， 即以演生的语言而不是从基本原理出发研究问题 。 研究现象与现象的关联需要人们去创造合适的概念描述现象 ， 实际上已经包含了可以以演生的语言描述现象 。 粒子物理与核物理虽然很想以还原论的方式从最基本层次建造起物理学大厦 ， 但是在实际中同样需要很多这类演生的概念 。 演生论接近于以现象层面的 “现象运作的模式” 来描述现象和理解现象 ， 而还原论接近于以 “现象背后的原因” 来理解现象 ， 这两种研究思路都是科学研究需要的思路 ，都是研究现象与现象的关联的一个方面 。 当然不可否认的是 ， 在物理学中还有完全放弃以 “现象背后的原因” 解释现象的思路 ， 例如前文提及的海森堡的量子散射理论 。 量子散射理论试图完全抛弃量子力学的波函数等隐藏于现象背后的语言和相关理论 ， 完全在现象的层面直接建立物理可观测量之间的关联 。 这是一种完全以 “现象运作的模式” 来理解自然现象的努力 ， 到目前为止这种理论获得了一些很有益的结果 ， 但是距离成功还有很大距离 。

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