道家之“道”与粒子物理学

http://www.xjass.com　 2010年12月29日 12:05:30 新疆哲学社会科学网

    道家思想源远流长，内容丰博。其阐宇宙之奥妙，明人生之指归，包罗宏广，蔚为大观，决非中外哲人、百家学者所能发掘无余。道家之“道”和当代亚核粒子学说正发生着千丝万缕的联系，充分而深刻地展示了物理学的又一个前沿尖端知识成果对于老子哲学的回归，即把变化看成是自然界最本质的的东西。

    一、“道生物”与基本粒子的转化

    老子“道生物”的“道”是“自本自根”的实存性本体，是宇宙的本原，即天地万物最初由“其中有物，其中有精，其中有信”的“道”所生成。在“道生物”的过程中，老子强调变化是“产生”和“消灭”或者“转化”。天地万物皆“负阴而抱阳”。由相反相成的对立面(阴阳)构成，即“阴阳对立”、“阴阳互根”。不仅如此，阴阳两个方面还在对立运动中不断地互相消长，相互转化，也就是“阴阳合一”，“阴阳消长”。可谓是“约而能张，幽而能明，弱而能强，柔而能刚，横四维而含阴阳，紘宇宙而章三光”[1]1-53，“有二神混生，经天营地。孔乎莫知其终极，滔乎莫知其所止息。于是乃别为阴阳，离为八极。刚柔相成，万物乃形。……故曰一生二，二生三，三生万物，万物背阴而抱阳，冲气以为和”[2]301-337。

    古代道家这种“生成论”宇宙观与古希腊德谟克利特在原子论中所倡导的“构成论”宇宙观不同。因为古希腊的原子论主张变化是不变的要素之结合的形式的不同。

    虽然构成论宇宙观经由德谟克利特的原子论在近代科学中的复活而深远地影响着科学思维，成为西欧自然哲学的基础。通过近代原子论，构成论的方法论原则在自然学科中曾结出了累累硕果。但是，随着物理学的前沿向着微观领域的延伸，构成论的宇宙观受到了严重的挑战。当代粒子物理学所面临的本质困难就在于：由一组有限的物质“基本组元”所构成的复合“物体”的经典概念对于亚核粒子是不适用的。

    高能物理实验表明：在能量足够大的条件下，相互碰撞的基本粒子能够发生分解，然而这样所得到的部分决不是比原来粒子“更小的部分”。例如下式：

    表示的是两个质子通过高速撞击后，所分裂成的许多不同的碎片，这些碎片都是由碰撞质子的动能和质量所产生的完整强子，并且质子分裂成它的“组成部分”不是确定的，随强相互作用过程中质子碰撞能量的强弱而异。此外撞击后生成的三组强子的总质量都远远大于相互碰撞的两个质子的总质量。因为按照爱因斯坦的相对论，在两个质子的相互撞击中，能量的模式被互解并重新组合。因而关于复合物体及其组成部分的概念不再适用于亚核粒子领域。关于亚核粒子的“结构”只能在动态意义上，用过程和相互作用的术语来描述。

    对于上述高能物理学中基本粒子的产生和转化，犹如“龙生凤，凤生龙”一样，是构成论宇宙观所无能为力的，因为它强调变化是恒定要素的结合形式的不同。在构成论者看来，龙只能生龙，凤只能生凤。但却能为道家所倡导的生成论宇宙观所理解并得到圆满的解释。因为道家在概括“道生物”时，在指出了万物的阴阳两个方面相互依存，互相对立的同时，着重强调了“阴阳合一”、“阴阳消长”和“阴阳转化”。这个道理，可以简单地归为“相生相尅”。在道家眼里，龙凤可互生，基本粒子能够相互转化。

    二、阴阳相感与费曼图

    道家学术流派的主要代表人物，明末清初伟大的唯物主义思想家王夫之(1619-1692)，继承了道家以气解道、道气相通的观点，并发展了“元气论”。在他所创立的“太虚即气”的学说中，提出的“阴阳相感而动”的精辟见解，恰恰切中了当今费曼图所描述的粒子间相互作用的动态模式——虚实有异产生交感。

    量子场论已经表明，一切相互作用都是通过交换粒子来实现的。在电磁相互作用中，光子作为电磁场的量子，是作用的媒介；在强相互作用中，核子间交换的是质量大约等于电子质量的200倍的玻色子，即π介子；弱相互作用也是通过一种中间矢量玻色子来传递的，尽管这还只是停留在理论上的推测阶段，但最终将证实中间矢量玻色子的存在。

    为了描述粒子间的相互作用，美国理论物理学家里查德·费曼借助一种“时空图”来描述，每一个图都与一种数学表示之间有严格的对应关系，人们可以用它来计算相应反应过程的概率。我们称之为费曼图。它是粒子物理学中简化计算、揭示问题本质的有力工具，它能使最抽象的微观过程直观化。费曼理论的显著特点是粒子的产生和消失。这种过程与相对论是完全符合的。因为相对论把粒子看成含有确定能量的动态模式，在形成新的模式时，能量将重新分配。

    图1表示的是核子发射光子的费曼图。其意是原来一个处于激发态的核子，后来通过电磁作用，放出一个光子，而自己变成基态核子。图中由下而上的方向代表时间流逝的方向，每一个粒子都用一根带箭头的直线(实线或虚线，也可以是曲线)来表示，箭头向上的代表正常粒子(如箭头向下则代表反粒子)，涂有阴影的部分表示的是相互作用的区间。

    图1　 核子发射光子的费曼图

    现仅以两个电子之间交换虚光子而实现电磁作用为例，应用“费曼图”的语言，作一剖析。

    图2表明，一个电子(e-)放出一个虚光子(γ)，然后这个虚光子被另一个电子所吸收，于是这两个电子之间就实现了电磁相互作用。由于这种交换光子的过程本身是不可观察的“虚过程”，因而它并没有违反能量守恒定律，在这种“虚过程”中交换的“虚”光子，它本身也是不可观察到的。按照量子电动力学的解释，每个带电粒子的周围都有一层由它自己不断发射，又不断回收的虚光子云，一直延伸到无穷远。当其中某个虚光子被其它粒子所吸收时，就实现了这两个粒子之间的电磁相互作用。

    图2　　电子——电子的散射

    当然，运用“费曼图”语言，我们可对两个核子之间交换虚π介子而实现强作用、两个弱荷为g的粒子之间交换“中间玻色子”而实现弱作用的过程作相类似的分析和推测。

    所以，在量子场论中，一切相互作用都是通过交换粒子(粒子的产生和湮灭)来实现的，作用越强，交换过程产生的概率越大，虚粒子的产生和湮灭也越频繁，并且虚粒子的产生和湮灭并不仅限于相互作用，一个单独的粒子可以发射一个虚粒子，随后又很快地吸收它；甚至在某些特殊的条件下，虚介子也可转化成实介子。

    总之，在量子场论中，粒子间所谓的力表现为粒子的内在特性。力和物质这两个在希腊原子论和牛顿原子论中截然不同的概念，都被归结为我们所谓之的粒子的动态模式。

    耐人寻味的是，费曼图所描述的粒子间的相互作用，将力和物质均归结为粒子所固有的动态模式，和王夫之所建立和发展的“元气本原论”思想是何等的相吻合。

    元气论者将气看作是构成宇宙万物的本原；气的变化运动规律是阴阳分合，“精”“形”交变。在王夫之“太虚即气”的学说中，就包含着气只有聚散、并无生灭，以及运动守恒、运动不灭和相互转化的思想。在王夫之看来，世界是物质的，而物质是永恒运动着的。他指出：“虚空即气，气则动者也”[3]99-108；“一气之中，二端既肇，摩之荡之，而变化无穷”；“阴阳二殊，故以异而相感”；“聚而成形，散而归之太虚”而“不曰生灭”[4]。对于相感而动，王夫之还进一步强调说：“盖阴阳者气之二体，动静者气之二几，体同而用异则相感而动，动而成像则静”[4]。他这里所说的“感”就是指矛盾对立面的相互作用，正是这种相互作用构成了运动。由于太虚元气本体包含了固有的阴阳两个对立面，而阴阳两个对立面有异，有异就产生交感，从而引起元气本体的无穷的永恒的运动变化，其中气凝聚而为有形的万物，万物散而为气又复归于无形的太虚。这里王夫之所描述的这副栩栩如生的动态图景，与上述用“费曼图”语言所示的两个实粒子之间通过交换虚粒子而实现电磁作用或强作用，以及一个单独实粒子发射并快速吸收虚粒子的动态模式，相似乃尔！貌似不同的是：前者阴阳有异相感而动，后者虚实有别交感而动，前者“精”“形”交变，后者“虚”“实”互变；前者符合王夫之“天地本无起灭”[4]85-99的物质不灭的思想，后者严格遵守能量守恒定律。

    即使没有核子，也无任何其他相互作用的粒子，虚粒子也能从虚空中自行产生，然后又消失在虚空中。例如一个质子、一个反质子和一个π介子——从无而生又消失于真空之中(图3)。这样的物理事件在量子场中随时都在发生。量子场论再一次表明：真空不空，它包含着无数的粒子，它们不停地在产生和湮灭，因此，真空是“有生命的空”，是无休止的以产生和湮灭为其节奏和韵律的“空”。许多物理学家都把发现真空的动态性质看成是现代物理学最重大的发现之一。而中国古代道范畴理论的集大成者王夫之，则以他的“虚空者，气之量”、“一动一静、一聚一散”[4]，生动逼真地描绘了真空的动态性质。

    图3　真空图

    三、八卦图与重子(介子)八重图

    在亚核粒子学说中，物理学家推广了关于对称性的一般概念，除了反射和旋转之外，对称性和许多其他运算有关。这些运算不仅可以在普通的空间里完成。而且还可以在抽象的数学空间里完成。所谓对称，用数学的语言来说就是，若某一现象(或系统)在某一变换下不改变，则该现象(或系统)具有该变换所对应的对称性。那些和对称性息息相关的其他多种运算，不但适用于粒子、粒子组，而且因为粒子的性质是不可分割地与它们相互之间的反应联系在一起的，因此对称性也适合于它们的相互作用，即与这些粒子有关的过程相联系。这些对称运算之所以有用，是因为根据内特尔定理——如果运动规律在某变换下具有不变性，必然相应存在一个守恒定律。因此，它们与“守恒定律”紧密地联系在一起，每一个过程都与一组守恒衡量有关，粒子的对称性质表现为它们反应中的守恒律。

    在所有的过程中，亚核粒子似乎都遵守动量守恒、能量守恒、旋转量守恒，电荷守恒四个基本的守恒定律，此外，还有其它一些守恒定律。相应的运算尽管也是在抽象的数学空间里进行，但其中有些对于我们所知道的所有反应都成立，另外一些只对某些反应才成立。这样就可以把相应的守恒量看成是粒子所带的“抽象荷载”。因为它们总是取整数值或者“半整数”值，也可将它们称为量子数，这颇类似于原子物理学中标志电子态的五个量子数。因此，每个粒子的特性可以用一组量子数来表示，再加上质量，就完整地描述了它们的性质。

    按照相同的方法，我们还可以将八个介子排列成同样高度有序的对称图式，称之为介子八重图。

    古代中国《周易》中的八卦图则是由六道阴爻或阳爻组成的卦象。阳爻用连续的一道(——)表示，阴双用断裂的符号(— —)表示。三道爻的八种不同组合就表示八卦。其中阴阳爻互错配成四对：乾与坤、兑与艮、离与坎、震与巽(图五)。这种按照互错两卦处于相对位置的原则而排列的八卦，则代表了宇宙和人的各种情况。它们的名称反映了所代表的基本性质，它们与自然界及社会生活中的许多现象紧密地联系在一起。如它们可以代表天、地、雷、风、火、山、泽，还和方位以及一年的季节息息相关，等等。总之，八卦图是人对自然规律认识总结的高度意象化形式。所以《周易·系辞》曰：“是故刚柔相摩，八卦相盪，鼓之以雷霆，润之风雨。日月运行，一寒一暑”，“富有之谓大业，日新之谓盛德，生生之谓易”。

    图5　八卦图

    在图5中可以看出，凡是相对的卦图都是把阴爻与阳爻对换一下，因此这种排列显示出高度有序的对称性。这与重子(或介子)八重图大致相仿。更重要的是，图五还充分表示了《周易》的太极原理-负阴抱阳，阳奇阴偶。这是由于八卦图还用“——”代表阳(奇)，用“— —”代表阴(偶)。无独必有偶，有偶必有奇，有强便有弱，有盛便有衰，阴阳消长，变化无穷；阳盛则阴衰，阴盛则阳衰。古代中国这种把变化看成是自然最本质的东西，其自然观的核心思想是变易，恰恰与现代粒子物理学相通。而这正是八卦图与重子(或介子)八重图相仿的第一位重要的东西。因为重子(或介子)八重图，实质上是我们根据粒子的量子数、守恒定律或对称性对粒子所作出的科学分类，他们不仅能够反映粒子之间的表面上的联系，而且还在一定程度上揭示出粒子的内在性质(内部结构和内部运动)以及粒子之间的内在联系，这是一种唯象的分析方法，它强调的是亚核粒子的内在性质及粒子间相互作用的本质，即注重于用动态的观点来剖析微观世界的内部的变化。

    本文无意考证道家学说直接影响了现代粒子物理学。因为它们之间并不存在着任何“血缘关系”，也不可能互相取代。但是，两者确实存在着如上所描述的某些方面的可以比较之处。这样我们完全有理由将中国古代哲学汇入当代科学之潮流中，并从中吸取其智慧与启示。在为科学推波助澜的同时，发掘神州瑰宝，弘扬华夏文化。

    【参考文献】

    [1]陈广忠注译.淮南子·原道训[M]//南子译注.长春：吉林文史出版社，1990.

    [2]陈广忠注译.淮南子·精神训[M]//淮南子译注.长春：吉林文史出版社，1990.

    [3][宋]张载撰，[清]王夫之注，汤勤福导读.张子正蒙注·参两篇[M]//张子正蒙.上海：上海古籍出版社，2000.

    [4][宋]张载撰，[清]王夫之注，汤勤福导读.张子正蒙注·太和篇[M]//张子正蒙.上海：上海古籍出版社，2000.

    【原文出处】《南通大学学报：社会科学版》2010年1期

    【作者简介】程民治(1945-)，男，安徽绩溪人，巢湖学院物理系教授