从物理学最新发展看唯物主义的“物质”

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〔摘要〕　辩证唯物论认为物质是标志客观存在的哲学范畴，是对一切可感知事物的共同本质的抽象。物质的唯一特性就是客观实在性。现代科学发现世界上有正物质、反物质和暗物质。弦理论表明物质不是无限可分的“粒子”，而是闭弦的不同振动模式。中微子振荡的发现更证明了反物质理论的正确性。科学发现对哲学的“物质”范畴起了很大的丰富和拓展作用。物质概念在不断深化和发展，但并不违背马克思主义哲学关于物质的客观实在性的论述。

〔关键词〕　物质；反物质；暗物质；弦理论

〔中图分类号〕B016　〔文献标识码〕A　〔文章编号〕1000-4769（2012）04－0136－06

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〔作者简介〕李单晶，电子科技大学马克思主义教育学院硕士研究生，四川成都　611731；

李后卿，四川省社会科学院哲学与文化院副研究员，四川成都　610071；

罗大明，电子科技大学马克思主义教育学院教授，博士生导师，四川成都　611731；

罗文锋，四川大学物理系副教授，四川成都　610064。

早在19世纪80年代，恩格斯在总结当时哲学和自然科学发展成果时就指出：“物、物质无非是各种物的总和，而这个概念就是从这一总和中抽象出来的。”⁽¹⁾这就是说，物质这个名词是对各种物的共同属性的简称，“我们就用这种简称把感官可感知的许多不同的事物依照其共同的属性概括起来”⁽²⁾，所以，“通过认识个别的物和个别的运动形式，我们就相应地认识物质和运动本身”⁽³⁾。恩格斯的论述明确指出了哲学物质概念与自然科学关于具体的物质形态之间共性与个性的关系。20世纪初，列宁从物质与意识的关系上对“物质”下了一个科学的定义：“物质是标志客观实在的哲学范畴，这种客观实在是人通过感觉感知的，它不依赖于我们的感觉而存在，为我们的感觉所复写、摄影、反映。”⁽⁴⁾物质范畴是马克思主义哲学关于世界本原和统一性的最高抽象，是唯物主义世界观的基石。世界是物质的，物质决定意识，意识是物质的反应，意识对物质具有能动作用。世界是多样的，又是统一的，世界是多样性的统一，世界统一于物质。物质的唯一特性是客观实在性。

一、物质范畴的演进与“二十世纪的失误” 

对“物质”的认识是随着科技进步和社会发展而不断深化的。古代朴素唯物主义依据对自然现象的笼统直观认识，把物质归结为一种或几种实物。有的认为“水”是世界的本原，有的认为“火”是世界的本原，有的认为“五行”是世界的本原。这种认识缺乏科学依据，过于简单化，属于猜测。近代机械唯物主义根据当时自然科学关于原子是物质最小单位的认识，认为“原子”是世界的本质，是最初的物质，原子的属性就是一切物质形态的共同属性。这种认识虽然建立在一定的科学基础上，但是混淆了自然科学一定阶段的物质结构概念同哲学物质范畴的区别，不能适应自然科学发展的检验。现代辩证唯物主义从丰富多彩、无穷无尽的物质具体形态中抽象出物质的共同本质，从哲学上作了最高概括，指出客观实在性是物质的本质规定，是物质的唯一属性。

原中国科学技术大学校长、现南方科技大学校长、中国科学院院士朱清时教授在《物理学步入禅境：缘起性空》⁽⁵⁾的演讲中认为，二十世纪初爱因斯坦发明的相对论证明，物体的质量是变化的，同一个物体在不同的参考系下有不同的速度，速度的变化导致其质量不同。既然质量随速度而改变，传统认为质量是物质的不变属性，是物质的量度的概念就缺乏根据。爱因斯坦还提出了著名的质能方程E=mc2,证明物体的能量等于其质量与光速平方的乘积，即质量与能量不是固定的，而是可以相互转化的。既然两者可以相互转化，而已知能量并非“实体”，那么物质也就不应当再被看作是实体,所以相对论开始揭示出了物质的实体观的谬误。朱清时院士引证指出，著名哲学家施太格缪勒（Wolfgang Stegmuller）在《当代哲学主流》一书中写道：“未来世代的人们，有一天会问： 二十世纪的失误是什么呢? 对这个问题，他们会回答说：在二十世纪， 一方面唯物主义哲学(它把物质说成是唯一真正的实在)不仅在世界上许多国家成为现行官方世界观的组成部分,而且即使在西方哲学中，譬如在所谓身心讨论的范围内，也常常处于支配地位。” “但是另一方面，恰恰是这个物质概念始终是使这个世纪的科学感到最困难、最难解决和最难理解的概念。”⁽⁶⁾也即是说，虽然以“唯物主义”为标签的哲学在二十世纪广泛传播，但是“唯物主义”的“物质”内涵是模糊不定的，是说不清的。因此施太格缪勒在哲学上看到了“二十世纪的失误”。 那么，究竟应当怎样理解物质？物质有哪些不变属性?

二、物理学最新发展与“物质”

哲学作为时代精神的精华，一定要以当时的科学成就、特别是自然科学成就为基础。二十世纪自然科学特别是物理学取得了突破性的发展，为现代唯物主义提供了知识土壤，也为进一步深化对哲学物质范畴的认识提供了可能。

1.基本粒子与弦理论

在近代以来的很长时间里，科学家一直认为,分子是构成物质的基本单位，分子是由原子组成的，原子是最小的“原始”单元。1932年，物理学研究表明,原子是由更小的原子核和电子组成的。以后近30年里，物理学中把比原子核和电子更次一级的物质，如质子、中子等看作是没有内部结构的、不可再分的微观粒子，它们被统称为基本粒子。1964年，美国物理学家马雷•盖尔曼的新理论指出，质子和中子不能被看成是最基本的微粒，它们也是有层级结构的，它们是由一种更微小的名叫夸克的物质构成。夸克是极不稳定的、寿命极短的粒子。在已知的300多种“基本粒子”中，只有光子、质子和电子等极少数粒子寿命特别长，绝大多数在诞生的瞬间就已消失，例如，η介子的生命期只有3×10-19秒，而通过强相互作用衰变产生的Σ粒子等“共振态粒子”，它们的寿命大约为10-28秒左右。这些粒子的寿命如此之短，以至于任何最先进的科学仪器都无法直接测量它们，科学家只能借助于理论间接地推算出其物理特性和寿命。这些粒子的数量特别多，比例达到基本粒子总数的三分之二。什么原因造成绝大多数基本粒子竟然如此夭寿？如何理解物质世界（包括人类）竟然建立在这样转瞬即逝的基础上？ 物理学在二十世纪后期的新成就----弦论的提出及其发展把我们对物质的认识更向前深入推进了一步。 

弦论是在爱因斯坦统一场思想基础上发展起来的。在广义相对论得到科学共同体的承认后,爱因斯坦终其一生、穷尽毕生精力企图构建统一场论——用一个理论把自然界的四种力（电磁力、引力、强相互作用力、弱相互作用力）统一在协和的数学框架下。由于当时人们对四种力的许多基本特征还认识不够，所以爱因斯坦没能完成他的使命。如今，物理学家相信他们终于找到了这种理论，它有可能把自然界的四种力统一在一个单一的、一个能描述一切现象的理论中，这就是弦理论，简称弦论。弦理论（string theory）认为⁽⁷⁾，自然界的初始砖块不是已知的300多种“基本粒子”,而是由极其微小的一维弦的振动形成的闭合圈（闭弦），各种各样的“基本粒子”皆归因于一维弦的不同振动模式。一维弦的典型尺度约为普朗克长度（10-35米），即长度的基本单位。弦理论认为⁽⁸⁾，自然界中所有的物质和能量，所有的现象，都来源于弦的分裂和组合。

2.暗物质、反物质与中微子震荡

科学家很早就预言宇宙中隐藏着大量反物质和暗物质。它们究竟是什么东西？为什么这么多年来科学家一直孜孜不倦地探寻它们？它们可能会对人类认识带来哪些影响？

(1)暗物质 

今天所说的暗物质，最早是由瑞士天文学家弗里兹•兹威基(Fritz Zwicky)发现的。兹威基在1930年初指出：茫茫宇宙中，看得见的星系物质只是很小很小的一部分，其只占总质量的1/160以下，而质量超过99%以上的星系是看不见的,这些看不见的星系物质就是暗物质。不过，多数科学家认为这是天方夜谭 。20世纪70年代后，大量的证据逼迫天文学界普遍接受了暗物质的存在。理解暗物质的道理很简单，根据万有引力定律，只要测出星体或气团环绕星系运行的速度及其与星系中心的距离，就能够估算出星系范围内的总质量。按照同样道理计算，结果表明星系的总质量远远大于可见星体的质量总和，这说明星系中还存在看不见的质量。后来，天文学家又计算更大的星系团，发现依然出现这样的问题，于是科学家们猜测，在宇宙中还存在着人类目前无法看到的神秘物质，而且它们占据的比例非常大。这些物质是自身不发射电磁辐射，也不与电磁波相互作用的一种物质，很难被直接观测到，但是通过万有引力效应可以推断其存在，所以人们把这些物质叫做暗物质。目前人们已确认暗物质占宇宙总密度约20%—25%，它是普通物质密度的4到5倍。而且，大量天文学观测证据表明：这些暗物质不可能由现在已知的任何一种粒子组成。

暗能量是近年宇宙学研究的一个里程碑性的重大成果。尽管暗能量难以被直接观测到，而且具有特殊的性质，但科学理性可以帮助我们认识它。有两个主要证据印证暗能量的存在，一是对遥远的超新星的大量观测数据表明，星系膨胀的速度不是恒定的，宇宙在不断加速膨胀，这种现象能推论出宇宙中存在着爱因斯坦引力场方程预言的压强为负的“暗能量”。二是近年来通过微波背景辐射的研究，科学家计算出了宇宙中物质的总密度，结果是即使普通物质加上暗物质，质量和也只占宇宙中总质量的1/3左右，还有约2/3的缺失。这一缺失的物质归因于暗能量，它具有负压，在宇宙中呈现均匀分布的状态，主导着今天的宇宙。

（2）反物质 

我们习以为常的物质，其实就是正物质。无论宏观物质还是微观粒子，都是由原子构成的，原子是由质子、中子和电子组成，其中质子带正电荷，电子带负电荷，中子不带电，这样的物质叫做正物质。而反物质一切皆相反，它的质子带负电荷，电子带正电荷，中子的自旋也是相反的,由这些相反的基本单元构成的“物质”就是反物质。1932年美国物理学家卡尔?安德森在实验中证实了正电子的存在。随后又发现了负质子和自旋方向相反的反中子。2011年5月，中国科学技术大学与美国科学家合作发现了迄今最重的反物质粒子——反氦4。欧洲核子研究中心的科研人员在2011年6月5日的英国《自然?物理》杂志上报告说，他们成功地将反氢原子“抓住”长达一千秒的时间。欧洲航天局的伽马射线天文观测台，证实了宇宙间反物质的存在。此外，他们还证明，这些反物质来源很多，它不是聚集在某个确定的点周围，而是广布于宇宙空间。

虽然人们已经找到了反物质，但目前的发现还只是九牛一毛。南京大学陈鹏飞认为：“我们现在只是知道了反物质的存在，但是还有很多关于反物质的问题没有弄清，其中一个疑问就是宇宙中的反物质为什么比想象的少。”⁽⁹⁾现有理论认为，宇宙大爆炸将产生同样数量的正物质和反物质，也就是说任何事物都是“对称”的。物质和反物质拥有相反的电性和磁场特性。当两者相遇时便会发生“湮灭”，仅剩下“纯粹”的能量。如果事实果真如此，那么宇宙中就不应该存在任何真实的物质。可事实上物质又确实普遍存在着，而反物质倒是不见了，那反物质跑到哪里去了？这是需要探索的问题。另外，如果在宇宙的某个角落发现了反物质，会对我们人类产生什么影响？万一碰到了反物质，我们能否有办法不湮灭呢？这就是中微子振荡的问题⁽¹⁰⁾。

(3)中微子振荡 

中微子是构成物质世界的最基本单元之一，它质量极其微小，不带电。中微子有三种类型，即μ中微子、电子中微子以及τ中微子。中微子在宏观的宇宙起源及微观的粒子物理中都起着极为重要的作用，因为它的数量在构成物质世界的12种基本粒子中占据了1/4。中微子性质特异，它在飞行中可以从一种类型蝶变成另一种类型，这就是中微子振荡。理论物理学家布鲁诺•庞蒂科夫首先提出中微子振荡猜想，他认为夸克模型中特定味的某一中微子可以转化为不同的味，所探测到的中微子可能处于哪个味要由传播中不断改变的波形决定。三种中微子相互两两振荡，原则上应该有三种模式,其中“太阳中微子之谜”和“大气中微子之谜”两种模式在1960年后被多个实验证实。第三种振荡模式则成为科学悬案，50年来一直未被发现。

经过近半个世纪的探索，第三种中微子振荡模式终于得到证实。广东大亚湾中微子实验国际合作组于2012年3月8日宣布⁽¹¹⁾，我国在大亚湾中微子实验中发现了一种中微子振荡的新模式，并测量到其振荡几率。关于第三种中微子振荡模式的论文已送交美国物理评论快报发表。第三种中微子振荡模式为反物质理论提供了实验证据，被认为是对最基本物理参数的测量，深化了对自然界基本规律的认识。中微子振荡意味着中微子具有质量，这与粒子物理标准模型不相吻合，对理论物理和实验物理都会产生一定的影响。

虽然暗物质迄今尚是一种理论猜测，但就目前的科学研究进展看，暗物质、反物质都具有客观实在性，都是物质的具体形态，都是“物质”存在的不同方式。中微子振荡作为理论预言得到了实验证实，进一步丰富和完善了各种物质之间的内在联系，深化了对“物质”范畴的认识。

三、科学最新成就与对哲学“物质”的思考

朱清时院士认为，在弦论之前，物质的实在性体现在上百种“原子”上，因而可以把物质世界看作是物质实体。⁽¹²⁾但是在弦论中，组成多种多样、丰富多彩的物质世界的基本单元不是以往认为的基本粒子，也不是宇宙弦自身，而是宇宙弦的各种可能的振动态，是宇宙弦振动所产生的各种“音符”。按照朱清时院士的观点⁽¹³⁾，物质是宇宙弦的振动态，不再具有客观实在性了。那么，世界上还有什么事物是实在的呢? 朱清时院士认为，唯事物之间的关系是实在的。

根据物理学的最新发展，我们对唯物主义哲学的“物质”有以下思考：

思考之一：联系的观点是马克思主义哲学的基本观点，事物之间是相互联系的，联系是物质存在的方式，联系表征客观实在性。朱清时院士关于宇宙弦的振动态是联系的观点有新意，因为它基于现代科学的最新发现，特别是基于弦论的一系列逻辑论述。物质的具体形态在不同的观察尺度下呈现出差异，在宏观视域下的物质与构成它的原子甚至物理化学性质都不一样，但这并不能否认物质的客观实在性。在宇宙弦这种至小无内尺度下研究实在性与联系的关系。必将拓展人类认识物质客观实在性的新领域。

思考之二：弦理论现在并没有否定“物质”。物理学早就证明物质具有“波粒二象性”， 如具有质量m和速度v的运动粒子具有的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比．即λ= h/（mv），这个关系式叫做德布罗意公式，由此公式很容易算出运动粒子的波长。这个理论对于质量m趋于零的粒子还适用吗？与弦理论有内在关系吗？在未获判决性实验证实之前，弦理论只是认识事物的一种方式方法，不能完全算是科学理论。以一个自身尚待确证的理论去否定物质的客观实在性不能令人信服。用这样的理论能动地作用于对象，无异于盲人摸象。目前弦理论无法处理好时间依赖与宇宙论背景的问题，这可能说明物质与时间有着复杂的关系，也说明弦理论还需进一步完善，这种完善当然包括对宇宙弦上的各种“音符”是否具有物质属性的再认识。 

思考之三：弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论，如果它为实验所证实，这将从根本上改变人们对物质结构、空间和时间的认识，甚至也会改变对世界本原的认识。但是在决定性实验验证弦理论之前，人们仍然有必要对它进行更深刻的认识和探索，不应匆忙地推广到其他领域。

思考之四：在弦论中，人们顺理成章地推演出规范对称性、超对称性以及引力，这些结论在弦论以前的标准模型中要么是人为强加进去的, 要么就与量子力学相冲突，但在弦论中这些结论都内在自洽地统一起来了，这说明物质世界的确是有内在统一性的。世界的统一性在于其物质性，这种统一性在科学上表现为统一的理论，作为统一场理论发展的弦理论具有其哲学内在合理性依据。

思考之五：宇宙物质起源在弦理论的框架下能得到解决吗？量子力学和广义相对论在20世纪取得了巨大成功，但是这两个理论在适用对象和数学描述上是相冲突的。举例来说，量子力学认为任何粒子的微观运动都是不规则的，都有起伏涨落，但宏观上都遵从统计规律。广义相对论认为万有引力来源于弯曲时空。从这两个理论就可以推论出弯曲时空每时每刻都在经历着微观粒子时高时低的涨落变化。在通常情况下，这些涨落小得可以忽略不计,但在极短距离、在大爆炸的初始时刻、在黑洞的视界附近等一些极端情况下，这些量子涨落将起着决定性作用。在这些极端情况下，量子力学和广义相对论只能得到一些结果为无穷小或无穷大的荒谬结论。很显然，我们需要一个更完备的理论。令人惊讶的是弦理论第一次将广义相对论和量子力学自然地结合到一个数学上协和的框架里⁽¹⁴⁾。在弦理论中，由于弦的延展性(一维而不是一个点)，引力和光滑的时空观念在比宇宙弦尺度还小的距离下失去了意义，时空量子泡沬由“弦几何”代替了。现在，用弦理论已经解决了有关黑洞量子力学的一些疑难问题。如何用弦理论来说明宇宙大爆炸的初始奇点仍然是一个没有解决的大问题，物质起源还需研究。 

思考之六： 11维时空是真实可靠的吗？ 宇宙学研究和观测数据都指出，人类生活生存的三个空间维数正在膨胀，由此便能推测空间曾经是很小和曲率很大的。自然的一种解释是，在我们观测到的三个空间维数以外还存在与它垂直的其他空间维数，由于这些额外空间维数的尺度足够小和高度弯曲，以至于现有的实验条件不能直接观测到它们，但是它们仍能以许多间接的效应显示出来。例如，在低维空间中观测到的不同粒子，却可能是在额外维数空间中同一粒子在不同方向的运动。实际上，额外维数还是弦理论的必然要求，目前弦理论的空间是9维的，再加上一维度的时间总共是10维。⁽¹⁵⁾弦理论的更进一步研究揭示了还应有第10维方向的空间，所以11维时空在理论上是充分的。弦理论11维时空不纯粹是思维的产物，其必将极大地拓展人们的科学研究视野和生产活动空间。相对论揭示了时间空间与物质的密切联系，弦理论在更大维数范围内进一步揭示了物质与时空的不可分割性，这对我们站在科学前沿深刻把握“物质”具有重要意义。

思考之七：弦理论的第二次革命。弦理论的第一次革命性突破是用一个数学方程将量子力学和广义相对论统一起来了，近年来的第二次革命性成就则是将五种不同的弦理论和11维超引力统一起来了，并预言了存在一个包容性更强的M理论⁽¹⁶⁾。M理论揭示了时空的部分本质和相互作用，并隐含了时间和空间也不算最基本的，而是从一些更基本的量演化形成或可以从该理论直接导出。如果M理论成

功，那么将带来人类的时空概念、时空维数等认识一场革命的飞跃。

人们对科学的探索没有止境，物质的内涵必然随着科学研究的新成就而不断丰富，物质的客观实在性在微观、宏观、宇观不同视野下可能有不同形式。

〔参考文献〕

〔1〕马克思恩格斯选集：第3卷〔M〕.北京：人民出版社，1972.556.

〔2〕〔3〕马克思恩格斯选集：第4卷〔M〕.北京：人民出版社，1995.343.

〔4〕列宁选集：第2卷〔M〕.北京：人民出版社，1995.89.

〔5〕〔6〕〔12〕〔13〕朱清时.物理学步入禅境：缘起性空〔EB/OL〕.http://url.hexun.com/1baiR.

〔7〕E.Kiritsis. String theory in a nutshell. Introduction to Modern String theory. Princeton University Press, Princeton, N.Y. (2007).

〔8〕P.Woit.String theory: An Evaluation.Columbia University，February 2001,e-Print: physics/0102051.

〔9〕陈鹏飞.揭秘暗物质与反物质关系人类生死存亡〔EB/OL〕.http://science.kexue.com/2010/，2010-12-20.

〔10〕〔11〕张保淑.新的中微子振荡被发现〔N〕.人民日报，2012-03-09.

〔14〕〔15〕〔16〕Witten, E.String Theory Dynamics in Various Dimensions〔EB/OL〕.http://arxiv.org/abs/hep-th/9503124.

（责任编辑：谢　科）

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