人类的科学是不是还无法解释任何一种力的成因？ 第1页

重写了部分描述。我惊讶于评论的讨论焦点。

本题没什么神秘可言，物理学不是玄学，并且实用主义至上的研究者们几乎摒弃了一切可以玄起来的地方。

我希望以我浅白的阐释让问题更简化，而不是更复杂。

---updated 17.08.04---

是的，(对于电磁力、引力等基本相互作用)，科学还无法解释。

多说几句，这算是一个好问题。好在在物理学中这一问题非常的基本，好在大家对这都很感兴趣。

现在的物理学大体遵循着还原论的逻辑。还原论认为，对事物的解释可以简化到一些更为基础的理论。也就是说，还原论允许你一直问“为什么“。

而如果把知识分级，一个层级的知识只能回答本层级的“是什么”，而不能回答“为什么”。“为什么”需要更基本的知识来回答。在这里，“是什么”可以是现象的描述，命题的转写，而“为什么”更接近现象的本质。

通过问"为什么"，问题会被快速回溯到一些没法继续问为什么的断言(assert)上。我没有用公理这个词，物理公理化存在着许多的争议，但基本上是那个意思：暂时没有更基本的描述能替代，我们先这么用着。经验公式也属于这个范畴：暂时没有更好的。

而在这些唯象的内容以外，有一些断言相当的深刻而基础。这个基础断言俱乐部的成员并不多——俱乐部主席的荣衔可能由“最小作用量原理”获得——而"存在着四种相互作用"也是其中一员。

一张桌子放在地面上保持静止。初中物理会告诉你，根据受力分析，桌子受到地面给予的支持力与地球给予的重力，两相平衡。

为什么地面会给予支持力？稍后面的章节会告诉你地面的支持力和桌子的压力是一对作用力和反作用力，地面受到一个微小形变，而产生了支持力。

为什么微小形变会产生作用力？课本上不会讲，这超纲了，超越了课本的理论体系。

往深一个层次探究？因为桌子和地面可以看成两团电荷，之间的电磁排斥作用宏观体现为压力与支持力。

为什么会有电磁相互作用？这就回到了本题想要问的。

我们能解释支持力的起因，因为本质上支持力是电磁力。电磁力的起因？我们还不知道。

我们现在的物理体系只是发现了世界上存在着正负两种电荷，存在着摩擦起电，磁针偏转等现象。之后我们发现，麦克斯韦方程组能很好地描述电磁相互作用。

更进一步，量子场论（Quantum Field Theory）的观点告诉我们，力的作用不是超距的，所有的相互作用都是两个物体交换一个媒介粒子而发生的，电磁力实际上就是交换光子。我们有了新的观点，不再说电磁力了(事实上在分析力学的框架建立之后，"力"就不再是我们主要讨论的内容了)，但这只是观点上的革新，交换光子和电磁相互作用指的还是同一件事。

你依然可以继续问，为什么自然界里可以交换光子？我们不知道。这需要更深层的物理。

如前所述，“存在四种相互作用”是一个很原始很基础的描述，这是经过了大量的经验归纳之后才总结出来的，暂时，没有比这还基础的知识，能用来解释它了。

现阶段，量子场论已经告诉我们，电磁、弱、强三种相互作用分别由光子、W/Z玻色子、胶子传递，这三种作用可以”写到一起“，也就是现在的标准模型SU(3) × SU(2) × U(1)，写到一起的意思是，我们可以在同一个框架内统一地讨论这三种相互作用。这虽然还不能解释成因不过也快了： 标准模型的一个扩展，统一场论（GUT）认为，在高能级下，这三种作用其实是同一种作用，只是在低能级下发生了破缺。如果GUT得到证实，那么电磁力的成因我们算是搞清楚了。

而即使统一场论解答了电磁力的成因，你还可以继续问，这个统一的力的成因是什么？引力的成因是什么？

(引力在广义相对论的框架下可以理解成物体能动量张量影响下的时空曲率，这也是视点的革新，我们依然对“为什么能动量会造成时空曲率变化”这一"为什么"无从回答。)

我们不知道。

我们已经知道很多，我们仍然一无所知。

另外一些题外话

1.作为粒子物理学专业的学生，我自然是还原论的拥趸，但以Anderson老爷子为代表的凝聚态人士对此或有异议，认为还原论并不能解决一切问题，如有兴趣请拜读老爷子雄文More is different. 但这些讨论和此题无关，在此就“勉强”认为，还原论是物理界的共识吧。

2.在不断问为什么的过程中，我们总能把问题不断回溯，层次不断深入，尺度越来越来越小，最后必然聚焦到粒子物理学(开始打广告了，滑稽)。相互作用的成因要想搞清楚，必然要通过粒子物理学的实验验证才能得到。我国正在规划的CEPC，环形正负电子对撞机就是其中一个关键项目。高能实验耗资巨大，为此你的理解与支持非常重要，敬请大家关注。

3.虽然物理学家在研究各种或终极或宏伟的问题，但对这些问题本身，物理学家一般很少做清谈的思考。物理学家们不同程度地信奉着朴素的奥卡姆剃刀(Occam's Razor，如无必要，勿增实体)思想。更有激进的物理学家提出了“牛顿的火焰激光剑”(Newton's Flaming Laser Sword)这样的原则:what cannot be settled by experiment is not worth debating. 不能进行实验观测的东西都不值得辩论。

但是，科学家不谈玄学，不代表玄学能解决科学不能解决的问题。当然，玄学的帽子也别扣在哲学头上，现代科学哲学的研究重心早就不是对科学的“指导”了。因为科研专业化的程度越来越高，大众对前沿科学的进展了解的不多，我们尽力科普，有多少讲多少，希望大家有所收获。科学说起来并不神秘，我们从初中物理的受力分析几步就能推到现代物理最深刻的断言陈述，中间的脉络也很清晰明了，哪里有什么神秘可言呢？

每次都不厌其烦地跟你们说：

科学并不解释原因。

科学并不解释原因。

科学并不解释原因。

物理中的因果指的是事件A与事件B之间的关系。比如苹果脱离树枝，所以它落向地面，这个过程的因果关系由引力理论描述。科学理论描述因果关系，而不是说科学理论就是那个原因！严格来说，事件A在物理因果律意义上的原因是它过去光锥任意柯西面上的一切信息，任何该柯西面上的单个事件都不是A的所有原因，只能说有因果关系。

以上是所谓事件的原因，这好歹有物理因果律为背景。通常语境下人们还喜欢讨论“理论的原因”，比如XX力的原因啊。这时有人就用另一个“更基础”的理论来解释。

但我们用理论A解释理论B，也并不意味着A是B的原因！而是A的适用性、精确性或简洁性高于B，使得它比B更加有效用。虽然逻辑上A往往蕴含B，从top down角度可以说A是B的原因或A导出B，但是可以蕴含B的理论有很多，真正把A挑出来的还是实验事实，因此所谓“B的原因”显然不可能通过逻辑上的蕴涵关系得到。况且由于A往往离实验更远，从bottom up的角度说，会认为实验验证更直接的B是A的原因。所以其实它们的关系完全不是因果，否则在不同的视角下怎么可能因果互换呢？

综上，不管是对事件问原因，还是对理论问原因，从物理角度来说都是不恰当的。