物理常數是物理學重要的組成部分，在物理學中占有特殊的地位，“各種物理現象以各種不同的方式聯系到有關的一些物理常數?！蔽锢沓翟谖锢韺W中的重要性，也受到一些哲學家的關注，羅素認為：“基本物理常數的發現和測量是現代物理學最堅實的成就?！?/p>
隨著現代物理學的發展，物理常數的存因問題越來越受到物理學家的重視，為此像愛丁頓等一些前輩物理學家不惜拆諸“數字學”，期望從中能發現解釋物理常數的端倪，現代一批天才的物理學家想用弦/M 理論構建的統一理論，一攬子解決物理常數的解釋問題。雖然這些工作對解釋物理常數不無啟發，但均沒有獲得顯著的進展。因此，有必要做些哲學上的思考，以厘清對物理常數的認識與解釋上存在的問題。
1、 關于物理常數
對什么是物理常數，大多數情況下人們認同恩格斯對物理常數所做的定義，即“物理學的所謂常數，大部分不外是這樣一些關節點的標記，在這些關節點上，運動的量的（變化）增加或減少會引起該物體狀態的質的變化，所以在這些關節點上，量轉化為質?！睂嶋H上恩格斯在這里只是對當時已認識的物理常數做的一點哲學概括，以闡明哲學的“量變質變規律”，這也是之后一些對物理常數做哲學思考的方法。其實不要說恩格斯在這段話中只說了“大部分”，就恩格斯概括所引用的例子來看，恩格斯所指的物理常數，主要是那些引起物質的物性和現象變化的臨界值，如熔點、沸點、汽化點等，所以他認同黑格爾的觀點，認為“化學可以被稱為研究物體由于量的構成的變化而發生的質變的科學?！?/p>
現在看來，更多的物理常數并不表示物質的臨界值，如折射率、電阻率、介電常數等。從物理學的角度看，物理常數就是那些用來反映不同層次物質屬性及其效應的一些數值，它們具有一定的穩定性，可以用來建立物理量之間的數量關系，區分不同的物質，即物理常數是反映物質客體物理屬性的不變的或相對不變的數，它們不僅有臨界值，還有極限值等。
然而物理常數不會僅局限于表示物質的性質，隨著人們認識的提高，物理常數會超越具體的物質，表現出某種普適性，反映物質世界的一般性質，成為物理學的理論基礎。如光速，開始只是作為光運動的屬性進行測量，因為的發現，將光與電磁統一起來，光速表示了所有電磁運動在真空中的速度，隨著光速不變性的發現，光速又成為狹義相對論的理論前提，成為一個普適常數。根據物理常數的普適性，人們通常將物理常數分為一般物理常數和基本物理常數。一般物理常數亦稱物質常數與物質所處的具體環境相關，原則上量子力學已可以對它們進行解釋。如固體比熱，愛因斯坦將固體等效成平均能量為 hw 的 N 個相同的諧振子，考慮每個振子有三個維度，推得固體比熱為：
其中 k 是玻爾茲曼常數，τ=kT。該式在 T 足夠大時，可得到 Cv=3Nk 的推論，即杜隆-珀替定律，并解釋了固體比熱在 Tà0 時，Cvà0 的特性。這個比較粗糙的理論，在物理學史上，揭開了量子力學應用于固體物理學的序幕。由此我們可以認為一般物理常數不是真正的物理常數，它們可以用量子理論解釋。
因為物質本身的復雜性，以及與環境相互作用的不易確定性，我們對一般物理常數的解釋也是有限的。
如固體間的摩擦系數 μ，雖然我們能夠分析出許多形成摩擦系數的因素，然而至今仍無法確定各種因素是如何作用的，因此主要還是依據唯像的公式進行測量，這樣做并不影響實際運用，表明物質的微觀結構及其運動具有宏觀的收斂性，是各層次物質存在自身規律性及其層間偶合不強或脫偶的依據。但畢竟我們已有了原則上的解釋手段，因此在理論上并為其煩惱。但是對于基本物理常數（以下簡稱“物理常數”），也稱普適常數或自然常數，卻不斷地困繞著物理學家，因為“至今還沒有人成功地預測或解釋過任何自然常數……”至今這種情況仍沒有多少改變，因此成為本文的討論對象。
2、 解釋物理常數的動機
據傳泡利一生始終感到奇怪，為什么無單位的精細結構常數的近似值為 1/137。他得病住入蘇黎世的紅十字會醫院后，有一次他的助手去看望他，他就問他的助手：“你看到這間房的號碼了嗎？”他的病房號碼恰好是 137。故事有些宿命，但它所引出的問題值得深思。物理常數難于解釋，是什么原因推動物理學家要解釋它們呢？
2.1 物理常數的基礎性
物理理論的重大發展，總是與一個物理常數有關，它們構成了物理學理論框架的結構性基礎。如牛頓力學與萬有引力常數 G 有關；電磁理論及至后來的狹義相對論與光速 C 有關；量子力學的產生與發展與普朗克常數 h 有關，以至于有學者據此將物理學劃分為三個發展階段。物理學家對物理常數的基礎性有著深刻的印象，因此他們會在物理學理論的研究中，嘗試引入或構造新的物理常數，如愛因斯坦在其引力場方程中引入宇宙常數；海森伯曾嘗試通過構造新的物理常數建立統一理論。
2.2 物理常數的啟發性
物理常數有著與宇宙及其物質可能的構成與演化相聯系的特質，因此它們的發現總能給物理學家以富有想象的啟發。如在精細結構常數剛發現時，物理學家認為 1 /a可能是個精確的整數 137，由此引起的豐富想象啟發著他們去研究，物理學家派斯曾這樣回顧當時的歷史：“這個數字引起了人們許多的冥思苦想、不眠長夜和離奇幻想……論證這個物理學上最大笑話的文章，居然溜過一家一流物理學期刊編輯的審查被發表出來?！?/p>
精細結構常數受到如此重視的主要原因是它分別由涉及電動力學（e）、相對論（c）和量子力學（h ）的三個重要常數簡單組合的無量綱成常數。無量綱常數本來就引人注意，愛因斯坦就認為無量綱常數才是真正的常數，因為它們不僅與具體物質無關，而且還與取什么物理單位制沒有關系，因此更能引起物理學家關于現存宇宙可能存在深層原因的豐富聯想，啟發物理學家去發現它們所攜帶著的可能的關于物質世界的深層信息。
2.3 物理常數的認識性
物理常數有著超越或顛覆傳統觀念或理論的認識作用，如電子電量與質量的被測量，證實了原子的可分性，使人們對物質及其結構產生突破性的新認識，開啟對原子結構及其更基本的粒子研究；光速不變性的發現，創建的狹義相對論，使人們對時空有了更深入的認識，并發現超乎現象的質量和能量之間的關系。物理常數的認識作用，通常還反映在由對它們的不斷認識引起的人們的自然觀改變，有學者認為，普朗克常數從自然界由連續走向間斷、由主客獨立走向主客相干和宇宙由確定走向不確定三個方面改變著人們的自然觀，“促使人們從經典物理學的世界圖景中走出來而從根本上改變對自然界的法?！?/p>
2.4 物理常數的普適性
普適性是物理常數最基本的特性，它建立在物理常數恒常性的基礎之上。物理學家認為，一旦物理常數的恒常性不成立，則將是整個物理學的危機，至少表明在物理常數恒常性失效的地方，已知的物理學理論也將自動失效。然而物理學家們并不放心物理常數的恒常性，因為他們并不知道恒常性是否可靠。為此，物理學家們不斷提高物理常數的測量精度，以便從中發現蛛絲馬跡，并將目光從實驗室投向宇宙空間，探測宇宙早期的信息，但至今仍不能確定物理常數是否變化。在測量的基礎上，他們更希望能發現第一性原理，并由第一性原理給出物理常數的“恒常性”解釋。
3、 物理常數解釋的幾種嘗試
物理常數所具有的上述特點，對物理學家們的誘惑是不言而喻的，再加上已發現的物理常數間存在的相關性和統一性等特征，使得物理學家們要想盡辦法得到對它們的解釋。以下是其中較為典型的幾種：
3.1 從數字本身尋找物理常數的解釋
數字自古能喚起人們某種神秘的心理反應，用數字猜測命運是其中較為典型的表現，這種迷信方法，在現代世俗生活中仍有殘余。在科學史上，有著神秘主義傾向的古希臘畢達哥拉斯學派認為“萬物皆數”，他們對“數”產生極度虔誠的信仰，這在今天看來有些可笑。然而就是這一個學派奠定了現代數學的基礎，并發現具有后來物理學數學化特征的諧和音程與不同弦長之間有整數比例的關系，被人們稱為畢達哥拉斯律制。因此，如果剝去對數字的迷信部分，以及對數字的實在化問題，對數字本身的分析也可算作一種研究和解決問題的方法。部分物理學家結合自身的物理思想與經驗，就曾運用這種方法，試圖對物理常數進行解釋，如愛丁頓以其對相對論的熟悉與偏好，通過對四維空間的大膽構想，對精細結構常數進行了被同行斥之為“數字學”的分析，認為：
他的研究發表后曾遭到同行嘲笑，前文派斯所說的“物理學的最大笑話”，大概就是指這件事。用這種方法解釋物理常數，還沒有成功案例。
3.2 運用組合法獲得物理常數的解釋
用幾個已知物理常數的簡單組合，先于物理理論與測量構造出可能的新物理學常數，在啟發物理學研究的同時，嘗試理解和解釋物理常數。這種方法的合理性在于：（1）物理學的發展并不是舊理論邏輯的結果，物理學研究也需要或然性的思維方法；（2）部分物理常數間的確存在著簡單的數學關系，如精細結構常數等，它們不僅可以從其它物理常數中導出，而且它們本身又具有明確的物理意義，可以通過實驗獨立測定。在看似不成邏輯的物理常數間存在著嚴密的數學關系，是令人驚奇的，它們極其自然地揭示著物質之間存在的聯系，說明物理常數存在某種自恰性，對此已有學者進行研究，他們認為一個物理常數，可以由π、自然常數 e 和其它基本物理常數組合來計算。
在用組合法構造的物理常數中，比較有影響的是由普朗克和狄拉克兩位物理學家提出的。普朗克在 1912 年用 G、h、c 構造了自然界中空間、時間和質量的基本值，其中質量的基本值已認為有著確切的物理意義，它是核力場的場量子--引斥子的質量，其它還處于猜測中。普朗克質量所具有的能量與普朗克空間、時間和質量組合的能量值2\\(/\\)pppmlt具有相同的數量級，也令人遐想，其約為質子能量的1910倍，所顯示的“小而強”特征，可猜測與宇宙的早期相聯系。由于普朗克常數所具有的物理意義，它們已被列入物理常數；狄拉克 1937 年 2 月在《自然》雜志發表了一篇短文，提出了自己的宇宙學觀點，給出了三個無量綱的組合常數，即大數假設。大數假設得出了一些誘人的推論，并對萬有引力常數 G 提出了一種解釋，認為它與時間 t 成反比例。然而因為缺少實驗的支持，大數假設，至今還是個迷。組合法為物理學提出了一些有前瞻性的問題，啟發著物理學研究，但基本上只是一些猜測，因此不可能給物理常數提供完善的解釋。
3.3 用人擇原理對物理常數進行解釋
人擇宇宙的思想可以追溯到上千年前的古代，然而用來解釋宇宙的起源、演化和結構，是由美國物理學家 R·H·迪克在 1961 年首先提出來的。在迪克人擇理論的基礎上，現在已演化出多個版本，其中主要的有弱人擇原理與強人擇原理，前者即是迪克的人擇宇宙理論，后者由英國物理學家 B·卡特提出。弱人擇原理認為，在一個大的或具有無限空間和時間的宇宙里，只有在空間和時間有限的一定區域里，才存在智慧生物發展的必要條件。根據弱人擇原理由智慧的演化的必要條件，估算了宇宙大爆炸發生的時間，并成功的推算出狄拉克的“大數假設”。強人擇原理認為，存在多個宇宙或單一宇宙的多個不同區域，在我們的宇宙或區域中之所以有這些巧合的常數，是因為只有當這些常數具有現在為我們的實驗所測得的數值時才會有人類存在。由強人擇原理出發，物理學家們驚奇的發現，原子和分子的結構幾乎完全由電子和質子的質量比，以及精細結構常數來控制，它們稍微有點變化，有序的分子結構就不存在，生命需要的碳原子就不穩定，DNA 的復制就會消失，恒星不能夠燃燒氫和氦……以至于霍金驚呼：“這些數值看來是被非常細致地調整到使得生命的發展成為可能?！?/p>
然而人擇原理只是對觀察結果的可能推測，而不是物理學解釋，甚至與解釋物理常數沒有關系，因為它不能導致建立關于物理常數的物理學方程，并給出預言。
3.4 尋求統一理論對物理常數的解釋
統一理論的建立，必以某個第一性原理為前提，因此統一理論可以為物理常數提供完美的解釋，所以霍金說：“也許有一天，我們會發現一個將它們所有都預言出來的一個完整的統一理論”。
在各種統一理論中，弦/M 理論無疑是最受物理學家追捧的。從弦理論到 M 理論，已經過二次革命。其第一次革命是在 1984 年秋提出超弦理論，解決了弦理論存在的 25 維、快子和強子無質量等問題，但不久就發現在 10 維空間里，超弦存在著 5 個相對獨立的且和諧的理論，對它們使用卡丘空間處理了額外的 6 維后，每個超弦理論仍需要標志不同幾何特征的數百個常數，因此不但不能解釋物理常數，反而使問題變得更加復雜；第二次革命發生在 1995年，著名的美國物理學家威藤在一次洛杉磯弦論會議上提出了一個用有著 11 維的 M 理論，來統一 5 個超弦理論設想，并認為它們其實是同一個理論，然而直到現在也沒有在其上建立起合適的物理學方程，產生任何可觀察的實驗預言，因此也不能給出物理常數的解釋。對此美國著名物理學家 L.斯莫林認為：“M 理論的關鍵問題就在于尋找一種能與量子力學理論和背景獨立性相容的形式……遺憾的是，這方面幾乎沒有什么進展。有一些迷人的線索，但我們還不知道 M 理論是什么”。因此物理學家對弦/M 理論的前提產生懷疑，他們被分為樂觀派和悲觀派，其中不乏反對的聲音。
4、 對物理常數解釋的思考
伽莫夫曾說過，對物理常數的認識便構成未來物理學。對物理常數的解釋的困難，表明我們對物理常數還存在嚴重的認識問題，這就需要對如“什么是物理常數的解釋”，“物理常數能不能解釋”，“怎樣才能解釋物理常數”等基本問題進行思考。
4.1 關于物理常數的解釋
對于物理常數的解釋，如果只是闡明其物理意義，則問題會簡單得多，如光速可由計算，表示光是電磁波，該式表達了電磁波在真空中的速度。即使后來認識到它的不變性，以及是一切物體的速度極限，那也是可以述說的。但如果問及它的速度為什么是這個值，是否可能變化，是否有超光速存在，以及它為什么可以用兩個真空電磁常數確定等時，問題就來了，就不容易講得清楚，人們自然會聯系到類似真空物質與結構等基本問題，需要更深層次的理論來解釋。如果說像光速這樣的有量綱常數，還可能采用合適的單位制進行協調的話，無量綱常數則更令人困惑。因此所謂物理常數的解釋，就不僅是對物理常數的物理意義進行闡釋，而且是使它們成為前文提到的某個第一性原理的邏輯結果，并邏輯地確定它們是否變化和如何變化。就此而言，弦/M 理論走的是一條解釋物理常數的進路，然而物理學的統一性在沒有證實之前，也只是假設，過于追求美妙的理論建構，就有脫離實驗的危險，那就不是在做物理，而是在做哲學。通常人們認為科學是問“怎么樣”，而哲學是問“為什么”的，在筆者看來，并不是這樣的，至少物理學不是這樣的。物理學是既問“怎么樣”，也問“為什么”，因為物理學一邊關注著經驗現象，一邊用理論思維。
4.2 物理常數可以被解釋的理由
前文提到，隨著量子理論的發展，在原則上使一般物理常數得到解釋，而在量子理論的歷史上，也曾有里德伯常數被玻爾理論所解釋的案例。因此物理常數原則上是可以解釋的，但前提是有更深層的物理學理論發現。隨著非線性等復雜物理學、量子理論的研究發展，以及對不同層次物質存在的脫偶現象的認識，使得物理學的研究也在采用生成論、整體論和層創論等思想方法進行思考，但還原論仍應是物理學研究的基本方法，尤其在涉及像物理常數解釋這樣的基本問題時。還原論是基于復雜性背后存在簡單性的信仰，按照還原論的思想方法，發現更深層次的物理學，就如同哲學的追溯不斷“后退”，從對現有的物質認識中，發現更基本的物質基元及其相互作用力。物理學的這種發展模式似無止境，然而人們有理由相信第一性原理的存在，并由此建立統一理論，最后使物理常數得到合適的解釋。這不僅是因為人類對可理解性的信仰，而且是因為：（1）牛頓物理學及其之后的物理學，事實上走過的是一條統一之路；（2）物理學在宇觀和微觀領域的研究進展，不斷表明它們正辯證地匯合于早期宇宙；（3）物理常數可能是早期宇宙演化的結果，說明著宇宙存在真正的開端。然而這也可能正如康德所認為的，“心靈獨特的活動是綜合并統一我們的經驗”，人在為自然界立法，但這就是物理學的認識之路，除非有一天統一之路被證否。
4.3 物理常數可能被解釋的邏輯
物理常數解釋的邏輯，本質上也就是物理學研究的邏輯。由于物理學研究物質世界最基本的結構與規律，因此當對它的基本問題進行研究時，某些哲學觀念就會呈出來，前文提到的“第一性原理”就有著哲學中的“本體”意蘊，不小心很容易讓人滑入形而上學的思辨。因此要進行物理常數的解釋，首先要回到物理學的研究邏輯，其中主要有：（1）更深層次物理學理論的發現，發生在已有理論的適用邊界上。這時有充分的觀察數據和發現大量的反?，F象，為此多數物理學家開始進行新理論的建構，甚至有局部的合理的理論出現；（2）在大量觀察數據或反?，F象出現的基礎上，新物理理論的建立，通常還要等待某些關鍵環節的發現。
如狹義相對論中光速不變性的發現，量子力學中作用量子的發現等。目前相對論與量子理論盡管存在一些理論問題，但并沒有走到理論的適用邊界，因此它們的統一問題，有待于進一步的反常發現，以發現“關鍵環節”；（3）尋找“關鍵環節”，要物理理論為物理實驗提供可操作的預言，同時物理理論要接受物理實驗的檢驗，并在此過程中產生思維方式的飛躍。發現與舊理論通常并沒有邏輯聯系，因此建構物理理論只是現象，本質上是物理理論與物理實驗辯證運動的結果，是思維對現象背后實在的把握。正因為這樣，基于不同物理思想所建構的物理理論，可以殊途同歸，如海森伯、薛定諤與費曼等人不同的量子力學程式的等效性即是例證，這是物理學理論具有客觀性的基礎。
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