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张操

时间是客观的和单向的,这是科学的基础,也是科学上的大是大非问题。
因果律是在非常大量的实验基础上是建立起来的一条公理。 因果律代表了宇宙万物运动的先后顺序(单向性)—时间箭头。
这里,我用一个简单的例子加以说明。在草原上有一只狮子看到了远处在奔跑的一只小鹿,于是开始奔跑(事件A),狮子追上了小鹿、把小鹿扑倒(事件B)。在事件A发生时,狮子与小鹿之间有一定的距离(空间间隔);而事件B发生在事件A之后,所以事件B是事件A的结果(前因后果)。事件A与事件B有一定的时间间隔。
注意,在上面的简单例子中,我们仅仅用文字说明了二个事件的客观性、顺序性和因果性,没有采用数字进行定量地表述。
至于如何定量地表述在事件A发生时狮子与小鹿之间的距离,这需要人为地规定标准尺。同样,如果要定量地表述事件A与事件B的时间间隔,需要人为地规定标准钟。 标准尺和标准钟是人们用来计量空间间隔和时间间隔的工具。
日期和各种时钟读数都是人为的、相对的。在应用物理学以及日常生活中,人们对于相对时间早就采取了多种定义。 原子钟的应用,只是提高了相对时间的精度,并没有改变的时间的客观性和单向性的事实。
物理学定理(方程式)的优点是可以定量地表述物质运动的某种特定形式的物理量以及互相的关系;缺点是不能明确地表述时间箭头。
有位著名的物理学家说:“方程式是永恒的”,可是我还要补充加上一句:“物理学定理是有条件的”。如果在某种条件下,某种物理学理论的计算结果违背了因果律,那么说明这个物理学理论在这种条件下不再适用。物理学理论不是万能的,也不存在万能的物理学理论。
因果律代表了时间箭头。如果因果律不成立,那么自然科学大厦将轰然倒塌——因为因果律是比相对论和量子力学的时间观念更为基础的科学基石。
由于很多物理学家不承认这个事实,这是造成现代理论物理前沿混乱的原因之一。有些物理学家认为时间是幻觉,虚时间比真实时间重要,这是对于科学的退步。所以对“时间”的科学含义的广泛讨论,对现代物理学的发展具有重要的现实意义。


宇宙学疑难的根源

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宇宙学疑难的根源
胡昌伟

内容提要:现代宇宙学始终疑难缠身,它的发展过程是以新的疑难来替代旧的疑难。产生这种情况的根源是:它把广义相对论作为理论基础是不可靠的;它的实验基础,如河外星系的普遍性红移、宇宙背景微波辐射、元素的丰度等,其解释也存在牵强附会。从根本上说,描述宇宙的整体演化,这个大前提错了!
关键词:宇宙学、疑难、理论基础、实验基础、大前提

现代宇宙学从其诞生之日起就疑难缠身,而且,它的发展过程往往是以新的疑难来掩盖旧的疑难。
1916年,爱因斯坦建立了广义相对论,提出了引力场方程。他认为,在宇宙大的方面,支配天体运动的力场只有引力场一家,引力场方程应该能够描述整个宇宙。但结果发现,由此导出的宇宙是不稳定的,它要么在膨胀,要么在收缩。对此,爱因斯坦很不满意,于是就在这个引力场方程里添加了一个“宇宙学常数”,使宇宙变得稳定。后来,哈勃发现了河外星系的红移与它们的距离之间的关系,物理学家们认为,这红移是种多谱勒效应,是宇宙膨胀的表现。这引起了人们对广义相对论的关注,因为它本来就预言宇宙是不稳定的,而哈勃定律表明这种不稳定性为膨胀。于是,爱因斯坦意识到,在引力场方程里添加宇宙学常数,是画蛇添足,并把添加宇宙学常数的行为说成是他一生中最大的一个错误。
既然宇宙在膨胀,那么,它必然会有一个起点。在上世纪40-60年代,“宇宙大爆炸标准模型”就建立和发展起来了。它认为,宇宙,包括时间、空间和万物,诞生于一次大爆炸。不过,用它来探讨初始宇宙时,存在着三大疑难[1]。
一是视界疑难。视界是因果联系的区域,由于受到有效传播时间的限制,在早期宇宙中,不同的视界之间不能以热信号或光信号等相互联络,因此,它无法说明目前宇宙的普遍性的因果联系。比如,在全天空,宇宙背景辐射的温度,直到105分之一的程度都是均匀的,这是目前宇宙存在着普遍性因果联系的有力证据。
二是平直性疑难。宇宙的平直性与宇宙学密度相关,目前的宇宙学密度约为1,即我们的宇宙是平直的,这要求早期的宇宙学密度要更精确地等于1,因为,如果早期的宇宙学密度的值与1有些偏离,那么,这一偏离就将急剧增长,而破坏宇宙的平直性。但是,初始宇宙物质密度非常大,按照广义相对论,其曲率应该很大,怎么会是平直的呢?
三是磁单极疑难。根据有关理论,宇宙大爆炸后,随着能量的逐步降低,会发生对称性的“自发破缺”,在不同视界的相交处将会产生磁单极。因为磁单极的质量很大,它的质量密度将是重子质量密度的1014倍。这是一个灾难性的预言,因为,既然磁单极这么多,它早就应该被发现了,但实际上却至今没有发现一个!
为了消除这些疑难,1980 年代初,出现了 “暴胀”理论,它的基本假设是:在大统一对称破缺时期,宇宙经历了一次难以想象的剧烈膨胀,它使一个视界的体积就暴胀成了我们现在所能探测到的整个宇宙。这样一来,以上三个疑难就迎刃而解了:因为我们的宇宙是由一个视界暴胀起来的,视界疑难自然不复存在;磁单极也成了个别现象,至今没有发现就不足为奇;在暴胀中,宇宙的曲率半径增加了大约为1043的因子,所以,无论初始宇宙如何弯曲,暴胀后,它都将是平直的。但是,所谓的暴胀是个怎样的图景呢?那是在远不到1秒的时间里,一个芝麻大小的东西,一下子变成了比银河系还要大的庞然大物。这样的描述连神话都构思不出来,可能吗?这是一个更无法解答的大疑难。另外,这样的暴胀速度将是光速的1030倍以上,这是在根本上与相对论过不去。有人说:宇宙的膨胀是时空的膨胀,这不同于物质的膨胀,因此可以超光速。这是个诡辩,量子场论显示“真空不空”,真空也具有物质性;在广义相对论中,时空与物质密不可分,所谓的“四维时空连续体”其实是一种真空态的特殊的物质。
暴胀理论预言宇宙学密度为1,而重子物质的产生速度远远跟不上时空的暴胀速度,因此,重子物质的密度远小于1,于是,宇宙的主要成分应该是人们还未认识到过的非重子物质——暗物质。宇宙中的大部分物质竟是我们从未认识到的,它们究竟是何物,是怎样在暴胀中瞬间产生的?又成了一个大疑难。
暴胀后的宇宙应该持续减速膨胀。然而,用现代宇宙学的理论来分析天文观察数据,却发现:宇宙还在加速膨胀!这一异常,又触发了宇宙学家们的想象空间,他们认为:宇宙空间存在着比暗物质更大量的“暗能量”。被爱因斯坦发明,后来又抛弃的宇宙学常数,又被当作宝贝拣了回来,成为了暗能量的代表。一般的能量总是与质量相联系的,有能量就有质量,能量代表斥力,质量代表引力;但这暗能量只有加速宇宙膨胀的斥力作用,而没有引力作用。这样的暗能量比暗物质更神秘莫测,它有可能存在吗?它究竟是什么?这又是一个天大的疑难!
以新的疑难来取代旧的疑难,只是一种权宜之计,不是科学的作风,该是宇宙学反省的时候了!那么,造成宇宙学疑难不断的根源是什么呢?这要从现代宇宙学的基础中去探究。现代宇宙学的理论基础是广义相对论;它的实验基础是河外星系的普遍性红移、宇宙背景微波辐射、元素的丰度等等。我们就对此作些分析。
广义相对论是有局限性的。爱因斯坦自己就说过:“对于很大的场密度和物质密度,场方程以及这些方程中的场变数,都不会有实在意义……这些方程不可扩展到这样的一些区域中去。”[2]对此,霍金也说:“广义相对论导致了自身的失败,它预言它不能预言宇宙。”1970年,彭罗斯和霍金证明了:如果广义相对论正确,那么,时空一定存在奇点。这里所谓的奇点,就是场密度和物质密度趋向无限大的点,这是广义相对论局限性的一个表现。然而,人们,只是对有关参数进行调节,用量子效应绕开奇点等,总体上还是在广义相对论的基础上描述整个宇宙。
现代宇宙学把广义相对论的数学模型——黎曼空间当作就是实在的弯曲空间,认为宇宙是一个无界而有限的四维时空。在广义相对论中,时空的标准会随着引力势变化,其所谓的时空弯曲,就是这种时空标准变化的一种数学描述,所谓的时空弯曲的曲率,也只是这种时空标准的变化率,真正的时空不会弯曲。科学理论需要数学模型,但数学模型也常常会迷惑人。站在前沿的宇宙学家是科学界的精英,他们想象力丰富,数学功底深厚。每当灵感闪现,他们会构建新的数学模型,通过设置和调节一定的参数,将会得到在某些方面与实际现象相符的数据。于是,他们往往会把数学模型等同于现实的物理机制,疑难也会随着而生。
广义相对论只是一种引力论。现代宇宙学把引力场方程看成宇宙方程,这实际上是把引力场当作了能够支配整个宇宙的唯一的“宇宙场”。
实际上,在已知的主要的相互作用中,有着明显的区间作用性:在强子内部和周围,强相互作用起着主要作用;在原子世界,电磁相互作用占着主导地位;引力相互作用在微观世界是微不足道的,到了太阳系世界,它才成了支配天体运动的主宰。既然,引力相互作用不能在宇宙小的方面发挥作用,怎能认为它在宇宙大的方面能独霸宇宙呢?微观、宏观、宇观是人为规定的,人类的生存空间并不是宇宙大的方面和小的方面的绝对分界线。因此,我们有理由认为:引力场只是一种宏观场。实际上,宇观世界存在着的“质量缺失”现象,可以这样认为:在宇观世界存在着不同于引力场的宇观场,而并非存在所谓的暗物质。
现代的大爆炸宇宙学,建立在一个不可靠的理论基础之上;所谓的实验证据,也有不少是牵强附会。现代宇宙学认为氦都是在宇宙大爆炸后,温度降到一定程度时的产物;宇宙背景微波辐射就是宇宙大爆炸的“余尘”;河外星系的普遍性红移是多普勒红移。然而,一种现象可能有多种原因引起,可以有多种解释。现代宇宙学将他们的看法当作是唯一正确的解释,从而铸成了大错。
在所有年轻的恒星中都含有丰富的且同样丰度的氦元素。对此,现代宇宙学认为:这些氦是宇宙大爆炸的产物。如果跳出大爆炸宇宙学的思路,所谓的年轻恒星,只是天体生生死死无穷次反复演变的一瞬间,而氦是由星体内氢的核燃烧产生的,氦的丰度是天体无穷次反复演变的结果。处于相同演变阶段的天体有同样的氦丰度是很自然的。
任何天体都在不停地辐射、反射、折射、吸收着电磁波。在太空中,这些电磁波经历了无限长时期的捣腾,形成了宇宙背景辐射,这好比大洋中“无风三尺浪”一样,完全可以理解。宇宙背景辐射可看成是太空中的宏观的真空起伏,本来如此,现在如此,以后也会如此。把它当作“大爆炸”的余尘,倒象是种神话。
关于光谱线的红移,有多普勒红移、引力红移、光子的能量衰减红移等等。其中,由于光速的巨大,光子的能量衰减红移在宏观世界不会有明显的表现,但在宇观世界就会显示出来了。实际上,宇宙背景辐射的存在,表示光在太空中的传播将会受到那么一点点粘滞力,于是,光在星系间的远距离、长时间的传播中,会消耗能量。如果认为宇宙不在膨胀,那么,光线的多普勒效应所产生的河外星系的红移和蓝移应该是均等的,河外星系的普遍性红移就不是多普勒红移,而主要是光子的能量衰减红移。
把河外星系的普遍性红移当作多普勒红移,是现代宇宙学的一大要害。它是确定宇宙在膨胀,而且是在加速膨胀的一个基本依据。消除了这个要害,所谓的宇宙膨胀、暗能量,乃至整个大爆炸宇宙学就无立足之地了。
使现代宇宙学盛行的还有一个因素是对理论的一种形式化的评判标准,认为只要前提简单,可以计算的就是好理论。现代宇宙学用一个引力场方程来描述整个宇宙,多么简单!调节宇宙学常数、哈勃常数等等参数,能够对宇宙现象作出合乎逻辑的解释,又是多么的漂亮!然而,逻辑只是思维的规律,凡是客观存在的,都是符合逻辑的,但合乎逻辑的不一定是客观存在的。因此,物理内涵的可靠性比形式上的简单性和逻辑性更关键。
实际上,已经有越来越多的科学家意识到了现代宇宙学的荒诞性。比如,2004年5月22日,英国的《新科学家》杂志发表了34位科学家和工程师签名的《致科学界的公开信》。(上网后,又很快获得了185位科学家的网络签名),对大爆炸理论进行了口诛笔伐。他们尖锐地指出:“更重要的是,大爆炸理论从来没有任何量化的预言得到过实际观察的验证。该理论捍卫者们所宣称的成功,统统归功于它擅长在事后迎合实际观察的结果:它不断地在增补可调整的参数,就象托勒玫的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样。”[3]据今年4月7日的《参考消息》报道,最近,二位印度和美国科学家公开对大爆炸理论提出了质疑,作者说:“事实上,断定大爆炸从没发生过的日子也许到了,未来的宇宙学家回顾历史,将只会惊诧于为什么每个人都曾对一种如此众多自相矛盾的证据所否定的虚构事件笃信不疑。”其实,否定大爆炸理论的,不但国外有,在国内也大有人在,只是主流媒体不愿或不敢发表而已。种种迹象表明,目前宇宙学中的三大要素:暴胀、暗物质和暗能量,好比现代的本轮、均轮,是宇宙学家们为自圆其说而虚构出来的东西。
探索暗物质、暗能量和宇宙的起源,要消耗大量科技精英的智慧,更要花费巨大的物力、财力。然而,在一些人的狂热推动下,这已经成为当今科学界的一大热点。耗资巨大的欧洲大型强子对撞机(LHC)投入不到二年,还不见有什么成果,却又有人提出了建造国际直线对撞机(ILC)的计划,需资85亿英镑[4](可以预料,中途还得追加),但愿无人去做怨大头!
宇宙是无限的,它的每一个局部都在运动着,演化着,但宇宙不会整体创生或毁灭。如果说,宇宙学是有关局部宇宙演化的学问,这有一定的合理性;如果认为,宇宙学应该描述宇宙整体的演化,那么,它的大前提错了!

参考文献
[1]、H.C. 瓦尼安,R鲁菲尼,引力与时空,北京,科学出版社,2006,P150-151。
[2]、爱因斯坦,相对论的意义,北京,科学出版社,1961,P84-85。
[3]、全志钢,大爆炸或许从未发生过,新发现,2006年6月,P40。
[4]、科学家憧憬新一代粒子对撞机,参考消息,2010.7.28


美籍物理学家张操教授谈“大统一理论”

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张操教授谈“大统一理论”

在张操教授的著作《物理时空理论探讨》里,张操教授在第一章第八节“现今物理学发展方向”中有关大统一理论的论述摘录:

主流物理学家们为了追求物理学的大统一理论,把能量标度越升越高,加速器越造越大,科研经费越来越多,理论越来越玄。能量标度最高的极限,主流物理学家们认为是在宇宙大爆炸的初期,四种力(弱,电,强,引力)能够实现统一。这也是大爆炸宇宙学受到追捧的一个原因。

事实上,物理学研究的对象是人们经历和观察到的现实世界。人们所知道的四种作用力(弱,电,强,引力)的性质是十分不同的。作者认为,人们为什么不可以反过来问:我们人类能够把世界上千变万化的现象归结到四种基本作用力已经很聪明了,物理学为什么一定要把四种作用力硬性统一呢?让我们“道法自然”,承认它们各自的独立性,有各自不同的适用范围,不是很好吗?

在科学史上,在19世纪的后期,麦克斯韦等物理学家把电和磁,电磁波和光成功地统一起来,这是非常自然的优美的统一,不是硬性统一。以后,物理学家追求大统一理论(弱,电,强力三者的统一),这种愿望是可以理解的。可是,不能一厢情愿,为了统一而“拉郎配”式的硬性统一。在现今的标准模型中,弱电统一模型其实已经非常勉强,加入了很多人为的假设和参数。例如,弱作用力是在原子核内起作用的短程力,而电磁作用力是长程力。为了得到弱和电的统一,物理学家大胆假定有W粒子作为中间粒子,它的质量要比作为母体的核子大100多倍。

其实,人类对于弱相互作用了解得很少,主要是原子核的β衰变现象。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子,一个质子和一个反中微子。凡是涉及中微子的反应都是弱相互作用过程。弱相互作用仅在原子核内起作用,力程非常短(大约在10^-18m范围内)。

虽然物理学家成功地在高能加速器实验中找到了他们假定的W粒子,名利双收,可是作者依然迷惑:核物理中的β衰变明明是低能实验,为什么需要用高能的W粒子作为中间粒子?这好比是,母亲在生产一个婴儿的过程中,“准婴儿”的体重曾经达到母亲体重的100倍?

按照作者的理解,在β衰变过程中,一个中子生成一个质子及一个不稳定的中间粒子,这个观点作者是同意的。中间粒子的质量应该大约是中子和质子的质量差,即几个MeV:它的存在时间非常短,立即衰变成为一个电子和一个反中微子,所以在实验上很难检测到。当然,这是一个直观的朴素想法,它是否合理,还需要作理论计算并与实验比较来检验。

由于弱和电的统一模型的“成功”,主流物理学家们更加热衷于在超高能标的四种作用力的统一。于是,出现了10维以上空间的超对称和超弦理论,量子引力论,宇宙大爆炸初期的暴涨模型等等。这些玄而又玄的理论,本来仅仅是少数理论物理学家的假说或模型,可是经过著名物理学家霍金等人的科普,加上媒体的宣传,产生了强有力的“蝴蝶效应”,不仅是普罗大众,连达官贵人也容易相信。


科学上会不会有万能的最终理论?

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王令隽 2013年 2 月

人们常说,学无止境。一个人的生命有限,不可能精通百科。人类的历史也有限,因此人类也不可能在有限的历史中了解大自然的全部秘密,这应该是科学常 识。可是在上世纪末,有些学术地位高得吓人的理论家们,居然宣称马上就会找到“万能理论” 或曰“最终理论”(Theory of Everything),从此科学就不必再苦苦探索物理理论,而只需要应用这万能的最终理论做一些具体的计算了。如今,他们宣称找到“万能理论”的期限早 已过了,最终的“万能理论”还是没有找到。可是他们一点也没有因此感到不好意思,而是继续宣传“最终的万能理论” 的前景。学界有些同仁也相与唱和。许多人对此将信将疑,亦可亦否。有的朋友希望我谈点看法。此前我的物理科学方面的文章一直偏重相对论和宇宙学的讨论,对 于20世纪物理学的另一个主要支柱 — 量子理论 — 却没有过较为系统的讨论。所以想通过对“最終万能理论”的讨论,对20世纪的量子理论做一个粗线条的小结和评估。目的还是抛砖引玉,以就教于学界同仁。
一。世界上有没有最终理论?
世界上有没有“万能理论”或“最终理论”? 有。所有的神学理论和星象学理论都是“万能理论”和“最终理论”。
神学理论的万能是众所周知的。如果您服膺某一宗教信仰,您就会把这一宗教信仰的正统教义当作放之四海而皆准的万能的真理。世界上没有任何事情是可以 离开正统教义的。神学理论之为“最终理论”也是显而易见的。任何企图“改进”,“修正”或“发展”正统教义的行为都会被视为异端邪说。
星象学一般地都自以为是“万能理论”。中国星象学的基本框架是阴阳五行学说和太极八卦理论。太极生两仪,两仪生四象,四象生八卦,卦卦相生,以至无 穷。其应用包罗政治,军事,经济,衣食住行,婚嫁丧娶,农林牧渔,巫医百工,等等等等,无所不包,无所不能。袁世凯用它预测洪宪帝制的命运,刘湘用它预测 军事行动的成败。
与神学和星象学相反,科学上从来没有,以后也不会有“万能理论”或“最终理论”。如果最终的万能理论找到了,科学就停止发展了,科学也就死亡了。
可是奇怪得很,自上世纪末,一些国际知名的理论家们居然开始宣称20年内就可以找到“万能理论”。这样的“万能理论”到底是一个什么样的东西呢? 是一些超弦理论家们发展出来的所谓M-理论。
弦论的产生有两个基本动机:其一,基本粒子理论的无穷大发散问题始终得不到解决,即使重整化也不能解决所有的发散问题。引力场就没有办法重整化。理 论物理看来已经走入了死胡同。于是一些大胆的理论家就提出革命性的假设—高维时空,以图走出困境。其二,把已知的所有物理定律统一起来成了整个物理学界的 共同追求的目标。增加数学空间的维数以统一不同的理论是一个历史上已知的方法。数学空间增加了,不同的理论就可以看成是一个统一理论在某一特定子空间的特 例。因此,高维空间的假定虽然匪夷所思,可是如果能解决或者避开无穷大发散问题,又能得到一个万能的最终理论,其目标就具有一些合理性。
超弦理论由格林和施瓦兹于上世纪八十年代提出。这一理论需要十维空间,其中六维“额外维度”卷曲成尺寸在普朗克长度(10的负43次方米)的线段。 超弦理论的问题是,它给不出任何一个可以为实验检验的物理量。同时,这种理论并不是唯一的。至少有五种不同的超弦理论相互竞争。但是我们知道,物理规律必 须唯一,不能亦此亦彼,亦黑亦白,模棱两可,或模棱五可。1995年,惠滕(Whitten)引进了第十一维空间,于是“超弦”的线段就变成了“超膜” (Membrane)。惠滕猜想这五种不同的十维超弦理论有可能是同一个十一维“超膜理论”的不同表现形式。这种“Membrane Theory”简称为“M-Theory”,其具体结构尚不清楚,所以只是一种猜想,对五种不同的超弦理论至少是一个安慰。就是这么一种精神安慰,被许诺 为“20年后就可以结束基础理论研究的“最终理论”的候选者。
对于超弦理论,理论物理界的反应是不一致的。所以这样的“最终理论”“万能理论”并没有被接受为“标准模型”的一部分。“标准模型”的奠基者之一格 拉肖就极力反对,斥其为“神学”。他说:“超弦理论将演变出一些只有在未来的神学院里的神学家们导演的活动。自黑暗的中世纪以来,我们第一次看到崇高的科 学研究最终的结局竟然是再次以信仰取代科学。” 格拉肖的这些话,应该可以告诉人们,现在一些理论家标榜的“万能理论”和“最终理论”,不过是以数学和物理字眼进行了现代化包装的古典神学和星象学。“万 能理论”和“最终理论”任何时候都是神学概念,宗教概念,不是科学概念。
姜子牙和诸葛亮自以为博古通今,其实他们的科学知识还赶不上一个现代的理工科学生。哥白尼,伽利略和牛顿都是最伟大的科学家,可是他们并不懂电磁场 理论。现在有些理论物理学家们以为马上可以找到科学的“最终理论”了。若干年后,我们的子孙会像我们看古人一样笑看现在的我们。会笑话二十世纪“万能理 论”“最终理论”鼓吹者的无知与浅薄。后之视今,亦犹今之视昔。人类科学实验与理论分析的局限性与大自然运行规律的深度和广度的无限性决定了科学发展不可 能有止境,科学不可能有“最终理论”或“万能理论”。
有的朋友可能会说,既然科学总是在向前发展,而且看起来发展越来越快,难道不会总有一天把世界上的自然规律都发现殆尽吗?持这种疑问的朋友不太了解大自然规律的深隧奥秘。也不了解科学研究在实验手段和理论方面的局限性。让我们先看看实验手段的局限性。
二。科学实验手段的局限性
我们的科学设备局限于当代的工业与技术水平。在宏观测量方面,每一次新的望远镜的发明都带来天文学上新的发现和对宇宙更深的认识。即是说,我们的实 验天体物理知识基本上局限于天文望远镜及其辅助设备(频谱仪及电脑等)的观察和分析能力。在微观测量方面,我们局限于电子显微镜,频谱仪,加速器和探测器 等的测量与分析能力。我们的电子显微镜目前的极限分辨率约一个纳米。频谱仪只能用来分析原子分子过程。要探测比核子尺寸还小的空间中发生的物理现象,唯一 的设备就是加速器。这也是我们对微观世界认识的实验手段的局限。欧洲核子研究中心的大强子对撞机(LHC)的设计能量为14 TeV。这大概是目前欧美经济能够咬紧牙关勉强承受的极限。要达到大统一理论(grand unification theory)所要求的能量,加速器的半径要和银河系一样大。这当然是绝对做不到的。所以现在的所谓大统一理论是一个无法用实验检验的理论。无法用实验检 验的理论不是真正意义上的科学理论。
但是加速器的局限性远远不是能量限度和财政限度问题,这里还存在着许多人尚未觉悟的根本问题,那就是:即使我们的财政容许我们建造一个像银河系一样大的加速器,它也不一定能给我们揭示微观世界的全部秘密。
为什么呢?我们可以打个比方。如果一个地质学家检到一块石头,他想了解这块石头到底是由什么东西组成的。他的第一个办法就是碰撞实验 — 用锤子将石头敲开,看看里面有什么更“基本”的粒子。如果他发现里面有贝壳和古生物的化石,他就可以断定这是一块水成岩,大约生成于什么纪元,等等。但是 这种碰撞手段不可能揭示其化学成分,更不可能了解其原子和核结构。这种碰撞手段对分析火成岩的组成根本无能为力,对火成岩的了解要靠化学分析而不能靠碰撞 手段。
有的朋友可能会说,碰撞手段之所以对分析火成岩的组成无能为力,是因为锤子的能量不够大。如果我们用高速粒子去碰撞火成岩,就可以通过质谱分析得到 火成岩的组成成分。这话是以偏概全。象植物的化石化过程,动物尸体的石油化过程,元素周期律以及新陈代谢等过程及其规律是不可能通过碰撞过程来探究的。
如果我们用高能量的粒子轰击置于真空中的火成岩,再将击出的粒子进行质谱分析,原理上可以得出火成岩中的原子成分,但是要从这种碰撞数据中了解其化 学组成,晶体结构和分子之间的相互作用力,是不太可能的事情。为什么呢?因为碰撞过程把化学键和晶体结构都破坏了。比如说,将石墨和金刚钻石作为靶子分别 至于真空中,然后用高能粒子轰击,将击出的粒子进行质谱分析,看到的都是碳离子。如果轰击粒子的能量够大,甚至可以看到质子,中子,电子和介子,就是看不 到石墨和金刚石的晶体结构。可见碰撞实验对探测相互作用力的局限性。
我们有理由相信,核物理过程比化学过程更加复杂深奥。我们甚至还不清楚核子之间的相互作用力的具体形式。我们对核力的定性了解还没有超越汤川秀澍模 型。核子之间的相互作用,也不一定会是汤川势那么简单。如果一个原子核中有多个核子,应该会有某种类似于晶体结构甚至更复杂的东西,否则就无法解释为什么 氦核超乎寻常的稳定性和同位素的不稳定性。对微观世界的相互作用的探测,决不仅仅是“某某粒子由某某粒子组成”这样简单朴素的原始问题。指望仅凭碰撞手段 就能了解核物理甚至比之更小的微观世界,应该是一种奢望。我不是说碰撞实验毫无用处,只是说这种实验有非常大的局限性,尤其是在探测相互作用力中的局限 性,而且并不是能量越大越有效。关于这点,我们稍后讨论理论局限性的时候还要详细分析。
我们现在已经知道的世界上相互作用力有万有引力,电磁相互作用力和核力。(近代物理学把核力分为强相互作用力和弱相互作用力。这种划分可能是錯 的。)我们不妨回顾一下万有引力,电磁力是如何发现的。万有引力是基于开普勒行星轨道三定律以及牛顿的力学三定律而发现的。我们对行星运动的观测非常精 确,行星轨道的几何性质(如椭圆轨道的长短轴,近日点的移动,轨道平面与黄道平面的交角等等)和動力學性质(如行星的线速度和角速度,运动周期等)知道的 非常清楚。由此开普勒才可以总结出三定律,由此牛顿才可以根据开普勒定律发现万有引力定律。在开普勒以前,人们对行星轨道的了解不太清楚,是不可能发现万 有引力的。对电磁力的了解则是基于对静电相互作用,电荷在磁场中的运动,以及电磁感应的直接测量而得出的库仑定律,洛仑兹力,毕奥-萨伐定律,法拉第电磁 感应定律,从而总结出一套完备的麦克斯韦方程组。万有引力和电磁力都不是靠碰撞实验发现的。今天,我们对万有引力和电磁力的了解已经相当透彻。即使以我们 今天对这两种作用力的透彻了解来试图设计一个碰撞实验以得到万有引力定律或电磁场方程组,都不是一件容易的事情。朋友们如果不信,不妨试试。
我们对大自然奥秘的探索,有些类似于军事家对敌情的侦察。根据所获情报的深度和可靠性,军事侦察大致可以分为三种:1)火力侦察;2)派遣侦察别动 队深入敌后的直接侦察;3)潜伏于敌指挥机关的战略情报侦察。火力侦察最简单,也最不可靠。对着敌人的阵地打一梭子,或一阵佯攻,看看从敌阵里打出什么东 西。再根据这些碰撞出来的弹药分布判断敌人的火力配备。这也是猪八戒最喜欢的侦察手段。遇到无底洞或者通天河,便朝洞里或河里扔石头,看看除了飞蛾蝙蝠以 外,还有什么妖魔鬼怪会被打将出来。这种碰撞实验能够打出的信息是非常有限的。除了洞和河的深度以外,不太可能得到妖怪和洞府的真正信息。孙悟空不太喜欢 这种火力侦察,而喜欢深入敌后的直接侦察,变一个虫子钻到妖怪洞府去探个究竟,了解妖怪的本事和法宝。即使这样,他也往往不知道妖怪和他的宝物的来历和神 通,所以不得不求助于佛祖如来和观音菩萨。如果你不是佛祖如来,又想知道敌人的全部战略,唯一的依靠是埋藏在敌人作战部的战略特务,也就是第三种侦察手 段。我们以碰撞实验对微观世界的探索,不过是一种火力侦察而已。那为什么不用别的更深入更有效的办法呢?因为我们实在没有更深入有效的办法。这是我们在对 微观世界的探索中实验手段的致命的局限性。
至于对宏观宇宙的探索的实验手段的局限性,因为非常直观而明显,我在其他文章中也有过相当的讨论,恕不赘述。我只想简短地说一句:将我们现在的望远 镜的探测距离作为宇宙的限度,是一个在不久的将来就会被证明是错误的非常不牢靠的假设,因为将望远镜的观测距离增加一个数量级是一个不太难的技术问题。
科学会不会克服这种局限性而最终使我们对微观世界和宏观宇宙有更深入的了解?肯定会的。至于子孙后代会发明什么样的设备,我们现在可能连想都想不 到。古埃及的托勒密和汉朝的张衡能想到伽利略的望远镜吗?伽利略能想到现代的射电望远镜,电子显微镜和频谱仪吗?绝对想不到。同样,我们也想不到我们的后 人会发明出什么样的先进仪器。这就是为什么科学没有止境。这个道理对物理理论也成立。托勒密,张衡,祖冲之,欧几里得不可能知道后人会发现万有引力定律和 电磁场方程组。同样,我们也不可能知道后人对大自然的了解会比我们深刻多少,全面多少。托勒密,张衡,祖冲之,欧几里得等人都是伟大的科学家,他们的智商 决不在你我之下。但是如果他们千百年前以为自己找到了最终理论或万能理论,那他们的见识就和星象学家差不多了。
三。基本粒子理论的实验检验的间接性
除了实验设备的局限性,基本粒子理论的发展还有一个致命的局限性,那就是所有碰撞实验的检验都是间接的。我在“小儿辩日辨”一文中举了一个质子寿命测量的例子,说明这类实验的多重间接性。这里我想再举一个中微子测量的例子。
最早提出中微子测量的是中国科学家王淦昌。他于1942年提出可以用beta俘获来探测中微子。但是,获得诺贝尔奖的工作是1956年由科文和莱茵 斯等人的方法。其检测机制是:1)核反应堆里的beta衰变会产生中微子和反中微子(泡利的假设);2)一部分反中微子应该会被质子俘获而变成中子和正电 子;3)正电子会碰到电子而湮灭,产生一对伽玛光子;4)中子会被镉核子俘获而产生光子 (比正负电子对湮灭约晚几个微妙)。这样,这一理论机制应该意味着同时有三个光子的产生。所以,实验物理学家就用一种“符合电路”检测三个光子同时出现的 事件。只要同时检测到了三个光子,就认为檢测到了反中微子。但是其中的每一步理论预言的反应是无法单独检测的。这就是此类“探测”实验的间接性。这几步反 应是不是无懈可击的?不一定。比如第一步中微子假定就不见得毫无疑问。因为beta衰变的连续能谱可能是因为电子从辐射源溢出时与辐射源相互作用造成的。 对其他几步反应,人们也可以提出各种疑点。
在中微子探测的历史上还有一桩公案,叫做“太阳中微子问题”:实验探测到的从太阳来的中微子数量还不到“标准太阳理论”预言的一半。这问题从 1960年代开始一直拖了几十年没有得到解决。直到1985年米开叶夫,斯米尔诺夫和沃尔芬斯坦提出了一种对标准模型来说是革命性假定,叫做“味道振荡 (flavor oscillation)”或“中微子振荡”(neutrino oscillation)机制,并因这三人的名字而被称为MSW效应。根据“标准模型”,电子,miu介子和tao介子都有属于自己的三种中微子,叫做三 种“味道”。每一种中微子又有自己的反中微子。不同味道的中微子是不能互相转变的,否则怎么可以叫做“基本粒子”呢?可是根据“味道振动”的革命性假设, 不同种类的中微子会变来变去,像孙悟空一会儿变为猪八戒,然后又变回成孙猴子。如此在猴子与猪之间无休止地变换,叫做“味道振荡”。根据这一机制的解释, 从太阳辐射到地球的电中微子中有一部分变成了其他味道的中微子,所以就没有被检测到。于是,“太阳中微子问题”总算有了一个“说法”,理论上算是“解决” 了。1998 年以后,几个实验组宣告证实了中微子的“味道振荡”。在这种“中微子振荡”中,猪与猴子的相对比重是连续可变的,可以用普通三角函数来表达。
还有其他的探测中微子的方法,就是在很深的山洞里放置大量的含氯液体。中微子会将氯37变成氩37。氩37可以用氦气从含氯液体中分离出来,并会俘 获电子而产生放射性,因而可以根据放射性来计算氩37的产量,从而推算中微子的多少。另一种类似的中微子探测器用镓-锗-镓的转换过程进行测量。也可以用 大量的水(比如说50000吨)作为探测物质,利用闪烁计数器记录穿过水箱的中微子产生的切令科夫辐射。这一类探测器的共同问题是如何排除由于宇宙射线产 生的本底信号。这类探测也都是非常间接的探测。
作为强相互作用理论基本框架的夸克模型中有一个机制,叫作夸克禁闭。所谓夸克禁闭,就是在大距离上,单独的自由的夸克是不存在的,是永久性地被禁闭 的。传递强相互作用的胶子也是永久禁闭的,所以夸克和胶子的直接测量是理论上被禁止的。所有关于“某某夸克已经被探测到了”的报道都是间接的探测。世界上 根本就没有夸克探测器。像此类间接实验,在粒子物理中越来越多,越来越间接,越来越难重复,这是实验高能物理研究的一个软肋。
除了上面所述实验的间接性,还有一个理论上内在的间接性,为了说明这种本质上的猜想性质,让我们先简单地谈谈粒子理论的基本制作程序,以及理论与实验的比较检验过程。
根据标准的量子理论,要了解一个物理系统,首先必须假定相互作用的哈密尔顿函数形式,然后以这个相互作用哈密尔顿函数代入薛定谔方程解出波函数(如 果没有办法得到精确解,就用微扰近似方法)。有了哈密尔顿函数和波函数,就可以计算相互作用矩阵元。矩阵元对应于实验测量到的碰撞过程的散射截面。矩阵元 实际上是一个定积分。积分函数包含相互作用哈密尔顿函数与波函数(几率密度)的乘积。将这个乘积对体积积分,就得到相互作用矩阵元。很显然,如果哈密尔顿 函数不一样,积分结果也不一样,因而理论预言的散射截面也就不一样。如果哈密尔顿函数假定错了,波函数也会不对,算出来的散射截面也就和实验结果不对。乍 听起来,这不正是对理论的实验检验吗?可是,这种检验的猜想性质正在于此。为什么呢?因为如果理论与实验不符合,我们固然可以知道相互作用哈密尔顿函数假 定错了;但是如果理论预言的散射截面与实验相符,却不一定能保证假定的相互作用哈密尔顿函数是对的。因为散射截面是一个对全空间的定积分值。定积分的数值 并不能确定积分函数的具体形式。我们以体积的计算作为例子來说明这个道理。如果一个物体的形状尺寸已经给定,我们可以算出它的体积,答案是唯一的。可是如 果给定物体体积,能算出这个物体的形状吗?不能。一立方米的石头,既可以是一块方石板,也可以是一个大圆球,还可以是一尊维纳斯女神的雕像。所以,一个积 分数值是不能决定积分函数的具体形式的。这是数学常识。同样道理,散射截面也不可能决定相互作用哈密尔顿函数的具体形式。
有的朋友会说,如果只有一个散射截面数值,当然不能决定相互作用的具体形式。可是如果有各种不同的粒子碰撞的微分散射截面的数据,难道还不足以猜出相互作用的具体形式吗?
如果我们把一个相互作用哈密尔顿函数运用到不同的粒子碰撞过程,都能得到与实验相符的结果,那我们确实有理由相信我们猜想的相互作用有些靠谱。可是 事实并非如此理想。我们猜想出来的相互作用哈密尔顿函数往往只适用于某一类碰撞过程,而不适用于所有的碰撞过程。为了对这种适用性进行限制,理论家们提出 了各种量子数以及这些量子数的守恒定律,根据这些守恒定律制定一系列的选择定则来剔除那些与这一哈密尔顿函数不相符合的碰撞过程,或者说,将粒子碰撞过程 进行分类。定义“轻子数”和“重子数”就是为了将核反应大致分为“弱相互作用”和“强相互作用”两大类。若还不够,就定义一个“奇异量子数”等等。即使如 此,还是不能保证理论在小范围里一定行得通。如果弱相互作用过程中有强子参加就不行。如果是纯弱相互作用而没有电磁相互作用的参加也不行。另外,用微绕理 论对散射截面做级数展开时到底保留哪些项(选取哪些费曼图)也带有很大的任意性。请不要忘了“重整化”,这是从无穷大发散的结果中减去一个无穷大以得到一 个和实验符合的结果的操作,其任意性不言而喻。整个计算过程中还有其他方面的任意性,因为讨论起来会过于冗长,兹不赘述。至于强相互作用,不但任意性更多 (必须加入夸克假定模型),而且与实验比较的成绩远远不如弱电统一模型,反而产生了一些与实验明显相悖的结果,比如质子的衰变和夸克禁闭等等。
所以,我们用碰撞过程散射截面的计算作为对粒子物理理论的检验,实验上和理论上都是非常间接的,是一种根据定积分的数值猜想积分函数形式的过程。
朋友们可能会说,在我们的科研和工程实践中,能够直接测量的物理量实在太少了。许多测量都是间接的。比如说,我们可以用超声波或者光波的反射信号测量距离。这不也是间接测量吗?
确实是的。不过这种间接测量是可以用米尺的直接测量来验证的。经过在实验室,靶场和建筑工地的直接测量的检验之后,我们才有信心用激光和声纳来测量 月球和潜水艇的距离。碳14测时间也一样。我们可以用碳14 丰度的测量推算长沙马王堆死尸死亡的年代,再和发掘出来的其他文字记载和历史文献上的纪录(直接测量结果)对比,如果符合了,反复验证了,才可以用作一种 可靠的测量方法。经典间接测量所依据的理论的每一部都应该是可以用其他的独立实验验证的,容不得半点神秘主义。可是实验粒子物理的测量是没有直接测量可供 比较的间接性。从中微子假定到真正被测量的三个伽玛光子之间有好几步中间假定。这些中间步骤没有办法直接验证,只有到最后进行一揽子检验。如果结果是肯定 的,就被认为所有步骤的假定都是对的。如果结果是否定的,就加入新的假定(比如中微子振荡假定),直到得到与实验符合的结果为止。其实,重整化假定也是这 么一种操作。这是粒子物理实验的间接性与宏观的经典测量的间接性的根本区别。
我们尽可不必把霍金们哗众取宠的大话太当回事,也不必理会超弦理论家们神话般美丽的许诺。不过,我们能否在现有的“标准模型”框架之内寻求某种狭义 的“大统一理论”(Grand Unification Theory简称GUT)?如果我们能把电磁力,弱相互作用力和强相互作用力都统一起来,不也是一桩很大的功德吗?
果能做到,确实是很大的功德。我又何尚不希望能够找到一个统一而自洽的微观理论?不幸的是,这种希望实在过于渺茫。人们之所以会有这种美好的愿望, 是因为还不太了解粒子物理的现状,被媒体制造的歌舞升平景象和大好形势鼓舞得飘飘然,以为前面真有梅林,胜利在望了。所以必须对量子理论的现状作一个客观 的介绍,以正视听。
另一方面,理论物理之所以会滋生出超对称理论和超弦理论这样的数学化的星象学和神学,是因为此前的量子场论为这种演变准备了理论基础,哲学基础,逻 辑基础 以及理论队伍。所谓冰冻三尺非一日之寒。可以说,从物理学界接受狄拉克等人的相对论量子力学和重整化开始,差不多就决定了理论物理今天的命运。如果不从整 个哲学逻辑体系,方法论和理论大前提上理清头绪,理论物理不可能走出迷津。
让我们从量子理论发展的几个重要阶段(量子电动力学,弱电统一理论标准模型,量子色动力学)来考察一下粒子物理的现状。
四。量子电动力学与重整化问题
粒子物理中被人们认为相对可靠的部分是量子电动力学。可是量子电动力学有一个致命的隐患:重整化。重整化是一个蛮不讲理的解决无穷大发散的方法。建 立量子电动力学碰到的第一个困难,就是按照量子电动力学计算基态扰动得出来的电子的质量和电荷为无穷大。按常理,这应该说明理论根本就是错的。可是,理论 得出的无穷大发散结果并没有使理论家们停下来反思相对论量子力学的基本假定是否有问题。他们的态度是不要倒退,继续革命,有困难,追加新的假设就是了。于 是许温格,费曼,朝永振一郎于1940年代提出一个办法:在拉格朗日函数中加入一项,或者改变不同项的系数,重新计算。这一添加项和系数的改变要选择得正 好抵消那个讨厌的无穷大。结果当然就收敛了,且与实验符合得很好,符合到十一位有效数字(实际并没有11位)。理论家们宣称,只有这一有限的差值才是可以 测量的结果,而按照经典量子力学理论得到的无穷大是不可测量的。这种数学操作叫做“重整化”。这种数学手段虽然毫无道理。可是因为重整化了的结果與实验符 合得很好,所以粒子物理学界接受了,并把它当作粒子物理理论的又一个行规。重整化工作得了诺贝尔奖。重整化理论成了量子场论的标准操作程序,用到了弱相互 作用和强相互作用的研究。
將一個按照量子力學的標準程序演繹出來的無窮大減去另一個憑空捏造出來的無窮大,然後將所得的有限差值認定為物理上可以觀測到的東西,而按照经典量 子力學的標準程序演繹出來的無窮大則被取消資格,説是“物理上不可測量的”,这种辩说被一些理论物理学家认为是“将垃圾扫到地毯下面”的丑陋方法。既然物 理上不可測量,理论家们怎麽能知道他的存在,并且知道它存在的具体形式,將它寫進方程式呢?未经重整化的拉格朗日函数在經典電動力學裏面工作得好好的,不 需要任何重整化,這可以通過人們天天見證的電力系統,無綫電通信系統和無窮無盡的獨立實驗和工程實踐所證實。普天下的人們天天在测量呢,怎麽會無法測量 呢? 未经重整化的拉格朗日函数在薛定谔的量子力学里面也工作得蛮好的,不需要任何重整化,怎麽一到了量子場論裏就發散了呢?按理说,經典理論是量子理論的近 似。難道有窮大是無窮大的近似?经典量子力学与相对论量子力学的天壤之别(有限大与无限大的区别),不正是因为人们将相对论强拉进量子力学造成的吗?
人们之所以接受重整化这样蠻不講理的數學操作,是因为量子電動力學依靠重整化算出的某些结果和實驗符合得非常地好。對電子的反常磁矩的計算符合到八 位有效數字,對氫原子光譜藍姆移動的計算符合到七位有效數字。被這種輝煌的勝利沖得飄飄然的朋友忘記了一些不太方便的事實:達到這樣好的符合的只是非常有 限的幾個實驗數據,而不是放之四海而皆準的,也不是所有的系統都是可以重整化的。引力场就很难重整化。重整化问题,或无穷大发散问题,是一个粒子物理理论 至今尚未解决的根本问题。如果理论家们可以从无穷大发散的结果中随便减去一个无穷大来凑出“精确得令人不得不接受”的实验数据,那我们真的可以将实验数据 擬合成一头大象了。理论家们因为量子电动力学对反常磁矩和兰姆移动的计算而吞下了重整化这根无法消化的骨头,是埋下了一个理论定时炸弹。
五。弱电统一理论和“标准模型”
理论界普遍认为,由格拉肖(Sheldon Glashow), 萨拉姆(Abdus Salam)和温伯格(Steven Weinberg)提出的弱电统一“标准模型”是粒子物理理论的最高成就。他们三人因此得了诺贝尔奖。这是一个将电磁相互作用和弱相互作用统一在一个理论 中的模型。标准模型的建立需要做一系列的追加的关键假定。
第一个就是“弱同位旋”假定。理论家们首先假定一个中性玻色子的存在以保证理论的规范协变性。这一中性玻色子和带电的玻色子组成“弱同位旋”等于1 的三个本征态,称为“规范玻色子” W0,W+,和W-。第二個假定就是存在某种“中性电磁场”中的“弱同位旋单重态粒子”(B粒子)。第三個假定是:光子和Z粒子是由B粒子和中性的W0粒 子的线性组合。这些组合系数可以表示成某一角度的正弦和余弦函数。这个抽象的弱同位旋空间中的“角度”叫做“温伯格角”。
弱同位旋假定是由核同位旋假定推广而来的。核同位旋假定将质子和中子看成同一个粒子的不同状态。其理由是,核子的体积正比于核子的个数。这使人们猜 想核力与电荷无关。可是,仅仅因为核子的体积正比于核子的个数,就将质子和中子看成同一个粒子的不同状态,实在是太牵强附会了。这两个粒子的物理特性极不 相同。1)质子带电,中子不带电。带电的粒子如何能在某种抽象的同位旋空间中旋转一下就转掉了电荷?2)质子是稳定的粒子,而中子是极不稳定的粒子,半衰 期不过15分钟。难道一个比朝露还要短命的粒子在同位旋空间中一转,就万寿无疆了?实验测量到的质子的寿命至少不小于10的58次方,远远大于万岁万岁万 万岁,远远大于大爆炸宇宙的理论寿命。
所谓旋转,应该可以停在某一个任意角度,而不是只能停在零度或九十度。比如在弱同位旋中,温伯格角就是大约28度。那末,核同位旋的角度是不是也可 以是任意的一个角度?如果可以,是不是就对应于某个介于质子与中子之间的东西?这种粒子存在吗?就是这样的一个逻辑上经不起推敲的“同位旋”概念,居然被 理论家们当作当然的原理推广至弱相互作用和强相互作用理论中,以至于假定没有质量的光子是由有质量的B粒子和W0粒子的线性组合,将组合系数表示成“弱同 位旋”空间中的“温伯格角” 的正弦和余弦函数。在这里,部分小于全体的经典逻辑被违背了。光子的质量等于零,而W0粒子的质量是81 GeV,相当于质子质量的85倍。把一个质量等于零的基本粒子说成是两个有质量的玻色子的组合,有道理吗?难道两个有质量的粒子组成在一起总质量反而变成 零了?光子是世界上跑得最快的粒子,而B粒子和W0粒子的速度理论上远小于光速。他们一旦花好月圆组成一个光子以后,就永远以每秒钟三十万公里的速度比翼 双飞,这是不是过于浪漫了些?在这些根本问题没有澄清之前,津津乐道什么“温伯格角”的实验测量与标准模型符合得如何如何好,有蛮大的意义吗?
弱电统一理论的另一个重要假定是所有的中微子都是左旋的(自旋矢量与动量方向相反)。我们知道,中微子是从核子衰变而来的。如果中微子会旋转的话,按道理也应该是在空间的各个方向随机分布的。有什么理由断定,又有什么独立实验证明,中微子一定是左旋的呢?
为了和左旋的中微子配成二重态,需要继续假定参与弱相互作用的电子也是左旋的,并且假定电子质量为零,实际上就是丢掉方程式中带有质量的讨厌的那一 项。这还不够,还得加入进一步的假定,或曰“推广”,就是用一个四维矢量取代狄拉克旋量。所以迪拉克旋量在这里其实并没有起任何实质性的作用。其唯一作用 就是为将二阶薛定谔方程写成一阶方程的做法提供道义和法理支持。还有一个重要的假定或曰“推广”,就是将普通微分算子代之以协变微分算子,实际上是加入包 含矢量磁势的一项。“推广”听起来比“假定”自然,不像“假定”那么难听,那么生硬。“推广”给人一种“并没有增加假定”的错觉。对这一大堆假定的直接独 立验证是不可能的,所以要用“一揽子验收”。如果温伯格角的测量结果相近,就认为弱点统一模型中的所有假定都被“一揽子”地“证实”了,或者说得笼统些: “弱電统一模型被实验证实了。”
到此为止,这一理论中所有的轻子和规范玻色子都还没有质量。因为一旦承认他们有质量,就会破坏规范协变性。可是这些粒子明明是有质量的呀!怎么办? 追加新的假定就是了!这个新的假定叫做“自发对称破坏”机制。这一机制的基本操作是将波函数中的绝大部分抛掉,只选留一个分量。经过这样处理的波函数就失 去了对称性,但是因此就保全了哈密尔顿函数的对称性。“自发对称破坏”其实不是自发的,而是理论家们选择波函数的结果。“理论必须是对称的”和“自发对称 破坏”这两个哲学上矛盾的信条现在都成了粒子物理中的行规。
世界本质上是对称的吗?物理定律一定是对称的吗?弱相互作用中宇称不守恒和“自发对称破坏”的要求告诉我们,先验地假定物理定律或自然现象的对称性 没有太多道理。证诸经典物理,在所有的数学物理方程中,只有齐次的波动方程具有相对论协变性。其余的如泊松方程,勒让得方程,贝塞尔方程,薛定谔方程,热 传导方程,热力学的麦克斯韦方程组和波尔兹曼方程,都不具有相对论协变性或规范协变性。而这些方程式在物理理论中都具有基本的重要性。比如热传导方程便是 和热力学定律紧密联系的一个方程。波尔兹曼方程则是和黑体辐射紧密联系的方程。薛定谔方程不但是经典量子力学的基本方程,而且继续用于量子场论的标准模型 中。勒让得方程和贝塞尔方程在求解薛定谔方程中奠定了磁量子和角量子的基本机制。这些方程都没有四维时空的规范协变性,能说协变性或对称性一定是大自然的 普遍规律吗?
再看“自发对称破缺”的数学逻辑问题。波函数的“退化”,其实就是说一个完整的波函数是由许多或无穷多个函数的线性组合而得到。换成量子物理的语 言,叫作“一个物理的量子状态由许多本征态叠加而成”。如果抛掉其中一些构成状态,它就是完全不一样的物理状态了。比如说,一个方波脉冲可以傅里叶分解成 无数谐波的合成。如果你只保留其中一项,就成了简谐的正弦波,完全走样了。又比如行星围绕太阳的轨道是一个椭圆。椭圆轨道可以分解成沿着两条互相垂直的坐 标的简谐振动的线性叠加。但是如果你抛掉其中一项,行星的运动就变成了沿着一条直线的简谐振动,而且这条直线穿过太阳,所以行星会在太阳中间穿来穿去。这 是物理事实吗?“自发对称破缺”机制其实也有同样的数学逻辑问题,只不过一旦赋予了一个比较玄妙的名称,“自发对称破缺”,让圈外人听不懂,就显得很深 奥,很神圣,很“自发”,很“自然”。如果大自然只选择退化波函数中的一项,而其它的波函数是大自然不容许的,那为什么大自然要逼迫理论家先绕一个大弯, 把一些大自然不容许的成分和容许的成分一古脑儿算出来,再发动一场清理阶级队伍运动,把大自然不容许的波函数排斥掉?
在引入“自发对称破坏”的过程中,希格斯假定某种“希格斯场”的存在,与之相连的场粒子叫“希格斯玻色子”,又叫“上帝粒子”。挟上帝以令诸神,其正统性和真理性当然就不容置疑了。其实这个被希格斯假定出来的粒子和上帝毫无关系。不信可以去问教皇。
有了“上帝粒子”,“标准模型”就可以有质量了。所以有些理论家说,上帝粒子必须得找到,否则我们将不存在。问题并没有那么严重。如果上帝粒子不存在,我们还是会好好地存在。不会存在的,或存在不了太长时间的,应该是“标准模型”。
这么多的假定(其实远不止这些),朋友们可能都已经听累了,我也写累了。但是更累的是那些为了得到一个美丽的弱电相互作用而辛勤耕耘的理论家们。勤 奋是有报酬的。温伯格-萨拉姆理论预言了中间玻色子W+,W- 和Z0的存在和质量。谁都知道,如果这个预言一旦被实验证实,实验的领导者一定会得到诺贝尔奖。鲁比亚宣布找到了标准模型所要的中间玻色子,于是他赢得了 诺贝尔奖。另一方面,温伯格-萨拉姆理论虽然没有给出温伯格角的数值,只是把它当着一个有待测量的参数,各种不同的实验结果给出的数值倒是比较一致,温伯 格角的正弦的平方都在0.21至0.24 之间。这种成绩在粒子物理理论中是非常骄人的。于是,有些理论家说“温伯格-萨拉姆模型的所有预言都被证实了”。这话未免言过其实。
首先,实验证实需要可重复性。像中间玻色子的探测花了十几年的时间,耗资亿万,需要欧洲核子研究中心(CERN)这样的大型设备,也需要鲁比亚这样善于筹款的领导者。这样的探测不是很容易重复的。
其次,弱同位旋单重态粒子B 并没有被找到。希格斯粒子也没有被找到。前不久CERN传出消息说有找到希格斯玻色子的证据。这种证据目前还没有被确认。
另外,“实验证实”的间接性给理论蒙上阴影。Z粒子和W粒子的寿命约为10的负24次方秒。这么小的粒子是无法直接观测到的。你只能间接地测量这些 一瞬即逝的粒子的衰变产物。理论认为,以质子和反质子对撞,可以产生W+和Z0粒子。W+ 会衰变成一个正电子和中微子,或者mu正介子和中微子。Z0 粒子会衰变成正负电子对,或者正负mu介子对。所以如果你在正反质子的碰撞反应中探测到这些正负电子或正负mu介子,就被认为是W+ 和Z0 粒子曾经存在过10的负24次方秒的实验证据。这是高能物理探测间接性的有一个例子。
另外,如果弱点统一理论确实能将两种力统一起来,它就应该能够处理同一理论的特殊情况,即只有电磁相互作用或只有弱相互作用存在的情形。而且按道 理,只有一种相互作用的情形应该比两种相互作用同时存在的情形要简单的多。可是事实恰恰相反。温伯格-萨拉姆的弱电统一理论只能处理电磁相互作用和弱相互 作用同时存在的情形,而不能处理只有弱相互作用或只有电磁相互作用的情形。能说弱电统一理论“通过了所有的实验检验”吗?您说您的灵丹妙药能治百病,可是 只有我同时得了一百种病的综合症,这灵丹妙药才灵验;如果我只得了一种病,您的灵丹就不灵了,我还敢买您的灵丹吗?
六。强相互作用,夸克模型和量子色动力学
强相互作用理论基本上没有成熟。尤其是在低能量段(碰撞能量小于十亿电子伏),微扰理论不太管用。不像弱相互作用,可以根据衰变的强弱,用选择定则 只保留一项,而扔掉其他项。可是在低能量的强相互作用中,差不多所有的项都不能扔掉。每一项的耦合常数都不一样,而且互不相关。所以低能量的强相互作用非 常棘手。人们由此猜想核子本身可能有更复杂的结构。现在广为人知的一种提案就是夸克模型。
夸克模型假定所有的重子都由三个夸克组成,所有的介子都由一对夸克和反夸克组成。夸克带有1/3的电荷。夸克有六种不同的味道(上,下,顶,底, 魅,奇异),每一种味道又有红,绿,兰三种颜色。每种夸克都有反夸克与之对应。描述夸克如何组成核子,如何相互作用的理论叫做“量子色动力学”。读者们不 要对夸克的味道和颜色太过认真。他们和您所知道的味道和颜色毫无关系,只不过是对夸克分类的一种标签。比如说,您可以把六种“味道”叫做“酸甜苦辣咸麻” 或“阴阳湿热表里”,丝毫无损于夸克理论的伟大与光荣。
夸克们有一个特点,就是他们挨得很近的时候作用力很小,可是距离增大时作用力也增大,离得越远,作用力越强。这种机制叫做“夸克禁闭”。要将夸克 “解放”出来需要无穷大的能量。所以夸克在理论上是不可能被探测到的。现在所有关于某某夸克被探测到的报道都是间接“证据”。这是高能物理间接性的又一个 證明。量子色动力学是一个高度非线性的理论,所以对“夸克禁闭”的理论分析非常困难。
“大统一理论”(Grand Unified Theory, 简称GUT)是一种旨在将电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用统一起来的理论。根据这一理论,这三种相互作用仅仅在“低”能量(其实不低)的情况下才显 得不一样。在高能量下,它们是能够统一在一个理论之下(方程中只有一个耦合常数)。能量要多高呢?10 的26次方电子伏。要达到这样高的能量,需要和银河系一样大的加速器。即是说,大统一理论是一个根本无法用实验检验的理论。
在大统一理论中,夸克和轻子是对称的,可以互相转化。既然如此,质子也是会衰变的。大统一理论预言其半衰期约为10的30 到33 次方年。在大统一理论中,重子数,轻子数和mu介子数都不守恒,所以许多mu介子衰变的许可反应就多了。这些被大统一理论预言的mu介子衰变和质子衰变反 应的半衰期,都和实验结果不符。
七。量子场论是一座建立在一系列假定之上的大厦
至此,我想朋友们应该了解,不仅所谓的“最终的万能理论”是痴人说梦,就是想将三种基本相互作用力统一在一个“大统一理论”中都是非常渺茫的梦。基 本粒子物理理论本身之所以存在如此之多的问题,是因为它是建立在一系列革命性的假设之上的大厦。所谓“革命性”,就是说这些假设违背经典的科学理论和逻 辑,美其名曰“New Paradigm”。全部罗列量子理论所需要的所有假定是一件非常吃力的事情。但我们可以列举最重要的一些:1)物理量的算符化;2)能量的量子化;3) 波函数的几率解释;4)物理量的实验测量数值为算符的统计期望值的假定;5)量子力学和相对论的结合;6)二次量子化假定;7)重整化假定;8)费曼图的 物理解释;9)核同位旋假定;10)规范协变性假定;11)弱同位旋假定;12)自发对称破坏假定;13)夸克假定;14)强同位旋假定,等等。这些假定 都无法独立地进行验证,只能将一系列假定编织在一个理论中导出某些碰撞过程的散射截面和实验结果比较。然后一揽子验收。往往因为一个实验结果而接受几个革 命性的假定。如果成功,所有的假设都有功劳,吭泼郎当归罗包追,都获得了一次“实验证实”。如果不成功,就说不清问题出在哪一个假定。
经典科学要求每一个革命性的假定都必须能够被独立地重复检验。为什么呢?不妨举一个星象学的例子。中国的阴阳五行学假定:1)世界万物都由金木水火 土五种基本元素组成;2)这五种基本元素不但表现为世界万物的物质组成,也表现为方位,时令及人体五脏器官的组成等等等等;3)人之所以生病,是由于人体 的内脏五行不适,阴阳不和,所以治病的关键在调和阴阳五行。这几条假定都是无法单独地重复地检验的理论。古人根据这些假定加上湿热,表里,气血,经络等等 概念建立起了一整套中医理论,并用之于医疗实践。中医成功的案例不胜枚举。其成功率决不下于基本粒子碰撞理论的成功率。中医成功的案例可以作为阴阳五行学 说基本假定的间接证据,但能不能根据这些间接证据来判定阴阳五行基本假定的正确性呢?科学发展到今天,我想不太会有人相信世界万物的基本组成元素是金木水 火土,也不太有人会相信人体器官和金木水火土的必然联系。中医成功的例子成千成万,比粒子散射实验的成功例子不知多多少倍,尚且不足以支持阴阳五行理论的 基本假定,可见依靠一些有限的间接证据来一揽子地证明一系列假定是多么地不可靠。
又比如鬼魂的存在,是不能直接观测的,或者说,理论上是“鬼魂禁闭”的。但是鬼魂是可以间接探测的。如果您走夜路碰到鬼打墙,或者说经过乱葬岗子回 家后生病,或者您家的后门不知怎么自己吱呀吱呀地开了,或者晚上听到深巷里隐隐有哭声,或者楼板上不知什么时候掉下来一块破布,或者刚出门时听到死去的妈 妈从里屋呼叫,犹豫了一下,晚走了一步,而避免了一场车祸,都是鬼魂存在的间接“证据”。这种间接证据在神学和命相学里可能是天经地义的雄辩,但在科学里 面就只能当作是幻觉。
和20世纪的理论物理不一样,经典物理对于科学假定的要求是非常严格的。首先,它要求假定是建立在实验基础之上。比如牛顿的万有引力假定是建立在开 普勒三定律之上,麦克斯韦的电磁场理论则是建立在库仑定律,安培定律,毕奥萨法定律,法拉第电磁感应定律等实验定律之上。可是20世纪物理学的假定往往建 立在某种数学特性上,比如方程式的协变性,群论对称性,拓扑完整性等等。其次,经典物理任何假定不能导致悖论。可是20世纪物理学的物理学家们似乎不太在 乎悖论的存在。比如狭义相对论的钟佯谬,广义相对论的转动变换与光速不变原理相悖,粒子物理中对称性要求与自发对称破缺相悖等等,并没有丝毫动摇理论家们 的信仰和士气。其三,经典物理的假定不违背科学逻辑和基本事实。可是20世纪理论物理的许多假定完全违背科学逻辑和基本的物理事实。比如重整化假定认为两 个无穷大之差才是可以测量的,而无穷大的量本身反而无法探测;同位旋假定把没有质量的光子看成是由有质量的B粒子和W0粒子的线性组合,根本违背部分小于 全体的逻辑。其四,经典物理的假定不随便违背经过实验反复检验过的一些最基本的物理定理,比如能量守恒定律,质量守恒定律,物质不灭定律,因果律等等。 20世纪的理论物理则完全不顾及这些定律。其口号是:这是一场思想体系的革命(shift of paradigm)。
20世纪理论物理和经典物理的基本假定不仅在质上大不一样,在量上也大不一样。经典物理学家每提出一个新的假定都要经过大量科学实验和工程实践的反 复检验和论证以后,才可以当作进一步发展的基础和台阶,是非常慎重的事情。可是20世纪的理论家们在提出新的假定时的态度非常轻率。理论家们不太喜欢对以 前的假设进行反思,而是往往用追加新的假设来“解决”理论困难。这种一摊上事就提出新假定并宣称为革命性的新发现,新突破,新物理思想的传统已经形成了 20世纪理论物理的一种时尚和文化。沿着这种文化继续向前发展,走向超对称理论,超弦理论,滑向星象学和神学,就不是什么奇怪的事情了。量子场论和所谓的 “万能理论”,“最终理论”,都是建立在一大堆假定之上的海市蜃楼。
八。量子理论作为“基础科学”的总体评估
上面的评价,似乎带有一些主观性。你说重整化蛮不讲理,我说重整化成绩辉煌;你说同位旋没有道理,我说同位旋有创意;你说共振态不是粒子,我说共振态排成的八重态非常玄妙。好像这只是一个见仁见智的问题。
好在科学有最公正的裁判:现实世界。任何理论都要经得起现实的裁判。科学的目的就是要促进社会的文明进步。物理学的目的就是要为科学的其他领域提供 理论基础以促进科学技术的发展。理论物理既然以“基础科学”为己任,自然不能离开这一根本目的。理论物理不能仅仅是理论家们追求某种数学美或者方程式“大 统一”的数学游戏。
证诸经典的理论物理,经典力学和牛顿的引力理论对机械工业,建筑工业,天文学,空间科学提供了理论基础;热力学为工业革命提供了理论基础,经典电动 力学为电力工业,无线电通信,电子技术,电脑和网络技术提供了理论基础。可以说,没有经典理论物理,就没有现代化的工业。这也是物理学界和整个社会重视理 论物理研究,重视基础科学的原因。
作为基础科学的量子理论成绩如何?也必须由现实来评判。欲识庐山真面目,必须跳出此山中。是骡子是马,牵出来遛遛。不管理论物理界自己如何庆祝一个 接一个的理论突破,一个接一个的新发现,一个接一个的思想革命;一个接一个的新粒子,越来越高的维度,越来越深的数学,最终必须走出自己的俱乐部,告诉科 学界:作为基础科学,我们的理论对科学的其他分支的发展起了多大的基础作用?我们的理论对工业和国防的发展起了多大的促进作用?让我们对经典量子力学和量 子场论分别做一个粗略的评估。
薛定谔的经典量子力学的成绩是辉煌的。在原子物理方面,薛定谔方程导出了里德伯公式,对原子分子频谱的计算和本征半导体能级的计算,使得量子力学成 了这些领域的标准语言。因为有了原子分子频谱和能级的计算,经典量子力学对化学的发展也起到了很大作用。在这个意义上,经典量子力学确实表现了“基础科 学”的特征。
在固体物理方面,经典量子力学对本征半导体的计算非常成功,但是一旦参入杂质,就麻烦了。有人说没有量子力学就没有电子技术,就没有计算机革命和网 络技术,这是言过其实。半导体技术的进展,关键在晶体生长技术,PN 结的发现,二极管,三极管和其他半导体元件的发明,集成电路的开发与大规模生产。在这些技术的开发中,量子力学提供了一些理论支持,但是还没有到“没有量 子力学就没有电子工业”的程度。量子力学很多时候是在实验工作者有了结果之后进行一些理论总结的工作。根据量子力学计算的能级关系,或许可以对杂质元素和 浓度提供某些理论提示。这种理论指导的能力是有限的,不一定保证都能成功。凝聚态物理是实践性非常强的学科。比如要得到某种激光材料或高温超导材料,必须 在微量杂质的选择,浓度的精密控制,退火温度及退火时间的设计等等方面作不厌其烦的尝试,才有可能得到理想的产品。这些也往往是专利和技术机密。有了结果 以后,再用量子力学进行理论总结包装,在文献和学术会议上发表。如果可以根据量子力学理论指导得出产品,那凝聚态物理中的许多难题早就解决了。
和经典量子力学对其他科学的推动作用相比,以相对论量子力学为起点的量子场论对科学其他分支的影响基本为零。核物理是量子理论的娘家,可是我们对核 裂变,核聚变,和放射性同位素的了解,和二次大战时相比,没有太大的进步。在核物理中,还是三四十年代的液滴模型和壳层模型管些用。粒子物理理论可以日新 月异,核物理却依然故我。无论是核军工还是核能工业,没有,也不太可能指望从量子场论和粒子物理中得到什么帮助。在凝聚态物理方面,粒子物理也基本上没有 什么用处。粒子物理与科学的其他分支如化学和生物学根本绝缘。相对论量子力学以后的量子理论,基本上是理论家们试图理解亚原子状态的一种探索。这种理论本 身非常生涩,存在太多的假定和前提,有些结论或预言与实验的结果还有相当大的差异。量子场论基本上是一个与其它学科(最近的应该是核物理和凝聚态物理)没 有太大关系的自产自销的自我封闭的理论体系。粒子物理理论本身离一个完备的自恰的理论要求还相当远,遑论成为其他科学分支的“基础”。
正因为成绩不太好,所以一些“前沿科学家们”只好以未来的美好憧憬来搪塞现实的考绩。他们说:虽然理论物理现在不能为受控热核反应和凝聚态物理给出 具体的指导,可是理论物理是基础科学,不能对基础科学提出功利主义的要求。如果基础物理研究使我们找到了最终的万能理论,对科学将是多大的贡献啊!
为了进一步渲染“前沿科学”的重要性,霍金在《果壳中的宇宙》一书中说:“公开猜想时间旅行是需要耍诡计花招的。你将冒两种危险:或者被批判为将老 百姓的血汗钱浪费在如此荒唐的东西上, 或者被纳入为了军事目的的绝密研究项目。毕竟,面对拥有时间机器的敌人我们如何能够自卫呢?他们可是有可能改变历史统治世界的人啊!只有我们这些傻帽才会 从事这样一种在物理学上政治错误的研究。我们于是用技术术语将事实伪装起来。这些技术术语就是时间旅行的密码代号。” 你看,他的时间机器是一种无法防卫的绝密武器,谁拥有了他,谁就有可能“改变历史统治世界”!谁还敢不给他们研究经费?虽然现在看来他的时间机器还没有影 子,可是万一哪个国家第一个拥有了这种无敌的武器,我们的国家安全岂不是危如累卵?这可是比缝制皇帝陛下的新衣还要重要得多的战略项目啊!文化革命中,有 的物理学家给领导上课,也说:如果我们能够造出夸克弹,就可以立即打倒美帝苏修!物理学家到了需要靠江湖术士的市场推销手段来维持民众心理支持的地步,是 物理学的悲哀,物理学的耻辱。
任何科学都必须经受现实的考绩,基础科学也不能例外。只是因为基础理论的研究周期有時可能會长一些,不可能立见功效,所以社会对于基础理论的研究应 该有些耐心。问题是要等多久?霍金说 “谁都没有耐心去计算这些理论到底是不是完全收敛。这一工作要一个好学生算两百年,天知道他会不会在算到第二页时就出错?”。看来这个世纪是没有希望了。 夸克禁闭理论上排除了直接测量夸克的可能,两百年大概也不太够。大统一理论所要的加速器要像银河系一样大。不妨问问加速器物理学家和工程技术人员,两百年 之内能不能造成一个和银河系一样大的加速器。直觉告诉我,我们大概需要等待比从安徒生写“皇帝的新衣”到现在所走过的岁月还要长得多的历史时期。
一幢建築的基礎如果動搖了 ,整個大廈將會立即跟著動搖,其反映幾乎是瞬時的,不需要任何等待。基礎科學對於整個科學大廈的作用也是如此。經典力學,熱力學和電磁場理論的基礎一旦建 立,立即對科學,工業和技術帶來翻天覆地的變化。经典量子力学作为基础物理,从一开始就对原子物理,核物理,固体物理和化学产生了巨大的推动作用,並沒有 要求遙遙無期的等待。难道仅仅因为粒子物理继承了量子力学作为基础科学的贵族血统,就可以奉先君之成业,荷本朝之厚恩,逃避科学界的考绩和检验?号称“前 沿科学”理论所需的加速器和附属设备昂贵得社会无法承受,在启动这些大型项目之前对这些“前沿理论”的理论架构的正确性,合理性和可行性进行透彻的分析和 评估,难道不是对纳税人应尽的起码责任吗?
根据理论物理的过去,我们对其未来可以作一个如下的估计:只要理论物理继续按照现行的路线走下去,继续以相对论量子力学,重整化,规范协变性,同位 旋假定和夸克模型为基本架构,继续坚持共振态是基本粒子,这个理论就会永远是一个自我封闭的理论,和小圈子以外的现实世界不可能发生什么关系,產生任何衝 擊。唯一能讓人們感覺到的衝擊,是对人力资源和科研经费的争夺。
九。美国的觉醒
一个理论,不管你如何强调自己重要,如果长期不能对科学和社会产生积极作用,甚至越来越脱离社会现实,甚至成为社会负担,社会当然也就会对之逐渐冷 淡。美国是一个讲究功用的(mission oriented)国家,讲究权利制衡,讲究实效检验,没有永久的特权,永久的铁饭碗。这种负反馈和制衡机制,也反映在科学研究上。
二次大战期间,盟国和轴心国双方都在争分夺秒地研制原子弹。谁抢先造出了原子弹,谁就有可能赢得这场战争。盟国方面领导原子弹研制的奥本海默和费 米,和轴心国方面领导原子弹研制的海森伯,都想赢得这场竞赛。所以,那时人们的心理是大胆假定。不要因为一个假定看来不可思议而轻易否定。说不定一个背理 的假定会正好撞上正确的办法。只要能够把原子弹做出来,理论是否有问题,假定是否正确,可以以后慢慢梳理。战争时期抢时间抢先机,是头等大事。
盟国赢了这场竞赛。赢的原因,不是什么天才的理论假定,而是橡树岭国家实验室一个工程师的建议:将铀235置于普通的炸药中间,点燃炸药向心爆炸,将两块低于临界质量的铀挤压到一起,变成一个整块,其总质量超过临界质量,立即爆炸。
二次大战以后,进入冷战时期。冷战双方仍然被同样的心理统治着:尽量大胆探索,一百个假定中99个错了都不要紧,只要有一个正确,就可以在核竞赛中占上风。在实验核物理中也同样鼓励大胆探索。说不定某一种粒子打到某一种靶子就产生意想不到的核反應。
不知不觉地,战后的核物理研究逐渐潛移默化。
第一个变化是理论与实践的分离。费米不仅是理论家,更是实践家。自持的链式核反应就是费米领导的小组在芝加哥大学的实验室中首先实现的。随着量子场 论变得越来越复杂,实验家们往往很难兼顾理论研究;另一方面,加速器变得越来越大,探测器变得越来越复杂,越来越五花八门,从事理论工作的研究人员很难兼 顾实验。至上世纪末叶,理论物理和实验高能物理的分家基本上已经彻底完成。既懂理论又懂实验的物理学家即使有,也是鳳毛麟角。
伴随着理论与实验的分离的是加速器功能的变化。冷战时期以前的加速器物理中,相当大的一部分工作是以核物理研究为目的。这一任务逐渐让位于根据理论 模型的需要寻找特定的粒子。实验工作慢慢远离自己的娘家—核物理。近年来,新加速器的建立和相关实验提案基本上是围绕证实弱電统一理论,寻找上帝粒子等课 题设计的,和核物理毫不相干了。
加速器越做越大,其经费随所需能量指数上升。建设一个大加速器成了国家级甚至跨国项目。除了加速器以外,质子寿命测量,重中微子探测等等也都是在标 榜为“基础科学”的大爆炸宇宙学,量子引力的理论旗帜下推出的大型项目。这就势必挤掉其他科研项目的经费。使凝聚态物理,能源物理,低温超导,激光物理, 等离子体物理,受控热核反应等等的研究经费愈益捉襟见肘。一些杂志如《今日物理》上就不时可以听到一些抱怨。
理论物理的不作为也使工业界失望。美国民间企业对基础物理研究的经费支持基本上停止。对物理专业,尤其是理论物理專業的毕业生的需求锐减。劳工市场 的冻云暗淡天气,自然使物理系的学生锐减。许多学理论物理的博士毕业后不得不改行。物理学的不景气其实已经是国际性的现象。与这种物理学不景气形成强烈反 差的是以“前沿科学”自居的大统一理论,超弦理论,大爆炸宇宙学等等,反而声浪日高。欧洲核子研究中心宣布找到了上帝粒子存在的“证据”成了头号新闻。 “万能理论”“最终理论”也重新成了媒体炒作的话题。
美国并没有跟着赶时髦。美国前些年曾经打算建造一个超高能对撞机(SSC),设计能量为40 TeV,相当于LHC能量(8 TeV)的五倍。1987年筹划SSC的时候,预算44亿美元,可是到了1993年,预计要120 亿美元才能完工。经过激烈争论以后,克林顿总统终于签字下马。此时已经耗费了20 亿美元。SSC 下马的结果,几千个博士被重新抛回劳工市场。为了善后,这个项目下马以后的善后经费约每年两百万美元。美国理论学界有些人对SSC下马感到惋惜。我觉得这 是好事,标志着美国物理学界在开始觉醒。欧洲迟早也会觉醒。
美国物理学界对是否应该关闭SSC是存在争论的。当时极力主张下马的一个重要人物是时任美国物理学会会长的凝聚态物理学家安德逊。他也是一个诺贝尔 奖得主。安德逊教授写过一篇有名的文章“More is different”,对于过分强调“基础物理研究”的观点进行了反驳。他的主要观点是,科学的不同学科都有自己的基础,不能指望通过微观的粒子理论推导 出其他学科的理论。因为,当作许多粒子组成更复杂的系统以后,其运动规律并不是单个粒子运动规律的简单重复和叠加,而是完全不同的更为复杂的系统,需要不 同的理论来描述,所以,“More is different”! 描述复杂系统的理论不是描述简单元素的理论的“应用”或堆砌。那种认为一切科学理论都可以从某种简单的“基础理论”推导出来的观点是“还原主义” (Reductionism)。
另一个诺贝尔得主,弱電统一理论的提出者之一温伯格教授针锋相对,坚决维护“还原主义”。温伯格和安德逊对于“基础理论”的不同意见,代表着“基础物理”和其他被贬为“应用物理”的学科之间的微妙矛盾。
作为一个普通公民,我不可能有安德逊那样的影响力。但是我尽力了。在田納西州競標建造SSC之時,我就反对建造这样的项目。我反对的理由并不光是经费问题,也不仅仅是“还原主义”的问题,而是对现时标榜为“前沿科学”的理论结构和逻辑体系以及哲学思维的彻底失望。
十。评估粒子物理的意義
相对论和量子理论是20世纪近代物理的两大支柱。要对近代物理有一个全面的评估,必须对这两大支柱的理论基础,逻辑体系和实验检验进行梳理。对相对 论的梳理相对容易,因为它是爱因斯坦一个人的作品。整个理论的大前提,概念的演绎和推广,逻辑推理以及数学工具都比较清晰。只要抓住了问题的关键,提纲挈 领地对其进行剖析不是太难。量子理论就大不一样了,它不是一个人的作品,而是几代物理学家通过接力传承建立起来的一座迷宫。其结构中有许多转折,逻辑联结 比较牵强,追加的基本假定非常生涩,有些会前后矛盾。对相互作用拉格朗日函数的构造,对传播子的取舍(费曼图的选择),边界条件的假定,波函数的选择等等 等等,有太多的任意性。选择定则比中药配伍禁忌还複雜,而且还不一定严格遵守。所以,要想将整个粒子物理的理论框架梳理清楚,是一件非常吃力不讨好的事。
但是这又是一件不得不做的工作。因为非如此便不能将理论物理从困境中解脱。由于几代人的传承,在理论上和人脉上盘根错节,整个理论界因循守成,敬畏 权威,迷信数学,守不住科学的基本原则,使得理论家们眼睁睁看着理论物理的沉沦和物理学的衰败而不敢作为。对理论物理的基本困难讳不敢言。你膽敢批評,人 們會立即跳將起來:“難道你要否認整個20世紀的現代物理學?難道這麽多諾貝爾獎得主還沒有你聰明?”
可是理论物理发展到今天,发展出了像超对称,超弦理论这些被权威理论物理学家如里奇特和格拉肖称之为“神学”的理论。这些神学理论在“前沿科学” “基础理论”的名义下,标榜他们的理论可能成为“万能理论”“最终理论”,拒绝学术界的任何批判評估, 理由是“近代物理遵从的是新的概念和新的语法系统”(New paradigm),所以“不能用经典物理的定律和概念来判断近代物理的概念”。因此连最起码的逻辑,如因果律和部分大于全体等等这样的判据都不能用,基 本的物理定律如能量守恒定律,质量守恒定律也被彻底推翻。基本的物理事实如空间的三维自由度,时间的一维单向性等等被彻底否定。整个理论与逻辑系统被黑白 颠倒了。这些颠倒了的逻辑和歪曲了的事实之所以被社会接受或容忍,就是因为人们相信了一些人的说教,以为只有以颠倒了的逻辑才能理解理论物理,才有近代科 学,科学才有未来。任何谬论,只要一标上“现代”的标签便当然正确。如果我們不敢直面權威,不敢正视理论物理的根本困难,便不可能将物理学从神学的阴影下 拉回到科学的道路上来,理論物理將永遠陷在泥潭中不能自拔,人们的思想将一直被误导,儿童的思想将从入学开始就被颠倒了的逻辑和物理理论洗脑。這就是爲什 麽我們一定要冒天下之大不韙,對理論物理作出全面的評估。
許多人都在批評相對論。批评相对论之困难,不是因为其道理难懂,也不是因为实验检验剖析之难,而是因为它被编织进了量子场论的整个体系,牵涉到整个 理论物理学界的功过荣辱。许多人不清楚理论物理已经走入困境,更不知道量子理论从比较成功的经典量子力学过渡到远离科学和物理现实的关键一步就是将量子力 学与相对论结合。人們會說,相對論已經融入到了理論物理的全部體系,如果相對論錯了,爲什麽現代理論物理會取得這麽大的成績呢?所以,不把量子场论的现状 讲清楚,就很难说清楚相对论的功过是非。
十一。二十一世紀是物理學復興的世紀
上世纪初,当物理学界遇到一些新的物理现象而不容易用当时的已知理论解释时,物理学家们像一群探险寻宝的孩子,知道在森林深处有一个宝藏,可是不知 道到达这宝藏的路线。于是先驱们开始摸着石头过河,慢慢探入森林深处。这种探路的过程带有非常大的猜想性和盲目性。二十世纪理论物理的发展,和这种探险非 常相像。我们可不可以大胆地问一句:20世纪物理学的先驱们有没有可能一开始就找錯了入口?在碰到了基本困难以后,他们并没有思考是不是走错了路,而是一 味地追加假定,继续一步步地走下去,以至于越走离物理世界越远。如果说,在森林中探险的童子军迷了路,有可能找不到回头的路,那理论物理学家们的运气就好 得多。如果我们想重新试一条完全不同的路,只需要从头开始,从20世纪初的入口开始,看是不是会有不同的发现。
一旦摆脱了20世纪物理学的思想束缚,我们就可以提出更为自由,更爲彻底的一些问题。在此,我想提出一些猜想,供朋友们讨论:
1)将核力分为弱相互作用和强相互作用两个基本相互作用力是錯誤的。弱相互作用和强相互作用是同一种核相互作用力,只是反应速度不一样而已。正如燃烧和生锈都是氧化反应,只是反应速度不同。
2)“共振态”都不是基本粒子。能观测到的粒子只有质子,电子,中子和介子。光是电磁波,不是粒子。(请参看拙著“波粒二象性漫谈”。)其他几百号“基本粒子”都是理论本身的需要,不是真正的基本粒子。
3)中子是质子和电子的不稳定结合,并不是“基本粒子”,也不是“夸克”的组合。最基本的粒子是质子和电子。(介子的性质和作用尚待研究。)
4)Alpha粒子(氦核)是一种稳定性非常高的粒子,即使在核爆炸中也是稳定的。找出氦核稳定性和介子不稳定的原因,可能是揭开核物理秘密的关键一步。
还可以有更多的猜想,不过以上这四个猜想应该经得起时间的考验。
经过一个世纪的摸索,我们有足够的经历和教训总结一下理论物理一百年来的发展过程。理论上的问题足够严重,神学与星象学的思维对科学的渗透和创造论 的复活也足够彰显了。可以对理论物理进行比较认真的总结評估了。可以问问“量子场论的路线到底有没有走对”这样的问题了。理论已经走到完全脱离物理现实, 公然以创造论取代能量和质量守恒定律,以时间倒转取代因果律,以十维空间取代四维时空,以应用拓扑学取代严密的物理研究的程度,靠小修小补是不可能挣脱星 象学的枷锁,回到科学的道路上来的。物理学需要一场真正的复兴运动(renaissance)。
这是一件非常艰苦的历史使命,因为和20世纪理论物理交织在一起的,是整个物理学界的功过是非。是被一百年来的新的思想体系训导过的幾代人。抵制现代神学和现代星象学并不比抵制经典神学和星象学容易。
但是这场复兴运动一定会成功,因为有一个神学和星象学无法冲破的边界条件:现实世界。现代星象学可以暂时蒙骗所有的人,也可以永远地蒙骗一部分人, 但是不可能永远地蒙骗所有的人。如果你的“万能理论”“最终理论”永远不能,也永远不敢从草稿纸上拿到现实的世界来让实验直接检验,证实一下“万能理论” 的能耐,证实一下其作为“基础科学”的功能,那就早晚会随着云雾的消失而消失。
这场复兴运动一定会成功,因为万能理论家们为了制作皇帝的新衣或皇帝的新脑所开出的报价已经远远超过了社会经济能力所能承受的极限。
这场复兴运动一定会成功,还因为“万能理论”本身根本就没有一个统一的理论,即使折腾到11维空间的M-理论,自己也不知道到底能不能把五种相互竞 争的理论统一。数学已经复杂到连万能理论家们自己都要几百年才可能知道他们自己的理论到底是否收敛的程度。这样的理论不是任何意义上的科学理论,而是百无 一用的数学游戏。
但是,物理学的复兴不能光靠等待,它必须要靠物理学界的主动努力和坚持。这包括对理论物理困境的实事求是的承认,对物理学中的神学和星象学倾向的公 开宣战。对此,里奇特和格拉肖等学者作出了榜样。对于标准模型以前的理论,也不能畏疾忌医。要敢于承认错误,哪怕得过诺贝尔奖的工作也要重新审核。对于敢 于探索的新思想,应该开放言路。
物理复兴的很大希望寄托在年轻学者的身上。希望您们不要被所谓的“Shift of Paradigm”所嚇倒,对于违背科学原理和科学逻辑的星象学倾向敢于质疑。敢于跳出20世纪理论物理的条条框框。勇于探索。不要怕权威,不要赶“近 代”的时髦。科学的立足点在物理现实,不在耸人听闻的奇想。
我也希望物理学界的朋友們在科学的探索中,不要以拿诺贝尔奖作为奋斗目标。重整化是赢得了诺贝尔奖的工作,但是重整化是絕對经不起时间考验的,也是 不应该仿效的。如果以奖金作为奋斗目标,你就会去研究人家的奖金是如何拿到的,你就很可能会去继承他们的理论,模仿他们的思维逻辑和哲学。诺贝尔奖的评选 不是完全公平的。王淦昌和吴健雄的工作比许多赢得了诺贝尔奖的工作都重要。杨振宁对规范场理论的贡献比他对宇称不守恒工作的贡献要重要得多。可以说杨-米 尔斯场奠定了温伯格-萨拉姆模型的基础。所以,即使站在粒子物理標準模型的立場看,諾貝爾獎的評定也不是完全公平的。至於挑戰現存理論的工作,要想拿諾貝 爾獎是不可能的。諾貝爾評選委員會裏沒有一個反對大爆炸理論,如果你的工作是反對大爆炸宇宙學的,有希望拿獎嗎?无论是物理学家个人,还是一个国家,都不 应该把拿锦标作为目标。诺贝尔奖至少在两个方面对理论物理学的发展起到了负面作用。其一,他给物理学界立下了一条不成文法,似乎一个工作一旦拿了诺贝尔 奖,就板上钉钉,不容置疑,成了定论了。其二,诺贝尔奖刺激物理学家们越来越追求奇想。超对称,超弦和宇宙学上的膨胀理论等等都是受这种感召应运而生的怪 论。
希望朋友们记住我们对科学和对后代的责任感和使命感:復興物理學,保護後代。這是多麽神聖而偉大的責任啊!和物理學的復興相比,世界上所有的名利都只是過眼雲煙。忘却世俗的追求,物理学的复兴有赖于吾侪不懈的努力与奋斗。


引力时空是弯曲的吗?

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引力时空是弯曲的吗?
王令隽

Wang, Ling Jun

近代物理的诸多革命性的理论中,最为令人费解而感到莫测高深的概念之一,是引力时空弯曲的概念。

我把“引力时空弯曲”叫做“概念”而不是“理论”,是因为没有一个系统的理论证明这一概念。

这可能会让读者们感到惶惑:难道爱因斯坦的广义相对论不是一个证明这一概念的系统理论吗?广义相对论的数学基础是黎曼几何 — 曲面几何。爱因斯坦的引力场方程就是:爱因斯坦张量正比于能动量张量。而爱因斯坦张量就是从时空曲率张量收缩而成的。既然引力作用可以用黎曼空间中的场方程完全表述,那么就可以认为引力本质上是几何。难道这还不能说明引力时空是弯曲的吗?

不能。在探讨这个问题之先,我要特别说明,以下的讨论不挑战爱因斯坦引力场方程的正确性(当然也不确认它的正确性)。即是说,引力时空是否弯曲的概念和爱因斯坦引力场方程是否正确是完全不相关的两个问题。即使爱因斯坦引力场方程成立,也并不能证明引力时空是弯曲的。

一。运动轨迹的弯曲不意味着时空的弯曲

物体的运动轨迹可以是直线,也可以是曲线。垂直落下的物体的运动轨迹是一条直线;炮弹的运动轨迹是抛物线,行星的运动轨迹是圆或椭圆。描绘这些不同的曲线方程就是运动方程 – 规定某一物体所在的时空坐标关系的方程。显然,运动方程式中所规定的时空关系仅仅是某一物体可能经过的时空坐标点的关系,而不影响整个宇宙的时空结构。一只蝴蝶在空中翻飞,他所经过的时空坐标构成非常复杂而美丽的曲线,但这决不意味着整个世界的时空被这只蝴蝶搞弯曲了。这只蝴蝶可能自己觉得天翻地覆,如果宇宙间只有这只蝴蝶并且它服膺时空弯曲论,它也许可以认为时空的结构不仅是弯曲的而且时空还会翻跟斗玩杂技。可是宇宙间除了这只蝴蝶外还有追逐他的螳螂,黄雀和其他万事万物。这时空是大家的而不是蝴蝶那厮可以独占的,时空结构岂可由它一言而断曲直?

在经典力学里,运动方程就是牛顿第二定律。万有引力场中的运动方程规定了物体的运动轨迹必须是圆锥曲线。其中最简单的就是圆。地球的运动轨道就差不多是围绕太阳的一个圆。因为圆的曲率是半径的倒数,所以地球的运动方程可以表述为:地球的加速度和圆周轨道的曲率的平方成正比。这样的表述就把引力描述成了某种空间的几何特性。但是这种几何特性只属于行星的轨道,和宇宙空间的性质毫不相干。高能的宇宙射线中的带电粒子穿越太阳系,它的轨道可以是直线,双曲线或抛物线,它所感受到的时空性质和地球的轨道曲率毫无关系。所以,地球的运动方程的空间性质和轨道的弯曲决不意味着宇宙空间的弯曲。还是那句话,时空是大家的,不是只属于地球的。

如果我们选择以太阳为中心的球面坐标系而不是笛卡儿坐标系,则地球和其他行星的运动方程可以表述为:太阳系中的任何物体的加速度和它所在的球坐标面的曲率的平方成正比。这样,可不可以把引力看成是空间本身的某种几何性质呢?

不可以!我们选择球面坐标系,只是选择了一种较为方便的坐标系统,并没有改变空间的性质。我们同样可以选择笛卡儿坐标系来有效地描述行星的运动。难道空间的曲直会取决于我们对坐标系的选择?这符合相对性原理吗?天文学家几百年前就开始用球面坐标系来描述天体的运动,从来没有人认为一旦采用了球面坐标,宇宙空间就弯曲了。

加速度是位移矢量对时间的二阶导数,所以引力场中物体的运动方程又可以表述为:地球的位移矢量对时间的二阶导数和圆周轨道的曲率的平方成正比。这种表述更符合相对论理论的张量语言。但并没有改变问题的物理实质,也不能改变宇宙的时空性质。

其实,除了引力场中的物体运动方程可以用几何语言来表述,其他运动方程也可以用几何语言表述。比如说,圆周运动不一定非要引力不可。汽车轮子,机器的飞轮,田径运动员的铁饼,骑摩托车飞檐走壁的杂技演员,围绕原子核旋转的电子等等的圆周运动都不是因引力造成的。用上述几何语言,圆周运动的方程可以表述为:位移矢量对时间的二阶导数和圆周轨道的曲率成正比,同时又和位移矢量对时间的一阶导数的平方成正比。注意这里不涉及任何万有引力常数或质量之类的东西,是完完全全的几何关系,而且适用于所有圆周运动。这种普适的几何关系甚至和长度与时间单位的选择无关。但是这种普适的圆周运动方程的几何表述丝毫不影响宇宙空间的平坦,均匀,各向同性的物理性质,丝毫不能使空间弯曲。因为这种几何关系所规定的,仅仅是某物体的运动轨迹的几何特性,而不是整个空间的几何特性。

有了对经典运动方程中的空间和时间变量的物理意义的正确理解,就不难理解广义相对论中运动方程的物理意义。在广义相对论中,运动方程就是黎曼空间中的短程线方程。这一短程线方程中的空间和时间变量只是受引力作用的物体所能经历的空间和时间坐标,而不是整个宇宙的空间和时间。短程线方程规定的时间和空间坐标的关系,只描述物体运动轨迹的几何性质,不描述宇宙空间的几何性质。这一点, 在弱引力场下对短程线作线性近似以后就看得更加清楚。此时短程线方程就直接过渡到经典的牛顿定律和运动方程。所以,广义相对论中的运动方程由黎曼空间的短程线方程描述,并不意味着宇宙空间是弯曲的,而最多只意味着某物体在引力下的运动轨迹可能是弯曲的。

二。引力场方程本质上是运动方程的不同表述

人们相信引力使时空弯曲的另一个原因,是爱因斯坦的引力场方程中的爱因斯坦张量是由时空曲率张量收缩而成。这使爱因斯坦认为能动量张量造成了时空的弯曲,而时空的弯曲造成引力。这一观点很快被许多人接受而成为广义相对论理论界的流行看法。

爱因斯坦在建立场方程时,应该是从“能动量使空间弯曲”的猜想中得到灵感的。他根据这一猜想建立了广义相对论的引力场方程,这自然使人们相信引力使时空弯曲。从科学史和人文传记的角度看,这种猜想被接受是可以理解的。但从科学理论的严密性来考量,某种猜想或概念是否正确,不能仅看某一理论或观念形成的思想史,不能光看爱因斯坦从什么思想得到灵感,而要分析这一理论的物理意义。爱因斯坦有许多异乎寻常的思想,但不一定都对。有些被他自己否定了,比如万有斥力和宇宙项;有些被学界和它自己一起抛弃了,比如他的宇宙模型。为了了解爱因斯坦引力场方程的物理意义,我们还是从经典场论开始。

一个引力场既可以用场强来描述,也可以用它在空间各点的势能分布来描述。但这两种描述是等价的,同样有效的。场强是矢量,而势是标量。标量的数学处理通常比矢量的处理简单方便得多。所以只要有可能,我们通常先求得势。有了势,算出它的负梯度就是场强。算梯度是做微分,计算非常直截了当。

点质量或点电荷(或均匀的球形质量或球形电荷)的引力场或静电场十分简单,空间任何一点的势和从该点到球心的距离成反比。点质量或点电荷的等位面(或等势面)就是以其为中心的同心圆。如果用几何语言,我们可以说点质量或点电荷的等位面上的势和该等位面的曲率成正比。这种曲率并不是宇宙空间的属性,而只是等位面的属性。等位面的弯曲并不意味着空间的弯曲。我们在建立势的理论时是以一个平坦的刚性的均匀的各向同性的空间为前提的。描述势的空间分布的场方程和描述场强的空间分布的方程都能得到同样的运动方程,所以他们都是等效的。

如果质量或电荷不是静止的,而是随时间变动的,则场强的分布和势的分布会随时间而变动。等位面也会随时间而变动,形成波向外传播。因此,等位面的形状和位置会随时间而改变,移动。但是,这种变化并不是说整个空间在波动,在变化。描述真空中波动方程的前提也是一个平坦的刚性的均匀的各向同性的空间。

描述电磁场的理论非常成熟,非常精确。电磁场的场方程就是麦克斯韦的电磁场方程。波动方程既可以通过场强来描述,也可以通过标量电位和矢量磁势来描述。不同的数学表述方法并不改变它们所描述的同一物理现象。场方程和运动方程描述的是本质上同样的现象。这些方程中的空间和时间变量所代表的,都只是质量或电荷在引力场或电磁场中的运动轨迹的时空关系;或场强和势的空间分布和时变特性,根本不是宇宙时空的几何特性。

爱因斯坦的引力场方程中的时间和空间变量也是描述引力场的势的空间分布和时变特性的参数。这一点,在爱因斯坦场方程的线性近似中看的十分清楚:引力场的时空度规元素中的引力修正量h在线性近似下过渡到经典的引力势。爱因斯坦场方程中规定的时空关系和曲面几何特性,可以联系于等位面的弯曲的几何特性和时变特性,但不是宇宙时空的几何特性。

有人会说,这只不过是一个观点问题。你可以认为时空是平坦的,弯曲的只是场强曲线和等位面;我也可以认为弯曲的是时间和空间本身。比如地球的圆周轨道,既可以认为是平坦空间中的曲线,也可以认为是弯曲的球面空间中的“直线”(短程线)。两种不同的观点得到的数学结果是一样的。既然引力作用可以用黎曼空间中的场方程完全表述,那么就可以认为时空是弯曲的,引力本质上是几何。

这种看法经不起逻辑推敲。我们还必须认识到,时间和空间是属于宇宙间的一切自然现象的,而不是仅仅属于引力场的。在同一时空中,既有引力作用,也有电磁作用和核作用。让我们考虑一个很普通而又极简单的情形:在引力场中的电磁波。引力场由爱因斯坦场方程描述,电磁波由麦克斯韦场方程描述。爱因斯坦场方程的度规张量是弯曲的,而麦克斯韦方程的度规张量是平坦的闵可夫斯基度规。那时空到底是听爱因斯坦的还是听麦克斯韦的?在决定公共的时空特性时,我们有什么理由赋予引力作用以独断专行的特权,而令所有其他作用力处于听命的被奴役的地位?

麦克斯韦方程组中的时间和空间变量是经典的平坦时空,麦克斯韦的经典电动力学是经过无数宏观实验和工程实践检验过,现在还每日每时被检验的不容置疑的理论。如果时间和空间被弯曲了,则整个麦克斯韦方程组都要被扭曲了。即是说,时空弯曲的理论本质上决定了引力和其他作用力的耦合,而且这种耦合是单向的。质量使时空弯曲的理论是对电磁理论和核理论的根本修正。到现在为止,我们没有找到万有引力和其他相互作用力耦合的任何证据。把引力和其他相互作用统一的理论尝试也是失败的。万有引力是我们知道的所有作用力中最弱的一种。以万有引力相互作用而决定整个空间的曲直而左右其他作用力,不仅霸道,也太不自量力。

综上所述,虽然爱因斯坦张量是由时空曲率张量收缩而成,并根据此一张量建立引力场方程,但是爱因斯坦引力场方程本质上和运动方程一样,描述的仍然是引力场中的物体运动的轨迹和引力场结构。这些方程中的时间和空间关系,规定的是引力场中物体的运动轨迹,场强曲线和等位面的几何特性,而不是整个宇宙空间的特性。

三。时空弯曲的概念不是从黎曼几何推导出来的

如果爱因斯坦场方程仅仅是对牛顿引力方程的修正,其意义便不足以惊天动地。要建立一个伟大的理论,做出一些伟大的预言,必须往场方程里注入一些新的概念,新的假设。这里最重要的概念或假设,就是将引力场中的时间定义为时空间隔ds. 这一概念是从狭义相对论中直接“推广”而来。所以爱因斯坦的引力理论又叫做广义相对论。要注意的是,这种相对论的时间概念不是从爱因斯坦的引力场方程或黎曼几何中推导出来的,而是从狭义相对论的概念推广而来,从外面注入引力场理论的。

即使广义相对论最坚定的支持者也知道,爱因斯坦场方程的黎曼几何表述和运动方程的短程线表述,并不是时空弯曲的直接证明。比如,奥哈尼安(Hans Ohanian)在他的“Gravitation and Spacetime (1976年版)”一书中就强调,光线在引力场中的弯曲和引力场中的时间延缓才是时空弯曲的直接证据(Direct Evidence)。这一说法有些道理,因为这两个预言如果被实验证实,至少可以说明因为引力的存在影响电磁波的传播,因此可以说,麦克斯韦方程组受到了影响。

值得特别强调的是,奥哈尼安这里所说的,也仅仅是证据(Evidence),而不是证明(Proof)。因为在数理逻辑上,爱因斯坦场方程既不能得到引力使光线弯曲的结果,也不能得到引力使时间延缓的结论。要得到这两个结论,需要外加几个假定:一)爱因斯坦引力场方程适用于电磁场;二)引力场方程中的物体的动量适用于电磁场的动量;三)引力场中的时间间隔的量度不是时间变量的微分dt,而是时空间隔的微分ds,而时空间隔是由四维时空矢量与度规张量的内积收缩而成,既包含时间微分dt,也包含空间微分dx。这一时空间隔ds 定义为“固有时间”(Proper time)。这些假定不能从黎曼几何或者爱因斯坦引力场方程中“推导”出来,而只能被“定义”,被“引进”来,与爱因斯坦场方程一起构成广义相对论的主要内容。如果这些假定成立,则光线会被引力弯曲,时间会被引力延缓;如果这些假定不成立,或引力不存在,光线也可能会被其他因素弯曲,时间也可能被狭义相对论效应延缓。所以即使测量到了引力场中光线的弯曲和时间的延缓,也只能作为广义相对论的“证据”而不是“证明”,更不能作为时空弯曲的“证明”。

对于第一个假定的实验检验是光线在引力场中的弯曲。爱丁顿的实验因此成了使广义相对论得到学界承认的历史性实验。但是这个实验是极不可靠的,因为光线掠过太阳表面会被一万公里厚的,呈球面弯曲的,密度不均匀的,非常活跃的色球面和日冕所折射而弯曲。根据实验物理的原则,要得到光线因引力而弯曲的实验证据,至少应该在总的观测数据中减除因为色球和日冕折射而造成的弯曲并剔除其他可能的原因,或者找一个没有外层大气的天体(比如月亮)来做实验。否则这种所谓的“实验证据”就是假的。爱丁顿的成名其实是媒体炒作的结果。

至于第二个假定,是爱因斯坦从狭义相对论中时间的相对性推广而来的。狭义相对论中的时间相对性会导致“钟佯谬”,因而可以通过逻辑证伪(细节请参看拙作“检验钟佯谬的对称试验””Symmetrical Experiments to Test Clock Paradox”, Ling Jun Wang, Physics and Modern Topics in Mechanical and Electrical Engineering, p 45, Ed., Nikos Mastorakis, World Scientific and Engineering Society Press, ISBN: 960- 8052-10-6, July 1999.)。广义相对论的时间的相对性却不容易用逻辑来证伪,因为有引力的情形和没有引力的情形是不对称的,不可互易的。狭义相对论中,坐标系的运动是相对的,因而时间的延缓也是相对的;但在广义相对论中,引力的存在与否却不是相对的,而是绝对的,所以时间的延缓也是绝对的而不是相对的。这就使逻辑证伪比较困难,而实验检验变得异常重要了。

检验引力使时间延缓的最重要,也是最直接的实验是美国海军研究所的Hafele 和Keating 于1972年进行的原子钟环球实验。他们用飞机装上四个铯原子钟在约十公里的高度向东西两个方向飞行,然后比较这几个原子钟和地上的原子钟的快慢。因为这一实验涉及到因飞机运动造成的时间延缓和引力延缓的叠加,因此不能算是引力延缓的独立实验。另一方面,他们所使用的实验设备的精度根本不可能测量到如此小的时间延缓(在毫微秒的数量级)。 同时,他们用了特别的数据处理方法以凑出所期待的结果。对此我在“检验钟佯谬的对称试验”一文中有详尽的分析。

还有一种测量引力使时间延缓的方法,就是测量引力红移。理论计算表明,太阳的引力应该使太阳表面的原子谱线的频率比无穷远处的原子频谱的频率低大约百万分之二。这样大的引力红移应该是比较容易测量的,因为频谱分析是最为精确的实验测量手段之一。可是当人们认真地进行测量时,发现测量到的谱线红移和理论预言不符。于是人们解释说,这是因为在太阳的大气层里有强烈的气流,而气流中的分子的运动会因多普勒效应造成谱线红移。这种多普勒红移把引力红移掩盖了。不难想象,如果爱丁顿的太阳引力使光线弯曲的实验得不到他所预期的结果,他同样会解释为由于太阳色球面和日冕的折射而把引力效应掩盖了。后来,J.W Brault 和J.L. Snider 分别于1962年和1972年测量到了与理论期望相近的太阳红移数值,于是人们就认为这些数据是可靠的。至于太阳的大气层里的气流分子的运动的多普勒效应造成的谱线红移,当然就不得不被排除在外了。理由吗,找起来也方便,据说是因为这些钠和钾的谱线来自于光球面之外!这有点匪夷所思,因为“光球面”的定义就是太阳上发光的球面。光球面以外的部分是不发光的,怎么会有谱线呢?由此可见这一类实验解释的任意性,以及人们对待实验结果的选择性标准。一旦一个理论成为了流行的权威性理论,凡是印证它的实验都会被认为是可靠的实验证据,而和权威理论相悖的实验结果就会被认为是不可靠的。也因为如此,绝大多数科学家都知道厉害,凡是与权威理论不符合的结果索性不发表,以免影响到科研经费来源和学术名声。这样一来,支持权威理论的数据就越来越多,反面的数据即使不被驳倒也会被统计淹死。所以教科书上要列举一些支持理论的实验数据实在是太容易了。要揭露这些实验的错误,是非常吃力不讨好的事。只有你的分析无懈可击才有可能发表。有问题的实验实在太多了,你也驳不过来。经过了1958年大跃进运动的同胞们对这种情形应该非常熟悉。

其实要真想测量引力延缓,不必用飞机,只要在不同高度的实验室里放上一些原子钟,然后测量他们的时间差。因为这些钟都是静止的,所以不存在狭义相对论的时间延缓问题,因而是测量引力延缓的独立试验。另一方面,因为不用飞机,实验时间没有限制,可以通过长时间的积分增加信号。实验室的环境与稳定性控制也比飞机上要容易得多。中国的西康地区,峨眉山,华山,台湾的玉山等等,都可以进行这种实验测量。其实,在月亮上放置几个太阳能原子钟,也可以进行类似测量。欢迎有兴趣的朋友和我联系,讨论这一实验的技术细节。

如果测量到了引力对原子钟快慢的影响,是否就意味着证实了,或间接印证了时空的弯曲?否!举个例子来说吧。以单摆控制快慢的钟的周期和引力加速度的平方成反比。同一个单摆钟放到月亮上,周期要延长到相当于地球上的周期的两倍半,所以登月运动员的步行动作有点像快镜头慢动作电影。但这并不意味着时空的弯曲。原子中的物理过程好像不应该受引力影响,但是原子钟毕竟是一台相当大的设备,其运行不仅取决于原子过程,也取决于其他附件的性能。我们无法排除这些因素受引力影响的可能性。举个例子,电子振荡器的固有频率决定于电感和电容,但是漏电阻和负载电阻会改变这一“固有频率”。没有阻尼的振荡电路是没有的。这种阻尼的量度叫作“品质因数”。石英振荡器的频率稳定,就是因为品质因素高,而原子钟的品质因素更高。但只要有负荷,品质因素就不可能无穷大,频率就有可能受外界条件影响。这种影响造成的钟表的固有频率的变化不能证明引力使时间延缓。

四。非欧几何的背景是平坦时空中的曲线坐标系

相信时空弯曲的朋友们还忘记了一个基本事实:所有曲面几何中的公式和方程式的推导与证明,都是在一个均匀平坦的欧几里得空间中得到的。也就是说,均匀的平坦的欧几里得空间是曲面几何的背景与本地。曲面几何只不过是用弯曲的坐标系代替平直正交的笛卡儿坐标系来描述同一个几何体,他并不改变空间本身的几何特性。球面坐标系和柱面坐标系被科学家用了几百年了,黎曼早在1854年就提出了黎曼几何,但是这种新的几何学不要求,也不意味着空间的弯曲。整个黎曼几何的演绎和推理,都以一个均匀平坦的欧几里得本底空间的存在为依据,否则,新的几何中的任何关系都不可能成立。

如果不相信,朋友们可以试试推导一下黎曼几何中最基本的一些关系,比如协变微分,度规联络,短程线方程和曲率等等。如果不假定一个均匀平坦的欧几里得空间的存在,能导出这些关系式吗?所谓短程线,就是长度最短的线段,如果没有欧几里德几何对长度的定义,如何计算曲线的长度和积分?如果没有欧几里得几何对曲线微分和高阶导数的定义,如何定义并计算曲率?又比如大家都知道的,球面上的三角形的内角之和大于180度。曲面上的角度如何定义呢?定义为两个相交的大圆的切线之间的夹角。而这切线,就是欧几里得空间的直线。如果 没有一个均匀平坦的刚性的欧几里得空间作为本底,任何曲面几何都将寸步难行。

从逻辑上讲,所谓弯曲,是相对于平坦而言。如果没有平坦空间,如何定义弯曲空间?时空弯曲论者认为,没有引力的时空才是平坦的。可是我们知道整个宇宙中都存在引力,事实上引力的存在是宇宙学的基本前提之一。那么按照时空弯曲论,宇宙间根本就不存在平坦时空。既然如此,所谓的“弯曲”,就完全失去了现实的比较标准。

五。均匀的时间是一种数学极限

时间相对论者们为时间的相对性辩护的最得意的武器之一就是坚持任何科学上的钟都不能用来作为量度时间的仪器,时间只能用他们设计的“光子反射钟”和“几何动力钟”来量度。“光子反射钟”是达尔文(C.G. Darwin,不是那个进化论的发明者)为了解释钟佯谬于1957提出来的。他认为时间的测量必须通过不同的观测者之间互相发送和接收光线来实现。这种假想的理论钟不仅根本无法实现,而且在理论和逻辑上也站不住脚,因为它导致时钟的快慢与速度的方向有关 – 相互离开的速度使时间延缓,相互靠近的速度使时间加快。这完全违背狭义相对论。尽管如此,许多教科书上仍然大大方方地抄袭达尔文的这一辩解。他的这种“光子反射钟”机制被有些理论家们应用到广义相对论的时间测量。1964年,马兹克(R.F. Marzke)和惠勒(J.A. Wheeler)设计了一种理论的“几何动力钟”(geometrodynamic clock),就采用这种光线发收机制。只是因为在引力场中,不存在任何惯性参照系,因此任何一个参照系都没有一个共同的时间!所以,这种想象的“几何动力钟”不仅有一个不断校对时钟同步的问题,而且还有一个不断校准快慢的问题。引力场中的时间都是定域的(local)而不是全域的(global),这就造成整个“几何动力钟”概念的根本性混乱。这种校准还需要比光速还快的,理论上无穷快的某种信号才得以实现。就连他们自己也知道,这种假想的“几何动力钟”是一个“永远无法实现的理论家的梦想”。

所谓的“光子反射钟”和“几何动力钟”的发明者强加于物理学界的概念是,只有他们的假想钟才能用来测量时间,其他一切实际钟表的测量都不算数。他们要在相对论讨论中完全取消任何实际钟的资格。他们是要用钟表的精度问题来否认这样一个事实:理论上的时间可以被各种不同的自然过程来测量,而且可以被越来越精确的实际钟表逐渐逼近。

因为时间和空间为所有自然过程所共有,它也就可以为不同的自然过程来量度,来互相印证。而这,也就是时间和空间的本质。时间的均匀性和绝对性也只有在这样的互相印证和逐渐逼近中才能体现。时间可以通过天体的运行,动植物的寿命,单摆的周期,电子振荡器或原子振荡的频率,放射性同位素的自然衰变,山石的风化,铁管的氧化程度,美国总统换届的次数,等等等等,来共同测定。这些不同的过程各有优劣,互为短长。比如说,摆钟和电子表方便适用,原子钟准确但不方便,这些钟表不适用于测量漫长的过程如古尸的年代鉴定和地质结构的断代,只有同位素的衰变能测量这种漫长的过程。但是这种“同位素钟”不太准确。既准确又稳定,能够测量这样漫长的过程的钟表是天体的运行。但天体钟没有小刻度,不能用来量度短时间和快过程。人的衰老过程,并不是很精确的过程,可是他在揭示钟佯谬的逻辑矛盾,确立时间的客观本质上却起到了其他钟表无法替代的作用。这些不同的过程的测量精度各不一样,但并不妨碍他们所量度的时间的真实性和公共性。真实性和准确度不是同一个概念。科学上所有的测量都有误差,都不可能绝对精确。如果因为测量误差而否认真实性,那实验科学上的所有测量就没有一个是真实的。

测量误差和真实性如何统一呢?在于无限逼近。无限逼近是微积分和近代数学的基础。不能掌握数学极限的概念的人就无法入微积分的门。也就不能理解曲线的斜率,曲率,短程线,面积和体积的积分,密度,速度,加速度,矢量场的梯度,散度和旋度等概念。这些数学量和物理量的真实存在是不容置疑的,可是却无法绝对精确地测量。实验仪器和电脑的数值计算永远无法精确测量或计算微分,只能得到近似的差分。有些极简单的数学概念,比如点,直线和平面,现实中就无法找到,只能通过数学极限的概念来把握。现实中不存在真正的平面,但这并不能否认数学平面的真实性。人们可以通过平整的木板,墙壁,镜面,页岩和石英的断面,盆里的水面和平静的湖水等等来抽象出一个理论上绝对平坦的数学平面。同样,现实中的直线不是绝对的直。即使莱塞光也会因媒质的不均匀而弯曲。但是人们可以通过桌椅的边,直尺,木工的拉线,步枪的瞄准线,莱塞的光线等等来逼近理论上的直线,也可以想象两个抽象的数学平面的相交线来把握绝对的直线的真实性。物理世界的点都是有尺寸的,而数学上的点是无穷小的。总之,实验测量与理论极限的差别不能成为否认这些数学物理量的真实性的理由。

时间又何尚不是如此。为所有自然过程所共有的均匀的单向时间是我们通过诸多物理,化学,生物,历史等等过程来测量来把握的。因为我们有许多测量时间的方法,这就使得许多逻辑诡辩无可逃遁。这是时间的相对论者要排除所有实际的钟表,而代之以他们的假想的无法实现的钟表的真正原因。质言之,他们就是要用可以逃避实践检验的理论和仪器来取代可以通过实践来检验的理论和科学仪器,因为他们的理论和假想仪器经不起实践和逻辑的检验。


2013年3月3日上海田林科学沙龙会议纪要

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田林科学沙龙蛇年首次例会,3月3日在田林八村15号会议室进行。出席会议的有:殷业、胡素辉、张操、金尚年、杨文熊、季灏、朱永强、孙福民、庄一龙、毛明义、胡昌伟、张炳钰、杨杏耀、王家骅、吴东敏、李艳红、屠迪。另有费伦、吴林根、肖志佩、王锡文、冯建明等请假。田林八九十村居委会为我们准备了茶叶、茶杯和电茶壶,陈佩玲副书记亲自给我们照相。
吴东敏老师向沙龙捐献1000元。
会议于上午9点开始,由殷老师主持。
殷业:见到大家身体健康,非常高兴。今天会议的主题是:蛇年科研打算。请大家都来畅谈。去年,我发表了6篇学术论文,申请了10项专利,其中2项实用新型专利已授权。今年,我的个人目标是不低于去年的成绩。有关我们沙龙方面,我们要学习王通钦老师热心青少年科普事业的精神,继承他的遗愿,把他开创的科普工作继续下去。在亲子科技活动方面,可以与李艳红老师他们互动。我们与朱永强老师等合作搞太赫兹波的研究已经启动,走访了一些单位。也打算与张操老师合作进行卡文迪许实验等。
张操:今年,我要做的主要是两个方面。1、科普,我去年出的PK《时间简史》的科普书叫好不叫座,需要进一步宣传。我已经加入了市里组织的专家组,将走进中学,作科普讲座。2、复旦大学已经聘请我为教授,给研究生讲课。我于2011年出版的《物理时空理论探讨》一书,将是我讲课的基本教材。
庄一龙:今年一月,“科技文摘报”刊登了对我的报道“庄一龙:向权威挑战——‘斥粒子’理论建立物理学新体系”;刚出版的《中国高校科技》也刊登了对我的报道“庄一龙:潜心科研,精勤探索”。我的斥粒子理论,可以解答精细结构常数等物理学实际问题,因此引起了人们的关注。不过,我的身体,如视力等,有些问题,力不从心。
孙福民:我支持张操教授对现代宇宙学的批判。现代宇宙学已经走上了神学、玄学的轨道。他们把红移只看作多普勒红移,而实际上还有引力红移、衰减红移等等。物理学需要数学,但有人把数学提到了无穷的高度。我们应该下功夫将宇宙学、相对论的是是非非搞清楚。
季灏:最近,我与梅晓春一起去北京看了一个新的激光试验。还参加了北京相对论研究联谊会的第155届卢鹤绂论坛。出席论坛的有二位北京科技文摘报的记者,他们采访了我,有关报道将会刊出。吴水清会长和张崇安他们准备在太原搞“第5届民间科学大会”。我自己打算给何祚庥写一封信,针对他为院士兼职叫好和说“中医是伪科学”进行驳斥。
杨文熊:我们要下决心,配合实现中国梦,实实在在做几项大事。我今年80岁,打算从新开始,再搞20年。2011年,我写了一本书《现代牛顿力学》,将牛顿、爱因斯坦理论不足的地方补了上去。在这基础上,我又提出了二个定理,对此我很自信,认为它们将是检验力学定律的“试金石”。事物是一分为三的,1948年“控制论”诞生,后被钱学森发展为工程控制论;我提出了“驻扎论”;应该还有一个最基本的理论,有兴趣的老师可以共同探讨。
吴东敏:今天,我是第一次参加科学沙龙活动,感到相当荣幸。前年,我出了一本书〈宇宙的真谛〉,同年7月,《中国科技财富》杂志以“揭开宇宙的奥秘”为题对我的书作了报道。在这本书中,我首先列出了42个挑战性的物理学疑难问题,然后首创性地提出“两种基本粒子,三种基本物质结构”的理论学说,来解释一系列物理难题,揭示了宇宙的秘密。
会议开始前,吴东敏老师的书已经分发给与会者,张操老师请大家对此书的观点提出看法。季灏、庄一龙、杨文熊、殷业、胡素辉等位老师先后谈了各自的见解。
胡昌伟:今天在座的多数是老人,但大家都不服老,不少人还牛气冲天。还有一位很牛的长者,费伦老师,他80多了,正在大展宏图。上月,他与江西中医药大学谈成了全面合作的协议,内容包括临床试验、科研、教学、产品开发等。昨天下午,他在上汽集团作报告;今天动身飞北京、沈阳作报告;并准备去东北大学的设计、加工中心谈合作,以使他们今后开发的产品工艺能够与国际接轨。他还将与殷业老师和复旦大学遗传所等合作研究DNA和RNA之间的信息作用过程。
毛明义:我赞同季老师的观点“没有一个实验可以证明相对论的成立。”我计算了许多虚拟实例,都得不出相对论所说的结果。我的看法是:伽利略变换是二个空间之间的变换;而洛伦兹变换是空间和时空之间的变换。希望大家能够与我一起分析。
王家骅:春节期间,我与方老师通了电话,他在海南的五指山地区休养,身体好多了。在这里,环境好是个因素,吴林根老师的药方管用也起了作用。吴林根老师的药方对降血糖、降血脂都有效,他已经治愈了630余人,值得整理、推广。
金尚年:我建议以科学沙龙的集体名义写文章,确定主题后,感兴趣的都可参加。
殷业:这件事可以马上着手做。
胡素辉:我们大都退休了,没有什么可顾虑的。步子跨得大一些,做实事、说真话,干些有意义的事。认定了的事,我们要干到底,乐在其中。
屠迪:二战结束,美、苏占领德国,苏联抢机器;美国抢人才。事实表明:软件比硬件重要。基础很要紧,我们沙龙大有前途。物理学应该以“物”为本,解释引力、量子性等等都要有物质基础。我赞同“越是基本的,越应该简单”的说法。我的“双环论”是简单、明了的。
杨杏耀:我们不要说:相对论错了。而应该说有那些新的发现,讲具体的事实,对、错让别人评说。
李艳红:对于青少年科技活动,要让他们动脑、动手,激励他们的好奇心,对科学入迷,将科学精神的种子植入他们的心里。
会议期间,殷业、胡昌伟与陈佩玲副书记商谈了承接王通钦老师工作的有关事宜。

胡昌伟整理