曹天予:丘-杨分歧及其语境– 对撞机的价值与利益集团的忽悠

曹天予:丘-杨分歧及其语境– 对撞机的价值与利益集团的忽悠

awinn1 2019-12-11 13:33:46

转知乎作者:星澜海

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曹天予:丘-杨分歧及其语境– 对撞机的价值与利益集团的忽悠

注:此文与我们的观点有相同之处。特予转发。

作者简介: 曹天予

现任波士顿大学哲学系教授。剑桥大学科学史和科学哲学博士。曾是剑桥三一学院(Trinity College) 的Research Fellow,牛津万灵学院(All Souls College) 的Visiting Fellow, 普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study) 的史学所(School of Historical Study) 和自然科学所(School of Natural Science) 的Joint Mem

曹天予:丘-杨分歧及其语境-- 对撞机的价值与利益集团的忽悠

摘要:最近,数学家丘成桐和物理学家杨振宁,就中国是否应该建造高能对撞机,发表了针锋相对的意见,引起公众的兴趣。他们的分歧,牵涉到一系列与科技决策有关的重大问题,值得严肃讨论。本文将参照美国上世纪90年代初围绕超导超级对撞机(SSC)的辩论,以及作为其背景的美国高能物理及其政策环境的历史演变,就丘-杨间的核心分歧发表几点看法,以求教于两位学者和关心此事的公众。

九十年代初,我与高能物理史家Sam Schweber 一起,对当时粒子物理正在经历的变化产生了兴趣。一开始,我主要从粒子物理的理论发展来探讨其概念基础的深刻变化。而Sam则有意进一步讨论这一内生变化与外部环境变动之间的互动关系。后者主要指美国科技政策的演变,包括国际国内环境和政策主导思想的变化。

经过两年多的调查研究,包括对三十余位粒子物理领军学者的访谈,我们的看法基本成熟,即粒子物理正在经历深刻的转型。[2]1992年夏天,我们向物理学家Victor Weisskopf 提议,由他出面,在American Academy of Arts and Sciences 召开一次20余人的小型专题讨论会,就此看法展开讨论。

讨论会筹备之初,正值SSC上马下马辩论渐臻白热化。到正式开会那天(1993年11月6日),SSC败局甫定,但以Steven Weinberg为代表的支持方, 与以Leo Kadanoff 和Ken Wilson 为代表的反对方,仍然就各自立场的基本理念进行了激烈的辩论。

这一辩论的主要内容和各方立场,实际上是美国高能物理学界60年代大辩论的翻版。差别只在于30年后形势已转为对支持方大为不利。当前引起中国公众关注的丘-杨二位美籍华裔学者的分歧,可以视为同类辩论的微缩版。因此,美国60年代和90年代辩论中提出的种种说法,也许对当前国内围绕丘-杨分歧展开的讨论有点参考价值。[3]

从60年代到90年代,美国学界、公众和政府,对是否支持建造极其昂贵的高能(加速器)对撞机,有四条普遍认同的标准:科学价值、应用价值、社会价值和(资源-人才)代价。分歧主要集中在如何判断高能对撞机可能为社会提供的价值。

粒子物理兴起之初,即从二战结束到50年代末,主要任务是理解核力。由于以下几个原因,耗费巨资的高能加速器,得到政府无保留的支持。

首先,粒子物理作为核物理的延伸,有原子弹在二战中作用的背景,又在苏美对峙的冷战语境中,被认为对国家安全(应用价值)和国际威望(社会价值)至关重要。

其次,大批在战时与军方合作密切的物理学家,战后进入了政府高层咨询-决策机构,成为高能物理在政府中强有力的代理人。

最后,科技政策的主导思想,是以战时负责军事研发的Vannevar Bush为代表的对还原论的崇拜:即认为,基础科学的发展,会自动地带来技术、工业、经济的繁荣和社会福利;而粒子物理则是一切基础科学的基础,应该得到政府无条件的支持。

粒子物理的独尊地位,到60年代初就受到严重的挑战。1963年,橡树岭国家实验室主任Alvin Weinberg发表文章指出,基础科学必须对邻近学科有用或有相关性才值得支持;但高能物理对邻近学科(核物理)的贡献极为有限,远远不如分子生物学对其邻近学科(如医学)的贡献;而其对技术和福利的贡献则几乎为零。

杨振宁亲历60年代的大辩论,当然知道那时的学者、公众和政府都已明白,粒子物理不但不可能自动地带来技术、产业和经济的进步,就连原子物理、核物理所具有的在原子能、核弹方面的那些应用价值,也一点都没有。这就是为什么美国政府,从1967年起就开始削减对粒子物理的支持。

当时的一些学者,如Hans Bethe,Julian Schwinger 和Victor Weisskopf等,为粒子物理辩护时所诉诸的,主要是”物理前沿”、”对自然的基本理解”、”发现自然规律”、”提供统一的世界图像”等还原论理据。

由于历史原因,这些理据,对于长期受还原论思想浸润的粒子物理学家、政府官员和一般公众,具有不容低估的说服力。直到今天,丘成桐为对撞机游说时所依赖的,主要也还是这些还原论的理据。

但是,这些理据,由于Philip Anderson1972年在《科学》杂志上发表的一篇文章,[4]在物理学界的影响力迅速衰退。

Anderson的基本思想是:每一领域内的基础研究,是理解该领域现象的必要条件,必须支持。但不同领域间的还原,由于尺度不同和复杂性的牵扯,不可能导致(复杂领域从简单领域出发的)重构。

因此,粒子物理尽管在还原论的意义上是最基础的领域,对其它领域的研究却不可能提供什么帮助,因而不应该享有任何特权。

当时的这些辩论,并没有影响粒子物理自身的发展。其最大成就,就是从60年代到80年代逐步确立起来的标准模型。吊诡的是,这一粒子物理史上最伟大的成就,却把粒子物理带入了最深刻的危机。

首先,成功推高了期望。如果使用还原论的方法,通过引入恰当的对称性,可以得到弱电统一理论;那么进一步引入更大的对称群,理应导致更为成功的统一理论的发现。但实际上,统一弱电理论和(处理超强相互作用的)色动力学的种种努力,统归失败,更不必提统一所有自然规律的理论了(Theory of Everything)。

于是,粒子物理学家面临的形势是:在标准模型范围内,一切都对,因此已经没有什么开创性的工作可以做了; 而一旦超出标准模型,则什么都错,即除了数学玄思以外,也无从做起。期望的落空导致对(还原论)方法的怀疑。后者更因粒子物理的内部发展而强化。

我这里指的主要是对称破缺、重整化群、脱耦定理和有效场论。脱耦定理和有效场论的兴起,有力地支持了Anderson的涌现论立场:即就自然规律而言,物理世界是个由大体上相互独立的层次构成的等级结构。

如果在粒子物理领域内,高能过程对低能区的影响可以忽略不计(脱耦),那它们对其它物理领域就不可能有任何影响。仅此一条,就使上文提到的为对撞机做公关的还原论说辞失去了依托。

标准模型的主要创立者之一,Sheldon Glashow, 在我组织的《量子场论的概念基础》讨论会(1996年3月)上指出:”粒子物理已经不再研究(在自然界)发现的物质,而是研究用可观代价制造出来的物质。tau轻子或W 介子永远不可能有实际用处。K介子发现已有半个世纪了,从来没有得到任何实际应用。(这类研究)不是对可带来繁荣的经济活动的有效投入,而是象喝苏格兰威士忌或听歌剧那样的纯粹支出:享受起来很舒服,但它提取而不是增加经济资源。”[5]其次,成功还带来了幻觉,以为公众和政府还会象”黄金时代”(战后到60年代)一样,毫无保留地支持对无穷无尽物质奥秘的一切奢华探索。

而实际上,由于冷战的结束和苏联的消失,粒子物理的进一步发展对美国残留的唯一价值,即国际威望(社会价值),已经毫无意义。为此所需付出的(人才和资源上的)代价,在新的国际形势下,即西欧和东亚的经济崛起及它们在国际市场上与美国的残酷竞争,对美国说来已经成为不可承受的负担。

因此,美国的科技决策界,经过30年的犹豫(其中高能物理学界作为既得利益集团的压力不容低估),到了90年代初,特别是克林顿政府上台以后,终于痛下决心,放弃了基于还原论的对基础研究迷信的旧(Bush)模式,启动了以刺激经济、产业和生产力为主要目标的新模式。新模式的第一个牺牲品就是SSC。[6]

不过,只要注意一下美国政府对”人类基因库”、”信息高速公路”、”大脑研究创议”等项目的支持,就可以知道,新模式并没有放弃对基础研究的支持,只是支持的必要前提是,研究必须为上述主要的经济-社会目标服务。

粒子物理的麻烦是,它毫无可能满足这一必要前提。

内外交困的粒子物理,到了90年代中,其危机深重已是不争的事实。小打小闹的诺贝尔奖得主不算,就标准模型的几位主要创立者而言,贡献最大的非Murry Gell-Mann 莫属。他从80年代起就离开了粒子物理,转而推动复杂性研究。

我问过他原因。他说没什么可做了,剩下的让博士后去做吧。当然,他是大手笔、大眼界:粒子物理已经成熟,没有什么开创性的工作可做了。能做的,既没有实用价值,也不能在理论上真正推进人们对物理世界的认识,那还值得做吗?

Glashow 的相似立场前面已经提到。当然,他觉悟得比较晚,到中间玻色子发现了才死心。至于Steven Weinberg,他当然绝不放弃他那还原论的终极理论的梦想。 但他也明白,物理上真正有意义有用的的还是有效场论。

到1995年他出版The Quantum Theory of Fields一书时, 已把我和Schweber合作的专批还原论、提倡有效场论的长文[7]列入参考文献。在1996年3月的会上,他自己也大谈有效场论。[8]身处危机,搞理论的可以改行;搞实验的就意味着丢饭碗,因此需要公关(公关就免不了忽悠)。

公关的基本手法其实也简单。一是夸大科学意义,二是拼凑附带好处,三是压低估价。对于欧美富国来说,最重要的当然是科学价值。真有价值,他们并非不肯出钱。

CERN要上LHC,就极力夸大上帝粒子(Higgs 粒子)的重要性, 政府和公众一时信了,结果筹够了钱。后来,Higgs 粒子终于发现了,那又怎样?的确,它证实了Weinberg 1967年的猜想不错。

但宇宙的奥秘就此打开了吗?当然没有。

Nobel Citation 对这项发现的意义也是高估了的。其实,它对理解质量起源并无贡献:质量仍然只是经验参数,只不过改头换面,以耦合常数的面目出现而已。

2012年夏天,Erice暑期班庆祝QCD问世 40周年。Higgs也来了。当时从日内瓦传来的消息已经十分激动人心。

Higgs 对我说:”你20年前问我,什么是Higgs 粒子的本体论地位,当时我不知道如何回答。”

我问:”那现在呢?

他说:”还是不知道。”[9]

曹天予:丘-杨分歧及其语境-- 对撞机的价值与利益集团的忽悠

应邀作了题为”Key Steps Toward the Creation of QCD” 的特邀报告后,歌舞表演晚宴前,与量子色动力学的主要创立者Murry Gell-Mann 的合影。

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(2012年6月曹天予教授在量子色动力学问世40年庆典上与Higgs合影。)

2013年夏,我们又在Erice相遇。那时日内瓦来的消息,Higgs粒子基本定局。Higgs本人当然很兴奋。但他也知道这个发现并没有那么重要。

那次我讲的就是Higgs粒子的本体论地位。我讲完后,有位Paolo Giubellina来找我,他是LHC的Alice Experiment的发言人,当时Higgs也在场。

我说:”你们把宝全压在上帝粒子上。现在上帝粒子已经找到,你们该散伙了吧?”

他答道:”那可不行。多少人哪!以前不夸大上帝粒子搞不到钱。现在公关得另辟蹊径了。”

我问他公关有什么新思路。

他答道:”我明天就到北京去,看中国人是否愿意出钱。

他去北京以后的故事我不清楚。但北京是欧美面临散伙的实验物理项目的首选公关目标, 却是定而不移的事实。

回过头来看丘-杨的基本分歧。就对撞机的科学价值而言,丘成桐强调它是”探索宇宙奥秘”、”大自然奥秘”、”在基础科学方面有可能出现重大原创性突破的地方,将有助于探索整个宇宙物资的基本结构是如何形成的。”

这些大而无当的空话之外,他也具体提到了”其科学目标是精确测量希格斯玻色子的性质以及探索标准模型背后更基本的物理规律”以及”寻找超对称粒子”。[10]

杨振宁则指出,希望发现超对称粒子”只是猜想加猜想“。至于”精确测量希格斯玻色子的性质”,杨没有、也不必有任何回应。道理很简单:希格斯玻色子一旦发现,精确测量其性质的意义,就和再去精确测量牛顿引力常数的意义差不多。但后者至少还有些实用价值,而前者则毫无意义,除非能导致超越标准模型(发现其”背后更基本的物理规律”)。

但数学家丘成桐并没有对”精确测量”如何能导致”超越”给出任何提示,所以说来说去还是空话。其实,要超越标准模型而又不涉及超对称粒子,数学家绝对无能为力;光靠实验专家,也完全无望;就连精通数学又熟悉实验精微的粒子理论物理学家,也还得好好花些功夫,才能有点头绪呢。头绪都没有,”精确测量”能有什么科学价值?

对建造对撞机的科学价值,杨振宁的判断可以说是一锤定音。对其应用价值、社会价值和(资源-人才)代价,他的判断也是一锤定音。

其实,他说的道理,早已是人所共知的常识。在前文提到的93年讨论会上,Ken Wilson 特地问应邀与会的Bob Solow (专攻技术对经济增长的贡献,1987年诺贝尔经济奖得主):”基础物理(主要是粒子物理)对美国经济增长有无贡献?”


回答很干脆,象杨振宁一样:没有。对于社会价值,丘成桐提到了”中国国际形象的提升”。但杨振宁看得清楚,对撞机的设计、运转与分析的主导权必定落在外国人手里。也就是说,中国只能成为花钱让外国高能实验界撞大运、保饭碗的冤大头,这种国际形象,对中国有什么社会价值?!

丘成桐还有一点意见,杨振宁没有回应, 我来作点评论。

丘成桐说:”现在在中国反对建造对撞机的科学家们,有谁是高能物理的实验专家?”如果只有实验专家有发言权,那数学家丘成桐早该打道回府去做数学了,凭什么资格花那么多钱(谁的?)在中国到处游说?

科学社会学的基本常识之一是,科学家是个重要的社会群体,但也是一个特殊的利益集团(当前深陷危机、正为存活挣扎的高能实验物理共同体,正是一个值得警惕的利益集团)这个集团的利益是否与全社会的利益一致,不能由它自己说了算,而需要社会公众来做评判。

让SSC下马的美国国会议员中,有几个是高能物理的实验专家?如果丘成桐认为民主国家的科技决策权只能留在专家手里,那他应该先到华盛顿去游说,把美国的科技决策制度先改了,然后再来教训中国政府和中国公众不迟。

从几千万离乡背井打工蚁居的农民工身上挤出来的上千亿元应该怎么花,能让几个实验专家说了算吗?

[1]丘成桐:关于中国建设高能对撞机的意见并回复媒体的问题(2016年8月29日,见http://news.kedo.gov.cn/feature/answer/848997.shtml)

杨振宁:中国今天不宜建造超大对撞机 (2016年9月4日,见科学公众号《知识分子》)。

[2] 参看S. S. Schweber 1992年6月在第三届国际粒子物理学史专题讨论会上的发言(”A Historical Perspective on the Rise of the Standard Model”, in The Rise of the Standard Model, [Cambridge U. Press, 1997], 645-684); T. Y. Cao 1993年4月在法国国家科研中心科技史研究中心的讲演(”Fundamental Physics in Transformation”, La Letter de l’Association Henri Poincaré, No. 8 (June 1993), 5-9).

[3] 这些说法的具体内容和文献出处,可在脚注2的两篇文章中找到。

[4] P. W. Anderson: “More Is Different”, Science, 177 (4047) [4 August 1972]: 393-396.

[5] 参看 Sheldon Lee Glashow: “Does quantum field theory need a foundation?” in Conceptual Foundation of Quantum Field Theory (ed. T. Y. Cao, Cambridge U. Press, 1999), 74-88.

[6] 无知者竟说这”使一代美国人失去了梦想的勇气”,简直不知所云。

[7] T. Y. Cao and S. S. Schweber: “The Conceptual Foundations and Philosophical Aspects of Renormalization Theory”, Synthese, 97:1 (1993), 33-108.

[8] See Steven Weinberg: “What is quantum field theory, and what did we think it was?” in Conceptual Foundation of Quantum Field Theory (ed. T. Y. Cao, Cambridge U. Press, 1999), 241-251.

我国学者可重整量子引力的引力波验证(连载1)

我国学者可重整量子引力的引力波验证(连载1)

时间:2019-11-28    点击:56 次    来源:湖北大学    作者:NES量子与宇宙   – 小 + 大

摘要:本文通过引力波实验结果,提出对广义相对论中引力扰动的作为力和作为几何度量的两种功能进行验证和确定的方案。同时,将其与双变量度量量子引力,进行了体制上的比较。

注:本文说明邵氏团队开创性的工作,已经取得巨大突破。采用圈量子理论将引力的量子化、重整化成功,将量子引力与宏观引力实现统一。而且,所发现的空间张量与引力扰动量相等在宏观上就是宇宙膨胀量与引力的相等。这个理论值得用实验检验验证。特此推荐。李小坚

邵丹 Longkai Wu 李小坚 邵常贵 黄保国

摘要:本文通过引力波实验结果,提出对广义相对论中引力扰动的作为力和作为几何度量的两种功能进行验证和确定的方案。同时,将其与双变量度量量子引力,进行了体制上的比较。

关键词:广义相对论度规;双变量量子引力度量;引力波验证

中图分类号:0413.3

1、概述

Ashtekar,Rovelli,Smolin等人提出的圈量子引力[1.2],做出了空间时间的量子化,是目前最为系统的一种空时量子化理论,双变量度量量子引力[3.4],利用圈量子引力的基本思想[3],采取空时和引力分离表述的方法,发展出了一中引力相互作用可重整的量子引力[4]。即引力相互作用过程中出现的两种发散,全部可以被消去(目前国际上只求得其中一种,且无法消去。见[2])。

广义相对论的四种验证均验证的是,其中含有的引力扰动hμv(x)的作为力(或能量)的测地线行为。而对它是否有对空时自身几何的影响能力,目前尚无确切验证。同时,广义相对论已被认为,是不能重整化的。这样一样,在广义相对论与双变量度量量子引力之间,将存在观念上和方法上的不同。而这些不同能得到验证,将在引力理论发展上具有重要意义

本文提出,利用对引力波观测结果的客观分析,将会在体制上别广义相对论、双变量度量量子引力、引力波有关实验,三者间的可能关系,以至各自的优劣甚至对错。

2、广义相对论与双变量度量量子引力的度量

广义相对论的度规gμv (x)表式为:

gμv (x) =ημv(x)+ hμv(x) (1)

式中,ημv为平坦闵柯夫斯基空时度规,hμv(x)为引力扰动。双变量度量量子引力的组合度量gμv (x),在与表观理论广义相对论比较下,可写为:

gμv (x) =ημv+ ηEμv(x)+ hμv(x) (2)

式中,ηEμv(x)为这一量子引力在微观空时和引力量子化的规范机制中,由于引力圈线占有空间“体积”,而析合出的度量组份,用于消去引力相互作用中的发散[4]。且有当量等式:

ηEμv(x)= hμv(x) (3)

这里指出,(2)与(1)相比较,多出的ηEμv(x)的来源是自然存在的。这是当考虑微观空时与引力形成外部规范体系时,引力扰动圈线hμv(x)通过质地ημv的行为,有如绣线穿过织物质地一样,要占有相同(即(3)成立)的体积一样。

但这一图景的意义,却使广义相对论成为了真正意义上的外部引力扰动规范理论。它打破了广义相对论不能区别绣线和质地体制上的局限,而只能将二者混为一体的做法。即在(2)中使二者分离,且均作为基本变量而出现,而且二者相等。

这里指出,(2)中出现的ηEμv(x)除了可使引力重整化外,也对空时自身几何与引力扰动间的关系,提供验证机会。并且用引力波的实验就可以验证。这显然是引力与空时理论上的一个有重要意义的切入点。

这里指出,广义相对论只是一种宏观唯象理论,当向微观尺度深入发展时,它的经典体制将不再适应。双变量量子引力中的ηEμv(x),是该理论在微观存在、并用以消去发散的空时扰动。它的存在,使双变量理论的微观实现了引力的重整化。而当重整化完成后,ηEμv(x)的功能已经完成,它在宏观广义相对论的体系中并不存在。即广义相对论只是作为双变量理论完成了重整化之后的结果,而出现。ηEμv(x)的存在,不仅使引力得到了重整化,也将这一理论引向微观。同时,也指明了广义相对论的宏观唯象地位。

而(3)式的成立,是由于圈量子引力的圈线法,把引力圈线与空时圈线分离表述的自然结果。即引力圈线(hμv(x))通过空时时,将占有体积折合成的度量份额(ηEμv(x))所致。

3、广义相对论与双变量度量量子引力的引力波验证

双变量度量量子引力认为,引力与空时是物理学两种完全不同的概念,不能相互混同或融合(只能等效、但不等同)。而目前广义相对论验证的只是hμv(x)与力有关的属性。hμv(x)在求解时来源于爱因斯坦方程,得到的具体解(即hμv(x)的具体表式),也是将hμv(x)的组份作为引力势的由力到引力场的提升。物理学目前尚未有发现涉及到hμv(x)可以具有力也可以具有改变空时自身几何的双重作用(这是需要实验确认的)。而这也正是双变量度量量子引力与广义相对论的区别所在。即,前者认为hμv(x)只具有力的属性,它自身不能改变空时自身的度量。空时自身度量的改变是通过ηEμv(x)实施的。虽然一定条件下,得到的表观结果看似一样,但物理机制和观念是根本不同的(这也是广义相对论被看成表观理论的原因)。而这种验证是一直无法进行的,当前的引力波实验,正式接触到了这一问题。

另外,双变量度量量子引力,还得到如下广义相对论不曾有的结果:ηEμv(x)可以对空时度量有影响,但也可以无有影响。这最终要由物理实验证明,而最好的验证也是引力波实验观测。即,引力波实验对两种可能情况,起着至关重大的抉择作用。

4、引力波观测实验的抉择

ηEμv(x)对空时几何自身(即度量组份)有否影响的抉择结果如下:

若在排除干涉条件下满载通过的引力波长度上的测量,得到的长度改变与波测长度无关;则说明ηEμv(x)(仍至hμv(x) )并不影响空时自身的度量。若测得的结果与被测长度成正相关;则说明ηEμv(x)将影响空时自身的度量。前者表明,广义相对论体制上存在根本问题(如弯曲空时的存在问题),它实际上只是一种引力的理论。后者表明,是ηEμv(x)的作用支持了引力的重整化。

如上两种状况是引力波测量(可整理出)的必然结果,可作为双变量理论与广义相对论观念与方法上的一种检测。

但若测不到二种方法中的一种,这也有重要作用。即这表明,或测量手段存在问题,或这种引力波实验测量的根本就不是引力波

5、结论

由于广义相对论的四大验证,并未有真正涉及到引力扰动对空时几何本身的深层作用[5]。它对物质粒子在空时中的测地线运动,仍可认为是其中引力作用造成的结果,并非是空时自身的弯曲[6]。这两种观点在广义相对论研究中,一直存在。本文指出,对引力波观测结果的如上分析,可以得到判定性的有抉择作用的结果。这将对确认广义相对论的体制和区隔广义相对论并深入发展引力理论,有重要意义。

即,对地域上和天区上的引力波实验,将只能存在这三种结果。而最后一种结果,将是对引力波实验真实与否的一种客观判据。也将成为物理学的关注对象。

西方超引力获突破奖 与 中国圈量子引力创新

李小坚      推荐评注:

西方的超引力理论,不如东方新圈量子引力理论。国内邵常贵教授团队的圈量子引力理论工作,已经超越他们。而此重要工作没有人关注,没有引起足够的重视。

国内邵常贵先生的《量子引力—-空时与引力的新体制》、《空间时间的量子理论》,深入研究和发展了LQG,已经完成了空间量子化,时间的量子化,引力的量子化,重整化的结果消除了引力发散性。并且,有希望对四种力的统一,有望发展成为一个完整的统一理论。

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今天看到,中国物理学会期刊网 发文:

昨夜,三位超引力理论提出者获300万美元基础物理学特别突破奖

https://mp.weixin.qq.com/s/lFk4qDMT2NG3E9R-xGc55A

编译 | 七夕夜的三叶草

校对 | 于槐、高木槐

当地时间2019年8月6日,基础物理学突破奖评选委员会(The Selection Committee of the Breakthrough Prize in Fundamental Physics)宣布,奖金高达300万美元的2020年基础物理学特别突破奖授予超引力的提出者,物理学家Sergio Ferrara(CERN)、Daniel Z. Freedman(MIT和斯坦福大学)和Peter van Nieuwenhuizen(纽约州立大学石溪分校)。这三位科学家因提出了超引力理论而获此殊荣。在超引力理论中,描写基本粒子量子变量成为描述时空几何的一部分。

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Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara和Daniel Z. Freedman | 图片来源:CERN
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此前该奖获得者包括首次发现射电脉冲星的约瑟琳·贝尔·伯奈尔(Jocelyn Bell Burnell)、斯蒂芬·霍金、在发现希格斯玻色子的实验中发挥主导作用的欧洲核子研究中心(CERN)的七名科学家,以及探测引力波的LIGO合作团队。

评选委员会主席爱德华·威滕(Edward Witten)说:“超引力的发现是在描述时空动力学时引入量子变量的开始。引人注目的是,爱因斯坦方程可以被推广成为所谓的超引力理论。”

突破奖的设立者之一Yuri Milner说:“当我们想到人类想象力的伟大作品时,我们通常指的是艺术、音乐和文学。但一些最为深刻而美丽的作品是科学家创造的。过去几十年来,超引力一直激励着物理学家,这个理论中可能蕴含着关于现实本质的深刻真理。”

01
超引力

Ferrara、Freedman和Van Nieuwenhuizen是超引力的构建者。超引力是1976年提出的一个极为有影响力的理论,它成功地将引力整合到一种特定的量子场论当中。量子场论是用符合量子力学定律的场来描述自然界中基本粒子和相互作用的理论。

上世纪60年代和70年代初建立的标准模型是一种量子场论,至今仍是物理学中得到最精确验证的理论,其成果包括预言希格斯玻色子的存在。然而,一个很明显的事实是,标准模型并不完备。特别是它只描述了自然界的三种作用力:它没有考虑引力,而引力属于爱因斯坦广义相对论的领域。此外还有许多谜题无法解答,比如一些粒子的质量比预期值低许多个数量级,也没有任何粒子可以解释暗物质这种遍布整个宇宙的不可见物质。

然后到了1973年,物理学家发展了“超对称性”原理,它扩展了标准模型以包括新的粒子家族。超对称性理论假设,每一个已知的粒子都有一个看不见的“伙伴”:费米子(构成物质的基本粒子,比如电子和夸克)有玻色子(携带作用力的粒子)作为伙伴;而玻色子(比如光子)则有对应的费米子作为伙伴。

虽然这些“超玻色子(super-boson)”和“超费米子(super-fermion)”是否存在还有待实验证实,但超对称性因其强大的解释能力而引人注目。它将费米子和玻色子的特征联系起来,作为一种潜在对称性的表现形式——就像不同的形状可能是同一个物体在镜子中的不同的反射一样。它还为标准模型中一些令人困惑的谜题提供了解决方案,其中包括解释粒子微小质量的机制,以及暗物质的自然候选者——暗物质就像是假设中的“超玻色子”一样,质量大但不可见。

但是要想用超对称性来描述我们周围所确实看到的现象,比如苹果落地,那就必须将超对称性扩展到包括引力。这正是 Ferrara、Freedman 和Van Nieuwenhuizen 曾下定决心要实现的目标。他们三人的合作开始于Ferrara和Freedman 1975年在巴黎高等师范学校的多次讨论,接着是与Van Nieuwenhuizen的合作,最终通过当时最先进的计算机上一系列冗长繁复的计算而完成:他们成功地构建了一个包括“引力微子(gravitino)”的超对称理论,引力微子是引力子(携带引力的玻色子)的超对称伙伴粒子,它是一种规范费米子。

超引力理论不是广义相对论的替代理论,而是广义相对论的超对称版本:这个理论中使用的代数包含了表示部分时空几何的变量——在爱因斯坦的理论中构成引力的几何。

02
影响深远的超引力理论

自从超引力理论提出四十年来,它一直对理论物理学产生着巨大的影响。超引力理论表明,超对称性能够解释我们在现实世界中所看到的所有现象,包括引力。它代表着我们目前对粒子物理学理解的完成,对“自然界的什么理论同时与量子力学和狭义相对论这两个基本原理相容?”这一问题给出了一个严格缜密的数学解答。它还为建立一个从基本层面上描述时空的完整的量子引力理论提供了基础——人们现在依然为之奋斗。

1981年,威滕证明,这个理论可以用来为广义相对论中一个极其复杂的定理给出一个相当简单的证明。在那之后不久,超引力被整合到弦理论中——当描述低能量的相互作用时,弦理论实际上等价于超引力。这是1984年麦克尔·格林(Michael Green)和约翰·施瓦茨(John Schwarz)的证明的一个极为关键的组成部分,他们的证明使得超弦理论得以建立在稳固坚实的数学基础上。超引力在库姆伦·瓦法(Cumrun Vafa)和安德鲁·斯特罗明格(Andrew Strominger)关于量子黑洞的研究,以及后来在胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)等人的“全息”引力理论的发展中也发挥了重要作用。

03
超引力何时能被实验验证?

超对称和超引力的概念非常令人信服,物理学家至今仍在苦苦寻找实验证据来证实他们的预测。Van Nieuwenhuizen表示:“超引力中最关键的问题就是超对称粒子的发现,而这只有实验物理学家才能解决。“

科学家希望,大型强子对撞机(LHC)的实验中会出现这些粒子的证据。不过到目前为止,证据还没有出现。如今,物理学家正在扩大他们的研究范围,寻找新粒子的非传统特征,包括超对称性和超引力预测的那些特征。他们也在精确地测量那些已知的过程,观察是否存在与标准模型的预测不一致的地方。

Van Nieuwenhuizen说:“让我们希望大自然会意识到我们的努力。通过解决那些长期存在的问题,这个美丽的数学模型已经为物理学做出了贡献,而它在数学上的贡献甚至更大。我希望它不仅仅是数学和物理中的工具,而是一种物理现实。”

Freedman说,超引力的概念源于对携带力的粒子的认识,这些粒子与强、弱和电磁力有关,我们已经在自然界探测到了它们。“在我看来,大自然很有可能也知道超引力。”

按照计划,在本世纪20年代中期,大型强子对撞机将进行升级,这将为物理学家提供更多数据,以便继续寻找可能存在的任何新粒子。

Ferrara认为,超引力被实验验证只是时间问题而已。“在预测存在希格斯玻色子之后,我们花了将近60年的时间才发现它。对于超引力,我们也需要差不多同样长的时间。”

Peter van Nieuwenhuizen在得知自己获奖后接受了采访,下面是来自纽约州立大学石溪分校官网刊发的对话。
Q:你是怎么得知自己获奖的?A:我刚从荷兰回来。当时我正坐在餐桌边付账单,电脑上弹出来一条消息,是爱德华·威滕(Edward Witten)发给我的。他是个著名的物理学家,是突破奖甄选委员会主席。他发消息问我什么时候方便接电话,电话号码是多少。我回复他说“现在就行”,把我的号码给了他。然后我就接着付账去了,但是并没有电话打进来。大概20分钟以后,我看了一下电脑,发现Edward又给我发了一条消息。他说:“我刚打给你,结果是马萨诸塞州一个叫Johnny Johnson的家伙接的。”晕,我给错了区号!我又给他正确的号码,跟他说“可能是因为我还在倒时差”。这下我马上接到了他的电话。我当时很担心他会问我很难的超引力方面的问题。他很聪明的。我有点儿紧张,因为我可能回答不出来。结果,我拿起电话,他对我说:“我是Edward Witten。祝贺你获得了2020年基础物理学特别突破奖。”对我来说这绝对是个惊喜。这么多年来,我们一直渴望得奖,结果每次得奖的都是别人。当然,我们从来没有怀疑过,他们都是极其优秀的物理学家。只是这么多年下来,我早就不做指望了。所以Edward告诉我获奖的时候,我真的是说不出话来。我跟他说:“呃,我不知道该说什么,我早就放弃希望了。”他说:“不必多言。请不要告知任何人。”就是这样。这是我人生中最短、含金量最高的电话。Q:关于超引力的发现,我们是不是还在等待“重大发现,确凿证据”?A:证据就在那儿。理论已经有了,数学上一切都很清晰。这个奖是为了表彰我们做过的理论工作。但还不清楚这是不是真实描述自然的理论。只有找到超对称粒子,我们的理论才能成为物理现实。我每次写文章,结尾都要写“希望大自然意识到我们的努力。”Q:你认为,我们今天的技术和资源是不是能够找到超对称粒子了?A:到目前为止,在芝加哥附近的费米实验室、在日内瓦附近的欧洲核子研究中心,都没有发现超对称粒子。据说中国要建新的加速器,我们拭目以待。

Q:你是怎么会和Freedman、Ferrara一起研究起超引力概念的?

A:当时Freedman在这儿(纽约州立大学石溪分校)教书,Ferrara在CERN。有次,Freedman在去巴黎的路上碰到了Ferrara,两人讨论了超引力的概念。Freedman回来后就把我叫上一块儿研究,就在现在这间办公室。我们全程通过打电话、写信联系Ferrara。

Q:给我们讲讲整个研究过程吧。有没有“啊哈!”那样的豁然开朗的时刻?

A:有的。我们完成了非常非常复杂的计算。真的很复杂,我们算了好几个月,觉得肯定搞不定。但我的导师,诺奖得主Veltman,他教我学会了用计算机,所以我决定用Brookhaven附近的CDC电子计算机来解决问题。我们在电话中来回讨论结果。因为担心花销太多,我们写程序的时候尽量精简,最后用了30到40美元,今天看来,比起这个项目,这点钱算啥。

有天很晚了,我坐在办公室的计算机旁,那时候我们已经走到最后一步了:一切都检查过了,所有东西都不能再调整或修改了。有2000个系数都必须为零——它们都是整数,要么是0,要么是1或者2,反正不能有0.1、0.2之类的小数。所以计算机程序就不必使用高精度。如果这些参数里面任意一个不为0,理论就失败了,我们就将前功尽弃。

第一批数据出来了,然后是第二批、第三批,依次往后。我们已经知道第一批数据中的系数都是零,因为在之前的运算中,它们都可以归零。关键在于是不是所有其他系数也都能归零。一批批的数据不断从Brookhaven出来——1600、1700,还是零——1800、1900,终于到第2000个,所有的系数都为零!就在那个时刻,我知道理论成立了。

我很累。我半夜给Freedman打电话,他当时在芝加哥开会,在旅馆休息。我说:“Dan,都搞定了。”他说:“好极了。”然后打了个哈欠又睡过去了。

大家都问我是不是兴高采烈,欢欣鼓舞,但说实话,忙了好几个月,我只感到十分疲惫。所以我回家睡觉了。直到好几天后,我才意识到这是个重大发现。

Q:学校里庆祝了吗?

A:一开始是没奖励的,我们只需要写学术论文。我们在The Physical Review发了文章,论述了我们的发现。后来我们还给这篇论文加了个附录,说明计算机计算表明表明我们的理论是成立的。

至于我个人,我被升任为首席教授(Leading Professor),后来又成为杰出教授(Distinguished Professor)。有些机构邀请我去工作,但我决定留在这里——我觉得这是一个明智的决定。

Q:你从1975年起就待在纽约州立大学石溪分校了,刚才你还说留在这里是个明智的决定,为什么呢?

A:最主要的原因是,我喜欢在这儿教高级研究生课程,学生对这些课特别着迷,他们一直激励着我。能有这样追随你的听众,别无所求。

Peter van Nieuwenhuizen 在黑板前

Q:你同时也隶属于杨振宁理论物理研究所?

A:对。1975年杨振宁把我招进去的。他是我的研究所主任。他总是非常非常支持我,这也是我喜欢呆在这儿的另一个原因。

当时我在波士顿,犹豫不决,因为有人告诉我纽约是个很危险的地方。我第一次来这儿的时候,走在老物理楼旁边,看到一个年轻人狂奔,一个年龄大点的男的扑上去死死按住他。我看到那一幕,吓坏了。后来才知道,那个年轻人是个学生,他冒充另一个学生,犯了诈骗罪;年龄大点的男人是个教授,要抓住那个学生。

不管怎么说,我跑回波士顿。但是杨振宁给我打电话,说我应该回石溪去。我就去做了个学术报告,一开始报告很顺利,大家都在听,但后来忽然所有人都离开我,跑去房间的另一头,有个人从Brookhaven进来,拿着一张纸,上面有一个巨大的、意想不到的测量峰值。后来知道是粲夸克。我决定接受杨振宁的邀请,在这里做助理教授。

Q:你打算怎么使用这笔奖金?

A:这笔钱数额惊人,我还没想过,因为我压根儿没想到我们会得奖。好在我不用立刻想出答案。

后记
超引力理论是数学物理的一个重大发现。它认为时空带有一种费米性,并因此引入了一种反对易数。在超引力理论中,时空是有由对易的实数和新的反对易数来描写的。用这一新观念所建立的超引力理论,是一种非常特殊的量子场论,其带有超对称。这一类量子场论有许多非常奇妙的性质,它吸引了很多人在这一方向做研究,也取得了很多进展。但我们所生活的时空是否真有这种费米性,超引力理论是否真的能描写我们的世界,还有待于实验验证。目前的高能加速器实验没有找到任何超对称的迹象。
《返朴》的一些文章(如“拓扑序:看世界的一种新视角 | 众妙之门”)介绍了对时空的另一种不同的看法。我们认为,时空是由许许多多具有量子特性的量子比特来描写的,而不是由对易的实数和新的反对易数来描写的。当构成时空的量子比特海具有一种由弦网来描写的量子纠缠时,弦的端点可以是费米子(其对应于电子夸克等费米子),而弦的密度波是描写各种相互作用的规范场(其对应于光子胶子等传播力的粒子)。这也是一种量子时空,而且是一种同时带有费米性和规范性的量子时空。但这种量子时空没有超对称,也不被超引力理论来描写。
——文小刚
参考资料
https://breakthroughprize.org/News/53
https://news.stonybrook.edu/facultystaff/qa-with-breakthrough-prize-winner-peter-van-nieuwenhuizen/?from=timeline&isappinstalled=0
https://www.symmetrymagazine.org/article/breakthrough-prize-awarded-to-architects-of-supergravity

 

李小坚评注:

西方的超引力理论,不如东方新圈量子引力理论。国内邵常贵教授团队的圈量子引力理论工作,已经超越他们。而此重要工作没有人关注,没有引起足够的重视。

国内邵常贵先生的《量子引力—-空时与引力的新体制》、《空间时间的量子理论》,深入研究和发展了LQG,已经完成了空间量子化,时间的量子化,引力的量子化,重整化的结果消除了引力发散性。并且,有希望对四种力的统一,有望发展成为一个完整的统一理论。

据一位朋友告诉我们,正确的科学研究道路很重要;他参加的2009年8月上旬北师大圈引力(loop)会议,感到加拿大圆周物理研究所的学者,用扭量理论构造微观粒子拓扑形态的假说模型,与我们的三旋密码的论证类似,然而出发点与结论却不相同。他请教过国内圈引力学者,认为上述扭量模型的探索可取,但未必能得到可计算的有效结论,特别是能否进行费曼路径积分是个没有解决的大难题。关于loop理论,有人说到现在20年的发展,科学界已经造就了几个中心:一个是加拿大的圆周研究所(PI),PI的核心人物是lee smolin(李.斯莫林),他写了一本科普书《通往量子引力的三条路途》;另外的一个是法国的Rovelli组;一 个是美国的ashtekar组。

在中国对圈量子引力理论,做出突出贡献的有北京师范大学马永革;江汉大学邵丹等分别领导的小组,及湖北大学邵常贵教授,武汉科技大学的邵亮教授,他们在做圈量子引力。他们所取得的成果为国内之翘楚,深受国际学术界瞩目。
邵老师团队基于圈量子理论的突破,是量子理论与广义相对论的融合的典范,是统一理论成功案例!

我们中国人一起共同发展,完全可以实现一个由中国人提出的代表中国文化的创新统一理论!

参考:

1.空间时间的量子理论_百度百科  https://baike.baidu.com/item/%E7%A9%BA%E9%97%B4%E6%97%B6%E9%97%B4%E7%9A%84%E9%87%8F%E5%AD%90%E7%90%86%E8%AE%BA/8159033?fr=aladdin

2.《空间时间的量子理论》(邵亮,邵丹,邵常贵)【摘要 书评 试读】- 京东图书 https://item.jd.com/10844783.html?dist=jd

3. 量子引力世界开放论坛(使用文字:中,英,日) 2018-10-20    http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3400625

4.如下工作,邵常贵团队的重要贡献:

附录I:本书重要结果与符号使用索引(书目) 

序号 结果摘录 参考书目
1 空时SO(3.1)规范场、SO(3.1)局部活动标架下联络的表述、引力规范理论 [1][5][*]
2 对广义相对论中数学、物理及验证的点评,外源度量扰动功能剖析 [1][*]
3 引力的离散分布 [2]
4 理论解析结构(含原则与计算)对大爆炸和黑洞的否定 [2][3][4][5][6] [*]
5 空时与引力双变量度量(绝对度量、组合度量)的定义、及分离表述 [2][3][4][5] [*]
6 空间体积量子、面积量子的定义与计算及体积算符间的变换 [2][5]
7 限制曲率无穷大机制 [2][5][6] [*]
8 引力相互作用的量子化 [2][5] [*]
9 双变量度量量子引力(M -理论) [2][5] [*]
10 宇宙来自空时的多种可能膨胀 [3][4][5] [*]
11 广义相对论体制上可表述为“平坦空时+引力扰动” [3][4][5] [*]
12 早于霍金对黑洞视界和黑洞奇点存在作出正式否定(即作者给出对黑洞的首次否定),存在隐星、隐物质,黑洞不存在原理 [3][4][5] [6] [*]
13 红移计算的空时度量修正例 [4]
14 马赫原理的物质与空时二源重原初关系的对称运动解释 [4][5]
15 双变量度量量子引力尺度物理(从微观零尺度至面向无穷大尺度) [4][5] [6][*]
16 空时方程、空间时间张量 [4][5] [*]
17 广义相对论是引力微分同胚规范场、宇宙第一类空时外部规范场、广义相对论外部规范性质剖析 [4][5] [*]
18 空时与引力二元统一世界、双重度量的二元连续统M、宇宙统一规范场论 [4][5] [*]
19 空时度量组分及作用 [4][5] [*]
20 狭义与广义相对论在宇宙中的地位 [4][5] [*]
21 量子动态组合宇宙(大观宇宙) [4][5] [*]
22 闵柯夫斯基空时尺度物理不变性、S-节律 [4][5] [*]
23 双变量度量量子引力的无假设宗旨 [4][5] [*]
24 鸿汤能量 [4] [*]
25 双变量度量量子引力的引力相互作用重整化与背景无关性 [5]
26 双变量度量量子引力的纤维丛表述 [5]
27 空时与引力分离条件下引力圈线表达的引力散射传播子 [5]
28 空时在引力量子化中的作用 [5]
29 双变量度量量子引力作用量及其形成过程 [5]
30 引力喷流、空时度量反弹 [5] [*]
31 引力相互作用的重整化、规范不变与非规范不变两类发散的消除、G(S)-量子化 [5] [*]
32 空时外部规范场规则 [5] [*]
33 宇宙空时的体制、空时的形态 [5] [*]
34 历史上引力规范场量子化探索点评 [5] [*]
35 三源重理论(3S-理论) [5] [*]
36 基本力(五种)的反弹生成规则(自然力是自然界整体对称性遭到破坏的反弹) [5] [*]
37 引力相互作用重整化(非一次切中)猜想、空时质地与引力刺绣的平衡 [5] [*]
38 广义相对论的两条基本原理是在不明外部规范场存在的条件下,对它是空时外部规范理论的表述 [5] [*]
39 后爱因斯坦时代物理学三个基本问题的回答 [5] [*]
40 圈量子引力中的圈线法(引力与空时圈线分离) [5] [*]
41 空时SO(3.1)规范场动能通过截面B ijμ输送度量组份ηEμv(x)消去引力相互作用发散 [5] [*]
42 空时与引力连续统双重度量多方位根脉统一理论  [5] [*]
43 宇宙第二类空时外部规范场、第五种作用、重整化空时度量扰动δημv(x) [5] [*]
44 引力扰动的力的属性与对空时度量的决定属性的分离考查 [*]
45 空时与引力的双轨宇宙探索 [*]
46 空时与物理规律的根脉统一 [*]
47 四种相互作用的规范统一、五种基本(规范反弹)力  [*]
48 弯曲时空量子场论不存在、引力与其它三种力具有共同的规范场地位 [*]
49 牛顿三定律是空时外部离散规范作用、等效原理是广义相对论与牛顿力学的深度链接  [*]
50 空时的SO(3.1)规范体制  [*]
51 引力扰动不同于引力波  [*]
52 引力波评述、避免引力波实验的盲目性、空时涟漪的不确定性  [*]
53 双变量度量量子引力的引力波验证  [*]
54 重整化猜想——对称性定域化需付出代价  [*]
55 爱因斯坦默认、引力的物理属性不变原理  [*]
56 等效原理的(对空时质地的规范反弹)解释、裸露局部平坦空时质地且其上三源重形成原初平衡、大观宇宙的运动观  [*]
57 宇宙的规范与根脉统一至简图景、宇宙大观统一  [*]
58 暗物质与暗能量的另类(如另外宇宙叶)解释、宇宙区域准形成状态、摆脱四种相互作用、引力空洞、空时另类物理作用原理  [*]
59 空时度量规范叠加原理、宇宙的叶、宇宙隐藏的(非四种相互作用)叶  [*]
60 宇宙微观尺度物理模型——引力陷阱、黑洞是理论上的一种虚构  [*]
61 外部量子态存在原理、态与度量平行存在原理、空时与态的相容原理  [*]
62 引力度量组份剖析及其真实性考查  [*]
63 空时特征与物质运动形态的适切定理、态与惯性是两种宇宙基因  [*]
64 数学概念无物理执行力定理  [*]
65 数学概念的物理接纳定理  [*]
66 宇宙事物第四组合规则  [*]
67 量子动态组合宇宙的辩证唯物和客观实在性  [*]
68 空时度规与引力扰动非同质(二者等效非等同)原理  [*]
69 空间组合秩序独立性原理  [*]
70 宇宙基本源重相容纳但不相融合原理  [*]
     
     

 

 

今天文小刚先生报告:物理学的新革命

文小刚:物理学的新革命——凝聚态物理中的近代数学 |

文小刚:物理学的新革命——凝聚态物理中的近代数学 | 众妙之门

2019-07-23  坚石rnomz…  转自 lindan9997  

撰文 | 文小刚(麻省理工学院终身教授、格林讲席教授)

经历了数千年发展,数学这门古老的学科在近一百多年开拓出了众多分支,并产生了多个应用学科。而一般人所学的往往是200多年前的数学。面对近代数学,若非精通数理者,恍如坠入“数学的深渊”。今天的二条文章用一张生动有趣的长图,将深奥的数学深渊化作一部星汉灿烂的数学史。

事实上,数学的发展常常得益于物理学提出的问题,而物理学的每一次重大革命,则往往伴随着新数学的引入。《返朴》总编文小刚特为此撰文,回顾历史上几次物理学革命,从数学的眼光看待物理学,并阐述凝聚态物理中的近代数学。在他看来,范畴学、代数拓扑等近代数学理论在物理学中的应用意味着,物理学正在进行一场新的革命。

今天的二条文章介绍了1900年前的数学发展史。过去100年来,数学有了很大的发展,除了像微分方程和微分几何这些与经典物理本身有深刻关系的数学以外,还发展出了代数拓扑、代数几何、代数数论、范畴学、几何表示论等极度抽象的数学。之前《返朴》介绍数学的文章《如何理解数学?从纠正对数学的偏见开始——得数学者得天下》强调,近代数学不是一个仅仅关于“数”的学问。以范畴学为代表的近代数学,更是一门关于关系和结构的抽象学问。有趣的是,近年来,这些看似和现实毫无关系的数学理论,特别是代数拓扑、代数几何和范畴学已经开始和现代物理深度碰撞

1 物理学革命与数学的引入

历史上物理和数学有着十分深刻的联系。物理的目的之一是了解新的自然现象。而一个新的自然现象之所以新的标志,就是我们连描写它的名字及数学符号都没有。这就是为什么当物理学家有一个真正的新发现时,他/她什么都说不出来,什么都写不出来,也无法进行计算推导。这时候就需要引入新的数学语言来描写新的自然现象。这就是数学和物理之间的深刻联系。正因为如此,每一次物理学的重大革命,其标志都是有新的数学被引入到物理学中来

第一次物理革命是力学革命,需要研究的物理现象是天体的的运动。牛顿不仅要发明他的万有引力理论,而且还要发明微积分这一套新的数学来描写他的理论。第二次物理革命是电磁革命。麦克斯韦发现了一种新的物质形态——场形态物质。这就是电磁波,也是光波。后来人们发现,这种场形态物质需要用数学的纤维丛理论来描写。第三次物理革命是广义相对论。爱因斯坦发现了第二种场形态物质——引力波。他需要引入数学中的黎曼几何来描写这种新物质。第四次物理革命是量子革命。这次革命揭示出,我们世界中的真实存在,既不是粒子也不是波,但既是粒子又是波。这种莫名其妙却又真实的存在,可以用量子力学来解释,而量子力学则是建立在数学中的线性代数理论之上。

500

牛顿、麦克斯韦、黎曼、爱因斯坦

我们现在正在经历一场新的物理革命——第二次量子革命。这次革命的主角是量子信息和它们的量子纠缠。这次我们所遇到的新现象,就是很多很多量子比特的纠缠。这种多体量子纠缠的内部结构,正是我们既说不出来,又没有名字的新现象。我们现在正在发展一套新的数学理论(某种形式的范畴学),来试图描写这种新现象。

这次正在进行中的物理学新革命是非常深刻的。因为这次革命试图用纠缠的量子信息来统一所有的物质、所有的基本粒子、所有的相互作用,甚至时空本身。而凝聚态物理中的拓扑序、拓扑物态,以及量子计算中的拓扑量子计算,都是多体量子纠缠的应用。正是通过这些物理研究,我们发现了多体量子纠缠的重要性,并引入了长程量子纠缠这一相关概念。

2 用数学的眼光看物理学

我们刚才用物理的眼光,概括了数学和物理的关系。自牛顿以来,我们都是用分析的眼光看世界,用连续流形、连续场来描写物理现象。特别是爱因斯坦的广义相对论,它是如此的漂亮自然,大家都认为它抓住了宇宙的本质。之后,以几何的眼光看世界成为物理的主流。在这个思路下,物理学家发展了规范场论、量子场论,以及描写所有基本粒子的标准模型。

但完美主流的几何的眼光,并不一定是认识世界的正确方法。从量子革命以来,我们越来越意识到,我们的世界不是连续的,而是离散的。我们应该用代数的眼光看世界。连续的分析,仅仅是离散的代数的一个幻象。就像连续的流体,是许许多多一个个分子集体运动的幻象。这种以代数的眼光看世界的新思想,将颠覆很多目前的主流物理理论,带来物理的第二次量子革命(见《光的奥秘和空间的本源|众妙之门》)。某种意义上,建立在几何思路之上的广义相对论、规范场论、量子场论太漂亮太完美了,让我们误以为它抓住了宇宙的本质,误导了我们一百多年。

有趣的是,这100多年来,近代数学发展的一条脉络也正是从连续到离散、从分析到代数的脉络,也提出了离散的代数是比连续的分析更本质的观点。60年代由Grothendieck学派发展出来的代数几何理论正是这种思想的代表,代数几何可以看作是实现了连续和离散的统一的几何理论。这和物理学从经典到量子的发展一一相映。而实现统一的语言当然是代数的,更准确的说,是一个超越了集合论的、全新的数学语言,也是代数几何的基础语言:范畴学。

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40年代Eilenberg和Mac Lane发展了范畴学,60年代Grothendieck在此基础上发展了代数几何。

3 范畴学的精神

下面让我从一个外行的角度,来粗略介绍一下范畴学的精神。通常,如果我们想要深入了解一个物体,我们会把这个物体分解成越来越小、越来越简单的构件。如果我们可以做到这一点,我们就认为了解了这个物体。这一思想方法就是还原论的思路。这是科学思想方法的一个主流。很多人甚至用它来定义什么叫做“理解”。

但主流并不代表正确。“理解”也可以由另外一种完全不同的方式来实现。我们不试图把物体分成更小更简单的基本构件。我们甚至不去考虑物体的内部结构,也许物体根本就没有什么内部结构。我们试图通过这个物体和其他所有物体的关系和作用,来了解这个物体

其实,和其他物体的关系和作用,正代表了这个物体所有可能的性质。而一个物体的所有可能性质,也就完全定义了这个物体本身。归根到底,也许我们根本就没有物体,只有一大堆关系。而物体这一抽象的概念,以及物体所有可能的性质,是由这一堆关系来定义的。这就是范畴学的精神。

把这一范畴学的思路应用到认识论,我们发现所谓的“客观存在”,其实是人脑通过观察到的大量的、各种各样的关系,所抽象出来的一个概念。也就是说,我们头脑中的主观印象观察是客观的。而所谓的“客观存在”,反而是主观的。因为我们所观察到的大量的、各种各样的关系不是随机混乱的,这些关系之间有非常强烈的关联。这些强烈的关联赋予我们“客观存在”这一想象(或概念)。吴咏时老师举过一个社会学例子:范畴学的精神正像马克思说过的,人这个个体是通过人和人的关系定义的。所以范畴学是关系学,也是认识世界的一种新方式。

01

我们也可以把范畴学的思路用到物理中对相和相变的理解。两个相之间的相变,就是范畴学中的“关系”。而相这个概念,就是通过所有相变(即“关系”)来定义的。

02

物理学中的第2个例子是量子力学理论。通过量子力学中的波函数来理解我们的量子世界,其实是一种还原论的思路。如果我们要用范畴学的思路来理解我们的量子世界,那我们将像实验物理学家一样,直接考虑各种各样的观测(这些观测对应于我们上面说的关系),而且我们只考虑各种各样的观测。这些观测(关系)之间有很强的关联。通过这些关系之间的关系,我们可以直接理解我们的量子世界。这就是范畴学的思路。

现有的量子理论用的不是这一思路,而是通过对观测之间的关系的总结,抽象出波函数这一概念,代表所谓的“客观存在”。然后我们再通过波函数来理解我们的量子世界。

其实波函数(及其背后的线性代数),仅仅是我们对现有实验观测的一个模型。这一模型不见得唯一,也就是说,可能有另一个理论可以同样有效地描写我们的量子世界。这一模型也不见得正确,也许将来新的实验观测会和现有的模型矛盾。这将迫使我们构造一个新的模型,也就是发展一套新的理论,来描写我们的量子世界。

其实用范畴学的思路来理解我们的量子世界,就是要放弃波函数这一概念。这将有助于我们不受波函数的束缚,来进一步发展量子力学。

03

物理学中第3个例子,就是具有长程纠缠的量子物态。量子物态中的组分有可能有长程纠缠。这些长程纠缠的各种各样的构型,会给出各种各样不同的量子物态[1]。这就是量子物态中所谓的拓扑序(见《拓扑序:看世界的一种新视角 | 众妙之门》)。有长程纠缠的量子物态,是一类全新的物态,有各种想以前想不到的新现象。

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陈谐(左)顾正澄(右)和我在一系列工作中提出了长程纠缠和对称保护序的概念,并发展了对称保护序的上同调理论。

长程量子纠缠及其对应的拓扑序,是一个全新的自然现象。我们到底应该用什么样的数学来描写这一新现象?近十几年来的研究发现,张量范畴学和高阶范畴学正是描写长程纠缠(拓扑序)的数学框架。其实拓扑序物态中的拓扑准粒子对应于范畴学中的“实体”(object,即所谓的“客观存在”),而准粒子的交换、融合等操作,对应于范畴学中的关系(morphism)。张量范畴学正巧是描写拓扑准粒子的完备理论。它可描写拓扑序物态中的拓扑准粒子所具有的各种非常新奇的性质,如分数电荷、分数自由度、分数统计,甚至是非阿贝尔统计,等等。正是这些新奇的性质(非阿贝尔统计),使我们可以用拓扑物态进行拓扑量子计算。

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吴咏时(左)指出分数统计(准粒子的交换操作)的数学基础是编织群表示。王正汉(右)及其合作者对简单的模张量范畴进行了完全分类。

通过范畴学,我们得到了对拓扑序(即长程纠缠)的全面理解和分类。比如在1维,没有非平凡的拓扑序,也就是说没有长程纠缠,只有短程纠缠。在二维,各种各样的拓扑序可以由一类特殊的张量范畴——模张量范畴——来一一描写[2]。在三维,各种各样的拓扑序可以由一类特殊的融合二阶范畴来一一描写[3]

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兰天(左)、孔良(中)、朱晨畅(右)和我的一系列工作对三维拓扑序进行了完全的分类和构建。

4 代数拓扑在凝聚态物理中的应用

近代数学的另一重要分支——代数拓扑,也在凝聚态物理中有重要的应用。上面提到长程纠缠(即拓扑序)代表了一类新型的量子物态。那么长程纠缠的反面——短程纠缠,应当只能描写那些平庸的、没意思的量子物态。可最近十几年的研究揭示,如果系统有对称性,那么即使是没有拓扑序的短程纠缠的量子物态,也可以是非平凡的。这类非平凡短程纠缠态被称之为“对称保护序”。媒体中常说的拓扑绝缘体[4],就是一种没有拓扑序,但有对称保护序的量子物态。虽然有短程纠缠的对称保护序,没有分数电荷,没有分数自由度,也没有分数统计,但它们会有非平凡的、可以导电导热的边界,这使之成为目前凝聚态物理研究的一个大热点。

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Mele(左)和Kane(右)在理论上发现了拓扑绝缘体    

而代数拓扑中的上同调理论和示性类理论,正是描写这些短程纠缠(即对称保护序)的数学语言。这些代数拓扑理论使我们对一维有能隙的物态有了完全的理解和分类[5],也使我们对高维的对称保护序有了完全的理解和分类[6]

有很长一段时间,我们认为所有的物态都可以通过朗道的对称性和对称性破缺理论来理解(见《物理定律对称之美,物态对称破缺之美 | 众妙之门》)。为了理解这些物态,为了研究对称性,很多物理学生都学群论。现在我们意识到,还有很多新的物态是超越朗道对称性理论的。为了研究这些新的量子物态及其中的多体量子纠缠,今后许多物理学生,很可能还要学习范畴学和代数拓扑。(其实目前已经有很多物理学生开始学习范畴学、代数拓扑等现代数学理论)。这显示了数学物理的交融和并肩发展。新的数学进入物理,也意味着物理目前正在进行一场改朝换代的新革命。

(文小刚教授相关主题讲座即将开启,详情请留意本页下方海报)

参考文献

1. 陈谐,顾正澄,文小刚, Local unitary transformation, long-range quantum entanglement, wave function renormalization, and topological order, arXiv:1004.3835

2. 文小刚,Topological Orders In Rigid States, Int. J. Mod. Phys. B, 04, 239 (1990);  Rowell, Stong, 王正汉, On Classification of Modular Tensor Categories, arXiv:0712.1377

3.  兰天,孔良,文小刚,  Classification of {(3+1)D} Bosonic Topological Orders (I): The Case When Pointlike Excitations Are All Bosons, arXiv:1704.04221,

兰天,文小刚, Classification of {3+1D} Bosonic Topological Orders (II): The Case When Some Pointlike Excitations Are Fermions; arXiv:1801.08530;

朱晨畅,兰天,文小刚,Topological non-linear sigma-model, higher gauge theory, and a realization of all {3+1D} topological orders for boson systems, arXiv:1808.09394

4. Kane, Mele, Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect, cond-mat/0506581

5. 陈谐,顾正澄,文小刚,Complete classification of 1D gapped quantum phases in interacting spin systems; arXiv:1103.3323

6.  顾正澄,文小刚,Tensor-Entanglement-Filtering Renormalization Approach and Symmetry Protected Topological Order; arXiv:0903.1069;  陈谐,顾正澄,刘正鑫,文小刚,

Symmetry protected topological orders and the group cohomology of their symmetry group, arXiv:1106.4772.

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转发葛墨林院士:我同意杨振宁,中国不应建大加速器

转发理由:《红灯记》中有唱词:我家的表叔,数不清!

另有:暗号照旧。我们也有反对建大对撞机的意见。英雄所见略同。并祝福表叔端午节安康!特此转发。——–李小坚

葛墨林院士:我同意杨振宁,中国不应建大加速器
科技日报 报人刘亚东 2019-6-5
https://mp.weixin.qq.com/s/dvjJQc5723QuMh6Y_FhO4g科技日报记者 高博

 

中国应不应该建大加速器?这一争论尚无公认答案。加速器即用电磁场驱动带电粒子,使之累积能量后迎头对撞,研究碎片产物,以寻找新的粒子。2015年开始,中科院高能物理所提出建立世界最大的加速器CEPC。两位物理学家王贻芳和杨振宁分别支持和反对这一设想。

最近,中科院院士、南开大学物理学教授葛墨林对科技日报记者表示:他支持杨振宁,不赞同建设大加速器。

问:您为什么不同意建大加速器?

答:现在高能物理学的最大困难还不在于造超高能新的加速器,而是没有公认突破标准模型的可靠新理论,从而有确切检验的预言,也就是说,根本不知道做什么崭新的物理。上世纪中期开始,量子场论(尤其规范场)和夸克模型逐渐发展起标准模型,实验发现预言的渐进自由、Z、W粒子等,是很大成功。其后,除了中微子理论、实验外,就没有太大理论创新。1970年代到现在,虽然有人提出很多超越标准模型的理论,但没有哪个像标准模型提出的物理那么清楚。

高能物理发展到现在,具有工程特点:理论上一定要特别清楚:要找什么?预计是什么样子?否则不值得投钱。

大型强子对撞机(LHC)就明确要找希格斯粒子。验证希格斯粒子后,LHC基本任务完成,遗留大量数据继续分析处理。但它已经花了上百亿欧元,很想继续做下去,包括向更高能量发展。

受其鼓舞,日本想建国际超高能直线对撞机中心(ILC)。但日本政府刚宣布砍掉了这个项目。原因很简单:不知道做什么物理,花费巨大,不值得。

问:超弦理论不能去测吗?

答:超弦理论在思维上有启发,但它缺乏实际物理后果,没提出很多可测的东西。我记得,弗里曼·戴森(美国物理学家)15年前来南开,跟我说过,50年之内根本不可能去测量的东西,不要去搞。有人提出造大加速器去检验宇宙初期的奇点,这是我无法理解的。

问:有意见指出,美国当年下马超级加速器项目SSC,使物理研究中心转移到了欧洲。您怎么看?

答:在当代,高能物理已不是物理关注的重点,更谈不上“中心”。美国20多年前砍掉了SSC,我认为不是傻。美国支持的项目花钱不多,但支持奇思妙想,巧中取胜,切中物理发展的核心,也出了很多诺贝尔奖。LHC花了那么多钱,也只是验证了Higgs几十年前写的两三篇文章,为Higgs拿了一个诺奖。

CEPC的造价,我听到的数字:一开始提的是300亿元。但这个数字不包括基建。挖那样大直径、那样深的一个隧道,单位成本高过地铁,可想这笔数目小不了。

当初美国为什么把SSC已经挖好的一部分洞都填上,就是怕不断加码钓鱼——“钱已经花了,不继续花也不行。”当时已投入20亿美元,断然下马,这是正确的。另一方面,后来美国在他们大力支持的领域,收获极大。

有报道称一些国外学者积极支持CEPC,我建议他们首先应当说服他们的政府出资加入这个方案。

问:CEPC的支持者指出不存在资金无底洞,一个理由是国内关键技术比较成熟,而且人员项目经验丰富。

答:我们的技术和人才实力,与欧洲还无法相比。比如加速器的核心技术是强磁场,LHC能建成,因为欧洲有磁场技术。而我的了解是,中国的超导磁场技术做不出用于这种加速器的强磁场,甚至连准确测量强磁场也做不到。造出CEPC需要的强磁场,还需要有理论上、材料的突破,并不容易。

我国在单、双环对撞机分支有些人才,距LHC要求甚远。而在LHC工作的多为数据分析人才。中微子实验离此目标也甚远。

问:通过CEPC带动关键技术突破,这也是一种效益吧?

答:与其说加速器带动技术突破,不如说它是将现有的技术用上。我认为,如果国家觉得强磁场技术有用,那就给强磁场课题,没必要扯上高能物理。

现在国家急需做的事很多。核废料处理需要造加速器;散裂中子源已列世界四大实验室之一,其后续需大力支持,才能测量轮机叶片材料;再如各种光源;再如我国半导体器件落后,源于基础太差。但现在,我国物理所已有MRAM(磁阻内存)下一代器件的专利,如果技术转移成功,将可能根本改变行业面貌,但我没看到有人呼吁向这个关键方向投资。

问:不建大加速器的话,我们靠什么发现高能量区的物理?

答:探测宇宙射线。高能粒子发现历史上,宇宙射线起了很大作用。

王淦昌先生在1990年代跟我说过,靠加速器要发现TeV级的粒子,几乎不可能。但是TeV级的宇宙射线,虽然不知道原因,总是会来的。我们要发展宇宙射线,花钱不多,耐心积攒数据,到一定程度就有重要发现。

我同意王先生的观点。可惜我们国家对宇宙射线不够重视,因为加速器三、五年能做出来成果,而宇宙射线或许要积累十年甚至更长时间。

问:探测宇宙射线更有前途,这有什么证据吗?

答:比如中科院2015年年底上天的“悟空”卫星,不久前发现一个1.4TeV左右的突起信号,可能是新粒子的迹象。“悟空”这样的探测项目也就花几个亿,还搭载不止一种探测器。

在此前,美国花1000多万美元在南极放气球,我国学者通过数据分析发现了以前没发现的高能粒子的迹象,虽然误差比较大;受此启发,欧洲、美国后来也证实有数据突起。有人猜它可能会突破标准模型。这可能是对王淦昌先生预见的支持吧。

杨振宁:盛宴已过

杨振宁:盛宴已过

肖洁 科学网 5-1

作者 | 肖洁

https://mp.weixin.qq.com/s/pYjs2cb18XxguYyeGFMoBw

“我的看法完全没有改变。”

4月29日下午,北京雁栖湖畔,中国科学院大学(以下简称国科大)庞大的新礼堂座无虚席。端坐在台上白色沙发里的,是中国科学院院士、诺贝尔奖得主杨振宁先生,他很坚定地给台下一位研究生“泼了一瓢冷水”。

这位研一的男生来自中国科学院高能物理研究所,未来即将从事CEPC(环形正负电子对撞机)的预研工作。

年轻人首先表达了对这位著名物理学家的崇拜,然后对于曾在几年前明确表示反对中国建造大对撞机的杨先生热切问道:“我想代表我所有的同学再问您一次,您现在对我们建造CEPC的想法有没有改变?”

国科大最大的礼堂座无虚席

清晰表明反对态度后,杨振宁强调“这是一个很重要的事情”。他建议大家去看他2016年在网上发表的一篇文章。

在那篇文章里,杨振宁细数了反对中国马上开始建造大对撞机的七大理由:

其一,建造大对撞机美国有痛苦的经验,这项经验使大家普遍认为造大对撞机是进无底洞。杨振宁认为中国建造超大对撞机的预算不可能少于200亿美元。

 其二,中国仍然只是一个发展中国家,建造超大对撞机,费用奇大,对解决燃眉问题不利。其三,建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费。其四,多数物理学家,包括杨振宁在内,认为超对称粒子的存在只是一个猜想,没有任何实验根据,希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子更只是猜想加猜想。

其五,七十年来高能物理的大成就对人类生活有没有实在好处呢?杨振宁的答案是“没有”。至少未来三十、五十年内不会有。

其六,建造超大对撞机,其设计以及建成后的运转与分析,必将由90%的非中国人来主导。如果因此能得到诺贝尔奖,获奖者一定不是中国人。

最后一点,杨振宁认为,不建超大对撞机,高能物理仍然有其他方向值得探索,比如寻找新加速器原理,比如寻找美妙的几何结构,如弦理论所研究的。

“中国现在做大的对撞机,这个事情与我刚才讲的内容有密切的关系。”杨振宁此行是作为“明德讲堂”演讲嘉宾,来与国科大学子分享自己的学习和科研经历的。

杨振宁回忆在美科研生涯

在与学生们现场交流之前,97岁高龄的他已经脱稿侃侃而谈了四十五分钟。“我刚才讲过,一个年轻的研究生最重要的一件事情是什么?其实不是你学到哪些技术,而是要使你自己走进未来五年、十年有大发展机会的领域,这才是你做研究生时所要达到的目标。”

“而现在,是大对撞机‘没落’的时候了。”

杨振宁直言:“在我在美国做研究生的时候,这个领域刚开始大放光彩。也可以说这几十年来,它是大家认为物理学最最重要的发展领域。可是这领域不只是从今天开始,而是从30年以前开始,就已经走在末路上了。”

“可是多半人还不知道。”

杨振宁早在上世纪八十年代就表述了这样的观点。

那时他在美国参加了一个国际性的研讨会。在会上,物理学家们讨论以后十年高能物理向什么方向发展。谈及大型对撞机,杨振宁在那个会上讲了一句话:

“The party is over.”

“什么意思?盛宴已过。”坐在沙发里的杨先生挥挥手,补充翻译道。

The party is over.

杨振宁表示,自己当时就看出来,上个世纪五六十年代是高能物理的高潮,可是到了八十年代的时候,高能物理重要的观念都已经有了。“后面虽然还可以做,可是没有重要的新观点出来,尤其对于理论物理学的人来说,没有新观点,你做不出东西来,所以我那时候就讲了这句话。”

“不幸的是很多年轻人没有听进去我这句话,或者是他们只知道跟随老师,那些老师没有懂我这句话。所以今天我才讲得更清楚一点。”

而自从在2016年发表文章明确反对建造大对撞机后,杨振宁也听到了很多批评的声音。“有人跟我说,杨振宁你这话完全错误。因为希格斯玻色子的发现就很重要。”

2012年科学家宣布发现了一个新粒子,与希格斯玻色子特征有吻合之处。2013年3月14日,欧洲核子研究组织发布新闻稿表示,先前探测到的新粒子是希格斯玻色子。

这一成果也很快获得了诺贝尔物理学奖。

“这个贡献重不重要?当然重要。它证明了上世纪的那些理论是对的。”杨振宁说,“可是这重要的贡献的理论起头,不是现在,不是20年前,也不是30年以前,而是上世纪五六十年代了。”

希格斯玻色子的实验,是6000人合作的结果。每篇论文的署名自然也是好几千人。

“这个实验做完了以后,这个机器不能再做下去了,要造更大的对撞机,需要花更多的钱,至少要200亿美元。”杨振宁说,“别的国家没钱,大家说中国有钱。”

“我知道我的同行对我很不满意,说我(的反对)是要把他们这行给关闭掉。可是这个对撞机要花中国200亿美元,我没办法能够接受这个事情。”杨振宁说。

“我没办法能够接受这个事情”

这句话引来现场一些观众的掌声。但先前提问的那位研究生非常不服气,他接着向杨振宁“挑战”:

“您讲到科研成功的第一步就是兴趣,我们对高能物理是有兴趣的。200亿美元的经费也是一个长期的投入,我们并不是一年就把它花完,与其分散做很多小项目,我们想的是做一个大项目。而且高能物理到底有没有前途,不是还得靠我们的努力吗?”

杨振宁表示赞赏这位研究生的态度。但是他反问道:高能物理的研究,是不是目前整个世界科技发展的总趋势呢?

在他看来,整个的科技发展以及每个科技领域内部的发展,都是在经常地改变。19世纪的物理学所研究的东西、研究的方法、研究的态度,跟20世纪是不一样的;那么21世纪物理学发展的趋势、研究的题目、将来成就的方向,跟20世纪也是完全不一样的。

交流中开怀大笑

“20世纪后半世纪最红的物理学是高能物理。而上世纪非常红的东西,到这个世纪还继续红下去,是很少有的。你为什么不考虑21世纪将要发展的是什么呢?”他再次反问。

杨振宁以自己戴了二十年的助听器为例,这方面的技术不断更新换代,他每隔几年换的新助听器性能越来越好,特别最近两年有革命性的进展。而这一进展则来源于丹麦学者对于声学的研究。

他相信这方面的科技还会继续发展,也是一个很有前途的研究方向。

杨振宁最后直截了当地说:“我懂高能物理,我认为你不要走这个方向。”

一直站在杨振宁身边主持演讲和互动环节的国科大校长、中科院院士李树深笑着接过了话茬:“我曾经听过清华大学朱邦芬老师的一个报告,介绍杨先生的为人和学问。其中朱老师给杨先生的一个评价就是率真。的确,杨先生对待问题的态度就是如此率真,毫无保留地把自己的观点贡献给大家。”

李树深校长(左)担任讲座主持人

(文中图片均为杨天鹏摄)

附:国内不同意见

回应杨振宁!高能物理学者:盛宴正酣!|高能物理|对撞机|杨振宁_

5-3 新浪科技_新浪网 https://tech.sina.com.cn/2019-05-03/doc-ihvhiqax6392390.shtml

文章来源:科学网

  作者 | 倪思洁

4月29日下午,在中国科学院大学“明德讲堂”上,曾浩高举的手,被主持人注意到。

他激动地站起身,接过话筒,向中国科学院院士、诺贝尔奖得主杨振宁提问:“您现在对我们建造环形正负电子对撞机(CEPC)的想法有没有改变?”

曾浩刚上研究生一年级,目前在中国科学院高能物理研究所(以下简称中科院高能物理所)实验物理中心学习。

“我本科的时候就知道杨先生反对CEPC,但最近听说他好像改口,不反对这件事了,所以就来问一下,没想到他还是泼了一盆冷水。”曾浩告诉《中国科学报》。

讲堂上,杨振宁告诉曾浩,大型对撞机“盛宴已过”,“你不要走这个方向”。

相关阅读:杨振宁:大型对撞机盛宴已过 200亿美元预算无法接受

身处CEPC的门槛边,曾浩并非不了解同行的悲观观点。“做CEPC的人毕竟还比较少,我的同学们会觉得我们占用了他们的经费。”曾浩说。

但这次杨振宁的观点还是让他感到惊讶。

“杨先生说科研成功的第一步是兴趣,我的科研兴趣就是高能物理,如果我对材料学之类的热门领域感兴趣,就不会来做高能物理的研究生了。既然选择了这个方向,我还会继续做这方面的研究。”曾浩说。

然而,一场大型对撞机建造之争已被再度点燃。

朋友圈里,有人做了个“对联”:

上联:The party is over。(盛宴已过)

下联:The game just begins。(大戏方始)

横批:Collisions outside the field。(易场对撞)

针对杨振宁的观点,一些高能物理学者表达了他们的意见。

 观点一:盛宴已过?盛宴正酣!

杨振宁:“这领域不只是从今天开始,而是从30年以前开始,就已经走在末路上了。可多半人还不知道。”

方亚泉(中科院高能物理所研究员)方亚泉(中科院高能物理所研究员)

我敬佩杨先生在粒子物理领域做出的突出贡献,但这个观点我没有办法赞同。

2008年前后,我在欧洲核子研究中心(CERN)已经做了五六年高能物理的研究工作。有一回,杨先生访问CERN,做完报告之后,他把我们这些年轻华人召集起来开了一个会,会上他谈到,加速器物理的前景很悲观,劝我们转去做其他方向。

当时这些话对我们有很大的影响,但我现在很庆幸自己坚持下来了。从2008年到发现希格斯粒子,前后只有三年多时间,现在回头看看,当时就是黎明前最黑暗的时候。

如今,全世界的加速器物理技术都在不断发展,探测器技术在不断升级,低温技术、超导技术、大数据技术等逐渐应用到加速器上,这些技术方面的进展也给工业界带去了很广的应用前景。

 

阮曼奇(中科院高能物理所研究员)阮曼奇(中科院高能物理所研究员)

我很尊重杨先生,但是对这一看法并不能认同。

回顾这几十年的发展,高能物理并不像杨先生预言的那样“盛宴已过”。高能物理孕育着更大的突破,而大型对撞机项目有可能带来这一盛宴的真正高潮。

半个世纪以来,高能物理的发展围绕粒子物理标准模型展开,其发现和成果占据了约三分之一的诺贝尔物理学奖。

粒子物理标准模型极为成功地描述了对撞机实验上几乎所有的物理现象,随着希格斯粒子的发现,标准模型的粒子谱已然完备。

但同时,标准模型也远不是终极理论,标准模型本身存在着诸多理论疑难,也存在大量无法解释的实验现象。

对标准模型的进一步认识乃至突破,将会极大加深人类对物质世界的理解,而大型对撞机项目将在这一突破当中起到不可替代的作用。

今年年初,欧洲核子研究中心(CERN)发布了未来环形对撞机(FCC)的概念设计报告,其技术路线和科学目标和CEPC一致。这说明了整个高能物理学界对于大型对撞机项目的科学意义及技术手段的认识是高度一致的。

  观点二 :200亿美元?没那么多!

杨振宁:“这个对撞机要花中国200亿美元,我没办法能够接受这个事情。”

即使欧洲的FCC也用不了200亿美元,更何况作为基建大国的中国?

去年11月14日,CEPC发布了两卷本的《概念设计报告》,CEPC预估建设费约需360亿人民币(53亿美元)左右,其中还包括了10%的不可预见费,即为应对不可知情况而预留的费用。

CEPC的预研工作和核心技术攻关工作得到了中科院、科技部、国家自然科学基金委的支持。

从去年《概念设计报告》发布以后,CEPC进入了技术设计报告环节,技术设计包括对撞机和探测器两个部分。

目前,对撞机部分的技术设计已经可以将亮度(即粒子产量)提高到原先的180%,一些关键技术有所进展;探测器方面也在进行国际合作架构和讨论。

  观点三:人傻钱多?我们走在前面!

杨振宁:“这个实验做完了以后,这个机器不能再做下去了,要造更大的对撞机,需要花更多的钱,至少要200亿美元。别的国家没钱,大家说中国有钱。”

 

金山(南京大学物理学院教授)金山(南京大学物理学院教授)

早在2011年底,已经有内部消息说希格斯粒子有被发现的迹象,我们开始考虑是否要模仿CERN的大型正负电子对撞机(LEP),建一个能量高一点的类似装置,并开始调研。

2012年7月4日,CERN宣布发现希格斯粒子。9月13日,中国高能物理学会在北京召开战略研讨会,会上我向大家汇报了调研进展。

听完报告之后,茶歇期间,中科院高能所所长王贻芳找到我,说“可不可以设想一下把你们建议的30公里周长环形加速器建成50公里周长的,之后再从电子-电子对撞机升级成质子-质子对撞机?”

在会上,我们提出了这个设想,得到的反响很好,学会马上成立了研究小组。

之后,2012年9月13日,成了环形正负电子对撞机和质子-质子对撞机(CEPC-SPPC)概念正式被提出的日子。在这之后,欧洲核子中心也提出了建FCC的想法。2013年9月13日,CEPC的工作组又先于FCC成立。我们一直走在前面。

 观点四:追热点?不值得推崇!

杨振宁:“一个年轻的研究生最重要的一件事情是什么?其实不是你学到哪些技术,而是要使你自己走进未来五年、十年有大发展机会的领域,这才是你做研究生时所要达到的目标。”

徐庆金(中科院高能所研究员)徐庆金(中科院高能所研究员)

基础科学是创新的源泉。当我们大力提倡加大基础科学研究的时候,当我们号召“板凳宁坐十年冷”、耐得住寂寞攻坚克难的时候,杨先生却教导我们的研究生如何做“五到十年有大发展”、以个人利益为出发点的“正确选择”。

教导学生以个人短期得失为依据,而不是根据每个人的特长及兴趣来选择研究方向,不是对学生负责任的态度。如此做法,也会对我国许多需要长期坚持才能取得重大突破的研究带来灾难。

方亚泉方亚泉

杨先生可能认为高能物理领域每篇论文署名上千人,个人显示度不高。杨先生是搞理论物理的,可以单枪匹马做研究,但是,大科学大装置是靠成百、上千、上万人一起做出来的,这是两种不同的研究模式。在现在和将来,人类对基本物质世界的探索,需要站在全人类合作共赢的层面去考虑。

沅曼奇

学习技术和找准方向两个都很重要。但是,在科研中,如果让所有人都去追逐潜在热点,不见得是值得推崇的事情。

培养研究生,既要尊重他的兴趣和基础,也要为他们提供比较好的科研环境。杨先生的想法如果能实现,当然也是非常成功和愉快的人生,但是这样的经验不见得能推广,也不应该被推广。

中国应不应该修建大型强子对撞机?

万能物理学

李小坚

一、龚学创新物理学

本网站的博客文章,已经将龚学创新物理学的基本内容展现出来了。

龚学表明宇宙万物都遵循基本的物理学规律。

宇宙的创生,物质、空间、时间都必须遵从方程0。 并从该方程出发理论描述了底层基本粒子结构常数、宇宙学常数、宇宙成分构成普朗克CBM数据。

龚学还揭示了底层粒子质子、中子都是生命游戏中的滑翔机,宇宙计算机基本单元,从而揭示了智能、生命、意识的定义与起源。

二、跨界物理学

我们龚学理论已经展现了创新物理学与太极阴阳学说的联系;现代物理学与中医学说的基本关联;生命进化的基本原理与机制,揭示生命底层的智能驱动。

龚学理论还建立了与数学的同构关系;与统一语言学的关系;与现代经济学、政治学、哲学、宗教的关系。

从而表明,宇宙世界的一切都面临共同的问题,具有共同的原理与机制。这些构成一个复杂系统的功能,也都必须遵从物质、能量、信息的基本规律。

三、万能物理学

如何将龚学理论应用于现实的各种系统中,特别是当今的创新科技的发展进程中,开发出各种应用技术,构成龚学万能物理学。

我们将宇宙的基本要素:物质、能量、信息进行统一的构建。建立各类应用系统的体系架构、功能与算法。在龚学创新物理学基本理论指导下,实现具体系统的物质、能量、信息的理想调控。由此,我们将致力于创建万能物理学。

这是我们的最终努力的方向。展示这些工作,也是本博客网站的基本任务。

值得期待!

 

万物创生有机缘,虚实相随总转圈。

圈圈环环皆一体,创新创业闯难关。

 

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

原创物理研究 2019-04-23 10:55:47
第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

梅晓春(1) 黄志洵(2)

(1)福州原创物理研究所

(2)中国传媒大学信息工程学院

2019年4月10日,由多国天文学家合作的事件视界望远镜项目组(EHT),公布的一张黑洞照片,风靡全球。它被称为人类拍到的第一张证明黑洞真实存在的照片,并被认为再次证实了爱因斯坦引力理论。

我们不否认该项目研究人员付出的努力和取得的成就,能得到这样的照片是一个很不容易的事情。但这其中也存在很多疑问,我们在此提出三个问题,希望参与实验的天文学家能够解释,并借此机会让公众了解事情的真相。

一.照片中的黑洞是真黑的吗?

这张黑洞照片(见图1)是用全球不同地点上八台射电天文望远镜,对室女座的M87星系(又称梅耶87星系)中心同时进行观测,将收集到的数据进行进行两年的分析和综合处理,在计算机上合成得到的。因此它不是真正的黑洞照片,当然这并不重要,重要的是图中的黑色区域代表什么意义。

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

图1. 第一张黑洞照片(中间黑暗区是M87星系的中心)

在一般人的印象中,天文望远镜是观测天上星光的仪器,接收的是可见光。射电天文望远镜与光学望远镜有所不同,是收集宇宙天体发射的无线电波的望远镜。在天文学的早期,没有人想到宇宙天体也会发射无线电波。直到1930年,美国贝尔电话公司的工程师卡尔·央斯基,发现来自银河系人马座方向的无线电噪音后,才引起人们的注意,并逐渐发展到现在的具有举足轻重的作用射电天文学。上世纪六十年代的四大天文发现:类星体、脉冲星、星际分子和微波背景辐射,都是利用射电天文望远镜获得的。

我们知道,人的肉眼能看得到的是可见光,波长为0.4 ~ 0.78微米(1微米为百万分之一米)。波长比可见光短的是紫外线,X射线和伽马射线。波长比可见光长的是红外线,远红外线,微波,高频无线电波,中频无线电波和低频无线电波。广播、电视、手机等发射和接收的,是中低频无线电波,波长在几百上千米的量级。射电天文望远镜用的高频无线电波,波长在厘米和毫米级。在天体的光谱发射中,射电波只占其中非常小的一部分。只是由于这种无线电波穿透地球大气的能力比可见光强,用来观测天体有它的优势。

EHT实验组的射电天文望远镜采用的是亚毫米波段,严格地说是1.3毫米无线电波。因此这次公布的黑洞照片,只针对波长为1.3毫米无线电波而言,图1中心区域的的无线电波发射能力很弱,我们只能在这种意义上说它是黑的。至于其他范围更广的波段上是否存在辐射,图片中心区域对其他波段的辐射是否也是黑的,EHT实验组并没有给出说明。因此我们有什么理由认为,图1是一张真正的黑洞照片呢?

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

图2. M87星系的光学照片

事实上,用哈勃天文望远镜拍的M87星系的光学相片是图2,在其中心区是非常明亮的,根本看不到黑影。要证明它的中心存在类似与图1黑洞,就必须证明在这个区域中没有任何波长的光发射。因此所谓的第一张黑洞照片存在误导大众的嫌疑,它只是对于1.3毫米的波段,这个区域是黑洞,并没有证明这个中心区域对其他的波段的辐射也是黑的。如果采用红外光波段,可见光波段,紫外线波段,甚至X射线波段拍摄,这个区域也是黑的吗?这显然是不太可能的,至少EHT实验组目前没有证明这一点。

因此图1不是一张真正的黑洞照片,要证明它是一张真正的黑洞照片,需要更多的证据。EHT实验组为什么就不能实话实说呢?这样浅显的道理,为什么就不懂呢?

二.黑洞照片中为什么没有喷流的射电辐射?

图1 的黑洞照片还有一个明显的漏洞。从图2右上方看出,M87星系中心有一条巨大喷流向外喷出。这在图3中看得更清楚,它是哈勃天文望远镜拍摄的M87照片。图中有一条蓝色喷流,其长度比M87 星系的直径还要长,并且是直接从星系中心喷出,场景非常壮观,显示存在异常剧烈的天体物理学过程。

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图3. 哈勃望远镜拍摄的M87星系喷流照片

按照目前的天体物理学理论,射电天体发射无线电波的机理如图4所示。在星系中心前方有大片的气体星云,星云内有磁场。喷流中的带电粒子在磁场作用下被迫做旋进运动,根据麦克斯韦经典电磁场理论,就会发射电磁波。由于喷流中带电粒子的运动速度接近光速,就会发射出很强的无线电波,其强度可以超过带电粒子产生的可见光的强度。事实上,在目前的天体物理学中,天文学家主要依靠观测喷流过程产生的射电波来发现射电天体。

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图4. 射电天体发射无线电波的物理机制示意图

比如最早的射电天体天鹅座A,就是通过这种喷流的射电辐射发现的。它是宇宙中离地球最近、最壮观、最强大的射电星系(见图5)。两个巨大的红色的瓣状结构,代表射电辐射。射电波通过狭长的喷流与中心椭圆星系相连,从一个瓣到另一个瓣的空间距离超过30 万光年。虽然喷流与星系中心的连接线没有图3那样明显,但它的存在使毋庸置疑的。图中心的白色区域隐约可见一条红色细线,从星系中心射出,直接与右边的红色区域相连。无线电波辐射的强度是非常可观的,而且显然是从星系中心发出的。蓝色区域则为X射线辐射,具有椭球状分布。可见光频段的辐射却很少,几乎观测不到。

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图5. 天鹅座A的射电辐射。红色为无线电波辐射,蓝色为X射线辐射。

在图4的黑洞吸积盘上,绕星系核运动的物质主要发射红外光,可见光和X射线等。虽然它们也会发射无线电波,但与喷流过程相比,发射无线电波的强度要小很多。在图1中,围绕黑洞中心区域的红色光圈实际上也是代表无线电波。它们原本都是看不见的,为了显示它们的存在,EHT实验组将它们涂上红色,看上去给人的错觉是,黑洞周围的物质发出可见光。

然而奇怪的是,在图1的黑洞照片中,我们根本看不到M87发射无线电波的痕迹。图3中那条蓝线对应的射电波信号哪里去了?按道理,在图1 中应当有一条色彩强烈的红黄带,从黑洞中心斜穿到右上角,但却完全看不到,一点痕迹都没有。

因此图1的黑洞图像是不真实的,至少是不完全的,EHT实验组一定隐瞒了什么东西。尤其是从图2和图3看出,这条喷流包含强烈的可见光,不能排除存在红外光和紫外光等其他频率的辐射。不论望远镜采用什么工作频率进行观测,都一定会在照片中留下痕迹。由此推断,图1中原来应当有一条从黑洞中心向外辐射的射线,但图像却被删除,以免黑洞只进不出的饕餮形象被颠覆。

因此EHT实验组存在嫌疑,故意删掉从黑洞中心向外辐射的无线电波图像。这样做的动机是可以理解的,否则从黑洞中心向外吐出一条巨大的金黄色洪流,这张相片怎么可以称为第一张黑洞照片呢?

这里就涉及到所谓的黑洞到底是一种什么东西?以及第一张黑洞照片是否证实爱因斯坦理论的广义相对论的问题。以下我们来讨论。

二.黑洞照片证实爱因斯坦广义相对论了吗?

首先要指出的是,所谓的黑洞不是爱因斯坦引力理论独有的,牛顿引力理论中也有黑洞。牛顿力学的黑洞如图6的左图所示,它是两百多年前由拉普拉斯提出来的,指的是如果一个天体的质量足够大,其中光是无法透射出来的。牛顿黑洞与爱因斯坦黑洞半径的计算公式完全一样,但二者的物理图像完全不一样。奇怪的是,现在的相对论专家总是告诉大家,黑洞了是爱因斯坦提出来的,根本不提牛顿黑洞。

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

图6. 牛顿经典黑洞和爱因斯坦奇异性黑洞

爱因斯坦黑洞则如图6的右图所示,它具有奇异性。黑洞的中心是一个体积无穷小的奇点,物质被压缩到一个点,密度无穷大。黑洞边界即所谓的施瓦西半径,施瓦西半径内部是真空。爱因斯坦黑洞是一个非常扭曲怪诞的东西,除了物质密度无穷大,最不可理喻的一点是,在黑洞内时间和空间要互换。通俗地说,就是说时间变成空间,空间变成时间。这种事情违背人类最基本的常识,与人类最基本的经验事实背道而驰,完全不可理喻。一个还点思维判断能力,理智尚存的人,怎么可能相信宇宙中存在这种东西?

如果第一张黑洞照片证实了爱因斯坦理论,就请相关研究人员解释一下,在照片中哪里看出,黑洞内的物质被压缩到一点,视界内的其他点上是真空?同时请他们解释一下,从哪里看出黑洞内部时间变成空间,空间变成时间?如果他们给不出解释,凭什么认为,这张黑洞照片证实了爱因斯坦黑洞理论呢?

相反,如果照片中是牛顿黑洞,则一切都是正常的。根据EHT实验组提供的数据计算,M87星系中心黑洞的质量是65亿个太阳质量,半径为10的13次方米,质量平均密度则为每立方米0.8千克。注意到地球表面大气密度为每立方米1千克,M87中心黑洞的密度比地球表面大气密度还低,远远不如太阳表层的物质密度。因此它一点也不吓人,与一般人想象的黑洞情况根本不一样。

为什么会这样呢?因为根据黑洞半径公式计算,大黑洞的物质密度可以很低,小黑洞的物质密度才会很高。事实上,可以把我们目前观测到的宇宙看成一个牛顿黑洞。在宇宙外部看,光线也无法逃脱。但在宇宙内部一切正常,太阳照常发光,地球照样绕着太阳转,人类照常生活。这就是牛顿黑洞与爱因斯坦黑洞的本质差别,大家还会相信爱因斯坦黑洞存在呢?

事实上,由于爱因斯坦引力场的非线性特征,用它来的计算物质绕黑洞运动是非常困难的,可以说几乎不可能的。因此目前天体物理学计算黑洞外吸积盘上物质的运动时,采用的实际上是牛顿引力的方法,最多加上一点洛伦兹变换。在这种情况下,洛伦兹变换具有绝对性,与爱因斯坦相对论无关。对于这种现状,相对论学者嘴上不说,实际上是心知肚明的。牛顿引力理论与爱因斯坦引力理论不是近似关系,而是完全不相容的两个体系。一个用力来描述引力,另外一个用时空弯曲来描述引力,它们是根本无法捏在一起的。爱因斯坦引力理论漏洞百出,在实际应用上是根本无法与牛顿理论抗衡的。虽然牛顿引力理论也需要改进,但不是爱因斯坦那种怪诞的改进。

中国科学院高能物理研究所研究员张双南先生,是研究爱因斯坦黑洞的专家。他在2014年写的文章《恒星级黑洞的观测论证和基本参数测量》一文中,将黑洞分成数学黑洞,物理黑洞和天文黑洞。言下之意,就是认为爱因斯坦奇异性黑洞是数学上的东西,在实验上是不可观测的,在物理上是难以实现的。这种说法虽然是犹抱琵琶半遮面,但也反应了相对论学者某些真实的想法。他们明知爱因斯坦理论不对劲,却仍然不得不继续做下去。

本文笔者之一梅晓春,曾多次参加国内的引力物理学术会议。常听到有些学者在会上发言时,对爱因斯坦理论赞美有加。等他们下来后就上去问,你的计算用的到底是牛顿理论还是爱因斯坦相对论?对此他们会马上避口不谈,拱手相让,并逃之夭夭。难言之隐,显于言表。

在优酷视频中还可以看到,美国斯坦福大学的一位名物理教授,在大课堂上讲授爱因斯坦黑洞的理论。一位学生站起来说,按照你的意思,黑洞中时空坐标互换,就是将一把尺子丢进黑洞,它会变成钟。此话引起哄堂大笑,搞的那位教授面红耳赤,立马宣布下课,夹着讲义走人。

这第一张黑洞照片,还让人想起前两年美国LIGO的引力波发现。LIGO实际上只是在两个相距三千公里的激光干涉仪上,差不多同时发现了两个相似波形。通过与爱因斯坦引力理论进行数值拟合,他们就认为接受到引力波的图像。并大张旗鼓地向全世界宣布,探测到13亿年前在13亿光年之外的宇宙远处,两个黑洞碰撞产生的引力波,他们接受到引这个力波。并认为他们完成了爱因斯坦引力理论的最后一块拼图,证实了爱因斯坦弯曲时空引力理论。全然不顾他们根本没有在天文观测上发现任何相应的天体物理学现象,所做的只是一场计算机数值拟合和图像匹配游戏。

耗费国家的大量科研经费,科学家们需要向社会有个交代,尤其是需要提供真实的研究结果。哪怕什么也没有得到,总比进行欺骗好吧。社会大众有权要求知道真相,谁也不愿意被人蒙在鼓里,还要掏腰包。对于第一张黑洞照片,就以上提出的三个问题,我们希望相关研究人员对社会大众有个解释。

尤其是,照片中原来应当存在的,那条从黑洞中心向外喷出的射线哪里去了?如果这条射线实际存在,不但会颠覆了第一张黑洞照片的称号,而且危及爱因斯坦广义相对论。如果黑洞会向外辐射电磁波,还是黑洞吗?黑洞还有视界吗?爱因斯坦黑洞理论还能成立吗?

在宣布第一张黑洞照片的现场,上海天文台台长沈志强在接受解放日报新闻记者专访时说:“爱因斯坦是对的,他在一百多年前提出的广义相对论经受住了考验”。上海天文台副台长袁峰则说“第一张黑洞照片与引力波的发现同等重要,都是对广义相对论的验证,可能会拿诺贝尔奖。”

我们并不关心这个项目是否会拿诺贝尔奖,LIGO引力波探测纯属造假,也拿了诺贝尔奖。我们关心的是,这张黑洞照片的真与假。因此请问沈志强先生和袁峰先生回答以下三个问题:

1. 如果不是采用1.3毫米波段,而是采用其它频率做观测,比可见光波段,这张黑洞照片还是黑洞吗?

2. 照片中原来应当存在的那条无线电波射线哪里去了?

3. 在照片的什么地方看出物质被压缩到成奇点?从哪里看出黑洞视界内是真空?从哪里看出视界内时间和空间互换?如果都看不出来,凭什么认为这张照片证实了爱因斯坦黑洞理论?

关于第一张黑洞照片,美国田纳西州大学物理天文系终身教授,王令隽先生也写了一篇文章,与笔者有相同的看法,并提供更多的证据,证明爱因斯坦广义相对论是不可能成立的。笔者特将这篇文章附于本文之后,供读者参考。

关于 EHT 黑洞照片答黄志洵教授

王令隽 2019年4月13日

作者按:EHT黑洞照片公布以后,媒体和自媒体上都在热议。我的许多朋友自然来信问及。我在微信群里做了一点简短回答。昨日国内一位黄教授来信询问此事,深表关切。黄教授一直对祖国的科学事业和发展前景非常关心,虽然年事已高,仍然没有放弃对科学事业的责任,使我非常感动。于是我写了一篇比较详细的答复。我想,海内外一定有不少网友也对此非常关心,所以将这封复信中的方程式去掉,弄成一个可以放在华夏文摘上的稿子,以飨读者。欢迎各位网友的批评指正。

黄老先生,您好!

您所说的EHT黑洞照片,媒体最近确实炒得很厉害,成了热门话题。立即有一些朋友通过自媒体问及,我也作了一些简短回答。我想关心这个问题的朋友很多,于是就不揣浅陋,对广义相对论的黑洞问题作个比较详细的介绍。

在爱因斯坦提出广义相对论以前,早在18世紀黑洞問題就被約翰米歇爾和皮理塞蒙拉普拉斯考慮過。道理也非常簡單。我們知道,圍繞太陽旋轉的物體之所以不會飛出太陽系,是因爲万有引力的約束。萬有引力等於向心力。向心力正比于速度的平方。速度越大,向心力越大。但是物體的速度是有限的。當時人們知道的最快的速度是光速。雖然當時還沒有相對論,也沒有光子的概念,但是光速似乎是一個實際上很難超過的速度極限。所以,人們自然會問,會不會有這樣的情況,就是某個星球的引力可以大到即使物體以光速運動也無法逃脫的程度?这种情况理论上是存在的。

比如说,如果太阳的所有质量收缩到半径只有1.5公里的小球(经典的黑洞半径相当于施瓦兹查尔德半径的二分之一)的时候,一个太阳表面的物体即使以光速运动,也无法挣脱太阳的引力而逃逸。此时“太阳黑洞”的物质密度高达每立方米2.3乘以10的18次方公斤。如果地球的所有质量收缩到半径只有4.5毫米的小球的时候,在这小球表面以光速运动的物体也无法挣脱地球的引力而逃逸。此时“地球黑洞”的物质密度高达每立方米2.5乘以10的29次方公斤。

为了对这么高的物质密度有点物理概念,我们以中子的质量密度作个比较。中子的质量为一个原子单位,半径约为一个费米,所以中子的质量密度约为每立方米4乘以10的17次方公斤。中子星的密度应该在这个数量级。地球的实际密度约为每立方米5.5吨(和石头的密度差不多)。太阳的实际密度约为每立方米1.4吨,比水的密度高出40%。所以,就从质量密度来看,黑洞的概念也是不可思议的。

上面以經典理论讨论“黑洞”问题,显然有一个必要的大前提,那就是受黑洞吸引的物体必须有质量,必须服从万有引力定律,否则整个推理从一开始就不成立。即使我们把光看成是光子束,因为光子的质量等于零,光子也不受万有引力的约束。其次,经典电磁作用力和万有引力是相互独立的两个基本作用力。电磁场和电磁波无论在理论上还是实验上都和万有引力无关。光就是可见频谱段的电磁波。它不服从万有引力定律,所以,光不存在逃离引力的问题。因此,即使存在经典意义上的“黑洞”,光子也是可以逃离的。经典物理中的光根本就不是物质,而仅仅是电磁波。

那么,广义相对论中为什么光子就受万有引力约束呢?因为爱因斯坦假定光子在引力场中的运动遵守短程线。这是一条追加的基本假定,不是从黎曼几何推导出来的,也不是从广义相对论的引力场方程推导出来的。广义相对论中的黑洞和经典的黑洞意义不一样,所以,我们先从爱因斯坦的引力场方程看看广义相对论意义上的黑洞是怎么一回事。我先说一条原则:黑色天体不一定是广义相对论意义上的黑洞。广义相对论意义上的黑洞必须符合两个本质特性:1)在黑洞的边界上引力无穷大;2)在黑洞里面时间和空间反转,时间变成空间,空间变成时间。如果不能证实这两点本质特性,仅仅展示一张黑圈圈图片,不足以说明那就是黑洞,就认为验证了广义相对论。闪光的不一定是金子,不闪光的不一定是黑洞。

爱因斯坦引力场方程式形式上看似简单,其实是一个包含六个独立方程的非常复杂的非线性二阶偏微分方程组。如果把边界条件和初始条件的复杂性加进来,任何数学家都只能望洋兴叹。爱因斯坦建立了这个方程以后,自己都找不到一个解析解。不久,施瓦兹查尔德找到了一个最简单的边界条件下的解,也就是球对称质量的静止引力场。在施瓦兹查尔德解中,如果半径等于2GM除以光速的平方,则施瓦兹查尔德解中半径微分元 dr的系数分母为零,度规张量无穷大发散,整个解没有意义。

这个特殊的半径值 rs 叫施瓦兹查尔德半径,是施瓦兹查尔德解的一个奇点。在这个半径以内的物体,即使速度等于光速也没有足够的能量克服引力而飞出,即使光子也不能飞出这个区域,所以这个区域叫“黑洞”。施瓦兹查尔德半径定义了一张三维球面,叫event horizon,也就是黑洞的边界。在黑洞边界以内的任何物体都不能逃逸黑洞引力的束缚,就连光子也不能逃逸。最近中国媒体上把event horizon译为“事件视界”而不是黑洞边界,也通,就是更为玄乎,让一般读者不知所云。EHT望远镜的意思就是Event Horizon Telescope 的英文字头缩写。

除了奇点问题以外,“黑洞”还有一个本质特征, 就是黑洞里面时空反转。空间坐标微分 dr 的系数是正的,变为时间坐标微分;而时间坐标微分 dt 的系数和dq, df 一样,都是负的,一起构成三维空间坐标微分。这就是时空反转现象。有人认为,dr 的系数变成正的,只不过是“timelike” 而已,不是真的变成了时间;同样, dt 的系数变负,只不过是 “spacelike”而已,不是真的变成了空间。这些先生们用“timelike” 和 “spacelike”这样的字眼来淡化一个严重的悖论,以维护爱因斯坦和相对论的尊严。殊不知,dr 和 dt 的符号反转以后,黑洞里面的时空就根本不是赝欧几里得时空或者赝黎曼时空了,也不符合洛仑兹协变性了。时空反转是比无穷大发散还要荒唐的佯谬。

施瓦兹查尔德解在奇点无穷发散和黑洞内的时空反转是爱因斯坦引力方程的根本性的困难。所以拥护相对论的理论家们便想尽办法回避或者挽救。采取回避策略的一个代表是粒子物理标准模型的奠基者之一,诺贝尔物理奖得主斯蒂文 温伯格。他根本否认施瓦兹查尔德奇点的存在[参见Steven Weinberg, Gravitation and Cosmology, John Wiley & Sons, 1972, ISBN 0-471-92567-5]。我也否认黑洞的存在,理由是无穷发散和时空反转的逻辑背理。所以我的否认和温伯格的否认不太一样。他否认爱因斯坦引力场方程的奇点问题是为了维护爱因斯坦和广义相对论。我否认宇宙中存在广义相对论预言的黑洞,但不否认广义相对论理论的奇点和时空反转,目的是为了揭示广义相对论的谬误。

虽然广义相对论存在度规张量无穷大发散和黑洞内部时空翻转这样的根本性问题,学界不仅没有质疑,反而掀起了研究黑洞的高潮,黑洞研究居然成了理论物理和天体物理研究的显学,形成了一个国际性的产业。在黑洞研究的高潮中,霍金成了一个成功的弄潮儿和这一产业中的最大受益者。他的成名,就是所谓的“霍金辐射” 和“霍金蒸发”。霍金的这些“发现”,其实并不是发现,而是发明。不存在的东西是不可能被发现的,但是却可以被理论家们发明出来。霍金是如何发明出“霍金辐射”的呢?

他假定,在黑洞边界外面的邻近区域,由于海森伯测不准原理的神奇功能,会从真空中无中生有地产生正负粒子对。其中一个粒子会进入到黑洞,另一个会跑出去成为信息的源泉。所以远处的观察者可以观察到黑洞。这就是轰动宇宙学界的“霍金辐射”。这项工作为霍金赢得了意想不到的名利。1980年他被聘为剑桥大学的Lucasian讲座教授(牛顿,狄拉克都曾任这个讲座教授),名声大噪。

2004年霍金公开承认自己30年前提出的黑洞理论的错误。十年后,他索性否認黑洞的存在,認爲黑洞和量子力學不相容。他在與《自然》雜誌的訪談中說:“在經典理論中物質無法從黑洞中逃脫,可是量子理論容許能量和信息從黑洞中脫逃。” “正確的答案仍然是個謎。” 2014年他在arXiv上貼出的文稿中说:“不存在黑洞边界(event horizon)就意味着没有黑洞”,说黑洞理論是他一生鑄成的“大錯”(biggest blunder)。

霍金被捧为“爱因斯坦之后最伟大的天才”和黑洞理论祖师爷。霍金认错并否认黑洞的存在,是不是意味着黑洞理论研究的终结,意味着全世界从此就吸取教训,认识到跟着权威盲目地折腾有违科学研究的基本原则?不一定。说霍金是近几十年来黑洞研究的领军人物,他是当之无愧的。在他的旗帜下已经训练了一支庞大的理论和实验队伍。而今霍金突然认错,使得一直追随他纵横驰骋的战士们陡然失去了战斗目标,失落了战斗的意义,不知如何是好。他们一直唯霍金的马首是瞻,但是如果人们以为霍金認錯意味著黑洞理论和大爆炸理论从此就会从学术界消失,则是对理论物理学界的黑暗太不了解。

黑洞理论和大爆炸宇宙学经过几十年的发展,已经形成了一个包括理论和实验队伍的伟大产业。要想突然宣布破产,谈何容易。这成千成万的职工如何安置?尽管霍金已经被捧为顶级权威和明星,但是一旦他的言行危及到整个营垒的前途命运的时候,这个营垒是不是还将他的言论奉为圭臬,便是一个大问题了。我们有历史的先例。爱因斯坦被主流认定为最伟大的科学家。可是当爱因斯坦抛弃他的宇宙因子以后,从事宇宙学研究的理论家们并没有听爱因斯坦的话,而是继续高举爱因斯坦的宇宙因子,用在大爆炸宇宙学中。他们并且认为抛弃宇宙项是爱因斯坦一生中所犯的最大错误。在爱因斯坦于1915发表他的广义相对论后不到一个月,施瓦兹查尔德就写信给爱因斯坦指出了黑洞问题。

可是爱因斯坦本人从来不承认黑洞的存在,因为他知道黑洞边界上的无穷大发散和黑洞里面的时空反转是致命的理论佯谬。承认了黑洞的存在无异于彻底否认广义相对论的整个理论。可是爱因斯坦的否认并不能阻挡后人包括惠勒和霍金等人大张旗鼓地研究黑洞,也不能阻挡克鲁斯科创造多重宇宙和黑洞白洞虫洞。同样道理,黑洞巨星和权威霍金晚年否定黑洞的存在,认为黑洞研究是他一生铸成的大错,也不能阻挡后人继续进行黑洞的研究项目。因为黑洞研究已然成为了一个国际性的产业。任何一个产业都有自我肯定和力求生存的本能。所以,黑洞研究和大爆炸理论研究还会在学术界存在相当长的时期。

比如EHT(Event Horizon Telescope)就是一个多国合作的项目。参加者有来自十几个国家和地区的几百位科学家,联网的有八个射电天文台,其中美国三个,智利两个,西班牙,墨西哥各一个,还有一个SPT在南极。SPT虽然联网了,但是南极观测不到M87星团。如果从建立各个射电天文台的时间算起,也是几十年的努力了。这么大的阵仗,仅仅凭霍金一句话,就停下来,怎么可能?发表一张宣称是黑洞的照片,对于被大爆炸宇宙学控制而处境日益困难的天体物理学界,无疑是一剂强心针。媒体热炒,是非常自然的。不少人估计这一工作会赢得诺贝尔奖,也是完全可能的。

此前有LIGO引力波实验赢得了诺贝尔奖,也有LHC的上帝粒子探测实验获得了诺贝尔奖,都是先例。像这种大规模的国际合作项目,无论人力物力都是其他科研项目无法比的。对其肯定与否,直接影响到社会对此类超大型科研项目(Big Science)的进一步支持。大家已经注意到了诺贝尔和平奖评审中的政治和社会因素。其实在诺贝尔物理奖的评审中,随着研究项目的大型化和国际化,社会因素的分量也越来越重了。这使许多科学家不服气,以为科学应该和政治无关。科学确实应该和政治无关,但是科学奖项的决定却无法脱离政治与社会的因素,无法脱离人的因素。对此我们也要正视现实。

要紧的是,我们要以平常心对待诺贝尔奖,不要以为一个工作一旦获得了诺贝尔奖,就是绝对真理。诺贝尔奖只是主流学术界对当年工作的评比筛选,授予一个比较突出的工作而已。不见得这些工作就是真理或者历史的定论。可以肯定,对于上帝粒子探测,LIGO引力波实验和最近的EHT黑洞照片,历史今后会有不同的评定。

那末,我们怎么正确地认识这张公布了的EHT黑洞照片呢?其实很简单,这就是一张天体照片,和广义相对论毫无关系,也根本不能作为证实广义相对论的直接证据。要和广义相对论扯上关系,必须证明这张照片上的东西具有相对论黑洞的两个本质特征:1)在所认定的所谓“黑洞”的边界(Event Horizon)上时空度规无穷大发散;2)在这个边界(Event Horizon)以内时间与空间反转。如果不能证明这两点,那就根本不能说这张照片就是广义相对论黑洞。

这张照片是地球上八个射电天文台的亚毫米波观测数据由电脑合成的照片,信号不在可见光频段,所以所有的彩色都不是直接观测的,而是根据数学模型模拟计算出来的。但是,这不是我要说的根本问题。我无意挑战EHT团队的敬业精神和学术诚实,也无意质疑这张照片的真实性。我也不排除宇宙间有非常大的黑色星云或者黑色星体的存在的可能性。但是, 这些和广义相对论黑洞毫无关系,除非你能证实你所观察到天体具有边界上的无穷大发散和内部的时空反转。

可是,EHT实验团队不是有理论团队为实验提供理论准备吗?难道他们没有证明他们所观察的天体具有广义相对论黑洞的本质特性?没有,绝对没有。没有任何人能够证明一个边界上度规无穷大发散边界内时空反转的天体的存在。那么,这些理论家做了些什么 理论工作呢?他们做的工作除了根据天体质量对黑洞进行分类以外,其他全部都是在广义相对论黑洞边界外边做的文章。

比如,霍金的“霍金辐射”就是发生在黑洞外面。霍金的学们和追随者们在天体物理学文献中发表的论文汗牛充栋,都是一些和广义相对论无关的猜想。比如,如果你看到一种环状或者盘状的天体,便猜想这可能是一种旋转的黑洞。如果你看到这环状或者盘状的天体中间有一条发亮的轴,可以进一步发挥想象力,猜想这是因为附近的气体或者物质甚至星体被黑洞中心吸入,因为高速运动摩擦生热,使得被吸入的物质一部分转化成能量,沿着旋转轴从两边射出。

这些猜想有些意思,但都不是爱因斯坦的意思,也和广义相对论无关。任何人对着一张天文图都可以有不同的猜想。不信你对着马头星云凝视,然后让您想象的翅膀尽情地飞翔,看看能想象出多少言之成理的动人故事。在近代和当代天体物理学界,许多猜想都尽量和广义相对论挂钩,唯其如此才能得到主流的认可和重视。科学上的猜想是允许的,有时候也是必须的,但是这里我们不能忘记科学的严谨,不要把“疑似支持” “有可能”随便说成是“实验证实”。

一个前车之鉴就是爱丁顿的日食观测实验。他观察到了掠过太阳表面的光线弯曲,便立即宣称这种弯曲是太阳引力造成的,宣称证实了爱因斯坦的广义相对论,而完全忘记了日冕会像地球大气一样使光线折射弯曲。这一事件立即被泰晤士报在头版炒作,成了相对论行时的最重要的历史原因。另一个教训是对宇宙红移的解释。哈勃观察到了星体谱线红移和距离之间大致的线性关系。哈勃立即解释为红移是因为天体运动造成的多普勒效应。这一解释的直接结论就是整个宇宙在大约150亿年前的半径等于零,在此之前宇宙不存在。多普勒红移解释有几个明显谬误的结果:1)无中生有的宇宙创造论;2)地球是宇宙的中心;3)宇宙膨胀速度超过光速。就是这样一个对宇宙红移不合逻辑的解释,造成了宇宙学与天体物理近一个世纪的乱象。

殊不知,运动不是造成红移的唯一可能原因。还有一个可能的原因是宇宙媒质对光线的色散衰减。这个问题我在“Dispersive Extinction Theory”一文中有详细的阐述。此文于2005年发表于Physics Essays, Vol 18, No2。我的DET理论中的宇宙是稳定的,在时间和空间上都是无穷的。既没有宇宙的创生,也没有宇宙的湮灭,也不需要地球位于宇宙中心。从爱丁顿的日食实验和哈勃的宇宙红移实验的教训,我们可以看到对观测结果的正确解释多么重要。在对待EHT电脑合成照片的解释上,我们同样必须坚持科学的严谨,否则后果是灾难性的。

我有一个数学界的朋友来信询问说,你所说的时空反转,是不是就是所谓的“timelike”, “spacelike”, “lightlike”?不一样。玩弄这些词汇是人们用来淡化时空反转问题的严重性的手段,听起来好像时空反转不存在似的。“timelike” 和 “spacelike” 是在狭义相对论中用来表示两个事件之间的因果联络关系。如果两个事件离得很近,它们之间可以通过光线传播建立因果联络,就说这两个事件之间的关系是“timelike”。如果两个事件离得很远,它们之间即使以光线传播也无法建立因果联络,就说这两个事件之间的关系是 “spacelike”。至于“lightlike”,和广义相对论黑洞里面的时空反转毫无关系。

广义相对论黑洞中的时空反转则是完全另一码事。如上所述,它是因为黑洞里面的半径r 小于施瓦兹查尔德半径 rs 而造成时间微分元和半径微分元改变符号。半径微分元变成正的,成了时间微分元;时间微分元变成负的,和其他两个空间坐标,也就是极角和方位角的微分元同样都是负的,因而时间,极角和方位角三个坐标组成黑洞里面的空间。为什么微分元的符号如此重要?因为微分元的符号直接决定时空度规的结构。在狭义相对论里,物理的时空度规叫闵可夫斯基度规。这是一种赝欧几里得度规,就是时间微分元与空间微分元符号相反。

到底是时间微分为正还是为负是可以选择的,但是一旦选定,空间微分必须是相反的符号。如果时间和空间微分元都是正的,则整个广义相对论都要天翻地覆。所有微分元都是正的度规所描绘的空间叫欧几里得空间。不包含时间的三维空间是欧几里得空间。一旦包含时间,变成四维时空,就必须是赝欧几里空间。时空微分的正负关系在广义相对论里也是不能变的,因为根据广义相对论的等效原理,引力场中任何一点的时空度规都可以通过一个坐标变换变成闵可夫斯基度规。或者说,任何一个时空点的曲面座标系都有一个赝欧几里得坐标与之相切。这个等效原理的通俗说法是在一个自由落体的坐标系内好像引力不存在。

凡是学过广义相对论的朋友都应该知道度规张量的重要性。可以说,度规决定一切。给定一个度规,就决定了度规联络,黎曼张量,里奇张量,黎曼曲率,爱因斯坦张量和短程线方程,也就是说,时空度规决定了引力场的所有力学性质。正因为如此,得到了度规张量,就是得到了爱因斯坦引力方程的解。所以度规张量时空微分元的反号非同小可,不是玩弄语言称之为“timelike”和 “spacelike”就可以把问题藏到地毯下面。谓予不信,这些朋友不妨做做黑洞里面和黑洞界面上的黎曼几何,就知道厉害了。可以说,在黑洞里面连洛伦兹协变性都无法遵守,甚至无法定义。

黑洞问题是认识广义相对论谬误的一个角度,要对广义相对论做一个正确的评价,应该从不同角度全方位地深入地剖析其理论,实验检验以及应用。可惜,在长达一个世纪的文献中,这种综合性的评论尚付阙如。2015年,在全球纪念爱因斯坦发表广义相对论一百周年之际,我写了一篇“One Hundred Years of General Relativity – A Critical View”,发表于Physics Essays, Volume 28, No 4, pp421-442,对广义相对论场方程的建立,求解,线形近似,运动方程,实验检验,做了一个虽然简短但是相当彻底的分析,也谈到了多重宇宙和黑洞,白洞,虫洞以及时空穿越概念的引入以及近年热门的量子引力话题。我把这篇文章的中文版 “广义相对论百年”放在我的博客网站上,国内有些媒体也在转载。

希望我的这篇短笺能够回答您老提出的问题。您虽然年事已高,仍然老骥伏枥,志在千里,令晚辈不胜钦佩。前蒙推荐,使拙文能够和祖国学术界广大读者见面,深表谢忱。足见先生对科学对国家的高度责任感和对后学的关爱。可以告慰您老的是,我的意见和工作慢慢得到了学界的关注,特别是在“One Hundred Years of General Relativity – A Critical View” 和 “Unification of Gravitational and Electromagnetic fields” 发表以后,关注度有明显的起色。Scholars’ Press立即来信要我将统一理论成书出版。忙了几个月,这本书终于出版了[Ling Jun Wang, Unification of Gravitational and Electromagnetic Forces, Scholars’ Press, 2019, ISBN 978-3-639-51331-8]。

去年在维也纳报告了统一理论以后,陆续收到十几个会议邀请作关于统一理论的主旨报告。我选了几个,将于今年夏天去参加赫尔辛基,柏林和伦敦的会议。最重视的是芬兰物理学会和哲学学会。他们负责我参加会议的往返机票和食宿等一切费用,说明他们的热情诚恳。他们希望我就物理学与哲学的关系做一个主旨报告,还希望录像采访,可见盛情。的确,理论物理学界之所以走入迷途,关键是自然哲学和指导思想的迷失。这点,我在《致中国物理学界建议书》中亦有表述。我感觉到,理论物理学界似乎在开始解冻。我好像看到了物理学复兴的曙光。

愿您老好好保重身体,以期负重致远。

令隽 叩 2019年4月13日

真的黑洞–黑洞的结构

来了,人类首次,一起看其真面目!—-黑洞的照片

李小坚

2019-4-10发布了由事件视界望远镜(EHT)捕获的人类首张黑洞照片:

blackhole-11

https://mp.weixin.qq.com/s/Vc_wtm8duQYfGvWs1j3xFA

看到了吗?人类期待已久的黑洞的真容–黑洞照片已经冲洗出来了。

是不是很像一个甜甜圈?对,这就是黑洞的真面目。

Astronomers capture first image of a black hole | symmetry magazine https://www.symmetrymagazine.org/article/astronomers-capture-first-image-of-a-black-hole

一、黑洞的结构

龚学理论的方程0描述了一个底层量子族的结构就是一个面包圈。

龚学理论用一个方程表示空间、物质、时间的关系:

DS =(i^n1,i^n2,i^n3)* C * DT =N * C * DT……(方程0)

这个方程既是创世方程,也是宇宙结构的原理性、机 制性的方程。在此方程的基础上,龚学理论非常准确地的描述了底层基本粒子相关的物理常数,如Cabibbo角、Weinberg 角、Alpha或Beta值;也描述了宇宙学常数、普朗克CMB数据,表明我们这个宇宙的自然常数不是随机选择的结果。GM模型所描述的宇宙是确定性的整体,一个独立天体的结构,也是一个面包圈。

可以这样假定:黑洞周围的一定区域,这个区域的空间、物质、时间集结成为了一个整体,或构成一个近似整体性的结构。

因此,龚学理论认为这样的黑洞的结构是一个面包圈结构。这个结构被此次EHT黑洞照片所证实。

二、黑洞有多少

2016-2017年LIGO多次发现双黑洞的合并凝聚,显示出宇宙中的黑洞密度很高,从而,似乎“黑洞暗物质假说”又死灰复燃。

宇宙中到底有多少黑洞?在许多天体物理调查中,黑洞仅仅占所有天体成分的0.005%。包含中微子、光子这两个已知物质与黑洞一起只占总暗物质的很小的百分比(0.115%,远小于1%),见:“2017的暗能量调查”结果。

黑洞:有两种方式产生黑洞。

第一种,黑洞就是一颗恒星的残余。这个恒星演变过程我们现在非常清楚地知道了解。我们还可以计算出每个星系中的黑洞数量。对于银河系,它有大约300万个黑洞,每个黑洞的平均质量为10个太阳质量。这300万个黑洞中的暗物质约占银河系总质量的0.001%。显然,这一种黑洞不能成为整个宇宙暗物质的候选者。

第二种,可能有在大爆炸期间产生的一些原始黑洞。它们携带的质量,大约可以从0.1到10亿个太阳质量不等。此外,我们不知道这些黑洞的密度。也就是说,它很有可能代表整个宇宙的暗物质。然而,通过分析LIGO的数据,给出了否定的回答:不是!
原始黑洞无法解释宇宙全部的暗物质。也就是说,一定还有其它东西扮演暗物质的角色。

参见:LIGO不硬气:原始黑洞、暗物质和Ia型超新星的引力透镜效应。(https://arxiv.org/abs/1712.02240)。

三、宇宙整体的定量描述模型

我们这个宇宙的组成现在已经被黑暗能量调查和普朗克CMB(2013和2015)数据所确定(见下图)。

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龚学理论已经精确地描述了这个宇宙的各个组成成分。

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四、黑洞周围的定量描述模型

我们认为在一个黑洞的周围区域,由于黑洞的高强引力,基本上将其能够吸引的物质都已经吸引进入黑洞的中心,还有一些留在黑洞边缘的外面。该区域基本构成一个类似于宇宙整体的一个近似整体性的天体结构。以此,我们猜想,黑洞周围区域可以用宇宙整体性结构成分模型来定量地描述黑洞周围的结构。

黑洞的暗物质、暗能量主要集中在中心区域,而部分未被吸引进去的可见物质构成了黑洞周围的面包圈光亮区域。但作为相对独立的近似整体性结构,我们猜想这个结构仍然保持与整体宇宙近似相同的结构成分。

定量计算模型:

空间=X,时间=Y,物质=Z(总物质)。
取:暗能量=DE,暗物质=D,可见物质=V, 物质融入暗能量的比率W(代价)。
GM模型三分天下:空间X=时间Y=总物质Z=33.33 %

X+Y+Z=1

我们如果这样预测W=1—30(%),但实际上应该由天体物理界的科学家观测值估计得出W到底是多少。因此,有待进一步等待如CMB 、 AMS 机构观测测试黑洞附近的W,加油吧!

根据方程0所表达的物质、时空结构,W=1—30%时可计算:

当W=1时

D/V= [(48 –7) (100 – 1)  %/ 7]=5.8,

V= [(Z –V) x (100 –1) %]/5.8=4.48%

D=[(Z –V) x (100 –1) %]=28.56 %

DE=X+Y+[(Z –4.48) x 1%)] =66.9 %

当W=30时

D/V= [(48 –7) (100 – 30)  %/ 7]=4.1,

V= [(Z –V) x (100 – 30) %]/4.1=4.86%

D=[(Z –V) x (100 –30) %]=19.93 %

DE=X+Y+[(Z –4.86) x 3 0%)] =75.21 %

因此,可以求得黑洞区域暗能量DE=66.9—75.21 % 、暗物质D=28.56—19.96 % 、可见物质V=4.48—4.86% 。

以上模型精度取决于观测黑洞的暗物质、暗能量附近区域W值的精度,但我们取W=1—30,可以实现近似计算了。

以上模型可以看出什么是暗能量了,即宇宙时空就是暗能量,还加上暗物质转换成暗能量W的那一部分。

五、结束语

因此,我们有理由认为,我们所看到的EHT捕获黑洞照片,就是我们这个整体宇宙的一个缩影。

黑洞作为宇宙天体物理现象,已经被人类的科学观测撩开了面纱,似乎看到了真实面貌。但人类对黑洞的认识还远远没有完全彻底认识清楚。

科学探测的进步将进一步验证一些科学理论。黑洞探索将进一步验证如龚学理论,我们如此这般的理论。

正是:

黑洞白洞紧相连,阴阳各半两重天,

老死重生寻常事,虚实相伴圈圈甜。

西方主流基础物理学正在快速回归龚学理论

李小坚

西方主流物理学界并非全部都是糊涂虫!肯定有些是明白人!Gross已经认输;威藤已经转向;温伯格已经清醒;胡夫特已经明白了。

2012年的诺贝尔物理奖得主T胡夫特2016年完全接受了元胞自动机的量子机理。

2015年Paul J. Steinhardt等人接受了循环宇宙。

2016年主流弦物理宣布失败。诺贝尔物理奖得主David Gross 认识到了主流的错误。

2017年温伯格揭示了M弦理论的老将威腾和将军们,现在放弃了该理论。

前一阶段由中国高能物理推出的100Tev的大对撞机建设方案被阻止。近期,全球物理在争论CERN是不是应该上新的加速器FCC (Future Circular Collider, with 100 Tev p-p colliding energy by CERN) 。这是那些糊涂的学者,固执地坚持在错误道路不明不白地走到底的思路。 见:只有傻瓜还这样干。

Only a fool will do it … | The Great Vindications https://tienzengong.wordpress.com/2019/02/10/only-a-fool-will-do-it/

终于,有人明白了许多早由龚学理论提供的新道理。可喜可贺!

正是:

夸克轻子费米连,强子对撞撞破天,

三代相传四十八,六十四象园圈牵。

生生不息循环事,纠缠相关不等闲,

遥感信息非常道,量子魔力法无边。

Dr. Sabine Hossenfelder wrote an Op-Ed article {The Uncertain Future of Particle Physics} at The New York Time on January 23, 2019, see https://www.nytimes.com/2019/01/23/opinion/particle-physics-large-hadron-collider.html .

Quantum Theory Rebuilt From Simple Physical Principles | Quanta Magazine 。see: https://www.quantamagazine.org/quantum-theory-rebuilt-from-simple-physical-principles-20170830/

The Born Rule Has Been Derived From Simple Physical Principles | Quanta Magazine  https://www.quantamagazine.org/the-born-rule-has-been-derived-from-simple-physical-principles-20190213/

The Unified Universe,The Unified Theory!