转载沈致远先生评论:《倦鸟思归?——弦论“教主”威滕最新动向》

2016年8月1日在清华大学参加2016国际弦理论大会,一大早本人(lxj1616) 第一个在会场门口认出威滕(Edward Witten)教授,我和他交谈了最近工作。我还问起他是否认识龚天任博士,他说华人朋友很多,没有印象。我说那你应该记住他,或者说他一定会让你永远忘不了。还有另外一位华人物理学家沈致远先生也会让他不能忘记。

理由是,由威滕教授和他的博士导师戴维·格罗斯发起的M弦理论,早都已经被我们批驳得体无完肤,或者按沈老的话说:皇帝的新衣已经被脱下。本来期待他亲自脱下那件他们亲手制作的皇帝的新衣,也可以算作大器晚成。

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2016-8-1  威滕(Edward Witten)教授   于清华大学

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戴维·格罗斯、威滕教授和霍金

非常敬佩著名华人学者沈致远老先生在退休之后,还做出令世人惊奇的随机量子空间理论–关于粒子物理及宇宙学:SQS统一场论!

这个工作把量子理论和相对论结合得很好,弥补了国际主流物理的重大缺陷。各种粒子满足素数对规律排列,可以以一种非常精确的计算获得,与实验测量非常接近。这个工作还是一个相当深入、具体、全面和完整的统一理论。这说明我们华人对自然的认识一点也不比西人差。

非常荣幸得到沈致远老先生慈祥亲切的教诲,并指教主流物理的重大问题及其出路。本人获益匪浅。

正是:

莽莽宇宙飘超弦,白雾茫茫飞天仙,对称粒子都不见,致远微宇在眼前。

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下面是华人学者 沈致远先生在 更早些时候的评论《倦鸟思归?——弦论“教主”威滕最新动向》附在下面供读者客观了解。

并附沈致远先生的简介。

附1:转载:沈致远—-《倦鸟思归?——弦论“教主”威滕最新动向

据2010年3月13日《新科学家》祝贺英国皇家学会会员、数学物理家彭罗斯(Roger Penrose)八十华诞文章透露:“最近,弦论的创立者威滕(Edward Witten)已采用彭罗斯的另一创造——扭量理论(twistor theory),试图将弦论的11维时空(沈注:即10维空间加1维时间)减为较易对付的4维。”

  这是物理学界一大新闻,但我并不感到意外。

弦论从开始就基于多维空间,最早是25维,后减为9维,威滕随后又加1维为10维。在弦论的多维空间中,3维是众所周知的现实空间,即前后、左右、上下,其余多出来的维度据说是“卷曲闭合起来”,成为看不见摸不着的隐蔽空间。

  弦论在“教主”威滕率领下,拥有千员猛将,发表万篇论文,经历两次革命,领“万物之理”一代风骚。遗憾的是,弦论除了一些数学成果外,就物理学而言乏善可陈。弦论至今仍缺乏与实验符合的定量结果,也提不出像样的预测可供实验验证。[1]

  日前,我打电话给挚友倪光炯教授报告此新闻,他说:“弦论曾经历两次革命……”我插话:“这次是‘复辟’!”两人大笑。他接着说:“是否晚了一点?”我说:“迷途知返,不晚!”

  最近读到美国戴森(Freeman Dyson)教授的一篇好文章[2]。这位在普林斯顿学术圈生活超过半个世纪的理论物理学家兼数学家,将数学家(其实也包括物理学家)分为鸟和青蛙两类,鸟的始祖是法国的笛卡尔,青蛙的始祖是英国的培根。顾名思义,鸟飞得高看得远,戴森认为爱因斯坦是“一只超级的鸟”;青蛙所见只是周围的花朵,一次只解决一个问题,戴森自称是青蛙。戴森认为威滕是鸟,他确实是一只大鸟,展翅翱翔一飞冲天,思维如天马行空,视野可穷极苍冥;否则,怎么能使号称“全世界最聪明的”千员猛将唯其马首是瞻?

  既然如此,为什么弦论乏善可陈呢?答案可从历史经验中找。爱因斯坦不愧为大鹏鸟,敢想前人所不敢想,他的广义相对论石破天惊。有人说:“如非爱因斯坦,广义相对论不知还要再等多少年。”可见他飞得多么高看得多么远。爱因斯坦还具有一个更重要的特点,他想的是基本原理。相对性原理说白了就是:物理学规律不应随观察者运动状态而改变。具体到等速运动即为狭义相对论的基石,具体到加速运动即为广义相对论的基石。此原理既基本又实际,而且非常简单,难怪相对论具有“成功相”,方向对了,一通百通。

  回过来看弦论。弦论始于对核力的研究,日裔美国物理学家南部阳一郎(Nambu Yoichiro)发现核内有弦,试图朝此方向建立强相互作用理论,遇到困难暂时搁置。1984年,施瓦茨(John Henry Schwarz)等人排除了困难,并发现弦论中自动出现自旋为2的粒子,这可能将引力子纳入基本粒子理论。经威滕检验发现弦论可重整化,物理学家看到苗头蜂拥而至,弦论从冷门一跃而成为显学。但引力子至今尚未发现,其自旋是否真为2不得而知。曾被讥为“耍赖皮”的重整化,只是绕过发散困难的权宜之计。二者均为技术问题,根本称不上基本原理,弦论出发点显得苍白无力。如提不出超越相对论的基本原理,志在“万物之理”只能是梦想。

  再来看空间维数。弦论的25维、9维和10维空间并非空穴来风,乃源自严格的数学推导,发现唯有这么多维数的空间才能使理论自洽。自洽者,自圆其说也,这是理论成立的一个必要条件,但并不一定充分。物理理论成立必须与实验符合,这还不够,还要提出预测以供实验检验。如实验不表态认可,那就有大麻烦了,这正是弦论者目前所处的困境。实验物理学家和天文学家,“上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见”,至今没有发现3维以外更多维空间存在的迹象。这或许是威滕不耻下问的原因。

  我在想:聪明如威滕,再加上那“全世界最聪明的”一千多人,怎么会在这个关键问题上长期被误导?物理学中的多维空间,弦论并非始作俑者。早在1919年,数学家卡鲁扎(Theodor Kaluza,又作卡卢察)在爱因斯坦4维时空基础上再添加1维空间,将电磁力纳入相对论框架,随后发现无法纳入弱力和强力,此说逐渐淡出舞台。此外,物理学中抽象多维空间屡见不鲜,例如“相空间”就有无穷多维,人们从未将之视为真实空间。弦论的多维空间可能类此,以9维空间为例,那多出来的6维可能并非弦论者所认定的额外空间,而是基本粒子内禀结构的某种对称性。举一个通俗例子:全息技术可将3维空间中的真人实物,映射到2维平面构成几可乱真的立体图像;但小孩子也知道那是假的,不会闯进去和画中人玩耍。此例值得弦论者想一想。

  看来,威滕这只大鸟飞得太高了,但见无边茫茫云海,飞了廿多年不着地。倦鸟思归,大地母亲总是欢迎的。

  我说“迷途知返,不晚!”是有根据的。经历正反两方面的经验教训,理论物理学家较前更聪明了;加以大型强子对撞机(LHC)已投入试运行,不久可出实验结果。“山雨欲来风满楼”,种种迹象显示物理学正处于大突破前夕。借用一句足球术语:“只差临门一脚。”威滕已亲临瑞士坐镇,如球到他面前,以威滕的功力,这一记近距离射门必定非常凌厉。

  语云:“大器晚成”,且看后笑是何人。

  [1] 沈致远. 弦圈之争:基本粒子研究进入战国时代

科学,2007,59(3):42.

  [2] Dyson F. Birds and Frogs. Notice of AMS, 2008, 56(2):212-223;中译文:自然杂志, 2009, 31(5):298-310.

附2:

沈致远简介

著名物理学家–沈致远。沈致远是江苏溧阳人,1929年11月出生,六岁时就读于济南城东小学,初中就读于溧阳同济中学及县立中学,高中就读于上海,1948年05月因参加进步学生运动被开除,1949年在溧阳参加工作。1956年沈致远以调干身份考入浙江大学,1959年被选拔提前毕业,留校任教。1980年沈致远由中国科学院派赴美国,在纽约理工大学任访问科学家。1983年起在许多美国著名的大工业公司任高级工程师及研究科学家等职务,从事微波电子学方面的研究开发工作。1984年至1989年曾受聘为桥港工程学院兼职教授。1990年受聘于杜邦公司中心研究院,先后担任研究员、院士等职务。现任资深院士,负责高温超导体应用方面的研究工作。

沈致远在国际专业学术刊物上发表过四十多篇学术论文。主要专业著作有:1979年由国防工业出版社出版的《微波技术》,为国内高等学校有关科系长期用作教材;1993年由美国出版的《高温超导微波电路》是该领域唯一的专著,并为美国哥伦比亚大学及中国清华大学等校选作博士研究生教材。

沈致远在微波技术、微波应用及高温超导应用等领域中有多项发明,现握有十项美国专利。 他致力于提倡科学文艺,1998年应邀在《文汇报》副刊《笔会》上开辟了《天趣园》专栏,专门发表他的科学散文及科学随笔,题材涉及数学、物理、生物、环保、天文、信息、电脑、网络、经济等方面。这些文章结集为《科学是美丽的–科学艺术与人文思维》,由上海教育出版社于2002年出版,佳评如潮,对科学散文创作起了一定的推动作用。

《科学是大众的》是《科学是美丽的》姐妹篇,收入作者近年撰写的科学散文及随笔72篇。写散文不易,写科学散文更为不易。作者以生动的笔触将科学散文写得深刻而不失通俗、严谨而不失风趣,实为不可多得之佳作。《科学是大众的》涵盖数学、物理、生物、环保、天文、信息、认知科学以至美学、宗教及思想方法诸方面,内容丰富多彩,文笔风趣隽永。部分文章曾在《文汇报·笔会》及《解放日报·朝花》发表,并为国内外报刊网络大量转载,深受读者欢迎。科学求真,真中含美;艺术唯美,美不离真;人文崇善,真善美一,科学散文将三者相结合,发掘大千世界之旷世奇美供读者欣赏思考。作者学贯中西,知识渊博,视界宽阔,目光犀利,文采飞扬,科学瑰宝娓娓道来如数家珍,不仅具有独特的写作风格,而且富含哲理发人深思。

沈致远时常说:自己上小学时的学习条件很差,生活很艰苦。我们住的是50人左右上下铺的大房间,吃的很少见荤(hun)。冬天如果没有太阳,毛笔就冻上不能写字了。但是同学们学习仍很专心,很认真,都深感学习不易,也有很强烈的将来能够”报国”的责任感。而那时的老师大都是城市中很有水平的人。总的看来自己在工作中作出了一点成绩,主要是年轻时受到的强烈的爱国主义教育和经历的艰苦环境激励自己奋发向上,再是学习和生活中老师的引导和严格要求及管理,没有这些是谈不上成就的。比较起来,现在的条件是好多了,我还在工作岗位上担负着较重的任务,我会一方面把工作搞好,一方面把年轻的同志培养好,使他们的才能更充分地发挥出来,希望他们超过我,作出更大的贡献。

高中课本中 《说数》亦为沈致远所写。

附3

物理学家沈致远发表统一场论新版本

2014.01.15 10:10
来源: 科技日报     作者: 记者 曹丙利

爱因斯坦完成广义相对论后开始探索统一场论,终其后半生不幸以失败告终。20世纪70年代量子论标准模型建成后,统一场论成为物理学家下一个目标。以弦论及圈论为主的两大派分别从量子论及广义相对论出发,经过四十多年坚持不懈的努力,仍未能实现这一目标。

在总结前人经验教训的基础上,美籍华裔物理学家、《前沿科学》杂志编委沈致远于2013年10月在Journal of Modern Physics发表论文Stochastic Quantum Space Theory on Particle Physics and Cosmology-A New Version of Unified Field Theory,“随机量子空间理论关于粒子物理及宇宙学:统一场论新版本”,全文共十万字。

沈致远历时八年创立“随机量子空间理论”,简称SQS理论。该理论从三项基本假设(高斯几率假设、质数假设、真空子假设)出发,以严格的逻辑推理建立起理论框架,推导得出数值结果,利用三个基本物理量(普朗克长度、普朗克时间、普朗克质量)将之翻译为物理量,得到许多与实验结果符合的结果。根据高斯几率假设定义S-方程,证明了“随机游走定理”。以“变换因子”解释了使物理学家困惑的若干“等级问题”(两个相差几千亿倍的物理量)。根据一维空间S-方程算出6个基本粒子的质量,其中3个已知粒子的质量与实验值符合,3个未知粒子作为SQS理论之预测,以待实验验证。

据沈致远介绍,他根据三维空间S-方程,建立起代表电子等基本粒子的几何模型及轨道。标准模型以几何点代表基本粒子,具有趋向无穷大的发散困难,需要以重整化抵消无穷大才能得出高阶计算结果。SQS理论以几何模型及轨道代表粒子,根本不存在无穷大,毋需重整化。SQS理论根据一维S-方程,算出基本粒子轨道上的特殊点位置,由此得到弱电相互作用的G-W-S 三角形,G、W、S 分别代表Glashow(格拉肖)、Weinberg(温堡格)、Salam(萨拉姆),三位均获得诺贝尔物理学奖。G-W-S 三角形的3条边和一个角(温堡格角)具有物理意义,SQS理论算出的结果与实验值符合。著名的“双缝实验”发现,即使每次只发射一个粒子也会形成干涉条纹,一个粒子竟能同时穿过两个隙缝,匪夷所思。“双光子纠缠实验”发现,测定一个光子的自旋,在远处的另一个光子立即相应改变自旋,爱因斯坦称之为“鬼怪的超距作用”。SQS理论以常理对这两个著名实验做出令人信服的解释,解除了物理学家长期以来的困惑。

SQS理论从高斯几率假设及真空子假设出发,根据“开普勒-海尔斯”定理得出结论:三维微观空间具有“面心晶体结构”。据此在半径为3倍普朗克长度球面内发现36种空间对称性,与标准模型U(1)、SU(2)、SU(3)群之各种表示具有对应关系。根据质数假设,沈致远发现最小的18个奇质数构成3×3=9个质数偶对(相邻两奇质数平均值等于偶数者为偶对)系列:[(1,3)(5,7)(11,13)],[(17,19)(23,29)(31,37)],[(41,43)(47,53)(59,61)]。根据量子论标准模型,夸克有3代共6种 “味”:上、下为第1代,奇、魅为第2代,底、顶为第3代。每种“味”各有红、绿、蓝3种“色”(“味”、 “色”是借用之名称)。9个质数偶对共有9×2=18个质数, 正好与3代3×6=18种夸克一一对应。标准模型认为不同色并非不同夸克,夸克只有6种。SQS理论认为不同色是不同夸克,18种夸克各具有不同质量,已为实验证实。9个偶对后面一对质数(67,71)并非偶对,上述质数与夸克之对应关系终止,据此SQS理论断定夸克只有三代,也为实验所证实。SQS理论根据上述18个质数和另一组质数,建立以8个胶子为媒介的强作用理论,以简单数学规则解释了实验结果。沈致远在质数表中又找到四个质数偶对系列,发现前后共五个质数偶对系列与宇宙演化密切相关,由此推出的结果与宇宙学标准模型及天文观测符合。质数为媒,至大至小两极相通。

按照标准模型,夸克衰变参量由6个C-K-M三角形代表,C、K、M分别代表Cabibbo(卡比博)、Kobayash(小林诚)、Masakawa(益川敏英),后两人因此获得诺贝尔物理学奖。C-K-M三角形中最重要的是归一化三角形(unitarity triangle)。物理学家经过多年反复实验发现:归一化三角形一个内角γ之误差过大,三内角之和不等于180°。这就提出一个问题:归一化三角形是否真是三角形?如果不是,物理学家奉为圭臬的标准模型必须修改。主流物理学家对此至今未有答案。SQS理论根据上述质数偶对系列指出:归一化三角形不是一个三角形而是三个三角形,γ角之误差过大及其三内角之和不等于180°是物理学家将三个三角形当作一个三角形处理而被误导。根据SQS理论算出的结果与实验数据符合,为标准模型解了困。

基本方程是统一场论核心。弦论至今尚缺基本方程,圈论虽有宏观方程,并不适用于微观基本粒子,称不上基本。沈致远从广义相对论方程出发建立统一场论基本方程。广义相对论方程右边是动力学公式,左边是运动学公式;前者为因,后者是果。爱因斯坦对源出于基本原理的方程左边很满意,而对带有人为因素的方程右边不满意,他说:“方程的左边是大理石,右边是稻草。”爱因斯坦试图将稻草变为大理石以寻求统一场论基本方程,不幸以失败告终。客观原因是条件不成熟,未引入几率是主观失误。沈致远舍弃广义相对论方程右边的稻草,从方程左边的大理石出发建立基本方程。右边为零的广义相对论方程代表真空,真空是空间之基态,此乃宇宙万物之基础,从真空出发顺理成章。并重新定义了广义相对论方程之度规张量,将之乘以高斯几率分布。经过严格的数学推导,方程的右边之动力学公式自动出现,舍弃稻草换来了大理石。引入几率是关键,终于找到了指向基本方程的正确方向。

方向对了,一通百通,统一场论基本方程随之而来。包罗万象的原始基本方程非常简单,只有两个方程,可印在T恤衫上。对之求平均值,得到两种更简单的宏观基本方程。其一为引力方程,相当于左右两边均为大理石的爱因斯坦广义相对论方程,在小于四分之一普朗克长度时引力变为斥力,排除了引起无穷大的“奇点”,为广义相对论解了困。其二为相当于麦克斯韦方程的运动学/动力学方程。比较这两种方程,解释了静电力与引力之巨大差异,并明确指出所有四种作用力统一于71倍普朗克长度。

原始基本方程右边之因包含几率,左边之果不包含几率。随机原因怎么会产生完全确定的结果?沈致远认为,虽然看似自相矛盾,其实不然,这揭示出原始基本方程深刻的内涵:基本粒子内部运动具有许多条彼此分开的轨道,各代表不同的量子态。粒子在一条轨道上的运动状态是完全确定的,粒子在何时跳到哪一条轨道是随机的,由方程右边的几率决定。这已为对光子和电子等的数值计算证实。量子论是从量子化到几率解释,SQS理论则是从几率化到量子解释,两者异曲同工。原始基本方程给出所有基本粒子之内部运动规律、特性参量及其相互作用。由于方程之精确解尚未求出,只能作一些定性和半定量分析。对光子及电子等所作的分析结果与实验符合,进一步研究有待求出原始基本方程之精确解。

窥其一斑,万物之理初见端倪。欲睹全豹,尚须继续努力。沈致远在论文中提出25项预测,以供实验检验。沈致远指出,SQS理论是发展中的理论,有许多课题可供继续研究。为了有志者参与此项研究共襄盛举,2013年第4期《前沿科学》编发了此论文的中英文摘要及参考文献。全文可查阅Journal of Modern Physics, 2013, 4, pp.1213-1380,或其网站(http://www.scirp.org/journal/jmp),亦可直接通过电子邮件(zyshen@comcast.net)与论文作者联系。

附4

《说数》  沈致远

自然数1、2、3……是数学之起点,其他所有的数都是从自然数衍生出来的。自然数的实物原型可能是十个手指,否则我们不会采用十进位制。

自然数均为正数,负数之引入解决了小数不能减大数的困难,例如1—2=—1。负数也是有原型的,欠债不就是负资产吗?所以负数概念的形成恐怕与人类早期的商业借贷活动有关。

零是数学史上的一大发明,其意义非同小可。首先,零代表“无”,没有“无”何来“有”?因此零是一切数之基础。其次,没有零就没有进位制,没有进位制就难以表示大数,数学就走不了多远。零的特点还表现在其运算功能上,任何数加减零,其值不变;任何数乘以零,得零;任何非零数除以零,得无限大;零除以零,得任何数。零的原型是什么?是“一无所有”还是“四大皆空”?

零和自然数以及带负号的自然数统称为整数。以零为中心,将所有的整数从左到右依次等距排列,然后用一根水平直线将它们连起来,这就是“数轴”。每个整数对应于数轴上的一个点,这些点以等距离互相分开。你看!负数和正数分列左右如雁翅般排开,零据中央,颇有王者气象。

分数的引入解决了不能整除的困难,例如1÷3=1/3。分数当然也有原型,例如三人平分一个西瓜,每人得三分之一。

数轴上相邻两个整数之间可以插入无限多个分数以填充数轴上的空白,数学家一度认为这下子总算把整个数轴填满了。换句话说,所有的数都已被发现了。其实不然?有些数就根本无法以整数或分数来表示,最著名的就是圆周率,分数只能表示其近似值而非准确值。人们将分数化为十进位小数以后,发现有两种情况:一种是有限位小数。便如1/2=0.5;另一种是无限循环小数,例如1/3=0.33333…两者虽貌似不同,但都包含有限的信息,因为循环部分只是重复原有的,并不包含新的信息。圆周率则根本不同,3.14159265358979323846…既不循环,也无终结,所以包含着无限的信息。想想看!北京图书馆里浩如烟海的藏书所包含的信息虽然极多,但仍是有限的,而圆周率却包含着无限的信息,怎能不令人惊叹!数学家将像圆周率那样无法用整数或分数表示的数秒为“无理数”,无理者,不讲道理也!不知道为什么圆周率背了这么个恶名?我曾写过一首题为《圆周率》的小诗为之抱屈,不妨引其中最后一段以博读者一粲:

……

像一篇读不完的长诗

既不循环也不枯竭

无穷无尽永葆常新

数学家称之为无理数

诗人赞之为有情人

道是无理却有情

天长地久有时尽

此率绵绵无绝期

自从祖冲之算出圆周率的数值介于“约率”22/7和“密度”355/113之间以来,一直有人在计算圆周率的更精确数值,最近利用电脑算到了小数点后两百多万位!但比起“此率绵绵无绝期”来,连沧海一粟也不如。就算用最快的超级电脑不停地算下去,一直算到地老天荒,也无法穷尽!此外还有人利用电脑将已算出的圆周率数值化为二进位数列后,对之进行了统计分析,发现它像随机数那样具有最大的不确定性。圆周率本是圆周与直径之完全确定的比值,但它产生的无穷数列却具有最大的不确定性,我们不能不为大自然的神奇奥妙而感到惊讶和震憾。

加入了分数和无理数以后,数学王国更扩大了,在零这位国王两边雁翅排开的阵容就更加威武雄壮了。

有了无理数以后,原来的整数和分数统称为有理数。对数的寻求是否到此为止呢?数学家并不满足,继续孜孜以求,寻找尚未发现的新数,果然被他们找到了。发现的契机是研究一些数的平方根:4的平方根是2(2×2=4),这是早就知道的正整数,不足为奇;2的平方根是一个无理数,和圆周率类似,也不新鲜。—1的平方根是什么?这可不好办!大家都知道乘法的符号规则是:正正得正,负负得正,任何数的平方均为正数,据此—1的平方根就根本不存在。但不存在的东西可以创造出来!这就是科学的创新精神。数学家为此创造了“虚数”,以符号i表示之,并规定i的平方为—1,—1的平方根当然就是i了。这样一来负数开平方的难题就迎刃而解。例如—4的平方根就等2i,即2乘以i。

引人虚数固然解决了负数开平方的难题,但也带来了另一个困难——虚数在数轴上没处摆。这迫使数学家创造出一根“虚数轴”,使之与改称为“实数轴”的原来之数轴相垂直。由虚、实两根数轴组成的平面称为“复平面”。实轴上的点是实数,虚轴上的点是虚数。复平面上其余的点就是“复数”,它包含实数及虚数两个部分。零就是实轴与虚轴的交点,是整个复平面的中心,仍占有非常特殊的地位。从实数轴上的“雁翅排开”,发展到复平面上的“众星捧月”,无论数的概念怎样扩大,零的特殊地位始终不变。难怪最近在网络上评选一千年来最重要的发明时,零也在被提名之列。我有一首小诗单咏零:

零赞

你自己一无所有

却成十倍地赐予别人

难怪你这样美

像中秋夜的一轮明月

谁说数学枯燥无味?数学天地充满了诗情画意,有待我们去发掘。

虚数和复数有没有实际的原型呢?乍看似乎“虚”无飘渺,“复”杂得很。其实虚数和复数都有原型;电工学中利用复数表示交流电,虚数代表虚功,使得电工学计算大为简化。如果说在电工学中引入复数只是为了计算方便,不用它也行,不过麻烦一点而已。那就请看量子力学:量子力学中的波函数必须以复数表示,这不是简化计算的问题,而是反映了微观粒子本性的实质问题;换言之,微观世界深层次的自然规律要求复数。谁说数学太抽象?即使抽象如复数,其应用也实际得很呢。

从自然数到负数和零,再到分数、无理数和复数,数的发展史是否还有更新的篇章?我们且拭目以待。