如何辨别一个理论的创新

有人问:有那么多宇宙模型和物理理论,凭什么要相信你们的龚学宇宙模型和龚学物理?

我们有重大理论创新,我们有充分的自信!我们有这样的理由:

一、判断一个理论的正确性

根据我们理论判据,我们有博文《科学方法的正确性问题》:

科学方法的正确性问题

一个理论(TA)有一套前提条件(PC)以及预测(PA)和后果(CA),并有一组已知的物理事实作为验证(PF)。如果PF包括了高度认可的经验或已经被证实的现象学理论的支持。这个理论(TA)应该是正确的。

1.判断正确性就是要求有高度认可的经验或实验数据(PF),一个理论的正确性必须以可靠的实验数据检验。

2.判断正确性也要求有严密的正确的逻辑证明及预测(PA)或其它后果(CA),被已知理论的支持,或是已经被证实的现象学理论的支持。

3.还要通过排除偶然性,因此,有奥卡姆剃刀原则。

龚学理论以一个统一的,一致的模型理论,可以从第一原则出发,给出原理性的方程0,理论推导得到了宇宙学常数(Λ),微观粒子精细结构常数阿尔法,Cabibbo角和温伯格角,标准模型粒子族,暗物质和暗能量数值,暗物质转换暗能量值,现今称之为上帝粒子的希格斯粒子的精确数值,等等。

对于超过十五个以上的一系列的基础物理学关键问题,龚学理论都给出了正确的结果。以奥卡姆剃刀原则,可以确定龚学理论它的幸运巧合的机会将是(1 / 2)^15 =0.00305%,该理论为真的概率= 99.9969%。

二、判断一个理论的创新性

  1. 一个理论有多大程度的创新

一种创新是基于原来理论的不足之处,加以补充修正。这种创新就是跟在别人后面的小创新,或是修补性的创新。

一种创新如果是面对全球该领域的开放问题和前沿问题,提出更好的理论,这种是大创新。这种创新带动一个领域的发展,并推动此领域变革起着关键性的作用,如果是前无古人的理论,就是开创性的、原创性的。

如果这种问题是人类重大关切的终极问题,如物理中的四种力的统一理论这样的科学终极问题,所得出的理论是终极理论。这种创新是革命性的和终极性的。

如果一个新理论不能比旧理论更好地回答原来的问题,必定不能被以后所接受。那么这样的理论毫无用处。我们甚至采用最严苛的标准来判断一个理论,判别是否是原创性的、原理性的、革命性的、终极性理论。

我们考虑的问题和理论创新就是要解决前人无法解决的开放问题和前沿问题,我们提出的理论就是原创性的、原理性的,是开创性的、革命性的和终极性的理论。

2.理论创新三定律:http://tech.hexun.com/2014-12-12/171362954.html

科技部科学技术发展战略研究院副院长郭铁成总结了创新三大定律:

第一定律——怀疑定律,发现问题。其内容是:若是创新,必先怀疑,而且必须始终保持怀疑的态度。

第二定律——阻力定律。其内容是:若是创新,必有阻力,而且阻力的大小与创新程度成正比。

第三定律——胜出定律。其内容是:若是创新,必然胜出,不管经历多少曲折。

3.创新扩散理论

(http://baike.baidu.com/link?url=BUbGeCBUy9EpqsDpS1Npub9HlDhwMhFErS4C3oQCTNWUMzHA4CzxeYqXMqKrE5Rj51YHn-26XP5L2UfstyRpFPObCG3fT7n1ia2nRe5ZWwTkXIJrH33Ua9XB7uQSr7bc6oDzTpaKAPeFxVJ32uaCEa)

创新的扩散理论是研究创新传播效果的理论。20世纪60年代由美国学者埃弗雷特·罗杰斯(E.M.Rogers)提出。该理论是新观念、新事物、新产品在人群中的传播的理论,侧重大众传播对社会和文化的影响。

创新特征:

①相对优越性:认为某项创新优越于它所取代的旧主意的程度。

②兼容性:认为某项创新与现有价值观、以往经验、预期采用者需求的共存程度。

③复杂性:认为某项创新理解和运用的难度。

④可试验性:某项创新在有限基础上可被试验的程度。

⑤可观察性:某项创新结果能为他人看见的程度。

创新传播比例:

①、创新者(Innovator):2.5%

②、早期使用者(Early Adopters):13.5%

③、早期大众(Early Majority):34%

④、晚期大众(Late Majority):34%

⑤、落伍者(Laggards):16%。

影响创新产品采用的另一个因素是个人影响力,即个人对其他人的态度和购买概率的影响能力,如明星效应、广告效应。

科学创新理论的传播比大众创新产品的传播更困难更复杂。往往取决于主流大咖的一言九鼎和主流的态度。而主流作为利益共同体操控媒体和学术团体。对于外部创新理论,必定视而不见,视为异端和民科,打击和压制。而他们自己理论成为”城里唯一的游戏”!

典型的例子就是物理学弦理论。就算他们的最大的头头投降了,他们的团体仍然负隅顽抗,绝不善罢甘休。

三、判断一个理论的完美性

作为物理学的内容,必定有一系列的物理学定律和法则,这是描述我们这个宇宙的基础。天下种种宇宙模型,必须要有比较才有鉴别。最直接的比较就是用选美规则来一一比较其优劣。请看我们的博文:《物理世界的理论创新模型》 《创新物理学》之一

《物理世界的理论创新模型》 《创新物理学》之一

完美性具体体现为:

1.简单性:大道至简,简单明了。越简单越美!

2.精确性:准确无误、计算精确,甚至可计算至小数点后任意位的精度。

3.解释性:不仅逻辑上合理,并揭示事物的本质。

4.预见性:不仅适合现在的各种环境和条件,对于未来亦适用,能预测和预见未来。

5.统一性:能够将不同的理论和描述,甚至是矛盾的理论,统一成为一个完整的整体。

6.包容性:兼容并蓄,尊重原有各种理论及其产生的原因和历史背景,但新理论一定站得更高、看得更远,覆盖更广。

7.先进性:超越原有理论,更新旧的理论,与时俱进。

8.独立性:不依赖任何学派与理论,创建一个完全独立的理论体系。

9.稀缺性:不可缺少的力量(the power of indispensability

如果没有创新物理学,就不可能解决令人迷惑的问题。这就是创新物理学不可或缺的、不可替代的、前所未有的力量。

10.一致性与完备性:一个理论的最高境界,既达到一致的逻辑和推理,结果无矛盾。同时,完备性,没有漏洞,没有悖论,全面、整体、终极。

如果创立一个新的理论体系,具有上述10个优势和特性,那么这个理论就具有完美理论的特征,也就离客观的真理更接近了。

四、物理学终极理论

我们除了采用以上完美性十条进行选美比较,如果面对物理学理论,我们还采用物理学中的公开问题作为检验客观标准或客观对象,并以该理论是否能够对这些 物理学中的开放的问题,是否有完美的解释。

这些问题是:

1。为什么会有宇宙常数(Λ)

2。为什么有Cabibbo角?

3、为什么有温伯格角?

4、为什么会有阿尔法?

5、为什么会出现Neff=3?

6、为什么有普朗克CMB数据?

7、为什么有暗物质暗能量流 9% ?

8、如何用标准模型解释基本粒子族?

9, 如何计算希格斯玻色子质量?Calculating the Higgs mass

龚学理论已经回答了以上问题,甚至更多问题,几乎所有物理学令人困惑的终极问题。

如果能够回答以上问题,就可以结合已知的物理学,精确计算宇宙物质结构及其运行规律了。

全世界范围内包括诺贝尔奖获得者和他们的学生、各位教授和他们的学生,不管是谁,如果也能回答这些问题, 我们还设立了创新鼓励基金1万美元予以奖励!(不好意思,有点少啊!这是我们个人的小意思啦!)http://www.pptv1.com/?page_id=619  $10,000.

五、结论

龚学理论是一个完整的理论体系,从第一原理出发,有原则,有模型,有理论,有解释,有一个接近完备的整体架构。

Gong-TOE

正是:城里游戏无别家,超弦物理占魁花,

              千苍百孔补漏洞,漏船沉沦海无涯。

              理论创新不容易,洞察宇宙不虚夸,

             本来虚空还虚有,虚实一体有繁华!

我们关于中国的“超级对撞机工程”争论的意见 3

龚天任   李小坚

在我们的上一篇博文中,我们关于 中国的“超级对撞机工程”争论的意见 2; http://www.pptv1.com/?p=990 , 我们已经指出了以下两点。

(一),2017年三月新发布的数据,所有数据(LHC,Lux,IceCube,LHCb、EDM、费米卫星等),在100 TeV范围内没有发现任何新的物理 粒子或新的物理定律 。

(二),甚至,在地下隧道都已经100%准备好了的情况下,为什么美国绝对不建一个100 TeV的P-P质子对撞机?

一、国际大咖的观点

到目前为止,没有人对上述两个问题进行过详细解读。同时,超级对撞机工程支持者表明,3位诺贝尔物理奖获得者:温伯格,戴维·格罗斯,和谢尔登·格拉肖,都支持中国的这一大项目。这里有两个非常非常简单的问题:

第一,如果这100 TeV的项目是如此意义重大,他们为什么不让美国来建设这个项目,而且,美国已经准备了一个完好的地下隧道(即70%的成本已经支付)。“错误是成功之母”在欧美地区流行与中国的“失败乃成功之母”是一个人类通用的共同观点。如果美国在1993年取消了SSC项目是一个巨大的错误,而LHC被认为是一个巨大成功,为什么今天美国不能纠正自己犯下的严重错误?

其次,所有这三位诺贝尔奖获得者真的相信100 TeV的质子对撞机能够发现任何新的物理?答案是否定的!或许他们只是希望中国人去做这个愚蠢的工作。因此,我们将详细分析他们的文章来说明这一点。

今天我们来看看国际物理大咖的观点:

温伯格,戴维·格罗斯,和谢尔登·格拉肖,他们三人谈论了三点:

1,物理学中还有很多未解之谜,我们需要一个新的工具来研究它们。

2,基础科学研究尽管它本身并不能立即提供任何直接的经济效益,但有可能发现出许多衍生副产品。

3,这是中国面临的难得的机会,可使中国成为粒子物理领域的伟大领导者。

我们随后将链接他们的文章看看,温伯格,戴维·格罗斯,和谢尔登·格拉肖,他们三人真的相信,100TeV 质子对撞机是能够发现物理奥秘的正确工具吗?他们有没有计算出这台机器可以发现任何新的物理机制的成功概率或机会?

在这些问题上,我们将引用他们说过的原话来表明他们确切的意见:

首先,温伯格:整篇文章,请参见

https://thegreatcollider.com/2016/12/28/interview-with-nobel-laureate-steven-weinberg-discussing-high-energy-colliders/

{But, although there are several other phenomena of great importance that might be discovered at the LHC, including dark matter particles and superpartners of known particles, we have no strong reason to suppose, even if they exist, that they would be within the reach of the LHC. We will just have to wait and see.

虽然,LHC大型强子对撞机有可能发现一些很重要的现象,包括暗物质粒子和已知粒子的超对称粒子,但是,我们没有很强的理由抱有太大的希望可以在大型强子对撞机上看到,即使它们存在。我们只能等着看。}

{The LHC has been a great success, with the discovery of the Higgs boson. Whatever the LHC’s chances for further important discoveries, it is clear that the much greater energy of the SSC would have provided a better chance for the future.随着希格斯玻色子的发现,LHC取得了巨大的成功。无论大型强子对撞机有无机会获得进一步的重要发现,很显然,更大的能量的超级对撞机SSC应该可以为未来提供了一个更好的机会。}注:可惜SSC已经早被取消。

温伯格并没有说100 TeV对撞机肯定会发现什么新东西。关于发现新物质粒子的事一个字也没有说!

再看谢尔登·格拉肖的整个文章,看:https://thegreatcollider.com/2016/12/23/interview-nobel-laureate-sheldon-glashow-discussing-future-high-energy-colliders/

{We need a Higgs factory to verify that the properties of the particle found at LHC are just those expected in a one-Higgs standard model.我们需要一个希格斯工厂来验证LHC上发现的粒子的属性,确实是一个希格斯标准模型中所期望的那些特性。}

{We [America] have no plan to construct a new forefront particle accelerator at any time in the foreseeable future.我们[美国]没有计划在可预见的将来的任何时候建造一个新的前沿粒子加速器。}

{All in all, Chinese particle physics has experienced a remarkable growth spurt, as is both befitting and essential if China is to host the Great Collider.总之,中国粒子物理经历了显著的增长,如果中国主建大对撞机,是适合和必要的。}

{China can easily afford to build and operate the proposed facilities.中国可以轻松的建造和运营这些设施。}

{CEPC and SPPC will make China the world hub of particle physics.中国的CEPC与质子对撞机将使中国成为粒子物理的世界中心。}

谢尔登·格拉肖100 Tev 大对撞机会撞出什么说出了有任何物理学的或科学意义的论点吗?绝对没有!

第三、戴维·格罗斯:对于整篇文章,请看

https://thegreatcollider.com/2016/12/19/why-china-should-build-the-great-collider-a-response-to-c-n-yang/

作为中国科学院的外籍院士,戴维·格罗斯在这个问题上作了更详细的论证与说明,如下:

{I am very excited by the scientific potential of the Chinese collider project, and as a friend of Chinese science and a foreign member of the Chinese Academy of Science I am very excited about the many benefits that this project will produce for China.我对中国的对撞机项目的科学潜力非常兴奋,作为中国科学的一个朋友和一个中国科学院外国成员,这个项目对中国将产生的许多好处,对此我很兴奋。}

{Some of the deepest of these mysteries revolve around the Higgs boson, a particle unlike any we have discovered before. The answer to a very basic question about the Higgs — is it point-like, or does it have substructure? — will force fundamental physics down radically different paths in the coming decades. The LHC will not answer this question; a new particle accelerator is needed to decisively settle the issue. This is precisely what the Chinese collider project will do.这些奥秘中最深的部分围绕着希格斯玻色子,这是不同于我们之前发现过的粒子。关于希格斯的一个非常基本的问题是希格斯粒子是一个点粒子,还是它有子结构?这个将使基础物理学在未来的几十年里,彻底改变完全不同的路子。LHC不会回答这个问题,需要一个新的粒子加速器来解决这个问题。这正是中国对撞机项目所要做的。}

{The machine currently being proposed by Chinese physicists is the “CEPC”, a large electron-positron collider, between 50 -100 km in circumference. The CEPC will function as a “Higgs factory” and settle outstanding questions about this deeply mysterious particle.目前由中国物理学家提出了“CEPC” ,一个大型正负电子对撞机,周长在50 – 100公里之间。它将作为一个“Higgs工厂”并解决此神秘粒子有关的悬而未决的问题。}

{The central physics case for both the CEPC and the SPPC have little to do with speculations about supersymmetry and much to do with deeply understanding the mysteries of a particle we know exists — the Higgs. CEPC和SPPC 中心物理学使命,与研究超对称性粒子猜测 没有太大关系,主要是对神秘的我们知道存在的希格斯粒子做深入的了解。}

{The CEPC has a rich and detailed experimental program that will either reveal substructure for the Higgs, or allow us to conclusively decide that the Higgs is an elementary particle on the same footing as quarks and leptons. The guaranteed physics of the SPPC is similarly centered on the Higgs: it will determine whether the Higgs looks point-like to itself. CEPC具有丰富和详细的实验程序,将揭示希格斯的结构,或让我们最终决定希格斯的地位,是否与夸克和轻子是同一种基本粒子。SPPC 物理机制同样集中在希格斯:它将决定希格斯自己看起来是否是点状的。}

{Of course, the prospect of the SPPC following the CEPC adds significantly to the excitement and scientific potential of the CEPC project, but any concrete decisions about proceeding to the SPPC cannot be responsibly made till over a decade from now.当然,有了CEPC之后,SPPC铁定有了更加令人兴奋的前景和CEPC项目的科学潜力,但对十多年后的SPPC项目(我)不能负责任地作出任何具体决定。}

{As we have already stressed, beyond this [CEPC] it is not possible to make responsible estimates for the cost of the SPPC, which depend on the development of various new technologies in the coming 10-20 years.我们已经强调,除了CEPC以外,不可能对SPPC作出负责任的成本估计,这取决于在未来10-20年各种新技术的发展。}

以上戴维·格罗斯的观点,没有一个字说明100 TeV的大对撞机有任何机会发现新的物理粒子?真的没有,一个字也没有!

二、真实情况

总之,戴维·格罗斯的参与的SUSY粒子赌局输了后,他转换了他的态度。他说:这可是一个教育年轻人很好时机,告诉他们:“不要跟你的长辈走。要走出去寻找新的、疯狂的、强大的、不同的东西。特别是与现在完全不同的理论,这绝对是一个好教训。但是我太老了。”

因此,他现在反复强调,中国这个新的项目,不是一个发现超对称粒子的对撞机,而是希格斯工厂(如CEPC),而SPPC是一个他不想谈论的问题,因为,那是至少20年以后的事了。

但是,这确实是误导。中国的这个项目的初衷,可并不是只是作为一个希格斯工厂,而SPPC肯定不会是探索“复合模型(CM)”的工具。

我们非常高兴地看到戴维·格罗斯的这个转变!看到戴维·格罗斯现在终于放弃对SUSY的期待而试图拥抱“复合模型(CM)”。但是,SUSY和CM之间的差异大于天堂与地狱的区别。

标准模型(SM)是不完整的,还有许多毛病,这是共识。但是,解决问题,有两种可能的方法。

1,水平,有一个超对称世界(SUSY)与现有这个物质世界保持平衡,那是,SUSY与物质世界同时处于时空纤维之上。

2,垂直,夸克/轻子粒子下面有子结构;即夸克、轻子是复合粒子。在时空纤维之下,还有结构。

而且,这个额外的向下的层面,正是所有物理世界的奥秘所在地。奥秘就在这个位于时空纤维之下的结构。因此,探索这两个层面的物理世界,有完全不同的两种方法!并且,需要完全不同的工具。

形象地表明,超对称粒子可以用大锤型的工具的产生,质子对撞机是一种大 大的大锤。

hammer

另一方面,任何更下一层面的时空结构可以用锄头类工具翻挖渗透和深入挖掘坚硬土地—-时空纤维。

Digger

而且,μ子对撞机(MC)将是一个巨大的鸭嘴锄(普拉斯基)一样的工具。现在,美国正在全速推动μ对撞机研究的。为什么格罗斯不推荐MC作为一个中国的大对撞机计划?

显然,他还总希望有超对称的奇迹。他写道:{当然,SPPC将有更高的能量探索,将有能力产生比LHC高近十倍新粒子[ SUSY ] 的机会。}

正是因为超对称性是当前主流物理的一个必要的假设,所以,主流物理还在计划大型强子对撞机,用它继续寻找超对称粒子和其它粒子。虽然,PP质子对撞机已经被美国抛弃,但有人忽悠中国来做这个“冤大头”!

三、结论

粗略地说,我们可以把人类建造之物分为四类。

1,工具:具有一定效用,可以用之完成一定的任务,如:房屋、高速公路、车辆等。

2,玩具:对于不了解的事物的一个学习机会。

3,艺术:表达人类的灵性,高于功利。

4,坟墓:死路一条,最终的归宿。

北京正负电子对撞机(BEPC)通过设计成为一个玩具,用于学习探索高能粒子物理实践。因此,它绝对没有产生什么重要意义的结果(几乎为零),这是预计到了并可以原谅的起步阶段的代价。但是,100 TeV的质子对撞机决不可能被称作为一个玩具!它必须有非常非常明确的“科学目标”!

而现在所有数据和证据已经保证这样的超大对撞机不会产生新的结果!绝对是一个更大的零蛋;因为,现在的一切证据表明100 TeV以下绝对没有SUSY粒子,而超大对撞机设计成一个探索SUSY粒子的机器。其结果肯定是必死无疑。

因此,SPPC不可能成为新的物理工具,只能作为一个玩具。这将不仅是一个极大的笑话。而且,这是建造一个 坟墓,作为 一个错误的物理(SUSY)的陪葬。

粒子物理学的未来是在μ子对撞机上,而不是PP质子对撞机。最好的物理学家不会浪费他们的生命于没有希望和前景的项目。只有不明事理的人会使用这种垂死的项目作为他们获得利益的工具。

温伯格,戴维·格罗斯,和谢尔登·格拉肖他们三人也强调非科学的论点:{这是一个伟大的机会,中国成为粒子物理领域的领导者}。这个我们并不反对!中国在适当的时候,应该引领世界! 建造最強大的 μ子对撞机, 中国势必当该引领世界!

另外,还有人使用了基础科学产生意想不到的衍生副产品的论点,最有名的例子就是CERN发明了WWW。我们将在未来的文章中讨论这个问题。

我们关于中国的“超级对撞机工程”争论的意见 2

对撞机争论 2

龚天任,李小坚

一、 事实

事实1:始于1976年的美国超导超级对撞机的设计SSC(在德克萨斯、美国),其使命是探索发现希格斯玻色子(Higgs粒子)和超对称粒子SUSY。当时,物理界对希格斯玻色子的理论认识还是很少。因此,SSC的战略目标是建立一个“覆盖所有”可能的全能对撞机。以当时的超导技术,能够制造出来的最好的对撞机单注流是20太电子伏特( TeV),其结合能是40 TeV。

事实2:1990年物理界的共识是:在美国费米实验室,1987开始运行的Tevatron级别的加速器,其结合能量为2 TeV,可以以很高的概率发现希格斯粒子。此外,在欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机LEP(运行于1989年到2000年)的数据进一步肯定了上述共识。

事实3:以当时的LEP对撞机隧道完全可以很容易地升级达到质子对撞要求的14 TeV(7倍于Tevatron的能量)。也就是说,升级LEP后有足够的安全边际去发现希格斯和其它理论粒子,如果希格斯和其它理论粒子存在的话。

随着以上三个事实表明,继续建造SSC项目将不仅是浪费,而且肯定是愚蠢的行为。因此,在1993年SSC项目被取消。虽然,SSC项目已经开始,整个SSC主隧道已完成,而且已经花费了约30亿美元。

事实4:今天的超导技术比25年前的90年代的技术更先进了许多,更容易建造更先进的超级对撞机。SSC项目的主隧道也还可以用于建造100 TeV的对撞机。也就是说,70%的建筑费用已经支付的情况下,美国通过组织50多个国家的国际合作,完全可以几乎没有成本地建造一个新的100 TeV的对撞机!如果美国重新组织超级对撞机工程,这将是一个轻而易举的事情!而且,这样的项目建设将为美国提供许多建筑工程和高级科学研究的工作岗位。

问题:为什么美国在几乎没有成本的情况下,对建造一个新的100 TeV的对撞机不感兴趣呢?

 二、赌注

上述事实表明,希格斯玻色子本应该在2 TeV的对撞机上就可以被发现。也就是说,欧洲核子中心CERN,运行于1989年到2000年的大型正负电子对撞机LEP工作在此能级范围,但是,没有发现希格斯玻色子,也没有发现超对称理论宣称的SUSY粒子。因此,CERN组织多个国家升级了LEP,建造了强子对撞机LHC。而且LHC的使命不仅希望发现希格斯玻色子,还希望找到更多的超标准模型(BSM)粒子,尤其是S-粒子(SUSY)。请看1993年欧洲核子研究中心的新闻发布会上的报告:

https://press.cern/press-releases/1993/12/large-hadron-collider-presented-cern-council

当时,许多著名的物理学家,如戴维·格罗斯(诺贝尔奖得主)和Frank Wilczek(诺贝尔奖得主)等,做过一些详细的计算和预测,当LHC采集50 fb-1  数据量时,就会发现SUSY粒子。2001年,物理学界有22位著名人士立下字据对赌,赌注是到时能否发现超对称理论粒子SUSY。到了15年后的2016年八月,对赌条件得到满足,戴维·格罗斯为首的一方认为能发现SUSY却失败了。2016年8月22日,“SUSY对赌清算”活动在哥本哈根举行。请看:

https://www.quantamagazine.org/20160822-supersymmetry-bet-settled-cognac/

另一个著名对赌是在2009年立下,诺贝尔奖获得者Frank Wilczek与一个物理民科,关于6年内LHC将发现SUZY粒子的赌注。2015年七月终于有了结果。民科赢了!请看:

https://www.physicsforums.com/insights/superparticle-bet-frank-wilczek/

以上这些赌注说明什么?

一般来说,赌注是一种赌博游戏,就是参与者中看谁的运气好。在任何形式的投注中,事实上有两部分:

赌博玩家:希望好运,但获胜的几率通常很小。个人的赌注,基本是基于希望有好的运气。另外,小赌怡情,只不过是一个娱乐。

庄家与运营商:通过胜率的精确计算与一些非常复杂博弈方程,可以做到稳赢不输。每个运营商制定的赔付率,确保***(庄家)总是赚得很大的利润。然而,最复杂的赌博是保险公司,有非常复杂的支付/保费方程。所以,彩票和保险也是基于非常精确的科学计算的商业活动。

但是,超级对撞机这样的科学工程,这不是一般的赌博情形,而是一个高风险、高期望、高度复杂的项目。而且,很多物理学家参与其中,试比技艺高低、运气大小之科学娱乐对赌。而一个国家参与,这将是一个很大的赌注。

中国是否应该为建立SC(Super Collider)投下一个可能超过1000亿美元的大赌注?

三、物理学家如何计算他们的赌注?

当然,物理学家尤其是诺贝尔奖获得者,他们可以使用最好的理论和最权威的数据来预测结果。事实上,很多***公司采用了高深的物理数学理论来计算胜率与赔率。但是,这些高深莫测的物理理论如超对称理论是非常深入的专业知识,超出了大多数普通人的预计。幸运的是,在所有这些复杂的数学和术语后面,其基本的逻辑是非常简单的。只是普通的感觉判断,几乎所有非物理学家也能运用。我们将用三个常识类比来描述它。

1.城门理论:

今天,物理世界只有4个已知的基本力:电磁力、弱力、强力、重力。其中三种力是建设性的力,就是这样的力能创造世界上的物质结构。

原子和分子基本上是由电磁力构建出来的产物。电磁力将原子核与核外电子维系在一起。强力将构建立一个“铜墙铁壁”类似的核子牢笼,使质子和中子安稳居住其中。而重力构建了太阳系、星系、超星系等宏观大结构。

另一方面,弱力是破坏性的,打破分开现有的东西。最好的例子是中子β衰变,它破坏中子的铁壁牢笼,将其转化为三个粒子。所以,关于自然宇宙的整个故事就是关于构建和破坏的历史。构建者建造墙壁、屋墙、城墙等。破坏者不断打破窗户和门墙、房壁和城墙。

基本上,整个可见宇宙是由质子和中子建造的,这个建造基本单元质子与中子需要大约1吉电子伏特(1GeV)大小的质能。

因此,我们取1GeV的质能尺度作为坐标轴单元。那就是,粒子物理尺度可以看到的所有建筑都可以在5GeV空间里面。然而,打破这些建筑结构,使之破碎成为砖头、窗户和门结构的基本单元,需要的能量约为100GeV电子伏特。

现在,我们可以看到整个可见的宇宙作为一个城市(城门与城墙),而城门坐落在约100GeV电子伏特的标志处,这是所谓的“弱规模”的物理区。城里面的一切都是可见的,没有什么东西是不可见的!如果存在有不可见物质的话,那一定是城外派来的奸细。因此,超对称粒子或其它的不可见物质,它们必须都是距离城门外超过约100GeV电子伏特弱规模领域以外来的异客。

2.沙漠理论

沙漠理论认为城外是一大片沙漠。这个沙漠到底有多大,谁也说不清楚。因此,我们可以说这个看不见的无形的东西作为外国人,他们生活在一个遥远的地方,大约居住在1GeV的数百或成千上万倍的距离,用1GeV的1000倍即1TeV能量刻度标记之。

然后,有A和B两种情况。

A.这个市(可见宇宙)和国外是完全为沙漠所分离,不可能穿越沙漠把两者之间的联系起来。那么,这个外国对这个城市(可见宇宙)毫无意义。因此,它存在不存在,对这个城市没有区别。

B.这个城市(可见宇宙)和那个外国有一些或多或少通讯和联系。

但是,外国与这个城市沟通的唯一途径是有道路到达这个城市的城门,在约100GeV电子伏特处进行沟通交流。

如果通信交通非常稀少,那么,外国应该在沙漠的边缘,尽量离城市大门近一点的地方,建有它的联络站或驿站。为了方便必要时联系,它的信使可以留在这个离大门有点远的驿站里,但也不要太远以致不能到达。

3.超级灵丹妙药理论:

这个城市的居民得了症状很严重的疾病,或有许多先天缺陷。他们城市的(可见的宇宙)最好医院开出的标准诊断处方–标准模型(SM),仍然不能医治和解释以下症状:

中微子的质量

暗能量/暗质量

重子产生

能量等级

重力产生,等。

于是,这是这个城市认为需要看不见的神奇药物:WIMP可以很好医治这些病症,还有更为神奇的药物SUSY,是超级灵丹妙药。

有了以上城市和沙漠两种理论和超级灵丹妙药理论,这个城市的人就要进行博弈,赌注投注变得非常容易了。

首先,这个城市(可见宇宙)至少需要一种神奇的药物医治自己的病症。如果不是超对称SUSY超级灵丹妙药,将有别的药物如WIMP。

SM-11

其二,如果这个神奇的药物真的能治愈这个城市的疾病,它必须在这个城市展示其超级神奇的魔力,也就是说,这个魔力必须在这个城市的范围内(在其城门100GeV内)起作用。

SM-12

在欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机LEP,本来作为一个可以彻底搜索城市(弱规模范围)的对撞机,LEP应该能发现超对称型颗粒SUSY。因此,许多物理学家就把赌注投注在LEP可以搜查到SUSY。

有更保守一点的物理学家,根据他们的计算表明,城市可能不需要大剂量的超级灵丹妙药;即SUSY使者可以呆在离城门有点距离的地方,即SUSY可以在10倍-20倍的距离,远程治疗这个城市的疾病。因此,他们中的许多人把他们的赌注押在Tevatron距离范围看到SUSY。

当然,最谨慎的物理学家(如诺贝尔奖获得者,戴维·格罗斯,等)以高于20倍的安全边际做赌注,赌在比LEP更高能级范围的LHC的2TeV ,甚至放大到14TeV上(14TeV / 100 GeV=140倍) 看到SUSY。

到目前为止,所有这些赌能看见SUSY的赌徒都失败了。

 

四、新的赌注

任何热衷于超对称SUSY的参与者,现在是时候投下新的赌注了。也就是说,先对如何找到SUSY的胜率作出非常精确的新计算,看看有多大胜算。

有三种不同的方式,可以帮我们找到无形的隐藏的物质。

第一种,{直接逮住}:直接把SUSY抓在手里。一般来说,我们物理学家要使用大的对撞机。

第二种, {侦查出来}:虽然不能看到你,但通过运行所有的寻找路径排查,我一定会碰到你。如果这个隐藏的东西稳固地偷偷地存在,你在和我捉迷藏。如果你在我的跑步的路上,我会看到你的踪影,或是发现你隐藏通道或是隐藏的洞穴。在所有的运行路径旁边,如果有任何’旁观者’或’隐藏通道的洞穴’,我总是会发现其踪迹,我们还可以运用一些类似福尔摩斯探案分析办法侦查出来。

第三种,{太空捕捉影子}:

宇宙本身是一个极大的对撞机,宇宙中无数次的星体碰撞及其爆炸比任何建在地球上的对撞机来得猛烈。宇宙必定会留下对称粒子物质的蛛丝马迹。因此,直接从太空观测中捕捉对称物质的影子。

现在,有许多不同的探案资料,这个可以帮我计算出现对称物质SUSY的赌注胜率。

第一个案例:ACME(高级冷分子电子)EDM(电偶极矩)数据。电子是一个量子型粒子,也就是说,它不是静止不动,而是在各个方向舞蹈,形成电子云。然而,电子携带的电磁魔杖,它能影响达到非常非常遥远的距离。如果任何“旁观者”站在它舞池的旁边,它的舞蹈空间将被封锁那个特定的地点,它的电子云会变形。这种变形作为EDM可以测量到。见下面的ACME数据:

SC-11

SC-12

以上ACME数据说明了什么?

1.电子云不变形,即无旁观者,也无隐形粒子隐藏洞穴。

2.这个数据比LHC数据更强大有力。

3.这一数据表明,在80TeV到100 TeV下面没有旁观者,也没有隐藏的洞。

第二个案例:LHCb数据(BS0 介子的衰变):如果在BS0 介子的衰变通道的周围有一个旁观者或隐藏的洞,BS0 介子的衰变通道将被扭曲。LHCb表明:{这一新发现限制了其它超越SM物理模型的机动空间:将来所有候选摸型都必须证明它们符合这个重要的测试结果。}。那就是,LHCb数据在不低于100 TeV的范围内,没有超对称或其它隐形粒子在其周围。请看:

https://home.cern/about/updates/2017/02/standard-model-stands-its-ground 。

第三个案例:弱互相影响大粒子WIMP的数据。在可见的宇宙,没有超对称SUSY。WIMP被称为最好的超对称SUSY的候选者。以下是WIMP的数据(来自许多不同的研究小组)。

SC-13

这些数据说明什么?

1.黄色部分是中微子的最低边界,没有WIMP或没有超对称粒子。

2.所有绿线以上区域均排除有WIMP粒子。

3.绿线与棕黄区之间的白色区域并没有完全排除。

这一数据表明,高能量的区域(100TeV,200TeV,…,1000 TeV,…)排除了几乎所有的WIMP物质(如SUSY)。

4.2016年LUX的数据排除了存在WIMP,2017年,LHC数据进一步排除了WIMP。无WIMP粒子是多家国际机构的数据达成的共同结果。

以上数据均来自地球实验。然而,我们仰望天空,看看是否可以从太空捕捉到对称粒子的影子。这些发生在遥远深邃的太空的历史剧,产生了许多的碎片:(伽马射线,高能粒子,中微子等),其中一些朝着我们的方向来到地球。我们通过高度精密的科学仪器设备捕捉这些历史的碎片或影子,我们可以阅读太空的历史故事。

首先,γ射线:费米伽马射线太空望远镜

https://fermi.gsfc.nasa.gov/ )。没有WIMP(SUSY)。

其次,高能量的粒子(特别是反粒子):AMS-02数据,没有WIMP。

这些高能量的反粒子(AMS-02)数据可以认为是由一些过程类似于10000 TeV对撞机或更高能量的对撞结果。

SC-14

其三,一些太空对撞能量可能超过LHC强子对撞机几万倍之大。根据定义,WIMP(或SUSY)应该渗透在整个空间;即其产生的故事的碎片,应该倾注在地球所有方向,或有衰减或淹没。在这两种情况下,它们的碎片之一中微子,肯定可以达到地球。

中微子是最大的{太空捕捉影子}。当月球位于地球的另一侧时,我们可以看到中微子穿过月球。观察看到一片与冰块似的月球宇宙射线阴影(https://arxiv.org/abs/1305.6811 )。以下是月亮以中微子的冰块影像。

SC-15

最近的数据表明,冰立方中没有惰性中微子;即,太空没有未知的粒子产生过程。这些数据再次让SUSY出现的希望破灭。

SC-16

这些天体的数据,在数千倍TeV能量级别下面,均没有发现超对称粒子的蛛丝马迹。

有了以上的地球上和天体上的两组数据,我们个人可以跟SUSY赌徒投下我们的赌注,而且,我们相信我们稳操胜券。

但是,这个是不是中国政府关注的超过1000亿美元的大赌注呢?

五、 美国的赌注是什么?

1.在1993年:美国国会认定了建设超级对撞机SSC不仅是浪费,而且完全愚蠢。

2.在2017年:美国可以不用从自己的口袋出钱,而从别的国家筹集资金,建设一个100 + Tev 超大对撞机,美国干不干?虽然不用自己出钱,但要借用那个已经挖好的隧道来建超大对撞机,这仍然被认为是一个极大的浪费,这个地方应该留给未来别的用途,或许带来惊喜回报。

3.Muon-μ介子对撞机的建造:

http://www.cap.bnl.gov/mumu/info/intro.html )

质子对撞机的能效非常低,只有小部分的总能量的在有效工作。质子对撞的背景噪声非常凌乱嘈杂。另一方面,μ介子对撞机几乎将达到100%的总能量利用率,几乎没有混乱的背景噪声。然而,μ介子寿命很短,也就是说,需要一些非常先进的技术控制对撞过程。这需要很多,很多钱。

4.深海中微子探测器:

(https://www.wired.com/2011/05/antares-neutrinos/

https://en.wikipedia.org/wiki/ANTARES_(telescope) )

中微子是最强大的探测工具,中微子还是最不被理解的粒子。通过全面了解中微子,许多当前的谜团可以得到解决。

5.基于空间的引力波探测器(https://lisa.nasa.gov/ )。以前间接证明引力波存在。然而,LIGO在2016年二月声称的直接观察到引力波,但其结果被一些人质疑。因为,一些未知的地球活动可以模仿引力波信号。另一方面,基于空间的引力波探测器将不会有这个问题。但同样,这要花很多钱。

 六、结论

如果美国参与这个赌注,我们打赌美国政府不会建设超大对撞机。

如果中国参与建造1000亿美元的超大对撞机,我们打赌这一定不值当!

当然,任何人也都可以参与这个赌注,如果不明白以上基本道理和不考虑以上数据,将是难以取胜的。如果纯粹赌运气,那将输得很惨。

如果我们组织运营公司,作为庄家,根据以上我们所列出的数据和逻辑推理,我们相信我们将胸有成竹,胜券在握。我们肯定能赢得此赌注的最后胜利,并获中大奖。

我们关于中国的“超级对撞机工程”争论的意见 1

2017年3月的国际物理两会后,有一些新数据发布。整个国际物理科学的环境发生了很大的变化。全球物理遇到了前所未有的困难,这个预示着物理学革命的到来。我们在后面的博文将予以展示。

现在,我们回过头来看中国的“超级对撞机工程”争论,是否应该有结论了!

一、前期的纷争

之前,我们看到杨振宁博士公开出来反对中国大对撞机工程。何祚庥院士和中科院某雷院士也公开反对建大型加速器。我们的前两个博文中,有很多海外华人物理学家也是反对大对撞机工程,也有支持大对撞机工程的意见。

对于高能物理,特别是粒子物理学,两个全球非常著名的华人物理学家杨振宁博士和实验物理学家丁肇中博士,两人都是诺贝尔奖获得者。

1,杨振宁博士已经正式公开反对超级对撞机工程。

2,丁肇中博士,按何祚庥院士私下交流,是反对超级对撞机工程的。但后来,他又否定曾经反对超级对撞机工程。所以,到目前为止,丁肇中博士还没有选择站队方。

问题是丁肇中自己的低温磁探测设备系统项目成本超过20亿美元,迄今已失败。现在,我们认为,他肯定不会出来支持这样一个巨大的科学探索项目!因为,现在主流物理的失败,他应该对此没有信心。丁肇中没有选队站,这本身也不利于他的学生王贻芳推动此项目。如果丁肇中公开支持他的学生,以后有不利结果,他肯定脱不了干系!

3,去年在中国召开的国际弦大会后,以及今年随着新的数据公布,诺贝尔物理学奖获得者戴维·格罗斯博士将不再公开支持超级对撞机工程。他的立场有一个非常大的转变,他正式将自己与SUSY保持一定的距离。

4,支持超级对撞机工程的丘成桐先生,虽然在理论物理界有极大的影响,他也只是一个数学家。他的数学结构很美,可惜却无任何现实数据的支持。

5,支持超级对撞机工程的王贻芳先生,积极推动此项目,是最大的利益受益方,有现行官职和资源,有上级领导的支持。

6,上一个博文,沈致远先生客观分析了现状,认为要等LHC再工作一段时间以后,再做评估。我们高度赞同这一观点!

7,而沈致远先生的学生,美国田纳西大学查塔努加分校终身物理学教授王令隽先生,坚决反对建造超级对撞机工程。

8,中国大对撞机外方主任,Nima Arkani-Hamed ,(inventor of split-SUSY, director of China Great Collider,中国大对撞机主任),对自己30多年的物理理论研究无一结果获得验证耿耿于怀!他也同意去年9月15日的弦理论的失败宣告。但也再一次下赌注于超级对撞机工程,以便验证他的粒子振幅理论。

9,有三位诺贝尔物理奖获得者温伯格,戴维·格罗斯,谢尔登·格拉肖的口头采访支持,还有100多位国际华人科技人士签名支持。

10,获得霍金中文推特支持。

二、我们的观点(后面再专门博文讨论)

 

沈致远先生关于:中国的“超级对撞机工程”争论

 

刚刚收到沈致远老先生发过来的他关于建造对撞机的文章,客观分析了当前中国关于建造超级对撞机工程的各方意见并提出了自己的建议。

我们也有相关意见和建议,下一篇博文发布。

附1

筹建大加速器的争议

沈致远

最近对我国是否应筹建大加速器有不同意见,中科院高能所王贻芳及数学家丘成桐主张在我国建立大加速器,杨振宁反对建立,双方各执己见进行争议。本文试图分析各种方案之利弊,并提出建议。

丘成桐意见简介

丘成桐力主在中国建立的巨型对撞机,比欧洲联合核子中心(CERN)的大型重子对撞机(LHC)能量高出五到十倍!他为此专门撰写了一本书,题为:From The Great Wall to the Great Collider ,《长城与大对撞机》。将大对撞机与长城相提并论,以强调其重要性和与中国的关系。他主张大对撞机应建在山海关附近。他在北京召开会议进行宣传时,请来诺贝尔物理学奖获得者格罗斯(D. Gross)及弦论“教主”威腾(E. Witten)以壮声势。丘成桐毫不讳言,建立巨型对撞机目的在于验证超对称理论。

杨振宁反对意见摘要

一.1989年美国开始建造世界最大的对撞机(SSC),预算预估为30亿美元,后追加到80亿美元。1992年美国国会终止此计划,已白费了约30亿美元。造大对撞机是无底洞。欧洲联合核子中心(CERN)的大型重子对撞机(LHC)总共花费100亿美元,中国建议的超大对撞机总预算不可能少于200亿美元。

二.中国仍然是一个发展中国家,人均GDP少于巴西、墨西哥、马来西亚,中国有许多急待解决的环保教育医药保健等问题。建造超大对撞机对解决这些燃眉问题不利。

三.建造超大对撞机必然将挤压其他基础科学的研究经费。

四.为什么不少高能物理学家赞成建造超大对撞机?原因为:

A.七十年来高能物理学成就辉煌,验证了“标准模型”,对三种基本力有了深入了解。但还有两项大问题没有解决:1,对第四种力(引力)的了解存在基本困难;2,未能统一力与质量。

B. 有些高能物理学家希望用超大对撞机找到超对称粒子。找超对称粒子很多年完全落空,多数物理学家包括我在内认为超对称只是一个猜想,没有任何实验根据。希望利用超大对撞机发现此猜想粒子只是猜想加猜想。

五.七十年来高能物理的大成就对人类生活没有实在好处。所建议的超大对撞机真能建成,三、五十年内对人类生活不会有实在的好处。

六.中国建立高能所已三十多年。如何评价这三十多年的成就?今天世界重要高能物理学家中,中国占有率不到百分之一、二。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%的非中国人主导。如果能得诺贝尔奖,获奖者会是中国人吗?

七.不建超大对撞机,高能物理就没有前途了吗?我认为至少有两个方向值得探索:A,寻找新加速器原理;B,寻找美妙的几何结构,如弦理论所研究的。这两方面的研究都不那么费钱,符合当今世界经济发展的总趋势。

 

王贻芳答辩摘要

一.杨先生反对的第一点理由是造大型加速器是无底洞。美国超导超级对撞机失败的原因很多,包括当时的政府赤字、美国两党政治斗争、德克萨斯与其他地区竞争等。预算超支绝不是SSC失败的主要原因。对美国来说SSC半途下马是极为错误的,它使美国失去了发现希格斯粒子的机会,失去了国际领导地位,到现在还没有翻身。当年美国科学界反对SSC的理由跟我们今天在中国听到的很相似。事实上SSC的终止并没有让任何科学家获得经费的增加。

我们规划的大型对撞机项目(以周长为100公里算)分两步走:第一步正负电子对撞机(CEPC)建设阶段,约在2022—2030年间,工程造价约400亿人民币。如果这第一步成功,可以走第二步,质子对撞机(SPPC)阶段,工程造价在1000亿人民币以内,时间是在2040—2050年左右,减去国际贡献约30%,中国政府出资约700亿人民币(每年70亿)。怎么会是无底洞?

二.杨先生反对的第二点理由是中国目前仍然是一个发展中国家,还有亟待解决的民生问题,超大型对撞机不是燃眉之急。民生问题当然要解决,但我们也要考虑长远发展要有领先世界的能力。高能物理研究物质的最小结构及其规律,采用的手段从加速器、探测器到低温、超导、微波、高频、真空、电源、精密机械、自动控制、计算机与网络等,很大程度上引领了这些高技术的发展并得到广泛应用。建造大型对撞机可以使我们领先国际达几十年,使一些重要技术产品实现国产化并走到世界最前沿,可以形成一个国际科技中心吸收国外智力资源,可以培养几千名能创新的顶尖人才,怎么不是燃眉之急?

一个大国,没有对人类文明的贡献,很难说话响亮,这影响中国在世界上获取利益。从占GDP的比例来看,大型对撞机的造价(即使包括SPPC)并没有超过1980年代的北京正负电子对撞机。下一个五年计划开建大型对撞机,是我们在高能物理领域领先国际的一个难得的机遇。首先新发现的希格斯粒子质量很低,使我们有可能提出环形正负电子对撞机这个方案来研究它,还有机会改造成质子对撞机。我们有北京正负电子对撞机的经验,我们有技术和人员队伍的积累。这个机遇窗口只有10年,失去了,下一次就不知道是什么时候。

三.杨先生反对的第三点理由是建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费。中国的基础研究经费目前占研发经费的比重大约是5%,国际上发达国家一般是15%。中国基础研究经费还有巨大的增长空间,大约每年1000亿人民币以上,CEPC不会挤压其他基础科学研究的经费。

四.杨先生反对的第四点理由是高能物理学家想寻找的“超对称粒子”和“量子引力化”都未被发现,希望用对撞机发现猜想中的粒子也是不会成功的。建造大型对撞机的目标不是那样。我们的目标简言之:粒子物理目前的标准模型只是一个在低能情形下的有效理论,需要继续发展更深层次的理论,虽然现在已有一些超出该模型的实验证据,但需要更多的实验证据指明发展方向。目前已知的标准模型中的问题大部分与希格斯粒子有关,更深层次的新物理应该会从希格斯粒子处露出蛛丝马迹。CEPC可以将希格斯粒子的测量精度提高至1%左右,比LHC好10倍,这就可以确认希格斯粒子的性质,判断希格斯粒子是否与标准模型预言完全一致。无论LHC是否发现新物理,CEPC都是需要的。如果有新的希格斯粒子耦合形式,我们可以进行第二阶段,建造大型质子对撞机,寻找造成偏差的原因。这个原因当然可能是超对称粒子,也可能是其他粒子。

五.杨先生反对的第五点理由是七十年来高能物理的大成就对人类生活没有实在的好处,未来也不会有好处。七十年来,高能物理发展出的技术与生活息息相关。没有高能物理,就没有同步辐射光源、自由电子激光和散裂中子源等装置,我们现在的许多生物、地质、环境、材料、凝聚态等方面的进步就无从谈起。没有高能物理,今天医院里的很多检查与治疗就不会存在,许多人的生命会缩短,生活质量会降低。没有高能物理就没有WWW网,人类从WWW网中得到的收益,远大于对高能物理的全部投入。中国建大加速器对我们有什么实际的好处呢?第一阶段300亿人民币的投入,至少使我们可以在以下技术方面实现国产化,并领先国际:a)高性能超导高频腔,b)高效率大功率微波功率源,c)大型低温制冷机,d)高速抗辐照硅探测器、电子线路与芯片等。

六.杨先生反对的第六点理由是高能所三十年来的成就不高,超大对撞机90%的工作将由非中国人来主导,诺贝尔奖也不会是中国人。从建立北京正负电子对撞机开始。国家对高能所在高能物理研究方面的投入,主要科学设施是北京正负电子对撞机(2.4亿元,1984年),北京正负电子对撞机重大改造工程(6.4亿,2004年),和大亚湾中微子实验(1.7亿,2007年)等,一共约10亿元人民币,投资不算多。这些投入取得的成果与国内其它领域相比不少。我们的成果可以跟他们比肩,至少我们现在是国际高能物理领域四大实验室之一(CERN,Fermi,KEK,IHEP)。将来超大对撞机70%的工作将由中国人来主导。我们有信心和能力独立完成CEPC。当然从国际合作考虑,还是需要放手一些工作内容。至于质子加速器的工作,我们目前确实经验不足,但我们还有二十多年,以我们过去三十多年进步的记录来看,是可以完成的。至于中国人得诺贝尔奖,不是国家对基础科学投入的目的。我们希望中国有一个CERN这样的研究机构,至于有没有人得诺贝尔奖,并不重要。

七.杨先生反对的第七点理由是高能物理的前途在“新加速原理”和“几何理论”,不在大型加速器。“新加速原理”确实是一个加速器发展的重要方向,无论是束流品质还是能量利用效率,都还有太长的路要走。高能物理不能等待这个新技术成熟。至于“几何理论”,或是“弦理论”,不是实验物理学家现在考虑的问题。

 

综合分析

丘成桐力主建巨型对撞机用意何在?为什么弦论“教主”威腾支持?超对称理论假设现有基本粒子均有质量极大的伴随粒子(玻色子费米子)[1],LHC在14太电子伏内未发现,超对称者寄希望于巨型对撞机。超对称者人微言轻,希望弦论者参加壮大声势;弦论靠超对称才包括费米子,“教主”当然乐观其成。丘成桐证明“卡拉比(E. Calabi)—丘定理”获得菲尔兹奖。该定理有关高维空间中拓扑结构,成为超对称论及弦论的数学基础之一。如巨型对撞机能发现伴随粒子,丘成桐就对物理学也有重要贡献,这就是他力主建立巨型对撞机的动机。他主张巨型对撞机建在山海关附近,该处邻近唐山地震多发区,不是适当的建机地点。

20世纪是物理学高速发展的黄金时代,在相对论及量子力学成功的基础上,开始进行对基本粒子的研究,发展出量子场论,主要实验工具是加速器。随着加速器能量的提高,新的基本粒子一个又一个地被发现。当时物理学家普遍认为:只要继续提高加速器能量,基本粒子物理学就会相应发展。这就是美国提议建造SSC以及CERN建造LHC的理由。LHC建成后,在质量约为0.115太电子伏处发现希格斯粒子,如美国费米实验室的太电子伏加速器(Tevatron)未被能源部强制关闭也会发现。往后事态的发展出乎意料,从Tevatron发现的顶夸克质量为0.173太电子伏起,直到LHC最高能量14太电子伏,在如此辽阔的能量范围内,LHC迄今未发现新基本粒子。一种可能是在此能量范围内不存在新粒子,另一种可能是LHC对新粒子的分辨能力有问题。LHC利用正负质子对撞以产生高能量,两者均具有强作用,对撞后产生大量已知强子(重子及介子)及其复合态和激发态,形成检测器之背景噪音,其强度超过所要检测粒子的信号100亿倍!在如此强烈的背景噪音下搜寻新粒子,比大海寻针更难。LHC 实验物理学家利用统计方法以消除背景噪音,其有效性决定于所采用的统计参量是否正确,稍有偏差难免沧海遗珠或鱼目混珠。虽然LHC发现希格斯粒子已被主流物理学家认可,但仍有人怀疑,对希格斯粒子的实验结果有两个疑点:一,发现两个不同质量(相差约0.4%),不像基本粒子而更像复合粒子;二,自旋不能肯定为零,如自旋非零肯定不是希格斯粒子。王贻芳提出第一阶段目标为验证希格斯粒子参量是中肯的,但更应验证是否为鱼目混珠,这关系到LHC消除背景噪音统计方法是否可靠,必须彻底弄清楚。

解决背景噪音问题更有效的办法是采用轻子取代质子,轻子无强相互作用,轻子对撞机的背景噪音比质子对撞机低得多。现有的轻子对撞机采用电子,电子质量只有质子的1836分之一,很难加速到高能量而且成本过高。缪(m)子的质量比电子重207倍,建成环形对撞机可大幅度提高能量并降低成本。缪子是不稳定粒子,寿命为2.2x秒。根据狭义相对论,当粒子加速到非常接近光速时寿命可大为延长,对缪子已由实验证实。建造缪子环形对撞机在原则上不成问题。唯一实际问题是,缪子注最终衰变时产生有害健康的高密度中微子流,可建造在人迹不到处通过遥控遥测解决;中微子流还可用来建造中微子工厂用以研究中微子的性质,一举两得。建立缪子环形对撞机是换代升级,意义重大。

杨振宁以美国停建SSC为例证明建造巨型对撞机为无底洞的意见与事实不符,但他反对在目前建立超巨型对撞机以及应先研究新加速原理的建议是可取。加速器能量的提高是不断创新换代的结果。从第一代高静电加速器,第二代同步回旋加速器,第三代高能直线加速器,到第四代高能回旋对撞加速器,使加速器的能量至少提高了一百万倍。继续大幅度提高加速器能量,必须寻求新加速原理,否则竭全世界财力也无以为继。当务之急是设法大幅度提高微波加速的效率,根本解决之道在于探索新加速原理。

建立高能加速器是否由中国主导应根据所具备的条件决定。中国有三个有利条件:一,中国GDP占世界前列;二,幅员辽阔,有利加速器选址;三,高能所对建立加速器充满信心,有志者事竟成。有三个不利条件:一,中国人均GDP相当低,必须尽量节约;二,缺乏建立高能加速器经验,北京正负电子对撞机最高能量为0.005太电子伏,只有14 太电子伏LHC的两千两百分之一,建立高能加速器的经验从何而来?三,缺乏心灵手巧的能工巧匠。LHC 建在日内瓦附近有其考虑,瑞士以制造钟表著称,拥有大量心灵手巧具有高度敬业精神的能工巧匠,成为建造精密度极高的LHC重要有利条件。LHC物理学家开玩笑说:“你叫瑞士工匠造一块镇纸,他会送来一只瑞士表。”尽管如此,LHC仍发生过一次停机半年的重大事故。LHC号称“有史以来最精密的机器”并非虚言。千万不能低估建造大型高能加速器的困难。

克服困难最重要的是实行国际合作。科学无国界,这是原则问题,。1915年爱因斯坦发表广义相对论,英国爱丁顿(A. Eddington)爵士大为赞赏,为之进行广泛国际宣传;他亲自率队于1919年5月去东非,在日全食时摄影证实星光为太阳引力所弯曲,证明了广义相对论之预言。当时凡尔赛和约尚未签订,英、德两国仍处于战争状态。英国人并未责怪爱丁顿,而对他的科学贡献大为赞扬。倒是德国纳粹分子称相对论为“犹太科学”,对爱因斯坦进行迫害。二战期间美国收留了许多流亡科学家,也是基于科学无国界精神。科学研究目的是追求真理而不是争名夺誉,这不仅用适用于个人,也适用于国家。LHC由许多国家共同出资建成,各国按出资比例选派研究人员,彼此通力合作,出成果后也未见各国争名夺誉,充分体现出科学无国界精神。中国筹建大加速器应发扬科学无国界精神,认真实行国际合作。有人提出:建大加速器是“为国争光”、“争取世界第一”,这种提法违反科学无国界精神,不利国际合作。最近曾在费米实验室长期工作的实验物理学家吴为民发表文章[2],支持中国在以美国为主国际合作条件下建立CEPC。吴为民在中美两国高能物理学界工作多年,具有丰富的实际经验与亲身体会,他的意见值得有关方面重视。

 

具体建议

一.高能加速器是检验基本粒子物理学唯一可控制的实验装置,应根据实际需要继续建立高能加速器。

二.建立高能加速器应实行广泛国际合作,建立类似CERN的机构进行管理。如中国出资最多,加以有幅员辽阔便于选址的有利条件,可建在中国。

三.建立高能加速器应分三阶段进行。第一阶段为准备阶段,第二阶段建立繆子加速器,第三阶段建立高能加速器。

四.第一阶段主要任务是研究各项关键技术,探索新的加速原理等等。重点为研究繆子加速器的关键技术,为第二阶段奠定基础。

五.第二阶段应建立繆子回旋对撞机以节约经费,验证LHC发现的希格斯粒子以及LHC所采用的统计方法是否可靠。

六.第三阶段的具体任务决定于第二阶段实验结果。目前只能提原则性意见:1,在LHC未关闭前,不应重复建造类似的对撞机;2,只有在加速效率大幅度提高前提下,才能考虑建造能量比LHC更高的巨型对撞机,3,在建立巨型对撞机前,应先比较改建LHC以提高其能量是否比建造新机更划算。

 

参考文献

[1] 沈致远,坚守科学底线,物理教学 2016年第5期,2—3页。

[2] Weimin Wu, I Support China to Build the CEPC on the Promise that the US Would Actively Participate in CEPE, International Journal of Modern Physics, Vol. 31, No.30 (2016)

(作者电子邮件:zyshen@comcast.net

英文题目 

Arguments about How China to Build the Large Accelerator

小辞典

加速器为将带电粒子注加速的装置,用来研究基本粒子性质及其相互作用。按粒子注运动路径,分为直线加速器及回旋加速器两种,后者使粒子注多次绕圈以提高能量。对撞机利用正负粒子注对头撞击以提高有效能量。

电子伏(eV为物理学常用能量单位。1 电子伏等于电子通过1伏加速电压所获得的能量。 兆电子伏:1MeV=10^6 eV; 吉电子伏:1GeV=10 ^ 9 eV,太电子伏1TeV=10 ^ 12 eV。根据爱因斯坦质能相当原理:E=mc^2,电子伏也用来作为粒子质量的单位。

辐射损耗 带电粒子在转圈时,因运动方向改变产生电磁辐射,从而损失能量称为辐射损耗。粒子质量越轻、转圈半径越小,所产生的辐射损耗越多。电子回旋加速器之辐射损耗过大,不利于产生高能量粒子。

美国田纳西大学物理教授 王令隽 批判主流物理

美国田纳西大学查塔努加分校终身物理学教授王令隽先生,身在美国,但非常关心国内物理学界的发展。多次发文批判主流理论物理的错误,这是一位有良知的学者的肺腑之言。
下面转载王令隽先生的三篇文章:
附1  对反对建大型对撞机的感言

作者:王令隽

万振文先生给我送来一篇何祚庥院士反对建大型加速器的意见,是登在《新语丝》上的文章。我读后有些激动。我的第一感觉是,中国理论物理学界的局面不像我担心的那样悲观,不是万马齐喑,而是有思想者,有明白人,有敢于执言的担当者。这真是中国学术界的希望和福音。

作为中国层子模型的发明者之一,中国高能物理学的理论前辈,何祚庥院士明确地表示反对在中国建造大型对撞机,对理论和实验高能物理学界的影响非同凡响。此事和前不久杨振宁先生明确反对在中国建造大型对撞机的报道相隔不久,互相呼应,必将引起中国粒子物理学界的轩然大波和不可避免的激烈争论。

相比起来,杨振宁先生的资历和国际知名度都比何祚庥先生要高,应该是何祚庥先生的前辈。但是何祚庥先生的明确表态,其重要性决不在杨振宁先生的表态之下。因为其一,何祚庥先生的文章陈述了一些杨振宁先生没有提到的为什么不要建大型对撞机的理由;其二,何祚庥先生是中国高能物理学界的前辈和导师,许多高能物理学界的理论和实验方面的中坚,或者曾经是研究层子模型时的同事,或者是他的学生;何先生的意见将牵动整个中国理论物理学界;其三,何祚庥先生举出了一个实验高能物理学界的权威丁肇中先生来支持他的反对意见。

王贻芳和邱成桐以实验高能物理的权威自居,蔑视并嘲笑反对者为不懂高能物理的外行。丁肇中是王贻芳的老师,应该不是外行吧?丁肇中先生在实验高能物理方面的道行应该不在王贻芳和邱成桐之下吧?幸好丁肇中先生也反对建造大型对撞机。如果他不反对呢?或者在反对者里面找不到一个有点名望的实验高能物理学家,是不是王贻芳和邱成桐就很雄辩呢?是不是就可以听凭高能所的小圈子决定建造大型对撞机是否上马呢?绝对不可以!

理由之一当然是因为这种大项目耗资至巨,势必挤压其他项目,所以必须经过各方认真论证。还有一个重要理由是:从弱电统一以后所有验证粒子物理标准模型的大型实验项目,都是严格按照理论物理学家的指导来进行的。这种指导包括:1)决定实验目标,即寻找什么粒子?2)在哪个能量区域内寻找?3)用什么粒子束和什么靶?4)碰撞过程中有哪些可能的反映过程?5)所选择的反映过程必须遵守哪些选择定则(据此设计符合电路)?6)所寻找的粒子的理论能量(质量)是什么?7)对实验结果的最后认定及其对理论发展的意义的评估。

在这些重大的关键问题上,都是理论家说了算。实验高能物理学家只是在加速器设计,检测设备的设计安装调试,数据记录及统计处理等方面设法实现理论家的设想,当然也包括各方奔走搞钱。不太准确甚至不太礼貌地说,至迟在1980年代以后的高能物理实验中,实验物理学家只是为理论物理学家们打工,完全不可能脱离理论家独立地进行实验,不可能领着理论走。实验高能物理学家只是跟着理论家的指挥棒转。如果实验物理学家的结果和理论预言不符,就将被宣布为失败。

比如欧洲核子研究中心花了大约十年寻找上帝粒子而没有找到,美国费米实验室也花了大约十年时间寻找上帝粒子,也没有找到。他们的实验都被理论家们宣布为失败的结果。前年 LHC 宣布找到了疑似上帝粒子(实验组自己并没有绝对把握),立即被认定为成功,宣布找到了上帝粒子,授予诺贝尔奖。由此可见理论物理学家们在高能物理实验的命运中的决定作用。所以,王贻芳和邱成桐把理论物理学家们排除在大型对撞机的论证之外毫无道理。

在王贻芳和邱成桐摆资格排斥物理学界的意见时,何祚庥搬出了丁肇中和杨振宁,但是并没有拿自己在高能物理方面的资格和学问和他们相比,是学者本能的谦虚。其实何祚庥院士自己就是高能物理方面的前辈,导师和学术带头人,资历比王贻芳高出两代。何祚庥先生对中国科学院高能物理研究所和理论物理研究所的创建作出了积极贡献。他早在1956年就在中国科学院原子能研究所从事核物理研究,后来参与氢弹的理论研究,在氢弹材料及相应的爆炸机理、平衡和不平衡状态下氢弹应满足的流体力学方程等方面作出了重要贡献;在1960年代参与“层子模型”的研究,1982年曾获国家自然科学奖二等奖及多种奖励,此时王贻芳还在南京大学物理系念本科。何祚庥先生曾任北京大学科学与社会研究中心兼职教授、科学技术哲学专业博士生导师,中国科学院理论物理研究所研究员、理论物理专业博士研究生导师。1979年我进高能所和理论物理研究所读研究生时,何先生是理论物理研究所的副所长。因为他不是我的导师,所以我一直没见着他。直到1979年底理论物理所派我出国留学时,何所长才找我谈了一次话,慰诲勤勤,叮嘱我不要忘记祖国。

何先生给我的印象是一个严肃的长者,学者。我一直把他当作自己的老师。出国以后,我一直没有和何先生通讯联系。2014年3月24日,我通过email 给何先生写了一封信:何祚庥老师您好!好多年没有给您写信请安,于情于义都不可原谅。我最近一直在思考理论物理的前途和中国在新世纪的科学发展战略的问题,有些体会,也有些建议,觉得现在是中国赶超西方的百年难逢的历史机遇,想请老师指教。因为信比较长,所以我做成一个word文件附上。望老师拨冗教正。祝老师身体康健,百事如意。学生 王令隽 叩

不久我收到李静(大概是何先生的秘书或助手)的回信,说是已转何先生。可是一直没有收到何先生的回信。我想原因大概是我的观点太极端太彻底,完全否定整个20世纪的理论物理,无法接受。后来,我把给何先生的信在人称上稍作修改,作为《致中国物理学界建议书》在我的博客上发表,被多家网站转载。何先生是否部分地接受我的建议,也不得而知。最近读到何先生反对建造大型对撞机的文章,让我喜出望外。他和杨振宁先生的意见将被证明对中国的粒子物理学界具有里程碑性的作用。何祚庥先生的文章里还谈到了一些值得人们重视的其他相关问题:

1)     大沙漠理论问题。

何祚庥先生说:“为什么美国国会质询了多位专家的意见,并在国会大辩论后最后否决了SSC项目?在学术上还有一个重要的理由是:在粒子物理理论中有一个重要的理论,即粒子物理再向超高能物理发展,不会再有新的发现,这被称为高能物理的‘大沙漠’ 理论。‘大沙漠’理论认为,至少要将能量提高到普朗克尺度,亦即相当于10^16 TeV的能量(王按:可能是因为网络出版的问题,原文错讹成1016 TeV),高能物理才有可能有新的发现。后来,一些高能物理学者认为这一理论并不完全正确,应有所修正。修正的办法就是引入‘超对称’的概念,并认为有了这些超对称粒子后,其能标将降低很多量级,但仍较SPPC所提出的量级高出很多很多!后来,在美国和欧洲等若干加速器均尝试发现这些超对称粒子,结果却一无所获。这也从侧面说明了‘大沙漠’理论的合理性。”

大沙漠理论问题的严重性远远超过一般人的想像。它不仅仅关系到中国是否需要建大型加速器的问题,更是关系到整个粒子物理学(理论和实验)的前途出路的问题。为什么呢?因为将能量提高到普朗克尺度要求比太阳系还要大的加速器,这是绝对不可能的。而在这以下的能量范围又是理论上的“大沙漠”,不会再有新的发现。这就意味着从此以后高能物理实际上没有什么东西可做了。实验上没有新的发现,理论研究也就基本上停滞了。标准模型的理论架构非常刚性,也很难进行修正或者改善,除非将整个标准模型推倒。这倒也可能是一条路。

当然罗,仅仅推翻夸克模型是不够的,必须退到量子电动力学以前,必须退到重整化以前。大沙漠理论还告诉人们一件事,就是所谓的大统一理论根本就是一个不可能实现的幻想,遑论什么最终的万能理论。现在的弱电统一模型都需要上帝粒子来拯救,强相互作用理论更是焦头烂额,还侈谈什么大统一理论和最终的万能理论呢?既然面临着不可逾越的大沙漠,高能物理学界其实可以做一些实事,那就是把已经收获的标准模型应用到其他科学领域中去,特别是粒子物理的近亲核物理和凝聚态物理,展示一下基础科学的威力。

如果粒子物理学界真能够将理论物理应用到这些学科,推动其发展,比什么议会的院外活动都更有说服力,也更能得到社会的支持。可是有些理论家,比如史迪夫温伯格,就坚决不承认这是粒子物理学家的责任。他说这是应用物理学家的事情。温伯格的这种态度,暴露了标准模型理论家的心虚:他们的理论其实是百无一用的。

 

附2   评说李政道先生和主流物理

一)李政道先生的开明

李政道教授在《场与粒子》一书中对粒子物理理论有一段比较开明的评论:“单是统一规范理论的标准模型就需要大约20个参数:e、G、θw、三代轻子及夸克的各种各样的质量以及四个弱衰变角θ1、θ2、θ3及δ。…… 因此,一方面,我们可能已经得到对于直到大约100GeV的物理过程的有效描述。另一方面,把我们已有的理论看成实质上是唯象理论更为合适。毕竟,谁曾听说过,一个基本的理论要求20个左右的参数呢?(李政道《场与粒子》,463页,山东科技出版社)
谁曾听说过?李政道教授自己当然听说过。粒子物理专业的研究生应该都听说过。基本粒子标准模型要求20个左右的自由参数,在理论物理界早就是众所周知的事实。李政道先生却说“谁曾听说过”,并不是他装着不知道,而是一种语言修辞,意思是“此前从来都没有听说过的事情” ,“不可置信”。为什么一个需要20个自由参数的理论不可置信呢?请听听李政道的老师物理学先驱费米的说法:“如果给我四个自由参数, 我可以把任何实验数据拟合成一头大象。如果给我第五个自由参数,我可以让大象的鼻子来回摆动。”
五个自由参数就可以使大象的鼻子来回摆动,那20个自由参数可以有什么更神奇的法力呢?它们不仅可以拟合所有的实验数据,可以使大象的鼻子来回摆动,还可以使大象变种,变成鸟或鱼(粒子物理里面的行话叫做中微子震荡,夸克震荡或者混合,Cabibbo or CKM Mixing);它们可以精确地计算变种以后的大象有多少百分比已经变成了鸟或者鱼,将其表示成各种角度θw、θ1、θ2、θ3及δ的正弦函数;它们还可以让一只1盎司的蚂蚱生出一头5吨重的大象(质量为0.5 MeV的电子会衰变出质量为85 GeV的负W粒子和中微子),它们可以在“夸克禁闭”的名义下将各种无穷大抵消;它们可以禁止除上帝粒子以外的所有粒子具有质量,而必须通过上帝粒子获得质量。它们还可以从真空中无中生有地创造出各种各样的暗物质暗能量。……总而言之,凡是20世纪理论物理里面的所有的天方夜谭和聊斋志异神话故事和超神话故事,都可以通过20个自由参数打扮成好像是高深严谨的数学物理理论。
凡是有一点数理统计和数学模型方面的知识和经验的科学工作者,都应该知道,一个需要20个自由拟合参数的理论毫无意义,毫无价值。所以李政道先生才说“谁曾听说过”这样的理论呢?确实的,在粒子物理标准模型之前,没有人听说过一个正经的科学理论需要20个自由拟合参数。李政道教授对粒子物理标准模型的这一批评,是非常致命的。因为,你不须要知道标准模型的理论细节,也不须要懂量子场论和粒子物理,你甚至根本就不须要知道物理,仅凭数理统计学的常识,就可以明白一个需要20个自由拟合参数的理论最多不过是一个数学游戏。李政道教授作为一个粒子物理学的权威泰斗,他的功名就是建立在对粒子物理的贡献上面。李教授对粒子物理标准模型能有如此深刻的批评,说明他的开明和诚实,令人肃然起敬。

二)李政道先生的谨慎

但是,李政道先生的开明是谨慎的,不彻底的。他只是指出了标准模型自由参数太多这一个致命问题,并没有深究与这些参数有关的假设和结论的荒唐和逻辑背理。比如e、G、θw、三代轻子及夸克的各种各样的质量以及四个弱衰变角θ1、θ2、θ3及δ等等决不仅仅是几个参数的问题,而是能够使大象变种,能够让1盎司的蚂蚱生出5吨重的大象,能够使夸克禁闭将各种无穷大抵消等等的非同寻常的假设和结论。李政道先生没有追究这些深层的根本问题的背理,只是轻描淡写地把全部问题归结为过多的自由参数(当然也是致命的问题),反映了李政道教授的谨慎:他现在还不愿意和标准模型决裂,还愿意跟着国际主流体制走下去。
我在“致中国物理学界建议书”中揭示了标准模型的一系列理论和逻辑上的根本问题:
1) 无穷大发散问题。 这包括二次量子化中零点能的无穷大发散,重整化问题和夸克禁闭等不同的表现形式。
2) 夸克禁闭和电荷量子化问题。
夸克必须带有分数电荷;根据夸克模型发展出来的量子色动力学(QCD)预言质子会衰变,可是预言的衰变寿命与实际观测的差好多个数量级。
3) 自发对称破缺机制。 规范对称性不允许任何粒子带有质量,这本身就说明规范协变性违背铁的物理事实。如果所有基本粒子的质量都需要通过上帝粒子来获得,那上帝粒子自己的质量从何而来呢?这岂不是数学化的创世纪?
4) 共振态问题。 将共振态认定为粒子,是一个基本错误,根本错误。粒子物理几十年的折腾,就是把这些根本就不是粒子的共振态当作粒子,为它们编排河图洛书,这才逼出了夸克模型。
5) 同位旋假定。 自核同位旋把质子和中子看成是同位旋空间的两个状态的概念开始,演变出了Cabibbo or CKM Mixing 等等玄学假定。这些玄学假定被一些自由拟合参数e、G、θw以及四个弱衰变角θ1、θ2、θ3等等包装成“数学”。
6) 太多的自由参数。 这就是李政道教授所说的谁都没有听说过的问题。
7) 弱电统一问题。 弱电统一标准模型只能处理电磁相互作用和弱相互作用同时存在的情形,可是却无法处理这两种相互作用单独存在的情形。这个理论还假定质量等于零的光子是由两个有质量的玻色子的组合,完全违背部分小于整体的科学逻辑,违背质量守恒定律。
8) 强相互作用理论预言与实验不符。量子色动力学 (QCD)预言的mu介子衰变和质子衰变的半衰期,和实验结果相差好多个数量级。
9)虚光子问题。 费曼图中的虚光子概念从量子电动力学一直推广到弱电统一标准模型,完全违背能量守恒定律。
所以,粒子物理理论的问题不仅仅是自由拟合参数太多的问题,更是因为与这些参数相关的大量基本假定和荒唐结论违反基本的科学逻辑和物理定律,也违背实验结果。所以,粒子物理理论的问题不仅仅是自由参数太多,更是假设太多,荒唐结果太多。可以说,粒子物理标准模型需要差不多20个基本假定(包括经典量子力学的几个基本假定,狭义相对论的几个基本假定,质能等价假定,二次量子化的几个假定,同位旋假定,重整化假定,将共振态认定为粒子的假定,规范协变性假定,夸克模型的几个假定,弱电统一理论中的假定,Crossing, Mixing,自动对称破缺假定,上帝粒子假定等等)来支撑的一座海市蜃楼。谁曾听说过,一个基本的理论需要建立在20个没有物理事实证明甚至直接违反物理事实或科学逻辑的基本假定之上呢?李政道教授,您听说过吗?
如果李政道教授不仅承认标准模型需要20个自由参数这样致命的问题,而且也承认标准模型的诸多假定和结论之荒唐,那他就实际上面临和粒子物理标准模型和主流的彻底决裂。可是李政道教授的开明是谨慎的。他不愿意和主流决裂,和既定路线决裂。这也是理论物理学界许多学术巨子的基本态度。
因此,李政道教授给粒子物理标准模型的定性既不是“基本的物理理论”,也不是我所定性的“玄学理论”,而是比较模糊的“唯象理论”。

三)粒子物理标准模型是唯象理论还是玄学理论?

“唯象理论”又叫“现象逻辑学”,译自“Phenomenology”。对“唯象理论”的理解和定义很难精确界定。中文维基百科对唯象理论的定义是:
唯象理论是物理学中解释物理现象时,不用其内在原因,而是用概括试验事实而得到的物理规律。唯象理论是试验现象的概括和提炼,但仍无法用已有的科学理论体系作出解释。即“知其然不知其所以然”。唯象理论对物理现象有描述与预言功能,但没有解释功能。
让我们就用维基百科的这一定义考察一下粒子物理标准模型,看看它够不够得上“唯象理论”的标准。
首先,粒子物理标准模型是“概括试验事实而得到的物理规律吗?”二次量子化将波函数认定为算符,有没有任何事实根据?重整化将无穷大认定为零,有没有事实根据?假定物理学上所有的动力学方程和拉格朗日函数都必须服从协变性,有没有事实根据?将散射截面能谱曲线上的共振峰认定为基本粒子,有没有试验根据?将违背能量守恒定律的虚粒子当作粒子相互作用中介,认定为普遍规律,有没有试验证据?将质子分成由带三分之一三分之二电荷的夸克所组成,有没有试验根据?假定质量等于零的光子是由两个有质量的玻色子的组合,有没有试验根据?为了保证规范协变性而假定所有的粒子都不能带有质量,有没有试验根据?假定真空中存在无处不在无时不有的希格斯场,有没有试验根据?
有的朋友可能会说,几十年的高能物理试验,积累了那么多的试验数据,都是由粒子物理理论模型来解释的,这难道不能说粒子物理理论是“概括试验事实而得到的物理规律吗?”
不妨看看事实。在所有的衰变反应中,只要有强子的参与,理论就不能解释实验数据。于是理论家们就将核力分为强相互作用和弱相互作用,将理论无法解释的那些试验结果剔除。即使经过如此筛选之后,弱电统一理论还是只能解释只有电磁相互作用和弱相互作用同时存在的一些散射数据,而不能处理任何一种作用单独存在时候的情形。这能说是“概括试验事实而得到的物理规律吗?”这种选择性的处理原则在上帝粒子的探测中已经变得非常荒唐。自上世纪80年代以来,全世界不知花了多少亿美元探测上帝粒子,目的就是为了拯救标准模型。欧洲核子研究中心的正负电子对撞机(LEP)在1990年至2000年花了十年时间寻找上帝粒子,未能找到。美国费米实验室的 Tevatron 于 1995 年至2011年花了六年时间寻找上帝粒子,也没有找到。按道理,这些结果至少应该和LHC 2013年的结果具有同等的统计权重。可是粒子物理学界的规矩是,凡是否定的结果都被认为是失败,只有肯定的结果才被认为是成功,才有可能获诺贝尔奖。如果这次LHC寻找上帝粒子的结果是否定的, 同样会被认为是失败,直到得到肯定的或近似肯定的结果才肯罢休。这能说是“概括试验事实而得到的物理规律吗?”你们为什么不把欧洲核子研究中心1990年至2000在正负电子对撞机上寻找上帝粒子的试验结果,和美国费米实验室的 Tevatron 于 1995 年至2011年寻找上帝粒子的试验结果“概括”到粒子物理理论中去呢?
再来看粒子物理理论的预言功能。量子色动力学(QCD)预言mu介子衰变和质子衰变的半衰期,和实验结果相差好多个数量级。事实上,弱电统一模型不能处理弱相互作用或者电磁相互作用单独存在的情形,更说明了即使在没有强相互作用参与的情况下,其事后诸葛亮式的马后炮“预言”能力也是非常可怜的。
为什么粒子物理标准模型的预言能力如此之差呢?其根本原因就是因为它不是真正“概括试验事实得到的物理规律”,而是从一大堆毫无试验事实根据的假定出发编织出来的玄学理论。用这个玄学理论去解释一些散射截面实验数据。把和实验数据基本相符的一部分算作成绩,把不相符的部分说成是另有机制(比如宇称不守恒,将核力分为弱相互作用和强相互作用),或者发明新的机制(比如Cabibbo and CKM mixing),或者引入新的内部纬度,新的量子数和选择定则,新的ad hoc measure 进行特殊处理。对于相差许多数量级的理论预言(比如mu介子衰变和质子衰变),就少提或者不提,在有人问及时就说“强相互作用理论还不太完备”。对于所有粒子都不能带有质量的荒唐结果,就提出新的假设如希格斯场和上帝粒子来“解释”,将本质上的不自恰变成“伟大的发现”,并吹嘘为到达天堂的“巴比通天塔”,“读懂了上帝的思想”,完全是神学星象学的做派。
为了对照,我们举一个天文学上有名的唯象理论作为比较。
在天王星,海王星和冥王星被发现以前,泰提乌司(Titius)于1766年提出了一个计算六个行星半径的经验公式。其数学操作是这样的:1)他造出一个级数:
4,4+3×1, 4+3×2, 4+3×4, 4+3×8, 4+3×16, 4+3×32, 4+3×64, 4+3×128, 4+3×256……
得出如下一串数字:
4,7,10,16,28,52,100,196,388,772,……2)将上述数列各项除以10 得到各行星以日-地距离为天文单位的轨道半径数值:
0.4, 0.7, 1, 1.6, 2.8, 5.2, 10, 19.6, 38.8, 77.2, ……这些数字被称为“Bode-Titius numbers”,因为Titius的公式是被Bode首先发表的。这一规律被称为“Bode-Titius Rule”(鲍迪 — 泰提乌斯定则)。3)上述理论给出的轨道半径(第一行)和已知各行星的实际测量到的轨道半径(第二行)比较如下(以日 – 地距离为天文单位):水星 金星 地球 火星 小行星 木星 土星 天王星 海王星 冥王星
0.4 0.7 1 1.6 2.8 5.2 10 19.6 38.8 77.2
0.39 0.72 1 1.52 5.20 9.54 19.18 30.06 39.44从上述比较可以看到,“Bode-Titius numbers”所给出的已知六个行星的轨道半径相当准确。对地球和木星轨道半径的计算和实验天文测量的数值完全吻合。这是非常惊人的成就。
当时小行星,天王星,海王星和冥王星尚未被观察到。于是天文学家们开始按照“Bode-Titius numbers”来寻找,终于在理论预言的地方找到了小行星和天王星。这种惊人的预言力量使一些人认为存在一种什么力,决定着行星的轨道半径。
可是海王星和冥王星的位置却相差近三分之一和近一倍。这么大的误差是科学家无法接受的。
如果当时的天文学家们按照20世纪理论物理学家们的做派,就会大肆宣扬Bode-Titius 理论对地球和木星轨道半径的计算“误差等于零”,“超历史记录地好”;大肆宣扬这一伟大理论“准确地预算出了天王星和小行星带的位置”,“这种预言能力说明了Bode-Titius 理论是深层的理论”。至于海王星和冥王星的位置和理论预言的不符,则可以说因为他们离得比较远,可能是属于不同的相互作用。也可以引进一个什么额外维度和量子数以及相应的选择定则,将海王星和冥王星归入另一类行星。也可以在“Bode-Titius numbers”的基础上加上一个修正项,以得到所要的公式。这当然会使理论复杂一些,但是其复杂性和粒子物理标准模型的复杂性相比不过是小巫见大巫。
但是天文学家们没有这样做,而是老老实实地承认“Bode-Titius Rule”(鲍迪定则)只不过是“唯象理论”而不是“物理理论”。为什么呢?有两个最重要的原因:第一,鲍迪定则是建立在一个生造出来的数列之上。这个数列没有任何物理机制为根据;第二,鲍迪定则预言的海王星和冥王星的位置明显不对,说明鲍迪定则只是一种有趣的数学巧合或者数学拟合,不是放之四海而皆准或者放之太阳系而皆准的物理规律。虽然这种误差仍然在同一个数量级,但是对科学家们来说,30% 和100% 的误差已经是不可容忍的误差了。相比之下,20世纪理论物理中实验数据和理论预言相差30个数量级的例子已经是司空见惯,见怪不怪了。
中文维基百科根据自己的定义居然把开普勒三定律和牛顿引力定律都认定为唯象理论,却是奇哉怪也。理由呢?难道是因为这些物理定律“知其然不知其所以然”?难道是因为“上帝的第一推动力”?如果连牛顿引力定律都要因为不能回答“第一推动力”的问题而算作是唯象理论,那我们真不知道科学上还有什么不是唯象理论。因为对任何理论我们都可以追问“为什么呢?”一直问到唯一的答案是“不知道”为止。
事实上,不但牛顿定律不是唯象理论,就是把开普勒定律算作唯象理论都会混淆视听。为什么呢?我们不妨把开普勒三定律和上面所述的鲍迪定则作一个比较。首先,开普勒定律不是从任何先验的假定开始,而是直接对行星位置的实验测量数据的数学归纳,而鲍迪定则是从一个天上掉下来的级数出发,使其带有基本的玄学性质;其次,开普勒定律适用于所有的行星,彗星,以及一切围绕太阳运动的物体,其原理也适用于月亮绕地球的运动,以及别的恒星。总之,开普勒定律就是牛顿万有引力定律在轨道学上的数学表示,和牛顿定律的适用范围是一样的。可是鲍迪定则除了六个行星的轨道半径以外,根本就没有普适性,因此鲍迪定则最多是一种颇有意思的记忆方法,一种唯象理论,而不是什么物理定律。

附3[转载]   苦心志,劳筋骨,翻过这坐山就是胜利

      王令隽  美国田纳西大学物理系终身教授  信件

   应该看到,主流虽然占尽天时地利,占有资源媒体,但是他们的困难比我们大得多。他们的困难是如何将谬论说成真理,而且要永远让人们相信谬论是真理。这是不可克服的困难,是根本性的困难。

我们的困难是暂时的,是可以克服的困难。我们是在与世俗和偏见作斗争,而主流是在与大自然的法则作斗争。

主流现在掌握着几乎一切社会资源,所以很容易通过固有的社会科研机制和媒体得到公众的附和,得到大批追名逐利者的追随。这使得主流处处顺手,处处风光。但是他们的困难是如何向社会公众交代,他们花费大批纳税人的钱找到的暗物质在哪里?他们花费大批纳税人的钱找到的上帝粒子又在哪里?他们永远无法交代,为什么所谓“基础科学”永远无法对科学的任何部门产生任何作用。他们说要求基础科学对科学的其他分支产生作用是“功利主义”。他们要人们永远相信基础科学的全部意义就是维持一些理论家们的自我心理满足而不是推动科学的发展。这是多么巨大的不可克服的困难!

相反,致力于物理复兴的运动却有所进展。如果说,直到上世纪末,人们对理论物理的困境还不知情,那么进入新世纪以后,社会公众特别是科学界对理论物理的困境甚至荒谬就开始有不同程度的了解了。而这,正是由于科学界还有我们这样一批追求真理的探索者的执著和启蒙。科学界虽然还不见得能够完全理解完全接受我们的全部观点和主张,但是许多人开始认识到对于宣称是基础科学的粒子物理标准模型和宇宙学标准模型还有一个真伪辨别和实践检验的问题;认识到对于这些玄妙的理论不能盲目追崇,而且还要考绩检验。

他们开始意识到,对一些所谓的前沿理论的考绩检验,不仅是一个学术自由的问题,而且还关系到科学到底是沿着科学道路还是神学道路走的问题。新一代的物理学生们曾经以为学习理论物理的关键就是敢于抛弃不可动摇的经典理论去接受无法通过逻辑思维来理解的 “新思维”,而今他们知道对于新思维新理论也还有一个逻辑自恰检验的问题。就是理论物理学界,也有人开始思考理论物理的路子是否走错的问题。有些在思考重整化是否站得住脚,同位旋是否有道理,共振态是不是粒子,对称性和规范协变性是不是大自然的规律,夸克模型是否成立,上帝粒子是否存在,宇宙是否是无中生有地被创造出来的,空间到底是三维的还是十维的等等一系列重大而根本的理论问题。他们不一定愿意或者敢于公开发表意见,但是他们开始思考了,动摇了。

不在理论物理学界的科学工作者以前可能以为粒子物理和宇宙学是离我们很远很深的东西。以为这方面的工作我们不太懂,不能理解理论物理方面的所谓发现的意义,想来因为我们是外行,应该相信内行们的水平和诚实;现在他们知道不应该盲目地轻信;对于理论物理脱离科学其他分支却又耗费大量科研经费的现象,他们不会再像以前一样只是看热闹,而会一年年地存心关注,看看这些热热闹闹的“理论突破”是不是和科学效用和社会需求的距离缩短了。如果这些所谓的理论突破年复一年地重复着玄学故事,科学家们和整个社会对理论物理的玄学性质将会有越来越清楚的认识。也就是说,粒子物理和宇宙学现在花的银子越多,拖的时间越长,许诺的黄金时代越辉煌,对他们的压力就越大。这是主流所面临的困难的基本性质。这些,都与我们这些年来的启蒙工作分不开。所以,我们要看到我们工作的成绩,不可气馁。我们的工作一定会潜移默化,孕育着科学的复兴。

当然,我们工作的困难,除了来自外部的打压,也有来自内部的困难。因为我们的主旨是提供一个平台,让八仙过海,各显神通,就难免众说纷纭,各执一端。

许多朋友都认为要挑战现存理论,必须有一个新的万能理论或者统一理论。这是完全不对的。大而言之,科学上不存在万能理论;小而言之,我们连什么是核相互作用都不清楚,如何统一所有的四大作用?追求大统一理论的想法本身就是天真的,也是主流理论物理的误区之一。我们内外挑战主流的探索者们在这个问题上也受了主流思维的深刻影响,浪费了大量精力。

且不说科学以后还会发现我们现在想都想不到的相互作用,即使统一现在已知的万有引力,电磁力和核力,也要等到我们对核力有了清楚的了解之后才有可能。主流将核力分为弱相互作用和强相互作用这件事情本身就说明我们对核力并不了解。所以我劝朋友们不要在统一理论的追求上花费大量精力,更不应该期望甚至强求大家都接受自己的理论。如果大家能够把注意力集中在对主流玄学的批判上,而不是纠缠在遴选某一新理论上面,也许共同点会多一些,不必要的争执会少一些。

有的朋友会问,如果没有一个比主流理论更好的理论,怎么能够批倒现存理论呢?能够的。因为现在行时的粒子物理标准模型和宇宙大爆炸理论,不是好坏问题,而是对错的问题。一个错误理论的谬误,不需要发明一个新的理论来证明,只需要从错误理论本身的逻辑背理和理论背理就可以证明。比如说,大爆炸理论的诸多逻辑矛盾本身就足以证明其谬误,不需要一个新的理论。

那么,DET理论不是新的理论吗?是的。但是DET不是一个统一理论或者万能理论。它只是解释宇宙红移现象的理论。它只是证明了,宇宙红移现象不能证明宇宙在膨胀。如果没有DET理论,能不能证明宇宙大爆炸是错误的呢?当然能够。大爆炸理论认为宇宙中的物质和能量全都是无中生有地被创造出来的,仅这一条就足够证明其谬误。同样,粒子物理标准模型不允许任何粒子,包括质子和电子,带有质量,而必须通过寿命仅有10的负22次方秒的“上帝粒子”获得质量。仅这一条就足以证明粒子物理标准模型的谬误。其它如重整化,夸克禁闭,味道振荡等等概念,也都是违背科学逻辑的。

总而言之,对这种错误理论的批判,不应该以新理论的出现为前提。毋宁说,只有将这些错误的理论从统治地位上拉下来,理论物理才可能沿着科学的道路重新探索,才可能踏踏实实地从实验核物理开始实验数据的原始积累,新的正确的理论的产生才有可能。

您问到新作,我最近写了一篇“也来纠缠一下量子纠缠”,特附上。如您认为可用,可以登在您的博客上。

您也注意到我近来很少写中文文章了。有两个原因。第一个原因是我的主张和观点基本上已经发表在我的文集网站上了。我觉得没有必要喋喋不休地重复这些意见。第二个原因是我终于看到了我不愿意接受的事实,那就是如果我不首先说服国际学术界理论物理已经走向了神学和玄学的深渊,要想中国学术界首先认识到理论物理的谬误是不可能的。

我的本意是希望中国能够首先跳出理论泥潭,抓住千载难逢的历史机遇,抢夺先机,将人力物理投在实验核物理和凝聚态物理上,在科学上引领国际潮流。我的想法可能过于天真。所以,现在我想我应该将精力主要集中在英文世界里。精神上我也找到了自我解脱。科学毕竟是全人类的事业,不能够因为民族主义的执著耽误了对整个物理学的历史责任。至于同胞们是不是理解并接受我的主张和呼吁,也只能是谋事在人,成事在天了。我的主张都在建议书中写着。如果同胞们觉得有道理,我任何时候都愿效驱驰。我准备把我的主张无保留地公诸国际物理学界。因为中西方文化和思维习惯的差异,英文版的行文风格也有些不一样。此后,我打算将我的物理复兴的主张在英文世界里陆续发表。要做的工作当然很多,真正有点“恐年岁之不吾与”了。

希望您和北相的朋友们保重身体。我们的事业一定会成功。

王令隽

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也来纠缠一下量子纠缠

王令隽           20159月27日

最近有几位朋友同时送来一篇奥创智能网的报道,“50年物理难题盖棺定论,爱因斯坦被证明错了”,要我写点东西科普一下。这篇报道说,“爱因斯坦是量子理论的始作俑者,可他本人一生都不愿接受量子力学的怪诞结论。他说过一句很有名的话上帝是不投骰子的,旨在否定量子力学对物理世界概率性的描述。然而,几天前由荷兰物理学家发布的实验结果终于表明,爱因斯坦错了。”。这位荷兰物理学家(Ronald Hanson)做的是什么实验呢?是在相距1.28公里的两个实验室通过“量子纠缠 ”来超光速传播信息的实验。这篇报道一面说他的实验“无懈可击”,一面又说“两边的光子精确同时到达的成功率很低,大约1.5亿个光子对中才能有一对光子成功干涉并实现电子的远程纠缠。因此,该实验一共進行了22个多小时,却只得到245 次有效数据。不过,该团队目前正在努力改進,以期提高效率。”听起来好像有点底气不足,有懈可击。

我一直不太愿意去纠缠量子纠缠,除了分身乏术以外,一个很大的原因是这个问题其实是一个很容易就通过实验得出结论的问题,根本不需要牵扯到深奥的理论和哲学。

量子纠缠最热门的两个研究方向都是实验课题:一个是量子计算机,一个就是上面这篇报道中所说的超光速信息传输,或曰量子隐形传输。前者纯粹从量子力学波函数的理论解释得到灵感,后者则是从激光物理实验中得到灵感。搞量子计算机的人们扬言,一旦量子计算机研制成功,其威力将大大超过现有的数字计算机,能够破译数字计算机无法破译的密码,因此对军方有强大的诱惑力。军方也因此成了这一研究方向的重要资金来源。搞隐性传输的人们扬言,他们可以通过量子纠缠以超过光速很多倍的速度传递信息,并且保密程度非常高。国内有官方媒体甚至报道说遁术也是可以实现的。这些,当然也对军方有极大的诱惑力。不过,这两个研究方向扬言的前景都是可以实验验证的东西,而不是像大爆炸宇宙学家鼓吹的东西,是远在140亿年前或者几百亿年以后的故事或者现象,或者在谁都不能到达的高维空间,无法验证验错。研究量子纠缠的人们扬言他们的结果 – 量子计算机或者隐性传输 – 都是有直接的军事用途的,是可以用实验直接检验的。假如你是一个不懂量子力学的国防部总装备部的部长,可以问问他们,你们的量子计算机能不能破译这段密码?你们的隐性传输线能不能以超光速将这段情报加密发到西沙的边防站?这就是实践检验。

我曾经问过一位在洛斯阿拉莫斯国家实验室从事量子计算机研究的朋友:你们现在这方面的研究进展如何?比如说,你们的“量子计算机”能够做几位的加减乘除?和最简单的只能做四则运算的计算器(calculator)相比,性能如何?体积多大?价格相差多少?他不能答。近来好像不太听到有关量子计算机的报道。

相比之下,对量子隐性传输的媒体报道却风头正健,风光得多。这项研究其实也非常容易实验验证。电磁波以光速传播,已经不是什么尖端科学,而是被工程技术人员用于平常的作业之中的实用技术。举个例子,大型钢铁厂的电缆都是埋在地下的,因为走明线太危险。可是地下电缆也有问题。如果一条电缆因为过流而产生短路,就会烧断,工人们叫“放炮”。必须立即修复以恢复生产。可是因为电缆是埋在地下的,必须先找到事故点,才能挖下去维修。外线电工们有一种仪器,专门用来找事故点。方法是从电缆终端(通常在变电所)发送一个很尖的电脉冲。这个脉冲传到事故点以后就被反射回来,因此在示波器上可以观察到两个脉冲信号。这两个脉冲信号之间的时间差就是电磁波从电缆终端到事故点一个来回的时间。这个时间差的一半乘以光速,就是事故点离终端的距离。这个方法的精度大约在几米的数量级(否则挖土的工作量就太大了)。这种设备在几十年前就有了,应该可以用来比较测验量子纠缠隐性传输的速度到底是不是真的比光速还快。还有更直截了当的方法: 让量子纠缠隐性传输线和普通的电报线路同时在两个城市之间传送一段莫尔斯码,看看哪个先到达。根据上述这篇报道的宣传,“两个朝相反方向运动的光子,只要不受干扰,无论相距多远都可以在瞬间传递信息。打个比方,即使牛郎和织女分居在银河两头,彼此心映即刻完成,无需时间。”银河两头的距离是多远呢?大约30万光年。多宽?约1千光年。也就是说,一束光从银河这边走到那边需要一千年,或者说大约一千万小时。牛郎织女要在七月七日晚上相会,前后不到12个小时,时间很紧,见面以后还要执手相看泪眼,互诉离别之苦,问问小孩上幼儿园的问题是否得到解决,还要留点时间做量子纠缠。这一切都要在王母娘娘早上睡醒横加干涉之前完成,所以他们飞过鹊桥的时间大概也就只有一个小时。即是说,他们过桥的速度应该比光速快一千万倍。可是量子纠缠专家们说“即使牛郎织女分居在银河两头,彼此心映即刻完成,无须时间”。就是说,牛郎织女量子纠缠的速度是无穷大!这是21世纪版的柏拉图恋爱!以这种速度和电磁波比,当然必胜无疑。

一个无法改变的事实是,量子隐形传输并不能传送任何物质或能量。量子隐形传态需要借助经典信道才能实现,因此并不能实现超光速通信。在量子隐形传输中,传输的只是“量子态”,而发送者和接收者都对这个量子态始终一无所知。这怎么能传送信息,应用于实际通讯呢?

能够传输“量子态”,却不能传输信息,这如何理解呢?举个简单例子。两个人打乒乓球,你只有两种状态:得分或者不得分。(这和电子相似,只有两个量子态:自旋向上或者向下。)你只要观察一个人是否得分,不用看另一个人(不用测量),就能知道他这球是否得分。又假如你有一对祖传的龙凤剑,也只有两个量子态:龙剑或者凤剑(又可叫做雌雄剑),母亲要你弟弟把其中一把从江南带到塞北你的戍边哨所。你打开一看,上面刻了一条金龙。你不用任何测量就立即知道妈妈留在身边的宝剑上刻的是凤凰,从你看到你的宝剑之时刻到你知道妈妈留下的宝剑是凤凰剑之间的时差,理论上可以等于零。如果用从杭州到雁门关的距离除以时间间隔,把结果定义为隐形传态的速度,它可以是无穷大。但是,这传递了任何信息吗?没有。真正的信息传递是通过经典传输手段,也就是你弟弟来传输的。他的速度取决于他是步行还是骑马。弟弟必须告诉你,另一把宝剑是存放在家里还是被妹妹作为嫁妆带到了岭南,也就是说,你必须知道游戏规则(理论)。在量子隐形传输实验中,规则(理论)是事先就知道的。这个例子所说的道理最早是由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(Einstein, Podolsky and Rosen)三人提出的一个假想实验来说明的,叫EPR佯谬。

如果你有兄弟七八个,祖传有十八般兵器(多个量子态),那么当你看到弟弟带来的龙泉宝剑时,是不可能知道远戍辽阳的大哥收到的到底是杀手锏还是钩镰枪的,除非弟弟告诉你。另一方面,辽阳的大哥到底收到什么兵器,你无法改变,无法控制,因此无法传递信息。你要想传递信息,对方的某种物理量(比如对方耳膜的振动,无线电收发报机中的电信号)必须能够受你控制。而这些都是所谓的“量子隐形传态”做不到的。

不过,芸芸众生和国防部负责分配科研经费的首长们是不知道这个底细的。他们被 “量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。在量子纠缠的帮助下,带传输量子携带的量子信息可以被瞬间传递并被复制,因此就相当于科幻小说中描写的超时空传输” 的科幻宣传误导,以为他们的“量子纠缠”可以实现超光速信息传输,甚至还可以量子加密。如此神奇高超的技术,当然应该大力支持。国防科研要舍得花钱,哪里在乎几个亿?让他们搞去,以免外国人争了先机。所以“量子计算机”和“量子隐形传输”的科研经费源源不断。

朋友们可能会说,如果“量子隐形传输”并不能真正传输信息,却又要拼命宣传“量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。”“相当于科幻小说中描写的超时空传输”,那早晚是要被揭穿的呀?问题是,“早晚”是多长时间?社会心理对科研过程通常能够等待几十年。可是,几十年后,人们不就可以看出“量子隐形传输”到底能不能瞬间传递信息了? 如果你做不到,岂不是就真相大白了?社会心理的奥妙就在于此:几十年后,人们仍然会以新时间为起点,继续等待几十年,而不会质问说:“你们几十年前就说能够实现超光速通讯,为什么现在还没有实现?”自上世纪末开始到现在,“量子纠缠”也热门了几十年了。时至今日,无论是量子计算机还是量子隐形传输,都还停留在研究室和新闻媒体,和实际应用毫无关系。但是人们不会计较这些,社会公众仍然会以今天为起点,再等几十年,好像以前几十年什么都没有发生过。几十年后的公众,会以那时为起点,再等几十年。永远不会有考绩的时候。这里的关键之一,是要通过媒体向社会描绘诱人的未来和希望。如果某种研究某一天能够实现科幻小说中的  “超时空传输”,可以保证信息传输的隐秘,甚至可以实现量子遁术(人体传输),可以实现高速量子计算破译密码, 那公众和国防部就会一直支持下去。关键之二就是发明大量的一般人听不懂的行话术语(jargon),比如量子纠缠,量子计算,量子信息,量子密码,量子解码,量子点,量子比特,量子相变,EPR佯谬,贝尔不等式,等等等等。这些行话术语有两个作用:既可以给人以“这门学问很深”的印象,又给人以“这一研究应用非常广泛”的印象。对于如此深奥而具有广泛应用前景的研究,谁忍心批评指责,中断研究经费呢?再等它几十年,又有什么不可以呢?这情形和长生不老药的研究极其相似。凡是给某一真人研究经费研制长生不老药的皇帝陛下,都希望在自己有生之年能够练出长生不老药,也就是说,二三十年应该出成果。可是,即使二三十年也出不了成果,他还是会一直等下去,等到死也不会停止这项研究,因为长生不老的希望太美好,太神圣。皇帝死了,别的皇帝会继续长生不老药的研究,这种过程可以重复几百遍,可以持续几千年。直到20世纪的现代美国,虽然没有皇帝,还是有人满怀希望。我儿子高中毕业时,有位医生朋友劝他学医,这当然没有什么不对。不过他的理由很奇怪,说是两年之内就会有长生不老药上市,并劝我买这家医药公司的股票。而今20年过去了,虽然长生不老药还没上市,但是人们并没有放弃炼制长生不老药的希望。

不管人们如何宣传公关,始终改变不了这样的事实:从事量子纠缠研究的人们,一方面年复一年地宣称实现了多么伟大的“突破”,比如实现了八个粒子的纠缠态,另一方面又说这方面的研究还是在理论探索阶段;一方面扬言量子隐形传态可以实现超光速密码传输,甚至可以进行远距离人体传输(遁术),可以不用宇宙飞船就把人送到其他的星球和其他银河系,另一方面又说量子隐形传态不可能用来传输信息和质量能量。这样既保鲜了美好的希望,取得了社会对现在的研究项目的资金支持,又对将来可能的失败有言在先,到时候可以推卸责任。

对量子纠缠的实际市场行情有了比较清楚的认识以后,我们就可以来务务虚,谈谈理论与哲学问题了。玻尔曾说:“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困惑,那他一定没听懂。” 其实,如果你第二次听到量子理论时没有感到困惑,你也还是没有听懂。为什么呢?因为人们津津乐道的所谓“波函数”根本就不是行波的函数。光的波函数是经典电动力学中麦克斯韦场方程的解,非常简单的正弦波,而不是量子力学中任何方程的解。光波(行波,驻波)都是经典物理的概念。光波的传播,反射,折射,绕射,干涉,极化等都是经典物理光学的内容,和量子力学毫无关系。光的干涉现象和量子纠缠概念完全是不同的概念。量子力学中的量子态,是电子或其他粒子的状态,是薛定谔方程的解(且不管相对论量子力学)。可是薛定谔方程根本就不是波动方程,它的解根本就不是波函数,而是几率分布函数(正统教义如此说)。有的朋友说,行进中的电子也是波。我要他把电子的波函数写出来,他就是写不出来。至于描述电子的波动方程,就更不要谈了。教科书上总是举电子的干涉图案为例证明电子也是波。可就是教科书也写不出电子束的波函数。一写出来就会露马脚。如果不管有没有波动方程,只是偷用水波或者电磁波的行波函数,那振幅的物理意义是什么呢?写不出电子的波动方程和行波的波函数,怎么可能实现“电子的远程纠缠”?尤其奇怪的是,电子的波函数怎么可以通过光波来纠缠?

不仅爱因斯坦不能接受“几率波”的不定论哲学,就是量子力学的发明者薛定谔也不理解。他提出了薛定谔方程以后,在求解方程时得出了量子化条件,算出了氢原子光谱的能级,结果和里得伯公式相符。但是这个方程的解到底是什么东西,薛定谔自己也不知道。好像只是一个空间的函数。反正得到了里得伯公式,解释了氢原子光谱,这就够了。

可是,对于薛定谔方程的解没有物理解释,就使整个理论蒙上了神秘的星相学色彩,使人感到非常不舒服,也给薛定谔方程的可信性甚至合法性蒙上了阴影。所以Max波恩就提出了一个解释,说薛定谔方程的解是波函数,其平方等于粒子出现在某一空间点的几率密度。按照这个解释,电子在任一时刻出现在空间的什么地方是不确定的。它既可以在这里,也可以在那里。人们无法知道它的确切位置,只能算出它出现在某一空间点的几率。根据波恩的几率解释,说某个粒子某一时刻在什么空间位置是没有意义的。所以爱因斯坦在给他的回信中才说“上帝不掷骰子”,意思是物理世界的规律是决定的,物体或粒子在某时某刻的位置也是一定的,而不是随机的。

波恩是海森伯的老师,两人都是哥本哈根学派的重要人物。哥本哈根学派将量子力学的非决定论几率解释推向极端,居然认为一个系统的状态是不确定的,他的实现取决于观察者的观察或者测量行为。这个道理的一个直观例子就是,美洲印地安人到底存在与否,取决于哥伦布是否发现了新大陆。在哥伦布发现新大陆之前,印地安人是不存在的。薛定谔于是设计了一个假想实验,就是有名的薛定谔猫实验,来驳斥这种理论之荒谬。薛定谔猫实验是这样的:把一只猫封在一个密室里,密室里有一个密封的毒药瓶,上面有一个锤子,锤子由电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子, 触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,放出毒气将猫毒死。如果原子核不衰变,则猫就不会死。原子核的衰变是随机事件,也就是说,在一定时间内,猫到底是死是活是随机的。根据哥本哈根学派的哲学,在打开密室之前,这只猫处于一种死与活的叠加态。

薛定谔挖苦说:按照哥本哈根学派的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”,要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。(请注意!不是发现而是决定,仅仅看一眼就足以致命!)只有当你打开盒子的时候,叠加态突然结束,坍塌为某一本征态(叫做“波函数坍缩”)。但物理学中没有任何一个公式或者理论能够描述这种坍缩。尽管如此,长期以来物理学家们出于实用主义的考虑,还是接受了哥本哈根的诠释。但是薛定谔自己从来不接受这一解释。

哥本哈根派坚持:是的,当我们没有观察的时候,那只猫的确是既不死也不活的。他们有一句名言:“当我们不观察时,月亮是不存在的”。也就是说,月亮本来是不存在的,当苏东坡观察到“月出于东山之上,徘徊于斗牛之间”时,才突然坍塌出来了。等他和朋友“相与枕籍乎舟中,不知东方之既白”时,月亮又坍塌到另一个状态了,不存在了。过了三个月,苏学士再游赤壁,又观察到“人影在地,仰见明月”,“山高月小,水落石出”,月亮又突然坍塌成“存在”的量子态了。苏老夫子返而登舟睡觉的时候,月亮又坍塌了,不存在了。可是此时说不定弟弟子由在另一个地方与睡梦中的哥哥“千里共婵娟”,于是月亮又不得不坍塌到子由的后院。这可不得把月亮忙坏了?问题是,在苏东坡看见“月出于东山之上”之前,“月亮本来是不存在的”。一个本来不存在的东西,如何坍塌出来呢?这岂不是无中生有的创造论吗?在哥伦布发现新大陆观察到印地安人之前,印地安人是不存在的。同样,在此之前印地安人也从来没有观察到哥伦布和他的船队,因此哥伦布们也是不存在的。这样大家都不存在。如此类推,你很容易证明全人类和整个宇宙都不存在。这就是主张“当我们不观察时,月亮是不存在的”的哥本哈根哲学教给我们的深奥的哲学新思维。朋友们可能会说,王教授何必浪费这么多笔墨,跟这些没有常识的人较真?可是,就是这些非常荒唐的“你不测量,物理量就不存在”的教条,唐而皇之地充斥在量子力学教科书里,作为“新思维”(new paradigm)故弄玄虚,误导学生。当然,我实在不愿意浪费笔墨谈什么“人体传输”或“遁术”之类的东西。我不知道现在中国还有几个人相信遁术。

说到这里,我要谈一下爱因斯坦的物理哲学思想。大家都知道我对相对论是完全彻底地否定的。所以有的朋友以为我看到“50年物理难题盖棺论定,爱因斯坦被证明错了”之类的报道,一定会乐于附和,一起来反对爱因斯坦。恰恰相反,在对待量子力学和波函数的解释这个问题上,我是支持爱因斯坦的。他说“上帝不掷骰子”,说量子纠缠是“鬼魅般的超距作用(spooky action at distance)”, 反映了爱因斯坦的睿智。爱因斯坦的哲学思想比较复杂,很难简单地说成是唯物主义还是唯心主义。他的思想中有相当的唯心主义成分,比如他把方程式形式上的美和对称性当作一种物理规律;把时间和空间当作数学变换参数而无视其物理本质;假定宇宙是有限的;假定现实世界是四维平直空间中的三维超球面;他毕生追求一个统一理论;等等。但是,爱因斯坦的唯心主义是有底线的。比如,他不能接受量子力学的不决定论;他相信,即使你不观察,月亮仍然存在;他主观上也尊重质能守恒定律,尊重因果关系(尽管他的相对论可能违反这些定律和关系);他认为宇宙是稳定的。当他发现自己的有限的三维超球面宇宙模型不能稳定时,便没有继续在宇宙学上折腾。他抛弃了自己提出的本质上是星相学性质的万有斥力宇宙项。他从来都不接受宇宙膨胀的理论,从来都不承认大爆炸宇宙学所依据的弗里得曼方程。所以,大爆炸宇宙学的许多荒唐结果与他无关。但是,他是相对论的创造者,宇宙项和三维超球面概念的始作俑者。宇宙学之所以坠入神学星相学的不归路,爱因斯坦难辞其咎。