希格斯王国迷雾解密

希格斯王国迷雾解密              

—–量子信息理论的研究与应用(1)

王德奎  李小坚

摘要:希格斯粒子对标准模型意义重大。LHC发现希格斯粒子已经5年多了,该粒子仍然没有一个合理的机制,因而,无法解释清楚占其60%的H==>u-u/d-d衰减通道。原来的模型是希格斯场如同黏稠的沥青湖,为其它粒子提供质量。三旋理论认为该粒子的大小不能大于“希格斯船闸”可供进靠的大量子的极限“长度”的悖论,类似“谷仓内的标枪悖论”。依据顶夸克的质量,寻找希格斯粒子质量的判据是:大型强子对撞机将它产生时的速度达到光速的97%,据此确定,它的质量为125.4GeV–125.9GeV。  同时,介绍了龚学真空子玻色子机制,它的质量为125.46GeV。

关键词:希格斯粒子 标准模型 质量机制

一、标准模型缺失质量产生机制

2018年元月3日,杨振宁先生肩负着对中国基础物理界引领教育年轻人的责任,宣讲了《 麦克斯韦方程与规范理论概念的起源》,介绍了电磁学理论的发展和 麦克斯韦方程建立的历程,并以自己亲身经历介绍了规范场论物理学理论的发展,直到建立了标准模型(SM)的伟大成就,并认为LHC发现的 Higgs玻色子为SM完成了最后的验证,似乎为SM画上完满的句号。

以杨—米尔斯规范场理论为基础,标准模型其核心概念是规范不变性。 但这个理论的重要问题就是质量机制没有得到很好地解决。后来发展的希格斯机制认为,希格斯粒子是其他粒子的质量起源,即其他粒子通过与希格斯场耦合而获得质量,因此它又被称为“上帝粒子”。

自从 2012 年欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上发现所谓的希格斯粒子后,标准粒子物理学理论预言的粒子都找到了。显然,杨振宁先生也为找到了希格斯玻色子而感到欣慰。整个物理学界对此也为之欢欣鼓舞,很快就将2013年诺贝尔奖颁发给了希格斯团队。可是关于希格斯粒子理论值计算,从发现到现在已经5年过去了,这个希格斯粒子的机制还没有搞清。因此,有必要对希格斯粒子进行更深入的研究。2016-2017年国际弦论学派,期望中国建100TeV的大型对撞机,其主要功能就是作为希格斯粒子工厂,进一步研究希格斯粒子的特性。

为什么这么强大的LHC,竟然还不能确认它自己发现的希格斯的结构和特性?而且,LHC还有一个加强版,功能将将进一步提升。他们没有把希望寄托在加强版的LHC上,也没用寄希望与世界各国其它的对撞机上,如日本的ILC,而是把希望在未来的中国版的大对撞机上?显然,一是他们自己知道,那个他们发现的希格斯玻色子不是他们要的那个希格斯玻色子!二是原来希望撞出超弦的超对称粒子,但已经不可能。为什么不是超对称粒子?不可能有超对称粒子或如果有是什么样的,这有如迷雾中探秘。三是或者中国希望撞出一点自己的东西。如中国首创基本粒子三旋理论,总应该用大对撞机做点事吧!因为三旋理论已经补充了这个基础物理理论,或许能撞出一个中国的毛粒子(夸克底层粒子)。

高能物理学理论和实验进入后希格斯粒子时代,中国在正负电子对撞机上已取得一定的经验,但是还没有足够的实力来建设这个大对撞机。而且,由于没有正确的理论指引,或者说没有达成主流共识理论。该大科学装置项目就没有明确的科学目标,但投资达1000亿人民币以上,因此,没有得到大多数人的理解和支持。

2016年10月至2017年5月,中国有一场关于建设大对撞机的学术争论,包括杨振宁先生在内的许多科学家,“反对盲目建设和浪费资金”,“大沙漠”论成为新时代的新现象。目前世界各国,能够投资建造更大型的加速器的国家很有限。连美国在1983年就已经准备建设的超导超大对撞机SSC,半途下马,没有可能恢复该项目。 然而标准粒子物理学理论质量产生机制最基本问题还是没有解决。而且如果粒子基础物理学理论不能建立正确的质量产生机制,规范场方程及其解的性质,就是一个空中楼阁,无根之木,甚至导致理论体系崩溃。因此我们还是先从 理论上解决这个问题的出路后,再建实验大对撞机,进行检验也行。这里,我们首先要说的是LHC找到的希格斯粒子,是不是他们要找的希格斯粒子。

二、现有模型能否解释希格斯大质量

1、欧洲核子研究中心(CERN)2012年7月4日宣布,CERN的ATLASA(超环面仪器)实验和CMS(紧凑缪子线圈)实验都观测到新粒子。CMS发现质量为125.3±0.6 GeV/c2的新玻色子。ATLAS发现质量为126.5GeV的玻色子。CMS实验组的发言人乔·因坎迪拉表示:“这是一个初步的结果,但我们认为这个结果非常有力。”我国的态度如何?有两个人的新闻引起我们的关注,特提出来与大家商榷。

1)陈和生先生是中科院高能物理研究所院士、欧洲核子中心大型强子对撞机实验CMS和ATLAS物理研究的中方首席科学家,一直致力于相关科研实验和组织协调工作。他说:“这个粒子是否就是希格斯教授提出来的那种,还需要大量的验证。现在有一种模型是‘超对称模型’,该模型中也有一种希格斯玻色子,但其性质与‘标准模型’中的希格斯玻色子的性质并不相同。这两种粒子的性质不同,衰变也不同。因此,对这次发现的新粒子究竟是哪一种粒子还需要多年的验证。”“目前需要增加统计性,看到更多的粒子。预计在今年年底,这一结果可以出来。至于究竟是什么粒子,还需要更长时间,甚至于还要再造一个加速器。”(2012-07-22《人民日报 海外版》张保淑、李理)

2)陈国明先生是中科院高能物理研究所研究员、参与寻找希格斯玻色子的欧核中心CMS项目中国组成员及负责人,他说:虽然这次发现新粒子的一些特征,比如产率(出现几率)、衰变模型等与之前预言的希格斯粒子相吻合,但现在统计性太少,还不能确定这个新粒子的各种特性,因此这次也可能发现的是另一种新粒子。以目前取得的数据,要最终确认希格斯粒子的存在恐怕还远远不够,仍然需要更多的实验数据积累。可能还需要再建一个高能量的直线正负电子对撞机,才能更仔细、准确地验证这个结果。(2012-07-11《科技日报》,董子凡)“99.99994%的置信度并非意味着是希格斯玻色子的可能性,而是指这是一种新发现粒子的可能性。”陈国明说:“要最终证实这个新粒子是不是‘上帝粒子’,还需要验证它的自旋宇称,衰变道,衰变分支比以及与其他粒子的相互作用等特性。”这些特性都得到验证后,如果仍然与彼得・希格斯的预言相符,才能说找到了“上帝粒子”。(2012-07-13《光明日报》詹媛)

2、被认为与科学界寻求已久的希格斯玻色子一致的新粒子,质量已经确定,而且在统计学上有极高的确定性,但为何却不敢确认这就是最终的希格斯玻色子?陈和生院士和陈国明研究员的解释都不错,但可能都没有说到要害。要害是希格斯粒子的单位质量为什么是从大到小?希格斯以及标准模型和超对称模型都还没有一个理论上,预言它的较准确的质量值。

1)希格斯物理是一个神秘的王国,陈和生和陈国明说得对,但不是关键,这不奇怪。例如,1964年希格斯提出的E=M2h2+Ah4希格斯场公式,是对的,但他和合作者这只是理论上预言它,能解释其他粒子的质量起源。

2)物理学标准模型和大爆炸理论是对的,但大爆炸理论并不能计算出夸克、轻子等费米子,和除希格斯粒子以外的规范玻色子等24种基本粒子的质量。杨振宁-米尔斯规范场理论是对的,得到了实验的验证,但它无论应用到弱还是强相互作用,都禁止规范玻色子带有任何质量,却与实验不符。即标准模型也没有预测希格斯粒子较准确的质量。

3)希格斯之后,科学家中所有关于希格斯场自发对称破缺产生质量机制的科普模型解释,都是对的,但也都没有留下希格斯玻色子的质量较准确的预测。

4)霍金等科学家支持的弦论,是对的。“舶来品”弦论能把包括引力在内的4种自然基本作用力统一起来,但它也没有预言希格斯粒子的质量。按汉语“弦”的词意,弦有多种模具,可如魔杖,西方超弦并非金科玉律。

 三、仓内的标枪悖论修正希格斯大质量

那么我们可以这样来设想希格斯王国,它出现在137亿年前的宇宙大爆炸初始,说来它的使命已经大部分完成。这就是希格斯王国有条闸门式工程的“运河”,沟通唯物的点外真空与唯物的点内空间。这类似巴拿马那条高高的悬河,我们的世界就生活在这片热带雨水的“地峡”。

希格斯运河的两端同样是三级闸门,船闸可供进靠的大量子的极限“长度”为175GeV类似的质量;这个“船闸”的尺码,极大地打造了基本粒子物理,被称为希格斯场机制,成为造“上帝粒子”的首选。目前欧洲粒子物理研究所的希格斯王国模拟实验,125.3±0.6 GeV/c2为CMS发现的质量,而ATLAS发现的质量为126.5GeV。取他们各自发现的概率为50%,那么希格斯粒子的质量准确值为:

(125.3 +126.5)×50%=125.9(GeV)        (1)

ATLAS和CMS已经取得了重大研究进展,大多数科学家都认为这种粒子应该就是捉摸不定的希格斯-玻色子,但为什么又不能一锤定音呢?

如今,大型强子对撞机的这些实验仍在继续,两个研究团队希望能够拿出更权威的证据来证明他们所“看到”的粒子就是希格斯-玻色子。但是,接下来该怎么办呢?我们说,不能一锤定音,是因为这个125.9GeV/c2的希格斯粒子质量,与顶夸克的实验质量为175GeV/c2是矛盾的。

这是一个类似“谷仓内的标枪悖论”,即希格斯大小不能大于“希格斯船闸”可供进靠的大量子的极限“长度”的悖论。但解决这个悖论反而能为ATLAS和CMS两个研究团队接下来该怎么办?提供了一个方向:依据顶夸克的质量打开希格斯粒子质量寻找的判据,是大型强子对撞机将它产生时的速度,达到光速的97%的判据确定,质量为125.9GeV就可一锤定音。

1、上海科技教育出版社2010年4月出版的查尔斯·塞费的《解码宇宙》一书介绍的“谷仓内的标枪悖论”,是个早已闻名和已经研究解决了的悖论。它的关键点类似塞费的分析是,希格斯王国的“宪法”,测量或观察执行的是爱因斯坦相对论两个假设知识的密码。虽然这个希格斯王国在137亿年前的宇宙大爆炸初始,就已完成了它的使命,但质量“宪法”没变。

塞费说,相对性原理和光速不变原理两个假设有许多离奇的结果,但该理论却有着完美的对称性。观察者或许对长度、时间、质量以及许多其他基本实物各抒己见,但与此同时,所有的观测者都是正确的。塞费用具体数据解说了“谷仓内的标枪悖论”:想象有一名短跑运动员能以光速80%的速度快跑,他是手持一根15米长的标枪,向着一座15米长的谷仓跑去。

这座谷仓有一个前门和一个后门。一开始,谷仓前门开着,后门关着。观测者原地不动,坐在屋顶橼架上测量,由于奔跑者米尺的相对论性效应,他实际测量到这根15米长的标枪缩短了,只有9米。而固定不动的谷仓,仍然保持它原来的15米的长度。塞费说:“正如爱因斯坦的理论所说,信息即实在。如果我们的精确测量仪器获取了关于标枪的信息,这些信息显示标枪是9米长,那么它就是9米长—-不必考虑一开始时它有15米长”。

我们不想重复塞费在书中从各个角度论证他的这个正确结论。丹尼尔·肯尼菲克出版的《传播,以思想的速度》一书中,也重复了对类似“谷仓内的标枪悖论”塞费得出的分析:短跑运动员与屋顶橼架上的观测者对事件的顺序意见不一致,解决这个悖论与时间有关。肯尼菲克说,我们习惯于独立地在空间或在时间中测量,但实际存在一个描述两扇门关闭之间信息传播需要时间的时空区域,它兼有空间的和时间的两个方面。

  • 具体联系到ATLAS和CMS两个研究团队,他们是要在人工实验室里重新“复活”大爆炸时期的希格斯王国和希格斯运河的船闸,以寻获希格斯粒子的踪迹。这里时间顺序是被颠倒了,但爱因斯坦的理论告诉这却有着完美的对称性。我们用类似巴拿马运河船闸模型的大量子理论,解释希格斯粒子是一种理论上预言的能解释其他粒子质量起源的新粒子:先是在1996年推证出24种的夸克、轻子,和除希格斯玻色子以外的规范玻色子等基本粒子的质量谱公式。这类似从薛定谔猫到彭罗斯的薛定谔团块,假设宇宙大爆炸的撕裂,质量变化有类似轮船在船闸的位移,是在不同落差的分段的数学分析来解释的。

当然还有类似射影几何的投射锥,和取截景等交织,基于撕裂的质量谱公式,理论上才可算出顶夸克的质量为175GeV的。

1)但我们说125.9GeV/c2为今天希格斯粒子的质量,不是把它比作大爆炸时期的希格斯运河的船闸,而是与顶夸克调换了一个角色,成了希格斯巨轮,顶夸克的质量成了船闸的长度。而且根据前面塞费的谷仓内的标枪悖论分析,还应把希格斯运河的船闸与谷仓调换,成为“希格斯谷仓”,那么顶夸克的质量成了谷仓的长度,希格斯粒子也被再调换为短跑运动员和标枪的组合。设希格斯粒子在对撞机里“跑”的速度为νx,质子速度为νz。虽然大型强子对撞机有能力将质子流加速到光速的99.99%,但已知顶夸克的质量是约质子质量的200倍,希格斯粒子也比质子的质量大,且由质子生成,希格斯粒子速度νx自然比质子速度νz是光速的99.99%还小。

2)希格斯粒子的速度νx是光速的多少?根据塞费对谷仓内的标枪悖论提供的数据:短跑运动员以光速80%的速度向着一座15米长的谷仓跑去,他手持的15米长的标枪缩短为只有9米。如果塞费说的准确,因相对性原理和光速不变原理的信息真实效应适用于“希格斯谷仓”,其对应比例是:

(标枪的测量长度/谷仓长度):运动员速度=

等于(希格斯粒子质量/顶夸克质量):希格斯粒子的速度νx,即:

(9/15): 0.80=(125.9/175): νx       (2)

νx=(0.80×0.72)÷0.60=0.58÷0.60=0.97(光速)

3)这个希格斯粒子速度νx为光速的97%,是已知实验数据的理论反推。实验“重演”的过程是欧洲核子研究中心在建造的能量强大的大型强子对撞机设备里面,有能力将质子流加速到光速的99.99%,使两束高能质子流进行加速、对撞。每1012次的质子对撞,才可能产生一次希格斯粒子。困难的是它一旦产生,就转瞬即逝,衰变成光子和强子等其他粒子。

目前ATLAS和CMS寻找该粒子最主要的过程,只是“抓住”希格斯粒子衰变产生的光子,反推它们会不会是希格斯粒子产生后又衰变出来的。遗憾的是,他们没有反推希格斯粒子的速度νx。希格斯粒子没有自旋,即没有内在的角动量,是一个标量场。如果质量为125.9 GeV,则标准模型的能量等级可以有效直到普朗克尺度(10 16 TeV)。如果对撞机实验能测出希格斯粒子的速度νx,与我们理论预测的νx为光速的97%数据,进行对比吻合,应该说新粒子是希格斯粒子和质量为125.9 GeV能定下来。或者验证希格斯粒子质量为125.4 GeV,或是125.4 GeV–125.9 GeV之间。三旋理论可以首先理论估计希格斯粒子的范围,也完全可以根据实际碰撞出来的结果反推计算斯粒子的速度νx。

在2016年公布的数据上,希格斯粒子质量几乎就是125.46 GeV,但希格斯衰减通道的高达60%(H=>b-b,u-u)的成分没有确定。也就是说,主流至今无法解释希格斯玻色子机制。

四、从实验分辩希格斯粒子幺正方法讨论

2012年7月份,ATLAS和CMS这两个团队宣布发现了可能是难以捉摸的希格斯玻色子,8月份他们发表的论文分别有39页和59页,详细描述了新发现粒子衰变成γ射线、W和Z玻色子等粒子的过程。这过程只是证明类似“谷仓内的标枪悖论”手持缩短为9米标枪的短跑运动员来过,但还需是否类似以光速80%的速度向着谷仓跑去,才能最终确定他的身份。

这是我们提出的一个最简便、快速证明希格斯粒子的第二步程序。即寻找希格斯粒子的第二个方向,最方便、直观的判据是检查大型强子对撞机,将它产生时的速度是否达到光速的97%。判据确定,125.9GeV是它的质量也一锤定音。

但有人说,ATLAS和CMS在统计和系统误差范围内,在不同的搜索渠道中得到的结果与标准模型希格斯玻色子的预期一致;然而还需要更多的数据去测量该粒子的特性,如不同衰变道(γγ,ZZ,WW,bb和ττ)中的衰变率,和最终该粒子的自旋和宇称,从而认定它确实是标准模型希格斯玻色子?还是超出标准模型的新物理的产物?

1、这是一个无稽之谈:实验已经反推出疑似希格斯子的质量,各人用的哪种理论模型自然知道,难道还需要再问吗?寻找认定希格斯粒子之难,众所周知。如果第二步的方向仍是进一步探索如不同衰变道中的衰变率,和最终该粒子的自旋和宇称的数据,难道这就一定是希格斯粒子的本性吗?可想实验科学家队伍中一定“混进”了不少“中国南郭先生”。

实话实说,兹维•伯恩(Zvi.Bern)、兰斯•J•狄克逊(Lance.J.Dixion)和戴维•A•科索维尔(David.A.Kosower)等三位科学家在2012年第7期《环球科学》杂志撰文《粒子物理学迎来革命时刻》,就一针见血地类似指出:要破译这个数学关联中藴涵的物理内涵,还需要一些时间。其实,无论从哪方面看,探寻基本粒子散射的奥秘,与在既定的地铁路线上穿梭完全不同。可能需要一个更深刻的理论来处理它们,也许就是弦论。

2、当然这个弦论不可能是那种“舶来品”的西方僵化了弦论,而是按汉语“弦”的词意扩容,包括还有前面没说的第六种弦图像利用干涉方法得到测得的磁重联结构的弦线。我们曾在《刘路与西塔潘猜想和大亚湾中微子实验》一文中说过,张英伯教授的《对称中的数学》书中的“格点”理论,与粒子对撞的散射和宇宙大爆炸后的星云分布等图像信息联系,可见格点成为扩容弦论统一提取大量有关量子物质结构分辨率信息的又一分支方法。具体说到宏观的“磁重联”弦图,也类似粒子碰撞概率的散射。

1)这种散射的碰撞,也分为两个部分的方向:如来自太阳风和地球磁场两个部分的作用。对撞的结果会造成地磁场由于压缩拉伸甚至交叉而发生重联过程,导致磁场拓扑结构的改变,使太阳冕区物质抛射及耀斑等活动,以高能粒子与射线的形式释放出巨大能量。这是一种自然王国里的现象,与希格斯王国的运河船闸现象,都属自然格点弦论同构。

这不同于在人工实验室,对磁场重联物理过程的模拟,和对希格斯粒子物理过程的模拟。这种人工自然实验室里的研究,所取得的有关数据、图像照片等信息,具有极大的偶然性。但这也有别于人们在室外,对自然王国被动性较强的观测。因为人工实验格点弦论的物理观察,仍使得可以在条件参数可控的情形下,重复地、全过程地研究相关的一些物理现象。

2)例如,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)光物理实验室的李玉同、上海交通大学的张杰和中科院国家天文台的赵刚研究团队,在上海高功率激光联合实验室神光II实验平台上,利用激光等离子体实验构造相似的磁重联结构研究,条件是不够的,但他们想了很多办法。

一方面他们利用别人的卫星恰好在地磁重联发生的短暂时间内,在现场观察到的不同时间地点的地磁重联现象的不一致信息,如2003年欧洲太空总署的Cluster-1卫星在地磁场的一个重联区中心位置,测量到一个细长的电子扩散区(EDR)的记录,与2005年发现的19个EDRs全部分布在磁重联区两侧的观测记录,就存在极大的差异。

另一方面是他们自己做模拟实验来研究重联过程中EDRs的特征。他们的实验捕捉到了激光等离子体重联区产生的一个运动的“磁岛”,以及其运动导致的二阶电流层及明亮的尖状结构。同时,他们还发现了磁重联区中心与两侧边缘一共三个EDRs,其中中心EDR的出现时间要略晚于两侧EDRs,但其速度明显要高得多。这一发现也为揭示检查大型强子对撞机产生的希格斯粒子的速度达到光速的97%,是否过大,提供了解释参照。

3、再回过头来看《粒子物理学迎来革命时刻》一文,他们已经直接挑明,大型强子对撞机及其ATLAS实验小组,使用过他们发现的目前全世界最先进的幺正方法,计量过不同衰变道中的衰变率。他们的预测与ATLAS的实验数据进行过对比,结果两者非常吻合,为寻找梦寐以求的希格斯粒子已经出了一把大力。但问题是,即使做过,却并没有使全世界所有这类专业物理学家相信发现的新粒子能一锤定音,就是希格斯粒子。

1)他们这类专业物理学家说的理由是:一些与希格斯粒子无关的粒子,也能产生这样的结果。幺正方法的初次使用,就是精确计算这些容易让人混淆物理反应的出现概率。

2)但可笑的是,他们这类专业物理学家仍然坚持,“实验人员接下来还会用这些结果探究新的物理现象”。具体到寻找希格斯粒子,陈和生和陈国明先生的解释,也没有脱离他们的这种思路。这是一个循环的悖论啊!

 

五、中国本土的三旋理论之希格斯粒子模型

中国科学殿堂中的希格斯之梦,已经做了数十年。中国在科学理论方面不都是照抄照搬西方的理论,没有自己的原始创新理论体系。2012年第7期《环球科学》杂志发表陈超先生的文章说:“2006年,借助于俄罗斯数学家佩雷尔曼证明的庞加莱猜想外定理的—-空心圆球内外表面翻转熵流,人们把时间和热力学、量子论、相对论、超弦论等联系了起来,点燃了第三次超弦革命”。这事还得从川大流出的数学说起。

1958年量子中国走到了大跃进年代“超英赶美”的向科学进军,四川大学数学系柯召教授和魏时珍教授等科学家,带领少数大学生开出研究类似拓扑数学“灵魂猜想、灵魂定理”的Alexandrov空间(亚历山德罗夫空间)课题。这是苏联著名数学家亚历山大·丹尼洛维奇·亚历山德罗夫在20世纪50年代便放弃了的研究。“灵魂”按汉语词意被解释为:“迷信的人,认为附在人的躯体上作为主宰的一种非物质的东西”。但毛泽东同志却有“政治是灵魂,政治是统帅”的论断。这是我们中国人内心的乱麻吗?不!柯召-魏时珍猜想的论断,符合数学对“灵魂”性质的定义:“针对某类特定的数学对象,可从这类数学对象的一些小区域将性质推广到整体。这些小区域称之为数学对象的灵魂”。

前苏联对外公开,称为是Alexandrov空间。也许这与被一批中国高层的从哲学家到物理学家组织信奉“以苏解马”不同,带有“纯数学味”。但川大的数学家们仍然为避嫌,对外公开,就改为一道难题:“不撕破和不跳跃粘贴,把空心圆球内表面翻转成外表面”,请“纯数学味”证明出来。然而最终因三年自然灾害,还是偃旗息鼓。川大数学随着学生毕业,流落到了民间。

川大流出的数学,能否再流回川大,我们不管。川大流出的数学与科学殿堂之外的三旋理论结合,在庞加莱猜想的基础上,对原先的弦论扩容,我们发现有六种内部结构的特定弦图,类似“魔杖”或“变形金刚”:

1)弦图像孤子链组成的弦线。可用来描绘基因双螺旋结构,微观波粒二象性以及粒子的产生、湮灭、虚发射、虚吸收、电磁波的传播;因孤子链中每个圈子体旋为1/2的自旋,可对应费米子和反费米子的自旋等。

2)弦图像《羊过河》寓言中的独木桥变形“魔杖”的弦线。针对萨斯坎德的《黑洞战争》书中的“持球跑进”,和特霍夫特的全息信息守恒的疑难,“魔杖”类似空心圆球内表面翻转成外表面,两只羊在桥中间碰头的“转点”,有类圈体三旋式的自旋能化解矛盾。

3)弦图像“泰勒桶”、里奇流、傅里叶变换结构的弦线。这对宇宙总质量(100%)≌重子和轻子(4.4%)+热暗物质(≤2%)+冷暗物质(≈20%)+暗能量(73%)方程,可用类似幺正性概率守恒的办法,作出准确计量的解释。

4)弦图像道路交通网络的公路线、立交桥和车库、城市及各种汽车组成的弦线。解释对应费曼图中的树图、圈图进行的对撞、衰变等更好。

5)弦图像长江及其三峡大坝船闸模型组成的弦线。我们称为“大量子论”,可为求证夸克、轻子和规范玻色子等基本粒子的质量谱计算公式提供说明。例如希格斯粒子的单位质量,为什么反比除顶夸克质量外的所有的基本粒子的质量还大?就是它能解答的难题。

6)第6种有内部结构的特定弦图,我们在最后说。

在近百年的粒子物理学史上,多数的事实说明,实验发现的新未知粒子,理论上早先有质量预测值的,实验都能一锤定音。对新发现的疑似希格斯粒子,类似船闸模型的大量子论能一锤定音吗?我们试着来讨论。

我们生活在中国,但对长江三峡大坝船闸的数据并不了解,只是用作大量子论的科普,长江大家熟悉。现换为巴拿马运河船闸,更为恰当。

据《南方周末》2012年6月21日发表的《巴拿马运河》一文报道:巴拿马运河是沟通近在咫尺而又相隔千万里的太平洋与大西洋的闸门式运河工程,两端的三级闸门,围起巴拿马地峡的热带雨水,形成一条高高的悬河,让轮船在其中来来往往。船闸可供进靠的船舶极限为长292米、宽32.2米、吃水12.04米。事实上,船闸的尺码极大地改变了造船业,业界把32.2米宽且292米长的船称为巴拿马极限型,成为造船工程师的首选。

现在我们可以把巴拿马运河比作希格斯王国,把巴拿马运河的船闸限定大船的机制,与希格斯王国生成大量子的机制连接。因为根据物理学标准模型和大爆炸理论,我们的宇宙起始于一次大爆炸。大爆炸刚发生时,无数的正反粒子同时产生,轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得了质量。这些粒子凝聚成物质,通过长时间的演化形成了星系。

这是一幅生动的希格斯场、希格斯机制、希格斯粒子和其他基本粒子质量起源的写照。这里对撞机寻求证明的希格斯王国不再神秘,这并不是说希格斯粒子可有可无,而是说类似巴拿马的船闸每级闸门至少要修多宽?多长?才是巴拿马极限型类似的基本粒子大质量。因为基本粒子中的庞然大物,与被精确地塞进为它特制的容器是一致的。我们把所有24种的夸克、轻子和除希格斯玻色子以外的规范玻色子等基本粒子,类似对应船只,修的大坝的船闸闸门才合适,就可知希格斯船闸的极限型。三旋理论估计希格斯粒子在 125.4GeV–125.9 GeV 之间。

众所周知,在希格斯物理的理论中,有它预测和已经实测的含最大质量的基本粒子。而这个最先的预测,竞获得证实,并已通过重要的实验检验,这就是发现顶夸克的质量为175GeV。LHC碰撞出来的希格斯玻色子基本符合三旋理论125.4 GeV–125.9 GeV希格斯物理的理论估计值。

六、龚学真空玻色子是LHC希格斯粒子吗?

2012年由欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC),发现的疑似希格子的粒子DP:125.4GeV。但有关希格子粒子的机制及希格子粒子的本质,一些人认为到现在还没有真正确立,当然主流物理学家也还在探索。例如,美籍华人学者龚劫存(又名龚天任),在美取得物理学博士;博士期间创建的龚学理论(GM),就认为希格子粒子没有必要存在。那么能说大型强子对撞机,使命是发现希格子,发现的是龚学模型预测的真空子吗?

因为龚学的真空子这个粒子,由龚学物理推导计算出为GM:125.46GeV。其实,GM真空子,被认为产生于质子对撞的内部,低层的结构色动力学,其结构与质量,据说均可由GM前夸克模型精确计算;其机制又是GM前夸克理论所论断的真空子,而不是国际科学主流的前夸克理论。

本来原来计划2015年6月大型强子对撞机启动第二轮运行,重新启动更高能量碰撞。2015年12月15日已经有新进展,龚劫存博士等人当时的预见是:不会见到希格子,但可以见到GM真空子。龚学的真空玻色子,是从(u,-u)到(d,-d)“真空转变”的媒体。所以,龚学的真空玻色子的质量是:

VB=(1/2)×真空能量VeV+真空波动(约1%×)=123+2.46=125.4 6GeV

即VB==125.46GeV(千兆电子伏特)。由此,就说是,大型强子对撞机(LHC)称之为希格斯波色子的粒子,早已是被龚学理论预测并精确计算,应称之为真空波色子。可见国际科学界,也有“南辕北辙”之事。例如,龚学预测多能级上的真空能量,以及对于更高的真空能定态,即高能级真空或更高,是不稳定的,高能真空玻色子不会成为的真空转型媒体。因此,没有更高的真空玻色子,但有更高的真空能量状态。即这种高真空状态不会保持,而是这种状态的衰变。所以此时,仍然可见到真空玻色子,但比基态下的真空波色子幅度低。现在,物理界该坐下来想想,为什么不要建造大型强子对撞机(LHC),龚学(GM)一类的专家,也能“精准”探知宇宙的本源。这能说没有更完美的理论来指导物理实验和科学实践吗?但以上结果,龚学博士们,在2015年12月向中国物理学杂志投稿,显示其预测的结果。但所投稿件,无理由被拒。现在,国际主流物理走在大路上,也就是说越来越多的数据,更加逼近龚学理论所预测的结果。事实上物理界有注意GM理论,聆听GM的见解的上层人士。例如,有上层《前沿科学》杂志,正在关注龚学殿堂进展。

七、结束语

希格斯粒子有如“上帝”,为标准模型带来福音。有人说希格斯粒子是迷雾,但这让物理世界擦亮了双眼。希格斯粒子是子虚乌有吗?是一场黄粱美梦吗?三旋理论认为,希格斯玻色子类似长江中的水,又类似让基本粒子“船”通过的船闸。龚学理论认为这是真空玻色子。佛说:色即是空,空即是色。是也非也!科学也有选边站,不奇怪。

参考文献

[1][美]查尔斯·塞费,解码宇宙,上海科技教育出版社,隋竹梅译,2010年;

[2]孔少峰、王德奎,求衡论—庞加莱猜想应用,四川科学技术出版社,2007年;

[3]兹维•伯恩等,粒子物理学迎来革命时刻,环球科学,2012年第7期;

[4]李小坚,龚学时空与物质粒子的关系, http://www.pptv1.com/?p=2036网;

[5][日]福田伊佐央,超弦理论:最有希望成为统一解释中各种物质与力的终极理论,科学世界,2017年第8期,魏俊霞等译。

[6]王德奎,三旋理论初探,四川科学技术出版社,2002年;

[7]王德奎,解读《时间简史》,天津古籍出版社,2003年;

[8] 陈超,量子引力研究简史,环球科学,2012年第7期。

量子力学无神秘,大神们请走开!—— 唯物主义世界观是中华民族的立国之本,不容颠覆

推介理由:中国的基础科学研究如果被幽灵神鬼学说掌控,中华民族不畏鬼神的精神将丢失,中国的立国之本将不存,中国不仅无法摆脱被别人操控的命运,更无法引领世界走向光明的未来。建立中华民族自己的东方科学与文明体系,要有中华民族自己的科学和信仰,中华文明完全有理由自信成为人类杰出的科学与文化的代表,并为人类的进步与发展做出更大的贡献! 为梅晓春先生点赞!

量子力学无神秘,大神们请走开!—— 唯物主义世界观是中华民族的立国之本,不容颠覆 ——

2018-04-22    梅晓春    梅晓春原创物理

 

近年来,因中国科技大学副校长潘建搞的量子通信,量子力学成了公众话题。手机里和网络上,到处都在谈论量子纠缠和隐形态传输。科学问题被引伸进社会、宗教的领域,量子力学被弄成一个神秘兮兮的东西,变成了神仙话题。隔空传物的鬼话披上量子力学的外衣,卷土重来。国内有三个科学院院士参与其中,其中一个是著名大学的校长,两个是著名大学的副校长。拜潘建伟等所赐,对量子力学的曲解被广泛传播。在二十一世纪的中国大地上,打着科学旗号的伪科学再次流行。唯心主义思潮死灰复燃,唯物论世界观再次受到严重的挑战。

今年4月1日,笔者的文章“是科学创新,还是欺天巨骗?”在《今日头条》上发表。此前的3月20日,笔者与北方工业大学李小坚教授的两篇学术论文在《中国科技新闻网》学者智库上发表。这两篇文章证明,所谓的量子通讯绝对保密性的物理学基础不存在,量子通讯的BB84协议可以用传统光学理论描述,与量子力学无关。关于量子纠缠和隐形态传输的问题,又在网上又引起议论。为了维护科学的理性与尊严,坚持自然科学的唯物论本性,笔者认为有必要把量子纠缠和隐形态传输的问题说清楚,还量子力学的清白,以正科学视听。

这个问题的始作俑者是潘建伟院士,他把崂山道士的现代版引入中国,导致诸如隔空传物的伪科学谬论到处流行。量子隐形态传输概念最早由Bennet在1933年提出,它无异于鬼魅作用,在世界上是臭名远扬的,被认为巫术和传心术之类的东西。潘建伟却把它当宝贝,在各种场合大肆宣扬,请看他在公开场合是怎么说的。

2017年11月26日上午,在《2017金华发展大会发展论坛》上,潘建伟做了发言,说量子力学证明,可以把一个人瞬间从金华送回北京。此前潘建伟多次说,杯子可以隐形态瞬间传输。但这次他说的是人,人也可以被隐形态瞬间传输。比如他本人可以瞬间从金华消失,然后在北京瞬间被重新构造出来,之间隔离千山万水。

潘建伟发言结束后准备离开,中央电视台面对面节目主持人董倩走到台前,将他截住,说:“潘教授留步,有个问题给您。刚才我在后面听,你人在金华,可以回清华。这事是怎么实现的,可以实现吗?”

潘建伟回答说:“目前的量子力学原理告诉我们应该是可以做,但是在技术上非常困难。因为我们现在只能操纵几十个粒子,或者几百个粒子。我们人是由10的28次方个粒子组成,所以等待几百年,几千年之后才能完成。但是谁知道呢?……比如说三百年之前,开普勒给伽利略写了封信,说我们可以做个飞船,到宇宙中航行。别人问他怎么做到,他也不敢肯定。但到了上个世纪,三百年之后,我们就已经跑到月亮上去了。所以我想也许,我觉得应该可以做到,至少目前物理学原理允许我们可以这么做。”

董倩说:“您在原理上可以从金华马上就出现在清华,但是真正出现的,可能不是您了,可能是若干年后,若干百年后。” 潘建伟回答说:“那不是,他是以光的速度在飞行的。就是说,如果我在这里完成这个操作之后,其实在这里的潘建伟就不存在了,还原成一团原始的物质了。但是呢,在北京的那个我,其实就是真正的我,用同样多的原子,同样多的粒子把我重新构造出来,所以我思想呀,记忆呀,精神呀……,”

董倩再也忍无可忍,打断潘建伟,说:“您再说就是李洪志了,我都听不懂了!”

此话引起台下听众哄堂大笑,有人用力鼓掌。潘建伟一脸尴尬,结结巴巴地说:“所以说,科学,…科学,和那个,…那个…。”

董倩最后总结说:“科学家的思维模式跟我们不一样,他能够把所有的(东西)都混成一团,”于是又引来一场哄堂大笑。遗憾的是,这段精彩的结尾在平面媒体的报道中都没有提及,但视屏在网上可以找到。

董倩显然是个明白人,拥有正常的思维能力。对于一个理智正常的人,某些事情是否可能存在,凭经验和逻辑就可以判断,无需什么高深的理论。人与物体的这种鬼魅性的隔空传输,傻瓜也不会相信。潘建伟尽管口沫飞溅,说破嘴也是没有用的。

谁说量子力学证明物体可以隔空传输了吗?纠缠态就是隔空传输吗?人是宏观物体,不是微观粒子,怎么也可以用量子力学描述?宏观物体与微观粒子的统计性质完全不一样,这是物理学最起码的常识。潘建伟连这点都搞不清,他是真懂量子力学,还是一个半桶水呢?他是有意忽悠,还是别有它图呢?三百年来,人类没有实现的预言太多了。为什么只说预言的飞船可以实现,却不说两千年前预言的上帝和地狱,到现在还没有发现呢?

第二个宣扬灵魂和鬼都可以存在的,是前任清华大学副校长施一公院士。本人此前读过他对中国科学和教育进行反思的一些正能量言论,对他充满敬意。但他最近在《生命科学认知的极限》演讲中的言论,让我几乎惊掉下巴。对于这个演讲,网上文章的标题是:施一公:我的认知再度崩塌了:世界可能根本就不存在…。以下是文章的片段:

“我们原来认为世界是物质的,没有神,没有特异功能,意识是和物质相对立的另一种存在。

现在我们发现,我们认知的物质,仅仅是这个宇宙的5%。没有任何联系的二个量子,可以如神一般的发生纠缠。

既然宇宙中还有95%的我们不知道的物质,那灵魂、鬼都可以存在。

既然量子能纠缠,那第六感、特异功能也可以存在。

同时,谁能保证在这些未知的物质中,有一些物质或生灵,它能通过量子纠缠,完全彻底地影响我们的各个状态?

于是,神也可以存在。”

你能相信这是一个从事科学研究多年,了解达尔文生物进化的学者的言论,而不是教堂里的一个神父的布道?多年前,我的一个朋友想把我拉入基督教会。他给了我一个光盘,里面有几个神父的演说,谈的都是这类东西,试图用科学来证明上帝和灵魂存在。什么达尔文进化论被现代分子生物学推翻,人不可能通过进化而来,宇宙学证明宇宙在时间和空间上有起点,世界是被某种力量创造出来的。

施一公先生显然受到量子纠缠理论的蛊惑,他不懂量子力学,自称是门外汉,却迷信有些人对量子力学的胡说八道。他的逻辑判断能力也出现问题,即使宇宙中还有95%的未知的物质,这与灵魂和鬼神有什么关系?难道鬼神能够填补这种物质缺失的空白?人类几千年文明史,曾经有过多少未知之谜。科学就是为了解答未知之谜而存在的,如果遇到暂时不理解的自然现象,就将它们与鬼神相联系,与古代社会的巫师与神汉有何不同,还要科学干什么?作为一个生物学研究者,难道施一公先生想放弃达尔文进化论,回归上帝创世造人之说吗?

第三个是前中国科技大学校长朱清时院士,他主张教育改革,创办南方科技大学,也是一个让我敬佩的人。然而他试图用量子力学证明佛学的言论,说明他也是误解了量子力学。由于朱院士是一个物理学家,他对量子力学纠缠理论的误解会误导更多的人。他认为佛教是研究意识的,而现在量子力学发现,人类的主观意识是客观物质世界的基础。按照量子力学,微观的粒子从不确定的状态变成确定的状态一定要有意识参与,因此量子力学证明了佛学。

如果朱清时教授决定放弃科学,改信佛学,那是他个人的事情,我们无权干涉。如果他认为佛学仅是一种智慧,人的精神和品味会因佛理而得到升华,我也乐意接受这种看法。但如果他认为科学证明了佛学,人类几百年的科学攀登,最终见到的只是几个躲在山顶岩石后的僧侣,则是不能同意的。对朱清时院士的言论,网上有很多议论,笔者就不多说。在此只想说一句,上帝的归上帝,凯撒的归凯撒,量子力学不是佛学,请不要把它们混为一谈。

中华人民共和国共和国宪法第二十四条规定,应当“进行辩证唯物主义和历史唯物主义的教育”。作为中华人民共和国的公民,这是人人都应当遵守的。更何况作为公共知识分子,他们的言论对民众有影响,就更不能违背国家宪法。中国民族历来不崇尚宗教,从孔夫子开始,都是只重人文,不谈鬼神的。共产党领导的中华人民共和国,更是把辩证唯物主义当成立国之本。中华民族的科学复兴,不可能通过崂山道士穿墙过壁之类的鬼话来实现。

身为国内大学高层的管理者,潘建伟等人不但没有尽他们宣扬唯物主义的职责,反而把巫术和鬼神理论包装成科学,向社会和大众兜售,这与他们的身份是非常不相符的。尽管他们都受到很好的教育,但他们的知识结构是有缺陷的。他们没有坚定的唯物论信仰,在哲学实际上是二元论者,在唯物论与唯心论之间摇摆,内心深处实际上对唯心论那一套有更多的眷恋。一有风吹草动,就会对我们这个世界的真实性产生怀疑,最终滑到神秘主义的一边。当物理学理论解释不了宇宙现象,理论与观察出现不一致时,他们首先怀疑的不是物理学理论是否有错,而是自然的朴素的本性。科学理论遇到麻烦时,崩溃的是他们的内心世界。于是他们就把自己变成一个宗教学家,归结于神的存在。这与普通的愚民百姓热衷于烧香拜佛,有什么本质的差别呢?

作者以下力争用通俗的语言,来说明让施一公先生等感到纠结的量子纠缠到底是怎么回事。

量子力学描述微观粒子,它的完整体系一百年前就建立。许多人以为,人类至今没有把量子力学搞清楚,其实不然。量子力学的数学物理部分是完全清楚的,不存在疑义。现代社会与量子力学的应用密切相关,比如半导体、大规模集成电路,激光器等等。在量子力学的基础上建立的高能物理学理论和实验成果斐然,至今为止在高能加速器上已经发现的几十个基本粒子,这些都是理论预言的,说明人类对量子力学是充分了解的。

量子力学的存在的问题是,对微观粒子波函数的本质没有搞清楚。至今为止已经提出许多种解释,比如量子力学的哥本哈根解释,系综解释和多世界解释等等。目前量子力学的哥本哈根解释占主导地位,由于提出者是量子力学的创始人之一尼尔丹.波尔,就被认为是量子力学的正统解释。但这种解释存在很到问题,实际上是最糟糕的一种解释。量子力学的很多问题都是来源于此,以至于有人把它称为哥本哈根迷雾。

虽然波函数的本质没有搞清楚,但不影响物理学家对量子力学的应用。对于大部分具体问题,用量子力学进行计算的方法和结果都是一样的。只有一个问题例外,那就是量子信息理论。这个理论与量子力学的波函数的理解有关,存在不确定性。

一般认为量子力学有五条基本原理,其中一条是波函数的叠加原理,另外一条是微观粒子的全同对称性原理。量子力学的哥本哈根解释对这两条原理有严重的误解,不但歪曲了量子力学的本来面目,还误导量子信息技术的发展。

事实上,量子力学中从来都没有什么纠缠态原理,只有全同对称性原理。有些人实际上把全同对称性当成纠缠态,并加油添醋地进行歪曲和编造。他们从来不谈全同对称性,只谈纠缠态。其中有些人是无知,有些人则是别有用心。按照全同对称性原理,根本就不存在潘建伟等所说的人从金华瞬间回到北京的奇谈怪论。

为了弄清纠缠态的真面目,需要先说清量子力学波函数的本质,然后说清什么是波函数的叠加原理。

一.量子力学是统计理论,波函数不描述单个粒子的瞬间行为

量子力学采用几率波概念,实际上是一种统计理论。既然是统计理论,量子力学描述的不是单个微观粒子的瞬间行为,而是大量的微观粒子的统计平均行为,或者单个粒子的长时间统计平均行为。如果描述单个粒子,使用的就应当是牛顿力学之类的确定性理论,而不是采用几率概念。哥本哈根解释最基本的错误在于,认为量子力学波函数描述的是单个粒子的瞬间行为。由此就导出各种各样的矛盾,量子力学解释问题的总根源就在这里。

量子力学的更高级课程是量子统计力学,一般量子力学教科书中的波函数被称为纯系综波函数,由纯系综波函数组成混合系综波函数。学物理的人都知道,既然采用系综概念,描述的就不是单个粒子,而是大量的微观粒子。量子力学中所谓的单粒子波函数实际上是一种简化的描述方式,它的前提是大量的微观粒子处于相同的状态,以至于可以把它们看成单个粒子的波函数,代表大量粒子的一种统计平均方式。

比如光的干涉和衍射现象,将光源减弱到极小,使光子一粒一粒地发出。在屏上观察,每次都只出现一个点。经过长时间的累积,才可以出现光的干涉和衍射条纹分布。这个事实再清楚不过地说明,微观粒子所谓的波动现象是一种统计平均行为。说光在某个瞬间又是一列波,这与事实完全不符。光子在某个确定的时刻只能在空间某点出现,不可能空间所有的点上同时出现。事实上,所谓波的分布时一种宏观现象。但粒子是微观客体,二者的界线是非常明确的,我们不可能将它们直接等同起来。就如热力学中温度和压强是一个宏观概念,说单个粒子有温度和压强是没有意义的。

哥本哈根解释却不是这样理解,它把粒子和波直接等同。按照量子力学的正统解释,任意时刻粒子可以出现在任意空间点上,在每一点上几率密度不等于零。然而实验证明,任意时刻粒子只能在空间某个确定的点上出现,在其他点上出现的几率为零。为了掩盖这个矛盾,哥本哈根解释就不得不提出测量理论,认为测量之前粒子可以在空间任意点上出现,测量使波函数崩塌到空间某点,就变成一个粒子。

这种解释显然是荒谬的,它毫无道理可言,实际上是一种诡辩。为什么测量会使波函数崩塌?一个分布在无穷大空间的波,怎么可能在一个瞬间收缩成一个点?波函数崩塌的具体机制是什么?崩塌的速度是有限还是无穷大,如何测量崩塌速度?如此等等,测量理论从来没有给出解释。哪怕一个歪理的解释都没有,能算什么解释呢?

量子力学的更高级课程是量子统计力学,一般量子力学教科书中的波函数被称为纯系综波函数,由纯系综波函数组成混合系综波函数。既然采用系综概念,描述的就不是单个粒子,而是大量的微观粒子。量子力学中所谓的单粒子波函数实际上是一种简化的描述方式,如果大量的微观粒子都处于相同的状态,就可以用单个粒子的波函数来描述,代表的是大量粒子的统计平均行为。

事实上,早期量子力学的基本原理中并没有测量理论的地位,它是在后来加进去的。但它并且不是必要的,按照量子力学的系综解释,就不需要测量理论。测量理论的波函数崩塌假设并没有真正解决问题,实际上还导致更多的问题。

从量子系综的角度,哥本哈根解释的荒谬性是一览无余的。然而科学界也存在强权,学术权威主导一切,同时还受制于意识形态的世界划分。量子力学系综解释最早由前苏联物理学家布洛欣采夫提出,布洛欣采夫名气不大,人又在信仰唯物主义的前苏联,与西方世界的意识形态格格不入。尽管量子力学系综解释比哥本哈根解释更为合理,却始终无法变成主流思想。而且被还日益边缘化,以至于现在几乎没有人提到,甚至没有人知道这种最接近真相的解释。

二.波函数叠加原理的本质

以上我们讨论的是,系统中所有的粒子都处于相同的状态。如果粒子处于不同的状态,就要考虑波函数的叠加原理。比如氢原子中,有些电子处于基态,有些处于激发态,系统就不能用单粒子波函数来描述,就需要考虑波函数的叠加原理。假设系统中有一部分粒子用单粒子波函数A表示,另外一部分粒子用单粒子波函数B表示。

如果不考虑全同对称性,由于量子力学的基本运动方程关于波函数是线性的,总的波函数就用两个波函数的线性叠加A+B来表示。从量子系综的角度,波函数A和B代表系综里两个不同的系统。在任意时刻,体系只能处于其中的一个系统,不可能同时处于两个系统。

从我们对世界基本认知常识的角度,如果一个粒子在某个时刻处于A态,它就不可能同时处于B态。这是一个最起码的逻辑,如果不承认这个逻辑,就可能陷入超自然的范畴。比如氢原子中的一个电子处于基态,它就无法同时处于第一激发态。因为电子从基态进入激发态需要能量的,电子不能自发地从基态变成激发态。事实上物理学上从来没有发现,氢原子中的一个电子可以同时处于基态和激发态,这种事情直接违背人类最基本的经验和逻辑。

量子力学的哥本哈解释恰恰在这里陷入迷途。它根据波函数的叠加原理,认为一个微观粒子可以同时处于A态和B态。到底处于A态还是B态,在测量之前是不确定的。测量使粒子波函数崩塌到其中的一个态,而不是粒子只能处于其中的一个态。用波尔的话说,一个现象只有在被观察到时才能称为是一个现象。如果没有进行观察,物理现象的客观性是不存在的。用一句广泛流传的话说,就是“月亮在没有被看到时是不存在的”。这种看法的荒谬性是不言而喻的,却被某些物理学者视为金科玉律,不遗余力地进行宣传。

三.微观粒子的全同性原理与纠缠态

我们知道,宏观物体总是可以区分的。比如两个玻璃球,哪怕多圆多光滑,用显微镜观察,总可以看出微观结构上的差别。两个双胞胎兄弟,即使再相像,也是可以区分的。然而同类的微观粒子被认为是无法区分的,例如我们无法区分内秉状态相同的两个电子和两光子。所谓微观全同粒子指粒子的质量、电荷、自旋等内秉量子数完全一样的粒子。粒子的能量,动量等可变的物理量不是内秉量子性质,可以不一样。

实验表明,对量子系统的计算必须考虑到全同对称性,这种对称性体现在波函数对粒子坐标的交换对称性。用通俗的语言来说,假设有两个电子,电子1位于北京,电子2位于上海。按照全同对称性原理,我们也可以认为电子1位于上海,电子2位于北京。

微观粒子的这个性质与宏观物体完全不一样,它微观粒子的本质特征。如果是宏观物体,比如两个双胞胎兄弟,老大在北京,老二在上海。我们不可能又说老大在上海,老二在北京。如果双胞胎兄弟是两个电子,我们就可以这样说。

然而需要弄清楚的是,这种全同对称性只是做量子统计计算时才需要的。计算量子几率时需要算两次,而经典统计只要算一次,但也仅此而已。它并不意味着我们真的瞬间可以把电子1从北京变到上海,把电子2从上海变到北京。事实上,把一个电子从北京运到上海是需要通过另外的物理过程来实现的,不是通过全同性原理就能实现的。

读者看到这里,就能猜到纠缠态的猫腻了。所谓的量子纠缠态,其本质就是微观粒子的全同对称性!潘建伟说可以把一个人瞬间从合肥变到北京,利用的就是微观粒子的全同对称性。他把微观粒子的全同对称性当成纠缠态,不知道全同对称性是为了做量子统计计算才引入的。潘建伟从来不提微观粒子的全同性,他总是用纠缠态来代替全同对称性,并用纠缠态来描述人!

事实上,量子力学的基本原理中根本没有纠缠态的概念,只有全同对称性概念。纠缠态概念是爱因斯坦为了反驳波尔的哥本哈根解释,作为反面的东西而提出的,爱因斯坦将它称为鬼魅。想不到几十年后,纠缠态竟然变成正面的东西,堂而皇之地进入量子力学厅堂,并喧宾夺主,把全同性原理给边缘化了,这样的结果实在令人感到莫名其妙。

按照量子力学,微观粒子又分成费米子和玻色子,二者的统计性质不一样,具体体现在波函数的交换对称性不一样。电子和质子是费米子,光子是玻色子。费米子的波函数交换是反对称的,波色子则是对称的。比如有两个光子,分别位于空间x1和x2点上。如果x1和x2相距离很远,两个光子间没有相互作用,波函数分别是A(x1)和B(x2),总波函数则是A(x1)B(x2)。

考虑全同对称性,两个光子的坐标互换,总波函数不变,写成A(x1)B(x2)+ A(x2)B(x1)乘上一个归一化常数。如果是两个电子,位置交换后要加一个负号,总的波函数是A(x1)B(x2)-A(x2)B(x1)乘上一个归一化常数。

两个粒子之间没有相互作用并不意味着没有关联,如果两个粒子的初始状态存在关联,如能量守恒与角动量守恒等,分开后二者的关联仍然存在。如果两个粒子之间存在相互作用,波函数就不能写成坐标分开的形式。不考虑交换对称性,波函数为D(x1,x2)。考虑交换对称性,波函数为D(x1, x2)+ D’(x2, x1)或D(x1, x2)- D’(x2, x1)。如果说两个粒子存在纠缠的话,在这样的情况下才能说纠缠,所谓的纠缠应当理解为相互作用。如果两个粒子分离很远,二者间已经没有相互作用,就只能说存在关联,有全同对称性,没有纠缠。

以上是量子力学逻辑的自然结果,到此为止一切正常。然而现在的量子物理学者却混肴了关联与纠缠的概念,把全同对性性说成纠缠,事情就完全变味了。按照哥本哈根解释,两个相互远离的粒子处于始终处于纠缠的状态。没有测量前每个粒子的状态都是不确定的,测量使粒子从不确定状态变成确定状态。比如有两个极化分别为+1和-1的光子位于x1和x2两点上,哥本哈根解释认为,在测量之前哪个光子在x1点,哪个光子在x2点是不确定的。这种不确定性不是我们不了解,而是在物理学上不确定。由于纠缠态存在鬼魅的相互作用,测量发现位于x1点上的光子的极化+1,就会使x2点的光子的极化马上变成-1。反之亦然,如果测量发现x1点的光子的极化为-1,马上就会把位于x2点的光子的极化变成+1,尽管这两个光子相距非常远,相互之间没有相互作用。因此纠缠态的相互作用被认为是超光速的,甚至速度无穷大的超距作用。

因此哥本哈根解释实际上把量子力学变成一种测量理论,并得出对一个粒子的测量能够瞬时改变另外一个粒子的状态的荒唐结果。由此导出各种奇奇怪怪,莫名其妙的理论,比如薛定谔猫佯谬,比如量子隐形态传输问题。量子力学被认为是非定域性的理论,微观粒子被认为不存在确定的轨道运动。量子纠缠作用被认为是超时空距离的、瞬间就能实现的过程,科学唯物论和因果律遭到彻底的破坏。

由于测量在某种程度上可以看成是人的观察,更进一步的延伸就得出,人的观察可以改变微观粒子的状态的结果。然后又进一步将这种逻辑延伸到宏观世界,得出“我们不看月亮,月亮就不存在”的谬论。这就是朱清时院士的“人类的主观意识是客观物质世界的基础,量子力学证明了佛学”说法的由来。

四.量子统计系综与多世界理论

量子力学的统计系综解释起源于经典统计物理学,不同之处在于量子力学用几率振幅描述微粒子,同时增加了波函数的全同对称性原理。在这种意义上,量子力学与经典统计力学是在一个层次上的理论,它不是描述单个微观粒子,而是描述大量微观粒子。

量子力学并不是只有一种解释。哥本哈根解释只是其的一种,而且可以认为是最糟糕的一种。从量子系综解释的角度,波函数描述统计系综,波函数A(x1)B(x2)+ A(x2)B(x1)中的每一项是系综里的一个系统。在不同的时刻,只能出现其中的一个系统,不可能两个系统同时存在。在现实的测量过程中,每次只能测到其中的一项,再次测量时发现另外一项。在每一项中粒子的状态是确定的,根本不存在对粒子1的测量突然改变粒子2 状态的事情。

经典统计物理学用几率描述宏观粒子,没有全同对称性。在经典统计物理学中,统计系综是一个假设的概念。它由大量的系统构成,每个系统则代表体系的一个真实的状态。这些系统具有完全相同的力学性质,其微观状态可能相同,也可能不同。当一个体系处于平衡状态时,系综的平均值是确定的。设经典统计系综描述N个宏观粒子,它的一个系统代表的一种可能的运动状态,可用3N维相空间中的一个相点来表示,由大量系统构成的系综则是相宇中大量相点的集合。随着时间的推移,各个相点分别沿各自的轨迹运动,类似于流体的流动。

用通俗的话说,系综好比一本大书,系统则是书中的一页,其中有4000个不相同的常用汉字。把这4000个汉字进行任意排列,可以得到不同的页面。所有这些页面的订在一起,就构成一本书,称为汉字系综书。在这本书里,我们不但可以找到现有图书馆的任意一本书上任意一页的内容,还可以找到未来出版的任意一本书的任意一页的内容。但任意时刻我们只能翻到其中的一页,看到某页时就看不到其他页。

量子统计系综比经典统计系综多了全同对称性原理,就好比系综书的每一页有8千个汉字,其中有4000个字是相同的。用这8000个字进行任意排列,得到更多的页面。将这些页面钉在一起,就得到一本更大的书。但也存在某种限制,比如书中不允许有文字排列完全相同的两页存在。用量子力学的语言,就是泡利不相容原理。

采用量子统计系综的看法,量子力学哥本哈根解释中出现的大部分问题都烟消云散。比如我们就根本不需要测量理论,因为波函数描述大量微观粒子,在任意时刻空间的任意点上可能都存在粒子,根本不存在测量导致波函数崩塌的问题,所谓的量子纠缠问题也是根本不存在的。

量子力学除了哥本哈根解释,还有埃弗雷特提出的多世界解释。该解释则认为存在平行宇宙,每个宇宙用不同的波函数表示。它们都是真实的存在,但任何事情只能在其中的一个宇宙中发生。在测量过程中,初始状态波函数描述的宇宙“分裂”成许多个相互不可观测的宇宙分支。不断测量导致宇宙不断分裂,最后出现无穷多的宇宙分支。

显然,多世界解释只是系综解释的变种,它的每个宇宙分支就是系综里的一个系统。不同的是,系综解释认为系综内的每个系统不可能同时存在。而多世界理论认为,测量产生的分支宇宙是平行的,因此一个人可以在不同的分支宇宙中存在。多世界解释是为了摆脱哥本哈根解释而生,但它导致新的问题,宇宙分裂的荒诞性自不必多言。

从物理学的合理性和传承性方面,量子力学的系综解释才是真正合理的。事实上量子统计力学早就自成体系,已经发展成一门严谨而庞大的学科。量子统计系综的运动方程与经典统计系综的运动在形式上都是完全一样的,量子力学只是描述纯态的系综理论,量子统计力学则描述混合态系综。因此作者劝那些不遗余力地鼓吹哥本哈根解释,相信超时空距离传输和量子纠缠的学者,先去读懂量子统计物理学,不要无知而无畏。

五 薛定谔猫徉谬和量子消相干

量子力学薛定谔方程的提出者,薛定谔不但不接受哥本哈根解释,还提出著名的薛定谔猫徉谬,薛定谔嘲笑哥本哈根解释,用纠缠态比喻一只猫,处于不可理喻的半死半活状态。

猫徉谬其实是一个讽刺,一个假命题,但现在有些人却当真。猫是宏观物体,没有全同性,世界上没有两只完全一样的猫。因此猫的波函数不能写成全同对称性叠加的方式,就没有所谓的纠缠态,薛定谔猫徉谬将宏观物体与微观物体混肴。

量子力学的哥本哈根解释认为量子力学描述单个微观粒子,而量子力学在本质上是一个统计理论。它只描述大量微观粒子的统计系综,不描述单个微观粒子。按照统计系综解释,我们可以说一个系统中有许多猫,其中一部分是死的,一部分是活的,就不会有任何矛盾。

目前已经在实验上实现了一些所谓宏观猫,似乎证明的确存在活猫和死猫的纠缠状态。然而这些实验中所涉及的都不是真正的宏观态,而是多粒子多能级的系统。比如被捕陷与离子阱内的硼同位素离子,它们仍然是微观粒子组成的系统,具有全同对称性,而不是真正的宏观猫。

按正统量子力学的看法,微观粒子有二重性,即是粒子又是波,说明微观粒子是非定域的。为了解决如何从微观的非定域状态变成宏观的定域状态,量子力学引入消相干作用。认为量子系统与环境存在的相互作用导致消相干,使我们在宏观过程中看不到微观粒子的相干性。这种看法有其道理,量子干涉有时确实很脆弱,稍不小心就会使相干态消失。然而情况也并不总是这样,最明显的例子就是,自由平面光波本来强度分布均匀,与狭缝相互作用后导致干涉条纹分布。

所谓的非定域性起源于对波函数的本质和纠缠态的误解,量子相干性的本质是微观粒子的全同对称。用统计方法计算物理量的平均值时,量子力学的计算结果与经典力学的计算结果一般是不一样的。量子相干性是一种统计性质,而不是单个粒子的瞬时行为。

比如对于宏观物质气体和固体的比热,实验测量结果证明用量子理论计算比用经典理论计算精确,超出经典理论的部分就是量子相干性的结果。这种量子相干效应稳定存在,并没有因为是宏观物体而消失。又比如气体玻色子凝结,量子超流现象,约瑟夫结超导环,以及低温和高温超导现象等都是宏观量子现象,量子相干性在其中起作用。我们需要将导体放在液氦或液氮中才能产生超导现象,恰恰是这种低温环境造就了相干性。环境因素的存在并没有消相干,而是量子相干效应存在于环境中。

问题也取决于以什么基本单元来描述系统,如果以原子和分子为基本单元,由于存在全同对称性,系统就一定有量子相干性。如果以沙子或金属球为基本单位,由于没有全同性,系统就没有相干性,也就不存在消相干的问题。但单个沙子和金属球的某些性质中包含了量子相干性,比如它们热力学和电磁学参数。

综上所述,所谓的量子纠缠态实际上是微观粒子全同性的结果。由于微观粒子不可区分,才产生所谓的相互纠缠。物理学家没有正确认识微观粒子的全同性与纠缠态的关系,才导致微观粒子间存在鬼魅纠缠的误解。

量子力学的本质是统计理论,它与经典宏观粒子统计方式是不同的。量子力学中,真实的物理量用算符对波函数的期望值来表示。将多粒子波函数写成线性叠加的形式,是为了满足这种量子统计的要求。真实的世界中不存在超时空的非定域相互作用过程,物理学家对量子纠缠态做过多的解读。把量子纠缠态理论引伸到宏观世界,声称可以隔空传输宏观物体,则更是荒谬可笑的无稽之谈。

六.贝尔不等式不成立的真正原因

有许多人认为爱因斯坦反对量子力学,其实根本不是这么回事。爱因斯坦提出光子的量子理论,是量子力学的开创者。爱因斯坦反对的是量子力学的哥本哈根解释,他与波尔就量子力学本质争论到死,从不妥协。他与波多尔斯基和罗森提出的EPR佯谬,试图证明量子力学不完备,哥本哈根解释是错的。

爱因斯坦之所以说量子力学不完备,是因为他认为量子力学是统计理论,描述的是大量的微观粒子,而不是单个微观粒子。在统计理论的背后,应当还有一套描述单个微观粒子的确定性理论。这就像经典统计物理学理论的背后,是牛顿动力学理论,可以确定性地描述单个粒子。

爱因斯坦与波尔的争论,促使玻姆提出的隐变量理论。在此基础上,贝尔于1964年提出贝尔不等式,可以用实验来进行检验量子力学的背后是否存在隐变量。从上个世纪七十年代起,大量的实验证明贝尔不等式不成立。因此目前物理学家普遍认为,实验判定爱因斯坦错了,隐变量不存在。量子力学被认为具有非定域性,在其背后不可能有更深层的确定性描述理论,描述单个微观粒子。

然而早就有人指出,贝尔推导贝尔不等式时,用到的是经典统计方法。然而众所周知,经典统计方法不适合于微观粒子。量子力学采用的是几率波振幅的叠加方法,而经典统计方法采用的是几率的叠加方法,二者有本质的不同。原因在于微观粒子具有全同对称性,经典宏观粒子没有全同对称性。因此推导贝尔不等式的前提是错的,实验证明贝尔不等式不成立是自然的,没有什么可奇怪。如果实验证明贝尔不等式成立,等于证明微观粒子满足经典统计规律,那才奇怪呢。

因此尽管实验证明贝尔不等式不成立,但并没有证明隐变量不存在。量子力学并没有被证明具有非定域性,确定性和定域性是一个科学理论合理性的两个要素。量子力学作为一个统计性的理论,在其背后是否还存在更深层的规律,支配单个微观粒子的运动,仍然是一个有待探索的问题。事实上,在高能加速器中,微观带电粒子都是按确定性理论(狭义相对论力学)预言的轨道运动的,谁能说微观粒子没有确定的运动轨道呢?

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评《龚学时空与物质粒子的关系》

评《龚学时空与物质粒子的关系

玄增诚

摘要:龚学理论中的一系列抽象的数学计算,获得了一些可以检验的结果。所用数学方法并不复杂,却能描述物质底层结构、基本粒子家族、物理学常数的理论计算,所得的结果与客观观测高度一致。这说明自然简而美,龚学数学方法也很美。物理理论研究也像今天人工智能中的“区块链”,类似用一些加密的算法在区块链上能够达到既保护个人的局限,又能够做出聪明的计算说明。

关键词:龚学理论 薛定谔方程 柯召-魏时珍猜想 区块链

 一、引言

北方工业大学自动化学科的研究生导师李小坚教授,来信说他写有一篇博文《龚学时空与物质粒子的关系》( http://www.pptv1.com/?p=2036),请参与讨论。在此文指导下,我们有了一些想法,可供大家参考。

二、龚学时空物质关系要点

李小坚教授的介绍是:“龚学理论认为极大和极小是一个完美的对称(或0与无穷的互反对称)。因此,极小空间的研究完全能够折射极大空间的特性。这个原理是统一的宇宙,统一的理论的基础之一。事实1,龚学理论理论计算夸克低层的物质精细结构参数计算与宏观宇宙结构参数计算,采用的是同一个理论模型。事实2,最近物理学家发现,在大质量天体周围形成的圆盘内的波的传播竟然可以被量子力学的基础方程—-薛定谔方程所描述。事实3,中国古老的医学,认为阴阳表内互动,人体内部疾病完全体现在其外表,望闻问切就可以断定病因病灶,基本可以不用手术及解剖学原理。事实4:量子力学的微观世界与宏观世界现在存在许多迷惑不解的问题,如量子态叠加、量子纠缠等问题,龚学理论采用微观局部与宏观全局整体的对应关系,已经知道谜底。”

此博文还提出了一个引力子量子的数学表述和定义:

“基于Ligo发现引力波,根据波粒二重性,一定有引力粒子存在。但引力波如此微弱,相应的引力子也就同样的微弱。以至到现在,物理世界还未发现真正的引力子。

龚学理论中时间产生引力,驱使宇宙万物从过去到现在,并走向未来。因此,我们断定龚学统一力方程所确定的统一量子力能量,在大尺度空间范围就是引力子!我给出了一个引力子量子的具体定义,因为要仔细斟酌,仅供讨论。定义:

引力子:delta G=K0‘ *delta E=K0‘*F*delta S=K0*h-bar/  delta T。

K 0是引力子系数,可以取K0=1。

引力子量子 :delta G=h-bar/  delta T。

可见,引力子量子只和时间量子成反比。以上方式定义的引力子,只要实验条件允许,就可以实验检测”。

认真学习《龚学时空与物质粒子的关系》一文,确实感到龚学理论运用的数学描述有基础,阐述的物理道理很明白,这是物理数学美感。这里不妨摘要其中的一些部分:

“连续平直时空与物质的关系,从连续时空的角度看,传统的时间t是实数域R上的一个连续变量,但在龚学理论中,时间的表述是一个连续自旋的复函数变量Ψt:Ψt=e ^iwt。该复函数时间Ψt,满足薛定谔方程。三维空间的薛定谔方程(i=(-1)^1/2),方程的通解Ψ(x,y,z,t) ,如果Ψ(x,y,z,t) 分解为两部分, Ψ0 =Ψ(x,y,z)和Ψt则:Ψ(x,y,z,t)=Ψ(x,y,z)*Ψt=ψ0*e^−(2πiE/h)t.= ψ0*e^−iwt.= ψ0*Ψt。粒子n,具有能量En, 该粒子产生波函数:

Ψtn=e^-iwnt=e^-it*2π*En/h。波函数满足线性叠加原理。N个粒子体系的波函数的叠加,具有总能量E。该粒子体系产生的波函数:

Ψt=e^-iwt=e^-it*2π*E/h。而对时域波函数的积分,或取傅里叶变换,或是拉普拉斯变换,可以将时域函数,变换为复频域时间波函数波函数ψ(S )。

Ψt==》ψ(S )=A(w)*φ(w)。Ψ0 =Ψ(x,y,z)是在能量守恒条件下的定态薛定谔方程的解,其实质是空间相位波。空间相位波Ψ0与复频域时间波函数ψ(S )的乘积,其实就是两种波的叠加。其共同作用就是薛定谔方程的全局解:

Ψ(s) =L{Ψ(x,y,z)*Ψt }=Ψ(x,y,z)*ψ(S )。并以此为驱动,驱使平直三维欧式空间运动的结果Ψ0 =Ψ(x,y,z),即时间、空间、物质波运动,从过去,到现在,向明天发展变化。而这个方程解Ψ0描述了在三维空间中运动的一个粒子波的空间几率分布。事实上,Ψ(s)就是复时间函数ψ(s),驱动的三维空间相位的波动Ψ0和时间波动涟漪ψ(s)共同作用的结果,并形成物质粒子。这就是薛定谔方程所确定的物质粒子的质量能量的空间分布图谱。

该图谱反映了该粒子的全空间全时间的全局质量能量分布特性。而且,复频域Ψ(s)的能量质量分布,具有量子体系几率波的特征。因此,量子所具有的量子态谱密度,其实就是其质量能量分布态,并具有量子态叠加特性。如果想去测量该粒子的具体的时间域的动态行为,该粒子的质量能量的空间分布图谱将必须变换回到时间域:

Ψ(s)==>通过拉普拉斯反变换(L=RMI)==》Ψ(t)。由于测量过程必须采用具体的实时间坐标,这个实时间只是无穷时间的局部片段,因此,该粒子质量能量的空间分布图谱,必须崩塌到某个具体的能量分布点对应的实时间函数。该时间函数一定与频域的全局特性产生量子相关相干特性。该时间函数一定与频域的全局特性和全时域全时空产生相关联系。特别是两个相互耦合的粒子,其相关相干作用不可忽略。因此,量子纠缠是两个粒子之间时域局部与其频域全局特性的一种相互关联关系。

L=RMI(Relation Mapping Inversion,RMI)只是一种数学变换,但是,它改变了人们对事物的观控时空界面。这种时空变换让量子力学具有一些让人迷惑的诡异特性,如波粒二重性,量子观测的崩塌,量子态叠加,和量子纠缠等,使得大多数人迷糊不解。以上解释是我们龚学理论对量子力学的新解释。

这个薛定谔方程已经通过了到目前为止所有实验的考验。它是量子力学最基本的方程之一。它以一个简洁的公式描述了微观物理的每一个量子力学系统的对象:电子、光子、中子,所有的量子。

这个方程建立了连接经典物理连续时空,与经典量子力学时空的桥梁。薛定谔将他的方程用于氢原子,发现方程解精确地重现了玻尔制定的能量级。因此,该方程最早的成功描述了氢原子的离散能量谱,从而促进了量子理论的发展。我们给出连续平直时空、与物质的关系:

我们的宇宙世界,就是三维欧氏空间的每一个维度上,叠加了复时间Ψt,并以此复时间驱动三维空间以光速传播物质运动波,其波动形式满足薛定谔方程。因此,t是宇宙万物的连续的实时间进程。而复时间的描述则是龚学时间锥Ψt。而且Ψt反映了以连续围绕时间锥体作螺旋运动的结构特征,表明了时间的虚实交替变化,并推动宇宙作螺旋运动,并形成11维空间。

事实上,薛定谔方程不仅适用于在三维空间中运动的一个粒子,也可以描绘一个由多个粒子组成的系统。最近发现,薛定谔方程甚至可以描述宇宙的某些星云空间运动结构。如物理学家发现,在大质量天体周围形成的圆盘内的波的传播,竟然可以被量子力学的基础方程—-薛定谔方程—-所描述。可见物理学家对薛定谔方程的掌握已经相当深入了,而发现这一经典的方程还能够用来描述天体圆盘的长期演化,对于想要模拟大尺度现象的科学家而言简直就是神来之笔。

此外,令人惊喜的是,自然界中两个看起来并无关联的—-描述大尺度和小尺度世界—-物理学领域,居然能够由相似的数学所支配。有科学家说:“很高兴找到了一个通常被用于微小系统的方程,也能在如此庞大的系统上得以运用……薛定谔方程支配了类波扰动的演化。从某种意义上是说,代表扭曲的波以及天体圆盘的不平衡,跟振动的弦并没有多大的区别,它们自身也跟盒子里的量子粒子的运动没有什么分别。回想起来,这种关联似乎很明显,但是将要揭开这种相互关系背后的数学支柱令人尤其兴奋”。

对应离散时空与物质的创生,时间量子化对复时间函数微分:

dΨt=iw*e^iwt *dt。而以wt取离散化值(0 ,pi*n/2,pi*n,3*pi*n/2,2 * pi *n)后的量子化时间:(n=2k+1,k=1,2,3,……),DT0=DΨt/iw= { +1, +1i; -1,-1i }DT。

DT就是量子化的实时间,DT0是量子化的复时间。DT0可以取以上{ +1, +1i; -1,-1i }的任意一个值与DT的乘积。现在,一般人不明白,为什么量子会波动?龚学认为,完全是时间的虚实时空的旋转(自旋),驱动着万物波动,包括时空背景的波动!量子化的实时间DT不再连续,量子化复时间DT0也不是连续的了,但系统的离散化空间和时间,仍然满足离散化后的薛定谔方程。从而看似连续的平直空间,在离散化后的薛定谔方程约束下,时间量子化后,空间也量子化了,而且还产生了量子化的基本粒子。时间、空间、物质粒子统一在一起。从此创生宇宙万物,并被时间量子搅得云生水起、天翻地覆。

对应空间离散化、量子化:DS=DΨ0 =DΨ(x,y,z)=(DX0,DY0, DZ0)=(C*DT0x, C*DT0y, C*DT0z)= C *(i^nx,i^ny,i^nz)* DT。可以等价于:

DS =(i^n1,i^n2,i^n3)* C * DT =N * C * DT。i是虚数,i^n1是i 的n1幂次,同样i^ n2和i^n3;{n1, n2, n3}自然数取值范围(0,1,2,3)或(1,2,3,4);
DS是一个空间单元,DT一个时间单元;C是光速。N是一个虚-实数域,而N方有四个可能的值。N^ 2 = { + / – 1 ,+ / – 3 }。

DS =(i^n1,i^n2,i^n3)* C * DT =N * C * DT方程以精确的方式连接时间和空间。虚-实数域的N产生64个子空间。N^ 2 = { + / – 1 ,+ / – 3 } 方程是一个选择规则。N ^2 = + / – 3,一共占据了16个空间量子。当一个子空间有N ^2 = +  3,那么这个子空间是一个真正的实空间,8个此类子空间相当于欧氏的3维纯真空实空间(X,Y,Z);N ^2 =  – 3,即8个此类子空间构成3维虚空间(ix,iy,iz)。而N ^2 = + / –1,则产生基本粒子。

对应产生量子化的费米子:当N ^2= + / – 1,这是一个物质粒子子空间,事实上,是一个基本粒子。方程0包含48个这样的子空间,因此,给出了标准模型SM中的48个费米子基本粒子。由此产生宇宙在时空中创建万物统一力方程:

F(统一力) = K * h-bar/ (delta S * delta T)。K 是力耦合常数。

并且,delta E=F*delta S=h-bar/delta T;且(delta E * delta T)=K*h-bar;K〉1,为量子力学不确定性方程。K=1,为龚学理论确定性方程。

由此产生龚学引力子是:delta G=h-bar/delta T。可见,引力子量子只和时间量子成反比。

如此等等计算,结论是:龚学对宇宙万物以及主流物理的所有开放问题,有了一个统一的描述,基本完成了一个统一理论的任务;完成了所有基础物理学常数的理论计算。还包括解释了:量子力学中的不确定性原理,完全等价量子力学确定原理;非定域理论,完全等价于龚学全局理论;量子态叠加态,完全是变换了时空的复频域质量能量分布图谱;量子纠缠,完全是时域的局部性与全局性态的关系等,令世人迷惑困顿的问题。

三、各种理论的竞争与发展

在以上李小坚教授的《龚学时空与物质粒子的关系》的指导下,我们确实体会他说的正确:“龚学理论认为极大和极小是一个完美的对称(或0与无穷的互反对称)。因此,极小空间的研究完全能够折射极大空间的特性。这个原理是统一的宇宙的理论基础。”

这一原理在很多物理数学理论中都有体现。参考文献“[日]福田伊佐央,超弦理论:最有希望成为统一解释中各种物质与力的终极理论,科学世界,2017年第8期,魏俊霞等译”中,《科学世界》杂志35页的“3维的膜(立体)”图,是一致的。

福田伊佐央的文章有意思的是,超弦理论证明,四维时空,类似一个膜立方体,它被包围在四维或五维以上的高维或多维之中。而这种高维和多维,又是紧致的,即类似在“点内空间”。这就是说,“龚学理论认为极大和极小是一个完美的对称(或0与无穷的互反对称)。因此,极小空间的研究完全能够折射极大空间的特性。这个原理是统一的宇宙,统一的理论的基础”,就类似包裹在“3维的膜(立体)”图中一样,由此可证我们的宇宙为什么正物质多?

龚学理论中的一系列抽象计算方程很美。但与此相似的研究也多。例如,《从反粒子到最终定律》一书中,费曼的文章谈时间反演的高等数学。如崔君达教授的《量子力学与分子生物学的时空结构》一书中,谈复合时空的高等数学,而且他能解答为什么有200多种晶体结构?如《时空本性》一书中,彭罗斯和霍金谈量子力学时空和宇宙的高等数学。

但以上他们的研究,又都类似与1963年的川大数学家们,创建的“柯召-魏时珍猜想”表述:“空心圆球不撕破和不跳跃粘贴,能把内表面翻转成外表面”的证明,而引申的发现的类似空心圆球膜面加奇点式的翻转反包围—-柯召-魏时珍猜想的“内外翻转”联系,也能囊括龚学理论中的一系列抽象计算的高等数学方程联系的物理、生命对象是属于彭罗斯讲的“零锥”问题,能翻新彭罗斯的宇宙轮回猜想。类似空心圆球膜面加奇点式的翻转反包围—-柯召-魏时珍猜想的“内外翻转”,与一般循环周期不同,且含有类似新陈代谢、阳泄阴收的内外翻转整体观,含有非线性和熵流等性质。所以我们说柯召-魏时珍猜想是属于现代高等数学的进步,而不是中学水平的推导方法。其次它背后重大的是—-中苏两国研究亚历山德罗夫空间拓扑数学及其延伸的灵魂猜想、灵魂定理,在今天还涉及引力子通信和中微子通信的应用探索。

 

四、物理理论的“区块链”模型

当今物理学理论的美中不足,各种理论都有自己的一套方法和结果。这类似于今天人工智能中的“区块链”—-理想的信息世界,是每个人拥有自己所有的数据,类似用一些加密的算法在区块链上能够达到既保护个人的局限,又能够做出良好的计算说明。

2018区块链技术及应用峰会(BTA)在北京召开,中关村区块链产业联盟理事长元道提出“通证派”的主张;即每一个分布式协作组织(DCO)都需要定义和发行自己的组织内通证,称为区别于传统网上组织的根本点。

对此,在2018中国(深圳)IT领袖峰会上,著名的科学家张首晟教授在报告中说:区块链的产生,能够产生一个去中心化的数据市场。区块链建筑在数学基础上的,也许能在数据市场里面保护个人隐私,又能够做出合理的统计性的计算。比如有一种非常神奇的计算方法叫零知识证明,它能够向你证明我的数据是非常有价值的,但又不告诉你真正隐私的数据在哪儿。

张首晟教授说,整个区块链,大众对它的认识还不是最根本的第一性原理认识—-达成共识就好比大家都同意同一个“账本”;达成共识在自然世界里面也有的。达成共识,大家都朝一个方向的话,这个状态的熵远远比杂乱无章的熵要小。达到这个共识是非常难的,因为熵总是在增的。在区块链上能达到一个共识系统都是用一种算法,需要消耗能量。账户为什么要耗费能量?因为达成共识本身是熵减,所以在达成共识的同时,一定要把另外一些熵排除出去。这种没有中心化的机制,跟自然世界里面磁铁,从杂乱无章的状态达到有序的铁磁状态非常相像。所以理想的信息世界,是未来每个人拥有自己所有的数据,完全去中心化的储存,这样黑客也不可能黑每个人的数据,又能够做出良好的计算说明。

今天搞科学创新的人,也类似“区块链”。有人选边站队“整体论派”,或者“还原论派”。但从“区块链”看来,“整体论”和“还原论”是统一的。例如,罗正大先生,四川宜宾人,1952年7月19日出生,现任四川景盛集团有限公司董事长。他从1984年创办宜宾市布艺有限公司开始,短短11年时间就获得了七项国家专利,和贸易部“发展中国室内装饰事业特殊贡献功臣”等多项荣誉称号,以及省人大代表等多项社会兼职。正是这样一位事业有成的企业家,却从1982年开始深入研究宇宙学和力学问题,终于在30多年后,一共相继出版了《量子外力—-宇宙第一推动力》和《不可视觉物质—-暗能量和量子外力》等九本学术专著。他用“力”概念—-“斥力”+“斥力”=“外力”,解释了包括“引力”的天文、宇宙、基本粒子到量子力学、相对论及经典物理学的诸多现象和难题,得到北京相对论研究联谊会组织,中国科学院高能物理研究所吴水清,白景芝等数十位科技工作者的高度评价。

罗正大先生把这一切科学现象,解释为“力”作用,类似“还原论”。但一般的“力”感受,众所周知,应是一种“整体论”。又如,龚学理论中,说“时间产生引力”,有“薛定谔方程”等数学为证。这里只“需要定义和发行自己的组织内通证”,也都是可以达成共识的。

李小坚教授说,威滕等西方“超弦理论”的权威人物,于2016年9月15日的量子杂志承认,今天的“超弦理论”作为物理学理论(量子引力)已经失败了。为什么?因为他们的理论没有得到物理世界的客观观测结果的支持。他们的科学“开矿”只顾“前冲”,不搞“回采”,没有“区块链”的通证应用是核心驱动引擎,通证+实体经济才是真正的“发展”意识。例如,古今中外的“弦理论”发展,都得力于“回采”,如法拉第的“磁力线”、安培微小“电流环”、中医的“摸脉”,是类似有“实体经济”的共享科学成分。“时间产生引力”、“力”=“斥力”+“斥力”=“外力”,数学能说明,众人能感受,也许还需要爱因斯坦的类似“时空弯曲”的形象实测,牛顿的类似“作用力=质量×加速度”的可计量。当然龚学理论在这方面做出了很多的成绩,已完成了很多区块的挖矿。

例如,最大的对称就是0和无穷的对称。所以,宇宙可以从0开始,奔向无穷。这也是对称。正物质与反物质对称,龚学是在前夸克的结构基础上,指出48个费米子,本身就具有对称。即三代共(3×8)=24个正费米子,同时对称的有三代(3×8)=24个负费米子。负物质它们现在仍然和正物质一样,包含在质子、中子、正电子、负电子之中,构成我们的这个客观世界。物质底层是这样,宇宙总体仍然也是这样。这是计算暗物质、暗能量的依据。龚学对整体宇宙还有正负交替增长,可计算宇宙学常数。龚学可计算希格斯玻色子=125.46GeV。所以,计算与观测也能一样,如计算混合角等粒子物理精细结构常数,描述的是我们物质世界的底层这个面包圈结构。等等。

李小坚教授还说,三旋理论所描述的低层结构,也是基于面包圈结构,所以也能计算所有夸克的质量能量。他还发现,苑广明先生的多重复数,也能够很好地描述底层结构的数学关系,值得学习研究和借鉴。这里值得讨论的问题是:

龚学底层量子,是确定性的;因此与量子不确定性原理不同,龚学是量子确定性关系。其次,龚学的时间,是引力的源头;龚学发现底层结构构成的质子、中子,是生命游戏的滑翔机,是智能和意识、生命的种子。对比三旋理论,对量子信息结构与量子编码,量子信息传输、存储、复制、运算机制等所用的量子全息原理,三旋理论是通过对韦尔张量和里奇张量等的发现,以及对有特殊意义的点内空间和点外空间等的认识,来阐述引力等自然现象。当然这也是来自对彭罗斯和庞加莱猜想,有独到研究的结果;对柯召-魏时珍猜想内外翻转,有确切的分析、分类,因此,宇宙的“轮回”循环可以理解,苏俄的“灵魂定律”也可以研究。这些理论,都可以是这个理论体系的“区块链”模块。

五、结石语

现在的各种物理理论,有如“区块链”中的去中心化很严重。但是,“区块链”去中心化是必然趋势吗?如果存在一种全面、终极、客观、公正、完备、一致的“区块链”中心化机制,或是去中心化机制,我们必定应该去探寻这样的机制。所以,龚学和三旋理论作为“区块链”,值得“通证”探讨。

参考文献      

[1]李小坚,龚学时空与物质粒子的关系, http://www.pptv1.com/?p=2036网;

[2][日]福田伊佐央,超弦理论:最有希望成为统一解释中各种物质与力的终极理论,科学世界,2017年第8期,魏俊霞等译;

[3]王德奎,三旋理论初探,四川科学技术出版社,2002年5月;

[4]孔少峰、王德奎,求衡论—庞加莱猜想应用,四川科学技术出版社,2007年9月;

[5]王德奎,解读《时间简史》,天津古籍出版社,2003年9月;

[6]刘月生、王德奎等,“信息范型与观控相对界”研究专集,河池学院学报2008年增刊第一期,2008年5月;

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[8] 陈超,量子引力研究简史,环球科学,2012年第7期;

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[10] 罗正大,自然外力—-宇宙第一推动力,四川科技出版社,2013年9月;

[11] 罗正大,不可视觉物质—-暗能量和自然外力,四川科技出版社,2013年9月;

[12] 罗正大,宇宙自然力—-自然外力与自然斥力,四川科技出版社,2013年2 月;

[13] 罗正大,100个科学难题的宇宙自然力解,四川科技出版社,2016年9月;

[14] 罗正大,用宇宙自然力解读古今物理学中的术语,四川科技出版社,2015年2月;

[15] 罗正大,以外力、斥力对称交错力学结构解200个物理学术语,四川科技出版社,2017年9月。

 

量子叠加和量子纠缠不再是谜!

李小坚

为什么量子叠加和量子纠缠不能让人看个明白?-悟空问答

题主认为量子叠加和量子纠缠是个谜,该问答下面,有大师声称,这个问题,全世界无人明白!我们却有谜底。

量子叠加和量子纠缠不再是谜!

量子态叠加是量子力学体系中全同态粒子全空间分布特性,这是所有相同粒子的量子统计行为图谱,也完全等价于单个粒子所有可能的行为空间的几率波特性。另外,此波函数还是量子能量谱,这也是一种复频域特性。 这是薛定谔方程所确定的物质粒子的质量能量的空间分布图谱。该图谱反映了该粒子的全空间全时间的全局特性,而且,具有量子体系几率波的特征。因此,量子所具有的量子态,其实就是其质量能量分布态,并具有量子态叠加特性。

对于单个粒子的态动态行为的测量,可以获得该粒子的某个时段的时域特性。由于测量过程必须采用具体的实时间坐标,这个实时间只是无穷时间的一个局部片段,因此,该粒子质量能量的空间分布图谱必须崩塌到某个具体的能量分布点对应的实时间函数。该时间函数一定与频域的全局特性和全时域全时空产生相关联系,即量子纠缠特性。特别是两个相互耦合的粒子,其相关相干作用不可忽略。因此,量子纠缠是两个粒子之间时域局部与其频域全局特性的一种相互关联关系。

物理学界根本没有在观控界面搞清楚物理世界的本质!能量-频率域看物质就是波!物质是其所有可能的波的叠加;而在时间-动量域看,物质就是粒子,即质点和质点集在时间中运动变化。同时在频域和时域一起看,这就是物理世界的波粒二重性!这个波粒二重性把整个物理世界搞得晕头转向。

举例说明:薛定谔猫既死又活,这是猫的一个所有的可能性的叠加态,猫出生了,必定活,但其生命时间有限,猫必然死!在无时间的历史长河里看,死猫活猫都存在于无实在时间的质量能量空间图谱中;你一定要想看猫是死是活,那你一定要在实时空中选好时间,当猫的生命周期上去打开看,猫一定是活的!你选的时间是不巧的猫生命前或猫生命后看,那猫是死的,甚至还什么都没有,为啥,它还没出生!

附加条件,如果触发氰化钾毒杀机制,无论何时发生,龚学时间对此量子行为均有历史记录。无论你观测不观测,什么时候猫死,什么时候猫活,都是确定的;无论你何时打开,该是活就是活,该是死就是死,这是确定性的。

龚学理论认为极大和极小是一个完美的对称(或0与无穷的互反对称)。因此,极小空间的研究完全能够折射极大空间的特性。这个原理是统一的宇宙,统一的理论的基础之一。事实1,龚学理论理论计算夸克低层的物质精细结构参数计算与宏观宇宙结构参数计算,采用的是同一个理论模型。事实2,最近物理学家发现,在大质量天体周围形成的圆盘内的波的传播竟然可以被量子力学的基础方程—-薛定谔方程所描述。事实3,中国古老的医学,认为阴阳表内互动,人体内部疾病完全体现在其外表,望闻问切就可以断定病因病灶,基本可以不用手术及解剖学原理。事实4:量子力学的微观世界与宏观世界现在存在许多迷惑不解的问题,如量子态叠加、量子纠缠等问题,龚学理论采用微观局部与宏观全局整体的对应关系,已经知道谜底。”

最近梅晓春先生发文指出:所谓的量子纠缠态,其本质就是微观粒子的全同对称性!所谓的纠缠应当理解为相互作用。如果两个 纠缠的粒子分离很远,二者间已经没有相互作用,就只能说存在关联,有全同对称性,没有纠缠。

“事实上,量子力学的基本原理中根本没有纠缠态的概念,只有全同对称性概念。纠缠态概念是爱因斯坦为了反驳波尔的哥本哈根解释,作为反面的东西而提出的,爱因斯坦将它称为鬼魅。想不到几十年后,纠缠态竟然变成正面的东西,堂而皇之地进入量子力学厅堂,并喧宾夺主,把全同性原理给边缘化了,这样的结果实在令人感到莫名其妙。

按照量子力学,微观粒子又分成费米子和玻色子,二者的统计性质不一样,具体体现在波函数的交换对称性不一样。电子和质子是费米子,光子是玻色子。费米子的波函数交换是反对称的,波色子则是对称的。比如有两个光子,分别位于空间x1和x2点上。如果x1和x2相距离很远,两个光子间没有相互作用,波函数分别是A(x1)和B(x2)。不考虑全同对称性,总波函数是A(x1)B(x2)。考虑全同对称性,两个光子的坐标互换,总波函数不变,写成A(x1)B(x2)+ A(x2)B(x1)乘上一个归一化常数。如果是两个电子,位置交换后要加一个负号,总的波函数是A(x1)B(x2)-A(x2)B(x1)乘上一个归一化常数。

两个粒子互相远离,之间没有相互作用并不意味着没有关联。如果两个粒子的初始状态存在关联,如能量守恒与角动量守恒等,分开后二者的关联仍然存在。如果两个粒子没有相互远离,之间存在相互作用,波函数就不能写成坐标分开的形式。不考虑交换对称性,波函数为D(x1,x2)。考虑交换对称性,波函数为D(x1, x2)+ D’(x2, x1)或D(x1, x2)- D’(x2, x1)。

如果说两个粒子存在纠缠的话,在这样的情况下才能说纠缠,所谓的纠缠应当理解为相互作用。如果两个粒子分离很远,二者间已经没有相互作用,就只能说存在关联,而不是纠缠。虽然两个粒子有全同对称性,但这种对称性不是纠缠,将它看成纠缠是错误的。

以上是量子力学逻辑的自然结果,到此为止一切正常。然而现在的量子物理学者却混肴了关联与纠缠的概念,把全同对性性说成纠缠,事情就完全变味了。按照哥本哈根解释,两个相互远离的粒子始终处于纠缠的状态。没有测量前每个粒子的状态都是不确定的,测量使粒子从不确定状态变成确定状态。

比如有两个极化分别为+1和-1的光子位于x1和x2两点上,哥本哈根解释认为,在测量之前哪个光子在x1点,哪个光子在x2点是不确定的。这种不确定性不是我们不了解,而是在物理学上不确定。由于纠缠态存在鬼魅的相互作用,测量发现位于x1点上的光子的极化+1,就会使x2点的光子的极化马上变成-1。反之亦然,如果测量发现x1点的光子的极化为-1,马上就会把位于x2点的光子的极化变成+1,尽管这两个光子相距非常远,相互之间没有相互作用。纠缠态的相互作用被认为是超光速的,甚至速度无穷大的超距作用。

可见哥本哈根解释实际上把量子力学变成一种测量理论,并得出对一个粒子的测量能够瞬时改变另外一个粒子的状态的荒唐结果。由此导出各种奇奇怪怪,莫名其妙的理论,比如薛定谔猫佯谬,比如量子隐形态传输问题。量子力学被认为是非定域性的理论,微观粒子被认为不存在确定的轨道运动。量子纠缠作用被认为是超时空距离的、瞬间就能实现的过程,科学唯物论和因果律遭到彻底的破坏。”

无论在宏观和微观,龚学理论表明,世界的本质规律是确定的。量子力学中的不确定性定理:  (delta E * delta T)〉h-bar;而对应的龚学理论确定性方程:  (delta E * delta T)=h-bar。如果都是确定性的理论,量子力学体系里,还有那么多令人迷惑的问题吗?

另外有姜放的《统一物理学》,他不明白,为啥宇宙世界可以这样描述,没有时间这个维度,宇宙世界可以用10维空间描述。但因只知其一(能量),不知其二(时间),所以,这个理论是一个不完备的理论。

我们龚学理论指出,引力来自时间,时间驱动宇宙万物从过去、到现在、到未来运动发展。在能量复频域,有规范场对称性,而此规范场对称性的破缺,产生时间和引力。这个理论将规范场理论、爱因斯坦相对论、量子力学都统一在此架构之中,宇宙万物在龚学看来,已无秘密。

结论:

龚学对宇宙万物,以及主流物理的所有开放问题,有了一个统一的描述,基本完成了一个统一理论的任务。完成了所有基础物理学常数的理论计算,还包括解释了:量子力学中的不确定性原理完全等价量子力学确定原理、非定域理论完全等价于龚学全局理论、量子态叠加态完全是变换了时空的复频域质量能量分布图谱、量子纠缠完全是粒子之间时域的局部性与全局性态的相关关系等令世人迷惑困顿的问题。

欲知详情,且细看如下博文:

龚学时空与物质粒子的关系 | 统一的宇宙 统一的理论 http://www.pptv1.com/?p=2036

参考文章:https://www.toutiao.com/a6537198932236173837/?tt_from=weixin&utm_campaign=client_share&timestamp=1524639560&app=news_article&utm_source=weixin&iid=16440434754&utm_medium=toutiao_android&wxshare_count=1

附1

《量子力学的核心有一个巨大的深洞》

原创 原理 2018-03-26 18:30:35

从手机中的硅片,到屏幕上的LED;从最遥远的太空探测器的核心,到超市里用来结账的激光扫描器;从太阳为什么会发光,再到我们的眼睛能看到什么。这些日常生活中我们所熟悉的一切,以及太空中发生的许多现象,都可以用物理学中的量子力学来解释。

没错,量子理论在过去取得了惊人的成就,它几乎所有现代技术背后的理论基础。尽管如此,在量子物理学的核心,依旧存在着一个深洞,我们仍然没有真正地理解它是如何描述我们周围的世界的。

量子理论背后的数学可以对实验结果和自然现象做出难以置信的精准预测。既然能做得如此之好,那么量子理论必定抓住了与这个世界本质有关的根本且深层的真理。但是,物理学界对于它对现实的诠释、甚至能否对现实进行任何诠释一事,却存在很大分歧。

即使是最简单的事物,到了量子物理中也变得难以被解释。举个简单的例子,假如你想描述一个微小物体的位置,比如最简单也最为我们熟知的亚原子粒子——电子的位置。因为空间由三个维度组成,所以你可能想需要用三个数字来描述这个电子的位置。在日常生活中这的确如此:如果想知道一个物体的位置,就需要知晓其纬度、经度、和高度。但在量子物理学中,仅有这三个数字是远远不够的。相反,为了描述一个电子的位置,你需要散布在整个空间里的无穷多个数字

这种数字的无限集合被称为“波函数”,因为这些散布在空间中的数通常有着平滑地变化,就像起伏的波浪一样。用来描述波函数会如何在空间中传播的方程,叫薛定谔方程,该方程于1925年由奥地利物理学家埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger)提出。波函数遵从薛定谔方程,就如同坠落的岩石遵从牛顿运动定律一样——它就像是某种自然法则。而且就像许多自然规律一样,它非常的简洁,尽管在数学上它乍看起来有些令人生畏。

量子力学的核心,有一个巨大的深洞

○ 薛定谔方程,其中ψ(x,t)表示波函数。

尽管薛定谔方程非常简洁和优美,但波函数的确非常奇怪。它为什么需要这么多的信息,要动用遍布在整个空间的无穷多个数,来描述一个物体的位置?令人费解的是,当我们真正去寻找电子时,它却只出现在一个点上。而当找到电子之后,更奇怪的事情发生了:电子的波函数会暂时停止遵从薛定谔方程。相反的,它会“坍缩”,除了在找到电子的位置,其余所有无穷个数字都会变为零。

所以,究竟什么是波函数?为什么它们只在有些时候遵从薛定谔方程?明确地说,为什么它们只在没人“看着”的时候遵从薛定谔方程?这些悬而未决的问题在量子物理学的中心戳出了一个洞。最后一个问题尤其“臭名昭着”,还被有赐予了一个特殊的名称:“测量问题”。

量子力学的核心,有一个巨大的深洞

○ 在进行测量后,粒子会坍缩在随机的一个点上。| 图片来源:Iceberg Fernandez

测量问题似乎应该阻碍量子物理学的发展。“观看”或“测量”究竟是什么意思?对此目前还没有被广泛认同的答案。这就意味着,我们不知道薛定谔方程什么时候适用,什么时候失效。不知道这一点,我们就不知道何时该使用这条定律,何时又该把它置之不问,那我们究竟该如何使用这一理论呢?

实用的答案是,当物理学家看量子物理学时,倾向于把它看作是关于超微小物体的物理学。通常假设薛定谔方程并不适用于像桌子椅子等生活中常见的这些宏观物体。相反,作为一个实际问题,物理学家会假设这些物体是遵循牛顿经典物理学的,并且当这些物体一旦与量子世界中的微小物体相互作用时薛定谔方程就会失效。在大多数情况下,这种假设足以得到正确的答案。但几乎没有哪个物理学家真正相信这就是宇宙的实际运作方式。在过去几十年中,大量的实验显示了量子物理可适用于越来越大的物体,到现在,很少有人会对它于所有大小物体的适用性表示怀疑。确实,量子物理已被常规且成功的用于描述物理领域中最大的物体——宇宙本身。

但是,如果量子物理真的适用于所有尺度,那么测量问题的真实解答是什么?量子世界中究竟发生了什么?从历史上看,曾经的标准答案应该是——测量问题并不存在,因为在没有人观测的时候问询发生了什么是没有意义的。那些发生在无人观测时候的事是不可观测的,从而谈论不可观测的事也就毫无意义。这种见解被称为量子物理学的“哥本哈根诠释”,以丹麦的伟大物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)的家乡命名。玻尔是量子物理学的教父,也是哥本哈根诠释背后的中坚力量。

尽管它有着是这些量子问题的默认答案的历史地位,但哥本哈根诠释并不恰当。它没有解释在量子物理的世界里正发生些什么。在关于现实性质的讨论中它也表现出顽固的沉默,它没有为量子物理为何可以运作提供任何解释,因为它无法指出这个世界有任何特征是与量子理论核心的数学结构相似的。而且对不可观测事物是无意义的宣称,无论从逻辑学或哲学角度看都是没有说服力的。至少对“不可观测”这个词的定义也不比对“测量”这个词的定义更好。因此宣称“不可观测事物无意义”是一个非常模糊的说法。这种模糊性从一开始就困扰着哥本哈根诠释。现在,“哥本哈根诠释”已成为好几个相互矛盾的量子物理学观点的集体标签。

尽管有这么多的问题,但在20世纪的大部分时间里,哥本哈根诠释在物理学界中占据绝对的优势,因为它可以让物理学家在不用担心量子理论中心棘手问题的情况下进行精确的计算。但在过去的30年中,对哥本哈根诠释的拥护受到一些削弱。据调查表明,虽然它仍受到许多物理学家的支持,但现在也有一些拥有大量支持的其他诠释。

量子力学的核心,有一个巨大的深洞

○ 多世界诠释。| 图片来源:Max Tegmark

在这些替代方案中,其中最著名的就是量子物理学的“多世界诠释”,它指出薛定谔方程总是适用,且波函数永不坍缩。因为宇宙会不断地分裂,每一个事件的每一个可能的结果都发生在“多重宇宙”的某个地方。另一种替代方案是导航波理论(又被称为“德布罗意-玻姆理论”),它所陈述的是量子粒子在它们的运动中会受到波的引导,并且反过来粒子还可以对远处的波施加超光速的影响(尽管这不能用于发送比光速快的能量或信号)。

这两个思路为现实提供了两种截然不同的描述,但它们都与我们所知的量子力学的数学完全吻合。还有一些替代理论对量子物理的数学进行了修正,例如自发坍缩理论,它认为波函数的坍缩与测量无关,而是一个完全随机发生的自然过程。

量子力学的核心,有一个巨大的深洞

○ 2011年,在一次会议上,有33位科学家被邀请对最喜欢的量子力学诠释进行投票。有42%的人选了哥本哈根诠释,18%的人选了多世界诠释。| 图片来源:M. Schlosshauer et al.

还有很多其他的理论。量子基础——这一解决量子理论中的测量问题和其他基础问题的领域,是一个生机勃勃且充满创造性思维的主题。虽然在量子物理学核心,那个洞仍然存在,这些难题仍待解决,但是物理学家已提出许多有趣的理论来解决这些问题了。这些想法或许可以指出物理学中其他问题的前进方向,例如,自阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)以来一直被物理学家作为终极目标的“万有理论”——量子引力理论。

虽然能否实现这一目标仍有待观察,但长久以来被哥本哈根诠释所掩盖的问题终于得到了应得的关注。而试探这个量子洞的深度,或许有助于我们探索出一个不仅对量子世界、还有对显示本质的全新视角的理解。

文:Adam Becker

原文首发于https://www.npr.org/sections/13.7/2018/03/20/595286482/the-puzzle-of-quantum-reality。略有修改,中文内容仅供参考,一切内容以英文原版为准。

附2

论爱因斯坦-玻尔争论之症结

北京大学  王国文

摘要:文中摘引了爱因斯坦和玻尔争论中各自的主要观点和论断。争论有多个焦点,指出关键焦点在于量子现象的不可分性与量子实体的可分离性。很多人相信已经有实验做了谁是谁非的裁决,这种看法系以讹传讹。这里讨论了量子行为的起源和探索他们争论之症结,指出症结在于对量子行为的起源缺少意识。我们看到,两位巨人都对微观粒子的行为有着特别深刻的洞察,各自观点中都包含着深奥真理成分。认识他们争论之症结和他们坚持的真理,不仅具有深刻的科学意义,事实上,对把握当前量子应用技术开发的方向也非常重要。文章强调,创新寄托于子虚乌有的“量子非定域性”和“波函数坍缩”是危险的,势必实事一项无成。特别指出,一切量子隐形传态的实验演示和用半反半透镜等的光子纠缠实验演示,均系违背量子力学本身涵义的肆意编造。

1. 前言
伟大人物的思想、观点、意见及他们之间的争论,都备受专家和公众关注。在物理学方面,上个世纪最著名的要算阿尔伯特·爱因斯坦与尼尔斯·玻尔的争论了。前者于1955年离世,后者于1962年故去,论战近30年。玻尔在1927年的科摩会议上提出时空描述和因果描述互补地诠释量子力学,不久,互补观点被认为是量子力学哥本哈根诠释的核心,很多人认为它是理解该理论所必需。关系到对量子力学的理解,爱因斯坦反对波函数坍缩观点,在1927年的索尔维会议上以电子的小孔衍射为例,说明这个观点与相对论矛盾。还有,他想证明一个光量子通过快门的时刻和它的能量是同时可以测准的,在1930年的索尔维会议上提出所谓光子箱的思想实验。到1935年,他与鲍里斯·波多尔斯基和纳山·罗森(EPR)企图证明量子力学的描述是不完备的,设计了在一对纠缠粒子上进行的思想实验,其中出现所谓EPR佯谬。对于EPR的论证,现在有很多人相信所谓贝尔型不等式检验实验已经做了爱因斯坦和玻尔谁是谁非的裁决,这种看法系以讹传讹,实际上贝尔不等式本身是一大谬误,后面要谈到。在EPR论证之后,爱因斯坦还对量子力学描述的完备性观点多方面提出批评。此外,这场争论还关系到对科学目的的认识。玻尔在1934年的《原子论和自然的描述》绪论中写道:“在我们的自然描述中,目的不在于揭露现象的实在本质,而仅仅是寻踪我们的多方面经验的关系。”而爱因斯坦在1936年的“物理学和实在”文中写道:“科学的目的一方面是尽最大可能理解感觉经验之间在其整体中的联系,另一方面是用最少基本概念和关系来达到这个目的。”在他们故去之后,至今这场争论还在继续。在上世纪90年代以前,争论主要限于热衷于探讨量子力学基础者、科学哲学和科学史研究者圈内,后来,由于量子信息科学的兴起而且逐渐变得热门,量子力学基础的探讨也跟着有点热闹起来,这是因为量子信息的理论不仅关系到量子力学的数学形式,而且与对它的物理涵义的认识密切相关。因此,探索两位巨人争论之症结,不仅对理解和发展量子力学本身有根本意义,而且对把握当前量子应用技术开发的方向也很重要。
这篇文章是这样安排的,下面七节的标题是:玻尔的观点和论断,爱因斯坦的观点和论断,双方争论之关键焦点,量子行为的起源,量子纠缠的定域性,双方争论之症结,争论各方持有的深奥真理成分。

2. 玻尔的观点和论断
为避免作者掺入个人偏见,介绍尽量罗列玻尔的原话。这里的某些引语可能不太好懂,在后面其它节中对它们有所解释。
在1925年海森伯和1926年薛定谔建立不同形式的量子力学之后,玻尔在1927年科摩会议的报告“量子假设和原子理论的新近发展”中提出了“互补性”观点,报告次年发表在《Nature》上。文中写道:“承认经典物理概念用于原子现象的根本局限性,是量子理论的特征。如此产生的情况有特殊的性质,因为我们的实验资料的解释根本上基于经典概念。尽管量子理论表述中有因此涉及的困难,我们即将看到,似乎理论的本质可以用所谓的量子假设表达,这个假设赋予任何原子过程以本质上的不连续性,或更确切地说,个体性,它完全越出经典理论,而由普朗克作用量子表征。…现在,量子假设意味着,原子现象的任何观察涉及与观察机构不可忽视的相互作用,因此,通常物理意义上的独立实在性既不能赋予现象,也不能赋予观察机构。…一方面,一个物理体系的态的定义,如通常理解,要求排除一切外部干扰。但是假使那样的话,按照量子假设,任何观测将不可能,而且时间和空间观念首先失去它们的直接意义。另一方面,如果为了使观测成为可能,我们容许这体系与不属于它的合适的测量机构的某些相互作用,则这体系的态的明确定义自然不再可能,而且不可能有通常意义上的因果性。就是量子理论这个性质,如此地迫使我们把联合描述经典理论的时空坐标和因果性要求看作是这描述的互补而排斥的特性,它们分别表征观测和定义的理想化。”文中以光现象对互补性作了解释:“一方面,试图按量子假设追溯光的时空传播规律,我们离不开统计考虑。另一方面,为满足作用量子刻画的个别光过程的因果性要求,不得不放弃时空描述。理所当然,时空观念和因果性观念不可能完全独立地应用。光性质的这两种观点宁可认为那是对实验证据解释的不同企图,其中经典观念的局限性以互补方式表达。”至于海森伯不确定关系式,玻尔把它“看作是时空描述和因果性要求互补性质的简单符号表示”。
玻尔把光的波粒二象性认作互补观点的实验证据。在1949年的文章“关于原子物理中的认识论问题与爱因斯坦讨论”中写道:“辐射的任何简单粒子图像显然与干涉效应不相容,干涉效应那样基本地呈现辐射现象的一个方面,它只能用波动图像描述。…在这种情况下,不可能去尝试对辐射现象做因果分析,而只能联合利用这截然不同的两种图像去估计个别辐射过程发生的几率。然而,最重要的是认识到,在这种情况下对几率规律的求助在目的上根本不同于统计考虑的熟悉应用,那种统计考虑是作为说明结构上非常复杂的力学体系的性质的实用方法。…从在不同实验条件下得到的证据,不可能综合在单一图像里,而必须在这个意义上看作互补,即仅仅现象的整体穷尽关于这些物体的可能信息。”这里的“穷尽”是指互补描述是对量子现象的完备描述。关于这个完备性,他在1958年的文章“量子物理和哲学–因果性和互补性”中写道:“强调在明确实验条件下的永恒记录作为量子论形式体系一致性诠释的基础,是与经典物理陈述中隐含的那个先决条件相对应,即事件的因果序列的每一步原则上都允许验证。[量子论]描述的完备性,也还是像经典物理所针对的那样,为有考虑一切实验安排的那种可能性所提供。”
1935年爱因斯坦等(EPR)向量子力学描述的完备性观点发起挑战,发表了标题为“量子力学对物理实在的描述能认为是完备的吗?”的文章。文中先提出理论的完备性判据“物理实在的每一个元素必须在这物理理论中有一个对应量”和实在性判据“如果对一个体系无任何方式的扰动,我们可以确定地预言(即几率为1)一个物理量的值,那么就存在一个物理实在元素对应于这个物理量。”接着论证了量子力学对实在的描述不完备。对于EPR的挑战,一个多月后玻尔在《Nature》上发表“量子力学与物理实在”短文做了回应,五个月以后在《Physical Review》上发表了一篇与EPR的同标题文章。关键之点是,EPR的实验中刻意避免“任何扰动”,玻尔要直接否定EPR思想实验中的“无扰动”简直不可能。他避开在EPR的挑战布局上对抗,而用他的互补性观点进行反驳。他考虑电子先经过隔屏上一个单缝衍射,接着又在后面放置的隔屏上的若干个狭缝上衍射,电子最后落到照相板上。玻尔认为电子与那组缝的作用,即动量交换,在观念上是不可能加以分析的,因为考虑动量交换的可能性与由所有狭缝的位置决定的达到照相板上一给定面元的几率这个事实不相容。他再改变这个实验装置,把前面的隔板悬挂起来,以便测量电子在缝上与这隔板的动量交换。测量是利用动量和能量守恒定律,由于海森伯不确定关系,为测准交换的动量,要求所有空间维的尺度和时间间隔都很大,这意味着完全去除干涉效应。他因此写道:“现在从我们的[互补性]观点看到,爱因斯坦,波多尔斯基和罗森提出的物理实在的上述判据的言词,在“对一个体系无任何方式的扰动”的表达方面,包含着一种含糊性。当然在像刚才考虑的情形中,在测量步骤的最紧要阶段不可能有研究的体系的力学扰动,但甚至在这阶段根本上存在对条件的影响问题,就是这些条件定义了关于体系未来行为预言的可能类型。因为这些条件成为任何现象描述的固有元素,对这元素才能合适地加上“物理实在的名称”,所以我们看到,上述作者的论证不能证明量子力学描述根本不完备的结论。…事实上,只是允许互补物理量明确定义的任何两种实验过程的互相排斥给新物理定律提供机会,乍一看,其共存似乎与科学的基本原理不相容。”
有意思的是,他在上述1935和1949年的文章中,对爱因斯坦等强调的“分离性”只字不提,即对“既然在测量时两个体系不再相互作用,那么,无论对第一个体系做什么事情,第二个体系都不会有实际变化”的说法不做正面回应。因为“分离”是时空描述的语言,如果放弃时空描述,“分离性”当然也就可以闭口不谈,如果谈分离,就势必落入EPR设计的圈套。值得注意的是,他在1939年的“原子物理中的因果性问题”文章中提到,爱因斯坦的“态”观念与量子力学中的态观念不同是EPR佯谬的来源。他写道:“事实上这个佯谬能在量子力学形式体系中找到圆满的解答,按照此体系,关于同这个物体曾接触过的分离的那个物体,没有“态”观念的任何明确使用被允许,直到涉及这个观念的定义的外部条件明确地被对这个从属物体的进一步适当控制所确定。”
玻尔认为不可分性(indivibility)是整体(wholeness)特性的显示,他所谓的整体性是指其中的部分间存在不可能在观念上加以分析的联系。为深入一点了解他的整体性思想,这里我们摘录了一些有关陈述。他在1952年发表的文章“医学研究和自然哲学”中写道:“那是不令人惊奇的,在不同实验安排下得到的证据,不可能以惯常方式联合。尤其是,明确的量子过程不可能被表示成事件的因果链,那是因为分出明确定义的步骤的任何细分,要求实验装置有一个与我们想要研究的现象的面貌不相容的改变。这里向我们呈现完全越出经典物理的原子过程中独具的整体特性,而且其表现形式与原子物体行为的定义中所包含的限度天然地联在一起。”在1954年的“科学和知识的统一性”文中写道:“这一[普朗克作用量子]发现揭露了完全越出机械自然观的原子过程中的整体特性,而且使经典物理理论是仅在现象描述中有效的理想化这个事实变得很明显,在那现象的分析中全部作用量都足够大以致可以将普朗克作用量子忽略。…在经典物理学和量子物理学中现象分析的基本的区别在于,前者中测量对象和测量仪器之间的相互作用可以忽略或补偿,后者中这种作用构成现象整体的必要部分。正规的量子现象的本质整体性在这种情况下得到合乎逻辑的表达,即企图对现象进行任何明确定义的细分,要求实验装置有一个与现象本身面貌不能相容的变化。”在1957年的“物理科学和生命问题”文中写道:“经典物理描述是以无限可分性要求为基础,这个要求也显然和典型量子现象中的整体特性不相容,该特性包含的意思是,任何可定义的细分都要求实验装置有一个产生新个体效应的改变。”
至此,我们再引用玻尔在去世前不久发表的文章“索尔维会议和量子物理学的发展”中的一些概括性论述:“既然在完全一样的装置中一般能观察到数个不同的个体效应,故在量子物理中对统计学的依赖原则上不可避免。而且,在不同条件下得到的且不能综合在单一图景中的证据,尽管明显大不相同,必须在这个意义上看作是互补的,即它们合起来穷尽关于原子物体的一切明确定义的信息。从这点看,量子理论形式体系全是用来推导给定实验条件下得到的观察期望值。在这一点上过去强调过,所有矛盾的消除为形式体系的数学一致性所保证,而且那描述在其范围内的穷尽性为对任何可想像的实验装置的适应性所表明。…爱因斯坦特别表示不愿意原则上放弃决定论的描述,他用一些暗示原子物体和测量仪器间相互作用更清晰考虑可能性的论据向我们挑战。…我们对此不指望可能性的回应未能说服爱因斯坦。”
互补观点是一种哲学观点,也称互补原理。它不是一种物理观点,所以“互补原理”不像叠加原理和不确定原理那样称得上是量子力学的一个原理。在玻尔自己的著作中从不称它为原理,而把它看作是一种新的普遍的认识论观点。玻尔除用互补性观点诠释量子力学,还推广应用到物理学的一些其它分支,甚至其它领域。约翰·惠勒称它是我们时代最革命的哲学观念,量子化学家查尔斯·柯尔荪称它打开理解我们生活宇宙的新篇章。

3. 爱因斯坦的观点和论断
这里的介绍也尽量罗列爱因斯坦的原话,有利于读者自己分析判断。爱因斯坦一生耿耿于怀量子力学描述的不完备性,关于这一点,在他的文章、报告、通信、谈话中常要论及,请参阅许良英和范岱年两位学者编译的《爱因斯坦文集》第一卷。除容易找到原文的资料外,这里有许多引语直接摘自这个文集。爱因斯坦在1953年纪念马克思·玻恩退休的文章开头写道:“目前形势的特点,我看是:对于[量子]理论的数学形式体系是无可怀疑的,但是对于它的陈述所作的物理解释却不能那样说了。psi函数究竟同一个具体的一次出现的状况有什么关系呢?也就是说,psi函数同单一体系的单个状况有什么关系呢?或者说:psi函数关于(单个的)“实在状态”究竟说了些什么呢?”文末强调:“物理学必须努力求得单个体系的实在描述,这一观念是绝对无法避免的。”他一生也常提那个EPR佯谬,在1953年12月给玻恩的信中说:“在空间一个部分中所进行的测量,居然会决定以后对空间另一部分所进行测量的预言的性质(空间中远离体系各部分的耦合)。”在1954年一月给玻恩的信的附件中又说:“我的断言是这样:psi函数不能认为是对体系的完备描述,而只是一种不完备的描述。换句话说:单个体系有一些属性,它们的实在性谁也不怀疑,但是用psi函数所作的描述并没有把它们包括在内。”
这个完备性问题与物理实在的观念有关。关于世界的实在性,爱因斯坦在1931年发表的纪念文章“麦克斯韦对物理实在观念发展的影响”开头就说:“相信有一个离开知觉主体而独立的外在世界,是一切自然科学的基础。”在1940年的文章“关于理论物理学基础的考查”中讲到:“有些物理学家,包括我自己在内,不能相信我们竟然必须永久放弃在空间和时间里直接表示物理实在的想法;或者説,不能相信我们必须接受这样的观点,说自然界中的事件类似于靠碰运气取胜的游戏。”在1949年回答批评的文章中写道:“以“感官印象”(及其回忆)为一方,以纯粹的概念为另一方,二者之间的区别是观念上的基本区别,它是科学思想和前科学思想的必要前提。…为了克服唯我论,我们需要做这种区别。…物理学中的“实在”必须被看作是一种纲领,然而我们并不被迫先验地抱住它不放。在“宏观”领域里,大概没有人会倾向于放弃这个纲领(…)。但是,“宏观”和“微观”是如此相互联系着,以致单独在“微观”领域中放弃这个纲领似乎讲不通。我也不能在量子领域的可观察事实范围内的什么地方看到有这样做的任何机会,但除我们真的先验地抱住这个论点不放之外,即量子力学的统计方案对自然的描述是终极的。”在1950年给维斯康特·塞繆尔的信中说:“断定“实在”独立于我的感觉而存在是理智构造的结果。我们恰好相信这种构造,要超过用我们的感觉所作的那些解释。由此使我们相信“那几棵树在能被我们知觉到它们以前很久就已经存在着。”他在1952年祝贺路易斯·德布罗意60岁生日的文章中谈到:“像物理体系的“实在状态”这样的事是存在的,它不依赖于观察或测量而客观地存在,并且原则上是可以用物理的表述方法来描述。当然究竟应当采用什么合适的表述方法和基本概念呢?(质点?场?还是首先要规定方法?)在我看来,现在还不知道。”
关于光量子,由于具有波动性,爱因斯坦认为它不同于质点,对它的本性曾提出一些探讨性意见。早在1909年,他在讲演“论我们关于辐射的本性和组成的观点的发展”中谈到:“我总是认为,目前最自然的观点是:光的电磁场的出现是同奇点相联系的,就像静电场的出现遵循电子理论一样。不能排斥,在这样的一个理论中,电磁场的能量,可以看作是定域于这个奇点,完全像过去的超距作用理论那样。我设想,也许每一个这样的奇点都被一个力场围绕着,这种力场在本质上具有平面波的特性,而其振幅随离奇点距离的增长而减小。”在1936年的文章“物理学和实在”中写道:“事实上,到目前为止,用不带奇点的场的理论来描述微粒,我们还未取得成功,而且我们不能先验地断言这种实体的行为。但有一件事是肯定的:如果有一种场论对微粒终于做出了不带奇点的表示,那末这些微粒在时间上的行为,就唯一地由场的微分方程来决定了。”在1938年与里奥波德·英费尔德合著的《物理学的进化》中写道:“最大部分的能量集中在实物之中;但是围绕微粒的场也代表能量,不过数量特别微小而已。因此我们可以説:实物便是能量密度特别大的地方,场便是能量密度小的地方。”关于对新量子论的期望,他认为,引力理论(非线性理论)方面的经验指示了方向,在1946年的文章“自述”中写道:“这样的线性规律遵守其解的叠加原理,因此不包含元构成物的相互作用的陈述。真正的规律不会是线性的,也不能从这样的线性规律获得。”至晚年,爱因斯坦对光量子的本性还是不清楚,他在1951年给米歇尔·贝索的信中説:“整整五十年的苦思冥想, 没有使我更接近于解答‘光量子是什么’这个问题。”
量子力学描述的完备性问题,还与对统计性规律和因果性的认识有关。他在1926年给玻恩的信中説:“量子力学的确是冠冕堂皇的。但是内心声音告诉我,它还不是真实的东西。这个理论讲得很多,但是实在没有使我们更接近‘老天爷’的秘密。无论如何我确信他不在玩骰子。”在1928年的一次讲演“物理学的基本概念及最近的变化”中,谈了对统计性理论的理解,例如对分子气体,“直到最近还没有谁怀疑过,气体分子相互之间以及气体分子同容器壁之间碰撞的准确的定律,是这种规律性的基础。…统计性定律只是把严格的因果性定律和被考查体系原来的实在状态的不完备知识或不准确估计组合起来的结果。”并且表示:“我的科学本能反对放弃严格的因果性。”他在1932年同詹姆斯·墨菲的谈话中说:“他[普朗克]承认在目前情况下,因果原理不可能应用到原子物理学的内部过程上去;但他断然反对这样的命题:我们由这种不适用性(Unbrauchbarkeit)所得到的结论是,外界真的不存在因果过程。在这里,普朗克实际上并没有提出任何确定的观点。他只不过反对某些量子物理学家的强词夺理主张;在这里我是完全同意他的。”
在1930年的索尔维会议上爱因斯坦提出所谓光子箱的思想实验,企图证明一个光量子通过快门的时刻和它的能量(或重量)是同时可以测准的。玻尔认为爱因斯坦企图用这种思想实验置海森伯不确定关系于死地,挖空心思予以反驳,以至动用广义相对论,以其人之道还治其人之身。保罗·埃伦费斯特在访问爱因斯坦后,1931年7月写信给玻尔,告知爱因斯坦的这个思想实验不是为了否定不确定关系的有效性。信中説:“他[爱因斯坦]对我説,他已经很久绝对不再怀疑不确定关系了,因此,例如,决不会发明那个“可称重的闪光箱”(简称L-F-Box)“反对不确定关系”,而是为了完全不同的目的。”但他未讲目的到底是什么。
爱因斯坦曾以多种方式论证量子力学的描述不完备,最著名的是所谓EPR论证。EPR论文中提出一个思想实验,考虑一个安排使得在其中能够用观测和理论推断一个体系同时具有精确的动量和位置,即设计企图证明物理体系具有量子力学不能决定的同时性质,借此证明这个理论是不完备的。他们提出一个完备理论的必要条件:“物理实在的每一个元素必须在这物理理论中有一个对应量。”关于如何判断一个物理量的实在性,他们提出一个充足条件:“如果对一个体系无任何方式的扰动,我们可以确定地预言(即几率为1)一个物理量的值,那么就存在一个物理实在元素对应于这个物理量。”他们考虑一个力学体系由两个体系1和2组成,在分离前曾有过暂短的相互作用,这合成体系的波函数为psi(x1,x2)。按量子力学,在体系1上的测量必然对体系2有影响(所谓EPR关联),例测量1的粒子的位置会对粒子2的动量有影响。他们设想,如果两个同样的粒子开始从一个地方以同样的速度向反方向运动,则在某时刻测量粒子1的位置,就能预言粒子2的确定位置,如果测量粒子1的动量,就能预言粒子2的确定的动量,这表示对粒子2未作任何扰动就得知它的确定位置和确定动量,满足实在性条件。既然它们都是独立实在的,粒子2的动量决不会受粒子1的位置测量的影响。因此被迫得出结论:“波函数对实体提供的量子力学描述是不完备的。”EPR思想实验给量子力学添上一个佯谬,他们在文中说:“作为在第一个体系上进行的两种不同测量的推论,第二个体系可以处在两个不同波函数的状态中。另一方面,既然在测量时两个体系不再相互作用,那么,无论对第一个体系做什么事情,第二个体系都不会有实际变化。这当然只不过是两个体系之间不存在相互作用这个意义的一种说法而已。”爱因斯坦在1946年文章“自述”中表示“坚定不移地认为”:“体系S2的实在状况与我们对那个在空间上同它分离的体系S1所采取的行动无关。”
EPR文章由波多尔斯基执笔,据悉在稿件投出之前爱因斯坦没有看过,事后他表示对写法有所不满。他在1936年的“物理学和实在”文章中表达了自己对物理实在的认识,其中不提那个实在性判据和实在元素。关于实在性,他写道:“与心理学截然不同,物理学只直接论及感觉经验和对它们之间的联系的“理解”。但是,甚至连日常思维中的“实在的外在世界”这一概念也完全是以感觉印象为根据的。…我相信,在建立“实在的外在世界”时,第一步是形成有形物体的概念和各种不同的有形物体的概念。在我们的许多感觉经验当中,我们在内心任意地取出某些反复出现的感觉印象的复合(部分连同被看作别人感觉经验记号的感觉印象),并且赋予它们一个意义–有形物体的意义。…第二步见之于这样的事实,在我们的思维(它决定我们的期望)中,我们赋予有形物体这个概念以重要意义,它高度独立于那个原来产生这个概念的感觉印象。这就是我们在把“实体的存在”赋予有形物体时所指的意思。”关于完备性问题,他写道:“也许以前从来没有一种理论发展成像量子理论那样,能对如此庞杂的一群经验现象提供解释和计算的钥匙。尽管如此,我却相信这理论在我们寻求物理学的统一基础时,容易诱骗我们陷入错误,因为在我的信念中,它是对实在事物的不完备表示,虽然它是仅有的一种能够用力和物质质点这些基本概念建造起来的理论(对经典力学的量子修正)。这种表示的不完备性必然导致定律的统计性(不完备性)。”他做了如下说明。考虑薛定谔方程的一系列周期解(能量本征解),设体系最初处在最低能量的态,在有限时间里受一个小的干扰力,由薛定谔方程我们得到的下一时刻的函数psi是那些周期解的叠加,系数是(复数)常数。如果周期解是“归一化”了的,那么最低能量态的系数的绝对值是接近于1,其余态的系数的绝对值同1相比是很小的。现在问,psi是不是描述体系的一个实在状态?如果是肯定的,那么我们除了给这个状态以一个确定的能量E,简直不能有别的做法。具体地说,E这个能量要比最低能量稍微大一些。但这样的假定同弗朗克和赫兹所做过的电子碰撞实验矛盾,要是我们考虑到密里根关于电的分立本性的证明的话。事实上,这些实验导致这样的结论:在那些量子数值之间的能量数值是不存在的。由此得知,我们的函数psi无论如何不是描述体系的一个均匀状态,而只不过是表示一种统计的描述,那里的系数表示单个能量数值的几率。经这番论证,他说:“psi函数无论如何不能描述会是单个体系状态的一个状态;不如说它与多个体系相关,从统计力学上的意义说,就是与一个“系综”相关。如果说,除去某些特殊情形,psi只提供可测量的量的统计数据,其理由不仅在于测量操作带进了一些只能在统计上掌握的未知因素,而且也因为psi函数在任何意义上都不描述单个体系的状态。不管单个体系有没有受到外界的作用,薛定谔方程都决定着系综所经历的时间变化。”爱因斯坦的这个观点被称为量子力学的系综诠释。
他在1948年的文章“量子力学和实在”中表示倾向于相信这个观点:“这个(自由)粒子实际上具有确定的位置和确定的动量,即使它们二者不能在同一个体情形中由测量来确定。按照这一观点,psi函数体现实在事态的不完备描述。”并认为:“有朝一日终究要被一种更加完备更加直接的描述所代替。”他在1948年给玻恩的信中谈到:“如果一个物理体系铺开在空间A和B两个部分,那么在B中出现的东西应当以某种方式存在,而无关于在A中出现的东西。在B中实际出现的东西因此不会依赖于空间A部分中进行的测量的类型;它也应当无关于空间A中究竟是否进行了测量。如果我们坚持这个纲领,那么就简直不能把量子理论的描述看作是物理实在的东西的完备表示。然而,如果我们企图把它看作是那东西的完备表示,那么就不得不假定,由于在A中的测量,B中物理上实在的东西要经受一次突然的变化。我的物理学本能对那种意见非常恼火。可是,如果我们抛弃这样的假定,即在空间不同部分出现的东西真正独立存在,那么,我完全不明白要物理学描述的是什么东西。”
他在1949年回答批评的文章中写道:“两位作者[泡利和玻恩]不赞成我拒绝现时统计性量子理论的基本观念,因为我不相信这个基本观念会给整个物理学提供有用的基础。…他们[玻恩、泡利、海特勒、玻尔和马格瑙]坚定地相信,一切粒子的二象性(粒子性和波动性)之谜已在统计性的量子理论中根本上找到了最终的解答。凭借这理论的成功,他们认为它证明了,一个体系的理论上完备的描述根本上只涉及关于这体系的可测量的量的统计断言。…事实上,我坚定地相信,现时量子理论本质上的统计特征完全是由于这种[理论]是以物理体系的不完备描述运作。”在文中,他以放射性原子为例作了说明:“就初等量子力学意义上说,[放射过程]要由三维的psi函数来描述,在t=0时,它只在势垒内异于0,但它随时间扩展到势垒外的空间。这个psi函数能提供粒子在某一选定时刻实际处在空间某一选定位置的几率(即通过位置测量实际发现它在那里的几率)。然而,psi函数不包含关于这个放射性原子的衰变时刻的任何断言。现在我们提出这样一个问题:这种理论的描述能认为是关于单个原子衰变的完备描述吗?最近乎合理的回答是:不。原来首先我们倾向于假定单个原子是在确定时刻衰变的;可是,这样一个确定的时间值并不包含在用psi函数的描述之中。如果单个原子因此有一个确定的衰变时刻,那么对单个原子用psi函数的描述就必须解释为一种不完备的描述。在这个情形中,psi函数应当认为不是关于单独一个体系的,而是关于多体系的理想系综的描述。在这个情形中,我们不得不相信单个体系的完备描述终究应当是可能的;但是,在统计性量子理论的观念世界里,无这样的完备描述存在余地。”关于互补原理,爱因斯坦在这文章中写道:“尽管我在它上面花费了很大精力,我还是未能得到玻尔互补原理的清晰表述。”
爱因斯坦的好友卡尔·波普尔在《无尽的探索–卡尔·波普尔自传》(邱仁宗译)中写道:“有一个广泛流传的神话说,玻尔在他同爱因斯坦的争论中获得了胜利;大多数有创见的物理学家都支持玻尔,并且同意这个神话。但是两位最伟大的物理学家德布罗意和薛定谔却很不满意玻尔的观点(后来被人们称为“量子力学的哥本哈根诠释”),他们按照一条独立的思路工作。第二次世界大战后,又出现了若干重要的对哥本哈根学派持不同意见者,特别是玻姆、邦格、朗代、马格瑙和维日耶。”

4. 双方争论之关键焦点
以上分别介绍了两位巨人的主要观点和论断,从中可以看到他们争论有多个焦点,至于哪个是关键焦点,不同学者可能有不同意见。因为争论是由物理问题引起,所以我们要从物理上去看他们争论的关键焦点,而且看哪一点是决定性的。玻尔从1927年起,一直强调原子现象的任何观察涉及与观察机构不可忽视的相互作用,或者説,不可能把原子的行为和与供定义现象出现条件的测量仪器的相互作用明显分开,即测量仪器与测量对象有着根本的不可分性,因此,他认为现象和观察机构都无独立的实在性,而且必须放弃时空和因果联合的描述方式,而代之以二者的互补描述,并认为互补描述是对量子现象的完备描述。可见,玻尔的观点的基础是那种不可分性。另一方面,爱因斯坦不承认测量仪器与测量对象的不可分性,认为描述物理实在的时空和因果观念不能放弃,它们在宏观物理学和微观物理中都应当适用,而且认为量子力学对物理实在的描述是不完备的。他断言,如果两个体系已停止相互作用且远远分离,那么,无论对第一个体系做什么事情,第二个体系都不会有实际变化,这个思想被称为分离性原则。而玻尔认为,对一对粒子中的一个粒子做某个物理量测量后能预言另一个粒子的物理量,而换一个物理量测量时要改变实验条件,这时对另一个粒子的预言和实在情况已经改变,所以不可避免存在实验条件改变所引起的影响。也就是说,爱因斯坦认为量子力学的数学形式体系意味着对已分离的一对纠缠粒子A和B,触动A会对B有影响,但认为这不可能是真实的事实,因为那是违反实体的分离性原则的。玻尔认定该形式体系含有这种影响,认为这是真实的事实,这种影响是量子现象不可分的整体性的表现。由此我们看到,玻尔的量子现象不可分性观点与爱因斯坦的量子实体可分离性观点是争论的关键焦点。这个焦点明显表示在爱因斯坦1949年的回答批评的文章中,爱因斯坦声称把玻尔的意思换成自己的话说:“如果两个局部体系A和B形成一个总体系,这个总体系是由它的psi-函数psi/(AB)来描述,那就没有理由应当把任何互相独立的存在(实体的状态)赋予分开考虑的局部体系A和B,即使这两个局部体系在考虑的特定时间在空间上彼此分离,也无理由。因此,在后一种情况下,B的实在状况不会受对A进行任何测量的(直接)影响的这种断言,在量子理论的框架里是没有根据的,而且(如这个悖论所示)是不能接受的。”
曾有无数物理学家和哲学家研究过和讨论过这两位巨人的争论,重重迷雾尚未拨开。要从根本上调解他们的争论十分困难,特别是要调和量子现象不可分性与量子实体可分离性相冲突的观点。这种冲突与量子力学的诠释有关,然而,现时流行的种种诠释,无一有助于缓和他们的对立。下面我们来讨论量子行为的起源和探索他们争论的症结,看是否能终结他们及其两派的论战。

5. 量子行为的起源
为探求量子行为的起源和诠释量子力学,我们免不了要去猜想量子力学数学形式体系背后潜在的量子实体和潜在的变量。曾经有各种各样关于量子力学潜变量不可能存在的证明,指出不发散态不可能存在。无疑量子力学波函数不可能线性叠加出绝对不会发散的态,但是事实上一个电子或一个原子是稳定的,所以潜变量不可能存在的结论很可能其根据偏面或证明绕同义反复的圈子。量子力学是线性理论,可是要做出一个满足线性方程的像粒子的不发散波包似乎束手无策,无路可循,几乎令人绝望,因而有人把眼光转向非线性理论,特别是德布罗意本人和他的巴黎学派。爱因斯坦也有这个倾向,在他看来,真正的规律不会是线性的,也不能从这样的线性规律获得。自然,我们最容易想到的潜变量是粒子的位置、动量和角动量,而且认为理论中出现的物理量是这类潜变量统计平均的结果。事实上,这类潜变量理论包括戴维·玻姆理论都未能解决量子力学诠释问题和量子测量问题,这或许暗示把这些量当作潜变量不是解决问题的出路。
关于潜变量的类型,我们可能忽视了一个大的方面,从波动方面看,波作为变量也可以是潜的,这个想法发表在1988年的文章“超短光脉冲和光子概念”中(见 Proceedings of SPIE,V.1032,428-431)。我们不妨假设,满足爱因斯坦-德布罗意关系式(能量-频率关系,动量-波长关系)的波在量子理论中是“显的”,不满足的是“潜的”,这个假设使做出满足线性方程的不发散波包成为可能。事实上,数学上极其简单,物理上直观明了,在相对论框架内,由无限多个原始简谐波可以等权叠加出极窄的、满足线性方程的、不发散的波包–初级波包(简称初包),这种初包可以描述自由的微观粒子,其中与粒子的动量和能量关联的特征分量就是我们熟知的波函数。因为动量和能量依赖于惯性参考系,所以在无数分量中哪个是特征分量依赖于参考系的选择。在量子理论中唯独这种特征分量是“显的”,其余分量都是“潜的”,但是这理论中“显的”波又是不可观测的,在观测中可能显露的无非是初包–量子实体。考虑到电子和光子有自旋,已知狄拉克电子有四个关联的特征分量(波函数),光子有六个关联的特征分量(电磁波)。光脉冲或德布罗意波包是那些特征分量叠加成的次级波包,原则上要发散是其特征。微观粒子的初包模型意味着实在性、决定性、因果性、定域性和完备性,这是量子力学诠释的五大症结,为长期纷争的焦点。显然,这里的潜波是量子实体的组分,而不是参与平均的随机潜变量。戴维·玻姆认为:“也许我们现在的量子力学平均是还未直接探测到的潜变量的表现形式。”约翰·贝尔认为:“psi描述的量子力学态由对lambda[代表潜变量的参数]的均匀平均得到。”看来他们两人都在一味依赖潜变量统计平均诠释量子力学这点上犯了原则性、方向性错误,以致出现贝尔不等式理论的谬误。
量子力学的潜波诠释看来在逻辑上无懈可击,然而逻辑只管对错不管真伪,是真是伪则至少要看它的物理推论或对量子现象的解释是否合理。推论或解释有:
(1)在照相板上、威尔孙云室中和光电探测器上显示的都是初包峰的被放大的痕迹。
(2)一个光子的能量就是光子初包的能量,初包的特征分量的频率乘普朗克常数代表它的能量,这就直接了当解释了光电效应,即光电效应是能量取决于频率的光子初包与电子初包交换能量的结果。
(3)光波的多普勒效应解释为在不同速度的参考系中以特征分量名义出现的傅里叶分量在更换,而不是某个特征分量本身在随着参考系的改变而变化。
(4)微观粒子在半反半透镜上发生的情况为:初包含峰片的反射和不含峰片的透射,或者,含峰片的透射和不含峰片的反射。这就排除了违背因果律的波函数坍缩和前因后果颠倒的惠勒延迟选择效应。
(5)微观粒子经过快门时,初包的峰外相当大部分被切除,使其能量发生相当程度的随机变化。
(6)量子衍射起源于初包峰外部分被切割对峰运动轨道的影响,量子干涉起源于初包的不含峰片对含峰片的作用,这就避免了波动性与粒子性在认识上的对立。
(7)光子的互干涉,是一个光子初包的含峰片与另一个光子的非含峰片在重叠时,由耦合(共振)作用引起了的干涉。
(8)量子在势阱中零点能起源于初包峰外部分的存在及其自干涉。
(9)在原子中,电子初包的峰外部分引起的自干涉决定初包峰的量子化轨道运动。
(10)量子隧穿起源于初包的峰外部分对峰的自作用使得粒子有一定几率跳过势垒,这时粒子动能涨落的均方根与经过透入深度的时间涨落的均方根满足能量~-时间不确定关系式。这个解释避免了隧穿粒子的虚动量和负动能悖论。
(11)量子纠缠起源于初包的含峰片与其它初包的不含峰片由某种物理作用引起的不可分割的融合,远离的纠缠粒子间不存在神秘的隔空影响(所谓非定域性)。要区分融合前后的粒子编号,对融合后粒子间的作用力,在量子力学中用融合前的粒子编号来计算的,故出现所谓的交换力。
(12)波函数的叠加原理意味着,初包的峰含于叠加的成分之一中,其余成分全是(准)空的,因此粒子的个体性与波的叠加性无逻辑上的矛盾。
(13)海森伯不确定关系意味着初包的峰外部分和不峰片所起的作用有一定程度的不确定性,因这些部分是受外部条件制约,而外部的作用有一定的复杂性和随机性,例如,用一个夹子夹住一个粒子时几乎把初包的峰外部分全切掉,使动量和能量发生随机变化。
(14)玻恩几率是量子实体的显露几率,原来初包的峰会被不含峰片不同程度的干涉性隐藏或凸显。
(15)环境和测量不仅对初包峰发生有形的作用,也对峰外部分和不含峰片发生无形的作用,它们只会影响量子的相干性形式,不会影响量子的相干本性,即环境和测量无消相干作用。
(16)初包是物质存在的基本形式,场是它的特征性属性。如果说,场是物质存在的基本形式,粒子是场的量子,这就颠倒了对象与属性的关系。
(17)关于粒子的自旋,按麦克斯韦方程,光子波包一般有互相关联的6个特征分量,决定它的自旋量子数为 1,而电子波包,按狄拉克方程,一般有互相关联的4个特征分量,决定它的自旋 量子数为1/2。
(18)量子统计学中普朗克元胞h的三次方意味着,每个量子不仅其初包的峰(粒子性)参与统计,峰外部分(波动性)也参与统计。
(19)初包的不含峰片和峰外部分不能单独观察到,它们的效应必然表现在统计性的观察结果中,这说明为什么黑体辐射的普朗克统计解释是通向发现作用量子的顺畅捷径,也说明紧接薛定谔方程的发现会出现波恩的操作性统计解释。
(20)由量子的初包模型看,牛顿力学和量子力学对物理实体的描述都是不完备的,各有自身的适用范围,适用于介观物体运动的完整力学有待发展。
显然,这里量子力学潜波诠释的推论或对量子现象的解释,名正言顺,一通百通,量子佯谬和悖论荡然无存。这些推论表示波粒二象性可以完全综合起来,实现爱因斯坦的遗愿。也可以说,这个综合根本上消除了牛顿的微粒说与惠更斯的波动说的对立。
还有,可以推论,宏观物体的经典特性来源于外层物质对内部物质的物质波的几乎完全屏蔽。介观物体(纳米物体)的特性来源于外层物质对内部物质的物质波的部分屏蔽,屏蔽的程度决定物体量子性到经典性的过渡,不是所谓的外部环境的消相干作用决定量子性到经典性的过渡。大物体或大颗粒物体的整体运动完全遵守经典力学,也不是因为这时普朗克常数h“趋于零”,常数照样那么大,而是因它对整体运动的作用已经完全被屏蔽掉。
而且,从相对论和初包模型已经很清楚,对于一个速度为v的实物粒子(初包),莱布尼兹“活力”(pv=mc^2-内能=真动能,这里“^2”表示二次方)决定的特征分量的相速度严格地等于粒子的速度,慢速运动粒子的机械动能(近似pv/2=pv减去近一半变成的内能)决定的(名义)相速度近似等于粒子速度的一半,而相对论能量mc^2决定的三维(赝)相速度(c^2/v)是超光速的。后者不是波阵面沿波矢方向的传播的速度,而是它们与三维空间坐标轴的交点的移动速度,正像手电筒在地面上的光斑能超光速恍动。至于为什么我们发现有这样的情景,我们人是实物,光不像实物,运用哲学思辨,设想“我”是一个“光怪”,“我”会“看到”些什么,也就是说,如同用日心说代替地心说一样,我站在光的立场能说些什么,那时,你这个实物人在“我”看来只会在“我”所在的空间中以光速运动,正如王国维的《人间词话》中所言:“有我之境,以我观物,故物皆著我之色彩。”。这也意味着好像光与实物具有表象对称性,即他所谓:“无我之境,以物观物,故不知何者为我,何者为物”。因此,相对论和初包模型提供对光和实物的统一认识,也把相对论和量子论二者融合起来。现在国内外流行一种说法:所谓“量子纠缠",是指不论被纠缠的两个粒子相距多远,操纵一个粒子都会即时影响另一个粒子。这与相对论矛盾。前面的推论(11)表示这种说法混淆虚实、颠倒远近,大错特错,相对论与量子论的融合不成问题。
看来,谁如果对莫名其妙的波函数psi和算符有受煎熬的感觉,也许最好是承认初包的峰、峰外部分、含峰片、不含峰片和其特征分量在量子世界里扮演戏剧角色–表演:半反半透呀、衍射呀、干涉呀、隧穿呀、纠缠呀、散射呀、共振呀、跃迁呀等等。至于初包的峰外部分和不含峰片是些什么玩意儿,既然它们的合成振幅已经近乎零,还能指望有什么作为?不过我们清楚记得,峰外部分与峰有共同的特征分量(相同的psi),包含的成分数目无异,只是前者各成分的位相不齐,它们好比一群步伐不齐的散兵,一旦归队,活力仍不可小觑。虽然我们没有先验理由断定初包的峰外部分和不含峰片具有活性,但是在无数量子现象面前恐怕不得不承认其作为,没有这种活性就没有量子世界。
在上面推论(4)中的半反半透镜的作用,可以这样来设想,比如用对入射光几乎全反射的金属做一个窗格,大量微小格孔都是正方形的,设孔的尺寸比光的波长大得多,并使窗格总的反射率为百分之五十。这时一个光子初包的峰如果碰到格架,它就被反射,与此同时,初包的峰外部分被分割出一半跟着反射,另一半(不含峰片)透射。如果不碰到格架,初包的峰就透射,峰外部分被分割出一半跟着透射,另一半(不含峰片)反射。由此可见,波函数坍缩是一种多余假设。实际常用的半反半透镜是利用金属膜或介质膜制成,称光分束器。光分束器是线性光学器件,不管结合任何光电探测装置–妄想使波函数坍缩,都不能起纠缠光子的作用。
经典的点粒子观念对量子力学的理解极为有害,它反映对初包峰外部分和不含峰片的忽视,使得合理解释量子的衍射、干涉、隧穿和纠缠等现象成为不可能,直接导致量子力学的诠释问题。经典的波观念对量子力学的理解也极为有害,它不区分非空波和准空波,即反映对初包的含峰片和不含峰片不同性质的忽视,使得无法避免矛盾去解释上述那些现象,直接导致量子力学的测量问题,包括引入波函数坍缩假设的谬误。经典的点粒子观念和经典的波观念会引起种种量子佯谬或悖论,例如,玻姆要求爱因斯坦澄清其观点中所蕴涵的如下悖论:如果对粒子进行测量以前,粒子是在容器内往复运动着的,它“怎么能够以有限速度通过psi=0的那些点,而在这些点处找到粒子的几率依然为零呢?”这类“节点佯谬”在原子的电子态中最为常见。这种佯谬其实不难解决,玻恩几率是操作性几率,例在光驻波节点处,该光子由于自干涉使得与其它物质(例1890年Wiener实验用的几乎透明的感光乳胶)无作用,所以该光子在驻波节点处只是不显现而已,原来操作性的量子几率|psi(x)|^2(玻恩几率)一般不等值于量子的实在几率(初包峰的实在几率)。因此我们可以説,量子既不像经典的波,也不像经典的粒子,而是像一个不会发散的波包–初包。
对于波粒二象性的认识,要知道粒子的位置和动量同时具有精确值的观点与海森伯不确定关系并不矛盾。例如,在极弱光的极小孔衍射实验中,在感光板上出现的一个斑点代表一个光子的反应,作为放大像的斑点的大小与感光乳剂的银盐颗粒大小有关,斑点中心原则上有精确的位置,而且从该位置值可以算出那个光子衍射偏离的精确角度,从而知道那个光子的精确动量矢量,所以我们可以说,粒子同时具有精确的位置(初包峰的位置)和动量。而海森伯不确定关系是说,孔愈小,即光子在孔内的位置不确定度愈小,则动量矢量的不确定度愈大,对应于光子偏离角的不确定度愈大,因此这个不确定关系与粒子本身同时具有精确位置和精确动量的观点并不矛盾。类似的情况发生在1930年爱因斯坦提出的光子箱思想实验中。那里快门(时间缝隙)相当于衍射实验中的狭缝,如果用弹簧称测量光子箱的重量,弹簧称所连的指针读数相当于感光板上斑点的位置。比如说,时间缝隙非常小,光子的能量不确定度变得非常大,则在某一个光子通过快门之前和之后,弹簧称前后两个读数之差值可能会相当大,该值表示逸出光子的重量(等价的能量),这里的读数误差相当于感光板上斑点的弥散程度。多次测量结果的分布应当遵守能量-时间不确定关系式。当年玻尔用广义相对论的反驳是离谱的,第一,这里的时间不确定度就是快门的开启时间,而不是由重力势变化引起的时间变化,第二,在反驳的推理中,对宏观的箱子用位置和动量的海森伯不确定关系式是没有道理的,这涉及对量子力学到经典力学的过渡的认识,过渡问题将在后面讨论。
现在事情变得很清楚,量子力学数学形式体系中出现的x和p并非粒子的坐标{x}和动量{p},它们仅仅是粒子的位置算符和动量算符的本征值。位置算符的本征态是次级波包,它的峰位于x,而{x}是初包的峰的位置;p是平面波表示式中出现的动量参数(本征值),而{p}是初包的动量。粒子同时具有坐标{x}和动量{p},但显然不能同时处在位置算符和动量算符的本征态,因而不能同时有本征值x和p。例如在x处用一个夹子夹住一个粒子(初包),这一操作好像使它进入一个无限窄的势阱,这时它的本征态是一个次级波包,本征值是x,而p变得不确定({p}的值是随机的)。显然这个x与{x}相等,所以可用这种方式测得粒子的精确位置。另一方面,要测量{p},只要不破坏长长的平面波列,测得的精确的p等于{p},但x是不确定的({x}是随机的)。所以在多大程度上能测准{x}和{p},视具体的测量方式而定。能量和时间一对量的情况类似。混淆位置算符本征态(次级波包)与量子实体(初包)是最易犯的错误,例如,波函数坍缩假设和冯·诺伊曼用态矢投影描述测量过程都出自这种混淆。
现在我们有可能来分析玻姆的量子力学潜变量诠释。在双缝干涉实验中,玻姆认为粒子是穿过一个狭缝的,干涉条纹的产生归于经过另一个狭缝的波所决定的量子势的作用,这个解释直观且合乎逻辑。常听说一个粒子是同时通过双缝的,或者説一个粒子是既在这里,又在那里,这些说法都是违背形式逻辑的排中律(A或非A)。从潜波诠释来看,真相是,初包的含峰片穿过一个狭缝,它的一个不含峰片穿过另一个狭缝,干涉条纹的产生归于这两片间的干涉。这里的不含峰片就是量子势的载体,因此在这一点上潜波诠释与玻姆的诠释一致,这很自然,因为这两种诠释本来就都与量子力学的数学形式体系一致。然而,初包的峰的轨道是“粒子的轨道”,如前所述,它的显现的程度是有条件的,而玻姆的所谓“粒子轨道”是玻恩几率分布中的几何轨迹,所以从观念上严格来说,它不能称谓轨道,因而波姆的诠释不是真正的潜变量诠释,称为量子势诠释比较恰当。还有一点很重要,对于二粒子和多粒子纠缠体系,不含峰片的影响是定域的,这说明量子势的影响是定域的,玻姆不明量子纠缠的真相,错误地判断量子势的作用是非定域的。
现在我们有可能来分析从量子力学到经典力学的过渡情况。关于量子理论的经典极限,玻尔认为极限是:涉及的作用量比普朗克作用量子h大得多,即h可以忽略不计。而最流行的观点是:经典极限是普朗克常数h趋于零。从逻辑上看,一个量怎么可能既是常量又是变量呢。按潜波诠释思路,可以证明,对于介观凝聚态物体,海森伯不确定关系式中的h应以ah代替,a(0至1)是该物体的外层物质对内层物质的波的屏蔽参数,因此经典极限是ah中的a趋于零,不是h趋于零。可见,玻尔在反驳爱因斯坦的光子箱思想实验时,对宏观的箱子(a=0)用了对微观物体(a=1)的位置和动量不确定关系式是错误的。同样,在WKB近似方法中,h应以ah代替,按h的幂级数展开应代以按a的幂级数展开,这不仅使推演合理化,而且使此法适用于整个介观领域(0
从对量子行为起源的以上认识看,玻尔误解了波函数psi的含意。玻尔强调“量子假设意味着,原子现象的任何观察涉及与观察机构不可忽视的相互作用”,关于这种作用,我们把他的各种说法拼在一起,他的意思是,存在着一种普朗克常数蕴含的、不可避免的、不可忽视的、不可控制的、无中介的、不可能清晰陈述的作用。他从而推断,测量仪器和现象不再能明确加以划分,因而仪器和测量对象也就失去独立实在意义。所以他不把波函数psi与个别量子体系联系起来,认为psi不是描述个别量子体系的状态,而把它与实验安排的整体联系起来,认为psi是测量机构和被测量体系联合定义的状态。现在从潜波诠释,我们看到,作用的中介不是没有的,也不是不可能清晰陈述的,中介就是初包的峰外部分和不含峰片,因此不能认为测量仪器和测量对象之间存在着不能在观念上加以分析的作用。

6. 量子纠缠的定域性
一个共同的问题是:纠缠粒子间究竟存在什么性质的关联?前面已经做了回答。现在我们来仔细一点讨论量子纠缠的不可分割性和分离性问题。在BBO(beta-偏硼酸钡)晶体上通过自发参量下转换产生纠缠光子对是目前最常用的方法,它把一个紫外光子变成一对红外纠缠光子,被编号为“光子1”和“光子2”。这种编号出现在量子纠缠的数学公式中,所以我们称它们为“形式编号”。例如,制备一个纠缠态,波函数是F(x1,x2)=H(x1)V(x2)+H(x2)V(x1),H和V表示水平极化和垂直极化,这里省略了归一化系数。这二粒子纠缠态中含有四个波函数(初包的特征分量),由简单逻辑分析断定,其中必有两个是准空的。按潜波诠释,如果改用小写字母表示准空的波函数,函数F(x1,x2)分出两种情形:F1(x1,x2)=H(x1)V(x2)+h(x2)v(x1)和F2(x1,x2)=h(x1)v(x2)+H(x2)V(x1)。从波函数对粒子编号的交换对称性可见,纠缠意味着非空的H(x1)与准空的h(x2)(或H(x2)与h(x1))不可分割地相伴着,它们融合成新的体系,我们可给予新的编号S1。同样,V(x2)与v(x1)(或V(x1)与v(x2))不可分割地相伴着,融合成新的体系,给予编号S2。不同于“形式编号”,新的编号是“分离编号”,“分离编号”的两个体系在遥远相隔(类空间隔)时,不再有任何相互影响,而“形式编号”的体系因相互交融而不再能简单赋予分离意义。“形式编号”与“分离编号”容易不知不觉混淆,比如,说BBO产生一对“波数k1和k2的光子”,在这个表达里所谓的k1光子和k2光子的编号已经是“分离编号”,然而量子力学形式体系不允许这样的编号,它只允许那种“形式编号”。真相是,k1光子是“光子1”的含峰片和“光子2”的不含峰片的融合体,k2光子是“光子2”的含峰片和“光子1”的不含峰片的融合体。在量子力学形式体系中,诸如“光子1”和“光子2”的“形式编号”具有交换对称性,即该形式体系中包含对应粒子编号交换的不确定性。又如,我们常听到这样的说法:“不论两个粒子相距多远,一个粒子的变化都会影响另一个粒子的状态,这就是量子纠缠”。这里第一句话出自默认“分离编号”,第二句话出自默认“形式编号”,二者混用、自相矛盾,所以上述这个说法是荒谬的。如果相信这个说法反映真实情况,那就会相信“量子力学是非定域性的”的谬论。1935年爱因斯坦等(EPR)认为,对一对动量纠缠粒子,按量子力学,改变一个粒子的状态会影响另一个粒子的状态,不管它们相距多么遥远。在这句话中,同样混淆了两种不同类型的编号,好在他们不相信会有鬼魅般的远距作用(非定域性)。爱因斯坦在1946年文章“自述”中表示“坚定不移地认为”:“体系S2的实在状况与我们对那个在空间上同它分离的体系S1所采取的行动无关。”爱因斯坦的这个分离性直觉与相对论因果性一致,然而这里的S1和S2实际上已属“分离编号”。上面是对爱因斯坦的这个著名论断做了解读,原来他不经意地改换了粒子的编号方式,以适合他的直觉和定域实在论思想。在纠缠光子对中,光子1的非空态与相伴(融合)着的光子2的准空态必定同时受外界作用,所以容易误解为改变光子1的状态会影响遥远的光子2的状态,原来,光子2的非空态“远在天边”,而它的准空态“近在眼前”,所以用存在隔空影响(非定域性)来解释量子纠缠的错误在于空实混淆、远近颠倒,也就是说,“形式编号”的体系间根本不存在任何隔空影响(非定域影响)。
这样说来,非定域作用在自然界子虚乌有,只虚构在我们的头脑里,怪不得此种“作用”可以瞬间远达天边,无需媒介,也没有任何东西能阻挡。可见,所谓的非定域性既不出自量子力学神奇,也不出自自然界怪异,倒是出自我们自己的头脑糊涂。爱因斯坦很清醒,他不相信存在这种鬼魅般的隔空作用或传心术式的影响。由此看来,1993年查尔斯·贝内特等6人发表在《Physical Review Letters》上的文章“经由经典信道和爱因斯坦-波多尔斯基-罗森信道隔空传送未知量子态”无科学意义。该文加上某些人的虚假实验演示,诱惑了许多物理学家和哲学家陷入迷途。有著名量子物理专家説,“量子非定域性已经是确立的事实”,我们倒不如説,那些所谓的事实都是编造出来的,现在是吐弃量子非定域性谬论的时候了。
现在我们有可能来分析玻尔对量子纠缠的认识。他在1935年《Nature》上回应EPR挑战的文章中写道:“那是真的,在考虑的测量中,[被测量]体系和测量机构间的直接的力学作用被排除在外,但是比较周密的考察揭示,测量过程对所谈物理量借以定义的诸条件有着根本的影响。”这话晦涩难懂,现在可以拿个例子来解读。比如有一对动量纠缠粒子,粒子的“形式编号”为1和2,当我们用一个“夹子”探测到连带平面波的“粒子1”的位置时,按前面的潜波诠释,这时“粒子1”的含峰片和与它融合的“粒子2”的不含峰片的特征分量(平面波)都变成了delta函数(次级波包)。假如改换实验装置,用一套不同频带的窄带滤波片去检测“粒子1”的波长(相当于动量),则“粒子1”的含峰片和与它融合的“粒子2”的不含峰片的特征分量还是平面波。不明这个真相者,自然会去想,“粒子2未受任何力学作用”,怎么“粒子2”会既变成delta函数又还保持平面波呢?按玻尔的解释,用“夹子”的实验条件定义了态“delta函数”,用滤波片的实验条件定义了态“平面波”,也就是说,“测量过程对所谈物理量借以定义的诸条件有着根本的影响”,这就似乎避免了“既变成delta函数又还保持平面波”的悖论。不过,玻尔未曾想到,“[被测量]体系和测量机构间的直接的力学作用被排除在外”这句话是有问题的,其实在“粒子2”的不含峰片上是有“夹子”的力学作用的,而“粒子2”的含峰片不受任何影响,如果两个含峰片已足够远离(类空间隔)的话。因此,这里的实验条件对于“粒子2”,只定义了它的不含峰片的态(特征分量),而定义不了它的含峰片的态(特征分量)。
从对量子纠缠真相的如上认识,即从量子力学本身的涵义,可以毫不犹豫断言,查尔斯·贝内特等的隔空传态(中译量子隐形传态)理论是错误的,错在未分清“形式编号”和“分离编号”和空实混淆、远近颠倒,因此量子隐形传态的一切实验演示都是不折不扣的巫术表演,如《科技日报》最近选取的100个“科技新第一”中的“第一次实现复合系统量子态隐形传输”。贝内特不讳言把隔空传态比作通灵术(voodo)。还可以断言,用半反半透镜结合符合计数测量的“后选择”,决无纠缠光子和交换纠缠的功能。此法常被用做所谓贝尔态测量,因此一切以这种贝尔态测量为关键步骤的实验的演示,像用此法的多光子纠缠演示一样,都是不折不扣的魔术表演,潘建伟研究组在2008年8月《Nature》上的论文“BDCZ 量子中继器节点的实验演示”就是一例。他们用两个容器各盛着铷原子并置于磁光阱中,让两组冷原子散射光(喇曼散射)。其中问题不少,第一,用偏振分束器的“贝尔态测量”是不可能把这两组原子散射的光子互相纠缠起来的,因为凭借的波函数坍缩子虚乌有;第二,在离开容器的光束上做任何测量,不可能把原本不相互纠缠的原子组纠缠起来,好比隔靴挠不了痒,况且连挠都是假的;第三,拿无意义的CHSH型贝尔不等式的违反做证据。事实上,有大量知名专家对贝尔不等式提出强烈批评和否定意见,前面的潜波诠释直接说明它毫无意义。意味深长的是,这项“成果”被列在“院士评选2008年十大科技进展新闻”之中,称“量子中继器实验被完美实现”。十余年来,从号称里程碑的到走近诺奖的,虚假成果不胜枚举。创新寄托于子虚乌有的“量子非定域性”和“波函数坍缩”是危险的,势必实事一项无成。无关于量子力学的何种诠释,相信我们的物理教师和科研工作者,凭他们个人的学识和经验,大多至少会怀疑隔空传态(物)的可能性和反半透镜等的量子魔术功能,不是那么容易被忽悠的。
目前,物理学真有点乱糟糟,搞量子信息的某些专家凭借时髦的“非定域性”一味编造虚假的实验结论把它搞得更乱了。这并非故作耸人听闻之辞,你看,我们有一大堆颇有争议的观点、理论和方案–互补原理,量子力学描述完备,波函数坍缩假设,贝尔不等式理论,量子力学与潜变量、定域实在论不相容,非定域性是量子纠缠的本性,隔空传态理论,量子稠密编码,用非定域性量子加密,用非定域性量子计算,环境消相干,一瞥决定薛定谔猫的死活,观测创造实在,量子力学的信息诠释和多世界诠释等等。现在出现了新的情况,有人捣鼓出了量子力学的潜波诠释和一个小精灵–初包,用来破解杨氏干涉之谜和神秘的量子纠缠,且一举颠覆上述一大堆东西。这在某些人眼里,自然是大逆不道。对这个初包説,有学者大怒,斥之为妖言惑众,唐吉诃德自叹不如,有人指责变态无聊,还有出言更不雅的。说来有点夸张、有点寒心,此时不由得想起一句名言:莫谓书生空议论,头颅掷处血斑斑。平心而论,除少数被彻底洗了脑的学者之外,学过物理的人都晓得像电子、质子等都是一个一个的稳定客体,决不会像海里冰山那样容易融化。作者无非是出于这种简单至极的想法去捣鼓的,目的在于解决量子力学的诠释问题和测量问题,同时消解这些问题引起的一切佯谬和悖论。

7. 双方争论之症结
言归正传,现在我们从量子力学潜波诠释来看两位巨人争论之症结。由潜波组成的初包模型是以物质质点为范例的传统实体观念的修正,初包的含峰片是物理实体,不含峰片也应看作是物理实体,为区别起见,我们就称它为准实体,它具有准空的特征分量,即准空的波函数。在原子和亚原子的物理实验中,初包的峰外部分和不含峰片的身影无处不在,无它们就无任何量子现象和量子效应。这种初包的峰外部分和不含峰片正是玻尔所谓“测量仪器与测量对象之间不可忽视的相互作用”的中介,而不含峰片正是“EPR关联”的根本。遗憾的是,两位巨人都未意识到它们的存在。含峰片和不含峰片及其性质都是物理实在的,但其特征分量或其叠加–波函数,仅仅是它们的部分表示,显然是它们的不完备描述,这直截了当表示量子力学对实在的描述不完备。对二粒子的纠缠,它被解释为不含峰片的交换和含峰片与不含峰片间不可分割的融合,而含峰片之间和不含峰片之间决无非定域影响,对量子纠缠的这一解释调和了量子现象的不可分性和量子实体的可分离性的对立。对于一对纠缠粒子,玻尔认识到,测量粒子1对粒子2必有真实的影响,相当于坚持含峰片与不含峰片的不可分割性(已融合在一起),而否认含峰片间及不含峰片间的可分离性。而爱因斯坦断言分离的实在粒子间不可能再有相互影响,相当于坚持含峰片间及不含峰片间的可分离性,而他否认纠缠体系有某种真实的不可分割性,相当于否认含峰片与不含峰片在纠缠中发生的不可分割的融合。这个情况表示他们争论的错综复杂性,之所以争论不休,显然是因为他们都不明量子纠缠的真相。由此看来,他们都对量子行为的起源缺少意识,具体说,都对初包及其峰外部分和不含峰片的存在缺少意识,是这场争论之症结。或者广而言之,“现在无人懂得量子力学”(理查德·费曼的名言),是这场无休止争论的缘由。

8. 争论各方持有的深奥真理成分
玻尔在“关于原子物理中的认识论问题与爱因斯坦讨论”文末讲了自己研究所里的故事:“当遇到麻烦时,我们过去常用一些玩笑话来安慰自己,包括有两类真理的老话。属于一类真理的陈述是那样地简单明了,以致反方的主张显然无法捍卫。另一类所谓“深奥真理”,在属于此类的那些陈述中,反方的主张也有“深奥真理”成分。”现在我们来分析争论双方各持有的深奥真理成分。爱因斯坦从量子力学预言的统计性及该理论还意味着一对曾经相互作用过的粒子分离后还有相互影响,断言它对物理实在的描述不完备,其实,上述情况不仅反映它的描述不完备性,还反映一种定域不可分割性,后者为他所未意识到。所以在爱因斯坦的论述中,量子力学描述不完备性陈述和远距分离性陈述属于“深奥真理”成分,但他否认量子纠缠体系有某种真实的不可分割性,是一大失误。倒是玻尔提倡的整体性包含着这种不可分割性,所以他的整体性陈述中包含着“深奥真理”成分。然而否定时空描述和因果律的普遍意义,似因噎废食。这样看来,互补性观点(互补原理)是玻尔对量子力学误解产生的一个哲学怪胎。
顺便指出,与玻尔的不可分析的整体性思想不同,玻姆不放弃对量子现象的时空因果描述,他用量子势把测量仪器和单个粒子的行为关联在一起,所以他指的整体性是可分析的整体性。他提出的量子势观念是对量子世界的深刻的洞察,但是他的量子势“非定域性”判断也是对量子力学误解产生的一个怪胎,不过他并不认为能利用这种“非定域性”传递信息。玻姆和贝尔提倡“非定域性”导致后来许多人欲借神秘力量–隔空鬼魅作用–去搞量子信息技术。玻尔倒从未表示过支持“非定域性”,似乎连波函数坍缩假设(投影假设)都不赞成。
认识爱因斯坦-玻尔争论之症结和他们坚持的真理,不仅具有深刻的科学意义,事实上,对把握当前量子应用技术开发的方向也非常重要。比如,近年来国内外有几个科研团队还在热衷于借神秘的隔空影响(非定域性)和用半反半透镜等操作的假量子纠缠,盲目自信、自欺欺人地编造成果,那些所谓成果都是依据错误的理论,进行错误的实验和做出错误的结论编成的。有的影响极大,例如,《科技日报》最近选取的100个“科技新第一”中的“第一次实现复合系统量子态隐形传输”和“院士评选2008年十大科技进展新闻”中的“量子中继器实验被完美实现”。
总之,爱因斯坦和玻尔都对微观粒子的行为有着特别深刻的洞察,各自观点中都包含着深奥真理成分。他们公开和友好争论的丰富历史记录为我们留下了极宝贵的遗产,他们那种锲而不舍求真的科学精神为我们树立了最光辉的榜样。

(作者:王国文,北京大学物理学院)

多重复数物质空间与三旋理论探讨——量子信息理论的研究与应用

                       多重复数物质空间与三旋理论探讨
—-量子信息理论的研究与应用

                                       王德奎  李小坚

摘要:本文参考了文献12,采用多重复数对基础物理进行描述,试图厘清物理世界底层结构和相互关系,尝试建立三旋理论与规范场、圈量子理论、龚学理论的联系。对量子信息隐形传输采用彭罗斯的“里奇张量引力”思维,主要是取韦尔初创规范场时的微积分求积分,要“间断”连续光滑曲线的办法的反思启示,我们这里也“采用间断”分割,从而就有两个相对的间断面;而间断面就类似量子卡西米尔效应平板对,存在点外和点内时空中的物理信息关系。探讨点外和点内空间的物理世界的底层描述,试图弥补解答物理学中的一些隐秘关系,如超距作用的难题、量子引力理论、量子信息传输等问题。

关键词:多重复数,点内空间, 引力, 里奇张量 ,韦尔张量, 卡西米尔效应

一、引言
《求衡论》一书中给出了量子信息范式,有一些超前理念,如量子结构信息、传输信息以及点内空间和点外空间的时空特性等。该书在探索中提到郭光灿院士的量子概率克隆机制原理,提出结构信息不可克隆,但交换信息是可以克隆的。基于科学事实和科学理论,必须更严格地加以探讨。总之我们追求科学真理,并尽量将常识或思想,变成客观理论。此外,该书第七章“共轭量子信息传输”,是有创意的。目前我们一起再进一步探讨其中关系到的非定域性问题,来探讨贝尔不等式关系是否成立的问题?我们都认为复数中的虚数,存在“点内空间”。复数是把点外与点内的统一。龚学将这些内点联通成一点,或一个球。因此,全息也包含在内,纠缠也包含在内。

其次,两种引力情况中的里奇张量,这种模式即是圆周运动模型,时空的旋转与自旋。而韦尔张量这种模式,即指直线连接、运动,这种运动虽然能更直观地说明可以传递信息和能量,但要说明圆周运动的引力量子信息隐形传输,就简单了些。把韦尔张量引力这种存而待论,那么,基于里奇张量引力这种作用力的模型,自然像原子轨道电子运动及层级模型。我们要对里奇张量引力传输进行深入研究,圆周运动这种量子相互作用,是否可编码,是否可传递信息?它的作用范围多大?有无可能测量得到客观的数据?

这里我们将讨论量子信息论,特别是量子结构信息+量子传输信息,应该是一个二元方案,就还需要一些数学-物理工具,如多重复数,包括圈量子理论。以及还需要有实证的数据和结果,并发展应用。我们最近得知苑广明先生,在多重复数方面的研究做得不错,但还没有完备,如很多物理内容他没有加入,以及如何描述量子信息?如何将多重复数描述与三旋理论联系起来,并达到一致?等等问题,以下内容,就从描述多重复数与量子引力信息隐形传输开始探讨吧。

二、多重复数描述与三旋理论联系

多重复数系Zn定义如下:Zn= Xn+Ynin :Xn,Yn ∈Zn-1 ,Zn 为多重复数。其中:令io=1,Zo为实数系。对每个 n>0,令in 的平方等于 -1。因在多重复数系中,是符合交换律的,说明多重复数系是数系的一元扩展,1-形式。

这样 Zo就是实数系,Z1 就是复数系,Z2 是双复数系,Z3 是三复数系, 而Zn 是n 阶的多重复数。每个 Zn 形成一个巴拿赫代数。多重复数系不能和克利福德代数混淆。因为克利福德代数里-1 的平方根是反交换的。克利福德代数是数系的多元扩张,是 2-形式。多重复数系不能和克利福德代数混淆。因为克利福德代数里-1 的平方根是反交换的。克利福德代数是数系的多元扩张,是 2-形式。Zn与子代数 Zk 的关系(k = 0, 1, … n−1):多重复数系 Zn 在Zk 上的维数为 2n−k。当k=0 时 Zn 的维数为 2n。也就是说 Zn∈Zn-1。数系的一元扩展始终是前一多重复数空间的二维线性空间。

由于采用多重复数,可以运用博特周期性定理描述酉群的同伦群和正交群同伦群的周期性。多重复数的展开形式为标准的辛结构,所以多重复数的同伦周期为 8,在物理意义上同伦的概念可以和性质相似等同。多重复数是现代数学和物理学体系的演绎和发展。通过对多重复数的深入 研究可以进一步揭示客观世界的规律—-如中国本土学者王德奎先生提出与发展起来的三旋理论。

属于基础物理学理论的三旋理论,最早可追踪到毛泽东时代,与物质粒子无限可分有关。在此,王德奎先生创立的三旋概念时,把无限可分引向环量子粒子有“三旋”:体旋、面旋、线旋,且视为物理空间的自然属性。这样三旋理论甚至能深入到夸克层底下的符号信息表述,构成底层结构。同时物质可由一个个环量子的线旋自然耦合,形成链,再看成是一条线、面、体。而西方圈量子引力理论(LQG),已是20 世纪90年代后期才提出的。其中的圈量子旋转网络概念,最早是英国数学家彭罗斯首先设想出来的。圈量子引力理论在最近十多年才发展迅速;该理论解释物质是由环相互作用并相互结合, 形成所谓的旋转网络。我们国内LQG最具代表性的工作,是邵常贵教授的《空间时间的量子理论》一书,它在理论上较全面地树立了一种空间时间离散和量子化的新图景。因此,三旋理论的环量子三旋自旋,与LQG旋转网络极为相似,值得大家对比研究。

在曹则贤教授的《量子力学》书中,量子化方案量子化的角动量和能量出现的是同一个量子数n,这为后来的深入研究埋下“陷阱”。因为这简化得太很了。类似玻尔模型等,是把电子限制在一个平面内。其实电子是在整个三维空间内绕原子运动的。这要有距离r和两个角坐标,即倾角θ和方位角φ来描述。而对应的总角动量和方位角φ的角动量,还涉及倍数m和L;而且m和L是两个整数,可取正负。量子智慧,能量是分立的。玻尔的原子发光模型,氢原子谱线的位置,即谱线的频率和波长看似合理,但索末菲解释谱线在磁场下的分裂模型,却增加了谱线的强弱和颜色不同的解释难度。海森堡和克拉默斯合作解释色散,海森堡想到振动随时间的变化,提出谐振子,以及矩阵及矩阵力学,大大增容了量子化。即量子化方案,矩阵是一个大数的量子数。

由此到头来,算符、算子、本征值、本征矢量等都类似一种“操作”。是什么“操作”呢?实际是2的(2×360)次方偏振量子数的符号编码“操作”。由此解释波动力学和矩阵力学的合流,看薛定谔量子波动方程以及费米黄金规则,光子和电子两个主角被当成球量子,薛定谔参考哈密顿-雅克比方程,和玻尔兹曼的熵公式,描述想的也只是玻尔兹曼的类似球量子原子的模型。

所以薛定谔量子波动方程,是如同弦振动的节点,波函数ψ自然性质的有界,是方位角φ和倾角θ的周期函数,包括之前玻尔和索末菲的三个量子数n,L,m。这当然也涉及偏振量子数,但量子波动方程从来不曾梳理清楚过。即使1926年底狄拉克构造的“态矢量”,本征矢量,态函数等四个量子数n,L,m,ms也仅是偏振量子数的特殊值。曹则贤教授在《量子力学》一书中说:落实波动力学的概念为数学表示的物理世界,同真实的物理世界之间,是有些距离或者说是偏差的。但脱离了数学所谈论的物理世界,恐怕离真实更远。这特别表现在光子和电子等基本粒子的自旋上,它们的半径非常小,基本上是看不见的。

但要落实光子和电子等基本粒子的多种多样,类似光谱线等量子化的角动量和能量出现的量子数,又非得利用球状体的自旋的数学表示的物理世界,同真实的物理世界之间的联系,人类的思维、逻辑才能够合理想象。我国半个世纪以来创立的三旋理论,以环圈状理想对称自旋的数学表示的物理世界:体旋、面旋、线旋等三种自旋,联系真实的物理世界运动,强化了球状体的自旋中体旋和面旋允许的态叠加原理。联系薛定谔的波动方程也允许的态叠加原理,对波函数的几率诠释的归一化,就易如反掌。而环量子的线旋,涉及点内空间,这联系上复数。

波函数ψ带来的一个怪物,正是复数。它的实部加虚部,ψ也可以表示为振幅,这也涉及偏振量子数操作。早在1845年法拉第就发现偏振光,如果沿传播方向加一电场,则光的偏振方向会发生旋转的电光现象,更证明自旋的存在。1875年克尔发现折射率随外加电场改变的克尔现象;1896年塞曼研究克尔现象类似的外加电磁场改变发光频率,发现发光体置于磁场中导致的谱线分裂的塞曼效应现象。由于运用1920年以前的量子理论,不足以解释塞曼效应的全部。而且斯塔克在1913年,也发现发光谱线在电场中会发生分裂的斯塔克效应现象,还比磁效应更强。1921年斯特恩和盖拉赫研究玻尔的空间量子化的概念,到1922年他们发现,垂直方向上非均匀的磁场能将银原子束,分成上下两束。为解释斯特恩-盖拉赫实验碱金属发射光谱的双线特征,1924年泡利提出电子存在“二值的”量子自由度。

泡利不相容原理就是在每个原子的轨道上,只允许存在两个电子。1925年克罗尼希把泡利的“二值的”自由度,解说为电子的“自旋”。即使是现在,电子自身在转动的图像,也无法使人接受。这就是数学表示的物理世界,同真实的物理世界之间的偏差,况且自旋的电子要产生大的角动量。但这没有什么关系,1926年乌伦贝尔和古德斯密特发表的电子自旋假说的论文,能解释光谱的精细结构和塞曼效应。他们说光谱项里的半整数,是电子的第四个自由度,可理解为电子绕一个固定的轴转动,就产生的一个固定的磁矩。

现在如果联系彭罗斯对里奇张量引力讲的:当一个物体有被绕着的物体作圆周运动时,被绕物体整个体积有同时协变向内产生类似向心力的收缩作用。那么在所有存在自旋运动的基本粒子里面,就都自然存在引力。基本粒子转动饶着的那一个固定转轴,就类似被绕着的物体或星球,具有全域性手征的标志意义。这后面再讲。数学表示的物理世界同真实的物理世界的距离,泡利尽管反对电子的角动量来自自转,但他在1927年还是构造了描述电子自旋的泡利矩阵理论。

这是现代物理学从经典“藏象论”向经典“藏数论”迈进的突破,也为现在偏振量子数的应用打下了基础。经典“藏数论”的初创,是三个泡利矩阵加上单位矩阵,能和狭义相对论联系在一起。所以1928年狄拉克构造了满足狭义相对论的狄拉克量子力学方程。这就是对于光谱线的研究,最终导致电子具有自旋角动量的概念。现在物理学虽然不再把自旋理解为粒子绕自身某个轴的转动,而说成是粒子的内禀性质,或者如同质量和电荷,自旋是粒子的一个标签。并且自旋的标签与其他的标签相互间是独立的,用波函数关系式描述,例如电子的波函数,是由空间波函数ψnlm(r,θ,φ)和自旋波函数ψ(Sz )的乘积构成。

以此来分析引力子的波函数,也可以用空间波函数ψnlm(r,θ,φ)、自旋波函数ψ(Sz )和偏振波函数ψλ(me )的乘积构成。电子波函数的两个分量是分别对应自旋的Z轴方向投影为+1和-1的两种情形,其实按偏振全域倾斜或偏折角360°描述,自旋在Z轴方向投影为+1和-1的两种情形也包括其中。但这只是一种特殊的情形,而且可能是短暂的冗余码,所以从“原子实”到“引力子实”对应,从选择定则出发,把偏振量子数和自旋量子数分开为好。

在多原子体系中,电子的跃迁会和转动、振动模式耦合在一起,选择定则更复杂。同理,在量子引力信息传输中,多“引力子实”的量子信息发散吸收也会和转动、振动模式耦合在一起,即使没有自旋,偏振量子数也是“天使世界”内禀自由度的一大特色。1926年克莱因和戈登提出的克莱因-戈登方程,描述的就是没有自旋的粒子的相对论性量子力学。

在量子力学中讨论系统的状态,可以看作的希尔伯特空间中的一个矢量,其实就与偏振量子数有关,且不说量子化学元素周期表的量子数组合和构建原则。从量子限域效应表现,看吸收与发射,以及受激辐射的量子,1916年爱因斯坦的“量子理论视角”就提出光子拥有相同的相位、频率、偏振和方向,这实在太伟大。其实目前物理学对光子运动的相位、频率、偏振和方向知道很少,对“引力子实”运动的相位、频率、偏振和方向的研究,更是空白。“引力子学”正是在这种背景下的应运而生。因为从固体能带论和量子限域效应建立的时间起,就注定“引力子学”在赋予的这种广阔发展空间内会诞生。特别是完成从找“天使粒子”到“天使世界”的最后“一公里路”之后,更有把握这样说。

2017年7月21日美国《科学》杂志上报道,由何庆林、寇煦丰、张首晟、王康隆等4位华人科学家领衔的科研团队,终于找到了正反同体的“天使粒子”—-马约拉纳费米子。引力子是“天使世界”吗?如果张首晟教授将他们新发现的手性马约拉那费米子命名为“天使粒子”,张首晟教授说他是联想丹•布朗的小说及其电影《天使与魔鬼》这部作品,引申“描述了正反粒子湮灭爆炸的场景。过去我们认为有粒子必有其反粒子,正如有天使必有魔鬼。但今天,我们找到了一个没有反粒子的粒子,一个只有天使,没有魔鬼的完美世界”。那么类此同理,众所周知,引力子是没有“反粒子”斥力子的世界,想当“魔鬼”也不容易。所以,也可以类似地说:引力子是“天使世界”。

但引力子的“天使世界”,与常识的战场上容易看见士兵相反:宇宙和自然界引力“战场”到处存在,引力子“士兵”却看不到。那么引力子是否像和平年代,打仗的士兵主要驻守在兵营里一样呢?“引力子学”能否揭开谜底呢?限域效应是指当物体被局限到一个足够小的空间里时,可能会表现特异的性质或行为来。万有引力涉及的物体、星体、正物质,即使无限多,但和整个正、反宇宙、平行宇宙的无限多比起来,仍然属于“限域效应”。例如,大部分暗物质没有引力,而引力可以穿越四维时空到额外维的多维或高维空间去,这是所有其他正物质的基本粒子不具备的功能,这也许可以说是引力子的特异性质或行为吧。但这里限域效应的“限域”也许太大了,限域效应主要联系的是材料和偏振量子数。

限域效应第一个涉及的首选是能带理论和能隙现象。定态薛定谔方程分立的能量值可以是有限数目的,也可能是无限多的。能级及其上占据的粒子的自旋,要通过其他过程才被注意到。自旋与偏振相比,自然偏振容易管控得多。所以做量子纠缠实验,潘伟建院士首先采用的是从光子入手偏振。先不说自旋分的费米子和玻色子,定态薛定谔方程中波函数ψ不含时间,时间因素另由相应的相因子e-iEt/h描述。但这里相因子也与偏振的状态有关。从一维谐振子、一维无限深势阱到二维无限深势阱,能隙是能带之间的能量间距;能带涉及大块物质,最近报道太阳系的质量能量分布也符合薛定谔方程。

龚学理论认为极大和极小是一个完美的对称(或0与无穷的互反对称)。因此,极小空间的研究完全能够折射极大空间的特性。这个原理是统一的宇宙,统一的理论的基础。

从一维谐振子到一维原子链,其中电子的能量本征值呈一段一段的带状分布。不考虑缺陷,可把一块晶体看成由位置固定且严格有序的正离子实和在其中自由运动的电子组成的。原子实在晶体的空间结构三个独立的方向具有周期性,固体中的价电子也是按照能量从小到大的顺序占据能带中的能级的。最上面被占满的能带叫作价带,最下面空的能带叫作导带。价带顶部到导带底部之间的间隙,也叫作能隙。绝缘体的能带要么被占领,要么为空。满带和空带之间有能隙。一个被占满的能带没有导电的能力,所以成绝缘体。

所谓的导体,是其价电子占据的最高能带可能是两个能带交叠的这种半满的能带。而半导体是能隙不是很大,室温下也有一定量的电子被激发到导带中去,让材料具有相当的导电能力。而被称为拓扑绝缘体的特殊材料,是因固体都是有限大小的,因此必然存在表面。相对于完美平移对称性原子排列的晶体,表面就是一种缺陷。有限尺寸的绝缘体,其表面有可能导致一些处于带隙中间的能态,使该绝缘体的表面部分具有一定的导电性,而且改变表面原子的排列方式或者化学环境,表面的能级也可能会移动。例如,石友国、方忠、丁洪、钱天、冯子力、吕佰晴等科学家,就找到的磷化钼、砷化钽、钠三铋、三砷化二镉等晶体化合物,以及如单质铋、锑和化合物等,其内里是绝缘体而表面是导体的拓扑绝缘体材料。电子的自旋和运动方向之间是锁定的,表面态上的电子自旋保持与动量垂直,表面态受粒子数守恒和时间反演对称性的保护,不容易被破坏。

限域效应第二个要涉及灵魂猜想和灵魂定理。数学上定义的“灵魂”,是“针对某类特定的数学对象,可从这类数学对象的一些小区域,将性质推广到整体。这些小区域,称之为数学对象的灵魂”。联系卡-丘空间,灵魂猜想研究发现的是一个非紧非负曲率的黎曼流形的拓扑,所有的拓扑信息都包含在一个紧集合上,这个集合被取名为soul(灵魂)。灵魂猜想是说,上述流形如果在某一点的曲率是严格正的,那么soul就是一个点,此时流形同胚于欧氏空间。

灵魂猜想和灵魂定理能把拓扑绝缘体、马约拉纳费米子和引力子结合在一起。这涉及三个方面:一是联系空心圆球内表面翻转成外表面,涉及庞加猜想外定理,而与玻色子变费米子有关。二是联系约瑟夫森效应和量子霍尔效应等量子隧穿现象,涉及“贝里洞”和贝里张量,而与超导体和拓扑绝缘体有关。例如,在两块超导体中间夹一层薄薄的绝缘层构成约瑟夫森结,即使不加上电压,也能观察电子对飞越间隙的隧穿电流。这时绝缘层两端的电压是hf/2e 的整数倍,其中h 为普朗克常数,f 为微波辐射的频率,e 为基本电荷。三是联系霍金与彭罗斯的奇性定理引力强到足以捕获一个区域,涉及正常的闭合二维面和引力子闭合捕获面,而与费米子的自旋和转轴的偏振量子数有关。这又进一步联系到霍尔效应材料。

量子霍尔效应是将特制的半导体器件置于超低温和强磁场的环境中,可以观察到当电流流过置于磁场中的介质时,磁场会产生一个作用于载荷子的力,力的方向既垂直于磁场的方向,也垂直于电流的方向,从而促使电荷在器件的侧面聚集,产生一个电压以及与电压对应的电场,抵抗载荷子承受的磁力。这一电压与外加电流和磁场强度成正比,由于量子力学的作用,量子霍尔效应也可以与磁场强度及半导体器件的材料无关。如反量子霍尔效应。例如,研究“天使粒子”的实验就发现,在磁性拓扑绝缘体薄膜与超导体混合的结构中,施加强度很低的磁场之后,会形成量子反常霍尔效应态与超导态共存的状态,此时在磁场交替反转的位置,可以观测到手性拓扑超导序对应的半整数量子化电导,这种现象也是马约拉纳费米子模式的一个鲜明特征。

1937年埃托雷•马约拉纳预言,有一类特殊的费米子,像光子等玻色子一样,它们的反粒子就是自身,这种费米子就是如今所说的马约拉纳费米子。正反同体,神秘莫测。标准物理理论模型中,12种基本粒子被分成两大家族:电子、质子等8种粒子组成的费米子家族和光子、介子等4种粒子组成的玻色子家族。一般认为,每一种粒子都有其反粒子,且状态与粒子本身相反,粒子与反粒子相遇会瞬间湮灭。发现的马约拉纳费米子,是从有粒子必有其反粒子,被认为是永恒不变的真理出发,作的反其道研究。80年来马约拉纳费米子,经过几代物理人的努力,笼罩在其头上的“面纱”一点点被揭开。近80年来,世界各国物理学家从来没有停止过对“天使粒子”的探寻。该粒子的特殊性质,令物理学界对相关研究十分关注。这其中联系到量子通信问题还涉及中微子通信和引力子通信。

例如,发现“天使粒子”的马约拉纳费米子是一种手性粒子,“手性”可大致理解为这种粒子只沿一个方向运动,可用来实现低能耗的信息传输和处理。这与引力子有联系。1989年《潜科学》杂志第6期王德奎先生发表《气功与中微子》文章,谈“引力子通信和中微子通信”,就分析过前苏联的一种代表性的观点,如物理学家乌恰耶夫创立的中微子引力论认为,中微子以亚光速进行着杂乱运动,充满整个宇宙。其中一部分总是被天体吸收,结果每一天体都要获得一种“脉冲”。在日地系统中,地球向日面承受的中微子流比背日面要弱,由此产生的力脉冲差,恰好抵消地球绕日运动的离心力,太阳系中其它天体也都如此。这种中微子代替引力子的观点,在苏联上世纪30年代就有萌芽。应用于中微子通信,与光子光线反射传输信息的道理差不多。问题是中微子产生和中微子接受理解,都比光子光线产生和人有眼镜能自动理解光子光线信息难得多。那么回到引力子立场,物体天然存在引力子,“灵魂”的翻转看作引力子翻转,这能行吗?

所以证明灵魂猜想和灵魂定理成为有价值数学的课题。但联系“引力子通信”用途也许涉及军事,又有保密问题。葛森的《完美的证明》一书中说,第一类学术精英,是那些提出没有任何其他人曾想过的问题、开创新领域的人,如庞加莱。第二类是那些设计出解答这些问题的方法的人,试图证明其他人提出的定理,却还没来得及形成自己的定理,如理查德•哈密顿。第三类是那些珍奇物种,他们来走完证明所需的最后几步,这类坚持不懈、严格苛求又耐心超常的科学家,将铺设出其他科学家曾经梦想并标记出的道路,如佩雷尔曼。呵护佩雷尔曼的亚历山德罗夫(Alexandrov),佩雷尔曼是他最后的关门弟子。亚历山德罗夫是一位杰出的教育家,为前苏联培养了好几代大数学家。他1896年生于俄国博戈罗茨克,1982年卒于莫斯科。灵魂定理和灵魂猜想就来自亚历山德罗夫空间的研究。

但在20世纪50年代,亚历山德罗夫已放弃了亚历山德罗夫空间的研究。然而在此间,中苏两国的革命结盟,使对政治端正的川大数学系主任柯召教授,转向注意苏联数学的成就。而且1953年重庆大学张圣奘教授因“资阳人”到毛主席家吃饭,已得知主席关注战国的“分杵定律”。再到1958年大跃进毛主席发出向科学进军、“政治是灵魂,是统帅” 的指示时,“川大学派”领会这里的“灵魂”自然不是迷信,而能等价延伸及苏联数学家定义的灵魂猜想、灵魂定理。作为封闭空间内外翻转,也有“灵魂出窍”说法。那么战国先贤的“分杵定律”,分“端”到顶,会不会也像真空量子起伏,是“点内空间”零点能的内外的翻转呢?

这影响到略高一筹的“川大学派”,看到毛主席选定的“物质无限可分”命题,是在集中古今中外“量子霸权”的科学大智慧,但又十分小心。这就是我们以前说的“赵正旭问题”,现在已改口说的“柯召-魏时珍猜想” —-这是属于现代高等数学的进步,因为它不属于是“中学水平的推导方法”。

例如,非数学专业人员,从医学来看“柯召-魏时珍猜想”,似乎结论也简单直观:往往可以去联系对应高级的空心圆球庞加莱猜想外定理,以及联系弦线的不同振动的中医摸脉,从血脉振动的弦象翻转,类似可以对应各种病症一样。但这里更为关键的应用是,柯召-魏时珍猜想发展的离散里奇流理论和算法追求的严密性,会迫使“川大学派”共同努力完成的证明,是将三维流形的拓扑理论和计算理论,深刻地纠缠在一起—-这类似今天计算共形几何创始人、清华大学丘成桐数学科学中心的顾险峰教授,认为单值的所有封闭曲面,有三种几何中的一种:球面几何,欧氏几何和双曲几何可配一样。

这应用于精准医疗领域,如人造心脏瓣膜、人造骨骼、肝脏手术计划等,需要对各种人体器官进行影像获取、几何重建、特征分析等,这都绕不过微分几何逼近操作应用。如用简单的离散三角网格,逼近复杂光滑曲面技术关键,是可以分解成在光滑曲面上离散采样,和将采样点进行三角剖分。所以柯召和魏时珍等川大数学家在1963年前,并没有对外公开说在研究西方数学的庞加莱猜想和苏联数学的灵魂猜想。事实上,中国古老的医学,认为阴阳表内互动,人体内部疾病完全体现在其外表,望闻问切就可以断定病因病灶,基本可以不用手术及解剖学原理。

柯召-魏时珍猜想表述为“空心圆球不撕破和不跳跃粘贴,能把内表面翻转成外表面”的证明,王德奎先生知道这个情况也是很偶然的。1963年赵正旭先生从川大数学系毕业,分配到四川盐亭中学初中部教书。王德奎先生在高中读书,开学不久一次到盐中图书馆去借一本30年代出版的爱因斯坦传记,赵正旭先生正在图书馆替暂时出外办事的老管理员照看,而与他偶然认识,才得知此道难题。赵正旭老师出生射洪县,1958年考入西南师范学院培养大学数学教师的师资班。1960因自然灾害该班停办,赵正旭从重庆转入川大,也许与柯召经历类似,而加入研究柯召-魏时珍猜想的。王德奎先生把柯召-魏时珍猜想开创的超弦理论,再弘扬起来,是2006年6月我国新闻报道两位中国数学家朱熹平和曹怀东,最终证明了百年数学难题“庞加莱猜想”。但到8月2006国际数学家大会宣布,却是现年40岁的俄罗斯数学家佩雷尔曼,因在证明庞加莱猜想的过程中作出奠基性的贡献,获得了菲尔茨奖。于是2007年王德奎先生等出版了约90万字的《求衡论—庞加莱猜想应用》一书,说明他与赵正旭先生交谈后的44年中,对赵正旭难题的学习和思考。即认为1963年前柯召-魏时珍猜想这项重大科研的情况,属于庞加莱猜想外定理,佩雷尔曼没有证明。正是因赵正旭老师讲苏联亚历山德罗夫拓扑数学空间的研究,被川大变为一道“空心圆球不撕破和不跳跃粘贴,能把内表面翻转成外表面”请证明—-类似古怪的奥数难题让人终生难忘。

因为王德奎先生结合自己的三旋理论进行研究,发现这种翻转,属于彭罗斯讲的“零锥”问题,能翻新彭罗斯的宇宙轮回猜想,是类似空心圆球膜面加奇点式的翻转反包围—-柯召-魏时珍猜想的“内外翻转”联系,与一般循环周期不同,类似新陈代谢、阳泄阴收的内外翻转整体观,含有非线性和熵流等性质。所以我们说柯召-魏时珍猜想是属于现代高等数学的进步,而不是中学水平的推导方法。其次它背后重大的是—-中苏两国研究亚历山德罗夫空间拓扑数学及其延伸的灵魂猜想、灵魂定理,在今天还涉及引力子通信和中微子通信的应用探索。

三、引力子等偏振量子数的源流

很多人理解三旋,认为实数R是一个数轴,一根线。它的旋转,构成复数这样一个平面。而复数的二重复数,就是面旋。复数的三重,就是体旋。但量子引力信息传输,从球量子自旋和手征性定向调整校对纠缠现象上看,要讲清楚“量子自然全息自旋纠缠原理”,会遇到有具体计算,以及还要发展相关的模型和理论。这里圈量子和三旋理论,都是可以出发的结合点。其次,数学基础也可以借助多重复数。但这里还要补充的是,复数中的虚数,我们认为是在“点内空间”;复数是把点外与点内在统一。但运用到量子引力信息传输,为啥我们要用英国科学家彭罗斯的两种引力情况中的里奇张量这种呢?即独看重圆周运动模型,而把韦尔张量引力这种直线连接的运动,暂时不管、存而待论呢?

这是因为里奇引力量子通信,像自然中的原子轨道电子运动及层级模型。这里,电子自然属于类似量子计算机,而电子的自旋和偏振,以及各层级轨道上的电子的各自偏振,都类似量子信息的自然语言引力子传送,并且涉及我们说的超光速指的是虚数,这也是爱因斯坦的数学公式表达的。其次,我们说的引力子,也类似前面张首晟教授说的“天使粒子”,这类似信息兵,是0费米子,在凝聚态材料中已找到。由此,可知引力子比光子、电子、电荷的量子通信广泛得多,而且也能把量子通信和量子计算机结合起来,对人类社会未来有深远的影响。

但“量子自然全息自旋纠缠原理”的量子引力信息传输,主要还是从球量子自旋和手征性定向调整校对纠缠现象上看的。道理是量子引力里奇张量隐形传输,本身就类似量子计算机的自然语言发射类似的光纤电话原理。即产生量子引力里奇张量,作圆周围绕运动的物体是类似陀螺。只有整体形态一致的量子,自旋才有避错码的存在。反之,类似魔方的非整体形态一致的量子就不行。魔方只可与类似球量子自旋编码的冗余码联系,这里暗物质原子量子,就是属于冗余码的量子编码物质。这里暗物质很重、很多,也不容易被发现。其次,里奇张量引力的量子传输虽然普遍存在,但也要考虑某处里奇张量的引力子,是如何设定它们的量子信息传输的?实践提示的是:现代量子计算机和量子纠缠的测量,利用的是类似光子的偏振行为,而不仅是转轴方向的手征性区别。而且引力与信息量子纠缠的缠结特性,可运用引力子实的偏振量子数,类似“信息兵”的本征矢量、密码、算符,与量子计算机的操作原理本身的自然结合,来进行传送。

说到这里,自然会涉及到中国科技大学潘建伟院士的奥地利导师蔡林格教授,因为这类先驱他们证明验证贝尔不等式,实际用的就类似卢瑟福的原子行星轨道模型。而此原子模型,实际就是里奇张量引力量子信息传输与量子计算机的结合,即世界所有的物质,内在的“语言”是内禀统一的。但量子引力信息传输路线,涉及的韦尔张量引力规范场链线,机制就是卡西米尔平板引力模型。只是要区分实数,和虚数的正负对称的量子起伏数对,以及点内时空与点外时空。

在点内,是属里奇张量引力。在点外,是属韦尔张量引力。两者的统一,是以光速部分到达收缩为准。因为虚数超光速,可视为引力准备,超前预示、暗示、灵感等,这类似复数。这就找到了一个好对量子态不可克隆定理进行证伪的办法,即首先要认识、讨论贝尔不等式是否成立?有否非定域作用?梅晓春老师认为:贝尔不等式无科学意义,非定域性子虚乌有,或是自欺欺人或造假等问题。但我们认为,贝尔不等式是成立的。我们的这项研究,起始于上世纪70年代末80年代初我国兴起的人体科学,当时钱学森院士就倡导研究玻姆的“隐秩序”。

王德奎先生在学习了五年之后,1985年他在湖南的《自然信息》杂志第3期发表了《隐秩序和全息论》。他进一步的研究联系到,1985年上海科技出版社出版的《科学的未知世界》一书中,彭罗斯的《自然界是复的吗?》文章。于是他论证量子信息隐形传输的路线涉及两条:一条类似“实数”光速,在点外空间,类似有线电话式的韦尔张量引力量子信息传输,机制类似卡西米尔效应平板链。另一条类似“虚数”超光速,在“点内空间”,类似无线电话式的里奇张量引力量子信息传输。而里奇张量引力的收缩机制,类似北极出南极进的磁力线运动模型的线旋网络空间。但里奇张量引力仍然是以量子卡西米尔效应平板链机制,组装组合的磁力线模型的线旋运动,并且是在“点内空间”。

这两者的统一类似复数,即是以光速为准,作的里奇张量引力的体积整体收缩。正是这种收缩,才把类似蝉子、蝉鸣的“引力子”,类似排挤出体积的圆周运动外的。马约拉纳费米子,是自然界中存在的正反粒子相同的费米子,前面我们证明这与类似蝉子、蝉鸣的“引力子”有关,机制类似存在于在拓扑超导体中。而且马约拉纳费米子具有一种特殊的零维状态,被称为“马约拉纳零能模”。这种零能模对局部变化不敏感,还有望作为稳定的量子比特,应用在量子计算机上。而卢瑟福的原子行星轨道电子及多层级轨道圆周运动模型,就是属于里奇张量引力量子信息隐形传输与量子计算机合一的模型。马约拉纳费米子联系类似“信息兵”的引力子,实践上拓扑超导体也要通过拓扑材料和超导材料两种叠加才能实现。2017年中科院物理所研究员丁洪丁洪领导的合作团队,就是在磷化钼晶体中发现了超出狄拉克-外尔-马约拉纳传统类型的费米子,即三重简并费米子的。

在丁洪团队开展的这项新研究中,研究人员首次用单种铁基超导体FeTe0.55Se0.45(铁碲0.55硒0.45)制作,并证实了稳定存在的拓扑超导表面态。这项研究在2018年3月8日的《科学》(Science)在线发表。丁洪教授预言,如果对这种材料施加外部磁场会得到马约拉纳零能模。这里中国科学院物理研究所科研人员与合作者,是利用超高分辨率角光电子能谱仪,在一种铁基超导体上发现的拓扑超导表面态。目前他们开展后续研究工作,目标也直指马约拉纳费米子。就是说,实现量子引力信息传输是可能的;再说自然界,物质的原子模型本来是普遍存在。所以贝尔不等式的成立,联系非定域作用,只能属于是作里奇张量引力的体积整体收缩的圆周运动类型。

由此,考察和证明贝尔不等式是否成立,具有重要意义。这里,联系中微子通信为啥不好?不是因产生中微子,一般要用核反应,这有放射性,而是,中微子太微小,不与其它正常物质相互作用,难以控制。而光子、电子、电荷、电磁波通信,超远距离的星际通信不行,而且也类似没有虚数超光速的预警作用,以及保密性也不好。是否引力子最好,它是可以实现全地球、全太阳系、全宇宙的覆盖。引力子在哪里?特性如何?如果能够找到引力子作为通信媒介,是否可行?这里可举2013年湖南科技出版社出版的《量子之谜—-物理学遇到意识》一书,其中的第13章《幽灵作用—-贝尔定理》,介绍做的贝尔不等式的成立的成功的实验方法,分析其中的实验设置、操作,可证明“线旋与里奇张量引力模型是等价的”。其次,墨子卫星出来后,读潘建伟院士介绍我国星际的量子纠缠信息隐形传输文章,分析可见也还不是里奇张量引力量子信息传输。因为潘建伟院士的文章,他也直白地承认这一点。

这中间的道理是,到今天,韦尔张量延伸的最著名的,也就是韦尔规范场,和阿贝尔与非阿贝尔规场范理论。后者,杨振宁和米尔斯已经搞出包含虚数、复数的规范场,而涉及包括圆周运动,所以数学运用不成问题。

但量子信息隐形传输,我们之所以要采用韦尔张量引力的彭罗斯思维,其实可体会到的秘密要害,主要是取韦尔初创规范场时,来自属于微积分求积分,要用间断微分办法的启示。这里既然“间断”是分割,就有两个相对的间断面。而间断面就类似量子卡西米尔效应平板对,在点外和点内时空中都可运用。即这类似“上帝”的绳子,可用在点外和点内空间,胜过日本汤川秀树的介子论,这可弥补解答物理学中的一切超距作用的难题,如引力、量子信息隐形传输等。

因为只要有量子卡西米尔效应平板对,那么“0”点能的量子起伏,有的是“0”量子起伏的,类似“无中生有”的自然数、实数、虚数、复数等正负对称的数对,来撑腰。这种推证我们等候二十多年了,今天是能懂的其中的奥秘了。世界是物质的,物质的世界是可以被认识的。物质就是客观存在。能被感知的物质是客观存在,不能被感知的物质也是客观存在。没有能量的物质就没有有形物质空间和时间。但是物质还是存在的。要从物质的定义去理解,物质就是客观存在,事实上有一种物质,可以在能量的作用下形成有形物质。那种东西就是没有能量的物质,或者叫无形物质。无形物质空间类似属于超实数域空间或超复数域空间;无形的物质,没有能量,时、空、场的规定性和场、力(能)方向性。

即使基本粒子物质没有被定义,但是它也客观存在。没有能量的空间是由无形物质演绎的是不可观测的,也不能独立存在。但是并不妨碍我们抽象没有能量的物质空间;离开无形物质,我们将无所适从。从数学概念上,它就是构成数学的基础,最基本的数0和1,以及由其演绎的实数空间、点内与点外空间。由于其物质性,其真实结构为超实数空间。其对于基础真空的演绎为超复数空间。物质世界的本原基础空间就是超复数空间。有形物质空间(多重复数空间)只有能量才是有形世界的载体。能量使无形物质形成有形物质。所有的有能量的物质数的集合形成背景空间。单独的物质函数在背景空间的特有空间属性,既是这个物质存在的体现;而且单独的物质以其空间属性展示其物质属性,其一可以说是时空属性。但是物质空间是客观存在的,是由其它物质形成的。物质空间是有度规的空间,即我们的真空,是由无形物质和有形物质共同构成。

即物质空间是物质的一部分,客观存在的物质空间是物质存在的场所,该空间是由所有的物质集合演绎的物质形成。所有物质形成物质存在的背景空间,我们只能在这个物质空间里去认识物质。物质空间应该具有基本物质所拥有的全部性质:自旋,或光的极化,以及能量等等。若作平均,这些性质会彼此相抵消而得到零值,真空的“空”是以这样的概念维持着。其中一个重要的例子,是真空能量或能量的真空期望值。数系的集合叫做空间,也就是空间是由数的全体共同形成的。因而空间不是空的,是由物质的数填充的物质空间。数学空间本身就是数系全体的集合。即我们理解的0也是1-1=0 。空间的内部充满的是n和-n,n属于我们理解的空间,当然真空也是物质的真空;真空是由物质演绎的代数空间;是物质集合的真空。在物质世界无形物质空间是不能独立存在的。但是无形物质是无处不在的。无形物质空间只是整个物质空间的一部分。

有形物质的空间包括无形物质的空间;有形物质不能脱离无形物质空间存在,在数学上可以讨论但是在实际空间中是不可分割的。物质空间是客观存在的,无论采用何种数学工具都不会改变物质空间的本质。在数学上任何复数的数都必须是实数的扩展,没有1和-1就没有任何数。物质世界同理。只要逻辑的扩展实数就可以得到多重复数的形式。也就是客观存在的物质形态。基本物质及物质空间要讨论的是,基本物质的数理演绎形式。我们认为基本物质的形态是由数理逻辑决定的,完善完整的数理体系是基本物质形态的完美演绎;进一步完善数理理论也是对物理体系的完善。当然正确的数理逻辑本身就是基本物质的科学演绎, 从一般的纯数理逻辑的观点演绎,物质世界是一个大的物质集合(简称集合),既是数理意义的集合,也是物质集合的细分:这个集合的全集是整个物质世界,而我们所能了解的世界是它的一个分集。这个分集是按一定的规则演绎的是物质的群;物质群的一个子群可以用逻辑代数的形式加以演绎,我们可以称其为代数群。对代数结构的演绎,即是对物质空间的演绎。

数系的基元(单位元)是物质空间的基石,构成相应的基本结构。由基元演绎的逻辑空间是物质基元按数理逻辑充满的物质集合。我们将从数的导出开始用数理逻辑演绎基本物质世界。我们先数的起点:无论从集合论还是逻辑代数论分析,都是要先导出基元。由导出代数我们知道代数结构中最小的集合A符合下述结构:<A, •, +, ‘, 0, 1>是布尔代数。也就是说物质的最小集合包含:0 和1 的物质基元,是一元的。作为物质数我们要知道这里的0是物质的0。这里的1是物质的1。也就是说客观存在的物质世界都是由物质1和物质空集0演绎形成。0也是一种物质形态。一切物质结构最终都可以分解为布尔代数。

以布尔代数为起点的代数数理逻辑,可以演绎基本物质结构,毫无疑问物质数扩展的起点是自然数系。然后是整数系,有理数系,实数系。到这里要说明的是实数系,只是在数理逻辑的基础上实数数作为物质数合法存在形态。实数轴上的每一个数,都可以通过0和1的运算得到,这样的单一数既没有长度也没有形状,还不能演绎物质形态,或者说实数系还只能演绎无形物质。但是实数系所演绎的物质依然是客观存在的。把实数和物质的属性对接,作为物质的实数必须具有最基本的物质属性。作为实数系的物质属性,在数学上既是物质的表现,如实数集扩展的有序域是超实数的集合,包含无穷小和无穷大。它不是一个阿基米德域。有时候,形式元素 +∞和-∞加入实数集,构成扩展的实数轴。它是一个紧致空间,而不是一个域,但它保留了许多实数的性质。

数系的全面扩展,建立概念,第一是基本运算。在实数域内,可实现的基本运算有加、减、乘、除、平方等,对非负数还可以进行开方运算。实数加、减、乘、除(除数不为零)、平方后结果还是实数。任何实数都可以开奇次方,结果仍是实数;只有非负实数才能开偶次方,其结果还是实数。物质实数在上述运算中是封闭的不形成新的物质形态。负数开平方则是新的物质形态。除数为0是微积分的运算范畴,演绎物质的不同微观属性。第二是完备性,作为度量空间或一致空间,实数集合是一个完备空间,它有以下性质:所有实数的柯西序列都有一个实数极限。极限的存在是微积分的基础。实数的完备性等价于欧几里得几何的直线没有“空隙”。正是没有“空隙”说明无形物质的不可观测性,使得物质超实数的集合还不能演绎有形物质(基本物质)。物质数系的复数扩展超实数空间,只是演绎物质世界的原料,演绎的过程是物质数系的一元逻辑扩展。R≌ C 简单的说,复数是实数的自身的二元分裂。一分为二。复数表明物质数的复数是超实数的一元逻辑扩展,也就是说物质复数是客观存在的。或者说物质空间的最基本元素是复数域的。以i=-1为基础演绎的物质虚空间,有着和超实数空间相同的结构。由超实数和超虚数演绎的超复数,是物质数的数域最终形态。也就是说无形物质的结构是由超复数的性质决定的。在物质演绎层面复数的性质,是无形物质的基本性质。简单的说基本元1有四种物质形态即+1,-1,+i,-i。即无形物质虽然无形但是有态,有正负和虚实四种形态及其组合—-复数态。

复数在物质层面是实数的自然扩展,在数理结构上复数是演绎物质空间的基本元素。复数空间和一对实数空间演绎相同的物质结构。复数是实数的一元扩展,是单一物质的扩展。无论单一物质扩展到何种形态,单一基本物质的大小(模)都是恒定的可以用‖c‖或1表示。数域的封闭性决定无形物质数系的终点,代数基本定理说明,任何一个一元复系数多项式都至少有一个复数根。也就是说,复数域是代数封闭的。实数域的任何一个代数扩张要么与实数域同构,要么与复数域同构。无形物质超实数的逻辑扩展只能是复数系,数系的进一步扩展只能在复数基础上进行。复数数域的标量性质决定了复数物质代数数系域是无形物质,要证明一个物质群是不是有形物质只要证明它不是复数域。由于数域的代数封闭性,数系的进一步扩展必将是有形物质的演绎。数环—-无形物质的模‖Z‖=1,也就是说物质是1的演绎。所有的物质形态,是数系的逻辑扩展。

在数学上表示为实数扩展,为复数再扩展,为复数的复数即双复数,再扩展为双复数的复数,即三复数等等;即前一个复数的转动(能量的数学演绎)。有形物质的数系的扩展规则(多重复数),是阐明物理学中物质本质与数学逻辑的统一。我们要用简明的语言解决最基本的概念的统一,这里还是用数系的概念对物质的物质形态加以探索。新的形态是j=1及0因子,由于双复数存在零因子,已经不是数域而是数环。所以双复数空间是有形物质空间。另外,我们可以在构造空间的演绎中发现其中质的差异。三重复数的扩展,多重复数简单而又简洁的演绎着数系的扩展,使丰富的基本物质体系变得有章可循。

比如一个费米粒子其外部空间,是黎曼空间,而内部空间是酉的;并且其外部是电场,而内部为磁场(不考虑其它物质影响)。而玻色粒子的内部空间和外部空间是重合的,比如电磁场的电场和磁场在同一空间上,也就是辛空间的i=-1和j=1 的不同之处。以多重物质复数为基础演绎,辛群,拉格朗日群,酉群,旋转群,正交群等群的关联,就可以从电磁场一直演绎到分子结构。物质世界是以超实数为基础,按照多重超复数的数系扩张规律演绎着物质运动规律的,物质空间就是多重超复数数系的集合,物质就是物质空间上的函数。

四、量子引力子在偏振量子数中寻求

以上谈论物质空间多重超复数数系的集合,只是坐而论道,“是吃素,还要吃荤”。以引力子实类似信息兵的本征矢量密码算符,其学术底藴的关系是彭罗斯的《皇帝新脑》、《通向实在之路:宇宙法则的完全指南》、《时空本性》等专著提出,用里奇张量解读爱因斯坦广义相对论引力方程的机制,是“当一个物体有被绕着的物体作圆周运动时,被绕物体整个体积有同时协变向内产生类似向心力的收缩作用” 说明的;用韦尔张量解读牛顿万有引力方程的机制,是“针对不管平移或曲线运动,体积形变仍是与直线距离平移运动作用一样,只类似一维的定域性的拉长或压扁的潮汐或量子涨落的引力效应”说明的。但这里,从韦尔张量和韦尔曲率的经典通道,传送给接收者,是决定性的,且还分类似有线电话和无线通讯的电流与电磁波区别,并是这两种形式的结合。

但不管韦尔张量和里奇张量的引力,是分是合,引力子类似复数,实部和虚部可分可合。但在物质或星球体内说到底,还是一种卡西米尔效应平板对堆链。走向有序也必然像铁、镍、钴等元素的磁力线那样,形成像一串重叠的圆环饼子组成的极性走向的圆弧极限,最终爆发也像北极出南极进的磁力线转动循环,是一种全域性或非定域性的体积形变引力效应。引力的量子卡西米尔平板间的韦尔张量收缩效应机制,与被绕离子核,在量子回旋间非定域性的里奇张量收缩效应的量子引力信息隐形传输机制,本质虽有不同,但“里奇张量”和“韦尔张量”又是统一的。这在牛顿万有引力和爱因斯坦广义引力这两种引力机制的路径积分的路线间隙上,以及双方物体内,有无数的量子卡西米尔效应平板对,和形成的卡西米尔效应平板对链堆。由于卡西米尔效应平板对间隙内外的真空量子起伏,有实数对量子起伏、虚数对量子起伏、复数对量子起伏。引力子可以少到类似“通信兵”,因为这种“里奇张量”和“韦尔张量”的经典通道与量子通道,它们之间路径的实数光速和虚数超光速量子信息隐形传输联络,类似虫洞。

韦尔张量的引力虽能靠时空规范场的间隙量子卡西米尔效应平板链,在传递牛顿万有引力,但量子卡西米尔效应平板对链在每处间隙,相因子的量子起伏参加的,是实数和虚数两类的多种不同组合的量子对。只需像“通信兵”来统一间隙卡西米尔效应平板堆链内,空间的量子起伏的引力作用。两种机制中的这类虚数超光速引力子,具有超前组织协调的强大功能。即量子卡西米尔效应平板链类似有线电话通信的经典通道和电流,引力子类似无线通讯的电磁波,是用等价于虚数超光速“相因子”的里奇张量编辑的量子通道和传送者。里奇张量和韦尔张量都是一些等于“0”量子真空起伏能量的可观测效应。卡西米尔效应是两个平行平板间隙内外的压力差不平衡,才造成平行平板之间的相互吸引或排斥。

而在宏观中,像波浪推动物体前行靠近的引力或排斥,压力差只来自外力。这种引力机制,本身就类似常识用柔性的绳子拉,和用刚性的棍子推等模型当中,但量子引力卡西米尔效应与两个物体本身之间的联系不是直接的。那么众多的引力子在各种不同的里奇张量与韦尔张量引力任务中,如何知道各自或各群的分工配合的呢?这就要讨论量子引力信息传输需要的密码和密钥。在目前实践的地面量子通信和星地量子通信中,为防止泄密需要的量子密码和量子密钥及分发,是采用光速量子传输,只需涉及光子、电子、电荷,所以引力子看起来也就不重要,而不被重视。其实不然,引力子比光子、电子、电荷的量子通信广泛得多,而且也能把量子通信和量子计算机结合起来,对人类社会未来有深远的影响。

前面已说过量子引力信息传输从球量子自旋和手征性定向调整校对纠缠现象上看,叫做“量子自然全息自旋纠缠原理”。实践提示的是,现代量子计算机和量子纠缠的测量,利用的是类似光子的偏振行为,而不仅是转轴方向的手征性区别。而在里奇张量引力使被绕物体收缩中,探讨马约拉纳费米子和韦尔费米子涉及“兵营”内引力子情形,是在闭合捕获面上,有类似霍金与彭罗斯采用顶对顶圆锥体技巧,证明的“奇性定理”效应,就牵连到类似引力子性质。

这是霍金与彭罗斯发现在闭合捕获面上,无论是向内还是向外的零性射线,都有收敛的性质。霍金与彭罗斯采用顶对顶圆锥体图像,说明“奇性”在闭合捕获面上,无论是向内还是向外的零性射线,都收敛的性质—-这就涉及引力子类似的弯曲行为。费米子和玻色子的区分,虽是以自旋为1/2整数和自旋为整数定义的。但在《时空本性》一书中,霍金在《第一章经典理论》篇中,说他与彭罗斯采用类似顶对顶圆锥技巧,证明的“奇性定理”,能足以捕获一个区域的引力。

因为在正常的闭合二维面上,从该面出发的向外零性射线发散,而向内零性射线收敛。在闭合捕获面上,这是一种弯曲面,无论是向内还是向外的零性射线,都收敛。三重简并费米子态中韦尔费米子态和马约拉纳费米子态,涉及引力子闭合捕获面,是佩雷尔曼没有看到庞加莱猜想,延伸的逆猜想和外猜想,也有三重简并的二维与三维曲面;这能突破传统基本粒子分类的不变化。例如,从霍金与彭罗斯采用类似顶对顶圆锥体技巧,从类似钽砷晶体家族中分离出的粒子-反粒子对的韦尔费米子或马约拉纳费米子,可以涉及玻色子类的引力子。

其次,在宏观超导隧道量子效应的约瑟夫森效应、霍尔效应、量子霍尔效应、反量子霍尔效应等现象中,翻转并不需要丘成桐院士和田刚院士研究奇异点要采用炸开(blowing up)的工具炸开。即使地磁场磁力线南极进北极出的翻转,也不需要把地球地面“炸开”。“贝里洞”和贝里相因子现象,也无须“炸开”就自发联系有“备穴”。这是2016年诺贝尔物理学奖得主索利斯,对贝里从量子的观点引进的“贝里相位”作延伸,对通电螺线管电子路径存在线圈时,贝里相位不为0,不存在时为0,作拓扑学形象分析,说存在时,相当于在电子运动的三维空间中,“备穴”就如挖了一个洞。这种洞叫“贝里洞”。这种使空间具有了不平凡的不同拓扑性质的理论,不但获得2016年诺贝尔物理学奖,也能指导《引力子学》量子的研制。因为“贝里洞”是物体微观存在电荷,而与量子引力里奇张量圆周运动效应的机制也有关,而涉及产生引力子。“贝里洞”其实也是能级能带中间的能隙态,可以联系韦尔张量引力量子信息传输,这就涉及引力子。

而且翘翘板机制学派,说中间能隙态,也可能出现在某些超导体或超流体的量子涡旋中,马约拉纳费米子便可能位于其中。还有用分数量子霍尔效应,也可以替代超导体。所以霍尔效应、量子霍尔效应等涉及“贝里洞”,也与量子引力里奇张量圆周运动效应机制有关,而涉及产生引力子。该学派还认为,由于超导体中的马约拉纳费米子满足非阿贝尔统计规律,使得拓扑量子计算机成为可能。

类似“信息兵”的引力子实,以及卡西米尔效应平板对间隙内外的真空量子起伏产生的收缩作用,类比“量子移物”,在里奇张量引力中,它的优点是使接收者可以立即收到传输的信息,而无须像韦尔张量引力要等待信息以普通方式传输。这类量子移物的“物”指“信息”;当把独立的物理现实赋予“信息”缠结对中的个体粒子时,就会进入整个系统来考虑,即对量子纠缠的缠结对而言,就是必须把两个粒子的组合放在一起考虑。但这种引力指挥“信息”,又必须获得全部必要信息才能准确地“执行”引力任务。引力与信息量子纠缠的缠结特性,可运用引力子实的偏振量子数类似“信息兵”的本征矢量、密码、算符,与量子计算机的操作原理本身的自然结合来进行传送。

道理是:类似两个光子偏振的缠结是随机的,但却是完全一致的,因此它们的相速度与群速度也是随机的,但在真空中又是一致。光束甚至单个光子都由电磁场振荡构成,而偏振与电场振荡的取向有关。当一束激光通过如b硼酸钡之类的晶体时产生缠结的光子对,晶体有时把单个的紫外线光子转变为两个低能光子,一个垂直偏振,一个水平偏振。如果光子恰好沿锥面交线通过,那么两个光子的偏振都不确定,但它们的相对偏振是互补的,因而它们产生缠结现象。

而非偏振的光,包括在各个方向上振动的光子。在偏振光中光子的电场振荡,全部具有相同的方向。方解石晶体把一束光线一分为二,其偏振方向与它的轴平行的光子形成一束光线,而偏振方向与它的轴垂直的光子形成另一束光线。处于中间角度的光子则进入两束光线的量子叠加状态,每个这样的光子都能够在这束或那束光线中探测到,其概率依它的角度而定。

由于涉及到概率问题,虽然不能确切地测出单个光子的未知偏振状态。但理想的量子移物过程,是依靠发送者(她)和接收者(他)分享一对缠结粒子A和B来完成。发送者有一个处于未知量子状态X的粒子,她对粒子A和X进行了贝尔态测量,得出4种可能结果中的一种。她使用普通方法把结果告诉接收者。接收者根据发送者的结果使粒子保持不变(1),或者让它改变(2、3、4)。两种方法都可以产生初始粒子X的理想复制品。这里,发送者获得这四种可能结果中的哪一种是完全随机的,不依赖于光子X的初始状态。因此接收者在了解发送者的测量结果之前,一直不知道如何处理他的光子。可以说,接收者的光子在一瞬间便包含了来自发送者的初始态光子,并通过量子力学原理的作用传输过来的所有信息。然而,要知道如何解读信息,接收者还必须坐等经典信息传输过来,此信息包含两个比特,其传输速度不能大于光速。

这里是否可以说,传输的东西仅仅是光子的偏振,或者是它的量子状态,而不是光子“本身”呢?不能,由于光子的量子状态就是它的明确特征,所以传输光子的量子状态便等同于传输光子本身。但由于完全复制量子信息是不可能的,因此发送者的测量实际上使得光子A和光子X缠结,而光子可以说失去了所有有关它初始状态的记忆。作为缠结对中的一个光子,它没有单独的偏振。

所以,光子X的初始状态从发送者处消失了。此外,光子X的状态是在发送者和接收者都完全不了解的情况下传输给接收者的。发送者的测量结果是完全随机的,没有显示有关光子状态的任何信息。这个原理并不影响整个状态的传输,并且,传输的量子信息实质上没有从发送者传到接收者。实际传输的所有信息只是有关发送者测量结果的消息,它告诉接收者如何处理他的光子,却没有传送关于光子X状态本身的信息。在四种情形中的一种情况下,发送者顺利地完成了测量,接收者的光子便立即变得与发送者的光子的初始状态完全相同。

但是这个奇怪的特征不能用于发送直接的引力作用开始的命令信息,因为接受者没法知道他的光子已经变成了发送者的光子的复制品。这又说明,即使量子引力力在相隔一定距离的情况下幽灵般地发生瞬时作用,也不能以大于光速的速度传送类似量子卡西米尔效应平板链有用的引力作用开始的命令信息。量子引力移物“信息”,类似是一种搭骑在发送者的辅助光子A背上的量子状态:辅助光子对根据光子的位置缠结,光子A被分束器分裂后,发送到发送者的装置的两个不同部分,而这两部分通过缠结与接收者的光子B的相似分裂联系起来,要传输的状态也被发送者的光子A所携带,即它的偏振状态。利用的光子偏振特性是离散的量,其中任何偏振状态都可以恰好表示为两个离散状态(例如垂直偏振和水平偏振的叠加)。和光相联系的电磁场同样具有等于无穷多个基本状态的叠加的连续特性,比如,光速能够被“压缩”,这意味着可以把光的一个特性变得极其精确,或是无噪声,但付出的代价是另一个特性变得更加不确定。这里又把缠结同模糊联系了起来,确定的界是与模糊的界缠结在一起的。可见偏振量子数的几何结构中存在的平衡、对称、守恒、确定、模糊与缠结的波动实在丰富。

这里引力子实偏振量子数密码的观控,可以类比联系来看生物现象。例如,生命的功能是依靠信号传导密码,来体现或来执行的。利用X射线激光破解细胞信号传导密码,解析磷酸化视紫红质与阻遏蛋白复合物的晶体结构,中科院上海药物研究所徐华强研究员等就破解了负责关闭G蛋白偶联受体(GPCR)传导信号的磷酸化密码。G蛋白偶联受体是人体内最大的细胞膜表面受体家族,类似引力子实“信号兵”在引力路径卡西米尔效应平板链中的作用,生命功能通过G蛋白和阻遏蛋白这两条主要信号通路,承担着细胞信号转导的“信号兵”的职责。当受到外界信号刺激,G蛋白偶联受体激活G蛋白发出“开放”信号。而“关闭”信号,则来自G蛋白偶联受体尾部的磷酸化密码,一旦被磷酸化,随即将激活阻遏蛋白,并与之形成紧密结合为复合物,从而关闭传导信号。

搞清引力子实的偏振量子数的信息传输密码,是引力学的迁移学习任务。而鉴定与解释GPCR磷酸化密码,也是细胞信号传导学问题。对于G蛋白偶联受体与阻遏蛋白复合物的完整复合体结构的尾部,攻关高分辨率结构与磷酸化机制,是用世界上最强X射线激光,才看清楚复合晶体的尾部结构信息,和尾部磷酸化招募并与阻遏蛋白结合过程的。把这比喻为生命密码的层层解密,为验证磷酸化密码的普适性,需要试验96%的GPCR蛋白,才发现70%-80%GPCR的“关闭”信号,都由磷酸化密码控制,和破解GPCR招募阻遏蛋白的磷酸化密码的。这是GPCR通过其尾部氨基酸的磷酸化,招募并与阻遏蛋白结合。这种信息密码对整个GPCR蛋白组是具有普遍性的,它与同步辐射光源+X射线自由电子激光的组合密切相关。所以全球已有德国、美国、日本、韩国、瑞士和意大利等国,都在建设与推进软X射线与硬X射线自由电子激光装置的大科学平台。类此我国搞引力通信和中微子通信结合研究,也离不开量子卫星和江门中微子等实验。

从原子实到引力子实的能量、动量还要分角动量,也类似经典力学中描述行星运动的物理量有能量和角动量一样。而量子要把能量限制在一些分立的数值上,也只能在角动量上去找。从巴尔末的四条光谱线波长公式的整数字n游戏,到玻尔引入整数n的氢原子模型量子化的电子的类行星轨道,就是用量子化的角动量和能量,联系巴尔末公式里面出现的是同一个量子数n的。

1997-1998年潘建伟和他的导师塞林格做成功量子态隐形传送(1997)以及纠缠态交换(1998),用的也是偏振光子。光的量子是“光子”,1927年获诺贝尔物理奖的康普顿,1923年做的“康普顿实验”,发现光粒子同电子碰撞后,在不同偏折方向上波长会有不同程度的改变。把这里“偏折”与“偏振”联系起来,分析光粒子同电子碰撞之前的粒子自旋的手征性,和碰撞之后的粒子自旋的手征性,把两者自旋轴方向之差的光的“偏折”角度θ,看成碰撞之前自旋轴方向发生的“偏振”改变,实际也代表粒子自旋发生的质能改变。

但康普顿只联系到光与电子碰撞后波长的改变(λ′-λ),与光的偏折角度θ的关系为(λ′-λ)=[h/mec (1-cosθ)],其中me是电子的质量。康普顿实验及其康普顿公式确立了光量子的真实地位,而且是比普朗克和爱因斯坦的光能量量子假设迈进了一大步。很可惜的是,国际国内现代物理学界从此在康普顿的这一步上停了下来,类似只在自旋偏振的频率、波长上做文章,没有看到基本粒子自旋偏振,联系基本粒子质量的一些分立的数值,也类似巴尔末公式存在多夸克“偏振量子数”。因为基本粒子,特别是6种夸克的质量也是一些分立数值。

根据“偏振量子数”的设想,“光子”是光的量子,那么“引力子”就应是引力的量子。但引力子比光子、电子、电荷的量子通信广泛得多,而且根据彭罗斯的量子引力里奇张量分析,加上引力粒子的“偏振”变化,也能把量子引力通信和量子计算机结合起来。问题是众多的引力子,在各种不同的里奇张量与韦尔张量引力任务中,它们是如何知道各自或各群的分工配合的呢?

这就要讨论“偏振量子数”的量子引力信息传输,需要的密码和密钥。在目前实践的地面量子通信和星地量子通信中,为防止泄密需要的量子密码和量子密钥及分发,是采用光速量子传输,只需涉及光子、电子、电荷,所以引力子看起来也就不重要,而不被重视。但其实不然,量子引力信息传输从球量子自旋和手征性定向调整校对纠缠现象上看,“量子自然全息自旋纠缠原理”类似陀螺,只有整体形态一致的量子,自旋才有避错码的存在。这也存在量子密码和密钥。

反之,类似魔方的非整体形态一致的量子就不行;魔方只可与类似球量子自旋编码的冗余码联系。暗物质原子量子就是被看成属于冗余码的量子编码物质,所以不容易发现,即使暗物质很重、很多。里奇张量引力的量子传输普遍存在,一处里奇张量的引力子是如何设定它们的引力行为呢?这也是引力子和量子计算机统一量子信息传输考虑的问题。实践提示的是,现代量子计算机和量子纠缠的测量,利用的是类似光子的偏振行为,而不仅是转轴方向的手征性区别。

况且对众多各种情况的引力传输设定,球量子自旋转轴方向手征性编码的数目太少了。但如果加上球量子偏振,就能大大增加编码符号设定的基本单元。例如,球量子偏振进动,在环量子的三旋理论中,是属于体旋范围。用垂直于球量子体旋轴作切面,大圆有360°的角度方向可分。其次,过球量子体旋轴作切面,大圆也有360°的角度方向可分。把360个方向作为符号编码设定,两个切面的组合,编码信息量是2的(2×360)次方。把其中相同的两个符号的编码,看作静止不动点或冗余码,只有(2×360)个。从中减去后,仍是宇宙级数量的编码数。这也成为“量子信息记忆储存原理”的基础,以及量子引力通信传输内容发报和接收的基础。由此产生的量子引力纠缠编码,各种引力子定域性就不会混乱。

而这不仅是球量子可行,如果是环量子,因它除体旋和面旋外,还有线旋。线旋又分平凡线旋和不平凡线旋。不平凡线旋还可分左斜和右斜两类。而左斜和右斜这两类,各自还分上下两种方向性转动。所以对自然、宇宙、点内与点外空间的任何量子引力行为,用来编码都是足够的。但这还是量子卫星上天公开后的研究,而1996年联系物质族质量谱与“偏振量子数”的联系,最初发表在成都《大自然探索》杂志第3期的论文:《物质族基本粒子质量谱计算公式》(简称“96版质谱公式”),提出tgNθ与“偏振量子数”关系类似巴尔末公式的计算公式:
M=GtgNθ+H (1-1)
M上=BHcosθ/(cosθ+1) (1-2)
M下=B- M上(或B= M上+ M下) (1-3)
B=K-Q(或K=Q+B) (1-4)

为何要首选正切函数tgNθ?因为6个夸克的质量的实验测量值,在直角坐标第一象限90°的角度内,都能在正切函数表中找到相应的数字,而实际tgNθ就类似粒子自旋轴方向发生的“偏振”改变。这里以6个夸克的粒子来说明,M=GtgNθ+H能够对应巴尔末公式来求6个夸克和6个轻子的质量谱系列。这其中虽然也含有基本常量的质量轨道角θ,但它和另外两个基本常量G、H是平等的,且类似用的是巴尔末-玻尔行星绕核运转式的弦图。

而分析光谱线波长的巴尔末-玻尔方法,具体可分解为基本常量、量子数和弦图等三个部分。因它的量子数不用实验测定,而类似数字化软件;由此它减少了基本常量的使用数量,这是它最为成功的地方。因为标准模型需要28个基本常量,能否可减少?成为人类探索统一场论的一个奋斗目标。而用行星绕核运转式弦图的巴末尔-玻尔方法,就可达到类似所有氢元素光谱线只需1个。

因为96版质谱公式M=GtgNθ+H说明,对3个一组的味夸克,是需要G、θ、H等3个基本常量,这其中代表量子数N的夸克分代常数只有1个,由此6种味夸克就需要6个基本常量,这实在太多。这是96版质谱公式最不满意的地方。对照巴末尔研究的4条氢光谱可见光线波长,是已经测定的数据;同理,“96版质谱公式”研究的电子、夸克、光子、w和z玻色子等质量数据,也是当时已经公布的测定数据。虽然后来这些公布的测定数据,有变化,使公式中需要G、θ、H等3个基本常量的确定有来回折腾变化之感。

但问题的实质仍然是在能否可减少基本常量的数目上。96版质谱公式使用的是从《科学美国人》等科技刊物中查到公布的6种夸克质量测定最集中的数据:如上夸克u、粲夸克c、顶夸克t、下夸克d、奇夸克s和底夸克b等分别为:约0.03Gev、约1.42Gev、约174Gev、约0.06Gev、约0.196Gev和约4.295Gev,以及电子等轻子,光子、w和z等玻色子的数据,作的推证预测。96版质谱公式与标准模型数据大部分是相符,而且推论出3种中微子和8种胶子中4种有可定量数据的质量,而不是为0。这只是个参考。

“偏振量子数”作为“巴尔末-玻尔”模式的数字化,96版质谱公式学习巴尔末公式减少基本常数的出路到底在哪里?研究玻尔指定的同心圆能级核式弦图,巴尔末公式中的m、n为量子数,对应基态、稳定态、非稳定态、激发态、始态、终态等,很摆布对众多光谱线系列也容易统一。但把96版质谱公式M=GtgNθ+H,投影到同心圆轨道核式弦图的能级圆上分析,代表量子数的分代N,只用作对质量轨道粒子自旋的偏振角度θ,单从M=GtgNθ看,偏振基角可对量子数N扩大或缩小。而G基本常量既是能级圆半径,又是一条直角边。而这条直角边与能级圆交点处的圆周切线,形成的另一条直角边,才代表质量谱M所求的数值。所以要扩大96版质谱公式中分代N量子数的安排、摆布和统一,单从轨道圆核式弦图做文章肯定不行,必须重新找新型弦图与之配合。

因为如6个夸克的质量在正切函数表中,都可查到对应的数值。这类似质量能级圆“偏振量子数”已存在,只是需要用基本常量谱线系列,确定与之相交的点;但连接这些点,只会是曲线。而从弦图上分析,玻尔图解巴末尔公式的原子内和原子核外电子运行的能级核式弦图,可以认为是真实的,但在量子化学中也有不同的地方,例如它说能级只是电子出现的密度波或几率波,所以96版质谱公式要另找的弦图。《大自然探索》杂志发表后19年,弦图分析发现总体应分两大类。如玻尔的同心圆行星轨道核式弦图,也包括电力线和磁力线类型,简称核式弦图,是个大类。但还有另一类,如古代中医发现的经络穴位流向弦图,这包括生物进化树图和宇宙演化钟形图,它们简称链式弦图。

现在从“量子自然全息自旋纠缠原理”的量子引力纠缠编码的设定来看,质量谱的“偏振量子数”仅占极少的几个特定的纠缠编码,而使意义大为明了。统一场论向方程计量弦图进军,由此仅从6种味夸克出发,来寻找只要1个基本常量,那么是否也有和类似玻尔指定巴尔末公式中的m、n为量子数的质谱公式,以及有可对应公式的链式弦图呢?21世纪可查到的大同小异的夸克数据很多,如2008年4月出版的[英]安德鲁•华生的《量子夸克》(下称华著);2010年7月出版的陈蜀乔的《引力场及量子场的真空动力学图像》(下称陈著);2012年4月出版的[美]布赖斯•格林的《宇宙的结构》(下称格著)等,提供的夸克类粒子,如上夸克u、粲夸克c、顶夸克t、下夸克d、奇夸克s和底夸克b等的质量数据,分别是:华著为:约0.004Gev、约1.3Gev、约174Gev、约0.007Gev、约0.135Gev和约4.2Gev等。陈著为:2~8Mev、1.3~1.7Gev、137Gev、5~15Mev、100~300Mev、4.7~5.7Gev和约4.2Gev等。格著为:0.0047Gev、1.6Gev、173.34Gev、0.0074Gev、0.16Gev和5.2Gev等。以上出入大的是顶夸克t;还有实验报告说是202Gev。由此联系马蹄形链式弦图的夸克质量谱计算公式的研究和分析,得出的多元性超对称量子数质量谱公式;其中正切函数的∠θn的θn公式:
θn=θfS±W² (2-1)
式中θ=15′,称为质量偏振基角。f称为质量繁殖量子数,f=6²或6^0。S称为首部量子数,W称为尾部量子数;S=n×m,W=m×n,但大多数时候S≠W,少数时也可S=W;其中m=1、2、3、4、5,n=1、2、3、4。由此格林夸克质量谱公式为:
M=Gtgθn=Gtg(θfS±W²) (2-2)
由于G=1Gev,上式可写为M=tg(θfS±W²)。这样超对称量子数夸克质量谱公式只需要用一个质量偏振基角常量θ=15′,就可以求出格林夸克质量谱中的6个夸克质量值。设G为质量单位符号,G=1Gev,下面是验算:
上夸克u:M1=Gtg(θfS±W²)=tgθ1=tg16′=tg0°16′=0.0046Gev;
下夸克d:M2=Gtg(θfS±W²)=tgθ2=tg26′=tg0°26′=0.0076Gev;
奇夸克s:M3=Gtg(θfS±W²)=tgθ3=tg544′=tg9°4′=0.16Gev;
粲夸克c:M4=Gtg(θfS±W²)=tgθ4=tg3495′=tg58°15′=1.6Gev;
底夸克b:M5=Gtg(θfS±W²)=tgθ5=tg4716′=tg78°36′=5.0Gev。
顶夸克t:M6=Gtg(θfS±W²)=tgθ6=tg5384′=tg89°44′=202Gev。

可见除开顶夸克t外,其余的3个误差都在小数点以下,说明格林提供的数据系统性程度高,这与他收集的数据时间最近有关。超对称破缺的量子数如何表达?根据设计出的超对称破缺的“船闸”链式弦图,虽然可以有多种,但这类似如果运河和两端船闸的实体一旦修好,这是不能变更的类似的常识。所以可以变更的量子数,类似只能是码头的编码编号,即可动的只能是量子数。那么具体到格林夸克质量这些量子数,是如何分类和布局的呢?以格林夸克质量为例,为了通过实验确定θ值,因它们是分别以角的度数和分数表示的,为了便于计算,要把通过正切函数表中查到的6个夸克质量值,对应的正切函数的角度,这需要统一换算为角度的分数值。例如,0.0046Gev上夸克u=15′;0.0076Gev下夸克d=17′;0.16Gev奇夸克s=545′;1.6Gev粲夸克c=3480′;5.0Gev底夸克b=4747′;202Gev顶夸克t=5382′。下面是对格林夸克质量谱正切函数角度值分拆的多项式的其中的一组过程,它是有规律的:
上夸克u:15=15(1×1)+0≈15×6^0×(1×1)+(1×1)²=16;
下夸克d:17=15(1×1)+2≈15×6^0×(1×2)-(1×2)²=26;
奇夸克s:545=545(1×1)+0≈15×6²×(1×1)+(1×2)²≈544;
粲夸克c:3480=545×(2×3)+210≈15×6²×(2×3)+(4×4)²≈3496;
底夸克b:4747=545×(3×3)-158≈15×6²×(3×3)-(3×4)²≈4716;
顶夸克t:5382=545×(2×5)-477≈15×6²×(2×5)-(2×2)²≈5384。
以上各式中后面的两对乗积多项式,是否有和巴耳末公式的量子数多项式相似的规律呢?按有规律相似的情况,对格林夸克质量谱中6个夸克的质量值,配对航道归口,分解成的含有量子数字的多项式为:
(15-6-0-1-1-1-1)上夸克u=15×6^0×(1×1)+(1×1)² (3-1)
(15-6-0-1-2-1-2)下夸克d=15×6^0×(1×2)-(1×2)² (3-2)
(15-6-2-1-1-1-2)奇夸克s=15×6²×(1×1)+(1×2)² (3-3)
(15-6-2-2-5-2-2)顶夸克t=15×6²×(2×5)-(2×2)² (3-4)
(15-6-2-2-3-4-4)粲夸克c=15×6²×(2×3)+(4×4)² (3-5)
(15-6-2-3-3-3-4)底夸克b=15×6²×(3×3)-(3×4)² (3-6)

以上分拆的6个式中的数字,有很强的全息性。如上式前面括号内的那些量子数字,即常量f和量子数字N、m、n等四个数,类比玻尔的量子能级理论,类比巴尔末公式中的常量和量子数,马蹄形链式弦图中的常量和量子数字的意义是什么呢?首先“15”作为质量轨道圆弦偏振基角θ这个共同的常量数角度分数,能确定下来,即θ=15′。第二,“6”和0与2,作为粒子夸克的共同数目类似一个繁殖系数,也能确定下来。那么剩下的数代表的量子数符号的什么意义呢?是格林夸克质量对称破缺的巴拿马运河船闸-马蹄形链式弦图的摆布,和链式轨道弦图量子数多项式摆布,性质对应以上6个格林夸克质量谱正切函数角度值分拆的多项式反映。分析计算光谱线波长量子数多项式,是离不开弦图的;同样,要分析计算夸克质量谱,求证合理的量子数多项式,也是离不开弦图。

但夸克量子符号编码的复杂性和数字计算的复杂性,还在于具体到每个夸克的计数时,因为在链式弦图的所在位置都不一样,需要确定唯一的链式弦图。这里给出的是:马蹄形不管蹄口左右向平行摆放,还是蹄口上下向竖直摆放,摆放形式即使不同,但只要是能合理,都是马蹄形链整体如全息式“U”型的分形图示。现以马蹄形磁铁蹄口向下摆放为例,这是以三个大小不同的马蹄形磁铁,蹄口向下的重叠摆放,但又稍有变化。因为有大级和小级之分,其中又有内外之分;其次这里的大级和小级整体“U”型类似双航道,按质量大小从开端到终端,是分成三级码头层级,设其类似轨道空间方向量子数的层级编码符号为n。

如将上夸克u和下夸克d构成的一个小马蹄形,称为1号马蹄形,它的蹄口向下摆放,作为整体“U”型的一边磁极,n=1。而作为马蹄形全息的再延伸,是将称为2号马蹄形的奇夸克s与顶夸克t构成的一个最大的马蹄形,和称为3号马蹄形的粲夸克c与底夸克b组成的另一个次大的马蹄形,两者蹄口向下,并重叠起来,再把它们各自下端一边的磁极,如奇夸克s和粲夸克c联接到1号马蹄形的弯背处,作为整体“U”型与1号马蹄形合成的这一边的磁极的接口,n=2。整体“U”型另一边的磁极,是底夸克b在内,顶夸克t在外的竖直平行摆放,n=3。其次,属于整体“U”型,设其类似磁极量子数的编码符号为m,由此,上夸克u、下夸克d、奇夸克s和粲夸克c等是同为磁极的大级,因此这4个是同起m=1;而底夸克b和顶夸克t作为另一磁极的大级,是同起m=2。

另外,上夸克u和下夸克d层级同起n=1;奇夸克s和粲夸克c层级同起n=2;底夸克b和顶夸克t层级同起n=3,但在这三个同属大级和小级之分的层级方位量子数中,各自两个夸克由于所属位置还有内外之分。上夸克u、奇夸克s和顶夸克t等,是同起属于大级和小级之分方位量子数在整体“U”型的外层的磁量子数,同起m=1;下夸克d、粲夸克c和底夸克b等,是同起属于大级和小级之分方位量子数在整体“U”型的内层的磁量子数,同起m=2。即作为整体“U”型的一边磁极,1号马蹄形上夸克u、下夸克d和“U”型全息式分形图的交叉点奇夸克s和粲夸克c,另一边的磁极是底夸克b、顶夸克t。

其次,整体“U”型外在的四端点上夸克u、下夸克d、底夸克b、顶夸克t,组成的四端点,按它们之间的质量大小排列,这又类似轨道空间方向量子数的层级编码n,即对这种不连接的4个端点按质量大小,它们的空间方向层级量子数n分别n=1、2、3、4。但是将这4个端点和中间的交点,归属大级极点或码头,这类似磁极量子数m,即它们分别是m=1、2、3、4、5;即按质量大小和码头层级,中间交点的奇夸克s和粲夸克c的类似磁极量子数m同起m=3,而4个端点的4个夸克的类似磁极量子数m分别为m=1、2、4、5。可见一种夸克的量子数不是不变,而且可以是相同或不相同。以上磁极量子数m和方位量子数n,也许会把问题弄复杂化。但以上(3-1、2、3、4、5、6)等6式中,各个配对中里的第一项首部量子数S(1×1)、(1×2)、(1×1)、(2×5)、(2×3)、(3×3)等6对组合,其S=n×m;以及各个配对里的第二项尾部量子数W(1×1)、(1×2)、(1×2)、(2×2)、(4×4)、(3×4)等6对组合,其W=m×n,这里S和W中的那些数字,也确实是这样配合来的。

以上这项“偏振量子数”联系物质族质量谱研究的基础,最开始来自我国1986年南京《华东工学院学报》第二期发表的论文:《前夸克类圈体模型能改变前夸克粒子模型的手征性和对称破缺》。这来自解决以色列魏兹曼科学院院长哈热瑞1983年提出的夸克和轻子内质量“奇迹般”相消的难题。道理是,物质质量直观认识来源重力,重力与引力相关。哈热瑞在解决了零质量问题后,却遇到了超对称使质量的手征性,发生对称性自发破缺的问题。这个问题的解决,能把质量与量子自旋联系起来,最终与体旋和偏振相关。原理是,体旋存在“偏振”过程而有多个向量。这里体旋与“偏振”实际成为一种量子密钥密码,道理就如为什么陀螺,比指南针的定向更基本?这个道理明白后,为什么量子纠缠隐形的虚数超光速传输和实数光速传输是两种形态,又是统一的,也就能明白了—-即量子纠缠隐形的虚数超光速传输的本质原理是什么?

本质原理简单说,就是拓扑球量子的自旋自身有手征性,无须外环境影响去识别。道理类似指南针能定向,在地球各地除两极外,都能定向相同指向南方,是外环境地磁场貌似全域性,在地球各地除两极外,都能对指南针定向相同指向南方起作用。但离开地面、地球,指南针也就不起作用。即使地磁场也依赖地球自旋的手征性。而安培环形电流有磁场手征性,这个环量子又太小了。因此如果航天飞机或人造卫星离开地球,或在受磁性材料干扰的地方,用指南针定向是不适用的。但陀螺罗盘不需靠磁力线的作用,在宇宙太空能定向,是利用陀螺本身的多层自旋来定向的。而陀螺类似球量子,这种球量子自旋定向的原理,也能揭示自然界中自旋调制耦合功能的EPR效应普遍存在。量子引力通信也如此。

但这个问题的复杂还在于,地球是圆球形的,地面是平面的。球量子自旋的手征性,看似以地面上下方向为基础作的大指姆判别的方向,但只是一种局域性。因为远离地球为标准看如此地面的实验,上下方向因地球是圆球形,在地球地面上对称的两点,判别上下以及偏振的方向是不同的。即从地球的北极运动到地球的南极,球量子自旋的自转轴指向的上下,并不是由地球的南北极判定的,而是由球量子自旋的自转轴手征性,自我判定的,即自旋的自转轴手征性是一种非定域性而具有全域性,由此物质族质量谱也是一种非定域性而具有全域性。但正因自旋的自转轴手征性具有自我判定的全域性,而使粒子自旋的“偏振”角度θ难于确定。但正是这里以反向思维看,可以从基本粒子所测量得出的质量反推“偏振”角度θ,说白了,就在正切函数表中都能对应找到。

五、引力子熵与彭罗斯的《宇宙的轮回》

创建引力子学与应用引力子实,如果说自然界的量子计算机,没有一个是单独使用的话,那么应该说它们都是和其它的自然量子、电脑设备结合在使用。例如,从人类的大脑思维,到量子引力传输更是这样。马约拉纳费米子的实验研究透露,在拓扑包裹之下具有极高的稳定性,这一特性会使得计算机在计算量和复杂难度上实现质的飞跃。但目前专家们只是测出了边界上的手征马约拉纳费米子,而需要有多个体中的非阿贝尔粒子才能形成量子比特,量子计算也需要多个量子比特,按要求进行运算才能实现。量子世界本质上是平行的,因此,量子计算机能够进行高度并行的计算,远比经典计算机有效。

以算术问题为例,如果给出一个很大的数字,问这个数字能否拆成两个数字的乘积,那么经典计算机只能用穷举法逐一尝试整除计算,而量子计算机可以在一瞬间同时完成所有可能项的测算。一个量子粒子能够同时穿过两个狭缝;平行的一个量子比特的信息,非常难以存储,微弱的环境噪声就能毁灭其量子特性。因此,量子计算机往往被视为可望不可即的空想。基于“天使粒子”的存储方式极其稳固,而且器件同时还可是二维体系,从而允许马约拉纳费米子的纠缠和编辫,使得有效的量子计算成为可能充满期待。为量子计算迎接春天,“天使粒子”的成果一发布,所以很快引起如此多的关注。

道理是,拓扑中用来做量子计算的单元是比特,这需要满足非阿贝尔规律。马约拉纳零能模,也就是非阿贝尔粒子,正好满足这一规律,这也是大家把相关研究与量子计算关联起来的原因。马约拉纳费米子是制造量子计算机的完美选择,不但与现在量子计算机面临的最大障碍—-被环境噪音干扰不同,而且未来量子计算机的每个量子比特信息,可用两个相距很远的“天使粒子”存储,这样背景噪音就不可能对它们造成破坏,它们携带的信息也不会丢失。

但物理的未来有人说,不能走向“大沙漠”。所谓“大沙漠”,说的是在粒子物理理论中,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。为此有人解释说:把能量提高到普朗克尺度绝对不可能。这也是理论上的“大沙漠”,不会有新发现。这也意味着从此以后,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。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。现在的弱电统一模型都需要上帝粒子来拯救,引力相互作用理论更是焦头烂额,还侈谈什么大统一理论?

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。在美国的王孟源先生也把超弦族群看成高能物理界的牛屎(Bullshit)文化,说他们是为了推进自己的职业生涯,发明了毫无实际意义和内涵的超弦理论,以便藉其高达10 500的自由度来出版无限多的论文,每一篇都与这个宇宙完全无关。他们能这样集体欺世盗名,靠的是过去40年高能物理实验困难度的指数性成长。其实王孟源先生放弃物理接近金融,是想“近水楼台先得月”。如果真正喜爱科学,被排挤出物理界也能研讨物理理论,何至于骂出“牛屎”?马约拉纳费米子“天使粒子”的发现,和中性宣传,也引来类似网文《秘密终于被科学家解开,微中子即灵魂》的宣传。

该文认为当今世界最惊人的发现,科学家发现微中子即灵魂。这是科技发展到今天,已经由看得见的物质研究到了看不见的原子、质子、夸克到中微子。几十年前,物理学家发现了微中子,微中子比电子小20至800倍不等,它是一种无形无体的虚无的一种能,它能穿透任何物质,美国科学家观测了30多年,发现没有一粒微中子衰变。不衰变就是不死亡。人体全身每个细胞都有微中子,如果将这些微中子连接起来,自然也构成一个物质躯体像微中子等类非物质的能。科学家说,人类的灵魂就是超弦。

依据是1982年法国物理学家的一项实验,证实微观粒子之间存在着一种叫作“量子纠缠”的关系。这是有共同来源的两个微观粒子之间存在着某种纠缠关系,不管它们被分开多远,都一直保持着纠缠的关系,对一个粒子扰动,另一个粒子立即就知道了。量子纠缠证实了爱因斯坦不喜欢的“超距作用”是存在的。而且量子纠缠的存在是微观粒子具有意识的证据,给“意识是物质的一个基本特性”提供了良好的证据。佛家的“万物皆有佛性”,道家的天人合一,认为“万物皆有灵”。现在越来越多的人预言和期望,科学和宗教的界限很快会消失。

此文说的道理是: 目前虽然对神经和大脑上的许多功能有了不少的了解,但对于意识本身仍然是个迷。有科学研究者从量子测量的角度分析,认为意识不能够被进一步简化,也不是在物质运动中突然出现的,因为如果意识只是物质的副产品,那么这无法解决量子力学中的“测量难题”。量子力学认为物体在没有测量之前,都是几率波,测量使得物体的几率波“倒塌”成为观测到的现实。那么如果意识是从物质中产生的,从根本上讲,大脑也只是由原子、电子、质子、中子等微观粒子组成的几率波。意识是量子测量问题的根源,但是量子力学本身无法解决意识的问题。现在神经科学、心理学、物理学等多学科领域里越来越多的人认为,就像时间、空间、质量、能量一样,意识是物质的一个基本属性,是宇宙不可分割的一部份。这与佛学认为“万物皆有佛性”具有惊人的一致!

中国科技大学袁岚峰教授提出一个“标准”:全世界的科学工作者是组成的一个科学共同体,具有大致相同的价值观和行为规范。在科学共同体内部,不同领域、不同学派、不同个人之间当然也可以有很大的区别,但这些区别还是远远小于科学工作者与科学共同体之外普通大众的区别。例如,相对论不是爱因斯坦的专利,其他很多科学家对这个领域也做出了重要的贡献。那么类似宇宙“熵轮回”,有更为合理的规范吗?因为像彭罗斯的《宇宙的轮回》一书,说引力子能穿越四维时空,进入高维和多维,说明它能“翻转”。然而热力学里有个“熵”概念,代表无序或混乱。热力学第二定律就说,与外界没有物质和能量交换的封闭系统,熵值只增不减;类似时间箭头。引力是“天使世界”,引力子也有熵。

但2015年湖南科技出版社出版的[英]彭罗斯的《宇宙的轮回》,要解答的就是“引力子熵”。但单就这个书名,就有“熵”—-如著名科学家张天蓉教授与著名翻译家李泳教授之争,就类似“熵”。因为中文翻译此书的李泳教授说,此书英文原是“时间的循环”,他翻译时觉得做标题不够味,想起佛家的“轮回”,的确也是“轮回”的一种英译,就借“轮回”来说明物理宇宙的“循环”,不是学物理皈依了佛们。但研究彭罗斯的张天蓉教授的博文《彭罗斯的“循环宇宙”》,针对李泳翻译的中文版开篇就说:“彭罗斯循环宇宙的思想,不同于佛教。就个体生命而言的转世‘轮回’,倒有点像尼采的宇宙‘永恒轮回’。但无论如何,为避免混淆,我们将它翻译成循环宇宙说,不叫轮回”。

其实“轮回”,不止佛教说人死有转世的“轮回”。佛家的“禅”,也许来自蝉鸣;联想自然界蝉虫感天动地生命力的超强轮回,如“知了”蝉生命短暂,是错觉—-虽大多数昆虫只有一年或更短的生活史,但蝉变化多端,夏天它从地里钻出来,不经过蛹而蜕皮变为成虫。这是早年产下的受精卵孵化成幼虫,钻入土壤中,以植物根茎的汁液为食。幼虫成熟后,爬到地面,脱去自己的外骨骼,羽化为常见的长有双翼的成虫。蝉虽仅能存活几个月,但是幼虫阶段能够在土壤中存活好多年。“川大学派”的内外翻转难题,也联想到“蝉”的出洞和脱壳的翻转。在四川夏天,无论农村还是城市,白天还是黑夜,“知了”的声音满天响个不停,但很少见到“知了”飞翔。联系“天使世界”的引力、引力子,这类似引力满天,却难见到引力子,所以追到马约拉纳粒子熵。

类似“蝉鸣”不是任何地方都有—-解答彭罗斯的“宇宙的轮回”的不同方案,我们想到“柯召-魏时珍猜想”的“空心圆球内外表面翻转”,就类似“膜面”加“奇点”式的线旋翻转反包围轮回循环,比彭罗斯的棱锥式的两端不同拓扑类型说明,更具有科学创新,这也许就跟“川大学派”与地理因素有关一样。改革开放后的1985年,王德奎先生偶然看到上海科技出版社出版的《科学的未知世界》一书,其中彭罗斯的文章《自然是复的吗?》,是他第一次接触彭罗斯。

彭罗斯的自然是复的讲,从黎曼球面到复数坐标平面的球极平面投影,可描述从代数到自然界的自然数和复数,当然也可以联系“蝉鸣”蝉的生活史—-“自然是复的”类似“旧实在性”和“新实在性”,是两个不同的阶段、两个不同的地方,因发现和证实的时间不同,“旧实在性”和“新实在性”也许都正确。“旧实在性”类似自然数和实数,像蝉在地面。“新实在性”类似虚数和复数,在“点内空间”,像蝉的幼虫在洞内的地面下。由此再看1989年彭罗斯的《皇帝新脑》一书,他讲广义相对论引力方程的引力机制,是里奇张量效应的“当一个物体有被绕着的物体作圆周运动时,被绕物体整个体积有同时协变向内产生类似向心力的收缩作用”。我们这才搞清楚引力场和引力子,是分韦尔张量和里奇张量两大类:牛顿属直线期“蝉”,爱因斯坦属圆周运动期“蝉”。而且蝉有种群分类(约3000余种)和地理分布(仅存温带至热带地区)。其次彭罗斯用里奇张量引力效应,证明了虚数超光速的“新实在性”。恩格斯的《反杜林论》早就承认存在虚数的合理性,彭罗斯让科学从旧实在性回到真正的马列主义立场。

这是彭罗斯得知贝尔实验证明量子纠缠在宏观尺度上的正确性后,立即把他的“自然是复的”结合“旧实在性”和“新实在性”,运用于量子引力模型得出的。但彭罗斯没有明说。然而这个转折点,只要联系彭罗斯的里奇张量引力收缩效应就更清楚。彭罗斯提供的这幅虚数超光速快子图像的清楚是:假设绕着星球作圆周运动物体的半径为1米,它到星球表面的最近距离为30万千米,星球的半径大于30万千米。要里奇张量引力产生整个星球体积的同时理想收缩,以“旧实在性”的光速引力子传到星球表面的信息开始,就不能使星球直径另一端的表面也同时开始收缩。因此必然有产生一半对一半的实数光速引力子,和“新实在性”的虚数超光速引力子,并以实数引力子到达时为准,这不违反两个相对论。

但到2015年,彭罗斯的《宇宙的轮回》一书,已不同于他第二个阶段的《皇帝新脑》、《时空本性》、《通向实在之路》等三本书。在这第三个阶段,他绝口不再提里奇张量引力讲的:当一个物体有被绕着的物体作圆周运动时,被绕物体整个体积有同时协变向内产生类似向心力的收缩作用,而转向宇宙轮回。为啥?因为终极科学理论最大难题,是遇到的熵增不能轮回。彭罗斯用尽平生的学问,得出他认为最好的结果。但我们认为,彭罗斯还是没有解决熵增为何能轮回的问题。因为解决熵增联系宇宙的轮回,类似蝉鸣知了的“翻转”,只能从分“点内空间”与点外的平行宇宙轮回才可解。但彭罗斯只从共形映射应用于宇宙的爆炸开端和宇宙膨胀结束,两者拓扑不同,得出再变回原来的空间熵也减一样。

而“川大学派”创建引力学坐实引力子实的“空心圆球内外表面翻转”,是类似“膜面”加“奇点”式的线旋翻转反包围轮回循环,是比彭罗斯的棱锥式的两端不同拓扑类型说明,更具不断完善、推导和预见。联系超弦、超膜理论模型研究维度。进入到的“基本粒子”范畴,人类无法赋予物理中的粒子一个特定的“形象”。除了公式、方程,找不到更准确的表达,理论物理学家做的,往往是基于实验发现,构建对应的物理模型;基于数学的证明以及新的实验发现不断完善此模型,并提出新理论。数学是构建模型的粘合剂。在构建物理模型时,首先往往是发现新的理论。但新的理论在实际中,由于器件和实验技术的限制可能无法实现。实验的精度经常造成正确的理论不会马上被证实,这就敦促实验物理学家“千方百计”验证到底是理论正确,能够预见,还是理论模型不完美,需要再建新模型。当理论和实验互相印证时,往往伴随新物质的发现,就有可能得诺贝尔科学奖。但中华创新科学,不在诺贝尔科学奖上,而在复兴中华大业。

“川大学派”透露出的“赵本旭翻转”,是60多年前作为引力行为的并行处理要进入主流,就需意在追求创立“引力学”。从类似时间箭头和热力学第二定律,“引力熵”存在于引力没有斥力。而联系量子力学的概率论结构,和相对论的光速物理极限,速度增加包括微型化增加;这两者的相互支持和论证,能提出改变宇宙芯片“引力熵”的拓扑学翻转,以及采用原子的自旋加偏振性质,模拟反映量子引力塑造的实体引力宏观世界等两大问题。但这更需坐实引力子和量子引力计算所涉的联络机制。今天量子引力通信类似能在相互纠缠的光子之间,保持量子微妙联系能力的量子通信网络,是用相互纠缠的光子安全地传送至关重要的量子密钥,通过量子隐形传态,远距离地将从一个位于地球或太空的物体的量子态信息,传送给另一个在地球或太空的物体,而物体本身却不需要移动。

基于Ligo发现引力波,根据波粒二重性,一定有引力粒子存在。但引力波如此微弱,相应的引力子也就同样的微弱。以至到现在,物理世界还未发现真正的引力子。龚学理论中时间产生引力驱使宇宙万物从过去到现在,并走向未来。因此,我们断定时间量子就是引力子!

所以坐实引力子,量子引力通信是分韦尔张量引力效应类似量子纠缠分发(包含量子密钥分发)通信,和里奇张量引力效应类似量子隐形传态为两大前提。没有韦尔张量引力效应的量子纠缠分发,里奇张量引力效应圆周运动的整个体积收缩反映就不会开始。而里奇张量引力效应的量子引力隐形传态,是指利用引力子实量子纠缠的原理,将作圆周运动相隔遥远地点的两个物体之间的未知量子态,精确传送到相互作用的双方。对于两大引力路径积分的深度机制是量子卡西米尔效应平板链及其复数的量子起伏的收缩作用;引力子类似通信兵在引力路径上的速度是复数光速运动。由此里奇张量引力效应具有量子计算的属性,而有观控引力子分群分工的超快并行计算和模拟能力。

但“川大学派”意在创立量子信息的“引力学”,到1963年研究被停止而流向社会,除开“川大学派”核心的“翻新”科学思辩外,他们基于数学证明完善引力子传输模型所做表达的公式、方程,都遗失了。“川大学派”揭示改变宇宙芯片“引力熵”的拓扑学“翻转”,奇妙在球面与环面的不同伦,正如费米子与玻色子一样,是有严格的数学和定量要求的。例如,虚拟空心圆球不撕破与不跳跃粘贴的内外表面翻转,类似“8” 字一个“0”凹陷装入另一个“0”内面像口袋内再装口袋这种顶对顶的交点,变成“壳层”类似的翻转。这里“零锥”的点移动,从拓扑结构和庞加莱猜想来说,只在空心圆球壳层一处,有一条连通内外表面的一维的弦或虫洞,空心圆球才与球面同伦。如果两处有两条或更多连通内外表面的一维的弦或虫洞,这时空心圆球如圈体,就属于与环面同伦,不在是与球面同伦了。但类似“膜面”加“奇点”式的线旋反包围轮回循环,是对球面和环面的超越,也是一种包容。这种区别很重要。

例如,把庞加莱外猜想空心圆球外表面向内表面翻转,比喻龙卷风,磁单极可以说就像龙卷风。但龙卷风与池塘水底有漏洞,产生的水面漩涡外表虽一样,但拓扑结构类型却不同伦。有漏洞的池塘水面漩涡场,和平凡的普通带圈及不平凡的墨比乌斯带圈,都等价于环面拓扑类型;只有一个曲面的克莱因瓶也如此。

综述以上点内空间类似空心圆球内外表面翻转的庞加莱猜想外定理,空心圆球内外表面也类似一对平行宇宙,就如阴与阳、有与无、大与小共生的宇宙。而从“零锥”翻转须有一维的弦或虫洞来说,又能推演膜弦共生类似费米子和玻色子的统一。如内外表面翻转成两个圆锥体顶对顶的3维曲面,自旋类似费米子,内外表面翻转后像口袋内再装口袋的2维曲面,自旋类似波色子。

由此“川大学派”推论空心圆球不撕破和不跳跃粘贴把内表面翻转成外表面,联系的“点内空间”就是一个大类,不但能联系显物质的量子或粒子,也能联系超弦线条,这种弦线还可以类似虫洞。“点内空间”因能联系额外维和暗物质等宇宙略影,所以加来道雄的《平行宇宙》一书说的超对称伴子,有类似兰德尔的额外维或膜的平行宇宙还不够。因为加来道雄说的各种平行宇宙,就类似虫洞弦管,吹出的各种泡泡。而从威腾到彭罗斯等,也有这类把欧几里德几何空间无限平移推理的逻辑痕迹。但只要把“点内空间”引进到彭罗斯的“零锥”,把古斯的宇宙暴涨论划入“点内空间”,彭罗斯的宇宙轮回遇到的熵增不能轮回的难题就可解决。因为熵增的掉头是在“点内空间”里发生的;平行宇宙的轮回,是包含有平行的“点内空间”宇宙的。如此分析来看彭罗斯的《宇宙的轮回》一书,与“川大学派”的差别,可以说前者是平凡轮回,后者才是不平凡轮回。

因为彭罗斯是将宇宙“大爆炸+膨胀”的双曲面类似的时空结构,映射成貌似柱面的形状。彭罗斯的共形轮回宇宙模型采用数学基础的共形映射,也叫保角变换。保角变换在数学物理中联系物理定律在变换下保持不变,比如电磁场方程,就可以利用保角变换将复杂的边界条件,变换成简单形状的边界条件,以方便求解。但如果不是平面几何,而是曲面的拓扑几何,类似球面上的直角,从“赤道”大圆到两极点,这里的“直角”相对平面几何的“直角”是不同的。它的“保角”反映变换的几何意思,是保持两条光滑曲线之间的角度,以及无穷小结构的形状不变,但不保持它们的尺寸。例如,两个共形映射保持曲线间的夹角为直角所示的小矩形图中,在变换后仍然映射成“矩形”。 彭罗斯就是将宇宙熵减变换,设想成像“柱面”的时空结构;无限扩张只是可以一个一个地首尾相连,接成一长串平滑过渡的时空流形,并一直延续下去。

由此把现在的宇宙从大爆炸到未来看成一个“世代”的话,“柱面”保角变换可以不变“直角”,便有无穷多个这样类似的“世代”接在一起。 上一个世代的结束,将会诱发下一个大爆炸,并进入一个新的世代。但彭罗斯在这里漏掉韦尔规范场说的“世代”链接中的“间隙”,我们称为“点内空间”或虚数时空。彭罗斯的推导太漂亮,可惜只在“点外空间”,利用的共形映射来连接差距极大的标准宇宙模型的“起点”和“终点”,即广义相对论解中的两类不同奇点:大爆炸和黑洞。在这里起始奇点是整体的,只有一个。而黑洞奇点却是局部的,有很多个。宇宙的轮回理论应用共形映射的尺度变换,认为一方面可将物质密度和温度极高趋于无限的体积极小的宇宙初始状态,变换成密度、温度、体积都有限的时空。另一方面,也能将未来无限膨胀的宇宙时空变换成尺寸有限的范围。

如此一来,一个世代的起点就可以由上一个世代的终点平滑过渡而来,世代的未来又再平滑过渡到下一个世代的起点。无限大或无限小都可以映射成有限,这类似于庞加莱的共形圆盘模型。但庞加莱张量的双曲共形变换,可以在正负实数范围内,也可以在正负虚数数范围内,还可以在正负复数数范围内。也许彭罗斯人老了,忘记他年青时候研究的《自然是复的吗?》的情形,即在“点外空间”有庞加莱张量的双曲共形变换,同时在“点内空间”也有庞加莱张量的双曲共形变换,这是解决“熵增与熵减”轮回,和宇宙的时空轮回相反相成的关键。

六、结束语

本文提供了一个物理世界底层的描述模式,强调了复数以及虚数的意义和作用,说明宇宙的一切动力来自永恒的旋转,自旋与一环套一环的旋转。因此,三旋理论对物理世界的描述有着极其重要的意义。该理论牵涉广泛,不但完全能够表达底层物质结构与能量质量,而且,考察底层空间的量子信息结构和表达,有可能揭示一个全面、完整的量子信息理论。这些探索有可能获得一个统一的理论,从而说明众多的学说将在一个新的框架下,得到统一。

这些工作富有对当今主流基础物理科学严重挑战和科学革命的味道。这些工作既有意义,也很有意思,更深入的探讨需要艰苦努力,其结果将有助于人类获得对宇宙自然有更正确的认识。

参考文献

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[13] 李小坚,统一的宇宙,统一的理论:www.pptv1.com网。

 

中国的三旋理论与圈量子引力理论(Loop Quantum Gravity ,LQG)

推介:中国的三旋理论是由中国本土学者王德奎先生提出与发展起来的基础物理学理论,最早可追踪到毛时代与毛粒子有关系。

王德奎先生创立了三旋概念,提出粒子“三旋”:体旋、面旋、线旋,视为物理空间的自然属性。三旋理论甚至深入到夸克层底下的符号信息表述构成底层结构。同时物质可由一个个环量子的线旋自然耦合,形成链,再看成是一条线、面、体。

而西方圈量子引力理论(LQG),是20 世纪90年代后期才提出的;圈量子旋转网络概念,最早是英国数学家 Roger Penrose首先设想出来的。圈量子引力理论最近十多年发展迅速。该理论解释物质是由圈量子相互作用并相互结合, 形成所谓的旋转网络。

因此,三旋理论的环量子三旋自旋与LQG旋转网络极为相似,值得大家对比研究。

国内LQG最具代表性的工作是邵常贵教授的《空间时间的量子理论》一书,取得重要进展,在理论上较全面地树立了一种空间时间离散和量子化的新图景。

另外,特别指出,三旋理论在夸克底层与龚学理论的描述有相似和类同之处,表明了宇宙自然的物理学的某种统一性的必然规律。

《西方的环量子理论与中国的三旋理论》

                                                王德奎

绵阳日报社,四川绵阳,621000

(2004,6,公布于潜科学网站)

摘要:西方的环量子理论与中国的三旋理论在推进现代“科学文明”中,已拉近了距离;西方的环量子理论与中国的三旋理论可统称为环量子力学。

关键词:超弦理论、环量子理论、三旋理论、“科学文明”

(一)弦论的困惑与环量子引力理论的进展

哥伦比亚大学的格林教授(Brian Greene),是美国弦论研究的一员大将。1999年他出版的《宇宙的琴弦》(The Elegant Universe)一书,曾在《纽约时报》的畅销书排行榜上名列第四,还入围了普利策奖的最终评选。最近《科学美国人》的编辑采访了他,请他谈了环量子理论。这是继超弦理论和M理论之后,当前冒出的又一个新概念。格林曾说过,弦论是唯一的量子引力论;那么,弦论与环量子理论是一个什么样的关系呢?在 20 世纪 90 年代后期,出现的环量子引力(LQG)理论认为 , 物质是由环构成的 , 环相互作用并相互结合 , 形成所谓的旋转网络。这一概念是英国数学家 Roger Penrose 在20世纪60年代作为抽像图首先设想出来的。 Smolin 和 Rovelli 在运用标准方法对广义相对论方程式进行量子化时 , 发现数学中隐藏着 Penrose网络。这些网络的节点和边界携带着具有面积和体积的独立单元 , 从而形成三维量子空间。但是 , 由于这些理论物理学家都是从相对论出发 , 因此他们仍然保留了量子网络之外的空间的某些概念。

而弦理论却认为,物质的构造单元,是一些微小的一维弦, 而弦的各种振动表现为人们熟悉的粒子合奏曲,粒子就像音符一样。尽管广义相对论与量子论的融合可能是现代物理学面临的最大挑战,但长期以来只有弦理论堪与之匹敌。即弦理论能将引力与物质的量子描述结合起来了, 但一些物理学家却认为这一理论存在缺陷 ,而无法成为宇宙的终极理论。缺陷之一是 , 弦理论预测空间维数多达26维,比实验已发现的维数多得多。更为根本的是 ,尽管弦理论能很好地描述物质, 却未对弦所占据的空间未作出解释。

其实,“环量子理论”也叫“环量子引力理论”,弦论或超弦理论,是非常接近它的,因为弦理论的新版本超弦理论或M理论,已经把环圈与弦线并列。就弦论而言,普通人对它多是一无所知,科学家也难给普通人说明,为什么弦论有可能实现爱因斯坦对大统一理论的梦想?为什么它有助于我们深入了解“宇宙为何存在”?而且还让专家也烦恼,因为其他的物理学家中,常有人嘲笑它不能做出实验的预测的。

格林却认为,近来环量子引力阵营取得的重大进展,是好事;在通往量子力学的路上,环量子理论和弦论两条路,完全有可能在某个地方相会,而且是个可能成功的理论。因为很多事实证明,环量子理论所长正是弦论所短,而环量子理论所短正是弦论所长。例如,弦论的一个弱点是所谓的背景依赖(background-dependent),必须假定一个弦赖以运动的时空。而从环量子引力研究者的理论中,却能导出这样一个时空,它是一种“背景独立”的数学结构,从中可以自然地推导出时空的存在。而从另一方面讲,弦论研究者可以在大尺度的结构上,直接和爱因斯坦广义相对论相连接,这可以从弦论方程式看到这一点;但环量子理论要和普通的引力相连接却很困难。这样很自然地,大家都希望把两边的长处结合起来。这样也可以逐步解决弦论背景依赖的难题。当然弦论也发现了时空的拓扑变化,即空间以传统上不可置信的方式演化,以及微观世界中起决定作用的可能是非对易几何,在那里坐标不再是实数,坐标之间的乘积取决于乘操作的顺序。这就是说,可以获得许多关于空间的暗示。你会隐约在这时看见一点,那里又看见一点,还有它们底下到底是怎么一回事。但是如果没有“背景独立”的数学结构,就将很难把这些点点滴滴凑成一个整体。

其次,弦论虽然还不能脱离背景依赖,但它却发现了镜像对称性这样的性质,这是两种时空可以有相同的一套物理定律。镜像对称性看似深奥,但它并没有把时空几何学和物理定律二者完全隔开。几何学和物理定律是紧密相连的,单纯使用物理定律或几何学这个说法,是不够的。真正的应该是物理定律与几何-几何,这里可以用不同的方式来看同一个物理系统,即两套几何学对应同一套物理定律;至于愿意使用哪一种几何是各自的选择。有时候使用某一种几何能看到更多深入的东西。对于某些物理和几何系统来说,人们已经发现只使用一种几何学无法回答很多数学上的问题。在引入镜像对称之后,会突然发现,理论上可以导出许多不同的宇宙,其中我们的宇宙似乎是唯一适合我们生存的,而那些深奥无比的问题一下子变得很简单了。

但格林说,从数据和数学逻辑出发,有多少我们认为基本的东西是唯一可能的结论呢?又有多少可以有其他可能性?我们是否能穷究时间和空间的来源?我们能否搞清楚弦论或M理论的基本思想?我们能否证明这个基本思想能导出一个独特的理论?这个独特理论的独特解,也就是我们所知的这个世界?有没有可能借助天文观测或加速器实验来验证这些思想?甚至,我们能不能回过头来,了解为什么量子力学必然是我们所知世界不可或缺的一部分?任何可能成功的理论在其深层都得依赖一些东西:比如时间、空间、量子力学等,这其中有哪些是真正关键的,有哪些是可以省略掉仍能导出与我们世界相类似的结果? 物理学是否有可能走另一条路,虽然面貌完全不同,但却能够解释所有的实验?他说他不知道。弦论以及一般的现代物理学,似乎逼近一个非如此不可的逻辑结构;置身于弦宇宙,时空可能像10维或11维,其中4维或5维可观察,另有6维卷曲在所谓的“卡拉比-丘成桐空间”(卡–丘空间)内;理论如此发展似乎再无他路可走,这与“人择”的方向相反。但理论的弹性推断,如弦论确实又可以导出许多不同的宇宙,我们的宇宙可能只是其中之一,而且不见得有多么特殊。因此,这与追求一个绝对的、没有商量余地的目标,又是有矛盾的。

21世纪一小部分物理学家 , 包括宾夕法尼亚州立大学的 Smolin 、Abbay Ashtekar 和法国马赛理论物理研究中心的 Carlo Rovelli等,现在更看好环量子引力理论。而被普遍认为是全球最有前途的年轻物理学家之一的、在加拿大安大略省的Perimeter理论物理学院和施莫林( Lee Smolin)、Robert Myers等杰出物理学家一起工作的、来自希腊雅典的理论物理学kalamara,今年31岁, 她在研究环量子引力的外部空间时 ,研究从 Penrose 旋转网络出发 ( 该网络未嵌入任何前在空间 ), 再结合环量子引力的某些成果,发现旋转网络不依赖于空间 , 也不是由物质形成的;相反,倒是这些网络的结构产生了空间和物质。在这一图景里,除了几何关系之外一无所有;空间不再是一个客体 ( 如粒子 ) 振动和相互碰撞的场所,而变成了一个永远在变换样式和过程的万花筒,每个旋转网络类似于一次 ” 快照 “(snapshot)–宇宙中一个凝固的时刻。实际上 , 旋转网络基于简单的数学规则而发展变化 , 而且越变越大 , 越变越复杂 , 最终发展成为我们居于其中的广袤太空。

kalamara 通过跟踪旋转网络的未来的这种变化 , 可以解释时空的结构。特别地 , 她认为这种抽像的环能够产生爱因斯坦理论中最具标志性的特征之一光锥(light cone)。大家知道,光锥是由时间-三维空间(X、Y和Z)中的光速绘图而成,它定义了一个事件所有的过去和未来的联系。光锥是指这样的时空区域 , 光 ( 或其他物质 ) 在该区域可以实现特定的事件。光锥保证了先因后果的因果律。人们可以通过抬头观望星空来理解这一概念。虽然有无数的星体人们无法看到 , 因为自宇宙诞生以来 , 这些星体发出的光还没有足够的时间到达地球。也就是说 , 它们在人们的光锥之外。然而 , 对于何处是光锥与旋转网络的接合点 , 并非如此显而易见。旋转网络服从的是量子力学。在那些无怯确定的区域 , 任何网络都可能发展出无限的新网络 , 且没有因果规律可循。但通过将光锥与网络节点相结合 ,kalamara 发现,网络的发展变成有限的了,而且保留了因果律。

然而,如果一个旋转网络代表了整个宇宙, 就会产生一个很大的问题。根据量子力学的标准解释,在观察者观察事物之前,事物都处于一种几率中间态,但观察者不能从宇宙边界之外回过头来看他自己。那么,宇宙存在吗 ?kalamam 认为,我们能够从外界观察宇宙;因为宇宙内部的宇宙观察者,表现为网络节点,将因果关系引入量子时空的光锥, 同样能切实定义每位观察者的状态。由于光速的有限性,我们只能看到宇宙有限的一部分。你所在的时空位置是独一无二的, 因此, 你所看到宇宙的那一部分也与其他人所看到的略有不同。尽管不存在能获得宇宙所有信息的宇宙外观察者 , 但我们仍然能够基于各自接受到的部分信息建立对宇宙的有意义的描述。这是一个美妙的思想 : 我们每个人都有自己的宇宙。但我们各自的宇宙有众多共同之处。这也是为什么我们在一个量子化时空中看到的却是一个平滑宇宙的原因。

当然还有一些细节需要解决,诸如,如何从量子因果律中导出常规的一维时间。kalamara 的设想是,如果观察结果能够证实旋转网络的基础 , 她就能消除其中的缺陷。其中一个可能的实验是,跟踪相距数十亿光年的伽玛射线辐射量子;如果时空事实上是非连续的,依据各量子波长的不同,它们的行进速度也应该略有不同。

目前,kalamara 正在努力破解这种散射形式。她的预测如果正确,可能会永远改变我们对宇宙结构的思考方式。幸运的是新近天文学家发表的观测结果,对kalamara有利,而对现有的量子时空理论不利。因为在目前的量子引力理论中,引力场的量子化被认为是,时空有一个最小的尺度,称为Planck 尺度(Planck scales);这个时空尺度的大小:Planck 时间(Planck time)约为10的-43次方秒,Planck 长度(Planck length),也就是光在 Planck 时间内所走的距离,约为 10的-35次方米;在这个观念下,我们所生存的时空就有点像是把数字照片放到极大时的情况:所有的影像都由一格一格的像素构成。Planck 尺度虽然微小,但是可以利用宇宙的尺度也是非常大的,因此能将这微小的效应放大到可以观测的地步。而意大利 Astrophysical Observatory of Arcetri 的天文学家 Roberto Ragazzoni和 Uinversity of Alabama (Huntsville) 的 Richard Lieu 两组天文学家却认为,从遥远天体的不同部分所放出的光,会经历不同的 Planck 时间单位到达地球,换句话说光速在传递的过程中会改变。因为这个缘故,天体的影像会随之扭曲变形。天体距离地球越远,这种因为 Planck 尺度造成的变形效应越大。

Ragazzoni 以及 Lieu 的研究小组利用不同的仪器观测非常遥远天体,试图测量 Planck 时间,他们分别观测几个数千万光年到数十亿光年远的不同类型天体,但是并没有发现预期中的变形效应,实验的结论初步看来指向时空即使到了极小的尺度也是“平滑”(smooth) 的。虽然也有学者解释,为什么即便时空有最小尺度,它“看起来”仍然是平滑的?一种看法是:Planck 长度也会随着光传递过程而改变,两相抵销之下使得光抵达地球时仍然保持从天体出发时的信息,影像因此不会形变。另一种看法是从测不准原理出发,认为Planck 时间的改变,会影响 Planck 长度的大小;在这个状况下,Planck 长度约为 10的-60次方米,远小于可观测的范围。但kalamara的环量子引力理论却早已预言,旋转网络服从量子力学,通过光锥与网络节点的结合,网络的发展保留因果律。将因果关系引入量子时空的光锥, 同样能切实定义每位观察者的状态;由于光速的有限性,我们只能看到有限的宇宙,尽管不存在能获得宇宙所有信息的宇宙外观察者 , 但我们仍然能够基于各自接受到的部分信息建立对宇宙的有意义的描述:即尽管每个人都有自己的宇宙,但我们各自的宇宙也有众多共同之处,这也就是为什么我们在一个量子化时空中看到的却是一个平滑宇宙的原因。

(二)西方的环量子理论拉近了与中国的三旋理论的距离

人类社会文明的标志之一,是走出亲人乱伦。人类科学文明的标志之一,也是要走出科学乱伦。说句公道话:西方主流科学,基本上是在这条道路上前近。当前西方的弦论、超弦理论、M理论、环量子理论,就基本上代表了人类科学文明走出乱伦的结果。但中国主流科学却没有走出“科学乱伦时代”;当代中国物理学通往新神曲的道路,中国科学群体在追求科学真理的道路上多走了半步,主要是受先验的唯物论的影响,追求与神学相似的先验的物质论,如20世纪50年代至80年代初宣传的物质无限可分说,80年代到90年代再到21世纪初关注的各种关系实在论、相互作用实在论、科学主义、反科学主义,等等,等等。它们的共同特点,是不重视拓扑学上的环面与球面不同伦,或者不懂拓扑学上的环面与球面不同伦;不懂得环面是一种双重解结构,它能包容确定性与不确定性。因此,我国的一些专家,把不同大小的球面,也说成是不同的拓扑结构。这种中国科学群体认知框架的整体倾斜,究其原因,是50多年来中国教育部门编写的大、中、小学统一教科书,不讲授拓扑学和微分几何的基本知识造成的失误。但毛主席领导中国人民和中国科学界的将帅们向诺贝尔科学奖冲刺,而发动物质无限可分说的世界科学大战所带来的科学探索精神,是永远长存的。领导中国人民开创改革开放新时代的总设计师邓小平同志,更是带来了中国科学的春天。它所引起的惊喜,正如南京大学博士生导师沈骊天教授所说,犹如在遥望世界科学最高峰的攀登壮举之时,能惊奇地发现另一面山坡上竟也有闪现出中国攀登者的身影。

因为在20世纪50年代末,中国的三旋理论就开始了它的环量子构想的最初萌芽。虽然近代弦圈思想的发明者是20世纪20年代前后波兰人卡路扎(T.Kaluza)和瑞典人克林(O.Klein),但他们是把弦圈重叠成圆柱面,再看成是一条线的。现代的弦理论和超弦理论也是如此。三旋理论把这种图像称为“重高帽子法”,认为是一种死圈论。

三旋理论是以环量子作基础,在欧几里德对点定义的基础上,补充“圈与点并存且相互依存、圈比点更基本、物质存在有向自己内部作运动的空间属性”三条公设,将圈的“三旋”?体旋、面旋、线旋,视为这个几何空间的自然属性,创立了三旋概念;但是在建立了三旋概念之后,环量子的概念可以不要,因环量子的概念在三旋中仍是自然存在的。同时物质可由一个个环量子的线旋自然耦合,形成链,再看成是一条线。

而西方环量子引力理论已是20 世纪90年代后期才提出的;虽然它其中的环量子旋转网络概念,是英国数学家 Roger Penrose 在20世纪60年代作为抽像图首先设想出来。但环量子引力理论也承认,物质是由环相互作用并相互结合, 形成所谓的旋转网络的,这与三旋理论的环量子线旋耦合形成链极为相似,但环量子引力理论最终没有完备自旋概念,因此难于说明环量子如何耦合形成旋转网络的。而弦论的弦线概念,则是西方20世纪60年代末期提出来的,超弦理论增加的弦圈概念,更是西方20世纪80年代初期才提出来的。因此当代可自然耦合成链的环量子概念的提出,中国的三旋理论比西方的弦论、超弦理论、环量子引力理论都要早一些,这让中国人走出“科学乱伦时代”,终于有了一次做科学文明“人”的机会。而且可以看成是西方的环量子理论拉近了和中国的三旋理论的距离,因为弦论或超弦理论是把环圈与弦线并列,要讲究拓扑学和微分几何的环面与球面不同伦,弦论或超弦理论也混淆了拓扑结构的分类。

2003年5月四川科技出版社出版的《三旋理论初探》和2003年9月天津古籍出版社出版的《解读<时间简史>》两本专著,实际解决了弦理论的三大难题:A、弦理论解决了物质族分3代与卡一丘空间3孔族的对应,但仍有多孔选择的难题。B、弦理论解决了多基本粒子与多卡一丘空间形状变换的对应,但仍有多种形状选择的难题。C、弦理论解决具体的基本粒子的卡一丘空间图形虽有多种数学手段,但仍遇到数学物理原理的选择难题。因此,根据中国人对这三大难题的解决,当代弦圈的发明权应属于中国人。

相对于环量子概念,中国的三旋理论能超前于西方的弦论、超弦理论、环量子引力理论的提出,一是受惠于毛主席的物质无限可分思维在中国普通人中的大普及,那是在1959年,由于中国大跃进和严重的自然灾害,国民经济十分困难,很多学生停学了。学校里,劳动代替了上课,学生得天天去大兵团作战,晚上再来集中补课,一天,14岁的笔者在上一堂代数课时,老师布置了一道求解人数的方程应用题,一位同学得出了三十二又二分之一个人的答案,老师批评说:“怎么会有二分之一个人呢?”这时,笔者的脑袋里闪过:既然一个人不可分,那么坚持“一尺之棰,日取其半,万世没竭”是体现物质无限可分的思想,又怎能成立呢?这里的道理是:对于一个稍大层次的概念或命题,它虽包含有许多层次,但它不是无限可分的,它的无限可分必须体现在变换概念上,例如人,有很多层次,可以分成很多数量和内容的集团,但当分到一个人的时候,不能把人分割了,还看成是一个人,而只能在细胞或有机物、甚至无机物的概念上分下去。以此类推,粒子分到一定层次,必然不是粒子;这使笔者注意到了物质无限可分说对背景的一种依赖,即追究背景有纵向和横向双重解的两个方向。从横的方向来说,物质无限可分还是物质,就成了悖论,因此,物质不是无限可分的。但从纵的或竖的方向来说,一种物质分到极限,不可分,但变换背景概念,还是可以分的。而物质两千多年来不是被看成点结构,就是被看成弥漫的球面结构;而死的点结构和球面结构,最终抽象还是球面结构。

因此讲究拓扑学和微分几何的环面与球面不同伦,冲破点结构和球面结构,必然只能是环面结构了。但这不是先验的唯物论,也不是先验的神学论。

其次是受惠于自然全息启示。三旋中最典型的是线旋,它类似是贝纳德花纹,即在水加热达到临界状态时,锅中沸水心液体向四周翻滚的对流,在各个局部区域也会呈现类似的现象,这是耗散结构和自组织理论常举的例子;如果把这种现象上升为基础的几何学结构,把贝纳德对流抽象缩影反映在一个点上,它类似粗实线段绕轴心转动再将两端接合成圈子的线旋;如果把它定名为不分明自旋,那么圈体绕垂直于圈面的轴的面旋,圈体绕过圈面的轴的体旋,就称为分明自旋。
分明与不分明自旋,使一个类圈体变成一种三旋数学研究的对象。

它的优点是能把曲面、曲线几何相与能量、动量物理相,自然而直观地紧密结合,一开始就揭示出自然的本质既具有简单性,又具有复杂性。即它引进了一种双重解结构,如圈代表几何量子,旋代表能量子,对于圈层次可分单圈和多重圈态耦合;对于旋层次,既有位相,又有多重自旋结合。其次,普朗克的量子论、爱因斯坦的相对论,使得物体的刚性概念在微观和高速的情况下变得不够明确,这也为三旋提供了立足之地。

现用对称概念;对自旋、自转、转动作语义学的定义:
①自旋:有转点,能同时组织旋转面,并能找到同时对称的动点的旋转,如上面讲的线旋、面旋、体旋等三类旋转。
②自转:有转点,但不能同时组织旋转面,也不能找到同时对称的动点的旋转,如一条线段一端不动,另一头作圆周运动形成锥体状的转动。
③转动:可以没有转点,不能同时组织旋转面,也不存在同时对称的动点的旋转,如物体在空间作封闭的曲线运动。

按照上述定义,类似圈态的客体(简称类圈体)存在三种自旋:
①面旋:类圈体绕垂直于圈面的轴的旋转,如车轮绕轴的旋转。
②体旋:类圈体绕过圈面的轴的旋转,如拔浪鼓绕手柄的旋转。
③线旋:类圈体绕圈体内中心圈线的旋转。线旋一般不常见。如固体的表面肉眼不能看见分子、原子、电子的运动。同时,线旋要分平凡线旋和不平凡线旋。不平凡线旋还要分左斜、右斜。根据排列组合和不相容原理,三旋构成三代62种自旋状态。

正是从严格的语义学出发,才证明类圈体整体的三旋是属于自旋,而类圈体的部分(即转座子)不是在作自旋,而仅是作自转或转动;即整体与部分是不同伦的。它对应联系场和粒子、单体和多体、微观与宏观、几何与动量、空间与时间等对立概念,而能把它们统一起来。其次,设想在类圈体的质心作一个直角三角座标,一般把x、y、z轴看成三维空间的三个量。现观察类圈体绕这三条轴作自旋和平动,6个自由度仅包括类圈体的体旋、面旋和平动、没有包括线旋。即线旋是独立于x、y、z之外,由类圈体中心圈线构成的座标决定。如果把此圈线看成一个维叫圈维,那么加上原来的三维就是四维。再加上时间维,即为五维时空。反之,把三旋作为一种座标系,直角三角座标仅是三旋座标圈维为零的特例。

kalamara 研究环量子引力理论,解释时空的结构,认为抽像的环最具标志性的特征之一是光锥。即光锥能定义一个由时间-三维空间(X、Y和Z)中的光速绘图而成的、所有过去和未来的联系的事件。那么,光锥与三旋是什么关系呢?它属不属于三旋呢?研究光锥,确实是环量子引力理论所长三旋理论所短;但三旋理论中的三种非线性线旋,其中的孤粒线旋,指的就包括了光锥。所以三旋理论能够涵盖环量子引力理论。至于弦论、超弦理论、M理论更是能够涵盖。

(三)结论

在《三旋理论初探》一书中,已介绍了三旋规范的卡——丘流形紧致空间的具体结构。这是联系黎曼切口,作的25种卡——丘流形的规范轨形拓扑,且只能作25种;其中无孔的4种,有孔的21种,这是联系克莱因瓶、墨比乌斯体等构造,分为外接、内接、内包三大类的轨形拓扑。
A、外接8种,6种是设想膜面由两个平行长方形平面的黎曼切口轨形拓扑构成,2种是设想由一个长方形膜面弯曲的黎曼切口轨形拓扑构成。它们是:(1)光子型;(2)U型;(3)t型; (4)希格斯型;(5)e型; (6)c型; (7)e微子型; (8)d型。
B、内接10种,是以上边8种外接轨形拓扑为基础,联系克莱因瓶管口向内卷缩构成的。它们是:(1)胶子1型;(2)S型;(3)b型; (4)胶子5型;(5)μ型?^; (τ型?Ρ?^; 型7)W?^μ微子型;(Κ”τ微子型;(G?)9型。?Ρ    C、内包?种,是以上边8种外接和10种内接轨形拓扑为基础,两个平行长方形膜面中用大膜面包小膜面轨形拓扑构成。它们是:(1)胶子6型;(2)胶子4型;(3)胶子3型; (4)胶子2型;(5)胶子7型; (6)胶子4型; (7)引力子型;

如果超弦理论被比作是拨动宇宙的琴弦,那么三旋理论也可以比作是吹响宇宙的笛管,因为以上25种卡——丘流形规范轨形拓扑是不同于超弦理论的弦乐,而类似些管乐器;它们定量地回答了宇宙是球形还是环形的问题,也定量地回答了物质族基本粒子是球形还是环形的问题。此外,从微分流形来看,这25种黎曼切口轨形拓扑结构,它们实际是25种子流形,并可以用离散群描述的。其次,一般说来,弦线运动形成膜,但RS模型是将膜和弦分开的。依照上边黎曼切口轨形拓扑办法,RS模型能作多少种轨形拓扑呢?根据《解读时间简史》一书的介绍,除开纯弦和纯膜的外,我们也能作25种轨形拓扑。

A、外接闭弦轨形拓扑5种:(1)套环型;(2)装环型; (3)提环型; (4)罐型;(5)环纹型。

B、内接闭弦轨形拓扑1种:(1)藏环型。
因为只有一张膜,没有内包闭弦轨形拓扑。
C、外接开弦轨形拓扑12种:(1)弓弦型;(2)工字型;(3)连圈型; (4)日字型;(5)占字型; (6)内吊型; (7)提圈型; (8)管吊型;(9)嵌环型;(10)球线型;(11)管线型;(12)弓圈型。
D、内接开弦轨形拓扑3种:(1)穿圈型;(2)隔圈型;  (3)隔球型。
E、内包开弦轨形拓扑4种:(1)包圈型;(2)包提型;(3)包球型; (4)提球型。

参考文献

1、王德奎, 三旋理论初探, 四川科学技术出版社, 2002年5月;
2、赵国求,吴新忠,物理学的新神曲–量子力学曲率解释,武汉出版社, 2002.年8月;
3、王德奎, 解读《时间简史》,天津古籍出版社 ,2003年9月。

中国能不能在基础科学研究上搭便车?

中国近400年来没有独立的基础科学研究,不敢为天下先,跟着西方的屁股后面亦步亦趋,跟屁虫一个!中国的基础科学研究只能跟着西方摇头摆尾,不敢越雷池一步,更不能引领潮流。

近代西方科学采用还原主义哲学,把自然世界的知识分门别类细化,已经建立了一个庞大的严格的科学体系,这是西方科学的伟大成就!但现在的西方科学面对自然世界的整体性态的认识却是完全的迷失方向,已经造成全人类的世界观、宇宙观、人生观、科学方法与认识论的混乱。

而以中华文化为代表的东方整体论的宇宙观、世界观和科学观已经完全能够把握自然世界的的客观规律了。这些基础研究的成果,没有被正确的评价和鼓励;仍然被中国主流当作民科,弃之如敝履;仍然蔑视中华传统文化对自然客观的正确认知。某些人身着皇帝新衣的装扮,在堂而煌之地兜售自己都不明白的神鬼巫术,欺骗世人。如果这样的演出继续下去,中国搭乘的便车,将与西方科学一道走向彻底的沉沦。

中国能否独立自主开创基础科学研究新路,并开辟引领世界的道路,关键之一就是能否突破现在的科学研究的局限,拿出让世界信服的基础科学研究硬道理,新成果。

路已在,人未走,走新路,有作为。有如一带一路,中华民族在基础科学研究一定会走出新路,并引领世界科学潮流走向辉煌!

Quantum computing and Quantum Information at Physics Frontiers

Quantum Frontiers

A blog by the Institute for Quantum Information and Matter @ Caltech

Quantum computing is advancing very fast, having many breakthroughs. One leading institute is at Caltech, Institute for Quantum Information and Matter, a National Science Foundation Physics Frontiers Center (just received 65 million dollars new funding for this new research, see http://iqim.caltech.edu/ ).

 

The math of multiboundary wormholes

Xi Dong, Alex Maloney, Henry Maxfield and I recently posted a paper to the arXiv with the title: Phase Transitions in 3D Gravity and Fractal Dimension. In other words, we’ll get about ten readers per year for the next few decades. Despite the heady title, there’s deep geometrical beauty underlying this work. In this post I want to outline the origin story and motivation behind this paper.

There are two different branches to the origin story. The first was my personal motivation and the second is related to how I came into contact with my collaborators (who began working on the same project but with different motivation, namely to explain a phase transition described in this paper by Belin, Keller and Zadeh.)

During the first year of my PhD at Caltech I was working in the mathematics department and I had a few brief but highly influential interactions with Nikolai Makarov while I was trying to find a PhD advisor. His previous student, Stanislav Smirnov, had recently won a Fields Medal for his work studying Schramm-Loewner evolution (SLE) and I was captivated by the beauty of these objects.

SLE3.jpg

SLE example from Scott Sheffield’s webpage. SLEs are the fractal curves that form at the interface of many models undergoing phase transitions in 2D, such as the boundary between up and down spins in a 2D magnet (Ising model.)

One afternoon, I went to Professor Makarov’s office for a meeting and while he took a brief phone call I noticed a book on his shelf called Indra’s Pearls, which had a mesmerizing image on its cover. I asked Professor Makarov about it and he spent 30 minutes explaining some of the key results (which I didn’t understand at the time.) When we finished that part of our conversation Professor Makarov described this area of math as “math for the future, ahead of the tools we have right now” and he offered for me to borrow his copy. With a description like that I was hooked. I spent the next six months devouring this book which provided a small toehold as I tried to grok the relevant mathematics literature. This year or so of being obsessed with Kleinian groups (the underlying objects in Indra’s Pearls) comes back into the story soon. I also want to mention that during that meeting with Professor Makarov I was exposed to two other ideas that have driven my research as I moved from mathematics to physics: quasiconformal mappings and the simultaneous uniformization theorem, both of which will play heavy roles in the next paper I release.  In other words, it was a pretty important 90 minutes of my life.

indrasPearls.png

Google image search for “Indra’s Pearls”. The math underlying Indra’s Pearls sits at the intersection of hyperbolic geometry, complex analysis and dynamical systems. Mathematicians oftentimes call this field the study of “Kleinian groups”. Most of these figures were obtained by starting with a small number of Mobius transformations (usually two or three) and then finding the fixed points for all possible combinations of the initial transformations and their inverses. Indra’s Pearls was written by David Mumford, Caroline Series and David Wright. I couldn’t recommend it more highly.

My life path then hit a discontinuity when I was recruited to work on a DARPA project, which led to taking an 18 month leave of absence from Caltech. It’s an understatement to say that being deployed in Afghanistan led to extreme introspection. While “down range” I had moments of clarity where I knew life was too short to work on anything other than ones’ deepest passions. Before math, the thing that got me into science was a childhood obsession with space and black holes. I knew that when I returned to Caltech I wanted to work on quantum gravity with John Preskill. I sent him an e-mail from Afghanistan and luckily he was willing to take me on as a student. But as a student in the mathematics department, I knew it would be tricky to find a project that involved all of: black holes (my interest), quantum information (John’s primary interest at the time) and mathematics (so I could get the degree.)

I returned to Caltech in May of 2012 which was only two months before the Firewall Paradox was introduced by Almheiri, Marolf, Polchinski and Sully. It was obvious that this was where most of the action would be for the next few years so I spent a great deal of time (years) trying to get sharp enough in the underlying concepts to be able to make comments of my own on the matter. Black holes are probably the closest things we have in Nature to the proverbial bottomless pit, which is an apt metaphor for thinking about the Firewall Paradox. After two years I was stuck. I still wasn’t close to confident enough with AdS/CFT to understand a majority of the promising developments. And then at exactly the right moment, in the summer of 2014, Preskill tipped my hat to a paper titled Multiboundary Wormholes and Holographic Entanglement by Balasubramanian, Hayden, Maloney, Marolf and Ross. It was immediately obvious to me that the tools of Indra’s Pearls (Kleinian groups) provided exactly the right language to study these “multiboundary wormholes.” But despite knowing a bridge could be built between these fields, I still didn’t have the requisite physics mastery (AdS/CFT) to build it confidently.

Before mentioning how I met my collaborators and describing the work we did together, let me first describe the worlds that we bridged together.

3D Gravity and Universality

As the media has sensationalized to death, one of the most outstanding questions in modern physics is to discover and then understand a theory of quantum gravity.  As a quick aside, Quantum gravity is just a placeholder name for such a theory. I used italics because physicists have already discovered candidate theories, such as string theory and loop quantum gravity (I’m not trying to get into politics, just trying to demonstrate that there are multiple candidate theories). But understanding these theories — carrying out all of the relevant computations to confirm that they are consistent with Nature and then doing experiments to verify their novel predictions — is still beyond our ability. Surprisingly, without knowing the specific theory of quantum gravity that guides Nature’s hand, we’re still able to say a number of universal things that must be true for any theory of quantum gravity. The most prominent example being the holographic principle which comes from the entropy of black holes being proportional to the surface area encapsulated by the black hole’s horizon (a naive guess says the entropy should be proportional to the volume of the black hole; such as the entropy of a glass of water.) Universal statements such as this serve as guideposts and consistency checks as we try to understand quantum gravity.

It’s exceedingly rare to find universal statements that are true in physically realistic models of quantum gravity. The holographic principle is one such example but it pretty much stands alone in its power and applicability. By physically realistic I mean: 3+1-dimensional and with the curvature of the universe being either flat or very mildly positively curved.  However, we can make additional simplifying assumptions where it’s easier to find universal properties. For example, we can reduce the number of spatial dimensions so that we’re considering 2+1-dimensional quantum gravity (3D gravity). Or we can investigate spacetimes that are negatively curved (anti-de Sitter space) as in the AdS/CFT correspondence. Or we can do BOTH! As in the paper that we just posted. The hope is that what’s learned in these limited situations will back-propagate insights towards reality.

The motivation for going to 2+1-dimensions is that gravity (general relativity) is much simpler here. This is explained eloquently in section II of Steve Carlip’s notes here. In 2+1-dimensions, there are no “local”/”gauge” degrees of freedom. This makes thinking about quantum aspects of these spacetimes much simpler.

The standard motivation for considering negatively curved spacetimes is that it puts us in the domain of AdS/CFT, which is the best understood model of quantum gravity. However, it’s worth pointing out that our results don’t rely on AdS/CFT. We consider negatively curved spacetimes (negatively curved Lorentzian manifolds) because they’re related to what mathematicians call hyperbolic manifolds (negatively curved Euclidean manifolds), and mathematicians know a great deal about these objects. It’s just a helpful coincidence that because we’re working with negatively curved manifolds we then get to unpack our statements in AdS/CFT.

Multiboundary wormholes

Finding solutions to Einstein’s equations of general relativity is a notoriously hard problem. Some of the more famous examples include: Minkowski space, de-Sitter space, anti-de Sitter space and Schwarzschild’s solution (which describes perfectly symmetrical and static black holes.) However, there’s a trick! Einstein’s equations only depend on the local curvature of spacetime while being insensitive to global topology (the number of boundaries and holes and such.) If M is a solution of Einstein’s equations and \Gamma is a discrete subgroup of the isometry group of M, then the quotient space M/\Gamma will also be a spacetime that solves Einstein’s equations! Here’s an example for intuition. Start with 2+1-dimensional Minkowski space, which is just a stack of flat planes indexed by time. One example of a “discrete subgroup of the isometry group” is the cyclic group generated by a single translation, say the translation along the x-axis by ten meters. Minkowski space quotiented by this group will also be a solution of Einstein’s equations, given as a stack of 10m diameter cylinders indexed by time.

Cylinder

Start with 2+1-dimensional Minkowski space which is just a stack of flat planes index by time. Think of the planes on the left hand side as being infinite. To “quotient” by a translation means to glue the green lines together which leaves a cylinder for every time slice. The figure on the right shows this cylinder universe which is also a solution to Einstein’s equations.

D+1-dimensional Anti-de Sitter space (AdS_{d+1}) is the maximally symmetric d+1-dimensional Lorentzian manifold with negative curvature. Our paper is about 3D gravity in negatively curved spacetimes so our starting point is AdS_3 which can be thought of as a stack of Poincare disks (or hyperbolic sheets) with the time dimension telling you which disk (sheet) you’re on. The isometry group of AdS_3 is a group called SO(2,2) which in turn is isomorphic to the group SL(2, R) \times SL(2, R). The group SL(2,R) \times SL(2,R) isn’t a very common group but a single copy of SL(2,R) is a very well-studied group. Discrete subgroups of it are called Fuchsian groups. Every element in the group should be thought of as a 2×2 matrix which corresponds to a Mobius transformation of the complex plane. The quotients that we obtain from these Fuchsian groups, or the larger isometry group yield a rich infinite family of new spacetimes, which are called multiboundary wormholes. Multiboundary wormholes have risen in importance over the last few years as powerful toy models when trying to understand how entanglement is dispersed near black holes (Ryu-Takayanagi conjecture) and for how the holographic dictionary works in terms of mapping operators in the boundary CFT to fields in the bulk (entanglement wedge reconstruction.)

AdS3

Three dimensional AdS can be thought of as a stack of hyperboloids indexed by time. It’s convenient to use the Poincare disk model for the hyperboloids so that the entire spacetime can be pictured in a compact way. Despite how things appear, all of the triangles have the same “area”.

I now want to work through a few examples.

BTZ black hole: this is the simplest possible example. It’s obtained by quotienting AdS_3 by a cyclic group \langle A \rangle, generated by a single matrix A \in SL(2,R) which for example could take the form A = \begin{pmatrix} e^{\lambda} & 0 \\ 0 & e^{-\lambda} \end{pmatrix}. The matrix A acts by fractional linear transformation on the complex plane, so in this case the point z \in \mathbb{C} gets mapped to z\mapsto (e^{\lambda}z + 0)/(0z + e^{-\lambda}) =  e^{2\lambda} z. In this case

torus Wormhole

Start withAdS_3as a stack of hyperbolic half planes indexed by time. A quotient by A means that each hyperbolic half plane gets quotiented. Quotienting a constant time slice by the mapz \mapsto e^{2\lambda}zgives a surface that’s topologically a cylinder. Using the picture above this means you glue together the solid black curves. The green and red segments become two boundary regions. We call it the BTZ black hole because when you add “time” it becomes impossible to send a signal from the green boundary to the red boundary, or vica versa. The dotted line acts as an event horizon.

Three boundary wormhole: 

There are many parameterizations that we can choose to obtain the three boundary wormhole. I’ll only show schematically how the gluings go. A nice reference with the details is this paper by Henry Maxfield.

Three Boundary Wormhole

This is a picture of a constant time slice ofAdS_3quotiented by the A and B above. Each time slice is given as a copy of the hyperbolic half plane with the black arcs and green arcs glued together (by the maps A and B). These gluings yield a pair of pants surface. Each of the boundary regions are causally disconnected from the others. The dotted lines are black hole horizons that illustrate where the causal disconnection happens.

Torus wormhole: 

It’s simpler to write down generators for the torus wormhole; but following along with the gluings is more complicated. To obtain the three boundary wormhole we quotient AdS_3 by the free group \langle A, B \rangle where A = \begin{pmatrix} e^{\lambda} & 0 \\ 0 & e^{-\lambda} \end{pmatrix} and B = \begin{pmatrix} \cosh \lambda & \sinh \lambda \\ \sinh \lambda & \cosh \lambda \end{pmatrix}. (Note that this is only one choice of generators, and a highly symmetrical one at that.)

Torus Wormhole (1)

This is a picture of a constant time slice ofAdS_3quotiented by the A and B above. Each time slice is given as a copy of the hyperbolic half plane with the black arcs and green arcs glued together (by the maps A and B). These gluings yield what’s called the “torus wormhole”. Topologically it’s just a donut with a hole cut out. However, there’s a causal structure when you add time to the mix where the dotted lines act as a black hole horizon, so that a message sent from behind the horizon will never reach the boundary.

Lorentzian to Euclidean spacetimes

So far we have been talking about negatively curved Lorentzian manifolds. These are manifolds that have a notion of both “time” and “space.” The technical definition involves differential geometry and it is related to the signature of the metric. On the other hand, mathematicians know a great deal about negatively curved Euclidean manifolds. Euclidean manifolds only have a notion of “space” (so no time-like directions.) Given a multiboundary wormhole, which by definition, is a quotient of AdS_3/\Gamma where \Gamma is a discrete subgroup of Isom(AdS_3), there’s a procedure to analytically continue this to a Euclidean hyperbolic manifold of the form H^3/ \Gamma_E where H^3 is three dimensional hyperbolic space and \Gamma_E is a discrete subgroup of the isometry group of H^3, which is PSL(2, \mathbb{C}). This analytic continuation procedure is well understood for time-symmetric spacetimes but it’s subtle for spacetimes that don’t have time-reversal symmetry. A discussion of this subtlety will be the topic of my next paper. To keep this blog post at a reasonable level of technical detail I’m going to need you to take it on a leap of faith that to every Lorentzian 3-manifold multiboundary wormhole there’s an associated Euclidean hyperbolic 3-manifold. Basically you need to believe that given a discrete subgroup \Gamma of SL(2, R) \times SL(2, R) there’s a procedure to obtain a discrete subgroup \Gamma_E of PSL(2, \mathbb{C}). Discrete subgroups of PSL(2, \mathbb{C}) are called Kleinian groups and quotients of H^3 by groups of this form yield hyperbolic 3-manifolds. These Euclidean manifolds obtained by analytic continuation arise when studying the thermodynamics of these spacetimes or also when studying correlation functions; there’s a sense in which they’re physical.

TLDR: you start with a 2+1-d Lorentzian 3-manifold obtained as a quotient AdS_3/\Gammaand analytic continuation gives a Euclidean 3-manifold obtained as a quotient H^3/\Gamma_E where H^3 is 3-dimensional hyperbolic space and \Gamma_E is a discrete subgroup of PSL(2,\mathbb{C}) (Kleinian group.) 

Limit sets: 

Every Kleinian group \Gamma_E = \langle A_1, \dots, A_g \rangle \subset PSL(2, \mathbb{C}) has a fractal that’s naturally associated with it. The fractal is obtained by finding the fixed points of every possible combination of generators and their inverses. Moreover, there’s a beautiful theorem of Patterson, Sullivan, Bishop and Jones that says the smallest eigenvalue \lambda_0 of the spectrum of the Laplacian on the quotient Euclidean spacetime H^3 / \Gamma_E is related to the Hausdorff dimension of this fractal (call it D) by the formula \lambda_0 = D(2-D). This smallest eigenvalue controls a number of the quantities of interest for this spacetime but calculating it directly is usually intractable. However, McMullen proposed an algorithm to calculate the Hausdorff dimension of the relevant fractals so we can get at the spectrum efficiently, albeit indirectly.

Screen Shot 2018-03-23 at 1.19.46 PM

This is a screen grab of Figure 2 from our paper. These are two examples of fractals that emerge when studying these spacetimes. Both of these particular fractals have a 3-fold symmetry. They have this symmetry because these particular spacetimes came from looking at something called “n=3 Renyi entropies”. The number q indexes a one complex dimensional family of spacetimes that have this 3-fold symmetry. These Kleinian groups each have two generators that are described in section 2.3 of our paper.

What we did

Our primary result is a generalization of the Hawking-Page phase transition for multiboundary wormholes. To understand the thermodynamics (from a 3d quantum gravity perspective) one starts with a fixed boundary Riemann surface and then looks at the contributions to the partition function from each of the ways to fill in the boundary (each of which is a hyperbolic 3-manifold). We showed that the expected dominant contributions, which are given by handlebodies, are unstable when the kinetic operator (\nabla^2 - m^2) is negative, which happens whenever the Hausdorff dimension of the limit set of \Gamma_E is greater than the lightest scalar field living in the bulk. One has to go pretty far down the quantum gravity rabbit hole (black hole) to understand why this is an interesting research direction to pursue, but at least anyone can appreciate the pretty pictures!

4 THOUGHTS ON “THE MATH OF MULTIBOUNDARY WORMHOLES”

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    From personal bias, your multiboundary black holes resemble a bronchial tree fractal.

    In that same picture where the event horizons are represented by dotted lines, curious what your math shows at the cosmological horizons, the other causally disconnected place in our universe, in the sense that beyond which, like from inside black holes, photons could never reach back to us?

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    Sean, old pal…
    “Before mentioning how I met my collaborators”: did I miss this part or did you leave it out? I’ve heard your Afghanistan story before… and I find you and your life more interesting than your work 😉

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      Sorry, Shaun, I see I somehow typed the wrong spelling of your name. I encourage you to do the same to me as fitting retribution.

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    great post, tempted to re-blog it.

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    • illustration of a warped disk in space

      Schrödinger in Space: An artist’s impression of research presented in Batygin (2018), MNRAS 475, 4. Propagation of waves through an astrophysical disk can be understood using Schrödinger’s equation – a cornerstone of quantum mechanics.
      Credit: James Tuttle Keane, California Institute of Technology
    03/05/2018

    Massive Astrophysical Objects Governed by Subatomic Equation

    The Schrödinger Equation makes an unlikely appearance at the astronomical scale

    Quantum mechanics is the branch of physics governing the sometimes-strange behavior of the tiny particles that make up our universe. Equations describing the quantum world are generally confined to the subatomic realm—the mathematics relevant at very small scales is not relevant at larger scales, and vice versa. However, a surprising new discovery from a Caltech researcher suggests that the Schrödinger Equation—the fundamental equation of quantum mechanics—is remarkably useful in describing the long-term evolution of certain astronomical structures.

    The work, done by Konstantin Batygin (MS ’10, PhD ’12), a Caltech assistant professor of planetary science and Van Nuys Page Scholar, is described in a paper appearing in the March 5 issue of Monthly Notices of the Royal Astronomical Society.

    Massive astronomical objects are frequently encircled by groups of smaller objects that revolve around them, like the planets around the sun. For example, supermassive black holes are orbited by swarms of stars, which are themselves orbited by enormous amounts of rock, ice, and other space debris. Due to gravitational forces, these huge volumes of material form into flat, round disks. These disks, made up of countless individual particles orbiting en masse, can range from the size of the solar system to many light-years across.

    Astrophysical disks of material generally do not retain simple circular shapes throughout their lifetimes. Instead, over millions of years, these disks slowly evolve to exhibit large-scale distortions, bending and warping like ripples on a pond. Exactly how these warps emerge and propagate has long puzzled astronomers, and even computer simulations have not offered a definitive answer, as the process is both complex and prohibitively expensive to model directly.

    While teaching a Caltech course on planetary physics, Batygin (the theorist behind the proposed existence of Planet Nine) turned to an approximation scheme called perturbation theory to formulate a simple mathematical representation of disk evolution. This approximation, often used by astronomers, is based upon equations developed by the 18th-century mathematicians Joseph-Louis Lagrange and Pierre-Simon Laplace. Within the framework of these equations, the individual particles and pebbles on each particular orbital trajectory are mathematically smeared together. In this way, a disk can be modeled as a series of concentric wires that slowly exchange orbital angular momentum among one another.

    As an analogy, in our own solar system one can imagine breaking each planet into pieces and spreading those pieces around the orbit the planet takes around the sun, such that the sun is encircled by a collection of massive rings that interact gravitationally. The vibrations of these rings mirror the actual planetary orbital evolution that unfolds over millions of years, making the approximation quite accurate.

    Using this approximation to model disk evolution, however, had unexpected results.

    “When we do this with all the material in a disk, we can get more and more meticulous, representing the disk as an ever-larger number of ever-thinner wires,” Batygin says. “Eventually, you can approximate the number of wires in the disk to be infinite, which allows you to mathematically blur them together into a continuum. When I did this, astonishingly, the Schrödinger Equation emerged in my calculations.”

    The Schrödinger Equation is the foundation of quantum mechanics: It describes the non-intuitive behavior of systems at atomic and subatomic scales. One of these non-intuitive behaviors is that subatomic particles actually behave more like waves than like discrete particles—a phenomenon called wave-particle duality. Batygin’s work suggests that large-scale warps in astrophysical disks behave similarly to particles, and the propagation of warps within the disk material can be described by the same mathematics used to describe the behavior of a single quantum particle if it were bouncing back and forth between the inner and outer edges of the disk.

    The Schrödinger Equation is well studied, and finding that such a quintessential equation is able to describe the long-term evolution of astrophysical disks should be useful for scientists who model such large-scale phenomena. Additionally, adds Batygin, it is intriguing that two seemingly unrelated branches of physics—those that represent the largest and the smallest of scales in nature—can be governed by similar mathematics.

    “This discovery is surprising because the Schrödinger Equation is an unlikely formula to arise when looking at distances on the order of light-years,” says Batygin. “The equations that are relevant to subatomic physics are generally not relevant to massive, astronomical phenomena. Thus, I was fascinated to find a situation in which an equation that is typically used only for very small systems also works in describing very large systems.”

    “Fundamentally, the Schrödinger Equation governs the evolution of wave-like disturbances.” says Batygin. “In a sense, the waves that represent the warps and lopsidedness of astrophysical disks are not too different from the waves on a vibrating string, which are themselves not too different from the motion of a quantum particle in a box. In retrospect, it seems like an obvious connection, but it’s exciting to begin to uncover the mathematical backbone behind this reciprocity.”

    The paper is titled “Schrödinger Evolution of Self-Gravitating Disks.” Funding was provided by the David and Lucile Packard Foundation.

    Written by Lori Dajose

真与假,对与错,是与非,聪明与愚蠢

今天,在西方的世界里,真与假,对与错,是与非,聪明与愚蠢是一锅热粥!

在中国也有此言:“假作真时真亦假,真作假时假亦真”。亦然是一个真假难辩的世界。

别那么认真吧,如果认识到:“真亦假时假亦真,无为有处有还无。”那么,你也有了红楼一梦的境界了。

但是,物理学世界是对自然客观世界的真实准确的描述,来不得这样的模棱两可的表述。

事实上,真与假,对与错,是与非,聪明与愚蠢都是相伴而行,是共存于这个世界的正面与反面 。如果只认识其中的一面,而不知另一面,那么,仍然是片面的理解。

自然客观的宇宙的世界,也包含正面与反面。正面就是我们直观的实时空世界,但还存在相对应的虚时空世界,这才是我们真实的宇宙世界。

物理学近百年来,只看到这个世界的一面,龚学物理看到了整个宇宙的全部。事实上,中国古代贤哲也对此有正确的把握,周易道学是能够看到宇宙正面(阳)与反面(阴)的古代唯一正确的万有理论。

物理学近百年来,还在稀里糊涂地、盲人摸象地研究宇宙世界。所以,基础物理学界还在迷茫之中找不到出路。

今年三月的国际物理学界的两会,全然没有任何新意。全球物理学界无路可走,但慢慢地总要走出泥潭,迎接他们的是龚学物理的彼岸。

近来,量子理论火热了起来,中国的量子技术已经走在了世界的前面。量子通信和墨子卫星所发展的单光子秘钥传输已经是绝对保密的通信系统,不久将要走向千家万户了;量子计算、量子霸权争夺的异常激烈,49量子比特、72量子比特的量子计算芯片已经开发出来了。在美国加州硅谷,人们谈论的时髦话题离不开量子理论。你要是不懂点量子理论,你都不好意思开口说话!

而龚学理论,早在33年前,推出的理论,全然都是量子理论!而且,竟然发现:智能的种子、生命的种子就嵌入在物理世界的底层。质子、中子都是一种图灵计算机的部件:生命游戏中的滑翔机。

整个宇宙都在游戏中,从过去到现在,并走向未来。

生命与意识,时空与物质,真与假,都是人类永恒的主题!

真真假假,假假真真,真假难辩。

是是非非,非非是是,是非不分。

无无有有,有有无无,无中生有。

邪邪正正,正正邪邪,邪不压正。

“规范场论”—-这个与“量子理论”齐名的理论为何鲜为人知?

2018-03-31 德不罗意 量子学派

你越牛逼,就越明白“规范场论”有多牛逼

引语

近60年来

物理学家都干什么去了?

在许多科学爱好者的眼里,肯定有一个疑问,这60年来,物理学家都干什么去了?

在人类科学发展史上,20世纪物理学家繁若群星。可我们似乎只记得1900年到1953年这个黄金时代,爱因斯坦、玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克、玻恩、泡利等天才携手而来。

而自从爱因斯坦1955年撒手人寰之后,在普通人眼中看来,物理界鸦雀无声。

就算有人提到1950到1975年是物理学白银时代,费曼、朗道、杨振宁奠定20世纪后半叶物理学发展方向,但我们并不知道他们做了什么。

其实没有一个物理学家在闲着,只是近60年来,很多人都在深不可测的“规范场论”里兜圈圈呢。

01.

规范场论

20 世纪物理学三大成就之一

如果说20世纪初“相对论”是物理学旗手,中期是“量子论”的天下,那么下半叶则属于“规范场论”。

诺贝尔奖得主丁肇中曾这样说:提到本世纪的物理学里程碑,我们首先想到三件事,一是相对论,二是量子力学,三是规范场。

“相对论”就不用讲了,小学没毕业就知道“与女朋友在一起时间可以变短”的故事。“量子力学”也是如雷贯耳,虽然不太明白其中科学奥秘,但多少也听人忽悠过“不确定性原理”。但“规范场论”这名字似乎从来就没有听到过,这么平庸内敛的一个名字,竟然是20世纪物理学三大成就?

原因很简单,规范场论是当代物理学最前沿阵地,如果你不是物理专业的博士,或者是特别有兴趣的物理学爱好者,你根本就不可能接触到规范场论,一辈子也不可能与同位旋SU(2)打交道。

“规范场论”已经不是与质子中子电子攀交情,而是和60多个粒子(和夸克一样级别的小玩意)捉迷藏,寻常人等早已经被电磁场弄得死去活来,根本没有机会进入“规范场论”设定的世界。

这次霍金去世,很多人最后纪念的却是杨振宁,说他是在世最伟大的物理学家,差点就与牛顿爱因斯坦并列了,并对他提出的“杨-Mills”理论赞声一片,因为它是“规范场论”的基石。

既然都在说以“杨-Mills”为基石的“规范场论”牛逼,那“规范场论”到底牛逼在哪里?

02.

微观意义

“规范场论”建立微观粒子的标准模型

大部分人对物理的认知到了“夸克”就基本终结,教科书上对“夸克”也语焉不详,又不是高考的必考知识,在“一考定终身”的功利性引导之下,没有几个人意识到这个小角落里隐藏着一个深邃无比的物理世界。

而统治这个世界的,正是“规范场论”,它的目标是建立一个完美的粒子标准模型,这比当年玻尔在“量子世界”建立自己的原子标准模型要难得多。也就是说,我们肉眼凡胎看不见的60多种创世粒子(姑且这样定义,比电子还低一个层级),不管你怎样闪躲腾挪,都在我这个标准模型下运转。也就像宏观世界的牛顿三大定律,不管人类深入地底还是进军火星,你必须遵守牛顿定下的规则。

“规范场论”是高能物理,源于人类对原子核认识的需要,是人类对原子核的认知的一个理论,它要定义整个微观世界。

现代物理已经论证原子核由质子和中子组成,一些放射性衰变原子核会放射出电子。但要继续往下研究,了解原子核里面的结构,必须弄清楚质子、中子和电子的相互作用。这属于微观世界中的针尖之地,人类只有通过大型对撞机才能去发现规律。

现代粒子对撞试验和理论发展,主流物理学家已经达成共识,质子由两个上夸克和一个下夸克组成,中子由两个下夸克和一个上夸克组成,而这些夸克的特性又有不同颜色。然而,构建夸克理论用的对称性,必须假设有六个夸克,其它夸克组合成许多其它粒子,这些数量众多的粒子陆续被宇宙射线观测证实,或是被大型碰撞机发现证实。除了夸克组成的强子,还有轻子,轻子的数目几乎和强子数量差不多,这些亚核粒子相互作用力又需要相应的交换粒子来解释。为了认识质子、中子和电子这三种粒子的本质,高能物理的标准理论已经发现了60多个粒子。

 

从轻子、夸克、希格斯粒子的交互作用来看,“规范场论”是描述亚原子世界的最成功的物理框架。不论在计算能力还是在概念覆盖范围上都是无以伦比的,它对电子跟光子之间相互作用的预计精确到10⁸分之一, 目前没有从标准模型中推导不出的已知实验。

也就是说,如果没有特别变态的粒子出现,“规范场论”就是粒子物理的基石,相当于微观世界的“牛顿三大定律”,这是了不起的伟大成就。

03.

宏观意义

“规范场论”要实现爱因斯坦“大一统理论”

爱因斯坦1915年发表广义相对论之后,便开始了他的“大一统之梦”。

希望通过一个个简单美妙的公式来描述和预测宇宙中的每一件事情。

这一“统”就是三十余年,到死方休,但无论这位旷世奇才从数学还是物理角度来入手,最后30余年的努力一无所获,这也是爱因斯坦为什么尊敬麦克斯韦的原因,因为麦克斯韦方程可算是电、磁、光三者“统一”场理论,他统一了电磁力。

那现代物理意义上的“大一统理论”到底是什么?

它简称GUT,又称为万物之理。

由于微观粒子之间仅存在四种相互作用力,万有引力、电磁力(麦克斯韦完成)、强相互作用力、弱相互作用力,物理学家们一直相信,弱、电、强与引力四种作用应有相同的物理起源,它们在一定的条件下应能走到一起、相聚于同一个理论框架内。

如果能统一说明这四种相互作用力的理论或模型就可称为“大一统理论”。

那为什么说“规范场论”有可能实现爱因斯坦眼中的“大一统理论”。

规范场论我们可以简单的用这个SU(3)XSU(2)XU(1)式子来表示:

1、 电磁力对应U(1)群。早期数学大神赫尔曼·外尔给出了漂亮解释。

2、 弱相互作用力对应SU(2)群。由杨-mills引入非交换规范场论解决。

3、 强相互作用力对应SU(3)群。由当代大物理学家“夸克之父”盖尔曼完成。

……

也就是说,除了引力,“规范场论”基本统一了三种力。

当然,这与爱因斯坦眼中的“大一统理论”有很大的差距:虽然整个SU(3)XSU(2)XU(1)群涵盖了三种相互作用,但是这毕竟是三个不同的群,它们对应的规范场的耦合强度也不同。如果能够找一个单一的群,比如比较流行的SU(5)和SO(10),它们含有子群SU(3)XSU(2)XU(1),然后在低能标对称性自发破缺到SU(3)XSU(2)XU(1),这就是大一统。

而且,引力也没有统一,这又涉及到更前沿的“超弦理论”的问题,随着希格斯粒子的发现,“超弦理论”更加困难重重,最有可能成为“大一统理论”的仍然是“规范场论”。

当然可能有人会问,“大一统理论”就是物理学家为了追求数学上的美感瞎折腾,为什么一定要追求“大一统理论”呢?除了物理学家迷恋“美就是真”外,我们看看历史,当麦克斯韦统将电学与磁学统一电磁学后,人类学会了发电,它对于人类进步是巨大推动,更别说统一了物理所有现象的大一统理论,那可能是整个文明的指数升级。

目前来看,“规范场论”是唯一有可能实现爱因斯坦眼中“大一统理论”的基础理论。

04.

“规范场论”的前世今生

和绕不开的“杨-Mills”理论

“规范场论”的提出并不容易,最早与之相关的物理理论是麦克斯韦的电动力学。

但伟大的麦克斯韦根本无视它的存在,直到数学大师赫尔曼·外尔在1929年提出一个二分量中微子理论,提出U(1)规范对称性,这是“规范场论”的首次被提出,但这个理论导致左右不对称,破坏了赫尔曼·外尔心中的对称之美,最终被他抛弃了。

可见,物理学家有时候过于感性也是要不得的。

后来就是属于杨振宁的时代,1949年春天,杨振宁前往普林斯顿高等研究院,不仅接租了赫尔曼·外尔的房子,还接替了赫尔曼·外尔在理论物理界的位置。

1954年,杨振宁和米尔斯认识到描述同位旋对称性的SU(2)是一种“非阿贝尔群”,与赫尔曼·外尔25年前在电磁规范理论的对称性U(1)完全不同,在这个基础上提出“杨-Mills”理论,并首次发表在大名鼎鼎的《物理评论》上,从而真正开启了“规范场论”的伟大征程。

但这一切并不容易,1954年到普林斯顿研究院作报告,当他在黑板上写下他们将A推广到B的第一个公式时,台下的物理学界的“上帝鞭子”泡利开始发言:“这个B场对应质量是多少?”这个问题一针见血地点到“死穴”。之后泡利又问了一遍同样的问题,杨振宁一身冷汗,只好支支吾吾地说事情很复杂。泡利咄咄逼人,当时场景使杨振宁分外尴尬,报告几乎作不下去,亏得主持人奥本海墨打圆场,泡利方才作罢,之后一直无语。

第二天,杨振宁接到来自泡利的一段信息,为报告会上的激动发言而遗憾,信中给这两位年轻物理学家的工作以美好的祝福,并建议杨读读“有关狄拉克电子在引力场时空中运动”的相关讨论。直到多年后,杨振宁才明白了其中所述引力场与杨-米尔斯场在几何上的深刻联系,从而促进他在70年代研究规范场论与纤维丛理论的对应,将数学和物理的成功结合推进到一个新的水平。

规范理论中的传播子都是没有质量的,否则便不能保持规范不变。电磁规范场的作用传播子是光子,光子没有质量。但是,强相互作用不同于电磁力,电磁力是远程力,强弱相互作用都是短程力,短程力的传播粒子一定有质量,这便是泡利当时所提出的问题。不愧是物理界黄金时代的顶尖大牛,慧眼如灼,果然是因为这个质量难题,让规范理论默默等待了20年!

“杨-Mills”理论虽然没有真正解决强相互作用的问题,但却构造了一个非阿贝尔规范场的模型,历经温伯格、盖尔曼、希格斯、威腾等大家添砖加瓦,为所有已知粒子及其相互作用提供了一个框架,后来的弱电统一、强作用、直到标准模型,都是建立在这个基础上。

即使是尚未统一到标准模型中的引力,也有可能包括进规范场的理论之中。如今,六十多年过去了,“对称支配相互作用”,已经成为理论物理学家的一个坚定信念。所以,可以毫不夸张地说:杨-米尔斯规范理论,对现代理论物理起了“奠基”的作用。

到了21世纪,规范场论已经作为当代物理学前沿的最基础部分,和牛顿力学、麦克斯韦电磁理论、狭义相对论、广义相对论以及量子力学一样,是物理学大厦中最坚强的存在。

05.

“规范场论”的遗憾

杨-Mills存在性和质量缺口

“规范场论”在实验室里被反复证明,它的数学解释并不完美。

2000年初美国克雷数学研究所选定了七个“千年大奖问题”:NP完全问题、霍奇猜想、庞加莱猜想、黎曼假设、杨-米尔斯存在性和质量缺口、纳卫尔-斯托可方程、BSD猜想。这七个问题都被悬赏一百万美元,其中就包括“杨-米尔斯存在性和质量缺口”。

“杨-Mills”理论一出生就有着先天缺陷,就是“上帝之鞭”泡利提出的质量问题。该问题最后被南部的自发破缺思想及希格斯等人发明的希格斯机制勉强解决,成果就是电弱统一理论,再经过当代物理学家的努力才成为粒子标准模型。

理论的缺点也很明显,除了希格斯机制本身让人觉得缺乏美感和理性外,它在描述重粒子、又在数学上严格的方程上没有已知解。还因为它没有量子引力,没有暗物质,没有暗能量,甚至连貌似近在咫尺(因都是属于杨米尔斯场)的电弱力和强力的统一还远没有成功。

这些缺点让人觉得以“杨-Mills”理论为基石的“规范场论”就像一件美丽的衣服,但在关键部位破了几个洞,而当代最顶尖的物理学家费曼、盖尔曼、格拉肖、温伯格、希格斯、威腾专门为“规范场论”打上布丁,这才勉强拿得出手,但仍然满目疮痍,摇摇欲坠!

正因为这一点,很多人对杨振宁作为当代第一理论物理学家提出强烈质疑。而千禧计划中就有关于“杨-Mills”理论问题的100万美金,也说明了这个理论还有很大的完善空间。对于杨振宁的评价不是本文讨论的问题,只能说,我们没有资格鄙夷他,特别是那些说他回国“养老”、“圈钱”之类的话。同时也没有必要神化他,现代科学越来越需要依靠集体才能做出成绩。

但不管怎样,作为当代最前沿的物理学理论,基于“杨-Mills”理论的预言已经在全世界范围内的实验室中所履行的高能实验中得到证实。这已经是不可描述的伟大成就。

量子电动力学大牛弗里曼·戴森在纪念爱因斯坦的著名演讲《鸟和青蛙》里这样评价:杨振宁高高地飞翔在诸多小问题构成的热带雨林之上,我们中的绝大多数在这些小问题里耗尽了一生的时光。

结语

朝闻道,夕死可矣

科幻小说《朝闻道》描述了这样一个故事,人类建立了巨大的粒子加速器,想要揭示宇宙的奥秘,寻找物理学上的“大一统理论”,却被突然出现的超级文明警告:宇宙的最终奥秘,可能导致宇宙的毁灭,所以不能允许人类探寻这个奥秘。

“规范场论”正在朝这个方向努力,被物理学界公认为基本粒子标准模型。特别是2012年希格斯粒子发现后,“规范场论”最后一个缺陷被弥补,“规范场论”统一了目前自然界的四种力中的三种,爱因斯坦穷尽后半生追求的“大一统理论”,在杨振宁主导的“规范场论”中实现了关键一步。

但物理学的终极奥义会走向哪里呢?人类最伟大的科学家、数学家,纷纷踏上了那个用生命交换真理的祭坛。他们想得到了梦寐以求的答案,然后一边回味这答案的美妙,一边走向死亡。

这条路的终点,就是为了探寻宇宙的终极之美,很有可能为之付出了一切,也终究无法到达。

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