TOE (THEORY OF EVERYTHING）
李小坚 龚天任
一、引言
我们的宇宙是一个自然的世界，自然世界包含了宇宙中所有的一切。自然世界至少可以用三个领域来描述，或者三个子世界：
（一）、物理学领域，或物理世界（P-ＷＯＲＬＤ）
（二）、生命领域，或生命世界（Ｌ-ＷＯＲＬＤ）
（三）、数学领域，或数学世界（Ｍ-ＷＯＲＬＤ）。
因此，一个雄心勃勃的理想是建立一套理论（G-TOE）能够解释宇宙中的一切事物。而且，这个最终G-TOE必须以一个统一的方式解释宇宙的一切，因此，G-TOE包括解释以上这三个领域的一切的理论。即G-TOE={P-TOE，L-TOE，M-TOE}。然而，我们已经描述了物理、数学、生命这三个世界是拓扑同构。因此，最简单的方法是首先构建物理世界的最终理论，也就是，第一步构建物理领域的P-TOE。
二、物理世界的终极理论P-TOE
物理世界所发现的微观粒子之间仅存在四种相互作用力，它们是万有引力、电磁力、强相互作用力、弱相互作用力。宇宙间所有现象都可以用这四种作用力来解释。于是，人们期望有一个大统一理论，即试图建立同一组方程式来描述全部粒子和四种力的物理理论或模型。这样一种理论有时也称为终极理论，或万物之理，万有理论TOE。这仍然是物理学领域的P-TOE。
物理世界探索的道路有两条：一条是从最底层的经验总结与现象研究开始，自下而上的实证之路，这是现有的物理学所走过的道路；另一条道路是从最高端的设计开始，自上而下的理论推导，这是我们选择的物理学革命性的公理化之路。
图1 TOE统一之路
三、主流物理的成就
17世纪，牛顿在研究宇宙行星运动规律时，把行星绕太阳、月球绕地球、太阳系绕银河的运动，以及地球上所有物体之间的吸引力统称为万有引力，并得到万有引力定律。19世纪后期，麦克斯韦成功地把电现象和磁现象统一起来，指出了电力和磁力是本质上相同的力，并得到了著名的麦克斯韦方程组，证明了光及电磁波就是二者的统一表现。从20世纪开始对自然界各种不同的相互作用力：引力、电磁力、弱核力和强核力进行研究，探索如何将这4种力进一步统一。
3．1 两种长程力—引力和电磁力
引力——所有自旋为1/2物质粒子都能感受到这种力。它是由自旋为2、质量为零的引力子传递的。电磁力——只有带电粒子(P，e)之间才能发生这种力的作用，它是由于自旋为1、质量为零的虚光子传递的。经典理论需要引入引力子和虚光子作为传递力的粒子，而引力子和虚光子不能通过实验的方法探测到它们的存在，但确实产生了可以测量的效应，即引力和电磁力的存在。
3．2 两种短程力——弱核力和强核力
当物质粒子发射的传递力粒子具有一定的质量时，则不可能在大距离上产生交换效应，因此称为短程力。这种力只有在原子核内表现出来。
弱核力——造成放射性原子核或自由中子衰变的短程力，作用于所有物质粒子，而不作用于携带力的粒子。它是由自旋为l具有100Gev的质量的中间玻色子传递的。
强核力——在原子核内这种强大的吸引力束缚在一起。这种力是由自旋为1的胶子来传递的。
3．3电磁力、弱核力和强核力的统一
1967年伦敦帝国学院的阿伯达斯·萨拉姆和哈佛的史蒂芬·温伯格提出了弱作用和电磁作用的统一理论后， 弱作用才被很好地理解。在温伯格——萨拉姆理论中，当能量远远超过100吉电子伏时，这三种新粒子和光子都以相似的行为方式行为。在此后的十几年里，在低能量下这个理论的其他预言和实验符合得这样好，以至于他们和哈佛的谢尔登格拉肖一起被授予1979年的物理诺贝尔奖。由此物理学家预言，在非常高的称之为大统一能量下，有可能3种传递力粒子，即虚光子、中间玻色子、胶子具有相同的行为和性质，而且不同的物质粒子也会基本上变成一样，这样就可将电磁力、弱核力和强核力这3种力统一为一种力。
这种大统一理论还没有包括无处不有无时不在的引力。因此，这是一种不完善的大统一理论。
3．4电磁力、弱核力和强核力与引力的统一
如果把引力作用和电磁作用力统一起来，就可打开这4种自然力统一的神秘大门。因此，爱因斯坦在他的晚年就致力于引力和电磁力的统一工作。把牛顿引力和麦克斯韦电磁力统一起来的传统思路是：必须证明麦克斯韦电磁力与引力一样，同样也是空间时间的某种几何性质的表现形式。于是有电磁场和引力场；电磁波，引力波；电荷，引力荷、引力子等等慨念。宇宙中所有的物质粒子均做变速运动故引力波充满了整个宇宙，同样引力场也充满整个宇宙。80年过去了，统一理论却没有成功。
经典物理学中的统一是从底而上发展的。当前主流物理理论包括：
（1）超对称理论
（2）超重力理论
（3）超弦理论
（4）冷暗物质模型
经典物理学的各部分内容就是总结各种不同运动形式的规律和理论。万事总有规律可寻，我们也相信一定可以通过一个大统一理论来对宇宙世界之万物进行阐述和解释。基于上面一个信念，对建立公理化物理科学有了信心。
四、创新物理、自上而下
我们曾经用公理化的方式表述了一个整体的意识总是保持自己，同时还要发展自己。整体的不可分割性是保持自己的基础，整体的不可分割性也是发展自己的创造过程的源泉。只有整体T的不可分割，整体才可以创造出什么东西——创造P1，P2，同时整体T保持不变。这种不可分割性在自然界出现无处不在。宇宙，生命，社会，生态，太极，物理，数学作为整体都具有这一特性。
因此，我们的《物理世界之创造法则–创新物理学之七》一文表述了宇宙的创造是从虚空的世界产生出来的。本文图1从左至右描述了宇宙创造的自上而下的过程。
4.1创造物理世界的时空和物质
创新物理给出了实时间和虚时间的相互作用，产生了时间、空间、物质。事实上，物理世界的时间创造过程是由方程零给出。这是在球体拓扑结构上打了一个穿透的孔。这个孔的一头在零点，另一头在无穷远处。这是一个从球体到面包圈的变换过程。因此，这个物理世界的拓扑结构是一个面包圈。
DS =（i^n1，i^n2，i^n3）* C * DT =N * C * DT……（方程0)
N =（i^n1，i^n2，i^n3），N^ 2 = { + / – 1 ，+ / – 3 } …..（方程1）
n1，n2，n3 取值范围：{1，2，3，4} 或{0，1，2，3}
由方程零和方程一的共同作用。产生空间和物质，并且，在时空中创造出以下事物：
1、自旋
产生自然常数（普朗克常数）
产生三等分角：产生电荷，产生质量
产生前夸克G弦模型
2、产生卡比博角和温伯格角
3、产生三代夸克
4、产生空间
5、产生引力
以上问题我们在前面的系列文章已经讨论过。我们在这里展示这个新统一理论的两个关键问题：统一力的形式、统一力作用强度和范围。
创新物理的统一理论思路是公理化之路：我们在《物理世界之引力产生》一文推出了统一力方程。
F（统一力）= Kħ/（Δt×ΔS），………（方程2）
K是力耦合系数
于是有：ΔP= F×Δt=Kħ/ΔS
结论有：ΔP×ΔS= Kħ， 当K>=1，这就是不确定性原则。
从F（统一力）= Kħ/（Δt×ΔS）出发，
当取引力耦合系数：K(引力)= mM/a^2
F (引力) = (mM/a^2)( ħc/r^2) = K(引力系数) ( ħc/r^2)
………（方程3）
当取电荷力耦合系数：K（电荷力系数）=（1/2）*（k* q1 * q2）/q^2
F (电荷力) = k* q1 *q2/r^2 =K（电荷力系数）*(ħc/r^2)
………（方程4）
可见，引力与电荷力有统一的形式，符合统一力方程，只是它们的耦合系数K有所不同而已。
这就是我们推出的物理世界电荷力与引力的统一理论。
我们不是试图让这些力达到一样的程度，而是通过力的耦合系数建立一个统一的描述。我们相信以上4种力在各自的领域起作用。因此，我们将解决这个层次的问题：相比其它一切力，为什么引力是如此的弱 (The hierarchy problem)？
公理一：以上各种力，具有各自支配（统治）的领域，没有一种力跨越其领域支配其它力。
然后，推论一：每个派生力有其自身的领域，并不优于其它所有领域。
它们的平等地位可以通过以下平衡方程达到。
即有：力平衡方程= {力支配者（1）×自治领域（1）}={力支配者（2）×自治领域（2）}={…}
也就是说有：{（E，电荷）x自治领域范围（e）= K(电荷力耦合系数)x电荷作用半径（电荷视窗尺寸）} = {（m，质量）x自治领域范围（引力）= K(引力耦合系数) x引力作用半径（整个宇宙尺寸）}
因此有：K(引力耦合系数) = {K(电荷力耦合系数)x电荷作用半径}/引力作用半径 = (10^-40)xK(电荷力耦合系数)
即，引力强度比电荷力强度弱10^-40倍，而引力作用的半径比电荷力作用半径高出10^40倍。
统一力方程试图统一描述所有的相互作用力，因此，而形成新的超统一理论。
虚空中包含0与无穷，虚空没有时间约束，虚空代表永恒。
虚空的代数运算产生数学:
1，“0”—表示是整体的一部分。任何数除以“0”表示无穷也是整体的一部分。
2，因为“0”是不可分割的，但“+”加操作产生数字“+1”和“-1”。
3，按除法“/”与“×”乘法操作,创建所有有理数。例如，一分为二创建2和1 / 2。
4，通过“开方”的运算，创造了无理数（如2的平方根）。
5，冯诺依曼序数以“0” 为基数，导致数字的相互内含概念。
0 = 0
1 = { 0 }
2 = { 0，{ 0 } }
3 = { 0，{ 0 }，{ 0，{ 0 } }
…
数学世界可以创造出一个数学系统，该系统有一个拓扑表示。如有一个穿透的洞，则该系统拓扑结构等价于一个面包圈。
定义一：如果系统T是一个不可分割的整体，则是一个自我。
也就是说，自我出现，可以成为第一个原则。
定理零：零是一个自我。
零的对称性可以被分解为（+A，-A）,A为任何数。例如（+T，-T），它是正实时间和反时间；（+iT，-iT）正虚时间和反虚时间；或（+T，-T，+iT，-iT）这正是我们的物理世界的时间创建过程。
这个从零创建出来的时间结构，描述一个复杂的平面可以弯曲成一个球的时候，原点与无穷远联合成一个点（零），它是无穷大的球面上的穿透的孔。
这就是时间创造的过程，这是一个球体拓扑结构变成面包圈的转化过程。这个创造法则看到数学和物理学的统一。
上述创造过程还可以以另一种方式表示：
如果从虚无中创造出了一个1个能量（物质）于实时空，那么，在同一时间必须有-1个能量（物质）创建于反相时空中。此时虚空仍然是虚空，并且，物理世界的虚实时空也保持其零不变性。我们可以看到上述从虚无中的创造过程（无中生有）产生正物质的同时，在其对称伙伴产生反物质的过程形成一个拓扑面包圈结构。
创造法则1：如果A是由一个从无到有的创造过程，A必须是一个拓扑面包圈结构。
定理1：在虚无中有无限的自我。
定理2：用7个颜色而且仅用7种颜色，可以区分所有的拓扑面包圈。
定理3：如果一个系统可以用7个颜色而且仅用7个颜色描述，该系统必须是一个拓扑面包圈。
定理4：如果一个系统是一个拓扑面包圈，它是从虚无中创造。
推论一：物理世界前夸克系统拓扑环面是一个7色系统。因为它可以用7个颜色，而且只用7个颜色描述（3夸克的颜色，3代色和一个无色）。
以上定理和原则的表述，从数学上说明，物理世界的创造过程具有正确的数学基础和合理的逻辑机理。
4.3 创造生命世界
生命的本质是一个穿透孔的面包圈（出生到死亡）。
生命的运行也是一个面包圈结构：吸收外部物质能量，推动自身生存与发展，并排泄废物。
生命在时间中的发展，而时间向前移动如阿基米德的螺旋结构。这个过程将一个不可数无限变换为有限。这一过程也是一个面包圈结构。
这种时间螺旋形成过程实际上就是一个拓扑面包圈形成过程。这也是生命的拓扑形式。也就是说，每一个生命都是这样的一个时间机器。
这是生命的规律，物理学的法则，以及数学创造，它们是同构的。
现代物理学是人类最伟大的成就，事实上，物理学的发展有四个步骤。
第一、收集资料，了解现象。
第二、寻找合适模式与数据最合适的方程—这些方程有变量和参数。
第三、寻找潜在的原因，找出动力学方程中的变量关系。
第四、寻找的基本方程框架下的参数，从一个公理系统得出相关参数。特别是自然存在的物理常数极其重要。
很显然，我们人类的思维是经典物理走过的从第一到第四步的过程，这是一个自下而上的历程。然而，自然世界的物理过程应该也必须从第四到第一的过程，因此，我们采用的思路是从公理到现象，即自上而下的方法。
在基督教的宇宙观中，上帝用了七天创造出宇宙万物。先有公理（words）,然后有光，有天地万物，最后造人。中国的道教思想是：太初有道，道生一，一生二，二生三，三生万物。这个道也是一个公理。然而，真实的自然世界并没有设计委员会和指导委员会，自然世界创造出这个宇宙只用三个步骤（准备，准备好，走起），即从一个公理系统出发和没有预设或任何试错的初始条件，开始其历史演化。
因此，一个公理系统可以有演化、发展、进化过程，从上到下，从粗到细的动态发展历程。公理系统先有一个总体格局，预先选择的一些条件和模式（如PI，0，3，8,48,64），获得相关的参数（如，卡比博/温伯格角，alpha），然后给出时间结构，时空间方程，产生空间和物质（48个G弦），然后演化成可以检验的宇宙世界(Planck CMB data1, data2)。以及后续所有的物理事实，都是这个公理系统的必然后果。
这个公理系统将成为创新物理学的新模式。然后，在这个基础上，它必须得到所有已知的物理检验验证，最终成为物理学的终极理论。
因此，今天，我们有了一个新的模式，我们站在物理科学的转折点。这个创新模式将取代牛顿范式，将取代爱因斯坦模式，将取代霍金时间模式。
在这个公理化物理范式新范式中，除了模型之外，必要的参数匹配，还有严格的事实检验，构成一套严谨的学术体系。
这个公理化物理范式采用非常严格自律的认识论（理论和实践的关系）和方法论（自上而下的推演和后验检测）。从顶层公理出发推导出已知的物理学现象，而且，这些现象已经通过实验事实检验。即，如果我们不能测试它，那么我们就有没有办法知道它的完美妙用。
物理学创新将迎来一个很好的发展机会，大型强子对撞机的未来结果，可以帮助完成“最后的物理证据”的搜索。然后，物理学界终将走出迷雾和泥潭。因此，我们即将到来的新时代，需要一个新的认识论，新的方法论，创新物理学之终极理论P-TOE。
事实上，P-TOE将包含三个部分，P-TOE={NS，DP，AP}。
NS是物理世界的真实自然系统—其物理性质，在人类存在之前就存在，或者说，无论人类存在与否，NS必然存在。
DP人类已经发现和创立的经验物理学—人类试图理解自然的物理学知识系统。
事实上，DP有五部分：
1定律（LawS）—在它们的定义域中，它们总是正确的。
2原理（PrincipleS）—它们应该是正确的，在其所有领域。
3自然常数（Constants）—它们必须是普遍存在的客观不变要素，因为它们是衡量宇宙构建的规则的衡量尺度。
4理论(Theory)—人类尝试性总结、设计和构想的模型。
5测试数据（DATA）—人类尝试来验证理论所收集的证据。
前面三个部分（定律、原理和自然常数），自然常数是最为重要的客观事实，自然常数是构建宇宙的测量标尺。也就是说，他们应该是普遍的，客观的，自然的。所以，当人类发现它们后，应该将它们放置到NS。
AP是公理化物理学，可以将NS中的任何要素，以及DP中1至4部分的内容，均可以作为AP的基础，但AP更为自由。AP还可以选择假想的、任意的前提条件建立公理系统。如果期望它是正确的，根据公理规则，它必须有自己内在的真相验证机制。因此，即使没有进一步的测试数据，AP仍然可以作为一个公理系统的一部分。请注意，这个AP是物理终极理论的一部分，这是公理系统与DP的一大区别。
那么，构建这AP需要什么样的知识？首先要有信念、理念，然后开始是自然常数。在许多自然常数之中，选择什么样的自然常数作为基础？引力常数似乎不是一个真正的常数，但在时间上的发展它可能不是本质的常数。由于自然界的常数是这个宇宙的测量尺，只有一个或几个真正的自然常数。现在确认的有普朗克常数H和C。除此之外，还有电子e，及alpha。
1。C（光速）产生一个事件视界，即保证一个因果宇宙。
2。H（普朗克常数）是一种先天的角动量，产生的物质和能量。
3。电子（电荷e）是由C、H构成的第一层保险锁，产生最大的观景窗，我们的宇宙观。
我们将选择的α（电子的精细结构常数），因为这是NS最重要的自然常数，它决定这自然世界的结构：
α= e^ 2 / CH
事实上，这是由三个自然常数，电子（电荷）、C（光速）和H（普朗克常数）构成的。也就是说，这三个自然常数构成自然世界的第二道保险锁。如果一个改变，那么，另一个（至少）或两者都必须改变。这种锁定机制决定有一个内部层次结构。
因此，选择alpha（精细结构常数）作为种子公理。宇宙结构被锁定了，自然物理也被锁定了，这是一个双保险锁。
1， 时间被定义和被C（光速）锁定；
2， 空间被定义和被C（光速）和H（普朗克常数）锁定。
3， 电荷被自然常数C（光速）和H（普朗克常数）锁定。
4， 质量也已定义被C（光速）和H（普朗克常数）锁定。
5， 自然物理系统结构确定地被alpha中的三个自然常数（e，C和H）锁定。
自然世界的基本维度（空间、时间和质量）被以上交叉检查与锁定之后的推论—它可以递归定义所有参数。
也就是说，当我们知道了时间和空间的公理化定义，质量也被公理化定义。从而，我们可以定义宇宙所有的参数。
而alpha本身必须来自于NS自然物理的本质核心。也就是说，必须从公理物理学中推导出来，必须能够用于其它物理参数计算。
有人评论说在这个“公理系统”中，对空间和时间的公理化定义以及质量的公理化定义没有其它物理事实支持。但我们知道，我们所有的后续推论及后果，都被自然世界客观事实所证实。只有当建立的公理系统与已知的自然物理不匹配时，我们就应该修改我们的公理化定义。
六、终极理论、万有理论
物理世界的终极理论P-TOE，是从虚空中产生：
这个虚空世界的定义是永恒和不变。从永恒不变中产生时间的定义是一个4-维时间锥面（+T,-T,+i T，-iT）。这个时间定义是将时间的永恒性得以保持的唯一方法。即在每一个T（时间箭头）是正时间和负时间抵消，正虚时间被负虚时间抵消；然后，定义出了一个时空N方程：
N= (i ^n1, i ^n2,i^n3) ,
该时空的内积： N^2={+3,-3，+1,-1}有4个实数值。
而方程0 即给出了时间、空间、物质粒子的关系：
Delta S (空间) = (i ^n1, i^n2, i^n3) C delta T= N C delta T
{n1, n2, n3}的取值（1，2，3，4）或（0，1，2，3），C是光速，T是实时间（不是虚时间）。公式1产生64个维度。
然而，N的内积N^2有四个值{+ /- 3，+/-1}，这将这64个维度分为2组。
第一组,48个维度作为物质（24物质和24反物质）。
第二组，16个维度作为能量（暗能量，时空）。
所以，宇宙永恒的本质机理是通过产生4-维度时间保持永恒而存在。
然后，这个永恒的本质的表现形式通过产生48个标准模型的基本粒子表现。
并且，对虚空中创造物理世界的另一种表达形式是时间的不变性。这也是自然规律的根本表达。事实上，通过淘气精灵游戏，我们再次看到，虚空能够以随机的方式在无时间尺度的虚空产生48个标准模型类似的基本粒子。
然而，公式0定义了{delta S}与{delta T}的关系，这不仅是空间距离，而且是对空间和时间的量子化。
注：在当前主流物理中，量子定律是在连续时空中观测理论，空间和时间都没有被量子化。
然后，在这永恒的宇宙中的另外16个维度的暗能量在起什么作用呢？
就是它驱动放在你桌上的百事可乐在时间维度的（加速）运动：你桌上看似静止不动的百事可乐和地球在时间维度相互作用，从{在这里，现在}到{在这里，未来}。这种移动万物从过去到现在，从现在到明天的宇宙驱动力，我们称之为（量子引力）表示为：
F (统一力) = K ħ/ (deltaS x delta T)
K是耦合常数。
公式1产生SM基本粒子。公式2是关于暗能量产生的驱动力或统一力。他们两一起合作产生量子引力。
方程0中的48 SM费米子表示为G弦理论。在这个G弦理论语言表达中，必须有两个类型的G弦粒子（正G弦粒子和反G弦粒子）。也就是，在基本粒子层表达了物质和反物质，它们是相互纠缠的，不能完全表达为镜像对称关系，而是相互依存、相互合作关系。因此，重子产生问题解决了。
我们计算暗物质和暗能量时看到，反物质不但没有消失，而且仍然在这个宇宙结构中起作用，反物质连同第二代物质和第三代物质，必须显现为暗物质D，D=25.9%。同时，暗能量就是时间、空间和部分暗物质转化而来的暗能量总和，DE=69.2%。我们的计算结果已经被普朗克CMB数据1观测证实了的结果。显然，这一创新物理学AP与当前主流物理学DP是完全不同的。
DP不能解决{宇宙为什么是这样，而不是虚无？}。
AP定义的时间之箭是4-维时间结构（包括虚时间）的表达，确保每一个T其实是永恒的。
DP的时空是连续性的一个几何点。AP时间和空间是量子化的（ΔT和ΔS）。
DP中夸克和轻子是DP的底层结构。在AP中，夸克和轻子与G弦语言都是宇宙永恒和永恒性的描述。
然而，这一创新物理学有效性，可以通过解决目前所有主流物理学无法回答的问题能力加以验证。下面是一个详尽的列表。
1，产生自然常数{ 卡毕博角，温伯格角，ALPHA，等}
2，产生标准模型的粒子族
3，统一力方程（包括引力、电荷力）
F（统一力）= Kħ/（ΔP XΔT）
4，导出量子原理，ΔP XΔT>=ħ
5, 给出重子产生，
6, 解决层次问题，
7,计算了暗物质和暗能量及可见物质，普朗克数据1，数据2
8，产生生命种子，无论是质子和中子的G弦描述表明它们可以构成图灵计算机，它们是生命的种子。
9，给出算术与数学世界。
10，量子自旋看到宇宙的正反两面。
这些差异更详细的说明参见博文{大鸿沟}：http://prebabel.blogspot.com/2013/12/the-great-divide_1900.html
以及参见博文{大辨论}：
https://tienzengong.wordpress.com/
七、结束语
我们已经基本描述了创新物理学的基本内容。可以将这九篇文章集结为一册《创新物理学》底稿。我们下一步阐述这个公理物理学和其它学科交叉发展的内容，包括和古代中国哲学和方法论：太极和易经的关系，语言学，经济学，数学和生命科学等方面的工作，我们称之为《跨界物理学》。在具体技术层面，我们有时间机器，智能机器，人工生命，万能语言机器人，信息物理系统（Cyber Physical Systems）技术与实现，权且称之为《万能物理学》。
我们的真诚工作和无私贡献，希望这将是对所有物理科学工作者的鞭策和激励。
参考文献：
1 Super Unified Theory (Library of Congress Catalog Cardnumber 84-90325)
2 Truth, Faith, and Life (Library of Congress CatalogCard number 90-092907)
3 TheDivine Constitution(Library of Congress Catalog Card number91-90780)
4．http://prebabel.blogspot.com/2012/04/lhc-end-of-old-physics-epistemology.html）
5．http://prebabel.blogspot.com/2013/12/the-great-divide_1900.html
6.https://tienzengong.wordpress.com/THE GREAT VINDICATIONS
7.https://tienzengong.wordpress.com/2016/01/18/the-final-toe-theory-of-everything/