杨振宁:盛宴已过

杨振宁:盛宴已过

肖洁 科学网 5-1

作者 | 肖洁

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“我的看法完全没有改变。”

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

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

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

国科大最大的礼堂座无虚席

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

在那篇文章里,杨振宁细数了反对中国马上开始建造大对撞机的七大理由:

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

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

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

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

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

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

杨振宁回忆在美科研生涯

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

“而现在,是大对撞机‘没落’的时候了。”

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

“可是多半人还不知道。”

杨振宁早在上世纪八十年代就表述了这样的观点。

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

“The party is over.”

“什么意思?盛宴已过。”坐在沙发里的杨先生挥挥手,补充翻译道。

The party is over.

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

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

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

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

这一成果也很快获得了诺贝尔物理学奖。

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

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

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

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

“我没办法能够接受这个事情”

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

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

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

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

交流中开怀大笑

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

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

他相信这方面的科技还会继续发展,也是一个很有前途的研究方向。

杨振宁最后直截了当地说:“我懂高能物理,我认为你不要走这个方向。”

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

李树深校长(左)担任讲座主持人

(文中图片均为杨天鹏摄)

附:国内不同意见

回应杨振宁!高能物理学者:盛宴正酣!|高能物理|对撞机|杨振宁_

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

文章来源:科学网

  作者 | 倪思洁

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

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

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

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

讲堂上,杨振宁告诉曾浩,大型对撞机“盛宴已过”,“你不要走这个方向”。

相关阅读:杨振宁:大型对撞机盛宴已过 200亿美元预算无法接受

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

但这次杨振宁的观点还是让他感到惊讶。

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

然而,一场大型对撞机建造之争已被再度点燃。

朋友圈里,有人做了个“对联”:

上联:The party is over。(盛宴已过)

下联:The game just begins。(大戏方始)

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

针对杨振宁的观点,一些高能物理学者表达了他们的意见。

 观点一:盛宴已过?盛宴正酣!

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

方亚泉(中科院高能物理所研究员)方亚泉(中科院高能物理所研究员)

我敬佩杨先生在粒子物理领域做出的突出贡献,但这个观点我没有办法赞同。

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

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

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

 

阮曼奇(中科院高能物理所研究员)阮曼奇(中科院高能物理所研究员)

我很尊重杨先生,但是对这一看法并不能认同。

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

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

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

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

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

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

  观点二 :200亿美元?没那么多!

杨振宁:“这个对撞机要花中国200亿美元,我没办法能够接受这个事情。”

即使欧洲的FCC也用不了200亿美元,更何况作为基建大国的中国?

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

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

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

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

  观点三:人傻钱多?我们走在前面!

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

 

金山(南京大学物理学院教授)金山(南京大学物理学院教授)

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

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

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

在会上,我们提出了这个设想,得到的反响很好,学会马上成立了研究小组。

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

 观点四:追热点?不值得推崇!

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

徐庆金(中科院高能所研究员)徐庆金(中科院高能所研究员)

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

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

方亚泉方亚泉

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

沅曼奇

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

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

中国应不应该修建大型强子对撞机?

万能物理学

李小坚

一、龚学创新物理学

本网站的博客文章,已经将龚学创新物理学的基本内容展现出来了。

龚学表明宇宙万物都遵循基本的物理学规律。

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

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

二、跨界物理学

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

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

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

三、万能物理学

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

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

这是我们的最终努力的方向。展示这些工作,也是本博客网站的基本任务。

值得期待!

 

万物创生有机缘,虚实相随总转圈。

圈圈环环皆一体,创新创业闯难关。

 

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

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

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

梅晓春(1) 黄志洵(2)

(1)福州原创物理研究所

(2)中国传媒大学信息工程学院

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

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

一.照片中的黑洞是真黑的吗?

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

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

图1. 第一张黑洞照片(中间黑暗区是M87星系的中心)

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

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

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

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

图2. M87星系的光学照片

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

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

二.黑洞照片中为什么没有喷流的射电辐射?

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

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

图3. 哈勃望远镜拍摄的M87星系喷流照片

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

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

图4. 射电天体发射无线电波的物理机制示意图

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

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

图5. 天鹅座A的射电辐射。红色为无线电波辐射,蓝色为X射线辐射。

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

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

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

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

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

二.黑洞照片证实爱因斯坦广义相对论了吗?

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

第一张黑洞照片是否隐瞒了什么?

图6. 牛顿经典黑洞和爱因斯坦奇异性黑洞

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. 照片中原来应当存在的那条无线电波射线哪里去了?

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

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

关于 EHT 黑洞照片答黄志洵教授

王令隽 2019年4月13日

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

黄老先生,您好!

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

愿您老好好保重身体,以期负重致远。

令隽 叩 2019年4月13日

真的黑洞–黑洞的结构

来了,人类首次,一起看其真面目!—-黑洞的照片

李小坚

2019-4-10发布了由事件视界望远镜(EHT)捕获的人类首张黑洞照片:

blackhole-11

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

看到了吗?人类期待已久的黑洞的真容–黑洞照片已经冲洗出来了。

是不是很像一个甜甜圈?对,这就是黑洞的真面目。

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

一、黑洞的结构

龚学理论的方程0描述了一个底层量子族的结构就是一个面包圈。

龚学理论用一个方程表示空间、物质、时间的关系:

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

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

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

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

二、黑洞有多少

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

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

黑洞:有两种方式产生黑洞。

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

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

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

三、宇宙整体的定量描述模型

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

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龚学理论已经精确地描述了这个宇宙的各个组成成分。

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四、黑洞周围的定量描述模型

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

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

定量计算模型:

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

X+Y+Z=1

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

根据方程0所表达的物质、时空结构,W=1—30%时可计算:

当W=1时

D/V= [(48 –7) (100 – 1)  %/ 7]=5.8,

V= [(Z –V) x (100 –1) %]/5.8=4.48%

D=[(Z –V) x (100 –1) %]=28.56 %

DE=X+Y+[(Z –4.48) x 1%)] =66.9 %

当W=30时

D/V= [(48 –7) (100 – 30)  %/ 7]=4.1,

V= [(Z –V) x (100 – 30) %]/4.1=4.86%

D=[(Z –V) x (100 –30) %]=19.93 %

DE=X+Y+[(Z –4.86) x 3 0%)] =75.21 %

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

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

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

五、结束语

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

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

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

正是:

黑洞白洞紧相连,阴阳各半两重天,

老死重生寻常事,虚实相伴圈圈甜。

西方主流基础物理学正在快速回归龚学理论

李小坚

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

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

2015年Paul J. Steinhardt等人接受了循环宇宙。

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

2017年温伯格揭示了M弦理论的老将威腾和将军们,现在放弃了该理论。

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

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

终于,有人明白了许多早由龚学理论提供的新道理。可喜可贺!

正是:

夸克轻子费米连,强子对撞撞破天,

三代相传四十八,六十四象园圈牵。

生生不息循环事,纠缠相关不等闲,

遥感信息非常道,量子魔力法无边。

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

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

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

转发:量子力学的困境与出路

量子力学的困境与出路

——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

司 今(jiewaimuyu@126.com)

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感 https://www.toutiao.com/i6432261576203436545/?tt_from=weixin&utm_campaign=client_share&wxshare_count=1&timestamp=1537855732&app=news_article&utm_source=weixin&iid=32548838421&utm_medium=toutiao_android&group_id=6432445965295616257

弱电统一理论提出者,诺贝尔物理学奖获得者—Steven.Weiberg

最近,在网上有幸拜读了温伯格的《量子力学的困境》一文,感触良多,现记录下来,与大家分享,但愿喜欢拍砖的“官科”学者和“高等学府”的学子们在此给予“尝试”机会和宽容!

温伯格作为一位诺贝尔物理学奖获得者,他有资格谈“量子力学的困惑”,这么多年来,他一致活跃、挣扎在对当前物理学的反思之路上,为热爱物理学的“科学爱好者”提供了一片新的思考天地和动力,我由衷佩服他为真理孜孜不倦,不愿躺在功劳簿上享受的精神。

概观温伯格的文章,可以看出他是一位量子力学“还原论”的积极倡导者和思考者,他对量子力学的困惑思路和心境与爱因斯坦相仿——生命与一切宇宙奇迹都是遵循物理学规律而动的基本粒子的舞步,即这个世界都可以还原为粒子的物质(或场)及其相互作用。

在国外,有不少大有建树的物理学者走在物理学反思的路上,但反观我们国家,在这条路上走的人却寥寥无几,在当下中国积极倡导“科学创新”的氛围下,这种沉默氛围不得不令人深思。

创新就是要与原来“不同”,但我国的“物理学家”们为什么这么“沉静”呢?——这是一个沉重的话题,其中有国内学术环境因素的影响和压抑,更有懒惰、享受的物质因素束缚和诱惑……

我在转载此文时,觉得「知社学术圈」编辑题的「按」很好:

“20世纪头十年间量子力学的发展给许多物理学家带来冲击。时至今日,尽管量子力学已经取得巨大成功,关于它的意义与未来的争论却仍在继续。

温伯格因统一弱相互作用与电磁作用而荣获诺贝尔物理学奖,其对量子力学本质的思考和挣扎,尤其发人深省”。

——随着新实验与新科技的快速发展,对量子力学理论,我们确实需要“继续讨论”和深刻反思了!

物理学本是探索物质运动规律的科学,但量子力学“几率波”、“测不准原理”等却抹杀了物理学探索中所应秉持的这一基本初衷,至于“真空不真”、“无中生有”等更显得荒诞不经——纵观《量子力学的困境》一文,温大师深深感到现代物理学的危机与迷茫,这正是我与此文产生共鸣的根本所在,现择录该文的几段内容供大家分享和思考:

1、电子波并非是电子物质的波,这和海浪是水波完全不同。电子波是概率波……概率通常被看作是那些还在研究中的不完美知识的反映,而不是反映了潜在物理学定律中的非决定性。

2、我也不像以前那样确信量子力学的未来。一个不好的信号是即使那些最适应量子力学的物理学家们也无法就它的意义达成共识。这种分歧主要产生于量子力学中测量的本质……如果我们忽略其他关于电子的一切而只考虑自旋,那它的波函数跟波动性其实没什么关系。

3、把概率引入物理学原理曾困扰物理学家,但是量子力学的真正困难不在于概率。困难在于量子力学波函数随时演化的方程,薛定谔方程,本身并不涉及概率……如果我们认定整个测量过程都是由量子力学方程来确定,而这些方程又是确定性的,那量子力学中的概率究竟是怎么来的呢?

4、对我来说似乎它的问题不仅仅在于放弃了自古以来科学的目标:寻求世界的终极奥义。它更是以一种令人遗憾的方式投降……有些物理学家采用工具主义的方法,他们声称我们从波函数中得到的概率是客观存在的概率,不依赖于人们究竟有没有做测量。我则不认为这观点是站得住脚的。

5、在现实主义者的观点中,这个世界的历史时时都在进行无穷无尽的分裂; 每当有宏观物体伴随量子状态的选择时历史就会分裂。这种不可思议的历史分裂为科幻小说提供了素材[12],而且为多重宇宙提供了依据,众多宇宙之中某个特定宇宙历史中的我们发现自己被限定在条件优渥从而允许有意识生命存在的历史中的一个。但是展望这些平行历史令人深深不安,同其他很多物理学家一样,我倾向于单一存在的历史。

尽管一些现实主义的尝试已经得到类似于波恩定则这样和实验配合很好的推论,但我觉得他们都不会取得最终的成功。

6、纠缠带给爱因斯坦对量子力学的不信任感甚至超过概率的出现。针对量子力学的缺点又应该做些什么呢? 其实如何去用量子力学并无争议,有争议的是如何阐述它的意义。

如何在当前量子力学框架下理解测量的问题或许是在警告我们理论仍需要修正。量子力学对原子解释的如此完美,以至于任何应用到如此小的对象上的新理论都和量子力学近乎不可分辨。但是或许新理论可以仔细设计,使得大物体比如物理学家和他们的仪器即使在孤立的情况下也可以发生快速的自发式坍缩,从而由概率演化能给出量子力学的期待值。发明新理论的目标即是如此,但不是通过给测量在物理学规律中一个特殊地位而达成,而是使之作为那些成为正常物理进程的后量子力学理论的一部分。

发展这样新理论有一个困难是实验没能给我们指明方向—目前所有的实验数据都符合通常的量子力学。我们倒是从一些普适原理中得到些许帮助,但是这些都最终令人惊讶的演变为对新理论的严苛限制。

7、可惜的是,这些对量子力学修正的想法不仅带有推测性质而且还很模糊,我们也不知道应该期待量子力学的修正究竟有多大。想到此处更是思及量子力学的未来,我唯有引用维奥拉在《第十二夜》中的话:

“O time, thou must untangle this, not I”[1]

……,……,……

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

思考着的温伯格

读着这些内容,我仿佛感受到温伯格大师对量子力学现实的困惑与发展前景的忧虑;他是一位有责任、敢担当和好进取的、真正融入理论物理学探索天堂的高傲灵魂!

我仿佛又觉得,温伯格思绪里充满了对量子力学清晰“图景”的渴望与“给量子力学找到回家的路”的畅想与憧憬……

在哲学意义上讲,温伯格是“还原论”支持者,他曾主张:还原论的世界是冷漠的,没有一点人情味的。但我们必须忠实地接受他,不是我们喜欢,而是因为世界本来就是这样运行的。

下面就量子力学让人“困惑”的几个问题作以简介并给出我的一点不成熟看法,以期抛砖引玉、深入交流:

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

1、光与电磁波问题

1.1、光是电磁波的确立基础问题

麦克斯韦将光归咎为电磁波的唯一基础是√ke/km=3×10^8m/s,这种推理是以F=qvB=qmH为假设条件的,但这个等式的物理本质是隐藏了“惯性质量为什么与引力质量相等”的问题,这个问题本质上是“地地道道”的粒子问题,与波没有半点关系……

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

麦克斯韦与电磁波

我们知道,麦克斯韦在确定km时存在二个隐形假设,即:

(1)、Fe=Fm,这说明他对“光也是一种电磁波”的推断是建立在库伦电荷力与磁荷力是同一种力基础之上的,即他首先将电、磁力作了“统一”假定。

(2)、H=B,由此得出qm=qv,这说明磁极是电荷运动产生的,即静止电荷并不产生磁极;静态电荷之间的力来自于电场,运动电荷之间的力来自于磁场。

不过,依据这二种假设,我们也可以给出另一种推断:

假如F= keqQ/r2= kmqm1qm2/r2成立,则可以得出:ke/km=qm1qm2/qQ;

假如qm=qv成立,代入ke/km= qm1qm2/q Q中,则可得出: ke/km= v1•v2;

这说明,对于导线中运动的电荷而言,二根导线产生力作用是由于运动电荷通过导线时转化成了磁极,但电荷电场并不参与二根导线间力的形成;可见,二根导线之间之所以产生力是由于电荷有运动速度v1、v2的存在,这是二根通电导线力产生的要素,这可没有反映力传递速度问题,更没有说力传递需要光参与,而且力传递与光速也不存在必然联系。

由此可见,麦克斯韦所推出的c值,并不是真正物理意义上的光速,它只不过与光速数值有巧合罢了;如果以此认为麦克斯韦证明了“光也是一种电磁波”,那也只能算是他对光认识的一种“曲解”之举;光与麦克斯韦电磁波概念应存在本质区别!

具有论述请参阅《麦克斯韦得出“光是电磁波”的结论合理吗?》、《关于光与麦克斯韦电磁波本质区别问题的探讨》二文。

1.2、赫兹实验问题

在电磁学发展史中,关于赫兹实验是否能够证明麦克斯韦的电磁波理论是有争议的,比如,时任英国皇家协会会长G.斯托克斯就认为“赫兹实验”只是一种普通的电磁感应现象,并不能证明麦克斯韦电磁波理论;即使我们现在“承认”赫兹实验证明了麦克斯韦电磁波的存在,但它也不可能证明光也是电磁波。

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赫兹实验

如果光真的是电磁波,那么,光可以被物体遮拦,电磁波却可以穿过;光被物体接收时会产生热效应,电磁波就没有;光可以成像,电磁波就没有;一束光可以被“提出”单光子,一列电磁波就不可能……

既然光和无线电波是同类东西,为什么还会有如此大的差异产生呢?

LC 振荡能够产生二种效应:(1)、电磁感应效应,这就是麦克斯韦所说的电磁波,(2)、激发辐射光子效应,它就不再是电磁感应现象,而是一种热效应现象。

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因此说,赫兹实验只能证明LC振荡会发出一种可以被另一个金属体接收的能量,这种能量是粒子、是感应磁场、还是电磁波?他并不能给出本质上的确定和证明。

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2、黑体辐射问题

黑体辐射是指由理想放射物放射出来的辐射,在特定温度及特定波长下会放射最大量的辐射,而黑体是可以吸收所有入射辐射的物体,不会反射任何辐射。

理想黑体可以吸收所有照射到它表面的电磁辐射,并将这些辐射转化为热辐射,其光谱特征仅与该黑体温度有关,与黑体的材质无关;从经典物理学出发推导出的维恩定律在低频区域与实验数据不相符,而在高频区域,从经典物理学的能量均分定理推导出的瑞利-金斯定律又与实验数据不相符,在辐射频率趋向无穷大时,能量也会变得无穷大,这一结果就被称为“紫外灾变”。

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黑体模型

1900年,马克斯·普朗克将维恩定律加以改良,又将玻尔兹曼熵公式重新诠释,得出了一个与实验数据完全吻合普朗克公式来描述黑体辐射;但他在诠释这个公式时,通过将物体中原子看作是微小量子谐振子,为此他不得不假设这些量子谐振子的总能量不是连续的,即总能量只能是离散的数值(这与经典物理学观点相悖),即单个量子谐振子吸收和放射的辐射能是量子化的,即ε=hγ.

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偶极子振荡模型

物理学对黑体辐射现象解释的物理模型是谐振动模型,而谐振子模型是洛伦兹为了解释LC振荡会产生电磁波辐射而建立起的偶极振子模型,这是一个唯像模型,它是由简谐振动模型抽象而来的;因此,普朗克黑体辐射公式“假设”出的能量子ε=hγ“天生”就带有波性(频率姓)就不足为怪了,这种假设也为今后研究粒子运动埋下了“波粒二象性”的种子;但这里值得我们反思的是,一个物体辐射能量真的就是像谐振子模型所描述的那样吗?黑体长时间辐射有没有质量损失?如果有,那么黑体辐射是一种“跃迁”或“裂变”,还是一种“偶极子”振荡?

追问这些问题,让我们看到了黑体辐射解释的多样性,偶极振子模型仅是其中一种,且是唯像的,除将辐射能量定义为与频率有关的能量子之外,还应存在其他描述方式。

3、波粒二象性问题

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波动论下的棱角散射

托马斯▪扬用波动论解释了光“衍射”现象,但仔细分析这种研究观点和方法,似乎存在“偏颇”,据现代实验证明,光的窄缝衍射现象不仅与窄缝宽度有关(要求λ≈a),而且还与窄缝组成材料、窄缝厚度等都有关联,这是波动论无法解释的;而当我们站在粒子有自旋磁矩、窄缝空间有磁场性的观点上看,粒子衍射的本质就是带有自旋磁矩的粒子通过磁场空间时会产生像自旋磁陀螺那样的曲线运动的结果,这种结果不但与自旋粒子磁性大小有关,还与窄缝间距、组成材料、厚度等有关。

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粒子论下的棱角散射

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牛顿色散实验与电子衍射

如图-1所示,任何粒子自旋都自旋磁矩存在,当它们通过物质磁场空间时,就会产生切割磁力线运动和磁场梯度力运动,这二种运动的合运动就会使光通过磁场空间后产生“转弯”,即所谓的衍射现象;这一现象之所以能够迷惑物理数百年,其主要原因就在于我们考虑光运动时,并没有将光子看作是具有自旋与自旋磁矩存在的粒子、以及物质组成空间在纳米尺度下会呈现明显磁场效应的结果。

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图-1 电子自旋磁矩及量子空间与经典空间差异

如果我们仍不将粒子自旋磁场性与物质组成空间内的磁场性相结合,想找出粒子运动产生波粒二象性的根本物理机制,那将是一件不可能的事;光的理论也将永远只能停留在波粒二象性的认知上裹足不前!

4、薛定谔方程物理意义问题

在物理学发展史中,没有哪一个公式会像薛定谔方程那样,给人带来的困惑和争论旷世不衰,人们争论的焦点就在于:薛定谔方程本是描述粒子运动有确定轨迹的经典波动方程,为什么它会“符合”几率波分布呢?

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薛定谔与他的波动方程

在这场争论中,前有薛定谔本人、爱因斯坦、普朗克、洛伦兹等,后有费曼、温伯格等;但迄今为止,仍然没有任何一位理论物理学家敢于声称自己读懂了薛定谔方程,因为这套方程纯粹是根据实验数据而总结出来的“经验性公式”,它的“提出”即没有任何物理原理作支撑,也没有描述任何“确定”的物理几何图景,其正确性只能靠“测量”来检验;因此,就连喜欢用数学思维解决物理问题的海森堡都对薛定谔方程感到不满意;他在写给泡利的信中谈道:我越是思考薛定谔理论的物理意义,就越是感到恶心。薛定谔对他那套理论的形象化描述简直毫无意义。换一种说法,纯粹就是些扯淡的东西!但我们今天学习和运用的还是这个几率波方程,为什么呢?因为直到现在人们还没有参悟到薛定谔方程所描述的粒子运动的真正物理机制,也没有出现更好的诠解理论。

从目前物理学给出的薛定谔方程的推导过程中可以看出,这个方程之所以能够“化腐朽为神奇”,关键在于他引入了普朗克能量子E=hγ和德布罗意物质波方程P=mv=h/λ,将机械波方程中的T、λ转换成用动能E和动量P来描述,即

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原来量子力学将薛定谔方程改造成波函数后,它描述的本质不再是一个粒子连续时间段的运动方程,而是一个粒子不同时刻或一群粒子在同一时刻运动所应遵循的函数,对其运动结果测量做统计,就会得出它们具有“几率性”;由此可见,几率性不再是对一个粒子连续运动的求解,也就无法得知粒子运动为什么要遵循薛定谔方程了。

薛定谔方程描述一般采用球或柱坐标,在这种坐标系中,一个立体螺旋的投影是正弦或余弦波,那么一个质点在柱坐标或球坐标系中作螺旋运动时,其运动轨迹方程中的x或y值的描述形式就与机械波方程相同。

我们以柱螺旋运动为例:如图-2-1所示,一个作柱螺旋运动的质点,其运动轨迹是一个柱螺旋,它的侧投影就是如图-2-2所示的质点正弦或余弦波曲线,质点在柱坐标系下的运动方程可以描述为

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.这与质点柱螺旋方程组中的y值描述形式是一致的,这不得不说,从立体空间上看机械波方程应可以视为柱螺旋方程的一个侧投影形式。

我们从电磁学教程中知道,带电粒子在均匀磁场中可以产生柱螺旋运动,如图-3所示,当电子被射入的速度v与均匀磁场B不垂直时,则电子就会在该磁场中作这种柱螺旋运动。

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图-3 电子在均匀磁场中的柱螺旋运动

这说明一个带电粒子要做稳定柱螺旋运动,其运动空间就必须有均匀磁场存在;而薛定谔方程描述的自由粒子运动(即不受任何场影响的粒子运动)如果有波动性,那么让粒子产生y方向运动的物理因素是什么?粒子的波动性应该来自于自身场与空间场的相互影响,而它不可能会无缘无故的“上蹿下跳”地往前跑。

同时,薛定谔方程本身并没有包含粒子自旋与自旋磁矩要素,这说明他还是将粒子看做是经典粒子;狄拉克虽然点出了自旋问题,但却没有做更深入论述。

可见,要想破解薛定谔方程的真正物理意义,就必须将能量守恒、粒子自旋及自旋磁矩性、物质空间的场属性等完全结合起来才行,具体论述请参阅司今《重新解读薛定谔方程——对薛定谔方程物理意义及其所描述的粒子运动物理机制的探讨》一文。

5、几率波问题

量子力学所说的“几率波”不同于水波或电磁波,而是一个统计学概念,故它不是真正意义上的波形式。

“几率”通常被看作是那些还在研究中的不完美知识的反映,而不是反映了潜在物理学定律中的非决定性,是一个宏观次(个)的统计概念,这对于单个事件则是不适用的,如温度就是一个统计意义上的概念,只有几个分子的系统,定义温度概念是没有太大意义的,只有当我们需要在统计意义上研究系统时,温度概念才有必要性。

对一个硬币,当我们将它抛向空中时,它落地后是处于“正面”还是“反面”向上呢?我们不得而知,但我们抛投很多次后发现,它“正面”向上的次数与“反面”向上的次数几乎相等,这就是对宏观(次)统计的结果,这个结果对研究单次抛硬币确定其是“正面”向上还是“反面”向上没有任何帮助。

要想值得每次抛投的确定结果就必须从抛硬币的力学角度进行分析,如,硬币的半径、厚度、质心、被抛时受力点、倾斜面角度、转动摆动情况、受空气阻力情况等诸多力学要素进行综合分析,这样就完全可以确定所抛硬币下落后的正反面确定状态了。

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抛硬币与正反面几率

可见,量子力学在描述粒子衍射或绕有心力场运动时,并没有从粒子所受的力因素方面进行考虑,而是采用了宏观统计方法进行描述,这种描述对确定单个粒子运动行为没有任何帮助。

其实,几率波的出现是我们对粒子束认识不足造成的;粒子束中粒子运动是有序的还是杂乱无章的?我们选择了杂乱无章,这就为结果的“几率性”认识埋下了“伏笔”。

张天蓉老师在《拿什么拯救你量子力学》一文中说:“温伯格的疑问表面看起来是从数学角度发出的问题:方程不涉及概率,为何最后的结果中就解释成了概率?事实上,从物理的角度看也是如此,概率的入侵搅浑了量子力学,搅浑了物理学家们的科学思维方式”[2];

我赞同张天蓉老师的看法,几率波的引入无疑是对微观物理学的嘲弄与讽刺!

6、测量与波函数崩塌问题

波函数坍缩是用波函数去描述微观领域粒子运动现象下而“制造”出来的物理“怪现象”;我们知道微观领域的物质具有波粒二象性,表现在空间分布和动量都是以一定概率存在的,比如“电子云”,将之称为波函数。当我们用物理方式对其进行测量时(同时必然对其干扰),物质随机选择一个单一结果表现出来。如果我们把波函数比作是骰子的话(比如电子云),那么“波函数坍缩”就是骰子落地(比如打在屏幕上显示为一个点的电子)。

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显像管原理图

物理学家李淼曾这样解释波函数崩塌问题:

“上个世纪二十年代,海森堡发现,所有客体,主要是微观粒子如电子,如果你不去观测它,它的状态是不确定的。比如,当我们用确定电子位置的仪器去看电子之前,电子的位置是不确定的,根本不知道它在哪里。一旦我们去看它,它瞬间就出现在某个位置,海森堡说,这是因为电子本来不确定位置的“波函数”因为人的观测瞬间塌缩成某个确定位置的“波函数”了。

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电子波函数“崩塌”与显像

后来,进过很长时间的发展,物理学家找到波函数塌缩真正的原因:电子和仪器,即一个宏观体系相互作用时,和这个体系发生了纠缠。比如,如果我拿一个荧光屏去拦截这个电子,这个电子必然和荧光屏里的大量感光分子中的一个发生了反应,让这个分子发光,它的位置也同时确定了”[3]。

我赞同他的解释观点,因为任何测量仪器都是由带有自旋磁矩的分子、原子、电子等组成,在这个组成体“近距离”空间(如纳米空间)下就必然会表现出较强的磁场性;当我们拿这个仪器在一定“近距离”空间去测定一个带有自旋磁矩的粒子运动动能时,这个粒子的运动速度就会受仪器“近距离”磁场影响而产生变化;如果我们没有看到测量仪器磁场影响因素的存在,就必然会得出“测不准”结论。

更形象地说,如图-4所示,我们在测量仪上放一块磁铁,用它去测量一个运动铁球的动量与空间位置的关系,这必然会与没有放磁铁的测量结果产生差异;如果我们不考虑磁铁影响因素,就会说这个铁球运动符合“测不准原理”,那么,我们将永远不可能明白铁球运动产生“测不准”的根原,也更不可能发现铁球在仪器磁场中运动变化的物理规律。

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图-4 磁体与无磁体空间的铁球运动变化

在无测量状态下,粒子运动被“人为”地认为会遵循薛定谔波函数方程,并以几率态存在,一旦测量,粒子就不会呈几率态,而是呈确定态,这就是量子力学所说的一种波函数崩塌现象。

量子力学所说的测量是指“投影”,而不是“轨迹”,而薛定谔方程描述的是粒子波动“轨迹”;可见,将“投影”用薛定谔方程来解释得出“几率”性来就不足为怪了。其实,“投影”图案的“波”分布性是与自旋磁粒子通过磁场空间时磁场空间有磁场梯度分布,这种分布与粒子束中粒子以“晶格”形式保持“有序”运动分不开的。

可见,量子力学波函数崩塌及测不准问题都是一种唯现象论,它不可能从物理机制上解决粒子出现测不准的原因,也不可能看清波函数及其崩塌的物理本质。要想找出产生此现象的物理原因,就必须将测量仪器的磁场性与运动粒子的自旋磁矩性相结合,这才是出路之本。

7、量子纠缠问题

量子纠缠是量子力学理论最著名的预测,它描述的是由两个或两个以上粒子组成的系统中它们产生相互影响的现象,当然,这个系统空间距离可近可远,但它们的相互影响却不会“消失”,即当其中一个量子被操作(如测量)而状态发生变化时,则另一颗也会即刻发生相应的状态变化,如自旋轴方向始终保持相反。

玻尔曾将量子纠缠称为”鬼魅似的远距作用”,但这并不仅仅是个诡异的预测,而是已经在实验中获得证实的现象。

量子纠缠说明在两个或两个以上的稳定粒子间会有强的量子关联性,那么,这种“关联性”形成的物理基础是什么呢?量子力学回答不了,于是人们“困惑”了……

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量子纠缠示意图

对此,我的思考是,单从字面解读“量子纠缠”,既然“纠缠”就应该有力参与,也就是说,量子纠缠的本质应该是一种力现象;

但由于量子力学对粒子的描述思路不同于牛顿力学,即它抛弃了牛顿力概念,取而代之的是用波、动量、动能、自旋等概念去描述粒子运动情况,这种描述由于过于抽象性,必然会将量子现象中的一些现象神秘化,而且如果抽象脱离了实际,其结果必然会得出“无中生有”的结论。

其实,量子纠缠并不神秘,它们的本质就是粒子们自旋所具有的自旋磁场之间相互影响的结果;如果我们站在粒子自旋磁场角度去解读这一现象,则很容易被人们所理解和接受,但如果我们还用经典粒子(没有自旋和磁场性)眼光去审视量子纠缠,则必然会觉得有“鬼魅似的远距作用”之感;在此,我猜玻尔对量子纠缠的困惑就在于他还没有摆脱“经典粒子”思维束缚所致吧。

如图-5所示,当我们把二个自旋磁电子放置在一个相距很远但磁场可以忽略不计的空间,我们用磁探针改变其中一个电子的自旋轴方向,则另一个电子的自旋轴方向就会随之产生相应改变,这才是量子纠缠的物理本质,其中空间磁场要求是趋于0状态。

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图-5 电子自旋与纠缠态

8、电子轨道磁矩与自旋问题

8.1、电子轨道磁矩

我们知道,现代物理学关于原子构成模型是基于卢瑟福的“太阳行星模型”展开的,而太阳行星模型运算有二套定量法则:

(1)、开普勒三定律,其中角动量守恒最重要;

(2)、牛顿万有引力定律。

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

如果将电子电荷也看做是像电子质量一样有实质意义的话,那么,这个轨道磁矩的本质就可以用电子电荷所表示的荷角动量之半来解读;电子绕核运动就像地球绕太阳运动一样,是一个闭合的曲线运动(如不闭合,则它的稳定性就不会存在),它的荷角动量之半就是我们定义的轨道磁矩量。

7.2、电子1/2自旋

电子1/2自旋是人们根据量子力学轨道磁矩定义延伸出来的概念,它是没有经过科学验证、观察到的假设推断,谁也没有从实验中看到电子真的需要自旋720°才会恢复原来模样;而且,就目前实验条件来看,能够真正观察到电子自旋720°才完成自旋一周运动几乎是不可能的,因此,电子1/2自旋观点只能算是一种纯假说,这种假说的真实性应值得怀疑,希望广大物理学研究者能够关注这个假说的合理性与否并予以可靠地验证。

量子力学在解释施特恩-格拉赫实验现象时引入了乌伦贝克和孤兹米特提出的电子自旋假说,教科书的论述是这样的:

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

施特恩-格拉赫实验示意图

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

从上面的解释中可以看出,因银原子束通过施特恩-格拉赫磁场空间时产生了上下二条曲线分布,依据玻尔的电子绕核运动理论,则电子在核外的轨道分布数是按2L+1形式分布的,如果将银原子看做是绕施特恩-格拉赫磁场作轨道运动,则它也一个遵循2L+1轨道数分布,但银原子通过磁场空间后产生的是二条曲线,故由2L+1=2推理出L=1/2;但量子力学规定,绕核运动的电子总轨道角量子数和总轨道磁量子数都应是整数,这就违反了量子力学原理,于是他们就引入了电子自旋。但因L=1/2,于是就假定电子自旋的量子数(自旋角动量)是半整数,由此提出电子自旋为1/2形式。实验还证明,电子有磁性,于是就将电子1/2自旋与其自旋磁矩性诠解为电子的内禀性;同时,如果按目前给出的电子经典半径(2.8×10-15m)计算,电子要想达到h数量级的角动量,其表面线速度就会大于光速百倍,这就违反了光速不变原理,于是,为了“自圆其说”, 量子力学就不得不把电子自旋说成是不同于经典概念的自旋。

但现代物理学证明,电子真实半径目前还没有能力测出确切值,丁肇中教授在《寻找宇宙中最基本的粒子》讲座中提到,在10×-17m以下也无法测出电子半径,其他物理学家预言电子半径应在10×-20m以下,如果以电子半径r=10×-17m计算,电子自旋面速度也不会超光速呀;如此看来,用电子面速度超光速来否定电子自旋经典的经典刚体性的理由是不充分的;再说,电子1/2自旋是用量子力学法则“假设”出来的,并不代表自然界就真实存在1/2自旋粒子。

就目前较成功的核磁共振理论及电子巨磁阻理论等来看,它们还都是将电子看做是一个实实在在的小自旋磁陀螺来对待的。

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电子可以看做是小自旋磁陀螺

从电子1/2假说到到超光速验算可以看出,量子力学将电子自旋说得如此神乎其神是与科学精神相悖的,因为我们不应将施特-恩实验中原子分裂成二条曲线的物理行为与电子绕核运动的轨道分布行为相提并论,它们是二种不同引力场中的不同运动形式。按我的“自旋场理论”分析,银原子在“上下型磁场”中运动时会产生二条曲线分布形式,而自旋磁电子绕磁原子核运动是在“中心型磁场”中运动时才会表现出量子化轨道分布形式。

当然,在施特恩-格拉赫实验磁场中,用氧等偶核原子作实验时会产生2L+1条曲线分布,这是因为偶核原子表现的磁矩太小而产生像光衍射条纹一样的行为所致,即在缝中心处由于偶核磁矩弱,上下型磁场磁极不能对它们产生明显磁影响,结果它们就只能以近乎以直线运动形式穿过窄缝磁场空间,并在到达后接受屏时呈近乎直线分布;但对于靠近磁场磁极的偶核原子就可以感受到明显的磁极影响,于是它们就会在后接受屏产生向上或向下的曲线分布,而且这种曲线分布条数遵循2L+1规律。

由此,我们说,将电子定义为1/2只是为了迎合量子力学法则而人为规定的行为,这并不代表自然界中真的存在1/2自旋形式的电子;而且,电子的真实半径到现在还是个谜,量子力学用“电子自旋超光速”来否定电子自旋的经典刚体性的理由就不充分。

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电子1/2自旋示意图

在电磁学中,电子之所以被看做是点粒子,是因为对它的讨论不牵扯到磁矩问题,但在量子力学中,如果再将电子看做是点粒子,这就与电子的自旋磁矩概念存在冲突,因为磁矩描述的是与空间r有关的量,即电子半径不可能是0,否则自旋磁矩存在就无从谈起。

鉴此,我认为自旋磁矩概念不适合描述点电子的自旋磁性行为,我们应该抛弃自旋磁矩概念,引入点粒子偶磁荷概念,用自旋“角动量”qm=mω来取代自旋磁矩概念将比较符合实际,而且也不会再出现“1/2自旋”、“ 内禀性”等不可理喻的描述形式,对此论述可参阅司今《从角动量守恒看qm=Mω 的物理意义》一文。

9、量子力学研究对象及范围问题

量子力学研究的对象是有自旋和自旋磁矩的粒子在磁场中运动,如格拉赫实验、塞满效应(反常塞曼效应)、核磁共振、粒子衍射等,无不是在磁场条件下产生的;但我们探讨粒子衍射现象时,却从不去专注粒子自旋磁矩性和空间磁场性,只一味地就现象而现象的去研究量子衍射问题,这是一种“舍本求末”的做法。

粒子运动表现出所谓“波”性的根源是自旋磁粒子与空间磁场相互作用时所产生的一种“转弯”运动现象,从力学角度讲,它们产生这个现象的原因有二个方面:

(1)、自旋磁粒子在磁场中作平面“转弯”运动(即磁场洛伦兹运动);

(2)、自旋磁粒子自旋磁轴方向受磁场磁极影响而产生的磁场梯度力运动(即施特恩实验中所描述的F=μdB/dz)。

量子力学研究的对象是微观粒子,而且是带有自旋和自旋磁矩性的粒子,这些运动就类似于自旋磁陀螺的平动与进动一样,都可以在球坐标系中用相同的方程去描述。

而且,量子力学中的量子只是描述微观世界粒子性的一个笼统概念,它应包函可以独立存在的任何形式粒子,如质子、中子、电子,光子等都可以在各自的研究领域内称为“量子”。

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电子、质子自旋及其磁矩

当我们研究量子问题时,量子的几个重要物理属性值得大家关注:

(1)、能量不连续性,即普朗克所描述的传递能量的粒子是“一份一份进行的”;

(2)、角动量不连续性,比如电子在核外分别时,其轨道角动量是不连续的,具有量化“跳跃性”;

(3)、运动的自旋性和自旋磁矩性,量子描述的世界是一个带有自旋和自旋磁矩性运动的物质世界,这与经典力学中的粒子概念不同。

“自旋生磁”是我的“自旋场理论”的重要组成部分,当然,磁的产生还包括“公转生磁”,这说明磁的产生应有二种形式,即“自旋生磁”和“公转生磁”;但目前电磁学和量子力学只研究了“公转生磁”,却忽略了“自旋生磁”性,这是当今物理学存在严重“疏漏”的地方,值得去大家关注!

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

磁场空间下的磁陀螺、电子及地球运动对比图

从量子的上述“属性”来看,我们对量子概念还可以再拓展:在一个研究系统中,凡是具有自旋、自旋磁矩性存在的独立系统或个体都可以归纳为一个“量子系统”,从这个意义上来说,电子的洛伦兹运动也被可以看做是一种量子运动;同样地,太阳系中行星的运动也可以被看做是一个“量子系统”,因为太阳与行星都有自己的自旋磁场,如将地球看做是一个“量子”的话,那么,站在自旋和磁矩角度看,对“地-太”系的研究也可以纳入量子力学范畴……

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带有自旋磁场的地球

10、量子力学出路问题

量子力学是研究质点自旋运动的力学,它不能放弃“波粒二象性”认识的根本原因在于我们无法用经典粒子概念来解释光的“衍射、干涉”等具有波性的现象。

在经典粒子概念中,粒子是没有自旋和自旋磁场性,粒子通过的物质空间也没有磁场性。但现代物理学已证明,质子、中子、电子、光子等都具有自旋和自旋磁矩性,这说明它们已不同于经典粒子,它们具有自旋和磁场双重性;但量子力学在探讨光衍射现象时,倒是把光的这一本质性给忘记了,同时也忽略了由自旋粒子(如质子、中子、电子等)组成的窄缝空间也是一个磁场空间;试想,一个有自旋磁矩的粒子通过一个有磁场的空间,这个粒子运动还会像经典粒子那样作直线运动吗?

如果我们认真地将粒子们的双重性与物质空间磁场性有机结合起来,我想,解决粒子“干涉、衍射”问题并不难,关键难得是我们将如何改造与舍弃我们现有的量子力学?如何补充与完善我们的经典物理学?

我们要始终牢记,微观世界的物体运动与宏观世界的物体运动存在本质区别,那就是在我们眼里和经典理论中,宏观物体运动是没有自旋与自旋场集于一身的物体;更要牢记,空间宏观物体的磁场对其他物体运动的影响要比微观世界小得多,对此我们可以从目前纳米材料的属性实验中得到验证。

“波粒二象性”不是研究微观世界的真正出路,把握微观世界粒子的自旋与自旋磁场性及微观空间的磁场性才是我们真正打开微观世界大门的一把金鈅匙。

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用磁陀螺运动解释光子衍射现象[5]

我们必须抛弃“波粒二象性”思想,回归到创新的经典力学中来,这是量子力学今后发展必须付出的代价!但就目前来看,我们的物理学主流界能答应吗?

一个理论的正确与否关键在于可不可以通过实验验证,验证就要有一个清晰的模型图景;在宏观世界中,我们能够找到有“场与自旋”的物理模型非“自旋磁陀螺运动”莫属了,因此,我的“自旋场理论”就是从研究“磁陀螺在磁场中运动”开始的。

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

我认为,将来的量子力学必然是带有自旋磁场的质点运动与空间或物质自旋场有机结合的力学,这种结合是对牛顿质点力学与库伦“点荷”理论的回归;用研究、对待自旋磁陀螺的眼光来重新审视微观世界的那些“精灵们”,像牛顿力学体系那样,从“公理”出发,建立我们微观世界的真正物理理论体系,这样,我们的物理学才能真正走进微观世界的殿堂,才能真正走进量子大时代!

我期待着这一时刻的到来!

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

风雨过后见彩虹

11、结束语

量子力学带给人们的困惑主要起源于我们对量子及物质空间的理解总还徘徊在“经典”物理学上,比如,对待量子“概率”问题,我们总是忘记量子有自旋磁矩性、物质空间也有磁场性;又如,我们思考量子“纠缠”问题时,总是站在“经典粒子”角度看待这一现象,曾没有从量子有自旋磁场性角度来看待二个量子产生“纠缠”的物理本质;再如,我们在看待波函数崩塌的“测量问题”时,有谁去刻意思考过我们所用的仪器也是带有磁场的物质,它们会造成量子运动状态(自旋和平动)的改变呢?……

量子力学的困境与出路——读温伯格的《量子力学的困境》一文有感

纳米空间与粒子运动

量子现象与经典现象的本质区别在于尺度效应,如,处于纳米尺度下的量子世界处处都是由场支配,而经典世界则没有这一要求——场是认识量子世界的灵魂,我们只有守住这一灵魂,才能真正走进量子世界,才能真正摆脱量子力学带给我们的诸多困惑……

【注】

[1] 温伯格《量子力学的困境》:http://chuansong.me/n/1473016951311

[2] 张天蓉《拿什么拯救你量子力学》:http://blog.sciencenet.cn/blog-677221-1054026.html

[3] 李淼在头条:量子坍塌到底是个什现象?

https://wenda.toutiao.com/question/6402115736763891969/

[4] 赵凯华,罗蔚茵/著《量子物理》,高等教育出版社2008年1月第2版,P51~53页。

[5]司今/《从磁陀螺运动谈粒子衍射形成的物理机制》:

http://bbs.sciencenet.cn/thread-3087786-1-1.html

【参考文献】

〔1〕赵凯华/著《光学》,高等教育出版社2004年11月第1版。

〔2〕赵凯华,陈熙谋/著《电磁学》,高等教育出版社2003年4月第1版。

〔3〕【美】Richard P.Olenick,Tom M.Apostol David L.Goodstein/著/李椿,陶如玉 译《力学世界》,北京大学出版社2002年2月第1版。

〔4〕赵凯华,罗蔚茵/著《量子物理》,高等教育出版社2008年1月第2版。

〔5〕费恩曼/物理学讲义(2),上海科学技术出版社,2013年4月第1版。

〔6〕徐龙道等/著《物理学词典》,科学出版社2004年5月第1版。

〔7〕百度图片及「百度百科」相关内容。

宇宙最小粒子是什么?引力子?

李小坚

以前,我和王德奎老先生等一起讨论过“宇宙的最小粒子是什么?”,我们也曾提出过米农(minon)引力子理论。

我们曾讨论过米农(minon)作为引力子的条件。我们基于条件:ty*Ey=h 。可以还将ty 拉长 至最大tmax,或将 其压缩至最小tmin,Ey对应引力子最小能量Emin 或Emax,宇宙粒子最大能量,并期望以此来描述宇宙起始和终结。

 事实上,就在光量子层级,这个米农(minon)引力子或许是宇宙最小粒子之最合理的假设。龚学原著方程0,也曾设定在此层面进行理论展开。

 近来看到由中国内地学者Gbubble,张志强先生对此有过很细致的研究,并得到了一系列令人欣喜的结果。张志强先生得到的21项 引力子定量计算结果, 我们感觉这个引力子理论这是一个很大的创新!但任何新理论都需要检验。

Gbubble:【可爱和神奇的引力子】“正如古往今来许多哲学家和物理学家们所猜想的那样,这个物质世界还真的是由一种最基本粒子组成的,只是他们不曾想到这种最基本粒子竟然是引力子!●引力子是宇宙中的最小物质,是一种绝对刚性的全同性粒子,也是组成所有物质的最基本和最小物质单元。●引力子的总数量等于宇宙量子数的平方=i^2。今天宇宙的引力子总数量=n^2=(7.7266*10^60)^2=5.9700*10^121个。●任一物体或粒子含有的引力子数量等于该物体或粒子的振动频率与引力子频率之比。●随着宇宙演化持续进行,引力子将趋向更小。不过,相对于人类的测量精度,引力子还是非常稳定的。在今后的47万年内,引力子的所有物理参数不会发生变化。●引力子不仅具有机械属性,如引力子质量、引力子能量、引力子动量,引力子角动量、引力子速度、引力子加速度等;也具有电磁属性,如引力子电量、引力子磁通量等;还具有热属性,如引力子温度和引力子熵等等。●引力子是产生引力作用的物质基础,并在真空空间增长下产生引力。●引力子虽是最小粒子,却规定了整个宇宙。下面21项铁一般结论可给出证明。”

 

Gbubble引力子的 21 个物理参数:

Gbubble21

Gbubble:“(续一)●所有引力子质量之和等于宇宙总质量。●所有引力子半径之和等于宇宙半径。●所有引力子时间之和等于宇宙年龄。●引力子质量密度和宇宙量子数决定了宇宙平均质量密度。●引力子温度和宇宙量子数决定了CBR温度。●引力子频率和宇宙量子数决定了CBR波谱峰值频率。●引力子能量和宇宙量子数决定了CBR单一光子平均能量。●所有引力子能量之和等于宇宙总能量。●所有引力子动量之和等于宇宙总动量范数。●所有引力子轨道角动量之和等于宇宙总角动量范数。●引力子自旋角动量和宇宙量子数决定了宇宙总自旋角动量范数且等于宇宙总轨道角动量范数。”

Gbubble:“(续二)三)▲引力子能量与宇宙年龄之积为恒量且等于普朗克常数。▲引力子能量与宇宙学红移常数之比为恒量且等于普朗克常数。▲引力子能量与引力子频率之比为恒量且等于普朗克常数。▲引力子轨道角动量恒等于普朗克常数。▲引力子波长恒等于宇宙半径。▲引力子振动周期恒等于宇宙年龄。▲引力子能量与引力子温度之比恒等于玻尔兹曼常数。▲引力子半径的三次方与引力子质量和引力子时间二次方之比等于万有引力常数。▲引力子半径与引力子时间之比恒等于度规速度且等于真空光速常数。▲引力子能量与引力子时间之积等于普朗克常数与宇宙量子数平方之比。多么可爱和神奇的引力子啊!”

Gbubble:“事情就是这般奇妙。在标准粒子模型的62个基本粒子中,唯有引力子被标注为假设性粒子,其物理参数一栏为空白。可偏偏就是引力子才是组成这个物质世界的最基本粒子,其余61个都不是。”

刘文旺先生评论:“广义相对论预言了引力波,量子场论预言了引力子。可是,广义相对论给不出引力波波长和频率,量子场论给不出关于引力子的一个物理参数。如此看来,广义相对论和量子物理学的理论深度的确还不能触及到Gbubble 的这个神奇的引力子。——2018-1-12日”

@Gbubble <引力子的基本物理特性及其物理学验证>您这篇文章完整地描述了您的这个引力子的特性!

请参阅: 引力子的基本物理特性及其物理学验证 Rev.1(3)

@Gbubble 您的工作太棒了!了却了我们一个心愿。而且,与姜放先生的理论有兼容和衔接的可能。与国内的光子学说接近,旋流理论连接,包括三旋理论。这些理论的上升和统一,可以构建中华统一物理学!

至于其它61个粒子是否是基本粒子,现代粒子物理学已经有了结论。除非有进一步的理论说明,这61个粒子都是由引力子构成。例如三旋理论表明的那样,61个粒子是一个三旋体的不同部分。

事实上,中国学者姜放先生,在其《统一物理学(第二版)》中,有所发现,有所表述。值得鼓励和尝试,并期待更进一步的研究和检验。而且,有待发掘其应用价值。

Gbubble回复:@李小坚  雄心勃勃。好啊,年轻人就是应该敢想敢干,这样才能抓住机遇,乘势而上。祝你们早日成功!【@Gbubble 您的工作太棒了!了却了我们一个心愿。而且,与姜放先生的理论有兼容和衔接的可能。与国内的光子学说接近,旋流理论连接,包括三旋理论。这些理论的上升和统一,可以构建中华统一物理学!】

 

 

不听老人言,吃亏在眼前

中国现在还有人在努力推动中国的大对撞机!那个毫无意义的工程,将让那些顽固的傻瓜撞上南墙!那些好大喜功的人,将浪费中国的一大笔财富,满足其好奇心。

对自然世界的本质的研究探讨,必须是理论先行。中国的理论物理研究应该再加大一些科研投入,或可以取得世界领先的成果。

在国家财力许可的条件下,也可以花点钱来满足科学家的这种好奇心。何况还有政治需要,在政治优先的情况下,中国人还是玩得起这样的大玩具的。

但中国乃至全世界,仍然应该记得有杨振宁这样的科学家,提醒过关于建造中国大对撞机的科学的、理性的意见。龚先生也提出了龚学学术意见,我们的网站也发布过我们的意见。

正是中国谚语云:不听老人言,吃亏在眼前。

最终,实践将检验一切!时间将检验一切!历史将检验一切。

Inside the plans for Chinese mega-collider that will dwarf the LHC  https://www.nature.com/articles/d41586-018-07492-w?utm_source=briefing-dy&utm_medium=email&utm_campaign=briefing&utm_content=20181123

NEWS Q&A

Inside the plans for Chinese mega-collider that will dwarf the LHC

Physicist Wang Yifang, the mastermind behind the project, gives Nature an update on the ambitious project.
Prof. Wang Yifang sat in a lecture hall at Ruhr-Universitat Bochum. Periodic tables are visible on the walls behind him

Wang Yifang directs the Institute of High Energy Physics in Beijing.Credit: Tim Kramer/Ruhr-Universität Bochum

Physicists at Beijing’s Institute of High Energy Physics (IHEP) are are designing the world’s biggest particle smasher. If built, the 100-kilometre-circumference facility would dwarf the 27-kilometre Large Hadron Collider (LHC) at CERN, Europe’s particle-physics laboratory near Geneva, Switzerland — and would cost around half the price.

The ambitious 30-billion-yuan (US$4.3-billion) facility, known as the Circular Electron–Positron Collider (CEPC), is the brainchild of IHEP’s director, Wang Yifang. He has spearheaded the project since the discovery of the elementary particle called the Higgs boson at the LHC in 2012.

The CEPC will produce Higgs bosons by smashing together electrons and their antimatter counterparts, positrons. Because these are fundamental particles, their collisions are cleaner and easier to decipher than the LHC’s proton–proton collisions, so once the Chinese facility opens, in about 2030, it will allow physicists to study the mysterious particle and its decay in exquisite detail.

Last week, IHEP published a milestone report outlining the blueprint for the collider. Initial funding for research and development has come from the Chinese government, but the design is the work of an international collaboration of physicists and the team hopes to garner funding from around the world. (Researchers behind a long-planned rival ‘Higgs factory’ known as the International Linear Collider expect to learn by the end of this year whether Japan will stump up the cash to host it.)

The blueprints reveal that the Chinese collider would run in a circle 100 metres underground, at a location yet to be decided, and host two detectors. At the end of its ten-year lifespan, the electron–positron machine could be upgraded to collide protons at energies seven times those of the LHC at its peak. Ahead of the report’s publication, Nature spoke to Wang about the project.

After six years of design work, an international board of experts says the collider is ready to proceed. Construction could begin as early as 2022. What happens now?

We are working on the technology research and development (R&D) at the moment. No one has ever built a machine this large before, and we want to minimize the cost. Its specifications are different from those of any other machine in the world in the past, and we have to prove that it is feasible.

Two years ago, the collider’s international advisory committee said the project lacked international involvement. Has there been progress on that front?

It has not significantly changed, because international participation is still limited by the financial commitment of the international partners. They are all interested, but they need to get endorsement from their funding agencies. They are waiting to hear the Chinese government’s position on whether to fund it, and that decision depends on the outcome of the R&D. But CERN is working on a new European strategy for particle physics, so we hope that this time the CEPC can be included. A similar process will happen in the United States, probably in the next year or 2020. We hope it will be included in both.

A Chinese collider operating in the 2030s would be in direct competition with CERN’s own plans to build a successor to the LHC. Do you think there is a need for more than one mega-collider?

It’s too early to say this is a competition. I think it’s good to have different proposals and to explore the advantages and disadvantages of each proposal thoroughly. Then we can see which one is more feasible, and the community will decide.

Do you think the international community would accept China becoming the global centre of high-energy physics, given that the country lacks free access to the Internet and has significant government controls?

Such a centre would help China to become more internationalized, more open towards the world. And it is going to bring more resources to the scientific community. People at the very beginning may feel that it is not as convenient compared to Switzerland. But we hope that the collider would be a good thing, at least for the Chinese. Also, I don’t think this is going to be the only centre in the world. Historically, we always have had many particle-physics centres, although now we have fewer and fewer. But I really hope we’re not going to be the only one. If you have no competition in a field, at some point you’re going to die.

China is undergoing something of a boom in accelerator facilities at the moment. Tell me about some of those plans.

The spallation neutron source in Dongguan is now operating. It is small but good enough. IHEP is also planning a 1.4-kilometre-circumference light source to be built in Huairou, northern Beijing, at a cost of 4.8 billion yuan. This is a circular electron accelerator that can generate synchrotron radiation — X-rays with extremely high intensity. These are useful for almost every research discipline, including materials science, chemistry, biology, environmental science, geology and medicine. We believe the government is going to give its final approval for the project by the beginning of next year, and then we can start construction. We think it would be a world-leading machine. Most light sources are upgrades from existing machines, so they are limited. We can use the best configurations, the best technologies, without constraints.

The institute is also pitching to fly an experiment — a detector measuring highly energetic particles known as cosmic rays — on China’s crewed space station, set to launch in 2020. What will it do and how will it improve on existing experiments?

We want to know where cosmic rays come from, and how they get such high energy. Answers to these questions will help us to understand the Universe. We would also like to use it to search for new particles, such as dark matter, which cannot yet be generated by accelerators on Earth. One of today’s best experiments for studying this is the Alpha Magnetic Spectrometer (AMS) on the International Space Station, which has not yet seen clear evidence of dark matter. That means we need experiments that can detect more particles, and at higher energies. The High Energy Cosmic Radiation Detection experiment will be able to study particles roughly ten times the energy of the AMS, and measure their energies with better resolution. We’ve almost finished our design and we’re now trying to get support from the Chinese government. We’re probably talking about US$200 million to $300 million for the detector. It’s on the list of candidates for possible projects for the future Chinese space station. We have to wait, but I am optimistic.

Do you think high levels of science funding in China will continue?

The government is certainly interested in supporting science. They hope every penny they invest is worth something, and sometimes we in high-energy physics disappoint them — we’re not able to immediately generate results.

Has the political situation between the United States and China affected the relationship between the two countries’ scientists?

It’s difficult at the moment. If we organize a conference in China, people from US universities can come freely, but people working at US national laboratories say they can’t get permission. Also, going the other way, it’s very hard for Chinese scientists to get an invitation letter to those laboratories in the United States. I really hope this is just temporary and politicians can realize that the exchange of science and collaboration in science is mutually beneficial.

doi: 10.1038/d41586-018-07492-w

This interview has been edited for clarity and length.

爱因斯坦:机遇与眼光 | 杨振宁

杨振宁 
作者简介:杨振宁,著名理论物理学家,在统计力学和粒子物理学等领域贡献卓著。他与李政道于 1956 年共同提出宇称不守恒理论,因而获得 1957 年诺贝尔物理学奖。

本文作者:杨振宁

爱因斯坦:机遇与眼光 | 杨振宁

 杨振宁_网易订阅  http://dy.163.com/v2/article/detail/DUSH03LJ05322F8R.html

著名理论物理学家,爱因斯坦。

1

1905 年通常称为阿尔伯特爱因斯坦的“奇迹年” (Annus Mirabilis)。在那一年,爱因斯坦引发了人类关于物理世界的基本概念 (时间、空间、能量、光和物质) 的三大革命。一个 26 岁、默默无闻的专利局职员如何能引起如此深远的观念变革,因而打开了通往现代科技时代之门?当然没有人能够绝对完满地回答这个问题。可是,我们也许可以分析他成为这一历史性人物的一些必要因素。

首先,爱因斯坦极其幸运:他生逢其时,当物理学界面临着重重危机时,他的创造力正处于巅峰。换句话说,他有机会改写物理学的进程,这也许是自从牛顿时代以来独一无二的机遇。这种机遇少之又少。E.T. 贝尔 (Bell) 的《数学精英》(Man of Mathematics, New York: Dover Publications, 1937) 引用了拉格朗日 (J. L. Lagrange, 1736-1813) 的话:

“虽然牛顿确实是杰出的天才,但是我们必须承认他也是最幸运的人:人类只有一次机会去建立世界的体系。”

这里,拉格朗日引用的是牛顿的巨著《自然哲学的数学原理》(Principia Mathematica) 中第三卷即最后一卷前言中的话:

现在我要演示世界体系的框架。

‘Newton’, William Blake, 1795-1805

拉格朗日显然非常嫉妒牛顿的机遇。可是爱因斯坦对牛顿的公开评价给我们不一样的感觉:

“幸运的牛顿,幸福的科学童年……他既融合实验者、理论家、机械师为一体,又是阐释的艺术家。他屹立在我们面前,坚强、自信、独一无二。”

爱因斯坦有机会修正 200 多年前牛顿所创建的体系。可是这个机会当然也对同时代的科学家们开放。的确,自从 1881 年迈克尔逊―莫雷 (Michelson-Morley) 首次实验以及 1887 年第二次实验以来,运动系统中的电动力学一直是许多人在钻研的热门课题。令人惊奇的是,当爱因斯坦仍在苏黎世念书时,他已经对这个题目发生了浓厚的兴趣。1899 年他曾写信给他后来的太太米列娃 (Mileva Mari):

我还了赫姆霍兹的书,现正在非常仔细地重读赫兹的电力传播工作,因为我以前没能明白赫姆霍兹关于电动力学中最小作用量原理的论述。我越来越相信今天所了解的运动物体的电动力学与实际并不相符,而且可能有更简单的理解方式。(引自:Albert Einstein / Mileva Mari, The Love Letters, eds. Renn & Schulmann, translated into English by S. Smith, Princeton University Press, 1992.)

电流的磁效应,运动的电荷产生磁场其实就是相对论效应的体现,《论动体的电动力学》也正是爱因斯坦发表的第一篇关于狭义相对论的论文的题目

他追寻此更简单的理解方式,六年以后引导出了狭义相对论。

当时许多科学家对这个科目也极感兴趣。庞加莱 (L. H. Poincaré,1854-1912) 是当时两位最伟大的数学家之一,他也正在钻研同一个问题。事实上,相对性 (relativity) 这一名词的发明者并不是爱因斯坦,而是庞加莱。庞加莱在 1905 年的前一年的演讲《新世纪的物理学》(载:Physics for a New Century, AIP Publication on History, vol 5, 1986) 中有这样一段:

根据相对性原则,物理现象的规律应该是同样的,无论是对于固定不动的观察者,或是对于做匀速运动的观察者。这样我们不能,也不可能,辨别我们是否正处于这样一个运动状态。

这一段不仅介绍了相对性这个概念,而且显示出了异常的哲学洞察力。然而,庞加莱没有完全理解这段话在物理上的意义:同一演讲的后几段证明他没有抓住同时性的相对性(relativity of simultaneity)这个关键性、革命性的思想。

爱因斯坦也不是首位写下伟大的转换公式的人:

之前,洛伦兹 (H. A. Lorentz, 1853-1928) 曾写出这个公式,所以当时这个公式以洛伦兹命名,现在仍然是这样。可是洛伦兹也没能抓住同时性的相对性这个革命性思想。1915 年他写道:

我失败的主要原因是我死守一个观念:只有变量 t 才能作为真正的时间,而我的当地时间 t’ 仅能作为辅助的数学量。(转引自:Abraham Pais, Subtle is the Lord: The Science and the Life of Albert Einstein. Oxford: Oxford University Press, 1982, p. 167)

这就是说,洛伦兹有数学,但没有物理学;庞加莱有哲学,但也没有物理学。正是 26 岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的原始观念,坚持同时性是相对的,才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。

几乎今天所有的物理学家都同意是爱因斯坦创建了狭义相对论。这对庞加莱和洛伦兹是否公平?要讨论这个问题,让我们先引用怀特海 (A. N. Whitehead, 1861―1947) 的话:

科学的历史告诉我们:非常接近真理和真正懂得它的意义是两回事。每一个重要的理论都被它的发现者之前的人说过。 (见:The Organization of Thought, Westport CT: Greenwood Press, 1974, p.127)

洛伦兹和庞加莱都没有抓住那个时代的机遇。他们致力于当时最重要的问题之一,即运动系统中的电动力学。可是他们都错失其重点,因为他们死守着旧观念,正如洛伦兹自己后来所说的一样。爱因斯坦没有错失重点是因为他对于时空有更自由的眼光。

要有自由的眼光 (free perception),必须能够同时近观和远看同一课题。远距离眼光(distant perception) 这一常用词就显示了保持一定距离在任何研究工作中的必要性。可是只有远距离眼光还不够,必须与近距离的探索相结合。正是这种能自由调节、评价与比较远近观察的结果的能力形成了自由的眼光。按照这一比喻,我们可以说洛伦兹失败了是因为他只有近距离眼光,而庞加莱失败了是因为他只有远距离眼光。

中国伟大的美学家朱光潜 (1897-1986) 强调过“心理距离”在艺术和文学创作上的重要性。我认为他的观念与上述的远距离眼光是一致的,只是在不同的学术领域而已。在最权威的爱因斯坦的科学传记 Subtle is the Lord (即前文所引 A. Pais 的著作) 中,作者选择这样一个词来描写爱因斯坦的性格:孤持 (apartness),并且在第三章开始时引述道:

“与其他人保持距离;单独地、孤立地、独自地。(《牛津英文词典》)”

的确,孤持、距离、自由眼光是互相联系的特征,是所有科学、艺术与文学创造活动中一个必要因素。

光电效应

1905 年爱因斯坦另一个具有历史意义的成果是他于 3 月间写的论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》(On A Heuristic Point of View Concerning the Generation and Conversion of Light )。这篇文章首次提出了光是带分立能量 hν 的量子。常数 h 由普朗克于 1900 年在其大胆的关于黑体辐射的理论研究中提出。然而,在接下来的几年里,普朗克变得胆怯,开始退缩。1905 年爱因斯坦不仅没有退缩,还勇敢地提出关于光量子的“启发性观点” 。这一大胆的观点当时完全没有受到人们的赞赏,从以下的几句话就可以看出这一点:八年后,当普朗克、能斯特 (W. H. Nernst)、鲁本斯 (Heinrich Rubens)、瓦尔堡 (O. H. Warburg) 提名爱因斯坦为普鲁士科学院院士时,推荐书上说:

“总之,我们可以说几乎没有一个现代物理学的重要问题是爱因斯坦没有做过巨大贡献的。当然他有时在创新思维中会错过目标,例如,他对光―量子的假设。可是我们不应该过分批评他,因为即使在最准确的科学里,要提出真正新的观点而不冒任何风险是不可能的。 (参见前引 A. Pais 的著作,p.382)”

这封推荐书写于 1913 年,其中被嘲笑的光―量子假 设 (hypothesis of light-quanta) 指的就是上述爱因斯坦于 1905 年大胆提出的想法。可是爱因斯坦不理这些嘲笑,继续把他的想法向前推进,于 1916 年至 1917 年确定了光量子的动量,进而发展为 1924 年对康普顿效应 (Compton effect) 的划时代的认识。

光量子这一革命性之观点产生的历史可以总结为:

1 、1905 年 爱因斯坦关于 E = hν 的论文

2 、1916 年 爱因斯坦关于 P = E/c 的论文

3 、1924 年 康普顿效应

在那些年里,在 1924 年康普顿效应确立之前,爱因斯坦完全孤立,因为他对光量子的深邃眼光不被物理学界所接受。

2

在 1905 年至 1924 年之间,爱因斯坦的研究兴趣主要在广义相对论。作为科学革命,广义相对论在人类历史上是独一无二的。其设想宏伟、美妙、广邃,催生了令人敬畏的宇宙学,而且它是一个人独自孕育并完成的,这一切让我想起《旧约》里的创世篇 (不知爱因斯坦本人是否曾想起这个比较)。

当然,我们很自然也会想起其他的科学革命,例如牛顿的巨著、狭义相对论、量子力学。不同之处:牛顿的工作确实是宏伟、美妙、广邃的。对。可是在他之前有伽利略(Galileo)、开普勒 (Kepler),还有更早的数学家和哲学家们的成果。他也不是当时唯一在寻求万有引力定律的人。狭义相对论和量子力学也都是影响深远的革命。可是它们是当时许多人研究的热门课题,都不是由一个人所创建的。

关于广义相对论,爱因斯坦没有抓住什么机遇,而是创造了这个机遇。他独自一人通过深邃的眼光,宏伟的设想,经过七八年孤独的奋斗,建立起一个难以想象的美妙体系。这是一次纯粹的创造。

3

广义相对论认为引力来自时空的弯曲

广义相对论代表引力场的几何化。自然而然它使爱因斯坦接着提出电磁场的几何化。从而又产生了将所有自然力几何化的想法,即统一场论。此发展成为他后半生的研究重点。例如,1949 年至 1950 年在普林斯顿高等研究中心他最后的研讨会上,他尝试着把电磁场 Fμν 合并成不对称的度量 gμν 。他这个尝试和他先前在同一方向所做出的努力一样,都没能成功。

由于没有成功,也由于自 20 世纪 20 年代初,爱因斯坦将其注意力几乎全部放在这项研究上而忽略了像固体物理和核子物理这些新发展的领域,他经常遭受批评,甚至被嘲笑。他对于统一场论的投入被描述为着魔 (obsession)。这种批评的一个例子是拉比 (I. I. Rabi, 1898―1988) 于 1979 年在普林斯顿举行的爱因斯坦百年纪念上所讲的话:

当你想起爱因斯坦于 1903 年或 1902 年至 1917 年的工作时,那是极其多彩的,非常有创造力,非常接近物理,有非常惊人的洞察力;然而,在他不得不学习数学,特别是各种形式的微分几何的时期以后,他就改变了。

他改变了他的想法。他的那种对物理学的伟大创意也随之改变了。

拉比是否正确呢?爱因斯坦有没有改变呢?

答案是:爱因斯坦的确改变了。改变的证据可以在他 1933 年的斯宾塞演讲 (Herbert Spencer Lecture)《关于理论物理学的方法》(On the Method of Theoretical Physics, New Nork: Oxford University Press, 1933) 中找到:

“……理论物理的公理基础不可能从经验中提取,而是必须自由地创造出来……经验可能提示适当的数学观念,可是它们绝对不能从经验中演绎而出……

但是创造源泉属于数学。因此,在某种意义上,我认为单纯的思考可以抓住现实,正如古人梦想的一样。”

虽然你可以同意或反对这些非常简要的论点,但是你必须同意它们强有力地描述了爱因斯坦在 1933 年关于如何做基础理论物理的想法,而且此想法相对于他早年的想法有极大的变化。

爱因斯坦自己对这一变化非常清楚。在他 70 岁出版的《自述》(Autobiographical Notes) 里,我们看到:

“……我作为一个学生并不懂得获取物理学基本原理的深奥知识的方法是与最复杂的数学方法紧密相连的。在许多年独立的科学工作以后,我才渐渐明白了这一点。”

很明显,在这一段里,“独立的科学工作”指的是他于 1908 年至 1915 年期间创建广义相对论的长期奋斗。长期奋斗改变了他。是否朝更好的方向改变了呢?拉比说:不是,他的新眼光变成徒劳无益的走火入魔。我们说:他的新眼光改写了基础物理日后的发展进程。爱因斯坦逝世几十年来,他的追求已经渗透了理论物理基础研究的灵魂,这是他的勇敢、独立、倔强和深邃眼光的永久证明。

本文节选自

我的世界观

阿尔伯特 · 爱因斯坦 著

方在庆 编译

中信出版集团

方在庆,1963年生,湖北天门人。1979年就读于吉林大学物理学系,1991年获武汉大学哲学博士学位。2001年入选中国科学院“百人计划”,自2002年起,任中国科学院自然科学史研究所研究员,博士生导师。研究方向为科学史、科学哲学和科学社会学,尤其关注爱因斯坦、德国的科学与现代化。曾先后任教于浙江大学、清华大学,担任美国麻省理工学院“杰出访问学者”,德国慕尼黑大学埃里克弗格林教席(Eric-Voegelin-Professur,C3)以及德国比勒菲尔德大学客座教授等。发表论文40多篇,出版论著和译作多本。

本文部分配图鸣谢

中科院物理所

* 本文来自《我的世界观》(阿尔伯特 · 爱因斯坦著,方在庆编译)中杨振宁所作序言
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孙昌璞:理论物理的六个趋势

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孙昌璞:理论物理的六个趋势

中科院物理所 2018-09-22 12:12:06

❖孙昌璞院士

孙昌璞:理论物理的六个趋势孙昌璞:理论物理的六个趋势物理学是研究物质及运动规律的基础科学。其研究内容可以概括为以下两个方面:第一、在更高的能量标度和更小的时空尺度上,探索物质世界的深层次结构及其相互作用规律;第二、面对由大量个体组元构成的复杂体系,探索超越个体特性的、“演生”出来的有序和合作现象。这两方面代表了两种基本的科学观——还原论(reductionism)和演生论(emergence)。前者把物质性质归结为其微观组元间的相互作用,旨在建立从微观出发的终极统一理论,是一代又一代物理学家的科学梦想;后者强调多体系统的整体有序和合作效应,把不同层次“演生”出来的规律当成自然界的基本规律加以探索。它涉及从固体系统到生命软凝聚态等各种多体系统,直接联系关乎日常生活的实际应用。

现代物理学通常从理论和实验两个角度探索以上的重大科学问题。利用科学实验方法,通过对自然界的主动观测,辅以理论模型或哲学上思考,先提出初步的科学理论假设,然后借助进一步的实验对此进行判定性检验。最后,据此用严格的数学语言精确、定量表达一般的科学规律,并由此预言更多新的、可以被实验再检验的物理效应。当现有的理论无法解释一批新的实验发现,物理学就要面临前所未有的挑战,有可能产生重大突破、诞生的新理论。新的理论在解释已有实验结果的同时,还将给出更一般的理论预言,引发新的实验研究。物理学研究这些内禀特征,决定了理论物理学作为一门独立学科存在的必要性以及在当代自然科学中的核心地位。

孙昌璞:理论物理的六个趋势理论物理学立足于科学实验和观察,借助数学工具、逻辑推理和观念思辨,研究物质的时空存在形式及其相互作用规律,从中概括和归纳出具有普遍意义的基本理论。由此不仅可以描述和解释自然界已知的各种物理现象,而且还能够预言此前未知的物理效应。需要指出,理论物理学通过当代数学语言和思想框架,使得物理定律得到更为准确的描述。沿循这个规律,作为理论物理学最基础的部分,20世纪初诞生的相对论和量子力学今天业已成为当代自然科学的两大支柱,奠定了理论物理学在现代科学中的核心地位。统计物理学基于概率统计和随机性的思想处理多粒子体系的运动,是二者的必要补充。量子规范场论从对称性的角度描述微观粒子的基本相互作用,为自然界四种基本相互作用的统一提供坚实的基础。

孙昌璞:理论物理的六个趋势关于理论物理的重要作用和学科发展趋势,我们分六点简述如下。

1、理论物理研究纵深且广泛,其理论立足于全部实验的总和之上。由于物质结构是分层次的,每个层次上都有自己的基本规律,不同层次上的规律又是互相联系的。物质层次结构及其运动规律的基础性、多样性和复杂性不仅为理论物理学提供了丰富的研究对象,而且对理论物理学家提出巨大的智力挑战,激发出人类探索自然的强大动力。因此,理论物理这种高度概括的综合性研究,具有显著的多学科交叉与知识原创的特点。在理论物理中,有的学科(诸如粒子物理、凝聚态物理等),与实验研究关系十分密切,但还有一些更加基础的领域(如统计物理、引力理论和量子基础理论),它们一时并不直接涉及实验。虽然物理学本身是一门实验科学,但物理理论是立足于长时间全部实验总和之上,而不是只针对个别实验。虽然理论正确与否必须落实到实验检验上,但在物理学发展过程中间,有的阶段性理论研究和纯理论探索性研究,开始不必过分强调具体的实验检验。其实,导致重大科学突破甚至科学革命的广义相对论、规范场论和玻色-爱因斯坦凝聚就是这方面的典型例证,它们从纯理论出发,实验验证却等待几十年、甚至近百年。近百年前爱因斯坦广义相对论预言了一种以光速传播的时空波动——引力波。直到2016年2月,美国科学家才宣布人类首次直接探测到引力波。引力波的预言是理论物理发展的里程碑,它的观察发现将开创一个崭新的引力波天文学研究领域,更深刻地揭示宇宙奥秘。

2、面对当代实验科学日趋复杂的技术挑战和巨大经费需求,理论物理对物理学的引领作用必不可少。第二次世界大战后,基于大型加速器的粒子物理学开创了大科学工程的新时代,也使得物理学发展面临经费需求的巨大挑战。因此,伴随着实验和理论对物理学发展发挥的作用有了明显的差异变化,理论物理高屋建瓴的指导作用日趋重要。在高能物理领域,轻子和夸克只能有三代是纯理论的结果,顶夸克和最近在大型强子对撞机(LHC)发现的Higgs粒子首先来自理论预言。当今高能物理实验基本上都是在理论指导下设计进行的,没有理论上的动机和指导,高能物理实验如同大海捞针、无从下手。可以说,每一个大型粒子对撞机和其它大型实验装置,都与一个具体理论密切相关。天体宇宙学的观测更是如此。天文观测只会给出一些初步的宇宙信息,但其物理解释必依赖于具体的理论模型。宇宙的演化只有一次,其初态和末态迄今都是未知的。宇宙学的研究不能像通常的物理实验那样,不可能为获得其演化的信息任意调整其初末态。因此,仅仅基于观测,不可能构造完全合理的宇宙模型。要对宇宙的演化有真正的了解、建立自洽的宇宙学模型和理论,就必须立足于粒子物理和广义相对论等物理理论。

3、理论物理学本质上是一门交叉综合科学。大家知道,量子力学20世纪的奠基性科学理论之一,是人们理解微观世界运动规律的现代物理基础。它的建立,导致了以激光、半导体和核能为代表的新技术革命,深刻地影响了人类的物质、精神生活,已成为社会经济发展的原动力之一。然而,量子力学基础却存在诸多的争议,哥本哈根学派对量子力学的“标准”诠释遭遇诸多挑战。不过这些学术争论不仅促进了量子理论自身发展,而且促使量子力学走向交叉科学领域,使得量子物理从观测解释阶段进入自主调控的新时代,从此量子世界从自在之物变成为我之物。近二十年来,理论物理学在综合交叉方面的重要进展是量子物理与信息计算科学的交叉,由此形成了以量子计算、量子通信和量子精密测量为主体的量子信息科学:它充分利用量子力学基本原理,基于独特的量子相干进行计算、编码、信息传输和精密测量,探索突破芯片极限、保证信息安全的新概念和新思路。统计物理学为理论物理研究开拓了跨度更大的交叉综合领域,如生物物理和软凝聚态物理。统计物理的思想和方法不断地被应用到各种新的领域,对其基本理论和自身发展提出了更高的要求。由于软物质是在自然界中存在的最广泛的复杂凝聚态物质,它处于固体和理想流体之间,与人们的日常生活及工业技术密切相关。例如,水是一种软凝聚态物质,其研究涉及的基础科学问题关乎人类社会今天面对的水源危机。

4、理论物理学在对具体系统应用中实现创新发展,并在基本的层次上回馈自身。从量子力学和统计物理对固体系统的具体应用开始,近半个世纪以来凝聚态物理学业已发展成当代物理学最大的一个分支。它不仅是材料、信息和能源科学的基础,也与化学和生物等学科交叉与融合,而其中发现的新现象、新效应,都有可能导致凝聚态物理一个新的学科方向或领域的诞生,为理论物理研究展现了更加广阔的前景。一方面,凝聚态物理自身理论发展异常迅猛和广泛,描述半导体和金属的能带论和费米液体理论为电子学、计算机和信息等学科发展的奠定了理论基础;另一方面,从凝聚态理论研究提炼出来的普适的概念和方法,对包括高能物理其它物理学科的发展也起到了重要的推动作用。BCS超导理论中的自发对称破缺概念,被应用到描述电弱相互作用统一的Yang-Mills 规范场论,导致了中间玻色子质量演生的Higgs机制,这是理论物理学发展的又一个重要里程碑。近二十年来,在凝聚态物理领域,有大量新型低维材料的合成和发现,有特殊功能的量子器件的设计和实现,有高温超导和拓扑绝缘体等大量新奇量子现象的展示。这些现象不能在以单体近似为前提的费米液体理论框架下得到解释,新的理论框架建立已迫在眉睫,如果成功将使凝聚态物理的基础及应用研究跨上一个新的历史台阶,也会为理论物理的引领作用发挥到极致。

5、理论物理的一个重要发展趋势是理论模型与强大的现代计算手段相结合。面对纷繁复杂的物质世界(如强关联物质和复杂系统),简单可解析求解的理论物理模型不足以涵盖复杂物质结构的全部特征,如非微扰和高度非线性。现代计算机的发明和快速发展提供了解决这些复杂问题的强大工具。辅以面向对象的科学计算方法(如第一原理计算、蒙特卡罗方法和精确对角化技术),复杂理论模型的近似求解将达到极高的精度,可以逐渐逼近真实的物质运动规律。因此,在解析手段无法胜任解决复杂问题任务时,理论物理必须通过数值分析和模拟的办法,使得理论预言进一步定量化和精密化。这方面的研究导致了计算物理这一重要学科分支的形成,成为连接物理实验和理论模型必不可少的纽带。

6、理论物理学将在国防安全等国家重大需求上发挥更多作用。大家知道,无论决胜第二次世界大战、冷战时代的战略平衡,还是中国国家战略地位提升,理论物理学在满足国家重大战略需求方面发挥了不可替代的作用。理论物理学家爱因斯坦、奥本海默、费米、彭桓武、于敏、周光召等人也因此彪炳史册。与战略武器发展息息相关,二战后开启了物理学大科学工程的新时代,基于大型加速器的重大科学发现反过来为理论物理学提供广阔的用武之地,如标准模型的建立。国防安全方面等国家重大需求往往会提出自由探索不易提出的基础科学问题,在对理论物理提出新挑战的同时,也为理论物理研究提供了源头创新的平台。因此,理论物理也要针对国民经济发展和国防安全方面等国家重大需求,凝练和发掘自己能够发挥关键作用的科学问题,在实践应用和理论原始创新方面取得重大突破。

为了全方位支持我国理论物理事业长足发展,1993年国家自然科学基金委员会设立“理论物理专款”,并成立学术领导小组(首届组长是我国著名理论物理学家彭桓武先生)。多年来,它凝聚了我国理论物理学家集体智慧,不断探索符合理论物理特点和发展规律的资助模式,培养理论物理优秀创新人才做出杰出的研究成果,对国民经济和科技战略决策进行了指导和咨询。为了更全面地支持我国的理论物理事业,“理论物理专款”持续支持我们编辑出版这套《21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书》, 目的是要系统全面介绍现代理论物理及其交叉领域的基本内容及其学科前沿发展,以及中国理论物理学家科学贡献和所取得的主要进展。希望这套丛书能帮助大学生、研究生、博士后、青年教师和研究人员全面了解理论物理学研究进展,培养对物理学研究的兴趣,迅速进入理论物理前沿研究领域,同时吸引更多的年轻人献身理论物理学事业,为我国的科学研究在国际上占有一席之地作出自己的贡献。

孙昌璞

中国科学院院士,发展中国家科学院院士

国家自然科学基金委员会“理论物理专款”学术领导小组组长

孙昌璞:理论物理的六个趋势内容简介

孙昌璞:理论物理的六个趋势《21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书》包括中英文的专著和基础理论,以相关专业领域的研究生为起点。主要内容有(包括但不限于):

(1)最深层次物质结构和动力学规律的前沿:量子场论及与宇宙学;粒子物理及与宇宙学;高能重离子碰撞和强子物理中动力学规律。

(2)凝聚态理论:强关联多电子系统的理论研究;受限小量子系统。

(3)跨学科理论研究新领域:理论物理与生命科学;有机固体和聚合物的理论物理研究;纳米材料设计的基础理论;量子信息。

本文摘编自《21世纪理论物理及其交叉学科前沿丛书》出版前言,标题为编者所加。

The Unified Universe,The Unified Theory!