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科学家首次用量子计算机模拟出能量产生物质的过程

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据英国《每日邮报》报道,众所周知,我们所身处的这个宇宙是由若干基本粒子构成的,这是大自然得以存在的基础。

20200319124149

近代以来,量子物理学的发展向我们解释了由粒子和反粒子所组成的粒子对可以被凭空造出,但因受限于该转化过程的复杂度之高,传统的计算机一直无法成功模拟出这一过程。日前,科学家们在量子计算机的帮助下,第一次成功模拟出了粒子和反粒子被同时创造出来的这一过程。

这一研究粒子间相互作用的新方法将深化我们对粒子物理学基本模型的理解,让科学家们更好地去解释宇宙起源的难题。

粒子物理学基本模型认为宇宙中的所有事物都是由最基本的单元构成,我们也称它们为“基本粒子”。

这些基本粒子受万有引力、电磁相互作用力、弱相互作用力、强相互作用力这四种自然界基本力的支配。

而“规范理论”则向我们描绘了诸如夸克和胶子这些基本粒子之间的相互作用,这些理论为我们提供了理解宇宙间粒子相互作用发生过程的基本认知。
日前,来自奥地利因斯布鲁克大学(University of Innsbruck)和奥地利科学院的量子光学与量子信息研究所(IQOQI)的一群科学家们首次在量子计算机的帮助下,模拟出了这些规范理论所描绘的粒子反应过程。

“诸如基本粒子间的碰撞,或是粒子和反粒子对的同时生成这样的一些动态过程是极难被监测到的。并且,科学家在用传统计算机去处理这些海量计算时,很快就遇到了瓶颈。正是在这样的困境下,我们提出了用可编程的量子计算系统来仿真这些粒子的反应过程。” IQOQI的理论物理学家Christine Muschik博士解释道。

多年来,一些有趣的新概念被不断地提出,但直到今天科学家们才真正具备了去验证它们真实性的方法。

“在如今量子计算机的帮助下,我们探索出了一些在真空中模拟同时创造正负电子对这一过程的新方法。” Christine Muschik博士继续说道。

“每一组离子都代表着一组粒子和反粒子对。我们用激光脉冲在真空中模拟出了电磁场,进而观测到了这些粒子对是如何在由电磁场产生出的量子涨落下,被创造出来的。通过观察离子的荧光反应,我们看到了粒子和反粒子的产生过程,实现了对量子系统相关参数的修正,从而让我们观测和学习到了粒子被创造出来的这一动态过程。”

我们发展了一个原创的理论物理学模型

我们发展了一个原创的理论物理学模型:创新物理学模型。

李小坚

这个理论模型包含一个总体原则;一 系列模型方程及计算方法;符合客观世界的一系列理论计算结果,及其最为严格的逻辑与实践的检验。

总体原则,或者哲学理念,第一原则:这个宇宙的本质是虚空,并一直保持虚空的不变性。

如何认识和描述这个客观的宇宙世界,我们有方法伦和认识论:创新物理学的新方法论总结 。见统一的宇宙 统一的理论  http://www.pptv1.com/?p=1494

虚空就是永恒和不朽。要把虚空变换成现实!需要有一个将物理世界的一切产生于永恒世界到现实世界的一个变换过程,也就是将一 个没有时间的世界变换到一个有时间、空间和物质世界的变换过程。

我们定义了虚实时间锥,物质粒 子和空间服从这个从无限变换成有限的变换过程,从而给出产生时空万物的创造过程。《物理世界之创造法则 》《创新物理学》之七 。见 统一的宇宙 统一的理论  http://www.pptv1.com/?p=55 宇宙的创生, 物质、空间、时间都遵从方程0。

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

从方程0,我们可以获得3维纯真空实空间(X,Y,Z),与3维虚空间(iX,iY,iZ);方程0还包含48个费米子空间,因此,给出48个基本粒子。 因此,我们就知道了基本粒子的底层结构,物质粒子其实就是旋转卷曲的空间。用一个角子A,一个空子V这样的二元系统来描述基本粒子:电子(A,A,A),电子中微子(V,V,V)等。

因为知道粒子结构,据此就可以计算粒子精细结构常数等重要物理参数了。 1)计算基本粒子精细结构常数:如Cabibbo角、 Weinberg 角、Alpha或Beta值。这些常数是粒子物理的基石。 2)可以精确描述暗 物质、暗能量、可见物质成分,并预测了暗流值; 3)描述了标准模型的粒子族结构与参数; 4)给出力的大 统一方程,统一描述电磁力、弱力、强力和引力; 5)阐述量子力学原理的由来,并从理论中推导出测不准原理; 6)可以计算宇宙学常数; 7)解释量子自旋(Quantum Spin) 的由来; 8)解释重子(BaryonGenesis ) 产生过程; 9)解释生 命的产生的物理基础,包括意识与智能; 10)统一的形式化语言体系与自然语言体系, 11)并论证数学与物理 的统一关系; 12)计算了LHC新发现的所谓希格斯粒子能量值。

以上计算基于一个一致的模型,其背后有一个合理的机制,合理的逻辑,与已知物理客观观测相一致,与已经确认的物理基础定律不相矛盾;能够理论计算这些东西,这绝对不是偶然的幸运,也不是虚假欺骗,欺世盗名,是实实在在理论计算结果。完全不是东拼西凑,安装组配,逆向工程,工程拟合的结果。

那么这些重要工作对不对呢,那就要严格检验了。一把钥匙能同时打开别人难以打开的十重门、二十重门,一百重门,那么,这把钥匙就是一把奇特的钥匙,或可以称之为万用钥匙。

这三十多年的主流物理客观观测数据,越来越接近龚学计算数据。希格斯粒子的最新数据完全与龚学理论计算一致! | 统一的宇宙 统一的理论 http://www.pptv1.com/?p=2619

西方主流物理界正在逐步走向龚学理论 | 统一的宇宙 统一的理论 http://www.pptv1.com/?p=1667

这些也是客观的检验,理论的检验。

1)科学方法的正确性问题 | 统一的宇宙 统一的理论  http://www.pptv1.com/?p=324

2)创新物理学理论必须接受最严格的检验 | 统一的宇宙 统一的理论  http://www.pptv1.com/?p=1886

3)什么是科学?科学一定要经过验证吗? 科学一定要能被验证才可以称之为科学吗? | 统一的宇宙 统一的理论  http://www.pptv1.com/?p=1707

如此重要的结果为什么没有被主流完全接受。难道是他们认为龚先生为人太高调了,太高傲了,太看不起主流物理学大家们的错误理论,毫不留情面地把大师大咖们的工作踩在脚下。

例如:他的物理学书籍和论文,寄给过霍金,都是挂号签收。半年后霍金吸收了他的虚时间概念,并借用他的有限宇宙理论。龚先生发现,告之多家机构,就要和他打官司!

26年前公开反对宇宙暴涨理论,当面与古斯辩论。最后的“宇宙暴胀理论”之战 | 统一的宇宙 统一的理论 http://www.pptv1.com/?p=1188

杨振宁早就知道龚先生的理论的,但他既不同意,也不反对。他从此就不再做标准模型及超越标准模型的工作了,转向凝聚态物理。包括这次反对建造大对撞机,我们也从多个角度参与了讨论。参见:我们关于中国的“超级对撞机工程”争论的意见 5 | 统一的宇宙 统一的理论  http://www.pptv1.com/?p=1134

邱成桐纯数学解空间已经高达10^500, 才搞清正负空间。不会相信有方程0这样的简单描述,这就成为最高学问了。否则,那还要他们干什么?

主流弦理论物理,2016年在北京开会,我去参加了。我把弦论教主,诺贝尔物理奖获得者David Gross 说服了。

这里有记录: 基础物理的黄金时代–拯救主流物理BSM | 统一的宇宙 统一的理论

http://www.pptv1.com/?p=626 正式宣布:弦理论作为物理学理论已经死亡 | 统一的宇宙 统一的理论  http://www.pptv1.com/?p=678

David Gross说,你们的理论是对的!主要是能计算出我们的客观世界的各个重要常数和参数,主流就缺这个硬功夫。并且告诉我,要建立一个体系:包含总体原则,基本理论,计算模型,客观检验,一整套体系。我说,我们正好都有。他说,那就发表出来。但主流把控这学术媒体,投稿大概不符合他们的口味,或是认为我们水平不够,我们不得而知。我们也不投他们刊物了。

现在已经看到,标准模型以后,主流基础物理没有几个是站得住脚的理论。主流一点一点地靠近龚学理论。龚先生高调宣扬主流他们已经无路可走,但终将回归到龚学的道路。

关键一步,我们已经开始从基础物理到开发智能系统,正在实施如何利用暗物质与 暗能量的应用研究。

这次我们国家鼓励原创,我和龚先生讲过了,我愿意试试。我们希望在原有的基础上,更系统化、规范化、严密化、完善化,把工作做得更细致,这正是我们这次申请基金要去做的事。

郭雷院士、葛墨林院士、孙昌璞院士都知道我们的工作,有鼓励和支持的。

我们不忘初心,不改初衷,不问结果。

希格斯粒子的最新数据完全与龚学理论计算一致!

1.希格斯粒子的机制与质量的测量

5天前CMS发布了最新权威测量数据:最新的双光子通道的结果是希格斯玻色子质量为125.78+-0.26GeV。结合了ZZ通道的希格斯玻色子质量为125.46+-0.16GeV;达3个sigmas。最初2012年的数值是125.09GeV,后来的结果:125.38+-0.14GeV。现在发布的数据前前后后的中位值与龚学的计算结果完全一致!

CMS发布的数据看如下图表:

2020Higgs

龚学计算数据及其机理,在LHC碰撞之前发布,根据龚学30年前的理论:

Gongs-Higgs

 

在LHC碰撞运行遇到困难,找不到任何新粒子的情况下,龚先生告之LHC主管有关龚学理论计算结果,2012年国际物理界重点搜寻125GeV区域,于是终于发现了所谓的上帝粒子—希格斯粒子。举世欢庆,2013年将诺贝尔物理奖发给了LHC及希格斯先生。

问题是LHC所发现这个希格斯粒子的机制,仍然与主流理论的机制不符合。至今已经8年主流理论仍然无法解释。

 

2017-4

这个粒子根本就不是希格斯机制的质量生成粒子,而是龚学理论的真空玻色子。

2. 2017年国际上开展了更精密的精细粒子结构参数的测量:

计算与实验数据比较:

s Calculation2

s Calculation

关于微观粒子结构的多个物理常数。以下常数Cabibbo角、Weinberg 角、Alpha或Beta值是粒子物理的基石。

主流DP:Cabibbo angle (Dp) = 13.04°

GM:θc (GM) =A(1)= 13.5211574853 °(可达任意位精度)

GM: A (0) = {(360/2pi) * [(pi/64 + (pi/64) ^ 2 + (pi/64)^3  + … ]  /2]}
= 1.4788425146211°(可达任意位精度)

A(1)= [360 – 24 * A(0)]/24 =13.5211574853 °以此,可达任意位精度。

主流实验 DP:Weinberg angle (Dp) = 28°to 30°,2017年确定为28.75 ° 。

龚学模型GM:θW (GM) =A(2)= (2 * [360 – A(1) – A(0)]/24)  = 28.75 °(可达任意位精度)

3. 基于微波背景观测CMB得到的暗物质、暗能量、可见物质分布计算

普朗克观测值DP:暗能量 = 69.2 % ;暗物质= 25.8 % ;可见物质= 4.82 %

龚学模型计算值GM:取暗能量DE、暗物质D、可见物质V、空间X、时间Y、物质Z,  W暗物质融人暗能量的速率。

GM模型:初始状态X,Y,Z 三分天下,每个占比为1/3,即 X=Y=Z=33.33%,X+Y+Z=1

现时状态:Z中有一部分W转化为暗能量。

可见物质V是第一代正物质8个粒子减去1个电子中微子=8-1;

暗物质成分D就是48粒子减去以上7个可见物质粒子成分=48-(8-1)=41

D/V= [(48 –(8 – 1)) (100 – W) % / (8 – 1)]=5.33, 其中W我们选取为:W=9%。我们预测了该值为暗物质转化为暗能量比例,已经由伯克利大学团队观测得出。

V= [(Z –V) x  (100 % – W) ]/5.33 =4.86 %

D=[(Z –V) x  (100 % – W)]= 25.90 %

DE=X+Y+[(Z – 4.86) x W )] =69.22 %

因此,GM理论推出暗能量DE=69.22 % 、暗物质D=25.90 % 、可见物质V=4.86 % 。以上模型精度取决于观测值W的精度,理论上可以实现任意位精度要求。

以上计算基于一个一致的模型,其背后有一个合理的机制,合理的逻辑,与已知物理客观实在不相矛盾;而不是东拼西凑,安装组配,逆向工程,工程拟合。

我们理论推导依据就是方程0,时间空间物质模型。既能描述宇宙整体结构与成分,又能描述粒子物理底层结构与参数。这是我们理论的一致的数学结构与数理逻辑基础。

如何让普通人也能看懂这个理论,我们必须选择最简单的,容易让人明白的方式讲道理。这就要看看我们讲故事的能力了。

我们绝不辜负您的期望:请听暗物质、暗能量的故事。您要是真有兴趣听,请点击下面的链接:

《揭秘物理世界中的暗物质暗能量之谜》 《创新物理学》之五 | 统一的宇宙 统一的理论 http://www.pptv1.com/?p=39

国际物理学的观测结果却越来越趋近龚学理论计算结果。

龚学预测病毒效力定律,病疫很快就会消亡

龚天任先生今天来信,带来乐观的好消息:

李博士好:

关于这次中国冠状病毒大流行,我刚刚向世卫组织(世界卫生组织)发布了一条微博,上面有龚学的病毒效力定律,保证这场大流行很快就会结束,请看图表和我的微博,https://twitter.com/Tienzen/status/12262067524896899088

定律1:

病毒效力VP=F(1/R0);

R0 病毒初始传播速率,病毒传播速率越快,病毒效力越小。

定律2:

病毒效力VP(N)=VP(N-1)-K*(1/R(N))^2;

N传播次数,R(N)病毒N次传播速率;控制和减小R(N)可加速降低疫情范围。因此,病毒传播速N次后,病毒效力越来越小,不超过10周,疫情将很快结束。

希望这能对中国有所帮助。

龚天任 于美国

原文:

Dear Dr. Li:

On this China coronavirus pandemic, I just post a tweet to WHO (World Health Organization) with Gong’s Virus Potency Laws which guarantee that this pandemic will be over very soon, see the graph and my tweet, https://twitter.com/Tienzen/status/1226206752489689088

Hope this can be of some help for China.

Yours truly,

Tienzen

wangqishan-talk1

注:龚先生又来信表明:强有力的隔离措施,及其抗击疫情的组织领导能力,使R(N)越来越小。因此,病毒传播速N次后,病毒效力越来越小,不超过10周,疫情将很快结束。关键在于控制传播速率R(N),中国现在这个现实情况,也符合我们的预测,甚至快于我们的预测。

中国工程院副院长王辰:为疫情防控提供强有力的科技支撑

注:2003年北京非典期间,王辰任北京朝阳医院院长,并担任北京市抗非典专家组组长。此时,我们与韩国合资的北京杜恩信息系统有限公司,正服务于朝阳医院,与王辰院长战斗在非典一线,我与王辰院长在一起吃盒饭。我们是全国青联的朋友。

我们引进了韩国最好的医院信息管理系统,改变了中国医院以财务收费为主线的系统落后状态,转型成以医生为病人服务为主线的系统。带领卫生部信息主管、多家大型医院领导学习韩国经验,引领中国医院信息化改革,作出了贡献!

李小坚

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转发:中国工程院副院长王辰:为疫情防控提供强有力的科技支撑

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发布时间:01-2710:28新华网官方帐号
新华社北京1月27日电,  新华社记者陈芳、董瑞丰

https://baijiahao.baidu.com/s?id=1656846848363330626&wfr=spider&for=pc

“疫情防控有两条主线,一是防控和诊治,二是科学研究。”中国工程院副院长、中国医学科学院院长王辰26日说,“针对新型冠状病毒这样一种新发病毒,急需及时科学研判疫情,有力强化科技支撑,制定有针对性的防控策略。”

记者采访了解到,面对新型冠状病毒感染的肺炎疫情,中国工程院第一时间组织院士专家成立专项工作组,由王辰院士牵头,强化疫情防控、加强诊断治疗并加大科研攻关力度,为疫情防控提供科学的对策建议,为科研攻关提供有力支撑。

王辰告诉记者,面对新型冠状病毒感染的肺炎疫情加快蔓延的形式,首先要尽快认清其传染、致病的规律,这对于疫情防控至关重要。

根据专家研判,当前疫情传播还没有阻断,病例数增加较快,传染性似有增强趋势,部分新型冠状病毒感染的肺炎具有症状较轻、体温不高、隐蔽性强等特点,造成病例识别与防控困难。

王辰说,科技部门已经启动紧急科研立项,开展病毒溯源和传播模式研究。同时,研究病毒生物学特征及其变异趋势,评估病毒传播能力和致病特性及其变化,开展相应的流行病学研究。

在识别和诊断新型冠状病毒之后,关键是研发有效的治疗药物和方法。王辰说,科研人员正在积极组织对新型有效药物的研究,有些已开始在一线试用的药物很快就将得出验证结果,其他一些最具潜力的有效药物也已做好安排,即将进行临床验证。

同时,科研人员还在评价恢复期患者血清的治疗效应,开发制备中和抗体,进行有效救治方案研究,并加紧研发疫苗。

“有了科学研究的成果,才能形成疫情防控的核心生产力。”王辰说,疫情发生后,中国工程院紧急启动应急反应机制,组织侯云德、钟南山、李兰娟、张伯礼等多位医学领域的院士专家,深入防控疫情第一线,从病毒溯源、临床救治方案、治疗药物、疫苗、中医药防治等多方面,科学研判,提炼形成防控策略、疾病诊治等多条重要建议,充分发挥专家组的咨询作用。

“下一步,还要充分利用现有研发基础,集中力量,加力攻关,强化防控诊疗技术研发和成果应用,提高疫情防控的科学性和有效性,为坚决遏制疫情蔓延势头贡献智慧与力量。”王辰说。
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相信我们国家采取的抗击新型冠状肺炎病毒战役必然取得胜利!

钟南山院士:一周或10天会出现拐点,但防护不能停

2020年01月29日 19:19:05

 凤凰网 https://tech.ifeng.com/c/7tdDNY8MUGA

昨天晚上钟南山院士在做问答时,向大家透露了一个好消息,他表示只要措施做到位,正月十五之前,很可能会出现疫情拐点,不会再大规模增加了。

不过,想要让疫情顺利减少,我们普通人的防护工作肯定不能落下。。

正好昨天天上午,国家卫建委向大家公布了《新型冠状病毒感染的肺炎诊疗方案(试行第四版) 》。

相对于以前的几版,此次的内容丰富详实了不少,有些关键的点还蛮重要的,差评君觉得有必要为大家做一下解读,这样可以让大家更好的了解这个病毒,也就能更好的保护自己,抵抗疫情。

病​毒基本情况

首先是它的潜伏期确定是比 SARS 长了,最长可长达 14 天之久。。

而且根据前两天卫健委的回答,我们知道了这个病毒在潜伏期时,携带者是几乎没有症状的,但此时病毒也具有传播性,依然可以让他人感染。

这就印证了某些携带者本身还没有发病,他的家人已经先出现了感染症状的现象。

所以这也是为什么所有去过武汉的人,为了保险都要自行隔离 14 天,不怕一万就怕万一嘛。。

病毒发作后,大部分人会出现发烧,胸闷等现象,严重的会呼吸困难。

但差友们也应注意到,并不是所有病例都会发烧,有些危重病例居然只有中低热,甚至没有明显发热,所以发热并不是携带新型冠状病毒的必要条件,有些轻症患者是从发作到好转全程都没有什么症状。

在昨天早上国家卫健委召开的新闻会上也特别提示,现在已经观察到了一些无症状病例,并且这些病患也存在一定病毒传播力。

同时,我们也不应忽略儿童和婴儿的防护。

虽然之前一直说小孩子不容易感染,但现在已经有确切的例证,即使是儿童和婴儿也会受到传染,只不过很少,并且普遍症状不严重。

现在有个好消息是,针对这个新型冠状病毒,虽然目前没有一针就好的特效药,但我们已经确定,抗艾滋病药物洛匹那韦/利托那韦是相对有效的药物,可供病情严重的人使用。

其实,对于大部分人来说,即使是真的被这个病毒感染了,被确诊后治疗方针也是通过自身免疫力来抵抗过去,像我们自身的 T 细胞、B 细胞也是很牛逼的,只有那些出现重症现象的人才必须在医院进行治疗。

当然,差评君不是说不要重视它,该防护还是要防护,因为谁也不知道下一个被传染的人到底是重症还是轻症。

目前的情报来看,这个病毒很可能比 SARS 的传播力更广,潜伏期更长,潜伏的症状更不明显。玩过瘟疫公司的人都知道,这种病毒会比一开始就张牙舞爪的病毒更难对付,一不留神就会造成巨大灾难。

而且传染的人越多,造成潜在的危害也就越大,它变异的可能性也就越高,谁也不敢赌它一定会像 SARS 一样在夏天悄无声息的消失,所以最好的应对还是尽早把它扼杀掉。

如何​防​护

那么我们应该怎么才能不让它继续传播呢?

之前大家跟多人听了钟南山院士的讲解,知道了这次新型冠状病毒主要是通过飞沫传播,所以大家都知道要戴口罩。

昨天差评君到一个很偏的公园逛,地广人稀的,让差评君欣慰的是,散落在公园三三两两的人,也都有佩戴口罩,看得出来,大家是真把这事儿放心上了。

不过值得注意的是,从这次更新版的方案透露的信息来看,这个病毒也会通过接触传播。

也就是说,我们出门接触了公共设施,譬如电梯按钮、门把手之类的,就不要再接触面部,尤其是不要揉眼睛。回家之后也应尽快洗手,摸过的手机也最好用酒精棉片进行消毒,将病毒入侵概率降到最低。

84 消毒液、医用酒精都能杀灭这个病毒,衣物也可以通过太阳暴晒来彻底清除病毒。但是像网上说的什么每天含漱口水就能防病毒,抱歉,这个真是谣言,氯己定在这个病毒面前就是个弟弟。

当然,想要彻底防范这个病毒,只能是大家自己多加注意,少聚集、戴口罩、勤洗手。和确诊或者疑似携带病毒的人接触后,及时自我隔离并上报社区,出现症状尽早去医院诊断。

如果有差友怀疑自己受到感染,又不知道自己该不该去医院,或者是想要自我隔离寻求帮助的话,现在阿里健康、平安好医生、微医等平台这几天都上线了义诊服务,对于新型肺炎相关的问题,会有职业医生做解答,自己就不要瞎鸡儿琢么了。

不要恐慌

截止到昨天晚上 9 点,全国已经确诊了 4630 例新型肺炎患者,疑似 6973 例,已经治愈 73 人,死亡 106 人。

确实,从数字上来看,每天确诊的人数都是日益增多的,这让人们会有一些担忧。但是按照钟南山院士所言,我们已经初步控制住疫情了。

结果,这两天,有些地方因为管控措施严了点,就出现哄抢物资的情况,实在太可笑了。

菜买了那么多,冰箱放得下么?大米抢了那么多袋,明年能吃完么?就问这一句,咱们国家有袁隆平,还怕吃不上大米么?听说隔壁老王日本核辐射那年抢的盐,现在还没吃完呢。。

防范归防范,哄抢物资可就太蠢了。。要知道,恐慌比病毒还要可怕,会让正常的人也失去理智。

这不,好多哄抢的听说管控放松,又排着队去退货,浪费了时间,又增加了聚集风险,何必呢?!

现在大家只要不出去乱跑,不给病毒传播的可乘之机,不出 14 天,病毒肯定就要玩儿完,到时候,烂在冰箱里的菜,只会啪啪打脸。

记住,少聚集,戴口罩,勤洗手,做好这些就是在做抵抗疫情的最大贡献。

曹天予:丘-杨分歧及其语境– 对撞机的价值与利益集团的忽悠

曹天予:丘-杨分歧及其语境– 对撞机的价值与利益集团的忽悠

awinn1 2019-12-11 13:33:46

转知乎作者:星澜海

https://www.toutiao.com/i6769050679387357699/?tt_from=weixin&utm_campaign=client_share&wxshare_count=1&timestamp=1576216999&app=news_article&utm_source=weixin&utm_medium=toutiao_android&req_id=2019121314031901001404115026359B8D&group_id=6769050679387357699

曹天予:丘-杨分歧及其语境– 对撞机的价值与利益集团的忽悠

注:此文与我们的观点有相同之处。特予转发。

作者简介: 曹天予

现任波士顿大学哲学系教授。剑桥大学科学史和科学哲学博士。曾是剑桥三一学院(Trinity College) 的Research Fellow,牛津万灵学院(All Souls College) 的Visiting Fellow, 普林斯顿高等研究院(Institute for Advanced Study) 的史学所(School of Historical Study) 和自然科学所(School of Natural Science) 的Joint Mem

曹天予:丘-杨分歧及其语境-- 对撞机的价值与利益集团的忽悠

摘要:最近,数学家丘成桐和物理学家杨振宁,就中国是否应该建造高能对撞机,发表了针锋相对的意见,引起公众的兴趣。他们的分歧,牵涉到一系列与科技决策有关的重大问题,值得严肃讨论。本文将参照美国上世纪90年代初围绕超导超级对撞机(SSC)的辩论,以及作为其背景的美国高能物理及其政策环境的历史演变,就丘-杨间的核心分歧发表几点看法,以求教于两位学者和关心此事的公众。

九十年代初,我与高能物理史家Sam Schweber 一起,对当时粒子物理正在经历的变化产生了兴趣。一开始,我主要从粒子物理的理论发展来探讨其概念基础的深刻变化。而Sam则有意进一步讨论这一内生变化与外部环境变动之间的互动关系。后者主要指美国科技政策的演变,包括国际国内环境和政策主导思想的变化。

经过两年多的调查研究,包括对三十余位粒子物理领军学者的访谈,我们的看法基本成熟,即粒子物理正在经历深刻的转型。[2]1992年夏天,我们向物理学家Victor Weisskopf 提议,由他出面,在American Academy of Arts and Sciences 召开一次20余人的小型专题讨论会,就此看法展开讨论。

讨论会筹备之初,正值SSC上马下马辩论渐臻白热化。到正式开会那天(1993年11月6日),SSC败局甫定,但以Steven Weinberg为代表的支持方, 与以Leo Kadanoff 和Ken Wilson 为代表的反对方,仍然就各自立场的基本理念进行了激烈的辩论。

这一辩论的主要内容和各方立场,实际上是美国高能物理学界60年代大辩论的翻版。差别只在于30年后形势已转为对支持方大为不利。当前引起中国公众关注的丘-杨二位美籍华裔学者的分歧,可以视为同类辩论的微缩版。因此,美国60年代和90年代辩论中提出的种种说法,也许对当前国内围绕丘-杨分歧展开的讨论有点参考价值。[3]

从60年代到90年代,美国学界、公众和政府,对是否支持建造极其昂贵的高能(加速器)对撞机,有四条普遍认同的标准:科学价值、应用价值、社会价值和(资源-人才)代价。分歧主要集中在如何判断高能对撞机可能为社会提供的价值。

粒子物理兴起之初,即从二战结束到50年代末,主要任务是理解核力。由于以下几个原因,耗费巨资的高能加速器,得到政府无保留的支持。

首先,粒子物理作为核物理的延伸,有原子弹在二战中作用的背景,又在苏美对峙的冷战语境中,被认为对国家安全(应用价值)和国际威望(社会价值)至关重要。

其次,大批在战时与军方合作密切的物理学家,战后进入了政府高层咨询-决策机构,成为高能物理在政府中强有力的代理人。

最后,科技政策的主导思想,是以战时负责军事研发的Vannevar Bush为代表的对还原论的崇拜:即认为,基础科学的发展,会自动地带来技术、工业、经济的繁荣和社会福利;而粒子物理则是一切基础科学的基础,应该得到政府无条件的支持。

粒子物理的独尊地位,到60年代初就受到严重的挑战。1963年,橡树岭国家实验室主任Alvin Weinberg发表文章指出,基础科学必须对邻近学科有用或有相关性才值得支持;但高能物理对邻近学科(核物理)的贡献极为有限,远远不如分子生物学对其邻近学科(如医学)的贡献;而其对技术和福利的贡献则几乎为零。

杨振宁亲历60年代的大辩论,当然知道那时的学者、公众和政府都已明白,粒子物理不但不可能自动地带来技术、产业和经济的进步,就连原子物理、核物理所具有的在原子能、核弹方面的那些应用价值,也一点都没有。这就是为什么美国政府,从1967年起就开始削减对粒子物理的支持。

当时的一些学者,如Hans Bethe,Julian Schwinger 和Victor Weisskopf等,为粒子物理辩护时所诉诸的,主要是”物理前沿”、”对自然的基本理解”、”发现自然规律”、”提供统一的世界图像”等还原论理据。

由于历史原因,这些理据,对于长期受还原论思想浸润的粒子物理学家、政府官员和一般公众,具有不容低估的说服力。直到今天,丘成桐为对撞机游说时所依赖的,主要也还是这些还原论的理据。

但是,这些理据,由于Philip Anderson1972年在《科学》杂志上发表的一篇文章,[4]在物理学界的影响力迅速衰退。

Anderson的基本思想是:每一领域内的基础研究,是理解该领域现象的必要条件,必须支持。但不同领域间的还原,由于尺度不同和复杂性的牵扯,不可能导致(复杂领域从简单领域出发的)重构。

因此,粒子物理尽管在还原论的意义上是最基础的领域,对其它领域的研究却不可能提供什么帮助,因而不应该享有任何特权。

当时的这些辩论,并没有影响粒子物理自身的发展。其最大成就,就是从60年代到80年代逐步确立起来的标准模型。吊诡的是,这一粒子物理史上最伟大的成就,却把粒子物理带入了最深刻的危机。

首先,成功推高了期望。如果使用还原论的方法,通过引入恰当的对称性,可以得到弱电统一理论;那么进一步引入更大的对称群,理应导致更为成功的统一理论的发现。但实际上,统一弱电理论和(处理超强相互作用的)色动力学的种种努力,统归失败,更不必提统一所有自然规律的理论了(Theory of Everything)。

于是,粒子物理学家面临的形势是:在标准模型范围内,一切都对,因此已经没有什么开创性的工作可以做了; 而一旦超出标准模型,则什么都错,即除了数学玄思以外,也无从做起。期望的落空导致对(还原论)方法的怀疑。后者更因粒子物理的内部发展而强化。

我这里指的主要是对称破缺、重整化群、脱耦定理和有效场论。脱耦定理和有效场论的兴起,有力地支持了Anderson的涌现论立场:即就自然规律而言,物理世界是个由大体上相互独立的层次构成的等级结构。

如果在粒子物理领域内,高能过程对低能区的影响可以忽略不计(脱耦),那它们对其它物理领域就不可能有任何影响。仅此一条,就使上文提到的为对撞机做公关的还原论说辞失去了依托。

标准模型的主要创立者之一,Sheldon Glashow, 在我组织的《量子场论的概念基础》讨论会(1996年3月)上指出:”粒子物理已经不再研究(在自然界)发现的物质,而是研究用可观代价制造出来的物质。tau轻子或W 介子永远不可能有实际用处。K介子发现已有半个世纪了,从来没有得到任何实际应用。(这类研究)不是对可带来繁荣的经济活动的有效投入,而是象喝苏格兰威士忌或听歌剧那样的纯粹支出:享受起来很舒服,但它提取而不是增加经济资源。”[5]其次,成功还带来了幻觉,以为公众和政府还会象”黄金时代”(战后到60年代)一样,毫无保留地支持对无穷无尽物质奥秘的一切奢华探索。

而实际上,由于冷战的结束和苏联的消失,粒子物理的进一步发展对美国残留的唯一价值,即国际威望(社会价值),已经毫无意义。为此所需付出的(人才和资源上的)代价,在新的国际形势下,即西欧和东亚的经济崛起及它们在国际市场上与美国的残酷竞争,对美国说来已经成为不可承受的负担。

因此,美国的科技决策界,经过30年的犹豫(其中高能物理学界作为既得利益集团的压力不容低估),到了90年代初,特别是克林顿政府上台以后,终于痛下决心,放弃了基于还原论的对基础研究迷信的旧(Bush)模式,启动了以刺激经济、产业和生产力为主要目标的新模式。新模式的第一个牺牲品就是SSC。[6]

不过,只要注意一下美国政府对”人类基因库”、”信息高速公路”、”大脑研究创议”等项目的支持,就可以知道,新模式并没有放弃对基础研究的支持,只是支持的必要前提是,研究必须为上述主要的经济-社会目标服务。

粒子物理的麻烦是,它毫无可能满足这一必要前提。

内外交困的粒子物理,到了90年代中,其危机深重已是不争的事实。小打小闹的诺贝尔奖得主不算,就标准模型的几位主要创立者而言,贡献最大的非Murry Gell-Mann 莫属。他从80年代起就离开了粒子物理,转而推动复杂性研究。

我问过他原因。他说没什么可做了,剩下的让博士后去做吧。当然,他是大手笔、大眼界:粒子物理已经成熟,没有什么开创性的工作可做了。能做的,既没有实用价值,也不能在理论上真正推进人们对物理世界的认识,那还值得做吗?

Glashow 的相似立场前面已经提到。当然,他觉悟得比较晚,到中间玻色子发现了才死心。至于Steven Weinberg,他当然绝不放弃他那还原论的终极理论的梦想。 但他也明白,物理上真正有意义有用的的还是有效场论。

到1995年他出版The Quantum Theory of Fields一书时, 已把我和Schweber合作的专批还原论、提倡有效场论的长文[7]列入参考文献。在1996年3月的会上,他自己也大谈有效场论。[8]身处危机,搞理论的可以改行;搞实验的就意味着丢饭碗,因此需要公关(公关就免不了忽悠)。

公关的基本手法其实也简单。一是夸大科学意义,二是拼凑附带好处,三是压低估价。对于欧美富国来说,最重要的当然是科学价值。真有价值,他们并非不肯出钱。

CERN要上LHC,就极力夸大上帝粒子(Higgs 粒子)的重要性, 政府和公众一时信了,结果筹够了钱。后来,Higgs 粒子终于发现了,那又怎样?的确,它证实了Weinberg 1967年的猜想不错。

但宇宙的奥秘就此打开了吗?当然没有。

Nobel Citation 对这项发现的意义也是高估了的。其实,它对理解质量起源并无贡献:质量仍然只是经验参数,只不过改头换面,以耦合常数的面目出现而已。

2012年夏天,Erice暑期班庆祝QCD问世 40周年。Higgs也来了。当时从日内瓦传来的消息已经十分激动人心。

Higgs 对我说:”你20年前问我,什么是Higgs 粒子的本体论地位,当时我不知道如何回答。”

我问:”那现在呢?

他说:”还是不知道。”[9]

曹天予:丘-杨分歧及其语境-- 对撞机的价值与利益集团的忽悠

应邀作了题为”Key Steps Toward the Creation of QCD” 的特邀报告后,歌舞表演晚宴前,与量子色动力学的主要创立者Murry Gell-Mann 的合影。

曹天予:丘-杨分歧及其语境-- 对撞机的价值与利益集团的忽悠

 

(2012年6月曹天予教授在量子色动力学问世40年庆典上与Higgs合影。)

2013年夏,我们又在Erice相遇。那时日内瓦来的消息,Higgs粒子基本定局。Higgs本人当然很兴奋。但他也知道这个发现并没有那么重要。

那次我讲的就是Higgs粒子的本体论地位。我讲完后,有位Paolo Giubellina来找我,他是LHC的Alice Experiment的发言人,当时Higgs也在场。

我说:”你们把宝全压在上帝粒子上。现在上帝粒子已经找到,你们该散伙了吧?”

他答道:”那可不行。多少人哪!以前不夸大上帝粒子搞不到钱。现在公关得另辟蹊径了。”

我问他公关有什么新思路。

他答道:”我明天就到北京去,看中国人是否愿意出钱。

他去北京以后的故事我不清楚。但北京是欧美面临散伙的实验物理项目的首选公关目标, 却是定而不移的事实。

回过头来看丘-杨的基本分歧。就对撞机的科学价值而言,丘成桐强调它是”探索宇宙奥秘”、”大自然奥秘”、”在基础科学方面有可能出现重大原创性突破的地方,将有助于探索整个宇宙物资的基本结构是如何形成的。”

这些大而无当的空话之外,他也具体提到了”其科学目标是精确测量希格斯玻色子的性质以及探索标准模型背后更基本的物理规律”以及”寻找超对称粒子”。[10]

杨振宁则指出,希望发现超对称粒子”只是猜想加猜想“。至于”精确测量希格斯玻色子的性质”,杨没有、也不必有任何回应。道理很简单:希格斯玻色子一旦发现,精确测量其性质的意义,就和再去精确测量牛顿引力常数的意义差不多。但后者至少还有些实用价值,而前者则毫无意义,除非能导致超越标准模型(发现其”背后更基本的物理规律”)。

但数学家丘成桐并没有对”精确测量”如何能导致”超越”给出任何提示,所以说来说去还是空话。其实,要超越标准模型而又不涉及超对称粒子,数学家绝对无能为力;光靠实验专家,也完全无望;就连精通数学又熟悉实验精微的粒子理论物理学家,也还得好好花些功夫,才能有点头绪呢。头绪都没有,”精确测量”能有什么科学价值?

对建造对撞机的科学价值,杨振宁的判断可以说是一锤定音。对其应用价值、社会价值和(资源-人才)代价,他的判断也是一锤定音。

其实,他说的道理,早已是人所共知的常识。在前文提到的93年讨论会上,Ken Wilson 特地问应邀与会的Bob Solow (专攻技术对经济增长的贡献,1987年诺贝尔经济奖得主):”基础物理(主要是粒子物理)对美国经济增长有无贡献?”


回答很干脆,象杨振宁一样:没有。对于社会价值,丘成桐提到了”中国国际形象的提升”。但杨振宁看得清楚,对撞机的设计、运转与分析的主导权必定落在外国人手里。也就是说,中国只能成为花钱让外国高能实验界撞大运、保饭碗的冤大头,这种国际形象,对中国有什么社会价值?!

丘成桐还有一点意见,杨振宁没有回应, 我来作点评论。

丘成桐说:”现在在中国反对建造对撞机的科学家们,有谁是高能物理的实验专家?”如果只有实验专家有发言权,那数学家丘成桐早该打道回府去做数学了,凭什么资格花那么多钱(谁的?)在中国到处游说?

科学社会学的基本常识之一是,科学家是个重要的社会群体,但也是一个特殊的利益集团(当前深陷危机、正为存活挣扎的高能实验物理共同体,正是一个值得警惕的利益集团)这个集团的利益是否与全社会的利益一致,不能由它自己说了算,而需要社会公众来做评判。

让SSC下马的美国国会议员中,有几个是高能物理的实验专家?如果丘成桐认为民主国家的科技决策权只能留在专家手里,那他应该先到华盛顿去游说,把美国的科技决策制度先改了,然后再来教训中国政府和中国公众不迟。

从几千万离乡背井打工蚁居的农民工身上挤出来的上千亿元应该怎么花,能让几个实验专家说了算吗?

[1]丘成桐:关于中国建设高能对撞机的意见并回复媒体的问题(2016年8月29日,见http://news.kedo.gov.cn/feature/answer/848997.shtml)

杨振宁:中国今天不宜建造超大对撞机 (2016年9月4日,见科学公众号《知识分子》)。

[2] 参看S. S. Schweber 1992年6月在第三届国际粒子物理学史专题讨论会上的发言(”A Historical Perspective on the Rise of the Standard Model”, in The Rise of the Standard Model, [Cambridge U. Press, 1997], 645-684); T. Y. Cao 1993年4月在法国国家科研中心科技史研究中心的讲演(”Fundamental Physics in Transformation”, La Letter de l’Association Henri Poincaré, No. 8 (June 1993), 5-9).

[3] 这些说法的具体内容和文献出处,可在脚注2的两篇文章中找到。

[4] P. W. Anderson: “More Is Different”, Science, 177 (4047) [4 August 1972]: 393-396.

[5] 参看 Sheldon Lee Glashow: “Does quantum field theory need a foundation?” in Conceptual Foundation of Quantum Field Theory (ed. T. Y. Cao, Cambridge U. Press, 1999), 74-88.

[6] 无知者竟说这”使一代美国人失去了梦想的勇气”,简直不知所云。

[7] T. Y. Cao and S. S. Schweber: “The Conceptual Foundations and Philosophical Aspects of Renormalization Theory”, Synthese, 97:1 (1993), 33-108.

[8] See Steven Weinberg: “What is quantum field theory, and what did we think it was?” in Conceptual Foundation of Quantum Field Theory (ed. T. Y. Cao, Cambridge U. Press, 1999), 241-251.

我国学者可重整量子引力的引力波验证(连载1)

我国学者可重整量子引力的引力波验证(连载1)

时间:2019-11-28    点击:56 次    来源:湖北大学    作者:NES量子与宇宙   – 小 + 大

摘要:本文通过引力波实验结果,提出对广义相对论中引力扰动的作为力和作为几何度量的两种功能进行验证和确定的方案。同时,将其与双变量度量量子引力,进行了体制上的比较。

注:本文说明邵氏团队开创性的工作,已经取得巨大突破。采用圈量子理论将引力的量子化、重整化成功,将量子引力与宏观引力实现统一。而且,所发现的空间张量与引力扰动量相等在宏观上就是宇宙膨胀量与引力的相等。这个理论值得用实验检验验证。特此推荐。李小坚

邵丹 Longkai Wu 李小坚 邵常贵 黄保国

摘要:本文通过引力波实验结果,提出对广义相对论中引力扰动的作为力和作为几何度量的两种功能进行验证和确定的方案。同时,将其与双变量度量量子引力,进行了体制上的比较。

关键词:广义相对论度规;双变量量子引力度量;引力波验证

中图分类号:0413.3

1、概述

Ashtekar,Rovelli,Smolin等人提出的圈量子引力[1.2],做出了空间时间的量子化,是目前最为系统的一种空时量子化理论,双变量度量量子引力[3.4],利用圈量子引力的基本思想[3],采取空时和引力分离表述的方法,发展出了一中引力相互作用可重整的量子引力[4]。即引力相互作用过程中出现的两种发散,全部可以被消去(目前国际上只求得其中一种,且无法消去。见[2])。

广义相对论的四种验证均验证的是,其中含有的引力扰动hμv(x)的作为力(或能量)的测地线行为。而对它是否有对空时自身几何的影响能力,目前尚无确切验证。同时,广义相对论已被认为,是不能重整化的。这样一样,在广义相对论与双变量度量量子引力之间,将存在观念上和方法上的不同。而这些不同能得到验证,将在引力理论发展上具有重要意义

本文提出,利用对引力波观测结果的客观分析,将会在体制上别广义相对论、双变量度量量子引力、引力波有关实验,三者间的可能关系,以至各自的优劣甚至对错。

2、广义相对论与双变量度量量子引力的度量

广义相对论的度规gμv (x)表式为:

gμv (x) =ημv(x)+ hμv(x) (1)

式中,ημv为平坦闵柯夫斯基空时度规,hμv(x)为引力扰动。双变量度量量子引力的组合度量gμv (x),在与表观理论广义相对论比较下,可写为:

gμv (x) =ημv+ ηEμv(x)+ hμv(x) (2)

式中,ηEμv(x)为这一量子引力在微观空时和引力量子化的规范机制中,由于引力圈线占有空间“体积”,而析合出的度量组份,用于消去引力相互作用中的发散[4]。且有当量等式:

ηEμv(x)= hμv(x) (3)

这里指出,(2)与(1)相比较,多出的ηEμv(x)的来源是自然存在的。这是当考虑微观空时与引力形成外部规范体系时,引力扰动圈线hμv(x)通过质地ημv的行为,有如绣线穿过织物质地一样,要占有相同(即(3)成立)的体积一样。

但这一图景的意义,却使广义相对论成为了真正意义上的外部引力扰动规范理论。它打破了广义相对论不能区别绣线和质地体制上的局限,而只能将二者混为一体的做法。即在(2)中使二者分离,且均作为基本变量而出现,而且二者相等。

这里指出,(2)中出现的ηEμv(x)除了可使引力重整化外,也对空时自身几何与引力扰动间的关系,提供验证机会。并且用引力波的实验就可以验证。这显然是引力与空时理论上的一个有重要意义的切入点。

这里指出,广义相对论只是一种宏观唯象理论,当向微观尺度深入发展时,它的经典体制将不再适应。双变量量子引力中的ηEμv(x),是该理论在微观存在、并用以消去发散的空时扰动。它的存在,使双变量理论的微观实现了引力的重整化。而当重整化完成后,ηEμv(x)的功能已经完成,它在宏观广义相对论的体系中并不存在。即广义相对论只是作为双变量理论完成了重整化之后的结果,而出现。ηEμv(x)的存在,不仅使引力得到了重整化,也将这一理论引向微观。同时,也指明了广义相对论的宏观唯象地位。

而(3)式的成立,是由于圈量子引力的圈线法,把引力圈线与空时圈线分离表述的自然结果。即引力圈线(hμv(x))通过空时时,将占有体积折合成的度量份额(ηEμv(x))所致。

3、广义相对论与双变量度量量子引力的引力波验证

双变量度量量子引力认为,引力与空时是物理学两种完全不同的概念,不能相互混同或融合(只能等效、但不等同)。而目前广义相对论验证的只是hμv(x)与力有关的属性。hμv(x)在求解时来源于爱因斯坦方程,得到的具体解(即hμv(x)的具体表式),也是将hμv(x)的组份作为引力势的由力到引力场的提升。物理学目前尚未有发现涉及到hμv(x)可以具有力也可以具有改变空时自身几何的双重作用(这是需要实验确认的)。而这也正是双变量度量量子引力与广义相对论的区别所在。即,前者认为hμv(x)只具有力的属性,它自身不能改变空时自身的度量。空时自身度量的改变是通过ηEμv(x)实施的。虽然一定条件下,得到的表观结果看似一样,但物理机制和观念是根本不同的(这也是广义相对论被看成表观理论的原因)。而这种验证是一直无法进行的,当前的引力波实验,正式接触到了这一问题。

另外,双变量度量量子引力,还得到如下广义相对论不曾有的结果:ηEμv(x)可以对空时度量有影响,但也可以无有影响。这最终要由物理实验证明,而最好的验证也是引力波实验观测。即,引力波实验对两种可能情况,起着至关重大的抉择作用。

4、引力波观测实验的抉择

ηEμv(x)对空时几何自身(即度量组份)有否影响的抉择结果如下:

若在排除干涉条件下满载通过的引力波长度上的测量,得到的长度改变与波测长度无关;则说明ηEμv(x)(仍至hμv(x) )并不影响空时自身的度量。若测得的结果与被测长度成正相关;则说明ηEμv(x)将影响空时自身的度量。前者表明,广义相对论体制上存在根本问题(如弯曲空时的存在问题),它实际上只是一种引力的理论。后者表明,是ηEμv(x)的作用支持了引力的重整化。

如上两种状况是引力波测量(可整理出)的必然结果,可作为双变量理论与广义相对论观念与方法上的一种检测。

但若测不到二种方法中的一种,这也有重要作用。即这表明,或测量手段存在问题,或这种引力波实验测量的根本就不是引力波

5、结论

由于广义相对论的四大验证,并未有真正涉及到引力扰动对空时几何本身的深层作用[5]。它对物质粒子在空时中的测地线运动,仍可认为是其中引力作用造成的结果,并非是空时自身的弯曲[6]。这两种观点在广义相对论研究中,一直存在。本文指出,对引力波观测结果的如上分析,可以得到判定性的有抉择作用的结果。这将对确认广义相对论的体制和区隔广义相对论并深入发展引力理论,有重要意义。

即,对地域上和天区上的引力波实验,将只能存在这三种结果。而最后一种结果,将是对引力波实验真实与否的一种客观判据。也将成为物理学的关注对象。

西方超引力获突破奖 与 中国圈量子引力创新

李小坚      推荐评注:

西方的超引力理论,不如东方新圈量子引力理论。国内邵常贵教授团队的圈量子引力理论工作,已经超越他们。而此重要工作没有人关注,没有引起足够的重视。

国内邵常贵先生的《量子引力—-空时与引力的新体制》、《空间时间的量子理论》,深入研究和发展了LQG,已经完成了空间量子化,时间的量子化,引力的量子化,重整化的结果消除了引力发散性。并且,有希望对四种力的统一,有望发展成为一个完整的统一理论。

————————————————————————–

今天看到,中国物理学会期刊网 发文:

昨夜,三位超引力理论提出者获300万美元基础物理学特别突破奖

https://mp.weixin.qq.com/s/lFk4qDMT2NG3E9R-xGc55A

编译 | 七夕夜的三叶草

校对 | 于槐、高木槐

当地时间2019年8月6日,基础物理学突破奖评选委员会(The Selection Committee of the Breakthrough Prize in Fundamental Physics)宣布,奖金高达300万美元的2020年基础物理学特别突破奖授予超引力的提出者,物理学家Sergio Ferrara(CERN)、Daniel Z. Freedman(MIT和斯坦福大学)和Peter van Nieuwenhuizen(纽约州立大学石溪分校)。这三位科学家因提出了超引力理论而获此殊荣。在超引力理论中,描写基本粒子量子变量成为描述时空几何的一部分。

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Peter van Nieuwenhuizen、Sergio Ferrara和Daniel Z. Freedman | 图片来源:CERN
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此前该奖获得者包括首次发现射电脉冲星的约瑟琳·贝尔·伯奈尔(Jocelyn Bell Burnell)、斯蒂芬·霍金、在发现希格斯玻色子的实验中发挥主导作用的欧洲核子研究中心(CERN)的七名科学家,以及探测引力波的LIGO合作团队。

评选委员会主席爱德华·威滕(Edward Witten)说:“超引力的发现是在描述时空动力学时引入量子变量的开始。引人注目的是,爱因斯坦方程可以被推广成为所谓的超引力理论。”

突破奖的设立者之一Yuri Milner说:“当我们想到人类想象力的伟大作品时,我们通常指的是艺术、音乐和文学。但一些最为深刻而美丽的作品是科学家创造的。过去几十年来,超引力一直激励着物理学家,这个理论中可能蕴含着关于现实本质的深刻真理。”

01
超引力

Ferrara、Freedman和Van Nieuwenhuizen是超引力的构建者。超引力是1976年提出的一个极为有影响力的理论,它成功地将引力整合到一种特定的量子场论当中。量子场论是用符合量子力学定律的场来描述自然界中基本粒子和相互作用的理论。

上世纪60年代和70年代初建立的标准模型是一种量子场论,至今仍是物理学中得到最精确验证的理论,其成果包括预言希格斯玻色子的存在。然而,一个很明显的事实是,标准模型并不完备。特别是它只描述了自然界的三种作用力:它没有考虑引力,而引力属于爱因斯坦广义相对论的领域。此外还有许多谜题无法解答,比如一些粒子的质量比预期值低许多个数量级,也没有任何粒子可以解释暗物质这种遍布整个宇宙的不可见物质。

然后到了1973年,物理学家发展了“超对称性”原理,它扩展了标准模型以包括新的粒子家族。超对称性理论假设,每一个已知的粒子都有一个看不见的“伙伴”:费米子(构成物质的基本粒子,比如电子和夸克)有玻色子(携带作用力的粒子)作为伙伴;而玻色子(比如光子)则有对应的费米子作为伙伴。

虽然这些“超玻色子(super-boson)”和“超费米子(super-fermion)”是否存在还有待实验证实,但超对称性因其强大的解释能力而引人注目。它将费米子和玻色子的特征联系起来,作为一种潜在对称性的表现形式——就像不同的形状可能是同一个物体在镜子中的不同的反射一样。它还为标准模型中一些令人困惑的谜题提供了解决方案,其中包括解释粒子微小质量的机制,以及暗物质的自然候选者——暗物质就像是假设中的“超玻色子”一样,质量大但不可见。

但是要想用超对称性来描述我们周围所确实看到的现象,比如苹果落地,那就必须将超对称性扩展到包括引力。这正是 Ferrara、Freedman 和Van Nieuwenhuizen 曾下定决心要实现的目标。他们三人的合作开始于Ferrara和Freedman 1975年在巴黎高等师范学校的多次讨论,接着是与Van Nieuwenhuizen的合作,最终通过当时最先进的计算机上一系列冗长繁复的计算而完成:他们成功地构建了一个包括“引力微子(gravitino)”的超对称理论,引力微子是引力子(携带引力的玻色子)的超对称伙伴粒子,它是一种规范费米子。

超引力理论不是广义相对论的替代理论,而是广义相对论的超对称版本:这个理论中使用的代数包含了表示部分时空几何的变量——在爱因斯坦的理论中构成引力的几何。

02
影响深远的超引力理论

自从超引力理论提出四十年来,它一直对理论物理学产生着巨大的影响。超引力理论表明,超对称性能够解释我们在现实世界中所看到的所有现象,包括引力。它代表着我们目前对粒子物理学理解的完成,对“自然界的什么理论同时与量子力学和狭义相对论这两个基本原理相容?”这一问题给出了一个严格缜密的数学解答。它还为建立一个从基本层面上描述时空的完整的量子引力理论提供了基础——人们现在依然为之奋斗。

1981年,威滕证明,这个理论可以用来为广义相对论中一个极其复杂的定理给出一个相当简单的证明。在那之后不久,超引力被整合到弦理论中——当描述低能量的相互作用时,弦理论实际上等价于超引力。这是1984年麦克尔·格林(Michael Green)和约翰·施瓦茨(John Schwarz)的证明的一个极为关键的组成部分,他们的证明使得超弦理论得以建立在稳固坚实的数学基础上。超引力在库姆伦·瓦法(Cumrun Vafa)和安德鲁·斯特罗明格(Andrew Strominger)关于量子黑洞的研究,以及后来在胡安·马尔达西纳(Juan Maldacena)等人的“全息”引力理论的发展中也发挥了重要作用。

03
超引力何时能被实验验证?

超对称和超引力的概念非常令人信服,物理学家至今仍在苦苦寻找实验证据来证实他们的预测。Van Nieuwenhuizen表示:“超引力中最关键的问题就是超对称粒子的发现,而这只有实验物理学家才能解决。“

科学家希望,大型强子对撞机(LHC)的实验中会出现这些粒子的证据。不过到目前为止,证据还没有出现。如今,物理学家正在扩大他们的研究范围,寻找新粒子的非传统特征,包括超对称性和超引力预测的那些特征。他们也在精确地测量那些已知的过程,观察是否存在与标准模型的预测不一致的地方。

Van Nieuwenhuizen说:“让我们希望大自然会意识到我们的努力。通过解决那些长期存在的问题,这个美丽的数学模型已经为物理学做出了贡献,而它在数学上的贡献甚至更大。我希望它不仅仅是数学和物理中的工具,而是一种物理现实。”

Freedman说,超引力的概念源于对携带力的粒子的认识,这些粒子与强、弱和电磁力有关,我们已经在自然界探测到了它们。“在我看来,大自然很有可能也知道超引力。”

按照计划,在本世纪20年代中期,大型强子对撞机将进行升级,这将为物理学家提供更多数据,以便继续寻找可能存在的任何新粒子。

Ferrara认为,超引力被实验验证只是时间问题而已。“在预测存在希格斯玻色子之后,我们花了将近60年的时间才发现它。对于超引力,我们也需要差不多同样长的时间。”

Peter van Nieuwenhuizen在得知自己获奖后接受了采访,下面是来自纽约州立大学石溪分校官网刊发的对话。
Q:你是怎么得知自己获奖的?A:我刚从荷兰回来。当时我正坐在餐桌边付账单,电脑上弹出来一条消息,是爱德华·威滕(Edward Witten)发给我的。他是个著名的物理学家,是突破奖甄选委员会主席。他发消息问我什么时候方便接电话,电话号码是多少。我回复他说“现在就行”,把我的号码给了他。然后我就接着付账去了,但是并没有电话打进来。大概20分钟以后,我看了一下电脑,发现Edward又给我发了一条消息。他说:“我刚打给你,结果是马萨诸塞州一个叫Johnny Johnson的家伙接的。”晕,我给错了区号!我又给他正确的号码,跟他说“可能是因为我还在倒时差”。这下我马上接到了他的电话。我当时很担心他会问我很难的超引力方面的问题。他很聪明的。我有点儿紧张,因为我可能回答不出来。结果,我拿起电话,他对我说:“我是Edward Witten。祝贺你获得了2020年基础物理学特别突破奖。”对我来说这绝对是个惊喜。这么多年来,我们一直渴望得奖,结果每次得奖的都是别人。当然,我们从来没有怀疑过,他们都是极其优秀的物理学家。只是这么多年下来,我早就不做指望了。所以Edward告诉我获奖的时候,我真的是说不出话来。我跟他说:“呃,我不知道该说什么,我早就放弃希望了。”他说:“不必多言。请不要告知任何人。”就是这样。这是我人生中最短、含金量最高的电话。Q:关于超引力的发现,我们是不是还在等待“重大发现,确凿证据”?A:证据就在那儿。理论已经有了,数学上一切都很清晰。这个奖是为了表彰我们做过的理论工作。但还不清楚这是不是真实描述自然的理论。只有找到超对称粒子,我们的理论才能成为物理现实。我每次写文章,结尾都要写“希望大自然意识到我们的努力。”Q:你认为,我们今天的技术和资源是不是能够找到超对称粒子了?A:到目前为止,在芝加哥附近的费米实验室、在日内瓦附近的欧洲核子研究中心,都没有发现超对称粒子。据说中国要建新的加速器,我们拭目以待。

Q:你是怎么会和Freedman、Ferrara一起研究起超引力概念的?

A:当时Freedman在这儿(纽约州立大学石溪分校)教书,Ferrara在CERN。有次,Freedman在去巴黎的路上碰到了Ferrara,两人讨论了超引力的概念。Freedman回来后就把我叫上一块儿研究,就在现在这间办公室。我们全程通过打电话、写信联系Ferrara。

Q:给我们讲讲整个研究过程吧。有没有“啊哈!”那样的豁然开朗的时刻?

A:有的。我们完成了非常非常复杂的计算。真的很复杂,我们算了好几个月,觉得肯定搞不定。但我的导师,诺奖得主Veltman,他教我学会了用计算机,所以我决定用Brookhaven附近的CDC电子计算机来解决问题。我们在电话中来回讨论结果。因为担心花销太多,我们写程序的时候尽量精简,最后用了30到40美元,今天看来,比起这个项目,这点钱算啥。

有天很晚了,我坐在办公室的计算机旁,那时候我们已经走到最后一步了:一切都检查过了,所有东西都不能再调整或修改了。有2000个系数都必须为零——它们都是整数,要么是0,要么是1或者2,反正不能有0.1、0.2之类的小数。所以计算机程序就不必使用高精度。如果这些参数里面任意一个不为0,理论就失败了,我们就将前功尽弃。

第一批数据出来了,然后是第二批、第三批,依次往后。我们已经知道第一批数据中的系数都是零,因为在之前的运算中,它们都可以归零。关键在于是不是所有其他系数也都能归零。一批批的数据不断从Brookhaven出来——1600、1700,还是零——1800、1900,终于到第2000个,所有的系数都为零!就在那个时刻,我知道理论成立了。

我很累。我半夜给Freedman打电话,他当时在芝加哥开会,在旅馆休息。我说:“Dan,都搞定了。”他说:“好极了。”然后打了个哈欠又睡过去了。

大家都问我是不是兴高采烈,欢欣鼓舞,但说实话,忙了好几个月,我只感到十分疲惫。所以我回家睡觉了。直到好几天后,我才意识到这是个重大发现。

Q:学校里庆祝了吗?

A:一开始是没奖励的,我们只需要写学术论文。我们在The Physical Review发了文章,论述了我们的发现。后来我们还给这篇论文加了个附录,说明计算机计算表明表明我们的理论是成立的。

至于我个人,我被升任为首席教授(Leading Professor),后来又成为杰出教授(Distinguished Professor)。有些机构邀请我去工作,但我决定留在这里——我觉得这是一个明智的决定。

Q:你从1975年起就待在纽约州立大学石溪分校了,刚才你还说留在这里是个明智的决定,为什么呢?

A:最主要的原因是,我喜欢在这儿教高级研究生课程,学生对这些课特别着迷,他们一直激励着我。能有这样追随你的听众,别无所求。

Peter van Nieuwenhuizen 在黑板前

Q:你同时也隶属于杨振宁理论物理研究所?

A:对。1975年杨振宁把我招进去的。他是我的研究所主任。他总是非常非常支持我,这也是我喜欢呆在这儿的另一个原因。

当时我在波士顿,犹豫不决,因为有人告诉我纽约是个很危险的地方。我第一次来这儿的时候,走在老物理楼旁边,看到一个年轻人狂奔,一个年龄大点的男的扑上去死死按住他。我看到那一幕,吓坏了。后来才知道,那个年轻人是个学生,他冒充另一个学生,犯了诈骗罪;年龄大点的男人是个教授,要抓住那个学生。

不管怎么说,我跑回波士顿。但是杨振宁给我打电话,说我应该回石溪去。我就去做了个学术报告,一开始报告很顺利,大家都在听,但后来忽然所有人都离开我,跑去房间的另一头,有个人从Brookhaven进来,拿着一张纸,上面有一个巨大的、意想不到的测量峰值。后来知道是粲夸克。我决定接受杨振宁的邀请,在这里做助理教授。

Q:你打算怎么使用这笔奖金?

A:这笔钱数额惊人,我还没想过,因为我压根儿没想到我们会得奖。好在我不用立刻想出答案。

后记
超引力理论是数学物理的一个重大发现。它认为时空带有一种费米性,并因此引入了一种反对易数。在超引力理论中,时空是有由对易的实数和新的反对易数来描写的。用这一新观念所建立的超引力理论,是一种非常特殊的量子场论,其带有超对称。这一类量子场论有许多非常奇妙的性质,它吸引了很多人在这一方向做研究,也取得了很多进展。但我们所生活的时空是否真有这种费米性,超引力理论是否真的能描写我们的世界,还有待于实验验证。目前的高能加速器实验没有找到任何超对称的迹象。
《返朴》的一些文章(如“拓扑序:看世界的一种新视角 | 众妙之门”)介绍了对时空的另一种不同的看法。我们认为,时空是由许许多多具有量子特性的量子比特来描写的,而不是由对易的实数和新的反对易数来描写的。当构成时空的量子比特海具有一种由弦网来描写的量子纠缠时,弦的端点可以是费米子(其对应于电子夸克等费米子),而弦的密度波是描写各种相互作用的规范场(其对应于光子胶子等传播力的粒子)。这也是一种量子时空,而且是一种同时带有费米性和规范性的量子时空。但这种量子时空没有超对称,也不被超引力理论来描写。
——文小刚
参考资料
https://breakthroughprize.org/News/53
https://news.stonybrook.edu/facultystaff/qa-with-breakthrough-prize-winner-peter-van-nieuwenhuizen/?from=timeline&isappinstalled=0
https://www.symmetrymagazine.org/article/breakthrough-prize-awarded-to-architects-of-supergravity

 

李小坚评注:

西方的超引力理论,不如东方新圈量子引力理论。国内邵常贵教授团队的圈量子引力理论工作,已经超越他们。而此重要工作没有人关注,没有引起足够的重视。

国内邵常贵先生的《量子引力—-空时与引力的新体制》、《空间时间的量子理论》,深入研究和发展了LQG,已经完成了空间量子化,时间的量子化,引力的量子化,重整化的结果消除了引力发散性。并且,有希望对四种力的统一,有望发展成为一个完整的统一理论。

据一位朋友告诉我们,正确的科学研究道路很重要;他参加的2009年8月上旬北师大圈引力(loop)会议,感到加拿大圆周物理研究所的学者,用扭量理论构造微观粒子拓扑形态的假说模型,与我们的三旋密码的论证类似,然而出发点与结论却不相同。他请教过国内圈引力学者,认为上述扭量模型的探索可取,但未必能得到可计算的有效结论,特别是能否进行费曼路径积分是个没有解决的大难题。关于loop理论,有人说到现在20年的发展,科学界已经造就了几个中心:一个是加拿大的圆周研究所(PI),PI的核心人物是lee smolin(李.斯莫林),他写了一本科普书《通往量子引力的三条路途》;另外的一个是法国的Rovelli组;一 个是美国的ashtekar组。

在中国对圈量子引力理论,做出突出贡献的有北京师范大学马永革;江汉大学邵丹等分别领导的小组,及湖北大学邵常贵教授,武汉科技大学的邵亮教授,他们在做圈量子引力。他们所取得的成果为国内之翘楚,深受国际学术界瞩目。
邵老师团队基于圈量子理论的突破,是量子理论与广义相对论的融合的典范,是统一理论成功案例!

我们中国人一起共同发展,完全可以实现一个由中国人提出的代表中国文化的创新统一理论!

参考:

1.空间时间的量子理论_百度百科  https://baike.baidu.com/item/%E7%A9%BA%E9%97%B4%E6%97%B6%E9%97%B4%E7%9A%84%E9%87%8F%E5%AD%90%E7%90%86%E8%AE%BA/8159033?fr=aladdin

2.《空间时间的量子理论》(邵亮,邵丹,邵常贵)【摘要 书评 试读】- 京东图书 https://item.jd.com/10844783.html?dist=jd

3. 量子引力世界开放论坛(使用文字:中,英,日) 2018-10-20    http://bbs.sciencenet.cn/home.php?mod=space&uid=3400625

4.如下工作,邵常贵团队的重要贡献:

附录I:本书重要结果与符号使用索引(书目) 

序号 结果摘录 参考书目
1 空时SO(3.1)规范场、SO(3.1)局部活动标架下联络的表述、引力规范理论 [1][5][*]
2 对广义相对论中数学、物理及验证的点评,外源度量扰动功能剖析 [1][*]
3 引力的离散分布 [2]
4 理论解析结构(含原则与计算)对大爆炸和黑洞的否定 [2][3][4][5][6] [*]
5 空时与引力双变量度量(绝对度量、组合度量)的定义、及分离表述 [2][3][4][5] [*]
6 空间体积量子、面积量子的定义与计算及体积算符间的变换 [2][5]
7 限制曲率无穷大机制 [2][5][6] [*]
8 引力相互作用的量子化 [2][5] [*]
9 双变量度量量子引力(M -理论) [2][5] [*]
10 宇宙来自空时的多种可能膨胀 [3][4][5] [*]
11 广义相对论体制上可表述为“平坦空时+引力扰动” [3][4][5] [*]
12 早于霍金对黑洞视界和黑洞奇点存在作出正式否定(即作者给出对黑洞的首次否定),存在隐星、隐物质,黑洞不存在原理 [3][4][5] [6] [*]
13 红移计算的空时度量修正例 [4]
14 马赫原理的物质与空时二源重原初关系的对称运动解释 [4][5]
15 双变量度量量子引力尺度物理(从微观零尺度至面向无穷大尺度) [4][5] [6][*]
16 空时方程、空间时间张量 [4][5] [*]
17 广义相对论是引力微分同胚规范场、宇宙第一类空时外部规范场、广义相对论外部规范性质剖析 [4][5] [*]
18 空时与引力二元统一世界、双重度量的二元连续统M、宇宙统一规范场论 [4][5] [*]
19 空时度量组分及作用 [4][5] [*]
20 狭义与广义相对论在宇宙中的地位 [4][5] [*]
21 量子动态组合宇宙(大观宇宙) [4][5] [*]
22 闵柯夫斯基空时尺度物理不变性、S-节律 [4][5] [*]
23 双变量度量量子引力的无假设宗旨 [4][5] [*]
24 鸿汤能量 [4] [*]
25 双变量度量量子引力的引力相互作用重整化与背景无关性 [5]
26 双变量度量量子引力的纤维丛表述 [5]
27 空时与引力分离条件下引力圈线表达的引力散射传播子 [5]
28 空时在引力量子化中的作用 [5]
29 双变量度量量子引力作用量及其形成过程 [5]
30 引力喷流、空时度量反弹 [5] [*]
31 引力相互作用的重整化、规范不变与非规范不变两类发散的消除、G(S)-量子化 [5] [*]
32 空时外部规范场规则 [5] [*]
33 宇宙空时的体制、空时的形态 [5] [*]
34 历史上引力规范场量子化探索点评 [5] [*]
35 三源重理论(3S-理论) [5] [*]
36 基本力(五种)的反弹生成规则(自然力是自然界整体对称性遭到破坏的反弹) [5] [*]
37 引力相互作用重整化(非一次切中)猜想、空时质地与引力刺绣的平衡 [5] [*]
38 广义相对论的两条基本原理是在不明外部规范场存在的条件下,对它是空时外部规范理论的表述 [5] [*]
39 后爱因斯坦时代物理学三个基本问题的回答 [5] [*]
40 圈量子引力中的圈线法(引力与空时圈线分离) [5] [*]
41 空时SO(3.1)规范场动能通过截面B ijμ输送度量组份ηEμv(x)消去引力相互作用发散 [5] [*]
42 空时与引力连续统双重度量多方位根脉统一理论  [5] [*]
43 宇宙第二类空时外部规范场、第五种作用、重整化空时度量扰动δημv(x) [5] [*]
44 引力扰动的力的属性与对空时度量的决定属性的分离考查 [*]
45 空时与引力的双轨宇宙探索 [*]
46 空时与物理规律的根脉统一 [*]
47 四种相互作用的规范统一、五种基本(规范反弹)力  [*]
48 弯曲时空量子场论不存在、引力与其它三种力具有共同的规范场地位 [*]
49 牛顿三定律是空时外部离散规范作用、等效原理是广义相对论与牛顿力学的深度链接  [*]
50 空时的SO(3.1)规范体制  [*]
51 引力扰动不同于引力波  [*]
52 引力波评述、避免引力波实验的盲目性、空时涟漪的不确定性  [*]
53 双变量度量量子引力的引力波验证  [*]
54 重整化猜想——对称性定域化需付出代价  [*]
55 爱因斯坦默认、引力的物理属性不变原理  [*]
56 等效原理的(对空时质地的规范反弹)解释、裸露局部平坦空时质地且其上三源重形成原初平衡、大观宇宙的运动观  [*]
57 宇宙的规范与根脉统一至简图景、宇宙大观统一  [*]
58 暗物质与暗能量的另类(如另外宇宙叶)解释、宇宙区域准形成状态、摆脱四种相互作用、引力空洞、空时另类物理作用原理  [*]
59 空时度量规范叠加原理、宇宙的叶、宇宙隐藏的(非四种相互作用)叶  [*]
60 宇宙微观尺度物理模型——引力陷阱、黑洞是理论上的一种虚构  [*]
61 外部量子态存在原理、态与度量平行存在原理、空时与态的相容原理  [*]
62 引力度量组份剖析及其真实性考查  [*]
63 空时特征与物质运动形态的适切定理、态与惯性是两种宇宙基因  [*]
64 数学概念无物理执行力定理  [*]
65 数学概念的物理接纳定理  [*]
66 宇宙事物第四组合规则  [*]
67 量子动态组合宇宙的辩证唯物和客观实在性  [*]
68 空时度规与引力扰动非同质(二者等效非等同)原理  [*]
69 空间组合秩序独立性原理  [*]
70 宇宙基本源重相容纳但不相融合原理  [*]
     
     

 

 

今天文小刚先生报告:物理学的新革命

文小刚:物理学的新革命——凝聚态物理中的近代数学 |

文小刚:物理学的新革命——凝聚态物理中的近代数学 | 众妙之门

2019-07-23  坚石rnomz…  转自 lindan9997  

撰文 | 文小刚(麻省理工学院终身教授、格林讲席教授)

经历了数千年发展,数学这门古老的学科在近一百多年开拓出了众多分支,并产生了多个应用学科。而一般人所学的往往是200多年前的数学。面对近代数学,若非精通数理者,恍如坠入“数学的深渊”。今天的二条文章用一张生动有趣的长图,将深奥的数学深渊化作一部星汉灿烂的数学史。

事实上,数学的发展常常得益于物理学提出的问题,而物理学的每一次重大革命,则往往伴随着新数学的引入。《返朴》总编文小刚特为此撰文,回顾历史上几次物理学革命,从数学的眼光看待物理学,并阐述凝聚态物理中的近代数学。在他看来,范畴学、代数拓扑等近代数学理论在物理学中的应用意味着,物理学正在进行一场新的革命。

今天的二条文章介绍了1900年前的数学发展史。过去100年来,数学有了很大的发展,除了像微分方程和微分几何这些与经典物理本身有深刻关系的数学以外,还发展出了代数拓扑、代数几何、代数数论、范畴学、几何表示论等极度抽象的数学。之前《返朴》介绍数学的文章《如何理解数学?从纠正对数学的偏见开始——得数学者得天下》强调,近代数学不是一个仅仅关于“数”的学问。以范畴学为代表的近代数学,更是一门关于关系和结构的抽象学问。有趣的是,近年来,这些看似和现实毫无关系的数学理论,特别是代数拓扑、代数几何和范畴学已经开始和现代物理深度碰撞

1 物理学革命与数学的引入

历史上物理和数学有着十分深刻的联系。物理的目的之一是了解新的自然现象。而一个新的自然现象之所以新的标志,就是我们连描写它的名字及数学符号都没有。这就是为什么当物理学家有一个真正的新发现时,他/她什么都说不出来,什么都写不出来,也无法进行计算推导。这时候就需要引入新的数学语言来描写新的自然现象。这就是数学和物理之间的深刻联系。正因为如此,每一次物理学的重大革命,其标志都是有新的数学被引入到物理学中来

第一次物理革命是力学革命,需要研究的物理现象是天体的的运动。牛顿不仅要发明他的万有引力理论,而且还要发明微积分这一套新的数学来描写他的理论。第二次物理革命是电磁革命。麦克斯韦发现了一种新的物质形态——场形态物质。这就是电磁波,也是光波。后来人们发现,这种场形态物质需要用数学的纤维丛理论来描写。第三次物理革命是广义相对论。爱因斯坦发现了第二种场形态物质——引力波。他需要引入数学中的黎曼几何来描写这种新物质。第四次物理革命是量子革命。这次革命揭示出,我们世界中的真实存在,既不是粒子也不是波,但既是粒子又是波。这种莫名其妙却又真实的存在,可以用量子力学来解释,而量子力学则是建立在数学中的线性代数理论之上。

500

牛顿、麦克斯韦、黎曼、爱因斯坦

我们现在正在经历一场新的物理革命——第二次量子革命。这次革命的主角是量子信息和它们的量子纠缠。这次我们所遇到的新现象,就是很多很多量子比特的纠缠。这种多体量子纠缠的内部结构,正是我们既说不出来,又没有名字的新现象。我们现在正在发展一套新的数学理论(某种形式的范畴学),来试图描写这种新现象。

这次正在进行中的物理学新革命是非常深刻的。因为这次革命试图用纠缠的量子信息来统一所有的物质、所有的基本粒子、所有的相互作用,甚至时空本身。而凝聚态物理中的拓扑序、拓扑物态,以及量子计算中的拓扑量子计算,都是多体量子纠缠的应用。正是通过这些物理研究,我们发现了多体量子纠缠的重要性,并引入了长程量子纠缠这一相关概念。

2 用数学的眼光看物理学

我们刚才用物理的眼光,概括了数学和物理的关系。自牛顿以来,我们都是用分析的眼光看世界,用连续流形、连续场来描写物理现象。特别是爱因斯坦的广义相对论,它是如此的漂亮自然,大家都认为它抓住了宇宙的本质。之后,以几何的眼光看世界成为物理的主流。在这个思路下,物理学家发展了规范场论、量子场论,以及描写所有基本粒子的标准模型。

但完美主流的几何的眼光,并不一定是认识世界的正确方法。从量子革命以来,我们越来越意识到,我们的世界不是连续的,而是离散的。我们应该用代数的眼光看世界。连续的分析,仅仅是离散的代数的一个幻象。就像连续的流体,是许许多多一个个分子集体运动的幻象。这种以代数的眼光看世界的新思想,将颠覆很多目前的主流物理理论,带来物理的第二次量子革命(见《光的奥秘和空间的本源|众妙之门》)。某种意义上,建立在几何思路之上的广义相对论、规范场论、量子场论太漂亮太完美了,让我们误以为它抓住了宇宙的本质,误导了我们一百多年。

有趣的是,这100多年来,近代数学发展的一条脉络也正是从连续到离散、从分析到代数的脉络,也提出了离散的代数是比连续的分析更本质的观点。60年代由Grothendieck学派发展出来的代数几何理论正是这种思想的代表,代数几何可以看作是实现了连续和离散的统一的几何理论。这和物理学从经典到量子的发展一一相映。而实现统一的语言当然是代数的,更准确的说,是一个超越了集合论的、全新的数学语言,也是代数几何的基础语言:范畴学。

500

40年代Eilenberg和Mac Lane发展了范畴学,60年代Grothendieck在此基础上发展了代数几何。

3 范畴学的精神

下面让我从一个外行的角度,来粗略介绍一下范畴学的精神。通常,如果我们想要深入了解一个物体,我们会把这个物体分解成越来越小、越来越简单的构件。如果我们可以做到这一点,我们就认为了解了这个物体。这一思想方法就是还原论的思路。这是科学思想方法的一个主流。很多人甚至用它来定义什么叫做“理解”。

但主流并不代表正确。“理解”也可以由另外一种完全不同的方式来实现。我们不试图把物体分成更小更简单的基本构件。我们甚至不去考虑物体的内部结构,也许物体根本就没有什么内部结构。我们试图通过这个物体和其他所有物体的关系和作用,来了解这个物体

其实,和其他物体的关系和作用,正代表了这个物体所有可能的性质。而一个物体的所有可能性质,也就完全定义了这个物体本身。归根到底,也许我们根本就没有物体,只有一大堆关系。而物体这一抽象的概念,以及物体所有可能的性质,是由这一堆关系来定义的。这就是范畴学的精神。

把这一范畴学的思路应用到认识论,我们发现所谓的“客观存在”,其实是人脑通过观察到的大量的、各种各样的关系,所抽象出来的一个概念。也就是说,我们头脑中的主观印象观察是客观的。而所谓的“客观存在”,反而是主观的。因为我们所观察到的大量的、各种各样的关系不是随机混乱的,这些关系之间有非常强烈的关联。这些强烈的关联赋予我们“客观存在”这一想象(或概念)。吴咏时老师举过一个社会学例子:范畴学的精神正像马克思说过的,人这个个体是通过人和人的关系定义的。所以范畴学是关系学,也是认识世界的一种新方式。

01

我们也可以把范畴学的思路用到物理中对相和相变的理解。两个相之间的相变,就是范畴学中的“关系”。而相这个概念,就是通过所有相变(即“关系”)来定义的。

02

物理学中的第2个例子是量子力学理论。通过量子力学中的波函数来理解我们的量子世界,其实是一种还原论的思路。如果我们要用范畴学的思路来理解我们的量子世界,那我们将像实验物理学家一样,直接考虑各种各样的观测(这些观测对应于我们上面说的关系),而且我们只考虑各种各样的观测。这些观测(关系)之间有很强的关联。通过这些关系之间的关系,我们可以直接理解我们的量子世界。这就是范畴学的思路。

现有的量子理论用的不是这一思路,而是通过对观测之间的关系的总结,抽象出波函数这一概念,代表所谓的“客观存在”。然后我们再通过波函数来理解我们的量子世界。

其实波函数(及其背后的线性代数),仅仅是我们对现有实验观测的一个模型。这一模型不见得唯一,也就是说,可能有另一个理论可以同样有效地描写我们的量子世界。这一模型也不见得正确,也许将来新的实验观测会和现有的模型矛盾。这将迫使我们构造一个新的模型,也就是发展一套新的理论,来描写我们的量子世界。

其实用范畴学的思路来理解我们的量子世界,就是要放弃波函数这一概念。这将有助于我们不受波函数的束缚,来进一步发展量子力学。

03

物理学中第3个例子,就是具有长程纠缠的量子物态。量子物态中的组分有可能有长程纠缠。这些长程纠缠的各种各样的构型,会给出各种各样不同的量子物态[1]。这就是量子物态中所谓的拓扑序(见《拓扑序:看世界的一种新视角 | 众妙之门》)。有长程纠缠的量子物态,是一类全新的物态,有各种想以前想不到的新现象。

500

陈谐(左)顾正澄(右)和我在一系列工作中提出了长程纠缠和对称保护序的概念,并发展了对称保护序的上同调理论。

长程量子纠缠及其对应的拓扑序,是一个全新的自然现象。我们到底应该用什么样的数学来描写这一新现象?近十几年来的研究发现,张量范畴学和高阶范畴学正是描写长程纠缠(拓扑序)的数学框架。其实拓扑序物态中的拓扑准粒子对应于范畴学中的“实体”(object,即所谓的“客观存在”),而准粒子的交换、融合等操作,对应于范畴学中的关系(morphism)。张量范畴学正巧是描写拓扑准粒子的完备理论。它可描写拓扑序物态中的拓扑准粒子所具有的各种非常新奇的性质,如分数电荷、分数自由度、分数统计,甚至是非阿贝尔统计,等等。正是这些新奇的性质(非阿贝尔统计),使我们可以用拓扑物态进行拓扑量子计算。

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吴咏时(左)指出分数统计(准粒子的交换操作)的数学基础是编织群表示。王正汉(右)及其合作者对简单的模张量范畴进行了完全分类。

通过范畴学,我们得到了对拓扑序(即长程纠缠)的全面理解和分类。比如在1维,没有非平凡的拓扑序,也就是说没有长程纠缠,只有短程纠缠。在二维,各种各样的拓扑序可以由一类特殊的张量范畴——模张量范畴——来一一描写[2]。在三维,各种各样的拓扑序可以由一类特殊的融合二阶范畴来一一描写[3]

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兰天(左)、孔良(中)、朱晨畅(右)和我的一系列工作对三维拓扑序进行了完全的分类和构建。

4 代数拓扑在凝聚态物理中的应用

近代数学的另一重要分支——代数拓扑,也在凝聚态物理中有重要的应用。上面提到长程纠缠(即拓扑序)代表了一类新型的量子物态。那么长程纠缠的反面——短程纠缠,应当只能描写那些平庸的、没意思的量子物态。可最近十几年的研究揭示,如果系统有对称性,那么即使是没有拓扑序的短程纠缠的量子物态,也可以是非平凡的。这类非平凡短程纠缠态被称之为“对称保护序”。媒体中常说的拓扑绝缘体[4],就是一种没有拓扑序,但有对称保护序的量子物态。虽然有短程纠缠的对称保护序,没有分数电荷,没有分数自由度,也没有分数统计,但它们会有非平凡的、可以导电导热的边界,这使之成为目前凝聚态物理研究的一个大热点。

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Mele(左)和Kane(右)在理论上发现了拓扑绝缘体    

而代数拓扑中的上同调理论和示性类理论,正是描写这些短程纠缠(即对称保护序)的数学语言。这些代数拓扑理论使我们对一维有能隙的物态有了完全的理解和分类[5],也使我们对高维的对称保护序有了完全的理解和分类[6]

有很长一段时间,我们认为所有的物态都可以通过朗道的对称性和对称性破缺理论来理解(见《物理定律对称之美,物态对称破缺之美 | 众妙之门》)。为了理解这些物态,为了研究对称性,很多物理学生都学群论。现在我们意识到,还有很多新的物态是超越朗道对称性理论的。为了研究这些新的量子物态及其中的多体量子纠缠,今后许多物理学生,很可能还要学习范畴学和代数拓扑。(其实目前已经有很多物理学生开始学习范畴学、代数拓扑等现代数学理论)。这显示了数学物理的交融和并肩发展。新的数学进入物理,也意味着物理目前正在进行一场改朝换代的新革命。

(文小刚教授相关主题讲座即将开启,详情请留意本页下方海报)

参考文献

1. 陈谐,顾正澄,文小刚, Local unitary transformation, long-range quantum entanglement, wave function renormalization, and topological order, arXiv:1004.3835

2. 文小刚,Topological Orders In Rigid States, Int. J. Mod. Phys. B, 04, 239 (1990);  Rowell, Stong, 王正汉, On Classification of Modular Tensor Categories, arXiv:0712.1377

3.  兰天,孔良,文小刚,  Classification of {(3+1)D} Bosonic Topological Orders (I): The Case When Pointlike Excitations Are All Bosons, arXiv:1704.04221,

兰天,文小刚, Classification of {3+1D} Bosonic Topological Orders (II): The Case When Some Pointlike Excitations Are Fermions; arXiv:1801.08530;

朱晨畅,兰天,文小刚,Topological non-linear sigma-model, higher gauge theory, and a realization of all {3+1D} topological orders for boson systems, arXiv:1808.09394

4. Kane, Mele, Z2 Topological Order and the Quantum Spin Hall Effect, cond-mat/0506581

5. 陈谐,顾正澄,文小刚,Complete classification of 1D gapped quantum phases in interacting spin systems; arXiv:1103.3323

6.  顾正澄,文小刚,Tensor-Entanglement-Filtering Renormalization Approach and Symmetry Protected Topological Order; arXiv:0903.1069;  陈谐,顾正澄,刘正鑫,文小刚,

Symmetry protected topological orders and the group cohomology of their symmetry group, arXiv:1106.4772.

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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.