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本人李小坚,男,高校教师。教学之余,仰望广袤天空,以探求宇宙之秘密!俯瞰苍茫大地,以求人间正道真学!正是:路漫漫其修远兮,吾将上下而求索!博文中对自己有过一段说明: 《告别官科,不做民科,回归本行》 一、我本官科 今天算来,从1986年3月到中科院自动化所读博士,整整已经过去30年了。我的学习和研究工作与国家863完全同步。1986年3月邓小平同志批复中科院院士王大珩、王淦昌、杨嘉墀和陈芳允四位老科学家提出的“关于跟踪研究外国战略性高技术发展的建议”,从而启动实施了“高技术研究发展计划(863计划)”,开始了中国科技领域跟踪和赶超国际先进水平的新征程,也整整30年了,到今天该计划已经完成了其历史使命。 我所学习的领域属于863计划中先进制造及机器人技术范围,我所选择的研究问题是工业领域的多级递阶系统结构与算法研究。师从疏松桂、童世璜、郑应平三师团队,很有意思的是我的这三位导师是一个具有三代师生关系的递阶系统。童先生称疏先生教过自己,所以是他的老师,而童先生是郑应平硕士研究生导师。 受郑应平的影响接触的了何毓琦先生开创的嵌套信息结构下的鼓励性决策研究,做出过嵌套信息结构下的多级递阶系统鼓励性决策的工作并在国内国外发表相关论文。我的研究工作在信息结构引导下,进而提出多级递阶系统信息结构、控制结构,到目标结构、功能结构,到组织结构、资源结构,形成了一个多级递阶系统的多元多层立体化的结构研究。该项工作与欧共体的CIM—OSA,有异曲同工之妙。CIM-OSA是欧共体的21家大公司和大学组成的ESPRIT-AMICE组织经过六年多的努力开发出的一个开放体系结构。在导师指导下,基本上凭自己一己之力发展了一个与CIM—OSA类似的CIMS—HOSA体系结构。 学习期间多次参与了钱学森先生组织领导的系统学讨论班,本人与钱老亲自直接对话讨论过系统的层次性、物质的层次性。 89年还到意大利卡拉布里亚大学参与欧共体ESPRIT信息系统建模工作。我走访了卡拉布里亚不远处的那不勒斯的乔尔丹诺·布鲁诺的家乡,还有伽利略的故土,特别是拜访了波兰华沙城外哥白尼的故乡,获赠的哥白尼铜质小胸章是我的心爱之物。 90年-91年前往美国学习了IBM-CIM体系结构,91年6月4日回国参与了863计划项目:递阶系统结构研究。进一步研究和发展了CIMS—HOSA体系结构。 二、自己选择 1995年参加第八届中华全国青年联合会第一次全会,在科学界别组,与同组成员陈章良、冯长根、李建宝、陈肇雄等一起活动挺有意思。他们现在都是部级领导。我忘了是1995年还是2000年,我和谭铁牛等三人代表科学组向国内媒体答记者问,铁牛是我湖南老乡,铁牛侃侃而谈,现在铁牛是中科院副院长。还记得胡锦涛同志在一个小会议厅给坐着的我们百十来人的党外人士,站着给我们上了近2小时的一课:为中华民族的伟大复兴而努力奋斗。 我当时查阅了国内外大量数据,发现我国对教育和科研的投入明显偏低。因此,我的提案是国家应该加强对教育科研的投入。我们科学组与科技部朱丽兰部长直接对话,除了希望国家加大对教育和科研投入,还有与老同志和团队关系,我亲自与朱丽兰部长的直接对话是如何充分利用科研条件,提高投入产出,我的承诺是尽力用最少的钱,办最大的事。 从此,我践行我的承诺,告别官科,不用国家的钱,研究世界上最大的课题。宇宙结构模型—-世界的本质及其客观规律。这个问题,还真是很有意思。 根据钱学森先生开创的系统学理论,我认识到宇宙是一个统一的复杂巨系统。我有幸于1997年1月6—9日作为极少数青年科学家代表之一(4-5名)全程参加了第68次香山科学会议学术讨论,宋健院士作了题为“对系统科学的挑战”的综述报告,并与戴汝为院士、宋健院士讨论交谈关于复杂巨系统的动力学问题,或开放的复杂巨系统问题。我不但参加了此次中国控制学界最高级别的会议,我还被会议主持人戴汝为院士指定收集整理会议报告人的书面报告。因此,我与与会的十多位院士和部级领导人有过工作交流,会后收集整理,将一袋报告资料提交给了大会组织者。我还参加了由钱学森倡导发 起的中国思维科学学会的筹办工作,以及科学思维理论研究探讨。 但没想到的是,我自己选择的对宇宙自然系统的研究,落入了被主流所认定的民科的范畴。 三、回归本行 从第二阶段到现在,也已经20多年了。我已经有所收获。因为,我非常幸运地认识了美籍华裔科学家龚天任博士,我们的学术探索结成了同门情谊。从而,我终于认识了、理解了、明白了这个宇宙。我可以高兴地说:“你太美了”。 从此,我可以不做民科了。我回归我的本行,大学教师。教课,带学生,做做机器人科研与科技活动,与年轻人一起做、一起玩高科技的玩具。 业余还将写写小博客,讲讲科学道理,辅导帮助年轻人成长,是我下一个阶段的任务。 科技评论文章,本人往往会作一小诗加以总结,可能是借用章回小说的做法,也是多年上课的心得体会。尽量简洁凝练,口韵顺口溜,自由兼打油,古风加格律,严肃与戏虐 ,承上并启下,总结出特色,或让行家见笑,但望形成自己的风格: 我本学子出蓝青,精英同聚一家亲,宇宙创生仍未老,人生大道自由行。 本来最后一句可以是:人间正道已看清。一个同音韵到底。但表达个人观点,还是个人一点好,自由一点好。 公元2016年3月

母校老师余贻鑫院士讲座:双碳目标-智能电网-工业革命

2021年10月18日15:00在我校广学楼报告厅,我校邀请到天津大学余贻鑫院士做科技发展前沿讲座。

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360百科介绍:余贻鑫,1936年11月06日出生于北京市密云县,电力系统分析、规划与仿真专家,中国工程院院士天津大学教授,天津大学电气工程一级学科负责人。

余贻鑫于1963年从天津大学硕士研究生毕业后留校任教;1980年至1982年赴美国加州大学伯克莱分校做访问学者;1983年加入中国共产党;1990年至1991年在美国华盛顿大学(西雅图)做高级访问学者;1995年至1997年担任日本九州工业大学电力系统控制专题讲座首席客座教授;1997年担任天津大学校学术委员会副主任;2005年当选中国工程院院士。

余贻鑫长期结合电力系统工程实际进行深入的电力系统稳定性理论研究,特别是在电力大系统安全监视、防御与控制中域的方法学方面,取得了开创性的国际先进成果,并在世界上首次把该成果用于实际电力大系统 。

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一、报告的主题:双碳目标-智能电网-工业革命

部分内容:

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余院士主推分布式能源智能电网系统。

二、荣光的母校、优良的传统

天津大学学校简介-天津大学 http://www.tju.edu.cn/tdgk/xxjj.htm

天津大学(Tianjin University),简称天大,其前身为北洋大学,始建于1895年10月2日,是中国第一所现代大学,开中国近代高等教育之先河。“甲午战争”失败后,学校在“自强之道以作育人才为本,求才之道以设立学堂为先”的办学宗旨下,由清光绪皇帝御笔朱批,创建于天津,由盛宣怀任首任督办。学校初名北洋大学堂,内设头等学堂(大学本科)和二等学堂(大学预科),头等学堂设四个学门:律例、工程、矿务和机器。

长期以来,经过全校师生的不懈努力,天津大学已成为一所师资力量雄厚、学科特色鲜明、教育质量和科研水平居于国内一流、在国际上有较大影响的高水平研究型大学。

天津大学设有卫津路校区、北洋园校区和滨海工业研究院校区。卫津路校区占地总面积136.2万平方米,北洋园校区占地总面积243.6万平方米,滨海工业研究院校区占地总面积30.9万平方米。学校现有全日制在校生38158人,其中本科生19337人,硕士研究生13729人,博士研究生5092人。现有教职工5069人,其中院士14人,国家“杰出青年科学基金”获得者58人,国家“优秀青年科学基金”获得者67人,中组部“万人计划”领军人才41人,青年拔尖人才19人,教授898人。

电气自动化与信息工程学院-天津大学 http://www.tju.edu.cn/info/1044/1250.htm

电气自动化与信息工程学院的前身可追溯至1933年成立的北洋大学电机系,至今已有八十多年的办学历史,素以严谨治学、务实求真而闻名。先后培养出曾任清华大学校长的高景德院士,北京邮电大学校长叶培大院士,发电工程与设备专家梁维燕院士,电力系统继电保护专家、俄罗斯工程院院士贺家李教授,电力系统分析、规划与仿真专家余贻鑫院士,电机工程专家刘锡英教授,通信专家周炯磐院士,数字通信专家李乐民院士,内燃机专家史绍熙院士,自动控制和系统工程专家刘豹教授,国际电气电子工程师学会(IEEE)终身院士何振亚教授,国际电机领域知名专家陈之藩教授,光纤通信专家杨恩泽教授,电视与图像信息技术专家俞斯乐教授等一批专家学者。改革开发后,还培养了夏长亮,2017年当选中国工程院院士,担任天津工业大学校长。今年最新增选了王成山院长为中国工程院院士。共培养了10名以上两院院士及外籍院士。

学院还培养了原吉林省委书记王云坤,原天津大学校长吴咏诗、李光泉,原天津大学党委书记杨渝钦,著名企业家荣智健等为代表的一大批各类杰出人才。

学院师资力量雄厚,现有教职员工301人,其中,教授74人,副教授101人,讲师49人,师资博士后5人。拥有中国工程院院士、俄罗斯工程院院士、长江学者特聘教授、“973”项目首席科学家、国家杰出青年基金获得者、国家优秀青年基金获得者等在内的一支高水平教师队伍,一些团队入选教育部创新团队、科技部重点领域创新团队。

学院设有电气工程系、自动化系、电子信息工程系、通信工程系、现代电工电子技术中心、电气电子实验教学中心、电气与自动化实验中心等4个系和3个中心,设电气工程及其自动化、自动化、电子信息工程、物联网工程、通信工程、智能电网信息工程6个本科专业。每年本科生招生近600人,全日制研究生近500人(硕士研究生400人,博士研究生100人),在校生4000多人。

学院现有电气工程、控制科学与工程、信息与通信工程等三个一级学科,均具有博士学位授予权,并分别设有博士后流动站。

三、密切的学术交流和亲密的同学友情

在当天余院士报告的提问环节,我对余院士说建立国际电力能源环球调度网在未来是有可能的,至少是一个理想!

分布式电网的上层,应该是建立国家统一电网。这个应该是国家战略考虑的事情。

我班同学帅军庆曾担任过国家电网副总。就此问题,我们和帅军庆同学还一起探讨过,全球能源电网的环球调度。这应该是能源系统的整体与局部的协调平衡,全球各区域存在电力供应与需求存在白昼与黑夜周期性互补特征,这个就是环球电网调度的可能。

当天晚上在我们大学同学群里 ,帅同学说:小坚同学说的对!我们国家电网为了保障国家“双碳”实现,正在构建新型电力系统。这是各级电网、各种类型电网、各种综合能源的有机协调共融的新型电网。

帅同学介绍了国家电网的一些工作:

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帅同学的观点,代表国家电网的主张更有全局观念!的确要有国家战略!例如,我们买俄罗斯的电,我们还卖给越南电呢。电力原则上比石油输送还是要方便一些,石油可以环球管道输送,电力原则上更可以。这个就如同国际互联网也有根服务器与海底光缆联通的全球互联互通。

学术交流促进学科发展及技术的推广应用!相信母校和同学老师会取得更大的成就,创造更加美好的未来!

转:杨振宁的最后一战

杨振宁的最后一战

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量子学派 今天(2021-9-30)

以下文章来源于醋话集 ,作者醋醋

醋话集.

深度八卦– 前文注:纯粹觉得这篇文章好读,并不代表“量子学派”的观点。

不管是支持还是反对,建造超大加速器这件事值得多方讨论。
本站推荐理由:此文值得一看。此文把标准模型以后的西方理论物理的窘境描写得很生动风趣幽默,是否应该建大对撞机也有理有据。本站转发后丢失所以精美图片,请有兴趣者,参阅原文。—–李小坚
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The party is over.盛宴已过
杨振宁张开左手向上抬起微微摇了摇,加重语气补充翻译:什么意思?盛宴已过。虽然97岁高龄,杨振宁也只需一根拐杖就能走路,他坐在沙发上,拐杖斜放在腿边。台下,坐满了年轻大学生,一位男生站起来发问,脸上挂着愤懑、委屈不解。这是2019年4月29日,在北京雁栖湖畔中国科学院大学(国科大)新礼堂发生的一幕。

男生读研一,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。

4年前,针对CEPC该不该建,杨振宁与男生老师,高能物理研究所所长王贻芳之间爆发了一场大战。

从事高能物理研究的人,都指望这个项目上马,不然他们在剩下的岁月中将无事可干。

前一阵子,任正非呼吁,要加强基础教育,砸钱砸不出来科学家。令人啼笑皆非的是,当代最基础的理论物理,恰恰把希望寄托在砸钱上面。

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作为一个超级费钱的项目,CEPC环形周长100公里,保守估计就得400亿。第二期SppC(环形强子对撞机)耗资更是超千亿。北京五环路全长98.58公里,这意味着,隧道可将整个北京主城区包在其中。宇宙第一房企碧桂园,做梦都不敢奢望拿下这么大一块土地CEPC-SppC,这简直就是物理学的三峡工程,高能所只是冲在前台的马前卒,背后强力推手,是国际超弦界。2014年开始,国际超弦界就组团来中国游说超级对撞机项目,不幸的是,2016年他们遭到杨振宁的强势阻击,当年发改委十三五项目审批,CEPC只差一票未能通过。这位高能所研一男生,从室友那听到小道消息,现在杨振宁不反对建CEPC了,于是怀着激动的心情,抢到了一张杨振宁的国科大讲座门票,想当面求证一下。

杨振宁第一句话就是我的看法没有变,迎头泼了他一盆凉水。他不仅一如既往反对建超大对撞机,还劝这位男生尽早转行,高能物理盛宴已过。人的一生呐,不能只看个人的奋斗,有时候也要看一看历史的进程。不仅高能物理的盛宴已过,当代物理学的前沿,也是一片无际的黑暗相对论量子力学有多辉煌,当代物理学就有多黯淡。

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2017年的引力波,2019年的黑洞照片喧嚣一时,那也只是验证了100年前的爱因斯坦广义相对论。2018年霍金去世,引发社会纪念热潮,但在大多数人的印象中,霍金身残志坚,是科普畅销书籍《时间简史》的作者。
霍金的科学最高成就黑洞辐射理论,知道的人并不多。杨振宁科学成就比霍金更高,但人们热衷他的晚年生活。人们一提到牛顿就会想到万有引力,提到爱因斯坦就会想到相对论。人们关心霍金、杨振宁的生活而不是科学,不能怪大众猎奇,当年牛顿与爱因斯坦的那些事儿更生猛。只能说,当代物理理论不如前辈,普通人不懂相对论,总知道原子弹,不懂量子力学,电脑互联网总玩过吧。当代物理又发现创造了什么?

这是杨振宁的最后一战,他拯救不了当代物理,而是遏制危机爆发后的疯狂

01
2019年11月3日,第7届腾迅WE大会现场,布赖恩·格林(Brian Greene)在台上拨动“宇宙的琴弦”。作为世界最负盛名的超弦传教士,格林是多本科普畅销书的作者:《宇宙的琴弦》,《宇宙的结构》,《隐藏的现实》……孜孜不倦从事超弦理论的公众普及。面向台下听众,格林再次舌绽莲花,讲解超弦理论及其衍生品多重宇宙。随后,王贻芳上台,从中微子实验讲到超大对撞机。国际超弦界与中国高能所,还在坚持不懈。

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自2014年造势,于2016年十三五规划遇挫后,他们期望在十四五规划上通过项目。2021-2025年是十四五规划,CEPC-SppC造势,要提前两年开始,2019年很关键。纵观全世界的对撞机,LHC已是强弩之末,不会有新的发现了,别的对撞机能级太小,更加指望不上,全世界物理学家唯一的希望,都押在中国的CEPC-SppC的身上。这是人类世界中最靠近窗户的一群人,看窗外,漫漫长夜。禁闭在一间密室的人,找遍钥匙无果,就会竭斯底里用力撞门,哪怕那么一丝可能。

不甘、愤懑、呐喊、无奈、绝望……这是物理学家的痛苦,普通人根本就感受不到这间密室。

事实上,就算CEPC-SppC顺利获批,要全部建成,也得2040年以后了,他们中的大多数人,都看不到那一天,不过是留一个念想。

2016年,霍金艰难地打出226个字力挺对撞机。2018年,霍金阖然长逝。

王贻芳坦诚,推动我国建设CEPC,是他在现在的科学岗位上的最后一桩心愿。

如果我没有提,是没尽到责任。

支撑王贻芳的情怀,全世界物理学家的希望,首期360亿二期超千亿的天量资金,仅仅只有两个字——幸运。

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CEPC唯一确定的科学目标,就是精确测量希格斯粒子,即所谓的上帝粒子,如果不能保证超越现有物理框架标准模型,那就跟测量牛顿引力常数的意义差不多,但是谁又能保证呢?公认可以突破标准模型的实验,一是邻近核反应堆的中微子振荡,王贻芳在大亚湾核电站做出了突破性贡献;二是远离核反应堆不受中微子干扰的暗物质探测,世界最深的实验室——四川锦屏山暗物质实验室正在努力。精确测量希格斯粒子突破标准模型,希格斯本人还健在,奇怪的是,在任何公开报道中都没有看到他站出来发表一下期待。王贻芳也只是说如果有所发现,就启动第二期工程SppC,把正负电子对撞换成质子对撞,这还是奔着物理界期待了40多年的超对称粒子而去。
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预言该粒子的超对称理论,最有可能突破标准模型,也是另一个野心更大的万有终极理论候选者——超弦的超的来源。在数学框架上,超弦有望统一量子力学广义相对论,它认为世间万物都由一根振动的弦组成。从最小的基本粒子,到最大的宇宙天体,无论是黑洞的本质,还是宇宙的起源,都要匍匐在超弦脚下。但是为了满足数学自洽,人类付出的代价是颠覆我们的宇宙观。在超弦的设定中,我们的宇宙其实是一个11维时空,我们只能感受到三维空间一维时间,另外7个空间维度不见了,超弦给出的解释是被紧化了,空间就像一张膜,紧化就是将其卷起来了, 卷到了极小不能被看到的尺度。

一共有10^500种紧化方式,每一种都对应一个宇宙,我们的宇宙只是其中的一个,这就是多重宇宙的由来。

10^500这个数字有多大?想象一下1后面排500个0,什么亿啊兆啊都是毛毛雨,我们的宇宙原子总数也就10^80个,相比隐藏的宇宙数量,连九牛一毛都不如。

最近知名美剧《生活大爆炸》全剧终,回顾第4季20集中,格林亲自扮演自己,向主人公谢耳朵推销他的新书《隐藏的现实》

有人认为谢耳朵的原型就是格林,其实恰恰相反,谢耳朵的原型是粒子物理学标准模型奠基人之一谢尔登·格拉肖(Sheldon Lee Glashow),超弦的铁杆反对者。

没有什么现实可以被隐藏,编剧显然参考了现实原型,尽管有格林的推销,谢耳朵后来还是放弃了超弦理论的研究。

格拉肖的高中同学,标准模型的另一位奠基人斯蒂芬·温伯格(Steven Weinberg),抵挡不住终极理论的诱惑,选择臣服超弦,成了白袍巫师萨鲁曼。

标准模型走在量子力学最前沿,也是当今理论物理的最高成就,标准模型的后继者是超弦。

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根据超弦的理论设定,要想撞出弦来统一四种力,需要环银河系长度对撞机,科幻小说都不敢这么写。温伯格选择“曲线救国”,致力于验证超弦的”超”,也就是超对称理论,它能将物质统一起来。爱因斯坦的相对论,把质量能量统一起来,搞出了原子弹氢弹,物质统一了,那不晓得搞出什么吓人东西。超对称理论预言的超对称粒子没有超弦那么变态,理论上在TeV(万亿电子伏特)的能区就能撞出来,LHC的最大能级是13TeV。虽然这是地球人可以做到的,但必须建立巨型对撞机,需要成百上千亿的经费,LHC前前后后就花了100亿美元。超弦与高能物理联手,意味着玄奥的思想与庞大的利益结盟。

这是一个很妙的组合,超弦永远无法被证伪,但如果局部证实,就能够屹立不倒。这就跟宗教一样,上帝的仁慈永远触摸不到,但是教会能让人感受到实实在在的关爱,当然还有连绵千年的香火钱。

超弦与其说是一个学派,还不如说是一个教派。

这可不是我们说的,超弦界自己戏称扛把子爱德华·威滕(Edward Witten)为Pope,也就是教皇的意思。

02
1987年,温伯格主导美国SSC(超级超导对撞机)建设,希望撞出超对称粒子,验证超对称理沦。时值美苏争霸,美国力求在军事、科技等各方面碾压苏联,对登月、“星球大战”这样的鸡血项目来者不拒,SSC号称能帮助人类解决宇宙起源问题,完成物理终极理论的梦想,里根二话没说就批准了立项。
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当年温伯格报出的预算不多,只有区区44亿美元。转眼到了1993年,美国总统换了两茬,里根走了布什上,布什走了又来了克林顿。美国人搞工程费时还费钱,6年时间他们连安放对撞机的隧道都没挖好,就花了近20亿美元,而总体预算更是飙升到近百亿美元。这个时候苏联已经解体,美国人独孤求败,社会上下对鸡血项目不是很感兴趣。克林顿作为平民总统,更加关注提振美国经济,天天盯着政府不让大手脚花钱的国会不干了,几轮听证会后硬是叫停了SSC。美国超弦教一片哀嚎,所幸当时欧洲搞了个大型环形正负电子对撞机(LEP),隧道是现成的,只要把正负电子对撞机换成强子对撞机就好。超弦教找到欧洲核子研究中心(CERN)时任总干事卢埃林·史密斯(Llewellyn Smith),向他分析物理界天下大势,美国佬不干了,执牛耳者唯有欧洲。

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双方一拍即合,1994年圣诞节前夕,CERN批准了欧洲大型强子对撞机LHC的立项。对于超弦教来说,就算LHC是世界上最大的机器,也只是个迷你版的SSC,其环形周长27公里,不到SSC的1/3,但有总比没好,而且根据理论推测,LHC的能级可以撞出超对称粒子,足以满足超弦教的需求。格林很兴奋,在2004年出版的《宇宙的结构》,他断言LHC开机运行后能发现超对称粒子。由于选错了焊接工艺,2008年9月LHC开机后9天,超导电磁铁的电路就烧坏了。其后用了一年多才修好,但是只能以原设计能量14TeV的一半7TeV运行,这一阶段维持到2013年。即便如此,超对称理论的原始参数空间已经有99.9%被否定掉了。
2015年6月3日,LHC将能量提升到接近设计峰值的13TeV,仍未发现超对称粒子的迹象,99.999%的超对称理论原始参数空间荡然无存。超弦教只好改口,称预估的能级,是超对称理论与标准模型“自然结合”后的计算结果,没有撞出来超对称粒子,它们的结合方式可能并非“自然”,需要更大能级的对撞机才能发现超对称粒子。
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尼马-阿卡尼-哈麦德(Nima Arkani-Hamed),发扬了多重宇宙学说,是超弦教的后起新秀,2013年12月来华担任高能所前沿研究中心主任,做了国际超弦教的中国内线,负责联络组织各种活动。他在20多年前就说过,1TeV就能看到超对称粒子,后来被实验打脸,又改口称得100TeV才行,这差不多就是CEPC的升级版SppC能量峰值。这等说辞,连我等普通人都听得出来在耍流氓。没有理论预测,或者随意调整预测,谁知道多大能级才撞得出来,花费成百上千亿建造大型对撞机,只有0.001%的胜率,这还是瞎猫碰上死耗子的结果。科学项目其实跟创业项目一样,你至少要画一个PPT说服投资人出钱,张口就说我要做马云,你投我一块钱,我还你一亿元,我信你个鬼哦。

国科大讲座上,面对高能所研一男生的不满,杨振宁吐露肺腑之言。

“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。上世纪80年代,中国搞北京正负电子对撞机(BEPC),虽然没有提出什么宏大理想,但是对于实现什么样的科学目标可是一清二楚,李政道丁肇中等华裔诺贝尔科学家也来积极推动这件事。而这一次,他们保持了沉默,丁肇中还是王贻芳的老师,高能物理界的大师级人物。
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2016年,据研究理论物理的中科院院士何祚庥透露,丁肇中问及王贻芳最近忙啥,何说他想把SSC搬到中国来,丁肇中立马就说,“一点意思都没有”。撞不出超对称粒子,超弦教在物理界的地位岌岌可危,从众星捧月千夫所指,有重蹈当年以太说覆辙的风险。超弦教埋怨LHC太小了,如果按照SSC的规模,这些问题都可以迎刃而解,他们把目光瞄向中国。当今只有中国,才有这么大的财力与抢占基础科学制高点的渴望,才有可能上马这个超千亿的物理学三峡工程。SSC复活的希望,在中国。

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2014年,国际超弦教高能物理研究所联手造势,组团来中国游说。当年2月23日,在清华大学举办了一场“希格斯粒子发现之后,基础物理学向何处发展?”的讲座,超弦教主威滕、教主导师戴维·格罗斯(David Gross),以及其他几位超弦干将悉数到场,王贻芳在会上发言。格罗斯曾经提出“渐近自由”理论解释强力,获得2004年诺贝尔物理奖,该理论是标准模型的支柱之一。威滕是他教出来的最得意的弟子,两人都是犹太籍物理学家。1999-2003年在任的CERN总干事鲁加诺·玛亚尼(Luciano Maiani)也在会场,有人问他,欧洲的加速器是怎么做到让各国都掏钱的?玛亚尼回答很干脆:

忽悠啊,我们说这是为了与美国、俄罗斯等国的加速器竞争。
正如其所言,有亲历者回顾,那天本以为是高端物理学科普讲座,好不容易早去抢了个座位,结果听了一会发现这是个电视购物栏目……各种推销。推销员很多,商品只有一个,就是中国版超级对撞机,超弦教负责讲解宇宙起源等科学意义,以及对中国一片大好的国际形势,王贻芳负责说明具体实施。一虚一实的组团差不多就此定型,以后凡有超弦教来华,必有王贻芳的身影。
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2015年,格罗斯在《华尔街日报》撰文《中国的科学大跃进》,力挺中国超大对撞机计划,生怕他的文章中国人看不到,他还特意让人翻译成中文。作者忍不住多说一句,格罗斯如果懂得中国多一些,就会知道大跃进在中国并不是什么好词。2016年8月1日,国际弦理论大会(Strings 2016)在清华大学举行,还是那拨人马,还是那套说辞。世界物理中心将转移到中国,天下英才尽入彀中,溢出效应将让中国人受益无穷。CERN计算机科学家蒂姆·伯纳斯-李(Tim Berners-Lee)发明的万维网WWW,是证明粒子对撞机溢出效应最常用的例子。

万维网1980年就开始设计部署,1991年对外开放,最初是为了方便CERN内部协作,不关粒子对撞机啥事,与1994年立项2008年开机的LHC更没有一毛钱关系。

群体合作总会产生偶发不可预期的溢出效应,可能是好事,也可能是坏事。

炼丹也有溢出效应,那就是火药。

一个多月后,一场关于中国该不该建超大对撞机的争论成为公众话题,继而引爆全球。

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2016年9月4日,杨振宁授权微信公众号“知识分子”署名发表他的文章《中国今天不宜建造超大对撞机》,刷刷刷连出七剑,剑剑穿心。杨振宁列举的7条反对理由,涵盖了项目预算超支、影响民生经济、挤压其他科研经费、不能实现预期科学目标、即便有发现也无法实用、中国为欧美作嫁衣裳,以及展望物理学未来两个发展方向。当天王贻芳就奋笔疾书,洋洋洒洒6000言,一一反驳杨振宁的反对理由,第2天也通过“知识分子”发了出来。如果高能所有一个成熟的公关团队,一定会拦住老王“stop!”利益所在,怎么说都是错,说得越多错得越多。超弦教只能在心里骂猪队友。

而后更多科学家卷入争论,遍布国内外,除了奋战在第一线的新锐,还惊动了很多已成为江湖传奇的耆硕。

这其中就有当时还在世的霍金。

然而论学术成就,霍金也是这帮人中的小字辈。因为他们纷纷出来表态,不少人惊呼,教科书上那一串名字居然还活着。

虽然场面火爆,公众看到的其实都是马后炮,早在之前来自科学界的争议,就让王贻芳的超级对撞机计划遭遇挫折。

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2016年6月16日,王贻芳的团队得到科技部3600万人民币资助,用于CEPC的预研。但在当年7月,发改委十三五项目评审,CEPC仅以一票之差未能通过下一轮8亿人民币的资助请求。据可靠消息称,当时5票赞成,6票反对。赞成的全是高能领域,反对票里5票是非高能领域的专家,1票是政府方的代表。除了屁股决定脑袋的支持,其他无论是从科学还是政经角度考虑,都投出了反对票。王贻芳完败。

04
一般情况下,科学家茬架,都在科学共同体内找场子摆平,极少以菜场大妈的方式在大众媒体上吵个面红脖子粗。当然这些科学话题大众也听不懂。这次有关对撞机的争论,能够在2016年形成一场物理学的世界大战,余波传到2019年,为我等酱油党的日常八卦添加佐料,一是因为对撞机耗资相当于一座三峡大坝,已不仅是一个纯粹的科学研究,而是涉及广泛的社会工程。二来更深层次的原因在于,现代物理学产生了深刻的裂痕,面临前所未有的危机,在科学共同体内,谁也说服不了谁,这样的争议,往往就会扩散到大众层面。就如英国脱欧,保守党与工党谁也搞不定谁,干脆全民公投。这个裂痕还得从爱因斯坦说起,量子力学与广义相对论不相容,爱因斯坦晚年致力于统一场理论,试图将量子力学的电磁力广义相对论引力合二为一,无果而终。

这不能怪爱因斯坦太贪心,引力与电磁力的方程,几乎就是一个模子刻出来的,这一对不在一起简直没天理,初中生见了都想撮合它们。

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引力方程
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电磁力方程
后来人们敲开原子核,发现量子力学除了电磁力,还有龟缩在原子核里面的强力弱力,本来是一对力变成了四种力,都可以凑一桌麻将了。这个时候杨振宁站出来,说咱们别管引力,先把电磁力、弱力与强力吉祥三宝给统一了,为此摸索出一套基于对称性与群论的数学框架,叫做杨-米尔斯规范场论。杨就是杨振宁,米尔斯是与他一个办公室的研究生。诺贝尔奖往往代表一位科学家的最高成就,极少例外,如爱因斯坦的相对论,杨振宁的杨-米尔斯规范场论,它们都是框架理论(framework),很难被实验全部证实,而与诺贝尔奖无缘。这些科学家,往往是天才中的天才巅峰上的巅峰。

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杨-米尔斯规范场论的框架之上,物理学家们建立起了一套基本粒子的标准模型,并实现了电磁力弱力的统一,姑且将他们称之为标模派。标模派个个都是西部老牛仔,手提粒子对撞机左轮枪,对准他们预言的61个粒子,有如树起的61个靶子,枪枪命中,几乎个个十环。由于是杨振宁提供的弹道机制,标模派每命中一枪,他的头上都会多一圈光环,其在物理学界中的地位,也愈加稳固和上升。1994年,规范场理论发表40周年,美国富兰克林学会颁给杨振宁鲍尔科学终身成就奖,颁奖词指出:杨振宁的规范场理论,可与牛顿的引力、麦克斯韦的电磁学、爱因斯坦的相对论相提并论。

但标模派的成功很憋屈,其创立之初就先天不足,没有把引力纳入其中,后来又发现了暗物质暗能量存在,我们可感知的61个粒子构成的物质只占宇宙4.9%。

另外,由于标准模型预言的大多数粒子都是高能状态下的粒子,无法独立存在于自然界,基本上不能实用,这也是杨振宁不看好对撞机发现的一大原因。

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标准模型就像是一个金鸟笼,把人类禁锢在笼中。有史以来第一次,科学家更希望找出理论的破绽,胜过证明理论的渴望。然而讽刺的是,验证标准模型的实验数据与理论的预测,也是有史以来最匹配的,标准模型几乎牢不可破。这就好比玩密室逃脱,科学家们明知室外有室,他们疯狂地找齐61件物品之后,还是没有打开大门的钥匙,其失望可想而知。这个时候,作为物理学的超哥,超弦教站出来说,我能把引力囊括进来,我带你们去找钥匙。

超弦教凭借的是一本数学葵花宝典。

“葵花在手,江山我有。日出东方,唯我不败!”

超弦教一班人马,手提数学葵花剑,人挡杀人,佛挡杀佛,好不威风。

他们有一个难以启齿的难言之隐。

众所周知,要练就葵花宝典,须得满足八字真言,“欲练此功,必先自宫”

凡踏入超弦教,此生就得与实验验证的硬气彻底无缘,而实验才是物理学以及所有科学扬名立万的长枪短炮。

当初杨振宁提出杨-米尔斯数学框架,由于没有物理意义,被冰封了十几年,后来结合物理模型并被重整化(可精确计算),才成为神兵利器帮助对撞机瞄准射击扬名立万。

科学终究是热兵器的江湖,超弦教光凭一把葵花剑虚张声势,是走不出黑木崖的。

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超弦教教主威滕,拿遍了几乎所有的物理学大奖,甚至连号称数学界诺贝尔奖的菲尔兹奖都拿过,就是独缺一个诺贝尔奖。标模派是痛苦的枪手,超弦教是不甘的剑客。2012年超弦教找到俄罗斯互联网投资家尤里·米尔纳,搞了一个基础物理突破奖,奖金300万美元是诺贝尔奖的三倍,堪称科学界“第一巨奖”。由于评委会主席就是威滕,所以每年获奖者大多是超弦研究者或其盟友,如王贻芳就得过,今年的基础物理突破奖给了研究超引力的科学家,充分展示了什么叫做“肥水不流外人田”。后来谷歌公司创始人之一谢尔盖·布林、脸书创始人马克·扎克伯格及其夫人、中国腾讯公司董事会主席马化腾等互联网大佬也陆续加入,还分设了生命科学突破奖、数学突破奖等奖项。

今年的腾讯WE大会,有格林王贻芳参加,或许与此有关。

这系列突破奖无需实验验证也能获奖,摆明了就是叫板诺贝尔奖。诺贝尔奖只颁给经实验验证的科学理论,它不奖励聪明或成功,而是奖励正确。

成功只是暂时的,正确才能长久,所以突破奖搞了7年多,主要还是超弦教自嗨,但不得不承认,他们拉赞助的本事一流。

基础物理突破奖拿再多,也顶不了一个诺贝尔奖,而唯一可能通过实验间接验证超弦的,就是超对称理论。

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超弦教做梦都想拥有一杆枪,就是超级大型对撞机,当标准模型的预言被一一验证之后,还能鼓捣世界各国政府把天量的经费投入到高能物理中,超弦许诺超越标准模型,通往终极理论的梦想立下汗马功劳。这就是为什么超弦教拼命游说中国搞超大对撞机的背景。
05
在科学界,最早实名反对中国超大对撞机的不是杨振宁,而是一个叫王孟源的人。2015年1月与12月,王孟源写了两篇文章,《高能物理的绝唱》(一)(二),指责CEPC将大笔钱财当闪电,将快要死透的高能物理这具尸体转化成Frankenstein(弗兰肯斯坦)式的科学怪人,以行尸走肉式的存在撑到教授群的退休期。王孟源的文章发表在台湾的个人博客上,大陆没有梯子看不到,前后两篇文章发表了一年多时间,乏人问津。但王孟源的身份不简单,他是哈佛大学高能物理学博士出身,亲历过美国超导超级对撞机SSC的兴建与夭折,对高能物理圈与对撞机知根知底。
文章点名批评了丘成桐积极参与这个骗钱的把戏,他在2015年10月份与人合作出版了科普书《从长城到大对撞机》鼓吹CEPC。丘成桐是清华大学数学科学中心主任,首位华人菲尔兹奖得主,该奖号称数学中的诺贝尔奖。
超弦理论有一个基本概念,叫做卡拉比-丘空间,这里的丘就是丘成桐。前面超弦告诉我们,宇宙有7个维度被紧致化了看不见,如何紧致化的,它们跑去了卡拉比-丘空间。
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如果要说超弦教在中国有代言人,则非丘成桐莫属。超弦教组团来华的活动,都是丘成桐操办主持。很多人不明白为什么一个搞数学的,痴迷物理学装置,就是没有搞清楚丘成桐与超弦的关系,以及对撞机之于超弦的重要性。而将超大对撞机争论从科学界内部引向公众的始作俑者,也是丘成桐。2016年8月7日,丘成桐接受新华社专访,希望在长城入海处建设下一代巨型对撞机,这是CEPC首次大范围内向公众公开。新华社文章引发了广泛的社会关注,中国版大对撞机一时成为新闻热点,媒体自然不会错过这个选题。

有记者挖出王孟源的文章,一看是专业出身亲历第一线,猛料十足,还涉及丘成桐,就找到后者希望他能有所评论。

丘成桐应该是仔细看了这篇文章,2016年8月29日,他在微信公号“老顾谈几何”发表意见,详述自己扒出王孟源老底的过程。

如果爆料不痛不痒,丘成桐岂会care王孟源的背景身份。就如郭德纲说的,我正眼看你一眼都是输。

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作为哈佛大学兼任数学系与物理系的双料教授,丘成桐很意外自己从来没有听说过王孟源的名字。几经求证,丘成桐在哈佛大学的教授朋友们终于找到了王孟源的导师,原来是一个没有系中升职的助理教授,难怪哈佛资深高能物理学家不认识王孟源。丘成桐更是指出,王孟源博士毕业以后,就没有什么学术上的论文成就,而是转行做了几十年的生意。言下之意,王孟源没有资格在对撞机上面说三道四。这种论资排辈的人身攻击,一般人都会不爽。科学讲究客观实证,向来尊重事实,不看出身,想当年爱因斯坦还只是一个小小专利员。何况王孟源的哈佛大学高能物理博士学位并不假。

而且丘成桐当时还不知道的是,王孟源的导师是格拉肖的关门弟子,格拉肖想把超弦挡在哈佛门外无效,愤而离职,王孟源的导师也无法获得升职。

研究基础物理学发表论文,必须在数学上自洽,只能走超弦这条路。大学没有论文,地位就会下降,哈佛扛了一年扛不住,还是把超弦引进来了。

哈佛大学理论物理的主流教职,逐渐被丘成桐等超弦教占领。

当然丘成桐也是货真价实的顶级科学,不可能不知道贬人身份落了下乘,作者倒是觉着,王孟源点到了要害,面对记者的采访,丘成桐只好通过这个损招,来降低其文章的影响。

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只是千不该万不该,丘成桐提到了杨振宁,他不相信杨振宁会反对建对撞机,因为在他看来,对撞机的每一次发现,都会巩固杨振宁在科学界的地位。这一下就捅了马蜂窝,杨振宁借势公开发表文章反对中国建大型对撞机,原本在科学界的争论瞬间变成大众茶余后的谈资。这逼得王贻芳不顾利益相关人身份,亲自上场肉搏,估计心里也在骂猪队友。杨振宁为何不惜与科学界同行撕破脸皮,一点面子都不给丘成桐,这又与物理学界长达半个多世纪的撕裂有关。
06
弦理论于上个世纪70年代开创,蛰伏十多年后第一次革命爆发,升级为超弦后独霸理论物理界,却始终无法被实验验证,叠床架屋的论文堆砌,以及长期霸占各种学术资源,引来不少物理界同行的反感。2006 年, 超弦理论遭遇了一次重大的公关挑战, 两部“反弦”著作相继出版, 其中一本是圈量子引力论阵营的李·斯莫林(Lee Smolin)所写的, 书名是《物理学的困惑》,另一本则是哥伦比亚大学数学系助教彼得·沃特(Peter Woit)所写的, 书名更不客气, 叫做《甚至都不配称为错误》。两本书的副标题很直白,一个是“弦理论的兴起,科学的衰落”,另一个是“弦理论的失败与物理定律的统一”,前者明示弦论的崛起是物理学的堕落, 后者暗示弦论的完蛋是新生活的开始。
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这种“反弦”情绪在2015年达到顶峰,LHC基本排除了超对称理论的存在,物理学界多年来的期盼成了一场空。2015年,除了王孟源在中国开炮,还有另一群科学家聚首德国慕尼黑大学,于当年12月7日至9日召开了一场物理学界的“扩大会议”,群情激昂,声讨超弦与多重宇宙理论长期以来无法证伪,破坏了科学方法整体性以及科学在公众中的声誉。超弦教德高望重的教主导师格罗斯参会迎战。面对诘难,格罗斯舍车保帅,承认多重宇宙就算在理论上也无法观测,但仍坚持超弦是久经考验的革命战士,尤其是这么多年来,在通往终极理论的道路上,没有其他理论可以与之竞争。你们嚷什么嚷,光破还得有立啊!杨振宁对于超弦又是什么态度呢?

早在1986年超弦第一次革命成为物理界的显学之际,杨振宁中国科技大学研究生院第五次谈话就讲得很明白:

我很难相信这个理论最后是对的,超弦没有经过与实验的答辩阶段,它很可能是一个空中楼阁。如果你问我,我要不要去做超弦,我的回答是我在任何时候也不会去搞这种东西。我一定会去做纯粹数学,在纯粹数学中妙的东西很多。我为什么不用自己的时间和能力去做对数学有真正发展的工作,而去做既非物理又没有长久数学价值的东西呢?
07
以物理学为代表的科学有一个统一大业,将物质与规律尽可能还原成最基本的存在。就如围棋一样,千变万化的棋局背后都是一个统一的规则,以及黑白两子与棋盘。人类有个梦想,只要统一了物质的基本结构、物质的相互作用和运动转化规律,就会像上帝一样无所不知,无所不能。到时候宅男只要打个响指,就能变出个林志玲带回家。在这条统一的大路上,走着几个高大的背影,在伽利略统一了运动静止之后,牛顿三定律万有引力定律把天上和地上的现象统一起来,打开通往机械工业革命的大门。

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麦克斯韦紧跟其后,琢磨出一个方程组,统一了电、磁、光,各种宏观上的弹力、摩擦力都可以归结为微观上的电磁力,人类从此进入电气时代。爱因斯坦叼着烟斗走来了,他先用狭义相对论劝和了麦克斯韦方程组与牛顿力学,统一了低速与高速,时间与空间,再反手甩出E=MC^2,一个简单的质能方程引爆了原子弹。就在这时,高歌猛进的统一大业突然卡壳了,狭义相对论好说歹说,牛顿引力就是不听劝,爱因斯坦一怒之下,将引力赶出了物理王国,流放到几何空间,安置在广义相对论中。原来星球之间有引力,并不是它们吃了大力丸,而是吨位太重,将时空压弯了,引力是一种几何现象的呈现。
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在爱因斯坦忙着收拾引力的时候,一群科学家排成方队踢着正步走远了,这里面有玻尔、薛定谔、海森堡、狄拉克……量子力学山头上一堆大王,广义相对论山头上只有爱因斯坦一个光杆司令。爱因斯坦一看这还了得,天无二日,国无二君,量子力学岂能不服王化,他打磨统一场论,要收服这帮散兵游勇,可惜终其一生也未能北定中原。这个时候就轮到杨振宁上场了,他从口袋里面摸出一张皱巴巴的纸,说我搞了一套数学框架理论,有望统一电磁力、弱力与强力,咱们量子力学内部好说好商量,枪口一致对外,再去干引力
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这个数学框架就是前面提到的杨-米尔斯规范场论,当年杨振宁是硬着头皮站出来的,一副战战兢兢的样子可以理解,1954年发表论文的时候,他还没有拿诺贝尔奖,更要命的是,理论要求传播强力与弱力的规范玻色子没有质量,这与其短程力的物理现象矛盾。发现泡利不相容现象的泡利,也想过类似的办法,但是他一看这个矛盾就打退堂鼓了,对于杨振宁毫无顾忌发表论文,本来就是一副坏脾气的他更加火冒三丈,当场就把杨振宁怼得下不了台。其实这个问题杨振宁也心知肚明,为什么他敢于跨出这一步,泡利却不能呢?这涉及到当代物理学研究范式的一个重大转折。
08
生存还是毁灭,这是一个问题。这句《哈姆雷特》的台词成为家喻户晓的永恒经典,莎士比亚道出了每个人内心深处的纠结——我该如何抉择?当代物理学也很纠结一个问题——撞还是不撞。一位伟大的厚黑学政治家曾经揭晓了所有重大斗争背后的秘密:
观点斗争是假的、方向斗争也是假的,只有权力斗争才是真的。
围绕中国超大对撞机的争论,背后其实还是科学权力之争,超弦与凝聚态物理的角力,其焦点又集中在各自的基本思想。杨振宁成名粒子物理学,但在后来转向凝聚态物理。这场物理学的世界大战从美国打到欧洲胜负1:1,现在中国开辟新的战场,胜负难分。美国那场仗打输了,经费超支并非主要原因,据温伯格透露,来自国际空间站的竞争扼杀了SSC
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这个项目经费高达250亿美元,远远超过了SSC的费用,说明SSC被裁还是因为科学价值不够硬。在美国众议院科学、空间与技术委员会议上,美国凝聚态物理大佬菲利普·沃伦·安德森(Philip Warren Anderson)陈述四大科学理由,给了SSC致命一击。其中一条是安德森的核心理由——与日常相关的科学也同样基础。很多人心中的基础科学,要么是研究远小于基本粒子的普朗克尺度,要么是放眼宇宙尺度研究黑洞这样的天体,但是研究雪花的形成、人的思维、经济规律这些日常行为也同样基础。它们听起来没有那么牛逼,但是更加实用。

安德森是1977年的诺贝尔物理学奖得主,开创了凝聚态物理一系。2006年何塞·索勒的一份分析统计比较了论文参考文献与引用数,指出安德森是世界上最有“创造力”的物理学家。

凝聚态物理的前身固体物理学,催生了半导体,是PC、手机、电视机、照相机、互联网、硬盘、处理器、闪存等电子产品的共性,成为IT浪潮的奠基石。

格拉肖称当今全球GDP有2/3来自量子力学的贡献,其实更准确的说法是来自量子力学的分支固体物理学,加入液相后固体物理升级为凝聚态物理,80年代还发现了高温超导材料。

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超导体出发,安德森建议粒子物理学家寻找产生粒子质量的机制,启发了后来的希格斯机制。由于杨振宁的努力推动,中国的凝聚态物理欣欣向荣。当年安德森陈述就不无酸意地指出,美国的超导研究已经落后于中国。针对超弦的目标“Theory of Everything”(万有理论),安德森写了一篇杀气腾腾的檄文《More is different》(多则异,量变引发质变)。安德森将万事万物还原成简单的基本规律,并不意味着从这些规律出发重建宇宙的能力,不能依据少数粒子的性质简单外推出多粒子复杂集聚体的行为,相反在复杂体系的每一个层次会呈现全新的性质。研究理解此类新行为,就其基础性而言,与其他研究相比毫不逊色。换言之,我们不能从一些最简单的基本定律去推出各个尺度各个复杂度下的物理,因为物理学在从基本走向非基本,从基本粒子走向多体时,并不是1+1等于2那么简单,而是会产生1之外的某些东西,这些东西属于这些所谓的“外延性学科”的特有属性和现象,并不是由微观的基本定律可以直接推导出来的。

这其实就是当年亚里斯多德反对他的老师柏拉图的现代科学翻版。

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吾爱吾师,吾更爱真理。柏拉图相信有个完美的普遍理念,投影出不完美的世界,而亚里斯多德认为普遍是寓于具体事物之中。柏拉图认为这个普遍的理念存在于几何之中,柏拉图学院大门上写着醒目的一行“不懂几何者严禁入内”,这何尝又不是当今以超弦为代表的理论物理的写照。
亚里斯多德出生医学世家,从小就接受了严格的医学训练,这种医学训练培养了亚里斯多德特别重视经验事实的思维方式。所以亚里斯多德认为理论知识不能脱离经验事实,他在《形而上学》一书中就指出:
倘有理论而无经验,认识普遍事理而不知其中所含个别事物,这样的医师常是治不好病的。
柏拉图代表了还原的本体论,亚里斯多德代表了涌现的实体论。这两师徒的缠斗从古希腊哲学一直打到中世纪神学,近现代科学还能时常看到他们刀来剑往。
09
杨振宁本来是柏拉图的传人,1954年他明知理论上有物理的缺陷,还是坚持发表杨-米尔斯规范场论,就是因为他对数学的信心胜过了对物理的怀疑。一来强力弱力很复杂,有可能是应用层面上出了问题,而非错误;二来杨-米尔斯规范场论的对称性非常棒,杨振宁深信这么优美的数学理论不会错,而且当时它和两个已经有稳固实验基础的理论结构有密切关系,它们是同位旋守恒麦克斯韦方程。杨振宁的父亲杨武之是华罗庚尊崇的数学大家,深受家庭熏陶,杨振宁是物理界的数学战斗机,但在物理直觉与实验上稍逊一筹,尤其是实验,同事揶揄,“哪里有杨,哪里就有爆炸”
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幸好杨振宁赌对了。后来盖尔曼的“夸克模型”、格罗斯的“渐近自由”、格拉肖、温伯格与萨拉姆的“弱电统一”、霍夫特的“重整化”帮助完善了杨-米尔斯规范场论物理与数学框架,最终成就了粒子物理学标准模型。这颠覆了过去的科学研究范式——在实践中总结理论再予以验证。先有物理框架,再有数学描述。杨振宁是立足于数学的对称性搞出理论,再与物理模型结合得到实验验证。先有数学框架,再有物理描述。
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杨振宁警告不要被数学的价值观念所吸引,并因而丧失了自己的物理直觉。他曾把数学和物理之间的关系比喻为一对树叶,它们只在基部有很小的共有部分,而其余大部分是分开的。所以杨振宁敢于跨出那一步,而泡利不敢越雷池半步。世界不过是数学的投影。如果说柏拉图是这个理念的始作俑者,那么爱因斯坦就是将其付诸实践的开山祖师。当年爱因斯坦以一己之力,通过黎曼几何搞出广义相对论,至今还是科学史上的神话。1919年,英国物理学家爱丁顿在日食时观测到太阳引力让星光产生弯曲,这是首次对广义相对论实验验证。有人问爱因斯坦,万一实验结果和理论不符合该怎么办呢?

爱因斯坦如是回答:

那么我将为上帝感到遗憾——我的理论肯定是正确的。
在爱因斯坦心中,数学上这么美的理论,怎么可能错呢?久在河边走哪能不湿鞋。后来爱因斯坦再用这套方法研究统一场论,就没有这么好运了。1947年,美国理论物理学家弗里曼·戴森(Freeman Dyson)来到普林斯顿高等研究院,怀着崇敬的心情找到爱因斯坦的秘书杜卡斯(Helen Dukas),请求爱因斯坦见他。
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会见前一天,他开始担心没有什么特别的问题能与伟人讨论。于是,他从杜卡斯小姐那儿拿回爱因斯坦最近的科学论文,都是关于爱因斯坦构造统一场论的。当晚,戴森读了那些文章,觉得都是些垃圾。科学家不是商人,不习惯曲意逢迎,又不好当面指出偶像的问题,第二天戴森不得不找了个理由放了爱因斯坦的鸽子。后来,戴森为量子电动力学(QED)的建立做出了决定性的贡献。QED是一种规范场理论,将麦克斯韦的电磁理论量子化。杨振宁就是受到QED的启发,在量子场理论中引入了规范场,来描述强力与弱力。爱因斯坦晚年与小他年龄一半的哥德尔成了忘年交,奇怪的是,表现出倾慕之情的是年长的巨星,爱因斯坦公开表白自己“去上班不过是为了和哥德尔一起走路回家。”两个人散步的背影曾是普林斯顿的一道风景。

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爱因斯坦不喜欢迪士尼的动画片,他讨厌一切中产阶级的东西,有一天哥德尔打电话说想去看一场,爱因斯坦披上大衣出门就去了电影院。他们之间到底为啥这么好,两人在世都守口如瓶,所以至今也无人知晓。从思想上来看,哥德尔在数学领域中提出了不完备性定理,证明了任何一个形式系统,只要包括了简单的初等数论描述,而且是自洽的,它必定包含某些系统内所允许的方法既不能证明真也不能证伪的命题。也就是说,“无矛盾”“完备”是不能同时满足的,既完美又统一是不存在的!哥德尔不完备性定理让希尔伯特的数学大一统梦想变成了令人沮丧的噩梦。

这是不是也适用于物理学上的统一场论呢?或许哥德尔就是这样击中了爱因斯坦的心灵。

在爱因斯坦生命的最后时刻,他要来纸和笔,最后一遍徒劳地验算统一场论。

自然不欣赏我们的神话。
爱因斯坦幽幽地说出这句话,与发表广义相对论豪情壮志判若两人。
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2012年3月,在“北京弦理论国际会议”上,霍金演讲《哥德尔和M理论》,直面了这个问题。作为统一场论的继承者,超弦的最高形式M理论恐怕也是一场空想。霍金说,他的这一推测基于数学领域的哥德尔不完备性定理,在物理学领域,很可能存在类似的规律,因此建立一个简一的描述宇宙的大统一理论是不太可能的。霍金人在椅中,神游天外,他发现黑洞不黑,黑洞不是饕餮只进不出,仍有信息逃逸出来,由此得出霍金辐射,被认为是多年来理论物理学最重要的进展。
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1996年,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,成功地利用弦理论统计力学,通过计算黑洞的微观量子态,导出了黑洞的贝肯斯坦-霍金(Bekerstein-Hawking)熵公式,这一结果提示弦理论也许能最终解决霍金提出的黑洞信息丢失疑难。自那以后,霍金开始对超弦产生兴趣,不过2012年的演讲证明,或许霍金认同超弦的某些应用,但是不看好其大统一的目的。这并非贬低科学史上那些辉煌的统一成就,还原论思维结合数学工具,是人类从纷繁芜杂的现象总结简洁优美规律的高效手段,但手段并不等于目的,事实上每一次统一之后,就会产生意外的发现,指向新的方向。为统一而统一,超弦不惜为了数学自洽引进超越现实的额外空间维度,反而发散成了几乎无穷大数量的宇宙,成为了吓唬公众的玄学。
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物理的真,数学的美。避开繁琐的现象归纳总结,通过发现数学的美来反推物理的真,这是一条捷径,但不要忘了,再美的数学也需要得到验证,最终指向物理的,否则有可能你迷上的是白骨精。如何分辨呢?很简单,数学的美能够产生物理上的预言,可以被实验证实或证伪,就是范冰冰,而不是白骨精。最经典的例子还是爱因斯坦的广义相对论,发表之初就预言了三个物理现象:星光弯曲、黑洞天体、引力波,都一一得到验证。如果爱因斯坦说不出物理预,或者只给出了引力波这种遥遥无期的观测,他在科学上的地位可能就要打一个折扣。反观超弦与超对称理论,就不满足这个条件,有如皇帝的新衣,你们看不到额外维多重宇宙?那是不够聪明。不能预言有效的物理现象,超弦终归是一场数学游戏。

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当年LHC上马,好歹还有希格斯粒子保底,CEPC有什么?实验依据不足,目的不明,再加上天量巨资,作为一个有责任的科学家,杨振宁能不反对吗?他给出两个方向建议,进一步研究加速器原理,或专注弦论美妙的几何结构。其实就是在暗示王贻芳与丘成桐,你们俩该干嘛干嘛去,就不要在一起瞎搅和了好吗。前不久,物理学家马塞洛·格莱塞(Marcelo Gleiser)获得了150万美元的2019年邓普顿奖,该奖为奖励“精神进步”而设立,与基础物理突破奖性质差不多。反思过去几十年来痴迷统一与超弦,他在2008年回答著名的“第三文化”的论坛“缘”(www.edge.org)的年度问题说得很实在:

几年前,也许因为我更深刻认识了形成科学思想历史文化过程,事情突然变了。我开始怀疑统一,觉得它不过是实在的一神论在科学的翻版,是在方程里寻找神的存在……二十多年过去了,所有的努力都失败了。粒子加速器没有,冷暗物质探测器也没有,没找到磁单极,没看到质子衰变,过去几十年预言的所有统一的迹象,都没有……
思想决定你的人生,那是哲学上帝决定你的信仰,那是神学方程决定你的逻辑,那是数学事实决定你的认知,才是科学。
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“性灵出万象,风骨超常伦”。
杨振宁很喜欢用高适《答侯少府》这两句诗来描述狄拉克方程反粒子理论,其极度浓缩性和包罗万象的特点,又或如布雷克的名诗:
一粒砂里有一个世界,一朵花里有一个天堂。把无穷无尽握于手掌,永恒宁非是刹那时光。
杨振宁曾比较狄拉克与海森堡,前者横空出世的狄拉克方程,是量子力学狭义相对论的第一次融合,没有任何渣滓,直达宇宙的奥秘,似乎已把一切都发展到了尽头;后者成名绝技不确定性原理,像是在雾里摸索,显得朦胧、绕弯,没有做干净,还要发展下去。
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海森堡坚持只能从一些直接可以被实验观察检验的东西出发,而不是想象一些图像来作为理论的基础。他并非不重视数学,需要的时候顺便发明了矩阵。狄拉克的灵感则来自他对数学美的直觉欣赏,他在1963年曾经明确表示:
“在我看来,一个方程拥有美感,比它符合实验结果更为重要。”
这又何尝不是杨振宁走过的路子,他曾经表示,“从我个人来讲,我是更欣赏狄拉克的风格”,但是他又在后面加了一句,“很多人认为海森堡的贡献比狄拉克还要更高一筹。”《道德经》有言:“大成若缺”。若世界有太多的对称,就不再有意外出现的可能性了,这将是一个稳定但僵化的世界。巴赫的音乐以和谐著称,有数学宗教之美。贝多芬的音乐引入人的情感,打破均衡,通过沉默与爆发展现了音乐力量性的一面。
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艺术至美就在于对称性不对称性之间的张力。杨振宁基于数学的对称性推出杨-米尔斯方程,却又与李政道一起发现宇称不守恒,证明世界并非对称获得诺贝尔奖。通观杨振宁的每一个抉择,你不得不佩服,他几乎每一步都踏对了节奏,无论是科学还是人生。坚持自己很难,超越自我更难。杨振宁也有没想到的地方,他反对建超大对撞机,产生了一个溢出效应

当年被他得罪过的中国男人,都黑转粉了。
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我觉得在我有生之年看不到任何实验支持。
当作者问及超弦前景,中山大学天文与空间科学研究院院长李淼如是说。1984年,第一次超弦革命席卷物理学界,李淼还在中国科技大学研究天体物理,超弦描绘的宏大图景,吸引他投身这股热潮,成为中国最早一批研究超弦的科学家。此后有15年时间,李淼都在海外求学,足迹遍布意大利国际理论物理中心、哥本哈根大学波尔研究所、美国加州大学圣巴巴拉分校、美国布朗大学、芝加哥大学等世界知名高校。在世界顶尖科学氛围的熏陶下,加上自身努力,李淼在超弦理论、量子场论、宇宙学等领域取得了具有国际影响力的研究成果。
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1999年,李淼作为中科院“百人计划”的入选者回到国内,成为国内超弦理论研究的领军人物之一。彼时,威滕掀起的第二次超弦革命如火如荼,5个超弦理论被统一成一个M理论。威滕曾经梦想当一名记者,大学主修历史学,辅修语言学,毕业后成为民主党人乔治·麦戈文的幕僚,帮助其竞选总统。麦戈文惜败于尼克松后,威滕失去了社会政治领域的兴趣,重返大学致力学术研究,不过这一次他选择理科方向,专攻物理学数学。弦理论是21世纪的物理学,却偶然地落到了20世纪。

这句超弦最有名的公关slogen就出自威滕之手。

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当威滕在1995年找到统一5个超弦理论的方法时,因为理论模糊粗糙,还不够精准完备,他的公关天赋再一次被激发,M理论的命名堪称科学史上一次绝妙的标题党行为。威滕解释,这个M可以理解为魔力(magic)、神秘(mystery)、母亲(mother),也可理解成假想的物质基本结构膜(membrane),超弦创始人之一施瓦茨受到启发,还将矩阵(matrix)加到M的解释中。引入中国后,M理论甚至与汉字(mi)、(mi)产生了联系。如今距离第二次超弦革命已有24年,超过历史上任何一次弦论突破需要的时间,一直没有重大进展,第三次超弦革命遥遥无期。在超弦界颇有建树,并出版了一本《超弦史话》的李淼,也于2015年受邀南下,担任天文与空间科学研究院院长,领衔探测引力波的“天琴计划”
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引力波是爱因斯坦广义相对论预言的物理现象,其在2016年得到观测证实,李淼此举,意味着他回到了传统物理理论研究。种种迹象反映一个令人尴尬的事实:M理论的M,有可能是物理学史上最大的错误(mistake),最令人痛心的失落(miss),最长久的迷梦(mi、meng)。超弦的,也快成了玄学的玄。《三体》小说中,外星人发射智子到地球,锁死了LHC的发现,以致人类不能发现更加底层的粒子结构,导致现代科学踯躅不前。而李淼对醋醋表示,实验没有问题,是超对称理论错了。

那么这是否表明,李淼研究了30余年的超弦理论,已经实质上破产

李淼对此保持了长久的沉默。

欲将心事付瑶琴。知音少,弦断有谁听。

高能物理新时代的黎明

高能物理新时代的黎明

Dawn of the new HEP era

by tienzengong     (龚天任)

原文下载:https://tienzengong.files.wordpress.com/2020/04/dawn-of-the-new-hep-era.pdf

A: The background

In the past 40 years, the HEP (high energy physics, the foundational physics) is solidly based on the SM (Standard Model) which is a phenomenological model (with many free parameters), also based on Higgs mechanism.

In the theoretical front, there are some key issues.

One, Naturalness (restraining the Higgs boson mass; resolving the hierarchy issue).

Two, SUSY (with s-particles), the solution for naturalness.

Three, Cosmic Inflation scenario to eternal inflation to Multiverse (dodging the mystery of the nature constants issue, claiming that the nature constants (CC, Alpha, Higgs boson mass, Planck CMB data, Cabibbo/Weinberg angles, etc.) of THIS UNIVERSE are all environmental and cannot be derived.

Four, black hole information paradox.

Five, how to construct the quantum gravity.

Yet, all the issues above seemingly could be resolved by M-string theory, as:

SUSY is the direct consequence of M-string.

Multiverse is the direct consequence of M-string.

The black hole entropy can be calculated by M-string.

Graviton is the direct consequence of M-string.

That is, the M-string theory is the only TOE (theory of everything).

B: The dissidents

However, there are a few (very few) disagreed with the M-string’s claim in the mainstream HEP community.

In the 2004, Peter Woit and Lee Smolin disagreed with M-string’ claim with two reasons.
M-string is just a framework of ideas (not well-defined theory),

and thus, it cannot predict anything while explain everything.

So, it is a pseudo-science.

While Peter Woit keeps up his anti-M-string campaign, Lee Smolin drifted off.

Around 2015, Sabine Hossenfelder kind of joined this dissident group while her key disagreement is on the Naturalness issue without openly denouncing the M-string.

Also, around 2015, Paul Steinhardt (the inventor of ‘inflationary cosmology’) began to distance himself from what he had invented.

In addition to this dissident group is so puny, they are criticized for their big shortcomings:

{they just disagree without anything new of their own).

So, M-string is the ONLY game in town STILL.

C: The dawn

The first light:

On June 4, 2021, Peter Woit stated: {If a highly complex and obscure set of ideas accurately computes the details of something you can observe, you know there is something right about it, even if you don’t understand the set of ideas.} See https://www.math.columbia.edu/~woit/wordpress/?p=12353#comment-238968

Obviously, the {ideas accurately compute the details of something you can observe} refers to the followings: (Alpha, CC, Higgs boson mass, Planck CMB data, etc.)

See https://twitter.com/Tienzen/status/1401602348393238531

The second light:

Peter Woit published his {Euclidean twistor Unification theory} and gave a lecture at Brown University on September 23, 2021, see the video (https://www.youtube.com/watch?v=wNK_JxK0s9E&t=115s ).

After being a dissident for the past 20 years, Dr. Woit is putting out something new of his own.

The following is some background about his new work.

Einstein’s GR (general relativity, a gravity theory) is based on Minkowski geometry while the SM (QFT) was written with Euclidean geometry.

So, the difficulty of unifying GR with quantum (SM) is caused by some irreducible difference between the Euclidean geometry and Minkowski geometry.

Then, there is another issue, the {imaginary time} which was used in physics in two ways.

One, as the mathematical convenience for physics calculation, without any physical meaning of its own.

Two, as a novelty at the point (or before) of the big bang while it is not a part of space-time after the big bang.

In Dr. Woit’s new work, he tried two things.

One, projecting both geometry (Euclidean and Minkowski) into twistor space.

Two, adding a distinguished imaginary time direction into Euclidean twistor space, then the difference between Euclidean and Minkowski can be bridged, that is, a geometrical unification. And thus, the Gravi-weak unification becomes possible.

My words to Dr. Woit:

D: The evening twilight

Planck’s principle”: “A new scientific truth does not triumph by convincing its opponents and making them see the light, but rather because its opponents eventually die, and a new generation grows up that is familiar with it.”

This evening twilight is ensuring that the dawn of this new HEP era is, in fact, here.

This article can be viewed via https://tienzengong.files.wordpress.com/2020/04/dawn-of-the-new-hep-era.pdf

转:科学的守护者:斯蒂文·温伯格(1933-2021)

科学的守护者:斯蒂文·温伯格(1933-2021)

 施郁 知识分子 1周前

斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)教授 | 图源wikimedia.org

 原文地址:https://mp.weixin.qq.com/s/LebuyxSghT4XTRNYXyyqIQ

撰文 | 施郁(复旦大学物理学系教授)

责编|邸利会

 
☆ 温馨提示 

本文近1万5000字,分7个小节,其中4、5、6节适合有一定物理基础的读者或专业研究者阅读。

 目 录 

1. 纪念温伯格
2. 温伯格小传
3. 写了最多教科书的一流科学家
4. 标准模型的物理学和历史背景
5. 温伯格对标准模型的贡献
6. 温伯格的其他科学贡献与思想
7. 我和温伯格的点滴交往
纪念温伯格
2021年7月23日,惊闻斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)教授在美国奥斯汀仙逝,终年88岁。
 
我想起他在 Without God(《没有上帝》)中的一段话 [1]——

 

“我们越反思生活的愉快,就越怀念曾经由宗教信仰提供的最大的安慰:对于死亡之后生命将继续的许诺,以及在来世中将与所爱的人相会。随着宗教信仰的弱化,我们中越来越多的人知道,死亡之后,什么也没有。”

 
斯蒂文在弥留之际也许会想起他自己的这段话。
 
作为 “虔诚的非宗教主义者”,面临结束,他一定很眷念他热爱的这个世界和他热爱的科学——理解这个世界的事业。  
 
我给他的邮箱发了一封邮件,翻译如下——

 

“亲爱的斯蒂文:
您为人类做出了伟大的贡献。您在物理学,特别是标准模型上,留下了永久的影响。您还写了很多标准的教科书,写了很多精彩的通俗文章,作了很多富有启发的演讲。

谢谢您。”

 
博学、真诚、认真、稳健、较严肃却不乏幽默、高贵却平易近人,说话清晰、准确、完整,接近书面语,逻辑性强,不乏长句,语速较慢。
 
这是我眼中温伯格的形象。
 
他是当代最杰出的物理学家之一,对量子场论、粒子物理和宇宙学作出很多重要贡献。
 
1967年10月2日,温伯格开着一辆红色的雪佛兰科迈罗,去麻省理工学院办公室。路上,他突然意识到,他的一个理论方法虽然在强相互作用问题上行不通,但是可以完美地用到弱相互作用上 [2]。
 
这个时刻应该是温伯格作为理论物理学家最刻骨铭心的时刻。
 
两周后,他提出了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论。后来被称为电弱统一理论,成为粒子物理标准模型的一部分。这是温伯格最重要的贡献,导致他与格拉肖(Sheldon Lee Glashow)、萨拉姆(Mohammad Abdus Salam)平分了1979年的诺贝尔物理学奖。
 
粒子物理标准模型描述了电磁、强和弱这三种力的基本规律。粒子物理和宇宙学的 “标准模型” 的说法都是他引进的。
 
温伯格习惯在思考时踱步,所以喜欢在家工作。从他家里的办公桌,可以看到奥斯汀湖 [1],也可以看桌上的电视 [3]。
 
直到这次住进医院,他一直活跃在科研和教学一线。他工作勤奋,笔耕不缀,得诺奖也没有降低他的勤奋。
 
温伯格发表了近400篇各类文章和17本书。今年还在物理评论发表了一篇论文,完成了一篇关于有效场论的预印本。
 
他总结粒子标准模型半个世纪来的发展后,将接力棒交给后辈 [4]——

 

“现在的年轻一代物理学家也许嫉妒我们发展标准模型的激动和喜悦。这也许是个错误,正如我们这一代嫉妒量子电动力学的前辈英雄。我们新出道的实验家和理论家现在有机会参与迈出超越标准模型的下一大步。也许他们甚至能够看清通往显示终极理论的很高能量标度的道路。”

 
在物理学家中,温伯格最钦佩的英雄是牛顿;而在全人类中,他最钦佩的英雄是莎士比亚 [5]。
 
他曾经在一篇与萨拉姆和戈德斯通合作的论文开头,写上莎翁笔下的李尔王对小女儿考狄利娅的反驳:“Nothing will come of nothing: speak again(一无所有只能换来一无所有:再说)”,以表达对结论的失望(可惜被编辑删去了)[6]。
 
难怪温伯格喜欢写作。
 
确实,温伯格也是最吸引读者和最受尊重的科学传播大师之一。
 
因为写作上的成就,他获得1999年 Lewis Thomas 科学写作奖和 2009年 James Joyce 奖。2020年的科学突破奖特别奖除了 “奖励他对基础物理持续的领导,对粒子物理,引力和宇宙学的广泛影响”,也奖励他 “对广大公众进行科学传播” [7]。 
 
他1977年的畅销书 The First Three Minutes(《最初三分钟》),为大爆炸宇宙学在科学家和公众中的传播起到了历史性作用。
 
温伯格做过很多公众演讲,写过很多科普文章和杂文,出版过很多书,涉及面极广,包括了天文学、宇宙学与物理学、物理学家、科学史、还原论、科学论战、公共事务、政治、宗教、给学生的建议、个人经历等等。
 
1982年出版的《亚原子粒子的发现(Discovery of Subatomic Particles)》来自他此前的两年中,在哈佛大学和德克萨斯大学奥斯汀分校的两次物理学史课程。他在序言中指出, 20世纪物理学的发现已经是文化的一部分,这本书适合对这些感兴趣,但是没有系统学过物理的一般读者,所用数学不超过简单的算术,但是物理学家可能也对此书感兴趣。
 
1986年,费曼和温伯格在剑桥做了纪念狄拉克的演讲,两人的演讲分别是 The Reason for Antiparticles(反粒子的理由)和 Towards the Final Laws of Physics(寻找物理学的终极定律),被汇集成Elementary Particles and the Laws of Physics(《基本粒子和物理学定律》)。
 
温伯格将后来的公众演讲和报刊文章汇编为三本文集—— Facing Up(《仰望苍穹》)、Lake View(《湖畔遐思》)以及 Third Thoughts(《第三思想》,意为第三本文集),分别对应他2000年之前,2000-2008年和2009-2018年三个时期的作品。
 
用他自己的话说,他的演讲和文章清晰展示了他 “理性、还原论、实在论和虔诚的非宗教主义思想”。 
 
温伯格是还原论的旗手。
 
他认为 [8],“还原论的方案(将所有的科学原理归结为几条简单的物理定律)不是唯一重要的科学,或者不是唯一重要的一类科学,但是它自有一种特殊的重要性。”
 
围绕这个话题,他写过很多文章,以及一本书 Dreams of a Final Theory(《终极理论之梦》)。表面上,这些观点与层展论旗手、凝聚态物理学家安德森(Philip Anderson)的观点相左。但是笔者认为,还原论与层展论是硬币的两面,相辅相成,安德森所说的 “基本”(fundamental)与温伯格所说的 “基本”(fundamental)的含义并不一样。
 
作为科学的发言人和实在论的代表,温伯格参与了社会建构主义者、后现代主义者的论战。
在很多演讲和文章中,他强调了科学的客观性和非人格性,即存在客观的实在和客观的真,而科学描述这个客观实在和客观的真。
 
然而,他也注重科学家在科学活动中的主观过程。他说过 [5]——

 

“所有好的科学家都依赖于直觉,以及关于什么是吸引人的理论的品味,从历史的意义上,他们感觉到领域在移动。这是很主观的。我们互相争论,这是社会过程。我和其他科学家有复杂的社会相互作用。这是值得社会学家研究的有魅力的现象。但是我认为,我们向一个客观真理汇聚,因为世界就是那样。最后,那成为稳定的、我们知识体系的永久部分。”

 
在《第三思想》的序言中,温伯格坦诚地提前向读者致谢 [8]——
 
“我希望这不是最后一部文集。但是基于保险统计的现实,现在是个好时间,让我为读者加几句感谢,他们许多年来忍受我的辩论和解释,从而给予我一个可贵的机会,能够接触物理学之外的世界。”
 
温伯格工作在科研前沿,推进科学进步,又经常审视、考察、梳理他热爱的物理学,与其他物理学家讨论、辩论对科学的不同看法,向公众解释科学。
 
这让我想象一位勤劳的司机,经常擦拭自己心爱的车,琢磨汽车的结构和功能,以及如何更好地开车,而且就此热切地与其他司机辩论,并介绍给大众。
 
他堪称科学的守护者。

 

温伯格小传
1933年5月3日,温伯格生于纽约的一个犹太人家庭。
 
他对科学的兴趣受到父亲(一位法庭速记员)的鼓励。15到16岁时,温伯格的兴趣已经集中于理论物理。当时他读过伽莫夫的科普书。
 
在Bronx理科高中,他与格拉肖(Sheldon L. Glashow)、费因伯格(Gerard Feinberg)是亲密的同学,而且都对科幻很感兴趣 [3]。这个学校有3位校友得到诺奖:库柏(Leon Cooper,1972)、温伯格(1979)、格拉肖(1979)。1950年高中毕业,费因伯格去了哥伦比亚大学,后成为李政道的研究生,又成为本校的教授;而格拉肖和温伯格去了康奈尔大学。
 
温伯格在康奈尔读本科时认识了露易丝(Louise),毕业时结婚。
 
夫妇二人打算在国外生活度过浪漫的一年再回美国。当时欧洲核研究组织(The European Organization for Nuclear Research, 简称CERN)的理论部在丹麦哥本哈根大学理论物理研究所(1962年玻尔去世后,改称玻尔研究所),物理学家达里兹(Richard Dalitz)建议温伯格去那里 [9]。
 
1954年,温伯格成为玻尔研究所的研究生。他带去了很多书。爱读书的习惯与他的博学以及后来写了那么多书和文章很一致。温伯格与玻尔只简单交谈过,关于玻尔的一个主要记忆是,在玻尔家的一次晚会上,玻尔与露易丝谈了很长时间,但是露易丝一句也没听懂。 
 
当时温伯格以为做研究之前,需要了解这个领域的所有已知。但玻尔研究所的人建议温伯格要立即开始做科研。后来温伯格以此经历,告诉学生:没有人知道所有的事,你也不必 [1]。
 
温伯格在 David Frisch 建议下研究α衰变,但是没有做出结果。Gunnar Källén和泡利刚证明了李模型(李政道提出的一个模型)中的散射违反量子力学的幺正性(总概率保持为1)。Källén希望温伯格研究李模型还有什么问题 [9]。在他指导下,温伯格证明了李模型中有能量为复数(应该是实数)。一年后,在回美国的船上,温伯格完成这个工作,成为他第一篇论文。 
 
1955年,温伯格成为普林斯顿大学博士研究生,导师是费米的学生崔曼(Sam Treiman)。博士论文是将重整化理论用于强相互作用在弱相互作用过程中的作用。 
 
1957年博士毕业后,温伯格来到哥伦比亚大学,成为中学同学费因伯格的同事。李政道主持哥伦比亚的理论物理,正是在1957年,与杨振宁共同获得诺奖的那年。两年后温伯格去了加州大学伯克利分校,1964年成为教授。
 
因为夫人露易丝进入哈佛大学法学院学习,温伯格在哈佛大学访问了一年,然后又去同城的麻省理工学院访问了两年。到麻省理工学院不久,就发生了科迈罗汽车里的 “顿悟”,建立了弱相互作用和电磁相互作用的统一理论。这导致他1979年与格拉肖和萨拉姆平分诺贝尔物理学奖。1969年,温伯格成为麻省理工学院的教授。
 
1973年,温伯格接替了从哈佛大学退休的施温格的 Eugene Higgins 讲座教授职位。
 
1982年,温伯格离开哈佛,成为德克萨斯大学奥斯汀分校 Jack S. Josey-Welch Foundation Regents 讲座教授,此后一直在这个职位上。
 
去哥本哈根读研、到哈佛和麻省理工访问又留下,都有考虑夫人的因素。据说去德克萨斯大学的一个原因是该校同时为夫人提供教职。
 
在伯克利,温伯格曾经因后背问题卧床休息,他夫人送给他一本钱德拉塞卡的书《恒星结构》阅读。笔者注意到,《引力和宇宙学》和《量子场论》第一卷的扉页上都写了 “献给路易丝(To Louise)”;《亚原子粒子的发现》的扉页上写了 “献给伊丽莎白(To  Elizabeth)”;Facing Up的扉页上写了“献给路易丝和伊丽莎白(To Louise and Elizabeth)”;Lake View、《量子力学讲义》、《宇宙学》、《解释世界:发现近代科学》,《天体物理讲义》以及《近代物理基础》的扉页上都写了 “献给路易丝、伊丽莎白和加布里埃尔(To Louise, Elizabeth and Gabrielle)”。Elizabeth 和 Gabrielle 是他的女儿和女婿。

 

写了最多教科书的一流科学家
在第一流的物理学家中,温伯格应该是写了最多教科书的人。朗道有10卷的物理学教程,但实际上是栗夫希兹等人帮他写的,甚至有两卷在朗道去世十几年后才出版。费曼也有好几本书,但是是别人根据他的讲课整理的。
 
温伯格的书完全是他自己独自写的,而且覆盖很多不同领域——

 

● 《引力和宇宙学(Gravitation and Cosmology)》

● 《量子场论(Quantum Theory of Fields)》(3卷)

● 《量子力学讲义(Lectures on Quantum Mechanics)》

● 《宇宙学(Cosmology)》

● 《解释世界:发现近代科学(To Explain the World:The Discovery of Modern Science)》

● 《天体物理讲义(Lectures on Astrophysics)》

● 《近代物理基础(Foundations of Modern Physics)》

温伯格说:“当我想学某个科目的时候,就会自告奋勇地教一门课。” [10]教过一次或几次后,他就出书。温伯格的教科书也可称专著,因为是按照他自己梳理的体系展开的。我觉得,温伯格教学和写书,很大程度上是对物理学各个基础科目,按照自己的理解进行梳理,也可以说,梳理自己的理解。
 
比如《引力论和宇宙论》就源于他想学习这个领域,于是讲授这门课。他看不懂罗伯逊-沃克度规的原始证明,就自己做出了一个证明,放在书中。所以他的每本书中不乏原创的内容。而且很多内容也与他的研究密切相关。
 
教学、写书过程有时也导致有关课题的研究论文,比如2011年以来他有几篇量子力学论文,2019年他有一篇天体物理的论文。
 
他的科普话题,比如对称性、自发对称破缺、基本粒子、弱相互作用、强相互作用、标准模型、统一理论、宇宙、量子力学,往往也与他的研究密切相关。这大概也是他书和科普文章多的原因之一。
 
科普有时也激发科研。
 
1973年,他应邀对哈佛本科生做个科普演讲,打算讲宇宙学,于是读了Kirzhnitz 和Linde的一篇论文,发现没有解决问题,于是自己写了关于高温量子场论的论文。我想,他的科普也对他梳理自己的科学思想发挥了作用。
 
《引力论和宇宙论》1961年开始写,1971年出版。
 
写作目的一部分是为了突出他的非几何的观点。作为粒子物理学家,温伯格不喜欢引力专家中流行的几何观点,而认为物理的观点更有利于量子引力理论的建立,比如他认为只有有了等效原理,才能存在无质量、自旋为2的引力量子。
 
40年过去了,引力和量子引力理论都有了很多进展,但是温伯格在《天体物理讲义》中表示,他不想再写一本,说明他对广义相对论的物理观点没有改变。但是他也表示,对于《引力论和宇宙论》中没有覆盖的课题,《天体物理讲义》相当于是个更新。 
 
作为量子场论大师所写的《量子场论》3卷分别出版于1995,1996和2000年,给了量子场论一个非常普遍和全面的介绍,目的是说明为什么量子场论是目前这个形式,为什么这个形式取得成功。他的观点(也就是此书的出发点)是,这是量子力学与狭义相对论的唯一自洽结合。这与他的有效场论的思想(任何相对论性的量子理论在低能下就是量子场论)一致。 
 
量子场论是描写基本粒子的理论方法,量子电动力学、杨-米尔斯理论、电弱理论、量子色动力学、弱相互作用和强相互作用的其他理论等等都是量子场论。 在量子场论中,粒子是场的激发,比如电子是电子场的激发,光子是电磁场(一种规范场)的激发,规范粒子是规范场的激发,如此等等。 
 
1999年,完成3卷《量子场论》后,温伯格开始了解蓬勃发展的宇宙学的细节,特别是此前20年中的理论进展。他发现,综述文章常常直接引用公式而不给出推导,甚至没有参考文献,甚至公式有错,而原始文献中的推导也时有各种问题。因此他发现,最容易的方法是自己重新将理论做出来。结果就是2008年出版的《宇宙学》一书。 
 
2013年出版的《量子力学讲义》强调对称性原理,也包含一些新的课题,比如粒子物理的例子、量子力学的各种诠释、量子纠缠与量子计算。 2015年出了第二版,增加了一些内容,更正了一些错误。 
 
温伯格感觉需要研究较早的科学史的时候,讲了几次科学史课。这导致2015年出版的《解释世界:发现近代科学》,主要覆盖从古希腊到牛顿力学的创立,也就是科学史上所说的近代科学的开端。
 
此书与通常的科学史著作不同,充分体现了活跃在当代科学前沿的科学家不吝用当代科学的眼光审视科学史,将多被诟病的辉格史观在科学史领域发扬光大。我很有共鸣,因为这样才能衡量发现近代科学这个理解世界的方法是多么困难,而且科学不是社会建构或者民主选举,科学是对客观世界的解释,科学中有正确与错误之分。
 
2020年出版的《天体物理讲义》主要是针对天体物理中比较传统的内容(恒星、星系、星际物质等等),用解析计算处理,包含很多独特的内容,特别是其他书上没有的公式。值得注意的是,此书介绍了近年来很引人注目的引力波及其探测。 
 
2021年出版的《近代物理基础》比同类书覆盖了更多的原子核物理和量子场论,而且更多地强调物理学史。
 
可惜还没写统计力学,否则估计他会涉及对还原论和层展论的讨论。

 

标准模型的物理学和历史背景
4种基本相互作用
将不同现象背后的规律统一起来,是牛顿以来的物理学传统。1666年,一场瘟疫期间,牛顿发现,行星绕太阳的运动、月球绕地球的运动、苹果向地面的下落,都可以用引力解释,月球和苹果都受到地球的引力。牛顿还提出,任何两个有质量的物体都存在这种引力,叫做万有引力。一百多年后,卡文迪许实验验证了万有引力。
 
19世纪,通过奥斯特、安培和法拉第等人的实验,以及麦克斯韦的理论,人们认识到电和磁的统一。20世纪初,爱因斯坦的狭义相对论表明,电场和磁场之分与参照系有关。电磁力主宰了原子和分子层次的物理学和化学。  
 
从19世纪末发现的放射性现象开始,物理学深入到原子核层次。人们发现,在原子核或者更小的尺度,存在两种核力。一种叫做强核力,负责将核子(质子或中子)结合为原子核(后来知道,核子由夸克组成,强核力本质上是夸克之间的强相互作用)。另一种叫做弱核力,导致β衰变(β指电子,在这种衰变中,有电子产生)等过程。这两种力都参与支配了太阳发光过程。
 
因此自然界有4种基本相互作用,按照强度从小到大排列:引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用。在微观尺度上,万有引力微乎其微,可忽略。
 
对称性与规范对称性
物理学要用数学描述相互作用。牛顿万有引力定律就是最早的例子,但是牛顿引力是超距作用。现代的引力理论是1915年爱因斯坦提出的广义相对论,揭示了引力本质上是物质所导致的时空的弯曲。
 
广义相对论是基于对称性而得到,这里的对称性是时空的广义协变性,是狭义相对论的洛伦兹不变性的推广。也就是说,爱因斯坦根据对称性,确定了引力相互作用。 
 
麦克斯韦方程组给出了电磁相互作用的信息。广义相对论提出后,外尔(Hermann Weyl)试图将电磁力纳入广义相对论的框架,将电磁守恒定律与规范不变性联系起来(规范原本是尺子的意思)。规范不变性就是说在规范变换下,物理定律保持不变。爱因斯坦、泡利等人指出这个理论是错误的。量子力学(微观尺度上物理学的基本框架)兴起之后,外尔于1928年将规范不变正确解释为相位不变 [11]。
 
因此,在量子力学框架下,电磁相互作用可以作为规范不变的后果被推导出来,电磁场是规范场,规范不变性导致电荷守恒。虽然电磁学是已知的,但是规范理论深刻揭示了物理定律的结构。 
 
电磁学、量子力学与狭义相对论结合,得到量子电动力学。但是在理论计算中,出现了无穷大。1940年代,这个问题由施温格(Julian Schwinger)、费曼(Richard Feynman)、朝永振一郎和戴森(Freeman Dyson)通过重整化解决,即重新定义物理上可测量的质量、电荷这样的参量,将基于 “裸” 参量算出的形式上的无穷大吸收进这些参量和场的定义。这使得电子磁矩的计算成为最精确的理论计算,可重整化成为对理论的一种合理要求。施温格、费曼和朝永振一郎因此获1965年诺奖。沃德(John Ward)的恒等式表明,重整化之所以成功,是因为规范不变性将不同的无穷大联系起来。
 
杨-米尔斯理论
1950年代,粒子物理开始蓬勃发展,实验上发现越来越多的粒子,特别是奇异粒子(奇异在于与核子不一样,但是也参与强相互作用;后来知道,这是因为组分中有奇异夸克)。杨振宁认为需要一个决定相互作用的原理。1954年,他与米尔斯(Robert Mills)将外尔的规范理论做了推广,提出了非阿贝尔规范理论,又被称为杨-米尔斯理论 [12]。
 
杨振宁和米尔斯讨论的是强相互作用,对称性是质子与中子之间近似的同位旋对称(质量相等),数学结构是SU(2)。多年之前,海森堡就指出这种对称性,但是是整体对称性,也就是说,与空间位置无关。杨振宁和米尔斯参照外尔的理论,将同位旋对称改为局域对称性,也就是与空间有关,并引入一个规范场,使得存在规范不变性。但是,杨-米尔斯理论表明,相互作用由没有质量的媒介粒子(规范场的粒子)传递,类似电磁场的粒子,即无质量的光子,而当时实验上并没有这样的无质量粒子。
 
然而杨-米尔斯理论为粒子物理提供了一个原理,杨振宁后来称之为 “对称性支配相互作用”。广义相对论是这个原理的最早体现。 
 
1960到1970年代,人们认识到基本粒子是夸克和轻子(轻子包括电子、缪子、陶子以及各自对应的中微子,以及各自的反粒子)。理论上发现了自发对称破缺机制,被用到杨-米尔斯理论,将轻子和夸克的弱相互作用与电磁相互作用统一起来,被称为电弱相互作用。人们还发现夸克和胶子的强相互作用也可以用杨-米尔斯理论描写(胶子是相应的规范粒子,互相之间也有相互作用)。这两方面统称粒子物理的标准模型,而温伯格就是标准模型建立过程中的一位关键人物。 
 
温伯格说过 [3]:“对称性所扮演的另一个角色的代表是1915年爱因斯坦的工作,1954年杨振宁和米尔斯的工作,以及1967年的电弱理论。这个角色是,对称性不仅是唯一能处理的事,而实际上驱动了动力学。这是中心问题。”

 

弱相互作用
关于弱相互作用,1934年费米提出了β衰变理论。1956 年,他的学生李政道和杨振宁提出,弱相互作用中,左右可能不对称(或者说,宇称不守恒),被费米学生E. Segre的学生吴健雄等人给出实验证实。在此之后,所谓矢量-轴矢量理论由Marshak和Sudarshan,以及费曼和盖尔曼提出。但是费米理论和矢量-轴矢量理论都不能重整化。
 
施温格不满意于费米理论,试图将它与电磁相互作用统一描述。矢量-轴矢量理论出来后,他知道失败了,但是将此问题交给了他的研究生格拉肖。格拉肖在博士论文中猜想,可能重整化需要通过将弱作用与电磁作用统一起来才能解决。1958到1960年,格拉肖在玻尔研究所做博士后。他用杨-米尔斯理论,硬性假设规范粒子具有质量,并考虑到宇称在电磁作用中守恒,而在弱作用中不守恒,提出一个具有U(1)×SU(2)对称性的模型,将电磁相互作用和弱相互作用联系起来,1961年发表 [13]。3年后,在英国帝国理工大学,萨拉姆(Abdus Salam)和沃德也在施温格尝试的启发下,提出类似的理论 [14]。但是这些工作当时都没有引起很多注意。真正的电弱理论有待规范粒子质量问题的自然解决。  
 
自发对称破缺
解决规范粒子质量问题的物理思想是自发对称破缺,意思是,系统状态并不表现出支配它的物理定律的对称性。也可以说,对称性被隐藏起来。
 
1956年巴丁(John Bardeen)、库珀和施瑞弗(John Schrieffer)提出超导理论 [15],他们获得1972年诺奖。人们注意到,超导态破坏了规范对称。1960年,南部阳一郎指出 [16],超导导致没有能隙(最低的激发能量)的模(激发),后来被称为南部-戈德斯通模或者戈德斯通模。这就是自发对称破缺,让表面上的对称破缺与物理定律的对称性协调起来。模及其能隙类似于粒子物理中的粒子及其质量。 
 
南部首先将凝聚态物理中的自发对称破缺类比到粒子物理。他提出 [17],类似于超导,核子通过近似的自发对称破缺获得质量,同时产生近似没有质量的粒子(南部-戈德斯通玻色子),就是已知的派(π)介子(质量相对很小)。南部考虑的对称性叫做手征对称(手征指左旋或者右旋)。它的自发破缺是由于核子有质量。南部还和 Jona-Lasinio 提出一个更复杂的模型,并指出,南部-戈德斯通玻色子的出现有个条件,就是没有库伦相互作用 [18]。2008年,南部获得诺奖(Jona-Lasinio为他作了获奖演讲)。
 
戈德斯通指出,作为普遍结论,自发对称破缺会导致无质量的玻色子 [19]。这就是人们所说的南部-戈德斯通玻色子或者戈德斯通玻色子。粒子有两种,一种叫玻色子,一个状态上可以有任意多同种玻色子;另一种叫费米子,一个状态上只能有一个同种费米子。 
 
萨拉姆和温伯格怀疑,戈德斯通的结论并不是必然的。但是1962年,他们和戈德斯通联名发表论文,严格证明了连续对称性的自发破缺确实必然导致无质量、自旋为0的玻色子 [20]。这似乎摧毁了用自发对称破缺描述弱相互作用的希望,因为现实中不存在这样的无质量粒子。
 
安德森意识到,凝聚态物理中早就有很多自发对称破缺的例子,比如他1952年发现的反铁磁体最低能量状态,也有很多戈德斯通模的例子,例如声子。凝聚态物理学家以前用有序无序这些名词,没有 “自发对称破缺” 的说法。后来安德森将自发对称破缺当作凝聚态物理的核心概念之一。因此,在此概念上,凝聚态物理和粒子物理是互惠的。 
 
现在考虑规范场。南部和安德森都注意到电磁场中的等离子体和超导体中,电磁规范对称发生自发对称破缺,使得光子获得质量,所以超导体有迈斯纳效应(将磁场排斥在外)。施温格猜测,规范对称性并不一定要求相应的规范粒子的质量为0 [21]。次年,安德森指出,等离子体里的电磁波为施温格提供了例子,又根据超导体的情况指出,戈德斯通零质量困难可以被杨-米尔斯的零质量问题抵消掉。也就是说,在有规范场时,规范粒子可以因为自发对称破缺而获得质量 [22]。这与南部和 Jona-Lasinio 的条件是一致的,因为库伦作用就是来自规范场。
 
1964年,3组理论物理学家,布鲁(Robert Brout)和恩格勒特(François Englert)[23],希格斯(Peter Higgs)[24],以及古拉尼克(Gerald Guralnik)、哈根(Carl Richard Hagen)和基布尔(Tom Kibble)[25],考虑基本的场论模型,里面有规范场。他们证明了,规范对称的自发破缺确实使得规范粒子获得质量。这个规范对称性的自发破缺经常被称作希格斯机制,也有人称安德森-希格斯机制,近年来也称BEH机制。 
 
希格斯收到文章审稿意见后,加了一些讨论,提到对称破缺后存在有质量的玻色子 [26]。这后来被称为希格斯玻色子。其他两组作者没有提这个,因为觉得这是显然的 [26]。
 
其实即使没有规范场,对称性自发破缺在产生无质量的戈德斯通玻色子的同时,也产生有质量的玻色子。这类似于在酒瓶内的底部,小球很容易沿着最外的凹陷圆运动,但是很难爬高。前者相当于无质量的激发,后者相当于有质量的激发。
 
一个通俗说法是,规范场吃掉无质量的戈德斯通玻色子,变得有质量。而有质量的玻色子还在那里,这就是希格斯玻色子。
 
1967年3月,基布尔发表了BEH机制向非阿贝尔理论(即杨-米尔斯理论)的推广 [27]。
 
为了方便,以上讨论中,我们直接用了 “自发对称破缺” 这个词,但历史上1962年才首次出现这个说法,是在1962年Baker和格拉肖的粒子物理论文中 [28]。在上面提到的文章中, 戈德斯通、萨拉姆和温伯格的文章、布鲁和恩格勒特的文章以及古拉尼克、哈根和基布尔的文章用了 “破缺的对称性”(broken symmetry)一词,希格斯的文章和基布尔的文章用了“自发对称破缺”。到了1967年时,“自发对称破缺” 已经普遍使用。

 

温伯格对标准模型的贡献
电弱统一理论的诞生

 

1967年,温伯格先是在研究强相互作用,考虑一种近似的整体对称性SU(2)×SU(2)。这是从南部的模型发展而来,SU(2)是质子与中子之间的同位旋对称,有两个SU(2)是因为左旋和右旋分开来。温伯格试图将这个整体对称性变成局域的,正如杨振宁和米尔斯对同位旋对称所做的推广。因此温伯格用到杨-米尔斯理论和规范对称性自发破缺,但是得到的结果与实验不符。这个难题卡在温伯格脑中几个星期。
 
1967年10月2日,温伯格开着一辆红色的雪佛兰科迈罗去麻省理工学院办公室 [2]。路上,温伯格突然意识到,他的方法可以用到弱相互作用上。这个时刻也许是温伯格作为理论物理学家最刻骨铭心的时刻。
 
可重整化的要求给理论形式一定限制,要求规范对称性是U(1)×SU(2)。因为当时夸克(参与电磁、弱和强相互作用)的存在还没有确立,温伯格集中于轻子(不参与强相互作用)。在这个理论中,规范对称性自发破缺后,给出传递电磁相互作用的光子,传递弱相互作用的3个有质量的规范粒子( 电荷为±e 的W±和不带电的Z0粒子),以及一个希格斯粒子。SU(2)有3个分量,其中两个组合成W±。第三个与只有一个分量的U(1)组合成Z0和光子,组合方式可以用某个角度来表示,后被称为温伯格角。这使得W±和Z0的质量都可以表达为温伯格角的函数。Z0是电中性的,它传递弱相互作用,引起中微子这样的中性粒子的运动,叫做弱中性流。
两周后,关于这个理论的论文《轻子的模型(A model of leptons)》寄给了期刊《物理评论通信》[29]。 文章用了 “自发对称破缺” 一词。
 
这篇文章发表后的4年内,无人引用,然后从1971年开始,每年引用数稳步增加,成为引用最多的高能物理论文之一。 我在Web of Science 上查到,截至2021年7月28日,引用数是6134,每年引用数见下图。
 
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《轻子的模型(A model of leptons)》的每年引用数

 
温伯格说 [4],他后来注意到格拉肖以及萨拉姆和沃德的工作,即硬性假设规范粒子有质量,然后给出U(1)×SU(2)电磁与弱作用混合的理论。格拉肖文章有个参数就是温伯格角。温伯格论文发表时引用了格拉肖这篇文章(草稿上没有引用 [26]),没有引用萨拉姆和沃德的文章。

 

但是只有温伯格对W±和Z0的质量作出预言。
 
温伯格也引用了那3篇BEH机制文章和基布尔的非阿贝尔推广,但是将希格斯的文章所在期刊弄错,导致看上去像是最早。大概因此原因,这个机制常被称为希格斯机制。
 
次年,萨拉姆(1964年创立位于意大利的国际理论物理中心,同时也继续是帝国理工大学教授,又有很多社会事务)在一个会议上回顾与沃德的U(1)×SU(2)模型 [30],评论说自发对称破缺可以使它成为可行的理论,并起了 “电弱理论” 这个名字。他引用了温伯格的《轻子的模型》。萨拉姆没有就此写正式论文,之后也没有在这个领域工作。
 
1971 年,温伯格又将电弱理论用于夸克。他曾经表示,他猜想自发对称性破缺的规范理论是可重整的,但是没有足够时间去证明,时间用在了《引力论和宇宙论》一书的写作。看来科普和写书既有促进科研的情况,也有减少科研时间的情况。1970年代,他一直在标准模型以及统一理论方面工作。
 
1971 至1972 年,荷兰的研究生特霍夫特(Gerard ‘t hooft)和他的导师维尔特曼(Martinus Veltman)用路径积分方法(温伯格当时还不熟悉此方法),证明了自发对称性破缺的杨—米尔斯理论确实可重正化。表明了电弱理论是一个自洽的量子场论。这是为什么温伯格的《轻子的模型》从1971年开始被引用。
 
他们的证明宣布之后,萨拉姆开始宣传自己的优先权。“温伯格-萨拉姆模型” 这个名词被广泛使用。
 
1973年, Z0粒子所导致的中性流在CERN发现。这是电弱理论的预言。
 
1976年,萨拉姆的朋友 Paul Mathew 给诺奖委员 Ivar Waller 写信说,萨拉姆在1967年秋季的一个研究生课上,基于基布尔关于对称自发破缺向非阿贝尔理论的推广,描绘了弱和电磁作用的统一理论 [26]。基布尔是萨拉姆的诺奖提名人之一 [26]。 
 
1978年,瑞典科学院邀请格拉肖参加一个会议。期间Waller问他,他1961年文章里的参数与温伯格角是否相同。格拉肖说可能不一样,Waller说是一样的 [26]。
 
1979年诺贝尔物理学奖均等地授予格拉肖、萨拉姆和温伯格,表彰他们对统一基本粒子之间的弱与电磁相互作用的贡献,包括对弱中性流的预言。沃德一直不满被诺奖忽略。

 

1983年,W±和Z0在CERN发现,并确定了质量。次年实验家鲁比亚(Carlo Rubbia)和提供关键技术的范德米尔(van der Meer)获诺奖。
 
1999年,特霍夫特和维尔特曼获诺奖。
 
2012年,希格斯粒子在CERN发现,次年恩格勒特和希格斯获诺奖(布鲁当时已去世)。 
 
温伯格在诺贝尔奖获奖演讲开头,精彩地描述了包括他本人在内的理论物理学家的努力 [6]。我试译如下: 

 

“我们在物理学里的工作是简单地看待事物,通过几条简单的原理,用统一的方式理解很多复杂现象。有时,我们的努力通过精彩的实验显示出来,比如1973年中性流中微子反应的发现。但是即使在实验突破之间的黑暗时刻,理论思想的稳步演化总在继续,难以察觉地导致先前信念的改变。

在此报告中,我将讨论理论物理中两条思路的发展。一条是我们对对称性的理解的缓慢增长,特别是在破缺或者隐藏的对称性方面。另一条是对于量子场论中无穷大的挣扎。在很大程度上,基本粒子相互作用的细节理论可以演绎地理解为对称原理和对付无穷大的可重整化原理的后果。我也将描述这些思路的汇聚如何导致我本人在弱和电磁相互作用的统一方面的工作。”

 
胶子没有质量
1972年,弗里奇(Harald Fritzsch)和盖尔曼用具有SU(3) 规范对称性的杨—米尔斯理论,通过被称作色的自由度描述强相互作用,其规范粒子就是胶子。这叫量子色动力学。1973 年,格罗斯(David Gross)和维尔切克(Frank Wilczek)师生小组,以及波利策(David Politzer),各自发现杨—米尔斯理论具有渐进自由的性质,也就是说,距离越短,相互作用越弱(特霍夫特在前一年得到这个结果,但没发表)。他们3人获得2004年诺奖。
 
1973年,格罗斯-维尔切克小组以及温伯格独立提出,量子色动力学的规范对称没有破缺,因此胶子质量为零。我们看不到自由的夸克和胶子,他们被囚禁着,因为它们距离越大,相互作用越强。
 
温伯格的其他科学贡献与思想
温伯格也有很多其他贡献和思想,这里只谈几个。

 

超越标准模型
1974年,温伯格、乔治(Howard Georgi)和奎因(Helen Quinn)估算了所有4种相互作用统一的能量尺度。
 
1977年,温伯格和维尔切克各自预言了一种新的中性粒子。这建立在佩西(Roberto Peccei)和奎因的理论之上,该理论是为了避免特霍夫特提出的一种破坏时间反演对称的量子色动力学真空(因为实验上不是这样)。人们采纳了维尔切克的命名 “轴子”。这是暗物质的一个候选者。

 

有效场论
温伯格认为,广义相对论和粒子物理标准模型都是有效场论,是更高能量尺度(也就是更小空间尺度)的更基本的理论的低能近似,因此更高阶的近似给出修正,这就是超越标准模型的行为。不管高能的理论是什么,只要与量子力学和狭义相对论融洽,它的低能近似就是量子场论 [31]。  
 
他认为,中微子的微小质量就是一个迹象,另一个可能的迹象是重子数不守恒(重子指质子、中子和一些相关的参与强相互作用的粒子),例如质子衰变。 
 
2020年10月24日,在面向中国公众的网络演讲和对话中,温伯格说到 [32]——

 

“我认为继续安静模式的实验物理也是很重要的,我们可以寻找质子衰变那样的稀有事例,因为我认为质子衰变甚至有可能在我的有生之年发现,我希望在深层地下的那种实验,人们可以耐心等待一大箱液体中的稀有事例。我希望那种实验也继续。”

 
可惜,温伯格教授已经没有机会看到质子衰变的新结果。

 

宇宙学
温伯格是最早针对宇宙学,研究高温量子场论的人之一,也可能最早研究了早期宇宙中重子产生及其与宇宙膨胀速率的正比。他还研究了宇宙学常数为什么那么小,指出宇宙学常数虽然很小,但是可以不为零,这与后来发现的宇宙加速膨胀发现相融洽。 
 
在2020年那次活动中,温伯格说 [32]——

 

“在宇宙加速膨胀发现之前,很多物理学家认为,有基本原理能够解释,为什么包括宇宙学常数在内的总的暗能量严格为零。但是现在我们知道这是不对的。”

 

量子力学
温伯格对量子力学的基础,特别是测量问题以及主要的诠释感到不满意。温伯格的态度反映了他确实是一位实在论者。
 
在2020年那次活动中,温伯格在回答我的问题时说 [32]——

 

“我所迷惑的是这样一个事实,我们在表述量子力学的基本假设时,我们必须提到观察者,也就是,做测量的人。我希望在很基本的层次,我们有个非人格性的理论,正如艾萨克·牛顿的引力理论,我们从中可以推理出人的行为,但是人自己不出现在定律中。”

 

我和温伯格的点滴交往
我2010年至2011年在德克萨斯大学奥斯特分校访问(在牛谦教授组里)。在这期间旁听了温伯格教授的 “量子场论选题” 和 “量子力学” 两门课,并向他请教过若干问题。记得他课后坐电梯时也象其他人一样看看手机。
 
有一次他向我提到,不知道量子力学的光学定理有什么参考文献,我很快查到 Roger Newton 在 American Journal of Physics 上的一篇综述 [33],发给了他。 
 
我曾经问他一个广义相对论的问题,他回答后,指出可以在他的《引力论和宇宙论》里找到有关讨论。
 
温伯格教授还主动送给我当时出版不久的 Lake View,并签了名。他告诉我,他仅在1978年访问过中国,大概是由李政道先生引荐。

 

我还问他,Z0粒子为什么这么命名?他说:“这是一种诙谐的意思,估计它也许将是最后一个被发现的粒子,因为Z是最后一个字母。不过也代表中性,是零电荷的意思。”
 
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与温伯格教授在他的办公室合影 | 供图:施郁

 
我离开奥斯汀时,温伯格教授的量子力学课还没有结束。但是后来收到他寄来的讲义。不久,他的《量子力学讲义》出版了。我注意到,他在书中一个注释里指出了我推荐的那篇文献。我也发现了书中简并微扰论那部分的错误和一些打字错误,不过他自己已经发现前者了。在第二版中,他将我列入了致谢名单。  
 
2013年秋季,我教 “量子力学II”,用刚出版的这本书(第一版)作为教材。 
 
最近两年我开设了科学史课程,温伯格教授的《解释世界:发现近代科学》成了主要参考书。我非常喜欢这本书,欣赏他从当代科学的视点评述科学史,也通过邮件向他请教过几次。最近我还想着要再问他一个相关问题,但是 “放在脑后”,没及时发邮件。 
 
去年,我邀请温伯格教授,通过中国科学技术馆的平台,做一次全网直播的公众演讲和对话(我为他作现场翻译)。我9月4日向温伯格教授发出邀请,20小时后就收到了他的答复,欣然接受邀请。活动在10月24日上午9:30开始,温伯格教授讲了《极大与极小》[29]。网络观众非常多。 
 
在对话环节,我们谈到,基本定律后果与偶然事件的区分。现在我想起,一个科学家如果将原本以为的一种情况改为另一种,就是不朽的贡献,比如温伯格将W±和Z0的质量都表达成温伯格角的函数,减少了一个参数。也许与这个经验有关,他特别关注标准模型有很多参数,不同种夸克或轻子的质量可以相差很大。  
 
当时温伯格有一席话总结了他几十年工作中的心态。让我们重温一下 [29]——

 

“作为一位物理学家,回顾1950年代开始的几十年工作,那是非常大的乐趣。时不时发现一个理论想法,导致证实这个想法的实验,或者解释已知但是似乎奇怪的东西,这是多么令人激动。但并不总是这样愉快,很多时间花在了行不通的想法上。我经历的失败多于成功,这在科学工作中是典型的。但是成功的少数情况弥补了其他的不成功。所以要坚持工作。”

 
活动结束时,奥斯汀时间已经很迟了,我至今还为此感到内疚。想起当时温伯格欢迎我再去德克萨斯,则是怅然。 
 
在本文写作过程中,我也涌现了不少想问温伯格教授的问题,可惜已经没有机会了。图片
图片 参考资料:(可上下滑动浏览)

[1] S. Weinberg, Lake View.

[2] S. Weinberg, Facing Up.

[3] R. P. Crease, C. C. Mann, Second Creation.

[4] S. Weinberg, Esssay: Half a Century of the Standard Model. PHYSICAL REVIEW LETTERS 121, 220001 (2018).

[5] M. Hargittai, I. Hargittai, Candid Science.

[6] S. Weinberg, Nobel Lecture,Nobel Prize Website.

[7] Breakthrough Prize Website.

[8] S. Weinberg, Third Thought.

[9] S. Weinberg, Living with Infinities, arxiv:0903.0568.

[10] S. Weinberg, To Explain the World.

[11] 施郁,规范理论一百年, 知识分子,2019-03-31

[12] C. N. Yang and R. Mills, Phys. Rev. 96, 191 (1954).

[13] S. L. Glashow, Nucl. Phys. 22, 579 (1961).

[14] A. Salam and J. C. Ward, Phys. Lett. 13, 168 (1964).

[15] J. Bardeen, L. Cooper, and R. Schrieffer, Phys. Rev. 108, 1175 (1957).

[16] Y. Nambu, Phys. Rev. 117, 648 (1960).

[17] Y. Nambu, Phys. Rev. Lett. 4, 380 (1960).

[18] Y. Nambu and G. Jona-Lasinio, Phys. Rev. 122, 345 (1961).

[19] J. Goldstone, Nuovo Cimento 19, 154 (1961).

[20] J. Goldstone, A. Salam, and S. Weinberg, Phys. Rev. 127, 965 (1962).

[21] J. Schwinger, Phys. Rev. 125, 397 (1962).

[22] P.W. Anderson, Phys. Rev. 130, 439 (1963).

[23] F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964).

[24] P.W. Higgs, Phys. Lett. 12, 132 (1964).

[25] G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T.W. B. Kibble, Phys.Rev. Lett. 13, 585 (1964).

[26] F. Close, Infinity Puzzle.

[27] T.W. B. Kibble, Phys. Rev. 155, 1554 (1967).

[28] M. Baker and S. L. Glashow, Phys. Rev. 128, 2462 (1962).

[29] S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 19, 1264 (1967).

[30] A. Salam, in Elementary Particle Physics, edited by N.Svartholm (Nobel Symposium No. 8, Almqvist and Wiksell, Stockholm, 1968), p. 367

[31] S. Weinberg, arxiv:2101.04241.

[32] 施郁,物理学家温伯格首次面向中国公众的演讲,知识分子, 2020-11-02

[33] R. Newton, Am. J. Phys. 44,639 (1976).

制版编辑 | 卢卡斯

转:维纳:控制论之父鲜为人知的悲惨遭遇

维纳:控制论之父鲜为人知的悲惨遭遇

 王飞跃 知识分子 今天
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编者按
杜甫曾有诗,“志士幽人莫怨嗟,古来材大难为用。” 一般人自然用不着这句话,可对于控制论大师维纳,确有很多可嗟叹之处。

维纳在18岁就获得了哈佛的哲学博士学位,此后又师从罗素、受教于希尔伯特,Edmund Husserl,Edmund Landau 等名家,这样的教育或许影响到他日后颇为广博的研究。

本文作者王飞跃教授从《维纳传:信息时代的黑色英雄》一书切入,结合其它材料,对维纳的悲催人生进行了精彩的概述,里面涉及到维纳与其夫人、冯 · 诺伊曼、香农以及人工神经网络的早期创立者Warren McCulloch、Walter Pitts等人的种种纠葛。

当然,面对维纳这样一位复杂的人物以及信息时代早期发展的复杂历史,读者也可以参阅之前有关维纳的传记进行深一步的阅读,如P. R. MASANI所著的Norbert Wiener 1894–1964以及S. J. HEIMS所著的John von Neumann and Norbert Wiener: From Mathematics to the Technologies of Life and Death。

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撰文|王飞跃(中国科学院自动化研究所复杂系统管理与控制国家重点实验室)
责编|邸利会

 

 

2018年6月中旬,我应邀赴斯德哥尔摩参加瑞典皇家理工学院的一次博士论文答辩。答辩开始之前,我问参会的教授们:“维纳死在哪里?” 没想到,来自欧美五国的五位同事和当地的教授不但不知道,有的还反问:“Who is Norbert Wiener?”

 

原来,这里没人知道鼎鼎大名的控制论之父,更不知道他就死在大家的身边。

 

次日,顺利完成答辩的新科博士帮我找到了维纳的去世地点——1964 年 3 月 18 日下午, “就在那长长的台阶之上,他的心脏停止了跳动,呼吸也随之停止。”

 

我正诧异,这台阶分明只是宽而已,其实一点也不长,难道是后来改建了?疑惑之际,蓝天白云之下,忽然一阵大风袭来,我急忙转身并扣住帽子,结果动作太急、墨镜落地。待我站稳睁开眼睛, 却直觉得一团烈火扑来,原来是办公楼前的簇簇红花。

 

这一切,来得如此急促,让我一时头晕目眩、不知所措,脑中竟奇怪地闪现出维纳生前的自我评价——

 
他就是盗火给人类而牺牲了自己的普罗米修斯,把智能机器的 “自动智能” 新技术带给了人类,却担心人类屈从于机器、放弃选择和控制的权利,内心总是充满了一种即将来临的 “悲剧感”,“觉得自己是一个会给人类带来灾难的先知”。

 

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2018年6月,由金峻臣博士抓拍于维纳猝死之地

 
催生了三个诺奖

其实,纵观维纳的一生,悲剧是其脱不掉的底色。

 

猝死之后,他的批评者说,其瑞典之行是 “觊觎诺贝尔奖” 的一次游说之旅;但支持者反驳,维纳访问瑞典就是传播控制论,并非乞求诺贝尔奖委员会。

 

他们也许都忘了或者根本就不知道,维纳的工作曾经直接帮助四人获得三个诺贝尔奖:玻恩(1954年物理学奖)、海森堡(1932年物理学奖)、沃森和克里克(1963年生理学或医学奖),他们在获奖时或者获奖前都公开承认维纳对他们工作的重大贡献。

 

1925年,玻恩曾亲赴麻省理工学院(MIT),直接和维纳合作。他需要维纳的帮助,试图调和摇摇欲坠的原子粒子模型与突如其来的波函数之间的关系。尽管两人合作发表的论文奠定了量子力学的基石,但玻恩承认他没有完全理解维纳的计算方法,也 “几乎没有接受” 维纳的波函数理论的核心概念。

 

然而,数年后,玻恩因 “对波函数的统计阐释” 获得了诺贝尔奖,并公开承认维纳是 “卓越的合作者”。

 

1927 年,玻恩的学生海森堡运用维纳在 “几年前……在哥廷根介绍过” 的谐波分析方法得出他著名的不确定性原理,后因此获诺贝尔奖。

 

按维纳自己的说法,他10岁时,完成的第一篇哲学论文《无知理论》 就讨论了所有知识的不完整性,成了他终生的理念,而海森堡的不确定性原理不过是其一个具体的体现而已。

 

1951年,年轻的沃森来到剑桥大学。此时,正值维纳的控制论在英国的影响达到高潮,这引发了沃森和克里克利用控制论分析遗传物质DNA分子结构的想法。1953年,他们给《自然》杂志写信,提出 “控制论将在细菌层面的研究领域发挥重要作用” 的论断。几周后,他们公布了DNA的分子结构与模型,由此获得诺贝尔奖。

 

克里克随后正式提出的 “信息是生物系统的一项基本属性“观点,清晰地揭示了生命的新奥秘,但其运用的模式和 “10年前维纳提出的模式惊人地相似”。

 

面对这些诺贝尔奖,无人知道维纳内心的真实感受,他是否认为自己也应该得诺贝尔奖呢?世人不得而知。可以确定的一点是,维纳觉得世人没有给他合适的赞扬,这是他患狂躁抑郁性精神病的重要原因之一,并终生受其所害。

 

正如维纳女儿所说的,“我父亲永远要求得到大量的称赞和安慰,他处于情感混乱时需要得到更多。”

 
悲剧人生

然而,维纳在这一方面不但 “供需严重失衡”,并由此陷入了个人生活的悲剧。

 

这位20世纪的少年天才、美国首批媒体的宠儿和明星,在遭遇两位心上人的 “十动然拒” 之后,不得不与父母安排的、但内心一直拒绝的女友结婚。

 

婚后,这位教授夫人尽管在生活上给予维纳精心照料,但是她的主要心思花在如何控制维纳的情感和 “朋友圈“,成了家里的控制 “控制论大师的大师”,在社交圈里赢得 “名誉教授(Frau-Professorship)” 的称号——维纳一高兴,就想着如何让他 “抑郁”,便于控制;一旦看到维纳与自己不喜欢的人太亲密,便想方设法进行破环,甚至不惜拿女儿的贞洁名誉作为 “核武器”,诬告维纳学术上的关键同事设局让维纳的 “不止一个” 学生诱奸其女儿。

 

这场悲剧不仅是维纳个人家庭的,更改变了人工智能发展的历史进程。多少年后,人们才知道,这便是长期令人困惑的控制论 “金三角”(维纳、麦卡洛克、皮茨)破裂的神秘原因。

 

我在美国学习与工作时,有幸结识了一批犹太裔学者和朋友。他们告诉我许多与维纳相关的故事和传说,特别是那些来自东欧的朋友,描述了很多关于上世纪70年代之前美国学界有种族歧视倾向的白人和犹太裔学者之间的冲突与纠结,维纳及其控制论就是这些故事中最精彩的篇章。

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《维纳传:信息时代的黑色英雄》一书封面

 

记得《维纳传:信息时代的黑色英雄》英文原版一出,同系的犹太裔同事 Russ 就兴冲冲地拿着他买的书来办公室找我,让我一定读一下,“终于有人给维纳伸张正义了!” 这本书深深地吸引了我,但当时没时间细读。

 

十年后,我有幸获得维纳奖,于是又托美国的学生专门为我再买了一本寄回国内细读并做了大量笔记,让我对维纳本人和他所处的时代及相关技术的发展有了更加深刻的认识。

 

2015年10月,在香港 IEEE SMC(系统、人、控制论)学会年会上,我作了维纳奖讲座的学术报告,核心之一就是平行智能控制与 “维纳运动” 及其学术之道,引用了《维纳传》中 “维纳小道” 三部曲中大量史料。

 

我还曾一度安排学生专门做这一方面的科学史与科学哲学的研究,但因内容不符合理工科的学位要求而作罢,这也是为什么我积极参与并推动重新设立中国科学院哲学研究所的主要原因之一。

 

这是一本传记,但更是一部传奇,因为它不但揭示了现代智能科技的源头与发展, 真实地叙述了人类社会及其时代对技术进步的向往与恐惧。更重要的是,本书透过一批科技发展引领人物的探索与努力,直指人心的深处与远处。我相信每一个读者都会发现自己欣赏本书的角度,找到自己希望的东西。

 

在此,我罗列三个问题,以飨读者。这三个问题在相关学术界里广泛流传,但与所谓的科学 “正史” 相悖,却与本书有着书里书外、千丝万缕的关联,可供大家在阅读时思考。

 
现代计算机的先驱?

众所周知,今日的计算机都是基于所谓的 “冯 · 诺伊曼体系结构”,但真名应是 “维纳-冯诺伊曼体系结构” 还是 “冯 · 诺伊曼体系结构”?

 

维纳从上世纪 20 年代初就开始现代计算机的研究,早于目前已知的绝大多数现代计算机先驱,并于1925 年秋与 MIT 工程系的新秀、二战时的美国军事科研的领袖、且在战后以《科学:无尽的前沿》而闻名的布什进行相关合作。布什不但承认维纳的方法具有相当大的应用价值,并在他的成名专著中进行介绍。

 

1936 年,维纳来清华任教,同他的第一个博士毕业生李郁荣教授一起提出了离散计算机的设想,并安排清华大学向MIT购买相应设备器件,希望进行实验,可惜因种种原因被时任MIT工学院院长的布什否定。

 

美国参加二战后,维纳于1940年再次向布什提出现代计算机设计的 “五项原则”,依然没有回应。

 

冯 · 诺伊曼最初参加控制论 “梅西会议” 的主要目的就是了解维纳关于计算机设计的思想,这让维纳十分兴奋,产生了把冯 · 诺伊曼从普林斯顿 “挖” 到MIT做数学系主任一起共事的想法,并立即付诸行动。为此,维纳于1944年底将美国研究电子计算和相关技术领域的顶级数学家以及人工神经元网络计算的主要理论家召集起来,与冯 · 诺伊曼在普林斯顿开了为期两天的会。

 

后来,还把他在这一方面研究最得力的助手介绍给冯 · 诺伊曼,推进相关工作,并终于在 1945年6月底正式提出了今天被称为 “冯 · 诺伊曼体系结构” 的现代计算机体系结构。

 

按照冯 · 诺伊曼自己的描述,其计算机是第一台 “将维纳提交给布什的五条原则整合为一的机器”。

 

这就是为何美国军方和学界有人认为:“冯诺伊曼体系结构” 的真名应该是 “维纳-冯诺伊曼体系结构” 的原因。

 

然而,计算机界人士无人有此提法。实际上,这在1947年于哈佛举行的世界上第一个重要的计算机大会上就已注定了。

 

那一年,哈佛物理学家、哈佛Mark计算机的创造者 Howard Aiken乘完成MarkII之际,召开了一次自动计算机会议,欧美157名大学代表、103名政府代表、75名产业代表与会,但大会期望的主角维纳却因为计算机与 “制导导弹项目太紧密”,在最后时刻拒绝参加,不但让组织者艾肯愤怒,更让报纸及媒体关注并大肆宣扬,迫使维纳私下声明:“我放弃所有计算机相关的研究”,还公开宣布:“不再从事和美国政府有关联的任何研究工作。”

 

维纳从此成了资助艾肯研究的海军情报机构,接着陆军空军情报机构,后来联邦调查局FBI长达17年的严密监视,直到去世。

 

这样的后果就是当时研究计算机的人员,包括人工智能的研究人员,争先恐后与维纳保持安全距离,除了担心自己的研究经费受影响之外,还担心受到政府军方情报部门的骚扰。

 

现代信息论的先烈?

现代信息论之父是香农还是维纳?这可能是最让维纳伤心与悲愤的问题。

 

维纳从其学术生涯之始,就萌生了现代通讯与信息论的思想,一直把自己视为是信息时代的 “先知和引路人”。

 

二战期间,他像帮助自己学生一样,毫无保留地帮助已经毕业但不断来MIT找他解疑的香农,特别是关于熵的研究。但最后,维纳却拒绝再见香农,因为觉得香农是来 “挖他脑袋” 的。

 

最让维纳恼火的是,他关于现代通讯与信息论最核心的研究和成果, 却被香农的上司(一位数学家)束之高阁,划为 “绝密” 材料归档,结果只有极少数人才可以看到,而且将其轻蔑称之为 “黄祸”(Yellow Perils)。

 

更可气的是,香农与他的这位上司抢在维纳之前发表了著名的《通讯的数学原理》,成为现代通讯和信息论的奠基之作;而维纳因为保密的原因,迟迟无法发表自己的成果。

 

这就是为什么至今还有些人为他愤愤不平,认为维纳才是信息论的真正之父,比如香农的熵只是把维纳的熵改了正负号重新解释但等于没改,而香农主要是靠重新解释和转述他人的成果而出名,从布尔的代数干到维纳的信息论。

 

香农也承认,自己通讯理论的 “新数学理论的一些中心观点要归功于维纳”,而且 “明确地说,通信理论很大程度上要归功于维纳的基本哲学和理论。”

 

香农晚年也否认“信息理论” 这个词是他创造的,他的夫人进一步解释道:“这件事” 让香农 “烦恼过好几次,但到那时,他也无法控制了。” 相当程度上,维纳就是为此而发明 “控制论” 一词,试图挽回局面,而且里面除了通信、信息、还加了智能,但就是少了控制。

 

同事Russ在哈佛与MIT读的文学学士和工程博士,他告诉我,维纳认为信息论方面自己是被牺牲的 “先烈”,而且根源是哈佛数学系一帮传统白人精英对他的 “迫害”——

 

先是让维纳失去了在哈佛数学系任教的机会,失业陷入困境后险些自杀;来到MIT数学系之后,哈佛数学大佬还逼他放弃自己开创的研究方向,以确保大佬自己在普林斯顿的学生没有竞争对手,顺手还堵死了维纳希望去普林斯顿的路。

 

更让维纳气不过的是,在他事业将要 “起飞” 的时刻,这些人竟然 “追杀” 到欧洲,让他的好朋友与其反目,突然取消承诺给他在哥本哈根的教职,幸亏英国剑桥的朋友救急,否则维纳将再一次陷入困境。

 

正是哈佛数学系对他的这类 “打压”,在隔壁的MIT产生衍生效果,使身边人肆意掠夺其学术成果,也留下让后人闲话的维纳-哈佛数学系之间纠缠不清的复杂关系。

 
主流人工智能的叛徒?

人工智能的原名是不是就是 “控制论 Cybernetics”? 维纳对人工智能的起步与发展到底做出了多大的贡献?这是一个极其复杂但又十分有趣的问题,对此我无法回答。 但我知道,维纳自己也不知道他有多大贡献,特别是他的思路与方法,直到今天才发挥作用,并将在未来的类脑类人和社会智能研究中发挥更加重要的作用。

 

实际上,将 Cybernetics 译成 “控制论” 的学者自己也认为,这个词应该译成 “机械大脑论”,选择控制而非机械大脑是由于当时政治的原因。

 

说维纳是主流人工智能的 “叛徒”,是因为他背叛了自己从业初期以 “逻辑” 分析开路的主流 “逻辑智能” 的道路,回到自己少年时代以动物生理生物研究和计算手段研究知识和智能的初心。

 

他的理念赢得了一大批人、特别是青年学者的支持;他的 “循环因果论” 引起了学者的重视,激发了麦卡洛克和皮茨坚信,大脑的神经元网络连结就是头尾相连的生物 “循环因果论“。1943年,两人提出 “人工神经元” 计算模型,开辟了计算智能和认知科学的新时代。

 

然而,在这之后,维纳却又一次 “背叛” 了自己的追随者,在毫无警示的情况下与麦卡洛克和皮茨等人决裂,致使 “金三角” 顿失。

 

这就是人工智能史上无人愿意提及的一段黑暗历史,不但断送了麦卡洛克和皮茨当时如日中天的学术生涯,后来年轻的皮茨还早早地惨死于急性酒精中毒。

 

皮茨 “深爱着维纳,维纳给了他从未感受过的父爱。失去维纳,他就失去了生活的意义。” 这不单是皮茨个人的悲剧,更使计算智能研究刚刚起步就陷于困境,导致相关研究的有志之士,特别是青年学者纷纷离开维纳。

 

“离维纳的控制论越远越好”,这就是当时提出 “人工智能” 一词的青年人麦卡锡的想法,他曾在 “控制论” 和 “自动机” 之间徘徊不定,最后选择了 “人工智能”。

 

麦卡锡是1948年在加州理工读书时听冯 · 诺依曼讲维纳的认知和控制论而萌生了研究智能计算的想法,后来自己都表示 “人工智能本应叫控制论,也是智能自动化(Automation of Intelligence)”,其实正是上世纪四十年代末到六十年代初流行的 “自动智能” “自动计算” 思想。

 

就人工智能而言,正如维纳的学生与同事,相当程度上也是敌对者的威斯纳所承认的:“称他为催化剂式的人物还不足以描述他扮演的角色。”

 

他的另一个学生,也是维纳核心圈最年轻的成员塞尔佛里奇,是人工智能历史发展中的一个关键人物,其程序Pandemonian开启了模式识别和机器自学习的研究,后来与麦卡锡一同组织了1956年的第一次人工智能研讨会后,紧接着又在MIT组织举办了第一次认知科学研讨会。显然,他没有完全背叛维纳的理念与方法。

 

可惜,没有维纳的参与,源头的控制论面对新生的人工智能,很快就在 “较量中败下阵来,不仅没有得到资金的支持,还失去了自己的地盘”,但 “维纳的科学在科技新时代更广阔的领地赢得了人心。”

 

深度学习和AlphaGo的成功,相当程度上证明了维纳的远见,但更重要的是,维纳的认识对未来智能的影响——

 

一是 “信息的传播极大提高了人类感觉的阈值……整个世界都被纳入人类的感知范围”;二是为了避免智能技术 “给人类带来负面影响,唯一的答案在于建造这样一个社会,它的基础是人类价值,而不是买卖。”

 
同情和尊重之心

二战之后,维纳陆续做出一些令人震惊的举动:“粗暴地辞去了院士的头衔”,称美国科学院是 “一帮自私,不负责任的人”;公开写信登报、在会议杂志上声明与美国军方、大公司、政府断绝关系,不再为他们从事科研工作,甚至还从MIT的 “数学系辞职过50次” ……

 

但在维纳生命的最后时刻,他的家庭迎来了一个 “巨大的喜讯”——

 

维纳被肯尼迪政府授予美国科学界的最高荣誉 “国家科学家奖”,以“表彰美国对他在战时以及和平时期对科学做出的卓越贡献的认可和感谢”。共同获奖的是他的二位老对手和朋友:布什和香农的上司兼坚定支持者皮尔斯。皮尔斯选择香农而忽视维纳。

 

在获奖时,维纳 “眼睛里反射出绚烂的光芒”,其实气色不佳,脸色苍白,十分憔悴。此时,他担心夫人的病情,忧心大女儿因 “金三角”事件依然不理家人,甚至电话都不接…… 获奖仪式完后,他就接受了荷兰中央大脑研究所的聘任,启程赴欧。一个多月后,维纳猝死于斯德哥尔摩。

 

读《维纳传》,最让我感触的是维纳对弱势的同情和尊重之心。

 

他与自己的第一位博士生李郁荣的关系,与李郁荣第的第一位博士生印度人 Bose(创造了著名博士音响公司)的关系,与他同强势白人精英的关系形成了鲜明的对比,而且 “对各个国家的古老文化传统都满怀敬意”。

 

在中日之间,他认为当时强大的日本 “太势利”,而选择任教中国。或许,这与他自己的身世和所受的磨难相关。无论如何,令人敬佩。

 

1949年末,当雄视天下的波音公司来信向他寻求技术支持时,他把回信公开发表在《大西洋月刊》上,还用了一个具有挑衅意味的标题 “一位科学家造反了” 。他呼吁从事科研的科学家不参加战后新的军事装备竞赛,因为研究成果 “可能落入不负责任的军国主义者手里,做害人的事情。”

 

然而,当贫穷的印度政府希望维纳赴印指导他们把自己建成 “自动化生产巨头” 时,他立即答应,开始了 “印度的未来:论建设自动化工厂的重要性” 之行, 帮助制定发展纲要,成为印度科技发展的一个重要拐点。

 

维纳的梦想是培养一批 “体制外的科技工作者”,这一设想对当时印度未来的发展十分有价值。记得30多年前,我实验室的印度同事告诉我:印度信息产业和软件外包企业的发达,就是维纳上世纪50年代种下的种子。

 

有人认为,维纳的魅力脱胎于大自然某种魔力,他的思想神秘、深邃、沧桑、难以描述,却 “能唤醒我们沉睡已久的思想与感官” “越过栅栏看见远方的路”。同事和朋友在他身边工作时,常有 “整个人仿佛得到了升华” “猛然有种豁然开朗的感觉,这种感觉真是太不可思议了”,“只要和维纳交谈,你的思维一定能上个新台阶。”

 

可维纳临终前与之交往最密切的印度教神秘大师却说:“那就是维纳,他是个纯粹的人,我知道。”

 

用时下人工智能风行的语言说——

 

我不知道自己是否不知道维纳是何人,但知道自己真的不知道维纳对科技特别是智能科技的贡献有多大。对我而言,这个世界对维纳最大的不公就是把布什列为互联网第一位先驱(Pioneer),而不是维纳——这位现代通信和网络技术的真正奠基人和赛博空间Cyberspace的创造者。

 

相当程度上,维纳就是信息时代黑暗的叛徒,未来光明的使者。 图片

2021 年 7 月 23 日于怀德海学院
图片 参考资料:(可上下滑动浏览)

[1] F. Conway, J. Siegelman, Dark Hero of the Information Age: In Search of Norbert Wiener The Father of Cybernetics, Basic Books, 2005, New York.
[2] Fei-Yue Wang, From Norbert Wiener to Karl Popper: A Journey of Parallel Cybernetics in Three Worlds, Norbert Wiener Lecture, IEEE Systems, Man, and Cybernetics Society, Hong Kong, China SAS, October 11, 2015.
[3] Herman Goldstine, The Computer from Pascal to Von Neumann, Princeton University Press, NJ: Princeton, 1980.
[4] Michal Meyer, The Rise and Fall of Vannevar Bush, Distillations, Science History Institute, 2018.
[5] MTR Editors, Claude Shannon: Reluctant Father of the Digital Age, MIT Technology Review, July 1, 2001.
[6] Siobhan Roberts, Claude Shannon, The Father of the Information Age, Turns, Annals of Technology at  The New Yorker, April 30, 2016.
[7] Gonzalo Suardiaz, Claude Shannon, the Forgotten Inventor of the Digital Age, BBRA Openmind, April 30, 2021.
制版编辑 | 卢卡斯

乌兰察布商业航天博览会成功举行–科普活动

▲乌兰察布商业航天博览会开幕式现场

内蒙古融媒网讯:为了让人民群众零距离接触中国航天成果,切身感受航天人不畏艰险,勇于创新的航天精神。7月13日上午,乌兰察布商业航天博览会开幕式于乌兰察布市会展中心隆重举行。

▲与会领导嘉宾共同启动乌兰察布商业航天博览会

集宁区人大常委会主任许龙,区政协主席童义,区委常委、政府副区长贺润根,区委常委、区政府党组成员、副区长金燕飞以及相关单位负责人出席开幕式。乌兰察布星谷物联网应用设计研究院院长李小坚,副院长李岗,乌兰察布星谷卫星产业园有限公司董事长陈媛,中国国际救援中心河南省总队队长江功祥等嘉宾参加仪式。

▲集宁区委常委、政府副区长贺润根致辞

集宁区委常委、政府副区长贺润根在致辞中表示,党的十八大以来,习近平总书记亲自决策、亲自指挥,实施了一系列重大航空工程,推动载人航天、卫星通信、火箭技术等领域取得重大突破。而此次有星谷物联网应用设计研究院举办的航天博览会以“航天文化,航天科技”为主题,集中展示了我国近年来航天事业各方面发展的辉煌成就,长征火箭系列,东方红、北斗等航天卫星系列,嫦娥登月系列,神州飞船系列,天宫系列等航天产品,让广大青少年及社会各界人士零距离接触中国航天成果,切身感受航天人不畏艰险,勇于创新的航天精神。
据介绍,此次开幕式由乌兰察布市人民政府、乌兰察布集宁区人民政府指导,乌兰察布星谷物联网应用设计研究院主办,乌兰察布市集宁区城建投资(集团)有限责任公司、内蒙古星谷展览公司承办,乌兰察布星谷卫星产业园有限公司、北京天广卫视科技有限公司协办。

▲乌兰察布星谷物联网应用设计研究院院长、北方工业大学原工学院副院长李小坚发言

本次博览会向整个乌兰察布乃至全国展示中国航天的伟大成就,贯彻落实了了习近平总书记“中国梦”的重要指示,弘扬航天精神,建设航天强国,加快了转变商业航天发展方式的要求。乌兰察布星谷物联网应用设计研究院院长、北方工业大学原工学院副院长李小坚表示:“将充分考虑商业航天的发展,一如既往地支持商业航天产业的有序发展。”现如今中国许多民营企业参与商业宇宙的发展,商业宇宙事业前景广阔。乌兰察布要充分发挥地理优势和北方大数据的优势积极吸引更多的商业航天企业落户乌兰察布,带动地方产城融合,智慧集宁建设。

▲参加开幕式的领导嘉宾对现场摆放的航天模型进行参观

视频报道:电视台采访

lxj2021-7-13
乌兰察布星谷物联网应用设计研究院院长、北方工业大学原工学院副院长李小坚教授接受乌兰察布电视台采访

龚学–揭开西方民主的面纱

-About the Western Democracy

 Gong Tianren 

The previous Chapter (Chapter 28) has provided some bases on the metaphysical differences between the two different political systems (the Western democracy and the Eastern Confucianism).

The detailed discussion on the Eastern Confucianism is discussed in the book (Bible of China Studies; US copyright #TX 8-685-690, collected by many Ivory League University Libraries, and its pdf is now available at https://tienzengong.files.wordpress.com/2018/03/bible-of-china-studies.pdf ). In summary, it has three key points.

One, the SOURCE of the legitimacy of the political power is from the MANDATE OF HEAVEN (Heaven’s Will).

Two, the manifestation of this legitimacy is the HEAVENLY MORALITY, imbedded in the conscience of every Chinese individual; that is, people’s will = Heaven’s Will.

Three, the operational mechanism is the ‘Trinity of Chinese Governance’, with the following circle, the 3 legs (citizens, King/central power, and bureaucrats) of the political cauldron:

{People’s will = Heaven’s Will} — > {King/Centre Government, ordained by Heaven’s Mandate, People’s will} —> {King/Centre Government rules over the bureaucrats} —> {Bureaucrats governs the people}

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On the other hand, the Western democracy EXCLUDES any influence from the HEAVEN on two standpoints.

One, Thomas Paine wrote, “There never did, there never will, and there never can exist a parliament, or any description of men, or any generation of men, in any country, possessed of the right or the power of binding and controuling posterity to the ‘end of time,’ … The vanity and presumption of governing beyond the grave, is the most ridiculous and insolent of all tyrannies. (Rights of man, page 9)

Two, From John Locke (Two Treatises of Government) and Jean-Jacques Rousseau (The Social Contract), the key point is: exchanging (abandoning) the NATURE RIGHTS (morality based) with a civil contract (human ethics).

Thus, the Western democracy is based on the following three points.

One, the SOURCE of the legitimacy of the political power is from the General Will of its citizens. Two, the manifestation of this General Will is the human ethics (a social contract), not heavenly morality, the separation of the Church and State. That is, the Western democracy expels any transcendental MORALITY but is totally about human ethics.

Three, the operational mechanism is a voting system and a manmade governing system (such as the 3 branches system of the US), see Note 6.

west-heaven-will

From the phenomenology (external expressions of a system), the Western democracy encompasses many inequalities: the racial inequality, the economic (livelihood, health care, ) inequality (see note 3

in Chapter 26), justice inequality, etc.

Are these inequalities the direct consequences of the system, the manifestations of its essence? Or are they the foreign invaders which are unable to be eradicated by the system? To answer this question, we must revisit its metaphysical foundation.

For the Confucianism, it is based on the heavenly morality,

the 仁{= 人 (human) +

二 (two)}; that is, 仁is about the ‘Otherness-ism”, putting others first while annihilating the SELF. So, the key human right of Confucianism is the “right of life (survive) of others”. If all others’ lives are in danger, it is the shame of my life. If all others’ lives are in danger because of the acts of king (government), I (a self) will rise to rebel (even with the sacrifice of my own life). In Confucianism, the ‘right to rebel” preempts all other rights.

On the other hand, the Western democracy is based on exchanging the nature rights to a social contract. This exchanging process amplifies the Self-interests in all exchanges, and this leads to INDIVIDUALISM. This self-interest leads to competition. In all competitions, there are winners and losers, and thus the inequalities.

So, the key human right in the Western democracy is the RIGHT of doing the exchange, and this right is manifested as the right to VOTE. With this ‘right to vote’, all other rights (racial equality, economic equality, justice equality, etc.) are no longer as rights but are the awards/privileges of the competitions.

So, all the inequalities in the West are not foreign elements but are the direct consequences of this democracy system from its essence: via the right to vote and kills all the rights of equality in principle while they might still be preserved in some practices. The first amendment: freedom of speech is just a social contract. The right to protest (an extension of the freedom of speech) can never become the RIGHT of rebel.

By all means, I am not trying to judge which system is better here. All that I am trying to do is to show that political systems are all isomorphic to the physics system (the Physics – TOE), as the Political TOE. And that will be the major task in the next Chapter (Chapter 30). However, I should still describe those political systems as they are first.

As I have written an entire book on the Eastern Confucianism, I will use this chapter to describe the Western democracy system.

The phenomenology of the Western Democracy

In the previous Chapter (Chapter 28), I have described the Western democracy on it metaphysical level: Exchanging Nature Rights (Morality) with a social contract (human ethics).

This exchange assumes:

  • that Human Nature (self-interest, individualism) is similar and will reach a General
  • that the competitions (leaded by self-interest) will maximize the General Welfare for the entire population.
  • that the human ethics (without the support of heavenly morality) can ensure the operations of the two assumptions

These 3 assumptions are interlinked. If any one of the three is wrong, the entire system collapses. These three principles above are implemented via a two-step system:

Step one (the metaphysical base): strip all human rights with one (right to vote); that is, putting

everyone on an equal footing. From this equal footing, everyone must compete, and the winner takes more.

Step two (the implementation): via differentiation and integration. The right to vote is differentiated to individual (1) which is infinitesimal, near zero (0) in practice in a society. That is, the political power can only be regained if those differentiated individual can be integrated. So, in practice, the political power in the West is not about the ‘right to vote’ but is all about the ways and the abilities of integration. So, this system immediately divides people into two classes:

  • being differentiated (infinitesimal, near zero politicalpower),
  • the integrators, the political

 

Integration needs an integrating machine, which costs a lot of money. That is, with money, one can become an integrator, the power holder. Without the money, one can only be integrated.

 

That is, the Western democracy is a legal term to divide people into two groups: the HAVE and the have- NOT.

Democracy = mercantilism

In essence, democracy via ‘right to vote’ is an inherent diverging power and the inherent driving force for all inequalities.

 

Furthermore, if there are more than one way of integration, the assumption 1 (reaching General Consensus) will eventually be wrong, and a greatly divided society will be the inevitable outcome, see the graph below.

 

So, the assumption of John Locke, Jean-Jacques Rousseau, and Thomas Paine that a human ethics-based system (without the backbone of heavenly morality) can lead to General consensus and Common Welfare is wrong, both on the metaphysical level and on the implementation realities. The fact is that

this Western democracy will inevitably decay into extremes in principle.

A theoretical analysis

Without the backbone of Heavenly morality, all social contracts will inevitably decay into extreme contradictory extremes.

With upholding the “right to vote” as the preempting right, it will inevitably lead to all kinds of inequalities, as the true Nature human Rights {right to live (health care, job, etc.), right to no fear of unjust killing (by police, etc.), etc.} becomes privileges (the spoils of the competitions).

Yet, some particular political structures (such as the American one, with three branches) can further amplify the two processes (diverging on general consensus and increasing the inequalities) above.

The US system of three branches is claimed to be balanced and mutually checked. Are these three branches balanced with equal power (1/3 for each)?

In principle, the Congress has the power of creating (legislation) the laws (the social contracts). The President (executive) can only execute the legislated laws.

The Supreme Court is to settle the dispute of any issue in the country, by interpreting the laws.

 

Seemingly, this is a system of truly dividing the three distinguishing powers (functions) of a nation to three branches, in principle.

Although there is a checking power implemented in Congress to check the other two branches with the power of impeachment, there is not a single success case in the past 240 years in the US history in practice. In a dynamic equation, if variable X should drive a consequence Y; yet, in real measurement, Y was never detected in Z amount of time. Then, the power (effectiveness) of X can be easily calculated and an upper limit can be easily established. In this impeachment case, the real measurement is ZERO in 240 years; that is, its upper limit is (1/240) % < 0.4% chance to be effective in the future.

 

For the most recent case, even if Donald Trump were 100% guilty as charged, he will not be convicted in practice by any means. Can ever a president or supreme court justice be removed from office (not just in the 240 years) in a practical way? The simple arithmetic analysis shows that that chance is not good.

First, the checking (removing) process on other branches is DIVIDED into two steps (impeach by the House and convict by the Senate), just and fair in principle but could be totally unjust and unfair in practice.

A rascal President or Supreme Court Justice will not be impeached if he is protected by the House. If he is impeached by the House, he can still be protected by the Senate. That is, any rascal President or Justice can dodge the fate of being removed by playing the politics, courting the House or the Senate. The historical record has proved this scenario. In the historical record, the TRUE checking power is just a joke, not a reality thus far, and most likely will stay as a joke in the long, long future.

原文下载:done2-TOE-politics

中译:关于西方民主

—-龚天任

 

前一章(第28章)对两种不同政治制度(西方民主和东方儒学)的形而上学差异提供了一些基础。

关于东方儒学的详细讨论在《中国圣仁之学》:

(Bible of China Studies;US copyright#TX 8-685-690)一书中进行了讨论,该书由许多常春藤联盟大学图书馆收集,其pdf文件现在可在https://tienzengong.files.wordpress.com/2018/03/bible-of-china-studies.pdf).

总而言之,它有三个要点。

其一,政治权力的合法性来源于天命(天命)。

第二,这种合法性的表现是根植于每个中国人良知中的天道,即人民的意志=天意。

第三,运行机制是“中国治理三位一体”,有以下三个圈,即政治鼎立的三条腿(公民、国君/中央权力、官府/官僚):

{人民的意志=天意}—>{国君/中央政府,天命所定,人民的意志

体现}—>{国王/中央政府统治官僚}—>{官僚统治人民}
另一方面,西方民主在两个方面排除了来自天国的任何影响。

托马斯·潘恩写道:“在任何国家,从来没有,也永远不会,也永远不可能存在一个议会,或任何关于人的描述,或任何一代人,拥有约束和控制后代到‘时间尽头’的权利或权力。。。虚荣和自以为是的超越的统治,是所有暴政中最可笑和最傲慢的

第二,从洛克(两部政府论著)和卢梭(社会契约论)的观点来看,关键是:用民事契约(人类伦理)交换(放弃)自然权利(道德基础)。

因此,西方的民主是建立在以下三点上的。

其一,政治权力的合法性来源于公民的普遍意志。

二是这种普遍意志的表现形式是人的伦理(社会契约),而不是天道,是政教分离。也就是说,西方民主排斥任何先验道德,而完全是关于人类伦理的。

三是运行机制为投票制和人为治理制(如美国的三分制),见注6。

从现象学(制度的外在表现形式)来看,西方民主包含许多不平等:种族不平等、经济(生计、医疗)不平等(见注3)

在第26章),正义不平等等。

这些不平等是制度的直接后果,是其本质的表现吗?或者说他们是制度无法消灭的外来侵略者?要回答这个问题,我们必须重新审视它的形而上学基础。

对儒家来说,它是建立在天道之上的,即人+

二(仁)};也就是说,仁是关于“他者主义”,把他人放在首位,同时消灭自我。因此,儒家的核心人权是“他人的生存权”。如果其他人的生命都处于危险之中,那就是我生命的耻辱。如果所有其他人的生命都因为国王(政府)的行为而处于危险之中,我(一个自我)将奋起反抗(即使牺牲自己的生命)。在儒家思想中,“反抗的权利”优先于所有其他权利。

另一方面,西方的民主是以自然权利与社会契约的交换为基础的。这种交换过程放大了所有交换中的自我利益,导致了个人主义。这种私利导致竞争。在所有的比赛中,都有赢家和输家,因此存在着不平等。

因此,西方民主国家的核心人权是进行交换的权利,这种权利表现为选举权。有了这一“投票权”,所有其他权利(种族平等、经济平等、司法平等等)不再是权利,而是竞赛的奖励/特权。

因此,西方所有的不平等都不是外来因素,而是这种民主制度从本质上的直接后果:通过选举权,原则上扼杀了所有平等的权利,而在某些实践中,这些权利可能仍然得到保留。第一修正案:言论自由只是一种社会契约。抗议权(言论自由的延伸)永远不能成为反叛者的权利。

无论如何,我并不是在试图判断这里哪个系统更好。我所要做的就是证明政治系统都是与物理系统统一理论(物理-Toe)同构的,就像政治统一理论(Toe)一样。这将是下一章(第30章)的主要任务。不过,我还是应该先说说这些政治制度主要特征。

我写了一整本关于东方儒家思想的书.

https://tienzengong.files.wordpress.com/2018/03/bible-of-china-studies.pdf ).

I  西方民主现象学

在前一章(第28章)的西方民主现象学中,我从形而上的层面描述了西方民主: 用社会契约(人类伦理学)交换自然权利(道德)。这种交换假设: 人类的本性(个人利益、个人主义)是相似的,并将达到竞争(以个人利益为主导)将使全体人民的总体福利最大化的一般性。人类伦理学(没有天道的支持)能够确保这三个假设相互关联的两个假设的运作。如果其中任何一个错了,整个系统就会崩溃。

上述三项原则是通过两个步骤来实现的: 第一步(形而上学的基础) : 用一个步骤(投票权)剥夺所有人权,即将所有人置于平等的地位。在平等的基础上,每个人都必须竞争,胜者得到更多。第二步(实现) : 通过差异化和集成。选举权与个人(1)有区别,个人(1)是无穷小的,在社会实践中接近于零(0)。也就是说,只有这些差异化的个体能够被整合,才能重新获得政治权力。因此,在实践中,西方的政治权力不是关于“选举权” ,而是关于融合的方式和能力。因此,这个系统立即将人们分为两类: 被区分(无穷小,接近零的政治权力) ,集成者,政治一体化需要一个集成机器,这需要很多钱。也就是说,有了钱,一个人可以成为一个集成者,一个权力持有者。没有钱,一个人只能成为沉默的大多数。也就是说,西方的民主是一个法律术语,把人们分为两类: 有权的和没有的人。

民主 = 重商主义

本质上,通过选举权实现的民主是一种内在的分歧力量,是一切不平等的内在驱动力。此外,如果有一种以上的整合方式,假设1(达成普遍共识)最终将是错误的,一个大分裂的社会将是不可避免的结果,见下图。因此,john locke,让-雅克·卢梭和 thomas paine 关于一个以人类伦理为基础的系统(没有天堂道德的支柱)可以导致普遍共识和共同福利的假设是错误的,无论是在形而上学的层面上还是在实施的现实中。

事实上,西方的民主制度,在原则上将不可避免地走向极端。如果没有天道的支柱作为理论分析,所有的社会契约都将不可避免地走向极端矛盾的极端。坚持“选举权”作为优先权,必然导致各种不平等,因为真正的自然人权(生存权(医疗保健、工作等)、不怕不公正杀害的权利(警察等)等)成为特权(竞赛的战利品)。然而,一些特定的政治结构(如美国的政治结构,有三个分支)可以进一步放大上述两个过程(在普遍共识上存在分歧,并加剧了不平等)。美国的三个分支系统被宣称是平衡和相互制约的。这三个分支是平衡的吗(每个分支1/3) ?原则上,国会有权制定(立法)法律(社会契约)。总统(行政部门)只能执行法律。最高法院将通过解释法律来解决国内的任何争端。从表面上看,这是一个原则上将一个国家的三大区别力量(职能)真正分为三个部门的体系。

虽然国会实行了制约权,以弹劾权制约其他两个分支,但在过去240年的美国历史实践中,没有一个成功的案例。在一个动态方程中,如果变量 x 应该驱动一个结果 y; 然而,在实际测量中,y 在 z 的时间量中从未被检测到。然后,x 的功率(有效性)可以很容易地计算和一个上限可以很容易地确定。在这个弹劾案中,240年内实际测量值为零,即其未来有效的上限为(1/240)% < 0.4% 。

在最近的案子中,即使 Donald Trump 被指控100% 有罪,他也不会被判有罪。一位总统或最高法院大法官能否以实际的方式被免职?就仅仅在240年内的历史而言,简单的算术分析表明,这种机会是不大的 。首先,对其他部门的审查(撤销)程序分为两个步骤(众议院弹劾、参议院定罪) ,原则上公正、公平,但在实践中可能完全不公正、不公平。一个无赖总统或最高法院法官,如果受到众议院的保护,就不会被弹劾。如果他被众议院弹劾,他仍然可以得到参议院的保护。也就是说,任何无赖总统或法官都可以通过玩弄政治,讨好众议院或参议院,来避免被免职的命运。历史记录已经证明了这一点。

根据历史记录,真正的制衡力量只是一个笑话,到目前为止还不是现实,而且很可能在漫长的未来,只能是一个笑话。

(后面从略,如果想进一步了解,请看原文:下载:done2-TOE-politics )

编译 李小坚

龚学–中华圣学

中华圣仁之学

Bible of China Studies & new political science

原文:bible-of-china-studies.pdf https://tienzengong.files.wordpress.com/2018/03/bible-of-china-studies.pdf

Bible of China Studies & new political science

Copyright © 2019 By Tienzen (Jeh-Tween) Gong US copyright # TX 8-685-690 Published by Chinese Etymology Institute Contact address: PO Box 4974 Diamond Bar, CA 91746, USA Web addresses: http://chineselanguageetymology.blogspot.com/

 

 

bible-of-china-studies

 

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龚学–语言学

一、前巴比伦语言—通用完美的语言

PreBabel — The universal & perfect language

https://tienzengong.files.wordpress.com/2018/03/prebabel-theuniversal.pdf

Prebabel — The Chinese Linguistic System Copyright © 2020 By Tienzen (Jeh-Tween) Gong Published by Chinese Etymology Institute Contact address: PO Box 4974 Diamond Bar, CA 91746, USA Web addresses:

http://www.chinese-word-roots.org/ http://chineselanguageetymology.blogspot.com/ http://www.prebabel.info/

prebabel

Table of Content:

Preface  4

Introduction 12

Chapter One — A linguistic catastrophe and its great salvation 28

Chapter Two — Presentation at AP Annual Conference 2007 CollegeBoard 60

Chapter Three — Axiomatic & the perfect language 87

Chapter Four — Chinese theories before this New linguistics 115

Chapter Five — — Reinventing a new language lexicon set 136

Chapter Six — Constructing a perfect language, as the base for a universal language 155

Chapter Seven — A special verbal universe and its attributes 169

Chapter Eight — The Final Verification & Vindication 178

Chapter Nine — Sample lessons with this new linguistics 195

Chapter Ten — Some discussions with my students 226

Chapter Eleven — Discussions at LinkedIn (Chinese teachers group) 283

Chapter Twelve — The new Paradigm of Linguistics 357

Chapter Thirteen — Prebabel Recovered 375

Appendix 433

本地下载:prebabel-the-universal

二、语言学宣言  《 Linguistics  Manifesto 》

linguistics Manifesto

Amazon.com: Linguistics Manifesto: Universal Language and the Super Unified Linguistic Theory (9783838397221): Gong, Tienzen (Jeh-Tween): Books

https://www.amazon.com/Linguistics-Manifesto-Universal-Language-Linguistic/dp/3838397223

Linguistics is, seemingly, well-defined with some sub-fields, such as, phonology, morphology, syntax, semantics, pragmatics and some applied linguistics. Each sub-field encompasses all nature languages without a unified framework. That is, there is no common ground within or among these sub-fields linguistically to produce a universal language. Historically, the universal language was proclaimed with the economical and political supremacy, such as, Greek, Latin and English, etc.. They can, in fact, be the lingua franca for a short time period but will definitely fade into the history sooner or later. However, after the discovery of the PreBabel Principle in 2009, the linguistic based universal language and the Super Unified Linguistic Theory arose. A unified framework on linguistics is understood now. The following eight issues outline the framework of this Linguistics Manifesto.

1. The “Large Complex System Principle”

2. The three tier hierarchy of axiomatic systems

3. The Martian Language Thesis

4. The “Spider Web Principle

5. Super Unified Linguistic Theory

6. The PreBabel

7. The PreBabel (Chinese)

8. The new Paradigm of Linguistics

 

三、伟大的红楼、伟大的汉文

—-http://www.chinese-word-roots.org/The%20Great%20Vindications.pdf

GreatVidiication

沉冤大白 (The Great Vindications)

—- 為 “紅樓夢” 與 “漢語文” 平冤

Copyright © January 2013 by

Tienzen (Jeh-Tween) Gong

Published by Chinese Etymology Institute

Contact address:

P.O. Box 4794

Diamond Bar, CA 91765

Web addresses:

http://www.chinese-word-roots.org/

http://www.chineseetymology.com/

http://www.chineselanguageforums.com/

http://www.prebabel.info/

 

目錄 (Table of Content)

自序 (Preface)

(Part one) 沉冤大白 — 為 “紅樓夢”平冤

第一章: 評 “紅樓夢” 的 三大原則 (page #)

第二章: 普世價值一 (宿命與自由意志)

第三章: 普世價值二 (性事、愛情 與 儒家神學)

第四章: 先評 “中國的三大奇書”

第五章: “紅樓夢” 的宗旨 — 三綱

第六章: 原書 與 續集

第七章: “紅樓” 的仙佛世界 與塵世的因果報應

第八章: 色、 情、 淫與 意淫 (一)

第九章: 色、 情、 淫與 意淫 (二)

第十章: 色、 情、 淫與 意淫 (三)

第十一章: 紅樓中的儒家禮教

第十二章: 紅樓中的仙佛因果與緯讖

第十三章: 高鶚的續集 與 老紅學

3(Part two) 沉冤大白 — 為 “漢語文” 平冤

第十四章: 百年沉冤 “漢語文”

第十五章: 語言學的 夢想

第十六章: “一二三萬” 的語文

第十七章: 丟死人的 “沉冤”

第十八章: 最偉大與完美的 “語法”

第十九章: 最偉大的語文

(Part Three) 沉冤大白: The new Chinese Etymology

Chapter 20 —- The background history before this new Chinese etymology

Chapter 21 —- The claims of this new Chinese etymology

Chapter 22 —- The only axiomatic human language

Chapter 23 —- About 形 聲(phonetic loan) and 會 意(sense determinators)

Chapter 24 —- Accommodating a verbal universe by the written system

Chapter 25 —- The evolution of Chinese etymology and the verifications of four premises

Chapter 26 —- The Conceptual Language and Super Unified Linguistics paradigm

Chapter 27 —- Wrong to the young students! (誤 人 子 弟)!

Chapter 28 —- 500 examples of this new Chinese etymology

 

本地下载:The Great Vindications

 

 

转曹则贤开讲:什么是相对论?| 2021跨年科学演讲

原文:什么是相对论?曹则贤  2021跨年科学演讲

https://mp.weixin.qq.com/s/gilitkUkx3YUhDkXwJdLkw

20210103171548

2020 最后一天了!

昨晚 7 点,我们搞了件大事!

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由中国科学院科学传播局、中国科学院物理研究所与长三角物理研究中心(中国溧阳)联合主办,中国科学报社、中国科学院大学协办的2021“新年悟理”跨年科学演讲在北京举行,中科院物理所曹则贤研究员现场开讲《什么是相对论》,北京广播电视台著名节目主持人春妮受邀担任现场主持。

出于疫情防控考虑,本次跨年演讲严格控制现场观众数量,以线上直播为主的形式开展,共有数百万人次通过直播方式收看了这次演讲。同步直播的媒体包括:

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我们用这种硬核又不失有趣的方式告别特殊的2020年,迎接一个更美好的2021!

昨晚直播结束很多小伙伴表示很喜欢这次“新年悟理”2021跨年科学演讲的内容,所以课代表连夜给大家整理了全文,错过昨晚直播的小伙伴们今天可千万不要再错过了,点击下方卡片即可观看跨年演讲全部内容(视频后还附有文字稿哦)。

哔哩哔哩曹则贤2021跨年开讲:什么是相对论?【新年悟理】


本稿由小编整理自现场演讲。

尊敬的各位来宾,远方屏幕前各位亲爱的朋友们大家晚上好,这里是中国科学院物理研究所,我是物理所的职工曹则贤,感谢大家参加今年的跨年演讲。

今年是非常艰难的一年,但是我们国家还是欣欣向荣,在这样一片祥和的气氛中迎接新年。有这样不幸中的万幸,我觉得除了因为我们有坚强的领导和伟大而又自律的人民,还因为我们的国家热爱科学、相信科学、崇尚科学,并且以极大的热情拥抱科技的进步。

人类社会经历过三次工业革命,每一次工业革命都是源自物理学的革命性进展,并带来物理学的革命进展。 中国错过了三次工业革命,但是我们现在已经初步完成了工业化进程,并且率先呼应工业 4.0 时代的到来。在 2020 年

  • 我们北斗系统全面建成,并且已经能够向全世界免费提供服务;
  • 我们的奋斗者号,深潜器下潜深度是 10909 米;
  • 我们的嫦娥五号,从月球带回来了 1731 克的月壤样品。

这一切都是了不起的技术进步,都是让我们为之非常自豪的进步。中华民族是一个伟大勇敢的民族,她也一直是一个追求智慧的民族。我们不仅要为这个世界提供产品和技术,我们还要有能力为技术提供科学、为科学提供思想、为思想提供能够深入思考的大脑。而这一切,都要求我们早日把我们的国家建设成一个具有深厚科学素养的国家。

我们都有受教育的权利,我们还有受最深刻教育的愿望,有掌握最顶尖科学知识的愿望。21世纪是技术超越了神话的时代,我个人觉得物理学应该成为我们每一个人的知识标配

谈到物理学,大家可能都知道物理学有两座高山,就是我们称之为近代物理两大支柱的学问,一个是量子力学,一个是相对论。去年此刻也是在这儿,我们一起领略了量子力学的神奇和费解,今天我邀请大家一起,以轻松愉快的心情来领略一下相对论的厚重与深邃。

#“一切都是相对的”

提起相对论,大家可能都会想到这样的场景——孪生子佯谬、还有《星际穿越》和《回到未来》这样的电影,以及“一切都是相对的”这样的哲学梦呓。这样的知识其实不足以构成我们对相对论的理解。所以在 1923 年,有一位 21 岁的英国青年叫狄拉克,就对课堂上教相对论只会教“一切都是相对的”这么一句空话感到非常恼火。他决定自己开始学习和研究相对论,当然同时也伴随着研究量子力学。到了 1926 年,三年以后的他已经为量子力学的创立做出了伟大的贡献。而 5 年以后,仅仅到了 1928 年他就写出了这样一个方程,

这个方程就是相对论性量子力学方程,现在我们管它叫狄拉克方程。

这个方程后来写到了狄拉克的墓碑上,也是我们人类物理学史上浓重的一笔。狄拉克方程可以用存在反粒子予以诠释 (不是显然地预言反粒子的存在!)。这个方程提出以后的 4 年,1932 年,正电子就在宇宙射线和原子和相互作用的过程中被发现了。

狄拉克的这个例子给我们什么启示呢?我个人觉得就是面对学问怀有敬畏心才是正确的打开方式,要学你就当真学,要学你就学个底儿掉

我在跨年科学演讲上讲量子力学和相对论,很多同事跟我说,要努力地把它讲得浅显易懂。我说不对,我不做这个事情,我想做的事情就是要告诉大家,就我能够读到的内容,量子力学到底是什么样子的,相对论到底是什么样子的。我觉得我们应该作为一个老师,作为一个够岁数的长辈,我们有义务给年轻人,给民众讲清楚量子力学和相对论——当然还包括经典力学,电动力学,规范场论等等这样一些学问,到底是什么样子的。这是我们的义务,也是我们科学院对社会的一份责任。

所以说本次讲座我讲的内容可能是走马观花,但这套 PPT 尽可能包含了多而全面的内容,也包含那些经典的文献,希望一些年轻的老师,读大学的,读研究生的朋友们,未来拿到这份 PPT 的时候,大家能够认真学习一下。

#相对论是什么样的学问?

相对论到底是什么学问?历史上能和它媲美的有两个其他学问,一个是热力学,还有一个是规范场论,这三门学问都是从原理出发,一点点构造的学问。相对性原理是相对论的核心,是我们构造物理理论必须满足的要求(postulate)。我们在汉语里把它翻译成公理,这是错误的,实际上它是要求,你构造的原理就要满足它的要求。相对论的发展是一个长达 300 年的过程,在 1915 年底过新年的时候,在爱因斯坦得出引力场方程的时候达到了顶峰。它是物理现实的内在和谐与数学表达的形式美学之间的相互激励的结果。这里有一个关键词——变换不变性,这是相对论的核心思想。接下来我们就一起看看相对论从当初最朴素的思想,经过狭义相对论、广义相对论这样一条思想河流上,到底有着多么迷人的画卷。

物理学主角就三个东西,时间、空间、物质,当然最后都是落到物质上。物质本身的存在让我们有位置或者有空间的感觉,而位置的变化就是运动,让我们有时间的感觉。如何理解时间、空间以及物质之间的关系,就构成了我们物理学这样一个主要的基石。 大家知道时间和空间是靠光(速)联系的。对于物质来说,

  • 物质有一个叫做电荷的标签,也是顺着那个方向,人们发展出了电磁学、电动力学和光学;
  • 物质还有另外一个标签是质量,顺着质量就有一个引力的问题。
  • 当然还有其他的一些标签,像同位旋等等,就会引起规范场论的出现,这里不细讲了。

关于物理学到底学到什么地方算深邃了呢?我临时抱佛脚,引用杨振宁先生的一句话。

20 世纪物理学真正的辉煌之处在于对一些重要的基本概念,包括时间、空间、运动、能量以及力的深入理解。

这是杨先生的观点。由此我们可以看出世界上那些最伟大的物理学家,他的学问一定体现在对时间和空间概念上的理解。

我举几个例子,在业余时间里参与了量子力学和相对论的创造,并且自己创造了规范场论的这样一个大数学家赫尔曼·外尔(Hermann Weyl),他的《空间、时间和物质》(Raum-Zeit-Materie)这本书,就是一遍一遍地重印,一遍一遍影响着顶级的物理学家。

埃尔温·薛定谔(Erwin Schrödinger),就是那位“著名的养猫专业户”,他著有《时空结构》(Space-time structure)。而今年获得诺贝尔奖著名数学家罗杰·彭罗斯(Roger Penrose),他的这本书《旋量与时空》(Spinors and Space-time),也是非常著名的一本著作。学到去理解时间和空间的关系是一个物理学家要达到的基本高度。

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谈论时间和空间,我们是怎么认为的?我们认为世界是三维的,还有一维的时间。这是一般物理学教科书的写法,等到进入狭义相对论的时候,我们会把这个 前面再加上光速 ,因为 和空间是同一个量纲了,这是狭义相对论时间和空间缝到一起了,这就叫时空。正确的描述还需要在这个地方应该加一个虚数,也就是 ——空间加上时间构成的一个数,有四个单元的数,就叫双四元数。一般相对论的书里那些概念为什么搅缠不清呢?就是用的数学不对,或者用的数学不足以反映时空的关系。所以要想真正学会相对论,要多学一些代数和几何的知识。

时空有哪些特征?首先要知道有度规,也就是空间里面距离是怎么量的。另外知道空间的近邻关系,才知道里面怎么输运、怎么做微分。

相对论的内容我们就有这么几个部分,我们先聊聊

  • 朴素相对论(Primitive relativity)
  • 伽利略相对论(Galilean relativity)
  • 狭义相对论(Special relativity,也称 restricted relativity)
  • 非常狭义相对论(Very special relativity)
  • 广义相对论(General relativity, 也称 generalized relativity)

一般书里能提到的相对论就是狭义相对论和广义相对论的一丁点皮毛,包括后续相对论的发展,还有整体相对论,我还会再聊几句都是非常崇敬的爱因斯坦的轶事和其他成就。

#朴素相对论

谈谈朴素相对论,朴素相对论说的是什么呢?大家看一个景象,这是我们大家都非常熟悉的景象,晴天的时候月亮会从东边缓缓升起。可是在人类几千年的文明史里,没有哪部文学作品会给你描述地球如何升起的景象,直到有一天我们的人类自己能够进入太空的时候才想到这样的景象,地球出来了,这个蓝色的球非常漂亮,这说明什么?这说明这个景象始终是从我们脚底下能看到的景象,我们从来没想到如果把我们的观点(point of view),也就是你看问题的出发点挪到别的地方的时候,你是可以看到其他景象的,但是我们没有这种自觉。 所以养成换个观点去看世界的习惯很难,这也是为什么大家经常吵架的原因,我们总是从自己的观点看问题,而不是从别人的观点看问题,虽然很难,但如果养成了这种习惯其实非常有用。

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人类文明史上,公元 1600 年前后就有一个德国哲学家,开普勒养成了这样的习惯。开普勒年轻的时候遇到了什么事情呢?就是要研究这么一个问题,这是火星的观测数据:

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有八个退行点的一团乱麻,拿到这样的观测数据以后接下来的任务就是要写出它的方程,可是这一团乱麻怎么写出它的方程呢?写不出来。

有一天开普勒想到我们有一套从地球上看到太阳的数据,如果我把火星的数据减去这样一套数据,那不就是相当于从太阳上面看火星的轨道了吗?这么做了以后,他发现火星轨道差不多和学校操场跑道一样,是闭合凸的曲线,凸是比较重要的事情,这样的曲线就比这团乱麻好研究多了,自然而然你会看到原来行星的轨道是绕着太阳这样“火炉子”的简单闭合曲线

我们从地球上看到的火星的运动规律和现在得到的相当于从太阳上看到的火星规律应该是一样的。因为什么呢?因为仅仅是换一个观点,你就看到了不同的世界,你大概不会相信因此世界的规律就变了。所以说,我们换个观点看到那个世界也会让我们得到同样的关于这个世界的规律。

在这个基础上,开普勒就总结出了所谓关于行星运动的三定律。可能大家都记得,

  • 第一个定律是说(太阳系的)恒星的轨道是绕太阳这个炉子(Focus, 炉子!)的椭圆;
  • 第二个是说单位时间内行星与太阳的连线扫过的面积相等;
  • 第三个是轨道周期平方与轨道半长轴立方为一个只依赖于太阳的常数。

但是对这样的问题,我们的大学教科书里不能停留在 400 年前简单的描述上。开普勒定理,从应用技术上来说有 bug,所以我们发射绕月轨道的时候要比简单的椭圆复杂得多。开普勒三定理有非常深刻的内容,玻尔理解原子光谱分离能级形成的工作也是看的开普勒三定理,这比我们今天大学课本里理解的深刻得多——开普勒三定理是量子力学的入口。

开普勒由此总结出了行星绕太阳运动的轨道,这就是窥透了上帝的秘密,开普勒全集里有这么一句说,

我诚实地承认这项成就让我感觉我胜过你们人类!

这比高考的时候考个全省第一感觉好多了。

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开普勒的事例就是朴素相对论的一大成就,如果我们用数学表达是什么意思呢?就是假设这个世界满足的规律是这样一个方程 ,有位置 ,有时间 ,还有我不知道是什么的东西 。如果规律是这样的话,你把空间挪一下,时间简单挪一下,这个方程还应该成立,。

有一句话说,许多科学都存在在古老的智慧里,我信。比如这样的狭义相对论,可能就存在北京西山大觉寺的一个匾额里,这个匾额是什么?是这样四个字“无去来处”,相对的参考点不重要,这是非常非常有趣的智慧

我觉得读会了朴素相对论,大家回过头来再去读陶渊明的《桃花源记》就明白了,你边走边做一个记号,但所有记号都是对称的话,你发现它一点用都没有,因为它满足对称性。这是非常有趣的案例。

#伽利略相对论

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我们讲完了朴素相对论,就进入了伽利略相对论。伽利略是意大利人,被称为近代物理之父,也是近代科学之父。你看他给我们创造了多少东西——比如说单摆的周期公式、落体的公式、传说中的比萨斜塔实验和所谓的惯性质量等于引力质量。但是关于惯性这个概念,大家看一看伽利略是怎么得到的。

伽利略说将一个小球从一面斜坡滚下来,会在对面斜坡上差不多达到相同的高度。如果把对面斜坡坡度变小一点,要到相同高度,顺着坡走的路会更长。这个可以理解,这叫观察。

但是观察需要要上升到抽象和理性思维,也就是这样一个极端的情形——假设对面的斜坡坡度等于零,是平的。如果刚才小球运动的的趋势、规律还是对的话,这个小球滚下来以后要努力想回到刚才的高度,但是这个斜坡不管怎么往前滚又没有高度,请问它能怎么办?最终的结果就是这个小球只能以原来的速度,顺着原来的方向一直滚下去,这就是对于惯性的理解。后来被纳入了牛顿三定律的第一定律,这是伽利略做到的。

伽利略在 1632 年《关于两个主要世界体系的对话》这本书里,给我们描述了这样一个情景:假设你坐在一个大船里面,你还带上了蝴蝶、苍蝇、鱼缸里还养着鱼,船舱还漏水。你发现蝴蝶飞和地面上飞是一样的,鱼缸里鱼的游动和家里的也一样,顶上的滴水也是直直滴到下面的,你从这些现象的观察里面是判断不出这个船的运动是不是匀速运动的。

在我们老祖宗的文献里,对这个现象也有精确的描述。东汉时期《尚书纬•考灵曜》里面有一句话,

地恒动不止而人不知,譬如人在大舟中,闭牖而坐,舟行而不觉也。

再比如说像王充的《论衡》,这就是每个物理学大学生要学的基础课,什么叫测量。很多同学都没学过测量,就来做物理类实验研究生了,我们老祖宗这方面的学问很多,非常遗憾的是没能形成一个科学的体系。

伽利略的相对论想说什么意思呢?可以用位置 、时间 和“不知道是什么”的参数 描述世界的规律,

而把位置加上常数乘上时间的话,这个方程还成立,

这个就是伽利略相对论。

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和刚才朴素相对论一样也体现在一句古老的智慧里,还是在我们西山大觉寺有一块匾额,这四个字叫“动静等观”。不管你是静止的还是运动起来,从规律的角度来说,你应该看到的是同一个世界,非常酷的四个字。

现在我们有了伽利略的相对论,让我们回头看一看我们已经学的学问,比如说经典力学和电磁学,看看满足不满足伽利略相对论。我们看牛顿第一定律,说任何不受外力影响的物体保持静止或匀速运动,这个词是 inertia,原意是懒。我想告诉大家惯性质量,质量惯性是一个词。牛顿第二定律说,置于外力下的物体,加速度正比于合力,比例系数为质量

牛顿第三定律说,作用总伴随着反作用。大家如果看法国一个电影《放牛班的春天》,你会发现那里老师惩罚孩子的时候就会说“作用”“反作用”,没有“力”这个事情。这个本意是说这个世界上存在着相互作用,但是后来我们发现这个道理竟然也是不对的。海森堡用一个交换作用的概念把相互作用又上了一个层次,这个我们以后再讲。

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牛顿力学是不是满足伽利略相对论呢?加速度等于力,加速度是位置对距离的二阶微分,

把距离或者位置加上一个常数乘时间的话,两次微分根本不变,加速度这一侧是没有问题的。是否满足伽利略相对论就看力的形式,力到底是什么形式呢?就要看具体的情况。如果是相互作用的话,会写成两个距离之差 ,这样就一定满足伽利略相对论。

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我们用这个眼光看牛顿引力的话,牛顿引力是两个质量体之间的相互作用,万有引力下的运动方程如上图所示。这样的运动方程就满足伽利略相对论,所以说牛顿力学为什么没有更高级的相对论呢?因为伽利略相对论就挺好使

如果我们用伽利略相对论去考察我们的电磁学的话,你会发现有问题了。为什么呢?因为在电磁学里,一个电荷受到的力叫洛伦兹力,运动方程为:

这个地方明显出现了速度这样的变量。伽利略相对论相当于速度有个平移 ,改变了常数,你把速度这一项改变了以后,运动方程左边是不变的,代到右边这一项就变了,所以伽利略相对论是不适用电磁学的,或者电磁学是不适用于伽利略相对论的

一个理论如果不适用于某个对称性的话,说明什么?说明可能正确的对称性你还没找着,所以你别着急。

时间-空间变换与物理学

事情往下,这个时候我们就可以总结一下关于时空的学问了。大家感觉一下,到这个时候那些大物理学家就能够感觉到事情很难了,为什么呢?你会注意到伽利略相对论里,时间和空间的变换是十个参数的数学问题,大家看时间是一个,位置是三维空间的三个参数,速度是三个,转动本身还是三参数的,所以时间-空间变换

是十个参数的东西。

如果你把时间和空间缝到一起,就是我们常说的四维空间。四维空间平移是四个变量,转动是六个自由度,六加四还是十个参数。也就是说要想玩这一套东西,你要习惯于,或者玩一个十参数的参数空间,这就是为什么我们在一些宇宙学或者天体物理会读到十参数这样“比较吓人”的概念。这其实是说简单的事实。大家知道球面在平面铺开是铺不开的,必须在三维空间才能铺成直的,所以我们打篮球、打排球,球面只能在三维空间存在着。

如果你认定有一个四维弯曲空间的话,在几维空间里才能被铺展开是直的?那就是十维,往下事情就有点难了。物理学我们一直在研究变化,但是物理学研究变化的过程中追求的反而是不变,是对称,是等价这样一些概念,这个词请大家一定记住,等价这个词是贯穿整个物理学,包括欧洲哲学和政治经济学的观念。 你读热力学、读马克思主义理论其实是同样一个词,等价,大家一定要记住这个词 Equivalence。既然是谈论对称、等价,我们知道群论才是物理学的正确语言。

群论这个概念的引入是 1832 年一个法国小男孩 Galois 引入的,这位老兄十七八岁的时候就做了很多关于群论的东西,二十岁的时候给我们创立了一个叫群论的物理学的语言,所以说我每读到这个时候就特别想,我们有什么理由学不会?人家创造的时候才十六七岁

我有一天认识到群论里面,群的定义有一个非常重要的定义,就是群元素有逆。我突然意识到逆的存在是保证了相对性,这也就是为什么群论是相对论语言重要的一点。

我给大家举两个例子,比如说大家都比较熟悉的正多面体,你可以把它看成是球形液滴的不断变形,但是有一个东西是不变的,就是它的顶点数减去边数,加上面数始终等于二,

其中 是顶点数, 是边数, 是面数,你们自己数一数。这个公式就是欧拉定理。

或者举另外一个例子,这是标准平面空间圆的方程

如果把坐标转动一下,

得出新的坐标还是一个圆的方程

所以说一个圆我们转动的时候,物理上不变,这个就是数学上它的不变。你注意,我们谈论怎么变,怎么变化,怎么变动,但是实际上我们始终在追求理解那个不变。 这个理论我刚才举的两个例子都是特别简单的例子,大家一定要学会看到例子的时候要追中间的实质,糖炒栗子吃的是里面的东西。

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实质要上升到方程的层面,方程都是不变的。哈密顿方程如图所示,如果你对里面位置和动量做一个变换的话,哈密顿要求你变换出来的方程和原来的方程必须给我长得一模一样,大家记住没有?是坐标变换以后你得到的方程要和原来的方程长得一模一样,这样的变换才叫正则变换,而这个方程因此才成为了正则方程,这是我们整个学经典力学里面最核心的地方。

学会这个方程,再往下一步学哈密顿方程,你再进入统计力学和量子力学就简单了。为什么我们学统计力学和学量子力学的时候觉得那么难?那是因为经典力学你根本就没学。

这样一个关于变换和不变性的理论,到了1918年就达到了高峰,有一位叫艾米·诺特(Emmy Noether)的女士在这一年发表了这篇著名的叫 “不变的变分原理” 这样的文章,把对称性和守恒性连接起来,才有了真正意义上的理论物理,做这个工作的时候,这位女士才36岁,最重要的是艾米·诺特女士是一个文科毕业生。

很多人说变换不变性你说了半天我也没理解,其实特别好理解,就是我们世界上有一个叫做婚礼誓词的东西,那是对变换不变性的最好的诠释。大家回忆一下婚礼誓词是什么,它的内涵是

天可以变,地可以变,我可以变,但是你得对我好这一条不许变。

这就是变换不变性。懂得这句话,物理学你就学会一半了。

有了这样一些心理准备,我们现在就可以谈学问了,进入平常大家所说的相对论,狭义相对论。

#狭义相对论

狭义相对论开始于什么呢?开始于麦克斯韦方程组,

根据电磁学感应定理原本最后一个方程是左边一项右边一项,麦克斯韦加上了加号右边的这一项,非常伟大。加上这一项的伟大意义,杨振宁先生以九十多岁的高龄去国家天文台去年的讲话,大家可以去找顶级科学家怎么谈论这一块的,很多老师竟然对加上这个东西觉得无所谓,一笔带过,这个实际上是改变我们世界的东西。

引入 洛伦兹规范

方程变成了弦振动方程的模样

写成这样的方程,世界就改变了,因为这个方程是人们已经熟悉的琴弦的振动方程。琴弦振动的时候会向空气里面传出声波,那么我的电磁现象能够写成这样的方程,难道世界上电磁还有波?

麦克斯韦说:

应该有电磁波!

图片1887年,赫兹用这样一套交变电路演示了(可能)电磁波,这套装置就是电报的原型机。

一个德国人说我来搞定,于是在 1887 年赫兹就用上图所示这样一个装置打出火花,用简单的金属线栓着两个金属球之间的缝隙也看到了火花,这被当做存在电磁波证据的实验,其实它仅仅是能说你这个地方的东西能够飞到远处,后来这个实验装置本身产生出了著名的东西,叫电报

但是赫兹做出这样装置的时候,他自己都没认识到其意义。当他的助手问他,你做这样一个实验的意义是什么?赫兹说,能够证明麦克斯韦非常伟大。助手说,那还有没有什么用?赫兹说,这个真没用。但是这个消息传出去以后,有一个 15 岁的意大利小男孩,正好就在德国和意大利中间的阿尔卑斯山上度假,他听说有一个火花在这个地方打出来,在另外的地方也闪现了,他觉得可以发出信息,这个小男孩就是电报的发明人马可尼,所以我们做实验的时候,任何结果都是结果,千万别随便扔。

既然有电磁波,你去计算一下电磁波的速度,发现和当时测到的光速速度差不多,所以让人怀疑光难道也是电磁波。如果光也是电磁波的话,这个速度就成问题了,因为这个地方的速度是从这两个常数 和 算过来的,老师做题的时候都会说水相对于河岸的速度是多少,船相对于河岸的速度是多少,当我们谈论速度的时候,始终都会说相对于什么,速度是多少。但是我这地方的速度是从两个常数算过来的,没有参照系的事。

回顾一下从麦克斯韦方程组得出麦克斯韦波动方程,到出现电磁波验证的问题,我个人是非常感慨的。电磁波方程的推导,是严谨的推导;而电磁波的演示,是坦诚的验证,而且验证的这个人一句大话都不往外说,这一点相比如今很多实验是“心里有鬼才画鬼”的实验,这样的人和这样的事才尤其值得我们尊重,当然也更加正确。

现在我们有一个电磁波方程

有一个德国人说:把这个地方的时间和坐标变成这样一个、的时候,方程的形式就可以不变。

这可以说是个数学游戏,也可以说是对光本身的理解。当时的学问叫球变换,一团火光从中心向外发射的时候就是球形出去的。而如果运动的时候,这一团火光看起来还是球形的,这就是球变换。 光学书里面常见的错误就是球面波这个翻译,这是错的,是球波,不是球面波,是从光源算起,整个空间是充满的,而不仅仅是波前的球面。而洛伦兹变换就是让球还是球的变换,大家一定要记住这一条

接下来很多人参与研究这样的变换,洛伦兹,拉莫尔(Larmor)都来研究它。到了 1905 年,法国一位大神庞加莱(他研究了一个特别小的问题,三体问题,就被我们中国的刘慈欣先生写成了小说,风靡世界)就说,这样一个变换应该有一个重要性质——应该构成群。构成群是什么意思?不用管,就知道我们这个大神说什么就是一言九鼎。庞加莱说这个变换应该叫做洛伦兹变换,于是这事就叫洛伦兹变换了,谁也没办法。提醒大家一句,相对论的精髓就是这样一个变换构成的群叫洛伦兹群,如果你把简单的时空平移再加上以后,那就是更大的群,叫庞加莱群,是狭义相对论的学问。不用这样的概念谈论的相对论都不是相对论,请大家记住。

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怎么去推导这样一个变换?尤其是对于研究生、大学生来说这个变换怎么推导呢?特别简单,如果你懂这些道理就特别简单。

  • 第一条,两个坐标之间首先要满足变换是线性变换;
  • 第二条,要保证他们俩的平方差不变;
  • 第三条,要求构成群。

按照这三条要求的时候很轻松的就能推导出洛伦兹变换,大家不用去记,请大家记住很重要的一条东西,你学科学的时候,当你理解的时候你就发现特别好记了,过去的东西不好记就是你没理解,弄不清楚它之间的关系。

有了这样一个洛伦兹变换,并且构成群的性质,我们想说的是什么呢?一是变换这里有个参数是速度,再变换一次还有速度这个参数。既然构成群,两次变换可以通过一次变换达到,这一次变换的参数 和刚才的 、 有什么关系?就是我们相对论书里见到的,是中学时候学到的速度相加的公式。

这个公式有一个性质:

、 都小于 的话,你加出来的结果也小于 。

“光速是质量粒子速度上限”,“光速是常数”等等,你经常有听到这样一些话,但是这个地方是速度本身作为一个参数和 的性质没牵扯到一起,光速一定要作为一个特殊对象要另外理解,我再提醒大家光速最要命的地方是,它没有参照物,就像一般人互相会比谁比谁更有钱,你发现皇帝跟谁比有钱?因为天下东西都是他的,他没法比,他不可以跟你比。

现在的问题来了,关于电磁波,关于电磁波的变换,关于速度的认识,关于这里面变换构成群的认识,到 1905 年都完成了,而这一年爱因斯坦 26 岁,仅仅是专利局的一个小职员,请问为什么发展了相对论这样一件事情会落到了他的头上。

大家想过这个问题没有?1905 年狭义相对论几乎所有内容都在了,为什么创立了狭义相对论这样一个名声落到了爱因斯坦这样瑞士专利局三等技术专家的头上?

这出在一个很要命的问题上。大家都戴过手表,会发现手表这个问题很要命。过去戴手表的时候,一屋子里只有一个人戴手表,我们是知道几点的,但有两个人戴手表就不知道是几点了,因为大家手表显示的数不一样。以前机械表误差更大,据说巴黎市政厅和巴黎火车站时间都相差很大,这很麻烦。所以大家记住很重要的东西,钟表不能告诉你时间,与它相媲美的还有另外一个问题,就是没有任何一个温度计是测温度的,我们每个学物理的人都要思考这一问题。温度计从来不测温度这个问题我们有空再聊,今天我们单聊钟表不能告诉你正确时间,这是要命的问题。

钟表不能告诉我们时间我们要钟表干嘛?我们来思考,钟表有什么问题?我们先看假设两个火车站之间各自有个钟表,会出现什么情况?我们有一列车从北京出发,发电报给上海火车站说:我的列车八点钟开了。而你在上海火车站接到这个电报的时候,你会发现,电报没有任何意义。因为我哪知道你这个钟表八点钟是什么时候。要想让这句话有意义,那就要建立起校准的过程,校准怎么校呢?这里需要靠光(电报)建立起联系。

假设我在 时刻从甲火车站发一个光信号,到乙火车站的时候再反射回来,反射信号在 时刻被接收到,此时,再往乙火车站发一个信号。而对乙火车站来说,收到第一个信号并弹回去的时刻是 ,第二次收到信号的时刻是 ,如果 与 相等的话,那两个钟表量度长度是一样的了。

如果我进一步要求 ,那这两个钟表的指针就调到了相同的位置,而且转动的速度一样,我们就可以说这两块钟表校准了。但是问题还没完全得到解决,因为在火车跑的过程中,列车长也得研究怎么校准时钟。比如说北京站发出去之后,北京站站长就不管了,上海站站长很着急,你到哪儿了。火车上列车长说我九点过济南了,又没意义,因为火车是运动着的。这就有运动和静止的钟表如何校准的问题,而爱因斯坦一战成名的文章就是因为这个问题,而我们中英文教科书里都没有提这个事情。

看看爱因斯坦多伟大,这位瑞士联邦专利局三等技术专家,瞄准了静止的钟表和相对运动的钟表之间如何校准的问题,冥冥之中正好这些因素就凑到一块了。 狭义相对论的三个关键存在,火车、电报、钟表,关于这段的故事,请大家有空读《爱因斯坦的钟表和庞加莱的地图》,讲得非常详细。

爱因斯坦给出一个方程,

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这是一个微分方程,这个微分方程的解就是洛伦兹变换,神奇不神奇。当然别人是从已知的地方推出来的,而爱因斯坦竟然从这样一个技术方面的工作导出了方程,这个方程的解是洛伦兹变换。当然了仅仅是得出这样一个别人已经知道洛伦兹变换的结果并不会造就你的伟大,所以说爱因斯坦会有更深刻的思考。

比方说关于相对性原理,一个物理过程相对它静止看到的规律和相对它运动看到的规律应该是一样的。可是许多人仅仅是会背这样一句话,你拿它用到具体问题上了吗?爱因斯坦用到具体问题上,我们说一个原子向两个方向发出两个光子的过程,相对于静止看,是满足能量守恒、动量守恒。你相对它有一个速度 ,还满足动量守恒和能量守恒,你把这两种情形的能量守恒和动量守恒四个式子写出来的时候,这四个数学式子就可以来回倒腾,得到一个很重要的结论,

原子发光的过程原子要“变瘦”,质量要少,这个大家也能理解。你跑到操场上,连跑带喊的,时间长了你也瘦。所以原子发光的过程质量会减少,但是重要的是减少多少。从这个公式出发爱因斯坦考虑了这个过程,减少的质量乘上光速平方应该是光的能量。但这样一个作为狭义相对论标签式的方程 是普朗克最先写出来的。请大家记住非常重要的一条,第一个对相对论做出响应的大物理学家就是普朗克,这个世界上第一个相对论方面的博士就是普朗克的博士,普朗克是相对论的奠基人之一。

核化学进展表明,我们发现原子核裂变的时候,原子核质量确实是减少了,减少的部分变成了动能。但是这样一个思想,包括这样一个公式 的出现,其实根本不用等到 1905 年。在 1903 年一本意大利语的杂志里,一个意大利工程师 Olinto De Pretto 早就写出这个公式了。

狭义相对论对力学和电磁学的改造

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可以看到经典电磁学和经典力学爱因斯坦学得很好,既然是狭义相对论就一定用四矢量谈论问题,不要再将时空和空间分开了。这里不是嘴上说不是分开的,是你的数学表达式不能把它分开。时空是这样的四矢量 ,动量是这样的四矢量 ,前面就是我们常说的动量,后面是能量,这样的四矢量也满足洛伦兹变换,于是我们就得出动量和能量的变换。动量、能量变换有一个性质是四矢量模平方不变,把平方写在一起的时候就得出了下面的这个公式,

这就是狭义相对论运动粒子能量表达式,人家得出这些重要结果的数学推导过程,基本上不超过我们现在高中数学的水平,但是人家会思考问题。

能量、动量有四矢量,要构建角动量的时候是这样的矩阵。

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其实里面的 就是我们常说的角动量, 是新的量,表达成相对论统一的,能表达这么优雅的矩阵表达式是我 2019 年才想起来的,关于这一点我非常骄傲。能写出这样张量表达式的时候,洛伦兹变换就是二重洛伦兹变换,我们这个角动量就好解决了。如果大家不熟悉的话,关于电磁场的洛伦兹变换是有的,电磁场张量

就是满足二重的洛伦兹变换的问题

欧洲这帮物理学家可以说是非常的“丧心病狂”,1905 年的狭义相对论出来,到 1907 年的时候基本上就没事了。所以就有问题了,什么问题呢?我们要深入考虑,考虑它的应用问题等等。比如说关于狭义相对论我们一定要特别特别关注这样一个最需要讨论的对象,就是光速,光速是什么。光速在 这个写法里就是把时间的量纲变成长度的量纲,光速是时空的连接。光速在能量和质量相关系的时候,把它写成 这样的时候,光速的平方是比例因子,始终是一个常数,虽然叫速度,但是是没有参照系的一个常数。

所以对光速的理解,光速真的不算速度,或者说就是速度它也不是你说的别的速度,这句话我仿照的是世界的数学物理中心德国北部哥廷根这个小镇子的一句话,这个酒馆墙上刻着“哥廷根以外没有生活”,就算有生活也不是我们这儿的生活,所以光速不是速度,如果你要坚持认为它是速度,那也不是别的那样的速度。

所以说光速作为一个基本物理常数,在这之前还有哪个基本物理常数被发现呢?1900年引入的普朗克常数 。所以为什么普朗克对爱因斯坦的工作特别敏感,率先响应?因为这个世界上又出现了一个基本物理常数。

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普朗克与爱因斯坦

普朗克很快就派他的助手去看那个穷困潦倒的爱因斯坦。因为他来自柏林,又是著名大学教授的助手还是比较有钱的,来看爱因斯坦,爱因斯坦就递给他一支特别劣质的香烟,他实在抽不下去,趁着爱因斯坦不注意把烟扔水里了。但是普朗克和这位助手,都成为了发展相对论的人,普朗克某种意义上是爱因斯坦的保护人,他们俩之间算友谊也好,非常有趣,1929年设立了普朗克奖,首届获奖人竟然是普朗克本人和爱因斯坦。

狭义相对论与我们的生活

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相对论和我们的生活有什么关系呢?这很重要。相对论一个很重要的意义是打破了同时性具有绝对性的概念,就是两个时间点到底同时不同时不具有绝对性的意义,但是我们很多日常生活又确实需要对时间有某种意义上的绝对性意义。从前我们戴手表的时候大家定时都要把手表上的钮拧一拧,我们现在手机拿出来显示的是同样的时间,为什么这样?因为中国科学院国家授时中心管你这个事情。

光速是一个常数还是整数,也就是说它是个约定的东西,距离、间距等于光速乘常数,雷达、北斗导航卫星值钱的地方实际上是什么?是钟表。我们是通过测量时间间隔来决定两点之间距离的,因为光速这个值很大, 大家可以想象一下,如果距离相差一公里的话,时间相差才是三十万分之一秒。比如原子喷泉钟,据说我们当前的精度可以达到十的负十六次方,这是高精度的表。

当然反过来说,这样一个公式,也就说明光速太大,要想出现有明显可感觉的时间差的时候,这个空间尺度要非常大。比如说宇宙尺度上,我们的探月过程,我们的地球到月亮的距离差不多是 1 光秒多一点,信号来回一趟的时间就是 2 秒多,再加上一点反应时间,差不多是 4 秒,所以就有著名的探月过程,陆月器最后有黑暗 4 秒的说法,也就是最后那 4 秒它的行为只能靠它自己。在地球到月亮的宇宙尺度上才会出现差不多 3 秒左右的黑暗时间的问题,这样反过来也说,就是在我们人的日常生活中,有两三秒的时间差异或者时间延迟的话,我觉得这是可以谅解的,可以容忍的,这也可以作为我们对一个人是否拖沓,是否拖延的判据。拖沓、拖延 3 秒以内的我觉得是可以容忍的,像今天这个天,如果你女朋友让你到外面取外卖,你磨蹭不超过 3 秒不跟你翻脸的话,建议这样的好女孩你要珍惜,继续交往。

关系 和比例系数让我们知道——质量减少一点点,得到的能量是非常大的,这是我们利用核能源的关键理论基础,不给大家细讲了。

#狭义相对论的局限

接下来到前几年还出现了非常狭义相对论之说 (very special relativity),其实说的就是过去的麦克斯韦方程组或者洛伦兹变换这个群太大了,而实际很多物理过程用不到那么大的群,小一点的群,像 群, 群也就够用了。狭义相对论还有一个叫法,意思是加了限制的相对论。这样一个小群只能把相对论限制得更死了,就是这么一个意思,这是 2004 年的工作。

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接下来我们看狭义相对论的局限。它是关于电磁学的对称性,不适用于引力的问题。因为我们谈论引力理论的时候,两个物体互相吸引的力我们认为是瞬间就到达的,没考虑引力传播还需要点时间。当然有人说了,我们在考虑电磁学的时候,库仑定理也没考虑两个电荷之间的作用传播需要时间。

后来是怎么弄的?电磁学是这么弄的,就是把距离再减去一个 ,考虑到了时间延迟,这就是著名的延迟势的概念。 这样处理引力行不行?不行,因为这个地方吸引的是电荷,电荷另外一边才是质量。如果你用来处理引力就不行了,这上面本身是质量,前面还是质量,这变成了纠缠不清的一个非线性问题,最后结果不对。

所以说这一套把洛伦兹变换用到了引力理论的方法走不通。

因此到了1907年的时候,当爱因斯坦被邀请去对狭义相对论做个总结的时候,爱因斯坦认识到了这样一个问题,他说我来推广相对论吧。当他把相对论推广了的时候,才有了所谓的狭义相对论。因为你不推广它,没有更加广泛的相对论也显不出原来是狭义的。狭义相对论是 1905 年做出来的,但是 1907 年才有人想到推广他,后来才被命名为狭义相对论

狭义相对论的硬核内容

爱因斯坦开始推广相对论,就是因为他要为整个物理学构造出一揽子关于时间和空间的方案,不能光适用于电磁学,也要适用于引力。 可是怎么考虑呢?这时候你就要对相对论本身的内容有所理解,相对论的内容是什么?洛伦兹变换以及时空距离。最重要的是这个时空距离要表达成一般的几何问题,这个工作是谁做的?据说是爱因斯坦那个不太能瞧得上他的老师闵可夫斯基(Minkowski)做的。

他来自这个世界上最神奇的地方,就是普鲁士的,也就是现在俄罗斯的加里宁格勒,提出哥德巴赫猜想的哥德巴赫,还有康德这些人都来自这个小镇子。在这之前他就有一本著名的书,有多少数学老师?哪个学校的教过孩子们“数”的几何?有哪个学校教过 1,2,3,4,5,6 这些数是有几何的?这就是人家闵可夫斯基高的地方,把时间和空间缝在一起,这就是闵可夫斯基几何问题。

如果你要想从几何的角度推广这些理论的话,就必须有普适性、一般性。四维空间几何的理论,要乘上一个一般的对称矩阵,叫度规的一个东西,就是如何规定空间里面两点距离的一个东西,这是所有广义相对论的关键。

请大家记住,物理学是几何学,懂得这个道理的人,他就知道,量子力学表现的是几何学,因为量子这个词就出现在 1854 年黎曼的那篇著名的几何学论文的第一句的最后一个词,而那里面第一句所表现的思想就是空间的量子化,几何量子化。而到了1924年,玻色就是用相空间的几何量子化,得出来新的黑体辐射公式的推导。而爱因斯坦是熟悉这一套理论的,接下来就有了玻色-爱因斯坦凝聚,这些在我们学起来都是非常艰难的,好像是不相关的学问,他们其实是一体的。

推广相对论

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我们看爱因斯坦是怎么推广相对论的。

  1. 引力质量与惯性质量等价;
  2. 参照框架的相对加速度等价于一个均匀引力场。

据说有这么两件事情,其实就是研究一个小物体被大物体吸引的牛顿力学方程。爱因斯坦做的第一件事,就是是认定引力质量和惯性质量等价,惯性质量和惯性质量可以约掉,就是这么简单。

方程左边是加速度,右边是引力势。如果加速度是相对于一个匀加速的参照系,左边就得加个常数加速度,另一边也得加上同样的项,而这个常数就是恒定、均衡的,空间均匀的引力场,参照框架的相对加速度,等价于一个均匀的引力场,这个引力场和加速度凑到一起了。

爱因斯坦说出事了,因为你回顾一下牛顿三定律,第一句话说的是什么?说的是外力等于零的情况下,这个运动是惯性的,可是现在我的加速度和引力分不开了,什么叫加速度等于零的匀速直线运动?爱因斯坦觉得必须把惯性运动这个概念给修正。所以在广义相对论里面,惯性的定义变成了除了引力之外的其他力等于零的情况下的运动叫惯性运动,也就是说从高空往下落的过程中这是惯性运动。

当然做这样的惯性运动也叫自由落体,大家知道自由的下落,说自由下落这个过程是非常 happy 的过程,一个人从高空坠落这个过程是非常 happy 的,什么时候让你感觉到你不 happy 呢,是大地接着你,不让你堕落的时候,痛苦才来的。

据说爱因斯坦 1913 年某一天下午才想明白,原来自由下落的过程是非常 happy 的过程,是感觉不到引力的过程,这个过程是可以当做惯性的,也就是说我可以把惯性运动的概念修订为:

除了引力之外的所有力为零下的运动状态叫惯性。

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有了这些认识,原来是说要描述引力的,描述弯曲空间的事情变成如何描述加速度了。怎么描述加速度?我们回忆一下中学物理。有一个简单的例子,匀加速运动。大家想象一下,一辆车从你家地里开过之后,警察来了能看到什么?看到车轱辘印子,好的警察就要通过车轱辘印子判断你这个车是怎么开的。所以说人家很早就有这个思想,一个几何体和一个轨迹都要从他自身去找到描述,不能从外在的世界找到描述。我们知道圆是一维闭合的几何体,我们相当多的同学还有一个特别错误的概念,以为圆有圆心。我再提醒大家一下,圆没有圆心,圆心是引入的辅助的概念。

工人在一个地方要画个圆圈的时候,或者开车的时候画圆圈的时候,只要方向盘打个不变的角度,车会自动画出来圆圈,没有圆心,这是人家西方几何里早就有的思想。有了这些思想你再学人家相对论怎么描述的时候,突然就明白了。

比如说我们学的加速度都是位置对时间的二阶微分,如果回顾描述一条弯曲曲线会用到哪些几何的时候,你会发现人家都是描述位置对距离的二阶微分

而这样一个知识其实在我们的日常生活里都是这样的。比如你如果描述从北京到上海的 G3、G4 高速是怎么描述的?不是给出坐标相对时间的变化,而从来都是车所在的位置相对于起点多少公里处,你告诉我顺着这条路多少公里处就行了,我就能找到你了。所以描述一条曲线正确的参数是这条曲线的长,这样的好处是如果位置相对于轨迹弧长变化的话,你的加速度和弧长本身是垂直的,永远是向心加速度,或者匀速圆周运动告诉我们,加速度和曲率成反比。如果你用这样一个二阶微分公式来写加速度的话,加速度本身就等于轨迹那一点的曲率。于是乎描述加速度这件事情又变成描述曲线怎么弯曲的了,我们需要学的是描述轨迹或者存在的曲面,或者那个空间是怎么弯曲的学问了。

描述曲线怎么弯曲运动以及描述曲面怎么弯曲,这样的一个几何学问又是来自于我们日常生活,尤其是像法国和德国这种地方,生活在丘陵地带的地方,他们的科学家很早做大地测量的时候就知道大地是弯的,怎么在地图里把弯的事情都给表达清楚,就是他们在实践中所创造的学问。据说那个数学大神,被称为数学第一人的高斯,就是一直在忙着测德国地形如何弯曲的过程中发展出了测地线这个学问,在这个过程中接到了他家里派人,匆匆忙忙赶到工作地点送信的,说您赶紧回家吧,您夫人不行了。高斯竟然说,再等一会儿,我马上就完。

在这样一个过程中,高斯、黎曼他们完成了对弯曲空间如何描述的这样一门学问,当然这门学问如何描述弯曲,还有牛顿,以及还有一个法国 16 岁的少年克莱洛,写出了二维平面曲线和三维空间曲线。

1729 年克莱洛写出这样公式的时候仅仅 16 岁,但是在论文后面写出了一个要求,我要当院士。16 岁是未成年人,不能让他当院士,所以就被拒绝了。两年以后,他又写出了三维空间曲线曲率的表达式,就是我们学经典力学里面三维空间标架,切线、法线和第二个法线标架,就是克莱洛 18 岁的时候给我们引进的,他在论文后面又写出这样的要求,我要当院士。大家实在是没脸再拒绝他了,所以克莱洛 18 岁当上的院士。

这些曲率的公式就不给大家讲了,但是越弯曲意味着蓄的能量越大,这一点我们的老祖宗早就告诉我们了,那就是弓。弓拉得越弯力越大,曲率和能量密度的关系我们应该是知道的。爱因斯坦他们后来得到相对论场方程更多借助于材料科学和结构力学方面的知识,就不跟大家讲细节了。

现在我们知道,我们描述时空弯曲就是描述加速度,描述引力也是描述加速度。加速度、引力、曲率、弯曲时空,这些东西凑到一起了,现在我们只需要学会给定弯曲时空,我们知道弯曲时空两点之间距离,就能求出它的曲率,这是爱因斯坦要学的学问。

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这一套学问爱因斯坦会不会呢?爱因斯坦不会,这也正常,谁的学问都是从不会到会慢慢学的。但是爱因斯坦不一样,爱因斯坦是贵人,有人相助,谁呢?爱因斯坦的大学同学马塞尔·格罗斯曼(Marcel Grossmann),给爱因斯坦安排了在专利局的工作,思考火车、钟表和电报,于是有了狭义相对论。

爱因斯坦从 1907 年差不多干到 1912 年、1913 年,有很多种方案,最后都不行。到这个时候才明白了

要描述引力,需要有能够描述弯曲、加速度、曲率、弯曲时空的曲率的数学。

于是爱因斯坦问格罗斯曼有没有这方面的数学研究,格罗斯曼在图书馆给他查了一天告诉他,有!现在经过慕尼黑大学往南传到了意大利北面,形成学派,还出了一本书——《绝对微分》(absolute differential calculus),相对论其实就是研究绝对性,这个地方是绝对微分,现在我们叫张量分析。1907 年图利奥·列维-齐维塔(Tullio Levi-Civita)就开始研究相对论。

格罗斯曼告诉爱因斯坦有张量分析和这一本书以后,于是爱因斯坦就开始学习,这是爱因斯坦为了构造他的广义相对论,跟着张量分析这本书现学的。到 1915 年初的时候格罗斯曼介绍了列维-齐维塔跟爱因斯坦认识。一个数学家发现他的工作竟然有人感兴趣!所以你能想象到他的热情——列维-齐维塔这个意大利人用德文和法文一点一点写信教爱因斯坦。而在这冥冥之中,还有一点“宿命”的东西。爱因斯坦上初中的时候,他的爸爸妈妈跑到意大利北部城市米兰开电机厂,所以爱因斯坦说我小时候在意大利待过,请你用意大利语教我。

你们注意到一个问题没有?一个意大利人在用德语和法语,不厌其烦地教爱因斯坦。

弯曲空间的几何

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爱因斯坦 1915 年上半年就掌握了张量分析,广义相对论就在这一页,特别简单,上图中第一个公式 就是两点之间的距离公式。虽然看起来特吓人,但其实在二维平面里就是勾股定理,没有什么其他的东西。如果我们初中老师愿意给我们往前稍微引申一点,那时候你学不懂,至少你知道的话,将来学广义相对论就不会害怕。

描述两点之间距离 的矩阵,对它进行微分就得到了这个联络

再进行微分,就得到了黎曼张量

这两个指标一收缩就是里奇张量 ,就是做两步微分的东西。

在上述两次微分的过程中,第一次微分得出了 Christoffel 符号,以此为几何的出发点,于是乎有了规范场论。给定一个联络,更加扩展地定义微分几何,这就是杨振宁先生工作的方向,也是华人数学家陈省身先生工作的方向。黎曼张量里这个黎曼也有来头。黎曼在他 1854 年的论文不仅确定了数学的内容,还是第一个使用了量子,并且也是指明了量子力学本质是几何量子化的一篇论文。

里奇张量则是描述时空怎么弯曲的,在意大利语里奇其名竟然就是弯曲的意思。

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推广相对论

从质量密度  产生的弱引力场出发,可以得到方程

这样一个方程得出来,取非相对论能量密度 ,可以得到 。接着扩展到 矩阵都行,也就是 ,其中的 矩阵就是爱因斯坦张量 ,这个过程某种意义上就是猜的。但是猜不丢人,其实猜反而是我们教育、培养物理学家必须要教的功夫。当然了,猜的前提是你要有本事,也有基础。

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史瓦西(Schwarzschild)

这个方程是 1915 年 12 月底,爱因斯坦得出的这个方程;1916 年 3 月份,这篇论文正式发表。但是有一个非常诡异的事情,这个吓死人的张量方程竟然在 1916 年 1 月份被人解出来了,解决者的工作条件是什么呢?1916年,既是瘟疫又是世界第一次大战的时候。这位史瓦西(Schwarzschild)老兄是一名炮兵上尉,在战壕里随手把方程给求解出来了。大家看到这里肯定有一个问题。我每想到这里的时候,就想起在我年轻的时候也抱怨过工作条件不好这件事情,我觉得特别不好意思,你工作条件差能差到哪儿去?

1916 年,冬天,瘟疫,战争,冰天雪地的战壕里,人家能把这个方程解出来。为什么他能解出来呢?因为他入伍前是哥廷根大学的数学教授,也是哥廷根天文台的台长。

引力场方程在 1915 年底,1916 年初还是上面这个样子。1917 年爱因斯坦说这个方程的解不是稳态的解,要加一项 ,就是后来宇宙学和天文学里说的宇宙常数项这样一个问题。当然加这一项显得有点随便,但是后来如果学到数学中 Beltrami 不变理论(Beltrami invariant theory)的时候,就知道爱因斯坦还是做得很多的,这个以后再说。

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德国哥廷根有一位叫希尔伯特(Hilbert)的教授,哥廷根大学数学系大神。爱因斯坦从 1907 年想到要扩展相对论,干到 1915 年底好像才依稀看到曙光。在 1915 年 12 月 20 日,希尔伯特从作用量出发,用经典力学中的变分法的欧拉-拉格朗日方程就得出了引力的场方程。爱因斯坦废了八年的劲,却还是比人家晚了 5 天,你们能想象爱因斯坦什么心情吗?你干了 8 年,人家随手画画比你早几天,而且用明信片告诉给你了。你能想象爱因斯坦这么伟大的人物也会骂人么?我们很难想象,但是可以理解。

但是希尔伯特实在是个大神,“这有什么好骂的呢”“所有优先权给你不就好了”“多大点事”。所以这件事情让爱因斯坦特别不好意思,爱因斯坦又给希尔伯特回了一个明信片,说像我们俩这么伟大的心灵,为这么点小事,太不好意思了。希尔伯特为什么这么厉害?当然这个时候我们不说这些轶事,我们说一下爱因斯坦一个特别严肃的抱怨——困难不在于找到这样一个方程,困难是要认识到这个地方,这个方程是牛顿引力的推广,是要做物理。爱因斯坦这个说法对不对呢?也对,但是我个人总觉得好像面对这样一个大神,有一种你的累死累活不过就是别人的轻描淡写。

希尔伯特当然太厉害了,在物理上还有一个希尔伯特空间的概念,但是希尔伯特空间不是希尔伯特提出来的,是冯·诺依曼提出来的。据说 1930 年做量子力学报告的时候,冯·诺依曼说量子力学应该用算符本征函数张开的空间,这个空间是希尔伯特空间。希尔伯特坐在底下说希尔伯特空间?我怎么没听说过,所以你看人家大神有多厉害。

他说了一个对我们物理学家伤害很大的话,就是“物理对物理学家来说太难了”,就是你们物理学家能做什么物理啊。这句话对不对呢?反正我看他这句话我是很服气的。

我们再看一下意大利的 Beltrami,他发展了 Beltrami 不变量理论。从这个不变量出发,你会发现关于四维空间里弯曲描述动力学方程只能有这三项

后来爱因斯坦也亲口说,这个方程左边是象牙做的,因为根据微分几何学就必须长这样子。右边是木头的,关于物质的能量、张量、动量,是物理的,保持能量守恒的张量形式差不多到 1965 年才得到,那时候爱因斯坦已经去世了。关于这个不变量理论,从这个角度推导引力场方程也是很容易的,我再强调一下我写这一段的感慨:你的累死累活,不过就是别人的轻描淡写。很伤感,但是我们要是没有能力轻描淡写,还是得累死累活,没办法。

不管怎么样,关于相对论的思想其实很多人都做出了伟大的贡献,一些必要的代数知识和几何知识你也要拥有,这样才能学会相对论,否则你只能读一些电影里所描述的相对论了。

这里接下来我们必须要提到一个人——克里福德(Clifford)。克里福德代数是近代物理学的基础。他曾经说过这么一段话

引力引起空间弯曲,物质可能只是弯曲空间上的涟漪。

这句话被今天的宇宙学和天文学不断重复着。有人能说出这么文艺的话,我们能够想象这个天才一定是相当文艺,因为他是哲学家、数学家、物理学家,他还是一个儿童文学作家,但可惜只活到了 34 岁。

如果我们要谈到关于电动力学、狭义相对论的基础,关于量子力学的基础,关于非欧几何的基础,关于广义相对论的数学基础,我们必须要提到的人是黎曼。黎曼(1826—1866)活了不过四十岁,从他 25 岁做数学算起,到他去世,不过 15 年的时间。有一种说法,黎曼 15 年的数学贡献了 19 世纪数学的一半。这里我必须提醒一句,黎曼到 19 岁的时候是个文科生。他是哥廷根大学的文科生,但是哥廷根大学理科比较厉害,他们有个很著名的老师就是高斯。高斯有一天在学院里遇到黎曼,说你去学数学,然后就把黎曼送到了德国的柏林大学,送给他的朋友上了三年本科,招回哥廷根大学跟着他读博士,所以说黎曼是在高斯那儿获得的博士学位。我再提醒大家一句,他的论文《作为几何基础的几个假设》,是众多数学的基础,也是非欧几何的基础,也是量子力学最基本思想的基础,是他想获得讲师资格的申请求职的论文。

广义相对论:引力的几何理论

我们有了广义相对论了,有了场方程

场方程里面的东西怎么运动呢?就是自由落体的运动方程,就是测地线方程

这两个方程可能有特别文学的解释,说这个方程告诉我物质怎么让空间弯曲,这个方程告诉我弯曲空间中物质怎么下落,怎么做运动。但是你理解歪了,因为一个弯曲几何里面运动的东西本身一定是个整体的,应该由一个方程描述,怎么会分成两个不同的方程?爱因斯坦本人就知道,这两个方程应该是一体的,而不应该是两个方程,他也试图努力得到一个一体的方程,但最终也是没得到,爱因斯坦本人觉得这个事情非常令人绝望。

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水桶实验

令人绝望的过程中爱因斯坦又考虑了一个问题,这个问题就是我们经典力学里面非常著名的水桶实验,大家回去拿一个大杯子或者拿一个塑料桶吊起来,盛半满的水就知道了。水一开始是平的,把它转起来以后,水面是凹的,你把水桶抱住,水桶不转的时候,水面还转,还是凹的。这是牛顿一开始注意到的问题,请问水面凹是什么原因造成的?你说是水面运动造成的,可是水面相对谁的运动?相对于水桶?你发现水桶运动的时候它是凹的,你把水桶抱住不让动的时候还是凹的,所以牛顿就困惑了,不知道怎么回事了。

后来一个叫马赫的人,说如果那个水桶足够厚实的话,你可能就会对这个问题有正确的理解了,爱因斯坦也注意到了这个问题,说明什么?说明两个有质量的物体不仅仅是有万有引力的吸引,还有拖曳效应,而拖曳效应是发空间站和长途空间旅行要考虑的问题。

广义相对论有什么威力呢?据说有三大成就,引力红移、光线弯曲,解释了水星轨道的进动问题。其实不对,前两者是在广义相对论场方程之前爱因斯就有计算,有内容的,水星轨道进动才是场方程以后的有效计算。关于大质量体,比如说太阳周围时空是弯曲的,光线怎么走的问题,如果你说太阳这样大质量体周围时空是弯曲的,你就不能说光线是弯曲的,光线永远走直线。或者什么叫直线?光走的线才是直线,这两个概念你不能两套都用。如果空间是平直的你看到的弯曲是弯曲,如果你认定时空弯曲,并且光线走的是弯曲时空的测地线,你就用这套语言,时空是弯曲的,光线永远走直线,我们学物理的不能把这两套语言混着说。

1919年传说有人拍照,说明恒星弯曲,从而证明了爱因斯坦广义相对论怎么正确。恕我直言,我实在想象不到1919年的照相技术,而且是那么不清楚的照片,怎么可能判断出这样的弯曲正确不正确,这是不可能的事情。这个事情社会上一直有质疑,一直到1975年英国皇家学会没办法了,不得不重新把数据拿出来,说重新检查一下,来回应社会的疑问,给的结论是非常外交的言词,说原来对数据的处理你别当真了,别追究了,所以大家提及广义相对论的时候别再提1919年胶版照相的事了,证明不了啥。

回到运动这个问题,弯曲时空里面自由落体的轨迹是测地线,是一条直线。在这上面如果有某一个东西或者某一个分布沿着这样一个线,是怎么平行移动?这个概念会是后来的微分几何里面的关键概念,又是刚才那一个意大利人给发展起来的。怎么找这个感觉呢?有一天我想起来可以让大家找一个弯曲时空如何平行移动的感觉。

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图源网络

就是请大家出去旅游的时候,在遇到山里这样弯曲的路,并且旁边都长满了树,使得你不能出去的时候,请你肩膀上扛一个长竹竿走,你能走得潇洒自由的时候就能理解到弯曲时空中沿测地线平行移动是什么意思了,大家可以有机会去测一下你行不行,看能不能轻松自如跑起来,那一刻你就知道广义相对论在说什么了。

发展相对论的人

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1905—1907年第五次索尔维会议

聊完了广义相对论,一定再说说发展相对论的人。说到相对论都会提到爱因斯坦,但是我强调一点,相对论不是爱因斯坦一个人能发展起来的,爱因斯坦对物理学的贡献很全面,没有这么窄。

这是1905—1907年第五次索尔维会议,里面很多人都是对相对论有贡献的人,而且他们的贡献某种意义上还相当深刻,我随便举个例子。

比方说这个叫泡利的人,我特别想请大家注意,尤其是已经做父母和快要做父母的朋友,一定找一找泡利幼年时候的照片,你看可爱聪明的孩子该是什么样的。他实在是太可爱,太聪明了,他爸爸的同班同学的爸爸,就是那个著名的数学家、物理学家、哲学家马赫,能心疼他到什么程度呢?在他上初中的时候,叫来自维也纳数学大学著名数学教授来辅导这个孩子数学和物理。这个孩子在上高中的时候就能做出广义相对论的论文,上大一的时候,1918年,广义相对论刚完成两年,他的导师是慕尼黑大学索莫菲,把回顾相对论整个过程的百科全书条目交给他写,PDF文件237页,包括泡利自己380多个注解,是人家大二的时候完成的。泡利大三的时候,就因关于氢分子离子的量子力学问题获得了博士学位,同学们听清楚没有?大一的时候接手相对论创造过程的review文章,大二的时候交,大三的时候印出来,并且因对量子力学创造性的工作获得了博士学位。

相对论和量子力学

泡利在研究量子力学的过程中引入了很重要的一个矩阵,后面三个矩阵,这就是所谓的泡利矩阵

可是如果你要知道 3+1维时空是可以用二维复矩阵(就是加上一个单位 矩阵作为基 )表示的情况的话,这个矩阵值就是相对论时空的相互作用关系,而这三个矩阵的乘法关系就是描述角动量的乘法关系,就是著名的李代数,然后你就突然明白了这个小孩有多厉害,人家在做量子力学引入的所谓泡利矩阵,构成了数学上的李代数,是复空间的标准表达式,里面内涵着相对论的距离公式,这样一个泡利矩阵后来被一个叫狄拉克的人又扩展了,两倍扩展以后得出这个方程,叫狄拉克矩阵

写到了狄拉克方程

这两倍的富余告诉我,世界上除了粒子还有反粒子,你看人家一步步工作都是有扎实的数学基础的,不是瞎猜的。

关于相对论量子力学这就是狄拉克做出来的,去年讲座里我讲了,为了解释狄拉克量子力学方程 。1928年提出来的,1930年有一个诠释,说世界上存在着反粒子,1932年就有人就在宇宙射线和原子核中拍到了这张照片,说一边是电子,一边是正电子,据说这样的原子核反应照片,我们中国的赵忠尧先生在1929年,还有一个苏联人拍到了,只是那时候没有反粒子的概念。当实验超前于理论的时候,有些研究白做了,也挺可惜的。

有人可能会说广义相对论很难,学着很费劲,对有些人来说广义相对论只是个起点。有一个比爱因斯坦晚生了6年的德国人Weyl,这个人对数学的所有领域都有贡献,在业余时间随便就对量子力学和相对论有贡献了。他对相对论稍微掌握一点,从1916年初才有广义相对论,1918年的时候这位先生就想到了如何把引力,不是和电,而是和电子联系在一起,于是在1918年就写一篇论文,《论引力和电子》。这篇论文里,人家数学好,知道这个叫联络的东西,虽然是从他推导出来的,可能具有更加基本的意义。

他接着就推广这样一个联络,既然这个东西有一个基本意义的,我随便去构造差不多的微分的东西的话,是不是就能够推广联络,推广出新的微分几何。于是他把这样一个普通的微分换成这样一个协变微分,这样形式的协变微分,后面是矢量电磁场,这个东西能描述弯曲空间,上面的场就是电磁场,他得出一个概念,电磁现象难道只是引力的伴随现象。

你想象一下,如果没有这些数学推导的话,打死你也不敢有这种想法,可是这是Weyl 1918年的工作。他有一个名号,被人形容是走进“物理学瓷器店”的“大象”,遇到什么踩碎什么。曾经有一个数学家说他非常傲慢,因为典型的德国人,结果这个数学家的同事就劝他说,不会吧,他怎么会看不起你,你哪一年能熬到被他看不起。所以我们就体会到了,被人看不起是需要资格的。年轻人不要蝇营狗苟想这个事情,你离别人看不起还早着呢,这是他给我留下的一个意识。

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他从德国去了美国,在普林斯顿高等研究院工作,受邀写了《有限群》这本书。序言里面他抱怨,说我一个德国人,整天说德语,现在被逼着用英语写书。说英语又不是我小时候躺在摇篮里我妈给我唱歌的语言,说我用英语写书的时候是什么感觉呢?说你们做过梦吗?做梦梦里骑马,就是感觉自己风驰电掣,但是胯下没马,就是这个感觉。但是结果《有限群》这本书出来的时候,那个英语是非常优美,比一般英国作家的英语要优美多了,结果美国教授就问他,说像你把英语写得这么优美,你还说这不是你妈在你摇篮里给你唱歌的歌,感觉骑马风驰电掣胯下无马,那我们怎么办?就是这样的大神。

他1918年的论文给我们引出了比量子力学和相对论更高的一门学问,就是规范场论。我们一般提起杨振宁先生,都会用他得诺贝尔奖的成就,也就是1956年所谓对弱相互作用宇称不守恒的预言当做重要成就。不管是公认还是杨振宁先生自己说的,他最大的成就应该是非阿贝尔的规范场,体现在他老人家这篇论文和20年后的1974年的论文。如果有人对杨先生致敬的话,无论要1954年的这个论文和1957年完成的引力规范场的积分形式,我也写在了《云端脚下-从一元二次方程到规范场论》中了,这是我个人的感受,当我学规范场论的时候,我明白它的根出在我没学会一元二次方程上,关于一元二次方程从小学到中学教科书里,你连1%都没学会过。

#爱因斯坦的成就

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最后聊两句爱因斯坦的成就,爱因斯坦不光是对相对论有贡献,对量子力学的贡献是非常大的,就在于1905年他接受了普朗克光有能量单元的说法,并解释了光电效应的实验结果,后来他还假设出光有动量量子,并且动量量子就是能量量子除以光速 ,。

1916 年广义相对论发表,1917 年爱因斯坦又去推导普朗克一直在挣扎的黑体辐射公式,假设光场下原子两能级上的电子如何跃迁这个过程,竟然又再次推导出了黑体辐射。说明他这个模型是对的,但是模型里面出现了一个新的概念叫受激辐射,就是有人站在二楼,如果他自己腿软了掉下来,这个叫自发辐射,但是另外一种过程是他站在二楼上,也没打算往下跳,但是有人往下跳有尖叫,他受到影响,腿一软也下来了,这就是受激辐射。这个概念发展了40多年,到1960年的时候,出现了激光器,而今天激光器是人类生活里面非常重要的一个工具,它的工业,军事意义,在国民经济上的意义怎么说都不过分,竟然是爱因斯坦随手推导黑体辐射过程里引入的一个概念带给我们的。

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所以说后世的物理学家对爱因斯坦都是极为恭敬的,我引用杨振宁先生对爱因斯坦的评价,说

爱因斯坦是一个特立独行的思想者,他无畏、独立、富有创造性,并且执着。

执着,说得客观一点就是固执。这几样和爱因斯坦能做出这么多伟大成就有什么关系呢?我个人觉得是有关系的,因为一个人只有自己干活的时候他才能给出学问整体的框架,因为他自己在战斗,他必须对问题有整体的把握,而这是一个人面对着一个庞大的研究对象能够得出一个有用的理论的必然前提要求。如果你只是做一个大工程里面的一小块事情,你是不可能给出关于整个框架的高层次的理论的,所以说你一定要对整体有把握。这让我想起来了当年奥本海默作为曼哈顿工程的首席科学家的时候,坚持他的科学家和工程师必须长期在一起互相交流,而同时期的军代表格里菲斯中将就要求科学家和工程师不要互相乱窜,因为当你被间谍拿下的时候,知道的越少泄密的就越少。奥本海默坚持学术交流的理由是每个科学家和工程师都要对工程有全面的了解,只有每个人都是对这么一个大的事业有全面了解的时候,他才是有创造力的,这是非常重要的观点。

爱因斯坦为什么能取得这样的成就?有些人在一些书里面随便会提到一个词叫“科学革命”、“物理革命”等等,其实革命很难,我们注意到哥白尼的“日心说”据说是对“地心说”的革命,可是你去读哥白尼的书,哥白尼的“日心说”描述行星参照系原点还在地球上,所以说革命就是往前挪一步就是很难的事情,更别提出现所谓体系上的革命。而我们说广义相对论,爱因斯坦之所以能够创造广义相对论,我个人觉得是在于他所生活的环境里提供了他创造所需要的哲学、所需要的数学和启发他的数学进步。哲学方面,康德、莱布尼兹、马赫;数学方面,黎曼、高斯、希尔伯特、诺特,还有线性代数创始人格拉斯曼。格罗斯曼这个人写过一本书《展开的学问》,印了 600 册,没卖出去过,但是变成了理工科必须学的学问叫线性代数,现在价值连城,也提醒我们科学院领导能资助一些一百年有用的书。

所以人家能够做出这样一些伟大的成就,真的是在于他所处的环境里有丰富的营养,有他创造所需要的一些元素。所以我想说物理学是一条思想的河流,是连续的河流。马赫也曾经对一些人说,对科学革命这样一些概念进行过批判,他说过

在物理学里面,如果你看到了革命,那就说明你知道的少。

我举一个简单的例子,如果大家看我们中国农村用木头做的独轮车,和现在运动员用的赛车,两个车往一起比你就会发现这绝对是革命,可是你把这中间每一年发展出来的三轮车,两轮车放在一起,你会发现是一个连续的变化,你知道的少,你才看到了革命,你知道的多你就知道人家的思想改进,思想的连续性。爱因斯坦作为一个科学史上的现象,绝对是值得我们值得研究学习的,作为科学现象也值得研究。我想说真的是永恒的爱因斯坦老师,永恒的相对论。

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相对论是什么呢?我个人的感慨是德式严谨,开普勒、高斯这些人和意式浪漫的完美结合,包括伽利略、里奇这些人,冥冥之中有某些天意在里面。大家记住,爱因斯坦的狭义相对论一开始就在讲电磁感应现象两个描述的不对称,可是爱因斯坦为什么对这个问题那么熟?你会注意到一个很有趣的现象,爱因斯坦上初中的时候他的父母是跑到意大利北部开厂子的,开电机厂,他们家有的就是线圈和磁铁。他们那时候选的是直流电机方案,爱因斯坦到了意大利跟着父母待一段时间,没办法,到瑞士接着上中学。一个留守儿童怎么去上学,你会发现很有趣了,爱因斯坦上初中以前的时候是对欧几里得几何感兴趣的,在他家吃饭的犹太人教的他,他上中学也是在一个犹太人家蹭饭吃。犹太人让陌生人到家里吃饭,你要给人家吃饱,这是他们圣经里说的,这是犹太民族聪明的地方。为什么这么多人做事业的时候缩手缩脚的,就是一旦我要是做的倾家荡产了以后,我们家孩子怎么办,所以做事情很谨慎。可是人家说别人家的孩子,到你家要给别人家孩子吃饱,这样就把每个家庭孩子的存活问题上升到一个群体,一个社区的问题,也就是说我们每个人做事业的时候,完全不必在意事业的成败,因为当我做事业做败了,倾家荡产的时候,我少吃一点,我不用担心我们家孩子挨饿,这绝对是解放一个民族创造力的重要举措。

所以我们读他们这些故事的时候会注意到一个现象,他们做小学生、中学生的时候,有大学生在他们家蹭饭影响着他,他需要的时候可以到人家蹭饭,教人家小孩。

爱因斯坦到瑞士去上学,吃在人家,瑞士是什么样的国家?那么多的数、流体力学、刚体力学,都是产生于瑞士,后来的量子力学、相对论也都产生于瑞士。瑞士的官方语言除了法语、德语还有什么?意大利语。这一点,意大利人发展了、推广相对论所需要的数学,而爱因斯坦和列维-齐维塔交流的时候是感到非常亲近的,著名描述弯曲时空的里奇张量的“里奇”本意竟然就是“弯曲”,这真的是冥冥中自有天意的感觉。有一种力量叫氛围,而对孩子,或者教育最好的方式是什么?就是熏陶

我曾经跟许多小朋友讲报告,跟家长讲报告的时候我就说过一句话,怎么教育孩子?就是让他们到有学问的地方去,让他们到有学问的人身边去,这才是最好的教育。

相对论是怎样的学问?

总结一下相对论是怎么样的学问,包括朴素相对论,开普勒 1602 年就应用了,这是我 2018 年瞎编的名字。朴素相对论指的是时空的平移,在相当多的时候是不提的,只有时空平移的时候才是庞加莱的群,虽然简单,但是数学上没有它是不完整的,而且认识到这一点的开普勒做出了很伟大的成就。

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伽利略相对论是 1632 年阐述的,是 1909 年命名的。狭义相对论创建于 1905 年,广义相对论创立于 1915 年,very special relativity 是 2006 年 Cohen Glashow 提出来的,Total Relativity 是 2004 年提出来的,谈到了牛顿的水桶实验,并谈到广义相对论把方程分成引力场方程和测地线方程,本身还是留有遗憾等等问题时出现的这个词。

最后给大家总结一下相对论是怎样的学问,

  • 相对性原理是对理论物理的形式要求,它要求你的物理理论方程不依赖于参照者的运动状态,并且方程的形式不依赖于坐标系的选择,你不能让我在你的方程里看到你选择了特定的坐标系。
  • 相对论的精髓就是时空的洛伦兹变换,加上平移的时候就是庞加莱群。
  • 光是我们和远方的唯一连接,现在做的精密测量的都知道光是我们深入到最微观世界的唯一工具,对光的研究永远都不过时。光是时空的连接,光速没有参照框架,到今天为止我们不知道有没有光子这个事情,理论物理上是没有这个定论的。
  • 广义相对论是个引力理论,加速度与曲率相联系,微分和联络有关系。这告诉我们学广义相对论的时候,要学一些微分几何,非常荣幸的是,中国人对这样一门学问是可以做出实质性贡献的,那个例子就是我们的陈省身先生。
  • 到相对论量子力学、量子场、广义相对论才见学问,我们有机会应该往深了学。
  • 400余年历史的相对论,在21世纪的时候,最起码应该是每一个理工科人的知识标配,我们要学一些。

对一门学问最好的纪念就是准确地学它。

道可道,非常道,指望我这2个小时的讲座让你知道什么是相对论,非常不现实,我也从来没有这种打算。所以请大家要想知道相对论,请大家去读爱因斯坦以及那些创造爱因斯坦的人的文献的人。你学习所采用的文献,或者你当老师给学生推荐教科书的层次反映了你本身的知识层次,这一点非常重要。

如何学习相对论

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给大家推荐一些相对论的书,第一个当然是爱因斯坦本人的论文和他的《相对论的意义》(The meaning of Relativity),还有狭义相对论、广义相对论的书。为什么呢?是人家本尊的著作,尤其爱因斯坦德文、英文相当棒,读来也是享受。

他自己写自己的学问可能不客观,也可能会太谦虚,所以我们要看他的老朋友的,就是 Max Born 的《Einstein’s Relativity》,他是爱因斯坦同时代的人,他绝对是以老朋友,以调侃、批评、欣赏的态度来谈论这个问题,很值得看。

第三本书是 Weyl 的《空间、时间、物质》(Raum-Zeit-Materie)这个书,有很多版本,这是关于时空的,带有哲学性的思考,人家有这样的学问才能指向规范场论。

第四本书是狄拉克晚年在美国写的这本《广义相对论》(General theory of Relativity),这本书有多薄呢?69 页,但是这本书非常棒,把广义相对论和微分几何的精髓写得很好,也难怪杨振宁先生夸狄拉克说他的文章是“秋水文章不染尘”,不啰嗦一句,但是该教会的都教给你了。

再往下 1979 年诺贝尔奖的得者 Weinberg,《引力与宇宙学》(Gravitation and Cosmology)绝对是非常好的书。

另外一个关于相对论很有名的人就是 Wald。Wald 有个学生是北京师范大学的梁灿彬先生。Wald 的《General Relativity》这本书是我看了封面觉得一定要拥有的一本书,封面设置得很酷,就是绿苹果下面上面一个桌子,桌子上铺着一个白布。看到苹果想到引力问题,苹果表面是一个弯曲的曲面,弯曲上面能放个平桌子,这就是微分几何的局域分析的概念,你就知道这是引力加上微分几何的学问,我觉得这个封面设计的实在太酷了,我的这本书就是想学它,当然学得不像。

Carroll 这本书是偏数学的,还有比较简单但是比较全面的,我今年出版的《相对论少年版》,我把相对论发展史上所有我能找到的文献都清楚的列出来了,如果你要想学相对论的话,这本书也许是可以当做一个入门书的,当然这已经是学相对论的下限了,再低就学的不像样子了。

#结语

量子力学难学吗?可以说难学,也可以说好学,我们这个岁数的人都看过一个很古老的电影,就是河南豫剧电影《朝阳沟》,里面有非常著名的一句唱

庄稼活说难学也好学,人家咋样咱咋样

学相对论,量子力学也是人家咋样咱咋样就行了,不要觉得难。像我这样的人,我 1982 年就上大学了,到现在才敢做一个关于相对论的报告,花了三四十年的时间,说话我们一般智商的人坚持时间够了也能讲一讲相对论,当然你想了解多深入是不太容易的。但是我总觉得,我们中国人里面的聪明人还是多的,人家当年有 20 多岁的青年能够创造的学问,咱们今天在这样一个科学昌明,通讯发达的时代还学不会么?所以请大家有空的时候也读一读,说不定是能学会的,大家可以学起来,尤其爱因斯坦英文文章本身是非常好的。

整理:Shiny、凡tron、xx、cc

校对:NKXXX、凡tron

编辑:NKXXX

评注:

这篇科普文献,已经大致描述了当今主流科学对相对论的理解和历史成就!至少代表了中国理论物理科学的正统水平的声音。

李小坚

The Unified Universe,The Unified Theory!