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在对标准模型的突破中我们该如何选择?(SB1)

(2012-10-15 17:38:44)
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杂谈

分类: IV模型专题报告

                           作者  苟文俭

【摘要】:标准模型并非最后理论,在对粒子内部空间存在的描述中需要突破,对此我们应当向创建现代物理理论的先驱们学习,对描述粒子内部空间存在的物理理论起点另起炉灶,并使用不同于量子场的描述语言,才有可能粒子存在的实际完全保度一致,从而使对标准模型的突破取得成功。

                                            

标准模型是粒子物理学标准模型的简称,下面都用它的英文缩写“SM”表示。标题的符号“SB1”中的字母B取自英文短语Breakthrough dissertation(突破专题论文)的第一个字母,表示该文是突破标准模型专题论文的第一篇文章。

SM源自上世纪30年代创建的表述带电粒子参与电磁作用的QED(量子电动力学),第-性原理是对粒子作用体系能量的拉格朗日量做规范对称变换,具有以QED为模板的统一的规范对称观念,包括了用 SU(2)×U(1)群表述电、弱破缺对称的电弱统一理论、用SU(3)群表述强作用色对称的QCD(量子色动力学)、以及用幺模幺正群SU(3)×SU(2)×U(1)直积等方式表述强、弱、电作用统一的大统一理论

粒子实验的测量事实是:任何自在的粒子均占有半径约为10 -17m的空间位置。对力程不大于10-17m的粒子动力学存在,就称是粒子内部空间的存在,力程大于了10-17m的粒子动力学存在,也称是粒子外部空间的存在。量子力学(QM)、狭义相对论(SR)QED的描述对象都属于粒子外部空间,而SM中的QCD、电弱统一理论的描述对象则属于粒子内部空间。

SM有很好的实验支持,但对粒子内部空间存在的描述面临了诸多难以克服的困难,也不能包揽最常见的引力作用。当代几乎所有理论物理工作者都有这样的共识:SM并非最后理论,在对粒子内部空间存在的描述中,它需要有突破。

SM的这种突破,我们该做如何选择呢?对此本文就关键性问题做简要论证。

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由于SM不能包揽最常见的引力作用,这证明它的规范对称观念并不具有普适性,也即是表征作用体系能量的拉格朗日量并不具有普适性。我们知道,经典物理学用拉格朗日量表征动力学体系能量的前提,是保证守恒定律成立的时空平移不变及旋转不变,及物理场都是保守场;这确实是粒子外部时空的实际特性。但在粒子内部的强、弱作用空间,却完全是另一回事。对此,仅举如下两点事实做论据。

1、对强、弱作用的理论表述,都要依赖于真空的组成如何,而在真空的实际组成中,就可以出现绝对无法使用拉格朗日量的真空零点能。

2、实验表明:在粒子内部的弱作用空间存在着某种有方向的“螺旋”,强作用空间又有“渐近自由”及“夸克囚禁”。这些就都证明:粒子内部的强、弱作用空间,其物理场都不是保守场,也根本不具有平移及旋转不变的时空特性。

若物理理论的形式化表述与描述对象的实际完全保持了一致,就称它是成功描述。

上述论据充分证明:拉格朗日量并不能用来描述了粒子内部空间的强、弱作用体系能量,如果要对强、弱作用做成功描述,就必须放弃SM已有的规范对称观念。这也就是在对粒子内部空间存在的描述中,我们怎样突破SM的关键。

()

为了解决SM在对粒子内部空间存在的描述中的诸多困难,理论家们已做了大量工作,主流都是从SM起点开始保留规范对称观念,其中最行之有效的就是在原有的规范对称基础上、添加一种玻色子与费米子整体规范变换不变的超对称,认为所有粒子都构成于满足超对称的振动着的弦(超弦),并以此为描述依据,创建了已是享誉全球的超弦理论。

超弦理论不仅可以描述引力作用,伙伴粒子也能够自动克服SM的发散困难,其唯象观念及数学演绎都表现了十分诱人的许多成果,但它却有这四个明明白白的问题:

(1)它克服的所有疑难都出自SM的数学演绎,并非是SM描述的粒子内部空间的实际存在;(2)超对称实现于特别高的普朗克能标,超弦也是在10维的极小空间振动,具有不可检验性;(3)在低能标再回到SM时,那些难以解决的诸多困难仍然存在;(4)在高能标,它的人为性及不可计算程度,都远远超过了SM,其结果是未知因素与理论自身的疑难更多了,不确定性程度更高了,因此从物理理论的有效性及实证性考证,它绝对是一种倒退!

主流探索的上述事实表明:SM起点开始解决它在描述粒子内部空间实际的诸多困难,最行之有效的探索也是构成物理学倒退的“死胡同”。这也就是突SM的已有实践给我们的明白无误的启迪。

()

现代物理理论是以QM及相对论为内容的物理理论体系,创建于上世纪初。

有幸读过一位主流粒子物理学家的文章,他告诫说:SM有坚实的实验基础,任何对SM的突破,都只能在SM起点之上做文章。该论断的对错,不妨就让历史来做裁决。

十九世纪未,当经典物理理论也出现了诸多难以克服的困难时,当时普遍的想法就是修补主流的经典物理理论,最具代表性的就是物理学泰斗洛仑兹(Lorentz.H.A),他凭籍自身天才的头脑,在经典物理理论的起点之上创建了一阶和二阶变换理论,但其结果是“人为地引入了大量的假设,致使概念繁琐,理论庞杂,缺乏逻辑的完备性和体系的严密性”【注】,不仅经典物理理论的诸多困难并没有真正解决,相反却牺牲了理论自身的优美与和谐,与今天突破SM创建的超弦理论一样,也同样形成了物理学的倒退

面对经典物理旧理论诸多难以克服的困难,现代物理新理论的先驱们的探索是:

1、以旧理论的困难涉及的普遍事实为依据,另起炉灶归纳总结出全新起点。

2、根据成功描述的需要,使用完全不同于旧理论的另一套描述语言。

事实证明,现代物理理论先驱们的这种探索是成功的,而且不论是QM或是相对论,其极限又都能回到经典物理理论;现代物理理论也因此继承了经典物理理论的全部成果。

用心学习现代物理理论先驱们的成功探索,自然就会有如下这两条重要收获:

1、解决物理旧理论难以克服的困难时,应当以与困难相关的普遍事实为依据另起炉灶,归纳总结出创建新理论的全新起点,并根据成功描述的需要选择完全不同的描述语言。

2、继承旧物理理论的成果不是创建新理论目的,而是新理论成功描述的自然结果。

当代坚持SM起点的超弦理论,正是洛仑兹探索错误的历史重演!在解决旧理论面临难以解决的困难时,坚持物理旧理论起点去创建新理论,所做的探索就尤如从低层楼的屋顶直接增高建造高楼,由于“地基”不牢靠,崩塌倾覆只是时间早迟的问题。

                         ()

在对粒子内部空间存在的描述中,其起点要离开SM的规范对称观念另起炉灶,一般在思想上都会有如下三个障碍。

1、规范对称观念有很好的实验支持,也取得了丰硕成果,为什么要另起炉灶?

对此我们必须要明白:作者并非是否定规范对称观念,而是说它不具有普适性,不能是对粒子内部空间存在描述的起点。对此,特别值得我们反思的是:难道经典物理理论就没有很好的实验支持、就没有丰硕成果吗?

2、规范对称观念使SM有简洁优美的数学表述,离开它不就否定了物理学的简洁美吗?

规范对称观念确实使SM有简洁优美的数学表述,它也还有与实验数据相符的定量计算,但事实上:对粒子动力学量的计算,SM只能做近似的微扰处理,都有不可避免的无穷大,也还要引入众多不知来自何处的自由参数;对所有实际问题的具体计算,也都要根据实验测量选择恰当的计算模型,都要用实验测量结果做人为假设,总是让人为的计算服从实验结果,而不是从规范对称观念出发的计算预言了实验结果;如对涉及轻子与夸克为何只有三“代”,参与强、弱作用耦合的相关粒子如何分布等等这些非微扰问题,就更是一筹莫展。

上述事实都充分证明:SM简洁优美的数学表述只是一种形式主义的假象

3、规范对称观念根源于QM与相对论,出自名门权威,离开它另起炉灶允许吗?

对此必须明确:任何物理理论形式化体系不完备是普遍规律,它们都有由形式化体系自身逻辑前提所严格规定的适用条件。在对粒子内部空间存在的描述中,离开SM的规范对称观念另起炉灶,绝对不是对QM与相对论的否定,当然也不是对QED的否定。

 ()

对粒子内部空间存在的描述要离开SM另起炉灶,应当坚持如下的三条基本原则。

1、首先不是对SM的大批判,而是要认真学习SM,明确它的成功与失败是什么。

2、对粒子内部空间存在描述的全新起点,应当与粒子组成相关的可判定事实为依据,通过对可判定事实的分析归纳来获取,而不是根据某种哲学原理或数学分析来获取。

物理学是描述实在性存在的实证科学,要求它的所有描述都必须与描述对象的实际存在保持一致,而哲学原理讲的是一般的方法论,与具有实证性的物理理论起点格格不入

哥德尔(K.Godel)的不完备性定理指出:形式化体系概念的不完备不协调不可避免,相容性不可判定。如果是通过数学分析来获取某个物理新理论的起点,这也就在形式上满足了理论形式化体系协调性。显然,这也就完全违背了哥德尔不完备性定理。

当然,新理论也还必须正确使用数学与逻辑,但这绝不是单纯的数学与逻辑分析。单纯的数学与逻辑分析属于人的主观思维,这方面SM就非常好,可以说是无与伦比。

3、继承SM成功的部分,决非创建指描述粒子内部空间存在的新理论的出发点,而只是这种新理论自然的逻辑结果,是这种新理论自然演生出来的副产品。

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对描述粒子内部空间存在,突破SM创建的新理论是否是成功描述,判定的依据决不是某些权威的言论,而应当是如下三条有效性标准:

1、是否能自动得到了所有粒子的所有属性,是否能有与粒子实际存在的数量化结果,是否能够在通常能量条件下验证或证伪的预言;对此就简称是描述有效性标准

2、能否简洁有效地解决在描述粒子内部空间存在中,SM所面临的所有疑难;对此就简称是解决问题有效性标准

3、是否能够自动得到了包含QM、相对论、QEDQCD、电弱统一理论等所有现存物理理论中、与描述对象实际存在相符的描述内容;对此也简称是理论继承的有效性标准

物理学历史反复证明的规律是:在物理学新旧理论交替的历史关头,创建物理旧理论的权威,许多也都是反对物理理论新观念的权威。这是因为:当物理学旧理论成为主流时,坚持旧理论总会享受到主流社会的巨大利益。

当代是利益横流的时代;而SM也已是物理学的主流。追随SM已被视为时尚,情愿重演洛仑兹探索的历史错误,同样也就成为了当今社会的主流!

我们要尊重权威,但这只能是第二位;对于实证的物理学来说,尊重事实才是第一位。

【注】:郭奕玲 沈慧君,《物理学史》,清华大学出版社19937月第1版,第219页。

另外特别说明:对与本文常见内容相关的参考文献,均省略了对它们的注释。

                                       最终完成于2012-09-12

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