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郁松:评“量子力学曲率解释”的王赵之争

(2007-02-06 16:48:02)

广西河池学院教授 郁 松

郁松:评“量子力学曲率解释”的王赵之争0、前言:
一场静悄的物理学、认知科学、思维科学相交叉的世纪之争,在中国思维论坛展开了。赵国求的《物理学的新神曲--量子力学曲率解释》,是武汉大学“物理学哲学研究”课题组的一项主要的集体成果。其原创性思想是由赵教授1970年代中期所提出。向这一国家社会科学基金资助课题从理论上提出质疑的王德奎研究员,理论依据是他本人创立的“三旋理论”。王赵之争将引起广泛的兴趣,是由于:他们两人提出的原创性理论,为什么到快60岁才出书的?他们的理论被科学界承认了吗?和奥林匹克运动会小将得金牌比,他们能得诺贝尔物理学奖吗?
我设想这场争论也许是一次持久的科学思想启蒙:21世纪,我们面临的是革命性的前夜。
“人们开始认识到,盛行了50年的那个基本信仰,即场论是物理学的最终语言的看法,必将抛弃了。
“场论因为其自由度的无限所以不可能是最终理论。
“信息量和表面界之间那种神秘的对应关系应该得到解决。全息论也许为另一个更好的理论指明方向。”
“最终理论考虑的不是场,甚至不是时空,而应该是物理过程之间的信息交换。”([4]P53)
王赵之争是在寂静中呐喊:“我劝天公重抖擞,不拘一格降人才!”

一、量子力学是质点力学还是环量子力学
1、赵国求是从质点力学来解释测不准原理的
(1)测不准原理所赋予电子动量的位置的不确定性,缘于电子的点粒子抽象。( [1]P237)
(2)测不准原理甚至可以为量子力学曲率解释提供实在论哲学基础。(一个原理、两个推论( [1]P237)
(3)类比“构建实在论”者的两类实在:实在本身,构建的实在。赵国求共同体的“相互作用实在论”将实体(“本体”)分成“自在实体”与“现象实体”(是本体与人加观察信号作用的综合产物)。( [1]P240)
( 4)《物理学的新神曲》的目标是通过建立量子力学曲率解释,赋予“测不准原理”实在论意义,建立一个合理包容二者(实体+现象)的综合理论。
2、王德奎从环量子力学(圈量子引力理论)来质疑赵国求有关论点,这样就出现下列问题:
(1)环量子力学还处于建立过程中,首先创立者Smolin提出量子化时空:我和同事在费力解决物理学中一个长期存在的问题:“是否存在提出量子引力理论的可能性”,从而发展了圈量子引力理论。他假定如果令人称奇的圈量子引力理论是正确的话,时空实际上是以离散形式存在的。( [2]P40、41)
Smolin认为,虽然“量子理论和爱因斯坦的广义相对论已经分别被实验奇迹般地充分证实了,但还没有实验探索到两种理论都预测有明显效应的领域。问题在于量子效应在小尺度范围最为显著,而广义相对论效应需要大的质量,因而需要极其特殊的环境才能将二者结合在一起。伴随这个实验数据空白的是一个很大的概念性问题:爱因斯坦的广义相对论是完全经典的,亦即非量子化的。物理作为整体,逻辑上应该是一致的,必须有一个理论在某种程度上将量子力学和广义相对论结合起来。”( [2]P41-42)
Smolin把这个长久寻找的理论叫做量子引力论。与广义相对论处理的是时空的几何构型不同,量子引力理论是另一种时空的量子理论。(之所以叫量子引力,是为了理解极小尺度下的空间结构,而引入引力又是因为爱因斯坦的广义相对论揭示出引力是由于时间和空间的扭曲而引起的。)。
(2)赵国求避开创立新的最完善的替代理论,而直接通过曲率解释,演奏出20世纪物理学革命的新神曲:物体的时空特征量R=0(r =∞)(平面),与坐标系“时空平直”等价,都表示没有相互作用,对物理或本体无法认识。由其推论一得知:现象缘于相互作用,没有相互作用,“物质本体”无以形成被观测的时空形象。(改变物体时空特征量r、R,等于改变了物体之上的坐标系的时空均匀性。--物体在A处出现,既是A处“物体”的时空结构发生由R = 0到R≠0的变化,也是由于与物体联系的坐标系的时空均匀性发生了变化而显现其存在。而Rn = 形成的微观时空结构,不过是体现“微观客体”的可观测程度)。([1]P188)由此推论二:时空变化之所在,即为物体之所在。
《新神曲》以此为基础讨论牛顿力学、相对论力学和量子力学中物体的时空形象和状态描述。
牛顿力学--把物体简化为质点,观测信号作用速度无穷大,无法区别物体上不同的时空点,也就无法判别和影响物体因运动而引起的时空形象的变化。这等于忽略观测信号对坐标系的时空特征的影响。所以说,牛顿力学中时空是绝对的,与物体的运动状态无关。
牛顿力学是极限理论:r、R取极值:特征半径r = 0,特征曲面的曲率R = ∞。--质点无大小,能量密度无穷大,内力无穷大,对应牛顿力学质点含义。([1]P189-190)
相对论力学--否定光速无穷大,承认光速有限,否定了物体的点粒子特性。承认观测信号作用对物体的时空形象有影响。但是相对论物理学中物体最后还是变成了质点,那是在将观测信号对物体时空形象的影响,归结为坐标系的时空属性之后,物体成了质点,时空形象无变化,只有与物体联系的坐标系的时空才有变化。在对现象的描述中,既考虑了牛顿力学中的基本相互作用,又考虑了观测信号作用。
但引力和光的作用被看成是连续的,由于时空特征是相互作用的产物,保证了时空的连续性。([1]P190)
相对论力学否定了光速无穷大,也就否定了点粒子特征。(火车就不是质点)也就承认观测信号对物体时空形象有影响,但在实际上把坐标系建立在质点上时,时空形象又无变化,由此,宏观低速的牛顿力学和宏观高速的相对论力学找到了等价物:前者面对绝对时空(无限)物体变成质点,后者把物体坐标系建于质点之上,物体不考虑内部时空,同样变成了质点。
量子力学--光信号观测,光子的作用不再是连续的,微观客体的粒子性,造成了微观世界相互作用的间断性,并使时空体现出量子特征。同样,电子的时空特征也表现出不连续性,这是因为间断的相互作用,造成有时空盲区(时空消失)存在。这样,电子受光子作用的时空形象就是量子化的。
《新神曲》的结论是:“由于相互作用的方向是可以变化的,因此电子的时空特征量r和R也是变化的,体现出不同时空点上曲率R的波动。这就是电子波的本质所在。”
“量子力学中电子在电磁力和测量信号光子的作用上表现出来的时空特征,将归化为电子所到之处自身‘形象’构成的二维球面曲率的变化。电子的运动规律则表现为对应二维球面曲率的波动。电子波是曲率波,”而非反映电子在空间的几率分布。([1]P191)
(3)王认为赵的“量子力学曲率解释”是在牛顿力学、相对论力学、量子力学都是从点论(类点模型)出发的理论背景下提出的,而点论起源于毕达哥拉斯。经笛卡儿在点上建立直角坐标系和牛顿提出质点的力学运动理论体系,才使点论俨然成了无以复加的科学基础。直到普朗克的量子论、目前的大统一理论以及夸克之间的胶子作为传递的说法,都是点论的延续。
这样看赵国求的曲率解释是和科学界的主流派有深刻的内在联系,王德奎怎么站在新的科学背景下,对曲率解释提出质疑的呢?
为什么赵的曲率是单曲率,王的是双曲率?
为什么赵是球面,王是环面,二者不同伦?
王德奎的三旋理论难道就能把《新神曲》的球面单曲率解释转换为环面双曲率解释吗?
二、圈量子引力理论就是中国的三旋理论?
王德奎在全国有关科学网上,今年三月十五日首发两篇:“量子力学的曲率解释与三旋;赵国求的量子力学曲率解释”。
到了四月三十日和五月十三日又以“北京正负电子对撞机与环量子冲击波”为题开路,连发五文,目标是要说明:西方的环量子理论与中国的三旋理论在推进现代“科学文明”中,已拉近了距离;西方的环量子理论与中国的三旋理论可统称为环量子力学。五文标题如下:
(一)弦论的困惑与环量子引力理论的进展
弦理论能将引力与物质的量子描述结合起来。“弦论也预言存在大量新的基本粒子和力,但迄今还没有可观测的证据。一些研究者认为弦论包含在称为M理论中[参见Michael J.Duff著‘曾名弦的理论’,《科学》,1998年5月]。不幸的是,一直没有给出这个推测得出理论的准确含义。因此,很多物理学家和数学家认为必须研究其他的替代理论”([2]P 42),Smolin认为,他提出的圈量子引力理论就是发展最完善的替代理论。之所以叫“圈”,来源于理论中的一些计算是怎样引入划分时空的小圈。
王德奎认为提出环量子理论是以其所长补弦论所短,而环量子理论所短正是弦论所长。
(二)西方的环量子理论拉近了与中国的三旋理论的距离
当前西方的弦论、超弦理论、M理论、环量子理论,就基本上代表了人类科学文明走出乱伦的结果。(何谓乱伦,王并未交待清楚。)
在20世纪50年代末,中国的三旋理论就开始了它的环量子构想的最初萌芽。(《三旋理论初探》出版于2002年5月,最初萌芽所代表的论文是哪篇,未注明出处)。
而西方环量子引力理论已是20世纪90年代后期才提出的,虽然它其中的环量子旋转网络概念,是英国数学家Roger Penrose在 20世纪60年代作为抽象图首先设想出来。(应该说王的环量子构想与彭罗斯的抽象图在知名度和数学概念上是不等价的)。但环量子引力理论也承认,物质是由环相互作用并相互结合,形成所谓的旋转网络的,这与三旋理论的环量子如何耦合形成链极为相似,但环量子引力理论最终没有完备自旋概念,因此难于说明环量子如何耦合形成旋转网络的。而弦论的弦线概念,则是西方20世纪60年代末期提出来的,超弦理论增加的弦圈概念,更是西方20世纪80年代初期才提出来的。因此当代可自然耦合成链的环量子概念的提出,中国的三旋理论比西方的弦论、超弦理论、环量子引力理论都要早一些,这让中国人走出“科学乱伦时代”,终于有了一次做科学文明“人”的机会。
赵国求要想得到这个机会,看来还必须弄懂弦论、超弦理论和环量子引力理论,以至于比它们还早的中国的三旋理论,才有可能明白,为什么球面与环面在拓朴结构上不同伦,否则作球面的曲率解释的人就不是科学文明人。这个要求迫使吴新忠(《新神曲》第三作者)希望王德奎在所有论述中放弃三旋理论的表述,否则无法继续争论。
王德奎创立的背景理论,并没有被世界公认,于是就需要把“三旋”理论和已被世界公认的理论联系起来:
(三)西方的环量子理论与中国的三旋理论
王认为弦论或超弦理论也混淆了拓扑结构的分类(把环圈与弦线并列)。而我国的一些专家,只承认环量子力学构想不过是思维对象的几何化描述的一种启发式尝试。
运用这样一个背景,就可以推出,凡是不承认环量子三旋时空象限的构想,就必然会把不同大小的球面说成是不同的拓扑结构;也就会主张超光速;主张完全排除不确定性和几率的实在解释。
《物理学的新神曲》指出:不少物理学家相信量子场论的一些理论困难是由于点粒子模型产生的。其中托姆讲得具体:量子论中以测不准原理为基础的争论依靠的是点粒子这一粗糙而不适当的模型,把微观客体硬塞入一种不适当的概念框架所造成的混乱和佯谬之中。([1]P.351)而赵国求的“量子力学曲率解释亦不赞成点粒子模型,并在批判点粒子模型时指出,任何具体的物体都不会是质点。”([1]P.352 )。
为什么王赵之争不就点粒子模型上展开呢?都反对“类点模型”,究竟有什么不一样?
而王认为国内外非环量子力学的物理流派(包括弦论或超弦理论)所作的量子力学解释(自然也包括赵国求的科学共同体)“即使是前进了两步,也是后退了三步。”郁松:评“量子力学曲率解释”的王赵之争
(四)当代弦圈发明权应属于中国人。
这个中国人当然就是王德奎,这个弦圈理论,当然就是“三旋理论”,而用这个理论,王德奎解决了三大难题。
这个中国人发明的理论用西方人的眼光是究竟怎么描述的,不妨看一看1997年出版《宇宙的生命》作者Smolin的最新表达:
1、我们的“自旋网络”不是费曼图。费曼图描述粒子间的量子相互作用,它是从一个量子态运动到另一个量子态;我们的图则表示空间中体积和面积的固定量子态。用结点(代表体积)和边线(代表面积)画出表示宇宙量子态图像==引力造成弯曲和扭曲的宇宙空间几何。占据着空间位置和区域的粒子(如电子,对应某类结点)和场(如电磁场,对应线),以离散步调运动来表示粒子和场的运动。[这是一个包括大约10184 个结点,有着无法想像复杂性的巨大自旋网络。]([2]P45)
2、根据广义相对论,空间几何是随着时间变化的。空间的扭曲和弯曲随物质和能量的运动而变化,在我们圈量子引力理论中,这些过程用图的改变来表示。
爱因斯坦的狭义和广义相对论将空间和时间结合成为单一、融合的整体,称为时空。在圈量子引力中表示空间的自旋网络,通过将其变成我们所说的“自旋泡沫”纳入时空的概念。外加另一个维度-时间,自旋网络改变处(运动)的推移,现在用泡沫中线相交处的结点来表示。([2]P45-46)
如果说在爱因斯坦构建的引力理论--广义相对论中,引力的产生是空间和时间(统称时空)被存在的物质扭曲的结果。(打个比方是将一个保龄球放在橡胶膜上,同时有一个弹球在旁边滚来滚去。球代表太阳和月亮,膜代表空间。保龄球在橡胶膜上造成一个深深的凹陷,凹陷形成的斜坡使弹球向较大的保龄球偏斜,就好像某个力[引力]向那个方向拉它。)那么,类似的,任何物质或能量聚集都会扭曲时空的几何构型,使其他粒子和光线向它偏转。而在圈量子引力中是用自旋网络表示空间,和物质能量聚集造成的扭曲有何不同?Smolin说:用时空方式看待事物,特定时刻的快照就像在时空中横切出一片。带着这样一个薄片通过自旋泡沫就产生一个自旋网络。但认为这个薄片像时间平滑流过一样连续运动是错误的。相反,就像空间是由自旋网络中的离散几何构型的定义一样,时间是由重新安排网络的一系列分立运动定义的。这样时间也就变成离散的了。([2]P46)
以上表明,广义相对论和圈量子引力理论在看待事物的时空方式上是不同的:前者连续,后者分立而呈量子化。
3、物理学家用量子力学描述现象时,他们计算不同过程发生的几率。我们用圈量子引力理论描述现象时,也是这样。无论这些现象是粒子和场在自旋网络中运动,还是空间几何本身随着时间而演化。特别是,安大略省滑铁卢Perimter理论物理研究所的 Thomas Thiemann已经得出自旋网络运动的精确量子几率。有了这些,这个理论就完整地确立了:对于遵循我们的理论世界中发生的任何过程,我们都有明确定义的步骤计算其几率。([2]P45)
(五)环量子理论、弦论、M理论、全息理论与三弦理论的结合。
王德奎重温20世纪各派科学家对量子力学波粒二象性的不同解释,深感环量子力学的三旋解释,是他们追求的共同理想,他们的数学解释--全指向环量子力学三旋的波粒二象性结构,只要是不跟球面有联系,都有可取之处。
这种说法不是孤立了赵国求的曲率解释吗?
这使人想到中国古代《墨辩》的五“诺”,若将“诺”定义为辩论之对策,那么“五诺”是:
(1)、“相从”的诺:指顺着对方的思路进行应对。
(2)、“相去”的诺:指不管对方的思路,打破对方的思路自己谈自己的看法。
(3)、“先知”的诺:直接提出古圣先贤的话或事来进行应对。
(4)、“是”之诺:接受对方的“诽”而中止辩论的应答(应许)。
(5)、“可”之诺:认为对方的“诽”虽然不全合理,但却有合理之处。这是有条件地接受对方的“诽”的应答。
王德奎与赵国求进行辩论的对策,首先采用“相去”的诺,按自己的思路,谈三旋的看法,其次他再用“先知”的诺,但不是国内古圣先贤,而是把国外已获世界声誉的弦论、超弦理论、M理论、环量子力学,作为和三旋理论相类似的理论,对中国来说是“先知”,但和50年代创立的“三旋”相比又是“后知”了。这就为“三旋”确立了自信。第三,“可”之诺,在王德奎看来,赵国求的“曲率解释”,尽管不完全合理,却为球量子向环量子的过渡提供了理论背景,是理论向前发展不可缺少的环节。

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