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关于物质的统一性问题

(2009-10-26 14:46:45)
标签:

闭弦

超弦理论

洛伦兹

分类: 科学技术有关哲学与教学问题

 1  物质的统一性问题

      世界统一于物质是辩证唯物主义的一个基本命题。哲学层次上的物质统一性,还需要得到自然科学层次世界统一性的支持,否则哲学上的原理及概念无异于无本之木,无源之水。从自然科学来看,在超弦理论之前,世界是由各种基本粒子组成的,这些基本粒子往往被看作是“点”,就如几何上的点,没有大小。点模型作为一种科学抽象,抓住了问题的主要矛盾,但也带来了逻辑不自洽。例如,在电磁学中,用试探电荷(只带电荷,没有大小)测量电场的场强。理论认为,试探电荷本身不影响原有场强的分布,显然这是不合理的。只要有电荷就一定有电场,因此试探电荷测得的电场应是试探电荷的场与待测电荷的迭加。同时,由于试探电荷为几何点,在试探电荷处,其电场强度必为无穷大(由点电荷场强推知)。可见,测量中测量仪器干扰了待测物质性质。点模型往往带来计算中的发散问题。例如,万有引力定律在两质点距离为零将为无穷大。在超弦场论中,以弦代点,是科学认识的进步,它避免了计算中的发散问题。从现代宇宙学来看,超弦存在的区域正是宇宙原初的普朗克时代,由于弦的物质性及有限性,因此,宇宙创生于有,而不是创生于无。随着自然科学的进展,物质统一的具体层次愈来愈深入。原先物质统一于分子、原子、原子核,然后又让位于夸克与轻子,现在我们似乎可以说物质统一于超弦积及相应量子场。

   2 超弦之开放性

    我们曾提出微观物质具有开放性,即微观物质是一个开放系统,微观物质的性质由其内部与外部共同决定。就微观粒子而言,微观粒子有自作用,有虚粒子的产生于湮灭。任何微观粒子皆有引力相互作用,而引力无法屏蔽。微观粒子服从海森堡不确定性原理。例如,位置动量不确定关系2表明,如果把微观粒子定域在空间某处,则平均说来,它一定有很大的动量,亦即有很大的动能。因此,粒子受有限动能的限制,它就可能远离原来的位置。能量时间不确定关系表明,时间有不确定性,那么平均说来能量也有不确定性,而能量的不确定性表明微观粒子体系具有能量不守恒性,即体系开放,粒子系统内部与外部能够相互交换能量,常说的微观“粒子”(注:微观客体在没有成为宏观的量子现象之前,并不是一个粒子性客体)具有波粒二象性,就是微观“粒子”与宏观外界相互作用的产物。

   对超弦来说,弦也是一个微观客体,也具有开放性。(1)弦有一有限长度,为普朗克长度量级,弦中有张力,因而弦是一个系统,开弦的两端带有荷,通过端点接触可以与其它开弦相互作用。开弦也可以形成闭弦。可见,开弦有自作用也与外界开弦相互作用。两根闭弦也可以结合成一根闭弦。(2)从超对称性来看超对称性是将费米子与玻色子的变换应用第二次。其结果可预言一个费米子。令人惊奇的是,它不处于原来的费米子的空间位置。超对称变换不可避免地要联系到空间中的位移[10]。可见,在超弦理论中,超对称性这一性质使超弦的内部空间与外部空间结合起来,从而使得超弦对外界开放。

       3 超弦与物质可分性问题

    惠施提出“一尺之捶,日取其半,万世不竭”的物质无限可分论思想;而古希腊德谟克利特提出物质是由不可分的原子构成的;近代道尔顿提出科学的原子论,其原子也是不可分的。19世纪末,电子的发现,打破了原子不可再分的神话。后经粒子物理学家努力,原子核又分为质子与中子,在本世纪60年代,理论物理学家提出夸克理论,认为质子、中子等是由夸克组成的。到1950年,实验物理学家发现了6种夸克中的最后一个夸克——顶夸克。但是,由于“夸克幽禁”,不能以有色夸克单独存在,因此自由夸克至今还没有碰撞出来,或许永远不会有自由夸克。这意味着物质可分到了新的关节点,出现了分的新形式。由“夸克幽禁”不能逻辑推出质子、中子不可分为夸克,没有打出自由夸克只是表明夸克存在有其环境。至此,我们认为,“分”就是整体中体现出部分存在。由于6种夸克与3种轻子构成了3代,出现了周期,这就启示物理学家认为夸克、轻子是由更基本的实体构造的。犹如元素周期表出现的元素周期性在于原子的核外电子的排列周期,即原子进一步可分。目前有的物理学家发展了亚夸克模型。而另一道路是沿着统一相互作用的方向前进的。通过对电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用及引力相互作用的研究,物理学家首次实施了弱电统一、大统一理论(如目前的最小超对称性大统一模型)也取得重大进展。沿着这一方向,80年代创立超弦理论,量子场论中的所谓“基本”粒子不过是超弦在低能状态下的各种表现而已。换言之,夸克、轻子等还可再分为弦。回首反思“夸克幽禁”问题,“夸克幽禁”并没有表明物质可分性问题的终结,仅表明物质可分性在夸克处体现出新的特点。

    超弦本身是否可分呢?我们知道,两个开弦可以接成一个开弦,或一个开弦断为两个开弦。这表明开弦具有可分性。同样,两个闭弦可以并接成一个闭弦,或一个闭弦分成两个闭弦。可见闭弦也具有可分性。杂化闭弦也有与闭弦相类似的相互作用。由此可见,开弦、闭弦的分与合是物质统一性的两个方面,分与合是统一的。

    总之,超弦理论为我们认识物质可分性提供了新的启示,从前被视为点状的基本粒子也具有一定的尺度。对物质结构不同层次的认识,表明分具有新的形式。“分”也是一个开放性概念,其内涵在不断的发生变化。对分的认识,也是对不可分的认识,物质无限可分性是可分与不可分的辩证统一。

     4 超弦与观察者问题

     点粒子之间的相互作用在量子场论的微扰处理中用费曼图(feynman)表示,一个粒子在时空中运动可以用一条轨迹表示,即世界线。世界线的汇聚与分叉表示粒子经受了相互作用。弦理论中,弦的时空轨迹是二维面,称为世界面。费曼图是有特定的入射和出射弦的二维面,且能按拓扑分类。在此,我们仅考察闭弦与杂挂弦。它们只有一种相互作用,可以分解成局部的世界面单元——“裤裆图”,形如有裤腰及两条裤脚的裤子。当一个表示时间切片的平面与裤管相交时,就可以看到两根封闭的弦或一根封闭的弦,其中间过程是两根弦的靠近接触与融合,即是两根弦合并为一根闭弦。相反过程,从裤腰到两条裤脚,就成为一个闭弦分裂为两根闭弦。

在什么时空点上两个点粒子(或弦)发生相互作用变为一个点粒子(或弦)呢?在点粒子理论中,不同洛伦兹参考系中的观察者将认为同一个时空点是相互作用点。但是,在弦理论中,时间切片(表示观察者所在的洛伦兹参照系)与裤裆的表面相切的点才是相互作用发生的点,易见,不同的时间切片,其相互作用点是不同的,即是说,弦理论中相互作用点依赖于观察者所在的洛伦兹参考系。[11] 那么观察者在超弦理论中起什么作用呢?

       我们知道,狭义相对论中长度、时间、质量的大小与观察者所在的参照系有关,在量子力学中,一个量子现象与观测仪器的性质有关,不同性质的观察仪器测量同一微观客体(过程)会得到不同性质的结果。这就是所谓“观察者”问题。对于量子现象,作者已从微观物质具有开放性这一特征出发进行了较系统的诠释[12],即量子现象是微观客体与宏观环境相互作用的产物,这里的环境可以是观测仪器,也可以是自然界提供的相应宏观外界。可见,量子现象是一个客观现象,没有引入观察者的意识去干扰微观客体的本来面目。至于狭义相对论,长度、时间、质量于测量仪器的状态有关,这也是一个客观过程,不同的仪器状态对同一客体有不同的测量结果。这表明反映物质性质的物理量也具有开放性,物质的性质就是其内部与外部相互作用的产物,或者说是内部性质与外部性质的整合,这仍然意味着狭义相对论中的物质具有开放性。综上所述,我们不难得出这样的结论,产生所谓“观察者参与”问题,都在于物质具有开放性,物质的性质不仅由其内部固有性质而且由其外部性质决定。

   在超弦理论中,弦之间战胜相互作用的点与观察者所在的参照系有关,是否引入了观察者的主观性呢?要知道,超弦存在的区域,哪有人存在呢?这只能表明弦理论中重要的是拓扑结构。尽管点粒子之间相互作用的点是相同的,但是在作用顶点上可以选取众多不同的相互作用,也就是说,相互作用是任意的。而在弦理论中,弦的世界面是没有特殊点的世界流形,相互作用的描述纯粹是表面拓扑构造的结果,即相互作用是由理论的拓扑结构决定的,因而没有点粒子情况下相互作用的任意存在。由于在弦理论中,共形映射(或保角映射)的世界面是等价,因此在求和操作中只需对共形不等价的表面进行,而且每个拓扑的共形不等价几何可为有限数目的参数表征,这使得弦理论的有关积分具有收敛性质。弦理论中作用点的不同并不影响相互作用的大小(或本质),这在于共形变换中大小位置无绝对意义。超弦理论具有超对称性,而超对称变换与时空位移有联系。两个超对称变换就是一个时空变换。因此,因观察者所在参照系不同而变化相互作用点,并不影响相互作用本身,相互作用具有客观性,而作用点不同意味着超弦之开放性。

点的绝对性的丧失,实际上在狭义相对论中就出现了,因为长度随参照系而变。重要的是点与点之间的关系,超弦理论以弦代点,意味着点的绝对地位丧失及点的相对地位崛起,弦概念侧重整体及弦与外界的关系。或许可以认为超弦理论表明几何点在物理上只能是一个理想的概念,应代之以具有开放意义的物理点。

 

 

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