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物理学第三次革命探索(一)---现代物理学需要革命性突破

(2014-04-17 00:03:35)
标签:

理论物理

粒子物理

时空理论

大统一理论

宇宙学

分类: 理论物理

现代物理学需要革命性突破

 

作者 苟文俭


    以量子力学(以后都记成是“QM”)、和相对论为基础的现代物理理论,实现了继牛顿力学以来人类时空观、物质观、自然观的革命性突破,不仅是当今粒子物理、原子物理、固体及分子物理、宇宙学的基础,是化学、及生物学及其它许多交叉学科的重要基础,也还成为了现代微电子与光电子技术、核技术、半导体技术发展的重要理论依据,形成了人类最伟大的科学革命,取得了包括太空技术、英特网在内的人类社会发展最辉煌成就。
  对自然奥妙的探究,现代物理理论又还远远没有达到终点,全世界一流理论家们也都正在竭尽所能地推动着现代物理理论的进一步发展。熟悉现代物理理论现状的人们都明白,它的发展却面临了如下严酷现实:
  1、对进一步探索的理性化思考,总是依赖于猜测与想像,以致于在整个现代物理理论逻辑体系中,人为地制造了形形色色的矛盾与疑难,构成了观念的极大混乱。
  2、从弱电统一理论、量子色动力学、规范场的大统一理论、大爆炸的宇宙标准模型,直至超弦理论及M理论,进一步的发展确是向着未知因素增多、表述不确定性增大、可直接验证的经验实证的程度降低、理论自身制造的疑难也越来越多的方向。
  (一)
  现代物理学中,人类对自然奥妙探索的重点集中在了如下两个方向:
  1、微观方向,已深入到了粒子内部。其探索内容,是组成粒子的基元及其相互联系规律如何,由此形成的物理理论,作者就称是粒子构成理论;其中使用量子场观念,类比量子电动力学(以后都记成是“QED”),在量子场规范对称理论框架下构建的标准模型,是人类在这个方向探索的最高成就。
  2、宏观方向,已涉及到了全宇宙。其探索内容,是宇宙整体演化的统一性及其大尺度结构的规律性如何,由此形成的物理理论,一般也称是宇宙学理论;其中在宇宙大爆炸框架下使用广义相对论、核理论、热力学理论等已有理论构建的宇宙标准模型,是人类在这个方向探索的最高成就。
  (二)
  现代物理在微观方向探索的第一步,是1928年狄拉克在对电子个体存在受力的研究中,把QM与狭义相对论相结合,形成了量子场观念,创建了电子的相对论波动方程,以此为基础构建了电磁场的量子场理论,即QED。该理论在计算中引入了消除无穷大量的重正化技巧,在对带电粒子个体受电场力的描述中取得了巨大成功。
  量子场理论有一个众所周知的事实,这就是它只能把粒子整体视为一个,不能用来描述有大小的粒子。实际上,粒子又总是有大小的。量子场理论这一事实就表明,它只能用来描述粒子整体存在,不属于粒子构成理论,即它并不是可以描述粒子内部基元存在的理论。对此我国已故著名物理学家卢鹤绂院士就非常中肯地指出:这可能意味着狭义相对论和QM的定律在很小的距离处终将垮台,小距离处目前的概念可能还需要修改。(1
  自旋作为粒子自身的一种运动现象,因为它并不构成粒子位置的移动,就只有可能是产生于粒子内部的组成存在,但通过简单的数学分析就很容易得出:不论是从粒子整体存在考虑,还是从与构成普朗克量子相当的量子化存在考虑,自旋的粒子自身运动均完全背离了QM与狭义相对论。即QM与狭义相对论均无法理解产生了自旋的粒子内部存在是什么怎么样
  以QM为基础发展量子场理论,测不准原理是最重要的表述依据和出发点。我们知道,测不准原理中运动粒子的位置和动量、或时间和动能具有互补性,是海森堡在分析粒子运动波函数ψ=Ae2лipx-Et/h的动量或能量取值时演绎出来的,它表现的是波动性粒子个体运动存在特性:我们既不知道粒子运动为什么会有这种存在特性,也并不知道组成粒子基元在粒子内部特殊空间的运动、与粒子个体在普通真空中的运动,是否遵循了相同规律,我们又有什么依据认为,基元在粒子内部特殊空间的运动也满足QM的测不准呢?
  再说量子场观念依据的狭义相对论。狭义相对论中时空相对性效应,是有静止质量物体在真空自由运动的存在特性,而以光速运动的粒子、热力学系统、物体在受力中的静态平衡,就都不遵守狭义相对论规律。因此,狭义相对论也并非普通真理。而且,根据狭义相对论,只要粒子个体运动确定了,它自身的时空特性也就唯一确定,与组成粒子的基元在粒子内部空间怎样运动毫无关系。即对粒子测量具有的时空相对性,与基元怎样运动无关,而且我们的测量又只能是对粒子个体存在而言的。也就是说,对我们的实际测量而言,组成粒子基元的运动与我们可观测的时空相对性完全是两回事。
  上述事实已经充分表明:微观方向使用量子场观念,类比QED确定粒子内部基元的存在规律,并没有逻辑上的必然性;现代物理学在微观方向深入到粒子内部、创建标准模型类比QED所做的探索,只是一个假命题,它作为用数学做形式化表述的物理模型,完全不具有形式化理论的公理系统自洽性的基本要求。即标准模型的公理系统并不是一个定义严谨的集合,从逻辑学考虑完全是不可信的。
  也许正是因为有上述这些考虑,为标准模型做出卓越贡献的格拉肖,他在诺贝尔物理奖领奖演说词中就郑重其事地说:让我强调一下,我并不相信这个标准理论作为一幅正确而完备的物理图象永远存下去……标准理论也许会作为终极理论的一部分而存在下去,也许终于证明是根本错误的2)
  (三)
  现代物理理论在宏观方向发展,看看在宇宙学中使用广义相对论、核理论、热力学理论等已有理论构建宇宙标准模型的情形。
  1、现实的原子核以组成原子的常温方式存在,其核理论也都还只是经验性的,并不能表述高能下的原子核。常温的原子核与高能碰撞的原子核遵守的是完全不同的规律。对以宇宙大爆炸的极限条件为环境的原子核,直接与物质的原始汤相关联,与地球上的常温原子核有完全不同的受力条件及存在方式,其规律性必然不同。
  2、常温的热力学系统,其基本特性是向着熵增加的方向做不可逆变化;而对大爆炸产生宇宙的系统,是要产生出大尺度宇宙结构的系统,与热力学系统变化方向正好相反,它们有完全不同的生成结果,也就必然遵循完全不同的变化规则。
  3、再说广义相对论,它的描述内容是引力场与万有引力,在根据该理论写出的宇宙学方程中,决定宇宙模式的宇宙物质相对密度只能依赖于观测,即理论的公理化系统本身并不能推导出表述宇宙模式的规律,这当然也就决不可能表述宇宙该魂归何处的宇宙演化和宇宙学大结构的产生。
  上述简单的分析就充分表明:现代物理学在宏观方向,广义相对论、核理论、热力学理论等已有理论的公理系统、并不必然是构建宇宙标准模型的公理系统。现代物理学的宇宙标准模型充满了潜在变数,也完全不具有形式化数学理论的公理系统自洽性的基本要求,它并不可靠。对此可以用它需要用暗物质暗能量、来满足其形式化数学表述需要来加以证实。
  在宇宙标准模型中:由于认为星系聚集成团块及星系中恒星转动,都是引力场提供引力实现的,据此使用爱因斯坦引力定律就断定宇宙有大量暗物质;对观测中的宇宙学红移,认为是空间膨胀所致,为了给膨胀加速提供动力,也断定宇宙中还存在有大量暗能量。
  使用广义相对论,根据对观测事实上述理解还估算出:宇宙暗能量约占宇宙总物质的70%,暗物质约占30%,可观测的所谓普通物质仅约3%左右;这实在是微不足道的小不点。
  为了用上述观念解释观测事实,宇宙标准模型还认为:暗物质也有惯性,能构成引力场并参与引力作用,服从力学规律;暗能量在宇宙中分布均匀,它构成了斥力,也同样满足力学规律。即普通物质在普通时空中遵守的引力规律,也同样适用于暗物质与暗能量。
  我们知道,参与电磁作用的物质,由于有电磁辐射就一定可观测;暗物质暗能量由于不可观测,就一定不参与电磁作用;对此就称它们是电磁力缺失的物质。
  大爆炸宇宙标准模型给出的我们这个宇宙生成过程是:在爆炸约为10-35s的创生期,宇宙物质以夸克、胶子、正负电子对、光子等粒子状态呈现,统一的超引力先分化出了强力、弱力、电磁力;进入到约100s这一早期时代,在膨胀温度下降过程中就有了质子、中子、电子等基本粒子,并出现了原子核及各种原子,引力就开始起作用了。当宇宙到达10万年之后,宇宙进入近期,由于引力作用也使宇宙均匀起来,并形成了各种尺度的天体及星系。
  为了宇宙标准模型形式化表述的自圆其说,宇宙又有约97%的暗物质与暗能量,即宇宙有约97%的物质缺失了电磁力。由此就又可以认为,在宇宙创生期,约有97%的物质统一的超引力并没有分化出电磁力,这就必然有如下理性推理。
  宇宙生成过程中电磁力先于引力出现。暗物质与暗能量单独参与了引力作用、而不参与电磁力,这就只有以下两种可能:
  1、宇宙中约97%的电磁力缺失的物质仍然保持在年龄约10-44s时、超引力还没有分化的创生期,这也要求温度极高(约1011K以上)、而且也并未膨胀。但现实宇宙根本就没有这样奇热的火炉
  2、宇宙生成过程根本就不是宇宙标准模型描述的那般情景,主流的标准模型表述的力作用统一、根本就不是那么一回事。
  特别严重、而且显而易见的问题是:如果是约97%的物质不参与宇宙学演化,他们为什么不决定宇宙命运,而非得是约3%的物质把宇宙弄成了现在模样?又一个问题是,既然暗物质暗能量与普通物质一样也有惯性,也满足力学规律,它们为什么又变得不可观测?
  显然,不论是上述哪一种可能,也都是宇宙标准模型、乃至现代物理理论的灾难。这样,从宇宙标准模型公理化系统就推出了在现代物理理论中完全矛盾的结论,完全违背了形式化公理化系统相容性的基本原则。为了与形式化数学相符,宇宙标准模型请出暗物质暗能量这个尊神,不是救了自己的驾,而是给自己捅了刀子。现代物理学在宏观方向,对宇宙探索形成的宇宙标准模型,不可靠不可信已是千真万确的了。
  (四)
  上述已有的结论是:现代物理学中,不论是微观方向深入到粒子内部的探索,还是宏观方向涉及的全宇宙,QM、相对论及现存理论的公理化系统,都不是进一步探索的可靠依据与出发点。
  这一结论的实质是:美妙的QM与相对论虽然被证实是正确的,但它们都是有限真理。QM与相对论各自的公理化系统并不能完全相融,这就很明确的表明它们就都是有其自身适用条件的有限真理。
  李政道教授2001年在北京人民大会堂的报告就指出,当今物理学有如下四大问题:(1)为什么三大作用的理论都是对称的,但实验结果却是不对称的,对称与不对称有什么关系?2)为什么一半的基本粒子(夸克)不能单独存在,是看不见的?3)为什么全宇宙中9O%以上的物质是我们看不到的暗物质?4)至少知道了100万个类星体,每个类星体的能量是太阳能量的1015倍一l016倍,它们的巨大能量到底是从哪里来的?3
  当今物理学有上述四大问题也就充分证明:现代物理学深入到粒子内部,或涉及全宇宙的探索,QM与相对论并不都有效,它们并不是解决自然界所有奥妙的普遍的终极真理。
  不论是现代物理理论自身、还是用现代物理理论实现的探索,所有事实都清楚表明:现代物理学,不论是深入到粒子内部、还是涉及全宇宙的探索,对QM、相对论及其它现存理论的现代物理理论,都需要有革命性突破,从而使物理学实现又一次革命。
  参考文献:
  1、卢鹤绂,《高能粒子物理学漫谈》,上海科学技术出版社1979年版,第11页。
  2、谢尔登格拉肖,《趋向统一理论织锦中的几个线头》,《世界科学》19953)。
  3、新华网2001107日专题报道:《李政道提出当代科学四大问题》。


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