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快子

(2014-02-10 13:52:28)
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物理学

    快子也被称为迅子速子,是一种理论上预测的超光速次原子粒子。这种由相对论衍生出的假想粒子,总是以超过光速的速度在运动。快子与一般物质(相应地称为慢子)的相互作用可能不明显,所以即使其存在也不一定能侦测得到。在狭义相对论中,快子具有类空的四维动量和虚的原时,并被限定在能量-动量图中的类空区间部分。因此,它无法降低速度至亚光速状态。

       德国物理学家索末菲首先提出“快子”的概念,美国物理学家苏达珊、比拉纽克等一批学者大幅度地强化了理论架构的研究深度。

       如果快子是传统上可以进入局部参考系当中的粒子,并且可以用超过光速来携带信息,这将会导致狭义相对论的因果律被破坏。但是,在量子场论当中,快子的存在仅仅标志着系统的不稳定,而非实际存在超光速粒子;而这种不稳定的性质,由快子凝聚或是快子场论来描述。快子场论在许多的理论性论文当中出现,例如二十六维的玻色弦理论。目前对这种粒子的概念理解为:快子很难稳定到可以实际存在的程度。根据此理论,使用快子进行超光速信息传送违反因果律,因此不可能实现。

       传统的慢于光速的粒子,在讨论快子的文章当中,经常被称为慢子。

       尽管理论的争议强烈质疑快子的存在,对快子假说的实验依然进行,不过,目前为止,没有任何有力实验数据证据快子存在。

       从狭义相对论动力学的角度来看,快子是一个具有类空四维动量的粒子,如果这种粒子真实存在将会对现代物理提出很多奇妙的问题。

       快子一个很有意思的效应,与正常粒子不同之处,快子速度增加,其能量减少,零能量时速度无限。(对正常的慢子而言,能量增加速度则增加)。因此,一如慢子被限制在光速屏蔽内一样,快子亦不能慢到光速,因为要加入几乎无限的能量才能使快子慢到光速。

       正如Benford等人所书,狭义相对论暗示快子可以用于联系过去的时间。而时间旅行是被认为无法实体达成的,快子被物理学家认为如果不是不存在,就是因为类时与类空区的区别,而无法与正常物质进行交互作用。

       如果电磁辐射机制有效,并假设快子具有电荷,那么,一如一般低于光速的带电荷粒子于介质上运动的效应一样,带电荷的快子将会透过切伦可夫辐射的形式失去能量。不过,理论上,快子并没有一定需要带有电荷。带电快子在真空中等加速运动,其时空世界线则形成双曲线。不过,就如我们所见的,降低能量会加快速度,因此,单一双曲线会形成两个带相反电荷的快子,具备相反的动量,被加速到无限速度时,会在同一个地点碰撞并且同步被湮灭。(无限速度时两个快子不具能量,因此湮灭过程中守恒律没有被违反。湮灭的时间是具有参考系相依性的。)   就算无电荷的快子也会透过重力切伦可夫辐射而损失质量,因为快子有质量,因而导致快子被加速,最后必然性地被湮灭。

       对快子的量子化表明,快子必须是符合费米-狄拉克统计的自旋状态粒子。亦即,快子是张量费米子,这种组合对一般正常粒子而言,是不会发生的,它们必须成对的生成及湮灭。

       因果律是理论物理及量子场论的基础原理。如果快子可以用于传送信息速度高于光速,则根据相对论这将会违反因果律,例如著名的“快子电话悖论”。这可以用相对论的同时性来理解,在某些状况底下,惯性参考系会不管两个在不同地点发生的事件是否是同时,当时空交叉时,因为两个事件是在类空区作用,因而没有未来或过去的差别。

       如果其中一个事件表示为从某地发送信号,另一个事件是从另外一个地点接收信号,如果信号传送的速度都是以光速或是慢于光速进行,同时性的数学将会保证发送信号的事件永远在接收信号的事件之前。不过,如果一个超光速信号发送出去,则会一直维持信号接收在发送之前,这样子等于信号在时间穿梭回去。而相对论的基本假说之一认为,物理定律在所有的惯性参考系当中都会以相同方式运作,那么如果将信号传送到过去可行,则在任何惯性参考系当中都是的可行的。这意味着如果有个观测者A发送信号给观测者B,在A的参考系当中以超过光速移动,在B的参考系当中则于时间上倒退。然后,B发送一个回应信号,在B的参考系当中以超光速移动,而在A的参考系当中则于时间上倒退,这样会导致A接收信号比他原始发出的信号要早。如此,在所有的参考系上面,均违反因果律。数学的细节可以在快子电话文章中找到。

      有争议使用范伯格反解原理来避免上述的快子回到过去的信息悖论,范伯格反解原理陈述负能量的快子被送回过去试图违反因果律可以被反解译为正能量的快子在时间方向上前进。这是因为观测者无法分辨快子的吸收及发射。对快子而言,吸收与发射的过程并无差别,因为永远都存在低于光速的偏移,导致快子的时空世界线被改变,这对慢子或无质量慢子来说,是不成立的。从未来试图要去侦测快子(并导致违反因果律)将会导致产生相同的快子,并且将它向时间前进的方向送出(因而使因果律正确)。范伯格反解原理实际上有相当大的争议性。

       事实上,量子场论也争议,就算是快子真的存在,快子也无法携带信息来以超过光速传送信息,不论是快子量子场的微扰无法进行快于光速的传播,或是快子根本就无法参与局部参考系。进行超光速信息传播既然是不可能的,从根本上就避免回到过去的信息传播佯谬。

      在广义相对论当中,对远处的观察者,建立粒子可以超过光速的时空是可行的。其中一个范例是阿尔库维耶雷度量,另一个是虫洞及遍历虫洞。不过,这些都不是快子运动的内涵,因为这些本地的参考系都没有超过光速。

       在量子场论当中,快子是一个具有虚数质量的量子场,通常是个张量场论,并且用于解释自发对称破缺机制:这种场的存在暗示著场真空能的不稳定。该场域处于局部潜在能量最大值,有如一颗球摆在山顶尖上,任何的轻微摇晃(量子微扰)都会导致这个场以指数成长的振幅向下震荡,这将会导致快子凝聚。要了解到一旦快子场域达到其最小平衡能量,其量子态则不再是个快子,而是个正常的正数质量粒子,例如希格氏玻色子。

       技术上而言,质量平方是有效势能的二次微分,而一次微分的值是零。所以,快子场的二次微分是负值,含意是有效势能处于一个区域最大值,而非区域最小值。因此,这种状态是不稳定的,而这样的场会向下滚动到另外一个区域最小值,而其量子态将会有一个非负值的质量,也就因而变成不是一个快子。

       由于快子质量平方为负值,其具有虚质量的特性。就一般的规则来处理,可以解译为具有复数质量的特征,实质量的部分与正常无异,虚质量的部份可以成为自然单位。

       不过,在量子场论当中,一个粒子("单粒子态")被定义为在时间上具备有一个常数的状态,也就是量子力学的哈密尔顿特征值。不稳定粒子是一种仅于某段时间内接近常数的状态。不过,其存在时间长到足够被侦测到。这意味着如果其质量使用复数来描述,实数的部分必须大于虚数的部分。如果两个部分都是相同的数值,这就变成在散射过程当中发生共鸣,而非是个粒子。因为这样就会变成没有足够时间来测量其散射过程。在快子的例子当中,虚质量的部位远远大于实质量的部位,也就因此在量子力学当中,快子不能被视为是一种粒子。

       需要强调的一项重点,在快子量子场论中,场的操作子都是类空,离散点之间依然是联络(或反联络),也因此,因果律依然是成立的。因此,信息的传递从来无法超过光速。

       快子场论的范例是所有的自发对称破缺事件。在凝聚态物理当中一个很著名的例子是铁磁性,在粒子物理当中最著名的例子就是标准模型当中的希格氏机制。

       在弦理论当中,快子的解译跟量子场论相同。不过,弦理论可以从根本原理上解释并描述快子场论物理,并且对其场的作用进行预测。

       快子场论在弦理论当中有许多种版本,分别表达不同维度下的弦作用。一般而言,弦理论认为,所有的粒子,包含了电子、光子、重子等等,都是在基底层次的弦震动的一种状态。粒子的质量可由开弦震动时而引带出质量,简单说,质量之生成是由于弦的音符所造成的。快子经常性地出现在可被允许的弦状态当中,有些状态则具有虚质量。如果快子出现在弦物理的开弦震动状态下,这标志着所附着的底层弦系统机制处于一个不稳定状态。这样的系统将会衰减成为闭弦状态或是稳定的D-膜。如果,快子处于闭弦震动模式,这表示时空结构本身处于不稳定状态,一般而言,不确定它会向哪一个方向转变,中子星超弦物理学认为闭弦快子衰变会产生导致中子星星爆的成因,也就是产生微型虫洞及婴儿黑洞。不过,如果闭弦快子处于奇点周围,它将会把奇点给消解掉。

       弦理论当中的快子凝聚作用,可以使得高维时空降低为低维时空,从而使得弦理论对许多现有的物理理论可以进行预测。

       快子也叫做超光速子,是一种假设的亚原子粒子,质量为负,其速度总是超过光速。至今快子的存在还没有得到实验证实。

       超光速理论工作一般从狭义相对论出发,将其推广,求得既适合于慢子(低于光速的粒子)和光子,又适合于快子的相对论理论。据理论上的推测,快子具有奇异的物理性质。它的质量是虚数,它的速度将随能量的耗散而无限增加,当它的能量趋于零时,则速度趋于无穷大。快子一旦产生,就具有大于光速的速度。要使它的速度减小,必须供给它能量。如要减小到光速,则必须供给它无限大的能量才行,因此其速度不可能减小到光速或低于光速。快子的负能问题是一个复杂的问题。由于负能量的出现,将意味着任何一个物理系统,因为可能无限地释放快子而处于不稳定状态,系统将无限地增加自己的能量,从而导致永动机的出现。而且,更为使人惊异的是,即使无限地产生快子对,也不会破坏能量动量守恒定律,同时也不会改变真空中的总能量。另外,根据洛伦兹变换,快子从一个坐标系转换到另一个坐标系的过程中,可能改变时间的顺序,即时间倒流。这样一来,也许就要出现像打油诗“年青女郎名葆蕾,神行有术光难追,快子理论来指点,今日出游昨夜归”所描绘的“奇迹”。这两个困难问题虽然可以借助二次说明原理(即应该将一个具有负能量的粒子看作是先被吸收,然后再发射,这样一来,负能量与时间倒流和正能量与时间顺流的物理意义完全一样,因而变换坐标系后物理定律依然不变)来解释,但它并没有解决不变的因果律的问题。另外,快子有可能以无限大的速度传播,因而假若存在着快子,就可能瞬时传递作用信息,似乎又可能回到“超距作用”论的概念上去。不过,近10多年来,虽说在理论方面和实验方面都作了不少的工作,但至今尚未取得重大突破。要使快子理论与现代物理学理论协调起来,还需要克服相当多的困难。不过,这却有可能迫使人们跳出目前的理论框架,克服早已习惯了的观念,从而产生巨大而深远的影响。       

       若干电磁性质:

       1. 四维波数与亚光速变换一样,仍用相位不变性来定义四维波数:因此四维波数在超光速坐标变换下是虚矢。

       2. 电荷与电荷密度我们认定物体总荷电量与坐标系无关。由于运动方向的尺度发生变化,(超光速下不是尺缩而是尺胀),电荷密度p与荷电体的三维速度有关,因而也与坐标系有关。考虑到超光速粒子(快子)的电荷与电磁场与亚光速粒子的电荷及电磁场性质应该相同,因此不论‘快子’与‘慢子’,电荷密度p的表达式应该同一。

       3. 电流密度对于任意惯性系,定义四维电流密度需要考虑J的变换性质。基于与讨论P时的同样理由,我们认定J,经超光速变换后其前三个分量即实际三维电流密度保持实值,第四分量保持纯虚位,这与亚光速变换相同。

       理论发展:

       爱因斯坦是上世纪初物理学学革命的巨人。海森伯在谈到爱因斯坦的贡献时说,他“有点像艺术领域中的达·芬奇或者贝多芬,爱因斯坦也站在科学的—个转折点上,而他的著作率先表达出这一变化的开端;因此,看来好像是他本人发动了我们在本世纪上半期所亲眼目睹的革命。”的确,从1905年的“幸运年”年到1916年广义相对论论文“标准版本”的发表,爱因斯坦在两个研究方向上奠定了20世纪物理学的基础。一是不变性原理的研究,最终创立了狭义相对论和广义相对论。二是统计理论的研究,其结果导致布朗运动理论、分子大小测定法、光量子假设、首次固体量子论、光的波粒二象性以及导致激光发现的A、B系数。最后,在1925年,他完成了另一主要创造性工作,即独立于德布罗意的关于物质波粒二象性的假设。指明不变原理和统计涨落这两个别出心裁的研究方向,乃是爱因斯坦“前不见古人,后不见来者”的杰作。在1916年之后,这两个方向合二而一,成为爱因斯坦探索统一场论的指南。

       爱因斯坦向来谦虚谨慎,虚怀若谷。他一生勇于批判,勇于探索,勇于创新,从来也没有躺在功劳簿上高枕而卧。他经常以莱辛的至理名言自勉:对真理的追求要比对真理的占有更为可贵。他反对别人为相对论的成就大叫大嚷,也反对把相对论看作是物理学理论的顶峰。爱因斯坦认为:“我们关于物理实在的观念决不会是最终的。为了以逻辑上最完善的方式来正确地处理所感觉到的事实,我们必须经常准备改变这些观念——也就是说,准备改变物理学的公理基础。”他还说:“然而为了科学,就必须反反复复地批判这些基本概念,以免我们会不自觉地受它们支配。在传统的基本概念的贯彻使用碰到难以解决的矛盾而引起了观念的发展的那些情况下,这就变得特别明显。”在这种思想的指导下,爱因斯坦曾多次表示,他的理论绝不是完美无缺的终极理论,它们将来一定会被其他更完善的理论来代替。      

       上世纪20年代量子力学建立以后,狭义和广义相对论与量子理论相结合,一直是理论物理学发展的坚实基础。半个世纪以来,这种结合不断发展和深化,也不断接受科学实验的检验。一方面,实验事实充分证明相对论和量子力学在其有效范围内是可靠的理论;另一方面,实验研究和理论进展表明,它们也遇到了一些难以解决的反常问题,其中一些问题是带有根本性的和革命性的,似乎难以容纳在相对论和量子力学的框架内。因此,在相对论和量子力学还处于兴盛时期的今天,汲取这些理论的真理性的内容,克服它们所面临的疑难,进一步探索自然界的奥秘,就已经提到当代物理学家的议事日程上来了。在这里,我们拟就当代物理学的现状和革命趋势,简要地作一点不甚全面的述评。

       狭义相对论诞生以后,人们就一直设法做实验来验证它。1958年,有人改进了迈克耳孙-莫雷实验,得到了“以太风”小于地球轨道速度的1/1000的结论。后来利用穆斯堡尔效应,测得“以太风”的速度为1.6±2.8米/ 秒,远远小于期望值(30公里/秒)。这既是对狭义相对论的验证,也证明根本不存在19世纪的作为电磁场载体的以太。尤其明显的是,从宇宙线的探测到高能加速器以及对撞机的应用,几乎高能物理实验的各个方面都要涉及狭义相对论效应,可是随着加速能量的不断提高,已经确认在小到约为一个质子半径百分之一的距离内,没有观测到狭义相对论的破坏。有人进行了静止光子质量的实验及光速测定的实验,还有人进行了大量有关运动介质的电动力学实验和直接检验尺缩钟慢的相对论效应实验,甚至有人用高速喷气飞机上的原子钟验证运动时钟变慢的效应。所有这些实验都表明,无论在微观尺度还是在宏观尺度,还没有发现狭义相对论有破坏的迹象。

       但是,这一切并不意味着狭义相对论就毋庸置疑了,就没有进一步探讨的必要了。情况完全不是这样。尽管狭义相对论的具体结论得到了实验验证,但是只要它的两个逻辑前提——相对性原理和光速不变原理——未有确凿的实验证据,它们就仍然带有假设成分和“先验”性质。爱因斯坦在提出这两条原理时也是意识到这一点的。例如,他在1922年就光速不变原理写道:“相对论常遭指责,说它未加论证就把光的传播放在中心理论的地位,以光的传播定律作为时间概念的基础。然而情形大致如下:为丁赋予时间概念以物理意义,需要某种能建立不同地点之间的关系的过程。为这样的时间定义,究竟选择哪一种过程是无关重要的。可是为了理论只选用那种已有某些肯定解的过程是有好处的。由于麦克斯韦与洛伦兹的研究之赐,和任何其他考虑的过程相比,我们对于光在真空中的传播是了解得更清楚的。”

       事隔60余年,这种状况并没有得到改变。在爱因斯坦提出光速不变原理时,已有的实验只是说明在闭合回路中平均光速的不变性,而不是光速不变原理本身。能不能找到更为基本的对钟手段,或者通过其他途径,来检验光速不变所包含的假定,是有待于科学实验进一步发展来解答的基本问题。因为光速不变原理是现代物理学的柱石之一,解决这个问题难度较大,影响深远,结果到底如何,人们将拭目以待。

       60年代以来,有人提出了超光速粒子的新课题,他们称这种粒子为快子”。超光速理论工作一般从狭义相对论出发,将其推广,求得既适合于慢子(低于光速的粒子)和光子,又适合于快子的相对论理论。

       相对性原理是狭义相对论的另一个基本原理,它认为一切惯性系彼此等价,没有任何实验能确定那个更为优越。但是,作为现代宇宙学两个理论基础之一的哥白尼原理(另一个是广义相对论)却要求,存在着描述宇宙演化的宇宙时标和宇宙空间的标准坐标,典型星系或星系团在其中的分布是均匀各向同性的。宇宙背景辐射和各向同性的发现等大量观察资料都支持把哥白尼原理作为描述宇宙大尺度行为的基本原理。于是,宇宙时标就是相对优越的时标,它描述着宇宙的演化,而相对于这个时标的同时性在宇宙演化上具有本质的意义。典型星系或星系团均匀各向同性的空间就是宇宙背景空间,它相当于一个优越的坐标系。可以推知,若在相对于该坐标系以某一速度运动的参照系上观测星系,就会发现它们的分布不是均匀各向同性的,因此原则上就有可能测出运动坐标系相对于优越背景空间的速度。2012年,已有人测出地球相对于各向同性背景辐射(优越的背景空间)的速度为每秒数百公里,这和地球相对于典型星系或星系团的速度是基本一致的。众所周知,作为整个相对论物理学根基的狭义相对论,恰恰否定了牛顿的绝对时间和绝对空间,否定了同时性的绝对性。虽然宇宙时标和宇宙背景空间的概念并不是牛顿的绝对时间和绝对空间,相对于宇宙演化的同时性也不是牛顿意义的同时性的绝对性,但在概念的物理意义上毕竟有可以比拟之处。这表明,狭义相对论的时间、空间概念以及惯性运动和惯性系的概念,还有相对性原理本身,在宇观尺度上统统不再成立了。这样一来,对于这个宇宙背景空间上的局部引力现象的更精确的描述就应以宇宙学原理为基础,而不应当以广义相对论为基础。这意味着相对论在宇观尺度范围内必须从根本上加以改造。

       爱因斯坦为了在相对性原理(意味着一切惯性系平权,没有优越的惯性系)和光速不变原理(指光速在“空虚空间”中不变)上建造他的狭义相对论,他就没有必要再保留以太概念。但是,空虚空间的概念毕竟是一个令人困惑的概念,爱因斯坦本人在建立广义相对论时,也认为空虚空间是不可思议的,为此他赋予空间以物质的内容,引入了所谓的“相对论以太”。但广义相对论并非狭义相对论的简单推广,所以狭义相对论中的“空虚空间”是一个幽灵。爱因斯坦后来想在统一场论中解决这个问题,但他的宿愿未能实现。1929年,狄喇克在解决相对论性电子理论产生的负能困难时,提出了一个基于新的真空图像的解决方案。原来,空虚空间即真空并非一无所有,而是所有的负能态都已填满,所有的正能态都未被占据的最低能态,它作为一种普通存在的背景并没有可观察效应。因此,真空不再是绝对的虚空,而是—种充满了物质实体的存在形式,这就给爱因斯坦的“相对论以太”描绘了一幅实在的图景。在某种意义上也可以说,这是古老的以太概念在新科学中获得了“新生”。比如,在现代场论中占有重要地位的真空自发破缺,就与这种“新以太”观念有着内在的联系,而当前对真空结构的研究就可以看作是对以太结构的研究。其实,李政道博士在研究“不寻常核态”的工作中,也发现空虚空间存在着真空物质。2012年,人们已经认定,真空是一种物理实体,它能对其它物质发生影响;真空具有相对论不变性,在有的情况下,真空也系某种介质,当不满足某种不变性时,就形成真空自发破缺,从而使规范场粒子获得静止质量;处于真空状态的场仍保持持续不断的振荡,即所谓真空起伏,非阿贝尔规范场有一类特殊的叫作“瞬子”的真空物质。

       广义相对论是物理学理论宝库中前所未有的珍品。这个理论以其概念的深刻、结构的严谨,内容的新颖和推论的精确而为人称道,但它之所以能轰动一时,主要还在于它解释了牛顿引力理论无法解释的水星近日点的剩余进动,并预言出不久经过实验证实的光线偏折和引力红移。50年代,有人改良了仪器设备,将厄缶实验的精度10-8提高到10-11,证明引力质量与惯性质量相等,近几年又有人将精度提高到10-12的数量极,这也是对等效原理的支持。由于采用穆斯堡尔效应,科学家在实验室中验证了引力红移。有人早已通过测量人造卫星中悬浮陀螺的进动,来验证广义相对论。70年代初,又有人通过测量对遥远行星的雷达回波的方式检验了广义相对论。70年代末,几家大天文台同时报道采用射电天文学的方法测量某些类星体发出的射电信号经过太阳的弯曲程度,大大提高了检验光线偏折的精度,对广义相对论提供了新的实验支持。

       但是,广义相对论也面临着一些困难和亟待解决的问题。广义相对论一建立,爱因斯坦就企图用它来描述作为一个整体的宇宙大尺度的行为。从此以后,广义相对论和天文学密切结合,形成了相对论天体物理学的一个富有成果的领域——现代宇宙学。值得一提的是,现代宇宙学在60年代取得丁长足的进展,观察材料已经支持早期宇宙的大爆炸模型,发现了空间各向同性的微波背景辐射。在这里,尤为值得一提的是霍金等著名的相对论学者关于黑洞理论和大尺度时空结构的研究。

       广义相对论的引力场在理论上存在着奇性,这种奇性具有十分奇特的性质,沿着短程线运动的粒子或光线会在奇性处“无中生有”或不知去向。按照广义相对论,演化到晚期的星体只要还有两三个太阳的质量,就会迟早变为黑洞,包括光线在内的任何物体都会被黑洞的强大引力吸到里面而消失得无影无踪。不仅如此,黑洞还要不断坍缩到时空奇性。时间停止了,空间成为一个点,一切物理定律,包括因果律都失去意义,一切物质状态都被撕得粉碎。此外,经典理论中的一个黑洞永远不能分裂为两个黑洞,只能是两个或两个以上的黑洞合为一个黑洞,其结果很可能是整个宇宙变为一个大黑洞,并且早晚要坍缩到奇性。寻找黑洞的观测工作也在稳步进展。1970年底,美国和意大利联合发射了载有X射线探测装置的卫星,这颗卫星工作到1974年,共探测到161个射线源,经筛选确认,天鹅座X-1最有希望是一个黑洞。另外,圆规座X-1与天鹅座X-1数据非常相似,也很有希望被证认为黑洞。关于黑洞的理论的研究正在进展,观察结果还有待进—步证实。无论如何,广义相对论竟然要求这类难以接受的奇性,无疑是一个难题。或者广义相对论本身要修改,或者物理学的其他基本概念和原理要有重大变更。

       大爆炸宇宙学的研究越来越追溯到更早期的宇宙。特别是80年代以来,根据大统一理论发展起来的暴涨宇宙学,开始研究宇宙年龄约为10-36秒或更早期的情况。当宇宙年龄小于10-36秒时,宇宙间不仅没有星球,没有化学元素,甚至连任何基本粒子也没有,有的只是时间、空间和物理的真空。继续追溯这种非常单纯、非常对称的状态,便会得出时空创生于无(当然也就是说宇宙创生于无)的结论。其实,空间和时间的非永恒性,在相对论和量子论中已有强烈的暗示。按照相对论,不同的运动观测者将测得不同的时间值。最有趣的例子就是双生子佯谬,它描述的是两个观察者开始在一起,最终又在一起,但由于中间的运动情况各不相同,则二者所测得的历时是不一样的。因此,原则上讲,要精确地测量时间,就必须精确地知道测量者的运动轨迹。然而,量子论中的测不准原理告诉我们,不可能精确地了解任何一个物体在时间中的运动轨迹,从而也就原则上否认了精确测定时间的可能性。    

       1983年以来,霍金就致力于发展一种宇宙的自足理论。1984年初,他和他的合作者得到了第一个完整的宇宙自足解。该理论的第一个要点是建立非时间的理论,这种新的“时”空,实际上是一种欧几里得空间,其中不再含有时间坐标。该理论的第二个要点是给出上述欧氏空间的创生幅度,即宇宙创生于无的幅度。霍金只就简单的情况作了计算,还不能看作是真实宇宙的解,而不过是玩具式的模型而已,但它无疑向人们提出了一个值得深思的问题:我们关于时空和宇宙的传统观念是否一贯正确?这当然是向现代物理学和哲学的挑战。

       50年代末到70年代初,广义相对论经典理论的研究也大大深化了,其中引人注目的是引力波的进展。一开始,对于广义相对论是否存在引力波的问题一直争论不休,因为人们当时搞不清广义相对论中的引力波会不会仅仅是一种坐标效应,这在很大程度上是对广义相对性原理的不恰当的理解而引起的。60年代初,人们弄清了在理论上的确存在引力波。引力波可以看作是以光速传播的力场,它和电磁波在许多方面类似,和坐标系的选择毫无关系。由于引力波与物质的相互作用十分微弱,这给探测引力波的工作带来了很大的困难,用实验方法产生引力波的困难尤为严重。美国马里兰大学韦伯教授于1958年开始进行引力波的实验,经过10余年的努力,曾宣布检测到来自银河系中心的引力波,但结果不十分可靠,截止2012年尚无定论。美国的泰勒等人测出射电脉冲双星PSRl913+16的公转周期变短,测得周期变率为(-3.2±0.6)×10-12,并在20%的误差范围内与广义相对论辐射阻尼理论符合,这个结果可以看作是引力波存在的第一个间接的定量证据。1982年,他们又进一步发展了减小误差后的结果。不过,人们还希望利用多普勒跟踪法或激光测距法观测两天体在引力波作用下间距的变化来直接探测引力波。而且美国航天局和欧洲航天局正在加速这方面的研究,并使测距精度大大提高(例如地球和月亮的距差为±5厘米),其灵敏度Δl/l已达10-13~10-16,即便如此,还需把精度提高四个数量级才有可能探测到引力波。为此,欧美曾计划在1985年发射两艘深空间飞船(伽利略号和国际太阳极任务号),届时可望将测量精度提高到10-20。一旦引力波探测工作取得成功,就可以进而研究引力波的性质,从而就会判明那种度规理论对宏观引力现象的描述更符合客观事实。

       由以上有关描绘也可以看出,引力问题已处于一个充满矛盾的新时期。虽然广义相对论经过一些实验检验,与其他理论相比可以看作是描述宏观引力现象的一个较成功的理论,但它在处理某些极端条件下的问题(黑洞、引力坍缩、奇点、宇观优越坐标系、10-36秒之前的早期宇宙等)时,又表现出一定的局限性。因此,广义相对论也是人们认识发展过程中的相对真理,它也面临着亟待改革的形势。人们为了解决四种作用力的统一描述和引力领域内的各种矛盾问题,正在已有的理论上发展引力规范理论和超引力理论。

      关于统一场论,爱因斯坦从1923年起直到1955年去世,一直从几何学的观点出发,企图把电磁场和引力场统一起来(几何统一场论),但是没有取得具有物理意义的成果。但是,在30年代和40年代,随着弱相互作用、强相互作用以及各种基本粒子的大量发现,统一场论又中兴起来。50年代,海森伯不是从几何学角度,而是从量子场论的角度出发,提出了一种量子统一场论,想用统一的自旋场把各种基本粒子和它们的相互作用都囊括进去,也没有获得决定性的成功。1954年,杨振宁和米尔斯为统一场论开辟了道路。他们推广了魏耳的规范不变思想,提出了扬-米尔斯场即非阿贝尔规范场理论。这种理论与拓扑学中的纤维丛概念有着密切的联系,它虽然在数学上很完美,但在描述各种相互作用时却遇到了困难。三年后,施温格建议一种可能导致弱电统一理论的矢量介子理论。到60年代,电磁场理论已由20年代的非量子化的相对论性电动力学发展成量子化的量子电动力学,为统一场论的建立奠定丁理论基础。1961年,施温格的学生格拉肖发展了一种弱相互作用理论,它同电磁相互作用有惊人的相似之处,并采用四个生成元,即光子、W+、W-粒子和中性流矢量玻色子,也就是现在的Z0粒子的SU(2)XU(1)群。1967年,温伯格和萨拉姆分别独立地采用这四个生成元发展了一种弱、电统一理论。这种统一理论解决了杨-米尔斯理论的困难,它后来被称为量子味动力学(QED)。70年代以来,不仅弱、电统一理论得到了一些实验的支持,而且描述强相互作用的量子色动力学(QCD)的出现也为统一强相互作用提供了可能性。在量子色动力学中,强相互作用也是非阿贝尔规范场,它存在于强子之间和之中,它的场源是色荷,规范变换群是SU(3)群,其规范粒子是胶子,强相互作用是胶子同色荷相耦合而成的。这样,弱、电、强三种相互作用的表现形式是一样的,它们都是规范场。在这个基础上,美国物理学家格拉肖和乔奇等人通过选择新的规范群SU(3),建立起统一描述弱、电,强三种相互作用的大统一理论。至此,人们自然希望把引力相互作用也用规范场统一起来。爱因斯坦在世时就知道引力相互作用也是一种规范场,问题在于不了解引力相互作用与其他三种相互作用如何发生联系。尽管引力场的量子化问题已经取得实质性的进展,然而广义相对论的引力论却在量子化以后可否重正的问题上遇到了难以克服的障碍。有人虽则在广义相对论的基础上加进了含场量高阶微商的新的作用量,得到了可以重整化的量子引力理论,但这又破坏了保证几率守恒的幺正性,在物理上也是不能成立的。关于四种相互作用的统一,另一类工作是超对称、超引力理论,这是苏联、美国和西欧一些学者致力研究的课题,并相继提出了几种理论,但在理论上还存在不少困难,在学术界争议也很大。不过,令人欣慰的是,西欧核子研究中心庞大的超同步质子加速器让正反质子对撞并湮没,在1983年1月首次报道产生了W+和W-粒子,6月又报道发现了Z0粒子,这是20世纪物理学的最重大事件之一。这三种传播弱相互作用的粒子是温伯格-萨拉姆理论所预言的,它们的产生给弱电统一理论以决定性的支持。就在同一年,丁肇中小组三喷注事例的发现,证实了胶子的存在,从而有力地支持了量子色动力学和格拉肖、乔奇等人的大统一理论。人们可望在四种相互作用的统一方面取得突破,这将对物理学产生举足轻重的影响。

       粒子物理学也是当代物理学发展的前沿之一。从30年代起,人们把当时已知的电子、阳电子、质子、中子和光子统称为“基本粒子”,认为它们是构成物质世界最基本的砖块,这样就诞生了“基本粒子物理学”。从40年代起,在约20年之间,人们发现的粒子已达30种,从而认识到“基本粒子”并非基本,研究它们的学问就被称为“粒子物理学’。

       当时,人们按自旋将粒子分为两类:凡自旋为h/2的奇数倍的粒子叫费米子,凡自旋为h/2的偶数倍的粒子叫玻色子。这样,参与电磁相互作用的光子是玻色子,参与电磁和弱相互作用的轻子是费密子,而参与电、弱、强三种相互作用的强子既有费密子(即重子),又有玻色子(即介子)。不论光子、轻子、强子,都参与引力相互作用。60年代伊始,由于高能质子加速器的建成,在短短的两年内就产生了寿命约为10-23至10-24秒的短命强子。这样一来,人们自然提出了一个问题:这些粒子是不是有更深的层次?于是,夸克(国内称层子)模型应运而生。这种模型指出,在强子之下还有一个物质结构层次,即夸克,而强子则是由夸克或反夸克组成的。与此同时,还有弱作用不守恒和电荷共轭不守恒的发现。60年代到2102年,正如我们在上面所述的,关于统一场论的理论研究和相互作用粒子的实验工作也取得了长足的进步。截止目前,人们知道的夸克和反夸克共有36种(它们有不同的“色”和“味”),轻子和反轻子共有12种,而由夸克和反夸克构成的强子已达数百种之多。但是,人们花了20年时间,“上穷碧落下黄泉,两处茫茫皆不见”,至今仍未找到自由夸克的影子。于是有人认为,夸克好像永远“禁闭”在强子中一样,只有用无限大的能量才能把它“拉”出来,这就是所谓的“夸克禁闭”问题。2003年有人利用电子计算机作非微扰计算,发展了一种格点规范理论,初步肯定了禁闭的存在,但依然不了解其具体机制。由于各种夸克和轻子多到48种,而它们的电荷和其他性质又有周期性的变化,人们又设想它们是否还有更深的层次,为此也提出了一些亚夸克模型,但这只是夸克模型的仿制品,并无质的突破。这就向人们提出:物质是否无限可分?可分性究竟应该如何理解?而且,粒子物理学的研究表明,量子化的场是比粒子更为根本、更为普遍的存在。自由粒子只不过是场在激发时的一种状态,在真空情况下,没有自由粒子,但场依然存在。这也许为最终消除爱因斯坦所不满意的二元论(粒子和场)找到了归宿。不用说,这一切还有待于深入揭示,新的突破必定会引起科学理念的革新。

       磁单极子问题也是当代物理学一个饶有兴味的课题。自1931年狄拉克从理论上提出磁单极子(带正磁荷或负磁荷的粒子)可能存在的论证后,人们对这个课题开始了积极的实验探索和理论研究。实验上的探测主要从三方面着手:高能加速器的实验,宇宙线的观测,古老岩石的观测。用第—种方法还未观测到磁单极子,一般认为这是能量尚不够高的缘故。从宇宙线中找磁单极子的物理根据有两方面;—种是宇宙线本身可能含有磁单极子,另一种是宇宙线粒子与高空大气原子、离子、分子等碰撞会产生磁单极子对。人们曾采用超导量子干涉式磁强计在实验室中进行了151天的实验观察记录。据1982年初报道,测量到一次磁单极子事件。在排除了各种可能的于扰因素后,计算出到达地球表面的磁单极子上限为每立体角的单位面积上每秒有6.1×10-10个磁单极子,即每年用这种装置可测到1.5次磁单极事件。这一实验探索还在进一步进行中,人们不断改进实验装备,以求得到更加可靠的观察结果。另外,如果磁单极子含量很少,那么异号磁单极子复合湮没的几率就很低,因而它们就有可能保存下来,能在地球上的古岩石、陨石或其他天体的岩石中找到。可是,迄今还没有找到确凿的证据。与此同时,关于磁单极子的理论研究也在积极进行之中。施温格(1966年)和兹万齐格(1971年)分别克服了狄喇克理论中的若干困难和不足之处,利用两个电磁势建立了电荷与磁荷完全对称处理的理论。1976年,杨振宁等利用纤维丛的新数学方法,建立了没有无物理意义的奇点的磁单极子理论,在磁单极子理论的发展中开辟了新的途径。而且也出现了一些超越麦克斯韦电磁方程组框架的非传统理论,例如统一规范理论、爱因斯坦-麦克斯韦耦台场理论和超光速参考系理论。而且,有关理论还在基本粒子的微观世界和宇宙演化的宇观世界得到了应用。总而言之,在关于磁单极子实验探索和理论研究的半个多世纪中,人们进行了遍寻天上、地下的各种现代实验探测,采用了量子论、相对论和统一场论的复杂理论手段,联系到最广袤的宇观世界(宇宙论)和最细微的微观世界(粒子物理),涉及到极漫长的(古岩石)和极短暂的(宇宙演化早期)时间尺度。当前,这一探索和研究仍在继续之中,它不仅给物理学带来了活力,而且也向两极不可分离的哲学信条提出挑战。

       近10多年来,关于非平衡统计物理学的研究前景也十分诱人,非平衡相变、耗散结构、协同学等就是其中比较活跃的研究领地。这几年,人们注意到,远离平衡的系统可能经过突变进入混沌状态,而且混沌态可能并不比时空有序的状态更“无序”,混沌态和耗散结构还可能交替出现。人们大体上已了解到,混沌是非常普遍的自然现象,在一定的意义上讲,混沌状态比无理数要多得多,而且混沌序(内在随机性)比自然界存在的有理序(周期性)、无理序(准周期性)更“高级”,即使在通常认为由决定论统治的牛顿力学中,也普遍地存在着内在随机性,完全确定论的描述在牛顿力学中倒是少如凤毛麟角。但是,混沌决不是简单的无序,而更像是不具备周期性和其他明显对称特征的有序态。在理想情况下,混沌状态具有无穷的内部结构,只要有足够精密的观察手段,就可以在混沌态之间发现周期和准周期运动,以及在更小的尺度上重复出现的混沌运动。正因为如此,中国学者才从古汉语中引用“混沌”一词(气似质具而未相离,谓之混沌)来描述这种奇特的现象。混沌转变和非平衡相变都是经过突变而不是渐变实现的,这说明混沌状态的出现也与对称破缺有关。而且重整化技术已经成功地用于混沌转变的研究,已有一批反映通向混沌道路的数学模型,而且新的实验报道也在不断涌现。这个成为80年代重要研究课题的进展,也许不仅会导致数理科学中基本观念的又一次革新,而且可能导致对偶然性和必然性、确定论和概率论等哲学范畴以及自然科学方法论的更深刻的认识。

       此外,等离子体物理、凝聚态物理等领域,也是当代物理学的前沿,我们就不在这里一一评论了。不过,从上述材料可以看到,当代物理学的发展虽然存在着一些革命性的因素,暴露出相对论和量子力学的某些局限性,并诞生了某些新科学观念,但是十分明显的是,它们基本上还是在相对论和量子力学这两大理论体系的基础上发展着。这些革命性的因素尽管还未使当代物理学面临“山雨欲来风满楼”、“黑云压城城欲摧”的危机之势,但随着它们的日积月累,必将在将来的某个时候导致新的物理学革命,从而使整个物理学乃至人们的思维方式来一个大改观。      

       关于信号,有人指出被相对论排除的不是以比C大的速度运动的粒子(快子)的存在,而是禁止这样一个过程,在这个过程中这样粒子的发射被有计划地重复而且和那辐射体的熵增加相联系,这是信息传输的必要条件。

       尽管这样,还有一些学者提出:“快子”可能存在而且可能由实验产生。他们的努力主要是重新解释快子1和2的世界线。当世界线1进入S系中的未来,从S′和S观察时,世界线1和世界线2各自进入过去(而有负能量,一个不能被讨论的点)。通过“开关原理”,描述具有正能量和进入未来的世界线是可能的。总而言之,已被令人信服地表明的是如果我们只观察快子的世界线,可以用不违反逻辑或“因果性”的方式描述这些世界线。但是已经取得的仅仅是闭合系统形成部分的快子的一致描述;违反因果性的问题只能在开放系统产生,这不是描述的问题而是自我矛盾现象。虽然有一些文章反对快子拥护者提出的观点,但是上述差别没有得到充分强调。在闭合系里,快子的存在可以和相对论的因果性要求一致。然而,有目的产物没有达到可重复和引起宏观效应适合作信号的程度。如果它不被重复,即产物完全是随机的,它不依赖检验者的意图,那么它不适合作信号。回避宏观效应,不足以排除宏观快子束产生的可能性。人们也必须排除由快子引发其它宏观现象的可能性(除了完全随机的方式以外)。这些限制排除了设计有关快子实验的可能性,而且只允许偶然的观察。因而相对论对开放系统力学允许的过程施加了严格的限制。

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