求是与科学（十三）

刘文旺

崛起的中国需要科学（四）

3、漫长的统一之路

爱因斯坦在1905年创建了狭义相对论，1915年12月创建了广义相对论，这时的爱因斯坦还在壮年。在没有对其理论进行深入思考的情况下，就开始了把引力理论与电磁理论统一在一起的工作，一下就是30年，直到其生命的结束。现有理论认为，爱因斯坦之所以没有成功，主要的原因就是他不相信量子力学。

我看问题不是这样简单，爱因斯坦没有考虑量子力学所以没有成功，霍金哪？霍金不是继爱因斯坦之后，充分考虑了量子力学的理论了吗？不是还想把量子理论与相对论结合起来，或者说统一起来，从而揭示宇宙诞生之初的问题吗？结果怎样那？

那一位科学家的智商能跟霍金比？

爱因斯坦创建狭义相对论用了3年，创建广义相对论用了8年，而后用了30年建立统一场论没有成功。最后，把自己辛苦研究的论文付之一炬。人们至今不知道他研究到了那里。留给人们更多地谜团。尤其是，他书写了一封给后人的信，深埋在地下，让人们等待多年后再打开。

有人认为，爱因斯坦已经完成了统一之路，埋在地下的应该是其成功的理论，只是怕人们用他的理论再制造高杀伤性武器，才没有公之于众。我认为不是这样，爱因斯坦死后，在他思考问题的黑板上，留下了没有结果的、混乱的“思路”，这体现了他仍在思考着这些问题，而没有最终解决这些问题。

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一般认为他创建的统一理论没有成功。因为从现代的研究成果上看，要实现真正意义上的统一，需要量子力学理论的参与。因为，量子理论在研究电磁理论方面是非常成功的，任何把引力场与电磁场统一的理论，都应该正确描述量子力学中的现象。

仅此而已吗？

爱因斯坦的失败是相对论的失败造成的，体现了相对论的错误性。这一点与当年的牛顿有相似之处。牛顿没有解释万有引力的产生原因，不知道为什么行星会围绕着太阳转。他认为是上帝推了一把。牛顿在很年轻的时候，就创建了牛顿三定律、发现了万有引力定律，奠定了经典物理学的基础，成为经典物理学大师。这些成果集中在其巨著《自然哲学的数学原理》一书中，成为经典物理学的权威性著作。但是，很少人知道，在此之后，牛顿为了解释天体运动等问题开始研究圣经等书籍。转向了神学的研究。他写的关于神学的文章远比关于科学的多。这时的牛顿有时又像一个药剂师，像一个化学家那样，研究“神奇的化学物质”。

可能是维护牛顿的形象吧，这一点，在我们经典物理书中是很少涉及的。

爱因斯坦错了。我们需要反思，面对21世纪建立新的理论。

4、相对论与量子理论结合产生的怪胎

我们前面分析过，霍金结合量子理论研究引力场，从而得出了一系列关于黑洞、与宇宙演化的理论——黑洞的蒸发、奇点理论等。但是，在巨大的事实面前，他不只一次地放弃了他的这些研究成果。

完全一样地。相对论与量子理论的结合同样产生了粒子物理中的怪胎。

由于黑体辐射存在紫外灾难的问题，为此，普朗克用内插法推导出了黑体辐射的普朗克公式。在这里必须假设辐射的能量不是连续的，而是一份一份的。后来，爱因斯坦用此电磁波辐射能量的不连续性，解释了光电效应，并因此诞生了光子的概念。（普朗克和爱因斯坦因此成为量子理论的三个奠基人成员，另一个当然是哥本哈根学派的掌门人玻尔了。）

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普朗克

另外，新的实验发现原子吸收、辐射光子的能量也是不连续的。为此，在建立原子模型的过程中，量子力学奠基人、根本哈根学派的掌门人玻尔提出了三点假设。在此基础上成功地解释了氢原子光谱，并从理论上给出了里德堡（Rydberg）常数R=109677.581cm^-1。

大量事实表明，光子不但具有波动性，在光电效应、康普顿散射等实验中还表现出粒子性。借此，物理学家德布罗意用逆向思维认为，我们通常的粒子是不是也具有波动性哪？

于是，德布罗意提出了物质波的概念，并因此获得了诺贝尔奖。

物理学家薛定谔在物质波概念的基础上，建立了描述粒子运动的波动方程——薛定谔方程：

在量子力学中薛定谔方程就相当于牛顿力学中的牛顿第二定律。用薛定谔方程能完美地解释氢原子光谱，而不需要玻尔的三个假设。

这真是一个牛人倍出的年代！

薛定谔

当相对论诞生后，粒子的动能不能再用E=P²/2m，而是满足：

用后者取代前者，就得到了克莱因-戈登方程：

其中，

非常遗憾的是，此方程不能解释氢原子光谱，尤其存在由相对论能量公示得出的负能量解问题。后来，狄拉克建立了结合相对论的狄拉克方程。该方程可以解释氢原子光谱问题。但仍存在负能量解问题。

对此，狄拉克认为负能量的解是允许的。我们熟知的电子之所以没有掉进这一负能量空间中，是因为负能量状态的电子已经充满了真空中，真空就是一个充满负能量电子的海洋，其拥有无穷大的负能量。由于其分布的均匀性，使我们感觉不到他的电场的存在。后来，他又提出了真空的空穴理论。认为，一个负能量的电子，吸收2mc²的能量变为质量为m的正能量电子离开真空后，会在原地留下一个空穴。这个空穴带有与电子相反的电荷、相同的质量、能量，这个空穴被称为正电子。这样，真空就可以解释为含有正反粒子对的海洋。

狄拉克提出这一理论后，实验物理学家安德森在宇宙射线中发现了这个正电子。因此，安德森和狄拉克分别获得了1936和1933年的诺贝尔物理奖。

由于电子与正电子是对称的，因此，宇宙真空可以认为被负能量的负电子填满，也可以被认识被负能量的正电子填满。这只是一个假设问题，没有本质的区别。

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狄拉克

但问题还没有结束，

1916年爱因斯坦在其引力场方程中加入了宇宙项g_μνλ,其中g_μν为度规张量、λ为宇宙常数。由天文观测可知，我们的宇宙近乎是平直的。因此，λ=0。

在此基础上，海森堡进一步认为，宇宙的真空是包含无数的虚的正反电子对（粒子对）。这样，狄拉克意义下的空穴，就被真实的反粒子所取代了。原来的狄拉克真空就演化成了海森堡真空。这一转变非同小可，狄拉克的真空是一个拥有无穷大负能量的空间，而海森堡真空的能量密度变为零。从而解释了为什么宇宙常数为零：λ=0。

海森堡的真空理论解释了宇宙常数为零：λ=0，但还是没有解释为什么宇宙中正反物质的不对称性，即宇宙中天体主要以正物质粒子构成。

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海森伯

我们对此做一个简单的分析：

狄拉克认为在狄拉克真空中，由于原来的电场强度是零，当一个负能量电子吸收一个能量是2m_ec²的能量（如高能光子等）后，会变为一个质量是m的正能量的电子。这时真空因缺少一个负能量的电子，而出现一个空穴。失去一个质量是-m_e能量是-m_ec²的粒子，就相当于产生一个带一个正电荷e、质量是m_e、能量是m_ec²的粒子。

按照迪拉克的理论，宇宙中正反粒子是严格对称的。1933年12月狄拉克在诺贝尔奖的颁奖仪式上说，宇宙中有正反物质构成的天体是严格对称的。但是，我们观测到的事实是，宇宙中的天体主要是由正物质构成的，由反物质构成的天体至今没有发现。

而海森堡的真空理论认为，正反粒子拥有的质量、电荷、能量都是相反的。这一点与我们观测到的电子与反电子及所有的正反粒子对，在湮灭过程中释放出的能量是mc²的事实不相符。

也就是说，无论是狄拉克的真空理论，还是海森堡的真空理论都是不正确的。那么问题出在那哪？

我认为错误的根源在于相对论，是相对论能量公式存在负能量的解造成的，这是错误的根源。不消除这一本质性的错误，无论怎样解释都得不到正确的解。

在狄拉克真空中，正反粒子是通过吸收2m_ec²的能量才产生的。从本质上说，在狄拉克真空中只存在负能量的粒子。而在此基础上建立起来的海森堡真空，由于正反粒子拥有的质量、电荷、能量都是相反的，两者能量、质量、电荷之和等于零。因此，这实际上否定了狄拉克的具有无穷负能量的真空理论。

实际上，一方面，我们从没有发现真空中吸收一个高能光子而自发产生一对正反粒子对，正反粒子对都是在高能粒子间发生碰撞，或高能光子与原子核发生碰撞过程中产生的；另一方面，由狄拉克理论，充满负能量海的粒子，拥有与我们熟知的一切粒子一样的质量、电荷。只是能量是负值。这就产生了一个问题，这些拥有质量粒子的存在，为什么没有产生对宇宙天体的惯性阻力作用，它们拥有的电荷可以相互抵消，他们拥有的质量是不能相互抵消的，因此，必然对宇宙中天体的运动产生阻力的作用。同时，他们的存在会产生引力，由于他们以粒子的形式存在，因此，这些粒子在与恒星、我们人体的引力相互作用过程中，被吸向这些物体而与其发生湮灭反应。但我们并没有见到这一现象，不然，作者、读者、您眼前的真本书，早就在不断地湮灭反应过程中消失殆尽了。

还有，我们前面分析过，宇宙中存在大量的正反粒子对的产生与湮灭的过程，那么我们为什么没有见到这些光线的存在哪？为什么宇宙深空仍然是黑暗的？！

由于狄拉克相对论量子力学的建立，给真空赋予了更多的物理意义，因此，在当今的粒子物理中对宇称不守恒现象的解释也是认为与真空有关。是真空自发破缺造成的。正是真空发生了自发破缺现象，也使得从宇宙大爆炸开始，随着宇宙温度的降低，使得四种相互作用依次分开。

  真空的自发破缺

但是，一方面，现有理论并没有给出，真空的自发破缺是怎样使宇称出现不守恒的，自发破缺的自发性的根源是什么；另一方面，在量子理论中，空间的均匀性或说平移不变性与动量守恒一一对应、空间的各向同性或说旋转不变性与角动量守恒一一对应、时间的均匀性与能量守恒一一对应。这样，动量、能量、角动量的守恒现象为什么没有受到真空自发破缺的影响。

从整体的角度思考问题，真空的自发破缺理论是错误的。人们需要对这种正反粒子间的不对称性寻找新的解释。

这一切都源于在波动方程中用相对论能量公式带来的负能解。这是相对论给量子理论、粒子理论带来的灾难。

这种关于真空的认识，完全是一种唯心主义。一方面没有得到实验的证明；另一方面，这种无中生有的思想，根本就不是一种科学的态度。研究客观世界，必须首先承认世界的物质性、客观实在性。不在自己的理论中寻找问题的产生原因，而是一味地从真空寻找答案，这不是缘木求鱼吗？

现在的天体物理中，为了解释光线的红移，认为是宇宙大爆炸造成的。由于空间在扩张，因此，光子的波长被拉长了。这怎么可能？我请问，说这话的科学家及其信徒们不也存在于这颗空间吗？他们被膨胀的空间解体没有？

我不愿给这些人扣上唯心主义的帽子，但这绝谈不上求真务实！

物理学研究的，就是自然界中物质运动的规律，这客观上要求实事求是！

（未完待续）