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李学生:学习资深院士沈致远统一场论的体会

 学习资深院士沈致远统一场论的体会

                         

1、          您的理论以弱电统一理论为基础,温伯格等人于上世纪六十年创建了弱电统一理论,是粒子标准模型的最重要支柱.我认为弱电统一理论的困难不仅仅是具有无穷大的发散困难,还存在着其它值得深思的问题。如果弱电统一理论确实能将两种力统一起来,它就应该能够处理同一理论的特殊情况,即只有电磁相互作用或只有弱相互作用存在的情形.而且按道理,只有一种相互作用的情形应该比两种相互作用同时存在的情形要简单的多.可是事实恰恰相反.温伯格-萨拉姆的弱电统一理论只能处理电磁相互作用和弱相互作用同时存在的情形,而不能处理只有弱相互作用或只有电磁相互作用的情形.现代物理学认为弱相互作用和电磁力是一种力,中微子不带有电荷,没有电磁力,可是存在弱相互作用,如何理解这些关系?质子是稳定的粒子,实验测量到的质子的寿命至少不小于1058年,与大爆炸的理论得出宇宙的寿命还要长?为了得到弱和电的统一,物理学家大胆假定有W粒子作为中间粒子,它的质量要比作为母体的核子大100多倍.夸克禁闭在弱电统一理论中也没有满意的解释,我认为弱电统一理论以及大统一理论含有太多的人为假设,我一直怀疑其真理性,爱因斯坦讲:“大自然总是喜欢简单与美感。”,我认为简单本身就是一种美感。

2、          您的理论是以广义相对论为基础进行修改的,广义相对论的基础之一就是引力质量与惯性质量相等,并且对于任何参考系都成立,牛顿力学中二者的相等仅是在惯性系中成立,例如在二体问题中,如果以一个物体为参照系,另一个物体的质量必须为其折合质量(约化质量),此时系统为非惯性系,惯性质量(折合质量)不等于引力质量,如何协调这个问题?笔者认为广义相对论处理二体问题,必须是两个物体的质量相去甚远,以质量较大的物体为参考系,例如水星近日点的进动。广义相对论如何解释双星现象?

3、            广义相对论的困难并非仅是奇点问题,暗物质、暗能量问题也难以解释?您的理论如何解释?Einstein广义相对论的缺陷之一在于:无法解释“DI海格立斯双星进动问题.与我们相距2000光年之遥的“DI海格立斯双星的引力场强度远大于太阳对水星的引力场强度,各种引力理论都将面临严峻考验,它的进动问题一直困扰着天文学界.美国的两位天文学家爱德华·吉南和弗兰克·马洛尼,根据84年观测到的3000多个轨道历史数据,分析该双星运行规律,计算出其累计进动值为0.64.按照广义相对论的时空弯曲公式进行计算得到进动值2.34,这与实际观察值相差很大!20034,科学家发现双脉冲星PSRJ07373039A/B,它的引力场强度更大.双星进动实际观测值为:A(度/年),B(度/年).按照广义相对论得到进动值14.7.

4、          狭义相对论抛弃了以太,广义相对论又认为存在以太,这两种以太的区别广义相对论没有说明白?广义相对论中的以太指的又是什么呢?

5、          您所说的在广义相对论中引入几率,这与广义相对论的思想不一致,广义相对论主要在宇宙大空间中应用,那么星体的运动也符合几率?

6、          您所讲的在小于1/4普朗克长度时变为斥力,引力突然消失,没有过渡状态?类比于分子之间的引力与斥力,应该存在一个过渡状态,合力为0.此时增加一个引力,说明物理学中除了已知的四种力,还存在其它力?引力是时空曲率的效应,这样一种表述需要调整?我认为需要对于弱相互作用重新认识,不仅仅适用于微观世界,它应当视为与万有引力相对抗的斥力,两个质点之间始终存在万有引力、弱相互作用,宏观世界、宇观世界里弱相互作用非常弱,可以认为近似不存在,在小于1/4普朗克长度下,弱相互作用明显大于万有引力,在宇观世界里它们合力的大小可能大于万有引力定律的计算结果,这样才出现暗物质现象,其实根本不存在暗物质。

7、          爱因斯坦晚年致力于统一场论的研究,30年没有结果,称目前的数学无法完成统一,我比较赞同这个观点。我甚至认为将来也不可能存在包罗万象的统一场论,认为人们的认识具有局限性,我们可以认为存在,逐步接近但永远不可能达到,就像数学中的渐近线一样。

爱因斯坦晚年认识到电磁场与引力场之所以暂时无法统一,主要是在电磁现象中引入质量的概念,爱因斯坦曾经计算过电子的电磁质量,没有结果,彭桓武认为只能用未来的数学来计算,这个问题并不是一个简单积分的问题。我经过20多年的思考,发现电磁质量不是引力质量的一部分,例如如下:电子的电磁质量不是电子静止质量的一部分

1916年Einstein完成广义相对论以后,基于物质世界的统一性和内在和谐性信念,认为广义相对论只能描述引力场是不够的,应该将广义相对论加以推广,使它不仅能够描述引力场,同时也能够描述电磁场.在Einstein看来“还不能断言,广义相对论中今天可以看作是定论的那些部分已为物理学提供了一个完整的和令人满意的基础.首先,出现在它里面的总场是由逻辑上毫无关系的两部分,即引力部分和电磁部分所组成的.其次,象以前的场论一样,这理论直到现在还未提出一个关于物质的原子论性结构的解释.这种失败,也许同它对理解量子现象至今尚无贡献这一事实多少有点关系.Einstein在《论动体的电动力学》中的原始公式如下:,式中W为电子的动能;μ为电子质量;V为光速;v为电子的运动速度.Einstein在论文中谈到:“在比较电子运动的不同理论时,我们必须非常谨慎.这些关于质量的结果也适用于有质的质点上,因为一个有质的质点加上一个任意小的电荷,就能成为一个(我们所讲的)电子.”Einstein说:“既然依据我们今天的见解,物质的基本粒子按其本质来说,不过是电磁场的凝聚,而决非别的什么,那末我们今天的世界图像,就得承认有两种在概念上彼此完全独立的(尽管在因果关系上是相互联系的)实在,即引力场和电磁场,或者——人们还可以把它们叫做——空间和物质.”爱因斯坦1905年3月曾经指出:“在物理学家关于气体或其他有重物体所形成的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间,有着深刻的形式上的分歧.”







诺贝尔奖的生物学家彼得-梅达瓦说,科学家思维缜密、不会犯错的形象,“只是帘子打开,公众看到我们的时候,我们更愿意展现的一种姿态.”梅达瓦指出,科学家不是圣人,偶尔也会犯错.

 笔者通过认真地思考后认为电子的电磁质量不可能是引力质量的一部分,原因有十六个方面:1、根据广义相对论,物理定律对于任何物理定律具有相同的形式.当电子在引力场中加速运动的时候,其电量是不变,不满足Lorentz transformation,所以其电磁质量也应该不变,根据经典电动力学如果把电子看做球体的话电子的静电能与电量的平方成正比.如果电子的电磁质量与运动速度有关,满足,那么电子的电荷具有的能量也满足Lorentz transformation,不符合广义相对论的要求.

根据经典电动力学电子的电磁质量m∝Q2/r,如果将来通过某种手段把电子的半径变为原来的2倍,电磁质量变为原来的1/2,可是根据洛伦兹变换电子的静止质量没有变化,可以得出电子的电磁质量不是定值.假设一个带电球体电量为Q,电磁质量为m,然后使其电量增加一倍,电磁质量是否为4m?根据经典电动力学质子与正电子的电磁质量不相等,因为半径不相同.现代物理学认为电磁质量由电荷附近的电磁场分布结构决定,与电荷没有多大的直接关系,只是间接关系.因此质子与正电子的电磁质量应该相等.电荷附近的电磁场的源是电荷,但当电荷运动的时候,电荷附近的电磁场分布结构会发生变化,如发生压缩畸变,其分布结构是速度的函数,这可见一般教材,因此电磁质量也是速度的函数,满足.当运动速度为0时,电子和质子的电磁质量是否相等?当一个质子与电子组成11H时,总体看不带电,电磁质量为0,可是两个微观粒子均具有电磁质量,如何理解?

2、物体的静止质量是内禀的,是个常数,有人认为电磁质量是应该与静止质量有关的,电磁场的能量由电荷决定,电量与带电体的运动状态无关,引力质量与运动状态有关.假设电子的静止引力质量是m,电子的电磁质量是m1,电子的引力质量另外的部分为m-m1.当电子以 c运动时,根据洛伦兹变换此时电子的引力质量为2m,电子的引力质量另外的部分为2m-2m1,电子的电磁质量应当为2m1,可是电子的电量没有变化,显然存在着不和谐.电量不满足Lorentz transformation,因此把电磁质量作为引力质量的一部分存在着不协调性——只要维持电子电荷值不变的观念,这个问题不管怎么也解释不通.这中间,要么质速关系式错了,要么就是电子电荷值不变的信念错了,然而这与实验事实又高度一致.由于公式E=mc2,物体的引力结合能具有(负)质量,因而系统总质量不等于各部分质量之和.而在麦克斯韦理论中,作为线性理论的直接结果,电荷(类比于质量)是严格可加的.

3、电磁力存在吸引与排斥两种状态,只有物体带电时才有,而引力是永远存在的;如果电磁质量是引力质量的一部分,那么库仑力也应当是万有引力的一部分,电子、质子等带电粒子之间的电磁力远大于万有引力,电磁质量远大于引力质量,电磁质量不可能是引力质量的一部分;电子激发的电磁场的能量小于电子的电磁质量,正如物体激发的引力场能量小于引力质量的能量一样.通过将1个氢原子作为模型和对比,可求出氢原子上正电子对壳上负电子的电磁力Fe与原子核质量与壳上电子质量的引力Fg之比,即Fe/Fg= Ln =2.271039= 狄拉克大数,这是因为静电力和引力都同时作用在电子和原子核上,而有着同一个距离R.

4、根据质速关系引力质量可以连续变化,而电荷和电磁场呈量子化分布,现代物理学未让量子力学进入的唯一领域是引力和宇宙的大尺度结构,将引力场量子化遇到无穷大的困难.重整化可以消除无限大的问题,但是由于重整化意味着引力质量作用力的强度的实际值不能从理论上得到预言,必须被选择以去适合观测,因此重整化有一严重缺陷.目前要取得进展,能够建议采用的最有力的方法,就是在企图完成和推广组成理论物理现有基础的数学形式时,利用纯数学的所有源泉,并在这个方面取得每次成功之后,试着用物理的实体来解释新的数学特色. 如何把量子论和弯曲时空(即广义相对论)结合起来却是十分困难的事情.到现在为止,虽然学术界在电磁场、电子场等各种物质场的量子化中取得了极其成功的进展,但引力场量子化的工作却遇到了意想不到的巨大困难.到目前为止,所有试图把引力场量子化的理论(包括超弦和圈量子引力理论)都存在问题.在物理学发展过程中,量子论引起的疑义始终多于相对论.量子论留给了人们太多的争议.Einstein曾经说过,我思考量子论的时间几乎是思考相对论的100倍,但是我还是不清楚什么是光量子.

5、电荷具有正负,电磁质量应当相反,而物体的引力质量无此区别.现代物理学认为中子有一个上夸克和两个下夸克组成,外观上看电量为0,由于每个夸克均激发电磁场,因此电磁质量不等于0,显然存在不协调性.电荷分为正负,但电场的能量密度却总是正的,所以积分得到的电磁能量总是正的,因而电磁质量也总是一个正值.根据牛顿第二定律,惯性质量是表征当物体受到外力作用的时候,物体运动状态改变的难易程度,即物体保持原来运动状态的本领大小的物理量.这个和电荷的正负无关,所以正负电子可以具有相同的惯性质量.当正负电荷中和的时候,电磁质量减少,引力质量没增加,但正负电荷中和会释放原来具有的电势能,即原来的电磁质量会转化为别的能量,如正负电荷中和释放两个光子,则原来的电磁质量就转化到了光子中.那么转化的机制是什么?同种电荷的电磁力相互排斥,异种电荷的电磁力相互吸引,电荷之间的作用力依靠电磁场来传递,为什么电磁场的能量都是正值?一个中性原子的电磁场的能量为0,说明正负电荷激发的电磁场的能量相反.

6、Einstein的广义相对论是引力理论,把引力场量子化给出引力场的量子成为引力子,它应具有自旋为2,和lectriec field的量子——光子性质很不相同.近年来理论上对超对称性的探讨提供了新的可能性,超对称性在自旋不同的粒子间建立了联系,因此就有可能把引力相互作用和其它相互作用联系起来,通过超对称性建立的四种相互作用的统一理论称为超大统一理论.但是根据对称的相对性与绝对性原理,超对称的工作是没有止境的.超对称要求除引力子外,还应当有自旋3/2的引力微子存在,但是实验上并没有发现它的存在.

7、引力质量都占有一定的空间,也就是具有体积,而电磁质量没有体积,因此量子电动力学的点模型观点是正确的.

8、电磁质量和引力质量可以分离,存在Maxwell理论中脱离物体携带能量的场.最近,法国里昂的科学家发现了有四个中子组成的粒子,又称为“零号元素”.最新的实验表明,中微子具有引力质量,大约为电子引力质量的50000分之一.中微子具有引力质量但是不带有electric charge——电磁质量.现代物理学认为除了带电介子外,还存在中性介子,其(引力)质量恰好等于或者近似等于(其实相等)带电介子的(引力)质量,性质相似.Einstein指出了波函数坍缩过程与相对论之间的不相容性,Einstein的这一分析是关于量子力学与相对论的不相容性的最早认识.或许有人会说电磁质量与引力质量是毫无关系的两部分,那么有何作用力把它们联系在一起,笔者认为靠作用力联系在一起,是引力质量、电磁质量各自联系的思想,没有任何作用力也可以联系在一起.

9、布朗粒子满足能量均分定理,在绝对温度为0时,动能为0,可是受量子力学支配的物体即使温度为零,也同样具有一定的动能.布朗粒子的能量均分定理研究的是引力质量问题,量子力学研究的是电磁质量,绝对温度为0时,引力质量能量为0,可是电磁质量的能量仍然不为0.

10如果两个电荷都具有引力质量,那么它们之间除了具有电磁相互作用之外还具有万有引力作用,两种作用显然不一致,不满足简单性原则.

11、在牛顿动力学中,暗含着将以下一点视为当然的事,即同时测量(即知道)一个粒子(一个质点)的位置和动量在原则上是可能的.这种可能性隐含在运动定律本身中:运动的二阶微分方程的解要求知道x和px的某个同一时刻的初始值,但是这种可能性在量子力学中从根本上被否定.牛顿动力学中运动方程是决定论的和因果律的,即从一个由系统的粒子之坐标和动量所规定的已知初态出发,运动方程以一种决定论的方式导致一切其后时刻的确定状态.这导致拉普拉斯(1749-1827)宣称:一旦给出了某一瞬间宇宙中所有星星的位置和动量,那么,宇宙过去和未来的状态都将完全被决定,但这种决定论和因果律在量子力学中基本上被否定.

12、Einstein在创立广义相对论的过程中通过电梯说明了等效原理,可是当电梯如果带有电荷,特别是当电荷的电性相反时和相同时,等效原理显然不成立,这说明广义相对论仅仅适用于引力场,不适用于电磁场.

13对于一个宏观物体来说,P=h/λ,E=mc2=hν=hc/λ,所以λ=h/mc≠0.假设P=MV=h/λ=h/(V/ν)=hν/V,则hν=MV2.这与E=mc2是矛盾的.

14现代物理学认为微观粒子包括玻色子和费马子,前者不满足泡利不相容原理,后者满足泡利不相容原理.笔者认为前者无静止质量,应该为只有电磁质量组成的粒子;后者具有静止质量,是有引力质量组成的粒子或者是电磁质量和引力质量共同组成的粒子.

15、设原来静止的氯离子与光子碰撞后吸收了光子而以的速度运动,则由能量守恒定律有:   (1),式中和分别是氯离子的静止质量和运动质量,为入射光子的频率.又由动量守恒定律有: (2),由(1)式得:  ,由(2)式得:.显然,分别由能量守恒定律和动量守恒定律决定的氯离子运动速度不相同.假设碰撞前氯离子的运动速度与入射光子的速度相互垂直,光子与处于运动状态的氯离子碰撞后被吸收,则由能量守恒定律应有:  (3),式中为氯离子的静止质量,为氯离子碰撞前的动质量,为氯离子碰撞后的动质量.又由动量守恒定律有:X方向:;Y方向: ;将两式取平方并相加,得:      (4),由式(3)得:,由式(4)得:,可见,由式(3)和式(4)决定的速度不同.

16、位移电流的存在说明了电磁质量可以与引力质量分离.

质量与电荷这两个物理属性,应该是平权地相互依存于一个统一体——有质(指静止质量)粒子中的(这就象一枚硬币的两个面),即有质粒子的质量与电荷具有对偶特性.由此对偶特性可以得出一个重要的推论:即有静质的中性粒子一定是有结构的.由于这个对偶特性,决定了引力场与电磁场之间存在着惊人的类比:两者都是远程相互作用场;都服从平方反比定律;都是有源场且场量子静质为零等.其次,从Colemann-Mandula定理的描述来看,该定理也许就是质量-电荷对偶特性的内核.质量-电荷的对偶特性也许还可以为我们找到另一个重要问题的答案:在目前的自然界中,相互作用力为何是四种,并且正好是两种远程和两种短程的相互作用力.

在宏观条件下,检验电磁质量对引力质量的影响是很有必要的.一是将物体(不是微观粒子!)加以强电场(充至高电压)或强磁场(超强磁化),然后在屏蔽状态下用精密天平(防止天平被磁化或带电)测定其质量是否与未充电和磁化时相同?现代技术应能做这样的测定.其二,在真空室中,对充至高电压的物体加以电场,对超强磁化的物体加以磁场(去屏蔽!),与引力平衡,以判别其电磁质量是否改变引力质量?再在强电场或强磁场的架空(悬浮)下,给予横向电场或磁场,使之作无磨擦运动,以测定其惯性质量,与天平测量值比较.

Einstein在相对论导论里指出:“所有思想,特别是科学思想,本质上都是构建性、推断性的.”例如,麦克斯韦认为“整个宇宙是一个电磁场”,这是他将其电磁理论进一步泛化,推论出的一个思想;Einstein认为“整个宇宙是一个引力场”,这是他将广义相对论进一步泛化,推出的又一个思想.

由于电磁质量不是引力质量(惯性质量)的一部分,电子的电磁质量问题便彻底解决了,广义相对论和牛顿力学是研究引力质量(惯性质量),满足因果律;量子力学是研究电磁质量的,不满足经典的因果律,二者的运动规律不相同,因此Einstein与波尔关于量子力学基础的争论就可以暂时宣告结束了,Einstein晚年认为量子力学背后存在更本质内涵的想法是正确的.笔者认为当年物理学提出的横向质量即引力质量(惯性质量),纵向质量即电磁质量,现代物理学经过多年的整理发展,实际已经背离了当年的思路.正如恩格斯:《自然辩证法》中写到“卡诺差不多已经探究到问题的底蕴.阻碍他完全解决这个问题的并不是事实材料的不足,而只是一个先入为主的错误理论”.

1926年,埃尔温·薛定谔写下了他的量子波等式,在此后的几十年间,人们认为这个等式仅仅与分子、原子和亚原子粒子等一些微小的领域相关.但是,1957年,普林斯顿大学的休·艾福雷特博士对Einstein在半个世纪之前的建议——要严肃对待数学作出了回应.艾福雷特认为,薛定谔的等式应该可以适用于任何方面,因为所有的物质,无论大小,都由原子、分子和亚原子粒子组成,而这些粒子全部遵循薛定谔提出的概率法则.笔者认为应该对于所有的电磁质量.科学家因“经加速器加速的两个高速运动电子对心碰撞,反应产物中找不到电子碎片”的实验结果,得出电子是一个整体、不可粉碎的结论.当电子的能量足够大时,“反应的产物中可能找到三个电子和一个正电子”.说明时空参与了引力质量能量的交换,电磁质量没有改变.

附录:电子可分裂为自旋子和轨道子

 



据物理学家组织网、《自然》网站等媒体4月18日报道,最近,一个由瑞士保罗·谢尔研究所实验物理学家和德国德累斯顿固体和材料研究所理论物理学家领导的国际研究小组通过实验发现,一个电子分裂成两个独立的准粒子:自旋子(spinon)和轨道子(orbiton).这一结果发表在近日的《自然》杂志上.

以往人们认为电子是一种基本粒子,无法分裂为更小部分.上世纪80年代,物理学家预言,电子以原子的一维链形式存在,可以分裂成3个准粒子:空穴子携带电子电荷,自旋子携带旋转属性(一种与磁性有关的内在量子性质),轨道子携带轨道位.1996年,物理学家将电子空穴和自旋子分开,自旋和轨道这两种性质伴随着每一个电子.

然而,新实验观察到这两种性质分开了——电子衰变为两个不同部分,各自携带电子的部分属性:一个是自旋子,具有电子的旋转属性;另一个是轨道子,具有电子绕核运动的属性,但这些新粒子都无法离开它们的物质材料.

研究人员用瑞士光源(Swiss LightSource)的X射线对一种叫做Sr2CuO3的锶铜氧化物进行照射,让其中铜原子的电子跃迁到高能轨道,相应电子绕核运动的速度也就越高.他们发现,电子被X射线激发后分裂为两部分:一个是轨道子,产生轨道能量;另一个是自旋子,携带电子的自旋性及其他性质.Sr2CuO3有着特殊性质,材料中的粒子会被限制只能以一个方向运动,向前或向后.通过比较X射线照射材料前后的能量与动量的变换,可以追踪分析新生粒子的性质.

实验小组领导托斯登·施密特说:“这些实验不仅需要很强的X射线,把能量收缩在极狭窄范围,才能对铜原子的电子产生影响,还要有极高精度的X射线探测仪.”

“这是首次观察到电子分成了独立的自旋子和轨道子.现在我们知道了怎样找到它们.下一步是同时产生出空穴子、自旋子和轨道子来.”理论小组领导杰罗恩·范德·布林克说,“在材料中,这些准粒子能以不同的速度、完全不同的方向运动.这是因为它们被限制在材料中时,性质就像波.当被激发时,波分裂为多个,每个携带电子的不同特征,但它们不能在材料以外独立存在.”

观察到电子分裂将对一些前沿领域产生重要影响,如高温超导和量子计算机.Sr2CuO3中的电子和铜基超导材料中的电子有着相似的性质,该研究为高温超导研究提供了一条新途径.此外,研究轨道子有助于开发量子计算机.“同时用自旋子和轨道子来编码和操控信息,这可能是未来发展的方向.”英国牛津大学物理学家安德鲁·波斯罗伊德说,“量子计算机的一个主要障碍是量子效应会在完成计算之前被破坏.而轨道子的跃迁速度只要几飞秒(1飞秒=10-15秒),这样的速度为制造现实量子计算机带来了更多机会.”(来源:科技日报常丽君)

笔者注:以上实验说明电子的引力质量和电子质量在一定条件下可以分离。


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