| 统一大自然 胡忠林 hzl631016@163.net ［摘要］传统的科研方法，遭受了前所未有的阻碍，必须另辟蹊径。本文率先提出“平衡”公理，建立了物质世界从无到有的逻辑框架，并在此基础上着重探讨了李政道教授提出的二十一世纪物理学面临的四大难题：破缺对称、夸克看不见、宇宙暗物质和类星体[1]。新理论的问世，将对生命科学、纳米科技产生革命性的影响。 ［关键词］“平衡”公理、整体均匀、动态均匀 新理论序言 人类科学知识的积累，绝大多数是依靠归纳法获得的。然而，这一进程目前却遭到了严重的阻碍——人们不知道电子是如何组成的，单个夸克又是不可观察的。类似的困难也出现在其它研究领域：虽然人类已破解了人类遗传基因图谱，但想象中的突破并没有如期到来。上述事实表明：一方面我们不知道构成这个世界的最基本元素是什么，另一方面即使破解了某一层次的“基本元素”，也不知道如何用它去构造。 凡事追根求源的爱因斯坦在理论物理学的成就，远远超过任何一个“装备精良”的理论物理学家。而他本人惯常使用的哲学思辨和演绎推理两大“重型武器”，却一直被当今理论物理学界束之高阁。究其原因，不是理论界看不起爱因斯坦，而是这条路太艰难了！用爱因斯坦本人的话说：“是在木板最厚的地方打洞”。 虽然爱因斯坦和哥本哈根学派的辩论以爱因斯坦先行辞世而告一段落，但历史的天平正渐渐偏向爱因斯坦一方［2］。 “统一场论”是爱因斯坦倾注整个后半生的努力方向，现在虽已受到广泛的关注，但至今理论仍远不是一个，至少已有三个互相平行的分支理论：量子物理学、广义相对论和复杂性物理学。 三大分支理论完全融合的根本障碍在于量子物理学几率因果的理论缺陷。尽管从实验和数学模型方面看，量子物理学确实接近了登峰造极的地步（因为测不准原理和数学模型的局域性都是无法突破的天堑）。但这并不意味着几率因果就是我们对微观物质世界的终极理解，因为逻辑推理可以突破任何技术和条件的限制！ 严密的逻辑推理，完全可以找到微观世界变化的原动力。确定微观世界因果关系的逻辑线索，就可以为广义相对论奠定时空量子化的基础。不应该过分迷信量子物理学的相关理论，因为引力观测事实表明：90％以上的物质（宇宙暗物质）是量子物理学根本一无所知的。 作为基础研究的量子物理学无法提供物质演化的动力学依据，是一切相关理论难以取得最终突破的关键。另一方面，量子物理学如果死抱住“对称”这个动力学替身不放，置普遍存在、生机盎然的宏观“破缺对称”世界于不顾，继续所谓的“超对称”研究，不仅不能发挥其基础学科的拓荒作用，而且自身的研究也势必钻进毫无希望的死胡同。 找到微观和宏观世界变化的动力源，无疑需要一场深刻的哲学革命。遗憾的是：单纯的哲学革命，物理学家们会轻蔑地嗤之以鼻，传统意义的哲学家们却理直气壮地声称看不懂。而把两者综合起来，又无法做到简单明了，学术期刊不予发表。所以本文暂时保留哲学层面的论述，直接面对实际的物理现象，希望通过粗浅的解析，唤起整个学术界对新思想的关注。 “宇宙大爆炸”一类的物质起源理论，其三大支柱：宇宙学红移、背景辐射和氦丰度，本理论均有更合理的解释。如果接受了新理论，它们都是当然的结论，所以没有必要单独讨论这些枝节问题。要实现物理学真正意义上的统一，一切必须从源头开始——而不是从一个来历不明的“原始火球”。 平衡理论 传统科学理论把研究对象分为：研究客体、环境和观察者三部分，对于能够分离出来单独研究的项目，这种方法无疑有着明显的简捷优势。但并不是所有的研究客体都允许做这种简单化处理：超微观客体总是伴随着无法分割的“强关联”，连“观察”都是被禁止的。事实表明：“强关联”现象在宏观领域也比比皆是，只是没有引起理论界足够的重视。要彻底揭开大自然的奥秘，必须把物质世界作为一个整体，进行全面的研究。新的研究方法，不仅要求研究者有卓越的演绎推理能力，还必须具备广博、全面的学识。 现实世界中的所有物质都有共同的起源，遵循共同的发展规律。所有的物质都是宇宙本原物质的不同存在形式而已。根据引力强度推算：宇宙本原物质的尺度在10－35米范围，为叙述上的方便，不妨借用历史上的称谓，将这种本原物质命名为：“以太”。这里不要求“以太”具备任何超自然的性质，你完全可以把它理解为空间的基本属性或广义相对论进行时空量子化处理的最小单位。 “平衡”公理：如果某一体系内只含有唯一的一种元素（可以忽略边界问题），则这种元素的分布状态是均匀的。 没有理由认为某些元素能够特殊存在，因为它们都是同等的。等价的逻辑表述（逆否命题）为：如果某些元素局部特殊存在，必定具备相应的特殊理由。也就是说：对于单一体系，均匀是无条件的；非均匀是有条件的，它并不能根本上违背均匀规律。逻辑上可以把非均匀状态视为均匀状态的特殊（动态）存在形式，因为去除特殊条件，体系就会自动回到均匀状态。这是所有微观变化的动力学基础——局部允许以任何可能的状态存在，但整体必须符合动态均匀。 海面上浮起的一座座冰山，并没有破坏海平面的水平状况；河面上的巨大漩涡，也不能根本改变其整体“水平面”；星球物质的聚集，真的也不会破坏“以太”宇宙整体均匀分布吗？ 这样的结论确实有石破天惊的份量，只有看透所有变化的人，才能有如此卓然的胆识。实际上“平衡论”也在用“群”的概念来理解这个变幻莫测的物质世界，只是那样庞大的“变换群”，是“规范场论”所无法直接演算的。 你可以设计出各种本征态算符，它们都是对称发生的：高伴随着低、左旋伴随着右旋，宇宙整体总是动态均匀的。理想化的、由“以太”组成的原始宇宙，允许这种动态过程的发生。虚能量的发生，现已得到量子物理学的验证，理论值和实验的吻合程度可精确到小数点第九位数字。但虚能量的发生细节却一直是量子物理学不愿深究的问题，从理论上可以肯定它是局部均匀状态瞬间破坏的产物。如果把均匀状态视为平衡，则非均匀状态就是非平衡态。由公理可知：非平衡无法静态保持，不平衡是所有变化得以发生的根本原因。 最简单的不平衡方式首推简谐振荡，就像水中的波涛。“以太”的简谐振荡就是光子能，“以太”是光能的媒介和载体。光子发生的细节内容很多，不妨留待以后详加讨论。光的波粒二相性可以这样理解：“波”是媒介整体的自调节反应，“粒”是光子的量子性，二者是局部和整体的对应关系。我们没有办法同时测量到波性和粒性，但二者可以等量代换。瞬间涨落产生的虚能量（光子对）并不会全部消逝，因为光子对的湮灭条件非常苛刻，机会稍纵即逝。失去湮灭机会的光子就能被保留下来，“以太”空间长此以来，便会积累起大量的光子。 早期宇宙的光子分布不会呈星系样聚集，而应均匀分布，如同海面的波浪所呈现的规律。在这样的整体中，没有理由认为某个局部能稳定地保持特殊状态。光子的均衡分布至少应包含两方面的内容：光子的平均能量密度和自旋。两项内容至今都有普遍意义的表现：温度自动趋同和自然光的非偏振性。至此，“以太”空间已存在三种动态调节机制：“以太”密度、光子能量密度和偏振状态。它们可以相互影响，但很难同时兼顾，而任何一方面的不平衡都会成为新变化的动力。 物质世界的发展，每一步都是极其简单的过程，它始终遵循着唯一的发展规律。若用演绎的方法，一切都将一目了然。当然，若是没有人类科学的长期积累，尤其是量子物理学和复杂物理学的伟大成果为依据，演绎法就只能是一场空谈。 “四大难题”初探 大气和海洋均可以视为近似单一体系，常态下近似均匀分布。但由于各种原因造成的能量分布的不均衡，就能够自发产生远离平衡态变化，也能形成自激励组织机制。大气龙卷风和水中“孤子”现象就是其具体表现。“以太”空间更容易产生这类自组织结构，因为“以太”微观环境瞬间能量差更大（γ射线和普通光子能量之差），变速（光速）更快，空间变化范围更广。按照分形物理学的自相似原理推断：若将形成龙卷风的大气分子缩小到“以太”尺度理解，则相应的“以太”龙卷风径围不会超过10－20米，而且呈球形，这是由于“以太”空间各向同性的缘故。 与“以太”龙卷风相对应的微观实物就是大名鼎鼎的中微子家族。我们所知道的中微子内部有负螺旋结构，而且只有右旋，没有左旋，表明它不是成对产生的。自然界为什么当初选择了右旋而不是左旋，似乎不需要特殊的理由。因为自组织结构的建立都含有某种偶然性，而且可以通过自然选择、遗传等机制，把原本属于随机性的差异发扬光大。左旋中微子肯定也有，但其进一步发展的“市场”空间被右旋中微子垄断了。可以肯定的是：大量中微子（右旋）及其衍化物，破坏了整个宇宙空间整体的对称，也为构成生命体的有机物都是左旋旋光物质埋下了伏笔，中性K介子的“不对称衰变”正缘由于此。［破缺对称原理］ 原始“以太”场可以自发产生光子和“孤子”，前者属于近平衡态变化，代表着“以太”的简谐振荡；后者属于远离平衡态变化，可以把它理解为龙卷风一类的形象，因为普通人对“孤子”现象了解得太少了。孤子理论是现代非线性物理学的主要成果之一，它极大地拓展了粒子物理学的研究领域。“孤子”可以多种多样，它们不仅符合粒子间的相互作用规律，也遵循自然发生、适者生存的生物进化规律。人类对中微子家族的了解，着实少得可怜，因为目前掌握的线索均来源于间接实验结果。 但根据逻辑推理，完全可以得到更多的信息。首先能够确定：中微子的寿命长短不一，这取决于它所处的微观环境，就像小龙卷风。虽然它们经常解体、死亡，但还会再生，不平衡因素不会凭空消逝。它的平均寿命不会很长，太阳中微子在到达地球的八分多钟时间内（以光速计），数量便锐减三分之一以上，这其中肯定还包括再生的中微子。新的实验已经证明：中微子确实发生了转化[2]。 中微子的存在，破坏了空间的同一性，就像龙卷风必然影响周围的空气一样。能量最大的那些光子（以下简称“重光子”），既是远离平衡态的始作俑者，也是中微子持续存在的支持者。还因为重光子的波长短，比一般光子更容易受到中微子的影响。众多的中微子，使它们失去了在空间旅行的自由，它们和中微子组成的新物质结构，就是当代物理学家们魂牵梦萦的“自由夸克”。中微子吸引重光子的作用就是“弱力”，弱力实质上就是局部均匀被破坏的补偿，原理、力程和强度都可参照龙卷风理解。任何破坏以太均匀分布的客观实在，都必须伴随相应的补偿机制，强力、电力和引力都是平衡规律（代偿平衡）的产物。如果整个宇宙空间以太分布重新恢复均匀状态，这些基本相互作用都将消失得无影无踪。现在我们很难再观察到自由夸克，因为重光子大多被禁锢了，就像地球上最原始的生命形式现在很难再重新诞生、也很难以原始状态生存一样——大环境不同了。［夸克看不见］ 小龙卷风的寿命，都是非常短暂的。当很多的小龙卷风，融合成大龙卷风时，它的寿命就可大大延长，威力也呈几何倍数地增长。研究气象的人都知道：大龙卷风内部有很多“迷你龙卷风”，两者的威力显然不在同一个数量级——这就是强力和弱力的差别。只要环境许可，自由夸克有进化成“夸克小团体”的自然趋势，强力也随之诞生。夸克间通过相互交换重光子，保持自身的稳定，一旦这种交换不能继续，夸克集团便宣告解体。大自然并不禁止两个或多个夸克组成的集团，但三角形的联系是最有效、最稳定的，所以三个夸克组成的集团，在重光子逐步被禁锢，成为稀缺资源时，必然成为进化产物的主流。 原始宇宙肯定有过“夸克汤”时代！想想如果银河系的所有质能，都全部释放出来（连中子、质子也解体），整个银河系空间会是多么耀眼！一百三十多亿年前的银河系空间肯定就这样明亮过。现在观测极尽遥远的空间还可以提供相关证据，因为那里的空间能量表现出的是还没有被禁锢成稳定质量的情形。它们所有的能量都在天空中游弋，而太阳释放给天空的能量，只是参与核聚变亏损的少部分质能！ 幸运的是：近几年，天文学观测已经证实，宇宙深处存在着各向同性的巨大能量释放机制——宇宙γ射线暴［3］！“夸克汤”空间会随着引力的作用（引力机制另述），进一步演化成“类星体” ，γ射线暴就发生于这一过程之中。“类星体”对自由夸克静止质量的稳定有保护作用，由于能量相对集中，所以比“夸克汤”空间更容易被观察。而且从理论上说“类星体”比“夸克汤”空间与我们的时空距离更近。从类星体的光谱分析结果可知：相当数量的类星体还没有产生出稳定的原子结构。［类星体能量之谜］ 类星体进一步演化，重光子随夸克被禁锢，大量的轻光子被辐射出去。类星体周围空间残留的就是“宇宙暗物质”——大量的中微子家族成员（包括左旋中微子）及其它初级物质形式。能够演变成更高级物质形式的能量毕竟是少数，生物世界中的这种“少数”已经有了两种含义：少数的物质种类和少数的可见物质。就像只有少数种类的猴子进化成了人，更多的中间物质形式被淘汰了；而且，当你看到一千只壁虎，一定可以断定有更多的蚊虫。多数的物质形式，游离于我们的观察之外，它们无疑都是客观存在，是高级物质形式的存在基础。宇宙中绝大多数的物质存在形式，不同于我们的星球物质——这几乎是无需再依靠观察去证实的结论。［宇宙暗物质］ 就像“中子星”内的中子一样，类星体中的中子由于环境的关系也可以是相当稳定的。但随着星体的不断冷却，作为耗散结构的中子，势必会向着完善自组织结构的方向发展，以减少对环境的过度依赖。这既是物质进化的发展方向，也是自然选择的必然结果，它和植物、动物面临生存压力下的进化机制同出一辙。简言之，中子分化出了正、负电荷，就像动、植物的性分化，这是自组织结构进化方式（相互依存）的普遍原理。电荷的作用，只是把空间本已存在的光子水平的自然平衡量子化、有序化。现在我们仍可观察到太阳局部磁场的巨大变化（太阳黑子），它并不来源于电荷的运动，这才是光子自然平衡的本来面目。 最初的生物都是单性的，即使对生物学一窍不通的人也明白：两性关系是这个世界上最复杂难懂的相互作用，电性分化也有如此丰富的内容。弄明白电磁相互作用机理，至少花费笔者十年的精力，要说明白它，不是这篇短文所能企及的。 中子分化为质子和电子，然后就出现了最简单的原子－—氢原子。氢原子星云进一步演化成恒星，分化出各种原子，组成分子，直至地球上的分子进化出最简单的生命。然后由原生物、单细胞生物，进化出多细胞生物……最后，猿猴进化为人类。物质的进化一直都在延续、在创新，进化的脚步从没有停止过，也不可能停止！ 以上推论省略了中间过程，如同地球生物漫长的进化史一样，细节是无穷无尽的，但它们都遵循“物竟天择，适者生存”的自然进化规律——甚至包括普通化学反应，也逃脱不了这一普遍规律。在对撞机里可以很容易地观察到各种短命粒子，它们更能反映真实的规律。现在能自然观察到的都是成功进化者的后代，不用感叹它们的精巧与神奇，大自然的鬼斧神工在宏观世界也随处可见。——包括人的大脑。 所有修补行为，在旧理论框架内是无法证明其错误的。因为它首先规定自己的理论是正确的，然后通过合法的修补手段，总能得出与事实一致的结论。用广义相对论可以准确计算所有已知的天体运行规律，包括人们原先不曾预料到的潮汐力、暗物质等等。但若不预先告诉事实结果，便不知道应该如何修补。相信以下问题，学术界的答案不会是唯一的：假如我们有办法把月球的公转速度降为零，接下来会发生什么现象？假如把水星和木星位置互调，木星的前途会怎样？ 期待完善 没有根基的理论可以解决“是什么”，但回答不了“为什么”。由于掌握了微观世界变化的动力学基础，所以笔者能够从微观的层面上理解因果关系，能够用同一规律融合四种基本相互作用；能够详细解释天体间引力、潮汐力的原动力，不仅给各种令人迷惑不解的天象加上合乎情理的注解；还能用同样的规律解释天体运行和原子行为的同一性。这种简单的规律，所包含的复杂内容，微妙程度却丝毫不亚于人类的男女关系。“引力的大小”并不只取决于质量，它和角速度、线速度、加速度、温度、物质密度及其它不可控因素都有密切的联系，各种因素相互影响，变化丰富程度令人着迷。如果有人坚持说用金钱、地位、相貌等为参变量，可以建立人类的“恋爱方程”，我承认会有一定的准确性。但真实的“恋爱”过程绝不是如此僵化的，它应该包括很多的特殊性，还有很多的失败者（已经被淘汰出局，从人们的视野中消失的那部分）。 数学只是工具，哲学才是灵魂。爱因斯坦先有了广义相对论的思想，然后，才在闵可夫斯基的帮助下，建立起美妙的四维弯曲空间数学模型。定性与定量的互补关系，等同于战略和战术的依存关系。战略思想的精华，就是具体问题，具体分析，它只有原则，没有定式。虽然物理学帮助人们发现了DNA双螺旋结构，但人类完成了遗传基因测序工作以后，确定基因序列的生物学意义仍然离不开物理学基础理论的支持。遗憾的是：这方面的战略思想目前还是空白。 谈论细节是艰苦的，因为每一个结论都要纵观整个宇宙的发展史，不知学术界能否有足够的耐心？科学的魅力和成果都源于细节，源于确定的因果关系！方程式思维模式能回答：铃声为何能促进狗的胃液分泌吗？完整地理解因果关系，需要有跨越时空的胆识，需要综合人类所有的知识积累。坦率地说，这并不象某些人想象的那样容易。 参考文献：［1］李政道“把微观宇宙和宏观宇宙联系起来” 《神奇的发现》黎先耀主编 北京：科学普及出版社。1999年第一版 ［2］“有证据证明爱因斯坦对量子理论的怀疑是正确的 ” 信息来源:http://tech.china.com/zh_cn/news/tech/154/20011203/10162136.html ［3］Graham P.Collins“来自SNO的好消息” 《科学》中文版 2001。12期 ［4］黄永锋 陆埮 “宇宙γ射线暴” 《现代物理知识》2001。6期 《余略》 |