|
现今物理学发展方向(及对Hongbin论坛网友的忠告) 现今物理学（狭义与广义相对论、量子力学和量子场论及其发展如标准模型（包含弱电统一理论和量子色动力学））已经把目前实验能触及到的领域都涵盖进去了。从尺度讲，包含从10^(-17)米的极微观到10^(26)米的宇观范围；从能量角度讲，已经到达现在LHC的TeV能标。所以现在的新物理，都只能出现在： （1）10^(-17)米以下尺度（检验超对称、超弦是否存在，检验超引力及量子引力）； （2）从星系尺度到10^(26)米的宇观尺度（检验所谓的暗物质、暗能量是否存在及其本质）； （3）在LHC的TeV能标之上，解决标准模型（弱电统一理论和量子色动力学）中出现的一些疑难。虽然标准模型整个框架已经确定，应该也不存在什么问题，但模型本身提出了不少更为本质的疑问，暗示着新的发展路线。标准模型现在的情况就好比1900－1926年的旧量子论，未来还将存在TeV能标以上的新物理，包括弱、电、强力三者的统一（大统一理论）。顺便说，其实这第（3）条与第（1）条本质上是一回事，高能标等价于小尺度； （4）超低能低温下的丰富的对称破缺。这是凝聚态物理的事情。能量标度上升，对称性增高及得以恢复，各种力都走向同一，物理学趋向统一，所以大统一理论（弱、电、强力三者的统一）以及四种力（弱、电、强、引力）的统一，都必然是在极高能标下完成的；能量标度下降，对称破缺产生，四种力（弱、电、强、引力）都逐渐分离，表现不同行为。总之，高能量标度使得对称性恢复，物理世界变得简单及统一；能量标度下降，世界变得复杂，丰富多彩。超低能低温下有五花八门的现象，其实只是对称破缺现象、表面现象，我们眼睛观察到的其实都非实相，它们在高能标下其实只有一个本质。 新物理必然还将出现，但绝对不会在现今物理学已经触及到的能量范围和尺度范围（当然，还可以搞搞发明创造及应用科技，包括一些有点意思的‘奇技淫巧'实现一些技术上的功能）。 这个Hongbin论坛上十年来各类宣称发现了相对论谬论的帖子层出不穷，报告发现了电动力学或光学或量子理论的实验反例，也不少见。其实都属于无用功。对于所谓相对论谬论的帖子，症结几乎全部都出在提出者自己的理解有问题（包括曲解误解相对论），虽然也有极个别问题我也不知道该如何回答（有些问题提得太复杂，我也不知道如何利用相对论求解，但这也正常）。至于实验上宣称发现了电动力学或光学的实验反例，有些属于实验者漏掉了一些非常明显的因素，有的虽然我也不知道如何解释，但并不认为他们的实验值得认真对待。实验者发现了所谓的与现有理论预言不一致的反例，这是好事，但他至少也应该想想：为何电动力学或光学在其它同类实验中维持得好好的？有人说："肯定一个理论需要一千个实验，否定一个理论只需要一个实验。" 这句话有道理，但对电动力学、光学和量子力学这些古老学科，这句话是不适用的。对于相对论（尤其是狭义相对论，还有中程尺度（微米尺度至太阳系尺度）的引力物理），这句话也完全不适用。近代高能物理实验每天都在以数以万计的碰撞事例验证着质能关系等相对论基本数理结论。你忽然站出来说，你用普通能量实验发现质能关系错了，这是完全不可信的。除非你同时找到了近代高能物理实验他们在某个地方犯了一个什么通病。对于这些古老学科，你说你找到了反例，那么你有责任重新考察一些以前的实验，这样才值得宣布结论，否则太草率，也不值得信。这里，我说说1956年李和杨提出弱作用宇称不守恒的事例会有启发性意义：在1956以前，发现了一个实验上奇怪的例子，就是所谓theta-tau之谜，这两个粒子（当时称呼为theta和tau）的电荷、质量、自旋、寿命等参数都一样，似乎应该是同一种粒子，但其宇称不同，似乎不应该是同一种粒子。李和杨提出：它们应该是同一种粒子，但宇称在弱作用中不守恒，所以看起来它们显示有不同宇称。其实，提出"宇称在弱作用中不守恒"这本身没有什么太了不起（当时还有其他好几人也有此类观念）。但李和杨的一个重要的点睛之笔是问：为何以前几十年宇称守恒定律在弱作用中用得好好的，没有出现过什么矛盾？他们进一步发现，原来在以前几十年弱作用实验中，其实用不用宇称守恒定律都无所谓，所以其是否成立，也就在以前的实验中变得不重要了，因此过去也就没有出现过麻烦。现在则才出现了麻烦。这样，才让大家心服口服。 如果有心想有所作为，那么应该先好好掌握相对论、量子力学和量子场论及其发展如标准模型，然后在此基础上开拓，不要再在那些中等能量范围和普通实验室实验中幻想有什么实验反例了。如果真的存在反例的话，这些反例也早在70－100年前被发现了，轮不到你去发现。 近代物理的确会存在一些概念上和体系上的缺陷。譬如广义相对论，尽管美奂绝伦，但存在多处内在的不协调的问题，这暗示着广义相对论只是一个低能有效理论。譬如：(1)爱因斯坦引力场方程与Yang-Mills方程形式太不相同。Yang-Mills方程支配了四种基本力的三种（强、弱、电），但引力却例外；(2)在Yang-Mills理论中，仿射联络与动力学变量是同一个量，都是四维电磁势，但在爱因斯坦引力理论中，仿射联络是Christoffel符号，而动力学变量却是度规，两者不是同一个量；(3)在爱因斯坦引力场方程中，描述引力的物理量是曲率，可是这个曲率（局域Lorentz群规范场张量）的源却是能量-动量张量（局域时空平移对称性的奈特流），搭配不当。局域时空平移对称性的变量出现了，就是度规，可是其规范场张量（挠率）却不出现。局域Lorentz群规范场张量出现了，但其仿射联络（自旋联络）和奈特流（自旋密度张量）却不出现。总之，对称性与守恒流不是一道出现；(4)爱因斯坦引力场方程还有一颗赘瘤，即具有质量量纲为-2的引力常数，而Yang-Mills方程无有量纲的耦合系数出现，后者才令人满意；(5)依据理论，将有巨大的量子真空零点涨落能量密度所导致的引力效应，但实际上测量到的引力效应却比理论预言小120个数量级。这些都说明爱因斯坦引力背后还隐藏着一个更基本的理论。以上的问题的确是这个美艳的理论的瑕疵，这些瑕疵暗示了新的前进的方向，但它并非是什么矛盾或什么低级错误（由于这些原因，过去几十年很多人都在着力推广爱因斯坦引力理论，我自己也花了不少精力研究，发表了几篇论文，将爱因斯坦方程推广为Yang-Mills方程形式，克服上面所说的几个瑕疵）。张操教授2005年说，爱因斯坦方程还有一个瑕疵，即：爱因斯坦方程有16个分量，能量-动量张量也有16个分量，但实际上物质用四个分量（即能量以及动量的三个分量）已经足于确定物质的运动，因而也足于确定由它产生的引力场，因此引力场方程只需要四个分量即可，不必16个分量。张操教授自己的引力理论就是这样的只有四个分量的引力理论。我当时从求解引力场方程的角度来回答，认为16个分量的张量方程不会导致矛盾或麻烦。张操教授一定不会满意于我的回答。我现在再来重新回答：张操教授把这一点看作是爱因斯坦引力理论中令人不满意的地方，从而去发展其他引力理论，这个路程是可以去走走的。不过，我倒不认为广义相对论这一点是一个"令人不满意的地方"。实际上，能量和动量（或者"四维动量"）并非特别基本的量（从对称性与守恒定律以及奈特定理等角度来看），真正的基本量是具有16个分量的能量-动量张量，而四维动量只是能量-动量张量的纳特荷而已，也就是能量-动量张量的0分量。还有，对于对称的能量-动量张量，我们的确可以从四维动量可以推断出能量-动量张量全部分量，也就是说，用四个分量（即能量以及动量的三个分量）已经足于确定物质的运动，但是对于不对称的能量-动量张量，我们无法从四维动量推断出能量-动量张量全部分量，四维动量无法足于确定物质的运动。 列宁曾经说过，苏维埃加电气化（注：可能还要再加土豆烧牛肉），就是共产主义。所谓电气化，就是有电灯电话和电车，再来冰箱和洗衣机什么的（也许还没有冰箱洗衣机。顺便说，那个时候直至70年代，在我们中国流行"三转一响"：包括手表、自行车、缝纫机和收音机。"三转一响"是女孩梦想的嫁妆，是那个时代老百姓所能拥有的最高物质和精神财富）。电气化，早已落伍了；现在早已电子化了（基于半导体和集成电路技术，以电子计算机和互联网及现代信息技术为标志）。20实际是电子学时代。曾经有人估计，全世界不必需要几百台电脑。90年代初，计算机第一次超出了抽水马桶的销量，现在可能都人手几台了（家里一台，手上一台，办公室一台），现实发展总是超出人的预见。21世纪上半叶将是光子学时代，也许将出现光子计算机；21世纪后半叶将是量子时代，将出现量子计算机的商用化。物理学应用科技将马不停蹄，且日新月异。基础研究虽然看似走向尽头（由于加速器能量跟不上），但由于现有理论还存在不少瑕疵，这可以成为新一轮开拓的突破口。 J Q SHEN 2010-05-01
|