物理思想的新搏斗

章钧豪

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物理思想的发展交替地出现两类时期, 激烈搏斗, 突飞猛进时期和平稳发展时期. 在激烈搏斗中许多重大课题被提出耒, 解决和回答这些问题自然造就一代英雄.象爱因斯坦,玻尔, 海森堡…等等. 在平稳发展时期, 基本思想已经确立, 基本方程巳经确立. 人们很难再找到重大课题. 因此做出耒的成绩也没那么 “耀眼”. 今天是处于平稳发展时期? 还是在酝酿着重大搏斗, 甚至斗争已在静悄悄地进行着呢? 请看一些鲜为人知, 或者有些人不愿意看到的事实, 然后你自己做个结论吧! 我建议你认真考虑目前局势, 这是希望你不要坐失良机. “时势造英雄”. 时机一到, 一大堆新的重大课题被提出来. 这种局面是几辈子才能遇上的! 今天让你遇上了. 成功的三大要素是天才,勤奋和机遇. 难道你真的会错过这个施展才能的大好机会, 而后悔一辈子. 注意它也隐含极大危险性!

狭义相对论, 广义相对论和量子力学是20世纪物理理论的三大基石. 现在先谈谈一下对广义相对论和量子力学的看法

广义相对论认为: 一个物体使自己周围时空弯曲, 另－物体在弯曲时空中沿着最短程线运动. 爱因斯坦认为: 这就是引力的本质. 可惜在已经完成的三个实验中, 只有两个半实验支持它. 这种看法是史坦福大学研究小组首先明确提出的. 大多数理论物理学家不敢承认这一事实, 或者千方百计用 “补被” 的方法用去这个补窟窿. 极个别人则认为: 它是广义相对论的潜在危机.

在光偏折实验中, 广义相对论的成就发出耀眼的光辉. 这一光辉使人看不到周围别的东西. 牛顿力学是平直时空的引力理论. 它失万败了, 人们急急忙忙说平直时空错了. 一个物理理论在不同惯性系中应具有相同形式. 牛顿引力不具备这种性质. 它的结论不代表平直时空的性质. 你也许会觉得可笑, 人们还没有回答: 到底判断时空平直的实验标准是什么, 就匆忙宣布时空是弯曲的.

为了回答这个问题, 1990年我们在平直时空基础上, 提出一个新的引力理论, 称为狭义相对论引力理论. 在<国际理论物理杂志>上连续发表五篇论文. 这些论文都被SCI所收录. 这点也可以说明: 这些文章不是胡闹的. 新理论统一解释了三个经典相对论引力实验. 不存在与广义相对论类似的困难. 从这点看, 平直时空观点暂时优于弯曲时空观点.

经过20多年准备, 美国史坦福大学与美国航空和宇宙航天局合作准备进行一项新引力实验, 它的题目是 “用轨道陀螺---引力探测器B检验爱因斯坦”. 简称GP-B(引力探测器B)实验. 把4个旋转的陀螺安置在作轨道运动的卫星上, 地球的附加引力将使陀螺发生进动. 测量陀螺进动的偏角就可以知道附加引力的大小.

静止电荷产生电场. 运动电荷除了产生电场外, 还产生磁场. 牛顿的万有引力公式形式上与库仑定律相似. 这说明静止的质量球产生类似于电场的引力场, 运动的质点除了产生类电引力场外, 是否也产生一个类似于磁场的附加的引力场呢? 如果有, 这个类磁引力场的场强多大? 在卫星上观察, 地球一方面绕卫星运动, 一方面自转. 这两种运动都产生类磁引力场. 旋转陀螺是用来测定这个类磁引力场的强度? 史坦福大学的Schiff教授根据广义相对论求出短程线(轨道运动)效应陀螺进动率是6.6弧度秒/年. 我们根据平直时空的引力理论求出的进动率是广义相对论的2/3, 即4.4弧度秒/年. 这是检验时空是平直还是弯曲的实验标准. 这个实验耗资巨大, 仅卫星和运载火箭就要几亿美元. 原计划是在1999年12月卫星进入轨道. 实验约需进行一年多一点时间. 实验结果会怎样呢? 目前能预告些什么呢? 实验获得我们预期值的可能性有多大?

最初量子力学是用来描述电子在原子周围的运动. 后来把它推广到描述所有粒子的微观运动. 这使得它成为三个基本理论中最重要的一个. 每一个初学量子力学的人都会被它的基本概念弄得昏头转化向. 如果你提出疑问, 就会被认为你根本没有学懂它, 因此你就没资格说三道四. 然而, 在建立量子力学初期曾爆发过激烈争论. 一些问题弄清了, 一些问题无法解决, 变成悬案. 大多数物理学家把争论放在一旁边, 就按照它的 “游戏” 规律进行讨论吧!目前大多数物理学家认为: 量子力学的一切计算结果都与实验一致. 现在就把问题集中在这一点上: “真的量子力学的一切计算结果都与实验一致吗?”

量子力学需要回答两类基本问题:

(1) 电子的定态运动. 例如, 在束缚情况下, 电子有那些可能的运动状态.

(2) 电子运动状态随时间变化. 例如, 电子从一个高能态跃迁到一个低能态并放出光子,或相反的过程

我们就把注意力集中到第二类问题上. 量子力学认为应该用来代表电子在t时刻出现在f状态的几率振幅. 满足如下薛定谔方程

量子力学认为这个方程太复杂了, 只能求它的近似解. 设

式中是它的第N阶近似. 这个近似方法称含时微扰理论.

实际上量子力学只求了第1,2阶近似. 绝大多数物理学家 “相信” 后面无穷多项之和的贡献可以忽略, 但未能作出证明. 微扰法最重要是之点是用前面有限项之和代替整个无穷级数. 例如在考虑到二阶近似修正时, 我们有

|<-----删去后面无穷多项之和---------------à |

到底后面无穷多项之和是否真的可以忽略? 在五十年代,六十年代曾经报道有人求到第5,6阶近似. 以后就没有人再做下去了. 其实只算多几项是不能解决问题. 后面仍然被删去无穷多项. 问题的严格数学提法是应该证明: 后面无穷多项的之和的绝对值小于任意指定的小数. 这个问题变为物理领域最大的悬案. 有人提出: 可预见在二, 三十年内不可能解开这个悬案. 因此我们还是绕着走吧! 这一事实起码说明一点: 量子力学是否能够正确描述第二类问题的? 其计算结果的可靠性一直是个疑问

经过二十多年的努力, 我求出了任意N阶近似, 并求出了准确解. 整个数学推导过程发表在加拿大<PHYSICS ESSAYS>杂志(1997年第10卷,第1期上). 题目是Error in the Time Dependent Perturbation Theory of Quantum Mechanics (量子力学含时微扰理论的错误). 该文也被SCI所引用. 从这一点看来, 该文大概不象是 “水变油那样的发明”. 虽然整个推导在数学计算上比较复杂, 但用代入法验算任意N阶近似和准确解却比较容易, 它是一项物理系数学基础比较好的毕业生就能胜任的工作

比较近似解和准确解得到的结论是:

(1)物理应用区域(能量守恒邻域)恰好是级数的发散区域, 在这个区域内 “有限阶近似之和” 与准确解之差为无穷大, 或者说后面无穷多项的和是无穷大, 把它抛去是数学错误, 不能用 “有限阶近似之和” 代替准确解

(2)按照量子力学单位时间跃迁几率定义, 由准确解求出的单位时间跃迁几率为零. 准确解不能描述物理过程.

准确解的含义只是它是薛定格方程在数学上准确的解. 它真正代表薛定格方程. “准确解不能描述物理过程”意味着薛定格方程不能描述物理过程. 含时微扰论在数学上的错误掩盖了量子力学基本方程不能描述时间有关过程, 即第二类问题. 应该说明一句量子力学中还有其他方程. 例如么正矩阵方程, 格林函数方程, 这些方程都作了讨论. 其结论与薛定格方程一样, 所以我们才能对量子力学基本方程下结论.

我的论文涉及的问题太大了, 结论又太出乎人们的意料之外, 所以绝大多数理论物理学家 “直觉” 认为: 不可能. 加上论文本身包含繁难而又冗长的数学推导, 使人望而生畏. 但是每一个严肃的物理学家都会考虑一个问题, 被微扰法略去的后面无穷多项之和真的可以删去吗? 这篇论文第一次对这个人们不能迥避的问题作出答复, “后面无穷多项之和不能删去”. 你如果对答案有疑问, 而又下不了决心去做那么长的检验工作, 你可以用代入法去检验一下, 是否真的是薛定格方程的准确解. 这个计算比较简单. 你大概会得到: “嘿! 居然是准确解, 总的结果对了, 看耒这篇文章不是无稽之谈!” 这样就可以进一步用代入法检验是否是N阶近似方程的解. 如果居然也正确. 在这种情况下可以对整个计算进行详细核算. 物理学家是不可能与严格的数学推导对抗的, 尽管这个推导结果与他原来的想法格格不入, 违背常理….这一点正是我相信这个结论迟早会被人接受的原因.当然, 也许有些急性的年轻人做完第一, 二步检验后就着手寻找代替量子力学的新理论模式. 这完全对. 目前在所有的人面前, 新理论是什么样, 这点是一片空白. 我占成抡占新领域, 这可是世纪性课题呀. 青年人应有这个勇气!

为了让大家了解我的工作结果, 我准备在网上发表一系列论文. 这些论文从水平上讲分为两类, 即科普性的和专业性的. 科普性的集中在说明基本思想和基本结论. 专业性的侧重集中在严密数学推导. 敬请留意! 有需要讨论的, 请发一个Email耒. 我的地址是junhaoz@pub.shantou.gd.cn