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给中科院理论物理研究所---著名弦理论专家---李淼 的一封公开信
[楼主] 作者:szchenfu50  发表时间:2004/07/10 16:54
点击:669次

教授(研究员):您好!

近日在《三思科学》上http://www.oursci.org/magazine/200202/020202.htm>读到您发表的对Nesvizhevsky等实验(证实引力具有量子效应)的看法,以及您亲自修改的新华社的报道,让人感到非常惊讶。也许,您的论据对于一个不熟悉物理实验或没研读过2002 117日出版在英国《自然》杂志上的关于引力的量子效应的实验报告的论文:《Quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field》原文的人来说好像一下就把人唬住了,然而您的论据对于熟悉实验和研读过该文的人来说是无法站的住脚的:

1.  您认为“这个实验是对在连续的、非量子化的经典引力场中的粒子的量子行为的检验。虽然它也很有意义,但与引力本身的量子化没有任何关系。”但,事实上中子的量子效应早在上世纪30年代就已经确立了,难道这个引起世界高度关注的实验结果,仅仅是证明了中子的“量子行为”吗?当然,下面这段话,也许就是您的解释吧:“将引力包容于量子论的第二个层次是将引力场本身也量子化,也就是要求引力场本身也满足测不准原理,这个理论还没有完全被构造好。考虑到第二个层次的理论是目前的一大难题,而几乎所有在这方面的尝试都假定第一层次的理论是对的,这类实验变得很重要。” “因为过去曾有过地球重力场中中子的干涉实验。”哈啊哈!那我就无话可说了。
2.    “虽然我们还没有很好的理论,但简单的量纲分析告诉我们最大可能的修正是经典引力效应的 10-12 倍, 也就是说,在这样的实验中必须把中子的位置测量准确到 10-15 厘米。这在原理上是不可能的,因为中子本身的大小是 10-13  厘米。可是,按照您所说的逻辑,现有的粒子探测器尺度远大于10um,就不能证明尺度是10^-15cmZ0波色子的存在吗?
3.        更为重要的是,已知强作用的中子的量子行为的能级差远大于1电子伏特,引力场量子效应的能级差远小于1电子伏特。若是引力场无量子效应(能级差为零)仅由中子的量子效应产生能级差,则中子在引力场中的能级差应大于1电子伏特,可实验观测到的是万亿分之1电子伏特(10^-12eV),您如何证明这是“经典引力场中的粒子量子行为”?
4.     “他说,引力场的量子化是目前理论物理的一大难题。引力场本身的量子效应非常微弱,这一实验在原理上根本达不到这样的精度,只能期望一种全新的实验来测量引力的量子效应。” 从这段话可以清楚的看出,您是承认引力是有量子效应的,只是您否定万亿分之1电子伏特(10^-12eV)不是引力的量子效应,而是中子的“量子行为”。可如果您不能回答上述几个问题尤其是第三问的话,那么世人就可以这样来理解您的论点:因为理论还没有够造好,所以就要否定实验。总之,您发表在《三思科学》上的这篇文章通篇给人的印象是:理论结果高于实验结果。因此有必要再问:“该实验究竟有没有探测到引力的量子效应?” 
李淼,您作为一个知名的理论物理学家,既然您有勇气发表您的否定该实验的看法,那么,您就有责任回答我们提出的上述几个问题,以正视听。如果您无法解释上述问题,这只能说明您和弦理论界还没有“构造出”能够解释这一实验现象的理论,而不是实验错了!那么就请发表文章,尽快收回您的看法!请不要回避,因为:事实是无情的!科学是无情的!历史更是无情的!
 

附件:2002 117日出版在英国《自然》杂志上的关于引力的量子效应的实验报告的论文(摘要:本人英文水平有限,英文附后,请指正)。
《中子的在引力场中的量子态》
物质不连续的量子特性是表现在现象的多样性中。由充分深宽的势垒捕获的任何粒子都被固定在量子跃迁态。例如,在电磁场中电子的量子态的存在是造成原子结构的原因,在强核子场中中子的量子态则产生原子核的结构。类似地,引力场将导致量子态的形成。但是引力与电磁力和核力相比是极其微弱的,使得在引力场中物质的量子态的观测是非常地具有挑战性。因为中子的电中性和长寿命而成为观测这样一个效应的有希望的候选者。在这里我们报告中子的引力量子跃迁态的实验证据。粒子被充许向一个水平的镜子下落,地球的引力场提供所需的约束势垒。在这个条件下,下落的中子沿垂直方向不是连续地运动,而是从一个高度跳跃到另一个高度,如同量子理论所预期的。

Quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field
 
The discrete quantum properties of matter are manifest in a variety of phenomena. Any particle that is trapped in a sufficiently deep and wide potential well is settled in quantum bound states. For example, the existence of quantum states of electrons in an electromagnetic field is responsible for the structure of atoms, and quantum states of nucleons in a strong nuclear field give rise to the structure of atomic nuclei. In an analogous way, the gravitational field should lead to the formation of quantum states. But the gravitational force is extremely weak compared to the electromagnetic and nuclear force, so the observation of quantum states of matter in a gravitational field is extremely challenging. Because of their charge neutrality and long lifetime, neutrons are promising candidates with which to observe such an effect. Here we report experimental evidence for gravitational quantum bound states of neutrons. The particles are allowed to fall towards a horizontal mirror which, together with the Earth's gravitational field, provides the necessary confining potential well. Under such conditions, the falling neutrons do not move continuously along the vertical direction, but rather jump from one height to another, as predicted by quantum theory.

附:两院院士评选出的2002年世界十大科技进展新闻:

一.……

二.……

三。科学家观察到引力场中的量子效应:

一个国际合作的研究小组在1月17日出版的英国《自然》杂志上,报告了他们对于地球重力场量子化的观测结果。他们让冷却到非常接近绝对零度的中子在重力场中运动,同时用一个探测器观测中子的下落。结果他们发现,中子的下落过程不是连续的,而是从一个位置“跳”到了另外一个位置,这一过程与理论的预测相符合,从而实际观测到了引力场的量子效应。

四.……

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 [2楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2004/07/11 21:54 

很多记者或者外行都把2002年1月17日出版在英国《自然》这篇文章的意义做了张冠李戴的误解。在“中子在引力场中运动”这一主题中

1.很多记者或者外行都把2002年1月17日出版在英国《自然》这篇文章的意义做了张冠李戴的误解。在“中子在引力场中运动”这一主题中,涉及到的量子化对象有两个:一是中子的行为具有量子化的(这是熟知的常识);另一是引力场的量子化。但是不要张冠李戴,错把中子在经典引力背景下的量子行为错当成引力场本身的量子化。许多记者包括szchenfu50就犯了这一错误。
中子的量子效应的确早在上世纪30年代就已经确立了,但是在引力场中地量子行为却是少有实验研究的,而且其研究也很有意思(因为引力场中的量子力学规律(对于电子、中子而言)违反等效原理,见曾谨言量子力学书,所以值得研究)。
2.河南的靳瑞敏先生在他的书中也犯有这一错误。他为了在理论上研究引力场是否量子化的,设计了一个实验思路,那就是研究物质波(如中子、电子)在引力场中的散射行为,看看“有无出现条纹”现象,若有“条纹”现象,表明引力场是量子化的。这里,靳瑞敏就犯了一个错误,“条纹”现象其实是物质波的量子行为,他把物质波的量子行为错当成引力场本身的量子化了。看看他的理论处理手段就可以知道,他在理论计算中,把引力场当作经典背景处理,用了经典的量(势能、力)来表示引力场。用经典量来表述引力,怎么能预测引力场的量子化行为呢?只能预测中子在经典引力背景下的量子行为,而非引力场本身的量子化行为。
3.看看2002年1月17日出版在英国《自然》这篇文章的题目Quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field,就可以知道,这里所说的是中子的量子态,而非引力场本身的量子态,在实验中引力场本身是作为经典背景存在的,实验测得是中子的量子行为,而非引力场的量子行为。如果说是在测量引力场的量子行为,那么题目就应该是detection of quantization of gravitational fields by using neutron motion.
4.实验中测到中子能量10^(-12)电子伏特,它这么小,难道就能说明它是引力的量子效应了吗?不能。看看,中子-自旋转动耦合效应(一个中子自旋与转动参考系的耦合)能量也恰好为10^(-12)电子伏特(以转动参考系每秒钟转100转计算,转动角速度好比一个引力磁场),难道这就是引力磁场的量子化效应了吗?非也,它照样仍旧是中子量子效应。
Z0波色子的存在是通过高能实验,能区为100GeV,它已经深入质子尺度以下。
5.其实从2002年1月17日出版在英国《自然》这篇文章的的摘要与引言中也可以看出:
他们研究的是以中子的束缚态(以引力作为背景势阱),即“中子的引力量子束缚态”(gravitational quantum bound states of neutrons),这好比原子是电子的电磁束缚态。在原子中,电子的行为是量子化的,但是原子中的电磁场却是以经典形式表现。
《自然》这篇文章的的摘要与引言中明明说得很明白,szchenfu50也把主要意思翻译出来了,为什么还要空穴来风地去叫板李淼呢?真是啼笑皆非。


我替szchenfu50修改szchenfu50的中文翻译(关于2002年1月17日出版在英国《自然》这篇文章的的摘要与引言)(我的修改见【】内)

物质不连续的量子特性是表现在现象的多样性中。由充分深宽的势垒捕获的任何粒子都被固定在量子跃迁态。
例如,在电磁场中电子的量子态的存在是造成原子结构的原因,在强核子场中中子的量子态则产生原子核的结构。
类似地,引力场将导致量子态的形成。但是引力与电磁力和核力相比是极其微弱的,使得在引力场中物质的
量子态的观测是非常地具有挑战性。因为中子的电中性和长寿命而成为观测这样一个效应的有希望的候选者。
在这里我们报告中子的引力量子跃迁态【中子的引力量子束缚态】的实验证据。粒子被充许向一个水平的镜子下落,
地球的引力场提供所需的约束势垒。在这个条件下,下落的中子沿垂直方向不是连续地运动,
而是从一个高度跳跃到另一个高度,如同量子理论所预期的。

Quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field
 
The discrete quantum properties of matter are manifest in a variety of phenomena.
 Any particle that is trapped in a sufficiently deep and wide potential well is
settled in quantum bound states. For example, the existence of quantum states
of electrons in an electromagnetic field is responsible for the structure of
atoms, and quantum states of nucleons in a strong nuclear field give rise to
the structure of atomic nuclei. In an analogous way, the gravitational field
 should lead to the formation of quantum states. But the gravitational force
is extremely weak compared to the electromagnetic and nuclear force, so the
observation of quantum states of matter in a gravitational field is extremely
challenging. Because of their charge neutrality and long lifetime, neutrons
are promising candidates with which to observe such an effect. Here we report
experimental evidence for gravitational quantum bound states of neutrons. The
particles are allowed to fall towards a horizontal mirror which, together with
the Earth's gravitational field, provides the necessary confining potential well.
Under such conditions, the falling neutrons do not move continuously along the
vertical direction, but rather jump from one height to another, as predicted by quantum theory.

 [3楼]  作者:jqsphy  发表时间: 2004/07/11 22:06 

关于Nesvizhevsky实验测到的在重力场中的中子量子态的能量间隔为什么是10^(-12)eV,其理论计算见曾谨言《量子力学》卷一P.135-14
关于Nesvizhevsky实验测到的在重力场中的中子量子态的能量间隔为什么是10^(-12)eV,其理论计算见曾谨言《量子力学》卷一P.135-142的计算(科学出版社2000)
[楼主]  [4楼]  作者:szchenfu50  发表时间: 2004/07/12 08:52 

回复:jpsphy和李淼先生似乎还没有把场的量子态和粒子的“量子行为”的定义搞清楚:

jpsphy和李淼先生似乎还没有把场的量子态和粒子的“量子行为”的定义搞清楚:光谱的不连续性是由电子与原子核通过电磁场构成的束缚态能级的不连续性造成的。同样,中子的下落过程是中子与地球之间通过引力场构成的束缚态中进行的。Nesvizhevsky等实验报告的原文中所说的束缚态能级的不连续性,指的就是作为中子与地球之间的媒介――引力场的不连续性,而不是中子的“量子行为”(不连续性)或地球的“量子行为”(不连续性)。测量的结果是 “中子下落的过程不是连续的,而是从一个位置到了另外一个位置”,当然验证的就是引力场构成的束缚态的不连续性,而不是中子自身的不连续性(“量子行为”)。

现在光谱的不连续性是解释为虚光子的行为,但历史上,波尔解释光谱的不连续性的时候,并没有实现电磁场的量子化。他用的电磁场理论还是半经典的,光谱的不连续性是用半经典的电磁场中的轨道量子化来解释,仍然说的是电磁场的量子态所致,从来就没有人用电子或原子核的“量子行为”来解释。单独的电子或原子核并不构成束缚态,也就没有不连续性的所谓“量子行为”。光谱的不连续性和中子的下落过程的不连续性(所谓的“量子行为”)都是场的量子态的表现,因为只有场才能表现出连续与不连续的区别,才有量子态与非量子态的不同。粒子本身就是不连续的量子,说粒子在场中的“量子行为”(包括实验报告的标题《Quantum states of neutrons in the Earth's gravitational field》)实际指的就是场的量子态。实际上,上述所说的“量子行为”这个词本身没有确切的科学定义,你们使用这个词容易混淆视听!

因此,请您和李淼先生重新解释该实验。

[楼主]  [5楼]  作者:szchenfu50  发表时间: 2004/07/12 13:44 

您们中有谁和Nesvizhevsky等沟通过他做此的实验的目的和他所认为的实验结果吗?

致 李淼和版主jpsphy,以及否定引力量子态在Nesvizhevsky等的实验中已被探测到的支持者们: 
    请问:您们中有谁和Nesvizhevsky等沟通过他做此的实验的目的和他所认为的实验结果吗?
    我想,《NATRUE》的科技记者不会弱智到不与Nesvizhevsky等沟通就拟定如此专业化的新闻标题和内容(见附文)吧?若是如此,他定是天才!《三思科技》的记者会这样干吗?《三思科技》的主编会这样管理那些记者吗?当然,自由论坛除外!

附件:《NATRUE》的新闻记者的原文
Quantum states of gravity
Nature 415, 297–299 (17 January 2002)
Discreteness distinguishes the quantum world from classical physics. It was the discovery of discrete energy levels in the atom that led Planck to formulate quantum theory at the start of the twentieth century. But gravity, the weakest force in nature, still evades the quantum framework. To see the quantum effects of gravity, all interactions with other fields must be blocked, which might seem to rule out any laboratory-based experiments. But in this week's Nature, Valery Nesvizhevsky and colleagues report the detection of gravitational quantum bound states for neutrons falling in the Earth's gravitational field.
As neutrons fall onto a mirror, a neutron wave is reflected by the potential barrier at the mirror's surface — a standing wave is set up in what is effectively a gravitational potential well. The probability of finding a neutron at a given height in the well varies, depending on the quantum number of the state. For the four lowest gravitational bound states, calculations predict that their energies are 1.41, 2.46, 3.32 and 4.08 peV. Classically, the lowest energy level would correspond to raising a neutron to a height of 15 µm.
In their experiment, Nesvizhevsky et al. directed a beam of very-low-energy neutrons horizontally across the surface of a mirror. Because the system was isolated from all other forces, only gravity could act on the vertical velocity component of the neutrons. To measure energy differences as small as 1.41 peV, the uncertainty principle dictates that the time period of the measurement must be more than 0.5 ms. This was achieved using a 10-cm-long mirror and a source of ultracold neutrons whose horizontal velocity was just 10 m s-1. The neutrons were directed slightly upwards in parabolic motion across the mirror; a height-adjustable absorber positioned above the mirror limited the maximum vertical velocity of particles that could reach the neutron detector on the far side of the mirror (see illustration above).
The authors measured the rate of neutron transmission as the height of the absorber was varied. No neutrons were transmitted through the absorber-mirror gap until the absorber was raised to a height of 15 µm above the mirror (see figure below). The diameter of a neutron is much smaller (~ 10-13 cm), so Nesvizhevsky et al. believe that the transmission's start corresponds to the lowest possible gravitational quantum state being reached. The height also matches the value calculated classically for a potential energy of 1.41 peV. This novel experiment is, say the authors, "another demonstration of the universality of the quantum properties of matter".

 

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