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序言 科学无禁区，在其发展过程中并不承认“永久的权威”
——代序—— 黄志洵 2003年10月，《相对论和物理创新国际会议》在西安召开。我虽未与会，但在该会筹备时便关注着有关的情况。时间过去了两年，西北工业大学的杨新铁教授说“要把会议论文结集出版”，并嘱我写一篇“序”。我早就知道会议论文相当丰富，有许多真知灼见，便答应下来。大家知道，有一个英文词Relativitist, 意为“相对论专家”或“相对论学者”。我不是Relativitist,但对相对论的讨论很是关心。2005年6月，英国的J.Dunning-Davies教授曾说过一段很有意思的话：“在20世纪末，许多人仍象对待圣物那样盲目相信由相对论推出的任何结果。他们忘记了所有理论都是人为的，而宇宙却不是人造的。任何理论或模型，只不过是微不足道的人类智力作出的某种解释。但许多人如此深信某个理论的正确，而知名权威们竟不惜代价地阻止任何人对这些理论提出任何问题。Dingle（对相对论）的忧虑至今被隐藏起来，Thornhill对狭义相对论（SR）的有效性的怀疑难见天日。……实际上，主流物理学并非如大多数人所以为的那样坚实与无懈可击。”对他的这些话，我深表赞同。另外，原任上海复旦大学教授的资深物理学家倪光炯教授（现在美国工作）于2003年发表过一篇书评（“学术自由讨论是科学发展的前提——评黄志洵所著《超光速研究新进展》，见中国工程科学，Vol.5，NO.3），其中有这样几句话：“事实证明，科学无禁区；科学在其发展过程中并不承认‘永久的权威’”。我认为，借用倪先生的话，作为这篇小文的标题，是很贴切的。 现在是2005年，它被称为“国际物理年”，因为它是Albert Einstein（1879～1955）发表其著名的3篇论文100周年，主流物理学界称1905年为“科学史上翻天覆地的一年”。那3篇论文的内容是：提出狭义相对论（SR）；提出光子学说；提出质能关系式（E=mc2）。那么，恰是今年出版这样一本书，其中有为数不少的与Einstein不同的观点和论述，是否合适呢?! 这便是我们不能不考虑的问题，也是我写这篇短文时必须面对的。为此，我想先从两个月前在北京召开的一个学术会议谈起。 第242次香山科学会议于2004年11月26日～28日在北京香山饭店召开，主题是“宇航科学前沿与光障问题”（Frontier Issues on Astornautics and Light Barrier）。会议发起人及执行主席是宋健院士、陈佳洱院士、王越院士，主题评述报告由宋健院士作，题为“航天、宇航与光障”。会议的中心议题有二：宇航科学前沿与光的传播；宇宙学与宇航。中心议题报告有4个：①宇航中时间的定义与测量机制和超光速运动（林金）；②超光速研究的40年——回顾与展望（黄志洵）；③暗能量（本质）、重力和时空（余燊）；④强子物体内的超光速可能性和量子引力问题（V.de Sabbata）。另外，有14位专家学者作了主题发言。会议代表共50人；其中院士9人，占18%。 宋健院士在242次香山科学会议前多次召开小型的预备会议，为香山会议制订了方针，拨正了会议的航向。例如他在2004年6月11日的小型会上说：“对Einstein，要纪念他，承认他是伟大的科学家。但我们是从技术科学角度入手，而非作单纯的理论物理讨论。从科学史上看，蒸汽机广泛应用后才总结出热力学定律，Maxwell方程组提出前也早有了电学、磁学实验和实践。允许技术科学先行，有可能为理论研究铺路”。2004年4月8日他说：“这一段时间，我几乎读完了黄志洵所写的关于超光速的文章。他很执著，文章写得漂亮。他有一文提到‘Einstein光障’，让我想起航空史上突破音障的情况——那是1947年10月14日，美国的一架战斗机在飞行中一举突破音障，实现了超音速飞行；这件事极大地带动了航空科技的发展。当然，光波与声波不同。但过去有音障，目前有光障，情况也有点类似。”他又说：“搞基础科学，就要解放思想。在美国很鼓励新思想，在我们国内有时却有人‘挥舞大棒’”。在2004年10月的审稿会上，宋健院士又指出，“此次香山会议的方针，一是解放思想，二是要考虑继承性”。……我认为，最后这两句话说得非常好；这两条方针其实不仅对学术会议有效，而且是科学家们在研究工作中所应遵循的基本原则。而且我要提醒读者注意，宋健是把“解放思想”作为第一条！ 宋健院士在香山科学会议上的报告，大气滂礴，充满了对航天、宇航事业的期望和对人类未来的思虑。他在报告中有这样一段话：“整个科学史表明，一种概念或科学假设从来不会是一开始就完美无缺，总有后人去继承它、发展它或修正它。一百多年来，直到今天仍有很多人对狭义相对论（SR）和广义相对论（GR）作进一步的讨论和进行大规模的实验，甚至提出不同的意见。这是正常现象，是科学技术得以兴旺发达的必由之路”。在会议结束时他则说：“我们并不是否定Einstein；但任何一个科学理论均有其适用范围，不可能主宰一切。在科学研究中，如果思想不解放，就不可能创新。美国三个科学院组织的‘21世纪委员会’提交过一个报告，其中说‘Einstein的理论并不是最终真理’，意思是说‘关于相对论研究仍然是open的！”……我认为，作为一位杰出科学家和我国科技界领导人之一的宋健同志的讲话，说出了广大科学家和自然科学爱好者的心声！2005年7月5日，《科技日报》刊登了宋健的报告“航天、宇航与光障”修改稿全文，这就使我国科学界和工程界的更多人士可以了解他的思想。 * * * 本文集的出版，距离开会的时候已过去两年了。因此，在这里补充说明国内外的一些新情况是必要的。英国科学刊物《New Scientist》一向以“报导快捷、直言不讳”的风格而著称，它在2004年的几次报道和评论引起了我的注意：① 3月6日说：“1925年5月7日，Einstein在巴西科学院的学术报告是失败的，因为他企图用经典物理学去解释光子，而光子却不是一个经典的东西。”② 7月3日说；“美国科学家S.Lamoreaux对在西非的核反应堆的实验数据所作分析表明，在过去20亿年中精细结构常数（α）减小了4.5×10-8，故在过去的光速c比现在略大”。③ 10月23日说：“过去科学家们对相对论给以巨大信任，更多地是来自赞赏其理论优美，而非由于该理论已有大量实验数据所支持。实际上，仅有少数实验对其作过测试，例如针对有质物体证实相对论的唯一实验结果是水星绕日轨道的进动”。文章也提到美国NASA发射的探测器GP－B，是企图“测量过去未看到的物质与时空的相互作用”。④ 11月27日说：“Einstein黯然失色了，有相对论不能解释的难题”；这个说法就印在该期刊物的封面上，原文为“Einstein Eclipsed, The puzzle that relativity can’t solve”。鉴于其重要性，这里部分摘译如下： ——“2004年8月，荷兰Delft技术大学的C.Duif发表一文，论述了‘日蚀时单摆的神秘现象’。众所周知1851年法国物理学家L.Foucault曾解释单摆的运动。单摆自由摆动时，在空间的路径应相同；但由于地球自转，单摆的运动平面缓慢转动。1954年夏天，一位法国工程师M.Allais发现，在日蚀时单摆的运动规律反常。原来，单摆的运动平面按顺时针缓慢转动；日蚀开始后，单摆的运动平面急剧地按反时针旋转；日蚀结束后恢复正常。著名火箭专家W.von Braun曾敦促Allais用英文发表报道文章。但Allais仅用法文写作并发表在刊物上，今天有人讲这是‘Allais所犯的最大的错误’。后来（1961年、1970年），别的科学家也发现了这个现象；但现在我们称其为‘Allais效应’。 Allais认为是以太（ether）的影响造成上述现象，但一直少有人同意他。他说：‘相对论学者们说我错了，但却不拿出证据来；其实他们之中大多数人并未读过我的文章’。后来逐渐有更多的人注意到此事，例如E.Saxl和M.Allen（在1970年），重做了实验，得到的结论是‘引力理论确实需要修改’。再后的研究者有D.C.Mishra和B.S.Rao（1995年，在印度）等；在美国工作的T.van Flandern也曾关注此事。英国的E.T.Goodey现在有一系列观测计划：2005年4月8日在南美Bogota，2006年10月3日在葡萄牙。另外，利用月蚀也能作类似的研究。” 第④点所述的事情，既与SR有关（因为以太），又与GR有关（因为引力）。显然，②、④两点都明显对相对论不利。但在2004年，也有对GR理论有利的报道；Nature杂志（Vol.431,Oct.2004）刊登的文章说：“框架拖曳已经证实”（Frame-dragging confimed）；文章的摘要说：“按照广义相对论（GR）的预期，地球的自旋质量会影响卫星的运动。对这种框架拖曳效应的测量证实了Einstein的理论。”文章说：“美国NASA的E.C.Pavlis等人根据两颗激光地动卫星（LAGEOS－Ⅰ和LAGEOS－Ⅱ），用测量它们与地球的距离的方法进行研究；结论认为旋转的地球使时空扭曲，离地球越近扭曲幅度越大”。不过，Pavlis承认，还没有证据说明没有其他力作用于卫星。 2005年6月18日出版的《New Scientist》发表了M.Buchanan的文章 “Double jeopardy”。该文说，近年来国际科学界针对Bell不等式与量子力学的矛盾问题做了新的实验，有瑞士的N.Gisin小组，美国的P.Kwiat小组和D.Wineland小组等。科学家们重申“针对Bell不等式的实验有很大的重要性”；并指出实验结果均与不等式相反，无一例外地证明了量子力学（QD）的正确。这是近20年来（1985~2005年）的研究成果，表明相对论对时空的局域实在论描述有缺陷。例如，相对论假定“nothing can travel faster than light”是不妥的。由于一系列实验（其中有的实验艰难而出色，例如Gisin小组利用埋在Geneva湖的湖水下的光缆，把光子送到25km以外）均违反Bell不等式，使“超光速信号能在粒子间传送”得到确认。实际上，几年来的实验已证实量子纠缠态的影响以超光速（不是无限大）的速度传送。例如早在2000年，Gisin小组在瑞士的两个村庄（相距10km）之间进行实验；他们送出若干对的纠缠态光子，在大约5ps时间间隔完成了测量，据此算出纠缠态影响的传播速度是107c量级（c是光速）。考虑到纠缠态影响相对于别的参考系（例如大爆炸后的微波残余）会有一固定速度，Gisin等找出这个超光速速度是104c以上。 我认为，上述报道具有重要意义，因为它证明了我们早就估计到的事情，即量子纠缠态研究和超光速研究有着密切的联系。此外，它使我想起几年前由我策划并组织实施的一次学术会议。在会上，一位研究量子信息学的著名专家在讲述自己的研究时谨慎地与超光速研究保持距离。当时我感觉到了这一点，并认为这种下意识的作法虽可以理解但却没有意义，因为从事量子信息学研究的人必然不认同EPR论文中的局域实在论，但这在实际上也就背离了相对论，因而必然也会遭遇敏感的Relativitist的反对。后来的情况果然如此，例如一位知名物理学家（坚持Einstein局域实在论的学者）对“量子隐形传态”、“量子计算机”方面的研究作了尖锐的批评和无情的嘲笑。这虽然不会使量子信息学研究停顿下来，但却使前述那位专家的小心翼翼（避免别人认为自己是反对相对论）的努力归于无效……。 * * * 为使读者了解与相对论研究有关的新情况，下面我再举出国内外一些专家的工作和观点。有这样几件事情： ——1978年R.M.Santilli创立了强子力学（Hadronic Mechanics, HM）。它与量子力学（QM）不同之处在于，QM把基本粒子视为点状粒子，互相之间总有一定距离；而HM视基本粒子为有一定尺寸的延展性粒子，即波包；粒子间可以有一定距离，但也可以相互重叠和接触。以Dirac方程为例，尽管它可以描述例如电子这种单粒子的运动，却无法描述组合在一起的（强子）粒子，例如质子和中子。2005年6月21日~23日在瑞典Karlstad大学召开了第18届强子力学国际讨论会，在会上A.O.E.Animalu教授论述了强子力学的主要特点，并指出“存在着扩展了相对论的情况，即真空中速度超过光速的状况”。 前已述及，意大利科学家V.de Sabbata在第242次香山科学会议上曾作了题为“强子物体内的超光速可能性及量子引力问题”的报告。实际上，早在1981年V.de Sabbata和M.Gasperini即在《Lett. al Nuovo Cimento》上发表文章，题为“光速可变性引起的自发对称性破缺”。文章涉及Higgs场、弱相互作用、Yang-Mills方程、弯曲时空等多个领域；但其主要内容却是，在假定光速是一个变量的条件下，引用强引力耦合系数（strong gravity coupling constant）概念进行推导，结果算出在hadron宇宙内“光以75c的恒定速度传播”。文章认为，在早期宇宙时光速比c大得多；它随时间而变，逐渐降低到现在的值（即c）。 ——1992年，湖南教育出版社出了一本书《物理时空新探》；其中有谭暑生教授的文章“标准时空论物理学”。文章认为，“Einstein是通过约定光速与方向无关即单程光速不变，来定义不同地点的同时性及异地校钟，故单程光速不变完全是一种逻辑约定。”并且，“各种实验都只证明了回路平均光速不变，并未证明单程光速不变，‘光速不变原理已被实验证实’的说法不确切。”文章导出了推广的Galilei变换，对‘同时’的绝对性作了表述，认为超光速可以存在而不违背因果律。 ——2000年6月，江兴流教授在《科技导报》上发表文章“电化学异常现象与挠场理论”。在242次香山科学会议上，他重申“挠场传播是超光速的”。……我们在这里解释一下，什么是挠场。早年，Einstein曾和Cartan一起研究，搞所谓的挠场（Torsion field）理论。这是因为广义相对论在处理时空性质时只考虑了曲率，而未考虑挠率。此外，在引力理论中往往只重视物质的能量，而忽略了物质的自旋。因而，在开始时挠场理论的出现仿彿只是对广义相对论的补充和发展。但在近年来，这方面的研究发挥到别的方面，例如对真空中零点能（zero energy）的提取；因而在新世纪到来时重新引起人们的注意和重视。 反映时空挠曲的理论由于对自旋的重视又被称为自旋场（Spin field），它和引力场、电磁场相并列而被看作是物理真空在不同条件下的不同表现。俄罗斯科学界认为，挠场产生于物体的自旋，它对物体的作用也只限于自旋状态的改变。由于任何物质均表现出综合的自旋，故物质均有挠场。这方面的研究工作，中国科学界还是很生疏的。值得注意的是，挠场的传播速度据说是V>109c；这种情况是量子力学中非局域性（Non-locality）的表现之一。这就与超光速研究联系起来了，是我们应当关注的问题。 2001年，焦克芳研究员曾采用磁挠场的观点来解释王力军的超光速实验。他认为，一般情况下铯原子气体是正常色散介质；但在外加磁场诱导下，双原子分子中两个电子将不同（一个与外磁场同向、另一个反向）。这时如用光脉冲通过的方式提供适当能量，将使上述二者发生跃迁而到达高能激发态。由于在单极耦合的反成键态周围存在磁挠场，对有了磁性的粒子产生加速作用。王力军实验成功的关键是维持磁挠场不消失，通过一定方法保持反成键态的连续存在。 ——2004年3月，上海科技文献出版社出版了在英国工作的马青平博士的中文著作《相对论逻辑自洽必探疑》。全书45.5万字，分为12章，对狭义相对论提出了尖锐的批评。作者认为SR在逻辑上是不自洽的，而且至今还没有一个真正有判决作用的实验证明其正确性。A. Einstein之所以在科学界拥有近乎“上帝”的地位，是由于媒体和科学界的造神活动，而这适应了社会对偶像崇拜和英雄崇拜的需要。SR所主张的“尺缩效应”从来没有实验证据，那怕是不可靠的证据；而所谓“π介子寿命证实了‘时间膨胀效应’”的说法并不可信。与此类似，没有任何实验测量可以证明光速不变。作者用专门的一章讨论了“运动质量”，指出在纵质量与横质量这样两个概念中，忽视前者是错误的。横质量与速度的关系一直被称为SR的质速关系式，其实Einstein并未能导出常见的形式 。至于质能关系式 ，这只是一个近似式，不是反映质能关系的精确公式；等等。……总之，这本书认为SR理论从根本上讲是错误的。 ——2004年岁末，上海的两位先生（朱永强、季灏）给我寄来了他们的文章“和狭义相对论矛盾的实验”。文中共讲了4个实验（2个是思维实验，2个是实际完成的实验）。思维实验（列车上的钟是变慢还是变快；列车通过大桥时桥是断还是不断）的结论认为“SR理论逻辑上不自洽”。实际实验（粉碎电磁波实验；和带电体共同运动的跟踪观察实验）则对相对性原理提出了质疑，文章还肯定“新以太漂移说”的正确性，认为以太存在，但它被地球拖动一同自转和公转。既然地球表面的以太与地球同步运动。Michelson-Morley实验观察不到干涉条纹变化是正常的；这个实验与光行差实验没有矛盾。 * * * 综上所述，可以说，近年来国内外的研究工作，确实显示了众多的对SR理论不利的方面。对于GR理论，有利的和不利的情况都有。那么，我们该怎样看待被当成“物理学基石之一”的相对论？！今年初，科学出版社推出了我的新书《超光速研究的理论与实验》；在该书P.140有这样两句话：“现在我们只能说，SR是一个基本正确、适用于亚光速、有自身局限性的理论，需要根据新的情况、新的实验作出改进和发展”。另外，在1998年，我在文章“波导量子隧道效应和超光速微波的研究”（微波学报，Vol.14,No.3）中则说：“近几年的新发展必定会使人们震惊，并提出疑问——Einstein是否错了?! Einstein当然不会穷极真理，实际上任何人都不可能穷极真理……众所周知，绝对真理只能在对无数个相对真理的探求中去寻找，而这是一个永远不会完结的过程。因此人们最好不要期望一种过于简单化的答案，我们对此本应有所准备。今后，科学的发展还将不断提供出乎人们意料的事例，但这也正是科学研究的意义所在。” 现在来看，上述这些话仍是可以的；我就以它们作为本文的结束，并就教于高明。 2005年1月28日初稿, 2005年9月3日改定 致谢：本书编委会同意将我的一篇近作（论文“妨碍物质实现超光速运动的‘奇点’是否真的存在？”）作为特邀文章收入本书，谨此致谢！ 2005年9月3日 ※※※※※※ 换只角度看世界,世界更精彩! 欢迎大家到 http://newphysics.xilubbs.com来做客, 物理科学争鸣是敢于挑战权威的学子的家园 转自 现代物理争鸣 [newphysics.bbs.xilu.com] |