王荣梅
摘要：角速度是物质运动的决定性因素,它的变化率直接决定了运动物质涡旋场的湍动行为。而这种湍动行为又要遵循能量最小原理和最小作用量原理。黎曼几何中的极小曲面定理又提供了恒星系统形成和运行模式。由此,确立了物质运动的模式。由杨-米尔斯场一步步推进的标准模型答案与天文观测数据严重不符。本文通过探究量子场论的相关论点，希望给更多人带来启发。
关键词：四元数宇宙；量子力学；爱因斯坦场方程
1．恒星系统形成的量子力学模式
1.1涡旋说
17世纪笛卡尔创立了天体起源的涡旋假说.他认为太阳周围存在着巨大的漩涡,它带动着行星运转.
涡旋假说与现代恒星演化理论很相似.后者认为,恒星主要在致密分子云内生成,其典型质量约为个太阳质量.分子云中致密核心区塌缩、碎裂为10~50个太阳质量团块.
新天文观测指出，超新星爆发所形成的巨大能量输出（主要通过爆轰、爆燃和核聚变途径）压缩星际物质.这种能量压缩机制对成团分子云形成巨大涡旋场起了推动作用.
由于角动量守恒,涡旋场将不规则形状转化为一个围绕更密集的中心区旋转的盘,而中心区就变成一颗原恒星.
尤为重要的是,涡旋场在角动量守恒的同时,由于角速度大大增加,辐射能角频率大大增加,从而加剧了成团致密分子云核心区的湍动行为,这才有可能在成团致密分子云核心区引发核聚变(包括碳循环机制),进一步导致核合成.
这种湍动行为的加剧表现在三个方面:
第一,当碎裂的质量团块体积急剧收缩即半径急剧变小时,
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这些生成恒星的质量团块角速度的大大增加,从而加剧了成团分子云的湍动行为.
第二,角动量也可以看作力矩对时间的积分:
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这说明，光能也可以加剧成团分子云的湍动行为.
第三,分子云的湍动行为还可以从N-S方程
（Navier-Stokes方程）推导出来：
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此式表明，在弱外力存在时，流体的渐近区域是稳恒的，在空间基本均匀；但外力加大时，就会出现湍动行为.
致密分子云空域与真空之间也可以视为有势场。这就会使分子云团块的湍动行为有一个确定的方向并形成湍流。
有一定方向的湍流所构成的涡旋场将会遵从能量最小原理和最小作用量原理，按极小曲面湍动或辐射。极小曲面实际上构成这些物质和辐射行进的包络面。
在距离我们6500光年的鹰状星云，最高柱约4光年高，可视为一个典型的恒星孵化器.
1. 2 运动物质的势函数
量子力学从微观层面揭示了宏观天体形成和运行机制,这里把氢原子量子力学模型作为恒星系统如太阳系形成和运行模式.
由于欧式空间是太阳系的背景空间,因此对氢原子定态薛定谔方程取球坐标形式.
氢原子波函数的球谐函数与径向函数乘积形式为:
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它与下面两个方程等价：
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④式方程右端第二项与磁量子数m无关，这是因为电子在其中运动的势场V中仅取决于r,而与θ和φ无关。
④式方程右端第三项称之为“赝势”，它与转动系统中的“离心力”项一致.(注6)
④式方程右端三项与经典粒子在力心中的运动是一致的，都遵循总能量守恒,且角动量守恒.
氢原子电子在运动势场V中的运动仅取决于r具有普遍性。
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从微观到宏观，运动物质的势函数都是由r所决定的.这就是说,运动物质的势能都是由运动物质的空间特性所决定的,随r的变化而变化.
1.3角动量随能级增大而增大
在氢原子模型中,质子和电子都是具有质量的质点,而天体只是质量级数很大而已.被称为Rydeberg原子的类氢离
子其激发能级已达到n=100.因此,天体运行轨迹可看作激发的能级.
作为定态氢原子或类氢离子波函数已经在1.2节给出,现在来看它们的径向概率分布函数:
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由此可以得出的一个重要结论显然是，角动量是随能级的增大而增大，属于各能级的轨道，其径向半径就是大概率半径。
对于恒星系统如太阳系，对于较大角动量的行星，只有在远离处才有可能形成较稳定的运行轨道，处于不同轨道的行星，角动量依次增大。
设为行星轨道速度，则行星单位质量角动量为：
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由此,可算出太阳系中九大行星单位质量角动量是依次增大的.
1.4 朗道坠落
r极小时,会不会引发“朗道坠落”？例如，在太阳系中发生水星向太阳坠落？
不会.量子力学已经证明,如果势场为吸引势,且
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则体系存在束缚态条件为0＜s＜2 ，并在附近存在无限多条束缚态能级.
1.5 薛定谔方程向经典力学的过渡
薛定谔方程是可以过渡到经典力学的.
在外场中只有一个单粒子情况下,波函数的极限形式为:
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2恒星系统形成的能量最小原理
2.1能量最小原理
物质世界就是一个复杂的多电子系统.量子力学指出,在正常状态下的原子系统中每个电子都趋向于占据最低能级.因此,能级越低即离核越近的壳层首先被电子填满,此即能量最小原理.
实际上,这也可以解释自发辐射现象.爱因斯坦运用热力学和统计物理中的平衡条件建立了自发辐射概率与受激辐射概率之间的关系,并求出自发跃迁速率,还进一步求出了原子处于激发态能级的平均寿命和激发能级的自然宽度.
爱因斯坦自发辐射理论的物理机制是,原子一旦处于 激发态为什么会自发辐射光子而跃迁到低能级上去是由量子力学内禀概率所决定的.同时,它也符合热力学第二定律,即不稳定的封闭系统总是向熵增加的方向嬗变.
2.2最小作用量原理
莫-拉最小作用量原理(The Maupertuis-Lagrange Principle of Least Action)认为,在保守系统中,动能是广义速度的二次函数,由欧拉齐次函数定理即定常系统中势能仅为位置的函数可得:
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2.3极小曲面定理
能量最小原理和最小作用量原理是微分几何中极小曲面定理的物理机制.
微分几何从高斯绝妙定理到Korn-Lichtenstein定理是分析物质运动空间属性的数学工具,这是因为微分几何本身就是研究空间属性的.
2.3.1 刚性天体自转公转轨道稳定性理论依据:
在m维光滑流形上必有黎曼度量G;
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对于Khler流形(N,h)
Khler流形的复子流形必是(N,h)的极小子流形
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2.4 恒星系统形成和运行模式
恒星系统如太阳系是宇宙中成形物质的基本单元; 由恒星系统组成的星系相对于不同参照系将具有不同的合运动效应和不同的视觉效应;星系团没有显著的特殊效应,可以看作是星系交和并的集合.
现代天体物理学认为, 星系形成之前的空域可以看作具有不同温度的多元等离子体集合.每一组分都具有自己的平衡温度.某一组分相空间的平衡温度为:
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处于热辐射阶段的每一组分散度都不为0,那么,热辐射会
以球面波阵面进行辐射吗不会.多元等离子体将遵循2.1和2.2节两个原理进行辐射,而极小曲面就是描述这种辐射途径的数学模式.
在2.3.2节中已经证明极小子流形的存在,下面证明由极小子流形演变为宏观天体的途径.
复极小曲面 S里嵌有实极小曲面S的条件是:
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复极小曲面 S上的点属于实极小曲面S的条件是:
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成团致密分子云和辐射能以极小曲面为包络线,形成极小子流形在空间运行.
由于以极小曲面作为包络线的极小子流形散度处处为0,因此属于管形场.
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穿过管形场所有横截面的通量相等,致使作为极小子流形的成团致密分子云和辐射能穿过管形场极小横截面时密度更大,旋量更大.这就极易引起热核反应,使核合成得以进行.
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已知上述径矢划过的轨迹为椭圆.它的原点与近似曲面的原点重合.这就是使大的成团致密分子云和辐射能汇聚于椭圆焦点,形成恒星;使小的成团致密分子云和辐射能沿椭圆轨道运行,并向椭圆焦点辐射出能量使自己逐渐冷却形成行星.显然,它们辐射出的能量有助于恒星上热核反应的进行.
由张量场函数微分式:
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由于矢径r的梯度就是度量张量,因此黎曼几何仍然适用于上述各式.
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行星(刚体)在运转过程中唯一决定因素就是角速度,辐射能在辐射过程中就是角频率.
3.1角速度与加速度的关系
由经典力学质点角动量守恒定律知,
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由于二阶张量I只与物质密度、刚体体积和欧氏空间有关,因此求时间导数时可以不考虑.则上等式中前一等式说明,角动量变化率直接决定于角速度变化率;后一等式说明,刚体加速度也决定于角速度变化率或角动量变化率.
行星(刚体)沿公转轨道的转动可近似看作简谐运动,即
……②
由此式可得其加速度为:
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这说明行星半径之外的角速度或加速度不存在.这是不对的.
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不论黑洞的备选项是什么,以上结论说明, 宇宙憎恶奇点也是一个非常强的论断.
3.4存在物质的时空线总是弯曲的
经过极小曲面的辐射能流,其时空线显然是弯曲的.
在真空能中,天体周围的电场线和等位线也是弯曲的.
设均匀电场中的导体球的半径为b,所处原先均匀电场为, 矢径, 则有:
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对于②③两式,显然也是所处的均匀电场和等效偶极子电场的结合.
由①②③三式可知,在真空能中,天体周围的电场线和等位线一定也是弯曲的.
3.5 电磁辐射是由角频率所决定的
电磁辐射较完全的表达式是:
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速度还是揭示了电磁辐射的本质含义,那就是,电磁场之间的转化主要地是由它们的涡旋场中大于光速的相速度所决定的,由于相速度是频率和波数的函数, 而k又是ω的确函数,因此相速度的最终决定因素也是角频率ω.由变大的角频率产生的加速加密涡旋线进一步加速了电场与磁场之间的转化和传播.
光也是电磁波,它的电分量就是电场.如果说得失光子造成了电磁场之间的转换,实际上等于说得失电场造成了电
磁场之间的转换,从逻辑上讲也是一种同义反复. 另一方面,光子的反粒子仍然是光子,因此用辐射和吸收就可以代替光子的产生和湮没.
3.6折射率的物理机制是由角频率所决定的
已知反映折射率物理机制的折射率公式为:
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,由此式可知,折射率是随电磁波(包括光波)频率变化的物理量,折射率n缓慢地随频率的增大而增大.
折射率取决于频率这一物理现象称为色散.因此把折射率
取决于频率函数的公式称为色散方程.
4. 爱因斯坦场方程
运动物质一定是定向的,定向的运动物质即使是电磁辐射所形成的能量流,在运动(辐射)过程中,都将遵从2.1和2.2两节两个原理:能量最小原理和最小作用量原理.
爱因斯坦场方程为:
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显然,这个方程的最大特征是把黎曼几何与运动物质相联系.
黎曼几何描述的是空间结构,爱因斯坦场方程描述的是用能量动量张量表述的引力源,两者为何能联系在一起而且取得了巨大的成功.(注3)它能把牛顿引力理论作为它的一级近似,能够重释刻卜勒行星运动三定律等等.
这是不难理解的.运动物质的运行方式欧氏几何很难精确地表述出来,因为欧氏几何不能通过保长保角映射到曲面几何.由于是张量分量,即:
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才属于欧氏空间,否则属于黎曼空间.
问题是,欧氏几何立足点是抽象的点,黎曼几何立足点是度量张量或称之为黎曼度量,这两者是如何联系起来的
2.4节已经给出了证明:矢径r的梯度就是度量张量或称之为黎曼度量.
矢径r是桥梁,通过它就可以从欧氏几何过渡到黎曼几何.最重要的是,矢径r直接描述了运动物质的运动轨迹.
由于这种联系,平直时空的牛顿引力场就可以用黎曼几何重写出来,而且是更精确的重写.
此外,辐射理论必须用狭义相对论才能正确地表述出来,而黎曼几何又能更精确地揭示辐射时空场的客观物理规律,因为它与闵氏四维时空结构是一致的,而欧氏空间则做不到这一点.
最后,由爱因斯坦场方程的Schwarzchild解可知,
……④
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由3.3节强论断,这里的奇点实为数学上的奇点,而非物理上的“奇点”.
5. 四元数宇宙
5.1 四元数时空
设欧氏空间坐标系转动公式为:
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则此时洛仑兹变换类同于时空中的一种转动,它们的平方在坐标轴转动下也保持不变,即:
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5.3波的四元数
由洛仑兹变换及其逆变换和相对论不变性,当波源与观察者之间存在相对运动时,物理波波形式可写为:
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显然,物理波的四元数与洛仑兹变换中的四元数一样,只不过对应时间,波矢量的三个分量对应欧氏空间x,y,z坐标而已.
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这就是拼盘宇宙.总体宇宙和整体宇宙都是拼盘宇宙. 高能空域、真空能空域、冷原子量子相变空域和超冷原子量子相变空域构成地图四色原理中的“四色”.
当高能空域(如超新星爆发,中子星超强辐射属于典型的外向型爆发)与冷原子量子相变空域相接触时,就会破坏冷原子量子相变,使“持续流”不复存在。
高能空域与超冷原子量子相变空域相接触时，则会使BEC突变,或引起“玻色新星”爆炸这是由外部热扰动（包括电磁辐射）引起的内向型爆炸。
外向型和内向型爆炸构成了宇宙中持续不断的爆炸，在动态中保持着拼盘宇宙的存在。
这两种类型的爆炸完全可以取代“大爆炸”.
6. 物态的相变
6.1 物态相变的理论基础
美国学者申农(Shannon)从逻辑学和数学出发,定义熵是不肯定程度的度量.公式为:
……①
设试验为,则的熵可写成下列形式:
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其中最基本的性质有两条:
第一,当且仅当之中的一个等于1,熵为0,其它情况恒为正.
第二,在有n个可能结果的试验中,等概试验具有最大熵,其值为.
这两条性质成为热力学定律牢固的理论基础.
在统计物理那里,各个微观状态是以出现的可能性相同这一基本假设为前提.但在概率论,这已经不是假设了,而是被证明为熵的基本性质,并推导出这个最大熵就是.
玻尔兹曼定义熵S与热力学概率W之间的关系为:
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这同概率论关于熵的定义是一致的.
玻尔兹曼公式表明,任一宏观状态所包含的微观状态数目
就是该宏观状态的热力学概率,用W表示.
这一公式体现的最主要内容是,包含微观状态最多的宏观状态就是系统在这一宏观状态下的平衡态.熵增大的过程就是由包含微观状态少的宏观状态向包含微观状态多的宏观状态进行的过程,相反的过程是不可逆的.高度有序向极度无序的宏观物理过程的转变,就是相对封闭系统由高能级向低能级宏观物理过程的转变也就是向熵增大方向的转变.
6.2热力学相变
取超高能空域与超冷原子空域为相对封闭系统,类似于热力学第二定律中的热源区与低温区.在此,熵增大过程也终将达到热平衡,这是一种“时间箭矢”.
由于恒星的热核反应是宇宙高能空域中存在的普遍现象,因此这里的热力学相变就是在恒星热核反应中,质量转变为能量,即质量转变为高速粒子辐射和电磁辐射.
实验指出,通过计算核中每个核子平均结合能,公式为:
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则在原子核中,质量数较小的轻核和质量数较大的重核,其平均结合能比质量数中等的核要小.
因此,获得核能的两种重要途径就是使重核裂变为中等质量的核,或使轻核聚变为中等质量的核.
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因此,核子聚变成核,亏损的质量一定以能量放出.
天文学对恒星产能率的计算已经相当准确.
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或者说此时光子已失去了辐射波的特征,只是作为纯粹的能量而存在.
物质湮没完全转化为能量的实验虽然出色,即一个负电子与一个正电子在静止时质量各为,当它们碰到一起时会蜕变成两束γ射线,测得各带有能量.
可惜,这一过程是不可逆的.
这些都是熵增大过程,都是不可逆的,也是一种“时间箭矢”.
人工可控热核反应虽然进展缓慢,但仍在进行中.这种人工可控热核反应主要有两种方式.
一是利用螺旋型磁场对高温高压等离子体实行磁约束.1991年欧共体JEJ托卡马克装置成功实行了核聚变史上第一次氘-氚运行实验,反应持续2秒钟.
天文研究表明,恒星内部存在温度梯度,深层辐射高于浅层,这就形成了辐射能递减的能级圈,能级圈制约了核反应速率形成外部约束,这是人类磁约束所无法比拟的.
二是利用激光束照射填有氘-氚气体靶球,经过辐射加热,内爆压缩,聚变点火和聚变燃烧等步骤实施惯性约束.美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的NIF被称为“人造太阳”。
显然，内爆反应速率是很难控制的.不过,这仍然是人类史上科技进步重要里程碑.
以上所述热力学相变与杨-米尔斯场论及如影随形的统一场论明显相抵触.后者认为,“场的基态是能量最低状态.场的激发状态表现为出现相应的粒子,场的不同激发状态表现为粒子数目和运动状态的不同.”
杨-米尔斯场论实际上认为,上述热力学相变是可逆的,场
能的激发可以转变为不同的粒子.
这种看法有将理论物理变成“哲学玄谈”嫌疑，与客观的物理过程相比，当然会造成54个甚至100个数量级的差异。
热力学相变还表现为刚性天体高速旋转而产生的各类辐射.
旋转中子星是依靠高速自转来提供能源的,这是典型的模式.
由中子星的高速旋转而产生的辐射能,可用下式来计算:
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进一步推算出中子星磁感应强度为:
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天文计算表明,蟹状星云脉冲星在光学波段其亮度温度约;在射电波段竟达,而恒星热核反应最高温度也只有,人类任何超高能对撞机更是望尘莫及,甚至可以与宇宙热大爆炸模型预言宇宙元初时()温度()相提并论.
由于中子星可以看作一个巨大的原子核,因此中子星辐射也是一种质能转换.
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由此推断,钱德拉塞卡上限略有上移时,就会产生涡旋式“白洞”。
这是因为在超新星爆发后的收缩过程中，它仍然是一个相对封闭系统，角动量应该是守恒的。经计算，由超新星爆发后的核心形成的中子星最大线速度为，质量上限略有上移后，中子星线速度大于或等于光速，这种运行机制就会在空间形成涡旋式白洞，但这仅仅是一种客观的观测效应。
6.3冷原子空域量子相变(50nk≦xk≦3k)
冷原子空域量子相变特征深刻来源于量子力学态叠加原理的宏观物相,这些物相能够完全由海森伯不确定性原理驱动发生相变.致密的巨型分子云是生成恒星的主要场所.作为复杂体的巨型分子云,温度为T≈10k,而氢()液化温度为T≈12k;快速旋转的中子星表面磁场强度约为,而强磁场中,氢原子理论上直到T=0k时仍然为气体.这两条性质使氢在天体演变中扮演主角.
但是,在真空中扮演主角的则是.
氦被液化温度为T≈4k.
最具有决定性意义的是液氦()量子相变发生在λ点(λ≈2.17k),此时, 液氦()成为“持续流”.
20世纪50年代,Ffitz London 根据London方程清楚陈述了作为微观理论目标的宏观波函数概念.液氦()的超流性质又确实表明宏观波函数概念可用于整个超流成分。
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当BEC和“持续流”等量子相变发生时，起决定作用确实是量子力学态叠加原理和不确定性原理，因为这使熵极大化所需涨落被不确定原理所要求的量子涨落所代替.但是,在宇观大范围内,从超高能空域到冷原子空域,再从冷原子空域到超冷原子空域,热力学第二定律仍然起作用,因为温度梯度仍然存在,这一“时间箭矢”仍然不可逆。相关研究表明，在德氏波长大于粒子间距时，就会产生量子相变.
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由此推断,冷原子空域量子相变所产生的温度将会维持宇宙背景温度恒定不变,它阻碍了时间箭矢在冷原子空域的继续行进.
6.4超冷原子量子相变空域(0k≦xk≦50nk)
超冷原子量子相变是那些做出“英雄般努力”的科技工作者发现的.在接近0k空域,光子─宗玻色子辐射消失了,但原子包括赝玻色子则不会消失,物态相变转变为超冷原子空域量子相变.
同冷原子空域一样, 超冷原子量子相变特征也深刻地来源于量子力学态叠加原理的宏观物相,这些物相也能够完全由海森伯不确定性原理驱动发生相变.
超冷原子实验表明,在50nk以下时可以使样品几乎都成为BEC.MIT已经可以用Ioffe磁阱将上百万个钠原子制备成BEC.
这种量子相变最重要特征是,在接近ok空域,所有玻色子都雪崩式地落到最低能级,而费米子每个能级上只有一个原子.
理想气体定律断言,在恒压下,T0k时,气体体积将收缩为0.显然,这已为超冷原子空域量子相变所取代.
实验中,关掉陷俘势阱会引起波函数孤峰膨胀.这是热扰动引起量子相变的突变所造成的.
这里,用二元函数来描述这一突变性状:
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说明和所划出的双曲面是BEC包络面,同时也是世界面. 超冷原子空域中的冷暗物质的最可能备选者是各类玻色子,它们构成宇宙中物质和能量的23%.
当光子趋于超冷原子量子相变空域时,辐射不复存在.因
此,黑洞是超冷原子量子相变的产物.
Robert B.Laughlin 及其合作者也强调,光趋于黑洞表面的行为类似于声波趋于相位间断面时的行为,结果光与声波一样慢下来,最后失去波的身份.
他们正确地认为,黑洞内部(可能)是一个与外部处于不同相位的真空,具有更大的能量密度,与凝聚的量子流体相似.黑洞表面是相位边界,而不是广义相对论的简单无穷薄视界 .
7.真空与真空能
否定参照系的绝对性,说明光速不变原理;同时说明真空是各向同性的,否则沿不同方向的光速就会有不同的值.这是迈克尔孙-莫雷实验的主要内容.
没有“一无所有”的空间或真空，只是在这个意义上“绝对空间”是不存在的.空间或真空总是弥散着“小得出奇”的物质和能量.
7.1真空的第一个重要特征是真空中光速恒定
1964年CERN实验比迈克尔孙-莫雷实验更精确地证实了相对论光速假说.
作为光源的中性π介子衰变成两个γ射线:,由于γ射线是一种高频电磁波,服从光速假设.
实验证实,这些π介子发射的光的速率和π介子在实验室中静止时会测到的是相同的.
麦克斯韦从波动方程得出电磁波的传播速度,证明,电磁波的传播速度只决定于传播介质.
赫兹看得更远:电磁波的波速(即光速)C与波源的运动速度无关.
爱因斯坦则系统地证明了光速不变原理.他认为自然界有一个极限速率C,它沿各个方向在所有惯性系中相同,光碰巧以极限速率C传播.任何无质量粒子都是如此.对于确实具有
质量的粒子,不管它以多大加速度加速,或加速多长时间,都不能达到C.
由实验可算出真空电容率与真空磁导率之精确值.它们都仅取决于器件的几何结构.这给我们的启示是,超高能空域与(超)冷原子空域形成的宇观几何结构决定了真空电容率与真空磁导率的常数值.类似于各同心圆的弧长比等于它们的半径之比一样.
而真空电容率与真空磁导率的倒数又决定了光速,即.
7.2 真空的第二个重要特征是没有“一无所有”的空间或真空，空间或真空总是弥散着“小得出奇”的物质和能量.
只是在这个意义上“绝对空间”是不存在的.这不同于场论中的真空.场论学家认为,真空是场的基态,是“正负电子对”不断产生和湮灭的“翻滚的汤”.这一说法显然有悖于宇宙加速膨胀、星系红移这一天文观测结果.既然是“基态”怎么可能还加速膨胀呢？“小得出奇的物质和能量”怎么可能形成“翻滚的汤”
真空只能是弥散着小得出奇的物质和能量的“绝对空间”.
洛仑兹变换和由此形成的闵氏四维时空是纯粹物理模式的抽象演绎,其物理意义一目了然,没有“哲学玄谈”色彩.
时间性区域（类时间隔）与类时向量满足：
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由二直线及，加上y,z二维则在四维空间形成一光锥,以上两个区域由此锥面分隔而成.
在类时间隔内,任何两点都具有同样的空间点,它们仅在时
间上形成因果联系.
在类空间隔内,在任意一个时点上的空域快照仅在空间上并存没有时间上的因果联系.太阳此刻爆炸,不能给我们任何相关信息,只有在8分钟后我们才知道.
这就是洛仑兹变换的物理意义,没有必要提醒人们这是洛仑兹群而不是其它的群.
运用洛仑兹变换,爱因斯坦否定了绝对时间概念,形成相对论性“同时性”，并得出“时间延缓”结论.
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这就使爱因斯坦肯定地说,只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里,那么任何想要满意地澄清这个悖论的尝试,都注定要失败.
但爱因斯坦对“绝对空间”的否定仅限于“长度收缩”.
要澄清的问题是,爱因斯坦研究的是物质和辐射按光速或接近光速运动的情形,这一运动改变的是与运动相联系的“局部空间”,而不是物质和能量小得出奇的“真空”。
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超高能空域与（超）冷原子空域形成的相对封闭系统,熵变仍然存在,因此,非0矢量场也仍然存在.同时,极小真空电容率和真空磁导率与等同磁屏室内磁感应强度(T)一起构成真空近似0磁场强度.这样,穿行于真空内各类带电粒子波函数相位就会有所改变,导致可观测到的干涉现象,产生A-B效应(Aharonov-Bohm effect),引起真空中的A-B振荡.
这种真空中的A-B振荡类似于或等同于真空微波背景辐射.
8. 量子力学的发展与相关技术开发
8.1 量子力学隧穿效应带来的技术开发与应用
8.1.1 20世纪80年代STM和AFM是量子力学隧穿效应直接带来的重大技术研发,开创了人类技术史上新时代:人类不仅可以“看”到原子,还可以操控原子,用原子排列成IBM字样.
8.1.2 隧穿效应揭开了“太空实验室”—太阳的燃烧秘密，揭示了核聚变反应机制，直接推动了核物理学和天体物理学的发展.
8.2 现代技术包括激光技术、纳米技术和计算机通信技术都是在量子力学理论指导下开发出来的.
例如,在激光技术领域里,正在开发无反转激光技术(LWI).这是量子力学关于多能级原子系统中量子相干和干涉效应原理的直接应用.
8.3量子力学内禀概率主要内容
8.3.1量子化原则和概率波原则
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还给出了三种特征速率:
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(k为玻尔兹曼常数).
玻尔兹曼另一重要贡献是,选定为μ相空间的单位相格,这个h后来演变为普朗克常量h,成为量子力学中重要常数.
具体引入h的计算过程是:
首先,他计算出自由质点所处相室i的体积为:
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其次,按单位化,他称之为权重 ,即
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另外,由(10) (11)和(7)还可以推导出麦克斯韦分布律.
8.3.4 Bose-Einstein统计是自旋为整数实点的玻色子统计模式.
光子是宗玻色子,玻色-爱因斯坦统计主要应用于光子统计.
尽管光或电磁波和物质波都是概率波,但区别是很大的,即使用“定域规范”也混淆不了.
第一,光或电磁波的E是自身具有物理意义的物理量,说明电磁场的强弱;而物质波本身并没有客观的物理内容,只有
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不具有以上性质的玻色子只能称之为赝玻色子.
第三,电磁场是涡旋场,角频率和相速度起主要作用,只能靠缩短波长或提高频率来增大动能量.
玻色-爱因斯坦统计,对于光子:
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8.4量子光学是量子力学开创性应用
美国学者Glauber首先预言光子反聚束的非经典效应,并引进相干态概念,开创了量子光学发展新时代.
由于光场相干态可用光子数态展开,即
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而光场的三种准概率分布(P(α) 、Q(α)和Wigner函数)都可用光子数态展开,因此这里重点放在光场的光子数态展开形式.
8.4.1对于压缩真空态,光子数方差为,
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用 ……(23)
这是经典光场.
8.4.3在归一化的量子二阶相干函数中,对于单模光场,光子
数态可表示为:
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表示.
8.5信息时代是量子力学大规模技术开发与应用时代,信
息时代石破惊天的三大创举是:固体能带结构的发现、芯片和光导纤维的发明
8.5.1 第一大创举: 瑞士Felix Block求解了一个电子在由带正电离子构成的点阵势场中运动的薛定谔方程,因而发现了能带结构,这个方程是固体量子力学能带论的数学基础.
由此,N型半导体、P型半导体和P-N结的形成成为以后大规模集成电路的物理技术基础.
8.5.2 第二大创举: 美国人杰克·基尔比(Jack Kilby)被
公认为是第一位制造出可以工作的集成电路的领头人.由此开发出系列化芯片制造技术,导致硅工业变革.此后,微处理器上几千万个晶体管陆续实现.可编程的超大规模集成电路使人类进入信息时代.芯片制造技术成为信息社会核心技术.
8.5.3 第三大创举: 经典光学又开发出光导纤维通信,从而完善了计算机通信技术.
高锟与英国邮政总局密切合作,首次演示了光通信,使他在光纤设计和制造上成为最完美的“成功冠军”.
8.6 冷原子量子相变物理研究
荷兰卡莫林·尼昂斯(Kamerlingh Onnes)是第一个将氦液
化的物理学家.
液氦()在λ温度(λ=2.17k)出现超流性,这是英国牛津
克拉伦敦实验室最先发现的.
8.7 超冷原子量子相变物理研究深刻揭示了冷暗物质量子相变性质
8.7.1 磁阱中的激光冷却技术和蒸发技术开启了超冷原子量子物理研究.此后, 超冷原子量子物理研究进入微开(μk)和纳开(nk)物理学领域.法国克劳德·科恩·塔诺季(Chaude Lohen-Tanoudji)成为领军人物.
8.7.2 1985年朱棣文团队开了激光冷却技术先河,将钠原
子冷却到接近μk量级.
8.7.3 1995年6月 艾里克·康奈尔和卡尔·威曼(Eric Cornell、Call weiman)及其团队在在磁阱中蒸发冷约两千个铷原子,观测到BEC清晰证据,这是第一次在实验中观察到的玻色-爱因斯坦凝聚体(简称BEC), 也是第一次气体形式的BEC,冷却温度为200nk.
8.7.4 几个月后,Wolfgang Kellerle领导的团队首次用钠原子制备了一个BEC.后来,MIT团队用Ioffe磁阱制备了一个更大的BEC,钠原子多达上百万个.最关键的是,MIT团队能用两个制备的BEC做实验,证实了BEC是相干的物质波源,就像激光器是相干光源一样; 在BEC里,所有原子都占据陷阱的基态.
8.8 量子力学没有陷阱
薛定谔猫不是一列物质波,不会发生干涉,从而也不会与自己发生干涉.
电子偶素是由高能加速器制备的,宇宙中的高能加速器很多,主要有三种:恒星热核反应、超新星爆发和中子星高能辐射.三者不仅在时间上存在因果联系,而且在空间上也是并存的.
对于一个特定的电子偶素,其终态是:
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显然,你在X偏振器中得到一个光子,那么另外一个人将在Y偏振器中得到另一个光子.由此可见,这里不存在“佯谬”或“陷阱”.
9. 杨-米尔斯场和如影随形的统一场论的危机
广义相对论是黎曼几何在真空中的物理应用,只适用于真空环境.
夸克模型是核子主要是质子没有发生质能转化时与超高能光子(胶子)的共振态模型,这是由QCD本身阐明的──夸克禁闭与渐进自由.由于QCD受杨-米尔斯场论影响小,并不着意去构建“统一场”,因此QCD成为粒子物理的合理模型.
而电弱统一模型则不然,由于它着意构建“统一场”,受杨-米尔斯场论影响大,结果既不能说明真空磁场的传播机制,又不能开发出大规模技术应用,成了狄拉克所说的它是不重要的这一类“科学发现”.
费米弱作用物理模型,不是弱作用的低能近似, “弱作用”本身就是真空中低能物理现象,因此只能用低能物理模型.
9.1QED的成功之处在于
第一,QED的自由拉氏量依赖于自旋为的费米子狄拉克场.
第二,群变换是一种连续变换,具有相加性,适用于对电磁场的描述.
第三,将洛仑兹标量作为限制条件,也就是将
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特别地,排除了质量项后,拉氏量才能说得通,这是最重要的举措,因为电磁场本身就是能量的辐射和传播.
第四,与麦克斯韦方程成互补关系,而不是将麦克斯韦方程描述的电磁场戏称为经典电磁场.
事实上,在通行的电磁学教科书中,都将狭义相对论因素引入到麦氏方程中了.例如:
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量子场论者在谈到电磁波的量子化时都叫苦不迭,这本身就说明只要将洛仑兹条件引入电磁辐射就行了,并不需要对电磁波进行量子化,电磁波量子化主要表现在对振荡回路的量子化,用量子力学去研究电偶极子或磁偶极子产生电磁辐射机制或其它产生电磁辐射机制是最可行的办法.在现代信息社会,不依赖引入相对论因素的麦氏电磁理论,而只依赖量子场论,信息通信能否持续下去
9.2真空环境中的弱相互作用只能用低能弱相互作用理论来描述,如果用G-W-S模型,无异于削足适履.但这并不排除衰变对恒星热核反应机制的理解.
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9.2.220世纪50年代,Feynman、Gell-mann、Marshak 和
Sudarshan认为,对于大多数进行衰变的原子核,或遵从费米选择规则,或遵从Gamow-Teller选择规则,选择应由实验来确定,从而勾勒出V-A型弱相互作用理论.
如果V-A型弱相互作用理论满足轻子数、重子数和电荷守恒且,则称这类相互作用为V-A型流-流耦合理论.
这正如Chris Quigg所说,把这种实效理论应用到高能或用来进行量子修正计算毫无意义.
这种理论的实效性还表现在它只限于对短程弱相互作用的分析,而不是企求把长程电磁力与短程弱力毫无疑义地“统一”起来.
9.2.3 玻色子只有两类，一类是宗玻色子，其它都是赝玻色子，不应该把玻色子叫规范玻色子。在标准模型分类表格中，玻色子自旋宇称都是整数，这是玻色子主要特征；其次是质量和电荷都是0，唯独中间玻色子和质量比质子质量还大75倍，显得不伦不类，干脆叫做核粒子能级共振态多好。这都是杨-米尔斯场及其伴生物-规范原理的产物.
对称性原理作为粒子物理学局部操作手段无可厚非,当把它作为统一场论普遍适用的“规范原理”，谬误就在所难免，正如群论作为数学分支也不能统一整个数学领域一样.
如果从量子力学基本演化过程来看，非对称性也占有更重要地位.
人们称量子系统的幺正演化为U演化.它维持量子系统的态叠加,是线性的,决定性的,以及时间对称的.
但是要从热力学第二定律出发,情形就相反了.在这里,存在波矢量缩减的情况,量子的不同选择被放大了,这种演化被称为R演化.
因此R是“波函数坍缩”，是非线性的，非决定性的以及
时间非对称的，故不能“把R归结成U的一种近似”.
非对称性在这里占主导地位.这种主导地位归根结底是由宇宙在时间上的非对称性所引起,也就是说是由宇宙将来和过去非对称边界条件所引起.
9.3 QCD是完全立足于实验的粒子物理理论
9.3.1 加州SLAC实现的电子散射实验,证实了质子的内部结构.由此盖尔曼(Murray Gell–mann)最先命名这种构成物质的最基本单元为“夸克”.与此同时,日内瓦CERN粒子物理实验室的乔治·茨威格(George Zweig)也认为质子具有基本组分，他称之为“微点”（ace）.
9.3.2 20世纪70年代,群用于整合众多基本粒子.
9.3.3 K·G·Wilson利用格点理论整合夸克组分.这一做法几近早期量子论的统计学论证.
可以说群和格点理论只是利用数学工具整合物理实验成果而已.这就使QCD受杨-米尔斯场论及如影随形的统一场论干扰小,成为一种可行的粒子物理理论.
9.3.4 由普林斯顿的David Gross 和 Frank Wilczek及哈佛的David Politzer于1973年通过计算揭示出，夸克能永久地被禁闭但在高能探测时却表现出无拘无束，称之为“渐进自由”.
这一计算成果意义非凡,它强烈暗示着,夸克模型就是核
子主要是质子在没有发生质能转化时与超高能光子(胶子)产生的共振态模型.目前为止,从未在自然界检测到夸克,这不是检测技术落后,而是因为夸克只存在于超高能高压空域,它只是通过核聚变或通过中子星超强电磁辐射转化成另一种能量而已,它只有通过转化为光和热才能体现它的存在,这与质子质量主要集中在胶子上是不谋而合的.
以杨-米尔斯场及如影随形的统一场论为主导的量子场论,到处充斥着群论,大学低年级必修课中的各类矩阵和多如牛毛的拉氏量.由于它们都围绕着“终极理论之梦”在转,因此错误在所难免.
粒子物理学正如天体物理学一样，需要探索的专业领域很多，能统一起来吗？你能统一超冷原子量子物理中出现的相变？BEC和“持续流”是什么力？
以这类量子场论为指导的超大型对撞机并没有在地球上撞出黑洞白洞，只不过在纳税人钱袋上撞出了一个“漏洞”.
9.3.5 各类量子场论参考书一致认同,标准模型中有19个参数,如果再考虑三代中微子质量不为0,以及它们的混合参数和轻子CP破坏,参量就更多了.
但是,Chris Quigg还是热情地赞扬道，发现规范玻色子（和）本身需要超凡的努力，这是现代粒子物理学最值得骄傲的成就之一，是加速器艺术的一首凯歌.CERN科学家
将超级质子同步加速器改装成质子-反质子对撞机,使之能达到弱作用玻色子能量.
尽管Guigg竭力加以赞扬,作为正直的科学家,他还是不免
又焦虑起来.他说，粒子物理学对重大科学问题的答案是一个我们不愿意听到的答案,因为电弱理论中四处弥散的希格斯场以至少的密度均匀充满全空间.这大大高于天文学告诉我们的存在的量.
这真是一个天大的问题.天文观测表明,用通常的单位表示,空间能量密度不能大于,这就造成了54个数量级的差异,更遭的是,在强作用、弱作用和电磁作用的统一理论中,这一差异更大,差100个数量级以上!
北京大学王正行则与Quigg持不同的看法，他看不到这一差异，他用武侠言情小说的语言（诸如恍如隔世，绝处逢生）极力颂扬杨-米尔斯场论及其如影随形的统一场论，他为对称破缺理论挽救了杨-米尔斯场论而高兴得手之舞之，足之蹈之。他说，这简直是“山重水复疑无路，柳暗花明又一村”. (注11)
实际上,只要排除了杨-米尔斯场论及其如影随形的统一场论,粒子物理学危机也就化解了.
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定的宇宙元初能量.此时,光子已失去了辐射波的特征,只作为纯能量而存在.
不仅如此,在这种超高能空域中,QCD模型中的夸克和胶子都转化为能量.描述这种超高能空域,类似于闵氏空间类时空域,欧氏空间中的一切坐标架和度量,黎曼几何中的一切坐标架和度量都将不复存在,你说它是一维的点、n维欧氏空间或m维黎曼流形都可以,因为它的唯一度量就是“能”.
因此,它也类似于爱因斯坦引力场方程中的奇点,但不同于这一奇点的是,它是客观的超高能空域,并于绝对0度的0k空域构成相对封闭的熵增大系统.
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模型设定的宇宙元初温度只差两个数量级.
由于在恒星热核反应中,由质量亏损释放的核结合能不包括射电辐射能,因此不论是中子星超强辐射还是恒星热核反
应,绝大多数带电粒子流都是带负电荷的电子束流,差别在于,在恒星热核反应中形成正离子海洋,,而在中子星超强辐射中,整个中子星在电子不断向外迁移过程中,只是作为一
个单独的正离子原子核在太空旋转着.
由于这种撕裂,各种正反粒子对形成的几率相对很小.但是,在G-W-S模型中,能量仅为540GeV,却产生那么大几率的规范玻色子,并由规范玻色子衰变产生那么大几率的正负电子对,这是很不可思议的.
尤其是核子都在恒星和中子星上作“终极理论之梦”时,居然还会在辐射太空中形成大于质子质量75倍的中间玻色子─和,更不可思议的是这些玻色子还衰变成正负电子对.
这样看来,正如Quigg所焦虑的那样，这确实是一个我们不愿意听到的答案.
太空实验室告诉我们,这是一个有悖于客观物质世界的答案.它仅仅是人类加速器的一首凯歌.
它既不是高能状态下的低能极大,也不是低能状态下的高能极小,因为低能状态下只能用放射性衰变定律,进一步有V-A型弱相互作用理论.
总之,电弱统一理论中的规范玻色子不过是各类高能粒子共振态的近似描述,这种情况类似于光子在相互干涉过程中
形成的极大和次极大能极圈,而不能称之为“新型光子”一样.
十、结语
本文受英国科普作者安东尼和帕特里克(Tony Hey and Patrick Walters)新量子世界》一书影响而写成的。两位作者写作风格很独特,在每一章开端都引用费曼的一句话,使费曼本人也怪不好意思。他不无幽默地说,尽管这本书每一章开头都引用了我的一句话,但确实写得很好。
但是，两位作者认为只要希格斯粒子在实验室中被发现后量子场论就功德圆满了，这是值得商榷的。量子场论是一个精致、妖冶的花瓶,可惜与宇宙的客观存在不符。希望本文能给相关领域的研究人员提供一定的参考。
参考书目
1 《21世纪新物理学》(英)Gordon Fraser编 秦克诚
主译 科学出版社 2013年1月第一版
2 天体物理学 李宗伟 肖兴华 高等教育出版社
2012年12月第二版
3 费恩曼物理学讲义(第1、3卷) 潘笃武 李洪芳译
上海科学技术出版社 2005年6月第一版 P305-307
4 电磁场与电磁波(美)David Cheng著 何业军 桂良启 译 清华大学出版社 2013年2月第一版
5 哈里德大学物理学(上下册) 张三慧等译 机械工业
出版社 2011年1月第一版
6 量子力学 陈洪 袁宏宽 主编 科学出版社2014年
1月第一版
7 量子力学(第六版)朗道著 严肃译 高等教育
出版社 2008年10月第一版
8 变分法基础 老大中著 国防工业出版社 2015年1
月第三版
9 微分几何讲义 陈省身 陈维桓著 北京大学出版社
2001年10月第二版
10 黎曼几何引论(上册)陈维桓 李兴校编著 北京大学出版社 2002年12月第一版
11 微分几何讲义吴大任编 高等教育出版社 2014年
11月 第二版
12 张量分析黄克智等编著 清华大学出版社2003年
7月第二版
13 时空本性(英)霍金 彭罗斯著 杜欣欣 吴忠超译
湖南科技出版社 2009年10月第二版 P53,P50
14 理论物理(第四册)吴大猷著 科学出版社1983年8
月第一版
15 微分几何陈维桓著 北京大学出版社 2006年6月
第一版
16 概率论第一册 复旦大学编 人民教育出版社 1979
年4月 第一版
17 普通物理学第三册 程守洙等编 高等教育出版社
1982年12月第四版
18 粒子物理学导论 肖振军 吕才典著 科学出版社
2016年3月第一版
19 微积分(下册)James Stewart著 白峰杉译 高等教育
出版社 2004年7月 第一版
20 量子光学张智明著 科学出版社 2015年2月第一
版
21 终极理论之梦(美)S·温伯格著 李泳译 湖南科技
出版社2007年3月第二版
22 量子场论导论黄涛编著 北京大学出版社 2015年
11月第一版
23 核物理与粒子物理孙汉城编著 哈尔滨工业大学出
版社 2015年5月第一版
24 新量子世界（英）安东尼·黑 帕特里克·沃尔特斯著
湖南科技出版社2009年11月第一版
25 简明量子场论王正行 编著 北京大学出版社 2008
年4月第一版
26 “唯象”一说不妥
把爱因斯坦在自发辐射理论中引入三个系数的做法称之为“唯象”地引入是不妥的. “唯象”一说有一种把客观的物理研究变成毫无根据的哲学玄谈的倾向.
实际上,爱因斯坦引入三个系数做法就是在建立自发辐射理论模型.
理论物理就是建立模型.通过输入输出,利用黑箱操作(黑箱操作就是尽量避免人为干预客观物理过程的操作),揭示客观物理规律.
在现代计算机出现以前,建立模型主要借助于数学方程来进行.这种运用数学方程来揭示客观物理规律的做法是粗糙的、近似的,只有极少数解析式.
在现代计算机出现以后,大规模数值模拟和数值计算成为可能.
借助于统计学方法、近似图解法和数值计算而得到的解更准确更精确.
总之,建立模型有多种方法,而创建数学方程只是其中一种.那么,建立的物理模型是否反映了客观的科学真理这就要依赖实验的可重复性了.
杨-米尔斯场论出现后,检验理论物理是否反映客观的科学真理,不仅需要实验的可重复性,还要看是否出现持续的技术开发和应用.否则,理论物理就有“哲学玄谈”嫌疑.