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走投无路的量子力学:杨振宁先生说“盛宴已过”背后的真正含义

2020-11-23  网摘文苑

走投无路的量子力学!杨振宁先生说“盛宴已过”的真正含义!

作者:李春生丨@一只大象x西风歪马

(书房记团队作者)

讨论加速器该不该建的文章不计其数,论战双方各执一词,互不相让,争吵不休,这里就不掺和了。让人好奇的是,为什么杨先生会说'盛宴已过'呢?是什么理论'盛宴已过'了呢?

走投无路的量子力学:杨振宁先生说“盛宴已过”背后的真正含义

杨先生说'我懂高能物理,我认为你不要走这个方向'呢?通俗的解读这些话就是,高能物理这条路走不通了,你改行比较好。杨先生为什么要这样说呢?

如果'盛宴已过'指的是高能物理学的'盛宴已过',那问题就复杂了。

我们知道,高能物理学又称粒子物理学或基本粒子物理学,它是物理学的一个分支学科,研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质,和在很高的能量下,这些物质相互转化的现象,以及产生这些现象的原因和规律。所谓的高能就是通过加速原子以及亚原子粒子的碰撞来发现构成原子的物质形态和相互作用机制。通过高能撞击,发现新的物质,构建了一个粒子标准模型。高能物理事实上是粒子物理学发现微观世界的方法。

粒子物理学的定义:是研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间相互作用的一个物理学分支。由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现,物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们,因此粒子物理学也被称为高能物理学

我们知道,量子力学虽然认为量子具有波粒二象性,但是,粒子学家们的量子却是具有波动性的粒子。请注意,结论是粒子。高能物理属于粒子物理学,粒子物理学又属于量子力学。因此,粒子物理学就是量子力学,量子力学就是粒子物理学。粒子标准模型是粒子物理学的粒子标准模型,也是量子力学的粒子标准模型。粒子加速器是量子力学发现微观世界奥秘的工具。

因此,杨先生说高能物理学的'盛宴已过',事实上,也是说量子力学的'盛宴已过'。

问题来了,杨先生是什么人?他可是著名的量子物理学家,是著名的粒子学家,他为粒子标准模型的建立做出了重要贡献。

我们先来介绍一下杨先生的主要贡献。

我们知道,经典物理学认为量子是不同振动频率的的电磁波,电磁波有折射、衍射和偏振,这些都可以实验验证。而量子力学存在一个要命的问题,如果量子是粒子,量子长什么样儿?是实心的粒子?还是一团粒子?如何理解非整数自旋呢?还有一个麻烦的问题,如何测量一个粒子的自旋呢?

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李政道

1951年,杨振宁和李政道想到了一个检测粒子自旋的方法:

通过观察自旋粒子的衰变,例如u子的一个衰变产物是电子,假定大自然命令电子都只从圆柱(粒子)的一端跑出来,这就相当于确定了一个方向,如同我们在乒乓球上画上了一个点,这个点就是旋转的参照物。因此,也就可以确定粒子自旋的概念了。1956年,李政道和杨振宁在论文《弱力中的宇称守恒质疑》中挑选了一系列反应,并检查了实际中宇称——镜像对称不受弱相互作用力支持的蛛丝马迹。他们感兴趣的是从自旋的原子核里放射出的电子的方向,如果电子更偏爱其中一个方向,那就像是给钴核穿上了一件缝有纽扣的衬衫。这样的话,我们就可以说出来哪一个是真实的实验,哪一个是镜像。或者说,我们给自旋的粒子标记了一个自旋参照的一个坐标点。[利昂·莱德曼,迪克·泰雷西:《上帝粒子》,第 271页]。

有了旋转的参照物——电子出来的方向就是参照物的点,也就可以确定粒子是顺时针或者逆时针旋转了。也就是说,不管u子是一个什么东西,只要刚刚衰变出来的电子(参照物的点),u子的自旋方向向右(顺时针),那么,这就是个右旋的u子。杨振宁和李政道因此获得若贝尔物理奖。

还有,1954年,杨先生和米尔斯提出的杨-米尔斯(Yang-Mills)理论是现代规范场理论的基础,被认为是20世纪下半叶重要的物理突破。利用它所建立的弱相互作用和电磁相互作用的统一理论,特别是这个理论所预言的传播弱相互作用的中间玻色子,被认为已经在实验中发现。杨-米尔斯理论又为研究强子(参与强相互作用的基本粒子)的结构提供了有力的工具。除引力外,电磁力,弱力,强力这三种力都能用杨-Mills场描述。有些人甚至认为,粒子标准模型就建立在杨-米尔斯理论的基础上。

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综上所述,杨先生对量子力学的贡献非常大,可以说是支柱型的人物。也可以说,杨先生一世英名都系于量子力学,如果杨先生认为量子力学'盛宴已过',那不是自我否定吗?这可不是玩笑。

为什么会这样呢?'小孩没了娘,说来话很长'

量子力学是什么?

我们知道,光、电和亚原子粒子都称为量子。因此,所有解析量子的物理理论都属于量子理论的范畴,严格上讲都可以称为量子力学。但是,如果认为所有解析光、电和亚原子粒子的理论都是量子力学,那就大错特错了。

例如,经典物理学有解析光的经典光学,有解析电的经典电动力学,还有解析亚原子粒子的核物理学,这三个理论解析的都是量子,因此,都可以称之为量子力学。但是,这三个理论属于经典物理学而不是量子力学。

绝大多数人不知道的是,弦理论也是一个解析光、电子和亚原子粒子的量子理论。弦理论和量子力学的研究领域完全重叠。量子力学有一个粒子的标准模型,弦理论也构建了一个弦的标准模型,粒子标准模型中的每一种粒子都有一个不同振动模式的弦一对一地替代。

它(弦理论)宣布所有物质的'基元'都是相同的。每个基本粒子都由一根弦组成,一个粒子就是一根弦,而所有的弦都是绝对相同的。粒子之间的区别是因为各自的弦在经历着不同的共振模式。[B·格林,《宇宙的琴弦》,第145页]我们以后还是继续习惯地讲基本粒子,不过它的意思总是'一根根振动的弦'。[B·格林,《宇宙的琴弦》,第146页]

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弦理论是一种地地道道的量子力学,是一个认为量子是弦的量子力学。换句话说,是对同一事物——量子的不同的解释。弦理论想要构建一个终极理论,弦理论建立的目的就是用来替代量子力学的。不过,绝大多数人并不知道弦理论事实上也是一个解析量子的量子力学。

量子是什么?

量子是实实在在粒子?还是振动的波?目前的标准答案是量子具有波粒二象性。但是,当弦理论于20世纪80年代横空出世以后,波粒二象性这个答案就已经过时了。弦理论认为量子既不是粒子也不是波,不存在所谓粒子,只有弦在空间运动,各种不同的粒子只不过是弦的不同振动模式而已。因此,目前的量子不是具有波粒二象性,而是具有了波、粒、弦三象性。目前的现状是,一种事实,三种表述!即波动说表述、粒子说表述和弦说表述。哪一种理论的观点正确呢?对同一只动物,我们能说它是鹿,是马,又是驴吗?但是,现实就是这样荒谬。

现在的量子力学又是什么理论呢?

当今,人们只要提起量子,一种莫名其妙的神秘感就油然而生。我们熟悉的光,一旦称之为量子,马上就可以'神功附体',可以瞬间'羽化成仙',并且开始'神出鬼没',成为一种妖魔鬼怪般的存在。在人们心中,量子是神秘的、不可言传和不可理解的存在。结果,各路骗子蜂拥而来,一时间群魔乱舞,好不热闹。甚至量子读书、量子饮料、量子鞋垫这些低级骗术都有人相信。

目前的量子概念只是粒子说的语境,只是粒子说的解释。事实上,量子是什么还有其他更能自洽的解释,例如,我们熟悉的光就是一种量子,经典电动力学认为光是不同的电磁波,具有折射、反射、衍射等光学现象(曾经大气光学现象也被神奇化),没什么好奇怪的。为什么一旦称之为量子就神乎其神了呢?

量子的神奇光环是从什么时候开始加持的呢?

量子的奇异性其实并不是因为理论的成功,恰恰是理论失败的结果。

什么?量子的奇异性竟然是理论失败的结果?

是的,真相往往就是这样魔幻。物理学的发展史非常复杂,当我们站在宏观的角度来审视这段历史,就能对理论物理学有一个更客观的认识。

故事还要从头说起。

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光是什么?是实实在在的粒子,还是不同振动频率的波?波动说和粒子说争论了300多年。第一次波粒之争以牛顿为首的粒子说学派的胜利告终。但是,按照粒子说的解释,牛顿连自己的牛顿环都解释不了。

1801年,'民科'的典范,英国医生托马斯-杨设计了一个简单的实验——光的双缝干涉实验,一举推翻了牛顿的粒子说,第二次波粒之争以波动说学派的胜利告终。事实上,这个实验改变了物理学的发展方向,到现在还影响着各个物理学的方方面面。

双缝干涉实验证明光是一种波!到目前为止,没有任何实验可以证明光是粒子(这一事实非常重要!)。在光是以太横振动的基础上,麦克斯韦和赫兹建立了经典电动力学。波动说可以逻辑自洽地解释双缝干涉实验和各种自然现象(除了所谓的'黑体辐射'存在争议)。

托马斯-杨的双缝干涉实验非常简单,但是,这个简单的实验对粒子说的理论(量子力学和相对论)来说却是一个无法逾越的天堑。100多年来,无数的粒子学家提出了各种各样的假设来解释一个粒子如何同时通过两条狭缝并产生干涉。可惜,没有一个粒子说的解释能够自洽!请注意!这些在逻辑上无法自洽的解释构成了量子力学的理论部分

量子力学的缘起和发展简介

量子力学缘起于经典物理学天空上的一朵乌云——'紫外灾变'。按照当时的经典物理学的电动力学理论,辐射是连续的。在带来了一个严重的问题,在计算黑体辐射时,强度会随辐射频率上升,而趋向于放出无穷大之能量,物质将因'无限制'的辐射而彻底衰变。

怎样解决这个问题呢?

1900年,普朗克提出辐射能量并非是连续输出,而是分成一份份的能量子

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这个能量子是一粒粒的粒子?还是一段段的并不连续的电磁波呢?

普朗克认为辐射的本质是一段段的并不连续的电磁波!他甚至提出'万物皆是波',即宇宙万物都是由振动的波构成(问题是,经典物理学家们一直拿不出一个由波构成实实在在的物质的自洽机制。当薛定谔的2次量子化失败以后,波动说就陷入了困境)。

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还有一些物理学家认为,辐射是一粒粒的惯性粒子。爱因斯坦认为光是一种粒子,即光量子。量子论由此建立。随后,哥本哈根学派主导建立了量子力学。根据量子力学,不仅物质是由实实在在的粒子(费米子)构成,各种不同的基本作用力也由不同的粒子(玻色子)传递。量子力学是一个粒子说的理论解释体系,是一个基于粒子说的解决方案。

问题是,问题解决了吗?

没有!如果辐射是实实在在的粒子,那如何解释托马斯-杨的双缝干涉实验呢?一个粒子怎样同时穿越两条狭缝?一个粒子怎样产生干涉条纹?

于是,粒子学家们在此后100年的时间里提出了各种各样的解释:

哥本哈根诠释。当不去观测粒子到底通过了那条狭缝时,它就会同时通过了两条狭缝并产生干涉条纹;当去测量粒子具体通过哪条狭缝时,粒子就选择一条狭缝穿过而不会产生干涉条纹。测量是哥本哈根诠释的核心,测量行为'创造'了整个世界。例如,只要不观测,月亮就处于存在与不存在的状态。有趣的是,人择原理必然推导出神择原理,因为宇宙需要一个无处不在的有智能的观测者以让宇宙的每个角落同时保持存在。

路径求和解释。为了摆脱观测者,费曼的解释是粒子从A地运动到B地,它并不具有经典理论中所描述的那样有一个确定的轨道,而是一种所有可能运动路径轨迹的叠加

多世界解释。这就是大名鼎鼎的平行宇宙理论。为了摆脱观测者,埃弗雷特的解决办法是,粒子穿过双缝的一瞬间,宇宙就在瞬间分裂为两个一模一样的宇宙,在一个宇宙一个粒子从左边缝隙穿过,另一个宇宙里一个粒子从右边缝隙穿过来绕过双缝难题。请注意,从双缝分裂后的平行宇宙永远分离并且不再相关联,另一个粒子如何回到同一个宇宙并产生干涉条纹呢?

多维度解释。让两个粒子分别穿越不同的空间维度来替代平行宇宙理论分裂后无法再合并的两个宇宙。即让一个粒子变成'鬼'粒子穿过抽象的n维空间来绕过双缝难题。

多历史解释。为了避免创造出无穷多的'垃圾'宇宙,每一个粒子穿越一条狭缝产生一个历史,最后,只有一个历史留存在我们这个世界,其他历史被'中和'掉。

综上所述,这些基于粒子说的解释都纠结于一个粒子怎样同时穿越两条狭缝。问题是,两条狭缝的解释都不能自洽,那么,更多狭缝时怎么办呢?例如偏光眼镜都有数十万条狭缝,如何解释一粒光子同时穿越了十万条狭缝并且同时到达了我们的眼睛呢?最重要的问题是,'丑媳妇总是要见公婆的',无论让量粒子怎样'掩耳盗铃'以绕过双缝选择难题,但是,所有解释双缝干涉实验的理论都必须自洽地解释一个粒子在同时穿过两条狭缝后怎样相互干涉产生干涉条纹这个终极问题。可惜,没有一个粒子说的理论能够自洽地解释这个简单的问题。这些观点尖锐对立、互不相融的解释构成了量子力学的理论部分。问题是,哪一种解释可以代表量子力学呢?

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《寻找薛定谔的猫》的作者约翰·格里宾总结道:'许多量子学家设计一些实验并不是为了解释疑惑,而是想告诉众人量子力学的本质就是奇异性的。他们认为量子理论最显著的特征之一就是存在着许多关于这种存在'究竟意味着什么的'的不同解释。就其哲学基础而言,这些解释之间大多是相互矛盾的。量子理论看起来对许多相互之间相互排斥的解释都是允许的。就像在实验中光子同时通过双孔(双缝)一样,在某种意义上,所有的解释都是正确的,有一些物理学家并不试图说明哪一些解释是正确的,而是建议我们从各种不同的解释中多少了解了解一下量子世界,将所有的观点都考虑进去,将其看成各种可能的叠加。事实上你可能会发现有少数物理学家(这些人根本就不愿意去思考这些事情)顽固地坚持一种观念,那就是他们所喜欢的那种解释才是正确的,而其他的解释'显然'都是错误的。'[《寻找薛定谔的猫》354页]

按照基本常识,粒子说的解释如此不堪,量子力学早就应该完蛋了。但是,并没有!其中重要的原因并不是提出了波粒二象性,而是我们眼前的客观世界的确是实实在在存在的,人们很难相信眼前的世界'固态'的物质是由转瞬即逝的波构成。因此,虽然粒子说的解释——粒子标准模型存在致命的逻辑缺陷,但是,人们'天然'地认为粒子说的解释更接近目前观测能力下的客观现实。

粒子标准模型又是怎么一回事儿?

粒子标准模型又称为标准模型理论(简称SM),是粒子物理学描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论,以杨(振宁)-米尔斯方程为核心,又称为规范对称场论。

粒子物理学的定义:是研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间相互作用的一个物理学分支。由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现,物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们(这只是主观的表述,而客观的表述是:高能物理学通过加速器'发现'的所谓粒子在自然界中并不存在),因此粒子物理学也被称为高能物理学

高能物理学又称粒子物理学或基本粒子物理学。研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质,和在很高的能量下,这些物质相互转化的现象,以及产生这些现象的原因和规律。所谓的高能就是通过加速原子以及亚原子粒子的碰撞来发现构成原子的物质形态和相互作用机制。通过高能撞击,发现新的物质,构建了粒子标准模型。高能物理是量子力学发现微观世界的方法。

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综上所述,转了一圈,高能物理学、粒子标准模型和粒子物理学是量子力学这条逻辑链条上的不同环节,共同构成了量子力学。我们来捋顺一下关系。高能物理属于粒子物理学,粒子物理学属于量子力学。事实上,粒子物理学就是量子力学,量子力学就是粒子物理学。粒子加速器是量子力学发现微观世界奥秘的工具。

好了,杨先生说The party is over!(盛宴已过)。很多人对这句话不以为然,认为并不能证明什么,只是说高能物理的高潮已过而已。但是,杨先生说:我懂高能物理,我认为你不要走这个方向。这就是简单直白的否定了。通俗的解读是,高能物理这条路走不通了,你改行比较好。好家伙,此路不通啊!

问题是,量子力学主要依赖高能物理来验证各种粒子的预言构建微观世界物质的构成模型和各种基本作用力的作用原理高能物理学就是量子力学的臂膀,失去了高能物理学,量子力学就失去了灵魂。因此,说高能物理学的盛宴已过时,即是说量子力学的盛宴已过。

杨先生是量子力学的大家,可以说是粒子标准模型的奠基人之一,他当然懂高能物理,当然更懂标准模型理论。可以说,他比一般的粒子学家更懂高能物理,更懂粒子标准模型理论,更懂量子力学。如果他都认为高能物理这条路已经'此路不通',谁比他更清楚高能物理的现状和发展前景呢?

前文已经简单介绍,理论物理学存在经典物理学的量子理论、弦理论和量子力学(粒子物理学)三种量子理论。所谓的量子力学只是三种量子理论中的其中一种而已。问题是,在微观领域存在三种完全不同的量子力学;在宏观领域,存在经典物理学和相对论两种互不相融的理论。为解析同一个宇宙,却存在4个互不相融的理论解释体系。根据逻辑一致性原则,哪一种理论正确呢?理论物理学处于群雄割据的状态。

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麻烦的是,这些理论自身也不统一。例如量子力学由粒子说的哥本哈根诠释、路径求和解释、多世界解释、多历史解释、多维度解释和波动说的隐变量理论构成,哪一种解释或理论能够代表量子力学呢?

相对论由狭义相对论和广义相对论这两种互不相融的理论构成,哪一种理论能够代表相对论呢?

弦理论由弦理论、超弦理论和M理论(即膜理论,该理论又由5种弦理论构成),哪一种理论可以代表弦理论呢?

我们必须时刻提醒自己,所有的理论描述的都是同一个宇宙,真相只有一个,真理只有一个,因此,描述我们身处的宇宙的理论只需要一个,即能够自洽解释宇宙所有问题的终极理论。问题是,目前没有一个理论能够达到终极理论的标准,这意味着目前所有的理论都不完备。所以,那些把某些理论奉上神坛,把某些物理学家奉若神明的人缺乏的正是他们挂在嘴边的科学精神(理性、怀疑、批判和实证)。缺乏科学精神的科学捍卫者,恰恰是科学的掘墓人。

量子是什么?

各个理论的量子是什么模样(图像)呢?

经典物理学的电磁波的图像是这样的:

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量子力学的粒子震荡图像是这样的:

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弦理论的弦的图像的是这样的:

1.开弦图像

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2.闭弦图像

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经典物理学的环状驻波图像是这样的:

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相对论的量子图像呢?抱歉,相对论没有具体的量子图像。

综上所述,我们可以发现,除了相对论,其他理论的量子图像基本相同。

数学家眼里的基本粒子是什么样的?

这是卡拉比—丘成桐空间(卡拉比—丘流形Calabi-Yau manifold)的一种。这是的数学家眼里的粒子图像。

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经典物理学的薛定谔用不同波长的波包来表征粒子,这个波包大致上也是这样的图像如果将卡拉比—丘成桐空间模型的曲线换成波线,那么,卡拉比—丘成桐空间和薛定谔的波包就是同一种东西。但是,无论是粒子学家还是弦理论学家都认为自己描述的世界是独一无二的。

弦理论学家们认为弦就是弦,是宇宙最基本的构成。在数学上是完美自洽的。

粒子学家们认为,宇宙由基本的粒子构成,量子力学是实用的。但是,这种实用指的是量子力学的数学工具。问题是,粒子说的数学工具不是粒子说自己的海森堡矩阵力学方程,而是波动说的波动力学方程。所谓量子力学是实用的,事实上实用是经典物理学的波动力学方程是实用的。

有人会说,波动力学的偏微分方程和矩阵力学方程等价。

是吗?我们来看看两者的差异。

偏微分的原理可以理解为用小段的直线来描述曲线,每一小段抽象地看作是一个质点,如同像素小方格构成复杂曲线的图像一样,只是曲线的近似,在长和宽的两个方向上这些短的直线越短或像素方格越小,形成的'锯齿'越小,曲线看起来就更完美。

偏微分方程是描述曲线的近似,矩阵方程虽然可以说是偏微分方程的近似解,但是,这是更粗糙、更低级的近似解。虽然矩阵方程也能近似的描述曲线,但它粗糙的近似描绘的曲线是更大的锯齿,就像被打上马赛克的图像。如果偏微分方程展现的是一幅1000×1000像素的蒙娜丽莎数码相片,那么,矩阵方程的这张蒙娜丽莎数码相片像素只有4×4或6×6或8×8的像素。虽然两张数码相片都是蒙娜丽莎,但是后者人们看到的只是几十个色块的马赛克。因此,虽然可以说偏微分方程和矩阵方程描述的都是波的图像,但是,偏微分方程呈现出的是一幅的波的连续的、精美的曲线的图像,而矩阵方程展现的只是不连续的、如同打上马赛克的波的模糊图像。结果是,基于粒子说的矩阵方程根本没有人使用,也可以说根本无法使用。没办法,量子力学一直借用波动说的波动方程

我们来看看波动方程的定义。波动方程或称波方程(wave equations) 是麦克斯韦方程组导出的、描述电磁场波动特征的一组微分方程,是一种重要的偏微分方程。由麦克斯韦提出,赫兹改进,用于描述自然界中的各种波动现象,包括横波和纵波,例如声波、光波和水波。波动方程抽象自声学,电磁学和流体力学等领域。

我们来看看目前各个理论使用的都是什么数学工具。

经典物理学的使用的数学工具是波动方程——线性二阶偏微方程

量子力学使用的数学工具是薛定谔方程,这是一种经典的波动方程——线性二阶偏微方程

弦理论的数学工具是混合型偏微分方程

卡拉比—丘流形也是混合型偏微分方程

所有理论用于描述量子的数学工具都是描述波动、振动和曲面的偏微分方程都是同一类方程,本质上都是波动力学方程!

现实是不是很魔幻?不敢相信吧!

计算粒子的质量和能量需要动量。例如爱因斯坦的质能公式E=mc²,即能量=质量×光速。而波不需要动量,计算量子的质量和能量只需要频率波长,例如普朗克的ε=hν公式,即能量=频率×普朗克常数。还有,波和粒子的图像有天壤之别,是完全对立的两种事物。但是,这并不影响粒子学家们顽强地用频率和波长来描述他们心中那些实实在在的粒子;弦理论学家们顽强地用频率波长来描述他们心中那些实实在在的弦。

可悲的是,如果某一天事实证明宇宙万物确如普朗克所说:万物皆是波。那时,无论是粒子学家还是弦理论学家们都敢声称自己的理论完全正确。的确,他们都猜到了结局,但是,却猜错了'故事'——他们用于得出结论的理论却完全不同,总不能说所有的理论都正确吧!正所谓,龙生龙,凤生凤,老鼠的孩子会打洞。驴的孩子虽然也有4条腿,但它绝对不可能是马。真相只有一个,真理从来都是一场零和博弈。

穷途末路的量子力学

祸兮福所倚,福兮祸所伏。'上帝粒子'的'发现'就印证了这个俗语。

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在欧洲大型强子对撞机(LHC)'发现'所谓的'上帝粒子'之前,粒子标准模型存在两大致命缺陷。一是标准模型无法自洽地解释物质的质量从哪里来;二是无法自洽地解释万有引力。我们知道,质量和引力是物理学最基本的问题,一个物理理论竟然不能自洽解释如此简单如此基本的问题,这个理论的可信度有多大呢?事实上,粒子标准模型存在非常严重的缺陷。

为了解释物质的质量来源,英国物理学家彼得·希格斯提出了希格斯机制(Higgs mechanism)。在此机制中,希格斯场引起自发对称性破缺,并将质量赋予规范玻色子(传播子)和费米子。希格斯玻色子是希格斯场的场量子化激发,它通过自相互作用而获得质量。希格斯认为该玻色子是物质的质量之源(请注意不是费米子),其他粒子在它构成的场中,受其作用而产生惯性(请注意!),最终才有了质量。希格斯玻色子是一种零质量、自旋为零的玻色子,不带电荷、色荷,极不稳定,生成后会立刻衰变。希格斯玻色子被认为是标准模型中最后一种未被发现的粒子(事实并非如此),是粒子标准模型这个拼图的最后一块碎片。粒子学家们对希格斯玻色子寄予厚望,认为这个基本粒子的发现可以解开宇宙之谜,因此,希格斯玻色子也被称为'上帝粒子'。

2013年3月14日,欧洲核子研究组织公开确认:紧凑μ子线圈小组与超环面仪器小组已对这粒子所拥有的自旋、宇称可能会产生的状况仔细分析比较,这些都指向零自旋与偶宇称(符合标准模型的两个对于希格斯玻色子的基要判据)。这事实,再加上测量到的新粒子与其它粒子彼此之间的相互作用,强烈显示这就是希格斯玻色子。

希格斯玻色子终于被'发现'了。

问题是:问题解决了吗?

'上帝粒子'被发现了,但是,粒子学家们仍旧无法回答一些关于强相互作用、电弱相互作用、引力相互作用的统一化问题,以及宇宙的起源问题。

麻烦的是,旧的问题没有解决,还带来了新的问题。

请注意,希格斯机制应用自发对称破缺来赋予粒子质量,可以赋予规范玻色子质量,同时又遵守规范理论。根据杨-米尔斯理论,在规范场论里,为了满足局域规范不变性,必须设定规范玻色子的质量为零。由于希格斯场的真空期望值不等于零,造成自发对称破缺,因此规范玻色子会获得质量,同时生成一种零质量玻色子,称为戈德斯通玻色子,而希格斯玻色子则是伴随着希格斯场的粒子,是希格斯场的振动通过选择适当的规范戈德斯通玻色子会被抵销,只存留带质量的希格斯玻色子与带质量规范矢量场

问题是,零质量的希格斯玻色子经过一番相互作用也具有了质量。按照规范场理论,宇宙空间无时无刻地进行着相互作用,我们如何来确定哪些希格斯玻色子是'崭新'的、无质量的,哪些是经过了相互作用后具有质量的希格斯玻色子呢?问题是,在自然界中,希格斯玻色子到底是有质量还是没有质量呢?

我们知道,物理理论提出预言,经过实验验证,才能证明理论的正确。在规范场理论中,规范粒子的质量是为对称性所不允许的。因此,为了满足局域规范不变性,必须设定费米子的质量为零,必须设定规范粒子的质量为零。但是,实验证明W玻色子与Z玻色子确实拥有质量。还有,在基本粒子标准模型中,中微子的质量被假设为零。然而,最近几年对中微子震荡的确认已说明中微子的质量虽小,却不为零。事实证明,规范场理论的预言与客观事实不符,预言失败,这意味着杨-米尔斯理论存在严重缺陷

问题是,为什么粒子有质量和没有质量这个问题如此重要呢?为什么规范场理论必须假设所有费米子和玻色子质量必须为零呢?因为有质量就会带来引力问题,而引力是一把悬在量子力学头顶上的达摩克利斯之剑。希格斯粒子被认为是标准模型中最后一种未被发现的粒子。但是,事实并非如此,还有一个更基本的'粒子'——引力子没有被发现。这是粒子标准模型两大致命缺陷之一。

根据粒子标准模型,引力是由一种信使粒子(传播子)——引力子来传递。我们知道,客观事实证明,任何有质量的物质必然会吸引其他物质和被其他物质吸引,这就是物质的万有引力。这意味着,任何粒子(物质),只要质量不为零,那么,根据粒子标准模型,粒子(物质)就必须向'全世界'发射引力子和接收其他粒子(物质)发射的引力子。更要命的是,因为引力是对称的、同时的,所以,任何物质,无论质量大小,距离远近,都必须(无限量或与质量成正比)同时发射,同时接收引力子。请注意!不同距离的物质都必须同时发射、同时接收,这是一个不可能完成的任务,每一个引力子上都驻一个上帝都不做不到。

宇宙中物质无处不在,因此,引力无处不在,充满宇宙的每个角落。如果粒子标准模型的引力作用模式是正确的,那么,引力子和物质一样都是宇宙中最常见的东西,理应随处可见。无论什么样的加速器,首先发现的就应该是引力子。但是,到目前为止,没有任何客观证据和实验证据证明引力子的存在,引力子从没有被发现和证实。规范场理论和希格斯玻色子同样掉进了这个深不可测的陷阱。

走投无路的量子力学:杨振宁先生说“盛宴已过”背后的真正含义

我们知道,所有物理理论都为解析客观世界而存在,粒子标准模型也不例外。我们还知道,自然法则根植于客观自然,既然理论解析的是客观世界的运作原理,那么,理论就不能脱离客观世界。如果粒子标准模型中的大部分粒子在自然界中并不存在,那么,这个标准模型再漂亮也与客观自然无关。

粒子标准模型的建立和修改充满了魔幻色彩。从认为量子是粒子开始,从一个假设推导出另一个假设。如果一个假设不能自洽,就会用另一个假设来补救;这个补救的假设也不能自洽时,再用另一个假设来补救。经过几十轮补救,无数个补丁,这件'袍子'已经面目全非,人们已经忘记了最初的假设是为解决什么问题了。结果,就出现:'如果宇宙就是答案,那么什么是问题'这样迷一样的自信——存在即是合理。

粒子标准模型的逻辑自相矛盾,缺陷是致命的,根本无法补救。我们是为这个模型构建一个全新的世界呢?还是承认这个模型根本无法解释我们眼前的客观世界?如果把粒子标准模型比做一件华丽的袍子,那么,我们可以看到这件袍子现在已经满是破洞,满是补丁,并且散发着腐朽的气息。

上帝粒子被'发现'了,原来的问题还是问题,人们对量子力学能否解决问题已经产生了怀疑。正所谓,希望越大,失望越大。因此,我们可以说,发现上帝粒子恰恰是高能物理衰落的开始。

回到最简单的问题,量子是什么?是粒子?还是振动的波?

我们来看看爱因斯坦晚年的困惑:这50年来,冥思苦想并没有让我接近这个问题的答案,什么是光量子?当今任何一个普通人,都认为他知道这个答案,但是他是错的。'[《时间之箭》第123页]这是1951年12月12日爱因斯坦写给老朋友兼知己米歇尔·贝索的信。请注意,人们头脑中的光粒子——光量子的槪念正来自爱因斯坦,爱因斯坦都对自己的光量子概念产生了怀疑,那些认为自认为懂得量子力学的人真的懂吗?如果我们连量子是什么都不能确定,那么,还谈得上构建量子力学吗?

根据杨-米尔斯理论,在规范场论里,为了满足局域规范不变性,必须设定规范玻色子的质量为零;必须设定费米子的质量为零。事实证明,这些预言全部失败了。对杨-米尔斯理论来说,希格斯机制是一个'拯救者'。问题是,为什么杨先生并不领情呢?原因非常简单,希格斯机制也没能解决问题。并且,从目前的情况来看,粒子标准模型根本没有可能解决问题。粒子说的解决方案根本行不通。事实上,量子力学已经穷途末路。

发现问题,却不敢承认问题,这是人性的弱点。当今,物理学的真相是,我们身处在同一个宇宙,却有4套互不相融的理论解释体系,哪一个理论正确?哪些理论错误?最可怕的是认为所有的理论都完全正确(现在的情况就是如此)。既然现有理论都是完全正确的,那么,当然不需要什么新思想、新理论。结果是,各个理论固执己见,都认为各自的理论完全正确,没有人敢于承认自己的理论存在问题,也不敢指出其他理论的问题。所有理论都不容怀疑,更不容批判,在证实性偏见的作用下,新思路、新思想都被扼杀在萌芽状态。理论物理学的发展因此陷入困境,陷入停滞状态。

前路茫茫,迷雾重重,哪里才是正确的方向呢?

理性告诉我们,没有刻苦铭心的反思,就不可能有脱胎换骨的进步;不否定那些不能自洽的理论,理论物理学就不可能在困境中找到出路。但是,承认问题,意味着承认理论的发展方向出现错误,意味着自我否定,这可不是一个小问题。否定一个理论,意味着否定成千上万科学工作者的工作,否定他们的努力、否定他们的荣耀,这是人性无法承受之重。

选择沉默,至少可以安享晚年,荣誉不受如何影响。选择挺身而出,则意味着站到了一个庞大共同体的对立面,前途未知。

该何去何从呢?

最终,杨先生选择站在了真理这一边。这是真正的勇者!

走投无路的量子力学:杨振宁先生说“盛宴已过”背后的真正含义

正如爱因斯坦的名言:发现一条路走不通,就是对科学最大的贡献!但是,有几人有勇气自我否定呢?

量子是什么?量子力学只是粒子说的解决方案,经典量子论只是波动说的解决方案,弦理论只是弦动说的解决方案。量子不可能既是实实在在的粒子,又是振动的波,还是振动的弦。真相只有一个,哪一种理论正确?哪一种理论错误?事实上,一条道路不通,还有无数条道路;一个理论失败,我们还有其他理论。正所谓,沉舸之侧!千帆竞!我们终会找到能够自洽解释客观世界的正确理论。

先贤们几千年积攒下来的思想成果滋养了我们的智慧,他们点亮了一个又一个灯塔,指引着人类的发展方向。没有人的观点全部正确,也没有人的观点一无是处。有些观点后来被事实证明是一个个错误,那也是他们在错误的地方树立起了一个个指引正确航道的航标灯。

目前,没有一个理论能够自洽地解释宇宙所有的问题,证明目前所有的理论都不完备。理性告诉我们,终极理论不会是一个全新的理论,它一定是一个统一了所有理论的综合理论。我们面临的问题是,以哪一个理论为基础来整合其他理论呢哪一个理论更接近客观事实呢? 哪一个理论更接近真相呢?当我们在科学探索中迷失方向的时候,我们是否应该审视曾经走过的每一条路,反思在每一个路口的抉择呢?

尤瓦尔·赫拉利指出:'尊重知识、听取学者意见很好,但发展到崇拜任何人的程度都很危险,包括崇拜学者。一个人一旦被推崇为先知或权威,他(她)自己都可能信以为真,进而变得骄傲自大,甚至陷入疯狂。对追随者而言,一旦他们信奉某人为权威,便会自我设限,停止努力,只期待着偶像来告诉他们全部问题的答案和解决方法。即使答案是错误的、方法是糟糕的,他们也会通盘接受。'

我们面对(科学先贤们)不朽的理性群碑,也就是面对永恒的科学灵魂。在这些灵魂面前,我们不是要顶礼膜拜,而是要认真研习解读,读出历史的价值,读出时代的精神,把握科学的灵魂,我们要不断地吸取深蕴其中的科学精神,科学思想和科学方法,并使之成为推动我们前进的伟大精神力量[牛顿,《自然哲学之数学原理》,弁言第5~6页]科学的精神是什么?那就是敢于质疑权威的勇气和对一切事物保持好奇的眼光。智慧从怀疑开始,真正的科学精神是理性、怀疑、批判和实证。终极理论就藏在现有的理论之中,当我们以客观逻辑为工具,就能在错综复杂的观点中找出宇宙真实的脉络。

我们应当时刻提醒自己,批判性思维是我们避免误入歧途的重要保证。我们身处在同一个宇宙,所以,我们只需要一种可以解析所有疑惑的物理理论,这个物理理论必须没有逻辑矛盾和逻辑缺陷,可以完美的描述我们这个宇宙的运作细节,并以此为基础展望宇宙的未来。真相总是朴实的,真理总是简洁的。有时,对有些问题,我们并不缺乏揭示真相的能力,更多的时候我们缺乏的是面对事实的勇气

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