(1) 物理学家对于相对论的质疑
郭汉英曾任中国科学院物理研究所研究员,博士生导师,他在经济物理、场论和数学物理等研究领域成果显著,两次获得国家自然科学二等奖.为了希望中国在跨世纪中出现自己的基础研究大家和独创理论,郭汉英研究员说,目前物理学对宇宙的了解,包括猜想只有4%,而完全不知的竟占到了70%.同时郭汉英研究员提出:“相对论体系存在有待验证的假定,基本原理不够完善,相互之间存在不协调;理论和时空观念都有需要改进之处”.
相对论体系作为一个理论体系并没有完成.从前人继承下来的惯性和惯性运动的起源问题尽管有所发展,但并没有解决.1960年代末以来,发现广义相对论存在时空失去意义的“奇性”,宇宙起源于奇性,星系演化经过黑洞终结于奇性.黑洞不“黑”,任何有序物体掉进黑洞,都变成无序的热辐射发射出来,从而信息丢失.这不仅与物理学理论基础之一的量子力学薛定谔方程的概率流守恒矛盾,也与其他理论冲突.
(2)物理学家对于量子力学基础的质疑
Einstein认为:量子论学说是一个不完备的学说,它违反了因果律和决定论.但是,量子力学的创立者们却认为:测不准原理反映了微观世界的客观实际.也就是说,对微观高速运动粒子不允许人们用经典力学的语言进行全方位的描述.Einstein不但是相对论的奠基人,而且也是量子力学的主要创立者之一,量子力学的哲学基础是Einstein实证哲学观的体现.Heisenberg说:“量子力学的直观诠释迄今仍然是充满矛盾的,这些矛盾涉及不连续性理论和连续性理论、颗粒和波动等观点的争论中.人们由此已经可以得到结论,利用通常的运动学概念和力学概念来对量子力学做出一种诠释,在任何情况下都是不可能的.事实上,量子力学恰恰起源于这样一种努力:打破通常的运动学概念,代之以具体的、由实验给出的一些数之间的关系.”
费恩曼(R. P. Feynman)说过:“我可以放心地说,没有一个人懂得量子力学.按照量子力学的观点看待世界,我们总是会遇到许多困难.至少对我是如此.现在我已老迈昏花,不足以达到对这一理论实质的透彻理解.对此,我一直感到窘迫不安.”盖尔曼(M. Gell-Mann)也说过:“全部现代物理为量子力学所支配.这个理论华丽宏伟,却又充斥着混乱.??这个理论经受了所有的检验,没有理由认为其中存在什么缺陷.??我们知道如何在问题中运用它,但是却不得不承认一个事实,没有人能够懂得它.”
事实上,薛定谔方程作为量子力学的基本方程,只能描述经典位势系统的量子行为,无论是正则量子化,还是路径积分量子化都是如此.经典与量子力学的界限在哪里?量子测量过程涉及突变等非位势系统的特征,这类系统如何量子化?如何建立量子测量理论?这些都是应该解决,而又没有解决的重大问题.
目前量子力学实际使用的“数学语言”是由Dirac创造出来的一个“特殊语言”系统,这个“形式系统”的构建者于1975年发表了一篇名为《量子力学的发展》的著名演讲,Dirac首先告诉人们一个极为重要,原则上(逻辑上)可以彻底颠覆整个量子力学形式表述系统的事实:量子力学中的数学不过是一个有趣游戏.在这篇演讲的最后,Dirac又特地郑重其事做出如下告诫:我认为量子力学的基础还没有正确地建立起来.即使工具量子力学的规则得出的结果与观测相符合,但毕竟是人为的规则.因此,关于现在的量子力学基础是正确的说法,我是不能接受的.
1975年8月25日,狄拉克在澳大利亚悉尼新南威尔大学, 关于《量子力学的发展》的演讲时曾讲到:“??上面我已经讲了量子力学发展的问题,并且特别讨论了这个理论与高速运动所必须的Einstein力学相结合的问题,这个结合导致产生反物质的概念.然而这个工作并没有解决量子理论的问题,还有许多遗留的问题,这些遗留的问题集中在建立带电粒子和电磁场相互作用的精确理论的问题上.
你们可以把带粒子的电荷看成集中在一个点上,对这个点上,对这个点模型进行研究.如果你用这样的模型,你就会发现点电荷的能量是无穷大的.这是试图建立粒子相互作用精确理论时出现的典型困难.
假如我们不把量子理论推广得太远,即不把它用于能量非常高的粒子,也不把它用于非常小的距离,那么现在的量子理论是很好的.当我们试图把它推广到高能粒子和很小距离时,我们得到的方程就没有合理的解,相互作用总是导致无穷大的出现,这个问题使物理学家困惑了40年,没有取得任何实质性的进展.
正是由于这些困难,我认为量子力学的基础还没有正确地建立起来.在当前这个基础上所进行的研究,在应用方面已经做了极其大量的工作,在这方面,人们能够找出抛弃无穷大的一些规则,然而即使根据这些规则得出的结果与观测相符合,但毕竟是人为的规则.因此,关于现在的量子力学基础是正确的说法,我是不能接受的.”
物理学,实际上是一门实验科学,离开了实验为基础所建立的物理学它就不是物理学.也许,它就是一种纯数学.虽然这种纯数学,在一定条件下,可以在自然界里找到相对应的物理现象,但也绝不能认为它就是一种物理学.
虽然,普朗克、玻尔、海森堡、薛定锷、狄拉克等科学家创立的《量子力学》能够解释一些物理实验,但也存在许多问题.最大的问题:(1)用《量子力学》对物理实验的解释,只能描述它的统计性质,只能描述它们的集体运动规律,不能措述单个粒子的运动规律;( 2)《量子力学》无法将电动力学、热力学、化学、生物学<植物学、动物学、医学>、超导理论、热核聚变理论有效地统一起来.即各种物质的各种形态的相互转化,不能用旧量子力学去统一解释,更不能解释新的实验结果.70多年来,许多有识之士在这方面做了大量的工作,但未能取得实质性突破.
2、爱因斯坦对于引力场与电磁场统一性的探索 爱因斯坦指出引力场与电磁场的区别是:一个是标量场,一个是矢量场.他希望能找到一个总的物理场,这个总场象引力场一样可以用某种几何形式表示,但它是由一个标量场和一个矢量场组成,从标量场中可以引出广义引力理论,从矢量场中可以引出电磁场规律,进而揭示物理结构规律,并把麦克斯韦方程作为其一级近似的结果.于是,绝对统一场问题也就解决了.爱因斯坦这样憧憬这个理论的前景:“如果引力场和电磁场合并成为一个统一的定律,那当然是一个巨大的进步.那时,由法拉第和麦克斯韦所开创的理论物理学的新纪元,才获得令人满意的结果.那时,以太-物质这种对立就会逐渐消失,整个物理学通过广义相对论而成为类似几何学、运动学和引力理论那样的一种完备的思想体系,能够表现自然界的普遍原理,能够使推理一个接着一个出现的精密公式 .”郭光灿在《爱因斯坦的幽灵》“跋”中说:“爱因斯坦沉浸在引力几何化的优美思想中无法自拔爱因斯坦的思想中还存在很多经典偏见.正如爱因斯坦自己所言,他不是一个革命者.”.既然广义相对论已经揭示引力场是一种弯曲空间,可以用几何化的方法来描述.那么,电磁场也应该可以用同样的几何化方法来描述.1923年之后,在别人工作的影响下,Einstein试图进一步推广相对论,企图建立一个既包括引力场又包括电磁场的统一场理论,用以解释物质的基元结构.他先后提出过不少方案,在1929年、1945年和1954年曾取得了一些进展,但都只停留在数学的表述形式上,没有得到有物理意义的结果.【1】
Einstein认为广义相对论仍是不完备的,它只能较为另人满意地把广义相对性原则应用到引力场,而不能用于总场.我们仍不能确切知道在空间中的总场可用什么数学机制来描述,以及总场遵从何种广义不变定律.但是有一点似乎可以确定,即:广义相对性原理将会被证明是解决统一场问题的一个必要而且有效的工具.【5】首先总场是由逻辑上毫无联系的两部分组成——引力场与electric field,其次与早些时候的场论一样,这个理论迄今未能对物质的原子论性结构提出解释的失败,可能与它至今未能有助于理解量子现象有关.【5】
在20世纪初,广义相对论建立之后,有人就提出建立统一的电磁力与引力的思想.这在当时引起许多物理学家的注意,有的甚至为之忘我的工作,提出过不少的统一的方案.广义相对论是在狭义相对论与牛顿万有引力场基础上推导出来的,而狭义相对论的诞生又与麦克斯韦电磁场理论相联系,这就自然导致Einstein在1923年写的《仿射场论》中提出这样一种设想:“难道不可能把这个理论的数学基础作这样一种方式的推广,使人们从这些基础中不仅能够推导出引力场的性质,而且还能够推导出电磁场的性质”. 【2】
1923年,爱因斯坦在给他最早的探索伙伴赫尔曼?外尔的一封信中就强调指出:“这项美妙绝伦的研究应该坚持下去.尽管无情的自然也许正对我们这样的努力暗自好笑——因为它给了我们了解它的愿望,却很可能没有给我们了解它的智慧.”Einstein1926年以后直到1955年去逝前一直至力于引力场和电磁场的统一, 但未能获得成功.直到他74岁生日时还对记者说:“由于数学上的巨大困难,要从这些方程得到能使理论和实验相符合的结果,我们还远没有成功.在我的一生中,很可能达不到这个目的了” .【3】
1923年,爱因斯坦发表《仿射场论》,把黎曼曲率张量Rμν 分解为对称部分和反对称部分:Rμν=γ μν +φ μν,γ μν是对称部分,代表引力场, φ μν是反对称部分,代表电磁场.
Einstein认为,实物与场也应是统一的,实物与场没有本质的区别,它们之间的区别只是定量的.实物便是能量密度特别大的地方,场便是能量密度小的地方,场是唯一的实在.基于这种认识,Einstein认为可以建立一种新的理论,它的最终目的就是要用随时随地都能有效的结构定律去解释自然界中的一切现象,亦即它不仅能够描述引力场,同时也能够描述物质和电磁场(在Einstein提出统一场论时,人们只知道存在引力场和电磁场),这就是Einstein的统一场论思想.
Einstein与英费尔德合著的《物理学的进化》中的“场与实物”一节,清楚地说明了Einstein的统一场论观点以及为什么要提出统一场论,摘录如下: “我们有两种实在:实物和场.毫无疑问,我们现在不能像19世纪初期的物理学家那样,设想把整个物理学建筑在实物的概念之上.我们暂且把实物和场的两个概念都接受下来.我们能够把实物和场认为是两种不同的实在吗?试就一小粒实物来说,我们想象这个微粒有确定的表面,在表面处实物便不再存在,而它的引力场便出现了.在我们想象的图景中,场和实物存在的区域是突然分开的.但是区别实物与场的物理判据是什么呢?在我们熟悉相对论之前,我们可以这样回答这个问题:实物有质量而场却没有质量.场代表能,实物代表质量.但是我们在熟悉了更多的知识以后,已经知道这样的答案是不充分的.根据相对论,我们知道物质蕴藏着大量的能,
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