评所谓宇宙暴涨的证据
王令隽 2014年3月31日
最近，哈佛大学的科瓦克领导的天体物理小组在南极的观察站对微波本底辐射进行分析，发现其极化方向呈现某种分布图形，立即宣布这是宇宙暴涨的引力波。这和爱丁顿宣称通过日食观测证实了广义相对论是同样的媒体炒作。为了说明这种炒作和科学验证的差别。让我先举个例子说明星象学方法和科学方法的差别。
有一位来自台湾的S先生，是个一贯道信徒。他向我传教，现身说法证明仙佛如何神通广大。他说有一次他从悬崖上掉下去，被仙佛所救，挂在树丛上没有摔死。他的推理是星象学的：1）理论上，世界上一切都受仙佛主宰；2）如果你相信仙佛，它就会在危难之中救你；3）我大难不死，这就是仙佛存在和一贯道是真 理的实验证据。

“仙佛”是一贯道的教祖，大概是仙和佛的线性组合，但是却比太上老君和佛祖如来加在一起还要神通广大的某种超自然的主宰。这位S先生的推理逻辑和其他宗教徒的推理逻辑都一样，一个共同的特点是不追究每一个推理步骤的可靠性和唯一性。
我当时问这位S先生：“您如何知道当时救您的一定是您的仙佛而不是耶稣基督或者真主阿拉呢？”
科学的“实验证实”和宗教的“见证”完全不同。科学证实不是某种根据神话故事似乎说得通的“见证”，而必须是唯一可能的解答。“科学证实”的逻辑推理的每一步都必须是唯一的，无懈可击的。
抛开宗教理论本身的真伪不谈，单就形式逻辑考量，这位S先生的推理就是有问题的。因为救他大难不死的救主可以有好多个答案：1）一贯道仙佛；2）耶 稣基督；3）真主阿拉；4）佛祖如来；5）观音菩萨；6）普贤大士；7）文殊广法天尊；8）太上老君；9）元始天尊；9）广成子；9）梨山老母；10) 妈祖；等等等等。对于无神论者，还可能有另一个解答，那就是纯偶然性。如果我们对所有跳崖的和失足从悬崖上掉下的和被人推下悬崖的和从摩天大厦上跳下的人做一个统计，就会发现挂在树上不死的几率非常小，是小概率偶然事件。所以我建议相信仙佛的朋友，包括已经得到见证的S先生，不要以为自己信仰坚定就可以随便跳崖跳楼。仙佛也有打瞌睡或者忙不过来的时候，所以，跳崖跳楼之前最好先给他老人家打个电话约个时间，看看他忙不忙。宇宙中有多少外星人从悬崖上掉下呀，可不都得他老人家管吗。
除了形式逻辑以外，科学还要求理论的每一个大前提都必须是无懈可击的。比如说，“仙佛救我”的理论就经不起科学质疑。仙佛在哪里？他（她）无处不在吗？如果仙佛住在宇宙深处，他离地球的距离可能就是几亿光年，那他如何知道你此刻会从悬崖上掉下呢？他可能心血来潮，掐指一算，知道弟子有难，可等他知道以后，来得及赶到现场救你吗？还是他（她）事先就等在事故现场？果如此，那你从悬崖掉下是不是他故意造成的？如果他不是肇事者，那肇事者是什么魔鬼？法力无边的仙佛为什么容许魔鬼把你从悬崖上推下去？如果这个事故本来就是他设计安排的，那他为什么要置你于险境？他是只对一贯道信徒施展这种手段以保证他们的忠诚呢，还是对不相信一贯道的其他人也会这样做呢？你可以提出一大串这样的问题而无法解答。如果得不到解答还要虔诚地相信，那只不过是信仰。但是科学思维不能依赖于宗教信仰，而要遵守严格的逻辑推理。
让我们以这种精神来衡量一下科瓦克关于找到了宇宙暴涨证据的报道。同样地，我们先要问一问解释的唯一性，再问一问理论本身的合理性。
什么是宇宙暴涨呢？根据古斯提出的暴涨理论，这是一个发生在宇宙大爆炸以后大约10的负36次方秒，并立即在10的负33次方秒终止的事件。在这个非常短暂的一瞬间，整个宇宙以超过光速二十几个数量级的速度从渺观的宇宙婴儿暴涨成为宏观宇宙。因为其暴涨速度之快和事件之短促匪夷所思，这一暴涨事件也称之为“宇宙相变”。科瓦克宣称他们在南极观测到的微波本底辐射的极化图案是暴涨造成的，那末他们就必须证明为什么这个图案不是其他事件造成的。为什么不是宇宙大爆炸这一创生事件造成的？为什么不是暴涨之后的去耦合时期造成的？为什么不是银河系形成时造成的？为什么不是太阳系形成时造成的？为了说明观察到的背景辐射图案是暴涨的证据，你的计算公式必须能够精确到10的负36次方秒。你有这样的计算公式吗？你的公式有这样的精度吗？
对于根本就不相信宇宙大爆炸理论的人们，还有一个可能的解释，那就是空间媒质在南极附近的某种极化图案，和宇宙深处的东西毫无关系。这里有一点技术细节，那就是科瓦克观察到的极化图案是一种立体角分布，其绝对尺寸等于立体角乘与微波源离地球的距离。如果这个距离只有一个天文单位，那你观测到的现象只不过是太阳系里面的现象，而不是宇宙深处的现象。如果这个距离是宇宙距离，那这种极化图案的尺度就将是几亿光年了。这么大的极化图案是引力波吗？引力波的波长是多少？引力波怎么会造成电磁波的极化呢？引力波是行波，不是驻波，怎么可能给你一个固定的极化图案？除非你用广角镜头照下一张瞬时照片，而且曝光时间必须小于引力波周期的百分之几，否则就不可能得到波动图案。可是科瓦克的微波本底辐射极化图应该是用射电望远镜而不是广角镜观测的，费时几年。那引力波的周期岂不是长达几百年？可是暴涨期总共才不过10的负33次方秒，是一个非常窄的delta时间脉冲。当时的宇宙的理论尺度也是渺观尺度，怎们能够形成一个波长几亿光年，周期几百年的引力波？朋友们可以用普通照相机做一个实验。您可以拍一张水波的照片。如果曝光时间为百分之一秒，您就可以看到水波的形状。如果曝光时间为10秒，就看不到水波的波形。如果白天光线太强，可以在月光下曝光10秒钟或更长的时间。另外，引力波怎么会造成微波本底辐射极化方向的空间分布呢？物理机制何在？
除了唯一性问题，我们同样可以问问宇宙大爆炸和暴涨理论本身的合理性问题。关于大爆炸理论的问题，我在“现代宇宙学的基本问题及DET理论”中有比较详细的分析。大爆炸宇宙学比较根本的问题是，其一，假定宇宙中所有的物质和能量都是在10的负43次方秒的一瞬间无中生有地从真空中爆炸出来，因而极端地违反物质守恒定律和能量守恒定律；其二，本质上的地心说性质；其三，极端地违反麦克斯韦速度分布率；其四，地平问题，也就是宇宙膨胀速度超过光速几百倍，因而完全违背相对论的基本假定。宇宙大爆炸理论是建立在相对论基础之上的。大爆炸理论违背相对论，就是自相矛盾，就是根本性的不自洽，是自己否定自己。
为了解决地平问题，于是古斯提出一个大胆假设：他假定在宇宙大爆炸以后10的负36次方秒时，不知什么原因，整个宇宙突然之间以超过光速二十几个数量级的速度暴涨，到10的负33次方秒时嘎然而止，停止暴涨，而以“正常的”速度膨胀。结果，地平问题不仅没有解决，反而变本加厉了。地平问题只不过超过光速几百倍，可是暴涨假定居然要求暴涨速度超过光速二十几个数量级！这种理论有任何可信度吗？支持宇宙暴涨的能量从哪里来？它为什么要在10的负36次方 秒时突然暴涨？为什么又要在10的负33次方秒嘎然而止？谁负责启动暴涨？谁又负责突然刹车？这种事情古斯是怎么知道的？你怎么有如此之大的神通，居然可以在经历150亿年的沧桑以后，以10的负36次方秒的精度算出这一事件？（人类有文字记载的历史才8000年。）小时候我总纳闷，姜子牙怎么能够算到武吉进城以后会杀人？梨山老母如何能够算出弟子樊梨花有难？他们用的是什么公式或者方程？和现代宇宙大爆炸学者比起来，姜子牙和梨山老母的这点巫术真是小巫见大巫。大爆炸宇宙学家们不仅能够以10的负43次方秒的精度算出150亿年前的宇宙如何出生的细节，而且可以同样的精度预言若干亿年以后宇宙到底是会湮灭还是不会湮灭。这种神机妙算是周文王姜子牙诸葛亮们望尘莫及的。
星相学对物理学的渗透使人们逐渐忘记了科学研究的一条基本原则：永远不要超出实验设备所容许的限度去为某个理论制造数据或证据。
所以，整个大爆炸理论是完全违反科学的星象学理论。星象学理论是不可能为实验证实的，正如一贯道理论不可能由某信徒的大难不死和无穷无尽的“见证” 所证实一样。即使我找不到一个方程式能够定量解释为什么您从悬崖掉下去以后会挂在树上，也不会相信是仙佛救了您。同样，即使我找不到一个方程式能够定量解释微波本底辐射中极化图案，也不会相信那是宇宙大暴涨的证据。因为宇宙大爆炸理论中有太多的不自洽和违背物理定律和科学逻辑的地方，太多的荒唐假设。对于到大自然中许多尚不可能用现在的科学理论解释的现象，我们宁可暂时存疑，也不能随便接受一个自称能够解释这一现象的星象学理论。
有的朋友可能会说，大爆炸理论可能没这么简单吧，这里面有很深奥的黎曼几何呐！这么高深的数学怎么会错呢？问题是，错不在数学，而在大前提，在于宇宙可以无中生有的假定。周文王和姜子牙的八卦理论也用到了当时最深奥的数学–二进制数学。这在几千年前是非常了不起的。能不能因为这个理论用到了先进的二进制数学，就相信阴阳八卦理论可以算出我这辈子能够出将入相呢？
归根结蒂，检验实验证据的真伪通常有三种判据：1）唯一性。除了这种解释以外，还有没有其他可能的解释？2）理论本身的合理性。你的实验结果所希望支持的理论有没有本质上的不自洽或者违背基本物理事实的地方？3）可重复性。能不能通过重复的实验和统计结果来确立两个事件之间的因果关系？这第三个判据对于天体物理现象的研究不太容易实现，我们不仅不能重复所谓的宇宙大爆炸和暴涨“事件”，甚至要重复银河系的产生和太阳系的产生都不可能。但是也有例外。比如霍金的量子泡沫理论宣称从我们宇宙空间中每一个立方厘米的体积元中每秒钟会产生10的143次方个宇宙。这种宇宙出生率超过我们所知道的任何自然事件的发生率，重复性极高。霍金的这种匪夷所思的理论也用到了高深的黎曼几何。
对于前两个判据（唯一性和合理性），除了这些“前沿科学理论家”以外，科学界还是普遍尊守的。以这两个判据衡量，爱丁顿的日食观测对光线被引力弯曲的所谓证实，微波本底辐射测量对宇宙大爆炸理论的所谓证实，射电类星体喷射流对所谓旋转黑洞的证实，暗物质探测，上帝粒子的“探测”，以及最近宣称的观察到了宇 宙暴涨产生的引力波的证据之类，都不够资格成为“科学证据”或“实验证实”。
至于科瓦克是不是能获得诺贝尔奖，这年头还真难说。像上帝粒子探测这样的实验结果，连实验组的人自己都还没有把握说确实找到了“上帝粒子”，诺贝尔评奖委员会就匆匆忙忙给希格斯等人颁奖，可以说是破天荒第一次。不过，科瓦克本人倒比较谨慎。他说：“这是科学理论永远没法被 证实 的又一个例子。” 他这是为以后留点退路。如果以后这个所谓的“暴涨”证据被推翻，或者暴涨理论本身为物理学界抛弃，可别怪我，我早就说过理论永远没法被证实的。可是，如果按照你们的逻辑，“科学理论永远没有办法被证实”，那你还拿着纳税人的钱到南极去干什么？难道这几十年的折腾都毫无意义？
随着神学和星象学对物理学的渗透，人们似乎已经忘记了一条科学研究的经典原则：永远不能为实验证实的理论不是科学理论。

“光的粒子性”问题与光本性探秘

吴东敏

光是粒子还是波的问题有三种说法，1，粒子性；2，波动性；3，波粒二象性。

光现象与光效应的种类很多，主要有：光的直线传播现象；光的反射现象；光的折射现象；光的散射（折射）现象；光的色散现象；光的吸收现象；光的衍射现象；光的干涉现象；光的偏振现象；各种光源的发光现象。还有光与电发生的各种光电效应和电光效应。光与磁发生的各种磁光效应和光磁效应。等等。近代400年以来，人类科学对光物理本质探讨的争论一直非常兴趣，十分热烈和异常尖锐。基本上形成了光的波粒二象性的共识，这是一种对光现象，光效应肤浅的表面共识，而非对光的本质认识的结论。

然而，仍然有一部分学者和高级教授从光的各种现象的研究中认为光只有波动性而不具备粒子性，以为光的波粒二象性是不可理解的，因此否定了光的波粒二象性。对此我曾写有文章抨击了这种观点和理念。

另外有一部分学者从各种光现象光效应的认识中，认为光只有粒子性而不具有波动性；所谓光的波动性只不过是一种类波现象，而非真正意义上的波，因此也否定了波粒二象性。本文针对持有这种观点的学者，教授，博士就这个问题展开一些粗浅的探讨。

研究光的科学分支有数十个学科，光学的著作与论文可能超越成千上万。光科学的提问实在多，本人针对主题有选择性的只提出如下3个代表性问题作简单的讨论：

一，    光子作高速直线传播的同时是如何作横向振动的？

二，    用你的光子模型，光能作长时间长距离传播吗？

三，    一群光粒子辐射前藏在什么地方？

首先是问题一

光的偏振现象的观察，实验和多种应用，对人们来说已经不会陌生。它是光具有波动性的实验证明，而且证明光是横波。光子沿传播方向作纵向高速运动的同时还作横向振动（偏振），是不可理喻的，尤其是光子作为电中性粒子来说。难怪王令隽教授在他的论文《光的波粒二象性漫谈》中，如此激烈地否定光的粒子性及光的波粒二象性理论，并把二象性理论与宗教思想根源联系在一起，予以无情的抨击。本人认为绝大部分坚信光的粒子说的学者也会认为，高速运动的光子既作纵向运动的同时又能作横向振动是不可能的。因为它不合乎理性。那么，如何解释粒子的波动现象呢？

1，        光粒子的波动性实验。坚持光的粒子性的学者，为了证明自己观点和理论的正确性，一定会在具体实验上下功夫，让事实说明问题。有光子橫振动的偏振实验，斜振动的干涉实验衍射实验。衍射实验的形式较多，有强光源通过单孔，单缝，圆屏，细丝，刀口，直边等障碍物时的衍射实验。坚持粒子性的学者希望通过这些实验用光的粒子性本质而非波动性本质来解释光的波动现象。本人认为对一切波动性实验的粒子性解释都是徒劳的，原因是它不合乎理性。光的传播是许多高速运动光子激起周边弹性媒质振动的传播，光子运动的传播和媒质振动的传播是光传播的两个方面。人们可以把光子从光波里分离出来，如反射光，散射光，偏振光等。但不能把光波从光子的实验中分离出去。当光子在上述实验中遇到障碍物时发生反射折射，许多反射折射光子使媒质产生新的横波，新的横波发生干涉现象形成干涉或衍射图样。所以，坚持粒子性的学者误认为光的波动现象是光粒子反射折射形成的图样，却不知其真正原因是由媒质波动所致的原故。

2，        大量光子的类波行为。大理论物理学家玻恩对光子的波动性感到困惑，曾经说过：“爱因斯坦的观念又一次引导了我。”他曾经把光波的振幅解释为光子出现的概率密度，从而使粒子（光量子或光子）和波的二象性成为可以理解的。并马上把这个观念推广到波函数上。爱因斯坦的的观念是什么呢？爱因斯坦认为光的波动性可看成是大量光子的运动现象，表现出来的现象符合统计规律。直到如今仍有部分学者，教授认为光的本质是粒子流或者规则间隔粒子群流。其实这种粒子流或粒子群流与爱因斯坦的大量光子的共同行为并无区别，与电子流和其它微粒流也区别不大。这似乎得出这样一个结论，单个粒子运动表现出粒子性，多个粒子运动又可表现出波动性。这种结论能成立吗？当然不能，理由是：（1），单个光子的运动状态，人们至今仍然不可能从实验中把它分离出来的。单个电子也是。光子运动，电子运动从来都是指多个粒子的运动。（2），大量光子的运动现象是不能够称为波动的，作为波主要不可缺少的概念有：频率，波长，周期，波速，你的粒子群流的结构中能够体现出来吗？不可能！所以，大量光子的类波行为只能用德布罗意波公式来描述。这种描述和解释与人们对光谱的观测和实验并不相符。

3，        对于认为光是不具有质量的“能量子”或光是电磁波的学者，不在本文的讨论范围。同时建议他们先把康普顿效应，光电效应的实验和解释先重温和认识一遍，然后提出问题。

其次是问题二，用你的光子模型，光能作长时间，长距离传播吗？

1，把光的传播视为高速运动的光子流，或视为高速运动的规则间隔和不规则间隔的粒子群流的共同点是，光子之间处于相对静止状态。由于光粒子之间存在万有引力的作用，在传播的过程中，它们会凝聚在一起。破坏了原来的粒子流或粒子群流的结构，所以这类光子模型不能做长时间长距离的传播。

2，如果对1的解释不理解的话，我再进一步做解释。20世纪90年代末期以来，世界许多国家实验室的中微子振荡实验表明，中微子在高速飞行中能够合成另一种中微子，称为中微子振荡。中微子不带电，质量极其微小与你的光子模型一样，光子不带电，质量也极其微小，它们在高速飞行中也会发生振荡。所谓的振荡就是粒子在万有引力的作用下粒子吸引在一起。我国大亚湾核电站中微子振荡实验长基线只有数十公里，瑞士日内瓦地下欧核中心到意大利格兰萨索实验室的中微子振荡实验基线长度700余公里。假如基线长度为日地距离1亿5000万公里（500光秒），用你的光子模型，阳光会射到地球吗？而科学界观测到的光传播距离远远地超过这个数字，能达数万光年，数亿光年。说明你这种光子模型根本不行。

3，还有一种理解，假如在我们的太阳系里，所有的行星都停止轨道运行，与太阳都处于相对静止状态，所有的行星和太阳将会吸引在一起，这一点大家不会有异议吧！质量的自聚性是物质的基本特性，不管是粒子还是天体。原因在于万有引力的作用。

4，如果你的光子具有微小的质量又携带微小的电量，由于荷质比的关系，库仑斥力起主导作用，光子流或光子群流在高速传播时在库仑斥力的作用下会发生解体。这样的光子结构当然不可能长时间长距离传播。用电子束（电子流）做比较，电子之间由于库仑斥力，电子束会发散。在电视机显像管和加速器中对高速电子束设置了防止电子束发散的聚焦系统。。

5，什么样的光子模型能够长时间长距离传播呢？2005年，本人在平面镜反射现象的研究中，感悟出光子必须携带微小的质量和微量的负电荷。作出了光粒子与以太粒子模型。作出了两种粒子形成的三种结构。作出了电子，正电子，质子，中子结构模型。光的辐射源是：携带负电的一群光子存在于浓度较高的以太泡沫中，由于光子之间的库仑斥力，处于待辐射状态；若有一个光粒子开路，其它光粒子便会紧跟尾随，因为光子喜欢走阻力较小的路径，所以一个接一个地排成间距相同的光子链开始辐射。以太泡沫是支撑光子链的必要条件。以太泡沫来自持续太阳风，它从冕洞中吹出。光的辐射机制由光源，光子链，以太媒质构成的系统来完成。光子链中，相邻光粒子之间的距离表示波长，每秒钟通过某处的光子数表示该条光子链的频率。光源的库仑斥力通过光子链传递到整条光子链，因此，光子链在以太中能长时间，长距离传播，乃至数万年，数亿年。详细阐述在本人2011年出版的《宇宙的真谛》之中。

再次是问题三，一群光粒子在辐射前藏在什么地方？

1，两种基本粒子与三维空间。

光粒子的空间尺度的量级是10^-21m，以太粒子是10^-23m。如果把光子比作直径1米的钢球的话，以太粒子则是直径4毫米的自行车钢珠，但光粒子，以太粒子的密度，硬度比钢铁大1亿倍以上。如果把原子（10^-10m）比作地球，则以太粒子的尺度就像细菌，在显微镜里才能看到。如果把以太粒子比作地球（1.3×10^7m），则M理论中的卡拉比丘空间量子（10^-35m）的尺度就像细菌。

有资料表明，宇宙空间中物质粒子占据的三维空间与虚空（绝对真空）的比例为15%左右，以太泡沫内部空间（虚空）和互相粘连的以太泡沫球之间的虚空与物质粒子占据的空间比较，上述比例可能大大地减小。它比肥皂水液滴的体积与它吹成肥皂泡占据的体积之比还小得多。因此，空间是很空的，连成一块的以太泡沫结构的平均密度很低。以太泡沫粘连在一起，可以视为连续物质结构。它是超级互联网。包括把所有人的视网膜联系在一起。

由于以太粒子十分坚硬，因此以太泡沫结构的弹性极小。以太粒子的荷质比较小，粒子与粒子接触时万有引力与库仑斥力相平衡，只显示了极其微小的引力。以太泡沫的破裂与重组的速度极快。高速运行的光粒子在以太泡沫中穿行，泡沫显示了固体的特性，而低速运行的汽车和人在以太泡沫中运行，泡沫显示了流体的特性。这一点，湖北省有位学者及前辈科学家在研究以太模型的时候也感悟到以太具有这一特性。光子为避开固体的阻力，沿着前面光子开辟的通道运行，才能形成光子链结构。在科学前沿的深空宇宙观测中，当光射入遥远的宇宙空洞里时，光会突然寂灭，这种现象成为宇宙空洞之谜，其实原因十分简单，因为宇宙空洞里没有以太结构，光子链结构散架，成为光子流，光的频率消失了。

2，电磁以太。

携带负电的光粒子在万有引力与库仑引力的双重作用下，吸附携带极微量正电的以太粒子。形成光子以太粒子球结构，为了尊重前辈科学家的研究和命名，把光子以太粒子球称为电磁以太。电磁以太分为三类：（1），光子吸附了等量电荷的以太粒子，构成中性电磁以太，简称中以太，或称为中微子。（2），光子在以太粒子丰富的环境里，吸附了过量的以太粒子，构成正电性的电磁以太，简称正以太，或称正微子。（3），光子在以太粒子欠缺的环境里，吸附了少量的以太粒子，构成负电性的电磁以太，简称负以太或称负微子。太空里的中微子，正微子的浓度较大，它们通常处于无序的热振动状态，这些粒子互相之间并不会发生明显的聚合作用，只有部分粒子的碰撞，其聚合与分离处于平衡状态，它们是最重要的粒子。本人将在“电磁的本性”里作专门讨论。顺便先谈一下，电与磁是完全不同的事物，电是粒子的特性，由粒子携带；磁是电磁以太物质结构的有序转动或平动，由天体自转或粒子（电子，核子）自旋形成，磁并非由电流产生。电与电的作用是库仑力，磁与磁的作用是万有引力。电生磁，磁生电是假象，电与磁不发生作用。而光与磁，光与电却能发生作用，为什么？原因由光的波粒二象性引起。光粒子与电粒子（电子，核子）会发生引力和库仑力的作用；光波是以太波，以太波与有序的以太运动结构（磁现象）当然会发生机械作用，实质也是引力作用和库仑力作用。可思考：光电效应，光伏效应，康普顿效应，磁致旋光效应，磁光法拉第效应，磁光克尔效应，科顿穆顿效应，塞曼效应，等等。

3，各种光源。

（1）       电磁以太解体发光。在太阳的持续太阳风和扰动太阳风中，含有成分复杂的各种微粒，其中游离的光子占有的比例最多，它迅速吸收以太泡沫中的以太粒子，成为电磁以太。其中正微子和中微子的含量很大，负微子含量非常小。太阳风中电磁以太有序的扩散运动构成空间的磁场和电场，正微子的分布密度，显示了空间电场的方向由太阳指向地球（或各个行星）。电磁以太进入大气层直到地球内部，被物质的原子吸引，电子周围吸附了大量的正微子与中微子。同时核子的表面也沉积了一层中微子，正微子，保护核子的衰变。这成为物质的常态。通常情况下，一批电子吸附的电磁以太在剧烈的振动或挤压或撞击下会失去表面吸附的以太粒子，成为携带负电的裸光子，许多光子在库仑斥力的驱动下开始辐射。在此也顺便说一下光子的吸收现象，当光子辐射到介质中，如厚厚的云彩里或其它不透光的物质里被分子，原子，电子吸收，此时光子速度降到为零，光子会马上吸附周围的以太粒子成为新生的电磁以太粒子。

——通常的各类电照明。a，热辐射光源，有白炽灯，各种卤钨灯。属电磁以太的激烈振动失去表面以太粒子而发光。（温度的实质是以太物质振动的激烈程度。）b，气体放电光源，有金属低压汞灯（通常的荧光灯），高压汞灯，低压钠灯，高压钠灯；有惰性气体氙灯，汞氙灯；有金属卤化物钠铊铟灯，钪钠灯。属于电子，电磁以太，光子发生撞击，使电磁以太失去表面的以太粒子而发光。

——半导体照明。典型的例子是LED发光二极管照明，通常此类半导体材料中含有低熔点（常温下）的镓元素，镓离子会出现在晶格空间中游荡，在p-n结中与载流子电子或空穴（正微子）发生挤压，自旋的镓离子犹如许多锋利的“剃刀”使电磁以太失去表面的以太粒子而发光。这是主要作用。

——通常的各种燃烧发光现象。原子的外层电子发生轨道转移，电子的运动方向与运动速度发生改变，其携带的电磁以太受到挤压发生解体，同时整体表现为高温振动使电磁以太解体的发热发光现象。

——同步辐射光源发光。高速电子运动方向突然改变，其表面携带的电磁以太受到激烈挤压，从切线方向解体射出发光，所有的光子链方向相同，具有高能性。

——各类激光器发光。激光器的种类很多，按照工作物质分类，有气体，固体，半导体和染料等激光器。形成激光的必要条件是粒子数反转，其实质就是要求有足够多的电磁以太发生解体，产生较强的光辐射作用，在谐振腔里光的单色性方向性得到加强，成为激光输出。实现工作物质中电磁以太解体的激励方式主要有：强光激励，电激励（电流激励和放电激励）还有化学（光热）激励，核能（粒子碰撞和光热）激励。激励是光子，光波，电子，离子等物质与电磁以太的碰撞作用。

——还有各类加热高温发光现象；地球的极光现象；地球的地光现象；大气的雷电现象；流星雨发光；X射线散射；拉曼散射；原子的内层电子激发辐射（X射线）；原子核激发辐射（γ射线）；天然放射现象；正电子衰变；α衰变；β衰变等等，都是属于电子，离子，原子分子周围的电磁以太受到激烈振动或挤压或撞击发生电磁以太解体而发光。

（2），电子解体和电磁以太解体混合发光。

先谈题外话，许多光子链辐射到缺乏以太物质的深低温（-273*C）的环境里，散架成为光子流，再扩散形成光子云，光子云里光子之间缺乏传递库仑斥力的以太结构，所以光子间没有斥力的作用。在惯性运动接触中，许多光子由其表面一层以太粒子作为媒介子粘合成为电子，一个电子所含的光子数量级约为10^18 个。电子的诞生，表示在绝对真空的虚空中，为什么会产生物质的理念，在《宇宙的真谛》里，描述了在星系团之间巨大的虚空（绝对真空）中，如何产生新的星系的机制。如果没有新的星系产生，宇宙将不是永恒的。如果倒溯到过去的时间是无限的，早期的恒星，星系早已老化熄灭，如果新的星系不能不断地产生的话，我们将看不到宇宙的现状。

电子解体产生巨大数量光子，在以太结构的环境里由于库仑斥力，一群光子的体积急剧膨胀，以太物质的激烈振动（高温现象）形成巨大的冲击波和强光辐射，显示了巨大的能量。电子解体的体积膨胀和发热发光，是核能的本质。通常核反应中，原子核内只有小部分电子，正电子发生解体，更不是全部。正电子由正微子在深低温环境里聚合而成。正电子解体产生正微子，中微子，以太粒子，光辐射。能量较电子解体小得多。

电子解体和电磁以太解体混合发光主要有：恒星发光；正负电子对撞发光；强子对撞发光；核裂变；核聚变；原子核的人工转变；α粒子散射；高能γ射线或宇宙线与原子核的作用；高聚焦高能激光与原子核的作用。

综合上述，一群光粒子辐射前处在：电子里；电子表面的电磁以太中；核子内部电子与正电子里面；核子表面的电磁以太中；原子分子空间环境中的电磁以太里；恒星内外和恒星际空间中几乎所有的粒子中。可谓是，无处不在！

2013,07,28

光的波粒二象性漫谈

王令隽 2012年1月

近代物理中的革命性思想之一是德布罗意的波粒二象性假说。根据这一假说，光既是波，也是粒子；光在传播时表现出波的特性，在和物质相互作用时表现出粒子的特性。對此，有人接受，有人不接受。本文想比较仔细地谈谈两方面的道理。

关于波粒二象性，应该区分两种不同的情形：一种是没有质量的“粒子”—比如光子；一种是有质量的粒子，比如电子和质子。爱因斯坦不接受量子力学和物质是几率波的概念，可是他却接受光的波粒二象性。所以我把讨论局限在光的波粒二象性。這裡要簡單交待一下的是，光波，電磁波和聲波的波動性是沒有疑義的，有疑義的是其粒子性；物質的粒子性是沒有疑義的，有疑義的是其波動性。所以這是不同的兩個問題。我們這裡僅討論光波（電磁波）和聲波。

一）从光的粒子理论到波动理论的发展

人们对光到底是波还是粒子的认识，历史上有过反复。

物理对光学现象的早期研究主要在几何光学现象，如光线的直线传播，光速测量，反射和折射，透镜和反射镜的成像等等。牛顿认为光是粒子束流。他用粒子理论可以解释光的直线传播和反射现象。如果我们假定一束光线像并排行进的几列队伍，队伍的行进必须保持整齐的横列綫（波前），则光的粒子理论也可以牵强附会地解释光线的折射现象，只是如果要问什么力量能将同一横排的光子保持在一条直线上，为什么左右两边的光子不可以各管各地跑，就没有什么道理可以搪塞了。所以光的粒子理论其实是无法解释折射理论的。不能解释折射，也就不能解释透镜的聚焦，放大和成像。除了折射现象以外，还有光的绕射，色散和干涉，以及光的极化，则是粒子理论完全无法解释的。

几乎同一时代，惠更斯提出了光的波动理论，可以成功地解释上述已知的所有的物理光学现象。尽管牛顿是当时最有权威的物理大师，但是惠更斯理论之成功使物理学家毫无疑问地抛弃了牛顿的粒子说而采用惠更斯的波动说。這是科學把真理看得比權威更重的歷史先例。

但是，光波到底是什么波？在惠更斯时代人们不是很清楚。直到麦克斯韦建立了统一的完备的电磁场理论，人们才认识到，光原来不过是在空中传播的电磁波！麦克斯韦的电磁场理论预言了电磁波的存在，算出了电磁波的传播速度为每秒钟三十万公里，正好是光的传播速度。通过求解麦克斯韦方程组，我们可以得到光的反射，折射，干涉，色散，极化现象的精确信息。麦克斯韦的电磁场理论无懈可击，成为了现代物理光学的理论基础。物理学界再也没有人怀疑光是一种电磁波了。

二）光量子理论—光的粒子理论的復活

光的电磁波理论的数学精密程度到了令人不容置疑的程度，直到普朗克提出光的量子假说，人们才又开始重新考虑光到底是波还是粒子的问题。普朗克之所以提出光量子理论，是为了解释黑体辐射现象。当时对黑体辐射的频谱测量已经相当准确，但是理论解释跟不上。维恩和瑞利琼斯提出了两个公式，一个能解释低端频谱，另一个能解释高端频谱，但是没有一个能够解释整个频谱。普朗克于是提出一个大胆假设：如果我们假定黑体的能量是由许多光量子组成，每一个光量子的能量等于光的频率乘与一个常数，叫做普朗克恒量，然后用统计物理的方法计算出整个黑体的辐射能量，就可以得出整个频谱的黑体辐射公式，理论与实验结果符合得惊人地好，好得不由人们不接受普朗克的光量子假设。

這裡有一點微妙之処，就是普朗克爲了得到他的公式所需要的假設，僅僅是能量的量子化，這種能量子（quantum）並不一定意味著形態上的“粒子”。關於這一點我們稍后還要作詳細一點的討論。

另一个导致光的粒子理论复活的实验是爱因斯坦的光电效应实验。如果用光照射某一固体表面，可以使电子从固体表面逸出，但是光的频率必须高于某一临界值。爱因斯坦用普朗克的光量子假定来解释这一临界频率。频率一定要高于某个临界值，就意味着光量子的能量必须高过某一临界值，才会使电子从表面逸出。这一临界值叫逸出功。如果光的频率比临界值大，就会有多余的能量。这部分能量就成了光电子的动能。这一动能可以通过外加电场的方法测量。爱因斯坦的光电效应实验印证了普朗克的光量子假定。于是，光的量子理论逐渐为物理学界接受了。

普朗克和爱因斯坦的光量子理论并不等于尔后薛定谔提出的量子力学理论。爱因斯坦虽然接受普朗克的光量子假定，但他终生不相信量子力学。他有一句名言：“上帝不玩骰子”。他完全不能接受物质是几率波的概念和量子力学的其他基本假定。

三）德布罗意的波粒二象性理论

普朗克和爱因斯坦都是非常有名望的物理学家，而且光的量子假设对黑体辐射和光电效应的解释非常漂亮，使人很难不接受光量子假定。这似乎意味着不得不抛弃光的波动理论。可是，麦克斯韦的电磁场理论对物理光学现象的描述的精确性，又使人们对光的波动性无法置疑。粒子理论根本无法解释光的折射，绕射，干涉，色散，传播，叠加，极化和频谱分析等诸多物理光学现象。要否定光的波动性不太可能。

于是德布罗意便提出一个波粒二象性（Duality）的说法（说不上是“理论”）。他认为，光既是波，也是粒子，是同一个东西具有两个表象。光在传播过程中表现波动性，而在与物质作用时表现出粒子性。这样两不得罪，两个理论的颜面都顾及到了。许多物理学家的迷惑不解似乎得到了某种“解释”，某种安慰。于是皆大欢喜。

可是，波和粒子毕竟是完全不同的概念。波是运动，粒子是物质；波的尺寸是宏观的，基本粒子的尺寸是微观的；波可以在空间上重叠，粒子不可以在空间上重叠；等等等等。把这两个东西说成是一个东西，在思维哲学上和把上帝，圣子和圣灵归为一个神体，把神和人归为一个实体一样，遵循的是同样的神学理念。

对于许多经过一千五百年三位一体和神人二象教义熏陶的西方学者来说，这种需要信仰支撑的一体多象概念不是太难接受的事情。尔后，波粒二象的概念还进一步推广到量子力学，把物质也看作是几率波。这成为爱因斯坦不相信量子力学的重要原因之一，或许和他是犹太教徒，不相信三位一体和神人二象的教义有些关系。

那末，如何从科学逻辑上来分析判断波粒二象性呢？

四）波和粒子是不相容的两个概念

根据经典物理，波和粒子是本质上完全不同的两个概念。波不是物质，而是一种运动。为了直观，我们先用机械波（或曰声波）来说明波与物质的区别。请波粒二象性的拥护者们先别抗议，说电磁波不是机械波，没有可比性。事实上，波粒二象性的概念也用到了机械波上，在固体物理中就把机械波看着是粒子 – 声子。我之所以举机械波为例，是因为机械波直观，比较容易为不太熟悉电磁理论和量子理论的朋友们理解。就其本质来说，无论是机械波还是电磁波，都是运动，而不是物质，这就是他们的共同点。我们在这里关心的，不是电磁波与机械波的区别，而是波和粒子（物质）的区别。

人们最熟悉的波是水波。构成水波的粒子是水分子。在一个宁静的湖面上激起波浪，水波往前传播，可是水分子并没有随着波浪前进。您只要在水面上放一片树叶就可以验证。树叶会随着波浪在原地方上下波动，但是不会随着波浪前进。波浪往前传播，与之一起往前传播的是运动，是能量和动量，而不是水分子，不是物质。

树叶的波动方向是和水平面垂直的，因而是和波的传播方向垂直的，这种波叫横波。如果水分子的振动方向和波的传播方向一样就叫纵波。水里传播的声波就是纵波。纵波传播的也只是能量和动量，而不是水分子。潜水艇的声音被声纳接收到了，但潜水艇并没有跑到你的监测站来，仍在水里躲着。鹤鸣九皋，声闻于天。声音是到了天上，可白鹤还在九皋，在地上。物质（白鹤）和波（声音）的差别，岂止是天壤之别。

电磁波也一样，只是传播能量和动量，而不是物质。微波炉的波源是磁控管中的高频电流。磁控管产生的微波能量传到了盘子里的火腿，但是我们从来不会吃到磁控管。电视机收到的是从电视台的发射天线传过来的电磁能量。这些电磁能量是从发射天线中的高频电流产生的。发射天线绝不会跑到您的电视机中。千家萬戶都在看電視，电视台发射天线就是想跑，也不知道该往哪家跑啊！

波粒二象性的标准说法“光在传播过程中表现波动性，而在与物质作用时表现出粒子性”还有一个说不清楚的微妙之处，那就是，光在传播过程中或与物质相互作用中到底是同时是波和粒子呢，还是在传播过程中仅仅是波，在与物质相互作用时仅仅是粒子？如果是前者，则光同时是波和粒子，粒子的大小应该就是波的大小，那光子的尺寸至少不小于一个波长。电磁波的波长可以是宏观尺寸。比如长波的波长可以长到几十米。而质子的半径在十的负十五次方米的数量级。电子的半径应该更小。这么小的质子和电子如何吸收这么大的光子？這比天狗吃月亮還難。几十米的宏观尺寸覆盖的体积中包含的质子和电子数要用阿佛加德罗常数来计量，那么，光子的吸收，是每一个质子或电子同时在一个光子上咬一口（一个光子的十的二十四次方分之一或更小），吃 到肚子里以后再慢慢消化，把许多光子的碎片重新组装成完整的光子呢，还是大家排队领面包，每次吸收必须吸收完整的光子（单个光子的不可分性）？一个微观的电子或质子要吸收一个几十米长的光子至少要一百个毫微秒，所以这种相互作用不可能是瞬时的。而且，单个粒子如何波动前进？像杰克逊跳街舞吗？如果波动是由多个粒子排列而成，如何保持粒子们行军时候的高度组织纪律性（空间和时间的正弦分布，精确的频率，极化等等）？

如果是后者，光在传播过程中仅仅是波，不是粒子，在与物质作用时仅仅是粒子，不是波，那就有一个从波到粒子的转换过程。刚刚接触到物质的波前必须立即通知几十米以后的波尾巴：同志们，我们碰到物质啦！听我口令，立即收缩体积，变成粒子! 等穿越了障碍以后，再變囘成光波继续前进！記住你們的頻率波長相位和极化方向，穿越障碍以後，沒有牺牲的同志們注意保持频率相位和极化方向！（电磁波可以穿越墙壁到达您的电视机或手机，光可以穿越玻璃，会牺牲一部分能量，但频率和极化方向一般不会变化。当然也有些特殊光学媒质会改变极化方向。）

水和空气作为波动媒质还有一个非常重要的区别：水可以传播纵波（声波），水面又可以传播横波；可是空气只能传播纵波。其实，水蒸气也只能传播纵波。为什么呢？因为气态的物质中的粒子基本上是自由的，而液态物质的组成粒子是不自由的。液体分子之间存在粘滞力。同时液体表面的一层分子受到了重力和下面的分子的双重约束。一旦某一点受到振源的强迫振动，分子间的粘滞力便会带动周围的分子上下振动。如果没有这种粘滞性，就不可能有横波。

何况，横波也好，纵波也好，这些媒质分子都只是波的传播者，而不是波本身。媒质必须在波动发生以前就已然充满了从波源到接收者之间的整个空间。所以，媒质分子绝对不是粒子说所指的波动粒子本身。粒子说是不承认光的传播需要媒质的，是粒子在前进途中自己呈现波动性。粒子的传播如何呈现波动性呢？没有人能说得出具体图像。这里，通常有两种说法。一种说法是单个粒子也会呈现波动性；另一种说法是粒子传播过程的波动性是一群粒子的集体行为。单个粒子波动的说法给不出任何合乎逻辑的图像，所以就只好诉诸信仰：这是纯量子效应，不可以要求具有经典图像。这种说法当然无法服人。粒子群波动的说法似乎能使一些人相信，但是仔细推敲就能发现破绽。不妨假定五个粒子ABCDE成群地行进，排成一个横排，其队伍呈现正旋图像。这一排队伍如何呈现波动呢？是队伍的长度成正弦变化吗？如果这些粒子是自由的，它们在离开振动中心往外跑以后，有什么理由要回来，而且一定要向相反方向跑同样地距离以后又返回呢？这难道不意味着这群粒子不是自由的粒子，而是受某种力量操纵控制以保持这种正弦波吗？这种保持光子群行进中的正弦波动的力是什么力呢？这种力存在吗？它如何能保持振动方向始终和传播一致（纵波）或垂直（横波）呢？

如果认为光子之间不存在相互作用力，光子们是凭各自的高度组织纪律性自觉地保持队伍的正弦波动（这已然是玄学和星象学了），那如何保持振动频率在传播过程中始终不变？须知光在传播过程中频率是始终不变的，即使碰到了不同媒质界面的反射，折射和透射，频率都不会改变。世界上有这么样守纪律的军队吗？

另一个问题是波的叠加。因为每一个粒子都带有自己的能量，所以当不同的光子碰在一起的时候其能量相加。可是我们知道，不同的电磁场的叠加是振幅的叠加，而不是能量的叠加。只有振幅的叠加才可以产生干涉和衍射现象。能量的叠加是不能产生干涉和衍射现象的。这是光的粒子说的一个难题。两束光要产生干涉，必须有同样的频率和固定的相位关系。粒子论的频率倒还可以用普朗克假设决定，可是相位呢？粒子的相位是什么东西呢？又定义吗？有公式计算吗？单个粒子如何携带并保存自己的频率信息和相位信息呢？不能携带自己的频率和相位信息，就不能产生干涉和衍射，这是光的粒子说的又一个难题。

总而言之，统而言之，德布罗意的波粒二象性，只能姑妄听之，姑妄言之，朦胧对之，糊涂处之。可以作为一种信仰，但经不起刨根究底。

五）波的极化

电磁场是矢量场。矢量场的传播波是有极化的。极化光可以被极化滤光片挡住。这种滤光片在照相机商店可以买到。滤光片的微观结构比较复杂，也不直观，但我们可以看看电磁波的极化现象。如果光波是光子，电磁波也应是光子。无线电波的接收天线必须和电波的极化方向一致才可以收到信号。你可以做一个电波极化过滤器。只要在一块金属板上刻出许多平行的狭缝就成。这种过滤器只准电波从一个特定的方向通过。如果将过滤器旋转九十度，电磁波就不能通过了。这种光的极化现象用波动理论来解释非常自然，非常容易。可是如果用粒子的理论来解释就非常困难，除非假定这些极化的光子是一些细长的粒子。一束极化的光子是一些比林肯总统还要瘦长得多的瘦长个子，整齐地排列成罗马军团，而且要保持队形，这就要求各光子之间应该有某种联络，因而它们不是相互独立的粒子，这种不独立性将给光子理论带来麻烦。莱塞光是极化光。从地球上射出的莱塞光可以射到离我们三十八万公里的月球表面而保持其极化方向不变。这样的组织纪律性是罗马军团的骑士和西点军校的士官生望尘莫及的。

而且，如果假定这些极化光子具有狭长的几何形状，就根本违背了光子的大小和形狀取决于谐振腔和波导的大小和形狀的边界条件。光子的概念和极化根本不相容。“光子”不仅没有质量，也没有大小和形状，因为它根本就不是物质，不是粒子。

六）波的频谱分析—粒子不具备的特性

波的另一个为粒子不具备的性质是频谱分析。光波可以分解成许多谐波的叠加。一个方波或者锯齿波的无线电脉冲可以分解成无数个谐波的叠加。这些不同的谐波在传播过程中在空间和时间上是重叠的。这些不同的谐波可以被分离开来。无线电波中所有的电台和电视台的电波都是在同一空间中同时传播的，您可以通过收音机或电视机的调谐把所要的电台或电视台的信号分离出来。传到地球上的太阳光是许多谱线的叠加，您可以通过棱镜把太阳光的不同谱线分解成从红到紫的非常漂亮的彩色频谱。但是粒子就不可能做这种频谱分析。一个光量子只有一个频率，而不是许多频率的叠加。无论是经典的粒子还是量子场论中的粒子，在空间上都是不重叠的。

七）电磁场是不是物质？

与光量子概念直接相关的一个概念是：电磁场是物质。如果场是物质，那这里就存在着三种物质：电子，质子和他们中间的场。注意這三者（電子，質子和電磁場）在空間上是分離的。这第三种“物质”（场）和前两种是一样的东西吗？所谓物质，至少必须有三种物理表现：第一，物质必须有质量，物质之间会有万有引力存在；第二，物质在受到力的作用时，会有惯性和加速度，加速度的大小和质量（惯性）成反比；第三，物质可以构成原子，分子，有机物，无机物，生物和人体。电磁场显然不具备这三个条件中的任何一个。第一，電磁場沒有質量，兩個光子之間沒有萬有引力；第二，沒有任何力量能使“光子”加速或減速，其實也沒有任何東西能使聲波加速或減速，因爲波速取決於波動煤質的物理特性；第三，沒有人能用光波或聲波組成無機物或有機物。能说电磁场是“物质”吗？

有的朋友要说，光子也有质量，只不过它的质量等于零而已。既然质量等于零，引力当然也就等于零，加速度当然就等于零了。

如果没有质量能说成是有质量，我们就取消了有和无的根本区别，取消了是非。你可以同样地说我的魂魄也是实体，只不过它的质量为零，不受万有引力的影响（所以鬼可以飘然而来飘然而去），也不受其他力的影响（所以他可以穿墙而过）。您可以说拥有n个银行，只不过n 等于零。您的银行存在吗？

八）量子电动力学中的“場粒子交換”的概念

有的朋友可能又要背书了：场这种物质是和电子，质子不一样的物质。和经典物理的概念不同，按照量子场论的观点，电子和质子之间的电磁相互作用是通过交换光子实现的。而光子就是电磁场的量子。同样，万有引力也是依靠交换引力子来实现的。

说“交换”，名不副实。交换者，互有往来也。投我以木桃，报之以琼瑶。只投不报，只取不予，不可谓公平。所以基本粒子理论中的革命性的提法不应该是“交换”，最多只能说成“发收”。一个发射光子，另一个接受光子。

如果仅仅是辞令术语问题，倒也好办，就依了你王令隽，改成“发收”不就成了吗？不成，因为既然是发收，就有一个时间问题。发者先发，收者后收，不可能同时。氢原子中的电子和质子之间的电磁力是由谁先发出光子，又由谁来接收呢？质子和电子谁是施主谁是受主？光子跑得很快，氢原子的半径很小，只有半个埃，不到十的负十八次方秒就到了。那他还回来吗？如果回来，并且一直飞来飞去，不仅浪费汽油，造成能源危机，而且费曼图没法画！因为“交换”一个光子是一次微扰项，“交换”多个光子就意味着高次微扰项，其物理意义完全不一样，数学上也将繁复得根本无法计算。如果只发收一次，大约十的负十八次方秒以后对方收到短信就不回话了，这情缘大概也就此了结了，电磁相互作用也就完结了。氢原子中的电子和质子可是讲究一旦曾经拥有，就得天长地久的。他们之间的吸引力是永远存在的，不是一次发收，相互作用十的负十八次方秒钟就完事的。如果让光子永远地来回飞来飞去，费曼也不会答应！

所谓“粒子的相互作用是通过交换场粒子来实现”的说法起源于量子电动力学。基本粒子物理的一个基本任务，就是计算各种粒子反应的散射截面。可是，要得到散射截面的解析表达式是几近不可能的事。于是只好假定相互作用很微弱而借助于微扰理论对散射截面表达式作多项级数展开。这当然就会有无数项。然后逐项计算。人们期待，只要取足够多的项，其结果应该能收敛到某个理论值，以便和实验测量到的散射截面比较而判断理论的真伪。（這裡還有一個重整化的大問題。為免跑題，恕不贅述。）

级数展开的繁复是人人皆知的。且不说散射截面的数值计算，单是写下每一项展开的表达式就不是很容易的事，一不小心就弄错。为了避免出错，费曼想出了一个方法，用一张图表示每一项，图中的点表示参与反应的粒子的波函数，连接各点的线代表这些粒子之间的相互作用，又叫“交换场粒子”，不同的线代表交换不同的场粒子，一次项需要一条线，意味着只交换一个场粒子，二次项需要两条线，意味着交换两个粒子，如此类推。用这种方法写下您所要计算的项，就可以避免出错。每一项叫做一个传播子。这个方法给理论计算带来了极大的方便。費曼圖只不過是計算散射截面的一種工具而已。但是费曼对费曼图的物理解释太过牵强，经不起逻辑推敲，不可当作信仰。由此也可以看出，“交換”一個“場粒子”和交換兩個“場粒子”是完全不同的過程。以交換場粒子的概念（作用時間極短）來解釋質子與電子之間的持續的相互作用有邏輯性的困難。（其他相互作用也一樣。）

“相互作用一定要通过交换场粒子实现”的说法还有一个逻辑性的困难。電磁場（光子）和电子之間是有相互作用的，是不是意味著光子和電子必須交換什麽“場粒子”來實現這種相互作用呢？如果电子和光子沒有交换场粒子，那是不是说（光子）就不和电子发生作用了？這顯然違背事實。所以，“相互作用一定要通过交换场粒子实现”的说法本身就是逻辑背理的。

如果场粒子的作用仅仅是传递相互作用而不具有万有引力和运动惯性，它和其他物质就是本质上不同的东西，或坦率地說，波和场根本就不是物质。你可以硬把它叫做物质，其实它和物质根本就不是一样的东西。可以用一個大家熟悉的故事來説明相互作用的粒子和所謂的“場粒子”的差別。唐伯虎和秋香之间的相互作用是通过交换秋波来实现的。您可以趕時髦，把秋波叫做秋波子，把秋香叫做秋香子。秋波子和秋香子的差別，唐伯虎子最清楚。他可以与秋香暗送秋波，但不可以与秋波暗送秋香，也没法和秋波颠鸾倒凤结婚生子。秋波和秋香本质上是不一样的。前者只是“波”，只是物质之间的相互作用，而后者纔是真正的“粒子”。

据说有一个太监在炎热的夏天给皇帝扇扇子。皇帝问太监：“寡人身上的汗都到哪去了？”“万岁爷，您龙体上的汗珠子都跑到了奴才的背上了。”如果皇帝和太监 都是微观尺寸的粒子，而且我们不了解汗水蒸发和运动泌汗的物理和生理过程，我们很可能会相信这位公公的“汗量子交换”理论。

九）场和波的空间重叠性 – 又一个粒子不具备的特性

上面对于“场的相互作用是通过交换场粒子而实现的”概念的讨论说明了时间方面的不自恰：粒子交换是短暂的，瞬时的，而相互作用是长期的，永恒的。相互作用力靠交换一个粒子来实现的图像同样经不起空间方面的考虑。相互馈赠的东西，通常比较小巧珍贵。李香君送给侯朝宗以保持她们之间的电磁相互作用的定情之物是小小的红豆，体积比体态玲珑雅号香扇坠的李香君要小很多。当然，也有礼物的体积比美人的个子大得多的，比如王昭君和文成公主的嫁妆。但是发送嫁妆的大汉王朝和大唐王朝以及接受嫁妆的蒙古王宫和布达拉宫，还是比嫁妆大得多。如果电子和质子之间的相互作用力是靠“交换”或者“发收”一个场粒子来实现的，根据部分小于全体的原则，我们有理由期待场粒子的体积比发出这种場粒子的粒子小。可是出乎一般人的意料之外，光子的体积比电子和质子的体积大得多。大多少？理论上一个光子的体积就是电磁波或电磁场的体积，电磁场可以充满整个空间！黑体有多大，光子的体积就有多大。而电磁场的“源”—电子和质子的尺寸不大于费米的数量级。

可是，一个黑体里面不是有无穷多个光子吗？如果每一个光子的体积都有黑体大，那这无穷多个光子如何能够蜗居在一个和它等体积的黑体之中呢？难道他们能够重叠在一起不成？对！光子们（其实是量子化的能量单元）在空间上确实是重叠的。在空间放一对电荷有一个电磁场，放两对电荷也是一个电磁场，放N对电荷还是只有一个电磁场。这所有的负责鸿雁传情的红娘们都共用着这共同的光子情书来传递相互作用，没有任何隐私，是真正的公有制。而且他们还不担心锦书送错。

如果在一个封闭的谐振腔中求解波动方程，会得到一系列的谐波解。每一个谐波频率相应于某一谐振子，其大小决定于谐振腔的大小。所有的谐振子在空间上是重叠的，在能量上（或频率上）是分解的。这种空间重叠性是物质所没有的。物质是不可重叠的。盐可以溶解在水里，那是因为水分子中间有空间。组成盐分子和水分子的原子在空间上是不可重叠的；原子核也是可以聚变在一起的，但是参与聚变的质子和中子是不可重叠的；如此类推。这种通过化学反应和核子反应产生的微观结合和光量子的空间重叠是完全不同的概念。场和波是空间的连续函数，不是离散函数。场和波的叠加是每一个几何点上的数学叠加，不是离散粒子空间上的互相参插。这是场和波的空间可叠加性与物质的空间不可重叠性的实质区别。

这里的讨论还涉及到一个粒子的数量问题。谐振腔中的谐振子的个数是无穷多个，而不是有限个。而粒子的个数不可能是无限的。

十）如何用波动理论解释黑体辐射与光电效应

由上面的讨论可知，光的波动性是无可置疑的，其粒子性则大成问题。可是如何解释黑体辐射实验和光电效应呢？

普朗克在提出量子化假说时，并没有，也不必要把光看成粒子。普朗克的公式和推导只假定黑体中的光辐射能量可以量子化，黑体辐射的总体能量等于这些量子化的能量的总和。如此而已，岂有他哉！能量的量子化不等于粒子化。这种将整体能量分成许多成分的做法早在频谱分析中就已经有了。一个非简谐波的能量可以分解成无穷多个谐波。总能量等于各个谐波的能量的和。这并不要求每一个谐波都是粒子或物质。

至于爱因斯坦的光电效应，光子理论只是一种现象逻辑性的解释。爱因斯坦在这里用了普朗克的量子假说。如上所述，这一量子假说并没有要求光是粒子，只要求光的能量的量子化。爱因斯坦的光电效应实验的解释也只要求金属中的电子吸收量子化了的能量，并不要求光是粒子。

光电效应中的一个重要參數是激发光频率的临界值。光的频率必须超过这一临界值才能使金属中的电子溢出。对这种现象我们其实并不陌生。临界频率的现象，在超声波清洗技术和微波技術中也存在。一個空心波導（不管是矩形的還是圓柱形的）都有一個臨界頻率。低於臨界頻率的微波不可能在波導中傳播。這個結果可以從求解麥克斯韋方程組得到。物質對光的吸收當然是比波導中微波的傳播更複雜的過程。光电效应的截止频率应该和固体的微观结构和物理特性有关。这种微观结构和物理特性被现象逻辑性地表述为“溢出功”。在我们对金属表面的微观结构还不太清楚的情况下，不妨把爱因斯坦的光电效应理论当著一个现象逻辑性的理论接受，而不能把他当作光是粒子的证明。电子的直径小于一个费米，是微观尺寸，光量子的尺寸很大，至少大于一个波长。可见光的波长大于4000埃，相当于质子半径的四亿倍，体积比质子大26个数量级。电子的体积更小，小到我们现在还无法测量。一个电子要吸收一个光子，尺寸上就差了几十个数量级。按比例，比一只青蛙吞下一个银河系还难。固体的晶格长度约10 埃，只有波长的400分之一。一个波长的平方可以覆盖16万个表面晶格。躲在这16万个晶格之中的广大电子群众如何竞争去吸收体积如此庞大的“光子”？是排队凭票供应，还是像狼群扑食一样各咬一口，吃到肚子里再将一口口的量子碎片拼成完整的光量子？

非常奇怪，爱因斯坦不能接受量子力学，却能接受“电子只能吸收整个光量子的全部能量，但不能 部分地吸收比这更小的能量”的概念。我们知道，电子之从金属表面激发出来，不但可以通过光电效应实现，还可以通过其他方法实现。摩擦生电就是用机械能把电子拉出来，并不是因为电子吸收了什么“量子”而溢出。灯泡或电子管的灯丝中通过60赫兹的交流电就会产生电子。这样的频率（波长5000公里）远远在光电效应的临界频率之下。有一种直流电子管，只要用电池就可以工作。在半导体发明之前，这种电子管常用于间谍的收发报机。直流电的频率等于零，波长无穷大，这样的“光子”的能量等于零。但是我们知道直流电可以激发出电子，并使电子管的阴极发光。所以，金属表面的电子的溢出和发光是一个我们并不清楚地了解的非常复杂的过程。仅仅用电子吸收光子的图像来简单化地理解过于粗糙，最多不过是一种现象逻辑学，不能证明光是粒子。

十一）电子衍射实验

根据我们上面的详细分析可知，光波是媒质的电磁波动，而不是一串粒子的运动。媒质本身并不运动。有的朋友可能会说，电子总应该是不可否认的粒子吧？电子衍射实验明明表现了波动性质啊！这是不是说明，粒子群自身的传播可以呈现波动性吗？

其实，日常生活中也能观察到与电子衍射类似的现象。潺潺流下的溪水在流过一堆石头的时候就会产生波纹。你可以光着脚丫把波纹捣乱，可是一旦你将脚抽出来，溪水的波纹又会恢复原样。所以这种“疑似衍射波纹”像是水波的某种固有特性。这能不能作为水分子具有波动性的实验证据呢？或者，能不能说溪水中的波纹是某种粒子呢？不能。实际上，这种水波的疑似干涉条纹反映的是那堆石头构成的边界条件，而不是水分子本身的波动性。如果您有一个足够大的电脑系统，能够得到流体力学方程在石堆周围区域的解和远离石堆区域的解，那溪水的波纹表现的就是从近邻解到远场解的过度。是一种对于边界条件的记忆或者全息照片。你只要稍微动一动那堆石头，溪水的波纹会立即变化。

电子的衍射就是类似于溪水波纹的现象，反映的是两个小孔形成的边界条件，而且由于电子是带电的，对于小孔壁的位置和形状特别敏感。有一个方法可以检验电子衍射条纹到底是上述的“疑似衍射波纹”还是真正的波的干涉。如果是真正的波的干涉，干涉条纹的位置可以根据波长与小孔或者狭缝之间的距离精确计算出来：其极值位置的偏离角的正弦应该等于波长与孔间距离的比的整数倍。根据德布罗意假说，电子的波长与电子的能量成反比。所以，只要调整入射电子加速电压，其干涉条纹极值的位置应该相应改变。如果不能定量地得到与实验相符的干涉条纹的位置及其随加速电压的变化，这种所谓的“电子衍射”就是一种疑似衍射，不能证明电子的波动性。

还有一种似乎能够证明电子波动性的实验，就是电子通过单孔的衍射条纹：一束电子打倒靶上，比如示波器的荧光屏，可能会在中心点周围产生一圈圈同心圆，非常像光的单孔衍射图像。这些电子束周围的同心圆其实不是衍射的极值，而是电子束打到荧光屏上以后产生的二次电子和三次电子重新打到荧光屏上的图像。到底是不是真实的波动效应也很容易实验验证。只须将示波器结构稍稍改一下，将电子枪的加速器和聚焦极屏蔽在带有小孔的金属板前面，不受后面的影响。电子的波长应该在小孔以前就决定了。因为小孔是事先加工好的，所以小孔以后的干涉图像应该不受小孔 后面接收器的影响。如果我们调整金属孔与荧光屏之间的电压，衍射图像不受影响，就说明那是真正的波的干涉。如果调整荧光屏的电压会影响衍射图像，就说明那是二次电子和三次电子产生的疑似干涉图案。

十二）波粒二象性对大爆炸宇宙学的关键作用

波粒二象性对于近代物理理论本来没有实质的重要性，它并不提供任何新的物理理论或方法，只不过是对已经存在的理论（哪怕是现象逻辑性的理论）提供某种哲学解释或宗教解释，提供一點精神安慰。但是进入大爆炸宇宙学以后，波粒二象性的作用就十分关键，具有实质的重要性了。

大爆炸宇宙学的一个根本困难就是向世人交待宇宙如何无中生有地被创造出来。为了对这种数学创造轮提供某种他们认为成其为解释的解释，宇宙家们编织了这样一个故事：

1）在时间原点，由于真空的扰动，会从真空中产生大量的能量，根据是海森伯原理 – 能量的测量误差和时间的测量误差的乘积不小于普朗克常量。时间的测量误差小到十的负四十三次方秒时，能量的测量误差就大于普朗克常量乘以十的四十三次方秒。这一巨大的“能量测量误差”被解释成为“能量的创生”。读者诸君且莫去管他宇宙创生时谁来承担测量的艰巨任务，也甭问如果没人测量，是不是宇宙就会因为没有接生婆而要胎死腹中了这样的现行反革命问题。这样创生出来的能量以电磁波（伽玛光子）的形态出现。这里用到了光的波粒二象性。初生的宇宙是以辐射能量的形态出现的，没有物质。

2）这巨大的能量会转变成物质，根据是爱因斯坦的质能关系式。所以一旦能量被创生了，物质也就被创生了，光子（辐射能）会变成物质，变成太阳系和银河系，包括银河系里的一切。于是，秋波变成了秋香和唐伯虎，也许先得变成亚当和夏娃。这里也用到了波粒二象性。

3）到了大爆炸以后三十万年的去耦合期，辐射能量和物质就去耦合了，因而有了我们现在的物质世界。至于为什么要去耦合，为什么不会重新耦合回去，是一种信仰，是正统教义，或曰“标准模型”。

所以，如果说波粒二象性对物理学的其他分支可有可无，那末他对宇宙大爆炸理论却是绝对的必要了。关于海森伯原理不足以否定能量和质量守恒定律，以及“真空擾動產生能量”等等概念的荒謬，我在拙作“宇宙学的基本问题与DET理论” 等文中已有说明，恕不赘述。

十三）波粒二象性理论的宗教思想根源

宗教信仰是一种后天的意识。如果一个孩子从小在泰国长大成人，他就有百分之九十的可能是佛教徒，如果在阿拉伯长大，很可能是穆斯林，在希腊长大就很可能是东正教徒。虽然是后天的意识，如果经过千百年的宗教洗礼和皇权约束，就可以变成一种非常自觉的思想和行动。只要看看每年的宗教朝圣的盛况，和虔诚的信徒们不远千里三跪九叩地爬行几年去朝圣，就能理解信仰在他们的思想和信念中的地位和作用。

自从基督教成为罗马帝国的国教，整个欧洲经历了天主教庭近两千年的统治，三位一体（Trinity）和神人二象性（Duality）的思想已经融入了西方社会的各个层面，成了欧洲人 – 包括欧洲科学家 – 的正常思维逻辑和思维习惯。这种思维逻辑能把完全不同的东西看成为一个实体而不认为背理，然后以此为信仰，去演绎发展理论的其他方面，解释各种现象。科学上最典型的例子就是物理学上光的波粒二象性（Duality）假说。

科学研究的方法不应该是宗教的方法。当着某种事物看起来似乎具有根本矛盾的性质时，就意味着我们对其某些方面的理解还不透彻，或者根本就是误解，或者这一方面的理解仅仅是现象逻辑学的。科学的态度应该是追根穷源，继续深入研究，解开表面上矛盾的逻辑疙瘩，而不应该以宗教的方法把两个完全不同的概念强拉到一起，标以“二象性”的桂冠，以示神圣，以示深奥。对于光与物质相互作用时表现出来的能量量子化性质，我们的了解还停留在现象逻辑学的阶段，远没有麦克斯韦的波动理论完备透彻。随着微观领域尤其是固体表面物理科学研究的继续发展，我们对光与物质表面相互作用时的能量量子化性质一定会知道得越来越清楚。在没有透彻了解光电效应的微观本质之前，不妨将爱因斯坦的解释当作一种现象逻辑性的理论接受，但这种现象逻辑性的理论最多只能为光能量的量子化提供一些支持，不足以证明光是粒子。同样，普朗克的黑体辐射公式最多也只要求光能量的量子化，不要求光是粒子。

本报记者 刘霞 综合外电

19世纪末，由于牛顿力学和麦克斯韦电磁理论趋于完善，一些物理学家认为，“物理学的发展实际上已经结束，物理学已经走到穷途末路了”。殊不知，彼时彼刻，物理学正酝酿着两场翻天覆地的大革命：爱因斯坦的相对论彻底地改变了人们对时间、空间、重力以及宏观宇宙的理解；而量子力学则揭示出一个奇异的微观宇宙。这两大横空出世的革命令人惊觉宇宙之神奇以及人类直觉之不可靠。

然而，事情并没有就此结束，物理学的车轮仍然在科学的驱使下滚滚前行。将量子理论和粒子物理学标准模型这两大20世纪的支柱理论整合起来，创建出一个最终解释万事万物运行规律的“万物之理”，仍旧是科学家们一直在苦苦追寻的梦想。疑似希格斯玻色子的发现或许只是一个启示，告诉我们到了我们再次刷新物理学面貌的时候了。当然，一切还是要从最基本的问题出发。

为此，英国《新科学家》网站集结了众多当代著名物理学家的真知灼见，为我们梳理了物理学的现状和面临的困境，以帮助我们消除心头的疑问。

第一部分：

物理学陷入的困境

布赖恩·格林：美国哥伦比亚大学的理论物理学教授，以下文字摘自于他2011年出版的著作《隐藏的现实》。格林被公认在超弦理论中做出了很多具有开拓性的发现，他曾在20多个国家开过普及和专业讲座，著有《优雅的宇宙》《宇宙结构和优雅宇宙》等书。

数学是现实之根吗？

是什么让我们如此确定数学能揭示自然界最深处的奥秘呢？

19世纪晚期，英国物理学家、数学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦意识到光是一种电磁波，他基于此创立的麦克斯韦方程组表明，光速应该为30万千米/秒。这一数据与实验测得的数值相差无几。但是，麦克斯韦方程组给后人留下了一点小小烦恼，那就是，30万千米/秒这一数值是相对于什么而言的呢？

爱因斯坦为了解决光速的参考系问题，人为地引入了“以太（aether）”这一概念。爱因斯坦设想在宇宙中充满了一种均匀的无质量的物质，他把它叫做“以太”，光速就是以这种“以太”为参照系的。但是，后来的理论发展和实验却证明，“以太”是不存在的，光速在任何参考系中都是一样的。这也是狭义相对论的一个基础。

爱因斯坦创立的狭义相对论颠覆了几个世纪以来与空间、时间、物质和能量有关的一切思想，但爱因斯坦并没有止步于此，最终，他创立了广义相对论。广义相对论认为，万有引力不是一般的力，而是时空弯曲的表现。广义相对论目前仍然是宇宙模型的基础。

上述细节具有重大的历史意义，但又不仅如此，所有人都看到了麦克斯韦方程组背后的数学，而只有天才的爱因斯坦才花费了很大的精力和心血来研究它，并最终基于此做出了伟大的发现。

这个故事很好地阐释了诺贝尔奖得主史蒂芬·温伯格的一段话。温伯格曾经表示：“我们的错误并不在于我们太把已有的理论当回事，而在于我们并没有对它们给予足够的重视。”

温伯格的这段话指的是天文学上的另一个重大突破——美国科学家拉尔夫·阿尔法、罗伯特·赫尔曼以及乔治·伽莫夫的预测，即大爆炸之后的瞬间会产生宇宙微波背景辐射。其实，只要科学家们将广义相对论与基本的热力学理论结合在一起考虑，就会自然而然地得出上述结论。

1948年，阿尔法和赫尔曼预言，宇宙大爆炸产生的残留辐射，由于宇宙的膨胀和冷却，如今它所具有的温度约为绝对零度（零下273摄氏度）以上5开，或者说5K。但是他们的预言并未引起人们的普遍重视。

直到1965年，美国新泽西州贝尔实验室的两位无线电工程师阿尔诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在为跟踪一颗卫星而校准一具很灵敏的无线电天线时，十分意外地发现了这种宇宙辐射场。与此同时，在附近的普林斯顿大学，由罗伯特·迪克领导的科学小组也已独立地发现了阿尔法和赫尔曼作过的预言，并着手设计出了一台探测器以供搜索大爆炸的残留辐射。他们假设它是热辐射，那么它所具有的能量就相应于2.7K的温度——这与阿尔法和赫尔曼富于灵感的估计非常接近。科学家们将其称为“宇宙微波背景辐射”。宇宙微波背景辐射的存在，给大爆炸理论提供了有力的支持。

无可否认，温伯格的这句话具有很强的现实意义。尽管多年来，已经有很多实验证明与现实世界有关的数学是他埋首于书桌得到的，但是这并不是说我们的理论学家们随便涂抹的任何方程式都能达到温伯格的水平。没有令人信服的实验结果，认定哪个方程式值得认真对待，这可真是一件艺术活。

当然，爱因斯坦就是这方面的艺术大师。在他于1905年发表了狭义相对论公式之后的几十年内，他就对数学的各个领域烂熟于心了，而同时代的大多数物理学家则对这些领域知之甚少甚至一无所知。在他迈向广义相对论的最终等式的过程中，在将这些数学结构同他的物理学直觉结合在一起这个方面，爱因斯坦展示出了罕见的天赋。

比如，1919年，当爱因斯坦看到一条消息说，科学家们对日全食的观测证实了广义相对论的预测——光应沿着曲线行进时，他强调说，要是结果不一样，“他只能对上帝说‘抱歉’了，因为他确信他的理论是正确的”。

我非常确信，当能够颠覆广义相对论的有说服力的数据出现时，爱因斯坦肯定会换种口气说话。但是，爱因斯坦的这句话，却很好地展示了一套数学方程式如何通过它们条理清晰的内部逻辑、优雅美妙的结构以及广泛的适用性来精确地彰显现实。几个世纪的发现已经为我们提供了丰富的证据，表明数学能够揭示世间万事万物不为人知的运行奥秘，而且，物理学也在数学的引领下，一次次迎来了不朽的巨变。

然而，爱因斯坦对于他本人提出的数学方程，接受程度也是有限的。他并没有“足够认真”地看待他的广义相对论，他并不相信广义相对论能预测出黑洞或者宇宙在不断膨胀。但是，其他科学家却比爱因斯坦本人更重视广义相对论的方程式，而且，这些科学家研究爱因斯坦理论所取得的成就在近百年来已经为人们理解宇宙学确定了航向。

相反，在其生命的最后20年里，爱因斯坦将全副身心都投入到了数学领域，希望能够为物理学创立一个大一统的理论。不过，当我们检阅历史时，我们不得不承认，那些年里，爱因斯坦对他所处的数学丛林过于执着了，甚至有人都觉得他好像被数学牵着鼻子走，有点过于“盲目”了。在应该认真严肃地对待哪个方程式这一问题上，甚至爱因斯坦有时也会犯错。

量子力学却为这种物理学和数学之间的困境提供了另外一种可能的解决办法。1926年，埃尔温·薛定谔写下了他的量子波等式，在此后的几十年间，人们认为这个等式仅仅与分子、原子和亚原子粒子等一些微小的领域相关。但是，1957年，普林斯顿大学的休·艾福雷特博士对爱因斯坦在半个世纪之前的建议——要严肃对待数学作出了回应。艾福雷特认为，薛定谔的等式应该可以适用于任何方面，因为所有的物质，无论大小，都由原子、分子和亚原子粒子组成，而这些粒子全部遵循薛定谔提出的概率法则。按照这种逻辑推演下去，我们可以得出一个结论，那就是，不仅实验装置会遵循薛定谔方程，实验对象也是如此。艾福雷特据此提出了他的“多重宇宙理论”。该理论认为，宇宙在第一次“大爆炸”后还在不断“大爆炸”，形成无数宇宙，因此，在一系列平行世界中，所有可能的结果都可能会实现。

50多年过去了，我们仍然不知道艾福雷特的推论方法是否正确。但是，通过非常严肃认真地对待量子理论背后的数学，他可能已经做出了科学探索领域内最有意义的一个。从此，旨在帮助我们更深入地理解现实的很多数学方程式，都普遍引入了各种版本的多重宇宙。简而化之，“多重宇宙”指的是在数学上允许存在的每个可能的宇宙都对应着一个真实的宇宙。极端一点来说就是，数学即现实。

如果迫使我们思考平行世界的某些数学方程式或者所有的数学方程式都被证明与现实有关，那么，爱因斯坦著名的“追问”——该宇宙拥有它所具有的特征是否仅仅因为没有其他宇宙可能具有该特征这一问题将有一个确定无疑的答案：不。我们的宇宙并非唯一一种可能，其性质可能与现在不同，而且，其他宇宙的性质确实也可能不同。如果真是如此，那么，为什么某些事情会是现在这种情况？为其寻找一个基本的解释将是一件徒劳无功的事情。毫无疑问，统计可能或者纯粹是偶然无疑会进入我们对于巨大宇宙的理解中。

我并不知道事情最终会有一个怎样的结局，也没有任何人知道。但是，只有通过无畏的付出和追寻，我们才能深切地了解到我们的局限性。只有通过理智地追寻理论，通过严肃地对待数学，即使有些数学方程式会将我们引入完全陌生的领域，我们也有机会揭示隐藏着的现实。

斯蒂芬·巴特斯：现居伦敦，是《新科学家》杂志的顾问。

宇宙心脏深处的黑暗虚空

我们已经建立起来的宇宙模型非常成功，可能很大程度上是因为，模型中的绝大部分完全是出自于我们的想象吧。

对我们的眼睛来说，星星即宇宙。但是，对宇宙学家来说，星星不过是一些闪光的微尘，是宇宙这所大房子的重要装饰物而已。在宇宙空间内，还存在着两种难以捉摸的物质，其重要性远远超过普通的星星和气体，那就是：暗物质和暗能量，我们对它们一无所知，但我们知道，它们显然与万事万物都有关联。

这对“孪生幽灵”或许足以让我们停下奔忙的脚步，促使我们思考，我们历时一个多世纪费心费力创建的宇宙模型是否正确。而且，情况还不止于此。我们的标准宇宙学模型也表明，在大爆炸之后的一霎那，空间就被第三种目前还不为人所知的东西拉伸成形，科学家们将这第三种“暗势力”称为“暴胀场”。这或许意味着，在我们看不见的地方，还存在着无穷多个其他的宇宙，其中的大部分宇宙对于我们来说另类得不可思议，其存在可能只是为了让我们建立的宇宙模型更好地发挥作用而已。

那么，让我们的观察来承载这些“暗夜幽灵”，是否有点过于沉重呢！？难不成真如马克·吐温所说的：我们只是投资了一点微小的事实，就能得到一大堆的推测？

我们的标准宇宙学的物理学基础是爱因斯坦的广义相对论，广义相对论始于一个非常简单的观察：任何物体的引力重量完全等于其惯性质量，爱因斯坦对这一等效原理的阐释，亦是广义相对论的根本精神，就是质量导致时空弯曲，而弯曲的时空则导致其他质量加速。苹果落地就可以采用这种方法来解释：因为地球的质量很大，使其周围的四维时空发生了弯曲，因此，苹果就顺着弯曲的时空向地球移动了。

广义相对论是一种崭新的重力理论。当涉及到微弱的重力场时，它可被简化为牛顿理论。因此牛顿的重力理论可看成是广义相对论的近似。日常生活的重力现象都可以用牛顿或广义相对论描述。不过，当重力场很强的时候，二者就有差异。 在强大的重力场下，广义相对论预言的有些结果就与牛顿重力相异。这些当然都由时空弯曲引起。例如光线会被重力场扭曲，就没有牛顿理论的对应。

广义相对论的另外一个重要预测是，时空扰动可以波动形式传播。这些引力波就像水面被扰动时传出的水波，但波动的是时空本身。不过，引力波的强度很弱，而且物质对引力波的吸收效率极低，因此直接探测引力波极为困难。美欧日等国家都在建造一些大型的引力波天线，希望能接收到宇宙远方传来的微弱的引力波。曾有人宣称在实验室内探测到了引力波，但未得到公认。1974年，天文学家们观察到一对致密的名为脉冲星的恒星相互围绕，按照广义相对论的预测，如果它们因为释放出引力波从而损失一部分能量就会如此。

在宇宙的尺度上，万有引力是自然界的支配之力，因此，代表了现代物理学中引力理论研究最高水平的广义相对论（是一种关于万有引力本质的理论）是我们最好的工具，我们可以借助广义相对论为宇宙创建模型，描述和展示宇宙作为一个整体是如何移动的以及宇宙的一举一动。广义相对论方程是一个以时空为自变量、以度规为因变量的带有椭圆形约束的二阶双曲型偏微分方程，它以复杂而美妙著称，而且，其可调节的参数多得令人发憷，如果提供一个复杂的输入，诸如真实宇宙的质量和能量散乱分布的细节，这个方程几乎就很难有解了。为了创建出一个实用的宇宙学模型，我们需要简化假设。

其中主要的假设是哥白尼原则（The Copernican principle），这是物理学和哲学的一条基本法则，以文艺复兴时代提出“日心说”的波兰天文学家尼古拉·哥白尼命名。它的定义是：没有一个观测者有特别的位置，宇宙各处看起来应该都一样。当我们在足够大的层面上观察时，也的确如此，万事万物都分布得非常均匀。这意味着爱因斯坦方程只需要带入一个参数就够了，那就是宇宙的物质密度。广义相对论认为，时空弯曲的程度是由物质的密度分布所决定的。

爱因斯坦最大的错误

有鉴于此，爱因斯坦用具有统一密度的惰性尘埃来填充他的第一个精简版的宇宙模型，该模型所展示的宇宙在自身的引力下会收缩。他认为这是个问题，因此，发明了一个术语（宇宙常数）来抵消几乎无处不在的引力，用以保持宇宙的恒定不变。然而，上世纪20年代，观测结果表明，宇宙实际上在不断膨胀，爱因斯坦后来将宇宙常数称为他一生中“最大的错误”。

随后，其他科学家将广义相对论的方程式应用于不断膨胀的宇宙，并创建出了一个新的宇宙模型，该模型认为宇宙源于一个最初密度无限大的点，因为物质的重力，宇宙膨胀的速度逐渐变慢。宇宙大爆炸天文学就这样横空出世了。不过，我们也面临一个主要的问题，那就是，这种膨胀是否会停止。答案似乎是否定的。在不断漂浮的星系内，重力能够驾驭的物质少得可怜，宇宙将不断平滑地向外膨胀。

此时此刻，暗物质和暗能量这些宇宙“幽灵”开始慢慢浮出水面，变得具体，且进入人们的思维。20世纪30年代，瑞士天文学家弗里茨·茨威基发表了一个惊人结果：在星系团中，看得见的星系只占总质量的1/300以下，而99%以上的质量是看不见的。茨威基首先发现了暗物质的存在，他的发现大大推动了物理学的发展。但由于暗物质根本不与光发生作用，更不会发光，在天文上用光的手段绝对看不到暗物质，因此，当时许多人并不相信茨威基的结果。

直到20世纪70年代初，科学家在观测宇宙其他一些星系中的恒星运行速度时就发现，越往外，围绕中心的速度并不都是衰减下去，而是和内圈恒星的速度差不多。这与越往外，物质越少，引力也越小，速度也应该越低的常规不符。由此反推，此时虽然外圈的那些能被直接观测到并数出来的星星数目变少了，但其实内部的物质数量并没有减少，引力也没有变小，只不过观测不到而已，科学家们大胆地猜测：宇宙中一定有某些物质没有被我们的天文观测所发现，这些物质被称为“暗物质”。

此后，其他证据，包括星系群的运动方式、星系朝我们而来的路上弯曲光线的方式等，都成为暗物质存在的证据。另外，在最开始，为了将物质紧紧胶合在一起产生星系，也需要暗物质。科学家们还推测，暗物质的数量可能是可见的气体和星星的5倍。

目前，暗物质的身份对我们来说仍是一个未解之谜，暗物质似乎并不在粒子物理标准模型之内。尽管我们尽了最大努力，却仍然没有在地球上制造出甚至观察到暗物质。但是，它对宇宙学标准模型的影响微乎其微：在广义相对论中，其引力作用与普通物质的引力作用一模一样，而且，即使有这么多能产生丰富引力的物质，也很难让宇宙停下膨胀的脚步。

第二种“暗势力”则引发了一场更加深刻的变革。在上世纪90年代，使用名为1a型的超新星爆发时测量的数据，天文学家们对宇宙膨胀进行了更加精确地追踪。种种观测数据表明，宇宙正在加速膨胀，似乎有某种斥力弥漫于广袤的宇宙间，彻底打败了物质间的万有引力。科学家将这种尚不知道的反引力作用称为“暗能量”。

精准的配方

这可能是爱因斯坦的“宇宙学常数”的再生，当然，这和当初爱因斯坦引入以给出平滑的宇宙模型不同，现在的“宇宙学常数”代表了暗物质和暗能量。科学家们认为，暗能量在宇宙中起斥力作用，但又不能严格说其是一种斥力，只能称其为能量。尽管如此，粒子物理学家们仍在纠结，为什么空间本身暗藏有这么小的能量密度呢？于是，富有想象力的理论学家们纷纷给出各种解释，比如由迄今为止还没有被看到的粒子产生的能量场；来自于可见的宇宙之外或者由其他维度发射过来的作用力等等。

不过，上述富有想象力的观点目前都没有得到证实。无论暗能量是什么，它似乎足够真实。目前为科学界普遍接受的宇宙起源理论认为，宇宙诞生于距今约137亿年前的一次“大爆炸”。宇宙微波背景辐射被认为是“大爆炸”的“余烬”，均匀地分布于整个宇宙空间。“大爆炸”之后的宇宙温度极高，之后30多万年，随着宇宙膨胀，温度逐渐降低，宇宙微波背景辐射正是在此期间产生的。

宇宙微波背景辐射上有一些温度不一的斑点，分别代表着年轻宇宙密度稍高和密度稍低的地方。这些斑点的典型尺度可以被科学家们用来衡量空间作为一个整体被其内的物质和运动弯曲到何种程度。结果表明，宇宙看上去几乎平滑无比，这意味着所有这些弯曲效应都必须被抵消。这就使得科学家们再次需要某些额外的排斥能量来平衡由于膨胀和物质的引力所导致的弯曲。星系在空间中的分布模式也给出了同样的结论。

所有这些观测线索，让我们获得了一份宇宙的精确配方。空间中普通物质的平均密度是0.426攸克（yoctogram）（1攸克为10-24克）/立方米，这些物质占宇宙总能量密度的4.5%，而暗物质占22.5%，暗能量占73%。我们建立在广义相对论基础上的宇宙大爆炸模型与我们的科学观察非常吻合，只要我们坦然接受我们虚构出来的“暗势力”占据了宇宙95.5%的份额。

不过，这并不意味着我们已经大功告成，我们必须“发明”更多东西才行。为了解释宇宙为什么在各个方向看起来如此一致，目前的主流宇宙学理论还引入了第三种“诡异”元素，那就是暴胀场。宇宙学理论认为，当宇宙形成仅10-36秒时，一种具有颠覆性的力量接管了整个宇宙，这种力量就是暴胀场，其像暗能量一样是排斥力，但比暗能量强大很多，它导致宇宙爆炸性地膨胀为原来的1025倍，让宇宙变平滑，同时抹去了所有的整体不规则性。

当这段暴胀期终结时，该暴胀场就转化为物质和辐射。该暴胀场中的量子涨落，变成了宇宙密度的细微变化，最终演变为宇宙微波背景中的斑点和我们目前看到的漫天星系。

而且，这个梦幻般的故事似乎与我们观察到的事实非常吻合，它也再次引入了很多“空想”出来的概念。对于广义相对论而言，暴胀并不麻烦，在数学上，只需要加上一个与宇宙学常数完全一样的术语而已。但是，在某一时刻，该暴胀场一定占据了宇宙100%的空间，而且，其起源也像暗物质或暗能量一样，对人们来说是个未解之谜。更重要的是，暴胀一旦开始，就很难停下来：它会继续制造出很多与我们的宇宙风格迥异的宇宙。对有些宇宙学家来说，当他们重新审视我们的标准宇宙学的基本假设时，预言多重宇宙的存在显而易见就有点迫不及待了。

标准宇宙模型也有很多同我们的观察不一致的地方。比如，宇宙大爆炸制造出的锂-7在理论上多于宇宙本身包含的。另外，该模型也没有解释宇宙背景辐射中某些特征似乎能够排列成行以及特定视线方向上的星系看起来似乎更倾向于左旋自转。而且，科学家们最近发现了一个长达40亿光年的超星系结构，也让人们对宇宙在大层次上是平滑的这一假设提出了质疑。

黑暗三重奏

如果科学家们获得更多数据，或者改变计算方法，上述诸多小麻烦很可能就会消失殆尽。但是，更大的问题仍然存在。美国哈佛—史密森尼天体物理学中心的物理学家罗伯特·柯什纳表示：“我们不了解暗能量，也不了解暗物质，这令我们感到相当沮丧。”柯什纳也是首先发现暗能量的超新星团队中的一员。

自从爱因斯坦创立满是尘埃的宇宙模型以来，作为基础的数学方法并没有发生改变，但是，科学家们不断朝这个模型“添砖加瓦”，使得现在的宇宙模型更富活力，而且细节更加明晰。科学家们现在已经精确地知道该宇宙的年龄和组成了。暗物质似乎制造出了星系和其他结构；暗能量则暗示着宇宙会加速膨胀，最终进入一个冰冷和孤独的未来；暴胀理论表明宇宙源于一场暴力事件中。这三驾黑暗马车，每一驾都指向一项全新的物理学。

柯什纳将这看成是一个挑战。他说：“这并不意味着我们的理论中存在着任何瑕疵。我们也并不会因此而失望，相反，我们深受鼓舞。”但是，只要我们没有在实验室中获得暗物质的证据，或者为暗能量找到能证明其存在物理学基础，我们就有可能深陷某种根本性误解的桎梏之中——或许，我们的宇宙学模型的数学基础出现了一个非常根本的偏差，根本到了迄今为止还没有人能够想象得出这个错误会是哪种形式，只是一个未知的未知。那么，量子引力论会是我们前进的方向吗？或者，某些新的观察会让我们再一次重写我们建立在广义相对论基础上的宇宙学说？

现在，我们只有一些最模糊的线索，指引着我们前往何处寻找替代的宇宙模型。但是，或许，我们只需要摒弃一个没有人注意到的与现实有关的假设，帷幕就会被拉起，所有的黑暗势力都将烟消云散，满天繁星将再现光芒。

马修·查默斯：来自英国布里斯托尔的自由撰稿人，2012年在《科学美国人》杂志上撰文《后希格斯粒子时代》。他表示，发现希格斯粒子之后，要对这种粒子进行更精细的研究，大型强子对撞机（LHC）已无法胜任。现在，科学家提出了4种方案，建造新一代对撞机，提高研究精度，以期发现标准模型之外的物理现象。

希格斯粒子进入死胡同

希格斯玻色子的发现让历史上最精确的科学模型——粒子物理学标准模型得以完整，但是，“一个故事的结束，也是另一个故事的开始”，这也预示着新问题即将出现。

1964年2月，披头士乐队心中时刻想的就是让美国为之倾倒，而彼时彼刻，一些强大的物质也在理论物理学家穆雷·盖尔曼的大脑中盘旋。盖尔曼思考的问题是：组成物质的原子和中子本身是否也由更小的物质组成呢？他将这种更小的物质命名为“夸克”。“夸克”一词是穆雷·盖尔曼改编自爱尔兰作家詹姆斯·乔伊斯的小说《芬尼根守灵夜》（Finnegans Wake）中的诗句：“向麦克老大三呼夸克。” 取这一名字仅仅因为盖尔曼喜欢这个单词的发音，就像夸脱一样。

那时，物理学对变革理念的渴求就像困在沙漠中的人对绿洲的渴求一样强烈。科学家们在宇宙射线中发现了几十个奇异的新粒子，这似乎不合情理也毫无缘由。盖尔曼发明的夸克使质子、中子和所有这些新粒子可以被描述为两个或者三个更基本的粒子的组合。

对于大多数物理学家来说，这一想法有点太过于超前了。新粒子打破了既定的规则，因为其拥有2/3、-1/3这样的电荷，而且，科学家们或许也从来不会看到这些粒子“独自起舞”。情况为什么会变得这么奇妙呢？

为什么就不能如此呢？现就职于墨西哥州桑塔费研究所的盖尔曼反驳道：“每个人都在说，这也不可能，那也不可能，但或许本来就毫无道理，或许自然就是如此奇妙。”结果也表明正是如此。现在，夸克已经成为所有科学里最禁得住检验的理论模型——粒子物理学标准模型的基础。在40年的岁月中，标准模型展示出了不可思议的能力，一次次地将理论学家们的梦想变成无可辩驳的事实。2012年7月，欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）实验组宣称发现了希格斯玻色子，这只是标准模型最新、最惊人、最引人瞩目的一次展示而已。

尽管科学家们已经取得了如此惊人的成就，但是，“盛极而衰”“物理学已日薄西山”等言语却不绝于耳。有了希格斯玻色子，明显不完整的标准模型变得更加完整完满，但是，这并不表示该模型没有瑕疵，而实验也无力再提供线索，供科学家们创建出更好的模型来弥补其不足。历史再次重演，粒子物理学理论再次呼唤全新的变革。

美国得克萨斯大学奥斯汀分校的理论学家斯蒂芬·温伯格于1974年提出了“标准模型”。温伯格表示：我并不希望这一术语成为教条，我希望它成为交流和实验的基础，让科学家们借此获得一些证据，证明标准模型是错的。标准模型的基本要义在一张明信片上就能表述清楚：6个夸克成双成对，构成除了质量以外其他一切都一模一样的三“代”；诸如电子和中子等6个“轻子”也采用同样的方式排列；另外还有一小撮玻色子在夸克和轻子之间传递自然界最基本的作用力。

关于这些粒子最重要的事情是，它们在本质上都是量子粒子。量子理论源于20世纪初非常关键的发现，这些发现表明，原子释放和吸收的辐射之所有具有这样的波长，只能够过假定能量被打包成不连续的小份或者“量子”来解释。顺着这条思路，我们就能推导出一个怪异的二象性，在最小的尺度上，粒子是波，波也是粒子。这些“身份”含混不清的波—粒子的运动并不遵从牛顿经典力学，而是在抽象的数学空间中的奇异规则下跳着概率的舞蹈。

到了上世纪20年代中期，量子力学大体已经成型，也经受住了所有实验的考验。但是，在上世纪20年代晚期，物理学天才、获得诺贝尔奖的最年轻的理论物理学家保罗·狄拉克和其他人开始探究将量子力学和爱因斯坦的广义相对论关联起来，这一举动在描述以接近光速运动的粒子方面迈出了关键的一步，自此，科学研究进入另外一番新天地。

1928年，狄拉克提出了一个电子运动的相对论性量子力学方程，即狄拉克方程，该方程拥有不止一个解，这似乎预示着存在着这样一种粒子，其属性和电子类似，但是，电荷相反。五年后，科学家们在宇宙射线中发现了这种“正电子”。理论学家们也顺势而动，提出了“反物质”这一概念。

量子场论作为标准模型的理论基础，也是上述逻辑的集大成者。用场来传递力这一想法可以追溯到19世纪英国物理学家、化学家迈克尔·法拉第，但是，量子场的数学结构给这些量子场赋予了一些奇怪的属性：它们可以从空无一物的真空中制造出粒子，再让其湮灭于无形。因此，根据量子电动力学理论的观点，两个电子之所以会相互排斥，是因为一个光量子（光子）“作祟”，光量子是电磁场的量子粒子，不知所起而且会从一个电子传到另一个电子那儿。无数个这样的“虚拟”粒子不断出没，会轻微改变经典电子或者说“裸”电子的属性。自从上世纪40年代以来，很多实验都证实了这种变化，而且，精确程度令人瞠目结舌。

量子理论将其他力囊括其中也颇费了一番功夫，花费了更长时间。在辐射衰变中将一种粒子变成另一种粒子的弱核力很长时间以来都被难以控制的无穷大所困扰，这就使得除了最简单的一些效应以外，其他计算都陷入无望。时间继续向前推进，到了上世纪60年代，温伯格等人终于找到出路，将弱核力与电磁力统一成弱电力，这种弱电力只在能量极高的环境（比如早期宇宙）下才会“现身”。

正如狄拉克方程预言了反物质的存在一样，这一理论也预示了可能存在一些迄今还没有被看到的粒子：大质量的W和Z玻色子——其主要作用是传递目前已经成弱电力中分离出来的短程弱核力以及希格斯玻色子。希格斯玻色子一定要存在，才能确保W和Z玻色子在统一的弱电力被分解成电磁力和弱核力的所谓“破缺”过程中获得质量，从而将弱核力限制在原子距离范围内；然而，与此同时，传递电磁力的光子则不会获得质量，这就使得它们能够自由自在地在宇宙中穿梭驰骋。

与此同时，强核力（让原子核紧紧依附在一起的作用力）的量子场理论也上演了一出“咸鱼翻身”的好戏，用该理论的联合创立者、美国加州大学圣巴巴拉分校的戴维·格罗斯的话来说，就是“从闹剧到胜利”。量子色动力学也是盖尔曼创造出的一个术语，量子色动力学通过将夸克之间的相互作用描述为它们不断交换8种携带“色荷”的胶子，最终让夸克名声大噪；该理论还展示了夸克非常独特的一点：那就是两个夸克距离越远，它们之间的作用力就越强。格罗斯说：“该理论不但揭示了为什么质子看上去由夸克构成，而且也解释了为什么这些夸克从来不会被拉出质子的管辖疆域。”

上述基本上就是标准模型的全部故事了。到了1973年，披头士乐队的成员们已经分道扬镳，而在接下来的一段时期内，科学家们做出了一连串激动人心的发明，使得标准模型最终成型，其中包括约束所有粒子的行为的弱电统一理论以及仅仅对夸克和胶子起作用的量子色动力学。标准模型不仅充满智慧而且非常优美。标准模型的方程式具有极端完美的对称性，不仅描述了自然界中各种力的本质和特征，也告诉物理学家们应该前往何处寻找什么新粒子。

果不其然，新粒子在粒子对撞机的数据中逐个“显山露水”，这让理论学家们狂喜不已。上世纪60年代末，科学家们就已经在实验室获得了三个夸克存在的证据，但是，直到上世纪70年代末，美国物理学家们才推测出第四和第五种夸克粒子的存在，并最终在1995年推测出立刻第6个种“顶”夸克粒子的存在。

到了2000年，最后一个轻子τ中微子才被科学家们收入囊中。在这场发现新粒子的战争的另一端，德国汉堡城外的德国电子同步加速器研究所（DESY）的科学家们于1979年捕获了胶子；欧洲核子研究中心的科学家们在1983年抓住了W和Z玻色子。当时光机器前进到2012年时，欧洲核子研究中心的科学家们才众望所归地发现了标准模型预测的最著名的也是最后一种粒子——希格斯玻色子。

对于温伯格来说，标准模型的胜利之路显得非常特别。他说：“你在办公桌上用一些数学公式和概念来打发时间，然后发现，在花费了数十亿美元之后，实验物理学家们证实了这些想法，难道还有比这更加特别的事情吗？”既然如此，但是，为什么他和其他科学家并没有想象中得那么高兴呢？

令人惊奇的特征

原因多种多样。有些还涉及到美学。例如，为什么粒子会被分成三代？为什么最重的夸克的质量是最轻的夸克的7.5万倍？标准模型的方程式或许非常简洁优美，但是，为了让它们具有预测中的能力，科学家们必须为其设定20多个“自由”参数，比如粒子的质量等。一个真正基本的理论，应该能够借助量子理论的力量，或者某些还没有人想到的更深层的理论，来清除这些恼人的枝枝蔓蔓。

实际上，从技术上来讲，标准模型并没有统一强核力。弱电理论和量子色动力学只是被捆绑在一起，并不像弱核力和电磁力在量子层面上统一在一起。这也是科学家们在朝着最终获得万物之理的艰难路途上最先遇到的一个“拦路虎”。不仅如此，还不算我们之前谈到的引力，迄今为止，引力还是用广义相对论来描述的，而广义相对论显然与量子理论不合拍。既然说到了重力，为什么与其他作用力相比，重力显得如此虚弱不堪呢（两个质子间的电磁力的强度是质子间引力的1038倍）？这个所谓的“等级问题”是标准模型最令人困惑不已的特征之一。

也有实验证据表明，标准模型并非那么尽善尽美。比如，科学家们原先假定没有质量的中子实际上却有很小的质量。这玷污了标准模型的数学一致性，但或许也会成为科学家们创建标准模型以外的新物理模型的第一个指针。更神秘的仍然是暗物质和暗能量，宇宙学家们认为，宇宙96%的成分都由这两名“暗势力”组成，不过，标准模型对其身份仍然“缄口不言”。

面对这些沟壑，理论学家们又开始向一直行之有效的老办法求助：用新粒子和对称性来填补空白。但这一次，现实似乎不买账。目前为止，还没有一台粒子对撞机找到意料之外的奇异粒子的蛛丝马迹，即使大型强子对撞机也概莫能外，尽管该机器目前还没有达到最高能量运行的状态。温伯格表示：“极有可能，大型强子对撞机能做的就是继续验证标准模型的正确性而已。”

那么，接下来我们应该怎么办呢？简而言之，我们并不知道。我们没有从大型强子对撞机或者其他地方得到进一步的引导，我们会发现我们自己同希腊哲学家德谟克利特当时的境遇差不多——当时，他提出物质不可能被无限制地分割，2000年以后才被实验推翻。值得我们记住的是，第一个符合德谟克利特的描述的“原子”并非整个故事的结局。尽管标准模型取得了如此巨大的成功，但是，对于盖尔曼的夸克是否会成为另外一个“原子”，我们仍然一无所知。

迈克尔·布鲁克斯：美国知名科普作家，著有《影响物理发展的20个大问题》等书。

不顾一切地寻找万物之理

一个最终将所有物理学理论整合在一起的大一统理论似乎还和以前一样，距离我们非常遥远——但是，这并不意味着我们应该停止追寻这个梦想的脚步。

责备古时候的希腊人吧，一切都是他们引起的——是古希腊的一些科学家首先开始反对过去流传的种种神话创世说，提出世界的本原是一些物质性的元素，如水、气、火等，从而拉开了现代物理学研究的帷幕。责备古希腊人这一想法或许听起来足够合情合理，但是，潘多拉的魔盒一旦打开，就无法再关闭。如果我们深挖下去，我们能够揭示现实的基础：物质最终由什么组成？其一举一动受什么规则支配。如果我们再进一步深究，我们将最终获得金矿——天地万物如何运转的理论。

在某种意义上，我们已经做得足够好了。量子理论的奇异之处或许让我们迷惑不已，但是，建立在其上的粒子物理的标准模型则将一切简化为几个基本的粒子以及仅仅三种力。广义相对论提出的时空弯曲理论，用令人惊叹的精确性描述了一个被第四种力——引力所支配的宇宙，为我们提供了另外一种看待宇宙的角度。是的，这两个理论各有千秋，但是，我们最终能找到一个将二者合二为一的万物之理吗？

如果用这个问题询问很多物理学家，他们可能会暴跳如雷。“基本的粒子物理学已经非常完美了，就像俄国化学家季米特里·伊万诺维奇·门捷列夫制定的元素周期表一样。”英国牛津大学的科学家戴维·德驰表示，“元素周期表一直在给事物归类，而且也承认存在着一个基础结构，只是，我们并不知道这个基础结构是什么而已。”

关键的问题是，量子力学和广义相对论从根本上而言并不兼容。一般而言，我们用相对论来描述非常大的物体，比如星星、星系乃至整个宇宙等；同时，我们则借用量子理论来阐述非常小尺度的物体，比如分子、原子、亚原子粒子等，这都没有问题。但是，为了完全而彻底地理解整个宇宙，我们必须知道微小的新生宇宙为何会变得如此庞大：追溯到大爆炸时代，就需要两个理论一起工作才行。

黑洞的存在也需要如此。就像斯蒂芬·霍金和以色列科学家、黑洞热力学的奠基人之一雅各布·大卫·贝肯斯坦在上世纪70年代所证明的那样，黑洞这样符合广义相对论的庞然大物或许会破坏被量子理论所禁止的信息。

即使像时间和空间这样基础的事物也会告诉我们，当量子理论和广义相对论相遇时，情况会变得多糟糕。相对论的时空是一个平滑的四维毯子；而作为标准物理模型基础的量子场理论则表明，时空是由大小约为10-35米的像素点单元所组成，量子场论甚至并不将时间看成是真实且可观察的事物。

当物理学家们被要求在量子理论和广义相对论之间做出一个选择时，大多数物理学家可能会将钱压在量子理论那边，他们认为量子理论是“对”的，因为量子理论的数学基础是一个非常成功的棱镜，让科学家们得以纵观整个世界。当然，也有些人继承了爱因斯坦的衣钵，对量子力学看起来的“不现实性”、怪异性以及表面不相关的物体之间反常识的联系提出了质疑。这些科学家们认为，如果我们不能为这些联系为什么会如此找到令人信服的物理原因，量子理论或许只是某些更好的理论的近似。

科学家们试图打破这一僵局，为此，他们提出了一些受到广受支持的数学概念，诸如对称等。其中之一就是超对称，科学家们普遍认为超对称是通往弦理论的一站，弦理论也是科学家们认为可以成为万物之理的候选理论。弦理论预测，空间中隐藏着其他我们目前还没发现的额外维度，诱发对称性嵌入这些维度会让能量弯曲成几何状态，这些几何形状看起来就像某些基本粒子，或者像空间遇到质量时发生弯曲的方式。

弦理论也对粒子进行了很多可靠的描述，其中包括科学家们一直在努力追寻的引力子——一种携带引力的量子粒子。因此，弦理论只需几步就能在量子理论的基础上，将自然界中的四种作用力统一起来。但是，与其他为万物之理而提出的架构一样，弦理论也存在着巨大的缺陷。美国亚利桑那州立大学的科学家保罗·戴维斯表示：“弦理论确实预测了新事物，但是，在可见的未来，科学家们几乎无法测试它正确与否。”

荷兰内梅亨大学大学的雷纳特·洛尔表示，这种无能为力意味着万物之理或许根本就无法获得。英国帝国理工学院的克里斯·依沙姆表示：“过一段时间，你看会在报纸上看到万物之理，此时，弦理论正当盛年，但是，它也会完全过时，走进历史的故纸堆中。” 依沙姆认为，从心理上来讲，万物之理“非常令人振奋”，但是，我们并没有理由认为万物之理确实存在，或者我们能发现它。我们已经利用数学做出了如此众多的科学发现，这的确令人惊叹，但是，这并不意味着我们能继续沿着这条路前进，并做出更多重大发现。

德驰认为：“数学只能揭示抽象对象的真相。而物理学与其说是试图研究这些对象，还不如说是发现哪个对象更符合现实。据我们所知，迄今为止，我们用来构建物理学理论的纯数学的比例非常小。”

例如，粒子和场以及空间和时间之间的所有关系都能用一系列可在图灵机（图灵机是我们目前广泛使用的计算机的基础）上计算出来的数学运算表示出来。但是，德驰指出，为了在获得万物之理这条路上取得进步，我们可能需要进入一些目前无法由计算机计算出来的数学领域。

而且，德驰进一步表示，我们必须摒弃过去几个世纪里已经让我们取得巨大进步的一个想法，那就是，如果我们从数学开始进行研究，现实也会跟着数学方法走。相反，我们必须首先用我们对物理宇宙的理解来解决问题，也即宇宙中的物质正在慢慢减少，或者为什么引力比其他作用力更加微弱等；另外，我们也要尽力弄清楚，我们的宇宙观发生什么变化才能解决这个问题。德驰指出：“很多理论物理学家们试图首先用数学方法开始，但这根本无济于事，永远不会成功。”

万物之理值得我们如此劳心费神吗？戴维斯认为，是值得的，只是我们必须清楚，即使万物之理——至少物理学家们如此定义它，也可能无法解答所有问题。戴维斯说：“万物之理将有助于我们揭示生命的起源或者意识的本质这样的问题。”美国哈佛大学的理论物理学家丽莎·蓝道尔也是粒子物理学和宇宙学领域的权威。她则说得更加直接。她说：“即便我们最终知道了这个作为基础的理论，那么，我们打算如何解释我们的存在这个事实呢？”

或许，推动科学家们持续不断地进行研究的最大动力并不在于我们最终会获得什么结果，而在于我们沿着哪条道路会达到这一目的。我们最大的、最能让生活发生翻天覆地变化的科学探索的动力来源是，我们希望让物理学变得更简单并将我们对自然界的各种纷繁复杂的理解整合在一起。比如，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦将我们对电和磁的理解统一在了一起，为有史以来最现代化的技术——信息技术提供了理论基础；爱因斯坦则用简单的方程式E=mc2将与质量和能量有关的概念集成在一起，引领人类进入核时代并获得其他高新技术。“从历史的角度来看，科学家们的努力探索都会给我们带来一定的成果，引导我们前往一个更现代化的社会。”戴维斯如是说。

但戴维斯同时也强调，对于任何仅仅因为一己之私追寻万物之理的人来说，最终都可能面临着铩羽而归的风险，而且，这些人也面临着和19世纪晚期那些认为物理学已经完整的人犯同样错误的危险。戴维斯强调说：“你或许会提出一些不可思议的想法，然后庆祝这是人类文明史上的一次巨大进步，但总有人会提出更好的想法。”

第二部分：

接下来我们该怎么办？

雅各布·大卫·贝肯斯坦：以色列耶路撒冷希伯来大学的理论物理学家、黑洞热力学的奠基人之一，他指出，宇宙间的暗物质、暗能量等“黑色幽灵”对爱因斯坦的理论是否正确提出了质疑。

应该抛弃相对论吗？

广义相对论似乎已经成功地嵌进现代社会的血液中。的确如此，尽管大多数太阳系和天文学现象仍然采用牛顿的重力理论进行计算，但是，如果没有GPS（全球定位系统）这个小玩意，我们什么事情也做不了，而GPS则与相对论脱不了干系。因为GPS的误差来源里有一项是相对论效应的影响，通过修正相对论效应才能得到更准确的定位结果。

在重力场很强的太阳系系统和双脉冲系统内，广义相对论已经被精确地测试过，但是，在重力场比较弱的大尺度上，广义相对论从来没有被测试过。暗物质和暗能量这对“黑暗双煞”还没有被科学家们了解清楚会让广义相对论陷入失败吗？

有些科学家认为会，他们也取得了些许成功。例如，以色列魏茨曼科学研究所的摩德埃·米尔格鲁姆于上世纪80年代提出了修正的牛顿动力学（MOND）理论。该理论认为引力和质量之间具有另外一种关联，依照他的理论，当物体质量非常轻时，并不遵循牛顿定律。MOND解释了星系奇怪的旋转现象，其解释方法比广义相对论使用暗物质解释更好。另外，科学家们提出的用来替代相对论的“f（R）”引力理论构建的宇宙模型尽管没有包含暗能量，但却表现得好像已经将暗能量囊括其中了。

但是，没有一个理论尽善尽美。首先，MOND并没有很好地解决星系簇内单个星系的运动。而且，“f（R）”引力理论并没有很好地描述引导科学家们提出暗物质这一概念的不规则的星系旋转。

广义相对论或许仍然坚挺。如果暗能量是爱因斯坦硬塞进其广义相对论方程式中的珍贵的宇宙常数，那么，其令人信服的来源是真空能。引力场毫无疑问会扰乱真空，让出现在星系和星系簇内以及周围的能量集中在一起，就像暗物质一样。我们很难想象目前的量子场论可以集中如此充足的能量，但或许某一天，明智地使用量子物理学可能会揭开笼罩在暗物质和暗能量头上的神秘面纱。

克里斯·克拉克森：南非开普敦大学的宇宙学家，他认为，假设我们在宇宙中身处何处或许会歪曲我们对宇宙的看法。

应该摒弃哥白尼原则吗？

无论我们朝哪一个方向看，我们看到的宇宙好似非常一样。这说明，我们在观察一个事物时所处的位置并不特殊。

这是哥白尼原则的一个假设，听起来似乎合情合理。但是，很难证实我们在遥远的星系中的所见所闻与我们身处地球时的所见所闻会有何区别。

哥白尼原则要是不对怎么办呢？科学家们对超新星在不同距离范围内的观察使我们相信，宇宙正在加速膨胀，暗能量必须存在。但是，因为光速是有限的，我们看进太空的距离越远，我们需要的时间也越长。令我们惊奇的是，随着时间的演进，空间中发生出现的变化可能会很容易同演化混淆。这样说来，暗能量或许只是一个幻觉。

让我们将球形的天空想象成一颗洋葱，其由几层密度不同的物质组成。在密度大的地方，引力的凝聚力会阻碍宇宙的膨胀。如果我们居于一个密度比较低且膨胀率比较高的中央空白处，并从各个方向向外看向那些密度比较高而且膨胀率比较低的地方，对我们来说，宇宙似乎在最近一段时间内一直在加速。

在宇宙大爆炸后的一霎那，这样一个宇宙的膨胀环境或许会发生变化，以产生这样庞大的低密度区域。但是，它将违背神圣的哥白尼原则：其他坐在该洋葱中的人将看到一个完全不一样的不均匀的宇宙。

尽管我们正处于中央空白处的几率微乎其微，不过，也有可能发生。但是，研究遥远的星系簇周围的宇宙微波背景温度的变化使我们能从遥远的地方“看见”宇宙，并且告诉我们宇宙是否均匀，最新的观察表明宇宙并不均匀。

摒弃了哥白尼原则的模型可能需要进行很多微调，才能同现实相符。

马克斯·特格马克：美国麻省理工学院宇宙学家，他提出了一种新的宇宙终结理论，该理论认为宇宙最终将会以“大崩塌”的方式结束，而该终结模式似乎在逻辑上难以避免。在他的观点中，与大爆炸有关的最好的理论在逻辑上是自毁的。

应该重新思考宇宙暴胀理论吗？

暴胀始于一个伟大的起点。人们认为，宇宙以一种新奇的很难稀释的物质的一个亚原子粒子开始，而且该粒子的数量不断加倍，最终制造出了宇宙大爆炸和我们现在看到的几乎整齐划一的、平滑的宇宙。

不仅如此，宇宙甚至变得更好。暴胀也产生了随机量子波动，这些波动产生了今天我们看到的满天繁星、星系以及其他更大的天体结构。暴胀理论也作出了很多非常精确的预测。例如，用来测量空间平滑度的量——欧米茄（Omega）的平滑度应该等于1，而实际上科学家们测出其等于1.003±0.004，真的是非常接近，太神奇了。

但是，就像一个顽强的上了年纪的教授一样，暴胀也开始退休。暴胀理论预测，在我们的宇宙遥远的部分，这一过程会永远持续下去，产生一个不仅非常大而且真正无限的空间，其中包含有无数个星系、恒星和行星，甚至像我们一样的人类。这一空间内的随机波动让物质在不同的地方呈现出不同的分布方式，因此，会有无数人观察到一个值接近1的欧米茄（Omega）；无数人观察到一个值接近2的欧米茄（Omega），诸如此类等等。

那么，有很多其他人观察到的事物和我们看到的一样，会出现什么可能的情况呢？无用的、正式的答案是无限除以无限，似乎毫无用处。我们的宇宙学家们仍然没有就如何将这一无用的答案变成有用的事物达成一致意见。因为膨胀，我们几乎无法预测出任何可能性。我们将这称为“测量问题”，并且，将其看成今天的物理学家们面对着的最深的危机。从逻辑上而言，我认为，膨胀具有自我破坏性，破坏了促使我们起初对它严阵以待的预测。

老实说，我并不觉得任何其他富有竞争性的理论能够更好地解释暴胀。我估计，一旦我们解决了“测量问题”，某种形式的暴胀仍然会保持下去——但或许并非最终极的那种。所有的问题都源于无限，尤其是假设空间能够被永远延伸而不会分崩离析。我并不愿意质疑这个激进的假设，但是，我们应该这样做。

弗朗克·韦尔切克：因发现强相互作用理论中的渐近自由，而荣获2004年诺贝尔物理学奖。韦尔切克表示，美学告诉我们，超对称或许会突破标准模型的僵局。

应该重视美

标准模型确实非常强大而且形式简洁优美。科学家们发现希格斯玻色子更是锦上添花。2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）的科学家们宣称，他们发现了一种新的亚原子粒子，这个粒子是希格斯玻色子（即传说中的“上帝粒子”）的可信度高达99.99994%。1964年，科学家首次提出希格斯玻色子是物理学粒子标准模型中最后缺失的一部分，标准模型是一套描述强作用力、弱作用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。根据该理论模型，希格斯玻色子必须存在从而赋予其他基本粒子质量。希格斯玻色子的“现身”证实了标准模型的完整性。

而且，更为重要的是，这是科学家们几十年科研探索的集大成者。就像在大海中捞针一样，我们首先必须完全理解大海和针，为了发现大型强子对撞机（LHC）制造的“迷你宇宙大爆炸”中的希格斯玻色子的罕见踪迹，我们必须了解基础物理学。标准模型几乎是大自然给予人类的最美妙的果实。

然而，标准模型是作用力和粒子的大杂烩，没有获得完整的统一性和一致性。在标准模型中，标准模型最早部分——麦克斯韦方程组统治了电磁学，公正地来说，麦克斯韦方程组以平衡和优美著称。标准模型最新部分的方程式描述了强核力，这部分也具有令人愉悦的对称性，但是，强核力并不需要电荷和载力子（光量子），它们需要3个“色”电荷和8个胶子。而弱核力则引入了另外3个载力子。上述所有这些使标准模型看起来有点别别扭扭的。

鉴于此，我们希望能够获得更大更好的方程组，其具有更好的对称性和平衡性。从逻辑上而言，超对称就是这些想法的集大成者。它假定存在着一种基本的对称性，使力能够变成物质，物质也能变成力，同时，这些方程式作为整体具有同样的内容。通过让自然界的粒子博物馆里粒子的数量加倍——为每个组成物质的费米子制造出一种携带力的玻色子以及相反，可以做到这一点。

朝着这条道路一直追寻下去，我们会获得比较大的成功。经过扩展后的新理论可以精确地预测强核力、弱核力、电磁力的强度之间的比率，标准模型听任这些参数摆布。

我相信这个成功绝非偶然。但是，在科学上，相信只是一种手段，而不是最终目的。超对称性预测了具有独特属性的新粒子，随着大型强子对撞机以更高的能量和密度强度操作，这些粒子会逐一进入我们的视野中。这一理论很快将经受严格的考验，它或者会给我们提供我们所需要的，甚至给我们惊喜，或者一切只是竹篮打水一场空。

丽莎·蓝道尔：哈佛大学理论物理学家，粒子物理学和宇宙学领域的权威。她有点担忧地表示：“我们或许无法获得超越标准模型的答案。”

到我们提升对撞能量的时刻了吗？

如果超对称能解决标准模型的一个核心问题——同其他基本作用力相比，引力为何如此微弱，那么，超对称预测的其他粒子的质量应该比较低。当大型强子对撞机开启时，很多人满怀乐观地认为，超对称就在不远处。

而实际上，以前的加速器实验已经很好地排除了最简单的这个超对称版本。没有在大型强子对撞机内发现低能粒子也说明了这一点。因此，如果超对称要发挥自己应有的作用的话，它一定拥有一个更灵敏更复杂的形式，而且，其涉及到的粒子的质量也应该更高。

不过，超对称并非唯一可能的答案。大型强子对撞机也正在搜索其他可能的证据，包括我和同事拉曼·桑壮首先于1999年提出的一个模型。我们的这个模型认为，我们身处的四维宇宙坐落在一个“膜”上，膜内的宇宙拥有第五维度。科学家们假设能传送引力的基本粒子引力子集中在该膜内，只有一小部分“泄露”到我们生存的四维中，这就解释了为何引力相对电磁力、强核力和弱核力相对来说比较孱弱。

这些模型预测，粒子会从额外的维度获得动量，因此，在我们看来，虽然是同样的粒子，但其质量其实更大。它们的质量应该最少有几个电子伏特，或许更高。其对应的低质量的粒子可以被观察到，但是，大型强子对撞机制造出的这样的粒子也可能急剧下降到几个电子伏特。

这就将我们置于一种非常不安的境况。在大型强子对撞机提供新的发现之前，我们并不知道哪个理论是正确的。如果大型强子对撞机再也不能提供新的发现，我们就很难有理由制造某些更大的机器。不过，我并不担心物理学领域没有新东西供我们发现，我担心我们可能没有钱来做这些事情。

珍妮特·康拉德：麻省理工学院中微子物理学家，她认为，中微子这种令人捉摸不透的粒子已经为我们提供了打开新的物理学大门的钥匙。

中微子会打败标准模型吗？

标准模型是所有理论中的巨人，其主要特点是庞大、强大，而且直到最近似乎都不可战胜。但其实，早在10年前，它可能就已经遇到过几乎将其完全打败的对手：中微子。

标准模型认为，中微子这种微小而神秘的粒子分为3个不同的类型或者气味。它们没有质量，仅仅通过弱核力相互作用，这使它们很难被探测到。

这种情况一直持续到1998年。当年，科学家们证实，中微子会“振荡”。意大利理论物理学家布鲁诺·庞蒂科夫首先提出此猜想，他认为特定味的某一中微子可以转化为不同的味。这是一个量子力学效应，只有在中微子有质量的情况下才能出现。这个粒子因此成为第一个而且也是迄今为止唯一一个超越标准模型的粒子。

如果中微子拥有质量可以让一切问题迎刃而解的话，我们或许只需要对标准模型进行修修补补就行。但是，我们现在看到了其他振荡的证据，如果只有3种中微子的话，这种额外的振荡就很难解释清楚了。这或许表明，还存在着其他“惰性”中微子，这种中微子并不通过目前已有的四种作用力来相互作用，但是，其能变成活跃的中微子，也可以由活跃的中微子变化而来。

如果这一全新的现象获得证实，那将会给我们迎头一棒。重新思考已知粒子的质量是一件事情，但是，要在标准模型中添加一种全新的粒子则是另外一回事。我们或许可能需要一个新的理论来解释惰性粒子以及它们来自于何处。如果惰性中微子并不通过现有的已知的作用力发生作用，那么，它们通过什么力相互作用呢？这或许会成为解开暗物质之谜的关键。

对于上述问题，我们并没有清晰的答案，但是，关于惰性中微子的理论论文正以一周两篇的速度出现。

为什么我们要研究最细微的粒子呢？因为研究大粒子并不管用。

《科技日报》（2013-06-12 三版）

(中国科技网)

责编：王飞

张操

时间是客观的和单向的，这是科学的基础，也是科学上的大是大非问题。
因果律是在非常大量的实验基础上是建立起来的一条公理。 因果律代表了宇宙万物运动的先后顺序（单向性）—时间箭头。
这里，我用一个简单的例子加以说明。在草原上有一只狮子看到了远处在奔跑的一只小鹿，于是开始奔跑（事件A），狮子追上了小鹿、把小鹿扑倒（事件B）。在事件A发生时，狮子与小鹿之间有一定的距离（空间间隔）；而事件B发生在事件A之后，所以事件B是事件A的结果（前因后果）。事件A与事件B有一定的时间间隔。
注意，在上面的简单例子中，我们仅仅用文字说明了二个事件的客观性、顺序性和因果性，没有采用数字进行定量地表述。
至于如何定量地表述在事件A发生时狮子与小鹿之间的距离，这需要人为地规定标准尺。同样，如果要定量地表述事件A与事件B的时间间隔，需要人为地规定标准钟。 标准尺和标准钟是人们用来计量空间间隔和时间间隔的工具。
日期和各种时钟读数都是人为的、相对的。在应用物理学以及日常生活中，人们对于相对时间早就采取了多种定义。 原子钟的应用，只是提高了相对时间的精度，并没有改变的时间的客观性和单向性的事实。
物理学定理（方程式）的优点是可以定量地表述物质运动的某种特定形式的物理量以及互相的关系；缺点是不能明确地表述时间箭头。
有位著名的物理学家说：“方程式是永恒的”，可是我还要补充加上一句：“物理学定理是有条件的”。如果在某种条件下，某种物理学理论的计算结果违背了因果律，那么说明这个物理学理论在这种条件下不再适用。物理学理论不是万能的，也不存在万能的物理学理论。
因果律代表了时间箭头。如果因果律不成立，那么自然科学大厦将轰然倒塌——因为因果律是比相对论和量子力学的时间观念更为基础的科学基石。
由于很多物理学家不承认这个事实，这是造成现代理论物理前沿混乱的原因之一。有些物理学家认为时间是幻觉，虚时间比真实时间重要，这是对于科学的退步。所以对“时间”的科学含义的广泛讨论，对现代物理学的发展具有重要的现实意义。

宇宙学疑难的根源
胡昌伟

内容提要：现代宇宙学始终疑难缠身，它的发展过程是以新的疑难来替代旧的疑难。产生这种情况的根源是：它把广义相对论作为理论基础是不可靠的；它的实验基础，如河外星系的普遍性红移、宇宙背景微波辐射、元素的丰度等，其解释也存在牵强附会。从根本上说，描述宇宙的整体演化，这个大前提错了！
关键词：宇宙学、疑难、理论基础、实验基础、大前提

现代宇宙学从其诞生之日起就疑难缠身，而且，它的发展过程往往是以新的疑难来掩盖旧的疑难。
1916年，爱因斯坦建立了广义相对论，提出了引力场方程。他认为，在宇宙大的方面，支配天体运动的力场只有引力场一家，引力场方程应该能够描述整个宇宙。但结果发现，由此导出的宇宙是不稳定的，它要么在膨胀，要么在收缩。对此，爱因斯坦很不满意，于是就在这个引力场方程里添加了一个“宇宙学常数”，使宇宙变得稳定。后来，哈勃发现了河外星系的红移与它们的距离之间的关系，物理学家们认为，这红移是种多谱勒效应，是宇宙膨胀的表现。这引起了人们对广义相对论的关注，因为它本来就预言宇宙是不稳定的，而哈勃定律表明这种不稳定性为膨胀。于是，爱因斯坦意识到，在引力场方程里添加宇宙学常数，是画蛇添足，并把添加宇宙学常数的行为说成是他一生中最大的一个错误。
既然宇宙在膨胀，那么，它必然会有一个起点。在上世纪40-60年代，“宇宙大爆炸标准模型”就建立和发展起来了。它认为，宇宙，包括时间、空间和万物，诞生于一次大爆炸。不过，用它来探讨初始宇宙时，存在着三大疑难[1]。
一是视界疑难。视界是因果联系的区域，由于受到有效传播时间的限制，在早期宇宙中，不同的视界之间不能以热信号或光信号等相互联络，因此，它无法说明目前宇宙的普遍性的因果联系。比如，在全天空，宇宙背景辐射的温度，直到105分之一的程度都是均匀的，这是目前宇宙存在着普遍性因果联系的有力证据。
二是平直性疑难。宇宙的平直性与宇宙学密度相关，目前的宇宙学密度约为1，即我们的宇宙是平直的，这要求早期的宇宙学密度要更精确地等于1，因为，如果早期的宇宙学密度的值与1有些偏离，那么，这一偏离就将急剧增长，而破坏宇宙的平直性。但是，初始宇宙物质密度非常大，按照广义相对论，其曲率应该很大，怎么会是平直的呢？
三是磁单极疑难。根据有关理论，宇宙大爆炸后，随着能量的逐步降低，会发生对称性的“自发破缺”，在不同视界的相交处将会产生磁单极。因为磁单极的质量很大，它的质量密度将是重子质量密度的1014倍。这是一个灾难性的预言，因为，既然磁单极这么多，它早就应该被发现了，但实际上却至今没有发现一个！
为了消除这些疑难，1980 年代初，出现了 “暴胀”理论，它的基本假设是：在大统一对称破缺时期，宇宙经历了一次难以想象的剧烈膨胀，它使一个视界的体积就暴胀成了我们现在所能探测到的整个宇宙。这样一来，以上三个疑难就迎刃而解了：因为我们的宇宙是由一个视界暴胀起来的，视界疑难自然不复存在；磁单极也成了个别现象，至今没有发现就不足为奇；在暴胀中，宇宙的曲率半径增加了大约为1043的因子，所以，无论初始宇宙如何弯曲，暴胀后，它都将是平直的。但是，所谓的暴胀是个怎样的图景呢？那是在远不到1秒的时间里，一个芝麻大小的东西，一下子变成了比银河系还要大的庞然大物。这样的描述连神话都构思不出来，可能吗？这是一个更无法解答的大疑难。另外，这样的暴胀速度将是光速的1030倍以上，这是在根本上与相对论过不去。有人说：宇宙的膨胀是时空的膨胀，这不同于物质的膨胀，因此可以超光速。这是个诡辩，量子场论显示“真空不空”，真空也具有物质性；在广义相对论中，时空与物质密不可分，所谓的“四维时空连续体”其实是一种真空态的特殊的物质。
暴胀理论预言宇宙学密度为1，而重子物质的产生速度远远跟不上时空的暴胀速度，因此，重子物质的密度远小于1，于是，宇宙的主要成分应该是人们还未认识到过的非重子物质——暗物质。宇宙中的大部分物质竟是我们从未认识到的，它们究竟是何物，是怎样在暴胀中瞬间产生的？又成了一个大疑难。
暴胀后的宇宙应该持续减速膨胀。然而，用现代宇宙学的理论来分析天文观察数据，却发现：宇宙还在加速膨胀！这一异常，又触发了宇宙学家们的想象空间，他们认为：宇宙空间存在着比暗物质更大量的“暗能量”。被爱因斯坦发明，后来又抛弃的宇宙学常数，又被当作宝贝拣了回来，成为了暗能量的代表。一般的能量总是与质量相联系的，有能量就有质量，能量代表斥力，质量代表引力；但这暗能量只有加速宇宙膨胀的斥力作用，而没有引力作用。这样的暗能量比暗物质更神秘莫测，它有可能存在吗？它究竟是什么？这又是一个天大的疑难！
以新的疑难来取代旧的疑难，只是一种权宜之计，不是科学的作风，该是宇宙学反省的时候了！那么，造成宇宙学疑难不断的根源是什么呢？这要从现代宇宙学的基础中去探究。现代宇宙学的理论基础是广义相对论；它的实验基础是河外星系的普遍性红移、宇宙背景微波辐射、元素的丰度等等。我们就对此作些分析。
广义相对论是有局限性的。爱因斯坦自己就说过：“对于很大的场密度和物质密度，场方程以及这些方程中的场变数，都不会有实在意义……这些方程不可扩展到这样的一些区域中去。”[2]对此，霍金也说：“广义相对论导致了自身的失败，它预言它不能预言宇宙。”1970年，彭罗斯和霍金证明了：如果广义相对论正确，那么，时空一定存在奇点。这里所谓的奇点，就是场密度和物质密度趋向无限大的点，这是广义相对论局限性的一个表现。然而，人们，只是对有关参数进行调节，用量子效应绕开奇点等，总体上还是在广义相对论的基础上描述整个宇宙。
现代宇宙学把广义相对论的数学模型——黎曼空间当作就是实在的弯曲空间，认为宇宙是一个无界而有限的四维时空。在广义相对论中，时空的标准会随着引力势变化，其所谓的时空弯曲，就是这种时空标准变化的一种数学描述，所谓的时空弯曲的曲率，也只是这种时空标准的变化率，真正的时空不会弯曲。科学理论需要数学模型，但数学模型也常常会迷惑人。站在前沿的宇宙学家是科学界的精英，他们想象力丰富，数学功底深厚。每当灵感闪现，他们会构建新的数学模型，通过设置和调节一定的参数，将会得到在某些方面与实际现象相符的数据。于是，他们往往会把数学模型等同于现实的物理机制，疑难也会随着而生。
广义相对论只是一种引力论。现代宇宙学把引力场方程看成宇宙方程，这实际上是把引力场当作了能够支配整个宇宙的唯一的“宇宙场”。
实际上，在已知的主要的相互作用中，有着明显的区间作用性：在强子内部和周围，强相互作用起着主要作用；在原子世界，电磁相互作用占着主导地位；引力相互作用在微观世界是微不足道的，到了太阳系世界，它才成了支配天体运动的主宰。既然，引力相互作用不能在宇宙小的方面发挥作用，怎能认为它在宇宙大的方面能独霸宇宙呢？微观、宏观、宇观是人为规定的，人类的生存空间并不是宇宙大的方面和小的方面的绝对分界线。因此，我们有理由认为：引力场只是一种宏观场。实际上，宇观世界存在着的“质量缺失”现象，可以这样认为：在宇观世界存在着不同于引力场的宇观场，而并非存在所谓的暗物质。
现代的大爆炸宇宙学，建立在一个不可靠的理论基础之上；所谓的实验证据，也有不少是牵强附会。现代宇宙学认为氦都是在宇宙大爆炸后，温度降到一定程度时的产物；宇宙背景微波辐射就是宇宙大爆炸的“余尘”；河外星系的普遍性红移是多普勒红移。然而，一种现象可能有多种原因引起，可以有多种解释。现代宇宙学将他们的看法当作是唯一正确的解释，从而铸成了大错。
在所有年轻的恒星中都含有丰富的且同样丰度的氦元素。对此，现代宇宙学认为：这些氦是宇宙大爆炸的产物。如果跳出大爆炸宇宙学的思路，所谓的年轻恒星，只是天体生生死死无穷次反复演变的一瞬间，而氦是由星体内氢的核燃烧产生的，氦的丰度是天体无穷次反复演变的结果。处于相同演变阶段的天体有同样的氦丰度是很自然的。
任何天体都在不停地辐射、反射、折射、吸收着电磁波。在太空中，这些电磁波经历了无限长时期的捣腾，形成了宇宙背景辐射，这好比大洋中“无风三尺浪”一样，完全可以理解。宇宙背景辐射可看成是太空中的宏观的真空起伏，本来如此，现在如此，以后也会如此。把它当作“大爆炸”的余尘，倒象是种神话。
关于光谱线的红移，有多普勒红移、引力红移、光子的能量衰减红移等等。其中，由于光速的巨大，光子的能量衰减红移在宏观世界不会有明显的表现，但在宇观世界就会显示出来了。实际上，宇宙背景辐射的存在，表示光在太空中的传播将会受到那么一点点粘滞力，于是，光在星系间的远距离、长时间的传播中，会消耗能量。如果认为宇宙不在膨胀，那么，光线的多普勒效应所产生的河外星系的红移和蓝移应该是均等的，河外星系的普遍性红移就不是多普勒红移，而主要是光子的能量衰减红移。
把河外星系的普遍性红移当作多普勒红移，是现代宇宙学的一大要害。它是确定宇宙在膨胀，而且是在加速膨胀的一个基本依据。消除了这个要害，所谓的宇宙膨胀、暗能量，乃至整个大爆炸宇宙学就无立足之地了。
使现代宇宙学盛行的还有一个因素是对理论的一种形式化的评判标准，认为只要前提简单，可以计算的就是好理论。现代宇宙学用一个引力场方程来描述整个宇宙，多么简单！调节宇宙学常数、哈勃常数等等参数，能够对宇宙现象作出合乎逻辑的解释，又是多么的漂亮！然而，逻辑只是思维的规律，凡是客观存在的，都是符合逻辑的，但合乎逻辑的不一定是客观存在的。因此，物理内涵的可靠性比形式上的简单性和逻辑性更关键。
实际上，已经有越来越多的科学家意识到了现代宇宙学的荒诞性。比如，2004年5月22日，英国的《新科学家》杂志发表了34位科学家和工程师签名的《致科学界的公开信》。（上网后，又很快获得了185位科学家的网络签名），对大爆炸理论进行了口诛笔伐。他们尖锐地指出：“更重要的是，大爆炸理论从来没有任何量化的预言得到过实际观察的验证。该理论捍卫者们所宣称的成功，统统归功于它擅长在事后迎合实际观察的结果：它不断地在增补可调整的参数，就象托勒玫的地心说总是需要借助本轮和均轮来自圆其说一样。”[3]据今年4月7日的《参考消息》报道，最近，二位印度和美国科学家公开对大爆炸理论提出了质疑，作者说：“事实上，断定大爆炸从没发生过的日子也许到了，未来的宇宙学家回顾历史，将只会惊诧于为什么每个人都曾对一种如此众多自相矛盾的证据所否定的虚构事件笃信不疑。”其实，否定大爆炸理论的，不但国外有，在国内也大有人在，只是主流媒体不愿或不敢发表而已。种种迹象表明，目前宇宙学中的三大要素：暴胀、暗物质和暗能量，好比现代的本轮、均轮，是宇宙学家们为自圆其说而虚构出来的东西。
探索暗物质、暗能量和宇宙的起源，要消耗大量科技精英的智慧，更要花费巨大的物力、财力。然而，在一些人的狂热推动下，这已经成为当今科学界的一大热点。耗资巨大的欧洲大型强子对撞机（LHC）投入不到二年，还不见有什么成果，却又有人提出了建造国际直线对撞机（ILC）的计划，需资85亿英镑[4]（可以预料，中途还得追加），但愿无人去做怨大头！
宇宙是无限的，它的每一个局部都在运动着，演化着，但宇宙不会整体创生或毁灭。如果说，宇宙学是有关局部宇宙演化的学问，这有一定的合理性；如果认为，宇宙学应该描述宇宙整体的演化，那么，它的大前提错了！

参考文献
[1]、H.C. 瓦尼安，R鲁菲尼，引力与时空，北京，科学出版社，2006，P150-151。
[2]、爱因斯坦，相对论的意义，北京，科学出版社，1961，P84-85。
[3]、全志钢，大爆炸或许从未发生过，新发现，2006年6月，P40。
[4]、科学家憧憬新一代粒子对撞机，参考消息，2010.7.28

张操教授谈“大统一理论”

在张操教授的著作《物理时空理论探讨》里，张操教授在第一章第八节“现今物理学发展方向”中有关大统一理论的论述摘录：

主流物理学家们为了追求物理学的大统一理论，把能量标度越升越高，加速器越造越大，科研经费越来越多，理论越来越玄。能量标度最高的极限，主流物理学家们认为是在宇宙大爆炸的初期，四种力（弱，电，强，引力）能够实现统一。这也是大爆炸宇宙学受到追捧的一个原因。

事实上，物理学研究的对象是人们经历和观察到的现实世界。人们所知道的四种作用力（弱，电，强，引力）的性质是十分不同的。作者认为，人们为什么不可以反过来问：我们人类能够把世界上千变万化的现象归结到四种基本作用力已经很聪明了，物理学为什么一定要把四种作用力硬性统一呢？让我们“道法自然”，承认它们各自的独立性，有各自不同的适用范围，不是很好吗？

在科学史上，在19世纪的后期，麦克斯韦等物理学家把电和磁，电磁波和光成功地统一起来，这是非常自然的优美的统一，不是硬性统一。以后，物理学家追求大统一理论（弱，电，强力三者的统一），这种愿望是可以理解的。可是，不能一厢情愿，为了统一而“拉郎配”式的硬性统一。在现今的标准模型中，弱电统一模型其实已经非常勉强，加入了很多人为的假设和参数。例如，弱作用力是在原子核内起作用的短程力，而电磁作用力是长程力。为了得到弱和电的统一，物理学家大胆假定有W粒子作为中间粒子，它的质量要比作为母体的核子大100多倍。

其实，人类对于弱相互作用了解得很少，主要是原子核的β衰变现象。β衰变就是核内一个中子通过弱相互作用衰变成一个电子，一个质子和一个反中微子。凡是涉及中微子的反应都是弱相互作用过程。弱相互作用仅在原子核内起作用，力程非常短（大约在10^-18m范围内）。

虽然物理学家成功地在高能加速器实验中找到了他们假定的W粒子，名利双收，可是作者依然迷惑：核物理中的β衰变明明是低能实验，为什么需要用高能的W粒子作为中间粒子？这好比是，母亲在生产一个婴儿的过程中，“准婴儿”的体重曾经达到母亲体重的100倍？

按照作者的理解，在β衰变过程中，一个中子生成一个质子及一个不稳定的中间粒子，这个观点作者是同意的。中间粒子的质量应该大约是中子和质子的质量差，即几个MeV：它的存在时间非常短，立即衰变成为一个电子和一个反中微子，所以在实验上很难检测到。当然，这是一个直观的朴素想法，它是否合理，还需要作理论计算并与实验比较来检验。

由于弱和电的统一模型的“成功”，主流物理学家们更加热衷于在超高能标的四种作用力的统一。于是，出现了10维以上空间的超对称和超弦理论，量子引力论，宇宙大爆炸初期的暴涨模型等等。这些玄而又玄的理论，本来仅仅是少数理论物理学家的假说或模型，可是经过著名物理学家霍金等人的科普，加上媒体的宣传，产生了强有力的“蝴蝶效应”，不仅是普罗大众，连达官贵人也容易相信。

王令隽 2013年 2 月

人们常说，学无止境。一个人的生命有限，不可能精通百科。人类的历史也有限，因此人类也不可能在有限的历史中了解大自然的全部秘密，这应该是科学常 识。可是在上世纪末，有些学术地位高得吓人的理论家们，居然宣称马上就会找到“万能理论” 或曰“最终理论”（Theory of Everything），从此科学就不必再苦苦探索物理理论，而只需要应用这万能的最终理论做一些具体的计算了。如今，他们宣称找到“万能理论”的期限早 已过了，最终的“万能理论”还是没有找到。可是他们一点也没有因此感到不好意思，而是继续宣传“最终的万能理论” 的前景。学界有些同仁也相与唱和。许多人对此将信将疑，亦可亦否。有的朋友希望我谈点看法。此前我的物理科学方面的文章一直偏重相对论和宇宙学的讨论，对 于20世纪物理学的另一个主要支柱 — 量子理论 — 却没有过较为系统的讨论。所以想通过对“最終万能理论”的讨论，对20世纪的量子理论做一个粗线条的小结和评估。目的还是抛砖引玉，以就教于学界同仁。
一。世界上有没有最终理论？
世界上有没有“万能理论”或“最终理论”? 有。所有的神学理论和星象学理论都是“万能理论”和“最终理论”。
神学理论的万能是众所周知的。如果您服膺某一宗教信仰，您就会把这一宗教信仰的正统教义当作放之四海而皆准的万能的真理。世界上没有任何事情是可以 离开正统教义的。神学理论之为“最终理论”也是显而易见的。任何企图“改进”，“修正”或“发展”正统教义的行为都会被视为异端邪说。
星象学一般地都自以为是“万能理论”。中国星象学的基本框架是阴阳五行学说和太极八卦理论。太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，卦卦相生，以至无 穷。其应用包罗政治，军事，经济，衣食住行，婚嫁丧娶，农林牧渔，巫医百工，等等等等，无所不包，无所不能。袁世凯用它预测洪宪帝制的命运，刘湘用它预测 军事行动的成败。
与神学和星象学相反，科学上从来没有，以后也不会有“万能理论”或“最终理论”。如果最终的万能理论找到了，科学就停止发展了，科学也就死亡了。
可是奇怪得很，自上世纪末，一些国际知名的理论家们居然开始宣称20年内就可以找到“万能理论”。这样的“万能理论”到底是一个什么样的东西呢? 是一些超弦理论家们发展出来的所谓M-理论。
弦论的产生有两个基本动机：其一，基本粒子理论的无穷大发散问题始终得不到解决，即使重整化也不能解决所有的发散问题。引力场就没有办法重整化。理 论物理看来已经走入了死胡同。于是一些大胆的理论家就提出革命性的假设—高维时空，以图走出困境。其二，把已知的所有物理定律统一起来成了整个物理学界的 共同追求的目标。增加数学空间的维数以统一不同的理论是一个历史上已知的方法。数学空间增加了，不同的理论就可以看成是一个统一理论在某一特定子空间的特 例。因此，高维空间的假定虽然匪夷所思，可是如果能解决或者避开无穷大发散问题，又能得到一个万能的最终理论，其目标就具有一些合理性。
超弦理论由格林和施瓦兹于上世纪八十年代提出。这一理论需要十维空间，其中六维“额外维度”卷曲成尺寸在普朗克长度（10的负43次方米）的线段。 超弦理论的问题是，它给不出任何一个可以为实验检验的物理量。同时，这种理论并不是唯一的。至少有五种不同的超弦理论相互竞争。但是我们知道，物理规律必 须唯一，不能亦此亦彼，亦黑亦白，模棱两可，或模棱五可。1995年，惠滕（Whitten）引进了第十一维空间，于是“超弦”的线段就变成了“超膜” (Membrane)。惠滕猜想这五种不同的十维超弦理论有可能是同一个十一维“超膜理论”的不同表现形式。这种“Membrane Theory”简称为“M-Theory”，其具体结构尚不清楚，所以只是一种猜想，对五种不同的超弦理论至少是一个安慰。就是这么一种精神安慰，被许诺 为“20年后就可以结束基础理论研究的“最终理论”的候选者。
对于超弦理论，理论物理界的反应是不一致的。所以这样的“最终理论”“万能理论”并没有被接受为“标准模型”的一部分。“标准模型”的奠基者之一格 拉肖就极力反对，斥其为“神学”。他说：“超弦理论将演变出一些只有在未来的神学院里的神学家们导演的活动。自黑暗的中世纪以来，我们第一次看到崇高的科 学研究最终的结局竟然是再次以信仰取代科学。” 格拉肖的这些话，应该可以告诉人们，现在一些理论家标榜的“万能理论”和“最终理论”，不过是以数学和物理字眼进行了现代化包装的古典神学和星象学。“万 能理论”和“最终理论”任何时候都是神学概念，宗教概念，不是科学概念。
姜子牙和诸葛亮自以为博古通今，其实他们的科学知识还赶不上一个现代的理工科学生。哥白尼，伽利略和牛顿都是最伟大的科学家，可是他们并不懂电磁场 理论。现在有些理论物理学家们以为马上可以找到科学的“最终理论”了。若干年后，我们的子孙会像我们看古人一样笑看现在的我们。会笑话二十世纪“万能理 论”“最终理论”鼓吹者的无知与浅薄。后之视今，亦犹今之视昔。人类科学实验与理论分析的局限性与大自然运行规律的深度和广度的无限性决定了科学发展不可 能有止境，科学不可能有“最终理论”或“万能理论”。
有的朋友可能会说，既然科学总是在向前发展，而且看起来发展越来越快，难道不会总有一天把世界上的自然规律都发现殆尽吗？持这种疑问的朋友不太了解大自然规律的深隧奥秘。也不了解科学研究在实验手段和理论方面的局限性。让我们先看看实验手段的局限性。
二。科学实验手段的局限性
我们的科学设备局限于当代的工业与技术水平。在宏观测量方面，每一次新的望远镜的发明都带来天文学上新的发现和对宇宙更深的认识。即是说，我们的实 验天体物理知识基本上局限于天文望远镜及其辅助设备（频谱仪及电脑等）的观察和分析能力。在微观测量方面，我们局限于电子显微镜，频谱仪，加速器和探测器 等的测量与分析能力。我们的电子显微镜目前的极限分辨率约一个纳米。频谱仪只能用来分析原子分子过程。要探测比核子尺寸还小的空间中发生的物理现象，唯一 的设备就是加速器。这也是我们对微观世界认识的实验手段的局限。欧洲核子研究中心的大强子对撞机（LHC）的设计能量为14 TeV。这大概是目前欧美经济能够咬紧牙关勉强承受的极限。要达到大统一理论（grand unification theory）所要求的能量，加速器的半径要和银河系一样大。这当然是绝对做不到的。所以现在的所谓大统一理论是一个无法用实验检验的理论。无法用实验检 验的理论不是真正意义上的科学理论。
但是加速器的局限性远远不是能量限度和财政限度问题，这里还存在着许多人尚未觉悟的根本问题，那就是：即使我们的财政容许我们建造一个像银河系一样大的加速器，它也不一定能给我们揭示微观世界的全部秘密。
为什么呢？我们可以打个比方。如果一个地质学家检到一块石头，他想了解这块石头到底是由什么东西组成的。他的第一个办法就是碰撞实验 — 用锤子将石头敲开，看看里面有什么更“基本”的粒子。如果他发现里面有贝壳和古生物的化石，他就可以断定这是一块水成岩，大约生成于什么纪元，等等。但是 这种碰撞手段不可能揭示其化学成分，更不可能了解其原子和核结构。这种碰撞手段对分析火成岩的组成根本无能为力，对火成岩的了解要靠化学分析而不能靠碰撞 手段。
有的朋友可能会说，碰撞手段之所以对分析火成岩的组成无能为力，是因为锤子的能量不够大。如果我们用高速粒子去碰撞火成岩，就可以通过质谱分析得到 火成岩的组成成分。这话是以偏概全。象植物的化石化过程，动物尸体的石油化过程，元素周期律以及新陈代谢等过程及其规律是不可能通过碰撞过程来探究的。
如果我们用高能量的粒子轰击置于真空中的火成岩，再将击出的粒子进行质谱分析，原理上可以得出火成岩中的原子成分，但是要从这种碰撞数据中了解其化 学组成，晶体结构和分子之间的相互作用力，是不太可能的事情。为什么呢？因为碰撞过程把化学键和晶体结构都破坏了。比如说，将石墨和金刚钻石作为靶子分别 至于真空中，然后用高能粒子轰击，将击出的粒子进行质谱分析，看到的都是碳离子。如果轰击粒子的能量够大，甚至可以看到质子，中子，电子和介子，就是看不 到石墨和金刚石的晶体结构。可见碰撞实验对探测相互作用力的局限性。
我们有理由相信，核物理过程比化学过程更加复杂深奥。我们甚至还不清楚核子之间的相互作用力的具体形式。我们对核力的定性了解还没有超越汤川秀澍模 型。核子之间的相互作用，也不一定会是汤川势那么简单。如果一个原子核中有多个核子，应该会有某种类似于晶体结构甚至更复杂的东西，否则就无法解释为什么 氦核超乎寻常的稳定性和同位素的不稳定性。对微观世界的相互作用的探测，决不仅仅是“某某粒子由某某粒子组成”这样简单朴素的原始问题。指望仅凭碰撞手段 就能了解核物理甚至比之更小的微观世界，应该是一种奢望。我不是说碰撞实验毫无用处，只是说这种实验有非常大的局限性，尤其是在探测相互作用力中的局限 性，而且并不是能量越大越有效。关于这点，我们稍后讨论理论局限性的时候还要详细分析。
我们现在已经知道的世界上相互作用力有万有引力，电磁相互作用力和核力。（近代物理学把核力分为强相互作用力和弱相互作用力。这种划分可能是錯 的。）我们不妨回顾一下万有引力，电磁力是如何发现的。万有引力是基于开普勒行星轨道三定律以及牛顿的力学三定律而发现的。我们对行星运动的观测非常精 确，行星轨道的几何性质（如椭圆轨道的长短轴，近日点的移动，轨道平面与黄道平面的交角等等）和動力學性质（如行星的线速度和角速度，运动周期等）知道的 非常清楚。由此开普勒才可以总结出三定律，由此牛顿才可以根据开普勒定律发现万有引力定律。在开普勒以前，人们对行星轨道的了解不太清楚，是不可能发现万 有引力的。对电磁力的了解则是基于对静电相互作用，电荷在磁场中的运动，以及电磁感应的直接测量而得出的库仑定律，洛仑兹力，毕奥-萨伐定律，法拉第电磁 感应定律，从而总结出一套完备的麦克斯韦方程组。万有引力和电磁力都不是靠碰撞实验发现的。今天，我们对万有引力和电磁力的了解已经相当透彻。即使以我们 今天对这两种作用力的透彻了解来试图设计一个碰撞实验以得到万有引力定律或电磁场方程组，都不是一件容易的事情。朋友们如果不信，不妨试试。
我们对大自然奥秘的探索，有些类似于军事家对敌情的侦察。根据所获情报的深度和可靠性，军事侦察大致可以分为三种：1）火力侦察；2）派遣侦察别动 队深入敌后的直接侦察；3）潜伏于敌指挥机关的战略情报侦察。火力侦察最简单，也最不可靠。对着敌人的阵地打一梭子，或一阵佯攻，看看从敌阵里打出什么东 西。再根据这些碰撞出来的弹药分布判断敌人的火力配备。这也是猪八戒最喜欢的侦察手段。遇到无底洞或者通天河，便朝洞里或河里扔石头，看看除了飞蛾蝙蝠以 外，还有什么妖魔鬼怪会被打将出来。这种碰撞实验能够打出的信息是非常有限的。除了洞和河的深度以外，不太可能得到妖怪和洞府的真正信息。孙悟空不太喜欢 这种火力侦察，而喜欢深入敌后的直接侦察，变一个虫子钻到妖怪洞府去探个究竟，了解妖怪的本事和法宝。即使这样，他也往往不知道妖怪和他的宝物的来历和神 通，所以不得不求助于佛祖如来和观音菩萨。如果你不是佛祖如来，又想知道敌人的全部战略，唯一的依靠是埋藏在敌人作战部的战略特务，也就是第三种侦察手 段。我们以碰撞实验对微观世界的探索，不过是一种火力侦察而已。那为什么不用别的更深入更有效的办法呢？因为我们实在没有更深入有效的办法。这是我们在对 微观世界的探索中实验手段的致命的局限性。
至于对宏观宇宙的探索的实验手段的局限性，因为非常直观而明显，我在其他文章中也有过相当的讨论，恕不赘述。我只想简短地说一句：将我们现在的望远 镜的探测距离作为宇宙的限度，是一个在不久的将来就会被证明是错误的非常不牢靠的假设，因为将望远镜的观测距离增加一个数量级是一个不太难的技术问题。
科学会不会克服这种局限性而最终使我们对微观世界和宏观宇宙有更深入的了解？肯定会的。至于子孙后代会发明什么样的设备，我们现在可能连想都想不 到。古埃及的托勒密和汉朝的张衡能想到伽利略的望远镜吗？伽利略能想到现代的射电望远镜，电子显微镜和频谱仪吗？绝对想不到。同样，我们也想不到我们的后 人会发明出什么样的先进仪器。这就是为什么科学没有止境。这个道理对物理理论也成立。托勒密，张衡，祖冲之，欧几里得不可能知道后人会发现万有引力定律和 电磁场方程组。同样，我们也不可能知道后人对大自然的了解会比我们深刻多少，全面多少。托勒密，张衡，祖冲之，欧几里得等人都是伟大的科学家，他们的智商 决不在你我之下。但是如果他们千百年前以为自己找到了最终理论或万能理论，那他们的见识就和星象学家差不多了。
三。基本粒子理论的实验检验的间接性
除了实验设备的局限性，基本粒子理论的发展还有一个致命的局限性，那就是所有碰撞实验的检验都是间接的。我在“小儿辩日辨”一文中举了一个质子寿命测量的例子，说明这类实验的多重间接性。这里我想再举一个中微子测量的例子。
最早提出中微子测量的是中国科学家王淦昌。他于1942年提出可以用beta俘获来探测中微子。但是，获得诺贝尔奖的工作是1956年由科文和莱茵 斯等人的方法。其检测机制是：1）核反应堆里的beta衰变会产生中微子和反中微子（泡利的假设）；2）一部分反中微子应该会被质子俘获而变成中子和正电 子；3）正电子会碰到电子而湮灭，产生一对伽玛光子；4）中子会被镉核子俘获而产生光子 （比正负电子对湮灭约晚几个微妙）。这样，这一理论机制应该意味着同时有三个光子的产生。所以，实验物理学家就用一种“符合电路”检测三个光子同时出现的 事件。只要同时检测到了三个光子，就认为檢测到了反中微子。但是其中的每一步理论预言的反应是无法单独检测的。这就是此类“探测”实验的间接性。这几步反 应是不是无懈可击的？不一定。比如第一步中微子假定就不见得毫无疑问。因为beta衰变的连续能谱可能是因为电子从辐射源溢出时与辐射源相互作用造成的。 对其他几步反应，人们也可以提出各种疑点。
在中微子探测的历史上还有一桩公案，叫做“太阳中微子问题”：实验探测到的从太阳来的中微子数量还不到“标准太阳理论”预言的一半。这问题从 1960年代开始一直拖了几十年没有得到解决。直到1985年米开叶夫，斯米尔诺夫和沃尔芬斯坦提出了一种对标准模型来说是革命性假定，叫做“味道振荡 (flavor oscillation)”或“中微子振荡”（neutrino oscillation）机制，并因这三人的名字而被称为MSW效应。根据“标准模型”，电子，miu介子和tao介子都有属于自己的三种中微子，叫做三 种“味道”。每一种中微子又有自己的反中微子。不同味道的中微子是不能互相转变的，否则怎么可以叫做“基本粒子”呢？可是根据“味道振动”的革命性假设， 不同种类的中微子会变来变去，像孙悟空一会儿变为猪八戒，然后又变回成孙猴子。如此在猴子与猪之间无休止地变换，叫做“味道振荡”。根据这一机制的解释， 从太阳辐射到地球的电中微子中有一部分变成了其他味道的中微子，所以就没有被检测到。于是，“太阳中微子问题”总算有了一个“说法”，理论上算是“解决” 了。1998 年以后，几个实验组宣告证实了中微子的“味道振荡”。在这种“中微子振荡”中，猪与猴子的相对比重是连续可变的，可以用普通三角函数来表达。
还有其他的探测中微子的方法，就是在很深的山洞里放置大量的含氯液体。中微子会将氯37变成氩37。氩37可以用氦气从含氯液体中分离出来，并会俘 获电子而产生放射性，因而可以根据放射性来计算氩37的产量，从而推算中微子的多少。另一种类似的中微子探测器用镓-锗-镓的转换过程进行测量。也可以用 大量的水（比如说50000吨）作为探测物质，利用闪烁计数器记录穿过水箱的中微子产生的切令科夫辐射。这一类探测器的共同问题是如何排除由于宇宙射线产 生的本底信号。这类探测也都是非常间接的探测。
作为强相互作用理论基本框架的夸克模型中有一个机制，叫作夸克禁闭。所谓夸克禁闭，就是在大距离上，单独的自由的夸克是不存在的，是永久性地被禁闭 的。传递强相互作用的胶子也是永久禁闭的，所以夸克和胶子的直接测量是理论上被禁止的。所有关于“某某夸克已经被探测到了”的报道都是间接的探测。世界上 根本就没有夸克探测器。像此类间接实验，在粒子物理中越来越多，越来越间接，越来越难重复，这是实验高能物理研究的一个软肋。
除了上面所述实验的间接性，还有一个理论上内在的间接性，为了说明这种本质上的猜想性质，让我们先简单地谈谈粒子理论的基本制作程序，以及理论与实验的比较检验过程。
根据标准的量子理论，要了解一个物理系统，首先必须假定相互作用的哈密尔顿函数形式，然后以这个相互作用哈密尔顿函数代入薛定谔方程解出波函数（如 果没有办法得到精确解，就用微扰近似方法）。有了哈密尔顿函数和波函数，就可以计算相互作用矩阵元。矩阵元对应于实验测量到的碰撞过程的散射截面。矩阵元 实际上是一个定积分。积分函数包含相互作用哈密尔顿函数与波函数（几率密度）的乘积。将这个乘积对体积积分，就得到相互作用矩阵元。很显然，如果哈密尔顿 函数不一样，积分结果也不一样，因而理论预言的散射截面也就不一样。如果哈密尔顿函数假定错了，波函数也会不对，算出来的散射截面也就和实验结果不对。乍 听起来，这不正是对理论的实验检验吗？可是，这种检验的猜想性质正在于此。为什么呢？因为如果理论与实验不符合，我们固然可以知道相互作用哈密尔顿函数假 定错了；但是如果理论预言的散射截面与实验相符，却不一定能保证假定的相互作用哈密尔顿函数是对的。因为散射截面是一个对全空间的定积分值。定积分的数值 并不能确定积分函数的具体形式。我们以体积的计算作为例子來说明这个道理。如果一个物体的形状尺寸已经给定，我们可以算出它的体积，答案是唯一的。可是如 果给定物体体积，能算出这个物体的形状吗？不能。一立方米的石头，既可以是一块方石板，也可以是一个大圆球，还可以是一尊维纳斯女神的雕像。所以，一个积 分数值是不能决定积分函数的具体形式的。这是数学常识。同样道理，散射截面也不可能决定相互作用哈密尔顿函数的具体形式。
有的朋友会说，如果只有一个散射截面数值，当然不能决定相互作用的具体形式。可是如果有各种不同的粒子碰撞的微分散射截面的数据，难道还不足以猜出相互作用的具体形式吗？
如果我们把一个相互作用哈密尔顿函数运用到不同的粒子碰撞过程，都能得到与实验相符的结果，那我们确实有理由相信我们猜想的相互作用有些靠谱。可是 事实并非如此理想。我们猜想出来的相互作用哈密尔顿函数往往只适用于某一类碰撞过程，而不适用于所有的碰撞过程。为了对这种适用性进行限制，理论家们提出 了各种量子数以及这些量子数的守恒定律，根据这些守恒定律制定一系列的选择定则来剔除那些与这一哈密尔顿函数不相符合的碰撞过程，或者说，将粒子碰撞过程 进行分类。定义“轻子数”和“重子数”就是为了将核反应大致分为“弱相互作用”和“强相互作用”两大类。若还不够，就定义一个“奇异量子数”等等。即使如 此，还是不能保证理论在小范围里一定行得通。如果弱相互作用过程中有强子参加就不行。如果是纯弱相互作用而没有电磁相互作用的参加也不行。另外，用微绕理 论对散射截面做级数展开时到底保留哪些项（选取哪些费曼图）也带有很大的任意性。请不要忘了“重整化”，这是从无穷大发散的结果中减去一个无穷大以得到一 个和实验符合的结果的操作，其任意性不言而喻。整个计算过程中还有其他方面的任意性，因为讨论起来会过于冗长，兹不赘述。至于强相互作用，不但任意性更多 （必须加入夸克假定模型），而且与实验比较的成绩远远不如弱电统一模型，反而产生了一些与实验明显相悖的结果，比如质子的衰变和夸克禁闭等等。
所以，我们用碰撞过程散射截面的计算作为对粒子物理理论的检验，实验上和理论上都是非常间接的，是一种根据定积分的数值猜想积分函数形式的过程。
朋友们可能会说，在我们的科研和工程实践中，能够直接测量的物理量实在太少了。许多测量都是间接的。比如说，我们可以用超声波或者光波的反射信号测量距离。这不也是间接测量吗？
确实是的。不过这种间接测量是可以用米尺的直接测量来验证的。经过在实验室，靶场和建筑工地的直接测量的检验之后，我们才有信心用激光和声纳来测量 月球和潜水艇的距离。碳14测时间也一样。我们可以用碳14 丰度的测量推算长沙马王堆死尸死亡的年代，再和发掘出来的其他文字记载和历史文献上的纪录（直接测量结果）对比，如果符合了，反复验证了，才可以用作一种 可靠的测量方法。经典间接测量所依据的理论的每一部都应该是可以用其他的独立实验验证的，容不得半点神秘主义。可是实验粒子物理的测量是没有直接测量可供 比较的间接性。从中微子假定到真正被测量的三个伽玛光子之间有好几步中间假定。这些中间步骤没有办法直接验证，只有到最后进行一揽子检验。如果结果是肯定 的，就被认为所有步骤的假定都是对的。如果结果是否定的，就加入新的假定（比如中微子振荡假定），直到得到与实验符合的结果为止。其实，重整化假定也是这 么一种操作。这是粒子物理实验的间接性与宏观的经典测量的间接性的根本区别。
我们尽可不必把霍金们哗众取宠的大话太当回事，也不必理会超弦理论家们神话般美丽的许诺。不过，我们能否在现有的“标准模型”框架之内寻求某种狭义 的“大统一理论”（Grand Unification Theory简称GUT）？如果我们能把电磁力，弱相互作用力和强相互作用力都统一起来，不也是一桩很大的功德吗？
果能做到，确实是很大的功德。我又何尚不希望能够找到一个统一而自洽的微观理论？不幸的是，这种希望实在过于渺茫。人们之所以会有这种美好的愿望， 是因为还不太了解粒子物理的现状，被媒体制造的歌舞升平景象和大好形势鼓舞得飘飘然，以为前面真有梅林，胜利在望了。所以必须对量子理论的现状作一个客观 的介绍，以正视听。
另一方面，理论物理之所以会滋生出超对称理论和超弦理论这样的数学化的星象学和神学，是因为此前的量子场论为这种演变准备了理论基础，哲学基础，逻 辑基础 以及理论队伍。所谓冰冻三尺非一日之寒。可以说，从物理学界接受狄拉克等人的相对论量子力学和重整化开始，差不多就决定了理论物理今天的命运。如果不从整 个哲学逻辑体系，方法论和理论大前提上理清头绪，理论物理不可能走出迷津。
让我们从量子理论发展的几个重要阶段（量子电动力学，弱电统一理论标准模型，量子色动力学）来考察一下粒子物理的现状。
四。量子电动力学与重整化问题
粒子物理中被人们认为相对可靠的部分是量子电动力学。可是量子电动力学有一个致命的隐患：重整化。重整化是一个蛮不讲理的解决无穷大发散的方法。建 立量子电动力学碰到的第一个困难，就是按照量子电动力学计算基态扰动得出来的电子的质量和电荷为无穷大。按常理，这应该说明理论根本就是错的。可是，理论 得出的无穷大发散结果并没有使理论家们停下来反思相对论量子力学的基本假定是否有问题。他们的态度是不要倒退，继续革命，有困难，追加新的假设就是了。于 是许温格，费曼，朝永振一郎于1940年代提出一个办法：在拉格朗日函数中加入一项，或者改变不同项的系数，重新计算。这一添加项和系数的改变要选择得正 好抵消那个讨厌的无穷大。结果当然就收敛了，且与实验符合得很好，符合到十一位有效数字（实际并没有11位）。理论家们宣称，只有这一有限的差值才是可以 测量的结果，而按照经典量子力学理论得到的无穷大是不可测量的。这种数学操作叫做“重整化”。这种数学手段虽然毫无道理。可是因为重整化了的结果與实验符 合得很好，所以粒子物理学界接受了，并把它当作粒子物理理论的又一个行规。重整化工作得了诺贝尔奖。重整化理论成了量子场论的标准操作程序，用到了弱相互 作用和强相互作用的研究。
將一個按照量子力學的標準程序演繹出來的無窮大減去另一個憑空捏造出來的無窮大，然後將所得的有限差值認定為物理上可以觀測到的東西，而按照经典量 子力學的標準程序演繹出來的無窮大則被取消資格，説是“物理上不可測量的”，这种辩说被一些理论物理学家认为是“将垃圾扫到地毯下面”的丑陋方法。既然物 理上不可測量，理论家们怎麽能知道他的存在，并且知道它存在的具体形式，將它寫進方程式呢？未经重整化的拉格朗日函数在經典電動力學裏面工作得好好的，不 需要任何重整化，這可以通過人們天天見證的電力系統，無綫電通信系統和無窮無盡的獨立實驗和工程實踐所證實。普天下的人們天天在测量呢，怎麽會無法測量 呢? 未经重整化的拉格朗日函数在薛定谔的量子力学里面也工作得蛮好的，不需要任何重整化，怎麽一到了量子場論裏就發散了呢？按理说，經典理論是量子理論的近 似。難道有窮大是無窮大的近似？经典量子力学与相对论量子力学的天壤之别（有限大与无限大的区别），不正是因为人们将相对论强拉进量子力学造成的吗？
人们之所以接受重整化这样蠻不講理的數學操作，是因为量子電動力學依靠重整化算出的某些结果和實驗符合得非常地好。對電子的反常磁矩的計算符合到八 位有效數字，對氫原子光譜藍姆移動的計算符合到七位有效數字。被這種輝煌的勝利沖得飄飄然的朋友忘記了一些不太方便的事實：達到這樣好的符合的只是非常有 限的幾個實驗數據，而不是放之四海而皆準的，也不是所有的系統都是可以重整化的。引力场就很难重整化。重整化问题，或无穷大发散问题，是一个粒子物理理论 至今尚未解决的根本问题。如果理论家们可以从无穷大发散的结果中随便减去一个无穷大来凑出“精确得令人不得不接受”的实验数据，那我们真的可以将实验数据 擬合成一头大象了。理论家们因为量子电动力学对反常磁矩和兰姆移动的计算而吞下了重整化这根无法消化的骨头，是埋下了一个理论定时炸弹。
五。弱电统一理论和“标准模型”
理论界普遍认为，由格拉肖（Sheldon Glashow）, 萨拉姆（Abdus Salam）和温伯格（Steven Weinberg）提出的弱电统一“标准模型”是粒子物理理论的最高成就。他们三人因此得了诺贝尔奖。这是一个将电磁相互作用和弱相互作用统一在一个理论 中的模型。标准模型的建立需要做一系列的追加的关键假定。
第一个就是“弱同位旋”假定。理论家们首先假定一个中性玻色子的存在以保证理论的规范协变性。这一中性玻色子和带电的玻色子组成“弱同位旋”等于1 的三个本征态，称为“规范玻色子” W0，W+,和W-。第二個假定就是存在某种“中性电磁场”中的“弱同位旋单重态粒子”（B粒子）。第三個假定是：光子和Z粒子是由B粒子和中性的W0粒 子的线性组合。这些组合系数可以表示成某一角度的正弦和余弦函数。这个抽象的弱同位旋空间中的“角度”叫做“温伯格角”。
弱同位旋假定是由核同位旋假定推广而来的。核同位旋假定将质子和中子看成同一个粒子的不同状态。其理由是，核子的体积正比于核子的个数。这使人们猜 想核力与电荷无关。可是，仅仅因为核子的体积正比于核子的个数，就将质子和中子看成同一个粒子的不同状态，实在是太牵强附会了。这两个粒子的物理特性极不 相同。1）质子带电，中子不带电。带电的粒子如何能在某种抽象的同位旋空间中旋转一下就转掉了电荷？2）质子是稳定的粒子，而中子是极不稳定的粒子，半衰 期不过15分钟。难道一个比朝露还要短命的粒子在同位旋空间中一转，就万寿无疆了？实验测量到的质子的寿命至少不小于10的58次方，远远大于万岁万岁万 万岁，远远大于大爆炸宇宙的理论寿命。
所谓旋转，应该可以停在某一个任意角度，而不是只能停在零度或九十度。比如在弱同位旋中，温伯格角就是大约28度。那末，核同位旋的角度是不是也可 以是任意的一个角度？如果可以，是不是就对应于某个介于质子与中子之间的东西？这种粒子存在吗？就是这样的一个逻辑上经不起推敲的“同位旋”概念，居然被 理论家们当作当然的原理推广至弱相互作用和强相互作用理论中，以至于假定没有质量的光子是由有质量的B粒子和W0粒子的线性组合，将组合系数表示成“弱同 位旋”空间中的“温伯格角” 的正弦和余弦函数。在这里，部分小于全体的经典逻辑被违背了。光子的质量等于零，而W0粒子的质量是81 GeV，相当于质子质量的85倍。把一个质量等于零的基本粒子说成是两个有质量的玻色子的组合，有道理吗？难道两个有质量的粒子组成在一起总质量反而变成 零了？光子是世界上跑得最快的粒子，而B粒子和W0粒子的速度理论上远小于光速。他们一旦花好月圆组成一个光子以后，就永远以每秒钟三十万公里的速度比翼 双飞，这是不是过于浪漫了些？在这些根本问题没有澄清之前，津津乐道什么“温伯格角”的实验测量与标准模型符合得如何如何好，有蛮大的意义吗？
弱电统一理论的另一个重要假定是所有的中微子都是左旋的（自旋矢量与动量方向相反）。我们知道，中微子是从核子衰变而来的。如果中微子会旋转的话，按道理也应该是在空间的各个方向随机分布的。有什么理由断定，又有什么独立实验证明，中微子一定是左旋的呢？
为了和左旋的中微子配成二重态，需要继续假定参与弱相互作用的电子也是左旋的，并且假定电子质量为零，实际上就是丢掉方程式中带有质量的讨厌的那一 项。这还不够，还得加入进一步的假定，或曰“推广”，就是用一个四维矢量取代狄拉克旋量。所以迪拉克旋量在这里其实并没有起任何实质性的作用。其唯一作用 就是为将二阶薛定谔方程写成一阶方程的做法提供道义和法理支持。还有一个重要的假定或曰“推广”，就是将普通微分算子代之以协变微分算子，实际上是加入包 含矢量磁势的一项。“推广”听起来比“假定”自然，不像“假定”那么难听，那么生硬。“推广”给人一种“并没有增加假定”的错觉。对这一大堆假定的直接独 立验证是不可能的，所以要用“一揽子验收”。如果温伯格角的测量结果相近，就认为弱点统一模型中的所有假定都被“一揽子”地“证实”了，或者说得笼统些： “弱電统一模型被实验证实了。”
到此为止，这一理论中所有的轻子和规范玻色子都还没有质量。因为一旦承认他们有质量，就会破坏规范协变性。可是这些粒子明明是有质量的呀！怎么办？ 追加新的假定就是了！这个新的假定叫做“自发对称破坏”机制。这一机制的基本操作是将波函数中的绝大部分抛掉，只选留一个分量。经过这样处理的波函数就失 去了对称性，但是因此就保全了哈密尔顿函数的对称性。“自发对称破坏”其实不是自发的，而是理论家们选择波函数的结果。“理论必须是对称的”和“自发对称 破坏”这两个哲学上矛盾的信条现在都成了粒子物理中的行规。
世界本质上是对称的吗？物理定律一定是对称的吗？弱相互作用中宇称不守恒和“自发对称破坏”的要求告诉我们，先验地假定物理定律或自然现象的对称性 没有太多道理。证诸经典物理，在所有的数学物理方程中，只有齐次的波动方程具有相对论协变性。其余的如泊松方程，勒让得方程，贝塞尔方程，薛定谔方程，热 传导方程，热力学的麦克斯韦方程组和波尔兹曼方程，都不具有相对论协变性或规范协变性。而这些方程式在物理理论中都具有基本的重要性。比如热传导方程便是 和热力学定律紧密联系的一个方程。波尔兹曼方程则是和黑体辐射紧密联系的方程。薛定谔方程不但是经典量子力学的基本方程，而且继续用于量子场论的标准模型 中。勒让得方程和贝塞尔方程在求解薛定谔方程中奠定了磁量子和角量子的基本机制。这些方程都没有四维时空的规范协变性，能说协变性或对称性一定是大自然的 普遍规律吗？
再看“自发对称破缺”的数学逻辑问题。波函数的“退化”，其实就是说一个完整的波函数是由许多或无穷多个函数的线性组合而得到。换成量子物理的语 言，叫作“一个物理的量子状态由许多本征态叠加而成”。如果抛掉其中一些构成状态，它就是完全不一样的物理状态了。比如说，一个方波脉冲可以傅里叶分解成 无数谐波的合成。如果你只保留其中一项，就成了简谐的正弦波，完全走样了。又比如行星围绕太阳的轨道是一个椭圆。椭圆轨道可以分解成沿着两条互相垂直的坐 标的简谐振动的线性叠加。但是如果你抛掉其中一项，行星的运动就变成了沿着一条直线的简谐振动，而且这条直线穿过太阳，所以行星会在太阳中间穿来穿去。这 是物理事实吗？“自发对称破缺”机制其实也有同样的数学逻辑问题，只不过一旦赋予了一个比较玄妙的名称，“自发对称破缺”，让圈外人听不懂，就显得很深 奥，很神圣，很“自发”，很“自然”。如果大自然只选择退化波函数中的一项，而其它的波函数是大自然不容许的，那为什么大自然要逼迫理论家先绕一个大弯， 把一些大自然不容许的成分和容许的成分一古脑儿算出来，再发动一场清理阶级队伍运动，把大自然不容许的波函数排斥掉？
在引入“自发对称破坏”的过程中，希格斯假定某种“希格斯场”的存在，与之相连的场粒子叫“希格斯玻色子”，又叫“上帝粒子”。挟上帝以令诸神，其正统性和真理性当然就不容置疑了。其实这个被希格斯假定出来的粒子和上帝毫无关系。不信可以去问教皇。
有了“上帝粒子”，“标准模型”就可以有质量了。所以有些理论家说，上帝粒子必须得找到，否则我们将不存在。问题并没有那么严重。如果上帝粒子不存在，我们还是会好好地存在。不会存在的，或存在不了太长时间的，应该是“标准模型”。
这么多的假定（其实远不止这些），朋友们可能都已经听累了，我也写累了。但是更累的是那些为了得到一个美丽的弱电相互作用而辛勤耕耘的理论家们。勤 奋是有报酬的。温伯格-萨拉姆理论预言了中间玻色子W+，W- 和Z0的存在和质量。谁都知道，如果这个预言一旦被实验证实，实验的领导者一定会得到诺贝尔奖。鲁比亚宣布找到了标准模型所要的中间玻色子，于是他赢得了 诺贝尔奖。另一方面，温伯格-萨拉姆理论虽然没有给出温伯格角的数值，只是把它当着一个有待测量的参数，各种不同的实验结果给出的数值倒是比较一致，温伯 格角的正弦的平方都在0.21至0.24 之间。这种成绩在粒子物理理论中是非常骄人的。于是，有些理论家说“温伯格-萨拉姆模型的所有预言都被证实了”。这话未免言过其实。
首先，实验证实需要可重复性。像中间玻色子的探测花了十几年的时间，耗资亿万，需要欧洲核子研究中心（CERN）这样的大型设备，也需要鲁比亚这样善于筹款的领导者。这样的探测不是很容易重复的。
其次，弱同位旋单重态粒子B 并没有被找到。希格斯粒子也没有被找到。前不久CERN传出消息说有找到希格斯玻色子的证据。这种证据目前还没有被确认。
另外，“实验证实”的间接性给理论蒙上阴影。Z粒子和W粒子的寿命约为10的负24次方秒。这么小的粒子是无法直接观测到的。你只能间接地测量这些 一瞬即逝的粒子的衰变产物。理论认为，以质子和反质子对撞，可以产生W+和Z0粒子。W+ 会衰变成一个正电子和中微子，或者mu正介子和中微子。Z0 粒子会衰变成正负电子对，或者正负mu介子对。所以如果你在正反质子的碰撞反应中探测到这些正负电子或正负mu介子，就被认为是W+ 和Z0 粒子曾经存在过10的负24次方秒的实验证据。这是高能物理探测间接性的有一个例子。
另外，如果弱点统一理论确实能将两种力统一起来，它就应该能够处理同一理论的特殊情况，即只有电磁相互作用或只有弱相互作用存在的情形。而且按道 理，只有一种相互作用的情形应该比两种相互作用同时存在的情形要简单的多。可是事实恰恰相反。温伯格-萨拉姆的弱电统一理论只能处理电磁相互作用和弱相互 作用同时存在的情形，而不能处理只有弱相互作用或只有电磁相互作用的情形。能说弱电统一理论“通过了所有的实验检验”吗？您说您的灵丹妙药能治百病，可是 只有我同时得了一百种病的综合症，这灵丹妙药才灵验；如果我只得了一种病，您的灵丹就不灵了，我还敢买您的灵丹吗？
六。强相互作用，夸克模型和量子色动力学
强相互作用理论基本上没有成熟。尤其是在低能量段（碰撞能量小于十亿电子伏），微扰理论不太管用。不像弱相互作用，可以根据衰变的强弱，用选择定则 只保留一项，而扔掉其他项。可是在低能量的强相互作用中，差不多所有的项都不能扔掉。每一项的耦合常数都不一样，而且互不相关。所以低能量的强相互作用非 常棘手。人们由此猜想核子本身可能有更复杂的结构。现在广为人知的一种提案就是夸克模型。
夸克模型假定所有的重子都由三个夸克组成，所有的介子都由一对夸克和反夸克组成。夸克带有1/3的电荷。夸克有六种不同的味道（上，下，顶，底， 魅，奇异），每一种味道又有红，绿，兰三种颜色。每种夸克都有反夸克与之对应。描述夸克如何组成核子，如何相互作用的理论叫做“量子色动力学”。读者们不 要对夸克的味道和颜色太过认真。他们和您所知道的味道和颜色毫无关系，只不过是对夸克分类的一种标签。比如说，您可以把六种“味道”叫做“酸甜苦辣咸麻” 或“阴阳湿热表里”，丝毫无损于夸克理论的伟大与光荣。
夸克们有一个特点，就是他们挨得很近的时候作用力很小，可是距离增大时作用力也增大，离得越远，作用力越强。这种机制叫做“夸克禁闭”。要将夸克 “解放”出来需要无穷大的能量。所以夸克在理论上是不可能被探测到的。现在所有关于某某夸克被探测到的报道都是间接“证据”。这是高能物理间接性的又一个 證明。量子色动力学是一个高度非线性的理论，所以对“夸克禁闭”的理论分析非常困难。
“大统一理论”（Grand Unified Theory, 简称GUT）是一种旨在将电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用统一起来的理论。根据这一理论，这三种相互作用仅仅在“低”能量（其实不低）的情况下才显 得不一样。在高能量下，它们是能够统一在一个理论之下（方程中只有一个耦合常数）。能量要多高呢？10 的26次方电子伏。要达到这样高的能量，需要和银河系一样大的加速器。即是说，大统一理论是一个根本无法用实验检验的理论。
在大统一理论中，夸克和轻子是对称的，可以互相转化。既然如此，质子也是会衰变的。大统一理论预言其半衰期约为10的30 到33 次方年。在大统一理论中，重子数，轻子数和mu介子数都不守恒，所以许多mu介子衰变的许可反应就多了。这些被大统一理论预言的mu介子衰变和质子衰变反 应的半衰期，都和实验结果不符。
七。量子场论是一座建立在一系列假定之上的大厦
至此，我想朋友们应该了解，不仅所谓的“最终的万能理论”是痴人说梦，就是想将三种基本相互作用力统一在一个“大统一理论”中都是非常渺茫的梦。基 本粒子物理理论本身之所以存在如此之多的问题，是因为它是建立在一系列革命性的假设之上的大厦。所谓“革命性”，就是说这些假设违背经典的科学理论和逻 辑，美其名曰“New Paradigm”。全部罗列量子理论所需要的所有假定是一件非常吃力的事情。但我们可以列举最重要的一些：1)物理量的算符化；2）能量的量子化；3） 波函数的几率解释；4）物理量的实验测量数值为算符的统计期望值的假定；5）量子力学和相对论的结合；6）二次量子化假定；7）重整化假定；8）费曼图的 物理解释；9）核同位旋假定；10）规范协变性假定；11）弱同位旋假定；12）自发对称破坏假定；13）夸克假定；14）强同位旋假定，等等。这些假定 都无法独立地进行验证，只能将一系列假定编织在一个理论中导出某些碰撞过程的散射截面和实验结果比较。然后一揽子验收。往往因为一个实验结果而接受几个革 命性的假定。如果成功，所有的假设都有功劳，吭泼郎当归罗包追，都获得了一次“实验证实”。如果不成功，就说不清问题出在哪一个假定。
经典科学要求每一个革命性的假定都必须能够被独立地重复检验。为什么呢？不妨举一个星象学的例子。中国的阴阳五行学假定：1）世界万物都由金木水火 土五种基本元素组成；2）这五种基本元素不但表现为世界万物的物质组成，也表现为方位，时令及人体五脏器官的组成等等等等；3）人之所以生病，是由于人体 的内脏五行不适，阴阳不和，所以治病的关键在调和阴阳五行。这几条假定都是无法单独地重复地检验的理论。古人根据这些假定加上湿热，表里，气血，经络等等 概念建立起了一整套中医理论，并用之于医疗实践。中医成功的案例不胜枚举。其成功率决不下于基本粒子碰撞理论的成功率。中医成功的案例可以作为阴阳五行学 说基本假定的间接证据，但能不能根据这些间接证据来判定阴阳五行基本假定的正确性呢？科学发展到今天，我想不太会有人相信世界万物的基本组成元素是金木水 火土，也不太有人会相信人体器官和金木水火土的必然联系。中医成功的例子成千成万，比粒子散射实验的成功例子不知多多少倍，尚且不足以支持阴阳五行理论的 基本假定，可见依靠一些有限的间接证据来一揽子地证明一系列假定是多么地不可靠。
又比如鬼魂的存在，是不能直接观测的，或者说，理论上是“鬼魂禁闭”的。但是鬼魂是可以间接探测的。如果您走夜路碰到鬼打墙，或者说经过乱葬岗子回 家后生病，或者您家的后门不知怎么自己吱呀吱呀地开了，或者晚上听到深巷里隐隐有哭声，或者楼板上不知什么时候掉下来一块破布，或者刚出门时听到死去的妈 妈从里屋呼叫，犹豫了一下，晚走了一步，而避免了一场车祸，都是鬼魂存在的间接“证据”。这种间接证据在神学和命相学里可能是天经地义的雄辩，但在科学里 面就只能当作是幻觉。
和20世纪的理论物理不一样，经典物理对于科学假定的要求是非常严格的。首先，它要求假定是建立在实验基础之上。比如牛顿的万有引力假定是建立在开 普勒三定律之上，麦克斯韦的电磁场理论则是建立在库仑定律，安培定律，毕奥萨法定律，法拉第电磁感应定律等实验定律之上。可是20世纪物理学的假定往往建 立在某种数学特性上，比如方程式的协变性，群论对称性，拓扑完整性等等。其次，经典物理任何假定不能导致悖论。可是20世纪物理学的物理学家们似乎不太在 乎悖论的存在。比如狭义相对论的钟佯谬，广义相对论的转动变换与光速不变原理相悖，粒子物理中对称性要求与自发对称破缺相悖等等，并没有丝毫动摇理论家们 的信仰和士气。其三，经典物理的假定不违背科学逻辑和基本事实。可是20世纪理论物理的许多假定完全违背科学逻辑和基本的物理事实。比如重整化假定认为两 个无穷大之差才是可以测量的，而无穷大的量本身反而无法探测；同位旋假定把没有质量的光子看成是由有质量的B粒子和W0粒子的线性组合，根本违背部分小于 全体的逻辑。其四，经典物理的假定不随便违背经过实验反复检验过的一些最基本的物理定理，比如能量守恒定律，质量守恒定律，物质不灭定律，因果律等等。 20世纪的理论物理则完全不顾及这些定律。其口号是:这是一场思想体系的革命（shift of paradigm）。
20世纪理论物理和经典物理的基本假定不仅在质上大不一样，在量上也大不一样。经典物理学家每提出一个新的假定都要经过大量科学实验和工程实践的反 复检验和论证以后，才可以当作进一步发展的基础和台阶，是非常慎重的事情。可是20世纪的理论家们在提出新的假定时的态度非常轻率。理论家们不太喜欢对以 前的假设进行反思，而是往往用追加新的假设来“解决”理论困难。这种一摊上事就提出新假定并宣称为革命性的新发现，新突破，新物理思想的传统已经形成了 20世纪理论物理的一种时尚和文化。沿着这种文化继续向前发展，走向超对称理论，超弦理论，滑向星象学和神学，就不是什么奇怪的事情了。量子场论和所谓的 “万能理论”，“最终理论”，都是建立在一大堆假定之上的海市蜃楼。
八。量子理论作为“基础科学”的总体评估
上面的评价，似乎带有一些主观性。你说重整化蛮不讲理，我说重整化成绩辉煌；你说同位旋没有道理，我说同位旋有创意；你说共振态不是粒子，我说共振态排成的八重态非常玄妙。好像这只是一个见仁见智的问题。
好在科学有最公正的裁判：现实世界。任何理论都要经得起现实的裁判。科学的目的就是要促进社会的文明进步。物理学的目的就是要为科学的其他领域提供 理论基础以促进科学技术的发展。理论物理既然以“基础科学”为己任，自然不能离开这一根本目的。理论物理不能仅仅是理论家们追求某种数学美或者方程式“大 统一”的数学游戏。
证诸经典的理论物理，经典力学和牛顿的引力理论对机械工业，建筑工业，天文学，空间科学提供了理论基础；热力学为工业革命提供了理论基础，经典电动 力学为电力工业，无线电通信，电子技术，电脑和网络技术提供了理论基础。可以说，没有经典理论物理，就没有现代化的工业。这也是物理学界和整个社会重视理 论物理研究，重视基础科学的原因。
作为基础科学的量子理论成绩如何？也必须由现实来评判。欲识庐山真面目，必须跳出此山中。是骡子是马，牵出来遛遛。不管理论物理界自己如何庆祝一个 接一个的理论突破，一个接一个的新发现，一个接一个的思想革命；一个接一个的新粒子，越来越高的维度，越来越深的数学，最终必须走出自己的俱乐部，告诉科 学界：作为基础科学，我们的理论对科学的其他分支的发展起了多大的基础作用？我们的理论对工业和国防的发展起了多大的促进作用？让我们对经典量子力学和量 子场论分别做一个粗略的评估。
薛定谔的经典量子力学的成绩是辉煌的。在原子物理方面，薛定谔方程导出了里德伯公式，对原子分子频谱的计算和本征半导体能级的计算，使得量子力学成 了这些领域的标准语言。因为有了原子分子频谱和能级的计算，经典量子力学对化学的发展也起到了很大作用。在这个意义上，经典量子力学确实表现了“基础科 学”的特征。
在固体物理方面，经典量子力学对本征半导体的计算非常成功，但是一旦参入杂质，就麻烦了。有人说没有量子力学就没有电子技术，就没有计算机革命和网 络技术，这是言过其实。半导体技术的进展，关键在晶体生长技术，PN 结的发现，二极管，三极管和其他半导体元件的发明，集成电路的开发与大规模生产。在这些技术的开发中，量子力学提供了一些理论支持，但是还没有到“没有量 子力学就没有电子工业”的程度。量子力学很多时候是在实验工作者有了结果之后进行一些理论总结的工作。根据量子力学计算的能级关系，或许可以对杂质元素和 浓度提供某些理论提示。这种理论指导的能力是有限的，不一定保证都能成功。凝聚态物理是实践性非常强的学科。比如要得到某种激光材料或高温超导材料，必须 在微量杂质的选择，浓度的精密控制，退火温度及退火时间的设计等等方面作不厌其烦的尝试，才有可能得到理想的产品。这些也往往是专利和技术机密。有了结果 以后，再用量子力学进行理论总结包装，在文献和学术会议上发表。如果可以根据量子力学理论指导得出产品，那凝聚态物理中的许多难题早就解决了。
和经典量子力学对其他科学的推动作用相比，以相对论量子力学为起点的量子场论对科学其他分支的影响基本为零。核物理是量子理论的娘家，可是我们对核 裂变，核聚变，和放射性同位素的了解，和二次大战时相比，没有太大的进步。在核物理中，还是三四十年代的液滴模型和壳层模型管些用。粒子物理理论可以日新 月异，核物理却依然故我。无论是核军工还是核能工业，没有，也不太可能指望从量子场论和粒子物理中得到什么帮助。在凝聚态物理方面，粒子物理也基本上没有 什么用处。粒子物理与科学的其他分支如化学和生物学根本绝缘。相对论量子力学以后的量子理论，基本上是理论家们试图理解亚原子状态的一种探索。这种理论本 身非常生涩，存在太多的假定和前提，有些结论或预言与实验的结果还有相当大的差异。量子场论基本上是一个与其它学科（最近的应该是核物理和凝聚态物理）没 有太大关系的自产自销的自我封闭的理论体系。粒子物理理论本身离一个完备的自恰的理论要求还相当远，遑论成为其他科学分支的“基础”。
正因为成绩不太好，所以一些“前沿科学家们”只好以未来的美好憧憬来搪塞现实的考绩。他们说：虽然理论物理现在不能为受控热核反应和凝聚态物理给出 具体的指导，可是理论物理是基础科学，不能对基础科学提出功利主义的要求。如果基础物理研究使我们找到了最终的万能理论，对科学将是多大的贡献啊！
为了进一步渲染“前沿科学”的重要性，霍金在《果壳中的宇宙》一书中说：“公开猜想时间旅行是需要耍诡计花招的。你将冒两种危险：或者被批判为将老 百姓的血汗钱浪费在如此荒唐的东西上， 或者被纳入为了军事目的的绝密研究项目。毕竟，面对拥有时间机器的敌人我们如何能够自卫呢？他们可是有可能改变历史统治世界的人啊！只有我们这些傻帽才会 从事这样一种在物理学上政治错误的研究。我们于是用技术术语将事实伪装起来。这些技术术语就是时间旅行的密码代号。” 你看，他的时间机器是一种无法防卫的绝密武器，谁拥有了他，谁就有可能“改变历史统治世界”！谁还敢不给他们研究经费？虽然现在看来他的时间机器还没有影 子，可是万一哪个国家第一个拥有了这种无敌的武器，我们的国家安全岂不是危如累卵？这可是比缝制皇帝陛下的新衣还要重要得多的战略项目啊！文化革命中，有 的物理学家给领导上课，也说：如果我们能够造出夸克弹，就可以立即打倒美帝苏修！物理学家到了需要靠江湖术士的市场推销手段来维持民众心理支持的地步，是 物理学的悲哀，物理学的耻辱。
任何科学都必须经受现实的考绩，基础科学也不能例外。只是因为基础理论的研究周期有時可能會长一些，不可能立见功效，所以社会对于基础理论的研究应 该有些耐心。问题是要等多久？霍金说 “谁都没有耐心去计算这些理论到底是不是完全收敛。这一工作要一个好学生算两百年，天知道他会不会在算到第二页时就出错？”。看来这个世纪是没有希望了。 夸克禁闭理论上排除了直接测量夸克的可能，两百年大概也不太够。大统一理论所要的加速器要像银河系一样大。不妨问问加速器物理学家和工程技术人员，两百年 之内能不能造成一个和银河系一样大的加速器。直觉告诉我，我们大概需要等待比从安徒生写“皇帝的新衣”到现在所走过的岁月还要长得多的历史时期。
一幢建築的基礎如果動搖了 ，整個大廈將會立即跟著動搖，其反映幾乎是瞬時的，不需要任何等待。基礎科學對於整個科學大廈的作用也是如此。經典力學，熱力學和電磁場理論的基礎一旦建 立，立即對科學，工業和技術帶來翻天覆地的變化。经典量子力学作为基础物理，从一开始就对原子物理，核物理，固体物理和化学产生了巨大的推动作用，並沒有 要求遙遙無期的等待。难道仅仅因为粒子物理继承了量子力学作为基础科学的贵族血统，就可以奉先君之成业，荷本朝之厚恩，逃避科学界的考绩和检验？号称“前 沿科学”理论所需的加速器和附属设备昂贵得社会无法承受，在启动这些大型项目之前对这些“前沿理论”的理论架构的正确性，合理性和可行性进行透彻的分析和 评估，难道不是对纳税人应尽的起码责任吗？
根据理论物理的过去，我们对其未来可以作一个如下的估计：只要理论物理继续按照现行的路线走下去，继续以相对论量子力学，重整化，规范协变性，同位 旋假定和夸克模型为基本架构，继续坚持共振态是基本粒子，这个理论就会永远是一个自我封闭的理论，和小圈子以外的现实世界不可能发生什么关系，產生任何衝 擊。唯一能讓人們感覺到的衝擊，是对人力资源和科研经费的争夺。
九。美国的觉醒
一个理论，不管你如何强调自己重要，如果长期不能对科学和社会产生积极作用，甚至越来越脱离社会现实，甚至成为社会负担，社会当然也就会对之逐渐冷 淡。美国是一个讲究功用的（mission oriented）国家，讲究权利制衡，讲究实效检验，没有永久的特权，永久的铁饭碗。这种负反馈和制衡机制，也反映在科学研究上。
二次大战期间，盟国和轴心国双方都在争分夺秒地研制原子弹。谁抢先造出了原子弹，谁就有可能赢得这场战争。盟国方面领导原子弹研制的奥本海默和费 米，和轴心国方面领导原子弹研制的海森伯，都想赢得这场竞赛。所以，那时人们的心理是大胆假定。不要因为一个假定看来不可思议而轻易否定。说不定一个背理 的假定会正好撞上正确的办法。只要能够把原子弹做出来，理论是否有问题，假定是否正确，可以以后慢慢梳理。战争时期抢时间抢先机，是头等大事。
盟国赢了这场竞赛。赢的原因，不是什么天才的理论假定，而是橡树岭国家实验室一个工程师的建议：将铀235置于普通的炸药中间，点燃炸药向心爆炸，将两块低于临界质量的铀挤压到一起，变成一个整块，其总质量超过临界质量，立即爆炸。
二次大战以后，进入冷战时期。冷战双方仍然被同样的心理统治着：尽量大胆探索，一百个假定中99个错了都不要紧，只要有一个正确，就可以在核竞赛中占上风。在实验核物理中也同样鼓励大胆探索。说不定某一种粒子打到某一种靶子就产生意想不到的核反應。
不知不觉地，战后的核物理研究逐渐潛移默化。
第一个变化是理论与实践的分离。费米不仅是理论家，更是实践家。自持的链式核反应就是费米领导的小组在芝加哥大学的实验室中首先实现的。随着量子场 论变得越来越复杂，实验家们往往很难兼顾理论研究；另一方面，加速器变得越来越大，探测器变得越来越复杂，越来越五花八门，从事理论工作的研究人员很难兼 顾实验。至上世纪末叶，理论物理和实验高能物理的分家基本上已经彻底完成。既懂理论又懂实验的物理学家即使有，也是鳳毛麟角。
伴随着理论与实验的分离的是加速器功能的变化。冷战时期以前的加速器物理中，相当大的一部分工作是以核物理研究为目的。这一任务逐渐让位于根据理论 模型的需要寻找特定的粒子。实验工作慢慢远离自己的娘家—核物理。近年来，新加速器的建立和相关实验提案基本上是围绕证实弱電统一理论，寻找上帝粒子等课 题设计的，和核物理毫不相干了。
加速器越做越大，其经费随所需能量指数上升。建设一个大加速器成了国家级甚至跨国项目。除了加速器以外，质子寿命测量，重中微子探测等等也都是在标 榜为“基础科学”的大爆炸宇宙学，量子引力的理论旗帜下推出的大型项目。这就势必挤掉其他科研项目的经费。使凝聚态物理，能源物理，低温超导，激光物理， 等离子体物理，受控热核反应等等的研究经费愈益捉襟见肘。一些杂志如《今日物理》上就不时可以听到一些抱怨。
理论物理的不作为也使工业界失望。美国民间企业对基础物理研究的经费支持基本上停止。对物理专业，尤其是理论物理專業的毕业生的需求锐减。劳工市场 的冻云暗淡天气，自然使物理系的学生锐减。许多学理论物理的博士毕业后不得不改行。物理学的不景气其实已经是国际性的现象。与这种物理学不景气形成强烈反 差的是以“前沿科学”自居的大统一理论，超弦理论，大爆炸宇宙学等等，反而声浪日高。欧洲核子研究中心宣布找到了上帝粒子存在的“证据”成了头号新闻。 “万能理论”“最终理论”也重新成了媒体炒作的话题。
美国并没有跟着赶时髦。美国前些年曾经打算建造一个超高能对撞机（SSC），设计能量为40 TeV，相当于LHC能量（8 TeV)的五倍。1987年筹划SSC的时候，预算44亿美元，可是到了1993年，预计要120 亿美元才能完工。经过激烈争论以后，克林顿总统终于签字下马。此时已经耗费了20 亿美元。SSC 下马的结果，几千个博士被重新抛回劳工市场。为了善后，这个项目下马以后的善后经费约每年两百万美元。美国理论学界有些人对SSC下马感到惋惜。我觉得这 是好事，标志着美国物理学界在开始觉醒。欧洲迟早也会觉醒。
美国物理学界对是否应该关闭SSC是存在争论的。当时极力主张下马的一个重要人物是时任美国物理学会会长的凝聚态物理学家安德逊。他也是一个诺贝尔 奖得主。安德逊教授写过一篇有名的文章“More is different”，对于过分强调“基础物理研究”的观点进行了反驳。他的主要观点是，科学的不同学科都有自己的基础，不能指望通过微观的粒子理论推导 出其他学科的理论。因为，当作许多粒子组成更复杂的系统以后，其运动规律并不是单个粒子运动规律的简单重复和叠加，而是完全不同的更为复杂的系统，需要不 同的理论来描述，所以，“More is different”! 描述复杂系统的理论不是描述简单元素的理论的“应用”或堆砌。那种认为一切科学理论都可以从某种简单的“基础理论”推导出来的观点是“还原主义” （Reductionism）。
另一个诺贝尔得主，弱電统一理论的提出者之一温伯格教授针锋相对，坚决维护“还原主义”。温伯格和安德逊对于“基础理论”的不同意见，代表着“基础物理”和其他被贬为“应用物理”的学科之间的微妙矛盾。
作为一个普通公民，我不可能有安德逊那样的影响力。但是我尽力了。在田納西州競標建造SSC之時，我就反对建造这样的项目。我反对的理由并不光是经费问题，也不仅仅是“还原主义”的问题，而是对现时标榜为“前沿科学”的理论结构和逻辑体系以及哲学思维的彻底失望。
十。评估粒子物理的意義
相对论和量子理论是20世纪近代物理的两大支柱。要对近代物理有一个全面的评估，必须对这两大支柱的理论基础，逻辑体系和实验检验进行梳理。对相对 论的梳理相对容易，因为它是爱因斯坦一个人的作品。整个理论的大前提，概念的演绎和推广，逻辑推理以及数学工具都比较清晰。只要抓住了问题的关键，提纲挈 领地对其进行剖析不是太难。量子理论就大不一样了，它不是一个人的作品，而是几代物理学家通过接力传承建立起来的一座迷宫。其结构中有许多转折，逻辑联结 比较牵强，追加的基本假定非常生涩，有些会前后矛盾。对相互作用拉格朗日函数的构造，对传播子的取舍（费曼图的选择），边界条件的假定，波函数的选择等等 等等，有太多的任意性。选择定则比中药配伍禁忌还複雜，而且还不一定严格遵守。所以，要想将整个粒子物理的理论框架梳理清楚，是一件非常吃力不讨好的事。
但是这又是一件不得不做的工作。因为非如此便不能将理论物理从困境中解脱。由于几代人的传承，在理论上和人脉上盘根错节，整个理论界因循守成，敬畏 权威，迷信数学，守不住科学的基本原则，使得理论家们眼睁睁看着理论物理的沉沦和物理学的衰败而不敢作为。对理论物理的基本困难讳不敢言。你膽敢批評，人 們會立即跳將起來：“難道你要否認整個20世紀的現代物理學？難道這麽多諾貝爾獎得主還沒有你聰明？”
可是理论物理发展到今天，发展出了像超对称，超弦理论这些被权威理论物理学家如里奇特和格拉肖称之为“神学”的理论。这些神学理论在“前沿科学” “基础理论”的名义下，标榜他们的理论可能成为“万能理论”“最终理论”，拒绝学术界的任何批判評估， 理由是“近代物理遵从的是新的概念和新的语法系统”（New paradigm）,所以“不能用经典物理的定律和概念来判断近代物理的概念”。因此连最起码的逻辑，如因果律和部分大于全体等等这样的判据都不能用，基 本的物理定律如能量守恒定律，质量守恒定律也被彻底推翻。基本的物理事实如空间的三维自由度，时间的一维单向性等等被彻底否定。整个理论与逻辑系统被黑白 颠倒了。这些颠倒了的逻辑和歪曲了的事实之所以被社会接受或容忍，就是因为人们相信了一些人的说教，以为只有以颠倒了的逻辑才能理解理论物理，才有近代科 学，科学才有未来。任何谬论，只要一标上“现代”的标签便当然正确。如果我們不敢直面權威，不敢正视理论物理的根本困难，便不可能将物理学从神学的阴影下 拉回到科学的道路上来，理論物理將永遠陷在泥潭中不能自拔，人们的思想将一直被误导，儿童的思想将从入学开始就被颠倒了的逻辑和物理理论洗脑。這就是爲什 麽我們一定要冒天下之大不韙，對理論物理作出全面的評估。
許多人都在批評相對論。批评相对论之困难，不是因为其道理难懂，也不是因为实验检验剖析之难，而是因为它被编织进了量子场论的整个体系，牵涉到整个 理论物理学界的功过荣辱。许多人不清楚理论物理已经走入困境，更不知道量子理论从比较成功的经典量子力学过渡到远离科学和物理现实的关键一步就是将量子力 学与相对论结合。人們會說，相對論已經融入到了理論物理的全部體系，如果相對論錯了，爲什麽現代理論物理會取得這麽大的成績呢？所以，不把量子场论的现状 讲清楚，就很难说清楚相对论的功过是非。
十一。二十一世紀是物理學復興的世紀
上世纪初，当物理学界遇到一些新的物理现象而不容易用当时的已知理论解释时，物理学家们像一群探险寻宝的孩子，知道在森林深处有一个宝藏，可是不知 道到达这宝藏的路线。于是先驱们开始摸着石头过河，慢慢探入森林深处。这种探路的过程带有非常大的猜想性和盲目性。二十世纪理论物理的发展，和这种探险非 常相像。我们可不可以大胆地问一句：20世纪物理学的先驱们有没有可能一开始就找錯了入口？在碰到了基本困难以后，他们并没有思考是不是走错了路，而是一 味地追加假定，继续一步步地走下去，以至于越走离物理世界越远。如果说，在森林中探险的童子军迷了路，有可能找不到回头的路，那理论物理学家们的运气就好 得多。如果我们想重新试一条完全不同的路，只需要从头开始，从20世纪初的入口开始，看是不是会有不同的发现。
一旦摆脱了20世纪物理学的思想束缚，我们就可以提出更为自由，更爲彻底的一些问题。在此，我想提出一些猜想，供朋友们讨论：
1）将核力分为弱相互作用和强相互作用两个基本相互作用力是錯誤的。弱相互作用和强相互作用是同一种核相互作用力，只是反应速度不一样而已。正如燃烧和生锈都是氧化反应，只是反应速度不同。
2）“共振态”都不是基本粒子。能观测到的粒子只有质子，电子，中子和介子。光是电磁波，不是粒子。（请参看拙著“波粒二象性漫谈”。）其他几百号“基本粒子”都是理论本身的需要，不是真正的基本粒子。
3）中子是质子和电子的不稳定结合，并不是“基本粒子”，也不是“夸克”的组合。最基本的粒子是质子和电子。（介子的性质和作用尚待研究。）
4）Alpha粒子（氦核）是一种稳定性非常高的粒子，即使在核爆炸中也是稳定的。找出氦核稳定性和介子不稳定的原因，可能是揭开核物理秘密的关键一步。
还可以有更多的猜想，不过以上这四个猜想应该经得起时间的考验。
经过一个世纪的摸索，我们有足够的经历和教训总结一下理论物理一百年来的发展过程。理论上的问题足够严重，神学与星象学的思维对科学的渗透和创造论 的复活也足够彰显了。可以对理论物理进行比较认真的总结評估了。可以问问“量子场论的路线到底有没有走对”这样的问题了。理论已经走到完全脱离物理现实， 公然以创造论取代能量和质量守恒定律，以时间倒转取代因果律，以十维空间取代四维时空，以应用拓扑学取代严密的物理研究的程度，靠小修小补是不可能挣脱星 象学的枷锁，回到科学的道路上来的。物理学需要一场真正的复兴运动（renaissance）。
这是一件非常艰苦的历史使命，因为和20世纪理论物理交织在一起的，是整个物理学界的功过是非。是被一百年来的新的思想体系训导过的幾代人。抵制现代神学和现代星象学并不比抵制经典神学和星象学容易。
但是这场复兴运动一定会成功，因为有一个神学和星象学无法冲破的边界条件：现实世界。现代星象学可以暂时蒙骗所有的人，也可以永远地蒙骗一部分人， 但是不可能永远地蒙骗所有的人。如果你的“万能理论”“最终理论”永远不能，也永远不敢从草稿纸上拿到现实的世界来让实验直接检验，证实一下“万能理论” 的能耐，证实一下其作为“基础科学”的功能，那就早晚会随着云雾的消失而消失。
这场复兴运动一定会成功，因为万能理论家们为了制作皇帝的新衣或皇帝的新脑所开出的报价已经远远超过了社会经济能力所能承受的极限。
这场复兴运动一定会成功，还因为“万能理论”本身根本就没有一个统一的理论，即使折腾到11维空间的M-理论，自己也不知道到底能不能把五种相互竞 争的理论统一。数学已经复杂到连万能理论家们自己都要几百年才可能知道他们自己的理论到底是否收敛的程度。这样的理论不是任何意义上的科学理论，而是百无 一用的数学游戏。
但是，物理学的复兴不能光靠等待，它必须要靠物理学界的主动努力和坚持。这包括对理论物理困境的实事求是的承认，对物理学中的神学和星象学倾向的公 开宣战。对此，里奇特和格拉肖等学者作出了榜样。对于标准模型以前的理论，也不能畏疾忌医。要敢于承认错误，哪怕得过诺贝尔奖的工作也要重新审核。对于敢 于探索的新思想，应该开放言路。
物理复兴的很大希望寄托在年轻学者的身上。希望您们不要被所谓的“Shift of Paradigm”所嚇倒，对于违背科学原理和科学逻辑的星象学倾向敢于质疑。敢于跳出20世纪理论物理的条条框框。勇于探索。不要怕权威，不要赶“近 代”的时髦。科学的立足点在物理现实，不在耸人听闻的奇想。
我也希望物理学界的朋友們在科学的探索中，不要以拿诺贝尔奖作为奋斗目标。重整化是赢得了诺贝尔奖的工作，但是重整化是絕對经不起时间考验的，也是 不应该仿效的。如果以奖金作为奋斗目标，你就会去研究人家的奖金是如何拿到的，你就很可能会去继承他们的理论，模仿他们的思维逻辑和哲学。诺贝尔奖的评选 不是完全公平的。王淦昌和吴健雄的工作比许多赢得了诺贝尔奖的工作都重要。杨振宁对规范场理论的贡献比他对宇称不守恒工作的贡献要重要得多。可以说杨-米 尔斯场奠定了温伯格-萨拉姆模型的基础。所以，即使站在粒子物理標準模型的立場看，諾貝爾獎的評定也不是完全公平的。至於挑戰現存理論的工作，要想拿諾貝 爾獎是不可能的。諾貝爾評選委員會裏沒有一個反對大爆炸理論，如果你的工作是反對大爆炸宇宙學的，有希望拿獎嗎？无论是物理学家个人，还是一个国家，都不 应该把拿锦标作为目标。诺贝尔奖至少在两个方面对理论物理学的发展起到了负面作用。其一，他给物理学界立下了一条不成文法，似乎一个工作一旦拿了诺贝尔 奖，就板上钉钉，不容置疑，成了定论了。其二，诺贝尔奖刺激物理学家们越来越追求奇想。超对称，超弦和宇宙学上的膨胀理论等等都是受这种感召应运而生的怪 论。
希望朋友们记住我们对科学和对后代的责任感和使命感：復興物理學，保護後代。這是多麽神聖而偉大的責任啊！和物理學的復興相比，世界上所有的名利都只是過眼雲煙。忘却世俗的追求，物理学的复兴有赖于吾侪不懈的努力与奋斗。

引力时空是弯曲的吗？
王令隽

Wang, Ling Jun

近代物理的诸多革命性的理论中，最为令人费解而感到莫测高深的概念之一，是引力时空弯曲的概念。

我把“引力时空弯曲”叫做“概念”而不是“理论”，是因为没有一个系统的理论证明这一概念。

这可能会让读者们感到惶惑：难道爱因斯坦的广义相对论不是一个证明这一概念的系统理论吗？广义相对论的数学基础是黎曼几何 — 曲面几何。爱因斯坦的引力场方程就是：爱因斯坦张量正比于能动量张量。而爱因斯坦张量就是从时空曲率张量收缩而成的。既然引力作用可以用黎曼空间中的场方程完全表述，那么就可以认为引力本质上是几何。难道这还不能说明引力时空是弯曲的吗？

不能。在探讨这个问题之先，我要特别说明，以下的讨论不挑战爱因斯坦引力场方程的正确性（当然也不确认它的正确性）。即是说，引力时空是否弯曲的概念和爱因斯坦引力场方程是否正确是完全不相关的两个问题。即使爱因斯坦引力场方程成立，也并不能证明引力时空是弯曲的。

一。运动轨迹的弯曲不意味着时空的弯曲

物体的运动轨迹可以是直线，也可以是曲线。垂直落下的物体的运动轨迹是一条直线；炮弹的运动轨迹是抛物线，行星的运动轨迹是圆或椭圆。描绘这些不同的曲线方程就是运动方程 – 规定某一物体所在的时空坐标关系的方程。显然，运动方程式中所规定的时空关系仅仅是某一物体可能经过的时空坐标点的关系，而不影响整个宇宙的时空结构。一只蝴蝶在空中翻飞，他所经过的时空坐标构成非常复杂而美丽的曲线，但这决不意味着整个世界的时空被这只蝴蝶搞弯曲了。这只蝴蝶可能自己觉得天翻地覆，如果宇宙间只有这只蝴蝶并且它服膺时空弯曲论，它也许可以认为时空的结构不仅是弯曲的而且时空还会翻跟斗玩杂技。可是宇宙间除了这只蝴蝶外还有追逐他的螳螂，黄雀和其他万事万物。这时空是大家的而不是蝴蝶那厮可以独占的，时空结构岂可由它一言而断曲直？

在经典力学里，运动方程就是牛顿第二定律。万有引力场中的运动方程规定了物体的运动轨迹必须是圆锥曲线。其中最简单的就是圆。地球的运动轨道就差不多是围绕太阳的一个圆。因为圆的曲率是半径的倒数，所以地球的运动方程可以表述为：地球的加速度和圆周轨道的曲率的平方成正比。这样的表述就把引力描述成了某种空间的几何特性。但是这种几何特性只属于行星的轨道，和宇宙空间的性质毫不相干。高能的宇宙射线中的带电粒子穿越太阳系，它的轨道可以是直线，双曲线或抛物线，它所感受到的时空性质和地球的轨道曲率毫无关系。所以，地球的运动方程的空间性质和轨道的弯曲决不意味着宇宙空间的弯曲。还是那句话，时空是大家的，不是只属于地球的。

如果我们选择以太阳为中心的球面坐标系而不是笛卡儿坐标系，则地球和其他行星的运动方程可以表述为：太阳系中的任何物体的加速度和它所在的球坐标面的曲率的平方成正比。这样，可不可以把引力看成是空间本身的某种几何性质呢？

不可以！我们选择球面坐标系，只是选择了一种较为方便的坐标系统，并没有改变空间的性质。我们同样可以选择笛卡儿坐标系来有效地描述行星的运动。难道空间的曲直会取决于我们对坐标系的选择？这符合相对性原理吗？天文学家几百年前就开始用球面坐标系来描述天体的运动，从来没有人认为一旦采用了球面坐标，宇宙空间就弯曲了。

加速度是位移矢量对时间的二阶导数，所以引力场中物体的运动方程又可以表述为：地球的位移矢量对时间的二阶导数和圆周轨道的曲率的平方成正比。这种表述更符合相对论理论的张量语言。但并没有改变问题的物理实质，也不能改变宇宙的时空性质。

其实，除了引力场中的物体运动方程可以用几何语言来表述，其他运动方程也可以用几何语言表述。比如说，圆周运动不一定非要引力不可。汽车轮子，机器的飞轮，田径运动员的铁饼，骑摩托车飞檐走壁的杂技演员，围绕原子核旋转的电子等等的圆周运动都不是因引力造成的。用上述几何语言，圆周运动的方程可以表述为：位移矢量对时间的二阶导数和圆周轨道的曲率成正比，同时又和位移矢量对时间的一阶导数的平方成正比。注意这里不涉及任何万有引力常数或质量之类的东西，是完完全全的几何关系，而且适用于所有圆周运动。这种普适的几何关系甚至和长度与时间单位的选择无关。但是这种普适的圆周运动方程的几何表述丝毫不影响宇宙空间的平坦，均匀，各向同性的物理性质，丝毫不能使空间弯曲。因为这种几何关系所规定的，仅仅是某物体的运动轨迹的几何特性，而不是整个空间的几何特性。

有了对经典运动方程中的空间和时间变量的物理意义的正确理解，就不难理解广义相对论中运动方程的物理意义。在广义相对论中，运动方程就是黎曼空间中的短程线方程。这一短程线方程中的空间和时间变量只是受引力作用的物体所能经历的空间和时间坐标，而不是整个宇宙的空间和时间。短程线方程规定的时间和空间坐标的关系，只描述物体运动轨迹的几何性质，不描述宇宙空间的几何性质。这一点, 在弱引力场下对短程线作线性近似以后就看得更加清楚。此时短程线方程就直接过渡到经典的牛顿定律和运动方程。所以，广义相对论中的运动方程由黎曼空间的短程线方程描述，并不意味着宇宙空间是弯曲的，而最多只意味着某物体在引力下的运动轨迹可能是弯曲的。

二。引力场方程本质上是运动方程的不同表述

人们相信引力使时空弯曲的另一个原因，是爱因斯坦的引力场方程中的爱因斯坦张量是由时空曲率张量收缩而成。这使爱因斯坦认为能动量张量造成了时空的弯曲，而时空的弯曲造成引力。这一观点很快被许多人接受而成为广义相对论理论界的流行看法。

爱因斯坦在建立场方程时，应该是从“能动量使空间弯曲”的猜想中得到灵感的。他根据这一猜想建立了广义相对论的引力场方程，这自然使人们相信引力使时空弯曲。从科学史和人文传记的角度看，这种猜想被接受是可以理解的。但从科学理论的严密性来考量，某种猜想或概念是否正确，不能仅看某一理论或观念形成的思想史，不能光看爱因斯坦从什么思想得到灵感，而要分析这一理论的物理意义。爱因斯坦有许多异乎寻常的思想，但不一定都对。有些被他自己否定了，比如万有斥力和宇宙项；有些被学界和它自己一起抛弃了，比如他的宇宙模型。为了了解爱因斯坦引力场方程的物理意义，我们还是从经典场论开始。

一个引力场既可以用场强来描述，也可以用它在空间各点的势能分布来描述。但这两种描述是等价的，同样有效的。场强是矢量，而势是标量。标量的数学处理通常比矢量的处理简单方便得多。所以只要有可能，我们通常先求得势。有了势，算出它的负梯度就是场强。算梯度是做微分，计算非常直截了当。

点质量或点电荷（或均匀的球形质量或球形电荷）的引力场或静电场十分简单，空间任何一点的势和从该点到球心的距离成反比。点质量或点电荷的等位面（或等势面）就是以其为中心的同心圆。如果用几何语言，我们可以说点质量或点电荷的等位面上的势和该等位面的曲率成正比。这种曲率并不是宇宙空间的属性，而只是等位面的属性。等位面的弯曲并不意味着空间的弯曲。我们在建立势的理论时是以一个平坦的刚性的均匀的各向同性的空间为前提的。描述势的空间分布的场方程和描述场强的空间分布的方程都能得到同样的运动方程，所以他们都是等效的。

如果质量或电荷不是静止的，而是随时间变动的，则场强的分布和势的分布会随时间而变动。等位面也会随时间而变动，形成波向外传播。因此，等位面的形状和位置会随时间而改变，移动。但是，这种变化并不是说整个空间在波动，在变化。描述真空中波动方程的前提也是一个平坦的刚性的均匀的各向同性的空间。

描述电磁场的理论非常成熟，非常精确。电磁场的场方程就是麦克斯韦的电磁场方程。波动方程既可以通过场强来描述，也可以通过标量电位和矢量磁势来描述。不同的数学表述方法并不改变它们所描述的同一物理现象。场方程和运动方程描述的是本质上同样的现象。这些方程中的空间和时间变量所代表的，都只是质量或电荷在引力场或电磁场中的运动轨迹的时空关系；或场强和势的空间分布和时变特性，根本不是宇宙时空的几何特性。

爱因斯坦的引力场方程中的时间和空间变量也是描述引力场的势的空间分布和时变特性的参数。这一点，在爱因斯坦场方程的线性近似中看的十分清楚：引力场的时空度规元素中的引力修正量h在线性近似下过渡到经典的引力势。爱因斯坦场方程中规定的时空关系和曲面几何特性，可以联系于等位面的弯曲的几何特性和时变特性，但不是宇宙时空的几何特性。

有人会说，这只不过是一个观点问题。你可以认为时空是平坦的，弯曲的只是场强曲线和等位面；我也可以认为弯曲的是时间和空间本身。比如地球的圆周轨道，既可以认为是平坦空间中的曲线，也可以认为是弯曲的球面空间中的“直线”（短程线）。两种不同的观点得到的数学结果是一样的。既然引力作用可以用黎曼空间中的场方程完全表述，那么就可以认为时空是弯曲的，引力本质上是几何。

这种看法经不起逻辑推敲。我们还必须认识到，时间和空间是属于宇宙间的一切自然现象的，而不是仅仅属于引力场的。在同一时空中，既有引力作用，也有电磁作用和核作用。让我们考虑一个很普通而又极简单的情形：在引力场中的电磁波。引力场由爱因斯坦场方程描述，电磁波由麦克斯韦场方程描述。爱因斯坦场方程的度规张量是弯曲的，而麦克斯韦方程的度规张量是平坦的闵可夫斯基度规。那时空到底是听爱因斯坦的还是听麦克斯韦的？在决定公共的时空特性时，我们有什么理由赋予引力作用以独断专行的特权，而令所有其他作用力处于听命的被奴役的地位？

麦克斯韦方程组中的时间和空间变量是经典的平坦时空，麦克斯韦的经典电动力学是经过无数宏观实验和工程实践检验过，现在还每日每时被检验的不容置疑的理论。如果时间和空间被弯曲了，则整个麦克斯韦方程组都要被扭曲了。即是说，时空弯曲的理论本质上决定了引力和其他作用力的耦合，而且这种耦合是单向的。质量使时空弯曲的理论是对电磁理论和核理论的根本修正。到现在为止，我们没有找到万有引力和其他相互作用力耦合的任何证据。把引力和其他相互作用统一的理论尝试也是失败的。万有引力是我们知道的所有作用力中最弱的一种。以万有引力相互作用而决定整个空间的曲直而左右其他作用力，不仅霸道，也太不自量力。

综上所述，虽然爱因斯坦张量是由时空曲率张量收缩而成，并根据此一张量建立引力场方程，但是爱因斯坦引力场方程本质上和运动方程一样，描述的仍然是引力场中的物体运动的轨迹和引力场结构。这些方程中的时间和空间关系，规定的是引力场中物体的运动轨迹，场强曲线和等位面的几何特性，而不是整个宇宙空间的特性。

三。时空弯曲的概念不是从黎曼几何推导出来的

如果爱因斯坦场方程仅仅是对牛顿引力方程的修正，其意义便不足以惊天动地。要建立一个伟大的理论，做出一些伟大的预言，必须往场方程里注入一些新的概念，新的假设。这里最重要的概念或假设，就是将引力场中的时间定义为时空间隔ds. 这一概念是从狭义相对论中直接“推广”而来。所以爱因斯坦的引力理论又叫做广义相对论。要注意的是，这种相对论的时间概念不是从爱因斯坦的引力场方程或黎曼几何中推导出来的，而是从狭义相对论的概念推广而来，从外面注入引力场理论的。

即使广义相对论最坚定的支持者也知道，爱因斯坦场方程的黎曼几何表述和运动方程的短程线表述，并不是时空弯曲的直接证明。比如，奥哈尼安（Hans Ohanian）在他的“Gravitation and Spacetime （1976年版）”一书中就强调，光线在引力场中的弯曲和引力场中的时间延缓才是时空弯曲的直接证据(Direct Evidence)。这一说法有些道理，因为这两个预言如果被实验证实，至少可以说明因为引力的存在影响电磁波的传播，因此可以说，麦克斯韦方程组受到了影响。

值得特别强调的是，奥哈尼安这里所说的，也仅仅是证据(Evidence)，而不是证明(Proof)。因为在数理逻辑上，爱因斯坦场方程既不能得到引力使光线弯曲的结果，也不能得到引力使时间延缓的结论。要得到这两个结论，需要外加几个假定：一）爱因斯坦引力场方程适用于电磁场；二）引力场方程中的物体的动量适用于电磁场的动量；三）引力场中的时间间隔的量度不是时间变量的微分dt，而是时空间隔的微分ds，而时空间隔是由四维时空矢量与度规张量的内积收缩而成，既包含时间微分dt，也包含空间微分dx。这一时空间隔ds 定义为“固有时间”(Proper time)。这些假定不能从黎曼几何或者爱因斯坦引力场方程中“推导”出来，而只能被“定义”，被“引进”来，与爱因斯坦场方程一起构成广义相对论的主要内容。如果这些假定成立，则光线会被引力弯曲，时间会被引力延缓；如果这些假定不成立，或引力不存在，光线也可能会被其他因素弯曲，时间也可能被狭义相对论效应延缓。所以即使测量到了引力场中光线的弯曲和时间的延缓，也只能作为广义相对论的“证据”而不是“证明”，更不能作为时空弯曲的“证明”。

对于第一个假定的实验检验是光线在引力场中的弯曲。爱丁顿的实验因此成了使广义相对论得到学界承认的历史性实验。但是这个实验是极不可靠的，因为光线掠过太阳表面会被一万公里厚的，呈球面弯曲的，密度不均匀的，非常活跃的色球面和日冕所折射而弯曲。根据实验物理的原则，要得到光线因引力而弯曲的实验证据，至少应该在总的观测数据中减除因为色球和日冕折射而造成的弯曲并剔除其他可能的原因，或者找一个没有外层大气的天体（比如月亮）来做实验。否则这种所谓的“实验证据”就是假的。爱丁顿的成名其实是媒体炒作的结果。

至于第二个假定，是爱因斯坦从狭义相对论中时间的相对性推广而来的。狭义相对论中的时间相对性会导致“钟佯谬”，因而可以通过逻辑证伪（细节请参看拙作“检验钟佯谬的对称试验””Symmetrical Experiments to Test Clock Paradox”, Ling Jun Wang, Physics and Modern Topics in Mechanical and Electrical Engineering, p 45, Ed., Nikos Mastorakis, World Scientific and Engineering Society Press, ISBN: 960- 8052-10-6, July 1999.）。广义相对论的时间的相对性却不容易用逻辑来证伪，因为有引力的情形和没有引力的情形是不对称的，不可互易的。狭义相对论中，坐标系的运动是相对的，因而时间的延缓也是相对的；但在广义相对论中，引力的存在与否却不是相对的，而是绝对的，所以时间的延缓也是绝对的而不是相对的。这就使逻辑证伪比较困难，而实验检验变得异常重要了。

检验引力使时间延缓的最重要，也是最直接的实验是美国海军研究所的Hafele 和Keating 于1972年进行的原子钟环球实验。他们用飞机装上四个铯原子钟在约十公里的高度向东西两个方向飞行，然后比较这几个原子钟和地上的原子钟的快慢。因为这一实验涉及到因飞机运动造成的时间延缓和引力延缓的叠加，因此不能算是引力延缓的独立实验。另一方面，他们所使用的实验设备的精度根本不可能测量到如此小的时间延缓（在毫微秒的数量级）。 同时，他们用了特别的数据处理方法以凑出所期待的结果。对此我在“检验钟佯谬的对称试验”一文中有详尽的分析。

还有一种测量引力使时间延缓的方法，就是测量引力红移。理论计算表明，太阳的引力应该使太阳表面的原子谱线的频率比无穷远处的原子频谱的频率低大约百万分之二。这样大的引力红移应该是比较容易测量的，因为频谱分析是最为精确的实验测量手段之一。可是当人们认真地进行测量时，发现测量到的谱线红移和理论预言不符。于是人们解释说，这是因为在太阳的大气层里有强烈的气流，而气流中的分子的运动会因多普勒效应造成谱线红移。这种多普勒红移把引力红移掩盖了。不难想象，如果爱丁顿的太阳引力使光线弯曲的实验得不到他所预期的结果，他同样会解释为由于太阳色球面和日冕的折射而把引力效应掩盖了。后来，J.W Brault 和J.L. Snider 分别于1962年和1972年测量到了与理论期望相近的太阳红移数值，于是人们就认为这些数据是可靠的。至于太阳的大气层里的气流分子的运动的多普勒效应造成的谱线红移，当然就不得不被排除在外了。理由吗，找起来也方便，据说是因为这些钠和钾的谱线来自于光球面之外！这有点匪夷所思，因为“光球面”的定义就是太阳上发光的球面。光球面以外的部分是不发光的，怎么会有谱线呢？由此可见这一类实验解释的任意性，以及人们对待实验结果的选择性标准。一旦一个理论成为了流行的权威性理论，凡是印证它的实验都会被认为是可靠的实验证据，而和权威理论相悖的实验结果就会被认为是不可靠的。也因为如此，绝大多数科学家都知道厉害，凡是与权威理论不符合的结果索性不发表，以免影响到科研经费来源和学术名声。这样一来，支持权威理论的数据就越来越多，反面的数据即使不被驳倒也会被统计淹死。所以教科书上要列举一些支持理论的实验数据实在是太容易了。要揭露这些实验的错误，是非常吃力不讨好的事。只有你的分析无懈可击才有可能发表。有问题的实验实在太多了，你也驳不过来。经过了1958年大跃进运动的同胞们对这种情形应该非常熟悉。

其实要真想测量引力延缓，不必用飞机，只要在不同高度的实验室里放上一些原子钟，然后测量他们的时间差。因为这些钟都是静止的，所以不存在狭义相对论的时间延缓问题，因而是测量引力延缓的独立试验。另一方面，因为不用飞机，实验时间没有限制，可以通过长时间的积分增加信号。实验室的环境与稳定性控制也比飞机上要容易得多。中国的西康地区，峨眉山，华山，台湾的玉山等等，都可以进行这种实验测量。其实，在月亮上放置几个太阳能原子钟，也可以进行类似测量。欢迎有兴趣的朋友和我联系，讨论这一实验的技术细节。

如果测量到了引力对原子钟快慢的影响，是否就意味着证实了，或间接印证了时空的弯曲？否！举个例子来说吧。以单摆控制快慢的钟的周期和引力加速度的平方成反比。同一个单摆钟放到月亮上，周期要延长到相当于地球上的周期的两倍半，所以登月运动员的步行动作有点像快镜头慢动作电影。但这并不意味着时空的弯曲。原子中的物理过程好像不应该受引力影响，但是原子钟毕竟是一台相当大的设备，其运行不仅取决于原子过程，也取决于其他附件的性能。我们无法排除这些因素受引力影响的可能性。举个例子，电子振荡器的固有频率决定于电感和电容，但是漏电阻和负载电阻会改变这一“固有频率”。没有阻尼的振荡电路是没有的。这种阻尼的量度叫作“品质因数”。石英振荡器的频率稳定，就是因为品质因素高，而原子钟的品质因素更高。但只要有负荷，品质因素就不可能无穷大，频率就有可能受外界条件影响。这种影响造成的钟表的固有频率的变化不能证明引力使时间延缓。

四。非欧几何的背景是平坦时空中的曲线坐标系

相信时空弯曲的朋友们还忘记了一个基本事实：所有曲面几何中的公式和方程式的推导与证明，都是在一个均匀平坦的欧几里得空间中得到的。也就是说，均匀的平坦的欧几里得空间是曲面几何的背景与本地。曲面几何只不过是用弯曲的坐标系代替平直正交的笛卡儿坐标系来描述同一个几何体，他并不改变空间本身的几何特性。球面坐标系和柱面坐标系被科学家用了几百年了，黎曼早在1854年就提出了黎曼几何，但是这种新的几何学不要求，也不意味着空间的弯曲。整个黎曼几何的演绎和推理，都以一个均匀平坦的欧几里得本底空间的存在为依据，否则，新的几何中的任何关系都不可能成立。

如果不相信，朋友们可以试试推导一下黎曼几何中最基本的一些关系，比如协变微分，度规联络，短程线方程和曲率等等。如果不假定一个均匀平坦的欧几里得空间的存在，能导出这些关系式吗？所谓短程线，就是长度最短的线段，如果没有欧几里德几何对长度的定义，如何计算曲线的长度和积分？如果没有欧几里得几何对曲线微分和高阶导数的定义，如何定义并计算曲率？又比如大家都知道的，球面上的三角形的内角之和大于180度。曲面上的角度如何定义呢？定义为两个相交的大圆的切线之间的夹角。而这切线，就是欧几里得空间的直线。如果 没有一个均匀平坦的刚性的欧几里得空间作为本底，任何曲面几何都将寸步难行。

从逻辑上讲，所谓弯曲，是相对于平坦而言。如果没有平坦空间，如何定义弯曲空间？时空弯曲论者认为，没有引力的时空才是平坦的。可是我们知道整个宇宙中都存在引力，事实上引力的存在是宇宙学的基本前提之一。那么按照时空弯曲论，宇宙间根本就不存在平坦时空。既然如此，所谓的“弯曲”，就完全失去了现实的比较标准。

五。均匀的时间是一种数学极限

时间相对论者们为时间的相对性辩护的最得意的武器之一就是坚持任何科学上的钟都不能用来作为量度时间的仪器，时间只能用他们设计的“光子反射钟”和“几何动力钟”来量度。“光子反射钟”是达尔文（C.G. Darwin，不是那个进化论的发明者）为了解释钟佯谬于1957提出来的。他认为时间的测量必须通过不同的观测者之间互相发送和接收光线来实现。这种假想的理论钟不仅根本无法实现，而且在理论和逻辑上也站不住脚，因为它导致时钟的快慢与速度的方向有关 – 相互离开的速度使时间延缓，相互靠近的速度使时间加快。这完全违背狭义相对论。尽管如此，许多教科书上仍然大大方方地抄袭达尔文的这一辩解。他的这种“光子反射钟”机制被有些理论家们应用到广义相对论的时间测量。1964年，马兹克（R.F. Marzke）和惠勒（J.A. Wheeler）设计了一种理论的“几何动力钟”（geometrodynamic clock），就采用这种光线发收机制。只是因为在引力场中，不存在任何惯性参照系，因此任何一个参照系都没有一个共同的时间！所以，这种想象的“几何动力钟”不仅有一个不断校对时钟同步的问题，而且还有一个不断校准快慢的问题。引力场中的时间都是定域的（local）而不是全域的（global），这就造成整个“几何动力钟”概念的根本性混乱。这种校准还需要比光速还快的，理论上无穷快的某种信号才得以实现。就连他们自己也知道，这种假想的“几何动力钟”是一个“永远无法实现的理论家的梦想”。

所谓的“光子反射钟”和“几何动力钟”的发明者强加于物理学界的概念是，只有他们的假想钟才能用来测量时间，其他一切实际钟表的测量都不算数。他们要在相对论讨论中完全取消任何实际钟的资格。他们是要用钟表的精度问题来否认这样一个事实：理论上的时间可以被各种不同的自然过程来测量，而且可以被越来越精确的实际钟表逐渐逼近。

因为时间和空间为所有自然过程所共有，它也就可以为不同的自然过程来量度，来互相印证。而这，也就是时间和空间的本质。时间的均匀性和绝对性也只有在这样的互相印证和逐渐逼近中才能体现。时间可以通过天体的运行，动植物的寿命，单摆的周期，电子振荡器或原子振荡的频率，放射性同位素的自然衰变，山石的风化，铁管的氧化程度，美国总统换届的次数，等等等等，来共同测定。这些不同的过程各有优劣，互为短长。比如说，摆钟和电子表方便适用，原子钟准确但不方便，这些钟表不适用于测量漫长的过程如古尸的年代鉴定和地质结构的断代，只有同位素的衰变能测量这种漫长的过程。但是这种“同位素钟”不太准确。既准确又稳定，能够测量这样漫长的过程的钟表是天体的运行。但天体钟没有小刻度，不能用来量度短时间和快过程。人的衰老过程，并不是很精确的过程，可是他在揭示钟佯谬的逻辑矛盾，确立时间的客观本质上却起到了其他钟表无法替代的作用。这些不同的过程的测量精度各不一样，但并不妨碍他们所量度的时间的真实性和公共性。真实性和准确度不是同一个概念。科学上所有的测量都有误差，都不可能绝对精确。如果因为测量误差而否认真实性，那实验科学上的所有测量就没有一个是真实的。

测量误差和真实性如何统一呢？在于无限逼近。无限逼近是微积分和近代数学的基础。不能掌握数学极限的概念的人就无法入微积分的门。也就不能理解曲线的斜率，曲率，短程线，面积和体积的积分，密度，速度，加速度，矢量场的梯度，散度和旋度等概念。这些数学量和物理量的真实存在是不容置疑的，可是却无法绝对精确地测量。实验仪器和电脑的数值计算永远无法精确测量或计算微分，只能得到近似的差分。有些极简单的数学概念，比如点，直线和平面，现实中就无法找到，只能通过数学极限的概念来把握。现实中不存在真正的平面，但这并不能否认数学平面的真实性。人们可以通过平整的木板，墙壁，镜面，页岩和石英的断面，盆里的水面和平静的湖水等等来抽象出一个理论上绝对平坦的数学平面。同样，现实中的直线不是绝对的直。即使莱塞光也会因媒质的不均匀而弯曲。但是人们可以通过桌椅的边，直尺，木工的拉线，步枪的瞄准线，莱塞的光线等等来逼近理论上的直线，也可以想象两个抽象的数学平面的相交线来把握绝对的直线的真实性。物理世界的点都是有尺寸的，而数学上的点是无穷小的。总之，实验测量与理论极限的差别不能成为否认这些数学物理量的真实性的理由。

时间又何尚不是如此。为所有自然过程所共有的均匀的单向时间是我们通过诸多物理，化学，生物，历史等等过程来测量来把握的。因为我们有许多测量时间的方法，这就使得许多逻辑诡辩无可逃遁。这是时间的相对论者要排除所有实际的钟表，而代之以他们的假想的无法实现的钟表的真正原因。质言之，他们就是要用可以逃避实践检验的理论和仪器来取代可以通过实践来检验的理论和科学仪器，因为他们的理论和假想仪器经不起实践和逻辑的检验。

田林科学沙龙蛇年首次例会，3月3日在田林八村15号会议室进行。出席会议的有：殷业、胡素辉、张操、金尚年、杨文熊、季灏、朱永强、孙福民、庄一龙、毛明义、胡昌伟、张炳钰、杨杏耀、王家骅、吴东敏、李艳红、屠迪。另有费伦、吴林根、肖志佩、王锡文、冯建明等请假。田林八九十村居委会为我们准备了茶叶、茶杯和电茶壶，陈佩玲副书记亲自给我们照相。
吴东敏老师向沙龙捐献1000元。
会议于上午9点开始，由殷老师主持。
殷业：见到大家身体健康，非常高兴。今天会议的主题是：蛇年科研打算。请大家都来畅谈。去年，我发表了6篇学术论文，申请了10项专利，其中2项实用新型专利已授权。今年，我的个人目标是不低于去年的成绩。有关我们沙龙方面，我们要学习王通钦老师热心青少年科普事业的精神，继承他的遗愿，把他开创的科普工作继续下去。在亲子科技活动方面，可以与李艳红老师他们互动。我们与朱永强老师等合作搞太赫兹波的研究已经启动，走访了一些单位。也打算与张操老师合作进行卡文迪许实验等。
张操：今年，我要做的主要是两个方面。1、科普，我去年出的PK《时间简史》的科普书叫好不叫座，需要进一步宣传。我已经加入了市里组织的专家组，将走进中学，作科普讲座。2、复旦大学已经聘请我为教授，给研究生讲课。我于2011年出版的《物理时空理论探讨》一书，将是我讲课的基本教材。
庄一龙：今年一月，“科技文摘报”刊登了对我的报道“庄一龙：向权威挑战——‘斥粒子’理论建立物理学新体系”；刚出版的《中国高校科技》也刊登了对我的报道“庄一龙：潜心科研，精勤探索”。我的斥粒子理论，可以解答精细结构常数等物理学实际问题，因此引起了人们的关注。不过，我的身体，如视力等，有些问题，力不从心。
孙福民：我支持张操教授对现代宇宙学的批判。现代宇宙学已经走上了神学、玄学的轨道。他们把红移只看作多普勒红移，而实际上还有引力红移、衰减红移等等。物理学需要数学，但有人把数学提到了无穷的高度。我们应该下功夫将宇宙学、相对论的是是非非搞清楚。
季灏：最近，我与梅晓春一起去北京看了一个新的激光试验。还参加了北京相对论研究联谊会的第155届卢鹤绂论坛。出席论坛的有二位北京科技文摘报的记者，他们采访了我，有关报道将会刊出。吴水清会长和张崇安他们准备在太原搞“第5届民间科学大会”。我自己打算给何祚庥写一封信，针对他为院士兼职叫好和说“中医是伪科学”进行驳斥。
杨文熊：我们要下决心，配合实现中国梦，实实在在做几项大事。我今年80岁，打算从新开始，再搞20年。2011年，我写了一本书《现代牛顿力学》，将牛顿、爱因斯坦理论不足的地方补了上去。在这基础上，我又提出了二个定理，对此我很自信，认为它们将是检验力学定律的“试金石”。事物是一分为三的，1948年“控制论”诞生，后被钱学森发展为工程控制论；我提出了“驻扎论”；应该还有一个最基本的理论，有兴趣的老师可以共同探讨。
吴东敏：今天，我是第一次参加科学沙龙活动，感到相当荣幸。前年，我出了一本书〈宇宙的真谛〉，同年7月，《中国科技财富》杂志以“揭开宇宙的奥秘”为题对我的书作了报道。在这本书中，我首先列出了42个挑战性的物理学疑难问题，然后首创性地提出“两种基本粒子，三种基本物质结构”的理论学说，来解释一系列物理难题，揭示了宇宙的秘密。
会议开始前，吴东敏老师的书已经分发给与会者，张操老师请大家对此书的观点提出看法。季灏、庄一龙、杨文熊、殷业、胡素辉等位老师先后谈了各自的见解。
胡昌伟：今天在座的多数是老人，但大家都不服老，不少人还牛气冲天。还有一位很牛的长者，费伦老师，他80多了，正在大展宏图。上月，他与江西中医药大学谈成了全面合作的协议，内容包括临床试验、科研、教学、产品开发等。昨天下午，他在上汽集团作报告；今天动身飞北京、沈阳作报告；并准备去东北大学的设计、加工中心谈合作，以使他们今后开发的产品工艺能够与国际接轨。他还将与殷业老师和复旦大学遗传所等合作研究DNA和RNA之间的信息作用过程。
毛明义：我赞同季老师的观点“没有一个实验可以证明相对论的成立。”我计算了许多虚拟实例，都得不出相对论所说的结果。我的看法是：伽利略变换是二个空间之间的变换；而洛伦兹变换是空间和时空之间的变换。希望大家能够与我一起分析。
王家骅：春节期间，我与方老师通了电话，他在海南的五指山地区休养，身体好多了。在这里，环境好是个因素，吴林根老师的药方管用也起了作用。吴林根老师的药方对降血糖、降血脂都有效，他已经治愈了630余人，值得整理、推广。
金尚年：我建议以科学沙龙的集体名义写文章，确定主题后，感兴趣的都可参加。
殷业：这件事可以马上着手做。
胡素辉：我们大都退休了，没有什么可顾虑的。步子跨得大一些，做实事、说真话，干些有意义的事。认定了的事，我们要干到底，乐在其中。
屠迪：二战结束，美、苏占领德国，苏联抢机器；美国抢人才。事实表明：软件比硬件重要。基础很要紧，我们沙龙大有前途。物理学应该以“物”为本，解释引力、量子性等等都要有物质基础。我赞同“越是基本的，越应该简单”的说法。我的“双环论”是简单、明了的。
杨杏耀：我们不要说：相对论错了。而应该说有那些新的发现，讲具体的事实，对、错让别人评说。
李艳红：对于青少年科技活动，要让他们动脑、动手，激励他们的好奇心，对科学入迷，将科学精神的种子植入他们的心里。
会议期间，殷业、胡昌伟与陈佩玲副书记商谈了承接王通钦老师工作的有关事宜。

胡昌伟整理