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第241篇 道家哲学置疑基本粒子是“弦” 一、霍金置疑的正确和不足 霍金的置疑简言之：1、人类及其实验设备都是四维的，不可能观测多达10、11维的时空，所以弦、膜论难以验证，只能想象。 2、虽然开弦、闭弦、P膜的不同振动、变动、运动就可能产生出各种性质不同、形式不同的基本粒子，但弦和膜的品种太多了，没有一种比另一种更基本，从而使简化基本粒子理论成为空议论，是做不到的。 3、加之，弦、膜理论是孤论，没有旁证证明它正确。 我们认为，霍金的以上置疑是正确的，但霍金的不足是没有对弦论基础的、根本的、要害的问题进行置疑。那么，什么是弦论基础的、根本的、要害的问题呢？ 我们认为弦论基础的、根本的、要害的问题就是： 基本粒子是“弦” 以下将从道家哲学的新视角对基本粒子是“弦”予以置疑，让我们踏踏实实地从最基本的问题出发，开始进行思考。 二、点在物理学中的地位 线是一维的，点是线的基本元素。面是二维的，虽然线是面的元素，但点是面的基本元素。空间是三维的，虽然线和面是空间的元素，但点是空间的基本元素。线、面、空间共同的基本的元素就是点，这就是点的地位，当然这是从几何学的角度来看。 从四维物理时空（空间三维，时间一维）来看，早期的基本粒子理论认为基本粒子是零维的“点”状粒子。这种观点不论从物理学角度、还是从几何学角度、以及从道家哲学角度来看，都是正确的。因为，认为基本粒子是零维的“点”状粒子，就意味着把点状的基本粒子看成是下一级时空的代表。如果在下一级时空之中，将该基本粒子予以展开，那才是一粒砂一个世界，一朵花一个天国。 所以道家哲学认为，0维的点就是道家哲学所说的“0”处，它是从有到无的消失之尾，也是从无到有的再现之首，它是到另一时空的可能通道，也许就是理论物理所说的“虫洞”。 三、弦、膜是基本的吗？ 在三维空间，面表示二维，线表示一维，点表示0维。在弦论中，闭合的弦是两维的，P膜是两维的，闭弦的扭转、闭弦的旋转、P膜的卷曲、P膜的旋转、等等，则是三维的。开弦、闭弦、膜的不同振动、变动、运动就可能产生出各种性质不同、形式不同的基本粒子。但是，人们会自然而然地发问： 1、闭旋中的线段是什么物理意义？ 2、难道闭旋中的线段不是更基本的吗？为什么不是？ 3、闭旋中的点是什么物理意义？ 4、难道闭旋中的点不是更基本吗？为什么不是？ 5、在弦论中，线段和弦有什么物理关系？ 6、在弦论中，点和线段有什么物理关系？点和弦又有什么物理关系？ 7、在两维的P膜中，线段、点与膜有什么样的物理关系？ 8、在膜论中，线段是不是更基本呢？为什么不是？ 9、在膜论中，点是不是更基本呢？为什么不是？ 10、弦论、膜论遵守时空量子化吗？ ……………… 如此等等，就这样，人们可以提出许许多多的深入一些的、并非刁难的基本的问题。但这些基本问题，在弦论、膜论中找不到答案。 我们认为，在现实的四维时空中，若将基本粒子由点论展开为弦论或膜论，不是简化基本粒子理论的正确方法。 须知，在现实的四维时空中，假如能够把基本粒子由点展开为弦或膜的话，那它将不是基本粒子了，因为展开基本粒子是下一级时空的事。 在现实的四维时空中，不论是从物理学角度、还是从几何学角度、以及从道家哲学角度来看，基本粒子是零维的“点”状粒子，这应是唯一正确的、简单的、合乎逻辑的观点。弦论、膜论的近四十年无有结果自是必然。 第242篇 置疑之二:电子是“弦”吗? 在上一篇文章中，道家哲学对基本粒子是“弦”表达了一般性的置疑，这是不够的。本篇将联系实际，举例讨论具体而细致的问题，即电子是不是“弦”的问题。 一、电子是公认的基本粒子 从上世纪四十年代开始，六十年来，在基本粒子的实验研究中，先后发现了许许多多的基本粒子，加上之前发现的，总共可分为如下三类： 1、轻子类：包括光子、电子、等等。光子的静止质量为0，其运动质量比电子的静止质量，则可大可小，随光子的频率不同而异。（注：未包括负粒子） 2、介子类：先后发现多种形式的介子，其特点是不稳定，存在时间约为10—6～10—23秒。介子的质量不同，为电子的几百倍～一千倍，或更高。由于介子数量很多，所以称之为介子族，排列成介子谱。（注：未包括负粒子） 介子数量太多，怎样规范呢？深入的研究表明，各种介子相应于基态介子的不同激发态。基态介子有μ介子、π介子、κ介子、等等。 3、重子类：重子除了质子和中子之外，还先后发现多种形式的新的重子，特点是不稳定，存在时间约为10—10秒，新的重子的质量不同，为电子的两千多倍。由于重子数量很多，所以称之为重子族，排列成重子谱。（注：未包括负粒子） 重子的数量太多，怎样规范呢？深入的研究表明，各种重子相应于质子的不同激发态。质子是基态，中子是失去正电荷的质子，质子和中子称为二重态，都算是基态（或认为中子也是质子的一种特别的激发态）。总之，基本粒子的深入的实验研究再次证明，质子和中子是基本粒子。 所有的介子和重子，其质量都比电子质量大很多倍，介子族和重子族在度量质量时，都以非常稳定的电子的质量为单位。 另外，介子族和重子族在度量电荷时，也都以非常稳定的电子所带的电荷为单位。 所以，电子是一致公认的基本粒子。 二、电子是基本粒子的实验证据 1、实验证明，处于原子外层空间的电子，原子核对它的束缚相对较弱。所以电子经常离开原子，成为自由电子。实验证明电子数量非常大，可以说无处不在，电子具有基本粒子应有的基本性和普遍性。 2、实验证明，电子寿命非常长，非常之稳定。人类从未发现过它的任何不稳定的现象，电子具有基本粒子应有的恒定性。 3、实验和计算证明，电子质量m = 9.11·10—31千克，电子电荷e = 1.60·10—19库仑。已发现的所有的介子、重子，它们在进行质量和电荷对比时，都以电子质量和电荷为基本单位，电子具有基本粒子应有的标准性。 总之，实验和计算证明，电子是质量很小、寿命很长、性质很稳、数量很大、普遍存在的基本粒子，它是真正的基本粒子之一，好似精美金塔的一粒金砂。 三、电子是“弦”吗？ 日本物理学家外村1989年做过一个成功的、非常精细的实验，证明了电子是怎样一颗颗打到屏幕（照相胶片）上，从而形成干涉图象的。该实验证明了电子是点状的基本粒子。 在我们现实的四维时空中，假如认为电子是由线段和点组成的闭弦（或称为圈），就是说电子在现实的四维时空中有结构，而不是在下一级时空有结构。那末，电子的闭弦结构将使电子一定会比点大很多。 但是，从实验的结果来看，电子并不象比点大很多的圈粒子，比较起来，电子更象是很小的点粒子，所以，我们认为电子是点粒子更合乎实际。 当然，也可以反驳说：电子是闭弦的，因为圈足够小，所以看起来仍然是点。 按弦论，无限细的一维的线如果闭合，就构成二维的闭弦——圈粒子，但这圈总是由点和线组成的吧？是圈基本还是组成圈的线段和点更基本呢？如果圈是基本粒子，那组成圈的线段和点又是什么？如果是圈，圈的线是无限细，那圈中的有限空间相对于这无限细的线岂不是成了足够大乃至无穷大了？ 换一个角度说，假如电子是二维的圈，通俗地讲就是有“尺寸”了，可度量了。而0维的点是小到不可度量、至少是小到很难度量吧。所以，圈肯定比点大很多很多。我们相信，圈打到屏幕上的情况应当和线段或点打到屏幕上的情况是有区别的。但是，从并未发觉这种区别。 四、电子不是“弦” 从理论上说，在电子直线加速器中，只需两兆电子伏特以上，就可使电子的速度达到0.98C ，但在这种直线加速器中，没有足够的时间和空间对电子进行观察和测量。 为此，要使用先进的电子同步回旋加速器，使电子保持在一固定的圆周上旋转。但是，当电子愈来愈接近光速时，其质量按相对论将迅速增加，使加速电子的能耗严重地增加着。而且，电子沿圆形轨道的运行，所产生的电磁幅射的能量损失也严重地增加着。所以，把电子加速到很接近光速是件困难的事，加速器的功率要求很大。例如，最大电子同步回旋加速器已可使电子达到200亿电子伏特，加速到0.9999C 。 当单个电子加速到似乎是光速时（按相对论，应该是非常接近或非常非常接近光速），此时的电子会发出红光，象一颗美丽的微型太阳。电子从加速场中吸取的能量以红光发散，从而保证速度不会真正达到和超过光速。如果电子不是非常之接近光速，它就不会发出红光，我们也就看不到这个神秘的电子了。 请注意了，在日本物理学家外村的实验中，我们不能看到单个电子运动的过程。但是，在回旋加速器的实验中，这个问题得到解决。我们能够借助高速摄像，用眼睛确实地看到，作为基本粒子的电子是很小的发红光的点状的基本粒子，它不是圏状（闭弦）的基本粒子。 五、电子也不是“点” 在回旋加速器的实验中，我们能够借助高速摄像，用眼睛确实地看到，作为基本粒子的电子是很小的发红光的点状的基本粒子，而不是圏状（闭弦）的基本粒子。 但是，虽然电子不是圏状（闭弦）的基本粒子，可实验和理论计算都表明，电子也并不是理论上的点粒子，它好似一个小圆球，其直径为： d。= 5.6·10—13 厘米 当单个电子加速到很接近或非常接近光速之时，电子会发出红色的光，象一颗美丽的微型太阳。此时，如果物理学家需要实测电子的直径，以增加一个新的旁证的话，想来应该是可以办到的。 六、怎么办？ 现在不仅要问，电子不是“弦”，电子也不是“点”，那应当怎样选择呢？ 在这里我们要明确指出，宁可把电子看成是一颗点状的金砂、一粒微型的太阳（让它在下一级时空去展开吧！），也不宜把电子假设成一只弦、一个圈、一片膜，特别不宜把电子假设为多维的弦、多维的圈、多维的膜，因为这带来的新的理论问题和新的实验问题实在是太多了，是事倍而功半的，甚至是无功的。 弦论代表两代人近四十年的曾经有过的一种思路、一种方法，它虽然不是唯一的，但却是有借鉴意义的。我们的思想不妨开阔一些，跳出来换一个视角吧，弦论想解决的重大物理难题，难道不会有别的方法、别的思路为之代劳吗？ 第243篇 置疑之三：弦论能解决波粒二象性问题吗？ 一、波粒二象性的疑惑 美国物理学家阿特. 霍布森教授在所著的《物理学：概念及联系 》（2001年版）一书中说： 光电效应的事实说明光是粒子，占有很小空间，是光子、光量子。光的干涉的事实又说明光是波动，占有很大空间，是光波。粒子性和波动性本不相容，怎么能既是粒子又是波？（参见该书P330） 书中又说：一个电子并不散布在空间里，它运动时在正常情况下也并不振动或波动，一个象电子这样的实物粒子怎么能有一个波长呢？（参见该书P334） 物理学家今天仍然象以往那样对它感到困惑，为什么粒子性更强的电子，也能产生干涉图象？（参见该书P339） 霍布森所说的这些话就是指理论物理学中的著名的波粒二象性问题。这问题从上世纪初爱因斯坦提出光量子论开始,至今已有一百年的历史了。 霍布森说这些话时弦论已经没落，所以在他的书中未提及弦论。美国著名物理学家哈理德教授等人的巨著《物理学基础》的2001年版本，也未提及弦论（该书由张三慧等人译）。但是，我们将会提到弦论的特别的观点。 关于波粒二象性问题，物理学界一直处于疑惑之中，学者们也提出过不同的解决办法，各家学说自显其能，例如： 德布洛意提出了“物质波说”，海森伯提出了“几率波说”，爱因斯坦提出了带猜测性的“幽灵场幽灵波说”、古老的“以太波动说”也似乎在复活，弦论则提出了“弦波动说”，等等。其实，弦论的产生和发展，其初衷之一，也是希望能够有助于波粒二象性问题的解决。 每一种办法都未必会成功，虽然海森伯的“几率波说”曾优势很大，但因爱因斯坦等人的坚决反对，学术界也不能形成统一的见解，各种理论仍归于见仁见智的争鸣，离统一为时尚早。关于波粒二象性问题，一百年来，众说纷纭是其基本特征。 二、弦论的“弦波动说” 弦论假设基本粒子是“弦”，其目的之一是试图解决波粒二象性问题。 霍金说：弦理论，是20世纪60年代后期的发明，其方法是把质子和中子这样的粒子认为是一根弦，一根波动的弦。 他又说：两根弦可以连接在一起，形成一根单独的弦。类似地，一根单独的弦也可以断而分为两根弦。一个粒子从另一个粒子发射出来或者被吸收，对应于弦的分解与合并。 霍金说：弦理论基本的对象不再是只占空间单独一点的粒子，而是只有长度而没有其它线度，象是一根无限细的弦这样的东西。这弦可以有端点（所谓的开弦），或可以自身首尾相接成闭合的圈子（闭弦）。 他还说：在弦理论中，原先以为是粒子的东西，现在被描述为一根弦和在弦里传播的波动，如同风筝的振动波，沿着风筝的弦线传送一样。 （注：以上引文参见霍金的《时间简史》） 总而言之，弦论认为，粒子的形状不是点，而是一根弦，开弦或闭弦。粒子的振动就是弦粒子自身的波动，在自由空间中粒子，依靠它自身的运动就把波动传送出去。 （注：后来又有膜论，粒子是一片膜和膜的波动，在自由空间中的膜粒子，依靠膜粒子的运动把膜的波动传送出去，与弦论相类似。） 三、置疑“弦波动说” 1、“弦波动说”把作为基本粒子的光子，由点粒子改变成一根波动的短线，即开弦，（或波动的闭弦）这样的新形式光子。这新的线状的光子非常短小，它是只占有很小很小空间的个体，从而保存着粒子性，只是由点粒子变成线粒子而已。 新的线状光子被假定自身能够波动，就是说，是一波动的线段。线光子自身的这种波动只局限在很短的一段一维空间上（线是一维的），但是，在衍射和干涉实验中，光子却表现出是占据了很大的三维空间的光波，粒子性和波动性的非常突出的矛盾仍然存在着。 2、“弦波动说”把作为基本粒子的电子，由点粒子改变成一根波动的短线（开弦）、或波动的闭弦这种新形式的电子，而电子的粒子性并没有被否定。因为这新的线状的电子仍然非常非常小，只是占有很小很小空间的个体，保存着粒子性。 但是，在电子衍射的实验中我们看到，粒子性比普通的光强很多的电子并不是一个有限线段的波动，而是一种散布在很大的三维空间里的波动。此外，在电子的干涉实验中，电子产生的干涉图象，同样使我们能够看到，电子并不是一个有限的线段波动，而是一种占据很大三维空间的波动。可见，粒子性和波动性的非常突出的矛盾仍然没有解决。 总结起来说：一个单独的光子，或者一个单独的电子，不管把它看成是波动的开弦、波动的闭弦、（或波动的膜），或者看成是旋转的弦、（旋转的膜）、等等，都仍然是一个单独的非常小的个体，就是说，是粒子，并不是散布在很大的三维空间里的什么存在。但是，在衍射实验和干涉实验中光子和电子都表现出是占据很大的三维空间里的波动， 一维空间与三维空间，有本质的区别。很短的一段一维空间的开弦（或很小的二维的闭弦、或很小的二维的膜、或很小的卷起的三维的膜、等等），它和很大的三维空间，还有量的区别。粒子性和波动性的矛盾依旧非常突出。弦论的“弦波动说”仍然不能解释上述实际存在的区别和矛盾，“弦波动说”不能把线段粒子（以及膜论中的膜粒子）和占据广大三维空间的光波统一起来。 “弦波动说”把作为基本粒子的光子或电子，由点粒子改变成波动的短线（开弦）、或波动的闭弦（以及膜论把膜粒子变成波动的膜）这种新形式的光子或电子，表面上看似乎缓解了波粒二象性问题，但实际上并未解决波粒二象性问题。 第244篇 置疑之四：以电子的不同面目看“弦论” 一、电子的基本粒子面目 由于原子核对外层电子束缚较弱，外层电子容易离开原子成为自由电子，数量大得可谓无处不在。电子的普遍存在，使人类能够最先认识它和利用它。 电子的质量是非常小的，m = 9.11·10—31千克，人类从未发现电子质量的不稳定和可以再分割。 电子的电荷也是非常小的，e = 1.60·10—19库仑，人类也从未发现它的不稳定和可以再分割。 电子的普遍性、恒定性、标准性，使电子成为基本粒子中的重要成员，好似精美金塔的一粒金砂。这就是电子的基本粒子面目。 二、电子的“点”面目 非常精细的实验可以做到使电子一颗颗打到屏幕（照相胶片）上，从而形成干涉的图象，该实验能够证明电子是点状的基本粒子。但是，该实验不能显示单个点电子的运动过程。 在回旋加速器的实验中，这个问题得到解决，当单个电子加速到非常接近光速之时，我们能够借助高速摄像，用眼睛看到，作为基本粒子的电子是很小的发红光的点状的粒子，如若它不发光我们就难于察觉了。实验事实表明，电子不是圏状（闭弦）的粒子。 以上就是“点”电子的面目。 三、电子的“开弦”面目 在原子核的外部空间，电子绕核运转着，不同元素拥有的电子数量不同。最简单的原子是氢原子，其原子核只有一个质子，绕核运转的只有一个电子。以下就以氢原子为例，它能够帮助我们简洁而清晰地阐明问题。 对于氢原子来说，电子绕核的运动若按简单的匀速圆周运动考虑，电子的绕核运行速度Vm约为光速C的137分之一。电子的绕核运动若从二维时空（空间一维L、时间t）来看，能够等效为电子沿X轴的在A、B两点一线之间的振荡运动： V = Vm Sinωt 电子的这一振荡运动，使电子看起来象一段弦——波动的一段弦。因空间考虑为一维，这弦自然是开弦，而不是闭弦。（注：式中的ω为电子振荡的角频率，有ω=2π/T ，T为周期。） 另外，不要忘记，电子还产生着W波，但W波的影响在二维时空中不能表现出来。 以上就是电子的“开弦”面目，但电子似开弦而非开弦。 四、电子的“闭弦”面目和“膜”面目 电子的绕核运动若从三维时空（空间二维S、时间t）来看，电子的运动能够等效为在二维平面中的匀速圆周运动，此时电子的运动看起来就象一个闭弦了，或者说，象一片圆形的膜。 由于电子产生着W波，在氢原子核电引力和W波的共同作用下，这圆形的闭弦（或者说，这一片圆形的膜），将会绕氢原子核转动。 以上就是电子的“闭弦”面目和“膜”面目。但电子似弦而非弦，似膜而非膜。 五、电子的“壳”面目 电子的绕核运动若从四维时空（空间三维V、时间t）来看，大不一样了，既不是开弦，也不是闭弦或膜，而是“壳”。 由于绕核运动的电子产生着W波，氢原子核的电引力和W波两者共同操控着电子的运动。“W波的存在使得原子内部的空间对于振荡电子来说不再平坦”，空间的不平坦使电子绕核运行的轨道不能固定，于是该电子才有可能出现在原子势场内的其它空间点，从而形成电子云。电子云的存在，使得电子在氢原子核外的运动，看起来象一个“壳”。（请参阅“道”物理学第205篇 W波操控电子形成电子云的原理） 氢原子只是最简单的原子，需要知道的是，复杂原子可能有许多个电子，可分为几组，形成多个电子壳层的结构。 以上就是电子的“壳”面目，但电子似壳而非壳。 不管是“开弦”、“闭弦”、“膜”、“壳”等等，它们都不是电子的本来面目，只不过是电子的假象而已。 （转载自张天健_560的博客） (责任编辑：admin) |