[原创]纪念李政道和杨振宁获诺奖50周年(3)

yetiaoxin

[watermark]                       纪念李政道和杨振宁获诺奖50周年(3)
                          ---兼谈网络论坛向何处去？
                                      曾富
                          三、从微观粒子到点内空间
    2007中国科协年会9月8日在武汉开幕，1957年因宇称不守恒理论而获得诺贝尔物理学奖的著名物理学家杨振宁院士携夫人翁帆共与盛会。有记者问及“您能否预测下我国未来多长时间内会有人获诺贝尔奖？”时，杨振宁伸出两只右手指说，10年至20年后，中国肯定有科学家获得诺贝尔奖。
    杨振宁院士说，从一生的长远发展着眼，最重要的并不是你所学到的这个技术、那个技术，或者这个定理那个定理，关键是要走对方向。所谓正确的方向，就是指你二十年、三十年、四十年之间大有发展的空间。他说，很幸运，他在美国做研究生时，物理学界的前沿发现了新的领域——粒子物理，又叫高能物理。当时，那个领域刚刚起步，存在着极大发展空间。形象地说，跟一个新的领域一起成长，几乎可以用遍地黄金来形容遇到的成功机遇。杨振宁激励当代青少年：中国这20年的变化，真的是一个奇迹，相信这样的一个大时代，可以做出对国家、社会更大的贡献。
    杨振宁院士是道出了真经。对科研方向要有“二十年、三十年、四十年之间大的发展空间”，我们也有体会。据沈致远先生报道, 国外超弦理论和圈量子引力论已成顯學，佔據一流大學物理系要津，幾乎囊刮了這方面的研究經費，年輕的粒子物理學家如不做弦论，求職非常困難，資深的也難成為終身教授。我们提出的环量子三旋理论与超弦理论和圈量子引力论在拓扑形式环面上有联系，如果把环量子三旋理论、超弦/M理论和圈量子引力理论等看成是同一种理论的三个层次，而能把它们统一起来，它却萌芽于1959年大跃进自然灾害时期，比国外弦论第一个提出者还早约10年，这得益于我们对前沿科学基础的兴趣。三旋/弦/圈理论（SXQ理论）作为今日前沿科学基础发展，一般也会有二十年、三十年、四十年之间大的发展空间。
    这个萌芽也许与1957年李政道和杨振宁获诺贝尔物理学奖，极大地鼓舞新中国那时的青少年和教师有关。1958年大跃进，我们才读初中，老师就常提到有四大力学：理论力学、热力学或统计力学、电动力学、量子力学。李、杨获的诺贝尔奖是与量子力学的。对前沿科学基础的兴趣，很快和无限可分联系上，那是1959年一次上代数课，有同学求解人数的方程应用题得出三十二又二分之一个人的答案，老师批评说：“怎么会有二分之一个人呢？”这时我们的脑袋灵光一闪：既然一个人不可分，那么以此类推，粒子分到一定层次，必然不是粒子，这一想法就是三旋理论最初的萌芽。与此同时我们还联系到中小学自然、物理、化学课说的物体都是由原子组成的，那么宇宙一定存在过一个充满原子粒子的时期，这类似空气一样，但一个物体比空气紧密，这应是收缩的结果：如在宇宙空间画无数条封闭的曲线，都把它们收缩到一起，这不是成了类似“蛋”体的有界的宇宙蛋吗？ 还有大学时学微积分课讲导数，材料力学讲应力元，理论力学讲虚位移等，常把微观无限小的“点”，放开到宏观有限大，再作数学公式的推证，很见效，也使我们把这种方法理论化、数学化，叫作“点内空间”，以便和唯物及辩证法认识一致。以此看待快子或虚超光速，也就可当“点内空间”作形式本体论处理。
    新中国成立以来，我国长期实行“一纲一本、编审合一、高度统一”的教科书制度，从小学到大学，全国一般只有不多的几套课程计划、几套教材。我们认为这也是一种先进的教育制度，它使全国各地同年级的学生知识水平大致拉平，这正如杨振宁说，中国的大学生比美国的大学生学的基础知识多，而且不乱。这正适合工程技术和社会主义建设的需要，只是教出来的人，类似爱思念课本老知识为水准，作正反科学创新。杨振宁还说，获得诺贝尔奖，也还需良好的学术传统，即各种各样的学术问题需要代代相传。李政道和杨振宁是在中国解放前读的中学和大学，他们在西南联合大学的老师很多是从国外回来的，常能給他们讲最新的前沿科学基础，使他们出国后也对前沿科学基础有兴趣。
    反过来看我国有那么多的教授和业余科学家批判相对论力学，而且到了势不两立的地步，不能说和我国的教育方法没有关系。“规范”指类似以元数学、物理的一系列前沿标准模型的推进为主，作的正反科学创新。这实际也有“二十年、三十年、四十年之间大的发展空间”。重庆大学物理系李芳昱教授讲：科技创新不过是社会进步的脚步声，它和人走路一样，也是一步一步走向前的，社会就会进步得快一点，就会有更多人参加科技创新的队伍，会有更多人去研究科技创新的规律。没有牛顿力学，就没有相对论力学。没有原子弹，就引爆不了氢弹。人类的科技创新，也像天体演化那样，一幕又一幕按规律在历经，其中也有偶然性，但是历史发展的方向是不会变的，因此对科学家来讲，更重要的是要知道演化的规律，从规律的承前启后中选定适合自己能做的科技创新的内容。没有前人工作的铺垫，那岂不是石头里炸出来一个孙悟空吗？天下就要大乱了。相对论和量子理论是现代物理学的两大支柱，它们不仅在极高的精度和极为广泛的领域获得了实验和观测的证实，大大开拓了人类认识自然界和宇宙的视野，而且在工程技术和诸多应用领域，以及对人类文明都产生了巨大而深远的影响。当然这并不是说相对论和量子理论就不需要近一步发展、完善甚至变革了。但这种发展和变革，除了需要创新精神和勇气外，还必须建立在严肃、认真和严密的科学研究和实验观测的基础上，浮躁和新闻炒作是绝对不可行的。
    我们认为，今天物理学前沿能够发展的领域数不胜数，研究空间很大，类似元数学、物理学的标准模型超弦理论、圈量子引力论和大爆炸宇宙学等，正是建立在严肃、认真和严密的科学研究和实验观测的基础上挑战和讨论相对论和量子理论，产生出来的，也就有“二十年、三十年、四十年之间大的发展空间”。现假设以宇称不守恒理论为例联系三旋/弦/圈理论，试探看还有没有什么新发展和发现？
    宇称是表征粒子或粒子组成的系统在空间反射下变换性质的物理量，在空间反射变换下，粒子的场量只改变一个相因子，这相因子就称为该粒子的宇称；这可以简单地理解为，宇称就是粒子照镜子时，镜子里的影像。如果把镜子里的影像，类比为是在一种“点内空间”。那么从微观粒子到点内空间，正是三旋/弦/圈理论试探虚数相因子联系的对象。根据对称性，物理界以前公认宇称一定是守恒的，这就像有正电子，就一定有负电子一样。即相对“点内空间”，镜子外的实物，相当于“点外空间”。1956年杨振宁与李政道教授共同提出“弱相互作用中宇称不守恒”定律，相当于研究“点内空间”与“点外空间”微观粒子之间的互换。对称性反映了“点内空间”或“点外空间”不同物质形态在运动中的共性，而对称性的破坏才使得“点内空间”和“点外空间”显示出各自的特性。大自然同时是“点内空间”和“点外空间”的建筑师，对称性的破坏，显示了确定性与不确定性、克隆与不可克隆的辩证统一，而使大自然变得丰富多彩、神奇难解。   
    3.1 小孔成像与点内空间
    宇称守恒原理在宇称不守恒原理没有发现之前，由于只是对大量物质实验的总结归纳，没有经过“点内空间”与“点外空间”之间粒子互换的严密的数学证明，就作为定律推出来的，在形式逻辑上也只能算是一种假说。即使是宇称不守恒原理的这种镜像对称的数学证明，从形式本体论上说，也只能算是一种平面镜成像原理的类比。这种平面镜成的像大小与实物相等，左右与实物相反，是一种虚像。而且宇称不守恒联系平面镜成像、凸透镜成像和小孔成像分析，还可能存在丰富多彩的复杂性。例如小孔成的像，大小可以与实物不相等，但左右与实物就不会有颠倒，即宇称不守恒的数学证明没有把小孔成像原理类比包括进去。
    其次，平面镜成的像类似深入镜内空间，但这种距离是虚的。小孔成像照相机和凸透镜成像照相机，像由实际光线汇聚形成，深入到照相机内部空间。如果把这也类比点内空间的数学抽象，那么这种点内空间的对称和平面镜成像相比，即使大小对称不等、倒立对称不等不计，但倒立对称类似翻转了180度，已改变了平面镜成像对称的左右与实物相反的对称，为左右与实物没有颠倒。即你举左手，宇称平面镜里你举右手，但宇称小孔成像照相机里边，你的右手居然不举，左边成为“错误”地举起手。把这种数学原理对应推证为“宇称不守恒”，是否也是一种点内空间造成的不守恒呢？
    宇称不守恒性物理理论被实验证实后，并没有再给予深层次的数学原理的总结证明，这正是现代形式本体论开拓提出点内空间、曲点等数学概念及其物理假说等的原因。但形式本体论不等于科学假说，而是在科学假说的基础上，推进实验生产、形式逻辑、分析哲学等深化的一种科学研究方法。因为一个深层次的科学实验或原理，不经过形式本体论的证明，可能都是不完善的。
    3.2 点内空间与李杨之争
    1. 李杨之争，类似争谁先想到“点内空间”与“点外空间”这种不对称的。李政道虽然说宇称不守恒思想的突破，是他独立地做出与杨振宁无关，但李政道也承认，演变求衡可以是多方向进行的。
　　在二十世纪的中叶，粒子物理为什么被认为是物理学中精华的精华，其原因是，除粒子物理学问的最高层次，在数学物理中所有不同名称的物理，都是同一个物理；而真正物理学家研究的目的，就是要把所有形形色色，似乎不相关的自然现象都归纳成同一组基础原理，都能融会贯通，这时粒子物理就是这种物理之精华。
    当时的情况是这样：1954、55年，θ-τ之谜已成为物理学界关注的焦点。此时的θ-τ之谜指，50年代初从宇宙线里观察到两种新的粒子，θ和τ。它们具有很不同的衰变（点内空间）模式。θ衰变为两个π介子，τ衰变为三个π介子。因为奇数个π介子的总宇称是负的，而偶数个π介子的总宇称是正的。所以从θ和τ的衰变模式可以决定θ的宇称是正的（称为标量），而τ的宇称是负的（称为赝标量）。
    奇怪的是到 1954、55年，经过很精密的实验测量，发现在实验的精确度内θ和τ这两个不同宇称的粒子居然有完全一样的寿命和质量。那时候，从θ、τ的衰变模式，不仅可以决定它们二者的宇称不同，也已知道这类的衰变是通过弱作用力实现的，因而可用理论计算来估计它们的寿命。假使τ和θ是不同的粒子，τ的寿命应该比θ的寿命长很多，约一百倍。可是实验结果是τ和θ的寿命几乎完全一样。而且，假使τ和θ是不同的粒子，为什么它们的质量也会几乎完全一样呢？如果认为它们是同一个粒子，它们怎么会具有完全不一样的宇称呢？为解决这一问题，物理学界曾提出过各种不同的想法，但都没有成功。
    在1956年4月3－7日的罗彻斯特会议上，包括李政道和杨振宁，已经有人提出是否在θ和τ的衰变中，宇称可能不守恒。但是，会议上的这些讨论都没有达到任何结论。原因是，当时宇称守恒问题，基础是“左右对称”，而“左右对称”一向被认为是物理的公理。从经典物理学开始到近代物理学（包括力学、电磁学、引力场、弱作用理论、原子、分子和核子构造等），一切的物理理论，在1956年 4月以前，都是左右对称的。因为每一门物理理论都有一大批、一大批的实验作证明，所以物理学家们想当然地认为左右对称在粒子物理学中也已经被充分证明了，是非常正确的，是自然界的真理。宇称守恒是天经地义的。所有的物理学家都公认，一切已了解的物理都是左右对称的，是宇称守恒的。这是毋需讨论的。
    问题是：在当时一切已了解的物理之外，θ、τ衰变宇称不守恒，是否可作为一个特殊例外，是孤立的一点。假使θ、τ是同一个粒子，在它衰变过程中，宇称并不守恒，那会产生什么结果呢？那结果就是，这同一个（即θ-τ）粒子既可以按宇称为正的θ模式衰变，也可以按宇称为负的τ模式衰变。可是这个结果与从一开始就已经知道的θ-τ之谜的现象完全相同。因此，虽然提出了θ-τ衰变宇称可能不守恒的假设，可是这种假设不产生任何新的物理结果。这种假设与一切其他物理无关。在这种假设提出以前，θ-τ之谜是孤立的一点；做了这种假设以后，θ-τ仍然还是孤立的一点。因为这种假设并不能产生任何新结论，所以这种假设就不能看做是宇称不守恒思想的突破。这一点物理学界是公认的。
    1956年4月8日或9日，李政道忽生灵感，突然很清楚地明了要解决θ-τ之谜 ，必须先离开θ-τ系统，必须假定θ-τ以外的粒子也可能发生宇称不守恒的新现象。而重粒子实验中产生和衰变的几个动量，便能很简单地去组织一个新的赝标量。用了这θ-τ以外的赝标量，就可以试验θ-τ以外的系统宇称是否不守恒。而这些赝标量，很显然的没有被以前任何实验测量过。用了这些新的赝标量就可以系统地去研究宇称是否不守恒那个大问题。θ-τ之谜不再是一个孤立的点，它可以和重粒子实验的重粒子连起来，也可能和其他一切物理整体地连起来。要解开θ-τ之谜，就要去测量弱作用中θ-τ以外的赝标量。李政道猜想，宇称不守恒很可能就是一个普遍性的基础科学原理，这就是宇称不守恒思想的突破。
    但当时，已经有实验工作的原始实验数据，可是因为不知道应该如何去分析，所以还没有将这些数据放在一起分析。而且认真去分析，虽然有迹象显示出宇称不守恒，但因数据不够，不能得出定论。例如，重粒子Λ0的衰变，从Φ=0到π有7个事例，从Φ=π到2π却有15个事例，多了约一倍。重粒子Σ0的衰变，从Φ=0到π有13个事例，从Φ=π到2π只有3个事例，小了约四倍。这个初步的宇称不守恒的实验，已充分证明宇称是否守恒的问题不再停留在θ-τ之谜的孤立一点。θ-τ以外的不稳定重粒子Λ0和Σ0也都已经被包括进来了！当然，弱作用衰变，除了奇异粒子外，还有更大的领域，那就是有五十多年研究历史的β衰变。这包括中子、π介子、μ子等更多的粒子。1956年5月初，李政道和杨振宁合作讨论重粒子实验测量的"二面角"，李政道写下方程式，画了图，向杨振宁作解释，重粒子实验分析中用的角度Φ，不是杨振宁想象的二面角，而是指他的新赝标量。二面角是标量，只能从0到π，当然是宇称守恒的。这新的Φ角度是赝标量，可以从0到π，然后也可以从π到2π。比方说，当Φ在0到π的区域时类似在“点外空间”，Φ和二面角一样；在π到2π的区域时类似在“点内空间”，就完全不一样。用了点内空间这样新的赝标量Φ，通过Λ0和Σ0的衰变过程，如果这二个Φ区域的事例数不同，那就是明确的点内空间和点外空间（宇称）不守恒的证明 ，据此就可以去测量θ-τ以外的粒子是否也是点内空间和点外空间（宇称）不守恒。
    2. 杨振宁也是一位优秀的物理学家，他们的合作发表的宇称不守恒的文章，改变了整个物理学界以前在点内空间和点外空间“对称”观念上的一切传统的、根深的、错误的、盲目的陈旧见解！在1956年以前，从经典物理到近代物理，都是点外空间对称的物理。那时候的物理学（电磁场 、相对论、量子力学等等）都被禁闭在点内空间和点外空间（宇称）“守恒”这个似乎是天经地义的定理的堡垒内；堡垒外没有任何物理。1956年以后，大部分的物理现象都发现有不对称。不仅类似点内空间和点外空间的宇称不守恒和左右不对称，电荷的正负也不对称，时间反演也不对称，真空也不对称，因而夸克可被禁闭，不同的中微子间可以互相转换变化，连质子也可能不稳定…。
　　证明类似点内空间和点外空间弱作用宇称不守恒的决定性的实验，是吴健雄和她的合作者们在1957年1月完成的。因为如果类似点内空间和点外空间的τ-θ宇称不守恒，那么这种破坏在极化核的β衰变的点内空间和点外空间分布中也应该观察到；如果去测量赝标量，这里p是电子的动量, σ是核的自旋。
　　                 π-＋ p → Λ0＋θ0                     （3--1）
　　                 Λ0 → π-＋ p                          （3--2）
　　李政道和杨振宁合作讨论集中在θ-τ之谜上面。杨振宁想到了，应该把产生过程的对称性同衰变过程分离开来。例如，假设宇称只在强作用中守恒，在弱作用中则不然，那么，θ和τ是同一粒子且自旋、宇称为0-的结论就不会遇到困难。这种分离对反应链（3--1）、（3--2）有特别的意义。因为这种想法可以通过（3--1）、（3--2）两个反应中可能存在的上－下不对称性而加以检验，它就更有吸引力了。把Λ0和Σ0的产生和衰变数据从Ф=0到 Ф=2π进行划分的分析，可行性必须做β衰变领域的分析，才可以决定。1950年杨振宁和蒂欧姆诺研究的C和C′这两种耦合常数，是不能同时用的。而到1956年李政道和杨振宁研究宇称不守恒，已演变成的C和C′可以同时用。有了点内空间和点外空间不守恒的观念，如果把“同位旋”比作类圈体的线旋，再类似自然全息，联系点内空间和点外空间的自旋，从质子和中子也能知道：如果整体的同位旋是守恒的话，质子和中子的质量必须相等；可是事实上中子比质子重，中子能衰变成质子加电子和中微子，这就是β衰变，因此也能知道整体的同位旋是不守恒的。因为整体是所有局部之和，所以局部的同位旋也一定不守恒，因而同位旋的规范一定可变。
    但规范场的观念起源于电磁场，电子数（也就是电荷）的守恒产生了电子数规范不变性，而电子数的规范场就是大家熟悉的电磁场，1954年杨振宁和密尔斯的《同位旋守恒和同位旋规范不变性》文章，同位旋也还守恒。所以如果点内空间和点外空间不守恒也可以演变成同位旋不守恒，同位旋规范也是绝对能变的。即从同位旋守恒和同位旋规范不变性出发，也可以演变成重粒子守恒和普适规范的转换。因此，1954年的杨－密尔斯规范场方程式，不能用在同位旋上，但是20年后可以演变成用在夸克间的色动力学作用上，是完全准确的。宇称不守恒不仅开拓了物理学“点内空间和点外空间”的一个新大陆，也震动了整个物理学界。使人们去重新检查所有以前认为已经了解的物理，尤其是它们的对称性的理论基础；而无数“点内空间和点外空间”新的理论问题需要解决，更多的新的实验观察也需要分析。这一切像潮水似的一个浪、一个浪地冲击过来。
    3. 新物理学需要强大的新设备的支持，如帮助回答包括物质质量的来源、各种作用力的统一、暗物质的本性、是否存在其他维度等等涉及自然和物质本质的基本问题。 2007年2月16日，曾因发现新型基本粒子而获得诺贝尔物理学奖的美国科学家伯顿·里克特在新闻发布会上说，当前粒子物理学的境遇，“既是最好的时代，也是最坏的时代。” 之所以说这是最好的时代，是因为粒子物理学正在经历一场革命，过去15年中人类对宇宙的认识发生了巨大改变，例如新发现表明神秘的暗物质和暗能量才是宇宙的主要成分，人们熟悉的物质只占约5%。今后15年里还将有许多重要问题得到解答，还将有许多新问题被提出。但这也是最坏的时代，由于实验设备越来越庞大和昂贵，经费的短缺限制着科学家做出新发现的步伐。新的加速器尚未投入使用，一些旧加速器就因为经费问题而关闭，今后有关经费也很难得到保障。
    近百年来，物理学家探究物质基本构成和性质的方法本质上并没有改变，那就是用加速器使粒子束获得极高的速度和能量，用来轰击原子核或基本粒子，观察撞击包括“点内空间”产生的“碎片”。但随着研究的深入，撞击所需要的能量增加了许多个数量级，建造加速器的费用也增加了许多个数量级。在实验室里用几块金属板拼装出一个加速器就可以使用的时代早已过去，现在的加速器动辄需要上亿甚至几十亿美元，超出了一所实验室乃至一个国家的能力范围。许多加速器因为经费问题而关闭或即将关闭，当前世界最强大的加速器——美国费米实验室的Tevatron也不能幸免，即将在2009年关闭。
    而来自欧洲粒子物理研究所的菲利普·布赖恩特也提到，正在该所建造的大型强子对撞机有望于今年年底开始试运行。这座耗资约25亿美元的加速器比Tevatron更强大，正式投入使用后，它将在万亿电子伏的级别上使粒子束以前所未有的高能量对撞，更深入地揭示粒子内部的秘密。但大型强子对撞机属于环形加速器，这类加速器在较高能量上存在技术局限，为此科学家正在筹划建设下一代高能对撞机——国际直线对撞机。当然一些科学家对国际直线对撞机计划的进展速度并不乐观。但把三旋/弦/圈理论中的数学原理从粒子物理学拓展到其他宏观科学和形式本体论复杂性的研究，在二十年、三十年、四十年之间还是有大的发展空间的。
[/watermark]