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[watermark]解读《我们的宇宙与德西特相对论》
---纪念国际弦论发表40周年(4)
曾富
摘要:郭汉英先生的《我们的宇宙与德西特相对论》是一篇挑战文章,背景涉及德西特相对论已出现的全息、全景式发展;国际上这种类似的万马奔腾不亚于我国民科挑战爱因斯坦的波澜壮阔。轻松跨越爱因斯坦,德西特还说不上。我们能轻松跨越爱因斯坦吗?
关键词:德西特相对论 反D膜 大量子论
一、郭汉英先生挑战的由来
上海《科学》杂志2008年第六期发表的《我们的宇宙与德西特相对论》,是郭汉英先生最新的一项科研成果。我们在联系第三次超弦革命学习时,恰逢陈国海先生来信说:“ 在毕达格拉斯看来,宇宙是由数决定的;而在您们看来,宇宙似乎是某种几何结构,也就是您们说的球面和环面结构。但是我认为,宇宙是一个生命过程。生命过程,不能简化为几何结构,不只是球面和环面,或者更复杂的三旋结构。还有更多。灵魂转世现象是存在的。灵魂是生命存在的一种形式。完整的生命过程或者说生命世界的大循环就包含着灵魂转世,实际也就是某种复杂的意识过程。这是形而上的生命,而现在的基因科学属于还原论,是形而下的。这种对生命的理解不能说不对,但是却很片面。生命科学如果不研究生与死之间的意识转换,那么生命世界的大循环就不完整,人类对生命和生命世界的认识就是片面的。我是主张理性与信仰、科学与宗教统一的。那是一种更高的理性,也是更高的学术而非迷信。在混沌理论、非线性科学、复杂性科学方兴未艾的现在,学术研究应该突破传统科学范式的禁区,二十一世纪的学术应该融合理性与信仰,在更高的理性之下统一起来。这才是更为开阔的思想视野。”在我们看来郭汉英先生是不赞同陈国海先生的“灵魂转世现象”说的,我们也一样。
我们的回信是:“在毕达格拉斯看来,宇宙是由数决定的;这里的数包括虚数。正是从这里在我们看来,宇宙似乎是某种几何结构的数,也就是我们说的球面和环面结构才能包括毕达格拉斯说宇宙是数。这包括一个人的生命过程的整个过程。一个人的生命过程的整个过程不能简化为几何结构,实际仍是几何结构包括的毕达格拉斯说的宇宙是数。如人死,如环面撕裂,如虚数。生如完整如球面,如实数。我们不反对宗教,只要他声明是合法的宗教,也是和自然、社会有相合的一面。”我们的依据是,杨乐院士说:“数学要研究几何图形,直观和空间想像的能力就得到提高;数学要严格地推导,可以增强严谨的逻辑推理能力;学数学还可以提高分析和归纳的能力。”近五十来的数学学习和联系超弦理论等前沿科学,觉得我们的宇宙与德西特相对论涉及“大量子论”。爱因斯坦相对论涉及大量子论。庞加莱设计的有限而无界的宇宙模型即庞加莱球和庞加莱猜想涉及大量子论。非对易几何涉及大量子论。连毕达格拉斯的万物皆数和他发现的虚数也涉及大量子论。因此特结合解读郭先生以请教大家。郭汉英先生的《我们的宇宙与德西特相对论》是一篇挑战文章,挑战的是爱因斯坦。他认为,1990年代末以来,人们发现宇宙在加速膨胀;暗能量和暗物质在宇宙演化中起主导作用,于是以爱因斯坦相对论为基础的物理理论和宇宙论,不得不面对越来越精确、丰富的天文观测数据的检验和挑战。精确宇宙学揭示,宇宙尺度的物理学应以极小的正宇宙常数为标志。较之爱因斯坦相对论,德西特相对论,包括德西特狭义相对论和以其局域化为基础的德西特引力,才能更好地反映这一特征。即宇宙并不渐近于闵氏时空,而很可能渐近于宇宙常数为正的4维常曲率时空,即德西特时空。
郭汉英先生称:把可有可无的宇宙常数当作真空零点能密度---理论值比观测值大几十乃至一百二十多个量级,是典型的佯谬表现之一。但我们认为,这并不是爱因斯坦的错误,更不是庞加莱的错误,进而不是黎曼的错误。这只是人们在运用爱因斯坦相对论中发生的错误。但郭汉英先生并没有在这种运用上作深入的探讨,而是把板子打在爱因斯坦身上,进而追击到了庞加莱等数学家,挑开了近一百多年科学与革命缠结分裂一幕幕斗争的大戏。郭汉英先生的分析是:
1、对宇宙尺度的物理学,什么是定义物理量和引进物理规律的一致与自洽的基准?其重大发展离不开对这个问题的再认识。在牛顿力学中,惯性定律对于其他力学量和定律的定义及引进起到非常关键的基准作用。这个原理要求,在不同惯性系之间的伽利略变换下,力学规律不变。即伽利略惯性原理起着基准作用。而爱因斯坦狭义相对论的基准,是具有庞加莱群——ISO(1,3)不变性的庞加莱惯性原理,具有惯性系的4维闵可夫斯基时空是平坦的。即爱因斯坦放弃了惯性原理,以广义协变性原理和等效原理作为基本原理。相应的局域对称性是一般线性群GL(4, R),或等价地,局域齐次洛伦兹群SO(1,3),一般以它们作为定义物理量、引进物理规律的基准。而在量子力学和量子场论中,惯性原理及其对称性的作用似乎不那么直接和明显。由于庞加莱群和(局域)齐次洛伦兹群不同,爱因斯坦一直没有意识到,局域平移对称性在广义相对论中的丢失,引力可否忽略的物理基准就不完全相同。
2、从原理上解决问题,以陆启铿为首的学者指出,应该存在三种狭义相对论:爱因斯坦狭义相对论的闵氏时空,宇宙学内涵是平庸的,不能反映宇宙常数所表征的特征。德西特狭义相对论把作为真空的德西特时空的半径R与宇宙常数相联系,其宇宙学内涵为具有非引力视界熵的加速膨胀的3维球面,曲率极小,为宇宙常数量级。反德西特狭义相对论在常曲率为负的反德西特时空上,同样包含曲率半径,但相应的宇宙常数为负;其宇宙学内涵是震荡的3维罗巴切夫斯基空间,没有视界和熵。于是应有三种引力理论,即局域庞加莱、局域德西特与局域反德西特不变的引力理论。这样,惯性原理及其对称性,以及局域惯性原理及其局域对称性,分别作为不存在或存在引力的物理基准,在对称性及其局域化的意义上是一致的。在三种相对论中,即三种狭义相对论及其局域化的引力理论之中,应有一种描述真实宇宙。真实宇宙的宇宙常数为正、具有熵,因而必然选择德西特相对论。观测表明的确如此:宇宙在加速膨胀,宇宙常数对暗能量密度起主导作用;这样,宇宙不仅必然渐近于德西特时空,而且大致是加速膨胀着的3维球面,不过半径很大、曲率在宇宙常数的量级。这也不与现有观测事实冲突。
3、从伽利略惯性原理到庞加莱惯性原理是怎么回事呢?郭汉英先生的分析是: 1630年代伽利略利用著名的伽利略大船主舱内乘客,无法断定大船的静动,驳斥托勒玫学说维护者对哥白尼的非难,对以他命名的相对性原理给出了最初的表述。后人总结出伽利略惯性原理,牛顿定律在伽利略变换下不变的基准上建立了体系。这里,我们假定把牛顿定律体系、伽利略变换下不变基准,称为“点外空间”球或德西特时空球,那么法拉第、麦克斯韦电磁学理论中出现的真空光速c,确定了点外空间球或德西特时空球的一处边界,接近这一处边界就会与伽利略惯性原理冲突。发现这个秘密的起因是,人们以为法拉第、麦克斯韦电磁学理论只对充满“以太”的绝对空间静止的惯性系才严格成立---尽管这会失去惯性原理,但“以太漂移”的零结果挑战了伽利略变换下不变基准。这样,惯性原理仍然是物理学的基准,但对称性必须改变为庞加莱不变性,后者包括真空中光速c这一普适常数。
4、我们的分析是:相对论量子场论和粒子物理的结合,不断推进对微观物质的认识并运用到宇宙学上可以看出,庞加莱是留了一手。庞加莱提出庞加莱猜想的1904年时,他只类似说应把惯性相对性原理作为点外空间球或德西特时空球自然界的一个基本原理,要求不仅力学规律,而且真空电磁学的规律,在惯性系的变换下也不变。到1905年庞加莱把相对性原理从具有伽利略不变性,再扩展为具有庞加莱不变性的有限而无界的宇宙模型,这类似郭汉英先生称的涉及“真空零点能之类的佯谬”。但我们爱假定称它为“点内空间”球或反德西特时空球,那么可以看出,同年爱因斯坦在洛伦兹等人工作的基础上,利用光信号来确定同时性,否定牛顿的绝对时间和绝对空间提出时空观革命的狭义相对论,是配合普朗克、庞加莱抛出的“大量子论”。这个发现是从2005年开始通过罗正大、孔少峰、刘月生、吴新忠等科学家的会聚技术促成的。
(1)2005年孔少峰说他发现了超光速的秘密:吊钟的钟摆吊杆长到一定程度,吊杆下端的切向速度就会实现超光速度。超光速与弦论结合计算表明,吊钟的钟摆吊杆长到每秒光速运动距离的长度,吊杆下端的切向速度就实现了超光速度,这是在伽利略变换下不变的基准上建立的数理逻辑计算。反观爱因斯坦的狭义相对论就是一个大量子论。数理逻辑的证明是,把伽利略变换3维空间全息到1维空间,伽利略变换就成为当今的大量子1维弦论,我们称为爱因斯坦弦。如果再加上1维的时间,伽利略变换4维时空在1秒的量子时间里,就成为当今的大量子2维膜论,我们称为爱因斯坦膜。而真实的真空或点外空间球或德西特时空球,是这种大量子2维膜论再加1维的时间形成的伽利略变换4维时空立体图景,即类似是爱因斯坦膜叠加形成的。像放电影的胶片,一个一个形成的真空。
(2)2005年罗正大的量子外力发现的是,如果真实的真空或点外空间球或德西特时空球,和庞加莱不变性的有限而无界的宇宙模型或点内空间球或反德西特时空球,分别是两个“大量子论”,构成了类似长江河流的流动和长江三峡大坝的图景,假定长江三峡大坝上游为庞加莱不变性的有限而无界的宇宙模型或点内空间球或反德西特时空球的这类大量子,长江三峡大坝下游为真实的真空或点外空间球或德西特时空球的这类大量子,那么牛顿定律的引力、爱因斯坦的广义相对论的引力,实际站在长江三峡大坝上游的庞加莱不变性的有限而无界的宇宙模型或点内空间球或反德西特时空球的这类大量子看来,就是一种斥力。罗正大把它称为的量子外力。所以罗正大的量子外力是一种宇宙大爆炸之前的时空研究,即牛顿定律的引力、爱因斯坦的广义相对论的引力是一种大量子论效应。罗正大的研究类似文科说是声东击西,理科说是倒车镜数学,或D膜反D膜数学,它实际意义是开辟了弦论等前沿科学实验检验的先河。
(3)2005年吴新忠说他的量子曲率类似呼波、吸波。吴新忠一改赵国求的不同大小的球是不同的拓扑结构类型的想法,也简化了崔珺达的复合时空思想。吴新忠的呼波、吸波量子球,是不可破的,它既是可压缩又是不可压缩的,其量子曲率可以为正又可以为负。实际崔珺达的复合时空思想是一种大量子论,崔珺达按实数分正负,虚数分正负,把复合时空类似分为四个大量子论:正实数大量子、负实数大量子、正虚数大量子、负虚数大量子。吴新忠用量子曲率加呼波、吸波图像,简化为两个。所以吴新忠和崔珺达大量子相对论是与德西特相对论、反德西特相对论等价的。吴新忠的呼波、吸波量子球不能撕裂,不能变为环面,也是对的,他坚持一般拓扑论的不能撕裂、不能粘接的约定。这也符合“点内无内,点外无外”的逻辑。反观环面量子论,就是一种轨形拓扑论,它可以撕裂、可以粘接。球面量子论和环面量子论没有约定,很容易构成哥德尔计算机问题。
1)崔珺达的复合时空论反对夸克模型,是误把夸克模型当作了“大量子”,即类似当成了是长江三峡大坝的下游和长江三峡大坝的上游。实际夸克模型是小量子论,即一般的量子论,它类似长江三峡的大坝和大坝的船闸。而爱因斯坦的广义相对论是在狭义相对论爱因斯坦膜的大量子论基础上扩充的引力思想,爱因斯坦膜如同吴新忠的呼波、吸波量子球不能撕裂,可压缩又是不可压缩一样,所以物质质量可以使爱因斯坦膜弯曲,即使时空弯曲。从庞加莱猜想看来,吴新忠的呼波、吸波量子球和爱因斯坦的不能撕裂的宇宙膜,无限收缩都会有奇点,即在奇点一切物理定律都会失效;反之加速膨胀,也会失稳。为了解决这些矛盾,后来爱因斯坦在广义相对论方程上加了一个宇宙常数项,即兰姆达力,可简单地表达为:
物质和能量的分布=几何结构+兰姆达力 (1)
这个哥德尔计算机问题的宇宙常数项或兰姆达力,在类比大量子论的长江大河时空图像中,则类似长江三峡的大坝和大坝的船闸,特别是类似船闸。“船闸”模型使“点内无内,点外无外”的逻辑,不能撕裂、不能粘接的约定,既能相通又不能相通。这类似来自长江三峡大坝上游的轮船,进入船闸的第一段后,先关闭轮船后面的闸门,使长江三峡大坝上游不再相通。然后再放开轮船前面的闸门,使在放水的“自发对称破缺”中,轮船开进船闸的第二段,逐步进入长江三峡大坝下游区。所以从普朗克的量子论,到量子场论再到量子宇宙场论的大爆炸宇宙论,它们的数学方程描绘的,都类似长江三峡的大坝和大坝的船闸的图景。反之再来看爱因斯坦的广义相对论方程:物质和能量的分布=几何结构+兰姆达力,几何结构只类似长江三峡大坝下游,兰姆达力只类似长江三峡的大坝和大坝的船闸。而爱因斯坦把物质和能量的分布却当成了整个长江流域。包括郭汉英先生在内的科学家们,也把爱因斯坦的广义相对论方程当成了类似整个长江流域,所以才出现各种错误和挑战。
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