与赵国求教授讨论超光速

TNC · 发表于 2005-7-17 17:59

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与赵国求教授讨论超光速
 王德奎（绵阳日报社，四川绵阳，621000 ） 摘要：笔者认为赵国求教授的《物理学的新神曲》一书的成功之处，就在于它能引起球量子与环量子之争。本文以EPR效应不是超光速为例，作进一步探讨。 关键词：超光速、EPR效应、驻波、量子场论、球量子、环量子、三旋理论
 一、前言 在《物理学的新神曲》一书的293--294页，该书的第一作者、武汉工程技术学院赵国求教授写道：相对论与量子力学的不协调，主要表现在定域性与非定域性的不协调。量子力学的曲率解释采用三种方式消除此矛盾： 1、指出EPR实验中，两个远离的没有相互作用的粒子之间有自旋向上、向下的超光速联系。 2、指出自然界中可能有超光速的对时信号存在。 3、预言有时空盲区存在；空间概念的消失带来了超光速。 赵国求教授采用超光速方式消除相对论与量子力学不协调的矛盾，指出EPR实验中两个远离的没有相互作用的粒子之间有自旋向上、向下的超光速联系，笔者不敢苟同。道理是： 1、相对论与量子力学之间的不协调，本质来源于场论。即相对论的场论类似于全域性（非定域性），量子力学的场论相对而言类似于定域性（局域性）。具体而言，类似引力场是不同于电磁场的。相对论联系引力场，而引力场联系整个宇宙，不可屛蔽，所以相对而言类似具有全域性。电磁场理论上虽也是无限的，但它是可屛蔽的，所以相对而言类似具有局域性。其次，光子虽也是电磁场，并且量子场论一般说来也具有介质的性质，例如在相对论之前，光速是靠以太场来传播的。但爱因斯坦革了以太场的命，用光速有极限代替以太场，从而使光子与引力场既相关又类似不相关，即光子类似具有局域性，而光速又类似具有全域性，这也是相对论与量子力学的不协调。 笔者认为解决这种不协调的出路，是学爱因斯坦革以太场的命，革量子场论的命，让量子与量子场论脱耦，需要用量子场论的地方才用量子场论，不需要用量子场论的地方就不用量子场论。甚至，21世纪西方的全息理论还认为，盛行了50多年的基本信仰场论，是物理学的最终语言的看法，必须抛弃；因为场，比如说电磁场，不同点之间是连续变化的，因而它们描述的自由度是无限的。但全息理论却能把一个封闭界面里的自由度限制到一个有限的数目上；所以，场论因为其自由度的无限不可能是最终理论。此外，目前全息理论发展过程中的一系列论证推理，让加拿大沃特卢Perimeter学院的理论物理家Lee Smolin等人还提出，最终理论考虑的将不是场，甚至不是时空，而应该是物理过程之间的信息交换，即把信息看成宇宙的组成部分，才有可能协调相对论与量子力学之间的矛盾。全息理论是否真能革量子场论的命，还不得而知；但环量子及其三旋能部分革量子场论的命，则是笔者亲自做的工作，其本质是拓扑学和微分几何的环面与球面不同伦。虽然《物理学的新神曲》的第三位作者吴新忠博士认为，三旋完全是一种制造幻想形态的数学魔术；但这种数学魔术是可以认识的，其魔术性正是它的革命性。 2、这可以用驻波来说明：两个振幅相同的相干波，在同一直线上，沿相反方向进行时，叠加而成的波，称驻波。驻波在一条弦线上，其振幅不但能平均分配这条弦长，而且每个波节也类似于一个量子。这里，驻波是与弦线整体相关联的；即使是水波，不需平均分配类似弦长，但水波的每个水浪与该定域的整个水域相对而言，也是相关联的。即驻波或水波，相对而言类似具有全域性。这种情况，与汽车在公路上行驶不同，汽车虽然与公路有关联性，但这种关联性是不同质的，即汽车的行驶并不推移公路，汽车在公路上行驶，即使停停走走，也无所谓波动性，这相对公路而言汽车类似局域性。现把汽车看作类似一个量子，这种量子在轨道上行驶，也无所谓波动性，相对轨道而言也类似局域性。这也就是所谓分离的量子波粒二象性现象；因此，量子力学需要量子场论出来帮忙，即要设想量子周围也存在有类似驻波与弦线、水波与水域一样的、具有同性介质性质的场论关系，这样电子类似具有波函数也就顺理成章；况且，类似电磁场的存在，也是实验能证明的客观事实。 然而在量子周围存在的量子场，它的拓扑类型在拓扑学和微分几何上只能是球体结构，它们的自旋向上、向下也只能是球体结构。所以赵国求教授说：赵国求的研究小组，从来没有讨论过“环面”的拓扑结构。这是完全可理解的，说的也是《物理学的新神曲》的事实。电子“环面”是笔者的观点，《物理学的新神曲》没有讨论球面与环面的拓扑类型；但赵国求教授维持的是球量子的观点是很明确的，目前他也还说：《物理学的新神曲》中虽然有句“球面的弯曲程度，表明电子的拓扑类型”的话，因为我们只讨论球面，所以实际意思是，“球面（或曲面）表明电子的拓扑类型”。 球面只要不破，不管是凸成正曲率曲面，还是凹成负曲率曲面，拓扑分类还是球面类型。因此，赵教授的话的意思如果还是：球面的弯曲程度，即球面的半径大小程度，表明电子的拓扑类型；笔者的这一改，如果是赵教授的意思，那么笔者仍然要说，“球面的弯曲程度，表明电子的拓扑类型”的话，是错的；错就错类似环面与球面不同伦不分！但认定电子也会有“环面”结构，是笔者的观点；赵教授如果认为笔者离理解《物理学的新神曲》还有一定的距离，笔者提出的“赵国求疑难”，有将多种理论体系的概念和学术思想不加区分地相互窜用，赵教授可以再申辩。但笔者认为，《物理学的新神曲》的成功就在于它能引起球量子与环量子之争。笔者的三旋理论以环量子为基础，所说的体旋，是绕环量子圈面内轴线的旋转；面旋，是绕垂直于环量子圈面中心的轴线的旋转；线旋，是绕环量子圈体内环状中心线的旋转。以环量子的三旋表示各种基本粒子的“三旋状态组合”，称为“圈态密码”；这里环量子的自旋，不同于宏观物体的自旋，是物性的内禀运动。正如光速不同于声速，光速是自然内禀一样。下面以EPR效应不是超光速为例，作进一步探讨。 二、量子EPR效应与脱耦现象 人类研究物质世界，向大的方向开拓，这就是宇宙学；向小的方向深钻，这就是粒子物理学。但还有节外生枝的生命现象。有趣的是一张宇宙演化时间表，说来虽近荒唐，细玩却有趣味；因为从粒子的脱耦联想中，我们要问：智力意识与物种会不会也产生类似的脱耦现象呢？ 追溯历史，宇宙是从超密、高温状态演化而来。随着时间t的流逝，宇宙在膨胀，宇宙尺度R在增大，宇宙中物质密度ρ在下降，宇宙温度T在下降。而这些量中温度T 最容易测量，也最直接地与宇宙演化各阶段的物理状态相联系。用广义相对论、统计热力学、原子核物理学、粒子物理学等的成熟理论，至少可以弄清如下两件事情。 1、各演化阶段宇宙内究竟有哪些粒子脱耦？宇宙超密、高温状态随着时间t的流逝，宇宙膨胀尺度R增大表示，如果温度足够高，使KT大于某种粒子的静能量，那么这种粒子就可以大量产生，宇宙内这种粒子就可以大量存在，如果不满足，那么这种粒子就不能产生而只能湮灭，此时这种粒子几乎不能存在。 2、在宇宙演化各阶段什么粒子处于热平衡状态，什么粒子不处于热平衡状态，其粒子的状态是很不相同的。由于宇宙在膨胀，在降温，只有碰撞率Γ大于膨胀H，即Γ>H，平衡才能跟得上宇宙膨胀，即在宇宙膨胀的条件下一直保持平衡。如中微子原本处于热平衡状态，当宇宙温度T下降到某一值Td时，中微子开始不满足Γ>H式，此时中微子便脱离热耦合。脱耦以后，粒子将自由运动。 当宇宙温度降到10的9次方K以后，宇宙内只有由湮灭残存重子形成的质子和4He(以及极少数的D、3He等)，以及湮灭残存电子所组成的等离子体，并与大量光子（辐射场）相耦合而处于热平衡态。这种等离子体-光子平衡态一直维持到温度为4×10的3次方K。此时等离子体复合成中性原子气体，遂与辐射场脱离耦合，宇宙变得透明了。此后辐射场与物质气体各自独立地演化。辐射场将自由膨胀，成为现今的微波背景辐射。物质气体将通过引力收缩成团，形成星系团、星系、恒星、地球和人类，形成我们今天眼前的世界。由于物质成团，温度已失去统一的意义，但是，背景辐射场温度仍保持着统一的意义，它仍可用来表征宇宙温度。 纵向宇宙演化有粒子脱耦，横向生物进化也有智力、意识脱耦的问题。例如生物进化到我们人类；人类进化到封建社会，智力、意识便以书籍、文字；建筑、工程的形式脱耦出现，作为一种客观的存在而大量传播。再进化到现代，便以电子计算机，录音、录像带，光盘，软件的形式脱耦出来。这种脱耦不但跟人类的文化、生产有关，而且与人类的生理、生育有关。但是这种脱耦，总的来说都是以一种体外解的形式出现。这和人的大脑思维、意念，在微观层次上的物质转化、能量传输与信息交流是不相同的。如果把这种情况称为体内解之一，这显然不是单个粒子、波场就能起到的作用。这种脱耦后产生的混沌事件，说明科学与哲学认知并没有结束自己的任务，人类也不能停止在现有的认识水平上；也许自然随着社会的进步正在要求我们人类去解决这种混沌，去驾驭这种混沌。在量子层次，科学家们对量子EPR效应的种种实验测量相同，早就感到吃惊。并且波姆的隐秩序理论还认为，实际各粒子并未分离，粒子、测量仪器和科学家全都与宇宙的其余部分在隐秩序中结合在一起形成了一个单一的整体。即在波姆的全息宇宙学中，一切事物之间相互渗透，每一个行为最终都是由于宇宙中现在、过去和将来正在发生的每一件事物所引起的。 但如何说明隐秩序联系对于理解各大脑之间意识的作用，达到象量子力学领悟所有亚原子粒子之间的联系这样较为清楚的机制呢？波姆曾解说，他的隐秩序理论，来源他早期提出的量子现象的隐参量理论。而这一理论中，数学确实导致了标准的量子力学与他的唯独不标准的隐秩序假说的整体化。然而这一理论给出一个令人惊愕的数字，宇宙占据了三倍于宇宙中亚原子量子数的维数。 如何把这种被称为“构造空间”的抽象的数学构造当作实际的构造加发处理呢？非粒子客体量子圈态线旋作出了解释。

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环量子三旋理解EPR等效应 
三、环量子三旋理解EPR等效应 我们知道线旋就象通电线圈或地球磁场的磁力线南极出北极进的转动，锅中沸水心液体向四周分开的转动，池塘水面旋涡向下陷落的转动等现象。这正是四维空间的一种宏观表现。环量子线旋存在于几何圈体，是一种空间性质，也是一个不证自明的固有属性。正是由于非粒子客体环量子类圈态的线旋是一种基本的几何空间属性，所以在微观量子身上也是一种基本的象性。而正如很多宏观量子现象是微观量子现象的反映一样。微观量子圈态线旋性也必然会在一些自然物体上反映出来，这正是我们能认识它的原故。 一个环量子类圈体能作面旋（如圈体的滚动）、体旋（如圈体的翻动）、线旋（如圈体表层绕中心的免动）。线旋又分为平凡线旋（如普通的圈体免动）、不平凡线旋（如墨比乌斯体类扭动）、收敛线旋（如克莱因瓶类反馈）、节点线旋（如艾根指的从化学进化到生物学进化阶段中的超循环运动）、孤立线旋（如水中的孤波）。因收敛线旋、节点线旋和孤立线旋不具有全对称性，计算自旋态时应除开外，在存在一个不动点质心的情况下，一个全对称的环量子类圈体能不相矛盾具有62种自旋状态，即31倍于球量子粒子客体自旋态。所以波姆对隐秩序的维数计算，从环量子类圈体模型的角度也是可以理解的，即隐秩序存在于非粒子环量子圈态客体中。有了隐秩序这种三旋模型，反过来对于爱因斯坦、波多尔斯基、罗森发现的量子EPR效应也好理解。 众所周知，指南针在地球各地除两极外，都能定向相同指向南方。这个道理很简单，是因为地球磁场对指南针的作用引起的。因此也说明如航天飞机或人造卫星离开地球，或在受磁性材料干扰的地方，用指南针定向是不适用的。但科学家们找到了一种陀螺罗盘，不需靠磁力线的作用来定向，而是利用陀螺本身的多层自旋来定向的。这种自旋定向的原理，揭示了自然界中自旋调制耦合功能的EPR效应普遍存在。然而在宏观物体身上是很难做到。非粒子量子圈态线旋客体，因为三旋是它的自然属性。因此是一种天然的超级陀螺罗盘。在EPR实验中之所以曾经耦合过的光子，在分开以后还会出现整体效应，这正是因为象陀螺罗盘在出发之前经调制一样，耦合过的光子，它们象经过调制的陀螺一样，离开地面的陀螺罗盘的方位测量，是跟它调制配对时的陀螺罗盘的方向测量一致的，因此在EPR测量中，两者的量子效应是一样的。 同EPR实验相似，也正是在微观层次，微粒子的三旋调制耦合功能容易造成一些整体效应的所谓超光速现象。例如反常（色散）介质中的超光现象，2000年的英国《自然》杂志公布了普林斯顿NEC研究所王理军及其合作者的一项引人注目的实验观测结果：①激光脉冲在经过特殊处理的铯原子气体中的群速度（u）等于负的真空光速（c）除以310，即u= -c/310；②通过6厘米厚的铯原子气体的光脉冲比在真空中走过同样路程的光脉冲提早62纳秒到达彼岸（1纳秒等于10的-9次方秒）。王理军及其合作者的论文报道了两种测量：一是测量了铯原子气体对连续激光的折射指数随激光频率的变化，由此计算出群速度u= -c/310；另一个是测量了两个不同波段（处于谱线共振和远离谱线共振波段）的激光脉冲通过铯原子气体后的强度，结果显示两个激光脉冲的形状虽然基本一样但前者比后者超前了62纳秒。通常色散介质中光脉冲的群速度小于它的相速度（色散是指光的速度与光的频率有关）；反常色散介质中光脉冲的群速度大于它的相速度，这个群速度可以小于或大于在真空中的传播速度（c）、也可以是无限大或是负值。 按常理，介质比真空更容易阻碍光速，但为什么在反常介质中反而会出现超光速？事情正出在介质上，例如负的群速如何解释，是定义问题还是真的代表因果关系倒置？实际反常（色散）介质的研究由来已久，早期对反色散介质的理论研究激发了后来实际工作的开展，至今的许多实验测量结果又反过来促使人们寻找理论上的自洽解释。例如用自旋陀螺做的自由回转仪（陀螺罗盘），在不受外力矩作用的情况下，将保持自身对称轴在惯性参考系空间中的方位不变；还有一种叫平衡环的滚灯，是由3个大小不等的金属圆环与两端的短轴连结而成，它能在任何颠簸的状况下，使置于其中的器物始终保持方向不变。如果设想量子类似一种回转仪或平衡环，由于量子具有三旋，这更成了一种高级的微观回转仪或平衡环，因此当它们一经调制，测量的一致性就是超时超距的。其二，量子虽是不可复制，但量子概率却是可以部分克隆的，例如某一真人真事，完全的克隆则是不可能，但戏剧、电影却可以部分复制某一段历史。如不计较类似的这种量子历史复制或量子陀螺调制，那么介质中的超光速现象就不一定与狭义相对论抵触。因此说，为什么真空中不能超光速，是因为没有复制的载体，但介质中却有。其次，介质中总有部分概率克隆调制可一致的量子，所以在介质一端的测量与另一端测量有相似的概率也就不奇怪。如某人猜中某事，并不是某事先就发生，而是有概率的存在。因此，如果这样来看反常色散介质中的负群速，那么王理军并没有在实验之前62纳秒时，测量到实验后的光脉冲，也无法也没有证明那就是实验后的光脉冲。他所做的仅是按常规介质公式作的间接测量与计算。 事实上根据三旋物理学，亚原子粒子也可以同时出现在两个地方。在亚原子领域，时间与空间的分别已经不那么明显。但这只能是一种三旋等效，并没有打破宏观光速等效原理。而且人类在研究自然界的第一运动方面，取得了联系非常广泛非常重要的一个常数，正是光速。就是它才使人类没有陷入无穷量的灾难之中，并且以此才建立起一座庞大的坚实的科学大厦。 我们之所以说爱因斯坦肯定的光速常数坚实，是因为我们认为爱因斯坦发现的这个自然真实，尽管目前存在有一些推翻这个光速不变原理的证据或实验，以及不管今后是否还会发现超光速，超超光速、超超超光速……但它使终都需要沉积下来，作为光速之前和光速之后的分界线，来区分事物。正如虽不存在宇宙中心，但反之则有以事物的标记在作中心；虽不存在人类中心，反之则有以智力在作认知衡量的中心一样。 也许爱因斯坦还是在无意识之中发现的这个真实。因为他埋下的超光速这个“陷阱”是个悖论，却让一些人去追逐这个悖论；而爱因斯坦又跟自己和其他一些人开了一个很大的玩笑。因为在某种意义上说，他是用光速不变性反对以太标记的存在，但光速本身却变相成了一种可作标记的“以太”；他反对绝对时空，但光速却用这个物质极限的本身就揭示和建构了一个绝对的时空。 爱因斯坦之所以忽视这一点，是因为他还不知道自然界的事物从真实到抽象，还存在着一个不同于笛卡儿三角座标的隐秩序三旋座标，因此他在处理惯性系统的时候，把一个个惯性系统平列起来，这样当然是看不出存在一个优越的惯性系统的。但是如果我们在指出存在这种能由笛卡儿三角座标测量的平列的惯性系统的同时，进一步指出，还存在着一种类似一个盒子套一个盒子的惯性系统。那么一个优越的惯性系统立刻就会显示出来，这就是作为宇宙第一推动力的三旋座标系。这个座标系不能用惯性座标系全部来描述，即两者不能完全协变。所以这个座标系的量子数在任何惯性座标系里总有一部分是等效的，这叫三旋等效原理。就象一只在天空中飞翔的鸽子，我们站在地面上看它是一只鸽子，坐在房子里看它是一只鸽子，钻到奔驰的火车里看它也是鸽子一样，因为这中间我们不能完全把它协变。其次，如一块糖是甜的，分成半块糖也是甜的，直到一个糖分子也是甜的一样；光速不变原理在惯性系统就与此相类似。众所周知，运动的火车是装在地面这个盒子里的；地面这个盒子是装在太阳系这个盒子里的……不管这个盒子多大，在研究地球上的东西不抛出地球引力的范围时，就别忘了地球上静止的所有东西，都是跟着地球转动的，同时也存在着一样的惯性系；而地球上的东西上了地面上运动的火车，它就同时要增加和火车一起运动的惯性而可以建构新的惯性系。 现在回到光速的问题上来；这是不同于宏观、宇观、胀观，而是属于微观、渺观内另一种类型的盒子；物体是由分子、原子组成的；原子是由基本粒子组成的，基本粒子是由亚层次的夸克或前夸克组成，而前夸克就是一种环量子三旋类圈体的物质。光子就接近这类物质结构。通常说的光线是能量子在原子里的跃迁辐射，实际就跟三旋的不同排列组合变化有关。 存在就是一种破缺。物质既然在这一级上从真空中显现，光速也就带有目的环的本体论意义。更直接地说，光速联系着隐秩序。在微观或渺观领域，我们认为三旋是作为自然物质的本体而存在着的，不象在微观到宏观领域，三旋受到那么多的结构约束着，即光子的发生是反惯性系的，不管它是从相对静止还是相对运动的物体中一旦释放出来，它都要减去加在该物体上的类似盒子惯性系的约束力。即不论光源是用什么样的速度运动，光在真空里沿各个方向传播的速度都相等。就是说，光线在物体内不发生时，虽存在如地面上的东西上了运动的火车要加上一种惯性系那样的一种自然本体，但爱因斯坦的狭义相对论，还是从光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为C，并与光源运动无关这一点上透露出隐秩序的三旋等效性质。 现在，超光速在逻辑思维上也能证明是一个悖论。因为即使我们假定光速是可以超的，那么一旦超了，是否还有超超光速，超超超光速……无限下去，即有光速无限定律呢？其次，即使有人讲的超光速，光速仍然是作为一种分界线，在把握物质的标记。况且，象天文学上对河外射电源如3C273的超光速观察，我们可以认为是，3C273星无论从时间和空间上来说，因对我们都是十分遥远，所以我不们能够得以观察到物质的三旋，特别是线旋的影响。因为该星能在几个月之内发生整体的明亮变化，而有人猜想存在光速的超越、这正是来自人们没有计算它上面的转座子密度波作线旋这一因素的变化。同样，如果不考虑线旋因素，在基本粒子里面也可能出现超光速的迷雾。然而懂得光速具有与惯性系不能协变的三旋等效性，就明白人们奢谈超光速中的虚数值，实际就体现着空间量子结构的三旋性；这在模糊数轴理论上是能加以证明的，即空间是实数在数轴上，虚数是数轴外，以自然数为单位点构成的环量子圈态线旋结构。这也就能理解光速为什么能成为第一运动中的一常数。 光速不变性导致了时空的概念和经典时空观深刻的矛盾。例如时空观跟运动着的物质联系在一起，空间长度，时间间隔和物体的质量都成了速度的函数，成了随观察者所选取的参考系而改变的东西。但一事物分属于各个观察者参考系里的无数个长度，形状和质量，人们又认为它们每一个都是真实的。这样一来，它们这种客观性的东西是否就和主观性的东西没有区别了呢？不，相对论能够把客观性的东西变得和主观性相类似的东西，而又不会陷入贝克莱的唯心主义的原因，也就在于相对论找到了一种比洛克的第一性更基本的性质，即是建筑在一种隐秩序的三旋座标的基础之上的。这里所谓的第一性质，洛克指的如广延、形状、密度、不可入性、体积、运动、静止等等，是事物所固有的属性；而第二性质，如颜色、声音、气味等等，则是“第一性质”作用于人的感官才引起的。当然相对论当时找到的解决方法还只是一种五维时空入门的向导；这就是用两个事件的四维距离不随参考系的选择而改变来定量。 参考文献 1、赵国求等，物理学的新神曲，武汉出版社, 2004年1月； 4、王德奎，三旋理论初探，四川科学技术出版社，2002年5月； 5、王德奎，解读《时间简史》，天津古籍出版社，2003年9月。 6、王德奎，环量子理论与三旋理论，凉山大学学报，2004年第2期 ; 7、王德奎，从卡一丘空间到轨形拓扑，凉山大学学报，2003年第1期。
 作者简介：王德奎，59岁，研究员，绵阳日报编辑。<a href="mailtemail:y-tx@163.com" target="_blank" >Email:y-tx@163.com</A>

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