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1、第5章 自然系统的相互作用中国 广西 北海 广西274地质队勘查院 黄国有1 场论的发展为了解释物质之间的相互作用现象，牛顿首先引入万有引力的概念，认为宇宙万物之间普遍存在一种引力。他用引力描述天体的运动规律，建立了经典动力学理论体系。同样的概念被引入粒子之间的相互作用。为了解释电荷之间的引力或斥力现象，法拉第首先引入场的概念，认为电荷通过电场对别的电荷产生库仑力作用。后来人们认为，物质之间的相互作用都是由相应的场产生的。如磁铁周围存在磁场，磁铁通过磁场对其它磁性物质产生磁力作用。物理学家们用“场”描述粒子运动规律，建立了电动力学、量子力学和量子场论的物理学体系。按经典的场理论，物质之间的相互
2、作用有四种类型：强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和万有引力相互作用。四种相互作用的差别很大，核力很强，万有引力很弱，两者之间相差几十个数量级。强作用和弱作用距离很短，约10-17m左右，几乎是一种直接作用。万有引力作用距离很远，几乎达到宇宙的每一个角落。场的本质及其统一问题一直是物理学家关心的最重要的问题，也是物理学的基本问题。二十世纪初期，爱因斯坦研究过电磁力和万有引力的统一，但没有成功。海森堡也曾致力于各种场的统一性研究，也没有结果。六十年代，格拉肖、温伯格等人在杨振宁-密尔斯规范场论的基础上建立了弱电统一理论，试图把弱作用和电磁作用统一在一个理论的框架里。1974年，格拉肖和乔奇提出
3、“大统一场”的概念，试图把强作用与弱电作用统一起来。一些物理学家正在偿试将万有引力统一到这种规范场理论的框架中，企图建立“超大统一场”理论，但没有成功。获得大量实验支持的是一种被称为“标准模型”的理论，它将电磁、强、弱三种作用统一在一个框架下。在该模型中，电子、介子、中微子和夸克构成物质，它们通过上述力产生相互作用，但传递力的是其它粒子，如光子和最近发现的W和Z波色子以及胶子。标准模型计算给出的结果与实验结果吻合得非常令人满意。从1979年至今，在这一领域获诺贝尔奖的人达十几人之多，如提出弱电统一理论的格拉肖、萨拉姆和温伯格，在实验中发现 W和Z粒子的卢比亚（Carlo Rubbia） 和万米
4、尔（Simon van der Meer）。在数学上阐明这一理论的霍夫特（Gerardus tHooft）和魏尔特玛（Martinus Veltma）也在1999年荣获这种特殊的荣誉。然而，标准模型理论还是不完善的，它无法解释自然界最基本的万有引力。即使引力被认为是由于交换引力子产生，也没有人能将万有引力统一到这一框架里。从某种意义上说，近年来发展起来的弦理论也属于一种粒子场理论。它假设宇宙时空中有一种如乐弦一样的纤维状的最基本的东西，宇宙所有物质都是由它组成的。象乐弦的每一种不同的振动产生特定的音符一样，时空弦的每一种振动模式产生一种质点状的基本粒子。至此，牛顿梦想的“上帝第一推动力”再一次
5、出现在弦理论中，不同的只是，在牛顿看来，上帝的推动力使天体开始运行，在弦学家看来，上帝的推动力使粒子开始运行。最新的超弦理论试图把在数学上完全不兼容的量子力学和广义相对论统一到一个框架里，其目的是想把万有引力统一到弱电统一理论体系中。为此目的，它修改人们对时空和万有引力的认识，认为时空可以进行剧烈的结构重组使时空弦破碎然后重新组合。它的主要应用领域是黑洞等并没有获得实验验证的领域，即将广义相对论应用到普朗克长度(10-35m)的时候寻求其与量子力学的统一。目前实验室能达到的微观尺度仅为10-18m，可见它能被抄作的空间是很大的。当然，它也可能发展成为一套数学上完全自洽的理论体系，但沿着这种思路
6、发展下去不可能获得物质世界的真实图景。人们往往趋向于认为一个统一场理论应该是能解释各种不同粒子和力的一个优美的数学框架。现在流行的量子场论就是建立在对称变换群数学模型基础上的，它们并没有可靠的物理学原理作为基础，它们必须引入“规范场”和“规范粒子”，认为物质通过规范粒子的交换引起新的相互作用，即规范相互作用。无论是弱电统一理论还是量子色动力学（QCD），虽然它们在理论上似乎完美无缺，但它们赖以成立的规范粒子，如弱电统一理论中Higgs粒子一直没能在实验室找到。另外，质子寿命的下限已被IMB-3探测器精确地定为年，这已与现有的“标准模型”相矛盾。实际上，现有的场理论都是远离物质规律的数学模型，一
7、般人要去领会它们，或者要过实验去验证它们似乎都是不可能的事情。譬如爱因斯坦于1916年建立的广义相对论这种神秘的引力理论，在近一个世纪过去的今天仍然没有多少人领会它的真实含义，相反，广义相对论的错误似乎逐渐为人们所觉察。真正的统一场论理论框架必须能够自然而合理地解释自然界所有的力和基本粒子的特征，必须能计算所有粒子的质量、轨道半径以及所有相互作用规律。而现在的标准模型只能用现成的实验测定数据对场和基本粒子进行综合和分类，这样做充其量也只是建立了一个基本粒子的“元素周期表”，离统一场的梦想还十分遥远。实际上，场不过只是人们为了解释自然界的相互作用现象而引入的一种概念。尽管绝大多数物理学家都认为场
8、是一种特殊的物质形态，但是，直到现在，还没有任何实验能证明场是一种客观物质存在。在进一步确认场是否存在之前，谈论场的统一问题不过只是谈论“屠龙术”一类的东西。没有龙，屠龙术再好也是子虚乌有。2 场不过是“麦克斯韦妖”回顾物理学发展的漫长历史，我们发现人类在认识自然规律的道路上一直遵循这样的思维模式：当新的不能解释的现象出现的时候，人们倾向于首先假设自然界存在某种未知的东西，然后开始用这种可能并不存在的东西去解释新的物质现象。从上古时代的物素到近代的燃素、从万有引力到库仑力、从电场到磁场、从电荷到磁荷、从量子到光子、从以太到暗物质、从规范场到规范粒子、从黑洞到空间弦都是这种思维模式的产物。历史发
9、展证明，这一认知方式在科学的发展上起着非常重要的作用，它往往带动相关的实验技术和科学技术的发展。但是，历史一次又一次地证明，当我们的认识水平上升到一定高度的时候，许多人们原来设想的可以解释某些现象的东西根本不存在。燃素不存在了，燃烧被证明是物质与氧气发生的化学反应；以太不存在了，光独立地在空间中存在和传播；磁场不存在了，它被证明归属于电现象。然而，一种被证明不存在的陈旧的东西往往会被另外几种可能也不存在的、时髦的东西所取代，这使人们一次又一次地进入茫然。人们往往忽略这样一个问题：在每一种假设的前提下人们都可以用数学方法建立起一套自我完善的、自洽的理论体系，致使人们很难去辨别这些理论的正确性。物
10、理学理论发展到今天，它离现实的世界越来越远了，许多新的物理学理论只能被当作新的神学来传播，如爱因斯坦的广义相对论、现代的超弦理论和膜理论等。之所以会出现这种现象，是因为人们不尊重物质的客观规律，过于崇拜一些主观的所谓完美的数学模型。实际上，在一种物理理论中，物质的物理规律，或者说物理学原理才是主要的，数学模型终究是方法论的范畴。我们首先应该从物质的本质规律上而不是数学模型上实现各种相互作用的统一。我坚信，物质规律是和谐的、简明的、统一的。宇宙是唯一的造物主、是唯一的神秘力量的创造者。宇宙中根本不存在什么人类无法认知的特殊物质形态。没有质的量和没有量的质在自然界中是不存在的，它们只存在于人的意识
11、形态中。由一种物质超越空间距离施加给另一物质的引力和斥力（包括万有引力、库仑力和核力）都是不存在的。自然界所有的相互作用都必须通过物质的直接作用才能产生。哪怕是人的心理作用也是通过物质的直接作用才得以实现的。譬如有一天你不顺心的时候，看见两个同事在办公室窃窃私语，你会以为他们是在私下谈你的不是之处，因而对他们产生忿恨，直至你心情不好，到处乱扔东西。这是一种心理作用过程，它通过光和声波的物质传递，作用于你的眼和耳，然后，通过神经系统的物质传递作用于你的大脑，再通过大脑这种思维器官作用产生误解信息并发出指令，通过神经系统的传递让你生气，让你乱扔东西。单从表面上看，似乎那两个同事有一股神秘的力作用在
12、你身上，让你生气、扔东西。但这种超越时空直接作用在你身上的力是不存在的。但通过物质传递的一系列相互作用却是实实在在地存在的。那两个同事不过是导致这一切作用的外部因素。这种复杂的相互作用只有通过结构和功能复杂的物质作用才有可能产生。万有引力和库仑力等朴素的自然作用是不存在这种复杂的物质作用过程的。人们设想存在“场”这种特殊物质状态，物质通过“场”实现“你拉我、我拉你”的引力，这其实不过是“韦克斯韦妖”的另一版本。那么，自然界的四种力是怎样产生的呢？现代物理学中“场”的本质是什么呢？这个问题当然只有从引力产生的具体过程中寻找答案。相互作用可以使粒子发生改变，高能反应中，我们常常可以看到粒子质量增加
13、或损失的现象，常常看到一个粒子在相互作用中分裂为几个粒子，也看到粒子衰变或发生堙灭而“消失”的过程。这些现象说明，粒子在相互作用过程中能从周围空间吸收物质，也能把自身的物质辐射到周围的环境中去。可见，物质之间的相互作用是通过物质的变化和运动引起的，这种变化和运动发生在粒子与空间中的物质基元建立的平衡体系之中，这便是物质的衰变。人们一直认为能量可以转变成物质，物质也可以转变为能量，高能反应中粒子增加的质量被认为是由能量转化来的。粒子在高能反应中损失的质量也被认为是变成了能量。但能量不过是表示物质相对运动关系中的一种物理量，它与力一样只是研究物质运动的一种方法，它们是一种定义而不是游离于物质而独立
14、存在的客观实在体。离开了物质（有物质就有质量）去谈论能量是没有意义的。物质质量的增加和亏损都是物质形态发生变化的结果。可见，相互作用是由物质本质的变化引起的。场只是一种虚构，是物质相互作用规律的矢量描述。是物质衰变-逆衰变动量平衡对称性破缺引起的加速度在空间上的矢量反映，是衰变-逆衰变动量对称性破缺规律在坐标上的数学描述。不过，包括电磁力在内的万有电磁力涉及到系统的内部结构和物质运动的变化，要在方程中直接反映出这种物质的内部结构是不可能的，在用统一的方程描述电磁规律时也许必须人为地引入电场、磁场、电荷、磁荷和色荷等物理概念，但这并不能表明自然界真的存在电荷和磁荷这种特殊的物质。严格地说，除了物
15、质(质量)、运动(平动和自旋)和变化(衰变)是客观存在之外，场、电荷和磁荷等都不是客观实在的物质形态。场的概念首先是为了解释引力产生的原因而作为假设引入的，后来在描述物理规律时把场赋予了数学意义。万有引力是由物质的动量变化引起的惯性力，所以物质周围并没有引力场这种物质。库仑力是由于角动量变化引起的动量变化，自旋粒子中没有电荷这种物质形态，粒子周围也没有电磁场这种特殊的物质。流体中的旋涡、旋转的陀螺、地球、太阳和星系之间都存在库仑力的作用，都表现出电荷属性。所以，电荷和电场都不是客观实在体。磁力是自旋系统中由于运动（动量）引起角动量变化而表现出来的惯性力，客观上既没有磁荷，也没有磁场这种物质形态
16、。电荷和磁荷不是一种独立存在的物质形态，它们只是自旋系统之间相互作用关系的一种量度，是微观粒子角动量量子化的结果。只要存在并且只有存在自旋就存在电荷和磁荷，任何自旋系统都表现出电荷和磁荷属性，它们之间都表现出万有电磁力的作用。所有的场都是对某一物理现象的空间分布规律的主观理解或数学描述。3 衰变辐射是引力产生的根源基本粒子的衰变现象暗示了基本粒子具有更复杂的细微结构。容易理解，引起万有引力的衰变是自然界最基本的衰变，我们把这种衰变称为质磁衰变。引力衰变辐射的粒子是自然界最基本的物质结构单元，我们把这种最基本的物质结构单元称为质磁子。我们观测到的所有基本粒子归根到底都是由这种粒子组成的。质磁衰变是引发其它衰变的根本原因，是质磁衰变进行到一定程度时引发了基本粒子的其它衰变反应。基本粒子的寿命直接与质磁衰变-逆衰变平衡有关。如果衰变速度和逆衰变速度大致相等，基本粒子就十分稳定，如果逆衰变的速度大于衰变的速度，基本粒子不仅不会衰变掉，而且会生长分蘖，最后产生新的粒子。我们在
