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步入第三类文明,我们缺少什么? 上海UFO俱乐部原干事 刘岩  

2014-04-12 22:48:03|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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步入第三类文明,我们缺少什么?

上海UFO俱乐部原干事   刘岩

 

引言

10年前好莱坞的科幻大片几乎都是涉及人类步入第三类文明的,如卖座的大片《星际迷航》等。人类迈入第三类文明,面临的两个最大的难题是,万有引力和超光速运动。前者涉及已困惑人类近5个世纪的万有引力的根源问题,后者涉及相对论的基础,这是当代物理学中最大的两个难题,虽然当代物理学家们已几乎耗尽了所有的智力试图解开这两大谜团,但仍然一无所获,甚至可以悲观地说,对这两个问题的认识,当代物理学家与近一个世纪前爱因斯坦时代比较没有任何进步。

 

当代的理论物理学家们似乎已经感到精疲力竭了。

其实,早在1956年杨振宁和米尔斯建立杨----米 规范场理论之后,理论物理学就开始被淹没到粒子物理学的辉煌进步之中。但是,粒子物理学的进步并没有给引力的本源和相对论的基础这两大难题提供出任何有用 的信息,相反,使问题更加复杂化了,引出了一个新的更深层的问题,那就是,量子理论和相对论,这两个理论,哪一个更完备。

让我们把视线转回到一个世纪前创立的狭义相对论。

 

一.狭义相对论的基础

1905年, 还是伯尔尼专利局职员的爱因斯坦在德文物理刊物《物理纪事》上连发了五篇论文,其中一篇题目叫“论运运动体的电动力学”,改写了近代物理学的面貌。几年之 后,爱因斯坦的大学物理老师,闵可夫斯基将爱因斯坦的这个新理论称之为“相对论”,也就是说,运动是相对的。爱因斯坦本人则称这个理论叫“狭义相对论”以 区别于后来提出的包含万有引力的更加普遍的“相对论”,后称“广义相对论”的理论。

狭义相对论提出之后,并没有立刻在物理学界引起广泛注意,力挺这个理论的物理学家也就是普朗克。

狭义相对论的基础是基于两个实验事实,第一是光速不变原理,第二是运动定律的普适性原理,既力学的运动规律,可以适用于电动力学。

爱因斯坦的狭义相对论在今后的一个世纪中经受了任何的理论和实验验证,至今找不出瑕疪。

从物理本质上讲,狭义相对论对运动规律的协调化工作是成功的,但是,这一理论却给人类的运动速度设定了一个极限----任何宏观物体的运动速度不会超过光速。从此,人类试图以超光速运动到达遥远星系成了一个梦想。

为什么物体的运动不能超过光速?狭义相对论似乎给出了解释,那是因为随着物体运动速度的增加,它的惯性质量也增加,直至到达光速时达到无穷大,所以,光速是运动的极限。

光速为什么是运动的极限?要想深入至这个问题,必须首先从狭义相对论自身入手。正如爱因斯坦所说,这个理论是试图将运动的规律变换到电动力学中。而我们知 道,在电动力学之中,没有什么物体可以运动超过光速,也就是说,仅仅在电力学中,运动不会超过光速。更进一步用量子理论的语言说,所谓电动力学,就是只涉 及与电荷可以发生耦合的运动过程。如果有一类运动不会和电荷发生耦合,那么,这一类的运动就不存在什么运动的速度的极限了,可以超过光速运动。

在过去的几十年中,科学家们也的确观测到过超光速运动。在大尺度上,天文观测中发现过超光速运动的星团。在小尺度上,观测到超过光速运动的粒子,它们甚至还被起了个名字叫“快子”,意思是运动快于光速的粒子。

但为什么存在这些超光速的运动?相对论本身给不出答案,量子理论也无法回答。因为,量子理论提供不出不和电荷发生耦合的运动过程能否超光速运动的任何信息,那么,量子理论到底是一个什么样的理论呢?

 

二、量子理论

量子理论源于1900年 普朗克对黑体辐射的研究。为了合理解释黑体辐射这一现象,普朗克引入了能量作用的最小单位——能量量子的概念取代过去人们认为的在微观世界能量是连续的能 量流传递。和几年后爱因斯坦提出相对论一样,量子理论在当时并没有引起人们的关注,直到后来爱因斯坦在解释光电效应的论文中采用能量作用量子的概念。所 以,量子理论的确立,爱因斯坦做出了巨大的贡献。

到了20世纪30年代,量子理论与电磁场理论结合形成了量子场论,这一理论对粒子物理学的进步起到了极大的推动作用。

如同相对论一样,量子理论的局限性不久就被人们发现了,如果说相对论带给人类的是运动不能超过光速,那么,量子理论带给人类的则是,人类不能同时测定一个粒子的速度和位置,这就是使爱因斯坦后来成为量子理论的质疑者的----测不准原理,又称不确定度原理。

为了这个原理,爱因斯坦和玻尔在20世纪30年代初曾爆发过数场哄动当时整个欧洲物理学界的大争论。这几场争论当时虽然没有分出结果,但是到了20世纪60年,贝尔提出了著名的贝尔不等式,依据这个不等式,可以判定出玻尔和爱因斯坦谁是正确的。20年 后,伴随着激光技术和单光子检测技术的发展,人们终于可以在实验室条件下验证贝尔不等式了。美国和欧洲两个实验小组相继得出数据,实验支持玻尔的观点,量 子理论对自然界的描述是完备的,爱因斯坦的所谓的“隐变量”理论是错误的。即,量子理论的深层不存在一个什么尚未知的所谓的“隐变量”决定粒子的量子行为。

说到这里,人们自然而然会问,既然量子理论对自然现象的描述是完备的,那么,为什么采用量子理论的语言描述万有引力不成功?难道在这20世纪的两大理论之中,只有一个理论是正确的?这个问题也的确是当代物理学家们深入思考的问题。也许在未来,我们会舍弃其中的一个理论,而被舍弃的,很可能是相对论,而不是量子理论。从深层次上讲,量子理论对自然现象的描述更加基本。

事实上,相对论只是一个“唯象的理论”。从哲学角度讲,由于唯象的理论只是基于对现象的描述,而不是对其中机理的揭示,所以,最终都不会逃脱被新理论取代的命运。

 

但是,量子理论就不同了,量子理论不是一个唯象的理论,而是一个揭示本质的理论。虽然它的数学基础尚有待进一步完善,但它却是一个直接可以能反映本质的理 论,因此,物理学家将这种理论称之为“绝对理论”。如还有热力学第一定律,即能量守恒定律,热力学第二定律,即熵增原理。这些理论都被称为“绝对理论”。

说到这里,人们自然会明白,为什么量子理论和相对论接合而出现的量子引力理论不会成功,原因就是,一个是唯象的理论,一个是“绝对理论”二者的物理学基础不同,自然不会融合到一起。

 

三、引力理论的未来

无论如何,迈入第三类文明,永远绕不开引力的本质问题。

20世纪六十年代以来,诸如超空间理论,弦理论都试图绕开相对论和量子理论开辟一条新的可以揭示出引力本质的道路,但至今仍不见曙光。超空间理论试图增加空间的 维度重新描述引力,但是,一个无法回避的难题是,一旦空间的维度超过四维,那么,引力在其中就变成短程相互作用了,显而易见,超空间理论是一个被淘汰的侯 选者。

 

那么弦理论呢?至今人们无法判断出弦理论和经典的量子理论哪一个更加优越。从实用的角度看,经典的量子理论的数学处理已成熟,并且采用的数学方法简单,而弦理论采用的数学处理太过于复杂,因此,没有优势。

弦理论目前也仅仅停留在对引力现象的描述上,仍然没有深入至引力的本质。引力源于物质的什么性质,仍然未知。所以,喧闹一时的弦理论如今似乎变成了几乎没有物理内涵的数学游戏了。

 

结语

人类试图迈入第三类文明,引力的本源,超光速运动永远是两个绕不开的难题。20世纪物理学的进步,并没有揭开这两大谜团,甚至在某种程度上弱化了人们对两大难题难度的认识。21世纪的物理学家至今面对这两大难题,依然尚未找到入口,人类迈入第三类文明的道路依然漫长。

注: 本文发表于中国发行量居前的科学普及刊物《飞碟探索》

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