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虽然迄今为止标准模型都还没有与粒子实验相冲突,特别是它对所有粒子的分类更是无与伦比,但并不是说该理论就十全十美.
1、引力场也属于规范场,万有引力是任何有质量粒子都参与的作用,但标准模型却没有能包括对万有引力的描述。
为了把万有引力包括在描述中,按照规范对称性原理的要求,理论家们使用了把粒子中费米子和玻色子联系在一起的一种扩大的规范对称性,即所谓超对称;
为了克服引力理论的发散困难并实现强、弱、电、引力这四种力作用的统一,提出了物质世界由多维弦组成,它满足超对称,以此创建了超弦理论。
在对该理论五种基本形式对偶性研究中,发现它们又可以结合成一种11维理论,称是M理论,认为物质世界又都产生于满足超对称的唯一“超块”。
不论是超弦理论或是M理论,它们都远离了实验观察。
这种以超对称为依据向统一四种力作用的极限目标前进的理论困难呈指数增加,以及难以实验验证,315位物理学家因此在美国的物理学权威刊物发表文章,宣告超对称研究的失败。
(1)即试图用扩大规范对称性的途径去完善标准模型的努力失败了。
2、标准模型自身有难以给出答案的理论疑难。
标准模型认为强子是由带色的颗粒状夸克组成。
由于理论上的渐近自由认为,高能条件下夸克间的作用要减弱,而大多数夸克又都较轻,但不论是多高能量或是多小的范围,实验均未能观察到自由夸克。
李政道等许多理论物理学家们都因此认为这是20世纪物理学真正的谜。
标准模型发展的关键是引入真空对称性自发破缺及希格斯机制,
但却不知道真空对称性自发破缺是怎样产生的,也不清楚希格斯机制—2—
的实质是什么。
希格斯场是作为基本标量场引入的,但理论本身并没有给出这种场为什么应当存在。
希格斯机制需要有希格斯粒子,但对其质量并不能做明确预言,在超过产生最重t夸克的能量条件下仍没有能观察到它存在的踪迹。
上述困难涉及的都是标准模型描述的依据。
标准模型建立在了没有完全弄明白的基础之上。
3、标准模型的论述虽然与现有实验完全一致,QCD也还给出了强子的动力学结构,但对粒子的许多固有存在却说不出所以然。
标准模型中粒子质量基本上是一个自由参数,只能通过实验测量来确定。
对夸克,如果要使它们的质量与实验相符,就必须把理论中的自由参数调整到小数点后十几位。
这显然是一种人工雕琢。
除了还不明白的希格斯机制外,标准模型对粒子质量这种基本的固有存在,能说的并不多。
标准模型也无法理解粒子自旋的固有角动量是怎样形成的。
理论中强子自旋来自组成它的夸克的自旋,但对质子的实验分析却表明,组成它的三个夸克的自旋对质子的自旋贡献很小,形成了不能自圆其说的自旋危机。
(2)
作为粒子组分的夸克和轻子为什么只能是“三代”?
粒子电荷严格的量子化是怎样生成的?
高能碰撞中粒子的能量通过什么具体过程转化成了质量?
做变速运动的带电粒子为什么可以辐射无限多光子?
等等大量由粒子自身固有存在形成的问题,标准模型都不能得到解答。
除了上述三个方面的困惑外,标准模型要与实验保持一致,还要把计算需要的至少19个象粒子质量、力作用耦合常数及混合角这样的自由参数“适应”或调整到与实验数据相符,而我们又不知道这些参数到底都源于什么。
这就意味着标准模型的论述与实验一致,并不是运动规律在定域规范变换下不变的自然结果。
也许正是有上述一些困惑,为标准模型做出卓越贡献的谢尔登·
格拉肖,在诺贝尔物理奖领奖演说词中评价标准模型时就郑重其事地宣誓说:
“……让我强调一下,我并不相信这个标准理论作为一幅正确而完备的物理图象永远存下去……标准理论也许会作为终极理论的一部分而存在下去,也许终于证明是根本错误的”。
[3]
也许还是由于上述的困惑,因标准模型的开创性工作获诺贝尔物理学奖的理查德·
费因曼,并不认为标准模型就是我们已有的好理论,在评价现代理论物理现状时就尖锐地指出:
“我们有搜集到的大量实验数据,但还没有一个好的理论存在。
这应当成为我们工作的出发点。
这也是理论物理学面临的真正问题”。
[4]
与上述物理大师们的看法一样,当代许多物理学家也都认为标准模型并非就是理解粒子的理想选择。
我们要解决困难做出谋求发展的新抉择,首先应当深入总结包括标准模型在内的粒子理论的已有实践。
(二)
根据标准模型的么模么正群不可能解决上述
(一)的那些困难。
这已被众多理论家们的工作所证实。
当代许多理论家也试图用非标准模型去探索,如人工色理论、超对称大统一理论等,但在考虑粒子可能存在的内部结构及相互作用时,依据的仍是量子场论和规范原理的框架。
由于标准模型成功的魅力,许多人就认为构建它的前提依据仿佛是不可动摇的基础。
为了描述简洁,把构建粒子理论依据的量子场论框架称是它的场量子起点,依据的规范原理框架称是规范起点。
本文所述的粒子理论的逻辑起点,就是理论描述依据的场量子起点和规范起点的总称。
场量子起点的描述中:
认为每一种粒子都对应着与之相关的、具有时空广延性的波场,其状态用具有一定位相的波函数ψ表述,具有四维相对论性的动量P、能量E等特征量,并要不停地向周围发谢后再回收,变化量ΔP或ΔE服从量子力学(QM)的测不准关系ΔPΔx≥h或ΔEΔt≥h,因不可观测也称是向周围发谢后再回收了虚粒子,构成了前文所述作为媒介子的规范场,从而形成了标准模型的真空内容。
因而现代粒子理论的真空也可简称是虚粒子真空。
规范起点的描述中:
粒子间的相互作用实现于粒子场ψ与媒介子的规范场Φ的耦合,基本性质(运动方程、能量、动量、角动量等)被拉格朗日函数L(体系的动能与势能之差)所表征,把粒子用ψ描写的状态做与时空坐标Xμ有关的位相变换,若L具有不变性,该粒子及其对应的场就具有了定域规范不变的对称性。
这样就可以求助于这
种对称性一般性原理(规范原理)的指引,对L的具体项做出选择,—4—
并由实现这些不变性的具体内容写出么模么正群,从而就构成了理论的数学分析体系。
规范原理依据的是物理规律在整个时空中保持不变的这种信念,是一种人为的先验假设,来自我们对物理学表述形式简洁美的追求。
为了方便粒子理论逻辑起点的进一步讨论,本文规定:
粒子自身存在的局域空间是它的内部空间,粒子自由运动的空间是它的外部空间;
粒子在外部空间的整体存在称是它的个体存在,其组成成份在内部空间的存在称是它的组成存在。
如粒子量子化电荷就是它的个体存在内容,而强子的夸克存在则是它的组成存在。
还容易理解,前文
(一)所述粒子自身的固有存在都涉及到了它的组成存在。
宇宙的可观察物质世界都是由粒子组成,宇宙空间只能是由粒子的内部空间和外部空间组成。
粒子外部空间也就是普通真空。
(三)
场量子起点中的粒子都是没有大小的点。
我们知道,引力势或库仑势U∝r-1,粒子如果是一个点,r→0,│U│→∞,表明使粒子裂解的能量将是实际上不可能出现的无穷大。
不论在理论上或是实际存在中这都是不允许的结果。
因此,粒子都应该是有一定大小的延展体,都有各自的内部空间。
经典力学中把物体看成是质点的事实说明,对粒子的个体存在,不论是理论描述或是实验测量,如果不涉及它在内部空间的存在,就都可以象经典力学那样把它看成是点粒子。
验证QED的实验中对电子反常磁矩测量到小数点第七位仍不表现它有内部结构,就是因为粒子内部空间的存在没有能参与到这种测量中,并不因此就证明电子就是一个没有内部空间的的点粒子。
场量子起点规定的粒子是一个点的事实还表明:
它的所有描述都不涉及粒子内部空间的组成存在,依据的是粒子的个体存在。
量子场理论只能适用于粒子外部空间的个体存在,它对粒子有一定大小内部空间任何问题的描述也均未能取得成功。
这也正是标准模型不能给出粒子自身固有存在的重要原因之所在。
整个宇宙的普通真空均不可区分,粒子外部空间具有在整个宇宙的广延性;
该空间的物理规律,不仅任意点变换不变,不同方位及不同时刻也均变换不变,完全满足洛仑兹不变性。
物质运动是空间位置的相对移动,速度V是位置移动r及时间t的函数,可表示成V=C(r、t);
它建立在观察和测量的基础之上,因此要求能进入构成r的空间对其任意取值用测量工具直接测量。
粒子外部空间就具有这样的可入性特性,使在粒子外部空间的运动有经典运动学的确定意义;
这正是狭义相对论和QM描述基础的基本特征。
对某种特定粒子存在满足的物理规律,虽然地球上与宇宙深处变换不变,一亿年前与将来变换也不变,但粒子的内部空间却有不同于外部空间的如下一些重要特征。
1、高能粒子碰撞中,虽然通过散射截面δ可以推知进入粒子的深度,但这仍是把粒子当成一个整体数学分析的结果,粒子内部空间的任意距离实际上都不能用测量工具有效测量,即粒子内部空间具有不可入性,粒子内部空间的物质运动也将因此失去经典运动学的确定意义。
粒子自旋J的固有角动量形成于粒子内部空间的某种轨道转动,但它既不满足狭义相对论的运动规律,也无法用QM理解,这就是佐证。
2、把粒子组成规定为它内部空间的存在内容。
不同粒子内部空间有不同的存在内容。
如νe+n→p+e-及π-→μ-+νμ这样,随着粒子的产生和湮灭,内部空间的存在内容可以相互转变。
任何衰变粒子内部空间的过去和将来各不相同,与该空间相关的物理规律具有时间变换的可变性,即时间的非对称性。
粒子外部空间作为普通真空,其固有存在内容不变,与该空间相关的物理规律具有时间变换的不变性,即时间对称性。
3、粒子内部空间有自旋J的轨道转动规定的特殊方向,与J方向平行的轴及面上的点和与这种方向垂直的轴及面上的点并不平等。
即粒子内部空间具有空间平移或旋转的不变性,不满足洛仑兹不变性。
验证弱作用宇称不守恒的实验中,当外磁场把放射性核的磁矩排列起来时,β衰变中β电子沿磁场方向和反磁场方向飞出的数就各不相同,即衰变过程在左手系坐标和右手系坐标完全不同,表明作为实验粒子的中子具有某种内在“螺旋”。
这一事实就充分证明,粒子内部空间各个方向并不平等,不满足洛仑兹不变性。
包括狭义相对论在内的所有建立在场量子起点之上的理论,均不能用来描述粒子的组成存在。
粒子内、外空间有不同的存在内容及描述特征。
因此,在内部空间粒子组成存在具有的规律、将不同于外部空间的个体存在。
对此,我国已故著名物理学家卢鹤绂在考虑狭义相对论、QM及粒子有大小这三者都照顾到的量子场论未能建立起来的事实时就很有见地的指出:
“这件事可能意味着狭义相对论和QM的定律在小距离处终将垮台,在小距离处目前的概念可能还需要修改。
”[5]这实际上是清楚地告诉我们:
应考虑对粒子外部空间的理论描述不能直接用于它的内部空间。
(四)
分析规范起点的实际表述,容易发现它有以下潜在问题。
1、强作用和弱作用均发生在粒子的内部空间,在确定其体系能量时,总是把在外部空间的描述类推到了内部空间:
如类比带电粒子在外部空间参与的电磁作用,认为夸克间的作用也分色“电”作用和色“磁”作用,低能时色“磁”作用起主导,高能时作用势是很小的恒量,接近库仑势;
又如在重夸克cc或bb组成的强子中,唯象写出的势能U(r)=
Uc(r)+Us(r):
Uc(r)是与自旋无关的有心位势,其中就有一个库仑势;
Us(r)则是与自旋有关的位势,同样是类比带电粒子在参与外部相互作用时的自旋影响,认为也依赖于矢径r的取向和自旋组态,包括自旋—轨道相互作用、自旋—自旋相互作用和张量相互作用的贡献等等。
而且,还认为粒子组成存在的动能也是相对论性的。
所有这些都混淆了粒子内、外空间有完全不同的存在内容和描述特征,使写下的基本方程就脱离了粒子内部空间的真实存在。
2、上世纪六十年代,理论家们发现强子可以按么正变换的SU(3)对称性分类;
这种变换是在假想的复数三维空间的矢量转动,为了对此做出解释就说强子由更基础的夸克组成。
与这种思想相同,规范起点提供的解决问题的出发点总是从粒子存在满足定域规范对称性出发,并以此再去寻找形成这种对称性的原因。
这是从粒子存在的结果去寻找为什
么有这种结果的原因的表述思路。
我们知道,一种结果可以有众多的形成原因。
所以,标准模型的进一步发展给出的是许多可能的物质统一性图景,对此理查德·
费因曼评论说:
在那里只是说“应当存在着某种统一,并不意味着真正发现了这种统一是什么样子,可能性实在太多了。
它们之中任何一个可能都有是对的,也可能没有一个是对的。
因此我们必须……向尽可能广的方向探索。
”他还警告说,现代理论物理研究最危险的,是让“每个人都去做相同的一件事。
”[4]由规范起点确定的这种思路表明,以此为依据构建的理论表述逻辑具有潜在的不确定性。
3、不论是位相因子参与的连续变换,还是内禀空间P、时间反演T、电荷共轭C等分立的宇称变换,它们都形成于理论家的头脑,属于认识的主体内容,而作为描述对象的粒子存在则属于认识的客体内容。
实际上我们也并不清楚这些变换中使用的概念表示的客体存在属性到底是什么。
如夸克和胶子的“色”表示的到底是什么?
构成同位旋复数空间的客体因素到底是什么?
正、反粒子的客体存在区别到底是什么?
位相因子与粒子组成的客体存在关系到底是什么?
等等。
也就是说我们并不明白,理论描述中的人为变换与粒子实际存在到底是什么关系,所谓规范变换及对称性仅仅是用作描述粒子存在的“代用品”。
这就有充分理由认为,标准模型的成功并不是粒子真实存在内容内在逻辑的自然结果,只不过是它的数学描述与粒子某些真实的特征表现相符。
这种认识与谢尔登·
格拉肖的一种看法相同:
标准模型只有部分是正确的。
规范起点的描述并没有把握粒子内部空间真实的客体存在,在试图解决粒子理论困难时就完全没有一定要坚持的必要。
(五)
历史上曾为,真空是由以太这样的单位组成。
它体现了真空有自身的客体存在。
但这种认识主要因为以下两个理由被现代的许多人放弃了:
1、1887年迈克尔逊—莫雷开始了测量以太的漂移速度,精确实验得到了零结果;
2、发现了电磁波,认为物理场是源物体发射的,它能独立传播而不需要以太这样的载荷物。
隔开的粒子间要发生作用,能量、动量、角动量等这些可观察量要从一个粒子向另一粒子转移,放弃了以太就只能想象成是一个粒子发射出来后再被另一个粒子所吸收,在量子场论的认识中这就是作为媒介子的虚粒子。
因此,用场量子作起点很自然就有真空是虚粒子海洋的认识,但因此就出现了如下严重问题:
1、粒子是从受激发真空产生出来的,而真空的组成却又是粒子存在的结果。
尤如妈妈是由女儿存在决定的一样,这就成了因果关系颠倒的物理实在;
2、为了描述粒子间相互作用的需要就说真空由虚粒子组成;
为了产生出质量的希格斯机制的描述需要,又说真空有可横向极化的哥德斯通玻色子;
为了实现QCD的SU(3)对称及超弦理论的描述,还说真空极小处存在有奇特的胶子或超弦;
等等所有这些对真空是怎样的存在,依据的都不是观察事实,而是理论描述的需要。
这就等于说真空有怎样的存在是由主观需要决定的;
3、由于不可计数的大量实物粒子无一例外地在真空永无休止地激发各种物理场,因而真空的无数种虚粒子要不停的暴出和消失,异常复杂,这种过程又始终不可观测。
真空作为粒子的出生地,仿佛是永远探不到底的深谭,只能凭猜测和想象。
这说意味着物质世界是来自想象和不可知。
上述这些问题,不论是从认识论的角度,还是从逻辑学去考虑,都是致命的。
既然如此,为什么不可以承认用以太表示的真空自身的实在性存在呢?
爱因斯坦创建狭义相对论虽然也离开了真空以太,他认为:
这是因为不能把电磁场解释成以太状态而逼着这样做的;
把场作为独立的物理实在,这是客观存在的二元论。
他进一步说:
“我们希望后代将能克服这个二元论概念”,“从而不再视场为独立的物理实在”,还说“理论物理决不能没有以太。
”
实际的可观察粒子,不论是粒子衰变的弱作用,还是高能碰撞的强作用,它们都产生于受激发的特定真空位置;
而且,真空位置受激发时都有由电容率ε0和磁导率μ0这样的常数值描述的特征内容,
(ε0μ0)-1/2=C又是全宇宙真空的普适恒量。
表现真空存在的这些普遍事实表明,在不同位置它一定是相互独立的量子化单位,其中最基本单位的固有态也是唯一的。
用V0表示。
V0与以太表示的真空有自身的客体组成相一致,因此也可以称它是新以太。
注意这里的V0是从相关的普遍事实归纳出来的客体存在,因而不是一定要使用数学去定义。
真空的V0存在是不同于现实物质世界的全新领域,遵循的规律也一定不会与现实世界的物质存在规律相同。
真空中源于V0的组成单位也就可以象原子中价电子做变速运动不满足经典电磁理论的辐射规律一样,也不满足机械运动规律,不会发生可观测的漂移,迈克尔逊和莫雷自然也不会观测到漂移速度。
当然这也有可能完全不对电磁波的传播产生任何影响。
理论探索中真空的以太组成一直是许多物理学的理论大师们挥之不去的思想,获诺贝尔物理奖的狄拉克就是最典型的代表,早在上世纪70年代他在一次学述报告中就说:
“以太观念并没有死掉,但它不过是一个还未发现有什么用处的观念,只要基本问题仍未得到解决,必须决记住这里还有一种可能”。
[7]而且他也很清醒的意识到了以太的非机械特性,因此同时又说:
“量子力学引进了测不准性,那就也许会有一种其速度不确定的以太。
放弃了历史上具有机械特征的旧以太,把注意力转到向真空自身具有的非机械特征的基本客体组成单位这样的新以太,这应当是解决粒子物理基本问题时顺理成章的思考。
标准模型远远没有解决粒子理论的基本问题。
不论理论还是实在性的客体存在,都需要以太表示的真空自身固有的客体存在。
(六)
因创建弱电统一理论获诺贝尔物理学奖的温伯格在评论当今物理学时,他说这“并不是一个已经完成的逻辑体系,相反,它每时每刻都存在一些观念上的巨大混乱”。
[8]如本文
(一)所述,粒子理论的标准模型亦是如此。
综合前文的讨论不难理解,出现这种局面的原因是:
形成逻辑起点的描述依据本身并没有反映粒子组成的真实存在;
我们依据的不是描述对象的客体存在,而是些不知“是什么”的抽象概念。
因此在此基础上去解决它面临的困难,是就困难解决困难的脚疼医脚、手疼医手,往往是解决了一个困难,却又增加了更多的困难。
如为了克服引力发散困难构建的超弦理论就是这种情形。
我们完全应该采取另外的探索方向:
把描述依据从粒子个体存在及理论观念转变成真空最基本的客体存在,从而使形成逻辑起点依据的是客体存在而非唯象概念,同时又保留与实验相符合的成功部分。
这种从源头上去根本解决困难的方案,实际只需要完成以下两项工作。
1、依据从表现受激发真空产生粒子需要的客体表现的普遍事实,归纳总结出V0与实际保持一致的客体存在内容,再由这种客体内容的内在逻辑自然得出粒子存在的所有特征表现,这样始终以描述对象客体存在的事实为依据去进行思考。
实现这项工作的可能性毋庸置疑:
因为V0的客体存在是从相关的普遍事实中得到的,因而必然真实,而且唯一确定,满足理论描述严密性的要求;
又因为V0是唯一的真空基本组成单位,从受激发真空产生粒子,就只能是V0离开真空态以后被组织的结果,粒子存在的所有特征表现的唯一来源就只能是V0的客体存在,这里有必然的因果关系。
2、用V0存在构成客体化而不是概念化的理论基础后,对粒子个体存在的表述,再从数学描述的等效性实现与标准模型“对接”。
如前文(四)的讨论,标准模型只有数学描述意义,它的成功是因为实现的数学描述与粒子存在的某些特征表现相符。
用V0存在可以得到粒子存在的所有特征表现,当然也包括了标准模型描述的那些特征表现。
因此,这里用数学描述的等效性与标准模型“对接”是允许的;
而且在这种“对接”中,只会保留与粒子存在特征表现相符的部分,剪除掉与
粒子存在特征表现不相符的那些内容。
即从改造后的逻辑起点构建的粒子理论,将自动克服或消除所有的困难,只保留了标准模型成功的描述。
注意实现这种保留的条件并非是粒子的低能行为。
用依据V0的客体存在的逻辑起点构建粒子理论基础,很容易理解至少有以下三个明显优势。
1、V0作为宇宙真空最基本的组成处处等同,客体存在也不会随时间而改变,在宇宙空间的不同点描述粒子个体存在的场方程及相互作用体系在作用中是不变的。
即描述可观测物质世界的基本自然规律在整个可观测时空中完全自洽。
这是粒子源于真空V0的自然结果,而不是由规范理论中人为的规范变换来保证。
这就克服了为了与现实世界保持一致而在理论中加入的人为主观因素。
2、物质世界真正的统一在于它们都是源于共同的V0,而不是规范理论所述的四种力有统一的实现形式,从而克服了极高能量条件构成的理论描述和实验操作的极大困难。
实验中粒子衰变和高能粒子碰撞要发生各类粒子的相互转变,这也就实现了不同力的相互转化,也即实现了不同力耦合常数的相互转化;
这里不由能量标度来规定。
说明不同力实际的统一都是低能行为。
规范理论的大统一图象与此完全相悖,但建立在V0存在内容起点之上的描述就符合这种实际。
3、一切基本物理量及基本物理过程的实在性意义,都来自共同的V0存在。
依据V0客体存在的逻辑起点,理论描述的初始条件就是唯一的,而不象标准模型那样要使用近20个不知源于何处的可调参数,从而使理论体系表现的简洁优美,更趋合理。
特别注意,本文宗旨只是对粒子理论的逻辑起点做一些探讨,而不是粒子理论本身的应用,因此所有表述就没有象粒子理论那样去使用数学。
这就象对大厦的施工,本文的工作只是探明大厦地下的基础,而不去使用大厦的图纸设计一样。
综合上述的讨论容易得出,用依据V0存在的逻辑起点去构建粒子理论有明显优势。
相信读者能理解本文的宗旨,而不会只在意讨论过程是否依据了数学运算。
参考文献:
[1]、吴水清等,《物质探源》,湖北教育出版社1998年版,第318页。
[2]、何常译,夸克新疑难,《世界科学》1996(12)。
[3]谢尔登·
格拉肖,趋向统一理论—织锦中的几个线头,《世界科学》
1995(3)。
[4]、丁亦兵,著名科学家谈超弦(五),《现代物理知识》1990(4)。
[5]、卢鹤绂,《高能粒子物理学漫谈》,上海科学技术出版社1979版,第11页。
[6]、韩春柏,以太之迷,《现代物理知识》1997
(2)。
[7]、中国科技大学编辑组,《现代物理参考资料第三集》,科学出
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