郭汉英教授是这样认识的吗

郭汉英教授是这样认识的吗----纪念理论物理学家郭汉英教授逝世16周年摘要：近代科学发展，贯穿着学术思想和学术观点的争论，在我国与郭汉英教授的观点密切联系；这也是今天科学发展的重要缘由之一。要善待科学；即科学要面向世界，既要看到它的局限性，也要看到它的现代全面发展。从这个角度去纪念理论物理学家郭汉英教授逝世16周年，是今天的科学殿堂，有分内外的不同。关键词：理论物理、逻辑体系、科学殿堂、量子力学、相对论【0、引言】本文纪念理论物理学家郭汉英教授逝世16周年，是近代科学发展贯穿着学术思想和学术观点的争论，在我国与郭汉英教授的观点密切联系，这是今天科学发展的重要缘由之一。物理学仍正面临着挑战，更应重视学术思想和学术争论。20世纪的物理学革命充满争论，量子物理最为典型。爱因斯坦、薛定谔等始终怀疑量子力学的完善性；玻尔、海森伯等组成的哥本哈根学派则不断为之辩护。关键在于波函数是否物理实在，如何解释测量，等等。爱因斯坦不断提出同时准确测定粒子的位置和动量的思想实验，玻尔均一一化解。1935年爱因斯坦、波多尔斯基和罗森首先提出，后为玻姆所明确：彼此纠缠而空间分离的两个粒子组成的系统，会出现与相对论冲突的非局域作用或超光速信息传递，表明量子力学不完备，后称“EPR佯谬”。同年，薛定谔提出被称为薛定谔猫的思想实验，并提出纠缠态的概念。而相对论量子场论取得巨大成功，与实验符合极好；但微扰展开却存在不收敛的根本问题。至于引力场量子化的问题，未能解决。物理研究必然涉及测量，量子物理测量却始终费解。如何区分测量仪器对被测量对象的影响，莫衷一是。与此相关的争论和研究持续，是1964年贝尔提出一个不等式，可以判别量子力学背后是否存在局域的隐参数理论。1970年代起，有关贝尔不等式的思想实验得以实现，都证实了量子力学，却没有与狭义相对论矛盾；其实，纠缠态作为量子态并无EPR的“信息”传递，相关研究还开辟了量子计算、量子传输、量子密码、人工智能等重大理论和应用领域，不断取得进展。【1、郭汉英教授简介】郭汉英（1939--2010）教授，1939年生于重庆市，籍贯四川乐山市。1964年毕业于清华大学工程物理系核理论专业。1964年至1978年先后在二机部401所、中国科学院原子能研究所、高能物理研究所工作

；1978年参与筹建中国科学院理论物理研究所后，并历任第一研究室副主任、副所长、所学术委员会委员等职；担任中国物理学会理事、中国引力和相对论天体物理学会副理事长等学术职务，以及中国科学院物理研究所研究员，博士生导师；主要从事量子场论大范围性质、规范场理论、数学物理等领域研究，发表学术论文200多篇；获国家自然科学二等奖1次（1989年）、中国科学院科技进步奖一等奖（1987年）、中国科学院自然科学奖二等奖1次（2001年）等科技奖励

。郭汉英教授在经济物理、场论和数学物理等研究领域成果显著，两次获得国家自然科学二等奖。郭汉英教授曾说：为了希望中国，在跨世纪中，出现自己的基础研究大家和独创理论，目前物理学对宇宙的了解，包括猜想只有4%，而完全不知的竟占到了70%。同时郭汉英教授还提出：“相对论体系存在有待验证的假定，基本原理不够完善，相互之间存在不协调；理论和时空观念都有需要改进之处”。一位中学物理老师曾回应：“照您这么说，相对论有问题，量子物理有问题，关于宇宙人类有96%不知道，学生知道了这些，以后我们的物理课还怎么教？！”郭汉英教授回信说：“这只能说明我们的物理教育有问题，我们对物理、对科学的认识与态度有问题”。【2、物理学不是一个已完成的逻辑体系】郭汉英教授曾举例著名物理学家温伯格，在《引力论和宇宙论----广义相对论的原理和应用》一书的话：“物理学并不是一个已完成的逻辑体系。相反，它每时每刻都存在着一些观念上的巨大混乱，有些像民间史诗那样，从往昔英雄时代流传下来；而另一些则是像空想小说那样，从我们对于将来会有伟大的综合理论的向往中产生出来”。温伯格是一位追捧我国层子模型的国外获诺贝尔奖的科学家，他说的“物理学并不是一个已完成的逻辑体系”，难道不是吗？郭汉英教授说，是的：17世纪牛顿建立的力学和万有引力理论，作为一个理论体系，牛顿理论并没有完成。质量和惯性等，在牛顿体系中起着核心作用，其起源却无法解决。牛顿引入绝对空间和绝对时间作为支撑体系的支柱，却与满足伽利略相对性原理的没有绝对速度的牛顿力学和引力规律相矛盾，也无法建立一个在引力作用下稳定的宇宙图像。麦克斯韦建立了电磁理论，统一了电和磁的现象，预言了电磁波，描述了带电体、光和电磁波的运动，是19世纪物理理论的伟大成就。但在麦克斯韦理论中出现了光速c；光速c是相对于绝对空间的绝对速度，不仅如此，按照麦克斯韦理论，加速电荷应该发出辐射，然而，计算结果却出现无法处理的无限大，这与后来量子电动力学的发散具有本质联系。这些表明，麦克斯韦电磁理论，作为一个理论体系对于在宏观尺度上的电磁现象并不是已经完成的。19世纪热力学和统计物理学的建立和发展，是另一伟大成就。统计物理在描述和确定热平衡态物理性质方面，取得了与实验相符的一系列成功。但由于统计物理依赖于个体规律，而统计规律与个体规律间的本质区别和联系，统计物理的基本原理一直不完全清楚，因此作为一个理论体系也没有完成。对统计物理有伟大贡献的玻尔兹曼，为此自杀身亡。1900年普朗克大胆提出作用量子假说，解释了黑体辐射谱。20多年后，海森堡和薛定谔等新一代天才，在爱因斯坦光量子说和玻尔的原子模型基础上，建立了量子力学。然而，关于量子力学是否完备的争论一直没有停息。1980年代以来，由于实验技术的发展，爱因斯坦、薛定谔等在1930年代中期提出的责难量子力学的理想实验得以实现。实验结果虽都支持量子力学，但又引出量子纠缠、量子隐态传输等一系列新问题，量子测量的实质、是否与相对论矛盾等问题，也重新提了出来。20世纪初，爱因斯坦提出光速不变原理。为了描述引力，爱因斯坦又提出了时空弯曲由物质的能量--动量决定的引力场方程。1960年代微波背景辐射的发现，证实了宇宙大爆炸理论。这是20世纪自然科学的最大成就之一；这些深刻改变着物理和哲学的时空观和宇宙观。然而，相对论体系作为一个理论体系并没有完成。1960年代末以来，发现广义相对论存在时空失去意义的“奇性”，宇宙起源于奇性，星系演化经过黑洞终结于奇性。从粒子物理观点解释广义相对论的尝试，在超弦理论的框架中有所进展，但是仍然远远没有完成。1970年代初，提出的弦理论源于强子物理。1980年代和1990年代中期，弦理论有重大进展，它们有可能通过M理论相互统一起来。于是有人认为，这个理论一旦完成，理论物理就基本终结了。这种说法自然受到非议；在相对论体系中，相对性原理和宇宙学的不协调就非常突出。其次，1990年代后期以来，有关暗物质、暗能量和宇宙学常数的观测结果，对以量子论和相对论为基础的物理学的整个理论框架，又提出了新的挑战。再说作为量子论和狭义相对论的结合的量子电动力学和量子场论，一方面，量子电动力学取得了巨大成功，另一方面，与实验精确符合的微扰论计算在理论上却并不成立，微扰级数本身一定会发散。标准模型中有20几个自由参数，需要实验输入，其中包括一些极重要的无量纲参数，如精细结构常数、μ介子与电子质量之比等。为了减少参数的大统一理论或超对称大统一理论，可是实验上一直也没有观测到超对称粒子，这是为什么？超对称如何破缺？为什么有夸克禁闭和色禁闭？为什么夸克质量谱中存在极大的质量间隙？为什么会有三代夸克--轻子及其质谱？理论上作用极大的“真空”到底是什么？理论上计算的“真空”能量，与宇宙学常数观测值相应的“真空能”相比，高出几十到一百多个数量级，这又是为什么？这些问题，都难以回答。至于引力场的量子化问题也一直没有解决，成了世纪难题。凡此种种，作为一个描述微观基本规律的理论体系，非相对论性和相对论性的量子理论都没有完成。【3、哥德尔不完备性定理本身也不完备】果真如此吗？如果物理学从来就不是，也没有一个完成的逻辑体系，任何物理理论都需要从一些基本概念和基本原理出发，例如，基本物理量、基本自由度、基本的对称性、基本的动力学等。这些概念和原理是从大量实验、观测事实中抽象出来，或从以往的理论体系继承下来的。如果这些观念和原理之间是自恰的，余下的问题就是通过逻辑推理建立理论，把结果与实验和观测作进一步比较。如果用哥德尔不完备性定理置疑宇宙的统一理论，但哥德尔不完备性定理本身也不完备。证明是：哥德尔定理指出，在任何公理化形式系统中，总存留着在定义该系统的公理基础上，既不能证明也不能证伪的问题，也就是说，任何一个理论都有解决不了的问题。这是完全正确。但在任何公理化形式系统中，确有能解决并已解决了的问题，这也是众所周知的，但哥德尔不完备性定理，却没有说明何为这种命题的判据。所以相对统一的理论，总是可以建立的。只要得到实验和观测的一定证实，该理论就反映了世界的统一性在于物质性这一绝对性。在当前的实验和观测水平下，有没有可能统一夸克--轻子和它们之间的所有相互作用呢？这是一种在具体前提下、具体范围内的统一，这不是没有可能。如果科学发展的历史预示着，一场新的变革正在酝酿，并且迟早会到来，物理学正面临新的挑战、酝酿新的突破。【4、经典与量子力学的界限在哪】那么经典与量子力学的界限在哪里？郭汉英教授说：爱氏强调，相对论“并不是起源于思辨；它的创立完全是要想使物理理论，尽可能适应于观测到的事实”。那郭汉英教授知道这个界限吗？因为当前相对论体系，和以相对论和量子理论为基础的物理学，面临尖锐挑战；在21世纪初，仍分为两派：一派类似球量子，一派类似环量子。量子波函数解释的所有非决定性，都是从球量子而不是从环量子来的；但为了使量子理论和已有的观察事实美妙地协调，环量子和球量子两者都是需要的。即球量子类似地心说，代表的是经典水平；环量子类似日心说，表达的是量子效应。郭汉英教授问：这类系统如何量子化？如何建立量子测量理论？这是可以解决，而且也部分解决有的重大问题。由此争论产生的共识，虽是基本粒子不是点粒子，“量子”存在着一个长度的最小单位，叫普朗克长度。量子论按非对易代数和非对易几何分，有有限可分的有理数实数量子论，这是属于类似普朗克的量子论；有无限可分的无理数实数量子论，这是属于类似欧拉微分极限论的量子论；有虚数量子论、复数量子论，这是属于类似玻尔的量子论。环量子不同于球量子，除拓扑学区别外，还有4点：A、对称与破缺共存。环量子类似一个方板，球量子类似一个方块，从三维来说，方板有一维是对称破缺的。但正是这种破缺，使环量子和球量子的自旋如果存在辐射，那么在卡西米尔效应上，是可以测量分别得出的。B、简单性与复杂性共存。环量子三旋模型共有62种自旋状态，这类似额外维的超对称，它们能编码解答各种夸克和夸克幽禁。C、实与虚共存。从拓扑学上来说，球量子无论收缩多小都无孔洞，环量子无论收缩多小都有孔洞；整体上的无孔洞处与有无孔洞处，相对类似对应实与虚。所以环量子类似复数，球量子类似实数。D、引力与斥力共存。环量子的自旋，线旋有类似引力效应，而体旋和面旋有类似斥力效应。由于这种多自旋，所以环量子自旋属于低熵辐射，球量子自旋属于高熵辐射，而有环量子熵增定律或环量子不可能克隆定律，成为点外空间时间箭头的来源。这些量子论联系17世纪托里拆利、帕斯卡和玻意耳等科学家用水银柱测量大气压与高度、密度的关系，如帕斯卡和玻意耳从空空间的密封玻璃瓶中，抽走空气，制造局部真空的实验，那个空瓶的空空间的或“有”或“无”的“微分”，是属于20世纪前的原子、分子论。如果这以后那个抽空的真空瓶，仍然留下有类似空气这种可分的“物质”的话，那么这个真空瓶的空空间的或“有”或“无”的“微分”，就只能是20世纪末的量子、瞬子论了。这种呈展现象是十分明确的，即第一次抽走的原子、分子，是属于实物质，它能联想正物质、正能量类似的宇宙常数；而第二次真空能抽走的或“有”或“无”的“微分”，或许是属于负实物质或虚物质，或“无”物质、“0”物质，它们能联想暗物质、暗能量类似的宇宙常数。另外，也能联想分形分维几何把点外空间引进点内空间。【5、郭汉英教授是在科学殿堂内还是在外】2006年美国在著名的对撞机RHIC上，利用金核在质心系被加速到每个核子约100－130GeV能量之后，进行对撞的过程显现出类似于QGP的理想流体状态；这是十分激动人心的事。这类似一种空间撕裂物理学现象；我们已找出类似夸克--胶子等离子体这种空间撕裂产生的物质族基本粒子质量谱计算公式，发现加速每个核子约100--130GeV能量之后，对撞显现出类似QGP的理想流体状态是能成立的。其次，平面几何和微分几何，对平面、球面与环面的曲率，以及不同伦、亏格等拓扑不变量的界定也不同。类似双曲几何、椭圆几何、平面几何的宇宙空间曲率，从拓扑几何的球面与环面不同伦看，都不能定义宇宙的整体。因为如果整体是类似球面，但在球面拓扑的局部地区，也可以存在正、负、0等三种曲率类型。弗里德曼说，宇宙的扩张是一种几何作用，而不一般人想象中的力学运动；即量子时空不受力也可以移动，类似光源移动。这与郭汉英教授强调：是否存在新的运动学，并进而建立新的动力学；观测事实揭示暗宇宙在加速膨胀，渐近于德西特宇宙，暗示着应该考虑把相对性原理，推广到德氏时空，甚至共形德氏时空，考察其宇宙学意义，是一致的。彭罗斯把物理理论的完成逻辑体系，分成三大类：第一类是超等的，如牛顿力学理论体系、麦克斯韦电磁理论体系、玻尔兹曼热力学和统计物理理论体系、爱因斯坦等的量子电动力学理论体系。第二类是有用的，如量子色动力学的标准模型理论体系、宇宙大爆炸理论体系。第三类是尝试的，如暴涨模型、K--K理论、超引力理论、超弦理论等，能导致新的实质性理解上的进步的基因的理论体系。即实质上从完成的物理理论体系倒回来看，像高、中、矮三种类树，每一种类树自然是没有完成了的逻辑体系，所以既要看到它的局限性，也要看到它的现代全面发展：第一类理论体系不行，但还有第二类理论体系；第二类理论体系不行，还有第三类理论体系，创新大可不必在矮树