北京正负电子对撞机与环量子冲击波

北京正负电子对撞机与环量子冲击波

王德奎（绵阳日报社，四川绵阳，621000 ）

摘要：当代重大科学理论的实验证明，一般掌握在国家或国家一级的设备和权威层次。西方的环量子理论与中国的三旋理论在推进现代“科学文明”中，已拉近了距离。西方的环量子理论kalamara提出的实验证明，Ragazzoni 及 Lieu 的研究小组已作了初次的检验。与西方环量子理论相近的中国三旋理论推出的物质族质量谱计算公式的胶子球候选者实验证明，与北京正负电子对撞机工程重大改造有联系，但国家科学院一置处在层子模型的路口上。虽然环量子力学研究是高风险工作，但我们还是祝愿北京正负电子对撞机一路走好！
关键词：正负电子对撞机、三旋理论、胶子球候选者、环量子理论、“科学文明”

1、弦论与环量子引力理论的进展

据报道，我国目前最大的科学实验装置建设项目的北京正负电子对撞机重大改造工程，已于今年４月３０日正式开工建设。改造后的北京正负电子对撞机将比现在亮１００倍，在世界同类型装置中将继续保持领先地位，预期我国科学家将在高能物理前沿课题取得多项具有世界领先水平的重大物理成果，并探索新的物理现象。然而北京正负电子对撞机是继续用来检验证实国家一等奖的物质无限可分的层子模型，还是能开放去做排斥在外的包容确定性与不确定性的环量子实验检验，将继续成为延续两个文明世纪的冲击波。著名理论物理学家斯蒂芬.霍金撰写的《果壳中的宇宙》，探索了从广义相对论、量子理论到弦论、超对称理论及全息理论等近代物理学前沿的几大理论。而《通向量子引力论的三种途径》的作者李.斯莫林则提出，诸如环量子理论、弦论及全息理论等，将能统一成一个理论。21世纪一小部分物理学家 , 如宾夕法尼亚州立大学的 Smolin 、Abbay Ashtekar 和法国马赛理论物理研究中心的 Carlo　Rovelli，以及加拿大安大略省Perimeter理论物理学院的施莫林（ Lee Smolin）、Robert Myers、kalamara等物理学家，现在则更看好环量子引力理论。
所谓环量子引力(LQG)理论，是 20 世纪 90 年代后期出现的，该理论认为 , 物质是由环构成的 , 环相互作用并相互结合 , 形成所谓的旋转网络。这一概念是英国数学家 Roger Penrose 在20世纪60年代作为抽像图首先设想出来的。 Smolin 和 Rovelli 在运用标准方法对广义相对论方程式进行量子化时 , 发现数学中隐藏着 Penrose网络。这些网络的节点和边界携带着具有面积和体积的独立单元 , 从而形成三维量子空间；由于这些理论物理学家都是从相对论出发 , 因此他们仍然保留了量子网络之外的空间的某些概念。而早在20世纪50年代末，中国的三旋理论就开始了环量子构想的最初萌芽。虽然近代弦圈思想的发明者是20世纪20年代前后波兰人卡路扎(T.Kaluza)和瑞典人克林(O.Klein)，然而他们是把弦圈重叠成圆柱面，再看成是一条线的。现代的弦理论和超弦理论也是如此。因此，三旋理论把这种图像称为“重高帽子法”，认为是一种死圈论。三旋理论是以环量子作基础，在欧几里德对点定义的基础上，补充“圈与点并存且相互依存、圈比点更基本、物质存在有向自己内部作运动的空间属性”三条公设，将圈的“三旋”体旋、面旋、线旋，视为这个几何空间的自然属性，创立了三旋概念；而在三旋概念建立之后，环量子的概念可以不要，因为环量子的概念在三旋中是自然存在的。同时，物质可由一个个环量子的线旋自然耦合，形成链，再看成是一条线。这也解决了连续与间断的矛盾。
“环量子引力理论”有人也叫“环量子理论”。但我们要说明，环量子引力理论中的量子，并不是环面结构，也不作三旋，而是一种正方体或正方锥体，作的也是一般说的自旋。但三旋理论对DNA双螺旋的孤子演示链共轭编码模拟说明、会移來移去的不只是粒子与場。根据空間环量子链与时間环量子链共轭编码形成的孤子演示链，对环量子引力理论的模拟，耦合中的一个环量子也能作体旋，所以孤子演示链的三旋波动，也可以像湖面上的漣漪般穿越耦合空間；這些過程，以孤子演示链图中的變化來表示，环量子链隨着時間，也是以連續若干「步」（move）的方式在演化，每走一「步」，圖的連接性質都會改變；其模拟不管是在描述粒子与場在自旋网絡上的移動，或是空間幾何本身隨時間的演化，都是一樣。
愛因斯坦把空間與時間結合成一個單一、融合的實體，稱為「時空」。而在环量子引力理论中用來表示空間的自旋網絡，納入時空的觀念則變為所謂的「自旋沫」（spin foam）。加入了另一個維度時間，自旋網絡的線便長成了二維曲面，而節點則長成了線。自旋網絡變化之前討論的「步」，現在就用泡沫中的線所匯合的節點來表示。用時空的方式來看，在某個特定時間的一張快照，就如同一張時空的橫面切片。在自旋沫上取一張這樣的切片，就是一個自旋網絡。不過把這樣的切片，幻想成有如平滑的時間流般連續地變化，則是不對的。如同空間是用自旋網絡的離散幾何來定義一樣，時間也是由一序列個別的步所定義，，每進一步，網絡就重新排列一次。如此一來，時間也就變成離散的了。時間並不像一條長河般地流動，而是如時鐘的滴答聲一般，每「滴答」一次，就大約是一個普朗克時間10的-43次方秒。即环量子引力理论认为，我們的宇宙中的時間，就是以數不清的時鐘滴答聲來流動；意思是，在自旋沫中每個量子「步」發生的位置，就有一個時鐘在此滴答一聲。
美国弦论研究科学家、哥伦比亚大学的格林教授（Brian Greene）称，弦论或超弦理论，是非常接近环量子引力理论，因为弦理论的新版本超弦理论或M理论，已经把环圈与弦线并列。格林说，近来环量子引力阵营取得的重大进展，是好事；在通往量子力学的路上，环量子理论和弦论两条路，完全有可能在某个地方相会，而且是个可能成功的理论。因为很多事实证明，环量子理论所长正是弦论所短，而环量子理论所短正是弦论所长。例如，弦论的一个弱点是所谓的背景依赖，必须假定一个弦赖以运动的时空。而从环量子引力研究者的理论中，却能导出这样一个时空，它是一种“背景独立”的数学结构，从中可以自然地推导出时空的存在。而从另一方面讲，弦论研究者可以在大尺度的结构上，直接和爱因斯坦广义相对论相连接，这可以从弦论方程式看到这一点；但环量子理论要和普通的引力相连接却很困难。其次，弦论虽然还不能脱离背景依赖，但它却发现了镜像对称性这样的性质，这是两种时空可以有相同的一套物理定律。这里可以用不同的方式来看同一个物理系统，即两套几何学对应同一套物理定律；至于愿意使用哪一种几何是各自的选择。有时候使用某一种几何能看到更多深入的东西。对于某些物理和几何系统来说，人们已经发现只使用一种几何学无法回答很多数学上的问题。在引入镜像对称之后，会突然发现，理论上可以导出许多不同的宇宙，其中我们的宇宙似乎是唯一适合我们生存的，而那些深奥无比的问题一下子变得很简单了。

2、环量子引力理论与三旋理论的检验

kalamara被认为是全球最有前途的年轻物理学家之一。她研究环量子引力的外部空间，从 Penrose 旋转网络出发 , 再结合环量子引力的某些成果,发现旋转网络不依赖于空间 , 也不是由物质形成的;相反,倒是这些网络的结构产生了空间和物质。在这一图景里,除了几何关系之外一无所有；空间不再是一个客体 ( 如粒子 ) 振动和相互碰撞的场所,而变成了一个永远在变换样式和过程的万花筒；旋转网络基于简单的数学规则而发展变化 , 而且越变越大 , 越变越复杂 , 最终发展成为我们居于其中的广袤太空。kalamara 通过跟踪旋转网络的未来的这种变化 , 可以解释时空的结构。特别是她认为。这种抽像的环能够产生爱因斯坦理论中最具标志性的特征之一-光锥。
光锥是指这样的时空区域，它是由时间－三维空间（X、Y和Z）中的光速绘图而成，定义了一个事件所有的过去和未来的联系。即光锥保证了先因后果的因果律。人们可以通过抬头观望星空来理解这一概念。通过将光锥与网络节点相结合 ,kalamara 发现,网络的发展变成有限的了,而且保留了因果律。但是，如果一个旋转网络代表了整个宇宙, 就会产生一个很大的问题。根据量子力学的标准解释,在观察者观察事物之前,事物都处于一种几率中间态,观察者不能从宇宙边界之外回过头来看他自己。那么,宇宙存在吗 ?
kalamam 认为,我们能够从外界观察宇宙；因为宇宙内部的宇宙观察者,表现为网络节点,将因果关系引入量子时空的光锥, 同样能切实定义每位观察者的状态。由于光速的有限性,我们只能看到宇宙有限的一部分。你所在的时空位置是独一无二的, 因此, 你所看到宇宙的那一部分也与其他人所看到的略有不同。尽管不存在能获得宇宙所有信息的宇宙外观察者 , 但我们仍然能够基于各自接受到的部分信息建立对宇宙的有意义的描述。这一思想是 : 我们每个人都有自己的宇宙。但我们各自的宇宙有众多共同之处。这也是为什么我们在一个量子化时空中看到的却是一个平滑宇宙的原因。
当代重大科学理论的实验证明，一般掌握在国家或国家一级的设备和权威层次。西方的环量子理论提出的实验证明 ，kalamara 的设想是,如果观察结果能够证实环量子旋转网络的基础，她就能消除其中的缺陷；其中一个可能的实验是，跟踪相距数十亿光年的伽玛射线辐射量子，如果时空事实上是非连续的,依据各量子波长的不同,它们的行进速度也应该略有不同。
新近天文学家发表的观测结果，似乎对kalamara有利。因为在目前的量子引力理论中，引力场的量子化被认为是时空有一个最小的尺度，称为Planck 尺度；这个时空尺度的大小：Planck 时间约为10的-43次方秒，Planck 长度，也就是光在 Planck 时间内所走的距离，约为 10的-35次方米；在这个观念下，我们所生存的时空就有点像是把数字照片放到极大时的情况：所有的影像都由一格一格的像素构成。Planck 尺度虽然微小，但是可以利用宇宙的尺度也是非常大的，因此能将这微小的效应放大到可以观测的地步。目前，意大利两组天文学家 Roberto Ragazzoni和 Richard Lieu 已作了初次的检验。因为他们先以为：从遥远天体的不同部分所放出的光，会经历不同的 Planck 时间单位到达地球。换句话说光速在传递的过程中会改变，因为这个缘故，天体的影像会随之扭曲变形；天体距离地球越远，这种因为 Planck 尺度造成的变形效应越大。但是，他们在利用不同的仪器观测非常遥远天体，分别观测几个数千万光年到数十亿光年远的不同类型天体时，并没有发现预期中的变形效应。实验的结论初步看来指向时空即使到了极小的尺度也是“平滑”的。
虽然也有一种解释是：Planck 长度会随着光传递过程而改变，两相抵销之下使得光抵达地球时仍然保持从天体出发时的信息，影像因此不会形变。而另一种解释是从测不准原理出发，认为Planck 时间的改变，会影响 Planck 长度的大小；在这个状况下，Planck 长度约为 10的-60次方米，远小于可观测的范围。但kalamara的环量子引力理论却早已说明过在一个量子化时空中，为什么我们看到的只是一个平滑宇宙的原因。
与西方环量子理论相近的中国三旋理论，推出的实验室证明是：物质族质量谱计算公式推出的胶子球候选者检验。可喜的是，目前国家投入6.4亿元，对北京正负电子对撞机进行重大改造，使其性能提高两个数量级，保持在τ—粲能区的国际领先地位。胶子球候选者的检验与北京正负电子对撞机的τ—粲能区有联系，多年来由于国家科学院一直处在层子模型的十字路口上，中国环量子力学的三旋理论得不到国家一级的设备和权威层次的重视；环量子力学研究虽然是高风险工作，但我们还是祝愿北京正负电子对撞机一路走好！
3、西方的环量子理论拉近了与中国的三旋理论的距离

人类社会文明的标志之一，是走出亲人乱伦。人类科学文明的标志之一，也是要走出“科学乱伦”，即要分清环面与球面不同伦。现以拓扑学中的约当定理为例,它说的是在平面上画一个圆，把平面分成两部分；作圆内外两点的任一连线，都必定要与圆周线交于一点。这个定理在平面和球面上是成立的，但在环面上却不一定成立。例如沿环圈面画一个圆圈并没有把环面分成两部分，圆圈两边的点可以通过多种曲线彼此连接。这说明平面和曲面并不是本质的区别，本质的区别是在曲面中，环面和球面是不同伦的。但由于人类多数接触的是平面和球面空间，少数才是环面空间，所以对“科学乱伦”的认识，理论上还需补上三旋数学的知识。说句公道话：西方的主流科学，基本上是在这条道路上前进。当前西方的弦论、超弦理论、M理论、环量子理论，就基本上代表了人类科学文明走出乱伦的结果。
但在中国，主流科学却没有走出“科学乱伦时代”；当代中国物理学通往新神曲的道路，中国科学群体在追求科学真理的道路上，是多走了半步，这主要是受先验的唯物论的影响，追求与神学相似的先验的物质论，如20世纪50年代至80年代初宣传的物质无限可分说，80年代到90年代再到21世纪初关注的各种关系实在论、相互作用实在论、科学主义、反科学主义，等等。它们的共同特点，是不重视拓扑学上的环面与球面不同伦，或者不懂拓扑学上的环面与球面不同伦；不懂得环面是一种双重解结构，它能包容确定性与不确定性。他们不承认环量子三旋时空象限的构想，只承认环量子力学构想不过是思维对象的几何化描述的一种启发式尝试。因此，我国的一些专家，把不同大小的球面，也说成是不同的拓扑结构；主张超光速；主张完全排除不确定性和几率的实在解释。这种量子力学解释即使是前进了两步，也是后退了三步。这种中国科学群体认知框架的整体倾斜，究其原因，是50多年来中国教育部门编写的大、中、小学统一教科书中，不讲授拓扑学和微分几何的基本知识造成的失误。但毛主席领导中国人民和中国科学界的将帅们向诺贝尔科学奖冲刺，而发动物质无限可分说的世界科学大战所带来的科学探索精神，是永远长存的。领导中国人民开创改革开放新时代的总设计师邓小平同志，更是带来了中国科学的春天。它所引起的惊喜，正如南京大学博士生导师沈骊天教授所说，犹如在遥望世界科学最高峰的攀登壮举之时，能惊奇地发现另一面山坡上竟也有闪现出中国攀登者的身影。
这就是西方弦论的弦线概念，是20世纪60年代末期提出来的。它延续的超弦理论增加的弦圈概念，更是西方20世纪80年代初期才提出来的。而西方的环量子引力理论已是20 世纪90年代后期才提出的。因此当代可自然耦合成链的环量子概念的提出，中国的三旋理论比西方的弦论、超弦理论、环量子引力理论都要早一些，这让中国人终于走出“科学乱伦时代”，有了一次做科学文明“人”的机会。而且这还可以看成是西方的环量子理论拉近了和中国的三旋理论的距离，因为弦论或超弦理论是把环圈与弦线并列，要讲究拓扑学和微分几何的环面与球面不同伦，弦论或超弦理论也混淆了拓扑结构的分类。

4、当代弦圈的发明权应属于中国人

２００３年５月四川科技出版社出版的《三旋理论初探》和２００３年９月天津古籍出版社出版的《解读＜时间简史＞》两本专著，实际解决了弦理论的三大难题：A、弦理论解决了物质族分3代与卡一丘空间3孔族的对应，但仍有多孔选择的难题。B、弦理论解决了多基本粒子与多卡一丘空间形状变换的对应，但仍有多种形状选择的难题。C、弦理论解决具体的基本粒子的卡一丘空间图形虽有多种数学手段，但仍遇到数学物理原理的选择难题。因此，根据中国人对这三大难题的解决，当代弦圈的发明权应属于中国人。
中国的三旋理论能超前于西方的弦论、超弦理论、环量子引力理论的提出，一是受惠于毛主席的物质无限可分思维在中国普通人中的大普及。那是在1959年，14岁的笔者在上一堂代数课时，老师布置了一道求解人数的方程应用题，一位同学得出了三十二又二分之一个人的答案，老师批评说：“怎么会有二分之一个人呢？”这时，笔者的脑袋里闪过：既然一个人不可分，那么坚持“一尺之棰，日取其半，万世没竭”是体现物质无限可分的思想，又怎能成立呢？这里的道理是：对于一个稍大层次的概念或命题，它虽包含有许多层次，但它不是无限可分的，它的无限可分必须体现在变换概念上，这使笔者注意到了物质无限可分说对背景的一种依赖，即追究背景有纵向和横向双重解的两个方向。从横的方向来说，物质无限可分还是物质，就成了悖论，因此，物质不是无限可分的。但从纵的或竖的方向来说，一种物质分到极限，不可分，但变换背景概念，还是可以分的。但物质概念两千多年来，不是被看成点结构，就是被看成弥漫的球面结构；而死的点结构和球面结构，最终抽象还是球面结构。因此讲究拓扑学和微分几何的环面与球面不同伦，冲破点结构和球面结构，必然只能是环面结构了。但这不是先验的唯物论与辩证法，也不是先验的神学论。
其次是受惠于自然全息启示。自然全息使笔者认识到：简单性和复杂性是自然而紧密地缔合在一起的。最典型的例子是贝纳德花纹：锅中沸水心液体向四周的翻滚对流，在水加热达到临界状态时各个局部区域也会呈现类似的现象，这是耗散结构和自组织理论常举的例子；如果把这种现象上升为基础的几何学结构,反过来把贝纳德对流抽象缩影反映在一个点上，它类似粗实线段绕轴心转动再将两端接合的线旋；如果把它定名为不分明自旋，那么圈体绕垂直于圈面的轴的面旋，圈体绕过圈面的轴的体旋，就称为分明自旋。分明与不分明自旋结合使一个类圈体变成一种三旋唯象学研究的对象。它的优点是能把曲面、曲线几何相与能量、动量物理相自然而直观地紧密结合，一开始就揭示出自然的本质既具有简单性，又具有复杂性。即它引进了一种双重解结构，如圈代表几何量子，旋代表能量子，对于圈层次可分单圈和多重圈态耦合；对于旋层次，既有位相，又有多重自旋结合。这种组合会带来圈体密度波的几率变化。用ψ代表圈结构，用Ω代表旋结构，用Ψ代表三旋，可用下列形式的算符表示三旋的物理特征
Ψ=ψΩ (1)
反之，把三旋作为一种座标系，直角三角座标仅是三旋座标圈维为零的特例。正是在一系列的关节点上，类圈体三旋为简单性与复杂性的缔合提供了更为直观的图象，并能使爱因斯坦能满意他关于"我不相信上帝在掷骰子"的说法：在类圈体上任意作一个标记，实际上可以看成密度波，由于存在三种自旋，那么在类圈体的质心不作任何运动的情况下，观察标记在时空中出现的次数是呈几率的,更不用说它的质心存在平动和转动的情况。这也是德布罗意坚持的波粒二象性始终只有一种东西，即在同一时刻既是一个波，又是一个粒子的模式机制；并能满足正统的哥本哈根学派M．玻恩对波函数的几率诠解。即三旋所产生的波是几率波，而把粒子与波很基本地统一起来。而陈叔瑄的涡旋论，认为粒子与波的统一，来自圈态涡旋的聚集与弥散，即聚集为粒子，弥散为波；但这只能说明他的圈态涡旋是多粒子，并不基本。因此，如果认为只有在量子力学曲率解释的波函数，才能真正称得上是微观粒子在时空中的状态函数，几率流就是曲率流，几率密度就是曲率密度，曲面的变化就是量子化电磁作用的变化，未免太把波粒二象性看简单了点。因为量子曲率和量子挠率与量子几率，既是相互依存又是相互独立的；量子曲率波、挠率波、几率波三者一起，才构成量子的波粒二象性的。

5、环量子理论、弦论、M理论、全息理论与三旋理论的结合

重温20世纪各派科学家对量子力学波粒二象性的不同解释，深感环量子力学三旋解释是他们追求的共同理想，因为他们各派的数学工作或解释，都不同指向环量子三旋的波粒二象性结构。其实20世纪科学家中，凡是用数学解释量子力学有成就的东西，只要没有说穿他的数学解释最终目的只能跟球面有联系的，都有可取之处。所以如果与西方的环量子理论与中国的三旋理论结合，真有20世纪科学家和21世纪科学家大团聚之感。而在21世纪里，环量子理论、弦论、M理论、全息理论与三旋理论的结合，取长补短，已能形成一个统一的理论。例如，kalamara 研究环量子引力理论,解释时空的结构，认为抽像的环最具标志性的特征之一是光锥；那么，光锥与三旋是什么关系呢？它属不属于三旋呢？研究光锥，确实是环量子引力理论所长三旋理论所短；但三旋理论中的三种非线性线旋，其中的孤粒线旋，指的就包括了光锥。所以三旋理论能够涵盖环量子引力理论。至于弦论、超弦理论、M理论更是能够涵盖。
在《三旋理论初探》一书中，已介绍了三旋规范的卡——丘流形紧致空间的具体结构。这是联系黎曼切口，作的25种卡——丘流形的规范轨形拓扑，且只能作25种；其中无孔的4种，有孔的21种，这是联系克莱因瓶、墨比乌斯体等构造，分为外接、内接、内包三大类的轨形拓扑。
A、外接8种，6种是设想膜面由两个平行长方形平面的黎曼切口轨形拓扑构成，2种是设想由一个长方形膜面弯曲的黎曼切口轨形拓扑构成。它们是：（1）光子型；（2）U型；（3）t型; (4)希格斯型；（5）e型; (6)c型; (7)e微子型; (8)d型。
B、内接10种，是以上边8种外接轨形拓扑为基础，联系克莱因瓶管口向内卷缩构成的。它们是：（1）胶子1型；（2）S型；（3）b型; (4)胶子5型；（5）μ型; (6)τ型; (7)W型; (8)μ微子型；（9）τ微子型；（10）Z型。
C、内包7种，是以上边8种外接和10种内接轨形拓扑为基础，两个平行长方形膜面中用大膜面包小膜面轨形拓扑构成。它们是：（1）胶子6型；（2）胶子4型；（3）胶子3型; (4)胶子2型；（5）胶子7型; (6)胶子4型; (7)引力子型;
如果超弦理论被比作是拨动宇宙的琴弦，那么三旋理论也可以比作是吹响宇宙的笛管，因为以上25种卡——丘流形规范轨形拓扑是不同于超弦理论的弦乐，而类似些管乐器；它们定量地回答了宇宙是球形还是环形的问题，也定量地回答了物质族基本粒子是球形还是环形的问题。此外，从微分流形来看，这25种黎曼切口轨形拓扑结构，它们实际是25种子流形，并可以用离散群描述的。其次，弦理论一般主张，弦线运动形成膜，但RS模型是将膜和弦分开的。依照上边黎曼切口轨形拓扑办法，RS模型能作多少种轨形拓扑呢？按《解读时间简史》一书的介绍，除开纯弦和纯膜的外，我们也能作25种轨形拓扑。
A、外接闭弦轨形拓扑5种：（1）套环型；（2）装环型; （3）提环型; （4）罐型；（5）环纹型。 B、内接闭弦轨形拓扑1种：（1）藏环型。
因为只有一张膜，没有内包闭弦轨形拓扑。
C、外接开弦轨形拓扑12种：（1）弓弦型；（2）工字型；（3）连圈型; (4)日字型；（5）占字型; (6)内吊型; (7)提圈型; (8)管吊型；（9）嵌环型；（10）球线型；（11）管线型；（12）弓圈型。
D、内接开弦轨形拓扑3种：（1）穿圈型；（2）隔圈型; (3)隔球型。
E、内包开弦轨形拓扑4种：（1）包圈型；（2）包提型；（3）包球型; (4)提球型。

参考文献
1、王德奎， 三旋理论初探， 四川科学技术出版社， 2002年5月；
2、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。
2、赵国求，吴新忠，物理学的新神曲--量子力学曲率解释，武汉出版社, 2002.年8月；
3、王德奎， 解读《时间简史》，天津古籍出版社 ，2003年9月。

作者简介：王德奎，59岁，研究员，绵阳日报编辑。