关于虚物质的设想和思考.doc

关于虚物质的设想和思考 李友松1 石益祥 2（1. 哈尔滨工程大学，哈尔滨 150001； 2. 浙江海洋学院，浙江 舟山 316004）摘要：回顾了虚物质概念的提出过程，并从对立统一角度再次提出（纯）虚物质概念。给出了虚物质的基本特性，并用科学的事实论证了虚物质的存在。叙述了虚物质概念的基本涵义，找出了相对论和量子力学的适用范围，并提出了协调相对论和量子力学的方法。关键词： 实物质 虚物质 虚数 非定域性 超光速 相对论中图分类号：n031宇宙物质的系统是一个对立统一体，复数系统也是一个对立统一体，两者有着对立统一的相似1。人们已从物理学的发展史发现，对于经典物理学“实数就是一切”，而对于现代物理学则“离不开复数”。从两个对立统一体的相似，我们推出了结论 “实数是空间的数量关系，纯虚数是时间的数量关系，复数则是时空的数量关系”。2这是复数关于时空的本体论意义，而复数关于物质的本体论意义是，复数系统是物质系统的对立统一影子。从两个对立统一体的相似进一步推出以下结论：第一，复数系统有实数和纯虚数的对立，物质系统应该有实物质和虚物质的对立；第二，数系因引入虚数而得以完备，物质系统也应该因引入虚物质而完备；第三，虚数的引入解决了许多在实数范围内解决不了的问题，如代数基本定理等，同时也使数学理论变得简单和完美，虚物质概念的引入也将能够解决当今物理学存在的许多谜一样的基本问题，如相对论和量子论的协调问题；亚光速和超光速的对立，或局域性和非局域性的对立问题等等，同时也将使物理理论变得简单和完美。然而，人类习惯于将自己的思维方式局限在实的、可见的、可测的物质上，而对虚的、不可见的、不可测的物质很少表现出兴趣。虽说虚物质概念已在六十年代引入了，但迄今为止，很少有人注意、研究它，更不用说用它去解决实际问题了。科学界这种重实轻虚的倾向，造成了物理学对物质的研究总是囿于实的局面。事实也确实如此，相对论研究实物质的运动，量子论的波函数虽然是复变函数，但至今仍用实物质的东西作解释，如对波函数最新解释：虚部表示看不见的实的平面波。3 同时，实物质概念缺少了对立方，造成了物质系统的概念体系的不完备，使得人们无法运用对立统一这个根本规律去思考问题，从而使当今科学留下了许多谜一样的问题。1虚物质概念的提出虚物质概念可以溯源到科学家们对光速最大结论提出的挑战。eienstein在论文“论动体的电动力学”4中对公式因子加了一个人为限制：不允许其取纯虚数值，于是得到，光速最大了；如果允许公式因子取纯虚数值，那么应有，光速就不是最大的，超光速运动概念诞生了。最早提出超光速运动的是shotanaka，1960年，他写出了第一篇讨论超光速量子场论的文章 。5 1962年，bilaniuk发表文章6，认为超光速运动同狭义相对论是相容的，并试图在狭义相对论的基础上建立超光速理论。1967年，feinberg指出狭义相对论不禁止那些一开始就以超光速运动的粒子的存在，并起名为快子。7我们总是把运动粒子的质量看成是实数，这样按照狭义相对论的动静质量转换公式，在超光速运动状态下的粒子快子的质量应该是纯虚数；慢子（亚光速运动的粒子）的静止质量为实数；光子的静止质量为。按（是粒子的静止质量）的大小，物质大体可分为下列三种8：a) 为实数 ；b) （） ;c) (纯虚数) 。满足的物质为实物质，是光，是虚物质。虚物质概念因静止质量为纯虚数而得名。虽然实、虚两种物质被认为能在一定条件下变换身分，即从实物质变到虚物质和从虚物质变到实物质，但却被认为不能通过加速或减速而改变其形态。通过将复数系统的对立统一的形式结构相似移植进物质系统，我们提出了纯虚物质概念。它是纯虚数的背景，而纯虚数值则是纯虚物质的“度量”。从虚物质得以命名的原因可知，物理学中的虚物质概念实际上就是我们提出的纯虚物质概念。我们从不同角度提出了虚物质概念。下面，我们不加区分地使用它们。2虚物质的基本特征虚物质概念提出来了。但虚物质是什么，我们除了知道它的质量为纯虚数外，其它的便一无所知，更不用说寻找它的基本特征了。幸好我们有纯虚物质的影子纯虚数，在它那里保存着纯虚物质的最基本信息。把它挖掘出来，相似移植纯虚物质上，就是纯虚物质的基本特征。2.1 实物质的特性：1) 同质性 实物质概念从实数相似移植过来，而实数可以比较大小，故实物质也可以比较大小。实物质的可比性意味着实物质的同质性（注意：此处的质，不是实物质的“肉”质，而且那个能产生引力的东西），倘若不然，实物质之间就不能比较大小。实物质含质的数量就是质量。2) 形体性 有大小的物质必然有形体。3) 有限性 有形体的物质必然有限。4) 离散性 有限的物质必然离散。5) 局部性 有限、离散的物质具有局部性。6) 可见性 有形体的物质必然具有可见性。7) 可测性 可见意味着可测。可测性也可从实数对应过来，因为实数是度量数。8) 有序性 可比较大小的东西有序。9) 实背景性 宇宙中看上看去形形色色的实物质是实数存在的背景。2.2 纯虚物质的特性：1) 异“质”性 纯虚物质从纯虚数相似移植过来，而纯虚数不能比较大小，故纯虚物质也不能比较大小。不能比较大小的物质必然“异”质。倘若不然，不同物质之间就可以相互比较。纯虚物质的异质性能从物质所展现的不同信息获知。2) 无形体性 没有大小的物质必然没有形体。3) 无限性 无形体的物质必然无限。4) 连续性 无限的物质必然连续。5) 整体性 无限、连续的物质具有整体性。6) 不可见性 没有形体的东西必然具有不可见性。7) 不可测性 不可见意味着不可测。不可测性也可从纯虚数对应过来，因为纯虚数不是度量数。8) 无序性 不能比较大小的东西无序。9) 虚背景性 信息，场和真空是纯虚数存在的背景。以上实、虚物质的特性都是从实数和纯虚数相似移植过来的。因虚物质与实物质对立，故我们还可以根据实物质的基本特性对立出纯虚物质的基本特性，如实物质有局域性，纯虚物质有非局域性等等。2.3 实物质和纯虚物质的关系纯虚数可表示为，其中是实数，是纯虚数单位。由纯虚数的表示式可知，纯虚数是实数和纯虚数单位的乘积。因是虚的，没有“形体”，故附在实数上，可见，实数是的载体。类似地，也可以说纯虚物质以实物质为载体。3虚物质存在的科学证据如果不用科学的事实说明虚物质的存在性，那么，第二节所列的虚物质的基本特征将失去意义。3.1 在狭义相对论中，空间是实的，时间是虚的。因时间和空间是物质存在的基本形态，故虚时间的存在表明虚物质的存在。虽说einstein对闵可夫斯基在狭义相对论中引入虚时间不理解，但他在十分肯定实物质和能量的运动速度不超过光速的同时，对于信号传递是否可能超光速则不是非常肯定（“基本上”不能超光速）。9这说明在einstein心里信号传递不完全等同于物质和能量的运动。实际上，物质和能量是实质的运动，信号的传递则是虚质的传播。3.2 被einstein称为“鬼波”的函数，是量子论的基础。量子论选用复变函数作为波函数，决不仅仅是为了方便。从解决具体问题的角度看，用实变函数作为波动函数无法解释电子衍射现象和干涉现象，而复指数函数恰好解释了，这说明波中有虚的成分；运用抽象的理论分析，表示在某处粒子出现的几率，它反映出随机现象同波函数相联系。由实事物的确定性可知，出现随机现象的根原不在实事物，而在虚事物，即函数的虚部。因随机现象是客观存在的，故虚物质也是客观存在的。3.3 自1992年至2002年已有12 个档次较高的实验证明超光速运动的存在，如两路光子或光脉冲、电脉冲赛跑实验，王力军的反常色散实验等等。狭义相对论已经证明有实数静止质量的物质的运动速度小于光速，而光子的静止质量为零，运动速度即光速，故能以超光速运动的物质只能是静止质量为纯虚数的物质。如果我们把物质按照静止质量为实数、零和纯虚数分成三类，那么，光处于实、虚的分界面上。站在光界上的观察者会发现，一边是运动速度为亚光速实物质，另一边是运动速度为超光速虚物质。这样的划分在逻辑上是完美的。另外，在光进入超光速运行时，光总是处于消失态，10这说明虚物质的不可见性对理解超光速的消失态是重要的。3.4 1935年，einstein，podolsky和rosen合写论文，简称epr论文，用来否定量子力学的完备性。epr“以一切物理理论必须满足定域性要求为基础，即狭义相对论关于一切物理作用的传播速度不能超过光速这一推论。面对epr的挑战，玻尔以量子现象中的宏观条件与微观系统的整体性捍卫量子力学的完备性，这实际上是以非定域性要求反驳定域性的要求”。11 于是，nbohr和einstein开始了旷日持久的辩论。当然，根本之点是jbell在1965年提出了著名的不等式（bell不等式）判据12。1982年1985年间出现的aaspect的著名实验，13使得绝大多数科学家承认那场历史性辩论（einsteinbohr）有了结果einstein错了，量子力学的非局域性（nonlocality）是站得住脚的理论观念。最近的实验：1998年，美国加州理工学院（cit）的科学家利用纠缠态，使两个相距甚远的微观粒子竟如孪生，相互影响；2001年9月27日，nature杂志发表了引人注目的文章“宏观物体的量子纠缠态”，报道了丹麦物理学家把两个宏观物体（有数亿万个原子）形成纠缠状态；2001年，中国科技大学郭光灿研究组取得了普适量子克隆实验成果等等，都表明了非局域性现象的存在。对于非局域性现象（量子缠结现象）j.bell这样说过，“缠结的量子系统表现出经典世界所不可能具备的行为，经典世界也不可能具备缠结量子系统的行为。”14这就是说：“在实物质范围内我们无法解释量子的缠结行为”。这意味着在实物质之外还存在其它物质纯虚物质，这就像实数系外还有纯虚数的存在一样。3.5 1998年才出现在天文学领域里的暗能量，据计算占宇宙总能量的三分之二。按照现有的说法，暗能量“自身不仅不能发光，而且也不会反射、折射或散射光，亦即对各种波长的光，它们都是百分之百的透明体！”15如果这样的能量存在，那么，就具有不可见性。有人认为，暗能量是从宇宙真空中渗透出来的，因而带有虚无的特性。这又归属到虚物质中去了。1998（澳）布莱恩斯米特，索尔玻姆特两个研究小组得出了相同的惊人结论，并同时宣布了他们的结果：宇宙正在加速膨胀。这也暗示了宇宙中存在具有反引力效应的暗能量。16（获美国科学杂志1998年的年度科学发现奖）。如果爱因斯坦活着，看到这个消息，是不是又会发出肺腑之言：拿掉宇宙常数是我一生中的第二个错误。我们认为爱因斯坦引入宇宙常数并不是一个“错误”，而应该认为是21世纪值得深入研究的一个重大的物理课题。3.6 量子隐形传态是通过将量子态的远距离传送，以争取实现信息的特殊传输，且在传输过程中只有量子态的传输，而无实质的运动。量子隐形传态被认为是瞬时的。这当然超出了实物质的局域传输。3.7 根据人类对中微子的已有认识，我们猜测中微子是纯虚物质。这是因为第一，中微子在宇宙中无处不在，几乎和其它物质不发生作用，很难被直接测到，无处不在又测不到，说明中微子具有不可见、不可测性；第二，对中微子的质量认可已经趋同，尤其是在1998年，一批日本、美国的科学家宣布中微子有静止质量之后；17第三，有许多关于中微子的实验结果表明其质量平方（）的最可几值是负数，如上个世纪90年代初，日本测得，美国为，中国18。上个世纪80年代也有这样的实验结果。这意味着中微子的质量是纯虚数。在以上七个方面的科学证据中，最能证明虚物质存在的是超光速运动，量子缠结和量子隐形传态。三者的关系是量子缠结和隐形传态都涉及超光速运动。4设想和思考4.1 虚物质概念的内涵虚物质是实物质的对立，具有和实物质完全相反的特性。例如，实物质有有形、可见、可测和离散等特点，虚物质则有无形、不可见、不可测和连续等特点。实物质的质量为实数；虚物质的质量为纯虚数。实物质是质量型的物质，虚物质为信息性的物质。实物质具有局域性，局域性是指宇宙的不同区域不能互相传送超光速信号的观念；虚物质具有非局域性，非局域性是指宇宙的不同区域能互相传送超光速信号的观念。实物质局部，虚物质整体。虚物质以实物质为载体。虚物质的内涵也告诉我们研究虚物质的方法：在实物质的对立面上研究虚物质。注意不能象研究实物质那样去研究虚物质，否则就会遇到象快子理论那样难以克服的困难。物理学应该象数学对待虚数那样对待虚物质。因虚物质的不可见性，象实物质那样去寻找虚物质是徒劳的，但研究如何把实物质转换成虚物质，并充分利用超光速运动长处，再把虚物质转成实物质，这是一个值得注意的研究方向。4.2 相对论和量子力学不协调的原因相对论有一个不是假设的假设：运动的物质有时空坐标。对时空坐标的假设意味着运动物质的可见性和可测性，这实际上等价于假设运动物质是实的。狭义相对论断言，实物质的运动速度不超过光速，但这在逻辑上并不排斥纯虚物质的超光速运动。如果虚物质确实是存在的，那么，量子缠结现象告诉我们任何物质都有局域性和非局域性两面。相对论只利用了局域性，即实的一面，故相对论是实物质的运动理论。波函数是复变函数，有实有虚，虚实结合。实的代表实物质，虚的象征虚物质。由波函数在量子力学中的基础地位，可知量子力学既是实物质的理论，也是虚物质的理论，更是实虚两类物质复合的理论。从相对论和量子力学的定义域上看，相对论囿于实物质，量子力学奠基在实、虚物质的复合上，可见，量子力学的定义域比相对论大。因此，量子力学能容纳相对论，而相对论不能容纳量子论，这是理所当然的事。事实也是如此，相对论和量子力学之间存在严重的协调困难。19有趣的是相对论和量子力学之间的不协调也在两个理论的创始人之间表现出来。einstein反对量子理论，这表现在他的名言“上帝不扔骰子”和epr论文中。einstein还反对不确定性原理（测不准关系式）。对einstein的反对意见，许多的物理家（尤其是n.bohr）做出了尖锐的回答，bohr说：“假如一个人不为量子论感到困惑，那它就是没有明白量子论。”20。bohr将太极图作为他们家族的族徽，说明对立统一的思维方式在他心中的地位，而einstein则不熟悉对立统一的思维方式。可见，bohr的思维层次比einstein的更基础、更全面。einstein对量子理论的态度造成了他后半生少有成就并陷入孤寂，俄罗斯科学家afioffe院士说21：“在einstein后半生近40年中，他把生命献给统一场论。但是，在einstein身边奔驰而过的却是新量子力学、原子核物理学、半导体固体物理学的时代洪流，他停留在近几十年物理学发展之外。” 要使相对论和量子论协调，必须将狭义相对论从亚光速的运动拓广到超光速运动，只有这样，相对论才能虚实兼备。这大概是超光速运动研究再度兴起的原因之一。超光速运动融入相对论，就等于把量子缠结效应，量子隐形传态一起融入了相对论。“我可以直截了当地说，我们对未来应当完全不带一点成见”。22在21世纪之初，新思想层出不穷，新发现纷至沓来，我们站在科学的群山之颠眺望，心中充满了信心和企盼，一个物理学的新纪元必将到来。参考文献1 石益祥 数学模型的本质定义和非常建模法j 数学的实践与认识， 2002，vol.32 no.12 石益祥，李友松论复数的本体论意义与方法论启示j自然辩证法研究，2002，vol. 18 no. 11： 36-393 倪光炯对量子力学的一种新解释：测量与信息j科学， 2002，54卷第6期：354 einstein a论动体的电动力学a范岱年，赵中立，许良英译爱因斯坦文集m北京：商务印书馆，1983831155 tanaka. s. prog. theor. phys., 1960; 24: 171.6 bilaniuk o., deshpande, v., sudarshan e. am. j. phys,. 1962; 30: 718.7 feinberg g. phys. rev., 1967; 159: 1089.8 龟渊，表实现代物理参考资料（第一集）m北京科学出版社，1976389 einstein a关于相对性原理和由此得出的结论a范岱年，赵中立，许良英译einstein文集m北京：商务印书馆，198315020910 17 18 黄志洵超光速研究新进展m北京：国防工业出版社，200251， 199， 20111 15 19 董光壁协调相对论和量子论的困难a21世纪100个科学难题编写组 21世纪100个科学难题m吉林人民出版社，19981421，146 12 bell j. on the problem of hidden variables in quantum mechanicsj. rev.mod.phys,1965,38:447452.13 aspect a, grangier p, roger g. experiment realization of einstein podolsky rosen - bohm gedanken 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