用超弦理论构建大统一理论的做法有待商榷(18)

1、用超弦理论构建大统一理论的做法有待商榷（作者：夏烆光）内容提要：本文从介绍大爆炸宇宙学和超弦理论的学术观点出发，指出了大爆炸宇宙学和超弦理论的致命弊端。然后从三维空间和一维时间的传统时空观念入手，借助于普朗克长度和普朗克时间的量子化特征，从全新的物理视角上讨论了光量子的静止质量、及其在微观领域中的运动特征，并借助于广义时空相对论所取得地学术成就，明确地阐述了超弦理论的合理内核，及其在多维时空观念上的致命错误。最后指出，广义时空相对论，在统一四种相互作用力、协调相对论与量子理论的关系上，均有不俗的表现，所以不妨把它看成是“大统一理论”的新答案。关键词：超弦理论 普朗克 基本粒子 广义时空相对论

2、静止质量 引力波 微波背景辐射 宇宙的年龄引 言 为了建立“大统一理论”，当代物理学已经陷入歧途。的确，从源头上说，浩瀚宇宙中的复杂现象，都可能追溯到同一个出发点，包括宇宙中已知的、和未知的星系，都可能起源于同一个星云；而所有星云也都起源于相同的分子；所有的分子也都是由几百种基本粒子演变而来。这样地思考问题本身并没有错。但是要说“宇宙也有开端”的话，这便是一个悖理的逻辑命题。因为，“宇宙”本身乃是“无限空间和无限时间”的别称。所以，任何有限时空的持续叠加都不可能变成无限的“宇宙”。但是，由于物理学家们受爱因斯坦广义相对论、和超弦理论两个基本思路的长期影响，并顺着这个思路不停地向前追根溯源，最终

3、走向了“宇宙大爆炸”的那一时刻。进而把一个无限的宇宙转变成多个并行的“有限宇宙”。最终结果是，不仅造成哲学概念上的混乱，而且造成传统宇宙观的严重错失。在我看来，任何有限的宇宙，都不过是更大意义上的星系团罢了。星系团可以自生自灭，但宇宙是不会自生自灭的。为了正本清源，这里拟从介绍当前的“大爆炸宇宙学”开始，探索“超弦理论”和“广义相对论”的物理本质，以及它们的积极意义和原则错误，从而使人们清楚地认识到，超弦理论或许并不是建立“大统一理论”的有效工具，而爱因斯坦的广义相对论也不是一个无可争辩的引力理论。一 大爆炸宇宙学的基本要点现代主流派的学术观点认为，今天的宇宙产生于一次巨大的爆炸。在爆炸前那个

4、时刻，空间、时间、和物质都融为一体，一切都归结为一个“点”。宇宙从同一点出发，经过大约137亿年的漫长岁月，进化成一个复杂多变的物质世界。在这些现象的背后，肯定有一个最根本的物理规律在运行着，这就是宇宙起点的源头规律，即“超弦理论”。它隐藏了宇宙开始时刻的十维空间景象。随着十维空间的崩裂，超弦理论也分裂成两个理论相对论和量子理论。此后，随着物质丰富性的增加，它们又分裂成更多的理论。今天，我们不断地向上回溯，终于描绘出宇宙大统一的完整图景，即一个极具神秘色彩的十维宇宙（参见【1】）。虽然上述说法很神秘，所描绘的景象也很壮观，但却没有告诉我们，这个十维宇宙之外，又是何等的景象？！这样的“点”只有一

5、个呢，还是有很多很多个？。姑且不再往下追问。按着这幅图景，在宇宙诞生前的秒之内，其直径仅有厘米，其内部却含有丰富的十维空间，所有的空间维都平等地卷缩在一起。在那样的空间里，宇宙的能量极大、温度极高，所有的四种力都融为一体。可是，这样高维度、高能量、高温度的空间是极不稳定的，于是，宇宙大爆炸发生了。结果，维度被解散、能量开始发散、温度开始降低。三维空间和一维时间无限地延伸开来，逐渐形成了今天的宇宙；而另外的6维空间，则仍然卷缩在普朗克尺度（厘米）的空间范围之内。当宇宙处在0K这样极高的温度（是太阳温度的1026倍）时，引力与其他“大统一力”分离开来，随着宇宙的膨胀，引力不断延伸而成为今天的“长程

6、力”。随着宇宙进一步地膨胀和冷却，其它三种力也开始破裂，“强相互作用力”与“弱电”力相互剥离开来。当宇宙产生秒之后，它的温度降低到了0K，这时“弱电”力开始破缺，成为“电磁力”和“弱相互作用力”。在这一温度下，所有四种作用力都已经相互分离，宇宙成为由自由夸克、轻子、和光子组成的一锅“汤”。随着宇宙进一步地冷却，夸克组合成质子和中子。在宇宙产生了3分钟之后，稳定的原子核开始形成。 当大爆炸发生已经长达30万年之后，最早的原子开始问世。当宇宙的温度降至30000K，氢原子开始形成。此时的宇宙，开始变得透明，光可以在其中传播数光年而不被吸收。在大爆炸发生100200亿年后的今天，宇宙的不对

7、称和破缺，导致四种力彼此间产生了惊人的差异。原来火球的温度现在已被冷却至30K，这个温度已经接近绝对零度（00K）。 这就是现代科学描述的宇宙演变史。随着宇宙的渐渐冷却，各种力之间已经解除了相互纠缠而逐步分离出来。首先是引力破缺出来，然后是强相互作用力，接着是弱力，最后只有电磁力保持着不破缺。尽管多数人都认为，这幅宇宙图景实在太离谱，不过这也是为统一四种作用力、建立大统一理论的一种大胆尝试。二 用超弦理论构建大统一理论的做法有待商榷诚如所知，基本粒子理论证实，所谓的“基本粒子”可分为三大类，通常被称为 “族”：一是轻子族：包括电子、中微子等；二是夸克族：包括上、下夸克、粲夸克、奇异夸

8、克、顶夸克、底夸克，以及各自的反夸克；三是媒介粒子族：包括光子、胶子等。除了夸克和电子外，大部分基本粒子都不组成更大的物质结构，例如，中微子从来不与其它物质发生相互作用；而媒介粒子，只是在其它粒子间起到传递力的作用。这些基本粒子的物理性质各不相同，原因是什么？它们为什么不停地自旋？宇宙中为什么总是存在着四种不同种类的相互作用？这四种作用力，包括引力、电磁力、强力和弱力，是否具有相同的来源？为什么强力和弱力只能在微观尺度上发挥作用，而引力和电磁力却能在很大的宏观范围上起作用？在这些差别之间，有没有共同的物理根基？。诸如此类的问题，一直困绕着科学家们。 事实证明，力是由粒子的交换而来的，

9、电磁力是由光子交换而来，弱力是由弱规范玻色子交换而来，强力是由胶子交换而来。两个带电粒子间的相互作用，是光子在两个粒子间往来“穿梭”的结果，两个带电粒子通过交换光子而“相互影响”。但是在量子理论中，引力的存在是无法通过粒子之间的交换来理解的。因为，在微观世界里，粒子自身质量不仅几乎小到可以忽略不计，而且还总是在杂乱无章地快速运动着。因此，它们之间的引力便无从谈起。所以说，量子理论根本无法涵盖引力的作用机理。 四种基本作用力的不同，导致了现代物理学的两大支柱相对论和量子理论，二者之间存在着尖锐的对立。广义相对论与量子理论的根本对立，成为现代物理学最为核心的理论灾难。为了能让两个理论协调

10、起来，物理学家做过大量的尝试，他们以这样那样的方法，要么修正广义相对论，要么修正量子理论。虽然一次次的努力都胆识惊人，但结果却一个接着一个的失败（参见【1】）。 终于在上个世纪末（1995年），超弦理论来了。超弦理论认为：在每个基本粒子内部，都有一根细细的线在振动，就像小提琴琴弦的振动一样，因此这根细细的线就被科学家形象地称之为“弦”。粒子内部的弦也有不同的振动模式，会产生出不同的粒子。不同粒子的性质，则由弦的不同振动模式来决定，比如说，电子是以某种方式振动的弦，上夸克又是以另一种方式振动的弦，如此等等。姑且不论，超弦理论所描述的宇宙图景与现实的物质世界是否格格不入，也不论宇宙的演化

11、史是否同超弦理论的描述相近，而是说，超弦理论关于“有最小尺度（厘米）和最小时间尺度（秒），以及，在这个尺度下，弦是一段一段的细线，开弦就是一个段线，闭弦就是一个圆圈，每一个弦片所携带的都是一份一份的动量和能量”这一观点本身，具有积极的物理意义。超弦理论认为：在微观世界中，根本不存在“粒子”的概念。各种不同的粒子只不过是“弦”的不同振动模式。弦本身是很简单的，只是一根极微小的线段而已。弦可以闭合成圈（闭弦），也可以打开（开弦）。一根弦还能分解成更细小的弦，也能与别的弦碰撞构成更长的弦。一根开弦可以分裂成两根小的开弦；也可以形成一根开弦和一根闭弦；一根闭弦可以分裂成两个小的闭弦；两根弦碰撞可以产生

12、两个新的弦。基于这样的描述，人们开始认为，自然界中所发生的一切相互作用，都可以用弦的分裂与结合来加以说明。应该说，这些描述正确地反映了微观世界的基本面貌，因而是正确的。不过，超弦理论同时还认为，“当空间小到厘米后，时间和空间就会融为一体，空间维度就会高达十维，在这样的情况下，即使空间还能分割，那也是我们目前所不能了解的”。对于这一观点，本人实在难以苟同。因为，这显然是把在3维空间和1维时间上本可以圆满解决的物理问题，演变成必须到虚无缥缈的10维空间上去寻找答案的一个数学问题。须知，任何数学抽象都是建立在“具有绝对同时性”的时间观念之上。所以说，“数学的抽象只有在纯粹的数学中才是无条件的，有效的

13、”。在量子理论成立的物质层次上，决不能脱离“光速有限”这一物理事实，更不能脱离正确的哲学观念。因此说，超弦理论并不是建立大统一理论的可靠之门。为了解开超弦理论的物理内涵，为了正确地认识爱因斯坦广义相对论和超弦理论的历史地位，下面依旧按着3维空间和1维时间的传统观念，从全新的物理视角从发，探索如何建立“大统一理论”，以及什么样的物理理论已经具备了“大统一理论”的基本特征。三 每个物质层次的物理量都有自己的最小单元如所周知，辩证的哲学观念，一方面承认物质是无限可分的；另一方面也承认，分割过程中的阶段性特征。也就是说，物质的分割过程必须是按着层次，由大到小，逐步地进行。换句话说，尽管“一尺之捶，日取

14、其半，万世不竭”，但也必须按着它的结构层次，即分子层次、原子层次、亚原子层次等等，逐步地进行分割。这正是“物质的可分性和分割过程中的阶段性的对立统一”。依照这一哲学观念，在原子层次上，物理学已经清楚地证明：宇宙中的最小时间过程（普朗克时间）s；最小空间尺度（普朗克空间）cm（参见【2】）。考虑到这两个参数本身的量子化特征，那么，用普朗克时间去除以普朗克长度所得出的运动速度，也必定是一个量子化的速度概念，即。 （1）严格的物理实验精确地证明，这个比值和已知的光速完全相等，因此说，光速理应是量子力学领域中，微观粒子运动的一个量子化的极限速度。基于这一点，我们不妨大胆地推理，更小的量子层次，比如亚量

15、子层次，一定存在着另一类的“最小空间”和“最小时间”，因而也必定存在着“更大的量子化的极限速度”。那么，只要我们能够给出亚量子层次上的最小空间尺度和最小时间过程，就能求出这个层次上的最大极限速度。“量子纠缠现象”的实验结果业已证明，两个相互纠缠的“关联粒子”之间的传递速度，至少是光速的数万倍以上。而纠缠现象在量子通讯技术领域中的巨大成就，有力地证明了上述推理的可靠性。四 从物质单元出发探索光量子的相对静止质量考虑到普朗克长度除以普朗克时间所得出的普朗克速度光速乃是量子层次上物质运动的极限速度，那么，光速的变化率普朗克加速度也应是一个极限的常数。既然普朗克长度、普朗克时间、普朗克速度均具有量子化

16、特征，那么，这个普朗克加速度（）的任何增加或减少，也必定是量子化的。仿效上述做法，我们把普朗克速度除以普朗克时间，定义为普朗克加速度，即。按着上述关系，代入已知的相关参数，则有 （2）不难理解，这个参数也自然是个量子化的物理常数。牛顿第二定律告诉我们，物体的受力，物体的能量。其中的是物体的质量，是物体的加速度，是物体在受力方向上移动的空间距离，由此可以写出物体的再根据量子力学的知识，微观粒子的电磁能量又可以用它的振动频率来描述，即。考虑到最小微观物质变化过程的量子化特征，我们利用“叠加原理”，把宏观领域和微观领域的同类物理量直接联系到一起，并在国际单位制(SI)与厘米克秒制（CGS）中，推算出

17、最小的普朗克电磁质量 （3）其中，是普朗克常数（-bar）；是普朗克量子基频振动的圆频率，对应着电磁场的零点振动，即基频振动。在量子力学中，电磁场的基频振动并不产生光量子。所以，这一份能量对应着电磁场的“零点能”。假如我们取 ，则有（4）由此，在国际单位制下，可以推算出量子化的普朗克粒子的最小电磁质量 （5）据说，1971年，歌德哈伯等人的物理实验表明：光子的固有质量（参见【3】）。显然，这个实验结果与（5）式所推出的“普朗克量子的最小质量”非常接近。下面以紫色可见光光量子为例，来估算一下这种光量子的相对静止质量。已知，紫色光量子的最高振动频率，由此得出最大可见光量子（紫色光量子）的“相对静止

18、质量”为.（6）不难看出，这一估算质量的获得，完全是基于叠加原理。五 广义时空相对论关于光子相对静止质量的计算公式根据广义时空相对论所给出的质能公式（7）我们知道，当光子的绝对速度时，意味着观测者停留在光源的位置上，则有 （8）实验证明，光量子的能量。令，则得出 （9）其中，普朗克常数。是光量子的振动频率，其单位是赫兹，其量纲是。为了使用上的方便，我们需要定义一个基本常数（10）把相关参数代入，可以导出 （11）由此，我们可以把光子相对静止质量的计算公式写成 （12）其中，为比例常数，而对应着从光源中高能级轨道上绕核旋转的“轨道电子”回迁到低能级时，瞬间释放出来的光量子所具有的固有质量，即相对

19、静止质量，而是光子的“相对论质量”，即“动质量”。这就是广义时空相对论给出的光量子相对静止质量的计算公式（参见【4】第142146页）。已知，可见光的频率范围在，由此得出在可见光光谱中，光量子“相对静止质量”的数值范围大约在之间（参见【5】）。在这里，紫色光量子的相对静止质量（13）比较（6）与（13）式的计算结果，我们发现，从完全不同的理论基础出发，却能够得出几乎完全一致的计算结果。二者之间的相互印证，使我们敢于相信：两种理论的计算结果都是正确的。六 用微波背景辐射的最新解释来验证紫色光量子的公转半径在广义时空相对论的引力理论一文中（参见【6】），我曾经把紫色光量子回转运动的曲率半径修正为，

20、并利用此文中导出的关系式计算出可视宇宙的年龄 （14）这一结果精确地证明，宇宙的可视半径的确为137亿光年。这一计算结果的相对误差仅为 （15）在那里，我还重点地指出，如果能用物理实验证明紫色光量子曲率半径的取值维持在合理的实验范围之内，那就可以确切地证明以下五点：第一，上述推导所运用的理论是完全正确的；第二，137亿光年的确是地球人目前的最大视距；第三，微波背景黑体辐射谱最大强度的频率就是紫色光量子残留谱线的频率；第四，关于恒星系之间存在退行运动的哈勃定律是完全错误的；第五，大爆炸模型的宇宙生成论是完全错误的。为了确定紫色光量子公转运动的曲率半径，在那里还提出两个实验方案。方案之一：制作两片

21、“缝隙”与“格栅”宽度均为1纳米的精密玻璃光栅，叠放在一起，相对平移两片光栅可使缝隙宽度从0变到1个纳米。实验时，光栅一侧放置单色光源，另一侧放置接收装置。缓慢改变光栅缝隙宽度，在刚好透过（或遮住）单色光的瞬间，确定缝隙宽度，这个宽度就等于单色光量子的公转直径；方案之二：已知紫色光量子的频率（），根据，测出线速度（），就得出（）的数值。本人实在没有条件按着上述方案做实验，国家的科研部门又根本没有人会在意这些学术观点，所以只好从不同的学术领域出发，另辟蹊径，来探究光量子回转半径的大小。基于这样地考虑，我们不妨把以下的讨论看作是确认紫色光量子公转半径的方案之三。为此，这里再以紫色光量子为例来讨论。

22、可以断言，以光速（）运动的光量子，其微观尺度的改变一定是量子化的。这种量子化的增加或减少直接影响着光子回转半径的量子化增加或减少。令紫色光量子沿着前进方向公转运动时的曲率半径为、公转圆周长为、比例系数为。那么，这些参数之间应满足以下关系式，即 （16）由上式得出，紫色光子的回转半径为 （17）其中的比例系数，给出了理论计算结果与实验观测结果之间，公转半径的差别。粗浅地解释，在一秒钟内，个普朗克量子空间长度的叠加，形成了该紫色光量子回转运动的一个圆环，圆环的周长为，这就如同弹簧的一个环节。与此同时，这个光量子又从运动起点开始，以光速向外传播了一段空间距离，那么，它的运动轨迹就好像一根拉伸的弹簧。

23、用去除以这个尺度，所得结果便可以形象地理解为，它是紫色光量子公转半径的平均值。顺便指出，这个尺度并不是光量子的波长，而波长（）乃是相邻两个圆环之间，光量子所移动的直线距离。比较文献【6】引入的曲率半径和上面求出的公转半径，得出 （18）这里的值略大于1，说明光量子在绕自己前进方向公转时，其曲率半径略有增加；也或许说明，在参考文献【6】中，我们引入的曲率半径略微偏大，再考虑到两处紫色光量子频率的取值也有较大的出入。作为学术探讨，不妨再用，以及代入（14）式，得出 （19）已知，每一年共有，由此反推出地球人所能看到的可视距离约为 （20）这一计算结果，折合为133.8232亿年，与137亿年相差不

24、到3.18亿年，误差为2.3%。两处计算结果的差别，完全是来自对紫色光量子曲率半径和振动频率的取值有所不同，别无其他原因。七 广义时空相对论是某种意义的大统一理论用超弦理论作为数学工具，建立“大统一理论”的出发点在于，理论本身认为，点粒子内部的空间是六维的。以水管为例，由于观测者距离水管的远近不同，会发现不同的维度。离水管较远，沿着管子长度方向这一维，才容易被观测到；而绕着管子的圆圈很短，且卷缩在一起，就不容易被观测到。比方说，这根管子就好像一根头发丝或毛细管那样细，要看那些卷缩的维数就困难了。所以超弦理论认为，在宇宙中，空间的结构既有延展的维，也有卷缩的维，就好像水管的例子，既有在水平方向延

25、伸的、大的、容易看到的维我们日常经验中的三维空间，也有像水管横断面上的圆圈那样的卷缩的维。这些多余的维紧紧地卷缩在一个微小的空间之内，即使利用我们手中现有的最精密仪器，也根本不能探测它们（参见【1】）。上述观点的根本错误在于，放弃了固定度规的物理观念。追根溯源，放弃统一度规的做法，来自于爱因斯坦的广义相对论。而广义相对论的这种做法，又可以追溯到“黎曼几何”和“罗巴切夫斯基几何”。广义相对论认为，当没有任何物质或能量存在时，空间是平直和光滑的，就像一条拉得很平整的橡胶薄膜（参见右图）。当放进一个保龄球时，平直的橡胶薄膜就会发生弯曲、或凹陷，即平直的空间出现弯曲。所谓的引力，就是这样的空间弯曲导致

26、的，引力势就像是橡胶薄膜自身的内应力。但是，这里把空间变成了橡胶薄膜的几何形状，而把真实的空间本身化为子虚乌有，这明显是否认了空间和时间本身的客观实在性。这种做法就如同，因为“模特儿”的照片不是模特儿本人，就否认模特儿的存在一样，都是在违背哲学的认识论。针对上述观点，我们必须首先指出：第一，在同一个物理问题中，必须使用“统一度规”的基本原则。否则，形式逻辑的同一律和相互比较就毫无意义。出现这种混乱思想的根本原因在于爱因斯坦，因为广义相对论首先放弃了“统一度规”的讨论原则。第二，放弃传统时空概念做法也是源于爱因斯坦，这是由于爱因斯坦全盘接受了“马赫主义”的时空观念。至于相信“空间和时间具有几何特

27、征”的思想观念，则是把几何公理成立的前提条件，虚拟时空与传统的时空概念混为一谈。须知，平坦的虚拟空间，是欧几里德公理成立的前提条件；正曲率的虚拟空间是黎曼几何公理成立的前提条件；负曲率的虚拟空间则是罗巴切夫斯基几何公理成立的前提条件。而传统意义上的空间和时间等概念，则是对所有物体存在形式的普遍性（共性）、和所有物体运动过程的普遍性（共性）所赋予的抽象描述，即表象，这就如同“动物”和“水果”之类的概念一样，“水果”本身没有“酸”与“甜”之分，“动物”本身也没有“长毛”与“长麟”之别，同样，“空间”也没有“平坦”与“弯曲”这类的个性特征，因为在表象的过程中，这些“个性”已经抽象的一干二净。认识不到

28、这一点，就是否认传统空间和时间概念的“客观实在性”，就是混淆了“普遍性（共性）和特殊性（个性）之间的严格界限，就是把“普遍性”沦为“特殊性”，在哲学上，就是观念错误（参见【7】）。与爱因斯坦的广义相对论完全不同，在广义时空相对论中，我导出的引力方程为 （21）这一组方程式，给出了在任意形式下，物质运动的基本方程。这里，第一个方程代表着物质的直线运动速度；第二个方程则代表物质的圆周运动规律；第三个方程代表着在均匀引力场中物质运动的基本特征；第四个方程则表明，微观粒子在切线方向快速前进运动的同时，还存在着绕副法线方向的自转、绕主法线方向的公转；以及在公转运动中的能量衰减。如果所讨论的问题是可见光量

29、子在浩瀚宇宙中的传播过程，那么公转过程中的能量衰减，就会造成恒星系光谱的红向移动（参见【6】）。显而易见，这一学术成就彻底地颠覆了广义相对论的引力理论和现代宇宙学中的某些重大结论。比如说，针对某种光量子，如果让其逐个地通过一条狭缝，由于光子的运动轨迹本身并不是直线，所以在狭缝的干扰下，光量子在靶屏上的“弹着点”就带有很大的随机性。经过一段时间之后，就会在狭缝后面的靶屏上呈现出一幅波动的物理景象；如果是双缝实验（见右图），就会出现相互干涉的波动条纹。这就是微观粒子“波粒二象性”的物理本质。除此之外，大量微观粒子逐个地通过小孔时，由于小孔的干扰，也必然在弹着点的几率分布上，表现出波动性特征。在量子

30、力学中，薛定谔波函数绝对值的平方（），刚好代表着微观粒子统计分布的几率，也再次表明，任何微观粒子的运动状态都是螺旋式的波动前进。由此可见，广义时空相对论不仅能够合理地解释引力子的存在，还能够圆满地解释大到137亿光年这一地球人的“可视宇宙尺度”上悬而未决的天体物理问题，诸如恒星系光谱的红移问题；微波背景辐射的黑体谱问题；同时也能够十分清晰地解释在量子领域中，光子的相对静止质量、及其运动特征等问题。特别是，他还能够十分清楚地解开微观粒子波粒二象性的物理本质，从而在协调“相对论”与“量子理论”的相互关系上，以及在引力波动的量子化问题上，都具有不俗的表现。因此我们不妨坦率地说，“广义时空相对论”就是某种意义上的“大统一理论”。归纳上述的讨论，我们可以十分清楚地证明以下几点：1. 光的频率的确可以理解为，光量子在每秒钟内绕着前进方向的公转次数。2. 光的波长是两个回转周期之间，所移动的直线距离，它与光子能量和质量的大小无关。3. 物质的周围，总是存在着不种类的物质场，比如电磁场，引力场等，不同种类物质场的波动，都会产生相应的物质波。任何种类的物质波都是量子化的向外传播，而传播过程中的运动轨迹，都是以自己的极限速度，螺旋式的传播到远方。4. 电磁场的内应力，构成了电磁势。电磁场振动产生的微观粒子就是光量子。不同频率的光量子，其公转运