诺贝尔物理奖中的错误1

1、诺贝尔物理奖中的错误（1）严格意义的统一理论根本不存在付昱华（中海油研究总院，E-mail：fuyh1945）摘要：1979年诺贝尔物理奖的获奖原因之一是“关于基本粒子间弱相互作用和电磁相互作用的统一理论”。但是严格意义的“统一理论”根本不存在，存在的只能是“局部和暂时的统一理论”，或“到目前为止的统一理论”。对于某一领域，应用最小二乘法可以建立该领域“局部和暂时的统一理论”，或“到目前为止的统一理论”（其表达式为“局部和暂时的统一变分原理”，或“到目前为止的统一变分原理”）。讨论了如何建立“局部和暂时（到目前为止）的电磁统一理论”和“局部和暂时（到目前为止）的引力统一理论”。推而广之，可以建

2、立“局部和暂时（到目前为止）的四种基本相互作用的统一理论”。甚至可以建立包括到目前为止自然科学全部方程式的“局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一理论”。这样，霍金关于可以在一件T恤衫上就能打印出来的，可以把所有自然规律都以一个数学模型表示出来的设想，就以“局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一变分原理”的形式局部和暂时地实现了。关键词：统一理论，不存在，局部和暂时（到目前为止）的统一理论，局部和暂时（到目前为止）的统一变分原理，局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一理论，局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一变分原理，霍金，T恤衫引言1979年诺贝尔物理奖的获奖原因之一是“关于基本粒子间弱相

3、互作用和电磁相互作用的统一理论”。这里存在着概念性错误：严格意义的“统一理论”根本不存在，存在的只能是“局部和暂时（到目前为止）的统一理论”。换句话说，“弱相互作用和电磁相互作用的统一理论”是根本不存在的，存在的只能是“局部和暂时（到目前为止）的弱相互作用和电磁相互作用的统一理论”。实际上，不仅两种或两种以上的相互作用不可能存在“统一理论”，而且对于任何一种相互作用，都不可能存在“统一理论”。换句话说，根本不可能存在“电磁统一理论”，根本不可能存在“引力统一理论”，根本不可能存在“强相互作用统一理论”，以及根本不可能存在“弱相互作用统一理论”；但是，如果将“统一理论”换成“局部和暂时（到目前为

4、止）的统一理论”，那就可以存在了。什么是“统一理论”？1980年，霍金曾经宣称，物理学家已经看见了一种“终极理论”的轮廓，该理论可以把所有自然规律都以一个单一的、优美的数学模型表示出来，也许它将简洁到在一件T恤衫上就能打印出来。后来，在时间简史一书中，霍金还宣称科学家们正处在发现终极“万有理论”的边缘。换句话说，对于任一领域，严格意义的“统一理论”是指该领域的所有规律都能以一个单一的数学模型表示出来。如果按照这样的概念来理解严格意义的“统一理论”，我们不得不说，这样的“统一理论”是根本不存在的。换句话说，存在的只能是“局部和暂时（到目前为止）的统一理论”。下面我们首先论述根本不可能存在严格意义

5、的“电磁统一理论”。1 “电磁统一理论”根本不可能存在以及应用最小二乘法建立“局部和暂时（到目前为止）的电磁统一理论”也许有人会争辩说，麦克斯韦方程组就是“电磁统一理论”。面对这样的争辩，我们提出三个问题。第一，麦克斯韦方程组能够包括或者导出所有的电磁学规律吗？第二，麦克斯韦方程组能够解决后来出现的高温超导等现象吗？第三，麦克斯韦方程组能够解决超光速问题吗？如果对于这三个问题给出了否定的答案，那么就应该承认，麦克斯韦方程组根本就不是严格意义的“电磁统一理论”，而只能是“局部和暂时（到目前为止）的电磁统一理论”。基于同样的原因，“基本粒子间弱相互作用和电磁相互作用的统一理论”也是根本不存在的，存

6、在的只能是“局部和暂时（到目前为止）的弱相互作用和电磁相互作用的统一理论”。下面我们来建立“局部和暂时（到目前为止）的电磁统一理论”。首先对于某一领域，应用最小二乘法建立该领域“局部和暂时（到目前为止）的统一理论”（其表达式为“局部和暂时（到目前为止）的统一变分原理”）。假设对于某一区域，已经建立了如下的通用方程组 （1）在边界V上满足的边界条件为 （2）则应用最小二乘法，该领域的“局部和暂时（到目前为止）的统一理论”，可以用如下形式的“局部和暂时（到目前为止）的统一变分原理”来表示。 （3）式中：是在参考文献1中引入的，表示最小值而且其值应为零。和为适当选取的正值加权常数；对于最简单的情况，

7、这些加权常数可以均取为1。如果只考虑某一个方程，可以只令其对应的加权常数等于1，其余的加权常数均等于0。应用这种方法，我们在参考文献2中建立了“局部和暂时（到目前为止）的水重力波统一理论”及其相应的“局部和暂时（到目前为止）的水重力波统一变分原理”；在参考文献3中建立了“局部和暂时（到目前为止）的流体力学统一理论”及其相应的“局部和暂时（到目前为止）的流体力学统一变分原理”。也许有人会说，这只不过是最小二乘法的应用，我们的回答是：最简单的方法，也许就是最有效的方法。需要指出的是，由于当时没有意识到“统一理论”根本不存在，我们在参考文献2中错误地使用了“水重力波统一理论”及其相应的“统一变分原理

8、”的提法；在参考文献3中错误地使用了“流体力学统一理论”及其相应的“统一变分原理”的提法。这里对此提出更正。还应该指出的是，方程组（2）可以合并到方程组（1）中去，为此只需对于不同的方程，指明其适用区域。因此为简便计，下面我们将只讨论方程组（1），而不再讨论方程组（2）。现在将麦克斯韦方程组写成如下形式。 ， 区域内式中：， 区域内式中：， 区域内式中：， 区域内式中： 此外，在各向同性介质中还要补充下述方程。， 区域内式中：， 区域内式中：， 区域内式中：此外，还有库仑定律。， 区域内式中：，根据实验确定的比例系数=9.0×109N·m²/C²。限于篇

9、幅，其他电磁学方程（组）不再列出。还有，若干守恒方程（如能量守恒方程），以及若干法则（如速度合成法则）也没有列出（将在下面讨论）。另外，还有一些仅在孤立点上或特殊情况下成立的孤立方程，可以写为如下形式。 （4）例如，对于库仑定律中的比例系数，可以写成如下孤立方程 式中：9.0×109N·m²/C²。再如，等离子体问题中的屏蔽距离（德拜距离），可以写为如下孤立方程。 式中：。限于篇幅，其他电磁学孤立方程不再列出。由于某些孤立方程无法进行积分处理，所以对于孤立方程一般进行平方和处理。应用最小二乘法，“局部和暂时（到目前为止）的电磁统一理论”，可以用如下形式的

10、“局部和暂时（到目前为止）的电磁统一变分原理”来表示。 （5）式中，下标EM表示适用范围为电磁学，的集合表示到目前为止发现（导出）的全部电磁学方程，的集合表示到目前为止发现（导出）的全部电磁学孤立方程，和为适当选取的正值加权常数。 显然，这里和均为相当大的整数。2 应用最小二乘法建立“局部和暂时（到目前为止）的引力统一理论”首先应该指出，对于不同的引力问题，需要应用不同的引力公式或不同的引力理论，“万有引力公式”实际是不存在的。对于这一结论，许多人没有意识到。另外，不同的引力公式，均可以写成（1）式的形式（亦即表达式右边为零的形式）。首先应该提出来的是，对于苹果下落等众多问题，可以应用牛顿给出

11、的万有引力公式 （6）上式可以写为如下形式 （6）式中：在参考文献4中，借助于胡宁教授根据广义相对论导出的一个方程和比耐公式（Binets formula），可以得出了如下改进的牛顿万有引力公式 （7）式中：为引力常数；和为两物体的质量；为两物体间的距离；为光速；为质量为的物体在质量为的物体的引力场中沿圆锥曲线或近似圆锥曲线运动时所得到的半正焦弦，而且有：(1-e2)，对于椭圆；(e2-1)，对于双曲线；= y2/2x，对于抛物线。应用上式求解水星近日点进动问题和光线近日偏折问题，所得结果与广义相对论完全一致。 需要指出的是，根据（6）式和（7）式，超光速是存在的。上式可以写为如下形式 （7）

12、式中：某些情况下，还要考虑如下包含三项的引力公式。 （8）式中：w为待定常数。上式可以写为如下形式 （8）式中：然而对于地球引力场中小球沿着光滑斜面下落的情况，上述公式都不能应用。参考文献5中给出了适用于该情况的变维分形（分维数为变量而不是常量）形式的引力公式 （9）式中：，为小球沿着斜面下落的水平距离。上式可以写为如下形式 （9）式中：此外，爱因斯坦的广义相对论引力场方程组，以及其他学者得出的引力公式或引力方程（组），也都可以写为（1）式的形式（亦即表达式右边为零的形式）。在某些情况下，处理引力问题时，还要考虑若干守恒原理，例如能量守恒原理。下面我们将能量守恒原理也写为（1）式的形式（亦即表

13、达式右边为零的形式）。其他守恒原理可以照此办理。参考文献5中，讨论了直接应用能量守恒原理和间接应用能量守恒原理两种情况。直接应用能量守恒原理的情况。设封闭系统的初始总能量为，任意时刻的总能量为，则根据能量守恒原理应有 = （10）上式可以写为 = （11）间接应用能量守恒原理的情况。假设我们感兴趣的某一物理量，既可以应用能量守恒原理来计算，又可以应用其他引力公式来计算。为了便于区别，将其他引力公式计算的结果仍然记为，将能量守恒原理定律计算的结果记为，则间接应用能量守恒原理的方程如下= （12）下面讨论一些仅在孤立点上或特殊情况下成立的孤立方程。首先是关于引力常数的孤立方程。 Nm2/kg2 =

14、0 （13）其次考虑光线近日偏折问题的偏折角度。应用广义相对论或改进的牛顿万有引力公式（亦即（7）式）得出的这一偏折角度为 =1.75” 然而根据实验应有=1.77±0.20，取平均值则有 =1.77” 根据上式建立的孤立方程为 （14）其他的孤立方程还包括：行星近日点进值建立的孤立方程，日全食时不同时刻测量的引力异常值建立的孤立方程，等等。限于篇幅，这里不再列出。应用最小二乘法，“局部和暂时（到目前为止）的引力统一理论”，可以用如下形式的“局部和暂时（到目前为止）的引力统一变分原理”来表示。 （15）式中，下标GRAVITY表示适用范围为引力问题，的集合表示到目前为止发现（导出）的

15、全部与引力有关的方程，的集合表示到目前为止发现（导出）的全部与引力有关的孤立方程，和为适当选取的正值加权常数。 需要指出的是，在我们建立的“局部和暂时（到目前为止）的统一理论”及其相应的“局部和暂时（到目前为止）的统一变分原理”中，允许包容现象。例如，三项的引力公式（8）包括公式（7），公式（7）又包括牛顿的万有引力公式（6）。但是我们仍然同时考虑这三个方程。这是由于：在某些情况下应用公式（7）更方便；至于公式（6），更是在绝大多数情况下已经足够用，将公式（6）放在最显著位置，也表示了我们对牛顿这位人类历史上最伟大科学家的崇高敬意。另外，还允许并存现象，例如，经典力学的引力公式和广义相对论的引

16、力场方程组，以及其他引力理论的方程组是并存的。对于同时满足两种或两种以上不同理论的解，以及同时解决不同领域的问题等等，我们将在另文中讨论（这样的解，似乎只能用变分原理的方法求解）。下面讨论变分原理（15）式的应用。 例1，在变分原理（15）中令和，其余的加权常数均等于0，亦即应用公式（7）和公式（13）来导出符合平方反比规律时引力系数(不再是引力常数)的一种变化规律。在参考文献6中，将公式（7）改写成为如下符合平方反比规律的形式 由此得到 据此得到引力系数的一种变化规律 （16）对于水星近日点进动问题可以得到 对于光线近日偏折问题则有例2，在变分原理（15）中令和，其余的加权常数均等于0，亦即

17、应用公式（9）和公式（12）来确定公式（9）中的未知数。根据公式（12），变分原理（15）简化为如下间接应用能量守恒原理的形式 （17）具体求解过程可参见参考文献5。对于最后所得到的最佳近似解，根据改进的万有引力公式和改进的牛顿第二定律计算的值为0.1906446，仅为原有万有引力公式和原有牛顿第二定律计算的值的0.033% 。例3，在变分原理（15）中令和，其余的加权常数均等于0，亦即应用公式（8）和公式（14）来确定公式（8）中的未知数。具体求解过程可参见参考文献6，这里仅将最后结果列出。的取值范围为 0.08571 0.42857 如果取平均值，可得 =0.25714 对于光线近日偏折问

18、题，广义相对论无法给出与实测偏折角度完全相等的解，而本文提供的方法却可以做到。需要指出的是，对于变分原理（15），如果存在精确解，则其右边可以等于0，此时变分原理（15）式完全等价于和（参见例1和例3的情况）。如果只存在近似解，则变分原理（15）的右边只能近似等于0，此时可应用适当的最优化方法求得最佳近似解，解的近似程度可以根据值接近于0的程度来判断（参见例2的情况）。3 其他“局部和暂时（到目前为止）的统一理论”，特别是“局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一理论”将上述方法推而广之，我们可得到各种各样的“局部和暂时（到目前为止）的统一理论”。为了统一处理四种基本相互作用问题，应用最小二乘法

19、建立的“局部和暂时（到目前为止）的四种基本相互作用统一理论”，可以用如下形式的“局部和暂时（到目前为止）的四种基本相互作用统一变分原理”来表示。 （18）式中，下标G.E.S.W表示适用范围为四种基本相互作用问题，的集合表示到目前为止发现（导出）的全部与四种基本相互作用有关的方程，的集合表示到目前为止发现（导出）的全部与四种基本相互作用有关的孤立方程，和为适当选取的正值加权常数。为了统一处理全部自然科学问题，应用最小二乘法建立的“局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一理论”，可以用如下形式的“局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一变分原理”来表示。 （19）式中，下标NATURE表示适用范围为

20、全部自然科学问题，的集合表示到目前为止发现（导出）的全部与自然科学有关的方程，的集合表示到目前为止发现（导出）的全部与自然科学有关的孤立方程，和为适当选取的正值加权常数。这样，霍金关于可以在一件T恤衫上就能打印出来的，可以把所有自然规律都以一个数学模型表示出来的设想，就以“局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一变分原理”的形式局部和暂时地实现了。前面已经指出，在我们建立的“局部和暂时（到目前为止）的统一理论”及其相应的“局部和暂时（到目前为止）的统一变分原理”中，允许包容现象和并存现象。这里还要指出，除了包容处理和并存处理之外，还允许简化处理。例如，“局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一理论

21、”的第一种简化处理就是“能量守恒理论”，可以用如下形式的“局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一理论的第一种简化变分原理”（简称为“能量守恒变分原理”）来表示。 （20）上述“能量守恒变分原理”可以统一处理物理学、力学、天文学、生物学、工程学，甚至社会科学中的许多问题。例如在参考文献7中，根据“能量守恒理论”，针对某些情况导出了牛顿第二定律和万有引力定律等等。进一步的课题是寻找更多的简化处理（简化变分原理）及其组合。这样将使“局部和暂时（到目前为止）的自然科学统一理论”等等变得更简单，更清晰，更完善，更实用。参考文献1 付昱华，水星进动问题新解，天文学报，1989年4期2 Fu Yuhua, Unified water gravity wave theory and improved linear wave, China Ocean