走进杨振宁的规范场

走进杨振宁的规范场

南非高能物理梅拉德教授说：“现代物理学目前正处于十字路口，正如此前传统物理学一样。彼时，传统物理学无法解释很多现象，因此需要新概念来对其进行革新，比如相对论和量子力学，这些新理论的出现，导致现代物理学的诞生”。标准物理学模型是现代物理学的基石，尽管2012年科学家发现了希格斯玻色子，但这一模型仍然无法解释包括暗物质在内的诸多现象。因此，科学家们希望攻克的下一个“堡垒”，就是理解暗物质的属性：它由什么组成？存在着多少种不同的粒子？它们彼此之间如何相互作用？是否会与已知物质相互作用？能否向我们诉说与宇宙进化有关的故事？中国国内有能力参加竞争吗？中国高能物理，雄起来！

但陈德旺教授说的“中国特色的诺奖之路”也还不准确，从杨振宁的规范场-宇称不守恒到屠呦呦的青蒿素，中国特色的科学诺奖已形成的跟跑、超越。领跑之路，是“中学为体西学为用”的明晰观。这里“中学”不是指政治，这是借用中国自然国学走到近代，由于鸦 片战争的失败，前人对“全球治理”百家争鸣研究后，得出的中国自然科学自强之路。如中国早期马克思主义者、毛泽东的岳父、杨开慧的父亲杨怀中先生，不是像五四运动后“学术资本主义”或“学术乌奸文化”，一味把它看成是清政府和传统自然国学难以为继，目的只是维持中学正统，巩固封建体制；而是从“全球治理”的马克思主义的视角，明晰它的积极意义，引导何拔儒先生等学人，采用“藏象论”和“标识无关性”来定义“科学”。例如，今天自然国学与时俱进的弦理论，不是还像原始的“藏象论”和“标识无关性”的中医阴阳、五行金木水火土、气血学说；以及像老子《道德经》的“无中生有，有生于无”等那样“老土”。新视线引导重新认识中医，像经络和脉象学说，就可以对应类似高能物理的弦论；阴阳、五行金木水火土、气血学说，类似高能物理的标度无关性。因为有标度区别的四种相互作用力，强力、弱力、电磁力、引力的这些标度，在极高能的情况下，也会消失变得标度无关而统一。阴阳、五行金木水火土、气血等中医学说，由此类比，它们的标度区别看似极大，但升华到物质的弦论层次，像有标识的经络“阿是穴”和脉象等现象，也会被新知识取代变得与标识无关而统一了。

例如，屠呦呦是从中医古籍，得到青蒿素是种治疗疟疾有效药物的启发，但她是用现代科学方法，才最先筛选出来挽救了数百万人的生命，而荣获2015年的诺贝尔生理学或医学奖。屠呦呦也始终坚持说：“在青蒿素发现的过程中，古代文献在研究的最关键时刻给予我灵感”。屠呦呦是地道的中国药学家就不说，规范场理念最早虽由韦尔提出，但1954年杨振宁在美国与米尔斯合作，超越韦尔领跑规范场研究。当时他还保留着中国国籍，到1956年他和李政道合作提出弱相互作用下，微观宇称不守恒定律不对称原理，共同荣获1957年的诺贝尔物理奖。其实，宇称不守恒的不对称也与韦尔规范场研究张量间隙中的虚、实数相因子，起伏涨落的不对称或对称自发破缺有联系。这里的“中学为体西学为用”，又是怎么回事呢？

把卡西米尔平板吸引效应，引入韦尔张量间隙的规范场图像，虚、实数的相因子起伏涨落，是对应真空“0”量子起伏涨落的,。这为自然国学的“无中生有，有生于无”，确实找到了一种解释。再说虚、实数，也能联系中国古代商高定理的开平方。商高定理或勾股定理是指在直角三角形中，两条直角边的平方和，等于斜边的平方。在西方被称为毕达哥拉斯定理。再毕达哥拉斯发现的虚数，联系我国古代“无中生有，有生于无”，可说也有虚、实数意识。这是公元前11世纪西周初期的数学家商高，和辅佐周成王的周公谈直角三角形开平方的性质揭示的。就不说4000多年前大禹在治理洪水的过程中，也曾利用勾股定理测量过地面的地势差。

中国科学家核心集团里有部分人，不相信在他们之外，还有中国人能走进杨振宁的规范场，解释梅拉德教授说的“抹大拉”玻色子与包括暗物质在内的诸多现象。这不奇怪。中科院微生物所高福院士，1961年生，山西应县人。1979 -1983年山西农业大学学士；1983-1986年北京农业大学硕士；1991-1994年英国牛津大学博士；1994年加拿大卡尔加里大学博士后；1995-1998年英国牛津大学博士后；1999-2001年美国哈佛大学 / 哈佛医学院博士后；2001-2004年英国牛津大学讲师、博士生导师，2010-至今英国牛津大学客座教授。对如何看待韩春雨事件谈科学发现的可靠性与真实性，他说“是否有真正的科学发现才是关键”。这话说得好：关键是真正，而不是“牌子”。但作为有权势的科学家，对前沿的科学理论懂不懂，愿不愿公正评定或组织公正评定，也国家昌盛的关键。有人说：“顶级大师风范应像俄罗斯佩雷尔曼，连有重大成果都不在正式刊物上发表，充满着科研侠客的孤傲和自信。所以中国的学者，缺乏的不是知识和智慧，而是学术上的‘亮剑’精神”。这话也只部分对。佩雷尔曼是值得尊重的俄国科学家，但中国比佩雷尔曼更爱祖国的人也有。

因为佩雷尔曼是苏俄的国家几代数学家从他少年时代，就在精心培育出来的职业数学家。其次，佩雷尔曼在美国学习期间，中国数学家田刚不怕与导师丘成桐反目，也热心向佩雷尔曼提供中美数学家，几十年间研究庞加莱猜想的方法和进展情况。虽说佩雷尔曼最后证明庞加莱猜想的主要手段，是自己独立完成的。但佩雷尔曼对田刚给予他的帮助，没有一点感激之情。他的这种“科研侠客的孤傲和自信”精神，是令世人寒心的。而在我国即使没有专门的培育，也没有相应的职业，但只要听到有国家级的科学难题，也能坚持四五十年沿着国际主流科学发展航道，坚持在中文的国家刊物或媒体平台，发表相应的解答成果。申请不到科研经费，评不到奖，但也没有多少怨言，只追求类似南京大学沈骊天教授说的：“读罢美国弦理论家B·格林的《宇宙的琴弦》，尚在赞叹感慨之时，又有幸浏览一部中国作者的奇书《三旋理论初探》，让我知道了：在中国本土，有一位不屈不挠的探索者，经过几十年执着的追求，按自己的方式独立构建了一种不仅不同于经典物理学，不同于量子力学、相对论，而且不同于超弦理论的崭新物理学体系。它所引起的惊喜，犹如在遥望世界科学最高峰的攀登壮举之时，惊奇地发现另一面山坡上，竟闪现出中国攀登者的身影”。这是不是事实？“是否有真正的科学发现，才是关键”。

三旋理论是以“中学为体西学为用”，学习古今中外有价值的自然科学成果，50多年间走出中国特色的研究模式，把球面和环面的拓扑不同伦“相变”，联系三类自旋：面旋、体旋、线旋；和三类张量：韦尔张量、里奇张量、庞加莱双曲张量，以此与“规范场”、“纤维丛”、“超弦”等接轨，也能够探讨“抹大拉”暗物质等难题。这正是我们走进杨振宁的规范场，能看到的方向。杨振宁反对丘成桐倡议中国建造大型强子对撞机，但他也说：“寻找新加速器原理和寻找美妙的几何结构，是更为经济和符合总趋势的研究方向”。这里“美妙的几何结构”就是拓扑学的球面与环面不同伦，因为拓扑不同于几何：几何考察局部形状，拓扑研究整体性质。

有人说，拓扑这个数学工具原来在物理里面用的很少，在目前本科物理四大力学里也鲜有提及。然而最近十年，在凝聚态物理里面突然发现，很多材料可以用拓扑不变量来分类，其科学意义和一些独特物性已经非常清楚。特别值得提的是，华人在凝聚态拓扑研究领域，包括国内和国外的，现在已经占据了举足轻重的地位。如文小刚教授建立了分数量子霍尔效应的拓扑序等理论，在揭示拓扑序和量子序的本质之后，又可以回到最基础的物质本源，进一步提出弦网凝聚理论，构造出了一个光和电子的统一理论。其实这是很自然和可预见的事情。因为早在我国层子模型非主流学者中，就在一直坚持开展拓扑序相因子和相变研究基本粒子和弦理论，到现在也能联系如热门的引力波和凝聚态拓扑绝缘体。

但其引路人，正是杨振宁教授。因为物理学中的四种基本相互作用，通过规范场的观念而走向统一，曾是物理学发展的一个引人注目的方向。而杨振宁教授就是这方面勇于开拓的一位著名的物理学家，1978年7月6日他在上海物理学会的演讲，和在我国《自然杂志》1983年第4期上发表的《自旋》一文中，他曾猜想：“自旋和广义相对论是以一种我们现在还不了解的、难以捉摸的方式深刻地牵连在一起的”。这跟我们早年提出的自然全息律及其主要概念──量子圈态线旋的想法，是相吻合的。按照此想法，在理论力学中补进量子圈态的基本知识，那么自旋就不是像今天理论力学中这样只有一种，而是三种：面旋、体旋、线旋，这就很容易理解自然界组织基本粒子的结构，是很经济的；也容易理解波粒二象性中的几率波解释。

在拓扑学中，有球面和环面区别的不同伦。而物质存在圈态的图象，早在1926年瑞典物理学家奥斯卡·克林，在发展卡鲁扎的第五维思想时，就鲜明地提出过：第五维可能是物体的真实，是一个极其微小的圆圈。只不过由于卡鲁扎-克林的第五维一直没有人发现存在线旋，所以只是一个死圈。在自然全息律的研究基础上，我们提出了量子圈态线旋这个概念，这也跟历史上数学中的点和物理学中的质点概念，是来源于物体的抽象一样。因为我们发现，可以把电流环的磁力线转动；锅中沸水心液向四周分开的转动；池塘水面旋涡四周向下陷落的转动，等等这类现象，缩影反映在一个量子上，称之为量子圈态线旋，作为数学上的点和物理学的质点概念的补遗，再化作科学大厦上的一个生发点的基本概念，这样就可以把理论力学、热力学、电动力学和量子力学等四大力学，贯穿起来；也可以把各种基本粒子模型和宇宙模型统一起来，这正是我们追随杨振宁教授科学思想的一个简要脉络。

现在回到自旋。一般人也许认为自旋很好观察，其实不然。对于特大或特小的物体，认识它们的自旋很不容易。例如地球和人相比，人太小而地球的体积太大，我们不能同时从周围的比较中直观地发觉自旋。星球又离得太远而看不清楚，也不能很容易地观察到自旋。因此正确的认识，从托勒密到哥白尼经历了一千多年时间。再是认识微观象原子、电子和原子核中的质子一类不能看见的粒子的自旋，就更困难。正如杨振宁教授的文章所写，这段历史也是经过了很多科学家的努力。因此，人们迟迟不能认识比点更基本的量子圈态线旋，就不足为 奇。但有了线旋这个概念，就可以对杨振宁教授在上海物理学会演讲中提到的理论问题作具体的分析。

当然这不是重新提出什么数学公式，只是对这些公式的推导，作一些简化，赋予一些新的物理意义，使它能得到更为合理的说明。例如，杨振宁教授说他的规范场模型，涉及数学上的纤维丛。纤维丛像一个普通纸圈的，叫平凡纤维丛；如果像墨比乌斯带的，叫不平凡纤维丛。其实用纤维丛来摹写基本粒子结构，还是很复杂的；而采用线旋概念，就可以变换简化纤维丛模型。例如，可以把类似普通纸圈的线旋类圈体自旋，叫做平凡线旋；把类似墨比乌斯体线旋的自旋，叫做不平凡线旋。由于提出了量子圈态线旋，那么这种量子物质是刚体还是塑性体，就很难作决定。我们暂且假定它们是介乎二者之一间的“模糊体”，那么我们可以定义：质心不动而模糊体自旋时，其内有一条封闭线保持不动，则这样的运动叫量子圈态线旋。

如果我们设定这条封闭线最简单的形状是圆圈，并在一个平面内，那么我们就好理解下面对量子圈态平凡线旋的给定法：①量子圈态作线旋，我们把处在一个平面内的不动的圆圈，叫做转圈，那么模糊体凡不在转圈上的各点都在作圆周运动。②各圆周运动所在的平面与转圈面垂直。③把两个不共转圈直径的圆周运动面的交线叫定轴，那么定轴必然过转圈圆心并垂直于转圈面。④把定轴标出方向，剖开转圈面看模糊体，那么转圈内各点和转圈外各点，运动的箭头方向是相反的。⑤因此，圈态线旋这种自旋是和刚体绕固定轴的自旋不相同，而与电流环的磁力线转动相似。即我们不能用初等数学写出量子圈态自旋的方程式；这个方程式却与麦克斯韦的电磁场方程相象。⑥如果以定轴为z轴，以转圈的圆心为起点，作一个直角坐标系，那么在模糊体作线旋时，分别检测它沿x、y、z三轴的移动和绕这三轴的转动，仍可观察到模糊体在空间存在6种可能的运动，即存在六种自由度；说明圈态线旋是独立于x、y、z三轴之外的。⑦通常我们用直角坐标系x、y、z三条轴来标度空间，称为三维空间。因为它们不能标度空间的线旋，同理，我们可以把转圈看成一个维，即叫圈维；那么加上原来的x、y、z轴这三个维，就成为四维空间。⑧如果和电磁场方程比较，在某一种意义下，圈维也可以和时间这个维等价；如果分开，也就是卡鲁扎-克林的五维时空。

我国大、中学数理教育，跟西方和前苏联极深，只教类似X、Y、Z三轴的三角坐标，不知道还有自然国学的三旋坐标，所以《三旋理论初探》一书，我国出版社出版发行已经十多年，连不少高中级读者还在说，没看懂《三旋理论初探》。例如，江西的一位读者“小朱”最近来信问：“三旋指的是同时围绕 XYZ三轴转动的意思吗？”我们回信说：“三旋不是指同时围绕 XYZ三轴转动的意思。而指环面的体旋、面旋、线旋。你说绕XYZ轴同时自旋，这是不行的。因为在同一平面的两条垂直轴，就不能同时作体旋。线旋，是指绕圆周内圈线旋。这样就把理论力学和流体力学的涡旋统一起来了。但现在大学里的理论力学和流体力学是分离的”。

基本粒子和弦理论引进了线旋，自然要谈到圈态耦合：一堆铁圈，人不动手把它们分开，是不能耦合成一条铁链的。但这种常识不适用于自然界的类圈体。除墨比乌斯带，一刀可以把一个圈子变成两个圈子的耦合外，自然界的类圈体都具有在线旋中自动耦合起来的功能。因此，五维时间必须考虑线旋耦合的情况。杨振宁教授在讲规范场简史的时候指出：1920年韦尔作的规范场分析，和1952年以后由海森堡所引进的一个最基本的观念，是把动量Pμ换成一个微分，前面乘上i不同。但韦尔当时的想法，基本上可以说是对的，只是差了一个i，即－1的平方根。

这不是因为韦尔写的不是量子电动力学方程式，而是因为他确实不知道时空的点，存在有电磁势那样一种线旋，因而觉察不出含有虚数项。现在可以从“模糊数轴”线旋的分析上，看到模糊数轴除它直线上的数是实数外，在它的直线真空周围都是虚数，以表示整数之间的线旋耦合。因此，时空上的点既是分立的又是耦合的，即是以环圈构链式的连续，而不是我们通常所指的那种以点点构线式的连续。所以实际上应该是杨振宁教授作的相位因子分析，即正确的应该是写成相位因子场。但这种分析，杨振宁教授不是从量子圈态线旋概念推导来的，而是从同电磁势的对照，从纤维丛概念上生发推导得来的。但是两者结果如此相同，以致量子圈态自旋方程式同普遍规范场的方程式一样，只是把其中的“源”，改作含有三种自旋势源看待。

由此回到四种相互作用的统一，杨振宁教授说：“引力根据爱因斯坦的理论，是非欧几何的理论，这个理论毫无疑问是一个规范场，不过是什么样的一个规范场，现在还没有完全解决，里面还有一些复杂的物理的和数学的问题，还有待于大家的努力”。对于引力，如果赞成爱因斯坦无超距作用的观点，且物体的微观结构是作为类圈体组成的话，那么除了主体象圈堆外，物体外面还应该长“毛”，即外面飞散着无数长短不一、大小不拘的圈链和链套。根据物体质量大，毛就愈多愈长的道理，可以想象网挂在小质量物体上的圈链、链套，就比对方反网着的愈多，这可推算出引力就愈大。而如果距离增大，则由于长的毛就相对减少，即飞散在外的有些圈链、链套就显得短的道理，也可想象网挂在对方的圈链、链套就少，这可推算出引力就小。这种模式的原则，同样也适用于电磁荷的引力作用，但这不完善，

正如日本物理学家汤川秀树，用介子模型解释无超距作用，虽然复杂化了相互作用力解释，但复杂化的背后是更简单。但介子论不能具体说明引力如何类似拉力，以及为何引力子可以穿过多维时空。引力理论出现韦尔张量、里奇张量、庞加莱双曲张量的区别，和分段协同解释。这虽然复杂化了，但背后仍然是更简单清晰。如牛顿万有引力定律公式，联系韦尔张量。爱因斯坦广义相对论引力方程联系里奇张量，实数光速引力子和虚数超光速引力子是成一半对一半的，且是以实数光速引力子的引力开始计时。再是暗物质的引力，可联系庞加莱双曲张量和夸克禁闭量等。