新物理脑洞

走近杨振宁和彭罗斯物理脑洞

路小栋

杨振宁，1922年生于安徽合肥。清华大学教授、香港中文大学讲座教授，中国科学院外籍院士、美国国家科学院院士、台湾“中央研究院”院士、俄罗斯科学院院士、教廷宗座科学院院士、巴西科学院院士、委内瑞拉科学院院士、西班牙皇家科学院院士、英国皇家学会会员。1957年诺贝尔物理学奖获得者。

罗杰•彭罗斯（Roger Penrose），1931年生于英国埃塞克斯州。牛津大学的罗斯•波勒数学讲席终身教授，是全世界公认的最博学和最有创见的数学物理学家。因证明奇性定理，在1988年与霍金共同获沃尔夫物理奖。彭罗斯1957年被授予剑桥大学博士学位。1964年在美德克萨斯大学时，就提出和发展应用磁线纽量理论(Twistor theory)和复数的几何学研究量子引力，认为弦论引入额外维来研究物理，是对这一独特性的忽视。1966年任伦敦大学教授，1971年获美国海因曼奖。1998年出版《皇帝新脑》，2004年出版《通向实在之路──宇宙法则的完全指南》等书。

（一）新物理脑洞

彭罗斯从出版的《皇帝新衣》一书开始，就在说里奇张量，是当一个物体有被绕着的物体作圆周运动时，被绕物体整体体积有同时协变向内产生类似向心力的收缩作用。彭罗斯由此第一次用里奇张量再加上韦尔张量，清楚地简化了爱因斯坦的广义相对论引力方程，也能清楚地说明量子退相干和量子宇宙学的一些难题。

彭罗斯的里奇张量新说，是量子引力研究的一个转折点。因为它能更清楚地提供和证明了虚数超光速快子的图像：如设绕着星球作圆周运动物体的半径为1米，它到星球表面的最近距离为30万千米，当星球的半径大于30万千米时，要速度只有光速大的引力子，传到星球表面的信息才开始让里奇张量引力，产生整个星球体积的同时理想收缩，那么就不能使星球直径另一端的表面也同时开始收缩。因此必然有产生一半对一半的实数光速引力子和虚数超光速引力子，并以实数引力子到达时为准，这不违反两个相对论的逻辑和实验观测事实。广义相对论引力方程是：

        R_uv－（1/2）g_uv R=-8πGT_uv      （1-1）

该式中左边第一项R_uv，是里奇张量。如果针对的是圆周运动，那么在两个物体中，当一个物体有被绕着的物体作圆周运动时，该物体整体体积有同时协变向内产生加速类似的向心力的收缩或缩并、缩约作用。这里，里奇张量和里奇曲率，是一种全域性或非定域性的体积收缩的引力效应，而不同于韦尔张量和韦尔曲率是针对不管平移或曲线运动，体积效果仍与直线距离平移运动作用一样，只类似是一维的定域性的拉长或压扁的潮汐或量子涨落引力效应。

我们之所以说爱因斯坦的广义相对论引力方程，已经是一个量子引力方程，因有一个物理脑洞，是荷兰物理学家卡西米尔，1933-1934年提出的超导态的二流体模型和1948年提出的卡西米尔效应平板模型，在连接。这不仅是量子卡西米尔平板间，也有韦尔张量收缩效应。但这与量子回旋间，被绕离子核内，非定域性的里奇张量收缩效应的引力量子信息隐形传输机制，本质是不同的，又是统一的。因为里奇张量量子引力信息隐形传输密码学攻关，已搞清量子色动化学与卡西米尔的二流体模型，和卡西米尔效应平板模型，也有联系。

众所周知，质子和中子是由3个夸克组成，而介子是由2个夸克组成。这是什么意思？因为6是3的倍数，两个3可以构成一个5面体，有1对卡西米尔效应平板。4是2的倍数，8是4的倍数，两个4可以构成一个正立方体，有3对卡西米尔效应平板。这仅是部分子的主体。但在它们的量子真空周围，还有很多的“0”量子起伏，构成夸克海、海夸克、胶子海、海胶子，由此对外源性的影响也多。

量子色动化学是指，把氧核的编码质点类比于卡西米尔平板，氧核的8个质子构成的立方体，类似形成3对卡西米尔平板效应。如果质子数不是一个简单的强力系统，而是有很多量子起伏，也就能把“氧核”和“碳核”包含的相当于卡西米尔力平板的“量子色动几何”科学“细节”设计出来。因为氧核的8个质子构成的立方体，形成3对卡西米尔平板效应，这种“量子色动几何”效应，是元素周期表中其他任何元素原子的原子核，所含的质子数的“自然数”不能比拟的。

道理是：形成一个最简单的平面需要3个点或4个点，即3个点构成一个三角形平面，4个点构成一个正方形平面。卡西米尔效应需要两片平行的平板，三角形平板就需要的6个点类似碳基；正方形平板就需要的8个点类似氧基。如果把这些“点”看成是“质子数”，6个质子虽然比8个质子用得少，但比较量子卡西米尔力效应，8个质子点的立方体是上下、左右、前后，可平行形成3对卡西米尔平板效应，即它是不论方位的。而6个质子点的三角形连接的五面立体，只有一对平板是平行的。把这种量子色动化学能源器，参加到原子核里的量子波动起伏“游戏”，会加强质子结构的量子卡西米尔力效应。由此这种几何结构，就有量子色动化学的内源性和外源性之分。但这仅是从质子层次来谈的“编码质点”和“非编码质点”，还没有从夸克层次来谈“编码质点”和“非编码质点”，所以还不能完全说明第二类的放射性核素，能自发地从不稳定的原子核内部放出粒子或射线，如α、β、γ射线等，也在参加“编码质点”数组装的外源性，以及能影响外源性的变化。

一个物体绕着星球作圆周运动，如果物体和星球都是由化学元素的原子、分子等组成，原子、原子核是由质子、中子等组成，质子、中子是由部分子夸克、夸克海、海夸克、胶子海、海胶子等组成，那么彭罗斯说的里奇张量信息量子引力隐形传输密码学，就与物体和星球双方存在的量子色动化学卡西米尔平板效应有关。因为里奇张量引力量子信息隐形传输的卡西米尔平板效应，与音叉共振空气信息隐形传输类似。而有了相互间的引力量子信息，作圆周运动执行被绕物体整体体积有同时协变向内产生类似向心力的收缩作用任务的，也就仍是被绕物体存在的量子色动化学类似卡西米尔平板效应的自然功能。这可类比联系隔空传声原理的两个相同频率纠缠的音叉，作圆周运动A和B两处的量子纠缠“物体-星球”，就类似音叉。

音叉要锤子敲击才发声，作圆周运动也类似锤子和操作敲击的动作。“物体-星球”A和B的圆周运动纠缠，组成量子密钥通信、量子纠缠发射、量子纠缠源、量子控制与处理等合一的类似量子通信产生引力密码。里奇张量效应引力隔空传输，作圆周运动的物体和星球身份特殊，在于物体A与被绕着的星体B，离得很近，或者星体B的半径小于30万千米时，速度只要有光速的引力子就行，而不需要超光速类似虚数的引力子。这也是彭罗斯脑洞，研究复数的几何学量子引力的起因。

但这里我们要说明：彭罗斯解释广义相对论引力，里奇张量圆周运动的虚数超光速量子信息隐形传输，虽然可以联系上海师大秦智袖博士与指导老师翟向华教授，在《卡西米尔效应及其在幻影暗能量模型中的应用》中说的卡西米尔效应，类似通过正则量子化途径得到幻影场的粒子也可以解释。但实际在彭罗斯解释里，不涉及秦智袖与翟向华师生谈的压强，等于负能量的“幻影暗能量”，或是说“真空零点能是暗能量的最佳模型”。因为彭罗斯的解释，是指引力在里奇张量圆周运动的虚数超光速量子信息隐形传输的“路径积分”。

其次，也不是1988年美国加州理工学院基普•索恩教授说的“利用负能量‘卡西米尔效应’来保持虫洞开启的想法”；以及2014年剑桥大学的卢克•贝彻教授说的：“如果虫洞的长度远远超过它的宽度，那么其内部天然存在的卡西米尔能量，将足以使其开启”。虽然引力子是类似负实数开平方和负虚数开平方定义的基本粒子，可以直接联系双方量子卡西米尔平板，有类似虫洞理论存在的时空捷径效应。但贝彻教授经过计算后，也明白他的理论正确性，还没有确认。因为贝彻教授的虫洞产生的卡西米尔效应，虫洞管道的管状结构，也只类似两块金属板之间的间隙情况。它产生超越时间的信息发送，仅是虫洞的最长开启时间，正好允许差不多让一个光子从中穿过，以此猜测虫洞的另一端，会通往时间上的另一个点，来做文章。

但荷兰物理学家卡西米尔的卡西米尔效应平板模型，是得到全世界长时间、多角度实验确认的理论与实践。卡西米尔和戈特从1933年至1934年提出的超导态的二流体模型唯象理论，虽然还是一个不成熟的模型，无法从根本上解释超导机制；但他们基本假设的超导相中，共有电子凝聚成高度有序的超导电子，对1935年德国物理学家伦敦兄弟二人，提出的类似超导二流体模型有影响。特别是对1957年由巴丁、库珀和施里弗三位美国物理学家，提出比较成功的从量子力学出发，直接解释超导体的微观理论，也有影响；这三人也因此获得1972年诺贝尔物理学奖。

卡西米尔和戈特的二流唯象模型认为：超导态比正常态更为有序，是由共有化电子发生某种有序变化所引起的,而可解释许多与超导电性有关的实验现象。

1、导体处于超导态时，共有化电子可分成正常电子和超导电子两种，分别构成正常流体和超导电子流体，它们占有同一体积，彼此独立地运动，两种流体的电子数密度均随温度而变。

2、正常流体的性质与普通金属中的自由电子气相同，熵不等于零，处于激发态；正常电子，因受晶格振动的散射而会产生电阻。超导电子流体，由于其有序性而对熵的贡献为零，处于能量最低的基态；超导电子不会受晶格散射，不产生电阻。

3、超导态的有序度可用有序参量ω（T）=Ns（T）/N表示，N为总电子数，Ns为超导电子数。T＞Tc时，无超导电子，ω=0。T＜Tc时开始出现超导电子，随着温度T的减小，正常电子转变为超导电子。T＜0K时，所有电子均成为超导电子，ω=1。

1948年卡西米尔提出的卡西米尔效应平板模型，与14年前他提出的二流体模型实际有联系。因为把卡西米尔效应平板，间隙中的量子起伏对应共有化电子，量子引力昭然若揭。卡西米尔也是这样认为的：在真空中两片平行的板片之间，有些能量波会显得“太大”而无法通过，这就会在这两个金属板片之间产生负能量。

即使根据现代物理学真空零点能，也认为真空充满着不同可能波段的涨落的量子起伏，它们会产生巨大的能量；但人类，却感受不到它的存在。由此按卡西米尔的超导态二流体模型分析，类似两片平行的板片之间的真空零点能的量子起伏，对比正常态的真空零点能的量子起伏更为有序，共有化量子所引起有序变化也类似。

1、真空零点能量子起伏处于真空中两片平行的板片之间时，共有化量子可分成正常实数类量子和虚数与超虚数类量子两种，分别构成正常实数类量子起伏和虚数与超虚数类量子起伏，占有同一体积彼此独立运动，量子对数密度随温度而变。

2、正常实数类量子起伏的性质，与普通元素中的自由量子气相同，熵不等于零，处于激发态；正常量子因受晶格振动的散射而会产生斥力。卡西米尔效应虚数与超虚数类量子起伏，由于其有序性，对熵的贡献为零，处于能量最低的基态；超虚数类量子起伏，不会受晶格散射，不产生斥力。

3、卡西米尔效应虚数与超虚数类量子起伏的有序度，如希格斯场公式：

E=M2h2+Ah4                   （1-2）

作为标准模型和超对称标准模型认可的希格斯场公式E=M2h2+Ah4，是从普朗克尺度增加到标准模型尺度的变化，并能统一自然界四种基本作用力的公式。这里计算M2的数值，M是表示希格斯场量子产生的质量，M2可以为负数。即希格斯场量子产生的质量M，可以为正虚数，这是趋向普朗克尺度时空或真空类似点内空间的情况。此时，时空或真空趋向虚、实、零涨落结构，类似趋向“点内空间”，M存在正虚数是正常情况。这里分别用平面坐标作图（C）和（D），分别来表达方程（1-2）E=M2h2+Ah4中的对称及超对称的意思。

例如，把图（C）的坐标中的X和Y轴定为实数轴，坐标中类似的倒置抛物线对称，表达的是正实数和负实数的对称。如果把这看作是“对称图像”，代表的是标准模型尺度内的质量情况。那么，把图（D）的坐标中的X定为实数轴，Y轴定为虚数轴，坐标中大的倒置抛物线底部有一隆起抛物线的类似“山”字形的光滑曲线的对称，表达的就不仅是正实数和负实数的对称，还有正虚数和负虚数的对称。如此看作是“超对称图像”，其代表的就不仅是标准模型尺度，而且还包括了普朗克尺度内的质量情况，所以“超对称图像”引人重视。E=M2h2+Ah4其中的A，是一未知的正值常数，h为希格斯场。其实h也可表示能进入所有维度时空的引力场。

比较爱因斯坦质能转化公式E=MC2，这是平常时空或真空中能测试的公式。而希格斯场方程E=M2h2+Ah4式中，只要M2和A皆为正值，E亦为正值，因此E随着h的增加而增加，表现在图像（C）的坐标中，是倒置抛物线的对称图像；h的四次方h4不为零，h也不为零。如果质量平方M2为负值，A比M2大许多，则E在h更小时为负。但随着h渐渐变大，等式右边的第二项变得愈来愈重要，最后使E大于零，表现在图（D）的坐标中，大的倒置抛物线底部，有一个小小隆起的抛物线类似的光滑曲线的超对称图像。这是与图（C）的坐标中，倒置抛物线的对称图像不同，是包含了有虚数参与的过程。这包括了前面说的“点内运动”。

考察希格斯场公式E=M2h2+Ah4能知道，在高能领域，是以质量平方M2的变化引领质能及时空的。具体说来还可作平面坐标图（E）：该图中所示的图像，纵轴为质量平方M2，横轴为能量，普朗克尺度对应于高能量，是在标准模型尺度的右边。希格斯场与标准模型粒子进行交互作用，也类似在超对称势阱中，球量子通过隧道效应穿过势垒一样，有阻力作用。这种充满宇宙真空态的希格斯场，就类似在水中行走一样，会受到比在空气中行走更大的阻力，就像是自己变重了一般，粒子就藉由这个过程获益质量。类似重力场源自质量，电磁场源自带电粒子，希格斯场h源自带质量微单元的粒子，而增加了宇宙的能量密度E。

假设能量密度E与希格斯场h的关系是E=M2h2+Ah4，其中常数A只要为正值即可，M2为希格斯场量子质量的平方。这里也将能量密度E与希格斯场h的关系作为图（C）的图像，当h=0时，方程式右边的两项皆为0。当h很小时，只要M2与A皆为正值，E亦为正值，因此E随着h的增加而增加。但是从图（E）的图像看出，能量渐渐减少，当从普朗克尺度渐渐增至标准模型尺度时，原本为正值的M2渐渐减少，最后变为负值。即便普朗克尺度下的M值稍有不同，M仍会在某个地方通过零点，在大尺度成为负值。正如图（C）的图像所示，在M2成为负值之前，W玻色子、Z 玻色子、夸克、轻子等皆不具质量。

因为这时的宇宙最低能态，是为0希格斯场，因此粒子无法借希格斯场作用获益质量。但是如果假设M2为负值，如图（D）的图像所示，当h=0时，E=0；当h不为零时，由于假设M2为负值，方程式（1-2）右边第一项永远是负值，而第二项则恒正。当h很小时，E会小于0。如果A比M2大许多，则E在h更小时为负。随着h渐渐变大，最后使E大于零。从图（D）中可以看出，代表宇宙能态的球，会滚到代表最低能量状态的谷底，这最低点所对应的希格斯场h并非是0。

综合起来说，在大爆炸时，因为能量极高，作用距离极短，而与普朗克尺度相当，W玻色子、Z 玻色子、夸克、轻子等皆不具质量；一直要等到大爆炸后宇宙冷却到标准模型或对撞机尺度时，M2为负，如图（D）所示的非0希格斯场被宇宙真空态充满，这非0的希格斯场才使粒子获得质量。

以上希格斯物理的理论，已通过重要的实验的检验。例如，它预测的顶夸克质量，1997年已发现顶夸克的质量为175GeV。预测竞获得证实，这极大地增强了超对称希格斯物理的分量。但我们想说的是，引力子是类似负实数开平方和负虚数开平方定义的基本粒子，希格斯场公式E=M2h2+Ah4提供了一个形象的证据。

这就是希格斯场h的h2表达，如果引力子是负实数开平方，它就为负实数。希格斯场h的h4表达，如果引力子是负虚数开平方，它仍就为负实数。由此引力子是类似负实数开平方和负虚数开平方定义的基本粒子模型，可解释许多与量子引力信息隐形传输实验现象，以及牛顿引力是直线微积分间隙的韦尔张量光速信息传输。