[转帖]反D膜物理与镜像神经元（[转帖]摘要）（1）

　　反D膜物理与镜像神经元（转帖摘要）（1） 
　　
　 摘要：承不承认类似虚数性质的物质的研究价值，是与形式主义的物质第一性原则和逻辑自洽性原则长期争论的焦点，反D膜物理与镜像神经元的研究给予了有力的回答。
　 关键词：反D膜、镜像神经元、形式本体论　　
　
　　一、反D膜物理与形式本体论
　 现代自然科学研究正处在一个充满机遇和挑战的黄金时期，形式主义与形式本体论的对立，使人文形式本体论一个“心有灵犀一点通”的佳句，已变成数理形式本体论一种大脑中镜像神经元的研究，进而还能联系到反D膜物理学，这是对自然科学研究必须服从所谓的“物质第一性”和“逻辑自洽性”两个原则的最新解读。
　 有人认为，人类原则上不能说出比大自然更多的东西，不可能要求无穷无尽、充满差异的物质世界服从人类创造出来的某一个方程或数学公式；在研究物质世界时，人们所能做的，仅仅是保持科学语言的严格统一和无歧义，从而对物质世界做出大概合理、有限真实，但是逻辑相容的描述；对于任何严肃的科学讨论，科学争论的双方必须使用统一的科学语言和科学概念，如果语言不统一，任何讨论将失去存在意义。而这个标准，就是牛顿时代为科学世界所开创和确立的自然科学研究需要遵循的“经验事实基础”和“严格数学语言表述”的理念。这就产生一种形式主义：自然科学研究的实际上是相当简单、有限论域的问题，即类似实数性质的物质问题。如流动方程组采用的是伽利略时空，如果在伽利略时空描述的方程组上面搞一个拟洛沦兹时空的反变换，硬把普通的伽利略时空的流体关系放到洛伦兹时空来看，那么就会把牵连导数项变换掉一些，所以根据变换以后的结果来分析，需要给真空也加上不止一层介质背景。这个下层介质背景可以参照可压缩介质理论，或者干脆声速的理论，补上的介质附加项，方程在远小于光速时看来变化尽管不大，但越过光速时的奇点就变成了鞍点，数学上的无穷大就变成了物理上的有限大，超光速时的负质量就变成了正质量，这种实际上是把麦氏方程改变了性质，超过光速将被容纳，从而21世纪的物理学就会出现完全是另一个样子的曙光，即可建立可压缩介质一类的相对论。
　 这类形式主义近一二十年来，以对“相对论”的重新审视和批判，在我国掀起了“大众化”的热潮，被认为总体上看作是历史的一种进步，即被认为牛顿力学体系以后科学主流的发展，如电磁场理论、狭义相对论与广义相对论、规范场论、弦论、非平衡热力学、微分几何等一批现代自然科学存在大量矛盾和悖谬，鼓吹“自由思想”和“自由杜撰”，已背离逻辑和理性到“走火入魔”的程度。在一些采用超光速方式消除相对论与量子力学不协调的矛盾的形式主义中，干脆连牛顿力学体系也给反了，如说牛顿以质点为研究对象时，指责牛顿的质点无大小；说牛顿力学建立的力学体系，从参照物到坐标系，根据点粒子力学的原则，物体自身的几何形象及运动中形象的变化都全部抽掉，没有了时空形象；这表明，牛顿力学中完全忽略了运动及观察中使用的场信息，对物体时空特征的影响。例如，波函数描述微观客体“形”的变化规律所说的“形”，与哥本哈根学派所说的“质点出现的概率”是可以相互转换的；人们想象的那个不变“形”的电子，只是“自在实体”，而非“现象实体”，把“自在实体”等价于“现象实体”是牛顿力学的抽象。所以有人总结说：他们是主张不同时间地点有不同的物理规律，最后的结论将是没有物理规律。
　 大国的崛起说到底是数学竞争机制中的崛起。形式主义是与形式本体论对立的。但数理形式本体论的研究从来都不是空对空的，它们最后都是要落实到石破天惊的技术运用上，甚至战争的对抗上的。例如，所谓希尔伯特20世纪提出的“桌子、椅子、啤酒瓶都可以视为几何学的点、线、面”的“公理化体系”思想的数理形式本体论研究，最后的目的就是要落实到电子计算机的应用、普及上。它成功的原因是，它运用的符号和代码，能把物质和逻辑推理中出现的大量矛盾和悖谬截止它限制的层次上。
　 以镜像神经元和镜像神经元为例，物像与镜像，是一种共形，一个类似实数性质的物质，一个类似虚数性质的“物质”；这样理解，也许所谓的“物质第一性”和“逻辑自洽性”两个原则是不赞同的。然而牛顿力学体系以后科学主流的发展，已把类似虚数性质的“物质”快子这种超光速，作反D膜物理看待，并且逐步落实到类似“隐身衣”的神秘二维光学材料科学领域研究上。例如，通常我们说的光子是三维的光波，二维的光波是叫等离子──等离子通常沿着金属层表面形成波浪，金属层表面的液滴能够捕捉到等离子，就像黑洞能够捕捉光子一样。据报道，美国马里兰大学的电子工程师IgorI·斯莫尔亚里莫夫，根据时间机器物理学原理研究如何将光波由三维转变成二维，推导出电磁波的许多特性，这是目前物理教材知识难以想象的突破。与等离子光学相似，光学领域的另外一种热门超介质也受到科学家们的重视。超介质是由人造原子组成，这些人造原子具有普通原子所没有的光学特性，超介质为人类开启了一扇神秘世界的大门。如伦敦皇家学院和美国杜克大学等学校的科学家分别推测认为，超介质能够重新调节一个物体周围的光线，让原本可见的物体“隐藏”起来，无法被看见。杜克大学的研究人员还在10月份向人们展示了他们研究出来的“看不见的外衣”，让传说中的“皇帝的新衣”变成现实。
　 现代自然科学不是它表面存在的大量矛盾和悖谬，而是它们背后存在的大国崛起的数学竞争。因为说到反D膜就要说到D膜，也要说到反德西特空间（AdS），这就要提到两位不是数学家的数学家。
　 1、从D膜与反D膜到德西特时空与反德西特时空
　 最近几年，引力理论的另一重大进展是阿卡尼-海姆德等人及兰德尔和森德拉姆分别于1998年和1999年提出的膜（brane）世界绘景。在这一图像里，物理时空是高维的，宇宙是一个嵌入在这个高维时空中的三维膜。标准模型中的物质被禁闭在这一膜上，而引力可以在整个时空中传播。这一膜世界绘景对高能粒子物理、引力理论、宇宙学等具有深刻的影响，也是近几年引力和宇宙学界极其活跃的研究领域。D膜，D是Dirichlet（狄利克雷）的第一个字母，D膜是超弦/M理论组成部分，黏附其上的弦坐标满足垂直膜的狄利克雷边界条件。我们首先要提的是不稳定D膜与快子的联系，过去几年中出现的一个热门话题就是不稳定膜和快子。快子就是以超光速的粒子。 快子在相对论方程中是具有“虚质量粒子”性质的，这是形式主义的物质第一性原则和逻辑自洽性原则长期反对的。但印度科学家森（A.Sen)也没有回避这个问题，并且这个方向几乎是森一个人独力开发的。
　 快子是不不稳定的，对于一般D膜-反D膜系统及不稳定D膜系统，其共同特征就是不稳定，从而在这样的系统中就存在快子。在森研究这些物体之前，我们已经知道了一些不稳定的膜系统，一个最简单的例子是一个稳定的D膜和一个平行的反D膜组成的系统。在D膜和反D膜之间存在吸引力，所以即使当两个对象相隔比较远时，这个系统也是不稳定的。当两个对象之间的距离很近时，班克斯和沙氏金早就指出，端点分别搭在两个膜上的开弦中出现一个不稳定模，其质量的平方是负的，就是一个快子。和传统的相对论一样，快子的出现并不意味着因果律的破坏，只是说明系统不稳定，快子本身是不稳定性的表现：当系统出现扰动时，扰动增大的部分就是快子的激发。在D膜反D膜系统中，当两个物体靠得很近时，快子被激发，快子激发的表现形式是两个物体互相湮灭。D膜和反D膜系统可以看成是弦论树图层次上的严格解，因为可以用两维共形场论来描述这个系统。森后来指出，当我们在超弦理论中研究D膜反D膜上的开弦时，格舍奥投射与两个平行的D膜不一样，所以快子就保留了下来。虽然单独的D膜或者单独的反D膜都带有守恒荷，但整个系统的荷是零，所以守恒律不保证这个系统不湮灭。森的研究中出现一些新的不稳定系统，就是单个不稳定D膜。例如，在IIA弦论中，我们知道存在稳定的空间维度是偶数的D膜，这是因为理论中存在相应的反对称规范场，这些反对称场的阶是奇数，等于对应的D膜的时空维度。可是，当我们在开弦微扰论中用边界条件来定义D膜时，边界条件本身的共形不变性与D膜的时空维数无关，从而，在IIA理论中我们可以定义空间维度是奇数的D膜。这些D膜由于不破坏开弦的共形不变的边界条件，所以是弦论中树图解。D膜的时空维度与超对称有关，空间维度是奇数的D膜在IIA理论中完全破坏超对称，所以不再是BPS态。同样，IIB弦论中存在空间维度是偶数的不稳定D膜。
　 即D膜的低能涨落，由超对称规范理论来描述；不稳定是与真空量子场起伏或涨落等价的，这就为刻画“虚质量粒子”的快子出场，打下基础。1982年，印度物理学家森把广义相对论引力场方程表述成简单而精致的形式。1986年，A.Ashtekar研究了森提出的方程，认为该方程已经表述了广义相对论的核心内容。一年后，他给出了广义相对论新的流行形式，从而对于在Planck标度的空间时间几何量，可以进行具体计算，并作出精确的数量性预言。同年，T.Jacobson和L.Smolin在此基础上求出Wilson圈解。此后，他们又找到了即使在圈相交情况下的更多解。1990年代以来，基础物理理论和天文观测方面都取得了长足的进步。从D膜与反D膜到德西特时空与反德西特时空，人们发现引力不同于其他相互作用的最重要本质是它具有全息性。所谓的反德西特时空（AdS）就是一类全息原理能成立的具体例子。1997年马尔代森那提出的反德西特/共形场理论(AdS/CFT)对偶性，即一种AdS空间中的IIB型超弦及其边界上的共形场论之间的对偶性假设，这种对偶性对于建立量子场论和超弦/M理论的统一，起作奠基性的作用，人们称为马尔代森那猜测。这一猜测说，AdS空间上的弦理论或M理论与在此AdS空间边界上的共形场论等价。这个猜测对于我们世界的Randall-Sundrum膜模型的提出及Hawking确立果壳中宇宙的思想，都有不少的启示。时至今日，马尔代森那的文章已成为弦论中引用率最高的文章。其实，马尔代森那猜测中的量子重力，就是弦论。他的猜测基于1998年前弦论中的许多重要发展，如D膜，用D膜构造的黑洞以及矩阵理论。 标准模型中的物质被禁闭在这一膜上，而引力可以在整个时空中传播。
　 原始的德西特时空是荷兰天文学家威廉·德西特(de Sitter，Willem)于1917年根据爱因斯坦方程式导出的。对于全息概念来说，反德西特时空的重要性就在于它拥有一个位于“无限”处的边界，这一点和我们的日常时空非常相似。从实现全息性原理的反德西特/共形场理论说，1995年科学家们引入的D膜，亦可称德西特空间；反D膜亦可称反德西特空间。全息论指出，我们周围的物理事件都可以完全通过定义在更低维世界的方程来说明。这是因为反德西特空间背景与共形场论的对偶性，在规范理论-引力等价性、规范理论-弦理论等价性、体积-边界面积对应等方面都能应用，也能联系非对易几何蕴涵着一类特殊的指数正规化方案，即导致非对易几何体系的世界熵远远小于通常几何体系的世界熵。
　　反德西特空间，即为点、线、面内空间，是可积的，因为点、线、面内空间与点、线、面外空间交接处趋于“超零”或“零点能”零，到这里是一个可积系统，它的任何动力学都可以有一个低一维的场论来实现。也就是说，由于反德西特空间的对称性，点、线、面内空间场论中的对称性，要大于原来点、线、面外空间的洛仑兹对称性，这个比较大一些的对称群叫做共形对称群。当然这能通过改变反德西特空间内部的几何来消除这个对称性，从而使得等价的场论没有共形对称性。这可叫新共形共形。如果把马尔代森那空间看作“点外空间”，一般“点外空间”或“点内空间”也可看作类似球体空间。反德西特空间，即“点内空间”是场论中的一种特殊的极限。“点内空间”的经典引力与量子涨落效应，其弦论的计算很复杂，计算只能在一个极限下作出。例如类似反德西特空间的宇宙质量轨道圆的暴涨速率，是光速的8.88倍，就是在一个极限下作出的。在这类极限下，“点内空间”过渡到一个新的时空，或叫做pp波背景，可精确地计算宇宙弦的多个态的谱，反映到对偶的场论中，我们可获得物质族质量谱计算中一些算子的反常标度指数。
　 即把“点内空间”与“点外空间”的相对，与D膜和反D膜的相对映射，如果把我们处在的“点外空间”看作是一个环量子膜，“点内空间”自然是一个反环量子膜。把环量子膜和反环量子膜，与D膜和反D膜的映射，并认为它们是等价的，那么，即使“点内空间”、“线内空间”，也是多维的，并能证明“线内空间”与D膜和反D膜可垂直。D膜和反D膜充满了我们的三维空间，即“点外空间”，但可能和其余空间垂直，如“点内空间”或“线内空间”垂直。这把“黎曼切口”连通处的“喉管”拉长，就可类似演示证明。以此为基础，加上宇宙暴胀光锥模型、真空撕裂质量轨道圆的物质族质量谱计算公式，我们生存的宇宙是可以精确计算的。这是把宇宙人择原理转换为宇宙人测原理的双向计算。
　 2、数学崛起竞争中的狄利克雷贡献
　 狄利克雷（1805～1859），德国数学家、力学家，生于迪伦的一个法兰西血统家庭。狄利克雷是黎曼的老师，中学时曾受教于物理学家欧姆；在巴黎大学求学深受数学家傅里叶的影响。回国后先后在布雷斯劳大学、柏林军事学院和柏林大学任教27年，对德国数学发展产生巨大影响。1839年任柏林大学教授，1855年接任高斯在格丁根大学的教授职位，并先后当选为英国皇家学会会员、法国科学院和柏林科学院的院士。
　 狄利克雷对数论、数学分析和数学物理有突出贡献，是解析数论的创始人之一。 在分析学方面，他是最早倡导严格化方法的数学家之一。1837年他提出函数是x与y之间的一种对应关系的现代观点。在数论中，他是高斯思想的传播者和拓广者，创造了狄利克雷级数，证明了首项与公差互素的算术级数中包含着无限个素数。
另外，他建立了“若在n个抽样中，存在n+1个事件，那么至少在一个抽样中包含两个以上事件”的狄利克雷抽样法（也称抽屉原理）。他阐明了代数数域中单位数的阿贝尔群的结构。在位势论里论及关于调和函数的狄利克雷问题，又在三角级数论方面给出了关于三角级数收敛的狄利克雷条件。在数学物理方面，他对椭球体产生的引力、球在不可压缩流体中的运动、由太阳系稳定性导出的一般稳定性等课题都有重要论著。1850年发表了有关位势理论的文章，论及著名的第一边界值问题，现称狄利克雷问题。这些都使他与D膜的数学贡献联系在一起。他的许多著作，包括《数论讲义》（1839）、《定积分》（1871）等，对后来的一些数学家，如黎曼、克罗内克、艾森斯坦等都有很大影响。
　 3、数学崛起竞争中的德西特贡献
　 德西特(1872—1934)，荷兰天文学家和宇宙学家，是应用阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论方程式建立宇宙数学模型的首批人物之一。 出生在荷兰的斯尼克，在格罗宁根大学学习数学和物理学时，就对天文学产生了兴趣。1908年德西特被聘为莱顿大学天文学教授，1919年起(直到去世)兼任莱顿天文台的台长。
　 德西特的观测工作是扎实的，当爱因斯坦于1905年发表狭义相对论时，德西特是立即懂得其重要意义的少数几位天文学家之一；1911年他还写了一篇论文阐述狭义相对论对行星轨道运动的可能含义。1916年广义相对论发表时，德西特即对它进行了评论，并在寄给伦敦皇家天文学会的三篇系列论文中发展了他自己的思想。这些论文的第三篇就讨论了可能的宇宙模型──包括膨胀宇宙模型(这是最先提出的膨胀模型)和振动宇宙模型两类。即1917年德西特继爱因斯坦之后提出的一个宇宙模型。它与爱因斯坦静态宇宙模型一样，认为宇宙的空间不随时间而变，故称德西特静态宇宙模型。德西特对爱因斯坦方程式的解似乎描述一个空虚静态宇宙(虚无时空)。但是，它又认为宇宙的物质有运动，不过物质的平均密度趋近于零。在这些条件下，求解爱因斯坦引力场方程，得德西特静态时空度规，由此而得的静态模型为一封闭宇宙。宇宙半径Λ 是宇宙常数。在此宇宙内，存在著由Λ 决定的德西特斥力。在斥力作用下，河外星系普遍退行，产生星系光谱的红移。 同一年，德西特建立了一个完全不同的静态宇宙模型．模型同样也引入了宇宙学常数，但不包含任何物质。由于压强与能量密度正好大小相同而符号相反，因此宇宙学常数在爱因斯坦场方程中起一个“反引力”的效果，可以导致一个加速膨胀的宇宙。
　 即在1920年代初叶他已经懂得，如果给模型添加少量(散布在整个时空的粒子形态)物质，粒子将因宇宙膨胀而按指数加速互相退离。这表示两个粒子之间的距离将以同一时间尺度重复地加倍。也就是说，某个宇宙钟滴答一声之后距离增加到2倍，滴答两声之后距离增加到4倍，滴答三声之后距离增加到8倍，滴答四声之后距离增加到16倍，等等。这好像你在路上走的每一步，都比前一步长一倍。但即使在1920年代末发现了宇宙的膨胀，膨胀也比这要平静的多。然而到1980年代暴涨理论的提出，宇宙在诞生后的最初瞬间确实经历过指数膨胀阶段，这种暴涨式的指数膨胀，正好能用德西特模型来描述，这是1917年出现的对爱因斯坦广义相对论方程式第一个成功的宇宙学解。1920年代哈勃和其他人的观测证明了宇宙确实在膨胀之后，爱因斯坦和德西特于1932年联合发表了另一个基于爱因斯坦方程式的宇宙模型，这个爱因斯坦—德西特模型，是用广义相对论方程式能够构造出来的最简单的模型。它像方程式要求的那样膨胀，但速率平缓以符合观测；膨胀的空间是平坦的，因而实质上是狭义相对论所描述的空间。该模型要求宇宙在某个确定的时刻诞生于一个奇点，并且同德西特原始模型一道与现实宇宙的外貌和1980及1990年代基于暴涨理论发展起来的标准宇宙模型十分符合。1932年的这篇论文甚至还提到了宇宙中存在暗物质的可能性。