自旋相变编码规范场

自旋相变编码规范场

我国有很多人认为：弦理论提不出任何可观测的物理量，供实验检验。这话是受西方反对派的影响。在西方的“学术月亮”比中国“学术月亮”大的背景下，据河南理工大学肖建华教授说：“在弦论热的时候，国内外一批学者以弦论的专家自居，论文大写特写。而在弦论被冷冻的大环境下，纷纷撇清自身，就好像是一贯的就怀疑弦论的正确性……就论文发表看，在一个理论热起来以后，由于不懂装懂的论文大量的发表，从而给读者以牵强的感觉，在本质上是导向令人怀疑这个理论的有效性”。这种机会主义，很难理解自然国学很早是以建立弦理论起家。这不说古代《易经》，把自然、社会、人类用统一的弦理论模式，如卦爻线图走向综合；阴和阳的卦爻符号，横线的阳爻“－”，类似开弦沿杆线横切的剖面图。横线中空白的阴爻“--”，类似闭弦沿圆环直径切的剖面图。

自然国学弦理论早有实验证据，更是“中学为体西学为用”能说明。例如，法拉弟、奥斯特、沃拉斯顿的磁力线、电力线，安培的电流环，麦克斯韦的数学电磁场，卡鲁扎-克林发展的五维时空，普里高津的耗散结构，艾根的生命从化学到生物学进化阶段的超循环，哈肯的协同学，黑洞、白洞时间反演对称联系等，都是弦理论的前驱，并且是理论与实验结合的证明。这种探索可以说几乎贯穿人类古今中外六千年的理论与实践。这单说若以磁场穿过电路的闭合回路取象，命名为线旋，那么闭弦圈论，最早起源应属于我国古籍《黄帝内经》医学和《易经》中，阴阳、五行、太极、气血就有所体现。如阳进阴出；感而遂通；由分到合、由合到分等思想，都不是凭空的假定或理论比附，而有大量的生活现实为依据。因为大自然无穷无尽的旋涡，如水旋涡、火旋涡、沙旋涡等都是线旋的表现。这与磁力线圈循环运动对照，就可引伸出线旋的思想。所以五行金、木、水、火、土从标度无关性看，“土”虽是固体，但沙子也是土。所以水火土的水旋涡、火旋涡、沙旋涡，正好与不分明自旋三种线旋对应。而金和木作为刚体只能对应分明自旋的面旋和体旋。又如太极图徽，可对应墨比乌斯带类似不平凡纤维丛的基底。从近现代陈省身和杨振宁自旋相变引进规范场，应该说科学“中学为体西学为用”，最杰出的就是从他们开始。

胡江平，1972年生，浙江东阳人。1994年北大核物理专业本科毕业，1997年中科院理论物理所硕士毕业，2004-2008 年为美国普渡大学物理系助理教授，2009年至今为普渡大学副教授，中科院物理研究所兼职研究员、博士生。2016年10月5日他在博文《趣谈2016年诺贝尔物理学奖获得者的真功夫》中说：“拓扑方面的重要工作，是对量子霍尔效应的拓扑理解。把数学里拓扑不变量以华人著名数学家陈省身命名的‘陈数’，就可以和物理上可测的霍尔电导联系起来。这种联系可以说是物理里量子力学，和规范不变性基本原理一起作用的结晶。如在一维量子自旋模型里，看出整数自旋和半整数自旋模型完全不一样，用的就是陈省身研究的纤维丛有非平凡拓扑序。又如：有没有可能不加外磁场，实现量子化的霍尔效应？也是只要在动量空间能带中存在非平凡的拓扑，就可以实现量子化的霍尔效应。就是说，只要在固体能带里去看看没有非平凡的拓扑就行。凝聚态物理近十年研究的热门-拓扑绝缘体，就是把非平凡拓扑推广到拓扑半金属，如韦尔半金属，实现量子反常霍尔效应，探测马约拉纳费米子，以及拓扑超导体等一系列材料体系。因为如果考虑一下电子有自旋，可以把由两种不同方向自旋的电子构成巧妙的组合，很多材料就都可以由这样组合的模型描写”。

张天蓉，1978年中科院理论物理所研究生，1980年公派到美国德克萨斯州奥斯汀大学读博士；获博士学位后，在该校毫微微秒激光实验室作博士后。现为硅谷Sunrise Inc.公司技术主管，开发电子设计自动化软件。2016年10月13日她在博文《拓扑相变：解读2016年诺贝尔物理奖》也说：“数学中有一个高斯-博内定理，是平面几何中‘三角形三个内角和等于180度’到一般二维曲面的推广。陈省身将曲面上的高斯-博内定理，推广到高维流形上，证明了高斯-博内-陈定理。纤维丛是基空间和切空间（纤维）两个拓扑空间的乘积，最简单的纤维丛例子是当基空间和切空间都是1维的情况。比如，平面可看作X为基底Y为切空间的纤维丛；圆柱面可看成圆圈为基底、一维直线为切空间的纤维丛。平面和圆柱面都是平凡的纤维丛，平凡的意思是说两个空间相乘的方法，在基空间的每一点都是一样的。如果不一样的话，就可能是不平凡的纤维丛，比如墨比乌斯带就不平凡。‘第一陈数’应用的最简单例子，是陈数=0，描述拓扑平凡的圆柱面。陈数=1，描述墨莫比乌斯带。陈数可直观理解为基空间的点改变一圈时，纤维绕着基空间‘扭’了多少圈。比如说，相对于平直的圆柱面而言，当基空间参数变化一圈时，墨比乌斯带上‘纤维’的方向，绕着基空间‘扭’了一圈，因此陈数=1。扭得更多圈的墨比乌斯带，对应更大的‘陈数’”。

胡江平教授和张天蓉教授等很多人的文章都谈到：牛谦、文小刚、张守晟教授等国内外华人科学家，都能跟着2016年诺贝尔物理学奖获得者们做出了贡献。为什么？因为他们和陈省身及杨振宁一样，都天然带有《黄帝内经》及《易经》里类似数学拓扑不变量的熏陶。沿着这条道路研究自旋相变编码规范场，我们做的第一项工作，就是定性定量基本粒子与暗物质“抹大拉”玻色子。

因为从显物质和暗物质区分，用环量子自旋的面旋、线旋、体旋的符号动力学进行编码，在对夸克、胶子、电子等全部显物质基本粒子作“量子避错编码”后，还剩下4 /5的“量子冗余码”难以处理。如果环量子通过三旋编码，能建立一套夸克立方周期表，以“量子避错编码”对应全部显物质基本粒子，那么其余4 /5的冗余码，不是可以使暗物质有严谨的数学理论吗？自旋作为量子色动语言学，被看成编码，是一种量子符号动力学。在物质、能量和信息的世界里，人们都认为物质、能量比信息更基本、更重要。其实这是假象，信息比物质、能量更基本、更重要，必须进行“编码”才可分辨出物质、能量、信息与暗物质、暗能量、暗信息，在对偶、有限、无限和有界中作的转换。即“编码”，是一切物质、能量、信息与暗物质、暗能量、暗信息的前提。因为从宏观非物质的语言编码，到微观物质的基本粒子的量子三旋编码，万事万物是构成各种各样的“编码”。

这里我们有必要简介一下什么是三旋？三旋根据的原理，是对称和对称破缺的普遍性，由此自旋、自转、转动等应有语义学上的区分。如设旋转围绕的轴线或圆心，分别称转轴或转点给予定义：（1）自旋：在转轴或转点两边存在同时对称的动点，且轨迹是重叠的圆圈并能同时组织起旋转面的旋转。如地球的自转和地球的磁场北极出南极进的磁力线转动。（2）自转：在转轴或转点的两边可以有或没有同时对称的动点，但其轨迹都不是重叠的圆圈也不能同时组织起旋转面的旋转。如转轴偏离沿垂线的地陀螺或廻转仪，一端或中点不动，另一端或两端作圆圈运动的进动，以及吊着的物体一端不动，另一端连同整体作圆锥面转动。（3）转动：可以有或没有转轴或转点，没有同时存在对称的动点，也不能同时组织起旋转面，但动点轨迹是封闭的曲线的旋转。如地球绕太阳作公转运动。

根据上述自旋的定义，类似圈态的客体定义为类圈体，三旋是（1）面旋：指类圈体绕垂直于圈面中心的轴线作旋转。如车轮绕轴的旋转。（2）体旋：指类圈体绕圈面内的轴线作旋转。如拨浪鼓绕手柄的旋转。（3）线旋：指类圈体绕圈体内中心圈线作旋转。如地球磁场北极出南极进的磁力线转动。线旋还要分平凡线旋和不平凡线旋。对此三旋理论称为的“线旋”，是分为三种的。因为线旋一般不常见，如固体的表面，肉眼不能看见分子、原子、电子等微观粒子的运动。不平凡线旋，是指绕线旋轴圈，至少存在一个环绕数的涡线旋转。如墨比乌斯体或墨比乌斯带形状。不平凡线旋，还要分左斜、右斜。不平凡和平凡线旋统称不分明自旋。

就凭这点知识，用编码处理暗物质能行吗？因为暗物质在宇宙中是一种颇有个性的粒子，它品质既不发光，也不吸收光线，但对恒星和星系的引力影响，为它的存在提供了强有力的间接证据。说白了，人们只能通过引力产生的效应，得知宇宙中有大量暗物质的存在。而暗物质存在的最早证据，就来源于对球状星系旋转速度的观测。现代天文学通过引力透镜、宇宙中大尺度结构形成、微波背景辐射等研究，原子、分子、等离子体等熟知的重子物质，只占宇宙总密度的4％或5％；我们所认知的部分大概只占宇宙的4%，宇宙密度的95％以上是尚不为人们所了解的暗物质，占了宇宙的23%，还有73%是一种导致宇宙加速膨胀的暗能量。

编码暗物质被看作的“三旋梦”，当然实际就是在把三旋看作“目的环”，把自然界原始存在的自旋对称性唯像，坚持贯彻到底。由此，用自旋的线旋、面旋和体旋的正反、平凡与不平凡区分编码，可严格数学推证有62种自旋状态。用来映射以质量、电荷、自旋决定的标准模型的61种基本粒子，计量如下：6种夸克以及它们的反粒子，每种再分3种颜色，共36种。3种带电轻子以及它们的反粒子，共6种。3种带电轻子e、μ、τ的3种中微子以及它们的反粒子，共6种。8种胶子，传递强相互作用。W+、W-、Z，这3种玻色粒子，传递弱相互作用。光子1种，传递电磁相互作用。假设的引力子1种。62种是加除外的希格斯Higgs粒子1种， 36+6+6+8+3+1+1+1=62种。

三旋的面旋、体旋和线旋等三种旋，分正、反转两类共用的6类标记，用排列组合公式，按6个每次取3个计算，是共120个。从“目的环”三旋在自然界存在的这120个数学排列组合编码，对应宇宙中物质总量。其中“量子避错编码”24个，只占1/5，用来对应普通物质总量。因为属于显物质的标准模型粒子“量子避错编码”，正好只占24个，既可以质量为0，也可以不为0。其剩下的4/5 “冗余码”，也正好作为玻色子的暗物质。但这种编码排列组合的符号，因其反泡利不相容，只能暂时看作代表的类似弦论和量子场论，是三个弦线圈的复合“混杂堆积”成的旋束态。反之，避错编码用的面旋、体旋和线旋3个标记的夸克，只是一个弦线圈合理有序复合的数学排列组合编码，同时它们还可作数学排列的6种编码，能给夸克的“色荷”编码留有位置。因为这种排列变换，代表的是一个组合编码中的面旋、体旋和线旋起始顺序不同。对于标准模型粒子避错编码符号代表的这一个弦线圈，是完全变成的一个旋束态的。所以问题返回来，还是“冗余码”本身属于编码悖论，它是“不合法”的编码，是否应该放弃？还是能扶正，作暗物质来编码吗？

这个扶正，就是胡江平教授在《趣谈2016年诺贝尔物理学奖获得者的真功夫》中，举的两种图像：一个是像两个圆锥体顶对顶的巧妙空间组合，构成使动量和自旋方向相反的两个电子，能结成类似普通超导理论中的库柏电子对。这里超导材料内流动的库伯电子对轨道完全对称，两个自旋方向会完全相反，这种自旋动量相互抵消变成零，会成为不能传输电子自旋信息的死结。但胡江平说的像两个圆锥体顶对顶的空间组合，正是目前自旋电子学，已经能打开这种死结的办法。

例如。美国哈佛大学 物理学家的 阿米尔·亚柯比教授，找到控制超导体中流动电子自旋的方法是，构建一种三明治结构，上下两个外层为超导体，会赋予夹层非超导材料碲化汞与外层接近的超导性。在三明治结构内，电子对轨道对称性被打破，自旋不再反对称，即自旋方向不再相反，而是沿不同方向交替自旋。其实库柏电子对，早获得过诺贝尔物理奖。从拓扑序说明这种不合法的合法性是：把两个顶对顶沿圆锥体，沿垂直中心线投影在平面，两个不同方向电子的旋转，图像投影在圆锥底面的圆周一条直径两端，类似在作互绕运动，不反泡利不相容。

胡江平教授说的另一个不合法的合法性图像，类似魔方多面旋转的互绕运动。这是从凝聚态物理2016年诺贝尔物理奖类似的研究中，提炼出的一种既简单又复杂的拓扑模型，其拓扑相变也可以存在。这类似悖论的相变编码，也可以是“合法”的。因为超越朗道理论框架将拓扑引入凝聚态多体系统，从普通的相变像水的气态到液态，是由水分子自身随温度的热涨落引起的。类推拓扑相变由粒子集体的拓扑激发，随温度的热涨落引起，区别拓扑激发是非局域的，这就和简单的粒子很不一样。这使得拓扑激发行为，随温度的变化，不能用朗道的传统凝聚态相变描写。

更令人回味的是，张天蓉教授说：“文小刚建立了分数量子霍尔效应的拓扑序理论和边缘态理论之后，又进一步提出弦网凝聚理论，不仅揭示了拓扑序和量子序的本质，而且又转而返回到最基础的物质本源问题”。这和最基础的环量子三旋拓扑序和量子序，构造三个弦线圈的复合“混杂堆积”成的旋束态，与一个弦线圈变成的合理有序复合的一个旋束态，能统一起来吗？张天蓉教授的文章已提示：物理中常说的“空间”，远不是三维空间。量子理论中一般用希尔伯特空间来描述量子态。如果考虑一个在真实的三维空间中运动的电子，对应于电子轨迹的每个点，都存在一个与波函数相应的无穷维的希尔伯特空间。由此建立的数学模型，将电子真实运动的空间作为基空间。希尔伯特空间作为切空间，这又回到数学称之为的“纤维丛”。而环量子三旋拓扑序和量子序，与“纤维丛”存在内禀性的联系。例如，纤维丛可以直观地理解为：一根作为基底的铁丝上，缠绕着许多根纤维（毛线）。

但陈省身、杨振宁、牛谦、文小刚、张守晟、张天蓉、胡江平等华人教授，都没有说把基底的铁丝圈上，缠绕着许多根纤维毛线，也可以看成是一个个分开弦线圈。所以这里要说的是：即使文小刚教授从分数量子霍尔效应拓扑序和量子序，回到弦网凝聚理论，也做得不够彻底。因为关于点和质点的科学，如果把圈或圈态看得比点或质点更基本，那么有关与点或质点不相适应的情况，就能用类圈体的自旋得到说明。这是自然全息弦理论在20世纪后半叶，一直是作为自然科学的一块基石，在对各种科学体系进行重新的思考中进行着的检验。例如，量子理论中复杂的“纤维丛”空间，其基底、纤维、纤维丛（乘积空间），三者最基础的物质本源是包含：基底面是平面还是球面？基底铁丝弯曲成了什么形状？它和纤维毛线的组合，是简单而平凡线旋形态？还是像墨比乌斯带的那种卷曲、打结等，是不平凡线旋样子？从纤维丛的观点看，凝聚态物理中不同的量子态对应的不同拓扑，可以用一个非0的、以陈省身命名的不变量“第一陈数”来表征。

张天蓉教授在《拓扑相变：解读2016年诺贝尔物理奖》一文中，就举出墨比乌斯带陈数=1不平凡图像，这说明拓扑相变类似悖论的编码，也可“合法”存在。

这个图像的实验可以是：陈数=0的平凡图像，是取一张狭长的白纸带，将另一面涂黑，且在正反面中央画一根直线。这样粘合两端做纸圈，外面是白色，里面是黑色。假设有一只蚂蚁在白色一面沿中线爬行，不许超越边线，那么这只蚂蚁爬来爬去，总是在白色的一面。相反，如果这只蚂蚁在黑色的一面爬行，那么，它也就只能老是在黑色的一面爬行了。陈数=1不平凡图像，则是改变纸带的粘合方法，使其中一端翻一个面，让黑的一面反转过来与另一端白色的一面粘合起来。这下蚂蚁如果在这种纸圈上自由爬行，它不跨过边线，就能到达黑白两面所有的地方，于是纸圈变得只有一个面了。这就是1858年德国数学家兼天文学家墨比乌斯首先发现的数学现象，后来这纸圈命名为墨比乌斯圈（带）。

但早在六千多年前巴蜀盆塞海的远古联合国人类文明第二个孵抱期，伏羲氏在教人结网捕鱼，遇到湖塘水面上的旋涡，教人制土陶生火做饭，看到锅中沸水的翻滚，就已领悟和觉察到了这种圈态的线旋。为了表达和传授这一数学概念，他动了不少脑筋。例如，他把摆卜爻文字用的草节茎棍带来的蓍茅草叶，圈起来扭转比划，终于发现了这种有趣的智慧现象。由此这种不平凡的线旋运动，也反映到我国古籍《易经》和《黄帝内经》、《道德经》等所积淀的智慧推论中。但我们现在能用智慧说明“冗余码”的旋束态是合法的吗？分析美国夏威夷大学杰森·库马尔教授说：科学家了解暗物质，是他们从粒子物理标准模型；宇宙大爆炸时期的核合成；预言未知的希格斯-玻色子，到目前一直都十分成功。除非所有人都犯了某种根本性错误，否则很难解释为何到目前为止，全世界仍然没有能够探测到暗物质粒子。

但库马尔不了解：标准模型不重视环面与球面不同伦的拓扑序，其实是一个漏洞。例如，用三旋理论的内禀自旋编码夸克，和用体旋“翻转”频率及混合角决定质量原理，解释内禀自旋含质量相同的同一种夸克的体旋，因为含有“倾斜”混杂堆积的内禀体旋和面旋同步有关的概率，会非常之大，按泡利不相容原理，这是“不合法”的。但不合法不等于不存在，类似人类社会中“不合法”现象的存在，常常是隐蔽着的一样。质量的希格斯机制，是不需要引进外力作用，就造成基本粒子存在内禀体旋的。作为一种量子属性，从基本粒子到天体，在宇宙演化自然形成的内禀自旋，存在类似“量子冗余码”的编码“不合法”，以及和量子色动语言学“合法”的“量子避错编码”衔接的混杂堆积，即使有类似“泡利不相容原理”的切除修复和错配修复办法机制，使混杂堆积的出错几率下降，但这并不能减少“量子冗余码”的编码的“合法”存在。因此我们才把它们称为“暗物质和暗能量”的。而且是对应暗物质占宇宙总质量的26.8%，可见物质只是4.9%等，可精准计算统计。

如果这之前未发现暗物质和暗能量，我们也认为这种“量子冗余码”的编码“不合法”的。但自从20世纪70年代，鲁宾和福特发现星系边缘的恒星旋转，与星系中心附近的恒星旋转，运动速度是一样的，由此推论除非有某些看不见的东西产生了引力。他们把这种看不见的东西叫做暗物质后，启发我们把装在原子核质子和中子“口袋”里的三个价夸克，能吸引住原子核外的电子，绕原子轨道作旋转运动，也许能同样反映暗物质的存在。因为类比暗物质，是三个价夸克周围，还有夸克海、海夸克和胶子海、海胶子现象等“0”量子起伏。这种混杂堆积，就含有类似的“量子冗余码”。这是否有“不合法”？造成的质量希格斯机制的体旋“翻转”频率及混合角，与这种“不合法”还是相同呢；因为这是实际可间接测量和计算出来的。

这还可以联系制造强力的永久磁铁，要充分正确理解电子绕原子轨道作旋转运动的自旋。因为反映在如铁、镍、钕、镨、硼等元素上，由于部分电子的磁性相互增强，所以合金整体磁性变得非常强。由此金属铂能够用作催化剂，提高化学反应的速度。这是因为电子围绕原子核高速旋转时，质量变大所带来的影响，变得越发显著。催化剂联系化学振荡等，有类似违反能量守恒定律的“不合法”。但联系铂原子的质子多达78个，因此沿着最内侧轨道的电子的速度变得非常快。虽然催化反应基本上发生在金属表面，但金属中电子轨道的大小和是否高速旋转，对催化剂活性的影响非常大。这里即使原子核内的质子数目与原子轨道作旋转运动的电子数目的相等，或是成比例增长的，但测量和计算表明电荷电磁吸引力，只仅这一项是不够的。与暗物质发现同理的是：在金属物体内或原子外层，还有大量的自由电子存在，也有类似星系边缘像恒星运动得快一样的作轨道旋转的电子。它们绝大多数，也并不脱离金属物体。这种吸引力，仅靠价夸克的质量总和作用是不够的。

胡江平教授提供的魔方多面旋转互绕，真实地提供了绕过泡利不相容原理，混杂堆积“量子冗余码”的“不合法”也合理。由此，类似暗物质裸黑洞裸奇点的重子“点内空间”，虚粒子从哪里来？不正好可以把这种类圈体自旋编码和魔方对应。设想这种暗物质物体类似魔环器，是由一个魔方接一个魔方，粘合成的大魔环。魔方上的转座子，不但可以绕着魔环体内的圈线轴移动，我们称线旋；绕着垂直于魔环圈面内的轴线移动，我们称面旋；而且整体还可以绕魔环圈面的轴线转动，我们称体旋。那么从显物质基本粒子和暗物质“抹大拉玻色子”，不但都跟三旋有关，而且跟三旋的速度，环量子数目、类型以及环圈自发对称破缺等情况，都有联系。