[原创]沈致远先生“物理三问”谜题初探

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[watermark]沈致远先生“物理三问”谜题初探
习强 叶眺新
摘要：2010年上海《科学》杂志第2期上的《物理三问》，是美国杜邦中央研究院退休院士沈致远先生的文章，杜先生似乎说他问的是很难很重大的问题，在此容我们作一初探。
关键词：沈致远 物理三问 弦膜圈说
2010年3月25日发表在上海《科学》杂志第2期上的《物理三问》，是美籍华人学者，美国杜邦中央研究院退休院士，物理学家，现任《前沿科学》编委的沈致远先生的文章。杜先生在文章的结尾说：“第一问触及狭义相对论两大前提之一，第二问事关量子论之核心，第三问乃统一场论症结所在，三者皆为物理学根本问题。恕我狂言：此三问有解之日，即万物之理初见端倪之时。谓汝不信，且拭目以待”。看来杜先生问的是很难很重大的问题，在此容我们作一初探。
一、第三问谜题初探
沈致远先生问的第三问：时空是不连续的吗？我们首先来回答沈先生的第三问，是因为他提出的“物理三问”谜题，前两问也是和第三问相关的。而第三问是直接和他说的“几十年来，物理学家提出各种版本的万物之理——统一场论：弦论、圈论、旋子论、扭子论、时空非互易论等”是相关的，即“时空是不连续”，就是以上绝大多数基于的“时空量子化”。而今天的基础科学国际主流弦膜圈说，正以高难度、高专业、高实验的态势飞速发展，也许回答沈致远先生的《物理三问》时机已经成熟。
沈先生说，“否认连续性偏离量子论主旨。量子化引入离散的量子，但并不否认连续性。以电磁场为例，其能量以光子为单元是离散的，但空间中的电磁场和电磁波却都是连续的。而且正是对连续的电磁场作傅里叶分析，才在封闭空间中得出离散能量谱，在开放空间中则得出连续能量谱。不妨再看一个通俗例子，钢琴奏出音乐之频率及其声子能量是离散的，而琴弦本身必须是连续的；如琴弦是离散的，不就断弦了吗？由此可见，离散和连续两者共生互补，缺一不可。再从数学观点审视否认连续性是否可行。如小于普朗克长度的空间根本不存在，空间就只有以整数代表的一系列离散点： …-3,-2,-1,0,1,2,3…。分数和无理数就都根本不存在。果真如此，试问：1÷2=？四则运算无法进行，遑论其余。我在思索：如果时空真的不连续，除法该怎么办？不知统一场论诸君是否想过这个问题”。沈先生说的“离散和连续两者共生互补，缺一不可”，是针对沈先生批评的“著名圈论研究者斯莫林”强调时间和空间的离散性而否认其连续性，认为连续空间只是“幻觉”。沈先生批评说：“在他看来这是通向统一场论的必由之路。这种观点在统一场论界具有代表性”。
那么沈致远先生要的是什么呢？沈先生说：“问题出在他们认为比普朗克时间和普朗克长度更小的时间和空间根本不存在，从而否认时空单元具有内涵”；即实际要的就是我国层子模型类似的观点。这是在我国曾经的“科技创新举国体制”下完成的。当然如“两弹一星”、载人航天、探月工程等，也都是在“举国体制”下完成的令国人引以为傲的项目。有人说，“举国体制”是计划经济下的产物，将之挪移到市场经济的今天，很有可能会“水土不服”。其实在实行了市场经济几百年的美、英等科技强国的今天，著名圈论研究者斯莫林等搞的“弦膜圈说”，也正是美、英等科技强国今天的“科技创新举国体制”，并且已经成为今天基础科学国际主流。这个基础科学国际主流的“强调时间和空间的离散性而否认其连续性”，与沈先生说的“离散和连续两者共生互补，缺一不可”，并不矛盾，且是唯物、辩证统一的。也不存在沈先生说的“他们认为比普朗克时间和普朗克长度更小的时间和空间根本不存在，从而否认时空单元具有内涵”的问题。
“万物之理”初现曙光，是1904年，庞加莱提出的庞加莱猜想，奠定了当代前沿科学弦膜圈说的数学基础的形式体系。即正猜想的收缩或扩散，涉及点、线、平面和球面；逆猜想的收缩或扩散，涉及圈线、管子和环面；外猜想的空心圆球内外表面及翻转，涉及正、反膜面、和点内、外时空。这是唯物主义论者中的各种科学和革命的派别，自古希腊欧几里得几何公理化体系建立的三千多年以来，内部和与外部斗争的结果。这也是传统“万物之理”科学的结束，革命科学的开始。但以“乌托子球”为最高理想的原子论（量子论）模型解读遍历科学的波尔兹曼，在同一“战壕”里长期争论的苦闷中的自杀，还给革命和科学的分化与合作都留下了悬念。这个“悬念”又经过弦膜圈说百年来的“伟大的超越”，人类到21世纪，著名圈论研究者斯莫林终于敢说出统一场论界具有代表性的观点：“圈与点并存，且圈比点更基本”的类似庞加莱猜想拓扑球面与环面类型的比较，环圈形状的间断与连续，是绝对的。
即“万物之理”已经不存在沈先生说的“比普朗克时间和普朗克长度更小的时间和空间根本不存在”，是“否认时空单元具有内涵”的疑虑。
1、圈子与圈子之间的耦合形成的链线，是间断的，也是连续的。
2、时空单元具有内涵的连续与间断，是分层次的。例如河流中的水是连续的，但分割到分子、原子层次，就存在间断。
3、从数学观点审视连续与间断，弦膜圈说的时空非互易论，即非对易几何，把拓扑球面与环面类型的非对易、数轴类型的实数与虚数的非对易等时空单元具有内涵的间断性，揭示了出来，这是唯物主义论者中的各种科学和革命的派别，没有谁能否认它们的客观存在。
4、环圈形状的正、负、虚、实、零客体，已经表达出：实部的连续。和虚部中间穿孔的间断；反之，中间穿孔的虚部是连续的，那么相对它的实部是阻断它的间断。所以环圈形状的客体类似复数，是类似连续与间断叠加的。其实，同一层次单个的环圈形状的客体累积多了，也是连续的，量子场论即如此。
5、2007年四川科技出版社出版的约90万字的《求衡论----庞加莱猜想应用》一书，已经给出了一个答案。即时空单元具有内涵的连续与间断的讨论，简单地说，除开“形状”，还有“操作”，其核心是“三旋”。这类似“羊过河”的寓言故事：河上有座独木桥，一只白羊和一只黑羊分别从桥两头同时走上桥----连续，走到桥中间要过河，而又互不相让----间断时空单元具有内涵。如何办？只有三旋中体旋能解决。这是抽象的数学证明。羊层次不能，人层次抱着体旋能行。
把这个图案化为一维的弦线，引进到空心圆球内表面翻转成外表面，在球的内外表面之间搭成一维的“桥”和“羊过河”问题，这是一个解答1维和0维结合的三旋抽象数学。也是弦论、圈论、旋子论、扭子论、时空非互易论等弦膜圈说解答时空连续与间断的统一场论。而且和“球绕流”研究、大爆炸宇宙论与物质族基本粒子质量谱，也有联系。其次，对照空心球内外表面翻转的1维穿孔看，针对1维上仅取在一个点的操作，也能把球面和环面两个不同拓扑的类型结合起来。如果再联系三旋“大量子论”，这如把长江河流大坝上下游，变成虚、实相对论的绘景形象描述；这里长江三峡大坝的闸门，及其运作，就变成点内空间与点外空间的观控相对界。因此如果把大坝的“船闸”模型部分，换为“球绕流”模型，也能说明时空连续与间断的统一。
二、第二问谜题初探
沈致远先生问的第二问：海森伯不确定原理是普遍适用的吗？沈先生说，海森堡不确定原理：一对共轭物理量，如位移x和相应之动量px，必须遵从不等式ΔxΔpx≥h/4π。其中h是普朗克常量，π是圆周率，Δ表示增量。空间尺度Δx缩小，动量Δpx相应增大，能量也随之增大。Δx缩小到原子尺度（10的-10次方米），相应的能量是化学能；Δx缩小到原子核尺度（10的-15次方米），相应的能量是核能。空间尺度缩小到普朗克长度（10的-35次方米），相应的能量比核能还要大一万亿亿（10的20次方）倍。Δx趋向零，Δpx趋向无穷大，相应的能量趋向无穷大。在无穷小的空间中蕴藏着无穷大的能量！沈致远先生说：海森堡不确定原理不是很荒谬吗？
但这是沈先生把问题推向“宇宙极问”的结果。其实，海森堡不确定原理是以物理实验为基础的。今天我国弦膜圈说能回答的是，实验产生波与粒之争，测双缝时存在，测单缝时不存在。它的计算取其中一种是：无穷小量能量（对应点外空间）乘无穷小量时间（对应点内空间）=普朗克常数；或
（△E）（△t）=h            （1）
这个公式背后，隐藏的是不确定性原理与庞加莱猜想的等价性。证明是；庞加莱猜想最简单的学术描述是：一个封闭的三维空间，若其上的每条闭曲线都可以连续收缩到一个点，那么从拓扑结构上看，这个空间是否就是一个球面。这个猜想要追求严格，能量和物质的先验与经验图像就有两个分岔：如果汽球只是一个长形的，或者球形的，那是可以做到的。但是，如果这个汽球是一个救生圈的形状，那就不行。因此要求的汽球，它的形状虽然可以随意，但是，里面的任何一根封闭的曲线，或者说绳套，都不会绕过一根类似柱子这样的东西，或者说，这个汽球看上去没有“孔”，不象救生圈那样，可以把一个头伸进去。这样的汽球，数学家起了一个名字叫“单连通”。所以庞加莱猜想引出两个能量和物质的先验与经验图像：类似球体（简称类点体）和类似圈体（简称类圈体）。这对于任何正、负、虚、实、零五元数的时空，都是适用，所以成为几何数学和物质思维中的超验客体，为21世纪的球量子与环量子之争所注意。这是其一。
其二，庞加莱猜想把一个封闭的三维空间连续收缩到一个点，是把宏观与微观世界都包括在一起了，这必然引来与海森堡的不确定性原理的等价性是：庞加莱猜想实际是用确定性表达的，即“一个封闭的三维空间，若其上的每条闭曲线都可以连续收缩到一个点，那么从拓扑结构上看，这个空间就等价于一个球面”。它的奥妙是：闭曲线是一个被分割的图案，它指一种“间断”；而“连续”收缩，指它的行为不间断。两者趋近于无穷小，能成立，就等价于三维球面。写成数学表达方式：无穷小量间断（J）乘无穷小量连续（L）=球面（Q）；或
（△J）（△L）=Q             （2）
量子理论的核心，光的波动性与粒子性之争的基础是小孔和双缝实验。普朗克公式中的普朗克常数恒量ｈ，是普朗克仿效微积分的微商的办法而假定的数。一开始普朗克常数是指波包的每一小份能量取决于它的频率，而在频率范围内存在有许多平均速度的粒子或电子，并非像后来爱因斯坦把一个光量子当作一个光子或粒子来对待处理，把量子看成是一份一份地辐射。这是从某一点上来考虑的，因为瞬时有若干粒子同时辐射，我们就无法区分分辨那一点的空隙是多少？通过什么技术手段来制造？是否海森堡的《物理学和哲学》就认为：只观察到了波动性，从来就没有看见粒子呢？对于粒子性只在想象或概念中存在，我们不管，反正海森堡的测不准原理或叫不确定性原理的公式表达（1），和上式（2），类似一个人的两种行为和思维处理方法，它们形成一个棱锥形。即式(1)类似棱锥形一端逃出势阱联系的扩散，式（2）类似棱锥形一端遇到障碍联系的收缩，它们构成了从宏观到微观物质不可分离的特性，能够解答从宏观到微观所有波与粒之争的疑难。这里什么叫“量子”？就是（1）和（2）的联立，它们不能分开；分开就不完整，也不完备。
爱因斯坦说：“上帝不掷骰子”，他是主张“量子”为确定论的，实际是偏向式（2）一方。玻尔学派主张“量子”波与粒互补，是一种势阱和隧道效应模型，而成为一种不确定论，实际是偏向式（1）一方的。由于理论物理学至今没有提出庞加莱猜想与不确定性原理等价问题，所以到21世纪，在量子论和相对论已经产生的“场论”之外，还有不少专业和非专业人士不断提出新的以太、晕轮、轮晕、一锅盐渍蘑菇汤、可压缩流体、唯道等之类的介子模型场论，但这都不是根本的办法。量子论和相对论已经建立的场论，包含有一种“势阱”方法的描述，但只有扩散力，没有收缩力---各类基本粒子，有各类自己的“场”，已经够多、够扩散的了；但这只是一种单一的量子行为和思维处理方法，遇到障碍就不知如何处理。所以这些量子论和相对论的场论，是一些单一程序的类似没有脑袋思维的场量子。庞加莱猜想完整和完备了从宏观到微观分立物体或量子的形象：球与环兼备，既能扩散，也能收缩。
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三、第一问谜题初探
沈致远先生问的第一问：超光速难道不违反狭义相对论？沈先生说，纠缠光子之间具有超光速作用，是许多实验证明的客观存在，这是无法否定的。我们必须放弃主观偏见，承认纠缠态中超光速传递信息是客观事实。沈致远先生说的是“实数”超光速论，这要分成两个方面来解说。
一是爱因斯坦、波多尔斯基、罗森说的量子EPR效应。这里只是联系沈致远先生说到的：纠缠态的两个光子，具有超光速相互作用，测定一个光子的自旋，远处的另一个光子自旋立即相应改变----爱因斯坦称之为“怪异的超距作用”的单纯问题。但为什么国内外大批的专家，长期没有解决好这种EPR效应的“无中生有”的量子纠缠的自旋问题呢？这是因为他们长期还没有解决好，从“经典力学”过渡到“量子力学”的自旋问题。
南京大学教授沈骊天博导说：“三旋生万物”。无中生有与自旋相关，量子纠缠就与“无中生有”相关。因为如果把汤川秀树说的基本粒子的自旋是一种内禀现象，和卡鲁扎--克莱因遗产中的第五维是微小圈结合起来，就是我们说的50年前萌生的三旋环量子理论。一个环量子类圈体能作面旋（如圈体的滚动）、体旋（如圈体的翻动）、线旋（如圈体表层绕中心的免动）。在存在不动点质心的情况下，一个全对称的环量子类圈体能不相矛盾具有62种自旋状态，即31倍于球量子粒子客体自旋态。所以对沈致远先生说的量子纠缠隐形传态的超光速的“实”，从环量子类圈体模型的角度也是可以理解的，即有了这种三旋模型，量子纠缠就存在于非粒子环量子圈态客体的三旋之中。
众所周知，指南针在地球各地除两极外，都能定向相同指向南方。这个道理很简单，是因为地球磁场对指南针的作用引起的。因此也说明如航天飞机或人造卫星离开地球，或在受磁性材料干扰的地方，用指南针定向是不适用的。但科学家们找到了一种陀螺罗盘，不需靠磁力线的作用来定向，而是利用陀螺本身的多层自旋来定向的。这种自旋定向的原理，揭示了自然界中自旋调制耦合功能的EPR效应普遍存在。然而在宏观物体身上是很难做到。非粒子量子圈态自旋客体，因为三旋是它的自然属性。因此是一种天然的超级陀螺罗盘。在EPR实验中之所以曾经耦合过的光子，在分开以后还会出现整体效应，这正是因为像陀螺罗盘在出发之前经调制一样，耦合过的光子，它们像经过调制的陀螺一样，离开地面的陀螺罗盘的方位测量，是跟它调制配对时的陀螺罗盘的方向测量一致的，因此在EPR测量中，两者的量子效应是一样的。
二是1993年，来自4个国家的6位科学家说的处于量子纠缠的两个粒子的量子关联实际运用的复杂问题。这是坚持“去虚数存光速”的经典观念，无论如何都无法理解。但承认印度科学家森的“虚数快子”加“存光速”的互动，就是一种可资利用的超经典力量，并可以成为具有超级计算能力的量子计算机和“万无一失”的量子保密系统的基础。这也类似中科大潘建伟、郭光灿教授等重视的量子纠缠隐形传态的工程技术的进展。正如沈致远先生说，最近瑞士日内瓦大学的一个研究组，在光子纠缠实验中，测得其速度至少超过光速一万倍。这里，国外已承认印度科学家森的虚数快子学说，国内要么只做不说，要么还是原来的实数快子观点。那么这种超过光速一万倍的不管是“虚”的，还是“实”的隐形传输的“物质”基础是什么？
首先要说明这种量子关联的实际操作是怎么一回事？例如，2008年回到中国科大全时工作的潘建伟教授，已经与同事一起利用冷原子量子存储技术，首次实现了具有存储和读出功能的纠缠交换，建立了由300米光纤连接的两个冷原子系统之间的量子纠缠；实现了首个“量子中继器”。2009年初潘建伟把在海德堡大学的实验室整体搬回了国内，在合肥市5个不同地点之间建成了秘密通话的世界上第一个可自由扩充的多节点光量子电话网。潘建伟、彭承志等的中国科大—清华大学联合研究小组还在北京八达岭与河北怀来之间实现了16公里的量子态隐形传输。请注意，这里的“光纤连接”是类似北京八达岭与河北怀来之间实现了16公里的量子态隐形传输的“新动向”，是一个实际操作问题，而爱因斯坦、波多尔斯基、罗森说的量子EPR效应，只是一个思想实验或理想实验问题，至于要不要“光纤连接”，爱因斯坦、波多尔斯基、罗森三人语焉不详。因此是一道“去虚数存光速”的经典难题？而存在“光纤连接”的量子关联的隐形传输，不管是用三条“光纤连接”、两条“光纤连接”，还是一条“光纤连接”，都可能存在有“假”、有“实”难检查的问题。
因为1993年来自4个国家的6位科学家说的量子EPR效应可运用，是在80年代初印度科学家森提出的“虚数快子”理论基础上完成的。这是一种“虚数快子”加“存光速”的解决办法。而沈致远先生的第一问谜题，是类似仍坚持难言之隐的“去虚数保实数”的快子办法。我们认为存在“光纤连接”的量子关联的隐形传输，可以是“实”的，但其推证这种实际运用的“物质”基础的科学，除开自主知识产权的三旋理论的解答外，还有三分康托尔集合论的分形分维研究。
众所周知，三分康托尔集合的作图是，取一个线段的一段，将它分割为三等分，舍弃中间的一段，余下左右端的两段。如果把它看成弦膜圈说的弦演化，“显”的是继续将余下的两段重复以上步骤时，又得到4个线段，如果一步步地继续下去，其极限的情况就是康托尔集合。按分形自相似公式计算它的维数，可以设康托集合的源多边形长度为1，生成元为长度各为1/3的左右两端弦线。则有D=ln2/ln3=0.6309……。这里用三分康托尔集合论的分形分维，是如何推证说明沈致远先生的量子纠缠超光速量子隐形传态中的虚与实的呢？或说，量子纠缠或量子缠结，与虚实相间的分形的自相似性原理有等价联系的呢？
这里就是要想通那舍弃中间的一段“空缺点”。康托尔集分形的演示，对应的是1维的弦线，也可以对应0维的弦线。三旋在0维的映射，除中性的点外，或是一个阴性的点，或是一种阳性的点。将此抽象放大，如果是一个阴性的点，类似在纸上用针扎一个小孔，放大这种图象，并取这个孔眼的剖面，它类似一条线段舍弃了中间的一段。如果拿来映射对应康托尔集合，即使由中性点组成的物体，这种“空缺点”的时间反演的压缩合成体中，这样的圆锥体辐射分布的点有无穷多个，这正是所有量子纠缠超光速量子隐形传态虚与实路线的秘密。
这里不说1967年，曼德尔布罗特在美国《科学》杂志上发表的“英国的海岸线有多长？”，首创揭开分形的“无中生有”的答案，即海岸线弯弯曲曲的长度的不确定性，与分解到分子、原子的尺度，所测得的实际长度类似天文数字的无穷大，实际体现的是类似超光速反冲量子辐射或喷注信息的隐形传输。这种“虚”的隐形传输的“物质”基础，就联系类似三分康托尔集，被抛弃的中间那段弦线，或那段间断空间的自相似性的反演。也许下面例子比喻得不恰当，但这和来自4个国家的6位科学家说的那种“虚数快子”加“存光速”的解决办法，本质蕴涵掣肘是一样的。这就是人们常说的“心有灵犀一点通”，以及中医针灸操作时人体经络穴位的隐形传输效应的两个例子。
即类似当“此时”的谈话。或触景生情的实路线，接通了“彼时”类似康托尔集中被抛弃的间断空间的自相似性反演路线，或许就心有灵犀一点通了。这里，彼时先前的三分康托尔集的基础“长度”的弦线，实际决定了这种超光速隐形传输的谱线或频谱。这种无穷多个分散的点状的类似圆锥体辐射分布的极限情况的康托尔集合，显然是和我们看到的中医针灸操作时，人体经络穴位的隐形传输有相似之处。或者说我们身边的人体经络穴位时间反演分布的生成进化，以及实时的操作，实际是和这种“空缺点”的三分康托尔集的圆锥体辐射分布的时间反演时间的压缩合成体是等价的。而康托尔集各种的源多边形基础弦线，构成的谱线或频谱，也许就包含映射了各个人种、民族、地区、集团、家族、血缘等的谱线或频谱；而且这也许还蕴涵掣肘了人们常说的“心有灵犀一点通”能否产生的部分条件。
参考文献
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