[原创]《世界科学工厂高等数学-物理》绪

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[watermark]《世界科学工厂高等数学-物理》绪
---非线性希格斯粒子数学讨论（8）
林云璀
摘要：在满足工程技术需要的情况下，从微积分学类似韦尔和里奇开创的“量子”学入手，高起点培养创新精神和获取新知识的能力、分析和解决新问题的能力，为什么是世界科学工厂、工业？因为韦尔张量和里奇张量开创研究的“点内空间”技术，能引发开创量子色动化学能和能源量子隐形传输的新能源、新材料，及无化学、无核污染环境的革命性变革。
关键词：韦尔张量 里奇张量 暴涨子 澜源容杯
一、科学不变性与世界科学工业规范
日本著名理论物理学家益川敏英说，理论物理学的主要任务，是阐述应用物理学中发现的新现象及其产生的原因、所需具备的条件等。但在很多证明过程中，由于条件不充分，不容易解释现象背后产生的问题，只有经过漫长等待之后，才会发现最终的结果。
中国科技城要建立世界科学工厂，介绍世界科学工业化，需要海内外华人的支持和质疑。征汉文先生是江苏省社科联的研究员，他对“质量起源”的希格斯场研究就提出了质疑。他说：“具体的质量，属于具体的物质；物理学研究具体的物质，因而总能发现具体质量的起源；但这种属于‘具体’的观点不能上升到‘一般’，若把它上升到一般就会犯错；在一般的意义上，物理学上的质量守恒定律是对的，在这里，不存在‘质量起源’的问题，只有质量在不同物体间转移”。征汉文先生说的也有一定道理。
美国科学家格林在《宇宙的结构》一书中就说：如果是类似希格斯海通过施加“阻力”而速度减少来构成基本粒子的各种实现物质的质量，那么情况又有所不同，质量还有另外的来源。这里讨论的是自然科学，华中科技大学博士生导师薛宇教授把人们爱在手机、电脑等上打的游戏，分类为机械流和策士流，他说，玩机械流砍砍杀杀，使用的是现成的刀具，主要是完成各种过关走卡和任务；玩策士流类似一帮谋士干的智力活，是互相如何互动设计刀子去捅刀子，而不是机械流体力活。薛宇用此对应来说科学，机械流类似的技术流，例如他搞的生物信息蛋白质组与蛋白质共价修饰的研究，就是今天做个新算法，做个新工具，再做个具体分析，在实验室认真执着，也能取胜多多。然而策士流类似的意识流，创新程度比这高、难，这跟打游戏也一样，辛辛苦苦练成的装备，换了打法就都报废了----独立做科研找原理也一样。
受此启发，如果科学类似机械流和策士流“大道至简”，是使用现成模具和找原理制造模具，这不类似工厂、工业的生产吗？于是我们想到了“世界科学工厂”和“世界科学工业化”的概念。因为工厂、工业有各种各样，但第一次工业革命的兴起，背后是从17世纪以来集中开创的力学、热学、电学等近代科学在支撑，所以像工业革命英国早年工人起来砸工厂、捣毁机器，并不能阻挡这种潮流。大道至简，工厂、工业背后的不变性是“科学”，那么科学背后有没有不变性呢？这是从根本上说，世界科学工厂、世界科学工业寻找的科学制高点，我们归结为两个基准点：韦尔张量和里奇张量。
1、两个基准点
1）按彭罗斯的《皇帝新脑》、《时空本性》等书的标准，作统一解释：
韦尔(Weyl)张量：不管平移或圆周运动，效果仍与直线距离、平移运动的作用一样，两个物体只在定域或一维路径的作用点，存在类似的潮汐或量子涨落的引力效应。即对球面客体的拉长或压扁作用，保持体积不变；对应韦尔曲率，如潮汐形变。
里奇（Ricci）张量：不管平移或圆周运动，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向内产生加速类似向心力的收缩或缩并、缩约作用。对应里奇曲率，是在非定域或多维路径存在体积减少的引力效应。
2）打造世界科学工厂、世界科学工业有何意义？
新中国建立以来长期困扰我们的问题是，科学与技术也如工厂、工业有各种各样；牛学、麦学、爱学、薛学、盖学、弦学，继往开来，目前我国已经成为世界上第二科技论文数量发表大国。这也许都只是属于机械流。
北京大学饶毅教授说，作为汉文化支流实现脱亚入欧后的日本，科学上领先中国，2000年之后已有11人获得诺贝尔奖，平均几乎一年一个。总体自1949年以来，日本已有19名诺贝尔奖获得者，其中16名在自然科学领域。但我们看日本，也主要打的是机械流。饶教授也承认，如山中伸弥对多能干细胞的研究，其思路、途径、方法，等等，都有人建立、创造，或者当时也有其他人在做。至于打策士流，饶教授说，在自然科学、也在各个行业，当然要继续鼓励、培养、支持创造性，但也应该强调高度的创造性，可能只是少数人能做好，而认真执着，是大多数人都不难努力就可以做到的。
对于我们这样一个刚刚成为世界上第二科技论文数量发表的大国来说，把韦尔张量和里奇张量问题作为世界科学工厂、世界科学工业制高点探索的一种答案，这是密切关系到给我国的量子色动化学能源、大容量长距离的量子隐形传输的无化学和核污染的新能源、材料、环境工业，争取到与美俄英法等常任理事大国科学竞争的需要。例如超导和激光的首先发现与应用，都在领先的国家取得科学机械流和策士流的优势。
我们是偏向于科学统一的，但我们也并不认为科学就是万能。第一次工业革命的兴起，产生的工人阶级的分化，商品、市场在地球村的流通，凸显了枪杆子里夺政权，再才凸显科学内涵的阴与阳、0与1、正与负、虚与实，反映在人学呈现的分裂与统一。困扰我国的“钱学森之问”，造成也像工业革命早年工人起来砸工厂、捣毁机器一样，我国要求砸毁牛学、麦学、爱学、薛学、盖学、弦学，另起炉灶的人很多，但这类“唱红、打黑、读经”不是面向世界、面向未来的强国之路，也不是强国之道。
2、两个基准点与五个不变性的关系
我们把韦尔张量和里奇张量推崇到世界科学工厂、世界科学工业化的高度，也许除彭罗斯、佩雷尔曼、哈密顿等少数熟悉里奇张量、里奇流高等数学-物理研究的人外，赞同的人很少。对科学的统一，最多人们赞同的也只是“对称性”，即那种在多数操作下具有不变性的自然规律特性所说的对称性。这没有什么，“统一”本身是一种“约定”。 英国唯物主义思想家霍布士（Hobbes，1588—1679）研讨人类为何不能像蚂蚁和蜜蜂那样协作的问题，第一个提出用“社会契约”取代暴力。他说，同蜂房内的蜜蜂不竞争；它们没有求荣欲，而且它们不运用理智批评政府，它们的协和是天然的协和。他深为动荡无序而不安，他认为人类的协和只能是凭依约定，给自己加上约束，其目的在于从我们爱好个人自由和爱好支配旁人因而引起的总体混战里得到自我保全。这很实在。
但这种约定是否合理？当然是靠实践来完成。欧洲工业革命早期，工人把受到压迫和剥削看成是机器、工厂带来的，起来砸工厂、捣毁机器。这很实在，但背后支撑的科学没有砸，资本家还可以造工厂、机器。即使工人阶级夺取了政权，掌握了工厂、机器，对背后支撑的科学不能创新，仍不能完全解放自己和解放全人类。即使像文革实践，学校改用工基、农基课，改说前人的科学原理、定律，是工农兵或靠工农兵供养下发现的；法定唯物辩证法是科学的基本点，但遇到20世纪科学内涵的阴与阳、0与1、正与负的虚与实等实验问题，仍也只能靠砸工厂、捣毁机器类似的“国骂”来支撑。
当然格林也没有像彭罗斯那么强调韦尔张量和里奇张量，他的书《宇宙的结构》连韦尔张量和里奇张量提都没有提。这也许是韦尔张量和里奇张量反映的层次区别。益川敏英说：“科研包含科学与技术两个方面的研究。成功的基础科学研究，就像音乐、美术一样更加容易对人们的生产与生活方式产生影响。未来的时代，需要我们探索社会与宇宙发展的规律性，这些规律可能会影响我们未来十年、二十年甚至是更长时间内的发展”。对称的不变性规律也许就算得上这类影响。
格林说，费曼是用两句话来概括现代科学的基本点的：一、世界是由原子组成的。二、对称性是宇宙规律的基础。原子是球状，当然也是对称的。格林解释所谓的对称性操作，是并不要求保持你的观测不变，而是关心这些支配的定律本身在对称性下是否不变。为此，可以举出五种对称性。前三个就是格林提的。
1）平移对称性或平移不变性可以推导出能量守恒的不变性:平移不变性指一个实验在不同的位置进行，结果应该相同，这在牛学、麦学、爱学、薛学中，都是成立的。
2）转动对称性或转动不变性与平移不变性本是近亲：指不同的空间方向有相同的地位。转动不变性可以推导出动量守恒的不变性。
3）光速不变性是爱因斯坦用一种完全不可预见的方式扩充的对称性：他将光速提升到了不可侵犯的大自然定律层次，提出无论相对于哪个观测者，光速都有确定的大小，绝不会因你或者光源的速度改变而改变。
4）韦尔规范不变性保持电荷守恒的不变性：杨振宁教授说，把韦尔的不可积相性因子等同于电磁学本质的关系，是由于量子力学建立的考虑，在原先韦尔的不可积标量因子式的算度因子中嵌入了一个-i，而使标量因子变为相因子，韦尔的理论就是量子力学中电磁理论。由于嵌入的因子-i，让两个钟分别沿两条不同回路的电流路径回到出发点的实验，这不会影响到钟的快慢，因为它们有不同的相位，但不会有不同的标度，爱因斯坦的异议不复存在。即规范不变性保持了电荷守恒，就像坐标不变性保持能动量守恒那样。
5）杨振宁规范不变性保持引力与电磁等物理规律在某种变换下的不变性：岳东晓教授说，在杨振宁之前人类真正能够写下方程的物理作用只有引力与电磁相互作用。所以杨振宁规范不变性无疑是开创现代世界科学工厂、工业化的一场华人的先驱的深刻革命。所谓世界科学工厂、工业，从牛顿开始，其实就是根据简单的不变性原理，推导物理规律。爱因斯坦从自由下落的电梯里感觉不到地球引力，由此不变性原理导出了引力理论广义相对论，再后发现光线会在引力作用下拐弯，继后推出恒星可能坍缩成黑洞，宇宙会爆炸、膨胀。引力与电磁作用的共同特点是作用距离是无限远，根据爱因斯坦的广义相对论方程以及相应的天文观测，整个宇宙都是充斥着巨高能量的粒子；但是与引力与电磁力不同，粒子之间其它作用是非常短距离的，完全超出了可以直接观测的范围。
杨振宁规范不变性理论出现之前，所有基本物理理论都不过是在盲人摸象而已。
1954年杨-米尔斯规范场的论文里，杨振宁博士给出了所有相互作用的原理，以及对应的精确的数学方程，即规范场理论。规范场理论也是基于物理规律的不变性，就是物理规律应该在某种变换下保持不变。如不变性原理推出了相对论以及动量能量守恒等基本规律，当杨振宁把这种不变性扩展到基本粒子的量子理论，要使理论保持不变，就必须存在对应的相互作用。这就是所谓规范场。例如有两种粒子，那么它们之间的变化可以用一个2x2的复数矩阵描述：如果物理规律要在这种类型的局域变换下保持一致，则不能光有这两个粒子，还必须加一个相互作用。
从本来没有考虑相互作用的自由粒子方程开始，一旦考虑规范不变原理，就必须要求粒子之间有相互作用。杨振宁的2x2矩阵方程导致的理论称为SU(2)规范场。强相互作用的理论是杨振宁理论的简单与直接推广，夸克之间的强相互作用，是一种SU（3）的、精确的杨-米尔斯规范场（SU（3）对应3x3的复数矩阵。这里的3代表的是一类夸克的三种颜色，强相互作用由夸克之间交换所谓的胶子来完成。
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