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王令隽:粒子物理标准模型批判 

2017-04-20 20:10:38
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以标准模型为代表的粒子物理理论至少存在以下一些根本的结构性问题:

  1) 无穷大发散问题。这是一个困扰量子场论几十年的老问题。在量子电动力学中,算是以重整化的办法勉强“解决”了。但是谁都知道这个办法是存在根本问题的。怎么可以从一个无穷大中减去一个无穷大来得到一个有穷大的结果和实验比较呢?经典的拉格朗日函数在经典力学和经典量子力学里面工作得蛮好的,为什么到了量子场论里面就不干活,就不可测量,就无穷大发散呢?粒子的质量是以非常精确的实验测量的,在经典物理里面和量子力学里面用的都是经典质量,量子场论的拉格朗日函数也是用经典质量写出来的,结果得到相对论无穷大发散的结果,这不证明这个理论根本就是错的吗?奇怪的是,理论家们不去查找理论本身的错误(其实很简单,就是把相对论引进量子力学和二次量子化),反而怪罪经典质量。于是将质量“重新定义”,把无穷大“定义”掉。这样的操作有道理吗?这种通过“重新定义”将无穷大定义掉的操作根本就不能称为数学操作,因为数学家根本就不能将无穷大定义为零。所以理论家们为这种莫名其妙的操作取了一个听起来正当的名词“重整化”。当时哥本哈根学界流行着一句话:“仅仅因为它是无穷大并不意味着它等于零。”(Just because something is infinite does not mean it is zero!)如果经典的质量不是真正的质量,您为什么不可以一开始就用“物理上真实的”质量,而一定要拐一个无穷大的弯,从一个 “物理上不真实”的经典的发散的质量开始您的理论,再煞有介事地“重新定义”一下,“重整化”一下,才能得到有穷的质量呢?这种蛮不讲理的操作被有的物理学家讽刺为“将垃圾藏到地毯下面”。 仅仅因为对反常磁矩和蓝姆移动的计算结果符合实验数据,根本不足以建立我们对于重整化操作的信心。可是重整化却被确立为量子场论的标准操作程序。即使这样,也不是所有的系统都是可重整化的。电子磁矩计算中的“泡利项”就不能重整化。引力场就没有办法重整化。

  2) 夸克禁闭和电荷量子化问题。在夸克模型里面,解决无穷大发散的办法是夸克禁闭。只有两个或者三个不同的夸克组合在一起时才可以使正负无穷大互相抵消。所以标准模型宣称单独的夸克是不可以测量的。从认识论的角度审视,如果一个物理量原理上不可以被观测,我们如何知道它的存在?那夸克和夸克模型岂不只是理论家的想象?夸克模型要求三分之一和三分之二的电荷,可是我们从来没有测量到分数电荷。这又是标准模型禁止夸克单独出现的另一个理由。根据夸克模型发展出来的量子电动力学(QCD)预言质子会衰变,可是预言的衰变寿命与实际观测的差好多个数量级。

  3) 自发对称破缺机制。规范对称性不允许任何粒子带有质量,这本身就说明规范协变性违背铁的物理事实。理论家们宁可选择不允许粒子带有质量,也要顾全规范协变性,充分说明了主流物理学界的反科学实证主义思潮。为了使粒子获得质量,于是希格斯等人发明了所谓“自发对称破缺”机制和上帝粒子,来使粒子们获得质量。那世界到底本质上是对称的,还是不对称的?这种以对称假定始,以对称破缺终的逻辑矛盾不正说明把对称性和协变性当作建立理论的基本原理是一个系统性的逻辑悖论吗?如果所有基本粒子的质量都需要通过上帝粒子来获得,那上帝粒子自己的质量从何而来呢?这岂不是数学化的创世纪?

  自上世纪80年代以来,全世界不知花了多少亿美元探测上帝粒子,目的就是为了拯救标准模型。欧洲核子研究中心的正负电子对撞机(LEP)在1990年至2000年寻找上帝粒子,未能找到。美国费米实验室的 Tevatron 于 1995 年至2011年曾经认真地寻找上帝粒子,也没有找到。按道理,这些结果至少应该和LHC 2013年的结果具有同等的统计权重。可是粒子物理学界的规矩是,凡是否定的结果都被认为是失败,只有肯定的结果才被认为是成功,才有可能获诺贝尔奖。如果这次LHC寻找上帝粒子的结果是否定的, 同样会被认为是失败,直到得到肯定的或近似肯定的结果才肯罢休。这种选择性的“实验检验”其实不过是“实验拥护”。选择性的实验拥护不仅不能独立检验理论的正确性,反而被用来为错误的理论保驾护航,误导科学发展的方向。其实,就连LHC实验组自己都没有把握说他们已经找到了上帝粒子,希格斯机制居然就获得了诺贝尔奖。这说明诺贝尔奖已经无法坚持严格的学术标准了。

  4) 共振态问题。粒子动物园的两个明显特征,一是数量多,一是寿命短。这么多的粒子,怎么可能都是基本粒子?在原子物理和核物理中,人们能够检测到的粒子本来数量不多。除了电子和质子以外,还有几个不太稳定的粒子(中子,介子)。可是现在的“基本粒子”数目已经高达几百个,比原来的粒子数高出几十倍,而且还有继续增加的趋势。原因就是,大多数所谓的粒子都是“共振态”,也就是散射截面能谱曲线上的峰值。有些仅仅是非常小的隆起。这些共振态“粒子”都没法直接观测。将共振态当作粒子的唯一根据是相对论的质能关系式。这是一个既没有经过宏观实验验证,也没有微观实验验证的关系式。关于这点我在《论质能关系》中有详细的分析。质量和能量根本就是完全不同的两个物理量,连量纲都不一样。能量和质量有关,但不能互相转化。将共振态当作粒子,是比黑洞理论还大的漏洞,因为整个粒子物理差不多就是为这些共振态编排现代版的河图洛书的事业。即使经过这样的编排,标准模型里的基本粒子数还是多达62个(包括上帝粒子)。这还不算超对称理论给粒子产量翻番的成果。夸克到底有多少家族,也还没有定数。这些共振态的共同特点是寿命极短。上帝粒子的寿命不过10的负22次方秒。如此短暂的寿命,怎么可能是基本粒子?怎能承担使所有其他粒子获得质量的神圣任务?

  上世纪六十年代,理论物理学界提出夸克模型和层子模型的共同目的,就是希望解决基本粒子不基本的问题,就是试图探索核子内部的结构,将核子和超子看成由一些更基本的元素(比如美国人的夸克或者中国人的层子)所组成。不同模型都忽视了一个根本的问题,就是共振态到底是不是粒子的问题。这个问题在我之前还没有人想到过。现在提出来考虑也不迟。如果这些能谱上的峰值根本就不是粒子,高能物理的漏洞就大了。

  5) 同位旋假定。质子和中子是完全不同的粒子,一个稳定,一个衰变。一个带电,一个不带电。仅仅因为核子的半径大致和电荷无关,就把质子和中子看成是同位旋空间的两个状态是极不合道理的。可是同位旋概念却被标准模型当作一条当然的原理推广。“标准模型”假定存在一个“弱同位旋”等于 1 的“规范玻色子”,其本征态为W0,W+,和W-,并假定光子和 Z 粒子是由 B 粒子和中性的W0粒子的线性组合。把一个质量等于零的光子说成是两个有质量的玻色子的组合,完全违背部分小于整体的科学逻辑。

  6) 太多的自由参数。粒子物理标准模型中的自由参数多达19个:a) 3个规范耦合参数。b) 希格斯机制里的两个参数—质量和汤川耦合系数; c) 6个夸克质量;这里其实还有各种夸克质量为什么会有如此巨大差异的问题。如果夸克的家族(味道)不止三个,参数还要增加。d) 3个轻子质量;如果夸克家族的数目增加,轻子数也得增加。e) 3个混合角和一个CP-不守恒相位因子; f) QCD 的场耦合参数。且不说标准模型的其他基本假定是否成立,单就如此之多的自由参数来衡量,标准模型的可信度也大成问题。费米曾说:“如果给我四个自由参数,我可以把任何实验数据拟合成一头大象。如果给我第五个自由参数,我可以让大象的鼻子来回摆动。”这么多的自由参数使得所谓的“实验证实”毫无意义。这还不足以表达标准模型的自由度。比这更大的自由是随便提出假定的自由,和增加内部维度(量子数)的自由。标准模型中的许多重要假定和各种各样的量子数选择定则都是一些ad hoc measures。

  7) 弱电统一问题。弱电统一标准模型只能处理电磁相互作用和弱相互作用同时存在的情形,可是却无法处理这两种相互作用单独存在的情形。这太奇怪了。按道理,只有单一作用存在的情形更为简单,应该更好处理。只能处理复杂情形却不能处理单一作用的简单情形,能说是真正统一了两种相互作用吗?这正如一种能治百病的灵丹妙药,只有得了一百种病并发的综合症时才有效,如果只生一种病反而无效了,这种灵丹还是妙药吗?

  8) 强相互作用理论预言与实验不符。强相互作用理论是一个高度非线性的理论。尤其是在低能量区,微扰理论根本没法用。差不多所有的高次项都得保留,而且各项系数毫不相关。量子色动力学(QCD)预言的mu介子衰变和质子衰变的半衰期,和实验结果相差好多个数量级。强相互作用理论可以说焦头烂额,理论家们居然还煞有介事地谈论大统一理论甚至最终的万能理论,真是无稽之谈。

  9) 虚光子问题。费曼图中的虚光子概念从量子电动力学一直推广到弱电统一标准模型。在巴巴散射中的两种过程中的一种是“光子交换”,另一种是“正负电子对湮灭”。这两种过程中的虚光子有着完全不同的特性。在光子交换过程中的虚光子为“类空虚光子”,只有动量,没有能量,而且它的质量的平方居然是负数。也就是说。质量是虚数。相反,在正负电子对湮灭过程中的虚光子为“类时虚光子”,只有能量,没有动量,其质量的平方是正数。它们的共同点是:都违背能量守恒定律。在这个微观尺度,经典物理学中最重要的理论被抛弃了。理论家们不须要遵守任何科学规律和定理,享有毫无约束的自由。理论家们说,在这个尺度,不须要遵守物理定律。自由当然是好的。可是我们的自由不能超越大自然的物理规律。

  10) 实验检验的局限性。高能物理唯一的实验手段是以加速器打靶的碰撞实验。将理论计算结果与实验散射截面比较是对理论的唯一实验检验。我们希望从这种比较中得到正确的相互作用哈密顿函数。如果得到了满意的哈密顿函数,就认为理解了这种相互作用,或者说“统一了这种作用”。可是,哈密顿函数和波函数是散射矩阵元的积分函数的一部分,而散射截面是定积分的数值。要想通过定积分数值猜出积分函数的具体形式是不可能的事。正如给定一个物体的体积无法决定物体的形状一样。于是不得不以协变性作为基本原理对哈密顿函数和波函数的形式作出一些限制。相对论协变性和规范协变性的要求其实就是出于这种无奈。这种情形不仅不能说明协变性要求合理,反而说明想通过定积分数值猜出积分函数的具体形式之不合道理。何况,即使强加了协变性假定,仍然无法确定相互作用的具体形式,只是猜想的范围小一些而已。

  另一方面,要想仅凭对碰撞过程的测量了解一种相互作用力是不可能的事。我们了解得最透彻的相互作用力是万有引力和电磁力。即使以我们今天对引力和电磁力的透彻了解,要想设计一系列碰撞实验来得到万有引力定律和电磁相互作用的一系列定律都是不可能的。我们不可能用碰撞实验得到开普勒三定律,库仑定律,安培定律和法拉第电磁感应定律。指望仅凭碰撞实验就能了解核相互作用的秘密,并进而统一所有的相互作用,发现最终的万能理论,只是一种天真的愿望。微观世界的奥秘决不是“某某粒子由某某粒子组成”这样简单朴素的问题。万有引力作用是关于“某某粒子由某某粒子组成”的问题吗?电磁相互作用是关于“某某粒子由某某粒子组成”的问题吗?都不是。核物理世界的秘密也决不会仅仅是“某某粒子由某某粒子组成”这样简单朴素的问题。单凭碰撞实验,要想猜出微观核物理世界的秘密是不可能的。化学是研究“某某粒子由某某粒子组成”的问题的。但是,化学分析的手段能够得到化学反应相互作用(也就是电磁相互作用)的规律吗?


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