陈绍光先生研究工作的历程及主要成果——评介

陈其良 汪斌

(1.智点科技有限公司,广东深圳 518052;2.深圳大学,广东深圳 518052)

陈绍光先生研究工作的历程及主要成果
——评介

陈其良1汪斌2

(1.智点科技有限公司,广东深圳 518052;2.深圳大学,广东深圳 518052)

文章介绍了物理学家陈绍光先生在理论物理,特别是在引力理论、量子场论方面的研究成果。陈先生提出了单向光速测量的方案,用多普勒效应的测量结果直接得出相对论的罗仑兹变换,多普勒效应的测量结果推导出测不准关系和普朗克常数。陈绍光先生提出在传统意义上的“四维时空”上再增加“旋间维”,构成“空间—时间—旋间”的“五维时空”。在五维时空中研究物质的基本运动形态,将四维的测不准关系和四维动量能量守恒定律推广提升成为具体化的四个五维的基本方程,在更高层次的上描述了实物与场、电磁场与引力场、电荷、自旋、静止质量等物质的运动形态,从四个五维方程可推导出Klein-Gorden方程、Maxwell方程以及Lorentz力的公式。

理论物理 引力学 量子力学 相对论量子力学 量子场论

陈绍光先生1936年12月出生于江西省宜春市,1959年毕业于北京大学地球物理系。1979年至1991年,陈绍光先生在清华大学物理系做客座研究,以实验的方法研究了“光速及其各向同性”、“磁场起源”等课题。在清华十四年,除了作实验外,有充分的时间,无拘无束在理论物理学的各个领域进行了详细的探索和研究。为他的研究工作打下了坚实的基础。

1 “新引力公式”的形成(1989.12-2003.9)

陈先生以全新的视角、以QFT(量子场论)为基点,研究真空极化效应,通过类比Casimir(卡西米尔)力,导出了真空虚中微子压力作用下两个物体间的类Casimir力即新引力:

新引力公式与牛顿万有引力公式“形似”,而本质不同,本质的差别在于:牛顿公式中的质量m和M是彼此独立的不可变化的参量;而在新引力公式中质量m和M则是彼此间有相互影响的可变化量。

陈先生的研究成果相继发表在国内外学术期刊上。1997年陈先生从江西省科学院退休后,随儿子定居深圳。在清华大学做客座研究时他的学生陈其良先生热情鼓励和大力支持下,将以前研究的成果进行梳理和总结,并以专著“引力的起源和引力红移——谁引爆了宇宙”出版面世(四川科技出版社,2004年3月)。

2 “新引力公式”的完善(2003.9-2006.3)

1989年陈先生在研究量子场论和引力的关系时,从真空极化效应的质量重整化出发,分析Dirac粒子的碰撞过程推导出了质量可变的牛顿定律,得出了引力具有屏蔽效应从而不可线性叠加的结论,由此解释了第五种力和引力异常等众多实验结果,以题为“真空极化影响引力吗”发表在意大利著名杂志IL NUOVO CIMENTO 104B卷 611-619页。1990年陈先生接着推导出了类Casimir力的新引力公式fQFT和广义相对论的等效原理与度规方程,使爱因斯坦方程可精确求解。质量可变的新引力公式成了QFT和GR(广义相对论)的一个交汇点。1990年英国科学家Bondi从GR也得出质量可变的结论。

2005年陈先生从GR质量可变和力是动量的变化率的定义:

得出了跟GR可相互推导出,从而完全等效于GR的新引力公式fGR:

以上fQFT和fGR两公式中压力常数和引力常数G,若都取实验值,则=G。由此这给新引力公式划上了完美的句号。

新引力公式极大地丰富和发展了物理学,这一崭新的理论,不但符合诸多的物理实验结果,还能解释一些过去不能解释(或不能很好解释)的物理现象。在两论汇合(量子场论和相对论),四力统一(强作用力、弱作用力、电磁力和引力)等重大物理学的领域有所突破。对此,2012年我们在中国科技纵横127期发表了题为“陈绍光引力公式产生及其特点”的论文进行介绍。

3 新引力公式的升华(2006.3-2009) ——测量时空和自然力学方程

2006年以来,陈先生的研究工作又有了新的进展,2008年在第三十七届世界空间科学大会上(加拿大蒙特利尔市),陈先生发表了五篇论文,指出了由Doppler效应测量的结果,可推导出罗伦兹变换的“钟慢”和“尺缩”效应。从而狭义相对论有了坚实的实验基础,使相对论摆脱了是在‘假设’基础上的推论这一阴影。2010年在第三十八届世界空间科学大会上,陈先生又发表了四篇论文,指出了由Doppler效应测量的结果,可推导出测不准关系和普朗克常数。进一步使量子力学、相对论量子力学和量子场论摆脱了完全建立在‘假设’的基础之上。

陈先生还在1996年从实验物理的角度,分析了一百多年来的诸多实验,指出:通过两光束(或微波)的精密比较中基于光程差到相位差的实验测量结果,例如作为相对论实验基础的Michelson型式的干涉法、拍频法等等实验,都是无效的。因为Michelson实验是基于两个相互矛盾的前提:“光波长和光频率均各向同性”但“光波长与光频率之乘积的光速却各向异性”。由此,提出了检验空间各向同性的新方法,1997年主持完成了国家科学基金项目“双速光速各向同性的测量”,精度达到了1*10-18,至今仍是世界最高精度。新的检验方法和测量结果的两篇论文分别于1996年和1997年发表在北京大学学报(自然科学版)32卷第5期和33卷第五期且均为SA收录。

由此可见,陈先生具有深厚的实验物理的背景和功底。他研究理论时总是从实验结果出发,推出结论时总是想到如何用实验和观测进行检验,重点是考虑怎样测量出结果来与理论推论进行对比,这是他早年在计量部门长期工作所形成的研究习惯。所以,陈先生的公式简单、明确,完全可以操作。

理论物理学界早有共识,即牛顿力学中(伽利略时空)的绝对同时性是先验的、不可测量的。爱因斯坦企图用可测量的相对同时性来取代绝对同时性,用相对时空取代绝对时空。但相对论中用罗仑兹时空定义光速,则会形成自我循环,因此爱因斯坦的光速不变原理中的光速,只能在伽利略时空中定义与测量,使得相对论内含有罗仑兹时空和伽利略时空这两套互不相容的时空。这是相对论无法克服的缺陷,也是相对论被争议达一个世纪的根源。伽利略时空中也存在一个天生的缺陷:绝对同时定义中光速(信号传递速度)为无限大值,与光速在伽利略时空中实测为有限值之间存在的原则性矛盾。因此,牛顿力学与相对论都有缺陷,绝对时空与相对时空均需改进。

时空应该建立在可测量的体系内,单向光速就是长度和时间最基本的测量手段。科学发展要求建立绝对可测量的单向光速的迫切性,陈先生适时提出了用现代技术手段测单向光速的方法。

从可测量的单向光速加上长度、时间等国际单位的定义(公认的),这一体系在传统意义上就是“可以测量”的时空,不妨称之为“测量时空”。

从物理含义来讲,测量时空与罗仑兹时空和伽利略—牛顿时空既有共同的国际单位的定义为基础,而又有所差异。在测量时空中光速为测量所得,且为有限值。使牛顿力学中相互作用力的传递速度为无限大和超距作用的理论,变成了作用力传递速度为有限值从而是非超距作用的理论,由此使牛顿力学被广义化了！随即发生了突变:通过Doppler效应的测量结果,能够推导出罗仑兹变换和测不准关系,顺理成章,使得狭义相对论,量子力学及量子场论都与测量时空建立起了直接的关系。

前面叙述的新引力公式的出现看似偶然,实为必然,它是以实验为基础,在测量时空的体系内,贯串了狭义相对论、量子力学、量子场论、广义相对论和牛顿力学。使新引力公式有了更广泛和更深刻的涵义。据此,将fQFT和fGR两个等效的新引力公式称为“自然力学方程”更为贴切。

自然力学方程可以理解为:是被广义化的牛顿力学,也是建立在测量基础上的爱因斯坦方程的简约化表述。

自然力学方程是既适用于低速,又适用于高速;适用于连续场,又适用于非连续场;适用于宏观物体,又适用于微观粒子的普适性运动规律的科学。它完全继承了经典物理(牛顿力学和电动力学)和现代物理(量子论和相对论)的科学成果,又以实验物理为基础(测量时空)将它们贯串起来,实现认识论上的提升。

从引力就是弱作用的类Casimir压力,引力理论被纳入弱-电统一理论;广义相对论的引力方程(非线性的爱因斯坦方程),可以由类

Casimir压力的新引力公式取代而简化;物理学中许多过去不能解释的实验和观测结果可以得到解释,许多长期争论的悬疑可以得到答案。物理学的研究将展现出新的方向和广阔的前景。

陈先生出版第二部专著(英文版)-----“没有假设的相对论和量子力学以及引力作用的起源”(四川科技出版社,2010年1月)。该书系统地论述新引力公式的形成及发展,测量时空及自然力学方程等新颖观点和结论。书中除回答了引力作用的起源和量子场论虚粒子的起源等根本性问题之外,还详细分析了引力的速度依赖和引力的屏蔽效应。具体涉及到引力致正负电荷分离与天体磁场的起源、引力作用下能量不守恒和时间箭头、引力波、先峰号飞船的反常加速度、GP-B进动、中微子振荡、虚光子和虚中微子的数密度、黑洞、‘暗物质’与‘暗能量’以及众多有关引力异常的实验和观测结果。最后还将新引力公式应用到星系和总星系,得出了一个天外有天的局域化自动稳定的宇宙模型。可以预计这部专著对理论物理和认识论的发展将做出积极的贡献,也将对后世产生深远的影响。

4 跨越现代物理与经典物理之间的鸿沟

从2006年以来,陈先生一方面是在世界空间科学大会上发表论文,阐述新引力公式在空间科学方面的应用;另一方面在“中国科技纵横”期刊上发表他多年来实验研究和理论探索的成果。

4.1 在“中国科技纵横”发表论文

从2010年开始陈先生以“中国科技纵横”为阵地,连续发表十篇论文。其中最有标志性的文章当推“跨越现代物现与经典物现之间的鸿沟”。这篇文章可以说具有划时代的意义,文章分析了众所周知的现代物理与经典物理之间所存在的鸿沟的产生与演变,提出跨越鸿沟桥梁的三个桥墩:——单向光速可测,实验测量得出光速值有限和各向同性;多普勒效应直接测量结果推导出洛伦兹变换;多普勒效应直接测量结果推导出测不准原理。桥梁即是新引力公式(自然力学方程)。这里的三个桥墩把狭义相对论和量子力学的基本原理直接与牛顿力学的多普勒效应贯通,新引力公式把广义相对论和量子场论与牛顿力学贯通,使得牛顿力学就与现代物理实现了全面接轨。可以简单理解成:牛顿力学因注入新的概念而被广义化了;新引力公式用物理学上的可变质量的不可线性叠加,取代了爱因斯坦方程数学形式上的非线性性,成为广义相对论的新版本。

这篇文章应该认为是完满解答了物理学百年以来的悬案,理顺了物理学发展史上的障碍。承前启后,必将推动继往开来,这篇文章的深远影响,将被时间所证明。

在“中国科技纵横”期刊上还发表一篇陈先生等人早年从事实验物理的报告,及近年对某些实验的争鸣,体现了陈先生对科学的严谨风格和深厚的功底。

此外的论文也都精彩纷呈:例如:相对论与牛顿力学能混合运用吗？量子场论的水星近日点的进动,引力能统一到弱作用中吗？物理学的时空是描述物质运动的工具,等等。尤其是论文“用广义化牛顿力学处理磁偏转问题”,解 决了狭义相对论与电子 迴旋加速器和同步辐射光源加速器的实验结果严重不相符的问题(例如上海同步辐射光源用相对论理论计算值偏离实验结果达35倍)。

4.2 参加世界空间科学大会

世界空间科学大会每两年召开一次,陈先生连续参加了五届,即:2006年第36届(北京)、2008年第37届(加拿大蒙特利尔)、2010年第38届(德国不来梅)、2012年第39届(印度曼菲尔)、2014年第40届(俄罗斯莫斯科),共发表论文23篇,在36、37届陈先生还出席作了口头宣讲。陈先生的论文涉及许多重大的课题,例如:预言引力探测器B(GP-B)是负结果,并且后来得到证实;提出单向光速测量的方案;用多普勒效应的测量结果直接得出相对论的罗仑兹变换;多普勒效应的测量结果推导出测不准关系和普朗克常数;天体基本电场和基本磁场的由来;量子纠缠态的由来;太阳風和太阳黑子起源于木星运行到太阳与银河系中心的连线上;途中引力红移所导致的哈勃常数,其计标值与最新观测值相符;引力波是偶极辐射;先峰号飞船非模型反常加速度的解释;引力违反线性叠加原理而导致观测到的‘暗物质’和‘暗能量’现象;等等。尤其是今年被大会接受发表的9篇论文中,有3篇是曾中文发表的 “量子旋进论”即‘非点’模型的五维量子场论的英文简介。分别是:“光子、静质量量子和电荷量子都是由中微子形成的吗？ ”;“引力常数似依赖于星系的绝对速度”;“从‘非点’模型的量子场导出的微波背景辐射和基本粒子的结构”。陈先生的论文越来越受到重视,论文均为历届文集刊载,并被美国宇航局(NASA)文库所收藏。

5 五十年前推出的理论——“量子旋进论”至今仍散发光彩

1964年陈先生著的“量子旋进论”原文2011年发表在中国科技纵横131期192-210页,简介如下:

5.1 “量子旋进论”的基本时空模式和运动方程

量子旋进论认为量子不是一个线性运动的“点”粒子,而是“非点”粒子,同时存在“旋进”:左旋进、左旋退、右旋进、右旋退这四种状态,在传统意义上的“四维时空”上再增加“旋间维”,构成“空间—时间—旋间”的“五维时空”。四种“旋进量子”其实就是最低能态的左旋和右旋中微子,在空间量子化的i、 j、k任一方向只能有前进或后退这两种状态。五维坐标为:

在五维时空中研究物质的基本运动形态,将四维的测不准关系和四维动量能量守恒定律推广提升成为具体化的四个五维的基本方程。从而在更高层次的上描述了实物与场、电磁场与引力场、电荷、自旋、静止质量等物质的运动形态。并且从四个五维方程可推导出Klein-Gorden方程、Maxwell方程以及Lorentz力的公式。当然量子力学、相对论量子力学、量子场论的基本方程都包含在上述四个五维方程之内。特别要强调指出的是:从五维方程得出的Lorentz力f是旋进量子之间的磁性力,当距离r=0时f=0。意味着量子场论的发散困难被彻底地消除了,这也正是‘非点’模型的量子场论应该有必然结果。

5.2 “量子旋进论”的主要应用

用量子旋进论的运动方程既可以解决微观的基本粒子的静质量分布、反常磁矩的来源、核结构、核力等问题,也可以解决宏观的基本地磁、地电场起源等问题。它详细的描述了旋进量子的诸种形态及相互作用,并用于解释光量子、静质量量子、电荷量子的运动形态及基本粒子的构造;解释了中微子和反中微子、正电子和电子、质子和反质子、中子和反中子、超子及反超子,共约20种基本粒子的相关数值和运动形态,并考核了理论值与实验数据的关联情况。

5.3 实验结果支持“量子旋进论”

“量子旋进论”推导出四大常数,与实验值极其接近:

万有引力常数G=6．6694 *10-8C．G．S．;

电磁作用学数α=1/136．9;

弱作用力常数β=1．010756 * 10-5;

强作用力常数=15．8943。

“量子旋进论”还有效的解释了一些重大实验结果,例如:奇异粒子和奇异数守恒的本质等。

5.4 “量子旋进论”提出了许多重要的科学探索

最值得引起重视的应该是:提出比核能更为巨大的能源——基本粒子分裂产生“旋进能”,这种能量不但比核能大得多,而且具有高效的直接产生电磁能和光能的独特优势;有理由期待“量子旋进论”能解决超导问题;能解释生物生长的趋磁性和负电场有助于作物生长等的作用机制问题,新机理的应用能促进农作物高产;在宏观研究方面对天体物理和宇宙研究提供有力的理论指导,对天体研究提供新的方向和思维。人类认识客观世界是不断深化的。“量子旋进论”无疑的是更好的反映了,哪怕是部分地更好的反映了客观存在的物质本来面目和运动规律。目前,“量子旋进论”在理论模型的描述和方程式的表达方面较为详尽,但许多基础的实验和理论探讨的深入展开,还有许多工作可做。

五十年过去了,反观之,令人惊叹！在理论物理的前沿,“量子旋进论”以其系统性、新颖性、独创性和完美性不断散发出耀眼的光芒。一种新理论出现就解决了前有理论和实验中不能解决的困难,多达几十件之多,这在科学史上实属罕见;新理论提出了新的科学的预见,给学界以新的启示和方向。

陈先生50年前对电荷、质量、光等物质基本形态就有独创的见解,对当时的流行理论超前了很多,直至现在才被学界接收是不足为怪的。陈先生由单向光速可测,洛伦兹变换和测不准关系都来自于多普勒效应出发,以新引力公式将狭义相对论、量子力学、广义相对论和量子场论都与牛顿力学相贯通;再由实验物理学的时空可测量性,提出测量时空的概念,升华了对物质间相互作用的认识,又发表了许多论文解决了现有理论不能解决的实际问题。量子旋进的五维时空概念,才逐步得到学界认可。

陈先生认为:他只开了个头,希望后继有人! 有许多命题还需进一步探讨。我们认为:“量子旋进论”五十年过去了,从现在的角度来看,重新命名为“旋进量子场论”似乎更为贴切,也反映了量子场论的新进展。