沈致遠

統(tǒng)一場論源流及新版本

沈致遠

統(tǒng)一場論；SQS理論；粒子物理；宇宙學(xué)

統(tǒng)一場論通稱萬物之理，自古以來成為人類對大自然奧秘的不懈追求。本文對從老子及古希臘先哲之啟迪直至現(xiàn)代統(tǒng)一場論作一綜述。愛因斯坦是統(tǒng)一場論創(chuàng)始者，不幸以失敗告終。20世紀70年代后，物理學(xué)家在新的基礎(chǔ)上探索統(tǒng)一場論?；诙嗑S空間的弦論從量子論出發(fā)，背景獨立的圈論從廣義相對論出發(fā)，經(jīng)過數(shù)千位物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家四十多年孜孜以求，目標仍遙不可及，是進行反思的時候了。本文作者經(jīng)八年研究，提出統(tǒng)一場論新版本。論文題為《A New Version of Unified Field Theory—Stochastic Quantum Space Theory on Particle Physics and Cosmology》 (統(tǒng)一場論新版本——隨機量子空間理論關(guān)于粒子物理及宇宙學(xué))，論文經(jīng)過同行評審，發(fā)表在《Journal of Modern Physics》, 2013年，第4卷第10期，頁碼：1213-1380。隨機量子空間(SQS)理論基于簡單基本假設(shè)建立起理論框架，得出幾十個與實驗符合的理論結(jié)果，并提出25項預(yù)測以供實驗檢驗。在此基礎(chǔ)上，從廣義相對論真空方程出發(fā)，重新定義其度規(guī)張量將之乘以高斯幾率分布，SQS理論建立起基本方程，對光子和電子的初步分析結(jié)果與實驗符合。

1 先哲至理名言含義深邃

統(tǒng)一場論通稱萬物之理，實際上是現(xiàn)代版萬物之理。愛因斯坦是統(tǒng)一場論創(chuàng)始者(圖1)。

圖1 統(tǒng)一場論創(chuàng)始者愛因斯坦

萬物之理源遠流長，古人從身邊常見的花草蟲魚、飛禽走獸，到放眼望去的藍天白云、日月星辰，這些種類繁多、千變?nèi)f化的宇宙萬物從何而來？萬物之理成為人類探索大自然奧秘的不懈追求。

老子曰：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”他認為萬物之本源是道，道者理也，老子志在探索萬物之理(圖2)。老子曰：“天下萬物生于有，有生于無?！苯詾楹x深邃之至理名言。

圖2 老子哲學(xué)思想對統(tǒng)一場論基本原理有所啟迪

古希臘先哲德謨克里特(Democritus, 約460 BC—370 BC)提出原子說，認為萬物均由不可分割的原子構(gòu)成。畢達哥拉斯(Pythagoras，約580 BC—500 BC)提出“萬物皆數(shù)”，認為萬物均由和諧的數(shù)構(gòu)成。萬物皆數(shù)代有傳人。

這些理論均基于哲學(xué)思辨，先哲之真知灼見對后人有所啟迪。

2 經(jīng)典物理學(xué)的歷次統(tǒng)一

近代物理學(xué)始于伽利略(G. Galilei，1571—1643)，比薩斜塔上兩個輕重不同的球同時落地，宣告實驗物理學(xué)的誕生。開普勒(J. Kepler，1571—1630)仔細分析了第谷 (Tycho Brahe，1546—1601)觀測行星運動所積累的大量數(shù)據(jù)，得出行星運動三定律。牛頓(I. Newton，1642—1727)根據(jù)伽利略在地面所做的力學(xué)實驗和開普勒三定律，總結(jié)出牛頓運動方程，奠定經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)。牛頓力學(xué)是機械運動之大統(tǒng)一。

安培(A. Ampere，1775—1836)、法拉第(M. Faraday，1791—1867) 等人發(fā)現(xiàn)：電動生磁，磁動生電，將電學(xué)與磁學(xué)統(tǒng)一為電磁學(xué)。麥克斯韋(J. Maxwell，1831—1879)集電磁學(xué)之大成，加上一項創(chuàng)見，建立麥克斯韋方程，解出傳播速度為光速的電磁波，證明光是電磁波，將電磁學(xué)與光學(xué)統(tǒng)一，成為經(jīng)典物理學(xué)的重要組成部分。

19世紀末，以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁理論為支柱的經(jīng)典物理學(xué)登峰造極。英國物理學(xué)家開爾文(W. Kelvin，1824—1907)說：“大廈已建成，剩下的只是一些修飾工作。但在物理學(xué)晴朗天空中有兩朵烏云：一是邁克爾孫(A. Michelson)光速實驗結(jié)果與‘以太’說抵觸；二是經(jīng)典黑體輻射理論的紫外發(fā)散與實驗不符?！边@是科學(xué)史上著名的兩朵烏云。曾幾何時，兩朵烏云均化為傾盆大雨，促進20世紀物理學(xué)大發(fā)展。

3 現(xiàn)代物理學(xué)的歷次統(tǒng)一

1900年普朗克(M. Planck，1858—1947)將輻射量子化，消除了紫外發(fā)散，得到與實驗符合的黑體輻射理論，奠定量子論基礎(chǔ)。1913年玻爾(N. Bohr，1885—1962)提出電子量子化軌道理論，解釋了氫原子光譜。海森堡(W. Heisenberg，1901—1976)與薛定諤(E. Schrodinger，1898—1941)分別提出量子力學(xué)基本方程，不僅能解釋所有原子的光譜，并統(tǒng)一描述各種微觀粒子之低速(遠低于光速)運動規(guī)律，是為微觀物理學(xué)第一次大統(tǒng)一。

1905年愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論，解釋了邁克爾孫實驗，否定了“以太”和牛頓的絕對時空。狹義相對論基于光速不變原理及協(xié)變原理，將時間和空間聯(lián)合為時空連續(xù)統(tǒng)，是為時間空間之統(tǒng)一；并導(dǎo)出質(zhì)能相當原理，是為質(zhì)量能量之統(tǒng)一。

1915年愛因斯坦創(chuàng)立廣義相對論，將萬有引力歸結(jié)為時空彎曲，是為物理學(xué)與幾何學(xué)之統(tǒng)一。廣義相對論基于等效原理及協(xié)變原理，具有堅實的理論基礎(chǔ)，經(jīng)過數(shù)百次實驗檢驗，從未發(fā)現(xiàn)一例違反。廣義相對論是宏觀理論之大統(tǒng)一。

19世紀發(fā)現(xiàn)分子，所有分子皆由元素周期表上幾十種原子構(gòu)成。隨后發(fā)現(xiàn)原子由原子核和繞核運動的電子構(gòu)成。粒子加速器的發(fā)明為深入到原子核內(nèi)部提供了工具，發(fā)現(xiàn)原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。物理學(xué)家一度認為，宇宙萬物均由質(zhì)子、中子、電子及光子四種基本粒子構(gòu)成，這是萬物之理非常簡單的方案?？上Ш镁安婚L，隨著加速器能量增加，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)上千種粒子，很難想象這些都是基本粒子，應(yīng)向更深處尋求統(tǒng)一之道。

物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)基本粒子之間存在四種作用力：萬有引力、電磁力、弱力、強力，分別對應(yīng)于引力場(引力子)、電磁場(光子)、弱力場(W、Z粒子)、強力場(膠子)。

1928年，狄拉克(P. A. M. Dirac，1902—1984)創(chuàng)立電子相對論方程，開量子場論先河，是為量子論與狹義相對論之統(tǒng)一。后經(jīng)費因曼(R. Feynman，1918—1988)、格拉肖(S. Glashow)、溫堡格(S. Weinberg)、薩拉姆(M. Salam)、韋爾席克(F. Wilczek)、格羅斯(D. Gross)等人以及數(shù)以千計實驗物理學(xué)家共同努力，建立起量子場論標準模型，將電磁力、弱力、強力以及所有基本粒子納入統(tǒng)一理論框架，是為微觀物理學(xué)第二次大統(tǒng)一。標準模型是非常成功的理論，與許多實驗符合得很好；但不包括萬有引力，稱不上萬物之理。

根據(jù)量子場論，所有基本粒子和相互作用力既是粒子又是場。萬物之理為什么稱為統(tǒng)一場論？打個粗淺的比方：不同粒子各自為政，一盤散沙，統(tǒng)一談何容易；場猶如一池春水，不同的場好比水面激起各種花式漣漪，統(tǒng)一順理成章。

4 歷次統(tǒng)一經(jīng)驗談

物理學(xué)史是不斷統(tǒng)一的歷史。每次統(tǒng)一均加深對自然規(guī)律的理解，并導(dǎo)致相應(yīng)的實際應(yīng)用。機械運動之大統(tǒng)一為機械化鋪路，電學(xué)與磁學(xué)統(tǒng)一為工業(yè)化提供動力，電磁學(xué)與光學(xué)統(tǒng)一為現(xiàn)代通信技術(shù)奠定基礎(chǔ)，質(zhì)量與能量統(tǒng)一導(dǎo)致核能應(yīng)用。實現(xiàn)微觀物理學(xué)第一次大統(tǒng)一之量子力學(xué)促進20世紀技術(shù)突飛猛進，舉凡超導(dǎo)體、半導(dǎo)體、集成電路、計算機、激光等皆源出于此。如無上述這些實際應(yīng)用，人類仍然生活在中世紀。由此可見，物理學(xué)之統(tǒng)一并非紙上談兵。

統(tǒng)一必須洞察現(xiàn)有理論之內(nèi)在矛盾及其癥結(jié)。愛因斯坦開始探索廣義相對論時，苦思不得要領(lǐng)，一天突然想到：電梯因斷纜而加速下落，電梯中的人會感到失去重量。豁然貫通！悟出了等效原理：加速度與引力等效。他認為這是一生中最快樂的事。

統(tǒng)一乃物理學(xué)家畢生不懈之追求。愛因斯坦幼年時看見指南針感到非常好奇：空間中有什么神秘的東西使磁針指向特定方向？愛因斯坦十幾歲時熱衷于思索追光：如能追上光會看見什么？好奇心是驅(qū)動基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展之原動力。愛因斯坦保持其好奇心，終生不懈至死方休。

近代物理學(xué)之明顯趨勢是不斷分化為各種學(xué)科，這是否與物理學(xué)之統(tǒng)一不協(xié)調(diào)？分化是對應(yīng)用物理學(xué)而言，物理學(xué)應(yīng)用于不同領(lǐng)域形成不同學(xué)科。統(tǒng)一是對基礎(chǔ)物理學(xué)而言，越深入下去就越趨于統(tǒng)一。分化與統(tǒng)一相輔相成。

強調(diào)統(tǒng)一是否有提倡還原論之嫌？有兩種還原論：絕對還原論和相對還原論。絕對還原論主張一切科學(xué)之所有規(guī)律皆由基礎(chǔ)科學(xué)唯一決定，這是錯誤的。相對還原論基于兩個原理：①基礎(chǔ)科學(xué)為上層科學(xué)提供基礎(chǔ)，但不能唯一決定上層科學(xué)的所有規(guī)律；②上層科學(xué)具有特殊規(guī)律，但不得違反基礎(chǔ)科學(xué)普適的基本規(guī)律。物理學(xué)為化學(xué)提供基礎(chǔ)：所有化學(xué)作用均由原子之外層電子運動規(guī)律決定，即為第一原理在起作用。化學(xué)之特殊規(guī)律不能違反普適的能量守恒定律，即為第二原理在起作用。相對還原論具有更深刻的涵義：歸根到底萬物同源，盡管上層科學(xué)特殊規(guī)律各異，萬變不離其宗，自然界固有之隨機性為上層科學(xué)特殊規(guī)律提供基礎(chǔ)。美國因不懂還原論吃過大虧。早在20世紀80年代美國就籌建超導(dǎo)超級對撞器(SSC)，其設(shè)計能量遠超過歐洲聯(lián)合核子中心大型強子對撞器。這對保持美國科學(xué)盟主地位至關(guān)重要，不料國會于1993 年10月召開聽證會討論撤銷此項目。以堅決反對還原論著稱的諾貝爾物理學(xué)獎獲得者安德孫(P. Anderson)向國會議員作證說：“加速器沒有實用價值，撤銷可節(jié)省大量經(jīng)費用于實用性研究。”此言正中意在節(jié)省開支的議員們下懷，決議撤銷SSC。這是美國失去科學(xué)盟主地位決定性一著，就事論理，不懂還原論之過也。

5 愛因斯坦探索統(tǒng)一場論

廣義相對論與量子場論是現(xiàn)代物理學(xué)兩大支柱，但兩大支柱不相容。統(tǒng)一場論必須從根本上消除兩大支柱之不相容，才能實現(xiàn)物理學(xué)之大統(tǒng)一。

愛因斯坦完成廣義相對論后，在此基礎(chǔ)上探索統(tǒng)一場論，提出過許多版本。1929年他提出一個新版本，那時愛因斯坦聲譽如日中天，消息透露后媒體大肆渲染?！都~約時報》頭版聳人聽聞的標題：“愛因斯坦將所有物理學(xué)歸結(jié)為一個定律?！?《時代》雜志進行專訪，以他的相片作為封面。其他報刊紛紛跟進，對愛因斯坦的崇拜達到宗教狂熱。具有“上帝之鞭”雅號的29歲青年物理學(xué)家泡利(W. Pauli，1900—1958)敢于挑戰(zhàn)權(quán)威，他對愛因斯坦說：“你這個理論是純數(shù)學(xué)的，與物理現(xiàn)實無關(guān)。在一年內(nèi)你會放棄?！惫徊坏揭荒陳垡蛩固咕头艞壛诉@個新版本。他又提出兩個更新的版本，均以失敗告終。愛因斯坦終于公開認錯，他對泡利說：“到底還是你對，你這個小淘氣！”那時泡利尚未得諾貝爾獎，在這位年輕后輩面前坦然認錯，體現(xiàn)出虛懷若谷的大師風(fēng)范。

愛因斯坦探索統(tǒng)一場論屢敗屢試，矢志不渝。1955年臨終前，他躺在病床上還寫下12頁方程式，瞑目前寫出最后一行！行文至此，心潮洶涌不能自已，套用老杜詩句遙寄哀思：“統(tǒng)一未成身先死，常使后人淚滿襟。”

愛因斯坦是統(tǒng)一場論創(chuàng)始者，披荊斬棘開辟草萊，功不可沒，后繼有人。

6 群雄競逐，鹿死誰手？

20世紀70年代量子論標準模型建成后，統(tǒng)一場論成為物理學(xué)家下一個目標。統(tǒng)一場論通稱萬物之理，此乃科學(xué)家夢寐以求之千秋偉業(yè)，引來群雄競逐，且看鹿死誰手。

探索統(tǒng)一場論者分為兩派：以弦論為首的多數(shù)派從量子論出發(fā)；以圈論為首的少數(shù)派從廣義相對論出發(fā)。

1970年前后，韋內(nèi)齊亞諾(G. Veneziano)和南部陽一郎發(fā)現(xiàn)原子核內(nèi)有類似弦的東西，試圖以此建立強作用理論，但存在反常問題，加以強作用理論量子色動力學(xué)后來居上，弦論一度銷聲匿跡。1984年施瓦茲(J. Schwarz)、格林(M. Green)解決了反常問題。普林斯頓高等研究所的威騰(E. Witten)及同行們看到苗頭，爭先恐后撰寫論文。弦論從冷門一躍而為顯學(xué)，是為弦論第一次革命。

弦論者主張萬物皆弦。弦代表基本粒子，弦上振動模式?jīng)Q定粒子質(zhì)量。各種弦相互轉(zhuǎn)化代表相互作用。

弦論基于多維空間。最初基于25維空間的弦論只有玻色子，僅占基本粒子半壁江山。費米子是后來雷蒙特(P. Ramond)根據(jù)超對稱理論添加的，空間維度相應(yīng)從25維減為9維，弦論又稱超弦論。

弦論成為顯學(xué)后，吸引大批理論物理學(xué)家全力投入研究，發(fā)展出五種互不相容的理論，這顯然不符合統(tǒng)一場論要求。1995年威騰提出，如將空間維度從9維擴展為10維，有可能將這5種理論統(tǒng)一為M理論。一時間群情振奮、躍躍欲試，是為弦論第二次革命。

弦論在威騰率領(lǐng)下，擁有千員猛將，發(fā)表萬篇論文，歷經(jīng)兩次革命，領(lǐng)萬物之理一代風(fēng)騷。

弦論在美國形成獨霸局面，有關(guān)理論物理學(xué)家如不做弦論很難獲得研究經(jīng)費，更難獲得終身職位。有些弦論者恃寵而驕，放言高論：“弦論是鎮(zhèn)上唯一的游戲?！薄跋艺撊缬辛磉x還是弦論?！?/p>

弦論二次革命迄今已19年，弦論者翹首企盼的M理論仍付闕如。歐洲聯(lián)合核子中心大型強子對撞器(LHC)運行兩年多來，并未發(fā)現(xiàn)弦論所寄身之多維空間，也未找到超對稱論預(yù)言的任何粒子。更有甚者，超對稱論者寄予厚望的B介子反常行為已被LHC實驗所否定。這和弦論有什么關(guān)系？生死攸關(guān)！超對稱論錯了，弦論就失去半壁江山，剩下的半壁江山也難保。威騰的導(dǎo)師諾貝爾物理學(xué)獎獲得者格羅斯原先支持弦論，轉(zhuǎn)而批評弦論：“我們不知道自己在說什么?！?/p>

物理學(xué)是實證科學(xué)，實驗不認可的理論只是鏡花水月。弦論者心知大事不妙，找借口作下臺階。2011年霍金(S. Hawking)與弦論者莫洛丁諾(L. Mlodinow)合著《偉大的設(shè)計》(The Grand Design)，此書專為弦論找借口作下臺階。作者提出“模型”說，主張在某一特定范圍適用的模型就是現(xiàn)實。以投影地圖為例辯解說：球形的地貌投影到一張平面地圖上有失真，但幾張平面投影地圖湊合起來就能反映真實地貌。言外之意：找不到M理論就算了，有那五種互不相容的理論湊合著吧。難道這就是你們心目中的萬物之理？

弦論者還有更絕的借口：“萬物之理不存在?！彼崞咸焉杏凶兲饡r，不存在者上帝也無覓處。絕則絕矣，欲蓋彌彰。

弦論由盛變衰癥結(jié)何在？依我看，弦論者第一步就走錯了方向，走得越遠其錯更甚。弦論者堅持多維空間，現(xiàn)實空間只有左右前后上下三維，多余空間在哪里？弦論者說，多余空間卷曲收縮為微小的拓撲結(jié)構(gòu)隱藏起來了。這下可捅了馬蜂窩！各種不同的拓撲結(jié)構(gòu)共有一萬億億……億億(共62個億)之多！這么多拓撲結(jié)構(gòu)各具有不同的理論及其預(yù)測。弦論既無與實驗符合的理論結(jié)果，也提不出預(yù)測，是因為有太多不同的理論及預(yù)測，令人無所適從。

弦論方向錯誤早有預(yù)兆。愛因斯坦說：“更簡單的理論，涵蓋更多不同的內(nèi)容，具有更廣闊的應(yīng)用，這才是更令人信服的理論?！贝四酥晾砻裕艺撜叻雌涞蓝兄?。弦論所用數(shù)學(xué)非常復(fù)雜艱深。我問一位愛丁堡大學(xué)資深粒子物理學(xué)家：“你是否研究弦論？”回答：“數(shù)學(xué)太艱深，不敢碰?！倍嗑S空間中的弦已很復(fù)雜，弦論二次革命后又增加了更復(fù)雜的膜(brane)，自由度隨之大增，可想象出千奇百怪的物理意義。試舉一例，年前一位弦論者發(fā)表論文說：“弦論允許微型黑洞相互糾纏，據(jù)此可解釋物理學(xué)家無法解釋的玻璃基本理論?！币晃徊Ａ＜一貞?yīng)：“我們寧可用分子原子解釋玻璃理論，不需要微型黑洞。”論文接著說：“微型黑洞理論可通過實驗驗證，但不能在我們這個宇宙，要到另外的宇宙中去驗證。”匪夷所思！如弦論者聽取愛因斯坦的忠告，不至于落到今日之困境。

弦論并非一無是處，至少有兩點值得探索統(tǒng)一場論者借鑒：一是基本粒子模型以弦代點，可避免量子論標準模型出現(xiàn)無窮大所導(dǎo)致的發(fā)散困難；二是以弦上振動模式作為基本粒子質(zhì)量之機制，比希格斯(Higgs)機制更深刻。

從廣義相對論出發(fā)的圈論全稱是圈量子引力論，1986年由阿許特卡(A. Ashtekar)創(chuàng)立。從事圈論研究者有數(shù)百人，成為弦論之主要競爭者。

圈論者主張萬物皆圈，弦與圈皆為一維實體，區(qū)別在于弦可開可閉，圈必須是閉合的。

廣義相對論之顯著特點是背景獨立：其基本方程適用于任何參照系。圈論繼承了背景獨立，這是其主要優(yōu)點。弦論并非背景獨立，只適用于固定參照系。作一通俗比方：理論是演員，背景是舞臺，圈論演員演出不限于固定舞臺，其舞臺可隨劇情及演員動作而變，而弦論演員只能在一個固定舞臺上演出。兩者相比，高下立見。

圈論是宏觀理論，在宇宙演化及黑洞理論等方面有所貢獻。2006年圈論將先子(preon)論收在門下，開始涉足基本粒子，得出一些定性結(jié)果，但至今仍無定量微觀理論。

圈論主張空間由相隔為普朗克長度的無數(shù)離散點所構(gòu)成，此舉可避免發(fā)散困難，但導(dǎo)致自相矛盾：一群離散點怎能構(gòu)成連續(xù)的圈？問題出在圈論者誤解了空間量子化。

統(tǒng)一場論還有一些小流派：旋子論、坐標非互易論、因果動力三角論等，其成果及影響甚微，此處從略。

7 癥結(jié)究竟何在？

群雄逐鹿四十載未見鹿蹤。原因何在？

(1) 無新思想指引。20世紀物理學(xué)大發(fā)展得益于思想突破。愛因斯坦、玻爾等十分重視哲學(xué)思想，深入思考、反復(fù)辯論蔚然成風(fēng)。標準模型建成后風(fēng)氣大變。偶爾有人談及思想，回應(yīng)是：“閉嘴! 去計算?！?“Shut up! Calculate.”)弦論者干脆宣稱：“哲學(xué)已死！”無新思想指引，探索統(tǒng)一場論者只好在暗中摸索。

(2) 缺乏實驗支持?，F(xiàn)代物理實驗越來越難做。為尋找希格斯粒子，耗資逾百億，參與者六千，歷時四十年。物理學(xué)家做不成實驗，只好專注于理論。弦論者甚至說：“弦論有數(shù)學(xué)美足矣，毋需實驗驗證。”探索統(tǒng)一場論者缺乏實驗支持，只好在暗中摸索。

套用辛棄疾《青玉案·元夕》詞句博君一粲：“暗里尋他千百度，驀然回首，那鹿可在陽光普照處？”

有志探索統(tǒng)一場論者應(yīng)告別四十年黑暗長夜，走向陽光普照處。為此必須提出切中要害的新思想，充分重視理論與實驗相結(jié)合。

愛因斯坦以廣義相對論為基礎(chǔ)探索統(tǒng)一場論方向正確，問題出在他反對幾率：“上帝不是在擲骰子?！闭Z云：“天有不測風(fēng)云，人有旦夕禍福。”宇宙萬物皆充滿由幾率代表的不確定性，由此可見，上帝是在擲骰子。這種不確定性必定源出于基本理論，此乃愛因斯坦探索統(tǒng)一場論失敗之癥結(jié)所在。我主張統(tǒng)一場論應(yīng)在基本原理中引入幾率。

探索統(tǒng)一場論應(yīng)從何處出發(fā)？量子論應(yīng)用廣泛、成果累累，但理論基礎(chǔ)薄弱；廣義相對論理論基礎(chǔ)非常堅實，但應(yīng)用不多。好比兩棵樹：一棵是三春窈桃，枝蔓葉茂，花繁果碩；另一棵是擎天蒼松，根深干壯，花小籽隱。探索統(tǒng)一場論并非賞花品果，而是尋根覓柱，我主張應(yīng)從廣義相對論出發(fā)。“從廣義相對論出發(fā)的圈論也沒有成功?。俊背霭l(fā)點對了，還要選擇正確道路。圈論者仍走量子論老路進行量子化，由此得出結(jié)論：空間是不連續(xù)的，由相隔普朗克長度的無數(shù)離散點所構(gòu)成，小于普朗克長度的空間不存在。對此我抱懷疑態(tài)度，苦于一時找不到令人信服的理由加以反對。

8 統(tǒng)一場論新版本SQS理論簡介

八年前的一天凌晨，我醒來睡眼蒙朧，靈光一閃恍然大悟：如小于普朗克長度的空間不存在，一維空間就只有一系列不連續(xù)的離散點，對應(yīng)于1、2、3、???這樣的整數(shù)，分數(shù)無理數(shù)都不存在，有些除法無解(1÷2=?)，四則運算不全，遑論其余?？臻g是連續(xù)的理由終于找到了，飲水思源，應(yīng)感謝先哲畢達哥拉斯和老子。

保持空間連續(xù)性關(guān)鍵在于正確對待普朗克長度，由量子論開山祖師普朗克所定義，其來有自，不容忽視。經(jīng)過反復(fù)思考我提出幾率假設(shè)：將連續(xù)的高斯(Gauss)幾率分布加在空間相隔為普朗克長度的各個離散點上。這樣既保持空間連續(xù)性，又顧及普朗克長度，引入幾率還有助于解決愛因斯坦統(tǒng)一場論失敗之癥結(jié)問題，一舉三得！

我決定以幾率假設(shè)為第一基本假設(shè)建立統(tǒng)一場論，定名為“隨機量子空間理論”，簡稱“SQS理論”。

根據(jù)基本前提假設(shè)定義S-方程，算出6個基本粒子質(zhì)量，其中3個已知粒子與實驗值符合，3個是尚未發(fā)現(xiàn)的粒子，作為預(yù)測以待實驗驗證；還導(dǎo)出具有一個整數(shù)參量的基本粒子譜，可算出所有基本粒子質(zhì)量及壽命，對電子和繆子算出的結(jié)果與實驗值符合；并根據(jù)S-方程算出費米子質(zhì)量上限，為實驗所證實。根據(jù)SQS理論基本前提假設(shè)和開普勒-海爾斯(Hales)定理得出結(jié)論：微觀空間具有“面心晶體結(jié)構(gòu)”。在半徑為3倍普朗克長度球面內(nèi)發(fā)現(xiàn)36種空間對稱性，與標準模型U(1)、SU(2)、SU(3)群各種表示有對應(yīng)關(guān)系。

畢達哥拉斯和老子提出萬物皆數(shù)，質(zhì)數(shù)是眾數(shù)之母，應(yīng)在統(tǒng)一場論中扮演重要角色。我找來質(zhì)數(shù)表細審之，發(fā)現(xiàn)一組18個質(zhì)數(shù)構(gòu)成9個“偶對”(兩相鄰奇質(zhì)數(shù)之平均值等于偶數(shù)者為偶對)：1和3、5和7、11和13、17和19、23和29、31和37、41和43、47和53、59和61。正好與三代6種“味”、3種“色”共6×3＝18種夸克一一對應(yīng)，如表1所示。

SQS理論引入第二基本假設(shè)：質(zhì)數(shù)假設(shè)。據(jù)此得出以下結(jié)論：

(1)表1最后一對質(zhì)數(shù)(67+71)÷2=69非偶對，第四代夸克不存在，為兩種不同實驗證實。

表1 夸克與質(zhì)數(shù)對應(yīng)關(guān)系

(2)主流物理學(xué)界認為不同“色”的夸克并非不同基本粒子，夸克只有6種。SQS理論認為：6×3=18種夸克是不同基本粒子，各具有不同質(zhì)量，與對強子實驗分析結(jié)果符合。

根據(jù)上述18個質(zhì)數(shù)和另一組18個質(zhì)數(shù)，建立以8個膠子為媒介的強作用理論，以簡單數(shù)學(xué)規(guī)則解釋了實驗結(jié)果。

根據(jù)兩個基本假設(shè)以及以上兩組質(zhì)數(shù)，建立基本粒子內(nèi)部運動的閉合軌道及模型。SQS理論引入第三基本假設(shè)：真空子假設(shè)?；玖Ｗ佑烧婵兆友仄滠壍肋\動所代表，一系列互相隔離的軌道構(gòu)成模型。

由S-方程確定基本粒子軌道上兩個特殊點，從幾何關(guān)系得到量子論標準模型的兩個著名三角形：代表弱電相互作用的G-W-S三角形，G、W、S分別代表Glashow(格拉肖)、Weinberg(溫堡格)、Salam(薩拉姆)；代表夸克衰變率的C-K-M三角形，C、K、M分別代表Cabibbo(卡比博)、Kobayash(小林誠)、Masakawa(益川敏英)。其中五人獲得諾貝爾物理學(xué)獎，卡比博未獲獎是不公平的。SQS理論將這兩個三角形落實到基本粒子模型，由此算出相應(yīng)的弱電相互作用參量，還解決了有關(guān)C-K-M三角形的一個懸疑，為標準模型解了困。

“SQS理論如何實現(xiàn)量子化？”大自然自有其巧妙安排：空間包含無數(shù)千變?nèi)f化、互相隔離的閉合軌道。這樣既保持空間連續(xù)性又體現(xiàn)空間量子化。在一條軌道中基本粒子內(nèi)部運動是完全確定的，基本粒子在何時躍遷到哪一條軌道是不確定的，由相應(yīng)的幾率決定?；玖Ｗ釉诓煌壍篱g躍遷代表量子化的相互作用。量子論是量子化在先，幾率解釋在后；SQS理論是引入幾率在先，量子化在后。兩者異曲同工，后者更深入一步。

我在質(zhì)數(shù)表中又找到四組質(zhì)數(shù)偶對，發(fā)現(xiàn)前后共五組質(zhì)數(shù)偶對與宇宙演化密切相關(guān)，推出的結(jié)果與宇宙學(xué)標準模型及天文觀測符合。質(zhì)數(shù)為媒，至大至小兩極相通。

SQS理論根據(jù)三個基本假設(shè)，以嚴格邏輯推理建立理論框架，導(dǎo)出一系列方程及公式，算出幾十個理論結(jié)果與實驗值符合得很好，并提出25項預(yù)測以供實驗檢驗。

9 SQS理論統(tǒng)一場論的基本方程

基本方程是統(tǒng)一場論的核心。弦論沒有基本方程，圈論有宏觀方程，不適用于微觀，稱不上基本。SQS理論從廣義相對論方程出發(fā)建立統(tǒng)一場論基本方程。廣義相對論方程左邊是運動學(xué)公式，右邊是動力學(xué)公式。愛因斯坦對源出于基本原理的方程左邊很滿意，而對帶有人為因素的方程右邊不滿意，他說：“方程左邊是大理石，右邊是稻草?！盨QS理論決定舍棄“稻草”，從“大理石”出發(fā)建立基本方程。右邊為零的廣義相對論方程代表真空，真空是空間之基態(tài)，此乃宇宙萬物之基礎(chǔ)，啟迪來自老子：“天下萬物生于有，有生于無。” SQS理論重新定義廣義相對論方程之度規(guī)張量，將之乘以高斯幾率分布。經(jīng)過嚴格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，方程右邊之動力學(xué)公式自動出現(xiàn)，舍棄“稻草”換來了“大理石”！引入幾率是關(guān)鍵，這確實是癥結(jié)所在。

統(tǒng)一場論基本方程隨之而來。包羅萬象的原始基本方程非常簡單，只有兩個方程，可印在T恤衫上。對之求平均值，得到兩種更簡單的宏觀基本方程：其一為引力方程，相當于左右兩邊均為“大理石”的愛因斯坦廣義相對論方程，在距離小于四分之一普朗克長度時引力變?yōu)槌饬?，排除了引起無窮大的奇點，為廣義相對論解了困；其二為相應(yīng)的電磁力方程。比較這兩種方程，解釋了靜電力與引力之巨大差異，明確指出所有四種作用力統(tǒng)一于71倍普朗克長度。

原始基本方程給出所有基本粒子之內(nèi)部運動規(guī)律特性參量及相互作用。方程之精確解尚未求出，只能作一些定性和半定量分析。對光子及電子等分析結(jié)果與實驗符合。

深入考察原始基本方程，發(fā)現(xiàn)三個基本假設(shè)可簡化為一個基本假設(shè)：幾率假設(shè)。

SQS理論基于一個基本假設(shè)，將所有物理場統(tǒng)一為一個真空場，所有基本粒子統(tǒng)一為真空場之不同激發(fā)態(tài)。這是最簡單的統(tǒng)一場論。天道崇簡，誠哉斯言！

我將八年研究成果寫成論文，題為《A New Version of Unified Field Theory—Stochastic Quantum Space Theory on Particle Physics and Cosmology》。論文通過同行評審，發(fā)表在《Journal of Modern Physics》，2013年，第4卷第10期，頁碼：1213-1380。

10 萬物之理初見端倪

將論文寄給紐約大學(xué)一位猶太裔退休教授，他是我多年摯友，彼此推誠相見。我去電征求意見。他說：“你有三錯：出生在錯誤地方，出生在錯誤年代，具有錯誤學(xué)位?！蔽艺f：“我出生在中國，缺乏科學(xué)素養(yǎng)，但從老子哲學(xué)得到啟迪，獲益良多；在美國從事科學(xué)研究三十多年，兼學(xué)東西方之長而棄其短。吾老矣，記憶力逐漸衰退，理解判斷力卻不斷增強，更適合探索性研究。我非科班出身是缺點，沒有框框敢于突破是優(yōu)點，曾面壁十年，自學(xué)物理系研究生課程?？傊?，兼收并蓄、與時俱進、擇善而從，何錯之有？”他說：“言之有理！我收回三錯說。希望早日在《紐約時報》頭版頭條看到你的名字?！蔽艺f：“謝謝！我一貫態(tài)度是：何必曰名，但求真理而已矣?！?/p>

一位朋友看過論文后說：“群雄逐鹿四十年，想不到鹿死你手。”我說：“非也！我只看到一對美麗的鹿角，全鹿尚未現(xiàn)身。即使找到那鹿，我決不會將之殺死，要讓其子孫繁衍代代相傳?！彼f：“好！你是否可以介紹一些經(jīng)驗？”我說：“談不上經(jīng)驗，只有幾點體會。我運氣好，風(fēng)云際會，碰上弦論等面臨危機，臨危不懼隨機應(yīng)變，危機變轉(zhuǎn)機，第一步就走對了方向。我有許多良師益友，愛因斯坦是大師，我學(xué)習(xí)他不達目的決不休止之執(zhí)著精神，從廣義相對論出發(fā)建立基本方程……從事弦論圈論者都是良師益友，他們的經(jīng)驗教訓(xùn)使我知所趨避。我特別感謝幾千位實驗物理學(xué)家，如無他們?nèi)〉玫膶嶒灁?shù)據(jù)，SQS理論就失去判別標準。幾位摯友的支持和鼓勵也對我?guī)椭艽?。?/p>

我正致力于敦促實驗物理學(xué)家驗證SQS理論25項預(yù)測。SQS理論還有許多理論課題，歡迎同好參加研究，群策群力，完成愛因斯坦未竟之偉業(yè)。

(2014年4月28日收稿)■

作者電子郵箱：zyshen@comcast.net

The history and a new version of unified field theory

Zhi-Yuan Shen

This essay provides a brief description of the history and a new version of unified field theory. It starts from ancient Greek and Chinese philosophers’inspirations and goes down to the modern era. After completion of general relativity, Einstein spent rest of his life search for unified field theory without success. Since 1970s, a new generation of physicists involved. The spring theory is based on quantum theory and multidimensional space. The loop theory is based on general relativity with background independence. After thousands of talented physicists and mathematicians forty some years of extensive effort, the unified field theory is still far of reach. Now is the time for a second thought. The author spent eight years to develop a unified field theory entitled “A New Version of Unified Field Theory—Stochastic Quantum Space Theory on Particle Physics and Cosmology” published in Journal of Modern Physics, 2013, Vol. 4, No. 10, pp. 1213-1380. The Stochastic Quantum Space (SQS) theory based on simple postulations builds a framework with dozens of theoretical results agreed with experiments well. It has 25 predictions for verifications. SQS theory provided the basic equations for unified field theory, which are based on general relativity Einstein’s equation for vacuum and redefined the gauge tensor by multiplying Gaussian probability. The preliminary analysis for photon and electron shows reasonable agreement with experiments.

unified field theory, SQS theory, particle physics, cosmology

(編輯：沈美芳)

10.3969/j.issn.0253-9608.2014.03.001