粒子理论的困难与逻辑起点

粒子理论的困难与逻辑起点作者苟文俭（新疆石河子122团中学832062）【文章提要】标准模型作为粒子理论的主流，理论描述虽然取得了与现有实验相符的成功，但有一系列难以克服的困难，根本原因可以归结到理论表述的逻辑起点并没把握粒子内部空间真实的客体存在；如果以真空非机械特征的新以太为描述依据，这种从源头上解决问题的方案将显现出明显的优势。【主题词】标准模型粒子理论的逻辑起点虚粒子真空粒子内部空间真空新以太粒子理论即是现代高能粒子物理理论，其主流是描述基本力作用的规范理论。规范理论的发展是以与实验精确相符的相对论量子场论的量子电动力学（QED）为模式。与电磁场是由荷电粒子发射光量子这样的媒介子构成的规范场、电磁力实现于带电粒子相互交换光量子的存在图景一样，认为物理场都是场源体发射媒介子构成的规范场、相互作用也都是破缺或不破缺媒介子的相互交换。在数学表述上，其它作用与QED的电磁作用一样，认为粒子受力也都是在其场与规范场耦合时、其体系的运动规律在定域规范变换下不变的所谓规范对称性的条件下实现的，都可以用么模么正群的数学体系。QED的规范不变性表示是：ψ→ψ′=е-ｉθψ。式中ψ→ψ′表示电子场状态的变换，е-ｉθ为位相因子，它是时间、空间的函数，表示的是定域位相变换（简单的平面一维规范变换）；电磁场保证了该变换。所有这些变换构成了一个可交换的平面转动群，称是阿贝尔一维么模么正群U（1），因此也说电磁场是一个U（1）规范场。借用描述核强作用的同位旋概念，考虑有质量轻子及中微子构成的二重态，把位相平面转动推广，就可以得到表述弱作用的非阿贝尔二维么模么正群SU（2）；对夸克引入色量子数，它就成为了色三重态，这样又可以得到表述夸克间强作用的非阿贝尔三维么模么正群SU（3）（量子色动力学QCD）；进一步也还有统一弱、电作用的SU（2）×U（1）群，统一强、弱、电作用的SU（3）×SU（2）×U（1）群。这些理论因为实现了与现有实验完全相符的论述，就均被誉称是粒子理论的标准模型。（一）虽然迄今为止标准模型都还没有与粒子实验相冲突，特别是它对所有粒子的分类更是无与伦比，但并不是说该理论就十全十美.1、引力场也属于规范场，万有引力是任何有质量粒子都参与的作用，但标准模型却没有能包括对万有引力的描述。为了把万有引力包括在描述中，按照规范对称性原理的要求，理论家们使用了把粒子中费米子和玻色子联系在一起的一种扩大的规范对称性，即所谓超对称；为了克服引力理论的发散困难并实现强、弱、电、引力这四种力作用的统一，提出了物质世界由多维弦组成，它满足超对称，以此创建了超弦理论。在对该理论五种基本形式对偶性研究中，发现它们又可以结合成一种11维理论，称是M理论，认为物质世界又都产生于满足超对称的唯一“超块”。不论是超弦理论或是M理论，它们都远离了实验观察。这种以超对称为依据向统一四种力作用的极限目标前进的理论困难呈指数增加，以及难以实验验证，315位物理学家因此在美国的物理学权威刊物发表文章，宣告超对称研究的失败。（1）即试图用扩大规范对称性的途径去完善标准模型的努力失败了。2、标准模型自身有难以给出答案的理论疑难。标准模型认为强子是由带色的颗粒状夸克组成。由于理论上的渐近自由认为，高能条件下夸克间的作用要减弱，而大多数夸克又都较轻，但不论是多高能量或是多小的范围，实验均未能观察到自由夸克。李政道等许多理论物理学家们都因此认为这是20世纪物理学真正的谜。标准模型发展的关键是引入真空对称性自发破缺及希格斯机制，但却不知道真空对称性自发破缺是怎样产生的，也不清楚希格斯机制—2—的实质是什么。希格斯场是作为基本标量场引入的，但理论本身并没有给出这种场为什么应当存在。希格斯机制需要有希格斯粒子，但对其质量并不能做明确预言，在超过产生最重t夸克的能量条件下仍没有能观察到它存在的踪迹。上述困难涉及的都是标准模型描述的依据。标准模型建立在了没有完全弄明白的基础之上。3、标准模型的论述虽然与现有实验完全一致，QCD也还给出了强子的动力学结构，但对粒子的许多固有存在却说不出所以然。标准模型中粒子质量基本上是一个自由参数，只能通过实验测量来确定。对夸克，如果要使它们的质量与实验相符，就必须把理论中的自由参数调整到小数点后十几位。这显然是一种人工雕琢。除了还不明白的希格斯机制外，标准模型对粒子质量这种基本的固有存在，能说的并不多。标准模型也无法理解粒子自旋的固有角动量是怎样形成的。理论中强子自旋来自组成它的夸克的自旋，但对质子的实验分析却表明，组成它的三个夸克的自旋对质子的自旋贡献很小，形成了不能自圆其说的自旋危机。（2）作为粒子组分的夸克和轻子为什么只能是“三代”？粒子电荷严格的量子化是怎样生成的？高能碰撞中粒子的能量通过什么具体过程转化成了质量？做变速运动的带电粒子为什么可以辐射无限多光子？等等大量由粒子自身固有存在形成的问题，标准模型都不能得到解答。除了上述三个方面的困惑外，标准模型要与实验保持一致，还要把计算需要的至少19个象粒子质量、力作用耦合常数及混合角这样的自由参数“适应”或调整到与实验数据相符，而我们又不知道这些参数到底都源于什么。这就意味着标准模型的论述与实验一致，并不是运动规律在定域规范变换下不变的自然结果。也许正是有上述一些困惑，为标准模型做出卓越贡献的谢尔登·格拉肖，在诺贝尔物理奖领奖演说词中评价标准模型时就郑重其事地宣誓说：“……让我强调一下，我并不相信这个标准理论作为一幅正确而完备的物理图象永远存下去……标准理论也许会作为终极理论的一部分而存在下去，也许终于证明是根本错误的”。[3]也许还是由于上述的困惑，因标准模型的开创性工作获诺贝尔物理学奖的理查德·费因曼，并不认为标准模型就是我们已有的好理论，在评价现代理论物理现状时就尖锐地指出：“我们有搜集到的大量实验数据，但还没有一个好的理论存在。这应当成为我们工作的出发点。这也是理论物理学面临的真正问题”。[4]与上述物理大师们的看法一样，当代许多物理学家也都认为标准模型并非就是理解粒子的理想选择。我们要解决困难做出谋求发展的新抉择，首先应当深入总结包括标准模型在内的粒子理论的已有实践。（二）根据标准模型的么模么正群不可能解决上述（一）的那些困难。这已被众多理论家们的工作所证实。当代许多理论家也试图用非标准模型去探索，如人工色理论、超对称大统一理论等，但在考虑粒子可能存在的内部结构及相互作用时，依据的仍是量子场论和规范原理的框架。由于标准模型成功的魅力，许多人就认为构建它的前提依据仿佛是不可动摇的基础。为了描述简洁，把构建粒子理论依据的量子场论框架称是它的场量子起点，依据的规范原理框架称是规范起点。本文所述的粒子理论的逻辑起点，就是理论描述依据的场量子起点和规范起点的总称。场量子起点的描述中：认为每一种粒子都对应着与之相关的、具有时空广延性的波场，其状态用具有一定位相的波函数ψ表述，具有四维相对论性的动量P、能量E等特征量，并要不停地向周围发谢后再回收，变化量ΔP或ΔE服从量子力学（QM）的测不准关系ΔPΔx≥h或ΔEΔt≥h，因不可观测也称是向周围发谢后再回收了虚粒子，构成了前文所述作为媒介子的规范场，从而形成了标准模型的真空内容。因而现代粒子理论的真空也可简称是虚粒子真空。规范起点的描述中：粒子间的相互作用实现于粒子场ψ与媒介子的规范场Φ的耦合，基本性质（运动方程、能量、动量、角动量等）被拉格朗日函数L（体系的动能与势能之差）所表征，把粒子用ψ描写的状态做与时空坐标Xμ有关的位相变换，若L具有不变性，该粒子及其对应的场就具有了定域规范不变的对称性。这样就可以求助于这种对称性一般性原理（规范原理）的指引，对L的具体项做出选择，—4—并由实现这些不变性的具体内容写出么模么正群，从而就构成了理论的数学分析体系。规范原理依据的是物理规律在整个时空中保持不变的这种信念，是一种人为的先验假设，来自我们对物理学表述形式简洁美的追求。为了方便粒子理论逻辑起点的进一步讨论，本文规定：粒子自身存在的局域空间是它的内部空间，粒子自由运动的空间是它的外部空间；粒子在外部空间的整体存在称是它的个体存在，其组成成份在内部空间的存在称是它的组成存在。如粒子量子化电荷就是它的个体存在内容，而强子的夸克存在则是它的组成存在。还容易理解，前文（一）所述粒子自身的固有存在都涉及到了它的组成存在。宇宙的可观察物质世界都是由粒子组成，宇宙空间只能是由粒子的内部空间和外部空间组成。粒子外部空间也就是普通真空。（三）场量子起点中的粒子都是没有大小的点。我们知道，引力势或库仑势U∝r-1，粒子如果是一个点，r→0，│U│→∞，表明使粒子裂解的能量将是实际上不可能出现的无穷大。不论在理论上或是实际存在中这都是不允许的结果。因此，粒子都应该是有一定大小的延展体，都有各自的内部空间。经典力学中把物体看成是质点的事实说明，对粒子的个体存在，不论是理论描述或是实验测量，如果不涉及它在内部空间的存在，就都可以象经典力学那样把它看成是点粒子。验证QED的实验中对电子反常磁矩测量到小数点第七位仍不表现它有内部结构，就是因为粒子内部空间的存在没有能参与到这种测量中，并不因此就证明电子就是一个没有内部空间的的点粒子。场量子起点规定的粒子是一个点的事实还表明：它的所有描述都不涉及粒子内部空间的组成存在，依据的是粒子的个体存在。量子场理论只能适用于粒子外部空间的个体存在，它对粒子有一定大小内部空间任何问题的描述也均未能取得成功。这也正是标准模型不能给出粒子自身固有存在的重要原因之所在。整个宇宙的普通真空均不可区分，粒子外部空间具有在整个宇宙的广延性；该空间的物理规律，不仅任意点变换不变，不同方位及不同时刻也均变换不变，完全满足洛仑兹不变性。物质运动是空间位置的相对移动，速度V是位置移动r及时间t的函数，可表示成V=C（r、t）；它建立在观察和测量的基础之上，因此要求能进入构成r的空间对其任意取值用测量工具直接测量。粒子外部空间就具有这样的可入性特性，使在粒子外部空间的运动有经典运动学的确定意义；这正是狭义相对论和QM描述基础的基本特征。对某种特定粒子存在满足的物理规律，虽然地球上与宇宙深处变换不变，一亿年前与将来变换也不变，但粒子的内部空间却有不同于外部空间的如下一些重要特征。1、高能粒子碰撞中，虽然通过散射截面δ可以推知进入粒子的深度，但这仍是把粒子当成一个整体数学分析的结果，粒子内部空间的任意距离实际上都不能用测量工具有效测量，即粒子内部空间具有不可入性，粒子内部空间的物质运动也将因此失去经典运动学的确定意义。粒子自旋J的固有角动量形成于粒子内部空间的某种轨道转动，但它既不满足狭义相对论的运动规律，也无法用QM理解，这就是佐证。2、把粒子组成规定为它内部空间的存在内容。不同粒子内部空间有不同的存在内容。如νe+n→p+e－及π－→μ－+νμ这样，随着粒子的产生和湮灭，内部空间的存在内容可以相互转变。任何衰变粒子内部空间的过去和将来各不相同，与该空间相关的物理规律具有时间变换的可变性，即时间的非对称性。粒子外部空间作为普通真空，其固有存在内容不变，与该空间相关的物理规律具有时间变换的不变性，即时间对称性。3、粒子内部空间有自旋J的轨道转动规定的特殊方向，与J方向平行的轴及面上的点和与这种方向垂直的轴及面上的点并不平等。即粒子内部空间具有空间平移或旋转的不变性，不满足洛仑兹不变性。验证弱作用宇称不守恒的实验中，当外磁场把放射性核的磁矩排列起来时，β衰变中β电子沿磁场方向和反磁场方向飞出的数就各不相同，即衰变过程在左手系坐标和右手系坐标完全不同，表明作为实验粒子的中子具有某种内在“螺旋”。这一事实就充分证明，粒子内部空间各个方向并不平等，不满足洛仑兹不变性。包括狭义相对论在内的所有建立在场量子起点之上的理论，均不能用来描述粒子的组成存在。粒子内、外空间有不同的存在内容及描述特征。因此，在内部空间粒子组成存在具有的规律、将不同于外部空间的个体存在。对此，我国已故著名物理学家卢鹤绂在考虑狭义相对论、QM及粒子有大小这三者都照顾到的量子场论未能建立起来的事实时就很有见地的指