陳紹光先生研究工作的歷程及主要成果
——評介

陳其良 汪斌

(1.智點科技有限公司,廣東深圳 518052;2.深圳大學(xué),廣東深圳 518052)

陳紹光先生研究工作的歷程及主要成果
——評介

陳其良1汪斌2

(1.智點科技有限公司,廣東深圳 518052;2.深圳大學(xué),廣東深圳 518052)

文章介紹了物理學(xué)家陳紹光先生在理論物理,特別是在引力理論、量子場論方面的研究成果。陳先生提出了單向光速測量的方案,用多普勒效應(yīng)的測量結(jié)果直接得出相對論的羅侖茲變換,多普勒效應(yīng)的測量結(jié)果推導(dǎo)出測不準(zhǔn)關(guān)系和普朗克常數(shù)。陳紹光先生提出在傳統(tǒng)意義上的“四維時空”上再增加“旋間維”,構(gòu)成“空間—時間—旋間”的“五維時空”。在五維時空中研究物質(zhì)的基本運(yùn)動形態(tài),將四維的測不準(zhǔn)關(guān)系和四維動量能量守恒定律推廣提升成為具體化的四個五維的基本方程,在更高層次的上描述了實物與場、電磁場與引力場、電荷、自旋、靜止質(zhì)量等物質(zhì)的運(yùn)動形態(tài),從四個五維方程可推導(dǎo)出Klein-Gorden方程、Maxwell方程以及Lorentz力的公式。

理論物理 引力學(xué) 量子力學(xué) 相對論量子力學(xué) 量子場論

陳紹光先生1936年12月出生于江西省宜春市,1959年畢業(yè)于北京大學(xué)地球物理系。1979年至1991年,陳紹光先生在清華大學(xué)物理系做客座研究,以實驗的方法研究了“光速及其各向同性”、“磁場起源”等課題。在清華十四年,除了作實驗外,有充分的時間,無拘無束在理論物理學(xué)的各個領(lǐng)域進(jìn)行了詳細(xì)的探索和研究。為他的研究工作打下了堅實的基礎(chǔ)。

1 “新引力公式”的形成(1989.12-2003.9)

陳先生以全新的視角、以QFT(量子場論)為基點,研究真空極化效應(yīng),通過類比Casimir(卡西米爾)力,導(dǎo)出了真空虛中微子壓力作用下兩個物體間的類Casimir力即新引力:

新引力公式與牛頓萬有引力公式“形似”,而本質(zhì)不同,本質(zhì)的差別在于:牛頓公式中的質(zhì)量m和M是彼此獨立的不可變化的參量;而在新引力公式中質(zhì)量m和M則是彼此間有相互影響的可變化量。

陳先生的研究成果相繼發(fā)表在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊上。1997年陳先生從江西省科學(xué)院退休后,隨兒子定居深圳。在清華大學(xué)做客座研究時他的學(xué)生陳其良先生熱情鼓勵和大力支持下,將以前研究的成果進(jìn)行梳理和總結(jié),并以專著“引力的起源和引力紅移——誰引爆了宇宙”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年陳先生在研究量子場論和引力的關(guān)系時,從真空極化效應(yīng)的質(zhì)量重整化出發(fā),分析Dirac粒子的碰撞過程推導(dǎo)出了質(zhì)量可變的牛頓定律,得出了引力具有屏蔽效應(yīng)從而不可線性疊加的結(jié)論,由此解釋了第五種力和引力異常等眾多實驗結(jié)果,以題為“真空極化影響引力嗎”發(fā)表在意大利著名雜志IL NUOVO CIMENTO 104B卷 611-619頁。1990年陳先生接著推導(dǎo)出了類Casimir力的新引力公式fQFT和廣義相對論的等效原理與度規(guī)方程,使愛因斯坦方程可精確求解。質(zhì)量可變的新引力公式成了QFT和GR(廣義相對論)的一個交匯點。1990年英國科學(xué)家Bondi從GR也得出質(zhì)量可變的結(jié)論。

2005年陳先生從GR質(zhì)量可變和力是動量的變化率的定義:

得出了跟GR可相互推導(dǎo)出,從而完全等效于GR的新引力公式fGR:

以上fQFT和fGR兩公式中壓力常數(shù)和引力常數(shù)G,若都取實驗值,則=G。由此這給新引力公式劃上了完美的句號。

新引力公式極大地豐富和發(fā)展了物理學(xué),這一嶄新的理論,不但符合諸多的物理實驗結(jié)果,還能解釋一些過去不能解釋(或不能很好解釋)的物理現(xiàn)象。在兩論匯合(量子場論和相對論),四力統(tǒng)一(強(qiáng)作用力、弱作用力、電磁力和引力)等重大物理學(xué)的領(lǐng)域有所突破。對此,2012年我們在中國科技縱橫127期發(fā)表了題為“陳紹光引力公式產(chǎn)生及其特點”的論文進(jìn)行介紹。

3 新引力公式的升華(2006.3-2009) ——測量時空和自然力學(xué)方程

2006年以來,陳先生的研究工作又有了新的進(jìn)展,2008年在第三十七屆世界空間科學(xué)大會上(加拿大蒙特利爾市),陳先生發(fā)表了五篇論文,指出了由Doppler效應(yīng)測量的結(jié)果,可推導(dǎo)出羅倫茲變換的“鐘慢”和“尺縮”效應(yīng)。從而狹義相對論有了堅實的實驗基礎(chǔ),使相對論擺脫了是在‘假設(shè)’基礎(chǔ)上的推論這一陰影。2010年在第三十八屆世界空間科學(xué)大會上,陳先生又發(fā)表了四篇論文,指出了由Doppler效應(yīng)測量的結(jié)果,可推導(dǎo)出測不準(zhǔn)關(guān)系和普朗克常數(shù)。進(jìn)一步使量子力學(xué)、相對論量子力學(xué)和量子場論擺脫了完全建立在‘假設(shè)’的基礎(chǔ)之上。

陳先生還在1996年從實驗物理的角度,分析了一百多年來的諸多實驗,指出:通過兩光束(或微波)的精密比較中基于光程差到相位差的實驗測量結(jié)果,例如作為相對論實驗基礎(chǔ)的Michelson型式的干涉法、拍頻法等等實驗,都是無效的。因為Michelson實驗是基于兩個相互矛盾的前提:“光波長和光頻率均各向同性”但“光波長與光頻率之乘積的光速卻各向異性”。由此,提出了檢驗空間各向同性的新方法,1997年主持完成了國家科學(xué)基金項目“雙速光速各向同性的測量”,精度達(dá)到了1*10-18,至今仍是世界最高精度。新的檢驗方法和測量結(jié)果的兩篇論文分別于1996年和1997年發(fā)表在北京大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)32卷第5期和33卷第五期且均為SA收錄。

由此可見,陳先生具有深厚的實驗物理的背景和功底。他研究理論時總是從實驗結(jié)果出發(fā),推出結(jié)論時總是想到如何用實驗和觀測進(jìn)行檢驗,重點是考慮怎樣測量出結(jié)果來與理論推論進(jìn)行對比,這是他早年在計量部門長期工作所形成的研究習(xí)慣。所以,陳先生的公式簡單、明確,完全可以操作。

理論物理學(xué)界早有共識,即牛頓力學(xué)中(伽利略時空)的絕對同時性是先驗的、不可測量的。愛因斯坦企圖用可測量的相對同時性來取代絕對同時性,用相對時空取代絕對時空。但相對論中用羅侖茲時空定義光速,則會形成自我循環(huán),因此愛因斯坦的光速不變原理中的光速,只能在伽利略時空中定義與測量,使得相對論內(nèi)含有羅侖茲時空和伽利略時空這兩套互不相容的時空。這是相對論無法克服的缺陷,也是相對論被爭議達(dá)一個世紀(jì)的根源。伽利略時空中也存在一個天生的缺陷:絕對同時定義中光速(信號傳遞速度)為無限大值,與光速在伽利略時空中實測為有限值之間存在的原則性矛盾。因此,牛頓力學(xué)與相對論都有缺陷,絕對時空與相對時空均需改進(jìn)。

時空應(yīng)該建立在可測量的體系內(nèi),單向光速就是長度和時間最基本的測量手段。科學(xué)發(fā)展要求建立絕對可測量的單向光速的迫切性,陳先生適時提出了用現(xiàn)代技術(shù)手段測單向光速的方法。

從可測量的單向光速加上長度、時間等國際單位的定義(公認(rèn)的),這一體系在傳統(tǒng)意義上就是“可以測量”的時空,不妨稱之為“測量時空”。

從物理含義來講,測量時空與羅侖茲時空和伽利略—牛頓時空既有共同的國際單位的定義為基礎(chǔ),而又有所差異。在測量時空中光速為測量所得,且為有限值。使牛頓力學(xué)中相互作用力的傳遞速度為無限大和超距作用的理論,變成了作用力傳遞速度為有限值從而是非超距作用的理論,由此使牛頓力學(xué)被廣義化了！隨即發(fā)生了突變:通過Doppler效應(yīng)的測量結(jié)果,能夠推導(dǎo)出羅侖茲變換和測不準(zhǔn)關(guān)系,順理成章,使得狹義相對論,量子力學(xué)及量子場論都與測量時空建立起了直接的關(guān)系。

前面敘述的新引力公式的出現(xiàn)看似偶然,實為必然,它是以實驗為基礎(chǔ),在測量時空的體系內(nèi),貫串了狹義相對論、量子力學(xué)、量子場論、廣義相對論和牛頓力學(xué)。使新引力公式有了更廣泛和更深刻的涵義。據(jù)此,將fQFT和fGR兩個等效的新引力公式稱為“自然力學(xué)方程”更為貼切。

自然力學(xué)方程可以理解為:是被廣義化的牛頓力學(xué),也是建立在測量基礎(chǔ)上的愛因斯坦方程的簡約化表述。

自然力學(xué)方程是既適用于低速,又適用于高速;適用于連續(xù)場,又適用于非連續(xù)場;適用于宏觀物體,又適用于微觀粒子的普適性運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)。它完全繼承了經(jīng)典物理(牛頓力學(xué)和電動力學(xué))和現(xiàn)代物理(量子論和相對論)的科學(xué)成果,又以實驗物理為基礎(chǔ)(測量時空)將它們貫串起來,實現(xiàn)認(rèn)識論上的提升。

從引力就是弱作用的類Casimir壓力,引力理論被納入弱-電統(tǒng)一理論;廣義相對論的引力方程(非線性的愛因斯坦方程),可以由類

Casimir壓力的新引力公式取代而簡化;物理學(xué)中許多過去不能解釋的實驗和觀測結(jié)果可以得到解釋,許多長期爭論的懸疑可以得到答案。物理學(xué)的研究將展現(xiàn)出新的方向和廣闊的前景。

陳先生出版第二部專著(英文版)-----“沒有假設(shè)的相對論和量子力學(xué)以及引力作用的起源”(四川科技出版社,2010年1月)。該書系統(tǒng)地論述新引力公式的形成及發(fā)展,測量時空及自然力學(xué)方程等新穎觀點和結(jié)論。書中除回答了引力作用的起源和量子場論虛粒子的起源等根本性問題之外,還詳細(xì)分析了引力的速度依賴和引力的屏蔽效應(yīng)。具體涉及到引力致正負(fù)電荷分離與天體磁場的起源、引力作用下能量不守恒和時間箭頭、引力波、先峰號飛船的反常加速度、GP-B進(jìn)動、中微子振蕩、虛光子和虛中微子的數(shù)密度、黑洞、‘暗物質(zhì)’與‘暗能量’以及眾多有關(guān)引力異常的實驗和觀測結(jié)果。最后還將新引力公式應(yīng)用到星系和總星系,得出了一個天外有天的局域化自動穩(wěn)定的宇宙模型。可以預(yù)計這部專著對理論物理和認(rèn)識論的發(fā)展將做出積極的貢獻(xiàn),也將對后世產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

4 跨越現(xiàn)代物理與經(jīng)典物理之間的鴻溝

從2006年以來,陳先生一方面是在世界空間科學(xué)大會上發(fā)表論文,闡述新引力公式在空間科學(xué)方面的應(yīng)用;另一方面在“中國科技縱橫”期刊上發(fā)表他多年來實驗研究和理論探索的成果。

4.1 在“中國科技縱橫”發(fā)表論文

從2010年開始陳先生以“中國科技縱橫”為陣地,連續(xù)發(fā)表十篇論文。其中最有標(biāo)志性的文章當(dāng)推“跨越現(xiàn)代物現(xiàn)與經(jīng)典物現(xiàn)之間的鴻溝”。這篇文章可以說具有劃時代的意義,文章分析了眾所周知的現(xiàn)代物理與經(jīng)典物理之間所存在的鴻溝的產(chǎn)生與演變,提出跨越鴻溝橋梁的三個橋墩:——單向光速可測,實驗測量得出光速值有限和各向同性;多普勒效應(yīng)直接測量結(jié)果推導(dǎo)出洛倫茲變換;多普勒效應(yīng)直接測量結(jié)果推導(dǎo)出測不準(zhǔn)原理。橋梁即是新引力公式(自然力學(xué)方程)。這里的三個橋墩把狹義相對論和量子力學(xué)的基本原理直接與牛頓力學(xué)的多普勒效應(yīng)貫通,新引力公式把廣義相對論和量子場論與牛頓力學(xué)貫通,使得牛頓力學(xué)就與現(xiàn)代物理實現(xiàn)了全面接軌。可以簡單理解成:牛頓力學(xué)因注入新的概念而被廣義化了;新引力公式用物理學(xué)上的可變質(zhì)量的不可線性疊加,取代了愛因斯坦方程數(shù)學(xué)形式上的非線性性,成為廣義相對論的新版本。

這篇文章應(yīng)該認(rèn)為是完滿解答了物理學(xué)百年以來的懸案,理順了物理學(xué)發(fā)展史上的障礙。承前啟后,必將推動繼往開來,這篇文章的深遠(yuǎn)影響,將被時間所證明。

在“中國科技縱橫”期刊上還發(fā)表一篇陳先生等人早年從事實驗物理的報告,及近年對某些實驗的爭鳴,體現(xiàn)了陳先生對科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)風(fēng)格和深厚的功底。

此外的論文也都精彩紛呈:例如:相對論與牛頓力學(xué)能混合運(yùn)用嗎？量子場論的水星近日點的進(jìn)動,引力能統(tǒng)一到弱作用中嗎？物理學(xué)的時空是描述物質(zhì)運(yùn)動的工具,等等。尤其是論文“用廣義化牛頓力學(xué)處理磁偏轉(zhuǎn)問題”,解 決了狹義相對論與電子 迴旋加速器和同步輻射光源加速器的實驗結(jié)果嚴(yán)重不相符的問題(例如上海同步輻射光源用相對論理論計算值偏離實驗結(jié)果達(dá)35倍)。

4.2 參加世界空間科學(xué)大會

世界空間科學(xué)大會每兩年召開一次,陳先生連續(xù)參加了五屆,即:2006年第36屆(北京)、2008年第37屆(加拿大蒙特利爾)、2010年第38屆(德國不來梅)、2012年第39屆(印度曼菲爾)、2014年第40屆(俄羅斯莫斯科),共發(fā)表論文23篇,在36、37屆陳先生還出席作了口頭宣講。陳先生的論文涉及許多重大的課題,例如:預(yù)言引力探測器B(GP-B)是負(fù)結(jié)果,并且后來得到證實;提出單向光速測量的方案;用多普勒效應(yīng)的測量結(jié)果直接得出相對論的羅侖茲變換;多普勒效應(yīng)的測量結(jié)果推導(dǎo)出測不準(zhǔn)關(guān)系和普朗克常數(shù);天體基本電場和基本磁場的由來;量子糾纏態(tài)的由來;太陽風(fēng)和太陽黑子起源于木星運(yùn)行到太陽與銀河系中心的連線上;途中引力紅移所導(dǎo)致的哈勃常數(shù),其計標(biāo)值與最新觀測值相符;引力波是偶極輻射;先峰號飛船非模型反常加速度的解釋;引力違反線性疊加原理而導(dǎo)致觀測到的‘暗物質(zhì)’和‘暗能量’現(xiàn)象;等等。尤其是今年被大會接受發(fā)表的9篇論文中,有3篇是曾中文發(fā)表的 “量子旋進(jìn)論”即‘非點’模型的五維量子場論的英文簡介。分別是:“光子、靜質(zhì)量量子和電荷量子都是由中微子形成的嗎？ ”;“引力常數(shù)似依賴于星系的絕對速度”;“從‘非點’模型的量子場導(dǎo)出的微波背景輻射和基本粒子的結(jié)構(gòu)”。陳先生的論文越來越受到重視,論文均為歷屆文集刊載,并被美國宇航局(NASA)文庫所收藏。

5 五十年前推出的理論——“量子旋進(jìn)論”至今仍散發(fā)光彩

1964年陳先生著的“量子旋進(jìn)論”原文2011年發(fā)表在中國科技縱橫131期192-210頁,簡介如下:

5.1 “量子旋進(jìn)論”的基本時空模式和運(yùn)動方程

量子旋進(jìn)論認(rèn)為量子不是一個線性運(yùn)動的“點”粒子,而是“非點”粒子,同時存在“旋進(jìn)”:左旋進(jìn)、左旋退、右旋進(jìn)、右旋退這四種狀態(tài),在傳統(tǒng)意義上的“四維時空”上再增加“旋間維”,構(gòu)成“空間—時間—旋間”的“五維時空”。四種“旋進(jìn)量子”其實就是最低能態(tài)的左旋和右旋中微子,在空間量子化的i、 j、k任一方向只能有前進(jìn)或后退這兩種狀態(tài)。五維坐標(biāo)為:

在五維時空中研究物質(zhì)的基本運(yùn)動形態(tài),將四維的測不準(zhǔn)關(guān)系和四維動量能量守恒定律推廣提升成為具體化的四個五維的基本方程。從而在更高層次的上描述了實物與場、電磁場與引力場、電荷、自旋、靜止質(zhì)量等物質(zhì)的運(yùn)動形態(tài)。并且從四個五維方程可推導(dǎo)出Klein-Gorden方程、Maxwell方程以及Lorentz力的公式。當(dāng)然量子力學(xué)、相對論量子力學(xué)、量子場論的基本方程都包含在上述四個五維方程之內(nèi)。特別要強(qiáng)調(diào)指出的是:從五維方程得出的Lorentz力f是旋進(jìn)量子之間的磁性力,當(dāng)距離r=0時f=0。意味著量子場論的發(fā)散困難被徹底地消除了,這也正是‘非點’模型的量子場論應(yīng)該有必然結(jié)果。

5.2 “量子旋進(jìn)論”的主要應(yīng)用

用量子旋進(jìn)論的運(yùn)動方程既可以解決微觀的基本粒子的靜質(zhì)量分布、反常磁矩的來源、核結(jié)構(gòu)、核力等問題,也可以解決宏觀的基本地磁、地電場起源等問題。它詳細(xì)的描述了旋進(jìn)量子的諸種形態(tài)及相互作用,并用于解釋光量子、靜質(zhì)量量子、電荷量子的運(yùn)動形態(tài)及基本粒子的構(gòu)造;解釋了中微子和反中微子、正電子和電子、質(zhì)子和反質(zhì)子、中子和反中子、超子及反超子,共約20種基本粒子的相關(guān)數(shù)值和運(yùn)動形態(tài),并考核了理論值與實驗數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)情況。

5.3 實驗結(jié)果支持“量子旋進(jìn)論”

“量子旋進(jìn)論”推導(dǎo)出四大常數(shù),與實驗值極其接近:

萬有引力常數(shù)G=6．6694 *10-8C．G．S．;

電磁作用學(xué)數(shù)α=1/136．9;

弱作用力常數(shù)β=1．010756 * 10-5;

強(qiáng)作用力常數(shù)=15．8943。

“量子旋進(jìn)論”還有效的解釋了一些重大實驗結(jié)果,例如:奇異粒子和奇異數(shù)守恒的本質(zhì)等。

5.4 “量子旋進(jìn)論”提出了許多重要的科學(xué)探索

最值得引起重視的應(yīng)該是:提出比核能更為巨大的能源——基本粒子分裂產(chǎn)生“旋進(jìn)能”,這種能量不但比核能大得多,而且具有高效的直接產(chǎn)生電磁能和光能的獨特優(yōu)勢;有理由期待“量子旋進(jìn)論”能解決超導(dǎo)問題;能解釋生物生長的趨磁性和負(fù)電場有助于作物生長等的作用機(jī)制問題,新機(jī)理的應(yīng)用能促進(jìn)農(nóng)作物高產(chǎn);在宏觀研究方面對天體物理和宇宙研究提供有力的理論指導(dǎo),對天體研究提供新的方向和思維。人類認(rèn)識客觀世界是不斷深化的。“量子旋進(jìn)論”無疑的是更好的反映了,哪怕是部分地更好的反映了客觀存在的物質(zhì)本來面目和運(yùn)動規(guī)律。目前,“量子旋進(jìn)論”在理論模型的描述和方程式的表達(dá)方面較為詳盡,但許多基礎(chǔ)的實驗和理論探討的深入展開,還有許多工作可做。

五十年過去了,反觀之,令人驚嘆！在理論物理的前沿,“量子旋進(jìn)論”以其系統(tǒng)性、新穎性、獨創(chuàng)性和完美性不斷散發(fā)出耀眼的光芒。一種新理論出現(xiàn)就解決了前有理論和實驗中不能解決的困難,多達(dá)幾十件之多,這在科學(xué)史上實屬罕見;新理論提出了新的科學(xué)的預(yù)見,給學(xué)界以新的啟示和方向。

陳先生50年前對電荷、質(zhì)量、光等物質(zhì)基本形態(tài)就有獨創(chuàng)的見解,對當(dāng)時的流行理論超前了很多,直至現(xiàn)在才被學(xué)界接收是不足為怪的。陳先生由單向光速可測,洛倫茲變換和測不準(zhǔn)關(guān)系都來自于多普勒效應(yīng)出發(fā),以新引力公式將狹義相對論、量子力學(xué)、廣義相對論和量子場論都與牛頓力學(xué)相貫通;再由實驗物理學(xué)的時空可測量性,提出測量時空的概念,升華了對物質(zhì)間相互作用的認(rèn)識,又發(fā)表了許多論文解決了現(xiàn)有理論不能解決的實際問題。量子旋進(jìn)的五維時空概念,才逐步得到學(xué)界認(rèn)可。

陳先生認(rèn)為:他只開了個頭,希望后繼有人! 有許多命題還需進(jìn)一步探討。我們認(rèn)為:“量子旋進(jìn)論”五十年過去了,從現(xiàn)在的角度來看,重新命名為“旋進(jìn)量子場論”似乎更為貼切,也反映了量子場論的新進(jìn)展。