《粒子波动演生时空物理学》导读

       在宇宙中存在着一种力量，既温柔又强大，它悄无声息地维系着宇宙日月星辰和谐地运转。这个力量，就是引力。从苹果落地现象联想月球运动，启发牛顿在开普勒等人研究的基础上提出万有引力定律，直到爱因斯坦提出广义相对论，把引力视为物质存在导致时空弯曲的表象，人类对引力的认识和理解经历了漫长而又充满挑战的旅程。引力，虽然是最弱的基本作用力，但在宇宙星空尺度上，它却展现出了无与伦比的力量。这种力量，不仅塑造了宇宙结构，而且还在宇宙的演化历史中，演绎了一幕幕壮丽的天文奇观。但引力是如何做到这一点的？隐藏在万有引力或时空弯曲背后的物理机制或“实体形式”究竟是什么呢？涉及到时空还有更深层问题——时间和空间的本质是什么？物理学基本方程中存在的时间反演不变性与热力学熵增原理、与宇宙膨胀演化这两个矛盾该如何化解？

        伽利略第一个测量重力加速度，他还观察斜面小球滚落在光滑平面的运动情况，并作了理想化无阻力情况下的逻辑推论，说明物体具有惯性特性。中国春秋末期思想家墨子认识到，对于物体的运动需要考虑时间的变化和空间位置的移动，独立于时间和空间的运动是不存在的，物体运动的停止来自于阻力的作用，如果没有阻力的话，物体会永远运动下去。墨子还给力作了一种定义：“力，刑(形)之所以奋也。”把力看成是物体状态变化的原因。这说明早在两千多年前，墨子就有了牛顿第一定律即惯性定律和第二定律的雏形。牛顿经系统研究阐述了物体运动三大定律，并分别定义了惯性质量和引力质量，发现这二者竟具有等值性。惯性质量等于引力质量，为爱因斯坦广义相对论的创立奠定了基础。然而，表征物体惯性大小的质量为什么会等于它的引力质量？这是一种巧合还是其中隐藏着某种必然性的道理？牛顿留下的引力机制和惯性起源这两大难题还一直都没有得到破解。牛顿认为惯性来源于物体自身，马赫认为惯性来自宇宙所有星体的作用，爱因斯坦认为质量是物体所含能量的度量。那么，惯性到底来源于哪里？物体的惯性究竟是怎么形成的？

        在对光的本性认识上，牛顿光的微粒说和惠更斯光的波动说处于长期争论中，难分难解，互有高下。爱因斯坦后来发展了普朗克的能量子概念，提出了光量子概念，解释了光电效应，将粒子特性赋予光波，证明了辐射即光子具有波粒二象性，并指出已被实验验证的标志为量子论诞生的普朗克辐射公式同时包含了辐射的这两种对立的属性。近年来，已有一些实验观测到了光的波粒同时存在状态。爱因斯坦曾设想作为粒子的光伴随有一个鬼魅般的场(ghost field)。与粒子在特定时刻只处在空间一个点相反，这个鬼场同时弥漫整个空间，遵从麦克斯韦方程。原子辐射时会产生这个场，以球面波传播。而同时发射的光子则在这个鬼场的引导下运动，其在空间某个点出现的可能性由鬼场在该点的强度决定。这样，大量光子的集合会宏观地呈现出鬼场作为电磁波的形状和行为，包括干涉、衍射等波动特征。虽然此设想直观、井井有条，但爱因斯坦却无法为这个概念赋予严格的数学表述。到了晚年，爱因斯坦深深地感叹道：“整整50年的深思，但我还是无法进一步回答光子是什么。”

       爱因斯坦提出光的波粒二象性概念引导了德布罗意提出物质波假说，将光子的波粒二象性赋予了所有物质粒子，并被实验观测所证实，最终促使薛定谔提出薛定谔方程，建立了量子理论的波动力学形式。但是，如何理解居于一点的物质粒子还能呈现出波的情形？在玻姆进一步发展德布罗意导航波的理论中，视粒子仿佛骑在自已的波上随波而驰，粒子与波同时存在，波引导粒子运动。但波从哪里而来？粒子速度很低时，粒子的波长很长；粒子速度增加，其波长缩短；当粒子停止运动，波便消失了，波又去了哪里？由于不清楚物质粒子波动性的物理机制，建立在物质粒子波动性基础上的量子力学，其诠释引发了许多甚至涉及因果性等认识上的疑惑，近百年来一直争论不休。德布罗意物质波究竟是数学意义上的几率波还是具有物理实在性的物理波？波函数到底是什么含义？人们百思不得其解，具有惯性的粒子自身怎么还会出现波动？物质粒子为什么会具有波动性呢？现在看来只有解决这一根本性问题，才能深入地认识和理解单粒子双缝干涉、测不准原理和量子纠缠等微观世界一些奇异现象，才能深入到微观揭示惯性起源和引力机制以及时空本质。

        在宇宙天体方面，哈勃通过天文观测发现星系存在普遍性退移，距离越远的星系，退移的速度越快。这一观测结果和推理被解释为整个宇宙在不断膨胀。使得爱因斯坦放弃了他在广义相对论中为得到静态宇宙模型而引入的用以平衡引力的宇宙学常数。宇宙膨胀理论主流认为宇宙起源于大爆炸，其支持证据除了哈勃定律外，还得到后来发现的宇宙微波背景辐射以及氢氦元素丰度的支持，尽管带来许多疑难，但仍奋力开拓。1998年，观测发现宇宙处于加速膨胀状态，人们便又重新拾回宇宙学常数，使其充当推动宇宙加速膨胀的“暗能量”。然而 ，由量子理论计算出的宇宙学常数竟比实际观测值大了120个数量级！另外，天文观测还发现，大量星系的旋转曲线与现有引力理论描述不符，认为这可能是星系中还有大量的只显现引力作用的“暗物质”没有被观测到造成的。现在正投入大量人力物力和财力开展观测和实验研究。也有科学家从修改引力理论入手来解决此疑难。暗物质和暗能量现象被国际科学界列为首要解决的可能具有引发一场物理学革命的重大问题。我们认为，解决问题的关键在于弄清引力机制和全面理解哈勃定律。

       上述关于经典力学、量子力学、相对论和宇宙学中存在的这些重大的基本的疑难问题，是否都归根于对德布罗意所说的物质波粒二象性这个自然界最为核心本质的更深入认识？我们经过四十年的系统研究，现在终于能够做出回答：这些疑难问题都可以通过我们探寻的物质粒子波动性的深层物理机制而自然地和系统地加以解决，由此把牛顿经典力学与现代物理学密切衔接起来，反映了大自然在深层本质上的和谐统一。所提出的50个预测现已有了很多与之高度相符的观测证据和理论证据，其中之一是我们于1996年发表《物体自身质量时变的引力理论》，推测宇宙不是通常认为的减速膨胀而是自然处于加速膨胀之中，并给出了宇宙膨胀及加速膨胀的缘由及物理公式。所预计的最遥远星空亦有许多成熟星系与目前韦伯太空望远镜观测结果相符。

       根据双缝干涉实验落在接受屏上实际呈现粒子态以及各种操作和影响因素分析，依照古希腊亚里士多德对矛盾律的解释“一切意见中最为确实的是，矛盾的陈述不能同时为真”，似乎可以推断，在物质的波粒二象性中，粒子性是基本的主体，而波应该是从粒子身上散发出来的某种东西所形成的。

        德谟克利特认为，任何事物都是由原子和虚空组成的。布鲁诺试图克服古代原子论这一局限性，他说“只有虚空和原子是不够的，因为一定存在着某种把虚空和原子连接起来的物质。”牛顿猜想引力可能是从物体质量中发射某种精气所形成的，爱因斯坦认识到物体具有动态的空间广延性，德布罗意提出物质粒子具有内在的周期性因素。我们把物质粒子内在的周期性因素与其形成动态的空间广延性及引力场联系起来，提出物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系，符合能量守恒和动量守恒，从而在认识上，把以往物质粒子与空间的宇宙二元结构，化为物质粒子与空间的动态统一结构，并从中发现时间之矢的踪迹。

       本书第一篇，是我们在物理基础理论研究方面的原始创新和突破。在具有坚实物理基础的前提下，论证了可以从多种角度都能得到物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系，以此广泛和深入地探寻物理学最根本的基础，得到许多有意义的研究结果。揭示了粒子波动性的物理机制，明确了时间之矢的物质根基和空间本底的量子构成，统一解决了引力机制和惯性起源、宇宙膨胀及加速膨胀与星系旋转曲线等诸多疑难。得出空间本底具有一定的附加引力场强度。依据我们给出的引力机制，证明了星系间距扩张的相对变化率等于星系质量衰减的相对变化率，宇宙膨胀是包含银河系、太阳系、地月系统和地球自身在内的可由哈勃定律统一描述的近乎于德西特时空的系统性膨胀。自然和系统地推导出了主要由大量实验观测总结提升而来的分别居于微观、宏观和宇观核心地位的爱因斯坦——德布罗意关系、薛定谔方程、牛顿第二定律、牛顿万有引力定律和哈勃定律。其中，从经典力学角度推导薛定谔方程，揭示了薛定谔方程隐含的相互作用过程、波速和通用波动方程形式、粒子局域性和物质波(伴生波)非局域性共存及其内在决定论与外在非决定论因果律。还进一步阐明了爱因斯坦质能关系、康普顿波长、普朗克长度、光速是物质粒子运动速度的极限、惯性质量即是引力质量、哈勃常数与普朗克常数和光速及引力常数的关系等，并给出哈勃常数、精细结构常数和黑洞等新的物理含义。为探索基本物理定律统一、各种物理理论统一和创建量子引力及演化物理学奠定了基础。

        其中的物理公式推导尽量做到简洁明了，方便读者即使跳过这些数学推导过程，也能很好地理解文中表达的思想内容。

        第二篇，主要介绍了粒子波动性疑难、引力与惯性疑难、时间和空间疑难、宇宙膨胀及加速膨胀与星系旋转曲线疑难的来龙去脉和相关研究认识情况。

        第三篇，融汇了东西方思维，论述了系统解决这些疑难问题和探索物理理论统一的思想认识，讨论了地球膨胀等问题。

       第四篇，是与第一篇内容相近的英文版，供使用英文的读者阅读和参考。

        从牛顿呼吁“物理学，当心形而上学啊！”并以欧几里得的《几何原本》为范例，写出集经典力学之大成的《自然哲学的数学原理》以来，物理学一直秉承注重研究物理量之间的数学关系这一传统，极力回避古人所看重的“实体形式与隐秘的质”，取得了巨大成就。到了物理学研究越来越高度依赖复杂的数学、越来越依靠大型实验装备、各种疑难越来越多、发展路径也越来越模糊的当下，我们注意探索物理学之形而上，力图搞清基本物理量的物理本质及其内在联系，使以往抽象的数学化时空根基于有源的物理化时空，更深刻地理解了哲学家黑格尔所说：“思想越混乱，显得越深奥；主要的是，正好是把那最根本、然而最困难的一点——即用明确的概念的表达——省略掉了。”牛顿坦言：“虚假的事物可以随意想象，唯有真实的事物才能被理解”。一贯重视抽象理论思维一生追求普遍性原理的爱因斯坦指出：“纯粹的逻辑思维不能给我们任何关于经验世界的知识；一切关于实在的知识，都是从经验开始，又终结于经验。”

        试图用一个理论(方程)去解释整个世界是知识创造者的美好愿景和追求。爱因斯坦后半生致力于发现一种统一的物理学理论，可惜未能取得成功。他在晚年总结一生时空探索时指出：“空间——时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性。空间有无限多个，这些空间彼此作相对运动，这一观念在逻辑上的确是无可避免的，但是这种观念甚至在现代科学思想中也远未起过重要的作用。”这番凝聚爱因斯坦一生对时空探索总结的话语，给人以醍醐灌顶般的启示，在我们的研究过程中起到了非常重要的指导作用，可惜还尚未引起学界足够的重视。

       希望通过本书，能让读者进一步了解由粒子波动演生时空物理学所揭示的大自然，既丰富多彩又和谐统一，并从根本上处于演化之中，推动大自然运动变化和发展的核心奥秘终将能被人类揭开和理解，当年玻尔兹曼(L.Boltzmann)仿效达尔文在生物学中的研究，试图系统地阐述物理学中的演化这一伟大目标正在变得越来越清晰。如此，我们这四十年付出的努力也就心满意足了。

        本书适合于中学和大专院校学生与教师、科技工作者及广大科学爱好者阅读、思考或闲暇时的消遣。