前言

《超越爱因斯》

我感到我的工作中没有任何一个概念会很牢固地站得住的，我也不能肯定我所走的道路一般是正确的。

—爱因斯坦，1949年

本书是一本介绍21世纪新物理学思想的科普读物。作者以清晰易懂的语言重新阐释了20世纪最具革命性的两大基础理论---相对论和量子理论，并对它们的结合---量子引力理论进行了大胆探索。本书是作者多年科学研究的思想结晶，书中以独特的视角给出了21世纪新物理学的一个全景素描。本书不仅可以作为一般读者了解现代物理学思想的高级科普读物，也可以作为物理学习者和研究者的参考书。本书献给所有对自然充满好奇的读者。

前言

爱因斯坦是20世纪最伟大的物理学家。1905年，26岁的爱因斯坦提出了革命性的光量子假说，四年后他进一步提出光的波粒二象性概念，这为量子理论的建立奠定了基础；也是在1905年，爱因斯坦创立了狭义相对论，并于两年后产生了他一生中最幸福的引力几何化思想，这最终导致了广义相对论的建立。今天，相对论和量子理论已成为现代物理学的两大理论基石。它们被认为是人类所创造的最优美、最成功的科学艺术品。它们优美的数学形式令人赞叹，它们精确的预言与实验惊人地符合，而它们的成功应用更是遍及了现代社会的每个角落。

一百年后的今天，当人们纪念爱因斯坦的奇迹年，并庆祝相对论和量子理论所取得的巨大成功的同时，必须清醒地意识到，这两个理论仍不完善，并且彼此之间还不相容。一方面，相对论只是一个经典理论，而量子理论本身也由于测量问题的存在而不完善；另一方面，量子非定域性的存在明显与相对论相抵触，而量子叠加原理与广义相对论更是水火不相容。尽管这些问题在相对论和量子理论建立之后人们就已了解，但至今仍未能解决。根本原因在于，相对论和量子理论的逻辑基础仍未建立起来，人们甚至还不理解它们的含义。例如，人们不知道光是什么，也不理解光速为何不变，人们不知道量子是什么，也不清楚量子为何坍缩，前者涉及相对论的基础，后者涉及量子理论的基础。值得注意的是，大多数物理学家对这种不理解似乎习以为常，甚至视而不见。然而，正是它们阻碍人们获得关于自然的统一理论。目前量子引力理论所遇到的观念困难即是鲜明的例证。

在本书中，我们将试图从逻辑上重建现代物理学的基础，并给出21世纪新物理学的基本构架。只有逻辑是清晰易懂的，每个普通人都可以理解。众所周知，物理学研究时空中的物质运动。因此，必须首先发现物质运动的真实形式，才能真正建立物理学的逻辑基础。在本书中，我们将从经验和逻辑两方面论证，时空是分立的，运动是非连续的，而分立时空中的非连续运动才是物质运动的基本形式。我们将这种运动称为量子运动。基于这一认识，物理学的统一理论就是描述量子运动的演化规律的理论，而相对论和量子理论只是对量子运动的某一方面的不完备描述。根据这个统一理论，我们将可以解释光速为何不变，量子为何坍缩，我们将知道量子与引力如何结合，粒子如何产生、淹灭，我们也可以探知宇宙的过去和未来，甚至可以解决最终的意识谜题。本书将引领读者从最熟悉的日常现象到达实在的真实图像。这是逻辑的力量，这是思考的乐趣！

无疑，今日物理学需要新的革命。这种革命更是一种思想革命，一种观念上的革命，而不是数学技术上的发展。因此，它更需要严谨、深刻的逻辑剖析，而不是艰深、复杂的数学计算。今天，物理学越来越成为数学的附属品，而偏离了它最初做为自然哲学的方向。只有沿着这一方向它才能帮助人们真正理解自然，并最终理解人类自身。可以预计，新的物理学革命将由那些没有偏见、狂放不羁的年轻人来完成，而不是经验丰富、固执保守的专家权威，历史的经验已反复证明了这一点。作者衷心希望这本小书能激励并指引年轻人投身到新物理学的研究中，去完成21世纪物理学的伟大的综合。

本书的内容安排如下。引言给出了物理学统一理论的基本框架。认为物理学所研究的最终实在是分立时空中的非连续运动，而统一理论可以唯一地建立在空间单元、时间单元和运动单元的基础上；第一章给出了时空分立性的严格证明，并分析了分立时空的物理含义；第二章论证了物质运动的基本形式是分立时空中的非连续运动，即量子运动，并给出了量子运动的完备的演化规律。这为量子理论奠定了坚实的逻辑基础；第三章分析了量子运动的超距表现，提出了一种超距通信原理。超距信号的存在将对时空因果结构产生重要的隐含；第四章详细分析了狭义相对论的有效性和问题，给出了分立时空相对论的基本形式。提出了光速不变性的分立时空解释，指出了相对性原理的局限性，并给出了绝对参照系的存在证明和检测方法。本章重建了狭义相对论的逻辑基础；第五章简要介绍了广义相对论的基本原理和遗留问题，并对分立时空中的广义相对论进行了初步分析；第六章给出了调和量子理论和广义相对论的最自然的方法，并讨论了此方法对其它量子引力理论的可能隐含。在此基础上，提出了一种最基本的量子时空理论；第七章深入分析了相互作用的量子机制和现有理论。给出了量子场的真实物理图像，分析了规范不变性、希格斯机制和重整化方法的问题，并探讨了弯曲时空中的量子场图像；第八章对量子宇宙学的一些问题进行了分析。提出了暗能量的一种量子时空涨落模型，分析了探测黑洞内部的可能方法，并指出了量子坍缩是导致黑洞信息丢失的主要原因。此外，还简要分析了统一理论的一些遗留问题，如物质的组成基元问题，粒子质量数值的解释，以及规律的唯一性等。第九章给出了物质与意识的统一理论的初步框架。这是关于自然的统一理论的最终形式。

本书的思想是作者十余年的不懈探索之所得，在这一过程中作者得益于与下述研究者的讨论而使其愈加清晰和严谨，在此深表感谢，他们是：G.Amelino-Camelia（University of Roma），J.D.Bekenstein（Hebrew University of Jerusalem），Gary S.Bekkum，O.Costa de Beauregard （ Fondation Louis de Broglie ）；P.Eberhard（ Lawrence Berkeley National Laboratory ）；何祚庥 ( 中科院理论物理所 )，Lawrence P.Horwitz （ Tel Aviv University ）；黄湘友 ( 北京大学 )，P.Pearle ( Hamilton College)， R.Penrose ( University of Cambridge )，Dean I.Radin（ Institute of Noetic Sciences ），Y.H.Shih ( University of Maryland )，A.Shimony（Boston University），G.Svetlichny ( Pontificia Universidade )，A.Suarez ( Center for Quantum Philosophy )，吴令安 ( 中科院物理所 )，郁司夏 ( 中国科技大学 )，H.D.Zeh，张元仲 ( 中科院理论物理所 )，朱平 ( University of Texas ) 等。同时，作者要感谢他的父母多年来对他的悉心抚育和谆谆教诲，并感谢他的妻子在本书完成过程中对作者无微不至的关怀和支持。最后作者对出版社的帮助表示诚挚的谢意。

前言
引言统一之路

1. 分立时空

可以设想，人类的才能总有一天会找到一些方法，使人们有可能沿着这条道路前进。

1．1 时空为何分立？
1．2 分立的含义

2. 量子运动

整整50年有意识的思考仍未能使我更接近‘光量子是什么’这个问题的答案。

2．1 运动为何非连续？
2．2 双缝实验
2．3 量子运动
2．4 扩散规律
2．5 量子如何叠加？
2．6 聚集规律
2．7 量子如何坍缩？
2．8 两个世界的统一

3. 超距信号

它绝对与我们整个经验的特征相抵触，这样就证明了超光速因果链假设的不可能性。

3．1 超距“跳跃”
3．2 坍缩的同时性
3．3 量子禁令
3．4 超距通信

4. 光速不变

相对论的初始关系仍是现象论的。