梅晓春证明微观物理学没有洛伦兹变换不变性
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杨钊良 (中国科学报福建记者站)
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美国《现代物理学杂志》今年5月期发表福州原创物理研究所所长梅晓春文章—— “微观物理学相互作用过程没有洛伦兹变换不变性的证明”。梅晓春告诉记者，这是在现代物理学的最核心部分发现相对性原理不成立。它预示着二十一世纪物理学的时空、引力和宇宙学研究的思维方式要发生根本性的改变。
一百多年前，爱因斯坦提出狭义相对论，打破牛顿力学体系的束缚，对推进二十世纪物理学的发展起到积极的作用。现代物理学建立在爱因斯坦相对论的基础上，狭义相对论有两条基本原理，一是运动相对性原理，二是光速不变原理，从这两条原理可以得到一个称为洛伦兹变换的规则。然而科学发展到二十一世纪，新技术的层出不穷，导致新实验和观察手段大量出现。物理学的天空又出现了许多乌云，爱因斯坦理论系统不能适应新的时代，需要进行修正是一个合符科学发展规律的事情。
相对性原理认为，宇宙中不存在绝对静止的优越参考系，所有的运动都是相对的。这等价于认为物理学运动方程的形式与参考系的选择无关，表现为对洛伦兹变换保持不变。如果微观物理学过程中相对性原理不成立，相对论的基础就要倒掉一半。如果光速不变原理仍然成立的话，爱因斯坦相对论就要变成绝对论。
由于宏观物理学涉及的大多是低速运动过程，狭义相对论主要应用于微观物理学。微观物理学基础理论包括量子场论和量子力学，物理学家一直相信他们满足相对性原理。事实上，量子场论就是按照洛伦兹变换不变性要求来构造，被认为是满足相对性原理的巅峰之作。在此基础上，建立起基本粒子物理学的摩天大厦。
然而在宏观宇宙学方面，早在上世纪60年代，就有观察表明宇宙微波背景辐射存在空间各向异性。若将宇宙微波背景辐射各向同性的参考系当作绝对静止参考系，观察表明太阳系正在以大约390千米/秒的速度运动。因此现代物理学实际上面临着两难状态，宇宙测量结果与相对性原理存在矛盾，这是一个很严重的基本问题。
事实上自从爱因斯坦狭义相对论建立一百多年以来，对它的质疑从来就没有停止过。在物理学史上，包括迈克尔逊、洛伦兹、彭家勒和马赫等被认为是相对论先驱的物理学大师们都不接受相对论。他们反对的不是光速不变原理，而是相对性原理，原因在于它会导致各式各样的逻辑悖论。
爱因斯坦提出狭义相对性原理的时候，科学界还不确定原子是否存在，更谈不上微观粒子物理学。相对论被广泛接受后，由于物理学家们相信相对论是对的，就可能有意无意地忽略微观粒子物理学中实际存在的，洛伦兹变换对称性破坏的问题。而且正是由于相对论在微观粒子物理学中广泛的应用，物理学家们才坚信它是正确的。
然而真实情况并非如此，科学的发展历程有时是完全出人意料的。梅晓春仔细考察了量子场论和量子力学的运动方程和跃迁几率的洛伦兹变换，发现至少在五个问题上，微观粒子相互作用理论没有洛伦兹变换不变性：
1. 在量子场论计算跃迁几率的基本公式中，不变相空间因子实际上不是洛伦兹不变量。只有在一维运动情况下，相空间因子才是洛伦兹不变量。
2.现有量子场论对旋量场传播函数洛伦兹变换的计算有误。按照正确的计算，旋量场传播函数没有洛伦兹变换不变性。
3. 虽然量子场的运动方程和相互作用哈密顿量在洛伦兹变换下不变，但相互作用表象中用来计算跃迁几率的微扰论运动方程是没有洛伦兹变换不变性的。事实上在量子场论和量子力学中，连最基本的几率波归一化公式也都是没有洛伦兹变换对称性的。
4. 束缚态粒子之间的相互作用没有洛伦兹变换对称性。相对性原理是没有近似性，对于非相对论性量子力学描述的束缚态粒子，不是因为低速运动导致洛伦兹变换对称性的消失，而是这些过程实际上根本就没有相对性。
5.量子场论高阶微扰重整化过程破坏相对性原理，比如著名的氢原子能级兰姆位移，就没有洛伦兹变换对称性。
梅晓春指出，相对性原理实际上只是物理学家的信念。从三百年前的伽利略到一百年前的爱因斯坦，物理学家只是相信它是对的，并没有真正严格实验证据。事实上物理学家至今为止从来没有，也不可能在另外一个高速运动参考系上进行测量，证明狭义相对论效应具有相对性。迈克尔逊干涉实验似乎证明地球的绝对运动速度无法测量，然而相对论是用光速不变原理来解释迈克尔逊干涉实验的。也就是说由于光速不变，才导致地球的绝对运动无法测量。从这种意义上，迈克尔逊干涉实验只是证明光速不变，并没有否定地球参考系的绝对运动。
在此之前，对相对性原理的质疑都宏观方面的，集中在时空佯谬等逻辑自洽性问题上。由于宏观系统由微观粒子组成，如果微观过程满足相对性原理，物理家似乎有理由忽略宏观方面的逻辑自洽问题。但如果微观粒子相互作用过程破坏相对性原理，物理学只有一条出路，那就是必须放弃相对性原理，同时保留光速不变原理。在这种情况下，狭义相对论的所有公式都可以保留下来，但必须做绝对性的解释。
梅晓春指出，当前物理学危机的根源说到则与相对性原理有关。爱因斯坦后来提出的广义相对性原理，就是狭义相对性原理的直接后果。按照广义相对论，引力用时空弯曲来表示，由此就引起许多奇奇怪怪的东西。比如宇宙暗物质、暗能量概念，奇异性黑洞，白洞，虫洞， 时间倒流，因果律破坏，以及量子力学领域的许多问题，都是与这种相对主义的思潮一脉相连的。爱因斯坦的引力理论之所以与量子力学无法相容，其原因也在于其弯曲时空背景。如果相对性原理不成立，所有这些都得重新洗牌，物理学研究不可能按现在的模式继续进行下去。
当前物理学正处在一个关键的时刻，爱因斯坦理论体系实际上已经成为物理学发展的障碍。继续因循守旧，将爱因斯坦视为不可动摇的神圣，是不可取的。西方科学目前正陷在爱因斯坦理论体系的泥潭，难以自拔。这对中国是一个机会，抓住机会就有可能实现跨越性的进步。希望国家科学管理机构有先见之识，支持内国学者这种原创性研究。这也是中国科学实现民族复兴，最终世界引领科学发展的必经之路。
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杨钊良 (中国科学报福建记者站)
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美国《现代物理学杂志》今年5月期发表福州原创物理研究所所长梅晓春文章—— “微观物理学相互作用过程没有洛伦兹变换不变性的证明”。梅晓春告诉记者，这是在现代物理学的最核心部分发现相对性原理不成立。它预示着二十一世纪物理学的时空、引力和宇宙学研究的思维方式要发生根本性的改变。
一百多年前，爱因斯坦提出狭义相对论，打破牛顿力学体系的束缚，对推进二十世纪物理学的发展起到积极的作用。现代物理学建立在爱因斯坦相对论的基础上，狭义相对论有两条基本原理，一是运动相对性原理，二是光速不变原理，从这两条原理可以得到一个称为洛伦兹变换的规则。然而科学发展到二十一世纪，新技术的层出不穷，导致新实验和观察手段大量出现。物理学的天空又出现了许多乌云，爱因斯坦理论系统不能适应新的时代，需要进行修正是一个合符科学发展规律的事情。
相对性原理认为，宇宙中不存在绝对静止的优越参考系，所有的运动都是相对的。这等价于认为物理学运动方程的形式与参考系的选择无关，表现为对洛伦兹变换保持不变。如果微观物理学过程中相对性原理不成立，相对论的基础就要倒掉一半。如果光速不变原理仍然成立的话，爱因斯坦相对论就要变成绝对论。
由于宏观物理学涉及的大多是低速运动过程，狭义相对论主要应用于微观物理学。微观物理学基础理论包括量子场论和量子力学，物理学家一直相信他们满足相对性原理。事实上，量子场论就是按照洛伦兹变换不变性要求来构造，被认为是满足相对性原理的巅峰之作。在此基础上，建立起基本粒子物理学的摩天大厦。
然而在宏观宇宙学方面，早在上世纪60年代，就有观察表明宇宙微波背景辐射存在空间各向异性。若将宇宙微波背景辐射各向同性的参考系当作绝对静止参考系，观察表明太阳系正在以大约390千米/秒的速度运动。因此现代物理学实际上面临着两难状态，宇宙测量结果与相对性原理存在矛盾，这是一个很严重的基本问题。
事实上自从爱因斯坦狭义相对论建立一百多年以来，对它的质疑从来就没有停止过。在物理学史上，包括迈克尔逊、洛伦兹、彭家勒和马赫等被认为是相对论先驱的物理学大师们都不接受相对论。他们反对的不是光速不变原理，而是相对性原理，原因在于它会导致各式各样的逻辑悖论。
爱因斯坦提出狭义相对性原理的时候，科学界还不确定原子是否存在，更谈不上微观粒子物理学。相对论被广泛接受后，由于物理学家们相信相对论是对的，就可能有意无意地忽略微观粒子物理学中实际存在的，洛伦兹变换对称性破坏的问题。而且正是由于相对论在微观粒子物理学中广泛的应用，物理学家们才坚信它是正确的。
然而真实情况并非如此，科学的发展历程有时是完全出人意料的。梅晓春仔细考察了量子场论和量子力学的运动方程和跃迁几率的洛伦兹变换，发现至少在五个问题上，微观粒子相互作用理论没有洛伦兹变换不变性：
1. 在量子场论计算跃迁几率的基本公式中，不变相空间因子实际上不是洛伦兹不变量。只有在一维运动情况下，相空间因子才是洛伦兹不变量。
2.现有量子场论对旋量场传播函数洛伦兹变换的计算有误。按照正确的计算，旋量场传播函数没有洛伦兹变换不变性。
3. 虽然量子场的运动方程和相互作用哈密顿量在洛伦兹变换下不变，但相互作用表象中用来计算跃迁几率的微扰论运动方程是没有洛伦兹变换不变性的。事实上在量子场论和量子力学中，连最基本的几率波归一化公式也都是没有洛伦兹变换对称性的。
4. 束缚态粒子之间的相互作用没有洛伦兹变换对称性。相对性原理是没有近似性，对于非相对论性量子力学描述的束缚态粒子，不是因为低速运动导致洛伦兹变换对称性的消失，而是这些过程实际上根本就没有相对性。
5.量子场论高阶微扰重整化过程破坏相对性原理，比如著名的氢原子能级兰姆位移，就没有洛伦兹变换对称性。
梅晓春指出，相对性原理实际上只是物理学家的信念。从三百年前的伽利略到一百年前的爱因斯坦，物理学家只是相信它是对的，并没有真正严格实验证据。事实上物理学家至今为止从来没有，也不可能在另外一个高速运动参考系上进行测量，证明狭义相对论效应具有相对性。迈克尔逊干涉实验似乎证明地球的绝对运动速度无法测量，然而相对论是用光速不变原理来解释迈克尔逊干涉实验的。也就是说由于光速不变，才导致地球的绝对运动无法测量。从这种意义上，迈克尔逊干涉实验只是证明光速不变，并没有否定地球参考系的绝对运动。
在此之前，对相对性原理的质疑都宏观方面的，集中在时空佯谬等逻辑自洽性问题上。由于宏观系统由微观粒子组成，如果微观过程满足相对性原理，物理家似乎有理由忽略宏观方面的逻辑自洽问题。但如果微观粒子相互作用过程破坏相对性原理，物理学只有一条出路，那就是必须放弃相对性原理，同时保留光速不变原理。在这种情况下，狭义相对论的所有公式都可以保留下来，但必须做绝对性的解释。
梅晓春指出，当前物理学危机的根源说到则与相对性原理有关。爱因斯坦后来提出的广义相对性原理，就是狭义相对性原理的直接后果。按照广义相对论，引力用时空弯曲来表示，由此就引起许多奇奇怪怪的东西。比如宇宙暗物质、暗能量概念，奇异性黑洞，白洞，虫洞， 时间倒流，因果律破坏，以及量子力学领域的许多问题，都是与这种相对主义的思潮一脉相连的。爱因斯坦的引力理论之所以与量子力学无法相容，其原因也在于其弯曲时空背景。如果相对性原理不成立，所有这些都得重新洗牌，物理学研究不可能按现在的模式继续进行下去。
当前物理学正处在一个关键的时刻，爱因斯坦理论体系实际上已经成为物理学发展的障碍。继续因循守旧，将爱因斯坦视为不可动摇的神圣，是不可取的。西方科学目前正陷在爱因斯坦理论体系的泥潭，难以自拔。这对中国是一个机会，抓住机会就有可能实现跨越性的进步。希望国家科学管理机构有先见之识，支持内国学者这种原创性研究。这也是中国科学实现民族复兴，最终世界引领科学发展的必经之路。
