王令隽：上帝粒子和诺贝尔奖

1。上帝粒子是怎样练成的？

2013年10月，瑞典皇家科學院將2013年的诺贝尔物理奖授予布鲁塞尔大学的英格勒特 （François Englert ）和爱丁堡大学的希格斯（Peter W. Higgs），其贡献是“理论上发现了理解亚原子粒子质量的机制，这一机制为最近在欧洲核子研究中心的大强子对撞机的ATLAS 和CMS 实验所证实。” 诺贝尔奖颁给了一个尚未得到实验证实的理论假说， 这还是破天荒第一次。

上帝粒子到底是怎么假设出来的？它对基本粒子理论为什么如此重要？让我们简单地回顾一下半个世纪以来基本粒子理论的发展过程。

基本粒子理论界奉行一条基本原则，就是理论必须具有数学对称性，其中最重要的对称性就是Yang-Mills场的规范协变性。可是Yang-Mills规范场理论有一个非常大的问题：这种非阿贝尔规范容不得带质量的粒子存在。一带上质量就不能保持规范协变性。比如说，自旋为半整数的费米子的拉格朗日函数如果带有质量，其自旋度（helicity）根本无法翻转。W和Z玻色子的拉格朗日函数如果带有质量，也不能保持规范协变性。所以，无论是 玻色子还是费米子，都不能把质量作为一种内秉特性，除非放弃规范协变性。这一结果被称为“高尔兹敦定理”。基本粒子理论家们选择了情愿让粒子质量等于零也要维护规范协变性。因为对称性原则是这些理论家们不可动摇的信仰和基本教义。

为了解决弱相互作用或者弱电统一理论中的质量问题，理论家们提出了一种所谓的“自发对称破缺”机制。最早于1960年提出自发对称破缺機制的是芝加哥大學的南部陽一郎（也是一個諾貝爾獎得主）。1962年，超導理論學家菲利普安德遜發現，如果将无质量的南部—高尔兹敦模式和无质量的规范场模式捆绑在一起就可以构造一个带质量的矢量场。其情形一如“夸克禁閉”将几个夸克捆绑在一起一样。1963年，安德遜在一篇論述Yang-Mills场的文章中得出結論說：“這兩种玻色子看起來能夠互相抵消，剩下有質量的玻色子。” 1964年3月，阿伯拉罕克萊因（Abraham Klein）和本傑明李（Benjamin Lee）證明了，至少在某些非相對論條件下，可以通過自发对称破缺繞過高尔兹敦定理，並猜想在相對論條件下也應該行得通。

這一猜想立即被發展成一個相對論模式。1964年下半年，三個研究組幾乎同時提出了希格斯機制（Francois Englert and Robert Brout, Peter Higgs, Gerrald Guralnik, Carl Hagen and Tom Kibble）。这个机制假定真空中存在一个四分量的标量场（希格斯场）。这个场构成一个弱同位旋 SU(2)空间中的复数双重态。这个场的弱超荷为1/2。（弱超荷等于电荷减去弱同位旋。）
希格斯标量场的数学表示就是一个1x2的矩阵，只有两个矩阵元，都是复数，都有实部和虚部，所以希格斯场应该是四个变量的函数。如果将它画成图表，希格斯场看上去像一顶墨西哥帽子，或者像一个香槟酒瓶子的底，中间隆起来，最低的部分是底部的边而不是底的中心。希格斯场的基态就是最低的部分，不在中心而在边上。这个基态是退化的。这许多退化的基态之间通过SU(2)规范变换相连系。正是在此地，神迹发生了。理论家们可以选择四个变量中的三个为零，只保留一个，其真空期望值（vev）具有质量的量纲。这个具有质量量纲的vev与希格斯拉格朗日函数中的两个耦合常数一起给出了W粒子和Z粒子的质量。夸克和轻子与希格斯场的相互作用则是通过汤川耦合来实现。拉格朗日函数中的汤川相互作用部分式子比较冗长，包含希格斯场的所有四个元素以及汤川耦合矩阵。同样地，应用所谓的“自发对称破缺”机制，即仅保留希格斯场四个元素中的一个而丢掉其他三个，就会产生费米子的质量项。这就是上帝粒子使玻色子和费米子获得质量的“希格斯机制”。关于这种抛弃退化基态函数中的无数多个分量只保留一个分量的数学操作（美其名曰“自发对称破缺”），我在“科学上有没有最终的万能理论”一文中已有分析，兹不赘述。

在提出“自发对称破缺”机制的所有人當中，希格斯之所以特別受到注意，是因爲他明確提出了標量玻色子的存在。可是一般認爲，這三个研究组中的六個人對希格斯機制的提出都有功勞。1967年，溫伯格（Stephen Weinberg）和薩拉姆（Abdus Salam）表明了希格斯機制如何可以應用到格拉肖（Sheldon Glashow）的弱電統一理論中。溫伯格還表明了，自發對稱破缺機制不僅可以使玻色子得到質量，還可以使費米子得到質量。

可是這些工作在當時沒有得到太多的重視，因爲這樣的機制玄乎得使許多物理學家無法接受。當時理論界普遍認爲非阿貝爾規範理論是一個毫無希望的死胡同，他根本就無法被重整化。格拉肖在他的教學中都不太提溫伯格，薩拉姆和他自己的弱電統一理論。1974年，《近代物理評論》雜誌有一篇評論文章指出，“沒有人真正相信大自然會像魔鬼一樣聰明地來借助這些機制。”

1971年，維爾特曼（Martinus Veltman） 和提胡呼特（Gerard ‘t Hooft）證明了Yang-Mills场重整化的可能性。加上本傑明李的出色的科普工作，使得弱電統一模型逐漸為主流所接受。此後許多為標準模型作出過貢獻的人獲得了諾貝爾獎。光是理論家就有南部陽一郎，格拉肖，溫伯格，薩拉姆，維爾特曼，提胡呼特，當然還有今年的希格斯和英格勒特（Francois Englert）。

潮流是形成了，可是要使學界信服，不提供某些實驗證據是不行的。W和Z粒子可以算是某种實驗證據。可是如果沒有希格斯機制，這些粒子同樣不能有質量。這就是爲什麽尋找希格斯粒子成了30年來基本粒子物理界的中心問題。

2。尋找上帝粒子 的偉大戰役

這位上帝粒子閣下到底能不能找到呢？

这个问题逻辑上不完整，因为没有时间限制。逻辑上正确的回答是：“任何时候都不能说永远找不到”。你不能因为今天没有找到就否定其存在。只要继续不断地追加研究经费，不断地找，总有可能找到的。比如说，长生不老药是否存在？谁都无法否定它的存在。秦始皇找不到，不等于永远找不到。当然，如果设定时限（比如100年或1000年），我就可以肯定地说，长生不老药不存在，找不到。

其次，对于 “找到”的定义也十分关键。比如说，一个瞎子摸到一根柱子，就宣布摸到了象，是因为他把“找到了象”定义为“摸到了一根很粗的柱子”。这位盲人没有根据象的本质特性来定义“象”。如果您看到一只美猴王在耍弄闪闪发光的金属棒，就以为找到了孙悟空，便忘记了孙悟空的本质特性--他能腾云驾雾，一个筋斗能翻十万八千里，有七十二般变化，能从耳朵里掏出一个绣花针，晃一晃，碗来粗细。如果不管这些本质特性，只按猴子的脸谱找孙大圣，那您找到的很可能是六龄童或六小龄童，而不是齐天大圣。

这种不按本质而按表象寻找某种目的物的盲人摸象哲学，也被20世纪的主流物理学采用了。比如说，黑洞是施瓦兹查尔德半径以内的时空区域，其本质特性是时间和空间互换。如果您仅仅发现宇宙空间中存在某个不发光的巨大的物体，但是并没有证实这一物体内时间和空间翻转了，就宣布发现了广义相对论中的黑洞，就是学术造假。

同样地，要证实找到了上帝粒子，就必须证实它的本质特性。什么是上帝粒子的本质特性呢？它的本质特性就是所谓的“希格斯机制”，这种机制产生“自发对称破缺”，并赋予所有粒子以质量。希格斯场是真空中无处不在的具有四个分量的标量场。这个场的激发态就是希格斯粒子，寿命仅为10的负22次方秒。希格斯场的三个分量被弱同位旋的SU(2)对称性吸收，U(1)规范玻色子则变成W和Z粒子的纵向分量。剩下的电中性分量与其它费米子通过汤川耦合使费米子带上质量。这就是上帝粒子的本质特性。如果物理学家们不能证实这些本质特性的存在，不能證實上帝粒子如何使其他所有的玻色子和費米子獲得質量，如何產生自發對稱破缺，不能证明希格斯场具有墨西哥帽子一样的势能分布，仅仅是在126 GeV的能量值找到一个散射截面的共振峰，則并不能证实希格斯场和上帝粒子的存在。当然，如果像我这样定义“实验证实”，游戏就没法玩了。基本粒子这一行的行规是，只要间接地找到某种与此“粒子”有关的迹象(signature)，就算找到了这个粒子。

那末，什麽是上帝粒子存在的跡象呢？這當然還得聼理論家的指示。只有他們才有資格告訴人們什麽是這種signature。根據標準模型，上帝粒子一經產生便會立即衰變，寿命仅为10的负22次方秒。衰變渠道可以不止一個，而且和“上帝粒子”的制造方法有关。上帝粒子的制造同样非常困难。根據標準模型的理論期望，上帝粒子有可能通過幾種方法產生：

1）胶子聚變：如果對撞的粒子是強子，比如質子和反質子的对撞，那么强子中的胶子很可能会聚变而成上帝粒子。在LHC和Tevatron（美国的亿万电子伏加速器）中上帝粒子的生产，理论认为这一过程是主要的。

2） 希格斯轫致辐射：如果一个费米子和反费米子对撞，比如正负电子对产生对撞，其费曼图上会有一个虚W或者虚Z粒子，这虚的玻色子如果有足够的能量，便可能产生一个上帝粒子。在Tevatron的大型正负电子对撞机（LEP）中，理论认为上帝粒子的产生便是以希格斯轫致辐射为主。

3）弱玻色子聚变：费米子对撞的另一个可能的费曼图是互相交换一个W或者Z粒子，然后发射一个上帝粒子。这个过程被认为在LEP 和LHC中可能都是重要的机制。

还有其他许多可能的机制。

上帝粒子的衰變渠道也非常之多，因爲它承擔著使其他粒子獲得質量的繁重任務。根据标准模型，最重要衰變渠道有如下幾條：

1）如果上帝粒子的质量大于350 GeV（顶夸克质量的两倍），最可能的反应是衰变成一对顶夸克和反顶夸克。

2）如果上帝粒子的质量在126 GeV，则最容易衰变成一对底夸克和反底夸克。

3）另一个衰变渠道是变成一对Tao和反Tao介子。

4）上帝粒子还可以分解成一对带质量的玻色子，最可能是一对W中间玻色子。W玻色子也不能直接测量，而会衰变成一对夸克—反夸克，或者衰变成一个轻子 和一个中微子。可是，衰变成一对夸克—反夸克的反应 很难与 本底噪声区别，而衰变成轻子和中微子的反应则很难处理，因为中微子很难检测。

5）能给出比较清楚的信号的衰变是变成一对Z玻色子。Z粒子随后衰变成一对容易检测的轻子（electron or muon）。

6)上帝粒子还可以衰变成规范玻色子（胶子或光子），只是需要在费曼图中有虚夸克中间环或者带质量的玻色子。最普通的此类过程是通过虚夸克衰变为一对胶子（胶子聚变的逆反应）。

7）上帝粒子还可以通过W玻色子或重夸克为中介环路而衰变为一对光子。这个反应的分支比例非常小，约为千分之二。不过，此反应 对寻找上帝粒子却非常重要，因为光子的能量可以比较精确地测量。

希格斯粒子的寿命仅为10的负22次方秒，一产生就立即衰变，根本无法直接测量。所以，只能间接地测量其最终生成物，质子，电子，介子和光子。因为云室，气泡室，多丝室和闪烁计数器只能检测带电的粒子，连中子都测不到。光电管和闪烁计数器可以检测光子。（我不认为光是粒子。我只是姑且用一下通行的说法。）

所以，一个寻找上帝粒子的伟大战役，其总体图像就是：将一对正负电子或者正反 质子加速到非常高的能量，使它们对撞，然后探测对撞的最终生成物：质子，电子，带电介子，光子，再由这些最终生成物的空间分布和能量分布来反推上几代的反映过程，从而推论上帝粒子的存在，推论上帝粒子可以是其他粒子获得质量。

关于大型基本粒子实验证实的间接性和不可靠性，我已在多篇文章里谈到。上帝粒子探测的间接性是又一个例子。仅仅根据对撞的最终生成物质子，电子，介子和光子的空间和能量分布就能反推上几代的反映过程，就能断定诸多费曼图所代表的衰变过程的存在，就能断定图上的虚夸克，虚玻色子，虚胶子和上帝粒子的存在？这和根据病人的脉搏和舌苔的观察来断定肺属金，肾属水，肝属木，心属火，脾属土，从而证明北方属水，东方属木，南方属火，西方属金，中间属土，并进而证明人的命运决定于天上的星相，用的是同样的逻辑和推理。基本粒子动物园里有几被好百号动物，即使按照标准模型中的夸克理论，有质量的粒子也有53个，他们都必须通过上帝粒子以获得质量。这里边有多少可能的上帝粒子的生成机制和衰变渠道？仅仅根据对撞的最终生成物的能谱上的一个共振峰就能证明所有粒子的质量是通过自发对称破缺机制获得的？

自1990年代开始，欧洲核子研究中心开始在正负电子对撞机（LEP）上寻找上帝粒子。直至2000年，都未能找到。美国费米实验室的Tevatron 于1995年宣布发现了顶夸克以后，立即以寻找上帝粒子为新的使命。此时欧洲的大强子对撞机LHC尚未竣工，而美国的超强对撞机SSC又已经下马，既然LEP寻找上帝粒子失败，正是Tevatron乘胜扩大战果，建功立业的天赐良机。 但是Tevatron并没有找到上帝粒子存在的有力证据。对上帝粒子的寻找于2011年九月正式结束。

LHC 寻找上帝粒子的工作本来计划2008年底启动，可是实验开始才九天，因为一根电线 接触不良损坏了50个超导磁铁并污染了对撞机的真空系统，使得整个计划推迟了14个月，直到2010年3月才正式开始收集数据。主要探测器有两个：ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) 和CMS (Compact Muon Solenoid)。至2011年5月， 这两个探测器逐渐发现了伽玛光子和4个轻子事件出现的迹象（signature），也就是在能谱曲线上125 GeV 的位置隐隐有一个小小的隆起。数据积累到11月，这个小小的隆起好像不太可能是噪声，而非常像是一个共振峰。2011年11月28日，ATLAS 和 CMS 的负责人和欧洲核子研究中心 的主任召开内部会议讨论他们的观察结果，初步认为ATLAS 和 CMS有可能朝125 GeV 的位置靠拢而分享成果。至 2011年底，许多人期待着2012年底应该会有比较确定的结果，证实是否找到了上帝粒子。

2012年7月4日，这两个探测组宣布他们在125 GeV左右发现了一个未知的玻色子。ATLAS 的数值是125.3 GeV , CMS的数值是126.5 GeV。将两个结果合起来，显著性检验达到5个均方差，也就是错误的几率仅有百万分之一。这个结果在一般公众听来，好像是找到了上帝粒子是毫无疑义的了，错误的可能性不到百万分之一。这是完全的误解。他们宣布的结果只是说，在125.3 GeV左右确实有一个共振峰，能谱曲线上这个小小的隆起是噪声的可能性小于百万分之一，而不能断定这个隆起一定就是上帝粒子。打个比方，我在花果山的瀑布前观察到了一只猴子，它不是猴子的几率不到百万分之一，但是这不是说，那只猴子一定就是齐天大圣。同样，确切地观察到了125.3 GeV 的地方有一个共振峰，并不能确证找到了能够在10的负22秒钟内通过破坏对称性而使粒子们获得质量的上帝粒子。上帝粒子的这些本质特性是无法直接观察检测的，更谈不上5个均方差的显著性检验。

这里要特别强调的是，“自发对称破缺”理论并不能计算，或者“预言”上帝粒子的质量是多少，而是留待实验去决定的一个自由参数，所以，这个125.3 GeV的共振峰的精确度的实际意义就大打折扣。如果仅就质量而言，理论上能谱曲线上任何一个地方有一个小隆起都可以解释为上帝粒子。所以还应该检验希格斯机制假设的上帝粒子的其它特性，比如说它的自旋等于零且具有偶宇称。这些特性得到检验之后，虽然还是不能确证希格斯机制和上帝粒子的存在真实性，但是毕竟可以为上帝粒子的存在增加一些论据。在2012年11月的京都会议上，科学家们只是认为LHC的实验结果比较倾向支持标准模型而不是其他的替代理论。但是不能排除别的可能的反应会产生同样的结果，所以议者以为，要真正有比较肯定的结果，还得等些年头。现在比较有把握的意见是，科学家们在125 GeV 的位置找到了一个未知的粒子，这个粒子很可能是某种玻色子，其特性有些像期待已久的上帝粒子。但是科学家们并没有肯定这个新的共振峰一定是上帝粒子。可是，自从2012下半年以来，媒体就开始宣布上帝粒子已经被找到了。其情形，一如当年泰晤士报迫不及待地宣布爱丁顿的日食观测结果证实了爱因斯坦的广义相对论一样。

2013年1月，欧洲核子研究中心总监胡沃（Rolf-Dieter Heuer）声明，根据现有的数据，要到2013 年中才有可能得到答案。美国布鲁克海文国家实验室物理部副主席则在2013年声明，要等到2015年对撞机重新开机以后再收集几年新的数据，才可以有比较确定的答案。欧洲核子研究中心的研究部主任伯托卢奇（Sergio Bertolucci）表示，为了决定这个粒子是不是某种上帝粒子，接下来最主要的任务是证实它的自旋为零和偶宇称。
2013年3月14日，欧洲核子研究中心發表声明：“CMS和ATLAS 对于这个粒子的自旋-宇称的几个可能的选择进行了比较，加上对这个粒子与其他粒子的反应的测量结果，强烈地暗示（strongly indicates）这个新粒子是希格斯粒子。”我猜想，欧洲核子研究中心这么快地转变态度，发表如此肯定的声明，大概与诺贝尔奖评选日期迫近有关。

2013年10月，瑞典皇家科學院將2013年的诺贝尔物理奖授予比利时布鲁塞尔大学的英格勒特 （François Englert ）和英国爱丁堡大学的希格斯（Peter W. Higgs），其贡献是“理论上发现了理解亚原子粒子质量的机制，这一机制为最近在欧洲核子研究中心的大强子对撞机的ATLAS 和CMS 实验所证实。”瑞典皇家科学院的这一声明，比之欧洲核子研究中心2013年3月14日的声明，对上帝粒子的实验证实说得又更为肯定。物理学上的传统是，一个理论一旦荣获诺贝尔奖，便得了敕封诰命，荣升为真理。在實驗工作者自己都還沒有足夠把握的情況下就授予一個理論諾貝爾獎，歷史上還是首次。這種迫不及待反映了基本粒子學界的某种無奈。在理論已然走入死胡同，而越來越高的經費要求越來越難得到社會的理解和滿足的時候，要守住嚴格的學術標準已经很難了。

3。技术层面的质疑

我多次质疑过庞大的高能物理实验的可靠性问题。寻找上帝粒子的实验是又一个例子。欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）耗资数十亿欧元，光是两个探测器ATLAS 和 CMS的雇员就有约7000人，加上大型对撞机本身的运行维护，其庞杂自不待言。这里面任何一个环节出错，都将产生严重的错误结果。天真的人们可能会说，这些人都是世界顶尖的科学家，既有丰富的经验，又严肃认真，对设备和软件一定进行过反复的检查和测试，怎么可能会出错？实际情况与芸芸众生善良的愿望和善良的信任相反，这种超大型实验出错的可能性可以大得出乎人们的意料。我们就以欧洲核子研究中心本身作为例子看看历史记录。

1960年代初，欧洲核子研究中心和美国布鲁克海文国家实验室在悄悄进行一场探测中微子的较量。1961年5月，一个瑞典物理学家达德尔（Guy von Dardel）发现欧洲核子研究中心对中微子流量的估算有错。欧洲核子研究中心估计六个月之类大概能观察到40个中微子，可是达德尔的计算表明，六个月之内最多不超过4个中微子。欧洲核子研究中心的错误出在一些非常初级的环节，比如说他们忽视了磁场对pi介子轨迹的影响，又没有考虑到pi介子衰变成mu介子和中微子以后他们的轨迹会分叉。达德尔不是欧洲核子研究中心中微子实验组成员，他义愤填膺，称其为丑闻。欧洲核子研究中心不得不立即推迟实验进程。这是理论计算环节出错的例子。布鲁克海文赢得了这场比赛，赢得了1988年诺贝尔奖（证明了存在两种中微子）。

连基础设施都可能出问题。上面提到，LHC在实验开始后才九天，就因为一根电线接触不良而损坏了50个超导磁铁并污染了整个对撞机的真空系统，使得整个实验推迟14个月。这是第二个例子。

朋友们一定还记得前些时从欧洲核子研究中心传出来的特大新闻，说他们和意大利的实验物理学家们证实了中微子的速度超过光速。后来他们自己否认了，原因是电子设备和数据处理软件方面的错误。

没有实验经验的朋友们可能会说，如果计算和设备出错，一定会表现出来。经过反复检查，一切都顺利了，说明没有问题了，才会开始实验。一旦得出了结果，是不是就可以说明整个测量没有问题？

不一定。有些问题是会表现出来的，比如磁铁不干活了，真空坏了，等等。这一类问题很容易排除（虽然可能会要好几个月）。有些问题是隐性的，没有明显的表现和病态症状，只是悄悄地产生系统误差，甚至给出像样的但是错误的结果。从事软件工作的朋友一定也有这样的经验。明显的大错误很容易排除，最令人头痛的甚至是致命问题是隐形问题。对于低概率事件，这种潜在的系统误差就更为可怕。上述的超光速中微子实验的结果就属于这一类。其实所有的中微子实验，质子寿命测量实验，寻找上帝粒子的实验，都是低概率实验。根据LHC自己的估算，上帝粒子出现的概率大约是十亿分之一，其他好多可能的过程都会呈现出类似于理论期待的上帝粒子的迹象（signature），所以必须根据理论家假定的衰变渠道来设计符合线路以排除一些其他可能的类似过程，从几百万亿个事件中筛选出符合上帝粒子特性的事件。在这种情况下，如果存在某种未知的系统误差，就很容易造成能谱曲线上某个地方的隆起，而误以为是上帝粒子。特别是，理论家并不能预言上帝粒子的质量究竟是多少。所以，LHC所允许的能量范围之内任何一个地方出现隆起，都可以解释为上帝粒子。这又使隐藏的系统误差用武之地更为广阔。

对于如此复杂的实验，按理应该有不同的独立实验多次重复互相检验，才能对实验结果建立某种信心。可是如此耗资几十亿，历时十几年的项目，想重复一次谈何容易！LHC宣称，ATLAS 和 CMS 是两个独立的实验。两个实验组测出的能量值符合得相当好，这还不够吗？当然不够。这两个实验组用的探测器都是装在同一个对撞机的同一个束流上，用的是同样的粒子束（正反质子）。他们测到相近的共振峰，不是什么不可思议的奇迹，不能认为是两个不相关的独立实验。如果说，在别的国家再建一个大型对撞机并且用不同的反应机制来测量上帝粒子的质量，不太可能，至少应该在欧洲核子研究中心用铅离子的对撞来证实一下，检验以下，看看共振峰是不是在同一个位置。LHC的设计是可以进行铅离子对撞的。

4。“上帝粒子”名字的由来

希格斯是個無神論者，對於“上帝粒子”這個名字非常反感。就個人的名譽地位而言，他自然也更願意把這個新粒子叫做“希格斯粒子”。因爲有許多人對自發對稱破缺假設的提出做出了差不多的貢獻，所以有人提議不叫“希格斯粒子”，而取一個比較一般化的名字，比如“標量玻色子”。不過，最出名的還是“上帝粒子”。這個名字要歸功於另一個諾貝爾獎得主，費米實驗室的主任利昂理德耳曼（Leon Lederman）。他從1983年起就積極推動美國建造超高能對撞機（SSC），可是美國政府並沒有支持到底而于1993年叫停。所以理德耳曼于1993年寫了一本科普書《上帝粒子：如果宇宙是答案，那什麽是問題？》目的是爲了解釋粒子物理的重要性，以説服美國公衆和政府給這些費錢的高能物理項目以充分的經濟支持。在這本書中，理德耳曼把超高能對撞機比作古巴比倫人動工建築可是並未竣工的通天塔（又叫巴比塔，译自英文Babel）。事見聖經創世紀第11章。故事是这样的：古代全世界的人都是说同一种语言。他们来到一个叫做示那（Shinar）的地方，准备建一座高塔通到天堂。上帝知道了，就说：“如果他们是说同一种语言的同一个人民，就没有作不成的事。我们还是下去把他们思想搅乱，让他们说不同的语言，使他们互相都不理解。”于是上帝就把人分成不同的民族分居各地，说不同的语言，于是通天塔的建造就停下来了。理德耳曼把建造超高能加速器比作建通天塔。超高能加速器建成以后，我们就可以进入天堂，明白大自然的最终规律，或者说，“能够读懂上帝的思想”。理德耳曼把圣经故事改写成这样：“上帝在说：看啦，人类正在将我设下的秘密解密。上帝叹了一口气说：让我们下去给他们上帝粒子吧，让他们看看我所创造的世界是多么美妙！”

粒子物理学家们认为，大自然的规律是对称的，具有规范协变性的，可是，我们所观察到的物理世界却明明是不对称的，这使理论家们苦思不得其解。费曼坦承他的惶惑：我们生活于其中的宇宙明明是不对称的不规范的，是不是上帝不能接受一个完美无缺的世界？正如他破坏了通天塔的完美，上帝创造的规律会不会只是近似对称？基本粒子理论圈一般认为，在宇宙创造之初，大自然具有完美的对称性，各种相互作用会统一到一个万能的大统一理论，一切都是完美的，对称的。基本粒子学界的历史使命就是建成这座物理学上的巴比通天塔，到达天堂，得到最終的万能理论，读懂上帝的思想。所以理德耳曼要把建造超高能加速器比作建造通天塔。

雖然希格斯本人不喜歡，上帝粒子這個名字卻道出了這一假設的真諦：他在基本粒子物理理論中所起的作用和上帝在創世记 故事中所起的作用實質上是一樣的。沒有它，就沒有這個世界。因爲沒有它，所有的粒子都不可能有質量，整個物質世界就不存在。我们人类当然也就不存在。 真是天下安危係于上帝粒子一身。他就是一個微觀的上帝，一個數學化了的上帝。“上帝粒子”实至名歸，一點也不冤枉。這個名字本來也是粒子物理的積極推動者取的，以上帝的名義在基督教世界中争取公衆支持，現在又後悔了，因爲它赤裸裸地將創造論的實質擺在了公衆面前。無獨有偶，相對論宇宙學家們把他們的理論叫做“大爆炸理論”，以引起公衆的注意，現在又後悔了，因爲它赤裸裸地將創造論的實質擺在了公衆面前。所以古斯吸取歷史教訓，把它的理論叫做“膨脹理論”，顯得溫和得多。其實他的“膨脹”速度超過“爆炸”速度20幾個數量級，超過光速20幾個數量級。

5。哲學与逻辑的思考

我在其他一些文章中谈到了对称性问题。物理世界和大自然的规律本质上是不是对称的？根据对现实世界及其运动规律的观察研究，我们没有什么理由认为对称性和规范协变性是普适的大自然的基本规律。在这里粒子物理理论家们陷入了一个无法解脱的逻辑悖论：他们在构造一个理论时必须以对称性和方程式的规范协变性为前提；如此构造出来的理论却导致完全违背物理现实的结论—所有粒子的质量都等于零；为了摆脱这一极端荒唐的结果，他们又不得不假设一个希格斯场的存在，并假设所谓的“自发对称破缺”机制使所有的粒子获得质量，从根本上推翻了一开始假定世界和物理规律是对称的哲学基础。所以我们可以從哲學角度質疑把對稱性作爲自然規律根本原理这一大前提。

让我们根据哲学和逻辑思维来讨论另一个问题：基本粒子如何获得质量。

我們首先要问的是，这种使别的粒子获得质量的伟大行动，是瞬时的动作，还是长期的持续的动作？按道理，应该是瞬时的动作。质子的质量是一个原子质量单位，一个常数。如果质子获得质量的过程非常漫长，那么在这个获得质量的过程中，质子的质量就可以是从零到一个原子质量单位之间的任何数值，因此我们就可以测量到质量比一个原子质量小得多的质子。可是从来没有人测量到质量小于一个原子质量的质子。这是铁的事实。

所以，按照逻辑，上帝粒子使质子获得质量的过程应该是很短暂的瞬时过程。这个过程的时间间隔应该小于上帝粒子的理论寿命，10的负22次方秒。一个奶妈喂奶的时间不应该超过奶妈的寿命。

质子一旦获得了质量以后，质量就已经成了质子的固有特性了，应该就没有上帝粒子什么事了。正如关云长从曹操那里“获得”了赤兔马以后，就可以骑着赤兔马离开曹操去和任何人打仗，不须要总是把曹丞相背着才能打仗。赤兔马成了关云长战斗力的固有特性。人们在和关云长作战的时候，能够感觉到，或者说测量到的他的战斗力和作战特点，就只是赤兔马和青龙偃月刀 以及他自己的武艺等等固有特性，和他在何时何地获得以及如何获得赤兔马和青龙偃月刀的过程没有关系，和使他获得赤兔马的曹操没有关系。我从妻子手里获得了食品，吃到肚子里以后，我的身体的运行完全遵照生理规律进行，和我如何获得食品的过程以及使我获得食品的妻子没有关系。同样地，上帝粒子一旦使质子“获得”了质量，质量就应该变成了质子的物理特性，这个特性和他如何获得质量的历史过程已经无关了。质子的运动规律也应该独立于上帝粒子的存在了。质子的寿命比宇宙的寿命还要长几十个数量级，而上帝粒子的寿命不过10的负22次方秒，它就是想一天到晚陪着质子，也活不了那么长。如果让无穷多個上帝粒子轮流值班，不停地让质子获得质量，那质子的质量可就得是无穷大了！

既然如此，当物理学家们用理论来描述质子的运动规律时，一个正确的理论应该只须要知道质子的质量（固有特性），而不须知道它的质量是如何获得的具体过程。可是粒子物理标准模型却给我们呈现出了一个完全不同的理论。在这个标准模型里，如果没有无处不在无时不有的希格斯场和上帝粒子的存在，所有的粒子就都没有质量，理论就不干活！这真是滑稽得相当可以。当着电子，质子和离子等等在质谱仪的磁场中飞行的时候，上帝粒子在陪着他们飞吗？上帝粒子的质量是质子质量的135倍，电子质量的25万倍。电子或者质子背著这么重的上帝粒子在质谱仪里飞行，那轨迹还能服从电磁理论的公式吗？这些粒子在质谱仪里的飞行时间在毫微秒数量级，上帝粒子的寿命比这短十万亿倍，陪得了吗？标准模型宣称能够处理弱电相互作用，那就应该能够处理电磁相互作用，能够处理质谱仪中运动的各种带电粒子。可事实上，没有上帝粒子它就处理不了电磁相互作用。

我们还可以问一个更为基本的哲学问题：粒子的质量需要某种机制来“获得”吗？如果其他粒子需要上帝粒子來獲得質量，那上帝粒子自己的質量是如何获得的？在这个问题上，“上帝粒子”的概念又表现出了和“上帝”观念本质上相同的创造论性质。宗教徒们总是问“世界是那里来的？人是从哪里来的？”好像这个世界不是客观存在，没有一个造物者来创造，世界就不可能存在似的。粒子物理标准模型的制造者居然也制造了一个“粒子如何获得质量”“粒子的质量是从哪里来的”这样的问题，然后假设出希格斯机制和上帝粒子作为答案。

物理學上有幾百個物理量，但是最基本的就是四個：時間，空間，質量，電荷。其他所有的物理量都是從這四個基本物理量定义或推算出來的。質量和電荷之所以是基本物理量，是因爲質量和電荷是物質的固有特性，不需要外在物的給與，也不需要從外界“獲得”。一句话，质量和电荷不须要被创造，也不能被创造。如果質量的獲得是一個問題，那电荷的获得为什么就不是问题，电荷为什么不须要任何机制就可以存在呢？在基本粒子標準模型裏面，電荷是如何“獲得”的呢？

科学从中世纪的神学统治中解放出来的一个最根本的信念转变就是现实世界以及大自然规律的客观性。这个世界本来就是存在的，不须要一个全能的上帝和神秘的创世纪故事使客观的世界上的万事万物存在。同样，物质粒子的质量和電荷也是客观存在的，不须要任何全能的“上帝粒子”和神秘的机制来使它们获得质量。假设物質的质量必須通过上帝粒子和希格斯机制获得，比假设世界由上帝创生更加不可思议。因为创世纪中的上帝的寿命是万寿无疆的，而上帝粒子的寿命仅为10的负22次方秒。由于历史的原因，一些科学家比如牛顿和爱因斯坦都宣称信仰上帝，但是他们在构建自己的理论时，并不需要将上帝创世纪的神秘机制包含在物理理论里面，而只是把上帝当作一种“第一推动力”。上帝一旦创造了世界，给了第一推动力以后，就让世界按照固有的规律运转，不再干扰大自然的规律了。上帝创造了亚当以后，从他身上取下一根肋骨 做成夏娃。这个创造过程完成以后，人类的繁衍生存就按照生物学的规律延续了。如果有一个生物学理论，假定上帝必须不停地从我身上抽出肋骨以维持我太太的肌体和质量，否则刘碧华就不存在，那这种生物学理论就太可怕了。可是，粒子物理标准模型就是如此可怕的理论，它必须把使粒子获得质量的希格斯机制和上帝粒子包含在理论模型之中，否則其他粒子就不可能有質量，否则标准模型就不干活。这种理论比犹太教的创世纪还要不可思議。

希格斯是无神论者，却发明了一个微观的上帝，一个不折不扣的数学创造论。这种高级幽默说明，一个高智商的学者如果失去哲学与逻辑判断力，如果以宗教的热忱来信仰一些权威的先驱们曾经尝试过但是并没有确证的理论假定，把这些假定的原理当作天经地义的真理，盲目崇拜，无限演绎，最终必将导致宗教的结果。20世纪的粒子物理理论是建立在一大串玄学假定之上的海市蜃楼和巴比通天塔，成了一种名副其实的数学化的宗教。

6。对上帝粒子实验探测的鉴定离不开对基本粒子理论的总体评价

基本粒子理论家们之所以不得不假定希格斯场和上帝粒子的存在，是因为标准模型陷入了无法容许粒子具有质量的困境。粒子物理理论之所以走入这种困境，是因为它是一个本质上发散的理论，一个以对称性规范协变性为基本原理的理论，于是就走入死胡同。为了走出死胡同，理论家们就发明了重整化，夸克禁闭，自发对称破缺等等违背逻辑的机制，最终不得不依靠上帝粒子来使各种粒子获得质量。上帝粒子当然也就继承了前此所有基本假定的遗产，诸如相對論与量子力学的结合，二次量子化，重整化，同位旋，規範協變性，費曼圖，共振態，誇克模型，質能等價，波粒二象等等。让上帝粒子单独地对整个粒子物理理论负责，是不公平的，也不能理清基本粒子理论的总体结构性问题。对上帝粒子真僞的鉴定离不开对基本粒子理论的总体评价。只有系统地分析从相对论量子力学開始以后量子場論各个阶段的主要假定，才能认清上帝粒子概念的是非真僞。

我在《科学上有没有最终的万能理论？》一文中，对基本粒子理论尤其是弱電统一理论有一些比较详细的讨论，当然也讨论了希格斯场和上帝粒子。我明确地表达了“基本粒子理论是建立在一系列基本假定之上的大厦”的意见。对于我的这些意见，许多朋友不一定很容易接受，因爲一般人很难相信整個20世纪的理论物理学找錯了方向，走錯了路綫。难道几十个诺贝尔奖得主都没有你聰明？难道整个理论物理学界都没有你高明？你是不是太过自负，不知天高地厚了？

我不敢自诩比整个理论物理学界高明，不过，历史上极少数反对主流学术意见的人最终被证明是正确的，而当时学术界的正统理论却是根本错误的例子确实存在。哥白尼和布鲁诺就是反对主流学术理论的。在《科學上有沒有最終的萬能理論？》一文中，我對粒子物理給出了一個明確的結論：

根据理论物理的过去，我们对其未来可以作一个如下的估计：只要理论物理继续按照现行的路线走下去，继续以相对论量子力学，重整化，规范协变性，同位 旋假定和夸克模型为基本架构，继续坚持共振态是基本粒子，这个理论就会永远是一个自我封闭的理论，和小圈子以外的现实世界不可能发生什么关系，產生任何衝 擊。唯一能讓人們感覺到的衝擊，是对人力资源和科研经费的争夺。

如果你們認爲我的論斷太過激，太武斷，那就不妨在每年审查和评估科研项目分配科研经费的时候，也重新评估一下我得論斷，看看是否仍然成立，看看基本粒子理论作为“基础科学”对核物理，凝聚态物理，化学，等等等等任何一个科学分支，有没有任何指导作用？看看今年是不是比往年进步了？是不是比十年前或50年前有进步了？看看基本粒子物理是不是已经走出了自我陶醉的圈子。我对自己的话负责到底。我在《为钱学森申辩》中曾说“君子立言可不慎欤”，这句话對我自己也適用。我对20世纪理论物理的总体评估牵涉到整个物理学界，是在冒天下之大不韪，一不小心就会身败名裂，我能不慎重吗？我對粒子物理理論的評估，是根據對80年來量子場論的理論體系，基本假設，哲學邏輯，實驗檢驗諸方面的認真思考做出的，不是一時衝動的意見。我重申，我對這個結論負責到底。也请关心理论物理的现状和未来的朋友们每年检查评估一下我的论断。

7。兩种詭辯

关于对基础理论的考绩，通常有两种通行的辩說。一种辩说许诺美丽的未来；一种辩说炫耀美丽的副产品。

第一种辩说强调基本粒子理论是基础理论，不能指望基础理论立即转化成实际应用。他们说，从基础理论的发现到实际应用一般要延遲大约50年的时间。这种辩说似乎言之成理，但是不符合事实。牛顿的《自然哲学的数学原理》（Principia）发表于1687年。他立即将他应用于天体力学，得出了万有引力的平方反比定律，成功地推导出了开普勒行星运动三定律。牛顿力学立即被物理学家和工程师们应用到科学技术和工程实践的所有可能的分支，并没有50年的迟延。麦克斯韦的电磁场理论发表于1873年，阐述了电磁波的传播。赫兹研究了麦克斯韦的电磁场理论以后于13年后成功地实现了无线电传播。薛定谔于1926年提出量子力学，立即被应用到原子分子光谱学和固体物理。21年后，第一个半导体三极管问世。这一工作获得了1956年诺贝尔奖。

牛顿的万有引力定律之所以没有很快被用于空间和航天科学，不是因为他不适用，而是因为当时的技术水平还没有产生真正的空间科学。同样，大型电脑的诞生之所以比半导体三极管的诞生晚了三十年，是因为集成电路小型化的技术性问题，不是半导体理论的适用性问题。一般地，一个基础变了，他的上层建筑或者说实际应用不须要等半个世纪。一個建築的基礎一旦變動，立即會影響到棟梁和上層建築。

社会所期待于基本粒子理论的，并不是什么成熟的技术成果，而是非常初级的，萌芽性质的示范型应用，人们也不奢望粒子物理对应用物理学科或化学生物学等领域有任何指导性作用，只是指望基本粒子理论在极为有限的领域，比如核物理，产生哪怕是一点点指导性的推动作用，这应该不过分吧？

核物理是基本粒子物理的娘家。欧洲核子研究中心，前苏联的杜布纳核子研究中心等的名字就说明了这些研究中心的本来目的和投资动机。美国的橡树岭，布鲁克海文，洛斯阿拉莫斯，洛仑斯利沃莫，阿岗和费米实验室等等，雖然名字上沒有核子研究的字樣，原本也都是以核物理为研究目标的。这些实验室早期的领导者如费米和奥本海默，都是杰出的核物理学家。现在的粒子物理学家们在谈到基本粒子物理的重要意义时，不也总是说粒子物理可以使我们理解微观世界深层的秘密吗？有的不是扬言一旦制造出了夸克弹，就可以在核竞赛中胜出，立即打倒美帝苏修吗？爲什麽一到考績的時候，就推託要等50年呢？

至于时间，社会上其实并没有对粒子物理界太大压力。等50年也可以。但总不能遥遥无期吧？我们等了多少年呢？自从狄拉克，克莱因，戈登在1920年代末将相对论与量子力学结合，发展出量子场论，已经80年了。粒子物理对核物理，无论是核军工还是民用核物理，比如受控热核反应，放射化學等等，有任何推动和影响吗？至于科学的其他分支，就更不能奢望了。

当然，如果80年还不够，纳税人也许还可以再等。不过我要坦率地提醒负责制定国家科技战略的院士们和制定国防科研战略的将军们：即使再等800年，也不要指望现在的粒子物理理论对科学的任何分支提供任何理论指导。你们可以为粒子物理理论投入几十亿几百亿的研究资金和成千成万的科研人才，但是绝对不要指望这个理论能够制造出夸克弹或者推動受控热核反应的研究。这些钱全部用在建造巴比通天塔。只要你们不给足够的经费建造一个比太阳系还大的加速器，巴比塔的建造者们就不必对不能到达天堂负任何责任。

对于以黄金时代的出现许诺给我们的子孙的漂亮而动听的理论，人们应该有本能的警惕。

另一種為粒子物理百無一用的辯說，是炫耀副产品（Spin-offs）。他们说，虽然粒子物理这种大型科研项目（Big science）没有實際應用，可是却带来了非常了不起的副产品。比如说，网络通信就是欧洲核子研究中心的科学家们为了尽快地将大量的数据传送到世界各地的研究組而发展出来的通信系统，还发展出了大型的云计算机。如果没有高能物理实验，就不会有这些伟大的成果。
这种诡辩简直是强词夺理。如果以几十亿美元的资金直接投入网络通信或者大型计算机的研究，难道还搞不出互联网和计算机网？這種強詞奪理爲什麽不可以反过来说：如果没有电子技术和电脑技术以及激光半导体元件等检测技术的发展，就没有高能物理實驗的发展。那末，为什么不把几十亿资金和成千成万的科技力量投放到电子技术，电脑和凝聚态物理的研究呢？对所谓的“基础科学”之类的费时费钱的超大型项目的投资，是不是应该有一个适度的平衡和限度，而不是根据理论家们大统一的梦想来决定科研经费呢?爲了建成通天巴比塔，實現你們的大統一理論，需要建造比太陽系還大的加速器。這比安徒生筆下皇帝的裁縫所提出的科研基金可是大得多呀！納稅人承擔得起嗎？

网络通信从实验高能物理项目中孕育出来，确实有赖于高能物理研究工作的一个特点，就是这种研究允许广泛的国际合作，这是其他的国防科研和民用工业科学技术研究做不到的。为什么做不到？因为国家机密和商业机密不容许无限度的公开共享研究成果。否则就会危及国家利益或者本公司的商业利益。基本粒子研究没有任何机密可言，正是因为全世界都知道，粒子物理研究的任何结果无论是对国防还是对民用工业都不可能产生任何实际效用。如果真如一些理论家们许诺的那样，一旦研究出了夸克弹，就可以立即打倒美帝苏修，那全世界所有的国家都会把这一类研究当作最高机密来保护，决不可能有什么国际合作。二次大战期间美国和德国之间制造原子弹和导弹的竞赛就是如此。冷战时期美苏之间的核竞赛也是如此。谁要是泄露了这方面的技术机密，就构成叛国罪。欧洲核子研究中心广泛的国际合作，是这种大型研究项目与科学技术发展毫无关系的最好见证。

如果以副产品来为主要任务的失败开脱，我们就会得到非常奇怪的谬论。比如说，秦始皇为了寻找仙山和长生不老仙丹，派徐福带五百童男童女出海求仙。长生不老药虽然没有找到，可是却给日本带去了中国文字，医药和农耕技术，催生了日本的“弥生文化”，也促进了航海技术的发展。那是不是说，为了发展日本文化和航海技术，就必须大力开展寻找长生不老药的运动？南北朝以后，佛教开始在中国广泛传播，封建统治者为了修成正果到达西方极乐世界，到处搜刮民脂民膏大肆修建佛寺。“南朝四百八十寺，多少楼台烟雨中。”这种迷信活动的一个副产品就是给我们留下了大批的艺术珍品和雄伟的古典建筑。那是不是说，为了发展艺术和建筑，就必须劳民伤财，掀起一个大建佛寺邁開大步奔向西方極樂世界的群众运动?

科学工作者们不应该忘记自己的科研目的，正如一个将军不应忘记自己的战场任务。对于本来的科研目标的结果无法交代，却津津乐道一些副产品，其实是承认科研项目本身的根本失败。

8。如果上帝粒子沒有找到怎麽辦？

如果上帝粒子沒有找到，基本粒子物理理論還是會繼續沿著已經走過的路走下去，只是標準模型可能會被其他的理論责难，甚至被取代。可能的候選理論比如超對稱和超弦理論，就等著躍躍欲試。

超對稱和超弦理論並沒有被現在的主流粒子物理理論界接受。我在《現代宇宙學的基本問題與DET理論》和《前沿科學還是前沿神學？》中提到過兩位諾貝爾獎得主里奇特和格拉肖對超對稱理論和超弦理論的批判。他们把這些理論斥為神學。最近世界科技出版社贈我一本書，是另一個諾貝爾物理獎得主維特曼（Martinus Veltman）的書《粒子物理：事实与神秘》。這本書最後的跋是這樣結尾的：

读者们可能会问，为什么这本书没有讨论超对称和超弦 理论。…… 这本书讨论的是物理，那就意味着理论思想必须有实验支持。超对称和超弦理论都不满足这一判断标准。它们仅仅是一些理论奇想。用泡利的话说，这些理论连被称为错误都不够资格。这里没有它们的位置。

主流理論界也有支持超對稱和超弦理論的，比如溫伯格和霍金。但是縂的説來，超對稱和超弦理論基本上沒有得到主流標準模型的認同。不過，如果尋找上帝粒子宣告失敗，這些理論的機會就來了。

如果標準模型真的被超對稱或超弦理論取而代之，是不是就意味著超對稱和超弦理論是正確的理論呢？不見得。事實上超對稱和超弦理論和標準模型一樣繼承了量子場論的所有基本假設，總體思路是一樣的。一個錯了不等于另外一個就一定對。比如阴阳八卦理论，有周易，有连山，有归藏，还有云南楚雄彝族人的八卦和韩国人的八卦，版本虽不同，但思维相通，都是八卦理论。

9。一个国家的科学战略不应该建立在锦标主义上面

錢學森教授臨終時语重心长地提了一個問題：中國爲什麽培養不出諾貝爾獎得主？從錢老的問題中我聼出了三個意思：1）錢老非常關係祖國科學事業的未來；2）錢老是想婉轉地表達他對祖國科學研究人才培養方面存在著體制性的問題；3）錢老也認爲諾貝爾獎是衡量一個國家科學技術發展水平的标准。對於錢老的前面兩個關切，我深表贊同與敬佩。但是對於最後一個意思，則不敢同意。今年的諾貝爾物理獎授予了比利時物理學家英格勒特（Englert）和英國物理學家希格斯（Higgs)，是不是比利時的科技水平一下子就爬到了世界頂尖的高度了？

説到諾貝爾獎得主的國籍，倒是有一個饒有興趣的現象：1980年代以来，獲得諾貝爾物理獎的歐洲人越來越多了，在粒子物理學界尤其如此。如果美國人不建造一個比歐洲大型強子對撞機大得多的機器，這種趨勢恐怕是不可逆轉了。据我估計，美國大概不會去搶這個風頭。那是不是意味著美國的科學技術從此就一蹶不振了？絕對不是。美國是一個重視考績（mission oriented）的國家。他不可能支持一個長期不對社會和科學產生任何效用的事業。美國大型對撞機SSC的下馬，正説明了這個國家的成熟和科研體制自我制衡的機制。我們經常可以聽到對這種“大科學項目”（big science）的意義的質疑。美國大型對撞機SSC的下馬的一個重要原因，就是以當年美國物理學會主席安德森（也是諾貝爾獎得主）為代表的固體物理學方面的反對意見。反對意見的核心，就是基本粒子物理到底是不是起到了基礎理論的作用？它到底能不能夠找到萬能的最終理論？现在，民间工业界对粒子物理研究的资助 已经降到零。政府对这方面的基金也在缩减。

二次大戰后，高能物理的領頭羊無疑是美國。美國不僅經濟實力雄厚，而且聚集了大批從歐洲移民來美國的科學家，其中最有影響力的是核物理學家費米，奧本海默，納粹火箭專家範布朗（von Braun）。当然还有愛因斯坦，但是他对美国科学技术的发展基本上没有影响。在與蘇聯的核競賽中，美國無論在資金上還是理論上都走在前面。世界上最好的加速器和實驗室，如橡樹嶺實驗室，布魯克海文實驗室，洛斯阿拉莫斯實驗室，洛倫斯利沃莫實驗室，費米實驗室，阿崗實驗室，巴特爾實驗室等等都在美國。在理論研究方面，費米和奧本海默親自披掛上陣，大膽假設，大膽探索，唯恐蘇聯人突然因爲一個成功的大膽假設而超過美國。蘇聯人也同樣大膽假設，並斥巨資建造杜布納核子研究中心。杜布納也為中國培養了不少核物理科學人才。在那個軍備競賽的冷戰時代，大膽假設成了一種戰略心理，連費米這樣的物理大師都顧不得理論的嚴密性了。在美蘇兩國轟轟烈烈進行基本粒子物理研究的時候，歐洲還在力圖從大戰的廢墟中恢復。在60年代前，歐洲核子研究中心還沒有真正形成自己的理論和實驗隊伍，還是美國的小學徒。自70年代以後，這種情形在開始改變，高能物理的威風慢慢转到歐洲核子研究中心去了，歐洲的諾貝爾獎得主也多起來了。這種局面並不说明美国和蘇聯的科技在衰敗，而説明美國和俄國已經在這條競技跑道上跑了夠長的距離了，開始慢慢清醒，意識到這種投資是在無休止地花錢造巴比通天塔，和國家的科技發展沒有絲毫關係。一個國家的科技戰略不應該建立在錦標主義上。

中国人没有获得诺贝尔奖，是不是意味着中国的科技水平还赶不上比利时和印度？当然不是。且不说中国在核物理和航天科技方面的瞩目成就，就是在基础物理方面，也作出了比诺贝尔奖级的研究工作重要得多的贡献。比如说，季灏 先生的实验，推翻了爱因斯坦的质能关系式。这项工作的重要性可以用爱因斯坦相对论的重要性来衡量。爱因斯坦相对论最重要的结论之一，就是质能关系式。这一关系式用来解释核能，在理论物理中用来定义共振态及其质量。没有爱因斯坦的质能关系式，就没有共振态，就没有基本粒子动物园中的几百号动物，也就没有夸克模型和量子色动力学。季灏实验的意义绝对不是一个诺贝尔奖可以衡量的。

当然，你可以怀疑季灏实验的可靠性。那好办，其他人可以重复，可以检验。季灏实验非常直接了当，费钱不多，很容易在别的城市重复。如果有几个实验组独立地检验了，其结果就不容置疑。这种实验应该比LHC的上帝粒子探测，黑物质探测，质子寿命测量等等简单得多，可靠得多。

如果其他人的实验如果如果否定了季灏实验的结果，证实了爱因斯坦的质能关系式，也是诺贝尔奖级的工作。我在《论质能关系》中已经清楚地说明了，直到今天，爱因斯坦的质能关系式没有任何实验证实。你如果能证实，就可以得诺贝尔奖。可是中国物理学界为主流物理学思想束缚，瞧不起这一工作，选择了不理睬。

在内举不避亲的精神鼓舞下，我要说，DET 理论同样是诺贝尔奖不足以衡量的工作。这一理论的重要性可以大爆炸理论在宇宙学上的垄断地位来衡量。如果宇宙红移的多普勒效应解释被推翻了，大爆炸宇宙学也就被推翻了，创造论也就被推翻了，黑洞和黑物质也就没有了，多重宇宙，时间机器，因果背反，等等等等，也就没有了。除此以外，我们还可以从新认识射电类星体的性质及其空间分布，重新估计前此的宇宙距离的准确性及其修正。也就是说，我们的天文望远镜所能看见的宇宙实际上比现在天体物理学确认的要小得多。毫不夸张地说，这将引起整个天体物理学的革命。这是多么重要的工作？区区诺贝尔奖能够衡量其重要性吗？这个理论预言了宇宙红移与谱线宽度的平方成正比，与波长的立方成反比。这些都是此前不知的全新的物理内涵，并且可以用以作为证实或者证伪 DET理论的实验检验。实验检验也非常容易，对于大型天文台来说，几乎不用什么追加的硬件投资，只要分配一点望远镜时间和电脑时间以及研究人员（包括学生）的工资就成。

同样地，主流天体物理学界选择了不理睬。

探索君彭宏钟立志动手兴建衡山天文馆，我殷殷期待其成。如精力允许，我一定尽力推动。

科学研究不同于体育。科学研究直接关系到国民经济和国防的发展。一个国家的科技发展战略，不应该建立在锦标主义之上。特别地，诺贝尔物理奖不能代表一个国家的科学技术水平。

10。科学兴亡，匹夫有责

20世纪末，理论物理已经明显地暴露出了反实证主义倾向。在宏观物理方面，以大爆炸理论为垄断的宇宙学已经直言不韪地提出了本质上是地心说的创造论。在微观物理方面，标准模型必须假定上帝粒子的存在来维持物质世界的存在。这从两个方面说明了20世纪的理论物理已经走进了神学和星象学的不归路。

在中世纪，现代科学刚刚启蒙，尚未形成完整的体系，人们的科学知识还相对贫乏，可是哥白尼布鲁诺伽利略等科学先驱居然有勇气有智慧冲破宗教审判的迫害，向统治了欧洲1500年的神学创造论和地心说挑战。布鲁诺宁可被宗教裁判所烧死，也不愿向地心说神学低头。历史进入20世纪，科学已然形成了一个广博的知识体系，创造论和地心说早已被经典科学界抛弃，黑暗的宗教统治也早已被社会进步推翻。可是，当某些物理学家思维中残存的神学理念逐渐渗透到理论物理，形成主流并占据垄断地位以后，即使理论本身的神学星象学性质已经赤裸裸地暴露出来了，整个学术界居然万马齐喑，万籁俱寂。有些物理学家明明看到了理论物理中的许多根本问题，还是选择了沉默，听凭理论物理一步步地走向死胡同。这使我感到非常惶惑。难道我们现在的处境比布鲁诺伽利略的处境还困难吗？

今年五月，我去西安交大讲学，黄德民先生晚上来访。我们素昧平生，却一见如故，十分投缘。他说，我们也和一些主流物理学家们交流过。他们说：“我们有我们的难处。我们和你们不一样。你们不以物理为职业，可以随便批评相对论，随便批评理论物理。我们不一样，我们的专业就是搞物理。如果我们批评相对论，批评理论物理，就拿不到科研项目，文章就没法发表，就会影响到工资，奖金和职称。这些都是不得不考虑的问题。”

这使我想起读书时的一位朋友。他是从事基本粒子理论研究的颇有成就的访问学者。我记得他写文章时不停地吸烟，一边来回踱步，一边埋怨：“我发誓不让我儿子搞粒子物理！”可是他的儿子还是学了粒子物理。在理论物理这个行当里，如果你不和主流保持一致，就不可能站住脚。关于这点，一位郑道先生在“评吴耀琪先生的核育论”一文中揭示了超弦理论界学术垄断的例子：

“在美国，追求弦理论以外的基础物理学方法的理论家，几乎没有出路。” “在崇高的普林斯顿高等研究院享受有永久职位的每个粒子物理学家几乎都是弦理论家，唯一的例外是几十年前来这儿的一位。在卡维里理 论研究所也是如此。自1981年麦克阿瑟学者计划开始以来，9个学者有8个成了弦理论家。在顶尖的大学物理系（伯克利、加州理工、哈佛、麻省理工、普林斯 顿和斯坦福），1981年后获博士学位的22个粒子物理学终身教授中，有20个享有弦理论或相关方法的声誉。弦理论如今在学术机构里独领风骚，年轻的理论 物理学家如果不走进这个领域，几乎就等于自断前程。”

在这样恶劣的大环境下，有些人“专业从事‘核弦’”，但“私下也对自己的研究没有信心”。他们不得不坐在这条 船上随波逐流。郑道先生所说“年轻的理论 物理学家如果不走进这个领域，几乎就等于自断前程”有些言过其实。理论物理学界对待弦论的态度分歧颇大。弦论并没有被接纳为标准模型的一部分。

也有少数有勇气的学者，比如高能物理研究所的郭应焕研究员。他在《关于对物理学当前状况的简单分析和看法》一文中就明确表示了对20世纪理论物理中许多根本问题的质疑：“宇宙大爆炸理论是玄学。”“按现在当前建立的3代夸克-轻子的观点下，原来的SU（3）还有基础吗？62种基本粒子已发现61种，只差Higgs的说法有根据吗？”“在物理学中数学被歧化。”“当前物理前沿把小于微观（渺观）和大于宇观（称胀观，实际亦为渺观）区域的物理被魔幻化。”“卡拉比猜想和正质量定理都是假命题，却被证明成立。难道吹肥皂泡的孩子能制造宇宙？”“弦（S）-膜（M）应属于欧几里德空间。一个0尺度的欧几里德点必需其小无内。时空中不存在6/7维内空间。”“现实世界不会有希格斯粒子（上帝粒子）。”“不能描写天体有挠（扭）运动的广义相对论是假理论。”“《自然哲学的数学原理》是一切科学的基石。”

一个毕生从事基本粒子研究的理论物理学家，能够如此明确地批判粒子物理和大爆炸宇宙学，不得不令人佩服他的勇气和深厚的学识。不从事理论物理工作的人不是都有郭教授的学养和见识。大多数学生或博士后迫于功课和论文的压力，从导师那里领到一个课题，就埋头做微扰，做对易关系，画费曼图，算散射矩阵，忙得晕头转向，根本就没有精力去思考总体结构性的问题，去理清理论体系的大逻辑，去追究基本假设的正确性。这都情有可原。可是一些资深的理论家，已经没有了出论文的压力，更没有提职加薪的压力，又没有太重的教学任务，公余之暇，难道就不能思考一下理论物理为什么会走到今天的死胡同？难道就一个问题也看不出来？还是看出来了不敢讲，没有自信，怕围攻，不敢舌战群儒？您们如果不敢全盘否定，哪怕承认个别假定有问题也好。难道连重整化这样的问题都看不出来吗？难道粒子物理的一系列基本假定都是正确的？您们选择明哲，选择沉默，倒也是人权保障的题中之义。可是，科学家的责任心呢？难道我们不知道科学兴亡匹夫有责？难道我们忘记了错误盛行的必要条件是善良人的沉默？

象郭应焕教授这样的学者确实是风毛鳞角，难能可贵。
这一行当里当然也有成功的，甚至和诺贝尔奖有缘的，或将来有希望的。诺贝尔奖意味着名誉地位和财富。一个人一旦赢得诺贝尔奖，便修成了正果，身价百倍。您要说这些物理大师们都是奔着金钱和地位而奋斗，倒也可能有些不公平不厚道。但是，决不能低估诺贝尔奖金的含金量和诱惑力。世界上有多少物理学家们在研究诺贝尔奖得主的成功之路？你想拿诺贝尔奖，就得沿着他们决定的既定的方向走，就得继承他们的理论系统逻辑系统和哲学系统。你就得承认他们对学术成果的评价标准。尤其是，诺贝尔奖得主有诺贝尔奖的提名权和审议权。你如果和他们唱反调，用季灏老师的话说，做主流的叛逆，有任何希望得诺贝尔奖吗？这种评奖系统无疑造成了诺贝尔奖的近亲繁殖，使得理论物理几十年来很难从理论泥沼里自拔，最终走上神学的不归路。

霍金虽然没有得过诺贝尔奖，可是他的名气决不在诺贝尔奖得主之下。有人甚至将他捧为“爱因斯坦以后最伟大的科学家”。他也有为稻梁谋的时候。方励之先生在《挤开国门的时代4. 霍金第一次访华》一文中披露了霍金写《时间简史》的动机：

霍金变成一个公众“偶像”是在他的“时间简史”一书畅销之后。1985年霍金访问合肥时，他正在赶写“时间简史”。1985年5月2日我陪霍金和他的翻译 护士等一行乘火车从合肥回北京。霍金在火车上还在抓紧时间写他的“时间简史”。他很坦率，说，写这本科普书的目的就是为赚钱。因为，他要雇用一个医生一个 护士一个翻译（他当时还能说话，但一般人听不懂，必得有专门人译成普通的英文）。开销很大。英国当局和剑桥大学不能付所有费用。

霍金身残志坚，令人尊敬。但是，为了赚钱写科普书，贩卖谬论，误人子弟，忽悠外行，忽悠儿童，为君子所不齿，学者所不为。谋生的路多得很，为什么一定要为了赚钱就向创造论低头，为了赚钱就去好莱坞拍时空穿越电影，欺骗儿童们时空可以倒转，你可以和牛顿爱因斯坦和机器人坐在一起打牌？ 要知道您并没有告诉儿童们这是神话故事，而是“科学幻想故事”。在儿童们和他们的家长看来，这就是未来的科学！

要维持一个正统教义，有两种方法。一种是威胁，一种是利诱。宗教审判是威胁，金钱名利是利诱。宗教审判没有使布鲁诺屈服，科学终于冲破了1500年的神学统治。金钱名利使现代人屈服了，科学终于在神学面前屈服了，创造论成功地被20世纪物理学界扶上了科学殿堂，确认为主流思想。

呜呼！熟知金钱名利之酷有甚于宗教审判者乎！故为之说，以俟 乎 有志于科学复兴者得焉。

方励之: CERN-Gran Sasso 的中微子超光速实验

发表于 2011 年 09 月 24 日

 

从昨天（09/22/2011）旁晚开始，物理界好像炸了锅，疯传一则消息：CERN （日内瓦）和Gran Sasso  （巨岩，意大利）的中微子实验发现，中微子的传播速度超过光速！今天纽约时报等大小报纸也跟着凑热闹：二十世纪最有名的物理公式，
E=mc²
中的c 不是常数了 ！似乎爱因斯坦就要完蛋了！
别忙着下结论，先看一下CERN 和Gran Sasso  到底干了什麼。
CERN 和Gran Sasso  两个实验室我都去过。前者拥有世界最大的粒子加速器，后者是世界最大的地下的粒子和天体物理实验室。CERN – Gran Sasso  的中微子实验，想法很简单，如图1所示，在日内瓦的CERN（图左边）产生一束中微子，射向意大利的Gran Sasso  （图右边）。 他们 测量中微子从CERN  飞到Gran Sasso的时间，又知道，CERN  到Gran Sasso的距离，就测得中微子的飞行速度了。

图1：  虚线是 中微子从  CERN  到Gran Sasso  传播途径
由于地球是球状的，中微子从  CERN  到Gran Sasso  的直线传播途径都在地下。中微子可在地球中自由穿行，如入无人之境。中微子传播途径（图1的虚线）对应的地面上，有许多有名的地方：勃朗峰 （阿尔卑斯山的最高峰），Piemonte  （葡萄名酒产地），佛罗伦萨（文艺复兴的源点），Arezzo （著名电影“美丽人生”的故事背景所在地，影片在戛纳电影节试映时，全体观众起立鼓掌长达12分钟之久，个个含泪步出影院。它是我看过的所有二战影片中，最好的）……
中微子地下直线穿行距离732公里，根据中微子在CERN的发射时间和在Gran Sasso 接受时间，就可求出中微子的穿行速度。该实验团队宣称，中微子的穿行速度比标准的光速（299792458  米/秒）大    0.0025%。昨晚，他们的论文已在网上贴出（见arXiv：1109.4897v1），题目是“Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector”，作者共174人，来自大小诸国。在大国中，有法，意，日，德，俄，没有美，英，中。
直到写此文的时候，同行对CERN – Gran Sasso 结果的态度，似乎持保留或观望的居多（当然，我是在美国的统计）。
原因之一是，它与超新星1978A 的观测结果矛盾。超新星爆发时会产生强光及中微子。1978A爆发时，小柴昌俊,（Masatoshi Koshiba，获2002年物理诺奖 ）的地下中微子实验室接受到了中微子信号。而且，中微子信号到达时间几乎同1978A的光信号几乎一样。由于1978A距地球约17万光年，如果光速度与中微子速度哪怕只有极小（10^-9）的差别，中微子信号也不可能与光信号同时到达地球。跑得快者先到，慢者后到。而CERN – Gran Sasso 结果是光速度与中微子速度有10^-5 的差别。果如此，光信号将比中微子信号晚很多年。
所以，还不忙接受CERN – Gran Sasso 的结果。
等等看， CERN – Gran Sasso 的中微子实验结果能否被其他独立的实验证实。日本的超级神冈探测器，美国费米实验室的设备，都可能重复做类似的实验。
有人已经急着建立新理论了，说中微子速度之所以比光快，是因为中微子走了（高维空间中的）捷径云云。暂时不必当真。
1987年，Gran Sasso 实验室正在建设时，我去过一次。Gran Sasso 实验室建在Gran Sasso 山底部。它由三个大山洞组成。山洞之间有隧道相通。与外界联系也是隧道  （图2）

图2：Gran   Sasso 实验室的示意图。它由三个实验室山洞和隧道组成。隧道可通汽车。
Gran Sasso 实验室由意大利修公路的公司承建。意大利的高速公路，山洞极多。给实验室挖几个山洞，不在话下。听说，贵州的高速公路也是意大利公司承建，因为山洞极多。
2006 年，当CERN  – Gran Sasso  中微子实验在建设时，我又去过 Gran Sasso  (图3)。从照片可以看到山洞实验大厅的规模，CERN-Gran Sasso 中微子实验的终端探测器OPERA （The Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus），即建于此大厅里。OPERA这个名字是着意取的，不懂一点威尔弟，普契尼，大概很难混进OPERA 团队。

图3:   2006年我和同事访问CERN-Gran Sasso 中微子实验山洞。
Gran Sasso 是风景旅游胜地（图4）。但在    Gran Sasso实验室里工作，却极为单调烦闷，因为环境孤立。只有在孤立安静的环境中才有可能探测到中微子的微弱信号。在    Gran Sasso实验室，常常雇人来做单

图4，Gran  Sasso  景观
调烦闷的工作，但工资不菲。九十年代时，Gran Sasso实验室一直雇有这类中国雇员。他们大多是中国科学院的年轻研究人员。现在几乎没有了，或雇不到了，因为中国科学院的工资也不菲了。
9/23/ 2011,   Tucson

方励之: 美国之音专访 谈今年诺贝尔奖物理学奖

发表于 2011 年 10 月 10 日 由 

 

（方励之2011年 10月 05日 美国之音的采访美国之音的采访 ）

索尔·珀尔马特，以及亚当·里斯以及布赖恩·施密特等三位美国天体物理学家获得今年的诺贝尔物理学奖。他们的研究成果是获得明确的证据显示宇宙在加速膨胀。美国之音就此采访了国际知名的美籍华裔天体物理学家、亚利桑纳大学物理学教授方励之，请他介绍了三位美国学者的研究以及天体物理学一些有趣的基本概念。
方励之教授与夫人李淑娴在他们合著的《宇宙的创生》英文版中有关宇宙膨胀问题的解说，被美国著名物理学家弗里曼·戴森誉为最好的科普解说。

图：方励之教授
问：方教授，诺贝尔奖评奖委员会宣布今年获得物理学奖的三位是美国天体物理学家。他们的主要研究成果要是用三言两语简单地说，你要怎么说？
答：宇宙学研究的最重要的发现是发现宇宙的膨胀。这是1929年美国天文学家埃德温.哈勃发现的。现在这三位研究者借助更遥远的超新星发现不但是宇宙膨胀，而且是加速膨胀。也就是速度越来越快地膨胀。
问：我还记得在1980年代末，你在北京主编湖南科技出版社出版的科普读物“第一推动丛书”的时候，宇宙膨胀到底是在加速还是减速好像还没有定论。这三位美国天体物理学家他们的研究突破好像都是在过去的二十年里取得的，是这样吗？
答：他们取得的（关键性）观测数据是过去的十几年取得的，不到二十年。从90年代初开始。
问：他们要拿定宇宙加速扩张的证据，为什么要选1a型超新星？
答：因为超新星有两个特点。一个是很亮，就是很远的超新星你也还是能看得到。第二是超新星有很多种，有一种1a型的超新星，它们的光度基本是一样的（恒定的），可以说几乎是一样的。也就是说，它们爆炸的时候都是这么亮。这好了。你要是找到这样的超新星，看到这样的超新星，就可以把它们当作我们研究天文学的人所说的 “标准烛光”。也就是说，它们的亮度都一样。这样，你就可以更容易地研究宇宙膨胀。
问：我要追问一句，宇宙在加速膨胀，这可是个比天还要大的问题。为什么古往今来的科学家、天文学家居然都没看到哪？
答：这是科学问题，你要有证据哪。他们三个（获奖的天体物理学家）主要是找到一些证据。刚才我们说到超新星。超新星研究实际上也是很晚的。找到这种类型的，或者是能很远就看到的，也是很晚近的事情。
问：为什么？因为观测的限制么？
答：是。因为这种超新星实际上很少。实际上，在一个星系里，例如，我们的银河系就是一个星系，超新星在一个星系里大约1000年才有一个。而这一个还不一定就是我们刚才所说的1a型，而可能是别的类型的。所以，这样你就要等。（人生有限）你等1000年当然不行。所以，他实际上观测了五万个星系，每天去监视。假如说一个星系平均1000年出现一个超新星，那他一年内能看到五十个超新星爆发。这是平均而言。然后，再在这几十个爆发的超新星里筛选。要筛掉大部分的超新星，才能找到这种1a型的，Type 1a。他们从1990年代开始积累数据，也就是只找到了几十个有用的。
问：你刚才说的，都是光学观测嘛？
答：都是光学观测。
问：推动我们所知的宇宙加速扩张的所谓的暗能量到底是什么呢？天体物理学研究者有什么研究进展？

图：李淑娴和方励之1986年在华盛顿美国科学院爱因斯坦雕像前的合影。爱氏手上一张纸写有三个公式（从下到上）：E=mc2；光电效应；广义相对论方程。注意：广义相对论方程中没有宇宙常数项

答：现在只能说没有答案。这最初是爱因斯坦在他的广义相对论方程式里写的一项（即所谓的“宇宙常数”）。只要有这一项，就会显示宇宙加速膨胀。不过，爱因斯坦后来很讨厌这一项。所以，你看华盛顿美国科学院前面的爱因斯坦雕像（见相片），爱因斯坦手中有三个公式。他在广义相对论公式里就不写这一项。虽然这一项是他最先写进去的。但他后来再也不写了。
问：那么，就推动我们宇宙加速膨胀的暗能量而言，通过观测超新星，我们可以说我们间接地证明了暗能量的存在了吗？
答：你也可以这么说。不过，你用的“证明”这个词，这在我们这个领域太强。通过观察超新星，证实宇宙在加速膨胀；有一个解释是，这可能是因为有暗能量存在。这么说比较妥当一点。
问:现在天体物理学家们的共识可以说是，我们所看到的宇宙大部分是由我们看不见的暗物质和暗能量组成的。暗物质和暗能量到底是什么关系？暗物质跟宇宙膨胀、扩张有什么关系？
答：暗物质早就发现了。实际上早在1930年代就有人怀疑有暗物质。真正比较确定它的存在是在1970年代、80年代。星系的形成靠引力把物质收缩起来。假如没有暗物质，只是靠普通的物质，引力太小，不足以形成星系。所以，一定要有暗物质这种东西。暗能量则是起另外一种作用，跟暗物质相反，不是导致收缩，而是导致膨胀。这两种东西作用相反。要是跟普通人说，就可以说暗物质跟普通物质还算接近。暗物质就像普通物质一样。有物质，就有压力。比如汽车轮胎。你把气打进去，轮胎的压力就大了。暗能量则是相反的。暗能量的质量跟压力是相反的。暗能量质量密度越大，它的负压力越大。假如汽车轮胎里是暗能量，你要抽出东西来，它里面的压力才会加大。
问：现在我想，连信奉神创造天地的圣经的梵蒂冈也不否认宇宙起源于大爆炸了。这也是方教授当年在中国国内所说的如今很多神学问题、哲学问题，已经变成了科学问题。当年方教授的这种说法还受到了中国执政党共产党的权威哲学家的批判。这一切说起来很好玩。但今天没有时间说。我现在想问的是，要是说宇宙起源于大爆炸，假如我用一个炸弹爆炸来作比喻，我可以说，宇宙如今还是处于爆炸依然在进行，弹片依然在加速扩散的阶段吗？
答：粗略地说，你可以这么说。它一直在飞散。
问：你说是粗略地说。那么，要是详细地这么说，会有什么错呢？
答：因为它的爆炸是说空间时间的爆炸，不是弹片飞散。
问：为什么不能说弹片飞散？
答：你也可以这么说，因为从形象上来说，好像是每个星系都像弹片一样往外飞。你可以画出这样的一种图像来。但它这种往外飞，实际上是空间在膨胀。
问：宇宙爆炸要到了什么时候才会停下来呢？假如还是用炸弹爆炸碎片飞散作比喻，什么时候碎片扩散会减速？
答：如果按照现在的这种加速膨胀的模型去推到极端的未来，那就没有停下来的时候。
问：没有停下来的时候？
答：没有停下来的时候。直到最后，弹片一直在分散，而且在加速分散 。也就是说，两个星系之间的距离越来越大，而且是距离加速变大。最后，谁也看不见谁了，因为彼此太远了。从暗能量的概念出来之后，就有人算过。按照这样的扩散，经过几十亿年，天上就什么也看不见，什么也没有了。
问：那我就来了一个问题。假如它能永远这么分崩离析下去，而且是加速扩散，那么，它的能量是从哪里来的呢？
答：能量是从真空里来的。
问：你是说，能量是无限的。你是这个意思吗？
答：没有必要说无限。在宇宙学当中，能量守恒定律你可以暂摆在一边，置之不理。
问：哇，难以理解。难以想象。超出了人的本能直觉啊。
答：（笑）是哪。
问：超出了逻辑。超出了我们所知的物理学定律，不是吗？
答：（笑）并不超出我们所知的物理学定律。你的能量守恒定律也是晚近三四百年的事情嘛。人家原来也不相信这个。人们相信能量是无限可用的。试图创造永动机的有的是嘛。
问：方教授，假如有一拨初中生、高中生，有志于今后从事物理学研究，作为一个天体物理学研究者，你愿意怎样向他们介绍天体物理学？换句话说，你会说天体物理学都什么有趣的研究方向，把他们吸引到你的研究领域来？
答：天体物理和物理是分不开的。可以说，物理学从一开始，它的很多的证据是从天体物理来的。第一，我们可以看牛顿。他是怎么建立牛顿力学和万有引力定律的呢？他是靠太阳系行星的运动建立的。也就是说，靠的是天体物理。还有，现在我们老是说量子论。量子论的第一件重要发现就是光谱有很多谱线，从这里发现所谓的能级、量子化等等。谱线有什么规律的呢？是靠太阳的光谱，你在地面上看不到。只能用太阳光才能看得到。爱因斯坦的相对论理论就更不用说了，它是靠水星近日点的进动等等，总之全是靠天文学的观测得来的。到现在，研究粒子，研究微观最前沿的东西，还是不能离开天体物理。大的东西跟小的东西联系是很密切的。天体研究有一个特点，这就是它尺度特别特别大。假如有很微小的差别，因为尺度大，把微小的差别就放大了，就很容易看清楚。
问：谢谢方教授接受我们的采访。

王令隽：引力时空是弯曲的吗？

·王令隽·

　　近代物理的诸多革命性的理论中，最为令人费解而感到莫测高深的概念之一，是引力时空弯曲的概念。

　　我把“引力时空弯曲”叫做“概念”而不是“理论”，是因为没有一个系统的理论证明这一概念。

　　这可能会让读者们感到惶惑：难道爱因斯坦的广义相对论不是一个证明这一概念的系统理论吗？广义相对论的数学基础是黎曼几何——曲面几何。爱因斯坦的引力场方程就是：爱因斯坦张量正比于能动量张量。而爱因斯坦张量就是从时空曲率张量收缩而成的。既然引力作用可以用黎曼空间中的场方程完全表述，那么就可以认为引力本质上是几何。难道这还不能说明引力时空是弯曲的吗？

　　不能。在探讨这个问题之先，我要特别说明，以下的讨论不挑战爱因斯坦引力场方程的正确性（当然也不确认它的正确性）。即是说，引力时空是否弯曲的概念和爱因斯坦引力场方程是否正确是完全不相关的两个问题。即使爱因斯坦引力场方程成立，也并不能证明引力时空是弯曲的。

一．运动轨迹的弯曲不意味着时空的弯曲

　　物体的运动轨迹可以是直线，也可以是曲线。垂直落下的物体的运动轨迹是一条直线；炮弹的运动轨迹是抛物线，行星的运动轨迹是圆或椭圆。描绘这些不同的曲线方程就是运动方程 – 规定某一物体所在的时空坐标关系的方程。显然，运动方程式中所规定的时空关系仅仅是某一物体可能经过的时空坐标点的关系，而不影响整个宇宙的时空结构。一只蝴蝶在空中翻飞，他所经过的时空坐标构成非常复杂而美丽的曲线，但这决不意味着整个世界的时空被这只蝴蝶搞弯曲了。这只蝴蝶可能自己觉得天翻地覆，如果宇宙间只有这只蝴蝶并且它服膺时空弯曲论，它也许可以认为时空的结构不仅是弯曲的而且时空还会翻跟斗玩杂技。可是宇宙间除了这只蝴蝶外还有追逐他的螳螂，黄雀和其他万事万物。这时空是大家的而不是蝴蝶那厮可以独占的，时空结构岂可由它一言而断曲直？

　　在经典力学里，运动方程就是牛顿第二定律。万有引力场中的运动方程规定了物体的运动轨迹必须是圆锥曲线。其中最简单的就是圆。地球的运动轨道就差不多是围绕太阳的一个圆。因为圆的曲率是半径的倒数，所以地球的运动方程可以表述为：地球的加速度和圆周轨道的曲率的平方成正比。这样的表述就把引力描述成了某种空间的几何特性。但是这种几何特性只属于行星的轨道，和宇宙空间的性质毫不相干。高能的宇宙射线中的带电粒子穿越太阳系，它的轨道可以是直线，双曲线或抛物线，它所感受到的时空性质和地球的轨道曲率毫无关系。所以，地球的运动方程的空间性质和轨道的弯曲决不意味着宇宙空间的弯曲。还是那句话，时空是大家的，不是只属于地球的。

　　如果我们选择以太阳为中心的球面坐标系而不是笛卡儿坐标系，则地球和其他行星的运动方程可以表述为：太阳系中的任何物体的加速度和它所在的球坐标面的曲率的平方成正比。这样，可不可以把引力看成是空间本身的某种几何性质呢？

　　不可以！我们选择球面坐标系，只是选择了一种较为方便的坐标系统，并没有改变空间的性质。我们同样可以选择笛卡儿坐标系来有效地描述行星的运动。难道空间的曲直会取决于我们对坐标系的选择？这符合相对性原理吗？天文学家几百年前就开始用球面坐标系来描述天体的运动，从来没有人认为一旦采用了球面坐标，宇宙空间就弯曲了。

　　加速度是位移矢量对时间的二阶导数，所以引力场中物体的运动方程又可以表述为：地球的位移矢量对时间的二阶导数和圆周轨道的曲率的平方成正比。这种表述更符合相对论理论的张量语言。但并没有改变问题的物理实质，也不能改变宇宙的时空性质。

　　其实，除了引力场中的物体运动方程可以用几何语言来表述，其他运动方程也可以用几何语言表述。比如说，圆周运动不一定非要引力不可。汽车轮子，机器的飞轮，田径运动员的铁饼，骑摩托车飞檐走壁的杂技演员，围绕原子核旋转的电子等等的圆周运动都不是因引力造成的。用上述几何语言，圆周运动的方程可以表述为：位移矢量对时间的二阶导数和圆周轨道的曲率成正比，同时又和位移矢量对时间的一阶导数的平方成正比。注意这里不涉及任何万有引力常数或质量之类的东西，是完完全全的几何关系，而且适用于所有圆周运动。这种普适的几何关系甚至和长度与时间单位的选择无关。但是这种普适的圆周运动方程的几何表述丝毫不影响宇宙空间的平坦，均匀，各向同性的物理性质，丝毫不能使空间弯曲。因为这种几何关系所规定的，仅仅是某物体的运动轨迹的几何特性，而不是整个空间的几何特性。

　　有了对经典运动方程中的空间和时间变量的物理意义的正确理解，就不难理解广义相对论中运动方程的物理意义。在广义相对论中，运动方程就是黎曼空间中的短程线方程。这一短程线方程中的空间和时间变量只是受引力作用的物体所能经历的空间和时间坐标，而不是整个宇宙的空间和时间。短程线方程规定的时间和空间坐标的关系，只描述物体运动轨迹的几何性质，不描述宇宙空间的几何性质。这一点, 在弱引力场下对短程线作线性近似以后就看得更加清楚。此时短程线方程就直接过渡到经典的牛顿定律和运动方程。所以，广义相对论中的运动方程由黎曼空间的短程线方程描述，并不意味着宇宙空间是弯曲的，而最多只意味着某物体在引力下的运动轨迹可能是弯曲的。

二．引力场方程本质上是运动方程的不同表述

　　人们相信引力使时空弯曲的另一个原因，是爱因斯坦的引力场方程中的爱因斯坦张量是由时空曲率张量收缩而成。这使爱因斯坦认为能动量张量造成了时空的弯曲，而时空的弯曲造成引力。这一观点很快被许多人接受而成为广义相对论理论界的流行看法。

　　爱因斯坦在建立场方程时，应该是从“能动量使空间弯曲”的猜想中得到灵感的。他根据这一猜想建立了广义相对论的引力场方程，这自然使人们相信引力使时空弯曲。从科学史和人文传记的角度看，这种猜想被接受是可以理解的。但从科学理论的严密性来考量，某种猜想或概念是否正确，不能仅看某一理论或观念形成的思想史，不能光看爱因斯坦从什么思想得到灵感，而要分析这一理论的物理意义。爱因斯坦有许多异乎寻常的思想，但不一定都对。有些被他自己否定了，比如万有斥力和宇宙项；有些被学界和它自己一起抛弃了，比如他的宇宙模型。为了了解爱因斯坦引力场方程的物理意义，我们还是从经典场论开始。

　　一个引力场既可以用场强来描述，也可以用它在空间各点的势能分布来描述。但这两种描述是等价的，同样有效的。场强是矢量，而势是标量。标量的数学处理通常比矢量的处理简单方便得多。所以只要有可能，我们通常先求得势。有了势，算出它的负梯度就是场强。算梯度是做微分，计算非常直截了当。

　　点质量或点电荷（或均匀的球形质量或球形电荷）的引力场或静电场十分简单，空间任何一点的势和从该点到球心的距离成反比。点质量或点电荷的等位面（或等势面）就是以其为中心的同心圆。如果用几何语言，我们可以说点质量或点电荷的等位面上的势和该等位面的曲率成正比。这种曲率并不是宇宙空间的属性，而只是等位面的属性。等位面的弯曲并不意味着空间的弯曲。我们在建立势的理论时是以一个平坦的刚性的均匀的各向同性的空间为前提的。描述势的空间分布的场方程和描述场强的空间分布的方程都能得到同样的运动方程，所以他们都是等效的。

　　如果质量或电荷不是静止的，而是随时间变动的，则场强的分布和势的分布会随时间而变动。等位面也会随时间而变动，形成波向外传播。因此，等位面的形状和位置会随时间而改变，移动。但是，这种变化并不是说整个空间在波动，在变化。描述真空中波动方程的前提也是一个平坦的刚性的均匀的各向同性的空间。

　　描述电磁场的理论非常成熟，非常精确。电磁场的场方程就是麦克斯韦的电磁场方程。波动方程既可以通过场强来描述，也可以通过标量电位和矢量磁势来描述。不同的数学表述方法并不改变它们所描述的同一物理现象。场方程和运动方程描述的是本质上同样的现象。这些方程中的空间和时间变量所代表的，都只是质量或电荷在引力场或电磁场中的运动轨迹的时空关系；或场强和势的空间分布和时变特性，根本不是宇宙时空的几何特性。

　　爱因斯坦的引力场方程中的时间和空间变量也是描述引力场的势的空间分布和时变特性的参数。这一点，在爱因斯坦场方程的线性近似中看的十分清楚：引力场的时空度规元素中的引力修正量h在线性近似下过渡到经典的引力势。爱因斯坦场方程中规定的时空关系和曲面几何特性，可以联系于等位面的弯曲的几何特性和时变特性，但不是宇宙时空的几何特性。

　　有人会说，这只不过是一个观点问题。你可以认为时空是平坦的，弯曲的只是场强曲线和等位面；我也可以认为弯曲的是时间和空间本身。比如地球的圆周轨道，既可以认为是平坦空间中的曲线，也可以认为是弯曲的球面空间中的“直线”（短程线）。两种不同的观点得到的数学结果是一样的。既然引力作用可以用黎曼空间中的场方程完全表述，那么就可以认为时空是弯曲的，引力本质上是几何。

　　这种看法经不起逻辑推敲。我们还必须认识到，时间和空间是属于宇宙间的一切自然现象的，而不是仅仅属于引力场的。在同一时空中，既有引力作用，也有电磁作用和核作用。让我们考虑一个很普通而又极简单的情形：在引力场中的电磁波。引力场由爱因斯坦场方程描述，电磁波由麦克斯韦场方程描述。爱因斯坦场方程的度规张量是弯曲的，而麦克斯韦方程的度规张量是平坦的闵可夫斯基度规。那时空到底是听爱因斯坦的还是听麦克斯韦的？在决定公共的时空特性时，我们有什么理由赋予引力作用以独断专行的特权，而令所有其他作用力处于听命的被奴役的地位？

　　麦克斯韦方程组中的时间和空间变量是经典的平坦时空，麦克斯韦的经典电动力学是经过无数宏观实验和工程实践检验过，现在还每日每时被检验的不容置疑的理论。如果时间和空间被弯曲了，则整个麦克斯韦方程组都要被扭曲了。即是说，时空弯曲的理论本质上决定了引力和其他作用力的耦合，而且这种耦合是单向的。质量使时空弯曲的理论是对电磁理论和核理论的根本修正。到现在为止，我们没有找到万有引力和其他相互作用力耦合的任何证据。把引力和其他相互作用统一的理论尝试也是失败的。万有引力是我们知道的所有作用力中最弱的一种。以万有引力相互作用而决定整个空间的曲直而左右其他作用力，不仅霸道，也太不自量力。

　　综上所述，虽然爱因斯坦张量是由时空曲率张量收缩而成，并根据此一张量建立引力场方程，但是爱因斯坦引力场方程本质上和运动方程一样，描述的仍然是引力场中的物体运动的轨迹和引力场结构。这些方程中的时间和空间关系，规定的是引力场中物体的运动轨迹，场强曲线和等位面的几何特性，而不是整个宇宙空间的特性。

三．时空弯曲的概念不是从黎曼几何推导出来的

　　如果爱因斯坦场方程仅仅是对牛顿引力方程的修正，其意义便不足以惊天动地。要建立一个伟大的理论，做出一些伟大的预言，必须往场方程里注入一些新的概念，新的假设。这里最重要的概念或假设，就是将引力场中的时间定义为时空间隔ds. 这一概念是从狭义相对论中直接“推广”而来。所以爱因斯坦的引力理论又叫做广义相对论。要注意的是，这种相对论的时间概念不是从爱因斯坦的引力场方程或黎曼几何中推导出来的，而是从狭义相对论的概念推广而来，从外面注入引力场理论的。

　　即使广义相对论最坚定的支持者也知道，爱因斯坦场方程的黎曼几何表述和运动方程的短程线表述，并不是时空弯曲的直接证明。比如，奥哈尼安（Hans Ohanian）在他的“Gravitation and Spacetime （1976年版）”一书中就强调，光线在引力场中的弯曲和引力场中的时间延缓才是时空弯曲的直接证据(Direct Evidence)。这一说法有些道理，因为这两个预言如果被实验证实，至少可以说明因为引力的存在影响电磁波的传播，因此可以说，麦克斯韦方程组受到了影响。

　　值得特别强调的是，奥哈尼安这里所说的，也仅仅是证据(Evidence)，而不是证明(Proof)。因为在数理逻辑上，爱因斯坦场方程既不能得到引力使光线弯曲的结果，也不能得到引力使时间延缓的结论。要得到这两个结论，需要外加几个假定：一）爱因斯坦引力场方程适用于电磁场；二）引力场方程中的物体的动量适用于电磁场的动量；三）引力场中的时间间隔的量度不是时间变量的微分dt，而是时空间隔的微分ds，而时空间隔是由四维时空矢量与度规张量的内积收缩而成，既包含时间微分dt，也包含空间微分dx。这一时空间隔ds 定义为“固有时间”(Proper time)。这些假定不能从黎曼几何或者爱因斯坦引力场方程中“推导”出来，而只能被“定义”，被“引进”来，与爱因斯坦场方程一起构成广义相对论的主要内容。如果这些假定成立，则光线会被引力弯曲，时间会被引力延缓；如果这些假定不成立，或引力不存在，光线也可能会被其他因素弯曲，时间也可能被狭义相对论效应延缓。所以即使测量到了引力场中光线的弯曲和时间的延缓，也只能作为广义相对论的“证据”而不是“证明”，更不能作为时空弯曲的“证明”。

　　对于第一个假定的实验检验是光线在引力场中的弯曲。爱丁顿的实验因此成了使广义相对论得到学界承认的历史性实验。但是这个实验是极不可靠的，因为光线掠过太阳表面会被一万公里厚的，呈球面弯曲的，密度不均匀的，非常活跃的色球面和日冕所折射而弯曲。根据实验物理的原则，要得到光线因引力而弯曲的实验证据，至少应该在总的观测数据中减除因为色球和日冕折射而造成的弯曲并剔除其他可能的原因，或者找一个没有外层大气的天体（比如月亮）来做实验。否则这种所谓的“实验证据”就是假的。爱丁顿的成名其实是媒体炒作的结果。

　　至于第二个假定，是爱因斯坦从狭义相对论中时间的相对性推广而来的。狭义相对论中的时间相对性会导致“钟佯谬”，因而可以通过逻辑证伪（细节请参看拙作“检验钟佯谬的对称试验”"Symmetrical Experiments to Test Clock Paradox", Ling Jun Wang, Physics and Modern Topics in Mechanical and Electrical Engineering, p 45, Ed., Nikos Mastorakis, World Scientific and Engineering Society Press, ISBN: 960-8052-10-6, July 1999.）。广义相对论的时间的相对性却不容易用逻辑来证伪，因为有引力的情形和没有引力的情形是不对称的，不可互易的。狭义相对论中，坐标系的运动是相对的，因而时间的延缓也是相对的；但在广义相对论中，引力的存在与否却不是相对的，而是绝对的，所以时间的延缓也是绝对的而不是相对的。这就使逻辑证伪比较困难，而实验检验变得异常重要了。

　　检验引力使时间延缓的最重要，也是最直接的实验是美国海军研究所的Hafele 和Keating 于1972年进行的原子钟环球实验。他们用飞机装上四个铯原子钟在约十公里的高度向东西两个方向飞行，然后比较这几个原子钟和地上的原子钟的快慢。因为这一实验涉及到因飞机运动造成的时间延缓和引力延缓的叠加，因此不能算是引力延缓的独立实验。另一方面，他们所使用的实验设备的精度根本不可能测量到如此小的时间延缓（在毫微秒的数量级）。 同时，他们用了特别的数据处理方法以凑出所期待的结果。对此我在“检验钟佯谬的对称试验”一文中有详尽的分析。

　　还有一种测量引力使时间延缓的方法，就是测量引力红移。理论计算表明，太阳的引力应该使太阳表面的原子谱线的频率比无穷远处的原子频谱的频率低大约百万分之二。这样大的引力红移应该是比较容易测量的，因为频谱分析是最为精确的实验测量手段之一。可是当人们认真地进行测量时，发现测量到的谱线红移和理论预言不符。于是人们解释说，这是因为在太阳的大气层里有强烈的气流，而气流中的分子的运动会因多普勒效应造成谱线红移。这种多普勒红移把引力红移掩盖了。不难想象，如果爱丁顿的太阳引力使光线弯曲的实验得不到他所预期的结果，他同样会解释为由于太阳色球面和日冕的折射而把引力效应掩盖了。后来，J.W Brault 和J.L. Snider 分别于1962年和1972年测量到了与理论期望相近的太阳红移数值，于是人们就认为这些数据是可靠的。至于太阳的大气层里的气流分子的运动的多普勒效应造成的谱线红移，当然就不得不被排除在外了。理由吗，找起来也方便，据说是因为这些钠和钾的谱线来自于光球面之外！这有点匪夷所思，因为“光球面”的定义就是太阳上发光的球面。光球面以外的部分是不发光的，怎么会有谱线呢？由此可见这一类实验解释的任意性，以及人们对待实验结果的选择性标准。一旦一个理论成为了流行的权威性理论，凡是印证它的实验都会被认为是可靠的实验证据，而和权威理论相悖的实验结果就会被认为是不可靠的。也因为如此，绝大多数科学家都知道厉害，凡是与权威理论不符合的结果索性不发表，以免影响到科研经费来源和学术名声。这样一来，支持权威理论的数据就越来越多，反面的数据即使不被驳倒也会被统计淹死。所以教科书上要列举一些支持理论的实验数据实在是太容易了。要揭露这些实验的错误，是非常吃力不讨好的事。只有你的分析无懈可击才有可能发表。有问题的实验实在太多了，你也驳不过来。经过了1958年大跃进运动的同胞们对这种情形应该非常熟悉。

　　其实要真想测量引力延缓，不必用飞机，只要在不同高度的实验室里放上一些原子钟，然后测量他们的时间差。因为这些钟都是静止的，所以不存在狭义相对论的时间延缓问题，因而是测量引力延缓的独立试验。另一方面，因为不用飞机，实验时间没有限制，可以通过长时间的积分增加信号。实验室的环境与稳定性控制也比飞机上要容易得多。中国的西康地区，峨眉山，华山，台湾的玉山等等，都可以进行这种实验测量。其实，在月亮上放置几个太阳能原子钟，也可以进行类似测量。欢迎有兴趣的朋友和我联系，讨论这一实验的技术细节。

　　如果测量到了引力对原子钟快慢的影响，是否就意味着证实了，或间接印证了时空的弯曲？否！举个例子来说吧。以单摆控制快慢的钟的周期和引力加速度的平方成反比。同一个单摆钟放到月亮上，周期要延长到相当于地球上的周期的两倍半，所以登月运动员的步行动作有点像快镜头慢动作电影。但这并不意味着时空的弯曲。原子中的物理过程好像不应该受引力影响，但是原子钟毕竟是一台相当大的设备，其运行不仅取决于原子过程，也取决于其他附件的性能。我们无法排除这些因素受引力影响的可能性。举个例子，电子振荡器的固有频率决定于电感和电容，但是漏电阻和负载电阻会改变这一“固有频率”。没有阻尼的振荡电路是没有的。这种阻尼的量度叫作“品质因数”。石英振荡器的频率稳定，就是因为品质因素高，而原子钟的品质因素更高。但只要有负荷，品质因素就不可能无穷大，频率就有可能受外界条件影响。这种影响造成的钟表的固有频率的变化不能证明引力使时间延缓。

四．非欧几何的背景是平坦时空中的曲线坐标系

　　相信时空弯曲的朋友们还忘记了一个基本事实：所有曲面几何中的公式和方程式的推导与证明，都是在一个均匀平坦的欧几里得空间中得到的。也就是说，均匀的平坦的欧几里得空间是曲面几何的背景与本地。曲面几何只不过是用弯曲的坐标系代替平直正交的笛卡儿坐标系来描述同一个几何体，他并不改变空间本身的几何特性。球面坐标系和柱面坐标系被科学家用了几百年了，黎曼早在1854年就提出了黎曼几何，但是这种新的几何学不要求，也不意味着空间的弯曲。整个黎曼几何的演绎和推理，都以一个均匀平坦的欧几里得本底空间的存在为依据，否则，新的几何中的任何关系都不可能成立。

　　如果不相信，朋友们可以试试推导一下黎曼几何中最基本的一些关系，比如协变微分，度规联络，短程线方程和曲率等等。如果不假定一个均匀平坦的欧几里得空间的存在，能导出这些关系式吗？所谓短程线，就是长度最短的线段，如果没有欧几里德几何对长度的定义，如何计算曲线的长度和积分？如果没有欧几里得几何对曲线微分和高阶导数的定义，如何定义并计算曲率？又比如大家都知道的，球面上的三角形的内角之和大于180度。曲面上的角度如何定义呢？定义为两个相交的大圆的切线之间的夹角。而这切线，就是欧几里得空间的直线。如果 没有一个均匀平坦的刚性的欧几里得空间作为本底，任何曲面几何都将寸步难行。

　　从逻辑上讲，所谓弯曲，是相对于平坦而言。如果没有平坦空间，如何定义弯曲空间？时空弯曲论者认为，没有引力的时空才是平坦的。可是我们知道整个宇宙中都存在引力，事实上引力的存在是宇宙学的基本前提之一。那么按照时空弯曲论，宇宙间根本就不存在平坦时空。既然如此，所谓的“弯曲”，就完全失去了现实的比较标准。

五．均匀的时间是一种数学极限

　　时间相对论者们为时间的相对性辩护的最得意的武器之一就是坚持任何科学上的钟都不能用来作为量度时间的仪器，时间只能用他们设计的“光子反射钟”和“几何动力钟”来量度。“光子反射钟”是达尔文（C.G. Darwin，不是那个进化论的发明者）为了解释钟佯谬于1957提出来的。他认为时间的测量必须通过不同的观测者之间互相发送和接收光线来实现。这种假想的理论钟不仅根本无法实现，而且在理论和逻辑上也站不住脚，因为它导致时钟的快慢与速度的方向有关 – 相互离开的速度使时间延缓，相互靠近的速度使时间加快。这完全违背狭义相对论。尽管如此，许多教科书上仍然大大方方地抄袭达尔文的这一辩解。他的这种“光子反射钟”机制被有些理论家们应用到广义相对论的时间测量。1964年，马兹克（R.F. Marzke）和惠勒（J.A. Wheeler）设计了一种理论的“几何动力钟”（geometrodynamic clock），就采用这种光线发收机制。只是因为在引力场中，不存在任何惯性参照系，因此任何一个参照系都没有一个共同的时间！所以，这种想象的“几何动力钟”不仅有一个不断校对时钟同步的问题，而且还有一个不断校准快慢的问题。引力场中的时间都是定域的（local）而不是全域的（global），这就造成整个“几何动力钟”概念的根本性混乱。这种校准还需要比光速还快的，理论上无穷快的某种信号才得以实现。就连他们自己也知道，这种假想的“几何动力钟”是一个“永远无法实现的理论家的梦想”。

　　所谓的“光子反射钟”和“几何动力钟”的发明者强加于物理学界的概念是，只有他们的假想钟才能用来测量时间，其他一切实际钟表的测量都不算数。他们要在相对论讨论中完全取消任何实际钟的资格。他们是要用钟表的精度问题来否认这样一个事实：理论上的时间可以被各种不同的自然过程来测量，而且可以被越来越精确的实际钟表逐渐逼近。

　　因为时间和空间为所有自然过程所共有，它也就可以为不同的自然过程来量度，来互相印证。而这，也就是时间和空间的本质。时间的均匀性和绝对性也只有在这样的互相印证和逐渐逼近中才能体现。时间可以通过天体的运行，动植物的寿命，单摆的周期，电子振荡器或原子振荡的频率，放射性同位素的自然衰变，山石的风化，铁管的氧化程度，美国总统换届的次数，等等等等，来共同测定。这些不同的过程各有优劣，互为短长。比如说，摆钟和电子表方便适用，原子钟准确但不方便，这些钟表不适用于测量漫长的过程如古尸的年代鉴定和地质结构的断代，只有同位素的衰变能测量这种漫长的过程。但是这种“同位素钟”不太准确。既准确又稳定，能够测量这样漫长的过程的钟表是天体的运行。但天体钟没有小刻度，不能用来量度短时间和快过程。人的衰老过程，并不是很精确的过程，可是他在揭示钟佯谬的逻辑矛盾，确立时间的客观本质上却起到了其他钟表无法替代的作用。这些不同的过程的测量精度各不一样，但并不妨碍他们所量度的时间的真实性和公共性。真实性和准确度不是同一个概念。科学上所有的测量都有误差，都不可能绝对精确。如果因为测量误差而否认真实性，那实验科学上的所有测量就没有一个是真实的。

　　测量误差和真实性如何统一呢？在于无限逼近。无限逼近是微积分和近代数学的基础。不能掌握数学极限的概念的人就无法入微积分的门。也就不能理解曲线的斜率，曲率，短程线，面积和体积的积分，密度，速度，加速度，矢量场的梯度，散度和旋度等概念。这些数学量和物理量的真实存在是不容置疑的，可是却无法绝对精确地测量。实验仪器和电脑的数值计算永远无法精确测量或计算微分，只能得到近似的差分。有些极简单的数学概念，比如点，直线和平面，现实中就无法找到，只能通过数学极限的概念来把握。现实中不存在真正的平面，但这并不能否认数学平面的真实性。人们可以通过平整的木板，墙壁，镜面，页岩和石英的断面，盆里的水面和平静的湖水等等来抽象出一个理论上绝对平坦的数学平面。同样，现实中的直线不是绝对的直。即使莱塞光也会因媒质的不均匀而弯曲。但是人们可以通过桌椅的边，直尺，木工的拉线，步枪的瞄准线，莱塞的光线等等来逼近理论上的直线，也可以想象两个抽象的数学平面的相交线来把握绝对的直线的真实性。物理世界的点都是有尺寸的，而数学上的点是无穷小的。总之，实验测量与理论极限的差别不能成为否认这些数学物理量的真实性的理由。

　　时间又何尚不是如此。为所有自然过程所共有的均匀的单向时间是我们通过诸多物理，化学，生物，历史等等过程来测量来把握的。因为我们有许多测量时间的方法，这就使得许多逻辑诡辩无可逃遁。这是时间的相对论者要排除所有实际的钟表，而代之以他们的假想的无法实现的钟表的真正原因。质言之，他们就是要用可以逃避实践检验的理论和仪器来取代可以通过实践来检验的理论和科学仪器，因为他们的理论和假想仪器经不起实践和逻辑的检验。

赵中辉: 从圣经观点论牧职及教会行政诸问题

赵中辉

反对牧师与教会体制 (即教会组织) 之声于今日教会中已高唱入云。未受过神学造就的一般信徒，以「寻求真理」为护符，对自己学术范围以外的知识大发厥词，认为「牧师制不合圣经」等。如果牧师制倾废了，基督和祂的道与国度也必随之倾废！

基督徒必须承认圣经是我们信仰与生活的唯一准则。圣经教导包括历代教会牧职阶级的不变法则，这些法则在其权威方面与圣经教义方面都是约束人的。一六二○年到一六四○年之间之所以有成千上万的清教徒，冒生命危险，背井离乡，忍受种种苦难，移民到欧洲以及新大陆，就是为了逃避不合圣经的教会体制。他们主张长老制的教会行政方式是合乎新约的方式。今日中国教会对教会行政的方式漠不关心，以致产生了言论上与实际上的种种错谬。

壹、有关教会行政的各种论说

一、贵格派与达比派说 (Quakers and Darbyites)

此二派否认一切的教会体制。根据他们的见解，所有外部教会的组织都与基督教的精神相反。他们高举人的成分而忽略神的成分。因此他们认为组织有形教会是不必要的，甚至是犯罪的。于是这些人忽略教会中的教职，就走入「简单地服从圣灵引导」的倾向。此倾向明显是受神秘主义派的影响，反对当时英国的国立教会。近代一些贵格会已封立牧师并执行公开崇拜

二、伊拉斯赞派 (Erastian System 1524~1583)

此派认为教会之存在乃依赖政府。教会职员只是传讲主道，若不从政府官吏得权，就无权治理教会。如此管理教会，施行教导的乃是政府。英、苏、德的路德会即实施此派的教会行政。这与基督为教会元首的基本原理不合，也否认政教分离的事实。

三、主教制 (Episcopalian System，即圣公会)

此派主张教会元首基督将教会的行政权直接交给主教，为使徒的后继人；祂设立这些主教为独立教职。圣徒绝对无权参予教会行政。在中世纪这是天主教的制度。但这种高级教职的分立阶级是不合圣经的。圣经明言，使徒的职分并非永久的。使徒乃是一独立阶级，但是管理教会事务并不是他们的特殊工作。他们的责任就是将福音传到未曾听过基督的地区，成立教会，然后从信徒中选立人治理教会。在第一世纪结束以前，使徒之职已完全绝迹。

四、天主教制 (Roman Catholic System)

这是主教制的自然结论。天主教制不但包括使徒之后继人，也包括彼得的后继人，并称彼得的后继人为基督在世的特别代表。罗马天主教纯属君主制度，在「无谬」的教皇支配之下。教皇有权制定教会的教义、崇拜与行政。会友对教会行政绝无发言权。天主教制度与圣经也相反。况且，天主教所说从彼得时代以迄今日之不断的承继，根本是违反历史的。教皇制不但不符合圣经，在历史上也是站立不住脚的。

五、公理制 (Congregational System)

此派亦称独立制。根据此派，每单一教会都是完全独立的教会，与其它教会是无关的。在此教会中，治理教会的权柄落在会友的手中，会友有权管理自己的会务。职员仅执行地方教会之职务，其中包括教导与事务管理，此外无治理权。这种通俗的教会行政说，使教职完全依赖全体会友之行动，与圣经所教导的不合。况且，说每一教会都是独立的，与其它教会无关，未能表显基督教会的合一性，有分裂之虞。

贰、长老制的基本原则

改革宗教会虽未声称其教会行政制度每一细节都完全合乎圣经，但却主张其基本原则乃直接取自圣经。

一、基督为教会元首并一切权威的根源

改教家坚持并彻底拥护基督是教会独一元首的立场。当时他们未能完全避免政府统辖教会的危险，所以后来的长老会与改革宗教会务必为教会元首基督而奋斗。苏格兰教会以及荷兰教会都为此而战。

圣经说基督在凡事上都是元首，已有明训：祂是宇宙的主宰，太廿18；弗一20 ─22；腓二10─11。在特殊意义上来说，祂是教会的头，教会是祂的肢体。祂与教会有机体上的关系，约十五1─8；弗一10、22、23、四15；西一18、二14。从有形教会方面来说，祂也是元首，也有权治理教会，太十六18-19、廿三8、10；约十三13；弗一10─23、四4、5、11、12。祂的权柄在以下四点上有所表显：祂设立新约教会，太十六18。祂设立蒙恩之道，就是教会所务必执行的圣道与圣礼，太廿八19─20；路廿二17─20；林前十一23─29。祂将宪章与职员赐给教会，并授以神权，因此他们可以奉祂的名而有所言行；太十1、十六19；约廿21─23；弗四11─12。当聚集崇拜时祂与教会同在，并藉教会职员发言行动。使他们有权发言的乃是为王的基督，太十40。

二、基督藉祂的道行使主权

基督治理教会非用武力，乃在主观方面用祂的灵运行在教会中，在客观方面用神的道作为权威的标准，治理教会。教会全体信徒当无条件顺服王的命令。因基督为教会的主权治理者，所以祂的话就是律法。除了基督以外并无治理权。基督自己治理教会，祂用教会的职员为祂的肢体、器官。他们并无绝对的或独立的教职权，乃是从神得来的职权

三、基督以王的资格授权给教会

在这里问题就来了：基督首先将此权交给谁？天主教与圣公会说是交给分立阶级的职员。公理会完全反对此说，他们说此权是交给教会全体，教牧职员仅为教会整体的器官。此外另有一见解在此二极端之间，代表一折衷说，似乎值得采纳。根据此说，基督授权与教会整体，那就是包括教职人员与一般信徒；但此外教职人员为执行基督教会之各项职务，受有更多的权限。他们分享赐给教会的原初权柄，并直接从基督领受教职的权柄。

四、基督以代表的机体特别执行此权

基督虽授权给教会整体，但祂也为此权之特别行使预备代表的机体，特为支持教义、崇拜、惩戒。教会职员是信徒选出的代表者。这并非说他们的职权是得自会众，因会众的选召是主自己选召的确认；所以他们的权柄是从主来的，他们要向主负责任。因此教会职员不仅仅是会众意志执行的代理者，乃是治理者，他们的责任是要应用基督的律法。

五、教会权能的根本在于地方教会之治理团体

改革宗与长老教会行政的基本原则之一，是教会的权能并非主要在于总会，而是在于地方教会的治理团体，而后将此权转移至总会 (例如区会或总会)。

参、教会的职员及其封立 (牧职)

基督为保持并继续教会在地上的繁荣，设立了两项主要蒙恩之道：传道及圣礼。此外祂也赐予教会行政方式与职员，并赋之以权，使他们奉主的名能传讲福音，执行圣礼，太十1、十六19；约廿21─23；弗四11─12。以上所提的蒙恩之道与教会行政方式和职员有密切的关系。主道的传播与圣礼的执行是交托给教会的职员(提后二2；林前四1)。假如教会的职分被污损，如果人未经教会正式委派而担当圣职，其必然结果就是无法再保持纯洁的教导与福音，错误与混乱在有形教会中势必蔓延。加尔文在《基督教要义》中论及教会的教师和牧师，解释弗四 8─13时，有以下的话：

在这一段经文中保罗表明，神用以治理教会的牧职，乃是使信徒团结的主要维系。他也指明，教会不能有完满的安全，除非它用所规定的方法来维持自己。…因此，凡要废弃或贬抑这牧职和教会行政的人，就是企图破坏教会组织，甚至完全摧毁教会的。太阳的光热、日用的饮食、属世生命的营养和其它所需，还不如使徒和牧师的职务，为保存教会于世界所必需。（卷四，三章二节）

加尔文接着又说：「神曾屡次用各种盛誉来称赞牧职的尊严，叫我们对它表示最高的尊重。(赛五十二7；路十16；林后三6以下) 这些经节都是为要保存主所指派以资继续管理教会的牧职，使它不致被人轻视，而终归于废弃。」(同上，三节)

教会的职员

教会的职员虽有数种，但概略可分为二种：特殊职员与一般职员。

一、特殊职员 弗 4 : 11

A 使徒 严格来说，使徒只限于耶稣所召的十二使徒以至保罗，但也包括那些协助保罗工作有使徒恩赐的人在内 (徒十四4、14；林前九5─6；林后八23)，使徒具有以下特殊资格：

(一) 直接由主耶稣基督领受使命，可三14；加一1；

(二) 为基督生平，特别是祂的复活，作见证，约十五27；徒一21─22；林前九1；

(三)在一切教训上深知有圣灵的默示，徒十五28；林前二13；帖前四8；

(四) 有行神迹的能力，以证实所传的信息，林后十二12；来二4。由此可见，神的启示既已在圣经中完全了，使徒的职份已然止息；没有以上所提的呼召、恩赐与负担，擅取使徒职分，自称使

徒的人，都是不符合圣经的「假使徒」。

B 先知 先知是神的代言人，他们发言的内容包含教义、训诲或预言。在新约中也论到先知，徒十一28；林前十二10、十三2、十四3；弗二20、四11。凡由圣灵感动默示而发言的，都是先知。新约的先知与使徒不同，先知领受的默示是有时的，所以他的权柄是次于使徒的，如教师一样。先知职分的性质详载于林前十四1─40。「先知」的工作无疑对于众信徒在基督里蒙悦纳的真理之传播与稳定有莫大贡献。(徒十五32)

C 传福音的 新约中有三次提到「传福音的」(徒廿一8；弗四11；提后一5)。腓力、马可、提摩太、提多都是这种职员。他们是使徒的副牧，从使徒得权，在一指定时间内专作福音的工作。有时他们施洗并封立长老，提多一5；提前五22，执行惩戒，多三10。另外还有一个见解，就是说传福音的乃巡回宣道士，是被差遣去到未曾有福音传过的地方传福音。「本节 (弗四11) 经文令我们想到传福音的，是介于使徒、先知与牧师、教师之间，被使徒差遣出去传福音的宣教士，而为牧师与教师预备道路。」(史密斯著《圣经辞典》)

二、一般职员

A 长老 长老分为二种 (提前五17)：传道教导人的长老，与治理教会的长老。第一种教导的长老有时称为「牧师与教师」(弗四11)，有时称为「监督」(Overseers ) (徒廿28；腓一1；多一5、7等)。长老与监督二词在新约中交替使用，徒廿17─28；提前三1、四14、五17、19；多一5、7；彼前五1─2。牧长职分有永远性质，兹提出二项证据如下：一、新约其它职分都是只局限于一个时代的，但论到长老并无此暗示。关于新使徒、先知、传福音的派立或资格，在圣经中并无指训，如无承继者，这些职份在历史中就停止了。但论到长老的选立并所需资格，圣经有清楚说明 (提前三；多一)。二、主赐牧师与教师特为「建立基督身体，直等到我们众人在真道上同归于一，得以长大成人」，那就是直等全教会达到完全成圣的阶段，这是未来的事，因此这职分的需要仍然存在。

至于牧师名称一节纯属微末。有人主张「牧师」当译为「牧人」，这都是咬文嚼字，吹毛求疵。照这种说法，律师亦当称为「律人」，医师亦当称为「医人」了。谁都知道日为恒星，地球绕日，但我们按照习惯都称「日出」、「日落」。

B 教师 其实弗四11的「收师与教师」是指教导型长老的职务而言。每一牧师都是要善于教导的。所以这里所说的并非两等不同的职份，乃是一种职份的而个相关的职能。提前五17说到劳苦教导人的长老，希伯来书十三7「传神之道给你们的人」(希腊文 hegoumenoi)，也是教师的意思。再者，保罗在提后二2劝勉提摩太要善于教导别人。加尔文说：「『牧师』和『教师』是教会不可或缺的。他们两者中的分别，就我所知，乃是这样：教师不能负执行训诫、施行圣礼，或发出规劝的职务，而只能讲解圣经，帮助信徒持守纯正的道理；但是牧师的职份则包括这一切。」(《基督教要义》卷四，三章四节)

C 执事 执事一名词在徒六以前是「仆人」的意思，特指从事慈善事工而言。这个词当作「执事」使用的，只在使徒行传第六章。这七人是受托分配财物与赠品供给蒙爱的弟兄，徒十一29、罗十二7、林后八4。作执事的资格记载于徒六、提前三8─10、12。

教会一般职员的蒙召与授职

教会特殊职员 (如使徒等) 的蒙召与一般职员的蒙召不同。前者的蒙召是以特殊方法，是由神直接选召的，后者是以一般方法并由教会的代理所选召。所以在此所论的，乃是一般职员的蒙召。

一、蒙召可分「内召」与「外召」两项

A 内召 有时有人以为内召是某人受神特别的启示去担任教会的职务。这是不对的。内召乃是包含神所赐的一般护理上的指示，特别包含以下三件事：一、内心感知有作神国某种特定事工的迫力，出于爱神的心；二、最低限度在理智与灵性方面有担当此圣工的资格；三、有神清楚指引到达目标的经验。只有内召还不够，还必须有外召。

B 外召 这是藉教会的参与临到某人的召选。这外召不是教皇(天主教)发的，也不是主教(圣公会)发的，乃是地方教会发的。教会职员与全体信徒在这呼召上都有份。教会职员从中指导，但并不将信徒置之度外，此由以下经文可见：徒一15 ─26、六2─6、十四23。根据徒一15─26的记载连拣选使徒时，也要由众信徒承认。当然在拣选马提亚的事上有神自己作最后决定。

二、授职

A 封立 封立以准试人(教职后补者)蒙召与试验为前提。封立乃由中区会(Presbytery，即由地方教会之牧师与长老所组成的评议会)执行，提前四14。查理‧贺治博士说：「封立是教会判断的严肃表示，藉所委派的职员传达此判断，证明教职后补者确实蒙神选召，有份于教职，因此向会众保证此为神所选召。」(Church Polity,p.349) 伯纳德说：「牧师必须由教会的权柄承接圣职，否则即为擅取，藐视在上的，破坏秩序，乃混乱的根苗、分裂之母、教会平安消灭之因。」(The Faithful Shepherd,R . Bernard , 1621 Ed . p .93-94)

B 按手 按手是伴随按立进行的。此二者在使徒是相辅并行的，徒六6、十三3；提前四14、五22。据更正教的解释，按手礼不过是象征性地指明某人被分别出来，特作教会圣工而已，按手礼并非绝对必要，长老会采取可有可无的态度。

本文原载于《信仰与生活》1960 年7~9 月号63