吸纳了测不准原理的新狭义相对论
作者:钱大鹏
时间:2011年05月05日 来源:科技日报
如何将相对论和量子力学统一起来？这是物理学的根本性大问题，一直备受关注。流行的看法认为，随着量子电动力学的建立，统一狭义相对论和量子力学的任务已经完成，剩下的工作只是全力解决广义相对论和量子力学的统一问题，这正是围绕引力量子化所展开的热门研究。
然而深入的考查发现，上述看法是有缺陷的。可以看到，在量子电动力学和量子引力这两种情形中，所谓相对论和量子力学的统一，其性质并不相同——在量子引力研究中所体现的广义相对论和量子力学的统一，实际上是广义相对论对量子力学基本概念、基本原理的服从和满足；而在量子电动力学中，情况恰好相反，那里所谓狭义相对论和量子力学的结合，其实是量子力学对狭义相对论的服从和满足。
于是出现了一个问题：作为经典理论的狭义相对论是否也要服从量子力学的原则要求？如何满足这种要求从而全面实现物理学两大台柱在“最深层次上的融合”？
这个问题的提出并非形式上的刻意追求而是有着充分的事实依据的。我们知道，从根本上说，狭义相对论首先是关于时间、空间以及能量、动量等物理量的测量理论，是对一切测量行为做出原则性规范的物理框架理论。另一方面，我们也知道，对这些物理量的测量又必然要受到一个不可逾越的自然法则的限制，这个法则就是代表着量子力学本质特征的海森堡测不准原理。所以从这种意义上判断，狭义相对论作为一个完全无视测不准关系的、“干净的”时空测量理论不可能是完备的理论。实际上人们早已认识到，任何一个关于时空的完备的物理理论除了拥有相对论的合理内核之外，还应该包含测不准原理并且必须把测不准原理当作这个理论的基础之一。但是究竟采用什么样的具体方法才能够把测不准关系恰当而且自然地融入狭义相对论的概念体系呢？对于这个问题，迄今物理学无以落墨，学界中人也没有谁特别在意。
然而，我却围绕着这个潜在的问题走上了一条长达30余年的漫漫求索路。经过反复尝试，1991年迈出了关键一步——依据测不准原理和时间、空间的基本对称性，通过为夸克/轻子建立一个合理的非点粒子模型，推导出一系列与狭义相对论各方程相对应的新方程。这些新方程体现了测不准原理对狭义相对论的完备化改进，从而以不同于量子电动力学的方式实现了狭义相对论和量子力学在基本概念上的融合。完备化的新方程既能兼容经典的狭义相对论和前几年由Smolin等当代著名物理学家提出的“双狭义相对论”，又导出后二者不具备的特殊结果。
新方程中最重要的是质-速关系新方程，它指出：1）粒子的质量是速度和另一个无量纲的涨落变量ζ的二元函数，ζ是在方程推导过程中遇到的一个不可避免的因子，它使得存在于物理过程中的随机性自然地进入了相对论方程；2）变量ζ的定义域是0≤ζ≤1，当ζ=1时方程有极大值形式，低能下的极大值形式恰好就是众所周知的洛伦兹-爱因斯坦质量公式；3）当ζ<1时粒子将以确定的几率出现在奇异的高速度-低质量状态，在目前的实验能区粒子处于这种状态的几率非常微小，由洛伦兹-爱因斯坦公式描写的极大值状态才是最可几的；4）当速度等于光速时，粒子的质量并非无穷大而是一个有限的最大值，它等于静质量的1.557×1019倍。
新方程揭示质量概念具有更丰富的内涵，这有助于对某些物理现象的重新认识并解答若干疑难问题，例如超高能宇宙线GZK截断悖论、宇宙线电子超量问题等等。利用新方程还推导出一个计算哈勃常数的理论公式，算出哈勃常数等于70.688km·s-1·Mpc-1，与目前公认的测量值72±7km·s-1·Mpc-1符合的很好。由此公式还可以阐明狄拉克大数之谜、证明存在一个与观测者无关的质量最大值，核子的质量最大值恰与普朗克质量相当。
令人振奋的是新方程具有现实的可验证性，利用目前的电子储存环就可以对它预言的一个特殊现象实施检验。在提出理论后的第19年，2009年3月，在中国科技大学国家同步辐射实验室领导的大力支持下，利用800MeV电子储存环进行了一次实验，探测到从7.0GeV到38.4GeV异常的高能电子出射迹象，与理论预期的结果一致。
合肥实验对理论的验证是初步的，为了取得充分证据需要在条件更适宜的加速器上进行更严格的实验。我高兴的看到，新建成的上海光源3.5GeV电子储存环正是这样的理想设备。前不久胡锦涛总书记在两院院士大会上强调：“要鼓励自主探索，使一切创新想法得到尊重、一切创新举措得到支持”，这使我深受鼓舞。我拟定了新的实验方案，优化了实验方法，积极争取这项期待已久的实验验证工作早日得到实施。
（作者单位：辽宁省营口市公安局）
