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《量子规范场论的解释：理论、实验、数据分析》--拙书出版欢迎批评

已有 4384 次阅读 2019-11-7 22:25 |系统分类:观点评述

拙书出版欢迎批评---《量子规范场论的解释：理论、实验、数据分析》

内容简介：

本书是对量子规范场论的整体性解释，针对量子场论的解释困难，从科学哲学中理论与实验(观察)的关系问题出发，系统考察量子规范场论的理论结构、粒子物理标准模型的实验研究、寻找希格斯粒子的数据分析，认为“数据分析”渗透到理论的各个层次和实验的各个环节，可以替代逻辑经验主义连接理论与观察之间的“对应规则”。第一篇针对量子场论的解释困难，从科学哲学中理论与实验(观察)的关系问题出发；第二篇从科学理论结构观的角度分析数学结构和物理结构的关系，澄清了局域规范对称性原理的规范论证；第三篇详细解读了粒子物理标准模型发展过程中不同层面的理论和各种实验的关系问题；第四篇从大型强子对撞机LHC发现希格斯粒子的过程，认识到数据分析是连接理论和实验的关键和桥梁。最后总结当代基础科学研究范式的大科学理论、大数据分析、大科学工程的特征。

一、导言

当代物理学基础理论（包括量子电动力学、量子规范场论、量子引力、甚至弦论），都是相对论和量子力学从不同角度在不同程度的结合，只有量子规范场论最成功。简单讲，外尔推广相对论大胆提出规范不变性原理，杨振宁和米尔斯复活了局域规范不变性原理，提出杨-米尔斯理论。在此基础上形成量子规范场论，应用“重整化”方法发展出粒子物理标准模型、包括希格斯机制。事实上，构成我们这个物质世界的基本粒子之间的基本相互作用力只有强作用力、弱作用力、电磁力和引力。而描述粒子之间电磁作用的是量子电动力学（电磁理论是人类最早知道的规范场论，量子化后成为量子电动力学），描述粒子之间的强作用力的量子色动力学，描述电磁作用和弱作用所统一成的弱电作用是弱电统一理论，弱电统一理论和量子色动力学的核心是杨-米尔斯理论，量子电动力学属于杨-米尔斯理论的特殊情况，它们都是可以量子化的，都属于量子规范场论。只有描述引力的广义相对论还不是量子规范场论，但也可以看成是一种规范理论。相比之下，单纯量子电动力学只能处理电磁场；“量子引力”无论在理论上还是实验上都没有成功；弦论还完全没有实验内容。

越是成功的基础理论，其中的哲学问题越是重要，量子规范场论已经成为粒子和场的最基础理论，在其基础上的粒子物理标准模型，不仅能够精确解释和预测人类目前观察和实验得到的所有高能物理实验，而且出现超出标准模型就超出人类实验能力范围的局面（比如超弦理论）。加上量子场论跟量子力学、狭义相对论、固体物理甚至统计物理结合在一起，使得量子场论的解释变得模糊不清。所以，量子场论的哲学问题最重要的还是对量子场论的解释，而且也是相当困难的一个问题。同时又相当重要，甚至最新发现的引力波，不仅加深人们对引力场的认识，而且新增加了量子力学和广义相对论的不统一问题的重要性，毕竟量子场论中的量子规范场论相当成功，而量子引力始终没有成功，量子引力理论希望从量子场论得到启发，反而显得量子场论的解释问题的重要性更加突出。因此，对量子规范场论的整体性解释越来越重要。

2012年7月4日，在LHC的ATLAS和CMS两个实验小组都宣布观察到新玻色子的质量范围在125-126GeV，新粒子跟长期寻找的希格斯玻色子一致。两个小组宣布观察到相对于背景5个标准偏差（σ）结果，达到高能物理发现的黄金标准。2013年10月8日瑞典皇家科学院发布如下消息：“2013年度诺贝尔奖授予恩格勒和希格斯，‘为其有助于我们理解亚原子粒子质量来源机制的理论发现，该机制最近在CERN大型强子对撞机的ATLAS和CMS实验上，通过其所预言的基本粒子的发现所证实。’”这不仅是对希格斯等人1964年就提出的希格斯机制的肯定，也是对粒子物理标准模型和量子规范场论的再次肯定，同时也是对大型强子对撞机LHC的肯定。

找到希格斯粒子不仅意味着物理学真正进入LHC物理时代，更重要的是促使我们认识到，量子规范场论、粒子物理标准模型和希格斯机制是基础科学研究中大科学的典型代表，以大型强子对撞机为代表的高能物理实验是大科学工程的主战场，海量数据的获得和分析是当代大数据分析的典范，而寻找希格斯粒子的大型强子对撞机LHC物理，则是当代大科学研究活动的典型案例。或者说，量子规范场论突出了大科学理论的性质，大型强子对撞机LHC突显了大科学装置的特征，寻找希格斯粒子体现出大科学工程的特点，尤其是其中对海量数据的处理成为问题的关键。全书认为科学方法论和研究范式主要考察理论和实验之间的关系问题，通过考察量子规范场论的理论结构、粒子物理标准模型的实验研究、希格斯粒子的发现，认为大科学、大数据、大工程是当代基础科学的特征，特别是数据分析在理论跟实验之间起了关键作用。在理论跟实验的关系问题上，认为数据分析成为两者的中介，相当于卡尔纳普连接理论跟观察之间对应规则。不过数据分析不像对应规则那样是站在理论优位立场来讲的，并且也不会认为数据分析只是实验的一部分。甚至也没有把数据分析等同于跟理论物理和实验物理鼎立的计算物理。其实质就在于数据分析是内置于背景理论（量子规范场论）、理论模型（标准模型）和唯象模型（希格斯机制）不同层次的理论，并且探测器设计、模拟样本和信号预测、对希格斯粒子不同衰变道的数据分析统计、误差分析、结果报告、分析结果、得出结论等每一个环节都围绕“便于数据分析”在展开，数据分析同时“随附”在理论和实验之中。

二、篇章机构和内容

第一篇针对量子场论的解释困难，从科学哲学中理论与实验(观察)的关系问题出发；第二篇从科学理论结构观的角度分析数学结构和物理结构的关系，澄清了局域规范对称性原理的规范论证；第三篇详细解读了粒子物理标准模型发展过程中不同层面的理论和各种实验的关系问题；第四篇从大型强子对撞机LHC发现希格斯粒子的过程，认识到数据分析是连接理论和实验的关键和桥梁。最后总结当代基础科学研究范式的大科学理论、大数据分析、大科学工程的特征。

1、第一篇量子场论的解释困难与理论和实验(观察)的关系问题

第一章量子场论的哲学研究，介绍量子场论的粒子解释、场解释、以及规范理论解释的困难。第二章量子规范场论的整体性解释问题，介绍代数量子场论和传统量子场论，分析量子规范场论解释的进路，得出一种协调代数量子场论和传统量子场论的科学方法论策略。第三章科学方法论及其核心问题，讲述科学思想史中近代科学革命、以及相对论和量子力学相结合量子场论，都以伽利略开创的数学跟实验相结合的方法论为特征，这跟科学哲学中以理论和实验（或者观察）之间的关系问题为核心是一致的。第四章理论与实验(观察)的关系问题，回顾逻辑经验主义、历史主义、以及科学实在论和反实在论、甚至社会建构论中的理论跟实验之间的关系问题，认为寻找希格斯粒子的案例有望给出此问题的新解。

2、第二篇量子规范场论的理论结构

第五章规范场论的科学方法论意义，试图说明科学理论结构观这个科学方法论的核心问题，有望在最能体现本义上的自然科学的规范理论那里得到启示，科学理论结构观最好是直接分析科学理论的数学结构跟物理结构之间的关系。第六章规范理论的数学化形式体系，以经典电磁理论为例介绍了什么是规范理论，然后重点介绍规范理论的哈密顿形式体系，以及规范场论的核心杨-米尔斯理论的量子化方法。第七章规范理论中数学结构跟物理结构之间的关系问题，通过爱因斯坦相对论发展到外尔规范不变性原理过程中，数学结构跟物理结构之间关系问题的考察，突显出规范不变性原理的数学剩余结构特征。第八章规范理论的发现语境和辩护语境，由于数学结构跟物理结构的不对称，导致物理学家从发现角度强调规范不变性原理的数学结构的启发性，而哲学家从逻辑辩护角度强调数学剩余结构的不严格，形成物理学哲学家试图否认规范论证，实则是规范不变性原理发挥重要作用。

3、第三篇粒子物理标准模型的实验

第九章新实验主义的实验观，从这一章开始从“实验优位”的角度出发，在科学哲学中理论与实验之间的关系问题演变为重点把科学研究看做一种实践活动，首先考察各种新实验主义的观点，强调实验的各种作用，弗兰克林对弱相互作用V-A理论的案列分析，进一步考察理论跟实验之间的相互关系问题。第十章理论物理跟实验物理之间关系问题，卡拉加在对新近的实验哲学研究基础上，把物理学理论分成三个层次、物理实验分成两种之后，进一步区分强、弱不同的理论-负载意义，特别是用在强相互作用的物理学的案例分析上。第十一章粒子物理标准模型和希格斯粒子，不是在背景理论层次讲规范场论，也不是在理论模型层次讲标准模型、而是在唯像模型层次讲标准模型的包含的基本粒子，特别是希格斯机制，包括对希格斯机制的哲学反思、以及实验结果的意义。

4、第四篇发现希格斯粒子

第十二章大型强子对撞机LHC物理，研究粒子物理标准模型的建立、检验、以及可能发展出新物理这个大科学工程的总体特征，具体包括：作为理论物理和实验物理相结合典范的粒子物理标准模型、LHC物理的基本问题、LHC物理总体上的新特征、及其基本哲学问题。第十三章大型强子对撞机的ATLAS探测器，介绍大型强子对撞机的ATLAS探测器，特别是ATLAS探测器的各个部分，以及其中的数据传输、储存和分析，包括电子、缪子等微观粒子的重建和本底，特别是寻找希格斯粒子的衰变道分支比，为下一章做铺垫。第十四章发现希格斯玻色子，介绍欧洲核子物理中心宣布发现新粒子，弗朗克林对CMS发现希格斯粒子的考察，以及我们对ATLAS小组发现希格斯粒子的考察。

5、第五篇当代基础科学的研究范式

第十五章当代基础科学的大科学、大数据和大工程研究范式，总结粒子物理学中粒子规范场论为代表的大科学特征，数据分析的大数据特征、以及大科学实验和大科学工程的研究范式。

三、《量子规范场论的解释：理论、实验、数据分析》（中国社会科学出版社2019年9月）

前言 1

第一篇量子场论的解释困难与理论和实验(观察)的关系问题 6