学郭光灿《爱因斯坦的幽灵》的超光速辐射

---人们很可能在弦和圈的美丽中迷失方向（3）

葛代序

摘要 郭光灿超光速辐射对相对论的局域性与量子力学的全域性，进行的同时性二次量子化处理，极大地丰富和完善了从牛顿、爱因斯坦到霍金、威藤、斯莫林这整个物理学的创新链。其次也说明，在宇宙极问条件下，相对论与量子理论即使有悖论，在实践意义上也是等价的，所以又回归实践意义上的较量。

关键词 超光速辐射 量子纠缠 实践较量

一、从郭光灿和高山到霍金和费曼

笔者认为，郭光灿院士和高山著述的《爱因斯坦的幽灵----量子纠缠之谜》一书，最精华的地方是在“超光速狂想曲”这一章。该章的最精华处是在“坍缩的同时性”这一节。该节的最精华点是这一句：单粒子波函数的坍缩过程，以单光子的双缝实验为例，当光子波函数到达感光屏后，测量将导致光子波函数不再遍及整个感光屏，而是随机坍缩到感光屏上一个极小的空间区域中。“实际上，光子被感光屏上处于此区域的原子吸收了，并进一步导致大量临近原子的一种不可逆过程，这最终产生感光屏上的一个永久记录。”

笔者读到这里，眼睛一亮，认为郭光灿院士解决了该章说的路甬祥院长1999年谈的四大难题之一，即物理学中相对论的局域性与量子力学的全域性之间的不协调问题，为中国科学家们赢得解决相对论的局域性与量子力学的全域性不协调问题，开辟了一条继往开来又创新的道路。我们把它称为郭光灿超光速辐射，或简称“超光速辐射”，并把它看作是与霍金辐射或霍金黑洞辐射等价的理论意义。因为我们认为，这是郭光灿超光速辐射对相对论的局域性与量子力学的全域性，进行的同时性二次量子化处理，极大地丰富和完善了从牛顿、爱因斯坦到霍金、威藤、斯莫林这整个物理学的创新链。

看破这一点的是，郭光灿院士和高山著述的《爱因斯坦的幽灵----量子纠缠之谜》一书，矛盾最集中的也在“超光速狂想曲”这一章。例如该章“探寻绝对”这一节，提出“波函数坍缩过程的规律很可能违背相对性原理，从导致绝对参照系的存在”问题，一反他们前面的推证逻辑，成为本书最精华也是本书最矛盾之处，也成为今天中国最新的既批爱因斯坦又批玻尔----用非连续性批爱因斯坦，用“最小本体论” 批玻尔，这是对的。该章对爱因斯坦的批判，也是对爱因斯坦的机械革命唯物论的批判，然而批爱因斯坦也批这种人自己。

我们的理由是，作为一心想作革命者和唯物论者的爱因斯坦，反对把超自然现象直接引进到物理学，反对把神灵、鬼怪作为多维、高维时空引进到物理学，这也是对的，表现了一个革命者和唯物论者的物理学家的基本素质。而且爱因斯坦自己推证出的狭义相对论方程和广义相对论方程，已丰富和完善了相对论的局域性与量子力学的全域性的绝对参照系的框架，这就是郭光灿院士说的相对论要求的洛仑兹不变性，时间和能量方均根不确定性的相对论变换，在非相对论坍缩时间反比于系统能量方均根不确定度的平方，等等，其意思就是虚数的出现，为60多年我国的反相个人和组织提供了明确无误的支点，也为从牛顿、爱因斯坦到霍金、威藤、斯莫林这整个物理学的创新链提供了明确无误的支点，而且爱因斯坦已是明确无误告诉了他们，他是在反对把超自然现象直接引进到物理学，反对把神灵、鬼怪作为多维、高维时空引进到物理学的旗帜下，才反对虚数出现的。即来自相对论最严厉的禁令，狭义相对论两条最基本的假设，本质不全是物理学意义上的假设。今天有其说它是物理学意义上的假设，不如说它是革命者和唯物论者意义上的假设。因为它并没有办法，禁止虚数在数学中的出现。

该章95页提到波普尔的可证伪性理论，104页提到的“最小本体论”，某种事物从根本上不可测知，它便是不存在的，可以证伪相对论和量子力学。但今天我国也有反相人士的网文指出，波普尔首先是一位反苏科学家，他的反共产主义言论也和可证伪性常常是联系在一起的。其次，该章106页提到在2004年，本书第二作者提出意识动能进入相对论和量子力学更完善的论证，不知是否也属于对爱因斯坦的机械革命唯物论的批判？因为近一步讲清这个道理的是《宇宙极问----量子、信息、宇宙》一书中，埃利斯的四个世界理论。这里埃利斯把波普尔和彭罗斯等人的研究发展为，世界1，是物质和力；世界2，是意识；世界3，是物理和生物的可能性；世界4，是数学实在。埃利斯的这种对波普尔等人的发展，明显看出强调的是：类似虚数某种程度上被人类认识，使数学在描述物理行为时神秘而强有力，但这是革命者和唯物论者不情愿发现的。它们是在发现和表达的过程中，才对物理世界产生了影响。事实也正是如此，才有实数和虚数联立的从牛顿、爱因斯坦到霍金、威藤、斯莫林，这整个物理学的创新链对三旋弦膜圈说的发现和认识。

也许该章“探寻绝对”这一节，郭光灿院士说的“双贝尔实验”，最能使爱因斯坦相对性原理失效。虽然更详细的讨论，佩西瓦在郭光灿院士之先，但反过来用郭光灿超光速辐射，却能证明“双贝尔实验”的分析并不完善。该章郭光灿院士一开始论证相对论和量子理论的水火不相容是，相对论是连续运动图像，量子理论是非连续运动图像。连续运动空间如齿轮传动，速度是有限的，类似不能超光速。非连续运动必然有间断，在不同性质的间断还能连续运动，称为超距作用。从牛顿时代开始就知道，连续运动图像是任何作用和影响，都是由空间连续地传播的，都是在时空中可以描述的；而超距作用本质上是具有瞬时性和非连续性，它无法利用空间传播过程来描述。数学上的无穷大速度等价于瞬时性，即超光速类似等价于超距作用。贝尔定理对超距作用的理解为非定域性，所以量子理论的非连续、间断性，也可理解为允许非定域性或超距作用的存在。波函数坍缩类似间断、非连续，非定域性，无法利用“空间”传播过程来描述，那么这个“空间”在数学上指什么样的“空间”？其实这才是爱因斯坦和玻尔之间的分歧。因为爱因斯坦从简单地理解革命者和唯物论出发，这“空间”只能留给类似的实数时空，这也是眼前的实践和世界能立竿见影证明的。即类似三旋弦膜圈说定义的“点外空间”，所以相对论说数学方程中的虚数应该去掉，而玻尔却把爱因斯坦丢掉的数学拾起来，认为这个“空间”类似希尔伯特空间，是虚数和实数兼容的复数时空，即类似三旋弦膜圈说定义的“点内空间”。所谓“点内空间”类似一个绝对参照系：三旋弦膜圈说借助庞加莱猜想熵流，用空心圆球不撕破和不跳跃粘贴，能把内表面翻转成外表面，可证时间之箭的起源，即霍金大爆炸宇宙论就依据的绝对参照系。

其次，“点内空间”和“点外空间”构成的虚数和实数兼容的复数时空机械唯物“连续”传播图像，一是可以类似，费曼著名的反粒子运动“折线图”或粒子/反粒子时间倒流-顺流打折图。二是可以用多列齿轮的连续传动图像来演示：相对论允许的时空，类似顺时针和反时针相间连续传动的齿轮传动图像。量子理论的非定域允许的时空，类似顺时针和反时针相间连续传动的齿轮传动图像分成了两个序列：一是如，全部顺时针传动的齿轮的转轴，都安装在“水面”上这个序列；这些齿轮都很大，但齿轮之间留下的距离很小，它们不允许再与“水面”上的其它齿轮连接。这称为“点外空间”。 二是全部反时针传动的齿轮的转轴，都安装在“水面”下这个序列；这些齿轮都很小，齿轮之间留下的距离都很大，但它们还可以再连接多个齿轮传动序列。这称为“点内空间”。正是这种图像，解读了费曼量子力学，反过来费曼量子力学巩固了弦膜圈说。

那么爱因斯坦和玻尔谁对谁错呢？贝尔不等式的无数实验证明，玻尔更具有辩证特色，所以爱因斯坦更类似机械革命唯物论的特点。但爱因斯坦和玻尔两人在数学上都留下洛仑兹不变性式的虚数，即洛仑兹不变性数学结构是虚数和实数兼容存在的。所以所谓的量子非定域现象不满足洛仑兹不变性，是人为造成的。简单总结一下，如果连续性的“点外空间”正、反称为一次量子化，非连续性的“点内空间”正、反称为二次量子化，那么即是：连续性相对论一次量子化----非连续----非定域性----波函数坍缩----二次量子化----郭光灿超光速辐射----霍金辐射----相对论二次量子化。双贝尔实验的因果回路，正是相对论的二次量子化要说明的。

即联系霍金黑洞辐射，黑洞外部附近的量子真空起伏，是指造成的一个粒子及其反粒子构成的成对粒子，在彼此湮灭并最终双双消失前，如果可以在非常短暂时间内在真空区自然出现，这是一种连续性的“点外空间”负实数或者虚数的一次相对论量子化。如果这种成对粒子在黑洞边缘附近形成，其中的粒子在被摧毁前可能掉入黑洞，反粒子则被搁浅在事件视界之外----这种一次相对论量子化的“量子纠缠”，被称为是黑洞存在“霍金辐射”。那么郭光灿超光速辐射相对论二次量子化是，光子被感光屏上处于此区域的原子吸收了，被看成类似量子落入“霍金黑洞”，那么它是分成两个过程演化的。一是，量子波粒二象性检测，粒子打在检测屏上产生的决定性结果，常常被称为退相干效应。如果我们把从量子叠加到检测屏上退相干的决定性结果的湮灭粒子，进一步导致大量临近原子的一种不可逆过程，看成类似黑洞边缘附近形成的量子真空起伏，造成由一个粒子及其反粒子构成的成对粒子，在最终产生感光屏上的一个永久记录前其中的粒子可能掉入“点内空间”， 它的反粒子则被搁浅在“点外空间”，由于它也是虚数粒子，所以这个“点外空间”相对它来说，也是“点内空间”。但这实际是相对论二次量子化，这里由于留下的正虚数粒子受到真正“点内空间”另一侧正虚数粒子的排斥，而发生类似退相干“霍金辐射”的郭光灿超光速辐射，这就是EPR量子幽灵发生量子移物隐形传输的图像。

其次，因为这种量子波粒二象性实验检测，已经是一个实际的操作过程，那么退相干湮灭的实际的粒子，对整个实际的实验粒子和“点外空间”来说，这也类似“点外空间”狄拉克量子海洋，落入检测屏中的湮灭粒子走了，自然在狄拉克“点外空间”量子海洋一侧膜面搁浅留下一个“空洞”。如果设落入检测屏中的湮灭粒子为负虚数粒子，那么在狄拉克“点外空间”量子海洋一侧膜面留下的那一个“空洞”也类似一个实数，被分为正、负两个实数粒子。“空洞”这个负实数粒子的突然收缩消失，会进一步导致大量临近量子的一种不可逆的动力过程，造成相对论时空允许的类似顺时针和反时针相间连续传动的齿轮传动图像。这是超光速辐射补充的相对论一次量子化图像。正是有以上两种“齿轮传动”，双贝尔实验不能说明它想要说明的问题。即双贝尔实验涉及的爱因斯坦幽灵，属于“宇宙极问”难题，目前三旋弦膜圈说已可能证明：A、弦膜圈说背景存在与背景独立，极问证明等价；B、弦膜圈说宇宙非高斯性与高斯性猜想，极问证明等价；C、终极理论的有和无，极问和“应用空间”等价。具体联系到双贝尔实验，涉及一下几个问题。

1、所谓的两个粒子之间的“量子纠缠”，是类似指两个粒子的自旋态类型完全相同，这类似自然光，经过偏振片后改变成为具有一定振动方向的光；或自旋态完全是正交与对称的，而不是完全的硬性连接。其次，所谓的“超光速”，对应平均速度和瞬时速度，也有平均超光速和瞬时超光速的分别。平均超光速偏重计算得出的结果，瞬时超光速偏重测量得出的结果。如翻山越岭过高山后的汽车平均速度和穿过这座高山的隧道口的瞬时速度可以相同，但计算穿过这座高山隧道后的汽车平均速度，就可能大于翻山越岭过高山的平均速度。类此超光速有“点内空间”之说，例如“意识”、“科幻”，可以有“张飞打岳飞” 之说，如不计较真实，计算会是“超光速”。 点内空间也可以用我们的大脑、书本类比，“意识”如储藏、活动在大脑，有“预感”、“预测”等类似功能，相对有形的物质是一种类似虚数的物质，这类似能容许存在与实在的“超光速”。

2、所谓的“双贝尔实验”，类似A和B俩亲兄弟与C和D俩亲姊妹，4人都各自分开在不同地方工作，除开B与C因恋爱有电话联系、D与A因恋爱有电话联系外，他们是两个无关的不同家庭或家族的成员，但他们都有相同的社会背景或受到生存迫害。A先操作，B通过家族可以听到消息。相应地，C先操作，D通过家族可以听到消息。按连续定域性常规逻辑的消息回路时序是：假设A先自杀，通过家族传言B听到消息，B通过电话告诉C。于是C先自杀，通过家族传言D听到消息，D通过电话告诉A。但在常规逻辑中也有这种情况，由于事件A和B之间、C和D之间，仅仅是传言以及没有恋爱关系，上面的回路时序，可以存在不会形成逻辑上被禁止的因果回路。

如果把这个事件引进到类似超光速辐射的量子纠缠系统中，这两种对应的情况也存在。假如把类似《礼记·中庸》中的“凡事预则立，不预则废”的“预”，按量子纠缠系统释义为“预感”。相对论一次量子化，对应按连续定域性常规逻辑的消息回路时序，那么郭光灿超光速辐射的相对论二次量子化类似，假设A先自杀；通过家族传言，B还没有听到消息也自杀了，原因是B对A的自杀早有预感，而悲观。但B在自杀之前，B通过电话告诉了C。于是C悲观先自杀，但通过家族传言，D还没有听到消息也自杀了，原因也是C对D的自杀也早有预感，而悲观。当然，D在自杀之前，D通过电话告诉了A。那么A、B之间及C、D之间，存在的这种类似的量子因果“预感”连接，使上述的时序回路形成因果回路，也是有可能的。

3、但这里也出现悖论：一是B与C的电话联系，D与A的电话联系，谁先？谁后？如果B对A的预感先于传言，其时间差用来填补B与C的电话联系多用出的时间；D对C的预感先于传言，其时间差用来填补D与A的电话联系多用出的时间，B与C的电话联系和D与A的电话联系，两者可以是同时的，那么即使有因果回路，也是等价于零的。其次，也说明，在宇宙极问条件下，相对论与量子理论即使有悖论，在实践意义上也是等价的。证明是，A先自杀，通过家族传言B听到消息，不等价于B用电话与A联系的验证。D先自杀，通过家族传言C听到消息，不等价于D用电话与C联系的验证。所以不管是有连续定域性常规传言逻辑回路，还是没有非连续非定域性超光速预感逻辑回路，可靠性仍需爱因斯坦类似机械革命唯物论特点的用电话联系验证。所以即使玻尔们的“凡事预则立，不预则废”的成功几率，比爱因斯坦的贝尔实验几率高一些。在宇宙极问条件下，又回归实践意义上的较量。

二、21世纪的量子超光速实践较量

自20世纪物理学最惊心动魄的相对论和量子力学的发现以来，它们虽然使人类获得了对自然界前所未有的深刻理解，同时所引发的如激光的发明、电子计算机的出现等技术革命，大大改变了人类的生活，但怀疑它们是错误的理论的人不少。特别是赞成和反对两方的人，都认为相对论和量子力学不能“和睦相处”。

例如，一方面，相对论不允许任何比光速更快的物质运动和信息传输，另一方面，量子力学却允许某种神秘的所谓“超光速”影响的存在；如根据量子力学理论，电子、光子等相互耦合的微观粒子之间存在某种神秘的爱因斯坦讥讽为“幽灵式的超距作用”的关联，如果我们对其中的一个粒子进行测量，另一个粒子将会瞬时“感应”到这种影响，并发生相应的变化，无论它们相距多远。

我国是一个热衷于“超光速”的大国，21世纪的量子超光速通信之争，从官方到民间都展出公开的较量。因21世纪是电讯通信普及的时代，电讯通信是非常实在和现实的，如果存在使得信息的传递不再是通过信息载体（如电磁波）的直接传输方式来完成，而是通过一种类似于心灵感应的量子超光速通信的神秘机制，即量子非定域影响或量子超光速影响使通信不再受空间距离的限制，也许被当代物理学家们戏谑为不协调的量子力学与相对论的这一两大理论要么破产，要么改写。

坚持“超光速”为实的一方，拿出了一段从电磁波到超光速的科技史作证：

1864年，麦克斯韦创立了经典的电磁场理论，并预言了电磁波的存在。

1876年，贝尔发明了电话，开创了有线（光速）通信时代。

1886年，赫兹实验证实了电磁波的存在。

1895年，马可尼和波波夫独立发明了无线电通信，标志着无线（光速）通信时代的来临。

1905年，爱因斯坦创立了狭义相对论。根据这一理论，比光速更快的物质运动和信息传输都被视为不可能。

1925～1926年，量子力学诞生，宣告了经典物理学大厦的彻底崩溃。

1935年，爱因斯坦、波多尔斯基和罗森论证了量子力学与相对论之间的不相容性。这一不相容性暗示了如果量子力学的预言是正确的，那么必然存在“超光速影响”。

1964年，约翰·贝尔提出了“贝尔定理”，提供了利用实验来检验“超光速影响”存在的可能性。

1982年，阿斯派克特等人在实验上证实了超光速影响的存在。

1992年，斯奎尔斯提出了一种量子超光速通信的实现方法。

1994年，格林伯格实验显示了人脑之间存在超光速影响。

目前，量子信息研究正朝着量子密码、量子计算机、量子存储三个方向发展。环量子三旋密码模型是量子密码、量子计算、量子存储的基础。例如进行量子通信研究，没有量子存储这个技术基础，研究将无法深入下去。又如量子纠缠，是指粒子间的神秘的联系：奇妙在其中的一个粒子经过测量就可以了解另外一个粒子的状态，一个粒子的变化都会影响另一个粒子，即两个粒子之间不论相距多远，它们是相互联系的；量子纠缠是两个(或多个)粒子的叠加态，这些粒子作为一个整体来看如果试图窃听或偷走其中一个光子的信息，你将任何信息都得不到。这是另外一个特性，这就是其保密安全性所在。量子隐形传输就是借助于两个粒子之间的纠缠作用，将待传输粒子的未知量子态传送到另一个地方。其基本思想是：将原物的信息分成经典信息和量子信息两部分，它们分别经由经典通道和量子通道传送给接收者。经典信息是发送者对原物进行某种测量而获得的，量子信息是发送者在测量中未提取的其余信息，通过纠缠来传送。接收者在获得这两种信息之后，就可制造出原物量子态的完全复制品。这个过程中传送的仅仅是原物的量子态，而不是原物本身。发送者甚至可以对这个量子态一无所知，而接收者是将别的粒子(甚至可以是与原物不相同的粒子)处于原物的量子态上。原物的量子态在此过程中已遭破坏。由此而来的争论是：

我国从事量子非定域性和量子超光速通信研究的学者们都信心百倍，不仅出版有“超光速通信”的专著，而且预言，也许在未来的二三十年里就会带领人们走进神奇的超光速通信时代，超光速通信无疑将成为未来通信技术的主角；利用超光速通信，空间距离将不再成为通信的障碍，人们可以在相距任意遥远的地方进行实时交谈，那么配合人们超光速飞行，如果宇宙飞船到达距地球1光年的其他星球，与地球之间的通信局限性也不会显露出来，啊！地球是人类的家园，但人类不能永远生活在摇篮中。　

但反对“超光速”为实的一方有专家认为，“心灵感应的量子超光速通信”这个词是从科幻或是神话来的。在科学里，这个词应翻译为量子隐形传态。比如有一个粒子，我们可以测出这个粒子的全部信息，把这些信息传到另外一个地方，这粒子本身并不过去，我们就可以在另外一个地方复制出一个量子态完全相同的粒子。这样的过程我们就叫做量子隐形传态。按海森堡测不准原理，我们不可能同时精确测量一个粒子的全部信息。 可是利用量子力学里的量子纠缠态，建立一个量子通道，加上经典通讯，我们就可以把一个粒子的全部信息传到另一个地方，实现量子隐形传态。科学家们曾经成功地对光子进行量子态隐形传输，而光子主要用于量子通信，潘建伟教授等我国科学家利用五光子纠缠源，在实验上演示了一种新的“终端开放”的量子态隐形传输。但对此，我国有专家怀疑，原子作为微观粒子的一个单位，目前还容易测量，但光子作为微观粒子的一个单位，目前测量出的结果是多少，是模糊的，那么五光子纠缠之说，又是如何测量的呢？问题提得有没有道理呢？这是对类似静止质量为零的光子的整个“量子态隐形传输”的置疑。

是的，1993年，美国物理学家贝尼特等人提出了“量子态隐形传输”的方案，传输的原粒子的量子态2004年6月，美国和奥地利的物理学家实现的是原子间的量子态隐形传输。这是美国国家标准与技术研究所的科学家利用激光技术，对三个带有正电荷的铍原子的量子态进行操作。首先，他们利用量子纠缠技术使其中两个原子的量子态完全一致。接着，他们准确地测量了这两个原子的量子态，然后通过激光将它们的量子态复制到8微米外的另一个原子上。整个过程由计算机控制，仅耗时4毫秒，传输成功率达到78%。而另一个研究小组的奥地利因斯布鲁克大学的科学家，采用的是钙原子，同样实现了量子态隐形传输，成功率为75%。其基本原理也是利用第三个原子为辅助，用激光将一个原子的量子态传递给另一个原子。但两项实验在具体方法上有所不同，奥地利小组使两个原子距离相对较远，以便用激光单独地改变一个原子的状态；美国小组则将原子冷却以保持操作的可靠性。

当然，潘建伟教授的光子纠缠隐形传输，也是被认为是事实。潘建伟1970年3月出生在浙江东阳，1987年考入中国科技大学。2003年，潘建伟由于在量子态隐形传输以及量子纠缠态纯化实验实现上的重要贡献，他被奥地利科学院授予ErichSchmid奖，此奖为奥地利科学院授予40岁以下的青年物理学家的最高奖，两年一度，每次一人。在最近的7年时间里，潘建伟做出5个首次：首次成功地实现了量子态隐形传送以及纠缠态交换；首次成功实现三光子、四光子纠缠态，并利用多粒子纠缠态首次成功地实现了GHZ定理的实验验证；首次成功地实现了自由量子态的隐形传送；首次实现纠缠态纯化以及量子中继器的成功实验；首次取得五粒子纠缠态的制备与操纵。

这里的问题是，量子态是指原子、中子、质子等粒子的状态。如果把表征量子态的能量、旋转、运动、磁场等物理特性看作量子信息，那么这些量子信息还包含了其物理特性的共轭态，所以粒子的量子信息常常是多共轭的。这在基本粒子物理学中大部分是用标准模型和超对称理论处理的。由于以爱因斯坦为代表的一方始终认定量子力学不是完备的理论，而以哥本哈根学派领袖玻尔为代表的另一方则坚信量子理论的正确性，使宏观和微观之间的认知的矛盾尖锐起来。

一是量子力学在继承宏观物体的球量子模型时，又抛弃了球量子的自旋概念，另立一套与宏观不同的自旋概念。这是由于量子客体的波粒两象性，迫使人们不得不引入波函数（量子态）来描述量子客体的状态，量子世界的千奇百怪的特性正是起源于这个量子态。那么这个量子客体的状态，按宏观的特性是个什么概念呢？这是一个既似刚体又像流体、既似完整又像破裂的“模糊体”的不确定性概念。

关于量子理论国外和国内的长期激烈争论的焦点也在这里。1955年由于国际形势的需要，我国开始酝酿研制核武器技术。虽然生产原子弹，其现成的原理并不跟物质无限可分原理直接相连，但由于两者都涉及微观世界，社会主义和资本主义阵营存在极大的哲学分歧。社会主义国家坚持物质无限可分。因此上个世纪五、六十年代，我国开展了大规模的“物质无限可分”和“一分为二”的宣传运动，这场“有心栽花，花不发；无意插柳，柳成荫”的类似对高能物理的一场全民科学普及教育工作，它的求真务实得出了两个结果：一个是产生了科学殿堂内得出的“层子”模型；一个是产生了科学殿堂外得出的“环量子三旋”模型。

自旋不像平动。平动类似趋向弥漫或弥散态，自旋更像一种浓缩的“体”。环量子三旋模型不是对正统量子力学本身作出变革，而是仅就正统量子论本身作出一点变革。即既然坂田昌一反对量子力学哥本哈根学派不可分思想的“点”模型，主张能够分的“体”模型，那么量子态的“体”也可以有类似宏观物体的自旋。当时在我国大搞激烈的阶级斗争的环境下，使我国过早地引发了球量子与环量子之争。因为环量子和球量子的内禀自旋是不同的。例如环量子的自旋有三种“内禀”运动：可以有体旋——绕圈面内轴线的旋转；面旋——绕垂直于圈面中心的轴线旋转；线旋——绕圈体内环状中心线的旋转。

三旋的体旋有二种状态(正、反)。面旋有二种状态(正、反)。线旋中的平凡线旋有二种状态(正、反)；线旋中的非平凡线旋有四种状态(左斜正、反；右斜正、反)。环量子按单动(只做一种旋动)、双动(同时做两种旋动)、三动(同时做三种旋动)，可以有62种不同的三旋状态组合。而其中的线旋就类似宏观的涡旋，所以环量子能完成既似刚体又像流体、既似完整又像破裂的“模糊体”的不确定性概念，因此能把波函数的本性如薛定谔认为的波动方程中，波场是集中积聚在微小空间内而形成的波群或波包的解释说清楚，也能解决类似“薛定谔猫”佯谬和“ EPR佯谬”等许多宏观与微观分野的问题。这就是环量子的多种自旋类似内禀存在的多共轭量子态，也类似回答了爱因斯坦对量子力学不完备性而要求引入一个隐参数理论加以的修正。所以经典物理学类似球面科学，而高能物理学实质类似环面科学。

再说是否是五光子进行的光子量子态隐形传输，也许从物理角度讲，用不着在普朗克长度单位的范围进行单个光子的一一测量。因为比特是个两态系统，它可以制备为两个可识别状态中的一个，如是或非，真或假，0或1。在数字计算机中，电容器平板之间的电压可表示信息比特，有电荷代表1，无电荷代表0。一个比特的信息，还可以用两个不同的光偏振或原子的两个不同能级来编码。量子信息的单元称为量子比特，它是两个逻辑态的叠加态。经典比特可以看成量子比特的特例。用量子态来表示信息是量子信息的出发点，有关信息的所有问题都必须采用量子力学理论来处理，信息的演变遵从薛定谔方程，信息传输就是量子态在量子通道中的传送，信息提取便是对量子系统实行量子测量。在实验中任何两态的量子系统都可以用来制备成量子比特，常见的有：光子的正交偏振态、电子或原子核的自旋、原子或量子点的能级、任何量子系统的空间模式等。而光子是玻色子，可以有多于两个粒子的组合。信息一旦量子化，量子力学的特性便成为量子信息的物理基础。

三、量子信息学与环量子多共轭态

自然界是否确实按照环量子三旋理论的规律运行？也可以从量子信息学的角度来参加公开的较量。量子信息学是由于量子特性在信息领域中有着独特的功能，而以量子力学的态叠加原理为基础，成为量子力学与信息科学相结合的研究信息处理的一门新兴前沿科学。量子信息学包括量子密码术、量子通信、量子计算机等几个方面。

1、量子计算的“格点”规范

量子比特可以制备在两个逻辑态0和1的相干叠加态，换句话讲，它可以同时存储0和1。这是环量子的三旋能办到的。由于数学操作可以同时对存储器中全部的数据进行处理，因此，量子计算机在实施一次的运算中可以同时对2 N个输入数进行数学运算。为开拓出量子计算机巨大的并行处理能力，寻找适用于这种量子计算的有效算法。1994年 S hor发现第一个量子算法，它可以有效地用来进行大数因子分解。S hor的开创性工作有力地刺激了量子计算机和量子密码术的发展，成为量子信息科学发展的重要里程碑之一。但1997年Grover又发现了另一种很有用的量子算法，即所谓的量子搜寻算法。Grover算法的用途很广，可以寻找最大值、最小值、平均值等，也可以用于下棋。1981年Feynman指出，经典计算机与量子系统遵从不同的物理规律，用于描述量子态演化所需要的经典信息量，远远大于用来以同样精度描述相应的经典系统所需的经典信息量；采用经典计算机不可能以有效方式来模拟量子系统的演化，而量子计算则可以精确而方便地实现这种模拟。事实上，采用这种方法在简单情况下目前已预言了量子体系的行为。

一般地说，量子模拟可以按下列步骤来完成：A、根据所研究的量子体系的哈密顿量，设计出能够实现相应的幺正变换的量子网络；B、将 N―量子比特按照要求制备为特定初态；C、操作计算机进行模拟运算。计算机的终态就是所需的量子态。因此，一旦人们有了量子模拟计算机，就无需求解薛定谔方程或者采用蒙特卡罗方法在经典计算机上做数值运算，便可精确地研究量子体系的特性。 有许多量子体系可以用这种方法来研究。例如：①高温高密度等离子体；②采用格点规范理论描述的体系，如量子色动力学；③晶体固态模型，包括诸如 H ubbard模型的固体费米系统，其量子对称性使得它们难以采用蒙特卡罗技术来模拟；④固体模型，包括诸如高温超导体的长程关联；⑤分子行为的量子模型等等。

这中间类似的所谓“格点规范”、“量子网络”，“固体模型”等，是又回到一种图形描述，而图形对应形状，又有基本的球面与环面之分，因此又与环量子的多种内禀自旋存在的多共轭量子态是相联系的。

2、量子密码与量子陀螺原理图

量子密码术是密码术与量子力学结合的产物，它利用了系统所具有的量子性质，1984年，贝内特和布拉萨德提出了第一个量子密码术方案，称为BB84方案，由此迎来了量子密码术的新时期。1992年，贝内特又提出一种更简单，但效率减半的方案，即B92方案。量子密码术并不用于传输密文，而是用于建立、传输密码本。根据量子力学的不确定性原理以及量子不可克隆定理，任何窃听者的存在都会被发现，从而保证密码本的绝对安全，也就保证了加密信息的绝对安全。最初的量子密码通信利用的都是光子的偏振特性，目前主流的实验方案则用光子的相位特性进行编码。目前最快的超级计算机，对一个400位的阿拉伯数字进行因子分解，要耗时上百亿年，而具有相同时钟脉冲速度的量子计算机，只需大约一分钟。因此，人们一旦拥有了一台量子计算机，那么目前的密码系统将毫无保密性可言！

潘建伟教授的量子纠缠经典信息处理的最基本单元是比特，即二进制数0或1；而一个按照一定数学规则给出的随机二进制数据串构成一个密钥，经典通信中最难解决的问题是密钥分配问题。如果密钥分配不是绝对保密，经典密码通信也就不可能绝对保密。但郭光灿、潘建伟等科学家开展的研究发现，基于量子力学线性叠加原理和不可克隆定理的量子密钥分配，却可以从根本上解决密钥分配这一世界性难题。虽然目前美国马萨诸塞州技术研究所与洛斯阿拉莫斯国家实验室，研制量子计算机运算器已成事实，但由于没有三旋理论的指导，西方量子计算机原理中存在有纰漏。

例如Neil Gershenfeld等人阐释量子计算机能同时处于多个状态且能同时作用于它的所有不同状态的量子陀螺原理图时，对量子位不动的几种陀螺旋转，就分辨不清，明显的错误是把陀螺绕Y轴的体旋称为“进动”，这是不确切的。其原因是体旋实际比面旋复杂。而这一点却让量子计算机原理研究的专家所忽视，这类量子计算机原理中的纰漏，与量子计算机以量子态作为信息的载体有关。

因为，人们已提出用光子、电子、原子、离子、量子点、核自旋以及超导体中的库柏对等物理系统作为量子比特的方案，这使量子行为与经典物理的联系更紧密，但它也揭示出经典物理概念天生的不足，从而，非引入三旋概念莫属。计算机可以是任何式样的东西，也可以有不同式样的算法。以量子计算机和DNA计算机为例，量子计算机利用的基本元件是原子和分子，依据的是电子或原子核的旋转以及量子粒子的奇异特性，即在不被观测的情况下，量子粒子可以同时向不同的方向旋转。传统计算机采用的是晶体管，利用晶体管的开和关来表示“1”和“0”，即是取定值0或1的比特进行工作，非0即1。而在量子计算机中，光子可以是水平偏振和垂直偏振的叠加态，原子的自旋可以同时处于向上向下旋转的不确定的“超态”。即量子计算机采用的是量子比特，一个量子比特可以是0或1，也可以既存储0又存储1。在解决问题时，量子计算机并不是依次把全部数字加起来，而是在同一时间把所有的数字加起来。

由于一个二进制位只能存储一个数据，所以几个二进制位就只能存储几个数据。而由于量子叠加效应，一个量子位可以存储2个数据，几个量子位可存储2的几次方个数据，便大大提高了存储能力。此外，现在计算中基本的逻辑门是“与”门和“非”门，对量子计算机来说，所有操作必须是可逆的，就是说由输出可以反推出输入。因此现在的逻辑门多不能用，而需要使用能实现可逆操作的逻辑门。它就是“控制非”门，又叫“量子异或”门。有了存储信息的量子位，又有了用以进行运算的量子逻辑门，便可以建造量子计算机了。其设计思想是把一束激光或者电波照射到一些精心排列的像陀螺一般旋转的原子核上。当波或者波从这些原子上反弹时，它会改变其中一些原子核的旋转方向。分析这些旋转发生了什么改变就能够完成复杂的计算任务。

但以上仅是能处理1或2个量子比特的逻辑门的单台量子计算机。实用的关键是在两个逻辑门或处理器之间可靠地传输量子数据，这不管是在一台量子计算机内或是要通过量子网络，都是需要的。即必须实现多粒子的量子“缠结”状态，或叫用量子移物的办法解决。当然这也需要有黎曼这样的空间想象力。如果用类似黎曼的想象力来看三旋，即如果用类似黎曼度规符号建构三旋度规，根据排列组合和不相容原理，三旋可以构成三代共62种自旋状态，即需要在每一点引进62个“数”。而三旋的单动态是10个，它们可以包容在10�10的方阵中。其实，三旋理论通过孤子演示链的模拟，已能提示自然界的DNA双螺旋结构，如何早就在进行相似计算这种最艰难的工作。

这个中的道理是，量子理论虽然把任何事物包括光、物质、能量甚至时间都看成是以大量的量子形式显现的，并且这些量子是粒子和波的多种组合，以多种方式运动，但量子的拓扑几何形状抽象却长期没有统一。一种认为量子是质点，如类粒子模型；一种认为量子是能量环，如类圈体环量子模型。电子计算机属类粒子模型，因为它的微处理器是以大规模和超大规模半导体集成电路芯片为部件，这是以晶体能带p-n结法则决定的电子集群粒子性为基础得以开发的。而量子计算机则属于类圈体环量子模型，因为一台桌式量子计算机的基本元件如核磁共振分光计，它操纵的是量子的自旋，而类圈体环量子模型最具有自旋操作的特色。类圈体的三旋即面旋、体旋、线旋不仅可以用作夸克的色动力学编码，而且也可以用作量子计算逻辑门的建造。因为类圈体环量子的三旋根据排列组合和不相容原理，可构成三代62种自旋状态，并且为量子的波粒二相性能作更直观的说明：在类圈体上任意作一个标记（类似密度波），由于存在三种自旋，那么在类圈体的质心不作任何运动的情况下，观察标记在时空中出现的次数是呈几率波的，更不用说它的质心有平动和转动的情况。这与量子行为同时处于多种状态且能同时处理它的所有不同状态是相通的。而这正是量子计算机开发的理论基础，并且能提高计算速度。

例如打开一把有两位的号码锁，在电子计算机中一位的状态由0或1规定，两位就构成4种不同，即0与0，0与1，1与0，1与1；随着计算过程的进行，数据位很有秩序地在众多的逻辑门间移动，因此可能需要进行4次尝试才能打开。而一台由极少量的氯仿（CHCl3）构成的两位量子计算机中，一个量子位可同时以0和1的状态存在，两个量子位也构成类似的4种不同状态，但量子位不需移动，要执行的程序被汇编成一系列的射频脉冲，通过各种各样的核磁共振操作把逻辑门带到量子位那里，该锁只用一步就被打开。

这一切用三旋理论很好理解：类圈体同时能作三旋，设体旋为0状态，面旋为1状态；线旋类似原子核磁场和外加磁场，它既能作方向定位又能对体旋和面旋方向进行操作，而且是远距离瞬时缠连的同时作用。这如花样游泳运动员在水中除能作各种表演外，还能听令于岸上的指挥。虽然人工制造三旋很难，但三旋却与物质的各个层次都有联系。例如在分子层次可以把DNA双螺旋结构看成多重类圈体，在原子层次可以把原子被看成单个类圈体。在量子计算机中，至少要用到两个原子，其中一个除起逻辑测定外，这个额外的位还能起内部量子误差自动校正纠错的作用。例如利用氯仿中氢核和碳核类圈体似的三旋之间的相互作用，建造一个量子受控非门：用一个振荡频率为400兆赫（即射频）的磁场，可以使被置于10特斯拉的恒定磁场（设箭头沿垂线）内的一个氢原子核圈发生体旋。设氢圈的面旋轴向不是朝上就是朝下，即圈面在垂直于恒定磁场的水平方向；设碳圈的面旋轴向确定地朝上，即圈面也在水平方向，当一个适当的射频脉冲加上之后，可以使碳的圈面绕水平方向轴体旋到垂线方向，然后碳圈将绕着垂线方向轴继续体旋，其体旋速度将取决于氯仿分子中氢圈的面旋轴向是否恰巧朝上。而经百万分之一秒的时间，碳圈的面旋轴向将不是朝上就是朝下，这取决于邻近的氢圈的面旋轴向是朝上或朝下。因为在那一瞬间再发射一个射频脉冲，使碳的圈面再绕水平方向轴体旋90度，这样，如果相邻的氢圈的面旋轴向朝上，此操作就使碳圈的面旋轴向朝下；而如果相邻的氢圈的面旋轴向朝下，它就使碳圈的面旋轴向朝上。可见量子计算是借助于类圈体的三旋转动及“受控非门”的操作，因为作为这种逻辑门三旋基础的面旋轴向可以处于朝上和朝下，以及体旋可以绕水平和垂线轴向转动这两种状态的迭加中，因此，量子计算可以同时对一组似乎互不相容的输入进行操作。

3、量子通信隐形传态与量子纠缠

量子通信系统的基本部件包括量子态发生器、量子通道和量子测量装置。按其所传输的信息是经典还是量子而分为两类。前者主要用于量子密钥的传输，后者则可用于量子隐形传态和量子纠缠的分发。量子力学是非定域的理论，这一点已被违背贝尔不等式的实验结果所证实，因此，量子力学展现出许多反直观的效应。在量子力学中能够以这样的方式制备两个粒子态，在它们之间的关联不能被经典地解释，这样的态称为纠缠态，量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间的非定域非经典的关联。

联系人类发明了电脑之后，把人脑类比于电脑。实际在大脑之外的机体中，某些DNA大分子也能起到量子计算机的作用。道理是：①上述氯仿计算机量子位太少，但有关专家证明功能强大的量子计算机已能建造得出来，因为被连接成一条条长链的有机分子中的原子核圈的三旋也能起到量子位的作用，这可以看作DNA双螺旋结构能被挑选。②长期以来，单圈结成链条后体旋会消失的困扰，已被模拟DNA双螺旋结构的孤子演示链证明，在某些编码耦合双链上并不存在，从而为DNA双螺旋结构量子计算机能建构量子逻辑门消除了疑虑。③著名信息论专家申农采用二串联电路表示布尔代数的乘法和用二并联电路表示其加法，并用4种交换电路与加和乘法运算相对应，从而实现了将信息予以数字化处理和用信码传输，这与DNA是由双螺旋结构以及有4种碱基并且是两组配对而不能交叉编码相对应的，由此也与模拟双螺旋结构的孤子演示链相对应。看来人脑与DNA双螺旋结构的结合是一种更完美的类似电脑与量子计算机的结合。这里人脑除起作类似核磁共振的作用外，也如人脑与电脑的结合，电脑才能工作一样。

利用类圈体三旋模型的多态性和同时性演示，就能教育普及类似量子计算机的量子逻辑。这是孤子演示链对DNA双螺旋结构的孤波成功模拟后揭示开的。同时，这还可能为科学提供21世纪里广泛认识自然、生命、社会现象的数学思维。其原理说明如下：

两列圈链的耦合编码，由于链圈与链圈上下之间的正交，出现左右、前后两种共轭的编码。以圈子与圈子一对一的套接设为1，大于或小于一对一的套接设为0，孤子演示链的编码从上往下的结构是：①领圈00；②左10，右11；③前01，后10；④左01；右10；⑤前10，后01；⑥左10，右01；⑦前01，后10；⑧左01，右10……该共轭编码，只要让第②层的右圈变为领圈，即让原领圈自由落下，就会发生孤波滚动；反之恢复原先的领圈地位，即让后者自由落下，也要发生孤波。

这种滚动不是领圈真正落下，而是圈套之间传递着一种信息、能量和相位，构成类似螺旋状的搅龙轨迹。因此具有类似贝克隆变换的表达式，这是一种类似SG（正弦--戈登）方程的非线性偏微分方程的描述。这种SG方程有正负扭状孤立子解，分别叫正扭和反扭。孤子演示链与DNA双螺旋结构相对应，它的左右、前后双共轭编码，对应DNA中腺嘌呤A、鸟嘌呤G、胞嘧啶C和胸腺嘧啶T等四种碱基的T与A、C与G必定配对的编码。

孤子演示链不仅揭示了DNA双螺旋结构中存在的孤波现象，而且还揭示了自然界和人类社会中普遍存在的共轭编码场现象。例如数学中的正负、加减、连续与间断；物理学中的正反、冷热、波与粒；化学中的酸碱、氧化与还原；生物学中的雌雄、生死、进化与退化……等等大量的事物与概念，显露出共轭无处不在。只是人们还没有把共轭与双共轭和多共轭联系起来，没有把双共轭和多共轭与编码联系起来，没有把共轭编码及其强弱与孤波以及四种相互作用和贝克隆变换、SG方程等深层次现象及现代数学联系起来。

4、多粒子三旋环量子共轭

氯仿计算机还可以联系类似多粒子三旋的共轭多烯电环合反应，三旋节点定则是对它的规律性进行的开拓；推导中反复出现三旋所含的特殊性，主要的有：

第一是它的多对称中心性。①三旋本身就是依据运动的对称性定义的，例如基于对称的认识，给自旋、自转、转动的语义学定义是：自旋指在转轴或转点两边能同时找到对称动点的旋转；自转指有转轴或转点，但即使有对称的动点也不能形成重叠的轨迹的旋转；转动指可以没有转轴或转点，又不能同时存在对称动点的封闭曲线运动。据此，类圈体的环面比类粒子的球面旋转，在直观区别上能多出三种自旋分类。②更为精彩的是体旋多点不相容性，能对每个电子轨道圈最多只可以容纳两个自转相反电子的泡利不相容原理，给出一种新的证明：如果该轨道圆圈作三旋，虽然面旋和线旋都能容纳多个电子，但作体旋，如决定一根圆圈面内的轴为转轴，排列在圆圈轨道上的所有电子作体旋而垂直转轴的直径，会出现从小到大对称的排列，中间最大的直径只有一条，只能容纳一对电子。如果保持该轨道上所有电子的体旋能量的一致性，其余的电子必然要发生分离。碳链圈有无节点映射，道理也出于此。③同时也说明多粒子三旋，要保持跟圆心最大的对称原则。

第二是它的手征等效性。事物的运动，观察者处在其中和处在之外的判断是不相同的。光速的等效性使各种观察坐标之间的换算获得等效，但光速本身是在宇宙的三旋之中，并没有囊括三旋。以蛀洞的三旋为例，这种观察会因手征规则不同而有极向守恒和极向对称两种规律。人和万物同处在宇宙中，都不能脱离宇宙，要使客观和主观的认识达到真正的等效，必须有手征规则的等效，三旋等效性正是这种手征等效的最佳选择。

第三是它的多层次动态定位性。①共轭多烯电环合反应，从一根直链变到一条圈链，直链两端以及中间的碳原子决不是很顺从地规则卷曲合拢的。它们之间的布朗运动和自身的面旋转动、体旋翻动相比，后者更容易简化定位。②以上的各类运动，以及键长、键角在平衡位置的变化，把它们推到极端而又要照顾到相互间的协调，能反映微观分子运动的这种极端而又协调结果的莫过于趋圆性。多粒子三旋对应的正多边形映射，取的正是这一瞬间的情况。③把多烯分子追溯到强子、轻子、夸克、前夸克等层次的圈态群落态，会出现多圈链的扭结状。1987年日本数学家福原提出：假定一个纽结是由一条一定长度的柔软的线首尾相接而形成的，这条线上带有分布均匀的同种静电荷；根据同性相斥的原理，纽结的任何一部分都会尽量远离其相邻部分，从而使得纽结的总静电势能达到最小。这个最小能量就是纽结的一个不变量。1991年，日本数学家证明了：纽结越复杂，其最小能量就越大，而且对于任一给定的数值，能量不大于此数值的本质上不同的纽结只有有限多个，1993年美国数学家史蒂夫·布赖森等又证明：最简单的纽结，也就是说能量最小的纽结，确是人们所预期的普通圆圈。这从另一方面说明节点正多边形反映的是趋向理想瞬间的分子轨道能级圆周。

四、神奇量子信息的黑洞

量子共轭不但在量子通信隐形传态与量子纠缠中是个有趣的问题，而且在高能粒子物理和宇宙学中也是很关键性的问题，把量子信息学和粒子物理及宇宙学联系起来，互为借鉴，互为求证，是很有帮助的。特别是环量子三旋理论提出的正、负、虚、实、零五元数共轭的环量子概念，即虚数存在于点内空间，到“信息”的“双重解”结构，信息是相对物质而言，类似复数偏重虚数的一种现象；而物质是相对信息而言，类似复数偏重实数的一种现象。这项研究，是冲着21世纪我国的纯科学已迈向量子信息学和粒子物理及宇宙学的统一大门而来的。推开这扇大门的牵线搭桥人中，就有霍金。例如众所周知的霍金蒸發，很像電場中正、負電子對的產生，这提供了一对经典的迈向量子信息学和粒子物理及宇宙学统一的神奇的量子信共轭现象。

这还涉及在真空中，不停地有虛粒子對產生和湮滅，由於能量守恆，這些虛粒子對永遠不會成為實粒子。如果加上電場，虛粒子對会帶有電荷，正電荷就會沿着電場方向邉樱撾姾删蜁刈烹妶鱿喾吹姆较蜻動，虛粒子對逐漸被拉開成為實粒子對。電場越強，電子對的產生機率就越大。还有，引力場對虛粒子對的產生，也有同樣的作用。即这种虛粒子對属实虚粒与负虚粒子对，如果其中一個粒子帶有正能量，另一個粒子会帶負能量。在黑洞周圍，我們可能得出一個怪異的結論：由於正能被吸引，所以帶有正能的粒子掉入黑洞，而帶有負能的粒子逃離黑洞，黑洞的質量變大了。事實是，在視界附近由於引力的作用正能粒子變成負能粒子，從而可能逃離黑洞，而負能粒子變成正能粒子，從而掉進黑洞。對於遠離黑洞的人來說，黑洞的質量變小了；對於視界內的觀察者來說，掉進黑洞的粒子具有正能量也就是實粒子。黑洞物理就是這麼離奇和不可思義。

众所周知，球面和环面的不同伦反映在黑洞物理学上，有史瓦西黑洞在奇性区域是一个点，这可看成是球面的收缩；而克尔黑洞在奇性区域呈环性，这可看成是与环面相联系。霍金蒸發是黑體譜，其溫度與史瓦西半徑成反比，黑洞越大溫度就越小，所以輻射出的粒子的波長大多與史瓦西半徑接近。这与1973年貝肯斯坦證明黑洞熵的工作有联系。貝肯斯坦是如何得到黑洞熵公式的呢？首先，那時有大量的證據證明在任何物理過程中，如黑洞吸收物質，黑洞和黑洞碰撞，黑洞視界的面積都不會減小。這個定律很像熱力學第二定律，該定律斷言一個封閉系統的熵在任何過程中都不會減少。貝肯斯坦於是把黑洞視界的面積類比於熵，並說明為什麼熵應正比於面積，而不是黑洞視界的半徑或半徑的三次方等等。為了決定熵與面積的正比係數，他用了非常簡單的物理直觀。設想我們將黑洞的熵增加一 (這裏熵的單位沒有量綱，與傳統單位相差一個波爾茲曼常數)，這可以通過增加黑洞的質量來達到目的。如果熵與面積成正比，則熵與質量的平方成正比，因為史瓦西半徑與質量成正比。這樣，如要將熵增加一，則質量的增加與黑洞的原有質量成反比，也就是與史瓦西半徑成反比。現在，如何增加黑洞的熵呢？在增加黑洞熵的情形下儘量少地增加黑洞的質量。光子是最“輕”的粒子，同時由於自旋的存在具有量級為一的熵。這樣，可以用向黑洞投入光子的方法來增加黑洞的熵。儘量用帶有小能量的光子，但這個能量不可能為零，因為光子如能為黑洞所吸收，它的波長不能大於史瓦西半徑。所以，當黑洞吸收光子後，它的質量的增加反比于史瓦西半徑，這正滿足將黑洞熵增加一的要求。對比兩個公式的係數不難得出結論：黑洞熵與視界面積成正比，正比係數是普朗克長度平方的倒數。

但貝肯斯坦的方法不能用來決定黑洞熵公式中的無量綱係數，因此霍金表示懷疑，在此之前他做过大量在經典廣義相對論框架中的關於黑洞的工作，他的懷疑導致他研究黑洞的熱力學性質，從而最終導致他發現霍金蒸發並證明了貝肯斯坦的結果，從而證明黑洞是有溫度的。即應用熱力學第一定律，就可以導出貝肯斯坦的熵公式，並可以定出公式中的無量綱係數。由於霍金的貢獻，人們把黑洞的熵又叫成貝肯斯坦-霍金熵。關於熵，在熱力學第一定律的表述中，有一項是能量與溫度之比，也就是商；黑洞的熵恰恰也是兩個量的商，即視界面積和普朗克長度的平方。霍金發現黑洞輻射時，當輻射出的粒子變成實粒子後，它們要克服引力作用到達無限遠處，所以黑體譜被引力場變形成為灰體譜。

众所周知，黑洞是愛因斯坦重力廣義相對論的解，其數學存在毋庸置疑，天文物理數十年來的發展也提供了黑洞物理存在的证明。但重力的量子問題在黑洞物理中也是有趣的，即它與通常的場論不一樣。愛因斯坦的重力理論是一個高度非線性理論，與量子力學結合後，產生如當計算重力的量子漲落時，出现的許多計算結果是無限大的，這些無限大不同於場論中的無限大，不能通過重新定義物理量如質量、牛頓常數來吸收等難處理的問題。由于目前还不全理解黑洞熵的起源，雖然可以用霍金蒸發和熱力學第一定律推導出黑洞熵，但黑洞的量子性質無疑仍是廣義相對論與量子論結合後，給量子引力提出的最大的挑戰。

雖然弦論的發展對理解一些黑洞熵能起作用，但我們還沒有能夠理解史瓦西黑洞的熵。包括霍金等許多人認為，是否象黑體譜一樣，黑洞蒸發後遺留下來的是一個量子純態還是一個混合態，結果应该是一個混合態，所以量子力學在黑洞的存在下需要修改，因為在量子力學中一個純態的演變永遠是一個純態。但獲得諾貝爾獎的特霍夫特和沙氏金等許多研究粒子物理的人却不喜歡這种想法，因為在粒子物理中，不論一個系統如何複雜，量子力學總是正確的。当然如果黑洞物理不破壞量子力學，就要引進一些非常奇特的物念。例如沙氏金在1994年就引入了量子重力的全息原理，而特霍夫特在前一年也引入了這個原理。全息原理聲稱，如果要描述三維空間中的量子重力，我們不需要整個三維空間，兩維空間就足夠了。

特霍夫特從上世纪八十年代初期就一直研究黑洞物理，全息原理的來源也就是黑洞物理。例如自由度是一個基本理論的重要性質。在場論中，給定一個空間體積，原則上沒有對自由度的任何限制。場論中的紫外發散的來源就是因為任意高能或者任意小的空間都有自由度。當重力介入，自然的想法是普朗克長度帶來距離上的限制，理論有一個紫外截斷。紫外截斷的引入使得一定空間體積中的自由度成為有限，自由度的個數與體積成正比，这類似將連續的空間變成“格子”，这又可联系到量子计算中的“格点”规范和环量子的多种内禀自旋存在的问题。

而普通熱力學也支持這種看法，因為一般地說能量是一個空間上的延展量，也就是說能量與體積成正比。給定一個體積和一個紫外截斷，最大的能量的載體是一個達到普朗克能標的量子。將最小能量的量子到最大能量的量子加起來，熵也與體積成正比，從而也是一個空間上的延展量。貝肯斯坦也曾考慮过一個問題：給定一個系統的尺度（假定三個空間方向上的尺度一樣大）以及一個能量，該系統最大可能的熵是多少？如果沒有引力介入，或者引力的作用是微弱的，他的結論是，熵的上限是體統的尺度乘以體統的能量。這看起來似乎與前面說的熵是空間上的延展量矛盾，因為假如能量與體積成正比，貝肯斯坦熵的上限就與尺度的四次方成正比。其實這裏沒有矛盾，因為還沒有計及引力的作用。當引力存在時，貝肯斯坦上限依然有效，但能量不再是空間上的延展量。這就是黑洞的作用。能量足夠大，引力使得整個系統成為不穩定系統，系統塌縮形成黑洞。黑洞的能量，也就是質量，與視界半徑成正比。有人發現，將這個結果帶入貝肯斯坦公式，熵的上限與系統尺度的平方成正比，也就是和黑洞的視界面積成正比，這就是貝肯斯坦－霍金熵公式。

即黑洞的存在，也揭示量子引力的一個反直覺的性質：微觀與宏觀不是獨立的，體系的基本自由度與宏觀體積有關。這是一个很奇怪的結論，黑洞的作用使得我們通常的微觀直覺失效，從而熵不再是空間延展量；由於黑洞本身是宏觀的，所以這個結論與空間的最小截斷無關。由於貝肯斯坦－霍金熵公式中出現普朗克長度，直觀上黑洞視界似乎是一個網，每個網格的大小是普朗克長度。如果相信量子力學在黑洞物理中依然有效，那麼黑洞內部的所有可能為外部觀察者看到的自由度（通過霍金蒸發等過程）完全反應在視界上。特霍夫特在1993年猜測，這是一個全息效應，不但黑洞本身，任何一個系統在量子力學中都可以由其邊界上的理論完全描述，1994年沙氏金將這個猜測提升為一個原理，任何含有引力的量子系統都滿足全息原理。

特霍夫特曾致力於構造類似元胞自動機模型試圖實現全息原理，但很長的一段時間很少有人將這個原理當真。直到1997年底馬德西納的猜想“反德西特/共形場論對偶”的著名文章发表，成為目前弦論中引用率最高的文章。因為他的猜想說，一定的反德西特空間上的弦論或M理論类量子引力，對偶於比反德西特空間維度更低的共形場論。比如说，五維反德西特空間上的弦論對偶於四維N等於四超對稱規範理論。而反德西特空間是一個有着負常曲率的空間，上面的對稱群和低於這個空間一個維度的閔氏時空的共形對稱群完全一樣，後者是閔氏空間中的可能有的最大對稱群。由於對稱性的關係，反德西特空間上的量子重力才可能等價於低一維的平坦時空中的量子場論。無疑，如果這個猜測是正確的，這個對偶性是全息原理的直接實現。

馬德西納猜想基於1998年前弦論中的許多重要發展，如D膜，用D膜構造的黑洞以及矩陣理論。斯特勞明格和瓦法在1996年就用D膜構造了一個特殊的五維黑洞。他們發現，D膜上的開弦激發態完全可以用來計算黑洞的熵。不但如此，如果給這個黑洞一點溫度，D膜上開弦湮滅成閉弦的過程可以看作是霍金蒸發。這些進展应该說是能理解史瓦西黑洞在奇性区域是一个点和克尔黑洞在奇性区域呈环性一类最簡單的黑洞的，即联系类似“格点规范”、“量子网络”，“固体模型”图形有球面与环面之分的描述，对应环量子多种内禀自旋纠缠存在的多共轭量子态，有可能帶來量子重力和量子黑洞的正、负、虚、实、零五元纠缠纯化的空间多共轭态信息研究的突破。

参考文献

[1] 郭光灿，高山 ，爱因斯坦的幽灵，北京理工大学出版社，2009年9月；

[2] 叶眺新，隐秩序和全息论，自然信息，1985年第3期；

[3] [英]罗杰·彭罗斯，通往实在之路，湖南科学技术出版社，王文浩译，2008年6月；

[4] 刘月生、王德奎等，“信息范型与观控相对界”研究专集，河池学院学报2008年增刊第一期，2008年5月；

[5] 王德奎，三旋理论初探， 四川科学技术出版社， 2002年5月；

[6] 孔少峰、王德奎，求衡论---庞加莱猜想应用， 四川科学技术出版社， 2007年9月；

[7] 王德奎，解读《时间简史》，天津古籍出版社 ，2003年9月；

[8] 叶眺新，中国气功思维学，延边大学出版社，1900年5月；

[9] [美]保罗·哈尔彭，伟大的超越，湖南科学技术出版社，刘政译，2008年4月；

[10] ]薛晓舟，量子真空物理导引，科学出版社，2005年8月；

[11] [美]斯蒂芬·韦伯，看不见的世界，湖南科学技术出版社，胡俊伟译，2007年12月。