自牛顿力学创立以来，人们一直试图构建一个能够描述宇宙万物的理论，即万物理论。然而，随着人类探索范围的不断扩大，物质和作用力的种类不但没有减少，反而越来越多。当人类的视野进入宇观和微观之后，传统的知识和思维方式受到巨大的挑战，显然我们已经陷入了重重的弥障之中。本章主要讨论系统相对论的统一思想和理论框架。
第一节物理学的统一思想。
1.1经典物理学的统一思想
1.1.1惯性原理
16世纪，我们有两个截然不同的统一思想。一个是古老的亚里士多德和托勒密的理论，根据这个理论，行星与太阳和月亮统一为天球的不同部分。另一个是哥白尼提出的新观点，将行星与地球统一到太阳的周围。这两种思想都对科学产生了重大影响，但最多只能有一个是正确的。
对这两种思想最后作出正确选择的依据在于，科学中一个伟大的统一：运动与静止的统一。这是伽利略提出的，后来成为牛顿的第一运动定律，又称惯性原理：处于静止或匀速运动的物体，在不受外力干扰时，将保持静止或匀速运动状态。
伽利略和牛顿赢得了一场漂亮而微妙的理性的胜利。对其他人来说，运动与静止显然是截然不同的两个对象，很容易区分开来。但惯性原理将二者统一起来了，为了解释它们为什么看起来那么不同，伽利略提出了相对性原理。这个原理告诉我们，运动与静止的区别只有相对于观察者才有意义。
1.1.2电磁理论
在经典物理学上还有一个出类拔萃的统一思想，那就是麦克斯韦在1860年实现的电与磁的统一。麦克斯韦运用了强有力的场的概念——英国物理学家法拉第在19世纪40年代为解释力在虚空传播而提出的。概念的关键在于，场是一个物理量，像数一样，存在于空间的每个点。在空间运动时，场的数值连续改变。场在一点的值也随时间而变化。这个理论确立了场在时空中变化的规律。这些定律告诉我们，场某点的值受它在附近其他点的值的影响。因此，场可以将力从一个物体带到另一个物体。我们不再需要超距作用。
法拉第先后研究了电场和磁场，他写出了几个简单法则，描述了电磁场如何受邻近电荷和磁极以及邻近场的矢量的影响。他和别人检验了这些法则，发现它们的预言和实验是一致的。那时还发现了电磁混合现象（如做圆周运动的电荷会产生磁场），麦克斯韦意识到这些发现意味着电与磁的统一。为了实现统一，他需要改变方程。为了改变方程，他只需要增加一项——允许电磁场相互转化，于是他的统一就成为有实际作用的统一。
麦克斯韦方程组允许电磁场相互转化。在这种转化中，电场与磁场交互产生，从而形成一种在空间移动的波。前后舞动一个电荷，也能产生那样的波动模式。生成的波可以将能量从一个地方带到另一个地方。最令人惊奇的是，根据该理论计算出波的速度和光速是一样的，于是得出一个惊人的结论：在空中穿行的电磁波就是光。麦克斯韦意识到，应存在所有频率的电磁波，而不仅限于可见光，于是就发现了无线电波、紫外线、红外线等等。
1.2时空几何的统一思想
麦克斯韦的电磁统一理论虽然成功了，却面临一个难以逾越的障碍。19世纪中叶，多数物理学家相信物理学已经统一了，因为所有事物都是物质组成的。对这些“机械论者”来说，在空间波动的场的概念很难理解。另外，麦克斯韦理论似乎与牛顿物理学的相对性原理相矛盾，即研究电磁场的观察者可以通过各种实验（包括测量光速）来判断他是否在运动。
还有一个矛盾存在于两个统一之间，而那两个统一都是牛顿物理学的核心：服从牛顿定律的物质的统一与运动和静止的统一。对于大多数物理学家来说，答案是显然的：物质宇宙的观念当然更重要。但也有少数人认为，相对性原理才是更重要的问题。在这少数人中间，其中一个人就是正在苏黎世读书的爱因斯坦。他为这个问题沉思了10年，最后在1905年，他意识到问题的解决需要彻底改变我们对空间和时间的认识。
1.2.1狭义相对论
爱因斯坦认识到，电效应和磁效应的区别依赖于观察者的运动。所以，麦克斯韦的统一比他本人原来想象的更加深刻。电场与磁场不仅是同一现象的不同方面，不同的观察者也能做出不同的判断。就是说，一个观察者可以用电来解释某个特殊现象，而另一个相对于他运动的观察者可以用磁来解释那个现象，但两个观察者对发生的事件有一致的看法。就这样，爱因斯坦的狭义相对论诞生了，它结合了伽利略的静止和运动的统一与麦克斯韦的电与磁的统一。
狭义相对论产生了很多结果。一个结果是光必然具有普适的速度，与观察者的运动无关；另一个结果是，空间与时间必然是统一的。
1.2.2诺德斯特罗姆理论
随着电磁场的发现，当时已经存在引力场和电磁场两个性质不同的场。对统一的渴望激励着物理学家们问：引力场和电磁场是不是同一现象的两个方面？因为爱因斯坦只是把电磁场纳入了他的狭义相对论，所以最合乎逻辑的路线是修正牛顿的引力理论，使它与狭义相对论协调。
1914年，芬兰物理学家诺德斯特罗姆发现，为了统一引力场与电磁场，只需要增加一个空间维度就行了。他写出描述有4个空间维（加1个时间维）的世界的电磁场方程，引力也就自然跳出来了。正是靠这额外的1个空间维，我们就得到与狭义相对论相容的引力与电磁力的统一。
但假如真是如上所述，那我们为什么只能看到三维的空间？为了避免这个问题，可以让那个新维度是一个很小的圆圈。维度缩小的唯一效应就是一种具有引力的一切性质的新力。大家也许认为，爱因斯坦会张开怀抱接受这个理论，但那时（1914）他已经走上了一条不同的道路。
1.2.3加速度与引力的统一
1907年初，爱因斯坦开始分析加速运动与非加速运动的区别。在这一点上，爱因斯坦发挥了他非凡的洞察力，他意识到加速度效应和引力效应是无法分辨的。爱因斯坦后来回忆，他认识到从楼顶落下的人在下落过程中不会感觉到引力的作用。他说这是他“一生最幸运的思想”，并使其成为原理，即他所谓的等效原理。原理说，加速度效应不可能与引力效应区别。
爱因斯坦成功统一了所有类型的运动。匀速运动与静止没有区别，加速度与静止也没有区别，不过引力场出现了。加速度与引力场的统一给出许多预言，如时钟在引力场中变慢、光线在经过引力场时会发生弯曲等等。
1.2.4广义相对论
即使爱因斯坦可以根据等效原理导出几个预言，该原理还算不上一个完整的理论。建立一个完整的理论，是他一生最大的挑战，耗费了他近十年的时间。
在爱因斯坦的光线弯曲观点出现之前，世界存在两类不同的东西：空间里的万物和空间本身。我们不习惯把空间看作具有自身特点的实体，但它确实是那样的。空间是具有三个维度的几何，即所谓的欧几里得几何——2000多年前的欧几里得建立了它的公设和定理。欧几里得几何就是研究空间自身性质，它的定理告诉我们空间的三角形、圆和直线是怎样的。
麦克斯韦电磁理论的一个结果是，光沿直线运动。因此我们可以用光线来探究空间的几何。但如果我们接受了这个思想，立刻会看到爱因斯坦的理论具有着重大意义。因为光线被引力场弯曲，而引力场源于物质的存在，于是我们能够得到的唯一结论是，物质的存在影响空间的几何。由于物质在不停的运动，爱因斯坦的时空几何也在不停地变化。
正如空间几何能区分直线和曲线，时空几何能区分匀速运动和加速运动。爱因斯坦的等效原理告诉我们，在小距离范围内，引力效应不可能与加速效应区分。而时空几何能告诉我们哪些轨道是加速的，哪些是没有加速的，因而它描述了引力效应。于是，时空几何是引力场。
这样一来，等效原理的两重统一成了三重统一：考虑引力效应后，所有运动都是等价的；引力与加速度不可区分；引力场与时空几何统一。当其中的细节清楚后，它们就成为爱因斯坦在1915年最终形成的广义相对论。
于是，物理学在1916年面临着两个截然不同的未来，其基础都是统一引力和其他物理学。一个是牛顿的引力与电磁力的优美统一，它只是简单地添加一个隐藏的空间维（见1.2.2节）；另一个就是爱因斯坦的广义相对论。两个似乎都是和谐的，而且都有意外的成果。它们不可能都是正确的，我们必须进行选择。
随着广义相对论预言的不断被证实，最终选择了广义相对论。后来，有些物理学家甚至认为，广义相对论的成功证明了纯思想足以指引前进的方向。但事实恰恰相反，如果没有实验，多数物理学家可能会选择诺德斯特罗姆的统一，因为它很简单，而且带来了强有力的新思想，通过额外空间维实现统一。
1.2.5卡鲁扎和克莱因的理论
爱因斯坦对引力场和时空几何的统一，标志着我们对自然思维方式的深刻转变。但广义相对论只是一个开始，甚至在爱因斯坦发表最后形式的理论之前，他和别人就已经在建立新的统一理论了。它们有一个共同的简单想法：如果引力可以理解为空间几何的外在表现，那电磁力为什么不能也如此呢？
但直到1918年才真正出现这种特殊统一的一个好想法。数学家外尔创立的充满数学思想的理论，后来成为粒子物理学的标准模型的核心。可是它失败了，因为他理论的一些重要结论与实验相冲突，如一个物体的长度依赖于它运动的路径。不过，外尔第一次统一的尝试纵然是失败了，但他创立了统一的现代概念，最终导致了弦理论。
外尔理论提出一年后，德国物理学家卡鲁扎发现，如果复活诺德斯特罗姆的隐藏维的思想，可以用不同的方法来统一引力和电磁力。卡鲁扎采用了与诺德斯特罗姆相反的路线：他将广义相对论用于5维世界，然后建立电磁力。广义相对论以一组方程描述了时空的几何，只要加一个简单的条件，就可以看到它们能正确描述电磁力和引力，将它们统一起来。如此看来，电磁场不过就是五维几何空间的另一个名字。
瑞典物理学家克莱因在20世纪20年代重新发现并进一步发展了卡鲁扎的思想，他们的理论只需要给空间增加一个维度，引力和电磁力就一下子统一了，而麦克斯韦方程便可以解释为爱因斯坦方程的一个结果。爱因斯坦对此也大为赞赏。遗憾的是，爱因斯坦和他们都错了。
原因在于，这个理论要求多出的那个空间维卷曲成看不见的小圆圈，而且为了从理论导出电磁力，圆圈的半径必须是固定的，在空间和时间上都不发生改变。这破坏了广义相对论的实质，即时空几何是动力学的。实际上，只要允许小圆圈的半径自由变化，卡鲁扎和克莱因的理论将有无穷多个解，并将导致引力效应与电效应相互转化的过程，以及电荷随时间而变化的过程。如果看到了这些过程，那就直接证明了几何、引力、电和磁都是同一现象的不同方面。遗憾的是，我们还没有观察到这些效应。
情况更糟的是，这样的解是不稳定的。如果稍微触动几何，小圆圈将立刻坍缩为标志时间终结的奇点。如果换一种方式触动几何，则小圆圈可能长大，额外的维立刻变得可见，理论也就彻底破产了。
1.2.6爱因斯坦的统一场论
20世纪30年代，人们认识到世界上除了引力和电磁力，还存在强核力和弱核力，但没人知道如何将它们纳入那些统一理论中。那时，爱因斯坦还在继续追寻他的统一场论。当时的一些大数学家和物理学家，包括泡利、薛定谔和外尔，也都投身其间。它们发现了其他修正时空几何的方法，从而可以统一引力和电磁力。这些发现依赖于深刻的数学洞察，但仍然没有结果。它们要么没有新的预言，要么预言的现象从来不曾出现过。
在量子力学1926年完全建立之前，几个量子理论的支持者就已猜想过额外维与量子理论的关系。但是到1930年左右，多数物理学家不关心统一问题，而专注于量子理论。同时少数坚持统一理论的物理学家则越来越忽略了量子理论。
尽管爱因斯坦用实在的光子点燃了量子革命的烈焰，却拒绝了它的结果。爱因斯坦希望发现一个他能接受的量子现象的更深层次理论，他希望他的统一场论能够把他引向那个地方。可是没有，爱因斯坦的梦破灭了，统一场论也随他一起消失了。
1.3量子场论的统一思想
用新的空间维来统一四种基本力的思想失败之后，多数理论物理学家不再相信能将引力与其他力联系起来。他们的注意力被不断发现的基本粒子吸引了，他们要从数据里寻找新原理，希望它至少能统一不同类型的粒子。
忽略引力意味着人们又退回到爱因斯坦广义相对论之前的时空认识，即可以在狭义相对论描述的空间和时间下思考。根据狭义相对论，空间和时间是完全混合的，这个理论容不下引力，但它是麦克斯韦理论的正确框架。当量子力学完全建立起来时，量子理论家便将注意力转向电磁力与粒子理论的统一。因为基本的电磁现象是场，所以最后形成的统一理论叫量子场论。
因为狭义相对论是电磁场的正确框架，所以这些理论也可以看作是量子理论与狭义相对论的统一。这个问题比将量子理论用于粒子要艰巨得多，因为场在空间每一点都有一个值，如果假定空间是连续的，那么就有无限多个连续变量。量子理论家已经知道，每个电磁波有一个量子粒子，即光子。他们只用了几年的时间就弄清了细节，建立了自由运动光子的理论。随后开始纳入带点粒子（如电子和质子），并描述它们与光子的相互作用，这就是量子电动力学（QED）。
随后，人们要做的事情就是把量子场论推广到强弱核力。这是接下来的25年的事情，其关键是发现了两个新原理：第一个原理确定电磁力与核力有什么共同的地方，叫规范原理，它导致了引力外的三种基本力的统一；第二个原理解释为什么三种统一的力会显得那么不同，它叫自发对称破缺。这两个原理共同形成了粒子物理学标准模型的基石。
规范原理最好是通过物理学家的对称性来理解，对称性可以确定一个力的所有性质，规范对称的力是通过所谓规范玻色子传递的。规范原理是外尔1918年提出的，原是为了统一引力和电磁力，可惜失败了。当时外尔认识到麦克斯韦理论的结构完全可以用规范力来解释。到了50年代，人们开始认识到其他场论也应该能用规范原理来构造，这个理论现在称作杨-米尔斯理论。
起初，人们认为，规范理论用于描述具有无限大作用范围的电磁力，对于只在短距离上发挥作用的两种核力，似乎不可能用规范理论来描述。到60年代初，玻尔研究所的博士后格拉肖提出，弱作用能用规范理论来描述。他只是假定存在某种未知的机制限制了弱力的作用范围。于是，有物理学家猜测：物理学定律也许具有某种对称性，而定律适用的世界却没有表现与之相关的特征。就是说，将不同力间的差别归结为初始的对称性随时间的流逝而自发破缺了。
自发对称破缺的机制可以发生在自然的粒子之间的对称性上。当破缺发生在规范原理下产生自然力的那些对称性时，会使那些力表现不同的性质。力就这样区分开了，它们可以有不同的作用范围和强度。
结合自发对称破缺与规范理论的思想是恩格雷特和布劳特1962年在布鲁塞尔提出的，几个月后爱丁堡大学的希格斯又独立发现了它。他们三位还证明，存在一种粒子，是自发对称破缺的产物，后称作希格斯玻色子。
1967年，温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆独立发现，可以结合规范理论和自发对称破缺来构造一个具体的统一电磁力和弱力的理论，这就是弱电力的温伯格-萨拉姆模型。它很快就预言了传递弱力的三种粒子并成功得到验证。在电磁力和弱力的统一的所有预言中，只有希格斯玻色子还没有得到证实，人们期望在未来的加速器实验中能够发现该粒子。
70年代初，规范原理被用到了夸克间的强核力，也发现了与那种力相应的规范场，这个理论叫量子色动力学（QCD）。QCD也经历了严格的实验验证，它与温伯格-萨拉姆模型一起构成基本粒子物理学的基础。三种自然力都是一个统一原理即规范原理的不同表现，这个发现是迄今为止的理论粒子物理学的最深刻的成就。它完成于1973年，30年来经过了众多实验的检验。
可接下来的事情就不妙了。三个力统一了，然而为了统一所有的粒子，我们需要一个能囊括它们的更大的对称性。大统一的思想不仅要把力统一起来，还要寻找一种对称性将夸克（强力决定的粒子）转化为轻子（弱电力决定的粒子），从而统一两种粒子，最后只留下一种粒子和一个规范场。
最简单的大统一候选者是SU(5)对称性，名称的意思是三种颜色的夸克和两种轻子（电子和中微子）通过对称性重新组合。SU(5)不但统一了夸克和轻子，而且精确解释了标准模型的一切，甚至还提出了新的预言。其中一个新的预言是，必然存在从夸克转化为电子和中微子的过程。于是质子不再是稳定的粒子，它们会发生某种放射性衰变。25年过去了，没有质子衰变，我们等了很长时间才明白SU(5)大统一理论是错误的。
1.4超对称理论的统一思想
第一代大统一理论的失败给科学带来了至今犹存的危机。当一个伟大的思想失败时，总有两种不同的应对方式。我们可以降低标准，先回到从前的知识积累，而不着急用新的理论和实验工具去探索知识的边缘。另一种应对方式是找一个更大的思想，这是我们不得不走的路。这些年提出和研究过的大思想中，有一个赢得了最多的关注，那就是所谓的超对称。但迄今为止，这些新思想还没有得到实验的支持。
我们已经看到，这些统一发现了隐藏在原来我们认为不同的各方面之间的联系。空间和时间最初是两个截然不同的概念，狭义相对论统一了它们；几何和引力过去也是毫不相干的，广义相对论统一了它们。不过仍然有两大类事物，构成我们生存的世界：构成物质的粒子和相互作用的力（或场）。规范理论统一了三种力，但我们还剩下两样不同的东西：粒子和力。从前有两个努力以统一它们为目标：以太理论和统一场论，但它们都失败了。超对称是第三个。
超对称提供了一种统一费米子和玻色子的方法，它假定每个已知粒子都有一个我们尚未看见的超对称伙伴。大致来说，超对称是一个过程，通过它可以在某些实验中以玻色子代替费米子，而不会改变可能结果的几率。这需要很高的技巧，因为费米子和玻色子有着非常不同的性质。能以费米子代替玻色子而得到稳定的世界，乍看起来是很疯狂的想法。但不管怎样，四个俄罗斯人——利希特曼和戈尔方德在1971年、阿库洛夫和沃尔科夫在1972年——发现他们可以写出一个具有那种超对称性的和谐的理论，那就是我们现在说的超对称性。后来，超对称性曾被多次提出。
所有超对称理论都假定了一组新的粒子，使每个粒子与某个已知或未知的粒子为对称伙伴，从而创立了一个全新的未知世界；而所有已知粒子中找不到哪怕一对的粒子与超粒子，该理论给出的解释是假设超对称是自发破缺的。另一方面，原来的标准模型大约有20个需要人工调节的自由常数（通过调节它们才能与实验一致）；最小超对称标准模型（MSSM）新增了105个自由常数，为了保证理论与实验一致，理论家可以自由调节它们，而且存在多种不同的调整方案。还有，它不能解释标准模型的常数，因为MSSM有更多的常数，而且也不能给出可检验的预言。
更大的缺陷还在于，一般更大的统一应具更简单的形式，而超对称理论有了更多的对称性，却没有变得更简单。相反它们比对称性少的理论要复杂的多，自由常数的个数不但没有减少，反倒大大地增加了。
总之，超对称没有我们希望的那些行为，这意味着它的支持者们可能远离了经验科学的大树，而摇摇欲坠地坐在一个小枝丫上。也许正如爱因斯坦说的，哪儿的木头薄就在那儿打钻，不过那要付出代价的。
1.5量子引力理论的统一思想
爱因斯坦思想的核心是，空间几何不是固定不变的，它动态地演化着。这意味着自然定律的表达形式不能再假定空间有任何固定的几何，斯莫林将其概括为一个原理，即背景独立性。这个原理说，我们可以完全确定自然定律，而不需要对空间几何做任何先验的假定。
背景独立的另一方面是说不存在地位特殊的时间，广义相对论最根本的就是以事件和事件之间的因果关系来描述世界的历史。从这个观点看，空间是派生的概念，它完全依赖于时间。还有，从背景独立性甚至可以构建出空间维数随时间而改变的理论，这样就能解释为什么我们的宇宙是三维的。总之，背景独立的思想在最广泛的意义上是关于如何做物理的一种智慧：构造更好的理论，在这个理论中，现在假定的东西将在某个新定律下演化，从而得到解释。
因此，引力的量子理论的关键问题是能否将背景独立性推广到量子理论。于是，有两种方法融合引力和量子论：实现或者不实现背景独立性。量子引力领域从1930年起就分化为这两条路线，尽管今天研究的多数方法都是背景独立的。一个例外是当今多数物理学家走的路线——弦理论。
在1929年后，海森堡和泡利试图将雏形的QED推广到量子引力，由于没有找到描述引力子的自相互作用的方法而以失败告终，其原因是没有认真考虑爱因斯坦的背景独立性原理。后来，随着QED的成功，激发了一些人重新担负起统一引力和量子论的挑战，于是立刻形成两个对立的阵营。重视广义相对论的阵营，确实尝试过构造一个背景独立的量子引力理论，后来发现那是一项艰巨的任务，直到20世纪80年代中，这些努力才有了一点成果。试图将QED用于广义相对论的阵营，再次遇到引力子问题，直到80年代，人们在引力子的自作用问题上做了大量工作，结果没有一个成功。
在70年代，人们开始将超对称的思想用于引力，即超引力。它只能靠令人心力交瘁的计算来表达和检验，后来发现，超引力里的无穷大随处可见。随着一个个超引力形式的检验失败，一点渺茫的希望寄托在N=8理论上，但它也失败了。
直到20世纪80年代初，构建量子引力理论的工作还没有丝毫进步。人们所有的努力都失败了。参与过超引力的斯莫林后来察觉到，新的统一应该从一个深层的原理出发，就像惯性原理或等效原理。
1.6系统相对论的统一思想
根据物质量子化假设，系统相对论将形态各异的物质统一在能量的概念下。换言之，能量是物质的最根本属性。在此基础上，提出了流体态物质和刚体态物质的概念，进而架构了一个全新的自然界模型。于是，从流体态物质和刚体态物质的统一中演化出一系列的统一。
1.6.1场与空间的统一
空间是对“爽子”流体几何特性的表述方式，场是对“爽子”流体动力学特性的表述方式，它们的本体都是“爽子”流体。
所不同的是，空间是指“爽子”流体的整体，它充满整个宇宙和物体内部；通常所说的场是指以物体为涡核的有源场，不同物体具有不同的场，相同物体在不同环境中具有不同的场域。
每一个物体的场域都是空间的一个子集，空间是所有物体场域的集合。因此空间与场是整体与局部的关系。
1.6.2作用力的统一
物体间的相互作用都是通过场传递的。在由“cn粒子”逐级构成的从光子、电子、质子、原子直至一般物体和天体的过程中，场从一个纯极性场逐步演化为形态多样、结构各异的场。不同的场之间存在不同的相互作用，引力是指中性场之间的相互作用，库仑力是指静电场之间的相互作用，磁力是指作无旋圆周运动的电子耦合场之间的相互作用，核力是指原子核中质子中性场之间的相互作用，弱力是指处于共振态的原子核表面核子的较弱的核力。作用力的长程或短程性质是由它们的场源半径（即场强衰减步长）所决定的。
可见，物理学上的四种基本作用力并不基本，它们本质上都是“爽子”场间的耦合力与剪切力的合力。
1.6.3时间与空间的统一
从上一章2.1节可知，时间是从空间派生出的概念，它是空间的一种属性。从上一章3.1节又知，并不是所有的空间都具有时间属性，从这个角度讲时间是空间的一个子集，这个具有时间的空间子集又叫含时空间。
可见，时间与空间是不可分割的。这种不可分割性表明，时间不能作为独立于三维空间之外的另一个维度，因此四维时空概念值得商榷。
1.6.4正电与负电的统一
正负电的概念源于摩擦起电。从第六章第一节可知，所谓正电场是指由物体内原子核之间极性耦合场形成的本征电场；所谓负电场是指由物体表面临界场中自由电子之间极性耦合场形成的协变电场。这两种电场本质都是一个极性耦合场。
既然正负电是统一的，那么正负电子也应是统一的。实际上所谓“正电子”就是负电子的镜像而已。可见反粒子和反物质的概念值得商榷。
1.6.5质量与电荷的统一
电荷和质量本质上是分别表征库仑力和万有引力的一种计量方式，这两种不同性质的力对应于两种不同性质的场：极性场和中性场。以电子为例，电荷是指电子的极性涡通量，质量是指电子的中性涡通量。
这就是库仑力公式与万有引力公式结构形式完全相同的原因。
1.6.6光与热的统一
光通常是指在空间中运动的光子束，光强取决于光子能量密度的大小。热是指物体内的光子，物体内的光子越多，光子能量密度越高，物体所含热量越多。可见，温度是指光子的能量密度。由于物体表面与其内部空间密度（或场强）存在巨大差异，因此二者之间的温度也存在巨大差异。我们通常测量的物体温度是指物体的表面温度。
除了上述六个统一之外，还有物体与场的统一、连续与量子的统一、随机性与因果性的统一、温度与压力的统一等等，这些讨论请参见相关章节，在此就不再一一讨论。
第二节对新世纪11个科学问题的回答
美国国家科学技术委员会（NSTC）“宇宙物理学”的跨部委工作小组，2004年5月初发表了“宇宙物理学”报告。该报告是对美国“国家研究理事会”2002年的报告—“建立夸克同宇宙的联系：新世纪的11个科学问题”做出的响应，并对这11个科学问题推荐了应采取的优先步骤（该报告由19名权威物理学家和天文学家联合执笔）。下面简单介绍这11个科学问题并给出系统相对论的答案。
2.1什么是暗物质？
天文学家已经证明：宇宙中的天体从比我们银河系小100万倍的星系到最大星系团，都是由一种物质形式所维系在一起的，这种物质既不是构成我们银河系的那种物质，也不发光。这种物质可能包括一个或更多尚未发现的基本粒子组成，该物质的聚集产生导致宇宙中星系和大尺寸结构形成的万有引力。同时，这些粒子可能穿过地面实验室。
［简答：这种物质就是第九章第四节所提及的超核，即黑洞，构成它的基本单元是“cn粒子”。超核与质子、原子核有同样的致密而坚硬的结构，与后者不同的是它有对称分布的两个发射极，我们所观测到的整个银河系中的所有天体，都是由位于中心的超核的两个发射极的喷流所形成。超核具有极强的由极性场和中性场构成的复合场，但是它的极性场被史瓦西半径外侧密布的极性天体和粒子所屏蔽，因此在大尺度上表现为中性场，即引力场性质。］
美国能源部LANL实验室的液体闪烁体中微子探测器、加拿大Sudbury中微子观测站和日本超级神冈加速器实验的最新结果给出有力的证据：中微子以各种形式“振荡”，因此必定会具有质量。虽然质量很小，但宇宙中大量的中微子加起来可使总的质量达到相当高。美国费米国家实验室新的加速器实验MiniBooNE和MINOS将研究中微子震荡和中微子质量。
［简答：中微子是结构、性质类同电子的稳态粒子，但较电子的尺寸要小得多，它主要与强极性场相互作用。中微子也具有中性场与极性场构成的复合场，与电子的质量与电荷相对应，它的质量和电荷都远小于电子。由于中微子的能量很小，因此在宏观环境中，它表现出较可见光子更强的穿透性。当然中微子与所谓暗物质的组成并无直接关系。］
尚未发现的其他粒子有可能存在，例如一种称为超对称的新对称理论预言有一种大的新类型的粒子，其中有些可解释暗物质。现正在费米实验室TeV能级加速器进行的和计划在CERN正建造的大型强子对撞机（LHC）上开展的实验，以及地下低温暗物质寻找和空间利用伽马射线大面积天体望远镜所进行的实验，目的都是要寻找超对称粒子。
［简答：超对称理论在前面1。4节已经讨论过，系统相对论认为它的理论基础存在问题，当然由此推出的新粒子也是靠不住的。事实是CERN的大型强子对撞机已投运多年，所谓超对称粒子并未找到。虽然2012年7月份CERN的科学家宣称发现了类似希格斯玻色子的粒子，系统相对论认为确认过程将是遥遥无期的，因为它不存在（详见第五章第四节）。显然，我们努力的方向出了问题。］
阿尔法磁谱仪（AMS）安装在国际空间站上，寻找反物质星系和带有我们星系多数质量的神秘暗物质的任何证据。该项目由MIT丁肇中领导，国际上（包括中国）广泛参加。
［简答：在第一章第四节已经阐明，所谓反粒子就是一个粒子的镜像粒子而已。换言之，反粒子和反物质是不存在的。毫无疑问，安装在国际空间站上阿尔法磁谱仪，会探测到在实验室中和地面上都尚未发现的新粒子，但这些新粒子不可能成为反物质或暗物质存在的证据。］
2.2暗能量的性质是什么？
最近的实验表明，宇宙膨胀正在加速而不是放慢。这一结论有悖引力具有吸引力的基本概念。如果这些测量成立，就能量的物质形式存在，它的引力具有排斥性而不是吸引性。
对膨胀率的详细测量有助于对提出的各种解释暗能量的理论模型加以区别。美国劳伦斯伯克力国家实验室（LBNL）超新星宇宙学项目的研究人员，利用从观测Ia型超新星得到的数据直接观测宇宙的加速膨胀。
要研究这种类型的超新星，必须观测大量的星系，因为每400年每个星系才只有唯一的一种类型的超新星。这个合作组使用智利天体望远镜、Keck天体望远镜和哈勃望远镜观测和收集Ia型超新星的数据。
到目前为止，利用哈勃望远镜仅对25个超新星进行了深入研究。2003年1月，被称为“超新星工厂”开始利用近地星形描迹天体望远镜（GLAST）观测Haleakala和PalomarI和II，每隔4夜获得Ia型超新星一个接近峰值亮度。这些观测每夜产生50千兆字节的数据，由美国国家能源研究计算中心（NERSC）的超级计算机和法国超新星观测组合作进行处理。
NERSC超级计算机可产生模拟，支持其他数据收集方法。通过超新星爆发中的中等大小的星，这些方法可直接对从原始星到超新星爆发后核心的核合成进行测量。
NERSC超级计算机产生的模拟，也可用于LBNL超新星宇宙学项目组领导的超新星加速探测卫星和高-Z超新星寻找组，进行宇宙加速膨胀的研究。
［简答：首先，从第九章第三节可知，我们所观测的超新星图像，只是恒星大爆炸连续过程中的一个瞬间图片而已。由于是对爆炸过程的观测，因此我们看到的是一个膨胀的过程。显然，将恒星爆炸过程的特殊形态作为描述宇宙运行的一般形态是不恰当的。
其次，宇宙膨胀理论是在哈勃定律创立后而确立的，而哈勃定律的基础是解释红移的多普勒效应，问题恰恰就出在对红移的解释上。从第八章第五节可知，宇宙线红移并非星系退行引起，而是光子衰变的结果，红移量的大小告诉我们的是星系的远近，而不是退行速度的大小。因此宇宙膨胀理论是存在问题的，由此推出的暗能量概念也就成了一个伪命题。
在实际宇宙观测中，确实存在行星、卫星渐行渐远的现象。如果一定要将这种现象与暗能量相联系的话，那么暗能量可以理解为充满整个宇宙（包括物体内部）的“爽子”流体。］
2.3宇宙是如何开始的？
有证据表明，在最初的时刻，宇宙经历了又一次的巨大爆炸，称为膨胀，这样宇宙中的最大星体就起源于亚原子量子态的绒毛微细结构。这一膨胀的根本物理原因是个谜。
Sloan数字寻天项目是利用美国新墨西哥州的ApachePoint观测站2.5米的天体望远镜来观测可见宇宙的实验。该项目完成对整个天空四分之一的系统测绘任务后，产生详细的图像，确定一亿个以上的天体的位置和绝对亮度，将在某种程度上阐明膨胀之谜。该实验还将测量距100万多个最近星系的距离，通过一个比我们到目前探索大100倍的体积，给出宇宙一个三维图像。最后，使我们前所未有地了解到可见宇宙边缘的物质分布情况。这会提供质量密度中原始波动情况，膨胀的结果应该是这样。
［简答：宇宙大爆炸是不存在的，因此宇宙膨胀根源的问题也就成了一个伪命题。显然，我们为此所作的一切努力不可能回答这个问题，但是可以了解到更多宇宙结构和天体演化的细节，这对我们认识宇宙是有益的。
系统相对论构建的是一个稳态宇宙，当然时间也就没有起点、是无限的。在无始无终的稳态宇宙中，最激烈的事件就是黑洞大爆炸，正如第九章第四节所述，黑洞的演化是将空间转化为物体（黑洞的生长和星系的形成）的漫长过程，黑洞的大爆炸是将物体（黑洞自身）转化为空间的瞬间过程。一个子宇宙中此起彼伏的黑洞大爆炸，构成了稳态宇宙永恒不变的主旋律。］
2.4什么是引力？
黑洞在宇宙中普遍存在，可以探讨它们的巨大引力。早期宇宙中的强引力效应具有客观测到的重要性。爱因斯坦理论也应适用于这些情况，正像它适用于太阳系一样。完整的引力理论应该包括量子效应（爱因斯坦引力理论不包括），如果不能包括量子效应就需要解释为什么它们不相关。
高能和核物理理论学家研究弦理论和额外维空间的可能性，这有助于解释引力的量子方面。像在费米实验室TeV能级加速器和CERN的LHC上开展的实验，将能够在未来几年内对一些这样的思想进行检验。弦理论已经导致对黑洞的熵进行计算。
［简答：引力理论是主要描述中性场之间相互作用的理论，通过中性场构建的系统主要是二体系统，从这个意义上讲，引力理论是一个二体理论；量子理论是主要描述极性场间相互作用的理论，极性场间的相互作用更多的体现为相干的若干粒子构成多体系统（即所谓量子系统），从这个意义上讲，量子理论是一个多体理论。
可见，引力理论和量子理论的作用性质和适用对象是不同，而且互为补充，二者是相互并行的两套理论。这两套理论所描述对象的集合基本概括了宇宙中所有的事物，它们适用范围的集合也基本包含了整个宇宙。因此，引力理论和量子理论分别描述了宇宙的不同部分或不同侧面，它们是构成万物理论的两大分支。
自广义相对论和量子理论创立以来，包括爱因斯坦、海森堡、泡利等许多著名物理学家都为统一这两个理论做出了巨大努力，甚至为此付出了毕生的精力，然而均以失败而告终。问题的根源就在于，这两套理论的作用性质和适用对象是不同的。
对于当前为多数人普遍看好弦理论，有一个不太恰当比喻：弦理论如同捡拾物品人用的那辆车，对于任何新现象总可以通过调整那些自由参数来满足，这就像捡拾人将遇到的所有物品都捡起并总能在车上找到一合适的位置放下一样；当车上实在放不下更多的物品时，他就使出独门绝技，再开辟出一维新的空间，于是车上的空间一下子扩大了无数倍。这时如果有人问他，增加如此多的空间计划放些什么东西时，他回答：捡到什么就放什么。当然这样的车子可以装下我们的宇宙，但他却永远不知道下一次要捡到何物，也无法知道何时才能捡完所有物品。这就是弦理论所面临的困境，结局可想而知。］
2.5中微子有质量吗，它们如何影响宇宙的演化？
宇宙学告诉我们，当今宇宙中一定存在着大量的中微子。物理学家们最近发现越来越多的证据，表明它们具有小质量。甚至可能有超越现行标准模型3个以外更多类型的中微子。
加拿大Sudbury中微子观测站（SNO）发布的第一批结果和日本超级神冈的实验结果，对丢失的太阳中微子获得的证据越来越多。这两项实验均系国际合作，得到美国能源部的大力支持。
称为MINOS的长基线实验，利用费米实验室中微子主注入器工程建造的设备，寻找具有极小质量的中微子存在的证据。费米实验室新的主注入器作为MINOS实验的中微子源，实验的长基线从这里开始，探测器放在735公里之外的明尼苏达州北部原Soudan铁矿井里。(Soudan矿中现有1000吨探测器)参加MINOS实验的科学家们对从费米实验室出来的中微子和到达Soudan铁矿井中的探测器的中微子的特性进行测量和比较。这两个探测器中中微子相互作用的特点之别提供不同类型的中微子振荡的证据，因此得出中微子质量。1995年美国LANL的液体闪烁器中微子探测器（LSND）发现了谬子中微子变成电子中微子的证据。费米国家实验室有一台探测器称为MiniBooNE，用来研究这一现象。因为更强的中微子束流，它比LSND获得更多的数据。MiniBooNE的中微子束流由比LSND束流短约10000倍强脉冲组成。这大大提高了实验将来自自然产生宇宙线相互作用的束流感应中微子事例分开的能力。
现行的理论假设中微子根本就没有质量。中微子具有质量要求对理论进行修改，它起码有助于解释构成90%以上宇宙的暗物质。
中微子质量，以及其他所有轻子和夸克的来源，被认为是由因希格斯玻色子传递的“希格斯潮引起的独特相互作用。这个玻色子是费米实验室TeV能级加速器大力寻找的目标。如果找不到，可能会在CERN的LHC上找到。
［简答：在2。1节中已经简单讨论过中微子。毫无疑问，中微子是有质量的，但限于我们目前的科技分辨水平，测量难度非常大。
中微子的存在状态类似远红外的光子，它们广泛存在于空中和物体、原子内部。普通物体和天体的临界场中也存在大量中微子，正是它们和光子电子一起屏蔽了物体向外辐射的极性涡通量，使引力场主导了宏观和宇观的结构形态；在原子内部存在围绕原子核运动的大量中微子，正是他们的参与，才使得原子呈现出相对稳定的状态，否则由于原子状态极不稳定，固体难以形成，我们所处的有形世界以及我们自身将不复存在。
虽然研究中微子并不能解决暗物质的问题，但加深对中微子的了解，可以帮助我们更好地理解宇宙中的一切，因为中微子它无处不在。］
2.6质子不稳定吗？
构成我们星体的物质是从不对称数量的早期宇宙中出现的物质与反物质湮灭的小的残余物。这一小的不平衡可能依靠假设的质子不稳定性，即物质的最简单形式和稍倾向于物质的构成多于反物质形成的物理法则。
因为这意味着所有核物质的不稳定性，所以发现质子衰变将是一个具有历史意义的事件。为寻找质子衰变，已经投入巨大努力。寻找质子衰变，过去是日本神冈和超级神冈探测器、以及美国Irvien-Michigan-Beookhave实验和Soudan探测器原来的主要目标。虽然没有观测到质子衰变，但那里的科学家们在中微子物理方面，做出了如第五个问题中提到的给人印象深刻的发现。
斯坦福直线加速器中心（SLAC）的B工厂和BaBar探测器通过研究B介子，有机会对宇宙中物质大大多于反物质做出解释。正负电子在几十亿电子伏特时对撞，可以按B介子衰变成其他粒子的方式研究非对称。非对称被称为CP破坏，1964年首次发现。CP破坏仍然没有完全被弄明白，据信，它起码对大爆炸形成宇宙后物质的存在多于反物质负部分责任。研究这一重要的非对称也会扩大我们对基本粒子的了解。B工厂的物理学家们已经发现，物质与反物质在衰变成被称为重短寿命粒子的鲜明差别。
［简答：如前所述，既然反物质的概念是错误的，那么由此导出质子不稳定的结论自然也是不正确的。这一点，显然已经为我们几十年来尚未发现质子衰变的事实所证实。虽然在我们实验条件下质子是稳定，但这并不是说质子在任何环境中都是稳定的。
从第七章第四节可知，质子具有一个稳态温压边界曲线。当质子位于这个温压边界曲线包含的区域内时，质子是稳定的；当质子位于这个温压边界曲线包含的区域之外时，质子是不稳定的，距离这个边界越远，质子越不稳定。可见，质子是否稳定取决于它所处的环境，我们通常观察到的质子环境位于它的稳态域内，因此不可能发现质子的衰变。］
2.7超高能粒子来自哪里？
物理学家们已经探测到宇宙中惊人种类的高能现象，包括没有预料到的高能，但不知粒子束流的起因。在实验室的加速器上，我们可以产生高能粒子束流，但这些宇宙线的能量大大超过地球上产生的任何能量。
1000平方英里的PierreAuger观测站是个国际项目，用来研究甚高能宇宙线，对撞星系是形成极高能量宇宙线的机制。位于阿根廷的PierreAuger观测站有一台宇宙线探测器，展开面积超过巴黎的10多倍。
［简答：从第九章可知，超高能粒子源于天体间的大碰撞和天体大爆炸，如恒星大爆炸及其二次大爆炸等；超高能粒子束流来源于超高能天体，如中子星中的巨核、我们称作黑洞的超核等。
与加速器上通过碰撞产生高能粒子不同，天体间的大碰撞和天体大爆炸所辐射出的高能粒子，主要是天体内原有的粒子，只是通过碰撞和爆炸释放出来而已。
与上述两种机制不同，巨核与超核通过发射极辐射出高能粒子束流，是由两极附近生成的“cn粒子”，在被超核场加速向外运动的过程中凝聚而成，并被巨核或超核继续加速直至进入太空。一般，巨核发出的高能粒子束流会短周期出现；超核具有极高的物质量，它的自转极为缓慢，一旦朝向地球方向，我们可以在较长时间内连续观测。］
2.8在极高密度和极高温度下，新形态的物质是什么样的？
质子和中子是如何形成化学元素，原子核的理论已有充分的阐述。在极高密度和高温时，质子和中子可“熔化”成一种不可区分的夸克和胶子“汤”，这可以在重离子加速器中探测到。中子星和早期宇宙中可以产生更高的密度并可探测到。
相对论重离子对撞机（RHIC）正在BNL运行，研究极热、高密度核物质。它使金原子核束流，在足以形成基本粒子（夸克和胶子）热、密度汤短暂微观宇宙的能量时对撞，这些粒子在宇宙大爆炸形成后的前几微秒存在过。
世界上的物理学家对RHIC上每秒发生几千次的对撞饶有兴趣。每次的对撞都像一台微观高压锅，产生甚至比最热星体核心中还要极端的温度和压力。事实上，RHIC对撞中的温度可超过绝对零度以上1011度，大约相当太阳温度的10000倍。虽然RHIC对撞可能超快和超热使科学家们感兴趣，但是它们太小太短，没有危险。
使用大型PHENIX探测器的一个RHIC实验中，两个金原子核对撞向对撞轴横向发射出比标准模型要少的粒子。这是物质奇异态的第一个迹象，但需要更多的证据。将这一发现与未来几年更多发现结合在一起，研究人员就能弄懂宇宙诞生以来就不存在的物质态。
［简答：根据第七章粒子稳态理论和第九章天体结构模型可知，在极高密度和极高温度下，存在的固体新物质形态有：巨型超分子体（如太阳黑子、白矮星的外壳）和大核、巨核以及超核等类原子核体；存在的流体新物质形态有：光子、中微子、电子、质子等稳态粒子和不稳态粒子的等离子态流体。
在极高密度和高温时，质子（中子早已分解质子和电子）可“熔化”成较小的光子和较小的粒子。如同对撞机上实验中产生的转瞬即逝的粒子一样，这些较小的粒子在通常条件下是不稳定的，但在它产生的那个条件下是稳定的。可见，那些短寿命粒子并不是生来就是短寿命的，只是它的存在环境转瞬即逝罢了。］
2.9是否存在额外的时空维度？
在试图引申爱因斯坦理论和了解引力的量子性质时，粒子物理学家们假设存在着超出已知四维时空的高维时空。它们的存在对宇宙的诞生和演化具有隐含，可能会影响基本粒子的相互作用，并改变近距离时的引力。
像在第四个问题讨论的那样，高能与核物理在弦理论方面的研究表明有额外维。TeV能级加速器和其他对撞机的实验，通过寻找2个加速的粒子（如TeV能级加速器的质子与反质子）在对撞中产生粒子时丢失的能量，来寻找额外维。
［简答：在2.4中已经提及了额外维问题。从第十章第四节可知，空间只有三个维度，其他所谓的额外维度都是人为设置的，现实中是不存在的。
宏观和宇观中的引力与微观中的引力是截然不同的。从第三章第六节可知，宏观和宇观中的引力场之所以微弱，是被物体临界场极度疏化的结果；微观中引力作用在强力中起主导作用，如氘核中质子和中子间的相互作用我们通常称之为强相互作用，实际上主要是质子和中子端面的中性场间的相互作用。从这个意义上讲，在微观领域，中性场主导着原子核的结构，极性场主导着原子和物体的结构。
系统相对论认为，通过检测两个加速的粒子在对撞中产生粒子时丢失的能量，来寻找额外维的努力是不会有结果的，因为额外维根本就不存在。］
2.10从铁到铀的各种重元素是如何形成的？
科学家们对星体和超新星中一直到铁的元素的产生相当了解，但从铁到铀较重元素的准确起因仍然是个谜。美国能源部支持对在超新星中发生的核反应、以及对这些天体剧烈爆炸的计算机模拟研究。需要更多了解有关参与复杂连锁反应极短寿命原子核的信息。已经提出建造一种新的被称为稀有同位素加速器（RIA）的新装置，用以研究自然界可能存在的所有原子核。从RIA获得的数据和利用最大功率计算机对超新星的模拟，将使科学家们更加全面了解重元素的起源。
［简答：重元素的起源问题与上面第八个问题有点类似。从图9-6可以看出，我们发现的所有元素几乎都是在地球的自激发区中产生的，而且在该区域存在超出我们已知元素（包括同位素）范围的更多元素，这包括一些同位素和更重的元素。我们之所以无法在地面找到这些同位素和元素，是因为它们的稳态温压范围较窄，在离地面较近时它们就已经衰变为其他元素或同位素。］
2.11需要一种新的光和物质理论来解释在甚高能和温度时发生的情况吗？用量子力学、电磁和它们作为电动力学统一的法则，似乎对实验室中的物质和辐射进行了很好的描述。宇宙为我们提供地点和天体，如中子星和伽马射线爆炸源，这里的能量远远超过为验证这些基本理论在地球上可再现的能量。
伽马射线大面积空间望远镜（GLAST），通过观测来自许多不同天体源的高能伽马射线，将开启这个高能领域。GLAST有一个伽马射线成像天体望远镜，能力大大超过以前飞行的仪器，还有一台辅助的提高研究伽马射线爆的仪器。
在GLAST能区范围内，宇宙对伽马射线来说基本上是透明的。靠近可见宇宙边缘的高能源可用伽马射线光进行探测。如果这些天体在宇宙较早期间存在的话，我们就有充分的理由期待，GLAST将看到红移值等于或大于5的已知类型的天体。对于伽马射线来说，小的相互作用截面意味着伽马射线可直接观测自然界最高能量的加速过程。伽马射线向后指向它们的源，不像宇宙线被磁场偏斜。有了GLAST，天文学家们就拥有了非常好的工具，用于研究以将物质拉入而出名的黑洞是如何能够以大的难以令人相信的速度向外加速气体喷注的。物理学家们将能够研究比陆基粒子加速器中看到的更高能量时的亚原子物理。为同时进行天体物理和粒子物理研究，美国宇航局与美国能源部以及法国、德国、日本、意大利和瑞典的研究机构开展合作。GLAST计划于2006年3月发射。
［简答：关于超高能粒子（包括伽马射线暴）的起源在第七个问题的简答中已经给出答案，显然这种能量在地球上是无法复现的。关于“黑洞是如何能够以大的难以令人相信的速度向外加速气体喷注的”，解释如下：
首先，引力场并非只表现为对其中的物体吸引的性质。从第四章第三节可知，相对引力场中的物体，引力场划分为静止引力区和静止斥力区两部分。在静止引力区，引力场对物体表现为引力性质。在静止斥力区，物体静止时，引力场对物体表现出斥力性质；物体协变运动时，引力场对物体表现为引力性质。这种近吸远斥的性质并非引力场专有，极性场以及混合场同样具有这种近吸远斥的性质。
以超核（黑洞）为例，在超核发射极附近生成的“cn粒子”，由于这些粒子处于它们的静止斥力区，被超核场不断加速向外运动，行进中“cn粒子”凝聚成各种光子和粒子（包括伽马射线），这些粒子继续被超核场继续加速直至离开超核场域。由于超核场是宇宙中最强的场，因此它对粒子的加速能力也是最强的，我们的加速器与之相比远不在一个数量级上。］
第三节系统相对论的理论框架。
3.1物理研究的原则与方法
3.1.1物理研究所遵循的原则
随着物理学的创立与不断完善，人们逐渐发现了自然界的一些基本性质，如因果性、守恒性、对称性、简单性等。进而将这些基本性质作为指导我们进行物理研究所遵循的原则，或判定研究结论对错的标准。
系统相对论认为，这些原则是通过哲学思维对自然界的高度概括和总结，无疑都是正确的；但必须承认，存在认识的层次问题。换言之，这些性质是基于我们对自然界的局部的、浅层次的认识而建立起来的。因此对这些性质所赋予的物理内涵（概念）尚不具普适性，这正是哲学对理论物理研究提出的任务。
理论物理研究就是通过不断更新自然基本性质的物理内涵，使其具有更广泛的适用性、最终用普适性的概念赋予这些性质的普适性。如果理论物理研究得出与这些性质相矛盾的结论，那么从哲学意义讲就是对我们所处世界的否定，显然是研究过程出了问题。
从因果性可自然导出决定论，随着量子理论的创立，因果性被不确定性原理所破坏，为决定论所描述的确定的世界变得不确定。显然是不确定性原理出了问题，问题的根源在于，它采用了二体问题的研究方法来处理多体问题。
在物质的守恒中，存在质量、能量和电荷三大守恒定律。后来质量守恒被质能守恒所取代（参见第五章第一节）；由于正负电子可以通过湮灭转化成光子，即能量，因此电荷守恒自然也可以理解为荷能守恒。可见，能量守恒才是物质的普适守恒定律。
对称性是随着量子理论的发展而不断丰富和完善的，进而成为量子理论的一个重要的研究方法。然而，越来越多的不对称被发现，不得不提出对称性自发破缺的理论。对此，系统相对论认为，量子理论所提出的对称性的基础就存在问题，建立在这种对称性上的对称性自发破缺的理论就更不用说了。显然，这已严重偏离了物理学的正确道路。
人们相信自然界具有简单性，其根源之一是相信物质世界是统一的。很多著名的物理学家都认为，最简单的关系是最具有普遍性的关系。广义相对论的场方程和量子场论的标准模型求解都过于复杂，且得到的若干可能解不得不通过人工方法来选取或确定。几百个自由参数的弦理论也就更不必说了。显然这些理论都违背了简单性原则。
3.1.2物理研究的最基本方法
物理研究有许多方法，其最基本方法只有一个，这就是：首先根据我们所处的宏观环境建立经验；然后一方面将宏观经验推广到宇观，称作“由近及远”的研究方法；另一方面将宏观经验推广到微观，称作“自大而小”的研究方法。可见，物理研究的最基本方法就是经验推广法。
根据宏观经验我们建立的物质模型，简称宏观模型。当将这个宏观模型推广到宇观或微观时，我们遇到了前所未有的困难。由于我们无法获得宇观和微观领域的经验，不自觉地将宏观经验用到这些领域中，于是一些新的概念纷纷提出。然而这些新的概念是宏观经验与宇观或微观现象结合的产物，它的正确性自然也就受到质疑。
我们知道，从物体的构成层级上看，微观粒子是较低层级，宇观天体是较高层级，宏观物体位于前两者之间。由于宏观环境只能表现出物体宏观层面的一些性质，故将这些宏观层面的性质简单地推广到宇观和微观是不恰当的。实际上，宏观层面的性质是微观性质在宏观层面上的一种呈现。
由此可见，对物质性质的研究应从最底层的物质粒子入手，逐步推导出物质在微观、宏观和宇观上的性质，这种物理研究方法称作“自小而大”的研究方法。显然，量子理论距离这个最底层的物质粒子还有一段距离，因为该理论中定义了许多所谓的“基本粒子”。
系统相对论正是采用“自小而大”的研究方法，首先基于物质量子化假设，提出“爽子”和“cn粒子”的概念；然后用“cn粒子”逐步架构出光子、电子、质子、原子、分子等粒子，直至一般物体和各种天体；物质性质也是从“cn粒子”逐步推到各种粒子直至天体。
3.2物理概念
概念是反映事物的本质属性的思维形式。人类在认识过程中，从感性认识上升到理性认识，把所感知的事物的共同本质特点抽象出来，加以概括，就成为概念。概念都有内涵和外延，即其涵义和适用范围。科学认识的主要成果就是形成和发展概念。
在物理学上，概念就是物理大厦的“基石”，各物理理论分支都是在一系列概念的基础上描述其内在联系（规律）的一种学说。定性描述客观实体的概念称作定性概念，如电子、天体、引力场等等；定量描述客观实体的概念称作定量概念，又称作物理量，如质量、速度、长度等等。
一套全新的理论，它最重要的特质是创立了新的概念。系统相对论就是在以“爽子”和“cn粒子”为基础的概念体系上建立起来的。物质的相关概念及其从属关系见下表。
基本概念衍生概念举例物质流体态物质。
（基本单元：“爽子”）空间（流体态物质的几何特性）场。
（流体态物质的动力特性）按结构分布内场临界场外场按性质划分极性场光子场、磁场中性场引力场混合场静电场按极数划分单极场引力场、静电场双极场光子场、磁场四极场电子场、质子场刚体态物质（基本单元：“cn粒子”）单粒子光子、电子、质子复合粒子中子、原子核耦合体原子、分子、星系一般物体天体月球、地球、太阳在系统相对论中，物质概念区分为基本概念和衍生概念两种，衍生概念又可分为若干层级。从下表可以看出，基本概念是适用于物质范畴的普适概念，衍生概念是有特定适用范围的局域概念；衍生概念的层级越高，其适用范围越窄。
3.3物理量及其维度
系统相对论是用一个物质基本粒子（能量子）和两把尺子（空间标尺与时间标尺）架构起来的。
3.3.1基本物理量和导出物理量
系统相对论的基本物理量，包括能量、长度、时间、角度等4个物理量。其它包括质量、电流、热力学温度（即系统相对论中的光子密度）、发光强度等在内的所有物理量均为导出物理量。需要说明的是，能量是表征物质多少的物理量，系统相对论称之为物质量；物理学上“物质的量”，是指物体或一定体积的流体中所含粒子数量的多少，它本质上是一个无量纲的物理量，即数学上的“数”的概念。因此“物质量”和“物质的量”是完全不同的两个概念。
3.3.2物理量的维度
所有物理量都是有单位的，物理学上称之为物理量的量纲。系统相对论认为，物理量的维度D也是量纲的一部分，称作维度量纲，即物理量量纲由单位和维度两部分构成。设一个物理量的单位为a、维度数为D（整数），则该物理量的量纲表示为：a{D}。
在物理量的乘除运算中，单位的运算遵循乘除法则，维度的运算遵循幂运算法则。设两个物理量的量纲分别为a{n}、b{m}，则有：
a{n}×b{m}=(a×b){n+m}。
a{n}／b{m}=(a／b){n-m}（11-1。1）。
（11-1。2）。
能量、长度、时间、角度等基本物理量，它们的量纲分别为焦耳{3}(J{3})、米{1}(m{1})、秒{1}(s{1})、弧度{0}(rad{0})。结合上述公式容易计算导出物理量的量纲，系统相对论与物理学上的基本物理量和部分导出物理量的量纲比较见下表。
分类维数名称用物理学SI基本单位表示用系统相对论基本单位表示一致性基本。
物理量3维能量Em2·；kg·s-2焦耳（J）等价1维长度s米（m）相同时间t秒（s）相同0维角度弧度（rad）相同物质的量摩［尔］（mol）相同续表分类维数名称用物理学SI基本单位表示用系统相对论基本单位表示一致性部分导出。
物理量3维质量m千克（kg）J·s2·m-2等价动量Pkg·m·s-1J·s·m-1等价电量s·AJ等价电容m-2·kg-1·s4·A2J等价2维力Fm·kg·s-2J·m-1等价电流安培（A）J·m-1等价1维磁场强度A·m-1J·m-2不同0维速度vm·s-1相同温度T开［开文］（K）J·m-3等价电位差m2·kg·s-3·A-1J·m-3不同发光强度坎［德拉］（cd）J·m-2·s-1不同-1维加速度am·s-2相同频率fs-1相同-2维电阻m2·kg·s-3·A-2s·m-3不同-3维浓度mol·m-3相同从表中可以看出：物理学上的物理量都可以用系统相对论基本物理量表示。有些物理量的单位在两量纲体系中完全相同，这是它们对应的基本物理量在两体系中相一致所决定的，如长度、时间等；有些物理量的单位在两量纲体系中是等价的，如热力学温度，从热力学温标的论述中可知，热力学温度是指单位体积的热量，系统相对论给出的是单位体积所含光子的能量，二者是一致的；有些物理量的单位在两量纲体系中并不相同，如电阻，系统相对论认为，电阻的物理意义是一定数量的电子通过单位体积的电阻体所需的时间，基于这个定义，能够更好地理解电阻的串联和并联原理。
还有些不同物理量的单位在系统相对论下具有相同的单位量纲，这可以引导我们探究它们的内在联系，如电量和电容，电子的电量是指电子外场的涡通量（即能量），电容是指正极板原子核和负极板自由电子辐射在极板间的耦合涡通量，因此电量和电容本质都是能量。两种量纲体系比较，容易发现系统相对论的量纲体系更为简洁，从量纲的繁简程度，还可以更好地理解“能量比质量更基本”的事实。
从上表还可以看出：物理量的维度量纲D包括3、2、1、0、-1、-2、-3等7种，其中为正数的是指乘数维度量纲，为负数的是指除数维度量纲。维度量纲的绝对值大于3的物理量，虽然在数学上可以实现，但不具物理意义，这是由物质的三维性质所决定的。比如：能量或质量（3维）与时间（1维）相乘得到的是一个4维量纲的物理量，显然这是一个没有物理意义的量；反之，力或电流（2维）与时间相乘得到的是一个3维量纲的物理量，其物理意义是冲量或电能。因此，物理量的维度量纲D的取值范围为：
0≤︱D︱≤3（11-2）。
根据维度量纲绝对值的不同，物理量分为零维、一维、二维和三维等四类物理量，通常它们又称作点、线、面、体物理量。根据4个基本物理量和维度量纲的限制，系统相对论量纲体系下的物理量是极为有限的。从上表中我们还能解读出更多信息，在此不再一一累述。
第四节系统相对论的能源观。
人类的发展史就是一部认识自然和利用自然的历史，认识自然和利用自然的过程都遵循着螺旋上升的发展模式，每个螺旋上升周期都是以技术进步为显著标志，而技术进步又是以社会需求为动力、以科学理论为基础展开的，如图11-1所示。
图11-1人类的螺旋发展模式示意图我们知道，能源和资源是人类生存与发展的物质基础。人类对能源和资源的需要包括两大部分：体内需要和体外需要。包括人在内的所有生命体都有体内需要，即新陈代谢的需要，新陈代谢所需原料来源于钙、铁、维生素等资源，新陈代谢的动力由淀粉、脂肪等能源提供。相对体内需要，人的体外需要要宽泛得多，下面以能源为主展开讨论。
4.1人类能源利用进程简析
人类对能源的利用有着悠久的历史，从一万年前的钻木取火，至今草木主要用于造纸、家具、木炭等；从2000年前开始使用煤炭石油煮饭、取暖，今天煤炭、石油等化石能源已成为我们的主要能源。随着化石能源在不久的将来要面临枯竭和人类可持续发展的需要，人们在进一步开发利用水能、太阳能、风能、潮汐能、地热能等现有能源的同时，也在努力寻求核能等新能源，期望最终能够替代化石能源的支柱地位。
我们所利用的能源，按来源不同可分为两大类：地外能源和地内能源。地外能源主要是太阳能，草木、石油、煤炭、天然气、水能、风能等直接或间接来自太阳能，潮汐能主要来自月球和太阳对地球的引力作用。地外能源又可分为两大类：一次性能源和可再生能源。石油、煤炭、天然气等都是一次性能源（即不可再生能源），它们是越用越少，最终会用光；草木、水能、风能、太阳能、潮汐能等都是可再生能源，但由于其产量（容量）、条件等的限制，它们只能作为我们所需能源的补充，而不可能成为我们所需能源的主体。地内能源又称地球能，核能的原料（比如铀235）来源于地球内部（参见第九章3.1节），因此核能和地热能都属地球能。
对于能源的分类，从它来源的物质层次又可分为：热能、动能（又称机械能）、分子能（又称化学能）、核能（又称原子能）。热能主要是指太阳辐射热和地热等，动能主要是指水、风等运动物体（流体）提供的能量，分子能是指草木、煤炭等通过化学反应释放出的热能。显然，这三种能源在发现利用上，科技并没有起到多大作用，但对它们的大规模开发利用是依赖于科技进步的；相反，核能的开发利用是科技进步的直接产物。核能虽然是一个高效的能源，但由于人们处于对自身安全的担忧、资源和技术的限制等原因，使得核能利用的规模受到极大限制。
随着人口的快速增长和社会文明程度的不断提高，能源和资源与人类发展需求间的矛盾日益突出。当今能源和资源的不足，已成为制约人类进步的最大瓶颈，也是影响人类和平发展的根源，因此能源和资源问题是摆在全人类面前的一个重大课题。对此，系统相对论提出如下三个解决方案。
4.2地热能的开发前景与地球家园的构建
人类很早以前就开始利用地热能，但真正认识地热资源并进行较大规模的开发利用却是始于20世纪中叶。
人类第一次用地热水发电是在1904年意大利的拖斯卡纳。1958年新西兰的北岛开始用地热源发电(目前为212兆瓦)；美国加州的喷泉热田，从1960年就开始发电，目前的输出功率为1300兆瓦。到1990年，全世界安装的发电能力达到6000MW，直接利用地热资源的总量相当于4.1Mt油当量。
根据第九章3.1节地球的生长原理可知，地球本身就是一个取之不尽、用之不竭的能源工厂和资源工厂。因此，开发利用地热能和地球资源具有广阔的发展前景。
可以预见的是，随着地热能的大规模开发利用，地球活动就会减弱，地震、火山喷发的频次相应减少。但如果想要彻底避免这些灾害，我们就需要建立一个全球性的地球温压监测与疏导系统，将地球自发的无序生长转变为按人类意愿的、更为缓慢的有序生长，甚至抑制其生长或调整为我们所需要的稳恒状态。到那时，我们就可以远离各种地质灾害，地球就会变成人类长久的、理想的生活乐园。
4.3核能的分析与展望
1938年德国科学家奥托·；哈恩用中子轰击铀原子核，发现了核裂变现象。1942年12月美国芝加哥大学成功启动了世界上第一座核反应堆。1954年苏联建成了世界上第一座核电站——奥布灵斯克核电站。到1991年，全世界近30个国家和地区建成的核电机组为423套，总容量为3.275亿千瓦，其发电量占全世界总发电量的约16%。
放射性物质作为核裂变反应堆的原料，无疑是获取核能的一个相对简单易行的方案。然而，我们在得到核能的同时，自身安全也受到放射性的威胁。根据第七章第四节可推知，只要我们掌握了非放射性元素的“共振态”构建技术，就可以用无放射性元素作为核反应的原料。这样一来，不但解决了放射性的危害问题，而且核原料的成本也会大大降低、资源容量更加丰富，开发利用核能的前景就会变得无限广阔。
4.4真空能的开发前景
根据系统相对论原子核长毛原理可知，“光子加工厂”是将构成空间的基本单元——““爽子””转化为光子的场所，换句话说，“光子加工厂”是将“真空能”转化为“热能”；而核反应堆实际上也是一个自激系统，其本质是将“真空能”转化为“热能”，核原料只是我们为获取能源所选用的一种工作介质而已。
关于对真空的认识，人们曾经普遍认为真空就是一无所有的空虚空间。进入20世纪以来，随着量子场论的发展，人们开始认识到真空并非一无所有。狄拉克认为真空是一个负能量的海洋，史称狄拉克海；李政道曾认为真空是物质的凝聚态；而在宇宙学上，真空被理解为暗能量，而且存在“均匀充满空间的常能量密度”和“能量密度随时空变化”两种不同的观点；等等。
随着真空理论的发展，现代物理学认为，“量子场系统的基态（即能量最低的状态）就是真空，这一基态形成了自然界的某种背景，一切物理测量都相对于这一背景进行。真空已成为现代物理学中由实验证实的一个基本概念，它不仅为粒子物理学提供了新的概念、新的物理图像和新的思路，而且也揭露了现存理论中某些深刻的矛盾。直至今天，人类对真空的认识还处于初级探索阶段”。
实际上，当前我们利用的各种能源，归根结底都是来源于真空能，因此我们一直在间接利用真空能。显然真空能无处不在，如果我们能够直接利用真空能，那么我们获取能源的原料将突破时间、地点、容量等一切限制，我们的能源利用技术将登上峰顶，人类文明也将达到最高境界。我们能够直接利用真空能吗？
2001年，在伦敦召开的场推进会上，美国专家提出，20世纪是核能世纪，21世纪是真空能世纪。北京航空航天大学高歌教授在真空能发动机方面做了大量的研究，他认为，“真空可以对显物质产生作用（称为“界变”），界变能够使显物质的正熵过程变成负熵过程，正物质变成反物质。真空中的暗物质具有吸聚作用，可增强漩涡的旋转，这就是漩涡真空能动力系统的基础原理”。毫无疑问，高歌教授的真空能利用原理，是基于尚处于初级阶段的真空观提出的。显然，在当前还尚未给出暗物质、暗能量的合理解释，以及仅找到大部分的质量来源、希格斯粒子尚未发现等等的情况下，高歌教授提出的真空能利用原理是值得商榷的。
从图9-6可以看出，只要我们构建出自激发区的物质态，就可以源源不断地将真空能转化为可供我们利用的热能、图11-2真空能转换装置示意图甚至各种物质资源。建造真空能转换装置可以模仿地球生长原理，系统相对论称之为地球能源自激机制的小型化技术，通过调节温度，就可以控制真空能转换装置输出光子（热能）等各种元素（资源）的功率，如图11-2所示。
真空能转换装置类似我们通常所说的“永动机”，但二者存在本质上的不同。“永动机”是不需要输入但能够源源不断的输出能量，它不满足能量守恒；真空能转换装置是以“真空”为原料输出热能或资源，它满足能量守恒。因此，“永动机”是不可实现的，真空能转换装置是可以实现的。
在2001年伦敦召开的场推进会上，有人预言5年之内有可能造出真空能发动机。从下一节的讨论可知，即使现在完全清晰了真空的概念，我们还必须先实现一系列的新型材料技术的突破，才能制造出利用真空能的装置，这当然需要一个过程。
4.5超分子技术
纵观人类发展历程，如果说社会需求为科技进步指引了方向，那么科学理论就是照亮科技进步道路的那盏明灯。经典物理学（系统相对论称之为宏观物理学）的创立，图11-3科技进步历程简析奠定了工业机械化的理论基础，使得能源开发利用水平实现了第一次飞跃；现代物理学（系统相对论称之为物体物理学）的创立，奠定了信息自动化的理论基础，使得能源开发利用水平实现了第二次飞跃，并发现了核能。如图11-3所示。
系统相对论认为，当前我们面临能源开发利用的第三次飞跃，这次飞跃要分三步走：第一步是地热能的大规模开发利用，第二步是以非放射性物质为核原料的核能开发利用，第三步是真空能的直接利用。在这三步中，实现第一步需要克服地下的高温高压环境，实现第二步需要建立比现有核反应堆更高的温度压力环境，实现第三步需要建立6000℃以上的温度及相应的极高压力环境。这三步的共同特征是：超高温、超高压环境。
由此可见，能否实现第三次飞跃的关键，取决于能否制造出能够承受超高温、超高压的新型材料。系统相对论认为，在现有理论的框架内是无法制造出这种新型材料的，因此我们需要采用一套全新的理论——系统相对论（称之为物质物理学）。从系统相对论可以导出，这种新型材料具有单分子的特征，即新型材料是由若干原子构成的一个立体结构的超级大分子，这种制造技术称作超分子技术。
1987年，法国科学家，诺贝尔化学奖获得者J。M。Lehn首次提出了“超分子化学”这一概念，他认为超分子是基于分子间的非共价键相互作用而形成的分子聚集体。从第二章6。3节可知，分子中原子间的相互作用，实际上由两部分构成，除了通过共价电子传递的作用（即共价键）外，还存在作用更强的亚核力。根据J。M。Lehn对超分子的描述，系统相对论认为，所有固体均在J.M.Lehn的超分子范畴内。而系统相对论定义的超分子，是若干原子以亚核力为主构成的超级大分子——一种高密度、高强度、耐超高温的新型材料，因此二者是完全不同的两个概念。
实际上超分子随处可见，有机物中的淀粉、蛋白质、糖以及萘、苯酚、纤维素等均属链状或环状的超分子体（我们通常称作高分子），它是生命产生的物质基础；无机物中的金刚石、钢中的马氏体等也均属超分子体。当然宏观环境中的超分子体尺寸都很小，而且一般为准超分子体，因为相邻原子间存在大量非化学键相互作用（即非亚核力）。系统相对论认为，太阳中存在大尺度的超分子体，详见第九章3.2节。
作者认为，基于系统相对论的物质观，我们可以逐步实现各种元素的超分子技术的突破，进而实现能源开发利用水平的第三次飞跃，即人类的终极飞跃。当然，第三次技术进步是以超分子技术为先导的一系列技术构成的完整技术体系。
4.6“真空能”飞船与遨游太空畅想
随着超分子技术的不断突破，掌握了真空能转换装置技术后，我们就可以建造遨游太空的宇宙飞船了。这个由真空能提供动力的宇宙飞船，与霍金所设想的最大不同在于，霍金设想的宇宙飞船需要携带足够的燃料，而真空能宇宙飞船无需携带任何燃料和生活日用品，以示区别，将真空能提供动力的宇宙飞船称为“真空能”飞船。
“真空能”飞船的能源转换装置如图11-2所示，它是一个球体结构，这是由其内部的超高温超高压环境所决定的。当然，一个完整的宇宙飞船还应包括驱动系统和人居环境等，因此一个合理的宇宙飞船结构如图11-4所示，飞船的中心是体积庞大的真空能转换装置，动力和辅助系统呈环带结构围绕在真空能转换装置周围，最外侧是操控系统和人居场所。
图11-4新型宇宙飞船模型从图11-4可以看出，真空能飞船的结构与“飞碟”存在惊人的相似，虽然科学界尚未承认UFO的存在，但系统相对论认为，这种相似性似乎为外星人的存在提供了理论依据，同时说明乘坐UFO到达地球的外星人已经完成第三次技术飞跃。可以预见的是，待我们实现第三次技术飞跃后，就可以遨游太空、随时拜访外星智慧生命，真正成为宇宙文明俱乐部的一员。
在中国正在推进的民族复兴进程中，如果我们在科学理论和技术创新方面赶超了西方，民族复兴的大业就指日可待了。正如拿破仑所说，“中国是一头睡狮，一旦醒来，世界会为之震动”。作者相信中国“睡狮”正在醒来。