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202@365边静量子发电机,从女记者到32亿身家女富豪:孩子,你必须含泪努力奔跑!(二)

(2019-12-01 17:09:26)
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195@365“天不生边静,万古如长夜”-访青岛边静量子应用技术研究院院长边静!连载二 (2019-07-14 18:08:20)转载
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    牛顿运用分析与综合相结合的方法,归纳与演绎的公理化方法,寻求因果关系中相似性统一性原则,以实验为基础发现物体的普遍性原则,正确对待归纳结论的原则,科学的简单性原则等,极其明晰地得出了完善的力学体系,对后世科学的发展产生了深远的影响。他研究问题的科学方法和原理,普遍得到后人的赞赏和采用。

 

      牛顿从力学上证明了自然界的统一性,是人类认识自然历史的第一次大飞跃和理论大综合。可以说,近现代科学和哲学,都发轫于牛顿的经典力学。从牛顿建立经典力学开始,人类的思想观念,才开始真正走向科学化和现代化。

 

      牛顿用力学的原理去解释一切自然现象,将一切运动都归结为机械运动,一切运动的原因都归结为力,把自然界中起作用的原因都归结为自然界本身规律的作用,自然界是一架按照力学规律运动着的机器,有利于促使科学家去探索自然界的规律。

 

      从此,科学家们以为牛顿经典力学就是整个物理学,甚至是全部自然科学的可靠的最终的基础。牛顿经典力学名著《自然哲学的数学原理》一书成为了科学家们共同遵循的规范。

 

      牛顿建立经典力学之后,科学家们认为物理规律可以解释宇宙中的一切,只要知道了宇宙最初的状态,那么理论上可以预言之后所有时刻的宇宙状态。这样的观点叫做“决定论”。法国科学家拉普拉斯,试图用严密的数理逻辑,来解释宇宙中的一切,所以决定论也被称作“拉普拉斯信条”。拿破仑询问拉普拉斯:在你的学说中为何不把上帝加进去?他信心十足地回答道:我们根本不需要“上帝存在”这个假设。牛顿经典力学的建立,使得人类对自己的智慧有了前所未有的自信。

 

      牛顿经典力学不但对自然科学产生了很大影响,对社会科学,特别是对哲学和人类思想的发展,都产生了重大影响。

 

      在牛顿经典力学的直接影响下,英国的霍布斯和洛克建立和发展了机械唯物主义哲学。从此,唯物论从宗教神学那里争得了发言权,和唯心主义展开了激烈而长期的争论。

 

      马克思和恩格斯吸收了康德、黑格尔等前人对机械唯物主义和辩证法的研究成果,最终建立了唯物主义辩证法。几乎可以说,牛顿经典力学体系,是唯物主义辩证法的根基。

 

但是,经典力学的应用受到物体运动速率的限制,当物体运动的速率接近真空中的光速时,经典力学将不再适用。经典力学认为,物体的质量与物体的运动速度及能量无关。后来,爱因斯坦的相对论研究则表明,物体的质量会随着运动速率的增加而增大,物体的质量和能量之间存在着密切的联系。

 

      再后来,科学家发现,牛顿运动定律不适用于微观领域中物质结构和能量不连续现象。19世纪末,20世纪初,物理学的研究由宏观领域进入微观领域,X射线、电子和放射性等微观现象的发现,特别是对黑体辐射现象和光电效应现象的研究,促成了量子力学的建立,一种与经典力学观念截然不同的新观念产生。人类对微观世界的奇异现象困惑不已。例如:粒子的能量等物理量只能取分立的数值;微观粒子既表现为粒子性又表现为波动性;粒子的速度和位置具有不确定性;粒子的状态只能用粒子在空间出现的概率来描述,等等。

 

      量子力学的建立,并不是对经典力学的否定。当物体运动的速度远小于真空中的光速时,经典力学仍然适用;宏观物体的运动,量子现象并不显著,几乎可以忽略不计,经典力学依然适用。现代物理学的发展,并没有使经典力学失去存在的价值,只是拓宽了人们的视野,经典力学仍将在它适用的范围内大放异彩。

 

   量子场从微观能量角度看,宇宙由绝对无限的时间场、空间场与量子场(能量场)三大基本要素构成。看来,量子场(能量场)是构成宇宙的三大基本要素之一,而物质场(物质世界)则不是构成宇宙的三大基本要素之一,因为物质起源(产生)于量子场,量子场是最基本的,物质场不是最基本的。所谓“基本”,就是事物的真正“根本”、“根底”、“基础”、“基部”。只有没有起源的事物才是“基本事物”,只有不须说明的规律才是“基本规律”,只有不须证明的原理才是“基本原理”,只有不须解释的理论才是“基本理论”等等,才能够称得上“基本”二字。宇宙的绝对无限的时间场、空间场与量子场所以称为三大基本要素,就是因为它们是没有起源、不能说明、不能证明、不能解释的最基本的事物,谁能够证明、说明、解释它们的来源?谁也不能啊。时间场、空间场不需要再讲,也就是那些内容了。现在就来研究讨论“量子场”,注意不是研究讨论量子场的来源,而只是研究讨论它的结构、特性与意义。
1、量子场的结构量子场即“能量场”,包含着动能量与势能量。量子场是一个综合场,包含有“标量场”、“矢量场”、“旋量场”、“规范场”与“希格斯场”。(1)标量场:是指只有大小、强弱而无方向的能量场,分为”实标量场“与”复标量场“。(2)矢量场:是指四维矢量场,分为”马克士威场“、“重矢量场”。(3)旋量场:是指随着四维时空的转动而转动的四个复分量场。(4)杨—Mills规范场:是指矩阵矢量场。(5)Higgs(希格斯)场:是指势能量场。
2、量子场的基本特性(1)量子场是量子构成的空间场,量子场就是能量场,动能量与势能量就是量子场的基本特性。(2)量子场是绝对无限的、无边无界的、立体的能量海洋,是宇宙物质(明物质、暗物质)的基础,是宇宙能量的基础,或者说称为“暗能量”。(3)量子场是永恒的、永存的,即能量是永恒、永存的,遵守“能量守恒定律”。能量是物质运动的本领,所以物质运动也是永恒、永存的。(4)在没有粒子(m=0)的时空真空态,量子场仍然存在,量子场中各点上仍然有 能量,即所谓的“零点能”。这说明量子场是与时间场、空间场共同存在的客观存在,而不是由时间场、空间场产生的。
3、量子场的主要意义量子场的主要意义就在于它是粒子的起源地。量子是能量的最小单元,所以量子场就是能量场。量子场的激发态(即能量的聚集态)是粒子,则粒子产生。所有粒子都是物质真空态量子场的激发态,粒子产生于能量场(势能量与动能量):(1)标量场:实标量场动能量产生(激发)中性粒子,如光子等;复标量场动能量产生带正、负电荷的粒子,如正、负电子等。(2)矢量场:Maxwe场产生无质量、以光速运动、左旋或右旋态的粒子,自旋值S=+1或—1,S=1为光子;重矢量场产生有质量、左旋或右旋态的粒子,S=+1 或—1,如中间玻色子等。(3)旋量场:Weyl场产生无质量、以光速运动的粒子,自旋值S=1/2,如中微子、反中微子等;Dirac场产生有质量、自旋态不确定的粒子,自旋值S=1/2,如核子(质子、中子)等。(4)杨—Mills规范场产生夸克与胶子的粒子,夸克自旋值S=1/2,正、反夸克计36种,胶子计8种。(5)Higgs场势能量产生粒子的静止质量,与场真空态相耦合。大多数基本粒子(共62种)产生于量子场(能量场),基本粒子是一般粒子、一切物质的最小单元。在绝对无限的时空出现了物质最小单元。有了物质最小单元,就有了六种基本力(引力、斥力、电磁力、核强力、核弱力与原动力),则运动的原子核、原子、分子等就好说了。于是乎,大大小小的星系、天体与星际介质等也就好说了。所以,没有宇宙的量子场存在,就没有宇宙的物质存在,而宇宙(原意指“时空”)还有什么意义呢?没有也。

      美国著名诗人Alexander Lipe为边静写下了一段经典对白:Nature and Nature' law lay hid in night 。Godsaid:“Let bianjing be!” And allwas light。自然与自然的定律,都隐藏在黑暗之中。上帝说:“让边静来吧!”于是,一切变为光明。宋代理学家朱熹评价孔子有一句著名的话:“天不生仲尼,万古如长夜。”有人比照意朱熹的话,将边静量子发电机为世界的贡献译为:“天不生边静,万古如长夜。”

光到底是波还是粒子?这在物理学界经历了长期的争论。牛顿是微粒说的代表人物,而惠更斯则认为光是机械波。经历了麦克斯韦、赫兹、托马斯杨、菲涅耳等人的努力,人们逐渐认识到光是一种电磁波。

但是,科学家赫兹发现了光电效应现象:紫外线照射可以使得锌板发射电子。

原本大家以为这是个平淡无奇的现象,因为光具有能量,可以将电子撞出。但是,最初人们认为光的能量与光强有关,因此越强的光越容易发生光电效应,但是这个想法却无法获得实验支持。人们发现光电效应是否发生与光的强弱无关,而似乎与光的频率有关:频率越大越容易发生光电效应。

 

为了解释这个问题,爱因斯坦大胆借用了普朗克的观点。他认为:光的能量是一份份的,每一份称为一个光量子,或简称光子,光子的能量与频率的关系也满足普朗克公式。

比如,紫外线光子的能量就比可见光强,可见光的光子能量又比红外线强。因此,只有频率高的光才能将电子撞出。光强并不表示每个光子的能量,而表示光子的个数。爱因斯坦通过这个关系完美解释了光电效应实验,并获得诺贝尔奖。

 

 

 

于是,在爱因斯坦提出了光子学说之后,人们认识到光不光具有波动性,也具有粒子性,于是就称为波粒二像性。爱因斯坦说:“好像有时我们必须用一套理论,有时候又必须用另一套理论来描述(这些粒子的行为),有时候又必须两者都用。”

 

既然电磁波是有粒子性的,那么粒子是否也有波动性呢?这个想法看似天方夜谭,一个苹果如何能跟波联系到一起?

 

 

但是自然界就是这么神奇,就好像法拉第发现了变化的磁场可以产生电场,麦克斯韦就联想到变化的电场也能产生磁场一样,一位年轻的法国学者大胆的预言:不只光具有波粒二象形,实物粒子也有波粒二象性。这就是法国学者路易·维克多·德布罗意。

 

 

德布罗意经过长期的思索,得出一个结论:不止是光,所有的物质都具有波粒二象性。物质的粒子性由动量P代表(质量与速度的乘积),波动性由波长λ代表,并且二者的乘积等于普朗克常数h.

比如,一颗子弹质量m=0.1kg, 当它以v=300m/s的速度运动的时候,子弹的动量P=mv=30kgm/s.这样子弹的波长

 

这个波长如此之短,任何仪器都无法探测到,但是它是存在的。

 

在此之前,量子力学教父级人物——丹麦物理学家尼尔斯.波尔在1913年提出了氢原子能量量子化模型。

 

波尔指出:电子在围绕氢原子运动时,轨道只能取某些特定的值。这些特定的值满足量子化条件:

 

其中m是电子质量, r是电子轨道半径,v是电子速度,n是一个整数,称为量子数。h是普朗克常数。

 

 

当电子在不同轨道之间跃迁时,氢原子就可以发射光子。波尔通过这个假设成功解释了氢原子发光现象,并获得诺贝尔奖。

 

可是,为什么氢原子的运动要满足这个规律呢?1923年,德布罗意在《法国科学院学报》上连续发表了三篇论文,解释了波尔量子化条件:电子轨道必须使得电子在原子核周围形成驻波。

所谓驻波,就是指电子的波长必须能够收尾相接。也就是说,电子轨道周长必须是波长的整数倍。

 

如果电子的波长与动量的关系满足λ=h/P,就可以得到与波尔的完全一致的结论了。

 
要证实一个物理理论,必须通过实验。既然粒子具有波动性,那么就应该能表现出波的特点,那就是干涉和衍射。干涉和衍射是指:波通过障碍物时会传播方向会发生变化,造成障碍物后面出现不同于直线传播的图案。例如:双缝干涉就是光通过两个缝隙之后,在后面的屏幕上出现明暗相间的条纹。

 圆孔衍射就是光通过一个小孔之后在后面的屏幕上形成同心圆环。

干涉和衍射是波特有的,声波、水波、光波都具有干涉和衍射现象。那么要证实物质波的存在,就必须发现粒子的干涉和衍射现象。

 终于,科学家GP汤姆孙成功观测到了电子的圆孔衍射图样:将电子通过一个狭窄的缝,电子经过缝之后居然表现出了光的特点——在屏幕上出现了衍射条纹。至此物质波的学说被人们证实了。

那么,粒子的波动性本质到底是什么呢?

 德国物理学家玻恩提出:粒子的波动性与经典的机械波不同,它并不表示振动形式的传递,而是表示粒子存在于各个不同位置的概率。也就是说:微观世界中的粒子并不一定在某个位置,而是存在一定的概率分布。在某些地方概率大,在某些地方概率小,用波函数就能描述这种差别。这种解释称为哥本哈根诠释。宏观物质——例如一个苹果,也具有波动性,只是由于波长太小,所以人们才会没有感觉。

 

现在人们认为:物质的波粒二像性是普遍存在的,但是只有在微观世界,讨论它才有意义。这是因为在微观世界,牛顿力学已经失效,必须使用量子力学,量子力学的基础就是概率与不确定性,而波动性正好可以描述这种性质。青岛边静量子应用技术研究院:13161577510

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