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空间的量子化

(2009-03-08 20:41:42)
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空间

量子

空间元

频率

波粒二象性

如果光在空间传播是相对论的关键,那么光的发射和吸收则带来了量子理论。1900年,普朗克用他提出的量子假设来解释光发出的奇异色彩。五年后,爱因斯坦利用普朗克的量子概念来解释光电效应,即金属表面受到光的照射后释放电子的现象,并因此项成果而获得了诺贝尔物理学奖。(爱因斯坦获奖并非因相对论,因为相对论一直在物理学界存在巨大的争议,直至今日)后来,科学家在解释原子的光辐射和电子的波特性时也使用了量子的理论。量子论正确解释了许多原子现象及化学元素周期表的规律性,并继而对激光、晶体管、半导体的出现起了理论指导作用。可以说,没有量子论便没有现代的科学技术,而量子论的出现应归功于德国物理学家普朗克的量子假说。他提出物质中振动原子的新模型,从而正确计算出黑体辐射的频率光谱。普朗克假定物质原子不在连续的频率下振动,而只能在特定或量子化的频谱范围内振荡,即能量是一份一份的,每一份是一个量子。普朗克也因量子的发现并在其它科学家强烈的呼吁下,而获得了1918年的诺贝尔物理学奖。

十九世纪做的大部分光学实验都证明光是一种连续波,普朗克为解释黑体辐射而计算不同波长的能量,他必须假定光是以分离群体或说量子形式被射出或吸收。也就意味着光的产生和传导是在空间非连续分布。如果说能量或者光在空间是“跳越式”前进的,而光速的绝对性又说明光速是光在空间传播的本性。那么,光或能量有什么理由跳跃于连续的空间呢?回答很可能是——没有。所以,只能有一种可能,即空间本身是分立的。光子是在分立的空间元中依次传递。

从另外一个角度我们也试着理解一下空间分立的必然性。在我们面前摆着一个一立方米的铁块,它与一立方米的空间严格对应,铁块可以完全代表这部分的空间。无论我们将铁块分到多小,这一小块也必然会有体积。换句话说,没有体积的物质无论堆积多少也形不成有体积的实体。既然一立方米的铁块确实存在,我们就可以断定这个铁块是由有限个最小体积组成,即空间拥有分立的结构特征。相反,无限的空间将导致许多荒谬的悖论。

如果确定了空间是分立的,空间有最小的结构,那么分立的空间元之间是什么呢?(提到分立,必然有“之间”,没有“之间”的物质必然是一个整体,也就不存在分立的概念),它肯定不是空间,空间不可能存在于空间之间,它肯定与空间的性质完全对立,完全相反,我们暂且把它称为反空间(反空间是空间单元的间隔,它与空间共同组成了我们所熟悉的整体空间体积)。能满足空间与反空间特点的结构只有一种,那就是间格结构。(图中画的是平面形式,我们可以轻易想象成立体的三维形式)。每个空间元的周围是六个反空间元,每个反空间元的周围是六个空间元。这个简单的结构决定了光的特性。

空间的量子化

 

在纯粹的空间中,正反空间元是完全相反的,因而是相互吸引的。每一个空间元都对它周围的六个反空间元形成强大吸引。同样,每一个反空间元也对它周围的六个空间元形成同样强的吸引。由于空间元的分布结构是完全对称且抗衡的,所以整个的空间是均匀的,刚性的,稳定的,宏观上也是平滑的,连续的。

既然正反空间元强烈的相互吸引,这说明两者是具有能量的,且分出正反,就好象一块磁铁的两极。空间是正向的能量,反空间是反向的能量。空间的结构决定了空间在宏观上能量趋于零;在微观上能量趋于最大。

当一个光子被制造出来后,这个光子会占有一个空间元。由于它打破了纯粹空间的能量平衡,这个多出来的光子能量被它相邻的反空间元吸引过去;当光子进入反空间元时,又打破了这个区域的能量平衡,于是它又被下一个邻近的空间元吸引过去。光子便会在这个正反能量场的交替中向前运行。这种恒定的运行是绝对的。光子单位时间向前运行的距离就是光速。光子在正反空间元中的运行轨迹就是频率波长

我们用图来加以说明。如一个光子的运行轨迹是8-9-16-17-10-11-18-19-12-13-20-21,那么,8-9-10-11-12-13-14的七个空间元便是光子运行的距离。如果我们设定这段时间为一秒,它就成为光速。如果光子的轨迹是8-9-16-17-24-25-32-33-40-41-48-49,那么,光子的速度依然相同,在一秒内运行的还是七个空间元的距离。但两者的频率和波长却是不同的。第一种轨迹是光具有的最高频率和最短波长,第二种轨迹是光具有的最低频率 (υ=1秒)和最长波长 (λ=C≈30万公里)。8-9-10-11-12-13-14的轨迹是严格限制的。这条轨迹意味着光速改变了,光也失去了频率和波长。一切光的频率和波长都限定在上述两条轨迹中间。选择哪一条轨迹将取决于这个光子的能量大小。上述两条轨迹范围之外的轨迹将不再具备球波的属性。

让我们努力想象光在立体的空间中传播的景象。一群光子从一个空间元散开前进,经过一段距离,光子又重新聚在一个空间元中,形成一个波长。然后又散开前进,再聚合为一个点,在一秒钟内聚合的次数便是频率。当光子聚在一个空间的点上的时候,它表现为粒子的特性。光子在运行的时候,又表现为波的轨迹。所以,光具有波粒二象性是光与空间的本性决定的。光既是粒子又是波,但某一时刻,它只能是其中一种。

在单位时间内(或者说在单位体积内,这两种说法是相同的,后面我们将会把时间与空间同化),越高能量的光子,因为波长短,所以频率高,即聚合成粒子的次数多,它就更多地表现为动量的粒子性,相反,则更多地表现为能量的波动性。一个光子的粒子性与波动性是随着时间的延续而周期出现,同一个时间点不能同时存在粒子状态和波动状态。粒子性与波动性是互补的。一个低频率的光子在波态占用的时间长,那么在单位时间内,它更大概率地是以能量的波态出现,即粒子出现的概率与频率成正比,与波长成反比,很简单地把单位时间换成单位空间,便是粒子在空间分布上的几率波的概念。海森堡的测不准原理也可由此给出解释。

现在我们将审视一下空间与时间的内在关系。请看空间的结构图,光在空间的运行是由空间的本性决定的,它所耗用的时间也是由相同的原因决定的。也就是说,光在运行中的距离(空间)与时间是由同一原因决定,且恒定不可改变,即光速的绝对性。这样,我们就可以将最短的时间定义为空间元的边长。我们可以用空间来代替时间,这个数值就是光速。

由于空间已经指明了几何意义上正的方向,(如果几何意义上是负的,我们便都不会存在)所以时间也被指明了正的方向,因此,时间之矢是不可能倒流的。时间的箭头永远指向未来。所谓动力学的时间箭头可以倒转是一种误解,动力学时间倒转的根本含义是运动方向的倒转,倒转的运动要耗费同样长的时间。只有热力学指明了时间的方向,且规定了发展的不可逆性。

光子在空间运行的速度由光子与空间结构的本性所决定,这就决定了光速是不变的,光速是一个恒定常数。而且光速是物理世界中速度的极限,它具有绝对性、唯一性。由于光速的唯一性,那么具备光速的物质只能是光子。这就是说,无论什么物质,当它(如果)被加速到光速时,物质会全部转化为光子形式存在,即能量的形态。物质与能量是等同的,它们之间由速度而连接,物质的多少代表着能量的多少。

这个质量与能量的转化无论从动力学(质量)还是从热力学(能量)都可以简单而明确地推出。

首先,从热力学来看

一个封闭的热力学系统的温度与内部粒子的质量和速度之间有关系式,

    Mv2 = 3kT   (k是玻耳兹曼常数)

我们知道,温度是能量E的最直接量度,当我们把粒子速度定义为光速时,(此时,系统内的粒子全部转化为光子形式存在)我们就可以得到公式

         E = mc2               即质能公式

再从动力学来看

根据牛顿力学,一个质量为m的物体在一个引力场中的总能量等于动能与势能之和。我们要使这个运动的物体达到光速才意味着使这个物体的全部质量转化为完全的能量。使物体达到光速就意味着吸引体必须达到史瓦西半径,即黑洞。这样,得到公式:

E = E + E = mv2 /2+ KmM/R

把史瓦西半径R = 2KM/C2 代入上式得:

E = mv2 /2+ KmMC2/2KM = mv2 /2+ mC2/2

当物体m到达史瓦西半径那一刻,也即意味着到达了光速,它的动能公式里的v变为C,于是得到公式:

E = mC     质能关系转化公式




在爱因斯坦的狭义相对论中,E = MC 的推导过程是不明确的,现将这一过程抄录于此。这个推导录自爱因斯坦一生独自写的唯一一本书《相对论的意义》

...............

空间的量子化

事实上可以认识:对于远低于光速的速度,这些动量的分量和经典力学里的相符。对于高速度,动量的增长比较随速度的线性增长要快,以致在接近光速时趋于无限大。

如果将(43)里最后的方程应用于静止质点(q = 0),便知道静止物体的能量E0等于其质量。如果取秒为时间的单位,就会得到:

            E0 =mc                           44

所以质量与能量实质上是相象的;它们只是同一事物的不同表示。物体的质量不是恒量;它随着物体能量的改变而改变。由(43)里末一个方程可知,当q趋于1,即趋近光速时,E将无限增大,如果按q2的幂展E,便得到


空间的量子化

这个表示式的第二项相当于经典力学里质点的动能。


由上面这一过程可以看出,爱因斯坦通过空间与时间的变换,最后得到公式 E = m 即能量等于质量。然后,爱因斯坦在质量的后面加上了一个系数C2,从而得出 E = MC2 。这个系数的来由并没有说清,而且系数为什么取光速的平方而不是光速或光速的立方,也没有说明。

与爱因斯坦同时代的,可以说与爱因斯坦接触最密切的物理学家玻恩在他的《我们这一代的物理学》里指出了狭义相对论,尤其是质能关系式的得出当时曾引起很大的争议




在现代大型粒子加速器上也用实验证明了能量与物质的相互转化。量子理论认为,一个振荡的能量场会产生激发态,激发态的波峰便是能量场创造的粒子。在前面的论述中,已经知道空间拥有强大的能量,那么就不能否认,在这个强大的真空能量场的振荡中会创造出粒子。物质由真空创造,并不是不可理解的事情。而且它们遵从质能关系式E=MC2

前面论述中已知,空间是绝对的、唯一的、静止的,因而就必须要求它有一个坐标原点,即空间的中心。由中心向外辐射的空间波引起现实空间的振荡,这个观点将在后面论述,这里我们只记住空间波的概念即可,这有助于我们讨论下面的内容。

万有引力是牛顿伟大的发现,也是物理学最伟大的成就之一,它使人类认识世界的步伐跨出了飞跃的一步。今天,我们对引力太熟悉了。人们之所以站立在地球上而不是飞上空中,便是地球的引力吸引住我们的身体。太阳系之所以存在便是太阳的引力吸引住了其它的行星,包括我们地球,所以我们才能一年四季享受着太阳的光辉。一个物体在向引力中心坠落的过程中不断地被加速,根据牛顿公式 F = ma 可知引力场对物体施加了力,即引力场具有能量。被引力场束缚的物质总是呈三维的球形,这说明引力场是一个球形波能量场。

热力学定律规定,能量只能由高向低流动。能量凝聚态的物质在引力场中永远向引力最强的引力中心运动,这指明了引力最强的地方是空间中能量分布最低的地方。就是说,引力与能量成反比。而引力本身就是能量,这就意味着引力能量的方向与产生物质的空间能量方向是相反的,我们把它称为反能量,依照质能关系式,E = MC2,反能量构成的物质便成为反物质(后面论述反物质的形成)。

在空间中,分布着数量巨大的引力源,但空间波是唯一的、绝对的、均匀的,空间波与引力波都具有波的特性,当两者相遇,会产生波的相干,由引力波“切割”空间波形成一个个波包。由于空间波是均匀的,波包的大小便由引力的强弱决定,引力强度与波包的体积成为反比关系。大波包内的能量多于小波包内的能量,它们的差别导致了自然界中存在的一百多种元素质量上的差别。

空间的量子化

波包对能量原先的均匀分布产生了“切割”作用,使得能量出现局域分割状态,波包内出现结构中心,此中心对波包内的能量产生强大的内敛作用。这种束缚是由空间本身提供的,它强烈束缚住波包内的能量形成实态的物质,这种内敛作用便是强力。由于强力是空间结构本身所造成的束缚能力,所以只有在极小尺度内才具有作用,一旦超过这一尺度,空间便跨跃入宏观的平滑状态,强力现象消失无踪。

波包内空间结构特点决定了内敛作用强度由结构中心向外缘的递减,由此造成能量密度也呈递减分布。每一个粒子都有一个坚硬的“核儿”。体积越小的粒子意味着越坚硬,能量密度越高,也就要求打开它的能量更大。粒子的这种密度层结构,决定了它的许多粒子特性。

前面已经说明了波包的体积形成不同原子量的元素,而波包体积是由引力的强度决定的。如果引力再增强,则波包会受到引力波的弹性挤压,使得波包内的能量密度增高,波包变得不稳定。当能量密度高到一个限度时,波包内一部分的能量或物质将被挤压出这个波包以达到重新的稳定状态,这就是元素的放射性衰变。引力波对波包挤压作用就是引起元素放射性衰变的弱力。因此,同样的元素在不同的引力场强度中放射衰变的速度会不同。波包在受到了强烈的引力波挤压或能量注入时,将以快速而集中的方式释放里面被束缚的能量,这就是原子裂变

引力制造的波包在空间形成一个能量的阶梯,能量凝聚态的物质便在这个由高到低的能量场中一直滑下去,物质永远向引力中心移动。引力、强力、弱力都是空间结构的变化导致的,虽然它们的强度有着极大的差别,但它们的原理是同一的、明确的,它们都可以用空间结构来加以说明,并统一到空间结构的叙述中去。

空间的量子化

引力场是三维的球形波,设A点为质点,B点为自由物体,且mB<< mA ,围绕A点会构成有限个但难以计数的同心圆,(因为空间是有限的)每一个圆的引力强度是不同的,越接近A点,引力强度越大。这种引力强度的变化表现为自由落体B的加速度a,每一个圆则表示引力场中点的引力强度,它对应着这一点的环绕速度

               V=空间的量子化

(v意味着刚好抵消A的引力,使B自由飘移,这里B的运动系是一个加速系,但这里的等价关系只与速率有关,与参考系无关)。

由此可知,加速度a与速率v两者都可以等价地表示引力场强度。换句话说,一个加速系等同于制造出一个局域的引力场;一个惯性系等同于处在一个引力场中的某一点上。

根据牛顿定律,物体半径与质量达到关系式

                                  空间的量子化        

时物体便成为黑洞。黑洞意味着光也无法脱离黑洞的引力,意味着任何物体在到达黑洞的边界时,它的速度变为光速。即黑洞除了以光子的形式存在以外,它不会以任何实体的形式存在。黑洞导致空间反演,反演的空间是原先空间结构的异化,即正反空间的位置互换。畸变的空间由黑洞产生并传播出去,从而引起原先空间的振荡。空间是能量经由黑洞转化而来的。空间具有能量的属性,是能量的相变。由于空间的唯一性,这就要求空间的中心是制造空间的唯一点,这一点就是宇宙的原点,整个宇宙只有唯一的黑洞。现代天文观测有许多证据似乎支持黑洞的普遍存在。由于黑洞在原则上是不可观测的,因此,当一颗恒星或许多恒星围绕着一个“看不见”的质量运动时,我们就推测它有可能是一个黑洞。现在我们要说,它只是有着巨大引力红移(因此“不可见”),由稳定的轻粒子组成的巨大质量星体。

前面提到引力场能量是负能量,按照E = MC2,引力场制造出反物质。它与空间波创造的物质是对称的,它们质量相等、符号相反,相遇后会完全湮灭成光子。从空间结构上,可以认为物质的结构中心是空间元,反物质的结构中心是反空间元。引力场的强度与反物质的质量成正比。

在太阳中,强大的引力场制造了大量的反物质。它们与正物质湮灭并为太阳提供了巨大的能量,在太阳的中心,这种湮灭率最高。在太阳外围较弱引力场中,反物质的质量会减少,但因为外围的物质极其稀薄,这些少量的反物质要向太阳运动较长的距离才能遇到正物质,所以,日冕层里反物质的密度相对要高,导致日冕层的温度达到几百万度,远高于太阳表面6000℃的温度。同样,遥远的星系核、类星体中的巨大能量释放,也主要是由正反物质湮灭而提供的。

尽管地球的引力场非常微弱,它也在不断地制造着反物质,放射性衰变和反物质湮灭是地球内部两种重要的热量来源。反物质也是可以在地球表面测得的,只是它的质量极小,存在时间极短。

出现在星体上的反物质我们无法探测,我们最常看到的反物质出现在现代的高能粒子加速器上。从加速度与引力场等价的原理可以知道,加速器制造的是一个局域强引力场。当粒子之间撞击时,一个巨大的速度差发生在一个足够小的空间内,这个与引力场等价的加速场就会瞬间创造出反物质粒子。

黑洞是天文学中一种数学理论的产物,它一直没有被证实,它在真实世界中不应普遍存在。我们知道,黑洞的引力无限大,以致于速度极限的光都无法逃脱它的引力半径。根据反物质的原理,无限大的引力能产生无限质量的反物质,也就是说,在这个引力场中所有的物质将与同样质量的反物质完全湮灭,那么,除了能量态的光子以外,不再存在任何物质。如果反物质是被引力能量所创造的,那么,黑洞便失去了它在宇宙中普遍存在的理由。黑洞只能是唯一的,它创造了唯一的空间。

在宇宙中,到处存在着物质与反物质,物质存在的地方,就是反物质存在的地方,就象一张纸的两个面。我们生活在一个物质与反物质的世界中。

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