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科学理论之批判(5)光子概念定格

(2007-12-14 11:28:35)
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科学

 
 
    第五节    光子概念定格
 

    光与“光子”似乎是一个永远也讲不完的话题。

    在物理学概念中,“光子” 究竟是什么,每一个谈到光子的人恐怕在意识中不一定是非常清晰了解的, 正如每一个谈论“宇宙” 的人一样。可以如此说,正是因为对光的本质不明了, 概念不清晰, 才导致了物理学上无尽的争论与种种佯谬。

    波粒二象性学说似乎统一了光的 “微粒说” 与“波动说”,但并未触及本质概念。

    通过对电磁波谱的分析解剖可以了解这一点。

    电磁波谱告诉我们,人类眼睛能感觉到的可见光,只是红外线与紫外线之间的这一段电磁波, 实际上, 说“光子” 是一个微粒子,就是把以这种频率振荡的一个周波视为一份份的可见光“光子” ,作为一个粒子而言,其体积、质量的确定数据是什么,恐怕谁也答不上来。

    因为量子理论的大厦正是建立在“光量子” 这一最根本的基础概念之上,故此不能不对这一概念的实质进行深入的分析。

    1905年,爱因斯坦为了解释光电现象----金属受到光的照射而放出电子的现象----提出了“光的粒子性” 假说,即光子说。他认为,光不仅象普朗克在1900年提出过的,在原子发射与吸收时,具有粒子性,而且光在空间传播时也具有粒子性,即光是一粒一粒以光速C 运动的粒子流,这些光粒子称为光量子,即光子。

    由普朗克到爱翁,光子更确定地成了一粒一粒独立而间断的,象物理学经典概念中质点这样的宏观数学量。这里必须指出并论证的是,这种“量子化” 而得出的概念,并不能改变空间质能的连续性特点。“量子化” 只是自然科学体系以标准化方式理解宇宙时的约化原则,在原子这一量级上的具体运用,仅仅是为了数学计算上的方便,而把一段连续变化量归约为一份份独立而间断的量,类似于天文学上同样出于计算上的方便,在宏观上将光在一年中所走的路程归约为“光年”这样的概念单位。

    可见光光子这种粒子概念是将连续变化量约化而形成的,这一点很容易就可证明。

    物理学揭示,每一个光子都具有能量,光的频率越大,光子的能量就越大,能量与频率的关系可用公式表达:

 

      e  = h.u

 

式中e是每个光子的能量,单位为尔格, u是光的频率,单位赫芝(周/秒),h为普朗克常数,h = 6.624X 10-27 尔格 .秒。利用上述公式可算出各种不同频率的光中每个光子所具有的能量,如可见光(由红光到紫光)的频率在3.9 X  10 14 周/秒到7.5  10 14 周/秒之间变化,因此红光光子的能量为e红

 

 e红  =  h.u  = 6.624  10-27   3.9  X 1014

             = 2.6  10 -12 尔格 ≈1.6(eV)

    而紫光光子的能量e紫

e紫   h.u  = 6.624  10-27  7.5  1014

                = 5 X  10-12  尔格 ≈3.1(eV)

 

    由此可知,可见光光子的能量在1.6--3.1(eV)之间变化。

    由于对微观现象在观测与计算上受到限制, 物理学理论从根本上而言是出于数学理解的原因, 将上述连续变化的能量就这样“量子化”(约化)而有了“光量子”的概念。通过分析, 在可见光光子概念之后,又有了红光光子、橙光光子、 黄光光子以及绿、青、蓝和紫光光子等概念,实际上, 由红到紫将可见光分为七种颜色,也只不过是人类约定俗成的一种宏观量概念,可见光是一种连续变化量, 只要你具有更精细的辨别能力,还可以将由红到紫的七种颜色在更小的量级上予以区别。

    波谱中的迦马射线g在物理学上已被证明实质上就是光子流,只不过其频率与能量更高而已,g射线的光子概念将在下文中揭示其实质, 它与可见光光子的区别在哪里,也将结合彩色图详细说明。

    就这样,在“光子” 这一概念中, 又衍生出了这么多不同的光子。

    “量子 ” 概念的实质就是在原子层次上将较小量级的连续变化量归约为间断的量。 由此可见,语言中连续与间断的概念都是相对于某种量级而言的。

    以上论述不但说明了可见光光子概念是由连续变化量约化而来, 而且更进一步地揭示了,人类语言的一切概念都是相对的,正如多次谈到的关于点、线、面与体的概念之相对性一样。

    随着人类对宇宙认识领域的不断扩大,原来在常观物质世界层次上, 用声音和图符将在感觉基础上所获信息, 采用编码方式形成的语言文字概念,极须扩充与整理。如今, 人们经常对某些词语用“狭义的”和“广义的”方式不同理解, 就正反映了原有语言文字概念与当今信息时代更丰富而精细的信息量之间的不协调性, 现代语言文字既要照顾到传统概念, 又要包容由延伸演化而扩大的更多相关信息,真有些勉为其难,故常常不得不推出“广义的”理解方式。

    很多佯谬或悖论就是在对一些相近相似的概念胡乱运用或悄悄偷换的基础上产生的。 可以说,宇宙中没有任何佯谬,一切是如此的有秩序和和谐,所有的佯谬都是人类思维活动中由于概念的混乱而生造出来的。

    可见光光子是质能连续变化量,为了使概念更明确,本文将“光子” 解释为质子场的质能变化量。 在质子场基础上产生的氢原子和其他重原子, 物理学上已揭示各种原子正是通过不停地吸收与发射光子与外界产生联系。此处须着重指出,各种原子的质能变化量与质子场的质能变化量在理解上应是有区别的, 只是因量级相近,差别微小, 在简化原则上,可将这些不同的质能变化量同视为光子而等效计算。各不同原子的质能变化量的差异,可由元素的光谱的差异这种观测事实得到证明。

    可见光光子的概念实质可通过对彩图4-6的分析更清楚地显示。

    图中核心白色的小圆就是质子, 外围最大圆为质子场, 由赤、橙、黄、绿、青、兰和紫七种颜色构成七个不同色环,代表质子场外围七种不同质能密度圈,这七种密度圈虽然量级相近,但相对高密度的质子量级而言,它们都可被视为“虚空” 。 在虚空的相近量级上,七种密度圈之间还是有微小差别的。

    整个质子场在一种节律中膨胀与收缩, 这个胀缩的变化总量就是被视为一份份的光量子,或称光子。

    假若有能力分解这个变化总量,就可以发现这个连续变化总量是由七种密度圈的变化分量积累而成, 即为七种变化分量之和, 而这七种变化分量可以在更小的数量级上“量子化”为一份份的七种不同“光子”,分别称为红光光子......紫光光子等, 它们的胀缩变化的频率与周期各不相同,这就是光子概念的实质。

    如果你愿意,还可将彩图理解为我们的太阳, 而我们所感觉到的阳光, 只是量级比质子场更大,有观测实效,并具有统计意义的宏观量。通过彩图还能进一步理解,普通白色光线被棱镜分解成七种彩色光的秘密。 而联系到波谱表中的迦马射线,我们完全有理由认为,g射线实质上就是由质子场的核心部分即质子, 彩图中的白色圆膨胀与收缩的变化量,在谱表中产生机制一栏中,所谓“原子核受到激发”的说明正好印证了这一点。

    关于宏观量,可以这么认为, 所有理化等自然学科通过观测然后以标准化方式给定的量, 都是具有统计意义的宏观量,如质量、温度、体积、比重、比热等等莫不如是。

    下面可用一个形象的实例说明宏观量。

    雨过天晴,人们看到天空出现一道美丽的彩虹, 我们都知道,那是阳光通过天上无数细小水珠折射造成的,彩虹就是所有细水珠共同造成的有观测效果的宏观现象,宏观现象的实质都是对微观量级的总体统计。对所有的宏观现象如果有必要去作标准化认识, 那么所给定的数学量就是具有统计意义的宏观量。

    量子理论通常被认为是以一种概率统计的方式去理解微观事物的。 通过分析,我们可以了解到经典物理学甚至整个自然科学体系都是在以一种对小的量级进行宏观统计的数学意义上去认识宇宙中的事物,只不过相对牛顿的代数方式与爱因斯坦的动态几何方式, 量子理论被所研究的领域诸性质决定了, 只能更多地依赖概率统计的数学方式而已。

量子力学以精致的数学模式在宏观现象与微观现象之间搭建了一座桥梁,巧妙而简洁地解决了技术应用上所必然要面对的数学计算问题。其在科技上带来的成功是十分巨大的。但相对这种在数学与技术上的成功,在对亚原子世界的哲学认识上,量子理论却显得并不协调同步。如果一个学界外人士想了解物理学理论,他会吃惊地发现,不同的科学家有一些不同的说法。量子理论体系中有众多不同的理论模式,各执一端却又试图完整地解释整个量子世界里的事物。然而直到二十世纪结束,还没有一个理论模式取得了众望所归统揽一切的成功。

理论上难以统一与众多理论佯谬的存在,均说明了物理学家对量子世界的认识是不充分不全面的。这种认识上的不足有着深层次的哲学原因,是不能完全依靠纯数学技巧上的突破解决问题的。遗憾的是有不少人正是纯粹在数学上拼命努力,试图从中找到突破口。

具体来说,所谓哲学原因,指的就是应对物理学家探究量子世界秘密时所采用的方法进行分析;认识事物的方法一般来说决定了认识所获得的具体结果。

小尺度上量子世界里的各种事物,超越了人类感观能力,人们只能依靠间接的方式去获取其中部分信息。只有从哲学上分析这些间接方式的局限性,并通过其他方式补充其不足,才能获得对量子世界较完整准确的理解。

让我们来分析物理学家通常采用的获取信息的方法。

迄今为止,关于量子世界的一切表述根据都来源于这样的观察方式。人们利用高能加速设备使某种已知粒子(如质子、中子或α粒子)象一颗颗发射的小炮弹,高速运动着去撞击某些目标粒子,然后通过象“气泡室”之类的专用研究设备来观察分析这类高速碰撞产生的效果。观察者看不见这些微小粒子,只能借助于摄像技术记录下粒子们在“气泡室”里留下的运动轨迹,运用精密的数学方法,通过对胶片上留存的种种光学信号的分析,构建对各种基本粒子的理解,并最终形成相关的量子理论。

从对上述方法的分析中可得出两条重要的结论。

一、 量子理论描述的是一个被观察者扰动了的对                  象。

二、对量子世界的一切认识都是间接获取的,所                                                             

有信息都是通过了光或曰电磁波这样的中间    

环节的转载。

仅此两点就决定了量子理论的不完备与诸多佯谬的产生。

当一个如质子的粒子由高能设备加速之后,这个质子已经不再是原来意义上的质子了,它的总质能量实际上已超过了前者。用它来撞击其他物质粒子,产生了种种粒子散射现象。无疑,物理学家通过对这些现象的分析获取了不少有价值的信息,掌握了很多亚原子粒子的规律性。但必须指出,所有这些有价值的信息,都只是量子世界信息库总量中的一部分,还有大量粒子信息与规律性藏在深层次上,并不能通过上述的方法而获取。物理学家象顽皮的孩童,把手边的玩具拆卸成越来越小的碎块,面对碎块他们无法将其还原,相反却幻想自己有更大的能力将碎块碾得更碎。人们不断地将物质分解再分解,却没有将他们的思维和语言换一种方式,让大家知道那些被弄得越来越小的物质组份是怎样组合成我们感觉得到的模样的。

粒子们生生灭灭,其组合与分解的机制是什么,它们依照怎样的规律性转化?角动量的由来与自旋的机制怎样形成?粒子间的相互作用是通过怎样的方式显示?……这些相关理论至今无法明确,本身就说明了这个道理:量子理论揭示的只是这一世界的一小部分。

从外部带进质能量进而观测量子世界里的粒子行为,这好比有一玻璃缸水,观察者用棍子使劲扰动水,想通过造成的涟漪和水泡来更深地了解这缸水的各种性质规律一样,我们知道这样做虽然有所获,但非常有限,颇似盲人摸到大象的某部位,得不到对大象整体的认识,而且这种由外部带入的扰动在某些方面还以一定程度影响了量子世界的客观真实性,许多佯谬正是因观察方式或由此推演的理论而产生的。

    上述第二点则说明了我们所有关于量子世界的认识都是通过光或者说电磁波而间接获取的,人们对光的认识也就影响了对观察对象的认识。而历史证明,人类对光的理解几百年来一直在不断深化和改变,至今对光的运动本质及概念本质仍不能说研究得很透彻,因而即使有了波粒二象性理论也不能说非常准确清晰地了解了光。甚至于可以这样说,正是因对光的认识不完整准确,直接导致了量子理论在哲学认识上的不完备性,以及诸多佯谬的产生。而科技史上各种相互争论的观点均未对这点有足够的认识。

    如今人们用一组组数学量表述的所谓基本粒子共有400多种,都是科学家以特定观察方式发现的,这一事实实际上可以反过来思考。量子世界存在无数粒子,已知粒子只不过是其中一部分,它们反映了人类具有怎样有限的发现它们的手段,而未知粒子则说明人类还缺乏很多其他手段。科学技术的进步虽然能通过改进具体方法而获得更多发现,但迄今为止观察方式大体系如上所述却是类同的,因而也就总是被一定程度所限制的,认识也就体现出不完备性。这种不完备性惟有通过思维方式,尤其是通过突破固有概念体系的思维方式,(即非自然科学概念体系)才能得到某种程度的补充。

    幸运的是,已经有许多杰出的科学家意识到了这一点。

    这还提醒我们,在学习量子理论时,应相对性地看待这一理论所表述的一切。

 (请看第六节)

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