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粒子  量子  电荷

(2012-03-24 07:09:17)
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文化

观念变革

物理学创新

杂谈

 

简介:粒子、量子和电荷是物理学理论中的三个非常重要的概念,但是由于传统把实体概念和属性概念混为一谈的弊病,导致人们在观念上存在着许多混乱。本文仅从粒子用质量M度量,量子h用ε度量,电荷用电量Q度量切入,很容易地就厘清了其中的混乱观念。进而,依据笔者勾勒出的“中华科学物理宇宙图像”,又阐明了自然界的能量有且只有三种,宇宙的自组织演化是ε→M、M→ε的双向、可逆的过程,自然界的纷纭万象皆由ε进、出于粒子所引起,即辐射能ε是呈现在人类眼前的万千变化的“第一因”。

 

 

粒子  量子  电荷

 

 

摘要:粒子、量子和电荷是物理学理论中的三个非常重要的概念,但是由于传统把实体概念和属性概念混为一谈的弊病,导致人们在观念上存在着许多混乱。本文仅从粒子用质量M度量,量子h用ε度量,电荷用电量Q度量切入,很容易地就厘清了其中的混乱观念。进而,依据笔者勾勒出的“中华科学物理宇宙图像”,又阐明了自然界的能量有且只有三种,宇宙的自组织演化是ε→M、M→ε的双向、可逆的过程,自然界的纷纭万象皆由ε进、出于粒子所引起,即辐射能ε是呈现在人类眼前的万千变化的“第一因”。

关键词:粒子系统,量子系统,最小作用量子h,辐射能ε,电荷

 

1】 近代物理学是以希腊哲学为基础的一门学科。古希腊哲人的自然观是人与自然分离,从公元1世纪基督教创立开始,就出现了神权与人权的对立,最终将物质和意识定为一对最抽象的范畴。

为了能够与神权分庭抗礼,“近代科学一开始就确立了只研究属于第一性的质量和重量,排除一切与感觉有关的第二性”(董光璧:《世界物理学史》),即确定把自己研究的对象统称为“物质”,都可以用物理学量纲式中的质量M予以精确度量。

近代物理学发韧于牛顿《自然哲学的数学原理》,具体地讲就是开始于用牛顿三定律对宏观物体的运动进行定量计算;这种被称为经典运动学的牛顿范式,是以量纲式中的M计量物质的多少,用量纲式中的L、T描述其运动规律的自洽理论。因为物质既然用M计量,L和T自然也就成了与物质无关的、只用于描述运动的参量。

法国人傅立叶等开辟了另一条途径,着力于描述热现象的规律,被称为非牛顿范式或现象论物理学,以温度为计量标准,从不同时刻系统状态的变化中去发现和描述规律。迄今都没有对这两种范式物理学做出严格区分,不能说不是理论界的一种失误。

运动,是从广延的角度描述一物体对另一物体的位移,其关系总是相对的、人为规定的、非自然的。

变化则是从持续的角度对同一系统的始末状态进行比较,其关系是同一系统的两种状态互为参照,属于不添加人为条件的纯自然过程。

严格地讲牛顿范式物理学并不属于科学的范畴,就连牛顿自己都说:“我不得不把我们这系统的结构归之于一个全智的主宰”,并且宣称“我们必得承认有一个上帝”—— 因为在牛顿的学说中,“并不是因为我们完全认识了规律,而正是因为我们认识它,因为我们还弄清这些规律的‘相当复杂的条件’,所以我们在这里有时找‘’这个字做避难所”(黑体字为恩格斯原文中所固有)。故而在牛顿的学说中,就一直存在着“规律外加”之困难。

实际上物理学所研究的运动,只能包括行星运行和自由落体之类的自然运动,而牛顿所谓的惯性运动,却总离不开“用人力同天然的吸引作斗争的必要性”(恩格斯:《自然辩证法》),故而笔者称其为非自然运动

但是,由于牛顿被称为物理学的鼻祖,牛顿范式又被视为是物理学的典范,于是非牛顿范式物理学在不得已的情况下,也就少不了需要使用牛顿范式物理学的概念和基本观念,比如使用分子运动论去诠释热现象的本质。

本文只讨论与热现象、热辐射相关的内容,重点考察概念上的问题。

研究热现象的基础理论是分子运动论,即依据一个系统分子动能与温度的关系,对系统的初、末状态进行定量描述,从而发现了普适气体恒量R=8.31焦耳/摩尔开。即1摩尔质量的粒子(即系统)温度变化1K需要8.31焦耳能量,揭示出能量ε是引起现象发生自然变化的主动因。

直到19世纪末叶,非牛顿范式物理学才从热现象深入到对热本质的探寻。对黑体辐射实验数据处理的结果,最终解开了“热现象”之谜。

首先是发现了史丹芬—玻尔兹曼常数,确立了能量均分原理;进而由维恩依据热力学结合实验数据,凑出一个只适用于短波的公式,继而由瑞利和琼斯依据能量均分原理得出一个只适用于长波区域的公式;最后由德国人普朗克在改进维恩公式的基础上,采用内插法引入一个最小作用量子h,使之得到完满解决。

普朗克的成功秘诀在于,大胆地放弃经典的能量均分原理,假定振子的能量不可以连续变化,当它吸收或放出频率为ν的电磁波时,只能是一些等间隔的能量状态中的一个,其能量为

      En=nhν  (n=0,1,2...)     

n叫做量子数,只能取整数,并称每一个可能的能量状态为量子态。最小作用量子h后来被称为普朗克常数,普朗克就成为量子概念的创始人。

但是,普朗克的“量子h”这个概念,并没有被当时的学术界所接受;直到爱因斯坦的光量子理论被学界承认后,“光量子”这个概念才得以流行开来。然而,这时候的量子已经变成了ε=hν。

量子h粒子的本质差异究竟是什么 ,迄今为止依旧是理论物理学的一个盲点,人们对量子理论感到迷茫和不理解的要害就在于此。

粒子是实存之物,属于物质范畴,可以用质量M度量,与用L、T表述的空间结构gR,共轭决定能量值mgR。

量子呢?如果指能量ε,与质量m都指代属性而不是实存之物;如果指h,却又有属于纯虚构的第二性之嫌疑。最小作用量子h,一是无法予以度量,二是属于普朗克意识的产物。混淆和困惑即由此而产生。 

2
 20世纪60年代中期,3K微波背景辐射被发现,宇宙空域存在着全域关联的连续态网络被普遍认同;要对这种连续态网络定量描述,首先就必须确定其最小单元,而这种单元个体却又无法从网络中隔离出来研究。

这种既属于实存之物,又无法从系统中隔离出来的最小单元就叫做量子,可以记为h,即量子h和粒子都指代实存之物,而h却无法用客观标准度量,只属于可意会而不可言传的观念范畴的概念。

量子h与粒子的本质差异是它具有内禀时间T,用T对h度量的结果即是辐射能ε=hν=h/T, ε同时可以被当作量子h的具体显现者。

连续态网络构成量子系统,与现实世界用M计量的物质系统的本质差异在于,量子(h)与其本质属性(ε)合二为一,而粒子和它的本质属性(m)却是分离的。

粒子用量纲式中的M度量,其能量由m和V2共轭决定,可以被隔离为分立的个物;量子h用其内禀时间T(即振动周期)度量,其能量ε即是h的体现者,无法从系统中隔离出来予以认知。

20世纪对亚核粒子的研究还发现,所谓的宇宙自组织演化,即是质量M可以从ε创生、又可以湮灭为ε的双向可逆的循环过程,粒子/反粒子对的创生与湮灭即是佐证。

其间还存在一个非常重要的环节:电荷的创生与消逝。

“中华科学物理宇宙图像”(附后)中间那三条虚线所示的,即表示由ε同时创生m和Q,m和Q 又可以湮灭为ε的自然过程。

此三者就分别指代粒子、量子和电荷的本质属性,可以列表对比如下,以澄清将实存之物与其属性混为一谈之失误。

 

实存之物

 

主要属性

 

能量形式

 

计量单位

 

粒子

 

质量

 

mgR

 

质量kg

 

量子h

 

内禀时间T

 

h/T

 

能量eV

 

电荷e

 

电量

 

Qner-1

 

电量c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

粒子是用M计量的物质系统最小、分立的个体;量子h是连续态的、用ε计量的能量系统最小的单元个体;宇宙是由粒子系统和量子系统构成的有机整体。电荷属于粒子的一种,又是两系统相互转化的过渡态;由之决定着万物的形成、结构和变化。

 

 3】 依据“中华科学物理宇宙图像”,笔者不仅发现宇宙的自组织演化是ε→M、M→ε的双向、可逆的过程(或曰是量子生电荷、电荷构成粒子~粒子分解成电荷、电荷湮灭为量子的过程),同时还有如下一些新的颖悟。

对粒子系统来说,p+和e-分别带正、负电荷,可以构成原子、分子乃至万物,于是就有了现实世界的纷纭万象;p+和e-确系就是构成大千世界的基本粒子,要害在于带电量。

进一步分析还发现,N系统中还有两种特殊的结构,以用量纲式中的L、T描述的空间结构gR作用于m,决定着一种与质量m相关的能量;以 ner-1形式(电荷的1维分布率)作用于电量Q,决定着一种与电量Q相关的能量。

另外还有一种如图像中那条竖线所示的,可以从粒子中发出、并自主进入粒子相空间被储存起来的辐射能ε——自然界的能量有且只有三种:

与质量M相关的能量Em=mgR,与电量Q相关的能量Eq=Qner-1,与辐射相关的ε=h/T。

图像中那条竖线所显示的,其实质是Eq和ε相互转化的一种机制:

ε进入粒子的相空间后,就会通过原子、分子电结构的变化,变为Eq储存起来,从而引起物态、物性乃至物种变化等诸多自然现象;或者是由于粒子电结构的变化,Eq变为ε被释放出来,从而引起量子h的振动。

“物理宇宙图像”还告诉我们:广义相对论、狭义相对论和量子理论分别适用于gR作用于m 、ner-1作用于Q、ε与Eq相互转化三个领域;由于后两种作用都与ε相关,是量子场论成功的基础。广义相对论与量子理论相结合的量子引力论,恐怕不会有成功的可能,因为缺乏客观实存之物为基础。

这里只谈跟微观的物理客体粒子、量子、电荷相关的内容,进而涉及到自然界的能量只有三种两个问题;“中华科学物理宇宙图像”中所包含的诸多内容,还有待那些有识之士去发现。

 

英国当代科学史家F·查尔默斯在《科学究竟是什么》中写道:

在这些领域里自称为“科学家”的人,往往认为自己是遵循物理学的经验方法的……幽禁在他们现代化的实验室里,透过数字仔细端详世界,不能知道他们努力遵循的方法不仅必然是无结果和没有成效的,而且也不是使物理学取得成功的那种方法。

F·查尔默斯这话就说得很有见地。物理学史上一般都说,近代科学思想的第一次变革是牛顿“以数学原理取代了思辨原理”。于是在之后的300多年里,就以牛顿范式物理学为典范,直至发展到现在的数学主义。

当代自然科学范畴内存在的诸多悖论,基本上都在于把实体概念与属性概念混为一谈。比如把粒子和辐射能ε并称为“子”,而不清楚普朗克当初所引入的最小作用量子h,指的是一种实际存在的物理客体;传统的物理学理论中所谓的量子ε,却只是由存在于空间中的作用量子h所传递的一种振动能。围绕量子论的诸多困惑,基本上都植根于这种概念的混乱。

“中华科学物理宇宙图像”中,仅用了十来个概念、四个图标、七条线,就已经可以将物理学的全部内容囊括殆尽,足以能够证明:在物理学领域内,拿起奥卡姆剃刀删除无用概念,已经是到了刻不容缓的时候。

 

  

粒子 <wbr> <wbr>量子 <wbr> <wbr>电荷

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