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波就是波 粒就是粒

(2012-03-27 05:31:36)
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文化

观念变革

物理学创新

杂谈

简介:《中华科学物理宇宙图像》最突出的贡献,就在于以西方实证科学300余年积累的成果为据,把西方哲学坚持的物质一元论,改为华夏先民发现、总结出的阴(指隐性存在)阳(指显性存在)二元论;为了避免使用陌生概念带来的歧义,特意选用了爱因斯坦首倡提出的物质~空间系统论。

进而严格区分了哲学概念和基本物理量的不同,明确指出“L、T与空间的关系,跟M与物质的关系并无二致”,物理学只需要使用符号表示法,就可以避免落入出现诸多悖论和困惑的尴尬境地。

只需要把“空间”视为独立于传统所谓的“物质”、并且与物质并存的另一类物理实在,科学家们的眼前即刻就会豁然开朗起来:微观的基本存在有且只有用M计量的粒子、用q计量的电荷、用ε计量的量子h三种;能量也只有与m相关的机械能、与q相关的电磁能、与辐射相关的辐射能ε三种。

辐射能ε完全都是由存在于空间中的连续态的量子h、以振动波的形式所传递的一种能量形式,跟司空见惯的水波并无二致—— 空间中存在着永无停息的震荡;对于这个理论推导的结果,3k微波背景辐射的发现给出了确证。

据此,结合生活中被我们熟视无睹的现象,很容易就可以得出,所谓的波粒二象性,只不过是微粒处在震荡不息的空间中形成的一种“复合态”而已。跟不平静的水面上的细碎末屑,永远都不会静止完全相同—— 最后还提出来一个并不难实现的用于验证“波就是波粒就是粒”的实验方案。

 

波就是波 粒就是粒

 

 

周 吉 善

 

 

摘要:物理学研究的对象分用M计量的Z系统和用g或T计量的N系统,传统将分属于Z、N两系统的物理客体通称“物质”是误用了哲学的概念。若以Z、N两系统结构论为认知自然的基本观念,光速不变、波粒二象性和不确定关系等,不仅都可以得到合理的阐释,还可以用实验验证“波就是波,粒就是粒”。

关键词:Z系统 粒子性 N系统辐射能 波粒二象性 不确定关系

 

 

20世纪的物理学给人类带来不少困惑,所谓的光速不变和波粒二象性就是两个至今都不得其解的谜团,根源在于物理学误用了“物质”这个哲学概念。实际上只需要改变一下自然观,诸多困惑都可以得到冰释,比如只需要将具有波粒二象性的“微观粒子”,认定为一个复合系统,并不难检测出“波就是波,粒就是粒”。

一、观念的变革

首先,必须承认物理学并不研究“物质”本身,正如任何人都不可能回答“水果”是什么滋味一样,因为物质和水果同属于抽象的类概念。实际上物理学只研究质量、电量、能量和时间、空间的关系,这五个概念分别用于指代不同的属性,没有一个用于指代物质本身。

其二,物理学一开始就分牛顿范式和非牛顿范式。前者企求用L、T的函数描述质点运动的规律,后者则探求热、光、电、磁的本质。

现代物理学分用质量M计量和L、T描述、用能量ε计量和相位描述两大理论体系,前者研究的对象被牛顿抽象为“质点”,用量纲式中的M计量,宏观上称为物体,微观上称为粒子;后者研究的对象被普朗克抽象为基本作用量子h,由ε=hν=h/T可知,用以计量的是时间T(即周期),而不是M。

20世纪60年代中期,3K微波背景辐射发现后,自然界的存在分不连续的万物和连续辐射,已经被普遍认同,却依旧将二者统称为物质,很显然是不妥当的。

本文建议摈弃掉误用的哲学概念“物质”,承认物理学研究的对象分用质量计量的Z系统和用能量ε计量的N系统;牛顿的质点理论和普朗克的量子理论绝对不能予以混同,因为二者不具有共同的计量标准。

尤为重要的是二者使用的时间存在本质差异:

前者使用摆钟时间,由波就是波 <wbr>粒就是粒 可知,g越大时间越快;后者使用爱因斯坦时间,即g越大时间越慢(1)。物理客体本来就分能被“隔离”的粒子系统和不能隔离的量子系统(即连续辐射),将二者统称物质就必然会产生悖论。

其三,物理学的传统不分析能量是一大缺憾,实际上能量共分三种:

与质量相关的Em=mgR,与电量相关的Eq=nQqr-1和与辐射相关的Eγ=h/T(即hν)。三种能量中都包含着用L、T表述的量,依据广义相对论带来的观念变革,即空间“不再是事件在其中发生的被动的背景……相反的,它们现在成为动力学的量”(2-P53),可以肯定T和L是用于描述N系统属性的物理概念。

Em或Eq分别由N系统跟质量或电量共同显示能量效应,而Eγ则由N系统自身直接显示。

综上所述,只需要摈弃掉一(即将物理客体唯一的视为物质),接受二(Z、N两系统结构论)和三(能量共分三类),物理学史上的“以太公案”就有希望得到公正的“判决”。

“早在古希腊时代,以太就作为一种物质形态的概念被提出,自笛卡尔把它作为传递相互作用的媒介物引进科学后,它一直扮演这个角色:它充满星际空间,是传播光和电磁等作用的载体。在19世纪,以太作为连续分布的物质形态,同分立的物质粒子并存”(3-P370)。

到了1887年,迈克尔逊~莫雷实验以精确到10-8数量级证实“地球上没有以太风”,学术界就普遍认为这是对不存在以太的“极其明确的判决”(4-P31),20世纪的物理学理论基本上就都建立在“空虚空间”基础之上。

60年代中期3K微波被发现之后,又开始承认宇宙空域存在着“连续辐射”,用爱因斯坦的话说即是“‘空虚空间’这概念就失去了它的意义”(转引自4-P112)。“连续分布的物质形态,同分立的物质粒子并存”被证实。

依据上述事实回过头来再看迈~莫实验,原来对实验的解释犯了个常识性错误:难道由于测不出船对水的速度,就可以判定水不存在吗?

如果是以太带着地球在转动,不同样测不出“以太风”吗?

笛卡尔将以太“引进科学”是对的,但是没有指出物理学不研究物质,分立的物体和连续态的以太虽说同属于物质,却具有本质的差异。

普朗克发现ε=hν后,没有相应地意识到基本作用量子h与粒子的本质差异,在于不能用量纲式中的M而是用量纲式中的T予以计量,将Eγ(即ε)称为量子视同于粒子,更带来了观念上的混乱。

观念的变革要求概念必须更新,21世纪物理学理论中应该用“质量M”替代“物质”,用辐射能(即Eγ)替代“量子”;明确粒子和辐射能的本质差异,确立经典物理学和量子理论分别适用于Z、N两个系统的观念。

二、光速不变

光速不变,指的是光速与光源运动的速度无关,或曰:光总是各向同性的。

光属于Eγ,用T计量,是跟量纲M无关的N系统的事物,依据传统所谓“质量是惯性的量度”可以判定,光速不带光源的惯性是很正常的。

1905年,爱因斯坦曾通过“赋予电磁场粒子性的方案”,“使得光的瞬时效果表现粒子性,而时间平均效果表现波动性”(3-P406),本来已经解决了这个问题;但是由于哲学的原因,即缺乏Z、N两系统和谐互补的自然观,就又产生了下述困难。即“如果电磁场作为在真空中传播的一种独立实体,那么它的速度必须依赖于发射源的速度”;“在洛仑兹理论中不存在这个困难,因为光被视为以太波,其速度可以不依赖于光源”(3-P406)。

如果依据Z、N两系统和谐互补的自然观,上述困难本来就不存在。

首先,光的发射(或吸收)是对Z系统粒子而言,传播是对N系统而言;

其二,光的发射总是瞬时的,即当Eγ从粒子中发射时,总表现为一份一份的粒子性,而不能连续变化;

其三,Eγ在N系统中传播时,却总是以量子h的振动形式表现为波。

可以通过下述事实予以类比:

粒子和N系统的关系犹如小船和水,当桨敲击水面的刹那间,对水“发射”出的能量就总是一份一份的,表现出粒子性;而这种能量激起的水波在传播时,其速度跟船速自然就不存在关系。

上述困难产生的原因,其一在于“真空”二字,现在已经承认真空不空,光的传播过程总表现为介质的波动就不难理解了,洛仑兹理论适用于这一范畴;其二是牛顿的粒子理论先入为主,一提到粒子就总觉得它象弹球似的占据一定的3维空间,没有从Eγ总是一份一份被发射的角度,去理解不能连续变化的实质。

最后,讨论C=3×108m/S的实质。Eγ同样具有动量P,由Eγ=h/T、P=h/λ可得C=Eγ/P=λ/T——即C既决定着Eγ的波长λ和周期T的确定关系,又制约着Eγ的动量值,属于N系统的一种规律,也是Z、N两系统的分界。

Z系统中粒子的动能和动量之比同样有确定的值,但是这个值不是常数而是可变的;在N系统中,任何Eγ的能量和动量之比却都是同样的常数C。

即此可知,超光速是不可能的。

因为与现实生活相关的客体除了Eγ皆属于Z系统,有质量就有惯性,即使是电子也只能接近而永远不可能达到C。有人曾以取虚质量的方法计算出可以超光速,只能被看做是一种没有物理学意义的数学游戏而已。

三、波粒二象性

光的波粒二象性已如前述,所谓Eγ的粒子性,所指仅仅是当Eγ从粒子中发射(或被吸收)时,总是一份一份的不连续性,而不是说它会象弹球似的占据3维空间的一定位置。本节讨论Z系统粒子的波动性。

得布罗意提出波粒二象性,迄今已有七十余年,开始时科学家们说微观物质“既是粒子又是波”,后来改为“既不是粒子又不是波”,实际上这两种说法并不存在本质差异。依据的事实是“对同一对象使用两种不同的测量仪器可以显示不同的物理图象。用干涉仪得到干涉图样……用记数器得到的是粒子的记数率”(3-P500)。所谓的波粒二象性,就是这样一个迷团。

依据计算量子不连续能量值的公式

En= 波就是波 <wbr>粒就是粒
具体讨论“一个被关在L=4埃 箱内的电子(m=me=9.1×10-31kg)如何运动”,将L、m代入上式计算的结果,“那个电子最低能量状态(基态)也还有2.3eV能量(动能)”(详见4-P143),通常称这种能量为电子的“动能”或曰电子的“自能”就是错误的。如果电子真的处于“真空”中,这种说法没有错;可实际上电子却无法从永远处于振荡状态的N系统中隔离出来,自然界的任何粒子都永远处在“树欲静而风不止”的被动状态。

试想:空中悬浮的气球不能静止,原因在于空中能量ε的分布不均衡;水中物块的动能亦来自于水,都不应该说成是气球或物块的“自能”。

依此不难悟出微观粒子实际上都是由Z系统的粒子和N系统中特定的波动能量构成的复合系统;所谓的波粒二象性,是使用分别适用于Z、N两个系统的仪器,检测这种复合系统产生的不同效应。粒子的波动性,源自于承载粒子的N系统中的波动能量,并非是粒子本身属于波。

既然是检测复合系统,就不应该将两种仪器分开使用,依据下述设计方案,并不难检测到波就是波、粒就是粒。

验证实验:

同时使用干涉仪和记数器观测微观粒子,当光栅的隙缝小于粒子直径时,放在光栅背后的计数器就不会记下粒子数,而屏上却能得到干涉图样。

理由是通过光栅的只能是N系统的一列波,而粒子将会被“滤”掉。

 

据此还可以阐明不确定关系的物理学机制。

不确定关系又叫测不准定律,具体表示为:

(ΔX)(ΔPx)≥ 波就是波 <wbr>粒就是粒

 意思是粒子的坐标和速度不能同时精确测定,属于量子力学领域的一个重要定律,至今都无法弄清其机理。

如上所述,粒子的动能源自于N系统,其动量P自然也不例外。

因为在N系统中的P=h/λ,即每一个动量值都决定于λ,而波长λ代表一定的长度,并非是几何学所定义的一个点;于是任何一个粒子的动量值实际上就是对应于λ的平均数。

故而当坐标精确定义后,其速度就不能精确测定,速度精确定义后,坐标亦不能精确测定,而两者的乘积则是可以精确测定的。

实际上问题就这么简单,只需要将西方哲学的物质一元论换成两系统结构论,对实验的解释就迥然不同,诸多的悖论和困惑便都可以冰释。

真理本身都非常简单明了,重要的是阐释它时所选取的视角是否合理,依据的自然观是否正确。

 

 

参考书目

(1)周吉善    时间随R而变的方程  郑州防空兵学院《学报》  2003年第2期

(2)(英)霍金著杜欣欣等译    霍金讲演录       湖南科技出版社   1995年

(3)董光璧等著             世界物理学史     吉林教育出版社   1994年

(4)倪光炯等著             近代物理         上海科技出版社   1979年

 

 

 

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