重新解读:20世初纪悬在物理学天空的那“二朵”乌云

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自旋场物理学 |
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重新解读:20世初纪悬在物理学天空的那“二朵”乌云
司 今(jiewaimuyu@126.com)
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开尔文男爵
19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上,英国著名物理学家威廉.汤姆生(即开尔文男爵)发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。
同时,他在展望20世纪物理学前景时,却若有所思地讲道:"动力理论肯定了热和光是运动的两种方式,现在,它的美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了:""第一朵乌云出现在光的波动理论上,""第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-玻尔兹曼理论上。
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以太验证实验
威廉.汤姆生在1900年4月曾发表过题为《19世纪热和光的动力学理论上空的乌云》的文章。他所说的第一朵乌云,主要是指迈克尔逊-莫雷实验结果和以太漂移说相矛盾;
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黑体辐射
他所说的第二朵乌云,主要是指热学中的能量均分定则在气体比热以及热辐射能谱的理论解释中得出与实验不等的结果,其中尤以黑体辐射理论出现的"紫外灾难"最为突出。开尔文是19世纪英国杰出的理论物理和实验物理学家,是一位颇有影响的物理学权威,他的说法道出了物理学发展到19世纪末期的基本状况,反映了当时物理学界的主要思潮......
——这就是20世纪初,悬在物理学天空的二朵乌云产生的背景及内容。
正是这不起眼的二朵乌云却掀起了一场轰轰烈烈的物理学大革命,并从中孕育出了我们至今还在为之继续奋斗的”相对论“和”量子力学“。
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为驱赶“二朵乌云”奋斗一生的英雄们
一百多年过去了,站在今天已布满金秋的物理学原野上,蓦然回首,凝聚在20世纪初物理学天空上的那”二朵乌云“似乎还没有完全散去,面对现代物理学现实与困境,居安思危——那不散的碎片之云会不会卷土重来?.....
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从现代物理学角度去看“二朵乌云”中,它们体现的是经典力学认识与微观世界现象存在严重冲突,这种冲突起源的根本点在于:宏观力学所描述的物质运动是没有自旋与空间不存在场影响的运动,而现实是在微观世界中,任何粒子运动都是有自旋性和自旋磁矩性,这种“双重性”是经典力学根本没有涉及或全面认识到的,就是经典电磁学也只认识到静态场部分,而没有意识到电子自旋、自旋场及运动场的存在;而量子力学正是延着微观世界粒子的这种“双重性”思路出发并发展起来的。
可见,把握粒子运动的“双重性”是人类认识微观世界的一把“金钥匙”——这对现代物理学的探索与发展仍有启迪意义。
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电子自旋实验
我本想就”狭义相对论“和”量子力学“建立的基础问题进行重新审视与反思,但考虑大家阅读习惯及篇幅所限,在此就重点谈一谈量子力学建立与发展及其目前为何出现困境问题吧。
从量子力学发展史中可以看出,量子力学诞生前,经典电磁学天空除了“紫外线灾难”这朵”乌云“外,还有卢瑟福”星空“中电子稳定问题之云作梗,于是,20世纪初对经典电磁学的”革命“已呈”山雨欲来风满楼“之势......今天我们从这场革命的结果来看,那场”微观世界“革命”除了”革“得不够彻底外,还应存在认识与思路偏差,并多少融入了一些“武断”情绪,具体说就是:
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1、 “紫外线灾难”问题的解决
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“紫外线灾难”是从维恩与瑞利-金斯的二个黑体辐射公式对长波辐射与短波辐射描述存在差异开始提出的,当普朗克用“内插法”统一了这二个公式后,又不得不引入一个“能量子”概念,这个概念的出现就使建立在宏观统计学之上的能量连续概念得到彻底破坏。
其实,黑体辐射研究的是热能传播问题,我们描述热能大小的关键参量——温度就是建立在微观粒子运动动能概念之上的,对微观粒子个体而言,其具有的动能传播运动并不存在连续性,而应表现出一份一份性,但我们在研究黑体辐射能量时竟把这一概念忘得一干二净,非要创出一个什么“能量子”概念,真有“多此一举”之嫌;仅凭温度概念我们就可以知道,能量传播在微观概念下并不是连续的,而是一份一份、粒子性的。
由于普朗克能量公式是继承维恩与瑞利-金斯公式中用频率描述能量的思想,结果就把能量传播的粒子动能性与波概念联系到一起了,从而使量子力学走上了“波粒二象性”的道路。
不过,在没有认识到微观粒子运动有自旋性与自旋磁矩性的情况下,这种认识无可非议,但我们现在已意识到这一点却还抱着“波粒二象性”思想不放,就有点匪夷所思了。
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虽然我们的经典力学(包括电磁学)理论存在某些缺失,如,不曾对物体自旋与自旋磁场集于一身的粒子运动进行过详细描述、对带有自旋磁场的粒子在磁场空间中将作如何运动变化的问题探讨存在空白,但这不是我们物理学家们“无动于衷”的理由,如果硬要将这作为一个理由,那只能说明我们物理学家们的思想是多么的懒惰与保守,这将是人类探索自然规律里程中的一大悲剧,也正是现在科学体制的一种悲哀吧!
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2、卢瑟福“行星结构原子模型”与电子运动辐射电磁波问题的解决
卢瑟福的“行星结构原子模型”本无可厚非,但由于我们延续了经典电磁学中“电子运动会辐射电磁波”而能量减少的思想,结果就臆测:绕原子核运动的电子不会稳定存在的结论;当这种结论与实际不符时,才会“逼出”玻尔的“量子化轨道理论”,但玻尔理论有一个突出的缺陷,那就是无法解释多电子的原子辐射光谱现象。为什么?我们没有深究。
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其实,当初认为“电子运动会辐射电磁波”而使电子运动能量衰减的思想是从洛伦兹“偶极子振荡模型”与麦克斯韦“电磁波理论”推论出来的,这就说明我们的经典电磁场理论可能存在缺陷、我们对电磁力本质的认识应存在不足。
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经典电磁场理论是建立在法拉第“力线”概念之上的,似乎二个带电体或磁体之间产生力必然需要“力线”来连接,但我们有没有考虑:法拉第力线是一个“假想”的东西,我们用这个“假想”的东西来解释电、磁力的本质问题,就必然会得出所谓的“力传递因子”怪论来;其实,我们没有从库伦电、磁荷定理方面作认真考虑:场的分布是一个连续的空间,不可能存在所谓的一根根占据空间且不连续的“力线”;但我们的经典电磁场理论恰恰就是建立在这些“力线”概念之上的,这不能不让人反思,我们的电磁场理论是否存在缺陷呢?
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从法拉第力线描绘手段上来看,我们用以“验证”力线存在的微观“小磁针”就是一个占据独立空间的个体,就因这些独立空间个体能够有序地排列在场源外空间,我们就断定“电磁场是由力线组成” 的结论是不是草率了点。它们为什么就不会连续存在呢?假如这些“小磁针”无限小,那我们的力线岂不就无限细、无限多?无限多的线能构成面,面是一个连续概念,这岂不与我们原创力线概念的初衷相矛盾?
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力线思想从根本上破坏了库伦电、磁荷定理所描述的“场具有连续分布性”的本质;这种破坏为后来场物理学的发展带来严重阻碍。
虽然,我们对场不连续性的“判断”对后来玻尔提出“量子化轨道分布理论”会有帮助,但玻尔的“量子化轨道”不是由什么物理原理推理出来的,而是“硬性规定”出来的,这同后来的薛定谔“波动方程”的给出如出一辙;但就是这二个“硬性规定”却组成了量子力学建立的最基础部分,这不能不说我们量子力学建立的基础是存在问题的,或至少说明它缺乏了对微观世界粒子运动物理机制的洞悉条件。
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其实,玻尔“规定”的“量子化轨道”蕴含了一个物理事实,那就是:自旋的复合原子核或宏观星体的组成结构是分层的,既然分层,它们“内部”自旋也就必然存在分层性,依据“自旋产生自旋磁场”原理,就必然会出现“分层磁场”,行星、电子的“量子化轨道”分布现象正是这些“分层磁场”的存在所造成的;如果我们现在还没有意识到这一点,那么,我们的物理学理论想向前发展将是不可能的!
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通过上述分析,结合当今量子力学困境及目前观测、实验成果来看,我们量子力学建立的物理基础还是不牢固的,其中有很多“人为规定”因素,这些因素深深掩盖了许多微观世界粒子运动的真正物理奥秘......
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3、继续量子“革命”与展望
现在看来,在对“二朵乌云”的那场革命中,量子力学无疑是佼佼者,它对现代物理学的贡献应当说,目前还是超过“相对论”的,而且量子力学所揭示的世界本源问题有可能比相对论更接近“真实”,为此,我对量子“革命”充满信心!并在此提出一点感悟与展望与大家交流和分享:
量子只是描述微观世界粒子性的一个笼统概念,它包函可以独立存在的任何形式粒子,如质子、中子、电子,光子等都可以在各自的研究领域内称为“量子”。
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量子有几个重要的物理属性值得关注:
1、能量不连续性,即普朗克所描述的粒子传递能量是“一份一份进行的”;
2、角动量不连续性,比如电子在核外分别时,其轨道角动量是不连续的,具有“跳跃性”;
3、运动的自旋性,量子描述的世界是一个带有自旋运动的世界,这与经典粒子概念不同;
4、自旋磁矩性,任何粒子都有自旋性,同时也都有自旋磁矩性,“自旋生磁”是我“自旋场理论”的重要组成部分(当然,磁的产生还包括“公转生磁”——这说明磁的产生有二种形式,即“自旋生磁”和“公转生磁”,电磁学和目前的量子力学只强调“公转生磁”,却忽略了自旋生磁性,这是当今物理学存在严重“疏漏”的地方)。
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——从量子的上述“属性”来看,量子概念还可以再拓展:在一个研究系统中,凡是具有自旋、自旋磁矩性存在的独立系统或个体,都可以归纳为一个“量子系统”,从这个意义上来说,太阳系也可以被看做是一个“量子系统”,地球就是一个“量子”......
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我们有理由坚信:只要我们能够牢牢把握“旋转”与“旋转生磁”这根弦,那么,我们走进宇宙奥秘深处的脚步一定会更坚实,我们继续量子力学革命的明天也一定会更美好!!