<4D F736F F D20C1BFD7D3C1A6D1A7D6AEC0A7BBF32E646F63>

Size: px

Start display at page:

Download "<4D F736F F D20C1BFD7D3C1A6D1A7D6AEC0A7BBF32E646F63>"

省巴魄别
5 years ago
Views:

1 量子力学之困惑隐去作者姓名摘要本文从量子力学的最基本概念, 量子能量与宇宙内的事物联系, 得到了量子学说无法面对自然界的物理事实几方面的困惑在此基础上, 可以说, 从对接收到的星体最小能量感知数量级上, 则我们看到的实际宇宙空间比我们现在已经通过各种媒体使世人知晓的宇宙空间小得多所谓宇宙大爆炸的二个最重要的证据 : 背景辐射和哈勃定律是需要重新认识薛定锷方程是量子力学数学计算的最重要的基础而德布罗意波是否存在, 则决定着薛定锷方程能否进行的最重要的理由, 需要重新设计, 进行更仔细的试验来验证德布罗意波来是否存在, 才能认可薛定锷方程是否有存在的理由关键词光量子频率背景辐射德布罗意波我们已知量子力学的最基本概念之一是 : 1900 年德国科学家马克斯普朗克提出了一个大胆的假说. 这一假说认为物体发射或吸收的能量 ( 即光波能 ) 是不连续的, 存在着能量的最小单元他把这种最小单元的能量叫做量子. 一个光量子的能量大小取决于光的频率 ν( 即颜色 ) 且与一个物理量成正比, 即 E=hν, 物体发射或吸收的能量必须是这个能量的整数倍, 而且是一份一份按不连续的方式进行的现在被称为普朗克常数的 h= J S 这个学说以后就叫光量子假说 1

2 太阳常数是进入地球大气的太阳辐射在单位面积内的总量, 要在地球大气层之外, 垂直于入射光的平面上测量以人造卫星测得的数值是每平方米大约 1366 瓦特, 近年来通过各种先进手段测得的太阳常数的标准值为 1353w/m2 一年中由于日地距离的变化所引起太阳辐射强度的变化不超过上 3.4% 1981 年, 世界气象组织 (WMO) 公布的太阳常数值是 1368w/m 2 太阳的光谱是一连续光谱, 即所有的电磁波频谱都在其中. 伽马射线的频率是可达到 Hz 之上的太阳的能量主要在可见光可见光的频率只是其中很小一部分可见光的频率是介于 Hz 至 Hz 之间这样, 按光量子假说, 则相应的光量子的能量是 J 至 J 因此, 可见光之间每一频率对应的光量子的能量平均值可取 J. 按照已知的太阳常数值 1368w/m 2 由每一频率对应的光量子平均值 J. 则可得每平方米最多有个频率可是, 在地面上, 我们在一平方厘米甚至在一平方毫米内都能接收到太阳的光谱, 则在一平方厘米内最多只有个频率, 一平方毫米内最多只有个频率太阳常数值 1368w/m 2 是指在一平方米一秒钟内的能量累积可现实是, 可用相机在一秒钟内的任一时刻得到太阳的连续光谱图的这样, 我们将如何理解太阳光谱的能量分布? 能认为在量子说法之内, 认为太阳光谱不再是连续光谱, 是在各种约束范围内呈现出有限的光谱频率数目吗? 2

3 在光量子假说的基础上, 人们将光量子给予了粒子的含义即存在光子这一实物粒子建立了光的波粒二象说本人在光子悖论一文中否定光子粒子性的存在本人在光子悖论一文中已经指出 : 离太阳一光年的位置每平方米每秒可接收到可见光子数为个, 类似太阳的恒星在离地球一百万光年的位置则每平方米每秒最多只有一个光子到达了地球, 那么, 离地球一亿光年的距离则是一万平方米每秒最多只有一个光子, 或者说具有一万个太阳的能量才能在一平方米每秒内有一个光子 2010 年 3 月 25 日腾讯科技讯 ( 编译 / 嘟嘟 ) 据国外媒体报道, 科学家发现一个早期宇宙中的巨大星系, 这个巨大星系不断制造出类似太阳的恒星, 而且其制造恒星的速度是现今银河系的 100 倍同时由于巨大星系上光线到达地球的时间很长, 科学家观测到的这个早期宇宙星系存在于 100 亿年前, 仅仅在大爆炸 30 亿年以后 3

SMM J2135-0102 星系是用欧洲南方天文台的阿塔卡马探路者实验 (APEX) 望远镜发现的可 SMM J2135-0102 星系距离地球是超过百亿光年的距离, 按照光子理论, 则只有具有上亿个太阳能量的恒星才能在一平方米每秒内有一个光子到达地球在宇宙中, 离银河系最近的星系之一是仙女座

4 SMM J 星系是用欧洲南方天文台的阿塔卡马探路者实验 (APEX) 望远镜发现的可 SMM J 星系距离地球是超过百亿光年的距离, 按照光子理论, 则只有具有上亿个太阳能量的恒星才能在一平方米每秒内有一个光子到达地球在宇宙中, 离银河系最近的星系之一是仙女座据目前估计, 仙女座星系的质量不小于个太阳质量距离地球在二百万光年以上因此, 能够发出的能量最多相当于个太阳的能量 SMM J 星系的质量可以认为与仙女座星系的质量相当, 即个太阳质量, 则只能够发出最多相当于

5 个太阳的能量, 可 SMM J 星系距离地球是超过百亿光年的距离, 因此, 只有具有上亿个太阳能量的恒星才能在一平方米内每秒有一个光子到达地球即 SMM J 星系到达地球的一平方米内每秒只有个光子这样, 即使用目前世界上最大的天文望远镜, 直径为 10 米, 则最多能在每秒钟内接收到个光子因此, 可以认为如认可光子理论, 则不能有上述照片存在, 或者说是此星系的距离计算错误太大形成的据英国每日邮报在线版及美国每日科学网 10 月 21 日 ( 北京时间 ) 报道, 欧洲天文学家已证实有测量记录以来最遥远最古老的宇宙天体出现由这个星系辐射出的光芒要历经 131 亿光年才能到达地球, 而该星系出现时, 宇宙尚且年幼研究结果发表于 20 日出版的最新一期英国自然杂志该星系在早些时间由哈勃天文望远镜发现, 但其年代和距离的判定最终应归功甚大望远镜 (VLT) 位于智利帕瑞纳山的欧南台 (ESO) 观测站环境得天独厚, 而 4 台 8.2 米口径的甚大望远镜就是其王牌设备它们的最佳研磨精度达到了 8.5 纳米, 组合起来的聚光本领相当于口径 16 米的镜面, 构成了此次判定最远星系的有利条件目前, 这个位于宇宙超深空 (Ultra Deep Field) 区域的星系被命名为 UDFy , 其质量相当于银河系的 1% 至 10%, 比银河系要小得多由于天体移动时, 在可见光波段光谱的谱线会朝红端移动一段距离 ( 即红移 ), 而来自遥远星系光线的红移又与其距离成正比, 因此经过持续 16 小时观察该星系的红移程度后, 天文学家 5

6 用了两个月时间测算出其与地球相距至少 131 亿光年, 即来自该星系的光芒要历经 131 亿光年才能到达地球这使 UDFy 星系一举成为人类迄今观察到的最遥远宇宙天体据论文合著者英国杜伦大学博士马克斯温班克介绍, UDFy 星系应出现在宇宙的起步阶段距宇宙诞生不足 6 亿年的时间里对宇宙诞生后最初几亿年的情况, 科学界一直知之甚少研究人员普遍认为, 当时存在一个导致现有恒星行星等各种天体形成的宇宙再电离时期, 本次发现将有助于探索宇宙再电离时期的演化情况依据大爆炸理论, 宇宙肇始于 137 亿年前, 俟宇宙稍事冷却后, 氢原子开始生成, 氢原子雾在数亿年间充斥宇宙, 导致宇宙彼时并未完全透明, 亦使得观察这个本就昏暗的星系更加困难幸而, 甚大望远镜的技术力量能拨开迷雾, 终使人们见证这一古老星系的辉煌我们已知银河系是太阳系所在的恒星系统, 包括一千二百亿颗恒星和大量的星团星云, 还有各种类型的星际气体和星际尘埃它的总质量是太阳质量的 1400 亿倍这个 UDFy 星系, 其质量只相当于银河系的 1% 至 10%, 则只能够发出最多相当于多亿颗太阳的能量由于同地球相距至少 131 亿光年, 即 UDFy 星系到达地球的一平方米内每秒最多有个光子因此, 当使用甚大望远镜 (VLT) 观测此星系时, 虽然组合起来的聚光本领相当于口径 16 米的镜面, 也最多只能每秒接收到 UDFy 星系的个光子 6

7 我们已知现在天文学对宇宙认识的一个重要的方式是对光谱信息的解释高温物体和宇宙中恒星与星系产生的可见光是一连续光谱频率范围为 Hz 至 Hz, 即至少具有个波长, 就是说相应有个光子才能形成一最小的连续光谱线仙女座星系的质量不小于个太阳质量, 距离地球在二百万光年以上因此, 到达地球表面时每平方米每秒内的光子数量将小于个, 就是说使用直径 10 米的望远镜对仙女座星系接收的光线无法形成一最小的连续光谱线可现实是, 仙女座星系只是离我们地球近距离的星系之一我们的天文学者在天文望远镜的观测中已经得到各种星体的连续光谱其中近距离的星系只是很少的一部分面对上述以量子学说理念解读天文数据而产生的悖论可以认为, 现有的关于大部分星体的空间数据, 是不合理的, 需要重新进行检测或者可以说, 从对接收到的星体最小能量感知数量级上, 则我们看到的实际宇宙空间比我们现在已经通过各种媒体使世人知晓的宇宙空间小得多我们已知在天文观测中对星体的距离计算方法之一最重要的方式是哈勃定律 : 即由于天体移动时, 在可见光波段光谱的谱线会朝红端移动一段距离 ( 即红移 ), 而来自遥远星系光线的红移又与其距离成正比, 因此经过持续 16 小时观察 UDFy 星系的红移程度后, 天文学家用了两个月时间测算出其与地球相距至少 131 亿光年可是, 当以量子学说理念解读此天文数据, 则能明白此数据是根 7

8 本不合理的或者可以说, 从对接收到的星体最小能量感知数量级上比较, 意味着从哈勃定律计算得到的宇宙星体间距离数据是不能成立的而哈勃定律则是所谓宇宙大爆炸最重要的证据之一大学生们在学习普通物理学中得知 : 普通光源的发光机理是自发辐射光源中众多分子, 原子或离子等级微观粒子在通常情况下都处于能量较低的状态从外界吸收能量后可以跃迁到能量较高的状态, 高能态是不稳定的, 即使不受外界的影响也会自发的向低能态跃迁, 在跃迁过程中发出一列光波, 每次辐射的光波都是一段长度有限的正弦波, 称为波列由于微观粒子的这种跃迁完全是自发行为, 具有独立性, 随机性, 和偶然性因此, 不同微观粒子发出的波列很难有相同的频率, 相同的振动方向和初位相这样一来, 普通光源发出的光总是包含了不同频率, 不同振动方向和不同初位相的波列辐射跃迁过程叫自发辐射 ( 见图 17.10) 这一跃迁过程所经历的时间是很短的, 不超过 10-8 s, 这也就是一个原子一次发光所持续的时间显然, 这光波在真空中延长的长度 l=cτ 我们把这种具有确定频率 v 而长度有限的一段光波叫做一个波列 ( 见图 17.11) 相应的波列长度小于 3m, 因为光波波长很短, 在 10-7 到 10-6 m 范围内, 所以在一个波列内有数百万个波长, 在时间 τ 内仍然包含了数百万次振动, 一次发光相当于发出了几百万个波长的余弦波 8

9 原子发光的基本特点是发光的断续性, 当然, 一个原子经过一次发光跃迁后, 还可以再次被激发到较高的能级, 因而又可以再次发光, 因此原子的发光都是断续的一个原子在什么时候发光具有随机性, 所以同一个原子先后两次发光的相无必然联系发光体内有大量原子在轮流发光, 才能保持光源发光的连续性依据量子学说的理念, 电子发光跃迁后, 发出一列光波波列, 即辐射出一个光量子, 由上述得知, 此光波波列的长度小于 3m, 时间是很短的, 不超过 10-8 s, 因此, 对任一可见光频率, 在一秒钟内, 则至少需要 10 8 个光量子才能保持此频率光波波列的连续按照此说, 则上述二个距离地球上百亿光年的星系能得到它一个频率的连续光波波列都是困难的我们在现实中得到的太阳常数值只有 1368w/m 2, 是一连续光谱这样, 若认为上述说法是物理现实, 按照已知的太阳常数值 1368w/m 2 由每一频率对应的光量子平均值 J. 则可得每平方米内的太阳光谱最多只有个频率在一平方厘米内太阳光谱最多只有个频率这样, 我们则更无法说明白太阳连续光谱内频率的能量分布同理, 离太阳一光年的位置每平方米每秒可接收到可见光频率数为个, 类似太阳的恒星在离地球一百万光年的位置则是每百平方米每秒最多只有一个频率到达这样, 是更彻底否定天文观测得到各种星体的光谱的存在合理性但现实是, 我们已经得到了宇宙中已经观测到的各个星体的光谱 9

10 宇宙背景辐射是来自宇宙空间背景上的各向同性的微波辐射, 也称为微波背景辐射背景辐射是温度近于 2.7K 的黑体辐射, 习惯称为 3K 背景辐射黑体谱现象表明, 微波背景辐射是极大的时空范围内的事件因为只有通过辐射与物质之间的相互作用, 才能形成黑体谱由于现今宇宙空间的物质密度极低, 辐射与物质的相互作用极小, 所以, 我们今天观测到的黑体谱必定起源于很久以前微波背景辐射应具有比遥远星系和射电源所能提供的更为古老的信息微波背景辐射的另一特征是具有极高度的各向同性二十世纪六十年代初, 美国科学家彭齐亚斯和 R.W. 威尔逊为了改进卫星通讯, 建立了高灵敏度的号角式接收天线系统 1964 年, 他们用它测量银晕气体射电强度为了降低噪音, 他们甚至清除了天线上的鸟粪, 但依然有消除不掉的背景噪声他们认为, 这些来自宇宙的波长为 7.35 厘米的微波噪声相当于 3.5K 1965 年, 他们又订正为 3K, 并将这一发现公诸于世, 为此获 1978 年诺贝尔物理学奖金所谓的宇宙大爆炸的证据之一是宇宙微波背景辐射产生于大爆炸后的三十万年宇宙大爆炸学说认为 : 发生大爆炸时, 宇宙的温度是极高的, 之后慢慢降温, 到现在约 150 亿年后大约还残留着 3K 左右的热辐射我们已知在宇宙中, 能量的转移最主要的方式是光辐射, 产生光辐射能量的来源是恒星内的核反应在太阳的核心, 每秒能 10

11 将超过 400 万吨物质转化为能量, 生成中微子和太阳幅射我们已经得知的能量不灭定律是 : 能量既不会凭空产生, 也不会凭空消失, 它只能从一种形式转化为别的形式, 或者从一个物体转移到别的物体, 在转化或转移的过程中其总量不变即由恒星核反应产生的辐射光量子, 在星际空间运行中所具有的能量不会消失, 只是转变形式我们已知宇宙空间的物质密度极低, 即是无数的恒星量与空间相比较而言但是这无数的恒星进行的核反应产生的辐射光量子所具有的能量, 在漫长岁月的时间过程中能量的累积, 不正是背景辐射的来源吗? 为何只认为是宇宙大爆炸到现在约 150 亿年后残留的能量? 而否认在这 150 亿年内在这宇宙中无数恒星进行核反应产生的累积能量? 在宇宙中, 是由实体物质和各种辐射充满空间的并且, 在物理学内目前我们还没找到这些能量是如何转变为其他的方式 ( 如实体物质 ) 的过程则将面对着背景辐射不断增加, 即宇宙内实体物质不断减少的现实啊法国物理学家德布罗意于 1924 年首先提出他把当时已发现的关于光具有波粒二象性这事实加以推广, 提出一切微观粒子也都具有波粒二象性的论点, 而且一个动量为能量为的自由运动的粒子, 相当于一个波长为频率为并沿粒子运动方向传播的平面波 ( 为 * 普朗克常数 ) 这论点为实验 ( 如电子衍射 ) 所证实, 并成为建立量子力学的重要基础之一 1927 年汤姆孙 ( 英国 ) 通过电子在多晶膜上的透射得到了环状 11

才能进行的过程, 光没有质量, 就不存在碰撞的说法我们已知, 拉曼对光的散射的解释就已经说明了光与物质相互作用的过程, 实际上就否定了康普顿效应的说法德布罗意提出一切微观粒子也都具有波粒二象性的论点 1927 年汤姆孙

12 的电子衍射图象它与光的圆孔衍射图象极为相似光的圆孔衍射图象电子穿过金箔的衍射图象光的波粒二象说的认为光是粒子的重要指标一是光子的质量, 而光子质量是依据相对论的推导而得到的结果, 相对论不存在, 就没有了光子质量是依据了二是光同实物粒子的相互作用, 光电转换过程中其实际是电子对光波能量的接收过程, 并没有显示出光的粒子性所谓康普顿效应是以光子为粒子与电子碰撞进行说法的, 碰撞的前提是二个物体都具有质量, 才能进行的过程, 光没有质量, 就不存在碰撞的说法我们已知, 拉曼对光的散射的解释就已经说明了光与物质相互作用的过程, 实际上就否定了康普顿效应的说法德布罗意提出一切微观粒子也都具有波粒二象性的论点 1927 年汤姆孙 ( 英国 ) 通过电子在多晶膜上的透射得到了环状的电子衍射图象它与光的圆孔衍射图象极为相似并认为这是德布罗意波的有效证据之一可是此实验只是从表面上是可以这样认为的即从图像的形状好象是符合德布罗意波的说法但是, 在实际上电子在多晶膜 12

13 上的透射的过程中, 由于电子束的直径远大于原子晶格的距离, 电子的直径是在 m 以内, 原子核的直径是在 m 以内, 原子晶格的距离是在 m 数量级必然有不少数量的电子在透射过程中与多晶膜内的原子即原子核外众多的电子 ( 电子之间的库仑力随距离的减少而快速增大 ) 相互作用时转变运行方向, 就会产生新的轨迹, 对图像的形成产生作用可是, 人们对此视而不见, 没有说法啊? 薛定锷方程是量子力学数学计算的最重要的基础而德布罗意波是否存在, 则决定着薛定锷方程能否进行的最重要的理由德布罗意波是比照光的波粒二象性而产生的, 否定了光的粒子性, 就意味着不存在光的波粒二象性这样, 德布罗意波就没了光这个比照对象即德布罗意波是一种想象而已了如上面所述, 现有证明德布罗意波存在的试验并没有在实际上证明存在德布罗意波因此, 需要重新设计, 进行更仔细的试验来验证德布罗意波来是否存在, 才能认可薛定锷方程是否有存在的理由量子力学诠释的困难主要在于 : 即人们将量子力学看成是客观的真实反映, 量子力学反映的现象就是客观的真实表现, 将量子力学看成是真实的物理理论, 没有将量子力学看成是一种方法或手段利用量子力学所做的计算与一些实验有很好的符合, 常使人们对量子力学的正确性深信不疑然而, 量子力学的成就, 量子力学解释体系的混乱和不足及与自然界现实深层次的尖锐矛盾, 使得全世界没有一个物理学家完全懂得量子力学, 其原因 13

14 是波函数没有相应的物理图像和量子框架无法相容量子测量问题量子力学是将有定域性的的客观世界转化为非定域性的波动及其理论来进行描写的这是一种变换方法你的描写, 并没有改变客观世界的本质, 也不代表客观世界客观世界就有这样的性质 ; 换句话说, 量子力学是将经典波动理论 ( 成熟的简谐波动理论 ) 与德布罗意波结合而形成的理论将粒子赋予波动性是因为量子力学描述的需要, 不是客观存在正如玻尔所说的 : 根本就不没有什么量子世界, 仅仅只有一个抽象的量子物理描述认为物理学的任务是发现自然是怎样的观点是错误的, 物理学关心的是我们关于自然能说什么的确不存在量子世界, 量子世界是因函数转换而形成的假象量子世界是由量子化引起的, 量子化的实质是将光的动能同普朗克能量子 ; 将粒子的动能同德布罗意波等同起来, 再经过薛定谔方程来描述世界的从上面所述, 量子化的基本定义是存在没法明白的事了因此, 需要更多的努力, 必须弄清楚光这种人们认为是电磁波的一种所表达的物理图象是什么, 它的物理实质是什么? 面对前面所述的量子力学的困惑, 需要合作, 需要更多对物理学愿意进行探索的人参与, 不要盲从, 才能在物理学领域内写下新的辉煌篇章参考文献普通物理学程守洙江之永编 14

15 王志符朱詠春等修订高等教育出版社 1982 出版大学物理学主编陈曙光副主编王鑫张智文利群聂玉华主审余洪伟湖南大学出版社 2006 年 12 月第一版互联网搜索 15

Microsoft Word - bigbang.doc

Microsoft Word - bigbang.doc 1.2 大爆炸宇宙学大爆炸宇宙学(Big Bang Cosmology)是由勒梅特(Georges Le Maitre) 伽莫夫 (George Gamow)等人提出的一种学说他们根据广义相对论统计热力学以及天文学上观测到的宇宙膨胀现象推论,我们所处的宇宙其存在的时间是有限的早期的宇宙曾处在高温度高密度的状态下随着宇宙膨胀其温度密度逐渐降低并最终形成我们今日所见的宇宙英国科学家霍伊尔(Fred