物质究竟是什么

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3 物 质 究 竟 是 什 么 皮 可 慰 著

4 作 者 简 介 皮 可 慰 1948 年 出 生, 湖 南 长 沙 市 人 现 为 高 级 会 计 师, 中 国 注 册 会 计 师, 广 西 财 政 学 会 常 务 理 事, 广 西 会 计 学 会 常 务 理 事, 广 西 注 册 会 计 师 协 会 常 务 理 事, 中 磊 会 计 师 事 务 所 咨 询 机 构 高 级 顾 问, 柳 州 市 科 协 顾 问 长 期 从 事 经 济 管 理 工 作, 曾 担 任 国 有 企 业 副 厂 长 会 计 师 事 务 所 所 长 柳 州 市 财 政 局 局 长 柳 州 市 科 协 副 主 席 曾 获 省 级 劳 动 模 范 称 号 和 省 级 五 一 劳 动 奖 章 长 期 研 究 物 理 学 和 哲 学 的 基 本 问 题, 在 物 质 与 非 物 质 形 式 的 统 一 唯 物 论 与 辩 证 法 的 统 一 量 子 论 与 相 对 论 的 统 一 量 子 波 动 性 与 粒 子 性 的 统 一 量 子 定 域 性 与 非 定 域 性 的 统 一 量 子 实 在 性 与 概 率 性 的 统 一 等 问 题 上 有 自 己 的 独 特 见 解

5 内 容 提 要 物 质 究 竟 是 什 么 一 书 经 由 广 西 科 技 出 版 社 出 版 了 作 者 从 物 理 学 和 哲 学 的 角 度 研 究 了 物 质 的 基 本 问 题, 提 出 了 物 质 基 本 结 构 理 论 和 辩 证 物 质 实 在 论, 力 图 从 基 础 层 面 回 答 物 质 究 竟 是 什 么 的 问 题 作 者 在 书 中 提 出 弹 性 引 力 电 性 粒 子 性 等 有 序 的 物 质 结 构 形 式 不 是 永 恒 的 观 点, 研 究 了 弹 性 引 力 电 性 粒 子 性 的 形 成 原 因 认 为 辩 证 的 实 体 与 间 隙 是 物 质 基 本 结 构 形 式, 实 体 不 是 僵 化 的 而 是 无 限 变 化 的 不 定 形 的 作 者 提 出 物 质 基 本 结 构 形 式 具 有 均 匀 化 系 统 化 的 发 展 趋 势, 必 然 形 成 以 太 结 构 和 量 子 波 的 观 点 认 为 量 子 波 有 玻 色 波 和 费 米 波 两 种 形 式, 纯 粹 的 玻 色 波 就 是 光 子, 纯 粹 的 费 米 波 就 是 实 物 粒 子, 运 动 的 实 物 粒 子 同 时 含 有 玻 色 波 分 量 和 费 米 波 分 量 用 一 个 直 角 三 角 形 描 述 量 子 波, 可 以 在 速 度 频 率 ( 能 量 质 量 ) 波 密 度 ( 动 量 ) 波 长 等 方 面 得 到 与 相 对 论 一 致 的 变 换 公 式, 相 对 论 与 量 子 理 论 有 着 天 然 的 联 系 作 者 认 为 物 质 基 本 结 构 形 式 就 是 物 质 实 在, 物 质 实 在 包 含 物 质 与 非 物 质 两 个 方 面, 即 实 体 与 间 隙 只 有 物 质 是 实 在 的, 物 质 实 在 具 有 具 体 性 普 遍 性 唯 一 性 和 辩 证 性 特 征, 是 既 具 体 又 一 般 的 物 质 本 原 辩 证 物 质 实 在 论 是 辩 证 唯 物 论 的 组 成 部 分 作 者 提 出 了 量 子 单 位 制 概 念 量 子 单 位 制 与 一 般 单 位 制 的 根 本 区 别 是 用 频 率 代 替 了 能 量 和 质 量, 是 对 物 理 单 位 制 的 重 大 改 革 量 子 单 位 制 是 一 个 简 单 有 效 的 工 具, 研 究 一 般 物 理 现 象 时, 运 用 量 子 单 位 制 描 述 有 关 定 律 和 公 式, 从 运 动 学 动 力 学 电 磁 学, 直 到 玻 尔 氢 原 子 能 级 公 式 薛 定 谔 波 动 方 程, 公 式 中 只 有 米 秒 次 基 本 电 量 e( 即 区 分 正 负 性 的 基 本 费 米 子 个 数 ) 等 4 个 物 理 单 位 符 号 和 光 速 c 圆 周 率 π 精 细 结 构 常 数 a 引 力 常 数 G 等 几 个 物 理 常 数, 公 式 中 不 再 出 现 能 量 质 量 及 相 关 的 物 理 量, 大 大 地 简 化 了 物 理 公 式, 也 有 利 于 直 接 清 晰 地 揭 示 物 理 现 象 之 间 的 内 在 联 系 量 子 单 位 制 与 国 际 单 位 制 是 完 全 吻 合 的 作 者 论 证 了 以 太 结 构 的 存 在 与 相 对 论 的 相 容 性, 研 究 了 相 对 论 的 起 源 和 本 质 问 题, 认 为 相 对 论 是 关 于 量 子 态 的 绝 对 性 在 相 互 作 用 中 表 现 形 式 的 理 论 提 出 了 量 子 相 对 论 概 念, 量 子 相 对 论 是 量 子 理 论 的 组 成 部 分 作 者 运 用 物 质 基 本 结 构 理 论 全 面 系 统 地 研 究 了 量 子 之 间 相 互 作 用 问 题, 认 为 量 子 的 相 互 作 用 来 源 于 量 子 波 之 间 的 同 步 性 波 动 干 扰 对 量 子 相 互 作 用 理 论 场 理 论 以 及 一 些 实 验 的 解 释 提 出 了 一 些 新 的 见 解 作 者 提 出 量 子 系 统 的 观 点, 认 为 量 子 系 统 的 观 点 能 够 为 统 一 场 论 的 研 究 提 供 新 的 思 路 作 者 研 究 了 量 子 生 存 期 间 实 在 性 的 表 现 形 式 问 题, 论 证 了 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 的 相 容 性 对 量 子 理 论 中 长 期 争 议 的 一 些 问 题, 运 用 物 质 基 本 结 构 理 论 提 出 了 新 的 解 决 方 式, 能 够 较 合 理 地 解 释 包 括 双 缝 干 涉 实 验 量 子 衰 变 实 验 贝 尔 不 等 式 EPR 实 验 在 内 的 各 种 实 验 对 量 子 应 用 的 最 新 设 想 如 量 子 通 讯 量 子 计 算 提 供 了 新 的 理 论 支 持 作 者 认 为 物 质 基 本 结 构 理 论 对 促 进 量 子 理 论 的 完 备 能 够 发 挥 一 定 作 用 作 者 对 量 子 定 态 问 题 进 行 了 全 面 系 统 的 研 究, 使 物 质 基 本 结 构 理 论 进 一 步 与 实 际 问 题 接 近 运 用 物 质 基 本 结 构 理 论 对 现 代 物 理 中 若 干 现 实 问 题, 如 质 子 电 子 的 定 量 问 题, 核 力 问 题, 核 结 构 问 题, 弱 相 互 作 用 问 题, 原 子 核 中 子 中 微 子 等 复 合 量 子 问 题, 都 提 出 了 一 些 新 的 见 解 由 于 采 取 了 与 传 统 理 论 不 同 的 思 维 方 式, 物 质 基 本 结 构 理 论 在 很 多 方 面 出 现 与 传 统 理 论 不 同 的 地 方, 具 有 一 定 的 新 颖 性 表 现 在 各 章 各 节 中 的 新 观 点, 一 环 扣 一 环 连 贯 起 来 形 成 一 条 逻 辑 链, 并 且 涉 及 量 子 理 论 中 的 大 部 分 基 本 性 问 题, 形 成 一 个 理 论 体 系 的 雏 形 在 研 究 中, 作 者 尊 重 对 科 学 实 验 事 实 作 出 合 理 解 释 的 一 切 传 统 理 论, 认 为 物 质 基 本 结 构 理 论 是 量 子 理 论 的 重 要 组 成 部 分 作 者 承 认 所 有 有 关 科 学 实 验 的 事 实, 将 理 论 建 立 在 坚 实 的 实 践 基 础 上, 认 为 现 有 的 实 践 在 一 定 程 度 上 说 明 了 物 质 有 序 结 构 难 以 是 无 限 层 次 的, 实 践 已 经 证 明 了 光 速 的 稳 定 性 和 物 理 定 律 在 较 大 的 宇 宙 时 空 里 的 对 称 性 统 一 性, 也 已 经 证 明 了 普 朗 克 量 子 定 义 爱 因 斯 坦 能 量 与 质 量 相 关 理 论 能 量 守 恒 定 律 德 布 罗 意 波 理 论 的 正 确 性 笔 者 坚 信 将 来 的 实 践 将 会 证 实 物 质 的 有 序 结 构 形 式 一 定 是 产 生 于 无 序 的 不 定 形 的 结 构

6 形 式 的, 体 现 时 空 对 称 性 和 均 衡 性 的 以 太 结 构 一 定 是 存 在 的, 体 现 为 波 色 波 和 费 米 波 两 种 形 式 并 且 都 以 光 速 波 动 的 量 子 波 是 存 在 的 如 果 物 质 基 本 结 构 理 论 被 证 明 是 正 确 的, 或 者 主 要 观 点 被 证 明 是 正 确 的, 那 么 物 质 基 本 结 构 理 论 将 会 对 很 多 实 践 性 问 题 的 解 决 带 来 一 些 新 的 思 路 作 者 对 物 质 基 本 结 构 理 论 是 有 信 心 的, 已 于 008 年 5 月 对 书 中 的 主 要 内 容 进 行 了 公 证 作 者 在 书 中 强 烈 地 表 达 一 个 观 点, 量 子 是 物 质 基 本 结 构 形 式 由 无 序 发 展 到 有 序 的 初 级 形 式, 量 子 理 论 是 基 础 的 理 论, 是 宏 观 经 典 物 理 学 的 基 础, 正 因 为 如 此, 量 子 理 论 的 基 础 部 分 应 当 是 简 单 的 作 者 希 望 这 本 书 是 一 篇 研 究 报 告, 对 有 关 专 家 学 者 的 研 究 能 起 到 抛 砖 引 玉 的 作 用 作 者 还 希 望 这 本 书 是 一 本 科 普 读 物, 力 争 将 量 子 论 和 相 对 论 这 些 深 奥 的 理 论 用 通 俗 的 文 字 阐 述, 使 得 自 然 科 学 和 哲 学 爱 好 者 能 成 为 这 本 书 的 读 者, 阅 读 后 能 从 中 得 到 一 些 微 观 物 理 学 的 入 门 性 知 识 对 于 在 物 理 学 和 哲 学 基 本 问 题 上 有 研 究 兴 趣 的 读 者, 可 以 随 着 章 节 的 进 程 深 入 到 某 些 研 究 领 域, 甚 至 还 会 感 到 自 己 既 是 学 习 者 又 是 研 究 者, 有 很 多 未 解 之 谜 正 在 等 着 自 己 去 破 解 作 者 欢 迎 专 家 学 者 和 读 者 对 书 中 的 一 些 观 点 提 出 宝 贵 意 见 ( 电 子 邮 件 :[email protected])

7 目 录 引 言 第 一 章 物 质 基 本 结 构 理 论 一 任 何 具 体 的 物 质 内 部 都 是 有 结 构 的 二 物 质 结 构 形 式 是 分 层 次 的, 但 不 是 无 限 层 次 三 物 质 结 构 的 有 序 形 式 不 是 永 恒 的 四 物 质 基 本 结 构 形 式 假 设 五 探 索 物 质 基 本 结 构 形 式 的 条 件 已 经 成 熟 六 建 立 新 的 研 究 模 式 七 绝 对 的 实 体 和 绝 对 的 间 隙 八 实 体 存 在 变 化 和 相 互 作 用 假 设 九 数 学 与 逻 辑 学 十 空 间 与 时 间 十 一 无 限 和 有 限 第 二 章 以 太 结 构 和 量 子 波 一 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 趋 势 是 均 匀 化 和 系 统 化 二 历 史 上 的 以 太 观 三 重 新 找 回 以 太 的 理 由 四 物 质 基 本 结 构 形 式 下 的 以 太 结 构 五 量 子 论 的 产 生 六 德 布 罗 意 波 概 念 的 拓 展 七 以 太 结 构 中 的 量 子 波 假 设 八 量 子 波 的 两 种 形 式 九 数 学 开 始 进 入 物 理 学 十 量 子 波 的 波 形 假 设 十 一 直 角 三 角 形 描 述 下 的 量 子 波 十 二 物 质 基 本 结 构 理 论 是 量 子 理 论 的 组 成 部 分 第 三 章 辩 证 物 质 实 在 论 一 大 自 然 的 哲 理 二 物 质 实 在 的 具 体 性 普 遍 性 和 唯 一 性 三 物 质 实 在 的 辩 证 性 四 既 具 体 又 一 般 的 物 质 本 原 观 五 辩 证 物 质 实 在 论 是 辩 证 唯 物 论 的 组 成 部 分 六 辩 证 物 质 实 在 论 是 科 学 哲 学 的 重 要 内 容 第 四 章 量 子 单 位 制 一 物 理 单 位 和 单 位 制 二 量 子 单 位 制 三 建 立 量 子 单 位 制 的 意 义 四 量 子 单 位 制 对 运 动 的 描 述 五 量 子 单 位 制 对 频 率 ( 能 量 ) 和 质 量 的 描 述 六 量 子 单 位 制 对 波 长 和 波 密 度 ( 动 量 ) 的 描 述 七 量 子 单 位 制 对 力 力 矩 及 动 量 矩 的 描 述

8 八 常 数 常 量 及 单 位 换 算 第 五 章 量 子 之 间 的 相 互 作 用 一 量 子 的 态 二 量 子 之 间 相 互 作 用 和 量 子 的 态 变 动 三 波 动 干 扰 引 起 量 子 之 间 相 互 作 用 四 量 子 的 定 域 性 与 非 定 域 性 五 量 子 相 互 作 用 的 作 用 分 配 和 最 小 作 用 量 原 理 六 量 子 之 间 的 相 互 作 用 形 成 量 子 系 统 七 物 质 基 本 结 构 理 论 下 的 统 一 场 论 第 六 章 引 力 作 用 和 电 场 作 用 一 用 量 子 单 位 制 转 换 引 力 公 式 二 引 力 场 三 引 力 效 应 中 的 频 率 转 换 四 电 荷 五 库 仑 定 律 六 电 场 七 电 场 中 的 频 率 转 换 八 电 通 量 九 电 势 能 及 电 势 十 电 容 第 七 章 磁 场 是 电 场 的 调 整 一 运 动 电 荷 产 生 磁 场 二 磁 场 是 电 场 的 调 整 三 电 流 四 磁 通 量 五 磁 场 强 度 六 法 拉 第 电 磁 感 应 定 律 七 电 感 八 电 阻 九 位 移 电 流 与 麦 克 斯 韦 方 程 组 第 八 章 量 子 相 对 论 一 狭 义 相 对 论 要 点 及 变 换 公 式 二 以 太 结 构 与 相 对 论 的 相 容 性 三 量 子 态 的 绝 对 性 和 相 对 性 四 相 对 论 是 研 究 量 子 绝 对 的 态 在 相 互 作 用 中 表 现 形 式 的 理 论 五 量 子 相 对 论 第 九 章 量 子 实 在 的 确 定 性 与 概 率 性 一 围 绕 量 子 实 在 性 问 题 的 争 论 二 量 子 实 在 的 表 现 形 式 三 不 确 定 性 原 理 四 双 缝 干 涉 实 验 五 物 质 基 本 结 构 理 论 对 量 子 衰 变 的 解 释 第 十 章 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 的 相 容 性 一 波 函 数 和 薛 定 谔 波 动 方 程

9 二 一 个 例 子 : 无 限 深 方 势 阱 中 粒 子 运 动 的 量 子 化 三 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 的 相 容 性 四 贝 尔 不 等 式 与 EPR 实 验 五 物 质 基 本 结 构 理 论 对 纠 缠 态 量 子 关 联 非 定 域 性 的 思 考 六 物 质 基 本 结 构 理 论 对 量 子 理 论 的 完 备 将 起 着 重 要 作 用 第 十 一 章 量 子 定 态 的 形 成 机 制 一 量 子 定 态 的 发 展 过 程 二 量 子 的 基 本 定 态 三 量 子 的 纵 向 波 幅 定 态 假 设 四 量 子 的 旋 转 波 幅 定 态 假 设 五 量 子 的 引 力 场 作 用 定 态 六 量 子 的 电 力 场 作 用 定 态 七 基 本 常 数 八 光 子 的 生 成 和 消 失 九 费 米 子 的 生 成 和 消 失 十 不 符 合 量 子 规 律 的 量 子 生 成 和 消 失 方 式 第 十 二 章 氢 原 子 的 驻 波 约 束 性 定 态 一 玻 尔 的 氢 原 子 理 论 二 薛 定 谔 方 程 对 电 子 在 氢 原 子 中 的 定 态 分 析 三 物 质 基 本 结 构 理 论 对 驻 波 约 束 性 量 子 定 态 的 认 识 第 十 三 章 费 米 频 率 定 态 和 复 合 量 子 一 电 场 力 的 非 线 性 特 征 假 设 二 质 子 的 费 米 频 率 定 态 假 设 三 电 子 的 费 米 频 率 定 态 假 设 四 基 本 量 子 与 复 合 量 子 五 原 子 核 物 理 现 象 简 述 六 传 统 理 论 对 核 力 形 成 机 制 的 解 释 七 物 质 基 本 结 构 理 论 对 核 力 作 用 的 假 设 八 物 质 基 本 结 构 理 论 中 的 原 子 核 结 构 假 设 九 提 出 新 的 核 力 作 用 和 核 结 构 观 点 的 理 由 十 对 中 微 子 的 假 设 十 一 对 中 子 的 假 设 十 二 对 π 介 子 的 假 设 十 三 对 μ 子 的 假 设 十 四 对 弱 相 互 作 用 的 假 设 第 十 四 章 科 学 理 论 的 形 成 和 发 展 一 认 识 方 法 的 辩 证 性 二 形 而 上 学 追 求 对 事 物 整 体 性 基 本 性 认 识 的 积 极 意 义 三 证 伪 主 义 促 进 认 识 飞 跃 四 运 用 科 学 范 式 观 点 分 析 科 学 理 论 体 系 五 科 学 研 究 纲 领 与 科 学 理 论 的 形 成 和 发 展 六 物 质 基 本 结 构 理 论 是 否 能 成 为 科 学 理 论 七 建 立 物 质 基 本 结 构 理 论 的 思 维 过 程 参 考 书 目

10 引 言 茫 茫 宇 宙 存 在 着 各 种 各 样 的 物 质 形 态, 大 到 地 球 太 阳 系 银 河 系 星 系 团, 小 到 分 子 原 子 电 子 这 些 物 体 无 时 不 在 变 化 着, 我 们 看 到 最 简 单 的 变 化 就 是 运 动 : 物 体 的 整 体 运 动 如 汽 车 疾 驶 风 雨 雷 电 等, 这 是 人 们 熟 知 的 现 象, 也 是 人 们 能 直 接 感 知 的 ; 还 有 物 体 的 内 部 运 动, 如 发 热 变 色 等 等, 人 们 通 过 科 学 实 验 逐 步 地 认 识 它 们 物 质 除 简 单 的 变 化 之 外, 更 多 的 时 候 是 表 现 出 各 种 复 杂 的 变 化 方 式, 形 成 结 构 特 异 的 形 式, 如 大 海 的 温 差 形 成 了 海 流, 某 些 种 类 物 质 的 聚 集 形 成 地 球 上 的 矿 体, 等 等 这 时 人 们 觉 得 仅 仅 用 运 动 变 化 等 词 汇, 难 以 描 述 这 种 规 模 宏 大 的 变 化 趋 势 和 结 果, 于 是 人 们 的 语 言 逻 辑 概 念 中 加 进 了 发 展 一 词 说 到 我 们 这 个 宇 宙 中 的 佼 佼 者 地 球, 如 果 不 用 上 发 展 的 概 念, 简 直 一 切 都 无 从 谈 起 几 十 亿 年 前, 地 球 上 的 某 些 物 质, 居 然 凭 借 大 自 然 赐 予 的 优 越 环 境 和 条 件, 形 成 了 一 些 可 以 通 过 与 外 部 交 换 物 质 ( 即 新 陈 代 谢 ) 而 保 持 自 身 的 形 态 和 运 动 形 式 的 特 殊 物 质 群 体, 然 后 进 化 形 成 了 可 以 复 制 自 身, 进 行 无 性 繁 殖 和 有 性 繁 殖 的 生 命, 再 进 而 发 展 到 功 能 齐 全 的 高 等 动 物 和 高 等 植 物 到 了 几 百 万 年 前, 地 球 上 的 生 命 物 质 总 量 已 经 达 到 一 定 的 数 量 级, 尽 管 只 占 据 了 地 球 物 质 总 量 中 的 很 小 的 一 部 分, 但 足 以 使 地 球 以 其 充 满 活 力 和 生 机 盎 然, 区 别 于 很 多 别 的 天 体 如 果 宇 宙 间 某 个 外 星 人 正 在 遥 望 太 空, 他 一 定 会 对 这 个 几 乎 是 独 一 无 二 的 神 秘 的 蓝 色 星 球 特 别 感 兴 趣 就 是 在 这 几 百 万 年 前 ( 这 个 时 间 数 据 在 不 断 地 研 究 和 修 改 中 ), 人 类 从 高 等 动 物 进 化 而 产 生 人 们 常 认 为 直 立 行 走 用 手 做 工 具 并 使 用 工 具 劳 动 大 脑 发 达 形 成 复 杂 的 语 言 和 逻 辑 思 维 能 力 等, 是 人 与 动 物 的 重 大 区 别, 这 无 疑 是 正 确 的 然 而 更 为 重 要 的 还 有 两 条 : 一 是 人 具 有 任 何 其 他 物 质 不 具 备 的 能 动 性, 人 能 够 主 动 地 认 识 世 界 和 改 造 世 界 ; 二 是 人 类 形 成 了 社 会, 进 化 不 再 仅 仅 体 现 在 一 个 一 个 的 生 物 体 的 个 体 进 化 上, 而 是 体 现 在 整 个 种 群 的 进 化 上 通 过 社 会 意 识 语 言 文 字 数 字 化 光 盘 芯 片 记 录 了 进 化 的 特 征, 通 过 社 会 分 工 尤 其 是 社 会 的 教 育 科 研 体 制, 加 速 了 进 化 过 程 人 类 的 发 展 使 其 成 为 地 球 上 的 主 导 者, 现 在 人 类 正 雄 心 勃 勃 地 往 太 空 发 展 人 为 了 突 出 自 己 的 地 位, 他 宣 布 把 除 自 身 以 外 的 事 物 称 为 自 然 界, 当 然, 他 也 很 清 楚, 从 根 本 上 来 说 他 自 己 永 远 是 自 然 界 的 一 部 分 人 类 发 现 了 很 多 自 然 规 律, 并 且 充 分 利 用 这 些 自 然 规 律, 创 造 出 无 比 巨 大 的 物 质 财 富 和 精 神 财 富 当 然 也 产 生 了 一 项 重 大 的 然 而 也 是 最 令 人 担 忧 的 效 应, 这 就 是 近 一 百 多 年 的 人 类 历 史 消 耗 了 地 球 上 自 然 界 几 亿 年 或 几 十 亿 年 积 累 的 石 油 和 相 当 多 种 类 的 物 质 资 源 人 类 发 现 自 然 规 律, 利 用 自 然 规 律, 但 同 时 也 在 改 变 某 些 局 部 的 具 体 的 自 然 规 律 例 如 人 类 发 现 了 热 力 学 第 二 定 律, 即 熵 的 不 可 逆 的 增 大 过 程, 无 序 在 增 加 而 复 杂 性 在 减 少, 然 而 人 类 自 身 的 实 践 好 像 不 是 那 么 回 事, 有 序 的 和 复 杂 的 特 征 越 来 越 强 烈 : 钢 筋 混 凝 土 越 来 越 快 地 在 地 球 上 堆 积, 形 成 了 一 道 道 壮 观 的 人 造 风 景 线 ; 信 息 量 成 几 何 级 数 地 快 速 增 长, 流 动 在 光 纤 中, 堆 积 在 一 些 称 为 芯 片 的 小 东 西 里, 形 成 了 与 人 类 关 系 最 密 切 的 一 张 张 人 造 信 息 网 自 然 界 的 发 展 带 来 了 人 类 的 发 展, 人 类 的 发 展 影 响 了 自 然 界 的 发 展, 人 与 自 然 是 密 不 可 分 的, 经 过 较 长 时 期 的 功 利 主 义 驱 动 发 展 模 式 后, 现 在 已 经 有 更 多 的 人 认 识 到 人 与 自 然 界 要 协 调 发 展, 这 已 成 为 社 会 意 识 的 主 旋 律 人 类 从 远 古 走 来, 经 历 了 多 少 风 风 雨 雨, 多 少 惊 涛 骇 浪 面 对 着 四 周 可 以 看 到 的 摸 到 的 东 西, 他 老 在 想, 这 是 什 么, 它 和 别 的 东 西 有 什 么 相 同 的 地 方 或 者 不 同 的 地 方, 它 对 我 有 什 么 有 用 的 价 值 或 者 危 害, 我 能 怎 样 利 用 它 的 有 用 的 价 值 或 者 减 少 它 对 我 的 危 害 人 类 不 断 地 探 索 物 质 是 什 么, 也 就 是 不 断 地 在 实 践 中 求 知, 在 求 知 中 实 践 人 类 在 不 停 地 用 脑 子 想 问 题, 这 个 想 看 不 见, 摸 不 着, 与 通 常 的 实 物 确 实 有 较 大 区 别, 于 是 有 人 就 认 为 除 物 质 以 外, 还 应 当 有 一 种 称 为 精 神 的 东 西 然 而 他 们 不 认 为 精 神 是 依 附 于 物 质 存 在 的, 而 认 为 精 神 是 独 立 于 物 质 存 在 的, 甚 至 认 为 精 神 比 物 质 更 具 有 实 在 性 这 显 然 是 不 正 确 的, 但 本 书 不 准 备 探 讨 或 者 争 议 这 类 问 题, 整 本 书 从 头 到 尾 说 的 都 是 物 质 领 域 中 出 现 的 事 情

11 人 类 在 探 索 物 质 世 界 的 过 程 中, 首 先 是 从 认 识 具 体 的 物 质 开 始 的 人 们 面 对 着 的 直 接 感 受 到 的 都 是 具 体 的 物 质, 比 如 一 栋 木 结 构 房 屋, 或 者 一 座 高 山 人 们 对 这 些 具 体 物 质 视 察, 然 后 凭 着 直 觉 或 者 实 验, 描 绘 出 它 们 的 特 征, 人 们 说 物 质 就 是 这 个 样 子 的, 这 是 麦 当 劳, 那 是 肯 德 基 人 类 认 识 了 简 单 的 具 体 的 物 质, 如 物 质 的 机 械 运 动, 它 的 空 间 坐 标 时 间 坐 标, 它 的 运 动 速 度 能 量 质 量 和 动 量, 继 而 人 类 又 认 识 了 更 复 杂 一 些 的 具 体 物 质, 如 化 学 分 子 结 构 电 与 磁 人 类 不 仅 认 识 了 自 然 界 的 各 种 各 样 的 具 体 物 质, 人 类 还 创 造 出 了 数 也 数 不 清 的 具 体 的 物 质, 如 集 成 电 路 激 光 计 算 机 各 种 类 型 的 材 料, 等 等 人 们 朴 素 地 得 到 了 一 个 重 要 的 结 论 : 物 质 是 具 体 的, 离 开 一 个 一 个 具 体 的 物 质, 那 么 就 什 么 也 没 有 然 而 人 类 逐 渐 感 觉 到, 仅 仅 这 样 具 体 地 认 识 物 质 是 远 远 不 够 的, 这 样 的 认 识 是 支 离 破 碎 的 不 完 整 的, 还 必 须 从 具 体 物 质 之 间 的 联 系 来 认 识 物 质 人 们 开 始 使 用 归 类 的 方 式, 从 一 般 性 共 性 的 角 度 来 认 识 物 质 人 们 对 一 个 具 体 的 物 质 的 描 述 ( 或 称 定 义 ) 总 是 力 图 以 它 的 更 普 遍 一 些 的 性 质, 加 上 它 自 身 的 特 征 来 表 述 例 如 水 分 子, 它 首 先 是 一 类 由 各 种 原 子 组 成 的 分 子, 它 当 然 要 服 从 原 子 运 动 的 一 般 规 律, 然 而 它 又 必 须 具 有 两 个 氢 原 子 加 上 一 个 氧 原 子 的 组 成 体 的 分 子 特 征, 这 样 就 认 识 了 水 分 子 这 种 物 质 人 们 认 为 一 般 性 共 性 是 隐 藏 在 动 荡 不 定 的 具 体 物 质 背 后 的 隐 藏 在 现 象 和 感 觉 背 后 的 东 西, 可 以 称 之 为 本 质 由 此 看 来 人 们 要 回 答 物 质 是 什 么 时, 总 是 在 力 图 了 解 它 内 部 的 秘 密, 力 图 找 到 它 的 和 其 他 物 质 不 同 的 结 构 形 式 以 确 认 它 的 特 征, 同 时 也 力 图 找 到 它 的 和 其 他 物 质 相 同 的 结 构 形 式, 把 它 们 归 为 一 类 来 认 识, 在 认 识 了 共 性 的 基 础 上 能 对 个 性 有 更 深 刻 的 认 识 这 里 隐 含 着 一 个 重 要 的 理 念, 即 物 质 之 间 是 能 够 具 有 同 一 性 ( 或 称 统 一 性 ) 的, 具 体 的 物 质 不 是 孤 立 的, 而 是 相 互 联 系 的, 这 就 是 物 质 的 规 律 性 由 于 物 质 存 在 着 具 体 性 和 一 般 性, 我 们 才 能 生 活 在 这 样 的 有 规 律 的 具 体 的 物 质 世 界 中, 我 们 也 才 能 逐 步 认 识 物 质 世 界 有 些 人 走 到 了 极 端, 认 为 本 质 的 抽 象 的 事 物 是 真 正 实 在 的 东 西, 而 动 荡 不 定 的 具 体 的 物 质, 反 而 成 了 现 象 和 感 觉 的 集 合, 是 因 人 而 易 的 经 验 的 结 果, 不 是 实 在 的 了 这 种 观 点 认 为 具 体 的 桌 子 是 颜 色 形 状 等 感 觉 的 集 合, 它 是 动 荡 不 定 的, 今 天 是 桌 子, 明 天 可 能 变 成 一 堆 木 头, 而 只 有 桌 子 这 个 概 念 是 实 在 的 永 恒 的 存 在 这 种 观 点 当 然 是 错 误 的, 一 般 性 和 共 性 必 然 要 寄 寓 于 具 体 和 个 性 之 中 桌 子 的 概 念 并 不 单 独 地 实 在 地 存 在, 实 实 在 在 存 在 的 是 一 张 一 张 具 体 的 桌 子 有 一 些 世 界 上 从 来 没 有 出 现 过 的 想 象 中 的 事 物, 如 孙 悟 空 嫦 娥, 这 些 概 念 是 存 在 着 的, 也 是 有 意 义 的, 但 都 不 是 实 在 的 存 在 世 界 上 很 多 消 失 的 具 体 的 物 质 形 式, 如 恐 龙, 秦 始 皇, 这 些 概 念 仍 然 是 存 在 着 的 有 意 义 的, 但 只 是 曾 经 的 实 在, 并 不 是 现 实 的 实 在 只 有 现 实 的 具 体 的 物 质 是 存 在 着 的 现 实 的 实 在 然 而 物 质 究 竟 是 什 么 呢? 或 者 说 物 质 究 竟 由 什 么 构 成 呢? 自 从 人 类 有 意 识 以 来, 这 个 问 题 就 困 扰 了 很 多 人, 到 目 前 为 止 尚 无 定 论 笔 者 认 为 物 质 究 竟 是 什 么 的 问 题 是 一 个 既 能 回 答 又 不 能 回 答 的 问 题, 说 它 不 能 回 答, 是 因 为 物 质 运 动 形 式 的 发 展 是 永 无 止 境 的, 人 类 对 物 质 是 什 么 的 认 识 也 是 永 无 止 境 的 ; 说 它 能 回 答 是 因 为 如 果 从 物 质 运 动 原 始 的 基 础 的 初 级 的 简 单 的 角 度 来 逐 步 认 识 物 质 运 动 形 式 是 可 行 的 本 书 从 物 理 学 的 角 度, 系 统 地 研 究 了 这 个 深 层 次 的 问 题, 包 括 量 子 理 论 和 相 对 论 中 的 一 些 基 本 性 问 题, 提 出 了 物 质 基 本 结 构 理 论 同 时 对 哲 学 中 的 物 质 本 原 问 题 实 在 性 问 题 辩 证 性 问 题 也 进 行 了 深 入 研 究, 提 出 了 辩 证 物 质 实 在 论 观 点 全 书 共 分 14 章, 主 要 内 容 有 : 第 一 章, 从 物 理 学 的 角 度 研 究 物 质 的 基 本 问 题 提 出 弹 性 引 力 电 性 粒 子 性 等 有 序 的 物 质 结 构 形 式 不 是 永 恒 的 观 点, 认 为 应 当 研 究 弹 性 引 力 电 性 粒 子 性 的 形 成 原 因 提 出 存 在 物 质 基 本 结 构 形 式, 辩 证 的 实 体 与 间 隙 是 物 质 基 本 结 构 形 式 的 观 点 认 为 实 体 与 间 隙 具 有 绝 对 性 和 相 对 性, 实 体 不 是 僵 化 的, 而 是 无 限 变 化 的 对 立 统 一 的 并 对 数 学 与 逻 辑 学 问 题, 空 间 与 时 间 问 题, 无 限 与 有 限 问 题 提 出 了 新 的 见 解 第 二 章, 提 出 以 太 结 构 和 量 子 波 观 点 认 为 物 质 基 本 结 构 形 式 具 有 均 匀 化 系 统 化 的 发 展 趋 势, 必 然 形 成 以 太 结 构 和 量 子 波, 量 子 波 有 玻 色 波 和 费 米 波 两 种 形 式, 纯 粹 的 玻 色 波 就 是 光 子, 纯 粹 的 费 米 波 就 是 实 物 粒 子, 运 动 的 实 物 粒 子 同 时 含 有 玻 色 波 分 量 和 费 米 波 分 量 提 出 用 一 个 直 角 三 角 形 描 述 量 子 波, 可 以 在 速 度 频 率 ( 能 量 质 量 ) 波 密 度 ( 动 量 ) 波 长 等 方 面 得 到 与 相 对 论 一 致 的 公 式, 相 对 论 与 量 子 理 论 有 着 天 然 的 联 系 将

12 上 述 观 点 综 合 为 物 质 基 本 结 构 理 论, 认 为 物 质 基 本 结 构 理 论 是 量 子 理 论 的 重 要 基 础 和 组 成 部 分 第 三 章, 从 哲 学 的 角 度 研 究 物 质 的 基 本 性 问 题, 提 出 了 辩 证 物 质 实 在 论 认 为 辩 证 的 实 体 与 间 隙 是 物 质 基 本 结 构 形 式, 就 是 物 质 实 在, 就 是 既 具 体 又 一 般 的 物 质 本 原 从 哲 学 的 角 度 支 持 并 进 一 步 充 实 了 物 质 基 本 结 构 理 论, 也 从 物 质 基 本 结 构 理 论 的 角 度 重 新 认 识 哲 学 中 的 物 质 实 在 辩 证 法 和 物 质 本 原 等 问 题 力 图 从 根 本 上 回 答 物 质 究 竟 是 什 么 辩 证 法 究 竟 是 什 么 的 问 题, 对 坚 实 辩 证 唯 物 论 的 基 础 能 够 起 到 一 定 作 用 认 为 辩 证 物 质 实 在 论 是 辩 证 唯 物 论 的 组 成 部 分, 也 是 科 学 哲 学 的 重 要 内 容 第 四 章, 提 出 了 量 子 单 位 制 概 念 量 子 单 位 制 是 一 个 简 单 有 效 的 工 具 研 究 一 般 物 理 现 象 时, 运 用 量 子 单 位 制 描 述 有 关 定 律 和 公 式, 从 运 动 学 动 力 学 电 磁 学, 直 到 玻 尔 氢 原 子 能 级 公 式 薛 定 谔 波 动 方 程, 公 式 中 只 有 米 秒 次 基 本 电 量 e( 即 区 分 正 负 性 的 基 本 费 米 子 个 数 ) 等 4 个 物 理 单 位 符 号 和 光 速 c 圆 周 率 π 精 细 结 构 常 数 a 引 力 常 数 G 等 几 个 物 理 常 数, 公 式 中 不 再 出 现 能 量 质 量 及 相 关 的 物 理 量, 大 大 地 简 化 了 物 理 公 式, 也 有 利 于 直 接 地 清 晰 地 揭 示 物 理 现 象 之 间 的 内 在 联 系 量 子 单 位 制 与 国 际 单 位 制 是 完 全 吻 合 的 第 五 章, 运 用 物 质 基 本 结 构 理 论 全 面 系 统 地 研 究 了 量 子 之 间 相 互 作 用 问 题, 认 为 量 子 的 相 互 作 用 来 源 于 量 子 波 之 间 的 趋 于 同 步 性 的 波 动 干 扰 对 量 子 相 互 作 用 理 论 场 理 论 以 及 一 些 实 验 的 解 释 提 出 了 一 些 新 的 见 解 提 出 量 子 系 统 的 观 点, 认 为 量 子 系 统 的 观 点 能 够 为 统 一 场 论 的 研 究 提 供 新 的 思 路 第 六 章, 运 用 量 子 波 动 干 扰 理 论 和 量 子 单 位 制 工 具 研 究 引 力 场 和 电 场 问 题 第 七 章, 运 用 量 子 波 动 干 扰 理 论 和 量 子 单 位 制 工 具 研 究 磁 场 问 题, 认 为 磁 场 是 对 电 场 的 调 整 第 八 章, 提 出 了 量 子 相 对 论 概 念 论 证 了 物 质 基 本 结 构 理 论 与 相 对 论 理 论 和 变 换 公 式 的 相 容 性 研 究 了 相 对 论 的 起 源 和 本 质 问 题, 认 为 相 对 论 是 关 于 量 子 态 的 绝 对 性 在 相 互 作 用 中 表 现 形 式 的 理 论, 量 子 相 对 论 是 量 子 理 论 的 组 成 部 分 第 九 章, 研 究 了 量 子 生 存 期 间 实 在 性 的 表 现 形 式 问 题 对 量 子 理 论 中 长 期 争 议 的 一 些 问 题, 运 用 物 质 基 本 结 构 理 论 提 出 了 新 的 解 决 方 式, 能 够 较 合 理 地 解 释 包 括 双 缝 干 涉 实 验 量 子 衰 变 实 验 贝 尔 不 等 式 EPR 实 验 在 内 的 各 种 实 验 第 十 章, 研 究 了 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 的 相 容 性 问 题 在 承 认 概 率 承 认 非 因 果 关 系 非 决 定 论 的 同 时, 实 在 性 回 到 了 量 子 理 论 中, 认 为 量 子 之 间 的 实 在 的 波 动 干 扰 形 成 的 同 步 作 用, 是 量 子 表 现 为 概 率 方 式 的 量 子 力 学 波 动 性 叠 加 特 征 的 物 质 基 础 对 量 子 应 用 的 最 新 设 想 如 量 子 通 讯 量 子 计 算 提 供 了 新 的 理 论 支 持 物 质 基 本 结 构 理 论 对 促 进 量 子 理 论 的 完 备 能 够 发 挥 一 定 作 用 第 十 一 章, 研 究 了 量 子 定 态 的 形 成 机 制 问 题 提 出 了 量 子 的 基 本 定 态 起 源 于 大 自 然 的 基 本 事 实 的 观 点, 对 大 自 然 的 基 本 常 数 问 题 提 出 新 的 见 解 第 十 二 章, 研 究 了 氢 原 子 的 驻 波 约 束 性 定 态 问 题 第 十 三 章, 运 用 量 子 定 态 观 点, 研 究 了 若 干 实 际 问 题 如 质 子 电 子 的 定 量 问 题, 核 力 和 核 结 构 问 题, 弱 相 互 作 用 问 题, 原 子 核 中 子 中 微 子 等 复 合 量 子 问 题, 提 出 了 一 些 新 的 见 解 第 十 四 章, 研 究 了 科 学 理 论 的 形 成 和 发 展 问 题 认 为 认 识 方 法 具 有 辩 证 性 在 坚 持 唯 物 主 义 反 映 论, 坚 持 辩 证 法, 坚 持 科 学 真 理 观, 坚 持 实 践 是 检 验 真 理 的 唯 一 标 准 的 基 础 上, 承 认 认 识 方 法 的 辩 证 性, 承 认 认 识 渠 道 的 多 样 化, 灵 活 地 运 用 各 种 认 识 方 法, 对 于 我 们 开 拓 思 路, 创 新 思 维, 促 进 新 的 科 学 理 论 形 成 和 发 展 是 有 益 的 物 质 基 本 结 构 理 论 来 源 于 实 践, 来 源 于 传 统 理 论, 但 是 采 取 了 与 传 统 理 论 不 同 的 思 维 方 式, 在 很 多 方 面 出 现 与 传 统 理 论 不 同 的 地 方, 具 有 一 定 的 新 颖 性 表 现 在 各 章 各 节 中 的 新 观 点, 一 环 扣 一 环 连 贯 起 来 形 成 一 条 逻 辑 链, 并 且 涉 及 了 量 子 理 论 中 的 大 部 分 基 本 性 问 题, 形 成 一 个 理 论 体 系 的 雏 形 在 研 究 中, 笔 者 尊 重 所 有 的 科 学 实 验 事 实, 尊 重 对 科 学 实 验 事 实 作 出 合 理 解 释 的 一 切 传 统 理 论, 在 此 基 础 上 力 争 物 质 基 本 结 构 理 论 具 有 创 新 性 逻 辑 性 系 统 性 和 实 践 性 笔 者 认 为 当 前 的 实 践 在 一 定 程 度 上 能 够 说 明 物 质 有 序 结 构 难 以 是 无 限 层 次 的, 已 经 证 明 了 光 速 的 稳 定 性 和 物 理 定 律 在 较 大 的 宇 宙 时 空 里 的 对 称 性 统 一 性, 也 已 经 证 明 了 普 朗

13 克 量 子 定 义 爱 因 斯 坦 能 量 与 质 量 相 关 理 论 能 量 守 恒 定 律 德 布 罗 意 波 理 论 的 正 确 性 笔 者 坚 信 将 来 的 实 践 将 会 证 实 物 质 的 有 序 结 构 形 式 一 定 是 产 生 于 无 序 的 不 定 形 的 结 构 形 式 的, 以 太 结 构 和 量 子 波 一 定 是 存 在 的, 物 质 基 本 结 构 理 论 在 科 学 理 论 的 发 展 过 程 中 一 定 是 有 其 存 在 意 义 的, 将 对 量 子 理 论 和 科 学 技 术 基 础 研 究 的 实 践 产 生 一 定 影 响 笔 者 认 为 量 子 是 物 质 基 本 结 构 形 式 由 无 序 发 展 到 有 序 的 初 级 形 式, 量 子 理 论 是 基 础 的 理 论, 是 宏 观 经 典 物 理 学 的 基 础 量 子 理 论 的 基 础 部 分 是 简 单 的, 虽 然 整 本 书 通 篇 都 在 谈 论 量 子 问 题, 但 是 在 书 中 量 子 一 点 也 不 神 秘, 涉 及 的 物 理 学 和 数 学 知 识 大 部 分 都 控 制 在 初 级 水 平 第 一 章 物 质 基 本 结 构 理 论 一 任 何 具 体 的 物 质 内 部 都 是 有 结 构 的 要 回 答 一 个 具 体 的 物 质 是 什 么, 首 先 得 解 剖 这 个 具 体 的 物 质, 弄 清 它 的 结 构 是 什 么 物 理 学 和 数 学 中 多 将 物 体 视 为 没 有 结 构 的 点, 或 者 将 物 体 视 为 结 构 均 一 的 刚 体, 这 仅 仅 是 为 了 计 算 上 的 方 便 而 采 取 的 近 似 方 法, 没 有 结 构 的 点 是 无 法 构 成 物 质 的, 没 有 差 异 的 结 构 是 无 法 解 释 物 质 内 部 运 动 的 在 对 物 质 内 部 结 构 未 能 了 解 之 前, 暂 时 将 这 个 物 体 视 为 没 有 结 构, 是 数 学 对 物 理 现 象 模 糊 的 近 似 的 处 理 方 式 任 何 具 体 的 物 质 内 部 都 是 有 结 构 的, 就 意 味 着 有 必 要 研 究 它 的 结 构, 没 有 什 么 理 由 认 为 质 子 电 子 的 内 部 结 构 未 弄 清 楚, 就 把 它 视 为 点, 也 没 有 什 么 理 由 认 为 光 波 是 一 种 特 殊 的 物 质 就 不 去 研 究 它 与 通 常 物 质 的 结 构 异 同 确 认 任 何 具 体 的 物 质 内 部 都 是 有 结 构 的, 这 就 是 说 任 何 具 体 的 物 质 结 构 形 式 不 是 永 恒 的, 而 是 有 始 有 终 的, 有 必 要 弄 清 它 的 来 龙 去 脉 二 物 质 结 构 形 式 是 分 层 次 的, 但 不 是 无 限 层 次 人 们 在 研 究 物 质 结 构 时, 发 现 物 质 的 某 些 结 构 形 式 具 有 相 对 的 稳 定 性, 这 种 结 构 形 式 既 是 具 体 的, 它 存 在 于 一 定 的 具 体 物 体 之 中, 又 是 普 遍 的, 它 以 同 样 的 形 式 存 在 于 许 多 的 具 体 的 物 质 结 构 之 中 例 如 氢 原 子 结 构, 它 是 具 体 的, 同 时 它 又 以 同 样 的 形 式 存 在 于 很 多 分 子 结 构 之 中, 因 而 它 又 是 一 般 的 人 们 将 这 种 物 质 结 构 现 象 称 为 物 质 结 构 的 层 次 性 例 如 各 种 分 子 虽 然 性 质 差 别 很 大, 但 是 都 由 各 种 原 子 组 成, 因 此 分 子 可 以 称 为 一 个 结 构 层 次, 原 子 则 是 下 一 个 结 构 层 次 原 子 由 质 子 ( 中 子 ) 电 子 组 成, 质 子 电 子 显 然 是 更 下 一 个 层 次 的 结 构 形 式 尽 管 人 们 并 没 有 发 现 更 多 的 物 质 结 构 层 次, 仍 然 感 觉 到 这 样 的 层 次 似 乎 应 当 是 无 限 多 的 无 限 层 次 的 观 点 似 乎 是 符 合 辩 证 法 的, 因 为 它 反 对 了 僵 化 的 物 质 实 体 观 无 限 层 次 的 观 点 也 是 十 分 省 事 的, 人 们 一 层 一 层 地 去 揭 示 物 质 的 秘 密, 无 须 深 入 研 究 物 质 有 序 结 构 形 成 的 根 本 原 因, 即 使 一 百 年 没 有 完 成 某 个 层 次 的 剖 析 也 不 要 紧, 认 识 的 深 化 是 需 要 时 间 的, 人 们 可 以 等 待 无 限 层 次 的 观 点 是 人 们 对 已 有 的 物 理 现 象 观 察 归 纳 后 得 到 的 结 论, 人 们 并 没 有 深 究 这 种 推 理 方 式 是 否 合 理 事 实 上 从 原 子 往 上, 物 质 结 构 的 层 次 特 征 在 迅 速 减 弱,100 余 种 原 子 可 以 构 成 近 千 万 种 分 子, 分 子 的 层 次 性 淹 没 在 性 状 各 异 的 物 质 海 洋 中, 但 毕 竟 分 子 都 是 由 原 子 构 成, 分 子 作 为 一 个 结 构 层 次 还 是 恰 当 的 但 是 更 大 的 宏 观 物 质 世 界, 如 物 体 与 地 球 的 关 系 行 星 与 太 阳 系 的 关 系 太 阳 系 与 银 河 系 的 关 系, 就 根 本 不 是 层 次 性 概 念 可 以 描 述 的 了 从 原 子 往 下, 质 子 电 子 光 子 等 稳 定 的 粒 子 只 有 数 种, 层 次 性 是 很 明 显 的 但 是 在 质 子 电 子 光 子 以 下 呢? 人 们 设 计 出 几 十 种 粒 子 来 试 图 创 建 一 个 新 的 结 构 层 次, 是 否 能 成 功 目 前 尚 未 得 到 证 实 人 们 是 否 应 当 想 一 想, 为 了 解 释 已 经 统 一 为 少 数 几 种 粒 子 组 成 的 层 次, 又 要 用 更 多 的 粒 子 组 成 的 新 的 层 次 来 解 释 它, 这 种 思 维 方 式 合 理 吗? 大 自 然 的 本 来 面 目 是 这 样 的 吗? 因 此, 笔 者 认 为 物 质 结 构 的 层 次 不 是 无 限 的, 质 子 电 子 光 子 无 论 是 作 为 某 种 粒 子 或 是 作 为 某 种 物 质 运 动 形 式 来 认 识, 其 内 部 仍 然 是 有 结 构 的, 但 不 是 稳 定 的 结 构 形 式, 因 此 不 具 有 层 次 性 物 质 内 部 结 构 不 是 无 限 层 次 的

14 三 物 质 结 构 的 有 序 形 式 不 是 永 恒 的 人 们 一 般 并 不 认 为 具 体 的 物 质 形 式 是 永 恒 的, 人 们 不 会 去 坚 持 原 子 质 子 这 些 具 体 的 物 质 是 永 恒 的 观 点, 但 是 人 们 事 实 上 有 意 无 意 地 持 有 粒 子 性 弹 性 引 力 电 性 这 些 有 序 的 形 式 是 永 恒 的 观 点 物 质 结 构 有 序 形 式 永 恒 的 观 点 极 大 地 影 响 着 人 们 的 思 维, 导 致 研 究 的 方 式 基 本 上 是 用 新 的 粒 子 去 解 释 原 有 粒 子, 用 弹 性 去 解 释 弹 性, 用 引 力 去 解 释 引 力, 用 电 性 去 解 释 电 性 物 质 统 一 结 构 理 论 和 统 一 场 论 是 几 代 物 理 学 家 们 的 追 求 和 努 力, 但 是 这 些 努 力 仍 然 只 是 建 立 在 某 个 结 构 层 次 上 的 研 究, 没 有 从 根 本 上 研 究 粒 子 性 弹 性 引 力 和 电 性 的 形 成 机 制 但 是, 物 质 结 构 的 有 序 形 式 真 的 是 永 恒 的 吗? 物 质 是 由 分 子 组 成, 分 子 由 原 子 组 成, 原 子 由 质 子 电 子 组 成, 那 么 质 子 电 子 由 什 么 组 成 呢? 经 过 近 百 年 的 努 力, 人 们 毕 竟 没 有 如 同 原 来 预 想 的 那 样 打 开 电 子, 尽 管 有 很 好 的 夸 克 假 说, 也 还 没 有 真 正 打 开 质 子 人 们 说 这 是 能 量 不 够, 因 此 巨 额 投 资 兴 建 高 能 加 速 对 撞 机, 也 取 得 了 不 少 实 验 成 果, 但 问 题 始 终 未 得 到 解 决 有 的 学 者 将 无 限 层 次 观 点 与 物 质 无 限 可 分 观 点 混 为 一 谈 也 有 学 者 认 为 有 序 形 式 的 产 生 是 历 史 的 原 因, 在 宇 宙 诞 生 的 最 初 时 刻, 出 现 了 物 质 世 界 的 一 切, 包 括 各 种 粒 子 和 各 种 作 用 力, 以 及 现 在 人 们 熟 知 的 物 质 运 动 规 律 这 种 观 点 实 际 上 已 经 否 定 了 物 质 结 构 有 序 形 式 永 恒 的 观 点, 因 为 它 提 出 了 有 序 形 式 的 起 源 问 题, 然 而 这 种 观 点 认 为, 即 使 是 那 样 的 时 刻, 引 力 形 式 仍 然 是 永 恒 存 在 的 笔 者 认 为 物 质 有 序 的 结 构 形 式 不 是 永 恒 的, 现 实 中 普 遍 存 在 的 有 序 结 构 形 式 是 有 起 源 的 近 代 科 学 史 表 明 人 类 认 识 的 物 质 运 动 的 统 一 形 式 种 类 越 来 越 少, 由 近 千 万 种 分 子 到 百 余 种 原 子, 再 到 几 种 稳 定 的 粒 子, 而 近 百 年 来 再 没 有 在 这 数 种 稳 定 的 粒 子 如 质 子 电 子 内 部 找 到 更 基 本 的 独 立 的 粒 子, 实 践 显 然 在 提 示 人 们, 到 了 考 虑 物 质 基 本 结 构 形 式 问 题 的 时 候 了 粒 子 的 种 类 越 少, 普 遍 性 和 统 一 性 就 越 强, 最 终 必 将 导 致 对 物 质 最 基 本 的 结 构 形 式 的 认 识 四 物 质 基 本 结 构 形 式 假 设 我 们 否 定 了 物 质 内 部 结 构 层 次 的 无 限 性 观 点, 提 出 了 物 质 有 序 结 构 形 式 不 是 永 恒 的 观 点, 然 而 任 何 物 质 内 部 都 不 可 能 没 有 结 构, 那 么 物 质 有 序 结 构 形 式 内 部 最 终 是 一 种 什 么 结 构 呢? 笔 者 认 为 它 必 然 是 一 种 无 序 的 不 定 型 的 结 构 形 式, 可 以 称 为 物 质 基 本 结 构 形 式 物 质 基 本 结 构 形 式 是 物 质 有 序 结 构 形 式 的 基 础 这 种 结 构 形 式 既 然 是 无 序 的 不 定 形 的, 它 就 会 有 无 数 种, 但 是 它 们 之 间 的 差 异 是 极 小 的, 相 互 是 不 可 区 别 的, 是 可 以 忽 略 的, 因 此 又 可 以 将 这 种 结 构 形 式 视 为 一 种 这 种 结 构 形 式 是 具 体 的, 是 实 实 在 在 的 具 体 的 存 在, 然 而 它 又 具 有 最 大 的 普 遍 性, 在 任 何 具 体 的 物 质 中 都 存 在 着 这 种 物 质 结 构 形 式, 因 此 它 又 是 一 般 的 我 们 否 认 物 质 内 部 结 构 层 次 的 无 限 性, 设 想 了 一 种 没 有 粒 子 没 有 弹 性 没 有 引 力 没 有 电 性, 当 然 也 就 没 有 能 量 和 质 量 概 念 的 物 质 结 构 形 式, 一 种 完 全 无 序 状 态 的 物 质 运 动 形 式 有 人 会 说 这 真 是 太 不 可 思 议 了, 其 实 一 点 也 不 奇 怪, 物 质 运 动 的 无 序 状 态 是 原 始 的 绝 对 的, 有 序 状 态 是 发 展 的 相 对 的 提 出 这 样 的 观 点 的 依 据 是 什 么? 是 实 践, 科 学 实 验 不 支 持 任 何 具 体 事 物 的 永 恒 性 观 点, 既 不 支 持 具 体 事 物 本 体 的 永 恒 性 观 点, 也 不 支 持 具 体 物 质 运 动 形 式 的 永 恒 性 观 点 有 人 会 产 生 疑 问, 无 序 的 不 定 形 的 东 西 能 够 称 之 为 结 构 形 式 吗? 笔 者 认 为 无 序 性 和 不 定 形 性 是 物 质 基 本 结 构 形 式 的 主 要 特 点, 物 质 基 本 结 构 形 式 不 再 具 有 一 定 的 固 定 形 态, 这 就 保 证 了 它 的 基 本 性 普 遍 性 和 统 一 性 物 质 基 本 结 构 理 论 既 反 对 将 物 质 具 体 形 式 僵 化 的 观 点, 又 反 对 完 全 脱 离 具 体 实 在 形 式 纯 抽 象 地 对 物 质 定 义 的 方 式, 强 调 要 在 具 体 的 物 质 结 构 形 式 中 研 究 物 质 结 构 的 普 遍 规 律, 将 具 体 与 抽 象 个 别 与 一 般 特 殊 与 普 遍 有 机 地 结 合 在 一 起, 既 要 实 实 在 在 地 看 得 见 摸 得 着, 又 要 具 有 最 普 遍 性 最 一 般 性

15 笔 者 认 为 可 以 将 研 究 物 质 基 本 结 构 形 式, 以 及 由 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 为 以 太 结 构 量 子 波 等 有 序 形 式 的 理 论 称 为 物 质 基 本 结 构 理 论 探 索 物 质 的 基 本 结 构 形 式 并 不 是 寻 求 一 种 终 极 理 论, 而 是 寻 求 一 种 对 物 质 运 动 发 展 的 初 级 的 简 单 形 式 的 认 识 五 探 索 物 质 基 本 结 构 形 式 的 条 件 已 经 成 熟 我 们 提 出 了 有 序 的 形 式 不 是 永 恒 的 观 点, 继 而 提 出 了 存 在 无 序 的 不 定 形 的 物 质 基 本 结 构 形 式 的 观 点, 那 么 现 在 是 否 具 备 了 探 索 物 质 基 本 结 构 形 式 的 条 件 呢? 笔 者 认 为, 现 在 探 索 物 质 基 本 结 构 形 式 的 条 件 已 经 成 熟 了, 有 以 下 几 条 理 由 : (1) 近 百 年 的 科 学 实 践 史 说 明, 人 们 认 识 的 稳 定 的 物 质 结 构 形 式 的 种 类 越 来 越 少, 从 近 千 万 种 分 子 到 100 余 种 原 子, 再 到 电 子 质 子 光 子, 稳 定 的 物 质 结 构 形 式 种 类 越 来 越 少, 已 经 到 了 直 接 探 索 粒 子 引 力 斥 力 电 性 的 形 成 机 制 的 时 候 了 多 年 来 对 物 质 结 构 的 研 究 工 作 都 是 按 照 由 浅 入 深 由 表 及 里 的 研 究 模 式, 逐 步 剖 析 了 物 质 的 内 部 结 构, 逐 步 认 识 了 分 子 原 子 质 子 电 子 但 是 继 续 走 下 去, 近 百 年 的 努 力 没 有 完 成 剖 析 质 子 电 子 的 工 作, 应 当 采 取 某 些 新 的 研 究 模 式, 跳 跃 式 地 认 识 物 质 世 界, 力 争 从 根 本 上 解 释 一 些 基 本 问 题 () 近 代 物 理 学 中 无 论 是 科 学 实 验 还 是 基 本 原 理 研 究, 都 积 累 了 大 量 实 验 数 据, 形 成 较 为 系 统 的 理 论, 为 直 接 研 究 物 质 的 基 本 结 构 形 式 创 造 了 条 件 (3) 即 使 在 质 子 电 子 内 部 可 能 还 存 在 某 个 结 构 层 次, 只 要 它 不 是 无 限 的 结 构 层 次, 只 要 物 质 基 本 结 构 形 式 在 有 限 的 空 间 和 时 间 里 确 实 存 在, 那 么 现 在 开 始 研 究 物 质 基 本 结 构 形 式 就 是 必 要 的 和 可 能 的 六 建 立 新 的 研 究 模 式 物 质 基 本 结 构 形 式 与 我 们 通 常 的 物 质 结 构 形 式 有 着 重 大 区 别, 主 要 是 它 具 有 基 本 性, 因 此 也 隐 藏 得 更 深, 不 能 通 过 直 接 剖 析 质 子 电 子 这 些 有 序 的 结 构 形 式 来 发 现, 必 须 建 立 新 的 研 究 模 式 研 究 物 质 基 本 结 构 的 方 法 与 通 常 的 研 究 方 式 不 同, 不 是 通 过 由 大 向 小 地 解 剖 物 质 来 直 观 地 发 现 物 质 结 构, 而 是 以 归 纳 法 提 出 科 学 假 设, 由 小 向 大 地, 分 析 物 质 结 构 由 简 单 向 复 杂, 由 无 序 向 有 序 的 发 展 过 程 总 之, 笔 者 希 望 另 辟 一 条 探 索 物 质 世 界 秘 密 的 路, 即 不 再 是 传 统 的 逐 步 由 大 向 小 探 索, 而 是 反 过 来 由 小 向 大 探 索, 由 足 够 小 的 区 域 去 直 接 探 索 物 质 的 基 本 结 构 形 式 上 述 研 究 方 法 看 似 逆 向 思 维, 实 际 上 是 顺 序 研 究, 因 为 物 质 世 界 本 来 就 是 由 基 本 的 简 单 的 形 式 变 化 发 展 为 复 杂 的 形 式, 从 最 基 本 的 角 度 研 究 物 质 基 本 结 构 形 式, 实 际 上 是 按 照 物 质 形 式 发 展 顺 序 来 开 展 研 究 如 果 不 采 用 这 种 研 究 方 式, 我 们 是 很 难 取 得 思 维 突 破 的 如 后 面 几 节 提 出 的 实 体 和 间 隙 的 绝 对 性 问 题, 如 果 仍 然 采 用 通 常 的 由 大 到 小 的 研 究 方 法, 肯 定 无 法 确 定 这 样 的 绝 对 实 体 或 者 绝 对 间 隙 的 存 在, 因 为 人 们 始 终 难 以 打 开 电 子 这 样 微 小 的 物 体, 当 然 不 可 能 得 到 对 实 体 或 者 间 隙 绝 对 性 的 认 识 只 有 从 尽 量 小 但 不 是 无 限 小 的 角 度 分 析 物 质 的 可 能 形 态, 而 不 去 关 注 这 个 物 体 是 质 子 电 子 或 者 是 地 球, 才 有 可 能 得 到 一 些 突 破 性 的 与 传 统 理 论 不 同 的 观 点 通 常 认 为 一 个 假 设, 应 当 能 设 计 出 证 实 或 者 证 伪 的 实 验 方 案, 否 则 就 不 能 被 认 为 是 一 个 科 学 的 假 设 ( 或 者 说 有 效 命 题 ) 由 于 物 质 基 本 结 构 形 式 的 特 点, 直 接 地 对 有 关 物 质 基 本 结 构 形 式 的 假 设 证 实 或 者 证 伪 是 难 以 做 到 的 但 是 对 某 一 具 体 的 假 设 可 以 通 过 逻 辑 方 法 得 到 合 理 的 推 论, 然 后 利 用 科 学 实 验 结 果 对 各 种 假 设 的 推 论 进 行 检 验 比 较, 证 伪 一 些 假 设, 选 择 保 留 一 些 合 理 的 假 设 即 针 对 一 种 物 理 现 象 的 解 释 可 以 提 出 多 种 假 设 方 案, 然 后 让 这 些 假 设 连 同 使 用 逻 辑 推 理 方 式 得 到 的 推 理 判 断 都 保 留, 以 待 科 学 实 验 的 证 实 或 者 证 伪 如 果 某

16 个 假 设, 仅 仅 因 为 暂 时 没 有 设 计 出 证 实 或 者 证 伪 的 实 验 方 案, 就 判 定 不 是 一 个 科 学 假 设, 将 会 因 此 阻 碍 某 些 可 能 是 正 确 的 科 学 理 论 形 成 七 绝 对 的 实 体 和 绝 对 的 间 隙 实 体 通 常 指 独 立 存 在 的 具 有 排 他 性 的 事 物 学 术 界 对 于 实 体 问 题 存 在 不 少 分 歧 观 点, 有 的 观 点 否 认 物 质 实 体 的 存 在, 认 为 实 体 只 是 人 类 意 识 中 的 对 象, 只 是 概 念 ; 有 的 观 点 认 为 实 体 必 须 是 某 个 固 定 形 态 的 东 西 ; 有 的 观 点 认 为 任 何 实 体 里 面 都 有 间 隙, 任 何 间 隙 里 面 都 有 实 体, 不 存 在 绝 对 性 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 实 体 是 物 质 的 存 在 方 式, 是 脱 离 人 们 意 志 而 独 立 地 客 观 存 在 的 物 质 形 式, 间 隙 就 是 指 实 体 与 实 体 之 间 的 非 物 质 形 式, 实 体 与 间 隙 构 成 了 物 质 实 在, 实 体 与 间 隙 就 是 物 质 基 本 结 构 形 式 实 体 与 间 隙 究 竟 是 什 么 样 的 呢? 本 来 实 体 说 的 就 是 一 个 实 字, 间 隙 说 的 就 是 一 个 虚 字, 但 是 自 然 界 长 期 给 人 们 一 个 映 象 : 物 体 里 面 总 会 找 到 间 隙, 而 间 隙 里 面 也 总 会 找 到 物 体, 所 谓 实 体 不 实 间 隙 不 空 一 些 人 觉 得 这 就 是 辩 证 法, 任 何 事 物 都 是 相 对 的, 没 有 什 么 绝 对 的 东 西 究 竟 有 没 有 绝 对 的 实 体, 这 个 看 似 简 单 的 问 题 并 不 简 单 如 果 否 认 了 实 体 存 在 的 绝 对 性, 那 么 最 终 将 会 导 致 否 认 物 质 的 实 实 在 在 存 在, 因 为 当 你 观 察 到 的 任 何 实 体 里 面 都 是 有 间 隙 时, 推 论 下 去 必 定 会 得 出 物 质 不 存 在 的 结 论 因 此 又 必 须 认 为 任 何 间 隙 里 面 存 在 实 体, 才 能 挽 救 物 质 消 失 的 命 运, 这 就 陷 入 了 逻 辑 循 环 如 果 承 认 实 体 的 绝 对 性, 就 得 说 清 楚 这 个 没 有 间 隙 的 实 体 里 面 究 竟 是 什 么 样 的, 这 当 然 也 不 是 一 件 容 易 的 事 情 笔 者 认 为 必 须 承 认 绝 对 实 体 与 绝 对 间 隙 的 存 在, 而 将 研 究 的 重 心 放 在 解 决 实 体 里 面 的 实 是 什 么 样 的 问 题 上 如 图 1-1, 对 任 一 有 限 物 体 B, 这 个 物 体 可 以 是 电 子 也 可 以 是 质 子 或 者 是 一 栋 大 厦, 不 管 怎 么 样, 它 是 一 个 有 限 的 物 体 用 一 理 想 平 面 A 对 其 进 行 切 割 图 1-1 关 于 绝 对 实 体 与 绝 对 间 隙 的 理 想 实 验 这 是 一 个 假 设 的 理 想 实 验 首 先 作 为 切 割 的 工 具 的 平 面 是 理 想 的 ; 当 然 还 得 假 设, 这 个 理 想 的 平 面 是 可 以 顺 利 地 切 割 这 个 物 体 的, 并 且 在 极 小 的 过 程 里 即 尽 可 能 少 的 时 间 里, 就 完 成 了 这 项 切 割 工 作 ; 再 假 设 是 能 够 在 极 小 的 过 程 里 进 行 观 察, 也 就 是 几 乎 静 态 的 瞬 间 观 察, 这 时 物 体 没 有 发 生 移 动, 当 然, 这 在 现 实 中 是 不 可 能 的, 因 为 物 质 总 是 处 于 无 限 的 运 动 中 作 了 这 么 多 假 设, 完 全 是 理 想 化 的 条 件, 我 们 得 到 了 什 么 结 果 呢? 这 个 平 面 上 必 将 存 在 与 物 质 接 触 的 地 方 如 果 在 这 个 平 面 上 找 不 到 与 物 质 接 触 的 地 方, 那 一 定 是 恰 好 这 个 平 面 全 部 都 从 物 体 内 部 的 间 隙 通 过, 只 要 我 们 略 为 改 变 一 下 切 割 平 面 的 方 向, 总 有 一 次 可 以 在 这 个 平 面 上 找 到 与 物 质 接 触 的 地 方, 否 则 物 体 B 是 不 存 在 的, 因 为 无 的 集 合 不 可 能 产 生 有 这 样 就 可 以 假 设 在 平 面 上 的 点 D 处 存 在 与 物 质 的 接 触, 那 么 在 点 D 处 必 然 存 在 外 延, 也 就 是 说, 物 质 在 D 处 不 会 是 仅 仅 一 点 而 是 点 的 集 合, 这 个 集 合 的 大 小 不 论, 只 要 它 是 有 限 的 而 不 是 无 限 小, 就 应 该 认 为 它 是 无 间 隙 的 实 密 的 同 样 的 方 式 我 们 还 能 得 到 对 间 隙 的 认 识, 这 样 的 平 面 上 一 定 存 在 没 有 任 何 物 质 的 间 隙 如 果 在 这 个 平 面 上 找 不 到 不 与 物 质 接 触 的 地 方, 那 一 定 是 恰 好 这 个 平 面 全 部 都 从 物 体 内 部 的 实 体 中 通 过, 只 要 略 为 改 变 一 下 切 割 平 面 的 方 向,

17 总 有 一 次 可 以 在 这 个 平 面 上 找 到 不 与 物 质 接 触 的 地 方, 如 果 再 找 不 到, 则 认 为 这 个 物 体 全 部 都 是 实 体, 那 么 在 这 个 物 体 的 边 界 之 外 将 会 找 到 没 有 与 物 质 接 触 的 地 方, 这 就 是 间 隙 这 样 就 可 以 假 设 在 平 面 上 的 点 C 处 没 有 物 质 接 触, 那 么 在 点 C 处 必 然 存 在 外 延 也 就 是 说, 间 隙 在 C 处 不 会 是 仅 仅 一 点 而 是 点 的 集 合, 这 个 集 合 的 大 小 不 论, 只 要 它 是 有 限 的 而 不 是 无 限 小, 就 应 该 认 为 它 是 完 全 空 的 间 隙 对 上 面 的 理 想 实 验 是 通 过 数 学 方 法 构 思 的, 肯 定 会 存 在 很 多 争 议, 如 数 学 坐 标 能 否 存 在, 理 想 平 面 的 概 念 能 否 成 立, 瞬 间 的 概 念 的 合 理 性, 等 等 的 确, 在 物 质 基 本 结 构 层 面, 没 有 物 质 的 稳 定 形 态, 能 否 应 用 数 学 方 法 是 值 得 研 究 的 但 是 只 要 有 思 维, 逻 辑 学 的 方 法 总 是 能 适 用 的 对 上 面 的 理 想 实 验 可 以 不 使 用 数 学 方 法, 而 是 仅 仅 使 用 逻 辑 思 维 方 法, 只 要 承 认 有 是 有 的 集 合, 无 的 集 合 只 能 构 成 无, 无 法 构 成 有, 有 和 无 都 必 须 是 延 续 的, 上 面 理 想 实 验 的 结 论 照 样 是 存 在 的 认 为 物 质 实 体 与 间 隙 具 有 绝 对 性, 并 不 否 认 它 们 的 相 对 性, 正 因 为 它 们 之 间 是 可 以 相 互 转 化 的, 具 有 相 对 性, 恰 恰 说 明 它 们 存 在 着 绝 对 性, 如 果 不 是 绝 对 存 在 的 东 西, 如 何 谈 论 可 能 的 相 对 转 化 呢? 实 体 与 间 隙 既 具 有 绝 对 性 又 具 有 相 对 性, 绝 对 性 表 现 在 : 实 体 与 间 隙 是 绝 然 不 同 的 两 个 事 物, 实 体 内 部 没 有 间 隙, 间 隙 内 部 没 有 实 体 相 对 性 表 现 在 : 没 有 实 体 就 没 有 间 隙, 没 有 间 隙 也 就 没 有 实 体, 而 且 实 体 与 间 隙 是 可 以 相 互 转 化 的 实 体 不 是 僵 化 的, 而 是 充 满 无 限 变 化 的 实 体 是 不 定 形 的, 然 而 在 某 一 有 限 的 过 程 里, 实 体 又 是 有 形 的 统 一 的 提 出 物 质 实 体 与 间 隙 绝 对 性 的 依 据 是 实 践 实 践 证 明 绝 对 性 与 相 对 性 是 事 物 性 质 的 两 个 方 面, 只 从 一 个 方 面 认 识 事 物 是 片 面 的 实 践 还 证 明 物 质 是 客 观 存 在 的, 物 质 是 不 能 创 造 和 消 灭 的, 因 此 承 认 实 体 和 间 隙 的 绝 对 性 是 必 然 的 选 择 八 实 体 存 在 变 化 和 相 互 作 用 假 设 ( 一 ) 实 体 与 间 隙 的 存 在 假 设 (1) 实 体 的 实 密 性 物 质 的 最 基 本 的 结 构 是 实 密 的, 内 部 无 间 隙 的 这 种 形 式 定 义 为 实 体 () 实 体 的 不 定 形 性 具 体 实 体 的 大 小 是 有 限 的 不 定 形 的 如 果 不 作 不 定 形 假 设, 势 必 认 为 实 体 是 固 定 大 小 的, 这 样 就 必 须 回 答, 它 为 什 么 是 固 定 的, 为 什 么 是 这 样 大 小 的, 这 是 无 法 回 答 的 实 体 的 不 定 形 性 是 自 然 的 现 实 存 在, 是 无 须 解 释 的, 不 定 形 性 假 设 最 能 在 逻 辑 上 自 恰 (3) 间 隙 的 纯 空 性 实 体 与 实 体 之 间, 定 义 为 间 隙, 间 隙 内 部 是 没 有 物 质 的 具 体 的 间 隙 是 有 限 的 不 定 形 的 (4) 实 体 与 间 隙 的 唯 一 性 实 体 之 间 是 间 隙, 间 隙 之 间 是 实 体, 除 实 体 与 间 隙 之 外, 不 存 在 物 质 的 其 他 表 现 形 式 ( 二 ) 实 体 变 化 假 设 (1) 实 体 存 在 无 穷 的 变 化 实 体 内 部 无 间 隙, 但 是 存 在 着 无 穷 的 变 化, 内 部 的 任 何 物 质 之 间 的 相 对 关 系, 都 是 不 断 变 化 的 () 实 体 是 变 化 着 的 统 一 体 实 体 内 部 无 穷 的 相 对 位 置 变 化, 丝 毫 也 不 影 响 它 们 仍 成 为 一 个 统 一 体, 它 们 是 变 化 着 的 统 一 体

18 实 体 存 在 着 无 穷 变 化 的 假 设, 实 际 上 就 是 物 质 运 动 假 设, 如 果 不 作 这 个 假 设, 那 么 势 必 认 为 物 质 是 静 止 的 僵 化 的, 无 法 说 明 物 质 为 什 么 是 这 种 固 定 的 不 变 化 的 形 状 (3) 实 体 总 量 不 变 物 质 在 变 化 过 程 中 实 体 的 总 量 不 变 有 人 会 问 什 么 是 实 体 的 量, 如 果 用 数 学 来 定 义, 现 在 还 没 有 坐 标 和 尺 子 ; 如 果 用 逻 辑 学 来 定 义, 也 必 须 有 一 个 量 的 概 念, 必 须 回 答 什 么 是 实 体 的 量 笔 者 认 为 物 质 在 变 化 过 程 中 实 体 的 总 量 不 变 就 是 基 本 定 义, 自 然 界 的 物 质 不 生 不 灭, 即 物 质 的 守 恒 特 性, 决 定 了 逻 辑 学 中 的 实 体 总 量 的 概 念, 这 个 守 恒 的 形 式 就 是 物 质 的 量 ( 特 别 强 调 这 个 物 质 量 概 念 不 是 质 量 概 念 ) 由 于 物 质 的 守 恒 性, 实 体 在 变 化 过 程 中 一 个 方 向 的 增 量 变 化, 必 将 在 另 外 的 方 向 出 现 减 量 变 化 实 体 的 内 部 变 化 与 外 部 变 化 是 同 时 的 如 图 1- 所 示 B A B A C 图 1- 物 质 的 守 恒 性 D E F C 必 须 说 明, 将 图 1- 画 成 数 学 坐 标 可 以 描 述 的 形 式 并 不 恰 当, 因 为 在 物 质 基 本 结 构 形 式 下, 没 有 坐 标, 没 有 直 线, 也 没 有 方 位 角 的 概 念 在 对 物 质 基 本 结 构 形 式 描 述 时, 数 学 的 微 积 分 分 析 方 法 是 不 适 用 的, 只 能 使 用 逻 辑 的 方 法 上 图, 仅 仅 用 于 说 明 实 体 变 化 过 程 中, 实 体 的 总 量 不 变 实 体 是 不 可 被 压 缩 的, 实 体 的 内 部 变 化 同 时 又 体 现 为 外 形 变 化, 即 任 何 变 化 都 会 同 时 表 现 为 内 部 和 外 部 的 运 动 经 过 一 个 过 程, 如 果 实 体 的 一 个 方 向 凸 出, 必 然 有 其 他 方 向 ( 或 者 多 方 向 ) 的 凹 进, 侵 占 了 多 少 间 隙 就 要 在 另 一 方 向 还 回 多 少 变 化 的 对 应 性 说 明 了 物 质 不 生 不 灭, 也 说 明 了 运 动 的 永 恒 ( 三 ) 实 体 之 间 相 互 作 用 假 设 实 体 之 间 的 相 互 作 用, 实 际 上 是 一 个 连 续 与 间 断 相 互 转 化 的 过 程, 也 是 一 个 旧 实 体 消 失 和 新 实 体 形 成 的 过 程 如 图 1-3, 假 设 A B C 均 是 实 体,B 与 C 以 不 同 的 速 度 和 不 同 的 方 向 与 A 发 生 作 用 由 于 作 用 过 程 相 当 复 杂, 物 质 基 本 形 态 下 的 实 体 之 间 作 用 已 经 不 再 是 空 间 的 一 个 点 或 一 个 刚 体 承 担 全 部 的 作 用 要 素 ( 质 量 速 度 ), 而 是 有 限 的 实 体 中 任 何 物 质 都 以 不 同 方 式 参 与 作 用 两 个 物 质 实 体 碰 撞, 总 是 表 现 为 体 的 作 用, 即 从 不 接 触 到 接 触, 从 一 接 触 开 始 就 不 是 无 限 小 的 点 接 触, 总 是 表 现 为 体 的 作 用, 因 此 无 法 使 用 数 学 的 微 积 分 方 式 对 这 样 的 相 互 作 用 的 实 体 进 行 空 间 分 析 当 一 个 实 体 与 另 一 实 体 碰 撞 时, 一 个 方 向 的 运 动 量 瞬 间 传 递 到 物 质 实 体 的 另 一 方 向, 无 论 距 离 是 米, 还 是 米, 作 用 都 在 瞬 间 完 成, 因 此 也 无 法 使 用 数 学 的 微 积 分 方 式 对 这 样 的 相 互 作 用 进 行 过 程 ( 即 时 间 ) 分 析 图 1-3 实 体 相 互 作 用 示 意 图

19 下 面 试 用 逻 辑 推 理 方 法, 对 实 体 之 间 的 相 互 作 用 作 出 以 下 假 设 : (1) 实 体 总 量 守 恒 实 体 间 的 相 互 作 用 过 程 中, 实 体 总 量 不 变 () 运 动 永 恒 实 体 间 的 相 互 作 用 过 程 中, 实 体 的 变 化 不 会 停 止 (3) 实 体 的 相 互 作 用 是 相 对 的 实 体 间 的 相 互 作 用 是 一 个 相 互 改 变 对 方 存 在 方 式 的 过 程, 一 个 实 体 的 存 在 方 式 被 改 变, 另 一 个 实 体 的 存 在 方 式 也 将 相 应 地 同 时 改 变 (4) 完 全 刚 性 与 完 全 范 性 实 体 既 是 完 全 刚 性 的, 是 不 可 压 缩 的, 又 是 完 全 范 性 的, 可 以 从 任 何 地 方 分 割 任 何 具 体 的 物 质 是 无 限 可 分 的, 但 不 是 无 限 已 分, 任 何 具 体 的 物 质 又 是 无 限 可 合 的, 但 不 是 无 限 已 合 (5) 实 体 的 相 互 作 用 过 程 是 连 续 和 间 断 的 统 一 当 实 体 相 互 作 用 一 开 始, 原 来 连 续 的 实 体 立 即 产 生 间 断, 原 来 间 断 的 不 同 的 实 体 立 即 融 为 一 体, 此 时 就 已 经 形 成 了 一 个 新 的 实 体, 旧 实 体 的 消 灭 与 新 实 体 的 形 成 是 同 时 完 成 的 运 动 的 连 续 性 与 物 质 延 续 性 是 等 价 的, 物 质 的 延 续 性 要 求 运 动 必 须 连 续 运 动 的 间 断 性 与 物 质 间 断 性 也 是 等 价 的, 物 质 的 间 断 性 表 现 在 具 体 的 实 体 是 有 限 的, 运 动 也 必 然 是 有 头 必 有 尾, 在 头 尾 处 出 现 间 断 (6) 实 体 相 互 作 用 的 局 域 性 和 非 局 域 性 物 质 实 体 的 相 互 作 用, 瞬 间 将 作 用 量 传 递 到 整 个 实 体, 但 任 何 有 限 的 实 体 总 会 有 间 断, 实 体 的 相 互 作 用 影 响 的 可 能 是 很 短 的 距 离, 也 可 能 是 非 常 大 的 距 离, 但 是 无 论 作 用 影 响 的 范 围 有 多 大, 在 一 个 具 体 的 过 程 里 都 是 有 限 的, 作 用 是 局 域 的, 但 影 响 的 范 围 可 以 非 常 广 阔, 而 且 没 有 极 限, 因 此 作 用 又 是 非 局 域 的 (7) 作 用 的 传 递 速 度 既 是 无 限 的 又 是 有 限 的 作 用 传 递 的 只 要 是 在 实 体 内 部 传 递, 无 论 多 远 都 是 同 时 的, 这 就 是 作 用 传 递 速 度 的 无 限 性 但 是 任 何 作 用 都 是 体 的 作 用, 由 无 到 有 的 体 是 一 个 有 限 的 过 程, 因 此 传 递 速 度 又 是 有 限 的 了 (8) 实 体 作 用 时 相 对 速 度 趋 减 相 互 作 用 过 程 中 实 体 间 的 相 对 速 度 是 趋 减 的 在 物 质 基 本 结 构 形 式 下, 物 理 量 的 概 念 是 淡 化 的, 相 互 作 用 过 程 中 实 体 总 量 不 变, 只 是 一 个 物 质 不 灭 概 念, 并 不 等 于 质 量 守 恒, 此 时 并 没 有 质 量 的 概 念 相 互 作 用 过 程 中 运 动 不 灭, 也 仅 仅 是 运 动 不 止 而 已, 并 不 存 在 运 动 量 不 变 的 概 念, 此 时 并 没 有 能 量 动 量 和 角 动 量 概 念, 当 然 也 不 存 在 能 量 守 恒 动 量 守 恒 和 角 动 量 守 恒 我 们 没 有 理 由 对 相 互 作 用 过 程 中 实 体 间 的 相 对 速 度 趋 减, 以 及 没 有 质 量 能 量 动 量 角 动 量 等 概 念 而 感 到 无 法 接 受 和 无 法 理 解 物 质 世 界 本 来 就 是 从 无 序 的 状 态 发 展 变 化 成 有 序 的 状 态, 如 果 物 质 世 界 永 恒 地 拥 有 这 么 多 既 定 的 定 量 的 有 序 的 东 西, 反 而 是 难 以 理 解 的 (9) 实 体 之 间 相 互 作 用 对 实 体 变 化 影 响 的 确 定 性 与 不 确 定 性 实 体 之 间 相 互 作 用 引 起 的 实 体 变 化 趋 势 的 确 定 性 表 现 在 : 物 质 守 恒 和 变 化 永 恒 实 体 之 间 相 互 作 用 引 起 的 实 体 变 化 趋 势 不 确 定 性 表 现 在 : 前 一 状 态 并 不 是 必 然 地 变 化 为 后 一 状 态 这 不 仅 仅 是 由 于 无 法 使 用 数 学 方 法 描 述 而 产 生 的 不 确 定 性, 也 不 仅 仅 是 人 们 对 它 认 识 的 局 限 性 造 成 的 不 确 定 性, 而 是 非 因 果 关 系 非 决 定 论 的 不 确 定 性 这 种 不 确 定 性 是 大 自 然 的 本 质 原 因 造 成 的, 这 个 本 质 原 因 就 是 实 体 内 部 和 外 部 的 无 限 性, 无 限 性 的 物 理 量 是 不

20 可 计 算 和 估 量 的 后 面 我 们 将 谈 到, 随 着 物 质 基 本 结 构 形 式 朝 着 均 匀 化 和 系 统 化 的 方 向 发 展 变 化, 形 成 了 有 序 的 以 太 结 构 和 量 子 波 之 后, 非 因 果 关 系 和 非 决 定 论 引 起 的 不 确 定 性 将 会 减 弱 本 书 将 在 第 九 章 详 细 研 究 量 子 的 确 定 性 与 不 确 定 性 问 题 上 面 提 出 的 物 质 实 体 观 与 传 统 的 实 体 观 有 很 大 区 别, 不 再 将 实 体 视 为 僵 化 的 有 固 定 结 构 的 状 态 新 观 点 认 为 实 体 不 是 僵 化 的, 而 是 充 满 无 限 变 化 的, 不 定 形 的, 然 而 在 一 个 有 限 的 时 刻, 实 体 又 是 有 形 的 统 一 的 变 化 的 无 序 的 不 定 形 的 实 体 与 间 隙 构 成 了 物 质 基 本 结 构 形 式 物 质 基 本 结 构 形 式 是 具 体 的, 是 看 得 见 摸 得 着 的 实 实 在 在 的, 然 而 这 种 形 式 又 存 在 于 任 何 物 体 之 中, 因 而 它 又 是 最 普 遍 的 最 一 般 的 很 多 读 者 对 物 理 学 是 非 常 熟 悉 的, 有 形 的 实 物 粒 子 质 量 能 量 动 量 空 间 时 间 电 量 等 概 念 已 经 根 深 蒂 固 地 融 化 在 脑 海 中 现 在 这 一 切 在 物 质 基 本 结 构 形 式 层 面 都 不 存 在 了, 就 会 突 然 觉 得 这 样 的 物 质 基 本 结 构 形 式 与 我 们 通 常 对 物 质 的 认 识 有 这 么 大 的 差 异, 它 怎 么 能 和 我 们 通 常 熟 悉 的 物 理 知 识 联 系 起 来 呢? 请 读 者 耐 心 地 阅 读 下 去, 本 书 将 会 接 着 研 究 物 质 基 本 结 构 形 式 的 发 展 趋 势, 提 出 以 太 结 构 和 量 子 波 观 点, 明 确 指 出 粒 子 就 是 波, 到 这 时 粒 子 性 弹 性 引 力 和 电 性 都 出 现 了, 以 太 结 构 和 量 子 波 观 点 将 物 质 基 本 结 构 形 式 与 读 者 熟 悉 的 物 理 学 知 识 联 接 起 来 了 随 着 以 后 各 章 的 进 一 步 研 究, 物 理 学 的 各 种 基 本 概 念 公 式 及 定 理, 都 将 在 以 太 结 构 和 量 子 波 的 观 点 下 以 新 的 方 式 得 到 解 释 和 理 解 我 们 没 有 去 探 索 粒 子 是 由 什 么 新 的 粒 子 组 成, 也 没 有 设 想 引 力 和 电 场 力 是 由 什 么 新 的 力 引 起 的, 而 是 力 图 从 无 序 的 不 定 形 的 物 质 基 本 结 构 形 式 出 发, 得 到 人 们 熟 悉 的 一 切 九 数 学 与 逻 辑 学 数 学 是 研 究 事 物 数 的 规 律 的 理 论, 因 为 任 何 事 物 总 是 可 以 表 现 出 数 量 的 关 系, 所 以 数 学 常 被 认 为 是 无 所 不 能 的 然 而 研 究 物 质 基 本 结 构 形 式 时, 就 无 法 运 用 数 学 方 法 进 行 描 述 和 分 析 第 一 个 原 因 是 实 体 相 互 作 用 时 的 变 化 具 有 非 因 果 关 系 和 非 决 定 论 的 不 确 定 性, 这 种 不 确 定 性 不 受 概 率 规 范, 因 此 就 无 法 使 用 数 学 进 行 确 定 的 分 析 ; 第 二 个 原 因 是 因 为 数 学 作 为 思 维 工 具 在 定 义 空 间 方 向 空 间 数 量 过 程 长 短 时 要 求 有 一 套 标 准 量 规, 而 此 时 完 全 是 无 序 的 不 定 形 状 态, 根 本 找 不 到 坐 标 时 钟 和 尺 子 ; 第 三 个 原 因 是 它 描 述 的 对 象 需 要 相 对 的 稳 定, 或 者 能 够 模 糊 化 为 点 刚 体, 而 物 质 基 本 结 构 形 式 的 初 级 阶 段 确 实 没 有 这 些 稳 定 的 定 量 的 东 西 只 有 在 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 到 量 子 形 成, 有 了 一 些 定 态 的 物 质 运 动 形 式 之 后, 数 学 的 抽 象 的 空 间 和 时 间 坐 标 才 能 建 立 起 来, 到 那 时 才 可 以 将 物 质 运 动 的 间 断 的 突 变 的 现 象, 近 似 地 模 糊 地 建 立 起 抽 象 的 数 学 模 型, 数 的 概 念 和 数 学 分 析 方 法 才 能 形 成 因 此 笔 者 认 为, 作 为 思 维 工 具 的 数 学 不 是 永 恒 的, 数 学 也 有 一 个 起 点 问 题 坚 持 数 学 实 在 论 观 点 的 学 者 对 此 一 定 会 持 有 异 议, 在 他 们 看 来, 数 学 不 是 思 维 工 具 而 是 实 在 的 他 们 可 能 会 说, 假 如 某 个 星 球 上 曾 经 存 在 过 比 人 类 还 要 聪 明 很 多 的 高 等 生 物, 由 于 某 种 原 因 这 个 文 明 消 失 了, 但 是 数 学 方 法 被 长 期 地 用 某 种 实 物 形 态 保 留 下 来 当 人 类 踏 上 这 片 土 地, 发 现 场 面 有 一 些 整 齐 的 石 块, 按 次 序 堆 积 成 这 样 的 小 堆, 人 类 一 定 会 认 为 这 里 曾 经 出 现 过 文 明, 因 为 实 在 的 不 消 失 的 数 学 形 式 告 诉 了 人 类 但 是 这 个 例 子 只 能 说 明 思 维 形 式 的 规 律 性 和 可 表 现 性, 并 不 能 说 明 数 学 具 有 实 体 意 义 上 的 实 在, 如 果 没 有 人 类 的 思 维, 数 学 形 式 是 没 有 任 何 价 值 的 人 们 也 许 会 说, 数 学 的 微 积 分 方 法 的 基 础 是 无 穷 小 极 限 问 题, 物 质 基 本 结 构 理 论 不 是 也 在 力 图 描 述 微 小 的 结 构 吗, 为 什 么 反 而 说 微 积 分 方 法 无 法 描 述 物 质 基 本 结 构 形 式 呢? 这 是 因 为 物 质 基 本 结 构 形 式 的 对 象 是 极 小 的, 然 而 不 是 无 穷 小, 是 内 部 和 外 部 都 具 有 无 限 性 的 有 限 结 构 微 积 分 无 法 描 述 物 质 基 本 结 构 形 式 并 不 是 微 积 分 的 方 法 问 题, 而 是 描 述 的 对 象 问 题 人 们 往 往 认 为 数 学 是 一 种 精 确 的 思 维 方 法, 其 实 相 反, 数 学 相 对 于 物 理 学 而 言 在 本 质 上 是 一 种 模 糊 的 近 似 的 分 析 方 法, 它 将 实 在 的 物 理 对 象 抽 象 为 没 有 体 积 的 点, 或 者 均 匀 一 致 的

21 刚 体, 都 是 一 种 模 糊 的 近 似 的 处 理, 在 这 样 的 基 础 上 才 能 运 用 微 积 分 方 法 对 物 理 对 象 的 态 进 行 精 确 的 描 述 和 分 析 因 此 数 学 对 实 体 这 样 的 内 部 无 限 变 化 的 对 象 的 精 确 分 析 显 然 是 无 能 为 力 的 数 学 无 法 描 述 和 分 析 物 质 基 本 结 构 形 式, 无 法 分 析 实 体 间 的 相 互 作 用, 这 并 不 是 又 一 次 数 学 悖 论 的 产 生, 而 是 数 学 作 为 一 种 有 生 命 力 的 事 物 的 本 质 特 性, 决 定 了 任 何 有 生 命 力 的 事 物 都 是 有 一 个 从 无 到 有 的 过 程 的 然 而 物 质 基 本 结 构 形 式 下 物 理 状 态 是 实 实 在 在 地 存 在 的, 既 然 是 实 在 的, 就 是 可 以 用 思 维 方 法 比 较 和 描 述 的, 数 学 工 具 在 这 时 派 不 上 用 场, 作 为 思 维 工 具 的 逻 辑 学, 如 概 念 集 合 判 断 和 推 理 是 可 以 使 用 的 因 此 物 质 ( 即 实 体 ) 或 者 非 物 质 ( 即 间 隙 ) 占 有 空 间 体 积 的 概 念 是 可 以 比 较 的, 变 化 过 程 的 先 后 是 可 以 比 较 的, 方 向 也 是 可 以 区 别 的 用 逻 辑 方 法, 当 A>B 且 B>C 时 作 出 A>C 的 判 断 是 可 行 的 逻 辑 学 虽 然 粗 犷 一 些, 但 是 比 数 学 应 用 范 围 要 广, 可 以 处 理 物 质 基 本 结 构 形 式 的 抽 象 空 间 描 述 ( 当 然 这 不 是 三 维 的 精 确 描 述 ), 也 可 以 处 理 实 体 间 作 用 的 从 无 到 有 或 者 从 有 到 无 的 突 变 性 间 断 性, 即 对 物 质 基 本 结 构 形 式 的 动 态 的 与 过 程 先 后 有 关 的 描 述 ( 当 然 这 也 不 是 连 续 的 精 确 描 述 ) 逻 辑 学 也 不 是 永 恒 的, 人 类 思 维 现 象 产 生, 逻 辑 学 才 随 之 产 生 笔 者 认 为 物 质 基 本 结 构 理 论 对 数 学 和 逻 辑 学 的 上 述 理 解 方 式, 能 够 对 含 数 学 内 容 的 逻 辑 学 悖 论 问 题 ( 如 全 体 与 部 分 问 题 ) 的 解 释 提 供 帮 助 十 空 间 与 时 间 空 间 与 时 间 是 人 们 最 熟 悉 的 概 念, 是 物 理 学 中 分 析 得 最 多 的 对 象 然 而 空 间 与 时 间 又 是 最 难 以 理 解 的 最 神 秘 的 问 题 爱 因 斯 坦 狭 义 相 对 论 认 为 空 间 与 时 间 不 是 独 立 存 在 的, 而 是 物 质 存 在 的 形 式, 这 个 观 点 是 完 全 正 确 的 我 们 提 出 了 物 质 基 本 结 构 形 式 即 物 质 实 体 与 间 隙 概 念, 研 究 了 实 体 的 存 在 变 化 和 相 互 作 用 问 题 那 么 在 物 质 基 本 结 构 形 式 下, 如 何 建 立 空 间 与 时 间 概 念 呢? 尽 管 这 时 无 法 使 用 数 学 方 法 来 精 确 地 度 量 实 体 与 间 隙, 但 是 用 逻 辑 方 法 比 较 实 体 与 间 隙 状 态 的 大 小 还 是 可 以 的 既 然 可 以 比 较, 就 可 以 建 立 起 某 些 量 的 概 念 了 (1) 实 体 与 实 体 之 间 距 离 : 长 度 量 () 实 体 内 部 间 断 与 间 断 之 间 距 离 : 长 度 量 (3) 实 体 迎 面 大 小 : 平 面 面 积 量 (4) 实 体 物 质 多 少 : 体 积 量 (5) 实 体 与 实 体 之 间 位 置 方 位 : 平 面 角 量 和 立 体 角 量 这 样 就 建 立 了 与 物 质 相 联 系 的 三 维 空 间 概 念, 实 体 或 者 间 隙 的 数 量 的 多 少 就 是 实 体 或 者 间 隙 占 居 空 间 体 积 的 大 小 (6) 实 体 相 互 作 用 过 程 先 后 : 时 刻 量 (7) 相 互 作 用 过 程 的 延 续 长 短 : 时 间 量 这 样 就 建 立 了 与 物 质 相 互 作 用 过 程 联 系 的 时 间 概 念 此 时 时 空 是 与 物 质 基 本 结 构 形 式 的 无 序 性 和 不 定 形 性 相 联 系 的, 空 间 与 时 间 是 非 数 学 的 不 可 精 确 度 量 的 物 理 量 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 为 有 序 的 定 形 的 状 态 之 后, 以 太 结 构 和 量 子 波 形 成, 那 时 的 空 间 与 时 间 就 与 有 序 的 物 质 结 构 形 式 相 联 系, 是 可 以 利 用 数 学 坐 标 和 数 学 方 法 描 述 和 分 析 的 了, 到 那 时 物 质 结 构 的 绝 对 性 逐 步 形 成, 需 要 从 时 空 的 角 度 研 究 有 序 的 物 质 结 构 形 式 ( 量 子 波 ) 的 绝 对 性 在 相 对 的 相 互 作 用 中 如 何 表 现 的 问 题, 于 是 一 门 高 深 的 学 问 相 对 论 就 产 生 了 十 一 无 限 和 有 限

22 无 限 与 有 限 问 题 也 是 人 们 熟 悉 的 而 又 难 以 理 解 的 概 念 本 节 我 们 分 析 物 质 基 本 结 构 形 式 下 的 无 限 和 有 限 问 题, 是 物 质 的 最 基 本 的 无 限 和 有 限 问 题 任 何 物 质 实 体, 如 图 1-4 中 的 实 体 A 1 的 存 在 是 有 边 界 的, 这 是 物 质 的 空 间 有 限 性 而 任 何 有 限 的 物 质 实 体, 在 它 之 外 有 更 多 的 物 质 实 体 存 在, 这 是 物 质 的 空 间 外 延 的 无 限 性 任 何 有 限 的 物 质 实 体 内 部, 如 A 1 内 部, 都 存 在 无 限 性, 它 可 以 无 限 地 分 割, 但 是 它 的 任 何 现 状 都 是 处 于 没 有 分 割 的 统 一 在 一 起 的 有 限 状 态 这 就 是 物 质 的 空 间 形 式 的 有 限 性 与 无 限 性 的 辩 证 关 系 1 3 图 1-4 空 间 与 时 间 的 有 限 性 和 无 限 性 人 们 注 视 的 任 何 物 质 实 体 的 变 化 过 程 总 是 阶 段 性 的, 在 这 个 阶 段 里, 物 质 实 体 从 这 样 的 形 式 变 化 为 那 样 的 形 式, 上 图 1-4, 实 体 A 1 变 化 到 A 3 状 态 这 个 过 程 的 阶 段 性 就 是 物 质 的 过 程 ( 即 时 间 ) 的 有 限 性 但 是 任 何 一 段 有 限 的 过 程, 在 此 过 程 之 前 也 是 在 不 断 地 变 化 的, 没 有 开 始 发 生 变 化 的 时 刻 ; 在 这 段 有 限 的 过 程 之 后, 仍 然 是 不 断 地 变 化, 没 有 停 止 变 化 的 时 刻, 这 就 是 物 质 的 时 间 外 延 的 无 限 性 在 一 段 有 限 的 过 程 里, 也 可 以 分 为 无 限 多 的 子 过 程, 实 体 A 1 变 化 到 A 3 状 态, 可 以 经 过 无 限 多 的 状 态,A 状 态 只 是 其 中 任 意 一 个 状 态, 然 而 实 体 A 1 变 化 到 A 3 过 程 实 际 上 是 连 续 的, 这 样 的 子 过 程 连 续 统 一 在 一 起, 仍 然 表 现 为 一 段 有 限 的 过 程 这 就 是 物 质 的 时 间 形 式 的 有 限 性 与 无 限 性 的 辩 证 关 系 谈 到 宇 宙 的 无 限 性 和 有 限 性 问 题 时, 不 少 理 论 家 们 深 感 为 难, 因 为 他 们 定 义 无 限 时 认 为 无 限 是 有 限 的 突 破, 如 果 宇 宙 是 无 限 的, 那 么 它 如 何 在 自 己 的 无 限 性 上 再 突 破 呢? 笔 者 认 为, 我 们 只 能 谈 论 具 体 宇 宙 中 的 空 间 和 时 间 的 有 限 性 和 无 限 性 问 题, 没 有 什 么 整 个 宇 宙 的 概 念, 无 限 的 宇 宙 是 不 存 在 的, 具 体 的 宇 宙 永 远 是 无 限 与 有 限 的 对 立 统 一 我 们 只 能 建 立 物 质 的 空 间 和 时 间 在 外 延 和 内 涵 上 的 无 限 性 和 有 限 性 概 念, 我 们 不 能 企 图 建 立 整 个 物 质 世 界 的 概 念, 不 能 说 物 质 是 无 限 的, 因 为 物 质 永 远 是 无 限 与 有 限 的 对 立 统 一 无 限 与 有 限 的 观 点 可 以 为 量 子 理 论 中 的 一 些 疑 难 问 题 提 供 解 答 的 思 路, 如 后 面 将 要 研 究 的 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 趋 势 问 题, 非 因 果 关 系 和 非 决 定 论 问 题 等, 都 需 要 用 到 无 限 与 有 限 的 概 念 来 解 释 第 二 章 以 太 结 构 和 量 子 波 我 们 建 立 了 以 实 体 与 间 隙 为 主 要 内 容 的 物 质 基 本 结 构 形 式, 这 样 的 结 构 形 式 在 一 个 较 大 的 有 限 空 间 里 有 没 有 发 展 变 化 趋 势? 会 朝 着 什 么 方 式 发 展 变 化? 笔 者 曾 经 用 了 很 长 时 间 企 图 设 想 物 质 分 布 的 非 均 匀 化, 希 望 形 成 粒 子 结 构, 结 果 没 有 成 功 后 来 在 弦 论 的 启 发 下, 提 出 物 质 基 本 结 构 形 式 的 均 匀 化 系 统 化 发 展 趋 势 的 假 设 和 以 太 结 构 量 子 波 假 设, 很 多 问 题 迎 刃 而 解 一 有 限 区 域 的 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 趋 势 是 均 匀 化 和 系 统 化

23 一 个 较 大 的 有 限 区 域 ( 至 少 是 人 类 目 前 科 学 手 段 能 观 察 到 的 宇 宙 空 间 ), 物 质 实 体 间 的 相 互 联 系 在 不 断 地 加 强, 相 互 交 织 在 一 起, 形 成 一 个 庞 大 的 网 络 这 样 的 有 限 的 区 域 里, 物 质 基 本 结 构 形 式 的 变 化 趋 势 是 什 么? 可 以 作 出 如 下 假 设 : (1) 均 匀 化 区 域 内 部 与 外 部 不 断 地 交 换 物 质, 物 质 密 度 趋 于 均 匀 化, 运 动 状 态 趋 于 均 匀 化 无 限 的 无 序 运 动 是 均 匀 化 的 根 本 原 因, 均 匀 化 是 物 质 的 自 然 属 性 () 系 统 化 物 质 实 体 的 相 互 作 用, 实 体 的 平 均 径 度 不 断 在 减 小, 物 质 的 分 散 度 不 断 增 大, 实 体 间 的 相 互 关 联 在 不 断 增 强, 局 部 的 相 互 的 作 用 可 以 迅 速 地 扩 散 影 响 到 大 范 围 的 物 质 区 域, 这 就 是 系 统 化 系 统 化 也 是 物 质 的 自 然 属 性 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 趋 势 的 均 匀 化 和 系 统 化 是 不 可 分 割 的, 是 物 质 普 遍 联 系 的 发 展 趋 势 的 表 现 形 式 提 出 新 观 点 的 依 据 是 实 践, 科 学 实 验 证 明 一 个 较 大 的 具 体 的 宇 宙 空 间 和 较 长 的 具 体 的 发 展 过 程 里, 存 在 物 质 运 动 规 律 的 统 一 性 均 匀 性 及 对 称 性, 表 现 在 物 理 定 律 ( 包 括 光 速 不 变 原 理 ) 在 相 当 大 的 空 间 范 围 内 和 相 当 长 的 时 间 过 程 里 的 普 适 性 有 人 会 说 : 提 出 物 质 结 构 形 式 发 展 趋 势 的 假 说, 是 为 了 衔 接 物 质 基 本 结 构 形 式 假 设 与 后 面 的 以 太 结 构 和 量 子 波 形 成 而 特 意 设 计 的 笔 者 认 为, 提 出 以 实 体 与 间 隙 为 主 要 特 征 的 物 质 基 本 结 构 形 式 的 假 设 后, 必 定 要 研 究 物 质 结 构 形 式 的 变 化 趋 势, 而 这 个 趋 势 必 然 要 尽 可 能 地 与 现 代 科 学 实 验 证 实 的 物 理 现 象 相 符 合 现 代 物 理 实 验 证 明, 物 质 世 界 在 相 当 大 的 范 围 内, 很 多 的 物 理 规 律 是 稳 定 的 如 光 速 在 目 前 观 察 到 的 宇 宙 空 间 的 真 空 中 是 稳 定 的 ; 电 子 无 论 是 在 太 空 中 产 生 还 是 在 地 球 上 产 生, 总 是 与 正 电 子 成 对 地 产 生, 而 且 总 是 这 么 大 的 质 量, 等 等 现 代 物 理 实 验 还 证 明, 波 与 粒 子 现 象 是 普 遍 存 在 的, 尽 管 物 理 学 家 将 电 磁 波 定 义 为 特 殊 的 物 质, 即 电 场 与 磁 场 自 己 互 相 转 化 而 形 成 的 波, 但 是 我 们 应 当 清 楚 地 知 道, 作 为 特 殊 物 质 身 份 的 电 场 与 磁 场 一 定 是 与 通 常 的 物 质 有 共 性 的, 在 更 基 本 的 层 次 下, 应 当 表 现 为 同 一 种 物 质 离 开 波, 将 很 难 对 作 用 力 问 题 粒 子 的 规 范 性 问 题 作 出 解 释 而 波 一 定 是 离 不 开 媒 质 的, 可 见, 构 筑 一 个 在 有 限 区 域 内 的 相 对 均 匀 的 又 相 互 联 系 的 环 境 是 必 然 的 选 择 任 何 假 设 必 须 在 推 理 上 符 合 逻 辑 性, 而 且 必 须 经 得 起 科 学 实 验 的 检 验 有 人 可 能 又 会 质 疑 : 难 道 物 质 结 构 形 式 发 展 趋 势 是 一 个 无 条 件 的 无 限 的 均 匀 化 和 系 统 化 过 程? 难 道 没 有 非 均 匀 化 和 非 系 统 化 过 程 吗? 物 质 在 时 间 上 是 无 限 的, 整 个 宇 宙 早 就 该 绝 对 地 均 匀 化 和 系 统 化 了 笔 者 认 为 对 这 个 问 题 应 这 样 来 理 解, 我 们 研 究 的 均 匀 化 和 系 统 化 过 程 是 针 对 具 体 的 物 质 系 统 而 言, 任 何 具 体 的 物 质 系 统 无 法 预 料 外 界 的 不 平 衡 何 时 影 响 到 区 域 内 部 更 重 要 的 是 我 们 根 本 无 权 谈 论 整 个 物 质 世 界 的 问 题, 谁 也 无 法 料 到 经 过 极 大 的 时 间, 我 们 目 前 观 察 到 的 半 个 宇 宙 的 物 质 是 否 都 会 跑 到 另 一 半 空 间 因 此 不 存 在 整 个 宇 宙 早 就 绝 对 地 均 匀 化 和 系 统 化 的 问 题 那 么 可 否 假 设 均 匀 化 和 系 统 化 都 是 有 条 件 的, 在 一 定 的 条 件 下 系 统 朝 着 均 匀 化 和 系 统 化 方 向 发 展, 在 另 外 的 条 件 下 系 统 朝 着 非 均 匀 化 和 非 系 统 化 方 向 发 展? 笔 者 认 为 即 使 两 个 均 匀 化 和 系 统 化 程 度 相 差 很 大 的 系 统 碰 撞, 如 果 分 开 观 察 这 两 个 系 统, 可 能 会 发 现 各 自 的 非 均 匀 化 非 系 统 化 过 程, 但 是 如 果 不 对 这 两 个 系 统 分 开 观 察, 而 是 视 为 一 个 新 的 整 体 综 合 在 一 起 观 察, 这 个 综 合 体 仍 然 是 一 个 均 匀 化 和 系 统 化 的 发 展 趋 势 这 就 是 说 我 们 所 说 的 均 匀 化 和 系 统 化 强 调 的 是 一 个 发 展 趋 势 均 匀 化 和 系 统 化 是 由 无 序 迈 向 有 序 的 第 一 步 由 此 将 进 一 步 向 有 序 发 展, 形 成 了 量 子 波 和 作 用 力, 之 后 将 带 来 新 的 不 平 衡, 有 序 的 力 量 反 而 使 得 非 均 匀 化 和 非 系 统 化 活 跃 于 物 质 世 界, 我 们 看 到 的 宏 观 世 界 中 能 量 和 质 量 分 布 是 那 么 的 不 平 衡 充 分 证 明 了 这 一 点 二 历 史 上 的 以 太 观 以 太 是 一 个 古 老 的 观 念, 为 了 解 释 物 质 结 构 尤 其 是 物 质 的 波 动 现 象, 物 理 学 家 们 提 出 过 多 种 有 关 以 太 的 学 说 古 希 腊 时 代 亚 里 士 多 德 认 为 天 体 间 一 定 充

24 满 某 种 媒 质 笛 卡 儿 1644 年 发 表 的 哲 学 原 理 中 就 认 为 虚 空 是 不 可 能 存 在 的, 整 个 宇 宙 充 满 着 一 种 特 殊 的 易 动 物 体 以 太 1678 年 惠 更 斯 把 光 振 动 类 比 于 声 振 动, 看 成 是 以 太 中 的 弹 性 脉 冲 但 是 后 来 由 于 光 的 微 粒 说 占 了 上 风, 以 太 理 论 受 到 了 压 抑 牛 顿 认 为 不 需 要 以 太, 他 主 张 超 距 作 用 持 超 距 作 用 观 点 的 人 认 为, 太 阳 对 地 球 的 引 力 无 须 太 阳 与 地 球 之 间 的 物 质 联 系 1800 年 以 后 由 于 波 动 说 成 功 地 解 释 了 干 涉 衍 射 和 偏 振 等 现 象, 以 太 学 说 重 新 抬 头 在 波 动 说 的 支 持 者 看 来, 光 既 然 是 一 种 波, 就 一 定 要 有 一 种 载 体 光 能 通 过 虚 空, 证 明 在 虚 空 中 充 满 这 种 载 体, 这 就 是 以 太 他 们 把 以 太 看 成 是 无 所 不 在 绝 对 静 止 极 其 稀 薄 的 刚 性 物 质 麦 克 斯 韦 和 他 那 一 代 的 物 理 学 家 认 为 : 只 要 能 量 在 一 段 时 间 里 从 一 物 体 传 送 到 另 一 物 体, 那 就 必 然 有 一 种 媒 体 或 物 质, 使 得 能 量 在 离 开 一 个 物 体 之 后 而 尚 未 到 达 另 一 物 体 之 前 能 够 保 存 在 其 中 以 太 是 物 理 学 家 用 以 解 释 光 的 波 动 现 象 而 假 设 的 媒 质, 在 很 长 一 段 时 期 内 对 物 理 学 的 发 展 起 着 重 要 作 用 后 来 它 最 终 被 放 弃 了, 理 由 是 : (1) 如 果 以 太 存 在, 以 太 作 为 媒 质 承 载 光 速 这 么 快 的 横 波, 显 然 要 比 钢 铁 还 要 坚 硬 得 多, 然 而 物 体 在 以 太 中 运 动 却 未 感 受 到 丝 毫 阻 力, 这 是 不 可 想 象 的 () 如 果 以 太 存 在, 物 体 的 运 动 必 然 有 一 个 相 对 于 以 太 的 速 度, 然 而 任 何 科 学 实 验 都 无 法 测 到 以 太 风 的 速 度 (3) 如 果 以 太 存 在, 必 然 可 以 定 义 一 个 相 对 于 以 太 静 止 的 参 照 系, 而 爱 因 斯 坦 的 相 对 论 否 定 了 任 何 特 殊 的 惯 性 参 照 系, 一 切 运 动 都 可 以 理 解 为 相 对 的, 任 何 参 照 系 都 是 平 等 的 (4) 科 学 证 明 了 光 波 就 是 一 种 电 磁 波, 而 电 磁 波 可 以 视 为 电 场 与 磁 场 相 互 激 发 并 在 空 间 传 播 的 现 象 对 电 磁 场 无 法 用 通 常 的 物 质 形 态 解 释, 暂 且 作 为 特 殊 的 物 质 形 式 对 待, 那 么 电 磁 波 也 就 是 一 种 特 殊 的 物 质 形 态 由 此, 以 太 的 存 在 是 不 必 需 的 了 传 统 的 以 太 观 中 粒 子 与 以 太 是 绝 然 区 分 的, 在 这 种 观 点 下, 粒 子 之 船 在 以 太 的 海 洋 中, 遇 到 极 大 的 阻 力 问 题 是 不 可 避 免 的 而 且 测 量 不 出 船 相 对 于 以 太 海 洋 的 速 度 也 是 难 以 解 释 的 于 是 在 0 世 纪 初, 以 太 就 退 出 了 历 史 舞 台, 近 百 年 来 几 乎 没 有 人 想 起 它 但 是 我 们 应 当 知 道 不 少 物 理 学 大 师 对 以 太 的 评 价 仅 仅 是 以 太 的 存 在 是 不 必 要 的, 并 没 有 断 言 以 太 是 不 存 在 的 那 么 以 太 是 否 真 的 不 存 在 呢? 三 重 新 找 回 以 太 的 理 由 0 世 纪 初, 以 太 退 出 了 物 理 学 殿 堂, 但 是 物 理 学 对 波 推 崇 到 如 此 高 度, 仅 仅 用 一 个 概 率 波, 用 一 个 特 殊 的 电 磁 场, 就 能 把 波 动 与 媒 质 的 依 存 关 系 拿 掉 吗? 现 在 到 了 把 以 太 找 回 来 的 时 候 了, 理 由 有 四 条 : (1) 没 有 媒 质 的 波 动 是 不 可 想 象 的 人 们 将 电 磁 波 视 为 一 种 特 殊 的 波, 但 是 特 殊 的 波 也 是 物 质, 特 殊 的 电 磁 场 物 质 是 需 要 研 究 的, 也 就 是 说 要 研 究 电 磁 场 这 种 特 殊 物 质 与 我 们 通 常 的 物 质 有 什 么 共 同 点, 以 这 种 方 式 认 识 电 磁 波, 其 实 就 是 要 从 新 的 角 度 认 识 以 太 () 对 粒 子 的 结 构 研 究 需 要 以 太 概 念 现 在 人 们 对 粒 子 与 波 的 概 念 有 较 大 差 异, 往 往 将 量 子 的 粒 子 性 强 调 得 很 重, 而 对 波 只 是 解 释 为 概 率 波 而 已 实 际 上 无 论 用 什 么 方 式 构 造 粒 子 的 结 构 都 摆 脱 不 了 波 的 痕 迹, 如 粒 子 相 互 作 用

25 引 起 粒 子 运 动 显 示 出 德 布 罗 意 波, 正 反 粒 子 湮 灭 出 现 光 波, 等 等 对 粒 子 结 构 的 研 究 必 须 建 立 实 实 在 在 的 波 的 概 念, 以 太 的 存 在 将 有 助 于 粒 子 结 构 的 研 究 (3) 量 子 的 相 互 作 用 离 不 开 以 太 概 念 量 子 之 间 的 相 互 作 用 不 可 能 是 超 距 的, 因 此 必 须 以 物 质 来 传 递 作 用, 目 前 的 理 论 是 构 造 一 种 新 的 传 递 作 用 粒 子 来 解 释 量 子 间 的 作 用, 粒 子 的 种 类 越 来 越 多 其 实 即 使 使 用 了 传 递 作 用 粒 子 概 念, 还 得 解 释 传 递 作 用 粒 子 为 什 么 能 够 传 递 作 用, 它 的 结 构 是 什 么 如 果 建 立 以 太 结 构 的 概 念, 问 题 可 能 会 简 单 一 些 (4) 如 果 第 一 章 中 对 物 质 实 体 与 间 隙 的 假 设 是 正 确 的, 物 质 基 本 结 构 形 式 是 存 在 的, 那 么 以 太 的 存 在 就 是 必 然 的 况 且, 在 摈 弃 以 太 的 情 况 下, 近 百 年 过 去 了, 物 质 统 一 结 构 理 论 还 没 有 出 现 重 大 突 破, 那 么 不 妨 把 以 太 找 回 来, 看 看 能 否 形 成 一 些 新 的 思 路 四 物 质 基 本 结 构 形 式 下 的 以 太 结 构 从 对 实 体 与 间 隙 的 研 究 开 始, 我 们 提 出 了 物 质 基 本 结 构 形 式 的 假 设, 并 提 出 有 限 的 具 体 区 域 物 质 系 统 的 基 本 结 构 形 式, 通 过 均 匀 化 和 系 统 化 过 程 形 成 了 较 大 范 围 的 物 质 普 遍 联 系 的 形 态, 这 就 是 物 质 基 本 结 构 形 式 下 的 以 太 结 构 形 式, 是 一 种 全 新 观 念 下 的 以 太 新 的 以 太 观 具 有 什 么 特 点 呢? (1) 以 太 直 接 建 立 在 物 质 基 本 结 构 形 式 的 基 础 上, 它 内 部 没 有 特 异 的 结 构 形 式 () 以 太 具 有 形 变 和 可 以 自 动 恢 复 的 特 性, 对 于 被 压 缩 而 力 图 恢 复 的 物 质 区 域 而 言 这 是 弹 性 或 者 称 为 排 斥 性, 对 于 被 拉 伸 而 力 图 恢 复 的 物 质 区 域 而 言 这 也 是 弹 性, 但 表 现 为 引 力 性 这 是 物 质 基 本 结 构 形 式 通 过 均 匀 化 和 系 统 化 发 展 趋 势 形 成 的 最 基 本 的 弹 性 和 引 力 现 象 (3) 以 太 具 有 大 范 围 的 一 致 性, 这 是 物 质 基 本 结 构 形 式 通 过 均 匀 化 和 系 统 化 发 展 趋 势 形 成 的 最 基 本 的 对 称 现 象 试 想 宇 宙 深 处 一 个 光 子 从 几 亿 光 年 处 奔 到 人 类 面 前, 遥 远 的 路 途, 之 后 多 少 会 发 生 一 些 变 化, 但 基 本 上 是 稳 定 的, 如 果 没 有 一 个 均 匀 的 环 境, 这 种 稳 定 性 能 存 在 吗? 每 时 每 刻 宇 宙 深 处 新 生 成 的 正 负 电 子 对 与 地 球 上 人 工 生 成 的 正 负 电 子 对 的 质 量 基 本 上 一 致 如 果 不 建 立 均 匀 化 的 模 型, 一 切 均 无 从 谈 起 以 太 结 构 正 是 这 种 均 匀 化 环 境 的 体 现 (4) 以 太 具 有 大 范 围 的 系 统 性, 这 是 物 质 基 本 结 构 形 式 通 过 均 匀 化 和 系 统 化 发 展 趋 势 而 形 成 的 最 基 本 的 场 的 物 质 基 础 地 球 与 月 亮 相 隔 这 么 远 都 受 到 相 互 引 力 的 影 响, 而 引 力 的 基 本 单 元 是 一 个 一 个 的 质 子 电 子, 总 的 引 力 是 每 个 基 本 单 元 的 引 力 之 和, 可 见, 地 球 上 的 一 个 质 子 与 月 亮 上 的 一 个 电 子 之 间 的 引 力 仍 然 是 在 发 挥 作 用 的, 如 果 没 有 以 太 为 基 础 的 大 范 围 的 系 统 性 的 特 征, 就 无 法 建 立 起 场 的 概 念, 无 论 是 近 距 离 还 是 远 距 离 的 作 用 都 是 不 可 能 实 现 的 (5) 以 太 中 没 有 任 何 类 似 粒 子 一 样 的 其 他 物 质, 它 之 中 只 有 以 它 自 己 为 媒 质 的 波, 这 就 是 后 面 将 要 提 出 的 量 子 波, 实 际 上 它 就 是 以 太 的 表 现 形 式 (6) 由 于 实 物 粒 子 和 光 波 一 样 本 身 就 是 波, 是 以 太 的 表 现 形 式, 因 此 也 就 无 所 谓 物 体 在 以 太 中 的 阻 力 问 题 了 (7) 由 于 实 物 粒 子 本 身 就 是 波, 那 么 作 为 观 察 者 的 我 们 以 及 观 察 仪 器 都 是 波 的 运 动 方 式, 也 就 是 媒 质 自 身 的 表 现 形 式, 当 然 我 们 无 法 发 现 承 载 我 们 的 媒 质 的 绝 对 的 运 动 状 态 了 在 一 系 列 假 设 的 基 础 上 建 立 了 以 太 结 构, 我 们 暂 时 无 法 探 究 以 太 结 构 的 特 性, 如 弹

26 性 引 力 性 等 是 如 何 产 生 的, 量 子 波 是 如 何 产 生 的, 可 以 将 以 太 结 构 的 细 微 机 制 暂 时 视 为 黑 箱, 留 待 今 后 研 究 我 们 当 然 不 能 回 避 以 太 与 相 对 论 的 相 容 性 问 题, 如 果 把 以 太 找 回 来 以 后, 与 相 对 论 发 生 了 矛 盾, 这 可 是 一 件 不 能 容 忍 的 大 事, 须 知 爱 因 斯 坦 的 狭 义 相 对 论 是 经 过 千 锤 百 炼 被 证 明 是 正 确 的 理 论, 这 个 问 题 将 在 第 八 章 研 究 有 些 读 者 可 能 会 认 为, 物 质 基 本 结 构 形 式 的 均 匀 化 和 系 统 化 趋 势, 与 我 们 见 到 的 宇 宙 间 的 物 质 分 布 的 极 度 不 平 衡 性 差 距 这 么 大, 更 是 与 宇 宙 大 爆 炸 理 论 中 提 出 的 一 百 多 亿 年 前 现 有 宇 宙 的 物 质 几 乎 都 集 中 在 一 个 奇 点 的 观 点 是 格 格 不 入 的 从 后 面 的 内 容 中, 读 者 将 可 以 看 到, 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为, 物 质 的 质 量 概 念 就 是 量 子 波 的 频 率, 与 第 一 章 中 笔 者 提 出 的 物 质 基 本 结 构 初 级 阶 段 的 实 体 形 式 的 物 质 量 概 念 是 不 同 的 量 子 波 就 像 太 平 洋 深 处 的 波 涛, 有 些 区 域 惊 涛 骇 浪, 有 些 区 域 风 平 浪 静, 但 是 太 平 洋 各 处 的 物 质 分 布 密 度 大 体 上 是 均 匀 的, 地 球 太 阳 原 子 内 部 的 质 量 集 中 不 过 是 波 动 的 集 中 而 已, 空 间 的 以 太 物 质 分 布 大 体 上 是 均 匀 的 物 质 基 本 结 构 理 论 与 宇 宙 大 爆 炸 理 论 是 不 矛 盾 的, 而 且 为 大 爆 炸 理 论 提 供 了 真 正 的 物 质 基 础 五 量 子 论 的 产 生 量 子 理 论 的 提 出 始 于 0 世 纪 初 1900 年, 普 朗 克 发 现 了 量 子, 人 类 从 此 迈 入 了 辉 煌 的 量 子 时 代 柏 林 一 年 一 度 的 德 国 物 理 学 会 年 会 上 来 自 柏 林 大 学 的 普 朗 克 教 授 首 先 报 告 了 他 发 现 的 辐 射 定 律 这 一 定 律 与 最 新 的 实 验 结 果 精 确 符 合 普 朗 克 指 出, 为 了 推 导 出 这 一 定 律, 必 须 假 设 在 光 波 的 发 射 和 吸 收 过 程 中, 物 体 的 能 量 变 化 是 不 连 续 的, 或 者 说, 物 体 通 过 分 立 的 跳 跃 非 连 续 地 改 变 它 们 的 能 量, 能 量 变 化 只 能 取 某 个 最 小 能 量 元 的 整 数 倍 为 此, 普 朗 克 还 引 入 了 一 个 新 的 自 然 常 数 h = [ 尔 格 秒 ] 这 一 假 设 后 来 被 称 为 能 量 量 子 化 假 设, 其 中 最 小 能 量 元 被 称 为 能 量 量 子, 而 常 数 h 被 称 为 普 朗 克 常 数 爱 因 斯 坦 于 1905 年 进 一 步 指 出 光 波 本 身 就 是 由 一 个 个 的 能 量 子 组 成 的 爱 因 斯 坦 认 为, 能 量 子 概 念 不 只 是 在 光 波 的 发 射 和 吸 收 时 才 有 意 义, 光 波 本 身 就 是 由 一 个 个 不 连 续 的 不 可 分 割 的 能 量 量 子 所 组 成 利 用 光 量 子 假 设, 爱 因 斯 坦 成 功 地 解 释 了 麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 无 法 解 释 的 光 电 效 应 等 现 象 普 朗 克 常 数 的 重 要 意 义 有 两 个, 一 是 确 认 了 能 量 子 的 一 份 一 份 性, 二 是 是 每 一 份 能 量 与 频 率 的 相 关 性, 即 普 朗 克 常 数 杨 氏 双 缝 实 验 早 在 1801 年 就 已 经 证 明 了 光 可 以 产 生 干 涉 现 象, 从 而 是 一 种 波 然 而, 爱 因 斯 坦 却 发 现, 光 波 理 论 无 法 解 释 光 电 效 应 等 新 的 实 验 现 象, 为 此 又 必 须 利 用 光 量 子 假 设 但 是, 如 果 光 是 由 粒 子 组 成 的, 它 又 怎 么 能 产 生 干 涉 现 象 呢? 这 绝 对 是 一 个 两 难 的 局 面! 爱 因 斯 坦 不 得 不 承 认 : 光 似 波, 也 似 粒 子 1909 年 9 月 1 日, 在 萨 尔 斯 堡 (Salzburg) 举 行 的 德 国 自 然 科 学 家 协 会 第 81 次 大 会 爱 因 斯 坦 首 次 提 出 光 具 有 波 粒 二 象 性, 认 为 光 的 波 动 性 和 粒 子 性 这 两 种 特 性 结 构 并 不 是 彼 此 不 相 容 的 然 而, 光 似 波, 也 似 粒 子, 那 么 光 到 底 是 什 么 呢? 爱 因 斯 坦 同 样 感 到 深 深 困 惑, 他 从 此 又 开 始 了 漫 长 的 探 索 旅 程 爱 因 斯 坦 晚 年 承 认, 整 整 50 年 有 意 识 的 思 考 仍 没 有 使 我 更 接 近 光 量 子 是 什 么 这 个 问 题 的 答 案 光 量 子 是 什 么 的 答 案 没 有 弄 清, 并 不 影 响 科 学 家 在 探 索 量 子 性 能 之 路 上 继 续 前 进 就 在 爱 因 斯 坦 提 出 光 量 子 学 说 不 久, 玻 尔 提 出 了 氢 原 子 中 电 子 能 级 和 跃 迁 理 论, 把 量 子 的 概 念 延 伸 到 实 物 粒 子 法 国 的 德 布 罗 意 突 然 意 识 到, 既 然 光 波 具 有 粒 子 的 性 质, 那 么 实 物 粒 子, 尤 其 是 电 子, 也 就 应 当 具 有 波 的 性 质! 接 着 海 森 伯 发 现 了 通 往 量 子 力 学 的 矩 阵 之 路 然 后, 薛 定 谔 于 196 年 找 到 了 物 质 波 所 满 足 的 运 动 方 程, 从 而 建 立 了 量 子 力 学 的 波 动 形 式 这 样 量 子 理 论 ( 含 量 子 力 学 ) 的 基 本 框 架 建 立 起 来 了, 尽 管 在 量 子 理 论 的 一 系 列

27 问 题 上 学 术 界 有 很 多 争 论, 但 是 量 子 理 论 总 体 上 的 正 确 性 是 无 可 非 议 的 近 百 年 来, 量 子 理 论 无 论 在 理 论 上 还 是 在 实 践 中 都 取 得 了 辉 煌 成 就, 整 个 世 界 由 此 发 生 了 巨 变 六 德 布 罗 意 波 概 念 的 拓 展 194 年 德 布 罗 意 提 出, 兼 有 波 和 粒 子 两 方 面 性 质, 不 只 是 光 子 的 特 性, 而 是 光 子 和 一 切 实 物 粒 子 共 同 的 本 性 德 布 罗 意 指 出, 一 个 质 量 为 m 以 速 率 υ 做 匀 速 运 动 的 实 物 粒 子, 从 粒 子 性 看, 可 以 用 能 量 E 和 动 量 P 描 述 它, 从 波 动 性 看, 可 以 用 频 率 v 和 波 长 λ 描 述 它, 这 两 个 方 面 以 下 列 关 系 相 联 系 : E = hv h P =. λ 式 中 h 为 普 朗 克 常 数 德 布 罗 意 认 为, 对 于 一 个 静 质 量 为 m 的 粒 子 而 言, 当 它 以 速 率 υ 运 动 时, 它 相 当 于 一 个 单 色 平 面 波, 其 波 长 为 h h h υ λ = = = 1 P mu m0u c 这 种 波 就 称 为 德 布 罗 意 波 在 非 相 对 论 条 件 下, 如 果 不 考 虑 势 能, 物 质 波 的 总 能 量 是 1 1 P P E = mυ = P = m m 德 布 罗 意 称 这 个 他 所 引 入 的 伴 随 物 体 运 动 由 位 相 相 来 定 义 的 波 为 位 相 波, 并 且 认 为 这 个 相 位 波 是 以 相 速 度 υ c 相 = 沿 x 方 向 传 播, 这 个 速 度 是 远 远 大 于 光 速 υ 的 ( 笔 者 注 : 对 此 我 们 可 以 不 去 理 解 它 ) 目 前 流 行 的 现 代 物 理 学 教 材 和 科 普 读 物, 都 把 德 布 罗 意 的 位 相 波 称 为 物 质 波, 并 把 它 解 释 为 : 实 物 粒 子 具 有 波 动 性 和 波 具 有 粒 子 性 是 相 应 的 ; 作 为 粒 子, 具 有 动 量 P 和 能 量 E; 作 为 波, 具 有 波 长 λ 和 频 率 ν 对 于 光 量 子 能 量 hν h h E= h ν ; 动 量 P = = ; 因 此 对 于 实 物 粒 子 也 有 同 样 的 关 系 P = 即 c λ λ h h λ = = P me k 这 个 关 系 称 为 德 布 罗 意 公 式, λ 称 为 实 物 粒 子 的 德 布 罗 意 波 长 这 种 阐 述 方 式 与 德 布 罗 意 的 原 文 多 少 有 一 些 出 入 但 是, 无 论 这 样 的 物 质 波 概 念 阐 述 是 否 符 合 德 布 罗 意 当 时 的 愿 意, 德 布 罗 意 本 人 和 后 来 的 学 者 都 是 将 德 布 罗 意 波 限 定 在 运 动 的 粒 子 范 围 内, 即 德 布 罗 意 波 考 虑 的 是 动 能, 并 没 有 包 含 物 质 的 静 止 能 量 ( 即 静 止 质 量 ) 后 来 的 薛 定 谔 波 动 方 程 中 考 虑 了 势 能 因 素, 但 仅 仅 考 虑 了 变 动 的 势 能, 并 不 包 括 物 质 静 止 能 量 有 关 验 证 德 布 罗 意 波 的 实 验 也 是 从 运 动 电 子 的 动 能 角 度 考 虑 现 在 让 我 们 将 德 布 罗 意 波 的 概 念 拓 展 : 不 仅 仅 运 动 的 实 物 粒 子 具 有 波 动 性, 静 止 的 实 物 粒 子 也 具 有 波 动 性, 无 论 是 光 子 运 动 的 实 物 粒 子 和 静 止 的 实 物 粒 子 都 具 有 波 动 性 实 物 粒 子 的 与 静 止 质 量 相 关 的 静 止 能 量 也 应 服 从 普 朗 克 常 数 转 换 定 律, 具 有 相 应 的 波 动 频 率 和 波 长 提 出 这 个 观 点 的 依 据 是 实 践 : 一 是 经 实 践 验 证 的 爱 因 斯 坦 质 量 与 能 量 相 关 理 论 ; 二 是 经 实 践 验 证 的 普 朗 克 常 数 所 规 范 的 能 量 与 量 子 频 率 相 关 性 ; 三 是 经 实 践 验 证 的 能 量 守 恒 定 律

28 将 德 布 罗 意 波 概 念 拓 展 到 所 有 的 粒 子 意 义 是 十 分 深 远 的, 它 实 际 上 提 出 了 粒 子 就 是 波 的 全 新 观 念, 从 根 本 上 回 答 了 量 子 的 粒 子 性 和 波 动 性 问 题 七 以 太 结 构 中 的 量 子 波 假 设 将 德 布 罗 意 波 概 念 拓 展, 提 出 了 粒 子 就 是 波 的 观 念, 这 种 波 就 是 以 太 结 构 中 的 量 子 波 在 宏 观 世 界 里, 我 们 认 识 的 波 都 是 依 赖 媒 质 的 物 质 运 动, 将 波 源 的 振 动 能 量 通 过 媒 质 传 给 相 邻 的 物 质, 再 逐 步 传 输 出 去 如 果 以 太 作 为 一 种 新 型 的 媒 质, 它 能 否 产 生 波, 产 生 的 波 的 形 式 是 什 么? 下 面 试 从 以 太 波 与 宏 观 波 的 类 比 的 角 度 作 如 下 分 析 (1) 宏 观 波 必 须 有 媒 质, 媒 质 必 须 有 弹 性, 可 以 接 受 运 动 的 作 用 而 形 变, 并 反 弹 输 出 形 变 以 太 也 具 有 这 种 特 征, 以 太 中 的 波 是 可 以 存 在 的, 以 太 可 以 作 为 一 种 特 殊 的 媒 质 () 宏 观 波 由 于 媒 质 接 收 能 量 和 输 出 能 量 有 一 个 过 程, 因 此 产 生 了 时 间 的 滞 后 并 形 成 波 动 周 期 性 波 的 传 输 速 度 相 位 等 特 征 以 太 中 的 波 运 动 形 式 的 接 收 和 输 出 也 存 在 一 个 过 程, 同 样 产 生 时 间 的 滞 后 并 形 成 波 动 周 期 性 波 的 传 输 速 度 相 位 等 特 征 以 上 (1) () 点, 说 明 以 太 中 可 以 产 生 波, 在 一 定 程 度 上 具 有 与 宏 观 波 相 似 的 特 征 但 是 以 太 结 构 与 宏 观 的 媒 质 毕 竟 有 很 大 的 区 别, 这 些 区 别 主 要 是 : 以 太 中 没 有 稳 定 的 粒 子, 以 太 中 还 没 有 形 成 能 量 质 量 动 量 特 征, 以 太 的 均 匀 性 整 体 性 张 力 性 都 远 远 大 于 宏 观 媒 质, 等 等, 这 就 决 定 了 以 太 中 的 波 将 会 与 宏 观 波 有 着 重 大 区 别 这 些 区 别 主 要 是 : (3) 宏 观 波 的 产 生 通 常 有 波 源 的 持 续 振 动, 而 以 太 是 物 质 的 基 础 结 构 形 式, 以 太 中 的 波 没 有 持 续 的 波 源, 每 一 个 波 自 身 就 是 波 源 (4) 宏 观 波 离 开 波 源 一 定 距 离 后, 波 动 能 量 将 随 着 传 输 距 离 的 增 加 而 迅 速 分 散, 波 幅 与 距 离 的 平 方 成 反 比 而 以 太 中 的 波 并 不 发 散, 在 没 有 发 生 波 与 波 之 间 的 相 互 作 用 之 前, 保 持 波 动 形 式 不 变, 即 方 向 不 变 速 度 不 变 波 长 不 变, 频 率 也 不 变, 这 就 出 现 了 频 率 稳 定 的 概 念 (5) 以 太 中 的 波 具 有 量 子 性, 即 波 是 一 份 一 份 的 形 式 从 此 人 们 可 以 正 式 将 以 太 中 的 波 称 为 量 子 波 了 (6) 以 太 中 的 弹 性 形 变 恢 复 性 能, 纵 向 的 径 度 和 横 向 的 切 变 力 是 最 大 的, 大 到 什 么 程 度? 大 到 不 能 再 大, 大 到 只 能 是 均 一 的 并 以 它 为 标 准 设 为 1, 宏 观 中 各 种 不 同 系 统 的 这 个 值 都 只 能 小 于 1 由 此, 以 太 中 的 波 的 速 度 也 是 最 大 的, 大 到 什 么 程 度? 大 到 不 能 再 大, 大 到 只 能 是 均 一 的 并 以 它 为 标 准 设 为 1, 这 就 是 光 速 c, 宏 观 中 各 种 不 同 系 统 的 这 个 值 都 只 能 小 于 c 从 以 上 分 析 可 以 得 到 一 个 结 论 : 以 太 结 构 中 能 形 成 量 子 波, 量 子 波 就 是 以 太 结 构 的 表 现 形 式 从 此 以 太 结 构 和 量 子 波 就 成 了 本 书 的 主 角, 我 们 将 要 在 此 基 础 上 研 究 量 子 理 论 中 的 所 有 基 本 性 问 题 当 然 还 会 不 时 地 回 头 关 注 物 质 基 本 结 构 形 式 即 实 体 与 间 隙 的 规 律 对 量 子 波 的 影 响, 我 们 得 记 住 此 时 的 以 太 结 构 概 念 不 是 一 百 年 前 的 以 太 概 念, 量 子 波 概 念 也 不 是 近 八 十 年 前 的 德 布 罗 意 波 概 念, 它 们 都 将 以 一 个 全 新 的 面 目 出 现 在 物 理 世 界 在 以 后 各 章 中 读 者 可 以 清 晰

29 地 看 到, 物 质 基 本 结 构 形 式 以 太 结 构 和 量 子 波 观 点, 即 物 质 基 本 结 构 理 论 将 与 物 理 实 验 很 好 地 吻 合, 然 而 也 将 很 自 然 地 导 引 出 很 多 与 传 统 理 论 不 同 的 观 点, 形 成 一 个 系 统 的 对 现 有 量 子 理 论 进 行 补 充 完 善 的 理 论 体 系 第 一 章 第 九 节 中, 笔 者 认 为 实 体 之 间 相 互 作 用 对 实 体 变 化 的 影 响 是 存 在 不 确 定 性 的, 一 种 非 因 果 关 系 和 非 决 定 论 的 不 确 定 性 现 在 随 着 物 质 基 本 结 构 形 式 朝 着 均 匀 化 和 系 统 化 的 方 向 发 展, 有 序 状 态 已 经 开 始 形 成, 在 这 样 的 有 序 结 构 层 面, 非 因 果 关 系 和 非 决 定 论 引 起 的 不 确 定 性 将 会 逐 步 减 弱 八 量 子 波 的 两 种 形 式 量 子 波 即 为 物 质 基 本 结 构 形 式 经 过 均 匀 化 和 系 统 化 过 程, 形 成 了 具 有 弹 性 和 引 力 的 以 太 结 构 后, 在 以 太 结 构 中 产 生 的 波 量 子 波 有 两 种 形 式 : 玻 色 波 形 式 与 费 米 波 形 式 玻 色 波 形 式 类 比 于 横 波, 费 米 波 形 式 类 比 于 纵 波, 光 子 是 纯 粹 的 玻 色 波, 静 止 的 实 物 粒 子 是 纯 粹 的 费 米 波, 运 动 的 实 物 粒 子 是 同 时 含 有 费 米 频 率 分 量 和 玻 色 频 率 分 量 的 量 子 波 波 色 波 的 波 动 中 心 随 着 时 间 的 推 移 连 续 地 在 空 间 移 动 位 置, 不 局 限 在 一 个 区 域 ; 费 米 波 的 波 动 中 心 也 连 续 地 在 空 间 移 动 位 置, 但 反 复 地 运 动 在 一 个 相 对 稳 定 的 区 域 传 统 理 论 中 粒 子 与 波 的 差 异 非 常 大, 量 子 波 概 念 将 将 粒 子 与 波 统 一 起 来 了, 无 论 是 波 色 形 式 的 量 子 波 还 是 费 米 形 式 的 量 子 波, 都 是 以 太 结 构 中 出 现 稳 定 的 一 份 一 份 的 波, 而 且 波 速 是 均 一 的 最 大 的, 即 光 速 c 关 于 波 色 形 式 和 费 米 形 式 量 子 波 的 波 形 问 题 将 在 第 十 节 研 究 量 子 波 的 概 念 建 立 后, 对 量 子 的 定 义 就 可 以 简 单 得 多 了, 什 么 是 量 子? 量 子 就 是 以 太 结 构 中 的 波 粒 子 就 是 波 的 观 点 完 全 符 合 量 子 理 论 的 基 本 观 点 : 量 子 就 是 一 份 一 份 的 稳 定 波 质 子 是 一 种 频 率 高 的 纵 波, 电 子 是 一 种 频 率 为 质 子 频 率 1/1836 的 纵 波, 光 子 是 各 种 频 率 的 横 波 量 子 波 在 以 太 结 构 中 也 不 是 永 恒 的, 关 于 量 子 波 在 以 太 结 构 中 是 如 何 生 成 与 消 失 的 问 题, 将 在 第 十 一 章 中 研 究 提 出 量 子 波 概 念 的 依 据 是 实 践, 实 验 支 持 普 朗 克 常 数 表 达 的 能 量 与 频 率 的 对 应 性, 支 持 能 量 守 恒 定 律, 支 持 爱 因 斯 坦 的 质 能 相 关 理 论, 这 就 是 提 出 量 子 波 概 念 的 实 践 基 础 和 理 论 基 础 如 果 不 建 立 量 子 波 概 念, 很 难 解 释 静 止 能 量 为 什 么 不 能 如 同 动 能 一 样 具 有 波 动 性 如 果 不 建 立 量 子 波 概 念, 势 能 无 法 取 得 频 率 量, 量 子 间 相 互 作 用 时 势 能 与 动 能 相 互 转 换, 频 率 就 会 凭 空 地 增 加 或 者 减 少 ( 最 典 型 的 例 子 是 正 反 费 米 子 湮 灭 为 光 子 ), 这 不 是 一 个 完 备 理 论 所 期 望 的 既 然 建 立 了 能 量 守 恒 概 念, 建 立 了 能 量 与 频 率 对 应 概 念, 建 立 了 质 能 相 关 概 念, 为 何 不 接 着 建 立 频 率 的 对 等 转 换 概 念 呢? 因 此 笔 者 认 为 量 子 波 概 念 的 提 出 是 有 实 践 基 础 的, 也 是 与 传 统 理 论 衔 接 的, 在 逻 辑 上 是 自 恰 的 看 到 这 里 有 的 读 者 也 许 会 说, 粒 子 就 是 波 的 观 点 的 确 是 新 颖, 但 是 传 统 观 念 下 粒 子 是 有 边 界 的, 而 量 子 波 的 边 界 在 哪 里 呢? 量 子 理 论 要 求 人 们 必 须 在 全 新 的 观 念 下 理 解 物 理 现 象, 量 子 具 有 定 域 性 和 非 定 域 性, 任 何 一 个 质 子 或 者 电 子 都 有 稳 定 的 波 形 和 波 动 中 心, 但 是 没 有 边 界, 众 多 量 子 的 波 是 交 织 在 一 起 的 量 子 的 很 多 特 征 将 在 后 面 的 章 节 中 详 细 讨 论 笔 者 提 出 量 子 波 的 概 念 在 一 定 程 度 上 是 受 到 了 弦 论 的 影 响 刚 开 始 接 触 弦 论 时 无 法 接 受 弦 论 中 的 弦 居 然 发 展 到 十 一 维 的 复 杂 形 式, 弦 论 的 思 维 方 式 无 法 适 应 自 己 力 图 从 简 单 的 基 本 结 构 入 手 的 研 究 问 题 方 式 后 来 觉 得 弦 论 中 有 可 取 之 处, 弦 论 认 为 静 止 的 粒 子 也 在 振 动, 而 德 布 罗 意 的 物 质 波 仅 仅 体 现 在 粒 子 的 动 能 中, 于 是 提 出 了 量 子 波 概 念 量 子 波 概 念 与 弦 的 概 念 是 有 重 大 区 别 的 (1) 量 子 波 概 念 建 立 在 实 体 与 间 隙 的 物 质 基 本 结 构 形 式 基 础 上, 建 立 在 以 太 结 构 基 础 上, 有 坚 实 的 物 质 实 在 基 础 ;() 量 子 波 概 念 力 求 简 单 统 一, 至 少 不 能 使 目 前 稳 定 的 基 本 粒 子 家 族 成 员 更 复 杂 ;(3) 量 子 波 概 念 希 望 将 光 子 静 止 的 费 米 子 运 动 的 费 米 子 一 并 纳 入 理 论 框 架 中 ;(4) 量 子 波 概 念 希 望 能 够 在 基 本 的 结 构 形 式 上 解 决 费 米 子 的 正 反 性 即 正 负 电 性 问 题

30 九 数 学 开 始 进 入 物 理 学 前 面 研 究 物 质 基 本 结 构 形 式 时 笔 者 提 出 数 学 也 有 一 个 基 础 和 起 点 问 题, 认 为 在 物 质 基 本 结 构 形 式 的 条 件 下 数 学 还 不 能 产 生, 理 由 主 要 是 那 里 还 没 有 稳 定 的 物 质 结 构 形 式, 无 法 找 到 量 度 空 间 的 尺 子 和 量 度 过 程 的 时 钟 现 在 情 况 不 同 了, 量 子 波 大 摇 大 摆 地 登 场 了, 它 是 那 样 的 稳 定, 波 长 不 变 是 它 的 空 间 稳 定 性, 频 率 不 变 是 它 的 时 间 稳 定 性 量 子 波 的 产 生 为 数 学 的 产 生 创 造 了 条 件, 量 子 波 形 成 之 后, 物 理 量 相 对 稳 定 了, 计 数 成 为 了 可 能, 数 学 分 析 成 为 了 必 不 可 少 的 工 具 坐 标 系 的 建 立 具 体 地 标 志 着 数 学 正 式 进 入 了 物 理 世 界, 物 理 学 开 始 了 可 计 量 的 时 代 描 述 物 体 是 否 运 动 以 及 做 怎 样 的 运 动, 必 须 选 择 另 一 些 物 体 作 为 参 考 这 些 物 体 称 为 参 照 物 通 常 在 参 照 物 上 固 定 一 个 坐 标 系, 最 常 用 的 是 直 角 坐 标 系 在 坐 标 系 下, 我 们 开 始 有 了 一 些 物 理 量 的 单 位, 这 就 是 : 长 度 : 米 ; 面 积 : 米 3 ; 体 积 : 米 ; 角 度 : 弧 度 ; 波 长 : 米 ; 时 间 : 秒 ; 频 率 ( 即 能 量 ): 次 / 秒 ; 波 密 度 ( 即 动 量 ): 次 / 米 关 于 单 位 和 单 位 制 问 题, 将 在 第 四 章 专 题 讨 论 十 量 子 波 的 波 形 假 设 前 面 提 出 了 以 太 结 构 中 的 量 子 波 概 念, 既 然 是 波 就 应 当 有 波 形, 所 谓 波 形 简 单 地 说 就 是 以 太 结 构 的 形 变 和 恢 复 的 状 态 为 什 么 要 研 究 量 子 波 的 波 形 呢? 因 为 量 子 波 的 波 形 问 题 涉 及 后 面 将 要 研 究 的 很 多 问 题, 如 将 正 负 电 子 理 解 为 量 子 波, 就 得 大 体 上 构 造 出 描 述 正 电 子 的 量 子 波 形 与 描 述 负 电 子 的 量 子 波 形 有 什 么 不 同, 才 能 为 下 一 步 研 究 提 供 一 个 基 础 虽 然 不 能 期 望 精 确 地 描 述 出 量 子 波 波 动 的 全 部 细 节, 但 是 必 须 对 量 子 波 的 波 形 大 体 上 构 造 出 一 个 粗 线 条 轮 廓 现 对 以 太 结 构 中 的 量 子 波 的 波 形 作 一 些 假 设 ( 一 ) 模 型 1: 非 旋 转 量 子 波 形 假 设 (1) 量 子 波 的 横 波 形 式 与 纵 波 形 式 波 速 是 一 致 的, 都 是 光 速 宏 观 波 的 媒 质 的 弹 性 在 纵 向 和 切 向 往 往 差 异 很 大, 横 波 只 能 在 固 体 中 产 生 宏 观 波 的 速 度 与 媒 质 的 径 度 和 张 力 有 关, 一 般 来 说 固 体 中 纵 波 的 速 度 要 大 于 横 波 的 速 度 例 如, 聚 乙 烯 : 纵 波 1950 米 / 秒, 横 波 540 米 / 秒 ; 锡 : 纵 波 330 米 / 秒, 横 波 1670 米 / 秒 ; 铝 : 纵 波 640 米 / 秒, 横 波 3040 米 / 秒 ; 铁 : 纵 波 5950 米 / 秒, 横 波 340 米 / 秒 ; 石 英 : 纵 波 5968 米 / 秒, 横 波 3764 米 / 秒 人 们 可 以 发 现 一 个 现 象, 不 同 的 宏 观 媒 质 中, 随 着 媒 质 的 内 在 张 力 增 大, 在 横 波 不 断 提 高 速 度 的 情 况 下, 纵 波 与 横 波 在 速 度 上 的 差 异 在 迅 速 缩 小 并 趋 于 一 致 以 太 由 于 是 基 础 性 的 结 构, 内 部 没 有 特 异 性, 因 而 是 各 向 同 性 的, 因 此 以 太 中 横 波 和 纵 波 两 种 波 动 方 式 的 波 动 速 度 应 当 是 等 同 的 这 个 假 设 在 后 面 的 模 型 中 不 再 重 复 () 量 子 波 的 横 波 形 式 即 玻 色 波 的 传 播 方 式 是 开 放 的 玻 色 波 能 在 一 个 时 刻 出 现 在 空 间 的 某 处, 经 过 一 定 过 程 它 出 现 在 空 间 的 另 一 处, 它 的 移 动 速 率 是 光 速, 它 的 移 动 方 向 被 人 们 定 义 为 直 线 方 向 假 设 光 量 子 的 波 形 如 图 -1:OF 表 示 玻 色 波 的 传 播 方 向, 数 轴 既 表 示 时 间 又 表 示 行 程 位 置 ;OF 又 可 表 示 一 个 波 动 周 期, 它 是 开 放 的, 将 沿 箭 头 方 向 继 续 下 一 个 周 期 ; 虚 线 表 示 以 太 形 变 即 振 幅 的 位 移 量,AB 表 示 最 大 位 移 量 即 振 幅 的

31 最 大 值, 频 率 越 大 振 幅 的 最 大 值 越 大 ;O C F 处 的 振 幅 最 小,A D 处 的 振 幅 最 大 B D O A C F E 图 -1 非 旋 转 模 型 中 的 玻 色 波, 波 幅 与 波 动 的 最 大 位 移 中 心 描 述 一 致 这 样 的 描 述 显 然 是 用 宏 观 的 思 维 方 式 来 构 造 量 子 波, 主 要 是 用 以 太 结 构 的 形 变 作 为 描 述 量 子 波 的 物 质 基 础, 用 以 太 物 质 的 最 大 位 移 作 为 描 述 量 子 波 的 实 在 的 运 动 轨 迹 有 人 可 能 会 说, 量 子 波 的 连 续 运 动 应 理 解 为 一 种 规 律 性, 而 这 种 规 律 性 是 在 物 质 基 本 结 构 形 式 的 无 序 的 非 规 律 性 基 础 产 生 出 来 的, 既 然 能 产 生 就 能 消 失, 能 说 这 种 规 律 性 就 是 确 定 的 不 变 的 吗? 提 出 以 太 结 构 和 量 子 波 的 假 设, 正 好 给 量 子 运 动 非 连 续 论 者 提 供 了 依 据, 难 道 量 子 不 可 以 在 一 处 突 然 消 失, 然 后 又 在 另 一 处 突 然 冒 出 来 吗? 笔 者 认 为 在 物 质 基 本 结 构 形 式 阶 段, 这 种 不 稳 定 状 态 是 十 分 普 遍 的, 但 是 到 了 量 子 波 阶 段, 量 子 的 稳 定 性 就 成 了 主 流 形 式 就 某 个 个 体 量 子 而 言, 有 序 转 化 为 无 序 确 实 是 可 能 的, 但 是 这 种 可 能 性 极 小, 无 数 的 事 实 证 明 了 量 子 态 的 稳 定 性, 否 则 我 们 如 何 能 得 到 这 么 稳 定 的 世 界? (3) 量 子 波 的 纵 波 形 式 即 费 米 波 的 传 播 方 式 是 封 闭 的 费 米 波 只 能 在 一 定 的 区 域 来 回 运 动, 它 的 移 动 速 率 是 光 速, 它 的 移 动 方 向 是 往 返 的 量 子 波 的 振 动 不 是 简 单 的 质 元 上 下 波 动, 而 是 要 经 历 一 个 波 的 过 程 横 波 的 这 个 过 程 用 横 向 的 延 续 完 成, 而 纵 波 只 能 是 直 接 的 来 回 振 动 假 设 费 米 波 的 波 形 如 图 -:ODO 表 示 费 米 波 的 往 返 传 播 方 向, 数 轴 只 表 示 行 程 位 置 ;ODO 往 返 表 示 一 个 波 动 周 期, 它 是 封 闭 的, 下 一 个 周 期 将 继 续 在 这 个 区 间 波 动 ;OA 和 CD 表 示 以 太 形 变 即 振 幅 最 大 值 的 位 移 量, 频 率 越 大 振 幅 的 最 大 值 越 大 ;B 处 的 振 幅 最 小,O D 处 的 振 幅 最 大 O A B C D 图 - 非 旋 转 模 型 中 的 费 米 波, 波 幅 与 波 动 的 最 大 位 移 中 心 描 述 一 致 (4) 费 米 子 的 运 动 即 表 现 为 量 子 波 的 复 合 形 式, 同 时 含 有 费 米 波 分 量 和 玻 色 波 分 量 如 图 -3,ACE 表 示 同 时 含 有 费 米 波 和 玻 色 波 分 量 的 量 子 波 的 传 播 方 向, 它 在 纵 向 是 封 闭 的,C 到 AE 直 线 ( 未 画 出 ) 为 费 米 波 的 往 返 传 播 方 向, 它 在 横 向 是 开 放 的,AE( 未 画 出 ) 表 示 玻 色 波 的 传 播 方 向 C B D A E

32 图 -3 非 旋 转 模 型 中 的 复 合 波, 同 时 含 有 费 米 波 和 玻 色 波 波 分 量 (5) 量 子 波 的 振 幅 与 频 率 大 小 成 正 相 关 量 子 波 的 振 幅 与 频 率 成 正 相 关, 无 论 是 费 米 波 还 是 玻 色 波, 同 样 的 频 率 振 幅 都 是 一 样 的 比 照 宏 观 波, 振 幅 的 平 方 与 频 率 成 正 比 由 于 费 米 波 的 振 幅 与 波 动 方 向 相 同 且 同 步, 频 率 越 大 振 幅 越 大, 但 波 长 则 越 短, 这 样 在 某 种 情 况 下 费 米 频 率 将 受 到 一 定 限 制 这 个 特 性 也 许 能 提 供 解 决 费 米 频 率 定 态 ( 即 质 子 电 子 大 小 ) 的 途 径, 将 在 第 十 三 章 中 试 着 研 究 这 个 非 旋 转 量 子 波 形 假 设 存 在 两 个 问 题, 一 是 很 难 在 波 形 上 构 思 费 米 波 的 正 反 性 结 构 ; 二 是 很 难 处 理 正 反 费 米 子 湮 灭 为 两 个 光 量 子 时 的 波 形 转 换 由 此 看 来 模 型 1 是 不 完 善 的 ( 二 ) 模 型 : 变 速 旋 转 量 子 波 形 假 设 (1) 量 子 波 的 纵 波 形 式 即 费 米 波 的 传 播 方 式 是 封 闭 的 如 图 -4 两 个 图 形 反 映 一 个 费 米 子 的 波 形 变 动 情 况 直 线 的 压 缩 与 释 放 运 动 : 从 A 开 始, 波 形 向 上 运 动, 速 度 由 0 逐 步 加 大, 到 达 B 点 为 最 大, 然 后 速 度 逐 步 减 小, 到 达 C 点 为 最 小, 然 后 由 C 点 经 D 点 向 E 点 反 向 运 动, 到 达 E 点 为 一 个 周 期 此 过 程 中, 以 太 的 位 移 和 压 缩 在 A 点 为 最 大, 逐 步 释 放,B 点 为 最 小, 然 后 又 一 次 压 缩, 到 达 C 点 为 最 大, 然 后 由 C 点 经 D 点 向 E 点 反 向 释 放 和 压 缩, 到 达 E 点 为 一 个 周 期 静 止 的 费 米 子 A 点 与 E 点 是 重 合 的, 因 此 波 的 传 播 是 封 闭 的 直 线 的 压 缩 的 最 大 振 幅 称 为 纵 向 波 幅 纵 向 振 幅 用 下 图 右 面 线 段 Bc 表 示, 由 于 纵 向 振 幅 是 上 下 对 称 的, 费 米 波 的 传 播 在 纵 向 是 封 闭 的 旋 转 的 压 缩 与 释 放 运 动 : 从 A 开 始, 波 形 向 左 旋 转 ( 如 果 是 反 费 米 子 则 向 右 旋 转 ), 旋 转 速 度 由 0 逐 步 加 大, 到 达 B 点 为 最 大, 然 后 旋 转 速 度 逐 步 减 小, 到 达 C 点 为 最 小, 然 后 由 C 点 经 D 点 向 E 点 反 向 运 动, 到 达 E 点 为 一 个 周 期 此 过 程 中, 以 太 的 旋 转 位 移 和 压 缩 在 A 点 为 最 大, 逐 步 释 放,B 点 为 最 小, 然 后 又 一 次 压 缩, 到 达 C 点 为 最 大, 然 后 由 C 点 经 D 点 向 E 点 反 向 释 放 和 压 缩, 到 达 E 点 为 一 个 周 期 旋 转 的 压 缩 的 最 大 振 幅 称 为 旋 转 波 幅, 用 下 图 右 面 线 段 ad 表 示, 纯 粹 费 米 波 ( 即 静 止 费 米 子 ) 由 于 旋 转 波 幅 是 左 右 对 称 的, ab=bd, 因 此 费 米 波 的 传 播 在 横 向 是 封 闭 的 c c c B D a B d A E 图 -4 变 速 旋 转 模 型 中 的 费 米 波

33 () 量 子 波 的 横 波 形 式 即 玻 色 波 的 传 播 方 式 是 开 放 的 假 设 光 量 子 的 波 形 如 图 -5,AE 表 示 玻 色 波 的 传 播 方 向, 数 轴 既 表 示 时 间 又 表 示 行 程 位 置 ;AE 表 示 一 个 波 动 周 期, 它 是 开 放 的, 沿 箭 头 方 向 将 继 续 下 一 个 周 期 波 形 变 化 情 况 : 在 A 点, 旋 转 压 缩 最 大, 用 图 下 方 的 Bd 表 示, 波 形 向 右 运 动, 同 时 旋 转 速 度 由 小 到 大 顺 时 针 旋 转,B 点 的 旋 转 速 度 最 大, 压 缩 最 小, 然 后 旋 转 速 度 由 大 到 小, 逐 步 压 缩, 到 达 C 点 旋 转 速 度 最 小, 压 缩 最 大 然 后 由 C 经 D 向 E 反 向 旋 转, 但 直 线 运 动 方 向 不 变 纯 粹 玻 色 波 没 有 纵 向 波 幅, 只 有 旋 转 波 幅, 由 于 波 幅 是 单 方 向 的, 因 此 玻 色 波 的 传 播 表 现 为 横 向 的 开 放 式 A B C D E 图 -5 变 速 旋 转 模 型 中 的 玻 色 波 (3) 费 米 子 的 运 动 即 表 现 为 量 子 波 的 复 合 形 式, 同 时 含 有 费 米 波 分 量 和 玻 色 波 分 量 如 图 -6,ACE 表 示 同 时 含 有 费 米 波 和 玻 色 波 分 量 的 量 子 波 的 传 播 方 向, 速 率 为 光 速 它 在 纵 向 是 封 闭 的,C 到 AE 直 线 ( 未 画 出 ) 距 离 为 费 米 波 的 往 返 传 播 方 向, 它 在 横 向 是 开 放 的,AE( 未 画 出 ) 表 示 玻 色 波 的 传 播 方 向 旋 转 平 面 始 终 保 持 与 纵 波 主 轴 垂 直, 因 此 当 角 ACE 加 大, 即 实 物 粒 子 的 速 度 接 近 光 速 时, 它 的 波 形 ( 应 俯 视 ) 就 与 上 面 图 -5 光 波 的 波 形 接 近 了 C B d C B D a B d A E A E 图 -6 变 速 旋 转 模 型 中 的 复 合 波 这 个 变 速 旋 转 量 子 波 形 假 设, 对 很 多 实 验 能 较 好 地 解 释 存 在 问 题 是 玻 色 波 与 费 米 波 的 严 重 不 对 称 性, 例 如 存 在 含 有 玻 色 波 分 量 的 费 米 子, 而 没 有 含 有 费 米 波 分 量 的 光 子, 费 米 子 一 定 是 成 对 产 生, 具 有 正 反 性 正 负 电 性, 等 等, 这 些 问 题 将 在 后 面 的 章 节 研 究, 模 型 也 存 在 很 多 需 要 改 进 的 地 方 以 上 只 是 关 于 量 子 波 波 形 的 两 个 典 型 的 假 设 方 案, 笔 者 曾 经 设 想 过 很 多 其 他 假 设 方 案, 但 这 些 方 案 对 实 验 解 释 的 合 理 性 都 比 不 上 模 型 十 一 直 角 三 角 形 描 述 下 的 量 子 波 量 子 波 区 分 为 横 波 与 纵 波, 即 玻 色 波 和 费 米 波, 纵 波 与 横 波 的 结 合 就 是 德 布 罗 意 的 物 质 波 了 无 论 是 玻 色 波 还 是 费 米 波, 波 速 都 是 相 对 稳 定 的, 波 动 的 其 他 性 质, 主 要 是 频 率 ( 或 波 长 ) 也 是 相 对 稳 定 的, 一 份 稳 定 的 波 就 是 一 个 量 子, 也 是 微 观 物 理 学 研 究 的 最 主 要 的 对 象

34 下 面 让 我 们 试 用 一 个 直 角 三 角 形 ODE 描 述 量 子 波 E D C F 图 -7 用 一 个 直 角 三 角 形 描 述 量 子 波 如 图 -7, 纵 向 直 角 边 OD 方 向 表 示 费 米 波, 频 率 用 ν F 表 示, 速 度 用 υ F 表 A 示, 波 密 度 用 P F 表 示 斜 边 OE 方 向 表 示 总 的 量 子 波, 频 率 为 ν Z, 速 度 υ Z = 光 速 C, 波 密 度 为 P Z 横 向 直 角 边 DE 方 向 表 示 玻 色 波, 频 率 为 ν B, 速 度 为 υ B, 波 密 度 为 P B O 这 些 数 据 之 间 的 关 系 符 合 直 角 三 角 形 边 与 边 之 间 的 关 系 : 频 率 ( 即 能 量 ): 费 米 波 频 率 ν F 斜 边 OE 方 向, 总 频 率 ν Z = υ B 1 c 纵 向 直 角 边 OD 方 向, 费 米 频 率 分 量 = ν F 费 米 频 率 ν F υ B 横 向 直 角 边 DE 方 向, 玻 色 频 率 分 量 ν B = υ B c 1 c 速 度 : 斜 边 OE 方 向, 总 速 度 : υ Z = c υ B 纵 向 直 角 边 OD 方 向, 费 米 波 速 度 分 量 υ F = c 1 c 横 向 直 角 边 DE 方 向, 玻 色 波 速 度 分 量 = υ B 波 密 度 ( 即 动 量, 频 率 / c): 费 米 频 率 ν F 斜 边 OE 方 向, 总 波 密 度 : PZ = υ B c 1 c 费 米 频 率 ν F 纵 向 直 角 边 OD 方 向, 费 米 波 密 度 分 量 : PF = c 横 向 直 角 边 DE 方 向, 玻 色 波 密 度 分 量 : 费 米 频 率 ν F υ B PB = υ B c 1 c

35 可 见 费 米 子 获 得 的 动 能 越 大, DOE 越 大,DE 方 向 速 度 就 越 大, 但 不 能 超 过 光 速 c 它 们 之 间 的 关 系 计 算 符 合 狭 义 相 对 论 变 换 公 式 的 要 求 然 而, 这 个 直 角 三 角 形 如 何 描 述 复 合 形 式 的 量 子 波 的 波 长 呢? 如 果 费 米 子 获 得 外 来 动 能, 运 动 速 度 增 加 了,OE 比 OD 长 度 增 加 表 示 的 总 频 率 增 加 了, DE 表 示 运 动 速 度 υ, 也 表 明 增 加 的 玻 色 频 率 分 量 原 来 OD 可 以 表 示 费 米 波 的 波 动 波 长 ( 严 格 地 说 是 二 分 之 一 波 长 ), 现 在 不 能 再 用 OD 表 示 总 的 波 长 了, 又 由 于 总 的 频 率 增 加 导 致 总 的 波 长 将 减 少, 而 OE 比 OD 长 度 增 加, 因 此 也 不 能 用 OE 表 示 总 的 波 长 那 么 如 何 形 象 地 描 述 新 的 复 合 形 式 量 子 波 的 减 少 了 的 总 波 长 呢? 从 D 点 向 OE 引 一 条 垂 直 线, 垂 点 为 F,OF 即 为 量 子 波 总 频 率 相 对 应 的 波 长, 此 时 量 子 波 的 波 动 行 程 并 不 到 达 D 点, 更 不 到 达 E 点, 而 是 只 到 达 F 点, 因 为 波 长 缩 短 了 经 计 算 可 知 : 总 的 量 子 波 波 长 OF = 费 米 波 长 OD 1 υ / c 熟 悉 相 对 论 公 式 的 读 者 容 易 联 想 到 运 动 物 体 的 尺 子 缩 短 了, 请 不 要 急 于 这 样 理 解, 尺 子 是 否 实 在 地 缩 短 可 不 是 一 个 简 单 的 问 题, 需 要 认 真 研 究 这 里 仅 仅 是 用 图 表 示 运 动 的 费 米 子 的 波 动 状 态, 使 读 者 便 于 理 解 而 已 如 果 有 读 者 一 定 要 问 : 为 什 么 用 一 个 直 角 三 角 形 而 不 是 别 的 角 度 的 三 角 形 描 述 量 子 波? 可 以 解 释 为 这 是 由 横 波 与 纵 波 的 波 动 性 质 决 定 的, 直 角 如 同 直 线 圆 周 和 球 面 一 样, 具 有 对 称 性 和 最 小 性 用 一 个 简 单 的 直 角 三 角 形 描 述 量 子 波, 能 够 在 频 率 ( 能 量 质 量 ) 速 度 波 密 度 ( 动 量 ) 波 长 方 面 得 到 与 狭 义 相 对 论 变 换 公 式 相 似 的 形 式, 说 明 相 对 论 与 量 子 论 有 着 天 然 的 联 系 同 时 也 说 明 关 于 量 子 波 存 在 横 波 与 纵 波 两 种 形 式 的 假 设 是 有 一 定 的 实 践 基 础 的 读 到 这 里 读 者 仍 然 会 感 到 以 太 结 构 和 量 子 波 观 点 似 乎 只 是 一 种 新 思 维, 与 目 前 的 知 识 体 系 有 很 大 的 距 离 笔 者 将 在 后 面 的 章 节 逐 步 阐 述 以 太 结 构 和 量 子 波 观 点 与 现 行 理 论 的 衔 接, 第 四 章 将 提 出 量 子 单 位 制, 读 者 熟 悉 的 物 理 定 律 公 式 将 会 以 极 其 简 单 的 形 式 展 现 出 来 随 着 以 后 各 章 节 的 展 开, 引 力 作 用 电 磁 作 用 统 一 场 论 相 对 论 量 子 实 在 的 确 定 性 和 概 率 性 量 子 通 讯 量 子 信 息 量 子 计 算 质 子 电 子 质 量 的 稳 定 性 核 力 与 电 场 力 的 统 一 性 复 合 量 子 等 问 题, 都 将 在 以 太 结 构 和 量 子 波 的 主 线 牵 引 下 展 示 出 来 读 者 浏 览 完 全 书 后, 一 定 会 感 到 物 质 基 本 结 构 理 论 涉 及 到 物 理 学 的 大 部 分 基 础 性 问 题, 它 不 仅 仅 与 现 实 的 理 论 有 共 同 的 研 究 领 域, 而 且 与 现 实 的 应 用 有 密 切 联 系, 它 的 正 确 与 否 是 可 以 由 现 实 的 实 践 来 检 验 的 十 二 物 质 基 本 结 构 理 论 是 量 子 理 论 的 组 成 部 分 我 们 从 实 体 与 间 隙 假 设 开 始, 研 究 了 物 质 基 本 结 构 形 式 及 其 发 展 趋 势, 进 而 提 出 了 以 太 结 构 和 量 子 波 概 念, 笔 者 将 这 些 观 点 概 括 为 物 质 基 本 结 构 理 论 物 质 基 本 结 构 理 论 是 研 究 物 质 基 本 结 构 形 式, 以 及 物 质 基 本 结 构 形 式 如 何 发 展 为 以 太 结 构 量 子 波 等 有 序 形 式 的 理 论 物 质 基 本 结 构 理 论 的 核 心 是 实 体 与 间 隙 的 绝 对 性 与 相 对 性, 变 化 的 实 体 与 间 隙 就 是 物 质 基 本 结 构 形 式, 物 质 基 本 结 构 理 论 与 传 统 量 子 理 论 的 衔 接 点 是 以 太 结 构 和 量 子 波 有 读 者 可 能 会 说, 既 然 在 物 质 基 本 结 构 理 论 中 以 太 结 构 和 量 子 波 是 一 种 假 设, 而 且 按 照 以 太 结 构 和 量 子 波 假 设 就 可 以 得 到 本 书 后 面 的 一 系 列 结 论, 为 什 么 还 要 从 无 序 的 不 定 形 的 实 体 与 间 隙 的 假 设 开 始 研 究? 笔 者 认 为 作 为 一 个 理 论 应 当 是 尽 可 能 完 整, 如 果 不 研 究 无 序 到 有 序 的 发 展 过 程 很 难 说 明 以 太 结 构 是 由

36 什 么 组 成 的 第 三 章 从 哲 学 角 度 研 究 物 质 本 原 时, 需 要 回 答 什 么 是 物 质 的 本 原, 什 么 是 辩 证 法 等 问 题 时, 实 体 与 间 隙 的 概 念 是 不 可 缺 少 的 后 面 的 章 节 中, 虽 然 以 太 结 构 和 量 子 波 在 唱 主 角, 但 是 仍 然 有 很 多 问 题, 如 量 子 的 定 域 性 与 非 定 域 性 问 题, 作 用 传 递 速 度 能 否 超 光 速 问 题, 量 子 态 的 绝 对 性 与 相 对 论 问 题, 量 子 实 在 存 在 非 因 果 关 系 非 决 定 论 的 不 确 定 性 问 题, 等 等, 都 必 须 回 到 物 质 基 本 结 构 形 式 才 能 得 到 解 释 因 此 物 质 基 本 结 构 理 论 必 须 从 最 基 本 的 实 体 与 间 隙 问 题 开 始 研 究, 才 能 保 证 理 论 的 逻 辑 性 和 系 统 性 物 质 基 本 结 构 理 论 中 提 出 的 新 的 以 太 结 构 观 点 和 量 子 波 观 点, 企 图 说 明 量 子 是 实 在 的, 量 子 的 波 动 特 性 是 量 子 个 体 的 实 在 的 表 现 形 式 这 个 观 点 本 来 就 是 量 子 理 论 的 基 本 观 点, 量 子 论 从 创 立 之 日 起 确 立 的 最 重 要 的 理 论 基 础 就 是 量 子 的 个 体 性 和 波 动 性, 波 动 特 征 必 须 表 现 在 量 子 的 个 体 性 中, 量 子 理 论 是 考 察 单 个 客 体 的 理 论 然 而 发 展 到 量 子 力 学 后 的 正 统 的 量 子 理 论 认 为 量 子 的 波 动 性, 是 众 多 量 子 的 整 体 行 为 而 不 是 量 子 个 体 行 为, 或 者 认 为 量 子 的 波 动 性 不 是 量 子 个 体 的 实 在 的 波 动, 而 是 量 子 个 体 在 时 空 中 的 概 率 性 表 现 方 式 笔 者 认 为 坚 持 量 子 个 体 波 动 的 实 在 性 就 是 坚 持 量 子 论 的 基 础, 那 种 认 为 量 子 的 某 个 重 要 特 征, 如 波 动 性, 是 众 多 量 子 的 整 体 行 为 而 不 是 量 子 个 体 行 为 的 观 点, 那 种 认 为 量 子 的 波 动 性 不 是 量 子 个 体 的 实 在 的 波 动, 而 是 量 子 间 断 的 概 率 性 的 表 现 方 式 的 观 点, 都 是 在 一 定 程 度 上 对 量 子 论 基 础 的 否 定 否 认 量 子 个 体 在 其 生 存 的 全 过 程 中 的 实 在 的 波 动 性, 对 深 入 研 究 量 子 结 构 是 很 不 利 的 如 果 对 量 子 生 存 的 大 部 分 时 间 里 的 波 动 状 态 不 能 描 述, 而 是 以 不 确 定 性 替 代 实 在 性, 如 何 谈 得 上 对 量 子 结 构 的 深 入 研 究? 尽 管 物 质 基 本 结 构 理 论 在 某 些 方 面 提 出 了 与 传 统 量 子 理 论 不 同 的 观 点, 但 笔 者 对 量 子 论 的 主 要 观 点 是 认 同 的 量 子 理 论 客 观 地 反 映 了 物 质 运 动 深 层 次 的 规 律, 有 很 强 的 基 本 性, 量 子 的 内 部 结 构 不 存 在 复 杂 的 层 次 性, 更 不 是 无 限 层 次, 对 量 子 结 构 的 研 究 必 然 直 接 地 触 及 到 物 质 基 本 结 构, 量 子 结 构 的 基 础 就 是 物 质 基 本 结 构 形 式, 物 质 基 本 结 构 理 论 研 究 的 问 题 就 是 量 子 的 结 构 问 题, 因 此 物 质 基 本 结 构 理 论 是 量 子 理 论 的 继 承 和 发 展, 是 量 子 理 论 的 重 要 组 成 部 分 将 物 质 基 本 结 构 理 论 视 为 量 子 理 论 的 一 个 组 成 部 分, 还 有 一 个 重 要 原 因, 本 书 中 涉 及 大 量 的 与 量 子 理 论 有 关 的 实 验 以 及 传 统 理 论 对 实 验 成 果 的 解 释, 物 质 基 本 结 构 理 论 承 认 了 所 有 的 实 验 结 果, 也 认 同 了 大 部 分 传 统 理 论 对 实 验 结 果 的 解 释 这 就 是 说, 物 质 基 本 结 构 理 论 无 论 是 研 究 对 象 还 是 理 论 范 畴 都 与 量 子 理 论 的 基 础 部 分 是 一 致 的 将 物 质 基 本 结 构 理 论 理 解 为 量 子 理 论 的 组 成 部 分, 有 利 于 继 承 丰 硕 的 量 子 理 论 研 究 成 果 笔 者 更 进 一 步 认 为 量 子 理 论 是 宏 观 理 论 的 基 础, 物 质 运 动 形 式 是 先 有 量 子 的 运 动 形 式, 然 后 才 综 合 为 宏 观 的 经 典 的 物 理 学 概 念 下 的 物 体 运 动 形 式 量 子 并 不 是 什 么 神 秘 的 物 质 形 式, 而 是 比 宏 观 物 体 简 单 得 多 的 基 础 的 物 质 形 式 将 物 质 基 本 结 构 理 论 视 为 量 子 理 论 的 一 个 组 成 部 分, 有 利 于 量 子 理 论 成 为 一 个 完 备 的 基 础 的 科 学 理 论 体 系 第 一 章 和 第 二 章 提 出 的 物 质 基 本 结 构 理 论 是 以 后 各 章 节 的 基 础, 如 果 所 阐 述 的 有 序 结 构 形 式 不 是 永 恒 的 观 点 以 太 结 构 观 点 和 量 子 波 观 点, 经 得 起 实 践 检 验, 以 后 各 章 节 提 出 的 一 系 列 创 新 性 观 点 就 能 经 得 起 实 践 检 验 笔 者 对 物 质 基 本 结 构 理 论 的 正 确 性 是 有 信 心 的, 实 践 已 经 证 明 了 光 速 的 稳 定 性 和 物 理 定 律 在 较 大 的 宇 宙 时 空 里 的 统 一 性, 实 践 将 会 进 一 步 证 明 这 种 时 空 的 均 匀 性 和 对 称 性 一 定 是 有 统 一 的 物 质 基 础 的, 以 太 结 构 一 定 是 存 在 的 ; 实 践 已 经 证 明 了 普 朗

37 克 量 子 定 义 爱 因 斯 坦 能 量 与 质 量 相 关 理 论 能 量 守 恒 定 律 德 布 罗 意 波 理 论 的 正 确 性, 实 践 将 会 进 一 步 证 明 量 子 波 理 论 的 正 确 性 如 果 上 述 观 点 被 证 明 是 正 确 的, 物 质 基 本 结 构 理 论 将 对 量 子 理 论 和 科 学 技 术 基 础 研 究 的 实 践 产 生 一 定 影 响, 也 将 对 科 学 技 术 基 础 研 究 的 规 划 和 部 署 产 生 一 定 影 响 第 三 章 辩 证 物 质 实 在 论 物 理 学 被 认 为 是 研 究 事 物 具 体 规 律 的 学 科, 而 哲 学 的 研 究 对 象 是 事 物 具 体 规 律 背 后 的 更 普 遍 更 一 般 的 规 律, 二 者 对 同 一 观 察 对 象 的 视 角 是 有 区 别 的 但 是 人 们 注 意 到 物 理 学 与 哲 学 的 关 系 密 切 程 度 远 远 高 于 其 他 自 然 科 学 学 科 从 历 史 来 看, 牛 顿 最 重 要 的 科 学 著 作 就 叫 自 然 哲 学 之 数 学 原 理, 说 明 当 时 物 理 学 与 哲 学 的 联 系 是 十 分 紧 密 的 现 代 很 多 研 究 物 质 结 构 等 基 本 问 题 的 物 理 学 家 对 哲 学 问 题 也 很 感 兴 趣, 不 少 著 名 的 物 理 学 大 师 就 拥 有 哲 学 博 士 的 头 衔 图 书 馆 里 名 称 与 物 理 哲 学 物 理 实 在 论 物 理 辩 证 法 有 关 的 书 籍 不 少, 而 这 种 现 象 在 其 他 自 然 科 学 类 著 作 中 很 少 见 到 这 是 因 为 物 理 学 研 究 的 一 个 重 要 内 容 是 物 质 结 构, 是 有 关 物 质 的 基 本 性 问 题, 既 是 非 常 具 体 的 问 题, 又 是 最 普 遍 最 一 般 的 问 题, 因 此 在 研 究 物 质 基 本 结 构 理 论 等 物 质 基 本 性 问 题 时, 物 理 学 和 哲 学 研 究 的 对 象 以 及 思 考 问 题 的 方 式 是 接 近 的 一 大 自 然 的 哲 理 物 质 基 本 结 构 理 论 的 提 出, 涉 及 到 很 多 与 哲 学 相 关 的 问 题, 如 物 质 观 实 体 观 本 原 观 辩 证 法 无 限 与 有 限 绝 对 与 相 对 因 果 关 系 等, 这 些 都 是 有 关 物 质 的 基 本 性 问 题 物 质 的 基 本 性 质 其 实 就 是 大 自 然 的 特 性, 即 大 自 然 的 本 来 面 目 大 自 然 的 存 在 事 实 大 自 然 的 基 本 哲 理 物 质 的 基 本 性 质 为 什 么 是 这 样 的 而 不 是 那 样 的, 都 是 大 自 然 的 本 质 特 征 决 定 的, 一 切 基 本 的 规 律, 一 切 基 本 的 形 式, 总 之 一 切 基 本 性 质, 都 是 来 自 于 大 自 然 的 基 本 事 实, 这 是 我 们 研 究 问 题 的 出 发 点 我 们 应 当 去 发 现 大 自 然 的 事 实, 去 理 解 和 研 究 大 自 然 的 哲 理, 但 是 无 法 去 探 明 为 什 么 是 这 样 的 哲 理 而 不 是 别 的 哲 理, 因 为 这 是 本 原 性 的 问 题 大 自 然 的 事 实 是 我 们 研 究 问 题 出 发 点 的 观 点 将 会 贯 穿 全 书 前 两 章 中 我 们 已 经 研 究 过 的 物 质 基 本 结 构 形 式 和 发 展 趋 势 是 大 自 然 的 事 实, 提 出 的 一 系 列 假 设 就 是 在 大 量 实 验 事 实 的 基 础 上 对 大 自 然 事 实 的 猜 测, 并 力 图 得 到 能 够 被 实 践 证 实 的 推 理 和 结 论 这 一 章 中 笔 者 将 要 归 纳 为 哲 学 概 念 的 辩 证 物 质 实 在 论 也 是 大 自 然 的 事 实, 物 质 的 本 原 是 什 么? 为 什 么 物 质 是 实 在 的? 为 什 么 只 有 物 质 是 实 在 的? 物 质 实 在 为 什 么 具 有 具 体 性 普 遍 性 唯 一 性 和 辩 证 性 的 特 征? 这 些 都 是 大 自 然 事 实 的 表 现 方 式 后 面 章 节 中 有 很 多 问 题 也 都 含 有 鲜 明 的 大 自 然 的 哲 理 性 质, 如 为 什 么 引 力 场 和 电 场 具 有 力 的 定 态 性? 为 什 么 质 子 电 子 具 有 质 量 的 定 态 性? 这 一 切 都 是 大 自 然 的 事 实, 也 就 是 大 自 然 的 哲 理 一 切 从 事 实 出 发, 在 事 实 中 寻 找 规 律, 应 当 是 我 们 解 释 一 些 自 然 之 谜 时 的 思 维 方 式 有 人 可 能 会 说, 自 然 科 学 的 一 切 都 是 以 大 自 然 的 事 实 作 为 理 论 的 出 发 点, 没 有 必 要 特 别 强 调 其 实 不 然, 人 们 在 研 究 物 质 的 基 本 性 问 题 时, 特 别 容 易 超 自 然 地 去 思 考 问 题 例 如, 我 们 认 为 辩 证 的 实 体 与 间 隙 就 是 物 质 的 基 本 结 构 形 式, 就 是 物 质 实 在 的 基 本 形 式, 就 是 物 质 本 原 但 是 不 少 人 不 满 意 这 样 的 回 答, 要 深 究 为 什 么 存 在 实 体 与 间 隙, 为 什 么 实 体 内 部 是 无 限 变 化 的 等 问 题 这 类 问 题 很 难 作 出 解 释, 因 为 这 些 都 是 大 自 然 的 事 实, 是 无 法 也 无 须 解 释 的, 只 能 由 实 践 去 检 验 其 真 伪 又 如, 笔 者 为 了 探 索 质 子 的 质 量 为 什 么 是 电 子 质 量 的 1836 倍 问 题, 用 去 了 好 多 年 时 间 开 始 总 是 在 寻 求 一 个 完 美 的 公 式 和 方 程, 后 来 才 逐 步 认 识 到 在 无 序 的 不 定 量 的 状 态 下 要 形 成 一 个 定 量 的 东 西, 一 定 是 大 自 然 的 特 征 在 起 作 用, 否 则 人 们 无 论 思 考 出 什 么 样 的 公 式 方 程 也 无 法 得 到 一 个 定 数 大 自 然 中 出 现 稳 定 的 质 子 或 者 电 子 质 量, 为 什 么 是 这 样 的 数 值 而 不 是 别 的 数 值, 一 定 是 由 我 们 这 个 具 体 的 宇 宙 在 随 机 的 特 定 条 件 下 形 成 的, 然 而 在 一 定 区 域 和 一 定 时 间 里 是 稳 定 的 特 征 决 定 的, 这 个 特 征 必 然 表 现 为 大 自 然 现 实 存 在 的 某 个 常 数 这 样 的 思 考 问 题 方 式 可 以 使 问 题 变 得 简 单 清 晰

38 用 大 自 然 的 事 实 作 为 研 究 问 题 的 出 发 点, 并 不 是 用 大 自 然 的 事 实 一 句 话 作 为 不 去 探 索 自 然 秘 密 的 理 由, 而 是 促 使 人 们 更 深 入 地 探 索 大 自 然 的 事 实, 归 纳 总 结 或 者 猜 测 大 自 然 的 哲 理 二 物 质 实 在 的 具 体 性 普 遍 性 和 唯 一 性 物 质 的 基 本 性 问 题 就 是 物 质 实 在 问 题 哲 学 上 对 实 在 概 念 有 各 种 不 同 的 理 解 方 式, 如 主 观 实 在 要 素 实 在 现 象 实 在 科 学 实 在 关 系 实 在 数 学 实 在 物 理 实 在 等, 一 般 多 将 实 在 理 解 为 存 在 而 存 在 既 可 以 是 物 质 的 又 可 以 是 精 神 的, 各 种 各 样 的 事 物 都 可 以 是 存 在 着 的, 因 此 各 派 哲 学 家 关 于 他 们 自 己 学 派 中 的 实 在 的 概 念, 更 多 的 是 指 基 本 的 排 他 性 的 存 在 笔 者 认 为 实 在 应 当 特 指 实 实 在 在 的 存 在 这 样 的 实 在 必 须 具 有 唯 一 性, 世 界 上 只 有 它, 任 何 事 物 都 是 它 的 表 现 方 式 这 样 的 实 在 必 须 具 有 具 体 性, 是 可 以 相 互 独 立 存 在 的 事 物 这 样 的 实 在 还 必 须 具 有 普 遍 性, 任 何 事 物 中 都 能 找 到 这 种 实 在 因 此 只 有 物 质 才 具 有 实 在 性, 或 者 说 只 有 这 样 的 事 物 才 能 定 义 为 物 质 我 们 研 究 物 质 基 本 结 构 形 式 时, 提 出 了 不 能 单 纯 地 谈 论 物 质, 必 须 将 物 质 与 非 物 质 同 时 考 虑 的 观 点 实 体 与 间 隙 共 同 构 成 了 物 质 基 本 结 构 形 式, 这 也 是 物 质 实 在 的 基 本 形 式 描 述 物 质 的 特 征 使 用 物 质 实 在 概 念, 涵 盖 了 实 体 与 间 隙 两 个 方 面, 比 起 单 纯 用 实 体 的 概 念 描 述 物 质 要 全 面 一 些, 可 以 避 免 长 期 以 来 人 们 对 实 体 过 多 地 从 固 化 的 角 度 思 考 问 题 的 惯 性, 有 利 于 从 辩 证 的 角 度 理 解 和 描 述 物 质 实 体 唯 物 论 最 早 提 出 的 实 体 观, 认 为 实 体 是 固 化 的 不 可 入 的, 后 来 被 质 疑 太 多, 再 加 上 自 然 科 学 的 发 展 提 供 了 更 多 的 关 于 物 质 结 构 的 知 识, 觉 得 应 当 回 避 太 具 体 的 对 物 质 的 描 述 方 式, 因 而 改 用 几 乎 完 全 脱 离 物 质 具 体 形 式 的 一 般 的 描 述 方 式, 将 物 质 视 为 不 以 人 们 的 意 志 为 转 移 的 第 一 性 的 客 观 物 这 两 种 描 述 方 式 都 有 不 足 之 处, 使 用 太 具 体 的 方 式 描 述 物 质 的 基 本 特 征, 容 易 处 于 永 远 无 法 概 括 物 质 特 征 的 境 地, 而 使 用 完 全 抽 象 的 方 式 描 述 物 质 基 本 特 征, 又 会 使 人 感 到 物 质 只 是 一 种 概 念, 一 种 看 不 见 摸 不 着 的 虚 幻 的 与 精 神 没 有 多 大 区 别 的 概 念 物 质 的 实 在 性 涵 盖 实 体 与 间 隙 两 个 方 面, 使 物 质 的 存 在 具 有 了 活 力 试 想 如 果 宇 宙 间 物 质 布 满 了 全 部 空 间, 哪 里 还 有 具 体 物 质 存 在 的 可 能, 更 不 可 能 发 生 变 化 和 运 动 试 想 如 果 宇 宙 间 任 何 地 方 都 存 在 间 隙, 没 有 绝 对 实 体 的 容 身 之 处, 那 么 间 隙 将 布 满 全 部 空 间, 同 样 不 可 能 有 任 何 具 体 的 物 质 存 在 只 有 将 实 与 虚 结 合 起 来 才 能 完 整 地 描 述 物 质 的 基 本 特 征 物 质 实 在 既 具 有 实 的 一 面 又 具 有 虚 的 一 面, 实 的 一 面 表 现 为 具 体 性 普 遍 性 和 唯 一 性 的 特 征, 虚 的 一 面 表 现 出 辩 证 性 的 特 征 物 质 实 在 概 念 首 先 强 调 物 质 的 具 体 性, 没 有 具 体 的 物 质 存 在, 就 不 可 能 有 不 以 人 们 的 意 识 为 转 移 的 客 观 存 在, 这 样 可 以 避 免 一 些 学 者 尽 量 回 避 具 体 的 物 质, 只 谈 论 纯 粹 的 一 般 性 物 质 的 思 维 方 式 物 质 实 在 概 念 同 样 强 调 物 质 的 一 般 性, 物 质 实 在 普 遍 地 存 在 于 任 何 物 质 之 中, 在 任 何 形 式 的 物 质 中 都 能 找 到 的 具 体 的 物 质 实 在, 物 质 实 在 的 形 式 既 是 不 定 形 的 同 时 任 何 时 候 又 是 有 形 的, 这 就 可 以 避 免 僵 化 的 实 体 观 物 质 实 在 又 是 唯 一 的, 世 界 上 不 可 能 有 物 质 实 在 之 外 的 其 他 客 体 形 式 存 在 宇 宙 中 除 了 实 体 与 间 隙 之 外, 也 就 是 说 除 了 物 质 与 非 物 质 之 外, 没 有 任 何 其 他 的 东 西 三 物 质 实 在 的 辩 证 性 辩 证 法 在 哲 学 理 论 中 具 有 重 要 的 地 位 对 于 辩 证 法 有 各 种 理 解 方 式 有 的 学 者 认 为 人 们 观 察 到 的 事 物 普 遍 存 在 着 相 对 性, 有 上 就 有 下, 有 左 就 有 右, 有 前 就 有 后 等, 因 此 辩 证 法 是 一 种 从 正 和 反 两 个 方 面 对 概 念 的 思 维 有 的 学 者 认 为 辩 证 法 是 一 种 方 法, 即 思 维 和 解 决 问 题 的 方 法 有 的 学 者 认 为 辩 证 法 是 一 种 自 然 界 思 维 以 及 人 类 社 会 存 在 的 一 种 关 于 事 物 联 系 变 化 和 发 展 的 普 遍 规 律 笔 者 认 为 应 当 将 辩 证 法 视 为 物 质 实 在 的 一 种 本 质 特 征 物 质 实 在 具 有 具 体 性 普 遍 性 和 唯 一 性, 这 些 性 质 主 要 描 述 物 质 的 实 的 一 面, 不 变 的 一 面 物 质 实 在 还 具 有 虚 的 一 面, 变 的 一 面, 可 以 用 物 质 实 在 的 辩 证 性 来 描 述 这 些 特 征, 如 对 立 统 一 特 征 无 限 特 征 普 遍 联 系 的 发 展 趋 势 特 征 等 正 是 由 于 物 质 实 在 具 有 辩 证 性 特 征, 宏 观 事 物 才 具 有 了 辩 证 性, 人 们 利 用 对 这 种 普 遍 存 在 的 辩 证 性 规 律 的 认 识 形 成 的 思 维 方 法, 称 为 辩 证 法 前 两 章 我 们 研 究 物 质 基 本 结 构 理 论 时, 全 面 探 讨 了 实 体 与 间 隙 的 对 立 统 一 问 题, 物 质 的 无 限

39 与 有 限 问 题, 物 质 体 系 的 无 序 与 有 序 问 题, 均 匀 化 和 系 统 化 的 发 展 趋 势 问 题, 这 些 都 可 以 归 纳 为 物 质 实 在 的 辩 证 性 问 题 用 这 样 的 方 式 描 述 物 质, 物 质 再 不 是 僵 化 的 固 化 的 实 体, 也 不 是 完 全 脱 离 具 体 性 的 纯 概 念, 而 是 既 简 单 又 活 泼 既 具 体 又 一 般 的 物 质 基 本 结 构 形 式 以 物 质 基 本 结 构 理 论 为 基 础, 将 辩 证 性 视 为 物 质 实 在 的 本 质 特 征, 从 物 质 实 在 辩 证 性 的 角 度 研 究 辩 证 法 问 题, 能 够 使 辩 证 法 建 立 在 更 坚 实 的 物 质 基 础 上 辩 证 法 应 当 包 含 什 么 内 容, 不 同 的 哲 学 学 派 对 这 个 问 题 的 回 答 是 不 一 样 的 一 般 认 为 辩 证 法 的 内 容 包 括 三 个 规 律 和 若 干 范 畴, 这 三 个 规 律 是 对 立 统 一 规 律 质 量 互 变 规 律 和 否 定 之 否 定 规 律, 范 畴 一 般 有 现 象 与 本 质 形 式 与 内 容 原 因 与 结 果 必 然 与 偶 然 可 能 与 现 实 等 如 果 要 深 究 为 什 么 要 包 含 这 三 个 规 律, 为 什 么 要 包 括 这 些 范 畴, 规 律 能 否 涵 盖 范 畴, 为 什 么 不 包 含 更 多 一 些 规 律 和 范 畴, 对 这 些 问 题 理 论 上 说 得 不 是 很 清 楚 笔 者 认 为 物 质 实 在 辩 证 性 的 来 源 就 是 物 质 实 在 的 本 质 特 征, 是 大 自 然 的 客 观 事 实 物 质 实 在 辩 证 性 应 当 包 含 什 么 内 容, 为 什 么 要 包 含 这 些 内 容, 为 什 么 不 包 含 其 他 内 容 等 问 题, 都 是 由 物 质 实 在 的 本 质 特 征 决 定 的 将 物 质 实 在 性 与 辩 证 性 视 为 不 可 分 割 的 一 个 整 体 来 研 究, 将 使 我 们 对 辩 证 法 的 认 识 更 深 刻 更 全 面 物 质 实 在 辩 证 性 的 内 容 是 什 么 呢? 可 以 概 括 为 物 质 实 在 辩 证 性 的 三 个 特 征 : (1) 对 立 统 一 特 征 任 何 具 体 的 物 质 实 在 都 是 对 立 统 一 的, 物 质 实 体 与 间 隙 是 对 立 统 一 的, 物 质 之 间 都 存 在 相 互 变 动, 然 而 又 是 集 合 成 统 一 体 的 如 果 人 们 不 断 地 扩 大 或 者 缩 小 对 具 体 物 质 的 观 察 区 域, 这 种 对 立 统 一 特 征 都 存 在, 因 此 可 以 说 所 有 的 具 体 的 物 质 都 是 既 具 有 对 立 性, 又 具 有 统 一 性 的 对 立 统 一 特 征 涵 盖 了 物 质 的 变 化 ( 运 动 ) 性, 也 涵 盖 了 物 质 的 有 限 性, 对 立 统 一 特 征 指 的 是 空 间 和 时 间 上 有 限 的 具 体 物 质 的 特 征 () 无 限 特 征 任 何 具 体 的 物 质 实 在 内 部 是 无 限 可 分 的, 外 部 是 无 穷 尽 的, 这 是 空 间 的 无 限 性 任 何 具 体 物 质 变 化 过 程 之 前 是 无 穷 尽 的, 之 后 是 无 穷 尽 的, 之 中 也 是 可 以 无 限 划 分 的, 这 是 时 间 的 无 限 性 (3) 普 遍 联 系 的 发 展 趋 势 特 征 一 个 具 体 的 较 大 范 围 的 物 质 实 在 体 系 的 变 化 趋 势 是 普 遍 联 系, 表 现 形 式 是 不 断 地 均 匀 化 和 系 统 化 物 质 实 在 的 辩 证 性 三 个 特 征 是 紧 密 联 系 在 一 起 的, 缺 一 不 可 笔 者 使 用 物 质 实 在 的 辩 证 性 特 征 提 法, 而 没 有 使 用 规 律 提 法, 主 要 是 强 调 物 质 实 在 辩 证 性 是 大 自 然 的 事 实 和 哲 理, 具 有 本 原 性 和 基 本 性 从 物 质 实 在 的 特 征 角 度 理 解 辩 证 性, 能 将 传 统 辩 证 法 中 的 三 大 规 律 和 若 干 范 畴 符 合 逻 辑 地 联 系 在 一 起, 因 为 它 们 的 共 同 来 源 就 是 物 质 实 在 的 特 征, 特 征 是 很 自 然 地 依 附 于 本 体 的 用 这 样 的 方 式 理 解 辩 证 法, 就 不 会 感 到 辩 证 法 是 一 种 神 秘 的 思 辨 方 法, 而 会 觉 得 辩 证 法 时 时 刻 刻 地 具 体 地 存 在 于 我 们 周 边 所 有 物 质 运 动 形 式 中, 同 时 又 是 物 质 的 最 一 般 最 基 本 的 特 征 四 既 具 体 又 一 般 的 物 质 本 原 观 所 谓 事 物 本 原, 就 是 说 宇 宙 间 万 事 万 物 是 否 存 在 一 个 共 同 的 基 本 的 东 西 经 验 和 实 践 给 了 人 们 一 个 深 刻 的 映 象 : 世 界 不 可 能 没 有 根 本, 无 本 之 源 是 难 以 想 象 的 人 们 的 思 维 方 式 也 驱 使 人 们 对 任 何 事 情 都 追 根 问 底, 要 寻 求 对 事 物 间 任 何 差 异 的 解 释, 除 非 它 们 之 间 没 有 差 异 或 者 差 异 是 极 小 的 可 以 忽 视 的 这 种 认 识 方 式 使 人 们 相 信 世 间 万 事 万 物 都 是 统 一 的 有 本 原 的 (1) 作 为 事 物 的 本 原 应 当 具 有 的 特 性 人 们 一 般 都 认 为 事 物 确 实 存 在 本 原, 但 是 对 什 么 是 事 物 的 本 原 问 题 却 有 很 大 分 歧, 首 先 对 于 作 为 事 物 本 原 应 当 具 有 的 特 征 就 有 很 多 不 同 看 法 希 腊 古 典 哲 学 和 现 代 西 方 哲 学 一 般 都 认 为 本 原 应 当 有 如 下 特 点 : 第 一, 不 受 空 间 和 时 间 的 限 制 这 个 观 点 认 为 : 如 果 本 原 受 空 间 限 制, 则 必 然 可 以 无 限 分 割, 无 限 分 割 的 结 果 究 竟 是 什 么, 是 精 神 还 是 物 质, 谁 也 不 知 道 如 果 它 受 时 间 限 制, 则 有 始 有 终, 可 是 凡 是 有 始 有 终 的 东 西, 人 们 一 定 可 以 追 问 它 是 何 时 形 成 的 假 如 本 原 也 有 起 点, 就 不 配 称 为 本 原 了, 因 为 人 们 总 是 可 以 问 起 点 之 前 是 什 么 呢

40 这 个 观 点 太 强 调 一 般 性, 完 全 否 认 了 任 何 具 体 的 东 西 成 为 事 物 本 原 的 可 能, 这 样 一 来 只 有 抽 象 的 东 西 如 精 神 概 念 存 在 等, 才 有 资 格 成 为 事 物 的 本 原, 这 显 然 是 不 恰 当 的 但 是 如 果 具 体 的 东 西 成 为 事 物 的 本 原, 确 实 需 要 解 决 一 个 具 体 的 东 西 如 何 同 时 又 是 普 遍 的 问 题 笔 者 认 为 这 一 条 应 当 改 为 : 作 为 事 物 的 本 原 在 结 构 形 式 上 不 受 空 间 和 时 间 的 限 制 第 二, 凡 是 本 原 的 东 西, 万 事 万 物 必 定 都 依 赖 它 而 存 在 这 个 观 点 认 为 本 原 不 仅 仅 在 质 料 上 是 万 事 万 物 结 构 的 基 础, 而 且 应 当 在 动 力 机 制 上 本 原 也 是 万 事 万 物 发 展 变 化 的 原 因 这 个 观 点 将 本 原 视 为 种 子 一 样 的 东 西, 含 有 了 成 长 发 展 的 信 息 和 动 力, 显 然 也 是 不 妥 当 的 本 原 应 当 具 有 更 普 遍 更 一 般 的 运 动 规 律, 具 体 事 物 的 特 殊 的 运 动 规 律 是 在 这 样 的 一 般 规 律 基 础 上 的 特 殊 性, 但 是 不 能 说 是 一 般 规 律 发 展 出 了 特 殊 规 律 因 此 笔 者 认 为 这 一 条 应 当 改 为 : 作 为 事 物 的 本 原 应 当 具 有 最 普 遍 性 和 最 一 般 性, 万 事 万 物 的 运 动 规 律 都 是 此 基 础 上 的 特 殊 性 第 三, 本 原 必 定 是 自 因 的 这 个 观 点 认 为 本 原 的 存 在 是 自 因 的, 如 果 本 原 不 是 自 因 的, 就 是 由 其 他 原 因 所 造 成, 但 是 这 样 一 来 它 就 不 是 本 原 了 认 为 哲 学 是 一 门 彻 底 的 论 证 的 学 问, 只 有 当 一 种 东 西 一 经 提 出 就 不 再 能 追 问 它 是 如 何 产 生 的 这 个 问 题, 人 们 才 能 称 其 为 本 原 这 个 观 点 本 来 没 有 什 么 问 题, 但 是 持 这 个 观 点 的 学 者 往 往 不 承 认 大 自 然 的 事 实 就 是 最 根 本 的 自 因, 坚 持 要 求 唯 物 论 学 者 或 者 唯 心 论 学 者 说 清 楚, 最 初 的 物 质 或 者 精 神 从 何 而 来, 最 初 的 运 动 从 何 而 来, 这 就 勉 为 其 难 了 其 实 大 自 然 存 在 的 事 实 就 是 最 根 本 的 自 因 因 此 笔 者 认 为 这 一 条 应 当 改 为 : 作 为 事 物 的 本 原 必 定 是 自 因 的, 它 的 存 在 形 式 是 自 身 存 在 形 式 的 延 续 () 物 质 基 本 结 构 理 论 下 的 物 质 本 原 观 从 对 自 然 界 的 基 本 问 题 的 认 识 角 度 来 看, 唯 物 论 将 物 质 视 为 事 物 的 本 原 的 观 点 是 正 确 的, 但 是 这 个 正 确 的 认 识 并 未 能 获 得 知 识 界, 尤 其 是 最 讲 客 观 实 际 的 自 然 科 学 界 的 应 有 的 支 持 面 对 此, 不 应 当 简 单 地 归 结 为 社 会 因 素 对 人 们 世 界 观 的 影 响, 而 应 当 寻 找 理 论 本 身 是 否 存 在 某 些 不 完 善 的 地 方 唯 物 论 将 本 原 确 定 为 物 质 实 体, 并 将 物 质 实 体 理 解 为 原 子 质 子 电 子 这 样 的 固 定 的 粒 子 形 态, 这 样 的 本 原 论 确 实 存 在 很 多 先 天 不 足 现 代 唯 物 论 不 再 将 具 体 的 物 质 形 式 作 为 事 物 的 本 原, 而 把 物 质 概 念 抽 象 化, 认 为 物 质 是 指 意 识 之 外 的 客 观 存 在 的 东 西 但 是 这 仍 然 摆 脱 不 了 难 以 自 圆 其 说 的 局 面 完 全 脱 离 具 体 有 形 的 抽 象 性 概 念 作 为 本 原 缺 乏 坚 实 的 基 础, 哲 学 必 须 对 自 然 科 学 的 新 发 现 作 出 解 释, 一 般 的 抽 象 的 本 原 观 不 能 满 足 要 求 物 质 基 本 结 构 理 论 提 出 了 辩 证 的 实 体 与 间 隙 的 观 点, 一 种 充 满 活 力 的 既 具 体 又 一 般 的 物 质 本 原 出 现 在 人 们 面 前, 物 质 本 原 就 是 物 质 基 本 结 构 形 式, 就 是 物 质 实 在 的 基 本 形 式, 就 是 辩 证 的 实 体 与 间 隙 物 质 基 本 结 构 理 论 并 不 把 实 体 看 成 僵 化 的 一 成 不 变 的 东 西, 而 是 辩 证 的 变 化 的 发 展 的 东 西, 这 样 物 质 就 不 是 被 动 的 而 是 生 动 活 泼 的 了 有 人 可 能 认 为 通 常 我 们 看 到 的 是 真 实 的 有 一 定 大 小 的 粒 子, 现 在 提 出 不 定 形 的 无 限 变 化 的 对 立 而 又 统 一 的 物 质 基 本 结 构 形 式 作 为 物 质 本 原, 难 以 理 解 其 实 只 有 这 样 的 物 质 基 本 结 构 形 式 才 是 最 基 本 的 物 质 形 态, 才 可 能 做 到 无 须 再 寻 求 它 的 构 成 结 构, 才 能 称 之 为 本 原 有 人 觉 得 具 体 的 东 西 是 暂 时 地 处 于 不 断 变 动 中, 只 有 概 念 才 是 本 质 的 可 以 稳 定 存 在 的 东 西, 如 一 张 桌 子 可 以 变 为 一 堆 木 材, 每 一 时 刻 它 既 是 桌 子 又 不 是 桌 子, 只 有 桌 子 的 概 念 才 是 存 在 的 认 为 物 质 基 本 结 构 形 式 是 具 体 的 变 动 的 事 物, 不 符 合 本 原 应 当 持 续 稳 定 的 特 点 笔 者 认 为 没 有 理 由 认 为 变 化 中 的 事 物 是 不 存 在 的, 动 态 中 的 稳 定 恰 恰 是 最 基 本 的 稳 定 成 为 本 原 的 东 西 必 须 是 具 体 的, 否 则 它 如 何 成 为 其 他 事 物 的 基 础 呢? 成 为 本 原 的 东 西 又 必 须 是 一 般 的, 否 则 它 如 何 成 为 万 事 万 物 所 共 有 的 呢? 物 质 基 本 结 构 形 式 就 具 有 这 种 特 征, 由 这 种 不 断 变 化 中 的 物 质 基 本 结 构 形 式 作 为 物 质 本 原, 才 能 体 现 本 原 的 基 本 性, 避 免 了 以 不 变 的 形 态 作 为 本 原 总 是 须 要 进 一 步 解 释 的 尴 尬 局 面 物 质 基 本 结 构 形 式 存 在 于 任 何 事 物 之 中, 宇 宙 中 的 任 何 物 质 形 式, 只 要 细 分 下 去, 总 可 以 在 有 限 的 空 间 和 有 限 的 时 间 里 找 到 物 质 基 本 结 构 形 式, 如 果 再 继 续 细 分 地 找 下 去, 还 是 物 质 基 本 结 构 形 式, 在 这 个 极 小 的 具 体 层 面 上, 物 质 形 式 之 间 的 差 异 是 很 小 的 因 此 从

41 这 个 意 义 上 来 说, 万 事 万 物 确 实 依 赖 物 质 基 本 结 构 形 式 而 存 在 物 质 基 本 结 构 形 式 是 自 因 的, 这 种 结 构 形 式 不 需 要 由 别 的 原 因 造 成, 无 须 追 问 它 是 如 何 产 生 的 至 于 有 人 一 定 要 追 问 物 质 基 本 结 构 形 式 最 初 从 何 而 来, 运 动 最 初 如 何 产 生, 回 答 只 能 是 : 大 自 然 的 客 观 事 实 就 是 最 根 本 的 自 因, 这 正 是 本 原 的 特 征 这 里 需 要 说 明, 为 什 么 不 使 用 物 质 是 世 界 万 事 万 物 的 本 原 的 提 法, 而 是 使 用 物 质 基 本 结 构 形 式 是 世 界 万 事 万 物 的 本 原 的 提 法 笔 者 认 为, 本 原 既 要 具 体 又 要 一 般, 物 质 基 本 结 构 形 式 是 世 界 万 事 万 物 的 本 原 的 提 法, 可 以 既 具 体 又 一 般 地 描 绘 一 种 简 单 而 又 充 满 活 力 的 物 质 本 原, 可 以 较 好 地 回 答 了 一 些 哲 学 学 派 对 唯 物 论 的 质 疑 五 辩 证 物 质 实 在 论 是 辩 证 唯 物 论 的 组 成 部 分 物 质 实 在 概 念 涵 盖 了 物 质 实 体 和 间 隙 两 个 方 面, 物 质 实 在 具 有 唯 一 性 具 体 性 普 遍 性 和 辩 证 性, 物 质 实 在 的 辩 证 性 包 含 三 个 特 征 : 对 立 统 一 特 征 无 限 性 特 征 和 普 遍 联 系 的 发 展 趋 势 特 征 物 质 基 本 结 构 形 式 即 辩 证 的 实 体 与 间 隙 是 万 事 万 物 的 本 原, 这 样 的 物 质 本 原 是 具 体 的, 是 看 得 见 摸 得 着 的 实 实 在 在 的, 同 时 又 是 最 普 遍 最 一 般 的, 是 任 何 物 质 都 具 有 的 笔 者 将 上 述 观 点 综 合 为 辩 证 物 质 实 在 论 提 出 辩 证 物 质 实 在 论 的 理 由 有 三 条 : (1) 自 然 科 学 发 展 到 一 定 水 平, 必 须 解 决 物 质 基 本 结 构 问 题, 需 要 在 辩 证 唯 物 论 的 基 础 上, 对 物 质 的 实 体 本 原 实 在 存 在 等 基 本 概 念 理 清 思 路 () 传 统 理 论 关 于 物 质 结 构 的 无 限 层 次 性 粒 子 性 电 磁 性 弹 性 引 力 等 物 质 运 动 形 式 一 成 不 变 的 观 念 需 要 改 变, 需 要 建 立 起 辩 证 的 物 质 实 在 观 (3) 唯 物 论 面 对 关 于 物 质 基 本 问 题 的 各 种 质 疑 必 须 采 取 更 有 力 的 思 辨 方 式, 而 物 质 基 本 结 构 理 论 为 这 种 思 辨 方 式 提 供 了 新 的 思 路, 应 当 用 辩 证 物 质 实 在 论 从 哲 学 的 角 度 概 括 这 些 新 的 观 点 辩 证 物 质 实 在 论 能 准 确 表 达 物 质 基 本 结 构 理 论 体 现 出 来 的, 从 哲 学 角 度 对 物 质 基 本 性 认 识 的 特 点 首 先, 它 是 物 质 的, 是 不 以 人 们 意 识 与 否 而 独 立 存 在 的, 而 且 可 以 被 人 们 意 识 感 知 的 客 体 其 次, 它 涵 盖 了 实 体 与 间 隙 两 个 方 面, 不 是 虚 拟 的 存 在, 概 念 的 存 在, 而 是 实 实 在 在 的 存 在 再 次, 它 是 辩 证 的, 物 质 实 体 不 是 僵 化 的, 而 是 变 化 的 相 互 联 系 和 发 展 的 事 物 辩 证 物 质 实 在 论 在 哲 学 的 一 系 列 基 本 问 题 上 的 观 点 是 符 合 辩 证 唯 物 论 观 点 的, 辩 证 物 质 实 在 论 是 辩 证 唯 物 论 的 一 个 组 成 部 分 六 辩 证 物 质 实 在 论 是 科 学 哲 学 的 重 要 内 容 从 哲 学 角 度 研 究 物 质 基 本 性 问 题, 或 者 再 扩 展 一 些, 从 哲 学 角 度 研 究 自 然 科 学 中 的 基 本 性 问 题, 最 早 是 归 入 自 然 哲 学 的 范 畴, 那 时 物 理 学 与 哲 学 是 融 合 在 一 起 的, 后 来 由 于 物 理 学 的 发 展, 以 及 物 理 学 家 们 无 法 忍 受 当 时 哲 学 家 的 高 而 空 的 思 维 方 式, 物 理 学 便 从 哲 学 中 分 离 出 来 了 以 后 一 些 物 理 学 学 者 研 究 与 物 理 学 有 关 的 哲 学 问 题 时, 大 多 是 从 物 理 哲 学 物 理 实 在 论 科 学 实 在 论 物 理 辩 证 法 等 角 度 切 入 有 些 研 究 自 然 科 学 史 的 学 者 则 创 立 了 科 学 哲 学 理 论, 主 要 是 从 认 识 论 科 学 理 论 形 成 和 发 展 的 角 度 研 究 自 然 科 学 中 的 哲 学 问 题 我 国 一 些 哲 学 理 论 工 作 者 力 图 从 自 然 辩 证 法 的 角 度 研 究 这 类 问 题, 开 始 时 偏 重 于 自 然 观 方 面, 即 主 要 研 究 自 然 规 律 中 的 辩 证 法 问 题, 后 来 逐 步 扩 展 到 科 学 哲 学 和 科 学 技 术 方 法 论 方 面, 还 扩 展 到 自 然 与 社 会 发 展 的 关 系 等 领 域, 自 然 辩 证 法 的 研 究 在 我 国 取 得 了 很 大 进 展 笔 者 在 哲 学 上 的 基 本 观 点 是 辩 证 唯 物 论 的, 对 自 然 科 学 中 的 基 本 性 问 题 的 哲 学 理 解 显 然 是 倾 向 于 自 然 辩 证 法 的 但 是 笔 者 仍 然 认 为 从 哲 学 角 度 研 究 自 然 科 学 中 的 基 本 问 题, 还 是 使 用 科 学 哲 学 的 提 法 为 好 科 学 哲 学 的 内 容 就 是 目 前 我 国 自 然 辩 证 法 学 科 的 内 容, 即 自 然 观 科 学 技 术 哲 学 ( 其 中 包 括 科 学 技 术 发 展 史 和 科 学 技 术 方 法 论 ) 自 然 与 社 会 的 相 互 关 系 三 个 方 面, 以 物 质 基 本 结 构 理 论 为 基 础 的 辩 证 物 质 实 在 论 是 科 学 哲 学 中 自 然 观 方 面 的 内 容 使 用 科 学 哲 学 的 名 称, 包 容 性 会 更 好 一 些, 比 起 单 纯 的 自 然 辩 证 法 名 称 能 够 吸 取 一 些 其 他 观 点 的 内 容, 有 利 于 百 家 争 鸣, 也 能 使 本 学 科 领 域 活 跃 一 些, 丰 富 多 彩 一 些 使 用 科 学 哲 学 概 念 还 有 利 于 交 流, 一 种 思 想 观 念 的 发 展, 肯 定 是 需 要 争 论 甚 至 斗 争, 但 是 交 流 也 是 不 可 缺 少 的 重 要 一 环, 这 种 交 流 既 包 括 国 际 性 的 交 流, 也 包 括 持 同 一 种 基 本 观 点 但 在 某 些 方 面 仍 存 差 异 的 国 内 学 者 之 间 的 交 流, 亮 出 自 己 学 派 的 鲜 明 旗 织 固 然 可 以 交 流, 但 是 在 平 和 的 交 流 中 扩 散 自 己 学 派 思 想 的 影 响 会 更 好 一 些 自 然 辩 证 法 是 科 学 哲 学 中 一 个 强 大

42 的 学 派, 使 用 科 学 哲 学 作 为 学 科 概 念 并 不 会 削 弱 自 然 辩 证 法, 正 确 的 事 物 永 远 是 有 生 命 力 的 第 四 章 量 子 单 位 制 一 物 理 单 位 和 单 位 制 大 部 分 物 理 现 象 都 表 现 出 数 量 的 可 比 性, 可 以 用 一 个 概 念 来 定 义 它, 这 就 是 我 们 所 称 的 物 理 量 为 了 量 度 物 理 量 的 大 小, 还 必 须 人 为 地 将 某 些 具 体 的 物 质 形 式 中 表 现 出 来 的 这 个 物 理 量 大 小 作 为 量 度 的 参 照 物, 这 就 形 成 了 物 理 单 位 这 样 的 参 照 物 必 须 是 相 对 稳 定 的, 因 此 只 有 在 量 子 波 形 成 之 后, 物 理 量 的 单 位 才 能 确 定, 才 能 对 这 些 物 理 量 进 行 精 确 的 数 学 描 述, 而 在 此 之 前 只 能 对 这 个 物 理 量 进 行 逻 辑 性 的 分 析 描 述 同 一 物 理 量 可 以 使 用 不 同 的 参 照 物, 例 如 我 们 既 可 以 用 以 米 为 刻 度 的 尺 子 量 度 长 度, 也 可 以 使 用 以 米 的 百 分 之 一 即 厘 米 为 刻 度 的 尺 子 量 度 长 度 为 了 量 度 的 统 一, 人 们 规 定 了 一 些 参 照 物 来 确 定 基 本 单 位, 并 由 这 些 基 本 单 位 导 出 其 他 物 理 量 的 单 位 这 样 的 物 理 单 位 体 系, 我 们 称 为 单 位 制 国 际 单 位 制 : 这 是 1960 年 第 11 届 国 际 计 量 大 会 通 过 的 一 种 通 用 的 适 合 于 一 切 计 量 领 域 的 单 位 制, 其 国 际 代 号 为 SI 在 国 际 单 位 制 中, 规 定 了 七 个 基 本 单 位 和 两 个 辅 助 单 位, 其 他 单 位 均 由 这 些 基 本 单 位 和 辅 助 单 位 导 出 七 个 基 本 单 位 是 : 长 度 单 位, 单 位 名 称 米, 符 号 m; 质 量 单 位, 单 位 名 称 千 克, 符 号 kg; 时 间 单 位, 单 位 名 称 秒, 符 号 s; 电 流 单 位, 单 位 名 称 安 培, 符 号 A; 温 度 单 位, 单 位 名 称 开 尔 文, 符 号 K; 物 质 量 单 位, 单 位 名 称 摩 尔, 符 号 mol; 发 光 强 度 单 位, 单 位 名 称 坎 德 拉, 符 号 cd 两 个 辅 助 单 位 : 平 面 角 单 位, 单 位 名 称 弧 度, 符 号 rad; 立 体 角 单 位, 单 位 名 称 球 面 度, 符 号 sr 在 国 际 单 位 制 之 外 还 出 现 过 几 种 单 位 制 CGS 单 位 制, 基 本 单 位 为 厘 米 (cm) 克 (g) 秒 (s); MKS 单 位 制, 基 本 单 位 为 米 (m) 千 克 (kg) 秒 (s); 电 磁 学 中 的 绝 对 静 电 单 位 制 (e.s.u.), 由 库 仑 定 律 出 发 定 义 电 流 ; 电 磁 学 中 的 绝 对 电 磁 单 位 制 (e.m.u.), 由 安 培 定 律 出 发 定 义 电 流 二 量 子 单 位 制 传 统 的 理 论 认 为 微 观 的 量 子 物 理 学 是 对 宏 观 的 经 典 物 理 学 的 继 承, 因 此 即 便 量 子 物 理 学 对 经 典 物 理 学 有 着 重 大 的 观 念 更 新, 在 实 际 的 理 论 体 系 设 计 时 仍 然 是 以 经 典 的 物 理 学 概 念 为 基 础 的, 表 现 在 单 位 制 问 题 上, 始 终 是 使 用 以 国 际 单 位 制 为 主 的 单 位 制 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为, 物 质 结 构 从 无 序 的 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 到 有 序 的 以 太 结 构 和 量 子 波 时, 物 质 世 界 里 只 有 波, 只 有 波 长 频 率 波 速 等 简 单 的 物 理 量, 能 量 动 量 质 量 这 些 概 念 还 只 是 表 现 为 原 始 形 式 频 率, 这 时 描 述 物 理 现 象 的 单 位 制 应 当 是 简 单 的 既 然 普 朗 克 常 数 规 定 了 频 率 与 能 量 的 恒 定 关 系, 既 然 爱 因 斯 坦 的 质 能 相 关 公 式 已 经 将 质 量 与 能 量 紧 密 联 系 在 一 起 了, 既 然 能 量 守 恒 定 律 被 证 明 是 正 确 的, 那 么 完 全 可 以 直 接 以 频 率 代 替 能 量 和 质 量 进 行 微 观 物 理 现 象 的 定 量 计 算, 根 本 用 不 着 使 用 普 朗 克 常 数 将 频 率 换 算 成 能 量, 这 样 处 理 可 以 使 物 理 定 律 的 表 达 更 直 接 更 简 单 这 就 是 说 应 当 建 立 一 个 简 单 的 物 理 单 位 制 量 子 波 形 成 之 后 有 些 什 么 物 理 量 稳 定 了 呢? 只 有 四 个 : 频 率 波 速 相 位 角 度 和 基 本 电 量 因 此 可 以 以 此 规 定 基 本 单 位 和 导 出 单 位

43 基 本 单 位 有 : 133 频 率 单 位 : 次 / 秒, 为 Cs( 铯 ) 原 子 基 态 的 两 个 超 精 细 能 级 之 间 跃 迁 所 对 应 的 辐 射 频 率 的 分 之 一 速 度 单 位 : 光 速 c, 即 米 / 秒 角 度 单 位 : 弧 度 rad, 即 使 得 弧 长 等 于 直 径 时 的 角 度 电 量 单 位 :e, 即 基 本 电 荷 所 具 有 的 电 量 导 出 单 位 有 : 133 时 间 单 位 : 秒, 为 Cs 原 子 基 态 的 两 个 超 精 细 能 级 之 间 跃 迁 所 对 应 的 辐 射 的 个 周 期 所 持 续 的 时 间 即 基 本 单 位 频 率 的 倒 数 长 度 单 位 : 米, 为 真 空 光 速 每 秒 运 行 距 离 的 分 之 一 实 际 使 用 时, 光 速 作 为 基 本 单 位 并 不 方 便, 也 与 经 典 的 各 种 物 理 单 位 制 差 异 太 大 而 不 便 于 衔 接, 因 此 笔 者 将 基 本 单 位 规 定 为 5 个, 即 : 长 度 单 位 : 米,m, 单 位 的 定 义 与 国 际 单 位 相 同 ; 时 间 单 位 : 秒,s, 单 位 的 定 义 与 国 际 单 位 相 同 ; 振 动 单 位 : 次,a, 即 一 个 波 动 ; 角 度 单 位 : 弧 度,rad, 使 得 弧 长 等 于 直 径 时 的 角 度 ; 电 量 单 位 : 基 本 电 量,e, 即 区 分 正 负 性 的 基 本 费 米 子 个 数 这 些 单 位 可 以 完 整 地 描 述 量 子 波 的 波 速 频 率 波 长 相 位 角 度 和 量 子 ( 指 基 本 费 米 子 ) 个 数, 为 了 突 出 这 个 单 位 制 的 特 点, 笔 者 将 这 种 单 位 制 称 为 量 子 单 位 制 这 样 的 定 义 还 体 现 了 两 个 意 图 : 一 是 突 出 量 子 理 论 的 地 位 ; 二 是 显 示 量 子 理 论 基 础 部 分 的 简 单 性 为 了 简 化 公 式 并 方 便 读 者 理 解, 本 书 中 上 述 单 位 在 实 际 物 理 公 式 或 者 计 算 式 中, 长 度 单 位 写 为 米 ; 时 间 单 位 写 为 秒 ; 振 动 单 位 写 为 次 ; 角 度 单 位 不 写 : 数 值 中 的 π 即 半 个 圆 周 角 ; 电 量 单 位 写 为 e 一 般 情 况 下 物 理 公 式 或 者 计 算 式 中 不 写 单 位, 而 在 公 式 或 者 计 算 式 最 后 写 上 总 的 单 位, 此 时 公 式 或 者 计 算 式 中 出 现 的 常 数 是 不 带 单 位 的 纯 数 值 如 : 求 与 一 个 质 子 相 距 10-7 米 处 的 电 场 强 度 作 用 力 : 1 q1q F = = ( ac 1 1)/(4 π ) 4 πε 0 r 14 = (ac /π) 10 ( 次 / 秒 )/ 米 -7 与 此 质 子 相 距 10 米 处 的 电 场 强 度 : 14 E = F/q = (ac /π) 10 ( 次 / 秒 )/(e 米 ) 公 式 或 者 计 算 式 中 出 现 的 常 数 a 是 不 带 单 位 的 精 细 结 构 常 数 的 纯 数 值 : ,c 则 为 不 带 单 位 的 真 空 光 速 的 纯 数 值 : ,π 为 有 时 为 了 简 化 表 达 方 式, 直 接 用 物 理 单 位 来 表 示 物 理 量 如 下 面 的 叙 述 方 式 : 量 子 单 位 制 中 的 力 表 示 为 :( 次 / 秒 )/ 米, 传 统 公 式 中 的 能 量 被 频 率 代 替 了 量 子 单 位 制 中 的 电 容 单 位 为 :e 秒, 可 以 改 写 为 :e /( 次 / 秒 ), 明 确 地 显 示 了 一 定 的 电 量 偶 与 储 存 能 量 ( 频 率 ) 的 关 系 这 些 语 句 虽 然 不 是 十 分 规 范, 但 是 能 够 方 便 读 者 更 好 地 理 解 物 理 现 象, 也 就 认 可 了 三 建 立 量 子 单 位 制 的 意 义

44 本 书 中 仅 仅 研 究 一 些 简 单 的 微 观 物 理 现 象, 所 涉 及 的 对 象 只 有 为 数 不 多 的 几 个 量 子, 具 体 地 说 全 部 表 演 队 伍 就 是 两 个 质 子, 两 个 反 质 子, 两 个 电 子, 两 个 正 电 子, 再 加 上 几 个 光 量 子, 每 次 出 场 的 演 员 更 加 少, 直 到 第 十 三 章 才 出 现 复 合 量 子 概 念 我 们 不 去 研 究 宏 观 物 理 现 象, 不 去 研 究 真 空 之 外 的 电 介 质 和 磁 介 质, 不 涉 及 热, 不 涉 及 刚 体, 也 不 涉 及 比 氢 原 子 更 复 杂 的 原 子 总 之, 一 切 都 是 简 单 得 不 可 再 简 单, 其 目 的 是 希 望 在 简 单 的 具 体 物 质 形 式 中 发 现 简 单 的 一 般 规 律, 在 这 种 情 况 下 量 子 单 位 制 就 大 有 用 场 了 量 子 单 位 制 具 有 基 本 的 自 然 属 性, 虽 然 存 在 某 些 人 为 的 规 定 ( 因 为 物 理 单 位 的 本 质 就 是 规 定 性 ), 但 它 是 物 质 基 本 结 构 形 式 的 自 然 反 映 自 然 界 就 是 这 么 简 单 和 谐, 描 述 它 的 理 论 和 工 具 也 一 定 是 简 单 的 和 谐 的 有 的 学 者 提 出 过 自 然 单 位 制, 将 光 速 普 朗 克 常 数 都 定 义 为 1, 并 利 用 几 个 常 数 计 算 出 质 量 空 间 时 间 等 基 本 单 位 这 种 单 位 制 没 有 简 化 物 理 公 式, 目 前 也 没 有 看 出 是 否 有 利 于 揭 示 物 质 结 构 的 深 层 次 秘 密 量 子 单 位 制 的 提 出 并 不 是 简 单 地 选 择 几 个 基 本 单 位 的 问 题, 量 子 单 位 制 与 其 他 单 位 制 相 比, 最 突 出 的 特 点 是 用 频 率 替 代 了 能 量 和 质 量, 物 理 公 式 中 完 全 不 出 现 能 量 质 量 和 相 关 的 物 理 量, 这 是 对 物 理 量 理 解 的 重 大 观 念 改 变, 是 对 单 位 制 的 质 的 变 革 量 子 单 位 制 的 提 出 是 物 质 基 本 结 构 理 论 的 必 然 结 果, 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 波 是 物 理 现 象 的 主 要 形 式, 光 速 是 稳 定 的, 频 率 也 具 有 相 当 的 稳 定 性 而 且 更 重 要 的 是, 由 于 均 匀 性 和 对 称 性, 频 率 在 量 子 相 互 作 用 过 程 中 总 量 守 恒, 这 是 被 能 量 守 恒 定 律 普 朗 克 常 数 定 义 爱 因 斯 坦 的 质 量 与 能 量 相 关 定 律 的 理 论 与 实 验 证 明 了 的, 因 此 量 子 单 位 制 的 产 生 是 有 实 践 基 础 的 读 者 从 本 书 后 面 的 内 容 中 可 以 看 到, 运 用 量 子 单 位 制 描 述 物 理 学 定 律 和 公 式, 从 简 单 的 运 动 学 动 力 学 电 磁 学, 直 到 玻 尔 氢 原 子 能 级 公 式 薛 定 谔 波 动 方 程, 公 式 中 只 有 米 秒 次 e 等 4 个 物 理 单 位 符 号 和 光 速 c 圆 周 率 π 精 细 结 构 常 数 a 引 力 常 数 G 等 几 个 物 理 常 数, 大 大 简 化 了 物 理 公 式, 而 且 能 够 直 接 地 清 晰 地 揭 示 物 理 规 律, 将 会 有 利 于 基 础 研 究 工 作 的 展 开, 对 初 学 者 理 解 量 子 理 论 更 会 有 一 定 帮 助 本 书 的 研 究 还 证 明 了 量 子 单 位 制 与 经 典 的 单 位 制 是 完 全 吻 合 的, 对 宏 观 物 理 公 式 描 述 时 同 样 能 做 到 简 单 明 了, 因 此 量 子 单 位 制 能 够 成 为 普 通 物 理 学 教 学 和 研 究 的 辅 助 工 具 量 子 单 位 制 的 建 立 还 表 明 了 量 子 理 论 的 基 础 部 分 应 当 是 简 单 的 理 论, 不 会 涉 及 太 高 深 的 数 学 内 容 物 理 现 象 是 非 常 复 杂 的, 但 是 仅 仅 为 了 研 究 量 子 的 基 本 结 构 和 基 本 性 质, 只 需 要 涉 及 最 简 单 的 物 理 现 象 就 可 以 了, 远 比 普 通 物 理 学 涉 及 的 研 究 对 象 简 单 例 如 太 空 中 的 一 个 巨 大 区 域 中, 只 有 一 个 质 子, 这 个 质 子 不 知 道 世 界 上 还 有 反 质 子 电 子 及 其 他 形 形 色 色 的 粒 子, 它 只 知 道 它 自 己 如 果 此 时 一 个 光 子 向 它 高 速 撞 击, 立 即 形 成 了 电 子 和 正 电 子, 或 者 质 子 与 反 质 子, 或 者 其 他 粒 子, 这 时 在 这 个 较 小 的 区 域 里, 集 中 了 很 少 的 一 些 量 子, 它 们 之 间 的 引 力 电 场 力 磁 场 力 核 力 弱 作 用 力 弹 性 碰 撞 正 反 粒 子 生 成 与 湮 灭 相 对 论 效 应 确 定 与 不 确 定 性 等 都 能 表 现 出 来, 大 部 分 基 本 的 量 子 实 验 都 可 以 在 它 们 之 间 完 成 为 了 研 究 它 们, 物 理 学 家 们 使 用 了 对 称 群 矩 阵 偏 微 分 方 程 张 量 分 析 概 率 计 算 等 一 系 列 高 深 的 数 学 工 具, 设 计 了 许 多 物 理 模 型 我 们 可 否 换 一 种 思 维 方 式, 当 太 空 中 的 相 当 大 的 区 域 里 只 有 一 个 能 量 极 高 的 光 子 向 一 个 质 子 冲 击 时, 问 题 可 能 并 没 有 那 么 复 杂, 一 些 简 单 的 数 学 工 具 也 许 足 以 完 成 这 类 简 单 物 理 现 象 分 析 笔 者 在 这 本 书 中 力 求 简 单, 不 仅 仅 是 为 了 扩 大 读 者 面 而 做 的 科 普 化 通 俗 化 处 理, 而 是 因 为 大 自 然 的 基 础 形 式 确 实 是 简 单 的, 我 们 的 思 维 方 式 思 维 工 具 也 应 当 是 简 单 的 笔 者 力 图 消 除 人 们 对 量 子 的 神 秘 感, 认 为 量 子 是 物 质 运 动

45 形 式 中 的 由 无 序 发 展 到 有 序 的 最 初 的 简 单 形 式, 因 此 可 以 将 书 中 的 关 于 物 理 学 与 数 学 的 大 部 分 内 容 控 制 在 初 等 水 平 当 然 大 自 然 更 多 的 时 候 会 发 展 为 复 杂 的 结 构 形 式, 例 如 大 气 运 动 生 物 基 因 宇 宙 演 化 等, 人 类 也 会 创 造 出 复 杂 的 物 质 形 式, 例 如 计 算 机 及 网 络 激 光 受 控 核 聚 变 航 天 飞 船 建 筑 结 构 等, 对 于 这 些 复 杂 形 式 引 出 来 的 理 论 和 技 术 问 题, 可 以 在 专 门 的 领 域 研 究, 在 那 里 高 深 的 数 学 可 以 派 上 大 用 场 四 量 子 单 位 制 对 运 动 的 描 述 经 典 理 论 在 一 般 运 动 学 方 面 使 用 了 质 点 和 刚 体 的 概 念 任 何 实 际 的 物 体 都 有 一 定 大 小 和 形 状, 为 了 研 究 的 方 便, 在 对 所 研 究 的 问 题 影 响 不 太 大 的 情 况 下, 可 以 忽 略 其 大 小 和 形 状, 把 物 体 视 为 具 有 一 定 质 量 的 几 何 点, 称 为 质 点 对 于 转 动 学, 经 典 理 论 使 用 了 刚 体 的 概 念, 假 设 刚 体 内 部 不 存 在 任 何 机 械 运 动 状 态 质 点 和 刚 体 是 人 们 为 了 研 究 问 题 方 便 设 想 的 物 理 模 型, 是 经 典 物 理 学 中 的 运 动 主 体 物 质 基 本 结 构 形 式 的 初 级 阶 段 是 物 质 最 原 始 的 最 基 本 的 结 构 形 式, 即 辩 证 的 实 体 与 间 隙, 这 时 物 质 运 动 的 主 体 是 不 定 形 的 内 部 充 满 无 限 运 动 的 实 体 这 样 的 运 动 主 体 无 法 使 用 数 学 方 法 描 述 物 质 基 本 结 构 形 式 经 过 均 匀 化 和 系 统 化 形 成 以 太 结 构 及 量 子 波 以 后, 量 子 波 是 有 结 构 的, 不 能 再 视 为 无 内 部 结 构 的 质 点, 也 不 能 视 为 无 内 部 运 动 的 刚 体 量 子 波 就 成 了 微 观 层 面 上 物 质 运 动 的 主 体 量 子 波 体 现 了 局 部 性 与 系 统 性 的 对 立 统 一, 它 没 有 一 个 明 显 的 边 界, 它 的 域 可 以 从 近 距 离 延 伸 到 宇 宙 间 很 远 很 远 的 地 方, 每 一 个 量 子 的 影 响 力 均 延 伸 到 很 远 很 远 的 地 方 量 子 波 的 行 为 又 体 现 为 局 部 性, 它 有 一 个 波 动 量 大 小 的 分 布 中 心, 由 此 人 们 可 以 给 它 建 立 起 粒 子 的 概 念 量 子 波 作 为 运 动 主 体 显 然 要 兼 顾 波 动 与 粒 子 两 个 方 面 的 性 质 那 么 在 坐 标 系 上 如 何 对 量 子 波 描 述 呢? 可 以 取 量 子 的 一 个 标 志 点 如 振 幅 中 心, 按 质 点 方 式 分 析 量 子 波 的 运 动 状 态, 这 样 的 处 理 方 式 将 量 子 波 的 波 动 性 与 粒 子 性 结 合 起 来, 但 是 我 们 一 定 要 认 识 到 这 样 的 描 述 方 式 是 不 够 的, 量 子 波 的 振 幅 以 及 量 子 波 在 远 距 离 的 特 征 变 化 还 没 有 描 述 出 来, 需 要 加 上 对 量 子 其 他 态 变 动 的 描 述 来 补 充 传 统 的 量 子 理 论 没 有 将 量 子 视 为 个 别 量 子 的 实 在 的 波 动, 更 没 有 将 静 止 的 费 米 子 也 确 认 为 波, 将 量 子 的 运 动 仅 仅 视 为 质 点 的 运 动, 显 然 难 以 解 释 某 些 实 验 结 果, 不 得 不 将 量 子 的 运 动 视 为 非 实 在 的 不 确 定 性 的 不 可 描 述 的 神 秘 的 运 动 方 式 这 类 问 题 将 在 后 文 详 细 讨 论 如 图 4-1, 点 P 沿 一 条 曲 线 ( 直 线 是 特 殊 的 曲 线 ) 运 动 r(t) 与 r(t+δt) 分 别 是 它 在 t 时 刻 与 t+δt 时 刻 的 位 矢 从 P 点 向 Q 点 所 引 的 有 向 线 段 Δr 叫 做 质 点 在 Δt 时 间 内 的 位 移 Δr 是 两 个 时 刻 的 位 矢 之 差 : Δr=r(t+Δt)-r(t) 即 AB 直 线 线 段, 位 移 反 映 了 质 点 位 置 的 改 变 位 移 的 单 位 : 米 质 点 P, 由 P 到 Q 质 点 经 历 过 的 曲 线 长 度 Δs, 叫 做 Δt 时 间 内 质 点 通 过 的 路 程, 即 AB 曲 线 轨 迹 位 移 和 路 程 是 两 个 截 然 不 同 的 概 念 路 程 的 单 位 : 米 Z P A r(t) B X O r(t+ t) Y

46 图 3.-1 位 移 距 离 和 速 度 图 4-1 位 移 路 程 和 速 度 质 点 沿 一 条 曲 线 运 动, 位 移 Δr 与 时 间 Δt 的 比 值, 叫 做 质 点 在 Δt 时 间 内 的 平 均 速 度 : r υ = t υ 平 均 速 度 的 单 位 : 米 / 秒, 在 高 速 时 常 用 光 速 c 为 单 位, 这 时 速 度 值 是 与 c 光 速 的 比 值 r 当 Δt 0 时, 平 均 速 度 的 极 限 可 以 用 来 描 述 质 点 在 t 时 刻 的 运 动 这 一 t 极 限 值 称 为 瞬 时 速 度 υ, 简 称 速 度 速 度 的 单 位 : 米 / 秒 r d r υ = lim =. t 0 t d t 将 位 矢 r 对 时 间 t 求 一 阶 导 数, 就 得 到 瞬 时 速 度 的 表 达 式 速 度 是 矢 量, 具 有 大 小 和 方 向, 不 考 虑 方 向 的 速 度 大 小 υ 称 作 速 率 质 点 速 度 υ 的 方 向 沿 轨 道 切 线, 指 向 质 点 运 动 的 方 向 量 子 单 位 制 的 长 度 单 位 米, 时 间 单 位 秒, 速 率 单 位 米 / 秒, 与 经 典 物 理 单 位 制 是 一 致 的, 不 存 在 相 互 转 换 问 题 五 量 子 单 位 制 对 频 率 ( 能 量 ) 和 质 量 的 描 述 (1) 频 率 量 子 波 在 一 定 时 间 内 波 动 次 数 在 没 有 相 互 作 用 时 是 稳 定 的, 称 为 频 率 频 率 的 单 位 : 次 / 秒 例 如, 静 止 电 子 的 频 率 = 次 / 秒, 由 此 可 知 量 子 的 振 动 是 非 常 快 的, 也 是 非 常 稳 定 的, 它 要 做 这 么 多 次 重 复 的 动 作 而 不 疲 倦 不 衰 减, 这 是 系 统 的 必 然 规 定 性 在 起 作 用, 决 不 是 量 子 的 历 史 或 惯 性 能 决 定 得 了 的 频 率 与 能 量 换 算 量 子 单 位 制 中 的 频 率 相 当 于 经 典 单 位 制 中 的 能 量 由 于 普 朗 克 常 数 h = 焦 秒 频 率 ν= 能 量 E / h 33 即 :1 焦 耳 能 量 相 当 于 频 率 ν = 次 / 秒 1 次 / 秒 的 频 率 相 当 于 焦 () 普 朗 克 常 数 34 普 朗 克 常 数 : h = 能 量 / 频 率 = 焦 秒 ( 国 际 单 位 制 ) 量 子 单 位 制 中, 能 量 与 频 率 合 为 一 个 物 理 量, 普 朗 克 常 数 h = 1 这 将 大 大 简 化 很 多 物 理 公 式 (3) 动 能 如 图 4-,OE 表 示 总 频 率 光 速 ;OD 表 示 费 米 频 率 分 量, 费 米 波 速 分 量 ; E DE 表 示 玻 色 频 率 分 量, 玻 色 波 速 分 量 υ D C F

47 图 4- 频 率 ( 能 量 ) 动 能 即 由 于 运 动 而 增 加 的 频 率 = 总 频 率 静 止 费 米 频 率 = 总 频 率 (1 1 υ / c ) 1 υ 计 算 可 知, 当 υ 远 小 于 c 时, 上 式 总 频 率, 此 即 低 速 时 的 动 能 公 c 式 由 于 低 速 时 费 米 频 率 ( 或 静 止 质 量 ) 与 总 频 率 ( 或 总 质 量 ) 相 当 低 速 时 的 动 能 公 式 又 可 表 示 为 : 1 费 米 频 率 增 加 的 频 率 υ c 当 υ 接 近 光 速 c 时 : υ (1 1 υ / c ) c 由 此 得 到 高 速 时 的 动 能 公 式 : 总 频 率 增 加 的 频 率 υ c 上 述 公 式 推 导 需 要 用 上 微 积 分 的 极 限 计 算, 也 可 以 采 用 计 算 机 模 拟, 由 于 篇 幅 有 限, 而 且 得 到 的 结 论 是 读 者 熟 悉 的 内 容, 因 此 推 导 过 程 从 略 特 别 需 要 说 明 的 是 动 能 对 应 的 频 率 并 不 等 于 玻 色 频 率 分 量, 而 是 增 加 的 总 频 率 (4) 频 率 /c ( 质 量 ) 在 物 质 基 本 结 构 理 论 中 本 来 完 全 可 以 不 出 现 质 量 概 念, 因 为 量 子 的 频 率 已 经 足 够 说 明 量 子 的 波 动 规 模 大 小 的 性 质 但 是 有 时 候 我 们 需 要 将 量 子 的 开 放 形 式 的 传 播 速 度 的 绝 对 值 单 独 作 为 一 个 物 理 量 考 虑, 而 不 是 只 考 虑 传 播 速 度 与 光 速 的 比 值 时, 建 立 质 量 的 概 念 就 成 为 必 要 的 了 计 算 动 能 的 公 式 由 低 速 时 1 总 频 率 总 频 率 的 υ 向 高 速 时 的 υ 变 动, 可 以 将 与 1/ 因 子 的 有 关 的 变 动 c c 留 给 公 式 本 身 去 区 分 低 速 和 高 速, 让 质 量 有 了 一 个 固 定 的 表 示 式, 即 :

48 质 量 = 频 率 / c 低 速 时 的 动 能 公 式 又 可 表 示 为 : 1 总 频 率 增 加 的 频 率 υ c 1 总 质 量 υ 1 费 米 质 量 υ 高 速 时 的 动 能 公 式 又 可 表 示 为 : 总 频 率 增 加 的 频 率 υ c 总 质 量 υ 笔 者 认 为 质 量 概 念 与 动 能 概 念 是 为 便 于 近 似 计 算 或 者 某 些 特 殊 需 要, 而 人 为 规 定 的 一 个 物 理 量 量 子 单 位 制 中 质 量 的 单 位 是 : 秒 / 米 与 经 典 理 论 中 的 质 量 单 位 换 算 : 1 千 克 质 量 相 当 于 频 率 : ν= c 次 / 秒 50 = 次 / 秒 1 千 克 质 量 相 当 规 模 于 量 子 单 位 制 中 的 质 量 : = (c 次 / 秒 )/ (c 米 / 秒 ) 33 = 秒 / 米 结 合 后 面 的 章 节, 我 们 可 以 看 到 c 主 要 出 现 在 两 处, 一 是 上 面 分 析 的 质 量 概 念, 二 是 第 七 章 中 将 磁 场 理 解 为 电 场 的 调 整 概 念 时 的 转 换 因 子, 即 真 空 电 容 率 与 真 空 磁 导 率 的 关 系 因 子 这 两 种 情 况 在 描 述 费 米 子 运 动 的 直 角 三 角 形 中 都 可 以 找 到 c 的 原 始 踪 迹 六 量 子 单 位 制 对 波 长 和 波 密 度 ( 动 量 ) 的 描 述 (1) 波 长 量 子 波 的 波 长 指 量 子 波 波 动 一 个 周 期 的 传 播 距 离 波 长 = 距 离 / 次 = 波 速 / 频 率 波 长 的 单 位 : 米 / 次 对 于 量 子 波, 波 速 均 为 光 速 真 空 光 速 c = 米 / 秒 波 长 = c / 频 率 () 波 密 度 量 子 波 的 波 长 的 倒 数 即 1 / 波 长, 可 以 理 解 为 波 的 单 位 传 播 距 离 中 的 波 的 周 期 数, 可 称 为 波 密 度 波 密 度 = 1 / 波 长 量 子 波 的 波 密 度 = 频 率 / 光 速 c 量 子 单 位 制 中 波 密 度 的 单 位 : 次 / 米 与 经 典 单 位 换 算 : 1 千 克 米 / 秒 = 次 / 米 (3) 矢 量 玻 色 分 量 波 密 度 相 当 于 经 典 理 论 中 的 动 量 经 典 理 论 中 : 动 量 = 能 量 / 速 度

49 而 在 量 子 单 位 制 中, 能 量 用 频 率 代 替, 量 子 波 速 度 即 为 光 速 频 率 / 光 速 = 次 / 米 = 波 密 度 一 般 情 况 下, 我 们 计 算 量 子 的 总 的 波 密 度 是 没 有 方 向 的, 而 经 典 理 论 中 的 动 量 是 有 方 向 的, 因 此 严 格 地 说 量 子 单 位 制 中 的 波 密 度 并 不 相 当 于 经 典 理 论 中 的 动 量 经 典 理 论 中 的 动 量 体 现 在 量 子 玻 色 波 运 动 方 向 中, 因 此 量 子 总 的 波 密 度 在 玻 色 方 向 的 分 量 才 与 经 典 理 论 中 的 动 量 相 关 静 止 频 率 总 频 率 = 1 υ / c 总 的 波 密 度 = 总 频 率 / 光 速 c 波 密 度 的 玻 色 分 量 P = 总 波 密 度 = ( 总 频 率 / c ) υ / c = ( 总 频 率 / c ) υ 也 可 : 费 米 频 率 ν F υ 动 量 P = υ c 1 c 当 υ 远 小 于 c 时 : 费 米 频 率 ν F υ 动 量 P c 量 子 单 位 制 中 的 质 量 = 频 率 /c 因 此 当 υ 远 小 于 c 时, 可 以 得 到 我 们 通 常 使 用 的 动 量 计 算 公 式 : 动 量 = 静 止 质 量 速 度 七 量 子 单 位 制 对 力 力 矩 及 动 量 矩 的 描 述 (1) 力 力 反 映 量 子 之 间 的 相 互 作 用 强 度 大 小, 可 以 参 照 经 典 理 论 来 定 义 力 : 力 即 单 位 距 离 变 动 的 频 率 力 = 变 动 的 频 率 / 距 离 = 总 频 率 (1 1 υ / c ) / 距 离 计 算 可 知, 当 υ 远 小 于 c 时 : 1 υ (1 1 υ / c ) c 由 此 得 到 低 速 时 的 力 的 公 式 : 总 频 率 力 = 变 动 的 频 率 / 距 离 1 υ / 距 离 c 1 υ c 总 质 量 υ / 距 离 当 υ 接 近 光 速 c 时 : υ (1 1 υ / c ) c 由 此 得 到 高 速 时 的 力 的 公 式 :

50 总 频 率 力 = 变 动 的 频 率 / 距 离 υ / 距 离 c 总 质 量 υ / 距 离 以 上 是 按 单 位 距 离 变 动 的 频 率 定 义 力, 得 到 力 的 能 量 表 达 式, 如 果 按 单 位 时 间 变 动 的 波 密 度 方 式 定 义 力, 可 以 得 到 力 的 动 量 表 达 式 和 加 速 度 表 达 式 量 子 单 位 制 中 力 的 单 位 :( 次 / 秒 )/ 米 与 经 典 单 位 换 算 : 1 牛 = 焦 / 米 = 米 kg/ 秒 = 动 量 / 秒 =( 米 kg/ 秒 )/ 秒 33 = ( 次 / 秒 ) / 米 () 力 矩 力 矩 指 旋 转 力 的 强 度 力 矩 = 力 力 臂 量 子 单 位 制 中 力 矩 的 单 位 :( 次 / 秒 )/ 米 ) 米, 即 : 次 / 秒 与 经 典 单 位 制 换 算 : 33 1 牛 顿 米 = 次 / 秒 (3) 角 动 量, 动 量 矩 动 量 矩 指 旋 转 动 量 的 强 度 动 量 矩 = 动 量 力 臂 量 子 单 位 制 中 动 量 矩 的 单 位 :( 次 / 米 ) 米, 即 : 次 与 经 典 单 位 制 换 算 : 1( 千 克 米 / 秒 ) 米 = 次 八 常 数 常 量 及 单 位 换 算 上 几 节 中 我 们 将 量 子 单 位 制 运 用 于 物 理 学 中 的 运 动 学 和 动 力 学 的 某 些 公 式, 读 者 可 以 体 会 到 量 子 单 位 制 与 国 际 单 位 制 是 完 全 吻 合 的, 但 是 要 清 晰 简 单 得 多 本 书 后 面 几 乎 每 章 都 使 用 了 量 子 单 位 制 概 念, 读 者 阅 读 之 后 将 会 发 现, 虽 然 内 容 涉 及 到 量 子 理 论 的 大 部 分 基 础 问 题, 但 是 任 何 有 中 学 物 理 及 数 学 知 识 的 读 者 都 能 读 懂, 这 是 因 为 量 子 理 论 的 基 础 部 分 本 来 就 是 简 单 的, 量 子 单 位 制 作 为 一 个 简 单 有 效 的 工 具, 对 分 析 量 子 特 征 可 以 发 挥 重 要 作 用 下 面 将 本 书 中 常 用 的 物 理 常 数 单 位, 按 量 子 单 位 制 和 国 际 单 位 制 两 种 方 式 列 出, 并 在 两 种 单 位 制 之 间 进 行 换 算 (1) 常 数 常 量 圆 周 率 π = , 无 量 纲, 或 者 : 米 / 米 光 速 常 数 c = , 单 位 : 米 / 秒 基 本 电 量 :e, 即 基 本 费 米 子 个 数 ( 区 分 正 反 性, 正 负 性 ) 34 普 朗 克 常 数 : h = 能 量 / 频 率 = 焦 秒 ( 国 际 单 位 制 ) h = 1 ( 量 子 单 位 制 ) 精 细 结 构 常 数 a = , 单 位 : 次 /e ( 量 子 单 位 制, 与 电 阻 同 单 位 ) 倒 数 精 细 结 构 常 数 a -1 = , 单 位 : e ( 量 子 单 位 制, 与 电 导 同 单 位 ) 11 引 力 常 数 G = 牛 米 / 千 克 ( 国 际 单 位 制 ) 引 力 常 数 G = 米 秒 ( 量 子 单 位 制, 引 力 公 式 的 分 母 用 球 面 积 表 示 )

51 1 电 场 力 常 数 ( 倒 数 真 空 电 容 率 ) = = = ac ( 次 / 秒 ) 米 /e ε 0 ( 量 子 单 位 制 ) (a 为 精 细 结 构 常 数,c 为 光 速, 当 式 子 后 面 带 有 总 的 单 位 时,a c 为 纯 数 值, 不 带 单 位, 下 同, 不 再 说 明 ) 1 真 空 介 电 常 数 ( 真 空 电 容 率 ) ε = 库 / 牛 米 0 ( 国 际 单 位 制 ) = e /( 米 / 秒 ) = (1/ac)e /( 米 / 秒 ) ( 量 子 单 位 制 ) 7 真 空 磁 导 率 : µ 0 = 4π 10 牛 /A ( 国 际 单 位 制 ) 1 a 秒 = / c = ( 量 子 单 位 制 ) ε c e 米 电 子 : 能 量 E= MeV ( ev 为 电 子 伏, 能 量 单 位 ), 质 量 = kg, 电 子 频 率 ν e = , 单 位 : 次 / 秒, 电 子 波 长 λ e = , 单 位 : 米 / 次, 质 子 : 能 量 = MeV, 质 量 = kg, 质 子 频 率 ν p = , 单 位 : 次 / 秒, 质 子 波 长 λ e = , 单 位 : 米 / 次, 质 子 质 量 / 电 子 质 量 = () 频 率 ( 能 量 ) 频 率 单 位 : 次 / 秒 1 焦 = 千 克 米 / 秒 = ev 焦 能 量 相 当 = kg 33 1 焦 能 量 相 当 ν = 次 / 秒 1eV( 电 子 伏 )= 焦 = 次 / 秒 (3) 质 量 质 量 单 位 : 秒 / 米 16 1 千 克 质 量 物 质 以 光 速 运 动, 能 量 E = 焦 耳 50 1 千 克 质 量 相 当 于 频 率 ν= 次 / 秒 33 1 千 克 质 量 相 当 于 量 子 单 位 制 中 的 质 量 : 秒 / 米 (4) 波 密 度 ( 动 量 ) 波 密 度 单 位 : 次 / 米 1 千 克 米 / 秒 = 次 / 米 (5) 力 力 的 单 位 :( 次 / 秒 )/ 米,( 次 / 米 )/ 秒 1 牛 = 焦 / 米 = 米 千 克 / 秒 = 动 量 / 秒 =( 米 千 克 / 秒 )/ 秒 33 1 牛 = 焦 / 米 = ( 次 / 秒 ) / 米 (6) 力 矩 力 矩 的 单 位 : 次 / 秒 33 1 牛 顿 米 = 次 /( 秒 ) (7) 动 量 矩 动 量 矩 的 单 位 :( 次 / 米 ) 米, 次 1( 千 克 米 / 秒 ) 米 = 次

52 (8) 电 电 量 单 位 :e 1 库 (C)= e, e = 库 电 场 强 度 单 位 : ( 次 / 秒 )/( 米 e) 14 1 伏 特 / 米 (V/m)= ( 次 / 秒 ) /( 米 e) ( 次 / 秒 ) 米 电 通 量 单 位 : e ( 次 / 秒 ) 米 一 个 带 基 本 电 量 的 量 子 的 电 通 量 φ = ac e 电 势 能 单 位 : 次 / 秒 电 势 单 位 : ( 次 / 秒 )/ e 14 1 伏 特 电 势 = 次 /( 秒 e) 电 容 ( 即 电 量 / 电 势 ) 单 位 : e /( 次 / 秒 ) 4 1 法 拉 = 1 库 仑 /1 伏 特 = e /( 次 / 秒 ) 电 流 单 位 :e / 秒 1 安 = e/ 秒 电 阻 单 位 : 次 /e 根 据 量 子 霍 尔 效 应, 电 阻 为 普 朗 克 常 数 / 电 荷 的 平 方, 也 即 电 势 / 电 流, 量 子 电 阻 单 位 : 次 /e 与 精 细 结 构 常 数 有 密 切 关 系 1 欧 姆 = 次 /e 次 /e = 欧 姆 ( 即 冯 克 利 青 常 数 ) (9) 磁 磁 感 应 强 度 单 位 : ( 次 / 米 )/(e 米 ) 1 特 斯 拉 (T)= 千 克 /( 秒 安 ) 14 = ( 次 / 米 )/(e 米 ) 磁 场 强 度 单 位 : e / ( 秒 米 ) 1 安 培 / 米 = e /( 秒 米 ) 磁 通 量 单 位 : 次 /e 1 韦 伯 (Wb) 即 千 克 米 /( 秒 库 ) = 特 斯 拉 T 面 积 米 14 = 次 /e 电 感 单 位 : 秒 /e 韦 伯 亨 利 = 即 : 千 克 米 / 库 安 秒 1 亨 = = e 磁 矩 的 单 位 :e 米 / 秒 力 矩 磁 矩 = = q υ 力 臂 长 度 B

53 第 五 章 量 子 之 间 的 相 互 作 用 量 子 波 是 均 匀 化 系 统 化 的 以 太 结 构 中 的 波 动 现 象, 量 子 波 之 间 在 某 种 条 件 下 会 产 生 波 动 干 扰, 波 动 干 扰 就 是 量 子 间 的 相 互 作 用, 相 互 作 用 必 定 会 引 起 量 子 的 状 态 变 动 一 量 子 的 态 量 子 波 的 表 现 形 态 称 为 量 子 态, 量 子 态 是 可 以 用 物 理 量 描 述 的 量 子 状 态 光 波 是 纯 粹 的 玻 色 波, 描 述 光 子 的 态 主 要 有 : 波 速 频 率 波 长 相 位 传 播 方 向 振 动 方 向 ( 即 偏 振 ) 费 米 波 往 往 含 有 玻 色 波 成 分, 描 述 费 米 波 的 态 主 要 有 : 总 波 速 费 米 波 速 分 量 及 玻 色 波 速 分 量 总 频 率 费 米 频 率 分 量 及 玻 色 频 率 分 量 波 长 相 位 振 动 方 向 电 场 特 征 衰 变 特 征 ( 即 寿 命 ) 等 量 子 生 存 期 间 的 态 具 有 量 子 实 在 性 量 子 实 在 性 是 指 量 子 的 态 是 以 物 质 基 本 结 构 形 式 即 实 体 与 间 隙 为 基 础 的 具 体 物 质 的 具 有 量 子 特 征 的 表 现 形 式 量 子 的 态 是 实 实 在 在 存 在 的, 是 可 以 描 述 的 量 子 的 态 具 有 个 别 性 个 别 性 是 指 量 子 态 是 一 个 一 个 量 子 的 特 征 有 人 可 能 认 为 量 子, 说 的 就 是 一 个 一 个 的 量 子, 即 使 是 对 量 子 本 质 理 解 有 争 论 的 各 方 都 承 认 量 子 力 学 的 考 察 对 象 是 单 个 客 体, 提 出 量 子 态 的 个 别 性 问 题 显 然 是 画 蛇 添 足 其 实 不 然, 很 多 物 理 学 中 司 空 见 惯 的 现 象 并 没 有 被 认 为 是 个 体 量 子 态 的 变 动, 如 光 的 衍 射, 光 在 非 真 空 环 境 下 的 波 速 变 动 等, 都 是 被 解 释 为 光 束 的 整 体 变 动, 因 为 如 果 被 解 释 为 个 别 量 子 的 态 变 动, 则 需 要 进 一 步 解 释 个 别 量 子 的 态 为 什 么 会 发 生 变 动 或 者 干 脆 认 为 量 子 个 别 的 态 根 本 就 是 不 确 定 的, 仅 仅 是 概 率 性 地 表 现 出 波 动 特 征 笔 者 认 为 没 有 个 别 量 子 态 的 变 动 如 何 能 形 成 众 多 量 子 的 整 体 运 动 状 态 变 动 呢? 没 有 个 别 量 子 态 的 变 动 如 何 能 表 现 出 概 率 的 似 波 性 呢? 量 子 态 具 有 稳 定 性 量 子 态 的 稳 定 性 指 的 是 个 别 量 子 的 态 的 稳 定 性, 而 不 是 众 多 量 子 表 现 出 来 的 大 数 平 均 的 稳 定 性 正 因 为 存 在 量 子 态 的 稳 定 性, 量 子 才 能 成 其 为 量 子 量 子 态 的 稳 定 性 也 隐 含 了 量 子 态 的 连 续 性 观 点, 我 们 不 否 认 量 子 态 的 变 动 中 存 在 间 断 的 可 能 性, 但 是 连 续 性 是 主 流 如 果 量 子 在 其 生 命 周 期 中, 态 不 是 主 要 地 连 续 表 现 为 一 定 形 式, 量 子 态 也 将 失 去 稳 定 性 人 们 一 般 不 会 说 费 米 子 的 电 性 一 会 儿 存 在 又 一 会 儿 消 失, 人 们 一 般 也 不 会 说 量 子 的 质 量 一 会 儿 存 在 又 一 会 儿 消 失, 人 们 对 这 些 量 子 态 的 连 续 性 和 稳 定 性 是 认 可 的, 但 是 在 描 述 量 子 波 动 轨 迹 时, 就 觉 得 连 续 性 和 稳 定 性 不 应 当 存 在 了, 人 为 地 将 量 子 的 波 动 状 态 与 量 子 的 质 量 状 态 电 性 状 态 之 间 的 联 系 隔 断 开 来 量 子 态 的 稳 定 性 与 实 在 性 个 别 性 一 样, 都 是 量 子 理 论 的 精 髓 二 量 子 之 间 相 互 作 用 和 量 子 的 态 变 动 量 子 态 具 有 的 稳 定 性 是 动 态 中 的 稳 定 性, 在 某 种 条 件 下 量 子 态 会 发 生 变 动, 量 子 态 的 变 动 称 为 态 变 动 量 子 发 生 态 变 动 主 要 是 由 于 量 子 之 间 发 生 了 相 互 作 用 量 子 之 间 的 相 互 作 用, 是 指 一 个 量 子 与 另 一 个 量 子 发 生 相 互 影 响, 使 得 各 自 的 状 态 发 生 改 变 量 子 相 互 作 用 与 量 子 态 变 动 是 密 切 相 关 的 我 们 可 以 以 量 子 是 否 发 生 态 变 动 来 判 断 是 否 发 生 了 相 互 作 用, 也 可 以 从 量 子 态 变 动 为 出 发 点 来 研 究 量 子 的 相 互 作 用 问 题 有 人 可 能 会 说 量 子 之 间 作 用 平 衡 时, 量 子 的 态 变 动 不 大, 怎 么 能 说 量 子 之 间 相 互 作 用 与 量 子 的 态 变 动 是 必 然 联 系 的 呢? 我 们 说 即 便 是 相 互 作 用 的 平 衡 状 态, 也 是 存 在 量 子 的 态 变 动 的, 不 过 此 时 量 子 的 态 变 动 也 处 于 平 衡 状 态, 对 外 没 有 显 示 出 来 而 已 第 九 章 中, 笔 者 将 提 出 存 在 非 因 果 关 系 非 决 定 性 的 量 子 的 态 变 动, 这 种 态 变 动 具 有 不 受 概 率 规 范 的 不 确 定 性, 这 种 情 况 下 确 实 不 存 在 量 子 之 间 的 相 互 作

54 用, 但 是 在 量 子 波 层 面 这 种 量 子 的 态 变 动 是 极 其 微 弱 的, 在 研 究 个 别 量 子 的 态 变 动 时 可 以 忽 略 因 此 普 遍 而 言 量 子 的 态 变 动 与 量 子 的 相 互 作 用 是 紧 密 关 联 的 实 验 可 以 显 示 一 些 什 么 样 的 量 子 态 变 动 呢? (1) 量 子 的 运 动 速 率 变 动 () 量 子 的 玻 色 频 率 变 动 (3) 量 子 的 费 米 频 率 变 动 (4) 量 子 的 运 动 方 向 变 动 (5) 量 子 的 玻 色 波 偏 振 角 度 变 动 (6) 玻 色 波 的 相 位 角 度 变 动 其 他 还 有 如 量 子 的 角 动 量 变 动 电 场 变 动 寿 命 变 动 等 有 人 可 能 会 说 量 子 的 态 变 动 与 量 子 的 相 互 作 用 问 题 是 不 言 而 喻 的, 不 值 得 拿 出 来 讨 论 其 实 人 们 对 这 个 问 题 的 认 识 并 不 一 致, 不 少 人 就 常 常 对 某 些 量 子 的 态 变 动 现 象 视 而 不 见, 如 对 衍 射 时 量 子 波 的 方 向 改 变 和 相 位 改 变 现 象, 往 往 不 被 看 成 是 个 别 量 子 的 态 变 动, 而 是 视 为 量 子 群 体 的 行 为 改 变, 或 者 认 为 量 子 原 来 的 态 就 是 不 确 定 的, 是 各 种 态 的 叠 加 状 态, 后 来 的 改 变 只 是 由 于 波 函 数 的 坍 缩, 其 中 一 个 态 得 到 表 现 而 已 更 多 的 情 况 是 即 使 看 到 了 量 子 的 态 变 动, 也 不 认 为 是 量 子 之 间 相 互 作 用 的 结 果, 人 们 从 来 没 有 在 引 力 作 用 电 场 作 用 核 力 作 用 弱 作 用 等 四 种 基 本 作 用 之 外, 再 考 虑 有 什 么 其 他 形 式 的 相 互 作 用, 这 样 的 话, 显 然 无 法 认 为 光 子 通 过 小 孔 时 的 相 位 趋 于 同 步 现 象 是 一 种 相 互 作 用 的 结 果 了 因 此 强 调 量 子 的 态 变 动 与 量 子 的 相 互 作 用 的 联 系 有 着 重 要 意 义 这 样 的 观 念 下 能 使 我 们 全 面 地 系 统 地 研 究 量 子 的 相 互 作 用 问 题, 因 为 量 子 发 生 的 任 何 态 变 动 都 要 考 虑 量 子 间 的 相 互 作 用, 纳 入 量 子 之 间 的 相 互 作 用 范 畴, 可 以 统 一 地 从 量 子 之 间 的 相 互 作 用 角 度 研 究 这 类 问 题 在 量 子 的 态 变 动 与 量 子 之 间 相 互 作 用 的 密 切 联 系 观 点 下, 量 子 的 同 一 种 态 变 动 可 以 是 不 同 的 作 用 机 制 引 起 的, 这 就 给 了 我 们 研 究 这 些 不 同 的 作 用 机 制 的 统 一 性 以 新 的 思 路 量 子 的 某 种 相 互 作 用 可 以 引 起 几 种 形 式 的 态 变 动, 这 也 给 了 我 们 研 究 这 个 作 用 的 内 部 机 制 以 新 的 思 路 量 子 的 态 变 动 与 量 子 之 间 相 互 作 用 的 密 切 联 系 观 点, 能 够 为 解 释 量 子 的 某 些 奇 特 的 行 为 提 供 解 释 的 新 思 路 将 量 子 的 衍 射 现 象 干 涉 现 象 偏 振 角 度 变 动 现 象 相 位 变 动 同 步 现 象 理 解 为 一 种 态 变 动, 理 解 为 一 种 相 互 作 用 的 结 果, 能 够 为 态 叠 加 等 问 题 设 计 出 新 的 解 释 方 案, 而 态 叠 加 效 应 正 是 量 子 力 学 的 精 髓 三 波 动 干 扰 引 起 量 子 之 间 的 相 互 作 用 究 竟 是 什 么 因 素 引 起 量 子 之 间 的 相 互 作 用, 传 统 理 论 非 常 重 视 这 个 问 题, 但 是 走 的 是 一 条 用 相 互 作 用 解 释 相 互 作 用 的 路 子 例 如 为 了 解 释 电 场 力, 引 入 了 虚 拟 光 子 概 念, 为 了 解 释 核 力 和 弱 相 互 作 用 力, 也 都 引 入 了 新 的 粒 子, 这 些 新 的 粒 子 都 被 赋 予 了 作 用 力 性 质 如 何 再 进 一 步 解 释 这 些 传 递 作 用 的 粒 子 的 性 质 呢? 传 统 理 论 没 有 继 续 说 下 去, 因 为 这 是 一 个 没 完 没 了 的 问 题 物 质 基 本 结 构 理 论 希 望 从 根 本 上 解 释 作 用 机 制 的 形 成 问 题, 以 太 结 构 和 量 子 波 概 念 的 建 立, 为 我 们 深 入 研 究 量 子 的 相 互 作 用 问 题 提 供 了 新 的 思 路, 笔 者 认 为 量 子 相 互 作 用 的 实 质 是 量 子 波 之 间 的 波 动 干 扰 量 子 是 以 太 结 构 中 的 波 动 行 为, 波 与 波 之 间 在 某 种 条 件 下 将 会 发 生 干 扰, 干 扰 就 会 引 起 量 子 的 态 变 动, 量 子 的 态 变 动 就 可 以 认 为 量 子 之 间 发 生 了 相 互 作 用 因 此 引 起 量 子 之 间 的 相 互 作 用 的 原 因 就 是 量 子 之 间 的 波 动 干 扰 波 动 干 扰 为 什 么 会 引 起 量 子 态 变 动, 笔 者 认 为 量 子 波 之 间 的 趋 于 同 步 现 象 是 其 中 一 个 重 要 原 因, 无 论 是 衍 射 干 涉 指 北 针 的 顺 磁, 还 是 激 光 超 导 受 控 核 聚 变, 都 有 同 步 现 象 的 身 影

55 我 们 对 以 太 结 构 和 量 子 波 的 细 节 还 不 十 分 清 楚, 目 前 只 是 近 似 地 将 以 太 类 比 于 宏 观 的 媒 质, 将 量 子 波 类 比 于 宏 观 的 横 波 和 纵 波, 这 种 类 比 可 能 是 十 分 勉 强 的, 大 自 然 中 的 以 太 结 构 和 量 子 波 的 规 律 与 我 们 想 象 的 情 景 可 能 完 全 不 同, 可 能 是 极 其 简 单 然 而 又 是 我 们 目 前 无 法 想 象 得 到 的 情 况 但 是 只 要 我 们 坚 信 以 太 结 构 和 量 子 波 的 基 本 观 点 是 正 确 的, 将 量 子 之 间 的 相 互 作 用 视 为 量 子 波 的 波 动 干 扰 的 观 点 就 应 当 能 够 成 立 这 样 我 们 就 可 以 从 现 象 入 手, 对 波 动 干 扰 问 题 作 出 一 些 符 合 逻 辑 的 实 在 性 的 设 想 既 然 量 子 间 的 相 互 作 用 来 源 于 量 子 之 间 的 波 动 干 扰, 就 必 须 建 立 一 个 相 互 联 系 的 物 质 结 构 体 系, 以 太 结 构 正 是 这 样 的 结 构 体 系 我 们 还 谈 到 了 统 一 时 空 问 题, 由 于 空 间 与 时 间 是 不 能 脱 离 物 质 结 构 而 单 独 存 在 的, 因 此 所 谓 统 一 时 空 无 非 是 强 调 物 质 结 构 的 相 互 联 系 和 系 统 性 如 果 说 每 一 个 量 子 都 有 一 个 属 于 自 己 的 时 空, 就 会 忽 略 量 子 之 间 的 相 互 联 系, 忽 略 系 统 性, 要 解 决 相 互 作 用 问 题, 当 然 得 求 助 于 虚 拟 的 粒 子 了 为 了 叙 述 方 便 并 与 传 统 理 论 衔 接, 从 现 在 开 始 我 们 将 纯 粹 的 玻 色 波 称 为 光 子, 将 主 要 是 费 米 波 分 量 的 量 子 波 称 为 费 米 子, 但 是 我 们 一 定 要 记 住 量 子 就 是 一 份 一 份 的 波, 每 个 量 子 并 没 有 专 属 于 自 己 的 物 质 波 动 干 扰 可 以 分 为 两 大 类 : 一 是 玻 色 性 波 动 干 扰 ( 也 可 称 为 是 非 持 续 性 波 动 干 扰, 或 者 非 场 性 波 动 干 扰 ), 是 以 光 子 为 主 的 波 动 干 扰 ; 二 是 费 米 性 波 动 干 扰 ( 也 可 称 为 持 续 性 波 动 干 扰, 或 者 场 性 波 动 干 扰 ), 是 费 米 子 之 间 的 波 动 干 扰 ( 一 ) 玻 色 性 波 动 干 扰 假 设 玻 色 性 波 动 干 扰 包 括 光 子 与 费 米 子 之 间 的 波 动 干 扰 和 光 子 之 间 在 费 米 子 的 配 合 下 的 波 动 干 扰 由 于 光 子 是 横 波, 它 的 传 播 是 开 放 式 的, 此 类 干 扰 一 般 只 体 现 在 光 子 的 一 个 波 动 周 期, 时 间 极 其 短 暂, 不 具 有 持 续 性 从 空 间 角 度 考 察, 这 类 干 扰 具 有 很 强 的 局 域 性, 只 在 近 距 离 发 生 作 用, 没 有 场 的 特 征 特 点 是 作 用 距 离 很 短, 不 存 在 作 用 强 度 与 相 互 距 离 平 方 成 反 比 的 规 律, 作 用 强 度 迅 速 地 随 距 离 加 大 而 减 少 作 用 过 程 中 一 般 不 发 生 频 率 的 改 变 在 同 步 性 极 强 的 玻 色 子 之 间 干 扰 的 持 续 时 间 将 会 大 大 延 长 (1) 光 子 与 费 米 子 之 间 的 波 速 干 扰 光 子 与 费 米 子 接 近 时, 可 以 假 设 相 互 的 波 动 干 扰 引 起 光 子 与 费 米 子 暂 时 地 共 享 玻 色 波 动 和 费 米 波 动, 使 得 费 米 子 增 加 速 度 似 乎 是 获 得 玻 色 频 率 而 减 少 费 米 频 率, 而 光 子 波 速 减 小, 似 乎 是 获 得 费 米 频 率 而 减 少 玻 色 频 率 这 只 是 暂 时 的, 光 子 离 开 这 个 费 米 子 较 远 时 一 切 恢 复 原 状 如 果 费 米 子 集 聚 成 群 体, 这 个 相 互 作 用 将 持 续 下 去, 光 子 在 整 个 行 程 中 的 平 均 波 速 变 动 了 在 这 个 过 程 的 开 始 时 刻, 还 将 使 得 光 子 的 波 动 方 向 和 相 位 发 生 变 动, 这 时 费 米 子 的 运 动 方 向 和 相 位 也 相 应 变 动, 不 过 由 于 费 米 子 的 数 量 较 多, 单 个 费 米 子 的 质 量 较 大, 作 用 相 互 抵 消, 因 此 每 个 费 米 子 的 态 变 动 没 有 显 示 出 来 可 以 将 光 子 与 费 米 子 之 间 的 这 种 波 动 干 扰 称 为 速 率 变 动 性 波 动 干 扰, 简 称 波 速 干 扰 在 波 速 干 扰 过 程 中, 量 子 的 频 率 不 变, 波 长 改 变, 除 干 扰 的 开 始 时 刻 量 子 的 波 动 方 向 和 相 位 发 生 变 动 外, 其 他 时 刻 量 子 的 波 动 方 向 和 相 位 并 不 发 生 变 动 波 速 干 扰 在 本 质 上 是 光 子 与 费 米 子 之 间 的 趋 于 同 步 现 象 由 于 干 扰 的 开 始 时 刻 量 子 的 波 动 方 向 和 相 位 发 生 变 动, 可 以 产 生 波 动 的 反 射 效 应 和 折 射 效 应 () 光 子 与 光 子 之 间 在 费 米 子 的 配 合 下 的 同 步 干 扰 众 多 光 子 集 中 通 过 在 由 费 米 子 组 成 的 障 碍 物 附 近, 这 个 障 碍 物 可 以 是 一 堵 墙, 一 条 墙 沿, 一 个 小 孔, 一 条 窄 缝, 总 之 必 须 由 费 米 子 形 成 光 波 运 行 的 拥 挤 状 态, 光 子 与 光 子 之 间 的 波 动 干 扰 使 得 相 位 趋 于 同 步 如 图 5-1 所 示, 点 光 源 发 出 的 相 位 不 同 步 的 光 波 通 过

56 小 孔 后 形 成 相 干 光 束, 实 际 上 光 子 的 行 为 已 经 改 变, 形 成 了 同 步 性 相 干 光 束 在 屏 幕 上 形 成 态 叠 加 的 干 涉 条 纹, 也 可 以 理 解 为 光 子 行 为 的 实 实 在 在 的 改 变, 趋 于 同 步 性 聚 集 可 以 称 这 种 波 动 干 扰 为 同 步 性 波 动 干 扰, 简 称 同 步 干 扰 也 称 同 步 作 用 我 们 希 望 用 同 步 干 扰 说 明 干 涉 等 物 理 现 象 点 光 源 趋 于 相 位 同 步 图 5-1 同 步 干 扰 新 观 点 与 传 统 观 点 的 最 大 区 别 是 认 为 干 涉 过 程 中, 个 别 量 子 的 态 发 生 了 变 动, 同 时 认 为 量 子 群 体 的 状 态 对 量 子 个 体 的 态 变 动 能 够 发 生 影 响 既 然 实 验 证 明 量 子 群 体 的 态 发 生 了 变 动, 一 定 是 组 成 量 子 群 体 的 个 别 量 子 的 态 发 生 了 变 动 个 别 量 子 的 态 变 动 说 明 一 定 存 在 量 子 之 间 的 相 互 作 用, 而 这 种 相 互 作 用 就 是 光 子 之 间 的 波 动 干 扰, 这 时 群 体 的 协 同 作 用 发 挥 了 效 应, 引 起 了 量 子 的 相 位 趋 于 同 步 由 于 实 际 的 相 互 作 用 时 的 各 种 条 件 不 一 样, 如 光 子 的 振 幅 角 度 光 束 群 体 密 度 小 孔 宽 度 等 费 米 子 构 成 的 环 境 不 同, 波 动 干 扰 的 结 果 会 有 不 同, 这 就 有 可 能 出 现 偶 然 性, 但 这 种 偶 然 性 是 必 然 性 支 配 下 的 偶 然 性, 使 得 群 体 行 为 具 有 概 率 的 规 律 性 新 观 点 力 图 将 量 子 的 个 别 行 为 与 群 体 行 为 有 机 地 结 合 起 来, 将 量 子 实 在 的 必 然 的 运 动 规 律 性 与 偶 然 的 不 确 定 性 结 合 起 来 在 第 十 章 中 我 们 将 会 接 触 初 步 的 量 子 力 学 问 题, 人 们 通 常 认 为 利 用 矩 阵 或 者 波 函 数, 概 率 性 地 而 不 是 实 在 地 描 述 量 子 的 态 是 量 子 力 学 的 本 质 问 题 笔 者 认 为 量 子 态 的 似 波 性 叠 加 特 征 才 是 量 子 力 学 的 本 质 问 题, 而 同 步 性 干 扰 引 起 的 相 互 作 用 可 以 解 释 量 子 力 学 这 个 本 质 特 征 的 起 因, 由 于 同 步 性 相 互 作 用 引 起 了 量 子 的 态 变 动, 表 现 出 了 量 子 态 的 似 波 性 概 率 特 征, 显 示 出 了 量 子 力 学 解 释 实 验 事 实 时 的 正 确 性, 宏 观 的 波 动 叠 加 特 征 才 能 在 此 基 础 上 产 生 (3) 光 子 与 费 米 子 之 间 的 衍 射 干 扰 当 光 子 与 费 米 子 靠 得 很 近, 相 互 的 波 动 干 扰 能 够 引 起 光 子 的 波 动 方 向 和 相 位 发 生 变 动 这 时 费 米 子 的 运 动 方 向 和 相 位 也 相 应 变 动, 不 过 由 于 费 米 子 的 质 量 较 大, 数 量 较 多, 费 米 子 的 态 变 动 没 有 显 示 出 来 可 以 称 这 种 波 动 干 扰 为 衍 射 性 波 动 干 扰, 简 称 衍 射 干 扰 也 称 衍 射 作 用 衍 射 干 扰 是 同 步 干 扰 的 一 种 表 现 形 式 衍 射 干 扰 时 光 子 和 费 米 子 的 频 率 不 变 如 图 5- 所 示 一 定 概 率 的 光 量 子 经 过 障 碍 时 发 生 方 向 和 相 位 变 动 图 5- 衍 射 干 扰 一 束 平 行 光 通 过 宽 度 可 调 的 单 缝, 当 缝 的 宽 度 减 小 到 一 定 程 度 时, 光 偏 离 直 线 传 播, 这 种 现 象 叫 光 的 衍 射 按 照 宏 观 的 波 动 光 学 对 这 个 问 题 的 解 释 是 : 波 动 面 产 生 次 波 朝 各 向 传 播, 自 然 地 形 成 了 光 的 非 直 线 传 播 性 质 但 是 在 量 子 的 理 论 里, 波 动 是 一 份 一 份 的 量 子 波, 一 份 量 子 波 并 不 分 裂 为 多 个 量 子 波, 因 此 正 统 的 量 子 理 论 认 为 个 别 量 子 运 动 是 不 确 定 性 的, 根 本 无 法 知 道 量 子 运 动 是

57 如 何 弯 曲 的, 不 能 谈 论 量 子 在 经 过 障 碍 到 屏 幕 ( 或 者 其 他 观 察 点 ) 这 段 行 程 的 运 动 状 态, 只 能 对 最 终 的 观 察 结 果 作 说 明, 最 后 的 结 果 是 量 子 波 函 数 的 概 率 性 导 致 量 子 群 体 分 布 的 衍 射 现 象 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 忽 视 个 别 量 子 的 实 在 运 动, 忽 视 个 别 量 子 在 经 过 障 碍 时 发 生 了 实 实 在 在 的 态 变 动 是 没 有 理 由 的 应 当 承 认 光 子 群 体 经 过 以 费 米 子 为 主 的 障 碍 时, 障 碍 限 制 了 光 子 的 波 动, 光 子 之 间 在 近 距 离 的 波 动 干 扰 引 起 了 非 场 性 相 互 作 用, 使 得 量 子 的 运 动 状 态 发 生 了 改 变, 同 时 光 子 群 体 的 状 态 影 响 了 个 别 光 子 的 态 变 动, 使 得 光 子 的 相 位 趋 于 同 步, 量 子 重 新 分 布, 导 致 大 量 的 量 子 行 为 符 合 惠 更 斯 原 理, 于 是 显 示 出 衍 射 现 象 有 人 会 说 这 样 解 释 太 勉 强, 是 为 了 适 应 惠 更 斯 原 理 而 做 的 设 计 笔 者 认 为 恰 恰 相 反, 正 是 因 为 量 子 之 间 由 于 波 动 干 扰 发 生 的 相 互 作 用, 才 会 有 量 子 在 通 过 障 碍 时 发 生 趋 于 同 步 的 态 变 动, 才 会 出 现 衍 射 现 象, 才 有 了 宏 观 物 理 学 中 的 惠 更 斯 原 理 (4) 光 子 与 费 米 子 之 间 的 偏 振 干 扰 当 光 子 与 费 米 子 靠 得 很 近, 而 且 费 米 子 聚 集 成 狭 缝 时, 相 互 的 波 动 干 扰 能 够 引 起 光 子 的 偏 振 角 度 顺 着 狭 缝 的 方 向 发 生 变 动 费 米 子 的 振 动 方 向 也 相 应 变 动, 不 过 由 于 费 米 子 的 质 量 较 大, 数 量 较 多, 而 且 费 米 子 是 纵 波, 对 振 动 角 度 的 变 动 不 敏 感, 因 此 费 米 子 的 振 动 改 变 没 有 显 示 出 来 可 以 称 这 种 波 动 干 扰 为 偏 振 性 波 动 干 扰, 简 称 偏 振 干 扰 也 称 偏 振 作 用 磁 致 旋 光 效 应 也 是 偏 振 性 波 动 干 扰 的 一 种 形 式 偏 振 干 扰 也 是 同 步 干 扰 的 一 种 形 式 偏 振 干 扰 时, 光 子 和 费 米 子 的 频 率 不 变 动, 方 向 和 相 位 也 不 发 生 变 动 如 图 5-3 所 示, 偏 振 光 通 过 偏 振 片 后 光 子 的 偏 振 态 发 生 了 变 动 垂 直 偏 振 光 45 度 偏 振 片 图 5-3 偏 振 干 扰 50% 通 过 但 已 变 成 45 度 偏 振 光 一 束 偏 振 光 照 射 到 偏 振 片 上, 通 过 偏 振 片 的 光 的 强 度 与 偏 振 光 及 偏 振 片 相 互 角 度 有 关 设 入 射 到 偏 振 片 的 偏 振 光 E 的 振 幅 矢 量 的 大 小 为 E 0, 光 强 度 为 I 0, 与 偏 振 片 方 向 平 行 的 振 幅 矢 量 大 小 为 E 0 cosα, α 为 入 射 偏 振 光 的 振 幅 矢 量 与 偏 振 片 方 向 的 夹 角, 如 图 5-4 所 示, 透 过 偏 振 片 的 光 强 度 与 E 0 cosα 的 平 方 成 正 比, 大 小 为 I = I 0 cos α sin a a 图 5-4 马 吕 斯 定 律 cos a

58 那 么 不 透 过 偏 振 片 的 光 强 度 与 E I = I 0 sin α 0 sinα 的 平 方 成 正 比, 大 小 为 上 式 称 为 马 吕 斯 定 律 如 何 解 释 一 定 概 率 的 通 过 率 呢? 正 统 的 量 子 理 论 认 为 光 子 的 偏 振 态 是 多 种 角 度 偏 振 态 的 叠 加 状 态, 光 子 通 过 一 定 角 度 的 偏 振 片 时, 一 定 偏 振 角 度 的 态 分 离 出 来, 得 到 最 终 出 现 通 过 的 概 率 性 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 对 这 个 物 理 实 验 无 须 使 用 叠 加 态 观 点 来 解 释, 具 体 的 光 子 的 偏 振 态 是 实 实 在 在 的 确 定 的, 光 子 通 过 偏 振 片 时, 由 于 光 子 相 位 角 度 具 有 一 定 的 不 确 定 性, 因 此 光 子 能 否 通 过 具 有 不 确 定 性, 但 是 这 种 不 确 定 性 是 受 概 率 规 范 的, 通 过 的 光 子 发 生 了 实 实 在 在 的 偏 振 态 变 动 如 图 5-5, 偏 振 光 从 左 边 向 右 运 动, 试 图 通 过 偏 振 片 (1)100% 通 过 偏 振 片 () 全 部 不 通 过 偏 振 片 (3)100% 通 过 第 一 块 振 偏 片, 全 部 不 通 过 第 二 块 偏 振 片 图 5-5 偏 振 实 验 (4)100% 通 过 第 一 块 偏 振 片 50% 通 过 第 二 块 偏 振 片 (1) 光 的 偏 振 方 向 和 偏 振 片 的 方 向, 5% 都 通 过 为 第 三 纵 块 偏 向 振, 片 波 可 以 通 过 () 光 的 偏 振 方 向 为 横 向, 而 偏 振 片 为 纵 向, 波 不 能 通 过 (3) 光 的 偏 振 方 向 为 纵 向, 第 一 块 偏 振 片 的 方 向 也 是 纵 向, 若 在 第 一 块 偏 振 片 后 面 再 摆 放 一 块 其 主 轴 是 横 向 放 置 的 偏 振 片, 那 么 所 有 的 光 子 都 被 封 堵 (4) 光 的 偏 振 方 向 为 纵 向, 假 定 我 们 在 (3) 的 两 块 偏 振 片 之 间 再 放 一 块 偏 振 片, 我 们 称 这 块 新 插 入 的 偏 振 片 为 第 二 块 偏 振 片, 原 来 的 第 二 块 偏 振 片 改 称 为 第 三 块 偏 振 片 现 在 第 一 块 与 第 二 块 偏 振 片 的 主 轴 之 间 形 成 一 个 45 o 角, 第 二 块 与 第 三 块 偏 振 片 的 主 轴 也 形 成 一 个 45 o 角 实 验 表 明, 有 50% 的 光 子 可 以 通 过 第 一 及 第 二 块 的 偏 振 片, 这 一 点 用 量 子 力 学 的 概 率 来 解 释, 是 因 为 当 45 度 角 时 按 照 马 吕 斯 定 律 它 给 每 一 个 粒 子 50% 穿 透 偏 振 片 的 机 会 还 有 另 一 个 奇 特 的 现 象 : 已 经 穿 过 来 的 这 50% 光 子 的 偏 振 方 向, 与 第 三 块 偏 振 片 的 主 轴 也 转 了 45 o 角 这 些 光 子 还 是 原 先 送 出 的 一 半 现 在 到 了 后 面 的 第 三 块 偏 振 片 时 又 有 一 半 光 子 穿 过 去 总 之 这 里 得 出 了 一 个 自 相 矛 盾 的 结 果 : 如 果 在 光 的 前 面 放 置 两 块 相 互 垂 直 的 偏 振 片, 就 不 会 有 哪 个 光 子 穿 透 过 去, 而 如 果 在 它 们 之 间 再 放 置 一 块 转 过 45 o 角 的 偏 振 片, 最 后 所 有 光 子 中 就 有 1/4 会 透 过 正 统 的 量 子 理 论 认 为 光 子 的 偏 振 态 是 多 种 偏 振 态 的 叠 加 态, 即 多 种 态 简 单 叠 加 而 不 是 综 合

59 ( 直 积 形 式 ) 在 一 起, 光 子 从 出 发 到 最 终 结 果 前 如 何 行 动 是 不 确 定 的, 不 需 要 去 费 心 考 虑 它, 只 要 对 最 终 的 观 察 结 果 作 出 说 明 就 可 以 了, 由 于 观 察 对 叠 加 中 的 某 一 量 子 态 作 出 了 概 率 选 择, 得 到 一 个 态 的 结 果 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 无 须 使 用 叠 加 态 的 观 点 就 可 以 解 释 上 面 的 实 验 光 子 在 通 过 每 一 块 偏 振 片 时 都 发 生 了 相 互 作 用, 引 起 了 实 实 在 在 的 偏 振 态 变 动, 变 动 结 束 之 后, 它 会 完 全 忘 记 了 自 己 的 历 史, 它 认 为 它 就 是 与 刚 刚 通 过 的 偏 振 片 平 行 的 光 子, 再 按 照 马 吕 斯 定 律 通 过 其 他 的 偏 振 片 例 如 有 50% 的 光 子 通 过 了 插 入 的 排 列 第 二 的 偏 振 片, 它 们 都 相 应 地 作 了 态 变 动, 变 动 后 它 将 不 再 认 为 自 己 是 通 过 第 一 块 偏 振 片 而 后 再 通 过 第 二 块 偏 振 片 的 光 子, 它 认 为 它 就 是 与 第 二 块 偏 振 片 有 相 同 偏 振 角 度 的 光 子, 然 后 它 们 再 经 过 第 三 块 偏 振 片 时, 当 然 就 有 了 50% 的 通 过 权 利, 最 后 形 成 了 总 的 1/4 的 光 子 通 过 了 全 部 三 块 偏 振 片 这 样 的 解 释 方 式 较 为 自 然 直 接 和 实 在, 比 起 其 他 解 释 方 式 要 简 洁 一 些 (5) 光 子 与 费 米 子 之 间 的 吸 收 干 扰 当 光 子 与 费 米 子 靠 得 很 近, 而 且 光 子 的 频 率 与 费 米 子 内 在 的 电 场 形 成 共 振 时, 相 互 的 波 动 干 扰 有 可 能 引 起 费 米 子 对 光 子 的 吸 收 可 以 称 这 种 波 动 干 扰 为 吸 收 性 波 动 干 扰, 简 称 吸 收 干 扰 也 称 吸 收 作 用 形 成 吸 收 干 扰 的 内 在 机 制 也 是 光 子 与 费 米 子 之 间 的 趋 于 同 步 现 象 ( 二 ) 费 米 性 波 动 干 扰 假 设 费 米 性 波 动 干 扰 是 费 米 子 之 间 的 波 动 干 扰, 由 于 费 米 子 是 纵 波, 它 的 传 播 是 封 闭 式 的, 干 扰 作 用 体 现 在 多 个 波 动 周 期, 具 有 持 续 性 从 空 间 角 度 考 察, 这 类 干 扰 具 有 很 强 的 非 局 域 性, 因 而 具 有 场 的 特 征 特 点 是 作 用 距 离 可 以 很 远, 作 用 强 度 与 相 互 距 离 平 方 成 反 比 作 用 过 程 中 一 般 能 发 生 频 率 的 改 变 场 相 互 作 用 只 有 引 力 作 用 和 电 场 作 用 两 种 形 式, 分 别 与 以 太 的 张 量 与 旋 量 两 种 性 质 有 关 形 成 费 米 性 波 动 干 扰 的 内 在 机 制 是 费 米 子 之 间 的 趋 于 同 步 现 象 (1) 费 米 子 之 间 的 引 力 干 扰 费 米 子 之 间 无 论 是 同 性 的 费 米 子 之 间 还 是 异 性 的 费 米 子 之 间, 由 于 费 米 波 之 间 的 波 动 干 扰, 使 得 两 个 费 米 子 的 费 米 频 率 分 量 减 少 而 玻 色 频 率 增 加, 逐 步 靠 近 可 以 称 这 种 波 动 干 扰 为 引 力 性 波 动 干 扰, 简 称 引 力 干 扰 也 称 引 力 作 用 光 子 之 间 是 否 存 在 引 力 作 用 不 是 十 分 清 楚, 我 们 现 在 是 暂 时 认 为 光 子 之 间 ( 包 括 与 费 米 频 率 综 合 在 一 起 的 玻 色 频 率 ) 没 有 引 力 作 用 但 是 光 子 能 够 受 引 力 场 作 用 而 改 变 方 向 和 频 率, 证 明 光 子 与 费 米 子 之 间 是 存 在 引 力 作 用 的, 也 归 为 费 米 性 波 动 干 扰 () 费 米 子 之 间 的 电 场 干 扰 同 电 性 的 费 米 子 之 间 的 波 动 干 扰, 如 电 子 与 电 子, 质 子 与 质 子, 使 得 两 个 费 米 子 的 费 米 频 率 分 量 减 少 而 玻 色 频 率 增 加, 逐 步 拉 开 距 离 异 电 性 的 费 米 子 之 间 的 波 动 干 扰, 如 质 子 与 电 子, 使 得 两 个 费 米 子 的 费 米 频 率 分 量 减 少 而 玻 色 频 率 增 加, 逐 步 缩 小 距 离 费 米 子 之 间 存 在 某 种 角 度 的 相 对 运 动 时, 上 述 干 扰 将 增 强, 即 磁 场 对 电 场 的 调 整 可 以 称 这 种 波 动 干 扰 为 电 场 性 波 动 干 扰, 简 称 电 场 干 扰 也 称 电 场 作 用 除 上 述 两 类 干 扰 作 用 外, 还 存 在 一 些 作 用, 但 笔 者 认 为 它 们 不 是 基 本 的 干 扰 作 用, 如, 碰 撞 作 用 : 光 子 与 费 米 子 之 间 费 米 子 与 费 米 子 之 间 的 碰 撞 作 用, 实 际 上 是 上 述 各 种 作 用 的 表 现 形 式 核 力 作 用 : 由 于 核 力 并 不 具 备 远 距 离 作 用 特 征, 笔 者 倾 向 于 将 核 力 视 为 非 线 性 特 征 引 起 的 电 场 作 用 的 特 殊 表 现 形 式 核 力 作 用 将 在 第 十 三 章 研 究

60 弱 力 作 用 : 由 于 弱 力 不 具 备 远 距 离 作 用 特 征, 而 且 即 使 是 近 距 离 也 不 具 有 确 定 性 的 作 用, 笔 者 认 为 弱 力 作 用 是 复 合 量 子 在 发 生 结 构 解 体 时 的 特 殊 表 现 形 式, 是 内 在 因 素 与 外 部 因 素 综 合 作 用 的 结 果 内 在 因 素 是 核 力 作 用, 也 即 非 线 性 特 征 电 场 作 用, 外 部 因 素 有 可 能 是 背 景 辐 射 弱 力 作 用 将 在 十 三 章 研 究 此 外 还 有 费 米 子 自 旋 在 磁 场 中 的 角 度 调 整, 处 于 纠 缠 态 的 量 子 之 间 某 些 旋 转 性 态 如 偏 振 角 度 自 旋 的 同 步 变 动, 都 是 相 互 作 用 引 起 的 态 变 动, 都 具 有 趋 于 同 步 特 征, 但 是 属 于 哪 一 类 波 动 干 扰 引 起 的 相 互 作 用 尚 须 研 究 四 量 子 的 定 域 性 与 非 定 域 性 (1) 量 子 的 域 量 子 占 居 的 空 间 大 小 就 是 量 子 域 的 概 念 谈 论 某 个 具 体 物 质 形 式 的 空 间 范 围 不 能 单 纯 从 物 质 分 布 的 角 度 考 虑, 而 要 从 相 互 作 用 的 角 度 考 虑, 量 子 的 域 指 的 是 量 子 作 用 影 响 的 空 间 范 围 量 子 波 是 以 太 结 构 中 的 波, 量 子 波 在 空 间 中 的 定 位 既 是 确 定 的 又 是 不 确 定 的 也 就 是 说, 量 子 的 域 既 具 有 定 域 性 又 具 有 非 定 域 性 横 波 形 式 的 量 子 波 即 玻 色 波, 纯 粹 的 玻 色 波 是 光 子 玻 色 波 的 定 域 性 表 现 在 有 限 的 时 间 过 程 里 波 动 仅 仅 涉 及 比 振 幅 大 不 了 多 少 的 以 太 媒 质, 离 开 这 个 范 围, 以 太 媒 质 受 到 的 影 响 极 小 玻 色 波 的 非 定 域 性 表 现 在 波 高 速 开 放 式 地 波 动, 无 限 的 时 间 过 程 中 波 动 涉 及 无 限 的 区 域 由 于 玻 色 波 的 波 动 中 心 是 不 固 定 的, 使 得 玻 色 波 的 波 动 干 扰 即 相 互 作 用 是 非 持 续 的, 不 具 有 场 性 质 如 图 5-6 所 示 图 5-6 玻 色 波 的 定 域 性 和 非 定 域 性 纵 波 形 式 的 量 子 波 即 费 米 波, 纯 粹 的 费 米 波 是 费 米 子, 如 质 子 或 者 电 子 费 米 波 的 高 速 波 动 表 现 为 封 闭 式 的 往 复 运 动, 人 们 似 乎 没 有 感 到 费 米 子 在 运 动, 因 此 费 米 波 的 定 域 性 表 现 在 一 个 较 长 的 的 时 间 过 程 里 可 以 观 察 到 波 动 中 心 存 在 于 有 限 区 域 但 是 费 米 波 的 波 动 涉 及 无 限 远 的 以 太 媒 质, 离 开 这 个 波 动 中 心 越 远, 以 太 媒 质 受 到 的 影 响 越 小, 按 距 离 的 平 方 递 减, 如 引 力 场 或 者 电 场, 这 就 是 费 米 波 的 非 定 域 性 由 于 费 米 波 的 波 动 中 心 是 相 对 固 定 的, 使 得 费 米 波 的 波 动 干 扰 即 相 互 作 用 是 持 续 的, 具 有 场 性 质 如 图 5-7 所 示 费 米 子 的 非 定 域 性

61 图 5-7 费 米 波 的 定 域 性 和 非 定 域 性 由 此 可 见, 量 子 波 既 是 定 域 的 又 是 非 定 域 的, 如 果 不 是 定 域 的, 我 们 凭 什 么 能 在 某 时 某 地 ( 尽 管 是 概 率 的 ) 找 到 它, 然 而 如 果 仅 仅 是 定 域 的 我 们 能 说 出 量 子 波 的 边 界 吗? 如 果 从 系 统 论 的 观 点 来 理 解 量 子 波, 将 一 个 量 子 波 视 为 一 个 系 统, 那 么 这 个 系 统 的 部 分 是 什 么 呢? 是 无 序 的 不 定 形 的 物 质 基 本 结 构 形 式, 而 且 这 些 部 分 的 无 序 的 不 定 形 的 物 质 基 本 结 构 形 式 并 不 是 这 个 量 子 专 属 的, 它 可 以 同 时 又 是 其 他 量 子 的 部 分, 可 见 从 部 分 到 整 体 是 一 种 飞 跃, 一 种 突 变, 一 种 涌 现 () 量 子 之 间 的 近 距 离 联 系 与 远 距 离 联 系 量 子 之 间 联 系 既 具 有 近 距 离 性 又 具 有 远 距 离 性 近 距 离 性 指 的 是 量 子 之 间 的 相 互 联 系 必 须 有 物 质 作 基 础, 必 须 存 在 近 距 离 的 直 接 的 物 质 接 触, 远 距 离 性 指 的 是 量 子 之 间 联 系 可 以 延 伸 到 很 远 的 距 离 地 球 与 月 亮 之 间 是 有 引 力 作 用 联 系 的, 这 是 被 科 学 实 验 证 实 了 的 如 果 问 : 地 球 上 的 一 个 质 子 与 月 亮 上 的 一 个 质 子 有 联 系 吗? 我 们 可 以 做 一 个 理 想 实 验 : 如 图 5-8 所 示, 假 设 将 地 球 和 月 亮 的 质 量 都 减 去 一 半, 引 力 计 算 公 式 告 诉 我 们, 它 们 还 是 有 联 系 如 果 一 半 一 半 地 减 下 去, 我 们 必 将 得 到 一 个 结 论 : 地 球 上 的 一 个 质 子 与 月 亮 上 的 一 个 质 子 仍 然 有 联 系, 不 过 微 不 足 道 而 已 其 中 一 个 质 子 相 距 38 万 km 的 相 互 联 系 仍 然 存 在 相 互 联 系, 但 不 可 能 是 控 制 性 联 系 其 中 一 个 质 子 图 5-8 量 子 之 间 的 联 系 我 们 再 假 设 将 这 两 个 质 子 的 相 互 距 离 进 一 步 增 大, 增 大 到 银 河 系 的 两 端, 我 们 一 定 能 得 到 更 重 要 的 不 可 想 象 的 结 论 : 即 使 很 远 很 远 的 距 离, 质 子 与 质 子 仍 然 是 有 联 系 的, 不 过 更 加 微 不 足 道 而 已 人 们 会 说, 这 个 结 论 没 有 什 么 价 值, 这 是 万 有 引 力 公 式 或 库 仑 定 律 已 经 表 达 了 的, 极 小 极 小 的 微 不 足 道 的 联 系, 早 已 被 嘈 杂 的 环 境 声 淹 没 了 问 题 正 在 这 里, 确 实 是 极 小 极 小 的 微 不 足 道, 然 而 它 们 确 实 是 有 联 系 的 (3) 量 子 之 间 作 用 的 定 域 性 与 非 定 域 性 量 子 相 互 作 用 的 定 域 性 和 非 定 域 性 问 题, 引 起 量 子 理 论 界 内 部 各 学 派 的 激 烈 争 论, 争 议 的 焦 点 是 量 子 之 间 是 否 存 在 远 距 离 超 光 速 的 控 制 性 的 关 联 问 题, 即 关 联 非 定 域 性 或 者 纠 缠 非 定 域 性 问 题 正 统 学 派 ( 又 可 称 玻 尔 学 派 哥 本 哈 根 学 派 ) 认 为 处 于 相 互 纠 缠 状 态 的 多 个 量 子 之 间 存 在 远 距 离 的 超 光 速 的 控 制 性 关 联, 即 存 在 关 联 非 定 域 性, 纠 缠 非 定 域 性 爱 因 斯 坦 学 派 认 为 这 是 违 反 相 对 论 基 本 原 理 的, 相 对 论 是 绝 对 不 允 许 超 光 速 存 在 的

62 物 质 基 本 结 构 理 论 为 研 究 关 联 非 定 域 性 或 者 纠 缠 非 定 域 性 问 题 提 供 了 新 的 思 路 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为, 以 太 结 构 中 产 生 的 量 子 波 的 波 速 是 均 一 化 的, 不 能 超 过 光 速, 而 且 相 互 作 用 必 须 存 在 近 距 离 的 物 质 联 系, 这 是 量 子 相 互 作 用 的 定 域 性 量 子 波 以 下 的 以 太 结 构 里 面 的 作 用 的 传 递 是 可 以 超 过 光 速 的, 作 用 的 传 递 可 以 瞬 间 达 到 极 远 处, 前 面 我 们 论 证 过 月 亮 上 的 质 子 与 地 球 上 的 质 子 仍 然 有 相 互 联 系, 这 种 联 系 是 完 全 可 以 超 光 速 的 这 是 量 子 相 互 作 用 的 非 定 域 性 相 隔 万 里 的 处 于 纠 缠 状 态 的 量 子 之 间 能 否 依 照 信 息 传 递 相 应 地 调 整 自 己 的 态, 其 作 用 机 制 是 什 么 需 要 认 真 研 究, 这 个 问 题 将 在 第 十 章 详 细 讨 论 五 量 子 相 互 作 用 过 程 的 作 用 分 配 和 最 小 作 用 原 理 量 子 的 相 互 作 用 是 相 对 的, 假 设 两 个 量 子 存 在 相 互 作 用 力, 那 么 这 个 相 互 作 用 力 对 两 个 量 子 强 度 上 是 一 致 的, 作 用 的 方 向 相 反 但 是 作 用 对 于 两 个 量 子 的 结 果 是 否 也 是 一 致 呢? 同 样 的 作 用 力 对 于 不 同 质 量 ( 频 率 ) 的 量 子 产 生 的 加 速 度 不 同, 质 量 大 的 量 子 分 配 到 的 加 速 度 小, 质 量 小 的 量 子 分 配 到 的 加 速 度 大, 作 用 结 果 是 不 一 样 的 两 个 量 子 在 同 一 个 作 用 力 下 移 动 了 一 段 距 离, 各 自 总 的 频 率 ( 能 量 ) 变 动 变 动 量 是 多 少 呢? 笔 者 认 为 量 子 相 互 作 用 的 分 配 服 从 矢 量 波 密 度 ( 即 动 量 ) 守 恒 定 律 下 面 分 析 近 似 的 低 速 时 的 场 的 吸 引 作 用 分 配 : (1) 作 用 过 程 中 总 频 率 不 变 () 总 的 玻 色 频 率 转 换 数 受 库 仑 定 律 引 力 定 律 规 范 (3) 作 用 过 程 总 的 波 密 度 守 恒 总 的 按 矢 量 计 算 的 玻 色 分 量 波 密 度 守 恒 ( 即 动 量 守 恒 ) 在 低 速 情 况 下, 玻 色 频 率 分 量 的 分 配 与 量 子 频 率 成 反 比 (4) 频 率 大 的 量 子 的 总 频 率 减 少, 因 而 费 米 频 率 分 量 减 少 较 大 ; 频 率 小 的 量 子 的 总 频 率 增 加, 因 而 费 米 频 率 减 少 较 小 (5) 如 果 引 力 场 中 相 互 作 用 的 是 费 米 子 与 光 子, 光 子 无 法 提 供 费 米 频 率 分 量 的, 此 时 费 米 频 率 分 量 的 减 少 全 部 体 现 在 产 生 引 力 场 的 费 米 子 上 (6) 场 吸 引 过 程 中 实 际 上 是 量 子 相 互 之 间 的 费 米 角 度 变 动 过 程, 量 子 的 费 米 直 角 边 力 图 相 互 靠 近 并 倾 斜, 倾 斜 量 与 作 用 大 小 参 与 作 用 的 量 子 的 初 始 状 态 和 频 率 有 关, 频 率 越 小 的 量 子 越 容 易 倾 斜, 同 时 越 容 易 增 加 总 频 率, 越 不 容 易 失 去 费 米 频 率 场 的 排 斥 作 用 过 程 的 作 用 分 配 与 上 述 分 配 原 则 一 致, 但 是 表 现 形 式 有 所 不 同 场 排 斥 过 程 中 实 际 上 也 是 量 子 相 互 之 间 的 费 米 角 度 变 动 过 程, 量 子 的 费 米 直 角 边 力 图 相 互 远 离 并 反 方 向 纠 正 倾 斜, 纠 正 倾 斜 量 与 作 用 大 小 参 与 作 用 的 量 子 的 初 始 状 态 和 频 率 有 关, 频 率 越 小 的 量 子 越 容 易 纠 正 倾 斜, 同 时 越 容 易 减 少 总 频 率, 越 不 容 易 增 加 费 米 频 率 作 用 分 配 时 量 子 之 间 距 离 可 能 是 很 远 的, 如 何 能 够 实 现 一 个 量 子 的 总 频 率 增 加, 而 另 一 个 量 子 的 总 频 率 减 少? 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 量 子 之 间 的 相 互 作 用 是 通 过 以 太 系 统 完 成 的, 量 子 的 波 形 按 照 作 用 分 配 规 律 变 动, 自 动 地 完 成 了 频 率 转 移 众 多 的 量 子 分 配 作 用, 包 括 玻 色 频 率 分 量 和 费 米 频 率 分 量 的 变 动, 是 一 个 极 其 复 杂 的 过 程, 如 果 使 用 高 等 数 学 计 算 要 涉 及 无 数 多 的 变 量, 量 子 是 无 法 在 瞬 间 完 成 这 个 分 配 任 务 的 笔 者 认 为 量 子 根 本 不 会 去 做 高 深 的 微 积 分 运 算, 实 际 的 相 互 作 用 过 程 就 是 高 效 能 的 计 算 和 控 制 过 程, 它 们 之 间 的 相 互 作 用 通 过 系 统 媒 质 即 场 的 作 用 瞬 间 完 成, 条 件 信 息 的 输 入 计 算 与 控 制 信 息 的 产 生 输 出 是 同 时 完 成 的, 其 效 率 和 精 确 度 远 远 超 过 机 任 何 计 算 机 的 精 确 的 二 进 制 计

63 算 量 子 作 用 的 分 配 过 程, 可 以 清 楚 地 显 示 量 子 的 远 距 离 的 关 联 非 定 域 性 和 超 光 速 作 用 为 什 么 作 用 的 相 对 性 遵 循 动 量 守 恒 定 律 呢? 这 是 最 小 作 用 量 原 理 在 起 作 用 最 小 作 用 量 原 理 指 的 是 : 作 用 中 力 图 使 动 能 减 势 能 的 平 均 值 乘 上 作 用 时 间 的 数 值 最 小 最 小 作 用 量 原 理 在 物 理 学 中 是 常 见 的, 如 自 由 落 体 以 直 线 下 落 的 作 用 距 离 和 时 间 最 短, 光 经 镜 面 反 射 成 像 以 行 程 最 短 的 角 度 形 成 虚 像, 水 珠 的 表 面 积 最 小 等 按 照 量 子 单 位 制, 能 量 就 是 频 率, 频 率 乘 以 时 间 等 于 次 数, 因 此 作 用 量 就 是 作 用 中 量 子 频 率 振 动 次 数, 最 小 作 用 量 原 理 可 以 表 达 为 作 用 过 程 总 是 力 图 在 量 子 的 总 的 振 动 次 数 最 小 的 过 程 里 完 成 为 了 使 这 个 值 最 小, 只 有 按 照 质 量 反 比 例 分 配 加 速 度 才 能 达 到 这 个 目 的, 这 就 导 致 了 动 量 守 恒 那 么 为 什 么 会 存 在 最 小 作 用 量 原 理 呢? 其 根 本 原 因 还 是 均 匀 性 对 称 性 原 理 在 起 作 用, 均 匀 性 对 称 性 导 致 了 某 些 物 理 量 力 求 最 小 化, 如 对 中 心 点 的 均 匀 性 对 称 性 形 成 了 最 短 的 圆 周 长 球 面 积 或 者 球 体 积 ; 光 子 的 运 动 均 匀 性 对 称 性 形 成 了 光 子 在 没 有 相 互 作 用 时 的 直 线 运 动, 运 行 一 定 距 离 的 振 动 次 数 最 少 六 量 子 间 的 相 互 作 用 形 成 量 子 系 统 量 子 不 是 孤 立 存 在 的, 量 子 之 间 的 相 互 作 用 使 得 量 子 相 互 联 系 起 来 (1) 相 互 作 用 使 众 多 量 子 形 成 了 相 互 联 系 的 整 体 众 多 的 量 子 由 于 相 互 作 用 而 形 成 了 相 互 联 系, 称 为 量 子 系 统 如 果 没 有 量 子 间 的 相 互 作 用, 那 么 量 子 之 间 就 不 会 存 在 相 互 联 系, 也 不 会 形 成 系 统, 因 此 量 子 之 间 的 相 互 作 用 与 量 子 系 统 性 的 形 成 是 直 接 相 关 的 系 统 并 不 是 简 单 的 部 分 集 合, 而 是 一 个 复 杂 的 相 互 作 用 的 综 合 () 任 何 有 限 的 系 统 区 域 都 存 在 无 数 量 子 的 作 用 从 空 间 的 角 度 来 看, 对 于 系 统 中 某 个 具 体 的 空 间 区 域, 可 以 称 为 系 统 区 域 由 于 量 子 具 有 非 定 域 性, 系 统 区 域 是 无 数 多 量 子 的 延 伸 和 综 合, 可 以 说 任 何 系 统 区 域 都 要 受 无 限 多 的 量 子 影 响 系 统 区 域 里 可 以 包 含 量 子 的 中 心 部 分, 如 图 5-9 的 系 统 区 域 P 系 统 区 域 里 也 可 以 不 包 含 任 何 量 子 波 的 中 心 部 分, 如 图 5-9 的 系 统 区 域 q 是 多 个 量 子 之 间 的 一 个 有 限 区 域, 在 某 个 时 间 范 围 内, 这 个 区 域 不 包 含 任 何 量 子 的 中 心 部 分, 我 们 仍 然 应 当 把 这 个 区 域 视 为 一 个 系 统, 因 为 无 数 的 量 子 作 用 都 可 以 延 伸 到 此 区 域, 或 者 说 这 个 区 域 是 无 数 量 子 的 一 部 分 A 区 域 P B 区 域 q C 图 5-9 系 统 区 域 (3) 系 统 区 域 的 态 是 量 子 相 互 作 用 的 综 合 量 子 与 量 子 的 相 互 作 用 的 具 体 情 况 是 复 杂 的, 众 多 的 量 子 形 成 的 场 共 同 作 用 于 空 间 某 一 个 区 域, 这 些 量 子 的 场 可 能 是 不 同 的 场, 或 者 即 使 是 相 同 的 场 也 会 有 各 种 不 同 的 方 向 和 量 值 在 一 个 具 体 区 域 里, 一 个 量 子 将 面 对 着 众 多 量 子 的 作 用, 受 作 用 的 量 子 是 无 法 作 出

64 这 么 多 这 么 复 杂 的 判 断 的, 量 子 既 不 可 能 知 道 有 多 少 种 场 作 用 于 此, 更 不 可 能 知 道 这 些 场 的 中 心 距 离 自 己 多 远, 以 便 利 用 公 式 计 算 自 己 的 最 佳 应 变 方 式 实 际 上 系 统 区 域 形 成 一 种 综 合 的 态, 也 就 是 综 合 的 场 的 特 性, 综 合 的 场 与 产 生 这 个 场 的 无 数 量 子 有 一 定 的 独 立 性, 或 者 说 系 统 是 部 分 的 综 合, 而 不 是 每 个 部 分 的 独 立 活 动 场 所, 不 是 部 分 的 简 单 相 加 (4) 系 统 实 现 了 量 子 之 间 相 互 作 用 的 传 递 一 方 面 量 子 之 间 的 相 互 作 用 形 成 了 量 子 之 间 的 相 互 联 系, 形 成 了 量 子 的 系 统 性, 同 时 又 由 于 量 子 之 间 相 互 联 系 的 系 统 性 存 在, 量 子 之 间 的 相 互 作 用 才 能 得 以 传 递, 作 用 才 有 可 能 完 成 作 用 的 传 递 速 度 是 超 光 速 的, 但 是 并 没 有 一 个 定 量 值, 它 是 不 确 定 的 以 太 结 构 承 载 了 量 子 波, 承 载 了 量 子 之 间 的 相 互 作 用 的 传 递, 传 递 量 子 之 间 的 引 力 场 作 用 电 场 作 用 运 动 电 场 形 成 的 磁 场 作 用, 等 等, 对 于 物 质 世 界 中 空 间 某 一 区 域 而 言, 这 些 作 用 都 将 综 合 地 体 现 出 来 以 太 结 构 完 成 了 量 子 之 间 的 相 互 联 系, 是 量 子 系 统 性 的 基 础, 这 么 多 的 功 能, 以 太 结 构 为 基 础 的 系 统 能 承 受 得 了 吗? 对 此 我 们 不 能 低 估 大 自 然 的 能 力, 就 拿 简 单 的 声 波 来 说, 我 们 耳 道 里 的 那 么 一 点 空 间 中 的 空 气 媒 质, 居 然 把 各 种 各 样 的 音 乐 语 言 及 杂 音 几 乎 是 同 时 送 给 了 我 们, 我 们 也 真 有 本 事 从 中 分 辨 出 有 价 值 的 信 息 物 质 基 本 结 构 形 成 的 以 太 结 构 既 是 每 一 个 量 子 的 局 部 特 征 ( 其 实 是 以 太 自 身 的 局 部 特 征 ) 的 延 伸, 又 是 系 统 整 体 性 的 综 合 体 现, 它 完 全 可 以 完 成 这 样 的 对 它 来 说 并 不 太 复 杂 的 任 务 七 物 质 基 本 结 构 理 论 下 的 统 一 场 论 场 是 描 述 量 子 相 互 作 用 的 一 种 方 式, 传 统 理 论 认 为 有 四 种 基 本 作 用 场, 即 引 力 场 电 场 核 力 场 ( 或 者 更 广 义 些 称 为 强 相 互 作 用 场 ) 及 弱 相 互 作 用 场 为 了 探 索 物 质 的 本 质, 物 理 学 家 研 究 的 一 个 重 要 课 题 是 统 一 场 论, 即 希 望 将 各 种 作 用 力 场 在 某 个 基 础 上 统 一 起 来 传 统 理 论 研 究 场 的 本 质 和 场 的 统 一 性, 一 般 来 说 是 引 进 传 递 相 互 作 用 的 新 粒 子, 当 然 预 先 赋 予 了 这 种 新 粒 子 是 一 种 有 既 定 形 态 的 粒 子, 也 是 有 作 用 力 场 的 本 章 笔 者 提 出 量 子 相 互 作 用 和 量 子 态 变 动 的 必 然 联 系 观 点, 提 出 量 子 之 间 的 波 动 干 扰 是 量 子 之 间 相 互 作 用 产 生 的 原 因 的 观 点, 提 出 量 子 存 在 定 域 性 和 非 定 域 性 的 观 点, 提 出 以 太 结 构 为 基 础 的 量 子 系 统 性 的 观 点 这 些 观 点 从 物 质 基 本 结 构 形 式 入 手, 力 图 用 物 质 实 在 的 观 点 物 质 统 一 性 的 观 点 来 说 明 场 的 形 成 原 因, 为 完 善 统 一 场 论 提 出 新 的 思 路 物 质 基 本 结 构 理 论 下 的 统 一 场 论 具 有 以 下 特 点 : (1) 量 子 场 是 量 子 的 一 部 分 () 众 多 的 个 别 量 子, 通 过 以 太 结 构 形 成 一 个 统 一 的 系 统, 以 太 结 构 是 量 子 波 的 基 础, 是 量 子 之 间 的 相 互 作 用 的 基 础, 也 是 场 的 基 础 (3) 以 太 结 构 在 一 定 范 围 内 具 有 相 互 联 系 的 时 空, 各 种 场 综 合 地 在 以 太 结 构 中 形 成 统 一 的 综 合 的 态 以 太 结 构 不 需 要 对 每 一 个 量 子 的 场 都 形 成 与 之 有 关 的 特 定 结 构, 而 对 另 外 的 量 子 场 又 形 成 别 的 特 定 结 构, 以 太 没 有 这 样 神 通 广 大, 大 自 然 也 不 喜 欢 这 么 复 杂 (4) 物 质 基 本 结 构 理 论 下 的 统 一 场 论 不 需 要 为 量 子 场 设 置 传 递 相 互 作 用 的 粒 子, 统 一 场 论 应 当 是 简 单 的 基 本 的 (5) 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 引 力 场 和 电 场 是 两 种 最 基 本 的 场 磁 场 是 对 电 场 的 调 整 核 力 不 具 备 远 距 离 作 用 特 征, 应 视 为 电 场 的 特 殊 表 现 形 式 弱 力 也 不 具 备 远 距 离 作 用 特 征, 即 使 是 近 距 离 也 不 具 有 确 定 性 的 作 用, 因 此 将 弱 力 作 用 视 为 其 他 作 用 的 特 殊 表 现 形 式 到 目 前 为 止, 物 质 基 本 结 构 理 论 并 没 有 说 清 楚 相 互 作 用 的 具 体 细 节 是 什 么, 这 是 因 为 还 没 有 找 到 一 个 很 好 的 数 学 工 具 数 学 作 为 一 个 有 生 命 力 的 事 物 有 一 个 起 点 问 题, 它 对 物 质 基 本 结 构 形 式 初 级 阶 段 的 实 体 与 间 隙 的 描 述 和 分 析 是 无 能 为 力 的, 对 电 场 引 力 场 量 子 波 函 数 的 描 述 和 分 析 是 非 常 有 效 的, 但

65 是 对 介 于 两 者 之 间 的, 量 子 波 的 一 个 波 动 周 期 以 内 的 相 互 作 用 细 节 能 否 使 用 数 学 方 法 描 述, 如 何 描 述, 还 需 要 深 入 地 研 究 第 六 章 引 力 作 用 和 电 场 作 用 一 用 量 子 单 位 制 转 换 引 力 公 式 本 节 及 以 下 所 称 的 引 力 即 万 有 引 力, 如 图 6-1 所 示, 两 个 量 子 A B 之 间 存 在 着 吸 引 性 相 互 作 用 m1m 引 力 公 式 的 传 统 形 式 : F = G r 11 引 力 常 数, G = 牛 米 / 千 克 在 量 子 单 位 制 中, 引 力 公 式 应 改 为 如 下 形 式 : v1v F = G 4 π r 式 中 v 为 量 子 A 和 B 的 频 率, 分 母 中 加 上 4π 因 子 主 要 是 为 了 便 于 与 电 场 作 用 的 库 仑 定 律 公 式 类 比, 同 时 笔 者 认 为 将 分 母 理 解 为 球 面 积 4πr 比 单 纯 的 r 更 有 意 义 一 些 A r B υ1 υ 图 6-1 引 力 作 用 本 图 及 本 书 中 有 关 图 将 量 子 画 成 有 边 界 的 是 不 恰 当 的, 仅 仅 用 于 示 意 将 引 力 常 数 G 换 算 成 量 子 单 位 制 : 33 1 牛 = ( 次 / 秒 )/ 米 一 千 克 质 量 相 当 于 频 率 : ν= 次 / 秒 引 力 常 数 : G= 4 π 50 ( ) = 米 秒 单 位 变 换 : 米 米 秒 = ( 次 / 秒 米 ) 次 次 秒 秒 表 示 两 个 量 子 波 之 间 的 引 力 与 频 率 之 积 成 正 比, 与 相 互 距 离 平 方 成 反 比, 计 算 结 果 得 到 力 使 用 上 述 公 式 可 以 直 接 用 频 率 计 算 引 力, 能 够 更 清 晰 地 揭 示 引 力 场 的 形 成 机 制 二 引 力 场

66 量 子 之 间 的 相 互 作 用, 似 乎 在 量 子 四 周 存 在 一 种 物 质 结 构, 能 够 使 得 物 质 之 间 发 生 作 用, 经 典 理 论 称 这 种 物 质 结 构 为 场 传 统 理 论 为 了 解 释 物 质 间 的 相 互 作 用, 增 加 了 一 种 专 门 传 递 作 用 力 的 中 间 粒 子, 这 些 粒 子 依 照 不 确 定 性 原 理 不 断 地 产 生 和 消 灭, 并 由 此 传 递 作 用 力, 它 们 的 集 合 就 是 场 物 质 基 本 结 构 理 论 不 希 望 在 以 太 结 构 和 量 子 波 之 外 再 出 现 一 个 特 殊 的 物 质 场, 量 子 波 之 间 的 相 互 作 用 直 接 通 过 以 太 结 构 形 成 的 系 统 实 现 相 互 作 用, 以 太 结 构 形 成 的 系 统 就 是 场, 不 需 要 引 进 新 的 场 物 质 我 们 在 理 解 场 时 应 更 多 地 理 解 为 它 就 是 量 子 波 的 不 可 分 割 的 组 成 部 分, 是 量 子 波 与 系 统 整 体 相 互 作 用 的 表 现 形 式 物 质 基 本 结 构 理 论 更 不 希 望 出 现 传 递 作 用 力 的 中 间 粒 子, 因 为 这 样 的 话 还 需 要 解 释 这 种 粒 子 的 构 成 以 及 它 们 之 间 的 新 的 场, 这 将 是 一 个 永 远 也 无 法 解 决 的 问 题 对 于 引 力 场, 假 设 在 量 子 波 周 围 的 以 太 结 构, 具 有 张 力 分 布 特 征, 引 力 场 强 与 量 子 频 率 的 大 小 成 正 比, 与 距 离 的 平 方 成 反 比 v1 引 力 场 强 = G 单 位 为 : 次 / 米, 与 波 密 度 ( 即 动 量 ) 同 单 位 4 π r 其 中 G = 米 秒 以 上 公 式 描 述 了 一 种 景 象, 在 量 子 周 围 存 在 一 个 张 力 场, 无 论 是 否 有 另 外 的 与 这 个 场 发 生 作 用 的 量 子 存 在, 这 个 引 力 场 总 是 存 在 的 其 实 引 力 场 并 不 神 秘, 它 就 是 量 子 波 的 波 动 特 征, 并 没 有 在 量 子 波 特 征 之 外 再 附 加 什 么 具 有 其 他 能 量 或 者 质 量 的 东 西 利 用 场 强 可 以 推 导 出 下 列 物 理 公 式 : 力 = 引 力 场 强 场 强 中 量 子 频 率 加 速 度 = 力 / 质 量 v1v v v = G / = 1 c G 4 π r c 4 π r = 引 力 场 强 c 例, 地 球 质 量 为 kg, 地 球 半 径 为 m, 计 算 地 球 表 面 加 速 度 v1 地 面 上 引 力 场 强 = G 4 π r = 米 秒 次 / 秒 /[ ( 米 ) ] -16 = 次 / 米 加 速 度 = 引 力 场 强 c

67 = = 米 / 秒 与 实 验 值 和 传 统 公 式 计 算 相 符 三 引 力 效 应 中 的 频 率 转 换 引 力 能 够 引 起 一 个 量 子 的 玻 色 速 度 增 加, 也 能 引 起 一 个 原 来 存 在 逆 向 玻 色 速 度 的 量 子 的 速 度 减 小, 即 引 力 可 以 引 起 量 子 的 动 能 变 化 量 子 的 动 能 变 化, 本 质 上 就 是 量 子 的 玻 色 频 率 分 量 变 化 我 们 可 用 计 算 机 模 拟 计 算, 也 可 使 用 数 学 推 导 ( 由 于 篇 幅 有 限, 推 导 从 略 ), 得 到 引 力 相 互 作 用 中 的 频 率 转 换 公 式 : v1v 频 率 变 动 = G 4 π r 引 力 常 数 : G = 米 秒 计 算 结 果 为 两 个 量 子 从 无 限 远 距 离 移 到 一 定 距 离 时 玻 色 频 率 分 量 变 动 的 数 值, 或 者 表 明 两 个 量 子 从 一 定 距 离 移 到 无 限 远 距 离 时 玻 色 频 率 变 动 的 数 值 这 里 特 别 强 调, 公 式 中 计 算 出 来 的 频 率 的 变 动 是 系 统 中 各 个 量 子 总 的 频 率 变 动, 不 是 某 个 量 子 的 频 率 变 动 如 果 仅 考 虑 引 力 的 影 响, 任 何 量 子 之 间 距 离 减 少 的 物 理 现 象 都 会 使 得 量 子 的 费 米 频 率 分 量 减 少, 玻 色 频 率 分 量 增 加 ; 任 何 量 子 之 间 距 离 增 加 的 物 理 现 象 都 会 使 得 量 子 的 费 米 频 率 分 量 增 加, 玻 色 频 率 分 量 减 少 费 米 频 率 分 量 的 变 动 量 与 玻 色 频 率 分 量 的 变 动 量 是 不 相 等 的, 要 按 照 直 角 三 角 形 的 矢 量 计 算 如 果 仅 考 虑 引 力 的 影 响, 一 个 小 费 米 子 与 一 个 大 费 米 子 相 互 发 生 引 力 作 用, 这 时 小 费 米 子 将 向 着 大 费 米 子 运 动, 它 的 费 米 频 率 分 量 将 会 减 少 而 玻 色 频 率 分 量 增 加, 它 的 总 频 率 将 会 增 加 而 大 费 米 子 也 将 向 着 小 费 米 子 运 动, 大 费 米 子 的 费 米 频 率 也 会 减 少 而 玻 色 频 率 增 加, 但 它 的 总 频 率 将 会 减 少 这 是 由 于 动 量 守 恒 效 应 发 挥 作 用 的 缘 故, 动 量 守 恒 定 律 要 求 量 子 间 相 互 作 用 时 波 密 度 按 矢 量 计 算 的 总 量 守 恒 光 子 之 间 是 否 存 在 引 力? 如 果 光 子 之 间 存 在 引 力, 吸 引 时 引 力 作 用 的 结 果 不 能 使 光 子 超 过 光 速, 因 此 不 能 增 加 速 度, 只 能 增 加 频 率, 那 么 增 加 频 率 从 何 而 来 呢? 从 能 量 的 角 度 来 看, 增 加 动 能 可 以 解 释 为 从 势 能 而 来, 但 按 照 爱 因 斯 坦 相 对 论 中 的 质 能 相 关 原 理, 势 能 的 减 少 必 然 引 起 质 量 的 减 少, 这 个 减 少 的 质 量 是 什 么 呢? 因 此 笔 者 认 为 光 子 与 光 子 之 间 没 有 引 力 作 用 光 子 与 费 米 子 之 间 存 在 引 力 作 用, 这 是 被 引 力 场 中 的 光 线 弯 曲 现 象 及 光 线 在 引 力 场 中 的 频 率 变 动 现 象 证 实 了 的, 此 时 光 子 获 得 的 玻 色 频 率 分 量 变 动 量 来 自 费 米 子 的 费 米 频 率 分 量 变 动 四 电 荷 费 米 波 是 一 种 纵 波, 它 具 有 许 多 与 玻 色 波 不 同 的 特 性, 其 中 最 重 要 的 一 个 特 性 就 是 电 性 费 米 波 的 电 性, 是 指 费 米 波 之 间 的 相 互 作 用 时 表 现 出 的 一 种 特 征, 某 些 费 米 波 之 间 能 表 现 为 相 互 吸 引, 而 某 些 费 米 波 之 间 表 现 为 相 互 排 斥 描 述 这 些 吸 引 和 排 斥 现 象 时 发 现 它 们 具 有 明 显 的 量 子 性, 即 每 一 个 最 基 本 的 量 子 波, 无 论 它 如 同 质 子 具 有 次 / 秒 的 费 米 频 率, 还 是 如 同 电 子 具 有 次 / 秒 的 费 米 频 率, 它 们 的 这 种 性 能 是 一 样 的 这 样 人 们 定 义 了 一 个 物 理 量 : 电 荷 电 荷 并 不 是 独 立 存 在 的 某 种 物 质 形 态, 它 只 是 依 附 于 费 米 波 的 性 质, 是 费 米 波 具 有 的 与 电 性 相 关 的 性 质, 电 荷 的 量 称 为 电 量 自 然 界 存 在 正 负 两 种 电 16

68 荷, 同 号 电 荷 相 互 排 斥, 异 号 电 荷 相 互 吸 引 对 于 孤 立 系 统 来 说, 内 部 无 论 发 生 怎 样 的 物 理 过 程, 正 负 电 荷 电 量 的 代 数 和 总 是 保 持 不 变, 这 个 结 论 称 为 电 荷 守 恒 定 律 在 第 二 章 中, 笔 者 对 费 米 波 的 波 形 和 波 动 方 式 作 了 一 些 假 设, 对 应 着 费 米 子 的 正 反 性 或 者 电 的 正 负 性 电 荷 的 量 子 化 到 目 前 为 止 的 科 学 实 验 证 明, 电 子 所 带 电 量 是 最 小 的 电 量, 这 个 电 量 的 绝 对 值 用 e 表 示, 其 他 任 何 带 电 体 所 带 电 量 只 能 是 这 个 最 小 电 量 的 整 数 倍, 即 带 电 体 所 带 电 量 q = ne,n 为 正 整 数 或 负 整 数, 这 种 性 质 称 为 电 荷 的 量 子 化 量 子 单 位 制 中 电 量 的 单 位 为 基 本 电 量 单 位 e, 即 一 个 电 子 所 带 的 电 量 经 典 理 论 的 电 量 单 位 为 库 仑, 它 们 之 间 的 换 算 关 系 为 : 1 库 (C)= e -19 1e = 库 18 也 就 是 说 个 电 子 的 电 量 总 和 即 为 经 典 理 论 中 1 库 仑 电 量 电 量 单 位 库 仑 是 物 理 学 家 通 过 有 关 的 学 会 组 织 和 法 定 的 程 序 定 下 的, 而 基 本 电 量 单 位 e 是 大 自 然 定 下 的, 这 也 是 笔 者 在 本 书 中 提 倡 使 用 量 子 单 位 制 的 一 个 重 要 原 因, 因 为 它 具 有 大 自 然 的 特 性, 也 就 有 利 于 揭 示 大 自 然 的 秘 密 电 子 的 电 量 是 e, 那 么 质 子 的 电 量 是 多 少 呢? 质 子 的 电 量 也 是 e, 不 过 人 们 将 电 子 电 量 的 符 号 定 义 为 负, 质 子 电 量 的 符 号 定 义 为 正 一 个 氢 原 子 由 一 个 质 子 和 一 个 电 子 构 成, 氢 原 子 的 总 电 量 是 多 少 呢? 是 0, 但 是 氢 原 子 中 正 电 荷 与 负 电 荷 并 没 有 消 失, 只 是 它 们 的 作 用 抵 消 了, 对 外 看 起 来 如 同 没 有 电 量 一 样 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 费 米 子 的 正 反 性 与 电 的 正 负 性 是 一 致 的, 每 一 个 费 米 子 都 带 有 电 性, 电 性 分 为 正 负 两 种, 费 米 子 所 带 电 性 不 是 正 电 就 是 负 电 无 论 费 米 子 的 频 率 是 多 少, 电 性 的 绝 对 值 是 一 致 的 带 电 量 是 费 米 波 的 一 个 内 在 特 征, 这 就 是 费 米 波 的 自 旋 将 电 量 理 解 为 自 旋 或 者 角 动 量 之 后, 量 子 单 位 制 中 的 基 本 电 量 e 变 得 极 为 简 单, 它 就 是 费 米 子 的 个 数, 但 是 要 区 别 正 反 粒 子 也 就 是 量 子 的 电 正 负 性 需 要 特 别 说 明, 笔 者 这 里 对 费 米 子 作 了 狭 义 处 理, 并 不 包 括 中 子 中 微 子 以 及 其 他 不 带 电 性 或 者 带 电 量 大 于 1, 以 及 假 设 中 的 带 分 数 电 量 的 费 米 子 这 里 隐 含 了 物 质 基 本 结 构 理 论 的 一 个 重 要 观 点, 即 量 子 分 为 基 本 量 子 和 复 合 量 子, 费 米 子 中 的 正 反 质 子 和 正 反 电 子 是 基 本 量 子, 它 们 的 电 量 绝 对 值 都 是 e, 而 原 子 核 中 子 π 介 子 μ 子 中 微 子 都 是 复 合 量 子, 复 合 量 子 的 电 性 是 组 成 它 们 的 基 本 量 子 的 电 性 的 代 数 和 关 于 复 合 量 子 问 题 将 在 第 十 三 章 讨 论 五 库 仑 定 律 如 图 6-, 真 空 中 两 个 静 止 费 米 子 A 与 B 之 间 的 相 互 作 用 力, 与 这 两 个 量 子 各 自 带 电 量 q 1 和 q 的 乘 积 成 正 比, 与 它 们 之 间 距 离 r 的 平 方 成 反 比, 作 用 力 F 的 方 向 沿 着 两 个 点 电 荷 的 连 线 这 就 是 库 仑 定 律 A r B q 1 q 图 6- 电 场 库 仑 定 律 示 意 图

69 数 学 表 达 式 是 1 q1q F 1 =, 4 πε 0 r 力 F 为 矢 量, 电 荷 同 性 相 排 斥, 异 性 相 吸 引 式 中 ε 0 为 真 空 介 电 常 数 ( 亦 称 真 空 电 容 率 ) 国 际 单 位 制 中 的 真 空 电 容 率 : 1 ε = 库 / 牛 米 0 在 库 仑 定 律 中 用 国 际 单 位 制 的 真 空 电 容 率 计 算, 得 到 的 力 的 单 位 是 : 焦 / 米 换 算 成 量 子 单 位 制 : 33 1 焦 能 量 相 当 于 频 率 ν = 次 / 秒 1 库 电 量 = e 量 子 单 位 制 中 的 真 空 电 容 率 ε = e 秒 / 米 0 引 入 精 细 结 构 常 数 : a = ( 单 位 : 次 /e, 笔 者 不 认 为 精 细 结 构 常 数 是 无 量 纲 数, 这 个 单 位 与 量 子 单 位 制 中 的 电 阻 单 位 是 一 样 的, 说 明 二 者 有 一 定 联 系 ) 真 空 光 速 数 值 c = ( 单 位 : 米 / 秒 ) 真 空 电 容 率 可 以 简 化 为 : ε 0 = 1/( ac)( 单 位 : e 秒 / 米 ) 如 果 公 式 和 计 算 式 的 最 后 加 上 了 总 的 单 位, 那 么 公 式 和 计 算 式 中 的 精 细 结 构 常 数 a 和 光 速 c 则 不 带 单 位, 仅 仅 为 采 用 通 常 单 位 时 的 纯 数 值 本 书 以 后 不 再 说 明 在 库 仑 定 律 中 用 量 子 单 位 制 的 真 空 电 容 率 计 算, 得 到 的 力 的 单 位 是 :( 次 / 秒 )/ 米 为 了 便 于 分 析 问 题, 并 与 引 力 公 式 形 式 接 近, 可 以 引 入 电 场 力 常 数 ( 即 倒 数 真 空 电 容 率 ) 概 念 电 场 力 常 数 ( 倒 数 真 空 电 容 率 ): 1 = = ac [ 单 位 :( 次 / 秒 ) 米 /e ] ε 0 - 例 1: 真 空 中 ( 今 后 不 再 说 明 真 空 环 境 ), 两 个 电 子 相 距 米 ( 即 10 6 米, 今 后 本 书 中 更 多 地 使 用 这 种 科 学 计 数 方 式 ), 作 用 力 1 q1q F = = ( ac 1 1)/(4 π ) 4 πε 0 r 1 = ( ac /π) 10 ( 次 / 秒 )/ 米 力 的 方 向 是 相 互 排 斥 -7 例 : 两 个 电 子 相 距 10 米, 作 用 力 1 q1q F = = ( ac 1 1)/(4 π ) 4 πε 0 r 14 = ( ac /π) 10 ( 次 / 秒 )/ 米 力 的 方 向 是 相 互 排 斥 例 的 作 用 力 是 例 1 的 100 倍 例 比 例 1 量 子 间 相 互 距 离 更 接 近, 显 然 要 消 耗 外 部 动 能, 同 时 具 有 了 更 大 的 势 能, 后 文 将 会 详 细 研 究 费 米 频 率 与 玻 色 频 率 的 相 互 转 化 问 题, 费 米 频 率 分 量 与 玻 色 频 率 分 量 并 不 是 对 等 转 换, 而 是 要 通 过 直 角 三 角 形 的 矢 量 计 算, 作 用 过 程 中 的 守 恒 量 是 总 频 率 ( 能 量 ) 和 矢 量 波 密 度 ( 动 量 )

70 例 3: 一 个 电 子 与 一 个 质 子 相 距 10-7 米, 作 用 力 1 q1q F = = ( ac 1 1)/(4 π ) 4 πε r 0 14 = ( ac /π) 10 ( 次 / 秒 )/ 米 作 用 力 与 例 一 样, 但 力 的 方 向 是 相 互 吸 引 例 4: 一 个 电 子 与 一 个 质 子 相 距 10-6 米, 作 用 力 1 q1q F = = ( ac 1 1)/(4 π ) 4 πε r 0 = (ac /π) 10 ( 次 / 秒 )/ 米 作 用 力 与 例 1 一 样, 但 力 的 方 向 是 相 互 吸 引 1 例 4 比 例 3 量 子 间 相 互 距 离 更 接 近, 显 然 要 产 生 动 能, 同 时 减 少 了 势 能, 这 也 是 一 个 费 米 频 率 与 玻 色 频 率 的 相 互 转 化 问 题 六 电 场 在 电 荷 四 周 存 在 一 种 物 质 结 构, 能 够 使 得 电 荷 之 间 发 生 作 用, 称 为 电 场, 电 场 是 费 米 波 本 身 结 构 的 特 征, 在 费 米 子 周 围 存 在 一 个 旋 转 力 场, 无 论 是 否 有 另 外 的 与 这 个 场 发 生 作 用 的 其 他 费 米 子 存 在, 这 个 电 场 总 是 存 在 的 电 场 并 不 神 秘, 它 就 是 费 米 波 的 波 动 特 征, 并 没 有 在 费 米 波 特 征 之 外 再 附 加 什 么 有 其 他 能 量 或 者 质 量 的 东 西 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 量 子 波 之 间 的 相 互 作 用 是 通 过 以 太 结 构 形 成 的 系 统 整 体 的 相 互 作 用, 以 太 结 构 形 成 的 系 统 就 是 场 在 电 场 的 某 一 空 间 位 置, 一 定 的 电 荷 q 0 所 受 电 场 力 F, 比 值 F/ q 0 定 义 为 电 场 强 度, 用 E 表 示 如 图 6-3, 量 子 ( 或 者 量 子 集 团 )P 的 电 量 为 Q, 距 离 量 子 P 为 r 处 放 一 正 的 试 验 电 荷 q 0, 由 库 仑 定 律 得 到 q 0 所 受 到 的 电 场 力 的 大 小 Qq0 F = 4 πε r 0 由 场 强 定 义, 试 验 电 荷 所 在 点 的 电 场 强 度 F Q E= = r 0 q 4 ε r 0 π 0 q 0 r P 图 6-3 电 场 示 意 图 Q 即 电 场 中 某 点 的 电 场 强 度 在 数 值 上 等 于 该 点 的 单 位 电 荷 所 受 的 力, 式 中 r 0 为 单 位 矢 量, 当 Q 为 正 电 荷 时, 场 强 的 方 向 沿 连 线 背 离 Q; 当 Q 为 负 电 荷 时, 场 强 的 方 向 沿 连 线 指 向 Q, 电 场 强 度 的 方 向 规 定 为 正 电 荷 在 该 点 所 受 电 场 力 的 方 向 国 际 单 位 制 中, 场 强 的 单 位 : 伏 特 / 米 量 子 单 位 制 中 电 场 强 度 单 位 :( 次 / 秒 )/(e 米 )

71 单 位 转 换 : 伏 特 即 焦 / 库 仑 18 1 库 = e 33 次 1 焦 耳 相 当 于 的 频 率, 秒 14 1 伏 特 = ( 次 / 秒 )/e 14 次 / 秒 电 场 强 度 单 位 1 伏 特 / 米 相 当 于 e米 例 : 求 与 一 个 质 子 相 距 10-7 米 处 的 电 场 强 度 -7 设 一 个 电 子 ( 即 基 本 电 量 ) 与 一 个 质 子 相 距 10 米, 作 用 力 1 q1q F = = ( ac 1 1)/(4 π ) 4 πε r 0 14 = ( ac /π) 10 ( 次 / 秒 )/ 米 -7 与 此 质 子 相 距 10 米 处 的 电 场 强 度 : 14 E = ( ac /π) 10 ( 次 / 秒 )/e 米 电 场 强 度 的 叠 加 : 点 电 荷 系 在 某 点 的 场 强 等 于 各 个 点 电 荷 单 独 存 在 时 在 该 点 所 产 生 的 场 强 的 矢 量 和, 这 就 是 场 强 叠 加 原 理 七 电 场 中 的 频 率 转 换 费 米 子 的 电 场 相 互 作 用 将 会 带 来 费 米 频 率 与 玻 色 频 率 的 相 互 转 换 相 互 作 用 的 异 性 电 荷 从 无 限 远 处 移 到 一 定 距 离, 必 将 根 据 库 仑 定 律 的 力 与 距 离 的 乘 积 将 势 能 转 化 为 动 能, 也 就 是 由 费 米 频 率 转 化 为 玻 色 频 率 而 相 互 作 用 的 同 性 电 荷 从 无 限 远 处 到 一 定 距 离, 必 将 根 据 库 仑 定 律 的 力 与 距 离 的 乘 积 将 动 能 转 化 为 势 能, 也 就 是 由 玻 色 频 率 转 化 为 费 米 频 率 我 们 可 用 计 算 机 模 拟 计 算, 也 可 使 用 数 学 推 导 ( 由 于 篇 幅 有 限, 推 导 从 略 ), 得 到 电 场 相 互 作 用 中 的 频 率 转 换 公 式 :( 这 个 公 式 在 薛 定 谔 波 动 方 程 分 析 氢 原 子 能 级 时 常 使 用 ) 1 q q 累 计 变 动 频 率 v = 1 4 πε 0 r 库 仑 定 律 中 的 分 母 r 的 平 方 号 去 掉 了, 表 明 费 米 之 间 由 自 由 的 较 弱 的 相 互 作 用 状 态 进 入 较 强 的 相 互 作 用 状 态, 将 随 着 距 离 的 减 少 玻 色 频 率 分 量 将 增 加 ( 异 性 电 场 时 ) 或 减 少 ( 同 性 电 场 时 ), 变 动 的 值 与 相 互 距 离 成 反 比 第 八 章 研 究 相 对 论 与 电 磁 场 的 关 系 时, 将 对 上 述 公 式 作 适 当 修 改, 但 在 电 荷 低 速 运 动 时, 上 述 公 式 是 准 确 的 这 里 要 特 别 指 出 公 式 中 的 频 率 是 指 系 统 总 的 玻 色 频 率, 当 系 统 的 玻 色 频 率 增 加 或 者 减 少 时, 费 米 子 的 费 米 频 率 变 动 总 数 与 玻 色 频 率 变 动 总 数 是 不 一 样 的, 要 按 照 直 角 三 角 形 的 矢 量 计 算, 同 时 每 个 费 米 子 的 频 率 变 动 也 是 不 一 样 的, 与 参 与 作 用 的 费 米 子 个 数 及 费 米 子 的 频 率 大 小 ( 质 量 大 小 ) 有 关, 遵 循 动 量 守 恒 规 律 即 矢 量 波 密 度 守 恒 定 律 按 照 描 述 费 米 波 的 直 角 三 角 形 理 解, 费 米 波 在 相 互 作 用 时, 自 动 地 调 整 角 度, 自 动 地 调 减 或 调 增 费 米 频 率 分 量 数 值, 即 减 增 势 能, 并 相 应 地 自 动 地 调 增 或 者 调 减 玻 色 波 频 率 分 量 数 值, 即 增 减 动 能 同 时 自 然 地 得 到 作 用 力 方 向, 即 产 生 运 动 的 方 向 一 定 是 使 费 米 频 率 变 小 的 方 向, 即 势 能 变 小 的 方 向 八 电 通 量

72 经 典 理 论 对 电 通 量 的 定 义 是 : 通 过 曲 面 S 的 电 场 线 条 数 叫 做 这 个 曲 面 的 电 通 量 由 于 我 们 没 有 引 入 电 场 线 的 概 念, 只 能 对 电 通 量 作 如 下 定 义 : 电 通 量 是 电 场 强 度 在 一 定 面 积 上 的 积 分 通 过 面 积 元 ds 的 电 通 量 可 写 成 E 和 ds 两 矢 量 的 标 量 积 dφ=e ds 对 于 一 个 闭 合 曲 面 来 说, 它 的 电 通 量 表 达 式 是 电 通 量 φ= E ds 如 图 6-4, 在 点 电 荷 q 的 电 场 中, 以 q 为 球 心,r 为 半 径 作 一 球 面 S, 球 面 上 任 一 点 的 场 强 数 值 都 是 q/(4πε 0 r ), 方 向 沿 半 径 方 向, 球 面 S 上 的 电 通 量 为 q φ = s E d S = s E d S = s d S 4 πε 0r q q = 4 π r = 4 πε r ε 0 0 r s q 图 6-4 电 通 量 示 意 图 也 就 是 说, 点 电 荷 产 生 的 电 通 量, 与 球 的 半 径 无 关, 只 与 球 面 内 的 电 量 q 有 关 这 意 味 着 对 以 点 电 荷 q 为 中 心 的 任 意 球 面 来 说, 通 过 它 们 的 电 通 量 都 等 于 q/ ε 0 q>0 时,φ>0, 电 场 强 度 穿 出 闭 合 曲 面 ;q<0 时,φ<0, 电 场 强 度 穿 入 闭 合 曲 面 ( 次 / 秒 ) 米 量 子 单 位 制 中 电 通 量 的 单 位 为 : e 一 个 量 子 电 量 为 1e, 在 真 空 中 电 通 量 : 1 φ = e = ac ( 次 / 秒 ) 米 /e ε 0 由 此 可 见 一 定 电 量 总 是 伴 随 着 一 定 的 电 通 量, 电 通 量 是 电 量 的 另 一 种 表 达 方 式, 是 电 量 派 生 出 来 的 另 一 个 物 理 量 只 要 有 电 荷 存 在 就 一 定 有 电 场 存 在, 即 使 没 有 另 一 电 场 ( 无 论 是 正 或 负 ) 存 在, 没 有 相 互 作 用 的 情 况 下 这 个 电 场 照 样 存 在, 但 只 是 在 电 场 之 间 的 相 互 作 用 中 才 显 示 电 场 的 存 在 一 个 电 荷 表 现 的 性 质 如 电 通 量, 并 不 是 直 接 的 物 理 状 态, 而 是 说 明 如 果 另 一 电 场 存 在 时 的 相 互 作 用 特 征 这 个 问 题 在 后 面 研 究 的 磁 现 象 中 更 加 明 显, 电 荷 的 运 动 产 生 磁 场, 但 如 果 没 有 另 外 的 电 荷 运 动 产 生 的 磁 场 并 与 之 相 互 作 用, 这 个 磁 场 并 不 新 增 能 量 就 像 两 个 独 立 的 弹 簧 并 不 产 生 任 何 新 增 的 能 量 和 力, 只 有 两 个 弹 簧 共 同 作 用 时, 才 显 示 出 弹 簧 的 性 质, 才 能 储 存 能 量 例 : 由 一 个 氢 原 子 和 一 个 电 子 的 集 合 体, 求 包 围 它 们 的 闭 合 曲 面 的 电 通 量, 并 求 一 个 距 离 这 个 集 合 体 10-7 米 处 的 电 场 强 度 该 集 合 体 包 含 了 一 个 正 电 荷, 两 个 负 电 荷

73 1 电 通 量 φ = (e e e) = - ac ( 次 / 秒 ) 米 /e ε 0 电 场 强 度 E = 电 通 量 φ / 距 离 r 处 的 球 面 积 = - ac / (4 π )( 次 / 秒 )/(e 米 ) 14 = - ( ac /π) 10 ( 次 / 秒 )/(e 米 ) 负 号 表 明 电 场 强 度 是 指 向 集 合 体 的 九 电 势 能 及 电 势 传 统 物 理 学 对 电 场 中 电 势 能 的 定 义 是 :a,b 两 点 的 电 势 能 之 差 等 于 把 电 量 q 0 从 电 场 中 α 点 移 到 b 点 时 电 场 力 的 功 要 确 定 q 0 在 电 场 中 某 点 的 电 势 能, 就 需 要 先 选 定 电 势 能 零 点 对 于 有 限 电 荷 分 布 的 电 场, 一 般 取 无 限 远 处 作 为 电 势 能 零 点 这 样,q 0 在 电 场 中 α 点 的 电 势 能 Ua= q 0 Ecosθd l a = q 0 E d l a 在 点 电 荷 q 的 电 场 中, 试 验 电 荷 q 0 所 具 有 的 电 势 能 1 q0q U = q0e dl = a 4 πε 0 ra 在 国 际 单 位 制 中, 电 势 能 的 单 位 为 焦 耳 (J) 量 子 单 位 制 中 的 电 势 能 即 变 动 频 率, 单 位 就 是 : 次 / 秒 电 势 能 = 电 通 量 φ 试 验 电 量 q 0 /(4πr) 由 电 势 能 的 定 义 我 们 可 以 知 道, 电 势 能 与 试 验 电 量 成 正 比, 而 与 距 离 成 反 比, 用 电 势 能 除 以 试 验 电 量, 就 得 到 电 势 的 定 义 U a 电 势 用 V a 表 示, V = = a dl q a 0 即 电 场 中 某 点 的 电 势, 在 数 值 上 等 于 把 单 位 电 量 的 正 电 荷 从 该 点 移 到 无 限 远 处 ( 或 零 电 势 处 ) 电 场 力 所 作 的 功, 或 者 说 放 在 该 点 的 单 位 电 量 的 正 电 荷 具 有 的 电 势 能 任 意 两 点 a 和 b 之 间 电 势 之 差, 称 为 a,b 两 点 的 电 势 差 ( 也 叫 电 压 ), 以 V ab 表 示 b V = V V = E d l ab a b a 量 子 单 位 制 中 电 势 和 电 压 的 单 位 均 为 :( 次 / 秒 )/e 在 国 际 单 位 制 中, 电 势 和 电 势 差 的 单 位 都 是 伏 特 (V) 电 势 = 电 势 能 / 电 量 14 1 伏 特 电 势 = 焦 / 库 = ( 次 / 秒 ) / e 电 势 叠 加 原 理 在 点 电 荷 系 q 1,q,,q n 的 电 场 中, 每 一 点 的 场 强 都 等 于 各 点 电 荷 产 生 的 场 强 的 矢 量 和 E =E1+E + +En 因 此 电 势 是 可 以 叠 加 的 十 电 容 电 容 是 宏 观 物 理 学 的 概 念, 一 个 孤 立 导 体 的 电 容 C 定 义 为 导 体 所 带 的 电 量 Q 与 其 电 势 V 的 比 值, 即 C=Q/V. 在 国 际 单 位 制 中, 电 容 的 单 位 是 法 拉 (F),

74 1库 仑 1 法 拉 = 1伏 特 在 电 池 的 电 势 作 用 下, 电 容 器 极 板 可 以 带 电 量, 一 定 形 状 的 电 容 器 在 一 定 的 电 压 下 带 的 电 量 是 一 定 的 如 果 此 时 将 线 路 断 开, 电 容 器 的 极 板 上 仍 然 带 有 电 量, 而 一 定 形 状 的 电 容 器 带 有 一 定 电 量 时 两 端 的 电 压 也 是 一 定 的, 当 电 量 自 然 消 失 时, 两 端 电 压 相 应 下 降 孤 立 导 体 的 电 容 只 与 导 体 的 几 何 形 状 和 体 积 有 关, 与 它 所 带 的 电 量 和 电 势 无 关, 因 为 只 要 有 这 样 形 状 的 导 体, 就 有 这 样 大 的 电 容, 当 在 这 个 电 容 器 上 施 加 电 势, 就 可 以 形 成 电 量 的 积 累 或 者 反 过 来, 只 要 这 个 电 容 器 上 积 累 有 电 量, 就 一 定 形 成 一 定 的 电 势 量 子 单 位 制 中 电 容 的 单 位 是 :e 秒 e 1法 电 容 = 次 /( 秒 e) = e 秒 第 七 章 磁 场 是 电 场 的 调 整 一 运 动 电 荷 产 生 磁 场 (1) 磁 场 的 产 生 如 图 7-1, 电 荷 q 1 的 运 动 将 产 生 磁 场, 在 一 定 距 离 的 P 点 的 磁 场 强 度 大 小 与 电 量 q 1 成 正 比, 与 q 1 的 运 动 速 度 υ 1 成 正 比, 与 距 电 荷 q 1 的 矢 量 r 的 平 方 成 反 比, 磁 场 方 向 是 垂 直 于 υ 1 与 r 组 成 的 平 面, 与 r 及 υ 的 夹 角 的 正 弦 成 正 比, 即 90 o 时 最 大 为 1 为 了 简 化 分 析 过 程, 可 以 设 sinθ 为 1, 即 两 个 电 荷 的 运 动 在 同 一 平 面 内 并 且 平 行, 考 察 时 两 个 电 荷 的 连 线 与 运 动 方 向 垂 直 ( 以 后 不 再 说 明 ) q 1 1 r P 点 q 图 7-1 磁 场 形 成 及 磁 感 应 强 度 示 意 按 照 传 统 物 理 学 计 算, 此 时 在 P 点 的 磁 感 应 强 度 µ 0q1υ 1 r0 B = 4 π r r 0 是 位 矢 r 方 向 的 单 位 矢 量, 按 右 手 定 则, 拇 指 伸 直 指 向 正 电 荷 运 动 方 向 ( 或 者 负 电 荷 运 动 反 方 向 ), 右 手 四 指 握 圈 即 指 向 磁 感 应 强 度 方 向, 此 例 若 q 1 为 正 电 荷, 则 P 点 的 磁 感 应 强 度 方 向 是 从 纸 外 向 纸 里 ( 以 后 将 省 略 r 0 ) 国 际 单 位 制 中, 磁 感 应 强 度 的 单 位 是 特 斯 拉 (T) T 的 量 纲 是 : 千 克 /( 秒 安 ), kg S - A -1

75 由 于 1 千 克 相 当 于 秒 / 米, 18 1A 为 e/ 秒 将 特 斯 拉 (T) 转 化 为 量 子 单 位 制 单 位 : 1T = / = ( 次 / 米 )/(e 米 ) 公 式 中,μ0叫 做 真 空 磁 导 率 国 际 单 位 制 中 : 7 真 空 磁 导 率 µ 0 = 4 π 10 牛 /A 7 = 4 π 10 焦 秒 /( 库 米 ) 换 算 为 量 子 单 位 制 : 秒 真 空 磁 导 率 = e 米 我 们 注 意 到 此 值 恰 好 等 于 a/c, 于 是 : a 1 秒 μ 0 = = c ε c e 米 磁 感 应 强 度 计 算 公 式 可 变 化 为 : q1υ 1 B = ε 4c π r 0 0 () 磁 场 的 作 用 速 度 为 υ 的 运 动 电 荷 q 在 这 个 磁 场 中 的 P 点 所 受 的 洛 伦 兹 力 F= qυ B B 为 磁 感 应 强 度, 力 的 方 向 垂 直 于 υ及 B 所 在 平 面 此 时 再 用 第 二 个 右 手 定 则 : 右 手 伸 平, 掌 心 向 着 磁 感 应 强 度 方 向, 拇 指 伸 直 指 向 正 电 荷 运 动 方 向 ( 或 者 负 电 荷 运 动 反 方 向 ), 右 手 四 指 伸 直 即 指 向 作 用 力 方 向 此 例 若 q1 和 q 均 为 正 电 荷,P 点 受 力 为 吸 引 方 向 二 磁 场 是 电 场 的 调 整 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 磁 现 象 在 本 质 上 是 电 荷 运 动 时 对 电 场 的 调 整, 电 荷 运 动 时 与 q 相 当 的 物 理 量 为 q υ, 并 将 真 空 磁 导 率 用 电 场 力 常 数 ( 即 倒 数 真 空 电 容 率 ) 表 示, 上 述 公 c 式 可 变 换 为 : (1) 磁 场 产 生 公 式 1 q υ 1 1 c 电 场 的 调 整 量 = 单 位 为 :( 次 / 秒 )/(e 米 ) ε 0 4 π r 这 个 增 加 的 电 场 只 对 运 动 的 电 荷 产 生 影 响 () 磁 场 作 用 公 式 即 磁 的 库 仑 定 律 υ1 υ ( q1 )( q ) 1 F= c c ε 0 4 π r (3) 电 场 与 磁 场 合 并 考 虑 的 库 仑 定 律 υ1 υ q1q ( ± 1± ) 1 F= c c ε 0 4 π r 这 样 就 将 电 场 与 磁 场 联 系 在 一 起, 将 电 荷 的 运 动 即 磁 现 象 视 为 电 场 的 调 整 F 的 方 向 由 两 个 电 荷 的 正 负 性 及 运 动 方 向 决 定 具 体 可 由 两 个 右 手 定 则 确 定 :

76 (1) 先 在 磁 场 形 成 的 运 动 电 场 位 置, 即 第 一 个 电 荷 位 置, 用 右 手 拇 指 伸 直 指 向 电 场 运 动 方 向, 即 正 电 荷 运 动 方 向, 也 即 电 流 方 向 ( 或 者 负 电 荷 运 动 反 方 向 ) 四 指 握 圈, 即 指 向 磁 感 应 强 度 方 向 () 再 在 相 互 作 用 位 置, 即 第 二 个 电 荷 位 置, 用 右 手 掌 平 伸, 手 心 向 着 磁 感 应 强 度 方 向 拇 指 伸 直 指 向 正 电 荷 运 动 方 向, 即 电 场 运 动 方 向, 也 即 电 流 方 向 ( 或 者 负 电 荷 运 动 反 方 向 ), 这 时 四 指 指 向 力 的 方 向 为 什 么 运 动 的 电 荷 会 产 生 对 电 场 的 调 整, 这 与 费 米 自 旋 的 调 整 有 关, 调 整 的 比 例 为 υ / c 三 电 流 建 立 几 个 概 念 : 长 度 元 : 观 察 导 线 中 或 者 真 空 中 电 荷 运 行 空 间 的 行 程 长 度 元 的 单 位 : 米 长 度 元 内 电 荷 数 电 荷 运 动 速 度 电 流 = = 电 量 / 时 间 该 长 度 元 长 度 即 单 位 时 间 通 过 一 个 截 面 的 电 量 称 为 电 流 量 子 单 位 制 中 电 流 的 单 位 :e / 秒 国 际 单 位 制 中 电 流 的 单 位 : 安 (A), 即 库 仑 / 秒 1A = e/ 秒 -19 1e/ 秒 = 库 / 秒 (A) 电 流 元 = 长 度 单 位 内 电 荷 数 电 荷 运 动 速 度 = 电 流 长 度 电 流 元 的 单 位 为 e 米 / 秒 电 流 本 来 是 一 个 宏 观 物 理 现 象, 一 般 指 较 多 电 子 运 动 形 成 的 持 续 电 流 我 们 研 究 量 子 的 基 本 问 题 时, 出 现 的 是 单 个 量 子, 如 何 使 单 个 量 子 运 动 与 电 流 概 念 衔 接, 用 以 下 实 例 说 明 例 1: 如 图 7-, 如 果 观 察 的 电 荷 运 动 空 间 长 度 是 米, 电 量 密 度 是 1000 e/ 米, 电 荷 的 速 度 达 到 米 / 秒 长 度 元 = 米 长 度 元 内 的 平 均 电 子 数 = = 1 电 流 = 电 荷 运 动 速 度 线 性 电 荷 密 度 = = 3 e/ 秒 电 流 元 = 电 流 长 度 = 米 = e 米 / 秒 电 荷 速 度 υ A 观 察 长 度 平 均 电 子 数 = 电 量 密 度 x 长 度 图 7- 电 荷 运 动 与 电 流 B 例 : 如 图 7-, 如 果 观 察 的 电 荷 运 动 空 间 长 度 是 米, 电 量 密 度 是 3000 e / 米, 电 荷 的 速 度 米 / 秒 长 度 元 = 米 长 度 元 内 的 平 均 电 子 数 = = 3 电 流 = 电 荷 运 动 速 度 线 性 电 荷 密 度 = = 3 e/ 秒 电 流 元 = 电 流 长 度 = = e 米 / 秒 例 3: 如 图 7-, 如 果 只 有 一 个 电 荷 运 动, 速 度 为 米 / 秒, 我 们 考 察 的 空 间 长 度 为 0.01 米 ( 恰 好 电 子 正 在 其 中 ) 长 度 元 = 0.01 米

77 长 度 元 内 的 电 荷 数 = 1 电 荷 线 性 密 度 = 1/0.01 = 100 e/ 米 电 流 = 电 荷 运 动 速 度 线 性 电 荷 密 度 = = 0.1 e/ 秒 电 流 元 = 电 流 长 度 = 米 = e 米 / 秒 例 4: 如 图 7-, 如 果 只 有 一 个 电 荷 运 动, 速 度 为 米 / 秒, 我 们 考 察 的 空 间 长 度 为 米 ( 恰 好 电 子 正 在 其 中 ) 长 度 元 = 米 长 度 元 内 的 电 荷 数 = 1 电 荷 线 性 密 度 = 1/ = e/ 米 电 流 = 电 荷 运 动 速 度 线 性 电 荷 密 度 = = 10 e/ 秒 电 流 元 = 电 流 长 度 = = e 米 / 秒 考 察 的 长 度 元 越 短, 某 时 段 的 电 流 将 会 越 大, 原 因 是 我 们 假 设 电 子 恰 好 在 这 么 短 的 长 度 内 出 现 这 个 恰 好 正 是 我 们 研 究 简 单 的 带 电 量 子 相 互 作 用 所 必 需 的, 我 们 正 要 研 究 这 个 恰 好 之 时 量 子 波 的 相 互 作 用 如 何 与 经 典 理 论 衔 接 呢? 只 能 使 用 电 流 元 概 念, 无 论 我 们 跟 踪 带 电 量 子 的 距 离 多 长, 在 这 段 距 离 的 电 流 有 多 大, 电 流 元 的 值 都 等 于 : 电 量 电 荷 速 度, 这 也 体 现 了 笔 者 认 为 磁 场 是 电 场 调 整 的 观 点, 电 荷 运 动 时 与 q 相 当 的 物 理 量 为 q υ, c 不 过 电 流 元 中 的 速 度 是 绝 对 速 度 而 不 是 与 光 速 的 比 值 四 磁 通 量 与 电 场 中 类 似, 穿 过 某 一 面 积 上 的 磁 感 应 线 条 数 叫 磁 通 量 对 磁 场 中 任 一 面 元 ds 的 元 磁 通 可 写 为 dφ = B ds=bdscosθ = B ds 通 过 磁 场 中 任 意 有 限 曲 面 的 磁 通 量 φ = d Φ = B d S s 磁 通 量 = 磁 感 应 强 度 B 面 积 量 子 单 位 制 中 磁 通 量 的 单 位 是 : 次 /e 这 个 次 /e 代 表 什 么 物 理 量 呢? 次 / 秒 ( 次 / 秒 ) 米 对 磁 通 量 单 位 进 行 变 换 : 次 /e = = e/ 秒 米 e 秒 我 们 回 顾 电 通 量 的 量 纲 是 : ( 次 / 秒 ) 米 /e 磁 通 量 与 电 通 量 相 比 即 由 e 改 变 为 eυ, 电 通 量 表 明 一 个 电 子 静 止 时 的 特 性, 而 磁 通 量 表 明 了 一 个 电 子 运 动 时 的 特 性 进 一 步 说 明 磁 场 的 本 质 是 对 电 场 的 调 整, 这 样 处 理 能 简 化 我 们 的 思 维, 有 利 于 揭 示 物 质 内 部 的 秘 密 国 际 单 位 制 中 磁 通 量 的 单 位 是 : 韦 伯 (Wb), 即 千 克 米 /( 秒 库 ) 韦 伯 (Wb)= 特 斯 拉 (T) 面 积 ( 米 ) = ( 次 / 米 )/(e 米 ) 米 14 韦 伯 (Wb) 相 当 于 : 次 /e 五 磁 场 强 度 磁 场 强 度 H 是 为 了 计 算 磁 介 质 中 的 磁 感 应 强 度 B 而 引 出 的, 我 们 研 究 的 是 真 空 介 质, 同 样 可 以 建 立 这 个 概 念 引 入 磁 场 强 度 这 一 物 理 量, 用 H 表 示 在 量 子 单 位 制 中,

78 1 磁 场 强 度 H = 电 流 强 度 / 米 = 磁 感 应 强 度 B( / ) ε 0c 单 位 是 :e / ( 秒 米 ) 在 国 际 单 位 制 中, 磁 场 强 度 的 单 位 为 安 培 / 米, 即 库 仑 / ( 秒 米 ) 1 安 培 / 米 = e /( 秒 米 ) 对 于 稳 定 电 流 来 说, 假 设 的 无 限 长 的 直 导 线, 任 何 时 候 导 线 上 每 一 长 度 元 都 对 磁 场 有 贡 献, 不 能 简 单 地 按 点 电 荷 的 方 式 计 算 磁 感 应 强 度 或 者 磁 场 强 度 六 法 拉 第 电 磁 感 应 定 律 实 验 表 明, 感 应 电 动 势 的 大 小 与 通 过 导 体 回 路 的 磁 通 量 的 变 化 率 成 正 比 用 Φ 表 示 闭 合 导 体 回 路 中 的 磁 通 量,ε 表 示 导 体 回 路 中 的 感 应 电 动 势, 在 国 际 单 位 制 下, 由 实 验 总 结 出 的 这 一 规 律 是 d Φ ε = ( ± ) dt 这 一 表 达 式 叫 做 法 拉 第 电 磁 感 应 定 律, 式 中 的 正 负 号 反 映 感 应 电 动 势 的 方 向 与 磁 通 量 变 化 的 关 系 判 定 电 动 势 方 向 时, 可 以 按 两 个 右 手 法 则, 将 磁 通 量 的 增 加 理 解 为 电 流 加 大 即 可 判 断 感 应 电 流 和 感 应 电 势 方 向 一 般 线 圈 都 是 多 匝 串 联 起 来 的, 在 这 种 情 况 下, 线 圈 中 的 磁 通 量 变 化 时, 线 圈 上 总 的 电 动 势 等 于 每 一 匝 线 圈 上 的 电 动 势 之 和, 如 果 每 一 匝 线 圈 完 全 相 同, 共 有 N 匝, 那 么 线 圈 中 的 总 的 电 动 势 d Φ d( NΦ) dψ ε = ( ± ) N = ( ± ) = ( ± ) dt d t d t ψ=nφ 称 为 线 圈 的 磁 通 链 次 量 子 单 位 制 中 磁 通 量 的 单 位 : e 由 于 感 应 电 动 势 与 通 过 导 体 回 路 的 磁 通 量 度 化 率 成 正 比, 则 有 : 次 次 / 秒 电 动 势 ε = 变 动 的 磁 通 量 / 时 间 = / t = e e 一 定 的 电 势 在 一 定 的 距 离 可 产 生 一 定 的 电 场 强 度 : 电 场 强 度 = 电 势 / 距 离 在 空 间 的 一 个 区 域, 如 果 存 在 一 个 变 动 的 电 场, 如 带 电 量 子 的 运 动, 即 可 形 成 电 场 的 变 动, 那 么 它 必 然 伴 随 电 场 的 调 整 即 磁 场 计 量 某 点 的 磁 场 大 小 可 以 用 磁 感 应 强 度 表 示 磁 感 应 强 度 的 计 算 公 式 : q1υ 1 B = ε 0 4c π r 电 场 强 度 的 计 算 公 式 : q1 B = ε 0 4 π r 因 此 : 磁 感 应 强 度 = 电 场 强 度 (υ/c ) 磁 感 应 强 度 在 一 个 区 域 的 面 积 上 的 积 分, 称 为 磁 通 量, 磁 通 量 = 磁 感 应 强 度 S, 单 位 为 : 次 /e 电 场 强 度 在 一 个 区 域 的 面 积 上 的 积 分, 称 为 电 通 量, 电 通 量 = 电 场 强 度 S, 单 位 为 :( 次 / 秒 ) 米 /e 因 此, 磁 通 量 = 电 通 量 (υ/c ), 磁 通 量 的 按 时 间 变 化 率 :( 次 /e)/ 秒 = ( 次 / 秒 )/e, 即 电 势 也 可 表 达 为 : 电 势 = 电 通 量 (υ/c )/ 时 间 = 电 通 量 ( 加 速 度 /c )

79 意 味 着 电 通 量 的 加 速 度 引 起 了 电 势 由 此 可 见, 所 谓 磁 场 变 动 实 际 上 是 该 点 电 场 速 度 的 变 动 引 起 的 电 场 强 度 变 动 磁 通 量 的 变 动 可 以 有 各 种 形 式, 无 论 是 载 流 导 线 运 动, 还 是 电 流 变 动, 或 者 是 磁 铁 的 移 动, 对 于 作 用 点 来 说 就 是 电 场 的 变 速 运 动 七 电 感 当 线 圈 中 的 电 流 变 化 时, 通 过 线 圈 自 身 的 磁 通 链 也 随 之 变 化, 使 线 圈 自 身 产 生 感 应 电 动 势 这 种 因 线 圈 中 的 电 流 变 化 而 在 线 圈 自 身 所 引 起 的 感 应 现 象 叫 自 感 现 象, 所 产 生 的 电 动 势 叫 自 感 电 动 势 当 一 个 线 圈 中 的 电 流 变 化 时, 通 过 线 圈 自 身 的 磁 通 链 也 随 之 变 化, 影 响 到 附 近 另 一 个 线 圈 产 生 感 应 电 动 势 感 应 现 象 叫 互 感 现 象, 所 产 生 的 电 动 势 叫 互 感 电 动 势 可 以 将 自 感 与 互 感 通 称 为 电 感 电 感 与 电 容 一 样, 主 要 与 导 线 ( 线 圈 ) 的 结 构 有 关, 线 圈 的 结 构 不 同, 因 电 流 而 产 生 磁 通 链 的 大 小 也 不 同, 或 者 受 磁 通 量 变 动 产 生 的 电 动 势 大 小 不 同, 反 映 线 圈 这 种 能 力 大 小 的 物 理 量 是 电 感 L = φ /i i 为 电 流, φ 为 磁 通 量, L 称 为 线 圈 的 电 感 国 际 单 位 制 中 电 感 的 单 位 是 亨 利 (H) 韦 伯 千 克 米 /( 秒 库 ) 亨 利 = 量 纲 为 :, 即 : 千 克 米 / 库 安 库 / 秒 量 子 单 位 制 中 自 感 单 位 为 秒 /e, 单 位 转 换 : 14 1 韦 伯 (Wb) 相 当 于 次 /e, 18 1 安 相 当 于 e/ 秒, 1 亨 相 当 于 : 秒 = e 电 感 = 磁 通 量 / 电 流 电 流 = 磁 通 量 电 感 八 电 阻 量 子 霍 尔 效 应 中 提 出 了 量 子 电 阻 概 念, 量 子 电 阻 为 普 朗 克 常 数 与 电 荷 平 方 的 比 值, 按 照 量 子 单 位 制, 电 阻 的 单 位 为 : 次 /e 应 当 注 意 到 量 子 单 位 制 中, 精 细 结 构 常 数 a = , 单 位 为 : 次 /e, 量 子 霍 尔 效 应 中 提 出 的 量 子 电 阻 与 精 细 结 构 常 数 有 密 切 关 系 电 阻 还 可 以 表 示 为 电 势 与 电 流 的 比 值 : ( 量 纲 分 析 ) 电 阻 = 电 势 / 电 流 = [( 次 / 秒 )/ e ] / (e/ 秒 ) = 1/e -6 1 欧 姆 = 次 /e 1 次 /e = 欧 姆 ( 即 冯 克 利 青 常 数 ) 笔 者 本 来 将 电 阻 视 为 宏 观 现 象, 没 有 写 在 书 中 后 来 阅 读 到 英 国 的 安 东 尼 黑 和 帕 特 里 克 沃 尔 特 斯 先 生 的 新 量 子 世 界 ( 雷 奕 安 译, 长 沙 : 湖 南 科 学 技 术 出 版 社, 005 ) 一 书 第 136 页 有 一 段 话 : 1980 年 克 劳 斯 冯 克 林 津 ( 又 译 为 : 冯 克 利 青 ) 和 他 的 同 事.., 也 许 意 义 更 大 的 是 量 子 电 阻 的 发 现 霍 尔 电 压 除 以 电 流 是 量 子 化 的, 这 一 量 子 单 位 正 比 于 普 朗 克 常 数 除 以 电 子 电 荷 的 平 方, 这 一 电 阻 单 位 与 原 子 物 理 里 面 的 一 个 基 本 物 理 常 量, 也 就 是 所 谓 精 细 结 构 常 数, 关 系 密 切 笔 者 当 时 正 为 由 于 建 立 了 量 子 单 位 制 而 使 精 细 结 构 常 数 不 是 无 量 纲 数, 而 是 出 现 了 单 位 次 /e 如 何 解 释 而 思 考, 读 到 这 一 段 文 字 后, 立 即 将 电 阻 的 单 位 用 量 子 单 位 制 转 换, 果 然 得 到 次 /e, 说 明 二 者 确 实 有 一 定 联 系 九 位 移 电 流 与 麦 克 斯 韦 方 程 组 麦 克 斯 韦 提 出 位 移 电 流 之 前, 人 们 已 经 总 结 出 了 电 磁 场 的 基 本 规 律 由 库 仑 定 律 和 场 强 叠 加 原 理 可 得 出 静 电 场 的 两 条 重 要 定 理 : (1) 电 场 的 高 斯 定 理 D d S q = 0

80 () 静 电 场 的 环 路 定 理 E dl = 0 由 毕 奥 - 萨 伐 尔 定 律 得 出 恒 磁 场 的 两 条 重 要 定 理 : (3) 磁 场 的 高 斯 定 理 B d S = 0 (4) 安 培 环 路 定 理 H d l = I 0 上 述 内 容 已 在 前 面 叙 述, 此 外 还 有 磁 场 变 化 时 的 规 律 : (5) 法 拉 第 电 磁 感 应 定 律 Φ ξ = B t 麦 克 斯 韦 根 据 当 时 的 实 验 资 料 和 理 论 的 分 析, 全 面 系 统 地 考 查 了 这 些 公 式, 看 出 电 动 势 现 象 预 示 着 变 化 的 磁 场 周 转 围 产 生 涡 旋 电 场, 可 是 存 在 着 严 重 的 不 对 称 性, 这 种 不 对 称 性 表 现 在 : 变 化 磁 场 可 以 激 发 电 场, 却 看 不 到 变 化 的 电 场 能 否 激 发 磁 场 同 时 发 现 将 安 培 环 路 定 理 应 用 到 非 恒 定 情 形 时 遇 到 了 矛 盾, 最 典 型 的 例 子 是 含 有 电 容 器 的 电 路, 明 明 没 有 电 子 通 过 两 个 极 板, 可 是 电 流 依 然 存 在 于 是 麦 克 斯 韦 提 出 了 位 移 电 流 假 说, 即 电 场 的 变 动 不 仅 仅 在 导 线 中, 而 且 可 以 在 电 容 器 的 极 板 间 产 生 类 似 电 流 的 某 些 效 应, 电 流 可 以 产 生 磁 场, 反 过 来 变 化 的 磁 场 可 以 产 生 磁 通 量 的 变 化, 产 生 电 场 麦 克 斯 韦 方 程 组 将 以 上 分 析 的 结 果 概 括 起 来, 就 得 到 在 普 遍 情 况 下 电 磁 场 满 足 的 方 程 组 : d S = q E l = d S = 0 D 0 (I) B d ds (II) t B (III) D H d l = I 0 + d S (IV) t 这 是 麦 克 斯 韦 方 程 组 的 积 分 形 式 麦 克 斯 韦 提 出 的 位 移 电 流 的 假 设 在 电 磁 场 理 论 中 具 有 非 常 重 要 的 地 位, 两 个 带 电 量 子 移 近 ( 或 移 远 ) 时, 即 使 在 所 观 察 的 空 间 没 有 出 现 这 两 个 量 子 的 中 心, 但 只 要 是 电 场 的 变 动, 就 可 以 产 生 位 移 电 流, 产 生 磁 场 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为, 位 移 电 流 概 念 的 建 立 实 际 上 是 承 认 了 电 子 的 非 定 域 性 特 征, 不 能 将 电 子 的 区 域 局 限 在 含 有 电 子 波 动 中 心 的 部 分 表 明 麦 克 斯 韦 理 论 威 力 的 还 有 一 件 事, 就 是 预 见 光 是 起 源 于 电 磁 现 象 的 横 波 既 然 电 介 质 中 的 粒 子 位 移 可 以 看 成 是 电 流, 就 可 以 把 电 流 与 磁 力 线 的 相 互 作 用 推 广 到 绝 缘 体, 甚 至 是 充 填 于 真 空 的 以 太 在 这 些 介 质 中 任 一 点 产 生 的 电 粒 子 的 振 动, 就 可 以 通 过 相 互 作 用 在 介 质 中 扩 展 开 去 并 预 测 电 磁 波 的 值 为 : 千 米 / 秒 物 质 基 本 结 构 理 论 并 没 有 认 同 光 子 是 电 场 与 磁 场 交 替 转 换 的 观 点, 而 是 认 为 光 子 是 实 实 在 在 的 以 太 结 构 的 波 动, 那 么 麦 克 斯 韦 电 磁 波 理 论 为 什 么 能 够 预 测 光 速 呢? 笔 者 认 为 这 是 由 于 用 直 角 三 角 形 描 述 费 米 子 的 运 动, 真 空 光 速 常 数 c 将 会 自 然 地 出 现 在 物 理 公 式 中, 静 止 的 电 场 与 运 动 的 电 场 即 磁 场 的 关 系, 也 即 真 空 电 容 率 与 真 空 磁 导 率 的 关 系 将 会 出 现 c 因 子, 光 速 也 就 自 然 地 与 电 磁 场 联 系 在 一 起 了 第 八 章 量 子 相 对 论

81 一 狭 义 相 对 论 要 点 及 变 换 公 式 我 们 把 牛 顿 伽 里 略 的 相 对 论 称 为 经 典 相 对 论, 经 典 相 对 性 理 论 和 变 换 公 式 在 我 们 日 常 的 物 理 现 象 中 是 常 见 的 例 如 在 高 速 运 动 的 火 车 上, 我 们 朝 上 下 左 右 传 递 重 物, 丝 毫 也 没 有 感 觉 到 火 车 高 速 运 动 的 存 在 我 们 的 地 球 自 转 和 公 转 造 成 的 速 度 是 每 秒 800 米, 这 么 快 的 运 动, 我 们 几 乎 没 有 察 觉, 一 切 力 学 公 式 定 律 运 用 自 如 人 们 并 不 理 会 每 秒 800 米 的 速 度 将 形 成 多 大 的 动 能, 一 切 物 体 就 像 装 在 比 高 速 公 路 上 的 汽 车 快 几 倍 的 高 速 行 驶 的 列 车 上, 人 们 并 不 感 到 有 什 么 恐 惧, 一 切 都 很 平 静 人 们 只 关 心 物 体 之 间 的 相 对 速 度, 并 以 此 来 计 算 动 量 能 量 牛 顿 伽 里 略 时 期 对 空 间 和 时 间 的 认 识 是 有 局 限 性 的, 人 们 常 说 经 典 相 对 理 论 把 空 间 时 间 视 为 可 以 脱 离 物 质 运 动 而 独 立 存 在 的 事 物, 空 间 就 像 一 个 无 限 大 的 框 架, 其 他 事 物 可 以 装 在 其 中, 时 间 就 像 一 个 永 恒 的 有 标 准 刻 度 的 流, 事 物 的 发 生 变 化 与 这 个 流 的 过 程 一 一 对 应 实 际 上, 牛 顿 并 未 提 出 一 个 静 止 的 固 化 的 空 间, 反 而 是 提 出 无 数 的 参 照 系, 经 典 相 对 论 时 空 观 中 的 绝 对 性, 并 不 是 体 现 在 载 体 上 和 框 架 里, 而 是 体 现 在 对 于 不 同 的 匀 速 运 动 的 参 照 系, 在 进 行 空 间 和 时 间 测 量 时, 尺 子 和 时 钟 是 不 变 的 它 的 绝 对 性 是 体 现 在 体 系 之 间 的 空 间 和 时 间 的 量 度 不 变 性 上 这 种 绝 对 时 空 观 念, 到 了 现 代 物 理 时 期 就 无 法 解 释 许 多 物 理 现 象 了 如 测 量 装 置 无 论 是 向 着 光 源 运 动, 还 是 逆 着 光 源 运 动, 测 到 的 光 速 都 是 不 变 的 两 个 系 统 的 速 度 不 能 再 像 伽 里 略 变 换 一 样 直 接 相 加 了 高 速 运 动 状 态 下, 系 统 的 质 量 随 着 速 度 的 增 加 而 增 加, 简 单 的 变 换 公 式 远 远 不 能 满 足 要 求 在 电 磁 现 象 中, 不 仅 高 速 状 态 下 原 有 的 变 换 公 式 无 法 适 用, 就 是 低 速 状 态 也 不 能 用 原 有 的 简 单 的 变 换 公 式, 如 电 荷 的 运 动 产 生 磁 现 象, 运 动 的 地 球 上 的 两 个 相 对 静 止 的 电 荷 之 间 为 什 么 没 有 出 现 磁 现 象 呢? 如 何 在 相 互 作 用 ( 观 察 也 是 作 用 ) 中 描 述 量 子 状 态 促 使 了 爱 因 斯 坦 相 对 论 的 产 生 爱 因 斯 坦 创 立 的 狭 义 相 对 论 认 为 : (1) 没 有 绝 对 的 运 动, 只 有 相 对 的 运 动, 任 何 惯 性 系 都 是 平 等 的 ; () 没 有 绝 对 的 空 间 和 时 间, 空 间 和 时 间 都 是 物 质 运 动 的 属 性, 空 间 和 时 间 的 确 认 与 物 质 系 统 的 运 动 状 态 有 关 ; (3) 光 速 不 变, 在 任 何 参 照 系 中 观 察 到 的 光 速 都 是 一 致 的 (4) 时 间 与 空 间 是 相 关 的, 以 光 作 为 传 递 信 号, 因 此 不 同 参 照 系 之 间 的 空 间 坐 标 和 时 间 坐 标 转 换 必 须 使 用 相 对 论 的 变 换 公 式, 空 间 与 时 间 必 须 同 时 进 行 变 换 现 设 置 两 个 坐 标 系 K 及 K, 坐 标 系 K 相 对 于 坐 标 系 K 以 x 轴 的 正 方 向 的 υ 速 度 运 动, 当 然 也 可 以 认 为 坐 标 系 K 相 对 于 坐 标 系 K 以 x 轴 的 反 方 向 的 υ 速 度 运 动 为 使 分 析 问 题 简 化, 假 设 两 个 坐 标 系 的 初 始 时 间 t 和 坐 标 x 均 为 0 如 图 8-1, 在 初 始 时,O 点 Z 轴 和 Y 轴 是 重 叠 在 一 起 的

82 Y K Y` K` υ O O` x x` Z Z` 图 8-1 狭 义 相 对 论 中 速 度 要 按 洛 伦 兹 公 式 变 换 两 个 参 照 系 中 的 空 间 和 时 间 坐 标 变 换 使 用 洛 伦 兹 变 换 公 式 ( 以 下 称 相 对 论 变 换 公 式 ): x υt x = (8-1-1) 1 υ / c υ t x t = c (8-1-) 1 υ / c 公 式 反 映 了 假 设 坐 标 K 以 υ 速 度 运 动, 而 坐 标 K 相 对 静 止 的 情 况 下 将 K 的 空 间 坐 标 x 及 时 间 坐 标 t 换 算 成 K 坐 标 系 里 的 x 及 t 数 值 从 公 式 可 以 看 出, 空 间 的 数 值 不 再 是 孤 立 的 绝 对 的 空 间, 时 间 的 数 值 也 不 再 是 孤 立 的 绝 对 的 时 间, 而 是 与 物 质 系 统 的 运 动 状 态 紧 密 联 系 的, 而 且 空 间 与 时 间 相 联 系, 对 于 相 同 的 位 置 在 不 同 的 时 间 测 量 得 到 不 同 的 数 值 坐 标 系 的 速 度 不 再 能 简 单 地 相 加 了, 任 何 物 质 体 系 的 速 度 不 能 超 过 光 速 按 照 相 对 论 公 式 变 换, 纵 向 速 度 叠 加 公 式 为 : d x' + υ d x d x' + υ d t' ' U = d t' υ + u = = = (8-1-3) d t υ v d x' 1+ υu' c d t' + d x' 1+ c c dt' 其 中 d x' u = d t' 运 动 物 体 的 质 量 变 化 公 式 : m0 m =, (8-1-4) υ 1 c 质 能 相 关 公 式 : 能 量 E = 质 量 m 光 速 c (8-1-5) 以 上 两 个 公 式 与 洛 伦 兹 变 换 并 无 直 接 联 系, 从 相 对 论 变 换 公 式 本 身 是 得 不 到 质 量 随 运 动 增 加 的 结 论 的, 理 论 的 发 展 过 程 是 改 进 牛 顿 运 动 公 式 来 适 应 相 对 论 变 换 公 式 的 物 质 基 本 结 构 理 论 建 立 了 以 太 结 构 和 量 子 波 概 念

83 后, 用 直 角 三 角 形 描 述 量 子 波, 自 然 地 得 到 质 量 ( 频 率 ) 随 运 动 增 加 而 变 动 的 υ 结 论, 而 且 与 相 对 论 变 换 公 式 的 系 数 1 完 全 一 致 质 量 随 运 动 增 加 的 公 式 c 是 描 述 量 子 实 质 性 变 动 的 公 式, 相 对 论 变 换 公 式 是 从 相 互 作 用 的 角 度 观 察 量 子 态 的 变 换 公 式, 二 者 角 度 不 同, 但 是 二 者 的 基 础 是 一 致 的 用 直 角 三 角 形 描 述 量 子 波, 运 用 了 斜 边 保 持 光 速 不 变 的 概 念, 而 相 对 论 变 换 公 式 的 推 导 过 程 也 用 上 了 光 速 不 变 的 概 念, 因 此 二 者 变 换 系 数 完 全 相 同 就 不 足 为 奇 了 对 于 上 述 相 对 论 的 变 换 公 式, 假 如 不 是 坐 标 系 K 以 υ 速 度 运 动 坐 标 系 K 相 对 静 止, 而 是 反 过 来 坐 标 系 K 以 -υ 速 度 运 动 坐 标 系 K 相 对 静 止, 相 对 论 的 变 换 公 式 能 够 适 用 吗? 可 以 对 公 式 作 一 些 变 形 : x υt 由 公 式 8-1-1: x = 1 υ / c υ t x 和 公 式 8-1-: t = c 1 υ / c 可 以 得 到 反 解 形 式 : x + υt x υt x = 即 为 公 式 x = 的 反 解 形 式 υ 1 υ / c 1 c υ υ t + x t x t = c 即 为 公 式 8-1- t = c 的 反 解 形 式 υ 1 υ / c 1 c 从 相 对 论 变 换 公 式 的 正 反 变 换 形 式 的 完 全 对 应 性, 实 现 了 爱 因 斯 坦 相 对 论 的 精 髓 没 有 绝 对 的 运 动, 只 有 相 对 的 运 动, 任 何 惯 性 系 都 是 平 等 的 这 样 看 来 相 对 论 似 乎 完 全 排 除 了 绝 对 性, 因 为 从 上 面 相 对 论 公 式 变 换 中 我 们 没 有 见 到 任 何 绝 对 性 的 痕 迹 其 实 不 然, 相 对 论 变 换 公 式 的 推 导 前 提 使 用 的 是 光 速 不 变 假 设, 在 推 导 过 程 中 ( 由 于 篇 幅 有 限, 未 能 介 绍 推 导 过 程 ) 光 速 从 正 反 两 个 方 向 传 播 对 于 参 照 系 的 速 度 都 是 一 样 的, 才 得 到 了 上 面 的 变 换 公 式 相 对 论 变 换 公 式 如 此 绝 妙, 无 论 是 正 解 还 是 反 解 都 得 到 完 全 相 对 的 结 果, 正 是 因 为 使 用 了 光 速 不 变 的 绝 对 性 因 素 本 书 在 后 面 研 究 相 对 论 的 实 质 时 将 会 指 出, 相 对 论 研 究 的 是 量 子 的 绝 对 性 在 相 对 的 相 互 作 用 中 的 表 现 形 式 问 题, 绝 对 性 是 相 对 论 中 不 可 缺 少 的 重 要 方 面 二 以 太 结 构 与 相 对 论 的 相 容 性 爱 因 斯 坦 相 对 论 的 一 个 重 要 原 理 就 是 不 存 在 任 何 特 殊 的 参 照 系, 任 何 惯 性 系 统 的 运 动 状 态 都 是 相 对 的, 即 无 所 谓 谁 在 运 动 谁 是 静 止 大 师 们 否 定 了 以 太 的 存 在, 其 中 一 个 理 由 就 是, 如 果 存 在 以 太 必 然 有 一 个 坐 标 系 是 最 特 殊 的, 这 就 是 相 对 于 以 太 而 言 静 止 的 坐 标 系 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 以 太 是 存 在 的, 这 样 就 会 出 现 一 个 速 度 与 以 太 相 同 的 参 照 系, 这 个 特 殊 的 参 照 系 的 出 现 是 否 会 与 相 对 论 矛 盾 呢? ( 一 ) 插 入 一 个 与 以 太 静 止 的 坐 标 系, 并 不 影 响 相 对 论 变 换 公 式 的 应 用 下 面 我 们 设 计 一 个 理 想 实 验, 即 在 上 一 节 两 个 坐 标 系 之 外 添 加 一 个 与 以 太 相 对 静 止 的 坐 标 系, 看 看 相 对 论 的 变 换 公 式 是 否 还 起 作 用 由 于 使 用 符 号 字 母 作 公 式 变 换, 文 章 将 变 得 枯 燥 无 味, 我 们 采 用 取 任 意 数 值 计 算 再 比 较 计 算 的 结

84 果 的 方 式, 和 使 用 符 号 字 母 作 公 式 变 换 效 果 是 一 样 的 同 时 为 了 计 算 简 便, 我 们 采 用 光 速 c 为 1 个 速 度 单 位 如 图 8-, 设 坐 标 系 K 相 对 于 坐 标 系 K 1 沿 x 轴 正 向 运 动, 速 度 为 υ = 0.8c Y0 Y Y1 υ υ1 K0 K K1 O O O X 0`X `X 1` Z 0 Z 1 Z 图 8- 插 入 一 个 与 以 太 静 止 的 坐 标 系 将 K 1 的 坐 标 值 变 换 为 K 的 坐 标 值 由 相 对 论 变 换 公 式 和 8-1-, 得 : x1 υt1 x1 0.8t1 x1 0.8t x = = = 1 υ / c 1 (0.8) 0.6 ( υ / c ) x1 t1 0.8x1 = υ / 0.6 c 1 (8--1) t1 t = (8--) 1 还 可 以 得 到 反 解 式 : x + 0.8t1 x1 = (8--3) 0.6 t + 0.8x1 t1 = (8--4) 0.6 两 个 坐 标 系 的 运 动 状 态 是 完 全 相 对 的 现 在 让 我 们 插 入 一 个 相 对 于 以 太 静 止 的 坐 标 系 K 0, 不 过 我 们 并 不 事 先 知 道 它 是 一 个 特 殊 的 坐 标 系, 用 实 验 方 法 我 们 也 无 法 察 觉 它 的 特 殊 性 x 0 表 示 空 间 坐 标, t 0 表 示 时 间 坐 标 假 设 测 得 原 来 任 意 设 的 K 1 坐 标 系 相 对 于 K 0 沿 x 轴 正 向 运 动, 速 度 为 υ 1 = 0.5c, x 1 表 示 空 间 坐 标, t 1 表 示 时 间 将 K 0 的 坐 标 变 换 为 K 1 坐 标 系 的 值 由 8--1 和 8-- 相 对 论 变 换 公 式, 得 : x0 υ1t 0 x0 0.5t0 x1 = = (8--5) t0 ( υ1 / c ) x0 t0 0.5x0 t1 = = (8--6) 1 υ / c 我 们 再 看 K 相 对 于 K 0 如 何 运 动, 如 何 作 坐 标 值 变 换, 根 据 相 对 论 的 速 度 叠

85 加 公 式 8-1-3, 将 数 值 代 入 : υ1 + υ υ = 1+ υ υ / c υ = = (8--7) 由 此 K 坐 标 系 相 对 于 K 0 是 沿 x 轴 正 方 向 运 动, 速 度 υ = , 那 么 将 K 0 坐 标 值 变 换 为 K 的 坐 标 值 : t0 x t0 x = χ = (8--8) 1 (0.9857) t x t = (8--9) 将 上 面 式 反 解 得 : x t x = (8--10) t x t = (8--11) 将 和 代 入 8--5 式 得 : x t t x 0.5 x = (8--1) 解 此 式 得 : x t x1 = x + 0.8t x1 = (8--13) 0.6 同 样 将 和 代 入 8--6 式 得 : t x x t 0.5 t = (8--14) 解 得 : t x t1 = (8--15) t + 0.8x t1 = 0.6 我 们 发 现 式 和 式 与 式 8--3 和 式 8--4 完 全 吻 合 本 例 我 们 对 速 度 取 了 具 体 的 数 值, 其 实 我 们 无 论 选 取 任 何 数 值, 只 要 不 大 于 光 速 c 都 可 以 得 到 相 同 的 结 果 由 此 可 见, 以 太 的 存 在 与 相 对 论 变 换 公 式 是 相 容 的 只 要 将 式 的 速 度 叠 加 公 式 换 算, 立 即 就 可 以 发 现 添 加 任 何 坐 标 系 都 是 可 以 依 据 相 对 论 公 式 进 行 变 换 的 这 并 不 是 逻 辑 的 循 环, 而 是 因 为 相 对 论 准 确 地 反 映 了

86 量 子 世 界 ( 不 仅 仅 是 高 速 世 界 ) 的 实 际 情 况, 它 的 公 式 当 然 无 论 如 何 变 换 都 能 表 现 出 相 对 性 ( 二 ) 插 入 一 个 与 以 太 静 止 的 坐 标 系, 并 不 影 响 相 对 论 变 换 公 式 在 电 磁 学 中 的 应 用 第 七 章, 我 们 得 到 了 运 动 电 荷 的 库 仑 定 律 : υ1 υ q1q ( ± 1± ) 1 F= c c ε 0 4 π r 将 电 荷 运 动 产 生 的 磁 场 视 为 电 场 的 调 整, 似 乎 是 一 个 十 分 完 美 的 公 式, 其 实 仔 细 分 析 就 会 发 现 还 存 在 严 重 问 题 如 果 我 们 在 地 球 上 做 实 验, 假 设 地 球 是 静 止 的,A B 两 个 质 子 做 同 向 等 速 υ 运 动, 上 述 公 式 将 得 到 吸 引 性 磁 场 力, 即 对 电 场 的 吸 引 性 调 整 力 如 果 地 球 以 速 度 υ 运 动, 而 两 个 A B 质 子 是 相 对 静 止 的, 按 上 述 公 式 将 得 不 到 磁 场 力 但 是, 实 际 上 我 们 在 地 球 上 做 电 磁 实 验 时 从 来 没 有 去 认 真 考 虑 地 球 的 运 动 问 题, 因 为 实 验 没 有 发 现 地 球 的 运 动 速 度 对 地 球 上 的 电 磁 规 律 有 什 么 影 响, 这 样, 上 述 公 式 的 不 完 备 问 题 就 不 能 不 引 起 重 视 了, 事 实 上 相 对 论 的 起 因 就 与 研 究 电 磁 问 题 有 关 如 果 运 动 电 荷 的 库 仑 定 律 将 按 相 对 论 变 换 公 式 进 行 改 造, 问 题 就 可 以 得 到 解 决, 改 造 后 的 运 动 电 荷 的 库 仑 定 律 为 : F = 1 ε 0 q 1 υ1 1 c υ 公 式 中 加 上 1 c 变, 但 运 动 方 a υ 1 c 4 π r υ1 υ ± 1± c c 向 的 长 度 缩 短, 电 荷 密 度 增 加, 因 此 必 须 除 以 项 是 基 于 一 种 假 设 : 由 于 电 荷 的 运 动, 虽 然 电 量 不 υ 1 c 项 来 进 行 调 整 尺 度 缩 短 是 相 互 作 用 效 应 影 响 的 结 果 不 同 的 参 照 系 下, 包 括 与 以 太 静 止 的 坐 标 系 下 观 察 电 磁 现 象 是 否 能 得 到 相 同 的 结 果 呢? 下 面 让 我 们 来 看 几 个 实 例 例 1: 如 图 8-3, 设 A 为 质 子,D 为 电 子, 两 者 相 距 10-8 米,K 1 系 观 察 A 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 υ1=10-6 c,k 1 系 观 察 D 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 υ =10-5 c K 系 相 对 于 K 1 系 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 10-7 c 在 K 1 系 和 K 系 里 观 察 A D 的 电 磁 场 情 况 y y 3 y 1 A υ 1 r D υ a b c xxx 3 1

87 图 8-3 任 意 参 照 系 观 察 电 磁 场 的 效 果 是 一 样 的 (1) 在 K 1 坐 标 系 里 观 察, 电 磁 合 力 : q1 q υ1 υ ( ± 1± ) υ1 υ c c 1 ( ) 1 ( ) 1 F= c c ε 0 4 π r 11 ac ( 1 10 ) 16 ac 11 = 10 = 10 ( ) π π 电 场 力 相 互 吸 引, 磁 场 力 相 互 排 斥, 故 式 中 使 用 减 号 () 在 K 1 系 里,A 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 υ 1 =10-6 c, 那 么 按 相 对 论 公 式 换 算 成 K 系 里 的 速 度 就 为 : c 10 c υ 1 = = c 在 K1 系 里,D 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 υ 1 =10-5 c, 那 么 按 相 对 论 公 式 换 算 成 K 系 里 的 速 度 就 为 : c 10 c υ = = c 在 K系 里 观 察, 合 力 : ac 1 1 ( 1 ( 9 10 )( ) F = 10 π 7 6 ( 1 ( 9 10 ) )( 1 ( ) ) 16 ac 11 = 10 ( ) π 电 场 力 相 互 吸 引, 磁 场 力 相 互 排 斥, 故 式 中 使 用 减 号 计 算 表 明, 用 相 对 论 公 式 换 算 后, 物 理 定 律 在 不 同 参 照 系 里 都 是 成 立 的 再 举 一 个 在 假 设 是 与 以 太 静 止 的 参 照 系 看 似 不 动 的 事 件, 即 插 入 一 个 与 以 太 静 止 的 坐 标 系, 在 另 外 的 参 照 系 下 观 察 的 例 子 例 : 设 A 为 质 子,D 为 电 子, 两 者 相 距 10-8 米,K 1 系 观 察 A 和 D 的 速 度 均 为 0( 我 们 可 以 假 设 这 个 K 1 系 相 对 于 以 太 是 静 止 的 ) K 系 相 对 于 K 1 系 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 10-7 c 在 K 1 系 和 K 系 里 观 察 A D 的 电 磁 场 情 况 (1) 在 K1坐 标 系 里 观 察, 电 磁 合 力 q1 q 0 0 ( ± 1± ) 0 0 c c 1 ( ) 1 ( ) 1 c c F= ε 4 r 0 π

88 ac ac = 10 = π 1 π 电 场 力 相 互 吸 引, 不 存 在 磁 场 力 () 在 K 1 系 里,A 和 D 的 速 度 均 为 0, 那 么 按 相 对 论 公 式 换 算 成 K 系 里 的 速 度 就 为 : c υ1 = = c 在 K系 里 观 察, 合 力 : ac 1 1 ( 1 ( 10 )( 10 ) F = 10 π ( ( ) ) ( ) ( ) ac = π 电 场 力 相 互 吸 引, 磁 场 力 相 互 排 斥, 故 式 中 使 用 减 号 计 算 表 明, 用 相 对 论 公 式 换 算 后, 假 设 以 太 存 在, 原 来 相 对 于 以 太 静 止 的 量 子 电 场, 与 在 其 他 运 动 系 里 观 察 到 的 情 况 是 一 样 的 再 举 一 个 接 近 光 速 的 例 子 例 3: 设 A D 均 为 质 子, 两 者 相 距 10-8 米,K 1 系 观 察 A 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 υ1=0.999c,k 1 系 观 察 D 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 υ =0.998c K 1 系 相 对 于 K 系 的 速 度 是 沿 x 轴 反 方 向 0.9c, 在 K 1 系 和 K 系 观 察 A D 的 电 磁 场 情 况 (1) 在 K1坐 标 系 里 观 察, 电 磁 合 力 q1 q υ1 υ ( ± 1± ) υ1 υ c c 1 ( ) 1 ( ) 1 c c F= ε 0 4 π r ac 1 1 ( ) = π ( 1 ( 0.999) )( 1 ( 0.998) ) ac = π () 在 K 1 系 里,A 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 υ 1 =0.999c, 那 么 按 相 对 论 公 式 换 算 成 K 系 里 的 速 度 就 为 : 0.999c 0.9c υ1 = = c 在 K 1 系 里,D 的 速 度 是 沿 x 轴 正 方 向 υ =0.998c, 那 么 按 相 对 论 公 式 换 算 成 K 系 里 的 速 度 就 为 : 0.998c 0.9c υ = = 在 K 系 里 观 察, 合 力 : ac 1 1 ( ) F = π ( 1 ( ) )( 1 ( ) ) = 1016 ac 结 果 相 同 π

89 从 上 面 的 例 子 中, 我 们 可 以 看 到 以 太 结 构 的 存 在 与 电 磁 学 公 式 同 样 是 相 容 的, 无 论 以 什 么 参 照 系 计 算, 都 可 以 只 考 虑 电 荷 之 间 的 相 对 运 动 ( 三 ) 以 太 的 存 在 不 会 给 粒 子 带 来 阻 力, 粒 子 也 无 法 发 现 自 己 与 以 太 的 相 对 速 度 笔 者 认 为 以 太 存 在 与 相 对 论 在 变 换 公 式 上 和 理 论 上 是 吻 合 的, 即 使 以 太 存 在 并 且 设 置 一 个 特 殊 的 参 照 系, 丝 毫 不 影 响 相 对 论 换 算 公 式 的 应 用 笔 者 的 目 的 是 希 望 揭 示 相 对 性 背 后 隐 藏 着 的 含 有 一 定 程 度 的 绝 对 性 的 和 更 一 般 性 的 东 西 为 什 么 以 太 中 的 我 们 没 有 感 到 以 太 的 存 在 呢? 因 为 我 们 及 我 们 使 用 的 仪 器 都 是 量 子 波, 而 媒 质 以 太 与 量 子 波 本 来 就 是 融 合 在 一 起 的 整 体, 量 子 波 在 比 钢 铁 还 要 坚 实 的 以 太 中 运 动 当 然 不 会 有 什 么 阻 力, 没 有 阻 力 就 没 有 相 互 作 用, 量 子 波 当 然 也 就 无 法 测 出 自 己 与 以 太 的 速 度 将 以 太 找 回 来, 并 不 是 要 重 新 回 到 绝 对 的 时 空 观, 时 间 与 空 间 永 远 都 是 依 附 于 物 质 的 我 们 这 里 大 量 使 用 了 坐 标 概 念, 但 是 并 不 等 于 我 们 承 认 了 绝 对 坐 标, 我 们 只 是 需 要 承 认 一 定 的 范 围 和 一 定 的 过 程 中 物 质 的 均 匀 性 和 系 统 性, 并 承 认 由 此 形 成 的 量 子 态 的 绝 对 性 ( 四 ) 从 相 对 论 变 换 公 式 并 不 能 确 定 尺 子 缩 短 和 时 钟 变 慢 需 要 指 出 的 是 从 相 对 论 变 换 公 式 并 不 能 得 到 相 对 的 尺 子 缩 短 和 时 钟 变 慢 的 结 果, 现 在 简 单 地 设 几 个 数 据 测 算 一 下 : 当 A 坐 标 相 对 于 B 坐 标 速 度 是 0.8c, 若 在 B 坐 标 中 测 得 某 事 件 的 时 间 t 为 3 时, 空 间 x 为 10; 时 间 t 为 5 时, 空 间 x 为 1 利 用 相 对 论 变 换 公 式 换 算 到 A 坐 标 x A1 = = = t A1 = = = x A = = = t = = = A B 坐 标 中 的 距 离 为 :1-10= A 坐 标 中 的 距 离 为 : = / 不 能 满 足 尺 缩 公 式 因 子 1 υ c =0.6 的 要 求, 可 见 不 是 同 时 测 量 的 距 离 是 无 法 比 较 的 可 以 将 上 例 改 为 同 时 : 若 B 坐 标 中 有 一 把 尺 子, 当 时 间 t 为 3 时, 尺 子 两 端 的 空 间 x 分 别 为 10 和 1 换 算 到 A 坐 标 : x A1 = = = t A1 = = = x A = = = t A = = = B 坐 标 中 的 距 离 为 :1-10=

90 A 坐 标 中 的 距 离 为 : = / = 0.6 似 乎 能 满 足 尺 缩 公 式 中 1 υ c =0.6 的 要 求, 但 是 要 知 道 x A 值 16 是 在 时 刻 t A = 11得 到 的, 而 x A1 值 是 在 时 刻 t A1 = 得 到 的, 根 本 不 是 同 时 的 概 念 还 可 以 简 单 些, 可 以 假 设 两 个 坐 标 平 行 通 过 的 一 瞬 间,B 坐 标 系 上 两 个 点 同 时 向 A 坐 标 上 的 尺 子 发 射 激 光, 因 为 B 坐 标 上 的 时 钟 相 对 于 B 坐 标 是 静 止 的, 因 此 这 个 同 时 是 可 以 做 到 的, 这 样 就 可 以 在 A 坐 标 上 的 尺 子 上 刻 两 个 记 号, 我 们 要 问,A 坐 标 上 的 两 个 记 号 是 不 是 同 时 的 呢? 从 上 面 的 计 算 可 以 知 道 对 于 A 来 说 不 是 同 时 的 继 续 深 入 研 究 下 去 我 们 还 可 以 得 知, 相 对 论 变 换 公 式 对 于 尺 子 缩 短 和 时 钟 变 慢 的 计 算 不 仅 不 能 进 行 相 对 的 反 解 计 算, 而 且 不 能 插 入 任 何 参 照 系 ( 包 括 插 入 一 个 与 以 太 同 速 率 的 参 照 系 ), 在 参 照 系 之 间 进 行 相 互 转 换 因 此 笔 者 认 为, 相 对 论 变 换 公 式 本 身 不 能 得 到 尺 子 缩 短 和 时 钟 变 慢 的 结 果, 看 谁 运 动 谁 就 尺 子 缩 短 时 钟 变 慢 并 不 是 相 对 性 那 么 究 竟 谁 的 尺 子 缩 短 谁 的 时 钟 变 慢 呢? 从 量 子 自 身 的 相 互 作 用 不 能 确 定, 从 相 对 论 变 换 公 式 也 不 能 确 定, 因 而 不 能 确 定 就 是 最 好 的 答 案 上 述 事 实 中 还 可 以 得 到 启 示 : 从 参 照 系 观 察 量 子 运 动 本 身 就 不 是 一 个 简 单 的 问 题, 试 想 地 球 捆 绑 着 两 个 质 子 运 动, 两 个 质 子 看 似 静 止 没 有 受 到 什 么 作 用, 其 实 它 们 已 经 承 受 着 地 球 的 捆 绑 作 用, 因 此 速 度 的 转 换 本 质 上 就 是 一 种 相 互 作 用 过 程 笔 者 不 厌 其 烦 地 证 明 以 太 存 在 与 相 对 论 不 矛 盾, 其 目 的 就 是 希 望 确 保 以 太 进 入 物 理 学 理 论, 以 便 在 实 在 的 以 太 结 构 中 寻 找 费 米 波 的 结 构 特 征, 因 为 以 太 结 构 的 存 在 对 于 研 究 量 子 结 构 问 题 电 磁 性 问 题 波 粒 二 象 性 问 题 是 非 常 重 要 的 这 里 不 仅 有 上 帝 掷 不 掷 骰 子 的 问 题, 还 有 上 帝 如 何 造 模 子 的 问 题, 即 物 质 世 界 为 什 么 产 生 统 一 大 小 的 粒 子, 这 不 是 一 句 历 史 成 因 能 说 明 的 无 序 的 物 质 世 界 造 就 了 质 子 电 子 等 相 对 稳 定 的 粒 子, 上 帝 造 的 模 子 如 此 准 确, 这 是 需 要 把 以 太 找 回 来 才 能 得 到 解 释 的 三 量 子 态 的 绝 对 性 和 相 对 性 所 谓 绝 对 性 与 相 对 性 是 指 某 种 形 式 的 不 变 性 与 变 动 性, 世 界 上 没 有 完 全 不 变 的 事 物, 因 此 绝 对 性 仅 仅 是 指 一 定 条 件 下 的 稳 定 性 在 量 子 形 成 之 前 的 物 质 基 本 结 构 形 式 下, 具 体 物 质 没 有 稳 定 的 形 态, 绝 对 性 表 现 为 最 一 般 的 特 征 不 变 性, 这 就 是 物 质 不 生 不 灭 和 运 动 的 永 恒 性 物 质 基 本 结 构 形 式 经 过 均 匀 化 和 系 统 化 过 程, 从 无 序 状 态 发 展 到 有 序 状 态, 形 成 较 大 的 空 间 和 较 长 的 时 间 里 的 稳 定 状 态, 形 成 了 以 太 结 构 形 式, 具 体 物 质 形 式 的 绝 对 性 逐 步 增 强, 表 现 在 稳 定 的 相 对 不 变 的 物 质 形 式 规 模 越 来 越 大 量 子 波 产 生, 波 速 一 致 频 率 稳 定, 这 些 都 是 量 子 态 绝 对 性 在 一 定 条 件 下 的 最 基 本 的 表 现 形 式 有 些 学 者 不 愿 涉 及 绝 对 性 问 题, 好 像 一 谈 绝 对 性 问 题 就 会 被 认 为 是 绝 对 化 的 僵 化 的 思 维 方 式, 其 实 绝 对 性 与 相 对 性 都 是 物 质 的 本 质 特 性, 缺 少 哪 一 方 面 都 不 行 笔 者 在 第 一 章 中 强 调 实 体 与 间 隙 的 绝 对 性, 结 果 得 到 什 么 结 论 呢? 得 到 了 对 立 统 一 的 充 满 生 命 力 的 物 质 基 本 结 构 形 式, 得 到 了 既 具 体 又 普 遍 的 物 质 本 原 观, 得 到 了 既 看 得 见 模 得 着 的 又 抽 象 一 般 的 物 质 实 在 概 念, 可 见 运 用 绝 对 性 的 概 念 本 身 并 不 会 导 致 僵 化 和 机 械 唯 物 论 研 究 相 对 论 问 题 时, 要 特 别 关 注 绝 对 性 问 题, 否 则 很 难 从 本 质 上 认 识 相 对 论, 很 难 将 相 对 论 与 量 子 理 论 结 合 起 来, 甚 至 可 以 说 不 引 入 绝 对 性 概 念 根 本 无 法 真 正 地 认 识 相 对 论 量 子 态 是 可 以 用 物 理 量 描 述 的 量 子 表 现 状 态 如 波 速 频 率 波 长 相 位 传 播 方 向 振 动 方 向 ( 即 偏 振 ) 玻 色 波 分 量 和 费 米 波 分 量 电 场 和 磁 场 特 征 衰 变 特 征 ( 即 寿 命 ) 等 量 子 的 这 些 态 的 绝 对 性 表 明, 无 论 观 察 者 站 在 什 么 角 度 观 察 它, 量 子 的 态 都 是 相

91 对 稳 定 的 观 察 本 身 是 一 种 相 互 作 用, 这 种 相 互 作 用 会 对 观 察 结 果 产 生 一 定 影 响, 但 这 和 没 有 观 察 时 量 子 态 是 否 具 有 绝 对 性 是 两 回 事, 对 观 察 引 起 了 量 子 态 变 动, 可 以 通 过 改 进 观 察 方 式 减 少 变 动 量, 也 可 以 对 观 察 结 果 进 行 调 整 量 子 的 态 必 须 在 相 互 作 用 中 才 表 现 出 来, 而 相 互 作 用 是 相 对 的, 作 用 与 反 作 用 同 时 存 在, 观 察 者 站 在 不 同 的 角 度 观 察 量 子, 对 量 子 的 状 态 的 描 述 是 不 一 样 的, 这 带 来 了 量 子 态 的 相 对 性 一 个 相 对 以 太 运 动 的 物 质 体 系 与 另 一 个 相 对 以 太 静 止 的 物 质 体 系 相 互 作 用, 它 们 完 全 可 以 视 为 相 对 的 状 态 一 个 高 速 运 动 的 A 量 子 与 一 个 静 止 的 B 量 子 的 相 互 作 用, 与 一 个 静 止 的 A 量 子 与 一 个 高 速 运 动 的 B 量 子 的 相 互 作 用, 在 速 度 相 对 方 向 一 致 的 情 况 下 效 果 是 完 全 一 样 的 因 此 量 子 无 法 认 识 自 己 的 绝 对 的 实 在, 它 只 能 在 与 其 他 量 子 相 互 作 用 中 认 识 相 对 的 特 征 四 相 对 论 是 研 究 量 子 绝 对 的 态 在 相 互 作 用 中 表 现 形 式 的 理 论 相 对 论 研 究 的 究 竟 是 什 么 问 题, 相 对 论 得 到 的 结 论 究 竟 反 映 了 物 质 世 界 的 什 么 客 观 规 律, 或 者 说 相 对 论 在 物 理 学 中 的 位 置 是 什 么? 这 一 系 列 问 题 应 当 得 到 解 释 有 的 观 点 认 为 相 对 论 研 究 的 是 与 时 空 有 关 的 规 律, 因 为 相 对 论 的 变 换 公 式 都 是 针 对 时 空 坐 标 值 在 不 同 参 照 系 里 的 变 换, 而 参 照 系 与 参 照 系 的 差 异 仅 仅 是 运 动 速 度 ( 或 者 加 速 度 ) 的 不 同 这 种 观 点 只 是 表 述 了 现 象, 并 未 说 明 本 质, 因 为 时 空 只 是 物 质 的 存 在 形 式, 如 果 不 从 物 质 本 体 特 征 角 度 分 析, 很 难 准 确 地 表 述 相 对 论 例 如 狭 义 相 对 论 中 关 于 质 量 与 能 量 相 关 的 结 论, 就 不 能 简 单 地 归 为 时 空 问 题 有 的 观 点 认 为 相 对 论 研 究 的 是 物 质 运 动 普 遍 存 在 的 相 对 性 规 律 的 确, 相 对 性 规 律 是 人 们 经 常 遇 到 的, 有 上 必 有 下, 有 大 必 有 小, 一 切 都 有 其 相 对 性 的 一 面 两 人 相 对 而 行, 无 论 是 A 动 B 不 动, 或 者 B 动 A 不 动, 或 者 A B 均 动, 只 要 二 者 相 对 速 度 一 样, 两 人 碰 撞 时 的 感 觉 都 是 一 样 的 但 是 如 果 认 为 相 对 论 研 究 的 就 是 这 类 相 对 性, 也 是 不 准 确 的 因 为 相 对 论 不 仅 研 究 相 对 性, 而 且 包 含 了 很 多 绝 对 性 内 容 如 经 典 的 牛 顿 伽 利 略 相 对 性 中, 包 含 了 时 空 尺 度 的 绝 对 性 爱 因 斯 坦 狭 义 相 对 论 中, 包 含 了 光 速 不 变 的 绝 对 性 爱 因 斯 坦 广 义 相 对 论 中, 质 量 聚 集 附 近 时 空 弯 曲, 弯 曲 是 相 对 于 平 直 而 言, 因 此 隐 含 了 对 称 的 平 直 的 绝 对 性 概 念 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 相 对 论 是 研 究 量 子 绝 对 的 态 在 相 互 作 用 中 的 表 现 形 式 的 理 论 量 子 态 在 某 种 条 件 下 是 绝 对 的 存 在, 但 是 量 子 态 要 在 相 互 作 用 中 才 能 表 现 出 来, 而 相 互 作 用 具 有 多 样 性, 因 而 量 子 态 的 表 现 形 式 也 具 有 多 样 性, 量 子 的 作 用 具 有 相 对 性, 量 子 的 态 的 表 现 形 式 也 具 有 相 对 性 相 对 论 就 是 研 究 量 子 绝 对 的 态, 在 相 互 作 用 条 件 变 动 时 表 现 形 式 的 规 律 例 如 经 典 相 对 理 论 认 为, 经 过 简 单 的 伽 利 略 变 换, 物 理 定 理 在 任 何 惯 性 参 照 系 中 都 可 以 表 现 为 相 同 的 形 式 因 此 经 典 的 相 对 理 论, 研 究 的 是 低 速 的 宏 观 的 物 体 运 动 的 绝 对 性 在 相 互 作 用 中 的 表 现 形 式 爱 因 斯 坦 的 相 对 论 涉 及 的 量 子 态 仅 仅 包 括 平 直 运 动 的 态, 并 不 包 括 与 旋 转 有 关 的 量 子 态, 如 自 旋 电 量 等 狭 义 相 对 论 认 为, 一 个 惯 性 参 照 系 中 观 察 到 的 量 子 态 的 特 征, 可 以 经 过 洛 仑 兹 变 换 在 不 同 的 惯 性 参 照 系 中 观 察 到 广 义 相 对 论 认 为, 一 个 参 照 系 中 观 察 到 的 量 子 态 的 特 征, 可 以 经 过 广 义 相 对 论 协 变 公 式 变 换, 在 不 同 的 参 照 系 中 观 察 到 爱 因 斯 坦 的 狭 义 相 对 论 中 含 有 光 速 不 变 假 设, 有 人 认 为 这 既 是 变 换 公 式 推 导 的 假 设 前 提, 又 是 变 换 公 式 对 电 磁 现 象 推 理 的 结 果, 似 乎 是 逻 辑 的 循 环 其 实 这 正 是 相 对 论 中 绝 对 性 的 体 现, 光 速 不 变 是 一 个 大 自 然 的 事 实, 它 无 论 是 前 提 还 是 结 果, 都 不 会 产 生 矛 盾 又 如 爱 因 斯 坦 的 广 义 相 对 论, 引 入 了 时 空 弯 曲 的 概 念, 其 实 这 里 强 烈 地 隐 含 了 物 质 作 为 时 空 基 础 的 观 念, 而 且 这 个 基 础 在 相 当 大 的 范 围 内 是 均 衡 的 平 直 的, 只 有 在 均 衡 平 直 的 条 件 下 才 有 可 能 出 现 相 对 弯 曲 的 概 念 广 义 相 对 论 中 的 这 个 广 阔 的 均 衡 的 物 质 基 础 体 现 了 绝 对 性, 笔 者 认 为 它 就 是 物 质 基 本 结 构 理 论 中 提 出 的 以 太 结 构 五 量 子 相 对 论 量 子 论 学 者 和 相 对 论 学 者 都 强 烈 希 望 将 对 方 的 理 论 纳 入 自 己 的 理 论 体 系 中 也 有 的 观 点 认 为 量 子 论 与 相 对 论 是 两 个 不 同 的 范 畴, 应 在 各 自 领 域 研 究, 不 要 强 调 统 一 物 质 基 本

92 结 构 理 论 认 为 量 子 论 和 相 对 论 都 是 与 物 理 学 的 基 本 问 题 有 关 的 理 论, 总 会 在 一 定 程 度 上 有 共 同 的 基 础 相 对 论 与 量 子 论 的 共 同 基 础 就 是 以 太 结 构 和 量 子 波 物 质 基 本 结 构 理 论 提 出 了 以 太 结 构 和 量 子 波 概 念, 以 太 结 构 和 量 子 波 是 量 子 理 论 发 展 和 完 善 所 必 需 的, 是 量 子 理 论 的 基 础 狭 义 相 对 论 从 其 发 生 及 推 导 形 成 过 程 来 看, 贯 穿 了 观 测 的 思 想, 在 保 持 光 速 不 变 和 相 对 性 的 基 础 上, 以 光 为 信 号 来 观 测 运 动 的 事 物, 建 立 起 与 物 质 运 动 相 联 系 的 时 空 观, 是 一 个 重 大 进 步, 已 被 近 百 年 的 实 践 证 明 是 正 确 的 但 是 它 并 不 能 否 定 媒 质 的 存 在, 光 速 不 变 已 经 明 示 了 媒 质 的 存 在 光 速 不 变 的 观 点, 是 需 要 以 太 结 构 和 量 子 波 概 念 来 支 持 的 因 此 以 太 结 构 和 量 子 波 也 是 相 对 论 的 基 础 笔 者 在 第 二 章 中 就 提 出 使 用 一 个 直 角 三 角 形 描 述 量 子 波, 而 且 可 以 得 到 与 相 对 论 一 致 的 变 换 公 式, 可 以 看 出 相 对 论 与 量 子 理 论 是 有 共 同 基 础 的, 相 对 论 与 量 子 论 是 可 以 统 一 的 笔 者 认 为 物 质 基 本 结 构 理 论 中 的 以 太 结 构 和 量 子 波 是 相 对 论 和 量 子 理 论 的 共 同 基 础, 同 时 认 为 物 质 基 本 结 构 理 论 是 量 子 理 论 的 一 部 分, 那 么 相 对 论 就 自 然 地 成 为 量 子 理 论 的 重 要 组 成 部 分 了 现 在 可 以 将 狭 义 相 对 论 称 为 量 子 相 对 论 了 从 认 识 过 程 来 看, 爱 因 斯 坦 的 狭 义 相 对 论 是 在 经 典 相 对 性 的 基 础 上 发 展 起 来 人 们 容 易 产 生 这 样 的 观 点 : 爱 因 斯 坦 的 相 对 时 空 观 代 替 了 牛 顿 伽 利 略 的 绝 对 时 空 观, 因 而 产 生 了 相 对 论 然 而 从 理 论 体 系 来 看, 并 不 是 相 对 时 空 观 代 替 了 绝 对 时 空 观, 实 际 情 况 应 当 是 : 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 到 以 太 结 构 和 量 子 波 形 成, 具 体 的 量 子 态 的 绝 对 性 逐 步 增 强, 但 由 于 量 子 之 间 作 用 的 相 互 性, 量 子 态 必 须 在 相 互 作 用 中 体 现 出 来, 爱 因 斯 坦 相 对 论 包 括 狭 义 相 对 论 和 广 义 相 对 论, 能 够 较 好 地 描 述 量 子 态 的 这 种 绝 对 性 在 各 种 相 互 作 用 中 的 表 现 形 式 而 宏 观 现 象 中 物 体 相 对 速 度 较 低, 可 以 作 近 似 处 理, 不 考 虑 高 速 时 时 间 和 空 间 量 度 时 的 洛 仑 兹 变 换 效 应, 这 就 形 成 了 经 典 的 相 对 性 看 上 去 似 乎 经 典 相 对 性 中 出 现 了 绝 对 的 时 间 和 空 间, 然 后 被 爱 因 斯 坦 相 对 论 否 定 了, 实 际 上 是 经 典 相 对 性 近 似 地 应 用 爱 因 斯 坦 相 对 论, 在 不 影 响 对 物 理 量 计 算 的 情 况 下, 忽 略 了 时 间 和 空 间 与 物 质 运 动 的 联 系, 忽 略 了 时 间 与 空 间 之 间 的 联 系, 使 得 计 算 简 化 人 们 常 常 误 认 为 宏 观 现 象 是 简 单 的, 量 子 现 象 是 复 杂 又 深 奥 的, 其 实 不 然, 经 典 的 宏 观 的 物 理 现 象 远 比 量 子 现 象 复 杂, 不 过 由 于 它 一 般 是 低 速 的, 众 多 量 子 行 为 可 以 平 均 计 算, 可 以 采 取 近 似 计 算 而 显 得 简 单 而 已 量 子 相 对 论 的 原 理 和 公 式 是 这 么 神 奇 和 绝 妙 大 自 然 居 然 存 在 这 么 完 美 匀 称 的 数 学 物 理 学 公 式, 使 人 类 无 需 去 考 虑 地 球 的 高 速 运 动 对 电 磁 理 论 和 实 际 应 用 有 什 么 影 响, 也 使 人 们 感 受 到 量 子 的 统 一 性 和 稳 定 性 其 实 完 美 匀 称 的 数 学 物 理 学 公 式, 是 自 然 界 对 称 性 均 匀 性 的 本 来 面 目 的 反 映 第 九 章 量 子 实 在 的 确 定 性 与 概 率 性 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 量 子 实 在 是 物 质 实 在 的 表 现 形 式, 是 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 到 以 太 结 构 和 量 子 波 阶 段 后 的 实 在 性 表 现 形 式 本 章 提 到 的 量 子 实 在 是 指 量 子 生 存 期 间 的 实 在 性, 它 反 映 了 量 子 个 体 的 波 动 性 稳 定 性 持 续 性 等 实 实 在 在 的 以 物 质 基 本 结 构 形 式 为 基 础 的 特 征 如 果 量 子 消 失 了, 这 个 量 子 的 实 在 性 当 然 也 就 不 存 在 了, 但 此 时 物 质 实 在 仍 然 存 在, 关 于 不 符 合 量 子 规 律 的 量 子 生 成 和 消 失 问 题 将 在 十 一 章 研 究

93 一 围 绕 量 子 实 在 性 问 题 的 争 论 自 从 量 子 论 诞 生 以 来, 尤 其 是 量 子 力 学 形 成 之 后, 围 绕 对 量 子 运 动 的 实 在 性 解 释 和 概 率 性 解 释 问 题 在 理 论 界 引 起 了 长 期 争 论 这 些 争 论 并 不 是 纯 理 论 的 争 论, 而 是 基 于 对 科 学 实 验 中 出 现 的 量 子 的 奇 特 表 现 如 何 解 释 产 生 的 理 论 分 歧 显 示 量 子 奇 特 表 现 的 科 学 实 验 主 要 有 : (1) 电 子 双 缝 干 涉 实 验 电 子 在 这 个 实 验 中 既 表 现 为 粒 子 性 又 表 现 出 波 动 性, 更 奇 妙 的 是 电 子 好 像 同 时 通 过 双 缝, 而 这 对 于 粒 子 来 说 几 乎 是 不 可 能 的 关 于 这 方 面 的 内 容, 将 在 本 章 第 四 节 研 究 () 退 相 干 实 验 在 上 述 实 验 中, 如 果 设 置 检 测 器 企 图 检 测 量 子 从 哪 条 路 来 时, 电 子 的 波 动 干 涉 效 就 会 消 失 关 于 这 方 面 的 内 容, 将 在 本 章 第 四 节 研 究 (3) 偏 振 实 验 光 子 前 面 垂 直 地 放 置 两 块 偏 振 片, 一 个 光 子 也 无 法 通 过, 而 在 两 块 偏 振 片 之 间 再 放 置 一 块 45 o 角 的 偏 振 片, 反 而 有 1/4 的 光 子 可 以 通 过 三 块 偏 振 片, 似 乎 出 现 了 违 反 马 吕 斯 定 律 的 问 题 这 个 实 验 的 内 容 已 经 在 第 五 章 进 行 过 讨 论 (4) 量 子 衰 变 实 验 可 以 衰 变 的 量 子 有 一 个 平 均 寿 命, 但 是 任 何 没 有 衰 变 的 量 子 无 论 它 已 经 生 存 了 多 长 时 间, 它 的 可 能 的 寿 命 仍 然 是 原 来 的 平 均 寿 命 值, 量 子 的 衰 变 具 有 突 变 性 这 方 面 的 内 容 将 在 本 章 第 五 节 研 究 (5) 量 子 共 轭 态 的 测 量 实 验 对 量 子 的 某 些 共 轭 态, 如 位 置 与 动 量, 时 间 与 能 量, 无 法 同 时 测 量 准 确 这 方 面 的 内 容, 将 在 本 章 第 三 节 研 究 (6) 量 子 穿 越 势 垒 实 验 有 一 定 概 率 的 量 子 可 以 穿 越 能 量 的 限 制, 到 达 常 规 理 论 中 无 法 到 达 的 位 置 将 在 第 十 章 第 二 节 对 此 作 一 些 说 明 (7) 运 用 贝 尔 不 等 式 验 证 原 理 的 新 EPR 实 验 某 种 严 格 的 实 验 条 件 下 产 生 的 量 子 对, 具 有 远 距 离 控 制 性 关 联 这 方 面 的 内 容, 将 在 第 十 章 第 四 五 节 研 究 量 子 的 一 些 奇 特 表 现, 使 正 统 学 派 ( 又 可 称 玻 尔 学 派 哥 本 哈 根 学 派 ) 认 为 量 子 的 态 不 再 具 有 实 在 性, 而 是 具 有 非 因 果 关 系 非 决 定 性 的 概 率 性, 这 就 引 起 了 爱 因 斯 坦 学 派 的 强 烈 争 议 爱 因 斯 坦 学 派 坚 持 量 子 的 实 在 性, 认 为 即 使 对 量 子 的 结 构 及 本 质 尚 未 完 全 了 解, 也 必 须 承 认 量 子 的 各 种 态 是 实 在 的 认 为 量 子 运 动 是 可 以 描 述 的, 如 果 说 量 子 力 学 中 的 波 函 数 不 能 描 述 量 子 运 动, 只 能 对 波 函 数 作 概 率 解 释, 那 恰 恰 说 明 量 子 力 学 存 在 着 不 完 备 性, 并 不 说 明 量 子 运 动 的 非 实 在 性 爱 因 斯 坦 学 派 坚 持 近 距 离 作 用 观 点, 并 将 近 距 离 作 用 与 量 子 的 定 域 性 联 系 在 一 起, 认 为 作 用 的 传 递 速 度 不 能 超 过 光 速 量 子 理 论 的 正 统 学 派 认 为 粒 子 就 是 粒 子, 粒 子 呈 现 的 波 动 并 不 是 实 在 的 波, 而 是 粒 子 出 现 的 概 率 认 为 不 能 谈 论 量 子 的 运 动 过 程, 量 子 运 动 过 程 是 不 确 定 的, 只 有 测 量 才 有 意 义 描 述 量 子 运 动 的 波 函 数 的 平 方 与 量 子 出 现 概 率 成 正 比 正 统 学 派 认 为 存 在 量 子 的 非 定 域 性, 而 且 相 关 的 量 子 之 间 存 在 远 距 离 的 超 光 速 的 控 制 性 关 联 爱 因 斯 坦 学 派 和 正 统 学 派 在 一 般 情 况 下 都 将 粒 子 视 为 一 个 独 立 存 在 的 客 体, 但 对 这 样 的 客 体 究 竟 是 什 么 无 法 说 清, 因 此 使 用 量 子 粒 子 性 和 波 动 性 的 描 述 方 式 这 时 爱 因 斯 坦 学 派 使 用 波 粒 二 象 性 概 念, 更 多 地 强 调 实 在 性, 而 正 统 学 派 使 用 互 补 概 念, 更 多 地 强 调 测 量 性 爱 因 斯 坦 学 派 和 正 统 学 派 都 将 规 律 性 问 题 因 果 关 系 决 定 论 问 题 确 定 性 问 题 与 量 子 的 实 在 性 问 题, 不 恰 当 地 联 系 在 一 起, 认 为 规 律 性 就 是 确 定 性, 就 必 然 要 求 具 有 因 果 关 系 决 定 论, 而 实 在 性 必 然 是 有 规 律 性 的 确 定 的 存 在 因 果 关 系 决 定 论 的, 或 者 反 之 物 质 基 本 结 构 理 论 支 持 量 子 态 的 实 在 性 观 点, 但 认 为 必 须 承 认 量 子 态 的 概 率 性 (1) 认 为 确 定 性 与 不 确 定 性 都 是 量 子 实 在 性 的 表 现 方 式, 必 须 承 认 量 子 概 率 性 的 存 在 量 子 的 行 为 主 要 表 现 为 确 定 性, 而 概 率 性 是 偶 发 的 量 子 的 概 率 性 与 不 确 定 性 原 理 都 是 由 同 一 机 制 引 起 的, 这 就 是 量 子 个 体 的 波 动 性, 是 量 子 发 生 强 烈 的 相 互 作 用 时, 在 最 后 一 个 波 动 周 期 出 现 的 不 确 定 性 () 认 为 量 子 之 间 存 在 玻 色 性 波 动 干 扰 ( 即 非 场 性 波 动 干 扰 ), 如 衍 射 干 涉 和 偏 振 干 扰 等, 引 起 相 互 作 用 和 量 子 态 的 同 步 性 变 动, 使 量 子 发 生 一 些 常 规 理 论 无 法 解 释 的 行 为 (3) 认 为 描 述 量 子 运 动 的 波 动 方 程 进 行 归 一 化 处 理 后 得 到 的 波 函 数, 加 上 边 界 条 件 是 可 以 实 在 地 描 述 量 子 运 动 的, 此 时 波 函 数 的 概 率 性 仅 仅 表 示 这 个 实 在 的 量 子 如 果 与 别 的 量 子 发 生 强 烈 相 互 作 用 时 的 可 能 的 变 化 趋 势 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 是 相 容 的

94 二 量 子 实 在 的 表 现 形 式 物 质 基 本 结 构 理 论 是 支 持 量 子 实 在 性 观 点 的, 量 子 的 态 是 以 物 质 基 本 结 构 形 式 为 基 础 的, 是 具 体 的 物 质 表 现 形 式, 量 子 的 态 是 实 实 在 在 存 在 的, 是 可 以 描 述 的 量 子 的 态 还 具 有 个 别 性 和 稳 定 性, 量 子 态 的 实 在 性 是 一 个 一 个 量 子 稳 定 的 实 在 的 波 动 在 这 样 的 观 点 下, 量 子 的 粒 子 性 和 波 动 性 是 同 时 表 现 出 来 的, 表 现 为 一 份 一 份 的 量 子 波, 并 不 是 某 种 观 察 方 式 表 现 为 粒 子 特 征, 另 外 的 观 察 方 式 就 表 现 为 波 动 特 征 粒 子 性 和 波 动 性 都 是 实 在 的, 既 不 能 说 波 动 性 是 粒 子 出 现 的 概 率, 也 不 能 说 因 为 波 函 数 的 坍 缩 才 显 示 了 粒 子 性 物 质 基 本 结 构 理 论 同 时 又 支 持 量 子 的 概 率 性 观 点, 认 为 量 子 的 概 率 性 与 量 子 的 确 定 性 都 是 量 子 实 在 的 表 现 形 式 下 面 运 用 物 质 基 本 结 构 理 论 分 析 量 子 实 在 的 表 现 形 式 : (1) 量 子 实 在 的 规 律 性 和 无 规 律 性 量 子 的 规 律 性 是 针 对 量 子 的 变 化 特 征 而 言, 是 指 量 子 态 的 一 种 稳 定 一 致 的 有 序 的 符 合 量 子 规 律 的 变 化 方 式, 根 据 量 子 规 律 我 们 可 以 由 量 子 的 目 前 状 态 预 测 量 子 的 今 后 状 态 在 物 质 基 本 结 构 形 式 的 初 级 阶 段, 量 子 还 没 有 形 成, 显 然 不 存 在 量 子 的 规 律 性, 那 时 只 有 物 质 基 本 结 构 形 式 的 规 律 起 作 用 物 质 结 构 形 式 具 有 物 质 最 一 般 的 特 征, 如 物 质 实 体 与 间 隙 的 绝 对 性 与 相 对 性 物 质 不 灭 运 动 永 恒 等, 或 者 归 纳 为 哲 学 语 言 : 物 质 实 在 的 具 体 性 普 遍 性 唯 一 性 和 辩 证 性 这 些 特 征 是 大 自 然 本 来 的 特 征, 是 无 须 也 无 法 再 究 其 更 深 层 次 原 因 的, 我 们 可 以 将 物 质 结 构 基 本 形 式 具 有 的 最 一 般 的 特 征, 称 为 物 质 的 最 一 般 规 律 到 了 物 质 基 本 结 构 形 式 的 发 展 阶 段, 量 子 也 还 没 有 稳 定 地 形 成, 显 然 不 存 在 稳 定 的 量 子 规 律, 这 时 只 有 物 质 基 本 结 构 形 式 的 均 匀 化 和 系 统 化 发 展 趋 势 的 规 律, 是 物 质 基 本 结 构 形 式 在 发 展 阶 段 的 规 律, 含 有 很 多 不 确 定 的 因 素, 有 序 的 形 式 不 是 稳 定 的, 其 规 律 性 也 是 较 弱 的 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 到 以 太 结 构 和 量 子 波 形 成, 这 时 就 有 了 量 子 规 律, 因 此 可 以 说 量 子 规 律 是 物 质 基 本 结 构 形 式 由 无 序 发 展 到 有 序 的 产 物 随 着 物 质 结 构 形 式 进 一 步 发 展, 不 断 地 有 序 化 和 多 样 化, 物 质 运 动 的 规 律 也 就 多 样 化 了, 在 以 太 结 构 规 律 量 子 波 规 律 的 基 础 上, 原 子 规 律 分 子 规 律 以 至 很 多 特 殊 的 宏 观 规 律 都 出 现 了 一 定 的 物 质 运 动 规 律 适 应 于 一 定 的 有 序 的 物 质 结 构 形 式, 高 级 形 式 的 规 律 包 含 低 级 形 式 的 规 律, 量 子 规 律 必 须 服 从 物 质 基 本 结 构 形 式 的 规 律, 而 宏 观 形 式 的 规 律 必 须 服 从 量 子 规 律 量 子 实 在 既 表 现 为 规 律 性 又 表 现 为 无 规 律 性, 无 规 律 也 是 针 对 量 子 的 变 化 特 征 而 言, 是 指 量 子 态 的 一 种 非 稳 定 一 致 的 无 序 的 不 符 合 量 子 规 律 的 变 化 方 式, 无 规 律 性 无 法 使 我 们 由 量 子 的 目 前 状 态 预 测 量 子 的 今 后 状 态 量 子 无 规 律 性 产 生 的 原 因 有 三 条 : 一 是 由 非 因 果 关 系 和 非 决 定 性 的 变 化 趋 势 引 起 的 无 规 律 性, 既 不 遵 循 量 子 规 律, 也 不 遵 循 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 趋 势 规 律 二 是 由 于 量 子 的 规 律 性 产 生 于 无 序 发 展 为 有 序 的 过 程, 是 大 量 无 序 的 物 质 随 机 运 动, 通 过 均 匀 化 和 系 统 化 而 形 成 的 既 然 是 随 机 过 程, 就 有 由 于 不 均 衡 导 致 不 遵 循 原 有 规 律 的 可 能 这 时 量 子 的 规 律 性 遭 到 破 坏, 但 是 仍 然 存 在 着 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 变 化 趋 势 的 规 律 性 三 是 量 子 之 间 在 相 互 作 用 时, 量 子 自 身 状 态 和 外 部 条 件 是 千 差 万 别 的, 作 用 引 起 的 变 化 结 果 也 会 千 差 万 别, 对 于 个 别 量 子 而 言 似 乎 是 无 规 律 性 的, 但 是 大 量 量 子 作 用 通 过 概 率 可 以 表 现 出 规 律 性 后 两 种 情 况 是 符 合 因 果 关 系 决 定 性 的 量 子 态 变 动 趋 势 由 于 人 类 对 规 律 的 认 识 有 一 个 过 程, 很 多 本 来 看 似 没 有 规 律 的 现 象, 后 来 被 发 现 是 有 规 律 的, 因 此 人 们 很 自 然 地 建 立 起 任 何 事 物 都 是 有 规 律 的 确 定 的 观 念 也 有 的 学 者 总 结 量 子 运 动 的 特 点, 认 为 量 子 运 动 是 不 确 定 的, 是 没 有 规 律 的 这 两 种 观 点 都 有 片 面 性, 量 子 的 规 律 性 和 无 规 律 性 是 同 时 存 在 的, 都 是 量 子 实 在 的 表 现 形 式 () 量 子 实 在 的 因 果 关 系 决 定 性 和 非 因 果 关 系 非 决 定 性

95 所 谓 因 果 关 系 是 指 前 后 两 个 事 件 不 仅 仅 存 在 出 现 的 时 间 先 后 顺 序, 而 且 有 着 逻 辑 的 联 系, 前 面 的 事 件 是 后 面 事 件 的 原 因, 后 面 的 事 件 是 前 面 事 件 的 结 果 所 谓 决 定 性 是 指 前 面 事 件 的 发 展 必 然 地 导 致 了 后 面 的 事 件 发 生 因 果 关 系 与 决 定 性 是 紧 密 联 系 在 一 起 的, 是 同 一 概 念 的 两 个 方 面, 存 在 因 果 关 系 一 定 是 决 定 性 的, 不 存 在 因 果 关 系 一 定 不 是 决 定 性 的 量 子 的 规 律 性 一 定 是 存 在 因 果 关 系 决 定 性 的 非 因 果 关 系 非 决 定 性 一 定 是 量 子 的 无 规 律 性, 但 是 有 因 果 关 系 决 定 性 不 一 定 具 有 量 子 规 律 性, 因 为 无 序 状 态 的 物 质 基 本 结 构 形 式 的 规 律 性 不 是 量 子 的 规 律 性, 但 仍 然 是 符 合 因 果 关 系 决 定 性 的 由 此 可 见, 量 子 的 无 规 律 性 可 以 有 两 种 类 型, 即 符 合 因 果 关 系 决 定 性 类 型 和 不 符 合 因 果 关 系 决 定 性 类 型 人 们 通 常 认 为 一 切 事 物 都 是 存 在 因 果 关 系 决 定 性 的, 没 有 原 因 的 结 果 是 难 以 想 象 的 但 是 如 果 世 界 上 的 一 切 都 由 因 果 关 系 和 决 定 性 支 配, 那 么 任 何 现 在 的 状 况 都 是 由 以 前 的 状 况 决 定 的, 我 们 就 不 得 不 认 为 现 在 的 某 个 宇 宙 飞 船 上 天 或 者 南 水 北 调 工 程 建 成, 都 是 由 几 万 年 前 的 地 球 原 始 状 况 决 定 的, 是 当 时 状 态 的 因 果 性 的 发 展 的 必 然 结 果, 这 是 令 人 难 以 接 受 的 同 样, 如 果 认 为 任 何 现 在 的 具 体 状 况 发 展 为 今 后 的 某 种 具 体 状 况 都 是 一 种 必 然 的 选 择, 仅 仅 是 我 们 未 能 对 全 部 的 情 况 知 晓 而 存 在 不 确 定 性 而 已, 那 么 一 切 都 是 不 以 人 们 意 志 为 转 移, 人 的 能 动 性 就 会 变 成 多 余 的, 世 界 也 变 得 僵 化 和 呆 板, 这 同 样 是 令 人 难 以 接 受 的 如 图 9-1 所 示 神 舟 因 果 联 系 因 果 联 系 完 全 的 决 定 论 是 荒 谬 的 图 9-1 必 须 承 认 非 因 果 关 系 非 决 定 性 的 不 确 定 性 非 因 果 关 系 非 决 定 性 产 生 的 根 源 是 物 质 的 无 限 性, 我 们 无 法 知 道 无 限 的 物 质 世 界 对 局 部 的 影 响 是 什 么, 无 限 性 是 不 可 以 计 算 的, 无 限 中 没 有 平 均 数 更 谈 不 上 概 率, 是 绝 对 的 随 机 由 于 具 体 物 质 形 式 内 部 和 外 部 的 无 限 性 将 会 使 得 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 变 化 存 在 非 因 果 性 非 决 定 性 的 不 确 定 性 这 种 非 因 果 关 系 非 决 定 性 对 无 序 状 态 的 物 质 基 本 结 构 形 式 的 初 级 阶 段, 即 实 体 与 间 隙 变 化 形 式 的 影 响 是 强 烈 的, 但 是 以 太 结 构 和 量 子 波 形 成 以 后, 非 因 果 关 系 非 决 定 性 对 有 序 状 态 的 物 质 结 构 形 式 的 影 响 越 来 越 弱, 只 有 在 人 的 能 动 作 用 下, 尤 其 是 人 类 社 会 集 体 的 能 动 作 用 下, 才 有 可 能 积 累 成 巨 大 的 影 响 非 因 果 关 系 非 决 定 性 能 够 通 过 人 的 能 动 作 用 引 发 巨 大 的 效 果, 它 的 内 在 机 制 不 是 别 的, 就 是 选 择 由 非 因 果 关 系 非 决 定 性 的 不 确 定 因 素 带 来 的 各 种 可 能 的 发 展 模 式, 如 果 没 有 人 类 的 活 动 对 它 的 选 择, 它 将 引 导 自 然 界 自 然 地 生 动 活 泼 地, 而 不 是 一 成 不 变 地 发 展 由 于 人 类 的 活 动, 人 类 在 实 践 中 获 得 了 正 确 的 认 知, 并 以 这 种 正 确 的 认 知 对 符 合 自 己 要 求 的 发 展 模 式 加 以 选 择, 使 得 这 种 脱 离 决 定 性 因 果 之 链 的 模 式, 得 以 获 得 比 别 的 模 式 更 大 的 发 展 概 率, 因 而 带 来 了 世 界 生 机 盎 然 的 变 化 和 发 展 在 量 子 层 面, 因 果 关 系 决 定 性 是 量 子 实 在 的 表 现 形 式, 非 因 果 关 系 非 决 定 性 不 是 量 子 实 在 的 表 现 形 式, 但 仍 然 是 物 质 实 在 的 表 现 (3) 量 子 实 在 的 确 定 性 和 不 确 定 性

96 量 子 态 的 确 定 与 不 确 定 问 题, 实 际 上 就 是 量 子 态 的 存 在 和 变 动 是 否 遵 循 人 们 已 经 认 识 的 规 律 问 题 量 子 态 的 不 确 定 性 问 题 既 有 客 观 性 原 因 又 有 主 观 性 原 因, 客 观 性 是 指 量 子 的 运 动 发 生 了 不 遵 循 量 子 规 律 现 象, 主 观 性 是 指 由 于 人 的 认 识 的 局 限 性 将 会 造 成 对 量 子 运 动 规 律 性 的 认 识 不 足, 将 实 际 上 是 遵 循 量 子 规 律 的 确 定 的 量 子 运 动 视 为 具 有 不 确 定 性 量 子 的 确 定 性 一 定 是 符 合 量 子 规 律 的, 因 此 也 是 符 合 因 果 关 系 性 决 定 性 的 量 子 的 不 确 定 性 有 三 种 类 型 : 一 是 不 符 合 因 果 关 系 决 定 性 的 不 确 定 性 这 类 不 确 定 性 既 不 符 合 量 子 规 律, 也 不 符 合 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 趋 势 规 律, 因 而 不 符 合 因 果 关 系 决 定 性 这 类 不 确 定 性 在 量 子 层 面 的 影 响 是 很 微 弱 的, 对 宏 观 事 物 的 影 响 就 更 微 弱, 但 是 由 于 积 累 效 应, 它 成 为 世 界 得 以 生 动 活 泼 地 多 样 化 地 发 展 的 原 因, 更 是 人 类 社 会 能 够 发 挥 主 观 能 动 性, 最 终 区 别 于 自 然 界 的 重 要 原 因 二 是 符 合 因 果 关 系 决 定 性, 但 不 符 合 量 子 规 律 的 不 确 定 性 这 类 不 确 定 性 不 符 合 量 子 规 律, 但 是 符 合 物 质 基 本 结 构 形 式 发 展 趋 势 规 律, 因 而 符 合 因 果 关 系 决 定 性 这 类 不 确 定 性 对 量 子 以 上 结 构 层 次 的 影 响 也 是 微 弱 的, 否 则 我 们 很 难 解 释 量 子 的 稳 定 性 三 是 符 合 量 子 规 律 的 符 合 因 果 关 系 决 定 性 的, 但 是 由 于 人 的 认 知 水 平 或 者 测 量 水 平 产 生 的 不 确 定 性 这 种 不 确 定 性 并 不 是 完 全 随 机 的, 而 是 有 规 律 可 循 的, 即 有 一 个 概 率 的 规 范 性 也 就 是 说 这 种 不 确 定 性 与 确 定 性 一 样 是 符 合 量 子 规 律 的 符 合 因 果 关 系 决 定 性 的, 不 过 表 现 形 式 为 偶 然 性 和 概 率 性 如 图 9-, 一 定 大 小 的 小 球 射 向 间 隔 比 小 球 直 径 略 大 的 栅 栏, 哪 一 次 小 球 能 够 通 过 是 不 确 定 的, 但 是 通 过 的 概 率 多 少 是 可 以 计 算 的, 这 就 是 说 这 种 不 确 定 性 是 符 合 量 子 规 律 的, 受 概 率 规 范 就 是 受 规 律 约 束 栅 栏 的 间 隔 是 一 致 的, 一 个 直 径 小 于 间 隔 的 小 球 射 向 栅 栏, 哪 一 次 通 过 是 不 确 定 的, 但 是 受 概 率 规 范 图 9- 受 概 率 规 范 的 不 确 定 性 是 符 合 决 定 性 的 有 规 律 的 这 种 不 确 定 性 是 否 能 为 人 们 认 识, 或 者 人 们 是 否 有 必 要 去 认 识 呢? 对 于 某 些 受 概 率 规 范 的 不 确 定 性, 人 类 是 可 以 逐 步 认 识 的, 人 类 认 识 世 界 的 历 史 就 是 一 部 不 断 地 通 过 实 践, 将 不 确 定 性 转 化 为 确 定 性, 逐 步 地 接 近 真 理 的 历 史 但 是 很 多 受 概 率 规 范 的 不 确 定 性 是 不 能 被 人 类 认 识 或 者 无 须 被 人 类 细 微 地 认 识 的 因 为 到 了 量 子 内 部 的 微 观 层 面, 由 于 细 微 度 是 无 限 的, 认 识 对 象 的 复 杂 度 增 大, 又 由 于 人 的 认 识 过 程 与 被 认 识 对 象 的 相 互 干 扰, 人 是 不 可 能 全 部 认 识 这 么 多 具 体 的 量 子 态 的 同 时 人 们 并 不 须 要 认 识 这 么 多 的 有 规 律 的 不 确 定 性 因 素, 而 是 可 以 通 过 概 率 来 认 识 不 确 定 性 中 的 必 然 性, 也 就 把 握 了 事 物 的 客 观 规 律 量 子 的 确 定 性 和 以 上 三 类 不 确 定 性 都 是 量 子 实 在 的 表 现 形 式 爱 因 斯 坦 学 派 和 正 统 学 派 在 量 子 实 在 性 和 概 率 性 方 面 的 争 论 主 要 是 指 第 三 类 不 确 定 性, 即 符 合 量 子 规 律 的 符 合 因 果 关 系 决 定 性 的, 受 概 率 规 范 的 不 确 定 性 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 爱 因 斯 坦 学 派 坚 持 量 子 的 实 在 性 观 点 是 完 全 正 确 的, 但 是 应 当 承 认 概 率, 承 认 不 确 定 性 也 是 量 子 实 在 的 表 现 形 式 (4) 确 定 性 是 量 子 的 主 要 特 征, 不 确 定 性 是 偶 发 的 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 在 量 子 结 构 层 次, 符 合 因 果 关 系 决 定 性 原 则 的 确 定 性 因 素 是 量 子 态 变 动 的 主 要 因 素, 而 不 确 定 因 素 只 是 在 量 子 之 间 发 生 较 大 作 用 时 才 对 量 子 态 变 动 趋 势 发 生 较 大 影 响 这 就 是 说 量 子 运 动 的 不 确 定 性 并 不 是 经 常 地 发 生 在 量 子 运 动 的 始 终, 在 量 子 与 系 统 的 一 般 作 用 时, 不 确 定 性 的 影 响 强 度 是 很 弱 的 一 个 量 子 从 宇 宙 中 的 一 个 星 体 奔 向 地 球, 在 没 有 受 到 严 重 干 扰 的

97 情 况 下, 它 的 频 率 方 向 是 改 变 不 大 的, 也 就 是 说 在 该 量 子 没 有 与 系 统 发 生 较 强 的 作 用 时, 不 确 定 性 的 影 响 是 很 微 弱 的 如 图 9-3 A 不 确 定 性 的 偶 发 性 图 9-3 不 确 定 性 发 生 在 强 烈 的 作 用 位 置 和 时 刻 那 么 什 么 是 较 强 的 作 用 呢? 量 子 通 过 障 碍 物, 对 量 子 的 测 量, 强 烈 的 碰 撞, 场 相 互 作 用 引 起 量 子 运 动 的 拐 点 等, 都 是 量 子 受 到 的 较 强 作 用, 只 有 在 这 样 的 过 程 中 才 有 可 能 发 生 明 显 的 不 确 定 性 影 响 量 子 运 动 的 不 确 定 性 是 将 来 的 不 确 定, 而 不 是 历 史 和 现 在 的 不 确 定 性 量 子 运 动 的 不 确 定 性 是 可 能 的 不 确 定 性, 而 不 是 现 实 的 不 确 定 性 如 图 9-4, 如 果 不 考 虑 空 气 阻 力 因 素, 乒 乓 球 在 运 行 中 是 稳 定 的 确 定 的, 只 是 在 接 触 桌 面 时, 由 于 桌 面 的 不 平 整, 发 生 了 不 确 定 的 碰 撞 方 式, 引 起 球 反 弹 方 向 和 速 度 的 不 确 定 性 乒 乓 球 运 行 中 是 稳 定 的 图 9-4 乒 乓 球 运 行 方 式 的 确 定 性 和 不 确 定 性 又 如 图 9-5, 一 个 量 子 从 月 亮 上 奔 向 地 球, 振 动 了 几 亿 次 丝 毫 没 有 受 到 不 确 定 因 素 的 影 响, 没 有 出 现 明 显 的 布 朗 运 动 迹 象, 它 的 稳 定 性 是 如 此 强 烈, 它 的 确 定 性 也 是 如 此 坚 定, 它 是 如 此 的 决 定 性 和 实 在 性 的 仅 仅 是 这 个 量 子 到 达 地 球 并 与 地 球 上 的 物 质 作 用 时, 几 乎 是 在 几 亿 次 的 稳 定 振 动 之 后 的 最 后 一 次 振 动 时, 不 确 定 性 因 素 才 起 了 作 用 然 而 由 于 考 察 的 只 是 一 个 量 子 个 体, 这 个 最 后 的 不 确 定 性 才 显 得 特 别 突 出 量 子 的 独 立 微 小 和 稳 定 的 特 征, 使 得 量 子 运 动 的 不 确 定 性 并 不 如 通 常 所 说 的 比 宏 观 现 象 中 的 不 确 定 性 更 普 遍 更 强 烈, 反 而 是 偶 发 性 更 明 显 些 月 亮 光 量 子 从 38 万 km 之 外 奔 向 地 球, 振 动 几 亿 次 是 稳 定 地 面 最 后 撞 击 地 球 时 具 有 很 大 的 不 确 定 性

98 图 9-5 比 起 宏 观 物 体, 量 子 的 确 定 性 更 强, 最 后 的 不 确 定 性 也 更 强 大 量 的 实 践 证 明 量 子 是 如 此 的 确 定, 并 不 是 大 数 量 平 均 后 的 确 定, 而 是 一 个 一 个 量 子 的 态 的 确 定 我 们 桌 面 的 电 脑, 每 天 要 处 理 几 亿 亿 兆 的 信 息 量, 处 理 器 和 存 储 器 忠 实 地 稳 定 确 定 地 运 行, 几 乎 没 有 出 现 一 个 错 误, 依 靠 的 就 是 每 一 个 量 子 的 稳 定 性 和 确 定 性 量 子 的 确 定 性 变 化 是 符 合 因 果 性 的, 符 合 决 定 性 的, 是 有 规 律 的 变 化 它 的 变 化 是 物 质 的 实 实 在 在 的 变 化, 容 易 被 人 们 用 实 在 性 的 方 式 描 述 量 子 的 不 能 用 一 定 的 概 率 规 范 的 不 确 定 性, 不 符 合 量 子 变 化 规 律, 甚 至 不 符 合 因 果 性 关 系, 不 符 合 决 定 性, 它 的 变 化 同 样 是 物 质 的 实 实 在 在 的 变 化, 但 不 容 易 被 人 们 用 实 在 性 的 方 式 描 述 量 子 的 能 用 一 定 的 概 率 计 算 的 不 确 定 性, 是 符 合 因 果 性 决 定 性 的, 也 是 有 规 律 的 变 化 它 的 变 化 是 物 质 的 实 实 在 在 的 变 化, 人 们 可 以 对 它 进 行 考 虑 概 率 因 素 的 实 在 性 描 述 量 子 具 有 不 确 定 性, 只 是 变 化 趋 势 的 不 确 定 性, 并 不 是 说 量 子 波 在 一 个 确 定 的 时 刻 它 的 状 态 不 确 定 量 子 运 动 的 不 确 定 性 是 将 来 的 不 确 定, 而 不 是 历 史 和 现 在 的 不 确 定 性 它 的 历 史 和 现 在 都 是 实 实 在 在 的 它 的 将 来 的 变 化 趋 势 有 不 确 定 性, 但 是 它 的 将 来 的 状 态 也 一 定 是 实 实 在 在 的 下 一 章 研 究 量 子 波 动 方 程 和 波 函 数 时, 笔 者 进 一 步 提 出 如 果 将 限 定 条 件 同 时 考 虑, 将 波 函 数 的 计 算 结 果 按 照 波 动 周 期 进 行 归 一 化 处 理, 并 将 量 子 出 现 概 率 解 释 为 量 子 运 行 到 此 区 域 发 生 作 用 ( 如 屏 幕 或 者 测 量 ) 时 可 能 的 不 确 定 表 现 方 式, 那 么 描 述 量 子 出 现 概 率 的 波 函 数 是 可 以 描 述 量 子 的 实 在 运 动 的 图 9-6 对 本 节 提 出 的 观 点 作 简 单 小 结, 这 些 观 点 既 坚 持 量 子 实 在 性 的 观 点, 又 支 持 量 子 不 确 定 性 概 率 性 观 点, 并 不 是 有 意 调 和 爱 因 斯 坦 学 派 与 正 统 学 派 争 论, 而 是 希 望 正 确 理 解 规 律 性 因 果 关 系 决 定 性 确 定 性 及 实 在 性 之 间 的 关 系, 深 入 系 统 地 研 究 量 子 的 实 在 性 问 题 量 子 实 在 性 符 合 因 果 关 系 决 定 论, 符 合 物 质 基 本 规 律 不 符 合 量 子 规 律 不 符 合 因 果 关 系 决 定 论, 无 规 律 性 符 合 量 子 规 律 不 受 概 率 规 范 的 不 确 定 性 图 9-6 量 子 实 在 性 的 表 现 形 式 三 不 确 定 性 原 理 已 认 知, 确 定 性 未 认 知, 受 概 率 规 范 的 不 确 定 性

99 不 确 定 性 原 理 是 由 德 国 物 理 学 家 海 森 伯 最 先 提 出 来 的, 也 称 海 森 伯 不 确 定 性 原 理 也 就 是 说 对 于 量 子, 我 们 不 能 对 它 的 某 些 共 辙 性 的 物 理 量, 如 动 量 和 位 置 能 量 和 时 间, 同 时 确 定 精 确 值 如 设 p 和 q 分 别 是 测 量 动 量 p 和 测 量 位 置 q 的 误 差, h 是 普 朗 克 常 数 海 森 堡 发 现, 测 量 p 和 测 量 q 的 误 差, 它 们 的 乘 积 必 定 要 大 于 某 个 常 数 如 果 我 们 把 p 测 量 得 非 常 精 确, 也 就 是 说 p 非 常 小, 那 么 相 应 地, q 必 定 会 变 得 非 常 大, 也 就 是 说 我 们 关 于 q 的 知 识 就 要 变 得 非 常 模 糊 和 不 确 定 反 过 来, 假 如 我 们 把 位 置 q 测 得 非 常 精 确,p 就 变 得 摇 摆 不 定, 误 差 急 剧 增 大 海 森 伯 将 这 个 不 确 定 性 原 理 的 公 式 表 达 为 : p q h 对 于 能 量 和 时 间 : E t h 此 公 式 经 过 量 子 力 学 严 密 推 导 后 表 达 为 : p q h / 4 π 和 E t h / 4 π 由 于 只 是 近 似 的 估 计, 两 类 公 式 对 问 题 的 分 析 结 果 是 等 价 的 由 于 不 确 定 性 原 理, 量 子 可 以 发 生 一 些 在 宏 观 中 无 法 发 生 的 现 象 如 太 阳 上 的 核 聚 变, 本 来 核 子 之 间 的 电 场 排 斥 力 使 得 核 子 无 法 靠 近, 但 是 由 于 不 确 定 性 原 理, 在 很 短 的 时 间 ( 当 然 也 是 很 小 的 概 率 ) 使 得 某 些 核 子 的 能 量 不 确 定 性 增 大, 得 以 突 破 静 电 排 斥 力 而 发 生 核 聚 变 又 如 氢 原 子 中 的 电 子 为 什 么 不 落 到 原 子 核 内? 这 是 经 典 物 理 不 能 解 释 的 问 题, 用 海 伯 森 不 确 定 关 系 却 能 够 得 到 说 明 电 子 离 质 子 越 近, 距 离 越 小, 电 子 的 动 量 的 不 确 定 性 增 大, 足 以 使 电 子 与 质 子 保 持 一 定 的 距 离 海 森 堡 认 为 对 于 量 子 的 某 些 共 辙 性 的 物 理 量, 如 果 先 测 量 p 再 测 量 q, 与 先 测 量 q 再 测 量 p, 结 果 是 不 一 样 的 : p q q p 测 量 p 时 这 个 动 作 本 身 影 响 到 了 q 的 数 值 反 过 来, 测 量 q 的 动 作 也 将 影 响 p 的 数 值 如 用 波 去 探 测 电 子, 波 必 然 给 电 子 本 身 造 成 扰 动, 波 长 越 短 的 波, 它 的 频 率 就 越 高, 能 量 也 相 应 于 增 强, 这 样 给 电 子 的 扰 动 就 越 厉 害, 同 时 我 们 就 更 加 无 法 了 解 它 的 动 量 了 有 些 学 者 认 为 不 确 定 性 原 理 就 像 我 们 测 量 海 岸 线 的 长 度 一 样, 由 于 海 岸 线 是 曲 折 的, 测 量 越 精 确 即 测 量 的 视 距 越 短, 总 的 海 岸 线 长 度 越 大 有 学 者 认 为 要 从 对 波 的 测 量 来 理 解, 任 何 对 波 的 一 定 行 程 测 量, 总 会 出 现 对 不 到 一 个 波 动 周 期 的 波 的 测 量 损 失, 测 量 行 程 越 长 平 均 下 来 这 种 损 失 越 小, 对 波 长 的 计 算 就 越 精 确 这 里 将 行 程 视 为 位 置, 波 长 视 为 与 频 率 相 关 的, 也 即 与 动 量 相 关 的 量, 这 样 位 置 越 模 糊 动 量 越 精 确, 位 置 与 动 量 是 一 对 共 轭 物 理 量, 符 合 不 确 定 性 原 理 玻 尔 认 为 不 确 定 性 原 理 并 不 是 测 量 因 素 形 成 的, 他 认 为 不 确 定 性 原 理 产 生 的 内 在 机 制 是 量 子 的 波 动 性, 是 量 子 运 动 的 本 质 的 表 现 笔 者 认 为, 用 量 子 单 位 制 描 述 不 确 定 性 原 理 时, 能 量 用 频 率 ( 次 / 秒 ) 代 替, 动 量 用 波 密 度 ( 次 / 米 ) 代 替, 普 朗 克 常 数 h 为 1, 可 以 将 不 确 定 性 原 理 公 式 转 换 为 : 波 密 度 ( 次 / 米 ) 长 度 ( 米 ) 1 频 率 ( 次 / 秒 ) 时 间 ( 秒 ) 1 表 明 在 量 子 波 的 一 个 波 动 周 期 以 内 的 一 些 共 辙 物 理 量, 是 无 法 精 确 确 定 的 测 量 也 是 一 种 相 互 作 用, 对 一 个 波 动 过 程 的 坐 标 长 度 确 定 越 精 确, 意 味 着

100 只 能 看 到 一 小 段 波 动, 由 于 波 动 过 程 运 动 的 线 速 度 是 不 均 衡 的, 得 到 的 波 密 度 ( 动 量 ) 就 越 不 准 确 如 果 坐 标 长 度 扩 大 到 一 个 波 长, 波 密 度 ( 动 量 ) 的 平 均 数 就 会 准 确 到 数 值 为 1 或 者 对 一 个 波 动 过 程 的 时 间 间 隔 确 定 越 精 确, 意 味 着 只 能 看 到 一 小 段 波 动, 频 率 ( 能 量 ) 的 测 定 就 越 不 准 确 如 果 时 间 间 隔 扩 大 到 一 个 波 动 周 期, 就 得 到 一 个 准 确 的 频 率 数 值 为 1 如 图 9-7 所 示 a b 考 察 波 动 行 程 越 精 确 动 量 偏 离 平 均 值 的 可 能 性 越 大, 考 察 波 动 时 间 越 精 确 频 率 偏 离 平 均 值 的 可 能 性 越 大 图 9-7 不 确 定 性 原 理 与 波 动 周 期 有 关 这 样 认 识 不 确 定 性 原 理 与 笔 者 前 面 认 为 量 子 态 不 确 定 性 是 可 能 性 的 突 发 的, 一 般 在 量 子 相 互 作 用 的 最 后 一 个 波 动 周 期 出 现 的 观 点 是 一 致 的 与 笔 者 在 第 十 章 分 析 薛 定 谔 波 动 方 程 和 波 函 数 时, 认 为 波 函 数 按 照 归 一 化 处 理 后 与 限 制 条 件 共 同 表 述, 可 以 描 述 量 子 的 实 在 运 动, 而 概 率 描 述 量 子 波 动 行 程 中 可 能 的 不 确 定 性 一 般 只 发 生 在 量 子 强 烈 相 互 作 用 的 最 后 一 个 波 动 周 期 的 观 点 也 是 一 致 的, 完 全 符 合 玻 尔 认 为 不 确 定 性 原 理 产 生 的 内 在 机 制 是 量 子 的 波 动 性, 是 量 子 运 动 本 质 表 现 的 观 点 量 子 论 中 不 确 定 性 原 理 所 涉 及 的 不 确 定 性, 是 能 用 一 定 的 概 率 计 算 的 不 确 定 性, 是 符 合 因 果 关 系 和 决 定 论 的, 由 此 引 起 的 量 子 态 变 动 是 有 规 律 的 变 动, 是 物 质 的 实 实 在 在 的 变 动, 量 子 力 学 对 它 的 描 述 也 是 实 在 的 描 述 四 双 缝 干 涉 实 验 (1) 双 缝 干 涉 实 验 内 容 双 缝 干 涉 实 验 是 一 个 最 著 名 的 最 能 反 映 量 子 运 动 特 征 的 引 起 学 术 争 议 最 多 且 最 持 久 的 简 单 实 验 如 图 9-8 所 示, 用 一 电 子 枪 向 开 有 双 缝 的 屏 发 射 电 子 ( 假 设 发 射 出 来 的 电 子 经 过 类 似 小 孔 的 处 理 成 为 频 率 相 同 相 位 同 步 的 电 子 束 ), 再 后 面 是 接 受 电 子 的 后 障, 在 其 上 安 装 了 检 测 器 x x x x 1 a b c d 图 9-8 电 子 双 缝 干 涉 实 验

101 先 将 缝 遮 住, 只 允 许 电 子 从 缝 1 通 过, 记 录 后 障 上 各 处 检 测 到 电 子 的 数 目, 得 到 如 图 b 上 部 靠 右 的 概 率 分 布 曲 线 P 1( x) 再 遮 住 缝 1, 打 开 缝, 重 复 上 述 实 验, 我 们 得 到 如 图 b 下 部 靠 右 的 概 率 分 布 曲 线 P ( x ), 合 并 得 到 图 中 c 的 曲 线, 没 有 任 何 干 涉 效 应 如 果 打 开 两 缝 做 实 验, 得 到 如 图 d 所 示 的 概 率 分 布 曲 线 P 1 ( x ), 具 有 明 显 的 干 涉 效 应 特 征 如 果 将 光 看 成 宏 观 的 光 束, 利 用 宏 观 波 动 函 数 可 以 较 好 地 解 释 上 述 现 象 : 波 动 光 学 里 复 振 幅 A 绝 对 值 的 平 方 等 于 光 的 强 度 I: 在 后 障 处, 振 幅 可 以 相 互 抵 消 或 者 增 强, 称 为 振 幅 叠 加 ϕ ( x) = ϕ1( x) + ϕ ( x) 于 是 光 波 强 度 为 I( x) = A( x) 1 1 A 1( x) A ( x = A ( x) + A 1 ( x) = A ( x) + A ( x) A ( x) + A ( x) 式 中 ) 可 以 是 正 值 也 可 以 是 负 值, 很 好 地 体 现 了 波 幅 的 叠 加 性 质, 可 以 描 述 电 子 双 缝 实 验 里 的 干 涉 现 象 () 双 缝 干 涉 实 验 引 出 的 量 子 的 波 粒 二 象 性 问 题 和 量 子 的 实 在 性 问 题 将 光 视 为 波 束 可 以 用 上 述 波 幅 叠 加 公 式 解 释 双 缝 干 涉 实 验, 但 问 题 是 电 子 是 一 个 一 个 粒 子, 按 照 量 子 波 概 念 电 子 就 是 一 份 一 份 的 波 双 缝 干 涉 实 验 引 出 了 波 粒 二 象 性 问 题, 如 果 说 电 子 是 粒 子, 人 们 会 说 : 每 一 个 电 子 不 是 通 过 缝 1, 就 是 通 过 缝, 两 者 必 居 其 一, 那 么, 干 涉 效 应 是 怎 样 产 生 的 呢? 也 许 电 子 在 通 过 双 缝 时 分 成 了 两 半, 每 缝 通 过 一 半 为 什 么 检 测 器 接 受 的 总 是 整 个 电 子, 从 未 发 现 半 个? 会 不 会 两 半 电 子 在 通 过 双 缝 后 又 合 而 为 一? 双 缝 实 验 中 我 们 看 到, 虽 然 电 子 看 起 来 像 波 一 样 运 动, 但 它 们 却 以 像 子 弹 一 样 的 方 式 打 到 屏 幕 上 与 牛 顿 定 理 中 描 述 的 经 典 粒 子 的 行 为 做 个 比 较, 电 子 沿 着 一 条 经 典 轨 迹, 一 直 运 动 到 探 测 器 上, 原 则 上, 在 粒 子 到 达 探 测 器 之 前, 我 们 可 以 看 出 它 一 直 朝 着 这 个 探 测 器 走 过 去, 但 是 如 何 解 释 两 条 缝 同 时 打 开 时 电 子 在 屏 幕 上 的 干 涉 效 应, 难 道 一 个 电 子 真 的 是 同 时 通 过 两 条 缝 吗? 关 于 光 的 波 动 性 或 是 粒 子 性 问 题 早 在 牛 顿 时 代 就 已 开 始 争 论 了, 现 在 从 量 子 论 角 度 思 考, 已 经 不 是 光 的 波 动 性 或 是 粒 子 性 的 问 题, 而 是 光 如 何 既 是 波 又 是 粒 子 的 问 题 了 杨 氏 双 缝 实 验 在 1801 年 令 人 信 服 地 证 明 了 光 可 以 产 生 干 涉 现 象, 从 而 是 一 种 波 然 而, 爱 因 斯 坦 却 发 现, 光 波 理 论 无 法 解 释 光 电 效 应 等 新 的 实 验 现 象, 为 此 又 必 须 利 用 光 子 假 设 爱 因 斯 坦 认 为, 能 量 子 概 念 不 只 是 在 光 波 的 发 射 和 吸 收 时 才 有 意 义, 光 波 本 身 就 是 由 一 个 个 不 连 续 的 不 可 分 割 的 能 量 量 子 所 组 成 利 用 光 子 假 设, 爱 因 斯 坦 成 功 地 解 释 了 麦 克 斯 韦 电 磁 场 理 论 所 无 法 解 释 的 光 电 效 应 等 现 象, 并 提 出 了 光 电 效 应 定 律 但 是, 如 果 光 是 由 粒 子 组 成 的, 它 又 怎 么 能 产 生 干 涉 现 象 呢? 这 绝 对 是 一 个 两 难 的 局 面! 爱 因 斯 坦 不 得 不 承 认 : 光 似 波, 也 似 粒 子 双 缝 干 涉 实 验 还 引 出 了 量 子 的 实 在 性 问 题 在 解 释 量 子 的 波 动 性 和 粒 子 性 问 题 时, 由 于 无 法 以 常 规 的 方 式 实 实 在 在 地 描 绘 出 量 子 运 动 的 图 象, 无 法 同 时 满 足 波 粒 二 象 性 的 要 求, 玻 尔 等 物 理 学 家 提 出 量 子 的 运 动 是 不 确 定 的, 只 能 以 概 率 来 描 绘, 这 在 爱 因 斯 坦 看 来 是 完 全 不 能 接 受 的, 爱 因 斯 坦 不 能 容 忍 丢 弃 物 理 运 动 的 实 在 性

102 (3) 使 用 波 函 数 的 概 率 性 来 解 释 双 缝 干 涉 实 验 对 电 子 双 缝 干 涉 实 验 的 实 验 结 果, 尤 其 是 分 别 打 开 缝 与 同 时 打 开 双 缝 得 到 的 结 果 不 同, 这 个 问 题 包 含 了 量 子 物 理 的 核 心 之 谜, 使 双 缝 干 涉 实 验 成 了 一 项 引 发 众 多 争 论 的 实 验 人 们 对 这 个 实 验 结 果 作 出 了 多 种 解 释 正 统 的 量 子 理 论 使 用 波 函 数 的 概 率 性 解 释, 认 为 量 子 在 被 测 量 到 之 前 是 不 确 定 的, 人 们 无 法 知 道 它 从 哪 条 路 来, 因 此 无 法 确 认 量 子 在 被 测 量 到 之 前 的 实 在 性, 只 在 在 屏 幕 之 上, 波 函 数 坍 缩, 微 观 与 宏 观 才 衔 接 了, 粒 子 性 才 显 示 出 来 后 来 发 展 为 多 路 径 解 释 : 量 子 在 被 测 量 到 之 前 是 弥 漫 的 波 的 状 况, 从 各 种 可 能 的 路 径 到 达 屏 幕, 可 能 的 路 径 都 是 符 合 概 率 规 率 的, 到 达 屏 幕 的 各 点 是 各 种 路 径 之 和, 也 即 各 种 概 率 之 和 粒 子 在 屏 幕 上 什 么 地 方 出 现 亮 点, 显 然 是 按 概 率 分 布 来 显 示 的 正 统 的 量 子 理 论 认 为 : 波 动 光 学 里 复 振 幅 A 绝 对 值 的 平 方 等 于 光 的 强 度 I, 在 量 子 力 学 里 也 可 以 建 立 某 种 类 似 复 振 幅 的 概 念 来 描 述 量 子 的 波 动 状 态 建 立 波 动 方 程 和 波 函 数 后, 发 现 它 似 乎 不 能 描 述 量 子 的 实 在 的 波 动 情 况, 但 是 用 波 函 数 计 算 出 来 的 类 似 振 幅 的 量, 它 的 绝 对 值 的 平 方 等 于 粒 子 出 现 的 概 率, 于 是 将 波 函 数 计 算 出 来 的 振 幅 称 为 概 率 幅, 通 常 用 φ 表 示, 概 率 幅 绝 对 值 的 平 方 称 为 等 于 粒 子 出 现 的 概 率, 通 常 用 p 表 示 : * p( x) = ϕ ( x) ϕ( x) = ϕ( x), 量 子 力 学 里 的 概 率 幅 ϕ (x) 也 是 复 数, 它 是 可 以 进 行 叠 加 计 算 的, 正 反 方 向 的 波 幅 是 可 以 相 互 抵 消 或 者 增 强 的, 这 就 很 好 地 描 述 了 电 子 双 孔 实 验 里 概 率 幅 干 涉 的 现 象 波 函 数 理 论 是 量 子 力 学 的 主 要 内 容, 量 子 力 学 是 被 无 数 实 验 证 实 了 的 正 确 的 理 论, 对 大 部 分 量 子 现 象 都 能 作 出 解 释 正 统 理 论 认 为 量 子 力 学 的 特 征 是 对 量 子 态 的 概 率 性 描 述, 笔 者 认 为 这 样 来 理 解 量 子 力 学 还 不 全 面, 量 子 力 学 最 重 要 的 特 征 是 对 概 率 的 似 波 性 假 设, 即 量 子 的 出 现 概 率 呈 现 出 波 动 特 点, 而 且 具 有 波 幅 叠 加 特 征, 波 幅 具 有 方 向 性, 允 许 出 现 正 反 抵 消 效 应 正 统 理 论 对 量 子 力 学 的 解 释 强 调 了 概 率 性, 对 个 别 量 子 的 波 动 的 实 在 性 行 为 予 以 否 定 这 样 的 解 释 在 爱 因 斯 坦 看 来 是 完 全 不 能 接 受 的, 爱 因 斯 坦 执 著 地 认 为 上 帝 不 掷 骰 子 (4) 物 质 基 本 结 构 理 论 对 双 缝 干 涉 实 验 的 解 释 物 质 基 本 结 构 理 论 承 认 量 子 态 的 概 率 性, 认 为 不 确 定 性 与 确 定 性 一 样 都 是 量 子 实 在 的 表 现 形 式, 加 上 边 界 条 件 并 按 归 一 化 处 理 后 的 波 函 数 是 可 以 概 率 性 地 表 现 量 子 波 动 态 的 实 在 性 的 物 质 基 本 结 构 理 论 还 有 一 个 更 重 要 的 观 点, 即 量 子 力 学 对 概 率 似 波 性 的 假 设 是 有 物 质 实 在 作 基 础 的, 这 个 基 础 就 是 量 子 个 体 的 波 动 性, 以 及 量 子 波 之 间 的 同 步 性 干 扰 由 于 量 子 个 体 的 波 动 性, 使 得 量 子 之 间 近 距 离 相 互 作 用 时 出 现 不 确 定 性 即 概 率 性 特 征 ; 又 由 于 量 子 波 之 间 的 同 步 性 干 扰, 使 得 量 子 群 体 表 现 出 态 叠 加 的 特 征 正 是 这 样 的 实 在 性 基 础 导 致 了 量 子 力 学 公 式 的 产 生, 进 而 导 致 了 宏 观 波 动 现 象 的 产 生 新 观 点 完 全 承 认 量 子 力 学 的 正 确 性, 量 子 力 学 中 关 于 波 函 数 的 态 计 算 是 正 确 有 效 的 新 观 点 认 为 波 函 数 的 概 率 解 释 的 基 础 是 量 子 间 的 波 动 干 扰, 是 由 于 量 子 波 动 的 实 在 性 才 使 得 量 子 出 现 概 率 的 似 波 性 首 先 是 量 子 之 间 的 波 动 干 扰, 使 得 量 子 态 发 生 了 实 实 在 在 的 变 动, 并 形 成 量 子 态 的 同 步 趋 势, 然 后 由 于 量 子 周 期 性 波 动 中 的 不 确 定 性 因 素 发 挥 作 用, 量 子 的 运 动 轨 迹 才 能 呈 现 出 符 合 态 叠 加 规 律 的 概 率 分 布 是 量 子 波 动 的 实 在 性 造 就 了 量 子 出 现 概 率 的 似 波 性, 而 不 是 量 子 出 现 概 率 的 似 波 性 产 生 了 量 子 运 动 的 波 动 性 物 质 基 本 结 构 理 论 对 双 缝 干 涉 实 验 的 解 释, 认 为 玻 色 性 量 子 波 在 费 米 子 作 为 环 境 的 条 件 下, 在 屏 幕 处 出 现 同 相 位 的 波 趋 于 聚 集, 不 同 相 位 的 波 趋 于 排 斥, 尽 量 形 成 新 的 相 位 同 步, 于 是 出 现 了 量 子 分 布 的 变 动, 产 生 了 干 涉 条 纹 新 观 点 并 不 排 斥 不 确 定 和 概 率 效 应, 在 量 子 运 动 的 过 程 中 波 函 数 的 概 率 计 算 是 正 确 的, 但 这 种 概 率 在 量 子 的 大 部 分 运 动 过 程 中

103 只 是 可 能 性 而 不 是 现 实 性 可 能 性 转 化 为 现 实 性 只 出 现 在 量 子 作 用 最 强 烈 的 位 置, 即 此 例 的 屏 幕 处 近 来 有 报 导 说 双 缝 干 涉 实 验 中 使 每 次 只 发 射 一 个 电 子, 在 第 一 个 电 子 到 达 屏 幕 之 后 再 发 射 第 二 个 电 子, 得 到 同 样 的 实 验 结 果, 这 就 是 说 发 现 了 单 光 子 干 涉 现 象, 即 量 子 存 在 自 相 干 如 果 这 样 的 实 验 是 确 实 的, 对 双 缝 干 涉 实 验 的 解 释 就 要 考 虑 到 由 于 量 子 的 非 定 域 性, 两 条 缝 的 间 距 足 够 小 时, 可 能 引 起 一 些 特 殊 的 波 动 干 扰 方 式 在 双 缝 干 涉 实 验 中 能 否 检 测 电 子 究 竟 是 从 哪 条 缝 来 的 呢? 实 验 证 明 这 是 不 可 能 的, 因 为 当 实 验 检 测 到 电 子 时 干 涉 效 应 立 即 消 失 要 设 计 出 一 种 仪 器, 它 既 能 判 断 电 子 通 过 哪 个 孔 ( 这 种 仪 器 可 称 为 哪 条 路 检 测 器 ), 又 不 干 扰 干 涉 图 样 的 出 现, 是 绝 对 做 不 到 的 这 是 微 观 世 界 里 的 客 观 规 律, 并 非 我 们 现 在 的 实 验 手 段 不 够 高 明 正 统 量 子 理 论 认 为 量 子 自 身 可 以 处 于 两 种 以 上 叠 加 态 ( 也 可 称 交 缠 态, 指 一 个 量 子 内 部 两 种 以 上 不 可 表 达 为 因 子 直 积 形 式 的 状 态 ), 测 量 引 起 了 波 函 数 坍 缩, 即 检 测 的 操 作 干 扰 了 量 子 的 行 为, 使 得 量 子 的 某 种 态 按 概 率 表 现 出 来, 原 来 相 干 的 光 子 不 再 相 干 了, 即 退 相 干, 原 来 出 现 的 干 涉 条 纹 变 化 了 或 者 不 再 出 现 了 也 有 学 者 认 为 是 测 试 仪 器 的 态 与 量 子 态 交 缠 在 一 起, 使 得 干 涉 条 纹 消 失, 出 现 了 退 相 干 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 测 量 就 是 一 种 相 互 作 用, 由 于 测 量, 量 子 波 的 态 将 会 发 生 变 动, 就 有 可 能 发 生 退 相 干 测 量 是 广 义 的 测 量, 只 要 是 费 米 波 近 距 离 干 扰 了 玻 色 波 的 波 动, 就 可 称 为 测 量, 如 双 缝 干 涉 实 验 中 屏 幕 是 测 量 装 置, 加 入 哪 条 路 检 测 装 置 也 是 测 量 装 置 测 量 对 量 子 的 干 扰 一 定 会 表 现 在 量 子 态 的 实 在 的 变 动 中, 这 就 是 说 测 量 引 起 的 退 相 干 一 定 是 量 子 发 生 了 态 变 动 物 质 基 本 结 构 理 论 承 认 环 境 的 随 机 因 素 对 量 子 态 可 能 产 生 影 响, 但 不 支 持 因 环 境 的 随 机 因 素 造 成 波 函 数 坍 缩 的 观 点, 如 果 真 有 大 量 的 环 境 的 随 机 因 素 对 量 子 态 产 生 干 扰, 那 一 定 会 使 量 子 态 发 生 实 实 在 在 的 变 动, 而 不 是 在 量 子 原 来 固 有 的 若 干 叠 加 的 态 中 选 中 一 个 测 量 可 以 在 原 来 的 实 在 形 式 的 基 础 上 创 造 出 新 的 实 在 形 式, 但 决 不 是 有 了 测 量 才 有 实 在 五 物 质 基 本 结 构 理 论 对 量 子 衰 变 的 解 释 某 些 量 子 具 有 辐 射 性, 会 衰 变 成 另 一 种 量 子 ( 当 然 会 放 出 其 他 量 子 ), 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 这 些 能 衰 变 的 量 子 都 是 复 合 量 子, 关 于 复 合 量 子 的 问 题 将 在 第 十 三 章 讨 论 衰 变 的 发 生 具 有 不 确 定 性, 但 并 不 是 没 有 规 律 的, 辐 射 量 子 的 衰 变 有 一 定 的 半 衰 期, 这 就 是 规 律 正 统 量 子 理 论 对 此 解 释 是 该 量 子 未 衰 变 前 的 态 是 衰 变 态 与 不 衰 变 态 的 叠 加 态, 按 照 概 率 在 一 定 条 件 下 引 起 波 函 数 坍 缩, 显 示 出 衰 变 状 态 量 子 的 叠 加 态 是 正 统 量 子 理 论 的 重 要 内 容, 它 不 同 于 波 函 数 的 波 幅 性 态 叠 加 概 念, 态 叠 加 指 的 是 两 个 以 上 量 子 的 波 动 干 扰 引 起 的 特 殊 的 态 变 动 状 态, 而 叠 加 态 指 的 是 一 个 量 子 同 时 具 有 多 种 态, 不 同 的 态 有 不 同 的 出 现 概 率, 这 些 态 之 间 不 能 够 表 达 为 因 子 的 直 积 形 式 出 现 一 个 综 合 的 性 状, 而 是 存 在 着 态 之 间 的 交 缠, 不 同 的 性 状 将 会 在 不 同 的 条 件 下 独 立 地 表 现 出 来, 即 所 谓 波 函 数 坍 缩 量 子 力 学 中 的 态 往 往 不 被 认 为 是 实 实 在 在 的 状 态, 而 是 可 能 表 现 出 来 的 状 态, 因 此 所 谓 不 能 够 表 达 为 因 子 的 直 积 形 式 是 指 表 现 出 来 的 态 具 有 分 离 性 叠 加 态 其 实 说 的 是 一 个 量 子 具 有 态 变 动 趋 势 的 多 种 可 能 性, 例 如 一 个 量 子 在 行 程 中 由 于 波 动, 其 线 速 度 是 不 均 匀 的, 呈 现 周 期 性 变 化, 如 果 在 行 程 路 上 设 置 检 测 器, 某 个 量 子 的 检 出 率 是 不 确 定 的, 受 概 率 规 范, 这 并 不 是 说 量 子 实 在 的 态 是 由 相 互 交 缠 的 独 立 的 态 的 堆 积 而 成, 而 是 说 这 个 量 子 的 变 动 趋 势 具 有 各 种 可 能 性 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 量 子 任 何 时 候 的 态 都 是 确 定 的 实 在 的 量 子 能 够 发 生 衰 变, 是 由 于 它 本 身 的 结 构 特 征, 与 系 统 存 在 某 种 可 能 的 相 互 作 用 既 然 这 种 相 互 作 用 仅 仅 是 可 能, 说 明 它 在 衰 变 前 仍 然 是 未 衰 变 的 确 定 的 实 在 引 起 衰 变 发 生 的 相 互 作 用 不 是 渐 变 式 的 逐 渐 积 累, 而 是 突 发 的, 这 种 不 确 定 的 突 发 完

104 成 后, 量 子 的 状 态 就 变 为 衰 变 后 的 确 定 的 实 在 的 状 态 衰 变 受 概 率 规 范, 是 实 在 的 有 因 果 关 联 的 决 定 性 的 物 理 现 象 如 图 9-9 所 示 量 子 确 定 性 A B 衰 变 的 不 确 定 性 图 9-9 量 子 衰 变 中 表 现 的 确 定 性 和 不 确 定 性 如 果 一 个 量 子 ( 如 自 由 中 子 ) 的 半 衰 期 是 15 分 钟, 到 了 40 分 钟 这 个 量 子 还 没 有 衰 变, 这 时 这 个 量 子 的 内 部 的 实 在 的 状 态 与 40 分 钟 前 的 状 态 是 一 致 的, 这 个 过 期 5 分 钟 的 量 子 的 半 衰 期 还 是 15 分 钟 这 进 一 步 说 明 了 量 子 的 确 定 性 是 主 流, 而 不 确 定 性 是 突 发 的 量 子 的 衰 变 与 量 子 自 身 的 态 有 关, 否 则 各 种 放 射 物 质 的 半 衰 期 不 会 差 异 这 么 大, 但 引 起 突 发 的 因 素 在 什 么 条 件 下 发 生 引 起 衰 变 的 作 用, 目 前 无 法 知 道 原 因, 但 可 以 肯 定 这 是 一 个 符 合 大 数 法 则 的 均 衡 的 因 素, 否 则 不 会 存 在 概 率 规 范 物 质 基 本 结 构 理 论 强 调 量 子 态 的 实 在 性, 认 为 量 子 态 的 确 定 性 是 主 流, 量 子 在 大 多 数 情 况 下 态 是 确 定 的, 发 生 衰 变 是 不 确 定 的 突 发 的 偶 然 的, 衰 变 一 般 在 量 子 的 一 个 波 动 周 期 完 成, 衰 变 完 成 之 后, 量 子 的 衰 变 后 的 状 态 又 是 确 定 的 了, 量 子 的 状 态 无 论 是 衰 变 前 衰 变 中 衰 变 后 都 是 实 在 的 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 多 数 情 况 下 对 量 子 不 确 定 行 为 的 解 释 无 须 使 用 量 子 的 叠 加 态 概 念, 如 第 五 章 中 对 偏 振 实 验 的 解 释, 对 量 子 通 过 小 孔 后 同 步 的 解 释, 又 如 本 章 中 对 双 缝 干 涉 实 验 的 解 释, 退 相 干 实 验 的 解 释 和 本 节 的 量 子 衰 变 解 释, 都 可 以 使 用 量 子 的 相 互 作 用 和 由 于 量 子 的 波 动 性 及 相 互 作 用 条 件 的 不 确 定 性 得 到 解 释 物 质 基 本 结 构 理 论 并 不 否 认 量 子 的 叠 加 态 观 点, 从 对 量 子 态 的 变 动 可 能 性 的 角 度 理 解, 量 子 力 学 对 量 子 叠 加 态 的 定 义 和 计 算 都 是 准 确 的, 尤 其 在 不 是 简 单 的 有 和 无 两 种 态, 而 是 具 有 不 同 的 量 值 时, 如 处 于 原 子 基 态 电 子 的 两 种 可 能 的 态, 某 种 处 于 两 个 激 发 能 极 之 间 的 电 子 态 等, 这 时 利 用 量 子 叠 加 态 分 析 量 子 相 互 作 用 时 可 能 表 现 出 的 态 变 动 的 概 率 就 有 了 实 际 意 义 笔 者 认 为 物 质 基 本 结 构 理 论 对 量 子 的 实 在 性 和 概 率 性 的 这 种 理 解 方 式, 能 够 对 薛 定 谔 猫 佯 谬 一 类 问 题 的 解 释 提 供 帮 助 第 十 章 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 的 相 容 性 一 波 函 数 和 薛 定 谔 波 动 方 程 ( 一 ) 平 面 波 的 波 函 数 (1) 平 面 波 的 描 述 波 的 形 式 是 多 种 多 样 的, 平 面 波 是 指 在 波 的 传 递 过 程 中 在 一 段 距 离 内 波 幅 变 动 不 大 的 波 描 述 平 面 波 的 状 态 的 波 函 数 为 : π Ψ ( x, t) = Acos( k x ω t) = Acos( x π vt) (10-1-1) λ 用 量 子 单 位 制 理 解, 在 波 函 数 (10-1-1) 中 : C 确 定 性

105 Ψ 为 波 函 数, x 与 t 分 别 表 示 x 方 向 的 距 离 变 量 与 时 间 变 量 函 数 计 算 结 果 的 物 理 量 为 波 幅, 即 长 度 单 位 为 米 A 为 波 幅, 单 位 为 米 指 平 面 波 相 对 稳 定 的 最 大 波 幅 绝 对 值 cos( k x ωt) 为 波 幅 的 变 动 系 数, 数 值 在 -1,0,+1 之 间 变 动 π k 为 单 位 长 度 弧 度 数, 即, 单 位 为 弧 度 / 米 λ ω 为 单 位 时 间 弧 度 数, 即 π v, 单 位 为 弧 度 / 秒 () 坐 标 变 量 x 与 时 间 变 量 t 由 于 λν = 波 速 度 υ, x / λν = x / υ 即 波 在 传 播 过 程 中 不 同 距 离 的 时 间 差 波 函 数 式 可 以 写 成 : x Ψ ( x, t) = Acos( k x ω t) = A cos( πν π vt) (10-1-) λν 如 果 上 述 波 函 数 式 去 掉 括 号 中 的 第 一 项, 得 到 : Ψ ( t) = Acos( ω t) = Acos( π vt) (10-1-3) 即 为 一 个 以 时 间 为 变 量 的 振 幅 函 数, 这 样 的 波 并 不 向 外 传 播, 而 是 在 原 地 上 下 振 动, 余 弦 cos 的 正 负 角 的 函 数 值 是 相 等 的, 因 此 括 号 中 的 负 号 可 以 忽 略 如 果 波 函 数 式 中 去 掉 括 号 中 的 第 二 项 同 时 保 留 第 一 项, 得 到 : Ψ ( x) = Acos( k x) = A cos( πν x ) (10-1-4) λν 即 为 一 个 以 坐 标 为 变 量 的 函 数, 是 描 述 波 到 达 各 种 位 置 的 振 动 位 移 情 况 (3) 波 函 数 的 复 数 形 式 波 函 数 式 也 可 以 写 成 以 e 为 底 的 复 数 形 式 : π Ψ ( x, t) = Aexp[i( kx ω t)] = Aexp[i( x π vt)] (10-1-5) λ (4) 由 波 函 数 建 立 的 通 用 的 波 动 方 程 通 用 的 波 动 方 程 是 如 下 形 式 : Ψ Ψ Ψ 1 Ψ + + = x y z u t (10-1-6) 化 简 为 一 维 形 式 的 波 动 方 程 : Ψ 1 Ψ = x u t (10-1-7) 函 数 是 直 接 描 述 变 量 之 间 的 关 系, 而 物 理 方 程 则 是 在 复 杂 的 情 况 下 表 述 各 种 物 理 量 的 关 系, 它 可 以 包 含 各 种 函 数, 但 对 函 数 中 的 变 量 之 间 关 系 的 表 述 不 是 那 么 直 接, 函 数 表 达 式 与 方 程 之 间, 在 一 定 条 件 下 可 以 转 换 下 面 我 们 给 出 推 导 过 程 对 宏 观 平 面 波 函 数 式 进 行 转 换, 得 : π Ψ ( x, t) = Aexp[i( kx ω t)] = Aexp[i( x π vt)] λ (10-1-8) 对 时 间 二 次 微 商 得 : Ψ = 4 π ν Ψ t 整 理 得 : Ψ 4 π Ψ = ν t 对 坐 标 二 次 微 商 得 : Ψ 4 π = Ψ x λ 整 理 得 :

106 Ψλ 4 π Ψ = x 将 两 个 二 次 微 商 的 结 果 连 接 得 : Ψλ Ψ = x ν t 引 入 波 速 u, 将 上 式 整 理 得 到 : Ψ 1 Ψ = x u t 这 就 是 前 面 的 一 维 形 式 的 波 动 方 程 式 可 见 波 函 数 与 波 动 方 程 在 一 定 条 件 下 可 以 相 互 转 换 (5) 常 数 项 的 意 义 读 者 应 当 注 意 到 由 波 函 数 转 换 为 波 动 方 程 的 过 程 中, 波 幅 常 量 A 消 失 了, 说 明 这 个 波 动 方 程 中 含 有 的 波 函 数 与 波 幅 常 量 没 有 直 接 联 系 如 果 由 波 动 方 程 反 解 出 波 函 数, 这 个 常 量 A 需 经 过 归 一 化 处 理 重 新 找 回 来 ( 二 ) 一 般 平 面 波 的 波 函 数 能 否 描 述 独 立 量 子 形 态 的 电 磁 波 (1) 描 述 量 子 波 的 波 函 数 与 描 述 一 般 平 面 波 的 波 函 数 的 区 别 通 常, 参 照 一 般 的 波 动 描 述 方 式, 似 乎 可 以 建 立 一 个 类 似 的 电 磁 波 的 波 函 数 表 达 式 : π E( x, t) = E0 cos( k x ω t) = E0 cos( x π vt) (10-1-8) λ 然 而, 我 们 以 宏 观 的 平 面 波 方 式 来 描 述 量 子 波 时, 必 须 考 虑 到 量 子 波 与 平 面 波 的 重 要 区 别 : 平 面 波 的 波 函 数 描 述 的 是 一 个 波 群 ( 波 束 ), 而 量 子 波 由 于 其 量 子 性, 表 现 为 个 体 的 量 子 波 即 使 一 个 有 限 的 空 间 在 一 段 有 限 的 时 间 里, 只 有 一 个 电 子 或 者 一 个 光 子 在 运 动, 我 们 也 得 承 认 这 个 电 子 或 者 光 子 的 波 动 性, 应 当 也 有 波 函 数 描 述 它 因 此 用 波 函 数 来 描 述 量 子 波 时, 显 然 应 当 与 描 述 光 束 或 者 电 子 束 的 方 式 有 所 区 别, 或 者 说 不 能 用 描 述 一 般 平 面 波 的 波 函 数 的 方 法 来 描 述 量 子 波 () 相 位 与 概 率 分 析 光 子 的 运 动 : 光 子 在 振 动 且 以 光 速 运 动, 以 位 置 作 为 变 量, 光 子 的 相 位 随 之 而 变, 换 以 时 间 作 为 变 量, 光 子 的 相 位 也 是 随 之 而 变 光 子 的 波 幅 一 个 波 动 周 期 内 的 速 度 也 是 在 随 位 置 和 时 间 变 动 的, 但 是 波 动 量 的 大 小 与 相 位 的 变 动 是 相 关 的 因 此 首 先 选 取 相 位 作 为 一 个 波 动 周 期 的 因 变 量 将 原 来 描 述 光 束 的 函 数 式 π E( x, t) = E0 cos( k x ω t) = E0 cos( x π vt) λ 改 为 描 述 单 个 光 子 的 波 函 数 : π f ( x, t) = k x ω t = x π vt (10-1-9) λ 函 数 的 值 就 是 相 位, 单 位 为 弧 度 将 上 述 描 述 光 子 相 位 的 函 数 用 三 角 函 数 表 示 : π Ψ ( x, t) = cos( k x ω t) = cos( x π vt) ( ) λ 得 到 的 是 无 量 纲 数, 数 值 在 -1,0,1 之 间 变 动, 这 就 是 我 们 描 述 概 率 幅 的 函 数 加 上 适 当 的 常 数 项 A, 使 得 波 函 数 有 适 当 的 物 理 量, 将 模 平 方 并 按 一 定 的 物 理 量 积 分 后, 得 到 的 结 果 是 有 量 纲 数, 即 概 率 密 度 : P( x, t) = Ψ ( x, t) d x = A Ψ ( x, t) d x = A cos ( k x ωt) d x ( ) (3) 量 子 化 电 磁 波 的 波 动 方 程 中 的 波 函 数 是 概 率 幅 的 波 函 数 根 据 式 对 电 磁 波 的 函 数 表 达 式, 按 照 式 的 通 用 波 动 方 程, 可 以 建 立 一 个 电 磁 波 的 波 动 方 程 :

107 E E E 1 E x y z c t = 0 (10-1-1) 方 程 中 E 表 示 什 么 呢? 根 据 前 面 对 一 般 波 函 数 与 波 动 方 程 的 转 换 分 析 我 们 知 道, 这 个 E 无 法 代 表 电 场 强 度, 因 为 由 波 函 数 转 换 为 波 动 方 程 的 过 程 中, 电 场 强 度 常 量 E 已 经 消 失 了, 现 在 这 个 E 函 数 计 算 得 到 的 值 是 无 量 纲 数, 在 一 定 条 件 下 按 归 一 化 处 理 后 可 以 有 一 定 的 物 理 量 纲, 就 是 概 率 幅 由 此 可 见, 即 使 人 们 将 波 动 视 为 量 子 的 出 现 概 率 的 似 波 性, 在 进 行 归 一 化 处 理 之 前, 波 动 方 程 并 不 能 完 整 地 描 述 量 子 的 波 动 状 态, 因 为 波 动 方 程 计 算 出 来 的 概 率 幅 数 值 在 -1,0,+1 之 间 变 动, 必 须 考 虑 行 程 波 数 等 因 素, 进 行 适 当 的 转 换 后 才 能 得 到 实 际 波 动 的 概 率 幅 数 值 因 此 归 一 化 处 理, 实 际 上 是 使 波 动 方 程 描 述 的 物 理 现 象 回 归 实 在 的 波 动 笔 者 将 在 后 面 的 实 例 中 进 一 步 说 明, 波 动 方 程 加 上 波 动 的 边 界 条 件, 再 加 上 归 一 化 处 理, 是 可 以 描 述 量 子 实 在 的 波 动 状 态 的 ( 三 ) 薛 定 谔 方 程 (1) 建 立 描 述 电 子 运 动 的 波 函 数 既 然 电 子 的 运 动 可 以 形 成 波, 那 么 应 当 如 同 描 述 光 子 的 波 动 一 样, 有 一 个 波 动 方 程 描 述 电 子 的 波 动 参 照 前 面 描 述 光 子 的 波 动 方 程 ) 建 立 描 述 电 子 的 波 函 数 : π Ψ ( x, t) = cos( k x ω t) = cos( x π vt) λ 上 式 是 量 子 单 位 制 形 式 为 了 与 读 者 熟 悉 的 教 科 书 中 的 经 典 公 式 衔 接, 我 们 将 上 面 的 波 函 数 按 下 式 描 述 为 经 典 形 式 : 由 于 动 量 p = 1/ λ, 即 动 能 / 速 度 υ 能 量 E = ν, 此 处 表 示 电 子 库 仑 势 能 普 朗 克 常 数 h = 1, = h / π = 1/ π p E Ψ ( x, t) = cos( k x ωt) = cos( x t) ( ) () 将 电 子 的 波 函 数 改 写 为 复 数 形 式 并 进 行 微 商 将 上 式 改 写 为 复 数 形 式 : p E Ψ = Aexp[i( x t)] ( ) 这 里 为 了 波 函 数 的 完 整 性 加 上 了 A, 在 后 面 进 行 微 商 处 理 时 自 然 消 失, 而 在 归 一 化 处 理 时 又 回 到 公 式 中, 那 时 它 的 物 理 意 义 与 我 们 进 行 归 一 化 处 理 方 式 有 关 将 上 述 函 数 对 时 间 微 商 得 : ψ E = i ψ t ( ) 将 上 述 函 数 对 坐 标 微 商 得 : Ψ p = i Ψ ( ) x 为 了 将 能 量 E 引 入, 将 方 程 ( ) 两 边 平 方, 得 到 : Ψ p m = Ψ = EΨ ( ) x 转 换 中 用 上 的 P =Em 公 式, 是 由 德 布 罗 意 波 的 动 量 与 能 量 关 系 决 定 的 (3) 得 到 薛 定 谔 方 程 由 式 得 到 : ψ EΨ = i t ( )

108 由 式 得 到 : Ψ EΨ = ( ) m x 将 与 连 接 起 来, 就 得 到 自 由 粒 子 的 一 维 含 时 不 计 算 势 能 的 薛 定 谔 方 程 : Ψ Ψ i = (10-1-0) t m x 如 果 考 虑 到 量 子 的 库 仑 势 能, 得 到 一 维 含 时 的 薛 定 谔 方 程 : Ψ Ψ i = + U ( x, t) Ψ (10-1-1) t m x 将 上 式 扩 展 到 三 维, 得 到 含 时 的 三 维 薛 定 谔 方 程 : Ψ i = Ψ + UΨ (10-1-) x m 其 中 : = + + (10-1-3) x y z 如 果 不 考 虑 时 间 因 素, 得 到 三 维 定 态 的 薛 定 谔 方 程 : Ψ + UΨ = EΨ (10-1-4) m 其 中 : = + + x y z 简 化 为 一 维 定 态 的 薛 定 谔 方 程 Ψ + UΨ = EΨ (10-1-5) m x 当 然 也 可 以 再 转 换 为 量 子 单 位 制 形 式 : c Ψ + ν sψ = ν zψ 8 πν e x (10-1-6) ν e 为 量 子 静 止 质 量 的 能 量 ( 费 米 频 率 ), s ν 为 势 能 ( 费 米 频 率 的 减 量 ), ν z 为 动 能 加 势 能 即 不 含 静 止 能 量 的 总 能 量 ( 总 频 率 ) 定 态 是 指 粒 子 的 概 率 密 度 分 布 不 随 时 间 变 化 的 状 态, 定 态 薛 定 谔 方 程 表 示, 任 何 时 候 粒 子 概 率 幅 的 空 间 分 布, 不 随 时 间 变 化 E 是 粒 子 的 总 能 量, 其 实 并 不 包 含 静 能 对 三 维 定 态 薛 定 谔 方 程 也 可 用 球 坐 标 方 式 表 示, 如 图 10-1 所 示 Z θ r P φ y x

109 图 10-1 球 坐 标 相 应 的 球 坐 标 的 三 维 定 态 薛 定 谔 方 程 形 式 为 : ψ ψ 1 ψ 1 ψ + + sinθ + +Uψ m r r r r sinθ θ θ r sin θ ϕ =Eψ (10-1-7) 其 中 r 为 粒 子 的 径 矢 的 大 小,θ 为 极 角,ϕ 为 方 位 角 二 一 个 例 子 : 无 限 深 方 势 阱 中 粒 子 运 动 的 量 子 化 如 何 利 用 薛 定 谔 方 程 分 析 粒 子 的 运 动 状 态, 现 举 一 例 说 明 : 如 图 10- 电 子 图 10- 无 限 深 方 势 阱 中 粒 子 运 动 示 意 图 设 一 粒 子 受 到 外 部 势 能 影 响 如 下 : { 0, x a / U = (10--1), x > a / a a 也 就 是 说 这 个 量 子 在 坐 标 x + 区 间 受 到 外 部 势 能 为 0, 在 阱 外 即 坐 标 小 于 a a 或 者 大 于 + 的 区 间, 势 能 为 无 限 大, 这 就 要 受 到 无 限 大 的 向 内 推 的 力 这 种 势 能 函 a a 数 的 势 能 曲 线 图 形 像 井, 所 以 这 种 势 能 分 布 叫 势 阱 ; 在 阱 内 即 坐 标 x + 区 间, 由 a a 于 势 能 是 常 量, 因 此 粒 子 不 受 力 而 做 自 由 运 动 ; 在 阱 外 即 坐 标 小 于 或 者 大 于 + 的 区 间, 势 能 为 无 限 大 粒 子 从 阱 内 向 外 移 动 到 达 边 界 x = a / 处, 势 能 突 然 增 至 无 限 大, 粒 子 会 受 到 无 限 大 的 指 向 阱 内 的 力 因 此, 粒 子 的 位 置 就 被 限 制 在 阱 内, 即 限 制 在 坐 标 a a x + 的 区 间, 粒 子 这 时 的 状 态 称 为 束 缚 态 下 面 分 析 该 粒 子 的 运 动, 研 究 粒 子 运 动 状 态 为 什 么 只 能 取 某 种 方 式, 即 粒 子 运 动 的 量 子 化 问 题 (1) 选 取 一 维 定 态 薛 定 谔 方 程 由 于 我 们 在 空 间 一 维 的 状 态 下 研 究 粒 子 的 运 动, 而 且 该 粒 子 受 到 的 势 能 不 因 时 间 而 变 动, 因 此 选 取 一 维 定 态 薛 定 谔 方 程 : Ψ + UΨ = EΨ (10--) m x () 利 用 量 子 单 位 制 对 经 典 波 动 方 程 进 行 转 换

110 在 量 子 单 位 制 中 : = 1/ π, 电 子 质 量 m = 电 子 频 率 ν e / c, 设 ν 为 势 能 频 率 为 动 能 加 势 能 频 率 s,ν z 将 10-- 方 程 转 换 为 : c Ψ + ν sψ = ν zψ 8 π ν x e (10--3) (3) 势 阱 外 区 域 的 波 函 数 在 势 阱 外, 即 x > a / 的 区 域, 由 于 V =, 因 此 必 须 ψ = 0, 否 则 式 将 给 不 出 任 何 有 意 义 的 解 ψ = 0 说 明 粒 子 不 可 能 到 达 这 一 区 域, 这 是 和 经 典 概 念 相 符 的 (4) 势 阱 内 区 域 的 波 函 数 在 势 阱 内, 即 x a / 的 区 域, 由 于 V = 0,10--3 式 可 写 成 : s s Ψ 8π ν eν z = Ψ x c (10--4) 8 π ν 设 k e ν = z (10--5) c k 的 单 位 为 :( 次 / 秒 )( 次 / 秒 )/( 米 / 秒 ) = 1/ 米, k 的 单 位 为 : 1/ 米, 这 里 既 是 动 量 单 位, 又 可 以 理 解 为 单 位 长 度 的 圆 周 弧 度 数, 圆 周 弧 度 的 单 位 是 : 米 / 米, 即 园 弧 等 于 直 径 时 的 角 度, 视 为 无 量 纲 数 ψ 得 到 : = k ψ (10--6) x 解 这 个 常 见 的 微 分 方 程 (10--6) 得 : ψ = i kψ x i( kx+ ϕ ) 得 : Ψ = e (10--7) 得 : ψ = Acos ( kx + ϕ) (10--8) (5) 边 界 点 的 连 续 决 定 了 区 域 内 波 函 数 在 这 两 点 的 值 受 到 限 制 此 解 需 满 足 标 准 条 件 : 在 x = a / 和 x = + a / 处 是 连 续 的 由 于 在 边 界 外, ψ = 0, 所 以 边 界 内 这 两 点 也 为 0 即 : (( ka / + ϕ ) = 0, Acos( ( ka / + ϕ ) 0 A cos = (10--9) 设 l 1和 l 是 整 数, 由 此 得 : ka / + ϕ = l1 π, ka / + ϕ = l π l ϕ = l 1 + l = l, 或 ϕ = π 两 式 相 加 得 : (( ) π π 式 中 l 是 整 数 (6) 得 到 两 种 波 函 数 l 为 偶 数 或 奇 数 时 分 别 给 出 10--9) 的 两 种 表 示 : (1) l = 0 ( 或 者,4,6.), 则 有 : 偶 数 n ψ e = Acos( kx + π) = Acos kx (10--10) 这 是 一 个 偶 函 数, 下 标 e 表 示 偶 () l = 1 ( 或 者 3,5,7.), 则 有 : 奇 数 n ψ o = Acos( kx + π) = Asin kx (10--11)

111 这 是 一 个 奇 函 数, 下 标 o 表 示 奇 上 两 式 中 出 现 负 号 没 有 意 义, 因 为 按 照 量 子 论 的 解 释, 正 负 并 不 影 响 ψ, 即 概 率 密 度 的 分 布 (7) 解 出 k 值 a ψ 的 连 续 性, ψ = Asin( ka / ) = 0 ka = n =,4,6 由 于 在 x = ±a / 于 是 : n π, a ψ 的 连 续 性, ψ e = Acos( ka / ) = 0 于 是 : ka = ( n +1)π, n = 0,1,,3 同 样 由 于 在 x = ±a / 将 这 两 类 结 果 合 并 在 一 起, 可 得 ka = n π, k = n π/ a, n = 1,,3 (10--1) (8) 势 阱 内 粒 子 能 量 的 取 值 量 子 化 8 π ν 将 式 代 入 式 k e ν = z, c 即 可 得 势 阱 内 的 粒 子 的 能 量 的 可 能 值 为 : k c c ν z = = n n = 1,,3 (10--13) 8π ν a 8ν a e 为 了 便 于 读 者 与 教 科 书 对 比, 上 式 按 经 典 公 式 表 示 即 为 : π E = n, n = 1,,3 (10--14) ma (9) 势 阱 内 粒 子 的 动 量 量 子 化 势 阱 中 粒 子 的 动 量 为 : π Pn = ± men = ± n = ± k a 按 量 子 单 位 制 表 示 即 为 : n Pn = ± ( ν e / c ) ν zn = ± a (10) 势 阱 内 粒 子 的 波 长 量 子 化 相 应 地, 粒 子 的 德 布 罗 意 波 长 为 h a π λ n = = = pn n k a 按 量 子 单 位 制 表 示, 波 长 即 为 动 量 的 倒 数 : n e 此 波 长 也 量 子 化 了, 它 只 能 是 势 阱 长 度 两 倍 的 整 数 分 之 一 这 类 似 于 两 端 固 定 的 弦 中 产 生 驻 波 的 情 况, 无 限 深 方 势 阱 中 粒 子 的 每 一 个 能 量 本 征 态 对 于 德 布 罗 意 波 的 一 个 特 定 波 长 的 驻 波 (11) 利 用 归 一 化 条 件 解 出 波 函 数 的 常 数 项 能 量 量 子 化 后, 上 面 的 函 数 式 可 以 写 成 : n π ψ = Asin x, n =,4,6 a n π ψ e = Acos x, n = 1,3,5 a 为 了 求 出 A 的 值, 我 们 用 波 函 数 ψ 或 ψ 的 归 一 化 条 件, 即 e

112 n π a 1 = A a / a / ψ d x = A sin x d x = a / a / a 由 此 得 : A = a 1 这 个 A 值 的 单 位 是 什 么 呢? 它 应 当 是 :, 这 个 值 平 方 后 得 到 的 单 位 是 :1/ 米, 即 米 动 量, 也 即 波 长 的 倒 数 归 一 化 的 本 质 意 义 是 : 波 函 数 的 值 随 着 波 动 而 周 期 性 变 动, 但 是 量 子 在 运 动 的 行 程 里 不 止 一 个 周 期, 因 此 量 子 在 每 一 个 周 期 内 出 现 的 概 率 幅 并 不 在 -1 到 0 到 +1 之 间, 而 是 要 乘 上 一 个 数 值, 使 得 波 函 数 在 量 子 行 程 中 的 概 率 幅 之 和 为 1, 这 个 数 值 的 大 小 就 是 式 中 A 实 际 上 A 可 以 理 解 为 概 率 幅 的 线 性 密 度, 它 的 平 方 即 动 量 ( 单 位 是 1/ 米 ): 线 性 概 率 密 度 (1) 量 子 的 波 动 特 性 引 起 了 量 子 的 概 率 性 按 经 典 理 论, 粒 子 在 阱 内 来 来 回 回 自 由 运 动, 在 各 处 的 概 率 密 度 应 该 是 相 等 的, 并 且 与 粒 子 的 能 量 无 关 而 由 粒 子 的 波 动 性 给 出 的 概 率 密 度 的 周 期 性 分 布 和 经 典 粒 子 的 完 全 不 同, 它 呈 现 出 波 动 物 质 基 本 结 构 理 论 对 此 解 释 为 : 这 正 是 量 子 波 动 的 特 征, 由 于 波 动 使 得 量 子 在 一 个 波 动 行 程 的 速 度 并 不 是 均 匀 的, 也 就 是 说 在 各 段 行 程 持 续 的 时 间 是 不 一 致 的, 再 加 上 相 互 作 用 时 的 不 确 定 性 因 素, 因 此 量 子 出 现 就 呈 现 出 概 率 性 (13) 量 子 的 驻 波 约 束 性 定 态 决 定 了 量 子 的 最 低 能 级 按 照 经 典 理 论, 上 例 中 的 粒 子 可 能 处 于 静 止 的 即 动 能 为 零 的 最 低 能 态 但 是 按 照 量 子 力 学 计 算, 量 子 粒 子 的 最 小 能 量 E1 = π /(ma ) 不 等 于 零, 这 是 符 合 不 确 定 关 系 的, 因 为 量 子 粒 子 在 有 限 空 间 内 运 动, 其 速 度 不 可 能 为 零 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 这 是 由 于 量 子 的 驻 波 约 束 性 定 态 决 定 的, 将 在 后 面 章 节 中 讨 论 (14) 量 子 的 波 动 性 和 非 定 域 性 使 得 量 子 有 可 能 穿 越 势 垒 另 外 按 照 量 子 力 学 计 算, 可 以 允 许 一 定 概 率 的 量 子 到 达 限 制 区 域, 即 a a 小 于 或 者 大 于 + 的 区 域 这 个 问 题 是 量 子 穿 越 势 垒 问 题, 对 现 代 科 技 发 展 起 了 非 常 重 要 的 作 用 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 并 不 是 量 子 在 极 短 的 时 间 内, 由 于 不 确 定 性 原 理 能 量 极 大 地 增 加, 而 是 因 为 不 确 定 性 原 理, 在 一 个 波 长 范 围 内 量 子 有 可 能 不 发 生 按 经 典 理 论 应 当 发 生 的 碰 撞 行 为, 其 根 本 原 因 是 量 子 的 波 动 性 和 非 定 域 性 三 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 的 相 容 性 实 践 证 明 量 子 力 学 能 够 对 微 观 物 理 大 部 分 现 象 作 出 解 释 和 预 测, 它 的 正 确 性 是 不 容 怀 疑 的 下 面 就 上 例, 谈 谈 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 的 相 容 性 (1) 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 量 子 力 学 对 波 函 数 的 概 率 性 解 释 是 正 确 的, 量 子 运 动 和 宏 观 物 质 运 动 一 样, 其 概 率 性 都 是 产 生 于 有 规 律 的 不 确 定 性 因 素, 由 于 概 率 本 身 具 有 规 范 性, 因 此 概 率 性 的 背 后 都 存 在 着 决 定 性 的 因 素, 都 是 有 规 律 的 () 在 波 动 方 程 或 者 波 函 数 中, 变 量 的 取 值 范 围 不 是 方 程 本 身 确 定 的, 而 是 根 据 量 子 运 动 的 限 制 条 件 设 定 的 单 独 考 察 波 函 数 是 很 难 发 现 其 中 的 实 在 性 的, 因 为 波 函 数 本 身 确 实 并 不 含 有 实 在 的 物 理 量 但 是 如 果 将 波 函 数 按 照 归 一 化 处 理, 同 时 与 限 制 条 件 结 合 在 一 起 考 虑, 就 可 以 描 述 量 子 实 在 的 波 动 运 动 (3) 正 是 由 于 量 子 在 运 行 中 呈 现 出 的 实 实 在 在 的 波 动 性, 如 果 发 生 相 互 作 用, 它 能 不 能 表 现 出 来 ( 如 干 涉 衍 射 ), 能 不 能 被 测 量 到 ( 如 击 中 屏 幕 ), 这 就 要 受 到 不 确 定 性 影 响, 即 出 现 概 率 性 按 照 波 动 方 程 计 算 出 来 的 波 函 数, 量 子 整 个 波 动 过 程 都 存 在 概 率, 但 是 这 只 是 一 种 可 能 性, 在 没 有 发 生 较 强 的 量 子 与 系 统 的 相 互 作 用 时, 量 子 并 没 有 受 到 不 确 定 性 的 影 响 或 者 影 响 很 微 弱, 它 若 无 其 事 地 按 照 原 来 的 运 行 方 式 运 动, 这 就 是 概 率 密 度 的 隐 性 只 有 量 子 与 系 统 发 生 较 强 的 作 用 时, 量 子 才 受 到 不 确 定 性 的 影 响, 这 就 是 概 率 密 度 的 显 性 波 函 数 表 示 的 概 率 反 映 了 量 子 在 某 个 时 刻 某 个 位 置 出 现 的 概 率, 虽 然 它 不 是 肯 定 地 说 量 子 一 定 会 出 现 在 那 里, 但 是 既 然 能 够 计 算 出 量 子 有 一 定 的 机 会 出 现 在 那 里, 那 么 量 子 的 运 动 轨 迹 就 一 定 有 可 能 实 实 在 在 地 到 达 那 里 量 子 的 历 史 和 现 在 都 是 实 实 在 在 的, 它

113 的 将 来 的 变 化 趋 势 有 不 确 定 性, 但 是 它 的 将 来 的 状 态 也 一 定 是 实 实 在 在 的 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 量 子 运 动 中 的 波 动 性 具 有 必 然 性, 而 不 确 定 性 是 偶 然 的 此 例 量 子 波 函 数 计 算 出 来 的 概 率 是 量 子 可 能 出 现 的 概 率, 它 显 然 与 行 程 有 关 ( 这 就 是 要 进 行 归 一 化 处 理 的 原 因 ), 也 与 波 动 有 关, 实 在 的 波 动 使 得 量 子 在 经 过 每 段 行 程 的 持 续 时 间 是 不 一 致 的, 因 此 量 子 出 现 的 概 率 当 然 会 不 一 致 量 子 的 概 率 性 与 不 确 定 性 原 理 是 由 同 一 机 制 引 起 的, 这 个 机 制 就 是 量 子 的 波 动 周 期 (4) 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 波 函 数 表 现 的 量 子 概 率 幅 叠 加 是 有 物 质 实 在 基 础 的, 这 个 基 础 就 是 量 子 波 之 间 的 同 步 性 干 扰 笔 者 认 为 量 子 态 的 似 波 性 叠 加 特 征 是 量 子 力 学 的 本 质, 是 量 子 力 学 描 述 量 子 态 的 概 率 性 特 征 与 宏 观 物 理 现 象 中 表 现 的 概 率 特 征 的 本 质 区 别 同 步 性 干 扰 引 起 的 相 互 作 用 是 引 起 量 子 态 的 似 波 性 叠 加 特 征 的 内 在 机 制, 由 于 量 子 波 之 间 的 同 步 性 干 扰, 使 得 量 子 群 体 表 现 出 态 叠 加 的 特 征, 才 能 显 示 出 了 量 子 力 学 解 释 实 验 事 实 时 的 正 确 性, 宏 观 的 波 动 叠 加 特 征 才 能 在 此 基 础 上 产 生 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 是 相 容 的 四 贝 尔 不 等 式 和 EPR 实 验 ( 一 ) 早 期 的 EPR 理 想 实 验 1935 年 5 月 份 出 版 的 物 理 学 评 论 上, 爱 因 斯 坦 与 他 的 合 笔 者 波 多 尔 斯 基 和 罗 森 共 同 发 表 文 章 质 问 : 量 子 力 学 对 物 理 世 界 的 描 述 是 完 备 的 吗? 在 这 篇 文 章 中, 爱 因 斯 坦 设 想 了 一 个 涉 及 两 个 粒 子 的 思 想 实 验 即 EPR 实 验 在 实 验 中, 一 个 特 定 的 相 互 作 用 产 生 了 两 个 粒 子, 它 们 之 间 的 位 置 及 动 量 ( 或 者 偏 振 方 向 ) 关 联, 两 个 粒 子 向 不 同 的 方 向 分 离 开 爱 因 斯 坦 论 证 道, 通 过 对 粒 子 1 位 置 的 测 量 可 以 知 道 粒 子 的 位 置, 而 根 据 相 对 论 的 定 域 性 假 设, 这 一 测 量 不 会 立 即 影 响 粒 子 的 状 态, 从 而 粒 子 的 位 置 在 测 量 之 前 是 确 定 的 同 样 方 式, 通 过 对 粒 子 的 动 量 测 量 可 以 知 道 粒 子 1 的 动 量, 而 根 据 相 对 论 的 定 域 性 假 设, 这 一 测 量 不 会 立 即 影 响 粒 子 1 的 状 态, 从 而 粒 子 1 的 动 量 在 测 量 之 前 是 确 定 的 于 是, 粒 子 1 和 粒 子 的 位 置 和 动 量 在 测 量 之 前 都 具 有 确 定 的 值, 但 量 子 力 学 认 为 这 些 值 是 不 确 定 的, 不 能 同 时 进 行 准 确 的 测 定, 只 能 给 出 关 于 这 些 值 的 统 计 信 息 因 此 爱 因 斯 坦 得 出 结 论 : 量 子 力 学 是 不 完 备 的 10 月, 玻 尔 在 物 理 学 评 论 上 发 表 了 一 篇 文 章, 反 驳 爱 因 斯 坦 等 人 的 观 点 玻 尔 既 不 同 意 爱 因 斯 坦 关 于 物 理 实 在 的 朴 实 看 法, 也 不 赞 同 爱 因 斯 坦 的 定 域 性 假 设 玻 尔 坚 持 认 为, 一 个 物 理 量 只 有 在 被 测 量 之 后 才 是 实 在 的, 同 时 他 还 论 证 道, 在 EPR 理 想 实 验 中, 当 两 个 粒 子 分 离 开 之 后, 对 一 个 粒 子 的 测 量 仍 将 对 另 一 个 粒 子 的 状 态 产 生 影 响 爱 因 斯 坦 的 观 点 显 然 是 容 易 被 接 受 的, 物 理 现 象 应 当 是 客 观 实 在 的, 并 不 因 为 人 们 是 否 观 察 它 而 改 变 它 的 实 在 性 当 两 个 粒 子 分 离 开 之 后, 对 一 个 粒 子 的 测 量 仍 将 对 另 一 个 粒 子 的 状 态 产 生 影 响 的 说 法 也 难 以 理 解 但 是 近 期 的 贝 尔 不 等 式 理 论 和 据 此 新 设 计 的 EPR 实 验 似 乎 又 证 明 玻 尔 一 派 的 观 点 正 确 ( 二 ) 贝 尔 不 等 式 当 时 提 出 的 EPR 实 验 是 对 称 地 进 行 测 量, 如 一 对 光 子 同 时 向 两 个 方 向 运 动, 在 相 距 很 远 的 两 地 分 别 测 量 这 两 个 光 子 的 偏 振, 测 量 的 角 度 相 同, 显 然 会 得 到 同 样 的 结 果 它 们 的 情 况 也 许 只 会 像 以 下 例 子 中 的 这 两 个 方 块 那 样 : 现 在 有 两 个 方 块, 一 个 是 红 的, 另 一 个 是 黑 的, 一 个 被 放 进 A 盒 子, 另 一 个 被 放 进 B 盒 子 其 他 人 不 知 道 哪 一 个 盒 里 放 着 什 么 方 块 但 是 一 旦 他 打 开 第 一 个 盒 子, 立 刻 就 会 知 道 第 二 个 盒 子 的 方 块 的 颜 色, 因 为 如 果 这 里 面 装 着 的 方 块 是 红 色 的, 那 另 一 个 方 块 必 然 是 黑 色 的 如 果 分 别 采 取 不 同 的 角 度 测 量 呢? 约 翰 贝 尔 认 为 分 别 采 取 不 同 的 角 度 测 量 时, 如 果 爱 因 斯 坦 的 观 点 是 对 的, 即 测 试 的 光 子 对 在 远 距 离 时 没 有 控 制 性 关 联, 实 验 结 果 应 当 符 合 一 个 不 等 式, 即 贝 尔 不 等 式 贝 尔 不 等 式 的 形 式 有 多 种, 贝 尔 本 人 在 一 次 作 科 普 讲 座 时, 用 非 数 学 方 法 推 导 出 的 一 个 形 式 被 多 个 教 科 书 引 用, 现 简 介 如 下 : 以 光 子 的 偏 振 态 为 例, 同 步 垂 直 偏 振 方 向 的 光 子 对 产 生 后 分 别 奔 向 东 西 两 个 不 同 的 偏 振 检 测 装 置 假 设 只 产 生 1 对 光 子, 我 们 检 测 光 子 对 在 东 西 方 向 通 过 偏 振 检 测 装 置 时 的 不 同 步 情 况 如 果 两 边 偏 振 检 测 装 置 的 角 度 都 取 垂 直 方 向 ( 即 为 0 度 ), 那 么 全 部 1 对 光 子 都 通 过

114 两 边 的 偏 振 检 测 装 置, 不 同 步 率 为 0, 我 们 记 为 :P(0 o,0 o )=0 如 果 西 边 的 偏 振 检 测 装 置 的 角 度 仍 取 垂 直 方 向, 而 东 边 的 偏 振 检 测 装 置 正 向 转 动 30 o, 那 么 往 西 边 的 1 个 光 子 都 通 过 了 西 边 的 偏 振 检 测 装 置, 而 往 东 边 的 光 子 按 照 马 吕 斯 定 律, 有 sin (30 o ) 的 光 子 即 3 个 光 子 无 法 通 过 振 检 测 装 置, 不 同 步 率 为 3/1, 我 们 记 为 :P (30 o,0 o )= 3/1 如 果 东 边 的 偏 振 检 测 装 置 的 角 度 仍 取 垂 直 方 向, 而 西 边 的 偏 振 检 测 装 置 反 向 转 30 o, 那 么 往 东 边 的 1 个 光 子 都 通 过 了 西 边 的 偏 振 检 测 装 置, 而 往 西 边 的 光 子 按 照 马 吕 斯 定 律, 有 sin (-30 o ) 的 光 子 即 3 个 光 子 无 法 通 过 振 检 测 装 置, 不 同 步 率 为 3/1, 我 们 记 为 :P(0 o,30 o )= 3/1 如 果 东 边 的 偏 振 检 测 装 置 正 向 转 动 30 o, 西 边 的 偏 振 检 测 装 置 反 向 转 动 30 o, 那 么 往 西 边 的 光 子 按 照 马 吕 斯 定 律, 有 sin (30 o ) 的 光 子 即 3 个 光 子 无 法 通 过 振 检 测 装 置, 往 东 边 的 光 子 按 照 马 吕 斯 定 律, 有 sin (30 o ) 的 光 子 即 3 个 光 子 无 法 通 过 振 检 测 装 置 这 时 有 两 种 情 况, 如 果 东 西 两 边 无 法 通 过 偏 振 检 测 装 置 的 各 自 3 个 光 子 都 不 是 相 互 成 对 的, 这 时 不 同 步 率 为 6/1; 如 果 东 西 两 边 无 法 通 过 偏 振 检 测 装 置 的 各 自 3 个 光 子 都 是 相 互 成 对 的, 这 时 不 同 步 率 为 0/1; 当 然 也 有 介 于 两 种 情 况 之 间 的 情 况, 那 么 不 同 步 率 在 0/1 和 6/1 之 间 也 即 P(30 o,-30 o )= 0/1~6/1 将 上 面 三 种 情 况 用 不 等 式 表 示 : P(30 o,-30 o ), P(30 o,0 o )+ P(0 o,-30 o ) 这 个 不 等 式 可 以 推 广 到 任 意 角 度 : P (a+,b+) P (a+,c+) + P (c+,b+) 这 就 是 贝 尔 不 等 式 的 一 个 形 式, 括 号 中 的 字 母 为 偏 移 角 度,+ 号 表 示 不 通 过 的 相 关 性 ( 为 与 贝 尔 的 讲 演 资 料 吻 合, 使 用 不 同 步 率 的 相 关 性 计 算 ) 贝 尔 不 等 式 为 真 实 的 EPR 实 验 提 供 了 检 测 标 准, 如 果 爱 因 斯 坦 的 观 点 正 确, 两 个 光 子 离 开 很 远 距 离, 对 它 们 采 取 不 同 角 度 的 测 量 应 当 符 合 贝 尔 不 等 式, 否 则 就 能 证 明 两 个 光 子 离 开 很 远 距 离 时 仍 然 保 持 关 联, 那 就 是 玻 尔 的 观 点 正 确 了 ( 三 ) 新 EPR 实 验 新 的 EPR 实 验 设 计 要 点 : 以 光 子 的 偏 振 态 为 例, 同 步 的 光 子 产 生 后 经 过 一 道 半 透 明 玻 璃, 随 机 地 奔 向 不 同 的 偏 振 检 测 装 置, 东 边 奔 向 a 或 者 c 装 置, 西 边 奔 向 c 或 者 b 装 置, 这 里 两 边 的 c 是 角 度 相 同 的 不 同 装 置, 然 后 计 数 统 计, 看 看 符 不 符 合 贝 尔 不 等 式, + 表 示 不 通 过 事 件 P(a+,b+) 代 表 了 A 光 子 在 a 方 向 上 不 通 过, 而 同 时 B 光 子 在 b 方 向 上 也 不 通 过, 这 两 个 事 件 的 相 关 性 P(a+,c+) 代 表 了 A 光 子 在 a 方 向 上 不 通 过, 而 同 时 B 光 子 在 c 方 向 上 也 不 通 过, 这 两 个 事 件 的 相 关 性 P(c+,b+) 代 表 了 A 光 子 在 c 方 向 上 不 通 过, 而 同 时 B 光 子 在 b 方 向 上 也 不 通 过, 这 两 个 事 件 的 相 关 性 偏 振 的 不 通 过 概 率 计 算 应 符 合 马 吕 斯 定 律 : I = I 0 sin a 量 子 力 学 的 预 测 和 实 验 结 果 量 子 力 学 计 算 公 式 为 : P(A, B) = 0.5 sin (A-B) 有 的 资 料 公 式 右 边 没 有 0.5 因 子, 有 的 资 料 则 有 0.5 因 子, 笔 者 经 计 算 机 模 拟, 认 为 如 果 光 子 对 产 生 时 的 偏 振 角 度 是 随 机 的, 加 0.5 因 子 是 合 理 的, 如 果 光 子 对 产 生 时 的 偏 振 角 度 是 固 定 的, 就 要 按 马 吕 斯 定 律 计 算 两 种 情 况 对 结 果 影 响 不 大 实 验 设 a 为 30 o,b 为 0 o,c 为 5 o 时 量 子 力 学 的 预 测 为 : P(30 o +, 0 o +) = 0.5 sin (10 o ) = P(30 o +, 5 o +) = 0.5 sin (5 o ) = P(5 o +,0 o +) = 0.5 sin (5 o ) = 将 值 代 入 贝 尔 不 等 式 :

115 左 边 为 0.015, 并 不 是 右 边 的 = 违 反 了 贝 尔 不 等 式 :P(30 o +, 0 o +) P(30 o +, 5 o +)+P(5 o +,0 o + ) 实 际 实 验 进 行 时, 不 同 角 度 的 测 量 装 置 相 距 是 较 远 的, 应 该 没 有 光 速 为 基 础 的 信 息 联 系, 有 的 实 验 还 可 以 做 到 在 光 子 发 出 之 后 到 达 装 置 之 前 来 调 整 测 量 装 置 的 角 度 如 果 实 验 装 置 的 角 度 不 是 如 上 例 设 为 a>c>b, 而 是 别 的 关 系 时, 是 不 违 反 贝 尔 不 等 式 的, 这 里 其 实 是 表 明 了 一 个 重 要 事 实, 即 违 反 贝 尔 不 等 式 的 效 应 并 不 是 时 时 刻 刻 发 生, 只 有 在 满 足 一 定 条 件 时 才 发 生 实 验 的 结 果 确 实 证 明 了 在 某 种 条 件 下 贝 尔 不 等 式 是 可 以 违 反 的, 这 也 是 常 规 理 论 无 法 解 释 的 贝 尔 虽 然 承 认 实 验 结 果, 但 他 仍 然 决 不 接 受 掷 骰 子 的 上 帝 贝 尔 愿 意 以 抛 弃 定 域 性 为 代 价 来 换 取 客 观 实 在, 他 甚 至 设 想 复 活 以 太 的 概 念 来 达 到 这 一 点, 而 这 正 是 物 质 基 本 结 构 理 论 提 出 的 解 决 问 题 办 法 贝 尔 不 等 式 和 新 EPR 实 验, 实 际 上 是 检 验 量 子 是 否 存 在 远 距 离 的 控 制 性 关 联, 即 关 联 非 定 域 性 为 了 计 算 纠 缠 态 量 子 的 关 联 问 题, 正 统 理 论 的 量 子 力 学 运 用 了 非 常 深 奥 的 数 学 计 算, 包 括 矩 阵 计 算 态 计 算, 证 明 利 用 贝 尔 不 等 式 设 计 的 新 EPR 实 验 可 以 检 验 量 子 是 否 存 在 远 距 离 的 控 制 性 关 联, 其 内 容 已 经 超 出 本 书 范 围 物 质 基 本 结 构 理 论 用 简 单 的 方 法 也 能 证 明 如 果 存 在 量 子 之 间 远 距 离 的 控 制 性 关 联, 是 有 可 能 使 得 贝 尔 不 等 式 不 成 立 的 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 如 果 存 在 远 距 离 关 联, 对 于 使 用 不 同 角 度 的 偏 振 检 测 装 置 在 相 距 很 远 的 位 置 测 量 两 个 相 关 的 光 子, 可 以 视 为 先 后 使 用 不 同 角 度 的 偏 振 检 测 装 置 测 量 一 个 光 子 如 果 由 于 光 子 偏 振 的 角 度 随 机 地 在 0 到 360 度 之 间, 那 么 测 量 第 一 个 偏 振 片 时 的 通 过 率, 无 论 是 30 o 或 者 0 o 或 者 其 他 任 意 角 度 的 偏 振 检 测 装 置, 平 均 通 过 的 概 率 都 是 1/, 这 就 是 公 式 P(A, B) = 1/ sin (A-B) 中 的 0.5 因 子 的 来 由 ( 如 果 假 设 产 生 光 子 对 的 偏 振 角 度 是 稳 定 的, 那 么 就 不 是 0.5 的 因 子, 而 是 按 照 马 吕 斯 定 律 计 算 的 另 一 个 数 值 了 ) 通 过 第 一 块 偏 振 装 置 的 光 子 发 生 了 偏 振 模 式 态 变 动, 变 成 与 第 一 块 偏 振 装 置 同 向 的 偏 振 光 了, 这 样 再 通 过 第 二 块 偏 振 片 时 不 通 过 的 概 率, 自 然 就 只 考 虑 两 块 偏 振 片 的 夹 角 了, 这 就 是 公 式 中 sin (A-B) 因 子 的 来 由 按 照 物 质 基 本 结 构 理 论 计 算 得 到 的 结 果 与 量 子 力 学 计 算 的 结 果 基 本 一 致, 同 样 可 以 说 明 如 果 存 在 量 子 之 间 远 距 离 的 控 制 性 关 联, 是 有 可 能 使 得 贝 尔 不 等 式 不 成 立 的 由 于 篇 幅 有 限, 详 细 推 导 过 程 从 略 这 个 例 子 也 可 以 说 明 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 力 学 是 相 容 的 五 物 质 基 本 结 构 理 论 对 纠 缠 态 量 子 关 联 非 定 域 性 的 思 考 量 子 论 的 正 统 理 论 认 为 : 相 关 性 是 一 种 合 作 程 度 的 体 现, 而 合 作 则 需 要 双 方 都 了 解 对 方 的 情 况, 于 是 人 们 认 为 两 个 光 子 离 开 很 远 距 离 时 仍 然 保 持 关 联, 对 一 个 量 子 检 测 时 影 响 了 远 处 的 另 一 量 子, 才 有 可 能 使 得 贝 尔 不 等 式 不 成 立 问 题 的 难 点 不 是 马 吕 斯 定 律 为 什 么 含 有 概 率 特 征 问 题, 也 不 是 量 子 力 学 的 态 叠 加 问 题, 而 是 远 距 离 的 量 子 关 联 问 题, 即 两 个 处 于 纠 缠 状 态 的 量 子 远 距 离 的 关 联 问 题 明 明 是 两 个 光 子 分 别 通 过 ( 或 者 不 通 过 ) 距 离 较 远 的 两 个 检 测 装 置, 却 要 视 为 一 个 光 子 近 距 离 地 一 前 一 后 地 通 过 ( 或 者 不 通 过 ) 两 个 检 测 装 置, 也 就 是 说 当 一 个 光 子 通 过 检 测 装 置 后 发 生 了 态 变 动, 另 一 个 远 距 离 的 光 子 立 即 发 生 了 相 应 的 变 动 就 像 设 置 了 一 个 遥 控 器, 按 键 在 北 京, 红 外 线 发 射 在 上 海, 二 者 没 有 金 属 线 连 接, 也 没 有 无 线 电 联 系, 但 由 于 存 在 量 子 纠 缠, 出 现 了 超 光 速 的 量 子 通 道 北 京 一 按 键, 上 海 的 电 视 机 就 换 台 了, 确 实 够 神 奇 的 了 本 书 写 到 这 里 为 止, 物 质 基 本 结 构 理 论 能 较 好 地 解 释 了 衍 射 干 涉 偏 振 电 子 双 缝 干 涉 实 验 退 相 干 量 子 衰 变 等 现 象 物 质 基 本 结 构 理 论 的 解 释 与 量 子 力 学 的 结 论 是 吻 合 的, 区 别 是 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 量 子 之 间 的 相 互 作 用 引 起 的 态 变 动 是 基 础, 有 了 量 子 的 态 变 动, 才 有 了 量 子 的 衍 射 干 涉 偏 振 等 一 系 列 行 为, 也 才 有 了 量 子 力 学 对 量 子 行 为 的 概 率 性 描 述, 以 此 将 量 子 实 在 的 观 点 与 量 子 态 具 有 概 率 性 的 观 点 结 合 起 来 对 于 类 似 偏 振 原 子 核 衰 变 薛 定 谔 之 猫 态 退 相 干 等 现 象, 运 用 物 质 基 本 结 构 理 论 的 解 释 方 式 比 起 量 子 力 学 的 叠 加 态 ( 交 缠 态 ) 解 释 方 式 要 显 得 更 自 然 些, 更 实 在 一 些 但 是 运 用 物 质 基 本 结 构 理 论 解 释 量 子 纠 缠 现 象 确 实 遇 到 了 困 难, 难 道 这 么 远 的 距 离, 还 能 构 造 出 量 子 之 间 的 波 动 干 扰, 出 现 量 子 的 协 同 变 动 吗? 物 质 基 本 结 构 理 论 提 出 了 新 的 以 太 结 构 和 量 子 波 的 观 点, 对 超 光 速 的 远 距 离 的 相 互 作 用 提 供 了 可 能 性 但 是 难 道 相 隔 几 十 万 千 米 的 光 子 ( 在 这 段 距 离 它 可 能 跳 动 了 几 亿 次 ), 还 会 有 瞬 间 的 强 有 力 的 对 量 子 态 的 调 整 和 控 制 能 力 吗?

116 物 质 基 本 结 构 理 论 确 实 也 构 造 了 远 距 离 的 控 制 性 关 联, 如 电 磁 场 中 的 量 子 回 旋 运 动 ( 包 括 自 旋 ), 量 子 作 用 力 场 的 作 用 分 配 和 费 米 频 率 与 玻 色 频 率 的 转 换, 都 存 在 远 距 离 的 超 光 速 的 控 制 性 关 联, 但 都 具 有 普 适 性, 而 量 子 纠 缠 态 是 一 对 一 的 远 距 离 的 控 制 性 关 联 本 书 中 笔 者 论 证 过 月 亮 上 的 一 个 质 子 与 地 球 上 的 一 个 电 子 必 然 有 联 系, 以 此 来 说 明 量 子 的 定 域 性 与 非 定 域 性 的 关 系 这 种 联 系 应 当 是 随 着 距 离 增 加 而 逐 步 减 弱 的, 当 然 也 不 排 除 连 续 放 大 作 用, 就 像 南 美 洲 的 蝴 蝶 扇 动 一 下 翅 膀 演 变 成 北 美 洲 的 风 暴 一 样, 但 是 出 现 这 种 现 象 的 概 率 是 极 小 的 难 道 大 自 然 就 是 这 么 设 计 它 的 规 则, 让 人 类 造 出 来 的 而 不 是 自 然 存 在 的 相 隔 万 里 的 量 子 之 间 还 有 必 然 的 瞬 间 的 联 系, 某 个 系 统 中 的 量 子 还 得 记 住 自 己 是 属 于 远 方 某 个 部 落 的 成 员, 它 还 得 对 它 的 兄 弟 姐 妹 行 为 作 出 瞬 间 反 应, 而 不 是 毫 无 怨 言 地 融 合 到 它 所 在 的 系 统 之 中? 物 质 基 本 结 构 理 论 中 有 很 多 方 面 是 支 持 远 距 离 的 量 子 的 实 时 的 控 制 性 关 联 的, 但 是 仍 有 很 多 基 础 问 题 要 研 究 这 项 极 其 重 要 的 理 论 将 对 人 类 社 会 生 活 带 来 极 大 的 影 响, 应 当 得 到 更 多 的 更 稳 定 的 高 概 率 性 的 重 复 性 极 高 的 有 实 用 价 值 的 科 学 实 验 来 证 实 下 面 对 一 些 问 题 作 初 步 探 讨 : (1) 量 子 纠 缠 态 涉 及 与 量 子 旋 转 角 度 有 关 的 量 子 态 目 前 的 实 验 表 明 并 不 是 量 子 的 所 有 态 都 是 可 以 形 成 纠 缠 态 的, 形 成 的 纠 缠 态 一 般 与 量 子 的 旋 转 角 度 有 关, 如 偏 振 角 度 自 旋 角 度 等 () 量 子 纠 缠 态 具 有 相 干 性 实 验 表 明 量 子 纠 缠 态 与 量 子 的 相 干 性 有 密 切 关 系, 所 谓 相 干 性 指 的 是 同 步 纠 缠 态 的 同 步 与 通 常 的 相 位 同 步 有 所 不 同, 一 般 指 与 量 子 旋 转 角 度 特 征 有 关 的 同 步, 如 偏 振 角 度 自 旋 角 度 等, 要 求 的 同 步 性 极 高 同 步 性 越 高, 对 同 步 的 依 赖 越 强, 越 具 有 同 步 控 制 性 (3) 量 子 纠 缠 态 的 形 成 一 般 是 同 时 形 成 目 前 观 察 到 纠 缠 态 量 子 总 是 同 时 成 对 地 ( 或 者 多 个 ) 产 生, 几 乎 没 有 发 现 单 个 的 非 纠 缠 态 量 子 自 发 地 与 另 一 个 量 子 形 成 纠 缠 态 的 现 象 这 个 现 象 与 共 轭 费 米 子 的 生 成 情 况 有 区 别, 一 是 纠 缠 态 的 产 生 可 以 在 光 子 之 间 发 生 ; 二 是 纠 缠 态 的 产 生 可 以 是 多 个 粒 子 (4) 量 子 纠 缠 态 主 要 产 生 于 实 验 室 一 个 非 常 值 得 重 视 的 问 题 是 目 前 在 大 自 然 中 没 有 发 现 量 子 的 纠 缠 态, 量 子 的 纠 缠 态 仅 仅 是 人 工 造 出 来 的 现 象 有 很 多 人 工 现 象 都 可 以 在 大 自 然 的 特 殊 条 件 下 发 现, 如 核 爆 炸 在 恒 星 中 是 普 遍 存 在 的 ; 有 很 多 人 工 现 象 在 大 自 然 中 没 有 发 现 其 存 在, 如 计 算 机 集 成 电 路 超 导 激 光 纳 米 等, 但 是 这 些 人 工 现 象 的 规 律 都 能 与 自 然 规 律 直 接 联 系 ; 远 距 离 控 制 性 关 联 的 例 子 也 可 以 在 大 自 然 中 找 到 一 些, 如 磁 场 对 费 米 子 旋 转 特 征 的 自 动 调 整, 引 力 作 用 下 费 米 子 的 费 米 频 率 与 玻 色 频 率 的 相 互 转 换, 但 是 远 距 离 的 量 子 之 间 一 对 一 的 控 制 性 关 联 现 象, 目 前 没 有 在 自 然 界 中 被 发 现 (5) 量 子 纠 缠 态 理 论 的 产 生 来 自 一 个 并 不 直 接 联 系 的 理 论 量 子 纠 缠 态 理 论 的 产 生 并 不 是 产 生 于 自 然 界 或 者 实 验 室, 而 是 来 源 于 不 确 定 性 原 理, 而 且 不 确 定 性 原 理 开 始 并 没 有 提 出 控 制 性 关 联 的 非 定 域 性 问 题 问 题 的 起 因 是 爱 因 斯 坦 等 三 人, 为 了 证 实 玻 尔 学 派 的 量 子 理 论 中 的 不 确 定 性 原 理 是 不 完 备 的, 提 出 了 EPR 理 想 实 验, 试 图 说 明 分 别 测 量 两 个 对 应 的 量 子 A 和 B 的 动 量 和 位 置, 是 可 以 同 时 得 到 确 定 数 值 的 玻 尔 学 派 为 了 应 对 不 确 定 性 原 理 受 到 的 挑 战, 接 着 提 出 即 使 相 隔 很 远 的 距 离, 对 A 的 动 量 测 量 必 然 产 生 对 B 的 干 扰, 于 是 对 B 的 位 置 测 量 显 然 是 测 不 准 的 这 里 可 以 看 出 在 爱 因 斯 坦 等 人 提 出 EPR 实 验 之 前, 玻 尔 学 派 并 没 有 提 出 量 子 纠 缠 观 点 于 是 贝 尔 提 出 了 一 个 不 等 式, 使 得 实 验 可 以 实 际 进 行 结 果 果 然 有 一 些 实 验 违 反 了 贝 尔 不 等 式, 证 明 纠 缠 态 的 量 子 具 有 控 制 性 关 联 的 非 定 域 性 然 后 关 于 量 子 通 讯 量 子 计 算 隐 形 传 态 等 理 论 迅 速 发 展, 接 着 又 是 实 验 跟 着 理 论 前 进, 出 现 了 很 多 可 喜 的 进 展 (6) 量 子 纠 缠 态 的 本 质 是 量 子 之 间 的 特 殊 形 式 的 相 互 作 用 量 子 之 间 既 然 形 成 了 特 定 的 相 互 联 系 并 引 起 态 变 动, 那 么 它 们 之 间 一 定 存 在 相 互 作 用, 这 种 相 互 作 用 带 来 量 子 的 态 变 动 就 是 当 个 别 量 子 的 纠 缠 态 偏 离 同 步 状 态 时, 能 通 过 相 互 作 用 将 其 拉 回 到 同 步 状 态, 这 种 拉 动 是 相 互 的 (7) 对 某 个 量 子 的 强 烈 的 相 互 作 用, 将 会 使 得 量 子 纠 缠 态 消 失

117 量 子 的 纠 缠 态 是 不 稳 定 的, 任 何 形 式 的 对 其 中 一 个 量 子 的 强 烈 的 相 互 作 用, 都 会 造 成 对 这 个 量 子 的 强 制 性 改 变 纠 缠 态 (8) 量 子 旋 转 角 度 的 同 步 调 整 是 一 个 不 消 耗 能 量 的 过 程 费 米 子 在 电 场 中 改 变 费 米 频 率 分 量 和 玻 色 频 率 分 量, 即 势 能 与 动 能 有 转 换, 实 际 上 是 一 个 波 动 角 度 的 偏 移, 如 用 直 角 三 角 形 来 表 示 费 米 子 的 状 态 时, 斜 边 与 直 角 边 的 角 度 越 大, 表 明 费 米 子 的 动 能 越 大 这 是 一 种 形 式 的 远 距 离 的 控 制 性 关 联, 在 这 个 过 程 中, 是 要 消 耗 能 量 的, 即 量 子 频 率 将 发 生 变 动 费 米 子 在 磁 场 中 角 动 量 量 子 化 是 一 个 自 然 的 调 整 过 程, 是 一 种 远 距 离 的 控 制 性 关 联, 在 这 个 过 程 中, 不 需 要 消 耗 能 量, 无 论 作 用 大 小, 调 整 总 会 迅 速 完 成 如 地 球 的 磁 场 是 很 微 弱 的, 指 北 针 仍 然 很 自 然 地 调 整 了 自 己 的 角 度 量 子 纠 缠 态 的 同 步 调 整 是 一 种 旋 转 角 度 ( 偏 振 或 者 自 旋 ) 的 调 整, 是 一 个 自 动 完 成 的 过 程 量 子 的 旋 转 角 度 调 整 不 涉 及 频 率 波 速 和 相 位, 因 此 不 存 在 能 量 守 恒 和 动 量 守 恒 的 限 制 量 子 的 旋 转 角 度 调 整 涉 及 到 角 动 量, 但 是 由 于 调 整 是 相 互 的, 不 会 破 坏 角 动 量 守 恒 与 场 的 相 互 作 用 相 似, 旋 转 角 度 的 调 整 强 度 与 调 整 源 的 强 度 成 正 比, 与 距 离 的 平 方 成 反 比 但 是 由 于 量 子 的 旋 转 角 度 调 整 不 涉 及 频 率 转 换, 而 且 无 论 作 用 强 度 大 小, 角 度 的 调 整 始 终 要 达 到 同 步 因 此 调 整 速 度 非 常 快, 以 至 于 10cm 距 离 与 1000km 距 离 似 乎 没 有 什 么 差 异 量 子 旋 转 角 度 的 同 步 调 整 是 超 光 速 的, 无 论 是 费 米 子 在 磁 场 中 自 旋 方 向 调 整, 引 力 场 与 电 场 作 用 时 玻 色 频 率 与 费 米 频 率 转 换 时 振 动 角 度 的 偏 移, 还 是 量 子 的 纠 缠 态 同 步 调 整, 都 是 超 光 速 的 由 上 可 知, 量 子 纠 缠 态 似 乎 并 不 神 秘, 与 量 子 自 旋 在 磁 场 中 的 同 步 有 很 多 相 同 之 处, 但 是 往 下 分 析, 就 能 发 现 量 子 的 纠 缠 态 的 最 大 特 点 就 是 具 有 一 对 一 的 特 异 性, 即 所 谓 一 对 一 的 纠 缠 (9) 量 子 纠 缠 态 具 有 一 对 一 的 特 异 性 费 米 子 相 互 作 用 时 的 频 率 转 换 同 步 性 和 量 子 自 旋 在 磁 场 中 的 同 步 性 都 具 有 非 特 异 性, 任 何 量 子 进 入 作 用 场 都 会 参 与 控 制 性 远 距 离 关 联 但 是 量 子 的 纠 缠 态 是 严 格 地 遵 循 量 子 一 一 对 应 ( 允 许 多 个 ) 的 原 则 如 何 实 现 这 种 一 一 对 应 呢? 可 以 有 几 种 解 决 方 案 : 1 特 定 作 用 场 方 案 要 求 每 一 个 这 样 的 对 应 有 相 应 的 作 用 场 但 是 按 照 物 质 基 本 结 构 理 论, 以 太 结 构 是 难 以 担 当 这 样 重 的 任 务 的 多 世 界 方 案 要 求 每 一 个 对 应 的 相 互 作 用 在 自 己 的 世 界 里 活 动 但 是 实 际 情 况 并 不 是 这 样 的, 处 于 纠 缠 态 的 量 子, 完 全 可 以 在 不 破 坏 纠 缠 态 的 情 况 下, 参 与 其 他 作 用, 如 速 度 的 增 减 3 广 播 信 息 响 应 方 案 在 网 络 的 应 用 中 较 多 地 使 用 这 种 方 式 实 现 通 讯, 一 个 广 播 源 可 以 通 过 网 络 ( 如 数 字 有 线 电 视 网 计 算 机 局 域 网 ) 发 布 信 号, 信 号 在 相 当 广 的 网 络 区 域 传 播, 这 相 当 于 一 种 作 用 场, 但 是 大 部 分 接 收 者 对 此 毫 无 感 受, 只 有 特 定 的 接 收 者, 如 缴 了 费 的 有 线 电 视 用 户 或 者 网 络 邮 件 接 收 者, 才 能 收 到 这 个 信 号 这 就 是 说 纠 缠 态 的 量 子 对 外 扩 散 的 作 用 是 非 特 异 的 广 域 的, 但 是 只 有 对 应 的 纠 缠 态 量 子 才 能 相 互 感 受 得 到, 才 能 产 生 相 应 的 同 步 调 整 这 个 方 案 同 样 存 在 一 些 需 要 解 决 的 问 题, 如 信 息 是 如 何 引 起 角 度 偏 转 的 笔 者 认 为 这 是 一 项 影 响 巨 大 的 理 论 和 实 践, 需 要 得 到 高 概 率 性 的 重 复 性 极 高 的 科 学 实 验 来 证 实 如 果 量 子 纠 缠 态 被 更 多 的 实 验 证 明 是 稳 定 的, 那 么 它 的 应 用 前 景 是 十 分 可 观 的, 它 将 带 来 一 场 新 的 科 学 技 术 革 命, 主 要 表 现 在 : 1 量 子 通 讯 量 子 通 讯 的 优 势 主 要 表 现 在 安 全 上 据 说 理 论 已 经 解 决 了 全 部 问 题, 只 剩 下 纠 缠 态 的 制 备 储 存 等 技 术 问 题 了 量 子 通 讯 的 实 现, 将 会 带 来 通 讯 质 量 的 大 幅 度 提 高, 通 讯 速 度 和 容 量 可 以 低 成 本 地 几 乎 是 无 限 地 扩 充 ; 将 会 使 计 算 机 网 络 的 安 全 性 大 大 提 高, 计 算 机 病 毒 黑 客 木 马 垃 圾 信 息 等 问 题 有 可 能 得 到 根 本 性 解 决, 金 融 商 务 的 网 络 安 全 也 可 以 得 到 极 大 的 改 善 量 子 计 算 量 子 纠 缠 态 能 够 将 某 一 步 计 算 结 果 自 动 地 反 馈 到 输 入, 迅 速 找 到 函 数 周 期, 实 现 并 行 计 算, 可 以 大 大 节 约 计 算 时 间 和 存 储 单 元 据 说 量 子 计 算 的 理 论 问 题 已 经 解 决, 剩 下 的 也 只 是 技 术 问 题 了 量 子 计 算 的 实 现 将 会 使 得 信 息 存 储 容 量 极 大 地 扩 充, 计 算 速 度 极 大 地 提 高 人 工 智 能 不 仅 在 记 忆 能 力 上 计 算 速 度 上 已 经 大 大 超 过 了 人 脑, 而 且 将

118 在 逻 辑 思 维 能 力 学 习 智 能 上 大 大 超 过 人 脑 上 述 两 种 应 用, 都 是 利 用 量 子 的 纠 缠 态 能 够 实 现 量 子 隐 形 传 态 功 能 笔 者 认 为 当 前 的 应 用 技 术 研 究 应 着 重 在 短 距 离 (10 米 以 内 ) 的 基 础 研 究, 重 点 是 纠 缠 态 量 子 的 制 备 和 保 存, 量 子 计 算 单 元 群 ( 即 存 储 单 元 量 子 比 特 ) 的 实 现 等 问 题 六 物 质 基 本 结 构 理 论 对 量 子 理 论 的 完 备 将 起 着 重 要 作 用 量 子 论 诞 生 以 来, 在 量 子 物 理 学 方 面 取 得 巨 大 的 成 就, 理 论 上 解 开 了 微 观 世 界 一 个 一 个 秘 密, 实 践 上 促 进 了 科 学 技 术 以 前 所 未 有 的 速 度 发 展, 极 大 地 改 变 了 人 类 的 社 会 生 活 但 是 量 子 究 竟 是 什 么, 量 子 的 态 究 竟 有 没 有 实 在 性, 量 子 的 时 间 空 间 等 物 理 特 性 是 否 是 实 实 在 在 的, 这 一 系 列 问 题 激 起 了 几 代 理 论 物 理 学 家 们 的 研 究 兴 趣, 就 连 爱 因 斯 坦 玻 尔 这 样 的 顶 尖 级 大 师 都 为 此 争 论 了 几 十 年 正 统 的 量 子 理 论 在 长 期 的 研 究 中, 逐 步 形 成 了 系 统 的 量 子 理 论, 归 纳 有 几 条 : (1) 量 子 力 学 考 察 单 个 客 体 () 量 子 现 象 中 客 体 和 主 体 的 不 可 分 性 被 测 客 体 与 测 量 仪 器 之 间 的 边 界 由 观 察 者 选 择 观 察 方 式 必 须 用 经 典 物 理 来 说 明, 观 察 是 不 可 逆 的, 它 产 生 一 个 记 录 量 子 领 域 的 物 理 规 律, 是 在 人 为 安 排 的 特 殊 条 件 下 各 个 观 测 结 果 之 间 关 系 的 定 律, 既 有 客 观 要 素, 也 有 内 含 主 观 要 素 人 们 对 自 然 界 客 体 的 认 识 存 在 一 个 极 限 (3) 只 有 测 量 结 果 可 以 被 认 为 是 真 实 的 测 量 时 所 发 生 的 量 子 跃 迁 是 由 可 能 到 实 际 的 转 变 (4) 几 率 是 基 本 的 粒 子 就 是 粒 子, 波 只 是 概 率 因 果 律 和 决 定 论 不 再 存 在 (5) 微 观 客 体 在 实 际 中 所 表 现 出 来 的 粒 子 性 和 波 动 性, 两 者 既 互 斥, 又 互 补 互 补 性 质 不 能 被 同 时 观 测 互 补 的 概 念 是 一 条 有 普 遍 意 义 的 基 本 哲 学 原 理 玻 尔 认 为, 对 微 观 现 象 的 说 明 必 须 利 用 互 补 性 思 想, 粒 子 图 像 和 波 动 图 像 是 对 同 一 个 微 观 客 体 的 两 种 互 补 描 述 具 体 地 说, 用 不 同 实 验 装 置 可 以 得 到 的 关 于 微 观 客 体 的 知 识, 但 是, 当 企 图 把 这 些 资 料 结 合 成 单 独 一 种 图 像 时 它 们 却 显 得 是 相 互 矛 盾 的 于 是, 任 何 一 幅 单 独 的 经 典 实 在 图 像, 如 粒 子 和 波, 都 无 法 提 供 关 于 微 观 现 象 的 详 尽 说 明, 我 们 只 能 用 互 补 的 经 典 图 像 来 提 供 这 种 完 备 的 说 明 也 就 是 说, 对 于 微 观 客 体 不 可 能 再 用 无 矛 盾 的 经 典 语 言 进 行 统 一 而 完 备 的 真 实 描 述, 因 为 微 观 客 体 既 像 经 典 的 波, 又 像 经 典 的 粒 子, 而 这 完 全 取 决 于 测 量 的 选 择 这 样, 在 人 们 不 进 行 测 量 时, 自 然 无 法 说 微 观 客 体 是 波 还 是 粒 子 基 于 对 自 然 世 界 简 单 性 和 统 一 性 的 信 念, 爱 因 斯 坦 认 为 量 子 世 界 和 宏 观 物 质 世 界 没 有 本 质 区 别 人 们 对 宏 观 世 界 的 基 本 认 识, 原 则 上 都 可 以 扩 展 到 量 子 世 界 领 域 所 以 爱 因 斯 坦 深 信 有 一 个 不 依 赖 于 人 的 感 觉 主 体 而 独 立 存 在 的 外 在 世 界, 是 包 括 量 子 科 学 在 内 的 一 切 科 学 的 基 础 坚 持 量 子 世 界 和 宏 观 世 界 一 样 具 有 实 在 性, 认 为 物 理 体 系 的 实 在 状 态 这 样 的 事 是 存 在 的, 它 不 依 赖 于 观 察 或 量 度 而 客 观 存 在, 并 且 原 则 上 是 可 以 用 物 理 的 表 述 方 法 来 描 述 的, 爱 因 斯 坦 认 为 现 行 量 子 力 学 理 论 的 统 计 性 是 由 描 述 的 不 完 备 性 所 决 定 的 爱 因 斯 坦 并 不 是 一 概 反 对 现 有 量 子 力 学 的 理 论 他 承 认 它 是 能 对 微 观 力 学 过 程 的 量 特 征 方 面 的 经 验 提 供 一 个 统 一 解 释 的 唯 一 理 论, 这 个 理 论 是 标 志 着 物 理 知 识 中 的 一 个 重 大 的 进 步, 在 某 种 意 义 上 甚 至 是 决 定 性 的 进 步 他 最 终 仅 反 对 波 函 数 Ψ 可 以 完 备 地 描 述 一 个 单 独 体 系 的 物 理 性 状 这 样 一 种 观 点 爱 因 斯 坦 认 为 实 在 世 界 就 是 他 和 哥 本 哈 根 学 派 争 论 中 一 再 强 调 的 物 理 实 在 他 多 次 申 明 : 相 信 有 一 个 不 依 赖 于 感 觉 主 体 而 独 立 存 在 的 外 在 世 界 是 一 切 科 学 基 础 哥 本 哈 根 学 派 对 实 在 的 理 解 与 爱 因 斯 坦 有 重 大 差 别, 认 为 说 经 验 世 界 来 自 实 在 世 界 不 够 完 全, 其 原 因 在 于 我 们 人 的 感 官 对 实 在 世 界 的 感 觉 还 不 够 全 面 认 为 在 量 子 领 域 的 经 验 世 界, 既 和 量 子 客 体 有 关, 也 和 人 的 意 识 有 关 科 学 家 希 望 电 子 具 有 波 性 质, 那 么 他 们 安 排 的 实 验 给 人 的 感 觉 经 验 电 子 就 是 波 ; 反 之, 希 望 电 子 具 有 粒 子 的 性 质, 则 其 安 排 的 实 验 给 人 的 感 觉 经 验 电 子 就 是 粒 子 在 爱 因 斯 坦 心 目 中, 实 在 世 界 具 有 十 分 重 要 的 地 位, 它 既 是 经 验 世 界 的 源 泉, 也 是 科 学 家 创 造 理 性 世 界 的 动 力 和 追 求 目 标 哥 本 哈 根 学 派 并 没 有 正 面 否 认 过 实 在 世 界 的 存 在, 但 他 们 认 为 自 然 科 学 并 不 讨 论 实 在 世 界 是 什 么 的 问 题, 那 是 哲 学 研 究 的 对 象 自 然 科 学 家 面 对 的 只 是 关 于 自 然 界 的 经 验 世 界, 以 及 为 理 解 经 验 世 界 的 需 要 而 创 造 出 来 的 理 性 世 界, 而 这 两 者 都 是 和 人 的 主 观 因 素 有 关 因 此 科 学 家 所 追 求 的 并 不 是 使 理 性 世 界 如 何 不 断 地 去

119 逼 近 实 在 世 界, 而 是 如 何 去 协 调 不 断 推 出 新 的 经 验 世 界 与 旧 的 理 性 世 界 之 间 的 矛 盾 正 是 基 于 这 种 认 识, 所 以 玻 尔 特 别 强 调 互 补 原 理 和 对 应 原 理 的 重 要 性, 因 为 它 们 在 协 调 经 验 世 界 和 理 性 世 界 之 间 的 矛 盾 时 是 最 适 用 的 工 具 玻 尔 和 爱 因 斯 坦 在 认 识 论 上 的 根 本 分 歧 在 于 对 实 在 世 界 在 自 然 科 学 中 的 地 位 的 认 识 上, 爱 因 斯 坦 把 实 在 世 界 看 成 自 然 科 学 的 源 泉 和 归 宿, 因 而 具 有 头 等 重 要 的 地 位 ; 而 玻 尔 则 要 把 实 在 世 界 从 自 然 科 学 中 排 挤 出 去, 自 然 科 学 不 需 要 也 不 可 能 去 探 明 实 在 世 界 是 否 存 在, 实 在 世 界 究 竟 是 什 么 的 问 题 玻 尔 所 宣 扬 的 一 个 物 理 量 只 有 当 它 被 测 量 之 后 才 是 实 在 的 观 点, 爱 因 斯 坦 无 论 如 何 也 不 能 同 意, 他 在 内 心 深 处 回 敬 道, 难 道 月 亮 只 有 在 我 看 它 时 才 存 在? 1935 年,5 月 份 出 版 的 物 理 学 评 论 上, 爱 因 斯 坦 与 他 的 合 笔 者 波 多 尔 斯 基 和 罗 森 共 同 发 表 文 章 质 问 : 量 子 力 学 对 物 理 世 界 的 描 述 是 完 备 的 吗? 而 他 们 的 回 答 非 常 坚 决, 不 是! 1975 年 8 月 5 日, 狄 拉 克 在 澳 大 利 亚 新 南 威 尔 大 学 作 了 题 为 量 子 力 学 的 发 展 的 演 讲, 其 中 他 评 论 道 : 我 认 为 也 许 结 果 最 终 会 证 明 爱 因 斯 坦 是 正 确 的, 因 为 不 应 认 为 量 子 力 学 的 目 前 形 式 是 最 后 的 形 式 关 于 现 在 的 量 子 力 学, 存 在 一 些 很 大 的 困 难 它 是 到 现 在 为 止 人 们 能 够 给 出 的 最 好 的 理 论, 然 而 不 应 当 认 为 它 能 永 远 存 在 下 去 笔 者 认 为 量 子 理 论 应 当 是 一 个 完 备 的 理 论, 但 是 正 统 的 量 子 理 论 目 前 还 存 在 很 多 值 得 改 进 的 地 方 笔 者 在 本 书 中 提 出 物 质 基 本 结 构 理 论, 提 出 了 一 系 列 涉 及 量 子 理 论 的 问 题 的 解 决 方 案, 其 目 的 就 是 希 望 量 子 理 论 成 为 一 个 完 备 的 理 论 量 子 理 论 之 所 以 应 当 是 一 个 完 备 的 理 论, 因 为 量 子 理 论 揭 示 了 物 质 结 构 形 式 和 相 互 作 用 的 基 本 问 题, 它 的 基 本 性 普 遍 性 很 强, 实 践 证 明 量 子 理 论 对 自 然 界 的 认 识 是 深 刻 的, 对 实 践 有 很 强 的 指 导 意 义 本 书 中 笔 者 还 提 出 量 子 相 对 论 概 念, 认 为 相 对 论 也 是 量 子 理 论 的 组 成 部 分, 这 将 使 得 量 子 理 论 作 为 物 理 基 本 理 论 更 加 系 统 和 完 整 正 统 的 量 子 理 论 的 不 完 备 性, 在 大 师 们 的 论 述 中 已 经 说 得 很 清 楚, 主 要 是 量 子 的 实 在 性 问 题, 本 书 的 主 要 宗 旨 就 是 希 望 用 量 子 的 实 在 性 充 实 量 子 理 论 笔 者 认 为 物 质 基 本 结 构 理 论 能 够 对 量 子 理 论 的 完 备 起 重 要 作 用 关 于 量 子 理 论 与 经 典 宏 观 理 论 的 关 系 问 题 在 学 术 界 也 存 在 较 大 争 议 有 的 观 点 认 为 量 子 理 论 是 宏 观 经 典 理 论 的 继 承 有 的 观 点 则 认 为 量 子 理 论 是 对 经 典 理 论 的 重 大 的 观 念 上 的 突 破, 与 经 典 理 论 有 着 本 质 区 别, 宏 观 理 论 根 本 无 法 应 用 到 量 子 理 论 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 : 量 子 理 论 是 对 宏 观 理 论 的 重 大 改 革, 更 是 宏 观 理 论 的 基 础 物 质 运 动 形 式 是 先 有 量 子 的 运 动 形 式, 然 后 才 发 展 成 为 宏 观 的 经 典 的 运 动 形 式 从 认 识 物 质 世 界 的 角 度 来 说, 量 子 理 论 是 对 宏 观 理 论 的 继 承, 从 理 论 体 系 本 体 来 说, 量 子 理 论 是 基 础, 宏 观 理 论 是 量 子 理 论 在 宏 观 方 面 的 应 用, 情 况 更 复 杂 一 些, 然 而 处 理 方 式 又 更 近 似 一 些 更 简 单 一 些 第 十 一 章 量 子 定 态 的 形 成 机 制 量 子 的 定 态 指 的 是 量 子 的 态 趋 于 一 致 性, 如 光 速 的 一 致 性 费 米 子 带 电 量 大 小 的 一 致 性 等 量 子 波 的 定 态 性 还 指 量 子 某 些 态 在 一 致 性 的 基 础 上 进 一 步 发 展 为 定 量 性, 如 质 子 具 有 次 / 秒 的 费 米 频 率, 电 子 具 有 次 / 秒 的 费 米 频 率, 在 电 磁 作 用 中 起 到 重 要 作 用 的 精 细 结 构 常 数 : a = 次 /e, 等 等, 这 些 数 值 不 多 一 点 也 不 少 一 点 量 子 的 定 量 性 在 本 质 上 是 一 致 性 的 表 现 形 式 一 量 子 定 态 的 发 展 过 程 物 质 基 本 结 构 形 式 在 初 级 阶 段 是 无 序 的, 但 它 蕴 含 着 有 序, 这 就 是 它 的 对 立 中 的 统 一 性 辩 证 的 实 体 与 间 隙 是 不 定 形 的, 它 是 无 数 种, 但 是 它 们 之 间 的

120 差 异 又 是 极 小 的, 可 以 不 加 区 别 地 融 合 在 一 起, 因 此 又 可 以 看 成 是 一 种 物 质 基 本 结 构 形 式 是 最 具 体 的 又 是 最 普 遍 的, 这 就 是 最 原 始 的 一 致 性 物 质 基 本 结 构 形 式 经 过 均 匀 化 和 系 统 化 过 程, 形 成 了 以 太 结 构, 这 是 由 无 序 迈 向 有 序 的 第 一 步 量 子 波 的 形 成 和 光 速 的 稳 定 是 无 序 迈 向 有 序 的 又 一 次 突 破, 至 此 量 子 定 态 开 始 形 成 物 质 结 构 形 式 进 一 步 发 展, 量 子 之 间 相 互 作 用 的 量 有 了 强 烈 的 规 定 性 和 定 量 性, 一 定 的 量 子 在 相 互 一 定 的 距 离 时, 作 用 强 度 是 稳 定 的 ; 引 力 作 用 常 数 电 场 作 用 常 数 频 率 波 幅 平 方 系 数 和 频 率 旋 转 半 径 平 方 系 数 有 了 规 定 的 数 值 ; 发 展 到 质 子 电 子 和 复 合 量 子 大 小 的 定 量 性 由 此 可 见 量 子 定 态 的 发 展 过 程 就 是 物 质 基 本 结 构 形 式 由 无 序 向 有 序 发 展 的 过 程 用 生 成 论 的 观 点 而 不 是 构 成 论 的 观 点 去 理 解 量 子 的 定 态, 是 辩 证 的 观 点, 这 种 观 点 不 是 将 定 态 视 为 一 成 不 变 的 永 恒 的 东 西, 而 是 一 个 发 展 的 产 物 物 质 基 本 结 构 理 论 的 一 个 任 务 就 是 要 研 究 量 子 定 态 的 生 成 和 消 失 机 制 有 人 认 为 质 子 电 子 的 质 量 大 小 是 历 史 偶 然 确 定 的, 是 宇 宙 大 爆 炸 的 最 初 时 刻 形 成 的, 但 事 实 是 现 实 宇 宙 的 任 何 角 落 新 生 成 正 负 质 子 对 或 者 正 负 电 子 对 同 样 具 有 严 格 的 规 定 性, 可 见 历 史 之 说 有 不 完 善 的 地 方 有 人 则 认 为 现 实 宇 宙 新 生 成 正 负 质 子 对 或 者 正 负 电 子 对 具 有 严 格 的 规 定 性, 是 由 于 历 史 的 原 因 形 成 了 现 在 宇 宙 的 某 个 特 征 值, 因 而 出 现 了 费 米 子 的 严 格 规 定 性 这 个 说 法 是 有 道 理 的, 正 是 这 个 原 因 才 驱 使 我 们 去 研 究 我 们 这 个 宇 宙 由 于 历 史 的 原 因 形 成 的 特 征 我 们 应 当 去 探 索 这 个 大 自 然 的 特 征, 如 果 不 承 认 宇 宙 由 于 历 史 原 因 而 形 成 的 特 征, 即 特 定 的 常 数, 则 会 难 以 解 释 上 帝 在 掷 骰 子 时, 如 何 造 出 一 个 个 定 量 的 模 子 来 规 范 质 子 电 子 的 大 小 大 自 然 为 什 么 是 这 个 特 征 而 不 是 别 的 特 征, 这 是 大 自 然 的 事 实, 是 大 自 然 的 基 本 哲 理, 是 我 们 研 究 问 题 的 出 发 点 二 量 子 的 基 本 定 态 宏 观 物 理 现 象 的 定 态 性 往 往 不 是 基 本 的, 如 水 分 子 的 定 态 性 是 由 氧 原 子 和 氢 原 子 的 定 态 性 引 起 的, 而 氧 原 子 和 氢 原 子 的 定 态 性 又 是 由 质 子 和 电 子 的 定 态 性 引 起 的 量 子 的 定 态 性 具 有 基 本 性, 这 种 定 态 性 不 由 其 他 定 态 性 引 起, 研 究 量 子 的 定 态 性 首 先 要 研 究 物 质 发 展 到 以 太 结 构 和 量 子 波 阶 段 的 最 基 本 的 定 态, 这 些 定 态 是 大 自 然 的 特 征, 是 无 法 用 其 他 定 态 性 解 释 的 量 子 的 基 本 定 态 包 括 波 速 一 致 性 波 形 稳 定 性 频 率 转 换 对 等 性 波 密 度 转 换 对 等 性 角 动 量 转 换 对 等 性 电 量 一 致 性 等 基 本 定 态 的 特 征 是 表 现 为 态 的 一 致 性, 并 不 要 求 定 量 基 本 定 态 是 物 质 基 本 结 构 形 式 均 匀 化 系 统 化 的 发 展 结 果 量 子 基 本 定 态 形 式 有 : (1) 波 速 一 致 性 波 速 一 致 性 即 我 们 常 说 的 光 速 不 变, 这 里 的 波 速 指 的 是 速 率, 不 限 定 方 向 性 波 速 的 一 致 性 不 仅 仅 针 对 光 子, 而 是 对 一 切 量 子 波, 无 论 是 玻 色 波 费 米 波 或 者 含 有 玻 色 波 分 量 和 费 米 波 分 量 的 量 子 波 都 是 有 效 的, 它 们 内 部 都 存 在 着 一 致 的 波 速 即 光 速 波 速 的 一 致 性 并 没 有 定 量 的 要 求, 我 们 说 光 速 是 每 秒 30 万 千 米, 这 个 秒 和 米 都 是 人 为 规 定 的, 也 就 是 说 波 速 的 定 态 性 是 简 单 的, 只 要 求 空 间 和 过 程 中 的 一 致 性

121 光 在 介 质 中 波 速 是 有 变 动 的, 这 是 由 于 电 场 的 作 用 引 起 玻 色 波 的 运 动 行 程 改 变 带 来 了 宏 观 波 速 的 变 动, 量 子 的 内 部 波 速 并 没 有 改 变 () 波 形 稳 定 性 波 形 稳 定 性 是 指 量 子 波 力 图 使 自 身 的 波 动 形 式 不 变 波 形 稳 定 性 最 主 要 表 现 在 频 率 的 稳 定 性 上 玻 色 波 与 费 米 波 的 波 动 形 式 是 有 区 别 的, 但 无 论 是 玻 色 波 费 米 波 或 者 同 时 含 有 玻 色 波 分 量 和 费 米 波 分 量 的 量 子 波, 都 具 有 波 形 稳 定 性, 主 要 是 力 图 保 持 频 率 不 变 波 形 稳 定 性 也 没 有 定 量 的 要 求, 只 要 求 空 间 和 过 程 中 的 一 致 性 (3) 量 子 的 频 率 转 换 对 等 性 量 子 频 率 转 换 的 对 等 性 是 指 在 量 子 的 相 互 作 用 中, 一 个 量 子 的 频 率 减 少 必 将 引 起 另 一 个 量 子 的 频 率 增 加, 即 量 子 间 相 互 作 用 时 一 定 的 频 率 对 等 地 转 换 这 里 的 频 率 是 指 量 子 的 总 频 率, 既 包 含 玻 色 频 率 分 量 也 包 含 费 米 频 率 分 量, 频 率 对 等 转 换 并 不 要 求 作 用 过 程 中 玻 色 频 率 分 量 变 动 量 与 费 米 频 率 分 量 的 变 动 量 相 等 量 子 频 率 转 换 的 对 等 性 含 有 一 定 程 度 的 定 量 要 求, 即 相 互 间 的 对 等 的 定 量 要 求, 但 它 仍 然 是 一 种 单 纯 的 转 换 一 致 性 从 反 映 量 子 波 特 征 的 直 角 三 角 形 中 我 们 可 以 看 到 : 在 同 一 个 量 子 中 费 米 频 率 分 量 与 玻 色 频 率 分 量 的 转 换, 仅 仅 只 是 斜 边 角 度 变 动 而 已 为 什 么 量 子 相 互 作 用 时 频 率 对 等 地 转 换? 本 书 到 现 在 为 止 是 依 据 能 量 与 频 率 对 应 的 普 朗 克 常 数 定 义 质 量 与 能 量 相 关 的 实 验 事 实 以 及 能 量 守 恒 的 实 验 事 实 作 出 的 假 设 但 是 要 回 答 为 什 么 能 量 守 恒, 还 得 从 量 子 相 互 作 用 时 频 率 对 等 地 转 换 入 手, 因 为 不 是 能 量 守 恒 带 来 了 频 率 对 等 转 换, 而 是 频 率 对 等 转 换 带 来 了 宏 观 的 能 量 守 恒, 频 率 对 等 转 换 也 带 来 了 宏 观 的 质 量 守 恒 引 起 频 率 对 等 转 换 定 态 性 的 机 制 是 时 间 对 称 性, 也 即 过 程 的 均 匀 性 (4) 量 子 的 波 密 度 转 换 对 等 性 量 子 的 动 量 等 于 能 量 除 以 速 度, 在 量 子 单 位 制 里 能 量 即 频 率, 频 率 的 单 位 是 : 次 / 秒, 光 速 的 单 位 是 : 米 / 秒, 因 此 动 量 的 单 位 是 : 次 / 米, 即 每 米 长 度 中 的 波 数, 故 亦 可 称 波 密 度 由 于 能 量 守 恒 即 频 率 转 换 的 对 等 性 的 存 在, 因 此 动 量 守 恒 即 波 密 度 转 换 的 对 等 性 也 是 成 立 的 但 是 动 量 还 具 有 矢 量 性 质, 对 应 的 波 密 度 就 必 须 是 带 矢 量 计 算 的 波 密 度, 即 总 波 密 度 的 玻 色 波 分 量, 即 直 角 三 角 形 的 横 向 直 角 边 表 示 的 波 密 度 两 个 量 子 的 矢 量 波 密 度 的 数 值 相 同 而 方 向 相 反, 作 用 的 结 果 波 密 度 抵 消 为 0, 但 是 频 率 总 量 是 守 恒 的 并 不 抵 消, 这 时 频 率 的 玻 色 分 量 一 定 会 转 化 为 费 米 分 量, 总 的 频 率 不 变 量 子 的 矢 量 波 密 度 转 换 的 对 等 性, 产 生 机 制 是 来 源 于 系 统 空 间 分 布 ( 包 括 方 向 和 位 置 ) 的 均 匀 性 和 对 称 性, 由 此 产 生 了 最 小 作 用 量 原 理, 进 而 导 致 了 量 子 的 矢 量 波 密 度 转 换 的 对 等 性, 于 是 作 用 分 配 的 动 量 守 恒 定 律 成 立 (5) 量 子 的 角 动 量 转 换 对 等 性 角 动 量 的 定 义 : 如 图 11-1, 在 惯 性 系 中 有 一 固 定 点 O, 质 点 所 在 位 置 A 点 的 位 矢 为 r, 质 点 的 动 量 是 p, 位 矢 r 与 动 量 P 的 矢 量 积 定 义 为 质 点 的 角 动 量, 用 L 表 示, 即 : L = r p 它 的 大 小 是 : L = rp sinϕ = mυr sinϕ, 它 的 方 向 垂 直 于 r 和 p 所 组 成 的 平 面, 其 指 向 可 用 右 手 法 则 确 定 质 点 沿 半 径 为 r 的 圆

122 周 运 动, 其 动 量 为 p 时, 质 点 对 圆 心 的 角 动 量 的 大 小 : L = rp = mυr. o r 图 11-1 角 动 量 示 意 图 在 国 际 单 位 制 中, 角 动 量 的 单 位 是 千 克 米 / 秒 (kg m /s) 量 子 单 位 制 中, 角 动 量 的 单 位 为 ( 次 / 米 ) 米, 当 然 也 可 表 达 为 :( 次 / 秒 ) 秒, 都 可 以 约 简 为 : 次, 也 可 理 解 为 弧 度 一 般 将 角 动 量 理 解 为 动 量 乘 力 臂 长 度 也 可 以 将 角 动 量 理 解 为 能 量 乘 旋 转 一 周 的 时 间 就 光 子 而 言, 由 于 自 旋 的 频 率 与 旋 转 一 周 的 时 间 是 对 应 的, 因 此 光 子 无 论 频 率 多 大, 自 旋 角 动 量 都 是 1 费 米 子 ( 指 基 本 费 米 子 ) 由 于 波 形 与 光 子 不 同, 因 此 自 旋 方 式 与 光 子 也 有 区 别, 费 米 子 的 自 旋 角 动 量 为 一 个 确 定 的 量 1/ 费 米 子 自 旋 角 动 量 的 定 态 性 还 表 现 在 另 一 方 面, 即 任 何 费 米 子 个 体 的 角 动 量 的 方 向 服 从 系 统 区 域 的 方 向 性, 也 就 是 说, 费 米 子 的 角 动 量 方 向 是 顺 着 或 者 逆 着 电 磁 场 方 向 的, 即 所 谓 自 旋 的 空 间 投 影 +1/ 和 -1/ 这 个 调 整 是 量 子 与 系 统 协 同 调 整, 不 影 响 量 子 与 系 统 总 的 角 动 量 守 恒, 由 于 频 率 没 有 变 动, 也 不 影 响 能 量 守 恒 量 子 的 角 动 量 定 态 性 的 形 成 机 制 是 系 统 空 间 分 布 ( 包 括 方 向 和 位 置 ) 的 均 匀 性 和 对 称 性 (6) 费 米 子 的 带 电 一 致 性 每 一 个 费 米 子 都 带 有 电 性, 电 性 分 为 正 负 两 种, 费 米 子 所 带 的 电 性 不 是 正 电 就 是 负 电 同 一 类 费 米 子 带 电 的 正 负 性 就 是 该 类 费 米 子 的 正 反 性 ( 注 意 由 于 人 为 的 规 定 性, 反 电 子 带 正 电 ) 需 要 特 别 说 明 : 这 里 对 费 米 子 作 了 狭 义 处 理, 特 指 基 本 费 米 子, 基 本 的 费 米 子 就 是 正 反 质 子 及 正 反 电 子, 不 包 括 中 子 中 微 子 以 及 其 他 不 带 电 性 或 者 带 电 量 大 于 1 及 假 设 中 的 带 分 数 电 量 的 费 米 子 无 论 费 米 子 的 频 率 是 多 少, 电 性 的 绝 对 值 是 一 致 的, 量 子 单 位 制 中 电 量 的 单 位 为 基 本 电 量 单 位 e 质 子 与 电 子 的 频 率 不 同, 二 者 相 差 1836 倍, 但 是 带 电 量 的 绝 对 值 是 相 同 的 从 第 六 第 七 两 章 中 我 们 已 经 得 知 : 费 米 子 在 相 互 的 电 磁 作 用 中, 费 米 频 率 与 玻 色 频 率 不 断 地 转 换, 费 米 子 获 得 动 能 后 总 频 率 也 可 能 变 动, 但 是 它 的 带 电 量 绝 对 值 不 变 如 何 解 释 这 个 称 之 为 电 量 的 一 致 性 呢? 因 为 纯 玻 色 频 率 的 量 子 如 光 子 不 带 电, 说 明 费 米 子 带 电 量 性 质 与 费 米 波 有 关, 但 是 带 电 量 的 大 小 又 与 费 米 频 率 分 量 的 大 小 无 关, 说 明 带 电 量 是 费 米 波 的 一 个 内 在 特 征, 无 论 费 米 子 高 速 还 是 低 速 都 是 一 个 确 定 的 物 理 量, 不 因 费 米 波 的 频 率 波 长 波 密 度 的 变 化 而 改 变 我 们 注 意 到 有 一 个 物 理 量 具 有 不 变 性, 这 就 是 自 旋, 也 即 量 子 的 内 禀 角 动 量 笔 者 认 为 与 电 性 有 关 的 自 旋 是 费 米 子 的 自 旋, 任 何 基 本 费 米 子 的 动 量 乘 以 旋 转 半 径, 即 波 密 度 乘 以 半 径 均 为 1/, 具 有 恒 定 性 将 电 量 理 解 为 自 旋 或 者 角 动 量 之 后, 量 子 单 位 制 中 的 基 本 电 量 e, 就 是 区 别 正 反 性 即 电 的 正 负 性 的 基 本 费 米 子 的 个 数 P A

123 四 量 子 的 纵 向 波 幅 定 态 假 设 宏 观 的 波 动 中, 波 的 能 量 体 现 在 物 质 的 整 体 行 为 中, 距 离 扩 大 一 倍, 波 幅 减 小 为 1/, 而 能 量 密 度 减 小 为 1/4, 因 此 在 宏 观 波 中, 波 幅 的 平 方 与 能 量 密 度 成 正 比 关 于 量 子 波 的 波 形, 本 书 在 第 二 章 第 十 节 作 了 研 究, 现 在 按 模 型 的 假 设 进 一 步 研 究 比 照 宏 观 波, 假 设 量 子 波 的 纵 向 波 幅 平 方 与 频 率 成 正 比, 如 图 11-,cB 表 示 费 米 波 的 纵 向 波 幅 费 米 波 在 A C 或 者 E 点 时, 以 太 纵 向 位 移 最 大 值 是 纵 向 波 幅, 量 子 波 的 频 率 越 高 纵 向 波 幅 越 大, 纵 向 波 幅 的 平 方 与 频 率 成 正 比 c c c B A E 图 11- 量 子 的 纵 向 波 幅 cb 及 旋 转 波 幅 ad D a B d 由 于 无 法 直 接 测 定 量 子 的 纵 向 波 幅, 因 此 假 设 质 子 间 发 生 核 力 作 用 时, 质 子 的 波 长 纵 向 波 幅 和 相 互 距 离 三 者 相 等, 以 此 来 估 算 量 子 的 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 质 子 与 质 子 间 的 比 结 合 能 取 H 核 为 1.11MeV, 转 换 为 量 子 单 位 制 : -19 1eV= 焦 = 次 / 秒 MeV 相 当 于 次 / 秒 此 时 质 子 费 米 频 率 为 : ( ) 次 / 秒 3 = 次 / 秒 此 时 质 子 波 长 为 : / ( ) 米 -15 = 米 设 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 为 p, 单 位 为 : 米 秒, 即 : 米 /( 次 / 秒 ), 假 设 质 子 存 在 核 力 作 用 时 的 波 幅 等 于 波 长, 且 频 率 与 纵 向 波 幅 平 方 成 正 比, 得 方 程 : 质 子 频 率 p = 波 长 p = ( ) 解 得 : p = 米 秒 量 子 的 频 率 纵 向 波 幅 定 态 性 具 有 一 定 程 度 的 基 本 性 特 点, 它 无 法 由 别 的 定 态 性 数 值 计 算 得 到 的, 它 是 由 我 们 这 个 具 体 的 有 限 宇 宙 的 自 然 特 性 决 定 的 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 与 质 子 定 态 核 力 定 态 有 关 五 量 子 的 旋 转 波 幅 定 态 假 设 笔 者 在 第 二 章 中 的 量 子 波 波 形 假 设 中, 认 为 量 子 的 波 动 中 除 存 在 直 线 振 幅 外, 还 存 在 旋 转 运 动, 将 旋 转 的 位 移 最 大 值 定 义 为 旋 转 波 幅

124 比 照 纵 向 波 幅, 假 设 量 子 波 的 旋 转 波 幅 平 方 与 频 率 成 正 比, 如 图 11-,ad 表 示 量 子 的 旋 转 波 幅 旋 转 在 AC 或 者 CE 中 点 时, 以 太 位 移 最 大 值 是 旋 转 波 幅, 量 子 波 的 频 率 越 高 旋 转 波 幅 越 大, 旋 转 波 幅 的 平 方 与 频 率 成 正 比 由 于 无 法 直 接 测 定 量 子 的 旋 转 波 幅, 因 此 假 设 电 子 的 波 长 旋 转 波 幅 和 相 互 距 离 三 者 相 等 时, 发 生 电 场 共 振, 电 子 频 率 稳 定, 以 此 来 估 算 量 子 的 频 率 旋 转 波 幅 平 方 系 数 电 子 的 费 米 频 率 为 : 次 / 秒 0 此 时 电 子 波 长 为 : / ( ) 米 = 米 1 q q 此 时 电 子 电 场 势 能 : 1 4 πε 0 r = ( )/( ) 17 = 次 / 秒 电 子 频 率 调 整 为 : = 次 / 秒 设 频 率 旋 转 波 幅 平 方 为 q, 单 位 为 : 米 秒, 即 : 米 /( 次 / 秒 ), 假 设 此 时 波 长 距 离 旋 转 波 幅 相 等, 得 方 程 : 电 子 频 率 q = 波 长 q = ( ) -44 解 得 : q = 米 秒 量 子 的 频 率 旋 转 波 幅 定 态 性 具 有 一 定 程 度 的 基 本 性 特 点, 它 无 法 由 别 的 定 态 性 数 值 计 算 得 到 的, 它 是 由 我 们 这 个 具 体 的 有 限 宇 宙 的 自 然 特 性 决 定 的 频 率 旋 转 波 幅 平 方 系 数 与 电 子 的 定 态 有 关 六 量 子 的 引 力 场 作 用 定 态 在 量 子 单 位 制 中, 引 力 作 用 公 式 为 如 下 形 式 : v1v F = G 4 π r 式 中 v 为 量 子 频 率, 分 母 中 加 上 了 4π 因 子 量 子 单 位 制 中 的 引 力 常 数 : G = 米 秒 单 位 变 换 为 : 米 米 秒 = ( 次 / 秒 米 ) 次 次 秒 秒 表 示 两 个 量 子 波 之 间 的 引 力 与 频 率 积 成 正 比, 与 相 互 距 离 平 方 成 反 比, 计 次 / 秒 算 结 果 得 到 力 的 单 位 : 这 个 公 式 可 以 用 频 率 直 接 计 算 引 力, 能 够 更 清 米 晰 地 揭 示 引 力 场 的 形 成 机 制 引 力 作 用 的 定 态 性 体 现 在 : (1) 量 子 波 相 互 间 产 生 引 力 的 大 小 与 相 互 协 调 作 用 的 频 率 成 正 比, 与 相 互 距 离 的 平 方 成 反 比, 相 互 作 用 中 总 频 率 守 恒, 费 米 频 率 分 量 与 玻 色 频 率 分 量 非 对 等 地 相 互 转 换 () 引 力 常 数 G = 米 秒, 表 明 参 与 相 互 作 用 量 子 的 频 率 相 互 距 离 一 定 时, 相 互 作 用 的 力 是 定 态 的

125 引 力 常 数 G 为 什 么 是 这 个 数 值, 不 大 一 些 也 不 小 一 些, 不 是 别 的 数 值, 这 是 大 自 然 的 特 征 在 我 们 这 个 局 部 宇 宙 的 表 现 形 式 七 量 子 的 电 力 场 作 用 定 态 带 电 量 子 之 间 的 相 互 作 用 可 用 库 仑 定 律 表 达 : 1 q1q F =, 4 πε 0 r 带 电 量 子 运 动 产 生 磁 性, 这 时 磁 的 库 仑 定 律 表 达 式 为 : υ1 υ ( q1 )( q ) 1 F= c c ε 4 r 0 π 电 场 与 磁 场 的 库 仑 定 律 合 并 考 虑, 合 并 的 电 磁 力 : υ1 υ q1q ( ± 1± ) 1 F= c c ε 4 r 0 π q 1及 q 是 两 个 相 互 作 用 的 带 电 体 中 的 电 量, 电 量 单 位 为 e, 相 互 距 离 r, 单 位 1 取 米, 电 场 力 常 数 ( 倒 数 真 空 电 容 率 ) 为 ε, 单 位 取 ( 次 / 秒 ) 米 /e 时, 速 度 与 光 速 的 比 值 υ / c 为 小 于 1 的 无 量 纲 数, 力 F 的 单 位 为 ( 次 / 秒 )/ 米, 即 每 米 距 离 的 频 率 变 动 数 其 中 电 场 力 的 方 向 是 两 个 电 荷 中 心 连 线 方 向, 同 种 电 荷 是 相 排 斥 方 向, 异 种 电 荷 是 相 吸 引 方 向 式 中 电 场 力 常 数 ( 倒 数 真 空 电 容 率 ): 1 = = ac( 次 / 秒 ) 米 /e ε 0 其 中 : 精 细 结 构 常 数 a = ( 次 /e ) 真 空 光 速 数 值 c = ( 米 / 秒 ) 量 子 电 场 作 用 中 出 现 的 定 态 性 表 现 是 : (1) 正 反 费 米 子 具 有 电 的 引 力 或 者 斥 力 () 正 反 费 米 子 运 动 时 对 电 的 引 力 或 者 斥 力 产 生 调 整 力 即 磁 力 电 场 的 运 动 与 磁 场 的 运 动 可 以 相 互 激 发 (3) 这 个 力 的 大 小 与 距 离 平 方 成 反 比, 与 电 量 积 成 正 比 (4) 电 场 力 常 数 即 倒 数 真 空 电 容 率 是 一 个 相 对 稳 定 的 数 值 电 场 力 常 数 为 什 么 是 ac 这 个 数 值, 不 大 一 些 也 不 小 一 些, 不 是 别 的 数 值, 这 是 大 自 然 的 特 征 在 我 们 这 个 局 部 宇 宙 的 表 现 形 式 八 基 本 常 数 基 本 常 数 有 如 下 6 个 (1) 光 速 c: 是 由 波 速 的 一 致 性 决 定 数 值 为 : 米 / 秒 () 圆 周 率 π: 由 最 小 作 用 量 规 律 决 定 的, 其 本 质 体 现 频 率 与 行 程 的 关 系, 是 普 朗 克 常 数 的 ( h ) 形 式, 即 的 倒 数 的 一 半, 数 值 为 : 米 / 米 ( 弧 度 ) π (3) 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 p:( 假 设 ) 是 局 部 宇 宙 区 域 特 性 决 定 的, 它 与 质 子 的 费 米 频 率 定 态 有 密 切 关 系 数 值 为 : 米 秒 (4) 频 率 旋 转 波 幅 平 方 系 数 q:( 假 设 ) 是 局 部 宇 宙 区 域 特 性 决 定 的, 它 与 电 子 的 费 0

126 米 频 率 定 态 有 密 切 关 系 数 值 为 : 米 秒 频 率 旋 转 波 幅 平 方 系 数 q / 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 p , 即 质 子 与 电 子 质 量 比 的 3 次 方, 这 是 假 设 的 结 果 能 否 发 现 1836 的 秘 密, 将 上 述 常 数 合 并 为 一 个, 值 得 研 究 (5) 引 力 常 数 G: 是 局 部 宇 宙 区 域 特 性 决 定 的, 它 与 引 力 作 用 定 态 有 密 切 -77 关 系 数 值 为 : 米 秒 ( 仅 适 用 于 量 子 单 位 制 的 公 式 ) 1 (6) 电 场 力 常 数 ( 倒 数 真 空 电 容 率 ) ε, 是 局 部 宇 宙 区 域 特 性 决 定 的, 它 与 电 场 作 用 定 态 有 密 切 关 系 数 值 为 : = ac ( 次 / 秒 ) 米 /e ( 其 中 a 为 精 细 结 构 常 数,c 为 光 速 当 式 子 后 面 带 有 总 的 单 位 时,a c 为 纯 数 值, 不 带 单 位 ) 九 光 子 的 生 成 和 消 失 本 书 到 这 里 为 止 还 没 有 研 究 量 子 波 如 何 在 以 太 结 构 中 形 成 的 问 题, 只 是 假 设 它 已 经 在 以 太 结 构 中 存 在 这 节 我 们 将 开 始 研 究 量 子 的 生 成 和 消 失 问 题 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 量 子 是 可 以 生 成 和 消 失 的, 量 子 的 生 成 和 消 失 有 两 种 方 式 : 符 合 量 子 规 律 的 方 式 和 不 符 合 量 子 规 律 的 方 式 在 符 合 量 子 规 律 方 式 下, 量 子 波 的 生 成 和 消 失 过 程 中 总 频 率 守 恒 在 不 符 合 量 子 规 律 方 式 下, 量 子 波 的 生 成 和 消 失 过 程 中 总 频 率 不 守 恒 (1) 费 米 子 通 过 电 场 的 振 荡 激 发 光 子 费 米 子 通 过 电 场 的 振 荡 激 发 光 子 是 符 合 量 子 规 律 的 量 子 生 成 行 为, 量 子 的 总 频 率 守 恒 实 验 中 未 能 发 现 光 子 与 光 子 之 间 的 直 接 相 互 转 化, 没 有 发 现 一 个 光 子 的 频 率 减 少 直 接 引 起 另 一 个 光 子 的 频 率 增 加 的 现 象, 也 没 有 发 现 一 个 光 子 分 裂 成 两 个 光 子, 或 者 两 个 光 子 合 并 为 一 个 光 子 的 现 象 光 子 与 光 子 间 的 某 些 非 场 相 互 作 用 都 必 须 有 费 米 子 存 在, 如 干 涉 中 的 屏 幕, 衍 射 中 的 障 碍 物, 偏 振 中 的 光 栅, 等 等 光 在 介 质 中 的 速 率 方 向 及 相 位 的 变 动, 也 离 不 开 费 米 子 光 子 与 费 米 子 之 间 的 相 互 作 用 主 要 体 现 在 费 米 子 对 光 子 的 激 发 和 吸 收 上 实 验 表 明, 人 为 地 设 置 电 场 振 荡 可 以 激 发 电 磁 波, 经 典 的 麦 克 斯 韦 电 磁 波 理 论 认 为 电 磁 波 就 是 光 波, 电 场 与 磁 场 相 互 激 发 形 成 的 振 荡 向 空 间 扩 散, 就 形 成 了 电 磁 波, 麦 克 斯 韦 的 电 磁 波 理 论 中 还 没 有 量 子 的 概 念, 波 是 作 为 一 种 宏 观 现 象 考 虑 的 在 量 子 理 论 中 光 波 是 量 子 化 的, 玻 尔 的 氢 原 子 理 论 中 提 出 了 定 态 和 跃 迁 理 论, 对 电 子 的 能 级 作 出 定 态 的 假 设, 电 子 在 原 子 中 的 能 级 是 受 制 约 的, 只 能 稳 定 在 某 些 能 级 上, 即 电 子 的 玻 色 频 率 只 能 是 某 些 规 定 的 值 当 电 子 的 能 级 变 动 时 将 会 跃 迁 式 地 激 发 光 子 或 者 吸 收 光 子 在 这 样 的 过 程 中 整 个 系 统 中 原 有 的 费 米 子 和 玻 色 子 数 量 都 没 有 变 化, 但 是 增 加 了 新 的 光 子 接 下 来 量 子 力 学 中 加 上 了 波 函 数 概 念 和 概 率 解 释, 这 样 量 子 理 论 用 定 态 跃 迁 和 概 率 的 方 式 解 释 了 光 子 的 生 成, 定 态 跃 迁 和 概 率 也 就 成 为 了 量 子 力 学 的 基 础 由 于 跃 迁 引 发 了 光 子 的 生 成 和 吸 收, 现 在 需 要 研 究 跃 迁 问 题 了 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 量 子 波 与 以 太 结 构 的 协 调 振 动 即 共 振 是 跃 迁 的 重 要 原 因, 以 太 结 构 与 量 子 波 的 关 系 是 一 种 融 合 关 系, 以 太 结 构 不 仅 仅 被 动 地 传 递 量 子 波 之 间 的 作 用, 它 可 以 与 量 子 波 形 成 协 调 共 振 状 态 费 米 子 在 电 场 中 变 动 位 置 会 发 生 频 率 转 换, 正 负 费 米 子 的 接 近 会 使 得 费 米 子 中 的 玻 色 频 率 分 量 增 加 费 米 频 率 分 量 减 少, 此 时 玻 色 频 率 是 依 附 于 费 米 子 上 的 那 么 什 么 情 况 下 会 激 发 出 独 立 的 光 子 呢? 实 验 证 明 自 由 费 米 子 不 会 生 成 新 的 光 子, 费 米 子 在 引 力 场 中 也 不 会 生 成 新 的 光 子, 费 米 子 在 电 场 中 如 果 没 有 定 态 的 约 束, 它 也 不 会 生 成 新 的 光 子, 0

127 这 样 看 来, 只 有 费 米 子 在 电 场 中 并 且 受 到 定 态 性 约 束 时, 才 有 可 能 生 成 新 的 光 子 光 子 的 生 成 应 当 与 费 米 子 在 电 场 中 的 定 态 有 关, 只 有 定 在 一 个 状 态 下, 这 个 状 态 不 能 容 忍 多 余 的 玻 色 频 率 存 在, 才 有 可 能 将 光 子 抛 出 去 光 子 的 激 发 是 突 发 的 一 次 性 的, 即 费 米 子 在 约 束 态 附 近 振 动, 力 求 达 到 定 态, 波 长 与 振 动 约 束 距 离 接 近 时, 依 附 于 费 米 子 的 玻 色 频 率 与 场 的 振 荡 同 步, 这 种 振 动 就 会 通 过 以 太 形 成 独 立 的 玻 色 波, 即 突 然 一 次 性 地 失 去 了 振 荡 能 量, 激 发 出 一 个 光 子 这 样 的 解 释 是 力 求 保 持 物 质 实 在 图 像, 实 际 情 况 不 会 是 这 样 机 械 的, 以 太 结 构 的 运 动 方 式 要 神 秘 得 多 美 妙 得 多 笔 者 在 这 里 仅 仅 是 希 望 形 象 地 说 明, 电 场 振 荡 定 态 约 束 跃 迁 以 太 结 构 参 与 的 共 振, 对 新 的 量 子 波 生 成 是 必 须 的 () 费 米 子 通 过 电 场 的 振 荡 吸 收 光 子 实 验 表 明, 人 为 地 设 置 电 场 振 荡 装 置 可 以 接 收 电 磁 波, 即 吸 收 光 子, 此 时 整 个 系 统 减 少 了 光 子, 这 是 符 合 量 子 规 律 的 量 子 消 失 行 为, 量 子 的 总 频 率 守 恒 量 子 理 论 对 宏 观 电 场 振 荡 的 解 释 是 原 子 中 电 子 由 低 能 级 向 高 能 级 跃 迁, 或 者 原 子 核 中 核 子 由 低 能 级 向 高 能 级 跃 迁, 都 会 吸 收 光 子 这 是 费 米 子 通 过 电 场 的 振 荡 激 发 光 子 的 逆 向 行 为 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 光 子 的 波 动 会 通 过 以 太 结 构 与 费 米 子 发 生 共 振, 如 果 振 动 与 费 米 子 的 能 级 耦 合 时, 光 子 独 立 的 玻 色 频 率 会 融 合 到 费 米 子 之 中, 改 变 费 米 子 在 电 场 中 的 位 置, 增 加 费 米 频 率 分 量 这 种 共 振 一 定 要 与 费 米 子 在 电 场 中 的 定 态 性 相 结 合, 因 此 光 子 被 费 米 子 吸 收 一 般 不 发 生 在 自 由 费 米 子 身 上, 更 不 会 发 生 在 引 力 作 用 中 光 子 的 吸 收 是 突 发 的 一 次 性 的, 即 费 米 子 突 然 地 一 次 性 地 吸 收 一 个 光 子, 光 子 失 去 了 全 部 能 量, 费 米 子 一 次 地 获 得 了 振 荡 能 量 十 费 米 子 的 生 成 和 消 失 (1) 玻 色 频 率 生 成 共 轭 的 正 反 费 米 子 实 验 表 明, 光 子 或 者 含 有 玻 色 频 率 分 量 的 费 米 子, 在 其 他 费 米 子 的 配 合 下, 玻 色 频 率 达 到 一 定 的 数 量 级 时, 可 以 通 过 以 太 结 构 生 成 两 个 原 始 的 共 振 费 米 子 这 两 个 原 始 的 共 振 费 米 子 的 费 米 频 率 极 小, 然 而 电 性 是 存 在 的, 但 由 于 正 负 电 荷 如 此 接 近, 电 性 根 本 无 法 对 外 体 现, 一 般 情 况 下 这 些 新 生 成 的 共 轭 正 反 费 米 子 就 会 相 互 吸 引 而 湮 灭 如 果 能 量 足 够 大, 费 米 子 距 离 进 一 步 拉 大, 费 米 频 率 增 加, 玻 色 频 率 减 少, 每 个 费 米 子 才 有 可 能 长 大 独 立, 成 为 自 由 费 米 子 共 轭 的 正 反 费 米 子 的 费 米 频 率 是 定 态 的, 如 自 由 质 子 的 质 量 电 子 的 质 量 都 是 稳 定 的, 是 什 么 原 因 形 成 费 米 子 的 定 态, 将 在 第 十 三 章 第 二 第 三 节 研 究 () 共 轭 的 正 反 费 米 子 湮 灭 为 光 子 实 验 表 明, 共 轭 的 正 反 费 米 子 ( 如 正 反 质 子 正 反 电 子 ) 可 以 湮 灭 为 光 子 当 费 米 子 频 率 相 当, 电 荷 相 反 时, 由 于 吸 引 迅 速 地 将 费 米 频 率 转 换 为 玻 色 频 率 含 有 玻 色 频 率 的 费 米 波 波 形 如 图 11-4, 当 速 度 迅 速 增 大 时, 共 振 发 生, 共 轭 正 反 费 米 子 湮 灭,ACE 拉 直 成 纯 粹 的 玻 色 波, 生 成 两 个 光 子 C C B D a B d A E

128 图 11-4 费 米 子 速 度 增 大, 迅 速 拉 直 成 为 光 子 电 子 与 质 子 具 有 正 负 电 荷, 但 不 是 共 轭 的 正 反 费 米 子, 电 子 在 质 子 电 场 中 运 动 时, 必 须 保 持 一 定 的 玻 色 频 率, 即 轨 道 运 行, 而 且 受 驻 波 约 束 性 定 态 影 响, 有 一 个 最 低 能 级, 不 会 掉 到 质 子 中 只 有 正 反 粒 子 质 量 相 当 时, 它 们 的 互 动 性 使 得 任 何 定 态 都 是 不 稳 定 的, 驻 波 约 束 性 定 态 将 会 立 即 崩 溃, 费 米 子 和 电 荷 同 时 消 失, 生 成 两 个 光 子 十 一 不 符 合 量 子 规 律 的 量 子 生 成 和 消 失 方 式 前 面 两 节, 我 们 谈 的 都 是 符 合 量 子 规 律 的 量 子 生 成 和 消 失 方 式, 这 种 方 式 的 最 大 特 点 是 过 程 中 总 的 频 率 守 恒, 也 就 是 我 们 说 的 能 量 守 恒 但 是 如 果 仅 仅 如 此, 就 会 存 在 一 个 问 题, 宇 宙 间 频 率 总 量 将 是 永 远 不 变 的, 大 自 然 似 乎 不 会 这 样 设 计 它 的 规 则 因 此 必 然 存 在 不 符 合 量 子 规 律 的 量 子 生 成 和 消 失 方 式, 在 这 种 形 式 下, 量 子 的 生 成 与 消 失 过 程 中 不 存 在 频 率 守 恒 物 质 基 本 结 构 形 式 的 无 序 状 态, 完 全 随 机 地 不 受 概 率 规 范 地 通 过 均 匀 化 和 系 统 化 过 程 形 成 有 序 的 形 式, 形 成 以 太 结 构 同 时 可 以 随 机 地 形 成 量 子 波 以 太 结 构 和 量 子 波 形 成 之 后, 并 不 是 一 成 不 变 的, 它 也 可 以 在 某 个 区 域 由 于 无 序 的 原 因 使 得 以 太 结 构 消 失, 即 微 小 的 局 部 的 均 匀 化 系 统 化 转 化 为 非 均 匀 化 非 系 统 化, 其 中 的 量 子 波 也 随 之 消 失 可 以 在 某 个 不 存 在 以 太 结 构 的 区 域, 再 次 形 成 以 太 结 构, 同 时 形 成 量 子 波 也 可 以 在 一 个 已 经 存 在 以 太 结 构 的 区 域, 形 成 新 的 量 子 波, 或 者 使 原 来 的 量 子 波 消 失 生 成 的 量 子 首 先 是 频 率 ( 波 幅 ) 极 小 波 长 极 大 的 玻 色 波, 越 是 微 小 的 玻 色 子, 生 成 和 消 失 就 越 频 繁 这 种 生 成 和 消 失 是 完 全 随 机 的, 不 受 概 率 规 范 这 些 微 小 的 玻 色 子 可 以 不 断 地 生 成 共 轭 正 反 费 米 子, 然 后 又 不 断 地 湮 灭, 它 们 要 能 长 大 形 成 真 正 的 费 米 子, 必 须 具 备 两 个 条 件 : 一 是 能 量 即 玻 色 频 率 足 够 大, 使 得 共 轭 费 米 子 能 够 拉 开 距 离 ; 二 是 符 合 费 米 频 率 定 态 要 求, 只 有 符 合 费 米 频 率 定 态 的 共 轭 费 米 子 才 能 稳 定 关 于 费 米 频 率 的 定 态 假 设, 将 在 第 十 三 章 研 究 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为, 不 符 合 量 子 规 律 的 量 子 生 成 和 消 失 方 式 是 物 质 实 在 性 的 表 现 形 式, 但 不 是 量 子 实 在 性 的 表 现 形 式 在 量 子 结 构 层 次, 符 合 量 子 规 律 的 量 子 生 成 和 消 失 方 式 是 主 流, 不 符 合 量 子 规 律 的 量 子 生 成 和 消 失 方 式 是 偶 发 的 第 十 二 章 氢 原 子 的 驻 波 约 束 性 定 态 一 玻 尔 的 氢 原 子 理 论 玻 尔 的 氢 原 子 理 论 是 在 量 子 波 动 方 程 出 现 之 前 提 出 来 的, 尽 管 波 动 方 程 出 现 以 后 对 量

129 子 运 动 的 描 述 更 系 统 和 更 准 确 了, 但 是 了 解 量 子 力 学 发 展 初 期 的 玻 尔 的 氢 原 子 理 论, 对 我 们 理 解 量 子 力 学, 理 解 量 子 运 动 规 律 仍 有 帮 助 (1) 假 设 电 子 在 氢 原 子 中 存 在 运 行 轨 道 如 图 1-1, 玻 尔 设 氢 原 子 中 电 子 波 动 状 态 : 质 子 带 正 电 荷, 电 子 带 负 电 荷, 如 果 电 子 轨 道 半 径 为 r, 运 动 速 度 为 υ, 电 子 质 量 为 m, 则 : e 4 πε r 0 υ = me (1-1) r e 质 子 r 电 子 m e,v υ e 在 量 子 单 位 制 中 1 = ac米 e ε 0 图 1-1 玻 尔 氢 原 子 模 型 ( 秒 ) a 为 精 细 结 构 常 数 = c 为 光 速 : ( 在 上 式 中 不 带 单 位 ) 普 朗 克 常 数 h = 1 基 本 电 量 e =1 电 子 质 量 在 量 子 单 位 制 中 相 当 于 : 电 子 频 率 ν e /c 0 电 子 频 率 ν e = 次 / 秒 0 ν 3 电 子 质 量 则 为 e 次 = = 单 位 : 秒 / 米 c c 将 1-1 式 用 量 子 单 位 制 表 示 :[ 左 右 两 边 单 位 均 为 ( 次 / 秒 )/ 米 ] ac ν e υ = 4 π r c r 化 简 3 ac = π rν e υ (1-) () 假 设 电 子 角 动 量 只 能 是 = (h / π) 的 整 倍 数 L = m e υ r = n = h / π ν e 按 量 子 单 位 制 表 示 : L = υr = n / π (1-3) c nc 得 : r = (1-4) πν e υ (3) 计 算 电 子 速 度 及 轨 道 半 径 将 1-4 式 代 入 1- 式, 解 得 :

130 ac υ n = (1-5) n 将 1-5 式 代 入 1-4 式, 解 得 : cn rn = (1-6) π aν (4) 计 算 当 n=1 时 的 轨 道 半 径 根 据 式, 当 n = 1 时 : υ 1 = ac c r = πν a 将 n = 1, e e 0 ν e = 次 / 秒, a = c = 米 / 秒 代 入 上 式 11 a 0 = r = 米 (1-7) 即 玻 尔 氢 原 子 半 径, 与 实 验 值 相 等 此 例 充 分 说 明 运 用 量 子 单 位 制 与 传 统 方 式 对 物 理 公 式 的 推 导 效 果 完 全 一 致, 量 子 单 位 制 比 传 统 方 式 要 简 单 一 些, 而 且 表 达 物 理 现 象 更 直 接 一 些 (5) 电 子 轨 道 圆 周 是 电 子 玻 色 分 量 的 波 长 的 整 倍 数 当 n=1 时, 电 子 与 质 子 距 离 = 米, 11 电 子 运 行 轨 道 周 长 = π a 0 = 米 10 = 米 电 子 频 率 ν e 由 于 电 子 玻 色 分 量 的 波 密 度 ( 动 量 )= υ 玻 色 分 量 的 波 长 1 c c c = = = = 动 量 ν e υ ν e ac ν ea = = 米 与 周 长 计 算 相 等 经 测 算 n=,3,4, 时 均 可 得 到 : 电 子 运 行 轨 道 周 长 是 波 长 的 n 倍 可 知, 公 式 中 要 求 角 动 量 是 整 数, 即 是 要 求 电 子 轨 道 周 长 是 波 长 的 整 倍 数 (6) 氢 原 子 总 能 量 计 算 这 里 氢 原 子 的 总 能 量 并 不 与 氢 原 子 总 频 率 对 应, 计 算 公 式 如 下 : 氢 原 子 的 总 能 量 = 氢 原 子 库 仑 势 能 减 少 数 + 电 子 动 能 因 此 得 到 的 值 总 是 负 数, 负 数 越 大 表 示 能 量 越 低 由 公 式 可 知 : ac υ = 说 明 n 越 小, 电 子 速 度 越 大, 电 子 的 动 能 即 玻 色 频 率 越 大 n len r = 说 明 n 越 小, 电 子 轨 道 半 径 越 小, 累 计 费 米 频 率 转 换 为 玻 π a 色 频 率 越 多, 氢 原 子 总 的 费 米 频 率 ( 即 剩 余 势 能 ) 越 小, 即 根 据 作 用 分 配 原 则, 减 少 的 费 米 频 率 主 要 是 质 子 的 费 米 频 率 式 中 L e 为 电 子 波 长 c

131 玻 尔 系 统 总 能 量 4 1 e mee E = meυ = 3 4 πε r 8ε h (1-8) 按 量 子 单 位 制 转 换 : ac υ = n cn r = πaν e 1 ν e ac ace 则 E = ( ) 0 0 πaν c n 4πcn 1 a ν e a ν e a ν e a ν e = a ν e = = (1-9) n n n n 0 ( ) 当 n=1 时,E= 15 = 次 / 秒 ( ) 当 n= 时 E= 14 = 次 / 秒 实 验 值 为 :n = 1 时 :E = e ev/1 = 次 / 秒 14 n = 时 :E = ev/ 4 = 次 / 秒 理 论 值 与 实 验 值 基 本 相 等 (7) 存 在 一 个 最 低 电 子 轨 道 电 子 在 氢 原 子 中, 费 米 频 率 按 正 常 的 电 磁 作 用 转 化 为 玻 色 频 率 外, 还 必 须 保 持 一 定 的 玻 色 频 率, 即 动 能, 这 个 玻 色 频 率 的 大 小 为 : 1 1 ν e ac ν e meυ = = c n cn 电 子 在 氢 原 子 中 的 规 范 性 主 要 由 这 个 玻 色 频 率 决 定 : 当 电 子 距 离 质 子 越 近 即 n 越 小 时, 氢 原 子 ( 电 子 与 质 子 之 和 ) 的 费 米 频 率 越 来 越 小, 但 同 时 上 面 公 式 计 算 的 电 子 玻 色 频 率 越 来 越 大 ac 4le 4c c 如 当 n= 时, υ =, r = = = 4 π a π aν e π aν e (l e 为 电 子 波 长 ) 此 时, 氢 原 子 ( 主 要 是 质 子 ) 的 费 米 频 率 减 少 数 为 : e ac π aν e a ν e = = 4 πε 0r 4 π c 4 此 时 附 加 回 来 的 动 能 即 玻 色 频 率 ( 主 要 是 电 子 的 ) 为 : 1 1 ν e ac 1 meυ = ( ) = a ν e c 4 3 le c 当 n=1 时, υ = ac, r = = π a π aν e 此 时, 费 米 频 率 减 少 数 为 :

132 e ac π aν e = 4 πε r 4 π c 0 = a ν e 此 时, 附 加 回 来 的 动 能 为 :(υ 远 小 于 光 速 时 ) 1 1 ν e 1 me υ = ( ac) = a ν e c 可 见 随 着 电 子 与 质 子 的 距 离 减 少, 氢 原 子 总 的 费 米 频 率 减 少 的 速 度 小 于 玻 色 频 率 增 加 的 速 度 在 某 个 距 离 时 玻 色 频 率 的 增 加 总 数 将 会 大 于 费 米 频 率 的 减 少 总 数, 此 时 电 子 与 质 子 的 距 离 不 能 再 减 少, 称 为 基 本 距 离, 即 前 面 计 算 的 n=1 时 的 电 子 轨 道 半 径 11 a 0 = r = 米 里 德 伯 常 量 : 4 mee a ν e 7 a 1 a R = = = = = ε 0 h c c 4 π a0 4 π, 单 位 : 次 / 米 即 动 量 (8) 用 其 他 费 米 子 代 替 质 子 或 者 电 子 若 用 质 量 为 Z 核 电 荷 数 的 核 子 代 替 质 子, 则 在 上 述 公 式 中 出 现 e 的 位 置, 用 Z e 代 替, 那 么 : acz υ = 比 单 个 质 子 时 增 大 Z 倍, n len r =, 比 单 个 质 子 时 缩 小 Z 倍 π az 若 单 个 质 子 不 变, 用 μ 子 代 替 电 子,μ 子 的 带 电 量 与 电 子 一 致, 但 质 量 是 电 子 的 07 倍 ac le 原 公 式 变 为 : r = (1-10) πυ nlec r = (1-11) πυ 07 解 1-10 及 1-11 方 程 组 得 ac υ =, 即 与 电 子 时 的 速 度 一 样 n nlec len r = = 比 电 子 时 轨 道 半 径 小 07 π 07 ac / n π a 07 倍 此 计 算 与 近 代 物 理 实 验 不 符 近 代 物 理 ( 杨 桂 林 等 编 ) 教 材 85 页 有 一 段 话 : 电 子 e 被 μ 粒 子 代 替, 由 于 μ 粒 子 的 质 量 mµ 07me, 系 统 的 约 化 质 量 比 氢 原 子 的 约 大 186 倍, 因 而 μ 原 子 的 玻 尔 半 径 比 氢 原 子 的 小 约 186 倍 按 照 这 段 叙 述, 应 用 到 公 式 中 μ 的 质 量 不 能 以 电 子 的 07 倍 代 替, 而 只 能 以 186 倍 代 替 这 个 约 化 质 量 的 概 念 是 什 么? 书 中 没 有 解 释 笔 者 理 解 是 如 1836 下 意 思 : 质 子 与 质 子 加 电 子 的 质 量 比 为 = 99.95%, 电 子 的 速 度 可 分 配 到 99.95%, 可 以 忽 略 不 计 质 子 的 运 动 速 度 而 μ 子 比 电 子 的 质 量 要 大 很 多,μ

133 1836 子 的 速 度 只 分 配 到 =89.87%, 所 以 必 须 考 虑 质 子 的 运 动 速 度, 按 动 量 守 恒,μ 子 的 约 化 质 量 则 相 当 于 %=186 看 来 这 样 理 解 是 正 确 的, 上 述 公 式 计 算 要 考 虑 这 个 因 素 以 上 是 0 世 纪 初, 玻 尔 对 氢 原 子 中 电 子 能 级 的 推 导 过 程, 本 书 改 用 量 子 单 位 制 进 行 了 表 述 波 尔 的 氢 原 子 中 电 子 能 级 模 型 在 物 理 学 发 展 史 上 有 着 重 要 意 义, 但 也 有 一 些 局 限 性, 主 要 是 预 先 设 置 量 子 的 定 态 而 不 是 推 导 出 量 子 的 定 态, 对 量 子 的 定 态 只 有 主 量 子 一 项, 缺 乏 全 面 性 和 系 统 性, 理 论 对 实 验 的 解 释 乏 力, 等 等 至 于 说 玻 尔 的 氢 原 子 理 论 中 不 应 当 再 保 留 电 子 运 行 轨 道 的 经 典 概 念 的 观 点, 笔 者 并 不 完 全 赞 同, 如 果 我 们 承 认 量 子 运 动 的 实 在 性, 并 将 轨 道 泛 指 量 子 已 经 运 动 的 或 者 将 以 一 定 的 有 规 律 ( 尽 管 是 概 率 的 ) 运 动 的 轨 迹, 那 么 是 否 还 有 必 要 将 经 典 的 一 切 实 在 的 东 西 都 抛 弃 呢? 事 实 上 量 子 力 学 包 括 矩 阵 量 子 力 学 和 波 动 量 子 力 学, 对 电 子 在 氢 原 子 中 的 运 动 描 述, 并 未 完 全 丢 弃 轨 道 概 念, 只 不 过 认 为 轨 道 是 不 确 定 的 二 薛 定 谔 方 程 对 电 子 在 氢 原 子 中 的 定 态 分 析 玻 尔 氢 原 子 理 论 为 量 子 力 学 建 立 了 基 础, 在 此 基 础 上 建 立 了 以 定 态 跃 迁 和 概 率 为 主 要 特 征, 以 波 动 方 程 波 函 数 为 主 要 表 述 方 式 的 量 子 力 学 量 子 力 学 的 创 立 使 人 类 对 量 子 运 动 形 式 的 认 识 更 进 一 步, 量 子 力 学 对 实 验 事 实 的 描 述 和 预 测 是 正 确 的, 本 节 将 介 绍 利 用 薛 定 谔 方 程 分 析 电 子 在 氢 原 子 中 的 定 态 氢 原 子 是 一 个 三 维 系 统, 其 电 子 在 质 子 的 库 仑 场 内 运 动, 处 于 束 缚 状 态, 它 的 势 能 为 e U ( r) = (1-1) 4 πε 0r 按 照 量 子 单 位 制 表 示 : ac ν ( r) = (1-13) π r 其 中 r 为 电 子 到 质 子 的 距 离 由 于 势 能 具 有 球 对 称 性, 为 方 便 求 解, 就 利 用 三 维 定 态 薛 定 谔 方 程 的 球 坐 标 方 式 表 示, 如 图 1- Z θ r P φ y x 图 1- 反 映 三 维 薛 定 谔 方 程 的 球 坐 标 相 应 的 球 坐 标 的 三 维 定 态 薛 定 谔 方 程 形 式 为 : ψ ψ 1 ψ 1 ψ + + sinθ + +Uψ m r r r r sinθ θ θ r sin θ ϕ

134 =Eψ 其 中 r 为 粒 子 的 径 矢 的 大 小,θ 为 极 角,ϕ 为 方 位 角 将 氢 原 子 有 关 数 据 代 入, 并 按 量 子 单 位 制 转 换, 得 到 : c ψ ψ 1 ψ 1 ψ + + sinθ + 8π ν r r r r sinθ θ θ r sin θ ϕ e ac ψ = ν zψ (1-14) π r 其 中 波 函 数 应 为 r,θ 和 ϕ 的 函 数, 即 ψ = ψ ( r, θ, ϕ) ν e 为 电 子 频 率,ν z 为 总 频 率 ( 即 动 能 减 势 能 的 相 应 频 率, 不 含 与 电 子 静 止 质 量 有 关 的 频 率 ) 1-14 式 可 以 用 分 离 变 量 法 求 解, 即 有 ψ ( r, θ, ϕ) = R( r) Θ( θ ) Φ( ϕ) 由 于 求 解 的 过 程 和 ψ 的 具 体 形 式 比 较 复 杂, 此 步 从 略 无 数 的 实 验 证 明 了 量 子 力 学 的 正 确 性, 在 本 书 中 我 们 不 再 对 量 子 力 学 作 深 入 研 究, 甚 至 连 叙 述 量 子 力 学 是 如 何 得 到 量 子 运 动 方 式 的 结 论 的 推 导 过 程 都 予 以 省 略 我 们 采 取 的 办 法 是 全 部 认 可 量 子 力 学 对 电 子 在 氢 原 子 中 的 运 动 方 式 的 描 述 ( 这 是 含 有 概 率 色 彩 的 描 述 ), 然 后 从 物 质 基 本 结 构 理 论 的 角 度 试 作 一 些 假 设 性 解 释, 尽 可 能 得 到 电 子 在 氢 原 子 中 运 动 的 实 在 性 描 述 (1) 氢 原 子 中 的 电 子 受 到 的 约 束 条 件 和 被 约 束 的 态 第 十 章 我 们 分 析 势 阱 中 的 量 子 波 函 数 时, 约 束 条 件 是 由 于 势 能 在 势 阱 两 个 边 界 突 然 由 0 变 得 无 限 大, 因 而 波 函 数 在 此 处 突 然 变 为 0( 同 时 还 要 求 函 数 的 单 值 性 和 连 续 性 ), 因 此 自 然 地 得 到 只 有 在 量 子 玻 色 分 量 的 波 长 是 势 阱 两 倍 长 度 的 整 数 分 之 一 时, 波 函 数 才 能 成 立 的 量 子 化 结 果 也 就 是 说 边 界 条 件 形 成 了 驻 波 性 态 约 束, 被 约 束 的 态 只 有 一 个 : 量 子 的 能 量 本 例, 氢 原 子 中 的 电 子, 约 束 条 件 是 在 与 中 心 距 离 不 断 增 大 时, 即 r 趋 于 0 时, 波 函 数 迅 速 地 变 小, 无 限 地 接 近 0( 同 时 还 要 求 函 数 的 单 值 性 和 连 续 性 ), 由 此 形 成 的 约 束 也 是 驻 波 性 态 约 束 由 于 氢 原 子 中 的 电 子 动 能 不 是 恒 量, 而 且 氢 原 子 是 中 心 球 对 称 的, 除 与 中 心 距 离 r 外, 还 有 极 角 θ 和 方 位 角 ϕ 等 因 素 因 此 约 束 条 件 对 氢 原 子 中 电 子 的 状 态 影 响 有 三 个, 分 别 由 3 个 量 子 数 n, l, m l 决 定 n : 主 量 子 数, 与 波 函 数 的 径 向 部 分 ( R ( r)) 有 关, 它 决 定 电 子 的 ( 也 就 是 整 个 氢 原 子 在 其 质 心 坐 标 系 中 的 ) 能 量 ; l : 轨 道 量 子 数, 与 波 函 数 的 Θ ( θ ) 部 分 即 极 角 有 关, 它 决 定 了 电 子 的 轨 道 角 动 量 L 0 的 大 小 ; ml : 轨 道 磁 量 子 数, 与 波 函 数 中 的 Φ (ϕ ) 即 方 位 角 部 分 有 关, 它 决 定 了 电 子 轨 道 角 动 量 L 在 空 间 某 一 方 向 ( 如 z 方 向 ) 的 投 影 () 主 量 子 数 : 假 设 驻 波 性 约 束 使 得 处 于 震 荡 状 态 的 氢 原 子 总 能 量 定 态 主 量 子 数 n 与 波 函 数 的 径 向 部 分 ( R ( r)) 有 关, 它 决 定 了 电 子 的 ( 也 就 是 整 个 氢 原 子 在 其 质 心 坐 标 系 中 的 ) 能 量 主 量 子 数 n 的 取 值 范 围 为 :1,,3,4 相 应 的 能 量 可 能 取 值 为 : 4 mee 1 En = (1-15) (4 πε ο ) n 其 中 m e 是 电 子 的 质 量 此 式 表 示 氢 原 子 的 能 量 只 能 取 离 散 的 值, 这 就 是 能 量 的 量 子 化

135 按 量 子 单 位 制 表 示 : e 1 ν a n = ν (1-16) n 此 式 与 (1-9) 式 完 全 一 致 当 n=1( 或 者 3) 时, 电 子 有 一 个 确 定 的 能 量, 但 是 我 们 没 有 理 由 要 求 它 待 在 一 个 特 定 的 轨 道 上, 只 要 求 它 的 总 能 量 确 定 就 可 以 了 它 与 质 子 距 离 近 一 些 时 则 玻 色 频 率 加 大 而 费 米 频 率 减 少, 它 与 质 子 距 离 远 一 些 时 则 玻 色 频 率 减 少 而 费 米 频 率 加 大, 无 论 哪 种 情 况, 它 的 总 的 能 量 保 持 不 变 波 动 方 程 得 到 主 量 子 数 时, 似 乎 没 有 用 上 玻 尔 氢 原 子 理 论 中 的 轨 道 概 念 和 角 动 量 量 子 化 的 概 念 电 子 的 玻 色 频 率 和 费 米 频 率 都 是 在 变 动 的, 因 此 玻 色 波 长 也 是 在 变 动 的, 它 的 定 态 仅 仅 是 定 在 电 子 总 频 率 上, 它 包 括 费 米 频 率 分 量 和 玻 色 频 率 分 量 那 么 波 动 方 程 依 赖 的 是 一 个 什 么 约 束 达 到 这 样 的 定 态 呢? 分 析 波 动 方 程 的 计 算 过 程 可 以 得 到 结 论, 这 时 的 电 子 定 态 仍 然 是 驻 波 约 束 性 定 态, 电 子 在 震 荡 中 有 一 个 行 程, 尽 管 电 子 在 这 个 行 程 中 动 量 在 不 断 地 变 动, 因 而 玻 色 波 长 分 量 也 在 不 断 地 变 动, 但 在 折 返 点 的 必 须 平 滑 过 渡, 这 就 对 电 子 的 定 态 起 到 约 束 作 用, 这 个 约 束 仍 然 是 驻 波 约 束, 即 电 子 行 程 必 须 满 足 波 数 的 整 数 或 者 半 整 数 要 求, 既 然 承 认 有 一 个 电 子 行 程 问 题, 说 明 电 子 的 实 在 的 轨 道 是 存 在 的 那 么 是 否 要 求 电 子 在 震 荡 运 动 中 的 每 一 个 时 刻 都 在 进 行 约 束 和 调 整 呢? 这 是 做 不 到 的, 约 束 和 调 整 只 能 发 生 在 费 米 子 集 中 的 位 置 ( 此 例 是 电 子 运 动 方 向 平 滑 折 返 处 ), 只 有 这 里 才 有 可 能 将 产 生 不 和 谐 状 况 的 能 量 传 递 给 别 的 量 子, 在 保 证 各 种 守 恒 定 律 有 效 的 基 础 上 完 成 约 束 和 调 整 由 于 篇 幅 有 限, 对 于 轨 道 量 子 数 轨 道 磁 量 子 数 不 在 此 详 述, 仅 提 出 如 下 假 设 : 假 设 驻 波 性 约 束 使 得 电 子 运 行 轨 道 的 椭 圆 角 度 定 态, 满 足 轨 道 量 子 数 要 求 假 设 驻 波 性 约 束 还 使 得 电 子 运 行 轨 道 的 偏 振 角 度 定 态, 满 足 轨 道 磁 量 子 数 要 求 (3) 电 子 的 自 旋 量 子 数 这 个 量 子 数 开 始 不 是 在 研 究 氢 原 子 波 动 方 程 时 提 出 来 的, 本 节 前 面 研 究 的 其 他 量 子 数 都 是 驻 波 性 约 束 引 起 的, 而 电 子 自 旋 量 子 数 并 不 是 由 驻 波 性 约 束 引 起 的, 而 是 由 费 米 子 自 旋 性 约 束 引 起 的 理 论 认 为 自 旋 不 是 电 子 的 外 部 运 动, 而 是 一 种 如 同 电 子 电 量 质 量 一 样 的 内 禀 性 质 电 子 自 旋 量 子 数 s 的 取 值 范 围 只 有 1 个 :1/, 而 电 子 自 旋 磁 量 子 数 m s 的 取 值 范 围 有 两 个 :-1/,+1/ 电 子 自 旋 对 电 子 的 实 在 性 运 动 的 影 响 是 : 根 据 泡 利 不 相 容 原 理, 上 述 主 量 子 数 轨 道 量 子 数 和 轨 道 磁 量 子 数 决 定 的 电 子 的 态, 在 氢 原 子 中 每 一 个 态 只 能 容 纳 两 个 电 子, 这 是 由 电 子 自 旋 磁 量 子 数 m s 的 -1/ 和 +1/ 两 个 取 值 范 围 决 定 的 我 们 已 经 设 想 电 子 在 原 子 中 运 动 的 实 在 的 形 式 : 具 有 平 面 轨 道, 保 证 驻 波 完 整, 具 有 一 定 的 椭 圆 度 和 一 定 的 偏 振 角 度 保 证 电 子 运 动 在 边 界 的 平 滑 过 渡 为 什 么 某 一 轨 道 上 只 能 容 纳 两 个 自 旋 磁 量 子 数 相 反 的 电 子? 这 里 只 能 假 设 : 由 于 费 米 子 的 自 旋 性 约 束 要 求 距 离 靠 近 运 动 形 式 相 似 的 费 米 子, 呈 现 异 向 自 旋 吸 引 同 向 自 旋 排 斥 的 效 应, 通 常 两 个 距 离 靠 近 运 动 形 式 相 似 异 向 自 旋 吸 引 的 电 子 将 会 形 成 共 振, 其 他 电 子 再 闯 入 会 由 于 角 动 量 的 变 动 无 法 保 证 驻 波 的 完 整 性, 而 处 于 不 稳 定 状 态

136 三 物 质 基 本 结 构 理 论 对 驻 波 约 束 性 量 子 定 态 的 认 识 驻 波 约 束 性 量 子 定 态 指 的 是 量 子 在 运 动 中 形 成 的 玻 色 波, 力 图 在 边 界 ( 或 称 转 折 点 ) 实 现 平 滑 过 渡, 从 而 要 求 量 子 的 玻 色 频 率 ( 相 当 于 经 典 理 论 中 的 动 能 ) 角 动 量 偏 振 角 度 等 状 态 只 能 稳 定 在 一 些 离 散 值 上 在 量 子 运 动 限 定 在 一 定 行 程 的 条 件 下, 如 量 子 在 一 定 的 行 程 内 往 复 运 动 时, 量 子 的 玻 色 频 率 力 求 在 总 的 行 程 内 实 现 在 两 个 边 界 的 平 滑 过 渡, 于 是 它 的 运 动 行 程 的 两 倍 于 玻 色 性 波 长 分 量 的 整 倍 数 时 处 于 稳 定 状 态 本 文 对 氢 原 子 驻 波 约 束 性 定 态 的 内 在 机 制 作 了 一 些 假 设, 如 主 量 子 数 体 现 的 对 波 长 的 约 束, 轨 道 量 子 数 体 现 的 对 电 子 运 行 椭 圆 角 度 的 约 束, 轨 道 磁 量 子 数 体 现 的 对 电 子 的 偏 振 角 度 约 束, 提 出 这 些 假 设 的 目 的 是 希 望 将 量 子 的 实 在 性 引 入 量 子 的 定 态 机 制, 这 些 假 设 需 要 得 到 实 验 的 验 证 量 子 驻 波 约 束 性 定 态 不 可 能 发 生 在 量 子 行 程 的 全 过 程, 量 子 运 动 在 行 程 中 间 时 是 无 法 知 道 总 的 行 程 有 多 长 的, 而 且 如 果 真 能 得 到 总 行 程 多 长 的 信 息, 量 子 的 态 调 整 必 然 产 生 频 率 即 能 量 的 变 动, 那 么 必 须 有 别 的 量 子 接 收 或 者 提 供 能 量, 否 则 能 量 是 不 守 恒 的, 量 子 在 行 程 途 中, 这 些 问 题 都 是 较 难 解 决 的 因 此 定 态 的 调 整 不 是 发 生 在 量 子 行 程 的 全 过 程, 不 要 求 量 子 在 行 程 途 中 知 道 总 的 行 程 有 多 长, 也 不 要 求 量 子 在 行 程 途 中 进 行 任 何 约 束 性 调 整, 直 到 量 子 运 动 到 行 程 边 界, 才 得 到 在 行 程 边 界 能 否 形 成 平 滑 过 渡 的 信 息, 同 时 得 到 直 接 的 约 束 性 调 整 信 息 这 种 情 况 下 量 子 的 频 率 即 能 量 的 调 整 容 易 实 现 电 子 出 现 不 确 定 性 和 概 率 性 是 偶 发 的 突 然 的 大 多 数 情 况 下 它 是 隐 性 的, 只 有 发 生 了 作 用 ( 如 观 察 时 ) 才 显 示 出 来 电 子 在 某 一 区 间 的 概 率 密 度 大 说 明 是 电 子 在 某 一 区 域 停 留 时 间 与 电 子 行 程 总 时 间 的 比 值 大 电 子 的 不 确 定 性 和 概 率 性 是 有 规 律 的, 因 此 电 子 的 运 动 是 有 规 律 的 实 在 的 由 于 圆 周 运 动 导 致 电 子 出 现 了 概 率 的 径 向 中 心 对 称 性 或 者 某 个 方 位 的 对 称 性, 出 现 了 特 定 的 电 子 云 分 布 花 样 图 形 第 十 三 章 费 米 频 率 定 态 和 复 合 量 子 一 电 场 力 的 非 线 性 特 征 假 设 电 场 在 大 部 分 情 况 下 具 有 线 性 特 征, 即 完 全 符 合 库 仑 定 律, 但 是 我 们 没 有 理 由 要 求 电 场 永 远 都 是 线 性 特 征 的 现 假 设 在 两 个 费 米 子 接 近 到 一 定 距 离 时 将 会 出 现 共 振 状 态, 在 共 振 状 态 下, 同 性 量 子 对 的 玻 色 频 率 迅 速 地 转 换 为 费 米 频 率, 表 现 为 电 场 排 斥 力 迅 速 增 大 ; 异 性 量 子 对 的 费 米 频 率 迅 速 地 转 换 为 玻 色 频 率, 表 现 为 电 场 吸 引 力 迅 速 增 大 共 振 状 态 有 以 下 几 种 形 式 : (1) 纵 向 波 幅 性 共 振, 即 核 力 共 振 要 求 粒 子 的 纵 向 波 幅 波 长 及 相 互 距 离 相 等 笔 者 在 第 十 一 章 中 假 设 量 子 的 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 : p = 米 秒, 单 位 为 米 /( 次 / 秒 ) 现 在 再 假 设 当 两 个 费 米 频 率 相 等 的 费 米 子 的 波 长 纵 向 波 幅 以 及 相 互 距 离 相 等 时, 这 两 个 量 子 将 处 于 共 振 状 态, 这 时 量 子 的 费 米 频 率 为

137 次 / 秒, 加 上 质 子 结 合 能 的 因 素 后 频 率 可 以 等 于 自 由 质 子 频 率, 此 时 质 子 的 波 长 纵 向 波 幅 及 相 互 距 离 均 为 米 () 旋 转 波 幅 性 共 振, 即 电 场 力 共 振 要 求 粒 子 的 与 费 米 频 率 相 关 的 旋 转 波 幅 波 长 及 相 互 距 离 相 等 笔 者 在 第 十 一 章 中 假 设 量 子 的 频 率 旋 转 波 幅 平 方 系 数 : q = 米 秒, 单 位 为 米 /( 次 / 秒 ) 现 在 再 假 设 当 两 个 费 米 频 率 相 等 的 费 米 子 的 波 长 旋 转 波 幅 以 及 相 互 距 离 相 等 时, 这 两 个 量 子 将 处 于 共 振 状 态, 这 时 量 子 的 费 米 频 率 为 : 次 / 秒, 即 接 近 自 由 电 子 频 率, 此 时 电 子 的 波 长 波 幅 及 相 互 距 离 均 为 : 米 (3) 核 力 共 振 区 与 电 场 力 共 振 区 之 间 有 可 能 形 成 亚 核 力 共 振 区, 这 个 共 振 区 内 共 轭 费 米 子 之 间 出 现 类 似 驻 波 约 束, 导 致 π 介 子 μ 子 中 微 子 等 复 合 量 子 状 态 形 成 (4) 在 质 子 之 间 排 斥 性 核 力 共 振 的 配 合 下, 电 子 与 质 子 ( 或 者 正 电 子 与 反 质 子 ) 可 以 出 现 较 弱 的 共 振, 即 次 亚 核 力 共 振 这 是 原 子 核 结 构 形 成 的 原 因 以 上 提 出 的 关 于 核 力 共 振 和 电 场 力 共 振 的 概 念, 其 实 是 提 出 了 一 个 电 场 的 非 线 性 特 征 观 点, 我 们 没 有 理 由 要 求 电 场 一 定 是 线 性 的, 电 场 在 某 些 特 殊 情 况 下 可 以 表 现 出 非 线 性 特 征 传 统 理 论 中 对 核 力 其 实 也 是 使 用 了 非 线 性 特 征 的 概 念, 产 生 核 力 的 量 子 在 一 定 距 离 范 围 内 是 吸 引 性 核 力, 大 于 这 个 距 离 核 力 为 0, 小 于 这 个 距 离 是 排 斥 的 既 然 对 核 力 的 解 释 无 法 摆 脱 非 线 性 特 征, 还 不 如 直 接 建 立 电 场 的 非 线 性 特 征 概 念, 对 实 验 的 解 释 会 更 好 一 些 电 场 的 非 线 性 特 征 是 质 子 电 子 等 费 米 子 定 态 的 基 础, 也 是 核 力 形 成 的 基 础 特 别 指 出 的 是, 电 场 的 非 线 性 特 征 具 有 局 部 性, 几 个 费 米 子 近 距 离 的 电 场 非 线 性 特 征, 只 影 响 它 们 之 间 的 相 互 作 用, 它 们 合 在 一 起 对 距 离 稍 远 一 些 的 其 他 量 子 的 非 线 性 影 响 是 很 小 的, 在 那 里 电 场 作 用 的 线 性 特 征 一 点 也 没 有 改 变, 库 仑 定 律 仍 然 是 精 确 有 效 的 上 述 假 设 需 要 得 到 实 验 的 验 证 二 质 子 的 费 米 频 率 定 态 假 设 假 设 太 空 中 有 一 个 质 子, 周 围 很 大 的 空 间 和 很 长 的 过 程 里 都 没 有 别 的 量 子 存 在, 这 个 质 子 仍 然 是 稳 定 的, 它 的 质 量 保 持 在 千 克, 能 量 为 MeV, 换 算 到 量 子 单 位 制, 质 子 的 费 米 频 率 为 次 / 秒 这 个 质 子 的 态 是 很 稳 定 的, 没 有 发 生 较 大 的 与 引 力 场 和 电 场 作 用 时, 它 的 上 述 态 保 持 不 变 那 么 自 由 质 子 的 频 率 为 什 么 是 次 / 秒, 而 不 是 别 的 数 值 呢? 这 与 质 子 生 成 时 刻 的 定 态 性 有 关 前 面 的 章 节, 我 们 假 设 量 子 波 的 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 : p = 米 秒, 核 力 共 振 区 为 米 当 玻 色 频 率 生 成 共 轭 费 米 子 对 时, 它 并 不 知 道 这 是 共 轭 质 子 对 或 者 是 共 轭 电 子 对, 但 是 只 要 新 生 的 费 米 子 对 由 于 运 动 拉 开 一 定 距 离, 达 到 核 力 共 振 区 的 -15 距 离 米 附 近, 如 果 此 时 费 米 子 的 玻 色 频 率 拥 有 一 定 数 量 级, 能 保 证 玻 色 频 率 转 化 为 两 个 质 子 的 费 米 频 率 时, 玻 色 频 率 受 到 电 场 非 线

138 性 特 征 的 影 响, 迅 速 地 转 化 为 费 米 频 率, 使 之 形 成 两 个 费 米 子 的 波 长 波 幅 以 及 相 互 距 离 相 等, 处 于 共 振 状 态, 这 时 费 米 子 的 费 米 频 率 为 次 / 秒 ( 加 上 质 子 结 合 能 的 因 素 后 频 率 可 以 等 于 自 由 质 子 频 率 ), 质 子 的 波 长 纵 向 波 幅 及 相 互 距 离 均 为 米 如 果 能 量 允 许, 费 米 子 对 继 续 拉 开 距 离, 终 于 成 为 自 由 的 正 反 质 子, 如 果 能 量 不 允 许, 费 米 子 由 于 相 互 吸 引, 共 轭 质 子 对 将 会 湮 灭, 产 生 两 个 光 子 这 个 方 案 假 设 以 费 米 子 的 波 长 纵 向 波 幅 和 共 轭 量 子 的 相 互 距 离 作 为 共 振 条 件, 为 大 自 然 创 造 精 密 的 模 子 提 供 了 必 须 的 物 理 材 料, 上 帝 不 仅 在 掷 骰 子 来 决 定 量 子 不 确 定 的 然 而 是 实 实 在 在 的 运 动 状 态, 上 帝 还 拥 有 了 模 子 来 决 定 量 子 一 致 的 对 称 的 而 且 是 定 量 的 运 动 状 态 三 电 子 的 费 米 频 率 定 态 假 设 实 验 证 明 电 子 的 费 米 频 率 也 是 定 量 的, 非 常 稳 定 的 电 子 的 费 米 频 率 定 态 是 由 电 场 力 共 振 机 制 形 成 的 电 场 力 共 振 要 求 粒 子 的 与 费 米 频 率 相 关 的 旋 转 波 幅 波 长 及 相 互 距 离 相 等 前 面 的 章 节 我 们 假 设 电 场 力 共 振 区 为 米 当 玻 色 频 率 生 成 共 轭 费 米 子 对 时, 它 并 不 知 道 这 是 共 轭 质 子 对 或 者 是 共 轭 电 子 对, 当 新 生 的 费 米 子 对 由 于 运 动 拉 开 一 定 距 离, 达 到 核 力 共 振 区 的 距 离 米 附 近, 若 此 时 玻 色 频 率 小 于 形 成 核 力 共 振 所 需 要 的 费 米 频 率 无 法 形 成 质 子 对 时, 将 继 续 拉 开 距 离 到 达 电 场 力 共 振 区 米 时, 如 果 此 时 粒 子 的 玻 色 频 率 足 够 大, 玻 色 频 率 将 自 动 地 转 化 为 费 米 频 率, 力 图 费 米 频 率 稳 定 在 次 / 秒, 此 时 费 米 波 长 为 米, 费 米 频 率 就 定 态 为 电 子 状 态 了 多 余 的 玻 色 频 率 将 继 续 使 得 共 轭 电 子 拉 开 距 离, 各 自 成 为 自 由 电 子 如 果 能 量 等 不 足 以 使 共 轭 电 子 对 形 成 自 由 电 子, 电 场 引 力 作 用 重 新 将 两 个 共 轭 费 米 子 拉 近, 最 终 再 次 湮 灭 为 光 子 上 述 对 质 子 电 子 的 费 米 频 率 定 态 分 析 是 基 于 我 们 对 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 和 频 率 旋 转 波 幅 平 方 系 数 的 假 设, 这 样 的 假 设 是 否 正 确 值 得 探 讨 认 为 是 大 自 然 的 特 征 确 定 费 米 子 ( 质 子 电 子 ) 定 态 的 观 点, 将 一 个 似 乎 应 当 下 大 力 气 探 索 的 秘 密, 简 单 地 解 释 为 大 自 然 的 特 征, 真 正 的 理 论 能 是 这 样 的 吗? 笔 者 认 为 这 种 可 能 性 很 大 一 是 近 百 年 来 人 们 用 尽 一 切 办 法, 却 没 有 找 到 质 子 电 子 的 定 态 的 原 因, 质 子 电 子 的 定 态 很 有 可 能 是 大 自 然 的 常 数 决 定 的 秘 密 二 是 量 子 波 是 物 质 基 本 结 构 形 式 由 无 序 发 展 为 有 序 的 产 物, 形 成 的 一 些 特 征 必 然 是 自 然 的 属 性 决 定 的 即 使 我 们 探 索 到 质 子 电 子 内 部 还 存 在 有 序 的 结 构, 我 们 仍 然 需 要 解 释 那 些 新 层 次 结 构 的 定 态 原 因 因 此 大 自 然 常 数 的 存 在 是 必 然 的, 也 只 有 大 自 然 的 常 数 才 有 资 格 决 定 费 米 子 的 定 态 我 们 的 研 究 方 向 不 应 当 去 探 索 这 些 大 自 然 常 数 的 来 由, 而 应 当 去 发 现 和 理 解 它, 以 便 进 一 步 理 解 整 个 粒 子 物 理 的 秘 密 物 质 基 本 结 构 理 论 假 设 了 6 个 基 本 常 数, 它 们 是 : 光 速 圆 周 率 引 力 常 数 精 细 结 构 常 数 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 和 频 率 旋 转 波 幅 平 方 系 数, 实 际 情 况 可 能 要 复 杂 一 些, 也 可 能 更 简 单 一 些, 但 是 以 大 自 然 的 实 际 存 在 事 实 作 为 我 们 研 究 的 出 发 点, 同 时 力 求 简 单 和 统 一, 这 种 思 维 方 式 应 当 是 可 取 的 四 基 本 量 子 与 复 合 量 子 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 单 一 的 量 子 表 现 为 一 个 独 立 存 在 的 量 子 波, 量 子 波 只 有 光 子 质 子 反 质 子 电 子 正 电 子 ( 即 反 电 子 ) 五 种 基 本 形 式, 这 五 种 量 子 称 为 基 本 量 子 其 他 量 子 都 是 复 合 量 子, 复 合 量 子 是 由 上 述 五 种 基 本 量 子 紧 密 集 合 形 成 氢 原 子 从 广 义 角 度 理 解 也 是 一 种 复 合 的 量 子, 即 质 子 与 电 子 的 复 合 体, 但 是 不 属 于 紧 密 型 集 合 体, 因 此 我 们 一 般 不 将 氢 原 子 称 为 复 合 量 子 但 是 氢 原 子 的 驻 波 约 束 性 定 态 机 制 对 我 们 研 究 复 合 量 子 定 态 问 题 应 有 所 启 发 和

139 帮 助 复 合 量 子 的 种 类 很 多, 本 书 中 我 们 仅 仅 研 究 原 子 核 ( 以 下 简 称 核 ) 中 子 π 介 子 μ 子 及 中 微 子 五 种 典 型 的 复 合 量 子 我 们 周 围 的 宇 宙 中, 除 了 光 子 以 外, 几 乎 全 是 以 质 子 电 子 为 主 的 正 粒 子, 世 界 为 什 么 会 这 样 地 不 对 称? 传 统 理 论 认 为, 这 是 因 为 宇 宙 万 物 生 成 之 初, 由 于 某 种 原 因 正 粒 子 比 反 粒 子 略 多 一 点 ( 据 称 是 十 亿 分 之 一 ), 正 反 粒 子 湮 灭 的 结 果 使 得 正 粒 子 在 现 实 的 宇 宙 中 占 有 了 主 导 地 位 我 们 这 个 世 界, 偶 然 地 不 仅 仅 是 质 子 比 反 质 子 略 多 一 些, 而 且 电 子 也 比 反 电 子 略 多 一 些 物 质 基 本 结 构 理 论 认 同 这 样 的 解 释 五 原 子 核 物 理 现 象 简 述 按 传 统 物 理 学 表 述 当 我 们 探 索 到 原 子 内 部 时, 发 现 处 于 原 子 中 心 的 是 带 正 电 的 核, 它 为 核 外 电 子 提 供 静 电 库 仑 力, 使 电 子 与 核 束 缚 在 一 起 传 统 理 论 认 为 核 由 z 个 质 子 和 N 个 中 子 所 组 成, 质 子 与 中 子 常 统 称 为 核 子 核 子 总 数 A=Z+N,A 又 称 为 质 量 数 大 量 实 验 证 明, 核 密 度 几 乎 是 常 数, 很 轻 的 核 与 很 重 的 核 几 乎 有 相 同 的 密 度. 也 可 以 说, 对 所 有 核 单 位 体 积 内 的 核 子 数 是 相 同 的, 即 A = 常 数 3 ( 4 / 3) π R 质 子 和 中 子 都 是 自 旋 量 子 数 为 1/ 的 费 米 子, 因 而 有 确 定 的 自 旋 角 动 量, 它 们 在 核 内 还 存 在 轨 道 运 动, 有 相 应 的 轨 道 角 动 量 质 子 具 有 角 动 量 又 有 电 荷, 就 必 定 有 磁 矩 质 子 的 磁 矩 为 : 焦 / 特 拉 斯 按 量 子 单 位 制 转 换 = / = e 米 / 秒 中 子 不 带 电, 其 磁 矩 似 乎 应 为 零, 但 实 验 测 得 的 中 子 磁 矩 不 为 零, 而 是 e 米 / 秒, 这 表 示 中 子 作 为 整 体 不 带 电, 但 它 内 部 存 在 电 荷 分 布, 暗 示 其 内 部 存 在 复 杂 的 结 构, 而 不 是 点 粒 子 核 由 核 子 组 成, 对 核 子 的 这 些 自 旋 角 动 量 与 轨 道 角 的 求 和, 反 映 了 核 的 内 禀 性, 称 为 核 自 旋, 以 I 表 示 : I = I( I +1), 式 中 I 是 核 自 旋 量 子 数, 可 取 整 数 和 半 奇 整 数 实 验 发 现, 所 有 偶 偶 核 ( 质 子 数 和 中 子 数 都 是 偶 数 ) 的 核 自 旋 为 零 ; 所 有 奇 奇 核 ( 质 子 数 和 中 子 数 都 是 奇 数 ) 的 核 自 旋 都 是 整 数 ; 所 有 奇 偶 核 ( 质 子 数 或 中 子 数 之 一 为 奇 数, 另 一 为 偶 数 ) 的 核 自 旋 都 是 半 奇 整 数 使 核 子 克 服 相 互 间 电 磁 排 斥 力 而 结 合 在 一 起 的 力 是 核 力, 通 过 实 验, 人 们 已 经 获 得 核 力 的 许 多 特 点, 以 下 按 传 统 观 点 解 释 (1) 核 力 是 强 相 互 作 用 力, 它 与 电 场 力 万 有 引 力 等 比 较, 是 已 知 力 类 型 中 最 强 的 一 种 () 核 力 是 短 程 力 核 力 的 作 用 范 围 仅 限 于 核 大 小 内, 即 米 左 右 有 两 个 实 验 事 实 可 以 证 明 核 力 是 短 程 力, 第 一 个 实 验 事 实 是 来 自 核 物 质 密 度 的 研 究, 当 把 一 个 核 子 加 到 另 一 个 核 子 时, 核 密 度 仍 然 保 持 不 变, 这 说 明 每 个 核 子 仅 仅 受 到 它 最 近 邻 的 核 子 作 用 而 不 受 核 中 其 他 核 子 作 用 第 二 个 实 验 事 实 是 来 自 比 结 合 能 的 研 究. 比 结 合 能 是 核 的 总 结 合 能 与 A 的 比 例, 比 结 合 能 基 本 上 是 常 数, 说 明 核 的 总 结 合 能 大 致 与 A 成 正 比, 如 果 核 力 是 长 程 的, 则 可 以 推 测 核 的 总 结 合 能 成 正

140 比 于 A 核 力 的 这 种 只 和 近 邻 核 子 有 作 用 的 特 征 与 液 体 内 分 子 间 的 作 用 力 相 似, 由 于 近 邻 核 子 数 有 限, 所 以 核 力 具 有 明 显 的 饱 和 性 短 程 性 -14 (3) 当 两 核 子 间 距 离 大 于 10 米 时, 核 子 间 完 全 没 有 作 用 力 当 两 核 子 间 距 离 为 米 时, 核 子 间 表 现 很 强 的 引 力 当 两 核 子 间 距 离 小 于 米 时, 核 子 间 表 现 很 强 的 斥 力 (4) 两 个 核 子 之 间 的 核 力 不 理 会 核 子 是 质 子 还 是 中 子, 即 与 电 荷 无 关 (5) 自 由 质 子 的 费 米 频 率 为 , 单 位 : 次 / 秒, 自 由 中 子 的 费 米 频 率 为 , 单 位 : 次 / 秒, 但 是 当 核 子 组 合 成 核 时, 总 的 频 率 将 会 小 于 这 些 核 子 自 由 状 态 时 的 频 率 之 和, 这 个 差 额 称 为 核 的 结 合 能, 每 个 核 子 平 均 结 合 能 称 为 核 的 比 结 合 能 核 的 比 结 合 能, 随 着 质 量 数 ( 即 核 子 数 )A 的 增 加 从 小 的 值 开 始 ( 如 对 单 个 质 子 或 中 子, 比 结 合 能 为 0; 对 H 核 56 为 1.11MeV) 上 升 到 Fe 的 8.691MeV, 然 后 缓 慢 地 下 降 到 重 核 的 7.5 MeV, 该 曲 线 告 诉 我 们 可 以 用 两 种 方 式 释 放 核 能 如 果 将 重 核 分 裂 成 两 个 中 等 质 量 数 的 核, 则 能 够 释 放 出 能 量, 因 为 两 个 中 等 质 量 数 的 核 的 比 结 合 能 比 重 核 大, 这 个 过 程 称 为 核 裂 变 另 外, 将 两 个 轻 核 聚 合 成 较 重 的 核, 也 能 释 放 出 能 量, 因 为 末 态 核 的 比 结 合 能 比 轻 核 大, 这 个 过 程 称 为 核 聚 变 六 传 统 理 论 对 核 力 形 成 机 制 的 解 释 核 力 的 形 成 机 制 是 什 么, 传 统 理 论 主 要 是 用 交 换 力 的 模 型 解 释 核 力 的 交 换 力 模 型 是 日 本 物 理 学 家 汤 川 秀 树 于 1935 年 提 出 来 的, 假 设 核 内 有 一 个 中 子 和 质 子, 中 子 辐 射 一 个 粒 子, 同 时 它 对 那 个 粒 子 作 用 一 个 很 强 的 吸 收 力, 如 果 辐 射 出 来 的 粒 子 碰 巧 与 附 近 的 那 个 质 子 靠 得 很 近, 质 子 也 对 那 个 粒 子 作 用 一 个 很 强 吸 收 力, 以 致 把 它 吸 引 住 或 者 质 子 能 够 辐 射 一 个 粒 子 而 被 中 子 吸 引 住, 这 样 的 质 子 和 中 子 都 作 用 一 个 强 的 力 到 被 交 换 的 粒 子 上, 从 而 表 现 出 质 子 与 中 子 之 间 有 吸 引 力 具 有 一 定 静 止 能 量 的 质 子 怎 么 能 辐 射 一 个 静 止 能 量 为 mc 的 粒 子, 自 己 仍 然 是 质 子, 而 不 破 坏 能 量 守 恒 定 律 呢? 对 此 问 题 的 回 答 是 量 子 力 学 中 的 不 确 定 关 系 :ΔEΔt~ h. 能 量 是 否 守 恒 只 有 测 量 它 才 能 知 道, 如 果 测 量 在 Δt 时 间 内 完 成, 则 能 量 的 不 确 定 量 为 E= h /Δt, 换 句 话 说 只 要 时 间 足 够 短, 能 量 的 不 确 定 量 或 能 量 守 恒 被 破 坏 的 程 度 ΔE 可 以 是 一 个 有 限 大 小 在 上 述 中 子 -- 质 子 交 换 模 型 中, 能 量 守 恒 破 坏 的 程 度 是 mc, 即 等 于 被 交 换 粒 子 的 静 止 能 量, 因 此, 交 换 粒 子 可 能 存 在 的 时 间 是 : h Δt= mc 这 个 粒 子 在 Δt 的 时 间 内 能 够 旅 行 的 最 长 距 离 是 h x = c t = c( ) mc 通 过 实 验 我 们 知 道 核 力 的 力 程 是 米 左 右, 因 此 被 交 换 粒 子 的 质 量 约 为 :mc 00 MeV( 兆 电 子 伏 ) 被 交 换 粒 子 不 可 能 是 实 在 的 粒 子, 因 为 如 果 中 子 辐 射 一 个 实 在 粒 子 则 有 反 冲, 同 样 质 子 吸 收 一 个 实 在 粒 子 也 将 有 反 冲 因 此, 被 交 换 的 粒 子 是 虚 粒 子, 如 果 我 们 仔 细 观 察 核 时, 只 看 到 中 子 和 质 子 之 间 有 强 的 吸 引 力, 观 察 不 到 被 交 换 的 虚 粒 子 在 核 与 其 他 粒 子 的 碰 撞 过 程 中, 虚 粒 子 可 以 物 质 化, 变 成 实 在 粒 子, 实 验 上 发 现 物 质 化 后 的 虚 粒 子 静 止 质 量 是 140 MeV, 接 近 上 面 的 估 计, 称 为 π 介 子 ( 现 在 的 夸 克 理 论 认 为 引 起 核 力 的 交 换 粒 子 并 不 是 π 介 子, 而 是 胶 子 ) 这 个 方 案 的 不 足 之 处 是 引 入 了 新 的 交 换 粒 子, 尽 管 被 称 之 为 虚 粒 子, 但 是 毕 竟 是 需 要 进 一 步 解 释 的 粒 子 这 个 方 案 还 企 图 用 核 子 与 交 换 粒 子 之 间 的

141 相 互 作 用 来 解 释 核 子 之 间 的 核 力 作 用, 又 引 入 了 新 的 相 互 作 用, 似 乎 并 不 是 一 个 满 意 的 解 释 那 么 可 否 将 核 力 假 设 为 一 个 新 的 类 似 引 力 场 电 场 的 场 模 型? 引 力 和 电 场 作 用 力 的 作 用 既 是 近 距 离 的 又 是 远 距 离 的, 符 合 距 离 平 方 反 比 特 征 核 力 不 具 备 这 种 特 征, 它 只 作 用 于 一 个 有 限 的 很 小 的 范 围, 而 且 只 对 某 些 称 为 强 子 的 量 子 起 作 用, 在 某 种 距 离 范 围 核 力 与 引 力 一 样 只 有 吸 引 方 式 没 有 排 斥 方 式, 而 在 某 种 距 离 核 力 与 引 力 相 反 只 有 排 斥 方 式 没 有 吸 引 方 式 因 此 核 力 的 近 距 离 短 距 离 特 征, 使 得 很 难 描 述 这 个 场 同 时 以 太 媒 质 要 在 承 担 引 力 电 场 力 ( 其 中 有 正 负 之 分, 还 存 在 因 运 动 产 生 的 磁 场 ) 的 传 递 之 外 再 加 入 核 力, 确 实 有 些 勉 为 其 难 七 物 质 基 本 结 构 理 论 对 核 力 作 用 的 假 设 物 质 基 本 结 构 理 论 对 核 力 作 用 作 出 如 下 假 设 : (1) 核 力 作 用 不 是 量 子 之 间 的 基 本 的 作 用 力, 而 是 电 场 力 在 特 殊 条 件 下 的 表 现 形 式 这 个 特 殊 条 件 就 是 在 量 子 极 为 接 近 时, 当 两 个 量 子 的 波 长 波 幅 以 及 相 互 距 离 相 等 或 者 成 一 定 比 例 关 系 时, 这 两 个 量 子 将 处 于 共 振 状 态 使 得 电 场 力 出 现 突 然 增 大 的 非 线 性 特 征 因 此 核 力 是 短 程 的, 并 且 具 有 吸 引 和 排 斥 两 种 形 式 () 核 力 的 最 强 吸 引 形 式 发 生 在 质 子 与 反 质 子 之 间 根 据 量 子 的 频 率 纵 向 波 幅 平 方 率 的 假 设 :p = 米 秒, 两 个 正 反 质 子 的 波 长 纵 向 波 幅 以 及 相 互 距 离 相 等 时, 这 两 个 正 反 质 子 将 处 于 共 振 状 态 由 于 电 场 的 非 线 性 特 征, 它 们 相 互 之 间 的 电 场 吸 引 力 迅 速 增 大, 两 个 质 子 的 费 米 频 率 迅 速 转 化 为 玻 色 频 率, 显 示 出 量 子 间 强 大 的 吸 引 性 核 力 3 此 时 质 子 的 费 米 频 率 为 : 次 / 秒, -15 质 子 的 波 长 纵 向 波 幅 及 相 互 距 离 均 为 : 米 (3) 核 力 的 最 强 排 斥 形 式 发 生 在 质 子 与 质 子 之 间,( 或 者 反 质 子 与 反 质 子 之 间 ) 质 子 与 质 子 接 近 上 述 共 振 距 离 时, 由 于 电 场 的 非 线 性 特 征, 它 们 相 互 之 间 的 电 场 排 斥 力 迅 速 增 大, 两 个 质 子 的 玻 色 频 率 迅 速 转 化 为 费 米 频 率, 显 示 出 量 子 间 强 大 的 排 斥 性 核 力 (4) 除 质 子 与 反 质 子 质 子 与 质 子 之 间 表 现 出 的 核 力 形 式 外, 还 存 在 一 些 亚 核 力 形 式, 如 π 介 子 μ 子 及 中 微 子 中 的 组 合 力 (5) 还 存 在 一 种 更 弱 的 核 力 形 式, 可 以 暂 时 称 为 次 亚 核 力 次 亚 核 力 的 表 现 形 式 是 : 质 子 电 子 质 子 形 式 ( 或 者 反 质 子 正 电 子 反 质 子 ), 在 质 子 与 质 子 靠 得 很 近, 接 近 而 没 有 达 到 排 斥 核 力 区, 此 时 若 电 子 参 与 作 用, 将 形 成 一 种 新 的 质 子 电 子 质 子 共 振 形 式, 电 场 的 非 线 性 特 征 使 得 质 子 与 电 子 之 间 的 电 场 引 力 迅 速 增 大, 大 大 超 过 此 距 离 时 的 质 子 与 质 子 之 间 的 排 斥 力 次 亚 核 力 是 核 力 的 另 一 种 形 式, 它 的 强 度 低 于 质 子 与 反 质 子 之 间 的 核 力, 也 低 于 π 介 子 μ 子 及 中 微 子 内 部 的 亚 核 力 次 亚 核 力 是 维 持 多 核 共 存 于 一 个 原 子 核 内 的 原 因, 这 种 核 力 形 式 必 须 有 两 个 以 上 质 子 参 与, 而 且 允 许 串 接, 电 子 在 很 近 的 距 离 内 以 很 大 的 电 场 引 力, 在 质 子 之 间 起 着 胶 子 作 用 自 由 中 子 由 于 只 是 一 个 质 子 与 一 个 电 子 的 复 合 量 子, 它 是 不 稳 定 的 上 述 假 设 不 需 要 构 建 新 的 专 门 的 核 力 场, 不 需 要 以 太 媒 质 承 担 更 重 的 任 务, 无 须 引 入 新 的 传 递 作 用 的 粒 子, 可 以 使 模 型 简 化, 利 用 新 的 核 力 观 点, 可 以 对 核 的 一 些 现 象 作 出 合 理 解 释 这 个 假 设 最 大 的 难 点 是 自 旋 问 题, 必 须 建 立 新 的 自 旋 合 成 理 论

142 八 物 质 基 本 结 构 理 论 中 的 原 子 核 结 构 假 设 (1) 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 核 是 复 合 量 子, 质 子 和 电 子 是 组 成 核 的 基 本 量 子 质 子 和 电 子 并 不 是 简 单 地 堆 积 在 核 内, 而 是 形 成 了 复 杂 的 共 振 形 式, 形 成 了 特 殊 状 态 下 的 电 场 作 用 形 式 () 按 照 新 的 核 结 构 观 点, 对 于 核 内 的 各 个 核 子 并 不 能 确 定 哪 一 个 是 质 子, 哪 一 个 是 中 子, 甚 至 可 以 说 核 里 根 本 就 没 有 中 子, 中 子 是 核 外 面 的 事 情 (3) 核 作 为 一 种 复 合 量 子 也 有 自 旋, 如 前 所 述 所 有 偶 偶 核 ( 质 子 数 和 中 子 数 都 是 偶 数 ) 的 核 自 旋 为 零 ; 所 有 奇 奇 核 ( 质 子 数 和 中 子 数 都 是 奇 数 ) 的 核 自 旋 都 是 整 数, 即 1 3 等 ; 所 有 奇 偶 核 ( 质 子 数 或 中 子 数 之 一 为 奇 数, 另 一 为 偶 数 ) 的 核 自 旋 都 是 半 奇 整 数, 即 1/ 3/ 5/ 等 如 果 按 照 新 的 核 力 观 点, 将 所 有 正 核 子 都 视 为 质 子, 同 时 承 认 电 子 在 核 内 的 存 在, 上 述 叙 述 可 改 为 : 凡 总 核 子 ( 即 质 子 数 ) 为 奇 数 时, 无 论 核 内 电 子 是 奇 数 还 是 偶 数, 核 的 自 旋 量 子 数 为 半 奇 整 数 即 1/ 3/ 5/ 等 ; 凡 总 核 子 ( 即 质 子 数 ) 为 偶 数, 电 子 数 为 是 奇 数 时, 核 的 自 旋 量 子 数 为 整 数, 即 1 3 等 ; 凡 总 核 子 ( 即 质 子 数 ) 为 偶 数, 电 子 数 也 为 偶 数 时, 核 的 自 旋 量 子 数 为 零 复 合 量 子 的 1/ 自 旋 可 以 表 现 为 费 米 统 计 性 质, 但 并 不 与 正 负 电 性 直 接 联 系, 电 的 正 负 性 由 组 成 复 合 量 子 的 基 本 量 子 的 电 的 性 质 决 定 (4) 核 的 α 衰 变, 即 氦 核 衰 变, 更 准 确 的 描 述 应 当 是 核 的 α 裂 变 裂 变 的 提 法 与 新 的 核 力 描 述 方 式 吻 合, 核 的 α 衰 变 在 本 质 上 是 一 个 核 分 裂 为 两 个 核, 否 则 难 以 解 释 为 什 么 不 出 现 释 放 出 两 个 质 子 复 合 或 者 两 个 中 子 复 合 的 衰 变 九 提 出 新 的 核 力 作 用 和 核 结 构 观 点 的 理 由 提 出 新 的 核 力 作 用 和 核 结 构 观 点 面 临 着 严 重 的 风 险 将 原 子 核 和 中 子 都 视 为 质 子 与 电 子 的 复 合 量 子 的 观 点, 将 质 子 与 质 子 间 的 近 距 离 作 用 力 视 为 排 斥 性 核 力 而 不 是 吸 引 性 核 力 的 观 点, 将 质 子 电 子 质 子 共 振 形 式 中 电 场 的 非 线 性 特 征 作 为 核 内 吸 引 性 核 力 来 源 的 观 点, 都 将 导 致 与 传 统 理 论 的 重 大 冲 突 有 人 可 能 会 说 将 原 子 核 视 为 质 子 与 电 子 的 复 合 体 的 论 点 不 是 什 么 新 鲜 东 西, 这 个 观 点 在 上 世 纪 30 年 代 前 曾 经 是 关 于 核 结 构 的 主 要 理 论, 但 是 被 后 来 的 新 的 理 论 ( 即 本 文 所 称 的 传 统 理 论 ) 替 代 了 新 的 理 论 将 电 子 从 核 中 赶 了 出 来, 并 建 立 了 中 子 概 念, 而 自 由 中 子 后 来 的 确 被 科 学 实 验 发 现 了 传 统 理 论 认 为 核 内 不 存 在 电 子 的 依 据 主 要 有 : 一 是 根 据 量 子 理 论 中 的 原 子 定 态 理 论 和 不 确 定 性 原 理, 质 子 周 围 的 电 子 是 不 可 能 掉 到 质 子 里 的 二 是 质 子 与 电 子 质 量 之 和 小 于 中 子 的 质 量, 或 者 说 电 子 进 入 质 子 堆 中, 原 子 核 的 总 质 量 ( 即 能 量 频 率 ) 增 加, 这 是 通 常 的 复 合 结 构 形 式 理 论 无 法 解 释 的, 因 为 复 合 结 构 之 所 以 能 够 结 合 说 明 它 有 结 合 能, 应 当 是 消 耗 能 量 而 不 是 多 出 能 量 三 是 质 子 与 电 子 的 自 旋 都 是 1/, 无 法 解 释 复 合 为 中 子 后, 中 子 的 自 旋 也 是 1/ 的 问 题 在 这 样 的 形 势 下, 笔 者 仍 然 提 出 新 的 核 力 和 新 的 核 结 构 观 点, 主 要 有 以 下 理 由 : (1) 科 学 实 验 表 明 由 于 强 大 的 吸 引 力 而 稳 定 的 核 中 总 是 既 有 质 子 又 有 中 子, 科 学 实 验 中 从 来 没 有 发 现 两 个 质 子 通 过 核 力 直 接 组 成 核 的 现 象, 也 没 有 发 现 两 个 中 子 通 过 核 力 组 成 核 的 现 象, 这 不 是 简 单 的 幻 数 稳 定 可 以 解 释 的 因 此 同 电 性 的 质 子 之 间 是 否 能 存 在 吸 引 性 核 力 是 值 得 反 思 的, 科 学 实 验 指 出 质 子 之 间 的 吸 引 性 核 力 必 须 有 电 子 的 存 在 ( 将 中 子 视 为 复 合 量 子 ) 才 能 形 成

143 () 科 学 实 验 表 明 同 电 性 强 子 ( 指 质 子 中 子 强 介 子 其 他 重 子 等 ) 之 间 的 碰 撞, 能 产 生 与 轻 子 ( 电 子 等 ) 之 间 碰 撞 的 不 同 作 用, 如 散 射 产 生 新 的 强 子 等, 但 都 是 明 显 的 排 斥 性 核 力 作 用 (3) 如 果 按 照 传 统 理 论, 质 子 之 间 的 核 力 在 一 定 距 离 表 现 为 吸 引, 更 近 的 距 离 又 表 现 为 排 斥, 更 远 的 距 离 相 互 作 用 迅 速 减 弱, 很 难 构 造 出 引 起 这 种 力 的 形 式 如 果 说 人 们 可 以 设 想 核 力 具 有 非 线 性 特 征, 而 且 是 奇 异 曲 线 的 非 线 性 特 征, 何 不 直 接 设 想 电 场 力 存 在 非 线 性 特 征, 这 个 非 线 性 特 征 曲 线 要 简 单 得 多 (4) 按 照 传 统 理 论, 认 为 质 子 ( 含 正 反 质 子 或 者 中 子 ) 之 间 存 在 核 力, 是 电 荷 无 关 的, 很 难 理 解 正 反 质 子 之 间 的 吸 引 性 核 力 与 同 性 质 子 之 间 的 吸 引 性 核 力 是 一 致 的 如 果 认 为 质 子 与 质 子 之 间 是 排 斥 性 核 力, 而 质 子 与 反 质 子 之 间 是 吸 引 性 核 力, 则 容 易 解 释 核 力 形 成 机 制, 显 得 自 然 得 多, 也 具 有 对 称 性 (5) 实 验 表 明 中 子 不 带 电, 其 磁 矩 似 乎 应 为 零, 但 测 得 的 中 子 磁 矩 不 为 零, 而 是 e 米 / 秒, 这 表 示 中 子 作 为 整 体 不 带 电, 但 它 内 部 存 在 与 质 子 类 似 的 电 荷 分 布 从 质 子 中 子 结 构 存 在 同 一 性 的 角 度, 我 们 必 须 寻 找 质 子 与 中 子 的 共 同 基 础 这 样 的 思 维 方 式 也 将 导 致 基 本 量 子 与 复 合 量 子 概 念 的 出 现 (6) 按 照 物 质 基 本 结 构 理 论 要 求 的 简 单 性 原 则, 很 难 构 造 出 在 光 子 质 子 和 电 子 之 外 的 量 子 波 形 式, 也 很 难 构 造 出 引 力 场 电 场 之 外 的 作 用 力 场 形 式 (7) 上 世 纪 30 年 代 的 理 论 将 电 子 从 核 中 赶 了 出 来 时, 提 出 的 否 定 电 子 在 核 内 存 在 的 一 些 理 由, 现 在 可 以 在 物 质 基 本 结 构 理 论 中 得 到 一 些 解 释 物 质 基 本 结 构 理 论 提 出 的 原 子 核 是 复 合 量 子 观 点, 并 不 是 基 本 量 子 在 核 内 的 堆 积, 而 是 基 本 量 子 之 间 的 相 互 作 用, 某 些 在 原 子 层 次 的 规 律 应 当 有 所 调 整 如 原 子 中 的 电 子 驻 波 约 束 性 定 态, 要 在 电 场 的 非 线 性 特 征 形 成 的 核 力 下 进 行 调 整 量 子 理 论 的 不 确 定 性 原 理 认 为 质 子 周 围 的 电 子 是 不 可 能 掉 到 质 子 里, 然 而 在 核 力 尤 其 是 质 子 与 电 子 之 间 存 在 核 力 的 情 况 下, 电 子 与 质 子 的 玻 色 频 率 增 加, 波 长 在 缩 短, 况 且 由 于 量 子 波 的 定 域 性 和 非 定 域 性 的 对 立 统 一 关 系, 电 子 的 域 与 质 子 的 域 事 实 上 是 重 叠 融 合 的 因 此 质 子 与 电 子 以 极 大 的 吸 引 性 作 用 在 极 近 距 离 依 存 不 是 不 可 能 的 因 为 复 合 量 子 的 环 境 改 变 了, 量 子 相 互 作 用 的 方 式 改 变 了, 可 以 用 核 内 运 动 解 释 中 子 质 量 大 于 质 子 与 电 子 质 量 之 和 的 问 题 自 旋 问 题 和 结 构 的 稳 定 性 问 题 是 这 个 假 设 的 最 大 难 点, 如 在 物 质 基 本 结 构 理 论 下, 下 述 核 的 自 旋 和 稳 定 性 差 异 极 大 : 中 子 是 由 1 个 质 子 和 1 个 电 子 组 成 的 复 合 量 子, 自 旋 为 1/, 不 稳 定 ; 氢 核 是 由 1 个 质 子 构 成 的 基 本 量 子, 自 旋 为 1/, 极 稳 定 ; 氘 核 是 由 个 质 子 和 1 个 电 子 组 成 的 复 合 量 子, 自 旋 为 1, 稳 定 ; 氚 核 是 由 3 个 质 子 和 1 个 电 子 组 成 的 复 合 量 子, 自 旋 为 1/, 不 稳 定 ; 3 H e ( 即 氦 3) 是 由 3 个 质 子 和 1 个 电 子 组 成 的 复 合 量 子, 自 旋 为 1/, 不 稳 定 ; 4 H e ( 即 正 常 氦 核 ) 是 由 3 个 质 子 和 个 电 子 组 成 的 复 合 量 子, 自 旋 为 0, 极 稳 定 ; 锂 7 是 由 7 个 质 子 和 4 个 电 子 组 成 的 复 合 量 子, 自 旋 为 3/, 稳 定 ; 碳 1 是 由 1 个 质 子 和 6 个 电 子 组 成 的 复 合 量 子, 自 旋 为 0, 稳 定 ; 碳 13 是 由 13 个 质 子 和 7 个 电 子 组 成 的 复 合 量 子, 自 旋 为 1/, 不 稳 定 ; 不 存 在 总 核 子 数 为 5 和 8 的 核

144 要 对 这 些 物 理 现 象 作 出 合 理 解 释 必 须 深 入 研 究 核 内 轨 道 运 动 形 式, 研 究 自 旋 的 合 成 机 制, 研 究 复 合 量 子 的 稳 定 性 问 题 十 对 中 微 子 的 假 设 上 面 两 节 都 谈 到 了 中 微 子, 中 微 子 确 实 具 有 能 量, 也 就 是 说 具 有 频 率, 从 后 面 分 析 π 介 子 和 μ 子 时 可 以 知 道, 中 微 子 带 走 的 能 量 是 很 大 的, 可 以 有 上 百 个 电 子 能 量 ( 指 电 子 静 止 频 率, 不 是 指 电 子 伏 ), 中 微 子 是 实 实 在 在 地 存 在 中 微 子 究 竟 是 什 么 呢? 现 作 出 如 下 假 设 : (1) 中 微 子 是 复 合 量 子 在 物 质 基 本 结 构 理 论 中 基 本 的 费 米 子 都 是 有 正 反 性 的, 而 且 正 反 性 与 正 负 性 是 一 致 的, 由 此 可 见 中 微 子 不 应 当 是 基 本 的 量 子, 而 是 复 合 量 子 () 中 微 子 自 旋 为 1/, 因 而 是 费 米 性 质 但 是 中 微 子 没 有 电 性, 不 参 与 强 相 互 作 用, 因 此 与 通 常 的 物 质 发 生 作 用 的 概 率 极 少, 来 无 影 去 无 踪 作 为 复 合 量 子 的 中 微 子 表 现 出 中 性, 说 明 组 成 中 微 子 的 基 本 量 子 必 然 具 有 正 负 电 性 (3) 然 而, 一 般 情 况 下 没 有 发 现 中 微 子 分 解 为 两 个 正 负 电 性 的 粒 子, 说 明 中 微 子 的 组 成 结 构 具 有 稳 固 性 中 微 子 与 后 面 研 究 的 π 介 子 和 μ 子 一 样 都 是 超 近 距 离 和 超 强 强 度 作 用 下 的 正 反 费 米 子 的 共 振 态, 即 亚 核 力 的 作 用 (4) 既 然 中 微 子 组 成 结 构 具 有 稳 固 性, 那 么 为 什 么 在 宇 宙 间 并 不 以 绝 对 的 丰 度 存 在, 这 是 因 为 中 微 子 不 由 光 子 或 者 带 有 玻 色 频 率 分 量 的 费 米 子 直 接 产 生, 而 是 产 生 于 别 的 复 合 量 子 的 衰 变 过 程, 中 微 子 的 根 本 来 源 是 核 力 作 用 即 超 近 距 离 的 超 强 强 度 的 电 场 作 用 人 们 通 常 认 为 中 微 子 与 弱 作 用 是 联 系 在 一 起 的, 具 体 表 现 就 是 它 的 平 均 寿 命 很 长, 与 其 他 量 子 的 作 用 很 弱, 其 实 这 正 是 由 于 中 微 子 在 本 质 上 是 强 作 用 的, 才 能 表 现 出 稳 定 性 (5) 中 微 子 的 静 止 质 量 被 认 为 接 近 于 零 或 者 等 于 零, 它 的 频 率 主 要 表 现 为 玻 色 频 率 组 成 它 的 处 于 成 长 期 的 共 轭 费 米 子 存 在 极 强 的 共 振 性 驻 波 约 束 性 运 动 十 一 对 中 子 的 假 设 (1) 中 子 的 产 生 核 外 中 子 在 自 然 界 很 少 存 在 ( 中 子 星 是 例 外 ), 中 子 的 来 源 一 般 是 用 高 能 粒 子 轰 击 氘 核, 使 氘 核 分 裂 为 两 个 质 子 和 一 个 电 子, 其 中 一 个 质 子 与 电 子 组 成 复 合 量 子, 即 中 子, 通 常 称 为 自 由 中 子 γ + P n 1 D 1 + () 中 子 的 质 量 为 千 克, 相 当 于 电 子 质 量 而 质 子 质 量 为 千 克, 相 当 于 电 子 质 量 中 子 的 质 量 大 于 质 子 质 量 与 电 子 质 量 之 和 用 物 质 基 本 结 构 理 论 的 语 言 表 达, 即 中 子 的 总 频 率 大 于 质 子 与 电 子 的 静 止 频 率 之 和, 这 是 由 于 组 成 中 子 的 质 子 与 电 子 处 于 共 振 的 运 动 状 态, 一 部 分 频 率 以 玻 色 频 率 分 量 的 形 式 体 现 (3) 中 子 的 自 旋 中 子 的 自 旋 为 1/, 说 明 质 子 与 电 子 存 在 高 速 的 共 振 运 动, 所 谓 轨 道 自 旋 对 中 子 的 总 自 旋 发 挥 了 重 要 作 用 中 子 自 旋 为 1/ 表 明 了 中 子 的 费 米 子 性 质, 但 是 它 的 电 性 要 由 组 成 它 的 量 子 的 电 性 决 定, 因 而 表 现 为 电 中 性 中 子 的 正 反 性 也 是 由 组 成 中 子 量 子 的 正 反 性 决 定, 反 质 子 与 正 电 子 组 成 的 复 合 量 子 是 反 中 子 (4) 自 由 中 子 β 衰 变 n p+ e + v

145 表 示 质 量 约 为 电 子 1838 倍 的 中 子 衰 变 为 质 量 约 为 电 子 1836 倍 的 一 个 质 子 一 个 电 子 和 一 个 反 中 微 子 自 由 中 子 的 平 均 寿 命 约 为 15 分 钟 十 二 对 π 介 子 的 假 设 (1)π 介 子 有 三 种 类 型 π + 介 子 与 π - 介 子 : 分 别 是 正 反 粒 子, 同 时 具 有 正 负 电 性 静 止 质 量 相 当 于 73. 电 子 质 量 0 中 性 的 π 介 子 : 无 正 反 性 与 电 的 正 负 性 只 有 一 种 类 型 静 止 质 量 相 当 于 64. 电 子 质 量 三 种 π 介 子 的 自 旋 均 为 0, 表 现 出 玻 色 子 性 质 () 核 力 作 用 产 生 π 介 子 + p + p p+ n+ π p + p p+ p+ p + n p+ n+ 0 π 0 π p + n p+ p+ π 按 照 新 的 核 力 观 点, 这 里 的 核 力 必 然 是 排 斥 性 核 力 (3)π 介 子 是 复 合 量 子, 组 成 π 介 子 的 量 子 是 处 于 成 长 期 的 共 轭 正 反 费 米 子 由 于 能 量 的 原 因 共 轭 费 米 子 无 法 形 成 自 由 质 子 与 反 质 子, 又 由 于 形 成 共 振 与 驻 波 约 束 性 定 态, 使 得 复 合 量 子 处 于 亚 稳 定 状 态, 这 也 是 认 为 π 介 子 产 生 于 核 力 的 原 因 基 本 量 子 一 般 是 正 反 量 子 同 时 产 生, 而 且 只 要 能 量 达 到 都 可 以 产 生,π 介 子 由 于 结 构 的 特 殊 性, 只 能 产 生 于 核 力 (4)π 介 子 衰 变 有 三 种 形 式 π μ + v π + μ + + v π 0 γ+ γ 由 于 π 介 子 的 特 殊 结 构, 即 内 部 量 子 的 共 振 性 和 驻 波 约 束 性, 无 法 使 得 组 成 它 的 正 反 费 米 子 对 拉 开 距 离 形 成 正 反 质 子, 也 不 能 重 新 湮 灭 为 光 子, 而 是 转 化 为 核 力 性 更 弱 的 μ 子 和 中 微 子 十 三 对 μ 子 的 假 设 (1)μ 子 有 两 种 类 型 μ + 子 与 μ - 子 : 分 别 是 正 反 粒 子, 同 时 具 有 正 负 电 性 自 旋 为 1/, 因 而 是 费 米 性 质, 静 止 质 量 相 当 于 电 子 质 量 没 有 中 性 的 μ 子 由 于 核 力 更 弱 的 原 因,μ 子 不 参 与 核 力 作 用, 同 时 也 没 有 形 成 中 性 μ 子, 由 此 一 般 将 μ 子 归 为 轻 子 类 型 ()μ 子 由 π 介 子 衰 变 产 生 π μ + v π + μ + + v (3)μ 子 是 复 合 量 子, 组 成 μ 子 的 量 子 是 处 于 成 长 期 的 共 轭 正 反 费 米 子 (4)μ 子 衰 变 有 下 面 两 种 形 式 : μ e +ν + ν e u : μ + e + +ν e + ν u 由 于 μ 子 的 特 殊 结 构, 即 内 部 量 子 的 共 振 性 和 驻 波 约 束 性, 无 法 使 得 组 成 它 的 正 反 费

146 米 子 拉 开 距 离 形 成 正 反 费 米 子, 也 不 能 重 新 湮 灭 为 光 子, 而 是 转 化 为 核 力 性 更 弱 的 中 微 子, 并 将 电 子 或 者 正 电 子 释 放 出 来 为 什 么 μ 子 不 是 如 同 π 介 子 有 三 种 类 型, 没 有 中 性 的 μ 子, 这 是 因 为 μ 子 内 部 的 亚 核 力 比 π 介 子 内 部 的 亚 核 力 更 弱, 必 须 有 电 子 参 与 形 成 共 振 状 态 十 四 对 弱 相 互 作 用 的 假 设 物 质 基 本 结 构 理 论 认 为 复 合 量 子 产 生 于 各 种 形 式 的 强 相 互 作 用, 即 核 力 作 用, 因 而 产 生 迅 速, 同 时 由 于 强 相 互 作 用 使 得 复 合 量 子 结 构 相 对 的 稳 固, 有 一 定 的 抗 冲 击 能 力, 因 而 复 合 量 子 的 消 失 缓 慢, 表 现 出 弱 相 互 作 用 现 象 如 : 质 子 电 子 的 平 均 寿 命 : 接 近 无 限 长 核 子 的 平 均 寿 命 : 长 短 不 一, 有 的 很 稳 定 接 近 于 无 限 长, 有 的 很 短 自 由 中 子 的 平 均 寿 命 :887 秒 正 负 π 介 子 的 平 均 寿 命 : 秒 -16 中 性 π 介 子 的 平 均 寿 命 : 秒 这 是 电 磁 作 用 -6 μ 子 的 平 均 寿 命 :. 10 秒 中 微 子 的 平 均 寿 命 : 接 近 无 限 长 因 此 可 以 说 弱 相 互 作 用 的 本 质 是 强 相 互 作 用, 才 能 使 得 有 些 性 质 对 外 表 现 为 弱 作 用 就 如 同 钻 石 一 样, 钻 石 与 其 他 物 质 的 作 用 强 度 远 远 小 于 氢 分 子, 它 的 稳 定 性 ( 平 均 寿 命, 或 者 半 衰 期 ) 也 远 远 强 于 氢 分 子, 而 这 种 弱 的 特 征 正 是 来 源 于 钻 石 内 部 的 强 的 结 构 特 征 弱 相 互 作 用 不 是 一 个 渐 变 过 程, 而 是 具 有 突 变 性 和 偶 发 性, 这 就 说 明 一 个 复 合 量 子 发 生 衰 变 的 概 率 大 小 取 决 于 这 个 复 合 量 子 的 自 身 结 构 特 征 及 环 境 的 不 确 定 的 影 响 何 时 出 现 (1) 可 以 发 生 衰 变 的 量 子 内 部 结 构 使 得 它 有 可 能 发 生 衰 变, 但 是 它 的 内 部 结 构 在 衰 变 前 是 稳 定 的 () 引 起 发 生 衰 变 的 因 素 来 自 外 部, 具 有 一 次 性 和 突 发 性 这 种 外 部 因 素 应 当 是 量 子 性 的 因 素, 因 为 只 有 量 子 才 有 可 能 具 有 发 生 作 用 时 的 一 次 性 (3) 引 起 发 生 衰 变 的 外 部 因 素 是 稳 定 的, 并 且 具 有 各 向 同 性 的 特 征, 否 则 不 会 使 某 种 量 子 的 平 均 寿 命 在 很 长 时 期 都 不 变 动 引 起 发 生 衰 变 的 外 部 因 素 不 会 有 太 多 种 类, 也 就 是 说 使 得 A 量 子 发 生 衰 变 的 因 素 与 使 得 B 量 子 发 生 衰 变 的 因 14 素 应 当 是 同 一 种, 笔 者 假 设 这 种 外 部 因 素 与 背 景 辐 射 有 关 至 于 为 什 么 C ( 碳 14) 的 半 衰 期 ( 约 为 平 均 寿 命 的 倍 ) 长 达 5730 年, 而 中 子 的 半 衰 期 才 十 分 钟, 这 是 复 合 量 子 的 内 部 结 构 区 别 造 成 的 第 十 四 章 科 学 理 论 的 形 成 和 发 展 哲 学 研 究 的 是 事 物 的 一 般 规 律 通 常 认 为 哲 学 包 括 两 个 方 面 内 容, 一 是 本 体 论, 即 对 事 物 的 基 本 认 识 ; 二 是 认 识 论, 包 括 主 体 与 客 体 的 关 系, 人 能 否 认 识 事 物, 如 何 认 识 事 物 等 问 题 物 质 基 本 结 构 理 论 研 究 的 是 物 理 学 的 基 本 问 题, 同 时 又 涉 及 到 很 多 哲 学 问 题, 其 中 涉 及 本 体 论 方 面 的 问 题, 我 们 已 经 在 第 三 章 从 辩 证 物 质 实 在 论 的 角 度 进 行 了 研 究 这 一 章 我 们 将 探 讨 认 识 论 中 的 有 关 科 学 理 论 的 形 成 和 发 展 问 题 一 认 识 方 法 的 辩 证 性 认 识 方 法 作 为 一 个 客 观 存 在 的 事 物 必 然 具 有 辩 证 性, 认 识 方 法 的 辩 证 性 体 现 在 三 个 方 面 : (1) 认 识 方 法 是 对 立 与 统 一 的 认 识 方 法 与 认 识 主 体 是 对 立 统 一 的, 认 识 方 法 与 认

147 识 对 象 也 是 对 立 统 一 的 不 同 条 件 下 的 主 体 与 客 体 相 互 对 立 相 互 关 联 的 方 式 不 同, 因 此 要 根 据 不 同 的 时 期 不 同 的 阶 段 不 同 的 认 识 主 体 和 对 象, 采 用 不 同 的 认 识 方 法, 才 能 实 现 主 体 对 客 体 的 认 识 应 当 在 坚 持 唯 物 主 义 反 映 论, 坚 持 辩 证 法, 坚 持 科 学 真 理 观, 坚 持 实 践 是 检 验 真 理 唯 一 标 准 的 基 础 上, 承 认 认 识 方 法 的 多 样 性, 承 认 认 识 途 径 的 多 渠 道, 灵 活 地 运 用 各 种 认 识 方 法, 这 对 于 我 们 开 拓 思 路, 创 新 思 维, 促 进 科 学 理 论 的 形 成 是 有 益 的 () 认 识 方 法 是 不 断 发 展 的 随 着 社 会 的 发 展 和 科 学 的 进 步, 认 识 方 法 本 身 也 应 跟 上 客 观 形 势 的 发 展 步 伐 不 断 进 步 我 们 坚 持 以 实 践 为 检 验 真 理 的 唯 一 标 准 的 认 识 论 路 线, 无 疑 是 正 确 的, 在 此 基 础 上 包 容 更 多 一 些 认 识 方 法 方 面 的 观 点, 吸 收 各 种 哲 学 流 派 中 的 有 益 因 素, 尤 其 认 识 方 法 方 面 的 科 研 成 果, 对 于 丰 富 辩 证 唯 物 主 义 认 识 论 内 容 是 有 益 的, 这 也 是 辩 证 唯 物 主 义 自 身 发 展 的 需 要 (3) 认 识 方 法 之 间 具 有 普 遍 的 联 系 各 种 认 识 方 法 之 间 是 相 互 联 系 的, 任 何 哲 学 学 派 在 提 倡 和 发 展 自 己 的 认 识 方 法 观 点 时, 不 应 当 将 某 种 认 识 方 法 与 其 他 认 识 方 法 孤 立 开 来 认 识 方 法 虽 然 也 受 本 体 论 的 影 响, 但 是 更 多 的 内 容 可 以 理 解 为 是 人 类 认 识 活 动 的 客 观 规 律, 可 以 对 其 较 为 独 立 地, 离 开 本 体 论 较 为 远 一 些 地 进 行 研 究 历 史 上 及 近 代 不 少 哲 学 流 派, 尽 管 在 本 体 论 观 点 上, 认 识 来 源 问 题 上, 真 理 的 客 观 性 和 真 理 检 验 标 准 等 问 题 上 与 辩 证 唯 物 论 的 观 点 有 较 大 的 差 异, 但 是 一 代 又 一 代 的 学 者, 在 研 究 人 类 的 意 识 个 体 和 社 会 群 体 如 何 提 高 认 知 水 平 加 快 科 学 理 论 的 形 成 等 问 题 上, 作 了 非 常 多 的 有 效 的 扎 实 的 研 究, 富 有 成 果 将 各 种 认 识 方 法 联 系 起 来 运 用, 有 利 于 科 学 理 论 的 形 成 和 发 展 二 形 而 上 学 追 求 对 事 物 整 体 性 基 本 性 认 识 的 积 极 意 义 人 们 通 常 将 形 而 上 学 视 为 机 械 唯 物 论, 其 实 形 而 上 学 一 词 的 含 义 自 中 世 纪 以 来, 在 西 方 多 被 用 来 指 对 超 自 然 超 感 觉 的 事 物 的 研 究, 含 有 元 的 背 后 的 超 越 的 等 语 义 从 希 腊 第 一 批 哲 学 家 到 柏 拉 图 和 亚 里 士 多 德, 形 而 上 学 作 为 第 一 哲 学 的 特 征, 指 的 是 对 存 在 的 终 极 原 因 和 最 高 原 理 的 整 体 性 研 究, 是 知 识 的 探 索 即 使 到 了 康 德 胡 塞 尔 等 近 现 代 哲 学 家 那 里, 尽 管 形 而 上 学 的 含 义 有 了 变 化, 但 是 仍 然 总 体 上 维 持 其 与 柏 拉 图 亚 里 士 多 德 一 致 的 传 统 路 线, 即 视 形 而 上 学 为 一 门 从 整 体 上 研 究 存 在 何 以 存 在 的 知 识 提 出 形 而 上 学 观 点 是 人 类 思 想 的 一 大 飞 跃, 对 人 类 认 识 物 质 世 界 有 着 积 极 的 意 义 形 而 上 学 的 积 极 意 义 就 在 于 它 倡 导 深 入 的 思 维, 追 求 超 越 性 的 思 维, 探 索 事 物 整 体 性 的 基 本 性 的 一 般 性 的 规 律, 这 就 会 促 使 人 们 去 不 断 地 探 索 事 物 的 本 质 而 且 更 为 重 要 的 是 形 而 上 学 始 终 认 为 事 物 背 后 一 定 存 在 一 个 最 基 本 的 最 一 般 的 东 西, 并 把 它 作 为 通 过 不 断 奋 斗 去 不 断 逼 近 的 目 标, 在 某 种 程 度 上 来 说, 这 也 是 一 种 促 进 科 学 发 展 的 动 力 形 而 上 学 追 求 整 体 性 和 基 本 性 的 思 维 方 式, 本 来 应 当 与 普 遍 联 系 统 一 性 这 些 辩 证 的 思 维 方 式 挂 上 钩, 可 惜, 由 于 没 有 以 物 质 实 在 作 为 思 维 的 基 础, 同 时 缺 乏 对 立 与 统 一 的 观 点, 反 而 形 成 了 一 种 孤 立 地 静 止 地 看 问 题 的 僵 化 的 观 点 形 而 上 学 由 于 它 自 身 的 不 足, 脱 离 实 际 脱 离 客 观 物 质 基 础, 使 得 它 无 法 解 释 与 物 质 基 本 结 构 有 关 的 哲 学 问 题 我 们 在 丢 掉 形 而 上 学 中 的 消 极 方 面 东 西 时, 不 能 将 它 的 积 极 方 面 也 予 以 否 定 形 而 上 学 的 积 极 意 义 方 面 对 于 物 质 基 本 结 构 理 论 研 究 很 有 指 导 意 义, 必 须 追 求 深 入 的 思 维 超 越 性 的 思 维, 探 索 事 物 整 体 性 的 基 本 性 的 一 般 性 的 规 律, 才 能 取 得 科 学 理 论 上 的 突 破 三 证 伪 主 义 促 进 认 识 飞 跃 英 国 著 名 哲 学 家 卡 尔 波 普 尔 创 建 的 批 判 理 性 主 义, 有 时 又 称 之 为 证 伪 主 义, 因 为 他 反 对 逻 辑 实 证 主 义 的 经 验 证 实 原 则, 针 锋 相 对 地 提 出 一 个 与 之 相 反 的 经 验 证 伪 原 则

148 波 普 尔 反 归 纳 主 义, 认 为 归 纳 法 只 能 告 诉 人 们 过 去, 不 能 告 诉 人 们 未 来 波 普 尔 也 反 对 逻 辑 实 证 主 义 关 于 归 纳 知 识 具 有 或 然 性 的 见 解 波 普 尔 认 为, 归 纳 法 不 是 科 学 的 方 法, 它 既 不 能 给 人 们 以 未 来 的 必 然 性 知 识, 也 不 能 给 人 们 以 未 来 的 或 然 性 知 识 人 们 应 该 把 它 拒 斥 于 科 学 研 究 领 域 之 外 波 普 尔 的 经 验 证 伪 原 则 是 建 立 在 上 述 反 归 纳 法 的 基 础 上 的 波 普 尔 认 为, 科 学 的 理 论 或 命 题, 不 可 能 被 经 验 证 实, 而 只 能 被 经 验 证 伪 这 就 是 他 的 著 名 的 证 伪 主 义 原 则 波 普 尔 否 认 理 论 来 源 于 观 察, 坚 信 理 论 先 于 观 察, 认 为 理 论 是 大 胆 的 猜 测, 具 体 就 是 :(1) 理 论 先 于 观 察 ;() 科 学 开 始 于 问 题 ;(3) 理 论 是 大 胆 的 猜 测 在 波 普 尔 看 来, 大 胆 的 猜 测 得 到 一 个 假 说, 并 设 置 证 伪 方 法, 认 为 这 个 有 证 伪 方 法 的 假 说 就 是 理 论, 然 后 去 努 力 证 伪 它, 在 没 有 被 证 伪 前 它 仍 然 是 理 论, 如 果 被 证 伪 了, 这 个 原 有 的 理 论 不 存 在 了, 就 应 当 提 出 新 的 假 说 和 新 的 证 伪 方 法 成 为 新 的 理 论 波 普 尔 认 为, 任 何 理 论 都 是 可 证 伪 的, 因 而 都 具 有 可 证 伪 性 但 是 每 一 个 理 论 的 可 证 伪 性 的 程 度, 即 可 证 伪 度 是 不 一 样 的 有 的 理 论 容 易 被 证 伪, 它 的 可 证 伪 度 就 高 ; 有 的 理 论 不 容 易 被 证 伪, 它 的 可 证 伪 度 就 低 波 普 尔 认 为, 理 论 表 述 的 内 容 愈 普 遍, 它 的 可 证 伪 度 就 愈 高 ; 理 论 表 述 的 内 容 愈 精 确, 它 的 可 证 伪 度 就 愈 高 波 普 尔 坚 持 真 理 是 与 客 观 事 实 相 符 合 的, 他 承 认 客 观 真 理 但 是, 波 普 尔 否 认 科 学 能 认 识 客 观 真 理, 因 为 他 不 同 意 唯 物 主 义 的 反 映 论 波 普 尔 认 为 对 于 客 观 世 界, 人 们 虽 不 能 反 映 它, 但 却 能 猜 测 它, 即 根 据 问 题 对 它 作 出 探 索 性 的 猜 测 波 普 尔 否 定 归 纳 法 的 观 点, 否 认 科 学 能 认 识 客 观 真 理 的 观 点 显 然 是 不 正 确 的 但 是 批 判 理 性 主 义 最 大 的 特 点 就 是 承 认 人 的 认 识 飞 跃, 以 切 实 可 行 的 方 法 促 进 人 的 认 识 飞 跃, 有 利 于 科 学 理 论 的 形 成 物 质 基 本 结 构 理 论 相 当 部 分 是 以 假 说 的 形 式 出 现, 力 求 最 大 限 度 地 发 挥 人 的 主 观 能 动 性 对 于 证 伪 问 题, 笔 者 认 为 不 能 简 单 地 认 为 只 有 能 直 接 证 伪 的 假 说 才 是 理 论 物 质 基 本 结 构 理 论, 包 括 了 一 系 列 假 设 : 物 质 实 体 与 间 隙 假 设, 均 匀 化 与 系 统 化 的 发 展 趋 势 假 设, 以 太 结 构 假 设, 量 子 波 形 假 设, 量 子 波 与 相 对 论 统 一 的 推 理, 量 子 波 的 波 动 干 扰 假 设, 复 合 量 子 及 核 力 假 设 等, 后 面 的 假 设 建 立 在 前 面 的 假 设 基 础 上, 并 成 为 再 后 面 假 设 的 基 础 这 样 的 一 系 列 假 设 形 成 逻 辑 链, 简 单 地 对 每 一 个 假 说 设 置 证 伪 方 法 较 为 困 难, 如 果 认 为 不 能 设 置 证 伪 方 法 的 假 说 就 不 是 理 论, 就 会 排 斥 了 可 能 是 正 确 的 理 论, 应 当 允 许 这 样 的 假 说 存 在, 看 看 能 否 引 发 出 新 的 发 现, 或 者 新 的 可 证 伪 方 法 四 运 用 科 学 范 式 观 点 分 析 科 学 理 论 体 系 美 国 的 科 学 哲 学 家 和 科 学 史 家 托 马 斯 库 恩,196 年 出 版 了 他 的 最 主 要 的 著 作 科 学 革 命 的 结 构, 此 书 在 西 方 自 然 科 学 界 和 社 会 科 学 界 引 起 了 强 烈 的 反 响, 形 成 研 究 讨 论 此 书 的 热 潮 科 学 是 如 何 发 展 的? 其 发 展 的 规 律 是 什 么? 这 是 以 库 恩 为 代 表 的 历 史 主 义 学 派 最 为 关 注 的 问 题 在 反 对 逻 辑 经 验 主 义 的 科 学 发 展 的 逐 渐 积 累 观 时, 库 恩 是 同 意 波 普 尔 的 观 点 的 但 是 库 恩 也 反 对 波 普 尔 关 于 科 学 的 发 展 是 不 断 推 翻 的 否 定 的 增 长 的 观 点 他 认 为 这 是 一 个 悖 论, 因 为 单 纯 的 否 定 或 推 翻, 就 不 可 能 有 增 长 库 恩 在 批 判 归 纳 主 义 与 证 伪 主 义 的 错 误 观 点 的 同 时, 吸 收 了 两 者 的 合 理 成 分, 提 出 了 一 种 新 的 科 学 发 展 的 模 式 他 坚 信 科 学 发 展 的 实 际 过 程 是 一 个 进 化

149 和 革 命 积 累 和 飞 跃 连 续 和 间 断 的 不 断 交 替 的 过 程 他 认 为 科 学 发 展 的 历 史 明 显 地 体 现 了 这 个 过 程 库 恩 的 科 学 哲 学 区 别 于 逻 辑 实 证 和 批 判 理 性 主 义 的 另 一 重 大 特 点 是 关 于 科 学 的 整 体 性 的 观 点 他 否 认 科 学 是 许 多 能 各 自 被 经 验 证 实 或 证 伪 的 命 题 的 单 纯 集 合, 认 为 科 学 是 许 多 相 互 联 系, 彼 此 影 响 的 命 题 和 原 理 有 机 构 成 的 统 一 整 体 这 个 重 要 思 想, 突 出 地 体 现 在 他 的 关 于 科 学 范 式 的 理 论 中 库 恩 认 为, 由 于 范 式 不 是 反 映 客 观 世 界 的 知 识 体 系, 而 仅 是 社 会 集 团 的 共 同 信 念, 因 而 它 的 产 生 和 变 化 的 原 因 根 本 不 属 于 认 识 论 的 范 围 世 界 是 普 遍 联 系 相 互 制 约 的 统 一 整 体 世 界 中 的 任 何 一 个 具 体 事 物 任 何 一 个 领 域 一 个 方 面, 也 都 是 相 互 联 系 的 统 一 整 体 它 们 有 复 杂 的 内 部 联 系 与 外 部 联 系 ; 这 些 联 系 有 主 要 的 次 要 的, 本 质 的 非 本 质 的 这 就 构 成 了 该 事 物 该 领 域 或 该 方 面 的 内 部 结 构 这 种 客 观 结 构 反 映 在 人 的 认 识 中, 在 方 法 论 上, 就 形 成 知 识 的 或 理 论 的 框 架 人 们 总 企 图 以 一 种 总 的 观 点 或 框 架, 去 统 摄 解 释 客 观 的 零 乱 的 自 然 现 象 或 社 会 现 象 库 恩 所 说 的 范 式 就 属 于 这 样 一 类 的 东 西 科 学 的 范 式 是 客 观 实 在 的 普 遍 联 系 的 反 映 但 是 它 也 含 有 一 定 的 想 象 的 成 分, 这 是 人 的 认 识 的 能 动 性 的 表 现 人 们 在 有 限 材 料 的 基 础 上 构 成 一 种 认 识 的 框 架, 去 统 摄 零 乱 的 材 料, 并 指 导 认 识 继 续 前 时, 当 知 识 材 料 丰 富 到 一 个 临 界 点 时, 认 识 就 会 发 生 飞 跃, 人 们 修 正 或 更 换 原 来 的 知 识 框 架, 构 成 新 的 知 识 框 架, 使 认 识 进 入 一 个 新 的 深 度, 并 指 导 它 继 续 前 进 这 就 是 为 什 么 范 式 不 断 更 替 的 原 因 库 恩 的 范 式 理 论, 包 含 着 上 述 合 理 的 思 想, 这 是 应 该 予 以 充 分 肯 定 的 但 他 把 范 式 说 成 是 一 种 心 理 的 东 西, 这 是 不 正 确 的, 范 式 中 确 实 蕴 含 有 许 多 想 象 的 成 分, 但 是 这 类 想 象 也 是 建 立 在 大 量 客 观 材 料 基 础 上 的, 而 决 非 纯 粹 心 理 方 面 的 想 象 应 该 指 出, 库 恩 的 范 式 理 论 中 还 包 含 着 另 一 个 重 要 思 想, 那 就 是 科 学 与 社 会 的 紧 密 联 系 库 恩 的 范 式 理 论 认 为 科 学 的 演 变 和 发 展 是 和 科 学 以 外 的 社 会 和 历 史 因 素 紧 密 联 系 的 库 恩 认 为, 范 式 是 使 一 门 学 科 成 为 科 学 的 必 要 条 件 或 成 熟 标 志 任 何 一 门 学 科 只 有 具 有 共 同 的 范 式, 才 配 称 为 科 学, 否 则 就 不 是 科 学 库 恩 的 整 个 科 学 哲 学 是 建 立 在 不 可 知 论 的 认 识 论 基 础 上 的 他 的 不 可 知 论 观 点, 从 本 质 上 说 来, 不 过 是 古 代 和 近 代 不 可 知 论 或 怀 疑 主 义 的 重 复 在 库 恩 看 来, 由 于 科 学 的 范 式 不 是 关 于 客 观 世 界 的 知 识, 而 仅 是 不 同 科 学 家 集 团 在 不 同 心 理 条 件 下 所 产 生 的 不 同 信 念, 因 而 它 们 是 没 有 什 么 真 假 之 分, 或 没 有 什 么 真 理 性 可 言 的 从 上 述 实 用 主 义 观 点 出 发, 库 恩 反 对 波 普 尔 关 于 真 理 是 与 客 观 事 实 相 符 合, 以 及 认 识 不 断 逼 近 真 理 的 实 在 论 的 真 理 论, 而 主 张 反 实 在 论 显 然 我 们 对 库 恩 的 有 些 观 点 是 不 赞 同 的, 在 这 里 不 作 深 入 讨 论 应 当 看 到 他 的 理 论 中 确 实 有 一 些 合 理 的 因 素, 从 整 体 上 系 统 地 确 认 一 门 科 学 的 科 学 范 式 的 概 念 和 科 学 发 展 模 式 的 观 点, 应 能 指 导 我 们 全 面 地 分 析 目 前 有 关 物 质 结 构 的 理 论 量 子 理 论 是 一 种 什 么 样 的 范 式, 处 于 一 种 什 么 样 的 状 态, 有 关 的 零 散 材 料 是 否 已 经 积 累 到 了 应 当 发 生 飞 跃 的 时 机, 新 的 范 式 应 当 具 有 什 么 特 征 这 样 的 科 学 范 式 和 科 学 发 展 模 式 的 观 点, 能 够 促 使 我 们 全 面 地 系 统 地 思 考 物 质 基 本 结 构 理 论 的 理 论 体 系 问 题 五 科 学 研 究 纲 领 与 科 学 理 论 的 形 成 和 发 展

150 出 生 于 匈 牙 利 的 拉 卡 托 斯 提 出 了 科 学 研 究 纲 领 方 法 论 拉 卡 托 斯 与 波 普 尔 站 在 共 同 的 立 场, 反 对 逻 辑 实 证 主 义 的 归 纳 主 义 和 经 验 证 实 原 则 但 是 他 并 不 完 全 同 意 波 普 尔 的 证 伪 主 义 理 论 他 说 : 我 与 波 普 尔 的 观 点 的 最 主 要 的 区 别 是, 在 我 看 来 理 论 并 不 是 他 所 认 识 的 那 样, 可 能 很 快 被 经 验 证 伪, 经 验 的 破 坏 性 的 反 驳 并 不 能 淘 汰 一 个 理 论 拉 卡 托 斯 认 为 经 验 不 能 证 伪 理 论 的 论 据 有 以 下 几 个 方 面 : 第 一 个 理 由 是 经 验 的 主 观 性 ; 第 二 个 理 由 是 理 论 的 正 确 性 必 需 具 有 条 件, 由 于 事 物 周 围 条 件 的 无 限 复 杂 性, 当 经 验 与 理 论 不 一 致 时, 这 是 理 论 错 误, 还 是 周 围 条 件 变 化 所 致, 是 无 法 确 定 的 拉 卡 托 斯 与 波 普 尔 相 反, 而 与 库 恩 的 观 点 相 类 似, 他 说 : 当 我 们 的 许 多 科 学 知 识 的 范 例 只 是 一 个 个 孤 立 的 理 论, 如 所 有 天 鹅 都 是 白 的, 并 把 它 孤 立 地 纳 入 一 个 纲 领 中 去 时, 就 很 难 正 确 地 理 解 科 学 的 生 长 只 有 把 科 学 解 释 为 研 究 纲 领 的 场 所 而 不 是 孤 立 理 论 的 场 所 时, 科 学 的 连 续 性 和 理 论 的 坚 韧 性 等 问 题 才 能 得 到 解 释 拉 卡 托 斯 在 上 述 科 学 研 究 纲 领 的 理 论 基 础 上 提 出 了 一 个 既 不 同 于 波 普 尔, 也 不 同 于 库 恩 的 新 的 科 学 发 展 动 态 模 式, 科 学 研 究 纲 领 的 进 化 和 退 化 问 题 是 这 个 模 式 的 核 心 内 容 在 拉 卡 托 斯 关 于 科 学 研 究 纲 领 理 论 中 蕴 含 着 一 个 新 的 科 学 发 展 的 模 式, 这 个 模 式 大 体 可 以 公 式 化 如 下 : 科 学 研 究 纲 领 的 进 化 阶 段 科 学 研 究 纲 领 的 退 化 阶 段 新 的 进 化 的 研 究 纲 领 证 伪 取 代 退 化 的 研 究 纲 领 新 的 研 究 纲 领 的 进 化 阶 段 拉 卡 托 斯 的 这 个 模 式 不 同 于 波 普 尔 的 不 断 革 命 模 式, 它 既 体 现 了 科 学 发 展 过 程 中 的 质 变, 也 体 现 了 它 的 量 的 进 化 同 时 它 也 不 同 于 库 恩 的 模 式, 这 主 要 在 于 库 恩 把 科 学 的 发 展 归 结 非 理 性 的 信 念 的 变 换, 从 而 根 本 否 认 了 科 学 理 论 的 真 理 及 其 发 展 的 继 承 性 和 进 化 性, 而 拉 卡 托 斯 反 对 这 种 心 理 主 义, 承 认 科 学 发 展 的 继 承 性 ( 连 续 性 ) 与 进 步 性 拉 卡 托 斯 写 道 : 我 所 说 的 科 学 革 命 决 不 是 库 恩 所 理 解 的 宗 教 式 范 式 的 变 换, 而 是 理 性 的 进 步 拉 卡 托 斯 在 他 上 述 科 学 研 究 纲 领 理 论 的 基 础 上, 提 出 了 自 己 对 科 学 的 划 界 标 准, 他 认 为 科 学 与 非 科 学 的 划 界 标 准 既 不 是 证 实 或 证 伪 的 原 则, 也 不 是 范 式, 而 应 是 新 的 经 验 事 实 的 预 见 性, 即 任 何 理 论 凡 能 不 断 增 加 预 见 新 事 实 新 经 验 的, 就 是 科 学, 否 则 就 是 非 科 学 的 拉 卡 托 斯 认 为, 他 的 这 个 划 界 标 准 是 经 验 标 准, 不 过 不 是 经 验 的 证 实 或 经 验 的 证 伪, 而 是 新 经 验 的 预 见 但 是 拉 卡 托 斯 断 言 : 区 分 一 个 理 论 是 科 学 还 是 伪 科 学, 完 全 取 决 于 它 所 处 的 时 期, 当 它 处 于 进 化 阶 段, 能 不 断 增 长 新 经 验 的 预 见 性 时, 它 是 科 学 的, 反 之 处 于 退 化 阶 段 时 就 是 伪 科 学 的 了, 这 样 实 际 上 就 混 淆 了 科 学 与 伪 科 学 的 明 确 界 线 我 们 对 拉 卡 托 斯 的 很 多 观 点 也 是 不 能 认 同 的, 但 是 他 从 整 体 的 角 度 研 究 科 学 发 展 模 式, 特 别 强 调 科 学 预 见 性 的 观 点, 提 出 科 学 研 究 纲 领 的 理 论, 这 对 于 我 们 创 新 科 学 理 论, 建 立 一 个 科 学 体 系 是 很 有 意 义 的 拉 卡 托 斯 提 出 任 何 科 学 研 究 纲 领 都 存 在 一 个 硬 核 和 保 护 带, 笔 者 认 为 量 子 理 论 就 是 一 个 科 学 研 究 纲 领, 它 的 硬 核 就 是 量 子 个 体 观 点 波 动 观 点 对 称 均 衡 观 点 光 速 不 变 观 点, 这 些 都 是 被 实 践 证 明 是 正 确 的 观 点, 是 量 子 理 论 的 坚 实 基 础, 是 量 子 理 论 科 学 研 究 纲 领 的 坚 实 的 硬 核, 这 是 我 们 坚 持 量 子 理 论 的 原 因 但 是 现 有 的 量 子 理 论 必 须 改 造, 我 们 提 出 了 物 质 基 本 结 构 理 论, 研 究 了 量 子 的 内 部 结 构, 提 出 量 子

151 相 对 论 概 念, 力 图 用 实 在 性 观 点 改 进 现 有 的 量 子 理 论, 这 些 都 是 调 整 量 子 理 论 科 学 研 究 纲 领 的 保 护 带, 力 争 量 子 理 论 不 断 地 完 备 这 一 章 我 们 涉 及 很 多 与 科 学 有 关 的 哲 学 问 题, 人 们 常 将 这 类 问 题 归 为 科 学 哲 学 来 研 究, 科 学 哲 学 是 一 门 将 哲 学 科 学 史 各 门 类 科 学 ( 主 要 是 自 然 科 学 中 的 基 础 理 论 学 科 ) 综 合 在 一 起 的 学 科, 是 一 门 理 论 性 和 实 践 性 都 很 强 的 学 科, 它 将 有 很 好 的 发 展 前 景 在 第 三 章 中, 笔 者 主 张 在 科 学 哲 学 中 包 括 自 然 观 的 内 容, 目 的 是 希 望 科 学 哲 学 在 研 究 科 学 理 论 形 成 和 发 展 规 律 时, 更 多 地 从 自 然 观 的 角 度 思 考 自 然 科 学 结 构 体 系 的 稳 态 和 发 展 问 题 六 物 质 基 本 结 构 理 论 能 否 成 为 科 学 理 论 本 书 围 绕 关 于 物 质 结 构 问 题 提 出 了 一 些 新 的 观 念, 也 使 用 了 一 些 新 的 研 究 方 法, 初 步 形 成 了 物 质 基 本 结 构 理 论 物 质 基 本 结 构 理 论 能 否 成 为 科 学 理 论, 最 主 要 的 是 要 看 它 提 出 的 一 些 新 观 点, 能 否 形 成 一 种 新 的 范 式, 形 成 一 种 新 的 科 学 研 究 纲 领 或 者 对 原 有 的 科 学 研 究 纲 领 有 重 大 的 改 进, 而 且 必 须 是 能 够 被 实 践 最 终 证 实 或 者 证 伪 的 现 在 对 前 13 章 的 内 容 作 简 要 的 回 顾, 对 物 质 基 本 结 构 理 论 在 科 学 理 论 中 的 地 位 作 初 步 估 计 (1) 物 质 基 本 结 构 理 论 具 有 新 颖 性 物 质 基 本 结 构 理 论 从 第 一 章 的 实 体 与 间 隙 的 绝 对 性 与 相 对 性 开 始 研 究, 一 直 到 以 太 结 构 量 子 波 形 成, 量 子 的 相 互 作 用, 量 子 实 在 的 绝 对 性 与 相 对 性, 量 子 实 在 的 确 定 性 与 概 率 性 以 及 量 子 的 定 态 问 题, 每 一 章 每 一 节 都 提 出 了 大 量 的 与 传 统 理 论 不 同 的 观 点, 所 论 述 的 问 题 都 是 量 子 理 论 和 实 践 中 的 重 大 问 题 从 这 点 来 看, 物 质 基 本 结 构 理 论 是 具 有 新 颖 性 的 () 物 质 基 本 结 构 理 论 具 有 系 统 性 物 质 基 本 结 构 理 论 的 系 统 性 表 现 在 以 下 几 个 方 面 : 一 是 涉 及 量 子 理 论 的 几 乎 所 有 基 本 性 问 题, 包 括 量 子 的 结 构 问 题, 波 动 性 与 粒 子 性 问 题, 量 子 实 在 与 概 率 性 问 题, 原 子 核 问 题, 粒 子 物 理 问 题, 相 互 作 用 力 问 题 二 是 对 量 子 理 论 中 的 一 些 分 散 的 问 题 联 系 起 来 研 究, 如 使 用 量 子 波 动 干 扰 概 念 将 量 子 的 相 互 作 用 和 量 子 的 态 变 动 综 合 起 来 研 究, 又 如 使 用 量 子 的 定 态 概 念 将 很 多 量 子 的 一 致 性 对 称 性 和 定 量 性 问 题 综 合 起 来 研 究 三 是 将 与 量 子 理 论 相 关 联 的 理 论 结 合 起 来 考 虑, 如 将 物 质 基 本 结 构 理 论 与 哲 学 的 基 本 问 题 量 子 理 论 与 相 对 论 关 系 问 题 量 子 理 论 与 宏 观 理 论 关 系 问 题 结 合 起 来 研 究 有 些 观 点 现 在 看 来 是 很 简 单 的, 如 量 子 单 位 制, 似 乎 根 本 不 需 要 物 质 基 本 结 构 理 论 就 可 以 很 容 易 地 建 立 起 来 但 是 如 果 不 系 统 地 研 究 物 质 基 本 结 构 理 论, 很 难 轻 易 地 离 开 质 量 能 量 来 谈 论 物 理 现 象 和 设 计 物 理 公 式, 很 难 轻 易 地 将 波 长 的 倒 数 视 为 动 量, 也 很 难 得 出 基 本 电 量 就 是 基 本 费 米 子 个 数 的 结 论 (3) 物 质 基 本 结 构 理 论 具 有 逻 辑 性 物 质 基 本 结 构 理 论 中 的 一 系 列 新 的 观 点, 一 环 扣 一 环 组 成 了 一 条 完 整 的 逻 辑 链 如 提 出 物 质 有 序 的 结 构 形 式 不 是 永 恒 的 观 点, 必 然 引 出 一 种 完 全 无 序 状 态 的 不 定 形 的 物 质 运 动 形 式, 这 就 是 既 具 体 又 一 般 的 物 质 基 本 结 构 形 式 接 着 就 必 然 引 出 实 体 与 间 隙 构 成 物 质 基 本 结 构 形 式 的 观 点, 必 然 提 出 实 体 不 是 僵 化 的, 而 是 不 定 形 的 充 满 无 限 变 化 的, 对 立 统 一 的 观 点 从 哲 学 的 角

152 度 来 看, 实 体 与 间 隙 就 是 辩 证 的 物 质 实 在, 就 是 世 间 万 事 万 物 的 既 具 体 又 一 般 的 本 原 这 就 较 好 地 从 自 然 科 学 的 角 度 和 哲 学 的 角 度, 回 答 了 物 质 究 竟 是 什 么 的 问 题 接 着 物 质 的 空 间 与 时 间 形 式 观 点 无 限 与 有 限 的 观 点 物 质 基 本 结 构 形 式 的 均 匀 化 和 系 统 化 的 发 展 趋 势 观 点 发 展 的 结 果 必 然 形 成 以 太 结 构 的 观 点 顺 势 产 生 在 此 基 础 上 扩 展 德 布 罗 意 波 概 念, 量 子 波 观 点 很 自 然 地 出 现 了 在 研 究 工 具 问 题 上, 由 于 以 太 结 构 和 量 子 波 的 提 出, 建 立 量 子 单 位 制 就 没 有 什 么 障 碍 了 既 然 量 子 是 以 太 结 构 中 的 波, 就 可 以 用 波 动 干 扰 的 观 点 全 面 地 理 解 量 子 之 间 的 相 互 作 用, 用 新 的 观 点 理 解 统 一 场 论 既 然 量 子 是 以 太 结 构 中 的 波, 以 太 结 构 与 相 对 论 的 相 容 性 问 题 就 容 易 得 到 解 决 了 将 相 对 论 定 义 为 研 究 量 子 态 的 绝 对 性 在 相 互 作 用 中 的 表 现 形 式 的 理 论, 将 相 对 论 视 为 量 子 理 论 的 一 部 分 的 观 点, 提 出 量 子 相 对 论 的 概 念 就 是 很 自 然 的 了 既 然 量 子 是 以 太 结 构 中 的 波, 解 释 量 子 实 在 的 确 定 性 与 概 率 性 问 题 就 有 了 新 的 思 路, 能 够 设 计 出 一 些 新 的 解 决 方 案 在 物 质 基 本 结 构 理 论 的 观 点 下, 解 释 量 子 的 定 态 问 题, 尤 其 是 质 子 及 电 子 的 定 量 问 题 核 力 问 题 弱 力 问 题, 可 以 出 现 一 些 全 新 的 思 路 由 此 可 见, 物 质 基 本 结 构 理 论 中 的 各 种 观 点 都 不 是 孤 立 的, 而 是 相 互 联 系 的, 符 合 逻 辑 的, 理 论 本 身 是 自 恰 的 (4) 物 质 基 本 结 构 理 论 来 源 于 科 学 实 验 的 事 实 物 质 基 本 结 构 理 论 看 上 去 似 乎 是 纯 理 论 的, 其 实 具 有 很 强 的 实 践 性 物 质 基 本 结 构 理 论 来 源 于 科 学 实 验 的 事 实 如 : 提 出 质 子 电 子 等 有 序 形 式 不 是 永 恒 的 观 点, 实 践 基 础 是 人 类 对 物 质 结 构 分 解 的 实 验, 证 明 了 有 序 的 结 构 形 式 种 类 越 来 越 少, 必 然 导 致 有 序 形 式 由 无 序 形 式 发 展 而 来 的 观 点 产 生 提 出 以 太 结 构 的 观 点, 实 践 基 础 是 人 类 对 作 用 力 的 传 递 实 验, 证 明 任 何 作 用 的 传 递 必 然 有 物 质 作 承 载, 波 动 现 象 必 然 是 物 质 媒 质 的 运 动 形 式, 同 时 光 速 不 变 性 等 实 验, 证 明 了 较 大 宇 宙 区 域 物 质 结 构 形 式 的 对 称 性 和 均 匀 性, 以 及 物 理 定 律 在 相 当 广 的 区 域 和 相 当 长 的 时 间 的 不 变 性 提 出 量 子 波 的 观 点, 实 践 基 础 是 各 种 科 学 实 验 验 证 了 的 普 朗 克 常 数 表 达 的 能 量 与 频 率 恒 定 关 系 能 量 守 恒 定 律 质 量 与 能 量 相 关 关 系 和 德 布 罗 意 波 的 正 确 性 提 出 核 力 来 源 于 非 线 性 特 征 电 场 力 的 观 点, 实 践 基 础 是 科 学 实 验 没 有 发 现 质 子 与 质 子 之 间 直 接 的 吸 引 性 核 力 的 事 实, 以 及 任 何 氢 以 外 的 原 子 核 内 部 核 子 数 大 于 电 量 数 的 事 实 物 质 基 本 结 构 理 论 承 认 了 所 有 有 关 的 科 学 实 验 事 实, 将 理 论 建 立 在 坚 实 的 实 践 基 础 上 (5) 物 质 基 本 结 构 理 论 与 现 实 的 重 大 科 学 实 践 紧 密 联 系 如 果 物 质 基 本 结 构 理 论 被 证 明 是 正 确 的, 或 者 主 要 观 点 被 证 明 是 正 确 的, 那 么 物 质 基 本 结 构 理 论 将 会 对 很 多 现 实 的 实 践 性 问 题 的 解 决 带 来 一 些 新 的 思 路 :

153 量 子 单 位 制 将 为 物 理 的 教 学 和 研 究 提 供 一 个 简 单 有 效 的 工 具, 为 揭 示 量 子 物 理 现 象 之 间 的 内 在 联 系 发 挥 重 要 作 用 在 物 质 基 本 结 构 理 论 下 理 解 量 子 力 学, 承 认 概 率 承 认 非 因 果 关 系 非 决 定 性 的 同 时, 量 子 实 在 性 回 到 了 量 子 理 论 中, 量 子 之 间 的 实 在 的 波 动 干 扰 形 成 的 同 步 作 用, 是 量 子 表 现 为 概 率 方 式 的 波 动 性 叠 加 特 征 的 量 子 力 学 的 基 础 这 将 为 量 子 结 构 研 究 量 子 物 理 的 应 用 研 究 提 供 了 实 在 的 物 质 基 础 量 子 系 统 性 的 观 点, 为 统 一 场 论 的 研 究 提 供 了 新 的 思 路 玻 色 性 相 互 作 用 的 观 点, 将 会 为 研 究 量 子 各 种 奇 特 行 为 如 态 叠 加 波 粒 二 象 性 提 供 帮 助 在 量 子 相 对 论 的 观 点 下, 量 子 态 的 绝 对 性 将 被 承 认, 量 子 态 的 绝 对 性 在 相 互 作 用 中 的 相 对 的 表 现 形 式 和 规 律 将 被 深 刻 地 揭 示, 对 研 究 高 速 状 态 下 的 量 子 运 动 形 式 相 互 作 用 的 非 线 性 特 征 相 互 作 用 引 起 的 玻 色 频 率 分 量 和 费 米 频 率 分 量 变 动 方 式 提 供 帮 助 在 质 子 电 子 等 有 序 形 式 不 是 永 恒 的 观 点 电 场 的 非 线 性 特 征 观 点 新 的 核 力 弱 力 和 核 结 构 观 点, 以 及 基 本 量 子 概 念 和 复 合 量 子 概 念 下, 粒 子 物 理 研 究 将 会 出 现 新 的 局 面 量 子 的 定 域 性 与 非 定 域 性 观 点 超 光 速 传 递 作 用 观 点, 将 对 量 子 纠 缠 态 量 子 信 息 量 子 计 算 等 问 题 的 研 究 提 供 帮 助 以 太 结 构 和 量 子 波 的 观 点 量 子 之 间 的 相 互 作 用 来 源 于 量 子 波 的 波 动 干 扰 的 观 点 量 子 实 在 的 确 定 性 和 概 率 性 的 观 点, 对 解 释 量 子 现 象 和 发 展 量 子 物 理 技 术 能 提 供 一 定 帮 助 尤 其 是 对 量 子 特 殊 形 式 的 结 构, 如 超 同 步 状 态 超 凝 聚 状 态 软 凝 聚 状 态 介 观 状 态 和 低 维 状 态 的 研 究 提 供 帮 助 在 物 质 基 本 结 构 理 论 下 理 解 宇 宙 学, 能 够 很 好 地 解 释 宇 宙 的 对 称 性 均 匀 性 与 宇 宙 物 质 质 量 分 布 的 不 均 匀 性 之 间 的 关 系 问 题 在 此 基 础 上 能 对 宇 宙 大 爆 炸 暗 物 质 背 景 辐 射 黑 洞 现 象 的 解 释 提 供 新 的 思 路 (6) 物 质 基 本 结 构 理 论 与 传 统 理 论 有 很 好 的 相 容 性 和 继 承 性 提 出 物 质 基 本 结 构 理 论 不 是 为 了 标 新 立 异, 而 是 为 了 使 量 子 理 论 更 好 地 解 释 物 理 现 象 及 科 学 实 验 结 果 物 质 基 本 结 构 理 论 与 传 统 理 论 有 很 好 的 相 容 性 和 继 承 性 凡 是 能 够 对 科 学 实 验 事 实 作 出 一 定 的 合 理 的 解 释 的 传 统 理 论, 如 相 对 论 量 子 力 学 都 是 物 质 基 本 结 构 理 论 的 理 论 基 础, 物 质 基 本 结 构 理 论 是 融 合 在 量 子 理 论 中 的, 如 果 本 书 的 观 点 被 实 践 证 明 是 正 确 的, 人 们 将 会 发 现 量 子 理 论 ( 包 括 相 对 论 ) 并 没 有 受 到 任 何 削 弱, 反 而 是 更 加 充 实 完 善 了 通 过 以 上 分 析, 笔 者 认 为 物 质 基 本 结 构 理 论 应 当 成 为 一 个 创 新 性 很 强 的 科 学 理 论, 能 对 物 理 学 和 哲 学 的 发 展 起 到 一 定 作 用 七 建 立 物 质 基 本 结 构 理 论 的 思 维 过 程 笔 者 研 究 物 质 基 本 结 构 理 论 已 有 四 十 余 年, 由 于 对 唯 物 论 和 辩 论 法 深 信 不 疑, 坚 信 物 质 的 实 在 性 和 真 理 的 客 观 性, 因 此 在 学 习 研 究 物 理 时, 力 图 寻 找 一 些 物 理 现 象 背 后 的 深 层 次 原 因 如 弹 性 问 题 和 引 力 问 题, 对 很 多 初 学 者 来 说 是 非 常 简 单 的 问 题, 物 理 公 式 定 律 中 写 得 清 清 楚 楚, 根 本 不 值 得 过 多 思 考 然 而 在 0 世 纪 六 十 年 代 末 期, 笔 者 却 为 弹 性 及 引 力 问 题 艰 苦 地 思 维 了 好 几 年, 当 时 无 论 如 何 也 想 不 通 往 前 运 动 的 物 质, 碰 撞 后 为 什 么 会 弹 回 来, 弹 性 是 如 何 产 生 的, 苹 果 为 什 么 与 地 球 之 间 存 在 着 引 力, 引 力 是 如 何 产 生 的 这 种 实 在 性 的 思 维 方 式 对 笔 者 以 后 的 学 习 和 研 究 有 着 重 要 作 用,

154 0 世 纪 七 十 年 代 开 始, 逐 步 悟 出 从 弹 性 中 寻 找 弹 性 的 原 因, 从 引 力 中 寻 找 引 力 的 原 因, 从 电 性 中 寻 找 电 性 的 原 因 以 及 用 粒 子 来 解 释 粒 子 的 思 维 方 式 似 乎 行 不 通, 应 该 直 接 从 最 基 本 的 物 质 运 动 形 式 入 手 进 行 研 究 试 着 设 计 了 一 个 用 理 想 平 面 切 割 物 体 的 理 想 实 验, 开 始 着 手 研 究 实 体 与 间 隙 问 题 研 究 的 难 度 是 异 常 大 的, 甚 至 连 实 体 究 竟 应 当 是 多 大, 实 体 内 部 无 间 隙 为 什 么 又 存 在 无 限 的 运 动, 这 些 简 单 的 问 题 都 困 惑 了 笔 者 好 几 年 当 发 现 实 体 是 不 定 形 的 内 部 充 满 无 限 运 动 时, 得 到 了 很 大 的 喜 悦, 因 为 毕 竟 这 是 对 立 统 一 规 律 的 最 简 单 的 最 基 本 的 最 实 在 的 形 式, 毕 竟 可 以 指 着 变 化 的 实 体 与 间 隙 说 : 这 就 是 物 质 本 原, 这 就 是 物 质 实 在, 辩 证 法 就 是 物 质 实 在 的 特 征, 毕 竟 开 始 了 一 个 从 极 小 的 而 不 是 无 限 小 的 空 间 和 时 间, 研 究 具 体 的 又 是 最 一 般 的 物 质 结 构 形 式 的 全 新 研 究 方 式 然 而 这 种 物 质 结 构 形 式 里 面 没 有 能 量, 没 有 质 量, 没 有 稳 定 的 形 式 ( 即 粒 子 态 ) 甚 至 连 实 体 间 的 相 互 速 度 都 得 趋 减 这 能 行 得 通 吗? 一 下 子 又 是 过 了 好 几 年, 研 究 的 结 果 才 发 现, 物 质 的 无 序 的 不 定 形 的 状 况 正 是 自 己 苦 苦 寻 找 的 物 质 基 本 结 构 形 式, 没 有 能 量 概 念 没 有 粒 子 形 态, 是 物 质 结 构 发 展 初 期 的 一 个 阶 段 性 的 状 态, 这 正 是 物 质 的 基 本 形 态, 是 一 种 无 须 进 一 步 解 释, 无 须 寻 找 更 基 本 原 因 的 物 质 本 原, 一 种 既 不 是 僵 化 的 实 体 又 不 是 虚 无 缥 缈 的 纯 概 念, 而 是 既 具 体 又 普 遍 的 物 质 本 原 在 这 样 的 研 究 过 程 中, 毛 泽 东 的 矛 盾 论 实 践 论 以 及 恩 格 斯 的 自 然 辩 证 法 中 的 观 点 对 自 己 的 思 维 有 很 大 的 影 响 0 世 纪 八 十 年 代 初 曾 参 加 广 西 自 然 辩 证 法 研 究 会 成 立 活 动 接 着 信 心 百 倍 地 研 究 粒 子 的 形 成 机 制, 试 图 从 物 质 密 度 分 布 入 手 寻 找 粒 子 的 成 因, 曾 经 有 很 长 一 段 时 间 甚 至 认 为 实 体 表 现 的 物 质 量 就 是 质 量 概 念 但 是 连 几 个 简 单 的 坎 都 无 法 突 破, 如 粒 子 相 隔 亿 万 公 里 的 相 互 作 用 问 题, 宇 宙 空 间 质 量 分 布 如 此 悬 殊 问 题, 粒 子 与 波 的 关 系 问 题, 粒 子 的 正 反 性 和 电 的 正 负 性 问 题, 等 等, 找 不 到 任 何 解 决 问 题 的 途 径 后 来 介 绍 弦 论 的 一 些 文 章 逐 步 问 世, 但 由 于 文 章 提 出 的 弦 的 形 式 太 复 杂, 居 然 发 展 到 十 一 维, 无 法 适 应 自 己 力 图 从 简 单 的 基 本 结 构 入 手 研 究 问 题 的 方 式 这 样 十 余 年 过 去 了, 没 有 取 得 什 么 实 质 进 展 到 了 上 世 纪 九 十 年 代 末 期, 突 然 觉 得 弦 论 中 有 可 取 之 处, 至 少 弦 论 认 为 静 止 的 粒 子 也 在 振 动, 是 一 种 琴 弦, 是 一 种 音 符, 而 德 布 罗 意 的 物 质 波 仅 仅 体 现 在 粒 子 的 动 能 中 后 来 几 年 进 展 较 快 了 先 是 把 以 太 找 了 回 来, 物 质 结 构 基 本 形 式 有 一 个 均 匀 化 和 系 统 化 的 趋 势, 形 成 了 以 太 媒 质 然 后 假 设 量 子 波 形 成 量 子 波 状 态 的 稳 定 性 ( 频 率 稳 定, 波 形 稳 定, 波 速 稳 定 ) 是 物 质 世 界 从 无 序 迈 向 有 序 的 重 要 一 步 以 后 在 以 太 结 构 和 量 子 波 的 观 点 下, 很 多 问 题 的 解 释 变 得 简 单 得 多 了 这 里 又 遇 到 一 个 如 何 与 狭 义 相 对 论 吻 合 的 问 题, 爱 因 斯 坦 创 建 的 狭 义 相 对 论 被 无 数 科 学 实 验 证 明 是 正 确 的, 相 对 论 形 成 过 程 中, 抛 弃 以 太 假 设 是 一 个 重 要 内 容 而 现 在 又 不 得 不 把 以 太 找 回 来, 如 果 不 把 以 太 找 回 来, 后 面 的 研 究 工 作 是 无 法 进 行 下 去 的, 但 是 如 何 与 狭 义 相 对 论 吻 合 呢? 于 是 设 想 将 静 止 的 费 米 子 看 成 是 一 种 与 光 波 不 同 的 量 子 波, 并 且 以 一 个 直 角 三 角 形 来 描 绘 量 子 波,x 轴 方 向 的 直 角 边 视 为 向 前 传 播 的 相 当 于 光 波 的 玻 色 波, 是 横 波 y 轴 方 向 的 直 角 边 视 为 相 当 于 静 止 粒 子 的 费 米 波, 处 于 来 回 振 动 状 态, 是 纵 波 当 费 米 波 角 度 发 生 倾 斜 时, 斜 边 表 达 为 光 速 和 总 频 率,x 轴

155 方 向 的 分 量, 则 表 达 为 费 米 子 的 动 能 这 样 处 理 后 量 子 论 与 相 对 论 就 有 了 内 在 的 联 系 量 子 波 概 念 的 建 立 还 解 决 了 另 外 一 个 问 题, 由 于 光 波 是 横 波, 要 求 媒 质 切 变 模 量 极 大, 而 又 必 须 回 答 为 何 以 太 对 粒 子 的 运 动 丝 毫 不 影 响 的 问 题 现 在 将 费 米 子 视 为 波, 媒 质 对 自 己 的 波 当 然 也 就 无 所 谓 阻 力 问 题 了, 没 有 阻 力 也 就 无 法 使 粒 子 产 生 感 觉, 粒 子 当 然 也 就 无 法 观 察 到 ( 测 量 到 ) 承 载 着 自 身 的 媒 质 的 运 动 状 态 了 然 而 相 对 论 不 承 认 特 殊 的 参 照 系, 认 为 一 切 都 是 相 对 的 的, 这 在 狭 义 相 对 论 变 换 公 式 中 得 到 充 分 体 现 而 以 太 结 构 又 回 来 了, 能 否 与 相 对 论 的 变 换 公 式 适 配 呢? 于 是 试 着 在 两 个 相 对 的 非 特 殊 的 参 照 系 K 1 和 K 之 间, 添 加 一 个 假 设 的 与 以 太 媒 质 相 对 静 止 的 参 照 系 K 3, 完 全 按 照 相 对 论 变 换 公 式, 先 在 K 1 参 照 系 与 K 3 参 照 系 之 间 变 换, 再 将 结 果 在 K 3 与 K 之 间 变 换, 结 果 与 K1 与 K 之 间 直 接 变 换 是 一 样 的, 证 明 以 太 结 构 的 假 设 与 相 对 论 是 可 以 吻 合 的 后 来 对 电 磁 现 象 中 的 相 对 论 问 题 也 按 此 方 式 分 析, 也 得 到 了 以 太 存 在 与 相 对 论 是 相 容 的 结 论 然 后 进 一 步 探 索 相 对 论 究 竟 是 什 么, 相 对 论 与 量 子 理 论 的 关 系 等 问 题, 提 出 了 量 子 相 对 论 概 念, 思 维 就 进 了 一 大 步 在 此 期 间 为 了 使 物 理 量 尽 可 能 简 化, 提 出 了 量 子 单 位 制 概 念, 即 在 物 理 公 式 中 将 能 量 用 频 率 次 / 秒 代 替, 动 量 用 波 密 度 次 / 米 代 替, 力 用 ( 次 / 秒 )/ 米 代 替, 质 量 用 ( 次 / 秒 )/c 代 替, 使 物 理 公 式 中 只 出 现 秒 米 次 基 本 电 量 e 等 几 个 物 理 量 及 光 速 c 园 周 率 π 精 细 结 构 常 数 a 引 力 常 数 G 等 几 个 常 数 用 量 子 单 位 制 改 造 了 从 简 单 的 运 动 学 动 力 学 到 电 磁 学 量 子 波 动 学 的 公 式 定 律, 得 到 了 很 好 的 效 果 量 子 单 位 制 对 物 理 现 象 的 描 述 能 做 到 一 目 了 然, 有 利 于 揭 示 现 象 背 后 的 本 质, 对 于 初 学 者 理 解 复 杂 的 物 理 公 式 定 律 也 会 有 一 定 帮 助 量 子 单 位 制 不 仅 仅 是 解 决 了 一 个 基 本 单 位 的 选 择 问 题, 而 且 是 对 物 理 单 位 制 的 重 要 改 革 进 入 1 世 纪 以 后 试 着 研 究 量 子 的 态 变 动 和 相 互 作 用 关 系 问 题, 量 子 间 相 互 作 用 的 实 质 问 题, 量 子 实 在 的 确 定 性 与 概 率 性 问 题, 对 量 子 理 论 中 的 一 些 问 题 有 了 一 些 自 己 的 独 特 见 解 接 着 系 统 地 提 出 了 物 质 基 本 结 构 理 论 概 念, 并 研 究 了 物 质 基 本 结 构 理 论 与 量 子 理 论 的 关 系, 量 子 理 论 与 相 对 论 的 关 系, 量 子 理 论 与 宏 观 经 典 理 论 的 关 系 自 然 科 学 的 基 本 理 论 不 能 代 替 具 体 的 科 学 研 究, 但 是 既 然 提 出 了 一 个 理 论 框 架, 就 必 须 让 这 个 框 架 里 能 够 容 纳 得 下 一 些 不 可 缺 少 内 容, 如 质 子 电 子 为 什 么 存 在 质 量 ( 即 频 率 ) 定 态, 量 子 波 为 什 么 能 够 表 现 出 正 反 性 ( 即 电 的 正 负 性 ) 等 近 几 年 为 这 些 量 子 的 定 态 性 问 题 下 了 不 少 功 夫, 为 了 找 到 质 子 是 电 子 质 量 的 1836 倍 的 秘 密, 这 本 书 的 文 稿 整 理 工 作 因 此 推 迟 了 好 几 年 研 究 的 结 果 是 找 到 了 一 个 不 去 解 决 问 题 的 解 决 问 题 方 式 认 为 一 些 量 子 的 基 本 的 定 态, 如 光 速 不 变 频 率 稳 定 引 力 常 数 电 场 常 数 ( 即 真 空 电 容 率 或 者 精 细 结 构 常 数 ) 都 是 大 自 然 的 自 然 特 性, 应 当 去 认 识 它 们, 但 是 是 无 法 探 求 其 原 因 的, 因 为 这 就 是 大 自 然 的 事 实 和 基 本 哲 理, 是 我 们 研 究 问 题 的 出 发 点 至 于 费 米 子 ( 质 子 电 子 ) 的 频 率 定 态 问 题, 也 一 定 与 大 自 然 的 自 然 特 性 有 关, 是 大 自 然 掷 完 骰 子 后,( 不 是 一 个 一 个 的 小 骰 子, 而 是 宇 宙 级 的 大 骰 子 ) 形 成 的 相 对 稳 定 的 模 子, 如 果 我 们 硬 要 去 探 求 为 什 么 质 子 电 子 是 这 样 大 的, 而 不 是 别 的 数 值, 则 需 要 引 入 了 新 的 常 数, 否 则 无 论 如 何 是 无 法 在 无 中 计 算 出 有 来 的 而 这 样 的 新 的 常 数, 也 一 定 是 大 自 然 的 特 征, 因 此 假 设 存 在 频 率 纵 向 波 幅 平 方 系 数 和 频 率 旋 转 波 幅 平 方 系 数 两 个 自 然 常 数, 希 望 能 够

156 为 质 子 电 子 的 定 态 问 题 提 供 帮 助 接 着 运 用 物 质 基 本 结 构 理 论 对 复 合 量 子 问 题 核 力 问 题 核 结 构 问 题 弱 相 互 作 用 问 题, 提 出 了 一 些 新 的 解 释 方 案 研 究 过 程 中 涉 及 大 量 的 哲 学 方 面 的 问 题, 开 始 时 只 是 希 望 物 质 基 本 结 构 理 论 的 研 究 能 够 不 违 背 重 大 的 哲 学 原 则 一 段 时 间 后, 感 到 物 质 基 本 结 构 理 论 的 建 立, 可 以 引 发 出 哲 学 中 一 些 基 本 观 念 的 新 思 维, 主 要 是 用 既 具 体 又 一 般 的 物 质 基 本 结 构 形 式 定 义 物 质 本 原 的 观 点, 以 及 将 辩 证 性 视 为 物 质 实 在 的 特 征 的 观 点 于 是 试 着 在 辩 证 唯 物 论 的 观 点 下 提 出 了 辩 论 物 质 实 在 论, 对 辩 证 唯 物 论 中 的 某 些 问 题 作 了 一 些 有 益 的 探 索 将 这 些 思 维 整 理 成 现 在 的 文 字, 目 的 是 希 望 抛 砖 引 玉, 促 进 创 新 思 维 物 质 世 界 是 丰 富 多 彩 的, 物 理 学 理 论 和 其 他 任 何 科 学 理 论 一 样 是 永 远 没 有 止 境 的, 这 些 学 问 的 深 度 没 有 止 境, 广 度 也 没 有 止 境 物 质 基 本 结 构 理 论 研 究 的 仅 仅 是 物 理 学 的 基 础 知 识, 基 础 知 识 只 是 入 门 而 已, 就 像 简 单 的 生 物 遗 传 性 状 配 对 研 究, 发 展 到 高 深 的 基 因 工 程 研 究 一 样, 简 单 的 东 西 相 对 于 高 深 的 学 问 来 说 是 非 常 粗 浅 的, 但 是 将 它 研 究 透 彻 也 许 是 有 益 的 笔 者 在 研 究 物 质 基 本 结 构 理 论 时, 不 回 避 任 何 与 理 论 研 究 有 关 的 科 学 实 验, 承 认 被 多 种 方 式 证 实 的 实 验 结 果, 这 是 研 究 工 作 的 实 践 基 础 在 研 究 物 质 基 本 结 构 理 论 时, 全 面 地 学 习 研 究 各 派 学 者 的 观 点, 吸 收 大 部 分 相 关 的 研 究 成 果, 尤 其 是 与 实 验 相 符 的 公 式 定 律, 这 是 研 究 工 作 的 理 论 基 础 在 确 实 需 要 提 出 不 同 观 点 时 要 反 复 论 证 反 复 比 较, 力 求 新 的 观 点 必 须 符 合 逻 辑, 必 须 能 解 释 现 有 的 实 验 事 实 笔 者 期 望 物 质 基 本 结 构 理 论, 作 为 一 种 新 的 思 维 能 够 取 得 成 功, 但 是 无 论 成 功 与 否, 提 出 一 些 前 人 没 有 提 出 的 问 题 和 解 决 方 案, 开 拓 一 条 前 人 没 有 走 过 的 路 应 当 是 有 益 的 然 而 既 然 提 出 了 很 多 前 人 未 提 出 过 的 观 点, 总 会 有 一 些 与 传 统 理 论 的 不 同 意 见, 其 中 肯 定 会 出 现 不 足 之 处, 希 望 得 到 专 家 学 者 和 广 大 读 者 的 批 评 指 正 参 考 书 目 1. 殷 鹏 程. 基 本 粒 子 探 索. 上 海 : 上 海 科 学 技 术 出 版 社, 卢 鹤 绂. 高 能 粒 子 物 理 学 漫 谈. 上 海 : 上 海 科 学 技 术 出 版 社, 倪 光 炯 李 洪 芳. 近 代 物 理. 上 海 : 上 海 科 学 技 术 出 版 社, 郭 奕 玲 沈 慧 君. 物 理 学 史. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社, 王 正 行. 近 代 物 理 学. 北 京 : 北 京 大 学 出 版 社, 刘 克 哲. 物 理 学. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社, 霍 炳 海 贾 洛 武 曹 文 斗. 大 学 物 理 概 论. 天 津 大 学 出 版 社, 赵 凯 华. 光 学. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社, 赵 凯 华 陈 熙 谋. 电 磁 学. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社 梁 丽 芬 蒋 平. 大 学 物 理 简 明 教 程. 上 海 : 复 旦 大 学 出 版 社, 周 一 平 唐 英 蔡 建 国 罗 益 民. 实 用 大 学 物 理 手 册. 长 沙 : 湖 南 科 学 技 术 出 版 社, 张 三 慧. 大 学 物 理 学 ( 第 五 册 ) 量 子 物 理. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社, 赵 凯 华 罗 蔚 茵. 量 子 物 理. 北 京 : 高 等 教 育 出 版 社, 高 山. 量 子. 北 京 : 清 华 大 学 出 版 社, 杨 桂 林 江 兴 方 柯 善 哲. 近 代 物 理. 北 京 : 科 学 出 版 社,004.

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