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现代科学史上几个吸引眼球、十分敏感的科学问题

【编者按】惊闻国家自然科学一等奖自2000年以来的12年间就有8年空缺,而诺贝尔科学奖更是一百多年无望,特奉献本文。由中国学者揭示的“第三种波粒二象性”已经在美国发表,二次获中国的省、部级奖励,还能够把已经颁发过四次诺贝尔物理学奖的“光的波粒二象性”、“实物粒子的波粒二象性”与“第三种波粒二象性”统一起来,弄得好有可能再获诺贝尔物理学奖(其科研总结见《科学史上一份最简、最牛的科研总结》,已经引起多家科技体、甚至中国顶级媒体的关注)。得到实验验证后,获国家自然科学一等奖应该是没有问题的,甚至连那个验证“第三种波粒二象性”的实验也可能获奖。希望大家多出主意、多想办法,促成这一成果的早日到来!

摘要:基于对现代物理学发展脉络的研究而提出了几个吸引眼球、非常敏感的科学问题:①一个风光无限、阅尽人间春色、占据统治地位且已经写进教科书中、流行了80多年的主流理论(光的量子理论能够包含光的经典电磁理论)现在却居然找不到一个过硬的实验证据;第一种波粒二象性(光的波粒二象性)由爱因斯坦1905年揭示、密立根1916年验证,分别获19211923年度诺贝尔物理学奖,第二种波粒二象性(实物粒子的波粒二象性)由德布罗意1923年揭示、戴维孙和小汤姆孙1927年验证,分别获19291937年度诺贝尔物理学奖,现在又揭示出“第三种波粒二象性”并且实现了“三种波粒二象性的和谐统一”,其科学前景与价值该如何评价?能不能获诺贝尔物理奖?③由“三种波粒二象性的和谐统一”理论可以做出三大预言,现在有两个半预言已经得到了验证,那么,“π型三重波粒二象性”是否可以由一个“科学假说”而转化为“科学理论”?前三个问题的核心都涉及“光的量子理论能否包含光的经典电磁理论”的实验判决,而利用伽利略推翻亚里士多德“物体越重下落速度越快”的逻辑反驳——归谬法,早就可以从逻辑上宣判“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”的死刑。以上所述四个问题都可以归结为一个问题——“第三种波粒二象性”的验证问题,它的实验与逻辑证明前景一片光明,取得最后的胜利只是一个时间问题。所以,“第三种波粒二象性”就是现代物理学不可逆转的潮流,我们要当促进派。

 

关键词:科学史;现代物理学;敏感问题;第三种波粒二象性;实验验证;科学潮流;促进派

 

随着现代物理学向纵深发展,其发展速度已明显减慢。有人提出“物理学的前锋受阻”,甚至有人还出版了《科学的终结》[1]。鉴于现代科学史上的一场豪赌已基本揭晓——费时20年、耗资70亿英镑建造的大型强子对撞机3年来的运转未能找到希格斯粒子,再加上超光速中微子的报道[2],似乎印证了“物理学的前锋受阻(尽管'科学还没有终结’)”。如此,对现代物理学的发展脉络进行一番回顾与梳理就很有必要。或许,我们会有意外的收获。

一、惊人的发现——写进教科书的主流理论却找不到一个过硬的实验证据

物理学终究是一门实验科学,任何严谨的数学推理结果、甚至激动人心的理论发现,都必须接受实验的检验。自费米1930年在美国密歇根大学夏季理论物理研讨会上提出[3]“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”,后经诸多学者推进和发展,这一观点现已成为物理学的“金科玉律”并写进了一些基础物理学的教科书中[4]。根据光的量子理论而导出麦克斯韦方程,并据此而告知“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”早已屡见不鲜。可就是这样“一个风光无限、阅尽人间春色、占据统治地位且已经写进教科书中、流行了80多年的主流理论”现在却居然找不到一个过硬的实验证据,就是那些著书立说、力挺该理论的学术权威,现在也不能给出一个像样的实验证据[5]

这在科学史上是非常罕见的,甚至是现代科学的奇耻大辱。即使是1956年被李政道、杨振宁挑战的“宇称守恒定律”,当年也能找到诸多的实验证据,在光谱学、原子物理、核物理等诸多实验中已经被反复验证过,并非一个实验证据也找不到。可“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”,或者说“经典条件下光的量子理论比光的经典电磁理论更为精确”的实验证据,现在确实一个也找不到[5]。如果说,存在大量实验证据的“宇称守恒定律”最终都能被李政道和杨振宁所推翻,那么,一个实验证据也找不到的物理学“金科玉律”——“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”充其量也不过是一个“科学假说”,根本就不能成为“科学理论”!这段物理学史会不会被改写?中国科学界如何把握这样一个难得的机遇?我们拭目以待……

也就在这个节骨眼上,中国学者把狄拉克1927年所做“经典电磁场按模式分解”进一步推广到“按光子对应分解”并揭示了“第三种波粒二象性”[6-8]

二、“第三种波粒二象性”的揭示与验证能不能获诺贝尔物理学奖?

第一种波粒二象性(光的波粒二象性)由爱因斯坦1905年揭示、密立根1916年用实验验证,分别获19211923年度诺贝尔物理学奖;第二种波粒二象性(实物粒子的波粒二象性)由德布罗意1923年揭示、戴维孙和小汤姆孙1927年用实验验证,分别获19291937年度诺贝尔物理学奖。尽管如此,爱因斯坦19511212致老朋友贝索的信中还是写道:“整整五十年的自觉思考没有使我更接近于解答'光量子是什么’这个问题。的确,现在每一个不老实的人都相信,他懂得它,可是他在欺骗他自己。”德布罗意一辈子也是对他所揭示的“波粒二象性”中“波”与“粒子”之间的关系耿耿于怀。可见,对于前两种波粒二象性,尽管已经颁发了四次诺贝尔物理学奖,但仍然留下了不少问题。而“波粒二象性”又是量子物理、现代光学乃至粒子物理中的核心问题,必须加以澄清。

 

1994年,中国学者基于“经典电磁场按光子对应分解”而揭示了“第三种波粒二象性[7,8]。它的精妙之处就是在“经典电磁场”与“量子电磁场”之间建立起了一种“基本单元”(“电磁基波”与“光子”)的对应关系,从而使得“第三种波粒二象性”可以与爱因斯坦、德布罗意分别揭示的前两种波粒二象性前后呼应、实现“三种波粒二象性”完美而又和谐的统一,构建起美妙的“π型三重波粒二象性”(如图)。如果能够得到实验的验证,无疑是“波粒二象性”研究中的一项重要进展[9]。需要特别指出的是:“三种波粒二象性的和谐统一”要求粒子完全平等,“光的量子理论”与“光的经典电磁理论”是两个独立、平行的理论,光的量子理论不能包含光的经典电磁理论!这与前面的第一个问题遥相呼应,恰如自然界在幕后导演的一出双簧。

三、“第三种波粒二象性”由一个“科学假说”而转化成为了“科学理论”吗?

按照现在流行的标准,一个“科学假说”可以通过三种途径之一而转化为“科学理论”,它们是:①“科学假说”被越来越多的实验事实所证实、②由“科学假说”所做出的预言被验证、③“科学假说”被判决性实验所证实。鉴于爱因斯坦的广义相对论也只有三个预言(水星近日点的进动、光线的引力偏折、光谱线的引力红移)被验证就奠定了它在科学界的坚实基础,我们也可以像爱因斯坦那样,根据“第三种波粒二象性”以及“三种波粒二象性的和谐统一”理[5,6](已应邀到美国两次报告过工作)而做出三大预言(或者推论):①由经典理论而不需要任何量子假设就可以直接导出光能量的量子化(已被中国学者佘卫龙所证实[10,11]);②由经典理论而不需要任何量子假设就可以直接导出普朗克的黑体辐射公式(已被英国学者Marshall所证实[12]);③粒子完全平等,光的量子理论光的经典电磁理论是两个独立、平行的理论,光的量子理论不能包含光的经典电磁理论(它直接挑战“占据统治地位、写进教科书中且已经流行了80多年的主流理论——光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”。可令人遗憾的是:该主流理论就是那么的不争气,80多年来居然找不到一个过硬的实验证据。也就是说,近80年来还不能给出一个否定“π型三重波粒二象性”的实验证据,而只要给出一个正面的判决实验(已经设计好)结果就可以大功告成[5])。现在,这三个预言已经有两个半被验证,所以,“第三种波粒二象性”与“π型三重波粒二象性似乎已经由一个科学假说而转化成为一个科学理论。如果最后一个判决性实验[13,14]能够给出肯定性结果,那就更加不容置疑!

四、“光的量子理论能否包含光的经典电磁理论”的实验判决及其结果预测

由于前面三个问题都涉及“光的量子理论能否包含光的经典电磁理论”,或者“经典条件下光的量子理论与光的经典电磁理论究竟哪一个更为精确”的实验判决,因此,设计、实施一个判决性实验(包括对该判决性实验进行可行性分析与前景预测)就成为我们需要解决的关键问题。

现在可以高兴地告诉大家,“经典条件下光的量子理论与光的经典电磁理论究竟哪一个更为精确的判决性实验”早就设计好了,而且已经用中、英文公开发表[5,6,13,14]对于该“判决性实验”的可行性、科学前景以及预期结果,学术界也进行了一些分析。由于“经典条件下光的量子理论比光的经典电磁理论更为精确的实验证据”近80年来一个也没有找到(要是找到了这样的实验证据,早就大肆渲染、去报大奖了),所以,我们推测“这样的实验证据不是找不到,而是根本就不存在”——利用伽利略推翻亚里士多德“物体越重下落速度越快”的反驳方法——归谬法,我们早就可以从逻辑上宣判“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”的死刑。因为,从逻辑上讲,如果“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”,那么,我们就可以用光的量子理论一统天下而消灭光的经典电磁理论,如此,在我们面前所呈现的就是(光的量子理论所描述的)一幅光子的世界而根本找不到电磁波的栖身之地,然而,电磁波作为一种真实存在的物质又不可能被消灭,必须有存在的场所和描述它的理论。所以,光的量子理论不可能包含光的经典电磁理论。

如此说来,实施那个判决性实验只不过是一种形式,走走过场而已,是做给那些不相信的人看的,就像伽利略当年在比萨斜塔上同时抛出两个铁球一样!其判决实验的结果一定是“光的量子理论不能包含光的经典电磁理论”。由此看来,“第三种波粒二象性”与“三种波粒二象性的和谐统一”理论一定会取得最后的胜利!至于“它什么时候胜利、什么时候被大家所公认”只不过是一个时间问题。

五、结果与讨论

揭示“第三种波粒二象性”、理顺“三种波粒二象性”之间的“π型结构关系”并统一这“三种波粒二象性”、构建起美妙的“π型三重波粒二象性”,是现代物理学中的一件庞杂而敏感的事情。其发展前景看好,我们应该积极组织、努力攻关,组织一批科学家集体破解现代科学的四大疑难(波粒二象性之谜、光的本性之谜、粒子与场的关系之谜、物质世界的最基本结构单元之谜)、验证“第三种波粒二象性”与“三种波粒二象性的和谐统一”,进而实现实物与场(或者粒子与波)的统一、促成物理学的第六次大综合。

最后,我们强调,完成“经典条件下光的量子理论与光的经典电磁理论究竟哪一个更为精确”的实验判决是最为关键的一步。尽管其判决实验结果我们早就有所预期,但只有给出铁的、可以重复的判决实验证据,才能让反对者心服口服。

历史上不少开创性工作是在相应思想或者思潮影响下被慢慢推进并取得最后胜利的。希望本文也能尽到一点绵薄之力。

参考文献

[1] []约翰·霍根 著, 孙雍君 译. 科学的终结. 呼和浩特: 远方出版社 1997

[2] T. Adam, N. Agafonona, A. Aleksandrov, et al. Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam. http://arxiv.org/abs/1109.4897, arXiv:1109.4897(2011)

[3] Fermi E. Quantum theory of radiation. Rev Mod Phys, 1932, 4: 87~132

[4] 郭光灿, 庄象萱. 光学. 北京: 高等教育出版社, 1997, 540, 489, 21, 4, 2

[5] Y. Gan. Can the quantum theory of light contain the classical electromagnetic theory of light? Proc. of SPIE, 2009, 7421: 74210U. Chandrasekhar Roychoudhuri, Al F. Kracklauer, Andrei Yu. Khrennikov. The Nature of Light: What are Photons? III

[6] Y. Gan, W. Wang. A self-consistent picture of wave-particle duality of light. Proc. of SPIE, 2007, 6664: 666407. Chandrasekhar Roychoudhuri, Al F. Kracklauer, Katherine Creath. The Nature of Light: What are Photons?

[7] 甘永超,吴美钧. 论电磁场的自身量子化. 荆州师专(现长江大学)学报(自然科学版), 1994, 17(5): 37~39

[8] 甘永超, 章介伦. 沈文达等. 辐射场的内禀结构研究. 光子学报, 1995, 24(5): 472~475

[9] 许声毓. 中国机遇:第三种波粒二象性的揭示. 中国科技财富, 2010, 9(): 52~54

[10] W. L. She. Light quantum from classical electromagnetic theory. Proc. of SPIE, 2007, 6664: 66640A. Chandrasekhar Roychoudhuri, Al F. Kracklauer, Katherine Creath. The Nature of Light: What are Photons?

[11] W. L. She. Quantization of light energy directly from classical electromagnetic theory in vacuum. Chinese Physics, 2005, 14(12): 2514-2521.

[12] T. W. Marshall. Brownian motion of a mirror. Phys. Rev. D, 1981, 24(6): 1509~1515.

[13] 甘永超, 胡战, 周刚. Lorentz-Compton佯谬与一个双赢判决性散射实验设计. 光散射学报, 2006, 18(1): 75~79

[14] 甘永超. 波粒二象性研究中的历史学与方法论思考. 湖北大学学报(哲学社会科学版), 2002, 29(3): 90~95;科学技术哲学(中国人民大学复印报刊资料)B2, 2002, (9): 32~37

 

十篇原始文献及相关媒体报道链接http://blog.tech110.net/?uid-1126-action-viewspace-itemid-62317


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