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物理理论中的一些方法论

一.  量子力学创建过程中部分物理学家的方法论。

1. 爱因斯坦曾说:从系统的认识论看,科学家不过是一种肆无忌惮的机会主义者:当他描述独立于感觉的世界时,他是实在论者;当他认为概念和理论是人类的自由发明时,他是唯心论者;当他认为概念和理论只有为感觉到的经验关系提供逻辑表示才算合理时,他是实证论者。

2.  海森堡在1927年的一篇论文中说:“如果谁想要阐明一个物体的位置(例如一个电子的位置)这个短语的意义,那么他就要描述一个能够测量电子位置的实验,否则这个短语就根本没有意义(这就是物理理论的实证精神)。” 1926年,海森堡和爱因斯坦讨论可不可以考虑电子轨道时,爱因斯坦曾质问海森堡:“难道说你是认真相信只有可观察量才应当进入物理理论吗?”对此海森堡答复说:“你处理相对论不正是这样的吗?你曾强调过绝对时间是不许可的,仅仅是因为绝对时间是不能被观察的。”爱因斯坦承认这一点,但又说:“一个人把实际观察到的东西记在心里,会有启发帮助的......在原则上试图单靠可观察量来建立理论,那是完全错误的。实际上恰恰相反,是理论决定我们能观察到的东西.......只有理论,即只有关于自然规律的知识,才能使我们从感觉印象推论出基本现象。”  海森堡的测不准原理是指:一个微观粒子的共轭量(如位置和动量,方位角和动量矩,还有时间和能量等)中的物理量,不可能同时具有确定的数值。例如,一个电子只能以一定的不确定性处于某一位置,同时也只能以一定的不确定性具有某一速度。电子的位置的误差越小,则动量的误差越大。一对共轭量误差的乘积必须大于常数h/2π,它反映了微观粒子运动的基本规律——以共轭量为自变量的概率幅函数构成傅里叶变换对。古希腊时期,数学家芝诺四个著名的有关运动的悖论,其中有一个是飞矢不动的悖论:由于射出去的箭在任一瞬间是静止的,而时间是由瞬间组成的,所以射出去的箭是不动的。飞着的箭在任何瞬间处于静止与运动叠加态。这就涉及到时间与运动是否可连续无穷分割的问题。而量子力学的测不准原理,也可以算是对飞矢不动悖论的解悖,即时间与位置及速度并非可以无限细分,总有一个区间(误差)。这里面又涉及到箭即动又静的叠加态。可以认为,量子微观态的一些特性和宏观态的物体是有类似和相通之处的。对物理量时间、长度,运动的连续无穷分割,人类的能力不但达不到,同时会使得一些物理量从逻辑上(思想实验)变得无法精准测量。在量子物理理论中,也规定了最小的时间普朗克时间和最小的长度普朗克长度。

3.  工业革命开始后,人们的科学技术有了大的发展,制造了大量的机械设备及光学仪器,进入20世纪后,电子设备有了长足的发展。人类借助这些仪器设备实现了前人不能实现的精密测量及对微观结构的观察。但所有的电工电子学仪器,不过就是以某种方式输出电流和电压而已。微观的量子实验,许多时候运用的还是统计学物理方法。因为我们用电子学仪器去测量量子的时,仪器内千百万个量子参与进去,才能最终出来电子仪器的数据或波形、图谱。许多时候,不过是语言的描述,思维的实验,数学公式的推导,加上一些采用统计学物理方法的实验,来解释一些感性的物理现象,形成一套自洽的理论罢了。玻尔曾说:如果谁没有被量子力学搞得头晕,那他一定是不理解量子力学。

4 现在的物理理论自洽吗?答案是否定的。量子力学,还导致了一个真空的严重悖论。谈到真空,量子力学中讲:真空不空,量子涨落(不断有正负量子对诞生和湮灭),这有点令人疑惑:难道空气中就不能有量子涨落吗?半真空状态就不能产生量子涨落吗?在圣经中,上帝创世第一个想到的就是要有光。可见光对于我们人类来说太重要了,基本可以说可以被世间万物吸收,在适当的物理化学反应中又可以诞生出来。有人说真空零点能能量密度极高,可能就是暗能量。如果真空零点能存在和能利用,那么能量守恒定律还能存在吗? 

机械波和电磁波。

1. 能量是物质的时空分布可能变化程度的度量,用来表征物理系统做功的本领。它是物理学中描写一个系统或一个过程的物理量。能量的本质是物理意义上四维空间(长宽高加时间)度量的一个物理量,即它含有明确的时间或隐性的时间,即能量是一段时间内做功的累加或需要一个过程才能体现出来。

水波是许多水分子在外界能量干扰下的一个传递能量的运动过程,声波是外界能量干扰下许多空气分子的传递能量的运动过程,水波,声波是一种形而上学的总结,宏观的波在微观上是群粒之舞,是对外界能量的传递,随着传递过程中能量的消耗,波会逐步衰减,并最终湮灭。

2. 人类用于通讯及视听的电子产品(收音机、电视、智能手机)发射信号时,都要借助天线——交变的电场通过天线产生电磁波,接受信号时电磁波通过天线激发出交变的电场,在导体中产生交变的电流。很明显,电磁波是在传递能量,电磁波(包括可见光)在空气中传递时会衰减,最后会被吸收和湮灭。

3. 电子有磁矩,它们在磁场中运动会受到洛伦茨力发生偏转。高速运动的电子在外加磁场的作用下偏转时会辐射出光子(同步辐射),光子是一种电磁波,从能量角度光子是电磁能,可以认为光子可以成为电子电场能的一部分,电磁能也是有惯性的,自然光子就有动量。高速电子的同步辐射,恰恰似乎在证明了电子携带的电磁能具有惯性,在电子方向的快速变化中被甩了出来。

人类无法借助光学仪器直接观察到电子绕原子核的旋转,原子模型的构建是参考了太阳系的构造。在原子钟中,人类利用氢、铯、铷等原子的超精细跃迁的频率来校准振荡场的频率,利用高频振荡来实现准确和精细的计时功能。光的频率的测量:光的频率比铯原子的基准频率高4个数量级左右,它们之间很难进行比较。先要将铯原子的基准频率逐级倍频到红外和可见光区,然后通过差频计数的方法求得光的频率。

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