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量子物理错在哪里?(一)

       一、量子力学的的由来

   量子力学是学习现代物理的第一道门坎,难教、难学、难理解。每个进入物理专业的学生都要历经量子力学的洗脑,达到波是粒子、粒子也是波的波粒二象性境界。要达到这样的境界,就要淡化逻辑、搁置理性。早在几十年前,勤于思考的北京大学物理系的学生就发出了呐喊:“量子力学不讲理,量子力学是从天上掉下来的!”

   宏观世界的实物不可能同时既是粒子又是波,为什么到了微观世界就要换一套思维、换一个逻辑?一个世纪的量子力学的诠释史,几乎就集中在认识波粒之魔的“本来面目”上,大师们费尽了脑筋,对学习经典物理一路走来的学生更是一个痛苦的过程。人们为什么要冷淡逻辑和理性的经典物理,而去研发复杂深奥的量子力学?我们先来看看量子物理的来历。

   100年前,物理学开始向微观世界深入探讨,探究者们作出了黑体辐射频率与辐射量之间关系的实验曲线(图一,A实验装置,B实验曲线)。其中著名学者普朗克所写出的数学表达式与实验曲线拟合得相当好,但是,普朗克的公式中,代表能量的数值不能是连续的,而必须是某个最小值的整数倍,这个最小值就是普朗克常量。

   普朗克常量表达了微观世界的实在,它揭示了在微观世界,能量是不连续的,辐射能量也不能是无限小,它必须是普朗克常量的整数倍!自从经典物理建立以来,学者们在宏观世界习惯了连续无级量变的思想方法,面对黑体辐射出现的量的不连续,陷入了深深的困惑。这给在宏观世界的常规思维带来了冲击,也把科学带入到了量子时代。

 

          A      图一           B

   接下来,物理学界相继做出了光电效应、康普顿效应、汤姆孙实验等等当时经典物理难以解释的实验。爱因斯坦提出:在光电效应实验中,光象个胡桃(粒子)“敲打”出了电子(于是就有了“光子”之说)。在汤姆孙实验实中,射出的电子在靶上形成了明显的同心圆——衍射环,衍射是波的鲜明特征,那么电子就应该是波,而落在靶上时它又象是粒子,种种实验,波、粒混杂的事实频繁出现。

   尽管这些实验效应令人困惑,却是自然的真实、必须认真面对,于是学界把波、粒统称为量子,并提出假说:微观世界的量子具有波、粒二象性,导致了二象性理论的建立,促成了量子力学的建立和发展,也带来物理学的诸多茫然。

   量子力学形成于20世纪20年代,针对经典物理的困惑,多位物理大师提出了新的猜想和假说,历经了激烈的思想的碰撞。与此同时又不断地有新的实验出现,给一些新假说提供了有力的支持。于是,在多位泰斗的假说堆砌、相互印证之下,量子力学应运而生。

  经大师们的后续补充,量子物理兴隆了80年,有实验、有理论、有公式、有习题,自成体系。其间良莠交织、鱼龙混杂。二象性的理论虽然牵强难懂,暗藏不确定的危机,但泰斗之名如雷贯耳,其气势如虹,不容置疑。

   需要说明的是:量子物理中,核外电子的跃迁辐射是有级的,玻尔先生的氢原子假说是符合实在的;量子物理揭示了微观世界自然物质的一种基本特性——分立性或非连续性,理当予以肯定。泡利先生提出的不相容理论,经历了实践的检验,是应当遵循的原理。

正因为量子力学有这些对的成分,对的部分有实验、有事实,铮铮如铁。而错谬暗藏其间,因而有很大的蒙蔽性。

   因为夹杂谬误底气不足,量子力学没有科学应有的逻辑、理性;没有精确、严谨的因果关系。公式复杂、结果又不准确,总有一只不知死活的猫藏身其中。(物理泰斗薛定谔为解释波、粒的不确定性所提出的著名的思想实验:在装有剧毒物品的铁箱内有一只猫,猫的死活是不确定的,用以解释物质是波、是粒子也是不确定的。因为有这种不确定性,有人戏称原子中存在着幽灵。)

   有几个版本的《量子力学》第一章,为了陈述本学科存在的前提和必要性,一般都要列举经典物理的五大困惑,这五大困惑实际上是包括上述实验在内的五大实验,实验事实是不容置疑的。面对这些问题,经典物理无能为力、陷入困境,所以要抛弃经典另立量子力学。

   需要指出的是,量子物理除了在“量”的思想方法上有所建树外,仍然延续着电子云、自由电子这些物理源头的疏误,并没有清楚地解释五大实验中的问题,只是用波、粒混淆的二象性这深层的迷茫替换经典物理直观的困惑、用臆想的物质波偷换电子运动所伴生的波;量子力学的数学基础——波函数不具备物理模型,对物理实在的描述是不完备的,多了些复杂而又不准确的计算,走了一条更弯的弯路。


 

           二、几十亿人见证的实验

   早在1820年,奥斯特发现了直流电对导线外小磁针的作用,180多年来,这个实验就一直占据着我们的物理课堂,凡上过中学的人都观察到或亲手做过这个实验,这是个几十亿人见证的实验。

   该实验显示:只要直流电导通,电珠发光,导线的周围立刻会产生磁场,导线附近的小磁针立即偏转,杂乱无章的铁粉在导线周围形成了规则的同心圆;用右手定测能测定电流方向与磁场之间的确定的关系。断开,小磁针立即复原,人人都知道实验结论:电流(电子的直流)会产生磁场。

见图二。

      

                                        图二

    物理学是一门揭示自然规律的科学,是一门仰赖于实验的科学。奥斯特实验是一个非常明显的宏观的电、磁现象,其微观机理是什么?应当引起深思。其实,奥斯特实验就是最早的波粒二象同时显现的实验,实验中,导线内定向流动的电子是粒子(每个电子有稳定的质量、电荷,电子的粒子性不容置疑)。在通电后,杂乱的铁粉立即形成环绕导线规则的同心圆,同心圆是衍射的表象、是波的明显特征。这个早在180年前的实验,就有了波、粒二象的同时呈现。

   面对磁针偏转,流传的理论是:电流产生磁场。电流为什么能产生磁场?场是波的集合,波是场的本源,磁场发生的微观效应是什么?实验中,电子只能在导线内定向移动;波的集合(同心圆)在导线周围显现,导线内的粒子(电子)与导线外的波泾渭分明,虽然波、粒同时呈现,但粒子是粒子,波是波,不存在所谓的粒子是波的二象性。实验显示:电流导通磁场产生;电流反向磁场反向,二者相依相伴。导线周围的磁场总是伴随着电流的导通而随即发生——伴生。

   电流伴生着磁场,是自然事实,同心圆的呈现,是自然规则的显示和阐述。电流是大量电子的同向流动,形成(伴生)的是宏观的磁场;那么,微观、少量(乃至单个的)电子运动所伴生的是电磁波,大自然在奥斯特实验中提示着我们:——电子的运动伴生着电磁波。

   尽管电子的运动伴生电磁波的微观机理尚待我们探索;但电子的运动伴生着电磁波的自然事实我们必须承认并真诚面对。

   粒子和波是不同的概念,电子不可能二者都是,也不会都不是,然而这样的伴生则是自然事实,而且经常发生,事物运动时周围伴生着其信息是大自然的普遍现象:走路伴生着脚步声、飞机伴生着轰鸣、船行伴生着波浪;温血动物体外伴生着红外线、并伴生气味标识势力范围、昆虫伴生着信息素、植物的花果飘香……人们用钳形电流表测量的是电磁的感应,得到的是电子的流量。

   一百年来,人们相继作出:光电效应、约恩孙实验、汤姆孙实验等多种波、粒同时呈现的实验,波的照射发生了粒子效应;粒子具有波的特征。由于忽视奥斯特实验、忽视伴生这个自然的普遍现象,忽视了电子的运动伴生着电磁波,探索者在波、粒的问题上纠缠、琢磨,先是在“是粒子还是波”中刻意选择,厘之不清,然后就提出了“既是粒子又是波”,把波粒混为一体,使量子物理陷入波、粒悖论的泥沼。

  电子是波与电子运动伴生着波是不同的概念,(人走路伴生着脚步声能不能说人就是脚步声?)波是连续延伸扩散的;粒子是单个独立的,既是波又是粒子的提法是与逻辑相悖的,既是又是构成了量子力学不讲理的起端。而今,用电子运动伴生电磁波的理念来领悟会上述种种实验。会有非常恰适的阐释,因为实验本身就是电子的运动伴生着电磁波的自然事实的表现。

 

参考文献:

 

晏成和: 《物理新视点》 湖北人民出版社  2006、10、

李学生: 《量子力学基础的思考》          2006、

曾谨言:  《量子力学》第一册,第二版,科学出版社,1998 。

吴锡珑   《大学物理教程 》第三册 第二版高等教育出版社,1999、 

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