《今日中国》2018年3月聚焦全国两会特刊科技栏目刊登宇宙研究网吴东敏的文章

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《今日中国》2018年3月聚焦全国两会特刊科技栏目刊登宇宙研究网吴东敏的文章:

电子与正电子的内部结构——暗物质之谜

见《今日中国》第42—44页


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宇宙研究网恭贺1592位新老订阅者注册会员2018年犬年大吉!身体健康!阖家幸福!2018,02,06


电子与正电子的内部结构 暗物质之谜

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电子与正电子的内部结构        暗物质之谜

                             宇宙研究网  吴东敏

人类科学的发展进入到20世纪,终于发现原子的核式结构。由质子与中子组成的原子核,与核外宽敞的空间中高速运动的电子共同构成了原子世界。初步探明了质子中子电子的半径尺度,质量,电荷。有数据表明,质子的半径为1.1128×10-15米,质量为1.6726×10-27公斤;中子的半径为1.1133×10-15米,质量为1.6749×10-27公斤;电子的半径为9.0873×10-17米,质量为9.1095×10-31公斤。经计算,质子中子电子具有相同的密度为0.2898×1018公斤/立方米,即2.898×108/立方厘米,约等于每立方厘米2.9亿吨的质量。然而,质子中子电子仍然不是不可再分的基本粒子,许多的实验观测说明电子与正电子存在于质子中子内部,它是比所谓的“夸克”更小的基本粒子。把电子束加速到数千万电子伏特的能量与靶标物质发生作用(打靶),分离出正电子束,再把它导入到储存环与高能电子束对撞。从定量分析结果表明,一对正负电子湮灭产生两个伽马光子。电子正电子皆由更小的难以观测到的暗物质粒子所构成还是正负电子湮灭化成能量,提到了科学工作者的研究视野之中。

本人认为,物质化为能量是一种唯心主义的设想,理由是它不能阐述物质化为能量的具体机制和令人信服的具体理由。而本人坚持信奉“物质不灭定律”,从2005年开始,从理论上研究电子与正电子的内部和外部结构,建立了“二粒三构”的理论学说。

电子内部由许许多多质量非常小的基本粒子构成,它携带负电,我称它为D粒子。许许多多携带负电的D粒子之间必须有更加小的携带正电的中介粒子把它们粘合在一起,我把这更小的粒子命名为M粒子。由D粒子与M粒子的不同组合,构成了电子与正电子的内部结构模型。进一步的研究中,光的本性是许许多多一大批D粒子处于辐射状态时表现出来的现象;而M粒子构成的无边无际的空间泡沫结构,它具有平均密度非常低,弹性非常小刚性特别大,结构非常脆弱的特性,是光传播的媒质。所以我在2011年首次发行的《宇宙的真谛》一书里,把D粒子变更为“光粒子”,把M粒子变更为“以太粒子”。这是对科学发展历史的尊重,对400年前近代科学始祖笛卡尔和伟大的物理学家爱因斯坦的敬仰,因为DM是本人名字的第一个字母。不能把吞天之功归于己有。

光粒子并不发光,属暗物质粒子。量子物理始祖德国物理学家普朗克公式E=hν和爱因斯坦公式E=mc2,经过了100多年的考验,获得科学界的共同认可,从这两条公式,很容易计算出光粒子的质量为7.373×10-51公斤,电子质量是光粒子质量的1.235×1020倍,相当于12350亿亿倍。伽马光子的频率在1018-1022之间,证明理论计算与实验观测相符合。一个电子解体释放出12350亿亿个光粒子,库伦斥力以巨大的荷质比(1.7587×1011库伦/公斤)驱使光粒子以约每秒30万公里的速度飞行,输出动能。原子弹氢弹威力的本质是其中的核燃料中有部分电子正电子解体,大批光粒子之间形成巨大的库伦斥力,破开弹壁形成急剧的体积膨胀而释放能量(动能)。光粒子的密度与电子相同,也是2.898亿吨/立方厘米,可以计算出光粒子的半径为1.8245×10-23米,光粒子的体积为2.5438×10-68立方米;计算出光粒子的电量为-1.2966×10-39库仑。

以太粒子是更小的暗物质粒子,半径尺度在光粒子尺度的1%0.1%范围内,其形成的结构与现实世界比较相符,我选择0.4% ;如果光粒子是直径1米的钢球,而以太粒子就如4毫米的钢珠。同理,可以计算出以太粒子的半径为0.7298×10-25米,体积为1.6282×10-75立方米,质量为4.718×10-58公斤,密度2.898×108/立方厘米。以太粒子携带非常小的正电荷,荷质比很小,不自旋。两个以太粒子接触时,其万有引力略大于其库仑斥力。光粒子的质量是以太粒子质量的1.5627×107倍。

没有处于辐射状态的光粒子,在自由空间中会吸附以太粒子,形成比较稳定的光子以太粒子球。主要有三类:中微子,正微子,负微子;它们属于电磁以太物质;它们是构成磁场的物质,但它们本身不具有磁性;它们的有序运动(转动或者平动)形成“磁性”;它们的无序振动形成“热”,振动频率与振幅越大,表现出来的温度越高。这三类电磁以太物质都属于暗物质。

电子因荷质比最大而高速自旋,外表吸附了大量的以太物质主要有中微子正微子,形成“电子旋涡”。同步辐射光源与自由电子激光光源是前沿物理的热门话题,其本质内容是高能电子束里的电子表面旋涡物质在激烈振荡挤压碰撞时,大量的中微子正微子的表面失去以太粒子变成“裸光子”产生的辐射现象。光辐射的频率由光源周围的以太物质的浓度和所含的光子数量密度来决定。

正电子由正微子靠万有引力聚合而成,由于结构性质的稳定性不好而容易衰变成正微子。正电子荷质比小自旋速度慢,不容易携带许多旋涡物质。正负电子对撞机里的正电子束不适合加到很高的能量。正微子与人们的生活密切相关,所有电机电器设备的导线中流动的电流,其本质是正微子气体在流动,正微子气体含量的浓度决定电压的高低。太阳风含有数量很大正微子,它以8001000公里/秒的速度连续向空间扩散,探测到指向地球的电压降约为100/米。

牛顿力与库仑力是基本的暗物质粒子结构形成与运动的动力,也驱动宏观宇宙物质结构的运动与演化。最激烈的表现为“两种燃烧”,分述如下:

低密度天体的表面燃烧,以中等质量恒星太阳为代表。其实质是表面光球层下发生着无数颗剧烈的氢聚变爆炸,形成太阳的“米粒组织”,产生的重物质向中心沉降,而无数的光粒子则从光球底层出发向空间辐射;以太粒子趁机从冕洞中挤压出来形成泡沫(类似吹肥皂泡),迅速向空间扩散,同时挤出来的还有部分中微子,正微子等暗物质粒子,并伴有极少数的电子,质子,阿尔法粒子,共同形成太阳风。光辐射和部分中微子正微子到达地球表面被大气吸收,形成电离层,也有部分中微子到达地球表面,被我们身边的物质和包括我们自身的原子吸收,沉降在原子核的表面。几乎所有的中微子速度只有约8001000公里/秒,由于能量太低,无法到达地下能被安装在数百米深的中微子探测器检测到,此为“太阳中微子失踪案”。只有,高能的宇宙射线或伽马射线暴以30万公里/秒撞击地表原子,产生大量的速度接近光速的中微子,才有可能被地下探测器俘获。所以,暗物质其实就在我们的身边。

高密度天体的表面燃烧,以超新星遗迹M1天体蟹状星云内部的中子星为典型。中子星密度在12.898亿吨/立方厘米之间。宇宙中任何高密度天体中子星或“疑似黑洞”的密度都不能超过基本粒子光粒子与以太粒子的密度。中子星可以看成一个巨大的原子核。超新星爆发的辐射即将结束之时,中子星表面的大规模裂变反应形成的燃烧现象立即开始。由于中子星体积很小,形成燃烧的表面以太粒子浓度非常高,所以中子星辐射会以伽马射线为主,部分在外围有逐步衰减成X光子,紫外光子,可见光子,原因是光粒子的间距逐步拉大,即波长加大。蟹状星云位于金牛座,直径6光年,距离地球约6500光年,是科学界最热门的天文观测目标之一。

高密度天体的表面燃烧,最重要的是星系中心的“活动星系核”,典型代表是本星系群中的两个螺旋星系,银河系与M31星系(仙女座大星云M31,直径22万光年,距地球约254万光年)和M83棒旋星系(直径11.5万光年,距离地球1521万光年)的中心,存在着十分巨大密度不超过2.8亿吨/立方厘米的超巨型中子星在燃烧,其性质也是表面大规模的裂变爆炸。

我们的银河系有两条主旋臂,旁边有多条支臂,悬臂内有大量的裂变后产物,各类轻核物质及氢原子气体,成为新一代恒星的原料,形成恒星和星团。暗物质以大量高浓度以太物质和气体尘埃存在于悬臂之间的广袤空间中,也存在于悬臂内星际之间的巨大空间中,我们的太阳在银河系的英仙臂与人马臂之间的猎户支臂内侧上,距离银盆中心约2.7万光年。银河系直径为1012万光年,呈扁球状,以直径10万光年的球体估算,银河系的体积约为4.43×1050立方米。长期从事银河系总质量探测的科学家主要根据大量星团或恒星或气体的质量,位置,速度数据计算星系总质量,目前天文学家断定银河系总质量是太阳质量单位的1万亿倍左右,约为19.89×1041公斤,由恒星,气体,尘埃和神秘暗物质混合组成。可见物质2015年测算值是2100亿个太阳质量单位,经计算为4.1769×1041公斤,总质量是可见物质质量的4.76倍。可见物质的体积经计算仅仅为2.965×1038立方米,可以忽略不计。由此可以计算出银河系空间的平均密度为3.547×10-9公斤/立方米。太阳距离银河系中心2.7亿光年,所以太阳系空间密度接近银河系平均密度。再经计算,此密度与地球表面空气密度相比,空气密度比大气层外的空间暗物质密度大3亿6千万倍。暗物质主要以空间磁场物质,空间电场物质,光传播的弹性媒质形式存在于密度如此稀薄的空间中。

2018年元月)

 


 


“二粒三构”理论中的原子核结构及性质

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【编者按】

由于具有清洁无污染、原料几乎取之不尽、安全性高等优点,核聚变被视为一种近乎用之不竭的理想能源。

2016年12月12日,我国自主研制的热核聚变核心部件,率先通过了国际权威机构认证。同时,我国可控核聚变试验也制造出了比太阳中心温度还要高的氢等离子体,并且稳定燃烧了一分多钟,创了世界纪录。另据报道,美国麻省理工学院的研究人员成功在核聚变反应堆中实现了2.05个大气压的突破,比上个世界纪录提高了15%。俄罗斯推出新型可控核聚变反应堆有望于10年后可用……人类对核聚变的研究近年“捷报频传”。

不过,宇宙研究网的吴东敏认为,我们距离核聚变稳定、可行、可靠的应用看起来总是“这么近却又那么远”。同时,他指出,科学界需要拓展研究思路,为此,全面清晰地认识原子核的结构和性质变得非常重要。

 

“二粒三构”理论中的原子核结构及性质

文│宇宙研究网站长吴东敏

 

人类为了获得永不枯竭的清洁能源,盼望着稳定可靠的“可控核聚变装置”的研制早日取得成功。

60余年来,世界科学家们一直在为之做着努力。近几年来,这一科学研究终于有所起色,中国全超导托卡马克核聚变实验装置EAST和欧美中俄日韩印等7国共同启动的国际热核聚变堆ITER的进展,似乎给人们的期望带来了曙光。可控核聚变实验装置除了磁约束高温等离子体托卡马克装置以外,还有超强激光束加热惯性约束核聚变装置。但总的来看,稳定可靠可行的“可控核聚变热电装置”看起来离我们总是“这么近却又那么远”。

为了拓展思路,我们必须对原子核的结构和性质作全面清晰的了解。2011年,我写有小书《宇宙的真谛》,在“二粒三构”理论中描述了原子核的结构与性质,在此做简单介绍,希望能为世界科学界提供一点参考。

长期的科学实验表明,所有元素及其同位素均由不同数量的质子和中子组合而成:

一、质子内部由电子与反电子(正电子)相间排列成正六面体(正方体)。正六面体的8个顶点均为正电子,12条棱由6个正电子和5个电子相间排列而成。正六面体内部正电子与电子的总数为11×11×11=1331个,其中正电子数666个,电子数665个。质子整体携带一个正电子电量。

二、质子的外层吸附了大量的中微子和部分正微子与负微子。中微子、正微子、负微子在二粒三构理论中被称为电磁以太物质。电子与正电子的质量相当,在实验探测中,质子质量是电子质量的1800倍,所以质子表层电磁以太的总质量与电子质量相比为:1800-1331=469(倍)。故此,质子表面有一层较厚的电磁以太保护圈。

三、中子内部也由电子与反电子(正电子)相间排列成正六面体。正六面体的8个顶点中,4个相对顶点为电子,另外4个相对顶点为正电子,12条棱均由6个电子和6个正电子相间排列构成。正六面体内部电子和正电子总数为12×12×12=1728个,其中正电子数864个,电子数也是864个。

四、中子的外层吸附了少量的中微子及正微子和负微子。在实验探测中,中子质量是电子质量的1801倍,所以,中子表层电磁以太总质量与电子质量相比:1801-1728=73(倍)。故此,中子表面有一层稀薄的电磁以太保护圈。

五、质子与中子统称核子。我在2011年出版的《宇宙的真谛》一书中,强调了核子的“保护圈”与“保护伞”两个概念。质子整体呈正电性,吸附的电磁以太物质较多,表层形成的保护圈较厚,所以质子在任何极端条件下(数亿度高温下)仍然十分稳定。在观测中,单独游离的中子,由于表层的保护圈很薄,十分不稳定,容易衰变,通常寿命只有15分钟。中子只有在质子旁边才能保持长期稳定,质子是中子的“保护伞”。原因是,携带正电荷的质子不但可以吸收携带负电的光子或负微子,而且可以排斥携带正电的正微子,使带电粒子不会伤害到中子。84号钋以上的重元素,中子数超过质子数过多,有些中子离质子较远,得不到质子电场的保护,容易衰变,所以,重核具有放射性。中子衰变成电子和正电子,正电子很不稳定,很快会衰变成正微子和中微子。重核的β衰变产物其中有电子流、正微子以及中微子。

六、核子的密度很大。在α粒子轰击金箔的实验观测中,探测到金原子核的密度是980万吨/立方厘米。所以,核子的密度应在1000万吨/立方厘米以上。核子的硬度极大,从原子结构图可以看出,核子内部及表面的硬度比金刚石的硬度大多少个数量级难以估计。

七、核力的本质。核子表面的保护圈使核子表面电子与正电子之间的电场处于闭合状态。只有核子剧烈振动,温度达到500万度,中子表面的电磁以太保护层蒸发或温度达到1亿度至1亿5千万度,质子表明坚硬较厚的电磁以太保护层蒸发以后,核子表面电场才会开放,此时,质子与中子、中子与中子发生热碰撞,可以发生核聚变。质子与质子由于都携带正电,发生相斥而不能聚合。核力的本质是库伦引力。

八、典型的可控核聚变反应是氢核、重氢核、超重氢核聚变成氦核的聚变反应。将氢、重氢、超重氢混合气体加温到成为高温等离子体达到500万度以上,再经过脉冲放电、惯性压缩和超强激光点火,使核子强烈碰撞,使中子表层的电磁以太挥发、部分中子解体,然后电子、正电子、核子发生碰撞,正电子与部分电子解体,释放出核能,而后高温等离子体的温度进一步上升到1亿度以上,此时,重氢核表面的保护层已经蒸发,重氢核与超重氢核发生碰撞,中子与中子、中子与质子的表面库伦引力,进而把两个重氢核聚合成氦核。控制点火和核燃料浓度,使反应堆的温度不会过高又不至于使反应堆熄火,因此可以实现可控核聚变的能量输出。

除了磁约束高温等离子体托卡马克核聚变装置以外,还有惯性约束强激光或高能粒子束点火核聚变装置,此外,科学家还要有更大的视野,更多的方法,更高的智慧,探求新的途径。

九、核能的本质。在裂变链式反应中,中子轰击重核,把连接重核的几个中子打出来,使重核裂变成两个较轻的核。质子数不变,中子数会减少。在聚变反应后,质子数不变,中子数也会减少。核反应的质量亏损主要是部分中子解体,中子内部电子和正电子解体变成光子和以太物质并释放出能量,这是核能的本质。在“二粒三构”理论中,一个电子含有约100亿亿个携带负电的光粒子。电子解体后,光粒子之间巨大的库伦斥力,急剧的体积膨胀和光辐射,具有很大的能量。正电子所含有的光粒子数较少,解体后释放光粒子和正微子、中微子等以太物质,能量稍小。

十、传统的β衰变,核子释放电子流在实验中得到无数次证实。1932年,美国物理学家安德森在拍摄宇宙射线穿过云室径迹时,发现正电子。这些实验观测都可以证明,电子与正电子是核子的组成部分。

2016年3月,中科院上海光机所强场激光物理国家实验室“超强超短激光(拍瓦飞秒激光装置)成功产生反物质实验”,利用超强激光与高压氩气靶相互作用,成功分离出电子流与反电子流(正电子流)。强有力地证明了核子内部是由电子与正电子构成的事实。这对20世纪50年代以来国际物理学界逐步建立起来的高能粒子物理学夸克理论,提出了严峻挑战。

(2017年3月《今日中国》两会特刊科技栏目50-51页刊出上述文章。)


“二粒三构”理论中的原子核结构与性质

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“二粒三构”理论中的原子核结构及性质

宇宙研究网   吴东敏

人类为了获得永不枯竭的清洁能源,盼望稳定可靠的“可控核聚变装置”早日取得成功。世界科学家经过60余年的努力,尤其是近几年的发展,中国全超导托卡马克核聚变实验装置EAST和欧美中俄日韩印等7方共同启动的国际热核聚变堆ITER似乎给人们的期望带来了曙光。可控核聚变实验装置除了磁约束高温等离子体托卡马克装置以外,还有超强激光束加热惯性约束核聚变装置。稳定可靠可行的“可控核聚变热电装置”离我们看起来很近却还很遥远。为了拓展思路,我们必须对原子核的结构和性质作全面清晰的了解。2011年,我写有小书《宇宙的真谛》,在“二粒三构”理论中描述了原子核的结构与性质,希望对世界科学界提供参考和指导作用。

长期的科学实验表明,所有元素及其同位素均由不同数量的质子和中子组合而成:

一,     质子内部由电子与反电子(正电子)相间排列成正六面体(正方体)。正六面体的8个顶点均为正电子,12条棱由6个正电子和5个电子相间排列而成。正六面体内部正电子与电子的总数为11×11×11=1331个,其中正电子数666个,电子数665个。质子整体携带一个正电子电量。

二,     质子的外层吸附了大量的中微子和部分正微子与负微子。中微子,正微子,负微子在二粒三构理论中称为电磁以太物质。电子与正电子的质量相当,在实验探测中,质子质量是电子质量的1800倍,所以质子表层电磁以太的总质量与电子质量相比:1800-1331=469(倍)。故此,质子表面有一层较厚的电磁以太保护圈。

三,     中子内部也由电子与反电子(正电子)相间排列成正六面体。正六面体的8个顶点中,4个相对顶点为电子,另外4个相对顶点为正电子,12条棱均由6个电子和6个正电子相间排列构成。正六面体内部电子和正电子总数为12×12×12=1728个,其中正电子数864个,电子数也是864个。

四,     中子的外层吸附了少量的中微子及正微子负微子。在实验探测中,中子质量是电子质量的1801倍,所以,中子表层电磁以太总质量与电子质量相比:1801-1728=73(倍)。故此,中子表面有一层稀薄的电磁以太保护圈。

五,     质子与中子统称核子。我在2011年出版《宇宙的真谛》一书中,强调了核子的“保护圈”与“保护伞”两个概念。质子整体呈正电性,吸附的电磁以太物质较多,表层形成的保护圈较厚,所以质子在任何极端条件下(数亿度高温下)仍然十分稳定。在观测中,单独游离的中子,由于表层的保护圈很薄,十分不稳定,容易衰变,通常寿命只有15分钟。中子只有在质子旁边才能保持长期稳定,质子是中子的“保护伞”。原因是,携带正电荷的质子不但可以吸收携带负电的光子或负微子,而且可以排斥携带正电的正微子,使带电粒子不会伤害到中子。84号钋以上的重元素,中子数超过质子数过多,有些中子离质子较远,得不到质子电场的保护,容易衰变,所以重核具有放射性。中子衰变成电子和正电子,正电子很不稳定,很快衰变成正微子和中微子。重核的β衰变产物其中有电子流,正微子,中微子。

六,     核子的密度很大。在α粒子轰击金箔的实验观测中,探测到金原子核的密度是980万吨/立方厘米。所以核子的密度应在1000万吨/立方厘米以上。核子的硬度极大,从原子结构图可以看出,核子内部及表面的硬度比金刚石的硬度大多少个数量级难以估计。

七,     核力的本质。核子表面的保护圈使核子表面电子与正电子之间的电场处于闭合状态。只有核子剧烈振动,温度达到500万度,中子表面的电磁以太保护层蒸发或温度达到1亿度至1亿5千万度,质子表明坚硬较厚的电磁以太保护层蒸发以后,核子表面电场才会开放,此时,质子与中子,中子与中子发生热碰撞,可以发生核聚变。质子与质子由于都携带正电,发生相斥而不能聚合。核力的本质是库伦引力。

八,     典型的可控核聚变反应是氢核,重氢核,超重氢核聚变成氦核的聚变反应。

H12+H13——He24+n01    2H12——He24    H11+H13——He24

将氢,重氢,超重氢混合气体加温到成为高温等离子体达到500万度以上,用脉冲放电,惯性压缩,超强激光点火使核子强烈碰撞,使中子表层的电磁以太挥发,部分中子解体,然后电子,正电子,核子发生碰撞,正电子与部分电子解体,释放核能,高温等离子体的温度进一步上升到1亿度以上,此时,重氢核表面的保护层已经蒸发,重氢核与超重氢核发生碰撞,中子与中子,中子与质子的表面库伦引力,把两个重氢核聚合成氦核。控制点火和核燃料浓度,使反应堆的温度不会过高又不致于反应堆熄火,达到可控核聚变的能量输出。

除了磁约束高温等离子体托卡马克核聚变装置以外,还有惯性约束强激光或高能粒子束点火核聚变装置,此外,科学家还要有更大的视野,更多的方法,更高的智慧,探求新的途径。

九,     核能的本质。在裂变链式反应中,中子轰击重核,把连接重核的几个中子打出来,使重核裂变成两个较轻的核。质子数不变,中子数会减少。在聚变反应后,质子数也不变,中子数也会减少。核反应的质量亏损主要是部分中子解体,中子内部电子和正电子解体变成光子和以太物质释放出能量,这是核能的本质。在“二粒三构”理论中,一个电子含有约100亿亿个携带负电的光粒子。电子解体后,光粒子之间巨大的库伦斥力,急剧的体积膨胀和光辐射具有很大的能量。正电子所含有的光粒子数较少,解体后释放光粒子和正微子,中微子等以太物质,能量稍小。

十,     传统的β衰变,核子释放电子流在实验中得到无数次证实。1932年,美国物理学家安德森在拍摄宇宙射线穿过云室径迹时,发现正电子。这些实验观测都可以证明,电子与正电子是核子的组成部分。

2016年3月,中科院上海光机所强场激光物理国家实验室,超强超短激光(拍瓦飞秒激光装置)成功产生反物质实验,利用超强激光与高压氩气靶相互作用,成功分离出电子流与反电子流(正电子流)。强有力地证明了核子内部由电子与正电子构成的事实。对20世纪50年代以来国际物理学界逐步建立起来的高能粒子物理学夸克理论提出严峻挑战。

 

2017,01,16于上海


就我国发射“量子通信卫星墨子号”有感

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就我国发射“量子通信卫星墨子号”有感

宇宙研究网  吴东敏

近几年来,“量子通信”颇受关注。如果对量子通信的可行性与实用性在理论上和地面实验上还一片茫然的情况下就盲目地向天空发射量子通信实验卫星,势必造成巨大的资源浪费。

一,     关于量子通信的可行性问题

量子通信的基本问题是如何把信号(如:视频信号,音频信号,数据,多媒体信号)或经数字化后的信号调制到量子中去或者你们认为的量子态或量子比特中去进行发送,还有传输,接收,解码等许多具体操作问题。大家认为潘建伟和郭光灿两位院士非常有必要向国人详细解答。如果不谈上述这些问题,你们可能会被认为是一种学术忽悠或者欺诈。

以人们熟知的电视信号传输为例:电视信号包括7种信号(亮度信号,色度信号,行同步信号,场同步信号,色同步信号,行消隐信号,场消隐信号)首先进行编码,我国采用逐行倒相正交平衡调幅制,即PAL制,对射频载波进行调幅,然后与伴音调频信号一起输入到天线或有线电缆中去。音频视频信号对高频载波(微波,无线电波,红外光波,可见光波)进行调制,通常的调制方法有调频,调幅,调相三种,已经能够顺利地实现完成。在接收端经选频,放大,检波,解调,解码等程序实现音频视频信号的还原。

“波”可以实现连续信号的传输,在理论上可行,在实践上成功。现行的主要三种通信技术手段有:无线电通信,微波通信(卫星微波通信,手机通信),光纤通信都属于载波通信或称“波”通信。

量子作为不连续的分立粒子,容纳,接受连续的音视频数据信号的调制是一件不容易的事情。对于量子这个“妖精”的本来面目,前辈科学家普朗克,波尔,德布罗意,薛定谔,海森堡,狄拉克等权威人士始终没有认识清楚,请问两位院士你们认清了吗?量子的波粒二象性只是量子现象的表观特征,所有的量子理论仍在探索,验证之中。贝尔不等式不能说明什么问题,诸如此类理论来说明某些问题,证明某些问题都是苍白无力的,它仅仅供作思维问题上的参考而已。在量子的本来面目不清楚的前提下谈量子通信的信号调制,解调,解码问题为时太早。如果量子通信不成功,其趋势必然要搞偷梁换柱,移花接木,暗度陈仓,仍然回到“波”的通信中来,否则无法向国人交代。

二,     激光光纤通信

1960年,美国科学家梅曼发明了世界第一台激光器——红宝石固体激光器以来,激光器的类型和应用飞速发展。

在激光通信应用方面的科研有:激光光纤通信和激光大气通信(或称激光空间通信)。

激光光纤通信与电通信方式比较,有频带宽,容量大,信号传输质量高,抗电磁干扰,保密性强等许多优点,已经成为现代主要的通信手段之一。光纤通信的载波通常选在近红外波段,其波动性明显,粒子性较弱。在激光光源的输出端虽然掺有红外光量子,但在光路转弯半径较小处,光量子会从光导纤维的表层逃逸出来,因为光量子爱走直线。因此,光纤只能输送光波(光纤的全反射)而不是光量子。所以,激光光纤通信是光波通信而不是量子通信。

我认为由潘院士主导的北京至上海千余公里长程的光纤量子通信干线是不能实现量子通信的。理由如下:

为了提高光源的量子效应。1,选用绿色或蓝紫色激光;2光纤外表镀金属反射膜以防量子泄漏;3光纤或光缆直线布设。

但是,仍然有不可逾越的难题无法克服:

光量子穿越光导纤维的长度或深度十分有限,可能只有数百米光量子就被吸收殆尽了。总不能每百米就建设一个中继站吧!光在液态透光媒质水中的光速约为22万公里/秒,穿透深度在300米左右,可以从蛟龙号潜水器多次在马里亚纳海沟深潜观测实验中证实,海面下300米已是一片漆黑。光在固态透光媒质玻璃纤维中的光速约为20万公里/秒,穿透深度估计不会超过300米。如果只有300米的通信距离,即使可能实现量子通信,其实用性几乎没有多大意义。北京至上海的通信干线得建3000多个中继站呀!

由此看来,北京上海光纤通信干线只能是普通的激光光波通信,而不可能是量子通信。由于光纤中的光速只有20万公里/秒,北京至上海信号延时约5毫秒左右,要比两地之间的电通信还慢一些。但两地至赤道上空36000公里高度的同步卫星传送信号,往返加纬度距离在90000公里以上,比较距离增大90倍,信号延时约300毫秒。两地的光纤通信时间比同步卫星的通信时间缩短60倍,可不要误认为是超光速60倍,其实是距离缩短的缘故。光纤通信需要在每50到数百公里距离范围建立一个中继站。

三,     激光大气通信(空间通信和激光卫星通信)

大气对光的吸收和散射作用较强,早晨和晚边的太阳发红说明厚厚的大气吸收和散射了除红光以外的可见光。大气对红光和红外光的吸收很少。因此,激光大气通信采用红外波段的几个窗口为好。近红外波段800-1300纳米,1500-1900纳米为优选,中红外波段太赫兹波段8000-14000纳米,一般不采用,已经偏离激光通信范围。

近红外窗口基本上满足全天候激光通信的要求,是量子通信卫星选用的波段。

激光大气卫星通信要实现两地通信的同步接受跟踪难度较大,尤其是多地多用户的通信更是难上加难。高轨道的地球同步卫星离地太远;低轨道通信卫星离地约800公里,须建立许多个卫星构成的全球激光通信网络,激光束的方向性很强,只为少数用户服务,维护成本很大,在经济上很不划算,因此,实用性价值不高。而卫星的微波通信实现地面空间全覆盖,可容纳不计其数的(手机)用户同时使用。卫星微波通信是个好的方法,前景广大,应不断开发。而红外激光大气卫星通信则前途渺茫,人们应该抛弃这个研究项目。而我国发射的量子通信卫星更是荒唐,别说是量子通信不能实现,即使是实现了也无实用价值。真不应该把钱拿去做无价值的试验。

 

量子通信是个死胡同,自激光器发明以来的50多年中,无法统计有多少批次的科学家已经从这个死胡同里走进去又走出来。在科技发达的西方国家里,不乏智商低落的科学家,他们相信非局域性量子纠缠的超距作用,那是伟大的“神”的力量。这些洋垃圾传播到中国的时候,每位有头脑的科技工作者,科技爱好者应有独立思考的精神,不随波逐流。历史将会检验一切。

 

 


物理学研究需警惕唯心主义的“魅惑”《今日中国》杂志2016年三月两会特刊(科技栏目)文章

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物理学研究需警惕唯心主义的“魅惑”

文/宇宙研究网网站站长   吴东敏

在物理学领域,超距作用是物理学史上出现的关于作用力及传递媒介的一种观点。这一观点认为,相隔一定距离的两个物体之间存在着直接,瞬时的相互作用,不需要任何媒质传递,也不需要任何传递时间。与之相对立的观点被称为近距作用或接触作用。

量子纠缠描述的是两个粒子互相纠缠,即使相距遥远距离,一个粒子的行为将会影响另一个的状态。当其中一颗被操作(例如量子测量)而状态发生变化,另一颗也会即刻发生相应的状态变化。

这几种观点自诞生以来,一直存在着此消彼长的相互博弈。

近代物理学400多年以来,从主流观点来看几乎所有的物理学家都认为,物质之间力的作用方式只能是近距作用,不可能是超距作用。

近代科学始祖笛卡尔提出的太阳系起源的“漩涡说”,曾经是17世纪最有权威的宇宙论。他认为宇宙空间中的物体不存在“超距作用”,并最早将亚里士多德的“以太”观念引入到科学里来,作为中间媒质传递力的作用,解释磁力和月球对潮汐的作用力。

早在牛顿以前,当时的大多数自然哲学家也都认为超距作用带有神秘色彩,而更倾向于近距作用观点。

1686年,牛顿提出万有引力定律,表达了天体之间或粒子之间的引力关系,但并未解释引力的传递过程和作用时间。从牛顿力学的观点,超距作用可以视为一种现象,也就是说牛顿的引力定律某种程度上支持超距作用观点,但牛顿本人并不认为引力是超距的,他相信以太的存在。只是由于人们没有找到以太存在的证据,以太模型也都存在缺陷,所以,牛顿的弟子认为以太并不存在,天体之间的引力是超距作用,可以认为是比光速快得多的瞬时作用。因此,把引力作用中的“超距”信条归之于牛顿是不正确的,而应归之于其学生。

1837年,法拉第提出电场,磁场的概念,用电力线,磁力线来表达电磁相互作用,用“场”的概念取代以太和用电磁以太来表达物质的近距作用。之后,麦克斯韦用偏微分方程组来描述电场,磁场及其性质,被很多物理学家视为经典电磁场理论而接受。这些研究促进了超距作用的衰落和近距作用的确认。再后来,爱因斯坦沿着麦克斯韦的思路,修改了牛顿的万有引力概念,也用“场”的概念和引力场偏微分方程来表达引力,用引力场取代笛卡尔的以太,物理学家们同样接受。而他认为真空中光速是一切物理作业传播速度的极限,也就排除了瞬时超距作用的可能性。

可以看出,这些物理学家的共同观点是:用物质(以太或场)的近距作用形式来传递相互作用,而不相信物质之间存在超距作用。

爱因斯坦引力场方程是条难解的二阶非线性偏微分方程,它的两个近似解史瓦西解和克尔解都把爱因斯坦时空导入奇点。对此,霍金在其名著《时间简史》中说道:“经典广义相对论由于预言无限大密度的点而预示了自身的垮台。”虽然霍金对大爆炸理论的修正,及黑洞引力效应,面积定理,无毛定理,量子效应等理论的建立做出了决定性贡献,但他本人并不相信广义相对论和大爆炸理论,也不相信自己的黑洞理论,这也是他把虫洞和时间旅行等科学幻想也写进了他的书中的原因。只是20世纪20年代以后,爱因斯坦是世界物理学权威,像霍金这样的身份地位怎敢触碰广义相对论这条红线,因此在表达自己观点的时候他都比较隐晦,而许多教授学者甚至霍金身边的弟子都没有读懂霍金的《时间简史》,不理解霍金的真正灵魂。

其实,从20世纪70年代起,霍金投入到“量子引力”理论研究之中,他认为,天体之间的引力作用是通过被称为“引力子”的虚粒子的不断交换来实现,这种引力子非常奇妙,它没有质量,天体会连续不断地发射引力子传递引力作用,使天体互相吸引。

现代高能粒子物理学认为,宇宙中的一切结构皆由62种“费米子”和“玻色子”构成,其中由13种被称为自旋分别为0,1,2的“玻色子”传递力的作用,引力子是玻色子的一种。还有传递电磁力的玻色子“光子”,传递弱力的三个重矢量玻色子,传递强核力的8个“胶子”,这表明天体之间的引力作用,原子核与电子之间的电磁作用,核子之间的强作用,核子内部的弱作用,都是近距作用,它们两者之间并不是一无所有或空无一切的超距作用。

显然,近距作用是近代和现代物理学界中物体与物质粒子相互作用的主流观点。近距作用与超距作用两种不同观念是区别唯物主义与唯心主义的分水岭与试金石。支持近距作用观点是近代400年从哥白尼,伽利略,笛卡尔,牛顿,胡克,库伦,惠更斯,法拉第,麦克斯韦,赫兹,开普勒,普朗克,爱因斯坦,霍金等几乎所有物理学家的共识,是数千年人类文明从神学走向科学的重要标志。

当然,自然科学发展总是在艰难曲折中不断前进的,“量子纠缠”观点的产生,发展就是其表现之一。

20世纪初,德国物理学家普朗克在黑体辐射实验中发现能量与频率成正比关系E=hf,显示了h成为最小能量单位,被称为最小“能量子”或“量子”,频率f的数值是自然数列,所以,能量是一份一份像粒子,能量是不连续的。普朗克自己都无法相信这个“量子”观念,然而这个设想与实验结果却十分相符。后来,爱因斯坦提出“光子”概念,其实,光量子才是量子力学的基石,逐渐发展成为一门真正的科学——量子力学。对于量子力学基本原理的诠释理解在科学界始终存在不同的观点。1935年,“量子纠缠”观念被爱因斯坦-波多斯基-罗森桥(爱·波·罗或EBR)等三人作为一个悖论的质问提出,被作者称为“鬼魅般的超距作用”。爱因斯坦咒骂超距作用为鬼魅作用,是因为人们认识宇宙问题的思想方法牵涉到是否符合哲学和逻辑学定律定理等重大问题。爱因斯坦“上帝不掷骰子”的决定论量子力学与波尔的概率论量子力学之间产生了严重分歧。海森堡的“不确定性原理”是世界上不可回避的基本原理,对于粒子的位置与速度不能同时被精确观测到,遵守统计规律的概率论量子力学才与实验现实相符。尽管如此,持续了20多年的爱因斯坦波尔之争,爱因斯坦至死坚持不相信量子力学是完备的科学。由此可见,对于不能直接观测到的微观世界现象的规律是不能用一两个,三五个实验就能够证明而使人信服的,宇宙的复杂程度是人们难以想象的。爱因斯坦如此执着和自信是基于他对唯物主义哲学的信任。在小的局域范围内,量子之间的纠缠或相互作用,可能有人们未知的物质在传递力的作用。非局域大距离的量子纠缠指的是两个或多个量子系统之间存在瞬时的强关联,它们之间无须任何媒质,那也是绝对不可能的。

20世纪下半叶起,西方物理学在发展中渗透进了更多的唯心主义设想,可能把物理学研究引向歧路。重新提出“量子纠缠”与“超距作用”就是其中一个例子。中国科技大学常务副校长,中国科学院院士潘建伟日前主持的“量子隐形传态项目组”于2013年测出,量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级(10000倍以上)。他们宣称量子纠缠的实在性,非局域性,隐变量以及测量等量子力学问题在量子计算和量子通信研究中起重要作用。对此,我感到十分震惊,有以下疑问和建议:

1,为了消除学者的误会,潘院士可先说明一下本项目中的量子概念指的是“粒子”还是“波”;

2,电子,离子,核子是能量子,算不算本项目中的量子?电子计算机与量子计算机有什么不同?

3,本项目中相互纠缠的量子是光子,电子,原子还是其它粒子?

4,对纠缠量子的制备和纠缠效应的测量是本项目的重要部分,应向社会公布量子纠缠原理的实验设备,实验仪器,实验器材,实验程序和实验报告,也便于广大科学研究者,科学爱好者对本项目的实验结果,包括“量子纠缠”及“超距作用”等问题深入了解,提出质疑;

5,量子纠缠的传输速度比光速快10000倍,是如何测算出来的,可靠吗?

6,所谓的两个或多个量子系统之间的量子纠缠极有可能是一种无线遥控装置,它可能工作在微波,远红外或近红外,可见光波段范围内某个未开发的区域之中,虽然隐秘性很好,但不可能是超距作用。另外,测出来的传输速度比光速快10000倍,由于传输距离,所需时间如此之短,可能在皮秒,飞秒数量级,如果仪器工作在某非线性区域,会产生差之毫厘谬以千里的后果,如再加上计算方法一旦有误,测算结果会严重失真。超光速问题是敏感问题,是不能随便下结论的,须十分谨慎。

7,近距作用长期是学术主流,爱因斯坦-波多斯基-罗森桥思想实验提出的EBR悖论被广为接受,潘院士研究团队的研究理论和结果与之显然有出入,孰是孰非,是科学界十分重大的事件。建议中国科学院拿出必要的实验研究经费或在某科委科协主持下召集科学工作者组成项目组,制作必要的设施,直观清晰地验证“量子隐形传态研究项目组”的量子纠缠效应和超距作用实验的真实性,科学性;

8,从正反两个方面进行科研项目的研究可提高研究效率,促进和加快研究步伐,可更有效地防止研究误入歧途,可相对节省科研经费,另外,本项目是极为重大的项目,不管结果如何,只要做好能说明问题的实验,都是对人类科学的重大贡献。

怀疑批判精神是科学永葆青春的必要动力。请原谅我对“量子隐形传态项目”提出的“挑战”,追求真理是科学工作者人生的最大愿望。

 

《今日中国》杂志2016年03月两会特刊科技栏目第52-54页发表上述文章(图片从略)。

 

 

 


《今日中国》杂志2016年三月两会特刊发表: 物理学研究需警惕唯心主义的“魅惑”

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《宇宙的真谛》讲座第一讲,第二讲

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《宇宙的真谛》讲座第一讲,第二讲

吴东敏

第一讲   宇宙的定义

科学的宇宙观念主要有两种:经典的宇宙观和相对论宇宙观。在两种宇宙观里,宇宙的定义是完全不同的。

一, 经典的宇宙观,空间时间物质概念。

什么是宇宙?经典的或称牛顿时代的宇宙观念认为:宇宙是物质结构,是万物的总称。在天文观察或者观测中,宇宙泛指总星系(指所有的星系)。宇宙包含总星系占据的空间和这一空间中的一切物质粒子及其物质结构。宇宙中的物质结构始终随时间不断地发生变化并且在广大空间里处于不断地运动之中。

什么是空间?什么是时间?在人们的传统观念中,空间就是“空”的空间,是容纳万物的场所。时间就是光阴岁月,它永不停止,永远向前流逝。在传统的或称经典的牛顿时代时空观念里认为:世界万物(宇宙万物)都在共同的三维立体空间与共同的时间里运动演化。在物理定量上,空间与时间又是一种尺度或者工具,就像人们生活中的度量衡工具一样,是绝对的。三维空间用来度量宇宙万物之间的距离与位置,时间用来度量每个空间状态先后间隔过程的长短。空间和时间是客观存在的,不为人们意志为转移,不能因为某人没有看到空间,时间就认为空间时间不存在,也不能认为在人类或其它物种没有产生之前和消失之后,空间时间不会存在。这样就可以消除“人择原理”引起的无意义的纷争。时间空间不是物质,仅仅是一种存在而不是实在。空间和时间观念通常作为高等生命——人类大脑中的思维意识而存在。普通动物,植物,微生物,它们虽然在空间里生存,但是,它们并没有空间时间存在的观念和意识,也不能因为这些生物没有意识就认为空间时间不存在。没有空间和时间的存在,就没有不断演化中的宇宙,万物在空间中存在,在时间里演化是永远不变的真理。

在经典的宇宙观里,空间绝对静止,连续不变,各向同性,尺度无限。空间不包括空间中的任何物质(基本粒子,以太等),指的是绝对虚空或绝对真空的场所。这种把物质从空间中独立出来是一种研究方法,一种把复杂化为简单的方法。空间就是“空”的空间,是任何粒子都不存在的空虚的空间。这样,通常的物质及其它如暗物质,以太,场,引力,电磁力,真空能等物质与物质现象就无法在空间中躲藏起来,就可以避免有些科学工作者研究员高级教授在研判中堕入到唯心主义的歧路中去,甚至拔不出来。把物质独立出去以后,剩下的则是一个绝对静止,尺度无限,连续不变,各向同性的人们常知或者熟悉的几何空间,称为欧几里得几何空间(欧氏空间)。这样就可以自然地把黎曼空间,罗氏空间,高维空间等畸变空间理念从欧氏空间里请出去。因为只有在欧氏几何空间里的物理理念才符合人类生存,生产,生活的正常习惯。假如,爱因斯坦的弟子认为,由于地球的存在,地球表面及附近的空间会畸变成黎曼空间的话,他们首先必须详细提供地球如何能使空间歪曲的充分的物理理由。这种物理理由至今没有人能够提供,今后也不可能有人能够提供。因为地球引力只对物质的质量产生作用,不可能对空间发生作用。对于卡拉比丘成桐多维空间也是如此。宇宙的物理问题与数学游戏应该严格区别出来。

在空间中,我们不管往哪个方向看,其尺度都是无限大,就像无限大的半径,其球的体积无限大。或者以空间中某一点为原点,它的前后,左右,上下的尺度均为无限大,空间的体积等于无限深乘以无限宽乘以无限高等于无限大,这一点一直为人们所理解。前后,左右,上下三条相互垂直的直线构成了三个相互垂直的平面,这三个平面决定的空间,就是人们常知的三维空间。三维空间中某一点,比如天空中飞机的位置,我们可以用经度,纬度,高度三个坐标尺度来表示它的位置。空间尺度的计量单位主要有:国际标准米(m,微米(μm),纳米(nm),千米(km),光秒(ls,光年(ly,天文单位(日地距离),千秒差距(kpc),兆秒差距(Mpc)。

除了绝对的欧氏数学空间观念以外,有不少物理学家和物理学研究者提出了相对的物理空间观念,把他们认为存在的暗物质,暗能量,宇宙弦,各种场物质,以太物质,量子类圈体,旋进量子,光子海,磁单极子海,超流体,太极子,宇宙子,斥力子等等不能直接观察到的物质包含在空间中,表示空间的特性,演变出形形色色的多种空间观念及其理论。在此须要特别提醒,在设想解释物质粒子相互作用,及其形成的物质结构时,不要误入再次的,主观意想的,唯心主义的,脱离物理定律的歧途之中,请始终不要忘记:任何物理空间必须以一无所有的不含有任何物质的三维的几何空间为背景。

时间永远流逝,永远向前,它的连续性,单向性就像一条有方向性的直线。在数学里可用数轴表示。时间没有开始,也没有结束,它是无限的。在人们的思维中,时间可以向前看50亿年,500亿年,5000亿年……,也可以倒溯到过去的50亿年,500亿年,5000亿年……,你想时间多长就有多长,全凭你的想象力。时间在描述宇宙物质运动演化时,它是矢量,表示物质运动顺序的单向性,人们把它比喻成流水,总是向前,不能倒流;此时的时间,表示物质运动的时间坐标在移动。但通常的时间是标量,表示两个空间物质状态的时间间隔。时间间隔的计量单位主要有:秒,毫秒,微秒,纳秒,分,小时,日,月,年(回归年),万年,亿年。时间的计量方法主要有:铯原子钟的铯衰变辐射周期法。当地太阳时认定法(当地两个相邻太阳最高点时的时间间隔为一日,太阳最高点定为当地时间12点)。格林尼治时间测量法(相邻两次穿过国际日期变更线上某地的时间间隔为一日)。天文时间观测法(相邻两次在某天文台同一位置同一方位观测到某星座恒星的时间间隔为一回归年)。全球GPS系统同步时间定位法(统一的地球时间)。美籍物理学张操教授把如小时,日,月,年等表观的,通常的,可感觉的,外部的(精确的或者不精确的)量度看成是牛顿物理绝对时间观中的相对时间。与现实生活中的时间观念比较相符。他认为:“时间的定义不应该局限于一种特定的物质运动,例如光的运动。时间(和空间)是比光速更为基本的物理量。世界上即使没有光线,也照样有时间的定义。”绝对时间中的“秒”与认为是相对时间中的日(地球自转一周所需的时间),月(月球公转一周所需的时间),年(地球公转一周所需的时间)之间的换算差异诞生了现代天文历法。采用阳历闰年,阴历闰月等方法来加以调节。满足人们的生产需要和生活习惯。

宇宙是物质结构,是万物的总称。什么是物质?物质既是一种存在,又是一种实在。它有形状,有尺度(大小),有质量,有特性(电荷)等。不具有形状,尺度,质量,特性的存在,就是非实在,非物质。这样就可以把物质与非物质的概念区分出来。

大部分物理学家把物质分为两种形式,一种是有形有质量的实体物质,另一种是有能量无形状的物理场物质。把场物质定义为特殊物质。可以暂定为特殊物质的有:各种场,以太,超流体等等。特殊物质是人们在不了解自然现象的本质情况下的设想,有待人们揭开它的本质。

宇宙中只有物质与非物质,没有特殊物质的观念可以把物质的概念统一起来,避免在学术研究中因为概念的演变引起无休止的争议。物质是不依赖人的主观意志为转移的客观实在。携带质量和能量(或电荷)是物质的基本特征。通常物质(基本粒子及其结构)必须具有几何形状和空间尺度。

古希腊科学家亚里士多德认为地球上的物质由水,气,火,土等四元素组成。古希腊哲学家德谟克利特认为一切物质均由许多“原子”排列组合而成。现代粒子物理学认为,一切物质(物质结构)由62种基本粒子构成。它们是:36种夸克,12种轻子,14种玻色子。但是,62种粒子的形状,尺度,质量,性质没有明确规定,距离定义它们为物质粒子还遥遥无期,目前仅仅停留在模糊的设想之中。在我的“二粒三构”理论学说中,一切物质结构均由两种基本粒子构成,它们有质量,有电荷,有形状,有尺度。二粒三构理论学说是《宇宙的真谛》的核心部分。

宇宙在尺度上是有限的,还是无限的?有部分物理学家把空间当成宇宙,由于空间无限大,所以他们认为宇宙的尺度无限大。在经典的宇宙观里,宇宙是万物的总称,假如无限大的空间里都存在着物质结构,则我们可以说宇宙无限大。

20世纪40年代以前,大部分科学家都相信宇宙无限大。在天文观测中,遥远星座在天球投影的位置角度,年复一年始终没有变;人们也祈盼着恒星(太阳)永远不老,宇宙永远不朽不变。即使空间中的恒星不断地消亡,但是又会不断地产生,宇宙是永恒的,在时间上,宇宙没有开始,也没有结局。所以把这种在宇观大尺度结构基本不变的宇宙称为“稳恒态宇宙”或称“稳态宇宙”。后来,有些科学家以为宇宙是从大爆炸开始,从很小变成很大,而且越变越大(宇宙不断膨胀),那么这个宇宙是有限的。因为有限的爆炸膨胀速度乘以有限的膨胀时间等于有限的宇宙尺度(s=vt)。如果这个宇宙越来越大,宇宙中物质的平均密度越来越小并趋向于零,然后整个宇宙在广大的空间中慢慢地消失,科学家称这种宇宙的结局为开宇宙。反之,如果宇宙的体积反变缩小,越来越小,物质的平均密度越来越大,最后收缩成为一点或很小的体积,科学家称这种宇宙的结局为闭宇宙。

在传统经典的宇宙观里,宇宙尺度可能存在如下几种状态:

1, 空间无限大,空间里布满物质结构(星系结构)。宇宙是无限的。

2, 空间无限大,宇宙里包含的物质结构(星系结构)只占据部分空间。宇宙是有限的。

3, 空间无限大,宇宙是有限的。空间里存在许多个宇宙,甚至无限个宇宙。

二, 相对论时空观。

20世纪初,爱因斯坦先后发表了被称为狭义相对论和广义相对论的文章。经爱因斯坦的弟子学习总结后,形成相对论时空观。在相对论里,宇宙的定义发生了变化。什么是宇宙?宇宙就是时间和空间,合称为“时空”。此谓:“四面八方(空间)为宇,古往今来(时间)为宙。”当然也包括时空中的物质。按照人们的传统观念,空间无限大,时间无限长,宇宙尺度应该无限大。但是在这里,时间与空间也可以是有限的,它可以从某一时刻,某一大小开始到某一时刻结束。时间与空间是宇宙的主体,再也不是度量工具。相对论时空观把时间与空间两个完全不同的量结合起来成为“时空”一个概念:时间不能完全脱离和独立于空间,而必须和空间结合在一起形成所谓“时空”的客体。把三维空间加一维时间发展成为“四维时空”(闵氏时空)的相对论宇宙观。

随时间变化的三维空间中的物质运动,其图像简单直观。可以用电影摄影机来比喻,它以每秒24格的频率连续拍摄,将活动图像分解成24幅静止的图像来研究,把复杂化为简单。在电影放映机里又可以用每秒24格的速度播放,还原物质的真实运动。其它,如用于人体健康检查的CT扫描拍摄也与此雷同。把时间与空间独立开来,有利于人们认识世界。而“四维时空”把时间与空间结合在一起,把简单化为复杂,把人们的大脑渐渐地向歧路中引进,五维时空,十维时空,28维时空直至M理论认定的11维时空。时空如此复杂,那么在复杂时空中运动的物体和人类将如何生存?高维时空能为时空隧道,时间机器等荒唐的怪物,提供理论基础。对于人们现实的生存生活则没有任何物理意义。空间和时间是非物质性质的存在,把空间量子化,时间量子化,所谓空间量子尺度为10-35m,时间量子尺度为10-43s,量子化的空间与时间是可以分离的,不连续的。显然是无稽之谈,十分荒谬!

对于爱因斯坦本人来说,他还是奉行传统经典的宇宙观念,为了得到一个稳定的宇宙,曾在他的方程中加了一个宇宙常数项。在膨胀宇宙的发现和确认以后,爱因斯坦后悔自己错了。

相对论建立在相对性原理,光速不变,等效和广义协变性原理上。在光传播需要时间和天体的引力场对时空影响作用的现象和原理来看,遥望夜空的星象,并非实际的星图:1,数千年,数万年前的星光到现在才进入我们的眼帘,其实际位置早已偏离。2,星系之间的相对位置与状态的表观现状,与其实际状况可能大不不同。3,远处星光穿过临近星体(主要指太阳)到达地球,远处星体的表观位置与实际位置不同而发生视差。4,地球的自转,公转,太阳绕着银河系中心的复杂运动,又使人们的观测复杂化。

在地球上看宇宙,或者说在星系里(银河系)看宇宙,只能看宇宙的局部,是在看宇宙的过去。比如说,我们观测太阳是在看它820秒前的样子,因为阳光从太阳走到地球这段距离需要的时间是820秒。看仙女座大星云(编号为M31)是在看它220万年前的模样,因为M31与地球的距离约220万光年。许多旋涡星系的平面是斜着倾向地球,它的一侧与另一侧与地球的距离相差数万光年,因此,人们拍摄到这样的星系的模样非其真实的样子,两侧相差数万年时间。所以,在地球上看宇宙犹如坐井观天,瞎子摸象,无法把宇宙的全部图像或者局部图像描述出来。看到的图像大部分不正确,不精确。要了解宇宙的全部结构和宏观模样,就须要一个共同的时间,共同的空间,也就是说人们的认识必须回到牛顿时代以来经典的空间时间观念上来,通过多种方法途径,多种技术手段,逐步建立直观的宇宙结构模型。目前,螺旋结构的银河星系模型已经比较直观地呈现在人们的面前,我们的太阳位于英仙臂和人马臂之间的猎户支臂外侧,距离银心2.7万光年的位置上。宏观的宇宙图像和模型不能建立在可变的相对论时空里。在传统的牛顿时空观念里,人们考虑到光速不变,光传播须要时间,天体结构,天体力学,天体物理学方面的问题,客观地探测宇宙结构的真实模型及其演化规律。在传统的宇宙观里,宇宙,空间,时间,物质等概念清晰,条理分明,各行其道,表述简单。避免了相对论时空观把时空物三者融合在一起的复杂性及其引起说不清道不明的无休止的百年之争。当初,爱因斯坦对迈克尔逊和莫雷的光速测量实验感到十分兴趣,把光速不变的实验结果引进他的论文中,用光速去度量时空,是赶时髦的冲动。对于光的本性本质问题,笛卡尔,牛顿,惠更斯,麦克斯韦,爱因斯坦,霍金等大批科学名家始终没有搞清楚。在光速的本质问题完全不清楚的前提下,把光速不变原理作为相对论中的重要理论依据是十分不妥当的。这是相对论从诞生之日起就受到许多著名物理学家质疑的根本原因之一。

爱因斯坦是伟大的学者,在科学研究上有其不可磨灭的功勋,但不是他的相对论。最著名的是他的质能等价方程E=mc2,是核能研究的理论基础。目前为止,还没有找出更合适的方程取而代之。出于原子弹的威力,爱因斯坦登上世界科技高峰的最高宝座。许多人把爱因斯坦一般的甚至错误的东西视为至宝是可以理解的。青山遮不住,毕竟东流去,相对论及其宇宙观现基本上已被人们所抛弃。当代前沿科学家,实验物理学家基本上不相信相对论。霍金在《时间简史》第九章时间箭头里说过:“任何这些可能性都不符合我们所观察到的情况。然而,正如我们看到的,经典广义相对论预言了它自身的崩溃。当时空曲率变大,量子引力效应变得重要,并且经典理论不再能很好地描述宇宙时,人们必须用量子引力论去理解宇宙是如何开始的。”所以,把霍金列为“当代最重要的相对论家”是张冠李戴,完全不合适的。霍金讲解相对论,但是不相信相对论,也不相信大爆炸理论,他相信的是量子力学和超弦理论。作为一种理论,只要主要部分的某一点被证伪,这个理论就要放弃。还没有被证伪的,可以暂时保留下来进行继续考证。许多民间科学工作者已经发现相对论的弊端,试图把爱因斯坦和相对论作为大老虎打,全面揭露,无情批判,进行了几十年还不休止其诚是可嘉的。相对论淡出空间物理学是必定无疑的,也不要期望有一天某位主流物理学家出来宣布:相对论是错误的。如果要宣布,早在20世纪80年代世界主流物理学界就可以宣布广义相对论和大爆炸理论死刑。因为爱因斯坦是祖师爷,多少徒子徒孙仍然直接或间接在享受着他的俸禄。何况这种理论引发的无意义的争论对社会并没有产生实质上的危害。其实,作为科学研究,批判相对论不是目的。

霍金在《时间简史》中说:“科学的终极目的,在于提供一个简单的理论来描述整个宇宙。”大道至简,理论以简单朴素为美。其实质却能无所不至,万象包罗,而且尽可能地做到定性明确定量简单,能告诉大部分人们而不是少数科学家:我们赖以生存的宇宙的真谛所在?

三, 宇宙学公理,小结。

自从古希腊科学家哲学家亚里士多德和德谟克利特以来,至今已有2400多年的历史,人类可以归纳出如下有关时间,空间,世界万物的宇宙学公理:

1, 时间空间是不以人类主观意志为转移的客观存在。时间空间是虚的存在而非物质性的存在(非实在或者虚在)。

2, 世界万物是不以人类主观意志为转移的客观存在。世界万物是实的存在(实在)。

3, 世界万物始终随时间不断地发生演化,并在空间中处于绝对运动的状态之中。

4, 时间具有连续性,顺序性,单向性。时间犹如光阴岁月,江河流水永不停息,均匀流逝,勇往直前。空间是承载世界万物的场所。空间绝度静止,尺度无限,各向同性。

5, 时间空间是表述万物运动的两个不同的物理量,物质的运动轨迹可以由它的空间坐标和时间坐标移动轨迹来表述,但它们不是物质,只有数学度量。

2400年来,人类形成了传统的,经典的宇宙观念,后来被称为牛顿时代的宇宙观:“什么是宇宙?宇宙就是世界万物。”通俗认为包括太阳,月亮,星星,大地。泛指总星系及其占据的空间以及空间中的一切物质结构和一切物质粒子。经典的宇宙观念把宇宙定义为“万物”。描述的是实在的物质第一性的宇宙。它是唯物主义哲学宇宙观,自然科学的基石。近100年来,出现了相对论的宇宙观念,把宇宙定义为“时空”。描述的是虚拟的非物质性的宇宙。它是四大宗教里唯心主义哲学的延续和演变。西方国家神的意志推动下的时空大爆炸,与东方中国盘古王开天劈地,然后万物生机盎然,如出一辙。演变成意识第一性,物质第二性的唯心主义哲学宇宙观。这种非物质性的宇宙演化,把没有物理特性的简单的欧氏空间,唯心地设想成各种歪曲空间,黎曼空间,高维空间。但是,始终难以找到空间畸变原因的可靠的物理解释。

 

 

第二讲  质量与能量

一, 质量与能量的定义。

在牛顿力学中,物质具有质量和能量。质量与能量是物质的两个基本特性,这是区别物质与非物质唯一的重要标志,凡是物质必须具有一定数值的质量和能量。

质量是定义物体或物质含有物质多少的一个物理量值。质量大小表示物质或物体含有物质数量的多少。在这个定义下建立起来的牛顿力学定律里,物体质量的大小显示了物体惯性能力的大小,质量越大,惯性能力或者效应越强。同时,物体的质量的大小也显示了物体抵抗外力或产生引力效应能力的强弱,质量越大引力效应越大。在相对论里,爱因斯坦根据牛顿力学里的这两个效应,用运动和力的角度去理解与发展和重新定义质量,引进了“惯性质量”和“引力质量”两个概念,把牛顿力学里,质量是物质多少的概念演变成相对论质量,提出静止质量和运动质量概念。生活在地球赤道上的人类,时时刻刻跟着地球以每秒大约465米的速度自转,以每秒大约30公里的速度绕太阳公转,又以每秒大约250公里的速度随同太阳绕银河系的中心转动,银河系又有可能以更大的速度在空间中运动,宇宙中没有静止的物质和天体,何谓静止质量?所以判定静止质量与运动质量没有具体标准和现实意义,会把事件变得愈加复杂。在牛顿力学中,物体的质量的大小与其运动状态和运动速度无关,始终不变,牛顿力学中的质量定义才是客观地表达物体或物质性质的一种基本物理量。在相对论力学里,物体的质量与其运动速度有关,速度越大,质量越大,而且这种质速关系是非线性关系。物体在运动过程怎么能够获得更多的质量呢?似乎十分荒唐的唯心设想对表示物质性质不会有任何贡献,只会增大事物的复杂性。与此相反,中国重庆有位学者认为:物体的质量随着其运动速度的增大而减小,当物体的速度达到光速时,质量减小到零,这位学者的设想与推导似乎也很正确,并没有什么问题。然而,物质的速度达到光速时,质量到底是零还是无穷大?反正,运动中的物体的质量无法直接测量,胡说八道都行。但是,它们违背了哲学,逻辑学的原理。相对论力学的质量概念来自牛顿力学质量定义之下,却又演变出否定牛顿力学质量的定义,是自相矛盾的舍本求末,违背了逻辑学的“同一律”。相对论力学源自于牛顿力学,却偷换了牛顿力学最根本的质量定义,模糊了质量与动量的概念,设想了相对论动力学方程,从逻辑上讲,这条方程是不允许的,也不可能得到实验的验证。所谓的验证,必须重新引起人们的深思。相对论力学不是牛顿力学的发展,而是基本概念上错乱发展的产物。数百年实验证明,牛顿力学才是近代科学最完美而不可动摇的经典理论。

能量的定义是物质运动做功能力的一个物理量值。能量大小表示物体或物质做功能力的大小。物质能量的扩散传递与转换通过力的形式发生作用,人们称它为“能力”比较合乎常理。通常的能量类型主要有:机械能(动能,势能),热能,电能,磁能,电磁能,化学能,光能,核能等等。

机械能是物质的速度和所处的位置具有的能量。

热能是物质粒子无序自由的无规则振动具有的能量。

电能是带电物质与带电物质之间具有的能量。

磁能是磁性物质与顺磁性物质之间具有的能量。

电磁能是原子核与核外电子之间具有的能量。

化学能是电子,离子之间的电磁结合具有的能量。

光能是光子质量具有的动能和光波具有的波动能量。

核能通常人们以为是核子之间的结合能。

从以上可以看出,在各种能量中,人们无法找到离开物质的能量。 同样,人们也无法找到没有质量的物质。已知的世界万物都是如此。如果我们设想有一种没有质量的物质或者基本粒子,唯物主义者认为,应该拿出一张纸,把它的结构图形画出来,赋予它有一定的形状,尺度,性质,结构;才能向他人说明该粒子是如何与其它物质之间产生相互作用。然而人们会发现,这种粒子的结构图形是画不出来的。即使画上一个圆圈,圆圈的中心空空的没有质量,人们很容易理解,如果有人问,圆圈是什么物质材料怎么没有质量?就难以回答。更难的是,一个没有质量,没有电荷的粒子是如何与其它物质发生作用?还得要设想除了引力,电磁力,强力,弱力四种相互作用以外,还要发现第五种自然力。发现第五种自然力可能是超难问题。但科学家妄想用一种避开自然力的说辞如耦合,场效应之类加以敷衍,演变出一种机制。目前最“成功”的是希格斯玻色子在希格斯场机制下能使粒子获得质量,竟然能使部分科学家相信,还能获得诺贝尔奖。这个世界上,前沿物理荒唐之事层出不穷,一种研究,只局限于搞学术研究的小圈子里的部分人所主宰,不可能让圈外人提出质疑,说白了是少数几个人说了算,怎么能证明它的正确与否?这是人类科学的悲哀!

自然界所有的能量均由物质所携带,物质携带质量和能量是物质的基本特性。物质之间的相互作用力是因,运动变化是果,有因才有果,因果律不能颠倒。

二,质能方程。

1,牛顿力学的质能方程:E=mgh+mv2/2

这是一条最完美,最精确的质能方程。它表示处在地球引力范围内的地球表面物质的能量等于其位于该处相对的引力势能与其动能的和。它至今仍然是现代水力发电站设计的理论基础,在世界范围内,它已经通过不计其数的实际验证。在此不必细说,估计没有人提出异议。

2,爱因斯坦的质能等价方程:E=mc2

这是一条最重要的质能方程。是核能研究和核电站建造的主要理论基础。物质的能量由它的位置和速度来决定,本方程缺少位置项,只有速度项,显然是一条不完全方程。在牛顿力学质能方程里,如果估计势能mgh等于动能mv2/2的情况下(即:mgh=mv2/2时),此方程就变成爱因斯坦的质能方程E=mc2。所以,我们可以把爱因斯坦的质能方程看成近似的基本正确的质能方程。所以,我认为爱因斯坦质能方程是牛顿质能方程的特例,而不是发展。

验证爱因斯坦方程的精确性虽有困难,但是至今仍然无法找到更加合适的方程取而代之。

一条不很精确的方程也可以用其它参数加以调节,把它变成十分精确的方程并不奇怪,例如,把核燃料利用率数值进行调整会使E=mc2变得十分精确。

爱因斯坦的质能方程显示了核反应中的核材料的质量亏损化作光子,中微子,以太等其它粒子质量的同时放出核子之间的结合能。它应该理解成质能等价方程而不是质能互换方程。请不要把它理解成质量可以变成能量,能量可以变成质量。在核反应过程中质量始终守恒,在这里,质量守恒定律依然是不可否定的宇宙学基本定律之一。许多物理学家把质量守恒定律,能量守恒定律演变成质能守恒定律,这个微小的差别,把质量能量混为一谈,不知不觉会把现代科学引向歧路。许多前沿物理观念的设想就是从这个错误观念开始,导致物理学前景依旧一片茫然。

3,相对论质能方程: E=m0c2/√1-v2/c2

20世纪30年代以后,粒子加速器的开发制造和不断改进,能量从1MeV以下的低能加速器到如今的1TeV以上的超高能加速器,能量提高百万倍以上,科学家发现,被加速的带电粒子束流的速度始终不能突破光速,并遵循上述质能方程。因为它源自相对论质速方程m=m0/√1-v2/c2 ,所以称为相对论质能方程。

相对论质能方程限制了光子的质量m0必须为零,光子在作光速运动时,E=0/0=于任何数,方程成立;如果m0是不为零的任何数,则任何数除以零等于无穷大,光子的能量将变成无穷大,方程将不能成立。本方程也限制了任何物质的运动速度必须小于光速,否则,质量能量出现虚数,显然违背物理规律。然而,光子的能量不可能无穷大,光子的质量也不可能是零,有许多实验如康普顿散射实验效应,光电效应实验能够证明光子具有一定数值的质量,动量与能量。

宇宙中白矮星的数量很多,白矮星是恒星燃烧了数亿年后衰老的恒星,质量大约减小了一半。恒星燃烧把自身的质量以光子辐射和恒星风抛洒暗物质粒子(中微子和其它粒子)的形式带走了天体的质量,仍然遵守质量守恒定律。在相对论的指导下,在天文观测方面,前沿科学家为了满足相对论的须要,把光辐射列为能量辐射而不是物质质量辐射的范畴,把宇宙物质结构的组成列为:能量73%,暗物质23%,通常可见物质4%,虽然没有大错,但须要重新审视。

为了使相对论质能方程不与质量守恒定律相悖,本人在2004年写有文章《爱因斯坦方程的再讨论》发表在西陆网现代物理争鸣论坛上。把光速分为绝对真空光速和相对真空光速,绝对真空是没有任何物质的欧氏几何空间,相对真空是含有暗物质,以太,场物质的物理空间。物理真空中的光速始终略小于绝对真空中的光速,这样,相对论质能方程就允许光子携带较小的质量下可使方程仍然成立。后来几年,我发现相对论是一个不可验证的理论,只会引起人们无意义的争论不休,所以把空间分为绝对真空和相对真空并没有多大意义。更重要的是,当我发现光的本性以后,认为光不可能在绝对真空中长久辐射,因为光结构在绝对真空辐射中散架了;前沿科学家观测到宇宙空洞,辐射到宇宙空洞中的光突然寂灭可以得到证明。

三,能量的起源与自然的力。

能量起源于力,但能量有别于力。力有三要素:大小,方向,作用点;力是矢量。能量有大小,但方向和作用点不是唯一的,而经常是多个方向,多个作用点,所以能量是标量。能量是力做的功,能量也表示物体做功的能力。物质能量的传递,交换与转换的微观过程须通过力的相互作用来完成。人们在长期的科学总结中,发现了4种自然的力:万有引力,电磁力,强核力,弱核力。我把它们细分为6种力:

1,万有引力,或称牛顿力。它是基本粒子或者物质结构的质量之间的相互作用力。

2,电力 ,或称静电力或库仑力。它是基本粒子或物质结构的电荷之间的相互作用力。

3,磁力。它是磁性物质之间的相互作用力。

4,电磁力。它是电子之间或者电子与原子核之间的相互作用力。它也存在于某些天体之间的相互作用力。

5,强核力。核子之间的结合力。

6,弱核力。核子内部的离散力。

进一步的研究表明:6种力的本质只有两种力:牛顿力和库仑力。它们分别是基本粒子或者物质结构的质量或者电荷之间的相互作用力(详细分析请看后文)。所以,一切物质的能量起源最终归结于牛顿力和库仑力。可谓:“没有力?哪有能?”

某些权威的物理学家认为宇宙中的能量分为正能量和负能量,这是没有物理根据的不正确的说法,认为宇宙的正能量等于负能量,总能量等于零,它违反了质量守恒定律和能量守恒定律。能量是标量不是矢量,也不分正负,能量的最小值是没有能量即零能量,宇宙可以从无到有,但构成宇宙的基本粒子不能从无到有,基本粒子的能量也不能从无到有,宇宙的总能量等于构成它的一切基本粒子能量的总和。宇宙始终遵守质量守恒,电荷守恒,能量守恒定律。通常有些人们把正义的能力称为正能量,不在此例,它不属于物理学范畴。

四, 质量的自聚性和能量的离散性。

1, 引力,重力,重量和质量。

我在网上看到许多学者教授对引力,重力,重量,质量的概念理解不同,纠缠不清。在此首先表示我的看法:

处于地球表面的人类在生活工作活动中,经常感觉到我们身边的各种物质物体都具有重量,那是因为这些物体具有重力,重力是地球对物体的引力,重力和引力的单位在标准国际单位制中用牛顿和达因来表示(1牛顿=105达因)。重量是重力大小的量值,重量的大小本应该也用牛顿来表示,但是,按照人们的生活习惯,重量的单位采用公斤(kg),克(g)来表示。并设置在常温常压下(摄氏20度,海拔为0米时,一个标准大气压时)物体的重量等于物体的质量,即1公斤的重量等于1公斤的质量。1公斤质量的物体,不管它置放在海平面还是放在珠穆朗玛峰上,或者月球表面或者火星表面,它的质量始终是1公斤,因为它所含有的物质的多少没有变化。1公斤质量的物体在海平面,在高山上,在月球上,在火星上,在飞船上,它的重量是各不相同,因为它在不同的地方所受到的引力大小各不相同。重量表示重力的大小,物体的重量与它接受到的引力等值。

2, 质量的自聚性。

地球表面所有物质物体以及地球内部的一切物质都具有重力,重力的方向都指向地球的中心。这表示构成地球的所有物质的质量具有自聚性。地球的中心,包括地球的质心,地球的重心,地球的几何中心三者几乎重合在一点。通常的质量的自聚性指的是构成物体的各个质点向物体的质心自聚的特性。质量的自聚性可以很容易地由牛顿的万有引力定律得到理解,它是构成物体的所有质点的万有引力的合力表现出来的特性。

我们看到气态的云雾凝结成球形的小水珠下落到地面;我们看到铸造工厂里有许多熔融态的金属凝结成球形的小珠子;中国女航天员在飞船中的物理实验,看到失重状态的液态水凝聚成水球在空间中漂浮。这些都是物质具有质量自聚性的杰作。由此,我们会理解高温气态的恒星为什么会呈球形;我们也会判断出地球,月球,水星,金星,火星的早期曾经经历过高温熔融状态。

3, 能量的离散性。

物质的能量包括机械能,热能,电能,磁能,电磁能,化学能,光能,核能等。地球物理学研究认为,地球的结构由地壳,地幔,地核构成。地球内部物质的温度和压力随着深度的增加而不断增高,使熔融态的岩浆除了有地心的引力,又有以热能为主引起的离散力,这种离散力的微观本质是电磁斥力。地壳的厚度约840公里,在地壳板块较薄弱的区域经常发生火山爆发或发生地震。这证明构成地球物质由于携带热能而具有离散性。地球内部各个质点的离散力与它的重力方向相反,由于热能带来的高温高压,离散力大于重力,它试图冲破地壳的阻力,迸发出来。

恒星燃烧发出的各种巨大的能量,其本质主要是氢聚变产生的核能。能量的离散特性主要表现在天体的高温高压和以光辐射与粒子抛洒为主要方式。

物质物体具有质量的自聚性与能量的离散性是物质的基本特性。这种特性,也可以用人类的活动来理解,宇宙中一切物质和物质现象包括人类的活动,如一个党派,一个团体,一个企业,一个企业集团也都同样具有自聚性和离散性两个方面。

4, 天体的自转与粒子的自旋。

除了地球日以继夜的自转以外,科学家在天文观察中发现,几乎所有的球形天体都是自转的。天体为什么会自转?我们应该找出它的主要原因。天体质量的自聚性和能量的离散性使天体处于自聚引力和离散力的平衡状态,这种平衡是不稳定的,一旦天体表面某一质点受到外力的作用,根据力合成的平行四边形法则,质点会有一个切线方向的分力,驱使天体开始转动。开始转动的天体,每个质点的离散力向质点运动方向倾斜,分力加大,使转动速度加快;速度越快,每个质点的离散力越向运动方向倾斜,切线方向的分力变得越大,使转动加速,直到天体达到最大的自转速度。

天体自转的角速度与天体质量的乘积表示天体的自转角动量,它的大小取决于天体的能量大小(或者离散力的大小),这是内因,当然,天体自转角动量的大小还与天体的外部环境有关,这是外因。内因与外因共同决定天体的自转角速度。发光发热的天体具有较高的能量,因此具有较大的自转角动量。科学家可以观测天体的自转角动量来估算天体的能量并可获得天体内部结构方面的部分相关信息。

对于微观粒子,科学家在长期反复的研究中发现它们有自旋的性质,如离子,原子核,电子,光子等。由于它们携带电荷,构成每个微观粒子内部的每个质点携带同性电荷,它们彼此之间的库仑斥力使它们具有离散性。处于质量自聚引力与电荷离散力平衡的微观粒子一旦表面受力,粒子则会产生振动;由于力合成的平行四边形法则,质点在切线方向产生分力,使粒子开始转动,转速越大,每个质点的离散力越向转动方向倾斜,驱使转动的分力更大,转速会越来越大,直至达到最大值。粒子自旋的角动量数值的大小取决于粒子的电荷与质量的比值,这个比值称为粒子的荷质比。所以,微观粒子荷质比越大,粒子自旋角速度越大。这样,可以帮助人们估计出微观粒子之间在空间中运动和相互作用方面许多相关的性质和规律。

五,宇宙的纯朴性和复杂性。

我们的宇宙是物质性的宇宙。宇宙的演化,归根结底是宇宙物质物体的质量与能量发生运动和变化。任何物体由基本的物质构件组成,基本粒子所谓的“基本”,表示它既不能消灭,又不可创生,也不可以再分,它们是组成基本物质结构的原始材料。数量庞大的基本粒子及其结构,形成了五彩缤纷的复杂世界,它们把上百类自然科学及其分支从根本上联系在一起。科学家都相信宇宙是纯朴的,纯朴就是朴素简单,它是由基本粒子排列组合而成的物质结构的运动变化。科学的目的是不断探求更深层次的基本构件,反复多次地从底到顶,从顶到底,梳理推导,总结研判,直至发现基本粒子的原型及其性质。基本粒子非常纯朴,它们在通常的三维空间中存在,没有遇到卡拉比丘空间流形,它们不懂得加减乘除和复杂的数学,更不知麦克斯韦方程组,薛定谔方程,爱因斯坦场方程是什么?基本粒子与基本物质结构在相互接触时只表现为吸引作用或排斥作用。粒子的质量引力和电性引力能使各种各样的物质结构形成,电性的能量离散斥力能使物质结构发生运动变化。

宇宙的复杂性表现在:宇宙中只有相似,而没有相同的物质结构与运动状态。从物质的表观特征来看,有人找过,在地球上找不到完全相同的两片树叶,两粒砂子,两个指纹;找不出两个完全相同的人,即使是同一个人,他的昨天与今天不同,早上与晚上不同;追溯到构成这些物质结构体的不同与变化,以至找不出完全相同的的原子,电子,甚至基本粒子。虽然我们不能观察基本粒子的表观特征与内部结构,但我们可以判断它们不能处于相同的状态(位置与速度)所表现的特征。不同粒子的排列与组合数非常巨大,构了非常复杂的宇宙。所以,在宇宙中很难找到统一的“放之四海而皆准”的绝对真理。宇宙中的真理都是局部适用的相对真理。质量能量的运动变化不可能全部按照规则定律来进行,常常是确定性与随机性相伴随,有序与无序相连接,简单与复杂相交融,表现出宇宙演化的混沌性,无规性。宇宙是个复杂的大系统,宇宙学与系统科学,混沌科学的研究应该联系起来,并不仅仅是相对论与量子力学。

 

 

 

 

 

 

 

 

 


宇宙研究思考试题 ——来自吴东敏的提问

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     在《宇宙的真谛》一书的前言中,吴东敏向从事最前沿科学研究的物理学家们提出如下挑战性的疑难问题:

   1,为什么强核力的作用那么短程?(约为2.0×10^-15m之内,核子直径约为1,6×10^-15m) 如果两个核子稍微离开,强核力为什么立即消失?强核力的本质是什么?为什么强核力有渐近自由的性质?

   2,以氦原子核(α粒子)为例,请计算出它的质子与中子之间的万有引力;质子与质子之间的库仑斥力;质子与中子或中子与中子之间的核力;然后进行比较,以了解它们之间相差的悬殊性。

   3,为什么聚变反应能释放巨大的能量?核能的本质是什么?

   4,为什么弱核力的作用比强核力更短程?为什么弱核力比万有引力大得多?弱核力的本质是什么?为什么弱作用宇称不守恒?

   5,为什么宇宙中只形成原子而不能形成反原子?(从原子的本质结构及其性质来解释)。

   6,你知道可见光子,伽马光子,激光光子的内部结构吗与性质吗?

   7,为什么光具有波粒二像性?请从光的内部结构特性来解释。

   8,光(包含电磁波)辐射为什么具有能量?光为什么能长距离长时间辐射?

   9,在白炽灯发光的时候,你知道从钨丝里发出的光是来自何方?白炽灯熄灭后,光到哪里去了?

   10,LED光源(发光二极管)是怎样发光的?描述电变成光的过程?

   11,蜡烛燃烧是化学反应,蜡烛发出来的光来自何方?它是如何发光的?

   12,原子如何发光?一切发光现象的共同之处在哪里?

   13,电磁波的热效应随着波长的增大(从可见光到近红外,远红外,微波)越来越明显,为什么?但到了波长更长的无线电波段,波长更大而没有感觉到有更大的热效应?

   14,分子的无规则运动叫热运动,热来自哪里?“温度”的真正本质是什么?

   15,为什么导电性能好的金属,它的导热性也好(比如:金,银,铜,铝)?而非金属的导电导热性能差?

   16,为什么迈克尔逊和莫雷在1887年的实验(简称MM实验),不能作为证明“以太”不存在的实验证据?(实验结果的解释争论了18年,导致了相对论的产生,宣判了“以太”的死刑。)

   17,为什么声音的传播速度那么慢,光的传播速度那么快?你能说出它们的传播过程和实质吗?

   18,电场,磁场,引力场是什么样的物质?它们有何区别?

   19,广义相对论预言的“引力波”,为什么至今尚未探测到?

   20,科学家掀起的寻找“磁单极子”(磁荷)的狂潮,为什么80年来一直找不到?

   21,在你两手上的两块磁铁,当两手靠近时有磁铁相斥或者相吸的感觉,请你说明它们的工作原理,磁力线是什么物质?它是怎样形成的?为什么它有力的作用?

   22,在真空中的两片平行的金属板之间的吸引压力(卡西米尔效应)是由平行板之间的空间中的虚粒子的数目减小引起的吗?为什么?你有何不同的见解?

   23,导体里的自由电子移动速度很慢,而电流的传导速度却等于光速。如今的世界,电的应用到了相当发达的程度,但是,电流的真正本质问题一直困扰着人类,你能解开这个谜吗?

   24,导线作切割磁力线运动,导线的两端为什么会产生电动势?请说出发电机的原理,磁如何变成电?磁和电有何区别?

   25,金属罩为什么有电屏蔽作用?说明其工作原理。铜罩或铝罩为什么有磁屏蔽作用?

   26,为什么电子束具有波动性?物质波(德布罗意波)的波动性是如何形成的?其波长为什么与动量成反比?

   27,为什么有些导体在接近摄氏零下273度(绝对零度-273.15度,即0开尔文)时变成超导体?

   28,为什么反光镜要镀金属膜(银,铜,铝等)?请说明原理。

   29,太阳风里含有什么物质?太阳风是如何形成的?太阳黑子是什么?为什么成周期性变化?

   30,在日食时人们观测发现,远处恒星的光向太阳偏折现象,是因为太阳对光的引力形成的吗?

   31,数百年来,形成地球磁场原因的学说主要有12种,但都不完美,请你用磁的本质问题来描述复杂的地球磁场形成的真正原因(包括地磁偏角,极光现象的原因)?

   32,雷电现象与阳光有什么关系?为什么雷雨多半发生在午后和上半夜?云带电的主要原因及其机理是什么?

   33,星星为什么喜欢相聚在一起?(星系,星系团,星团等。)

   34,星系的分布(10^8光年尺度以上,体积尺度1亿立方光年以上测量)为何如此均匀?

   35,宇宙膨胀的真正原因在哪里?膨胀的动力在何方?

   36,宇宙中为什么有如此之多的暗物质,暗能量?它们是何物?来自何方?如何演化?

   37,你知道“宇宙空洞”是何物?

   38,星系际介质是如何形成和演化的?

   39,天体M1(蟹状星云)为什么有如此强的辐射(可见光,红外,紫外,X,伽马光子辐射)?天体M1可能的演化趋势怎样?

   40,月球绕着地球转,行星绕着太阳转是有序运动;而电子绕着原子核转是无序运动,它没有固定的轨道,人们不能确定某一时刻电子的确定位置。为什么?原子为什么不会塌缩?

  41,为什么物质的粒子小到原子核,电子有自旋的性质?大到天体有自转的性质?假如人类使地球从由西向东转变为由东向西转,对人类有何影响?

  42,我们从何而来?为什么会站在这里?向何处去?(问题的实质最终归结为:宇宙的起源?演化?结局?)

 

    要回答以上问题,敬请研究“二粒三构”理论学说。


《宇宙的真谛》—— 吴东敏编著

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宇宙的真谛

——破译宇宙密码解读系列近代物理重大难题

吴东敏编著

由北京艺术与科学电子出版社出版发行

本书被出版社评为2011年度优秀出版物奖

(目录)

序言一:挑战前沿的探索……杜建平

序言二:为真理而战的勇士…程仕林

不是前言的前言

第一章 宇宙
一,传统的宇宙观,空间—时间—物质
二,相对论的时空观
三,稳恒态宇宙论
四,大爆炸宇宙论
五,无边界宇宙论
六,简述循环宇宙论

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王令隽:也来纠缠一下量子纠缠

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最近有几位朋友同时送来一篇奥创智能网的报道,“50年物理难题盖棺定论,爱因斯坦被证明错了”,要我写点东西科普一下。这篇报道说,“爱因斯坦是量子理论的始作俑者,可他本人一生都不愿接受量子力学的怪诞结论。他说过一句很有名的话“上帝是不投骰子的”,旨在否定量子力学对物理世界概率性的描述。”“然而,几天前由荷兰物理学家发布的实验结果终于表明,爱因斯坦错了。”。这位荷兰物理学家(Ronald Hanson)做的是什么实验呢?是在相距1.28公里的两个实验室通过“量子纠缠 ”来超光速传播信息的实验。这篇报道一面说他的实验“无懈可击”,一面又说“两边的光子精确同时到达的成功率很低,大约1.5亿个光子对中才能有一对光子成功干涉并实现电子的远程纠缠。因此,该实验一共進行了22个多小时,却只得到245 次有效数据。不过,该团队目前正在努力改進,以期提高效率。”听起来好像有点底气不足,有懈可击。
我一直不太愿意去纠缠量子纠缠,除了分身乏术以外,一个很大的原因是这个问题其实是一个很容易就通过实验得出结论的问题,根本不需要牵扯到深奥的理论和哲学。
量子纠缠最热门的两个研究方向都是实验课题:一个是量子计算机,一个就是上面这篇报道中所说的超光速信息传输,或曰量子隐形传输。前者纯粹从量子力学波函数的理论解释得到灵感,后者则是从激光物理实验中得到灵感。搞量子计算机的人们扬言,一旦量子计算机研制成功,其威力将大大超过现有的数字计算机,能够破译数字计算机无法破译的密码,因此对军方有强大的诱惑力。军方也因此成了这一研究方向的重要资金来源。搞隐性传输的人们扬言,他们可以通过量子纠缠以超过光速很多倍的速度传递信息,并且保密程度非常高。国内有官方媒体甚至报道说遁术也是可以实现的。这些,当然也对军方有极大的诱惑力。不过,这两个研究方向扬言的前景都是可以实验验证的东西,而不是像大爆炸宇宙学家鼓吹的东西,是远在140亿年前或者几百亿年以后的故事或者现象,或者在谁都不能到达的高维空间,无法验证验错。研究量子纠缠的人们扬言他们的结果 – 量子计算机或者隐性传输 – 都是有直接的军事用途的,是可以用实验直接检验的。假如你是一个不懂量子力学的国防部总装备部的部长,可以问问他们,你们的量子计算机能不能破译这段密码?你们的隐性传输线能不能以超光速将这段情报加密发到西沙的边防站?这就是实践检验。
我曾经问过一位在洛斯阿拉莫斯国家实验室从事量子计算机研究的朋友:你们现在这方面的研究进展如何?比如说,你们的“量子计算机”能够做几位的加减 乘除?和最简单的只能做四则运算的计算器(calculator)相比,性能如何?体积多大?价格相差多少?他不能答。近来好像不太听到有关量子计算机的报道。
相比之下,对量子隐性传输的媒体报道却风头正健,风光得多。这项研究其实也非常容易实验验证。电磁波以光速传播,已经不是什么尖端科学,而是被工程技术人员用于平常的作业之中的实用技术。举个例子,大型钢铁厂的电缆都是埋在地下的,因为走明线太危险。可是地下电缆也有问题。如果一条电缆因为过流而产生短路,就会烧断,工人们叫“放炮”。必须立即修复以恢复生产。可是因为电缆是埋在地下的,必须先找到事故点,才能挖下去维修。外线电工们有一种仪器,专门用来找事故点。方法是从电缆终端(通常在变电所)发送一个很尖的电脉冲。这个脉冲传到事故点以后就被反射回来,因此在示波器上可以观察到两个脉冲信号。这两个脉冲信号之间的时间差就是电磁波从电缆终端到事故点一个来回的时间。这个时间差的一半乘以光速,就是事故点离终端的距离。这个方法的精度大约在几米的数量级(否则挖土的工作量就太大了)。这种设备在几十年前就有了,应该可以用来比较测验量子纠缠隐性传输的速度到底是不是真的比光速还快。还有更直截了当的方法: 让量子纠缠隐性传输线和普通的电报线路同时在两个城市之间传送一段莫尔斯码,看看哪个先到达。根据上述这篇报道的宣传,“两个朝相反方向运动的光子,只要不受干扰,无论相距多远都可以在瞬间传递信息。打个比方,即使牛郎和织女分居在银河两头,彼此心映即刻完成,无需时间。”银河两头的距离是多远呢?大约 30万光年。多宽?约1千光年。也就是说,一束光从银河这边走到那边需要一千年,或者说大约一千万小时。牛郎织女要在七月七日晚上相会,前后不到12个小时,时间很紧,见面以后还要执手相看泪眼,互诉离别之苦,问问小孩上幼儿园的问题是否得到解决,还要留点时间做量子纠缠。这一切都要在王母娘娘早上睡醒横加干涉之前完成,所以他们飞过鹊桥的时间大概也就只有一个小时。即是说,他们过桥的速度应该比光速快一千万倍。可是量子纠缠专家们说“即使牛郎织女分居在 银河两头,彼此心映即刻完成,无须时间”。就是说,牛郎织女量子纠缠的速度是无穷大!这是21世纪版的柏拉图恋爱!以这种速度和电磁波比,当然必胜无疑。
一个无法改变的事实是,量子隐形传输并不能传送任何物质或能量。量子隐形传态需要借助经典信道才能实现,因此并不能实现超光速通信。在量子隐形传输中,传输的只是“量子态”,而发送者和接收者都对这个量子态始终一无所知。这怎么能传送信息,应用于实际通讯呢?
能够传输“量子态”,却不能传输信息,这如何理解呢?举个简单例子。两个人打乒乓球,你只有两种状态:得分或者不得分。(这和电子相似,只有两个量子态:自旋向上或者向下。)你只要观察一个人是否得分,不用看另一个人(不用测量),就能知道他这球是否得分。又假如你有一对祖传的龙凤剑,也只有两个量子态:龙剑或者凤剑(又可叫做雌雄剑),母亲要你弟弟把其中一把从江南带到塞北你的戍边哨所。你打开一看,上面刻了一条金龙。你不用任何测量就立即知道妈妈留在身边的宝剑上刻的是凤凰,从你看到你的宝剑之时刻到你知道妈妈留下的宝剑是凤凰剑之间的时差,理论上可以等于零。如果用从杭州到雁门关的距离除以时间间隔,把结果定义为隐形传态的速度,它可以是无穷大。但是,这传递了任何信息吗?没有。真正的信息传递是通过经典传输手段,也就是你弟弟来传输的。他的速度取决于他是步行还是骑马。弟弟必须告诉你,另一把宝剑是存放在家里还是被妹妹作为嫁妆带到了岭南,也就是说,你必须知道游戏规则(理论)。在量子隐形传输实验中,规则(理论)是事先就知道的。这个例子所说的道理最早是由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(Einstein, Podolsky and Rosen)三人提出的一个假想实验来说明的,叫EPR佯谬。
如果你有兄弟七八个,祖传有十八般兵器(多个量子态),那么当你看到弟弟带来的龙泉宝剑时,是不可能知道远戍辽阳的大哥收到的到底是杀手锏还是钩镰枪的,除非弟弟告诉你。另一方面,辽阳的大哥到底收到什么兵器,你无法改变,无法控制,因此无法传递信息。你要想传递信息,对方的某种物理量(比如对方耳膜的振动,无线电收发报机中的电信号)必须能够受你控制。而这些都是所谓的“量子隐形传态”做不到的。
不过,芸芸众生和国防部负责分配科研经费的首长们是不知道这个底细的。他们被 “量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。在量子纠缠的帮助下,带传输量子携带的量子信息可以被瞬间传递并被复制,因此就相当于科幻小说中描写的超时空传输” 的科幻宣传误导,以为他们的“量子纠缠”可以实现超光速信息传输,甚至还可以量子加密。如此神奇高超的技术,当然应该大力支持。国防科研要舍得花钱,哪里在乎几个亿?让他们搞去,以免外国人争了先机。所以“量子计算机”和“量子隐形传输”的科研经费源源不断。
朋友们可能会说,如果“量子隐形传输”并不能真正传输信息,却又要拼命宣传“量子纠缠的 传输速度至少比光速高4个数量级。”“相当于科幻小说中描写的超时空传输”,那早晚是要被揭穿的呀?问题是,“早晚”是多长时间?社会心理对科研过程通常能够等待几十年。可是,几十年后,人们不就可以看出“量子隐形传输”到底能不能瞬间传递信息了? 如果你做不到,岂不是就真相大白了?社会心理的奥妙就在于此:几十年后,人们仍然会以新时间为起点,继续等待几十年,而不会质问说:“你们几十年前就说能 够实现超光速通讯,为什么现在还没有实现?”自上世纪末开始到现在,“量子纠缠”也热门了几十年了。时至今日,无论是量子计算机还是量子隐形传输,都还停留在研究室和新闻媒体,和实际应用毫无关系。但是人们不会计较这些,社会公众仍然会以今天为起点,再等几十年,好像以前几十年什么都没有发生过。几十年后的公众,会以那时为起点,再等几十年。永远不会有考绩的时候。这里的关键之一,是要通过媒体向社会描绘诱人的未来和希望。如果某种研究某一天能够实现科幻小说中的 “超时空传输”,可以保证信息传输的隐秘,甚至可以实现量子遁术(人体传输),可以实现高速量子计算破译密码,那公众和国防部就会一直支持下去。关键之二就是发明大量的一般人听不懂的行话术语(jargon),比如量子纠缠,量子计算,量子信息,量子密码,量子解码,量子点,量子比特,量子相变,EPR佯谬,贝尔不等式,等等等等。这些行话术语有两个作用:既可以给人以“这门学问很深”的印象,又给人以“这一研究 应用非常广泛”的印象。对于如此深奥而具有广泛应用前景的研究,谁忍心批评指责,中断研究经费呢?再等它几十年,又有什么不可以呢?这情形和长生不老药的研究极其相似。凡是给某一真人研究经费研制长生不老药的皇帝陛下,都希望在自己有生之年能够练出长生不老药,也就是说,二三十年应该出成果。可是,即使二三十年也出不了成果,他还是会一直等下去,等到死也不会停止这项研究,因为长生不老的希望太美好,太神圣。皇帝死了,别的皇帝会继续长生不老药的研究,这种过程可以重复几百遍,可以持续几千年。直到20世纪的现代美国,虽然没有皇帝,还是有人满怀希望。我儿子高中毕业时,有位医生朋友劝他学医,这当然没有什么不对。不过他的理由很奇怪,说是两年之内就会有长生不老药上市,并劝我买这家医药公司的股票。而今20年过去了,虽然长生不老药还没上市,但是人们并没有放弃炼制长生不老药的希望。
不管人们如何宣传公关,始终改变不了这样的事实:从事量子纠缠研究的人们,一方面年复一年地宣称实现了多么伟大的“突破”,比如实现了八个粒子的纠缠态,另一方面又说这方面的研究还是在理论探索阶段;一方面扬言量子隐形传态可以实现超光速密码传输,甚至可以进行远距离人体传输(遁术),可以不用宇宙飞船就把人送到其他的星球和其他银河系,另一方面又说量子隐形传态不可能用来传输信息和质量能量。这样既保鲜了美好的希望,取得了社会对现在的研究项目的资金支持,又对将来可能的失败有言在先,到时候可以推卸责任。
对量子纠缠的实际市场行情有了比较清楚的认识以后,我们就可以来务务虚,谈谈理论与哲学问题了。玻尔曾说:“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困 惑,那他一定没听懂。” 其实,如果你第二次听到量子理论时没有感到困惑,你也还是没有听懂。为什么呢?因为人们津津乐道的所谓“波函数”根本就不是行波的函数。光的波函数是经典电动力学中麦克斯韦场方程的解,非常简单的正弦波,而不是量子力学中任何方程的解。光波(行波,驻波)都是经典物理的概念。光波的传播,反射,折射,绕射,干涉,极化等都是经典物理光学的内容,和量子力学毫无关系。光的干涉现象和量子纠缠概念完全是不同的概念。量子力学中的量子态,是电子或其他粒子的状态,是薛定谔方程的解(且不管相对论量子力学)。可是薛定谔方程根本就不是波动方程,它的解根本就不是波函数,而是几率分布函数(正统教义如此说)。有的朋友说,行进中的电子也是波。我要他把电子的波函数写出来,他就是写不出来。至于描述电子的波动方程,就更不要谈了。教科书上总是举电子的干涉图案为例证明电子也是波。可就是教科书也写不出电子束的波函数。一写出来就会露马脚。如果不管有没有波动方程,只是偷用水波或者电磁波的行波函数,那振幅的物理意义是什么呢?写不出电子的波动方程和行波的波函数,怎么可能实现“电子的远程纠缠”?尤其奇怪的是,电子的波函数怎么可以通过光波来纠缠?
不仅爱因斯坦不能接受“几率波”的不定论哲学,就是量子力学的发明者薛定谔也不理解。他提出了薛定谔方程以后在求解方程时得出了量子化条件,算出了氢原子光谱的能级,结果和里得伯公式相符。但是这个方程的解到底是什么东西,薛定谔自己也不知道。好像只是一个空间的函数。反正得到了里得伯公式,解释了氢原子光谱,这就够了。
可是,对于薛定谔方程的解没有物理解释,就使整个理论蒙上了神秘的星相学色彩,使人感到非常不舒服,也给薛定谔方程的可信性甚至合法性蒙上了阴影。所以Max波恩就提出了一个解释,说薛定谔方程的解是波函数,其平方等于粒子出现在某一空间点的几率密度。按照这个解释,电子在任一时刻出现在空间的什么地方是不确定的。它既可以在这里,也可以在那里。人们无法知道它的确切位置,只能算出它出现在某一空间点的几率。根据波恩的几率解释,说某个粒子某一时刻在什么空间位置是没有意义的。所以爱因斯坦在给他的回信中才说“上帝不掷骰子”,意思是物理世界的规律是决定的,物体或粒子在某时某刻的位置也是一定的,而不是随机的。
波恩是海森伯的老师,两人都是哥本哈根学派的重要人物。哥本哈根学派将量子力学的非决定论几率解释推向极端,居然认为一个系统的状态是不确定的,他的实现取决于观察者的观察或者测量行为。这个道理的一个直观例子就是,美洲印地安人到底存在与否,取决于哥伦布是否发现了新大陆。在哥伦布发现新大陆之前,印地安人是不存在的。薛定谔于是设计了一个假想实验,就是有名的薛定谔猫实验,来驳斥这种理论之荒谬。薛定谔猫实验是这样的:把一只猫封在一个密室里,密室里有一个密封的毒药瓶,上面有一个锤子,锤子由电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,放出毒气将猫毒死。如果原子核不衰变,则猫就不会死。原子核的衰变是随机事件,也就是说,在一定时间内,猫到底是死是活是随机的。根据哥本哈根学派的哲学,在打开密室之前,这只猫处于一种死与活的叠加态。
薛定谔挖苦说:按照哥本哈根学派的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”,要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。(请注意!不是发现而是决定,仅仅看一眼就足以致命!)只有当你打开盒子的时候,叠加态突然结束,坍塌为某一本征态(叫做“波函数坍缩”)。但物理学中没有任何一个公式或者理论能够描述这种坍缩。尽管如此,长期以来物理学家们出于实用主义的考虑,还是接受了哥本哈根的诠释。但是薛定谔自己从来不接受这一解释。
哥本哈根派坚持:是的,当我们没有观察的时候,那只猫的确是既不死也不活的。他们有一句名言:“当我们不观察时,月亮是不存在的”。也就是说,月亮 本来是不存在的,当苏东坡观察到“月出于东山之上,徘徊于斗牛之间”时,才突然坍塌出来了。等他和朋友“相与枕籍乎舟中,不知东方之既白”时,月亮又坍塌到另一个状态了,不存在了。过了三个月,苏学士再游赤壁,又观察到“人影在地,仰见明月”,“山高月小,水落石出”,月亮又突然坍塌成“存在”的量子态了。苏老夫子返而登舟睡觉的时候,月亮又坍塌了,不存在了。可是此时说不定弟弟子由在另一个地方与睡梦中的哥哥“千里共婵娟”,于是月亮又不得不坍塌到子 由的后院。这可不得把月亮忙坏了?问题是,在苏东坡看见“月出于东山之上”之前,“月亮本来是不存在的”。一个本来不存在的东西,如何坍塌出来呢?这岂不是无中生有的创造论吗?在哥伦布发现新大陆观察到印地安人之前,印地安人是不存在的。同样,在此之前印地安人也从来没有观察到哥伦布和他的船队,因此哥伦布们也是不存在的。这样大家都不存在。如此类推,你很容易证明全人类和整个宇宙都不存在。这就是主张“当我们不观察时,月亮是不存在的”的哥本哈根哲学教给我们的深奥的哲学新思维。朋友们可能会说,王教授何必浪费这么多笔墨,跟这些没有常识的人较真?可是,就是这些非常荒唐的“你不测量,物理量就不存在” 的教条,唐而皇之地充斥在量子力学教科书里,作为“新思维”(new paradigm)故弄玄虚,误导学生。当然,我实在不愿意浪费笔墨谈什么“人体传输”或“遁术”之类的东西。我不知道现在中国还有几个人相信遁术。
说到这里,我要谈一下爱因斯坦的物理哲学思想。大家都知道我对相对论是完全彻底地否定的。所以有的朋友以为我看到“50年物理难题盖棺论定,爱因斯 坦被证明错了”之类的报道,一定会乐于附和,一起来反对爱因斯坦。恰恰相反,在对待量子力学和波函数的解释这个问题上,我是支持爱因斯坦的。他说“上帝不 掷骰子”,说量子纠缠是“鬼魅般的超距作用(spooky action at distance)”, 反映了爱因斯坦的睿智。爱因斯坦的哲学思想比较复杂,很难简单地说成是唯物主义还是唯心主义。他的思想中有相当的唯心主义成分,比如他把方程式形式上的美和对称性当作一种物理规律;把时间和空间当作数学变换参数而无视其物理本质;假定宇宙是有限的;假定现实世界是四维平直空间中的三维超球面;他毕生追求一个统一理论;等等。但是,爱因斯坦的唯心主义是有底线的。比如,他不能接受量子力学的不决定论;他相信,即使你不观察,月亮仍然存在;他主观上也尊重质能守恒定律,尊重因果关系(尽管他的相对论可能违反这些定律和关系);他认为宇宙是稳定的。当他发现自己的有限的三维超球面宇宙模型不能稳定时,便没有继续在宇宙学上折腾。他抛弃了自己提出的本质上是星相学性质的万有斥力宇宙项。他从来都不接受宇宙膨胀的理论,从来都不承认大爆炸宇宙学所依据的弗里得曼方程。所以,大爆炸宇宙学的许多荒唐结果与他无关。但是,他是相对论的创造者,宇宙项和三维超球面概念的始作俑者。宇宙学之所以坠入神学星相学的不归路,爱因斯坦难辞其咎。


物理学究竟有哪几大核心公式(物理科学与物理史学的绝唱)?

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【2013-5-26日补注】本文是对2300多年来物理学高屋建瓴的宏观评价与精准把握,并且完全符合物理学的客观实际,有英国科学期刊《物理世界》2004年10月的调查结果为证!但这样的工作并不是每一位物理学家或者科学院院士都能够做到的。如果本文作者还参与创立了物理学的五大核心公式,那么,他的科学贡献就更是不可估量!央视华人频道也正在大力推介这五大核心公式(点击观看)。

纵观物理学金碧辉煌的大厦,我们不禁感概万千!抚今追昔,从2300多年前亚里士多德(公元前384-322)的《物理学》到牛顿(1642-1727)的《自然哲学的数学原理》,再到今天物理学庞大的理论体系,究竟有哪几大公式堪称物理学的核心公式呢(请注意:自1901年-2013年这112年间共有195人荣获诺贝尔物理学奖)?

所谓物理学的核心公式,必须是主宰物理运动中某一个大类运动的基本定律或者公式(例如主宰机械运动的牛顿第二定律,主宰电、磁、光运动的麦克斯韦方程,主宰微观粒子运动的薛定谔方程),或者是揭示最基本、最重要的物理关系与实质的公式或方程,例如,爱因斯坦质能关系式甘永超波粒二象关系式。前者揭示了质量、能量、时间、空间与运动之间的关系,它是物理学中最基本的关系——物理学就是研究物质(质量、能量)在时间、空间中的运动,后者则是物理学中最重要的关系,因为实物(粒子)与场(波)之间的关系至高无上——被(瑞德尼克)称之为“物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰”,也是爱因斯坦一辈子苦苦求索的问题。

另外,物理学的几大核心公式最好还能与物理学史上的几次重大事件(例如物理学史上的五次大综合或者第六次大综合的开端(见下面的注释六))相对应、相吻合就更是天遂人愿、花好月圆了……

综上所述,物理学的五大核心公式应该是:

一、牛顿第二定律(主宰机械运动,与物理学史上第一次大综合相对应)

二、麦克斯韦方程(主宰电、磁、光运动,与物理学史上第三次大综合相对应)

三、薛定谔方程(主宰微观粒子运动,与物理学史上第五次大综合相对应)

四、爱因斯坦质能关系式(揭示时间、空间、质量、能量、运动之间的关系以及核武器原理,与物理学史上第四次大综合相对应)

五、甘永超波粒二象关系式(揭示实物与场(或者粒子与波)的关系以及核导弹克星——巨粒子炮原理,与物理学史上第六次大综合开端相对应,为我们开启了“后粒子物理学”时代。其四维形式与教科书表达见最后的附件,它是量子力学两大开山之作集成后的升级

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注释一:“电磁波”与“光量子”之间的关系,是天才的物理学家爱因斯坦苦苦求索了一辈子的问题,今天的甘永超却居然能够给出精准的数学表达并且已经被写进了教科书中!而瑞德尼克在《量子力学史话》一书中关于“物理学最高峰”的宏论早已震耳发聩:“今天,决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题,就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰:物质的两种基本形式——实物(粒子)与场(波)——之间的相互关系。”你觉得“波粒二象关系式”在物理学中应该处于什么地位?

注释二: 当今物理学前沿存在四大疑难,它们是:“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”;而破解这四大疑难的钥匙就是“甘永超波粒二象关系式”及其衍生出来的“π型三重波粒二象性”与“太极粒子波”(如上三个图)。早在1994年,甘永超就完成了“经典电磁场按光子对应分解”,揭示了“经典电磁场在结构上的粒子性”——第三种波粒二象性;而后,他又把爱因斯坦、德布罗意揭示的前两种波粒二象性与第三种波粒二象性完美而又和谐地统一起来,揭示了微观客体的“π型三重波粒二象性”;据此,他还预言了物质世界的最基本结构单元——“太极粒子波”的存在,并给出了“波粒二象关系式”的物理解释。参见:娄兆文等编,自然科学概论,北京:科学出版社,2012,44-48页。你觉得“波粒二象关系式”在物理学中应该处于什么地位?

注释三:“甘永超波粒二象关系式”将开辟一个新学科或新领域——“后粒子物理学”(只有能够开辟一个新学科或新领域,才堪称物理学的核心公式)。它至少是对爱因斯坦、德布罗意和甘永超所揭示的“三种波粒二象性”的概括和总结,特别是对“π型三重波粒二象性”这一物理模型的数学抽象。而“太极粒子波”则又是对“π型三重波粒二象性”(当然也包括“波粒二象关系式”) 的进一步解读和发展。事实上,这一个物理公式(波粒二象关系式)、两个物理模型(“π型三重波粒二象性”与“太极粒子波”)首尾呼应,浑然天成,开辟了继“分子物理”、“原子物理”、“原子核物理”、“粒子物理”之后的又一个新学科与新领域“波与粒子的统一——‘太极粒子波物理’”并预言了一种新武器——“巨粒子炮”的存在。你觉得“波粒二象关系式”在物理学中应该处于什么地位?

注释四:“甘永超波粒二象关系式”能够直接导出普朗克能量子假设和德布罗意物质波假设这两个诺贝尔物理学奖公式(把量子力学的两大开山之作统一起来),间接导出四个诺贝尔物理学奖(第一种、第二种波粒二象性的揭示与实验验证)结果,要不是其中有两个内容发生重叠,该公式就可以包含六个诺贝尔物理学奖!试问:科学界还能找出第二个这样的公式吗?你觉得“波粒二象关系式”在物理学中应该处于什么地位?

注释五:在热力学与统计物理学中,我们也曾刻意寻找物理学的核心公式,但那里的微观粒子,要么服从经典的力学规律,要么服从量子的力学规律,并没有被新的基本定律所主宰。不过,值得一提的是:还是出现了几个新的统计规律,但它们比较分散,力量不集中,比较弱小,找不到一个共同的统计规律。另外,这里的能量转化与守恒定律也可以并入整个物理学中的能量转化与守恒定律,并被爱因斯坦质能关系式的质-能守恒所包含。这也就是说,从物理学史上的第二次大综合中还找不到一个具有代表性的核心公式与之对应。希望今后会有新的发现。

注释六:物理学史上的五次大综合与已经开始的第六次大综合:

第一次大综合:17世纪,伽利略研究地面上物体的运动,打开了通向近代物理学的大门。牛顿在此基础上把地面上物体的运动与天体的运动统一起来,揭示了天上地下一切物体的普遍运动规律,建立了经典力学体系,实现了物理学史上的第一次大综合。

第二次大综合:18世纪,经过迈尔、焦耳、卡诺、克劳修斯等人的研究,经典热力学和经典统计力学正式确立,从而把热与能(能量转化与守恒定律)、热运动的宏观表现与微观机制统一起来,实现了物理学史上的第二次大综合。

第三次大综合:19世纪,麦克斯韦在库仑、安培、法拉第等物理学家研究的基础上,经过深入研究,把电、磁、光统一起来,建立了经典电磁理论,预言了电磁波的存在,实现了物理学史上的第三次大综合。

第四次大综合:1905年,爱因斯坦在分析当时有关光速测量方面出现的种种矛盾的基础上,创立了狭义相对论,把物理学扩展到高速运动领域,建立了新的时空观(物质、运动、时间、空间相互关联),这是物理学发展史上的第四次大综合。

第五次大综合:20世纪,普朗克在解释黑体辐射的实验规律时提出了量子论假设,经爱因斯坦、波尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等人的努力,发展了量子力学,把物理规律扩展到微观领域,完成了物理学发展史上的第五次大综合。

第六次大综合:随着“第三种波粒二象性”的揭示和“三种波粒二象性”的和谐统一,人们终于破解现代科学的四大疑难(①波粒二象性之谜、②光的本性之谜、③粒子与场的关系之谜、④物质世界的最基本结构单元之谜),从而完成物质的两种基本存在形式——实物(粒子)与场(波)——之间的统一。这就是物理学的第六次大综合。所以,一位名家早就指出:“今天,决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题,就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰:物质的两种基本形式——实物(粒子)与场(波)——之间的相互关系。”

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