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对物理学的思考(六)
2019-08-05
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    --波与粒子

    微观粒子的波粒二象性已广为人知。其实波与粒子都是物质运动的存在形态,其二者既有不同也互相关联。尽管其二者为不同的物质运动形式,但有很多相同的东西,因为其终归都是物质运动,同时又可以相互转化。

    粒子是组成宏观实物质的基础,宏观实物质都是由粒子构成的。由此人首先认识了粒子运动形式及其运动规律,且想把一切物质运动形式都纳入粒子运动规律中,这也是顺理成章的。但宇宙间物质运动是丰富多彩的,实际上不仅有粒子的物质运动形式,还存在其它物质运动形式,波就是不同于粒子的另一物质运动形式。

    物质运动最根本的体现,就是其具有能量。由于运动的相对性,人对物质运动的描述可随坐标系选择的不同而有所不同。如一个物体的运动速度,可随选择不同的坐标系而有不同的值,但物质运动所具有的能量,却是固定不变的,因为随着速度描写的变化,该物质的能量已被归结到质量中去了。即不管在什么坐标中,该物质运动所具有的能量是不变的,只不过在不同的坐标中,能量的表现形式是不同的而已。这种能量保持不变即是运动物质的根本属性。

    人对波的认识首先是从粒子组成的宏观物质的振动开始的,由于振动则产生了波,最常见的波如水波、声波等等。这些都是在粒子介质中的波动,但却已有不同于粒子的运动形式及规律了。后来发展到光,即电磁波,这已再不是在实物质介质中的波动了,但就波动性质及规律而言,各种波都是相同的。实践已经证明,电磁波已不需要粒子介质作传播介质,这也是以太最后被否定的必然。即作为电磁波其是在真空中传播的。而现代的一些人又把真空说成是真空不空,是充满了正、反夸克的基态等等,这似乎是将以太说用新的形式复活起来而已,用以挽救一些理论上的需要。

    作为实物粒子,它的性质主要表现为集中性及整体运动性,具体的讲为:

    1 . 粒子是一个完整固定不变封闭的物质运动系统。其是在一定时空范围内物质运动的一个完整、固定不变、一般又不与外界运动物质发生相互作用的独立时空系统,这个独立时空系统如与其它物质发生相互作用时,只能是作为一个整体来参与;

    2 . 粒子内部有确定不变的物质运动形式。即粒子内部是存在恒定不变的物质运动形式,这种物质运动只在其内部时空中运动,且其有确定的能量,而这种物质运动一般是不与系统外物质发生相互作用及进行能量交换的;

    3 . 粒子具有整体运动性,即粒子只是作为运动物质系统的整体与外部时空运动物质发生相互作用,在与外界物质发生相互作用时,其整体表现为有确定的位置、速度、能量、动量等等。在相互作用时这运动系统整体的物理量可发生变化,但这并不涉及或影响系统内部时空中的物质运动;

    4 . 粒子具有集中性,其整体对外界时空的标志为系统的质量。这个质量的大小是由系统内部时空物质运动所决定,且在与其它物质相互作用时这个质量是固定不变的,为一统一体;

    5 . 粒子是在真空中是成对产生的,且在正、反粒子对再相遇时会发生湮灭反应,放出电磁波辐射(电磁波)。即作为粒子的独立时空系统是可产生的,但在产生时其必定是正、反两个粒子成对同时产生,且当这正、反粒子相遇,则会发生湮灭反应,即正、反粒子的两个独立时空系统同时消失,而变成波在时空中传播;

    6 . 粒子独立时空内运动物质有确定的运动形态,形成了稳定不变的时空形态,这种物质运动所具有的能量是量子化的,不是连续可变的。

    7.粒子可以组成各种集团,各种集团会出现各种新的特性,这种集团可以在空间中作为一个整体在空间中运动。同时这个整体之中粒子组合会形成一定的运动状态,这种运动状态的总体量化表现为这种粒子组合的温度。温度是对组成粒子集团粒子运动状态的状态描述,它表明了组成该集团的粒子的动动成度,也就是粒子动动的越激烈其温度就越高。温度的定义是:组成物质集团的粒子运动的能量,因为所有物质的粒子都在运动,所以所有的粒子集团物质都有温度,而不存在完全没有热量的粒子集团物质,也不存在没有粒子集团物质的温度。

    8.粒子之间的相互作用的结果,只能是由高能能量的粒子将能量传递给低能量的粒子,再多的低能量粒子也不可能集中将能量传递给一个粒子,使其能量变大。

    即粒子是一个具有内部结构的独立时空系统,这个系统内部的物质运动是固定不变的,稳定自洽自我维持的一个体系,在其与外界其它运动物质发生相互作用时,是以一个整体一起参与的,并不涉及系统内部时空运动物质,而粒子间发生相互作用时,总是由高能量粒子将能量传递给低能量的粒子,不能出现相反方向的能量集聚。由此在经典物理中将这种独立的时空体系作为一个几何点--质点,而在相互作用过程中可不考虑其内部物质运动。即粒子的主要特点是它的独立性(封闭性)。

    波则与粒子不同,它的性质主要为广延性、传播运动性,其主要性质有:

    1 . 波在时空中具有广延性,即波只能在时空中不停地运动传播才能存在,这种传播运动一旦停止,波也就不复存在了。其是在开放的时空中的一种物质运动形式,不存在它独有的空间,即在所有空间中都是如此运动着;

    2 . 波也是一种物质运动形式,它没有固定不变的结构,但却有运动的不变形式,故波包涵有确定的能量、动量等物质运动的标识量,但这些都包含在波运动形式中。由于波在时空中可与其它运动物质发生相互作用,通过相互作用波的这些标识量可发生变化,同时波本身也就发生了变化,这是波与物质相互作用的结果;

    3 . 由于波运动时空的开放性,波与其它物质发生相互作用可发生衍射,即波可以绕障碍物继续传播,当波与波发生相互作用时,可发生干涉,即波的运动能量可以叠加增强或抵消,也就是波的能量可通过叠加而由低能密度形成高能密度;

    4 . 波的标识为波的频率与波长,在同一媒质中,所有同类波的速度都是相同的,而波的频率则标识了其之间的不同,波与其它物质发生相互作用的情况也由波频率所决定;

    5 . 波是由实物质在时空中周期运动变化(振动)产生的,产生后就一直在时空中传播运动着,只有两个频率相同的波在时空中相遇才发生干涉,不同频率的波则可能相互叠加构成一种新的波形态,而后分开各不相关的各行各路;

    6 . 波的能量是量子化可连续变化的,即由于实物质振动产生的波频率可取任意值,这完全由振动所决定,没有一个固定的运动形态。

    7.波之间可以相互叠加,即波在相互发生作用时,并不是保持波的原有形态,而是波之间可形成一种新的形态,这种形态的波可能比原来的波有更高的能量,这与粒子间的相互作用只能是由能量高的粒子将能量传给低能量粒子不同,是可能有多个低能量的波相互叠加而形成高能量波的形态。即波可能由多个低能波而集成高能形态,达到能量的聚集。

    总之波是在一个开放的时空中物质的一种运动形式,波没有一个固定的时空状态,是在时空中不停运动传播的,由此波具有广延性。与粒子相反,粒子是独立的封闭系统,波是广延性的开放运动形式,而波相互作用间是可能出现叠加,可能由多个低能量的波叠加成高能量的波,即与粒子的相互作用相反,可能出现能量的集聚。但可看出,作为物质的运动形式,其都包含物质运动所具有的能量、动量等等,只不过一个由作为封闭独立内外不发生相互作用的内部统一标识的质量来标称,另一个是在开放时空中可与其它物质发生相互作用的频率来标称的。

    粒子与波显然是两种完全不同类型的物质运动形式,但两种物质动形式又是相关联的,微观粒子的波粒二象性就充分表明了这点。显然一般来讲波是由于实物粒子的振动产生的,即实物粒子运动状态的变化产生了波,而波又可以作用于实物粒子,而使实物粒子运动状态发生改变。尤其是人类的实践结果表明,波又可以转化为粒子,如光的电子对效应等,而实物粒子也可转化为波,其为反、正粒对的湮灭反应。由此可见波与粒子存在着更为密切的关系,而波粒二象性似乎表明,波与粒子之间可能存在着量变到质变的相互转化的关系。

    现代主流派的认识认为粒子是由更小的粒子组合构成的。如物体由分子构成,分子由原子构成,原子由原子核和电子构成,原子核由基本粒子构成,基本粒子由夸克构成,夸克由……且这种构成大有万世不竭之势。真的是这种永远由粒子构成粒子,无限可分吗?

    认识之二是近来的一种认识,这就是超弦理论。该理论认为并不是无限可分的,是弦组成了最基本的物质。这种理论的发展至少在数学上是吸引人的,它在物理学的进一步发展统一上也显示出了明显的前景。这种理论也使粒子由零维的点变成了一维的弦,且由这一维的弦运动构成了三维的体。

    但弦是什么?弦又是何种运动物质?弦振动是物质,不振动又是什么?又出现了更多的问题。大约也正是由于出现了新问题,才引起了人的好奇心,要更深入一步地追究下去。笔者以为,弦理论有一点是应引起特别注意的,这就是只有振动才能构成超弦理论。而弦上的振动正是波,即在隐层次上将波与粒子联系在一起了。这或者是再深入认识的开始。

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  • 最近量子达尔文开始火热,据说有些实验验证了些什么。
    我在知乎上回答了关于量子达尔文的题目,如下:人们认识世界肯定是需要依靠某种方式,从某个特定的观察点出发,来“测量”这个世界。因为测量环境、测量方法的不同,人们的见识也就不同,并可能分出其见识的所谓“高低”。这很像尼采提出的视域论。其实庄子也说过这样的话,人们认识和观察过程中的“所待者”即凭据,它是人获得知识的条件,但也限定了他们能够得到的知识的深度和广度。(引自草根网我的博文)
    现在人们认识这个世界,也只能依靠可以认知的“测量”环境,所以也只能得到这样的“测量”结果。量子达尔文强调了测量环境的作用,并没看到测量环境的局限。
    2019/8/5 11:59:51
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草根简介


1938年7月15日生。北京大学毕业,分配到中国工程物理研究院核物理与化学研究所工作,直到退休。研究员。现居住北京海淀区。
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