测不准关系与波粒二象性

志勰

    这篇文章的内容大部分在以前的文章中都已经包含了,这里将它单独作为一个篇幅只是把以前的星星点点的看法集中起来,来系统说明关于处理微观物质的一种方法。在这篇文章里,有对此类问题最直接的说明。另一方面,本文只是从测不准关系和波粒二象性在科学概念中的定位上来说名这两个概念相关的问题,也同时说明这两个概念所存在的价值和意义。


        测不准关系与波粒二象性产生的前夜

       接触一点现代物理的人对测不准关系都不会陌生的,在考虑到微观物质世界微观基本粒子上,至少在目前,我们不得不采用这一关系对微观物质世界进行这种处理方法的说明,或者我们可以对微观粒子所作的在空间位置上的一种可行性确定的说明,但是这只是一种处理方法,这是目前我们人类探索微观物质世界的局限性。关于这样一种关系,我想研究物理的人都为之感到可惜和困惑。可惜的是我们人类所探索的范围到这一阶段我们不能够对微观进一步深入下去,困惑的是科学在不断的发展,我们真的没有办法冲破这种局限性么?方法应该是有的,也许我们还没有发现,或者还没有找到更好的方法对微观物质粒子进行更合理的解释。我们是因一物理关系局限在这一微观物质所探索的范围,还是积极的去寻找更好的描述方法,这是值得我们去考虑和研究的问题。对于前者,我认为这不是科学发展的终极,这样一个判定未免太早了,而对于后者,我们则必然要放弃测不准关系。如果科学要进一步深入微观领域,那么,对于后者,这是一条必由之路。

     测不准关系与波粒二象性这样一种处理微观物质存在状态的方法不是偶然的,这是自近代物理继承性的发展的一种必然结果。首先将物理学引入这种途径的一种观念应首推能量守恒和转化定律,如若追求最原始的思想,那么那就是自整个物理科学在科学发展过程中得不相一致的逻辑概念,这样一种说法你或许感到困惑,但是如果您浏览一下整个科学发展的整个历史,您就会发现这样一种说法不无道理。本文仅限于探讨测不准关系与波粒二象性的本身的概念和意义,除了探讨一下与这两个概念相关的物理观念的发展之外,我想对这两个关系所确定的处理微观物质存在状态的方法并没有太多的直接关联,也就在此不在探讨了。关于相关的看法,在以后的文章中在说明。

    能量守恒和转化定律建立之前,对于物质世界的原理所属的领域仍然是分立的,热学、磁学、电学、光学、等物质世界的运动变化原理的观念,还是分立的。当时还很难发现这几种学科间必然的联系,虽然在当时的看学中存在种种假设,但是学科间的原理并不是统一的。能量守恒和转化定律的建立得自于这样一种观念————运动的不灭原理。这是自十九世纪40年代以前永动机的探索失败之后在人们反思过程中所得出的重要结论,自十九世纪之后有一批优秀的物理学家就开始从事这样一个这样一个科学主题,即物质世界的不灭原理。比较有代表性的科学家是迈尔.焦耳、柯尔丁、赫尔姆霍兹、萨地.卡诺、马尔克.塞贯、卡尔.霍尔兹曼、G.A.赫因、C.F.摩尔、威廉.格罗夫、法拉第、李比希等等很有影响的物理学家,他们从物理各个领域求证物理学中不同的学科领域间的能量转化关系,并在此基础上建立了能量守恒和转化定律。从我个人的看法而言,他们的工作只是证明了能量确定的转化途径存在确定的转化关系,并不能证明能量守恒。其中摩擦生热的过程并没有经过实验的检验,当然,也许您认为焦耳先生的所作的焦耳试验已经证明了这样一个关系,我想说明的是在焦耳先生所作的实验中并没有考虑到能量转化的同时并非只有一种能量形式的转化,(关于这一点,在“机械运动的能量体系”中已经作了说明,以及下一个固体的摩擦,您可参阅)对于摩擦生热,在固体间的摩擦中也没有证明。同种能量间转化的同时必然伴随着不同种能量同时的转化。如,弹性碰撞(参见机械运动的能量体系中的篮球和地面的碰撞)。

        建立一个能量守恒定律虽然对于处理物理问题是很方便的,但是,这样不利于探讨物理的本身。从这样的角度来说,我们所探讨的也不是物质世界运动变化本身的的原理,而是一种以物理为对象的数理关系

        能量守恒定律的建立提供了这样一种方法——建立两种物质在两种运动状态前后间确定量的描述,并且建立两种量描述间的数值关系,采用总量不变的方法对于解决物理问题是方便的。这样的一种逻辑,在物理科学中并没有确定的逻辑上的等量关系,不论我们建立任何一种确定的能量形式,在整个物理科学中的能量转化中是没有根据的,局部的统一,如机械运动,传统的动能和势能间的转化,能量间的转化关系是存在的,但推广到整个物理体系,就没有根据了。但是,鉴于物质的统一性,物质间的运动变化统一于物质间的相互作用,找到统一的对物质运动变化的描述,这是很有可能的。

     我们暂且沿着近代物理发展的方向来看待这一问题,去寻找测不准关系所给与微观物质存在特点定论的可行性的意义,并且在整体科学中寻找可行性的描述方法。

     近代物理学中热力学和统计物理学的发展无疑使采用数量间的逻辑关系去处理真实的物理问题更加前进一步,对于能量间的转化上,比如摩擦生热、热能和动能间的转化甚至更深一步的光能和热能间的转化、光子和物质间的转化,我们只要建立两种量间的转化关系,就可以在物质相互作用的运动状态变化的过程中建立求解的关系,这样的思路去通过实验进行检验也无可非议,但是建立的这样的关系并不是物质间真实的相互作用的变化关系,而是通过实验确立的两种数理逻辑间的等量关系,将这种方法应用于实际问题的应用上还可以理解,但是作为阐述物质世界原理的物理科学,就有些难以费解了。

    对于我们面前的无数个微观个体的对象,我们不能寻求采用对个体精确描述的方法从而对整个整体描述的精确性,实际上这样的要求我们是永远作不到的,这样的描述也不具有任何实用上的价值和意义。统计物理学采用统计的方法弥补了这样的一种空缺,既可以达到对微观物质世界描述的可理解解性,也同样使其具有实用的意义和价值。在这里我们所描述的对象是整体的大量粒子,我们不能采用何种方法,使其更具有物理本身的意义。

    实际上,量子论的诞生就在这样一种前提下诞生了,去考虑物质存在状态的可行性的方法去判别物质可行性的状态。从量子论最原始形式诞生那一天起,就一直是以这种科学方法去处理微观事物的属性。当然,现在的物理学中已经把量子论当作一种想当然的东西,去直接应用于物理问题的实际解决中。这样,到现在量子论已经成为现代物理科学中的想当然的东西。并且是理论与实验想对应的最好的方法之一。这得自于一个世纪以来的无数科学家们在理论与实验间所作的大量的工作。

 

测不准关系与波粒二象性的意义——对于探索微观物质世界来说,并没有什么实际的意义,它只是观念和看法之一。

          我们不能因为可以采用定量的数理关系可以对物理量之间的关系达到理论与实验的对应而放弃真实的物质运动变化关系,这对于探讨真实的物理世界是得不偿失的。虽然在现在的物理模式上,我们在物理学中获得了极大的胜利,但是,这样的代价是微观物质世界的模糊性,甚至我们放弃真实的物质世界。以及将要放弃掉进一步探讨微观物质世界的可能。对于这样一种趋势,很有代表性的两个物理概念是测不准关系与波粒二象性。

           相信这样两个概念大家都不会陌生,测不准关系是从宏观物体测量误差的角度出发,从我们测量微观物质世界的工具着手。我们不能否认,在我们采用常规的方法去测量微观物质世界的确是具有一定的局限性。比如,确定宏观物体的存在状态,我们可以大致这样测定:测定物体的质量、测定物体的速度、确定物体在空间中的位置(坐标)。这样宏观物体想对于我们已知的世界就是确定的了。对于微观物质世界,我们这样判定它的存在状态对于大多数的科学领域是没有意义的,因为我们在深入微观领域物质个体微小的同时,也伴随着微观粒子的数量极其庞大,所以,在我们不是研究以微观个体为对象上,是没有意义的。统计物理学对此已经作了很合理的工作。

           如果我们研究的对象是微观的个体,那么测不准原理与波粒二象性仍然是没有意义的,这是因为我们探讨微观物质世界的方法并不只是存在一种,我们采用宏观物质世界物质存在状态的判断方法去判断微观物质世界的存在状态很难说合理。与测不准关系相对应得对微观物质世界的描述是波粒二象性,我们把微观物质用波粒二象的双重属性来确定微观物质的属性,来探讨基本粒子本身,毫不夸张的说,在这样的两个规律上,我们已经放弃了进一步的探讨微观物质属性的权利。测不准关系在实验手段上,我们已经不能进一步确定空间位置的大小。波粒二象性在微观物质的本质上,已经确定了这样的模糊的物质属性,“粒”即赋予实物的特点,“波”虽然是物质运动的一种形式,但是自从物理学上出现波动学开始,物理学中波的对象则主要是波的物质运动形式的数理关系。我们在采用的计量方法上也是采用的几率的概念,甚至应用于原子状态的描述中,作为典型的代表。

           不论我们采用任何一种描述模式和方法来寻求对物质世界的理解,我们所作的只能是以我们的可理解的角度去描述物质世界。不论我们采用任何一种方法去尝试对物质世界的理解,我们所作的只能是接近物质世界的本身,而不是真实物质世界的本身。或者从另一个角度,物质世界在存在着,就看我们采用何种描述方法去描述它。      

          因此,我们不能放弃寻求对其它描述物质世界的方法探索。对于探索微观个体我认为还存在其它的方法,这种方法我在原子论中稍提了一下。(稍后我将说明这种可能性的一种方法。另一方面,建议您参考电磁波与原子论中的内容——本站中的)此外,我个人认为,对微观的个体的基本属性,即便是科学发展到现在,我们仍然没有足够的证据说明物质在微观的确定的存在状态,或者说不能对微观个体的基本属性进行确定,我们只能采用那一种描述方法对物质世界的描述更接近物理的真实来判定那一种描述方法更为合理。

          量子论的方法在近代科学中的成功,众所周知,是归因于它在理论与客观事实的数理关系中所能反映的理论与实验的对应,尤其是对辐射光学及原子理论中的应用 (普朗克公式和原子理论模型),这是属于一个时代的产物。当然,在半个世纪来的发展中,量子论已经扩展到整个物理学的领域。我们在应用量子论的同时,是想当然的在应用这百年来所创造的物理科学,但是我们是否怀疑过,将物质实体的确切含义赋予纯粹的数理逻辑-----量子论的假设,它本身的确切含义到底是什么呢?

         我们毫不怀疑采用统计的方法在物质个体的基本属性中引入自由度的概念去进行解释和说明、我们也不怀疑采用微观物质粒子可能性的存在状态去解释物质基本粒子属性的可能性,但是,建立想当然的同时,我们是否考虑过将微观物质粒子的属性建立在可能性的基础上我们对真实的物质粒子认识的意义。当代物理科学中对有关物质的看法已经成为这样的主流。只是在我们采用这样的方法对微观物质世界解释的同时,我们不要忘了,建立在这样的基础上的科学知识可能性的对微观物质世界的解释,理论与实验数据的吻合并不能说明微观物质世界就是采用这种方法所描述的样子。

 

原子理论所存在的假设以及微观物质存在的行为规则的可能性

     近代物理学中原子理论的建立是基于辐射光学的完善上,或者更确切的说是基于普朗克的辐射定律对黑体辐射成功的解释之后。普朗克公式中引入如下的假设:

                               1、辐射是由带电的谐振子构成。

                               2、谐振子的能量只能是由某一能量最小的单元ε0=hv的整倍数(其中v为频率)h为普朗克常数,其值为6.626*10-34JS在时间上,普朗克先生提出这一观念的时间是在1900年。

        附带说一下,我在“基本电荷的属性与普朗克常数”中,已经将普朗克常数的意义归于基本电荷的属性上,您可以参阅。

   到1913年,丹麦物理学家波尔先生提出原子假说,其基本假设有两个:

                1、在原子中存在一系列电子运动的稳定轨道,电子在这些轨道上绕原子核运行时,原子并不辐射电磁波,而处于稳定状态,具有确定的能量。

                 2、原子中的电子可以从一个稳定轨道跃迁到另一个稳定轨道,与此同时,原子将发射霍吸收一定萍率的电磁波,频率v的值有下式决定:

                                                            hv=|Ei-Ef|

                 式中Ei、Ef分别微电子处于跃迁前后的轨道上是原子所具有的能量,h为普朗克常数。

    基于如上两个假设的基础上,波尔的原子理论对氢原子或类氢原子很成功的解释,但是大于两个电子以上的原子和离子就不能很好的解释了。即便是后来经过索莫非等科学家对原子轨道进行椭圆形扩展。

    在原子理论中,我们可以看到,我们不能从普通的牛顿力学或者机械运动力学中得到原子行为的任何信息,原子理论实际上已经和物质间直接的相互作用完全分割开了。换之的是采用场论的解释方法对微观物质个体的行为进行规范。即:量子规律

    原子理论中对物质粒子的存在状态分别采用电子的轨道、电子的自旋、电子的磁矩、角动量等等来对原子发光的经验事实来进行解释,并且确立了量子的规律以此来赋予设定的物理量与实验数据中的对应。关于此的,您可以参阅原子论中的内容(在其中有一部分工作是与此相关的内容,只是还不太完善)我们所假设的量子规律只是在物质运动变化过程中可能存在的一种形式,我们没有任何理由确定量子规律对于微观物质本身的描述是确定的,而唯一的依据就是量子理论在数理逻辑与实验事实的对应上能达到高度吻合。

 

    我们知道电子在原子核外的空间绕原子核旋转时按常规来说会辐射能量,依据能量守恒定律,直至电子落入原子核的表面。但是我们为了假设原子的经验事实和物质世界的物质实体存在的相符,而假设电子的轨道规则必须是确定的无能量损耗状态,这样,我们已经违背了物质原理的本意,也是在这样的基础上,我们走进了对物质原理解释的数理时代。即:采用理论与实验相结合的方法,对微观物质运动变化的行为规则进行硬性的规定,我个人认为,这样的结论是违背物质存在的本身。

    在量子理论中,电子的自旋是我们根据电子在原子中存在的经验事实并根据原子对外的行为规则而作的一种假设性的说明,以至对此类的经验事实的外延和扩展,这样就形成了以数理为对象的物理概念间的逻辑关系。(关于此类的事实,主要的依据是光谱结构)

    我们以可行性的方式去探讨微观物质世界的行为,量子的假设只是可行性的一种方式,它在数理逻辑关系上理论与实验事实能较好的吻合。但是,在物质原理的本身上,我个人认为,它不能说明微观物质世界的运动变化的原理。这是因为我们以层层引入的假设——虚拟的数理逻辑的量。对于物质微观粒子的本身,我们引入测不准关系,因此,我们不能判断微观物质个体的存在状态,从而,我们不得不用几率的概念来填补此类物质个体事实的空白。另一方面,就是对物质属性本身的解释,我们将物质的实体归之于波粒二象性,这也在阻止我们对微观个体的进一步认识。

    甚至我们不能采用常规的理解形式去理解原子轨道,因为在原子的结构过程中以及在物质运动变化过程中我们不能根据常规的物质间的相互作用原理去判定原子结构在空间中的分布规律和运动变化规律,即便是引入几率的概念,我们仍然不能对这一物质存在事实进行合理的理解,或者说与经验事实的解释进行合理化的完成在空间分布规律,这样,我们是远远不能满意的。

    原子理论中对光子发射,我们只能采用约定的模式来对原子经验事实进行约定,不能找到与物质运动变化形式相关联的任何一种作用模式。将物质的运动变化归因于物质间相互作用的本身,在这样的解释前提下,量子论无法对这样的原子事件进行合理的解释。另一方面,量子论对原子的存在状态采用数理模式的量如:量子化的规律以及与此对应的外延——将量子的数理模式扩展到相关的领域,虽然能解释数理关系(经验事实与理论的对应)但是,我们所采用的定义体系是相关联的定义体系——数理模式的循环定义。从这样的角度来说,对量子论存有怀疑是无可非议的。

    我们假设的数理逻辑概念是否能真的可以代替微观物质运动变化的本身我们姑且不论,单凭这样的描述方法,我们可以判断,在量子论的基础上,我们对真实的微观物质运动本身还不是很清楚。我们不能因为微观物质世界不易探测和了解而放弃对物质世界真实的理解。当然,这里所指的理解不是微观物质理论与实验事实的对应,而是物质世界的本身。物质世界的多样性我们也没有太多的根据说明物质世界是什么或不是什么,我们所作的只能是根据物质世界相互作用发生运动变化的关系来对物质世界的本身求证,正是在这样的意义上,我们不能排除量子理论所描述世界的可能性。但同时,我们也不能否认物质世界还存在其它描述形式的可能。也正是在这样的意义上来说,我们有必要选择一种对微观物质世界更为合理的描述方法,或者说更为合理的对微观物质世界运动变化规律进行描述的科学体系。

从电荷运动变化本身得出的一个结论

    电荷的运动变化过程中,电荷从一种运动状态到另一种运动状态,电荷会对外界产生一种相互作用,传统物理学将它叫做光子或者电磁波。(这样一个结论并不是在本站中的电磁理论和原子论中所特有。传统科学中有这样的结论形式,我在这里所作的工作是将这一结论形式采用逻辑分析的方法,将电荷间的作用形式进行详细化和推广到物质间实际的相互作用形式,并建立和力学相应的作用模式。您可以参见电磁理论和电磁波中的内容,本站中的)它是电荷本身运动状态发生变化最直接的结果。不论我们考察任何一种形式的电磁波,它都和电荷的运动变化是不能分开的,从导体到带电粒子的碰撞,无一不是电荷的运动状态发生变化引起。

      微观物质中,带电粒子是构成微观粒子体系非常重要的一个部分。从物质的属性上来说,我们可以将微观物质粒子分成带电粒子和不带电粒子。它们构成了化学物质最基本的原子。在化学物质中或者说构成宏观物质属性最基本的单元中,任何一个粒子体系,都是由带电粒子构成。这就是我们生活中所接触到的普遍的物质。

      电荷的运动变化会产生电磁波的作用或者说光子,分子运动论说明大量微观粒子在不停的运动(这一说法早已存在大量的实验证据)。从一种角度上来说,我们的周围存在大量的电磁作用,这来源于电荷的运动变化。

      在原子理论中,电荷的不确定性已经是量子理论在处理原子问题中的一个很具有代表性的看法,几率概念的引入就是基于这样一个前提下,这样电子云的概念也就成了此一问题的代表。这也是量子论对这样的问题的处理角度。在这里我们不难看出测不准关系的意义。

      采用常规的测量手段,我们的确不能精确测定出电子所在的空间位置和速度,如果我们采用和电子直接相互作用的工具来反映电子状态的信息。但是我们首先必须明确我们测量电子空间位置和速度的意义。如果我们只要求测量本身的意义或者电子本身属性的意义,那么,这样的测量的提法是不严格的。至少存在一种测量方法,可以检验电子所处的空间状态或者能更进一步检测电子本身的运动状态。

      首先,我们不能采用常规的方法对电子所处的空间位置进行检验,在常规的方法中,我们不论采用任何一种手段,都必须引入和电子直接相互作用的光子去作为测量的本身,常规中的光子是不确定的,具有波的属性。这样电子的本身在测量过程中就不能确定了。

      如果我们采用与电子本身不发生相互作用的测量方法,那么这样的测量就不会影响到电子本身的状态。如果我们测量光子频率足够精确,那么,只要我们测量一个光子在运动状态发生变化的过程所发射的电磁波的频率,就可以对光子的运动状态变化进行确定。虽然我们不能知道电子原运动速度和终运动速度,但是我们根据电子的发射光子的频率可以确定电子运动状态变化量是多少。

      我们确定电子的速度和位置是为了确定什么呢?常规来说,只是为了确定电子和外界相互作用过程中电子本身的运动状态变化,现在,电子本身的属性可以让我们去掉中间环节,而直接判断电子本身的运动状态变化量。

       这样,提供了这样一种计量模式:我们可以不计算电子本身所处的空间位置,也可以不计算电子在某一时刻的动量。我们可以根据电子所发射的光的频率和发光时间,确定电子在和外界相互作用过程中运动状态变化量的大小。我们可以以此确定电子动量变化的大小、电子的速度变化的大小。我们也可以根据物质普遍的发光强度,依据统计方法判断物质在相互作用过程中相互作用的强度(如:判断气体分子在一定温度内相互作用的量;其大小和强度。关于这一部分,您可以参阅电磁理论和原子论中的相关内容,如果您感兴趣,或者给我写信,因为由于下一部分的理论——光的本性也与此相关,在某方面来说在定性的意义上还没有结束,我们可以共同探讨。)

    但总的来说,确定微观物质的某终运动变化状态,不是不能确定的,而是可以确定的。在这种意义上来说,测不准关系是不能包含所有的对微观物质测量的领域。它只说明,在常规的方法上来说,微观物质的某种状态如:位置、动量是不确定的。但是,对于大量的微观粒子来说,测定位置和动量对于确定微观物质粒子的运动状态是没有什么意义的,(或者说从实用的意义上来说)。

波粒二象性的意义

       波粒二象性已经成为物理学中关于微观物质的基本属性之一。关于这样的物质特性,相信学习和研究物质属性的物理学者们对这一概念的理解,除了从数理关系中得出的数理概念与数理关系之外,不能得到与实际的物理意义的任何结论,当然,还有这样一个前提,就是在采用现行的数理关系为主体的物理学来说。或许您认为,现行的物理体系中所引入的概念是物理概念,不是数理概念。对这样一种说法,我想你通过现代物理学中的一些基本概念可以看到这样一种说法是没有道理的。我们在物理学中所引入的概念大多以数理关系为主体,判断的依据是试验与数理逻辑的对应。

    对于物质的基本属性,物质是实体的粒子以及在一定媒介中传播的波的属性,这样两种属性是完全不同的属性。前者物质本身是确定的实体,而后者则没有物质本身的属性,它仅是物质运动的一种形式。尽管我们在某种数理关系上可以可以满足两种形式统一的描述,或者说反映出确定的数理关系,但是对物质本身属性的描述,两者不能也不可能是统一的。物质要么是实体即粒子的属性,要么是波即物质运动的一种形式,前者是物质的本身,而后者是运动的形式。

    对物质这样的两种描述归于一体,存在如下两种原因;一种是我们不能放弃物质的实体性,即粒子的特性。另一方面,在描述物质基本粒子的状态中,采用波的描述状态中,和物质实体本身的描述吻合。判定物质粒子性的描述依据主要有如光电效应、康普顿效应等。判定物质波动性的描述依据主要有基本粒子在运动变化过程中的干涉和衍射等。德布罗意先生将光的本性推广到物质的本性,这样做我个人认为是不妥的,尽管在电子的衍射试验中,电子的行为与波的行为有些类似。关于这一部分内容,我将专门写一篇文章,作专门的说明。

     本文中并不想对科学发展过程中的历史过程作专门探讨,只是在物质概念的判定上作些逻辑上的说明,波粒二象性的本身是一个矛盾体,物质不能既是波又是粒子。只能是其中的一种,不管是有没有试验作为基础,这是我对微观物质世界概念定义上的看法。

     如果物质是波的属性,那么物质的本身不是实在的,只能是物质运动的一种形式。如果物质是粒子的属性,那么物质的本身是实在的实体。两者只能择其一种。

     在这样的意义上来说,物质的波粒二象性没有任何意义,如果说有意义的话,那么,那只能说我们所得到的物质属性只能是一个充满矛盾的概念。关于物质本身的属性,我们还有待澄清。

 (关于波粒二象性的本质,我将在以后的文章中说明。在目前来说,由于光的本性是跨领域的,在这里无论如何是说不清的,有兴趣的朋友,不妨关注本站,将会逐渐过渡到那里的)  

                                                                                                                               2000.4.18