朱林
思想观念促进科学创新一例
2024-7-22 00:51
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        从物理学史可见,法国物理学家布里渊当时头脑里有很深的以太观念,他提出玻尔原子中电子在轨道上能够形成波,这种波是电子运动激发以太造成的。德布罗意年轻学历史半路转学物理,受以太观念影响不深,加上崇敬爱因斯坦,看到狭义相对论撇开以太概念甚至认为以太概念没实际用处,便把布里渊提出的电子在原子轨道运动激发以太产生的波动直接赋予了电子自身,提出电子本身就具有波动性,并进行了数学推导和指出波动性检验途径,从而把爱因斯坦光的波粒二象性推广到实物粒子也具有波粒二象性,被称为世界上唯一以博士论文获得诺贝尔物理学奖的人(实际上,在德布罗意当初博士论文答辩时,评委们认为他的想法太过离奇不可思议,甚至几乎难以通过博士论文答辩)。德布罗意深刻认识到物质粒子的波粒二象性是大自然最为核心的本质,后来又为解释物质粒子为何具有波粒二象性而耗尽后半生心血和时光。他一生未婚,单身一辈子,全部精力倾注在物理学上;他生活简朴,将其贵族豪宅卖掉,住在简易的小屋里,深居简出,在大学任教,坚持研究思考,撰写出版了20多部科学专著,还设立了专项基金,以其财力支持后人继续深入研究。德布罗意献身科学理想并取得重大成就,让人看到了传统意义上为真理和理想的献身精神和自我牺牲精神,看到了什么才是真正的贵族精神。这也是从乡村走出来的牛顿为何被封为贵族称号的一个主要原因。也让人再次看到了思想观念对科学创新的重要作用。正是有了这些科学家对自然真理和规律的探索发现认识,才有了科学技术的发展进步,人类社会才日新月异不断丰富,人们日常的衣食住行和信息交流及工作等才有了现代化。

        爱因斯坦常说,"我们的衣食住行都是同胞们辛勤劳动所创造的,我们应当诚实地回报别人的劳动。"“历史给了我们艰巨的任务,但只要我们仍然是真理、正义和自由的忠诚勤务员,我们就不仅要继续像现存的最古老的民族那样生存下去,而且要像以前一样,用创造性的工作所产生的成果为提高人类的精神境界而作出贡献。”

        质量与时间和空间作为物理学三个最基本概念,为自然科学理论的发展提供了广阔的舞台。从最早有天时的华夏文明和建立起空间逻辑体系的古希腊文明,发展到有了时间、空间和物质(质量)的西方近代文明。对粒子缔合以周期性因素,是德布罗意的伟大贡献,带来了东西方文化汇流的契机。对物质粒子内在周期性因素物理机制的探索,将带来物理学基础理论上的突破和变革。

       对于电子等物质粒子为什么具有内在的振动周期和在运动中形成物质波,德布罗意等一大批物理学家前后相继艰辛研究了近百年,现在还是难有共识,未知其根本原因。统观整个物理学,粒子和波是两个完全不同的概念,粒子在空间上居于一点或向一个方向运动,而波可向四面八方传播;一个具有惯性的粒子与不断波动的图像实难融合一体。在薛定谔以物质波概念为基础创建量子力学薛定谔方程之后,科学家便把对物质波的不明认识转向对波函数的认识,主流界以数学几率波来应对,以致量子力学的各种诠释近百年来一直争论不休。一些喜欢内心平静的人以难得糊涂自诩,只管数学计算和实验检验,不再对量子力学抱有寻求理解的奢望。

       我们认为,自牛顿以来,物理学一贯注重研究物理量之间的数学关系,如今需要在最基本的物理量——质量与时间和空间物理关系上取得突破性认识,才是揭示物质粒子波粒二象性物理机制唯一可行的办法。

       通过提出物质粒子内在的振动与辐射空间本底量子相生相伴,得到物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系,且符合功能原理、动量定理、动量守恒定律和能量守恒定律。这一结果也可以通过多种途径的理论推导和实验观测分别加以确立。由此在基础物理学创新研究方面,发现并得出空间本底量子是物质与时空统一的基元(空间本底量子应该是古希腊原子论学者德谟克利特不可分割意义上的原子,既构成了实物,也构成了虚空,还是布鲁诺想到的连接原子与虚空之间的物质)。从而自然地和系统地推导出了主要由实验观测总结提升而来的居于微观宏观和宇观核心地位的物理学基本公式——关于物质波的爱因斯坦—德布罗意关系、薛定谔方程、牛顿第二定律、牛顿万有引力定律与哈勃定律亦及普朗克长度等,系统给出微观、宏观和宇观共82个物理公式。使牛顿经典力学和量子力学、狭义与广义相对论以及宇宙学密切联系起来,从而为创建新的量子引力和演化物理学打下坚实的物理基础。令人惊喜的是,我们经推导计算给出的空间本底量子能量亦即本底引力子能量,与现在观测研究方面给出的引力子能量限定值,二者在10的负51次幂的数量级上竟然能很好地相符合!

        在德布罗意提出物质的波粒二象性整整100年后的2024年,我们从上个世纪八十年代开始历时40年的研究,经系统地整理出来,今年即将以《粒子波动演生时空物理学》专著出版问世。该书通过提出物质粒子辐射空间本底量子新概念及质量时变关系,给出了物质质量与时间和空间的物理关系,揭示了物质波粒二象性的物理机制和时空的起源,明确了惯性起源与引力机制,认识到宇宙因质量时变引力衰减而自然地以临界速度各向同性地膨胀及加速膨胀,并依据由此形成的动态空间本身自然存在确定的附加引力场强度,还自然地和系统地解决了星系旋转曲线等一系列疑难问题。所提出的几十项预测已有一部分得到了观测上的验证,尤其是在银河系、太阳系、地月系统和地球观测方面有些已经得到较高精度的观测验证。在宇宙学方面,我们于1996年发表的《物体自身质量时变的引力理论》,预测了宇宙加速膨胀,并给出其缘由和宇宙膨胀及加速膨胀公式。1998年,两个国际天文观测小组观测发现,宇宙不是之前近百年来预想的减速膨胀,而是加速膨胀,这一观测发现震惊了世界,相继获得了邵逸夫天文学奖、宇宙学最高奖,2011年获得诺贝尔物理学奖。耗费100亿美元研制的韦伯太空望远镜这两年升空观测发现,在大爆炸宇宙学认为的130多亿年前最遥远的星空,竟不可思议地存在着成熟的星系和超大质量黑洞,这又让大爆炸宇宙学情何以堪!而这恰与我们的预测相符。

附:关于德布罗意的物质波

       德布罗意家族的历史悠久,他的祖先中出了许许多多将军、元帅、部长,参加过法国几乎所有的战争和各种革命,后来受到路易.腓力的册封,继承了这最高世袭身份的头衔:公爵。路易斯.德布罗意的哥哥:莫里斯.德布罗意便是第六代德布罗意公爵;当1960年莫里斯去世以后,路易斯成为第七代德布罗意公爵。
        路易斯.德布罗意从小对历史很感兴趣,他的哥哥莫里斯.德布罗意是一位著名的放射线物理学家,并在1911年参加了第一届索尔维会议,他将会议记录带回了家;小路易斯看到了这些激动人心的科学进展和最新思潮,完全被物理学给吸引了,于是他立志成为物理学家。德布罗意进入大学学习物理,导师是著名的保罗.郎之万,他一直在思考一个问题:如何能够在波尔的原子模型里面自然而然的引进一个周期的概念,以符合观测到的现实。原本这个条件是强加在电子上面的量子化模型:电子的轨道是不连续的。但是为什么必须如此呢?对于这个问题,玻尔做了硬性的规定,而无法解释原因,而电子只能听玻尔的话,乖乖的做着不连续的运动。德布罗意想,是时候释放你们的天性了,自由的飞翔吧。
       1919 ~1922年,小布里渊发布了一系列关于玻尔原子的论文,试图解释只存在分离的定态轨道这一个事实,在老布里渊(小布里渊他爹)看来,那是因为电子在运动的时候会激发周围的“以太”(虽然爱因斯坦狭义相对论无需"以太"概念,但是爱因斯坦在创立广义相对论之后,又试图恢复"以太"概念),这些被振荡的以太形成一种波动,它们相互干渉,在绝大部分地方抵消掉了,因此以太不能出现在那里。

       德布罗意看了布里渊的文章后就所有启发,考虑如果不用以太概念解释会是怎么样。德布罗意又想到了爱因斯坦的相对论,他开始这样推论:根据爱因斯坦那个著名的方程,如果电子有质量m,那么它一定有一个内禀的能量:E = m*C2。我们再回顾下普朗克通过黑体辐射研究最先提出的量子基本方程:E = h*v,也就是说对应这个能量,电子一定会具有一个内禀的频率。这个频率的计算也很简单: m* C2= E =h*v,所以v = m*C2/h。
        那这个电子内禀的频率又是什么呢?它是某种振动的周期,那么我们又得出结论:电子内部有某些东西在振动。那又是什么东西在振动呢?德布罗意借助相对论,开始了他的运算,结果发现当电子以速度v0前进时,必定伴随着一个速度为C2/ v0的波……,这个波的速度将比光速C还要快上很多,德布罗意又证明:这种波不能携带实际的能量和信息,因此不违反相对论。爱因斯坦只说了:没有一种能量信号的传递能超过光速;所以对于德布罗意波也就打了个马虎就应付过去了。德布罗意称这种波为“相波”,后人也称之为“德布罗意波”(参考自:曹天元-上帝掷骰子吗)。

          1929 年,德布罗意在接受诺⻉尔物理奖时作的演讲中,回顾了⾃普朗克提出量⼦论思想以来所产⽣的⼀些重要成果:爱因斯坦光⼦论的提出、光电效应的解释、康普顿效应(康普顿波)、玻尔原⼦理论等,然后他说:“于是我得出指导我进⾏研究的全部概念,对于物质和辐射,尤其是光,需要同时引进微粒概念和波动概念。当我开始思考这些困难时,主要有两个问题吸引我。第⼀个问题是,不能认为光⼦理论是令⼈满意的,因为它是⽤ E=hν这个关系式来确定光微粒的能量,其中包含着频率ν。可是纯粹的粒⼦理论不包含任何定义频率的因素。对光来说,单是这个理由就需要同时引进粒⼦的概念和周期的概念。另⼀个问题是,确定原⼦中电⼦的稳定运动涉及到整数(曾令玻尔困惑不解的问题是:为什么原⼦没有塌缩?是哪⼀种神奇的⼒量在维持着物质的稳定?当各种的猜测和臆想充满了当时的物理学界时,玻尔综合普朗克的量⼦化概念和爱因斯坦的光⼦学说,⼤胆创新,提出原⼦结构理论⼏点假设,解释了氢原⼦光谱),⽽⾄今物理学中涉及到整数的只有⼲涉现象和本征振动现象。这使我想到,不能⽤简单的微粒来描述电⼦本⾝,⽽应当赋予它们以周期的概念。不能再认为电⼦是电的单个粒⼦,它应当是和⼀个波缔合的,⽽且这个波并⾮虚构,它的波⻓可以测量,它的⼲涉现象可以预⾔。因此,有可能预⾔实际上还未被发现的所有现象。⾃然界的波粒⼆象性概念表述起来多少有些抽象,但它已成为整个理论物理学发展的基础,⽽且将来是这⻔科学未来发展的基础。” 

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