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介绍一个新理论:物质的起源为何? 精选

已有 4170 次阅读 2024-3-27 16:59 |个人分类:宏观科学|系统分类:论文交流

对于自然的研究,有许多非常根本的课题,其中之一就是物质的起源。我们在这方面最近做了一项很有趣的工作,刚刚发表。

众所周知,两位伟大的科学家在认识自然方面做出了概念上的突破:(1)牛顿(Isaac Newton)统一了物质和引力的概念;(2)麦克斯韦(James Maxwell)统一了电磁辐射和光的概念。受到这些巨人的启发,我们提出了一个统一物质和辐射两种概念的新假说。这为研究物质的起源提供了一条新的思路。这项研究是香港科技大学宏观科学项目的一部分。

这项工作刚刚由 Springer/Nature 作为专著出版(参见:https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-48777-4)。大家可能有兴趣看一下。这本书的全名是:《论物质的波动性 (On the wave nature of matterA New Approach to Reconciling Quantum Mechanics and Relativity )。本书介绍了物质起源的一个新理论,称为量子波模型;其要点是:

(1)  宇宙里的“真空”其实是一种波的介质。

(2)  各种基本粒子都是真空介质的量子化激发波。

(3)  不同类型的基本粒子代表真空介质不同类型的激发波。

 

以下是这本书的简单介绍,也就是该书的“前言

这本书是关于什么的?本书旨在介绍一种解释量子物理基础的新想法。目前,现代物理学还有许多深层次问题尚未得到圆满解决。例如,

  • 波粒二象性的物理基础是什么?量子粒子一般认为是一个质点(point mass),为什么它有时表现得像一个波?

  • 物质的起源是什么?真空中如何产生粒子?能量如何转化为质量?

  • 物质波(matter wave)的意义是什么?粒子的运动可以使用量子波动方程(例如薛定谔方程)来准确描述。然而,目前尚不清楚量子波函数的物理意义是什么。它代表物理波还是概率波?

  • 质量的物理意义是什么?光子有质量吗?为什么粒子的运动质量随速度变化?

  • 如何解决量子物理与相对论之间的冲突?真空的物理性质是什么?真空是空的吗?量子力学与相对论在真空观上存在严重冲突。量子力学中的真空并不是空的;它只是量子系统的基态。然而,狭义相对论中的真空必须是一个空的空间(empty space);否则,真空将提供一个通用参考系来区分哪个惯性系是静止的,哪个惯性系是运动的。

为了解决这些深层次问题,我们需要勇敢的探索一种与传统思维不同的新思路。在过去的一百年里,物理学家一直在用粒子的观点来解释量子世界。在这种传统观点中,我们的物质世界是由称为费米子的点状粒子组成的。然而,这种粒子观点很难解释波粒二象性的观察。基本粒子(例如电子或中子)为何在衍射实验(或双缝实验)中表现得像光波?此外,一个质点状的粒子如何能凭空产生,或在真空中湮灭?

这些观察结果给了我们一个提示:基本粒子是否可能是一种量子化的激发波,就像光子一样?这个提示激发了我们去思考:这一个波的想法能否帮助我们克服之前的困难?能否使用波动假说来解决现代物理学中遇到的一些悬而未决的问题?在过去的十几年中,我们进行了一系列研究来探索这种可能性。结果相当令人鼓舞。

本书是我们对这项工作的全面回顾。我们的假说可称为量子波模型”(Quantum Wave Model)。我们提出:根据麦克斯韦理论,宇宙中的真空是一种电介质(dielectric medium);粒子乃是真空介质的量子化激发波。因此,我们宇宙中的物质实际上是由波组成的。

基于这一思想,我们可以很容易地解释波粒二象性的物理基础。在微观层面,量子粒子是波;但在宏观层面上,波包的行为就像一个粒子。利用该模型,可以基于真空激发直接推导已知的量子波动方程,包括克莱因-戈登方程、狄拉克方程和薛定谔方程。此外,该模型根据真空的几何特性提供了能量动量质量的明确物理意义。一些众所周知的相对论效应也可以从这个模型中自然地产生。因此,这个模型可以为量子物理学中大部分现有的谜团提供全面的解释。

本书讨论的模型并不是万有理论(theory of everything)。然而,它可以为粒子物理或宇宙学的未来研究提供一些有用的提示。本书的最后部分深入讨论了这方面悬而未决的问题和余下的挑战。

本书是为对科学感到好奇的人们而写的。其目的是提供一个宏观视野。它以从物理学本科生到资深物理学家都可以理解的方式讨论了量子物理和相对论的基础。本书侧重于物理概念和逻辑思维的讨论;读者不需要具备高等数学训练就可以阅读这本书。对于一些较技术性的讨论,我们把它放在附录中介绍。

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该书可以在以下网址https://link.springer.com/book/10.1007/978-3-031-48777-4下载。我们很欢迎各位对该书提供反馈。

 



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