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回到1900:量子力学再出发

已有 1194 次阅读 2021-11-18 18:04 |系统分类:观点评述

回到1900:量子力学再出发

曾纪晴

中国科学院华南植物园

 

不论你是否学过物理学,想必你一定听说过“量子力学”。然而,不论你是否学过量子力学,想必你一定会说你不懂量子力学。量子力学的代表人物之一,物理学家玻尔说:“如果谁不为量子力学而感到困惑,那他就是根本不懂量子力学”。而物理学家费曼干脆就宣称:“世界上没有人真的懂量子力学”。诞生于1900年之后的量子力学,无数物理学家为之努力奋斗、潜心研究、付出了一辈子的心血,到头来大家都说自己并不懂自己所研究的学问。或许大家会说,这是因为科学家们太谦虚的缘故吧?

然而,事实上,科学家们真的不是因为谦虚才这么说。大家知道,“量子”这个科学概念最早是德国科学家普朗克提出来的,他也因此成为量子力学的奠基人,于1918年获得诺贝尔物理学奖。他当时在研究黑体辐射的时候,提出了一个大胆的假设,即物质辐射或吸收的能量是不连续的,是一份一份地进行的,物质辐射或吸收的能量只能是某一最小能量单位的整数倍。根据这一假设,普朗克发现了作用量子即普朗克常数,提出了著名的普朗克方程:E=hv成功地解决了十九世纪末困扰物理学界的“两朵乌云”中的“紫外灾难”问题。普朗克相信,他的这个公式如果是正确的就必能从现有的物理学理论中推导出来,而不能仅仅建立在假设的基础之上。然而,他尝试了经典物理学的所有理论和方法,都以失败而告终。由于他的理论完美地符合大量的实验结果,尽管暂时没有找到其它物理学理论作为基础或解释,他也坚信自己的理论是正确的。由于“量子假说”与经典物理学认为是物体辐射或吸收能量是连续的观点格格不入,人们虽然接受普朗克公式,但却不理解和不接受“量子假说”。普朗克又何尝不是呢?他一生念兹在兹的就是想要用经典物理学原理去解释他的“量子假说”。

实际上,在后来物理学家们纷纷接受了量子概念,并迅速发展成了一门新兴的“量子力学”之后,普朗克依然坚持认为他的“量子假说”必须能用经典物理学来解释,坚决不接受不能用经典物理学解释的所谓量子力学。就这样,最早于1900年提出“量子”概念的普朗克,成为量子力学的奠基人之后,却成了量子力学的坚决反对者。他的同事詹姆斯·法朗克回忆道:“普朗克是一位勇敢地反抗自己意愿的革命者。”然而,普朗克的反对并没有奏效,量子概念一经提出之后,它就不再听命于它的发明者,此后在爱因斯坦、德布罗意、玻尔、薛定谔、海森堡、玻恩和狄拉克等人的推动下,量子力学横扫物理学界,迅速占据了物理学统治地位。然而,由于量子力学无法用经典力学基本原理解释的怪异特点,让许多物理学家为此感到困惑不已。在海森堡提出测不准原理(后来被称为不确定性原理)和玻恩提出波函数的概率解释之后,量子力学的哥本哈根诠释占据了主流地位。此时,一些坚信物理实在、因果决定论或坚守经典物理学基本原理的物理学家开始纷纷对量子力学提出批评和质疑。爱因斯坦、德布罗意和薛定谔纷纷步了普朗克的后尘,从量子力学的伟大奠基人转向量子力学的坚定反对者。爱因斯坦与玻尔之间就量子力学有关争议爆发了长达近半个世纪的著名论战。爱因斯坦反对量子力学的基本理由是:“上帝不会掷骰子”、物理世界的因果关系不容抹杀、确定性不容否认。他给出了一个简单而又确凿的证据:电子云雾室中的电子运动轨迹是确定而清晰的。而薛定谔则提出了著名的“薛定谔猫”的思想实验,证明量子力学所谓的“量子叠加态”理论是荒谬的。爱因斯坦及其助手提出EPR悖论,证明量子力学是不完备的。然而,正如普朗克的反对没有阻止量子力学的发展一样,更为重量级的物理学家爱因斯坦和薛定谔的批评和质疑也没有让量子力学停下狂野的脚步。具有讽刺意味的是,当年爱因斯坦和薛定谔反对量子力学而提出的EPR悖论和“薛定谔的猫”思想实验最后被量子力学发展成所谓的“量子纠缠”理论以及“量子叠加态”的经典教程。现在,基于“量子纠缠”理论的量子通讯与量子计算正风靡中国乃至全球。

量子力学理论常常与经典物理学基本原理相悖,量子力学的各种诠释也常常有违人类的感官认知与理性直觉。事出反常必有妖。显然,量子力学理论必有“妖”。这就难怪连普朗克、爱因斯坦、薛定谔等这些伟大的物理学家,他们都还是量子力学的奠基人,也无法理解量子力学,都要坚决反对量子力学。我们日常生活经验,观察到的所有物理现象,都是符合经典物理学规律,符合人类的直觉感知,为何到了所谓的“量子力学”所描述的世界,经典物理学规律不管用,人类的理性直觉也不管用了呢?物理学自从有了量子力学,就分裂为所谓互补的两个部分,经典物理学和量子力学(和相对论)。玻尔在于爱因斯坦论战过程中,曾隐约提出过所谓的互补原理来调和经典物理学与量子力学之间的矛盾。有些所谓的哲学家于是从哲学上对这一问题进行解释,认为人类感官与直觉感知的世界是有限的,量子力学所描述的世界超越了感官所能感知的范围。也就是说,世界分为两个部分,一部分是人类的感官与直觉能够感知的部分,另一部分则是人类的感官与直觉无法感知的部分。人类的感官感知的范围的确是有限的,但是不要忘了,人类借助于仪器设备已经能够深入到微观世界亚原子水平以及宇宙百亿光年级别的范围。而仪器设备所记录的任何信息,归根结底都必须依赖人类的感官来感知,凭人类的理性直觉来分析判断。因此,人类不论是否借助于仪器设备,最终都要依靠感官来感知外界信息。显然,感官认知的有效性并不能用人类感官的所能感知的范围来衡量。我们完全没有任何理由认为,人类的感官认知与理性直觉仅对日常生活经验有效,对微观与宇观无效。我们需要进一步追问,人类的感官认知、理性直觉究竟来自何处?归根结底,我们人类本身就是自然的产物、宇宙的一部分。人类存在于宇宙之中,本身就服从宇宙的自然法则。因此,人类的感官认知与理性直觉与宇宙的自然法则是相一致的。也就是说,人类的感官感知与理性直觉遵循着宇宙运行的基本逻辑。人类所创造的所有科学理论,都是人类遵循宇宙基本逻辑的结果,这也就是科学必然是统一的根本原因。

许多人可能会说,人类的感官与直觉并不可靠,经常会有错觉、幻觉,也经常会出现直觉的误判。他们经常举例说什么“地心说”就是符合人类感官知觉的,但却是错误的。没错,人类存在感官错觉与直觉的错误现象,但并不能以此来否定人类只能通过感官感知与理性直觉认知世界的根本事实。人类的感官错觉现象,实际上是正常的物理现象,有其产生的正常物理机制,只要对其物理机制有深入的正确认识,这种感官错觉现象就不会对人类的正确认知造成影响,反而人类可以对其加以利用,为人类服务。比如,人类利用视觉暂留现象,制作动作看似连续的影视作品。而幻觉则是人类大脑疾病的表现,认识幻觉产生的物理机制就可以对其进行预防和治疗。可见,人类完全可以正确认知感官错觉与幻觉,避免其妨碍人们正确认知世界,而人类所依据的恰好就是人类的感官认知与理性直觉本身,除此并无他法。而所谓的直觉判断错误,根本就不属于人类理性直觉的范畴,那不过是拍脑袋、不经过大脑思考的胡乱判断罢了。人类的理性直觉,是深植于人类大脑深处的底层逻辑,最根本的逻辑就是同一律。人类的大脑是宇宙中最精密的仪器,其运行的逻辑机制就是同一律,大脑通过各种信息进行自动比对,对各种事物进行分门别类,进行甄别判断“是还是不是(某个东西)”(即将某个有待判断的东西与某个设定的某个概念(事物)进行对比)。人类依靠感官获取外界信息,从而确认事物或现象存在的基本事实,同时依靠理性直觉进行分析判断,从而得出事物或现象的客观规律。这就是人类认识世界的基本原理。这个认知的过程是自然发生的物理过程,必然符合宇宙的物理学规律。这是人类的基本常识。

量子力学理论的反常就在于它违反了这一基本常识。经典物理学基本原理符合人类的感官认知与理性直觉,因为它合乎基本逻辑,即不存在矛盾性。而量子力学理论明显不符合人类的感官认知与理性直觉,也与经典物理学基本原理相悖,显然我们有理由认为量子力学理论不符合基本逻辑,存在太多矛盾性。这就难怪上至伟大的物理学家如普朗克、爱因斯坦和薛定谔,下至普通大众,对于量子力学的共同感受就是困惑、难以理解。人类对世界的认知过程都是建立在现有认知的基础上逐步积累和深化的过程。人类对未知事物的认识,都是建立在已知事物的基础之上的,即用已知事物的规律来解释未知事物的规律。如此渐进推进下去,所有的科学规律就必然是统一的、一致的。然而,量子力学却割裂了与经典物理学的联系,认为量子力学理论(包括量子现象)不能用经典物理学原理来解释。于是乎,为了量子力学理论或现象,就不断提出新的假说,而为了让人理解新的假说,有提出更新的假说。量子力学这种认知模式完全违背了人类的常规的认知规律,让其所谓的理论永远建立在虚无缥缈的假设之上。自从1900年“量子”概念提出之后,量子力学就像脱缰的野马,一路狂奔,过关斩将,几乎包揽物理学领域诺贝尔奖,也就是说物理学领域的所有权威人物几乎都是量子力学方面的专家。但几乎与此同时,科学界对量子力学的困惑、质疑和批评之声也不绝于耳,从未停止过。那么,我们该如何面对量子力学的争议?是承认量子力学理论超越了人类感官认知与理性直觉的范围,是一门超常科学,还是承认量子力学违反了人类基本逻辑,违反了科学的统一性,必须得到修正和改进?我想任何具备起码科学精神的人,都会有正确的答案。

量子力学的第一块基石,“量子”的概念就是普朗克大胆提出的“假设”,因而被称为“量子假说”。在以往,物理学家也经常先提出假说,然后在慢慢给出其物理学机制解释。然而,普朗克提出“量子假说”之后,却无力再给出其物理机制的解释,为此遗憾终生。尽管“量子”概念并没有得到物理学机制的解释,但是由于它在解释光电效应以及氢原子结构和光谱学现象时取得了巨大的成功,人们就暂且“按下不表”,先承认它是正确的概念再说。而玻尔在解释氢原子结构时又破天荒引入了“量子化条件”假设,如此一来,“量子”的物理机制没有得到解释的同时又增加了“量子化条件”有待解释。同时,爱因斯坦提出了光的“波粒二象性”假说,紧接着德布罗意在此基础上又提出“物质波假说”。这些假说都统统没有得到物理学机制的解释。然而,戴维孙和革末的电子衍射实验结果的错误解释,被认为是验证了“物质波假说”,因而所谓“物质波”的物理学机制也就被大家忽略了。每年的诺贝尔物理学奖都颁发给了这些“量子力学”的伟大成就,当时的人们于是陷入了极度亢奋状态,以至于人们根本就忘记了那些“假设”、“假说”还需要物理学机制的解释。后来,薛定谔为所谓的“电子波”建立了“薛定谔方程”,该方程不久与海森堡的矩阵方程成为了量子力学的核心内容。但实际上,薛定谔方程完全是薛定谔“凑出来”的,薛定谔自己都不知道该方程的物理意义。也就是说,这个方程也是一个“假设”。后来,针对电子衍射与双缝干涉实验结果的解释,海森堡提出了“测不准原理”(后来被称为不确定性原理),玻恩则结合薛定谔方程提出“电子波”波函数绝对值的平方表示的是电子出现在核外空间某个位置的几率。这种波函数的几率解释实际上也是一种“假设”,根本没有物理机制的解释。爱因斯坦为代表的一大批物理学家都表不认同,提出薛定谔方程的薛定谔本人也表示反对。后来的狄拉克方程,是在薛定谔方程得基础上引入了相对论而建立起来的。薛定谔方程本质上是一个假设,而相对论本身也是爱因斯坦提出的假说,因此狄拉克方程本质上也是一个假设。此后,量子力学的发展完全就是在这些假设的基础上不断发展,也就是不断地提出更多的假设。人们陶醉于量子力学的辉煌成就,对它违反人类感官认知与理性直觉的事实视而不见,心安理得。更有甚者,许多物理学家为了显示自己的高水平,故意强调量子力学不同于经典物理学、不能用经典物理学解释的特性。玻尔和费曼调侃自己不懂量子力学,并不会降低人们对其学术水平的认可,相反这种调侃进一步增强了量子力学的神秘性和诡异性,让普通公众增添神秘感和敬畏心。

然而,经过一百多年的狂野,量子力学的发展陷入了迷茫,高能物理“盛宴已过”,现代物理学陷入了大停滞。我们该回头再看看来时的路。我们回到1900年,发现量子力学的第一块基石本身就不牢固。量子力学大厦就是建立在一个又一个美丽的“假设”之上的空中楼阁,或者说它本身就是由这些梦幻般的“假设”堆砌而成的海市蜃楼。

西班牙著名建筑师高狄(Antonio Gaudi)曾说过:“原创性就是回到源头。”这真的是至理名言。量子力学的源头就是1900年普朗克提出的“量子”概念。回到源头,我们就很清楚地发现,量子力学的一切问题都在这个源头上。普朗克当年致力于用经典物理学原理解释“量子”以失败告终后,留下的后遗症绝不会因为人们无视它的存在而消失。当年,量子力学的奠基人薛定谔因反对量子力学而带领一大批物理学家改行从事生物学研究。今天,一个从事生物学研究的人却悄然跨界进入物理学领域,从量子力学的源头开始正本清源。这是历史的回归。

刚刚发表在Physics Essays上的文章“Classical physical mechanism of quantum production and its explanation for hydrogen atom structure and photoelectric effect”从量子力学的源头“量子”概念开始进行分析,发现了普朗克和爱因斯坦的量子概念中观最小能量的表达式E=hv存在内在的矛盾。该文通过对量子概念进行修正,然后解释了量子产生的经典物理学机制,完成了普朗克当年未曾完成的心愿。在此基础上,重新对氢原子的量子化结构与光谱做了经典物理学解释,同时提出了电子跃迁功率的新概念,解释了长期以来困扰物理学界的电子跃迁经典物理学机制,最后也对光电效应重新做了经典物理学解释。也就是说,在这个修正后的量子概念基础之上,长期以来被人们认为的不能用经典物理解释的量子现象,都完全可以用经典物理学解释。本文完全打破了所谓量子现象无法用经典物理学解释百年谎言,从此所有“量子力学”的不可理解的诡异行为、不可证伪的伪科学猜想都将烟消云散。

回归1900,量子力学再出发。那些曾经跳着走过的路,都必须踏踏实实重走一边。科学来不得半点虚假和马虎,坚持实事求是的科学精神,回归常识理性,科学之路才能走得长远而坚实。


论文来源:

https://physicsessays.org/browse-journal-2/product/1907-13-jiqing-zeng-classical-physical-mechanism-of-quantum-production.html

论文全文下载:

https://www.researchgate.net/publication/356192220_Classical_physical_mechanism_of_quantum_production_and_its_explanation_for_hydrogen_atom_structure_and_photoelectric_effect

中文版:量子产生的经典物理学机制及其对氢原子结构与光电效应的解释
https://zenodo.org/record/5707155#.YZS9X1VByUk




https://wap.sciencenet.cn/blog-52021-1312967.html

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