物理理論之源

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物理理論之源——太極 /陰陽·原理

                                                                        鄭春學(xué) 文（2017-2-1）

核心提示：

世界的本源是什么,，從古到今,，人們一直在探索，在不同歷史時期,產(chǎn)生了各種不同物理學(xué)理論,。如果,，能把近代科學(xué)知識與東方（中國）古老哲學(xué)結(jié)合進(jìn)行思考，一定會引導(dǎo)你回歸于自然,，幫助你認(rèn)識自然的本來面目,。

探索與研究：

讓我們沿著百年探索者的足跡，也像物理學(xué)家們一樣思考,，回顧上個世紀(jì),，人類科學(xué)史上最輝煌的壹百年。就物理學(xué)來說,，出現(xiàn)了兩大革命性的理論：《量子力學(xué)》和《相對論》,。兩大理論，不但直接改變了人類對宇宙,、自然的認(rèn)識（世界觀）,，也正在促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的新發(fā)展，比如,，“量子糾纏”引發(fā)的新一輪通訊革命性變革,，中國科學(xué)家、潘建偉院士及其領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊走到世界的前列,?！傲孔蛹m纏”概念及其現(xiàn)象一直不被知名物理學(xué)家看好，老 愛因斯坦稱,，‘完全是一種鬼鬽現(xiàn)象’,。愛因斯坦留給后人們的話語，多數(shù)人忽略了,，可是也有人銘記在心,，并且孜孜不倦的進(jìn)行探索，潘建偉院士也許就是其中之一,。

“量子”（quanta）概念的提出,，催生“量子力學(xué)”的誕生

1900年被公認(rèn)為是量子力學(xué)誕生的一年。當(dāng)年的12月普朗克向科學(xué)界提出一篇論文,，可是它自己并不喜歡論文帶有的意義,。他希望他的同事能夠為他做一件自己做不到的事，就是用牛頓物理學(xué)來解釋他的發(fā)現(xiàn),?？墒撬睦碇溃耐聸]有辦法,，誰都沒有辦法,。但他感覺到,，他的論文就要改變科學(xué)基礎(chǔ)。他的感覺沒有錯,。普朗克到底發(fā)現(xiàn)了什么,，使他這么不安？普朗克發(fā)現(xiàn)的是,，自然界的基本結(jié)構(gòu)是“粒狀”的,。用物理學(xué)家的話說，自然界的基本結(jié)構(gòu)是“片斷式”的,。

在1900年之前,，所有的物理學(xué)家都認(rèn)為，輻射物體對能量的吸收和發(fā)射都是連續(xù)的,，均勻分布的,。可是,，普朗克通過黑體輻射研究,，發(fā)現(xiàn)，輻射物體對能量的吸收或發(fā)射是不連續(xù)的,，呈“爆破式”；“一份一份式”的,。普朗克發(fā)明“量子”（quanta）一詞,，寓意是“一份一份式”的能量，就是“量子”,，而將輻射體稱是“量子化的”,。普朗克的的基本假設(shè)是：       基本假設(shè)導(dǎo)出的普朗克公式能夠與實驗數(shù)據(jù)很好吻合。

“光量子”學(xué)說與光的波粒二象性

1905年,，年輕的愛因斯坦（26歲）一連發(fā)表了五篇論文,，都很重要,。其中有三篇成為物理學(xué)發(fā)展的軸心,。這三篇論文，第一篇講的是光的量子本質(zhì),，第二篇講分子運(yùn)動,，第三篇講狹義相對論。

愛因斯坦的光量子理論  愛因斯坦說,，光是由微粒構(gòu)成的,；一束光就好比一連串子彈。這些“子彈’叫做光子,。他的觀點與普朗克相似,，但事實上超越了普朗克,。普朗克發(fā)現(xiàn)能量是以能束來吸收和釋放的，他說的是能量吸收與釋放的“過程”,。愛因斯坦則將能量本身的量變理論化了,。

愛因斯坦依據(jù)普朗克量子理論和雷納德光電效應(yīng)實驗建立起他的革命性理論——光量子理論。雷納德實驗顯示,，在光電效應(yīng)里,，光一旦撞到金屬，金屬里的電子就立刻開始流動,。我們一打開光,，立刻就產(chǎn)生電子。然而,，依據(jù)光的波動理論,，金屬要有光波的撞擊，其中的電子才會開始震蕩,，然后要移動的速度夠快,，才會脫出金屬表面。簡單地說,，光波動理論觀測的是延緩式的發(fā)射,，而雷納德的實驗顯示的卻是電子立刻發(fā)射。簡而言之,，愛因斯坦用光電效應(yīng)告訴我們,，光由粒子——光子——構(gòu)成。愛因斯坦思想基本點是：光宏觀上是一束能,，可是微觀上一束能卻由不連續(xù)的微?！饬孔訕?gòu)成。

然而,，問題是102年以前（1803年）,，托馬斯·楊的雙縫干涉實驗證明“光的本質(zhì)”是波動性的，證明光是由波構(gòu)成的,?？墒牵瑥膩頉]有人能夠證明托馬斯·楊的實驗結(jié)果是錯誤的,，當(dāng)然包括愛因斯坦本人,，愛因斯坦當(dāng)然知道自己的光子論與托馬斯·楊的波動說相矛盾，而且自己也沒有辦法證明波動說的錯誤,。

還有,，著名的麥克斯韋方程組極大的支持了波動說。19世紀(jì)初,，英國著名物理學(xué)家麥克斯韋建立的一組描述電場,、磁場與電荷密度,、電流密度之間關(guān)系的偏微分方程。它由四個方程組成：描述電荷如何產(chǎn)生電場的庫倫定律,、論述磁單極子不存在的高斯定律,、描述電流和時變電場怎樣產(chǎn)生磁場的麥克斯韋——安培定律、描述時變磁場如何產(chǎn)生電場的法拉第感應(yīng)定律,。從麥克斯韋方程組可以推論出電磁波在真空中以光速傳播,，并進(jìn)而做出光就是一種電磁波的預(yù)言。

愛因斯坦面臨波動說成熟的理論和實驗,，他依然堅信自己的光量子理論是正確的,。愛因斯坦在思想上認(rèn)為，光本質(zhì)上應(yīng)具有微粒性和波動性（兩種表象）,，他認(rèn)為有“陰影波”（ghost waves）在引導(dǎo)光子,。關(guān)于光的本質(zhì)問題，即“光的波粒二象性”就此產(chǎn)生,。

“波粒二象性”是量子力學(xué)里最棘手的問題,。對于我們大部分人而言，生活很少是黑白兼具的,。但是波粒二象性是一個標(biāo)志,，標(biāo)志是傳統(tǒng)上“只能是其中一”這種看待世界的方法已經(jīng)告終。物理學(xué)家們已經(jīng)不再堅持“光只是粒子或者只是波”這種命題,。因為物理學(xué)家已經(jīng)“證明”光兩者皆是,。

德布羅意與“物質(zhì)波”——實物粒子也有波

當(dāng)時，物理學(xué)家還在想辦法解釋為什么波會是粒子的時候,，年輕的法國人— 德布羅意提出一個大膽假設(shè),，他說，不但波是粒子,，而且粒子也是波,。

1923年（9月—10月間），德布羅意連續(xù)在《法國科學(xué)院報》上發(fā)表了三篇論文,，第一篇題目是《輻射——波與量子》,，提出實物粒子也有波粒二象性，認(rèn)為運(yùn)動粒子相應(yīng)的還有一正弦波,，兩者總保持相同的位相,，后來他把這種假想的非物質(zhì)波稱為相波,。德布羅意的博士論文得到了答辯委員會的高度評價,，認(rèn)為很有獨創(chuàng)精神，但是又有人認(rèn)為他的想法過于玄妙,，沒有認(rèn)真地加以對待,。后來,，德布羅意的導(dǎo)師郎之萬將德布羅意的論文寄了一份給愛因斯坦，愛因斯坦看到后非常高興,，他沒有想到,，自己創(chuàng)立的波粒二象性觀念，在德布羅意手里發(fā)展成如此豐富的內(nèi)容,，竟擴(kuò)展到了運(yùn)動粒子,。當(dāng)時愛因斯坦正在撰寫有關(guān)粒子統(tǒng)計的論文，于是就在其中加了一段介紹德布羅意工作的內(nèi)容,，他寫到：“一個物質(zhì)粒子或物質(zhì)粒子系可以怎樣用波場相對應(yīng),，德布羅意先生已在一篇值得注意的論文中指出了?！?/span>

1927年,，戴維森和革末在實驗室將電子射向鎳晶體，發(fā)現(xiàn)其繞射圖像與布拉格定律（原是用X射線的）預(yù)測的一樣,，而在德布羅意假說之前科學(xué)界認(rèn)為繞射只會發(fā)現(xiàn)在波的行為上,。至此，科學(xué)界接受了實物粒子（電子）也有波動行為,。

康普頓的散射實驗——支持光量子論

1923年,，康普頓玩了世界上第一次粒子撞球?qū)嶒炗螒颉Ｋ谶@個過程中證明了愛因斯坦建立17年之久的光量子論,。他的實驗在概念上不難,，只要對電子發(fā)射X射線就可以。我們知道X射線是一種波,，可是令人驚奇的是,，它卻像粒子一樣敲出電子。換句話說,，它的行為就像粒子一樣,。譬如說X射線射出以后，若是與電子只是擦撞,，那么這個X射線就只能是稍微偏離路徑而已,；可是若與電子正面相撞，那么就會偏離很嚴(yán)重,，這時X射線就會喪失大量的動能,。康普頓只要測量X射線碰撞前后的頻率,，就可以告訴我們X射線喪失多少能量,。結(jié)果是，差不多正面相撞的射線撞擊撞擊后的頻率比之撞擊前低到令人吃驚的程度，表示射線撞擊后的能量比撞擊前少,。所以康普頓的射線撞擊電子實驗就好比球與球互撞一樣,。康普頓的發(fā)現(xiàn)與量子論有密切關(guān)系,。如果普朗克未曾發(fā)現(xiàn)頻率越高能量越高的基本規(guī)律,，康普頓就無法揭露X射線是粒子行為。這個規(guī)律使康普頓得以證明X射線在粒子式在粒子式撞擊下失去一些能量（因為,，X射線的頻率在撞擊后比撞擊前低）,。

現(xiàn)在，可以簡單地說,，我們可以用光電效應(yīng)顯示光是粒子,，可以用雙縫實驗顯示光是波，也可以用康普頓散射顯示光既是粒子又是波,。要了解光,，這兩者缺一不可。如果你只問光是粒子還是波是沒有意義的,。光的行為是粒子還是波,，要看我們做的是哪一種實驗。（評：如何認(rèn)定光的二象性行為與觀察者主觀實施行為有關(guān)）,。

量子力學(xué)奠基人之一—玻爾怎么說——玻爾的互補(bǔ)假說

“互補(bǔ)”是玻爾發(fā)展出來的概念,，用以說明光的波粒二象性。上個世紀(jì)90年代前還沒有人想出比他更好的概念,?！盎パa(bǔ)論”說，波性和粒子性是互相排斥的,，或者說,，是光的互補(bǔ)相。兩者雖然總是互相排斥,，可是要了解光卻缺一不可,。兩者總是互相排斥，因為光一如其他任何東西,，不可能既是波又是粒子,。

物理學(xué)家還認(rèn)為，若看個別事件,，光一直都是粒子（光量子）,。至于波的行為，我們檢測到的總是統(tǒng)計型,，也就是干涉,。但是,，用狄拉克（著名物理學(xué)家，量子力學(xué)奠基人之一）的話說,，即使是單個亞原子粒子——譬如電子——也會“與自己互相干涉”。為何會“與自己干涉”,，這是量子理論的一個基本難題,。

甘永超的“π型結(jié)構(gòu)理論”、“甘永超公式”與“太極粒子波”

1995年10月,，中國年輕學(xué)者甘永超及同事在《中國科學(xué)院·光學(xué)學(xué)報》上發(fā)表了一篇重要論文,，文章很短，只有兩頁多,。題目是：《輻射場的內(nèi)稟結(jié)構(gòu)研究——電磁場的按光子對應(yīng)分解及其物理性質(zhì)》,，甘永超等人的研究成果，當(dāng)時并沒有引起物理學(xué)界的重視,，就像當(dāng)年德布羅意的論文一樣,。直到21世紀(jì)初，紛紛有人（目前,，還限于中國）從不同角度解讀“甘永超公式”乃至“太極粒子波”,，這才被認(rèn)為，這個中國品牌的“中國創(chuàng)造”應(yīng)該走向世界,。

一,，     甘永超的“π型結(jié)構(gòu)”理論，揭示出電磁場（物理場）具有顆粒性

電磁場的量子化,。1927年,，狄拉克利用電磁場的量子化方法首次成功地統(tǒng)一了輻射場的波動性與粒子性這兩種表面上相互矛盾的屬性。但是,，狄拉克的工作即“電磁場按模式分解”,，但僅建立起同模式分波與同模光子群的對應(yīng)關(guān)系。而后,，1995年,，甘永超等人的工作，將“電磁場按光子對應(yīng)分解”,，甘永超找到了把某一種模式電磁波的分波,，再把它分解成更小的基波，而后使得電磁基波的能量,、動量與同模光子的能量,、動量對應(yīng)相等。甘永超等人用嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)公式完成了電磁場按光子對應(yīng)分解,，并在電磁基波與光量子之間建立一系列的物理量的對應(yīng)關(guān)系,。

至此,，愛因斯坦的光量子理論、德布羅意的物質(zhì)波理論,、甘永超/狄拉克的電磁場具有粒子性理論,三個理論將：“波—粒子—場”統(tǒng)一到“波粒二象性”的學(xué)說麾下,。這就是著名的“π型結(jié)構(gòu)”理論，呈三足鼎力結(jié)構(gòu),，實在說,，一點也不為過。

二,，     甘永超公式物理意義巨大,，它將普朗克公式、德布羅意公式整合成一個方程,。甘永超公式,，統(tǒng)一了麥克斯韋波動理論與愛因斯坦光量子理論，通過“第三種波粒二象性”的揭示,，從而實現(xiàn)三種波粒二象性的和諧統(tǒng)一,，達(dá)到破解“實物與場”、或者“粒子與波”的本質(zhì)關(guān)系,。（附：普朗克公式,、德布羅意公式、甘永超公式,，見：圖）

三,，     甘永超與“太極粒子波”

聰明的讀者能夠注意到，甘永超公式中出現(xiàn)的—?—,如果粒子與基波的能量是等同的,，那么在二維圖像中,，用一個園代表粒子，它的半徑是—?“討論?在“甘變換”中所扮演的角色”—,，使正弦波與粒子成同位相,，振幅為—?“討論?在“甘變換”中所扮演的角色”，那么它們的能量是等同的,。這就是“太極粒子波”,。甘永超發(fā)明“太極粒子波”這一概念，意義極其重大,，可能影響到粒子物理學(xué),、基本粒子、乃至弦理論,。

中國的“太極”概念,，在國人頭腦中就是一個園，而在《易學(xué)》系統(tǒng)中,，太極就是一,，可大可小,。“太極”還有邊界的概念,，表示被隔離出來的一塊,。“量子”一詞是普朗克的發(fā)明,，表示間斷性,，也是一份、一份的,，在物理學(xué)中是被通用的,。我認(rèn)為,，“太極”一詞用于物理學(xué)等同于“量子”一詞,。

那么，在微觀世界里,，已經(jīng)被量子化的粒子行為,，一定遵循：太極陰陽·原理（因為它是自然法則），用《易學(xué)》中的語言表示,，太極之中有陰陽,，陰陽和合成太極?；蛘甙自捴唬骸耙环譃槎?，合二而一”。這就是物質(zhì)—能量的轉(zhuǎn)換與運(yùn)動方式,。拿光子來說,，首先認(rèn)為它是粒子，也是一,，一分為二,，它就是波，一個正弦波,，一上一下（陰陽相對）,，而波峰與波谷面積相加正好等同與原來的圓面積，就是一,。粒子是能量的凝聚態(tài),，而波是能量的發(fā)散態(tài)。粒子與波的同一性都是能量的不同表象,，而轉(zhuǎn)換方式是：一分為二,，合二而一。

實驗例：一束高能光子（沒有電荷）,，射向重核,，結(jié)果產(chǎn)生兩個電子,，一個是正電子（e⁺）、一個是負(fù)電子（e^-）,，即一分為二,；當(dāng)一個正電子（e⁺）與一個負(fù)電子（e^-）相撞，就會湮滅,，產(chǎn)生光子——兩個,，即合二而一。

這里,，我們擯棄了玻爾的互補(bǔ)理論,，而還原于自然法則，即太極陰陽·原理,。

綜述：甘永超理論

一是,，經(jīng)典波粒二象性關(guān)于電磁場量子化的奠基化理論；

二是,，甘永超公式（矩陣方程組）用極其優(yōu)美的數(shù)學(xué)形式,，將波和粒子聯(lián)系起來，它們是一個統(tǒng)一體,。推翻了玻爾的“互補(bǔ)相”理論,。它將步入20世紀(jì)物理學(xué)的最偉大的核心公式之一；

三是,，發(fā)明了“太極粒子波”新的概念,。甘永超將近代科學(xué)與東方哲學(xué)結(jié)合起來，開創(chuàng)了科學(xué)研究的新篇章,。

 附：甘永超公式,、普朗克公式、德布羅意公式之關(guān)系圖：

期望;

 得到“太極粒子波”的英文譯法,，需要即符合中國《易學(xué)》的原意,，又能貼近近代物理學(xué)的已有概念。就像“量子”一詞,，慢慢被大眾所接受,。向所有關(guān)心甘永超研究成果的人征詢建議，致謝,！