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由易学思想设计的三个物理实验

作者:周吉善
出处:论文网
时间:2006-04-06

二、光速不变与波粒二象性

在讨论这两个问题之前,首先需要廊清物理学理论中的3种观念。

1、物理学不研究“物质”,正如没有人能够讲出“水果”是什么滋味一样,因为二者都是抽象的类概念。实际上物理学只研究质量、电量、能量跟时空的关系,“物质”属于误用的哲学概念。

2、从牛顿那个时代开始,物理学就分牛顿范式和非牛顿范式,前者研究孤立质点运动的规律,后者探讨热、光、电、磁的本质;现在已经非常清楚,热、光、电、磁现象的本质都是电磁波,统称为能量。

3、现代物理学理论可以分为以质量计量、用时空描述,以能量计量、用位形描述两大体系,物理客体理应分为质量系统和能量系统两大类。同理粒子物理学就应该分清质量子(即费米子)和能量子(即玻色子),本质差异在于有没有静质量。

据此,先讨论光速不变问题。

所谓的光速不变是一种简称,实际所指是光速与光源运动的速度无关,或曰:光总是各向同性的。依据“质量是惯性的量度”,光子没有静质量,自然就应该与光源的惯性无关。人们通常表现出的“不理解”,根源在于误认为任何“物质”都具有惯性,忘记了惯性只与质量相关,属于牛顿范式独霸天下产生的常识性错误,不清楚物理客体应该分为质量系统和能量系统两大类。

讨论光的各向同性,首先必须依据两系统结构论确立如下观念:所谓的宇宙是质量体(包括电子、质子、原子、分子到其大无比的天球)悬浮在能量海洋(即连续辐射)中的巨系统。只有当能量(子)从质量体中放出(或被吸收)时,才表现出一份一份的粒子属性,被称为光子;而这种能量(团)在连续辐射的海洋中传播时,则总表现为波。只需要以石块掷入水中后,水波总是各向同性传播为类比,就很容易理解光波总是各向同性的道理。

得布罗意提出波粒二象性,至今已有七十余年,开始时说微观“物质”既是粒子又是波,后来改为既不是粒子又不是波;由于实际测量的结果是:用干涉仪得到衍射图象,用计数器记下的是粒子数,就将微观粒子的实在性跟意识联系起来,认为究竟是粒子还是波,由测量者的意识所决定,关键在于选用什么样的仪器。直到今天波粒二象性依旧是个说不清道不明的谜。

实际上只需要摈弃掉“物质”这个误用的哲学概念,并承认物理客体分质量、能量两个系统,问题即可以迎刃而解。光子的波粒二象性已如前述,只需要将在能量海洋中传播和由质量体吸收(或放出)分开考虑,答案就已经非常明确:波属于能量系统的属性,而粒子性总跟质量系统相关。

光子属于能量子,现在讨论质量子的问题。依据量子运动的特点,粒子永远不会停止运动。按En=n2h2/8mL2被关在L=4A箱内的电子(m=me=9.1×10-31kg),最低能量状态(基态)也还有2.3eV能量,通常称它为电子的动能,又是一种植根于“物质”这个误用概念的常识性错误。量子场论承认微观存在分粒子和场,每一种粒子都对应着一种场,却讲不清二者之间的关系究竟如何。只需要将电子放到质能两系统结构论的框架去考察,就不难发现所谓的电子动能并非属于电子,而是网络态的能量海洋作用于电子的结果。任何粒子实际上都处在“树欲静而风不止”的被动状态,传统将这种能量理解为电子“自能”,是基于质、能不分产生的常识性错误。试想:空中悬浮的气球不能静止的原因在于空中能量分布不均衡,水中木屑的动能亦来自于水,都不属于气球和木屑自身所有;即此为类比就不难理解粒子性和波之间的相互关系。

结论:所谓的波粒二象性,是使用分别适用于能量或质量系统的仪器,检测由质量子和能量子构成的复合态产生的不同效应。

验证实验:同时使用干涉仪和计数器对质量子进行观测,当光栅的隙缝小于粒子的直径时,放在光栅背后的计数器就不会记下粒子数。理由是通过光栅的只能是能量海洋中传递的一列波,具有静质量的粒子将被“滤”掉。

三、绝对时间和相对相间

牛顿将时间分为“自身在那里流”的绝对时间和“可感知的及外界的度量”的相对时间。狭义相对论预言“动钟变慢”;广义相对论预言“一个钟所处的引力势越低(深),它走得越慢”。通常都说相对论的预言被证实,说明牛顿的时间观念是错的;实际上恰恰相反,即此正好证明了时间确实有绝对和相对之分。

牛顿之前,惠更斯已导出单摆周期公式T=2π(L/g)1/2,据此发明的摆钟至今仍在使用,其走时快慢与g直接相关:g越大,T越小,走时读数即变大;反之即被称为变慢。这个结果为什么正好跟广义相对论的预言相反呢?因为物理学研究的客体分两个系统:一是由牛顿范式沿袭而来的,用质量计量、用时间和空间描述运动的质量系统;一是由非牛顿范式沿袭而来的,用能量计量、用位形描述运动的能量系统。摆钟的读数属于质量系统计量的相对时间,可以通过调节摆长L使所有的钟走时一致,其作用直接源于发条的弹性势。刚旋紧发条时走时慢些,发条松弛时走时即变快。

用原子钟实测的结果正好跟广义相对论预言一致,这又是为什么呢?由于原子释放能量子跟它所处环境的能级直接相关,而能量子的T即代表该能级的内禀时间,由能密梯度g′决定,是无法人为改变的,故而称之为绝对时间。

如图所示,行星R从远日点N向近日点M运行时,动能(正能)逐渐增大,g亦随之增大;由M向N运行时,势能(负能)逐渐增大,g′亦随之增大。沿NM方向,正能密梯度g递增,负能密梯度g′递减。原子钟走时由g′决定,显示的是绝对时间;摆钟走时由g决定,显示的则是相对时间。

小结:绝对时间是弯曲时空(负能密梯度决定其曲率)的内禀时间,传统使用的摆钟“度量”的属于相对时间。当使用人为规定的时间标准去度量负能量海的内禀时间时,就必然会出现时间变快或变慢的实测结果。

验证实验:将在同一地点校准的摆钟和原子钟各一枚,用气球带上高空,依据电台播放的校钟讯号去校钟时,原子钟的读数要大些(变快),摆钟则变慢。

意义:该实验可以确证:

1、狄拉克所说的负能量海即是充满连续辐射的广袤空域;

2、负能量海的内禀时间是绝对时间;

3、时间膨胀是用人为规定的度量相对时间的标准去度量能量系统内禀时间的结果。

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