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暗物质与宇宙模型:6. 基于正反粒子偶极子理论的量子力学理论论证

已有 211 次阅读 2022-9-20 08:02 |个人分类:暗物质|系统分类:论文交流

6. 基于正反粒子偶极子理论的量子力学理论论证

6.1 引言

量子力学(Quantum Mechanics)是研究物质世界微观粒子运动规律的物理学分支,主要研究原子、分子、凝聚态物质、原子核和基本粒子的结构与性质的基础理论。量子力学不仅是现代物理学的基础理论之一,而且在化学等学科和许多近代技术中得到广泛应用。19世纪末,人们发现旧有的经典理论无法解释微观系统,于是经由物理学家的努力,在20世纪初创立量子力学,解释了这些现象。量子力学从根本上改变人类对物质结构及其相互作用的理解。

量子物理学一百年的历史证明,它是历史上最成功、并为实验精确检验了的一个理论。量子物理学对说明极为广泛的许多自然现象,取得了前所未有的成功。物质属性及其微观结构这个古老而根本的问题,只有在量子力学的基础上,才能在原则上得以阐明。例如,物体为什么有导体、半导体和绝缘体之分?又如,元素周期律的本质是什么?原子与原子是怎样结合成分子的(化学键的本质)?所有涉及物质属性和微观结构的诸多近代学科,无不以量子力学作为其理论基础。量子物理学还引发了极为广泛的新技术上的应用。据估计,基于量子力学发展起来的高科技产业(例如,激光器、半导体芯片和计算机、电视、电子通讯、电子显微镜、核磁共振成像、核能发电等等),其产值在发达国家国民生产总值中目前已超过30%。可以说,没有量子力学和相对论的建立,就没有人类的现代物质文明。

任何重大科学理论的提出,都有其历史必然性。在时机成熟时(实验技术水平,实验资料的积累,理论的准备等),就会应运而生。但科学发展的进程往往是错综复杂的。通向真理的道路往往是曲折的。究竟通过怎样的道路,以及在什么问题上首先被突破和被谁突破,则往往具有一定的偶然性和机遇。

量子力学认为,一切都是随机的,而且事实也是这样。然而在量子力学刚刚诞生时,由于量子力学及其随机性的标志,爱因斯坦提出:无论如何,我都确信,上帝不会掷骰子。微观粒子随机性规律背后的原因一直没有被找到。随机性已经成为量子力学的代名词,而爱因斯坦认为量子力学本身不是终极真理。甚至一些学者采用意识来解释量子力学的物理现象,然而这给量子力学又增加了神秘感,更引起不同的怀疑。因此,采用暗物质正反粒子偶极子理论深入探讨量子力学理论,从更深层次剖析量子力学的内在因果。

6.2 量子力学发展历程

在研究黑体辐射时,Planck发现对于一定频率ν的辐射,物体只能以hν为单位吸收或发射,h是一个普适常数(后来人们称之为Planck常数)。换言之,物体吸收或发射电磁辐射只能以“量子”(quantum)的方式进行,每个“量子”的能量为ε=hν,称为“作用量子”(quantumofaction)。经典力学是将能量看成连续不断的,此时,经典力学与量子力学开始出现分歧。实际上,黑体辐射或热辐射本质上是显态粒子的电偶极矩对称性破缺通过作用量子引起场态粒子电偶极矩对称性破缺。而场态粒子的电偶极矩对称性破缺通过作用量子传递给其他场态粒子或显态粒子。量子理论第一个突破来自辐射(radiation,包括光)的实验和经典理论的矛盾。它的第二个突破则来自物质(matter,即实物粒子)及其与辐射的相互作用的实验与经典理论的矛盾。

Bohr有机会(1913年初)了解到原子线状光谱的规律(氢原子光谱的Balmer线系,光谱的组合规则等),发现了原子光谱与原子结构之间的本质联系,终于提出了他的原子的量子论。这理论包括了下列两个极为重要的概念,它们是对大量实验事实的深刻概括:(1)原子能够,而且只能够稳定地存在于与离散的能量(E1E2)相应的一系列的状态中。这些状态称为定态(stationarystate)。因此,原子能量的任何变化,包括吸收或发射电磁辐射,都只能在两个定态之间以跃迁(transition)的方式进行。(2)原子在两个定态(分别属于能级EnEm,设En>Em)跃迁时,发射或吸收的电磁辐射的频率νmn(En-Em)/h(频率条件)。简言之,Bohr量子论的核心思想有两条:一个是原子的具有离散能量的定态概念,另一个是两个定态之间的量子跃迁概念和频率条件。当然,仅仅根据Bohr的两条基本假定,还不能把原子的分立能级定量地确定下来。Bohr处理这个问题的指导思想是对应原理(correspondenceprinciple),即大量子数极限下,量子体系的行为应该趋于与经典体系相同。他根据对应原理的思想,求出了氢原子的能级公式,并导出了角动量量子化条件。Bohr的量子论首先打开了人们认识原子结构的大门,取得了很大成功,但它的局限性和存在的问题也逐渐为人们认识到。首先,Bohr理论虽然成功地说明了氢原子光谱的规律性,对于更复杂的原子(例如氦原子)的光谱,就完全无能为力。光谱学中,除了谱线的波长(波数)之外,还有一个重要的观测量,即谱线的(相对)强度,Bohr理论未能提供处理它的系统方法。其次,Bohr理论还只能处理周期运动,而不能处理非束缚态(例如散射)问题。从理论体系来讲,能量量子化概念与经典力学是不相容的,多少带有人为的性质,其物理本质还不清楚。这一切都推动早期量子论的进一步发展。量子力学就是在克服早期量子论的困难和局限性中建立起来的。

法国物理学家L.deBroglie(18921987)仔细分析了光的微粒说与波动说的发展历史,并注意到几何光学与经典粒子力学的相似性,根据类比的方法,他设想实物(静质量m0)粒子也具有波动性,即和光一样,也具有波动粒子两重性。这两方面必有类似的关系相联系,而Planck常数必定出现在其中。他假定,与一定能量E和动量p的实物粒子相联系的波(他称为“物质波”,matterwave)的频率为E/h,波长为h/p。他提出这个假定的动机,一方面是企图把作为物质存在的两种形式(光和m0的实物粒子)统一起来,另一方面是为了更深入地理解微观粒子能量的不连续性,以克服Bohr理论带有人为性质的缺陷。deBroglie把原子定态(stationarystate)与驻波(stationarywave)联系起来,即把束缚运动实物粒子的能量量子化与有限空间中驻波的波长(或频率)的分立性联系起来。虽然从尔后建立起来的量子力学来看,这种联系还有不确切之处,能处理的问题也很有限,但它的物理图像是很有启发性的。氢原子中作稳定的圆周运动的电子绕原子核传播一周之后,驻波应光滑地衔接起来,这就要求圆周长是波长的整数倍,这样,根据驻波条件就很自然地得出了角动量量子化条件,从而可以说明了粒子能量的离散性。

1926年,Schrödinger提出了一个波动方程(后来人们称之为Schrödinger方程),它是含波动函数对空间坐标的二阶微商的偏微分方程。Schrödinger把原子的离散能级与微分方程在一定的边条件下的本征值问题联系在一起,成功地说明了氢原子、谐振子等的能级和光谱规律。Schrödinger的波动力学核心是波动方程,与此几乎同时,Heisenberg(19011976)BornJordon建立了矩阵力学。矩阵力学和波动力学只是用了不同的数学语言来表述,而在实质上是完全等价。紧接着DiracJordon提出一种称为变换理论的更普遍的形式,他们指出矩阵力学和波动力学只不过是量子力学规律的无限多种表达形式中的两种。后来,人们统称之为量子力学。

量子力学提出后,它不仅成功地阐明了原子结构问题,而且打通了理解尺度较大的分子和固体、液体和气体物理,以及更小尺度的原子核物理的道路。Bloch的能带论的提出,阐明了固体有金属、半导体和绝缘体之分。Heisenberg对金属电子相互作用的研究,说明了某些元素的强磁性。Gamow用粒子的势垒隧穿(tunnelling)概念,说明了α衰变的机制,这一点对后来核能的利用有重要意义。在这短短几年中的一系列发现,标志着物理学历史上一个空前成就的时期。量子理论往纵深发展的很重要一步,是Dirac1928年提出的相对论性波动方程(Dirac方程)。这个方程的主要成果之一,是对氢原子光谱的精细结构和电子的自旋的本质给予了满意的描述。另一个重大成果是预言反物质的存在,并为后来实验所证实。在Dirac上述两项工作的基础上,在20世纪30年代诞生了量子场论,构成了量子力学发展的另一个大领域。关于非相对性量子力学理论的后期进展中,还应提到RPFeynman(19181988)20世纪40年代的路径积分(pathintegral)理论的工作。量子力学与经典力学的密切关系,在路径积分中展现得格外清楚。如果说Heisenberg的矩阵力学是经典正则力学的量子对应,Schrödinger的波动力学则与经典力学中的Jacobi-Hamilton方程有密切的关系。概括起来,它们都与经典力学的Hamilton形式有渊源关系。与此不同,Feynman的路径积分理论则与经典力学的Lagrange形式有密切关系,其突出的优点是易于推广到相对论情况,所以在量子场论中有广泛的应用。

尽管量子力学在提出后的短短几年中取得辉煌成就,但是关于量子力学的诠释及适用范围,却出现了激烈的争论。特别是Schrödinger方程中的“波函数”的物理含义是什么?MBorn通过对散射实验中粒子的角分布的分析,提出了“波函数的概率诠释”。它得到了无数实验的支持。Bohr相信,“量子理论诠释的关键在于,必须把彼此矛盾的波动与粒子这两种描述协调起来”,并认为,“波粒二象性(wave-particleduality)是辐射(radiation)和实物粒子(materialparticle)都具有的内禀的和不可避免的性质”。“波动与粒子描述是两个理想的经典概念,各自有其适用范围。在特定的物理现象的实验探索中,辐射与实物都可展现其波动性或粒子性。但这两种理想的描绘中的任何单独一方,都不能对所研究的现象给出完整的说明”。为了表达这种彼此不相容,而为了完整描述又都是必要的逻辑关系,Bohr提出了“互补性原理”(complementarityprinciple)Heisenberg则沿着另一种思路来考虑,他把问题简单反过来问:量子理论本身决定什么东西能被实验观测到。经过计算,他得出如下惊人的结论:“正如人们能从数学表达看出那样,人们无法知道一个粒子同时的坐标和动量。即测量坐标或动量的任何实验,必然导致对其共轭变量的信息的不确定性。两个变量的不确定度之乘积不能小于由Planck常数给出的一个量。特别是对于一个实物粒子的正则坐标q和正则动量p,它们的不确定度满足△qph/2。这个关系给出了在微观世界中应用经典粒子的坐标和动量概念时应受到的限制,后来人们称之为Heisenberg不确定度关系(uncertaintyrelation),它展示了量子力学和经典力学规律的本质上的差异。

Einstein对波函数的概率诠释持反对意见,他倾向于决定论性的描述。Schrödinger也极其反对“概率波”观点。他倾向于认为:波函数本身代表一个实在的物理上的可观测量,一个粒子可以想像为一个物质波包。在1927Solvey会议之后,以BohrHeisenberg为代表的观点(Copenhagen诠释)成为量子力学的正统诠释。Copenhagen诠释的关键是波函数的统计诠释,它的两个理论支柱就是Bohr的互补性原理和Heisenberg的不确定度关系。以EinsteinSchrödinger为代表的另一方,针对Copenhagen诠释提出了很尖锐的批评。这集中反映在两篇著名的文献中,后来被称为Schrödinger猫佯谬和EPR(Einstein-Podolsky-Rosen)佯谬。Schrödinger猫佯谬一文中,首次提出“纠缠态”(entangledstate)一词(指多粒子体系或多自由度体系的一种不能表示为直积形式的叠加态),并用一个假想试验来说明,把叠加波函数的概率诠释应用于宏观世界,会得出何等荒谬的结论。他对量子力学规律是否适用于宏观世界,提出质疑。EPR一文则针对波函数的概率诠释,以叠加态来说明“波函数对物理实在的描述是不完备的”,并坚持定域实在论(localrealism)的观点,用纠缠态来说明“量子力学对物理实在的描述是不自洽的”。后来,Bohm用两个自旋为1/2的粒子的自旋纠缠态,把EPR佯谬更为简明地表述出来。

20世纪60年代中期,这场争论有一个很大转折。Bell基于定域实在论和存在隐变量(hiddenvariable)的观点,分析了自旋单态下的两个自旋为1/2的粒子,对于这两个粒子的自旋沿不同方向的投影的关联,他得出了一个著名的不等式(Bell不等式)。根据这个不等式,可以在实验上检验究竟是正统量子力学正确,还是定域实在论正确。A.Aspect等人的实验观测以及后来所有有关实验都证明,量子力学的预言是正确的,而定域实在论给出的不等式和隐变量的观点与实验相悖。

针对Schrödinger提出的“量子力学规律对于宏观世界是否适用”的问题,ZehZurek等提出用退相干(decoherence)的机制,来说明为什么在宏观世界中实际上观测不到Schrödinger猫所处的那种纠缠态。他们认为,只当体系与世界其他部分完全隔绝的情况下,其量子态的相干叠加性才能得以保持。事实上,宏观体系不可避免与周围环境相互作用,在一般条件下,宏观体系将非常快速地失去其量子态的相干叠加性。近年来,实验工作者还做了一系列有价值的工作,相继在介观尺度和宏观尺度上实现了Schrdinger猫态。

与任何一门自然科学一样,量子力学应该被看成一门还在发展中的学科。除了量子信息论领域之外,量子力学正逐步渗透到生命科学领域,其前景实在难以预测。尽管迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性,但这只表明:它在人类迄今实践所及的领域是正确的。量子力学并非绝对真理,量子力学并没有,也不可能,关闭人们进一步认识自然界的道路。量子力学与广义相对论之间的矛盾并未解决。量子力学理论的争论,或许是一个更深层次的争论的一部分。在进一步探索中,人们对自然界中物质存在的形式和运动规律的认识,也许还有更根本性的变革。

6.3 威尔逊云室

威尔逊云室是英国科学家威尔逊(C.T.R.Wilson)1911年发明的一种仪器。尘埃或离子通过水蒸气时,会以它们为中心凝结成一串水珠,并在粒子通过之处形成一条清晰可辨的轨迹。威尔逊云室可以用来研究电子和其它粒子碰撞的情况,结果发现电子的表现完全符合经典粒子的规律。捕捉电子位置的仪器也早就有了,电子在感应屏上,总是激发出一个小亮点。哪怕是电子组成衍射图案,还是一个一个亮点堆积起来的。

根据暗物质正反粒子偶极子理论可以完全调和这一矛盾问题,威尔逊云室表明无论你观测与否,电子都是个粒子,电子的运动轨迹也不是波动的,是完全符合宏观物质的运动规律。而观测到的各种电子干涉等显现,其本质上是运动的电子通过正反粒子偶极子的规律震荡所发出的光。

预测与验证:

①任何单个粒子的运动路线都不是波动的,追踪任何单个粒子可以验证。

6.4 康普顿效应

1923年,美国物理学家康普顿在研究X射线通过实物物质发生散射的实验时,发现散射光中除了有原波长λ0X光外,还产生了波长λ>λ0X光,其波长的增量随散射角的不同而变化。这种现象称为康普顿效应(Compton Effect)。用经典电磁理论来解释康普顿效应时遇到了困难,康普顿借助于爱因斯坦的光子理论进行解释。

根据暗物质正反粒子偶极子理论X射线通过正反粒子偶极子的震荡传递,正反粒子偶极子的震荡和物质微粒相互作用时,可能使得正反粒子偶极子的震荡向任何方向传播,形成光的散射。正反粒子偶极子和电子、质子这样的实物粒子一样,不仅具有能量,也具有动量。短波长电磁辐射射入物质而被散射后,在散射波中,除了原波长的波以外,还出现波长增大的波,散射物的原子序数愈大,散射波中波长增大部分的强度和原波长部分的强度之比就愈小。正反粒子偶极子的震荡的能量一部分被电子吸收,因此,能量损失,波长变长。

6.5 物质波

物质波也被称为德布罗意波,是量子力学理论的核心内容。量子力学认为微观粒子没有确定的位置,在不测量时,它出现在哪里都有可能,一旦测量,就得到它的其中一个本征值即观测到的位置。

19254月,在美国纽约的贝尔电话实验室,戴维逊(C.J.Davisson)和革末(L. H. Germer)在做一个有关电子的实验。采用用一束电子流轰击一块金属镍。实验要求金属的表面绝对纯净,所以戴维逊和革末把金属放在一个“真空”的容器中,以确保没有杂志混入其中。然而,这个“真空”容器因为某种原因发生了爆炸,空气一拥而入,迅速氧化了镍表面。当时,去除氧化层需要对金属进行高热加温。金属由许许多多块小晶体组成的,而在加热之后,整块镍融合成了一块大晶体。虽然在表面看来,两者并没有太大的不同,但是内部发生剧变。当电子通过镍块后,产生了X射线衍射图案。但该过程并没有X射线,只有电子。电子在前进时,总是伴随着一个波。德布罗意把这种波称为相波”(phase wave),这被后人称为德布罗意波

根据暗物质正反粒子偶极子理论,电子在运动的过程中,电子本身的运动无异于宏观物质的运动,但运动的电子会引起正反粒子偶极子产生震荡,产生电磁波。电磁震荡频率与电子的速度成正比,可以产生光的衍射或干涉图案。因此,运动的电子既可以观测到粒子宏观的粒子轨道,也可以观测到电子与正反粒子偶极子相互诱导而产生的衍射或干涉图案。

6.6 电子双缝干涉

1907年,托马斯.扬实现了光的双缝干涉实验,再次引发了光的本质究竟是粒子还是波的争论,但此时的争论仍局限在经典物理的范畴内。1961年,蒂宾根大学的克劳斯·约恩松采用电子来进行双缝干涉实验。约恩松首先用电子流朝着并列的双缝轰击,按照设想,电子流通过双缝后应该在后面的屏幕上留下两条与双缝对应的亮纹。然而,在屏幕上出现的并不是两条亮纹,而是多条明暗相间的干涉条纹。约恩松很好奇,他设想是否是因为电子在电子流中互相拥挤碰撞,进而造成了多条干涉条纹。于是,他使用发射器将电子一个一个发出,这下就不会有碰撞了,然而在双缝后面的屏幕上仍然留下了一条条明暗相间的干涉条纹。经过争论,人们认为电子也具有波粒二象性,事情似乎是告一段落。

然而,1974年,米兰大学的梅里教授为研究电子到底是怎样通过双缝的,看看干涉条纹到底是如何形成的。他在双缝的入口安装了高精度的监视器,仍然通过发射器将电子一个一个发出。屏幕上的一条条干涉条纹不见了,只剩下了两条亮纹,而且通过监视器可以清晰地看到电子如粒子般一个个通过左缝或右缝,在屏幕上形成两条亮纹。

采用监控试图观察电子通过双缝的行为时,干涉条纹就消失;而监控关闭,屏幕上又出现了干涉条纹。按照量子力学主流的哥本哈根解释,在双缝干涉实验中,电子本身是既是粒子,又是波,即波粒二象性。当人们不对双缝加以观测时,电子呈现出波的特性,在屏幕上形成多条干涉条纹,此时可以认为人的意识中已将电子认定为波;而当人们观察双缝时,其意识中已经默认电子是粒子,因而干涉条纹就消失了,电子真的按照人的意识体现出粒子的特性,仅形成两条亮纹,尽管此时人的目的是想得到干涉条纹。总之,是人观测或不观测的行为,或者说是人将电子当作粒子或波的意识,决定着电子最终呈现为粒子还是波。

根据暗物质正反粒子偶极子理论,运动的电子对正反粒子偶极子进行系列诱导而产生震荡,进而正反粒子偶极子以电磁波的形式向前传递。无论观测与否,电子都是一个粒子,其运动特征符合宏观物质运动规律,本身并没有波动。而观测到的干涉图案并不是电子本身,而是电子诱导正反粒子偶极子所产生电磁波的干涉。

6.7 微观粒子的波粒二象性

大量实验验证了电磁波具有波粒二象性,采用正反粒子偶极子模型能够较好地解释该物理现象。由于正反粒子偶极子是一种粒子,具有一定的质量和内部结构,在没有光线的情况下,正反粒子偶极子处于一个稳定状态。当正反粒子偶极子受到电磁波源的影响,由于获得大量的能量,正反粒子的运动产生震荡,正反粒子偶极子就形成了一对振荡正反粒子偶极子。振荡正反粒子偶极子对周围的正反粒子偶极子产生作用,使其成为振荡正反粒子偶极子。振荡正反粒子偶极子能够与其它物质相互作用,使其它物质的运动状态发生改变。正反粒子偶极子的能量不断变化,因此与物质作用更加强烈,也表现出强烈的粒子性。尤其当电磁波发射、接收或遇到障碍物时,都会表现出明显的粒子性。电磁波的传播是由于正反粒子偶极子受到外界影响而形成了一对振荡正反粒子偶极子,振荡正反粒子偶极子的振动方向与电磁波的传播方向是相互垂直的,电磁波是一种横波,因此具有横波所具有的特性。

根据暗物质正反粒子偶极子理论,所有的波都是由粒子传递,即所有的波都具有粒子性。而所有的粒子均可以相互作用并传递波,即所有的粒子都有波动性。单个粒子的运动轨迹符合宏观物质运动规律,只能表现为粒子性,而观测到单个粒子的波动性往往是单个粒子引起系列正反粒子偶极子震荡产生的电磁波的干涉效应。采用概率函数描述单个粒子,仅仅反应单个粒子的空间分布符合概率函数分布规律。大量粒子协同振动进行能量传播时主要表现为波动性,但同时也保持着粒子性的所有特质。这就是所谓的波粒二象性。

6.8 暗物质掷骰子

早在广义相对论之前,爱因斯坦就提出了光量子的概念,这直接催生了光的波粒二象性理论。量子力学的基础理论被同时建立起来,只是很长时间里,这一理论都处于被怀疑的状态。随机性成了量子力学的代名词,同时也是被人讨论得最多的一个问题。早在量子力学诞生以前,以牛顿为代表的经典物理学主张世界上不存在偶然,所有的随机事件都是可以通过计算预知的。量子力学的诞生对经典物理无疑是颠覆性的,如今的量子理论体系已经变得庞大起来,也有越来越多的实验结果表明,在这个领域中的一切都是关于概率,而不再是完全确定的状态。

宏观世界中,经典物理学已经可以很好地预测物体的各种状态,但是一旦进入微观物理,就看到了一个充满随机性的世界,这使爱因斯坦感到十分困扰。爱因斯坦和少数非主流派物理学家拒绝接受由薛定谔及其同事创立的理论结果。爱因斯坦认为,量子力学只不过是对原子及亚原子粒子行为的一个合理的描述,是一种唯象理论,它本身不是终极真理,因此爱因斯坦说上帝不会掷骰子。

之后他想到,宏观中的随机现象实则是一种可以预测的结果,就像空气中看似随机飘散的灰尘,其运动一定是复杂的力的作用的结果,类似的,看似随机的投骰子,也是遵循已知的物理规律的,只是我们之前认知有限,才会觉得它是完全随机的。同样,现在看来,量子表现出很强的随机性,那是否有可能这也是我们自身认知的缺陷导致的呢?也就是说:现有的量子理论可能仍然是不完善的,我们不应该认为微观世界的随机现象就是世界的本质,应该试图建立新的理论来解释这些随机性。

根据暗物质正反粒子偶极子理论,空间充满正反粒子偶极子,粒子不断与正反粒子偶极子相互作用。因此,微观物质的运动比随机飘散的灰尘的运动还要复杂,只能符合概率统计规律。总之,在微观世界里,暗物质不断对微观粒子掷骰子

6.9 量子力学因果论

量子力学认为,一切都是随机的,而且事实也是这样。然而,爱因斯坦深信,物理学规律是关于存在的规律,而不是一些可能性。微观粒子观测到的随机性规律被观测的事实,一直没有找到其随机性原因。随机性已经成为量子力学的代名词,而爱因斯坦认为量子力学本身不是终极真理,因为上帝不会掷骰子

根据暗物质正反粒子偶极子理论,微观粒子不断与正反粒子偶极子相互作用。在微观世界里,正反粒子偶极子不断对微观粒子掷骰子。微观粒子与正反粒子偶极子的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算,因此,描述微观粒子运动状态只能采用概率统计。微观粒子运动比灰尘在空中的随机飘散运动还要复杂,只能符合空间概率分布统计规律,这就是量子力学随机性的原因。

6.10 波函数坍缩

波函数坍缩指的是某些量子力学体系与外界发生某些作用后波函数发生突变,变为其中一个本征态或有限个具有相同本征值的本征态的线性组合的现象。波函数坍缩可以用来解释为何在单次测量中被测定的物理量的值是确定的,尽管多次测量中每次测量值可能都不同。

根据暗物质正反粒子偶极子理论,微观粒子与正反粒子偶极子的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算,由于微观粒子每一次的轨迹均不相同,只能用空间概率函数表示。但当观测电子时,观测的是已经发生的事情,轨迹是明确的。这与宏观的概率事件没有任何本质区别,比如在每次掷骰子之前只能用概率函数来描述整体的概率事件,通过调查任何影响概率分布因素并进行调整,也仅仅是调整概率分布函数,是无法改变掷骰子是一个整体的概率事件;但骰子掷出并停止后,掷骰子的一个整体概率事件就演化为一个单次的,确定性的骰子点数。同样道理,在没有观测时,微观粒子的运动只能用空间概率函数描述其运动规律,但一旦观测后,就像骰子落地停止一样,微观粒子的空间概率模型就变成单次确定性的事件。总之,不论宏观概率事件,还是微观粒子的空间概率分布,总体上均符合概率函数规律;一旦单次概率事件揭晓,无数次的概率模型坍缩成单次的确定事件,即:某个骰子的点数或某个空间是否出现微观粒子就一定会坍缩成10。波函数坍缩本质上是描述一个整体概率事件发生前的预测及其单次概率发生后的确定状态。

6.11 薛定谔的猫

薛定谔的猫是由奥地利物理学家薛定谔于1935年提出的有关猫生死叠加的思想实验,是把微观领域的量子行为扩展到宏观世界的推演。认为微观物质有不同的存在形式,即粒子和波。通常,微观物质以波的叠加混沌态存在;一旦观测后,微观物质立刻选择成为粒子。实验假设在一个盒子里有一只猫,以及少量放射性物质。之后,有50%的概率放射性物质将会衰变并释放出毒气杀死这只猫,同时有50%的概率放射性物质不会衰变而猫将活下来。

根据经典物理学,在盒子里必将发生这两个结果之一,而外部观测者只有打开盒子才能知道里面的结果。在量子的世界里,当盒子处于关闭状态,整个系统则一直保持不确定性的波态,即猫生死叠加。猫到底是死是活必须在盒子打开后,外部观测者观测时,物质以粒子形式表现后才能确定。这项实验旨在论证量子力学对微观粒子世界超乎常理的认识和理解,可这使微观不确定原理变成了宏观不确定原理,客观规律不以人的意志为转移,猫既活又死违背了逻辑思维。

威尔逊云室表明无论你观测与否,电子都是个粒子,电子的运动轨迹也不是波动的,是完全符合宏观物质的运动规律。而观测到的各种电子干涉等显现,其本质上是运动的电子通过正反粒子偶极子的规律震荡所发出的光。

微观粒子的粒子性和波动性是相辅相成的,与观测任何宏观物质没有任何本质区别,只是不同的观测手段,观测的注重点不同罢了。宏观物质是由粒子构成的,任何的物质都能传递波,不仅能传递机械波,也能发生各种电磁波,也会观测到粒子和干涉。只是观测宏观粒子的干涉、衍射并不常见。而电子的运动是有规律的,因此往往产生干涉现象。因此,所谓的粒子与波的叠加是:无论多个粒子,还是单个粒子都会表现为粒子性,多个粒子的运动轨迹是杂乱无章的,而单个粒子的运动是有据可循的。只有多个粒子才能表现为波动性,而单个电子的波动性实际上是大量正反粒子偶极子的规律震荡表现出来的波动性。因此,单个电子只能用概率函数表示,一旦观测就是一个确定的值。无论你观测与否,活猫与死猫的概率在无限多次后均为50%。单次活猫的概率只有10,死猫的概率也是只有10

6.12 隐变量理论

隐变量理论是质疑量子力学完备性而提出的替代理论。历史上随着量子力学的发展,而提出了海森堡不确定原理等限制,一别于经典物理,诸如位置与动量等无法同时精准测出其值;此外关于粒子位置等特性由概率密度描述所取代。一些物理学家例如爱因斯坦,认为量子力学并未完整地描述物理系统的状态,亦即质疑量子力学是不完备的。因此量子力学的背后应该隐藏了一个尚未发现的理论,可以完整解释物理系统所有可观测量的演化行为,而避免掉任何不确定性或随机性。

在微观时间里,没有充分了解暗物质,即正反粒子偶极子与微观粒子无处不在地相互作用,而正反粒子偶极子与微观粒子的时时刻刻、无处不在地相互作用,造成了微观粒子运动的不确定性与随机性,这与宏观物质的运动没有本质区别,类似一粒尘埃在空中的运动、一颗悬浮物在水中的运动。而概率函数已经考虑了正反粒子偶极子与微观粒子的时时刻刻、无处不在地相互作用,只是没有明确说明原因。因此,量子力学是相对比较完备的理论。通过暗物质的研究,将进一步了解微观粒子的运动规律与相互作用规律,会很大程度推动量子力学的发展。

6.13 互补原理

互补原理是玻尔在1928年提出:原子现象不能用经典力学所要求的完备性来描述。在构成完备的经典描述的某些互相补充的元素,在这里实际上是相互排除的,这些互补的元素对描述原子现象的不同面貌都是需要的。波和粒子在同一时刻是互斥的,但它们在更高层次上统一。光和粒子都有波粒二象性,而波动性与粒子性又不会在同一次测量中出现,那么,二者在描述微观粒子时就是互斥的;另一方面,二者不同时出现就说明二者不会在实验中直接冲突。同时二者在描述微观现象,解释实验时又是缺一不可的。因此二者是互补的,或者并协的

根据暗物质正反粒子偶极子理论,光是通过正反粒子偶极子震荡传递能量的,同时具有正反粒子偶极子的粒子性,同时也具有电磁波的波动性。由于正反粒子偶极子是暗物质,只能通过其它可见物质的相互作用体现出其粒子性。而电子等为粒子,观测单个粒子轨迹时时,只表现为粒子性,而若干电子的统计时,复合统计函数规律。另外,通过电子与正反粒子偶极子的相互作用形成光的干涉时,表现为波动性,因此波动性和粒子性是相辅相成的。

6.14 黑体辐射

马克斯普朗克于1900年建立了黑体辐射定律的公式,并于1901年发表。其目的是改进由威廉维恩提出的维恩近似。维恩近似在短波范围内和实验数据相当符合,但在长波范围内偏差较大;而瑞利-金斯公式则正好相反。普朗克得到的公式则在全波段范围内都和实验结果符合得相当好。在推导过程中,普朗克考虑将电磁场的能量按照物质中带电振子的不同振动模式分布。得到普朗克公式的前提假设是这些带电振子的能量只能取某些基本能量单位的整数倍,这些基本能量单位只与电磁波的频率有关,并且和频率成正比。

这即是普朗克的能量量子化假说,这一假说的提出比爱因斯坦为解释光电效应而提出的光子概念还要至少早五年。然而普朗克并没有像爱因斯坦那样假设电磁波本身即是具有分立能量的量子化的波束,他认为这种量子化只不过是对于处在封闭区域所形成的腔(也就是构成物质的原子)内的微小带电振子而言的,而这种束缚态必然导出量子化。普朗克没能为这一量子化假设给出更多的物理解释,他只是相信这是一种数学上的推导手段,从而能够使理论和经验上的实验数据在全波段范围内符合。

带电振子实际上为暗物质粒子,任何物体都具有不断辐射、吸收、反射电磁波的性质。电磁波在各个波段是不同的,也就是具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关。辐射、吸收、反射电磁波均通过正反粒子偶极子的震荡传递,能量与振荡频率相关。

6.15 热辐射

任何物体都具有不断辐射、吸收电磁波的性质。辐射出去的电磁波在各个波段不同,并具有一定的谱分布。这种谱分布与物体本身的特性及其温度有关,因而被称之为热辐射。

根据暗物质正反粒子偶极子理论,任何物体都时时刻刻、无处不在地通过诱导震荡与正反粒子偶极子相互作用并交换能量。这种诱导震荡的相互作用,本质上是电磁波。这也是任何物质时时刻刻吸收与释放电磁波的物质原因。

6.18 小结

(1) 威尔逊云室明确单个粒子不具有波动性,且完全符合宏观物质的运动规律。

(2) 通过康普顿效应、物质波和电子双缝干涉的系统分析,表明运动的粒子能够与正反粒子偶极子相互诱导,产生规律的电磁震荡,进而能观察到正反粒子偶极子传递规律电磁波的干涉与衍射等现象。在电子双缝干涉试验中,即使电子不通过双缝也始终有干涉图案存在。观测到的干涉图案并不是电子本身,而是微观粒子诱导正反粒子偶极子所产生电磁波的干涉。微观粒子的波动性的本质原因是微观粒子诱导正反粒子偶极子的电磁震荡。

(3) 在微观世界里,正反粒子偶极子不断对微观粒子掷骰子。微观粒子与正反粒子偶极子的时时刻刻、无处不在地相互作用无法准确计算,因此,描述微观粒子运动状态只能采用概率统计。微观粒子运动比灰尘在空中的随机飘散运动还要复杂,只能符合空间概率分布统计规律,这就是量子力学随机性的原因。

(4) 微观粒子与宏观的概率事件没有任何本质区别,在没有观测时,微观粒子的运动只能用空间概率函数描述其运动规律,但一旦观测后,就像骰子落地停止一样,微观粒子的空间概率模型就变成单次确定性的事件。不论宏观概率事件,还是微观粒子的空间概率分布,总体上均符合概率函数规律;一旦单次概率事件揭晓,无数次的概率模型坍缩成单次的确定事件。波函数坍缩本质上是描述一个整体概率事件发生前的预测及其单次概率发生后的确定状态。

(5)任何物体都会不断与周围的正反粒子偶极子时时刻刻、无处不在地相互作用,不断地放出或吸收电磁波,这是任何物体都具有不断辐射、吸收电磁波的根本原因。

(6)场态粒子包括所有正反粒子偶极子,是一种对称粒子。场态粒子包括锁定场态粒子、半锁定场态粒子和自由场态粒子。显态粒子是除正反粒子偶极子以外的其他任何非对称粒子。属于对称性破缺粒子。对称性破缺包括电荷对称性破缺、质量对称性破缺、运动状态对称性破缺和分布状态对称性破缺等。虚拟粒子是相互作用的媒介粒子,不是真实存在的粒子,仅仅是显态粒子、场态粒子的相互作用,也可以理解为粒子间的传递能量。



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