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最近有几位朋友同时送来一篇奥创智能网的报道,“50年物理难题盖棺定论,爱因斯坦被证明错了”,要我写点东西科普一下。这篇报道说,“爱因斯坦是量子理论的始作俑者,可他本人一生都不愿接受量子力学的怪诞结论。他说过一句很有名的话“上帝是不投骰子的”,旨在否定量子力学对物理世界概率性的描述。”“然而,几天前由荷兰物理学家发布的实验结果终于表明,爱因斯坦错了。”。这位荷兰物理学家(Ronald Hanson)做的是什么实验呢?是在相距1.28公里的两个实验室通过“量子纠缠 ”来超光速传播信息的实验。这篇报道一面说他的实验“无懈可击”,一面又说“两边的光子精确同时到达的成功率很低,大约1.5亿个光子对中才能有一对光子成功干涉并实现电子的远程纠缠。因此,该实验一共進行了22个多小时,却只得到245 次有效数据。不过,该团队目前正在努力改進,以期提高效率。”听起来好像有点底气不足,有懈可击。
我一直不太愿意去纠缠量子纠缠,除了分身乏术以外,一个很大的原因是这个问题其实是一个很容易就通过实验得出结论的问题,根本不需要牵扯到深奥的理论和哲学。
量子纠缠最热门的两个研究方向都是实验课题:一个是量子计算机,一个就是上面这篇报道中所说的超光速信息传输,或曰量子隐形传输。前者纯粹从量子力学波函数的理论解释得到灵感,后者则是从激光物理实验中得到灵感。搞量子计算机的人们扬言,一旦量子计算机研制成功,其威力将大大超过现有的数字计算机,能够破译数字计算机无法破译的密码,因此对军方有强大的诱惑力。军方也因此成了这一研究方向的重要资金来源。搞隐性传输的人们扬言,他们可以通过量子纠缠以超过光速很多倍的速度传递信息,并且保密程度非常高。国内有官方媒体甚至报道说遁术也是可以实现的。这些,当然也对军方有极大的诱惑力。不过,这两个研究方向扬言的前景都是可以实验验证的东西,而不是像大爆炸宇宙学家鼓吹的东西,是远在140亿年前或者几百亿年以后的故事或者现象,或者在谁都不能到达的高维空间,无法验证验错。研究量子纠缠的人们扬言他们的结果 – 量子计算机或者隐性传输 – 都是有直接的军事用途的,是可以用实验直接检验的。假如你是一个不懂量子力学的国防部总装备部的部长,可以问问他们,你们的量子计算机能不能破译这段密码?你们的隐性传输线能不能以超光速将这段情报加密发到西沙的边防站?这就是实践检验。
我曾经问过一位在洛斯阿拉莫斯国家实验室从事量子计算机研究的朋友:你们现在这方面的研究进展如何?比如说,你们的“量子计算机”能够做几位的加减 乘除?和最简单的只能做四则运算的计算器(calculator)相比,性能如何?体积多大?价格相差多少?他不能答。近来好像不太听到有关量子计算机的报道。
相比之下,对量子隐性传输的媒体报道却风头正健,风光得多。这项研究其实也非常容易实验验证。电磁波以光速传播,已经不是什么尖端科学,而是被工程技术人员用于平常的作业之中的实用技术。举个例子,大型钢铁厂的电缆都是埋在地下的,因为走明线太危险。可是地下电缆也有问题。如果一条电缆因为过流而产生短路,就会烧断,工人们叫“放炮”。必须立即修复以恢复生产。可是因为电缆是埋在地下的,必须先找到事故点,才能挖下去维修。外线电工们有一种仪器,专门用来找事故点。方法是从电缆终端(通常在变电所)发送一个很尖的电脉冲。这个脉冲传到事故点以后就被反射回来,因此在示波器上可以观察到两个脉冲信号。这两个脉冲信号之间的时间差就是电磁波从电缆终端到事故点一个来回的时间。这个时间差的一半乘以光速,就是事故点离终端的距离。这个方法的精度大约在几米的数量级(否则挖土的工作量就太大了)。这种设备在几十年前就有了,应该可以用来比较测验量子纠缠隐性传输的速度到底是不是真的比光速还快。还有更直截了当的方法: 让量子纠缠隐性传输线和普通的电报线路同时在两个城市之间传送一段莫尔斯码,看看哪个先到达。根据上述这篇报道的宣传,“两个朝相反方向运动的光子,只要不受干扰,无论相距多远都可以在瞬间传递信息。打个比方,即使牛郎和织女分居在银河两头,彼此心映即刻完成,无需时间。”银河两头的距离是多远呢?大约 30万光年。多宽?约1千光年。也就是说,一束光从银河这边走到那边需要一千年,或者说大约一千万小时。牛郎织女要在七月七日晚上相会,前后不到12个小时,时间很紧,见面以后还要执手相看泪眼,互诉离别之苦,问问小孩上幼儿园的问题是否得到解决,还要留点时间做量子纠缠。这一切都要在王母娘娘早上睡醒横加干涉之前完成,所以他们飞过鹊桥的时间大概也就只有一个小时。即是说,他们过桥的速度应该比光速快一千万倍。可是量子纠缠专家们说“即使牛郎织女分居在 银河两头,彼此心映即刻完成,无须时间”。就是说,牛郎织女量子纠缠的速度是无穷大!这是21世纪版的柏拉图恋爱!以这种速度和电磁波比,当然必胜无疑。
一个无法改变的事实是,量子隐形传输并不能传送任何物质或能量。量子隐形传态需要借助经典信道才能实现,因此并不能实现超光速通信。在量子隐形传输中,传输的只是“量子态”,而发送者和接收者都对这个量子态始终一无所知。这怎么能传送信息,应用于实际通讯呢?
能够传输“量子态”,却不能传输信息,这如何理解呢?举个简单例子。两个人打乒乓球,你只有两种状态:得分或者不得分。(这和电子相似,只有两个量子态:自旋向上或者向下。)你只要观察一个人是否得分,不用看另一个人(不用测量),就能知道他这球是否得分。又假如你有一对祖传的龙凤剑,也只有两个量子态:龙剑或者凤剑(又可叫做雌雄剑),母亲要你弟弟把其中一把从江南带到塞北你的戍边哨所。你打开一看,上面刻了一条金龙。你不用任何测量就立即知道妈妈留在身边的宝剑上刻的是凤凰,从你看到你的宝剑之时刻到你知道妈妈留下的宝剑是凤凰剑之间的时差,理论上可以等于零。如果用从杭州到雁门关的距离除以时间间隔,把结果定义为隐形传态的速度,它可以是无穷大。但是,这传递了任何信息吗?没有。真正的信息传递是通过经典传输手段,也就是你弟弟来传输的。他的速度取决于他是步行还是骑马。弟弟必须告诉你,另一把宝剑是存放在家里还是被妹妹作为嫁妆带到了岭南,也就是说,你必须知道游戏规则(理论)。在量子隐形传输实验中,规则(理论)是事先就知道的。这个例子所说的道理最早是由爱因斯坦、波多尔斯基和罗森(Einstein, Podolsky and Rosen)三人提出的一个假想实验来说明的,叫EPR佯谬。
如果你有兄弟七八个,祖传有十八般兵器(多个量子态),那么当你看到弟弟带来的龙泉宝剑时,是不可能知道远戍辽阳的大哥收到的到底是杀手锏还是钩镰枪的,除非弟弟告诉你。另一方面,辽阳的大哥到底收到什么兵器,你无法改变,无法控制,因此无法传递信息。你要想传递信息,对方的某种物理量(比如对方耳膜的振动,无线电收发报机中的电信号)必须能够受你控制。而这些都是所谓的“量子隐形传态”做不到的。
不过,芸芸众生和国防部负责分配科研经费的首长们是不知道这个底细的。他们被 “量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。在量子纠缠的帮助下,带传输量子携带的量子信息可以被瞬间传递并被复制,因此就相当于科幻小说中描写的超时空传输” 的科幻宣传误导,以为他们的“量子纠缠”可以实现超光速信息传输,甚至还可以量子加密。如此神奇高超的技术,当然应该大力支持。国防科研要舍得花钱,哪里在乎几个亿?让他们搞去,以免外国人争了先机。所以“量子计算机”和“量子隐形传输”的科研经费源源不断。
朋友们可能会说,如果“量子隐形传输”并不能真正传输信息,却又要拼命宣传“量子纠缠的 传输速度至少比光速高4个数量级。”“相当于科幻小说中描写的超时空传输”,那早晚是要被揭穿的呀?问题是,“早晚”是多长时间?社会心理对科研过程通常能够等待几十年。可是,几十年后,人们不就可以看出“量子隐形传输”到底能不能瞬间传递信息了? 如果你做不到,岂不是就真相大白了?社会心理的奥妙就在于此:几十年后,人们仍然会以新时间为起点,继续等待几十年,而不会质问说:“你们几十年前就说能 够实现超光速通讯,为什么现在还没有实现?”自上世纪末开始到现在,“量子纠缠”也热门了几十年了。时至今日,无论是量子计算机还是量子隐形传输,都还停留在研究室和新闻媒体,和实际应用毫无关系。但是人们不会计较这些,社会公众仍然会以今天为起点,再等几十年,好像以前几十年什么都没有发生过。几十年后的公众,会以那时为起点,再等几十年。永远不会有考绩的时候。这里的关键之一,是要通过媒体向社会描绘诱人的未来和希望。如果某种研究某一天能够实现科幻小说中的 “超时空传输”,可以保证信息传输的隐秘,甚至可以实现量子遁术(人体传输),可以实现高速量子计算破译密码,那公众和国防部就会一直支持下去。关键之二就是发明大量的一般人听不懂的行话术语(jargon),比如量子纠缠,量子计算,量子信息,量子密码,量子解码,量子点,量子比特,量子相变,EPR佯谬,贝尔不等式,等等等等。这些行话术语有两个作用:既可以给人以“这门学问很深”的印象,又给人以“这一研究 应用非常广泛”的印象。对于如此深奥而具有广泛应用前景的研究,谁忍心批评指责,中断研究经费呢?再等它几十年,又有什么不可以呢?这情形和长生不老药的研究极其相似。凡是给某一真人研究经费研制长生不老药的皇帝陛下,都希望在自己有生之年能够练出长生不老药,也就是说,二三十年应该出成果。可是,即使二三十年也出不了成果,他还是会一直等下去,等到死也不会停止这项研究,因为长生不老的希望太美好,太神圣。皇帝死了,别的皇帝会继续长生不老药的研究,这种过程可以重复几百遍,可以持续几千年。直到20世纪的现代美国,虽然没有皇帝,还是有人满怀希望。我儿子高中毕业时,有位医生朋友劝他学医,这当然没有什么不对。不过他的理由很奇怪,说是两年之内就会有长生不老药上市,并劝我买这家医药公司的股票。而今20年过去了,虽然长生不老药还没上市,但是人们并没有放弃炼制长生不老药的希望。
不管人们如何宣传公关,始终改变不了这样的事实:从事量子纠缠研究的人们,一方面年复一年地宣称实现了多么伟大的“突破”,比如实现了八个粒子的纠缠态,另一方面又说这方面的研究还是在理论探索阶段;一方面扬言量子隐形传态可以实现超光速密码传输,甚至可以进行远距离人体传输(遁术),可以不用宇宙飞船就把人送到其他的星球和其他银河系,另一方面又说量子隐形传态不可能用来传输信息和质量能量。这样既保鲜了美好的希望,取得了社会对现在的研究项目的资金支持,又对将来可能的失败有言在先,到时候可以推卸责任。
对量子纠缠的实际市场行情有了比较清楚的认识以后,我们就可以来务务虚,谈谈理论与哲学问题了。玻尔曾说:“谁要是第一次听到量子理论时没有感到困 惑,那他一定没听懂。” 其实,如果你第二次听到量子理论时没有感到困惑,你也还是没有听懂。为什么呢?因为人们津津乐道的所谓“波函数”根本就不是行波的函数。光的波函数是经典电动力学中麦克斯韦场方程的解,非常简单的正弦波,而不是量子力学中任何方程的解。光波(行波,驻波)都是经典物理的概念。光波的传播,反射,折射,绕射,干涉,极化等都是经典物理光学的内容,和量子力学毫无关系。光的干涉现象和量子纠缠概念完全是不同的概念。量子力学中的量子态,是电子或其他粒子的状态,是薛定谔方程的解(且不管相对论量子力学)。可是薛定谔方程根本就不是波动方程,它的解根本就不是波函数,而是几率分布函数(正统教义如此说)。有的朋友说,行进中的电子也是波。我要他把电子的波函数写出来,他就是写不出来。至于描述电子的波动方程,就更不要谈了。教科书上总是举电子的干涉图案为例证明电子也是波。可就是教科书也写不出电子束的波函数。一写出来就会露马脚。如果不管有没有波动方程,只是偷用水波或者电磁波的行波函数,那振幅的物理意义是什么呢?写不出电子的波动方程和行波的波函数,怎么可能实现“电子的远程纠缠”?尤其奇怪的是,电子的波函数怎么可以通过光波来纠缠?
不仅爱因斯坦不能接受“几率波”的不定论哲学,就是量子力学的发明者薛定谔也不理解。他提出了薛定谔方程以后在求解方程时得出了量子化条件,算出了氢原子光谱的能级,结果和里得伯公式相符。但是这个方程的解到底是什么东西,薛定谔自己也不知道。好像只是一个空间的函数。反正得到了里得伯公式,解释了氢原子光谱,这就够了。
可是,对于薛定谔方程的解没有物理解释,就使整个理论蒙上了神秘的星相学色彩,使人感到非常不舒服,也给薛定谔方程的可信性甚至合法性蒙上了阴影。所以Max波恩就提出了一个解释,说薛定谔方程的解是波函数,其平方等于粒子出现在某一空间点的几率密度。按照这个解释,电子在任一时刻出现在空间的什么地方是不确定的。它既可以在这里,也可以在那里。人们无法知道它的确切位置,只能算出它出现在某一空间点的几率。根据波恩的几率解释,说某个粒子某一时刻在什么空间位置是没有意义的。所以爱因斯坦在给他的回信中才说“上帝不掷骰子”,意思是物理世界的规律是决定的,物体或粒子在某时某刻的位置也是一定的,而不是随机的。
波恩是海森伯的老师,两人都是哥本哈根学派的重要人物。哥本哈根学派将量子力学的非决定论几率解释推向极端,居然认为一个系统的状态是不确定的,他的实现取决于观察者的观察或者测量行为。这个道理的一个直观例子就是,美洲印地安人到底存在与否,取决于哥伦布是否发现了新大陆。在哥伦布发现新大陆之前,印地安人是不存在的。薛定谔于是设计了一个假想实验,就是有名的薛定谔猫实验,来驳斥这种理论之荒谬。薛定谔猫实验是这样的:把一只猫封在一个密室里,密室里有一个密封的毒药瓶,上面有一个锤子,锤子由电子开关控制,电子开关由放射性原子控制。如果原子核衰变,则放出阿尔法粒子,触动电子开关,锤子落下,砸碎毒药瓶,放出毒气将猫毒死。如果原子核不衰变,则猫就不会死。原子核的衰变是随机事件,也就是说,在一定时间内,猫到底是死是活是随机的。根据哥本哈根学派的哲学,在打开密室之前,这只猫处于一种死与活的叠加态。
薛定谔挖苦说:按照哥本哈根学派的解释,箱中之猫处于“死-活叠加态”,要等到打开箱子看猫一眼才决定其生死。(请注意!不是发现而是决定,仅仅看一眼就足以致命!)只有当你打开盒子的时候,叠加态突然结束,坍塌为某一本征态(叫做“波函数坍缩”)。但物理学中没有任何一个公式或者理论能够描述这种坍缩。尽管如此,长期以来物理学家们出于实用主义的考虑,还是接受了哥本哈根的诠释。但是薛定谔自己从来不接受这一解释。
哥本哈根派坚持:是的,当我们没有观察的时候,那只猫的确是既不死也不活的。他们有一句名言:“当我们不观察时,月亮是不存在的”。也就是说,月亮 本来是不存在的,当苏东坡观察到“月出于东山之上,徘徊于斗牛之间”时,才突然坍塌出来了。等他和朋友“相与枕籍乎舟中,不知东方之既白”时,月亮又坍塌到另一个状态了,不存在了。过了三个月,苏学士再游赤壁,又观察到“人影在地,仰见明月”,“山高月小,水落石出”,月亮又突然坍塌成“存在”的量子态了。苏老夫子返而登舟睡觉的时候,月亮又坍塌了,不存在了。可是此时说不定弟弟子由在另一个地方与睡梦中的哥哥“千里共婵娟”,于是月亮又不得不坍塌到子 由的后院。这可不得把月亮忙坏了?问题是,在苏东坡看见“月出于东山之上”之前,“月亮本来是不存在的”。一个本来不存在的东西,如何坍塌出来呢?这岂不是无中生有的创造论吗?在哥伦布发现新大陆观察到印地安人之前,印地安人是不存在的。同样,在此之前印地安人也从来没有观察到哥伦布和他的船队,因此哥伦布们也是不存在的。这样大家都不存在。如此类推,你很容易证明全人类和整个宇宙都不存在。这就是主张“当我们不观察时,月亮是不存在的”的哥本哈根哲学教给我们的深奥的哲学新思维。朋友们可能会说,王教授何必浪费这么多笔墨,跟这些没有常识的人较真?可是,就是这些非常荒唐的“你不测量,物理量就不存在” 的教条,唐而皇之地充斥在量子力学教科书里,作为“新思维”(new paradigm)故弄玄虚,误导学生。当然,我实在不愿意浪费笔墨谈什么“人体传输”或“遁术”之类的东西。我不知道现在中国还有几个人相信遁术。
说到这里,我要谈一下爱因斯坦的物理哲学思想。大家都知道我对相对论是完全彻底地否定的。所以有的朋友以为我看到“50年物理难题盖棺论定,爱因斯 坦被证明错了”之类的报道,一定会乐于附和,一起来反对爱因斯坦。恰恰相反,在对待量子力学和波函数的解释这个问题上,我是支持爱因斯坦的。他说“上帝不 掷骰子”,说量子纠缠是“鬼魅般的超距作用(spooky action at distance)”, 反映了爱因斯坦的睿智。爱因斯坦的哲学思想比较复杂,很难简单地说成是唯物主义还是唯心主义。他的思想中有相当的唯心主义成分,比如他把方程式形式上的美和对称性当作一种物理规律;把时间和空间当作数学变换参数而无视其物理本质;假定宇宙是有限的;假定现实世界是四维平直空间中的三维超球面;他毕生追求一个统一理论;等等。但是,爱因斯坦的唯心主义是有底线的。比如,他不能接受量子力学的不决定论;他相信,即使你不观察,月亮仍然存在;他主观上也尊重质能守恒定律,尊重因果关系(尽管他的相对论可能违反这些定律和关系);他认为宇宙是稳定的。当他发现自己的有限的三维超球面宇宙模型不能稳定时,便没有继续在宇宙学上折腾。他抛弃了自己提出的本质上是星相学性质的万有斥力宇宙项。他从来都不接受宇宙膨胀的理论,从来都不承认大爆炸宇宙学所依据的弗里得曼方程。所以,大爆炸宇宙学的许多荒唐结果与他无关。但是,他是相对论的创造者,宇宙项和三维超球面概念的始作俑者。宇宙学之所以坠入神学星相学的不归路,爱因斯坦难辞其咎。


物理学究竟有哪几大核心公式(物理科学与物理史学的绝唱)?

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【2013-5-26日补注】本文是对2300多年来物理学高屋建瓴的宏观评价与精准把握,并且完全符合物理学的客观实际,有!但这样的工作并不是每一位物理学家或者科学院院士都能够做到的。如果本文作者还参与创立了物理学的五大核心公式,那么,他的科学贡献就更是不可估量!(点击观看)。

纵观物理学金碧辉煌的大厦,我们不禁感概万千!抚今追昔,从2300多年前亚里士多德(公元前384-322)的《物理学》到牛顿(1642-1727)的《自然哲学的数学原理》,再到今天物理学庞大的理论体系,究竟有哪几大公式堪称物理学的核心公式呢(请注意:自1901年-2013年这112年间共有195人荣获诺贝尔物理学奖)?

所谓物理学的核心公式,必须是主宰物理运动中某一个大类运动的基本定律或者公式(例如主宰机械运动的牛顿第二定律,主宰电、磁、光运动的麦克斯韦方程,主宰微观粒子运动的薛定谔方程),或者是揭示最基本、最重要的物理关系与实质的公式或方程,例如,爱因斯坦质能关系式甘永超波粒二象关系式。前者揭示了质量、能量、时间、空间与运动之间的关系,它是物理学中最基本的关系——物理学就是研究物质(质量、能量)在时间、空间中的运动,后者则是物理学中最重要的关系,因为实物(粒子)与场(波)之间的关系至高无上——被(瑞德尼克)称之为“物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰”,也是爱因斯坦一辈子苦苦求索的问题。

另外,物理学的几大核心公式最好还能与物理学史上的几次重大事件(例如物理学史上的五次大综合或者第六次大综合的开端(见下面的注释六))相对应、相吻合就更是天遂人愿、花好月圆了……

综上所述,物理学的五大核心公式应该是:

一、牛顿第二定律(主宰机械运动,与物理学史上第一次大综合相对应)

二、麦克斯韦方程(主宰电、磁、光运动,与物理学史上第三次大综合相对应)

三、薛定谔方程(主宰微观粒子运动,与物理学史上第五次大综合相对应)

四、爱因斯坦质能关系式(揭示时间、空间、质量、能量、运动之间的关系以及核武器原理,与物理学史上第四次大综合相对应)

五、甘永超波粒二象关系式(揭示实物与场(或者粒子与波)的关系以及核导弹克星——巨粒子炮原理,与物理学史上第六次大综合开端相对应,为我们开启了“后粒子物理学”时代。其四维形式与教科书表达见最后的附件,它是量子力学两大开山之作集成后的升级

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注释一:“电磁波”与“光量子”之间的关系,是天才的物理学家爱因斯坦苦苦求索了一辈子的问题,今天的甘永超却居然能够给出精准的数学表达并且已经被写进了教科书中!而瑞德尼克在《量子力学史话》一书中关于“物理学最高峰”的宏论早已震耳发聩:“今天,决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题,就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰:物质的两种基本形式——实物(粒子)与场(波)——之间的相互关系。”你觉得“波粒二象关系式”在物理学中应该处于什么地位?

注释二: 当今物理学前沿存在四大疑难,它们是:“波粒二象性之谜”、“光的本性之谜”、“粒子与场的关系之谜”、“物质世界的最基本结构单元之谜”;而破解这四大疑难的钥匙就是“甘永超波粒二象关系式”及其衍生出来的“π型三重波粒二象性”与“太极粒子波”(如上三个图)。早在1994年,甘永超就完成了“经典电磁场按光子对应分解”,揭示了“经典电磁场在结构上的粒子性”——第三种波粒二象性;而后,他又把爱因斯坦、德布罗意揭示的前两种波粒二象性与第三种波粒二象性完美而又和谐地统一起来,揭示了微观客体的“π型三重波粒二象性”;据此,他还预言了物质世界的最基本结构单元——“太极粒子波”的存在,并给出了“波粒二象关系式”的物理解释。参见:娄兆文等编,自然科学概论,北京:科学出版社,2012,44-48页。你觉得“波粒二象关系式”在物理学中应该处于什么地位?

注释三:“甘永超波粒二象关系式”将开辟一个新学科或新领域——“后粒子物理学”(只有能够开辟一个新学科或新领域,才堪称物理学的核心公式)。它至少是对爱因斯坦、德布罗意和甘永超所揭示的“三种波粒二象性”的概括和总结,特别是对“π型三重波粒二象性”这一物理模型的数学抽象。而“太极粒子波”则又是对“π型三重波粒二象性”(当然也包括“波粒二象关系式”) 的进一步解读和发展。事实上,这一个物理公式(波粒二象关系式)、两个物理模型(“π型三重波粒二象性”与“太极粒子波”)首尾呼应,浑然天成,开辟了继“分子物理”、“原子物理”、“原子核物理”、“粒子物理”之后的又一个新学科与新领域“波与粒子的统一——‘太极粒子波物理’”并预言了一种新武器——“巨粒子炮”的存在。你觉得“波粒二象关系式”在物理学中应该处于什么地位?

注释四:“甘永超波粒二象关系式”能够直接导出普朗克能量子假设和德布罗意物质波假设这两个诺贝尔物理学奖公式(把量子力学的两大开山之作统一起来),间接导出四个诺贝尔物理学奖(第一种、第二种波粒二象性的揭示与实验验证)结果,要不是其中有两个内容发生重叠,该公式就可以包含六个诺贝尔物理学奖!试问:科学界还能找出第二个这样的公式吗?你觉得“波粒二象关系式”在物理学中应该处于什么地位?

注释五:在热力学与统计物理学中,我们也曾刻意寻找物理学的核心公式,但那里的微观粒子,要么服从经典的力学规律,要么服从量子的力学规律,并没有被新的基本定律所主宰。不过,值得一提的是:还是出现了几个新的统计规律,但它们比较分散,力量不集中,比较弱小,找不到一个共同的统计规律。另外,这里的能量转化与守恒定律也可以并入整个物理学中的能量转化与守恒定律,并被爱因斯坦质能关系式的质-能守恒所包含。这也就是说,从物理学史上的第二次大综合中还找不到一个具有代表性的核心公式与之对应。希望今后会有新的发现。

注释六:物理学史上的五次大综合与已经开始的第六次大综合:

第一次大综合:17世纪,伽利略研究地面上物体的运动,打开了通向近代物理学的大门。牛顿在此基础上把地面上物体的运动与天体的运动统一起来,揭示了天上地下一切物体的普遍运动规律,建立了经典力学体系,实现了物理学史上的第一次大综合。

第二次大综合:18世纪,经过迈尔、焦耳、卡诺、克劳修斯等人的研究,经典热力学和经典统计力学正式确立,从而把热与能(能量转化与守恒定律)、热运动的宏观表现与微观机制统一起来,实现了物理学史上的第二次大综合。

第三次大综合:19世纪,麦克斯韦在库仑、安培、法拉第等物理学家研究的基础上,经过深入研究,把电、磁、光统一起来,建立了经典电磁理论,预言了电磁波的存在,实现了物理学史上的第三次大综合。

第四次大综合:1905年,爱因斯坦在分析当时有关光速测量方面出现的种种矛盾的基础上,创立了狭义相对论,把物理学扩展到高速运动领域,建立了新的时空观(物质、运动、时间、空间相互关联),这是物理学发展史上的第四次大综合。

第五次大综合:20世纪,普朗克在解释黑体辐射的实验规律时提出了量子论假设,经爱因斯坦、波尔、德布罗意、海森堡、薛定谔、狄拉克等人的努力,发展了量子力学,把物理规律扩展到微观领域,完成了物理学发展史上的第五次大综合。

第六次大综合:随着“第三种波粒二象性”的揭示和“三种波粒二象性”的和谐统一,人们终于破解现代科学的四大疑难(①波粒二象性之谜、②光的本性之谜、③粒子与场的关系之谜、④物质世界的最基本结构单元之谜),从而完成物质的两种基本存在形式——实物(粒子)与场(波)——之间的统一。这就是物理学的第六次大综合。所以,一位名家早就指出:“今天,决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题,就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰:物质的两种基本形式——实物(粒子)与场(波)——之间的相互关系。”

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吴东敏提出与“量子纠缠”相关的一些参考问题

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敬请院士,研究员,教授和科学工作者,研究爱好者,首先思考与“电子纠缠”和“光子纠缠”有关的问题,以便作进一步的探讨:

  1. 关于“电子纠缠”。1897年,最著名的粒子物理学家汤姆逊在阴极射线实验中发现“电子”。于后,对电子的质量,电荷的参数进行探测,比较有权威的参考数值是:me=9.1×10-31kg ,? e=-1.6×10-19C

    现我提出一些与电子纠缠更深层次直接或间接相关的思考题:

  1. 电子的内部结构怎样?为什么会有这样的结构?
  2. 电子的外表携带什么物质?这些物质的结构,性质怎样?
  3. 电子为什么会有自旋的性质?
  4. 电子为什么具有磁性?
  5. 电子为什么会发光?
  6. 两个电子在什么情况下会相互吸引(纠缠)?
  7. 与电子磁性相应的一些问题:
    1. 原子核为什么会有磁性?
    2. 地球为什么会有磁性?
    3. 恒星为什么会有磁性?
    4. 中子星为什么磁性很强?
    5. 月球为什么磁性很弱?
    6. 日地之间为什么存在空间磁场?
    7. 在磁体中,磁畴到底是什么?
    8. 科学家为什么60多年以来,至今找不到磁单极子?
    9. 磁是由电产生的吗?
    10. 磁的本质到底是什么?
  8. 与电子发光相关的问题:
    1. 原子核外层价电子发生轨道转移时为什么会发光?诸如蜡烛燃烧和各种化学燃烧现象加以说明。
    2. 把电子束导入矩形加速器轨道时,为什么在四个转角切线方向看到发光现象?
    3. 在真空管中,阴极电子被加速到达屏极时为什么会发出蓝光?
    4. 正负电子对撞机中的正电子从何而来?
    5. 你知道正电子的内部结构吗?
    6. 为什么正电子是短寿命的粒子?
    7. 正负电子对撞为什么只观测到强烈的光辐射而别无他物?
    8. 同步辐射光源中的电子为什么能发出高能的纯色光?
    9. LED光源是电子发光吗?
    10. 单晶硅光电池能否把太阳光转变成电子?
  1. 关于“光子纠缠”。“光”的本性问题,是数千年人类文明至今一直未解开的难题。近代科学400多年以来,伟大的物理学家自笛卡尔,牛顿,胡克,惠更斯,麦克斯韦,赫兹,普朗克,爱因斯坦以来对光本性问题的探索曾经付出极大的努力。光是波还是粒子的二象性问题一直是物理学界始终争论的问题。爱因斯坦提出的“光子说”,认为光是粒子的实验在康普顿散射实验和光电效应中得到证明,光的“波动说”在干涉,衍射,偏振等波动现象也被许多实验所证明。爱因斯坦的光子和普朗克的光波(黑体辐射)是“能量子”,能量总是相斥的,不可能相吸或者纠缠。光子纠缠到底是怎么回事,敬请科学爱好者首先重温如下与“光”相连的各种实验效应:光电效应,电光效应,磁光效应,光磁效应。思考微观世界乃至尺度在10-21m以下的空间环境,物质结构及其运行规律问题。
  1. 光电效应
    1. ,典型的光电管实验。
    2. ,各种太阳能光伏发电。
    3. ,各光敏电气元件。(光敏二极管,光敏电阻)。
    4. ,其它各种光电传感器。
    5. ,静电现象。

2,? 电光效应

  1. 白炽灯发光。
  2. LED照明。
  3. 雷电现象。
  4. 各种工业电弧发光现象。
  5. 其它各种各样的电照明光源。

3,磁光效应

  1. 法拉第旋光效应。
  2. 克尔磁光旋转效应。
  3. 塞曼谱线分裂效应。
  4. 科顿-穆顿磁双折射效应。

4,光磁效应

  1. 光致磁化率变化实验。
  2. 光致磁晶各向异性变化实验
  3. 其它光感效应在光存储,光检测,光控制应用研究。

5,一些思考题

  1. 你是否思考过暗物质问题?
  2. 你是否思考过中微子问题?(它的结构,性质,从哪儿来,到哪里去等等)
  3. 你是否思考过日地空间中除了存在中微子外,是否还存在“正微子”,“负微子”和其它微子?
  4. 如果空间中存在中微子,正微子,负微子,它们将以什么形式存在以维持它们之间作用力和数量上的平衡?
  5. 光的传播媒质必须是平均密度非常小,刚性非常大(弹性非常小)的空间连续物质结构,你能想象出这种结构吗?
  6. 你每次在观察,分析,辨别,判断物质与物质结构发生运动变化时,是否首先考虑自然力是“因”,运动变化是“果”这种因果关系?

6,量子力学基本原理的理解解释,你赞成哪一种?

    1. 传统解释。
    2. PTV系统解释
    3. 统计解释

?7,量子的定义

  1. 你是否同意我对量子的定义:量子是尺度小于10-14m,具有能量的微观粒子。原子尺度的数量级为??? 10-10m,

    核子尺度????????????? 10-14m,

    电子尺度????????????? 10-15m—10-16m? (约0.8×10-15m)

    光粒子尺度??????????? 10-21m,

    以太粒子尺度????????? 10-23m—10-24m? (约0.4×10-23m)

    单位米m以1000倍递减的单位是:

    毫米mm(10-3m)

    微米um(10-6m)

    纳米nm(10-9m)

    皮米pm(10-12m)

    飞米fm(10-15m)

    阿米am(10-18m)

    仄米zm(10-21m)

    幺米ym(10-24m)

  2. 电子,光子分别属于量子的一种。原子,离子尺度较大不归类于量子,你同意吗?
  3. 中微子尺度大约是10-20m—10-21m,它的能量很小,但有多种“味”属同素异构体,不列入量子范围。你同意吗?
  4. 正微子的尺度与中微子相当;荷质比较小;它来自太阳(恒星),它的分布密度构成日地空间的正电场;它也是正电子衰变的产物;也是导体中的主要电流物质。正微子是宇宙中最重要的粒子之一,将来科学界承认它,可以把它作为量子。在“二粒三构”理论中,把中微子,正微子,负微子一起列为以太物质。
  5. 纠缠概念。纠缠是粒子之间的相互作用,你同意吗?
  6. 纠缠是粒子之间的引力作用,你同意吗?
  7. 斥力作用能使粒子之间分开,从此两茫茫,再不相互纠缠,你同意吗?
  8. 你是否可以断定:量子纠缠是量子之间的吸引作用。对吗? 

     

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