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王根喜的三联数字博客

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日志

 
 

基本电荷的属性与普朗克常数  

2013-02-12 15:18:42|  分类: 三联数字与科学 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1>基本电荷的属性

    最初引起人们对电感兴趣的经验事实是通过两个绝缘体<如:毛皮和琥珀>进行摩擦而是摩擦一者产生吸引和排斥碎小物体<如纸屑>的现象,这首先是作为人们日常生活中的一种经验事实而被人们认识和感知的。人们对于电的本性的认识首先归之于人们的经验事实是不过分的。

    对电现象本质的认识是在几百年前就已经开始了,但是对电现象的定性认识乃至一百五十年前对电现象定量的分析,直到现代物理学中场论中对电的相互作用过程的认识理解上,除了对电本身的属性归之于吸引和排斥之外,并没有使电本身的属性有多少改变.吸引和排斥两大特点,已是经验事实所不能否认的电在相互作用过程中所表现的基本属性特点之一。

     从最初引起吸引和排斥现象的两个带电体,到采用微观分析的方法将形成吸引和排斥两种不同的电的作用归之于相互作用的两种基本电荷间的作用,这是人类对电的本性的认识大大推进了一步。所建立的电现象间相互作用的途径——电荷间的相互作用。无疑是一个至关重要非常伟大的一个哲学思想。

     沿着这一途径,电荷间的相互作用逐渐被人们所采用定量分析的方法对电荷本身的属性进行确定,比较有名的是库仑的扭称试验,他从微观到宏观建立了电荷相互作用确定的量与量之间的关系。将电荷对外作用除了这种经验事实之外,对电荷间这种相互作用的规律奇缺定性作用的还存在两个哲学思想。反映在经验事实的检验上就是“一个导体,当放在一个闭合中空导体的内部并和它接触时,将失去其所有的电荷。”①

     一种哲学观念是守恒的观念,它假设电荷对外的作用在通过以电荷为球心的不同球面上,其电的作用总量不变。

     另一种哲学观念是电荷对外的作用过程中在空间中延伸是作用采用均分的原则,即张量的属性。(在空间延伸时的特点)

     对库仑定律进行检验的事实确立了如上两个方法和原则。同时,也说明,传统的物理学对静电场中的描述规律也间接来源于这两个哲学观念。

2〉对对如上电荷对外作用的属性中,我们有什么理由确定电荷的基本属性本该如此呢?

    首先从因果关系上,我们不能确定一个电荷对空间产生的作用在以它本身为球心的任意一个球面上,其作用的总量不变。这是因为在逻辑上,我们不能找到电荷本身对外作用的属性与任意球面间相互作用总量的必然联系,我们必须确定电荷对外作用的属性,以便在物质空间相互作用的属性上存在必然的逻辑依据。而这一点最初是通过扭称试验对其的检验以及一个理想的逻辑试验①来证实的(参见扭称试验对库仑定律的证明范围)我们知道,扭称试验对库仑定律的检验其证明范围在大于10-3米,这一理想的逻辑试验的证明范围也不会超过线度比小于103数量级,这是经验事实的证明。在某种意义上来说,这是不完善的。并且,这样的证明是有局限的。主要表现在如下几方面:

    从证明范围上来说,如图:


  


    扭称试验的证明只是通过距带电体一定距离处的带电检验体所受到的作用力与其距离的平方成反比,这只是说明带电体间的相互作用,而不是指孤立电荷间的相互作用。或者说多个孤立电荷间作用的总效果。这并不是基本电荷的属性。我们采用试验的方法所得到的基本电荷对外作用的属性,实际上与基本电荷对象是不同的。

    另一个证明基本电荷对外作用的属性是假象的逻辑试验,(您可以参阅①,仅是在假设的基础上进行的,这是根据电荷在空间属性上的作用关系。换句话说,假设的前提是两个哲学观念的成立。

    如果两个观念成立,那么理想试验的结果必然是正确的,经验事实的证明也必然成立。但是,如果两个观念不成立,那么除了理想试验不能证明平方反比定律正确之外,实验实事同样也不能提供理论上的依据。只能说明在某种试验的基础上,是一种经验事实,这样,在物质世界的原理中,我们就不能将平方反比的关系推广到任意距离的领域。传统科学中,我们将平方反比的关系推广到任意的领域,这在逻辑上依赖于这样的两个假设是存在一定的缺陷的。

    但是,我们采用这样的假设使科学获得了巨大的发展,这又说明了什么呢?我在库仑定律的适用范围上已经对这一问题提出了我的个人看法,在对待这一问题上,我的本意不是折中的目的。

    关于这方面的看法,我相等我将相关的领域完成系统的分析之后,在作定论,这是因为,物质的基础领域是相互关联的,凭某一局部的看法,是不能下定论的。

        在这里,您可以看到,扭称试验对电荷间相互作用的证明仅起到理论与实验相互对应的描述,并不具有证明孤立电荷间相互作用规律的意义。但这并不说明扭称试验对电学定律并没有任何意义,至少它描述了这样一个思想。对于带电物体间的相互作用,采用常规物理定义体系,采用库仑定律描述,对于宏观物体是适用的。

2〉在量子论或者说量子场论对电荷间相互吸引和排斥的解释中,〈记得曾从一本物理课本中曾有对此的说法,由于时间以久,也以忘记是那一课本,对此致以歉意。如这一说法对量子场论的提法存在错误,敬请指出〉将电场和电荷间的相互作用归之于发射电磁子。给与静电场间相互作用的这种描述应来源于原子发光过程中,电子在不同轨道跃迁时对光子的发射的这种类似的描述。这种描述存在很多疑点。

     首先,这面临一个不能解释的问题----电荷如何去吸收和发射电磁子,即使在原子理论中也不例外。

  导致量子论的方法引入物理学中首先是由普朗克先生为了解决红外和紫外不同波段的光在能量计量上的计量问题而引入的。这是采用一定方法去解释物理问题的一种途径。最初普朗克先生是采用机械谐振子的方法引入的,实际上,我们不能采用精确的实验方法对原子发光过程的状态变化进行精确测定,这只能是一种可行性的设定,以满足理论与实验数据的吻合,另一方面,对于电荷对电磁子的发射和吸收在静电场中的应用也提出同样的疑问。

  对于普朗克先生的谐振子、波尔先生原子理论中的电子以及静电场中发射电磁子来满足于静电场间吸收和排斥作用的电磁子发射体,我想应该不是同一种谐振子,以满足于光子的发射过程。

    光子和电磁子的发射过程我们暂且不去考虑,建立这样的物质运动模式又会给与我们对物质世界的理解什么样的意义呢?这样的解释除了仅是一种哲学观念之外,赋予电场的本身对于物质的运动形式以一个确定的解释含义之外,并不能给予我们深入认识物质世界有任何的帮助。这是因为,这样的假设只是存在于可行性的假设逻辑中,我们永远不能证实这样一种解释是否成立,我们也不能从这样一种解释中获取关于物质运动变化的规律。换句话说,它不具有任何的实用意义。

    关于光子发射的解释我想我们就不必再说了,但是如何去看待这一物理思想或者如何去理解量子物理中这些物理解释与物理逻辑上的对应,仍然具有它一定的意义。我们知道,在我们探索未知的过程中,我们总是给未知的事物确定的物理意义,同样我们可以赋予发射一词以新的含义或者我们可以从一种新的角度来看待这一问题,这样,原有的描述就作为仅是一种尝试,当然,我们现在和未来也仅是尝试,在抽象的微观世界里,我们所作的永远是尝试,而所能探讨的只是那一种解释更为合理。

3〉关于吸收和排斥这样电荷间相互作用的两个特点,在“电的作用”中已经说明了我对此一问题的看法,即”赋予带电体间某种确定的属性以使它具有某种功能,这同采用确定的物质作用途径去解释是等效的。”

    在传统物理学中,也未能否认光子(电磁子)是由带电体产生的,但是传统物理学中光子似乎已经是能量的化身,不仅电荷会发射光子,就连中子中性的带电粒子也会发射粒子。这种观念的产生得于能量守恒和转化定律所建立的能量守恒关系。在这里,我想说明一点的是,这种确定物质运动变化中物理关系的方法,不知是否在科学向前推进一步时,我们是否考虑过原有的物理概念是否经得起科学新领域对其的检验,同时,引用的是否合理。

    虽然在现代物理中已经建立了系统的数理逻辑关系,尤其是新的物理体系所引用的新的数学工具,比如相对论的张量代数,量子论的矩阵算法。不能否认,新的数学工具在探索物理的过程中确实起到了很大的作用,甚至建立了理论与实验的精确程度达到很惊人的吻合。我们却很少考虑另一方面的问题,即:采用新型的数学描述模式同时忽略了原有的数学对此的描述。

    数学的发展有这样一个特点,我们举一个例子来说:现在的人们对于10的n次方都不是陌生的,比如10的2次方,我们可以存在几种表达方式,可以表示成和的关系,可以采用10+10+10+10+10+10+10+10+10+10。我们还可以表示成10*10。更为原始的表示方法可以表示成累积的方法100个1相加。很显然10的2次方是最为简单的表示方法,但是在逻辑的过程中却经历了如下的过程:最基本的单位是1,建立新的数的单位10同时建立新的算法,由累积的关系变成成绩的关系,在由乘积的关系变成幂的关系。开始我们还可以理解成自然界物体的累积,而后逐渐变成纯粹的数理关系。我们所建立的算法越高,脱离物质运动变化的实际意义也就越为遥远,甚至我们完全不理会计算的实际过程,而只讲求数理关系所建立的等量关系是否具有理论与实践的对应。这样,数理发展的算法越高,我们所脱离的物质世界的距离越为遥远。

      虽然我反对采用等效的方法去描述物理时间的作用过程,因为它所描述的不是物质间相互作用的本身。但是我们不能找到更好的方法来对这种物质相互作用的抽象作用过程进行描述,也不能找到任何实际的作用模式,我们所能做的只能是根据物理客观事实进行可行性的推测。我相信,这样的结果大家都不会满意的,或者由于科技水平的限制,我们不能在现行科学基础上做出进一步的实证,因此,只能是一种抽象的不能具体的形式,或者根据可行性的假设, 去进行某种可行性的说明,对于定性的意义而言,这是不够的,但是,我们不能找到更好的方法,去描述具有某种特定属性的物质的特定属性所构成的原因,这是当今科学所不能合理解决的问题,同时,即便是在未来相当长的时间里,我们也不能解释这一问题。这是因为,在科学的结构中,存在物质基本概念所包含的基本观念定义的循环,诸如,作用、反作用、引力、斥力等这种属于基本概念约定的定义。

4〉通过对物理结构体系中的关系进行进一步的分析,在电荷电的属性所进行的物质间的相互作用中,如电的作用,其作用最初来源于电荷的本身的属性。因此,电荷本身的属性对于解释电荷间相互作用的行为是至关重要的。

    静止电荷间的相互作用在历史上对此方面的探索已经很多,但大多是把电荷间静止状态的相互作用归因于电荷在空间结构上的空间位置的相互作用状态,在传统的科学中、在科学历史中大多将此方面的相互作用作为一种经验事实的约定,探索电荷在不同空间位置上相互作用的规律,这样的目的也许还不是让人特别满意。这是因为,在电荷间相互作用的同时,我们仅探索电荷的属性所赋予的电荷间在空间位置上的经验事实的相互作用的约定是不够的,我们不能确定这种作用的本身在相互作用过程中进行不同物质存在状态间的转化中所起到的作用形式、作用属性,或者与电荷本身存在状态所属的关系。在这样不能确定的基本结构中,不论是从逻辑上来说,还是从物理事实结构的本身的扩展中,都不能将物质的空间结构属性赋予物质在运动状态变化的本身,换句话说,电荷本身的属性在电荷相互作用的事件中是不确定的,经验事实不能给我们对电荷属性本身的探索提供有效的逻辑根据。

    在涉及到采用物理学对物质世界进行更深一步的描述过程中,我们所采用的方法和工具大都积累于大量经验事实所所确立的数理关系中,我们从公式、物质世界描述定义的整个系统中,我们不能从数理关系中的某些概念所包含的状态确定所表示的物质确定的状态,(比如:电场、吸引、排斥等)在某种意义上来说,数理关系所描述的物质实体是通过数理逻辑来确立的,数理基本概念的属性是通过理论与事实的经验约定。这样,我们所接受的物理科学是基于这样一个前提作为出发点的,物理科学中的数理关系所强调的是物理中的数量关系。它所描述的主体不是物质的本身,而是物质运动变化的关系。在动态的物质世界中,这是无可非议的。但是,物理学中其基本概念的定义必须基于这样的前提,描述的主体必须是物质的本身,才可以在物质属性的扩展中赋予物理运动变化的主体以真实的数理关系。

      对电荷的基本定义在现行的科学中,我们除了将电荷作为物质固有的属性之一之外,对于电荷对外作用,我们除了已经建立了电荷对外作用在空间结构上数量关系的分布规律之外,并没有获得电荷属性其它的东西,对于电荷本身来说,这仅是一种定性的确定模式。电荷这种特殊而又普遍的物质,这样的描述是不够的。

    对电荷本身的属性,我曾建立一种模式,试图去解释电荷本身相互作用的行为,关于这些东西已经放到本站中,您可以参阅电磁理论和原子论中的内容。这些内容大都是根据电荷本身的属性,去作的对电荷本身的属性和扩展尝试。另外,您在看这些东西的同时,建议您以只是将这些东西作为解释的一种参考。虽然我已经对电荷的属性做出了解释,但是由于下一部分(是指我正在从事的)的内容,不能在现在探讨的范围说的更为明白,目前所作的模式只能是在某种程度上的一种经验事实的约定的模式,或者据此所作的分析,这样的模式已经可以对电磁相互作用的行为做出合理的解释。

5〉不论电荷的运动变化发生如何的行为,这一切都可以归因于电荷本身的属性所具备的和外界的相互作用的形式,这是从物质本身属性上所作的根本的解释。

    外界物质给与带电体间的作用,除了静电场之外,就是通常电磁波对电荷间的相互作用了。在我们的感觉所能感觉的领域,常规的定义:电磁波。其作用,几乎存在于生命的所有环境之中,其中作普遍的概念是光和热。这种作用模式是电荷间通过某种形式相互作用的最密切的联系。也正是这样,最初的概念是来源于我们的感觉。

    人体对外界的感觉是很有限度的,我们不能依此区分微观物质间微妙的相互作用关系,此方面的判断原则只能依赖于我们的思维对微观物质世界相关总体的分析。我们必须排除人体本身的最直接的感觉,这样才可能去接近物理世界的真实。

    物质世界的构成,从物质不同的属性上来说,在微观上可以大概归结为如下两种不同属性的物质,传统科学中是这样确定的,带电荷的基本粒子以及不带电荷的粒子。从物质的存在属性上来说,我认为可以这样进行判断,电荷间的相互作用可以确定为电磁的相互作用,这是依据常规的方法进行的判定。不带电荷间的相互作用可以认为是与电荷无关的。在这里,这些并不是本文的探讨之列,对此,我就不再讨论了。

    电荷的构成是这样的,宇宙中所用的物质,从现代科学中所得到的证据是明物质和暗物质,其中通常所说的明物质,是我们可以感知的具有确定质量的物质。主要是有带电粒子和不带电粒子构成。如果关于电磁波的来源都归因于电荷的话。(这样的结论暂时还存在问题,这是因为传统科学认为,电磁波是能量的化身,中性粒子也可以发射电磁波。这样的结论是我所不能接受的,因为微观物质的不确定性,或者说波动性,已经阻止了我们进一步探索的可能。)我现在正在从事的部分工作正是与此有关的问题,我将在以后进行解释。暂时我先以这样的假设作为根据,另一方面,在电荷和非电荷间的相互作用上,物理逻辑上所能找的依据在我认为只能如此,不能得到更进一步的结论。如果我们对微观物质世界探索下去,更深层次的领域只能依赖于我们的假设。

    在电磁波和原子论中,已经介绍了我的关于电磁波的真实相互作用的作用途径和起源的看法,带电粒子和电磁波间的相互作用可以归因于带电粒子间发生的实际的相互作用(也包括在空间发生的相互作用)。在如上解释的前提下,作为一种尝试。

6、〉形成普朗克常数在物质世界的普适性的原因,采用宇宙中的物质运动变化是本应如此是不够的,仅作为一种经验事实的约定并非合理。我个人的看法是将它归因于宇宙中物质运动变化的本身,或者从普朗克常数有关的物理事实进行考察和定义,这是解决问题的一种合理的方法。也是探索普朗克常数是否合理并和物理世界对于电磁波的一种解释的普适的依赖性,这是我们解决在微观物质世界建立普遍的联系的一种有效的方法。

   在对这个问题进行探索的同时,请先回顾一下普朗克常数诞生的历史,它是随普朗克先生解释辐射问题时而引入的谐振子一同引入的,至少在当时,这是以一种假设而引入的。在这一概念对微观物质世界的解释中,普朗克常数起了非常重要的作用并且一直普及到物理科学中相关的领域。今天,在我们解释微观物质世界的同时,普朗克常数已经成了一个必不可少的关系之一。但是这一常数,并不是来源于直观的物理事实,而是来源于对微观物质世界理论与实践间相互对应的数理关系中必不可少的一个假设之一。

    带电粒子和中性粒子所占的比例,以人类可观侧的宇宙范围,可以说各占百分之五十。这一结论是不严格的,依据来源于原子的结构。你也许认为这一观点太过武断了,因为质量较小的原子中质子和中子所占的比例质子要略大于中子。氢原子核大部分是有一个单独的质子构成的。重元素中很多物质原子核中子数要大于质子数,这里只是做一个大概的判断,对于我在这里所要说明的问题,这一点并不是很重要。

    形成电磁波的的物质运动变化,在本文中已经将之归之于电荷的运动变化。在电磁波和原子论中,我将基本带电粒子的运动状态变化看成是电磁波产生的必然条件,其中电荷的运动状态变化(如速度的变化)和常规的电磁波的能量定义有很大的关系。我在电磁波中曾得到孤立电子的运动状态变化所产生的电磁波的频率于电子的运动状态变化量成正比。仅从这种电磁波和电子运动状态变化间的关系,可以得到一个局部的结论。您可以看到,普朗克常数是近似处理的方法。

    电荷的运动状态变化,除了电荷受到的作用力之外,另一个关键的因素就是电荷的质量了。两者形成电荷运动状态变化量准确的量。从质量上来说,电子只有质子的1/1386,如果相同的一个作用力作用在电子和质子身上,电子的运动状态变化量却比质子的运动状态变化量大1836倍,如果施加的作用力是由电磁波提供的,我们可以这样近似断定。这一点不能肯定的是电子受到作用力后运动距离要比质子大的多,这样电子所受到的作用力的作用时间就要比质子时间长,这种现象是很微小的。运动状态变化量就不能严格的按如上简单的关系了。

    另一方面,电荷的质量构成上。电子位于原子核的外层空间,在地球中的绝大部分电子都是如此。电子都是孤立的个体存在的,这一点是根据传统物理学中得出的结论。然而,带正电荷的质子孤立存在的却很少,除了原子氢含有孤立的质子之外,常规的物质存在状态中单独的质子就很少了,但构成质子团的物质的荷质比所处的范围都是很微小的区域。我们不能忽略的另一个问题是,原子核外是由大量的带负电的电子构成的,一个孤立的电磁波如果要施加给带正电的质子作用力,那么必然通过带负电荷的电子的核外空间,电子会由于受到电磁波的作用而发生存在状态的变化,同时也会由于这一存在状态的变化而产生电磁波的发射,这样,原子受到的作用力实际上已经不仅仅是电磁波对原子核的作用,还包括电子对原子核的作用。这样,原子所受到电磁波的作用力就更为微小了。同时,它所发射的电磁波也就更加微弱了。当然也并不是说原子核不能发射电磁波,在高温状态下,原子核的剧烈碰撞仍然会使它所发射的电磁波非常剧烈。相同状态下,电子所发射的电磁波在频率上要比质子大1836倍。如果是原子核和电子之间的碰撞,那么电子所产生的电磁波要比原子核产生的电磁波其频率大1386倍至1836乘以从一到几百倍不等。

   如上,我们是从单个的电子和原子核在受到或给予电磁的相互作用时,电子和原子核对外界的作用,其判断方法采用传统物理学中的电磁波能量的定义——以频率作为判断电磁(光子)能量的标准。(当然,电磁间相互作用的关系仍然是采用相互作用的关系,这一点是不匹配的。关于能量概念间在电磁领域是否有相同的描述,这些暂不作定论。但是其相互作用具有等效性,在两种能量体系中这一点是相同的,传统物理中的关于电磁的能量单位,存在很多分歧,电流做功时采用力与作用时间、静电场中却采用和机械运动中动能等效的概念,电磁理论中却采用一种独立的定义体系,引如普朗克常数。两种能量体系通过焦耳等能量转换关系进行统一。这样一种能量体系,是不能化归到传统的机械运动或者电磁学中的能量间相互作用的模式,在物理学中,不同能量体系是通过数理关系进行调谐的,在电磁波的能量的概念中,普朗克常数就是这种数理关系的代表。它在传统物理学中仅起到数理关系确立的桥梁的作用,对此,我采用相互作用的当量来进行能量数量间的比较,采用作用的形式两者是等效的。(对电荷属性还存在两种定义体系不能融合的处理方法,电荷在对外作用的属性上,我的看法在电的作用和原子论中已经有了说明,原子核在相互作用的方向性上以及电荷间是否存在屏蔽的作用形式,和传统科学中的看法是不同的。如上所作的分析是否有效,只能算作一种近似处理的方法。这样在某种意义上来说,也仅具有近似处理的看法。不过,我想这样的看法,在一定程度上反映了物质运动变化间相互作用的关系,可以作为关于普朗克常数的实际的物理意义的一种参考。)

    电子和原子核间在运动变化中的相互作用,产生电磁波的形式,电子和原子核的数量不用我说,大家都知道,一个重原子中存在从一个到上百个电子不等,但原子核却只有一个,在这样的意义上来说,原子核所发射的电磁波和电子相比也是微不足道的。

    通过如上我所举的简单的例子,你可以看到,产生电磁波的物质我们完全可以判定,其大部分是由电子来完成的。可以说绝大部分的电磁波来源于电子的运动状态变化量,原子核或者或质子所产生的电磁波在处理宏观的宇宙问题时,可以略而不记。

7〉 电子是带负电的基本粒子,它在宇宙中的分布是非常普遍的,这样,我们就可以得到一个这样的结论,宇宙中的电磁波,在宏观统计上,是由电子本身的属性所决定的。同时,还给与常规物理普朗克常数一个合理的解释。普朗克常数本身在传统物理学中所对应的物理意义是基本电荷——电子在空间对外作用的一种基本属性。

     得到这样的结论您也许认为很是奇怪,我想也许这就是普朗克常数为什么可以解释宏观的辐射规律的原因吧。

 

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