量子力学为什么要选用“波粒二象性”来描述微观粒子运动

1量子力学为什么要用“波粒二象性”来描述微观粒子运动？司今（[e-mail]）摘要：量子力学无疑是20世纪研究微观粒子世界最成功的力学，但自它诞生之日起，带给人们的争论与困惑却曾没有停息过，也没有人真正理解其中的物理奥秘，于是，它几乎沦为了一门“玄而又玄”的应用工具学，这与其成功的物理价值不相匹配，那么，量子力学为什么会处于这种状况呢？解铃还须系铃，量子力学脱胎于经典力学，必定与经典力学有千丝万缕的关系；通过阅读、分析量子力学发展史，就有可能找出量子力学所描述的粒子运动本质来；本质一旦明晰，我们就可以看出经典物理学存在什么缺陷或缺失——量子力学的“波粒二象性”描述无疑是思考这个问题的最佳突破口。关键词：经典粒子波粒二象性自旋自旋磁荷磁陀螺进动中图分类号：0441文献标识码：A0、引言量子力学发展史告诉我们：1、通过黑体辐射研究，将能量辐射与微观粒子联系起来，从而破坏了经典物理学中能量扩散的连续性原理；2、通过引入麦克斯韦电磁波思想将粒子运动与波现象联系起来，从而改变了人们对粒子运动的经典认识；3、通过光谱分析“制定”了玻尔量子化轨道理论，从而改变了经典圆周运动理论；4、通过分析“干涉、衍射”、“光电效应”实验，确立了粒子运动存在“波粒二象性”，并以此为基础构建了与经典物理学截然不同的量子物理理论，在这个理论中，微观粒子运动不在遵守经典粒子运动规律，且还丧失了动量与位置的确定性，表现出“概率”性；5、通过剖析“施特恩—盖拉赫”实验，发现微观粒子有自旋和自旋磁矩性，这是经典粒子所不具有的属性；6、通过研究粒子在磁场中的运动，发现粒子通过通电螺线管外空间时会产生AB效应，这就将微观粒子运动与空间磁场真正地联系起来了；......，......，......在量子力学理论描述中，微观粒子运动的自旋、自旋磁矩性与“波粒二象性”无疑是它立论的核心，但它在研究粒子通过小孔或窄缝时，只选用“波粒二象性”来构建自己的“几率波”理论体系，这是为什么呢？就此问题，我想从以下几个方面作以剖析，对错与否，抛砖引玉，愿与朋友间交流、榷商。1、研究方法“先入为主”量子力学虽然诞生于19世纪初的“二朵乌云”中，但是“二朵乌云”体现的是经典力学认识与微观世界现象存在严重冲突，这种冲突根源在于：宏观力学所描述的物体运动是没有自旋与空间不存在场影响的运动，而在微观世界中，任何粒子运动都是有自旋和自旋磁矩性，任何物质组成的空间都有磁场性，这种“双重性”是经典力学根本没有涉及或全面认识到的；量子力学正是沿着微观世界粒子这种“双重性”思路出发并发展起来的。但由于“紫外线灾难”是从维恩与瑞利-金斯的二个黑体辐射公式对长波辐射与短波辐射描述存在差异开始提出的；当普朗克用“内插法”统一了这二个公式后，又不得不引入一个“能量子”概念，这个概念的出现就使建立在宏观统计学之上的能量连续传播概念得到彻底破坏。由于普朗克能量公式是继承维恩与瑞利-金斯公式中用频率描述能量的思想，结果就把辐射粒子的动能与波概念联系到了一起，这是一种“先入为主”的做法，从而使量子力学不得不走上“波粒二象性”的道2路。黑体辐射本是一种粒子行为，为什么要用频率来描述呢？因为黑体辐射研究承袭了麦克斯韦“光也是电磁波”的思想，认为黑体辐射出的能量就像光一样，具有麦克斯韦电磁波性；其实，麦克斯韦所得出“光是电磁波”的结论是一种误导（具体请参阅司今《关于光与麦克斯韦电磁波本质区别问题的探讨》一文）。看来，黑体辐射中体现的所谓“波粒二象性”是麦克斯韦“光是电磁波”思想的延伸，假如麦克斯韦的“光是电磁波”思想存在误区，那么，我们该如何解读量子力学？这是今后量子力学发展不得不需要重视的问题。2、研究方式“严重脱节”：纵观量子力学，在研究原子、分子或晶体构成中，都强调了电子自旋、公转磁矩的重要性，并将电子看作是一个自旋的小磁陀螺；但在研究电子干涉、衍射现象时，却只把电子看作是没有自旋、自旋磁矩存在的经典粒子，也就是说，量子力学在研究粒子干涉、衍射现象时，并没有从电子自旋、自旋磁矩性本质入手，且忽略了物质空间具有磁场存在，而是延续了经典“几何光学”中“就现象而现象”的思维模式，并辅以复杂的数学形式来研究光运动的表面现象，正因如此，才会得出“波粒二象性”的“中庸”结论。其实，量子力学在研究原子、分子或晶体组成等领域中，还是比较成功的，但在研究粒子干涉、衍射现象时却是失败的，因为它没有从粒子物理本质属性入手，而是仅运用数学概念来演绎、描述“现象”——“波粒二象性”结论就是用“现象+数学”来描述粒子运动所得出的必然结果；“波粒二象性”结论的本质还只是局限在“现象”研究上，没有从粒子运动“物理机制”上给予突破，它的研究只能算是一种装了“数学套子”的“现象”描述。3、没有彻底摆脱经典粒子、空间概念束缚在17世纪到18世纪末，由于人类研究物质的工具手段落后，对微小物质的物理特性也就不能够进行细致、全面地观察与深入研究，故对微观粒子的认识只能局限在“经典力学”范畴内，认为粒子运动应遵循经典力学理论，这就是经典粒子概念的内涵。但到了19世纪后，随着科技水平的发展，人类能够在在纳米级水平上做实验，研究原子、电子等更微小的粒子及其特性，这时我们就发现，微观粒子的“属性与运动”和经典粒子的“属性与运动”存在很大差异，具体表现在：3.1.粒子属性差异经典粒子：只有平动，没有自旋，也没有自旋磁矩存在，它们的运动完全遵循经典物理学运动规律；微观粒子：有自旋、平动，且有自旋磁矩存在，它们的运动往往不符合经典物理学运动规律；3.2.空间属性差异经典粒子通过的小孔或窄缝，空间范围较大，没有磁场存在；微观粒子通过的小孔或窄缝，空间范围较小，有一定的磁场存在；3.3、运动状态差异.经典粒子通过小孔或窄缝空间时，表现出直线运动性；微观粒子通过小孔或窄缝空间时，表现出曲线运动性；量子力学虽然认识到经典粒子与微观粒子的属性存在差异，但它没有意识到空间属性也存在差异，从而造成其运动状态出现不同；也就是说，量子力学仍把小孔或窄缝看作是没有磁场存在的“经典小孔或窄缝”，这样，当带有自旋、自旋磁矩的粒子通过“经典小孔或窄缝”时就不会对粒子运动产生磁场影响，即微观粒子通过“经典小孔或窄缝”与经典粒子通过小孔或窄缝的运动处境完全一样，这其实就是把微观粒子与经典粒子“等同”了的做法。用“经典粒子”概念去看待“微观粒子”通过“带有磁场的小孔或窄缝”，或用“经典小孔或窄缝”概念去解读“带有自旋、自旋磁矩的粒子”通过其空间的运动，都必然会得出“波粒二象性”结论来。可见，量子力学“波粒二象性”认识的本质是没有摆脱牛顿经典粒子或经典小孔空间概念的影响，其描3述的物理过程就是给经典粒子概念装一个自旋和自旋磁矩的外套，配备一驾“机械波”马车，让它穿过经典小孔或窄缝，这里关键是忘了小孔或窄缝空间也具有磁场性。微观粒子“波粒二象性”揭示的是带有自旋磁场的粒子通过小孔或窄缝磁场空间时，会产生“光子洛伦兹运动”，其物理意义是：经典粒子+自旋+自旋磁矩+磁场空间→磁场平面内“洛伦兹运动”+磁场梯度下“自由落体运动”→粒子运动的“波粒二象性”（具体论述请参阅司今《波粒二象性的本质》一文）。4、没有意识到经典物理理论在研究微观粒子方面存在缺陷4.1.牛顿力学缺陷牛顿力学是建立在质点概念之上的力学，它可分二个部分：前一部分由牛顿三大定理组成的“接触力学”，在这个力学体系中，物体是没有自旋与场存在的力学；后部分是由万有引力定律组成的“质量场力学”，在这个力学体系中，物体不但没有自旋，且质量场也是一种静态场。可见，牛顿的这二个力学体系都无法真正描述带有自旋磁场的运动粒子通过磁场空间时的运动变化，这是牛顿力学体系存在的巨大缺陷。量子力学虽继承了牛顿质点思想——将粒子看作是质点，但又不同于牛顿力学中的经典粒子，于是，量子力学另辟途径，沿用宏观能量的统计学思想，用“波”概念来描述“质点群”运动；并由此确立，微观粒子运动属性具有“波粒二象性”。当然，量子力学的这种描述不但与牛顿质点力学格格不入，也与电磁学大相径庭，结果将人类对微观粒子运动的认识带入到“困惑、迷茫”与“不确定性”之中。4.2.经典电磁学理论在研究微观粒子方面存在缺陷量子力学虽脱胎于经典电磁学，但又不同于经典电磁学理论：首先，经典电磁理论描述的对象——电子，只有电荷性，没有自旋性；其次，电磁学着重讨论的是电子在宏观磁场中的运动，没有涉及微观粒子磁场空间，如原子核等的磁场空间；再次，电磁学讨论磁场的方法是通过“去质点化”建立起来的磁通量理论，这个理论是建立在体、面等宏观概念之上的，不是质点力学；因我们对微观粒子的体、面等无法精确测量出来，故电磁学的一些非质点场理论就无法再在量子力学中适用，结果量子力学不得不在寻求质点磁荷与磁场理论中改变原有宏观磁场理论的一些定义，以适应描述微观质点在磁场中的运动。同时，在微观世界中，粒子运动是一种“场源运动”，它不同于电磁学中将场源看作是静态的、产生运动的只是无粒子性的电磁波，即“交变电磁场”。场源运动是特斯拉所描述的“动态场理论”的重要组成部分，但量子力学只继承了电磁学“静态场理论”部分，没有意识到“动态场论理论”的重要性，结果，量子力学在继承麦克斯韦电磁波理论后才会得出粒子运动具有“波粒二象性”的结论来。可见，量子力学在迷茫发展中“回归并改造着‘经典’”，这正是经典力学、电磁学场理论存在缺陷或缺失必须付出的代价！5、没有意识到基础物理学理论在研究微观粒子方面存在缺失量子力学是关于带有自旋和自旋磁矩的微观粒子在空间磁场中运动现象研究的力学，它的研究思路是按陀螺运动理论来进行的，不过这种陀螺是一种带有自旋磁场的磁陀螺；从球坐标的选择到莫拉尔进动，从自旋磁矩理论到包利不相容原理等，无不体现了粒子具有“自旋与自旋磁矩”的磁陀螺性来。但是，到目前为止，我们的物理学对“物体自旋会产生什么物理效应”问题还是“一概不知”，对“自旋磁陀螺在磁场中运动”的研究仍是“一片空白”，这不能不说我们现有的物理学理论研究模式存在严重的结构性缺失。“物体自旋会产生什么物理效应”的问题——自旋磁荷起源问题，将是人类真正打开微观世界奥秘的4一把“金钥匙”！5.1.自旋生磁问题存在缺失“物体自旋会产生什么物理效应”问题是目前物理学首先必须要去澄清的问题，这个问题一旦有定论，那么，磁的起源、电的来历、电、磁的统一等问题就都可以迎刃而解了。据我的“自旋场理论”推理，物体自旋会产生自旋磁荷，且自旋磁荷量大小为qm=mω，正是自旋产生自旋磁荷才使宏观自旋物体与微观自旋粒子具有相同的运动模型（我们现在认可的卢瑟福“原子行星结构模型”正说明了这一点），才使核理论中质子与中子的径向结合像二个条形磁针（现在的“唯象核子—核子作用力”理论正是基于此观点）。5.2.磁陀螺在磁场中运动研究存在缺失研究微观粒子运动必须从粒子本身属性入、并将它的这一属性与空间的磁场属性结合在一起来研究才可能真正揭示微观粒子运动的本质，但我们的量子力学并没有做到这一点。既然微观粒子有自旋和自旋磁矩存在，说明可以将微观粒子看做是一个小的自旋磁陀螺；而小孔或窄缝也是由这些带有自旋磁荷的电子、原子核等构成的，那么，在比较小的空间范围内，其必然会表现出较明显的空间磁场性来；这就是说，我们可以通过研究宏观自旋磁陀螺在磁场空间的运动去模拟、揭示微观粒子在小孔或窄缝空间中的运动变化规律，从而为微观粒子运动找到切实、可靠的理论依据；但到目前为止，我还没有发现一个真正能够揭示磁陀螺在磁场空间中运动的研究理论出现，也就是说，我们物理学在研究磁陀螺在磁场中运动方面存在着缺失。量子力学虽是一门实验体系力学，但从它发展、演变的历史与描述方法来看，它从“没有思路”开始，到现在“思路逐渐清晰”——那就是一种研究“自旋磁陀螺在磁场中运动”的思路，我坚信量子力学运用这种方法论的正确性。通过上述分析，可以看出：在没有认识到“微观粒子有自旋与自旋磁矩性及小孔或窄缝也有磁场属性”的情况下，对粒子运动存在“波粒二象性”认识无可非议，但我们现在已意识到这一点却还抱着“波粒二象性”思想不放，就有点匪夷所思了！我对光运