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相對(duì)論和量子論的局限與物理學(xué)的新方向
相對(duì)論和量子論的局限與物理學(xué)的新方向，是小編專門為各位物理學(xué)畢業(yè)的同學(xué)準(zhǔn)備的論文，希望對(duì)大家有幫助!
摘 要：相對(duì)論和量子理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，從20世紀(jì)的后半期開始到現(xiàn)在，60多年的時(shí)間里，在物理學(xué)方面，林林總總的科研成果，基本上都是對(duì)相對(duì)論或是量子理論的完善和精細(xì)化，包括像希格斯玻色子這樣重大的發(fā)現(xiàn)，都沒(méi)有超出這兩大理論的范疇。相對(duì)論和量子理論堪稱20世紀(jì)物理學(xué)的兩大巔峰之作。但是，無(wú)論是相對(duì)論還是量子理論，都只不過(guò)是對(duì)部分物質(zhì)世界的近似描寫而已，這兩項(xiàng)理論的創(chuàng)立者們都不是全能的，他們站在各自的角度上去認(rèn)識(shí)物質(zhì)世界，受到各自認(rèn)識(shí)能力的局限，猶如盲人摸象，他們的觀點(diǎn)迥異，甚至水火不容，這使得后來(lái)的物理學(xué)家們難以把這兩項(xiàng)理論統(tǒng)一起來(lái)。本文從相對(duì)論和量子理論這兩大理論的本源出發(fā)，經(jīng)過(guò)慎重的研究，找到了新的突破，為物理學(xué)的發(fā)展指明了新的方向。
關(guān)鍵詞：光速不變;單鏈?zhǔn)?定向振蕩
1.引言
物理學(xué)是一門研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)變化規(guī)律的科學(xué)，牛頓從宏觀物體的運(yùn)動(dòng)變化中總結(jié)出了三大運(yùn)動(dòng)定律，創(chuàng)立了經(jīng)典力學(xué)，成為物理學(xué)的開山鼻祖。麥克斯韋研究電場(chǎng)和磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，在前人的基礎(chǔ)上總結(jié)出了電磁場(chǎng)理論。愛因斯坦研究光運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，在麥克耳孫和莫雷的干涉實(shí)驗(yàn)以及光行差實(shí)驗(yàn)等的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)了光速不變?cè)恚?chuàng)立了相對(duì)論。
普朗克通過(guò)研究黑體輻射中不同頻率的電磁波運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，發(fā)明了量了論，后來(lái)的物理學(xué)家們?cè)诖嘶A(chǔ)上發(fā)展出了量子力學(xué)和量子電動(dòng)力學(xué)，創(chuàng)建并完善了標(biāo)準(zhǔn)模型理論。很多物理學(xué)家窮其一生，試圖把相對(duì)論和量子理論結(jié)合起來(lái)，建立大統(tǒng)一理論。然而，相對(duì)論和量子理論就像一頭大象的鼻子和尾巴，它們不但形象各異，而且總是各朝一方，即便免強(qiáng)拼湊在一起也并不是一頭完整的大象。
2.相對(duì)論和量子理論的局限
愛因斯坦是在光速不變?cè)淼幕A(chǔ)上創(chuàng)立相對(duì)論的，但愛因斯坦并不能解釋光速為何不變。一些相對(duì)論專家說(shuō)光速不變是四維時(shí)空的一種自然表現(xiàn)，這種說(shuō)法有點(diǎn)牽強(qiáng)。四維時(shí)空觀是愛因斯坦在研究有關(guān)光速不變的實(shí)驗(yàn)后形成的一種觀念，這些實(shí)驗(yàn)都只涉及到光波，至今為止，人類還沒(méi)有辦法把一些實(shí)物粒子，如電子、原子、分子等，加速到光速， 也就不知道這些實(shí)物粒子的速度能不能達(dá)到或超過(guò)光速。我們不能因?yàn)檫�沒(méi)有辦法把一個(gè)電子加速到光速就斷定電子的速度不能達(dá)到光速，人類目前還做不到的事情并不意味著未來(lái)的人類也做不到，未來(lái)總是充滿各種可能性的。既然我們還沒(méi)有法辦把實(shí)物粒子加速到光速，我們就無(wú)法知道光速不變?cè)硎欠襁m用于實(shí)物粒子，還是只適用于光子，更無(wú)法知道光速不變?cè)硎欠襁m用于宏觀的物體。
光速不變?cè)硖岢�，在每個(gè)慣性系中，真空中的光速各向同性，與光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)，也與光的頻率無(wú)關(guān)。一艘在水面上靜止或勻速運(yùn)動(dòng)的船可以作為一個(gè)慣性系，倘若這艘船 永不停息地做毫無(wú)規(guī)則可言的運(yùn)動(dòng)，船的速度和方向總是在不停地變化，那么，這艘船就不能作為慣性系了.在微觀世界中，每一個(gè)物質(zhì)粒子如電子、原子、分子等，都在永不停息地做毫無(wú)規(guī)則可言的運(yùn)動(dòng)，沒(méi)有一個(gè)粒子相對(duì)于另一個(gè)粒子是靜止或勻速運(yùn)動(dòng)的，只有粒子本身相對(duì)于粒子是靜止的，用來(lái)描述宏觀世界的慣性系在微觀層次上根本就不存在。我們都知道，激發(fā)光的是電荷，吸收或反射光的也是電荷，我們之所以能夠看見光，就是因?yàn)楣怛?qū)動(dòng)了我們視覺(jué)神經(jīng)中的電荷。我們不可能選擇一個(gè)電荷來(lái)做慣性參考系，而電荷激發(fā)出的光必須與另一個(gè)電荷相互作用才能被觀察到。愛因斯坦從宏觀的角度來(lái)研究光運(yùn)動(dòng)變化的規(guī)律，認(rèn)為從光源激發(fā)出的光傳到物體上的過(guò)程就像從大炮發(fā)射出的炮彈射到物體上的過(guò)程一樣，這是錯(cuò)誤的。光的本質(zhì)是在電荷之間傳播的電場(chǎng)力波(即電磁波)。要想弄清楚光速不變的真正原因，就必須弄清楚電場(chǎng)力的產(chǎn)生機(jī)理和傳遞方式。
相對(duì)論和量子理論都認(rèn)為光是從光源發(fā)射出去的一種物質(zhì)，就像炮彈從大炮中發(fā)射出去那樣，之所以得出這樣的觀點(diǎn)，是因?yàn)橄鄬?duì)論和量子理論的創(chuàng)立者們都沒(méi)有認(rèn)識(shí)到，一個(gè)電荷和它的電場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)獨(dú)立于其它電荷和電場(chǎng)的具有無(wú)限延伸性的不可分割的整體。我們不可能把一個(gè)電荷從它的電場(chǎng)中分離出來(lái)，一個(gè)電荷無(wú)論如何運(yùn)動(dòng)，這個(gè)電荷的電場(chǎng)都不會(huì)脫離這個(gè)電荷被發(fā)射出去，一個(gè)電荷的電量是恒定不變的。從本質(zhì)上來(lái)講，一個(gè)電荷的電場(chǎng)是由無(wú)數(shù)與電荷有關(guān)聯(lián)的物質(zhì)在宇宙空間中延綿分布形成的一個(gè)具有無(wú)限廣延性的不可分割的物質(zhì)體系，光速不變是是電荷的電場(chǎng)具有無(wú)限廣延性的一種表現(xiàn)[1]。
電荷電場(chǎng)的廣延性與引力場(chǎng)的廣延性類似。兩個(gè)物體之間，無(wú)論距離有多遠(yuǎn)，它們都處在對(duì)方的引力場(chǎng)中，都受到對(duì)方的引力作用。同樣地，兩個(gè)電荷之間無(wú)論距離多遠(yuǎn)，它們都處在對(duì)方的電場(chǎng)中，都受到電場(chǎng)力的作用。量子理論認(rèn)為，引力是質(zhì)點(diǎn)間互相交換引力子產(chǎn)生的，電場(chǎng)力則是電荷之間互相交換光子產(chǎn)生的。這種觀點(diǎn)并不正確。假設(shè)有N個(gè)質(zhì)點(diǎn)與質(zhì)點(diǎn)A的距離相等，質(zhì)點(diǎn)A與這N個(gè)質(zhì)點(diǎn)同時(shí)有引力作用，即質(zhì)點(diǎn)A有N個(gè)引力子同時(shí)與這N個(gè)質(zhì)點(diǎn)交換。當(dāng)與質(zhì)點(diǎn)A距離相等的質(zhì)點(diǎn)增加到2N個(gè)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)A就必須擁有2N個(gè)引力子同時(shí)與這2N個(gè)質(zhì)點(diǎn)交換。無(wú)論與質(zhì)點(diǎn)A的距離相等的質(zhì)點(diǎn)增加到多少個(gè)，質(zhì)點(diǎn)A與這些質(zhì)點(diǎn)之間都同時(shí)存在引力相互作用。以此類推，任何一個(gè)質(zhì)點(diǎn)都同時(shí)擁有無(wú)窮多個(gè)引力子，顯然，這是錯(cuò)誤的。
電荷電場(chǎng)的廣延性使得任何一個(gè)電荷都可以同時(shí)與無(wú)數(shù)個(gè)電荷產(chǎn)生電場(chǎng)力，假如電場(chǎng)力是電荷之間互相交換光子產(chǎn)生的，那么，每一個(gè)電荷都必須同時(shí)擁有無(wú)數(shù)個(gè)光子，顯然，這是不正確的。
無(wú)論是相對(duì)論還是量子理論，都沒(méi)能正確地解釋電場(chǎng)力的產(chǎn)生機(jī)理。
電場(chǎng)力是電荷和它的電場(chǎng)原來(lái)的平衡狀態(tài)被引入電場(chǎng)中的電荷打破，導(dǎo)致構(gòu)成該電荷電場(chǎng)的所有物質(zhì)都有以引入該電荷電場(chǎng)中的電荷為中心重新分布的趨勢(shì)產(chǎn)生的一種力，是大量構(gòu)成電荷本身電場(chǎng)的物質(zhì)對(duì)電荷直接產(chǎn)生的力。任何一個(gè)電荷受到的電場(chǎng)力都是通過(guò)構(gòu)成該電荷本身電場(chǎng)的物質(zhì)來(lái)傳給電荷的，而電荷的電場(chǎng)是隨著電荷一起運(yùn)動(dòng)的。在沒(méi)有外力的作用下，或是合外力等于零的情況下，電荷和它自身的電場(chǎng)總能保持步調(diào)一致的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)，可認(rèn)為電荷和它的電場(chǎng)是相對(duì)靜止的。從宏觀的角度來(lái)看，在每一個(gè)慣性系中，每一個(gè)電荷和它的電場(chǎng)都可以保持步調(diào)一致的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，每一個(gè)電荷相對(duì)于它的電場(chǎng)都是靜止的，這必然導(dǎo)致在每一個(gè)慣性系中，每一個(gè)電荷接收到的電場(chǎng)力波即光波在真空中的速度各向同性，即光速不變。 由上述可知，電荷電場(chǎng)的廣延性是我們觀察到的真空中的光速恒定不變的原因。
3.定向振蕩電流與單鏈?zhǔn)诫姶挪?/strong>
與引力波類似，電磁波本質(zhì)上并不是從波源中發(fā)射出的一種物質(zhì)，而是在電荷之間傳播的電場(chǎng)力波。無(wú)論是電場(chǎng)還是磁場(chǎng)，或是交替變化的電磁場(chǎng)，都是通過(guò)電荷或電流的運(yùn)動(dòng)變化來(lái)表現(xiàn)的。麥克斯韋首次提出了位移電流的概念，并預(yù)言了電磁波的一種形式――雙鏈?zhǔn)健５艿疆?dāng)時(shí)條件的限制，麥克斯韋沒(méi)能預(yù)言出電磁波的另一種形式――單鏈?zhǔn)�。只有引�?ldquo;定向振蕩”這個(gè)全新的物理概念才能夠形象地描述單鏈?zhǔn)诫姶挪�。在現(xiàn)代漢語(yǔ)詞典中，振蕩的含義有兩種，一種指振動(dòng);另一種指電流的周期性變化。電流的周期性變化可分為兩種，一種是電流的大小和方向都做周期性變化的，叫做雙向振蕩;另一種是電流的方向恒定不變，電流的大小做周期性變化的，叫做定向振蕩，也稱單向振蕩。雙向振蕩電流激發(fā)出的是雙鏈?zhǔn)诫姶挪ǎp鏈?zhǔn)诫姶挪ㄔ诳臻g中傳播時(shí)產(chǎn)生的位移電流都是雙向振蕩的位移電流，即位移電流的大小和方向都是周期性變化的。雙向振蕩的位移電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)也是雙向振蕩的，即磁場(chǎng)的大小和方向都做周期性變化的。雙鏈?zhǔn)诫姶挪ㄔ趥鞑ミ^(guò)程中遇到導(dǎo)體，會(huì)使導(dǎo)體受到一個(gè)場(chǎng)強(qiáng)大小和方向都做周期性變化的雙向振蕩的感應(yīng)磁場(chǎng)的作用，產(chǎn)生同頻率雙向振蕩的感應(yīng)電流。
有的單向振蕩電流激發(fā)出的是雙鏈?zhǔn)诫姶挪�，比如交流和恒流混合形成的單向振蕩電流。有的單向振蕩電流則能夠激發(fā)出單鏈?zhǔn)诫姶挪�，比如將高頻交流經(jīng)過(guò)特殊的整流后形成的單向振蕩電流。[2]
單鏈?zhǔn)诫姶挪ㄔ诳臻g中傳播時(shí)產(chǎn)生的位移電流都是單向振蕩的位移電流，即位移電流的方向恒定不變，位移電流的大小做周期性變化的。單向振蕩的位移電流產(chǎn)生的感應(yīng)磁場(chǎng)也都是單向振蕩的，即磁場(chǎng)方向恒定不變，場(chǎng)強(qiáng)大小做周期性變化的。單向振蕩磁場(chǎng)也稱定向振蕩磁場(chǎng)。
單鏈?zhǔn)诫姶挪ㄔ趥鞑ミ^(guò)程中遇到導(dǎo)體，會(huì)使導(dǎo)體受到一個(gè)磁場(chǎng)方向恒定不變，場(chǎng)強(qiáng)大小做周期性變化的定向振蕩的感應(yīng)磁場(chǎng)的作用，產(chǎn)生同頻率定向振蕩的感應(yīng)電流。
讓兩列時(shí)間相差T/2(T表示定向振蕩電流定向振蕩的一個(gè)周期)的等幅同頻率的超高頻單鏈?zhǔn)诫姶挪ń?jīng)過(guò)等長(zhǎng)的路徑后疊加，便可在空間中合成超低頻定向振蕩的無(wú)源 的磁場(chǎng)。因?yàn)檫@種定向振蕩磁場(chǎng)是無(wú)源的，且只能表現(xiàn)出單個(gè)磁極的力學(xué)效應(yīng)，因此叫做磁單極量子，也稱單極光子。[3]將通恒定電流的導(dǎo)體放置在由兩列時(shí)間相差T/2的超高頻單鏈?zhǔn)诫姶挪ń?jīng)過(guò)等長(zhǎng)的路徑后疊加形成的超低頻定向振蕩磁場(chǎng)中，導(dǎo)體就會(huì)產(chǎn)生大小和方向都不變的電磁力。因?yàn)檫@種電磁力是由空間中無(wú)源的定向振蕩磁場(chǎng)對(duì)恒定電流產(chǎn)生的，可驅(qū)動(dòng)引擎前進(jìn)。這就是能夠進(jìn)行星際躍遷的光速飛船所采用的大推力量子引擎技術(shù)的原理。[4]
4.結(jié)語(yǔ)
相對(duì)論和量子理論是20世紀(jì)物理學(xué)取得的兩項(xiàng)重大的成果，這兩項(xiàng)理論的創(chuàng)立極大地促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步。但是，相對(duì)論和量子理論即是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱，也是橫旦在人類面前的兩座大山。這兩座大山都高聳入云，看似不可逾越。很多人望而卻步，只得拜倒在山腳下，只有少數(shù)不畏艱險(xiǎn)的勇者敢去翻越。這些勇者有的迷失在山中，有的跌入了深淵，誰(shuí)能夠第一個(gè)翻越過(guò)去，誰(shuí)就會(huì)成為新大陸的發(fā)現(xiàn)者，人類文明史也將因此翻開嶄新的一頁(yè)。
參考文獻(xiàn)
[1]李昌穎.引力場(chǎng)與靜電場(chǎng)的廣延性與超光速原理[J].電子世界，2014.
[2]李昌穎.光分解與光振蕩形式變換的探究[J].電子世界，2014.
[3]李昌穎.大推力量子發(fā)動(dòng)機(jī)[J].電子世界2013，10.
[4]李昌穎.超導(dǎo)量子場(chǎng)推進(jìn)技術(shù)在宇航領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].電子世界，2013，12.
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