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电磁场和薛定谔波的本体论特征(1)

已有 3245 次阅读 2010-11-13 12:08 |个人分类:物理学哲学|系统分类:科研笔记

电磁场和薛定谔波的本体论特征

赵国求

华中科技大学──WISCO联合实验室  武汉:430080

摘要:粒子和波是物质的两种基本存在形态,而基本本体则定义为不可再分的物质实体。按传统观点,“机械以太”,“连续物质场”,“光子”均是不同时期赋予电磁场的基本本体;德布罗意—薛定谔波的基本本体一说是“物质波”,一说是“粒子”。本体的断裂给本体论带来了深层认识危机,本体有被消解的危险。结构实在论为本体论做了辩护。相互作用实在认为,如果把机械以太、连续物质场、光子、场量子、物质波(曲率波)等均看作是人与未经观察的“自在实体——电磁场及电子”等互动的产物,则它们都不是基本本体而只是基本现象实体,本体的断裂性即可得到消除。

关键词:电磁场  薛定谔波  曲率波  基本本体  基本现象实体

一、普朗克能量子假设与电磁场基本本体的演变

1.机械以太到连续物质场

麦克斯韦古典电磁场理论中,电磁波是电磁能在机械以太中的传播,电磁能是连续的。机械以太是不可再分的物质实体。机械以太的奇妙性质,给人类认识电磁场造成了极大困难。

在研究黑体辐射中,1900年普朗克提出了电磁辐射能量量子化假设:电磁辐射中带电线性谐振子能够和周围的电磁场——机械以太交换能量,这些线性振子只可能处于某些特殊的分立状态,其相应能量是某一最小能量ε(能量子)的整数倍1,即:ε2ε3ε4ε,… nεn为正整数;对频率为ν的谐振子来说,最小能量为εhν式中h为普朗克恒量,在辐射和吸收时,振子从这些能量状态之一,非连续地变化到另一个状态。

按普朗克量子假说,原子世界能量是不连续的,存在能量的最小单元──能量子hν。这与经典热力学和电磁波能量连续性学说有着本质区别。在经典热力学和电磁理论中,电磁辐射能量可以是任意的量值。

普朗克的能量不连续性假说只是原子中一个理想赫芝振子的属性。1900年普朗克提出能量子说时,还不涉及电磁辐射“场能”的量子化,而只是局限于线性振子的能量量子化实际上,1905年爱因斯坦建立相对论之前,“场”并未成为一种独立存在的物质形态,它原本只是一种数学计算工具。因此,电磁波理论只是“机械以太”的波动形式,是电磁能在以太媒质中的传播。普朗克的能量子说并不涉及改变电磁场“基本本体”——机械以太2。为了消除理论与现象观察之间的矛盾,洛伦兹摒弃了以太的机械性质,以太成了“虚空”一样的东西,让“电磁场享有与物质一样的本体论地位”,像物质一样具有能量,具有非机械实体的资格,但以太并没有完全被抛弃。尽管电磁场仍然只当作以太的一种状态,然而基本本体以太的性质却在逐渐发生兑变31905年之后,爱因斯坦的相对论确立了电磁场独立的物质形态地位,以太被完全抛弃了,完成了兑变革命。但在经典“场论”中,电磁场还是作为一个连续物质场处理,基本本体是连续物质场。电磁波是连续物质场的能量在物理空间中的传播,连续物质场是能量的承载与传递者4基本本体的变更,因“以太”造成的认识困难消解了。

1909年之后,经维恩(1909)、哈斯(1910)、索未菲(1911)、玻尔(1912)、约当(1925)等人的进一步发展,理想赫芝振子已由原子中的电磁振荡所取代。原子系统的定态及定态跃迁假设,使普朗克电性物质振子能量不连续性假设推广到了电磁辐射本身。电磁场的能量也是不连续的,定态跃迁中,发射和吸收也具有最小能量单元εhν,而频率ν则与电子的轨道运动频率和电磁波的频率一致。不过,场的量子化,也仍然只是场能的量子化,丝毫不涉及电磁场作为物质场的量子化,不涉及基本本体的变更。场与场能的关系,曹天予有一个形象比喻:场之于场能,尤如物主之于他的财产。能量的连续或非连续与其载体之间也没有必然联系,比如电子,自由运动时,能量是连续的,一旦进入原子中,能量就是离散的5][6

能量子是场能的量子化,而不是物质场本身的量子化,不涉及基本本体的变更。“质点”是场本体中讨论物质运动及相互作用的基本力学模型。能量子也是赋予“质点”之上的。



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