物理探索中的数学敲门砖

                   晏成和

希腊伟大哲学家毕达哥拉斯说：万物皆数，四个字概括了万物（理）皆数（学）之间紧密关系。物理学与数学之间确实有着千丝万缕的联系，数学公式不仅为我们提供了一种描述自然现象的精简语言，而且还帮助我们发现了隐藏在物理现象背后的深奥规律，如早期的牛顿三定理和万有引力等，应用数学公式表达了物理内含，获得了巨大成功。

有些成功是不可复制的。之后物理的质能理论、量子力学和相对论也是基于数学“洞见”建立起来，由此，现代物理学有了一大分支-理论物理，就是用数学（公式）来破解物理难题。于是用数学公式研发物理成为一种套路：用微分方程解读粒子就是波、用拓扑学研发物质相变、用大量复杂公式破解超导……数学方程成了物理论文的敲门砖，没有数学公式的物理探索被视如敝屣，有人看到我物理探索博文“竟然没有公式”而嗤之以鼻。

看到大批理论物理学者长年累月为寻找极其复杂公式而呕心沥血，确实令人痛心，要知道万物皆数的这个数、并不都是登峰造极的公式，像我们人类数学运用一样，高端深奥的数学如阳春白雪，反倒是中小学数学，基本、简单的自然之数在物理第一性中才是得到最广泛的应用，包括在破解物理难题中的作用。 

人类最伟大的自然科学成果——元素周期表，只是按基本自然数的简单排列，造物主只是运用了基本的8进制，核外电子按2/8/18分层排列，金属、非金属按价电子数量区分；全部元素种类不到100；完全没有用高深的数学咄咄逼人。自然元素只是运用数学简单的加减法和几何体，以稳定运转安置核内质子、电子，然后牵动核外电子。

看周期表，基本就是一个常规的矩形表格，只是第一行只有氢、氦分布两边，中间有较大的空缺。氢的原子量是1（近似值），说明氢的原子核只有一个质子、核外一个电子高速旋转，构成了氢原子。右边氦的原子量是4，说明氦核有4个质子，构成一个四面体，2个核内电子围绕四面体高速旋转，构成一个坚固稳定的氦核，4个质子还可以牵动2个核外电子，于是构成了氦原子。原子核的氦核分层分布是1/4/9，就是自然数的平方数，从而成就了原子核外电子2/8/18的能级排布。自然万物的发源地、令万世敬仰的周期表只用了区区的基础数学。当然周期表中的核外电子运动还有线路、速率等运动数学的存在，可惜对此运动的研究受到禁锢，运动和结构是物质存在的基础，封锁的大门必定会打开。

周期表氢、氦中间，明显的没有2、3个原子量的物质，说明2、3个质子的几何结构不能形成稳定的物理存在。周期表第二行开始，原子核有稳定氦核坐中，其他核内微结构环绕，构成了之后的所有的稳定元素。如：碳元素，原子量12，有三个氦核，一个居中、两个氦核对称分布高速旋转，形成碳原子核，外置2+4个电子，元素性质稳定。碳14，有一个氦核居中，有两个氦核、一个核元围绕（如图一），这三个微结构不能均布、运转不稳定，在长期高速不平衡运转中，核元可能被甩出来，形成元素的放射性-核衰变。（半衰期5730年）

图一  碳原子核与放射性的碳 14 原子核（2球-核元，4球-氦核）

因为核元的速率很高，两个质子的质量m很大，是电子的2X1836倍，所以衰变能量的动能E=1/2mv²（通用的动能公式）很大，这个能量是有根据可以准确计算且与光速无关，质能公式E=mc² 是没有根据的。同理，核裂变也是核内氦核、核元的巨大动能的释放，核裂变-原子弹爆炸的巨大能量与质能公式无关。参看拙文《核内巨大能量来自哪里？》[1] 

核外电子围绕核心运转着，这个运转必然产生笃定的后果，运动决定存在、运动决定变化。物质的相变与核外价和电子速率与运转线路（平面运转-固体；立交运转-液体；球面运转-气体）息息相关。做科研抛开物质的运动、回避核外价和电子的运转舍本求末，想用拓扑计算解读相变是缘木求鱼。参看拙文《相变之谜》[2] 

早年，在中国庐山召开了一次超导学术会议，各路的研究者分别拿出几十个非常复杂的公式解读超导，可惜还不如昙花一现。超导确是“神奇”的物理现象，超导的发生与低温息息相关、与低温下核外电子的低速——导致价电子的公用，电子束滑过原子实表面，得到核心的输运力，形成电阻为零的超导。并且5价、7价的非金属的材料也能够发生超导，超导是低温条件下价电子运动路径的重新组合，与复杂的数学公式无关。参看拙文《超导原理》[3] 

物质不可能呈现既是粒子又是波的波粒二象性，而是造物主让第一性物质-质子、电子分别携带伴生各自的场，这才有原子的形成，双缝实验等波粒二象性实验是因为粒子（电子）伴生着场，并不是用薛定谔方程计算出来粒子波，二阶微分方程只是把随机运动整合为余弦运动，并不能把粒子变成波。参看拙文《伴生-哲学新时代》[4] 

数学在基础物理学中确实扮演着不可或缺的角色，但是这些数学大多是基础简单的代数、几何，不必是高大上的复杂公式。物理存在的实质是事实和逻辑，是有理有据的分析推理，公式是在物理事实确定之后有应用的便利，科研的重点不是从开始就研发公式，然后就放弃其物理过程、物理细节，顶礼膜拜、完事大吉。如此，一味地以数学公式取代物理的科研肯定是万劫不复、一败涂地。

                          2024/5/11

参考资料：

[1] 晏成和，科学网博客《核内巨大能量来自哪里？》

https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1356939.html

 [2] 晏成和，科学网博客《相变之谜》

https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1125345.html

 [3] 晏成和，科学网博客《超导原理》

https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1154996.html

[4] 晏成和，科学网博客《伴生-哲学新时代》

https://blog.sciencenet.cn/blog-73066-1108081.html