尊重科学 独立思考 探索氢原子结构新理论

袁佳丽 刘伟 高建敏

近期，四川大学罗教明教授在武汉召开的“物理哲学和物理学小型研讨会”上，介绍了他关于氢原子结构和光谱新理论。基于经典电磁学理论，重新建立了运动带电粒子的电磁辐射模型，解释了光子、氢原子自然基态和线光谱辐射现象，并且推证了定态薛定谔方程描述轨道共振方程具有相同的数学形式。

    罗教授的新理论和观点得到了来自武汉大学、四川大学、华中理工大学、华南理工大学、北京师范大学和上海交通大学等单位参会专家的高度认同和评价。参会专家认为：“薛定谔方程的理论推导是具有开创性的，实现了近一个世纪以来世界一流物理学家们的梦想。”

    武汉大学桂起权教授认为，其理论的哲学意义在于，他给出了物理学从玄之又玄的数学形式体系的迷雾中摆脱出来，回到清醒的物理本体论上来的希望，开拓了一个“把牛顿的物理本体论和因果性思想一贯到底”全新可能的世界。

    目前，罗教授这篇论文中的主要观点已在美国的科学论坛网、中国的科学网公开，引起了广泛关注和激烈讨论。我们认为，罗教授的观点将成为研究原子分子结构的新思路，可能会开辟物质结构研究的新领域。

    1. 量子力学的成就与争议  量子力学是研究物质结构的基本理论，核心思想是微观粒子运动的波粒二像性即物质波概念，建立至今80多年来，虽已有多种解释，但一直存在众多争议，令量子的缔造者和众多科学精英们十分困惑。

    另外，根据物质波概念，微观粒子的运动是不可预测的，因此在粒子坐标系中描述的原子结构与观察者不会有明确关系，原子光谱测量数据不能用于该理论模型的验证。采用物质波来理解原子的中心力场模型存在严重障碍。

    2. 运动带电粒子的电磁辐射与光子  光是粒子还是波，在物理史上存在长期争论，爱因斯坦的“光量子”理论，用光子具有波粒二像性来解释光子的行为。但是，对于电磁波随频率变化，低频球面波，高频类似射线的传播特征，“光量子”概念是不能给出圆满解释的。

    根据麦克斯韦电磁波理论，电磁波是伴随着自感磁场的空间位移电流，自感磁场对空间位移电流应有约束效应，如同等离子体自约束效应，约束的强度与位移电流的大小成正比，电磁波的传播和空间分布应受这种自约束效应的影响。

    在氢原子中，如果带电粒子绕质心作轨道运动，随着轨道半径减小，频率的增加，空间位移电流及其自感磁场是随频率的高幂指数急剧增强的。当轨道半径小到某一值时，出现完全自约束，电磁波的辐射空间角为零，传播被约束在管状的窄小空间中，而不会导致电磁辐射能的扩散。因此，光子就可以理解为完全自约束的高频电磁波或空间位移电流。

    3. 氢原子的自发电磁辐射与稳定基态  氢原子中，带电粒子是电磁场的终结源，通过研究作用于带电粒子的电磁场力，可以获得电荷所处位置的电磁场强度。根据电磁感应定律，可以推知：作用于变化电流元上的磁场力变化率与作用于带电粒子辐射阻尼力成正比。由此可推得电子和质子的电磁辐射场具有相同的大小，等效于粒子前方两个平行自约束的空间位移电流（Jde和Jdn）。由于其感应磁场力的作用，空间位移电流在传播过程中会相互靠近而向原子内部弯曲。随着氢原子半径减小，位移电流大小和弯曲会剧烈增加，如图所示。

    当轨道半径减小到某一数值a0时， 电子产生的弯曲位移电流会直接作用于质子，对质子起加速作用；同时运动质子产生的弯曲的位移电流也会直接作用于电子，对电子起加速作用，图中的实线圆所示。此时，作用于电子和质子的辐射反作用力与加速作用会相互抵消，处于辐射耦合状态，对外电磁辐射的功率为零。当半径小于a0，位移电流将在两个电荷之间区域通过，位移电流的感磁场对电荷电流产生排斥作用，此时，位移电流将导致两个电荷远离而回到a0。因此，氢原子轨道半径为a0（玻尔半径）时，存在唯一的自然稳定态。

    4. 轨道共振与原子线光谱  当基态氢原子受到外界作用时，可以激发其共振。共振频率由轨道的力学性质决定。电荷轨道沿其法向产生共振的模型，可以用于解释原子电磁辐射和吸收光谱的能量和频率不连续性，以及电磁波偏振性质。因此原子中的轨道共振可以用于原子光谱辐射频率不连续性，即“量子化”等现象的解释。

    5. 薛定谔方程与普朗克量子  氢原子基态轨道可视为振幅不变的驻波，可以建立数学方程，选择基态轨道作为参照，同时经过数学变换，可推得与氢原子定态薛定谔方程完全相同的方程，同时也获得了普朗克量子假设和物质波的数学关系。

    因此，氢原子的定态薜定谔方程可以理解为描述氢原子轨道共振的方程，波函数就是用来描述共振振型的模态函数，直接反映了共振发生的轨道形态变化，这就是波函数的物理意义。

    6. 展望  论文运用经典物理理论，对原子中带电粒子作用体系的电磁辐射建立了全新的模型，合理地解释了光子，氢原子的自发辐射与基态，原子线光谱等现象。这些现象是目前的物理理论仍未得到很好解释、涉及到物理学基础的重大问题，因为它关系到我们对物质微观结构的基本看法和哲学认识。

    论文中呈现的观点和成果的科学意义在于，将物理理论重新回归到基于因果和逻辑分析的理性思维轨道上来，驱散了100多年来一直飘浮在物理学天空上的“经典物理理论的困难”乌云。为我们逻辑地、因果地认识和理解物质微观结构，重新开启了大门。