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物理基础结构和基本相互作用理论面临重大突破

2020/09/30   维加斯新闻报
皮可慰

    摘要：物理基础结构和基本相互作用理论长时期停滞不前，必将面临重大突破。突破口是波粒统一观，（即量子波设想）这是从新的角度理解量子论和相对论，对量子论而言是将波粒二象性直接描述为波粒统一，对狭义相对论而言是抛弃完全的相对性，承认局部的绝对参照系统。
    关键词：发展的物质实在观，波粒统一，量子波设想，MSae
    单位制，同步共振定态原理。
一、物理基础结构和基本相互作用理论长时期停滞不前
    1、近代物理基础理论研究，经历过牛顿物理体系的重大突破，又经历了量子力学的重大突破，（含狭义相对论和统计物理学）。上世纪初以来，应用物理取得了突飞猛进的发展，人类社会发生了巨变。但在基本相互作用和基础结构等领域的研究并不顺利，至今未能对万有引力和电场力的本质，对质子、电子质量定态的成因作出合理解释，关于相对论和量子论中很多问题都需要进一步深入研究完备。长期的停滞不前，意味着重大突破即将发生，当前正值重大突破的前夜。
    2、物理基础结构和基本相互作用理论的长时期停滞不前，并不是由于实验数据不完备的原因，而是某些传统的思维定式影响了研究思路。其中，哲学思想方法对自然科学研究，尤其是对物理基础理论研究影响很大，有时甚至是起到关键性的方向性的作用。
    A、在本体论方面，传统理论在物理基础性问题研究中的思维误区：
忽视事物的发展性，将无限发展观点误解为无限层次，试图在简单的事物中人为设立复杂的结构。如，在质子（中子）中设置夸克层次 。 不承认事物之间相互作用是由事物本身因素引起的，人为设置"传递相互作用"的粒子，使问题变得更复杂。
不承认任何定态事物都有一个发生与发展的过程，将弹性、引力、电性、粒子性，都视为永恒存在的事物，永远都在用弹性引力解释弹性引力，用电性解释电性，用粒子解释粒子，导致物理基础结构和基本相互作用研究近半个世纪进展缓慢。
B、在认识论方面，传统理论在物理基础性问题研究中的思维误区：
主要是未能认识到"意识是主体的非确定性判断"，任何认知都是"猜想"，是在”试错"中不断前进。研究中思维定式极大地妨碍了新思路产生，有形或者无形的科学共同体更是加剧了思维定式的固化。
其次是，将实证方法仅仅理解为认知来源，反而忽视了实证方法最主要的功能是检验猜想，去证伪猜想。 例如，明明知道从来没有仅由质子组成的多核结构，任何多核结构必然有"中子"参与，任何自由中子都会衰变为质子和电子，就是不愿意克服测不准原理的束缚，将核力用电场作用解释，哪怕是大胆猜想都没有。又如，明明知道在人工和宇宙射线中从来没有发现夸克，从来没有发现1/3或者2/3电量的粒子，从大数据的角度应当评估夸克理论的确定性概率极低，应当尊重实验事实，及时改变思路，哪怕另外设计一些不成熟的猜想，都比一条道走到底好一些。
    总之，无论是本体论、认识论或者方法论，都应当在发展的物质实在观下思考问题。
二、应用物理的进一步发展，必将促进物理基础结构和基本相互作用理论取得重大突破。
    1、近百年来应用物理突飞猛进的发展，似乎并没有对物理基础理论（仅指物理基础结构和基本相互作用理论，下同）有太多的苛求。人们提出并欣赏的但问题太多的标准模型理论，似乎对应用物理没有一丁点儿指导或者促进作用。人们曾经捧为上座的弦理论，在应用物理那里好象视而不见，弦理论的存在与否似乎对他们毫无关系。
    2、近百年来，应用物理之所以取得重大进展，除了由于社会经济生活的巨大需求带来的促进作用外，理论物理已经取得的重大成果无疑是坚实的基础。牛顿物理仍然在发挥重要作用，量子物理成为人类在探索微观领域时的重要导航，狭义相对论中的与本体论（而不是观察）有关的理论，（主要是局部的光速一致性和质能相关）同时支撑着微观与高速两个领域的应用物理飞速发展。
长期以来，应用物理对理论物理的进一步完善并不抱期望，在原有理论的支撑下，近百年来人类改造和改变了地球上的一切，甚至正在进军宇宙。微电子还差一点就要进入到亚纳米领域。物理学从理论到实验为化学和生物医学提供支持时，从来没有感到任何束手无策。就是在神秘的意识领域，互联网迈进了社会意识的信息时代，人工智能深入到了个体意识的神经元领地。
     应用物理对理论物理中存在的问题，采取了实用主义态度，只对其中有价值的部分予以认同，而对其中存在悖论的部分则采取了宽容式的忽视。例如，对于波粒二象性，在需要用波动方式解释物理现象时引入了波函数，当波动中出现粒子效应时则发明了波函数坍塌概念。或者使用"互补原理"让波动性和粒子性各司其责。又如，对于量子的不确定性行为，一方面利用其"特长"穿越"隧道"，做出一些似乎不可想象的事情。另一方面利用大量的均衡化统计规律，让物理事件确定性地发生。再如，对于相对论完全站在自身的观察角度，而不是从整体系统角度分析计算物理事件的错误方法论，置于不顾，坚持以第三方实验操作者身份，对物理事件进行实证性分析。应用物理从来不会得出在航天飞机上看到地球能量和质量骤然巨增的荒谬结论，但它会精确地计算由于无线电信号的传播延时，和高速运动带来的计时装置内在真实变化，来实现卫星的精确定位功能。
     3、但是，应用物理的进一步发展，必将对物理基础结构和基本相互作用理论提出重大变革要求。
    A、超微观领城，如纳米微电子芯片。波与粒子再也不能分开观察和计算了。
    B、涉及单个量子之间相互作用领域，如量子通信、量子计算。个别量子之间必须实时地直接联系，这只有承认波粒统一才能实现。
    C、涉及远距离、多个不同引力场领域，如宇航通信和控制。必须既要承认局部绝对参照系的存在，又要考虑到广域条件下不同绝对参照系之间的转换。
    D、精密磁控，如受控核聚变。对量子磁矩的认知必将更深入。
    E、不受概率规律制约的突变在人工智能中的运用。只有不受概率规律制约的突变，才能导致人类认识的进化。
    总之，只有物理基础结构和基本相互作用理论取得重大突破，才能为应用物理的进一步发展提供更有力的支撑。
三、必须突破还原论的局限性
还原论主张在较高层次得到描述的实体、性质和关系等可以还原为在较低层次得到描述的实体、性质和关系，或者说较高层次和较低层次的实体、性质和关系是同一的。这是本体还原论的表述方式。
    还原论在人类认知过程中发挥了巨大作用，近代，人类从认识几千万种分子到几百种原子（含同位素），再到几种基本粒子，如，质子、电子，势如破竹，这个认知趋势似乎一发不可收。然而，实际情况并非如此，近百年来几乎未往前行多少。
    不少学者指出还原论的局限性，主要是认为复杂体的机制不是简单体的叠加，复杂的化合物如此，生命、意识主体更是如此。但这些质疑，往往由于更深入的认知得到解释，例如量子化学、神经元芯片。可见人们将产生还原论局限性的原因归于：整体效应大于单个个体效应简单集合之和，并不全面。
    还原论的局限性，在现代物理基础结构和基本相互作用研究中充分表现出来，人们企图用粒子解释粒子、用相互作用解释相互作用的研究路线受阻，近百年来进展甚微。主要原因就是还原论遇到了不可逾越的障碍，这个障碍是量变到质变的障碍：无序迈向有序，不定形迈向定态，非因果关系非确定性迈向因果决定性，这是一个重大飞跃，已经超越了还原论的适应范畴。
四、突破口在哪 ？
1、现阶段物理基础理论取得突破性进展应具备的特点：
    A、原生性。是一次由无序进展到有序，由不定形进展到定态的，从无到有的基础性描述。
    B、哲学基础性课题与物理基础性课题将在一定程度上融合。
    C、系统性。涉及基础层面的大部分大自然之谜，将会得到全面的、相互联系的揭示。
D、整体与个体的有机联系性。（以太系统和暗物质系统是关键）
    E、定量性和可计算性。各种设想、猜想，必须在定量的、可计算的、与实验事实高度吻合的、可直观描述的标准下得到验证。换句话说，既需要逻辑实证，更需要经验实证。
    2、波粒统一观是突破口。
A、百年前诞生的量子论的精髓是个体性、稳定性和波动性。
人们通常认为普朗克常数揭示了能量的量子性以及能量与频率的相关关系，笔者认为普朗克揭示了量子的本质，这就是波动性，具有个别性和稳定性特征的波动性，是个体的波动性而不仅指群体的波动性。
B、百年前诞生的狭义相对论的精髓是个体波速的一致性。
人们通常认为狭义相对论揭示了事物存在的相对性，笔者认为狭义相对论的主要贡献恰恰是揭示了宇宙在较大范围内和较长时段里存在光波速度一致的绝对性，是个体的波速一致性而不仅指群体的波速一致性。
C、长期以来人们并没有将波与粒子直接联系起来，说的只是波粒二象性，这就导致了偏离突破口。
D、笔者认为，基础的有序结构形式是波，这里的波，不是指描述粒子在振动的波，而是说在这个基础层面，粒子就是波，或者说稳定的波就是粒子。这就是波粒统一观，或者称为量子波设想，是物理基础结构和基本相互作用理论取得进展的突破口，是绕不过去的突破口。
五、在波粒统一观点（量子波设想）下，可以用简洁的方式描述物理现象：MSae（米秒次e）单位制。
    1、由于将任何个别量子，无论是光子、静止的实物粒子（如质子、电子），还是运动的实物粒子都理解为波，波的特征较为简洁，只有：频率、波长、波速、相位和波幅，就可以对描述物理现象的量纲和单位制进行简化。
    2、可以利用普朗克常数h = 6.626075×10^－34焦·秒，1库仑电量 = 6.241506363×10^18e，将相关的物理单位简化，简化单位中只有米秒次e四个符号，可称为MSae（米秒次e）单位制。MSae单位制与国际单位制完全吻合。
    3、部分简化单位：
A、长度：米，M，与国际单位制相同。
B、时间：秒，S，与国际单位制相同。
C、波动（振动）周期：次，a，360度或者2π弧度，或者稳定个体、过程在特定时空中出现的个数。
D、基本电量：e，基本费米子个数。（特指区分正反性的质子、电子和л部分子及其亚稳定态）1库仑电量 = 6.241506363×10^18e。
   以上4个单位是MSae单位制的基本单位。
E、光速常数c = 2.99792458×10^8米/秒。
F、频率（能量、质量）次/秒。1次/秒 =  6.626075×10^－34焦。1焦 = 1.509189075 × 10^33次/秒。1千克质量相当于能量：c^2焦  （此处光速c不带单位）。1千克质量相当于频率：1.3563915×10^50次/秒。1 eV（电子伏）能量相当  2.41798852× 10^14 ( 次/秒)。   1 MeV（兆电子伏）= 2.41798852× 10^20 ( 次/秒)。
G、速度：米/秒。
H、加速度：米/秒^2。
I、力：( 次/秒)/ 米或者（次/米）/秒，分别是能量表述式和动量（曲率）表述式。1牛 =1.509189075×10^33（次/秒）/米。
J、力矩：次/秒。1牛米 = 1.509189075×10^33次/秒。
K、动量（波密度，曲率，波长的倒数）：次/米。1千克·米/秒 = 1.509189075×10^33  次/米。
L、动量矩： 次。1（千克·米/秒）米 = 1.509189075×10^33  次。M、电势（电压）：  ( 次/秒)/ e。    1伏特 = 2.41798852× 10^14 ( 次/秒)/ e。
N、电流：e /秒。1安 = 库仑 / 秒 = 6.241506363×10^18 e/秒。
O、精细结构常数:a = 0.007297353  （设单位为：次/e^2 ）。  ( 由于文本印刷原因，以斜体a作为精细结构常数符号)。
P、磁感应强度：  次/（e米^2)。1特斯拉（T）= 2.41798852×10^14   次/（e米^2)。
Q、磁矩：  e米^2/秒。1JT-1 = 6.241506363×10^18   e米^2/秒。
R、电阻：次/e^2。1欧姆 = 3.8740459×10^-5 次/e^2。S、磁通量：次/e。
   其他如统计物理学、量子物理学均可用MSae单位制描述。       
六、运用波粒统一观（量子波设想）的简洁方式描述物理现象，使得量纲分析变得十分方便，而且有利于一目了然地直接揭示物理现象背后的深层次秘密。
    1、由于将任何个别量子，无论是光子、静止的实物粒子（如质子、电子），还是运动的实物粒子都理解为波，波的特征较为简洁，只有：频率、波长、波速、相位和波幅，就可以对描述物理现象的量纲和单位制进行简化，物理世界的基础层面变得简单了。       
    2、对大自然的简洁认识方式有利于揭示物理世界深层次的秘密。                   A、倒数真空电容率等于二倍光速与精细结构常数的乘积。
B、电阻与霍尔电阻的关系：1 次/e^2 = 25812.807欧姆 。      
25812.807欧姆即霍尔电阻，25812.807即克利青常数。克利青为1985年诺贝尔奖获得者，克利青常数是第18届国际计量大会（CGPM）及第77届国际计量委员会（CIPM）决议，从1990年1月1日起使用的常数。
克利青常数等于1库仑电量与基本电量之比的平方再与普朗克常数的乘积：（6.241506363×10^18）2×6.626075×10^－34= 25812.807         
C、发现磁通量子化的内在本质：
磁通量子化问题在超导研究中有重要的地位，它既是一个基础理论问题，也是超导研究的重要工具。现行理论认为磁通是量子化的，磁通量子计算公式为 [h/(2π)]c/(2e)，据此计算得到磁通量子的数值为：2.07×10^-7高斯·厘米^2，实验证实穿过超导体内环的磁通量是2.07×10^-7高斯·厘米^2的整倍数。
在MSae单位制中磁通量的单位是：次/e，换算得到：上述磁通量子   = 1/2 次/e 。在MSae单位制中，磁通量子的表现形式极为简洁，表明运用MSae单位制工具的确有利于揭示物理现象的内在联系。         
D、发现电子磁矩与电子内部波动有关：
实验证实电子磁矩为928.477x10^-26 J/T。焦耳J=1.509189x10^33次/秒。特拉斯T=2.41798852×10^14次/(e米2)。电子磁矩换算为MSae单位制：928.477x10^-26×1.509189×10^33/2.41798852×10^14= 5.79509×10^-5单位:e (米/秒)米。依据量子波设想可以写出电子磁矩的计算公式= [电子康普顿波长/(4丌)]×c×e= [2.42631×10^-12/(4×3.1415926)]×2.99792458×10^8。= 5.78838×10^-5e(米/秒)米
证实电子内部存在波动，存在光速的一致性。                   
七、波粒统一观可以拓宽物理基础结构和基本相互作用研究的思路。
A、进一步，对量子波提出横波与纵波共振观点，能有效地计算光量子波、静态正反量子波、动态正反量子波的波动状态。计算自旋。        
B、量子波的空间分布概念和计算公式，以波动干扰可以得到与万有引力公式和库仑定律公式完全等价的新公式，引力机制和电场力机制以波的空间分布（半衰）方式融合在新公式中。
C、可以将引力常数开平方，分解为两个相等的新常数，单位为米，与普朗克空间常量基本相符（相差根号2丌倍，可以合理解释）。这个新常数很自然地出现在新的引力公式中。
D、可以将精细结构常数开平方，分解为两个相等的新常数，单位为次/e，与磁通量同单位。这个新常数很自然地出现在新的库仑定律公式中。而且与后续计算暗物质系统中正反粒子偶时的速率一致。                           
E、运用同步共振定态原理，可以提出暗物质系统的正反粒子偶结构假设，为正反粒子成对生成，电场作用常数定态，电子、丌介子、u子、质子的质量定态充当了模板作用。
其中质子质量定态计算公式与实测值仍有接近2.8倍的误差，但与质子磁矩的2.79系数实测值巧合。