關於物理學幾個問題的研究與思考

關於物理學幾個問題的研究與思考

司今（jiewaimuyu@126.com）

1、物理學發展與目前的困惑

物理學是研究物質與運動基本規律的科學，其內容包括物質結構、物質間的各種基本相互作用和物質的一些基本運動形態等。

物理學是人類認識自然和改造自然的智慧結晶。

從伽利略開始，人類才算真正進入物理學研究的大門，他一生中先後提出了相對性、慣性和運動疊加原理等和勻速運動、瞬時速度、加速度等概念，這些原理和概念讓人們知道了什麼是物質的運動和運動的可知性。

將人類帶入物理學庭院的是開普勒，他繼承了第谷的觀測結果，從遙遠的天空開始探究行星運動與其時空的變化關係，得出開普勒三定律。這是經典物理學的第一層次，在這個層次中，物質的時空變化決定著其運動軌跡，但它沒有力的概念，也沒有探究物質為什麼會運動問題？它只是一種唯現象的幾何物理學，還不能算是真正的理論物理學。

帶領人類登上物理學殿堂的是胡克、牛頓等，他們繼承了伽利略的慣性、勻速運動、加速度等概念，從物質運動動量變化率給出力的概念，並闡述了物質為什麼會運動這一物理機制；後來，牛頓又將惠更斯的圓周運動公式與開普勒第三定律相結合得出物質間的萬有引力定律。以後，歐拉補充了剛體運動和定點轉動及陀螺運動等，至此經典宏觀物理學的大夏已基本確立，它基本可以說明宏觀物體運動的普遍現象，這是物理學的第二階段。

將人類帶入微觀物體運動的是庫倫，庫侖定律的確立激勵著安培、法拉第等一批實驗物理學家，建立了唯現象的電磁學學，接著洛倫茲、麥克斯韋等一批理論物理學家通過深入思考確立了帶電粒子的洛倫茲運動和麥克斯韋的電磁波理論，它們為後來的電磁波運用和光學的深入研究奠定了理論基礎，這是物理學的第三階段。

進入20世紀，隨著應用科學和實驗科學的進步，人們覺察到了物理學天空還存在「二朵烏雲」，於是誕生了二門同源卻又不同系的物理學，即相對論力學和量子力學。至於為什麼會出現這種狀況，直到現在還沒有答案。相對論力學以其獨特的思維、利用洛倫茲坐標變換和光速不變二個原理闡述了力是時空彎曲效應，在這個體系中，時間、空間、質量都是可以變換的，從而喪失了伽利略、牛頓建立物理學的初衷，即物體運動的可知性，讓固守經典物理學的人們陷入一片迷茫之中。量子力學更是讓人愛恨交加，一方面它固守經典，繼承了電磁理論和電磁波理論，另一方面它又背離經典，引入了四個量子和幾率波概念，更是讓人迷茫，這是物理學的第四階段。

現在已進入了第五階段，湧現出了夸克理論、弦理論、圈量子理論、膠子理論、介子理論等。

物理學正在進入象牙塔，只有幾個「發明」理論的人在孤芳自賞，人們只能聽其然卻不知其所依然。面對目前困惑的物理學，也有很多有志之士在反思：是在迷茫中找回經典還是繼續更大的迷茫呢？

2、目前物理學困惑的根源和出路

事物任何現象的出現都有其根源性，當前物理學的迷茫也不例外，就像20世紀的二團迷霧，其根源在於牛頓力學體系是建立在同一個慣性系之上的，對於不同的慣性系牛頓力學就有其迷茫性，愛因斯坦的相對論找出了其產生迷茫的根源；電磁理論和電磁波理論都沒有考慮粒子的自旋性，是量子力學找出了它產生迷茫的根源。面對人們對相對論和量子力學以及現在「被發明」的其他理論的迷茫，我們是否能找出產生這種大迷茫的根源呢？

牛頓力學體系分2個部分：前半部分是闡述力產生運動，可惜他沒有反過來推理，運動也可以產生力；牛頓力學後半部分即萬有引力部分則拋棄了「運動也可以產生力」的應有推論，卻從蘋果落地的啟示中認為質量是產生力的根源；總之牛頓力學只研究了力F與m、v的關係，沒有研究力F與m、ω的關係，這是他力學體系中的最大缺失。依附牛頓力學而建立起的剛體力學，也只研究了總動能E與m、v、ω的關係，沒有研究力F與m、ω的關係，如平面平行運動的剛體總動能是E=mv2/2+Iω2/2，自旋剛體與外界產生的力效應就沒有再涉及，其實對自旋物體而言，其m、ω變化才是力產生運動和運動產生力的根源。

我們的物理學都是建立在牛頓力學理論體系之上的，正是他忽略了物體的m、ω變化才是產生力和力作用的根源這一物質運動的基本規律才導致今天的物理學走進了 「讓人困惑」的境地。

我們可以從各力學體系中物體存在的慣性系、必要因素及適用範圍來考察它們的局限性：

物理學理論的提高和發展是螺旋式的，每一個新理論都是對原有理論缺失部分的補充和完善，以使原有理論有更廣的普適性；牛頓力學找出了伽利略、開普勒運動理論的缺失，補充了力的概念；相對論力學找出了牛頓力學的缺失，補充了不同慣性系下物體運動的概念；量子力學找出了電磁理論和電磁波理論的缺失，補充了自旋磁矩和公旋磁矩的概念，那麼我想對目前的物理學補充什麼呢？

從上表中我們可以看出：

1、牛頓力學、電磁學、電磁波理論、相對論都是沒有自旋存在的物理學；牛頓力學給出的引力場是質量場，電磁學、電磁波理論給出的引力場是電磁場，相對論給出的引力場是時空彎曲（它是開普勒運動幾何學思想的延續，即沒有用力的概念來描述運動），剛體力學雖研究自旋但沒有看到自旋磁場的存在；只有量子力學包含了自旋和自旋磁場，但量子力學對自旋磁場的描述是不完備的，因為它借用經典電磁學的磁矩概念來間接地描述自旋磁場的大小，而沒有直接從物體的自旋角速度和其慣性質量的關係上來定性和定量描述自旋磁場的大小。

2、從宏觀天體到微觀粒子、直至光子都存在自旋和自旋磁場性，即使是在地球上與我們保持相對靜止的宏觀物體，其內部組成的微觀粒子也是在不停自旋著的，可見自旋才是任何物體賴以存在的最基本的屬性。自旋會產生自旋磁場，因此自旋磁場也是任何物體賴以存在的最基本屬性之一。

3、目前物理理論模型在解決象「地—太系」「質-電系」這樣的物質存在和運動時是混亂的、有些甚至是錯誤的，這包括牛頓力學體系中的物理模型，說明牛頓力學理論不僅存在局限問題，而且它本身就有一定的缺失。按照上述思路，如果能找出一種對牛頓力學體系作以補充的理論，既遵守總能量守恆定律，又能在不破壞牛頓力學整體架構下去合理解決「地—太系」總能量守恆問題，既適用於不同慣性系又可以描述物體的線性運動和自旋運動，那麼這個理論就有可能找出目前物理學讓人們產生困惑的根源和答案。

3、「地-太系」、「質-電系」研究中模型選擇

3.1牛頓萬有引力模型的缺陷和困境

關於物體運動的任何物理理論都必須遵守能量守恆，這是物質物運動、變化所必須遵循的最高法則，但在用引力場描述的繞物系運動如地—太系中，因地球在遠、近日點的運動速度不同（即v遠﹤v近，ω遠﹥ω近），因此它們的動能E=mv2/2就不相等；為此，物理學引入了勢能E勢=mgR概念，那麼地球在遠、近日點的總能量就是：E遠=mv遠2/2＋mg遠R遠，E近=mv近2/2＋mg近R近，按能量守恆定律則有E遠=E近；但這只是一種假設，地球在遠、近日點的總能量真的守恆了嗎？

按牛頓萬有引力公式F=GMm/R2可得出勢能mgR=GMm/R，因在牛頓萬有引力公式中，G、M、m都是常理，故有GMm/R遠﹤GMm/R近，mv遠2/2﹤ mv近2/2,這樣就有GMm/R遠＋mv遠2/2﹤GMm/R近＋mv近2/2存在。

可見，地球在遠、近日點的動勢量之和並不相等，這說明牛頓萬有引力物理模型沒有真正解決地球橢圓運動中能量守恆問題，它可能存在錯誤或缺失。

3.2 「地—太」系研究的物理模型選擇

既然能量守恆是物理學研究必須遵守的最高原則，那麼造成地球在遠、近日點總能量不相等的原因是什麼？是地球的橢圓運動不遵守能量守恆還是我們對地球的能量存在認識不清？

我的研究思路就源於此點。同時我還注意到，地球在遠、近日點的運動速度、自旋速度存在不同，即v遠﹤v近，ω遠﹥ω近。那麼，從直觀就可以感覺到：地球在遠、近日點的總動能E=mv2/2+Iω2/2應是相等的，即E近=mv近2/2+Iω近2/2= E遠=mv遠2/2+Iω遠2/2；這樣，就可以把地球繞太陽的橢圓運動歸結為陀螺運動。

牛頓在研究地球歲差形成中就曾把地球看作是一個自旋的大陀螺來對待，只是他沒有按陀螺運動規律來研究地球運動吧了，這是因為他還沒有看到為什麼地球運動與陀螺運動相類似的真正原因，即他還沒有認清引力場形成的物理機制，思維還局限在他的質量產生引力的定式中，更沒有看到「自旋會產生磁場」這一物理原理。

按照這一思路，我對開普勒三定律的物理意義作了重新分析和解讀，發現：目前所有理論都缺少了對自旋和自旋所產生的物理效應的研究；其實，陀螺運動才是宇宙萬物運動的最基本形式，平動只是自旋的表現，平動和自旋都是物質存在的根本屬性！自旋會產生自旋磁場，平動是自旋磁效應的直接表現，一切力效應都離不來自旋磁場的相互作用！什麼質量場、電磁場、時空彎曲場、量子場等都是自旋磁場的另一種描述，它們都不是最根本的描述，物質力效應最根本的描述應是自旋磁場。

由此，我認為：陀螺運動模型才是研究「地—太」、「質—電」系運動的最佳模型，因為陀螺運動既遵守能量守恆原則，又遵循能量守恆與轉化規律。同時，我也意識到，「場」是勢能概念下定義出的產物，但勢能不能描述物體運動變化情況，故它的引入只是物理學的權宜之計，它不能解決繞物系中運動變化與能量守恆轉化的關係問題。由此，我選用E=mv2+mv2自（v是地球公轉速度，v自是地球自旋速度）來描述地球運動變化與能量守恆轉化的關係，這不僅補充了牛頓力學體系中的缺失，而且也能與牛頓力學體系很好地銜接起來。

4、宗教、哲學與物理學的關係

宇宙探索是人類的永恆話題，但對宇宙的認知可以有不同方式和角度，如宗教、哲學、數學、物理學等，都對宇宙的組成、運動、發展等有不同描述。但宇宙只有一個，雖然它們描述的方法和觀點不盡相同，如果我們去異求同，就可以發現它們有一個共同描述：循環與守恆。

佛教宇宙觀是一種系統觀，它認為：宇宙可劃分為大、中、小形式，一個中宇宙由很多小宇宙組成，這孕育著物質可分、可合性原理，但物質是否存在無限分、合性呢？這就需要物理學來驗證；同時，它還指出了因果循環，但不具體。

道教信奉「天人合一」思想，就是將人也看作是自然的一部分，它也遵守自然運動規律；它描述的陰陽變化規律可以從太極圖中更好地體現出來，物理學中能量守恆與轉化規律就是對太極圖的最好「翻譯」和描述。

「道生一，一生二，二生三，三生萬物」。道是什麼？從老子的描述中，道是「炁」，無形、無色、無味，就相當於我們物理學中「場」或「真空」概念，但我人為：在老子時代，既沒有分子、原子、電子、光子等概念，也沒有顯微鏡去分辨出它們，既使是空氣分子，在老子時代也可稱作是無形、無色、無味的「炁」；因此，我認為，對老子的「道」思想不能主觀地認為它是「無」，從而得出「無生萬物」，「炁」蘊含了一個最基本粒子概念的物理思想。

佛教著重整體觀的描述，道教著重個體觀的理解，二者結合才能構成一個完整的宇宙觀，這就是為什麼「佛教起源於印度，卻發揚光大在中國」的原因，也是為什麼佛、道可以融合、共存的原因。

物理學思想在物質組成上與佛教相似，在運動變化中與道教類同。

道教的「萬物皆有靈」的觀點孕育著物理學中「場」的思想。

馬克思的「唯物辯證法」是對道教陰陽論的升華。

中國人最擅長辯證法，這是中國人研究物理學、尋找統一理論的先天優勢！

5、物理學研究中數學的地位與作用

文字語言在定性上有得天獨厚的優勢，但在定量上就顯得力不從心，數學語言在定性上盡顯蹩腳，但在定量上卻厚積薄發。那麼，如何看待數學在宇宙探索中的地位和作用呢？

我認為：數學只是一門「翻譯」工具學，在特定的概念下它可以對宗教、哲學、物理學等理論進行「翻譯」，以便於這門學科的定量和運用。如，道教的「太極圖」、哲學的「矛盾對立統一規律」就可以用數學語言「翻譯」成：K=xa+ya或K=xa*ya（a為常數）的形式，對物理學中能量守恆與轉化規律就可以翻譯成E =mv2/2＋mgh或E=mv2/2+Iω2/2的形式等。

由此看來，「大道至簡」很有道理！在對待支配宇宙運動變化的最高法則上，各門學科是有共識的，只是我們不曾作認真歸納、比較罷了。

但要注意：在運用數學「翻譯」時，各門學科都有屬於自己領域的概念和原則，這就要求在引入數學這一「翻譯」工具時，必須將數學參量賦予屬於它們領域的概念含義，並符合它們的原則，這才是運用數學這一翻譯工具的精髓所在；否則，數學將會喪失它本身在這門學科中的運用價值，同時還會嚴重破壞這門學科的理論邏輯體系、製造出很多混亂甚至繆論。比如，我們認識原子系，首先要建立一個物理模型（如「地-太」模型），然後將這個模型中的物理參量用數學工具翻譯出來，以便於定量，這就是數學在物理學中的運用；但我們不能把物理學翻譯成數學，因為數學是沒有物質、質量、速度等概念存在，量子力學正是犯了這個錯誤，結果得出許多違反物理常理的可笑理論，直到現在，許多主流科學家們還樂此不疲地沉寢在此中！

6、物理學研究中「場」概念的重要性

「場」是今後物理學研究和發展的首要靈魂，但我們目前關於「場」理論就有好多種，如牛頓的質量場、庫倫的電荷場、庫倫的磁荷場、愛因斯坦的空間彎曲場、現代的量子場等，這說明我們對場的認識是混亂和模糊的。

場是什麼？如何理解和描述？這是擺在每個有志物理學探索的人必須要認真對待的問題。

目前，物理學產生困惑的根源應是近代物理學和現代物理學對「場」的認識、描述不夠深刻，即不知道「場」的真正物理意義！場是物質運動在其周圍空間所產生的物理效應，它不是物質，但它與物質存在和運動變化有關！

牛頓最大的錯誤是忽略了對自旋及自旋所產生的物理效應（自旋磁場）的研究。如果按牛頓力學思路，人們將永遠都不會弄明白「慣性質量」的真正含義；牛頓慣性質量其實包含二方面含義：1、物體所含的基本粒子數多少，即摩爾數多少；2、物體整體自旋和基本組成粒子自旋所產生的藕合自旋磁荷量的大小。

只有真正明白牛頓慣性質量的含義，才能真正理解萬有引力的起源和含義。我認為，萬有引力的本質就是物質間的自旋磁場力，它與電磁力有共同的起源，二者本質是通一的。

大到宇宙、太陽系，小到原子等，它們都有共同的物理模型，這說明它們都遵循同一個物理規律，這一規律是什麼呢？是萬有引力、庫倫力還是磁荷力？

仔細分析可以發現：萬有引力公式同庫倫電荷、磁荷力公式很「雷同」，這說明它們都揭示了物理學中最核心的問題—「場」，同時它們也都對場的數學描述形式給出了共同答案，即遵守B∝1/R2規律（B代表任何場）。至於如何解讀B∝1/R2，則仁者見仁、智者見智了。我的見解是，質量可以看作是質荷，它同電荷、磁荷一樣，都是用於描述場而定義出的物理量，只不過定義的對象不同吧了。由於選擇的物理量對象不同，它們之間如要統一就必然存在一個轉化係數，我的轉化方法是：

剛體力學是牛頓質點力學的延續，他把不同形狀物體抽象為質點，這個質點運動可以代表整個物體運動，即物體運動與物體組成空間大小無關，其動量是指物體質心點質量與質心點速度之積，即P=mcvc，動能是E=mcvc2；對於自旋運動，我們也可以不考慮物體組成空間大小，將它看作是一個質點在作自旋運動,那麼就可以給出另一個物理量：qm=mcωc，將它定義為自旋角量，由此可以計算和推理出：

F=qm1qm2/πr2=m1ω1?m2ω2/πr2=Gm1 m2/r2.

其中，G=ω1?ω2/π.這說明qm=mcωc與電磁學中的磁荷量qm有關聯。

將目前觀測到的太陽自旋角速度ω1和地球自旋角速度ω2值代入G=ω1?ω2/π中計算可以得出G=6.6726×10-11.由此可以推斷，萬有引力起源於它們的自旋角量qm=mcωc.

在電磁學中，由於F=B1qm2= qm2Φ/S，由此可得：

這樣，就將萬有引力與磁荷力統一起來了。

7、關於「波粒二象性問題」

量子力學是建立在「粒子說」之上的，它的「波源系統」物理學模型就是依據盧瑟福的「地-太」模型來模擬原子的「質-電」模型發展起來的。它所引用的磁矩概念其實質就是經典力學中的力矩概念，當然，這種引入在量子力學書籍介紹中顯得很牽強和晦澀！

量子力學在創立之初是有二個版本的，一個是以玻爾、海森堡等為代表的「矩陣量子力學」，另一個是以德布羅意、薛定諤等為代表的「波動量子力學」。在「矩陣量子力學」中，還隱約保留著粒子運動的「粒子性」特性，那就是粒子運動的軌道性，但這種軌道性後來被「概率論」所代替了。「波動量子力學」則完全否定了粒子運動的「粒子性」，它是對麥克斯韋電磁波理論更深入的延續。

後來，薛定諤、狄拉克、馮.諾依曼等都用不同的數學方法證明了「二個版本」的量子力學是統一的，但是人們卻忘記了去追問：它們為什麼可以統一？這種統一究竟蘊含了什麼物理意義？

任何一門科學在經過劇烈發展之後都會表現出「停止不前性」，這是後人懶惰、保守的表現，量子力學後來發展也是如此。後人不僅將「二個版本的量子力學為什麼可以統一？這種統一究竟蘊含了什麼物理意義？」忘得一乾二淨，而且還為了照顧人們的「思維慣性」和便於理解、教學，也把「矩陣量子力學」給遺忘了，這是量子力學研究和發展中的一大遺憾。現在大學物理中，取而代之的只有「波動量子力學」。其實，按「矩陣量子力學」思路發展下去，人們可能會回到「粒子性」上來，並最終實現與牛頓力學的融合，狄拉克的「相對論量子力學」就是一個很好的嘗試，但被後人荒廢了，實乃可惜！

「波動說」引入主要是為了解釋和解決粒子相互作用時能量傳遞、傳播問題，麥克斯韋通過分析「L- C」震蕩中的能量發射問題才提出電磁波概念；接著，洛倫茲將這種「震蕩」模式推廣到「電偶極子」上，這才形成電磁波能的概念。

愛因斯坦曾說「看來，粒子的每一運動都伴隨著一個波場，……這個場（它的物理性質目前還不清楚）在原則上應當是可觀的」 。我認為這個「波場」就是粒子的自旋磁場。

作為「粒子波動說」理論依據的「麥克斯韋電磁波理論」本身就存在缺陷，首先他的電磁波理論體現不出粒子性，是一種沒有任何粒子存在的「超理想化波」，他通過庫倫電荷力係數與庫倫磁荷力係數之比得出3＊10^8m/s就說是光速，然後推論「光也是電磁波」，從而為他的無粒子波理論硬插上一個光粒子，從此將光子運動帶入了「波粒二象性」境地；「波粒二象性」論斷只能說我們對微觀粒子的屬性還不了解，它只是對粒子運動結果所產生的現象描述，不是對粒子運動所要遵循的物理規律的描述。那麼粒子運動產生「波粒二象性」的物理機制是什麼？他不明白，我們也不清楚！

同時，我們也應看到，物理學研究不能走「中庸之道」，波粒二象性就是典型的「中庸之道」思想！這是物理學對「場」認識混亂、模糊所造成的，也是微觀物理學走向歧途的根本原因，說：「光既是波，也是粒子；光在傳播時表現出波的特性，在和物質相互作用時表現出粒子性」之結論純屬臆測，有誰見過光傳播會象水波一樣波動前進？！光束就是由一個個光粒子組成的光子流，它們在傳播中表現粒子性，在和物質相互作用時才會表現出波動性，即光子波動性的本質是光子具有自旋磁場、當它與同樣帶有自旋磁場的物質相互作用時，會在物質磁場中產生洛倫茲運動，從而形成「轉彎」現象，即產生波動假象！波粒二象性是徹頭徹尾的「中庸」物理學，是將物理學還原成哲學的錯誤做法，目前只有打破「波粒二象性」理論才能拯救物理學走出困境，回歸精典！

為此，我認為「粒子性」才是微觀世界的本質，「波動性」只是我們對微觀世界的誤解；要想將相對論與量子力學融合，必須借用微觀粒子的洛倫茲運動才能將它們統一起來。

8、對挑戰相對論的一點看法

相對論不能構成嚴謹的科學體系，這是物理學界普遍的共識，但相對論的出現是牛頓力學體系存在某些缺陷的必然產物。目前，物理學當務之急不是去花大力氣批判相對論，而是要如何建立一個能夠彌補牛頓力學體系缺陷的正確理論來取代相對論，只有這樣，相對論才能壽終正寢！如果只一味地花大力氣批判相對論而又不能找出超越牛頓力學體系的理論，就目前物理學處境看，是不可能有好結果的！這不僅浪費個人的精力，也成就相對論越加生輝！因為「公說公有理，婆說婆有理」式的爭論或批判在物理學界普遍存在，但最終結果是什麼？！對相對論的批判或超越不能按相對論形成的思路去玩數學遊戲，而要從物質運動形成的物理機制上去批判或突破；在批判中要找出或創立一套能夠取代相對論的理論體系才行！目前，在批判或挑戰相對論的人群中，他們都只一味地抓住「洛倫茲變換」、「光速不變」、「時空彎曲」等議題，按照相對論形成的思路作「數學」推演「遊戲」，這樣的推演式挑戰又有多少人去看呢？即使看了也不理解，因為我們對相對論本身就存在困惑！

數學遊戲不能形成物理機制，只能用於描述物理機制；如果僅僅從相對論形成的思路模式—數學遊戲中批判相對論，結果只能是驅走了「錯誤的靈魂」，卻留下了一具「腐爛的肉體」！

同時，我們也應清醒地認識到：「有破必有立」，「不立」的「破」必然會讓人產生更大的迷茫和困惑，因此說，過多地批判而又拿不出實際可取代的東西，那隻能算是一種「低級起鬨」！在國內挑戰相對論方面，我覺得周吉善、季灝、梅曉春、華棣等老師給我們做出了榜樣。周老師首先看到了「自然時間」（依據地球自轉周期所確立的時間）和「鐘錶時間」（依據鐘錶運動周期所確立的時間）之分，前者在地球橢圓運動中存在變化性，後者卻不存在這種變化性；也就是說：我們的鐘錶所表示的時間有絕對性，從而體現了時間絕對性特性，如果象相對論所說的「時間可變」，那麼我們生存的空間豈不是可以隨意在「夏商—現代」中穿梭？季灝老師為真正挑戰相對論、創立物理學新體系做了給力的實驗和突破；還有華棣老師的「新質速關係」、「電磁波解析」，馬海飛老師的「密度場理論」等，啟迪著我們：物理學變革的時代已經到來，只一味地批判已不再是物理學探索的真正方向！

現在物理學的大廈已經確立，各種理論相互交錯，但萬變不離其宗，即都以牛頓力學體系為基礎，通過對「場」的不同解讀和描述來建立各自的理論體系。充分認識牛頓力學體系的缺失和他對場認識、描述的不足，才是推動物理學向前發展的關鍵所在。

目前流行的所謂挑戰，大部分只能是「盲人摸象」，白耗精力！因為各種物理理論已相互交錯，「牽一髮而動全身」，正如王令雋教授所說：挑戰相對論之難就在於相對論的一些概念和理論已深深融入到量子力學中去了。