物质波、费米子自旋与月相及奥伯斯佯谬作者王贤文

物理学中存在一个显著的事实，自然中发现的大多数粒子有自旋，这是一种独立于空间自由度X、Y、Z以外的转动。如果将电子在原子内的运动和行星在太阳系中的运动对比，电子的轨道角动量表示的转动相当于行星的公转，自旋角动量表示的转动相当于行星的自转，自旋角动量的大小是粒子的固有性质，组成普通物质的粒子如电子、质子和中子，自旋角动量为1/2h。只包括一些公转的粒子而每一个粒子都不自旋的对象不允许有这个角动量值。它只能是由自旋为粒子自身的固有性质而引起的(也就是说，不是因为它的"部分"围绕某种中心的公转引起的)。具有自旋为1/2h的奇数倍(如h/2、3h/2或5h/2等等)的粒子称为费米子。它们在量子力学描述中呈现出非常奇怪的行径，完整的360度旋转使态矢量回到负的态矢量，而不是回归到自身，需要再旋转360度，即总共720度其态矢量才回归到自身，自然界的许多粒子就是这种费米子。从小到原子大到行星都是几乎由费米子构成，它们都以自己的固有运动方式，自然的运动着。1/2自旋运动事实上是质点沿垂直两方向同频率同振幅简谐振动的合成运动，也就是匀速圆周运动(沿互相垂直的直径上的两个相位差为π/2的简谐振动合成)，这是我对1/2自旋运动的基本定义。我们见到的一切宏观物体的自然运动都是其广义协变运动，即质点沿垂直两方向同频率不同振幅的简谐振动合成。它是经典力学中行星的切向和法向运动的真正本质所在，切向运动和法向运动事实上是正交同频率不同振幅的合成运动。什么是惯性运动?伽利略认为是曲线运动，而牛顿认为是直线运动，为什么会是匀速运动呢?通过对1/2自旋运动的基本定义，牛顿的惯性假设在这里就没有必要了。宏观物体的惯性运动事实上就是微观费米子的固有运动一一1/2自旋的协变运动，物体匀速运动的本质在于质点沿垂直两方向做同频率振动，同频率说明其不同运动方向的运动(能)量是相等的，这是物体的固有运动稳定性一一匀速的终极原因所在。其具体运动轨迹由分振动振幅所决定，当分振动振幅相差不是很大，如行星的切向和法向运动的差别时，行星的椭圆公转运动轨道自然导出。当分振动振幅相差很大时，慧星的近似抛物线的公转轨道自然导出。当其中一分振动振幅为零时，自由落体的垂直下降线自然导出。伽利略的抛物体实验从物理事实上说明抛物线是沿横向(水平)和垂直下降两方向的合成运动形成的，事实上就是质点沿垂直两方向同频率不同振幅的简谐振动合成。伽利略这样一位伟大的物理实验家通过沙格里多的口天真地讲道，这种行为也是好不容易才理解的。当我们直接定义其运动为质点沿垂直两方向同频率的不同振幅的简谐振动合成时，其物理本源清晰可见一目了然。天体间的公转运动就不一定需要引力假设了，地一一太公转系统事实上可以做为一个整体的1/2自旋协变系统来对待，质点中心就是太阳中心，质点边缘就是地球运动轨迹。地一一月公转整体系统中，地球中心可以做为1/2自旋协变系统的中心，协变系统的边缘就是月球的公转运动轨迹，这事实上就是东方古老哲学的整体观。1/2自旋运动必然会伴随物质波，由于质点沿垂直两方向同频率同振幅的简谐振动合成的运动轨迹是完美的圆，它就具有了封闭定域性，事实上它是完美的球体。数学中著名的庞加莱猜想一一三维空间的"球体"表面的"简单连接"就这样清晰的展现在我们面前，也就是只有质点沿垂直两方向做同频率同振幅的简谐振动，才能形成封闭定域的完美球面波，球面的简单连接才能真正实现。这种物质波能体现量子神秘吗?它能宏观展现吗?其实在现有物理学框架内完全能做到这一点，谜底在迈克尔逊干涉原理。我们知道迈克尔逊一一莫雷实验在物理学中有着重要的地位，它为爱因斯坦的光速不变假设提供了牢固的实验基础。我在《非阿贝尔正交群SO〔10〕之方法论》中已经谈到，迈克尔逊一一莫雷实验的确可以为光速不变假设提供实验基础，但它决不能否定光以太的存在，光以太事实上就是宇宙无源本底辐射，它是有源辐射的基础，也是时空的画布。现在我们探讨隐藏在迈克尔逊一一莫雷实验中更为深刻的物理本质，它就是被埋没﹙"迈莫"﹚了的物质波原理所在。迈克尔逊干涉与杨氏双缝干涉有着很大的区别，杨氏双缝干涉是由分波阵面分割法形成的非正交非定域的静态干涉，其相消干涉与相长干涉所形成的明暗条纹一清二楚径渭分明(在这里我希望物理学家们做一个类似杨氏双缝的正交干涉实验，即相干光束呈90度垂直，从理论上讲只要其光场时间相干性△φ=π，其干涉结果就不会出现明暗条纹)。迈克尔逊干涉是由分振幅分割法形成的正交定域的动态干涉(设有可移动反射镜)，当来回平滑移动反射镜时，光程差可以始终在λ/2→λ→λ/2之间做周期性往复变化。其变化距离为±λ/2，其干涉因光场时间相干性△φ=π，从而抹平干涉条纹空间分布的差异(能量均分的真正物理本质所在)，检测器所测光强的周期性平滑起伏运行变化特征清晰呈现。它与1/2自旋的"神秘"的态矢量变化规律如出一辙，1/2自旋的态矢量变化周期:负→正→负(0→360→0)，迈克尔逊动态干涉光程差变化周期:λ/2→λ→λ/2(相消干涉→相长干涉→相消干涉)，检测器所测光强变化周期:最小→最大→最小。检测器与量子态平方模等价，相当于一个独立的物理体系(电子、质子)，不同的动量幅度与不同的可测态矢量(光强大小)等价。这事实上就是罗杰·彭罗斯先生所说的每个粒子一下通过两条缝隙并且和自身干涉，不同"选择可能性"必须一直共存﹙相消与相长干涉所形成的﹚，并且用奇怪的复数权重加在一起的微观物理事实的宏观体现。罗杰·彭罗斯先生谈道的受薛定谔方程制约的决定性幺正演化U过程，与测量问题引起的非决定性态矢量减缩(波函数坍缩)R过程在这里并行不悖。量子概率起源于一分为二的正交性也一清二楚，希尔伯特量子空间正交性的物理本源就在于此，在这里所展现的主要是希尔伯特量子的动量空间正交性。波函数事实上既是几率波也是真实的波，几率或者说相位因子的物理本源就是一分为二的正交性所赋予的。1/2自旋的波函数演化过程就是1/2自旋态矢量的演化过程，其分振动的光程差实质就是相位差，相位差的变化规律是1/2自旋态矢量演化的物理行为基础。1/2自旋的动力学原理就这样展现在我们面前，凭直觉我认为它对人类的能源危机解决具有十分重大的意义，一个物理体系的固有能量(角动量)不变，但其可测态矢量却是可以控制的有规律的变化，我们完全可以利用其态矢量的变化改变当今普遍的刚性运动模式，譬如可以构造类似迈克尔逊光干涉的发动机。能源消耗的不可循环利用观念就这样被改变了，永动机虽然不可能真正实现(质子才是真正意义上的永动机)，但也可以接近于它，能源危机解决有了真正的希望，人类的星际旅行梦想有了实现的理论基础。我们谈过宏观大自旋是1/2自旋运动的协变运动，即质点沿垂直两方向同频率不同振幅的简谐振动合成，行星的公转椭圆轨道自然导出，那么其公转或自旋态矢量的协变性又是体现在什么地方呢?地球公转周期:冬至冷昼短夜长→夏至热昼长夜短→冬至冷昼短夜长;地球自转周期:子夜冷而黑→正午热而亮→子夜冷而黑;月球公转(或自转)的月相变化周期:朔暗→望亮→朔暗，它们都有着共同的物理本源一一1/2自旋态矢量变化规律。月相的朔望变化就是我们所能理解的时间之箭，它实质就是1/2自旋一一物质波的态矢量协变形式。不同的月相与不同的量子幅度等价，它实质表征月球面向地球的一面中心之昼夜(月球上的一天相当于地球上的一月)变化规律，也就是月球始终面向地球的那一面的中心点(由月球自转与公转同步引起的)的昼明夜暗及温度的变化通过月相的变化我们就能大体把握，月圆﹙望﹚之时，犹如我们的日中、午未之时较热。月缺﹙朔﹚之时，犹如我们的夜半、子丑之时较冷。上弦月犹如地球上的黎明，下弦月犹如地球上的黄昏。不同的月相却有着相同的能量一一运动量，只是由于其沿垂直两方向做同频率不同振幅的合成振动时，分振动之间的光程差变化，使相消与相长干涉发生的综合变化从而引起态矢量的变化而已。由于地球公转周期为一年，也就是地球上的十二个月，因四年一闰，所以月球的太阳年大约等于月球上的十二点二五天(在这里没有以严格的月球自转周期27.3个地球日为标准)，月球上的三天多一点就相当于地球上的一个季节。由于没有大气层，月球上的温度变化也许没有地球上明显，但一样有类似地球上的季节温度变化规律，可能在月球上每隔六天多点的温差变化较大一些，即类似于地球上的冬夏温差。对于月相的形成过程当今物理学界的普遍解释是太阳、地球及月球的相互位置变化所引起的，这仅仅是表面现象而已，它是错误的直觉思维结果,没有坚实的逻辑基础。假如真的如物理学家们所言，那么物理学家就可以模拟其形成过程，但我可以肯定的说，物理学家们绝对模拟不出月相变化，因为行星公转运动的本质他们根本就没有搞清楚。我们在物理学教程或者科普书籍上见到的月相相位形成图及图解，只要你仔细的去推敲，就会发现它们都是错误的，根本不符合物理学家们所崇尚的严谨逻辑规则。自从奥伯斯1826年研究宇宙结构提出光度佯谬(奥伯斯佯谬)以来，这个问题就一至困扰着物理学家们，虽然物理学界出现过许多解释。但不可否认，至今没有公认的合理答案。其实夜里为什么会天黑的真正物理原因就在于物质波的态矢量变化。按照一般人的理解或物理学家们的解释是白天面向太阳，夜晚背向太阳形成的，这种直觉思维是错误的，它完全不符合逻辑推理。你可以做一个简单的实验，在一盏灯前放一个球，的确面向灯的一面亮，背向灯的面暗，但是当你转动球时问题出来了，不管球的转动速度多么的慢，也不管球的转动方向如何，暗面上的每一点只要刚刚跨过明暗分界线，就突然全部明亮起来;亮面上的每一点只要刚刚跨过明暗分界线，就突然全部黑暗起来，这与我们身边的黄昏逐渐黑暗和黎明逐渐明亮的物理事实是完全不相符合的。通过前面讨论的迈克尔逊干涉实验检测器所测光强(光度)变化，我们应该完全明白过来，奥伯斯佯谬事实上是由1/2自旋态矢量变化所引起的。地球自转体系做为一个相对独立的1/2自旋变易系统，其自转轨道虽然是椭圆，但也具有封闭定域性，而且事实上是一个椭圆球体，相消与相长干涉也自然的发生着。由于其干涉因光场时间相干性△φ=π，从而抹平干涉条纹空间分布的差异，所以在由大白天的明亮﹙相长干涉﹚向夜晚的黑暗﹙相消干涉﹚的转变过程中，它是渐渐的平稳过度，与迈克尔逊干涉中检测器所测光强(光度)平滑的起伏变化是一个道理。我们所感觉的时间概念与此密切相关，昼明夜暗、朔暗望亮不断循环，冬冷昼短夜长、夏热昼长夜短，春天万物复苏一派生机、秋天落叶凄凉万物凋零。这些物理现象始终循环交替使我们感觉到时不与我，一天一天、一月一月、一年一年就这样匆忙离去。在这里时间(的性质)之箭显然是1/2自旋态矢量变化所引起的，它是我们能直接感觉的时间的基本物理原因所在。任一宏观物理体系的时间事实上可以定义为其态矢量变化周期，其态矢量变化周期与其沿垂直两方向的振动频率同步，振动频率越快其态矢量变化周期也越快，反之就更慢。当然这是物理体系的非固有时间，是可以变化的，我们感觉到的时间。比如地球自转体系形成的一天时间，事实上就是其自转体系形成的物质波态矢量变化周期:昼明(热)夜暗(冷)的循环周期。由于月球的自转与公转同步，月球日就与月球的地球年相同，月球上的太阳年就大约等于十二点二五个月球日。由于太阳系围绕银河系公转周期大约为二点四亿年，所以地球的银河年大约为二点四亿年。每年的春分秋分昼夜平分与每月的上弦下弦明暗各半以及每天的黎明(旦)黄昏(暮)天色昏暗是同一个道理，其物理解释就是地球公转、月球公转(或自转)或者地球自转时，在做沿垂直两方向同频率不同振幅的合成运动，其分振动的相干光程差(相位差)为四分之三波长(3/4λ)时所呈现的物理现象。我们必须清楚的认识到月球本质是相对独立的1/2自旋变易系统，月相的上弦下弦明暗各半是我们从其系统外部所见的物理现象;黎明黄昏的昏暗天色是我们在地球自转形成的物质波系统内部所感知的物理现象;每年的春分秋分昼夜平分也是我们在太阳一一地球形成的公转整体系统内部所感知的物理现象，虽然表面现象不一样，但它们拥有共同的物理本源，即对同一类物理系统认识角度的内外之别所引起的。前苏联与美国的登月飞船都上过月球，不知他们是否有过此类地月联合观测实验，假如有此类观测，那么肯定与我所说的一样，望月(满月)如我们一日的中午午时，上弦月如我们一日的黎明寅卯时，下弦月如我们一日的黄昏酉亥时，朔月如我们一日的半夜子时。换句话说，假如有一个人在月球上生活，而且其生活规律与在地球上一样。比如说早中晚一日三餐，日出而作，日没而息，早餐后上班，中午休息吃午餐，下午工作后又下班。只要你告诉我他在月球上的准确位置，那么我们在地球上凭月相或农历书就能判断他在月球上的大概生活工作情况。假如他生活在始终面向地球的一面的中心地带，准确一点说就是他生活在月球表面上与地球地心最短连线的一点附近(从三维球体讲就是离地心最近的一点或过此点的经线)，我就可以凭在地球上观察月相已经是上弦月来判断他也许该起床了，因为他睡觉的地方已经是黎明快天亮了;如果在地球上到了农历某个月的十五左右，他也许在吃中午饭了;如果在地球上到了农历某个月的三十左右，只要他不是今天喜欢过夜生活的夜猫子，那么他也许睡得很香了;或者他大概在做晚餐快吃晚饭了，因为月相已经接近下弦月了。当然国人的神洲六号载人探月飞船也完全能证实此观点，但是正宗的、高高在上的科学家们是不会理会的，他们很可能认为是无名小辈出于功利目的的无稽之谈，毫无一点科学研究价值，只会给他们认为的严谨高尚的学术研究添乱而已。他们根本不可能象温家宝总理关心农民(穷人)的经济学一样去关心一个农民的物理学，因为他们没有那份肚量，缺少一颗宽容博爱之心，在这里我是指那些少数自以为是的所谓权威科学家。而且大多数科学家也很难正确对待，因为他们的经历是从小到大都受西方物理学的系统教育，中老年又深入研究，业已形成的传统固有观念会严重制约他们对新思想的接受能力。他们很难以心平气和、公正客观的态度去对待反传统的观念，但愿能得到德高望重、敢于创新、秉持正义、不怕权威的科学家支持，若此乃国之幸、民之福矣。当今物理学界对地球气温季节变化的物理解释只是表面现象而已，其深层物理原因事实上是太阳一一地球公转系统的态矢量变化引起的。距今六千五百万年的上叠纪恐龙灭绝的真正物理原因，事实上就是整个太阳系围绕银河系中心公转所形成的物质波态矢量的变化，引起地球长达二亿多年的气候变化周期所导致的。其公转周期大约是2.4亿年左右，所以再过大约1.7亿年，地球将再现六千五百万年前的气候状况(当然其能量有递减的趋势)，犹地球每年重复的季节气温变化周期一样(地球公转周期也在变慢)。上世纪八十年代，路易斯·阿尔瓦雷斯与其合作者发展的小行星或大陨石撞击地球造成恐龙灭绝的灾变假说是完全错误的。它与当今物理学界流行的宇宙大爆炸膨胀假说一样，是西方物理界崇尚伽利略单纯追求数学描述，放弃物理解释所造成的直接恶果。史蒂文·斯坦利和其它一些古生物学家对生物灭绝的见解是，地球气候的长期变化所导致的。他们的观点是完全正确的，但理由还欠充分。如果加上我的观点，那么就言之有理，出之有据。地球最近几亿年所发生的大规模生物灭绝事件大多与此相关，小行星、大陨石撞击或火山喷发等灾变学说可以休矣。与生物几亿年、几千万年发生一次的灾难相比，火山喷发、疾病温疫、地震海啸、暴雨洪水、陨石撞击只不过是几十、几百、几千、几万年发生一次的地球小灾难而已。但是这种小灾难也足以给整个人类造成重特大的打击，距今一万年左右及距今五千年左右发生的两次全球性大洪水就是明证，沧海变桑田是完全可能的。西方关于诺亚方舟及东方关于大禹治水的传说决非子虚勿有，当今人类的确应该自爱一些，多一些善良正直、宽容博爱，少一些自以为是、狂妄霸道吧!去年的印尼海啸已经给人类敲响了警钟。上述物理解释实质来源于古老东方神秘哲学中的阴阳消长观，用东方神秘哲学语言讲1/2自旋态矢量就是八卦相荡的直接结果。当然它与现代物理学中的迈克尔逊干涉原理相同，所以从本质上讲本文是东方哲学与西方物理学相互融合的结果。东方神秘哲学事实上一点都不神秘，其代表著易经(这里的易经不是指纯粹的周文王所演的周易)，是人类先辈们(包括上叠纪地球主人一一恐龙)仰观于天文、俯察于地理、历尽艰辛，终于达成天地龙或天地人三才合一(天人合一)的境界而著成的，它是先辈们探索、认识及总结自然的智慧结晶。我在《亘古易经》及《杨振宁与物理、易经及天问、农民》两文中已经谈到过，东方神秘哲学很可能是上叠纪地球主人一一恐龙以某种方式遗传于世，经华厦先辈发现、继承并有所发展而形成的。屈原《天问》中"明明暗暗，惟时何为?"之问，事实上就是问阴(暗)阳(明)究竟怎样此消彼长的?也就是易学家们经常说阴阳消长，但是究竟怎样消怎样长呢?没有一个人能清楚的讲出它的物理本源。从以上讨论我们应该知道它与奥伯斯光度佯谬从物理学上讲是同一个问题。孔子在易经系辞中所言，通幽明之故，原始反终，也是同一个问题。杨振宁先生的易经·天人合一思想，阻碍近代中国科学发展的观点纯粹是胡说八道。易经及天人合一思想必将在二十一世纪对中国乃至整个人类的科学发展事业，做出西方认识自然的公理化方法无法比拟的巨大贡献，说远一点它将从根本上拯救整个人类。通过上面的讨论我们必须认识到，物质的固有运动必然伴随其固有的物质波，粒子与波的关系是共存的关系，有粒子必然有波相随，有波也必然有粒子相随，它们是有其一必有其二的复共轭关系。物质波的物理基础是质点振动力学与光的波动力学的完美组合。在这里需要指出，费米子的标准模型事实上是单质子，轻子(中微子、电子)只是由于族群关系披着费米子外衣的玻色子，只有这样光电转换才能成为逻辑的必然，中微子奇异的性质才能清楚呈现。在这里还没有涉及1/2自旋的内部结构一一夸克禁闭问题，我不解释其原因，它们都直接与非阿贝尔正交群SO(10)相关。由于质子受制于最大作用量原理，是真正意义上的绝对封闭定域系统，它既不吸收能量，也不辐射能量，所以它具有非凡的稳定性，它是夸克之间形成的完美色力结果。它有点象物理学家所说的黑洞，光也逃不出来。注意，既然没有东西逃出来，也不可能有东西钻进去。当今物理学界所说的夸克禁闭是不对的，我们永远也见不到单独的夸克，它应该叫作质子禁闭(广义一点叫强子禁闭)，夸克与胶子受制于质子物质波的绝对禁闭。物理学界要利用对撞机打破质子禁闭是永远不可能实现的，对撞机的目的假如仅限于此是纯粹愚蠢的，是对人类物质和精神财富的巨大浪费。核子、原子的稳定性只是质子稳定性的变易形式而已，核力、电磁力不过是色力的残