Friday, February 28, 2014

brain01 向动物神经系统外周感受器施加连续的电流刺激,其在神经系统内的传导是生物电脉冲而不是连续的物理电流,这是因为物理电能在神经元轴突末端突触转换为化学能递质,然后通过化学递质与受体间的作用引起下位神经元的电脉冲

向动物神经系统外周感受器施加连续的电流刺激,其在神经系统内的传导是生物电脉冲而不是连续的物理电流,这是因为物理电能在神经元轴突末端突触转换为化学能递质,然后通过化学递质与受体间的作用引起下位神经元的电脉冲


物理空间相变发生论文

摘要物理空间是热力学平衡的能量系统,可以在激发条件下相变并产生量子化能量。自由量子与空间的结合使之以光速运动。自由能量与空间的作用是最基本的物理相互作用,也是其他物理相互作用的基础,是热力学、量子力学、相对论三者统一的基础。时间的方向就是能量运动的方向。黑洞内部空间可能正是自由物理空间。
关键词 空间热力学 平衡相变 量子自由能 相对论 时间熵场 黑洞宇宙统一场
微观物质运动与宏观宇宙运动的自然逻辑关系是不言而喻的,但是作为这两个物理领域的主导理论体系,量子理论与相对论的统一却至今未能实现(1、2)。注意到普遍的物质运动遵从热力学规律,如果相对论和量子理论分别与热力学互洽,它们之间必定统一。
设计一个理想的热力学平衡系统,该系统应当满足以下条件:1、允许在系统内(包括系统边界)随机选择任意多的检测点,点的大小是检测手段可能实现的最小范围(点区域)。2、允许以任何可能方式对“点区域”的能量状态进行检测。3、任意两个不同点的检测结果差异都在检测水平之下。如果检测在任意精细的水平上进行,满足上述三个条件的热力学系统是检测意义上的热力学绝对平衡系统。
因为热力学第二定律要求封闭系统的熵随时间增大,所以同时设计检测意义上的热力学绝对平衡系统在相当长的时间跨度上的熵增也在检测水平之下,该系统即时间意义上的热力学绝对平衡系统。一个检测意义与时间意义上的热力学绝对平衡系统理论上拥有最大的系统熵,系统在获得最大无序程度的同时在大跨度时间内也拥有最大的系统稳定程度。一个长时间保持系统状态不变的、封闭系统的热力学性质接近上述热力学绝对平衡系统。
如果给这个系统输入一个量子的能量,会发生什么?
能量介入热力学绝对平衡系统后会引起悖论。
首先,输入能量在输入点及其附近导致系统能量状态发生改变,偏离热力学平衡,这个小的区域理论上将形成耗散结构。如果这样的耗散结构不能得到适当的反馈而形成稳定的、偏离热平衡的自组织结构,该结构就是不稳定的,它将在第二定律规定的时间方向上因为耗散而瓦解,并且将耗散能量传播到邻近区域。根据设定条件,系统内任意一个区域与其邻近区域同质、同性,耗散能量的涉及区域也会形成耗散结构,然后瓦解。显然,只要输入能量不对系统做功,在足够长的时间内,这样的过程将遍历系统的任意点以及邻近区域,所以该事件可以被视为全系统事件。
现在存在两种可能。一是输入能量弥散至整个系统,最终导致系统内任意点区域的能量增大,系统在相对高的能量上处于热力学平衡状态,属于常态热力学变化。二是系统的稳定性对介入能量发生强烈反应,致使点区域耗散结构瞬间产生又瞬间瓦解,介入能量虽然转变为耗散能量却不能弥散,输入能量不断地进入系统又不断地被系统“反弹”出来。在这种情形下,如果限定输入能量对系统的做功为零,这个能量就将使系统内的点区域乃至整个系统在足够长的时间内偏离热力学平衡,而这种偏离竟然是系统执行热力学第二定律的结果,意味着该定律在某种终极条件下的执行结果是对定律本身的背反。
问题是:我们是否可以在彻底地接受热力学第二定律的同时又能对这样的背反行为做出解释?
热力学平衡系统P0在输入能量e的作用下形成耗散结构Pe,称该过程为系统P0的激发相变。由于耗散结构不稳定,Pe还原为稳定的热力学平衡系统P0,同时释放耗散能量e,称该过程为耗散结构Pe的相变还原。显然,只要不以任何形式对系统P0做功,输入能量e就会经过一个激发—还原过程全部转换为耗散能量。对于下一个激发—还原过程而言,耗散能量与输入能量等价并且物理意义相同。如果系统P0完成一次相变—还原过程所需要的时间是t,只要t充分小,我们将很难注意到相变过程,而只是看到输入能量对系统P0的似乎连续的影响。而如果限定P0的相变只是点区域事件,我们甚至可以认为e对P0的影响以点或线性形式连续存在。
相变对于上述事件在时间轴向上演变的意义在于:无论输入能量是否无限连续,它在系统P0内引起的一系列事件都将被相变“截断”为一个个因果相关但又并非处处连续的激发态耗散结构,每个耗散结构还原时所释放的耗散能量只能是输入能量的量子单位。因此,系统内活跃的只能是量子化能量,而不是连续输入系统的能量流。这种情形与神经系统的生理活动十分类似。向动物神经系统外周感受器施加连续的电流刺激,其在神经系统内的传导是生物电脉冲而不是连续的物理电流,这是因为物理电能在神经元轴突末端突触转换为化学能递质,然后通过化学递质与受体间的作用引起下位神经元的电脉冲。“突触换能器”对于神经系统的意义相当于上面所说的系统“相变”。
接下来,只要系统内一系列因果相关的耗散结构的“串联”方向与外部能量介入系统时的初始方向有关,系统内的自由能(系统有序性构造的标志)就是在矢量方向上运动的量子化能量。
如果绝对热力学平衡系统的稳定性能够对介入能量做出“相变”响应,系统就可以根据单位时间内相变发生的次数—相变频率对介入能量的大小做出评价,或者说该系统内自由能的“量子值”决定于介入能量引起的系统相变频率。
根据设定条件,一个绝对热力学平衡系统的能量状态是无法通过实际测量予以评价的,但是可以用P0表示它的恒稳态的“相”,以Pe表示它的激发态的“相”,根据上面的陈述,这个系统的相变可以表示为:Pe=P0+e,e代表介入系统的单位能量。相变在系统内的传布过程表示为:P0+e=Pe→P0+e=Pe→……→……,只要e不对系统做功(比如被系统边界吸收),相变—还原过程将无限次地重复进行。若将相变传布的矢量性质考虑在内,则有:
P0+e(—)=P(—)e→P0+e(—)=P(—)e→……→……。
如果介入系统的是单一形式的能量流E,相变使得E转变为量子能量的过程表示为:P0+E(—)=P0+me(—)=mP(—)e→P0+me(—)=mP(—)e→……→……,m为系统内的量子数。系统P0对单位介入能量e(—)的大小的响应形式为系统的相变频率f,即单位时间t内的相变次数n,f=n/t,而频率的表达与系统P0的状态函数f(P0)有关。即:e(—)=f(—)•f(P0)=(n/t(—))•f(P0)。表达形式:P0+E(—)=mP(—)e=P0+me(—)=P0+f(—)•f(P0)=P0+(mn/t(—))•f(P0)。因为m、n均为自然数,所以时间是唯一显示系统P0内有序能量运动方向的物理矢量,从中我们可以看到有序能量的“量子值”是如何通过时间与耗散结构在系统P0内的传布方向相联系的。如果时间t变大而n不变,单位量子的相变频率降低,“量子值”变小;反之,如果时间t变小,“量子值”增大。如果e(—)对系统边界做功(为系统边界吸收),则不能继续引起系统P0的激发,耗散结构P(—)e的产生和传布随之终止,时间对于P0没有意义。时间是评价偏离热力学平衡的能量结构在传布方向上单位量子能量大小的物理量。时间具有方向。时间对于绝对热力学平衡系统没有意义。
现在我们已经能够清楚地看到以光量子为代表的、纯粹的物理能量在物理真空(以下简称物理空间或空间)中的基本行为方式。事实上,物理空间是迄今已知的、最稳定的“物质”实体,关于它的稳定性我们无从测度或评价。相反,无论经验还是理论,空间都是我们评价其他物质形式或构造稳定性的物理背景。量子理论认为物理真空是高度无序的能量质体。因此,我们有理由认为物理真空对于任何具体的物理事实都完全满足所设定的绝对热力学平衡系统条件。那么,物理真空是否存在能量激发下的系统相变呢?
实验证实,物理真空具有理想的热力学黑体性质。根据普朗克辐射定律(Planck`sradiationlaw),M=C1λ—5/exp(C2λT-1),热力学温度T可以通过黑体转换为波长为λ的量子辐射能量M。如果将热力学温度视为向空间连续输入的能量流E,E将依照该定律通过物理真空辐射量子化能量,这种转换符合物理空间受激相变—相变还原机制。空间相变机制对于以下基本物理问题具有重要意义。
一.物理空间相变是量子力学理论的动力学基础
1.物理空间相变与海森堡的“测不准”原理
空间相变使得量子在空间中的运动带有或然性。由于相变是局域空间的能量激发事件而不是发生在确定点上,因此每一个激发态耗散结构生成的位置只能是涉及区域一个概率点。如果激发态耗散结构的传布速度为光速,它的每一个激发位置将不能被精确测定,而一旦引入测定激发位置的附加能量,它本身产生的空间激发必然会改变被测量子在传布路径上的空间状态,从而不能客观地得到被测量子的路径位置。空间相变机制符合海森堡的“测不准”原理。
基于物理真空的恒稳态性质,它的系统状态函数f(P0)应该为常数,这个常数就是普朗克常数h=f(P0)=6.626196×10—34Js。就量子的激发位置而言,普朗克常数可能是一个概率值。对于单位量子:e=f•f(P0)=h•f,f—自由量子频率。
2.物理空间相变与自由量子运动的波粒两重性
光量子的空间运动路径是由一系列相变“点”构成的。无论对于空间的“稳态相”还是“激发相”,这条路径都不是无限连续、光滑的,但只要相转换速度充分快,光量子的空间路径就是充分连续的,类似于粒子的连续运动轨迹。然而,相变毕竟是局域空间构造的变化过程,会对邻近区域的空间结构产生影响,并且以波的方式扩散,这就使得光量子的运动同时具有粒子—波动两种形式。其中,光量子在时间方向上的矢量运动是谓“粒子”运动,而相变对周围空间状态的影响是谓波动。根据相变机制,光量子运动的波粒两重性不可分割。称空间对局域相变产生的低能态响应形式为量子场。
这里出现一个问题:如果相变对邻近区域的影响足以使空间结构发生相变,那么一个光量子就会以光的形式在三维空间中没有衰减地扩散,等价于复制出越来越多的光量子本身,违背能量守恒定律。因此,物理真空的相变必定对激发条件提出临界要求,使得相变只能在一个矢量上递进产生,而相变对邻近的其他矢量上空间结构的影响因为不能满足临界条件而形成量子场。这个激发条件本身必须具有单一的矢量性质,它就是光速。光速的时间方向就是光量子的线性运动矢量方向,与确定光量子频率的时间方向同一。即:
f(—)•λ=nλ/t(—)=c(—)(光速),λ—光量子波长,f—光量子频率。
设想物理真空充满随机分布的点。因为这些点在任何位置出现的概率相等,所以物理空间处于热力学平衡的完全无序状态,可视为能量的均质体,它的任何一个充分小的区域P0状态与整体相同。受到介入能量的激发,区域空间的无序点以某种有序的形式排列,形成局部的耗散结构Pe,称这样的耗散结构为“量子结构”,物理真空相变与量子运动的波粒两重性.
为空间的热力学平衡性质所决定,激发区域附近的点也呈现一定程度的有序排列,但不足以产生Pe结构,这样的有序形式即“量子场”。假定“量子场”内每个点平均携带一定的有序能量,随着“量子场”区域的扩大,会有更多的点参与有序能量的分配,而每个点得到的有序能量则减少。所以,以激发区域为中心,相变对附近空间状态的影响随距离增大而减小。
作为一种局域不稳定结构,Pe按照热力学第二定律发生耗散而瓦解,但耗散能量的释放具有方向,引起这个方向上下一个P0区域的相变,如此依次传递,形成量子的光速路径。随着Pe结构瓦解,能量点的分布状态还原至稳态物理真空,对附近空间的影响也随之消除。依序发生的、相变对附近区域三维结构的影响—消退过程构成完整的量子波动,称量子场的传布为自由量子的本征波动。
必须指出,每个光量子能量仅对受激区域的空间相变负责,与附近区域的空间结构变化无关。空间相变引起的波动是由空间的热力学平衡性质所决定的。对于恒稳态物理空间而言,相变不会导致自由量子的能量衰减。原理上,自由量子的单一矢量运动对于维持其在时间方向上的持续存在具有重要的反馈作用,考察自由量子e在恒稳态空间P0中的相变机制可以发现,由于量子结构P(—)e的矢量性质,它对矢量前方空间的影响可以使那里点排列的有序程度高于其他方向,获得在同一能量激发下优先实现相变的较大概率,乃至主导相变的传递方向。也就是说,量子场的有序形式指向量子的运动方向。称量子场有序形式的方向为“量子势”。量子的矢量运动本身以及量子势是量子在空间中持续运动的反馈机制—自反馈机制。正因如此,如果一个光量子恰好通过另一个光量子的本征波动区域,量子矢量方向上的空间状态变化会干扰自反馈机制,它的路径可能因此改变。称自由量子本征波动对其他量子行为的影响为相干波动。相干波动使得自由量子的运动方向不能被准确预测。显示光的波粒两重性的经典狭缝实验是对相干波动的直接证明,也是对量子本征波动的间接证明,其本质则是对空间激发相变模式的证明空间相变以及相变传递的物理实像即自由量子的矢量运动。每一个相变—还原过程等效于一个稳态空间区域从A移动到B,A与B之间的距离就是量子的波长,每个波长对应一次相变。单位时间内量子以光速经过的距离为nλ,nλ/t=f•λ=c,f=n/t。所以自由量子的频率f即单位时间t内量子在矢量方向上经历的相变次数n。
物理空间受激相变产生量子化能量以及以光量子为代表的自由量子的波粒两重性。其中,量子的“粒子”式运动是量子的本征属性,而量子场则源于稳态物理空间对局域相变的低能态响应,反映稳态物理空间热力学平衡的本征属性。自由量子的波粒两重性符合海森堡的“测不准”原理,满足热力学第二定律和能量守恒定律。
二.物理空间相变是相对论的物理基础
空间相变要求物理空间是高度无序的热力学平衡系统,意味着空间是一种实在的、可以与其他物质体系相互作用的能量质体。空间状态可以通过量子的波粒两重性以及单位量子的能量得到反映,因此与时间具有不可分割的联系,符合相对论原理。
量子理论以及相关实验表明,物质之间的相互作用是通过彼此交换被称为介子的一类量子实现的。借用这个概念,我们发现空间的受激相变就是激发能量与稳态空间交换“能量介子”的过程,也就是单位自由量子与空间相互作用的物理形式,只不过被交换的“能量介子”就是自由量子(能量)本身。以下将看到,这一概念是怎样通过相对论得到体现的。假定一个静止物体对一个自由量子的评价由e=hf=hn/t给出,t是系统的静止时间。现在我们要求该物体吸收量子e并且因此以速度v运动。根据相变原理,单位量子的能量反映这份能量与空间的结合能力。经典力学定义物体吸收能量并获得速度增量的过程为物体的加速度a,物理作用力f=a•m。因此也可以说,物体吸收能量获得速度增量是因为该物体吸收了能量与空间的结合力,加速度是物体与空间作用力增大的结果。
假定物体吸收能量e后并没有速度变化,该物体就只能按照爱因斯坦方程e=mc2获得质量增量。无论对于速度增量还是质量增量,e都提供相等的空间结合力,e的等价质量所产生的空间结合力必然等于使物体产生加速度的空间结合力。质量与空间的结合力通过重力加速度表达,即所谓引力场效应,符合广义相对论原理。具体细节上,我们甚至可以发现量子场与引力场的平方反比关系完全一致。
这里存在一个关于狭义相对论的物理现象。静止物体吸收能量e后获得速度v,它的时间将按照洛伦兹变换t`=(t-vx/c2)/(1-v2/c2)1/2发生变化。在相对论速度域(0,c)内,t`t,相对论称之为时间膨胀。运动物体对同一量子的评价由e`=hf`=hn/t`给出。因为t`t,所以e`e,对于静止时间,e`=hn/t`=•hn/t,1,量子的能量增大了。这个结果对于量子的波长表达形式也一样,e`=hf`=hc/λ`,因为洛伦兹变换给出λ`=(λ-vt)/(1-v2/c2)1/2,λ`λ,e`e。结果显示同一能量对于速度较快或质量较大的物体具有更大的力学效能。例如,分别从地球和太阳表面观测远处同一光源的光谱线,太阳处谱线的蓝移程度大于地球。相反,从这个光源处观察地球和太阳同一元素的谱线,太阳谱线的红移程度将大于地球,即爱因斯坦引力红移(3)。根据上面的分析,引力红移效应实际上具有相对论动力学意义。可以说,相对论的本质物理意义在于反映运动系统或质量系统对自由能“作用量”的评价形式。
经典引力作用所遵循的平方反比定律使我们相信,质量物体周围的空间“序型”是与量子场同质的低能态有序构造,可以参与自由量子的自反馈机制并影响光量子的路径方向,构造的有序程度与物体质量正相关。我们可以将光在大质量天体附近的弯曲归因于引力空间的有序程度而不是空间形变,事实上,自由量子的本征波动可能是产生引力平方反比定律、相对论引力红移以及光线在大质量天体附近弯曲等现象的物理基础。将质量物体视为自由量子,该物体附近空间的有序程度因为自由量子的存在而增高,但不足以产生激发相变。量子场以及量子势是量子矢量运动自反馈机制的一部分,因而与时间方向一致。既然物体与空间的结合力等价于自由量子与空间作用力的累计或集合,物体附近空间“序型”的方向应当指向物体,称这样的“序型”形式为“向心性序优势”。显然,“向心性序优势”与定义在物理场概念下的“能量势”的物理内涵完全相同。“向心性序”的优势随空间范围的扩大而逐渐离散,与距离成反比关系。因为入射光的矢量方向与物体附近空间的“序向”一致,量子运动的自反馈机制强化,量子能量增大,波长变短,光谱蓝移。相反,出射光线逆“势”而行,自反馈机制被削弱,量子能量减小,波长增大,光谱红移。当然,引力空间的“向心性序优势”也会通过相干波动原理影响附近经过的自由量子路径,使之内向偏移。
“向心性序优势”是引力空间的本质物理特征,“向心性序优势”的方向与引力空间的时间方向重合,指向物体的质量中心。
引力空间的“序优势”赋予广义相对论效应以实际物理意义。
随着物体质量增大,引力空间的“序优势”逐渐强化。当“序优势”达到空间相变能级时,空间受激生成自由量子并向物体质量中心运动。经过该区域的其他自由量子在相干波动机制作用下改变矢量路径,同样向物体质量中心运动,使得该区域形成黑洞(1、4)。黑洞视界即引力空间的相变临界或亚临界区域。
三.统一的物理相互作用
引力是迄今已知最普遍的物理相互作用。一旦我们发现引力及引力场的物理本质其实只是自由量子与空间结合的一种物理形式,后者的物理意义立即凸现。根据相变原理,空间不再仅仅是包容万物的思想容器,而是一切物质形式赖以构造和运动的物理实体。
A.所有物理运动都是物质系统与物理空间结合的结果。
无论理论、经验还是实验,命题A都无一例外地成立。因为如果脱离空间,一切都无从谈起。一切物质运动都是物理空间事件,一切物理空间事件都必然有空间的直接参与,否则我们无从知晓。
根据命题A,可以直接得到以下推论:
a.物理测量以物质系统与物理空间的结合关系为物质基础。
b.任何物质系统的运动都具有波粒两重性。
c.物质系统之间的相互作用是它们各自与空间作用的结果。
依照质能等价关系e=mc2,宇宙中所有物质构造和运动形式都是能量结构或能量运动的结果,而一旦发现能量的基本单元—量子与空间的结合形式,我们就不再需要除物理空间之外的任何物质实体之间的相互作用,它们之间的相互作用是它们分别与空间相互作用的结果。实际上我们也不可能发现比量子—空间作用更基本的物质作用形式。实验证明,四种基本相互作用中的强力、弱力和电磁力是通过传递明确的介子能量实现的。传递引力的介子尽管没有被直接发现,但是根据相变原理和e=mc2,所有的自由量子都可以成为传递引力的介子,因为它们被物体吸收后以等价质量的形式对重力场有所贡献。
物理空间的热力学平衡性质(即空间的无序状态)使之具有充分甚至无限的几何构造可塑性,可以对任何形式的激发能量做出相变响应并产生相应的自由量子和量子场,产生不同的物理相互作用模式,包括力的强度和力的作用距离,继而产生不同的物质结构形式或体系。上面的分析显示,这样的物质构造过程同时满足热力学、经典力学、量子力学以及相对论的基本原理,而由空间相变产生的自由量子—空间结合关系将成为统一场理论的基础。统一场的物理本质是量子场,量子场的累计或集合构成物理力场。
四.时间之箭
根据相变原理,时间是在定量自由量子的“能值”时引入的,与量子本身的自然运动没有必然的联系。经典力学中,时间只是与评价自由量子能量有关的一个物理测量概念。我们可以利用与空间相变完全无关的时间定义一个自由量子的频率。在这个意义上,时间相对独立于具体的物理事件。但是相对论表明时间具有运动属性,根据物体运动速度的变化而变化。对于系统相变和引力红移效应的分析显示,作为评价量子能量的物理量,时间的方向必须与自由量子的运动方向保持一致并且必须遵循等效性原则客观反映量子能量在不同空间状态下的变化。因此,时间必须具有实际物理属性并且直接参与物理过程。
时间对于绝对热力学平衡系统没有意义。时间就是某种耗散结构存在的标志,而耗散结构必须通过某种运动形式维持其存在。物理真空相变产生自由量子,而自由量子随即因为耗散而还原,这个过程符合热力学第二定律,只是耗散能量在量子势的反馈支持下可以激发下一次相变。所以,自由量子在空间的存在本身就是量子化的,是不连续的。但是对于有限测量精度而言,空间激发态的相转移是充分连续的,我们看到连续的自由量子光速轨迹,时间也因此连续。本质上,时间是能量的有序状态。根据能量守恒定律,能量不会消失,所以时间也不会消失,但只是对于能量的有序状态有意义。能量的有序状态必然要求“序”的方向,就是时间的方向。
根据命题B,可以有以下推论:
a.时间可以转移
能量可以由一种有序状态转变为另一种有序状态,时间也因此可以转移。比如自由量子的能量可以转换为物体的动能或质量,时间的方向也因此指向物体的运动方向或者引力空间“序优势”的方向。
b.时间随耗散结构状态的变化而变化
时间是能量的有序状态,所以状态的改变必然导致时间变化。相对论给出关于物体运动速度或物体质量与时间的关系函数。
c.时间转移与时间延续的关系不确定
对一个有序结构输入能量的结果是不确定的,可能以正反馈形式延续其存在,也可能以负反馈形式促其崩溃。自由量子的矢量方向决定于输入能量的初始方向,而每一次相变产生的量子都是下一次相变的输入能量,每一个相变“点”的位置不能精确预言。
仅仅限于物理真空受激产生自由量子事件范围,如果物理真空恒定,只要自由量子不对其他物质系统做功(自由量子对其自身做功),它将在空间中永久存在。但是如果视物理真空为一个能量系统,热力学第二定律并不阻止自由能量对系统边界做功,结果将导致宇宙膨胀,每一个自由量子都将为此付出代价,能量衰减,光谱整体红移。根据命题A(c),物质系统之间的相互作用将被削弱,包括中子、质子在内的所有基本粒子都将衰变,物质宇宙最终“热寂”。按照这样的模式,时间的方向指向宇宙边界,指向宇宙“热寂”,与引力空间的时间方向相背。现在我们看到宇宙历史上系统引力与系统膨胀是如何关于时间直接对抗的,对抗的结果决定宇宙的命运。公务员之家:http://www.gwyoo.com
宇宙的命运究竟是什么?就是两种对抗力量的平衡。
平衡的方式或许很简单。基于自由量子的相干波动原理,足够强大的宇宙引力可以限制自由量子的活动范围,避免其对宇宙边界做功,宇宙边界将得以稳定。对于边界的外部而言,边界的内部是一个黑洞。当然,这就要求引力空间的“序优势”范围扩展到整个宇宙。一旦如此,自由量子最终会以连续变化的曲率轨迹向宇宙的质量中心运动,宇宙仍然难逃坍缩的命运。
前面已经谈到,物理空间在黑洞视界发生相变,产生的自由量子在“序优势”的作用下以光速向黑洞的质心运动。设想黑洞是一个容积有限的中空球体,它的质心与球心重合。来自各个方向上的自由量子在球心处相遇,它们的本征波动相干,任何微小的对称失衡都将引起量子运动的极大混乱,瓦解能量的所有有序结构并最终实现热力学平衡,物理空间得到还原,时间之箭失去方向。
回顾物理空间的激发相变,可以认为一个独立的激发状态Pe不能作为物理实在,只能用“虚”状态表示,即:Pe•(i)=P0+e。从对称的角度上考虑,如果从P0中取出单位能量e,则有:-Pe•(i)=P0-e。于是得到结果:Pe2=P02-e2,即:P02=(Pe2+e2)。……(1),方程(1)中,物理空间的激发相Pe是一个能量“陷阱”,无论量子能量e有多大,P0保持不变,意味着在任何物理相互作用中,物理空间的状态恒定。即使将宇宙的全部物质作为自由能投入Pe也不会改变物理空间的性质,这也是对物质宇宙与黑洞关系的描述。
那么,黑洞空间需要一个具体的、有质量的“壁”么?试想将宇宙质量放入一个黑洞,它所产生的引力当然足以形成黑洞效应,所谓黑洞空间的“壁”其实与我们熟悉的引力空间没有区别。的确,相对论黑洞极度紧致,甚至不能容纳概念空间,但是相对论效应同时表明,任何一个进入黑洞的自由量子e`=h•n/t`的时间t`都会极大地甚至无限膨胀,量子能量甚至无限增大,相应增加黑洞与空间的作用力,等价于相应的质量增量。根据黑洞的史瓦西半径r=2GM/c2,在保持黑洞效应不变的条件下,充分大的M的增量允许r充分扩大。另外一个例证来自光电效应。如果用相同频率的光照射金属表面,那些运动速度较大的电子应当更容易被击出它原来的位置。
物理真空好比白纸上一些随机散落的点。相变造成某个局部的点以特定形式有序排列(量子结构),附近的点倾向性排列(量子场和量子势),相变还原后这些点回复到原来的状态,甚至没有发生任何可以测量的位移。相变的传递只是点的有序排列方式的传递而不是点本身,譬如电流传递的只是电能而不是电子。特定形式的能量传递特定形式的秩序,物质体系就是相同或不同能量秩序的集合体。外部宇宙的秩序在通过黑洞时被彻底瓦解。
现在我们可以清楚地理解能量究竟意味着什么。所谓“能”就是特定形式的秩序。当这种秩序在确定方向上运动时取得“量”的概念,它的“量”和方向通过时间得到定义。广义而言:时间是反映秩序运动方向和大小的物理量,与秩序本身的状态不可分割。
根据物理空间的热力学性质,方程(1)中空间的稳态“相”和激发“相”可以用系统的“熵”表示:P0=S0,Pe=Se,则:e2=(S02-Se2),其中S0是一个恒量。当|e|0时,S0Se。
这样处理后,量子能量与系统的“熵”联系在一起。较大的|e|拥有较小的Se,能量的有序程度较高。对于能量的累积形式,则可以表示为:S02=Σe2+ΣSe2。若E=mc2=Σe,则S02=Σ(mc2)2+ΣSe2。根据相变原理,量子结构、量子场以及量子“势”都是能量系统有序程度的表达,归结为“场”的有序状态,通过“熵”Sm2=ΣSe2予以量化评价。粒子之间或粒子与量子之间存在“场相干”,产生波动。S02=e2+Se2可以作为物质运动波粒两重性的基本表达形式。讨论:量子理论研究正在逼近物理真空(2),但是可能受到经验以及经典力学时空概念的影响,物理空间至今仍然只是物质存在与运动的载体而不是具有独立意义的物质实体。当然,物理空间无从测量因而无从定义、无从把握的性质也很难被作为具体的研究客体,尽管空间的黑体性质以及相对论表明它是宇宙物质的一部分,至少它参与宇宙的物质过程。另一方面,空间无从测量恰恰反映它完全无序的状态,没有特征,不会主动参与物质运动,这就是它的特征。因为无序,所以拥有充分的、被动塑造的可能。
在热力学平衡的背景上将热力学耗散系统推向极端的结果必定引起相变,这是由热力学平衡系统性质所决定的悖论形式。只要赋予物理空间以适当的张量,好比一方绷紧的水面,相变就会将能量进行“量子式”裁切,量子就会像“打水漂”的石片一样跳跃,同时引起水面的涟漪。称这样的量子为自由量子,它们携带的能量为自由能。自由量子的运动是能量与空间结合的结果,是自由能与空间的结合力“拉动”量子以光速运动。在这里,空间响应速度扮演裁刀的角色,裁切的原则是保证下一次相变的条件,这个条件就是光速。所以自由能的速度只能是光速。
量子结构、量子场及量子势三者共同构成空间相变完整的动力学形式,为“测不准”原理的阐释呈示物理细节。对于解释包括波粒两重性在内的诸多量子行为而言,空间相变是一个十分理想的模型。
“打水漂”的石片的动力并非来自水面,但是量子运动的动力却来自能量与空间的结合力,好比一个人拽着胡子把自己拉动得飞快。换一个角度说,量子通过与空间的结合力对自己做功,做功时产生的“废能”竟然又生成一个相同的量子,相变的传递犹如接力。将这样的怪异与质能等价方程e=mc2放在一起,我们发现广义相对论竟然可以从量子理论的角度上得到简洁而且准确的解释:作为能量的构造形式,质量同时承载着能量与空间的结合力,而引力场则是量子场的累计或集合表达形式。作为回应,相对论通过影响自由量子的时间或空间表达相对论量子效应。相对论量子的能量与物体的速度或质量正相关,也因此与能量对物体的作用效能有关,这一点对于黑洞空间的存在至关重要。没有黑洞视界处的相对论时空效应,就没有自由能的相对论增量,也就不会产生自由能对黑洞质量的相对论贡献,不可能出现史瓦西“解”允许的黑洞空间。物质宇宙的演变会是另外的样子。
根据相变原理,相对论和量子理论分别与热力学互洽,所以两者统一,其中关键在于能量与空间的结合关系。以能量—空间结合关系为基础,热力学、经典引力理论、量子理论以
及相对论可以统一;以能量—空间结合力为基本作用关系,物理相互作用可以实现统一。
能量与空间的结合关系是最基本的物质作用形式。量子场是最基本的物理力场。热力学属性是时间的本质属性,但是作为对热力学在绝对条件下的背反,引力时间与热力学时间构成宇宙最基本的、彼此相背的时间体系。根据e2=(S02-Se2),因为自由量子的能量e在引力场中增大,所以引力场的“熵”Se减小,有序程度增高。黑洞是极端有序的物质构造,但其内部e=0,Se=±S0,是对极端有序的背反。
Se=±S0所展示的对称性意味着什么?反物质?暗物质或其他?
根据命题B(b),时间的基本形式是量子化形式。
直接参与物质作用的空间才是真实的物理空间。真实的物理空间对于完整的自然宇宙是不可或缺的,因为这样才自然。
参考
1.《时间简史》史蒂芬•霍金著,许明贤、吴忠超译,湖南科学技术出版社1996年4月第1版。
2.《时间之箭》彼得•柯文尼罗杰•海菲尔得著,江涛、向守平译,湖南科学技术出版社1995年10月第1版。
3.《狭义与广义相对论浅说》阿•爱因斯坦著,杨润殷译,上海科学技术出版社,1964年8月第1版。
4.《时空本性》史蒂芬•霍金罗杰•彭罗斯著,杜欣欣、吴忠超译,湖南科学技术出版社,2003年2月第1版。
5.《当代物理学进展》魏凤文、王士平、申先甲著,江西教育出版社,1997年8月第1版。
6.《天体物理学》李宗伟、肖兴华著,高等教育出版社,2000年7月第1版。
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拉格朗日方程.虚功原理 与牛顿力学的平衡方程相比较,杠铃时刻要跨过一个 virtual 位移

杠铃
时刻要跨过一个“E)<"’*(”位移


分析力学学习指导_二__百度文库

wenku.baidu.com/view/7d3a2f6d1eb91a37f1115c7c.html - 轉為繁體網頁
2010年12月10日 - 虚功原理是分析力学用来处理平街问题的方程与牛顿力学的平衡方程相比较至少有如以功利用理想约束概念在方程中去掉了约束反力使问题的解法 ...


http://www.iop.cas.cn/kxcb/kpwz/ywjzzl/200908/P020090809434614672617.pdf


! 物理·"# 卷($%%& 年)$ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ’(()**+++, +-./, 01, 12



物理学咬文嚼字

物理学咬文嚼字之二十


准、赝、虚、假


曹则贤


(中国科学院物理研究所! 北京! 3%%3&%


文士既多赝鼎,佳人亦有虚名,





———[清]徐述夔《五色石》


假的,全是假的, 名字是假的,剑法是假的,传说是假的,掌门也是假的,


———宁财神《武林外传》第"4


! ! ! 物理学中表述“ 非真”意思的专有形容词有5-06/)67-89:/;(-0./<0=/20;>?0.67 等,此外时常用到的

还包括19-2(7;?7/(?0@7?;0-8-.72(?7/2(6)-;/9-6,等等, 用这些词构造的物理学名词随处可见,难以计数, 真假难辩

的境界里尤其考验学习者的分辨能力,


! ! 科学是一项追求真理的事业(02 72(7;);/67 ;-2A

2/2= 0?(7; ?01(6(;-(’ 028 :7;/(>),物理学尤为如此,





科学家们浸淫于科学理念中,天长日久一般其自身


会建立起求真的信仰,养成求真的习惯,这也是为什


么科学家在民众的眼里是真理的化身的原因3,

这并不是说科学发展不面临“ 虚”或“ 假”的问题,





非人为因素的虚假、错误是物理学发展时常要面对


的,有时用到“虚”“赝”等形容词来修饰某个名词也


是必须的, 英文物理学文献中涉及的与“假”有关的

词或词头就包括5-06/)67-89:/;(-0./<0=/20;>


?0.6719-2(7;?7/(?0@7?;0-8-.72(?7/2(6)-;/9-6,等

, 具有重要意义的带“准”、“赝”、“虚”标签的物

理学概念俯拾皆是,比如5-06/1;>6(0.5-06/)0;(/1.7


)67-89)0;(/1.7)67-89:71(9;)67-89610.0;)67-89A

B9692)67-89=0))67-89)9(72(/0.:/;(-0. )0;(/1.7


:/;(-0. +9;@:/;(-0. /<0=7/<0=/20;> 2-<B7;,等等,


此外,涉及学术不端行为的词汇有?0.6/?/10(/9280(0

?0B;/10(/92196<7(/1 6-;=7;>,等等, 现择其一二,按照

准、赝、虚、假的顺序,作稍微详细些的辨析, 3! 最近中国社会频频出现的造假案已经到了震撼世界、肆无忌惮

的地步, 极端的案例社会方面的有华南虎造假案、科技方面有






汉芯造假案、文化艺术方面有奥运开幕式上的假唱、工业方面


有三聚酰胺毒奶粉事件, 要命的是,针对这些要命的造假事件

的处理方式都是不了了之, 在这个“除了骗子别的都是假的”的






局部时空中,用中文表达“科学家是真理的化身”显得格外地不


合时宜, ———笔者注


一、C-06/( 准), C-06/ 来自拉丁文,5-06/ D

5-0<’9+06 E 6//?, 此外,5-0,或者5-02A

(-<(量子)、5-02(/(>( 数量)中的的5-02,也都来自


5-0<, C-06/ 的意思是“ 好像是,部分地是”,汉译为

“准”,比较贴近, 所以,5-06/1;>6(0. 被译成准晶,


5-06/)0;(/1.7 被译成准粒子,

C-06/1;>6(0.(准晶),又名非周期晶体(0)7;/98A

/1 1;>6(0., 可见5-06/ 的用法偏向于负面的意思),

周期晶体这个概念最早是薛定谔提出的, 3&FF 年,

薛定谔在其名著《G’0( /6 ./?7?》中试图解释生命遗






传信息是如何携带的问题:“( 信息载体)必须是小


分子, 非晶固体太杂乱无章,所以它( 信息载体)必






须是一种结晶体,但周期性结构又不能进行信息编


码,因此它只能是0)7;/98/1 结构, ”后来发现的HIJ


证明了薛定谔的先见之明,


同平移对称性相兼容的转动只能是! D 3$


"FK 次的转动,其中! 由方程$196$!L !D /2(,


所决定,这是晶体只有! D 3$"FK 次转动轴

的简单数学证明, 但是,对晶体结构研究之前,人们

早已对空间铺排( (7667..0(/92(/./2=)问题进行了详

尽的研究, 注意到任意三角形、正方形和正六边形

(分别对应! D KF")都可以铺满平面而正五边形


·!"!·


!""#$$%%%& %’()& *+& +,- - - - - - - - - - - - - - - - - - 物理·./ 卷(0112 年)0


却不行,这引起了许多人包括开普勒的兴趣& 开普勒






试图用正五边形铺满平面,他得到了许多有趣的铺


排花样,包括整体呈五次旋转对称的花样,但花样中


都会留下空隙& 渐渐地,人们相信想获得具有五次旋

转对称的晶体的努力是徒劳的& 不过,相关的研究也






为几何学增添了不少内容:比如,人们发现一些特定


形状的五边形是可以铺满平面的,当然要放弃五次


旋转对称的要求(图3&


3- 不规则五边形铺满平面的第31 号方案(4*5675)8

9):832;<





然而,人们试图获得五次对称铺排方案的热情


并没有消失& 32;< 年,事情出现了转机,这一年数学

97=85 >8,57:8 提出了一种具有五次对称性的平

面铺排方案,使用的是两种结构单元( ")(8,笔者报告

时总称之为瓦块)3& >8,57:8 的瓦块( ?)"8


@*5"),其边长比同A)B7,*++) 数列和黄金分割数有

& 黄金分割数3& <3/ A)B7,*++) 数列后项与前一

项比值的极限,且3& <3/ C 1& D E D1& D F 1& D,所以会

表现出五次对称并不令人吃惊0& 32/G 年,H!8+!"I

J*, 等人在快速冷却的K( L 4, 合金中得到五次对

称的衍射花样,标志着准晶这种材料的发现.&






后,具有八次、十次、十二次对称的准晶也被合成出


来了(图0G&

- - 准晶态金属合金的成功合成,不仅促进了相关

材料科学的研究,也促进了几何学和晶体学的发展&


研究发现,, 维准周期结构必为一0, 维超空间中周

期结构的投影& 由图0(右图)沿着点线看,正方形的

排列为小大- 小大大- 小大大小大⋯⋯,形式上

(而非数值上)正是每一项为前两项之和& 此为A)I

B7,*++) 序列,正好同五次对称性相关,这构成了一

维的准晶体,而它确实是一个二维正方结构的投影&


, 维准周期结构必为一0, 维超空间中周期结构

之投影的性质,也反映在其倒空间的结构上& 正十二

面体结构K(M’A8 准晶的D 次对称衍射花样需要用


G 个基矢描述,就是这个原因& 也许是基于上述认

识,3223 年国际晶体学会修改了晶体的定义,把晶






体定义为“ 能给出相当地分立的衍射峰的固体”


+5N:"*(:7()O =)P),= !""!#$%&’’( )%"*+!$! O)QQ5*+")7,

#8*R:& 这样,准晶也归入了晶体的范围& 晶体概念






的改变提醒了笔者注意到一件事情:即所谓纳米晶


体表面非晶化的问题,而这可能根本上是误解& 晶体






表面的原子排列需要弛豫,本来就不同于晶体中原


子排列& 当晶体小到纳米尺度的时候,它的表面上的

小面(Q*+8",来自法语Q*+8""8)不再是独立的个体,而






应该从整体上把表面看成一个闭合的曲面(以前人


们关注的都是凸多面形,而现在许多表面为凹面的


纳米晶体也被合成出来了)& 在这些甚至不太规则






的表面上的原子之最小能量构型,可能不具有简单


的几何上的有序性,这是它们被误以为处于非晶态


的原因& 而实际上,这些原子之间的位置同样是强关

联的,应在曲面晶体学的语境中加以讨论D<&





虽说准晶的发现是晶体学、材料学史上的重要


事件,它拓展了晶体的概念和几何学研究范围,但这


项研究似乎还不足以称得上诺贝尔物理学奖( 没有


材料或几何学诺贝尔奖的说法)& 0111 年,其发现者

之一的H!8+!"J*, 被瑞典科学院授予了KJ),7QQ 奖,

此为诺贝尔安慰奖之一&

S’*:)#*5")+(8(准粒子)& 准粒子,又称8(8J8,"*I

5N 8T+)"*")7,(元激发),即将激发态当作粒子体系来

处理(8T+)"*")7, *: #*5")+(8:& 准粒子的思想起源于

朗道的费米液体理论& 基于如下凝聚态体系中观察

到的事实:若系统存在能量为!3


!0





的激发态,则


必存在能量为!3 ! !0 ! " 的激发态,其中" 为一小

& 这样,可以把能量为!3


!0





的激发态看作对应


两个不同的粒子,而能量为!3 ! !0 ! " 的激发态可






看作前述两个准粒子构成的体系,且两个准粒子间


有能量为" 的相互作用(低温时可忽略不计);&






样,就把一个有很多粒子的多体低能激发态问题转


换为了准粒子体系的单体或少体问题了& 可见,每一

种平均场理论就对应着一种准粒子概念& 准粒子






(元激发)是凝聚态物理中的一个重要概念,是少数


能将量子多体问题简化的方案之一& 常见的准粒子

是空穴(!7(8& 一个电子自价带中( 假设共有"






电子)被激发到导带中,在许多时候可以看作是一


个电子和一个空穴(" L 3 个电子造成的等价概念)

的问题,但它根本上还是‘3’个在导带上的电子和

" L 3’个在价带上的电子构成的UI体问题& 准粒






子的概念让人忽略问题原来的多体本质,其过分利


·-,,·





物理学咬文嚼字


! 物理·"# 卷($%%& 年)$ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ’(()**+++, +-./, 01, 12


$! 准晶3245, #67"8, 59:#, ;


的光学显微镜照片显示同正十二面体对称性相对应的外形( 左)和十次对称准晶<.;$ =/$% >:#


的电子衍射花样(中)8, 右图为一个二维周期,结构单元为一大一小两种正方形的拼接,沿点线的投影构成一维准晶


用容易导致偏颇的理解,应保持适当的警惕,


有必要区分两类元激发, 一类称为准粒子,对






应一个同系统内许多其他粒子( 可能是不同类的)


相互作用的单个粒子;另一种是对应系统集体模式


的激发态,比如声子( )’:2:2)、等离基元( ).0?@

A:2)、自旋密度波(?)/2 BC2?/(D +0EC?),等等, 准粒

子包括):.0F:2( 极化子,电荷同声子的耦合),):@

.0F/(:2(光子同声子的耦合, 汉译电磁激子,属于典

型的不知所云!),CG1/(:2( 激子), 以笔者的理解,


CG1/(:2(电子H 空穴)实际上是所有电子的集体效

, 空穴似乎不能算是准粒子,如果单看空穴,它同






上述两种情况都不完全符合,空穴的最佳比喻为液


体中的泡沫, 实际上,泡沫常被用来形象地解释准粒

子的概念,当然有失偏颇, 准粒子的用法比较含糊,






有人用来指同集体激发模式相区别的激发态,有人


用来指同“FC0. )0F(/1.C”相区别的粒子性行为, 而后

一种意义难免又同)?C-B:)0F(/1.CE/F(-0. )0F(/1.C

成混淆,

! ! 二、I?C-B:(赝), I?C-B: 作为形容词的意思是假

的、装模作样的、不可信的意思, 作为名词,特别是指装






知识分子模样的人,所谓的“猪八戒戴眼镜———硬充知


识分子”, 所以,其汉译为“赝”,也挺文绉绉的,当然它

也被译为假、伪, 但中文里所有假充的东西都称为赝

,《韩非子》载:“齐伐鲁,索镵鼎,鲁以其赝往, 齐曰:

雁也, 鲁曰:真也, 古乃以雁为赝,亦借用也, ”可见以赝

品蒙事的事情古已有之, I?C-B: 作为前缀的常见词有


)?C-B:2DA(假名、笔名)、)?C-B:10F)(假果)、当然还包

)?C-B:?1/C21C(伪科学), 研究者要关切的有)?C-B:@

)F:J.CA,意同近期流行的“伪命题”, 比如科学上玻尔






兹曼没能解释熵的增加,所以产生了伪命题“时间箭头


是熵增加的结果吗?(K? (’C 0FF:+ :L (/AC 0 1:2?C@

M-C21C :L C2(F:)D /21FC0?C?)”#, I?C-B: 作为前缀的物

理学名词包括)?C-B:)0F(/1.C)?C-B:):(C2(/0.)?C-B@

:EC1(:F)?C-B:?10.0F)?C-B:J:?:2)?C-B:).0?(/1 L.-@

/B?,等等,真个是琳琅满目的赝品商店,

I?C-B:).0?(/1 L.-/B?(赝塑性流体), 赝塑性流体,






即剪切变稀流体,其粘滞系数随剪切速率的增大而


减小, 番茄浆、米粥、油漆都是这种流体, 油漆的


)?C-B:).0?(/1 性质是必须的,既方便静态存储,又容

易涂刷, 与此相反的是B/.0(02( L.-/B?,即剪切变稠流






体,其粘滞系数随剪切速率的增大而增大,水泥浆、


浓淀粉粥就是这样的, 一根细棒可以慢慢地插入这

种流体,但是速度快了就不行, 这种搅拌或剪切变稠






的流体,有非常重要的应用,比如可以用来做防弹


,

I?C-B:EC1(:F(赝矢量), 经典力学的重要假设






是力学的问题可以限制在二阶微分方程的层面上讨


论,且位移和速度是矢量(笔者多罗嗦一遍,矢量的


表示很少有书弄对的),记为! ", 由此可构造两

个有意义的力学量,即动能"·" 和角动量! N "


(忽略其他量或系数), 在许多书中,角动量! N "

含混地称为矢量,但其实它不是, 考虑到矢量在坐标

系作反演后应有#!" O # 的性质,显然,坐标系反

演后! N " 保持不变, 鉴于此,人们就将之称为<G/0.

EC1(:F (轴矢量,强调其手性)或)?C-B:EC1(:F( 强调

其同矢量的不同), 但是,仅仅将! N " 之类的量称

)?C-B:EC1(:F 无助于对它们的理解, 可以说,这个






含混的概念很大程度上妨碍了人们对基础电磁学哪


怕深入一点的学习, >./LL:FB 代数的语境里,它被

称为J/EC1(:F,对应两个矢量的外积或叉乘, 同样可

以对一个J/EC1(:F 和一个矢量定义内积和外积:内

积退化为一矢量,而外积产生一个(F/EC1(:F, 基于


>./LL:FB 代数和四元数(M-0(CF2/:2)语法的经典电磁

学,是一幅赏心悦目的图景, )?C-B:EC1(:F 相联系

的还有)?C-B:?10.0F)?C-B:(C2?:F,等等,此处不作

深入介绍,

I?C-B:)0F(/1.C( 赝粒子), I?C-B:)0F(/1.C,也写

)?C-B: )0F(/1.C,似乎与粒子或粒子体系的激发


·#"!·





物理学咬文嚼字


!""#$$%%%& %’()& *+& +,- - - - - - - - - - - - - - - - - - 物理·./ 卷(0112 年)0


.- 电子、空穴的运动可同管中玻璃球的运动相比拟&(左图)电子(单个地看待)向右运动;(中图)

多个电子向左运动,等价的效果是一个空位向右的运动& 在固体里,这个空穴可被赋予一个带正电荷

的准粒子的身份& 气泡的上升就是(部分)水受重力下降的效果(右图)

3- 油漆,典型的赝塑性流体,其剪切应力同剪切速率的关系






如右图


态无关,更多的是一个数学概念,这可从“ 基于用


‘真’的空穴态和‘赝’粒子态对场算符展开的方法


45"!67 8*957 6, "!5 5:#*,9)6, 6; "!5 ;)5(7 6#5<*"6<

’),= "!5"<’!6(5 9"*"59 *,7#95’6#*<")+(5

9"*"59)”这句话看出一些端倪& >95’6#*<")+(5 的一个

例子为瞬子(),9"*,"6,),是关于?*,= @ A)((9 场论






的虚时间非线性场方程的解,据说携带量子隧穿的


信息& 瞬子解是拓朴非平凡的& 第一个瞬子解是在四






维球空间中得到的,具有时空局域的特征,这也是其


被命名为#95’6#*<")+(5 的原因& 这一点,倒是同


96()"6,0相似,这也是),9"*,"6, 96()"6, 会被放在一

起讨论的原因2& 其他的#95’6#*<")+(5 还包括


#645<6,6775<6,,笔者不明所以,所以不敢妄议&


0- B6()"6, 最先是作为一种浅水波被发现的& 这个词被汉译成孤立

子是天大的误会& 我猜想部分地是把其词源96()"*<C( 团结的、结

实的、稳定的)误认为是96(5 所造成的,或者干脆就是望文生

义,容另议& —笔者注


三、D)<"’(( 虚)& D)<’( 来自拉丁语E)<"’()9


E)<"’,是“力量”的意思& D)<"’(,按字典的解释,85F

),= 9’! #<*+")+*((C 6< ), 5;;5+"*("!6’! ,6" ), *+"’(

;*+" 6< ,*45D)<"’((C), 5;;5+"*("!6’! ,6" ),

;*+";6< *(( #<*+")+*( #’#6959),强调的是“虽然不是

事实,但确实达成那样的效果”的意思& D)<"’( 不是






秦桧的“莫须有”,恰是看似没有而实际效果上却好


像有似的!比如,E)<"’((C )75,")+*(,就是足以达成

“全同的”效果的& 这样看来,把经典光学里的E)<"’(

)4*=5*, 6#")+*( )4*=5 ;<64 %!)+! ()=!" <*C9 *##5*<

"6 7)E5<=5*("!6’! "!5C *+"’((C 76 ,6" #*99 "!<6’!

"!5 )4*=5& )简单地译成汉语“ 虚像”就损失了点内

& 这一点,在E)<"’( %6<G 这个词的使用上得到了

充分的体现&

D)<"’( H6<G( 虚功)& 笔者在大学里用中文学






“虚功”时,就是以“ 虚”字为基础理解这个概念的


(但愿只我一人如此),好像有些误解& 看看一个举






重运动员将杠铃举过头顶,凝聚气力的时候( 此时,


可按照平衡态处理,外观上没有任何实际的运动),


实际上就是“虚功原理”在发威的时刻& 尽管他没做

功,但他确实在咬牙保持着一个不舒服的姿势& 杠铃

时刻要跨过一个“E)<"’(”位移,肌肉有用力的感觉&


他流汗、他燃烧能量,只为阻止这“E)<"’(”位移变成

<5*(”位移砸到脚(见图I& 这类的虚功,不断地被

坐实,让我们感到吃力(⋯⋯& J" )9 "!)9 96<" 6; E)<"’(

%6<G+6,"),’((C 4*75 <5*("!*" 5:#(*),9 6’ 5:5<F

")6,9K1H)(+L5G 作为诺贝尔奖得主对物理概念

的理解就是高& 虚功原理是M5*, (5 N6,7 7OP(5485<"





为分析静力学提出的,但也可用于动力学体系、刚体


和形变体系的分析,M6!*,, Q5<,6’() R*,)5( Q5<F

,6’() 都曾在其拓展和改进方面作出过贡献&

D)<"’( #*<")+(5(虚粒子)& 在计算粒子散射振






幅的时候,会用到一些复杂的积分,可形象地用费曼


图表示( 费曼图已是量子电动力学计算的重要技


术)& 比如,图S 示意的是简单的二体碰撞过程:一

个(实)粒子的动量由!K


变成了!K @ ",另一个(实)

粒子的动量由!0


变成了!0 T ",中间过程可看作交

换了一个粒子,这个粒子就是个E)<"’( #*<")+(5,意思


·#"!·





物理学咬文嚼字


! 物理·"# 卷($%%& 年)$ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ’()**+++, +-./, 01, 12


3! 虚功?你来试试?





是虽然不是实的(比如没有直接的观察),但确实有


这样的效果, 具体地,如果是两个通过电磁相互作用






碰撞的电子,则那个虚粒子应该是个光子;而在中子


衰变过程中,则是4 子(光子、4 子是确实的、身份

明朗的个体存在,所以5/6(-0. )06(/1.7 既不是)87-9:

;)06(/1.7 也不是<-08/)06(/1.7, 虚粒子既可以是玻

色子,也可以是费米子,


=! 通过交换单粒子的散射过程的图示





在量子力学的语境里,形式上粒子是粒子数算


符的本征态,所以,在许多情况下,粒子数不是守恒


的,而是遵从概率的分布, 由于这可理解为粒子没有

永恒的存在( 想象光子的吸收和发射),故称为5/6:

(-0. )06(/1.7,或称为真空涨落, 据说,5/6(-0. )06(/1.7


存在的证据是>08?/6 力的验证,笔者虽自@&&3






开始起努力理解这个概念,并关注了其理论推导和


实验验证,但未敢轻易相信, 一些物理学家赋予了


5/6(-0. )06(/1.7 许多特权,比如无须满足能量关系


!$ " #$ $$ % &$ $A,甚至无须满足能量守恒, 因为,据

说,根据所谓的海森堡时间B 能量不确定性原理,在






很小的时间段里,能量的不确定很大,足以满足任何


数值的能量守恒要求, 笔者一直在传播这样的观点,

即:并不存在所谓的时间B 能量不确定关系式;而






且,退一万步来说,即便存在,也不保证或允许这样


的使用@@!这种用不确定性原理为幌子的所谓可

暂时违反能量守恒的想法( (’2C/2D /2 (76?8 ;E (7?:






);606F 5/;.0(/;2 ;E 7276DF 1;287650(/;2 -2976 1;576 ;E


(’ -2176(0/2(F )6/21/).7),与其说是思考,不如说是






搪塞!这个世界上确实有许多物理现象我们还解释


不了,但胡乱解释并不有助于对问题的解决,


<-08/)06(/1.75/6(-0. )06(/1.7 这些词,笔者得

到一个印象似乎同它们相比,电子、质子之类的670.

)06(/1.78(光子也是)是更实在的存在, 但这印象似乎

只是幻象, 一个粒子的实在性难以经受相互作用的






考验,随着相互作用能量的增大,粒子逐步失却其作


为个体可/972(/E/0G.7 的刚性( 6/D/9/(F),一步一步地

退缩,最后所有的只是一个“ E;6?@$,能量的携带

, 从这个意义上来说,670. )06(/1.7 <-08/)06(/1.7


5/6(-0. )06(/1.7 并不具有更多的实在性,


四、H0.8/E/10(/;2 H0G6/10(/;2⋯⋯( 假), 上述提






及的准、赝、虚之类的概念,不论对错,都是物理学中


实在的内容, 还有一类虚假的东西,是物理学发展过






程中未能避免的人为造假,包括虚构事件、伪造结


果、篡改数据等等, 科学上造假的事件比比皆是,物






理学领域也不能免俗;这种事情不仅多,而且有些在


物理学史上还闹出很大的震动———在这个方向上想


创新到令人发指的程度已经不容易了, 随手举几例

以飨读者,


"! 如果有别样的长程作用,就不是我们现在认可的引力了,所以


I7DD7(( 在此处用的是(0))0672(D605/(0(/;20. ?088, ———笔者注


A! J972(/10. 可不仅仅是数值相等, ———笔者注





第一类一般称为“ 数据整容手术”,同“ 测量迷


信”有关, 笔者注意到,许多人迷信物理学是一门实






验的科学,而测量,精确的测量,是验证物理理论的


强证据,甚至有人认为是唯一的证据, 因此,文献中

经常有测量精确到小数点后多少多少位的说法,

实,测量的精确与否,真不值得在@% B @& 的误差水平

上较劲, 对于一个整数“”,粗略如@, #K 这样的测

量值就可以确定它是“$”( 相互作用力常采用形式






中的距离的幂指数);而关于两个质量不同的物体


是否“同时”落地这样的逻辑判断,两个测量到的下


落时间在小数点后#%% 位上才出现误差你一样可以






认为是“不同时”的!现在来看看“ 有什么理由认


为电中性的物体间唯一的长程作用是引力”的问


题,或者说“ 有没有可能存在对质子和中子来说不


一样的长程力”的问题, 这个问题从实验角度来说

等价于惯性质量和引力质量( 0))0672("是否是等

同的A问题, 关于此问题,匈牙利物理学家I;6L29


·#"!·





物理学咬文嚼字


!""#$$%%%& %’)& *+& +,- - - - - - - - - - - - - - - - - - 物理·./ 卷(0112 年)0


34"546 男爵及其同事为研究此问题作了一系列的实

& 7200 年发表的文章里,他们宣称在71 8 2 的精

度上引力质量与惯性质量之比与具体物质无关&


7200 年这个年头,这当然是爱因斯坦的广义相对论

所期待的结论& 此后91 余年的时间里,人们也是这

么相信的& 然而72/9 年,经过重新分析男爵大人的






数据,人们发现对不同物质所获得的比值,其系统误


差远远大于他所宣称的精度& 基于其数值,更合适的

结论是存在对质子和中子来说不同的引力7.!这






里男爵大人是信口开河,所宣称的数据就不是实际


得到的数据,算:*"* ;*<=)+*")>,& 仔细一点的研究者,






会对数据挑拣或加以修饰,英文称为对数据做整容


手术(?>6@A")+ 6’BA=C& 这样的例子有密立根的油

滴实验& 7/2D 年,E& E& F!>@6>, 在阴极射线中发现

了一种带负电的粒子,即后来的电子& 如何测量,毋

宁说是确立,电子电荷的值就成了紧迫的研究课题&





密立根设计了一个非常巧妙的实验,即研究电场中


带电油滴的运动,来确定电子的电荷G& 密立根宣称

他得到了精确的测量值& 实际上,( 部分地)因为这

项工作,密立根获得了720. 年度的诺贝尔物理学






奖,且他给出的值在相当长的时间内是其他实验者


要往上凑的数& 到了72D/ 年,科学史家HA=*(: I>(J

">, 经过研究指出,密立根无缘由地去掉了一些看来

有较大偏差的值& 虽然这不能否定油滴实验的意义,






但确实是对数据做了些整容手术,而这也是学术不


端行为&


G- 这个实验远不是如许多文献中所说的那么简单& 实际上要得到

可靠的数值,这个实验的过程后来变得很复杂& 关于这个实验

还有一个笑话,是011K 年度诺贝尔化学奖得主L*("A= M>!,

授来访时自己在饭桌上讲的& 他获得诺贝尔奖的当天早晨在配






合电视采访装模作样走过校园时,被两个化学系的女生拉住他


问是否可以向他请教一些化学问题& 而所谓的化学问题偏偏是


N)(()B*, 油滴实验,算是就救了他的命& 倘若是随便问个什么有

机反应的问题,他可是一窍不通& 而一个诺贝尔化学奖得主对

简单的化学问题都不懂,很可能成为当天的新闻头条& ———笔






者注


D- N)(()B*, 油滴实验是一个“ 被人无数次重复,但却很难做

成功的”实验& 重要的是,有几人明白其关键处?





第二类是力图制造轰动效应但却可能确实是因


为不懂,属于“无知者无畏也无所谓”型的& 典型事

例之一是美国橡树岭国家实验室的F*(AC*=O!*,

称实现了泡泡核聚变(P’<(A ;’)>,,又称6>,>(’)J

,A6+A,+& 他把一瓶氘化丙酮( :A’A=*"A: *+A">,A






置于高频强声波场中,由此引起的泡泡随声波收缩


和膨胀& 理论家曾预言在足够小的球体内压缩引起






的冲击波能造成足够高的温度和压力,可以驱动氘


核的聚变& F*(AC*=O!*, 就奔着验证这个预言设计了

他的实验,并且宣称得到了肯定的实验结果& 结局是

他遭到了学术不端的指控,受到了聘任单位的处分&


F*(AC*=O!*, 在对他的调查的回复中写到“ 关于

这个故事有更多的待披露的内幕”( "!A=A )6 @’!

@>=A "> "!)6 6">=C "!*, @AA"6 "!A ACA6*,: "!A ;’(

"=’! %)(( !*5A "> +>@A >’ 6>>,),似乎有些不服7K&


例二是72/2 年美国犹他大学的Q"*,(AC R>,6


N*="), S(A)6+!@*,, 宣称用钯电极电解水的实验中

观察到了冷核聚变,P=)B!*@ T>’B 大学物理系的


Q"A5A, 3*=( E>,A6 也在U*"’A 杂志上发文宣称在固

体中观察到了冷聚变7G& S(A)6+!@*,, R>,6 原来

商定于. 0K 日在机场会面,同时把稿件发给U*J

"’A,但犹他大学的哥们食言而肥提早一天把稿件

寄给了E>’,*( >; 3(A+"=>*,*(C")+*( ?!A@)6"=C79& 当然

冷核聚变最后被证明是假的7D& 这两件轰动事件的

共同点是三位主角都不是物理学家(F*(AC*=O!*,






工程师,后两位是化学家),但物理学家们且慢为此


感到欣慰& 冷核聚变刚宣布,全世界许多正宗物理学






家到处去买钯电极,一时间金属钯比洛阳的纸还贵,


U*"’A 杂志上也发表了许多相关文章,相当多的

作者宣称他们也证实了冷聚变的发生& 所以,事件

落幕的时候,德国H*=+!),B 马普天体物理所的一位

科学家评论到(大意):“无需多指责这两位化学家&


这个事件唯一能说明的是,世界上/GV 的物理学家

实际上根本不懂物理&

第三类是明知故犯的造假,从研究内容到数据&


最厉害的要数本世纪初的E*, IA,:=)+O Q+!4,& 这位






仁兄自德国博士毕业到美国工作的短短几年间,据


不完全统计,共在Q+)A,+A U*"’A 等杂志上造假文


·#"!·





物理学咬文嚼字


! 物理·"# 卷($%%& 年)$ ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ’()**+++, +-./, 01, 12


34 5, 其量之大,其对研究界之忽悠度,其发表

之容易,连61/7217 主编在为杂志辩护的时候都无法

自圆其说, 61’2 的文章发表时在世界范围内引起






了很大的轰动,他本人迅速窜红成了国际上的学术


明星, 但不幸的是他生在德国,犯事在美国,不仅美






国的实验室解除了他的研究职位,德国康斯坦茨大


学还收回了他的博士学位4, 61’2 造假论文涉及的






内容是凝聚态物理、分子电子学等领域的前沿研究


课题,真假难辩,这也是他能得以发表那么多的原


, 一般读者可能不易理解他文章的内容,笔者曾

模仿61’2 的路子,制作一篇搞笑论文(图#),读者

诸君或能对61’2 事件之严肃的滑稽获得一些感性

认识,


#! 有感于902 :72;</1= 61’2 行为,笔者制作的搞笑>0(-<7





论文“第一例男生宝宝:产科学的革命”


5! 应不止这个数,$%%% ? $%%" 年之间就有$@ 篇之多, 我印象中的

数据是61/7217 >0-(<7 34 篇,ABC D 篇,ABE $ 篇,FAC 超过


$% , 因工作量太大,待日后有时间再仔细分析,请读者原谅此

处的不精确, ———笔者注


4! 自德国大学获得博士学位者,若其日后品行不端,有违学者或






公民应有之义,比如学术不端或有犯罪行为,学校有权收回其


学位, ———笔者注


! ! 以上举出了一些较著名的“虚假”物理学事件,





跟这些物理学史上著名的造假大事件相比,未能弄


出可以贴上物理学标签的泡泡的造假事件要多得


多,没人提起罢了, 学物理的人,在学习的过程中应






该多加些思考,不是“ 不可尽信书”,而是要努力培


养自己的辨别能力,所谓“常将双眼秋水洗,一生不


受古人欺, ”留在物理学框架中的所有内容最终都

需要被从实验上或逻辑上证实的, 那些错误的、虚假

的内容最终都会消失掉, 韩愈《酬隹少府》所描述的

“居然见真赝”式的颠倒黑白只是暂时性的, 曹雪芹






的“假作真时真亦假”说的是社会上“ 劣币驱逐良


币”的无奈,在物理学上却不会,这大概是物理学迷


人的地方, 从这个意义上来说,如果能有机会成为真






的物理学家,多好!


参考文献


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/IO, T0OK</;H7T0OK</;H7 J2/V7<I/(P A<7II3&&5


3"! C7HH7(( F 9, G’ A<MK.7OI Ma A’I/1I, bcaM<;bcaM<; J2/V7<I/(P

A<7II3&#4, @"


3D! C7V/ E S, A’I/1I GM;0P$%%#33$#


3@! 9M27I 6 W !" #$, >0(-<73&#&""#4"4


35! Z.7/I1’022 NAM2I 6, 9M-<20. Ma W.71(<M020.P(/10. T’O/I(<P


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34! C7+/I > 6 !" #$, >0(-<73&#&"D%@$@


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