微觀粒子的波粒二象性 - e-huaxiacom

1、微觀粒子的波粒二象性電子科技大學(xué)（中國 成都 610054）趙常德摘要：本文提出一個關(guān)于微觀粒子波粒二象性的新假設(shè)： 和 。氫原子基態(tài)電子沿圓周的運動與自由粒子的直線運動都是相對慣性運動，與“真空”的相互作用是一樣的，滿足同樣形式的NLSE。其穩(wěn)定解的存在以及能級的分裂說明氫原子光譜線是分裂為二的，這也是泡利不相容原理的根據(jù)。假設(shè)氫原子基態(tài)電子和自由粒子滿足NLSE，就確實能得到亮孤子解。歸一化波函數(shù)絕對值的平方即的物理意義是：單位長度上的粒子數(shù)（粒子數(shù)密度）。利用歸一化波函數(shù)重新定義了微觀粒子的動量密度、能量密度，給出了動量和能量的計算公式，計算結(jié)果確為孤粒子的動量和動能。 關(guān)鍵詞：波粒二象

2、性德布羅意 自由粒子 基態(tài)電子 亮孤子歸一化波函數(shù)光子和電子、質(zhì)子、中子都是微觀粒子，根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)，它們都具有“波粒二象性”。但是，光子的波粒二象性的物理圖象至今沒有建立起來；微觀實物粒子的波粒二象性由德布羅意波的波函數(shù)描述，并配以哥本哈根學(xué)派的概率詮釋和“互補(bǔ)原理”。然而從客觀世界的實在性觀點、從邏輯的自洽性的觀點、從科學(xué)不能止步不前的觀點以及相互作用都是非線性的觀點來看，現(xiàn)今主流物理學(xué)界對微觀粒子的波粒二象性的認(rèn)識，顯然并不是合適的理論。這就是說我們必需在審視近百年來物理學(xué)的波粒二象性理論的基礎(chǔ)上，重新建立光子與電磁波統(tǒng)一（或者不統(tǒng)一）的理論和物理圖象；重新建立微觀實物粒子波粒二象性的理

3、論和物理圖象以及建立起能夠統(tǒng)一光子和微觀實物粒子的理論和物理圖象。本文將對微觀實物粒子波粒二象性的理論和物理圖象給出一個新的觀點。1 微觀實物粒子的新假設(shè)。對于一個質(zhì)量為以速度勻速運動的微觀粒子：假設(shè) 1： 微觀粒子的動能與能量子的關(guān)系： -（1）式中為普朗克常數(shù)，等于。假設(shè) 2： 微觀粒子是一個球量子，在半徑為的球面上作環(huán)繞運動，且角動量守恒，有關(guān)系式： -（2）式中 。根據(jù)假設(shè)1和假設(shè)2，我們就有： ；令 -（3）則又有：和 。這樣我們還可以見到，作環(huán)繞運動一周所走過的周長正好等于一個波長與勻速運動的粒子在這段時間內(nèi)平動走過的距離相等： -（4）假設(shè)1已由戴維遜革末實驗所證實。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)

4、和上述假設(shè)我們有： ， 兩者的誤差僅0.6%；而 可見是的約5000倍。因此德布羅意所引進(jìn)的的相對論的假設(shè)是不符合這個實驗的數(shù)據(jù)的。這個事實首先是由中國學(xué)者江正杰先生揭示出來的。我們的這個新假設(shè)既包含了德布羅意假設(shè)的正確部份又體現(xiàn)了“德布羅意波”所具有的波的一般特性，并且全部符合戴維遜革末的實驗數(shù)據(jù)。更為重要的是它能同時給出微觀實物粒子的“波”和粒子的實在、清楚的圖象。在此基礎(chǔ)上作者和夏烆光先生進(jìn)一步給出了自由粒子的運動方程，確認(rèn)了自由粒子的運動是圍繞一根軸線作螺旋線運動，螺旋線的半徑為，螺距為。因此在氣泡室中所拍到的基本粒子的徑跡（直線或曲線），都因為徑跡儀的分辨率本領(lǐng)不高而未顯現(xiàn)出來，實則

5、它們都是螺旋線。2 自由粒子滿足的NLSE及其亮孤子解2.1 新質(zhì)能關(guān)系式 夏烆光先生在所著廣義時空相對論一書中，應(yīng)用“客觀性原理”和信號傳遞需要占用時間的基本概念，區(qū)分了絕對時間和相對時間，進(jìn)而規(guī)定了絕對速度和相對速度。導(dǎo)出了新洛侖茲變換式： -（5）式中為相對速度，為絕對速度。并且對相對論應(yīng)用最小作用原理的積分，“人為地對積分冠以負(fù)號”進(jìn)行了修正，得到一個新的質(zhì)能公式： -（6）作者認(rèn)為這是一個內(nèi)能公式，如果考慮到我們這個物理空間所具有的絕對黑體輻射溫度為=2.726K 。由于非線性相互作用，微觀粒子與這個物理空間中的真空微粒凝聚態(tài)物質(zhì)間處于熱動平衡狀態(tài)，這樣“相對靜止”的微觀粒子的內(nèi)能則

6、為：；以速度勻速運動的微觀粒子的總能為： -（7）上式括號內(nèi)為內(nèi)能，為動能，（）為微觀粒子與真空微粒標(biāo)量場的相互作用能。2.2 選擇非線性薛定諤方程描述自由粒子的理由首先是因為“真空”不空。只有認(rèn)為自由粒子與“真空”之間有非線性相互作用，才能使這個相互作用抵消使粒子波函數(shù)色散的能量損失（波包發(fā)散），形成穩(wěn)定的亮孤子。其次是亮孤子根據(jù)龐小峰等人的研究，確實具有波和粒子兩個方面的特征，兩者渾然一體。亮孤子的波函數(shù)表明它是一個孤立的行波，碰撞時滿足經(jīng)典粒子的規(guī)律。另一方面它又能按牛頓運動規(guī)律運動，并且具有確定的位置和動量，也有動量守恒和能量守恒定律。這樣孤粒子就不再滿足線性量子力學(xué)中的測不準(zhǔn)原理以及

7、不遵守線性波函數(shù)的疊加原理。最后，自由粒子NLSE中的非線性項可以確定?？紤]定態(tài)情況下的NLSE： -（8）其中其哈密頓函數(shù)的算符為：（設(shè)） -（9）則孤粒子的能量 ，其中即非線性項，對自由粒子。如果認(rèn)為。則可由內(nèi)能式得到： 。-（10）2.3 NLSE具有穩(wěn)定解自由粒子滿足的NLSE為： -（11）如果設(shè)，選利用上述和，方程（11）變?yōu)椋?-（12）（12）式中極值點除外還有： 即 如果令有效勢 -（13）則有：因，則（13）式可作出下圖：這說明自由粒子可處于上圖中 和兩個能量最低的狀態(tài)，此時色散作用和非線性相互作用互相抵消，粒子處于穩(wěn)定狀態(tài)，從而真正成為亮孤子。2.4 自由粒子滿足的NLS

8、E有亮孤子解 在一維情況下，如設(shè)，就可以利用龐小峰給出的函數(shù)法進(jìn)行變量變換而求解，最后得到亮孤子解：-（14）式中為群速，為相速。3 氫原子基態(tài)電子滿足的NLSE及其亮孤子解3.1 物理空間內(nèi)的相對慣性運動 物理空間是指人們借助于各種探測儀器所能觀測到的最遠(yuǎn)距離以內(nèi)的范圍。目前這個范圍大約是以銀河系為中心半徑為130多億光年的區(qū)域。在這個區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)形態(tài)可以分為五個結(jié)構(gòu)層次，亞微觀，微觀，宏觀，宇觀，超宇觀結(jié)構(gòu)。超宇觀結(jié)構(gòu)層次是指以銀河系，本星系群和許許多多超星系團(tuán)中的星系作為基元單位的超級銀河系旋渦。它的半徑估計為510萬億光年，由大約2000億個以上的星系所形成的一個扁平旋渦結(jié)構(gòu)。由于每一

9、個物質(zhì)層次結(jié)構(gòu)都處于旋轉(zhuǎn)之中，因此不存在絕對空間和絕對慣性系，上一個層次的基本單元可以作為下一個層次的參照物，從而成為一個相對慣性系，但它們并不平權(quán)。根據(jù)閆赤元先生的研究，相對慣性運動就是勻速圓周運動。因此，氫原子基態(tài)電子與自由粒子一樣是在作相對慣性運動，都與“真空”發(fā)生非線性相互作用，可以認(rèn)為它們滿足相同的NLSE，即（8）式。3.2 氫原子基態(tài)電子滿足的NLSE有穩(wěn)定解 （8）式即： -（8） 考慮一維情況（設(shè)，半徑固定為玻爾半徑的簡單情形），坐標(biāo)變量沿圓周為，并采用電子的固有時間，則上式變?yōu)椋?對上述方程進(jìn)行穩(wěn)定解的討論與自由粒子的情況完全一樣，基態(tài)電子的有效勢也有兩個能量最低的狀態(tài)，如

10、果再考慮到電子自旋磁矩、電子軌道運動磁矩和質(zhì)子自旋磁矩間的相互作用，則對應(yīng)的兩將有差異，即能級發(fā)生分裂，一個升高，一個降低。 ，即為實驗發(fā)現(xiàn)的氫原子的譜線。 這也是處于激發(fā)態(tài)的核外電子的能級都一分二的原因，還是泡利不相容原理的根據(jù)。3.3 氫原子基態(tài)電子滿足的NLSE及其亮孤子解氫原子基態(tài)電子在設(shè)， ，為固有時間的情況下，沿圓周運動滿足的NLSE為： -（15）對此NLSE采用與解自由粒子滿足的NLSE一樣的解法，最后得到氫原子基態(tài)電子的波函數(shù)為： -（16）上式中， ；其中 ；為電子的群速，為相速 4. 歸一化波函數(shù)的物理意義 自由粒子和氫原子基態(tài)電子滿足的NLSE為（一維情況下）： -（1

11、1） 當(dāng)時，即為自由粒子滿足的NLSE。其解為： -（17）式中，此處（證明見附），它是自由粒子與“真空”間的相互作用能，是該粒子的束縛能。由于未歸一化。設(shè)歸一化波函數(shù)，為歸一化常數(shù)，即有： -（18）而 -（19）文獻(xiàn)（3）指出：自由粒子是以螺旋線前進(jìn)的，其角動量（為回旋半徑）。將和代入（19）式則 -（20）由（20）式可知，積分具有長度量綱，且有約束條件，考慮到上述兩點，假設(shè)： -（21）這樣 故歸一化常數(shù) 有： -（22）即： -（23）又有： 故 則有 -（24）還有： 因 代入式。則 -（25）最后由于具有的量綱，故可定義： 。為單位長度上的粒子數(shù)，即粒子數(shù)密度。對于一個自由粒子則

12、有： -（26）5. 孤粒子的動量和動能5.1 孤粒子的動量密度和動量定義微觀粒子的動量密度為： -（27）則其動量為： -（28）（28）式代入歸一化波函數(shù)結(jié)果為：再代入，及則 -（29）這就是孤粒子的動量與經(jīng)典力學(xué)一樣。5.2 孤粒子的能量密度和動能定義能量密度為： -（30）這樣能量則由下式計算： -（31）計算結(jié)果為： -（32）代入 ， ，則 -（33）這正是孤粒子的動能。從（32）式我們還可以明顯看到孤子波的色散效應(yīng)所引起的能量的散失恰好被孤粒子與“真空”間的非線性作用能所抵消，孤粒子得以穩(wěn)定。附： 因在初始條件下 、 時，粒子的速度為，由及 可知 ，因 故 。參考文獻(xiàn)（1） 趙常

13、德 夏烆光 德布羅意波的物理圖象初探<首屆全國民間科技發(fā)展研討會論文集>2006年3月<發(fā)明與創(chuàng)新>增刊 第229頁第230頁（2） 江正杰 著道路 人民日報出版社 2005年8月 第273頁 第278頁279頁（3） 趙常德 夏烆光 自由粒子運動的軌跡是螺旋線而非直線（4） 夏烆光 著 廣義時空相對論 人民交通出版社 2003年1月 第138頁第145頁（5） 趙常德 自由粒子滿足的非線性薛定諤方程及其亮孤子解 香港新科技2008年第九期 第48頁第56頁（6） 龐小峰 編著 孤子物理學(xué) 四川科學(xué)技術(shù)出版社 2003年3月 第22頁 第98頁99頁 第110112頁（

14、7） 趙常德 氫原子基態(tài)電子滿足的NLSE及其亮孤子解香港 <新科技> 2009年第12期 第27頁第29頁（8） 閆赤元 慣性原理的探討<中國當(dāng)代思想寶庫> 2004年6月 <發(fā)現(xiàn)>雜志社 第127頁第129頁（9） 趙常德 歸一化波函數(shù)的物理意義香港 <新科技> 2009年第12期 第40頁第41頁（10） 趙常德 孤粒子的動量香港 <新科技> 2010年第一期 第29頁第32頁（11） 趙常德 孤粒子的能量香港 <新科技> 2010年第一期 第32頁第35頁Wave-Particle duality of the m

15、icrocosmic particle Zhao-ChangdeUniversity of electronic science and technology of china (Chengdu 610054)Abstract: The paper is devoted to a new assumption of wave-particle duality of the micrcosmic particle: and .the movement of the electron of a hydrogen state along the circle,as the free particle

16、 straight line movement, both are relatively linear motion inertial movements, like the interaction of “void”,so the same NLSE can be applied .the existence of solutions for its stability, as well as the splitting of its energy-level shows that the spectral line of hydrogen atom spilts into two whit

17、h is the basis of the pauli exclusion principle .Assumed that electron in basic state and free particles satisfies NLSE,the bright solution solution thus can be obtained.The physical meaning of the szuare of the absolute value of the normalized wave function is the particle mumber among the unit length (density particle number),the mom-entum density and the energy density of micr