7、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)電磁波輻射理論的質(zhì)疑

1、7、經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)電磁波輻射理論的質(zhì)疑1881年，J.J.Thomson在哲學(xué)雜志上發(fā)表一篇論文論電體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電和磁效應(yīng)，文中根據(jù)Maxwell的電磁理論，提出一個(gè)運(yùn)動(dòng)的帶電物體的（引力）質(zhì)量隨速度的增加而減小，因而第一次提出了電磁質(zhì)量的概念，但是這一現(xiàn)象與狹義相對(duì)論顯然矛盾。假設(shè)在一個(gè)強(qiáng)引力場(chǎng)中有兩個(gè)物體，一個(gè)不帶電荷，另一個(gè)帶有電荷，它們的引力質(zhì)量相等（較小，它們之間的引力作用可以忽略），分別位于A、B兩點(diǎn)，觀察者處于強(qiáng)引力場(chǎng)中，兩個(gè)物體同時(shí)由靜止出發(fā)相向運(yùn)動(dòng)，它們所受的力相等。按照狹義相對(duì)論，它們的引力質(zhì)量在任何時(shí)刻都相等，引力能量相等，可是由帶電的物體將不斷地輻射電磁波，那么能量從何而

2、來(lái)？如果能量守恒把物體輻射的電磁波考慮在內(nèi)，由于電磁力滿足宇稱守恒,因此輻射電磁波的總動(dòng)量應(yīng)當(dāng)為0，由帶電的物體速度應(yīng)當(dāng)大，能量仍然不守恒?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：同一能級(jí)內(nèi)做加速運(yùn)動(dòng)是同一能級(jí)的電子交換能量，不能引起輻射電磁波；若躍遷（在加速且不在同一能級(jí)）加速運(yùn)動(dòng)的電荷能夠輻射電磁波。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)并非總是認(rèn)為加速運(yùn)動(dòng)的電荷能夠輻射電磁波，比如電荷在穩(wěn)恒磁場(chǎng)中受洛倫茨力的作用作加速運(yùn)動(dòng)即勻速圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)帶電粒子并不向外輻射電磁波。復(fù)旦大學(xué)博士生導(dǎo)師辜英求教授認(rèn)為：經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)中點(diǎn)電荷模型成立的條件是：考察電荷運(yùn)動(dòng)的尺度遠(yuǎn)大于電荷本身的尺度。而在原子尺度內(nèi)，電子已不能看成點(diǎn)電荷了，所以不能用經(jīng)典模型

3、，而必須用場(chǎng)分布模型。現(xiàn)在的量子理論主要處理場(chǎng)的本征態(tài)，所以帶有很強(qiáng)的代數(shù)特點(diǎn)，因此流行的觀點(diǎn)認(rèn)為微觀過(guò)程是離散化的（量子化）。物質(zhì)是4維存在，其性質(zhì)只有用分布場(chǎng)量來(lái)描敘才是完整的。只是因?yàn)楸菊鲬B(tài)之間的躍遷過(guò)程很短，而本征態(tài)只涉及代數(shù)問(wèn)題，比連續(xù)方程容易求解，所以關(guān)于微觀粒子主要發(fā)展了量子理論。但這是不徹底的，我們甚至不知道質(zhì)子和電子是什么東西，也不知道Pauli不相容原理的原因是什么。在物理界大家信奉Feynman的'少說(shuō)話，多計(jì)算（Shutupandcalculate）'的政策，只會(huì)計(jì)算，但沒(méi)有人能解釋清楚量子的本質(zhì)。這多少有點(diǎn)自欺欺人，因?yàn)榭茖W(xué)的最根本目的是理解大自然的工

4、作原理，而不是搞一個(gè)知其然而不知其所以然'的理論。只有當(dāng)我們改變磁場(chǎng)大小，電荷被迫作徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)才做功向外輻射電磁波。這個(gè)經(jīng)典圖像可以作為理解原子的核外電子為何只是在能級(jí)躍遷時(shí)才會(huì)發(fā)射或者吸收光子。等勢(shì)面的環(huán)路積分為零，是保守力場(chǎng)，無(wú)能量損耗，無(wú)論是天體的開(kāi)普勒運(yùn)動(dòng)，還是同能級(jí)的電子運(yùn)動(dòng)，都是這樣。但電子在加速器中的回旋運(yùn)動(dòng)，是非保守力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，其加速獲得的能量和電磁輻射（同步輻射光）的能量都來(lái)自于加速器。定態(tài)的量子力學(xué)并不明確闡述電子是否在同一能級(jí)內(nèi)做加速運(yùn)動(dòng)。其實(shí)不要任何其它假設(shè)，只需海森堡的一個(gè)假設(shè)即測(cè)不準(zhǔn)關(guān)系，也可以很好地詮釋氫原子的穩(wěn)定性。根據(jù)t三h/2,穩(wěn)定的氫原子能級(jí)沒(méi)有躍

5、遷時(shí)有穩(wěn)定能級(jí)，表明E=0。這就意味：=8。氫原子的穩(wěn)定性和時(shí)間變化無(wú)關(guān)。這些都說(shuō)明了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的局限性。在同一能級(jí)內(nèi)作加速運(yùn)動(dòng)的電子，很可能處在電磁“輻射”與“吸收”的動(dòng)平衡之中。雖然在總體上并沒(méi)有表現(xiàn)出電磁輻射的存在。在加速器中運(yùn)動(dòng)的電子都要輻射,但輻射頻率是連續(xù)的,有各種光子.在原子內(nèi)只能輻射特定的光子.自由態(tài)的額電子可以發(fā)射各種頻率的光.從電磁輻射這方面來(lái)說(shuō)，電子在做圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，有一個(gè)加速度：徑向：a=mv2/r,切向：a=mdv/dt,根據(jù)麥克斯韋的經(jīng)典電磁理論，可知電子在運(yùn)動(dòng)中將輻射出電磁波，從而損失能量，這種能量的損失叫做輻射損失，當(dāng)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，輻射的功率等于：p=4

6、.22*10e-24*E'4/R,上式中的p的單位為eV/s,E是電子的能量，單位為eV,R是軌道的半徑，單位為米，電子回旋一周的能量損失為:W=8.85e-32*E'4/R，從上面可以看出，電子的輻射損耗隨電子能量的增加而迅速增加。1947年4月16日，在美國(guó)的通用電氣公司的實(shí)驗(yàn)室中，當(dāng)科學(xué)家在調(diào)試一臺(tái)能量為70MeV的電子同步加速器的時(shí)候，有一個(gè)技工從特制的透明真空室（為了方便觀察七種裝置）中某個(gè)反光鏡看到了在水泥防護(hù)墻內(nèi)的加速器發(fā)出強(qiáng)烈的“藍(lán)色的弧光”。后來(lái)經(jīng)過(guò)科學(xué)家的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這并不是氣體的放電，而是有加速運(yùn)動(dòng)的電子所產(chǎn)生的。隨后的研究表明這種輻射光的顏色可以隨電子的能

7、量不同而不同，例如，電子能量為30時(shí)為黃光，為40時(shí)為紅光，再低就什么都看不到了，進(jìn)入了紅外區(qū)。因?yàn)檫@種光是在同步電子加速器上發(fā)現(xiàn)的，所以它就被命名為了“同步輻射光”。在一個(gè)參照系中，如果電荷是靜止的，那么電荷的電場(chǎng)是空間穩(wěn)定的電場(chǎng)，不會(huì)發(fā)出輻射，如果電荷在某個(gè)參照系中有加速運(yùn)動(dòng)，那么電荷將會(huì)發(fā)出輻射。根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)，自由真空中的電子，如果給它一個(gè)加速度，它也能發(fā)射電磁波，進(jìn)一步造成自我加速，一邊加速，一邊產(chǎn)生電磁波，這里能量的確不守恒。這是經(jīng)典電子論的缺陷。在一些書上有描述。在自由降落的升降機(jī)內(nèi)，雖然相對(duì)地球升降機(jī)是一個(gè)非慣性系，但是根據(jù)廣義相對(duì)論的“所有參照系等價(jià)”原理在升降機(jī)這個(gè)參照系

8、中，電荷是靜止的，那么電荷不會(huì)發(fā)出輻射，這是符合經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的。而按照狹義相對(duì)論，電場(chǎng)和磁場(chǎng)本質(zhì)是統(tǒng)一的，因此在升降機(jī)參照系電荷具有穩(wěn)定靜電場(chǎng)，而在地球參照系中電荷具有輻射。傳統(tǒng)的非慣性系電動(dòng)力學(xué)無(wú)法證明，在自由落體的升降機(jī)內(nèi)，測(cè)不到靜止電荷的輻射，說(shuō)明傳統(tǒng)的非慣性系電動(dòng)力學(xué)沒(méi)有抓住電磁輻射的本質(zhì)。有人認(rèn)為在自由降落的升降機(jī)內(nèi)不能觀察到靜止電荷的電磁輻射，與經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和廣義相對(duì)論都不沖突因?yàn)榻?jīng)典電動(dòng)力學(xué)是處理平直空間中的電磁輻射過(guò)程的。實(shí)際上，靜止處于引力場(chǎng)中的荷電粒子并非作測(cè)地線運(yùn)動(dòng)，嚴(yán)格地將，存在電磁輻射，只不過(guò)在弱引力場(chǎng)（如地球）中的表現(xiàn)可忽略而已。可是在原子內(nèi)的同一能級(jí)內(nèi)為何不存在電

9、磁輻射？科學(xué)理論的唯一出路是，物理理論必須處處成立，包括宏觀與微觀（因?yàn)槎邲](méi)有絕對(duì)的界限），這才能滿足對(duì)應(yīng)原理，電磁理論才具有和諧性，著名的理論物理學(xué)家AbdusSalam認(rèn)為：“我認(rèn)為我們的理論只是引向內(nèi)在和諧的階梯、。對(duì)內(nèi)部和諧的信仰過(guò)去曾帶來(lái)過(guò)好處。我相信，將來(lái)也會(huì)是這樣?！盢ewton認(rèn)為：“科學(xué)的終極基礎(chǔ)，就是關(guān)于大自然將在相同條件下，顯示出相同效應(yīng)的預(yù)期。”Bohr認(rèn)為：“科學(xué)解釋的本意，就在于將比較復(fù)雜的現(xiàn)象解釋為比較簡(jiǎn)單的現(xiàn)象”。筆者認(rèn)為，帶電物體在引力場(chǎng)中加速運(yùn)動(dòng)并不輻射電磁波，因?yàn)橐|(zhì)量與電磁質(zhì)量之間沒(méi)有作用力，所以上面的實(shí)驗(yàn)很容易解釋，電荷在電磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)只有所在位置的

10、能級(jí)不同才輻射電磁波。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)有一定的局限性，它只是能級(jí)不同的一個(gè)宏觀效應(yīng)。通過(guò)電磁質(zhì)量的量子化，實(shí)際上已經(jīng)把Maxwellsequation與Bohr的原子模型統(tǒng)一在一起，周期性變化的electriefield輻射electromagneticfield的實(shí)質(zhì)是電磁質(zhì)量的能級(jí)發(fā)生變化?，F(xiàn)代物理學(xué)的能級(jí)理論與經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)加速運(yùn)動(dòng)的電荷輻射電磁波之間的矛盾并沒(méi)有真正得到解決，經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，電磁質(zhì)量的量子分布才是問(wèn)題的本質(zhì)。下面的理想實(shí)驗(yàn)用現(xiàn)代物理學(xué)理論無(wú)法解釋，而用上面的理論很容易解釋：假設(shè)一個(gè)帶電體在引力與電磁力作用下勻速運(yùn)動(dòng)，按照Maxwell電磁理論帶電體不會(huì)輻射e

11、lectromagneticfield，但是它的能級(jí)發(fā)生了變化，應(yīng)當(dāng)輻射electromagneticfield；相反一個(gè)帶有大量electriccharge的帶電體圍繞另一個(gè)帶有大量相反electriccharge的帶電體做圓周運(yùn)動(dòng)，由于能級(jí)沒(méi)有變化，也不會(huì)輻射electromagneticfield，這一現(xiàn)象可以運(yùn)用實(shí)驗(yàn)證明。電磁感應(yīng)與量子躍遷本質(zhì)是一致的，一個(gè)帶電體在勻強(qiáng)電場(chǎng)中垂直于電力線方向作加速運(yùn)動(dòng)，由于能級(jí)沒(méi)有變化，也不會(huì)輻射電磁波。現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為同一能級(jí)上的電子不輻射電磁波是一種誤解，蘭姆位移就是電子在同一能級(jí)上加速的結(jié)果，筆者認(rèn)為此時(shí)并非真正的同一能級(jí)，而是幾個(gè)不同的能級(jí)，只是差別太小。筆者認(rèn)為，夸克的禁閉與電磁質(zhì)量的數(shù)值在實(shí)數(shù)集上量子分布有關(guān)，當(dāng)能量達(dá)到一定程度時(shí)，夸克也會(huì)分離出來(lái)，例如歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在讓鉛離子相撞時(shí)，短暫產(chǎn)生的溫度超過(guò)太陽(yáng)中心溫度10萬(wàn)倍，能量密度達(dá)到一般核物質(zhì)的20倍。在這極不尋常的情況下，他們發(fā)現(xiàn)名叫夸克和膠子的最微小粒子在轉(zhuǎn)瞬間飛快自由轉(zhuǎn)動(dòng)，然后，這些小粒子便粘在一起。他們相信這就是構(gòu)