量子力學漫談（2）—量子力學為什麼會新概念層出不窮現象？

司 今（[email protected]）

量子力學無疑是20世紀最成功的力學，但其成功背後也埋下了諸多物理學隱患，如傳統世界的因果論已不存在，物理規律確定性的喪失，物理機制與模型的模糊、物理數學化日趨嚴重、物理新概念層出不窮等問題，這些都嚴重違背了人們以往對物質世界認識的常理。

難怪量子鼻祖玻爾曾說，“所有不為量子力學感到困惑的人,都是沒有真正理解它” 。

量子力學發展也存在一種“滯後”現象，即一種新粒子實驗現象出現時，量子力學往往可能無法解釋，但它通過補充一些“新概念”又可以解釋這一現象了；也就是說，量子力學像是一門“馬後炮”學科！

不過，量子力學始終抓住了基本粒子“自旋與自旋磁矩性”這一微觀粒子本質問題，總會使量子力學理論在新實驗驗證與解釋中“屢試不爽”，因為微觀粒子客觀上就是自旋與自旋磁場並存的“非經典粒子”。

我對量子力學對一些物理現象的描述是深信不疑的，只是她描述的方法、方式有點“晦澀”、“蹩腳”罷了，但這不能否定量子力學存在的巨大物理價值及意義。

量子力學脫胎於經典物理學，而我們的經典物理學又存在諸多缺失或缺陷，因此，量子力學一方面想融合經典力學，另一方面又不得不去彌補經典力學缺失或不足的部分，故而會表現出與經典力學“若影若離”的尷尬局面，“新概念”層出不窮問題也就在所難免了。

下面我就從以下幾個方面來剖析量子力學“為什麼會出現新概念層出不窮的現象？”，以供大家參考、交流與討論。

1、十九世紀前、後對粒子屬性的認識存在巨大差異

19世紀初，當物理學真正進入微觀領域後，我們用牛頓力學體系所建立起來的質點、粒子理論就與我們實驗觀察到的微觀粒子運動現象存在明顯出入，最顯著一例就是經典粒子通過小孔或窄縫時作直線運動，而微觀粒子通過小孔或窄縫時卻會作“轉彎”運動，即衍射現象。

我們認為，出現這種差異的根原在於經典粒子是沒有自旋和自旋磁矩的“宏觀”粒子，且經典“小孔”或“窄縫”空間也不存在磁場；微觀粒子則不同，它們不但有自旋和自旋磁矩，而且由帶有自旋磁矩的粒子如電子、質子、中子等組成的“小孔”或“窄縫”空間，在較小範圍內也會表現出一定的磁場屬性；當這些帶有自旋磁矩的微觀粒子通過該磁場空間時，就必然會產生像電子通過磁場時會發生“轉彎”一樣的運動，這就是微觀粒子通過磁場時普遍存在的所謂“洛倫茲運動”和受磁場梯度力的現象。

但是，經典物理學，包括牛頓力學、經典電磁學等都沒有涉及這方面問題，自然我們對它們的描述就無法再用經典物理理論概念了，於是就出現“量子”、“自旋”、“自旋磁矩”、“物質波”等非經典力學概念。

同時，我們還應該看到，在17、18世紀，由於人類研究物質的工具手段落後，對微小物質的物理特性也就不能夠進行細緻全面的觀察、研究，故對微觀粒子的認識只能侷限在經典力學範疇內，認為粒子運動應遵循經典力學理論，這就是經典粒子概念的內涵。

但是，到了19、20世紀後，隨著科技水平的發展，人類能夠在在納米級水平上做實驗，研究原子、電子等更微小的粒子及其特性，這時我們就發現微觀世界的粒子屬性與經典粒子屬性存在很大差異，具體表現就是：

1.1.粒子屬性差異

經典粒子：只有平動，沒有自旋，也沒有自旋磁矩存在，它們的運動完全遵循經典物理學運動規律；

量子粒子：有自旋、平動，且有自旋磁矩存在，它們的運動往往不符合經典物理學運動規律；

1.2.空間屬性差異

經典粒子通過的小孔或窄縫，空間範圍較大，沒有磁場存在；

量子粒子通過的小孔或窄縫，空間範圍較小，有一定的磁場存在；

1.3、運動狀態差異.

經典粒子通過小孔或窄縫空間時，表現出直線運動性；

量子粒子通過帶有磁場的小孔或窄縫空間時，表現出曲線運動性；

從上述幾種差異中可以看出，我們不可能再用經典力學概念來描述現代微觀粒子運動，為此，就必須創造出一套不同於經典力學的“新概念”來描述微觀粒子運動，比如，我們說：“經典粒子是相對於現代粒子的一個概念，指的是不具有量子性質的粒子，也就是說不具有波動性、不服從海森堡不確定性原理。

具體地說，經典粒子的位置和動量（速度）可以同時被準確的測定、具有確定的運動軌跡，並且經典粒子的熱力學統計規律服從的是麥克斯韋－玻爾茲曼分佈。

相對的，現代粒子指的是具有量子性質的粒子，按照海森堡不確定性原理，它的位置和動量不能同時被準確地測定、不具有確定的運動軌跡，其運動規律由波函數來描述（具有波動性），並且現代粒子的熱力學統計規律服從的是波色－愛因斯坦分佈或者費米－狄拉克分佈。”^[1]

從這段描述中可以看出，新概念、新原理的湧出就是為了闡述微觀粒子運動與經典粒子運動存在差異而制定的。

不過，這裡要說明：粒子本不分什麼經典、非經典，只是我們觀察的角度或深入的程度不同而已。當然，所謂宏觀、微觀之差別，也是相對概念；就拿經典物理學研究宏觀粒子來說，在現實生活中，經典粒子運動能得到宏觀意義上的驗證和應用，因此，該理論就可以被認為是正確的；但當我們用研究經典粒子運動的方法去研究微觀粒子運動是就會產生很大的誤差，這說明經典粒子理論對研究微觀粒子運動已失去作用，然而我們不能因此就否認經典粒子理論在宏觀意義上應用的價值。

所謂“經典粒子經過狹縫的時候會沿直線運動”的結論只是我們站在宏觀角度的看法，但這並不與“微觀粒子具有曲線運動的屬性，即存在所謂的‘波粒二象性’”存在衝突。

雖然量子力學認識到經典粒子與微觀量子粒子的屬性存在差異，但它沒有意識到空間屬性也存在差異，從而造成其運動狀態出現不同；也就是說，量子力學仍把小孔或窄縫看作是沒有磁場存在的“經典小孔或窄縫”，這樣，當帶有自旋、自旋磁矩的粒子通過“經典小孔或窄縫”時就不會對粒子運動產生磁場影響，即微觀量子粒子通過“經典小孔或窄縫”與經典粒子通過小孔或窄縫的運動處境完全一樣，這其實就與把微觀量子粒子與經典粒子“等同”了的做法。

用“經典粒子”概念去看待“微觀量子粒子”通過“帶有磁場的小孔或窄縫”，或用“經典小孔或窄縫”概念去解讀“帶有自旋、自旋磁矩的量子粒子”通過其空間的運動，都必然會得出“波粒二象性”結論來。

可見，量子力學“波粒二象性”認識的本質還是沒有完全擺脫牛頓經典粒子或經典小孔空間概念的影響，其描述的物理過程就是給經典粒子概念裝一個自旋和自旋磁矩的外套，並配備一駕“機械波”式的馬車，讓它穿越經典小孔或窄縫的思考隧道，可關鍵時竟忘了非經典小孔或窄縫空間也具有磁場性。

微觀粒子“波粒二象性”揭示的是帶有自旋磁場的量子粒子通過小孔或窄縫磁場空間時，會產生“光子洛倫茲運動”，其物理意義是：經典粒子+自旋+自旋磁矩+磁場空間—→磁場平面內“洛倫茲運動”+磁場梯度下“的自由落體運動”—→粒子運動的“波粒二象性”，對此，施特恩-格拉赫實驗可以給我們有益的啟迪！（具體論述請參閱司今《波粒二象性的本質》一文）。

2、量子力學是一門“實驗物理學”

物理學發展史告訴我們，物理學理論體系的建立存在二種方式：

（1）、首先從公理、假設出發，定義出若干物理量，通過數學演繹推理得出若干物理定理，再將這些定理運用到解決實際物理問題中去，由此所建立的物理體系稱作“公理物理學”體系，如牛頓力學體系、愛因斯坦相對論力學體系等。

（2）、首先從實驗、總結出發，根據需要定義出若干物理量，建立一定的數學模型，然後用於去解釋其他物理現象；若有偏差，則再引入新的物理量定義或修正數學模型......如此不斷修正而建立起來的物理理論體系稱作“實驗物理學”體系，如經典電磁學、量子力學等。

牛頓力學體系是從公理（三定律）體系出發，先確定質點所在位置，再通過定義速度、加速度等概念來研究引起物體狀態變化中力的問題；

狹義相對論力學體系則是通過光速不變假設、結合相對性原理，運用洛倫茲數學變換推演，得出質量變化、質能守恆公式，以此來解決微觀粒子或宏觀物體高速運動問題。

電磁學是一門實驗科學，它的一些理論不是從粒子運動的物理機制上得出的，而是通過對電磁實驗現象的描述和總結中得來的，由此建立的理論是一種“唯現象理論”；

量子力學也是如此，它首先是從實驗出發，確立量子概念，再引入波動理論來研究自旋粒子的運動問題，因此，量子力學也只能算是一種“實驗力學”或稱“現象力學”。

實驗力學體系是由實驗現象描述與總結而建立起來的理論體系，這種理論只能隨著實驗的完善和科技的發展而隨之改進，其中，就必然會“制定”出許多“新概念”來。

通過上述比較，我們可以看出：

（1）、公理物理學體系有一個突出的優點，就是它對物質運動的描述有可預知性，且強調物體運動變化所遵循的物理原理前後統一性，即講究物體運動形成的物理機制；其缺點是，當物體運動條件發生變化時，往往會出現不符合該體系“制定”的運動規律；這時就要求適時修改或完善原有的運動規律描述，以符合現有物體初始運動的條件，但目前物理學在這方面做得是不夠的！

如，牛頓萬有引力G值測定問題，卡文迪許測定G值時用的二個鉛球是處於靜態的，但當它們處於自旋態時，測得的G值就不同，關於這方面實驗，江西朱永煥老師作了較全面的驗證；同時，溫度變化也會對G的測定值產生影響等等，這說明牛頓萬有引力G的適用是有初始條件限制的，運動公式成立的初始條件發生改變，牛頓萬有引力的描述形式也就要作適當調整，但這不能否定萬有引力的普遍存在性；同時，我們還應該看到，萬有引力只是一種靜態場理論，對於運動物體（如自旋與平動）而言，萬有引力的G會不會產生變化？我們沒有深究。其實，牛頓萬有引力公式描述的只是一個物理“函數”式，因G值會隨物質運動組成系統的初始條件不同而不同，如太陽系中的G是一個常數，木星系或原子系的G應是另一個常數；但每個運動系統都必須有一個引力常數G，否則，這個系統就不是一個穩定的系統；它們的引力常數G可用同一個物理函數式來描述，那就是G=ω

（2）、實驗力學體系的優點是不受物體運動初始條件變化的限制，因沒有公設條件存在，僅從現象出發，總結規律以用於解釋其他現象，如有錯誤，可以立即修訂，從而表現出巨大的靈活性和適應性。

但實驗力學體系最大的缺陷就是沒有一個完整的系統性，不講物理機制，往往會得出前後不一致、不自洽的結論。

如，電磁學中“洛倫茲運動形成的物理機制”到現在還沒有人能真正能揭示出，電子電荷與磁子磁荷是如何產生的？電、磁荷存在不存在真正的統一？等，這些問題都是實驗物理學體系無法真正揭示出來的。

又如，量子力學就是一個“不講機理”的物理學，什麼新奇的微觀實驗現象一旦出現就都往它肚子裡裝，但又不研究為什麼？如量子糾纏，只強調根據量子場原理就可以得出量子糾纏，但曾不去深究“量子們”為什麼會糾纏？

再如，電子磁矩問題，量子力學就是從經典電磁學中直接“移植”過來的概念，但電子在線圈中運動與電子繞原子核運動應存在本質性差異，如此“移植”得出的電子電子磁矩到底是什麼物理含義？量子力學也沒有去深究。

我們的看法是，電子軌道磁矩就是電子自旋所產生的自旋磁荷到原子核質心的距離之積，即荷動量矩，且μ=q

至於量子力學給出的電子自旋磁矩是μs=-el/2m，我們就感到有點困惑了，因為目前並沒有發現電子有內部結構，即它一直被看作是一個點粒子，那麼，它的自旋磁矩為什麼可以用軌道磁矩形式來描述呢？對此，量子力學諱而不言！並將之定性成粒子所具有的”內稟“屬性......

其實，量子力學對自旋磁矩的含糊描述，充分反映了現代物理學基礎存在缺失或說缺陷問題，因為自旋是一個與空間大小無關的量，而磁矩則必須與空間r有關，故現代物理學對自旋描述是存在缺失的，對此，我們給出的思路是：拋棄自旋體的空間性，用pm=m.ω來定量自旋粒子的磁量，以取代現代量子力學自旋磁矩概念，這對量子力學中粒子自旋磁性起源的詮解與應用將會產生深遠影響，就此問題論述，大家可參閱司今《一個將萬有引力、庫倫電磁荷力統一的新方法》一文。

3、經典物理學理論存在缺陷或缺失

3.1.經典電磁學理論存在缺陷

量子力學雖脫胎於經典電磁學，但又不同於經典電磁學理論：

首先，經典電磁理論描述的對象——電子，只有電荷性，沒有自旋性；

其次，電磁學著重討論的是電子在宏觀磁場中的運動，沒有涉及微觀粒子磁場空間，如納米級窄縫、原子核等磁場空間；

再次，電磁學討論磁場的方法是通過“去質點化而”建立起來的高斯磁通量理論，這個理論是建立在體、面等宏觀概念之上的，並不適於質點力學描述問題；因為我們對微觀粒子的體、面等無法精確測量出來，故電磁學的一些非質點的場理論就無法再在量子力學中適用，結果量子力學不得不在尋求質點偶極磁子與改變原有宏觀磁場理論的一些定義，以適於描述微觀質點在磁場中運動的描述。

因此說，量子力學在改造”經典”中發展，這正是經典力學、電磁場理論存在缺陷或缺失必須付出的代價！

量子力學雖誕生於19世紀初的“二朵烏雲”中，但“二朵烏雲”體現的是經典力學認識與微觀世界現象存在嚴重衝突，這種衝突根源在於：宏觀力學所描述的物質運動是沒有自旋與空間不存在場影響的運動，而微觀世界中，任何粒子運動都是有自旋性和自旋磁矩性的，這種“雙重性”是經典力學根本沒有涉及或全面認識到的，而量子力學正是沿著微觀世界粒子這種“雙重性”思路出發並發展起來的。

同時，在微觀世界中，粒子運動是一種“場源運動”，它不同於電磁學中將場源看作是靜態的、產生運動的只是無粒子性的電磁波，即“交變電磁場”。

場源運動是特斯拉所描述的“動態場理論”的重要組成部分，但量子力學只繼承了電磁學“靜態場理論”部分，沒有引入“動態場論理論”，結果，量子力學在繼承麥克斯韋電磁波理論後才會得出“真空不‘真’”、“無中生有”的離奇結論，這種結論從根本上破壞了物理學建立的基礎——物質守恆定律，這正體現了“實驗物理學”體系普遍存在的“邏輯系統混亂性”的通病。

3.2．牛頓力學體系存在缺陷

牛頓力學是建立在質點概念之上的力學，它可分二個部分：

前一部分由牛頓三大定理組成的“接觸力學”，在這個力學體系中，物體是沒有自旋與場存在的力學；後部分是由萬有引力定律組成的“質量場力學”，在這個力學體系中，物體不但沒有自旋，且質量場也是一種靜態場。

可見，牛頓的這二個力學體系都無法真正描述帶有自旋磁場的運動粒子通過磁場空間時的運動變化，這是牛頓力學體系存在的巨大缺陷。

量子力學雖繼承了牛頓質點思想——將粒子看作是質點，但又不同於牛頓力學中的經典粒子，於是，量子力學另闢途徑，沿用宏觀能量的統計學思想，用“波”概念來描述“質點群”運動，即薛定諤波函數方程；為此，量子力學就必須“創造”出許多不同於經典力學的“新概念”，如自旋磁矩、概率波、AB效應、量子糾纏等新名詞來說明自旋粒子在磁場中運動變化的現象問題。

當然，這種描述不但與牛頓質點力學格格不入，也與電磁學大相徑庭，結果將人類對微觀粒子運動的認識帶入到困惑、迷茫與“不確定性”之中。

3.3、現代物理學對物體自旋所產生的物理效應認識存在缺失

量子力學是關於帶有自旋和自旋磁矩的微觀粒子在空間磁場中運動現象研究的力學，它的研究思路是按陀螺運動理論來進行的，不過這種陀螺是一種帶有自旋磁場的磁陀螺；從球座標的選擇到莫拉爾進動，從自旋磁矩理論到包利不相容原理等，無不體現了粒子自旋與自旋磁矩的重要性來。

但是，到目前我們的物理學對“物體自旋會產生什麼物理效應”問題還是“一概不知”，對“自旋磁陀螺在磁場中運動”的研究仍是“一片空白”，這不能不說我們現有的物理學理論研究方法與模式存在嚴重的結構性缺失。

上二個問題是微觀世界普遍存在的現象，也是我們深入認識微觀世界奧秘的二把“金鑰匙”！特別是“物體自旋會產生什麼物理效應”問題是目前物理學必須首先要去澄清的問題，這個問題一旦有了定論，那麼，磁的起源、電的來歷、電、磁的統一等問題就都可以迎刃而解了。

據我們推理，物體自旋會產生自旋磁荷，且自旋磁荷量大小為q_m=m.ω，正是自旋產生的自旋磁荷才使宏觀自旋物體與微觀自旋粒子具有相同的運動模型，我們現在認可的盧瑟福“原子行星結構模型”正說明了這一點。

如果我們能夠補充與完善經典力學的場理論、磁陀螺運動理論和粒子自旋與自旋磁場理論，那麼，將來的量子力學就一定能夠走出“象牙塔”困境，從而融入“新經典力學”——“自旋場物理學”中來，併為更多人接受、理解與應用。

縱觀量子力學發展可以看出，每一個新概念的添加都與現有的經典理論格格不入，如自旋與自旋磁矩理、AB效應、物質波、波函數崩塌、隧道效應、粒子糾纏理等，都是我們經典物理學對粒子自旋及其自旋物理效應——自旋磁場認識存在缺失所造成的結果。如果我們的基礎物理學對“粒子自旋會產生磁場”有足夠認識，就不會出現量子力學“新概念”層出不窮的現象了。

4、量子力學淺評

量子力學的最大功績是將經典電磁學廢棄的“質點”思想重新以“量子”概念的形式找了回來，並引入自旋和自旋磁矩，用磁陀螺運動方式來研究自旋粒子在微觀磁場空間中的運動。

量子力學的最大敗筆是引入“波動論”來解說粒子“衍射”現象，其中最不可思議的就是“波粒二象性”、“波函數”與“幾率波”等概念。

我們知道，麥克斯韋電磁波是純場波，無粒子組成，而量子力學物質波卻是粒子波，這種波要求粒子不但要“抱團”（波包），而且在“團”內要“上竄下跳”、並隨“團”向前運動，這真不可思議！難怪愛因斯坦稱它是“鬼波”！

量子力學的許多怪論都是由波動論引起的，而波動性的定論只是依據“粒子通過磁場空間時會產生‘轉彎’”這一現象推理出來的（即干涉、衍射），但它並沒有真實描述“粒子通過磁場空間時產生運動變化”的物理本質；也就是說，我們冒然得出“波粒二象性”結論是“沒有從粒子本質入手——粒子有自旋和自旋磁矩性，同時也忽略了小孔或窄縫在一定小的空間內（如納米級空間）也會表現出磁場性來”的必然結果。

量子力學“新概念”層出不窮現象正說明我們的物理學基礎存在一定的缺陷或缺失，它對帶有自旋、平動和自旋磁場的微觀粒子運動的描述存在一定的模糊性與迷茫性。

但量子力學無疑是一個目前關於微觀粒子運動研究最深入、最成功的理論，因為它可以為很多微觀粒子實驗結果提供一種可行的計算方法，但這種方法只能是預測，即只能給一個事件發生的概率，不能完全確定該事件會不會真地發生，這使人們對物理的認識產生了懷疑，因為物理規律在這裡已喪失了本應具有的確定性。

對此，包括愛因斯坦在內的許多物理學家們都認為，量子力學是一門不完備的力學，愛因斯坦對其概率方面的描述提出了“不拘一格”的看法：概率的出現僅僅是因為粒子運動的一些參數沒有被指定；如果這些“隱藏”參數是已知的，那麼，粒子運動的一個完全確定的軌跡就可以被定義出來。

我贊同愛因斯坦的這一看法！

參考文獻：

http://zhidao.baidu.com/link?url=Jj5JIm40yl9m3bXIBly1sflLLkmCSHDG9qLVNh0WK8_xQknQNc-ywWE5BObGxx4dZnmO19QGKkIevOyUs3JJEd_TGcKtNDIM0EKjwzHu8WC

[2]、司今/《物質自旋與力的形成》：中國預印本網站：

http://www.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=2c92828239ffeaeb013b45b5a78c01b2

[3]、司今/《量子力學磁矩的含義》：中國預印本網站：

http://www.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=2c9282823f190b1d0140fe24d9a2019c

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關鍵字: 數學 物理 玻爾