第十四篇：物质究竟是什么(2009 )

 

本书于2009年由广西科学技术出版社出版

 

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物质究竟是什么

 

皮可慰  著

 

 

（由于篇幅较长，以下摘录要点）

 

 

 

                      内容提要

 

 

 《物质究竟是什么》一书经由广西科技出版社出版了。作者从物理学和哲学的角度研究了物质的基本问题，提出了物质基本结构理论和辩证物质实在论，力图从基础层面回答物质究竟是什么的问题。

作者在书中提出弹性、引力、电性、粒子性等有序的物质结构形式不是永恒的观点，研究了弹性、引力、电性、粒子性的形成原因。认为辩证的实体与间隙是物质基本结构形式，实体不是僵化的而是无限变化的不定形的。

作者提出物质基本结构形式具有均匀化、系统化的发展趋势，必然形成以太结构和量子波的观点。认为量子波有玻色波和费米波两种形式，纯粹的玻色波就是光子，纯粹的费米波就是实物粒子，运动的实物粒子同时含有玻色波分量和费米波分量。用一个直角三角形描述量子波，可以在速度、频率（能量、质量）、波密度(动量)、波长等方面得到与相对论一致的变换公式，相对论与量子理论有着天然的联系。

作者认为物质基本结构形式就是物质实在，物质实在包含物质与非物质两个方面，即实体与间隙。只有物质是实在的，物质实在具有具体性、普遍性、唯一性和辩证性特征，是既具体又一般的物质本原。辩证物质实在论是辩证唯物论的组成部分。

作者提出了量子单位制概念。量子单位制与一般单位制的根本区别是用频率代替了能量和质量，是对物理单位制的重大改革。量子单位制是一个简单有效的工具，研究一般物理现象时，运用量子单位制描述有关定律和公式，从运动学、动力学、电磁学，直到玻尔氢原子能级公式、薛定谔波动方程，公式中只有米、秒、次、基本电量e（即区分正负性的基本费米子个数）等4个物理单位符号和光速c、圆周率π、精细结构常数a、引力常数G等几个物理常数，公式中不再出现能量、质量及相关的物理量，大大地简化了物理公式，也有利于直接清晰地揭示物理现象之间的内在联系。量子单位制与国际单位制是完全吻合的。

作者论证了以太结构的存在与相对论的相容性，研究了相对论的起源和本质问题，认为相对论是关于量子态的绝对性在相互作用中表现形式的理论。提出了量子相对论概念，量子相对论是量子理论的组成部分。

作者运用物质基本结构理论全面系统地研究了量子之间相互作用问题，认为量子的相互作用来源于量子波之间的同步性波动干扰。对量子相互作用理论、场理论以及一些实验的解释提出了一些新的见解。作者提出量子系统的观点，认为量子系统的观点能够为统一场论的研究提供新的思路。

作者研究了量子生存期间实在性的表现形式问题，论证了物质基本结构理论与量子力学的相容性。对量子理论中长期争议的一些问题，运用物质基本结构理论提出了新的解决方式，能够较合理地解释包括双缝干涉实验、量子衰变实验、贝尔不等式、EPR实验在内的各种实验。对量子应用的最新设想如量子通讯、量子计算提供了新的理论支持。作者认为物质基本结构理论对促进量子理论的完备能够发挥一定作用。

作者对量子定态问题进行了全面系统的研究，使物质基本结构理论进一步与实际问题接近。运用物质基本结构理论对现代物理中若干现实问题，如质子、电子的定量问题，核力问题，核结构问题，弱相互作用问题，原子核、中子、中微子等复合量子问题，都提出了一些新的见解。

由于采取了与传统理论不同的思维方式，物质基本结构理论在很多方面出现与传统理论不同的地方，具有一定的新颖性。表现在各章各节中的新观点，一环扣一环连贯起来形成一条逻辑链，并且涉及量子理论中的大部分基本性问题，形成一个理论体系的雏形。在研究中，作者尊重对科学实验事实作出合理解释的一切传统理论，认为物质基本结构理论是量子理论的重要组成部分。作者承认所有有关科学实验的事实，将理论建立在坚实的实践基础上，认为现有的实践在一定程度上说明了物质有序结构难以是无限层次的，实践已经证明了光速的稳定性和物理定律在较大的宇宙时空里的对称性、统一性，也已经证明了普朗克量子定义、爱因斯坦能量与质量相关理论、能量守恒定律、德布罗意波理论的正确性。笔者坚信将来的实践将会证实物质的有序结构形式一定是产生于无序的不定形的结构形式的，体现时空对称性和均衡性的以太结构一定是存在的，体现为波色波和费米波两种形式并且都以光速波动的量子波是存在的。如果物质基本结构理论被证明是正确的，或者主要观点被证明是正确的，那么物质基本结构理论将会对很多实践性问题的解决带来一些新的思路。作者对物质基本结构理论是有信心的，已于2008年5月对书中的主要内容进行了公证。

作者在书中强烈地表达一个观点，量子是物质基本结构形式由无序发展到有序的初级形式，量子理论是基础的理论，是宏观经典物理学的基础，正因为如此，量子理论的基础部分应当是简单的。作者希望这本书是一篇研究报告，对有关专家学者的研究能起到抛砖引玉的作用。作者还希望这本书是一本科普读物，力争将量子论和相对论这些深奥的理论用通俗的文字阐述，使得自然科学和哲学爱好者能成为这本书的读者，阅读后能从中得到一些微观物理学的入门性知识。对于在物理学和哲学基本问题上有研究兴趣的读者，可以随着章节的进程深入到某些研究领域，甚至还会感到自己既是学习者又是研究者，有很多未解之谜正在等着自己去破解。作者欢迎专家学者和读者对书中的一些观点提出宝贵意见。

 

 

          目          录

 

引言

第一章    物质基本结构理论

一、任何具体的物质内部都是有结构的

二、物质结构形式是分层次的，但不是无限层次

三、物质结构的有序形式不是永恒的

四、物质基本结构形式假设

五、探索物质基本结构形式的条件已经成熟

六、建立新的研究模式

七、绝对的实体和绝对的间隙

        八、实体存在、变化和相互作用假设

九、数学与逻辑学

十、空间与时间

十一、无限和有限

第二章    以太结构和量子波

一、物质基本结构形式发展趋势是均匀化和系统化

二、历史上的以太观

三、重新找回以太的理由

四、物质基本结构形式下的以太结构

五、量子论的产生

六、德布罗意波概念的拓展

七、以太结构中的量子波假设

八、量子波的两种形式

九、数学开始进入物理学

        十、量子波的波形假设

十一、直角三角形描述下的量子波

十二、物质基本结构理论是量子理论的组成部分

第三章    辩证物质实在论

一、大自然的哲理

二、物质实在的具体性、普遍性和唯一性

三、物质实在的辩证性

四、既具体又一般的物质本原观   

五、辩证物质实在论是辩证唯物论的组成部分

六、辩证物质实在论是科学哲学的重要内容

第四章    量子单位制

一、物理单位和单位制

二、量子单位制

三、建立量子单位制的意义

四、量子单位制对运动的描述

五、量子单位制对频率(能量)和质量的描述

六、量子单位制对波长和波密度（动量）的描述

七、量子单位制对力、力矩及动量矩的描述

        八、常数、常量及单位换算

第五章    量子之间的相互作用

一、量子的态

二、量子之间相互作用和量子的态变动

三、波动干扰引起量子之间相互作用

四、量子的定域性与非定域性

    五、量子相互作用的作用分配和最小作用量原理

        六、量子之间的相互作用形成量子系统

七、物质基本结构理论下的统一场论

第六章    引力作用和电场作用

一、用量子单位制转换引力公式

       二、引力场

三、引力效应中的频率转换

四、电荷

五、库仑定律 

六、电场

七、电场中的频率转换

八、电通量

九、电势能及电势

    十、电容

第七章    磁场是电场的调整

一、运动电荷产生磁场

二、磁场是电场的调整

三、电流

四、磁通量

五、磁场强度

六、法拉第电磁感应定律

七、电感

八、电阻

九、位移电流与麦克斯韦方程组

第八章    量子相对论

狭义相对论要点及变换公式

二、以太结构与相对论的相容性

三、量子态的绝对性和相对性

四、相对论是研究量子绝对的态在相互作用中表现形式的理论

     五、量子相对论

第九章    量子实在的确定性与概率性

一、围绕量子实在性问题的争论

    二、量子实在的表现形式

三、不确定性原理

四、双缝干涉实验

    五、物质基本结构理论对量子衰变的解释

第十章    物质基本结构理论与量子力学的相容性

一、波函数和薛定谔波动方程

二、一个例子：无限深方势阱中粒子运动的量子化

三、物质基本结构理论与量子力学的相容性

四、贝尔不等式与EPR实验

五、物质基本结构理论对纠缠态量子关联非定域性的思考

六、物质基本结构理论对量子理论的完备将起着重要作用

第十一章    量子定态的形成机制

一、量子定态的发展过程

二、量子的基本定态

三、量子的纵向波幅定态假设

四、量子的旋转波幅定态假设

    五、量子的引力场作用定态

    六、量子的电力场作用定态

七、基本常数

八、光子的生成和消失

九、费米子的生成和消失

十、不符合量子规律的量子生成和消失方式

第十二章    氢原子的驻波约束性定态

一、玻尔的氢原子理论

    二、薛定谔方程对电子在氢原子中的定态分析

三、物质基本结构理论对驻波约束性量子定态的认识

第十三章    费米频率定态和复合量子

一、电场力的非线性特征假设

二、质子的费米频率定态假设

三、电子的费米频率定态假设

四、基本量子与复合量子

五、原子核物理现象简述

    六、传统理论对核力形成机制的解释

七、物质基本结构理论对核力作用的假设

八、物质基本结构理论中的原子核结构假设

九、提出新的核力作用和核结构观点的理由

十、对中微子的假设

十一、对中子的假设

十二、对π介子的假设

十三、对μ子的假设

十四、对弱相互作用的假设

第十四章    科学理论的形成和发展

一、认识方法的辩证性

二、形而上学追求对事物整体性、基本性认识的积极意义

三、证伪主义促进认识飞跃

四、运用科学范式观点分析科学理论体系

五、科学研究纲领与科学理论的形成和发展

六、物质基本结构理论是否能成为科学理论

七、建立物质基本结构理论的思维过程

参考书目

 

引言

 

然而物质究竟是什么呢？或者说物质究竟由什么构成呢？自从人类有意识以来，这个问题就困扰了很多人，到目前为止尚无定论。笔者认为物质究竟是什么的问题是一个既能回答又不能回答的问题，说它不能回答，是因为物质运动形式的发展是永无止境的，人类对物质是什么的认识也是永无止境的；说它能回答是因为如果从物质运动原始的、基础的、初级的、简单的角度来逐步认识物质运动形式是可行的。本书从物理学的角度，系统地研究了这个深层次的问题，包括量子理论和相对论中的一些基本性问题，提出了物质基本结构理论。同时对哲学中的物质本原问题、实在性问题、辩证性问题也进行了深入研究，提出了辩证物质实在论观点。

全书共分14章，主要内容有：

第一章，从物理学的角度研究物质的基本问题。提出弹性、引力、电性、粒子性等有序的物质结构形式不是永恒的观点，认为应当研究弹性、引力、电性、粒子性的形成原因。提出存在物质基本结构形式，辩证的实体与间隙是物质基本结构形式的观点。认为实体与间隙具有绝对性和相对性，实体不是僵化的，而是无限变化的对立统一的。并对数学与逻辑学问题，空间与时间问题，无限与有限问题提出了新的见解。

第二章，提出以太结构和量子波观点。认为物质基本结构形式具有均匀化、系统化的发展趋势，必然形成以太结构和量子波，量子波有玻色波和费米波两种形式，纯粹的玻色波就是光子，纯粹的费米波就是实物粒子，运动的实物粒子同时含有玻色波分量和费米波分量。提出用一个直角三角形描述量子波，可以在速度、频率（能量、质量）、波密度（动量）、波长等方面得到与相对论一致的公式，相对论与量子理论有着天然的联系。将上述观点综合为物质基本结构理论，认为物质基本结构理论是量子理论的重要基础和组成部分。

第三章，从哲学的角度研究物质的基本性问题，提出了辩证物质实在论。认为辩证的实体与间隙是物质基本结构形式，就是物质实在，就是既具体又一般的物质本原。从哲学的角度支持并进一步充实了物质基本结构理论，也从物质基本结构理论的角度重新认识哲学中的物质实在、辩证法和物质本原等问题。力图从根本上回答物质究竟是什么、辩证法究竟是什么的问题，对坚实辩证唯物论的基础能够起到一定作用。认为辩证物质实在论是辩证唯物论的组成部分，也是科学哲学的重要内容。

第四章，提出了量子单位制概念。量子单位制是一个简单有效的工具。研究一般物理现象时，运用量子单位制描述有关定律和公式，从运动学、动力学、电磁学，直到玻尔氢原子能级公式、薛定谔波动方程，公式中只有米、秒、次、基本电量e（即区分正负性的基本费米子个数）等4个物理单位符号和光速c、圆周率π、精细结构常数a、引力常数G等几个物理常数，公式中不再出现能量、质量及相关的物理量，大大地简化了物理公式，也有利于直接地、清晰地揭示物理现象之间的内在联系。量子单位制与国际单位制是完全吻合的。

第五章，运用物质基本结构理论全面系统地研究了量子之间相互作用问题，认为量子的相互作用来源于量子波之间的趋于同步性的波动干扰。对量子相互作用理论、场理论以及一些实验的解释提出了一些新的见解。提出量子系统的观点，认为量子系统的观点能够为统一场论的研究提供新的思路。

第六章，运用量子波动干扰理论和量子单位制工具研究引力场和电场问题。

第七章，运用量子波动干扰理论和量子单位制工具研究磁场问题，认为磁场是对电场的调整。

        第八章，提出了量子相对论概念。论证了物质基本结构理论与相对论理论和变换公式的相容性。研究了相对论的起源和本质问题，认为相对论是关于量子态的绝对性在相互作用中表现形式的理论，量子相对论是量子理论的组成部分。

第九章，研究了量子生存期间实在性的表现形式问题。对量子理论中长期争议的一些问题，运用物质基本结构理论提出了新的解决方式，能够较合理地解释包括双缝干涉实验、量子衰变实验、贝尔不等式、EPR实验在内的各种实验。

第十章，研究了物质基本结构理论与量子力学的相容性问题。在承认概率、承认非因果关系非决定论的同时，实在性回到了量子理论中，认为量子之间的实在的波动干扰形成的同步作用，是量子表现为概率方式的量子力学波动性叠加特征的物质基础。对量子应用的最新设想如量子通讯、量子计算提供了新的理论支持。物质基本结构理论对促进量子理论的完备能够发挥一定作用。

第十一章，研究了量子定态的形成机制问题。提出了量子的基本定态起源于大自然的基本事实的观点，对大自然的基本常数问题提出新的见解。

第十二章，研究了氢原子的驻波约束性定态问题。

第十三章，运用量子定态观点，研究了若干实际问题。如质子、电子的定量问题，核力和核结构问题，弱相互作用问题，原子核、中子、中微子等复合量子问题，提出了一些新的见解。

第十四章，研究了科学理论的形成和发展问题。认为认识方法具有辩证性。在坚持唯物主义反映论，坚持辩证法，坚持科学真理观，坚持实践是检验真理的唯一标准的基础上，承认认识方法的辩证性，承认认识渠道的多样化，灵活地运用各种认识方法，对于我们开拓思路，创新思维，促进新的科学理论形成和发展是有益的。

物质基本结构理论来源于实践，来源于传统理论，但是采取了与传统理论不同的思维方式，在很多方面出现与传统理论不同的地方，具有一定的新颖性。表现在各章各节中的新观点，一环扣一环连贯起来形成一条逻辑链，并且涉及了量子理论中的大部分基本性问题，形成一个理论体系的雏形。在研究中，笔者尊重所有的科学实验事实，尊重对科学实验事实作出合理解释的一切传统理论，在此基础上力争物质基本结构理论具有创新性、逻辑性、系统性和实践性。

笔者认为当前的实践在一定程度上能够说明物质有序结构难以是无限层次的，已经证明了光速的稳定性和物理定律在较大的宇宙时空里的对称性、统一性，也已经证明了普朗克量子定义、爱因斯坦能量与质量相关理论、能量守恒定律、德布罗意波理论的正确性。笔者坚信将来的实践将会证实物质的有序结构形式一定是产生于无序的不定形的结构形式的，以太结构和量子波一定是存在的，物质基本结构理论在科学理论的发展过程中一定是有其存在意义的，将对量子理论和科学技术基础研究的实践产生一定影响。

笔者认为量子是物质基本结构形式由无序发展到有序的初级形式，量子理论是基础的理论，是宏观经典物理学的基础。量子理论的基础部分是简单的，虽然整本书通篇都在谈论量子问题，但是在书中量子一点也不神秘，涉及的物理学和数学知识大部分都控制在初级水平。

 

 

第一章    物质基本结构理论

 

一、任何具体的物质内部都是有结构的

要回答一个具体的物质是什么，首先得解剖这个具体的物质，弄清它的结构是什么。物理学和数学中多将物体视为没有结构的“点”，或者将物体视为结构均一的“刚体”，这仅仅是为了计算上的方便而采取的近似方法，没有结构的“点”是无法构成物质的，没有差异的结构是无法解释物质内部运动的。在对物质内部结构未能了解之前，暂时将这个物体视为没有结构，是数学对物理现象模糊的、近似的处理方式。

任何具体的物质内部都是有结构的，就意味着有必要研究它的结构，没有什么理由认为质子、电子的内部结构未弄清楚，就把它视为“点”，也没有什么理由认为光波是一种特殊的物质就不去研究它与通常物质的结构异同。确认任何具体的物质内部都是有结构的，这就是说任何具体的物质结构形式不是永恒的，而是有始有终的，有必要弄清它的来龙去脉。

二、物质结构形式是分层次的，但不是无限层次

人们在研究物质结构时，发现物质的某些结构形式具有相对的稳定性，这种结构形式既是具体的，它存在于一定的具体物体之中，又是普遍的，它以同样的形式存在于许多的具体的物质结构之中。例如氢原子结构，它是具体的，同时它又以同样的形式存在于很多分子结构之中，因而它又是一般的。人们将这种物质结构现象称为物质结构的层次性。例如各种分子虽然性质差别很大，但是都由各种原子组成，因此分子可以称为一个结构层次，原子则是下一个结构层次。原子由质子（中子）、电子组成，质子、电子显然是更下一个层次的结构形式。

尽管人们并没有发现更多的物质结构层次，仍然感觉到这样的层次似乎应当是无限多的。无限层次的观点似乎是符合辩证法的，因为它反对了僵化的物质实体观。无限层次的观点也是十分省事的，人们一层一层地去揭示物质的秘密，无须深入研究物质有序结构形成的根本原因，即使一百年没有完成某个层次的剖析也不要紧，认识的深化是需要时间的，人们可以等待。

无限层次的观点是人们对已有的物理现象观察、归纳后得到的结论，人们并没有深究这种推理方式是否合理。事实上从原子往上，物质结构的层次特征在迅速减弱，100余种原子可以构成近千万种分子，分子的层次性淹没在性状各异的物质海洋中，但毕竟分子都是由原子构成，分子作为一个结构层次还是恰当的。但是更大的宏观物质世界，如物体与地球的关系、行星与太阳系的关系、太阳系与银河系的关系，就根本不是层次性概念可以描述的了。从原子往下，质子、电子、光子等稳定的粒子只有数种，层次性是很明显的。但是在质子、电子、光子以下呢？人们设计出几十种粒子来试图创建一个新的结构层次，是否能成功目前尚未得到证实。人们是否应当想一想，为了解释已经统一为少数几种粒子组成的层次，又要用更多的粒子组成的新的层次来解释它，这种思维方式合理吗？大自然的本来面目是这样的吗？

因此，笔者认为物质结构的层次不是无限的，质子、电子、光子无论是作为某种“粒子”或是作为某种“物质运动形式”来认识，其内部仍然是有结构的，但不是稳定的结构形式，因此不具有层次性。物质内部结构不是无限层次的。

三、物质结构的有序形式不是永恒的

人们一般并不认为具体的物质形式是永恒的，人们不会去坚持原子、质子这些具体的物质是永恒的观点，但是人们事实上有意无意地持有粒子性、弹性、引力、电性这些有序的形式是永恒的观点。物质结构有序形式永恒的观点极大地影响着人们的思维，导致研究的方式基本上是用新的粒子去解释原有粒子，用弹性去解释弹性，用引力去解释引力，用电性去解释电性。物质统一结构理论和统一场论是几代物理学家们的追求和努力，但是这些努力仍然只是建立在某个结构层次上的研究，没有从根本上研究粒子性、弹性、引力和电性的形成机制。但是，物质结构的有序形式真的是永恒的吗？

物质是由分子组成，分子由原子组成，原子由质子、电子组成，那么质子、电子由什么组成呢？经过近百年的努力，人们毕竟没有如同原来预想的那样打开电子，尽管有很好的夸克假说，也还没有真正打开质子。人们说这是能量不够，因此巨额投资兴建高能加速对撞机，也取得了不少实验成果，但问题始终未得到解决。有的学者将无限层次观点与物质无限可分观点混为一谈。也有学者认为有序形式的产生是“历史”的原因，在宇宙“诞生”的最初时刻，出现了物质世界的一切，包括各种粒子和各种作用力，以及现在人们熟知的物质运动规律。这种观点实际上已经否定了物质结构有序形式永恒的观点，因为它提出了有序形式的起源问题，然而这种观点认为，即使是那样的时刻，引力形式仍然是永恒存在的。

笔者认为物质有序的结构形式不是永恒的，现实中普遍存在的有序结构形式是有起源的。近代科学史表明人类认识的物质运动的统一形式种类越来越少，由近千万种分子到百余种原子，再到几种稳定的粒子，而近百年来再没有在这数种稳定的粒子如质子、电子内部找到更基本的独立的粒子，实践显然在提示人们，到了考虑物质基本结构形式问题的时候了。粒子的种类越少，普遍性和统一性就越强，最终必将导致对物质最基本的结构形式的认识。

四、物质基本结构形式假设

我们否定了物质内部结构层次的无限性观点，提出了物质有序结构形式不是永恒的观点，然而任何物质内部都不可能没有结构，那么物质有序结构形式内部最终是一种什么结构呢？笔者认为它必然是一种无序的、不定型的结构形式，可以称为物质基本结构形式。

物质基本结构形式是物质有序结构形式的基础。这种结构形式既然是无序的、不定形的，它就会有无数种，但是它们之间的差异是极小的，相互是不可区别的，是可以忽略的，因此又可以将这种结构形式视为一种。这种结构形式是具体的，是实实在在的具体的存在，然而它又具有最大的普遍性，在任何具体的物质中都存在着这种物质结构形式，因此它又是一般的。

我们否认物质内部结构层次的无限性，设想了一种没有粒子、没有弹性、没有引力、没有电性，当然也就没有能量和质量概念的物质结构形式，一种完全无序状态的物质运动形式。有人会说这真是太不可思议了，其实一点也不奇怪，物质运动的无序状态是原始的、绝对的，有序状态是发展的、相对的。提出这样的观点的依据是什么？是实践，科学实验不支持任何具体事物的永恒性观点，既不支持具体事物本体的永恒性观点，也不支持具体物质运动形式的永恒性观点。

有人会产生疑问，无序的不定形的东西能够称之为结构形式吗？笔者认为无序性和不定形性是物质基本结构形式的主要特点，物质基本结构形式不再具有一定的固定形态，这就保证了它的基本性、普遍性和统一性。物质基本结构理论既反对将物质具体形式僵化的观点，又反对完全脱离具体实在形式纯抽象地对物质定义的方式，强调要在具体的物质结构形式中研究物质结构的普遍规律，将具体与抽象、个别与一般、特殊与普遍有机地结合在一起，既要实实在在地“看得见摸得着”，又要具有最普遍性、最一般性。

笔者认为可以将研究物质基本结构形式，以及由物质基本结构形式发展为以太结构、量子波等有序形式的理论称为物质基本结构理论。探索物质的基本结构形式并不是寻求一种终极理论，而是寻求一种对物质运动发展的初级的简单形式的认识。

五、探索物质基本结构形式的条件已经成熟

我们提出了有序的形式不是永恒的观点，继而提出了存在无序的不定形的物质基本结构形式的观点，那么现在是否具备了探索物质基本结构形式的条件呢？笔者认为，现在探索物质基本结构形式的条件已经成熟了，有以下几条理由：

（1）近百年的科学实践史说明，人们认识的“稳定”的物质结构形式的种类越来越少，从近千万种分子到100余种原子，再到电子、质子、光子，稳定的物质结构形式种类越来越少，已经到了直接探索粒子、引力、斥力、电性的形成机制的时候了。多年来对物质结构的研究工作都是按照由浅入深、由表及里的研究模式，逐步剖析了物质的内部结构，逐步认识了分子、原子、质子、电子。但是继续走下去，近百年的努力没有完成剖析质子、电子的工作，应当采取某些新的研究模式，跳跃式地认识物质世界，力争从根本上解释一些基本问题。

（2）近代物理学中无论是科学实验还是基本原理研究，都积累了大量实验数据，形成较为系统的理论，为直接研究物质的基本结构形式创造了条件。

（3）即使在质子、电子内部可能还存在某个结构层次，只要它不是无限的结构层次，只要物质基本结构形式在有限的空间和时间里确实存在，那么现在开始研究物质基本结构形式就是必要的和可能的。

六、建立新的研究模式

物质基本结构形式与我们通常的物质结构形式有着重大区别，主要是它具有基本性，因此也隐藏得更深，不能通过直接剖析质子、电子这些有序的结构形式来发现，必须建立新的研究模式。

研究物质基本结构的方法与通常的研究方式不同，不是通过由大向小地解剖物质来直观地发现物质结构，而是以归纳法提出科学假设，由小向大地，分析物质结构由简单向复杂，由无序向有序的发展过程。总之，笔者希望另辟一条探索物质世界秘密的路，即不再是传统的逐步由大向小探索，而是反过来由小向大探索，由足够小的区域去直接探索物质的基本结构形式。

上述研究方法看似逆向思维，实际上是顺序研究，因为物质世界本来就是由基本的、简单的形式变化发展为复杂的形式，从最基本的角度研究物质基本结构形式，实际上是按照物质形式发展顺序来开展研究。如果不采用这种研究方式，我们是很难取得思维突破的。如后面几节提出的实体和间隙的绝对性问题，如果仍然采用通常的由大到小的研究方法，肯定无法确定这样的绝对实体或者绝对间隙的存在，因为人们始终难以打开电子这样微小的物体，当然不可能得到对实体或者间隙绝对性的认识。只有从尽量小但不是无限小的角度分析物质的可能形态，而不去关注这个物体是质子、电子或者是地球，才有可能得到一些突破性的与传统理论不同的观点。

通常认为一个假设，应当能设计出证实或者证伪的实验方案，否则就不能被认为是一个科学的假设（或者说有效命题）。由于物质基本结构形式的特点，直接地对有关物质基本结构形式的假设证实或者证伪是难以做到的。但是对某一具体的假设可以通过逻辑方法得到合理的推论，然后利用科学实验结果对各种假设的推论进行检验比较，证伪一些假设，选择保留一些合理的假设。即针对一种物理现象的解释可以提出多种假设方案，然后让这些假设连同使用逻辑推理方式得到的推理判断都保留，以待科学实验的证实或者证伪。如果某个假设，仅仅因为暂时没有设计出证实或者证伪的实验方案，就判定不是一个科学假设，将会因此阻碍某些可能是正确的科学理论形成。

七、绝对的实体和绝对的间隙

实体通常指独立存在的具有排他性的事物。学术界对于实体问题存在不少分歧观点，有的观点否认物质实体的存在，认为实体只是人类意识中的对象，只是概念；有的观点认为实体必须是某个固定形态的东西；有的观点认为任何实体里面都有间隙，任何间隙里面都有实体，不存在绝对性。

物质基本结构理论认为实体是物质的存在方式，是脱离人们意志而独立地客观存在的物质形式，间隙就是指实体与实体之间的非物质形式，实体与间隙构成了物质实在，实体与间隙就是物质基本结构形式。

实体与间隙究竟是什么样的呢？本来实体说的就是一个“实”字，间隙说的就是一个“虚”字，但是自然界长期给人们一个映象：物体里面总会找到间隙，而间隙里面也总会找到物体，所谓实体不实、间隙不空。一些人觉得这就是辩证法，任何事物都是相对的，没有什么绝对的东西。究竟有没有绝对的实体，这个看似简单的问题并不简单。如果否认了实体存在的绝对性，那么最终将会导致否认物质的实实在在存在，因为当你观察到的任何实体里面都是有间隙时，推论下去必定会得出物质不存在的结论。因此又必须认为任何间隙里面存在实体，才能挽救物质消失的命运，这就陷入了逻辑循环。如果承认实体的绝对性，就得说清楚这个没有间隙的实体里面究竟是什么样的，这当然也不是一件容易的事情。笔者认为必须承认绝对实体与绝对间隙的存在，而将研究的重心放在解决实体里面的“实”是什么样的问题上。

如图1-1，对任一有限物体B，这个物体可以是电子也可以是质子或者是一栋大厦，不管怎么样，它是一个有限的物体。用一理想平面A对其进行切割。

 

 

 

 

 

 

    

 

 

 图1-1  关于绝对实体与绝对间隙的理想实验

 

这是一个假设的理想实验。首先作为切割的工具的平面是理想的；当然还得假设，这个理想的平面是可以顺利地切割这个物体的，并且在“极小的过程”里即尽可能少的时间里，就完成了这项切割工作；再假设是能够在“极小的过程”里进行观察，也就是几乎静态的瞬间观察，这时物体没有发生移动，当然，这在现实中是不可能的，因为物质总是处于无限的运动中。

作了这么多假设，完全是理想化的条件，我们得到了什么结果呢？这个平面上必将存在与物质接触的地方。如果在这个平面上找不到与物质接触的地方，那一定是恰好这个平面全部都从物体内部的间隙通过，只要我们略为改变一下切割平面的方向，总有一次可以在这个平面上找到与物质接触的地方，否则物体B是不存在的，因为“无”的集合不可能产生“有”。这样就可以假设在平面上的点D处存在与物质的接触，那么在点D处必然存在外延，也就是说，物质在D处不会是仅仅一点而是点的集合，这个集合的大小不论，只要它是有限的而不是无限小，就应该认为它是无间隙的实密的。

同样的方式我们还能得到对间隙的认识，这样的平面上一定存在没有任何物质的间隙。如果在这个平面上找不到不与物质接触的地方，那一定是恰好这个平面全部都从物体内部的实体中通过，只要略为改变一下切割平面的方向，总有一次可以在这个平面上找到不与物质接触的地方，如果再找不到，则认为这个物体全部都是实体，那么在这个物体的边界之外将会找到没有与物质接触的地方，这就是间隙。这样就可以假设在平面上的点C处没有物质接触，那么在点C处必然存在外延。也就是说，间隙在C处不会是仅仅一点而是点的集合，这个集合的大小不论，只要它是有限的而不是无限小，就应该认为它是完全空的间隙。

对上面的理想实验是通过数学方法构思的，肯定会存在很多争议，如数学坐标能否存在，理想平面的概念能否成立，瞬间的概念的合理性，等等。的确，在物质基本结构层面，没有物质的稳定形态，能否应用数学方法是值得研究的。但是只要有思维，逻辑学的方法总是能适用的。对上面的理想实验可以不使用数学方法，而是仅仅使用逻辑思维方法，只要承认“有”是“有”的集合，“无”的集合只能构成“无”，无法构成“有”，“有”和“无”都必须是延续的，上面理想实验的结论照样是存在的。

认为物质实体与间隙具有绝对性，并不否认它们的相对性，正因为它们之间是可以相互转化的，具有相对性，恰恰说明它们存在着绝对性，如果不是绝对存在的东西，如何谈论可能的相对转化呢？实体与间隙既具有绝对性又具有相对性，绝对性表现在：实体与间隙是绝然不同的两个事物，实体内部没有间隙，间隙内部没有实体。相对性表现在：没有实体就没有间隙，没有间隙也就没有实体，而且实体与间隙是可以相互转化的。实体不是僵化的，而是充满无限变化的。实体是不定形的，然而在某一有限的过程里，实体又是有形的统一的。

提出物质实体与间隙绝对性的依据是实践。实践证明绝对性与相对性是事物性质的两个方面，只从一个方面认识事物是片面的。实践还证明物质是客观存在的，物质是不能创造和消灭的，因此承认实体和间隙的绝对性是必然的选择。

八、实体存在、变化和相互作用假设

（一）实体与间隙的存在假设

（1）实体的实密性

物质的最基本的结构是实密的，内部无间隙的。这种形式定义为实体。

（2）实体的不定形性

具体实体的大小是有限的不定形的。如果不作“不定形”假设，势必认为实体是固定大小的，这样就必须回答，它为什么是固定的，为什么是这样大小的，这是无法回答的。实体的不定形性是自然的现实存在，是无须解释的，“不定形”性假设最能在逻辑上自恰。

（3）间隙的纯空性

实体与实体之间，定义为间隙，间隙内部是没有物质的。具体的间隙是有限的不定形的。

（4）实体与间隙的唯一性

实体之间是间隙，间隙之间是实体，除实体与间隙之外，不存在物质的其他表现形式。

（二）实体变化假设

（1）实体存在无穷的变化

实体内部无间隙，但是存在着无穷的变化，内部的任何物质之间的相对关系，都是不

断变化的。

（2）实体是变化着的统一体

实体内部无穷的相对位置变化，丝毫也不影响它们仍成为一个统一体，它们是变化着的统一体。

实体存在着无穷变化的假设，实际上就是物质运动假设，如果不作这个假设，那么势必认为物质是静止的僵化的，无法说明物质为什么是这种固定的不变化的形状。

（3）实体总量不变

物质在变化过程中实体的总量不变。有人会问什么是实体的量，如果用数学来定义，现在还没有坐标和尺子；如果用逻辑学来定义，也必须有一个量的概念，必须回答什么是实体的量。笔者认为 “物质在变化过程中实体的总量不变”就是基本定义，自然界的物质不生不灭，即物质的守恒特性，决定了逻辑学中的实体总量的概念，这个守恒的形式就是物质的量（特别强调这个物质量概念不是质量概念）。由于物质的守恒性，实体在变化过程中一个方向的“增量”变化，必将在另外的方向出现“减量”变化。实体的内部变化与外部变化是同时的。如图1-2所示。

 

 

 

 

                          图1-2  物质的守恒性

 

必须说明，将图1-2画成数学坐标可以描述的形式并不恰当，因为在物质基本结构形式下，没有坐标，没有直线，也没有方位角的概念。在对物质基本结构形式描述时，数学的微积分分析方法是不适用的，只能使用逻辑的方法。上图，仅仅用于说明实体变化过程中，实体的总量不变。

实体是不可被压缩的，实体的内部变化同时又体现为外形变化，即任何变化都会“同时”表现为内部和外部的运动。经过一个“过程”，如果实体的一个方向凸出，必然有其他方向（或者多方向）的凹进，“侵占”了多少间隙就要在另一方向还回多少。变化的对应性说明了物质不生不灭，也说明了运动的永恒。

（三）实体之间相互作用假设

实体之间的相互作用，实际上是一个连续与间断相互转化的过程，也是一个旧实体消失和新实体形成的过程。

如图1-3，假设A、B、C均是实体，B与C以不同的速度和不同的方向与A发生作用。由于作用过程相当复杂，物质基本形态下的实体之间作用已经不再是空间的一个点或一个刚体承担全部的作用要素（质量、速度），而是有限的实体中任何物质都以不同方式参与作用。两个物质实体碰撞，总是表现为 “体”的作用，即从不接触到接触，从一接触开始就不是无限小的点接触，总是表现为“体”的作用，因此无法使用数学的微积分方式对这样的相互作用的实体进行空间分析。当一个实体与另一实体碰撞时，一个方向的运动量瞬间传递到物质实体的另一方向，无论距离是10^-30米，还是10³⁰米，作用都在瞬间完成，因此也无法使用数学的微积分方式对这样的相互作用进行过程（即时间）分析。

 

 

 

 

 

 

                                      

图1-3 实体相互作用示意图

 

下面试用逻辑推理方法，对实体之间的相互作用作出以下假设：

（1）实体总量守恒

实体间的相互作用过程中，实体总量不变。

（2）运动永恒

实体间的相互作用过程中，实体的变化不会停止。

（3）实体的相互作用是相对的

实体间的相互作用是一个相互改变对方存在方式的过程，一个实体的存在方式被改变，另一个实体的存在方式也将相应地“同时”改变。

（4）完全刚性与完全范性

实体既是完全刚性的，是不可压缩的，又是完全范性的，可以从任何地方分割。任何具体的物质是无限可分的，但不是无限已分，任何具体的物质又是无限可合的，但不是无限已合。

（5）实体的相互作用过程是连续和间断的统一

当实体相互作用一开始，原来连续的实体立即产生间断，原来间断的不同的实体立即融为一体，此时就已经形成了一个新的实体，旧实体的消灭与新实体的形成是同时完成的。运动的连续性与物质延续性是等价的，物质的延续性要求运动必须连续。运动的间断性与物质间断性也是等价的，物质的间断性表现在具体的实体是有限的，运动也必然是“有头必有尾”，在头尾处出现间断。

（6） 实体相互作用的局域性和非局域性

物质实体的相互作用，瞬间将作用量传递到“整个”实体，但任何有限的实体总会有间断，实体的相互作用影响的可能是很短的距离，也可能是非常大的距离，但是无论作用影响的范围有多大，在一个具体的过程里都是有限的，作用是局域的，但影响的范围可以非常广阔，而且没有极限，因此作用又是非局域的。

（7） 作用的传递速度既是无限的又是有限的

作用传递的只要是在实体内部传递，无论多远都是同时的，这就是作用传递速度的无限性。但是任何作用都是“体”的作用，由“无”到“有”的“体”是一个有限的过程，因此传递速度又是有限的了。

（8） 实体作用时相对速度趋减

相互作用过程中实体间的“相对速度”是趋减的。在物质基本结构形式下，物理量的概念是淡化的，相互作用过程中实体总量不变，只是一个物质不灭概念，并不等于质量守恒，此时并没有质量的概念。相互作用过程中运动不灭，也仅仅是运动不止而已，并不存在运动量不变的概念，此时并没有能量、动量和角动量概念，当然也不存在能量守恒、动量守恒和角动量守恒。我们没有理由对相互作用过程中实体间的相对速度趋减，以及没有质量、能量、动量、角动量等概念而感到无法接受和无法理解。物质世界本来就是从无序的状态发展变化成有序的状态，如果物质世界“永恒地”拥有这么多既定的定量的“有序”的东西，反而是难以理解的。

（9） 实体之间相互作用对实体变化影响的确定性与不确定性

实体之间相互作用引起的实体变化趋势的确定性表现在：物质守恒和变化永恒。实体之间相互作用引起的实体变化趋势不确定性表现在：前一状态并不是必然地变化为后一状态。这不仅仅是由于无法使用数学方法描述而产生的不确定性，也不仅仅是人们对它认识的局限性造成的不确定性，而是非因果关系、非决定论的不确定性。这种不确定性是大自然的本质原因造成的，这个本质原因就是实体内部和外部的无限性，无限性的物理量是不可计算和估量的。后面我们将谈到，随着物质基本结构形式朝着均匀化和系统化的方向发展变化，形成了有序的以太结构和量子波之后，非因果关系和非决定论引起的不确定性将会减弱。本书将在第九章详细研究量子的确定性与不确定性问题。

上面提出的物质实体观与传统的实体观有很大区别，不再将实体视为僵化的、有固定结构的状态。新观点认为实体不是僵化的，而是充满无限变化的，不定形的，然而在一个有限的时刻，实体又是有形的统一的。变化的、无序的、不定形的实体与间隙构成了物质基本结构形式。物质基本结构形式是具体的，是“看得见摸得着”的实实在在的，然而这种形式又存在于任何物体之中，因而它又是最普遍的最一般的。

很多读者对物理学是非常熟悉的，有形的实物粒子、质量、能量、动量、空间、时间、电量等概念已经根深蒂固地融化在脑海中。现在这一切在物质基本结构形式层面都不存在了，就会突然觉得这样的物质基本结构形式与我们通常对物质的认识有这么大的差异，它怎么能和我们通常熟悉的物理知识联系起来呢？请读者耐心地阅读下去，本书将会接着研究物质基本结构形式的发展趋势，提出以太结构和量子波观点，明确指出粒子就是波，到这时粒子性、弹性、引力和电性都出现了，以太结构和量子波观点将物质基本结构形式与读者熟悉的物理学知识联接起来了。随着以后各章的进一步研究，物理学的各种基本概念、公式及定理，都将在以太结构和量子波的观点下以新的方式得到解释和理解。我们没有去探索粒子是由什么新的粒子组成，也没有设想引力和电场力是由什么新的“力”引起的，而是力图从无序的不定形的物质基本结构形式出发，得到人们熟悉的一切。

九、数学与逻辑学

数学是研究事物数的规律的理论，因为任何事物总是可以表现出数量的关系，所以数学常被认为是无所不能的。然而研究物质基本结构形式时，就无法运用数学方法进行描述和分析。第一个原因是实体相互作用时的变化具有非因果关系和非决定论的不确定性，这种不确定性不受概率规范，因此就无法使用数学进行确定的分析；第二个原因是因为数学作为思维工具在定义空间方向、空间数量、过程长短时要求有一套标准量规，而此时完全是无序的不定形状态，根本找不到坐标、时钟和尺子；第三个原因是它描述的对象需要相对的稳定，或者能够模糊化为点、刚体，而物质基本结构形式的初级阶段确实没有这些稳定的定量的东西。只有在物质基本结构形式发展到量子形成，有了一些定态的物质运动形式之后，数学的抽象的空间和时间坐标才能建立起来，到那时才可以将物质运动的间断的、突变的现象，近似地模糊地建立起抽象的数学模型，数的概念和数学分析方法才能形成。

因此笔者认为，作为思维工具的数学不是永恒的，数学也有一个起点问题。坚持数学实在论观点的学者对此一定会持有异议，在他们看来，数学不是思维工具而是实在的。他们可能会说，假如某个星球上曾经存在过比人类还要聪明很多的高等生物，由于某种原因这个文明消失了，但是数学方法被长期地用某种实物形态保留下来。当人类踏上这片土地，发现场面有一些整齐的石块，按次序堆积成4、9、16、25这样的小堆，人类一定会认为这里曾经出现过文明，因为实在的、不消失的数学形式告诉了人类。但是这个例子只能说明思维形式的规律性和可表现性，并不能说明数学具有实体意义上的实在，如果没有人类的思维，数学形式是没有任何价值的。

人们也许会说，数学的微积分方法的基础是无穷小极限问题，物质基本结构理论不是也在力图描述微小的结构吗，为什么反而说微积分方法无法描述物质基本结构形式呢？这是因为物质基本结构形式的对象是极小的，然而不是无穷小，是内部和外部都具有无限性的有限结构。微积分无法描述物质基本结构形式并不是微积分的方法问题，而是描述的对象问题。人们往往认为数学是一种精确的思维方法，其实相反，数学相对于物理学而言在本质上是一种模糊的近似的分析方法，它将实在的物理对象抽象为没有体积的点，或者均匀一致的刚体，都是一种模糊的近似的处理，在这样的基础上才能运用微积分方法对物理对象的态进行精确的描述和分析。因此数学对实体这样的内部无限变化的对象的精确分析显然是无能为力的。数学无法描述和分析物质基本结构形式，无法分析实体间的相互作用，这并不是又一次数学悖论的产生，而是数学作为一种有生命力的事物的本质特性，决定了任何有生命力的事物都是有一个从无到有的过程的。

然而物质基本结构形式下物理状态是实实在在地存在的，既然是实在的，就是可以用思维方法比较和描述的，数学工具在这时派不上用场，作为思维工具的逻辑学，如概念、集合、判断和推理是可以使用的。因此物质（即实体）或者非物质（即间隙）占有空间体积的概念是可以比较的，变化过程的先后是可以比较的，方向也是可以区别的。用逻辑方法，当A>B且B>C 时作出A>C 的判断是可行的。逻辑学虽然粗犷一些，但是比数学应用范围要广，可以处理物质基本结构形式的抽象空间描述（当然这不是三维的精确描述），也可以处理实体间作用的从无到有或者从有到无的突变性、间断性，即对物质基本结构形式的动态的与过程先后有关的描述（当然这也不是连续的精确描述）。逻辑学也不是永恒的，人类思维现象产生，逻辑学才随之产生。

笔者认为物质基本结构理论对数学和逻辑学的上述理解方式，能够对含数学内容的逻辑学悖论问题（如全体与部分问题）的解释提供帮助。

十、空间与时间

空间与时间是人们最熟悉的概念，是物理学中分析得最多的对象。然而空间与时间又是最难以理解的、最神秘的问题。爱因斯坦狭义相对论认为空间与时间不是独立存在的，而是物质存在的形式，这个观点是完全正确的。

我们提出了物质基本结构形式即物质实体与间隙概念，研究了实体的存在、变化和相互作用问题。那么在物质基本结构形式下，如何建立空间与时间概念呢？尽管这时无法使用数学方法来精确地度量实体与间隙，但是用逻辑方法比较实体与间隙状态的大小还是可以的。既然可以比较，就可以建立起某些量的概念了。

（1）实体与实体之间距离：长度量。

（2）实体内部间断与间断之间距离：长度量。

（3）实体迎面大小：平面面积量。

（4）实体物质多少：体积量。

（5）实体与实体之间位置方位：平面角量和立体角量。

    这样就建立了与物质相联系的三维空间概念，实体或者间隙的数量的多少就是实体或者间隙占居空间体积的大小。

（6）实体相互作用过程先后：时刻量。

（7）相互作用过程的延续长短：时间量。

这样就建立了与物质相互作用过程联系的时间概念。

此时时空是与物质基本结构形式的无序性和不定形性相联系的，空间与时间是非数学的、不可精确度量的物理量。物质基本结构形式发展为有序的定形的状态之后，以太结构和量子波形成，那时的空间与时间就与有序的物质结构形式相联系，是可以利用数学坐标和数学方法描述和分析的了，到那时物质结构的绝对性逐步形成，需要从时空的角度研究有序的物质结构形式（量子波）的绝对性在相对的相互作用中如何表现的问题，于是一门高深的学问——相对论就产生了。

十一、无限和有限

无限与有限问题也是人们熟悉的而又难以理解的概念。本节我们分析物质基本结构形式下的无限和有限问题，是物质的最基本的无限和有限问题。

任何物质实体，如图1-4中的实体A₁的存在是有边界的，这是物质的空间有限性。而任何有限的物质实体，在它之外有更多的物质实体存在，这是物质的空间外延的无限性。任何有限的物质实体内部，如A₁内部，都存在无限性，它可以无限地分割，但是它的任何现状都是处于没有分割的、统一在一起的有限状态。这就是物质的空间形式的有限性与无限性的辩证关系。

 

 

 

            

 

 

 

 

 图1-4 空间与时间的有限性和无限性

 

人们注视的任何物质实体的变化过程总是阶段性的，在这个阶段里，物质实体从这样的形式变化为那样的形式，上图1-4，实体A₁变化到 A₃状态这个过程的阶段性就是物质的过程（即时间）的有限性。但是任何一段有限的过程，在此过程之前也是在不断地变化的，没有开始发生变化的“时刻”；在这段有限的过程之后，仍然是不断地变化，没有停止变化的“时刻”，这就是物质的时间外延的无限性。在一段有限的过程里，也可以分为无限多的子过程，实体A₁变化到 A₃状态，可以经过无限多的状态，A₂状态只是其中任意一个状态，然而实体A₁变化到 A₃过程实际上是连续的，这样的子过程连续统一在一起，仍然表现为一段有限的过程。这就是物质的时间形式的有限性与无限性的辩证关系。

谈到宇宙的无限性和有限性问题时，不少理论家们深感为难，因为他们定义无限时认为无限是有限的突破，如果宇宙是无限的，那么它如何在自己的无限性上再突破呢？笔者认为，我们只能谈论具体宇宙中的空间和时间的有限性和无限性问题，没有什么整个宇宙的概念，无限的宇宙是不存在的，具体的宇宙永远是无限与有限的对立统一。我们只能建立物质的空间和时间在外延和内涵上的无限性和有限性概念，我们不能企图建立整个物质世界的概念，不能说物质是无限的，因为物质永远是无限与有限的对立统一。

无限与有限的观点可以为量子理论中的一些疑难问题提供解答的思路，如后面将要研究的物质基本结构形式发展趋势问题，非因果关系和非决定论问题等，都需要用到无限与有限的概念来解释。

 

 

第二章  以太结构和量子波

 

我们建立了以实体与间隙为主要内容的物质基本结构形式，这样的结构形式在一个较大的有限空间里有没有发展变化趋势？会朝着什么方式发展变化？笔者曾经用了很长时间企图设想物质分布的非均匀化，希望形成“粒子”结构，结果没有成功。后来在弦论的启发下，提出物质基本结构形式的均匀化、系统化发展趋势的假设和以太结构、量子波假设，很多问题迎刃而解。

一、有限区域的物质基本结构形式发展趋势是均匀化和系统化

一个较大的有限区域（至少是人类目前科学手段能观察到的宇宙空间），物质实体间的相互联系在不断地加强，相互交织在一起，形成一个庞大的“网络”。这样的有限的区域里，物质基本结构形式的变化趋势是什么？可以作出如下假设：

（1）均匀化

区域内部与外部不断地交换物质，物质密度趋于均匀化，运动状态趋于均匀化。无限

的无序运动是均匀化的根本原因，均匀化是物质的自然属性。

（2）系统化

物质实体的相互作用，实体的平均径度不断在减小，物质的分散度不断增大，实体间的相互关联在不断增强，局部的相互的作用可以迅速地扩散影响到大范围的物质区域，这就是系统化。系统化也是物质的自然属性。

_{物质基本结构形式发展趋势的均匀化和系统化是不可分割的，是物质普遍联系的发展趋势的表现形式。提出新观点的依据是实践，科学实验证明一个较大的具体的宇宙空间和较长的具体的发展过程里，存在物质运动规律的统一性、均匀性及对称性，表现在物理定律（包括光速不变原理）在相当大的空间范围内和相当长的时间过程里的普适性。}

有人会说：提出物质结构形式发展趋势的假说，是为了衔接物质基本结构形式假设与后面的以太结构和量子波形成而特意设计的。笔者认为，提出以实体与间隙为主要特征的物质基本结构形式的假设后，必定要研究物质结构形式的变化趋势，而这个趋势必然要尽可能地与现代科学实验证实的物理现象相符合。现代物理实验证明，物质世界在相当大的范围内，很多的物理规律是稳定的。如光速在目前观察到的宇宙空间的“真空”中是稳定的；电子无论是在太空中产生还是在地球上产生，总是与正电子成对地产生，而且总是这么大的“质量”，等等。现代物理实验还证明，波与粒子现象是普遍存在的，尽管物理学家将“电磁波”定义为“特殊”的物质，即电场与磁场“自己”互相转化而形成的波，但是我们应当清楚地知道，作为特殊物质身份的电场与磁场一定是与“通常”的物质有共性的，在更基本的层次下，应当表现为同一种物质。离开“波”，将很难对作用力问题、粒子的规范性问题作出解释。而“波”一定是离不开媒质的，可见，构筑一个在有限区域内的相对均匀的又相互联系的“环境”是必然的选择。任何假设必须在推理上符合逻辑性，而且必须经得起科学实验的检验。

有人可能又会质疑：难道物质结构形式发展趋势是一个无条件的无限的均匀化和系统化过程？难道没有非均匀化和非系统化过程吗？物质在时间上是无限的，“整个”宇宙早就该绝对地均匀化和系统化了。笔者认为对这个问题应这样来理解，我们研究的均匀化和系统化过程是针对具体的物质系统而言，任何具体的物质系统无法预料外界的不平衡何时影响到区域内部。更重要的是我们根本无权谈论“整个”物质世界的问题，谁也无法料到经过极大的时间，我们目前观察到的半个宇宙的物质是否都会跑到另一半空间。因此不存在“整个”宇宙早就绝对地均匀化和系统化的问题。

那么可否假设均匀化和系统化都是有条件的，在一定的条件下系统朝着均匀化和系统化方向发展，在另外的条件下系统朝着非均匀化和非系统化方向发展？笔者认为即使两个均匀化和系统化程度相差很大的系统碰撞，如果分开观察这两个系统，可能会发现各自的非均匀化非系统化过程，但是如果不对这两个系统分开观察，而是视为一个新的整体综合在一起观察，这个综合体仍然是一个均匀化和系统化的发展趋势。这就是说我们所说的均匀化和系统化强调的是一个发展趋势。

均匀化和系统化是由无序迈向有序的第一步。由此将进一步向有序发展，形成了量子波和作用力，之后将带来新的不平衡，有序的力量反而使得非均匀化和非系统化活跃于物质世界，我们看到的宏观世界中能量和质量分布是那么的不平衡充分证明了这一点。

二、历史上的以太观

以太是一个古老的观念，为了解释物质结构尤其是物质的波动现象，物理学家们提出过多种有关以太的学说。古希腊时代亚里士多德认为天体间一定充满某种媒质。笛卡儿1644年发表的《哲学原理》中就认为“虚空”是不可能存在的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物体——以太。1678年惠更斯把光振动类比于声振动，看成是以太中的弹性脉冲。

但是后来由于光的微粒说占了上风，以太理论受到了压抑。牛顿认为不需要以太，他主张超距作用。持超距作用观点的人认为，太阳对地球的引力无须太阳与地球之间的物质联系。

1800年以后由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学说重新抬头。在波动说的支持者看来，光既然是一种波，就一定要有一种载体。光能通过虚空，证明在虚空中充满这种载体，这就是以太。他们把以太看成是无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性“物质”。麦克斯韦和他那一代的物理学家认为：“只要能量在一段时间里从一物体传送到另一物体，那就必然有一种媒体或物质，使得能量在离开一个物体之后而尚未到达另一物体之前能够保存在其中。”

以太是物理学家用以解释光的波动现象而假设的媒质，在很长一段时期内对物理学的发展起着重要作用。后来它最终被放弃了，理由是：

（1）如果以太存在，以太作为媒质承载光速这么快的横波，显然要比钢铁还要坚硬得多，然而物体在以太中运动却未感受到丝毫“阻力”，这是不可想象的。

（2）如果以太存在，物体的运动必然有一个相对于以太的速度，然而任何科学实验都无法测到“以太风”的速度。

（3）如果以太存在，必然可以定义一个相对于以太“静止”的参照系，而爱因斯坦的相对论否定了任何特殊的惯性参照系，一切运动都可以理解为相对的，任何参照系都是“平等”的。

   （4）科学证明了光波就是一种电磁波，而电磁波可以视为电场与磁场相互激发并在空间传播的现象。对电磁场无法用通常的物质形态解释，暂且作为特殊的物质形式对待，那么电磁波也就是一种特殊的物质形态。由此，以太的存在是不必需的了。

传统的以太观中粒子与以太是绝然区分的，在这种观点下，粒子之船在以太的海洋中，遇到极大的阻力问题是不可避免的。而且测量不出船相对于以太海洋的速度也是难以解释的。于是在20世纪初，以太就退出了历史舞台，近百年来几乎没有人想起它。但是我们应当知道不少物理学大师对以太的评价仅仅是“以太的存在是不必要的”，并没有断言以太是不存在的。那么以太是否真的不存在呢？

三、重新找回以太的理由

20世纪初，以太退出了物理学殿堂，但是物理学对波推崇到如此高度，仅仅用一个“概率波”，用一个“特殊的电磁场”，就能把波动与媒质的依存关系拿掉吗？现在到了把以太找回来的时候了，理由有四条：

    （1）没有媒质的波动是不可想象的。人们将电磁波视为一种特殊的波，但是特殊的波也是物质，“特殊”的电磁场物质是需要研究的，也就是说要研究电磁场这种特殊物质与我们“通常”的物质有什么共同点，以这种方式认识电磁波，其实就是要从新的角度认识以太。

（2）对粒子的结构研究需要以太概念。现在人们对粒子与波的概念有较大差异，往往将量子的粒子性强调得很重，而对波只是解释为“概率波”而已。实际上无论用什么方式构造粒子的结构都摆脱不了波的痕迹，如粒子相互作用引起粒子运动显示出德布罗意波，正反粒子湮灭出现光波，等等。对粒子结构的研究必须建立实实在在的波的概念，以太的存在将有助于粒子结构的研究。

（3）量子的相互作用离不开以太概念。量子之间的相互作用不可能是超距的，因此必须以物质来传递作用，目前的理论是构造一种新的“传递作用粒子”来解释量子间的作用，粒子的种类越来越多。其实即使使用了“传递作用粒子”概念，还得解释“传递作用粒子”为什么能够传递作用，它的结构是什么。如果建立以太结构的概念，问题可能会简单一些。

（4）如果第一章中对物质实体与间隙的假设是正确的，物质基本结构形式是存在的，那么以太的存在就是必然的。

况且，在摈弃以太的情况下，近百年过去了，物质统一结构理论还没有出现重大突破，那么不妨把以太找回来，看看能否形成一些新的思路。

四、物质基本结构形式下的以太结构

从对实体与间隙的研究开始，我们提出了物质基本结构形式的假设，并提出有限的具体区域物质系统的基本结构形式，通过均匀化和系统化过程形成了较大范围的“物质普遍联系”的形态，这就是物质基本结构形式下的以太结构形式，是一种全新观念下的“以太”。

_{新的以太观具有什么特点呢？}

（1）以太直接建立在物质基本结构形式的基础上，它内部没有特异的结构形式。

（2）以太具有形变和可以自动恢复的特性，对于被压缩而力图恢复的物质区域而言这是弹性或者称为排斥性，对于被拉伸而力图恢复的物质区域而言这也是弹性，但表现为引力性。这是物质基本结构形式通过均匀化和系统化发展趋势形成的最基本的弹性和引力现象。

（3）以太具有大范围的一致性，这是物质基本结构形式通过均匀化和系统化发展趋势形成的最基本的对称现象。试想宇宙深处一个光子从几亿光年处奔到人类面前，遥远的路途，之后多少会发生一些变化，但基本上是稳定的，如果没有一个均匀的环境，这种稳定性能存在吗？每时每刻宇宙深处新生成的正负电子对与地球上人工生成的正负电子对的质量基本上一致。如果不建立“均匀化”的模型，一切均无从谈起。以太结构正是这种均匀化环境的体现。

（4）以太具有大范围的系统性，这是物质基本结构形式通过均匀化和系统化发展趋势而形成的最基本的“场”的物质基础。地球与月亮相隔这么远都受到相互“引力”的影响，而“引力”的基本单元是一个一个的质子、电子，总的引力是每个基本单元的引力之和，可见，地球上的一个质子与月亮上的一个电子之间的引力仍然是在发挥作用的，如果没有以太为基础的大范围的“系统性”的特征，就无法建立起 “场”的概念，无论是近距离还是远距离的作用都是不可能实现的。

（5）以太中没有任何类似“粒子”一样的其他物质，它之中只有以它自己为媒质的“波”，这就是后面将要提出的量子波，实际上它就是以太的表现形式。

（6）由于“实物粒子”和光波一样本身就是波，是以太的表现形式，因此也就无所谓“物体在以太中的阻力”问题了。

（7）由于“实物粒子”本身就是波，那么作为观察者的我们以及观察仪器都是波的运动方式，也就是媒质自身的表现形式，当然“我们”无法发现承载“我们”的媒质的“绝对的”运动状态了。

在一系列假设的基础上建立了以太结构，我们暂时无法探究以太结构的特性，如弹性、引力性等是如何产生的，量子波是如何产生的，可以将以太结构的细微机制暂时视为黑箱，留待今后研究。我们当然不能回避以太与相对论的相容性问题，如果把以太找回来以后，与相对论发生了矛盾，这可是一件不能容忍的大事，须知爱因斯坦的狭义相对论是经过千锤百炼被证明是正确的理论，这个问题将在第八章研究。

有些读者可能会认为，物质基本结构形式的均匀化和系统化趋势，与我们见到的宇宙间的物质分布的极度不平衡性差距这么大，更是与宇宙大爆炸理论中提出的一百多亿年前现有宇宙的物质几乎都集中在一个“奇点”的观点是格格不入的。从后面的内容中，读者将可以看到，物质基本结构理论认为，物质的质量概念就是量子波的频率，与第一章中笔者提出的物质基本结构初级阶段的实体形式的物质量概念是不同的。量子波就像太平洋深处的波涛，有些区域惊涛骇浪，有些区域风平浪静，但是太平洋各处的物质分布密度大体上是均匀的，地球、太阳、原子内部的“质量”集中不过是波动的集中而已，空间的以太物质分布大体上是均匀的。物质基本结构理论与宇宙大爆炸理论是不矛盾的，而且为大爆炸理论提供了“真正”的物质基础。

五、量子论的产生

量子理论的提出始于20世纪初。1900年，普朗克发现了量子，人类从此迈入了辉煌的量子时代。柏林一年一度的德国物理学会年会上。来自柏林大学的普朗克教授首先报告了他发现的辐射定律。这一定律与最新的实验结果精确符合。普朗克指出，为了推导出这一定律，必须假设在光波的发射和吸收过程中，物体的能量变化是不连续的，或者说，物体通过分立的跳跃非连续地改变它们的能量，能量变化只能取某个最小能量元的整数倍。为此，普朗克还引入了一个新的自然常数=6.55×10^-27[尔格·秒]。这一假设后来被称为能量量子化假设，其中最小能量元被称为能量量子，而常数被称为普朗克常数。爱因斯坦于1905年进一步指出光波本身就是由一个个的能量子组成的。爱因斯坦认为，能量子概念不只是在光波的发射和吸收时才有意义，光波本身就是由一个个不连续的、不可分割的能量量子所组成。利用光量子假设，爱因斯坦成功地解释了麦克斯韦电磁场理论无法解释的光电效应等现象。

普朗克常数的重要意义有两个，一是确认了能量子的一份一份性，二是是每一份能量与频率的相关性，即普朗克常数。

杨氏双缝实验早在1801年就已经证明了光可以产生干涉现象，从而是一种波。然而，爱因斯坦却发现，光波理论无法解释光电效应等新的实验现象，为此又必须利用光量子假设。但是，如果光是由粒子组成的，它又怎么能产生干涉现象呢？这绝对是一个两难的局面！爱因斯坦不得不承认：光似波，也似粒子。1909年9月21日，在萨尔斯堡(Salzburg)举行的德国自然科学家协会第81次大会。爱因斯坦首次提出光具有波粒二象性，认为光的波动性和粒子性这两种特性结构并不是彼此不相容的。然而，光似波，也似粒子，那么光到底是什么呢？爱因斯坦同样感到深深困惑，他从此又开始了漫长的探索旅程。爱因斯坦晚年承认，“整整50年有意识的思考仍没有使我更接近‘光量子是什么’这个问题的答案。”

光量子是什么的答案没有弄清，并不影响科学家在探索量子性能之路上继续前进。就在爱因斯坦提出光量子学说不久，玻尔提出了氢原子中电子能级和跃迁理论，把量子的概念延伸到实物粒子。法国的德布罗意突然意识到，既然光波具有粒子的性质，那么实物粒子，尤其是电子，也就应当具有波的性质!接着海森伯发现了通往量子力学的矩阵之路。然后，薛定谔于1926年找到了物质波所满足的运动方程，从而建立了量子力学的波动形式。这样量子理论(含量子力学)的基本框架建立起来了，尽管在量子理论的一系列问题上学术界有很多争论，但是量子理论总体上的正确性是无可非议的。近百年来，量子理论无论在理论上还是在实践中都取得了辉煌成就，整个世界由此发生了巨变。

六、德布罗意波概念的拓展

1924年德布罗意提出，兼有波和粒子两方面性质，不只是光子的特性，而是光子和一切实物粒子共同的本性。德布罗意指出，一个质量为m、以速率做匀速运动的实物粒子，从粒子性看，可以用能量E和动量P描述它 ，从波动性看，可以用频率和波长描述它，这两个方面以下列关系相联系：

                

            .   

式中为普朗克常数。

德布罗意认为，对于一个静质量为m的粒子而言，当它以速率运动时，它相当于一个单色平面波，其波长为

       

这种波就称为德布罗意波。在非相对论条件下，如果不考虑势能，物质波的总能量是

   

    德布罗意称这个他所引入的伴随物体运动由位相相来定义的波为位相波，并且认为这个相位波是以相速度沿方向传播，这个速度是远远大于光速的。（笔者注：对此我们可以不去理解它）

目前流行的现代物理学教材和科普读物，都把德布罗意的位相波称为物质波，并把它解释为：实物粒子具有波动性和波具有粒子性是相应的；作为粒子，具有动量和能量E；作为波，具有波长和频率对于光量子能量E=；动量；因此对于实物粒子也有同样的关系即

这个关系称为德布罗意公式，称为实物粒子的德布罗意波长。这种阐述方式与德布罗意的原文多少有一些出入。但是，无论这样的物质波概念阐述是否符合德布罗意当时的愿意，德布罗意本人和后来的学者都是将德布罗意波限定在运动的粒子范围内，即德布罗意波考虑的是动能，并没有包含物质的静止能量(即静止质量)。后来的薛定谔波动方程中考虑了势能因素，但仅仅考虑了变动的势能，并不包括物质静止能量。有关验证德布罗意波的实验也是从运动电子的动能角度考虑。

现在让我们将德布罗意波的概念拓展：不仅仅运动的实物粒子具有波动性，静止的实物粒子也具有波动性，无论是光子、运动的实物粒子和静止的实物粒子都具有波动性。实物粒子的与静止质量相关的静止能量也应服从普朗克常数转换定律，具有相应的波动频率和波长。

提出这个观点的依据是实践：一是经实践验证的爱因斯坦质量与能量相关理论；二是经实践验证的普朗克常数所规范的能量与量子频率相关性；三是经实践验证的能量守恒定律。

将德布罗意波概念拓展到所有的粒子意义是十分深远的，它实际上提出了“粒子就是波”的全新观念，从根本上回答了量子的粒子性和波动性问题。

七、以太结构中的量子波假设

将德布罗意波概念拓展，提出了“粒子就是波”的观念，这种波就是以太结构中的量子波。在宏观世界里，我们认识的波都是依赖媒质的物质运动,将波源的振动能量通过媒质传给相邻的物质,再逐步传输出去。如果以太作为一种新型的媒质，它能否产生波，产生的波的形式是什么？下面试从以太波与宏观波的类比的角度作如下分析。

（1）宏观波必须有媒质，媒质必须有弹性，可以接受运动的作用而形变，并反弹输出形变。以太也具有这种特征，以太中的波是可以存在的，以太可以作为一种特殊的媒质。

（2）宏观波由于媒质接收能量和输出能量有一个过程，因此产生了“时间”的滞后并形成“波动周期性”、波的传输速度、相位等特征。以太中的波运动形式的接收和输出也存在一个“过程”，同样产生“时间”的滞后并形成“波动周期性”、波的传输速度、相位等特征。

以上（1）—（2）点，说明以太中可以产生波，在一定程度上具有与宏观波相似的特征。

但是以太结构与宏观的媒质毕竟有很大的区别，这些区别主要是：以太中没有稳定的“粒子”，以太中还没有形成能量、质量、动量特征，以太的均匀性、整体性、张力性都远远大于宏观媒质，等等，这就决定了以太中的波将会与宏观波有着重大区别。这些区别主要是：

（3）宏观波的产生通常有波源的持续振动，而以太是物质的基础结构形式，以太中的

波没有持续的波源，每一个“波”自身就是波源。

（4）宏观波离开波源一定距离后，波动能量将随着传输距离的增加而迅速分散，波幅与距离的平方成反比。而以太中的波并不发散，在没有发生波与波之间的相互作用之前，保持波动形式不变，即方向不变、速度不变、波长不变，频率也不变，这就出现了频率“稳定”的概念。

（5）以太中的波具有“量子”性，即波是一份一份的形式。从此人们可以正式将以太中的波称为“量子波”了。

（6）以太中的“弹性形变”恢复性能，纵向的“径度”和横向的“切变力”是最大的，大到什么程度？大到不能再大，大到只能是“均一”的并以它为标准设为1，宏观中各种不同系统的这个值都只能小于1。由此，以太中的波的速度也是最大的，大到什么程度？大到不能再大，大到只能是“均一”的并以它为标准设为1，这就是光速c，宏观中各种不同系统的这个值都只能小于c。

从以上分析可以得到一个结论：以太结构中能形成量子波，量子波就是以太结构的表现形式。从此以太结构和量子波就成了本书的主角，我们将要在此基础上研究量子理论中的所有基本性问题。当然还会不时地回头关注物质基本结构形式即实体与间隙的规律对量子波的影响，我们得记住此时的以太结构概念不是一百年前的以太概念，量子波概念也不是近八十年前的德布罗意波概念，它们都将以一个全新的面目出现在物理世界。在以后各章中读者可以清晰地看到，物质基本结构形式、以太结构和量子波观点，即物质基本结构理论将与物理实验很好地吻合，然而也将很自然地导引出很多与传统理论不同的观点，形成一个系统的对现有量子理论进行补充完善的理论体系。

第一章第九节中，笔者认为实体之间相互作用对实体变化的影响是存在不确定性的，一种非因果关系和非决定论的不确定性。现在随着物质基本结构形式朝着均匀化和系统化的方向发展，有序状态已经开始形成，在这样的有序结构层面，非因果关系和非决定论引起的不确定性将会逐步减弱。

八、量子波的两种形式

    量子波即为物质基本结构形式经过均匀化和系统化过程，形成了具有弹性和引力的以太结构后，在以太结构中产生的波。量子波有两种形式：玻色波形式与费米波形式。玻色波形式类比于横波，费米波形式类比于纵波，光子是纯粹的玻色波，静止的实物粒子是纯粹的费米波，运动的实物粒子是同时含有费米频率分量和玻色频率分量的量子波。波色波的波动中心随着时间的推移连续地在空间移动位置，不局限在一个区域；费米波的波动中心也连续地在空间移动位置，但反复地运动在一个相对稳定的区域。传统理论中粒子与波的差异非常大，量子波概念将将粒子与波统一起来了，无论是波色形式的量子波还是费米形式的量子波，都是以太结构中出现稳定的一份一份的波，而且波速是“均一的”“最大的”，即光速c。关于波色形式和费米形式量子波的波形问题将在第十节研究。量子波的概念建立后，对量子的定义就可以简单得多了，什么是量子？量子就是以太结构中的波。粒子就是波的观点完全符合量子理论的基本观点：量子就是一份一份的稳定波。质子是一种频率高的纵波，电子是一种频率为质子频率1/1836的纵波，光子是各种频率的横波。量子波在以太结构中也不是永恒的，关于量子波在以太结构中是如何生成与消失的问题，将在第十一章中研究。

提出量子波概念的依据是实践，实验支持普朗克常数表达的能量与频率的对应性，支持能量守恒定律，支持爱因斯坦的质能相关理论，这就是提出量子波概念的实践基础和理论基础。如果不建立量子波概念，很难解释静止能量为什么不能如同动能一样具有波动性。如果不建立量子波概念，势能无法取得频率量，量子间相互作用时势能与动能相互转换，频率就会凭空地增加或者减少（最典型的例子是正反费米子湮灭为光子），这不是一个完备理论所期望的。既然建立了能量守恒概念，建立了能量与频率对应概念，建立了质能相关概念，为何不接着建立频率的对等转换概念呢？因此笔者认为量子波概念的提出是有实践基础的，也是与传统理论衔接的，在逻辑上是自恰的。

看到这里有的读者也许会说，粒子就是波的观点的确是新颖，但是传统观念下粒子是有边界的，而量子波的边界在哪里呢？量子理论要求人们必须在全新的观念下理解物理现象，量子具有定域性和非定域性，任何一个质子或者电子都有稳定的波形和波动中心，但是没有边界，众多量子的波是交织在一起的。量子的很多特征将在后面的章节中详细讨论。

笔者提出量子波的概念在一定程度上是受到了弦论的影响。刚开始接触弦论时无法接受弦论中的弦居然发展到十一维的复杂形式，弦论的思维方式无法适应自己力图从简单的基本结构入手的研究问题方式。后来觉得弦论中有可取之处，弦论认为“静止”的粒子也在振动，而德布罗意的“物质波”仅仅体现在粒子的动能中，于是提出了量子波概念。

量子波概念与弦的概念是有重大区别的。（1）量子波概念建立在实体与间隙的物质基本结构形式基础上，建立在以太结构基础上，有坚实的物质实在基础；（2）量子波概念力求简单、统一，至少不能使目前稳定的“基本粒子”家族成员更复杂；（3）量子波概念希望将光子、静止的费米子、运动的费米子一并纳入理论框架中；（4）量子波概念希望能够在基本的结构形式上解决费米子的正反性即正负电性问题。

九、数学开始进入物理学

前面研究物质基本结构形式时笔者提出数学也有一个基础和起点问题，认为在物质基本结构形式的条件下数学还不能产生，理由主要是那里还没有稳定的物质结构形式，无法找到量度空间的尺子和量度过程的时钟。

现在情况不同了，量子波大摇大摆地登场了，它是那样的稳定，波长不变是它的空间稳定性，频率不变是它的时间稳定性。量子波的产生为数学的产生创造了条件，量子波形成之后，物理量相对稳定了，计数成为了可能，数学分析成为了必不可少的工具。坐标系的建立具体地标志着数学正式进入了物理世界，物理学开始了可计量的时代。

描述物体是否运动以及做怎样的运动，必须选择另一些物体作为参考。这些物体称为参照物。通常在参照物上固定一个坐标系，最常用的是直角坐标系。在坐标系下，我们开始有了一些物理量的“单位”，这就是：

长度：米；     面积： 米²；    体积：米³；

角度：弧度；   波长：米；      时间：秒；

频率（即能量）：次/秒；  波密度（即动量）：次/米。

关于单位和单位制问题，将在第四章专题讨论。

     十、量子波的波形假设

前面提出了以太结构中的量子波概念，既然是波就应当有波形，所谓波形简单地说就

是以太结构的形变和恢复的状态。

为什么要研究量子波的波形呢？因为量子波的波形问题涉及后面将要研究的很多问题，如将正负电子理解为量子波，就得大体上构造出描述正电子的量子波形与描述负电子的量子波形有什么不同，才能为下一步研究提供一个基础。虽然不能期望精确地描述出量子波波动的全部细节，但是必须对量子波的波形大体上构造出一个粗线条轮廓。

现对以太结构中的量子波的波形作一些假设。

 

十一、直角三角形描述下的量子波

量子波区分为横波与纵波，即玻色波和费米波，纵波与横波的结合就是德布罗意的物质波了。无论是玻色波还是费米波，波速都是相对稳定的，波动的其他性质，主要是频率（或波长）也是相对稳定的，一份稳定的波就是一个量子，也是微观物理学研究的最主要的对象。

下面让我们试用一个直角三角形ODE描述量子波。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图2-7   用一个直角三角形描述量子波

 

如图2-7，纵向直角边OD方向表示费米波，频率用表示，速度用表示，波密度用表示。斜边OE方向表示总的量子波，频率为，速度光速C，波密度为。横向直角边DE方向表示玻色波，频率为，速度为，波密度为。

这些数据之间的关系符合直角三角形边与边之间的关系：

频率（即能量）：

斜边OE方向，

        纵向直角边OD方向，费米频率分量 =

        横向直角边DE方向，玻色频率分量

速度：斜边OE方向，总速度：c

   纵向直角边OD方向，费米波速度分量

        横向直角边DE方向，玻色波速度分量

波密度（即动量， 频率 / c）：

    斜边OE方向，总波密度：

    纵向直角边OD方向，费米波密度分量：

       横向直角边DE方向，玻色波密度分量 ：  

               

可见费米子获得的动能越大，越大，DE方向速度就越大，但不能超过光速c。

它们之间的关系计算符合狭义相对论变换公式的要求。

然而，这个直角三角形如何描述复合形式的量子波的波长呢？如果费米子获得外来动能，运动速度增加了，OE比OD长度增加表示的总频率增加了，DE表示运动速度，也表明增加的玻色频率分量。原来OD可以表示费米波的波动波长（严格地说是二分之一波长），现在不能再用OD表示总的波长了，又由于总的频率增加导致总的波长将减少，而OE比OD长度增加，因此也不能用OE表示总的波长。那么如何形象地描述新的复合形式量子波的减少了的总波长呢？从D点向OE引一条垂直线，垂点为F，OF即为量子波总频率相对应的波长，此时量子波的波动行程并不到达D点，更不到达E点，而是只到达F点，因为波长缩短了。经计算可知：

总的量子波波长OF = 费米波长OD  

熟悉相对论公式的读者容易联想到“运动物体的尺子缩短了”，请不要急于这样理解，尺子是否实在地缩短可不是一个简单的问题，需要认真研究。这里仅仅是用图表示运动的费米子的波动状态，使读者便于理解而已。

如果有读者一定要问：为什么用一个直角三角形而不是别的角度的三角形描述量子波？可以解释为这是由横波与纵波的波动性质决定的，直角如同直线、圆周和球面一样，具有对称性和最小性。

用一个简单的直角三角形描述量子波，能够在频率（能量、质量）、速度、波密度（动量）、波长方面得到与狭义相对论变换公式相似的形式，说明相对论与量子论有着天然的联系。同时也说明关于量子波存在横波与纵波两种形式的假设是有一定的实践基础的。

读到这里读者仍然会感到以太结构和量子波观点似乎只是一种新思维，与目前的知识体系有很大的距离。笔者将在后面的章节逐步阐述以太结构和量子波观点与现行理论的衔接，第四章将提出量子单位制，读者熟悉的物理定律、公式将会以极其简单的形式展现出来。随着以后各章节的展开，引力作用、电磁作用、统一场论、相对论、量子实在的确定性和概率性、量子通讯、量子信息、量子计算、质子电子质量的稳定性、核力与电场力的统一性、复合量子等问题，都将在以太结构和量子波的主线牵引下展示出来。读者浏览完全书后，一定会感到物质基本结构理论涉及到物理学的大部分基础性问题，它不仅仅与现实的理论有共同的研究领域，而且与现实的应用有密切联系，它的正确与否是可以由现实的实践来检验的。

十二、物质基本结构理论是量子理论的组成部分

 

第三章     辩证物质实在论

 

  四、既具体又一般的物质本原观   

       所谓事物本原，就是说宇宙间万事万物是否存在一个共同的基本的东西。经验和实践给了人们一个深刻的映象：世界不可能没有根本，无本之源是难以想象的。人们的思维方式也驱使人们对任何事情都追根问底，要寻求对事物间任何差异的解释，除非它们之间没有差异或者差异是极小的、可以忽视的。这种认识方式使人们相信世间万事万物都是统一的有本原的。

     （1）作为事物的本原应当具有的特性

人们一般都认为事物确实存在本原，但是对什么是事物的本原问题却有很大分歧，首先对于作为事物本原应当具有的特征就有很多不同看法。希腊古典哲学和现代西方哲学一般都认为本原应当有如下特点：

第一，不受空间和时间的限制。

这个观点认为：如果本原受空间限制，则必然可以无限分割，无限分割的结果究竟是什么，是精神还是物质，谁也不知道。如果它受时间限制，则有始有终，可是凡是有始有终的东西，人们一定可以追问它是何时形成的。假如本原也有起点，就不配称为本原了，因为人们总是可以问起点之前是什么呢。

这个观点太强调一般性，完全否认了任何具体的东西成为事物本原的可能，这样一来只有抽象的东西如精神、概念、存在等，才有资格成为事物的本原，这显然是不恰当的。但是如果具体的东西成为事物的本原，确实需要解决一个具体的东西如何同时又是普遍的问题。

笔者认为这一条应当改为：作为事物的本原在结构形式上不受空间和时间的限制。

第二，凡是本原的东西，万事万物必定都依赖它而存在。

这个观点认为本原不仅仅在质料上是万事万物结构的基础，而且应当在动力机制上本原也是万事万物发展变化的原因。

        这个观点将本原视为种子一样的东西，含有了成长发展的信息和动力，显然也是不妥当的。本原应当具有更普遍更一般的运动规律，具体事物的特殊的运动规律是在这样的一般规律基础上的特殊性，但是不能说是一般规律发展出了特殊规律。

        因此笔者认为这一条应当改为：作为事物的本原应当具有最普遍性和最一般性，万事万物的运动规律都是此基础上的特殊性。

第三，本原必定是自因的。

        这个观点认为本原的存在是自因的，如果本原不是自因的，就是由其他原因所造成，但是这样一来它就不是本原了。认为哲学是一门彻底的论证的学问，只有当一种东西一经提出就不再能追问“它是如何产生的”这个问题，人们才能称其为本原。

        这个观点本来没有什么问题，但是持这个观点的学者往往不承认大自然的事实就是最根本的自因，坚持要求唯物论学者或者唯心论学者说清楚，最初的物质或者精神从何而来，最初的运动从何而来，这就勉为其难了。其实大自然存在的事实就是最根本的自因。

        因此笔者认为这一条应当改为：作为事物的本原必定是自因的，它的存在形式是自身存在形式的延续。

（2）物质基本结构理论下的物质本原观

从对自然界的基本问题的认识角度来看，唯物论将物质视为事物的本原的观点是正确的，但是这个正确的认识并未能获得知识界，尤其是最讲客观实际的自然科学界的应有的支持面。对此，不应当简单地归结为社会因素对人们世界观的影响，而应当寻找理论本身是否存在某些不完善的地方。唯物论将本原确定为物质实体，并将物质实体理解为原子、质子、电子这样的“固定”的粒子形态，这样的本原论确实存在很多先天不足。现代唯物论不再将具体的物质形式作为事物的本原，而把物质概念抽象化，认为物质是指意识之外的客观存在的东西。但是这仍然摆脱不了难以自圆其说的局面。完全脱离具体有形的抽象性概念作为本原缺乏坚实的基础，哲学必须对自然科学的新发现作出解释，一般的抽象的本原观不能满足要求。

        物质基本结构理论提出了辩证的实体与间隙的观点，一种充满活力的既具体又一般的物质本原出现在人们面前，物质本原就是物质基本结构形式，就是物质实在的基本形式，就是辩证的实体与间隙。物质基本结构理论并不把“实体”看成僵化的一成不变的东西，而是辩证的变化的发展的东西，这样物质就不是被动的而是生动活泼的了。

有人可能认为通常我们看到的是“真实”的有一定大小的粒子，现在提出不定形的、无限变化的、对立而又统一的物质基本结构形式作为物质本原，难以理解。其实只有这样的物质基本结构形式才是最基本的物质形态，才可能做到无须再寻求它的构成结构，才能称之为本原。

有人觉得具体的东西是暂时地处于不断变动中，只有概念才是本质的可以稳定存在的东西，如一张桌子可以变为一堆木材，每一时刻它既是桌子又不是桌子，只有桌子的概念才是存在的。认为物质基本结构形式是具体的变动的事物，不符合本原应当持续稳定的特点。笔者认为没有理由认为变化中的事物是不存在的，动态中的稳定恰恰是最基本的稳定。成为本原的东西必须是具体的，否则它如何成为其他事物的基础呢？成为本原的东西又必须是一般的，否则它如何成为万事万物所共有的呢？物质基本结构形式就具有这种特征，由这种不断变化中的物质基本结构形式作为物质本原，才能体现本原的基本性，避免了以不变的形态作为本原总是须要进一步解释的尴尬局面。

物质基本结构形式存在于任何事物之中，宇宙中的任何物质形式，只要细分下去，总可以在有限的空间和有限的时间里找到物质基本结构形式，如果再继续细分地找下去，还是物质基本结构形式，在这个极小的具体层面上，物质形式之间的差异是很小的。因此从这个意义上来说，万事万物确实依赖物质基本结构形式而存在。物质基本结构形式是自因的，这种结构形式不需要由别的原因造成，无须追问“它是如何产生的”。至于有人一定要追问物质基本结构形式最初从何而来，运动最初如何产生，回答只能是：大自然的客观事实就是最根本的自因，这正是本原的特征。

这里需要说明，为什么不使用“物质是世界万事万物的本原”的提法，而是使用“物质基本结构形式是世界万事万物的本原”的提法。笔者认为，本原既要具体又要一般， “物质基本结构形式是世界万事万物的本原”的提法，可以既具体又一般地描绘一种简单而又充满活力的物质本原，可以较好地回答了一些哲学学派对唯物论的质疑。

 

 

第四章    量子单位制

  

一、物理单位和单位制

大部分物理现象都表现出数量的可比性，可以用一个概念来定义它，这就是我们所称的物理量。为了量度物理量的大小，还必须人为地将某些具体的物质形式中表现出来的这个物理量大小作为量度的参照物，这就形成了物理单位。这样的参照物必须是相对稳定的，因此只有在量子波形成之后，物理量的单位才能确定，才能对这些物理量进行精确的数学描述，而在此之前只能对这个物理量进行逻辑性的分析。

描述同一物理量可以使用不同的参照物，例如我们既可以用以米为刻度的尺子量度长度，也可以使用以米的百分之一即厘米为刻度的尺子量度长度。为了量度的统一，人们规定了一些参照物来确定基本单位，并由这些基本单位导出其他物理量的单位。这样的物理单位体系，我们称为单位制。

国际单位制：这是1960年第11届国际计量大会通过的、一种通用的适合于一切计量领域的单位制，其国际代号为SI。在国际单位制中，规定了七个基本单位和两个辅助单位，其他单位均由这些基本单位和辅助单位导出。七个基本单位是：长度单位，单位名称米，符号m；质量单位，单位名称千克，符号㎏；时间单位，单位名称秒，符号s；电流单位，单位名称安培，符号A；温度单位，单位名称开尔文，符号K；物质量单位，单位名称摩尔，符号mol；发光强度单位，单位名称坎德拉，符号cd。两个辅助单位：平面角单位，单位名称弧度，符号rad；立体角单位，单位名称球面度，符号sr。

在国际单位制之外还出现过几种单位制

CGS单位制，基本单位为厘米（cm）、克（g）、秒（s）；

MKS单位制，基本单位为米（m）、千克（kg）、秒（s）；

电磁学中的绝对静电单位制（e.s.u.），由库仑定律出发定义电流；

电磁学中的绝对电磁单位制（e.m.u.），由安培定律出发定义电流。

二、量子单位制

传统的理论认为微观的量子物理学是对宏观的经典物理学的继承，因此即便量子物理学对经典物理学有着重大的观念更新，在实际的理论体系设计时仍然是以经典的物理学概念为基础的，表现在单位制问题上，始终是使用以国际单位制为主的单位制。

物质基本结构理论认为，物质结构从无序的物质基本结构形式发展到有序的以太结构和量子波时，物质世界里只有波，只有波长、频率、波速等简单的物理量，能量、动量、质量这些概念还只是表现为原始形式——频率，这时描述物理现象的单位制应当是简单的。既然普朗克常数规定了频率与能量的恒定关系，既然爱因斯坦的质能相关公式已经将质量与能量紧密联系在一起了，既然能量守恒定律被证明是正确的，那么完全可以直接以频率代替能量和质量进行微观物理现象的定量计算，根本用不着使用普朗克常数将频率换算成能量，这样处理可以使物理定律的表达更直接更简单。这就是说应当建立一个简单的物理单位制。

量子波形成之后有些什么物理量稳定了呢？只有四个：频率、波速、相位角度和基本电量。因此可以以此规定基本单位和导出单位。

基本单位有：

频率单位：次/秒，为¹³³Cs（铯）原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射频率的9192631770分之一。

速度单位：光速c,  即299792458米/秒。

角度单位：弧度 rad，即使得弧长等于直径时的角度。

电量单位：e，即基本电荷所具有的电量。

导出单位有：

时间单位：秒，为¹³³Cs原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期所持续的时间。即基本单位频率的倒数。

长度单位：米，为真空光速每秒运行距离的299792458分之一。

实际使用时，光速作为基本单位并不方便，也与经典的各种物理单位制差异太大而不便于衔接，因此笔者将基本单位规定为5个，即：

_{长度单位：米，m，单位的定义与国际单位相同；}

_{时间单位：秒，s, 单位的定义与国际单位相同；}

_{振动单位：次，a, 即一个波动；}

_{角度单位：弧度，rad，使得弧长等于直径时的角度；}

_{电量单位：基本电量，e，即区分正负性的基本费米子个数。}

_{这些单位可以完整地描述量子波的波速、频率、波长、相位角度和量子(指基本费米子)个数，为了突出这个单位制的特点，笔者将这种单位制称为量子单位制。这样的定义还体现了两个意图：一是突出量子理论的地位；二是显示量子理论基础部分的简单性。}

为了简化公式并方便读者理解，本书中上述单位在实际物理公式或者计算式中，长度单位写为米；时间单位写为秒；振动单位写为次；角度单位不写：数值中的π即半个圆周角；电量单位写为e。

一般情况下物理公式或者计算式中不写单位，而在公式或者计算式最后写上总的单位，此时公式或者计算式中出现的常数是不带单位的纯数值。

如：求与一个质子相距10^-7米处的电场强度。

_作用力：

F =  = （2 ac×1×1）/（4×π×10^-7×10^-7）

            = (ac /2π) ×10¹⁴(次/秒)/米

与此质子相距10^-7米处的电场强度：

  E  =  F/q = (ac /2π) ×10¹⁴  (次/秒)/(e米)

公式或者计算式中出现的常数 a 是不带单位的精细结构常数的纯数值：0.007297353 ，c则为不带单位的真空光速的纯数值 ：299792458，π为3.1415926。

有时为了简化表达方式，直接用物理单位来表示物理量。如下面的叙述方式：

“量子单位制中的力表示为：（次/秒）/米，传统公式中的能量被频率代替了。”

“量子单位制中的电容单位为：e ²秒，可以改写为：e ²/（次/秒），明确地显示了一

定的电量偶与储存能量（频率）的关系。”

这些语句虽然不是十分规范，但是能够方便读者更好地理解物理现象，也就认可了。

三、建立量子单位制的意义

本书中仅仅研究一些简单的微观物理现象，所涉及的对象只有为数不多的几个量子，具体地说全部表演队伍就是两个质子，两个反质子，两个电子，两个正电子，再加上几个光量子，每次出场的演员更加少，直到第十三章才出现复合量子概念。我们不去研究宏观物理现象，不去研究真空之外的电介质和磁介质，不涉及热，不涉及刚体，也不涉及比氢原子更复杂的原子。总之，一切都是简单得不可再简单，其目的是希望在简单的具体物质形式中发现简单的一般规律，在这种情况下量子单位制就大有用场了。量子单位制具有基本的自然属性，虽然存在某些人为的规定（因为物理单位的本质就是规定性），但它是物质基本结构形式的自然反映。自然界就是这么简单、和谐，描述它的理论和工具也一定是简单的、和谐的。

有的学者提出过自然单位制，将光速、普朗克常数都定义为1，并利用几个常数计算出质量、空间、时间等基本单位。这种单位制没有简化物理公式，目前也没有看出是否有利于揭示物质结构的深层次秘密。

量子单位制的提出并不是简单地选择几个基本单位的问题，量子单位制与其他单位制相比，最突出的特点是用频率替代了能量和质量，物理公式中完全不出现能量、质量和相关的物理量，这是对物理量理解的重大观念改变，是对单位制的质的变革。量子单位制的提出是物质基本结构理论的必然结果，物质基本结构理论认为波是物理现象的主要形式，光速是稳定的，频率也具有相当的稳定性。而且更重要的是，由于均匀性和对称性，频率在量子相互作用过程中总量守恒，这是被能量守恒定律、普朗克常数定义、爱因斯坦的质量与能量相关定律的理论与实验证明了的，因此量子单位制的产生是有实践基础的。

读者从本书后面的内容中可以看到，运用量子单位制描述物理学定律和公式，从简单的运动学、动力学、电磁学，直到玻尔氢原子能级公式、薛定谔波动方程，公式中只有米、秒、次、e等4个物理单位符号和光速c、圆周率π、精细结构常数a、引力常数G等几个物理常数，大大简化了物理公式，而且能够直接地、清晰地揭示物理规律，将会有利于基础研究工作的展开，对初学者理解量子理论更会有一定帮助。本书的研究还证明了量子单位制与经典的单位制是完全吻合的，对宏观物理公式描述时同样能做到简单明了，因此量子单位制能够成为普通物理学教学和研究的辅助工具。

量子单位制的建立还表明了量子理论的基础部分应当是简单的理论，不会涉及太高深的数学内容。物理现象是非常复杂的，但是仅仅为了研究量子的基本结构和基本性质，只需要涉及最简单的物理现象就可以了，远比普通物理学涉及的研究对象简单。例如太空中的一个巨大区域中，只有一个质子，这个质子不知道世界上还有反质子、电子及其他形形色色的粒子，它只知道它自己。如果此时一个光子向它高速撞击，立即形成了电子和正电子，或者质子与反质子，或者其他粒子，这时在这个较小的区域里，集中了很少的一些量子，它们之间的引力、电场力、磁场力、核力、弱作用力、弹性碰撞、正反粒子生成与湮灭、相对论效应、确定与不确定性等都能表现出来，大部分基本的量子实验都可以在它们之间完成。为了研究它们，物理学家们使用了对称群、矩阵、偏微分方程、张量分析、概率计算等一系列高深的数学工具，设计了许多物理模型。我们可否换一种思维方式，当太空中的相当大的区域里只有一个能量极高的光子向一个质子冲击时，问题可能并没有那么复杂，一些简单的数学工具也许足以完成这类简单物理现象分析。

笔者在这本书中力求简单，不仅仅是为了扩大读者面而做的科普化、通俗化处理，而是因为大自然的基础形式确实是简单的，我们的思维方式、思维工具也应当是简单的。笔者力图消除人们对量子的神秘感，认为量子是物质运动形式中的由无序发展到有序的最初的简单形式，因此可以将书中的关于物理学与数学的大部分内容控制在初等水平。当然大自然更多的时候会发展为复杂的结构形式，例如大气运动、生物基因、宇宙演化等，人类也会创造出复杂的物质形式，例如计算机及网络、激光、受控核聚变、航天飞船、建筑结构等，对于这些复杂形式引出来的理论和技术问题，可以在专门的领域研究，在那里高深的数学可以派上大用场。

四、量子单位制对运动的描述

经典理论在一般运动学方面使用了质点和刚体的概念。任何实际的物体都有一定大小和形状，为了研究的方便，在对所研究的问题影响不太大的情况下，可以忽略其大小和形状，把物体视为具有一定质量的几何点，称为质点。对于转动学，经典理论使用了刚体的概念，假设刚体内部不存在任何机械运动状态。质点和刚体是人们为了研究问题方便设想的物理模型，是经典物理学中的运动主体。

物质基本结构形式的初级阶段是物质最原始的、最基本的结构形式，即辩证的实体与间隙，这时物质运动的主体是不定形的、内部充满无限运动的实体。这样的运动主体无法使用数学方法描述。

物质基本结构形式经过均匀化和系统化形成以太结构及量子波以后，量子波是有结构的，不能再视为无内部结构的质点，也不能视为无内部运动的刚体。量子波就成了微观层面上物质运动的主体。量子波体现了局部性与系统性的对立统一，它没有一个明显的边界，它的“域”可以从近距离延伸到宇宙间很远很远的地方，每一个量子的“影响力”均延伸到很远很远的地方。量子波的行为又体现为局部性，它有一个波动量大小的分布中心，由此人们可以给它建立起“粒子”的概念。量子波作为运动主体显然要兼顾波动与粒子两个方面的性质。

那么在坐标系上如何对量子波描述呢？可以取量子的一个标志点如“振幅中心”，按质点方式分析量子波的运动状态，这样的处理方式将量子波的波动性与粒子性结合起来，但是我们一定要认识到这样的描述方式是不够的，量子波的振幅以及量子波在远距离的特征变化还没有描述出来，需要加上对量子其他态变动的描述来补充。传统的量子理论没有将量子视为个别量子的实在的波动，更没有将“静止”的费米子也确认为波，将量子的运动仅仅视为“质点”的运动，显然难以解释某些实验结果，不得不将量子的运动视为非实在的、不确定性的、不可描述的、神秘的运动方式。这类问题将在后文详细讨论。

如图4-1，点P沿一条曲线（直线是特殊的曲线）运动。r(t)与r(t+Δt)分别是它在t时刻与t+Δt时刻的位矢。从P点向Q点所引的有向线段Δr叫做质点在Δt时间内的位移。Δr是两个时刻的位矢之差：

Δr=r（t+Δt）-r(t)

    即AB直线线段，位移反映了质点位置的改变。位移的单位：米。

质点P，由P到Q质点经历过的曲线长度Δs，叫做Δt时间内质点通过的路程，即AB曲线轨迹。位移和路程是两个截然不同的概念。路程的单位：米。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3.2-1 位移、距离和速度

 

图4-1   位移、路程和速度

 

质点沿一条曲线运动，位移Δr与时间Δt的比值，叫做质点在Δt时间内的平均速度：

 

   平均速度的单位：米/秒，在高速时常用光速c为单位，这时速度值是与光速的比值。

   当Δt→0时，平均速度的极限可以用来描述质点在t时刻的运动。这一极限值称为瞬时速度υ，简称速度。速度的单位：米/秒。

            

将位矢r对时间t求一阶导数，就得到瞬时速度的表达式。

    速度是矢量，具有大小和方向，不考虑方向的速度大小υ称作速率。

    质点速度υ的方向沿轨道切线，指向质点运动的方向。

量子单位制的长度单位“米”，时间单位“秒”，速率单位“米/秒”，与经典物理单位制是一致的，不存在相互转换问题。

五、量子单位制对频率(能量)和质量的描述

（1）频率

量子波在一定时间内波动次数在没有相互作用时是稳定的，称为频率。

频率的单位：次/秒

例如，静止电子的频率 = 1.2355×10²⁰ 次/秒 ，由此可知量子的振动是非常快的，也是非常稳定的，它要做这么多次重复的动作而不“疲倦”不衰减，这是系统的必然规定性在起作用，决不是量子的“历史”或“惯性”能决定得了的。

频率与能量换算

量子单位制中的频率相当于经典单位制中的能量。

由于普朗克常数 = 6.626075×10³⁴焦·秒

频率ν= 能量E /

即：1焦耳能量相当于频率

1次/秒 的频率相当于6.626075×10³⁴焦。

（2）普朗克常数

普朗克常数： (国际单位制)

    量子单位制中，能量与频率合为一个物理量，普朗克常数 = 1

 这将大大简化很多物理公式。

（3）动能

如图4-2，OE表示总频率、光速；OD表示费米频率分量，费米波速分量；DE表示玻色频率分量，玻色波速分量。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图4-2频率（能量）

 

动能即由于运动而增加的频率 = 总频率 – 静止费米频率

                    =总频率×

计算可知，当远小于c时，上式×总频率，此即低速时的动能公式。

    由于低速时费米频率（或静止质量）与总频率（或总质量）相当。低速时的动能公式又可表示为：

增加的频率

当接近光速c时：

          

    由此得到高速时的动能公式：

增加的频率

上述公式推导需要用上微积分的极限计算，也可以采用计算机模拟，由于篇幅有限，而且得到的结论是读者熟悉的内容，因此推导过程从略。特别需要说明的是动能对应的频率并不等于玻色频率分量，而是增加的总频率。

（4）频率/c² （质量）

在物质基本结构理论中本来完全可以不出现“质量”概念，因为量子的频率已经足够说明量子的波动规模大小的性质。但是有时候我们需要将量子的开放形式的传播速度的绝对值单独作为一个物理量考虑，而不是只考虑传播速度与光速的比值时，建立质量的概念就成为必要的了。计算动能的公式由低速时的向高速时的变动，可以将与1/2因子的有关的变动留给公式本身去区分低速和高速，让“质量”有了一个固定的表示式，即：

        质量 = 频率 / c² 

低速时的动能公式又可表示为：

增加的频率

         

         

    高速时的动能公式又可表示为：

增加的频率

            

笔者认为质量概念与动能概念是为便于近似计算或者某些特殊需要，而人为规定的一个物理量。

量子单位制中质量的单位是：秒/米²

    与经典理论中的质量单位换算：

1千克质量相当于频率：

ν= c²×1.509189075×10³³次/秒

        =1.3563915×10⁵⁰次/秒

  1千克质量相当规模于量子单位制中的质量：

   = （c²×1.509189075×10³³次/秒）/ （c米/秒）²

        =  1.509189075×10³³秒/米²

    结合后面的章节，我们可以看到c²主要出现在两处，一是上面分析的“质量”概念，二是第七章中将磁场理解为电场的调整概念时的转换因子，即真空电容率与真空磁导率的关系因子。这两种情况在描述费米子运动的直角三角形中都可以找到c²的原始踪迹。

六、量子单位制对波长和波密度（动量）的描述

（1）波长

量子波的波长指量子波波动一个周期的传播距离。

波长= 距离 / 次= 波速 / 频率

    波长的单位：米/次。

对于量子波，波速均为光速。

真空光速 c = 2.99792458×10⁸ 米 / 秒

波长=  c / 频率

（2）波密度

量子波的波长的倒数即1 / 波长，可以理解为波的单位传播距离中的波的周期数，可称为波密度。

波密度 = 1 / 波长

量子波的波密度 = 频率 / 光速c

量子单位制中波密度的单位：次/米。

_{与经典单位换算：}

1千克米/秒 =  1.509189075×10³³次/米

（3）矢量玻色分量波密度相当于经典理论中的动量

经典理论中：动量 = 能量 / 速度

而在量子单位制中，能量用频率代替，量子波速度即为光速。

频率 / 光速 = 次 / 米 = 波密度

一般情况下，我们计算量子的总的波密度是没有方向的，而经典理论中的动量是有方向的，因此严格地说量子单位制中的波密度并不相当于经典理论中的动量。经典理论中的动量体现在量子玻色波运动方向中，因此量子总的波密度在玻色方向的分量才与经典理论中的动量相关。

                 

        总的波密度 = 总频率 / 光速c

波密度的玻色分量P = 总波密度 ×

                      =

                     

也可：

          

当远小于c时：

         

          量子单位制中的质量 = 频率/c²

因此当远小于c时，可以得到我们通常使用的动量计算公式：

动量 = 静止质量 × 速度

 七、量子单位制对力、力矩及动量矩的描述

（1）力

力反映量子之间的相互作用强度大小，可以参照经典理论来定义力：力即单位距离变动的频率。

     力 =

计算可知，当远小于c时：

     

由此得到低速时的力的公式：

力 = 变动的频率/距离

                

当接近光速c时：

                    

    由此得到高速时的力的公式：

力 = 变动的频率/距离

                       /距离 

以上是按“单位距离变动的频率”定义力，得到力的“能量”表达式，如果按“单位时间变动的波密度”方式定义力，可以得到力的“动量”表达式和“加速度”表达式。

量子单位制中力的单位：（次/秒）/米。

与经典单位换算：

1牛=焦/米=米·kg/秒² = 动量/秒=(米 kg/秒)/秒

=

（2）力矩

力矩指旋转力的强度。

                 力矩 = 力 × 力臂

量子单位制中力矩的单位：（次/秒）/米）米 ，即：次/秒

与经典单位制换算：

1牛顿·米 =

（3）角动量，动量矩

动量矩指旋转动量的强度。

              动量矩 = 动量 × 力臂 

量子单位制中动量矩的单位：（次/米）米，即：次

与经典单位制换算：

1（千克米/秒）米 = 1.509189075×10³³  次

    八、常数、常量及单位换算

上几节中我们将量子单位制运用于物理学中的运动学和动力学的某些公式，读者可以体会到量子单位制与国际单位制是完全吻合的，但是要清晰简单得多。本书后面几乎每章都使用了“量子单位制”概念，读者阅读之后将会发现，虽然内容涉及到量子理论的大部分基础问题，但是任何有中学物理及数学知识的读者都能读懂，这是因为量子理论的基础部分本来就是简单的，量子单位制作为一个简单有效的工具，对分析量子特征可以发挥重要作用。

下面将本书中常用的物理常数、单位，按量子单位制和国际单位制两种方式列出，并在两种单位制之间进行换算。

（1）  常数、常量

圆周率 π = 3.1415926  ，无量纲，或者：米/米。

    光速常数c = 2.99792458×10⁸，单位：米/秒。

基本电量：e，即基本费米子个数。（区分正反性，正负性）。

    普朗克常数： (国际单位制)

                    （量子单位制）。

精细结构常数a  = 0.00729735308， 单位： 次/e²（量子单位制，与电阻同单位）。

    倒数精细结构常数a ^-1 = 137.03598， 单位： e² （量子单位制，与电导同单位）。

引力常数牛·（国际单位制）。

引力常数 G = 6.87824803094×10^-77 米秒（量子单位制，引力公式的分母用球面积表示）。

电场力常数（倒数真空电容率） = 4.37538312×10⁶ = 2ac (次/秒)米/e²

（量子单位制）。

   (a为精细结构常数，c为光速，当式子后面带有总的单位时，a、c为纯数值，不带单位，下同，不再说明)

真空介电常数(真空电容率)

                          (国际单位制)

                               = 2.28551414005×10^-7e²/(米/秒)

                               = （1/2ac）e²/(米/秒) （量子单位制）。

 真空磁导率：     牛/A²  (国际单位制)

      (量子单位制)。

  电子：能量 E= 0.51099906MeV （ eV为电子伏，能量单位），质量 = 9.1093897×10^-31 kg，电子频率 ν_e = 1.235589873 ×10²⁰，单位：次/秒，电子波长 λ_e = 2.426310417 ×10^-12，单位：米/次，

质子：能量 =  938.27231MeV， 质量 = 1.6726231×10^-27kg，质子频率 ν_p = 2.2687317502 ×10²³，单位：次/秒，质子波长 λ_e = 1.32140989331 ×10^-15，单位：米/次，

质子质量/电子质量 =  1836.15275569

（2）  频率（能量）

   频率单位：次/秒。

     1焦=千克·米²/秒²  = 6.2415063631×10¹⁸eV

 1焦能量相当 = 1.1239046693×10^-17kg  

1焦能量相当

1eV（电子伏）=1.60217733×10^-19焦= 2.417988523 × 10¹⁴ 次/秒

（3）  质量

质量单位：秒/米²。

1千克质量物质以光速运动，能量E = 8.89755178736·10¹⁶焦耳

 1千克质量相当于频率ν=1.3563914968×10⁵⁰次/秒

1千克质量相当于量子单位制中的质量：1.509189075×10³³秒/米²

（4）  波密度（动量）

   波密度单位：次/米。

1千克米/秒 = 1.509189075×10³³  次/米

（5）  力

    力的单位：（次/秒）/米 ，（次/米）/秒。

        1牛=焦/米=米·千克/秒² = 动量/秒=(米·千克/秒)/秒

1牛=焦/米=

（6）力矩

力矩的单位：次/秒。

1牛顿·米 =

（7）动量矩

动量矩的单位：（次/米）米， 次。

1（千克米/秒）米 = 1.509189075×10³³  次

（8） 电

电量单位：e 。

1库（C）= 6.241506363×10¹⁸e，

1 e = 1.60217733 ×10^-19库

电场强度单位： （ 次/秒）/(米·e) 。

       1伏特/米（V/m）=

电通量单位：   

      一个带基本电量的量子的电通量

电势能单位： 次/秒。

电势单位：  ( 次/秒)/ e 。

      1伏特电势 =

电容（即电量/电势）单位： 。

1法拉 = 1库仑/1伏特 =

电流单位：e /秒。

 1安 = 6.241506363×10¹⁸e/秒

电阻单位：次/e²。

根据量子霍尔效应，电阻为普朗克常数/电荷的平方，

也即电势/电流，量子电阻单位：次/e²

与精细结构常数有密切关系。

1欧姆 = 3.8740459×10^-6 次/e²

次/e² = 25812.807欧姆  （即冯·克利青常数）

（9）磁

磁感应强度单位：  (次/米)/(e米)  。

1特斯拉（T）= 千克/（秒²安）

         = 2.41798852×10¹⁴ (次/米)/(e米)

磁场强度单位: e / （秒米）。

      1安培/米 = 6. 24150636310¹⁸ e /（秒米）

磁通量单位：次/e 。

1韦伯（Wb）即

= 特斯拉T×面积米²

= 2.41798852×10¹⁴次/e

电感单位：秒/e² 。

  亨利=   即： 千克·米²/库²

1亨 =

磁矩的单位：e·米²/秒 。

         磁矩 =

 

 

第五章    量子之间的相互作用

 

量子波是均匀化、系统化的以太结构中的波动现象，量子波之间在某种条件下会产生波动干扰，波动干扰就是量子间的相互作用，相互作用必定会引起量子的状态变动。

一、量子的态

量子波的表现形态称为量子态，量子态是可以用物理量描述的量子状态。光波是纯粹的玻色波，描述光子的态主要有：波速、频率、波长、相位、传播方向、振动方向（即偏振）。费米波往往含有玻色波成分，描述费米波的态主要有：总波速、费米波速分量及玻色波速分量、总频率、费米频率分量及玻色频率分量、波长、相位、振动方向、电场特征、衰变特征（即寿命）等。

 

二、量子之间相互作用和量子的态变动

量子态具有的稳定性是动态中的稳定性，在某种条件下量子态会发生变动，量子态的变动称为态变动。量子发生态变动主要是由于量子之间发生了相互作用。量子之间的相互作用，是指一个量子与另一个量子发生相互影响，使得各自的状态发生改变。量子相互作用与量子态变动是密切相关的。我们可以以量子是否发生态变动来判断是否发生了相互作用，也可以从量子态变动为出发点来研究量子的相互作用问题。

有人可能会说量子之间作用平衡时，量子的态变动不大，怎么能说量子之间相互作用与量子的态变动是必然联系的呢？我们说即便是相互作用的平衡状态，也是存在量子的态变动的，不过此时量子的态变动也处于平衡状态，对外没有显示出来而已。

第九章中，笔者将提出存在非因果关系非决定性的量子的态变动，这种态变动具有不受概率规范的不确定性，这种情况下确实不存在量子之间的相互作用，但是在量子波层面这种量子的态变动是极其微弱的，在研究个别量子的态变动时可以忽略。因此普遍而言量子的态变动与量子的相互作用是紧密关联的。

实验可以显示一些什么样的量子态变动呢？

（1）量子的运动速率变动。（2）量子的玻色频率变动。（3）量子的费米频率变动。（4）量子的运动方向变动。（5）量子的玻色波偏振角度变动。（6）玻色波的相位角度变动。

其他还有如量子的角动量变动、电场变动、寿命变动等。

 

量子的态变动与量子之间相互作用的密切联系观点，能够为解释量子的某些奇特的行为提供解释的新思路。将量子的衍射现象、干涉现象、偏振角度变动现象、相位变动同步现象理解为一种态变动，理解为一种相互作用的结果，能够为态叠加等问题设计出新的解释方案，而态叠加效应正是量子力学的精髓。

 

三、波动干扰引起量子之间的相互作用

 

一束偏振光照射到偏振片上，通过偏振片的光的强度与偏振光及偏振片相互角度有关。设入射到偏振片的偏振光E的振幅矢量的大小为，光强度为，与偏振片方向平行的振幅矢量大小为为入射偏振光的振幅矢量与偏振片方向的夹角，如图5-4所示，透过偏振片的光强度与的平方成正比，大小为

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-4  马吕斯定律

 

那么不透过偏振片的光强度与的平方成正比，大小为

 

 

上式称为马吕斯定律。如何解释一定概率的通过率呢？正统的量子理论认为光子的偏振态是多种角度偏振态的叠加状态，光子通过一定角度的偏振片时，一定偏振角度的态分离出来，得到最终出现通过的概率性。物质基本结构理论认为对这个物理实验无须使用叠加态观点来解释，具体的光子的偏振态是实实在在的确定的，光子通过偏振片时，由于光子相位、角度具有一定的不确定性，因此光子能否通过具有不确定性，但是这种不确定性是受概率规范的，通过的光子发生了实实在在的偏振态变动。

如图5-5，偏振光从左边向右运动，试图通过偏振片。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-5   偏振实验

 

（1）光的偏振方向和偏振片的方向，都为纵向，波可以通过。

（2）光的偏振方向为横向，而偏振片为纵向，波不能通过。

（3）光的偏振方向为纵向，第一块偏振片的方向也是纵向，若在第一块偏振片后面再摆放一块其主轴是横向放置的偏振片，那么所有的光子都被封堵。   

（4）光的偏振方向为纵向，假定我们在（3）的两块偏振片之间再放一块偏振片，我们称这块新插入的偏振片为第二块偏振片，原来的第二块偏振片改称为第三块偏振片。现在第一块与第二块偏振片的主轴之间形成一个45^o角，第二块与第三块偏振片的主轴也形成一个45^o角。实验表明，有50%的光子可以通过第一及第二块的偏振片，这一点用量子力学的概率来解释，是因为当45度角时按照马吕斯定律它给每一个粒子50%穿透偏振片的机会。还有另一个奇特的现象：已经穿过来的这50%光子的偏振方向，与第三块偏振片的主轴也转了45^o角。这些光子——还是原先送出的一半——现在到了后面的第三块偏振片时又有一半光子穿过去。总之这里得出了一个自相矛盾的结果：如果在光的前面放置两块相互垂直的偏振片，就不会有哪个光子穿透过去，而如果在它们之间再放置一块转过45^o角的偏振片，最后所有光子中就有1/4会透过。正统的量子理论认为光子的偏振态是多种偏振态的叠加态，即多种态简单叠加而不是综合（直积形式）在一起，光子从出发到最终结果前如何行动是不确定的，不需要去费心考虑它，只要对最终的观察结果作出说明就可以了，由于观察对叠加中的某一量子态作出了概率选择，得到一个态的结果。

    物质基本结构理论认为无须使用叠加态的观点就可以解释上面的实验。光子在通过每一块偏振片时都发生了相互作用，引起了实实在在的偏振态变动，变动结束之后，它会完全忘记了自己的历史，它认为它就是与刚刚通过的偏振片平行的光子，再按照马吕斯定律通过其他的偏振片。例如有50%的光子通过了插入的排列第二的偏振片，它们都相应地作了态变动，变动后它将不再认为自己是通过第一块偏振片而后再通过第二块偏振片的光子，它认为它就是与第二块偏振片有相同偏振角度的光子，然后它们再经过第三块偏振片时，当然就有了50%的通过权利，最后形成了总的1/4的光子通过了全部三块偏振片。这样的解释方式较为自然、直接和实在，比起其他解释方式要简洁一些。

  

四、量子的定域性与非定域性

（1） 量子的域

量子占居的空间大小就是量子域的概念。谈论某个具体物质形式的空间范围不能单纯从物质分布的角度考虑，而要从相互作用的角度考虑，量子的域指的是量子作用影响的空间范围。量子波是以太结构中的波，量子波在空间中的定位既是确定的又是不确定的。也就是说，量子的域既具有定域性又具有非定域性。

横波形式的量子波即玻色波，纯粹的玻色波是光子。玻色波的定域性表现在有限的时间过程里波动仅仅涉及比振幅大不了多少的以太媒质，离开这个范围，以太媒质受到的影响极小。玻色波的非定域性表现在波高速开放式地波动，无限的时间过程中波动涉及无限的区域。由于玻色波的波动中心是不固定的，使得玻色波的波动干扰即相互作用是非持续的，不具有场性质。如图5-6所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-6  玻色波的定域性和非定域性

 

纵波形式的量子波即费米波，纯粹的费米波是费米子，如质子或者电子。费米波的高速波动表现为封闭式的往复运动，人们似乎没有感到费米子在运动，因此费米波的定域性表现在一个较长的的时间过程里可以观察到波动中心存在于有限区域。但是费米波的波动涉及无限远的以太媒质，离开这个波动中心越远，以太媒质受到的影响越小，按距离的平方递减，如引力场或者电场，这就是费米波的非定域性。由于费米波的波动中心是相对固定的，使得费米波的波动干扰即相互作用是持续的，具有场性质。如图5-7所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-7费米波的定域性和非定域性

 

由此可见，量子波既是定域的又是非定域的，如果不是定域的，我们凭什么能在某时某地（尽管是概率的）找到它，然而如果仅仅是定域的我们能说出量子波的边界吗？如果从系统论的观点来理解量子波，将一个量子波视为一个系统，那么这个系统的部分是什么呢？是无序的不定形的物质基本结构形式，而且这些“部分的” 无序的不定形的物质基本结构形式并不是这个量子专属的，它可以同时又是其他量子的“部分”，可见从“部分”到“整体”是一种飞跃，一种突变，一种“涌现”。

（2） 量子之间的近距离联系与远距离联系

量子之间联系既具有近距离性又具有远距离性。 近距离性指的是量子之间的相互联系必须有物质作基础，必须存在近距离的直接的物质接触，远距离性指的是量子之间联系可以 延伸到很远的距离。地球与月亮之间是有引力作用联系的，这是被科学实验证实了的。如果问：地球上的一个质子与月亮上的一个质子有联系吗？我们可以做一个理想实验：如图5-8所示，假设将地球和月亮的质量都减去一半，引力计算公式告诉我们，它们还是有联系。如果一半一半地减下去，我们必将得到一个结论：地球上的一个质子与月亮上的一个质子仍然有联系，不过微不足道而已。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图5-8 量子之间的联系

 

我们再假设将这两个质子的相互距离进一步增大，增大到银河系的两端，我们一定能得到更重要的不可想象的结论：即使很远很远的距离，质子与质子仍然是有联系的，不过更加微不足道而已。人们会说，这个结论没有什么价值，这是万有引力公式或库仑定律已经表达了的，极小极小的微不足道的联系，早已被嘈杂的“环境声”淹没了。问题正在这里，确实是极小极小的微不足道，然而它们确实是有联系的。

 （3）量子之间作用的定域性与非定域性

量子相互作用的定域性和非定域性问题，引起量子理论界内部各学派的激烈争论，争议的焦点是量子之间是否存在远距离超光速的控制性的关联问题，即关联非定域性或者纠缠非定域性问题。

正统学派（又可称玻尔学派、哥本哈根学派）认为处于相互纠缠状态的多个量子之间存在远距离的超光速的控制性关联，即存在关联非定域性，纠缠非定域性。爱因斯坦学派认为这是违反相对论基本原理的，相对论是绝对不允许超光速存在的。

物质基本结构理论为研究关联非定域性或者纠缠非定域性问题提供了新的思路。物质基本结构理论认为，以太结构中产生的量子波的波速是均一化的，不能超过光速，而且相互作用必须存在近距离的物质联系，这是量子相互作用的定域性。量子波以下的以太结构里面的作用的传递是可以超过光速的，作用的传递可以瞬间达到极远处，前面我们论证过月亮上的质子与地球上的质子仍然有相互联系，这种联系是完全可以超光速的。这是量子相互作用的非定域性。

相隔万里的处于纠缠状态的量子之间能否依照信息传递相应地调整自己的态，其作用机制是什么需要认真研究，这个问题将在第十章详细讨论。

  

七、物质基本结构理论下的统一场论

场是描述量子相互作用的一种方式，传统理论认为有四种基本作用场，即引力场、电场、核力场（或者更广义些称为强相互作用场）及弱相互作用场。为了探索物质的本质，物理学家研究的一个重要课题是统一场论，即希望将各种作用力场在某个基础上统一起来。传统理论研究场的本质和场的统一性，一般来说是引进传递相互作用的新粒子，当然预先赋予了这种新粒子是一种有既定形态的粒子，也是有作用力场的。本章笔者提出量子相互作用和量子态变动的必然联系观点，提出量子之间的波动干扰是量子之间相互作用产生的原因的观点，提出量子存在定域性和非定域性的观点，提出以太结构为基础的量子系统性的观点。这些观点从物质基本结构形式入手，力图用物质实在的观点、物质统一性的观点来说明场的形成原因，为完善统一场论提出新的思路。

物质基本结构理论下的统一场论具有以下特点：

（1）量子场是量子的一部分。

（2) 众多的个别量子，通过以太结构形成一个统一的系统，以太结构是量子波的基础，是量子之间的相互作用的基础，也是场的基础。

（3） 以太结构在一定范围内具有相互联系的时空，各种场综合地在以太结构中形成统一的综合的态。以太结构不需要对每一个量子的场都形成与之有关的特定结构，而对另外的量子场又形成别的特定结构，以太没有这样神通广大，大自然也不喜欢这么复杂。

（4）物质基本结构理论下的统一场论不需要为量子场设置传递相互作用的粒子，统一场论应当是简单的、基本的。

（5）物质基本结构理论认为引力场和电场是两种最基本的场。磁场是对电场的调整。核力不具备远距离作用特征，应视为电场的特殊表现形式。弱力也不具备远距离作用特征，即使是近距离也不具有确定性的作用，因此将弱力作用视为其他作用的特殊表现形式。

到目前为止，物质基本结构理论并没有说清楚相互作用的具体细节是什么，这是因为还没有找到一个很好的数学工具。数学作为一个有生命力的事物有一个起点问题，它对物质基本结构形式初级阶段的实体与间隙的描述和分析是无能为力的，对电场、引力场、量子波函数的描述和分析是非常有效的，但是对介于两者之间的，量子波的一个波动周期以内的相互作用细节能否使用数学方法描述，如何描述，还需要深入地研究。

 

第六章  引力作用和电场作用

 

一、用量子单位制转换引力公式

本节及以下所称的引力即万有引力，如图6-1所示，两个量子A、B之间存在着吸引性相互作用。

引力公式的传统形式： 

引力常数，牛·米²/千克²

 

在量子单位制中，引力公式应改为如下形式：

       

式中v为量子A和B的频率，分母中加上4π因子主要是为了便于与电场作用的库仑定律公式类比，同时笔者认为将分母理解为球面积4πr²比单纯的r²更有意义一些。

 

 

 

 

 

 

图6-1 引力作用。本图及本书中有关图将量子

画成有边界的是不恰当的，仅仅用于示意

 

将引力常数G换算成量子单位制:

1牛=

一千克质量相当于频率:

ν=1.3563914968×10⁵⁰次/秒

      引力常数:

G=

       =6.87824803094×10^-77 米·秒

单位变换：

         

表示两个量子波之间的引力与频率之积成正比，与相互距离平方成反比，计算结果得到力。使用上述公式可以直接用频率计算引力，能够更清晰地揭示引力场的形成机制。

     二、引力场

量子之间的相互作用，似乎在量子四周存在一种物质结构，能够使得物质之间发生作用，经典理论称这种物质结构为场。传统理论为了解释物质间的相互作用，增加了一种专门传递作用力的中间粒子，这些粒子依照不确定性原理不断地产生和消灭，并由此传递作用力，它们的集合就是场。物质基本结构理论不希望在以太结构和量子波之外再出现一个特殊的物质“场”，量子波之间的相互作用直接通过以太结构形成的系统实现相互作用，以太结构形成的系统就是场，不需要引进新的“场物质”。我们在理解场时应更多地理解为它就是量子波的不可分割的组成部分，是量子波与系统整体相互作用的表现形式。物质基本结构理论更不希望出现传递作用力的中间粒子，因为这样的话还需要解释这种粒子的构成以及它们之间的新的场，这将是一个永远也无法解决的问题。

    对于引力场，假设在量子波周围的以太结构，具有张力分布特征，引力场强与量子频率的大小成正比，与距离的平方成反比。

  单位为：次/米，与波密度(即动量)同单位。

其中G =6.87824803094×10^-77 米·秒

    以上公式描述了一种景象，在量子周围存在一个张力场，无论是否有另外的与这个场发生作用的量子存在，这个引力场总是存在的。其实引力场并不神秘，它就是量子波的波动特征，并没有在量子波特征之外再附加什么具有其他能量或者质量的东西。

利用场强可以推导出下列物理公式：

力 = 引力场强 × 场强中量子频率

加速度 = 力 / 质量

        /  =

      = 引力场强 × c²

例，地球质量为6×10²⁴kg，地球半径为6.47×10⁶m，计算地球表面加速度。

地面上引力场强 =

=6.87824803094×10^-77 米秒× 6×10²⁴×1.3563914968×10⁵⁰次/秒 /[4×3.1415926×（6.47×10⁶米）²]

        = 1.09781×10^-16 次/米

加速度 = 引力场强 × c²

   = 1.09781×10^-16 × 8.98755178736×10¹⁶

   = 9.866 米/秒²

与实验值和传统公式计算相符。

 

四、电荷

费米波是一种纵波，它具有许多与玻色波不同的特性，其中最重要的一个特性就是电性。费米波的电性，是指费米波之间的相互作用时表现出的一种特征，某些费米波之间能表现为相互吸引，而某些费米波之间表现为相互排斥。描述这些吸引和排斥现象时发现它们具有明显的量子性，即每一个最基本的量子波，无论它如同质子具有2.26873168 ×10²²次/秒的费米频率，还是如同电子具有1.23559 ×10²⁰次/秒的费米频率，它们的这种性能是一样的。这样人们定义了一个物理量：电荷。

电荷并不是独立存在的某种物质形态，它只是依附于费米波的性质，是费米波具有的与电性相关的性质，电荷的量称为电量。自然界存在正、负两种电荷，同号电荷相互排斥，异号电荷相互吸引。对于孤立系统来说，内部无论发生怎样的物理过程，正、负电荷电量的代数和总是保持不变，这个结论称为电荷守恒定律。在第二章中，笔者对费米波的波形和波动方式作了一些假设，对应着费米子的正反性或者电的正负性。

电荷的量子化  到目前为止的科学实验证明，电子所带电量是最小的电量，这个电量的绝对值用e表示，其他任何带电体所带电量只能是这个最小电量的整数倍，即带电体所带电量q = ne，n为正整数或负整数，这种性质称为电荷的量子化。量子单位制中电量的单位为基本电量单位e ，即一个电子所带的电量。

经典理论的电量单位为库仑，它们之间的换算关系为：

1库（C）= 6.241506363×10¹⁸e

         1e = 1.60217733×10^-19库

    也就是说6.241506363×10¹⁸个电子的电量总和即为经典理论中1库仑电量。电量单位库仑是物理学家通过有关的学会组织和法定的程序定下的，而基本电量单位e是大自然定下的，这也是笔者在本书中提倡使用“量子单位制”的一个重要原因，因为它具有大自然的特性，也就有利于揭示大自然的秘密。

    电子的电量是e，那么质子的电量是多少呢？质子的电量也是e，不过人们将电子电量的符号定义为负，质子电量的符号定义为正。一个氢原子由一个质子和一个电子构成，氢原子的总电量是多少呢？是0，但是氢原子中正电荷与负电荷并没有消失，只是它们的作用抵消了，对外看起来如同没有电量一样。

物质基本结构理论认为费米子的正反性与电的正负性是一致的，每一个费米子都带有电性，电性分为正负两种，费米子所带电性不是正电就是负电。无论费米子的频率是多少，电性的绝对值是一致的。带电量是费米波的一个内在特征，这就是费米波的自旋。将电量理解为自旋或者角动量之后，量子单位制中的基本电量e变得极为简单，它就是费米子的个数，但是要区别正反粒子也就是量子的电正负性。

需要特别说明，笔者这里对费米子作了狭义处理，并不包括中子、中微子以及其他不带电性或者带电量大于1，以及假设中的带分数电量的费米子。这里隐含了物质基本结构理论的一个重要观点，即量子分为基本量子和复合量子，费米子中的正反质子和正反电子是基本量子，它们的电量绝对值都是e，而原子核、中子、π介子、μ子、中微子都是复合量子，复合量子的电性是组成它们的基本量子的电性的代数和。关于复合量子问题将在第十三章讨论。

五、库仑定律 

如图6-2，真空中两个静止费米子A与B之间的相互作用力，与这两个量子各自带电量ｑ₁和ｑ₂的乘积成正比，与它们之间距离ｒ的平方成反比，作用力F的方向沿着两个点电荷的连线。这就是库仑定律。

 

 

 

 

 

 

 

图6-2 电场库仑定律示意图

 

数学表达式是

F₁₂ =        

   力F为矢量，电荷同性相排斥，异性相吸引。式中为真空介电常数(亦称真空电容率)。

国际单位制中的真空电容率：

          

  在库仑定律中用国际单位制的真空电容率计算，得到的力的单位是：焦/米。

换算成量子单位制：

      1焦能量相当于频率

1库电量 = 6.241506363×10¹⁸e

     量子单位制中的真空电容率   2.28551414005×10^-7e²秒/米

 引入精细结构常数: a  = 0.007297353   （单位：次/e²，笔者不认为精细结构常数是无量纲数，这个单位与量子单位制中的电阻单位是一样的，说明二者有一定联系）             

     真空光速数值 c = 2.9979245810⁸ （单位：米/秒）

    真空电容率可以简化为：

           1/（2 ac）（单位： e²秒/米）

  如果公式和计算式的最后加上了总的单位，那么公式和计算式中的精细结构常数a和光速c则不带单位，仅仅为采用通常单位时的纯数值。本书以后不再说明。

 在库仑定律中用量子单位制的真空电容率计算，得到的力的单位是：（次/秒）/米。

为了便于分析问题，并与引力公式形式接近，可以引入电场力常数（即倒数真空电容率）概念。

电场力常数（倒数真空电容率）：

    4.37538312×10⁶ = 2 ac  [单位：(次/秒)米/e² ]

    例1：真空中（今后不再说明真空环境），两个电子相距0.000001米（即10^-6米，今后本书中更多地使用这种科学计数方式），作用力

F =  = （2 ac×1×1）/（4×π×10^-6×10^-6）

            = ( ac /2π) ×10¹²(次/秒)/米   力的方向是相互排斥。

例2：两个电子相距10^-7米，作用力

F =  = （2 ac×1×1）/（4×π×10^-7×10^-7）

            = ( ac /2π) ×10¹⁴(次/秒)/米   力的方向是相互排斥。

例2的作用力是例1的100倍。例2比例1量子间相互距离更接近，显然要消耗“外部”“动能”，同时具有了更大的“势能”，后文将会详细研究费米频率与玻色频率的相互转化问题，费米频率分量与玻色频率分量并不是对等转换，而是要通过直角三角形的矢量计算，作用过程中的守恒量是总频率（能量）和矢量波密度（动量）。

例3：一个电子与一个质子相距10^-7米，作用力

F =  = （2 ac×1×1）/（4×π×10^-7×10^-7）

            = ( ac /2π) ×10¹⁴(次/秒)/米

作用力与例2一样，但力的方向是相互吸引。

例4：一个电子与一个质子相距10^-6米，作用力

F =  = （2 ac×1×1）/（4×π×10^-7×10^-7）

            = (ac /2π) ×10¹²(次/秒)/米

作用力与例1一样，但力的方向是相互吸引。

例4比例3量子间相互距离更接近，显然要产生“动能”，同时减少了“势能”，这也是一个费米频率与玻色频率的相互转化问题。

六、电场

在电荷四周存在一种物质结构，能够使得电荷之间发生作用，称为电场，电场是费米波本身结构的特征，在费米子周围存在一个旋转力场，无论是否有另外的与这个场发生作用的其他费米子存在，这个电场总是存在的。电场并不神秘，它就是费米波的波动特征，并没有在费米波特征之外再附加什么有其他能量或者质量的东西。物质基本结构理论认为量子波之间的相互作用是通过以太结构形成的系统整体的相互作用，以太结构形成的系统就是场。

在电场的某一空间位置，一定的电荷q₀所受电场力F，比值F/ q₀定义为电场强度，用E表示。如图6-3，量子（或者量子集团）P的电量为Q，距离量子P为r处放一正的试验电荷q₀，由库仑定律得到q₀所受到的电场力的大小

 F = 

由场强定义，试验电荷所在点的电场强度

    E=           

 

 

 

 

 

 

 

  图6-3  电场示意图

 

即电场中某点的电场强度在数值上等于该点的单位电荷所受的力，式中r₀为单位矢量，当Q为正电荷时，场强的方向沿连线背离Q；当Q为负电荷时，场强的方向沿连线指向Q，电场强度的方向规定为正电荷在该点所受电场力的方向。

国际单位制中，场强的单位：伏特/米 

量子单位制中电场强度单位：（次/秒）/（e米）

单位转换：

伏特即焦/库仑

   1库=e

         1焦耳相当于的频率,

        1伏特 =   （次/秒）/e

电场强度单位1伏特/米 相当于

例：求与一个质子相距10^-7米处的电场强度。

设一个电子(即基本电量)与一个质子相距10^-7米，作用力

F =  = （2 ac×1×1）/（4×π×10^-7×10^-7）

            = ( ac /2π) ×10¹⁴(次/秒)/米

与此质子相距10^-7米处的电场强度：

  E = ( ac /2π) ×10¹⁴  (次/秒)/e米

电场强度的叠加：点电荷系在某点的场强等于各个点电荷单独存在时在该点所产生的场强的矢量和，这就是场强叠加原理。

八、电通量

经典理论对电通量的定义是：通过曲面S的电场线条数叫做这个曲面的电通量。由于我们没有引入电场线的概念，只能对电通量作如下定义：电通量是电场强度在一定面积上的积分。

通过面积元dS的电通量可写成E和dS两矢量的标量积

          dφ=E·dS

    对于一个闭合曲面来说，它的电通量表达式是

         电通量φ=∮E·dS

   

如图6-4，在点电荷q的电场中，以q为球心，r为半径作一球面S，球面上任一点的场强数值都是q/(4πε₀ r²)，方向沿半径方向，球面S上的电通量为

    

       

 

 

 

 

 

 

 

图6-4  电通量示意图

 

也就是说，点电荷产生的电通量，与球的半径无关，只与球面内的电量q有关。这意味着对以点电荷q为中心的任意球面来说，通过它们的电通量都等于q/ε₀。 q＞0时，φ＞0，电场强度穿出闭合曲面；q＜0时，φ＜0，电场强度穿入闭合曲面。

量子单位制中电通量的单位为：。

一个量子电量为1e ，在真空中电通量：

      = = 2 ac (次/秒)米/e 。

由此可见一定电量总是伴随着一定的电通量，电通量是电量的另一种表达方式，是电量派生出来的另一个物理量。

只要有电荷存在就一定有电场存在，即使没有另一电场（无论是正或负）存在，没有相互作用的情况下这个电场照样存在，但只是在电场之间的相互作用中才显示电场的存在。一个电荷表现的性质如电通量，并不是直接的物理状态，而是说明如果另一电场存在时的相互作用特征。这个问题在后面研究的磁现象中更加明显，电荷的运动产生磁场，但如果没有另外的电荷运动产生的磁场并与之相互作用，这个磁场并不新增能量。就像两个独立的弹簧并不产生任何新增的能量和力，只有两个弹簧共同作用时，才显示出弹簧的性质，才能储存能量。

例：由一个氢原子和一个电子的集合体，求包围它们的闭合曲面的电通量，并求一个距离这个集合体10^-7米处的电场强度。

该集合体包含了一个正电荷，两个负电荷。

电通量= = － 2 ac (次/秒)米/e

电场强度 E = 电通量φ / 距离r处的球面积

           = － 2 ac / （4×π×10^-7×10^-7）(次/秒)/（e米）

           = －  ( ac /2π) ×10¹⁴  (次/秒)/(e米）

    负号表明电场强度是指向集合体的。

九、电势能及电势

传统物理学对电场中电势能的定义是：a,b两点的电势能之差等于把电量q₀从电场中α点移到b点时电场力的功。要确定q₀在电场中某点的电势能，就需要先选定电势能零点。对于有限电荷分布的电场，一般取无限远处作为电势能零点。这样，q₀在电场中α点的电势能

U_a=q₀Ecosθd=q₀E·d      

在点电荷q的电场中，试验电荷q₀所具有的电势能

                   

在国际单位制中，电势能的单位为焦耳（J）。

量子单位制中的电势能即变动频率，单位就是：次/秒。

  电势能 = 电通量φ×试验电量q₀/(4πr)

由电势能的定义我们可以知道，电势能与试验电量成正比，而与距离成反比，用电势能除以试验电量，就得到电势的定义。

电势用V_a表示，

即电场中某点的电势，在数值上等于把单位电量的正电荷从该点移到无限远处（或零电势处）电场力所作的功，或者说放在该点的单位电量的正电荷具有的电势能。

任意两点a和b之间电势之差，称为a，b两点的电势差（也叫电压），以V_ab表示

          

    量子单位制中电势和电压的单位均为：（次/秒）/e。

在国际单位制中，电势和电势差的单位都是伏特（V）。

  电势 = 电势能 / 电量

1伏特电势 = 焦 / 库 =

电势叠加原理

在点电荷系q₁，q₂，…，q_n的电场中，每一点的场强都等于各点电荷产生的场强的矢量和

       E =E₁+E₂+…+E_n

因此电势是可以叠加的。

     十、电容

    电容是宏观物理学的概念，一个孤立导体的电容C定义为导体所带的电量Q与其电势V的比值，即

                  C=Q/V .                            

在国际单位制中，电容的单位是法拉（F），

    

在电池的电势作用下，电容器极板可以带电量，一定形状的电容器在一定的电压下带的电量是一定的。如果此时将线路断开，电容器的极板上仍然带有电量，而一定形状的电容器带有一定电量时两端的电压也是一定的，当电量自然消失时，两端电压相应下降。孤立导体的电容只与导体的几何形状和体积有关，与它所带的电量和电势无关，因为只要有这样形状的导体，就有这样大的电容，当在这个电容器上施加电势，就可以形成电量的积累。或者反过来，只要这个电容器上积累有电量，就一定形成一定的电势。

    量子单位制中电容的单位是：e ²秒。

 

 

 

=

 

 

第七章   磁场是电场的调整

 

一、运动电荷产生磁场

（1）磁场的产生

如图7-1，电荷q₁的运动将产生磁场，在一定距离的P点的磁场强度大小与电量q₁成正比，与q₁的运动速度₁成正比，与距电荷q₁的矢量的平方成反比，磁场方向是垂直于₁与组成的平面，与及的夹角的正弦成正比，即90^o  时最大为1。为了简化分析过程，可以设为1，即两个电荷的运动在同一平面内并且平行，考察时两个电荷的连线与运动方向垂直。（以后不再说明）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图7-1   磁场形成及磁感应强度示意

 

按照传统物理学计算，此时在P点的磁感应强度

                       

r₀是位矢r方向的单位矢量，按右手定则，拇指伸直指向正电荷运动方向（或者负电荷运动反方向），右手四指握圈即指向磁感应强度方向，此例若q₁为正电荷，则P点的磁感应强度方向是从纸外向纸里。（以后将省略r₀）

   国际单位制中，磁感应强度的单位是特斯拉（T）

T的量纲是： 千克/（秒²安）， kg S^-2A^-1 。

由于1千克相当于 1.509189075×10³³秒/米²  ，

1A为6.241506363×10¹⁸e/秒。

将特斯拉（T）转化为量子单位制单位：

1T =1.509189075×10³³/6.241506363×10¹⁸

         = 2.41798852×10¹⁴ (次/米)/(e米)

    公式中，μ₀叫做真空磁导率。

国际单位制中：

真空磁导率  牛/A²

         =

   换算为量子单位制：

真空磁导率 = 4.66827237113×10^-11

我们注意到此值恰好等于 2a/c  ，于是：

μ₀  =   =  

磁感应强度计算公式可变化为：

（2） 磁场的作用

速度为υ₂的运动电荷q₂在这个磁场中的P点所受的洛伦兹力

F= q₂υ₂×B 

B为磁感应强度，力的方向垂直于υ₂及B所在平面。此时再用第二个右手定则：右手伸平，掌心向着磁感应强度方向，拇指伸直指向正电荷运动方向（或者负电荷运动反方向），右手四指伸直即指向作用力方向。

此例若q₁ 和q₂均为正电荷，P点受力为吸引方向。

二、 磁场是电场的调整

物质基本结构理论认为磁现象在本质上是电荷运动时对电场的调整，电荷运动时与相当的物理量为，并将真空磁导率用电场力常数（即倒数真空电容率）表示，上述公式可变换为：

（1）磁场产生公式

电场的调整量      单位为：(次/秒)/(e米)

这个增加的电场只对运动的电荷产生影响。

（2）磁场作用公式即磁的库仑定律

F=

（3）电场与磁场合并考虑的库仑定律

F=

这样就将电场与磁场联系在一起，将电荷的运动即磁现象视为电场的调整。F的方向由两个电荷的正负性及运动方向决定。具体可由两个右手定则确定：

（1）先在磁场形成的运动电场位置，即第一个电荷位置，用右手拇指伸直指向电场运动方向，即正电荷运动方向，也即电流方向（或者负电荷运动反方向）。四指握圈，即指向磁感应强度方向。

（2）再在相互作用位置，即第二个电荷位置，用右手掌平伸，手心向着磁感应强度方向。拇指伸直指向正电荷运动方向，即电场运动方向，也即电流方向（或者负电荷运动反方向），这时四指指向力的方向。

为什么运动的电荷会产生对电场的调整，这与费米自旋的调整有关，调整的比例为。

三、电流

建立几个概念：

长度元：观察导线中或者真空中电荷运行空间的行程。长度元的单位：米。

电流 =  = 电量/时间

   即单位时间通过一个截面的电量称为电流。

量子单位制中电流的单位：e /秒。

国际单位制中电流的单位：安（A），即库仑/秒。

    1A = 6.241506363×10¹⁸e/秒

         1e/秒 = 1.60217733×10^-19库/秒（A）

电流元 =

             =

 电流元的单位为e米/秒。

电流本来是一个宏观物理现象，一般指较多电子运动形成的持续电流。我们研究量子的基本问题时，出现的是单个量子，如何使单个量子运动与电流概念衔接，用以下实例说明。

例1： 如图7-2，如果观察的电荷运动空间长度是0.001米，电量密度是1000 e/米，电荷的速度达到0.003 米/秒。

长度元 = 0.001米

长度元内的平均电子数 =1000 ×0.001 = 1

电流 = 电荷运动速度× 线性电荷密度

=  0.003×1000 = 3  e/秒

电流元 = 电流×长度= 3× 0.001米 = 0.003 e米/秒

 

 

 

 

 

                

 

图7-2   电荷运动与电流

 

例2：如图7-2，如果观察的电荷运动空间长度是0.001米，电量密度是3000 e /米，电荷的速度0.001米/秒。

长度元 = 0.001米

长度元内的平均电子数 = 3000 ×0.001 = 3

电流 = 电荷运动速度× 线性电荷密度

=  0.001×3000 = 3  e/秒

电流元 = 电流×长度= 3 × 0.001 = 0.003 e米/秒

例3：如图7-2，如果只有一个电荷运动，速度为0.001米/秒，我们考察的空间长度为0.01米。(恰好电子正在其中)

长度元 = 0.01米

长度元内的电荷数 =  1

电荷线性密度 = 1/0.01 = 100 e/米

电流 = 电荷运动速度× 线性电荷密度

=  0.001×100 = 0.1  e/秒

电流元 = 电流×长度= 0.1 × 0.01米= 0.001 e米/秒

  例4：如图7-2，如果只有一个电荷运动，速度为0.001米/秒，我们考察的空间长度为0.0001米。(恰好电子正在其中)

长度元 = 0.0001米

长度元内的电荷数 =  1

电荷线性密度 = 1/0.0001 = 10000 e/米

电流 = 电荷运动速度× 线性电荷密度

=  0.001×10000 = 10  e/秒。

电流元 = 电流×长度= 10 × 0.0001 = 0.001 e米/秒

考察的长度元越短，某时段的电流将会越大，原因是我们假设电子恰好在这么短的长度内出现。这个恰好正是我们研究简单的带电量子相互作用所必需的，我们正要研究这个恰好之时量子波的相互作用。如何与经典理论衔接呢？只能使用电流元概念，无论我们跟踪带电量子的距离多长，在这段距离的电流有多大，电流元的值都等于：电量电荷速度，这也体现了笔者认为磁场是电场调整的观点，电荷运动时与相当的物理量为，不过电流元中的速度是绝对速度而不是与光速的比值。

四、磁通量

与电场中类似，穿过某一面积上的磁感应线条数叫磁通量。对磁场中任一面元dS的元磁通可写为

     dΦ = B·dS=BdScosθ

        = B·dS

通过磁场中任意有限曲面的磁通量

磁通量=磁感应强度B×面积

量子单位制中磁通量的单位是：次/e。

这个 次/e代表什么物理量呢？

对磁通量单位进行变换：次/e

我们回顾电通量的量纲是 ：

（次/秒）米/e

磁通量与电通量相比即由e改变为eυ，电通量表明一个电子静止时的特性，而磁通量表明了一个电子运动时的特性。进一步说明磁场的本质是对电场的调整，这样处理能简化我们的思维，有利于揭示物质内部的秘密。

国际单位制中磁通量的单位是：韦伯（Wb），即

韦伯（Wb）= 特斯拉（T）×面积（米²）

= 2.41798852×10¹⁴ (次/米)/(e米) ×米²

韦伯（Wb）相当于：2.41798852×10¹⁴次/e

五、磁场强度

磁场强度H 是为了计算磁介质中的磁感应强度B而引出的，我们研究的是真空介质，同样可以建立这个概念。引入磁场强度这一物理量，用H表示。

在量子单位制中，

磁场强度 H = 电流强度/米= 磁感应强度   

单位是：e / （秒米）。

在国际单位制中，

磁场强度的单位为 安培/米 ，即 库仑 / （秒米）

1安培/米 = 6. 24150636310¹⁸ e /（秒米）

对于稳定电流来说，假设的无限长的直导线，任何时候导线上每一“长度元”

都对磁场有贡献，不能简单地按点电荷的方式计算磁感应强度或者磁场强度。

六、法拉第电磁感应定律

实验表明，感应电动势的大小与通过导体回路的磁通量的变化率成正比。用Φ表示闭合导体回路中的磁通量，ε表示导体回路中的感应电动势，在国际单位制下，由实验总结出的这一规律是

                

这一表达式叫做法拉第电磁感应定律，式中的正负号反映感应电动势的方向与磁通量变化的关系。判定电动势方向时，可以按两个右手法则，将磁通量的增加理解为电流加大即可判断感应电流和感应电势方向。

一般线圈都是多匝串联起来的，在这种情况下，线圈中的磁通量变化时，线圈上总的电动势等于每一匝线圈上的电动势之和，如果每一匝线圈完全相同，共有N匝，那么线圈中的总的电动势

        

ψ=NΦ称为线圈的磁通链。

量子单位制中磁通量的单位：

由于感应电动势与通过导体回路的磁通量度化率成正比，则有：

电动势     = 变动的磁通量 / 时间 =  

   一定的电势在一定的距离可产生一定的电场强度：

电场强度 = 电势 / 距离

在空间的一个区域，如果存在一个变动的电场，如带电量子的运动，即可形成电场的变动，那么它必然伴随电场的调整即磁场。计量某点的磁场大小可以用磁感应强度表示。

磁感应强度的计算公式：

电场强度的计算公式：

因此：磁感应强度  =  电场强度  ×（υ/c²）

磁感应强度在一个区域的面积上的积分，称为磁通量，磁通量=磁感应强度 ×S²，

                 单位为：次/e

电场强度在一个区域的面积上的积分，称为电通量，电通量=电场强度 ×S²，

 单位为：（次/秒）米/e。

因此，磁通量  =  电通量  ×（υ/c²），

磁通量的按时间变化率：（次/e）/秒 = （次/秒）/e ，即电势。

也可表达为：电势 =  电通量  ×（υ/c²）/时间

                                 =  电通量  ×（加速度/c²） 

意味着电通量的加速度引起了电势。由此可见，所谓磁场变动实际上是该点电场速度的变动引起的电场强度变动。磁通量的变动可以有各种形式，无论是载流导线运动，还是电流变动，或者是磁铁的移动，对于作用点来说就是电场的变速运动。

七、电感

当线圈中的电流变化时，通过线圈自身的磁通链也随之变化，使线圈自身产生感应电动势。这种因线圈中的电流变化而在线圈自身所引起的感应现象叫自感现象，所产生的电动势叫自感电动势。当一个线圈中的电流变化时，通过线圈自身的磁通链也随之变化，影响到附近另一个线圈产生感应电动势。感应现象叫互感现象，所产生的电动势叫互感电动势。可以将自感与互感通称为电感。

电感与电容一样，主要与导线（线圈）的结构有关，线圈的结构不同，因电流而产生磁通链的大小也不同，或者受磁通量变动产生的电动势大小不同，反映线圈这种能力大小的物理量是电感。

   

为电流， 为磁通量，  L称为线圈的电感。

国际单位制中电感的单位是亨利（H）。

    亨利=   量纲为：， 即： 千克·米²/库²。

     量子单位制中自感单位为 秒/e²，单位转换：

1韦伯（Wb）相当于 2.41798853×10¹⁴次/e，

  1安相当于6.241506363×10¹⁸e/秒，

1亨相当于：

     。

电感 = 磁通量 / 电流

电流 = 磁通量 × 电感

八、电阻

量子霍尔效应中提出了量子电阻概念，量子电阻为普朗克常数与电荷平方的比值，按照量子单位制，电阻的单位为：次/e²。应当注意到量子单位制中，精细结构常数 a = 0.00729735308  ，单位为： 次/e²，量子霍尔效应中提出的量子电阻与精细结构常数有密切关系。

电阻还可以表示为电势与电流的比值：

（量纲分析）电阻 = 电势 / 电流 = [（次/秒）/ e ] / （e/ 秒 ） =  1/e²

1欧姆 = 3.8740459×10^-6 次/e²

1次/e² = 25812.807欧姆  （即冯·克利青常数）

笔者本来将电阻视为宏观现象，没有写在书中。后来阅读到英国的安东尼 ·黑 和  帕特里克·沃尔特斯先生的《新量子世界》（雷奕安译，长沙： 湖南科学技术出版社， 2005 ）一书第136页有一段话：“1980年克劳斯·冯·克林津（又译为：冯·克利青）和他的同事……..，也许意义更大的是量子电阻的发现——霍尔电压除以电流是量子化的，这一量子单位正比于普朗克常数除以电子电荷的平方，这一电阻单位与原子物理里面的一个基本物理常量，也就是所谓精细结构常数，关系密切。”笔者当时正为由于建立了量子单位制而使精细结构常数不是无量纲数，而是出现了单位“次/e²”如何解释而思考，读到这一段文字后，立即将电阻的单位用量子单位制转换，果然得到次/e²，说明二者确实有一定联系。

    九、位移电流与麦克斯韦方程组

麦克斯韦提出位移电流之前，人们已经总结出了电磁场的基本规律。由库仑定律和场强叠加原理可得出静电场的两条重要定理：

电场的高斯定理

          

静电场的环路定理

          

        由毕奥-萨伐尔定律得出恒磁场的两条重要定理：

磁场的高斯定理

        

安培环路定理

        

上述内容已在前面叙述，此外还有磁场变化时的规律：

法拉第电磁感应定律

麦克斯韦根据当时的实验资料和理论的分析，全面系统地考查了这些公式，看出电动势现象预示着变化的磁场周转围产生涡旋电场，可是存在着严重的不对称性，这种不对称性表现在：变化磁场可以激发电场，却看不到变化的电场能否激发磁场。同时发现将安培环路定理应用到非恒定情形时遇到了矛盾，最典型的例子是含有电容器的电路，明明没有电子通过两个极板，可是电流依然存在。于是麦克斯韦提出了位移电流假说，即电场的变动不仅仅在导线中，而且可以在电容器的极板间产生类似电流的某些效应，电流可以产生磁场，反过来变化的磁场可以产生“磁通量”的变化，产生电场。

麦克斯韦方程组将以上分析的结果概括起来，就得到在普遍情况下电磁场满足的方程组：

                 （I）

           （II）

                 （III）

         （IV）           

这是麦克斯韦方程组的积分形式。

麦克斯韦提出的“位移电流”的假设在电磁场理论中具有非常重要的地位，两个带电量子移近（或移远）时，即使在所观察的空间没有出现这两个量子的中心，但只要是电场的变动，就可以产生位移电流，产生磁场。物质基本结构理论认为，位移电流概念的建立实际上是承认了电子的非定域性特征，不能将电子的区域局限在含有电子波动中心的部分。

表明麦克斯韦理论威力的还有一件事，就是预见光是起源于电磁现象的横波。 既然电介质中的粒子位移可以看成是电流，就可以把电流与磁力线的相互作用推广到绝缘体，甚至是充填于真空的以太。在这些介质中任一点产生的电粒子的振动，就可以通过相互作用在介质中扩展开去。并预测电磁波的值为：310740千米/秒。物质基本结构理论并没有认同光子是电场与磁场交替转换的观点，而是认为光子是实实在在的以太结构的波动，那么麦克斯韦电磁波理论为什么能够预测光速呢？笔者认为这是由于用直角三角形描述费米子的运动，真空光速常数c将会自然地出现在物理公式中，静止的电场与运动的电场即磁场的关系，也即真空电容率与真空磁导率的关系将会出现c²因子，光速也就自然地与电磁场联系在一起了。

 

 

 

第八章    量子相对论

 

一、狭义相对论要点及变换公式

我们把牛顿、伽里略的相对论称为经典相对论，经典相对性理论和变换公式在我们日常的物理现象中是常见的。例如在高速运动的火车上，我们朝上下左右传递重物，丝毫也没有感觉到火车高速运动的存在。我们的地球自转和公转造成的速度是每秒800米，这么快的运动，我们几乎没有察觉，一切力学公式定律运用自如。人们并不理会每秒800米的速度将形成多大的“动能”，一切物体就像装在比高速公路上的汽车快几倍的高速行驶的列车上，人们并不感到有什么恐惧，一切都很平静。人们只关心物体之间的“相对”速度，并以此来计算动量、能量。

牛顿、伽里略时期对空间和时间的认识是有局限性的，人们常说经典相对理论把空间、时间视为可以脱离物质运动而独立存在的事物，空间就像一个无限大的框架，其他事物可以装在其中，时间就像一个永恒的有标准刻度的“流”，事物的发生变化与这个流的过程一一对应。实际上，牛顿并未提出一个“静止的”“固化的”空间，反而是提出无数的参照系，经典相对论时空观中的“绝对”性，并不是体现在载体上和框架里，而是体现在对于不同的匀速运动的参照系，在进行空间和时间测量时，尺子和时钟是不变的。它的绝对性是体现在体系之间的空间和时间的量度不变性上。

这种绝对时空观念，到了现代物理时期就无法解释许多物理现象了。如测量装置无论是向着光源运动，还是逆着光源运动，测到的光速都是不变的。两个系统的速度不能再像伽里略变换一样直接相加了。高速运动状态下，系统的质量随着速度的增加而增加，简单的变换公式远远不能满足要求。在电磁现象中，不仅高速状态下原有的变换公式无法适用，就是低速状态也不能用原有的简单的变换公式，如电荷的运动产生磁现象，运动的地球上的两个相对静止的电荷之间为什么没有出现磁现象呢？如何在相互作用（观察也是作用）中描述量子状态促使了爱因斯坦相对论的产生。

爱因斯坦创立的狭义相对论认为：

（1）没有绝对的运动，只有相对的运动，任何惯性系都是平等的； 

（2）没有绝对的空间和时间，空间和时间都是物质运动的属性，空间和时间的确认与物质系统的运动状态有关；

（3）光速不变，在任何参照系中观察到的光速都是一致的。

    （4）时间与空间是相关的，以光作为传递信号，因此不同参照系之间的空间坐标和时间坐标转换必须使用相对论的变换公式，空间与时间必须同时进行变换。

现设置两个坐标系及，坐标系相对于坐标系以轴的正方向的速度运动，当然也可以认为坐标系相对于坐标系以轴的反方向的速度运动。为使分析问题简化，假设两个坐标系的初始时间t和坐标x均为0。如图8-1，在初始时，O点、Z轴和Y轴是重叠在一起的。

 

    

图8-1 狭义相对论中速度要按洛伦兹公式变换

 

两个参照系中的空间和时间坐标变换使用洛伦兹变换公式（以下称相对论变换公式）：

                 （8-1-1）

             （8-1-2）

公式反映了假设坐标以速度运动，而坐标相对静止的情况下将的空间坐标及时间坐标换算成坐标系里的及数值。从公式可以看出，空间的数值不再是孤立的绝对的空间，时间的数值也不再是孤立的绝对的时间，而是与物质系统的运动状态紧密联系的，而且空间与时间相联系，对于相同的位置在不同的时间测量得到不同的数值。

坐标系的速度不再能简单地相加了,任何物质体系的速度不能超过光速。按照相对论公式变换，纵向速度叠加公式为：

   U =    （8-1-3）

其中

    

运动物体的质量变化公式：

                           （8-1-4）

质能相关公式：

        能量E = 质量m×光速c²           （8-1-5）

以上8-1-4、8-1-5两个公式与洛伦兹变换并无直接联系，从相对论变换公式本身是得不到质量随运动增加的结论的，理论的发展过程是改进牛顿运动公式来适应相对论变换公式的。物质基本结构理论建立了以太结构和量子波概念后，用直角三角形描述量子波，自然地得到质量（频率）随运动增加而变动的结论，而且与相对论变换公式的系数完全一致。质量随运动增加的公式是描述量子实质性变动的公式，相对论变换公式是从相互作用的角度观察量子态的变换公式，二者角度不同，但是二者的基础是一致的。用直角三角形描述量子波，运用了斜边保持光速不变的概念，而相对论变换公式的推导过程也用上了光速不变的概念，因此二者变换系数完全相同就不足为奇了。

对于上述相对论的变换公式，假如不是坐标系以速度运动、坐标系相对静止，而是反过来坐标系以-速度运动、坐标系相对静止，相对论的变换公式能够适用吗？可以对公式作一些变形：

由公式8-1-1：                       

和公式8-1-2：                       

可以得到反解形式：

即为公式8-1-1  的反解形式。

即为公式8-1-2   的反解形式。

从相对论变换公式的正反变换形式的完全对应性，实现了爱因斯坦相对论的精髓——“没有绝对的运动，只有相对的运动，任何惯性系都是平等的”。 这样看来相对论似乎完全排除了绝对性，因为从上面相对论公式变换中我们没有见到任何绝对性的痕迹。其实不然，相对论变换公式的推导前提使用的是光速不变假设，在推导过程中（由于篇幅有限，未能介绍推导过程）光速从正反两个方向传播对于参照系的速度都是一样的，才得到了上面的变换公式。相对论变换公式如此绝妙，无论是正解还是反解都得到完全相对的结果，正是因为使用了光速不变的绝对性因素。本书在后面研究相对论的实质时将会指出，相对论研究的是量子的绝对性在相对的相互作用中的表现形式问题，绝对性是相对论中不可缺少的重要方面。

    二、以太结构与相对论的相容性

爱因斯坦相对论的一个重要原理就是不存在任何特殊的参照系，任何惯性系统的运动状态都是相对的，即无所谓谁在运动谁是静止。大师们否定了以太的存在，其中一个理由就是，如果存在以太必然有一个坐标系是最特殊的，这就是相对于以太而言“静止”的坐标系。物质基本结构理论认为以太是存在的，这样就会出现一个速度与以太相同的参照系，这个特殊的参照系的出现是否会与相对论矛盾呢？

（一）插入一个与“以太”静止的坐标系，并不影响相对论变换公式的应用

下面我们设计一个理想实验，即在上一节两个坐标系之外添加一个与以太相对静止的坐标系，看看相对论的变换公式是否还起作用。由于使用符号字母作公式变换，文章将变得枯燥无味，我们采用取任意数值计算再比较计算的结果的方式，和使用符号字母作公式变换效果是一样的。同时为了计算简便，我们采用光速c为1个速度单位。

如图8-2，设坐标系相对于坐标系沿轴正向运动，速度为。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图8-2  插入一个与“以太”静止的坐标系

 

将的坐标值变换为的坐标值。

由相对论变换公式8-1-1和8-1-2，得：

   （8-2-1）

          （8-2-2）

还可以得到反解式：

                     （8-2-3）

                     （8-2-4）

    两个坐标系的运动状态是完全相对的。

现在让我们插入一个相对于以太静止的坐标系，不过我们并不事先知道它是一个特殊的坐标系，用实验方法我们也无法察觉它的特殊性。表示空间坐标，表示时间坐标。假设测得原来任意设的     坐标系相对于沿轴正向运动，速度为，表示空间坐标，表示时间。将的坐标变换为坐标系的值。

由8-2-1和8-2-2相对论变换公式，得：

              （8-2-5）

              （8-2-6）

我们再看相对于如何运动，如何作坐标值变换，根据相对论的速度叠

 

加公式8-1-3，将数值代入：

      

 

 

 

             （8-2-7）

   由此坐标系相对于是沿轴正方向运动，速度，那么将坐标值变换为的坐标值：

       （8-2-8）

                   （8-2-9）

将上面式反解得：

                  （8-2-10）

                   （8-2-11）

将8-2-10和8-2-11代入8-2-5式得：

    （8-2-12）

解此式得：

                      （8-2-13）

同样将8-2-10和8-2-11代入8-2-6式得:

   （8-2-14）

解得：

            （8-2-15）

我们发现式8-2-13和式8-2-15与式8-2-3和式8-2-4完全吻合。本例我们对速度取了具体的数值，其实我们无论选取任何数值，只要不大于光速c都可以得到相同的结果。由此可见，以太的存在与相对论变换公式是相容的。只要将式8-1-3的速度叠加公式换算，立即就可以发现添加任何坐标系都是可以依据相对论公式进行变换的。这并不是逻辑的循环，而是因为相对论准确地反映了量子世界（不仅仅是高速世界）的实际情况，它的公式当然无论如何变换都能表现出“相对性”。

 （二）插入一个与“以太”静止的坐标系，并不影响相对论变换公式在电磁学中的应用

第七章，我们得到了运动电荷的库仑定律： 

F=

将电荷运动产生的磁场视为电场的调整，似乎是一个十分完美的公式，其实仔细分析就会发现还存在严重问题。如果我们在地球上做实验，假设地球是静止的，A、B两个质子做同向等速υ运动，上述公式将得到吸引性磁场力，即对电场的吸引性调整力。如果地球以速度υ运动，而两个A、B质子是相对静止的，按上述公式将得不到磁场力。但是，实际上我们在地球上做电磁实验时从来没有去认真考虑地球的运动问题，因为实验没有发现地球的运动速度对地球上的电磁规律有什么影响，这样，上述公式的不完备问题就不能不引起重视了，事实上相对论的起因就与研究电磁问题有关。

如果运动电荷的库仑定律将按相对论变换公式进行改造，问题就可以得到解决，改造后的运动电荷的库仑定律为： 

 

公式中加上项是基于一种假设：由于电荷的运动，虽然电量不变，但运动方

向的长度缩短，电荷密度增加，因此必须除以项来进行调整。尺度缩短是相互作用效应影响的结果。

不同的参照系下，包括与“以太”静止的坐标系下观察电磁现象是否能得到相同的结果呢？下面让我们来看几个实例。

例1：如图 8-3，设A为质子，D为电子，两者相距10^-8米，K₁系观察A的速度是沿

x轴正方向υ₁=10^-6c，K₁系观察D的速度是沿x轴正方向υ₂=10^-5c。K₂ 系相对于K₁系的速度是沿x轴正方向10^-7c。在K₁系和K₂系里观察A、D的电磁场情况。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             

 

 图 8-3   任意参照系观察电磁场的效果是一样的    

 

（1）在K₁坐标系里观察，电磁合力：

F=  

= =

电场力相互吸引，磁场力相互排斥，故式中使用减号。

（2）在K₁系里，A的速度是沿x轴正方向υ₁=10^-6c ，那么按相对论公式换算成K₂系里的速度就为：

          υ₁ = = 9×10^-7c

在K₁系里，D的速度是沿x轴正方向υ₁=10^-5c ，那么按相对论公式换算成K₂系里的速度就为：

          υ₂ = = 9.9×10^-6c

在K₂系里观察，合力：

  =

电场力相互吸引，磁场力相互排斥，故式中使用减号。

计算表明，用相对论公式换算后，物理定律在不同参照系里都是成立的。

再举一个在假设是与“以太”静止的参照系看似不动的事件，即插入一个与“以太”静止的坐标系，在另外的参照系下观察的例子。

    例2：设A为质子，D为电子，两者相距10^-8米，K₁系观察A和D的速度均为0（我们可以假设这个K₁系相对于以太是静止的）。K₂ 系相对于K₁系的速度是沿x轴正方向10^-7c。在K₁系和K₂系里观察A、D的电磁场情况。

（1）在K₁坐标系里观察，电磁合力

F=  

= =

电场力相互吸引，不存在磁场力。

（2）在K₁系里，A和D的速度均为0，那么按相对论公式换算成K₂系里的速度就为：

          υ₁ = = - 10^-7c

在K₂系里观察，合力：

  =

电场力相互吸引，磁场力相互排斥，故式中使用减号。

计算表明，用相对论公式换算后，假设以太存在，原来相对于以太静止的量子电场，与在其他运动系里观察到的情况是一样的。 

    再举一个接近光速的例子。

例3：设A、D均为质子，两者相距10^-8米，K₁系观察A的速度是沿x轴正方向

υ₁=0.999c，K₁系观察D的速度是沿x轴正方向υ₂=0.998c。K₁ 系相对于K₂系的速度是沿x轴反方向0.9c，在K₁系和K₂系观察A、D的电磁场情况。

（1）在K₁坐标系里观察，电磁合力

F=  

=

     =

（2）在K₁系里，A的速度是沿x轴正方向υ₁=0.999c ，那么按相对论公式换算成K₂系里的速度就为：

          υ₁ = = 0.98116947c

在K₁系里，D的速度是沿x轴正方向υ₂=0.998c ，那么按相对论公式换算成K₂系里的速度就为：

          υ₂ = = 0.9626719

在K₂系里观察，合力：

    结果相同。

从上面的例子中，我们可以看到以太结构的存在与电磁学公式同样是相容的，无论以什么参照系计算，都可以只考虑电荷之间的相对运动。

（三）以太的存在不会给“粒子”带来“阻力”，“粒子”也无法发现自己与以太的相对速度

笔者认为以太存在与相对论在变换公式上和理论上是吻合的，即使以太存在并且设置一个特殊的参照系，丝毫不影响相对论换算公式的应用。笔者的目的是希望揭示相对性背后隐藏着的含有一定程度的绝对性的和更一般性的东西。为什么“以太”中的“我们”没有感到以太的存在呢？因为“我们”及我们使用的仪器都是量子波，而媒质以太与量子波本来就是融合在一起的整体，量子波在比钢铁还要坚实的以太中运动当然不会有什么“阻力”，没有阻力就没有相互作用，量子波当然也就无法测出自己与以太的“速度”。

将以太找回来，并不是要重新回到绝对的时空观，时间与空间永远都是依附于物质的。我们这里大量使用了坐标概念，但是并不等于我们承认了绝对坐标，我们只是需要承认一定的范围和一定的过程中物质的均匀性和系统性,并承认由此形成的量子态的绝对性。

（四）从相对论变换公式并不能确定尺子缩短和时钟变慢

需要指出的是从相对论变换公式并不能得到相对的尺子缩短和时钟变慢的结果，现在简单地设几个数据测算一下：当A坐标相对于B坐标速度是0.8c，若在B坐标中测得某事件的时间t为3时，空间x为10；时间t为5时，空间x为12。利用相对论变换公式换算到A坐标。

B坐标中的距离为：12-10=2

A坐标中的距离为：13.3333-12.6666=0.6666

0.6666 / 2 不能满足“尺缩”公式因子=0.6的要求，可见不是“同时”测量的距离是无法比较的。

可以将上例改为“同时”：若B坐标中有一把尺子，当时间t为3时，尺子两端的空间x分别为10和12。换算到A坐标：

B坐标中的距离为：12-10=2

A坐标中的距离为：16-12.6666=3.3333

2 / 3.3333 = 0.6  似乎能满足“尺缩”公式中=0.6的要求，但是要知道值16是在时刻得到的，而值12.6666是在时刻得到的，根本不是同时的概念。

还可以简单些，可以假设两个坐标平行通过的一瞬间，B坐标系上两个点同时向A坐标上的尺子发射激光，因为B坐标上的时钟相对于B坐标是静止的，因此这个同时是可以做到的，这样就可以在A坐标上的尺子上刻两个记号，我们要问，A坐标上的两个记号是不是同时的呢？从上面的计算可以知道对于A来说不是同时的。继续深入研究下去我们还可以得知，相对论变换公式对于尺子缩短和时钟变慢的计算不仅不能进行相对的反解计算，而且不能插入任何参照系（包括插入一个与以太同速率的参照系），在参照系之间进行相互转换。因此笔者认为，相对论变换公式本身不能得到尺子缩短和时钟变慢的结果，“看谁运动谁就尺子缩短、时钟变慢”并不是相对性。

那么究竟谁的尺子缩短、谁的时钟变慢呢？从量子自身的相互作用“不能确定”，从相对论变换公式也“不能确定”，因而 “不能确定”就是最好的答案。

上述事实中还可以得到启示：从参照系观察量子运动本身就不是一个简单的问题，试想地球“捆绑”着两个质子运动，两个质子看似静止没有受到什么作用，其实它们已经承受着地球的“捆绑”作用，因此“速度的转换”本质上就是一种相互作用过程。

笔者不厌其烦地证明以太存在与相对论不矛盾，其目的就是希望确保以太进入物理学理论，以便在实在的以太结构中寻找费米波的结构特征，因为以太结构的存在对于研究量子结构问题、电磁性问题、波粒二象性问题是非常重要的。这里不仅有“上帝掷不掷骰子”的问题，还有“上帝如何造模子”的问题，即物质世界为什么产生“统一大小”的“粒子”，这不是一句“历史成因”能说明的。无序的物质世界造就了质子、电子等相对稳定的“粒子”，“上帝造的模子”如此准确，这是需要把以太找回来才能得到解释的。

三、量子态的绝对性和相对性

所谓绝对性与相对性是指某种形式的不变性与变动性，世界上没有完全不变的事物，因此绝对性仅仅是指一定条件下的稳定性。

在量子形成之前的物质基本结构形式下，具体物质没有稳定的形态，绝对性表现为最一般的特征不变性，这就是物质不生不灭和运动的永恒性。

物质基本结构形式经过均匀化和系统化过程，从无序状态发展到有序状态，形成较大的空间和较长的时间里的稳定状态，形成了以太结构形式，具体物质形式的绝对性逐步增强，表现在稳定的相对不变的物质形式规模越来越大。量子波产生，波速一致频率稳定，这些都是量子态绝对性在一定条件下的最基本的表现形式。有些学者不愿涉及绝对性问题，好像一谈绝对性问题就会被认为是绝对化的僵化的思维方式，其实绝对性与相对性都是物质的本质特性，缺少哪一方面都不行。笔者在第一章中强调实体与间隙的绝对性，结果得到什么结论呢？得到了对立统一的、充满生命力的物质基本结构形式，得到了既具体又普遍的物质本原观，得到了既“看得见模得着的”又抽象一般的物质实在概念，可见运用绝对性的概念本身并不会导致僵化和机械唯物论。研究相对论问题时，要特别关注绝对性问题，否则很难从本质上认识相对论，很难将相对论与量子理论结合起来，甚至可以说不引入绝对性概念根本无法真正地认识相对论。

量子态是可以用物理量描述的量子表现状态。如波速、频率、波长、相位、传播方向、振动方向（即偏振）、玻色波分量和费米波分量、电场和磁场特征、衰变特征（即寿命）等。量子的这些态的绝对性表明，无论观察者站在什么角度观察它，量子的态都是相对稳定的。观察本身是一种相互作用，这种相互作用会对观察结果产生一定影响，但这和没有观察时量子态是否具有绝对性是两回事，对观察引起了量子态变动，可以通过改进观察方式减少变动量，也可以对观察结果进行调整。

量子的态必须在相互作用中才表现出来，而相互作用是相对的，作用与反作用同时存在，观察者站在不同的角度观察量子，对量子的状态的描述是不一样的，这带来了量子态的相对性。一个相对以太运动的物质体系与另一个相对以太静止的物质体系相互作用，它们完全可以视为相对的状态。一个高速运动的A量子与一个静止的B量子的相互作用，与一个静止的A量子与一个高速运动的B量子的相互作用，在速度、相对方向一致的情况下效果是完全一样的。因此量子无法认识自己的绝对的实在，它只能在与其他量子相互作用中认识相对的特征。

四、相对论是研究量子绝对的态在相互作用中表现形式的理论

相对论研究的究竟是什么问题，相对论得到的结论究竟反映了物质世界的什么客观规律，或者说相对论在物理学中的位置是什么？这一系列问题应当得到解释。

有的观点认为相对论研究的是与时空有关的规律，因为相对论的变换公式都是针对时空坐标值在不同参照系里的变换，而参照系与参照系的差异仅仅是运动速度（或者加速度）的不同。这种观点只是表述了现象，并未说明本质，因为时空只是物质的存在形式，如果不从物质本体特征角度分析，很难准确地表述相对论。例如狭义相对论中关于质量与能量相关的结论，就不能简单地归为时空问题。

有的观点认为相对论研究的是物质运动普遍存在的相对性规律。的确，相对性规律是人们经常遇到的，有上必有下，有大必有小，一切都有其相对性的一面。两人相对而行，无论是A动B不动，或者B动A不动，或者A、B均动，只要二者相对速度一样，两人碰撞时的感觉都是一样的。但是如果认为相对论研究的就是这类相对性，也是不准确的。因为相对论不仅研究相对性，而且包含了很多绝对性内容。如经典的牛顿、伽利略相对性中，包含了时空尺度的绝对性。爱因斯坦狭义相对论中，包含了光速不变的绝对性。爱因斯坦广义相对论中，质量聚集附近时空弯曲，弯曲是相对于平直而言，因此隐含了对称的平直的绝对性概念。

物质基本结构理论认为相对论是研究量子绝对的态在相互作用中的表现形式的理论。量子态在某种条件下是绝对的存在，但是量子态要在相互作用中才能表现出来，而相互作用具有多样性，因而量子态的表现形式也具有多样性，量子的作用具有相对性，量子的态的表现形式也具有相对性。相对论就是研究量子绝对的态，在相互作用条件变动时表现形式的规律。

例如经典相对理论认为，经过简单的伽利略变换，物理定理在任何惯性参照系中都可以表现为相同的形式。因此经典的相对理论，研究的是低速的宏观的物体运动的绝对性在相互作用中的表现形式。爱因斯坦的相对论涉及的量子态仅仅包括平直运动的态，并不包括与旋转有关的量子态，如自旋、电量等。狭义相对论认为，一个惯性参照系中观察到的量子态的特征，可以经过洛仑兹变换在不同的惯性参照系中观察到。广义相对论认为，一个参照系中观察到的量子态的特征，可以经过广义相对论协变公式变换，在不同的参照系中观察到。

爱因斯坦的狭义相对论中含有光速不变假设，有人认为这既是变换公式推导的假设前提，又是变换公式对电磁现象推理的结果，似乎是逻辑的循环。其实这正是相对论中绝对性的体现，光速不变是一个大自然的事实，它无论是前提还是结果，都不会产生矛盾。又如爱因斯坦的广义相对论，引入了时空弯曲的概念，其实这里强烈地隐含了物质作为时空基础的观念，而且这个基础在相当大的范围内是均衡的平直的，只有在均衡平直的条件下才有可能出现相对弯曲的概念。广义相对论中的这个广阔的均衡的物质基础体现了绝对性，笔者认为它就是物质基本结构理论中提出的以太结构。

     五、量子相对论

量子论学者和相对论学者都强烈希望将对方的理论纳入自己的理论体系中。也有的观点认为量子论与相对论是两个不同的范畴，应在各自领域研究，不要强调统一。物质基本结构理论认为量子论和相对论都是与物理学的基本问题有关的理论，总会在一定程度上有共同的基础。相对论与量子论的共同基础就是以太结构和量子波。

物质基本结构理论提出了以太结构和量子波概念，以太结构和量子波是量子理论发展和完善所必需的，是量子理论的基础。狭义相对论从其发生及推导形成过程来看，贯穿了“观测”的思想，在保持光速不变和相对性的基础上，以光为信号来观测运动的事物，建立起与物质运动相联系的时空观，是一个重大进步，已被近百年的实践证明是正确的。但是它并不能否定媒质的存在，光速不变已经明示了媒质的存在。光速不变的观点，是需要以太结构和量子波概念来支持的。因此以太结构和量子波也是相对论的基础。笔者在第二章中就提出使用一个直角三角形描述量子波，而且可以得到与相对论一致的变换公式，可以看出相对论与量子理论是有共同基础的，相对论与量子论是可以统一的。

笔者认为物质基本结构理论中的以太结构和量子波是相对论和量子理论的共同基础，同时认为物质基本结构理论是量子理论的一部分，那么相对论就自然地成为量子理论的重要组成部分了。现在可以将狭义相对论称为量子相对论了。

从认识过程来看，爱因斯坦的狭义相对论是在经典相对性的基础上发展起来。人们容易产生这样的观点：爱因斯坦的相对时空观代替了牛顿、伽利略的绝对时空观，因而产生了相对论。然而从理论体系来看，并不是相对时空观代替了绝对时空观，实际情况应当是：物质基本结构形式发展到以太结构和量子波形成，具体的量子态的绝对性逐步增强，但由于量子之间作用的相互性，量子态必须在相互作用中体现出来，爱因斯坦相对论包括狭义相对论和广义相对论，能够较好地描述量子态的这种绝对性在各种相互作用中的表现形式。而宏观现象中物体相对速度较低，可以作近似处理，不考虑高速时时间和空间量度时的洛仑兹变换效应，这就形成了经典的相对性。看上去似乎经典相对性中出现了绝对的时间和空间，然后被爱因斯坦相对论否定了，实际上是经典相对性近似地应用爱因斯坦相对论，在不影响对物理量计算的情况下，忽略了时间和空间与物质运动的联系，忽略了时间与空间之间的联系，使得计算简化。人们常常误认为宏观现象是简单的，量子现象是复杂又深奥的，其实不然，经典的宏观的物理现象远比量子现象复杂，不过由于它一般是低速的，众多量子行为可以平均计算，可以采取近似计算而显得简单而已。

量子相对论的原理和公式是这么神奇和绝妙。大自然居然存在这么完美、匀称的数学物理学公式，使人类无需去考虑地球的高速运动对电磁理论和实际应用有什么影响，也使人们感受到量子的统一性和稳定性。其实完美、匀称的数学物理学公式，是自然界对称性、均匀性的本来面目的反映。

 

 

第九章    量子实在的确定性与概率性

 

物质基本结构理论认为量子实在是物质实在的表现形式，是物质基本结构形式发展到以太结构和量子波阶段后的实在性表现形式。本章提到的量子实在是指量子生存期间的实在性，它反映了量子个体的波动性、稳定性、持续性等实实在在的、以物质基本结构形式为基础的特征。如果量子消失了，这个量子的实在性当然也就不存在了，但此时物质实在仍然存在，关于不符合量子规律的量子生成和消失问题将在十一章研究。

 

三、不确定性原理

不确定性原理是由德国物理学家海森伯最先提出来的，也称海森伯不确定性原理。也就是说对于量子，我们不能对它的某些共辙性的物理量，如动量和位置、能量和时间，同时确定精确值。

如设和分别是测量动量p和测量位置q的误差，是普朗克常数。海森堡发现，测量p和测量q的误差，它们的乘积必定要大于某个常数。如果我们把p测量得非常精确，也就是说非常小，那么相应地，必定会变得非常大，也就是说我们关于q的知识就要变得非常模糊和不确定。反过来，假如我们把位置q测得非常精确，p就变得摇摆不定，误差急剧增大。海森伯将这个不确定性原理的公式表达为：

对于能量和时间：

此公式经过量子力学严密推导后表达为：

  和 

由于只是近似的估计，两类公式对问题的分析结果是等价的。

由于不确定性原理，量子可以发生一些在宏观中无法发生的现象。如太阳上的核聚变，本来核子之间的电场排斥力使得核子无法靠近，但是由于不确定性原理，在很短的时间（当然也是很小的概率）使得某些核子的能量不确定性增大，得以突破静电排斥力而发生核聚变。又如氢原子中的电子为什么不落到原子核内? 这是经典物理不能解释的问题，用海伯森不确定关系却能够得到说明。电子离质子越近，距离越小，电子的动量的不确定性增大， 足以使电子与质子保持一定的距离。

    海森堡认为对于量子的某些共辙性的物理量，如果先测量p 再测量，与先测量再测量p，结果是不一样的：。测量p时这个动作本身影响到了的数值。反过来，测量的动作也将影响p的数值。如用波去探测电子，波必然给电子本身造成扰动，波长越短的波，它的频率就越高，能量也相应于增强，这样给电子的扰动就越厉害，同时我们就更加无法了解它的动量了。

    有些学者认为不确定性原理就像我们测量海岸线的长度一样，由于海岸线是曲折的，测量越精确即测量的视距越短，总的海岸线长度越大。

    有学者认为要从对波的测量来理解，任何对波的一定行程测量，总会出现对不到一个波动周期的波的测量损失，测量行程越长平均下来这种损失越小，对波长的计算就越精确。这里将行程视为位置，波长视为与频率相关的，也即与动量相关的量，这样位置越模糊动量越精确，位置与动量是一对共轭物理量，符合不确定性原理。

    玻尔认为不确定性原理并不是测量因素形成的，他认为不确定性原理产生的内在机制是量子的波动性，是量子运动的本质的表现。

笔者认为，用量子单位制描述不确定性原理时，能量用频率（次/秒）代替，动量用波密度（次/米）代替，普朗克常数 为1，可以将不确定性原理公式转换为：

 

 

表明在量子波的一个波动周期以内的一些共辙物理量，是无法精确确定的。测量也是一种相互作用，对一个波动过程的坐标长度确定越精确，意味着只能看到一小段波动，由于波动过程运动的线速度是不均衡的，得到的波密度（动量）就越不准确。如果坐标长度扩大到一个波长，波密度（动量）的平均数就会准确到数值为1。或者对一个波动过程的时间间隔确定越精确，意味着只能看到一小段波动，频率（能量）的测定就越不准确。如果时间间隔扩大到一个波动周期，就得到一个准确的频率数值为1。如图9-7所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图9-7  不确定性原理与波动周期有关

 

这样认识不确定性原理与笔者前面认为量子态不确定性是可能性的、突发的，一般在量子相互作用的最后一个波动周期出现的观点是一致的。与笔者在第十章分析薛定谔波动方程和波函数时，认为波函数按照归一化处理后与限制条件共同表述，可以描述量子的实在运动，而概率描述量子波动行程中可能的不确定性一般只发生在量子强烈相互作用的最后一个波动周期的观点也是一致的，完全符合玻尔认为不确定性原理产生的内在机制是量子的波动性，是量子运动本质表现的观点。

量子论中不确定性原理所涉及的不确定性，是能用一定的概率计算的不确定性，是符合因果关系和决定论的，由此引起的量子态变动是有规律的变动，是物质的实实在在的变动，量子力学对它的描述也是实在的描述。

四、双缝干涉实验

 

    五、物质基本结构理论对量子衰变的解释

 

第十章  物质基本结构理论与量子力学的相容性

 

一、波函数和薛定谔波动方程

       （一）平面波的波函数

（1）平面波的描述

波的形式是多种多样的，平面波是指在波的传递过程中在一段距离内波幅变动不大的波。描述平面波的状态的波函数为：

    （10-1-1）

用量子单位制理解，在波函数（10-1-1）中：

  为波函数，与分别表示x方向的距离变量与时间变量。函数计算结果的物理量为波幅，即长度单位为 米。

  为波幅，单位为 米。指平面波相对稳定的最大波幅绝对值。  

  为波幅的变动系数，数值在－1，0，+1之间变动。

  为单位长度弧度数，     即，单位为 弧度/米。

   为单位时间弧度数，即，单位为 弧度/秒。

（2）坐标变量x与时间变量t

由于，即波在传播过程中不同距离的时间差。波函数10-1-1式可以写成：

    (10-1-2)

 如果上述波函数10-1-2式去掉括号中的第一项，得到：

       (10-1-3)

即为一个以时间为变量的振幅函数，这样的波并不向外传播，而是在原地上下振动，余弦cos的正负角的函数值是相等的，因此括号中的负号可以忽略。

如果波函数10-1-2式中去掉括号中的第二项同时保留第一项，得到：

     (10-1-4)

即为一个以坐标为变量的函数，是描述波到达各种位置的振动位移情况。

（3）波函数的复数形式

波函数10-1-1式也可以写成以e为底的复数形式：

         (10-1-5)

（4）由波函数建立的通用的波动方程

通用的波动方程是如下形式:

      _（10-1-6）

    化简为一维形式的波动方程：

        （10-1-7）

函数是直接描述变量之间的关系，而物理方程则是在复杂的情况下表述各种物理量的关系，它可以包含各种函数，但对函数中的变量之间关系的表述不是那么直接，函数表达式与方程之间，在一定条件下可以转换。下面我们给出推导过程。

对宏观平面波函数10-1-5式进行转换，得：

   （10-1-8）

对时间二次微商得：

         整理得：

对坐标二次微商得：

                 整理得： 

将两个二次微商的结果连接得：

                          

引入波速u，将上式整理得到：

    

这就是前面的一维形式的波动方程10-1-7式。可见波函数与波动方程在一定条件下可以相互转换。

（5）常数项的意义

读者应当注意到由波函数转换为波动方程的过程中，波幅常量消失了，说明这个波动方程中含有的波函数与波幅常量没有直接联系。如果由波动方程反解出波函数，这个常量需经过归一化处理重新找回来。

（二）一般平面波的波函数能否描述独立量子形态的电磁波

（1）描述量子波的波函数与描述一般平面波的波函数的区别

通常，参照一般的波动描述方式，似乎可以建立一个类似的电磁波的波函数表达式：

    (10-1-8)

然而，我们以宏观的平面波方式来描述量子波时，必须考虑到量子波与平面波的重要区别：平面波的波函数描述的是一个波群（波束），而量子波由于其量子性，表现为个体的量子波。即使一个有限的空间在一段有限的时间里，只有一个电子或者一个光子在运动，我们也得承认这个电子或者光子的波动性，应当也有波函数描述它。因此用波函数来描述量子波时，显然应当与描述光束或者电子束的方式有所区别，或者说不能用描述一般平面波的波函数的方法来描述量子波。

（2）相位与概率

分析光子的运动：光子在振动且以光速运动，以位置作为变量，光子的相位随之而变，换以时间作为变量，光子的相位也是随之而变。光子的波幅、一个波动周期内的速度也是在随位置和时间变动的，但是波动量的大小与相位的变动是相关的。因此首先选取相位作为一个波动周期的因变量。

将原来描述光束的函数式10-1-8

   

改为描述单个光子的波函数：

    (10-1-9)

函数的值就是相位，单位为弧度。

将上述描述光子相位的函数用三角函数表示：

   (10-1-10)

得到的是无量纲数，数值在-1,0,1之间变动，这就是我们描述概率幅的函数。 加上适当的常数项A，使得波函数有适当的物理量，将模平方并按一定的物理量积分后，得到的结果是有量纲数，即概率密度：

   (10-1-11)  

（3）量子化电磁波的波动方程中的波函数是概率幅的波函数

根据10-1-8式对电磁波的函数表达式，按照式10-1-6的通用波动方程，可以建立一个电磁波的波动方程：

               (10-1-12)

方程中E表示什么呢？根据前面对一般波函数与波动方程的转换分析我们知道，这个E无法代表电场强度，因为由波函数转换为波动方程的过程中，电场强度常量E已经消失了，现在这个E函数计算得到的值是无量纲数，在一定条件下按归一化处理后可以有一定的物理量纲，就是概率幅。由此可见，即使人们将波动视为量子的出现概率的似波性，在进行归一化处理之前，波动方程并不能完整地描述量子的波动状态，因为波动方程计算出来的概率幅数值在－1，0，+1之间变动，必须考虑行程、波数等因素，进行适当的转换后才能得到实际波动的概率幅数值。因此归一化处理，实际上是使波动方程描述的物理现象回归实在的波动。笔者将在后面的实例中进一步说明，波动方程加上波动的边界条件，再加上归一化处理，是可以描述量子实在的波动状态的。

 

    （三） 薛定谔方程

    （1）建立描述电子运动的波函数

既然电子的运动可以形成波，那么应当如同描述光子的波动一样，有一个波动方程描述电子的波动。参照前面描述光子的波动方程 10-1-10)建立描述电子的波函数：

 

上式是量子单位制形式。

为了与读者熟悉的教科书中的经典公式衔接，我们将上面的波函数按下式描述为经典形式：

由于动量 ，即动能 / 速度υ。

能量 ，此处表示电子库仑势能。

普朗克常数，

                                (10-1-13)

（2）将电子的波函数改写为复数形式并进行微商

将上式改写为复数形式：

                   (10-1-14)

这里为了波函数的完整性加上了，在后面进行微商处理时自然消失，而在归一化处理时又回到公式中，那时它的物理意义与我们进行归一化处理方式有关。

将上述函数对时间微商得：

            (10-1-15)

将上述函数对坐标微商得：

          (10-1-16)

为了将能量E引入，将方程(10-1-16)两边平方，得到：

                   (10-1-17)

转换中用上的P²=2Em公式，是由德布罗意波的动量与能量关系决定的。

     （3）得到薛定谔方程

由10-1-15式得到：

               (10-1-18)

由10-1-17式得到：

        (10-1-19)

将10-1-18与10-1-19连接起来，就得到自由粒子的一维含时不计算势能的薛定谔方程：

                      （10-1-20）

如果考虑到量子的库仑势能，得到一维含时的薛定谔方程：

        (10-1-21)

将上式扩展到三维，得到含时的三维薛定谔方程：

          (10-1-22)

其中：             (10-1-23)

    如果不考虑时间因素，得到三维定态的薛定谔方程：

   （10-1-24）

其中：   

简化为一维定态的薛定谔方程

   （10-1-25）

当然也可以再转换为量子单位制形式：

              _{（10-1-26）}

为量子静止质量的能量（费米频率），为势能（费米频率的减量），为动能加势能即不含静止能量的总能量（总频率）。

定态是指粒子的概率密度分布不随时间变化的状态，定态薛定谔方程表示，任何时候粒子概率幅的空间分布，不随时间变化。E是粒子的总能量，其实并不包含静能。

对三维定态薛定谔方程也可用球坐标方式表示，如图10-1所示。

 

 

 

 

 

 

 

      

 

 

 

 

 

       图10-1   球坐标

 

相应的球坐标的三维定态薛定谔方程形式为：

+U

=E                 （10-1-27）

其中r为粒子的径矢的大小，为极角，为方位角。

 

 

二 、 一个例子：无限深方势阱中粒子运动的量子化

如何利用薛定谔方程分析粒子的运动状态，现举一例说明：如图10-2。

 

 

 

 

 

 

 

    

 

          

 

 

图10-2 无限深方势阱中粒子运动示意图

 

设一粒子受到外部势能影响如下：

            （10-2-1）

也就是说这个量子在坐标区间受到外部势能为0，在阱外即坐标小于的区间，势能为无限大，这就要受到无限大的向内推的力。这种势能函数的势能曲线图形像井，所以这种势能分布叫势阱；在阱内即坐标区间，由于势能是常量，因此粒子不受力而做自由运动；在阱外即坐标小于的区间，势能为无限大。粒子从阱内向外移动到达边界处，势能突然增至无限大，粒子会受到无限大的指向阱内的力。因此，粒子的位置就被限制在阱内，即限制在坐标的区间，粒子这时的状态称为束缚态。下面分析该粒子的运动，研究粒子运动状态为什么只能取某种方式，即粒子运动的量子化问题。

（1）选取一维定态薛定谔方程

由于我们在空间一维的状态下研究粒子的运动，而且该粒子受到的势能不因时间而变动，因此选取一维定态薛定谔方程：

   (10-2-2)

（2）利用量子单位制对经典波动方程进行转换

   在量子单位制中：

      ，，

     

   将10-2-2方程转换为：

  _（10-2-3）

（3）势阱外区域的波函数

在势阱外，即的区域，由于，因此必须，否则10-2-3式将给不出任何有意义的解。说明粒子不可能到达这一区域，这是和经典概念相符的。

（4）势阱内区域的波函数

在势阱内，即的区域，由于，10-2-3式可写成：

    _（10-2-4）

设       （10-2-5）

的单位为：（次/秒）（次/秒）/（米/秒）² = 1/米²  ， 的单位为： 1/米，这里既是动量单位，又可以理解为单位长度的圆周弧度数，圆周弧度的单位是：米/米，即园弧等于直径时的角度，视为无量纲数。

得到：      （10-2-6）

解这个常见的微分方程（10-2-6）得：

      

得：   （10-2-7）

得：          （10-2-8）

（5）边界点的连续决定了区域内波函数在这两点的值受到限制

此解需满足标准条件：在处是连续的。由于在边界外，，所以边界内这两点也为0。即：

  （10-2-9）

设是整数，由此得：

两式相加得：， 或  

式中是整数。

（6）得到两种波函数

为偶数或奇数时分别给出10-2-9）的两种表示：

   （1）(或者2，4，6…….) ，则有：

        =     （10-2-10）

这是一个偶函数，下标表示“偶”。

  （2） (或者3，5，7…….) ，则有：

=      （10-2-11）

这是一个奇函数，下标o表示“奇”。

上两式中出现负号没有意义，因为按照量子论的解释，正负并不影响，即概率密度的分布。

（7）解出值

由于的连续性，

于是：      

同样由于的连续性，

于是：       

将这两类结果合并在一起，可得

           （10-2-12）

（8）势阱内粒子能量的取值量子化

将10-2-12式代入10-2-5式  ，

即可得势阱内的粒子的能量的可能值为：

      （10-2-13）

为了便于读者与教科书对比，上式按经典公式表示即为：

            （10-2-14）

（9）势阱内粒子的动量量子化

势阱中粒子的动量为：

           

   按量子单位制表示即为：

（10）势阱内粒子的波长量子化

相应地，粒子的德布罗意波长为

         

按量子单位制表示，波长即为动量的倒数：

此波长也量子化了，它只能是势阱长度两倍的整数分之一。这类似于两端固定的弦中产生驻波的情况，无限深方势阱中粒子的每一个能量本征态对于德布罗意波的一个特定波长的驻波。

（11）利用归一化条件解出波函数的常数项

能量量子化后，上面的函数式可以写成：

                       

                        

为了求出A的值，我们用波函数或的归一化条件，即

   

由此得：

                             

这个值的单位是什么呢？它应当是：，这个值平方后得到的单位是：1/米，即动量，也即波长的倒数。归一化的本质意义是：波函数的值随着波动而周期性变动，但是量子在运动的行程里不止一个周期，因此量子在每一个周期内出现的概率幅并不在－1到0到+1之间， 而是要乘上一个数值，使得波函数在量子行程中的概率幅之和为1，这个数值的大小就是式中A。实际上A可以理解为概率幅的线性密度，它的平方即动量（单位是1/米）：线性概率密度。

（12）量子的波动特性引起了量子的概率性

按经典理论，粒子在阱内来来回回自由运动，在各处的概率密度应该是相等的，并且与粒子的能量无关。而由粒子的波动性给出的概率密度的周期性分布和经典粒子的完全不同，它呈现出波动。物质基本结构理论对此解释为：这正是量子波动的特征，由于波动使得量子在一个波动行程的速度并不是均匀的，也就是说在各段行程持续的时间是不一致的，再加上相互作用时的不确定性因素，因此量子出现就呈现出概率性。

（13）量子的驻波约束性定态决定了量子的最低能级

按照经典理论，上例中的粒子可能处于静止的即动能为零的最低能态。但是按照量子力学计算，量子粒子的最小能量 不等于零，这是符合不确定关系的，因为量子粒子在有限空间内运动，其速度不可能为零。物质基本结构理论认为这是由于量子的驻波约束性定态决定的，将在后面章节中讨论。

（14）量子的波动性和非定域性使得量子有可能穿越势垒

另外按照量子力学计算，可以允许一定概率的量子到达限制区域，即的区域。这个问题是量子穿越势垒问题，对现代科技发展起了非常重要的作用。物质基本结构理论认为并不是量子在极短的时间内，由于不确定性原理能量极大地增加，而是因为不确定性原理，在一个波长范围内量子有可能不发生按经典理论应当发生的碰撞行为，其根本原因是量子的波动性和非定域性。

三、 物质基本结构理论与量子力学的相容性

实践证明量子力学能够对微观物理大部分现象作出解释和预测，它的正确性是不容怀疑的。下面就上例，谈谈物质基本结构理论与量子力学的相容性。

（1）物质基本结构理论认为量子力学对波函数的概率性解释是正确的，量子运动和宏观物质运动一样，其概率性都是产生于有规律的不确定性因素，由于概率本身具有规范性，因此概率性的背后都存在着决定性的因素，都是有规律的。

（2）在波动方程或者波函数中，变量的取值范围不是方程本身确定的，而是根据量子运动的限制条件设定的。单独考察波函数是很难发现其中的实在性的，因为波函数本身确实并不含有实在的物理量。但是如果将波函数按照归一化处理，同时与限制条件结合在一起考虑，就可以描述量子实在的波动运动。

（3）正是由于量子在运行中呈现出的实实在在的波动性，如果发生相互作用，它能不能表现出来（如干涉、衍射），能不能被测量到（如击中屏幕），这就要受到不确定性影响，即出现概率性。按照波动方程计算出来的波函数，量子整个波动过程都存在概率，但是这只是一种可能性，在没有发生较强的量子与系统的相互作用时，量子并没有受到不确定性的影响或者影响很微弱，它若无其事地按照原来的运行方式运动，这就是概率密度的隐性。只有量子与系统发生较强的作用时，量子才受到不确定性的影响，这就是概率密度的显性。波函数表示的概率反映了量子在某个时刻某个位置出现的概率，虽然它不是肯定地说量子一定会出现在那里，但是既然能够计算出量子有一定的机会出现在那里，那么量子的运动轨迹就一定有可能实实在在地到达那里。量子的历史和现在都是实实在在的，它的将来的变化趋势有不确定性，但是它的将来的状态也一定是实实在在的。物质基本结构理论认为量子运动中的波动性具有必然性，而不确定性是偶然的。此例量子波函数计算出来的概率是量子可能出现的概率，它显然与行程有关（这就是要进行归一化处理的原因），也与波动有关，实在的波动使得量子在经过每段行程的持续时间是不一致的，因此量子出现的概率当然会不一致。量子的概率性与不确定性原理是由同一机制引起的，这个机制就是量子的波动周期。 

（4）物质基本结构理论认为波函数表现的量子概率幅叠加是有物质实在基础的，这个基础就是量子波之间的同步性干扰。笔者认为量子态的似波性叠加特征是量子力学的本质，是量子力学描述量子态的概率性特征与宏观物理现象中表现的概率特征的本质区别。同步性干扰引起的相互作用是引起量子态的似波性叠加特征的内在机制，由于量子波之间的同步性干扰，使得量子群体表现出态叠加的特征，才能显示出了量子力学解释实验事实时的正确性，宏观的波动叠加特征才能在此基础上产生。物质基本结构理论与量子力学是相容的。

四 、贝尔不等式和EPR实验

（一）早期的EPR理想实验

1935年5月份出版的《物理学评论》上，爱因斯坦与他的合笔者波多尔斯基和罗森共同发表文章质问：量子力学对物理世界的描述是完备的吗？在这篇文章中，爱因斯坦设想了一个涉及两个粒子的思想实验即EPR实验。在实验中，一个特定的相互作用产生了两个粒子，它们之间的位置及动量（或者偏振方向）关联，两个粒子向不同的方向分离开。爱因斯坦论证道，通过对粒子1位置的测量可以知道粒子2的位置，而根据相对论的定域性假设，这一测量不会立即影响粒子2的状态，从而粒子2的位置在测量之前是确定的。同样方式，通过对粒子2的动量测量可以知道粒子1的动量，而根据相对论的定域性假设，这一测量不会立即影响粒子1的状态，从而粒子1的动量在测量之前是确定的。于是，粒子1和粒子2的位置和动量在测量之前都具有确定的值，但量子力学认为这些值是不确定的，不能同时进行准确的测定，只能给出关于这些值的统计信息。因此爱因斯坦得出结论：量子力学是不完备的。

10月，玻尔在《物理学评论》上发表了一篇文章，反驳爱因斯坦等人的观点。玻尔既不同意爱因斯坦关于物理实在的朴实看法，也不赞同爱因斯坦的定域性假设。玻尔坚持认为，一个物理量只有在被测量之后才是实在的，同时他还论证道，在EPR理想实验中，当两个粒子分离开之后，对一个粒子的测量仍将对另一个粒子的状态产生影响。

爱因斯坦的观点显然是容易被接受的，物理现象应当是客观实在的，并不因为人们是否观察它而改变它的实在性。当两个粒子分离开之后，对一个粒子的测量仍将对另一个粒子的状态产生影响的说法也难以理解。但是近期的贝尔不等式理论和据此新设计的EPR实验似乎又证明玻尔一派的观点正确。

（二）贝尔不等式

当时提出的EPR实验是对称地进行测量，如一对光子同时向两个方向运动，在相距很远的两地分别测量这两个光子的偏振，测量的角度相同，显然会得到同样的结果。它们的情况也许只会像以下例子中的这两个方块那样：现在有两个方块，一个是红的，另一个是黑的，一个被放进A盒子，另一个被放进B盒子。其他人不知道哪一个盒里放着什么方块。但是一旦他打开第一个盒子，立刻就会知道第二个盒子的方块的颜色，因为如果这里面装着的方块是红色的，那另一个方块必然是黑色的。

如果分别采取不同的角度测量呢？约翰·贝尔认为分别采取不同的角度测量时，如果爱因斯坦的观点是对的，即测试的光子对在远距离时没有控制性关联，实验结果应当符合一个不等式，即贝尔不等式。

贝尔不等式的形式有多种，贝尔本人在一次作科普讲座时，用非数学方法推导出的一个形式被多个教科书引用，现简介如下：

以光子的偏振态为例，同步垂直偏振方向的光子对产生后分别奔向东西两个不同的偏振检测装置。假设只产生12对光子，我们检测光子对在东西方向通过偏振检测装置时的不同步情况。

如果两边偏振检测装置的角度都取垂直方向（即为0度），那么全部12对光子都通过两边的偏振检测装置，不同步率为0，我们记为：P（0 ^o，0 ^o）=0。

如果西边的偏振检测装置的角度仍取垂直方向，而东边的偏振检测装置正向转动30^o，那么往西边的12个光子都通过了西边的偏振检测装置，而往东边的光子按照马吕斯定律，有sin²(30 ^o)的光子即3个光子无法通过振检测装置，不同步率为3/12，我们记为：P（30 ^o，0 ^o）= 3/12。

如果东边的偏振检测装置的角度仍取垂直方向，而西边的偏振检测装置反向转30 ^o，那么往东边的12个光子都通过了西边的偏振检测装置，而往西边的光子按照马吕斯定律，有sin²(-30 ^o)的光子即3个光子无法通过振检测装置，不同步率为3/12，我们记为：P（0 ^o，30 ^o）= 3/12。

如果东边的偏振检测装置正向转动30 ^o，西边的偏振检测装置反向转动30 ^o，那么往西边的光子按照马吕斯定律，有sin²(30 ^o)的光子即3个光子无法通过振检测装置，往东边的光子按照马吕斯定律，有sin²(30 ^o)的光子即3个光子无法通过振检测装置。这时有两种情况，如果东西两边无法通过偏振检测装置的各自3个光子都不是相互成对的，这时不同步率为6/12；如果东西两边无法通过偏振检测装置的各自3个光子都是相互成对的，这时不同步率为0/12；当然也有介于两种情况之间的情况，那么不同步率在0/12和6/12之间。也即

P（30 ^o，-30 ^o）= 0/12~6/12。

将上面三种情况用不等式表示：

P（30 ^o，-30 ^o），≤ P（30 ^o，0 ^o）+ P（0 ^o，-30 ^o）

 这个不等式可以推广到任意角度：

P (a+，b+) ≤ P (a+，c+) + P (c+，b+)

这就是贝尔不等式的一个形式，括号中的字母为偏移角度，+号表示不通过的相关性。（为与贝尔的讲演资料吻合，使用不同步率的相关性计算）

贝尔不等式为真实的EPR实验提供了检测标准，如果爱因斯坦的观点正确，两个光子离开很远距离，对它们采取不同角度的测量应当符合贝尔不等式，否则就能证明两个光子离开很远距离时仍然保持关联，那就是玻尔的观点正确了。

（三）新EPR实验

新的EPR实验设计要点：

以光子的偏振态为例，同步的光子产生后经过一道半透明玻璃，随机地奔向不同的偏振检测装置，东边奔向a或者c装置，西边奔向c或者b装置，这里两边的c是角度相同的不同装置，然后计数统计，看看符不符合贝尔不等式，“ +” 表示不通过事件。

P（a+，b+）代表了A光子在a方向上不通过，而同时B光子在b方向上也不通过, 这两个事件的相关性。

P（a+，c+）代表了A光子在a方向上不通过，而同时B光子在c方向上也不通过，这两个事件的相关性。

P（c+，b+）代表了A光子在c方向上不通过，而同时B光子在b方向上也不通过，这两个事件的相关性。

偏振的不通过概率计算应符合马吕斯定律：

量子力学的预测和实验结果

量子力学计算公式为：

   P(A, B) = 0.5 sin²(A－B) 

有的资料公式右边没有0.5 因子，有的资料则有0.5因子，笔者经计算机模拟，认为如果光子对产生时的偏振角度是随机的，加0.5 因子是合理的，如果光子对产生时的偏振角度是固定的，就要按马吕斯定律计算。两种情况对结果影响不大。

实验设a 为30 ^o，b为20 ^o，c为25 ^o时

      量子力学的预测为： 

 P(30^o +, 20 ^o +) = 0.5 sin² (10 ^o ) = 0.015

   P(30^o +, 25 ^o +) = 0.5 sin² (5 ^o ) = 0.0037

   P(25^o +,20 ^o +) = 0.5 sin² (5 ^o ) = 0.0037

        将值代入贝尔不等式：

        左边为0.015，并不是≤右边的0.0037+0.0037=0.0074

违反了贝尔不等式：P(30^o +, 20 ^o +) ≤ P(30^o +, 25 ^o +)+P(25 ^o +，20 ^o+ )

实际实验进行时，不同角度的测量装置相距是较远的，应该没有光速为基础的信息联系，有的实验还可以做到在光子发出之后到达装置之前来调整测量装置的角度。

如果实验装置的角度不是如上例设为a>c>b ，而是别的关系时，是不违反贝尔不等式的，这里其实是表明了一个重要事实，即违反贝尔不等式的效应并不是时时刻刻发生，只有在满足一定条件时才发生。实验的结果确实证明了在某种条件下贝尔不等式是可以违反的，这也是常规理论无法解释的。贝尔虽然承认实验结果，但他仍然决不接受“掷骰子的上帝”。贝尔愿意以抛弃定域性为代价来换取客观实在，他甚至设想复活“以太”的概念来达到这一点，而这正是物质基本结构理论提出的解决问题办法。

贝尔不等式和新EPR实验，实际上是检验量子是否存在远距离的控制性关联，即关联非定域性。为了计算纠缠态量子的关联问题，正统理论的量子力学运用了非常深奥的数学计算，包括矩阵计算、态计算，证明利用贝尔不等式设计的新EPR实验可以检验量子是否存在远距离的控制性关联，其内容已经超出本书范围。

物质基本结构理论用简单的方法也能证明如果存在量子之间远距离的控制性关联，是有可能使得贝尔不等式不成立的。物质基本结构理论认为如果存在远距离关联，对于使用不同角度的偏振检测装置在相距很远的位置测量两个相关的光子，可以视为先后使用不同角度的偏振检测装置测量一个光子。如果由于光子偏振的角度随机地在0到360度之间，那么测量第一个偏振片时的通过率，无论是30^o或者20^o或者其他任意角度的偏振检测装置，平均通过的概率都是1/2，这就是公式P(A, B) = 1/2 sin²(A－B) 中的0.5 因子的来由（如果假设产生光子对的偏振角度是稳定的，那么就不是0.5的因子，而是按照马吕斯定律计算的另一个数值了）。通过第一块偏振装置的光子发生了偏振模式态变动，变成与第一块偏振装置同向的偏振光了，这样再通过第二块偏振片时不通过的概率，自然就只考虑两块偏振片的夹角了，这就是公式中sin²(A－B) 因子的来由。按照物质基本结构理论计算得到的结果与量子力学计算的结果基本一致，同样可以说明如果存在量子之间远距离的控制性关联，是有可能使得贝尔不等式不成立的。由于篇幅有限，详细推导过程从略。这个例子也可以说明物质基本结构理论与量子力学是相容的。

五、物质基本结构理论对纠缠态量子关联非定域性的思考

量子论的正统理论认为：相关性是一种合作程度的体现，而合作则需要双方都了解对方的情况，于是人们认为两个光子离开很远距离时仍然保持关联，对一个量子检测时影响了远处的另一量子，才有可能使得贝尔不等式不成立。

        问题的难点不是马吕斯定律为什么含有概率特征问题，也不是量子力学的态叠加问题，而是远距离的量子关联问题，即两个处于纠缠状态的量子远距离的关联问题。明明是两个光子分别通过（或者不通过）距离较远的两个检测装置，却要视为一个光子近距离地一前一后地通过（或者不通过）两个检测装置，也就是说当一个光子通过检测装置后发生了态变动，另一个远距离的光子立即发生了相应的变动。就像设置了一个遥控器，按键在北京，红外线发射在上海，二者没有金属线连接，也没有无线电联系，但由于存在量子纠缠，出现了超光速的“量子通道”。北京一按键，上海的电视机就换台了，确实够神奇的了。

本书写到这里为止，物质基本结构理论能较好地解释了衍射、干涉、偏振、电子双缝干涉实验、退相干、量子衰变等现象。物质基本结构理论的解释与量子力学的结论是吻合的，区别是物质基本结构理论认为量子之间的相互作用引起的态变动是基础，有了量子的态变动，才有了量子的衍射、干涉、偏振等一系列行为，也才有了量子力学对量子行为的概率性描述，以此将量子实在的观点与量子态具有概率性的观点结合起来。对于类似偏振、原子核衰变、薛定谔之猫态、退相干等现象，运用物质基本结构理论的解释方式比起量子力学的叠加态（交缠态）解释方式要显得更自然些，更实在一些。

但是运用物质基本结构理论解释量子纠缠现象确实遇到了困难，难道这么远的距离，还能构造出量子之间的波动干扰，出现量子的协同变动吗？

物质基本结构理论提出了新的以太结构和量子波的观点，对超光速的、远距离的相互作用提供了可能性。但是难道相隔几十万千米的光子（在这段距离它可能跳动了几亿次），还会有瞬间的强有力的对量子态的调整和控制能力吗？

物质基本结构理论确实也构造了远距离的控制性关联，如电磁场中的量子回旋运动（包括自旋），量子作用力场的作用分配和费米频率与玻色频率的转换，都存在远距离的超光速的控制性关联，但都具有普适性，而量子纠缠态是一对一的远距离的控制性关联。

本书中笔者论证过月亮上的一个质子与地球上的一个电子必然有联系，以此来说明量子的定域性与非定域性的关系。这种联系应当是随着距离增加而逐步减弱的，当然也不排除连续放大作用，就像南美洲的蝴蝶扇动一下翅膀演变成北美洲的风暴一样，但是出现这种现象的概率是极小的。难道大自然就是这么设计它的规则，让人类造出来的而不是自然存在的、相隔万里的量子之间还有必然的瞬间的联系，某个系统中的量子还得记住自己是属于远方某个部落的成员，它还得对它的兄弟姐妹行为作出瞬间反应，而不是毫无怨言地融合到它所在的系统之中？

物质基本结构理论中有很多方面是支持远距离的量子的实时的控制性关联的，但是仍有很多基础问题要研究。这项极其重要的理论将对人类社会生活带来极大的影响，应当得到更多的、更稳定的、高概率性的、重复性极高的、有实用价值的科学实验来证实。

下面对一些问题作初步探讨：

（1）量子纠缠态涉及与量子旋转角度有关的量子态

目前的实验表明并不是量子的所有态都是可以形成纠缠态的，形成的纠缠态一般与量子的旋转角度有关，如偏振角度、自旋角度等。

（2）量子纠缠态具有相干性

实验表明量子纠缠态与量子的相干性有密切关系，所谓相干性指的是同步。纠缠态的同步与通常的相位同步有所不同，一般指与量子旋转角度特征有关的同步，如偏振角度、自旋角度等，要求的同步性极高。同步性越高，对同步的依赖越强，越具有“同步控制性”。

（3）量子纠缠态的形成一般是同时形成

目前观察到纠缠态量子总是同时成对地（或者多个）产生，几乎没有发现单个的非纠

缠态量子自发地与另一个量子形成纠缠态的现象。这个现象与共轭费米子的生成情况有区别，一是纠缠态的产生可以在光子之间发生；二是纠缠态的产生可以是多个粒子。

（4）量子纠缠态主要产生于实验室

一个非常值得重视的问题是目前在大自然中没有发现量子的纠缠态，量子的纠缠态仅仅是人工造出来的现象。有很多人工现象都可以在大自然的特殊条件下发现，如核爆炸在恒星中是普遍存在的；有很多人工现象在大自然中没有发现其存在，如计算机集成电路、超导、激光、纳米等，但是这些人工现象的规律都能与自然规律直接联系；远距离控制性关联的例子也可以在大自然中找到一些，如磁场对费米子旋转特征的自动调整，引力作用下费米子的费米频率与玻色频率的相互转换，但是远距离的量子之间一对一的控制性关联现象，目前没有在自然界中被发现。

（5）量子纠缠态理论的产生来自一个并不直接联系的理论

量子纠缠态理论的产生并不是产生于自然界或者实验室，而是来源于不确定性原理，而且不确定性原理开始并没有提出控制性关联的非定域性问题。

问题的起因是爱因斯坦等三人，为了证实玻尔学派的量子理论中的不确定性原理是不完备的，提出了EPR理想实验，试图说明分别测量两个对应的量子A和B的动量和位置，是可以同时得到确定数值的。

玻尔学派为了应对不确定性原理受到的挑战，接着提出即使相隔很远的距离，对A的动量测量必然产生对B的干扰，于是对B 的位置测量显然是测不准的。这里可以看出在爱因斯坦等人提出EPR实验之前，玻尔学派并没有提出量子纠缠观点。

于是贝尔提出了一个不等式，使得实验可以实际进行。结果果然有一些实验违反了贝尔不等式，证明纠缠态的量子具有控制性关联的非定域性。然后关于量子通讯、量子计算、隐形传态等理论迅速发展，接着又是实验跟着理论前进，出现了很多可喜的进展。

（6）量子纠缠态的本质是量子之间的特殊形式的相互作用

量子之间既然形成了特定的相互联系并引起态变动，那么它们之间一定存在相互作用，这种相互作用带来量子的态变动就是当个别量子的纠缠态偏离“同步”状态时，能通过相互作用将其“拉回”到同步状态，这种拉动是相互的。

（7）对某个量子的强烈的相互作用，将会使得量子纠缠态消失

量子的纠缠态是不稳定的，任何形式的对其中一个量子的强烈的相互作用，都会造成对这个量子的强制性改变纠缠态。

（8）量子旋转角度的同步调整是一个不消耗能量的过程

费米子在电场中改变费米频率分量和玻色频率分量，即势能与动能有转换，实际上是一个波动角度的偏移，如用直角三角形来表示费米子的状态时，斜边与直角边的角度越大，表明费米子的动能越大。这是一种形式的远距离的控制性关联，在这个过程中，是要消耗能量的，即量子频率将发生变动。

费米子在磁场中角动量量子化是一个自然的调整过程，是一种远距离的控制性关联，在这个过程中，不需要消耗能量，无论作用大小，调整总会迅速完成。如地球的磁场是很微弱的，指北针仍然很“自然”地调整了自己的角度。

量子纠缠态的同步调整是一种旋转角度（偏振或者自旋）的调整，是一个自动完成的过程。量子的旋转角度调整不涉及频率、波速和相位，因此不存在能量守恒和动量守恒的限制。量子的旋转角度调整涉及到角动量，但是由于调整是相互的，不会破坏角动量守恒。与场的相互作用相似，旋转角度的调整强度与调整源的强度成正比，与距离的平方成反比。但是由于量子的旋转角度调整不涉及频率转换，而且无论作用强度大小，角度的调整始终要达到同步。因此调整速度非常快，以至于10cm距离与1000km距离似乎没有什么差异。

量子旋转角度的同步调整是超光速的，无论是费米子在磁场中自旋方向调整，引力场与电场作用时玻色频率与费米频率转换时振动角度的偏移，还是量子的纠缠态同步调整，都是超光速的。

由上可知，量子纠缠态似乎并不神秘，与量子自旋在磁场中的同步有很多相同之处，但是往下分析，就能发现量子的纠缠态的最大特点就是具有一对一的特异性，即所谓一对一的纠缠。

（9）量子纠缠态具有一对一的特异性

费米子相互作用时的频率转换同步性和量子自旋在磁场中的同步性都具有非特异性，任何量子进入作用场都会参与“控制性远距离关联”。但是量子的纠缠态是严格地遵循量子一一对应（允许多个）的原则。如何实现这种一一对应呢？可以有几种解决方案：

① 特定作用场方案。要求每一个这样的对应有相应的作用“场”。但是按照物质基本结构理论，以太结构是难以担当这样重的任务的。

② “多世界” 方案。要求每一个对应的相互作用在“自己”的世界里活动。但是实

际情况并不是这样的，处于纠缠态的量子，完全可以在不破坏纠缠态的情况下，参与其他作用，如速度的增减。

        ③ 广播信息响应方案。在网络的应用中较多地使用这种方式实现通讯，一个广播源可以通过网络（如数字有线电视网、计算机局域网）发布信号，信号在相当广的网络区域传播，这相当于一种作用场，但是大部分接收者对此毫无感受，只有特定的接收者，如缴了费的有线电视用户或者网络邮件接收者，才能收到这个信号。这就是说纠缠态的量子对外扩散的作用是非特异的、广域的，但是只有对应的纠缠态量子才能相互感受得到，才能产生相应的同步调整。这个方案同样存在一些需要解决的问题，如信息是如何引起角度偏转的。

笔者认为这是一项影响巨大的理论和实践，需要得到高概率性的、重复性极高的科学实验来证实。如果量子纠缠态被更多的实验证明是稳定的，那么它的应用前景是十分可观的，它将带来一场新的科学技术革命，主要表现在：

① 量子通讯。量子通讯的优势主要表现在安全上。据说理论已经解决了全部问题，只剩下纠缠态的制备、储存等技术问题了。量子通讯的实现，将会带来通讯质量的大幅度提高，通讯速度和容量可以低成本地几乎是无限地扩充；将会使计算机网络的安全性大大提高，计算机病毒、黑客、木马、垃圾信息等问题有可能得到根本性解决，金融、商务的网络安全也可以得到极大的改善。

② 量子计算。量子纠缠态能够将某一步计算结果自动地反馈到输入，迅速找到函数周期，实现并行计算，可以大大节约计算时间和存储单元。据说量子计算的理论问题已经解决，剩下的也只是技术问题了。量子计算的实现将会使得信息存储容量极大地扩充，计算速度极大地提高。人工智能不仅在记忆能力上、计算速度上已经大大超过了人脑，而且将在逻辑思维能力、学习智能上大大超过人脑。

上述两种应用，都是利用量子的纠缠态能够实现量子隐形传态功能。笔者认为当前的应用技术研究应着重在短距离（10米以内）的基础研究，重点是纠缠态量子的制备和保存，量子计算单元群（即存储单元、量子比特）的实现等问题。

六、 物质基本结构理论对量子理论的完备将起着重要作用

量子论诞生以来，在量子物理学方面取得巨大的成就，理论上解开了微观世界一个一

个秘密，实践上促进了科学技术以前所未有的速度发展，极大地改变了人类的社会生活。但是量子究竟是什么，量子的态究竟有没有实在性，量子的时间、空间等物理特性是否是实实在在的，这一系列问题激起了几代理论物理学家们的研究兴趣，就连爱因斯坦、玻尔这样的顶尖级大师都为此争论了几十年。

正统的量子理论在长期的研究中，逐步形成了系统的量子理论，归纳有几条：

（1）量子力学考察单个客体。

（2）量子现象中客体和主体的不可分性。被测客体与测量仪器之间的边界由观察者选择。观察方式必须用经典物理来说明，观察是不可逆的，它产生一个记录。量子领域的物理规律，是在人为安排的特殊条件下各个观测结果之间关系的定律，既有客观要素，也有内含主观要素。人们对自然界客体的认识存在一个极限。

（3）只有测量结果可以被认为是真实的。测量时所发生的量子跃迁是由可能到实际的转变。

（4）几率是基本的。粒子就是粒子，波只是概率。因果律和决定论不再存在。

（5）微观客体在实际中所表现出来的粒子性和波动性，两者既互斥，又互补。互补性质不能被同时观测。互补的概念是一条有普遍意义的基本哲学原理。

玻尔认为，对微观现象的说明必须利用互补性思想，粒子图像和波动图像是对同一个微观客体的两种互补描述。具体地说，用不同实验装置可以得到的关于微观客体的知识，但是，当企图把这些资料结合成单独一种图像时它们却显得是相互矛盾的。于是，任何一幅单独的经典实在图像，如粒子和波，都无法提供关于微观现象的详尽说明，我们只能用互补的经典图像来提供这种完备的说明。也就是说，对于微观客体不可能再用无矛盾的经典语言进行统一而完备的真实描述，因为微观客体既像经典的波，又像经典的粒子，而这完全取决于测量的选择。这样，在人们不进行测量时，自然无法说微观客体是波还是粒子。

        基于对自然世界简单性和统一性的信念，爱因斯坦认为量子世界和宏观物质世界没有本质区别。人们对宏观世界的基本认识，原则上都可以扩展到量子世界领域。所以爱因斯坦深信有一个不依赖于人的感觉主体而独立存在的外在世界，是包括量子科学在内的一切科学的基础。坚持量子世界和宏观世界一样具有实在性，认为“物理体系的实在状态这样的事是存在的，它不依赖于观察或量度而客观存在，并且原则上是可以用物理的表述方法来描述的”，爱因斯坦认为现行量子力学理论的统计性是由描述的不完备性所决定的。

爱因斯坦并不是一概反对现有量子力学的理论。他承认“它是能对微观力学过程的量特征方面的经验提供一个统一解释的唯一理论”，“这个理论是标志着物理知识中的一个重大的进步，在某种意义上甚至是决定性的进步” 。他最终仅反对波函数可以完备地描述一个单独体系的物理性状这样一种观点。

爱因斯坦认为实在世界就是他和哥本哈根学派争论中一再强调的“物理实在”。他多次申明：相信有一个不依赖于感觉主体而独立存在的外在世界是一切科学基础。哥本哈根学派对实在的理解与爱因斯坦有重大差别，认为说经验世界来自实在世界不够完全，其原因在于我们人的感官对实在世界的感觉还不够全面。认为在量子领域的经验世界，既和量子客体有关，也和人的意识有关。科学家希望电子具有波性质，那么他们安排的实验给人的感觉经验电子就是波；反之，希望电子具有粒子的性质，则其安排的实验给人的感觉经验电子就是粒子。

在爱因斯坦心目中，实在世界具有十分重要的地位，它既是经验世界的源泉，也是科学家创造理性世界的动力和追求目标。哥本哈根学派并没有正面否认过实在世界的存在，但他们认为自然科学并不讨论实在世界是什么的问题，那是哲学研究的对象。自然科学家面对的只是关于自然界的经验世界，以及为理解经验世界的需要而创造出来的理性世界，而这两者都是和人的主观因素有关。因此科学家所追求的并不是使理性世界如何不断地去逼近实在世界，而是如何去协调不断推出新的经验世界与旧的理性世界之间的矛盾。正是基于这种认识，所以玻尔特别强调互补原理和对应原理的重要性，因为它们在协调经验世界和理性世界之间的矛盾时是最适用的工具。

玻尔和爱因斯坦在认识论上的根本分歧在于对实在世界在自然科学中的地位的认识上，爱因斯坦把实在世界看成自然科学的源泉和归宿，因而具有头等重要的地位；而玻尔则要把实在世界从自然科学中排挤出去，自然科学不需要也不可能去探明实在世界是否存在，实在世界究竟是什么的问题。玻尔所宣扬的“一个物理量只有当它被测量之后才是实在的”观点，爱因斯坦无论如何也不能同意，他在内心深处回敬道，“难道月亮只有在我看它时才存在？”

1935年，5月份出版的《物理学评论》上，爱因斯坦与他的合笔者波多尔斯基和罗森共同发表文章质问：量子力学对物理世界的描述是完备的吗？而他们的回答非常坚决，“不是！”

1975年8月25日，狄拉克在澳大利亚新南威尔大学作了题为“量子力学的发展”的演讲，其中他评论道：“我认为也许结果最终会证明爱因斯坦是正确的，因为不应认为量子力学的目前形式是最后的形式。关于现在的量子力学，存在一些很大的困难……它是到现在为止人们能够给出的最好的理论，然而不应当认为它能永远存在下去。”

笔者认为量子理论应当是一个完备的理论，但是正统的量子理论目前还存在很多值得改进的地方。笔者在本书中提出物质基本结构理论，提出了一系列涉及量子理论的问题的解决方案，其目的就是希望量子理论成为一个完备的理论。

量子理论之所以应当是一个完备的理论，因为量子理论揭示了物质结构形式和相互作用的基本问题，它的基本性、普遍性很强，实践证明量子理论对自然界的认识是深刻的，对实践有很强的指导意义。本书中笔者还提出量子相对论概念，认为相对论也是量子理论的组成部分，这将使得量子理论作为物理基本理论更加系统和完整。正统的量子理论的不完备性，在大师们的论述中已经说得很清楚，主要是量子的实在性问题，本书的主要宗旨就是希望用量子的实在性充实量子理论。笔者认为物质基本结构理论能够对量子理论的完备起重要作用。

关于量子理论与经典宏观理论的关系问题在学术界也存在较大争议。有的观点认为量子理论是宏观经典理论的继承。有的观点则认为量子理论是对经典理论的重大的观念上的突破，与经典理论有着本质区别，宏观理论根本无法应用到量子理论。物质基本结构理论认为：量子理论是对宏观理论的重大改革，更是宏观理论的基础。物质运动形式是先有量子的运动形式，然后才发展成为宏观的经典的运动形式。从认识物质世界的角度来说，量子理论是对宏观理论的继承，从理论体系本体来说，量子理论是基础，宏观理论是量子理论在宏观方面的应用，情况更复杂一些，然而处理方式又更近似一些、更简单一些。

 

 

第十一章  量子定态的形成机制

 

量子的定态指的是量子的态趋于一致性，如光速的一致性、费米子带电量大小的一致性等。量子波的定态性还指量子某些态在一致性的基础上进一步发展为定量性，如质子具有2.26873168 ×10²³次/秒的费米频率，电子具有1.23559 ×10²⁰次/秒的费米频率，在电磁作用中起到重要作用的精细结构常数: a = 0.007297353 次/e²，等等，这些数值不多一点也不少一点。量子的定量性在本质上是一致性的表现形式。

 

第十二章  氢原子的驻波约束性定态

 

一、玻尔的氢原子理论

玻尔的氢原子理论是在量子波动方程出现之前提出来的，尽管波动方程出现以后对量子运动的描述更系统和更准确了，但是了解量子力学发展初期的玻尔的氢原子理论，对我们理解量子力学，理解量子运动规律仍有帮助。

（1）假设电子在氢原子中存在运行轨道

如图12-1，玻尔设氢原子中电子波动状态：质子带正电荷，电子带负电荷，如果电子轨道半径为，运动速度为，电子质量为，则：

     （12-1）

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图12-1 玻尔氢原子模型

 

在量子单位制中

a 为精细结构常数=0.007297353

   c为光速：2.99792458×10⁸（在上式中不带单位）

普朗克常数

基本电量e =1

电子质量在量子单位制中相当于：电子频率ν_e/c²

电子频率

电子质量则为  单位：秒/米²

将12-1式用量子单位制表示：[左右两边单位均为 (次/秒)/米]

化简

    （12-2）

（2）假设电子角动量只能是的整倍数

  

按量子单位制表示：      （12-3）

     得：                （12-4）

（3）计算电子速度及轨道半径

    将12-4式代入12-2式，解得：

          (12-5)

将12-5式代入12-4式，解得：

     （12-6）

（4）计算当n=1时的轨道半径

 根据12-5、12-6式，当    时：

 

          

将 ， 次/秒，   

米/秒  代入上式

                米       （12-7）

即玻尔氢原子半径，与实验值相等。此例充分说明运用量子单位制与传统方式对物理公式的推导效果完全一致，量子单位制比传统方式要简单一些，而且表达物理现象更直接一些。

（5）电子轨道圆周是电子玻色分量的波长的整倍数

当n=1时，电子与质子距离 =5.29177×10^-11米，

电子运行轨道周长=米

          =米

由于电子玻色分量的波密度（动量）=

玻色分量的波长

=

         

          米

与周长计算相等。经测算n=2，3，4，……时均可得到：电子运行轨道周长是波长的n倍。可知，公式中要求角动量是整数，即是要求电子轨道周长是波长的整倍数。

（6）氢原子总能量计算

这里氢原子的总能量并不与氢原子总频率对应，计算公式如下：

氢原子的总能量 = 氢原子库仑势能减少数+电子动能

因此得到的值总是负数，负数越大表示能量越低。

由公式可知：

     说明n越小，电子速度越大，电子的动能即玻色频率越大。

   说明n越小，电子轨道半径越小，累计费米频率转换为玻色频率越多，氢原子总的费米频率（即剩余势能）越小，即根据作用分配原则，减少的费米频率主要是质子的费米频率。式中L_e 为电子波长。

玻尔系统总能量

                （12-8）

    按量子单位制转换：

    

  

则

   =      （12-9）

当n=1时，E=

          

当n=2时  E=

          

   实验值为：n = 1 时：E =  

           n = 2 时：E =

理论值与实验值基本相等。

（7）存在一个最低电子轨道

电子在氢原子中，费米频率按正常的电磁作用转化为玻色频率外，还必须

保持一定的玻色频率，即动能，这个玻色频率的大小为：

电子在氢原子中的规范性主要由这个玻色频率决定：

当电子距离质子越近即n越小时，氢原子(电子与质子之和)的费米频率越来越小，但同时上面公式计算的电子玻色频率越来越大。

 如当n=2时，，

     （l_e 为电子波长）

此时，氢原子（主要是质子）的费米频率减少数为：

此时“附加回来”的动能即玻色频率（主要是电子的）为：

当n=1时，，

此时，费米频率减少数为：

此时，“附加回来”的动能为：（远小于光速时）

可见随着电子与质子的距离减少，氢原子总的费米频率减少的速度小于玻色频率增加的速度。在某个距离时玻色频率的增加总数将会大于费米频率的减少总数，此时电子与质子的距离不能再减少，称为基本距离，即前面计算的n=1时的电子轨道半径。

米

里德伯常量：

  单位：次/米^，即动量。

（8）用其他费米子代替质子或者电子

若用质量为Z核电荷数的核子代替质子，则在上述公式中出现的位

置，用Z代替，那么：

  比单个质子时增大Z倍，

，比单个质子时缩小Z倍。

若单个质子不变，用μ子代替电子，μ子的带电量与电子一致，但质量是电子的207

倍。

原公式变为：        （12-10）

                        （12-11）

解12-10及12-11方程组得

  比电子时“轨道半径”小207倍。

此计算与近代物理实验不符。《近代物理》（杨桂林等编）教材85页有一段话：“电子e被μ粒子代替，由于μ粒子的质量，系统的约化质量比氢原子的约大186倍，因而μ原子的玻尔半径比氢原子的小约186倍。”按照这段叙述，应用到公式中μ的质量不能以电子的207倍代替，而只能以186倍代替。这个“约化质量”的概念是什么？书中没有解释。笔者理解是如下意思：质子与质子加电子的质量比为，电子的速度可分配到99.95%，可以忽略不计质子的运动速度。而μ子比电子的质量要大很多，μ子的速度只分配到=89.87%，所以必须考虑质子的运动速度，按动量守恒，μ子的约化质量则相当于207×89.87%=186。看来这样理解是正确的，上述公式计算要考虑这个因素。

以上是20世纪初，玻尔对氢原子中电子能级的推导过程，本书改用量子单位制进行了表述。波尔的氢原子中电子能级模型在物理学发展史上有着重要意义，但也有一些局限性，主要是预先设置量子的定态而不是推导出量子的定态，对量子的定态只有主量子一项，缺乏全面性和系统性，理论对实验的解释乏力，等等。至于说玻尔的氢原子理论中不应当再保留电子运行轨道的经典概念的观点，笔者并不完全赞同，如果我们承认量子运动的实在性，并将轨道泛指量子已经运动的、或者将以一定的有规律（尽管是概率的）运动的轨迹，那么是否还有必要将经典的一切实在的东西都抛弃呢？事实上量子力学包括矩阵量子力学和波动量子力学，对电子在氢原子中的运动描述，并未完全丢弃轨道概念，只不过认为轨道是不确定的。

    二、薛定谔方程对电子在氢原子中的定态分析

玻尔氢原子理论为量子力学建立了基础，在此基础上建立了以定态、跃迁和概率为主要特征，以波动方程、波函数为主要表述方式的量子力学。量子力学的创立使人类对量子运动形式的认识更进一步，量子力学对实验事实的描述和预测是正确的，本节将介绍利用薛定谔方程分析电子在氢原子中的定态。

    氢原子是一个三维系统，其电子在质子的库仑场内运动，处于束缚状态，它的势能为

                    （12-12）

按照量子单位制表示：

                       （12-13）

其中为电子到质子的距离。

由于势能具有球对称性，为方便求解，就利用三维定态薛定谔方程的球坐标方式表示，如图12-2。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图12-2 反映三维薛定谔方程的球坐标

 

相应的球坐标的三维定态薛定谔方程形式为：

+U

=E                

其中r为粒子的径矢的大小，为极角，为方位角。

将氢原子有关数据代入，并按量子单位制转换，得到：

                  （12-14）

其中波函数应为的函数，即。（即动能减势能的相应频率，不含与电子静止质量有关的频率）。

     12-14式可以用分离变量法求解，即有

                 

由于求解的过程和的具体形式比较复杂，此步从略。

无数的实验证明了量子力学的正确性，在本书中我们不再对量子力学作深入研究，甚至连叙述量子力学是如何得到量子运动方式的结论的推导过程都予以省略。我们采取的办法是全部认可量子力学对电子在氢原子中的运动方式的描述（这是含有概率色彩的描述），然后从物质基本结构理论的角度试作一些假设性解释，尽可能得到电子在氢原子中运动的实在性描述。

（1）氢原子中的电子受到的约束条件和被约束的态

第十章我们分析势阱中的量子波函数时，约束条件是由于势能在势阱两个边界突然由0变得无限大，因而波函数在此处突然变为0（同时还要求函数的单值性和连续性）， 因此自然地得到只有在量子玻色分量的波长是势阱两倍长度的整数分之一时，波函数才能成立的量子化结果。也就是说边界条件形成了驻波性态约束，被约束的态只有一个：量子的能量。

本例，氢原子中的电子，约束条件是在与中心距离不断增大时，即r趋于0时，波函数迅速地变小，无限地接近0（同时还要求函数的单值性和连续性），由此形成的约束也是驻波性态约束。由于氢原子中的电子动能不是恒量，而且氢原子是中心球对称的，除与中心距离r外，还有极角等因素。因此约束条件对氢原子中电子的状态影响有三个，分别由3个量子数决定。 ：主量子数，与波函数的径向部分有关，它决定电子的（也就是整个氢原子在其质心坐标系中的）能量； ：轨道量子数，与波函数的部分即极角有关，它决定了电子的轨道角动量L₀的大小； ：轨道磁量子数，与波函数中的即方位角部分有关，它决定了电子轨道角动量L在空间某一方向（如方向）的投影。

（2）主量子数：假设驻波性约束使得处于震荡状态的氢原子总能量定态

主量子数 与波函数的径向部分有关，它决定了电子的（也就是整个氢原子在其质心坐标系中的）能量。

主量子数的取值范围为：1，2，3，4……

相应的能量可能取值为：

              （12-15）

其中是电子的质量。此式表示氢原子的能量只能取离散的值，这就是能量的量子化。

按量子单位制表示：

         （12-16）

此式与（12-9）式完全一致。

    当  n=1（或者2、3）时，电子有一个确定的能量，但是我们没有理由要求它待在一个特定的“轨道”上，只要求它的总能量确定就可以了。它与质子距离近一些时则玻色频率加大而费米频率减少，它与质子距离远一些时则玻色频率减少而费米频率加大，无论哪种情况，它的总的“能量”保持不变。

波动方程得到“主量子数”时，似乎没有用上玻尔氢原子理论中的轨道概念和角动量量子化的概念。电子的玻色频率和费米频率都是在变动的，因此玻色波长也是在变动的，它的定态仅仅是定在电子总频率上，它包括费米频率分量和玻色频率分量。那么波动方程依赖的是一个什么约束达到这样的定态呢？分析波动方程的计算过程可以得到结论，这时的电子定态仍然是驻波约束性定态，电子在震荡中有一个行程，尽管电子在这个行程中动量在不断地变动，因而玻色波长分量也在不断地变动，但在折返点的必须平滑过渡，这就对电子的定态起到约束作用，这个约束仍然是驻波约束，即电子行程必须满足波数的整数或者半整数要求，既然承认有一个电子行程问题，说明电子的“实在”的轨道是存在的。

那么是否要求电子在震荡运动中的每一个时刻都在进行约束和调整呢？这是做不到的，约束和调整只能发生在费米子集中的位置（此例是电子运动方向平滑折返处），只有这里才有可能将产生不和谐状况的能量传递给别的量子，在保证各种守恒定律有效的基础上完成约束和调整。

由于篇幅有限，对于轨道量子数、轨道磁量子数不在此详述，仅提出如下假设：

假设驻波性约束使得电子运行轨道的椭圆角度定态，满足轨道量子数要求。

假设驻波性约束还使得电子运行轨道的偏振角度定态，满足轨道磁量子数要求。

（3）电子的自旋量子数

这个量子数开始不是在研究氢原子波动方程时提出来的，本节前面研究的其他量子数都是驻波性约束引起的，而电子自旋量子数并不是由驻波性约束引起的，而是由费米子自旋性约束引起的。理论认为自旋不是电子的外部运动，而是一种如同电子电量、质量一样的“内禀”性质。电子自旋量子数的取值范围只有1个：1/2，而电子自旋磁量子数的取值范围有两个：-1/2，+1/2。

    电子自旋对电子的实在性运动的影响是：根据泡利不相容原理，上述主量子数、轨道量子数和轨道磁量子数决定的电子的态，在氢原子中每一个态只能容纳两个电子，这是由电子自旋磁量子数的-1/2和+1/2两个取值范围决定的。我们已经设想电子在原子中运动的实在的形式：具有平面轨道，保证驻波完整，具有一定的椭圆度和一定的偏振角度保证电子运动在边界的平滑过渡。为什么某一轨道上只能容纳两个自旋磁量子数相反的电子？这里只能假设：由于费米子的自旋性约束要求距离靠近、运动形式相似的费米子，呈现异向自旋吸引、同向自旋排斥的效应，通常两个距离靠近、运动形式相似、异向自旋吸引的电子将会形成“共振”，其他电子再闯入会由于角动量的变动无法保证驻波的完整性，而处于不稳定状态。

    三、物质基本结构理论对驻波约束性量子定态的认识

驻波约束性量子定态指的是量子在运动中形成的玻色波，力图在边界（或称转折点）实现平滑过渡，从而要求量子的玻色频率（相当于经典理论中的动能）、角动量、偏振角度等状态只能稳定在一些离散值上。在量子运动限定在一定行程的条件下，如量子在一定的行程内往复运动时，量子的玻色频率力求在总的行程内实现在两个边界的平滑过渡，于是它的运动行程的两倍于玻色性波长分量的整倍数时处于稳定状态。

本文对氢原子驻波约束性定态的内在机制作了一些假设，如主量子数体现的对波长的约束，轨道量子数体现的对电子运行椭圆角度的约束，轨道磁量子数体现的对电子的偏振角度约束，提出这些假设的目的是希望将量子的实在性引入量子的定态机制，这些假设需要得到实验的验证。量子驻波约束性定态不可能发生在量子行程的全过程，量子运动在行程中间时是无法知道总的行程有多长的，而且如果真能得到总行程多长的信息，量子的态调整必然产生频率即能量的变动，那么必须有别的量子接收或者提供能量，否则能量是不守恒的，量子在行程途中，这些问题都是较难解决的。因此定态的调整不是发生在量子行程的全过程，不要求量子在行程途中知道总的行程有多长，也不要求量子在行程途中进行任何约束性调整，直到量子运动到行程边界，才得到在行程边界能否形成平滑过渡的信息，同时得到直接的约束性调整信息。这种情况下量子的频率即能量的调整容易实现。

电子出现不确定性和概率性是偶发的、突然的。大多数情况下它是隐性的，只有发生了作用（如观察时）才显示出来。电子在某一区间的概率密度大说明是电子在某一区域停留时间与电子行程总时间的比值大。电子的不确定性和概率性是有规律的，因此电子的运动是有规律的、实在的。由于圆周运动导致电子出现了概率的径向中心对称性或者某个方位的对称性，出现了特定的“电子云”分布花样图形。

 

 

 

第十三章  费米频率定态和复合量子

 

 第十四章   科学理论的形成和发展

 

哲学研究的是事物的一般规律。通常认为哲学包括两个方面内容，一是本体论，即对事物的基本认识；二是认识论，包括主体与客体的关系，人能否认识事物，如何认识事物等问题。物质基本结构理论研究的是物理学的基本问题，同时又涉及到很多哲学问题，其中涉及本体论方面的问题，我们已经在第三章从辩证物质实在论的角度进行了研究。这一章我们将探讨认识论中的有关科学理论的形成和发展问题。

一、认识方法的辩证性

认识方法作为一个客观存在的事物必然具有辩证性，认识方法的辩证性体现在三个方面：

（1）认识方法是对立与统一的。认识方法与认识主体是对立统一的，认识方法与认识对象也是对立统一的。不同条件下的主体与客体相互对立、相互关联的方式不同，因此要根据不同的时期、不同的阶段、不同的认识主体和对象，采用不同的认识方法，才能实现主体对客体的认识。应当在坚持唯物主义反映论，坚持辩证法，坚持科学真理观，坚持实践是检验真理唯一标准的基础上，承认认识方法的多样性，承认认识途径的多渠道，灵活地运用各种认识方法，这对于我们开拓思路，创新思维，促进科学理论的形成是有益的。

（2）认识方法是不断发展的。随着社会的发展和科学的进步，认识方法本身也应跟上客观形势的发展步伐不断进步。我们坚持以实践为检验真理的唯一标准的认识论路线，无疑是正确的，在此基础上包容更多一些认识方法方面的观点，吸收各种哲学流派中的有益因素，尤其认识方法方面的科研成果，对于丰富辩证唯物主义认识论内容是有益的，这也是辩证唯物主义自身发展的需要。

（3）认识方法之间具有普遍的联系。各种认识方法之间是相互联系的，任何哲学学派在提倡和发展自己的认识方法观点时，不应当将某种认识方法与其他认识方法孤立开来。认识方法虽然也受本体论的影响，但是更多的内容可以理解为是人类认识活动的客观规律，可以对其较为独立地，离开本体论较为远一些地进行研究。历史上及近代不少哲学流派，尽管在本体论观点上，认识来源问题上，真理的客观性和真理检验标准等问题上与辩证唯物论的观点有较大的差异，但是一代又一代的学者，在研究人类的意识、个体和社会群体如何提高认知水平、加快科学理论的形成等问题上，作了非常多的有效的扎实的研究，富有成果。将各种认识方法联系起来运用，有利于科学理论的形成和发展。

二、形而上学追求对事物整体性、基本性认识的积极意义

人们通常将形而上学视为机械唯物论，其实形而上学一词的含义自中世纪以来，在西方多被用来指对超自然、超感觉的事物的研究，含有“元的”“背后的”“超越的”等语义。从希腊第一批哲学家到柏拉图和亚里士多德，形而上学作为第一哲学的特征，指的是对存在的终极原因和最高原理的整体性研究，是知识的探索。即使到了康德、胡塞尔等近现代哲学家那里，尽管形而上学的含义有了变化，但是仍然总体上维持其与柏拉图、亚里士多德一致的传统路线，即视形而上学为一门从整体上研究存在何以存在的知识。

提出形而上学观点是人类思想的一大飞跃，对人类认识物质世界有着积极的意义。形而上学的积极意义就在于它倡导深入的思维，追求超越性的思维，探索事物整体性的、基本性的、一般性的规律，这就会促使人们去不断地探索事物的本质。而且更为重要的是形而上学始终认为事物背后一定存在一个最基本的最一般的东西，并把它作为通过不断奋斗去不断逼近的目标，在某种程度上来说，这也是一种促进科学发展的动力。形而上学追求“整体性”和“基本性”的思维方式，本来应当与“普遍联系”“统一性”这些辩证的思维方式挂上钩，可惜，由于没有以“物质实在”作为思维的基础，同时缺乏“对立与统一”的观点，反而形成了一种孤立地静止地看问题的僵化的观点。形而上学由于它自身的不足，脱离实际、脱离客观物质基础，使得它无法解释与物质基本结构有关的哲学问题。

我们在丢掉形而上学中的消极方面东西时，不能将它的积极方面也予以否定。形而上学的积极意义方面对于物质基本结构理论研究很有指导意义，必须追求深入的思维、超越性的思维，探索事物整体性的、基本性的、一般性的规律，才能取得科学理论上的突破。

三、证伪主义促进认识飞跃

英国著名哲学家卡尔·波普尔创建的“批判理性主义”，有时又称之为“证伪主义”，因为他反对逻辑实证主义的“经验证实原则”，针锋相对地提出一个与之相反的“经验证伪原则”。

波普尔反归纳主义，认为归纳法只能告诉人们过去，不能告诉人们未来。波普尔也反对逻辑实证主义关于归纳知识具有或然性的见解。波普尔认为，归纳法不是科学的方法，它既不能给人们以未来的必然性知识，也不能给人们以未来的或然性知识。人们应该把它拒斥于科学研究领域之外。波普尔的经验证伪原则是建立在上述反归纳法的基础上的。波普尔认为，科学的理论或命题，不可能被经验证实，而只能被经验证伪。这就是他的著名的证伪主义原则。

波普尔否认理论来源于观察，坚信理论先于观察，认为理论是大胆的猜测，具体就是：（1）理论先于观察；（2）科学开始于问题；（3）理论是大胆的猜测。在波普尔看来，大胆的猜测得到一个假说，并设置证伪方法，认为这个有证伪方法的假说就是理论，然后去努力证伪它，在没有被证伪前它仍然是理论，如果被证伪了，这个原有的理论不存在了，就应当提出新的假说和新的证伪方法成为新的理论。

波普尔认为，任何理论都是可证伪的，因而都具有“可证伪性”。但是每一个理论的可证伪性的程度，即“可证伪度”是不一样的。有的理论容易被证伪，它的可证伪度就高；有的理论不容易被证伪，它的可证伪度就低。波普尔认为，理论表述的内容愈普遍，它的可证伪度就愈高；理论表述的内容愈精确，它的可证伪度就愈高。

波普尔坚持真理是与客观事实相符合的，他承认客观真理。但是，波普尔否认科学能认识客观真理，因为他不同意唯物主义的反映论。波普尔认为对于客观世界，人们虽不能反映它，但却能猜测它，即根据问题对它作出探索性的猜测。

波普尔否定归纳法的观点，否认科学能认识客观真理的观点显然是不正确的。但是批判理性主义最大的特点就是承认人的认识飞跃，以切实可行的方法促进人的认识飞跃，有利于科学理论的形成。物质基本结构理论相当部分是以“假说”的形式出现，力求最大限度地发挥人的主观能动性。

对于证伪问题，笔者认为不能简单地认为只有能直接证伪的假说才是理论。物质基本结构理论，包括了一系列假设：物质实体与间隙假设，均匀化与系统化的发展趋势假设，以太结构假设，量子波形假设，量子波与相对论统一的推理，量子波的波动干扰假设，复合量子及核力假设等，后面的假设建立在前面的假设基础上，并成为再后面假设的基础。这样的一系列假设形成逻辑链，简单地对每一个假说设置证伪方法较为困难，如果认为不能设置证伪方法的假说就不是理论，就会排斥了可能是正确的理论，应当允许这样的假说存在，看看能否引发出新的发现，或者新的可证伪方法。

四、运用科学范式观点分析科学理论体系

美国的科学哲学家和科学史家托马斯·库恩，1962年出版了他的最主要的著作《科学革命的结构》，此书在西方自然科学界和社会科学界引起了强烈的反响，形成研究、讨论此书的热潮。

科学是如何发展的？其发展的规律是什么？这是以库恩为代表的历史主义学派最为关注的问题。在反对逻辑经验主义的科学发展的“逐渐积累”观时，库恩是同意波普尔的观点的。但是库恩也反对波普尔关于科学的发展是“不断推翻的否定的增长”的观点。他认为这是一个悖论，因为单纯的“否定”或“推翻”，就不可能有增长。

库恩在批判归纳主义与证伪主义的错误观点的同时，吸收了两者的合理成分，提出了一种新的科学发展的模式。他坚信科学发展的实际过程是一个进化和革命、积累和飞跃、连续和间断的不断交替的过程。他认为科学发展的历史明显地体现了这个过程。

库恩的科学哲学区别于逻辑实证和批判理性主义的另一重大特点是关于科学的整体性的观点。他否认科学是许多能各自被经验证实或证伪的命题的单纯集合，认为科学是许多相互联系，彼此影响的命题和原理有机构成的统一整体。这个重要思想，突出地体现在他的关于科学“范式”的理论中。

库恩认为，由于范式不是反映客观世界的知识体系，而仅是社会集团的共同信念，因而它的产生和变化的原因根本不属于认识论的范围。世界是普遍联系、相互制约的统一整体。世界中的任何一个具体事物、任何一个领域、一个方面，也都是相互联系的统一整体。它们有复杂的内部联系与外部联系；这些联系有主要的、次要的，本质的、非本质的。这就构成了该事物、该领域或该方面的内部结构。这种客观结构反映在人的认识中，在方法论上，就形成知识的或理论的框架。人们总企图以一种总的观点或框架，去统摄、解释客观的零乱的自然现象或社会现象。库恩所说的“范式”就属于这样一类的东西。

科学的范式是客观实在的普遍联系的反映。但是它也含有一定的想象的成分，这是人的认识的能动性的表现。人们在有限材料的基础上构成一种认识的框架，去统摄零乱的材料，并指导认识继续前时，当知识材料丰富到一个“临界点”时，认识就会发生飞跃，人们修正或更换原来的知识框架，构成新的知识框架，使认识进入一个新的深度，并指导它继续前进。这就是为什么范式不断更替的原因。

库恩的范式理论，包含着上述合理的思想，这是应该予以充分肯定的。但他把范式说成是一种心理的东西，这是不正确的，范式中确实蕴含有许多想象的成分，但是这类想象也是建立在大量客观材料基础上的，而决非纯粹心理方面的想象。

应该指出，库恩的范式理论中还包含着另一个重要思想，那就是科学与社会的紧密联系。库恩的“范式”理论认为科学的演变和发展是和科学以外的社会和历史因素紧密联系的。

库恩认为，“范式”是使一门学科成为科学的“必要条件”或“成熟标志”。任何一门学科只有具有共同的范式，才配称为科学，否则就不是科学。

    库恩的整个科学哲学是建立在不可知论的认识论基础上的。他的不可知论观点，从本质上说来，不过是古代和近代不可知论或怀疑主义的重复。在库恩看来，由于科学的范式不是关于客观世界的知识，而仅是不同科学家集团在不同心理条件下所产生的不同信念，因而它们是没有什么真、假之分，或没有什么真理性可言的。从上述实用主义观点出发，库恩反对波普尔关于真理是与客观事实相符合，以及认识不断逼近真理的“实在论”的真理论，而主张反实在论。

显然我们对库恩的有些观点是不赞同的，在这里不作深入讨论。应当看到他的理论中确实有一些合理的因素，从整体上系统地确认一门科学的科学范式的概念和科学发展模式的观点，应能指导我们全面地分析目前有关物质结构的理论、量子理论是一种什么样的范式，处于一种什么样的状态，有关的零散材料是否已经积累到了应当发生飞跃的时机，新的范式应当具有什么特征。这样的科学范式和科学发展模式的观点，能够促使我们全面地系统地思考物质基本结构理论的理论体系问题。

五、科学研究纲领与科学理论的形成和发展

出生于匈牙利的拉卡托斯提出了“科学研究纲领方法论”。拉卡托斯与波普尔站在共同的立场，反对逻辑实证主义的归纳主义和经验证实原则。但是他并不完全同意波普尔的证伪主义理论。他说：“我与波普尔的观点的最主要的区别是，在我看来理论并不是他所认识的那样，可能很快被经验证伪，经验的破坏性的反驳并不能淘汰一个理论。”拉卡托斯认为经验不能证伪理论的论据有以下几个方面：第一个理由是经验的主观性；第二个理由是理论的正确性必需具有条件，由于事物周围条件的无限复杂性，当经验与理论不一致时，这是理论错误，还是周围条件变化所致，是无法确定的。

拉卡托斯与波普尔相反，而与库恩的观点相类似，他说：“当我们的许多科学知识的范例只是一个个孤立的理论，如‘所有天鹅都是白的’，并把它孤立地纳入一个纲领中去时，就很难正确地理解科学的生长。”“只有把科学解释为研究纲领的场所而不是孤立理论的场所时，科学的连续性和理论的坚韧性等问题……才能得到解释。”

拉卡托斯在上述“科学研究纲领”的理论基础上提出了一个既不同于波普尔，也不同于库恩的新的科学发展动态模式，科学研究纲领的进化和退化问题是这个模式的核心内容。在拉卡托斯关于科学研究纲领理论中蕴含着一个新的科学发展的模式，这个模式大体可以公式化如下：科学研究纲领的进化阶段→科学研究纲领的退化阶段→新的进化的研究纲领证伪取代退化的研究纲领→新的研究纲领的进化阶段……

拉卡托斯的这个模式不同于波普尔的不断革命模式，它既体现了科学发展过程中的质变，也体现了它的量的进化。同时它也不同于库恩的模式，这主要在于库恩把科学的发展归结非理性的信念的变换，从而根本否认了科学理论的真理及其发展的继承性和进化性，而拉卡托斯反对这种心理主义，承认科学发展的继承性（连续性）与进步性。拉卡托斯写道：“我所说的‘科学革命’决不是库恩所理解的宗教式‘范式’的变换，而是理性的进步。”

拉卡托斯在他上述科学研究纲领理论的基础上，提出了自己对科学的划界标准，他认为科学与非科学的划界标准既不是“证实”或“证伪”的原则，也不是范式，而应是新的经验事实的预见性，即任何理论凡能不断增加预见新事实、新经验的，就是科学，否则就是非科学的。拉卡托斯认为，他的这个划界标准是“经验”标准，不过不是“经验的证实”或“经验的证伪”，而是“新经验的预见”。

但是拉卡托斯断言：区分一个理论是科学还是伪科学，完全取决于它所处的时期，当它处于进化阶段，能不断增长新经验的预见性时，它是科学的，反之处于退化阶段时就是伪科学的了，这样实际上就混淆了科学与伪科学的明确界线。

我们对拉卡托斯的很多观点也是不能认同的，但是他从整体的角度研究科学发展模式，特别强调科学预见性的观点，提出科学研究纲领的理论，这对于我们创新科学理论，建立一个科学体系是很有意义的。拉卡托斯提出任何科学研究纲领都存在一个硬核和保护带，笔者认为量子理论就是一个科学研究纲领，它的硬核就是量子个体观点、波动观点、对称均衡观点、光速不变观点，这些都是被实践证明是正确的观点，是量子理论的坚实基础，是量子理论科学研究纲领的坚实的硬核，这是我们坚持量子理论的原因。但是现有的量子理论必须改造，我们提出了物质基本结构理论，研究了量子的内部结构，提出量子相对论概念，力图用实在性观点改进现有的量子理论，这些都是调整量子理论科学研究纲领的保护带，力争量子理论不断地完备。

这一章我们涉及很多与科学有关的哲学问题，人们常将这类问题归为科学哲学来研究，科学哲学是一门将哲学、科学史、各门类科学（主要是自然科学中的基础理论学科）综合在一起的学科，是一门理论性和实践性都很强的学科，它将有很好的发展前景。在第三章中，笔者主张在科学哲学中包括自然观的内容，目的是希望科学哲学在研究科学理论形成和发展规律时，更多地从自然观的角度思考自然科学结构体系的稳态和发展问题。

六、物质基本结构理论能否成为科学理论

本书围绕关于物质结构问题提出了一些新的观念，也使用了一些新的研究方法，初步形成了物质基本结构理论。物质基本结构理论能否成为科学理论，最主要的是要看它提出的一些新观点，能否形成一种新的“范式”，形成一种新的科学研究纲领或者对原有的科学研究纲领有重大的改进，而且必须是能够被实践最终证实或者证伪的。现在对前13章的内容作简要的回顾，对物质基本结构理论在科学理论中的地位作初步估计。

（1）物质基本结构理论具有新颖性

物质基本结构理论从第一章的实体与间隙的绝对性与相对性开始研究，一直到以太结构、量子波形成，量子的相互作用，量子实在的绝对性与相对性，量子实在的确定性与概率性以及量子的定态问题，每一章每一节都提出了大量的与传统理论不同的观点，所论述的问题都是量子理论和实践中的重大问题。从这点来看，物质基本结构理论是具有新颖性的。

（2）物质基本结构理论具有系统性

物质基本结构理论的系统性表现在以下几个方面：

一是涉及量子理论的几乎所有基本性问题，包括量子的结构问题，波动性与粒子性问题，量子实在与概率性问题，原子核问题，粒子物理问题，相互作用力问题。

二是对量子理论中的一些分散的问题联系起来研究，如使用量子波动干扰概念将量子的相互作用和量子的态变动综合起来研究，又如使用量子的定态概念将很多量子的一致性、对称性和定量性问题综合起来研究。

三是将与量子理论相关联的理论结合起来考虑，如将物质基本结构理论与哲学的基本问题、量子理论与相对论关系问题、量子理论与宏观理论关系问题结合起来研究。

有些观点现在看来是很简单的，如量子单位制，似乎根本不需要物质基本结构理论就可以很容易地建立起来。但是如果不系统地研究物质基本结构理论，很难轻易地离开质量、能量来谈论物理现象和设计物理公式，很难轻易地将波长的倒数视为动量，也很难得出基本电量就是基本费米子个数的结论。

（3）物质基本结构理论具有逻辑性

物质基本结构理论中的一系列新的观点，一环扣一环组成了一条完整的逻辑链。

如提出物质有序的结构形式不是永恒的观点，必然引出一种完全无序状态的不定形的物质运动形式，这就是既具体又一般的物质基本结构形式。

接着就必然引出实体与间隙构成物质基本结构形式的观点，必然提出实体不是僵化的，而是不定形的、充满无限变化的，对立统一的观点。从哲学的角度来看，实体与间隙就是辩证的物质实在，就是世间万事万物的既具体又一般的本原。这就较好地从自然科学的角度和哲学的角度，回答了物质究竟是什么的问题。

接着物质的空间与时间形式观点、无限与有限的观点、物质基本结构形式的均匀化和系统化的发展趋势观点、发展的结果必然形成以太结构的观点顺势产生。

在此基础上扩展德布罗意波概念，量子波观点很自然地出现了。

在研究工具问题上，由于以太结构和量子波的提出，建立量子单位制就没有什么障碍了。

既然量子是以太结构中的波，就可以用波动干扰的观点全面地理解量子之间的相互作用，用新的观点理解统一场论。

既然量子是以太结构中的波，以太结构与相对论的相容性问题就容易得到解决了。将相对论定义为研究量子态的绝对性在相互作用中的表现形式的理论，将相对论视为量子理论的一部分的观点，提出量子相对论的概念就是很自然的了。

既然量子是以太结构中的波，解释量子实在的确定性与概率性问题就有了新的思路，能够设计出一些新的解决方案。

在物质基本结构理论的观点下，解释量子的定态问题，尤其是质子及电子的定量问题、核力问题、弱力问题，可以出现一些全新的思路。

由此可见，物质基本结构理论中的各种观点都不是孤立的，而是相互联系的，符合逻辑的，理论本身是自恰的。

（4）物质基本结构理论来源于科学实验的事实

物质基本结构理论看上去似乎是纯理论的，其实具有很强的实践性。物质基本结构理论来源于科学实验的事实。如：

提出质子、电子等有序形式不是永恒的观点，实践基础是人类对物质结构分解的实验，证明了有序的结构形式种类越来越少，必然导致有序形式由无序形式发展而来的观点产生。 

提出以太结构的观点，实践基础是人类对作用力的传递实验，证明任何作用的传递必然有物质作承载，波动现象必然是物质媒质的运动形式，同时光速不变性等实验，证明了较大宇宙区域物质结构形式的对称性和均匀性，以及物理定律在相当广的区域和相当长的时间的不变性。

提出量子波的观点，实践基础是各种科学实验验证了的普朗克常数表达的能量与频率恒定关系、能量守恒定律、质量与能量相关关系和德布罗意波的正确性。

提出核力来源于非线性特征电场力的观点，实践基础是科学实验没有发现质子与质子之间直接的吸引性核力的事实，以及任何氢以外的原子核内部核子数大于电量数的事实。

物质基本结构理论承认了所有有关的科学实验事实，将理论建立在坚实的实践基础上。

（5）物质基本结构理论与现实的重大科学实践紧密联系

如果物质基本结构理论被证明是正确的，或者主要观点被证明是正确的，那么物质基本结构理论将会对很多现实的实践性问题的解决带来一些新的思路：

量子单位制将为物理的教学和研究提供一个简单有效的工具，为揭示量子物理现象之间的内在联系发挥重要作用。

在物质基本结构理论下理解量子力学，承认概率、承认非因果关系非决定性的同时，量子实在性回到了量子理论中，量子之间的实在的波动干扰形成的同步作用，是量子表现为概率方式的波动性叠加特征的量子力学的基础。这将为量子结构研究、量子物理的应用研究提供了实在的物质基础。

量子系统性的观点，为统一场论的研究提供了新的思路。

玻色性相互作用的观点，将会为研究量子各种奇特行为如态叠加、波粒二象性提供帮助。

在量子相对论的观点下，量子态的绝对性将被承认，量子态的绝对性在相互作用中的相对的表现形式和规律将被深刻地揭示，对研究高速状态下的量子运动形式、相互作用的非线性特征、相互作用引起的玻色频率分量和费米频率分量变动方式提供帮助。

在质子、电子等有序形式不是永恒的观点、电场的非线性特征观点、新的核力、弱力和核结构观点，以及基本量子概念和复合量子概念下，粒子物理研究将会出现新的局面。

量子的定域性与非定域性观点、超光速传递作用观点，将对量子纠缠态、量子信息、量子计算等问题的研究提供帮助。

以太结构和量子波的观点、量子之间的相互作用来源于量子波的波动干扰的观点、量子实在的确定性和概率性的观点，对解释量子现象和发展量子物理技术能提供一定帮助。尤其是对量子特殊形式的结构，如超同步状态、超凝聚状态、软凝聚状态、介观状态和低维状态的研究提供帮助。

在物质基本结构理论下理解宇宙学，能够很好地解释宇宙的对称性、均匀性与宇宙物质质量分布的不均匀性之间的关系问题。在此基础上能对宇宙大爆炸、暗物质、背景辐射、黑洞现象的解释提供新的思路。

（6）物质基本结构理论与传统理论有很好的相容性和继承性

提出物质基本结构理论不是为了标新立异，而是为了使量子理论更好地解释物理现象及科学实验结果。物质基本结构理论与传统理论有很好的相容性和继承性。凡是能够对科学实验事实作出一定的合理的解释的传统理论，如相对论、量子力学都是物质基本结构理论的理论基础，物质基本结构理论是融合在量子理论中的，如果本书的观点被实践证明是正确的，人们将会发现量子理论（包括相对论）并没有受到任何削弱，反而是更加充实、完善了。

通过以上分析，笔者认为物质基本结构理论应当成为一个创新性很强的科学理论，能对物理学和哲学的发展起到一定作用。

    七、建立物质基本结构理论的思维过程

笔者研究物质基本结构理论已有四十余年，由于对唯物论和辩论法深信不疑，坚信物质的实在性和真理的客观性，因此在学习研究物理时，力图寻找一些物理现象背后的深层次原因。如“弹性”问题和“引力”问题，对很多初学者来说是非常简单的问题，物理公式、定律中写得清清楚楚，根本不值得过多思考。然而在20世纪六十年代末期，笔者却为弹性及引力问题艰苦地思维了好几年，当时无论如何也想不通往前运动的物质，碰撞后为什么会“弹”回来，“弹性”是如何产生的，苹果为什么与地球之间存在着引力，“引力”是如何产生的。这种“实在性”的思维方式对笔者以后的学习和研究有着重要作用，。

20世纪七十年代开始，逐步悟出从弹性中寻找弹性的原因，从引力中寻找引力的原因，从电性中寻找电性的原因以及用粒子来解释粒子的思维方式似乎行不通，应该直接从最基本的物质运动形式入手进行研究。试着设计了一个用理想平面切割物体的理想实验，开始着手研究实体与间隙问题。研究的难度是异常大的，甚至连实体究竟应当是多大，实体内部无间隙为什么又存在无限的运动，这些简单的问题都困惑了笔者好几年。当发现实体是不定形的、内部充满无限运动时，得到了很大的喜悦，因为毕竟这是对立统一规律的最简单的最基本的最实在的形式，毕竟可以指着变化的实体与间隙说：这就是物质本原，这就是物质实在，辩证法就是物质实在的特征，毕竟开始了一个从极小的而不是无限小的 “空间”和“时间”，研究具体的又是最一般的物质结构形式的全新研究方式。

然而这种物质结构形式里面没有能量，没有质量，没有稳定的形式（即粒子态）、甚至连实体间的相互“速度”都得“趋减”。这能行得通吗？一下子又是过了好几年，研究的结果才发现，物质的无序的不定形的状况正是自己苦苦寻找的物质基本结构形式，没有能量概念、没有粒子形态，是物质结构发展初期的一个阶段性的状态，这正是物质的基本形态，是一种无须进一步解释，无须寻找更基本原因的物质本原，一种既不是僵化的实体又不是虚无缥缈的纯概念，而是既具体又普遍的物质本原。

在这样的研究过程中，毛泽东的《矛盾论》、《实践论》以及恩格斯的《自然辩证法》中的观点对自己的思维有很大的影响。20世纪八十年代初曾参加广西自然辩证法研究会成立活动。

接着信心百倍地研究“粒子”的形成机制，试图从物质密度分布入手寻找粒子的成因，曾经有很长一段时间甚至认为“实体表现的物质量”就是“质量”概念。但是连几个简单的坎都无法突破，如粒子相隔亿万公里的相互作用问题，宇宙空间质量分布如此悬殊问题，粒子与波的关系问题，粒子的正反性和电的正负性问题，等等，找不到任何解决问题的途径。后来介绍弦论的一些文章逐步问世，但由于文章提出的弦的形式太复杂，居然发展到十一维，无法适应自己力图从简单的基本结构入手研究问题的方式。这样十余年过去了，没有取得什么实质进展。

到了上世纪九十年代末期，突然觉得弦论中有可取之处，至少弦论认为“静止”的粒子也在振动，是一种“琴弦”，是一种“音符”，而德布罗意的“物质波”仅仅体现在粒子的动能中。后来几年进展较快了。先是把“以太”找了回来，物质结构基本形式有一个均匀化和系统化的趋势，形成了以太媒质。然后假设量子波形成。量子波状态的稳定性（频率稳定，波形稳定，波速稳定）是物质世界从无序迈向有序的重要一步。以后在以太结构和量子波的观点下，很多问题的解释变得简单得多了。 

这里又遇到一个如何与狭义相对论吻合的问题，爱因斯坦创建的狭义相对论被无数科学实验证明是正确的，相对论形成过程中，抛弃“以太”假设是一个重要内容。而现在又不得不把以太找回来，如果不把以太找回来，后面的研究工作是无法进行下去的，但是如何与狭义相对论吻合呢？于是设想将静止的“费米子”看成是一种与光波不同的量子波，并且以一个直角三角形来描绘量子波，x轴方向的直角边视为向前传播的相当于光波的“玻色波”，是“横波”。y轴方向的直角边视为相当于静止粒子的“费米波”，处于来回振动状态，是“纵波”。当费米波角度发生倾斜时，斜边表达为光速和总频率，x轴方向的分量，则表达为费米子的“动能”。这样处理后量子论与相对论就有了内在的联系。 量子波概念的建立还解决了另外一个问题，由于光波是横波，要求媒质切变模量极大，而又必须回答为何以太对“粒子”的运动丝毫不影响的问题。现在将费米子视为波，“媒质”对“自己的波”当然也就无所谓“阻力”问题了，没有阻力也就无法使“粒子”产生“感觉”，“粒子”当然也就无法观察到（测量到）承载着自身的“媒质”的运动状态了。

然而相对论不承认特殊的参照系，认为一切都是“相对的”的，这在狭义相对论变换公式中得到充分体现。而以太结构又回来了，能否与相对论的变换公式适配呢？于是试着在两个相对的、非特殊的参照系和之间，添加一个假设的与“以太媒质”相对静止的参照系，完全按照相对论变换公式，先在参照系与参照系之间变换，再将结果在与之间变换，结果与与之间直接变换是一样的，证明以太结构的假设与相对论是可以吻合的。后来对电磁现象中的相对论问题也按此方式分析，也得到了以太存在与相对论是相容的结论。然后进一步探索相对论究竟是什么，相对论与量子理论的关系等问题，提出了量子相对论概念，思维就进了一大步。

    在此期间为了使物理量尽可能简化，提出了“量子单位制”概念，即在物理公式中将能量用频率 次/秒 代替，动量用波密度 次/米 代替，力用 （次/秒）/米 代替，质量用（ 次/秒）/c² 代替，使物理公式中只出现秒、米、次、基本电量e等几个物理量及光速c 、园周率π、精细结构常数a、引力常数G等几个常数。用量子单位制改造了从简单的运动学、动力学到电磁学、量子波动学的公式定律，得到了很好的效果。量子单位制对物理现象的描述能做到一目了然，有利于揭示现象背后的本质，对于初学者理解复杂的物理公式定律也会有一定帮助。量子单位制不仅仅是解决了一个基本单位的选择问题，而且是对物理单位制的重要改革。

进入21世纪以后试着研究量子的态变动和相互作用关系问题，量子间相互作用的实质问题，量子实在的确定性与概率性问题，对量子理论中的一些问题有了一些自己的独特见解。接着系统地提出了物质基本结构理论概念，并研究了物质基本结构理论与量子理论的关系，量子理论与相对论的关系，量子理论与宏观经典理论的关系。

自然科学的基本理论不能代替具体的科学研究，但是既然提出了一个理论框架，就必须让这个框架里能够容纳得下一些不可缺少内容，如质子、电子为什么存在质量（即频率）定态，量子波为什么能够表现出正反性（即电的正负性）等。近几年为这些量子的定态性问题下了不少功夫，为了找到质子是电子质量的1836倍的秘密，这本书的文稿整理工作因此推迟了好几年。研究的结果是找到了一个不去解决问题的解决问题方式。认为一些量子的基本的定态，如光速不变、频率稳定、引力常数、电场常数（即真空电容率或者精细结构常数）都是大自然的自然特性，应当去认识它们，但是是无法探求其原因的，因为这就是大自然的事实和基本哲理，是我们研究问题的出发点。至于费米子（质子、电子）的频率定态问题，也一定与大自然的自然特性有关，是大自然掷完“骰子”后，（不是一个一个的小“骰子”，而是宇宙级的大“骰子”）形成的相对稳定的“模子”，如果我们硬要去探求为什么质子、电子是这样大的，而不是别的数值，则需要引入了新的常数，否则无论如何是无法在“无”中计算出“有”来的。而这样的新的常数，也一定是大自然的特征，因此假设存在频率纵向波幅平方系数和频率旋转波幅平方系数两个自然常数，希望能够为质子、电子的定态问题提供帮助。接着运用物质基本结构理论对复合量子问题、核力问题、核结构问题、弱相互作用问题，提出了一些新的解释方案。

研究过程中涉及大量的哲学方面的问题，开始时只是希望物质基本结构理论的研究能够不违背重大的哲学原则。一段时间后，感到物质基本结构理论的建立，可以引发出哲学中一些基本观念的新思维，主要是用既具体又一般的物质基本结构形式定义物质本原的观点，以及将辩证性视为物质实在的特征的观点。于是试着在辩证唯物论的观点下提出了“辩论物质实在论”，对辩证唯物论中的某些问题作了一些有益的探索。

将这些思维整理成现在的文字，目的是希望抛砖引玉，促进创新思维。物质世界是丰富多彩的，物理学理论和其他任何科学理论一样是永远没有止境的，这些学问的深度没有止境，广度也没有止境。物质基本结构理论研究的仅仅是物理学的基础知识，基础知识只是入门而已，就像简单的生物遗传性状配对研究，发展到高深的基因工程研究一样，简单的东西相对于高深的学问来说是非常粗浅的，但是将它研究透彻也许是有益的。

笔者在研究物质基本结构理论时，不回避任何与理论研究有关的科学实验，承认被多种方式证实的实验结果，这是研究工作的实践基础。在研究物质基本结构理论时，全面地学习研究各派学者的观点，吸收大部分相关的研究成果，尤其是与实验相符的公式定律，这是研究工作的理论基础。在确实需要提出不同观点时要反复论证反复比较，力求新的观点必须符合逻辑，必须能解释现有的实验事实。笔者期望物质基本结构理论，作为一种新的思维能够取得成功，但是无论成功与否，提出一些前人没有提出的问题和解决方案，开拓一条前人没有走过的路应当是有益的。然而既然提出了很多前人未提出过的观点，总会有一些与传统理论的不同意见，其中肯定会出现不足之处，希望得到专家学者和广大读者的批评指正。

 

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