普朗克常数的出现

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2005以爱因斯坦命名的奇迹年以盛大庆典徐徐降下帷幕。然仰望物理学的天空并不如想象中那样晴朗。“真空不空”,暗物质和暗能量之悄然出现,想再用相对论和量子力学固有的思维框架来深究何谓基本粒子与宇宙深处已是举步维艰。

众所周知,电子、质子、中子构成万物(明物质)并有光子和中微子作为信使在天空中穿行不息。那么,有没有更基本的粒子来构成电子、质子、中子、光子、中微子呢?

如果说一种构成万物、构成宇宙的单一基本粒子真的存在,而不是人类的一种信念,那么这个基本粒子应具备更轻、更小、绝对稳定这三大特点。我们不妨暂呼其名为“太极子”。更轻,只有中微子的千分之一;更小,体积只有中微子的1012分之一!这样小而轻的基本粒子(10-43g,10-19cm)以光速在宇宙中穿行,岂不是如入无人之境了吗?果真如此,这么小、这么轻的基本粒子是看不见、摸不着的,远超过人类的认知和探测能力,或者说是永远也找不到的。但是找不到并不代表不存在,“远在天边,近在眼前”,这不是对真空不空绝妙的写照吗?由此出发,竟然能导出普朗克常数,说明这不单是人类对万物构成的一种信念,而是说明世界上有很多看不见、摸不着的东西也是客观存在的,如股市风云、人体经络、人们的思维活动……这既是对西方还原论——实证主义的背离,也是对当今数学和唯美主义的扬弃。数学是数和形的自然哲学,有其自身的发展规律,及其不可取代的应用价值。但是数学不是物理,物理无法脱离经验世界的语言来描写这个客观世界。

  古代先知给现代物理学的启示

  古希腊原子论的代表人物德谟克里特说:“人们习惯把感觉到的对象看作是真实的,其实不然,只有原子和虚空才是真实的。”例如各种颜色,不过是光子的频率——单位时间进入视网膜的光子数的表现,这不是“色即是空”的佛家学说吗?由此,基本粒子的色相互作用为什么不到“真空不空”去寻找归宿呢?

更不可思议的是,老子《道德经》对宇宙产生和发展的描述,竟对熊承堃、刘良俊撰写《太极子物理学初论》的物理模型构思起到极大的启发作用。请看老子《道德经》现代版是如何陈述的吧:

宇宙在太初是一种名叫宇宙子的混沌海洋,它在宇宙尚未形成时就已经存在了。它很轻、很小,看不见、摸不着,故曰“寂兮寥兮”;它是宇宙最小不变的单元,故“独立而不改”;其运动速度很快而永不停歇,故“周行而不殆”。它虽然小而轻,但确是“天下母”,一切东西都由它而生,老子称它为道,即道生一。由宇宙子构成、由太极图(数和形的稳固结构)表征的太极子,故“一生二”。再由太极子生成宇宙中最稳定的三种粒子:电子、质子、中子,故“二生三”。有了电子、质子、中子,就生成了万物。所有这些万物都是由正负极性的粒子所组成,故“负阴而抱阳”(电子绕核运动);但总体上是电中性的,故“冲气以为和”,和者电中性也。

熊、刘两作者由此出发,以破解一系列近代物理中的困惑,包括普朗克常数的推导,不由人不去赞叹老子哲学思想的博大精深。也不由人不去赞赏熊、刘两作者对老子《道德经》作的现代化的领悟和“自以为是”的翻译,其中最重要的一条假设就是:太极子以光速在“真空”中运行,它是构成宇宙万物的“基本粒子”,也是暗物质的基本构成。

老子《道德经》实际上对宇宙的形成和发展作了统一的描述,宇宙物质的各层次——电子、质子、中子、光子、中微子都是后来逐渐生成的,早期的宇宙,更像一锅极端高温、高密度、高能量的羹汤,经过这一单调混沌状态在膨胀过程中的冷却,才演化出愈来愈复杂的多样结构,犹如一只焚身于烈火中的凤凰,在自己的灰烬中重生。

可以设想,早期宇宙的演化规律,和当今人类在有限时空对自然规律的了解应有很多不同之处,但也当有蛛丝马迹可循,因此应该允许猜想,允许试错,并在不断猜想、试错的努力过程中来认识相对真理的“度”能走多远,而《太极子物理学初论》就是沿着这样的猜想和试错的思路前进的。

造成现代物理困境的,是“真空一无所有”对“以太”学说的完全背弃,因此“真空不空”应是解除此一困境的唯一入口。按照近代物理的说法,“一无所有”的真空中存在“场”,但这个“场”很怪异,有能量,却无质量。这就要求质量亏损后,亏损质量也全部转化成能量!公然宣扬存在着一种没有物质载体的能量,这不也很怪异吗?《初论》否决了这一观念,认为能量必有质量为载体,遵守E=mc2等价公式,在原子弹爆炸时,亏损的质量以大量具有质量的微粒——太极子的形式投向空间,使原有的真空增加了“真空不空”的质量。这些由太极子组成的粒子同时也是能量的载体。

《初论》在老子哲学思想的指引下,根据物理事实,用标准经典物理的方法,建立了基本粒子的物理模型,用以计算近代理论的一些最重要的物理常数,探索近代物理一些最重要的问题。这是一种全新的尝试。

太极子的基本参数

他们是如何从电子质量、电子电荷量和电子半径三参数,导出太极子的质量、半径和远离明物质的太极子密度的呢?

1.基本假定

a)存在一个构成万物的单一的基本粒子,名为太极子,太极子很轻,很小(即有质量,有体积),太极子气在宇宙中以光速C穿行不息;

b)太极子气的运行规律可搬用分子运动论和统计力学的相关公式来描述;

c)太极子气是波色子,满足波色—爱因斯坦分布式,并依此算出单个太极子的质量;

d)太极子气在真空中的密度可由金刚石晶体晶格空间中的太极子气密度通过光学变换导出。笔者给出一个假设,即晶格中太极子气的切变模量和晶体的光学折射系数成正比,这样更妥帖,由此即可算出真空中太极子气的密度。

2.是否存在疑端

根据以上四个假定,可以算出真空中太极子的绝对温度是2.0664×10-6K,这和真实的环境温度之间有什么关系?

一方面在真空中没有分子运动,当然谈不上什么由分子运动论定义的环境温度;一方面真空中又弥漫了太极子气,当真空中太极子气密度被确定以后,太极子气的温度也就唯一地由波色—爱因斯坦分布式确定了。由此看来,它又不是一个疑端,因为太极子的温度就是暗物质的温度,和明物质的温度以及辐射背景温度不属同一层次。至于《初论》给出的四个基本假定是否合理,全在由此得出的推论是否和已知的经验事实相符!

3.普朗克常数的导出及其物理意义

至此已获得一幅太极子在真空中运行的图画:它的质量是3.1743×10-43g,它的半径是8.0456×10-20cm;它的质量密度是3.6065×10-11g/cc;它的太极子气密度是1.1362×1032个;由此算出的真空中太极子平均自由程是1.0944×105cm,也就是说太极子每隔一公里才相互碰撞一次!因此太极子的作用量就等于太极子质量、太极子平均自由程、光速三者的乘积,其值等1.054×10-27erg·s!它与普朗克常数的相对误差约为1.2%。

由于这个基本假设不一定准确,因此可以确认太极子气的作用量即普朗克常数。这样,普朗克常数的物理意义也随之大白天下!

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