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相對論和量子論的局限與物理學的新方向
相對論和量子論的局限與物理學的新方向，是小編專門為各位物理學畢業的同學準備的論文，希望對大家有幫助!
摘 要：相對論和量子理論是現代物理學的兩大支柱，從20世紀的后半期開始到現在，60多年的時間里，在物理學方面，林林總總的科研成果，基本上都是對相對論或是量子理論的完善和精細化，包括像希格斯玻色子這樣重大的發現，都沒有超出這兩大理論的范疇。相對論和量子理論堪稱20世紀物理學的兩大巔峰之作。但是，無論是相對論還是量子理論，都只不過是對部分物質世界的近似描寫而已，這兩項理論的創立者們都不是全能的，他們站在各自的角度上去認識物質世界，受到各自認識能力的局限，猶如盲人摸象，他們的觀點迥異，甚至水火不容，這使得后來的物理學家們難以把這兩項理論統一起來。本文從相對論和量子理論這兩大理論的本源出發，經過慎重的研究，找到了新的突破，為物理學的發展指明了新的方向。
關鍵詞：光速不變;單鏈式;定向振蕩
1.引言
物理學是一門研究物質運動變化規律的科學，牛頓從宏觀物體的運動變化中總結出了三大運動定律，創立了經典力學，成為物理學的開山鼻祖。麥克斯韋研究電場和磁場運動變化的規律，在前人的基礎上總結出了電磁場理論。愛因斯坦研究光運動變化的規律，在麥克耳孫和莫雷的干涉實驗以及光行差實驗等的基礎上，發現了光速不變原理，并創立了相對論。
普朗克通過研究黑體輻射中不同頻率的電磁波運動變化的規律，發明了量了論，后來的物理學家們在此基礎上發展出了量子力學和量子電動力學，創建并完善了標準模型理論。很多物理學家窮其一生，試圖把相對論和量子理論結合起來，建立大統一理論。然而，相對論和量子理論就像一頭大象的鼻子和尾巴，它們不但形象各異，而且總是各朝一方，即便免強拼湊在一起也并不是一頭完整的大象。
2.相對論和量子理論的局限
愛因斯坦是在光速不變原理的基礎上創立相對論的，但愛因斯坦并不能解釋光速為何不變。一些相對論專家說光速不變是四維時空的一種自然表現，這種說法有點牽強。四維時空觀是愛因斯坦在研究有關光速不變的實驗后形成的一種觀念，這些實驗都只涉及到光波，至今為止，人類還沒有辦法把一些實物粒子，如電子、原子、分子等，加速到光速， 也就不知道這些實物粒子的速度能不能達到或超過光速。我們不能因為還沒有辦法把一個電子加速到光速就斷定電子的速度不能達到光速，人類目前還做不到的事情并不意味著未來的人類也做不到，未來總是充滿各種可能性的。既然我們還沒有法辦把實物粒子加速到光速，我們就無法知道光速不變原理是否適用于實物粒子，還是只適用于光子，更無法知道光速不變原理是否適用于宏觀的物體。
光速不變原理提出，在每個慣性系中，真空中的光速各向同性，與光源的運動無關，也與光的頻率無關。一艘在水面上靜止或勻速運動的船可以作為一個慣性系，倘若這艘船 永不停息地做毫無規則可言的運動，船的速度和方向總是在不停地變化，那么，這艘船就不能作為慣性系了.在微觀世界中，每一個物質粒子如電子、原子、分子等，都在永不停息地做毫無規則可言的運動，沒有一個粒子相對于另一個粒子是靜止或勻速運動的，只有粒子本身相對于粒子是靜止的，用來描述宏觀世界的慣性系在微觀層次上根本就不存在。我們都知道，激發光的是電荷，吸收或反射光的也是電荷，我們之所以能夠看見光，就是因為光驅動了我們視覺神經中的電荷。我們不可能選擇一個電荷來做慣性參考系，而電荷激發出的光必須與另一個電荷相互作用才能被觀察到。愛因斯坦從宏觀的角度來研究光運動變化的規律，認為從光源激發出的光傳到物體上的過程就像從大炮發射出的炮彈射到物體上的過程一樣，這是錯誤的。光的本質是在電荷之間傳播的電場力波(即電磁波)。要想弄清楚光速不變的真正原因，就必須弄清楚電場力的產生機理和傳遞方式。
相對論和量子理論都認為光是從光源發射出去的一種物質，就像炮彈從大炮中發射出去那樣，之所以得出這樣的觀點，是因為相對論和量子理論的創立者們都沒有認識到，一個電荷和它的電場實際上是一個獨立于其它電荷和電場的具有無限延伸性的不可分割的整體。我們不可能把一個電荷從它的電場中分離出來，一個電荷無論如何運動，這個電荷的電場都不會脫離這個電荷被發射出去，一個電荷的電量是恒定不變的。從本質上來講，一個電荷的電場是由無數與電荷有關聯的物質在宇宙空間中延綿分布形成的一個具有無限廣延性的不可分割的物質體系，光速不變是是電荷的電場具有無限廣延性的一種表現[1]。
電荷電場的廣延性與引力場的廣延性類似。兩個物體之間，無論距離有多遠，它們都處在對方的引力場中，都受到對方的引力作用。同樣地，兩個電荷之間無論距離多遠，它們都處在對方的電場中，都受到電場力的作用。量子理論認為，引力是質點間互相交換引力子產生的，電場力則是電荷之間互相交換光子產生的。這種觀點并不正確。假設有N個質點與質點A的距離相等，質點A與這N個質點同時有引力作用，即質點A有N個引力子同時與這N個質點交換。當與質點A距離相等的質點增加到2N個時，質點A就必須擁有2N個引力子同時與這2N個質點交換。無論與質點A的距離相等的質點增加到多少個，質點A與這些質點之間都同時存在引力相互作用。以此類推，任何一個質點都同時擁有無窮多個引力子，顯然，這是錯誤的。
電荷電場的廣延性使得任何一個電荷都可以同時與無數個電荷產生電場力，假如電場力是電荷之間互相交換光子產生的，那么，每一個電荷都必須同時擁有無數個光子，顯然，這是不正確的。
無論是相對論還是量子理論，都沒能正確地解釋電場力的產生機理。
電場力是電荷和它的電場原來的平衡狀態被引入電場中的電荷打破，導致構成該電荷電場的所有物質都有以引入該電荷電場中的電荷為中心重新分布的趨勢產生的一種力，是大量構成電荷本身電場的物質對電荷直接產生的力。任何一個電荷受到的電場力都是通過構成該電荷本身電場的物質來傳給電荷的，而電荷的電場是隨著電荷一起運動的。在沒有外力的作用下，或是合外力等于零的情況下，電荷和它自身的電場總能保持步調一致的運動狀態，這時，可認為電荷和它的電場是相對靜止的。從宏觀的角度來看，在每一個慣性系中，每一個電荷和它的電場都可以保持步調一致的運動狀態，每一個電荷相對于它的電場都是靜止的，這必然導致在每一個慣性系中，每一個電荷接收到的電場力波即光波在真空中的速度各向同性，即光速不變。 由上述可知，電荷電場的廣延性是我們觀察到的真空中的光速恒定不變的原因。
3.定向振蕩電流與單鏈式電磁波
與引力波類似，電磁波本質上并不是從波源中發射出的一種物質，而是在電荷之間傳播的電場力波。無論是電場還是磁場，或是交替變化的電磁場，都是通過電荷或電流的運動變化來表現的。麥克斯韋首次提出了位移電流的概念，并預言了電磁波的一種形式――雙鏈式。但受到當時條件的限制，麥克斯韋沒能預言出電磁波的另一種形式――單鏈式。只有引入“定向振蕩”這個全新的物理概念才能夠形象地描述單鏈式電磁波。在現代漢語詞典中，振蕩的含義有兩種，一種指振動;另一種指電流的周期性變化。電流的周期性變化可分為兩種，一種是電流的大小和方向都做周期性變化的，叫做雙向振蕩;另一種是電流的方向恒定不變，電流的大小做周期性變化的，叫做定向振蕩，也稱單向振蕩。雙向振蕩電流激發出的是雙鏈式電磁波，雙鏈式電磁波在空間中傳播時產生的位移電流都是雙向振蕩的位移電流，即位移電流的大小和方向都是周期性變化的。雙向振蕩的位移電流產生的感應磁場也是雙向振蕩的，即磁場的大小和方向都做周期性變化的。雙鏈式電磁波在傳播過程中遇到導體，會使導體受到一個場強大小和方向都做周期性變化的雙向振蕩的感應磁場的作用，產生同頻率雙向振蕩的感應電流。
有的單向振蕩電流激發出的是雙鏈式電磁波，比如交流和恒流混合形成的單向振蕩電流。有的單向振蕩電流則能夠激發出單鏈式電磁波，比如將高頻交流經過特殊的整流后形成的單向振蕩電流。[2]
單鏈式電磁波在空間中傳播時產生的位移電流都是單向振蕩的位移電流，即位移電流的方向恒定不變，位移電流的大小做周期性變化的。單向振蕩的位移電流產生的感應磁場也都是單向振蕩的，即磁場方向恒定不變，場強大小做周期性變化的。單向振蕩磁場也稱定向振蕩磁場。
單鏈式電磁波在傳播過程中遇到導體，會使導體受到一個磁場方向恒定不變，場強大小做周期性變化的定向振蕩的感應磁場的作用，產生同頻率定向振蕩的感應電流。
讓兩列時間相差T/2(T表示定向振蕩電流定向振蕩的一個周期)的等幅同頻率的超高頻單鏈式電磁波經過等長的路徑后疊加，便可在空間中合成超低頻定向振蕩的無源 的磁場。因為這種定向振蕩磁場是無源的，且只能表現出單個磁極的力學效應，因此叫做磁單極量子，也稱單極光子。[3]將通恒定電流的導體放置在由兩列時間相差T/2的超高頻單鏈式電磁波經過等長的路徑后疊加形成的超低頻定向振蕩磁場中，導體就會產生大小和方向都不變的電磁力。因為這種電磁力是由空間中無源的定向振蕩磁場對恒定電流產生的，可驅動引擎前進。這就是能夠進行星際躍遷的光速飛船所采用的大推力量子引擎技術的原理。[4]
4.結語
相對論和量子理論是20世紀物理學取得的兩項重大的成果，這兩項理論的創立極大地促進了科學技術的發展和人類文明的進步。但是，相對論和量子理論即是現代物理學的兩大支柱，也是橫旦在人類面前的兩座大山。這兩座大山都高聳入云，看似不可逾越。很多人望而卻步，只得拜倒在山腳下，只有少數不畏艱險的勇者敢去翻越。這些勇者有的迷失在山中，有的跌入了深淵，誰能夠第一個翻越過去，誰就會成為新大陸的發現者，人類文明史也將因此翻開嶄新的一頁。
參考文獻
[1]李昌穎.引力場與靜電場的廣延性與超光速原理[J].電子世界，2014.
[2]李昌穎.光分解與光振蕩形式變換的探究[J].電子世界，2014.
[3]李昌穎.大推力量子發動機[J].電子世界2013，10.
[4]李昌穎.超導量子場推進技術在宇航領域中的應用[J].電子世界，2013，12.
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