电磁波既是与电子那样的物质联系在一起的，它是在与带电粒子的相互作用过程中产生或消失的，但是它不与任何一个具体的实体物质(或称粒子

其实用现代我们对电磁波的理解，电磁波的产生和吸收就是电磁波与电子的相互作用过程中的能量交换。必须把电磁波看作是与电子有完全不同的存在和运动形式的另一类物质，电磁波既是与电子那样的物质联系在一起的，它是在与带电粒子的相互作用过程中产生或消失的，但是它不与任何一个具体的实体物质(或称粒子)相联系，而是与粒子的群体相联系，这一点是波与场之间的根本差别。

四、微观世界的太阳系——氢原子光谱
四、微观世界的太阳系——氢原子光谱
（宋文淼）
库珀在他的《物理世界》中有一段话:“氢原子问题在量子物理学中所起的作用，就好像行星的运动问题在经典物理学中的作用一样，这个问题可以有严格的解，从这个解得出的结果可以直接与实验相比较；这里的一切规则都是明确规定的，没有任何拖泥带水的东西，理论与实验的结果是如此出色地相符，所以我们只有老老实实地相信理论的真实性。从这个意义上说，对氢原子进行的分析检验了整个量子物理学。这个问题的每一个细节都可以计算并与实验结果相比较。我们时代的一些重要发现证实在分析氢原子能及的基础上做出的。而理论与实验之间一些最为精确的吻合也是在量子理论的预言与对氢原子的观察结果相比较时获得的”。
我们完全同意他对氢原子问题的实验在物理学中的重要性的评价。这个问题就像经典物理学中太阳系中行星运动一样，它是微观状态下的太阳系，而且某些方面比太阳系更加简单。只有一个带正电的原子核和一个带负电的电子绕着它转，其它周围的一切都可以看作离开那个系统无限远，对它们的运动不产生影响。而对于这个系统能够观察到极可靠的运动规律，任何一个人不论在什么地方都可以观察到极其精确的，永恒不变的氢原子光谱，这样的物质运动正是我们需要的可以为人类提供新的知识的基础——新的“公理”。
但是与太阳系不同的是，现在有了两种不同电性的物质(粒子)，这两种不同电性粒子的运动会产生电磁波的辐射。也就是说这样一个系统中实际上可能产生的不只是一个类似万有引力的库仑力，而是还会产生与引力完全不同性质的电磁波的力。这是所有问题的核心。所以我们不能认同库珀所说的，玻尔已经得到了与实验结果完全相符合的明确的理论，这个问题上表现出来的量子力学理论与实验结果的一致性，已经可以完全说明了量子力学理论的合理性。在这一点上现代物理学家比同时代的应用物理学家的认识前进了一步。在量子物理学[2]中指出：“玻尔的量子条件有一种专门定出来的性质，很难被认为是令人满意的，在薛定谔发表论文的时候，已经清楚，除虽然玻尔的理论确实解释了一些观察到的事实，但也有这一定的缺点和完全失败之处，因此产生新概念的时机已经成熟。薛定谔的巨大贡献在于证明了：如果认真地采用物质的波动图象那就会有一个系统的和自然的方式得到的‘量子化’。他指出在适当的条件下，他的波动方程具有描述驻波的解，他并把这些解和原子的定态联系起来，这些驻波解匀有按而随时间变化的特征，可能的频率是一组分立的值，比如说为，而第n个定态的能量就由给出。”。
当时的物理学家只走到了这一步，也只能走到哪一步，这已经是很重要的一步了。当然我们现在可以自然地沿着这样的思维方向再问一句，薛定谔的“量子化”是系统的和自然的方式得到的吗？按照我们现在所具有的对于电磁场的知识，人们应该很自然地回答，薛定谔的驻波图像和由此得到的普朗克公式与玻尔定出来的量子条件的性质，是同样很难令人满意的。其实普朗克公式和爱因斯坦的相对论公式一样也都不是自然的，他们像爱因斯坦本人在晚年所说的，那些只是暂时的理论。所有由个人的头脑所假定出来的东西，都不是自然的。在我们的《物理学原理》[3]中，提出所有的物理学体系的“逻辑前提”都应该来自自然界，而且在一个新的自洽的自然哲学的数理逻辑体系的“逻辑前提”中，必须要有一个来自自然界的经过逻辑界定尔获得“逻辑基元”，那个逻辑基元就是从一个特殊的逻辑前提中“界定出来”可以用一个“数字”来表示的，物理学中的基本的独立的量纲。那个“特殊的逻辑前提”就是来自自然界的，人人、时时、处处都可以感受到的公理，也就是说是来自自然界的稳定、可靠而又特别简单的模型下的物质运动的规律。现代物理学家中那些伟大的科学家，替我们找到了那个能够让我们从哪里获得新的物理体系下的公理的物质运动形式，但是还没有找到逻辑体系中所必须的那个“逻辑基元”和合理的数学体系。
什么是“逻辑基元”呢？他就是牛顿的《自然哲学中的数学原理》中所说的，构造那种数学体系所必须的“形式系统”，或者说是自然哲学的“数学体系”中的自变量体系。而爱因斯坦和普朗克找到的都只是“逻辑常数”，逻辑常熟只是表示不同逻辑基元之间的关系和不同标定而引入的常数。引入一个常数不会引起数学体系的性质的变化，要发展数学体系就必须引入新的形式体系。那些20世纪初期的伟大的物理学家们，已经向我们展示了一个新的有限论域下的物质运动的体系，但是还没有足够的代表思维能力的数学方法来“界定”出合理的逻辑基元。而只能以某些假定的“宇宙常数”来代替本来应该寻找出来的逻辑基元。当然我们不能责怪哪些伟大的科学先行者，那时的历史条件使他们只能够走到这一步。虽然那时候薛定谔已经指出了：“量子化，即本证问题”。这句话正是薛定谔论述波动力学的四篇著名论文的总题目。但是，在那个时代人们无法系统而自然地找出象氢原子运动体系中的本征值和本征函数，他们依然需要依靠人为假设的不自然的量子化条件。甚至我们可以说直到现在经过了一个世纪努力的经典的电磁场理论界，依然没有办法来系统而自然地解决氢原子运动系统的本征问题。但是通过一个多世纪的努力，我们已经可以确信：一定可以通过我们对麦克斯韦方程组在物理和数学上的进一步深入的理解和表达，找到氢原子系统的本征值和本征函数，而不必借助于任何不自然的量子化条件的假设。只有这时候我们才可以说我们找到了微观世界的太阳系的运动规律。而也只有在那个时候人们才有可能在实在的基础上去寻找更复杂的物质结构的规律，从而会发现建立在量子化条件下的粒子物理学实际上与亚里斯多德的水晶球一样，不论搞得多么复杂，也描述不了自然界的真实状况。
量子力学中人为假定的量子数和爱因斯坦的人为假定的时空关系都是一样的，它们只找到一个“宇宙常数”，也许它们对于物理学的发展是不可缺少的一步，但是由这样的宇宙常数加上人为假定的“公设”永远代替不了来自大自然的公理。在这类人为假定基础上的数学体系永远不可能达到数学演绎上的自洽性，因为他没有一个对于氢原子体系的系统而自然的求解过程。而没有系统而自然的解决这一问题的过程和方法，就不可能得到与这个系统相联系的数学体系。要得到这样的数学体系就必须要有来自“物质基础”的形式体系(即逻辑基元)，而没有新的逻辑基元和逻辑前提，它的整个数学体系依然封闭在原来的逻辑体系的有限论域中。所以从爱因斯坦开始的整个现代物理学，不论相对论还是量子力学，不论是“广义相对论”还是“粒子物理学”，只要它的逻辑前提依然局限在牛顿体系的逻辑前提之中，它的数学体系就依然受到牛顿理论框架的制约：要么封闭在牛顿的没有结构的物质模型中而保持数学体系的逻辑自洽性，要么在没有自洽逻辑的状况下，探索新的物理世界。这一切我都是从杨本洛的“梳理”中所学到的，虽然他的书又厚又难读，但是中国人要产生自己的能够“感染”别人的思想，没有这样的书，不读这样的书是不行的。否则我们只能永远在“国粹文化”和“西方文明”之间作永无休止的争论，永远不会对于随着时代前进的，我们民族的，同时也是全人类的文明发展作出积极的贡献。
但是哲学只能讨论“对世界的讨论”，澄清各种物理理论的合理性，而本身不能产生新的物理理论。这就要从人类的实践中吸取感性材料。某些现代物理学家和哲学家走向可悲的道路，就是因为他们自认为他们懂得一切，以科学的指导者自居而从不学习现代高技术中所得到的新的感性材料和思维发展。他们喋喋不休地在给公众传播他们的真理，而实际上只是在散布愚昧！所以我们强烈呼吁物理学必须开辟新路[5]。这篇文章的题目实际上是许绍之教授替我出的，那时我还没有想到怎样去开辟新路。现在可以说物理学的新路首先就是要用近百年来的电磁场和信息理论中所积累的知识，来从新建立起氢原子运动规律。
图. 20世纪初期人们所认为的电子绕质子运动时应该有的轨迹。
20世纪初期人们对于经典电磁场理论理解下，认为电子绕质子运动时应该有的轨迹是阿基米德螺线。库珀的书中对于这个问题有一段有趣的话：“要建立一个与麦克斯韦电动力学相符合的带电粒子行星系看来并不那么简单。要说电子是以某种方式静止在吸引它的重的正电荷附近而不落到它上面，这也是难以使人接受的。或许可以引入某种别的力，它使电子在远离正电荷的某处达到平衡。但是没有关于存在这样的力的任何根据因此最好是(基于节约思维的原则)不引入这种力”。我喜欢库珀的书，他常常写出与现代物理学家同样的话，但是总是以怀疑和讨论的口气，而不是教训的口气。其实这只是由于当时历史条件限制下，对于电磁场理论的错误理解。直到现在一些经典场论的书中依然用这样的理论来教学生。其实用现代我们对电磁波的理解，电磁波的产生和吸收就是电磁波与电子的相互作用过程中的能量交换。必须把电磁波看作是与电子有完全不同的存在和运动形式的另一类物质，电磁波既是与电子那样的物质联系在一起的，它是在与带电粒子的相互作用过程中产生或消失的，但是它不与任何一个具体的实体物质(或称粒子)相联系，而是与粒子的群体相联系，这一点是波与场之间的根本差别。场没有独立的存在形式，它与某个粒子不可分离地联系在一起。波有独立的存在和运动形式。所以当电子绕质子转动时，除了像地球绕太阳那样做稳定的匀速圆周运动外，还可以与电磁波发生相互作用，这种相互作用既可以是电子从电磁波吸收能量、放出能量或者既不吸收也不放出能量。而能量交换的结果完全取决于运动电子与同样运动着的电磁波之间的相位关系。在某种特定轨道的一定范围内，电子运动具有稳定性，即电子受到加速扰动而使轨道半径大于稳定半径时，电磁波的力会使它受到阻力而减少半径；而当电子运动半径小于稳定半径时，电磁波又会使电子加速而回到稳定半径。这个稳定的半径就是电子的定态轨道。所有的量子数只是定态波动方程解中电磁波场的自然具有的本证模数，是定态波动方程的数学性质所决定的，而与电子本身没有任何关系。而且有趣的是玻尔所有的量子数包括静磁场对能级的影响，实际上都与那种情况下的电磁波的定态解的本征值完全一致。只有电子自旋量子数是没有任何内容地硬加上去的，实际上自旋只是表示了电子(粒子)和电磁波是两种数学性质完全不同的存在形式。所以直到今天，现代物理中自旋只是没有任何数学内容的符号。要说明电子运动的定态轨道，实际上只要把经典场论中的理想导体的约束条件用稳定轨道的约束条件来代替，一般电磁场理论的博士生应该都能够解决。而要说明普朗克常数和原子光谱，则要描述电子从一个定态向另一个定态跃迁时的整个运动过程，当然要复杂一些，因为所谓的普朗克常数和公式并不是原子光谱的精确形式，而只是一种近似。现代电磁场理论在时域问题上还缺乏严格的数理逻辑体系，但是已经有了近似条件下的时域求解的数值方法，所以要解决这个问题也是不难的，这种时域求解的方法实际上可以得到一定精度下的原子光谱的波谱，比现代物理中的内涵要丰富得多了。
氢原子光谱的电磁理论的精确描述必将为微观世界的认识打开一扇比粒子物理学实在得多的大门。当然在哪里质子的电性质是假定的，它可以假定为有θ方向极化的理想导体的“点”。当我们分析氘、氚或氦的复杂的原子光谱时，就有可能通过光谱反过来计算核的边界条件的性质，就可以为核结构的研究打开一个可能的窗口。当然打开微观世界秘密的路还很长很长，但是那是一条符合人类所走过的漫长、艰辛而曲折的道路。建立在人为假定基础的现代物理学发展已经近一个世纪了，除了近似地解释氢原子光谱外，再也解释不了任何一个确实的与原子结构相关的物理现象。物理学需要假定，没有假定就没有任何物理学的创新，但是在物理学体系的主架上应该是来自已经成为公理的逻辑前提，而不是假定。所有的假定要尽量简单、合理，只是用来辅助主要问题的近似的解决，所以对于数学体系来说应该只是附加的扰动性质的因素，并随时准备在理论与实在比较过程中不断改进，任何时候都不起主要影响和作用。所有把假定作为发展理论的前提的方法，都是要被否定的。所以，相对论和现代物理也像古希腊科学家们所曾经相信的水晶天幕一样，已经基本完成了它们的使命，到了应该落幕的时候了。
当然新的物理学理论体系的建立还有很长的路要走。有逻辑的、更主要的还有数学的问题需要深入研究。没有逻辑和数学，物理学在正路上寸步难行，而在没有逻辑的路上能够日行万里；它能够解决宇宙的，基本粒子的，普通人感受不到的所有问题，而解决不了地球上普通人能够真实地感受到的一个问题。要否定没有逻辑的现代物理理论体系也许可以认为并没有什么困难，但是真正的困难在于建立一个新的数理逻辑体系，从普朗克常数到描述电磁波的逻辑基元也许有一段很长的路要走，我们知道这个逻辑基元必然与力或能量有联系，但又不会有直接的关系。它是隐藏在力和能量背后的另一个抽象的形式量——类似于质量而又有别于质量的一个抽象的数字序列。这个数字序列应该与时间有类似于质量与空间的那种联系。

参考文献
[1] 库珀著，杨基方等译，物理世界，海洋出版社，1981.
[2] E.H.威切曼著，复旦大学物理系译，量子物理学，《柏克利物理学教程》第四卷，北京，
科学出版社，1978.
[3] 宋文淼，《物理学世界》第二卷——哲学、数学、物理学，科学出版社，(即将出版，并
将现在山风工作室网站，发表初稿的电子版)
[4] 杨本洛，量子力学形式逻辑与物质基础探析，上海，上海科技大学出版社，2006.
[5] 宋文淼，物理学必须开辟新路，发明与创造，2005年第2期，p24-26

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• 磁场,既是与电子那样的物质联系在一起的，它是在与带电粒子的相互作用过程中产生或消失的，但是它不与任何一个具体的实体物质(或称粒子 -marketreflections- ♂ (5652 bytes) () 12/27/2009 postreply 08:34:12