相对论和量子论的局限与物理学发展的新方向

【摘要】相对论和量子理论是现代物理学的两大支柱，从20世纪的后半期开始到现在，60多年的时间里，在物理学方面，林林总总的科研成果，基本上都是对相对论或是量子理论的完善和精细化，包括像希格斯玻色子這样重大的发现，都没有超出这两大理论的范畴。相对论和量子理论堪称20世纪物理学的两大巅峰之作。但是，无论是相对论还是量子理论，都只不过是对部分物质世界的近似描写而已，这两项理论的创立者们都不是全能的，他们站在各自的角度上去认识物质世界，受到各自认识能力的局限，犹如盲人摸象，他们的观点迥异，甚至水火不容，这使得后来的物理学家们难以把这两项理论统一起来。本文从相对论和量子理论这两大理论的本源出发，经过慎重的研究，找到了新的突破，为物理学的发展指明了新的方向。

【关键词】光速不变;单链式;定向振荡

1.引言

物理学是一门研究物质运动变化规律的科学，牛顿从宏观物体的运动变化中总结出了三大运动定律，创立了经典力学，成为物理学的开山鼻祖。麦克斯韦研究电场和磁场运动变化的规律，在前人的基础上总结出了电磁场理论。爱因斯坦研究光运动变化的规律，在麦克耳孙和莫雷的干涉实验以及光行差实验等的基础上，发现了光速不变原理，并创立了相对论。

普朗克通过研究黑体辐射中不同频率的电磁波运动变化的规律，发明了量了论，后来的物理学家们在此基础上发展出了量子力学和量子电动力学，创建并完善了标准模型理论。很多物理学家穷其一生，试图把相对论和量子理论结合起来，建立大统一理论。然而，相对论和量子理论就像一头大象的鼻子和尾巴，它们不但形象各异，而且总是各朝一方，即便免强拼凑在一起也并不是一头完整的大象。

2.相对论和量子理论的局限

爱因斯坦是在光速不变原理的基础上创立相对论的，但爱因斯坦并不能解释光速为何不变。一些相对论专家说光速不变是四维时空的一种自然表现，这种说法有点牵强。四维时空观是爱因斯坦在研究有关光速不变的实验后形成的一种观念，这些实验都只涉及到光波，至今为止，人类还没有办法把一些实物粒子，如电子、原子、分子等，加速到光速， 也就不知道这些实物粒子的速度能不能达到或超过光速。我们不能因为还没有办法把一个电子加速到光速就断定电子的速度不能达到光速，人类目前还做不到的事情并不意味着未来的人类也做不到，未来总是充满各种可能性的。既然我们还没有法办把实物粒子加速到光速，我们就无法知道光速不变原理是否适用于实物粒子，还是只适用于光子，更无法知道光速不变原理是否适用于宏观的物体。

光速不变原理提出，在每个惯性系中，真空中的光速各向同性，与光源的运动无关，也与光的频率无关。一艘在水面上静止或匀速运动的船可以作为一个惯性系，倘若这艘船 永不停息地做毫无规则可言的运动，船的速度和方向总是在不停地变化，那么，这艘船就不能作为惯性系了.在微观世界中，每一个物质粒子如电子、原子、分子等，都在永不停息地做毫无规则可言的运动，没有一个粒子相对于另一个粒子是静止或匀速运动的，只有粒子本身相对于粒子是静止的，用来描述宏观世界的惯性系在微观层次上根本就不存在。我们都知道，激发光的是电荷，吸收或反射光的也是电荷，我们之所以能够看见光，就是因为光驱动了我们视觉神经中的电荷。我们不可能选择一个电荷来做惯性参考系，而电荷激发出的光必须与另一个电荷相互作用才能被观察到。爱因斯坦从宏观的角度来研究光运动变化的规律，认为从光源激发出的光传到物体上的过程就像从大炮发射出的炮弹射到物体上的过程一样，这是错误的。光的本质是在电荷之间传播的电场力波（即电磁波）。要想弄清楚光速不变的真正原因，就必须弄清楚电场力的产生机理和传递方式。

相对论和量子理论都认为光是从光源发射出去的一种物质，就像炮弹从大炮中发射出去那样，之所以得出这样的观点，是因为相对论和量子理论的创立者们都没有认识到，一个电荷和它的电场实际上是一个独立于其它电荷和电场的具有无限延伸性的不可分割的整体。我们不可能把一个电荷从它的电场中分离出来，一个电荷无论如何运动，这个电荷的电场都不会脱离这个电荷被发射出去，一个电荷的电量是恒定不变的。从本质上来讲，一个电荷的电场是由无数与电荷有关联的物质在宇宙空间中延绵分布形成的一个具有无限广延性的不可分割的物质体系，光速不变是是电荷的电场具有无限广延性的一种表现[1]。

电荷电场的广延性与引力场的广延性类似。两个物体之间，无论距离有多远，它们都处在对方的引力场中，都受到对方的引力作用。同样地，两个电荷之间无论距离多远，它们都处在对方的电场中，都受到电场力的作用。量子理论认为，引力是质点间互相交换引力子产生的，电场力则是电荷之间互相交换光子产生的。这种观点并不正确。假设有N个质点与质点A的距离相等，质点A与这N个质点同时有引力作用，即质点A有N个引力子同时与这N个质点交换。当与质点A距离相等的质点增加到2N个时，质点A就必须拥有2N个引力子同时与这2N个质点交换。无论与质点A的距离相等的质点增加到多少个，质点A与这些质点之间都同时存在引力相互作用。以此类推，任何一个质点都同时拥有无穷多个引力子，显然，这是错误的。

电荷电场的广延性使得任何一个电荷都可以同时与无数个电荷产生电场力，假如电场力是电荷之间互相交换光子产生的，那么，每一个电荷都必须同时拥有无数个光子，显然，这是不正确的。

无论是相对论还是量子理论，都没能正确地解释电场力的产生机理。

电场力是电荷和它的电场原来的平衡状态被引入电场中的电荷打破，导致构成该电荷电场的所有物质都有以引入该电荷电场中的电荷为中心重新分布的趋势产生的一种力，是大量构成电荷本身电场的物质对电荷直接产生的力。任何一个电荷受到的电场力都是通过构成该电荷本身电场的物质来传给电荷的，而电荷的电场是随着电荷一起运动的。在没有外力的作用下，或是合外力等于零的情况下，电荷和它自身的电场总能保持步调一致的运动状态，这时，可认为电荷和它的电场是相对静止的。从宏观的角度来看，在每一个惯性系中，每一个电荷和它的电场都可以保持步调一致的运动状态，每一个电荷相对于它的电场都是静止的，这必然导致在每一个惯性系中，每一个电荷接收到的电场力波即光波在真空中的速度各向同性，即光速不变。

由上述可知，电荷电场的广延性是我们观察到的真空中的光速恒定不变的原因。

3.定向振荡电流與单链式电磁波

与引力波类似，电磁波本质上并不是从波源中发射出的一种物质，而是在电荷之间传播的电场力波。无论是电场还是磁场，或是交替变化的电磁场，都是通过电荷或电流的运动变化来表现的。麦克斯韦首次提出了位移电流的概念，并预言了电磁波的一种形式——双链式。但受到当时条件的限制，麦克斯韦没能预言出电磁波的另一种形式——单链式。只有引入“定向振荡”这个全新的物理概念才能够形象地描述单链式电磁波。在现代汉语词典中，振荡的含义有两种，一种指振动;另一种指电流的周期性变化。电流的周期性变化可分为两种，一种是电流的大小和方向都做周期性变化的，叫做双向振荡;另一种是电流的方向恒定不变，电流的大小做周期性变化的，叫做定向振荡，也称单向振荡。双向振荡电流激发出的是双链式电磁波，双链式电磁波在空间中传播时产生的位移电流都是双向振荡的位移电流，即位移电流的大小和方向都是周期性变化的。双向振荡的位移电流产生的感应磁场也是双向振荡的，即磁场的大小和方向都做周期性变化的。双链式电磁波在传播过程中遇到导体，会使导体受到一个场强大小和方向都做周期性变化的双向振荡的感应磁场的作用，产生同频率双向振荡的感应电流。

有的单向振荡电流激发出的是双链式电磁波，比如交流和恒流混合形成的单向振荡电流。有的单向振荡电流则能够激发出单链式电磁波，比如将高频交流经过特殊的整流后形成的单向振荡电流。[2]

单链式电磁波在空间中传播时产生的位移电流都是单向振荡的位移电流，即位移电流的方向恒定不变，位移电流的大小做周期性变化的。单向振荡的位移电流产生的感应磁场也都是单向振荡的，即磁场方向恒定不变，场强大小做周期性变化的。单向振荡磁场也称定向振荡磁场。

单链式电磁波在传播过程中遇到导体，会使导体受到一个磁场方向恒定不变，场强大小做周期性变化的定向振荡的感应磁场的作用，产生同频率定向振荡的感应电流。

让两列时间相差T/2（T表示定向振荡电流定向振荡的一个周期）的等幅同频率的超高频单链式电磁波经过等长的路径后叠加，便可在空间中合成超低频定向振荡的无源 的磁场。因为这种定向振荡磁场是无源的，且只能表现出单个磁极的力学效应，因此叫做磁单极量子，也称单极光子。[3]将通恒定电流的导体放置在由两列时间相差T/2的超高频单链式电磁波经过等长的路径后叠加形成的超低频定向振荡磁场中，导体就会产生大小和方向都不变的电磁力。因为这种电磁力是由空间中无源的定向振荡磁场对恒定电流产生的，可驱动引擎前进。这就是能够进行星际跃迁的光速飞船所采用的大推力量子引擎技术的原理。[4]

4.结语

相对论和量子理论是20世纪物理学取得的两项重大的成果，这两项理论的创立极大地促进了科学技术的发展和人类文明的进步。但是，相对论和量子理论即是现代物理学的两大支柱，也是横旦在人类面前的两座大山。这两座大山都高耸入云，看似不可逾越。很多人望而却步，只得拜倒在山脚下，只有少数不畏艰险的勇者敢去翻越。这些勇者有的迷失在山中，有的跌入了深渊，谁能够第一个翻越过去，谁就会成为新大陆的发现者，人类文明史也将因此翻开崭新的一页。

参考文献

[1]李昌颖.引力场与静电场的广延性与超光速原理[J].电子世界，2014.

[2]李昌颖.光分解与光振荡形式变换的探究[J].电子世界，2014.

[3]李昌颖.大推力量子发动机[J].电子世界2013，10.

[4]李昌颖.超导量子场推进技术在宇航领域中的应用[J].电子世界，2013，12.