讲 稿 一

  同学们:大家好! 自我介绍(略)
  科学总是不断地向前发展——这是一句常用的话,说起来堂皇,听起来舒服。推敲起来这句话还有一层意思:发展就是开发进展、弃旧迎新。即我们现在在校所学的某些理论,可能是即将淘汰的旧科学、可能就是伪科学。这听起来就不那么舒服了。
  有人会说我们今天学习的物理经过千锤百炼,已经很完备了。其实未必,物理,物理物之原理,今天的物理学既解释不了水、也解释不了火。——地上的水来自于天上的雨,水蒸气在空气之中不到千分之一,这些水分子如何找到同伴,如何相聚成雨的?火为什么是红色的?有的火为什么又是蓝的、白的?
  我们今天学习的物理多是传承、少有创新,创新就是求真探索,让理论更加接近事物的本质、少一些主观臆断。
一、一个实验

  我们先回顾一个历史上著名的物理实验:16世纪末,伽利略在比萨斜塔上同时释放了一重一轻的两个物体,这两个物体同时落地,从此砸碎了亚里士多德的重的先落地的理论。
  亚里士多德是当时前无古人的科学泰斗,人们对他崇拜备至,无人敢存疑心。然而当时就有这么个26岁的年伽利略,对亚的理论进行了反思,他首先进行了自由落体的脑力探索:
  设想有一重一轻的两个球,把它们用短绳连起来,按亚的理论重的落得快、轻的慢,则慢的拖着快的,它们的合速度会慢点。(结论1)
  又:两个连起来形成一个比重球更加重的物体,按亚的理论更重的物体会落得更快,所以它们的合速度会比一个重球更快一点。(结论2)
  显然这结论1和结论2是相互矛盾的,这说明亚的理论有问题。于是才有以上这流芳百世的实验。我讲这个故事一是想强调逻辑思维的重要;二是强调科学的仲裁是事实而不是某具有权威的个人。
  有人说现代的物理学已经很完善、研究得很透彻,不会出现亚那样的失误,我看未见得。现在在技术上人类已登上了月球、制造了每秒万亿次的计算机,在理论上却解释不了小草上的露珠是如何形成的,这不是人类不够聪明,而是某些基础理论形成了障碍。例:现代教科书上写到:“金属是靠其内部的自由电子传热导电。”一百年来人们都这么说,事实真是如此吗?
  脑力探索是科学求真的先驱,它只用一个聪明的头脑、广博的知识,是最便宜最锐利的探索工具。我们现在就来试用这个工具。
  金属是能传热导电,但传热缓慢导电神速:拿一根一尺长的铁丝在炉火上烧,几分钟后前端烧红了,烧了20分钟,我还能还能拿着它;但我不敢拿这根铁丝去插入电源插座的插孔里,因为不到0.0001秒,电就能传导到人。传热与导电二者相差上亿倍!自由电子如何同时具有快如闪电又慢如蜗牛这两种运动性能 ? 这虽然没有亚理论那样逻辑上的错误,却有悖常理,我只是感觉其中有问题。这快与慢是一对矛盾,中国古代哲人就有用汝之矛刺汝之盾的妙思,于是就效法古人,让矛和盾同时上场。设计了个实验——让金属在传热的同时导电,其装置如图:
 
图1.
  漆包线在两个感温头上各缠绕了40厘米、在烙铁头上缠绕了10圈。先把电烙铁烧热(约400 C°),导通电流后,电珠发光,电珠电阻丝上的温度至少有600--800 C°。如果金属是靠自由电子导电,那么从电阻丝高温中流出的应该是"较热的自由电子",图(A)中右边感温头的温度读数就应该较高。把电池反向后 ,(A)左边感温头的温度度读数就应该较高。
  然而事实是,不管是接通还是断开,不管是正接还是反接,两个测温计的读数基本没有差别。得出的结论是:电子是不传热的。即电子自身不能携带温度。因而那种靠电子传热、靠"自由电子"传热的说法是错误的,金属是靠自由电子传热的理论是一个流传了近百年的错误。也就是说电子传热的理论是臆造的。
  我们每天使用的电脑、电视的显像管,其荧光屏上的图像是电子的打击产生的,电子来自温度大于800 C°的阴极。一天下来,至少有万亿个电子打在屏上,若电子传热,此时的荧光屏至少也有个100 C°,不烫手起码也是个热的,然而这种现象从来没有发生。
  有条件的实验室还可以用更大功率的灯泡、更高电压的直流电源来做同样的实验,还可以用更精密的仪器测量,或接上大的平板电容,让“热”电子聚集在平板的一侧,图1(B)用温差电偶测温仪进行精密测量,结论我想是相同的。
那么金属是靠什么传热的呢?我想把这个问题先放一放,这不是卖冠子,因为我们连什么是温度?热的实质是什么?这个问题都没有搞清楚。
  教科书上写到,温度就是物质的冷热程度。这个提法是对的,但是较肤浅,还应从核外电子运动的深层去认识热、认识温度。

二、温度
  物质在不同的温度条件下有不同的表像,物理学中把物质中凡是跟温度有关的现象都叫做热现象。教科书上写到“热现象是大量分子无规则运动的表现。”这是值得商榷的。
  因为无规则不能导致规则,一阵乱风吹过棉田,能把棉花吹成布?我们地球上的花开鸟鸣、潮汐台风、暮鼓晨钟无不源于、服从天体有规律的运动,即我们周围世界琳琳种种的规律必然源于且服从更深层的有规则的运动。
  再来看看我们身边的物质,我们面对的正是一个极有规则的物质世界。在物质世界中:常压下的水在0℃结冰、100℃沸腾;纯度相同的金属其强度、硬度、导电性能惊人的一致;大部分物质都有其固定的熔点、沸点;超导物体一定要到临界低温,超导才能发生。这极具规律的表像不会是孤立的,必然源于且服从更深层的有规则的运动。
  哥白尼的天体运行理论、门捷列夫的元素周期表以及无数科学成就表明:自然的法则是极有规律的。正因为客观存在着这有规律的法则,遵循自然的法则探寻自然的规律才有可能获得成功。相反,回避自然的法则、回避运动的规律、回避事物特性与运动之间的联系就会把科学引进死胡同。
  然而近一个世纪来,人类在刚刚窥测到原子、电子所作的假说——“电子云”理论、“热振动”理论、“测不准原理”束缚了了人们对物质规则运动探究的思路。于是形成回避物质的(核外电子的)运动,去研究运动着的物质,在物质科学就出现了这么个怪圈:有规则的现象要用无规则的运动来作解释;用无规则的微观运动去推导出有规则变化的动因。严谨求实的科学竟要在无中生有中做文章,这种科研无异于缘木求鱼。从而导致了物质物理一百年来的诸多困惑。
  人们已经了解到物质是由原子构成,原子是由原子核及运转着的核外电子组成。核外电子的运动是物质世界最积极最活跃的部分。事物的运动决定着事物的特性,核外电子有规则的运动是构成物质各种特性的最基本的动因,物质所具有各种特性一定是源于且服从核外电子有规则的运动。按此思路进行探索,从而在物质的核外电子的运动与物质的构成及各种特性之间,建立其有机、必然、客观的联系。
  探寻核外电子是有哲学依据的,是近代物理学中的一段空白,是当代科学最有可能获得重大突破的前沿。
  我们先来看电子绕核运转的速率。尽管教科书上的“电子云”理论告戒我们,核外电子的运转是无规则的。然而大自然告诉我们,核外电子运动是有规律的,其速率是变化的,而且是随温度有规律地变化。她从古到今都在耐心地提示着我们,她是在火光中告诉我们的。
  火红的说明 几十万年前,人类发明了用火,橙红色的火焰伴随着人类进入了今天的文明世界,“火为什么是红色的?”这是几万年来一个恒古的话题。直到本世纪初,人们才用电子的跃迁放出“光子”,做出了初步的解释,但却放弃了进一步的探讨。这理论只解释了火光的形成,未能说明火光为什么出现各种颜色;未能说明火光的变化;更没能说明变化的各个阶段和细节。没能把外部的变化与内在的运动进行有机的联系。顺便说一句,电子跃迁放出的是光波不是光子。
今天,还有不少的小孩(学生)在问这个问题,火柴的火焰为什么是橙红色,而酒精灯的火焰却是蓝色?大人往往几句话就把这个问题打发了,殊不知这是大自然给我们的提示、是今天的科技前沿。
  我们先来看看火吧。一根燃烧着的树枝(或火柴)发出耀眼的火光,火旺时,温度高,光色黄亮,随着火焰的逐渐熄灭,温度逐渐降低,火光逐渐由亮黄变橙、变红、变暗红,最后火光熄灭,尚有余热,这说明余烬还在辐射红外光波。
  当今我们也可以用电阻丝或白炽灯泡来观察这一过程:随着电流的增大,电阻丝的温度逐渐升高,所发光的频率也由红外—红—橙—黄—白逐渐升高。
  人们已经知道,物质发出的光波,实际上是电磁波,电磁波的频率从微波、红外波、到可见光——赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫……由低到高。将以上几项物理现象联系起来,加以归纳,我们就可以得到下表:

火焰颜色: ……暗红色—红—橙—黄—蓝白—白(青蓝紫)……
光波频率: ←—低———————————高—→
火焰温度: ←—低———————————高—→
核外电子速率: ←—低———————————高—→

  从这一过程中我们不难看出,火焰由旺到熄,温度由高到低,其火光颜色由橙变暗,其光波的频率也由高到低。
这种颜色的变化与电磁波的频率的逐渐变化完全对应!这不是巧合,这说明物质内一定有物质随着温度变化而运动着的成分,而且运动时向外辐射着电磁波。物质中最活跃是什么——核外电子,而且电子运动时伴生着电磁波,高温时向外辐射电磁波。这就是大自然在昭示我们:物质中核外电子在运动;昭示着物质内核外电子运动的线路、速率是整齐一致的,是极有规律的。
  火光是由运转着的电子跃迁所发出的,这不同颜色的光是由不同速率的电子跃迁的结果,高温时电子高速旋转,跃迁发出高频光波;温度降低时电子速率下降,跃迁发出光波的频率随之下降,这说明电子的运转速率也是在紧随温度而变化。温度由高到低——电子速率由快到慢。于是,才有我们眼里的这由橙到红,由红变暗;反之,温度升高,核外电子的速率加快,这就是自然的火焰给我们的启示。
  有人会问:是温度升高使电子加速;还是电子加速使温度升高?其实从微观上讲温度就是核外电子的速度。教科书上说:温度是物质的冷热程度,这是一个广义直观的定义。如果把常态下的物质现象与物质的运动结合起来,进一步进行定义,那么:温度是常态下物质核外电子运转的速度。
  非金属物质玻璃、岩石等也同样有上述实验事实,这说明非金属物质内核外电子也有同样的运动规律。核外电子有规律的运动是物质的普遍属性。
  火焰除了红色以外还有蓝色、绿色,(如酒精灯,煤气炉的火焰)这说明其燃烧的温度更高,其中的电子运转更快,速率与蓝色光波的频率相当。就是同一火焰,如,蜡烛或火柴的火焰,其外部、内部、中部及下部的颜色也都不尽相同,实验证明,这也与其各部分的温度息息相关。
  有经验的炼钢工人,观察钢水的颜色就能估计炉内的温度。同时人们制成了光色测温仪和比色测温仪,用光色测温,这本身就说明物质在高温下发出的光波与温度(核外电子运转的速度)正相关。
  正是因为电子的运转速率随温度变化,才导致了物质的相态的变化。一般物质都能随温度的变化而形成固态、液态、气态,这些都是电子运转变化的结果。
  处在较高温度的物质向外辐射着电磁波,一定频率的电磁波也可以使被照射物质的电子运转速率增加,温度升高。这就是所谓的热辐射,实际上是电磁波的辐射。
  教科书说,高温物体向外辐射的红外线是声子(原子的振动)引起的。这是错的,设想一个物体在800℃时由声子辐射着红外波;到了850℃时就转由电子跃迁向外辐射红色的光波,多累啊!原子的质量可是电子的1800倍,能轻易的换来换去?今天医院所用的磁共振仪叫作核磁共振是错误的,因为在强磁场作用下并没有使原子核发生振动,而是使某些原子的核外电子的运转线路在外磁场作用下顺应调整。
  有人从声子入手研究相变,因为声子能随温度变化,但又是原子的无规则的振动。想从无规则中研究出有规律的相变,可能吗?一辈子一无所获。

  阳光问题 “温暖的阳光照耀着大地。”这是许多文学作品常用的一句话。然而,这句话是错的!至少是不确切的。因为阳光不是温暖的。
  “阳光怎么不温暖?我们在阳光下,冬天暖、夏天热。”是的,这是事实,这是因为在这里除了阳光,还有你,还有周围的物质。
  阳光是由太阳辐射出的许多不同频率的电磁波,纯粹的电磁波是没有温度的。不信?几千米的高山上的皑皑白雪就是证明:如果你在夏天的中午登上峨嵋山,此时你离太阳更近,应该感到更热,然而事实是,山顶的温度比山下还低十几度,所以山上出租棉大衣的生意十分兴隆。这是因为高山上空气稀薄、物质较少,由于只有较少的物质接受电磁波,因而温度也较低。所以地球上离太阳最近的地方总是白雪皑皑。
  有物质才有温度,故而,高处不胜寒,在太空中没有物质也就没有温度(接近绝对零度),在高空航行的飞机,也有一个防冻的问题。
  阳光(电磁波)只有照射在物质上,使原子核外的电子加速运转,物质的温度才得以升高。而且不同的电磁波的频率对不同的物质作用不尽相同。红外波的升温效果最明显,紫外波则不显什么热量。这还说明,一般物质的电子运转频率与红外波的频率相近。
  微波炉对食物的加热效果很好,而且穿透性很强。这说明食物——碳氢化合物的核外电子运转的频率与微波的频率相近。
  正如前文运动的观点中所说,既然是运动,则必然包含运动的线路和速率。如何求得核外电子的速率,怎样探寻电子的运动线路,是当代科学必须解决的难题。那种认为电子的运动是不可捉摸的;探寻电子的运动是没有意义的说教,是误人误己的。

  燃烧问题 在中学化学课上,我们了解到燃烧,燃烧是物质氧化反应的一种形式。碳燃烧可以形成一氧化碳CO,一氧化碳燃烧可以形成二氧化碳CO2。二氧化碳也是由碳和氧组成,碳和氧都可以燃烧,为什么二氧化碳就不能燃烧,而且还可以作灭火剂?
  现代文献上说,燃烧放出了热量,是焓的减少。那么什么是焓呢?焓是从哪里来的?焓给人的感觉很像是燃素,只不过是没有了重量,其含意有点象能量,但又不全是。为什么碳有焓,氧有焓,二氧化碳就没有了焓?焓听上去很高深,实际上什么也没说,焓也是一个唬人的包装。
  其实,从电子运动的观点来看,燃烧是因为氧气的核外电子的速率很高,它与燃料的原子结合时(氧化反应),必须降低速率,在降低速率时释放出电磁波,于是就表现出发光、发热。
  碳和氧结合,在氧不充分的条件下,形成一氧化碳。这时它们的核最外层电子之和有10个(6加4),核外电子的速率还处在较高的状态。如果氧气充分则形成二氧化碳。其核最外层电子之和有16个(二个8),三个原子结合成最稳定的状态,大部分的能量以电磁波的形式向外辐射了,电子速率维持在一个最低最稳的状态,再不能大幅降低。这就是定组成的制约,所以也就不会出现三氧化碳。
  这燃烧时发出的光、热能量,实际上是核外电子降低速率的部分动能。我们平时所说的煤炭、石油、酒精等的化学能,实质上都是核外电子的动能。从这种意义上讲,今天我们的汽车、轮船、飞机竟是由微小的核外电子推动的;火箭、卫星也都是由微小的核外电子送上天。亿万年来,太阳用辐射的电磁波加速了核外电子,形成了煤炭、石油,今天我们用核外电子的部分动能推动了汽车、火箭。自然的法则就是这么和谐简单。
  综上述,热能、化学能都是蕴藏在原子中核外电子运动的动能。这样,使得热能、化学能都归纳到动能的领域,使得能量的概念更加系统和谐。
  用电子运动速率的思路进行开发,人类有可能研制出清洁高效的新能源。

  呼吸 再看看我们人类和动物,时时刻刻都在呼吸,吸入氧气,呼出二氧化碳。从体积上看,吸入的和呼出的气体体积相等。从原子数量上看,吸入两个氧,呼出两个氧,还搭上一个碳,其意义何在?大自然给我们人类和动物有限的体内安置了这么大的肺和完善的呼吸系统,难道就是要做这赔本的事?我们确信大自然的作为是精确、精细的,是效率极高的。
  是的,从原子个数上看是亏了。然而从能量上分析,我们吸入的氧气,其核外电子的速率比呼出的二氧化碳的速率要高得多。人们在呼吸中所获取的就是这核外电子的速率——能量。氧把较高的核外电子速率传递给了人体内的原子,使这些原子获取了能量,从而使细胞充满活力。人和动物时时刻刻都在呼吸,从呼吸中所获取的能量比食物中所得到的要多得多。
  一般人每分钟呼吸8升空气,我用比较法算了算:一升空气中的氧氧化成二氧化碳后约能产生2000焦耳的能量,一个人活着的功率是2000x8/60=266(w)。
  当然我们必须吃进食物,其中一个重要内容是从食物中获取碳,以供我们呼吸。医学专家应当研究一下碳在我们体内的循环,碳循环涉及到人体的几个系统。
  秋天,一头大熊吃得胖胖的,身体充满着脂肪,体重达300公斤。冬天,大熊躲进了树洞,不吃不喝,保持着微弱的呼吸,进入了冬眠。一个冬天下来,胖熊变成了瘦熊,体重减少了三分之一,在此期间它没有排泄、没有出汗,100公斤的重量到哪里去了呢?——被微弱的呼吸呼出去了!脂肪的主要成份是碳氢化合物,脂肪里的碳都被呼出去了。

三、黑体辐射问题
  早在19世纪,科学家就开展了对辐射的精细研究,并由此导致了今天热门的量子理论。
  为了研究辐射,科学家精心设计并制作了一个装置--黑体辐射。它的结构示意如图2-1A所示:在密闭的黑体内钻一小孔,黑体所受到的热仅只能由此小孔向外辐射。经过多次精细的实验,得到了图2B所示的温度、辐射频率及辐射量的曲线。
公式:                  A    图2        B

  面对这样的曲线,学者们发挥自己的数学才能,运用数学表达式来拟合这条曲线,(即寻求一个数学表达式,在此公式代入相应的值后,所绘制出的曲线与实验曲线相符。)其中著名物理学家普朗克所写出的数学表达式与实验曲线拟合得相当好,可以说是天衣无缝。但是,普朗克先生的公式中,代表能量的数值不能是连续的,而必须是一个最小值的整数倍,这个最小值就是普朗克常量。数学表达式一般是客观实在的反应,普朗克常量表达了微观世界的实在,于是也就把科学带入到了量子时代。
  物质的电磁波的辐射由何而来?是由于外界温度较低,核外电子就发生跃迁,向外辐射电磁波,同时自身的速率降低一个档次。由于宏观的电磁波辐射是无数单个核外电子集合,而单个核外电子的每一次辐射是自身一次跃迁所辐出的,是一份一份的,其能量的变化也是一级一级的,所以是量子化的,普朗克常数就是反应了这个客观实在。
  反之,当外界温度较高,无数个核外电子就吸一份一份收外界辐射的电磁波,使自身运转的速率向高速跃迁,宏观的表现就是提升自身的温度。
  普朗克的量子理论吸引了人们的注意,其实这条黑体辐射正向人们揭示物质构成的更多信息。在这条曲线旁还有两条虚线,这是人们根据已有的知识对黑体辐射的猜想。
  在图3-1B中,横坐标是辐射波的频率,纵坐标为单色辐出度(在某一频率下所辐射的能量)。实验曲线的开始段,随着辐射频率的增大,辐出度随之增大,于是就有人按照已有的分子热运动的公式计算,绘制了一条左边的虚线。若依照这条曲线,频率越高辐出度越大,当频率高到了紫外线或X射线,辐出度达到更大值,如果事实真是如此,地球上的一切生物都要遭受灭顶之灾,在科学史上,人们戏称这条曲线为"紫外灾难"。幸亏事实上实验曲线到了中段变缓、变平,到了极大值辐出度随着频率的增大而下降。
紫外灾难"曲线: 把E=kT代入得:

  "紫外灾难"曲线失败了,败在何处?有人说这是经典理论的失败,不对!这条曲线是由当时的物质理论--分子的热运动推导而成。这正说明着分子的热运动理论暗藏猫腻,热辐射不是分子振动所发出的。这正是人们反思物质理论的绝佳时机,可是学者们至今都没有去探究实验中为什么会形成这样的曲线。面对困惑,学界没有认真去反思以往的物质理论、没有认真去反思分子热运动理论,而是关注普朗克公式中能量的不连续,刮起了一股否定经典理论之风,坐失了探寻物质内部构成的良机,使有问题的物质构成理论沿用至今。
  按现行的物质理论,不考虑物质的核外电子的运动,不考虑核外电子的运转速率、线路和跃迁,仅以分子的热运动理论是解释不了这条优美的曲线的。按现行的分子热运动理论,温度越高,分子的振动越加剧。这一理论正是紫外灾难的根源,紫外灾难没有出现,正说明分子热运动理论的错误,这一理论在上一世纪就应该寿终正寝,奇怪的是今天的学界仍然袭用着这一导致灾难的理论,另外又在微观领域建立新的学说。
  实验中出现的这条的曲线,是因为:实验中的黑体,不管它是什么材料制成的,它总是由物质构成的,物质原子的核外电子总在不停的运转着。当外界温度高于物体(黑体)温度时,物体吸收电磁波,核外电子速率增加,向高速跃迁;当外界温度低于物体温度时,核外电子向低速率跃迁,物体发射出电磁波辐射。核外电子的运转速率就是横坐标中的频率,在这一频率下的辐出度就对应得到纵坐标上的一个点,物质的核外电子在不同的频率下有不同的辐出度,把各种频率下的辐出度的点连起来,于是就得到了这条优美的实验曲线。
  图中曲线表明,核外电子在不同的转速(频率)条件下的辐射量是不同的,在不同的温度环境下辐射量也发生变化。这说明,核外电子的运转速率是随外界条件不同,在一定范围内变化,这种变化不是线性的,核外电子发生跃迁只是在某频率段最积极、最活跃。在低频和高频段跃迁减弱。这是自然赋予的规律,所以也就不会发生那种"紫外灾难"。
  今天我们讲了三个实验,第一个实验证明:金属内的电子是不传热的,流传了一百年的金属中靠自由电子传热的理论是臆造的。第二个实验就是一根火柴,说明核外电子的运动是随温度有规律地变化的;有规律的现象必源于更基础的有规律的运动。第三个实验物质受热电磁波的辐射是有规律的,这也是核外电子运转的规律。
  谢谢!   
2003-11-19