这篇文章主要探讨四个问题,一是相对论的起源-迈克尔逊莫雷实验为什么出现条纹零移动。二是空间弯曲理论存在哪些问题。三是早期黑体辐射实验中为什么长波实验值高于维恩公式的理论值,这是催生普朗克量子公式的起因。四是催生出自旋概念的斯特恩盖拉赫实验存在哪些疑点。
文章有理有据,合乎逻辑,最重要的是足够通俗,没有阅读门槛。有点长,建议先收藏。
第一个问题,迈克尔逊莫雷实验为什么出现条纹零移动?
改变两条光路的相位差就一定出现条纹移动么?是的,大学里常见的迈克尔逊干涉仪就证明了这一点。一条光路固定,另一条光路随着旋钮轻轻调节,改变了微小的光程差或者说相位差,就出现了条纹移动,而且条纹移动是连续的,理论是只要光屏足够大,哪怕产生0.00001纳米相位差,都会有移动现象。那么一百多年前的迈克尔逊莫雷实验为什么没有出现条纹移动?因为这个实验并不像大学仪器那样基座静止不动,一条光路不动,另一条光路变化,确定无疑的产生了相位差,而是整套装置连同实验台面在水银上旋转了90°,是同时改变两条光路的方向。改变的是方向!
两位设计师认为,在地球公转速度30000米每秒的加成下,改变90°方向后会产生0.37个波长的相位差,而实际上,没有确凿的证据证明产生了相位差,因此也没有条纹移动,原因何在?因为他们忽略了一点,就是移动光源在各个方向上的波长并不是相等的。而在计算中,他们采用了固定波长590纳米来演算,这就是这个实验的关键错误。如果考虑这一点,定量计算,你会发现确实没有相位差,实验结果是正常的,并不诡异,也称不上是物理界的一大乌云。
这是早期认知的局限性,时代的局限性。
一个静止的光源,它各个方向上的波长是相等的。但是如果光源移动起来,那么它在各个方向上的波长是不相等的。
这一点,并不难理解。一个移动的光源,它身后的波长是被拉长的。如果它的速度从V1提高到V2,那么波长将会变得更长,λ2 >λ1,为什么?因为电磁波要保持连续的状态,它不会断开,也不应断开。
假设光源是稳定的,那么本征频率f不变,如此,后者频率与波长的乘积将会变大,乘积的差值会是多少呢?你可以试着思考一下。
它将符合一个等式。
λ2·f -λ1·f= V2 - V1
如果这么简单的道理都想不明白,那还是不要从事物理研究的好。
假设光源在静止时发出的光波波长为λ0,C=λ0×f。
当光源移动时,波长会发生形变,身后的会被拉长,前进方向上会被压缩,中间地带是个由长到短的递变过程。波长的形变量与光源速度息息相关,由光源速度来决定。速度越大,形变量也越大。这完全说得过去。
如果用公式来表达
相反方向上波被拉长,(λ0 + △λ) f = C +v。 此时波长最长,为λ0 + △λ
前进方向上波长被压缩,(λ0 - △λ) f = C -v,波长最短,为λ0 - △λ。
其中 △λ f=v,△λ代表波长形变量,它随着光源速度v的变化而变化,v变大,它就跟着变大。
中间地带上波长由长到短依次递减,形变量由速度在这个方向的分量所决定。
正中间位置波长为λ0。
换成通俗的语言,还是以光源向东,光线向西为例。
如果光源的速度是1000米/秒,乘积会变大,变成C+1000米/秒.
假设光源的速度提高了,变成了10000米/秒,那么光波被拖曳的更长,乘积随之变成C+10000米/秒。
假设光源的速度再次提高,变成了3万米/秒,同上,乘积变成C+3万米/秒。
但是这个乘积是个相对速度,是相对于反向光源的速度,是个相对值。
这句话应该重复一百遍。
无论光源的速度如何变化,波长总会对应发生形变,乘积(波长×频率)也会随之相应的发生变化,但是它们之间相互抵消后,任意一个光的完整波,以及任意光波上的一个片段,相对于空间的传播速度,恒定不变,恒为C。
人们总说光的速度不受光源速度的影响,至于为什么?原因语焉不详。这就是其原因,简单而合理。原创,但符合逻辑又易于理解。
理解了这一点再来看迈莫实验。迈莫实验为什么没有出现条纹移动?或者说,为什么旋转90°之后两条光路没有出现相位差?问题出在哪里?问题就在于没有考虑光源速度所产生的波长形变。在推算时是按照固定波长590纳米这个固定数值来计算的。
初始,钠光源随着地球同样以速度v运动,前进方向上(M1去程)波长满足(λ - △λ) f = C -V,同理,反方向满足(λ + △λ) f = C +V。垂直方向则是满足λf=C.
在下图M1光路上,光波的初始波长是λ - △λ,而光波追赶M1反光镜的相对速度是C-V,而这两者恰好符合正比关系。比例系数为f,即单位时间内的光波的个数。
同样,在被M1反光镜反射回的光路中,光波的波长是λ + △λ(这里删掉了一大段解释,自己去思考),光波相对于半透镜来说是迎头相撞,速度为C+V,它们之间同样符合正比关系,比例系数同为f,即单位时间内的光波的个数。
理解了这一点再看上图,由于波长的改变,速度与波长的正比关系恰好没有变化,因此如果两光路的长度L完全相等,那么两光路的波的数目是相等的,都是2k(2f)个波,方向的差异并没有造成波的个数的差异,因此旋转90度之后并不会变成2k+0.185个波和2k-0.0.185个波,波的数目没有变,也就没有产生波的相位差,没有相位差,所以明暗条纹也就没有移动。
另外这个实验有个明显的错误,当时的推算是按照地球公转速度30千米每秒,得出0.37个波长的相位差,这是时代的局限性。现在的人们已经知道,太阳还带着整个太阳系(包括地球)以220千米每秒的速度狂奔。如果按照整个太阳系的移动速度220千米每秒的话,相位差要增大许多,与实验结果更加不符合。
然而,如果按照上面的理论,不管速度V是按照地球公转速度30千米每秒还是按照太阳系整体移动速度220千米每秒,抑或银河系速度等等其他任何数值,结果都是零。
迈莫实验的原始推算分为了两步,一是先求时间差,二是根据时间差求光程差、相位差也就是波的个数差。而上述推论是只有一步计算,是直接推导单位时间内光波的个数差异,从理论上从推算出相位差为零,从逻辑上验证了迈莫实验条纹零移动是合理的,必然的。
如果能用经典物理,能用牛顿的绝对时空观解释迈莫实验,那么这朵乌云也就该消散了,狭义相对论也就失去了最牢固的实验依据。
还有关键一点,如果光源速度提高,身后的光波变长,假设仪器处于绝对静止,它必然会检测到这种变化,得到λ + △λ,但如果仪器同向前进,去追光源,那么接收到的波长就会变短一点。如果仪器的速度v提高到和光源速度v相等,两者处于相对静止状态,那么波长差消失了, △λ=0,所测波长还是λ 。同理,如果仪器在光源的前方,两者也相等速度,相对静止,所测的波长还是λ 。
如果想不明白这一点,那便算了。
迈克尔逊莫雷实验可以用静止空间和绝对速度来解释,但是如果仪器和光源同处于一个坐标系,同在地球上,处于相对静止的情况下,仪器360°环绕实测光源各方向的波长,是检测不到波长差异的,这也被各地的实验结果所证明。因此如果想利用这一点来验证上述理论是比较困难的。
有一个验证思路,就是光源向电子加速器一样环形加速,在圆圈切线方向的前后两端安装静止的仪器,来观测光源的光线波长是否随着速度不同而不同。
但我认为这一点是不证自明的,这个实验也没有做的必要。波长会随着光源速度的变化而变化,只要头脑正常,就可以想通这一点。
第二个问题,空间弯曲存在哪些不合理性。
关于空间弯曲,就不得不提起观测日全食的实验。实验数据“完美的”“充分的”标明星光在经过太阳表面时会发生完全,这说明了大引力场会导致空间弯曲。
对此,我深表怀疑,且不说这次实验数据存疑,被爱丁顿刻意择取,也不说此后几十年均未再观察到同样数值,只强调一点,太阳作为一颗活跃的恒星,表面充斥着浓厚的大气。星光从远处稀薄的空间进入到稠密的介质,难道不会发生弯曲吗?
光线从光疏介质进入光密介质,会发生弯曲,且偏向稠密的一侧,不是很正常么?如下图所示。
翻阅资料,并未发现当时考虑这一点。
这是我诸多原创想法之一,自从2019年2月提出以来,流传甚广,没想到最后竟然成了传播最广的一条。毕竟,它是如此的简单,符合常理。
所谓弯曲,我的理解就是偏离了原来的位置,或者说移动到了其他的位置。
假设两个相邻的空间中有一个弯曲了,或者说离开了原来的位置,那么原来的位置会变成什么?
实体?还是虚无?还是A空间也跟着弯过来?如果你仔细想想,在逻辑上都讲不通。
关于引力引起空间弯曲,最常见的解释如下图所示。
然而这只是一张静态的图片,而物体被天体所吸引、拖拽、捕获是一个动态的、连续的过程。你能想象的出空间被连续不断地弯曲变形么?空间连续不断地离开原先的位置,不断移动?
空间在两个星体之间产生,各自向星体移动,然后在星体表面湮灭?
中间处源源不断的产生,在星体表面源源不断的湮灭?不符合逻辑。
空间只是一种抽象的概念,怎么可以被物化,实体化?
使物体运动的明明是力,是引力在拉物体,怎么就变成了是空间弯曲把物体拉过来的?牛顿第一定律阐明力是改变物体运动状态的原因,怎么就变成是空间弯曲造成的?
引起光线弯曲的,应该取决于星体表面是否有稠密大气,火星与金星的弯曲理应不同,同等质量的恒星,活跃恒星和死亡恒星也理应不同。
炸弹爆炸后,内部的钢珠散开后,每一粒都在与其他钢珠远离,这能证明该处的空间在膨胀?在变化?
这个质疑是我第一次成文,第一次公开,可能文字间不那么严谨,但我想强调的是,你试着去想象空间弯曲的动态过程,试着独立思考。
第三个问题,为什么在黑体辐射实验中,长波实验值高于维恩公式的理论值?
首先,什么是黑体辐射,就是刨除外界的反射和透射,任何物体自身都会从表面向外辐射电磁波,并且这些电磁波种类不同(表现为波长不同),将这些混合电磁波筛分成一撮一撮的单色光,测其功率,就得到了辐射曲线。横坐标代表某种电磁波的波长,纵坐标代表(单位面积内)该种电磁波的功率。如下图所示。
举个简单的例子,就像把一个花瓶摔碎,碎片大小不一混杂在一块,把它们先分类再称重,个头大的并不是最重的,因为个头越大数量越稀少,个头小的粉末虽然数量多,但是每一粒的重量实在是太小了,结果,块头居中的某一类,总质量最大。
这也对应了上图,物体表面发射出无数根强弱不一的光线混杂在一起,功率最大的那一种光,既不是伽马光线,虽然它最强,但它数量少啊,打个比方,可能一平米就几百根,也不是无线电波,虽然它数量极其多,但是每一根都太弱了,弱到约等于零了。功率最大的是处于中间某个值的光线。为什么?虽然一根光线的功率P0(强弱)取决于它的频率,频率越高就越强,但是这一类光的总功率却是P0与这类光数量的乘积。
在强调一遍,一类光的总功率是P0与这类光数量的乘积。P=n P0
我认为这个极好理解。能理解了这一点就会明白瑞利金斯公式错在哪。很明显他们算错了这个物理量,在他们的公式里,电磁波的量(振子数量)是随着频率的升高而单调递增的,这明显是错误的。事实是,频率越高的电磁波,数量越少,是递减的。这是既符合逻辑又符合事实的。我实在不明白这么一个简单的错误为何能延续上百年而无人解释,更难以理解这样一个错误至极的公式缘何能代表经典物理的失败。
关于摔花瓶这个例子,严格来说并不是单次行为,整个过程是动态的、连续的、平衡的,你可以想象成瓶子源源不断的进入腔体,变成碎片出来,就像是黑体辐射,有多少能量进去就有多少能量辐射出来,黑体温度长时间维持在一个固定温度,既不升温也不降温。
怎么能使能量百分百的被物体吸收?照射?火烤?当然是通电,把电能直接输入到物体内部,既快速又容易控制。这也是黑体实验装置选择电加热的原因。至于通过小孔照射一束光,在腔壁反复反射直到百分百吸收,是不合理的,一是时间拉长,二是强度不够。
回归正题,可以看出,维恩公式在大多数波段都符合的很好,但是在长波波段,其实验搜集到的长波电磁波的功率,比公式的理论值要高。
为什么?因为长波电磁波在环境中到处存在,比如各种低温物体,比如人体发出的红外光,就是长波电磁波,而且长波的穿透性特别强,人体的红外波可以穿透厚重的混凝土墙体,被几百米外的仪器所接收到。又比如无线电波,可以跨越几千公里。
环境中的长波混入仪器,就会使得数值偏高。这是很正常的现象。就像上面的例子,如果把花瓶摔碎了,收集到的细微粉末会比理论值要高,因为背景环境中存在着一些细小颗粒。如果无法做到净空的环境,那么轻易的下定论说维恩公式在长波段不符合是不严谨的。
肯定会有人质疑,那些大科学家不比你能?会想不到实验误差这一点?当然会有人这样想,普朗克的好友-德国物理学家鲁本斯在面对长波实验值偏高时就认为是实验仪器的问题。有这种想法很正常,很合理的,当年黑体辐射的研究确实处于初级阶段,无论实验装置还是理论解释都处于起步、摸索的阶段。全世界能够进行黑体辐射实验的机构都寥寥无几。
为什么?在一百多年前,要测量黑体符合必须具备以下条件。
1.能长时间保持均匀温度的腔体;
2.能在跨度很大的温度上长时间保持均匀温度的腔体;
3.能在很大的温区内标定温度的温度计;
4.能在大的波长范围内工作的辐射(流量、功率)计;
5.具有好的波长分辨率的辐射计;
6.具有弱信号响应能力的辐射计。
在现实中,上述几个条件没有一个是容易实现的,这也是黑体辐射测量为什么研究机构那么少研究、时间跨度那么长的原因。在1900年前后似乎只有柏林的帝国物理技术研究机构(简称PTR)有这些条件。
节选自中科院物理所曹则贤的文章《黑体辐射公式的多种推导及其在近代物理构建中的意义(一) | 贤说八道》
下图是实验室环境
以及实验仪器
(左图) Lummer和Pringsheim使用的辐射计。辐射计基于热测量,入射的光被接收的金属片吸收,被加热的金属片的电阻由Wheatstone电桥精确测量。据说其温度分辨达10-7 K {曹泽贤:我对此说法存疑}。(右图)Lummer和Kurlbaum 制作的电加热黑体辐射源。
电加热黑体辐射源,这里也要强调一遍。
从1899年到1900年2月,吕梅尔和普林施姆一共重复做了三次实验,每次都出现了长波波段,实验值高于维恩公式的计算值。
当时 (Lummer) 和Pringsheim的实验和维恩公式的对照,如图所示。应该说,二者基本符合,维恩公式一时几乎就代表了完全的黑体辐射定律。仔细察看每一条等温曲线会发现,当温度较低或波长较短时,维恩理论(圈号,虚线) 和实验 (叉号,实线) 一致性非常好,几乎覆盖了整个可见光和近红外波段。然而,Lummer和Pringsheim同时指出,当温度和波长均高时,或它们的乘积λT够大时,就有微小的偏差产生,随着λT增加偏差亦渐增。如下图所示。
节选自《物理》2023年第四期文章《黑体辐射定律轶文遐思--从普朗克一百年前的一段话说起》,作者清华大学物理系陈难先教授、院士。
简单来说就是当黑体温度较低时,维恩曲线与实验曲线符合的很好。当温度升高后,开始出现微小差异,且温度越高,偏差越明显。
在775°、904°、995°、1095°,下面四条温度曲线可以说和维恩公式完全符合。如果非要套用普朗克公式的话,结果反而不符合!
只有在上面三条温度曲线,1259°、1449°、1646°,才出现了与维恩公式略微偏差的现象,才需要用到普朗克公式进行稍微修正。
因此,维恩公式不能被简单定性为长波区不符合,它是由符合逐渐过渡到了不符合!
为什么同样的操作者,同样的实验装置,出现了大约1200°以下维恩公式与实验值符合,1200°以上,开始在长波段出现微小偏差?
这张图大多数人没见过,这个问题恐怕更是鲜有人思考过。
有没有可能是实验过程或者说升温过程中产生了某个变量?
当然是有可能的。
虽然实验结果可以被重现,但是,一则实验次数太少,二则是同一个团队用的同样的仪器,如果,这个实验存在隐秘的问题而没有被发现,那么同一组人马用同样的设备,不管重复几次,结果也都是相同的。
那么,问题出在哪里呢?
问题大概率出在升温环节上。
因为当时的黑体装置是通过电加热的,通过导线给黑体加热升温,黑体温度越高,则输入功率越大,输入的电流就越大。这就要提到一个常识,在导体的某一限定电流以内,导体的温度基本不变,但是突破该限定电流,受到电阻的影响,导线的温度会升高,会越来越热,甚至烫手。这无需多言,这是一个常识,人们在使用大功率电器时经常会碰到电线发热的问题。很有可能,在1200度以下,电流尚小,导线还没有发热,所以实验的长波值符合维恩公式,但是在1200度以上,随着输入电流增大,导线开始升温发热,在这种情况下,发热的导线散发长波辐射,而长波辐射的穿透性强,难以阻挡隔绝,被辐射计接收到,势必会引发长波功率的数值偏高。
而且,这个偏差值并不是一个固定值,实验温度越高,电流就越大,则导线就越热,干扰就越大,散发的长波辐射就越多,偏差就越大。这,与实验现象“随着λT(T)增加偏差亦渐增。”十分吻合。
或者说自洽。
这是一种很大的可能性。逻辑上是讲得通的。
那么,如何来验证这一点?做对比实验,前期保持实验条件不变,后面的实验将导线大大加粗,使其可以通行更大的电流而保持常温且不变。或者说一开始就换成很粗的导线。如果偏差消失,上面三条的实验曲线因此与维恩曲线重合,那么维恩公式就可以证明是正确的!所谓的实验长波值偏高是属于早期装置的实验误差,若维恩公式全波段符合了,那么普朗克公式以及能量量子化存在的必要性就值得商榷了。
当年普朗克坚信师弟维恩的公式是正确的,潜心研究了五六年,一直在为维恩公式寻找合适的物理解释,并连续提交了数篇论文。1900年2月,在一次物理晚会上,吕梅尔和普林施姆拿着三次测量的长波数据当众发难,宣称维恩-普朗克公式(当时就叫这个名字)不能被实验所证实,普朗克依然坚持己见,他首先承认自己的理论有提升的空间,但是并不需要大的改动,长波值偏离理论值,那也只需要微调一下衰减项的幂指数系数(记住,这是一个铺垫,实际上后来他的公式也确实这么干的)。他接下来有一大段话颇为经典,就不赘述了。详情请观看B站博主昭昭有云的62分钟视频《决战乌云之巅--量子力诞生的曲折之路(物理百年风云18普朗克)》,第38分钟。这是一部极其优秀的视频,虽然立场不同,但并不影响我对它的喜爱,本人半年来听了已近百遍了。
转折发生在1900年10月,好友鲁本斯特地前来告诉他维恩公式是错误的,让他不必坚守,因为他自己也测得长波数值偏高。送走鲁本斯之后,普朗克根据他的数据最终对维恩公式做了修正。
上式是另一种形式的维恩公式,变量换成了频率,这个公式是由普朗克得出,这也是首次出现h和K两个物理量(出于对玻尔兹曼的尊重,K被命名为波尔兹曼常数)。下式是普朗克公式,普朗克在维恩公式的基础上做了微调整,在分母即衰减项上做了减一处理。本来维恩公式已经符合的很好,只是在长波波段与实验数据稍有偏差,比实验值略低一点。
分母减一带来两个结果,一是分母比较大时,-1几乎对结果没有影响,而在分母变得很小后,减一将会使得结果明显提高。
举个例子,当分母为十万时,1/100000与1/99999没什么差异,分母较小时,比如1/4变成 1/3,后者有了明显的提高。
这也就导致当频率较高,分母较大时,修正后的数值几乎不变,而频率较低(波长较长)分母较小时,数值明显增大。
最终的结果就是,普朗克曲线与维恩曲线相比,前面的曲线几乎没动,后面的曲线有了显著的抬升。这样,实验值就与理论值(普朗克公式)符合了。
客观来讲,这不像是一次伟大的创新,理论的颠覆,这更像是一次微创新,或者一个数学技巧。
这并不是科学严谨的研究方法,人们应该去探索数值出现偏差的原因,而不是修改一下公式,让公式和偏差后的数据相吻合就万事大吉。这是掩耳盗铃的行为。如果这都值得推崇,我那是不是可以在现在所有的物理公式上加上一个系数,根据实验结果的偏差特点,加上一个比如1.000001或者0.9999999的系数,以使得比原公式更符合实验数值?当然不可以,这完全是一种错误的、无法服众的行为。
另外分母减一就完全符合了?那可未必,这个数值1完全可以继续精进,精确到比如1.00301,我要拿出这样一个更精确的数值是不是就可以推翻普朗克公式了?
普朗克为什么不继续精确下去?因为他还要为他的振子熵找到物理意义,单单一个整数1就已经让他想破头了,他新论文里的振子熵,熵的二阶导出现的极其突兀,完全就是硬凑出来的,从新公式倒推出来的,没有任何物理意义可言。(昭昭有云视频第44分钟)
实际上,当年普朗克拿结果倒推的做法遭到许多物理人士的不屑与反对,这是事实,是众所周知的。然而我想说的是,这份结果并不靠谱,鲁本斯测量黑体长波的剩余射线法,后来被证明并不准确。(详情参见陈难先先生的文章)
在被Lummer和Pringsheim当众质疑后,普朗克已经隐隐动摇了,于是鲁本斯的实验数据成了压倒普朗克的最后一根稻草,迫使他放弃了坚持数年的维恩公式,从而对维恩公式做了微调整,衍生出了普朗克公式。当然,这件事中最为气愤的还是维恩本人,普朗克为此专门写信致歉...
后人知道鲁本斯的数据不可靠,但当时的人们却并不知晓。鉴于鲁本斯的地位和声望,人们并没有怀疑数据的准确性。
历史给物理人开了一个大大的玩笑。当错误一旦铸成,再纠正起来实在是太难了。量子力学后来蓬勃发展,枝繁叶茂,难以撼动了。 不过,普朗克虽然开创了量子力学,但是他对后来量子力学的种种学说还是难以接受。他曾如此评价量子力学:一个新的真理并不能通过让反对者信服就获得胜利,而是要等到反对者都老死以后,成长起来的新一代人都对它习以为常。
事实也确实如此,当反对的中坚力量都老去之后,大家逐渐对量子力学习以为常,尽管荒谬尽管不符合逻辑,却仍然占据了主流,鲜有人再质疑。即使质疑,也多是浮于表面,而非深入根基。
量子力学不是被大量实验所证实么?nonono,这明显搞反了顺序,是先有的实验现象,再有的量子解释,有些解释则过于牵强附会。这与牛顿经典力学可以准确预测结果是不同的。
如果量子力学被证伪会怎样?不会怎样,世界照常运转,只不过一些现象需要换成另外的理论来解释罢了。
第四个问题,衍生出自旋这一量子力学基本概念的斯特恩盖拉赫实验存在哪些疑点?
1,这个实验的实验现象一开始是清晰的左右分裂的,并不是上下分裂。这是公认的。如下图
盖拉赫第一次得到清晰的实验照片后,就迫不及待的给波尔寄出了这张明信片。他们事后一定很后悔,这也为揭开这个实验的真相留下了张最至关重要的证据。
为什么后悔?因为,后来他们一定是意识到了,这并不是他们想要的结果,他们想看到的并不是左右分裂,而是上下分裂!他们设计垂直磁场呈现上下方向的梯度差异就是为了得到上下分裂的结果。这并不是他们想要的结果!众多资料记载,在出现清晰的左右分裂之后,他们并没有停止实验,而是继续对实验进行调整,最终,屡次调整之后终于上下分裂了。
但很奇怪,上百年过去了,关于上下分裂,没有一张清晰的照片证明这一点,全是示意图。全是示意图,全是示意图,既包括当年的实验,也包括后来的级联实验。
这个太奇怪了。最原始的实验资料据说被盟军轰炸德国时焚毁了,但是后面众多的实验也没有公布清晰的分裂图像就太奇怪了。
做了哪些调整呢?在没有加上电磁场时,先让图像由竖变横,很简单,我也可以通过改变实验条件把它做出来,只要把通过的第二道狭缝由竖变横即可。
这里要先明白一个问题,初次的图像为什么是竖直的?那是因为气体的弥散作用。本来垂直的双狭缝设计(准直结构)可以把固体粒子的运动轨迹缩小成一条直线,在屏上只留一个点的印迹。但这适用于固体粒子而非气体粒子。蒸气态的银原子在通过第一道水平狭缝之后又上下扩散了,所以通过第二道竖直狭缝后留下了竖直的印迹。
把先水平后竖直的顺序调整为相反,使其先竖直后水平,就可以在不加磁场的时候得到一个水平的印迹。史料记载他们调整了准直结构,但没有详细说明如何调整的,看到这里我会心一笑。这里是不便说明的,提及这一点很容易显现他们刻意追求其他结果的动机。
在这里还是要插一个说明,第二条狭缝为水平是可以理解的,但是,在某些示意图中,前后两道狭缝都是水平布置,这就明显是搞错了,这样就失去了准直的意义。在某些示意图中,还有的描绘成分裂成上下两个点,这也是错误的。
但是,如果只是调节狭缝顺序,没有增加其他变量的话那么实验结果应该还是左右分裂的。那么再调整狭缝的宽度,使得印迹变厚,或者说横线变粗,这样加上磁场后的分裂或许还有点上下分裂的影子,我简单的画了张粗略的草图。
左右分裂的同时中心或许能产生一些空白,看上去像是上下两层,但中间竖直的空白,昭示着其本质还是左右分裂。所以,如果出现这种图像还是不适宜公布的好,因为并不能服众。
还有一种做法就是将整套装置旋转90°,包括磁场的方向,这就很容易从清晰的左右分裂变成上下分裂了。但这种做法也就从欺瞒升级成造假了。
2,如果换成匀强磁场,还会不会分裂?这是关系到实验性质的关键对比,很可惜,由于极度缺乏资金,这个对比实验并没有做。
这其实是关系到整个实验正确与否的关键。。
斯特恩想当然的认为不会,所以这个对比实验没做,没有制作相应形状的电磁铁。
3.传统认为,由于银原子整体呈电中性,所以通过磁场时就没有受到洛伦兹力的影响。这属于强词夺理,电荷是数量相等,电性相反,但是处于原子核中心的正电荷和核外的负电荷,它们的线速度并不相同,它们所受到的洛伦兹力不同,怎么会抵消为零?
两个质量相等的娃娃坐跷跷板,一个坐边上一个坐中间,他俩能够实现力平衡?不能。
结果一群人跑出来说他们俩质量相等位置相反,两个重力相互抵消,这种力就不用考虑啦。
这不是强盗逻辑么?
实际上,如果考虑洛伦兹力的话,如果你伸出你的左手比划一下,你会发现,银原子的洛伦兹力受力方向分别为向左和向右,恰好可以解释左右分裂。
其实,氢原子也可以做这个实验,如果把氢原子的模型放大,放大成篮球大小,球中心一个正电荷,球表面一个负电荷,球体在高速旋转中在匀强磁场中直线前进,那么两个电荷所受到的洛伦兹力是不相等的,因为线速度并不相等,球外侧负电荷所受到的力远大于正电荷所受到的力,这个力也主导了球的受力,球的运动轨迹。也会出现左右分裂现象。
而且,外侧负电荷的旋转速度和整个球的直线速度方向相同时,两速度叠加,受力更大,方向则是向右的,这与初始的左右分裂图像中,向右偏转的轨迹更明显更突出是完全相符的。
或者说是自洽的。从逻辑上是讲得通的。
这是我的理解,是我从经典力学范畴得到的我认为还算合理的猜测。我是真的不愿妄加猜测的,因为真正要做的不是猜测,而是出示清晰的照片使大家信服,而是补上匀强磁场的对比实验,如果在匀强磁场中还会出现左右分裂,那就说明这个实验是错误的,自旋这个概念是错误的。所有基于自旋的概念都是需要推倒重来的。
我不认为这是对现下物理世界的破坏,相反,这是所有物理人开辟各种新理论的契机。
还有,如果维恩公式是正确的,它里面暗含了两个未知的物理量,一个是一根频率为v的电磁波的功率P0,它是包含v的单调函数,另一个则是这种电磁波的数量n,即一平米有多少根,它是包含e的衰减项。单位面积上单色光的总功率就是这俩的乘积。
它俩有一个简单的反比关系,频率越大,数量越少,理解了这一点就会明白为什么黑体辐射公式里会出现一个包含e的衰减项。当然,这种关系肯定是非线性的。
如果,这两个物理量你能正确的拆解出来,有理有据令人信服,那么未来n这个物理量可以以你的名字命名,或者你和你的伙伴的。
刘顺国 第三版
2024.5.28夜