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量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

2019-01-11  sijin2013

司 今(jiewaimuyu@126.com)


量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

量子力学无疑是20世纪最成功的力学,但其成功背后也埋下了诸多物理学隐患,如传统世界的因果论已不存在,物理规律确定性的丧失,物理机制与模型的模糊、物理数学化日趋严重、物理新概念层出不穷等问题,这些都严重违背了人们以往对物质世界认识的常理。

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

难怪量子鼻祖玻尔曾说,“所有不为量子力学感到困惑的人,都是没有真正理解它” 。

量子力学发展也存在一种“滞后”现象,即一种新粒子实验现象出现时,量子力学往往可能无法解释,但它通过补充一些“新概念”又可以解释这一现象了;也就是说,量子力学像是一门“马后炮”学科!

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不过,量子力学始终抓住了基本粒子“自旋与自旋磁矩性”这一微观粒子本质问题,总会使量子力学理论在新实验验证与解释中“屡试不爽”,因为微观粒子客观上就是自旋与自旋磁场并存的“非经典粒子”。

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我对量子力学对一些物理现象的描述是深信不疑的,只是她描述的方法、方式有点“晦涩”、“蹩脚”罢了,但这不能否定量子力学存在的巨大物理价值及意义。

量子力学脱胎于经典物理学,而我们的经典物理学又存在诸多缺失或缺陷,因此,量子力学一方面想融合经典力学,另一方面又不得不去弥补经典力学缺失或不足的部分,故而会表现出与经典力学“若影若离”的尴尬局面,“新概念”层出不穷问题也就在所难免了。

下面我就从以下几个方面来剖析量子力学“为什么会出现新概念层出不穷的现象?”,以供大家参考、交流与讨论。

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1、十九世纪前、后对粒子属性的认识存在巨大差异

19世纪初,当物理学真正进入微观领域后,我们用牛顿力学体系所建立起来的质点、粒子理论就与我们实验观察到的微观粒子运动现象存在明显出入,最显著一例就是经典粒子通过小孔或窄缝时作直线运动,而微观粒子通过小孔或窄缝时却会作“转弯”运动,即衍射现象。

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我们认为,出现这种差异的根原在于经典粒子是没有自旋和自旋磁矩的“宏观”粒子,且经典“小孔”或“窄缝”空间也不存在磁场;微观粒子则不同,它们不但有自旋和自旋磁矩,而且由带有自旋磁矩的粒子如电子、质子、中子等组成的“小孔”或“窄缝”空间,在较小范围内也会表现出一定的磁场属性;当这些带有自旋磁矩的微观粒子通过该磁场空间时,就必然会产生像电子通过磁场时会发生“转弯”一样的运动,这就是微观粒子通过磁场时普遍存在的所谓“洛伦兹运动”和受磁场梯度力的现象。

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但是,经典物理学,包括牛顿力学、经典电磁学等都没有涉及这方面问题,自然我们对它们的描述就无法再用经典物理理论概念了,于是就出现“量子”、“自旋”、“自旋磁矩”、“物质波”等非经典力学概念。

同时,我们还应该看到,在17、18世纪,由于人类研究物质的工具手段落后,对微小物质的物理特性也就不能够进行细致全面的观察、研究,故对微观粒子的认识只能局限在经典力学范畴内,认为粒子运动应遵循经典力学理论,这就是经典粒子概念的内涵。

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但是,到了19、20世纪后,随着科技水平的发展,人类能够在在纳米级水平上做实验,研究原子、电子等更微小的粒子及其特性,这时我们就发现微观世界的粒子属性与经典粒子属性存在很大差异,具体表现就是:

1.1.粒子属性差异

经典粒子:只有平动,没有自旋,也没有自旋磁矩存在,它们的运动完全遵循经典物理学运动规律;

量子粒子:有自旋、平动,且有自旋磁矩存在,它们的运动往往不符合经典物理学运动规律;

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1.2.空间属性差异

经典粒子通过的小孔或窄缝,空间范围较大,没有磁场存在;

量子粒子通过的小孔或窄缝,空间范围较小,有一定的磁场存在;

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1.3、运动状态差异.

经典粒子通过小孔或窄缝空间时,表现出直线运动性;

量子粒子通过带有磁场的小孔或窄缝空间时,表现出曲线运动性;

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从上述几种差异中可以看出,我们不可能再用经典力学概念来描述现代微观粒子运动,为此,就必须创造出一套不同于经典力学的“新概念”来描述微观粒子运动,比如,我们说:“经典粒子是相对于现代粒子的一个概念,指的是不具有量子性质的粒子,也就是说不具有波动性、不服从海森堡不确定性原理。

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具体地说,经典粒子的位置和动量(速度)可以同时被准确的测定、具有确定的运动轨迹,并且经典粒子的热力学统计规律服从的是麦克斯韦-玻尔兹曼分布。

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相对的,现代粒子指的是具有量子性质的粒子,按照海森堡不确定性原理,它的位置和动量不能同时被准确地测定、不具有确定的运动轨迹,其运动规律由波函数来描述(具有波动性),并且现代粒子的热力学统计规律服从的是波色-爱因斯坦分布或者费米-狄拉克分布。”[1]

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从这段描述中可以看出,新概念、新原理的涌出就是为了阐述微观粒子运动与经典粒子运动存在差异而制定的。

不过,这里要说明:粒子本不分什么经典、非经典,只是我们观察的角度或深入的程度不同而已。当然,所谓宏观、微观之差别,也是相对概念;就拿经典物理学研究宏观粒子来说,在现实生活中,经典粒子运动能得到宏观意义上的验证和应用,因此,该理论就可以被认为是正确的;但当我们用研究经典粒子运动的方法去研究微观粒子运动是就会产生很大的误差,这说明经典粒子理论对研究微观粒子运动已失去作用,然而我们不能因此就否认经典粒子理论在宏观意义上应用的价值。

所谓“经典粒子经过狭缝的时候会沿直线运动”的结论只是我们站在宏观角度的看法,但这并不与“微观粒子具有曲线运动的属性,即存在所谓的‘波粒二象性’”存在冲突。

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

虽然量子力学认识到经典粒子与微观量子粒子的属性存在差异,但它没有意识到空间属性也存在差异,从而造成其运动状态出现不同;也就是说,量子力学仍把小孔或窄缝看作是没有磁场存在的“经典小孔或窄缝”,这样,当带有自旋、自旋磁矩的粒子通过“经典小孔或窄缝”时就不会对粒子运动产生磁场影响,即微观量子粒子通过“经典小孔或窄缝”与经典粒子通过小孔或窄缝的运动处境完全一样,这其实就与把微观量子粒子与经典粒子“等同”了的做法。

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

用“经典粒子”概念去看待“微观量子粒子”通过“带有磁场的小孔或窄缝”,或用“经典小孔或窄缝”概念去解读“带有自旋、自旋磁矩的量子粒子”通过其空间的运动,都必然会得出“波粒二象性”结论来。

可见,量子力学“波粒二象性”认识的本质还是没有完全摆脱牛顿经典粒子或经典小孔空间概念的影响,其描述的物理过程就是给经典粒子概念装一个自旋和自旋磁矩的外套,并配备一驾“机械波”式的马车,让它穿越经典小孔或窄缝的思考隧道,可关键时竟忘了非经典小孔或窄缝空间也具有磁场性。

微观粒子“波粒二象性”揭示的是带有自旋磁场的量子粒子通过小孔或窄缝磁场空间时,会产生“光子洛伦兹运动”,其物理意义是:经典粒子+自旋+自旋磁矩+磁场空间—→磁场平面内“洛伦兹运动”+磁场梯度下“的自由落体运动”—→粒子运动的“波粒二象性”,对此,施特恩-格拉赫实验可以给我们有益的启迪!(具体论述请参阅司今《波粒二象性的本质》一文)。

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2、量子力学是一门“实验物理学”

物理学发展史告诉我们,物理学理论体系的建立存在二种方式:

(1)、首先从公理、假设出发,定义出若干物理量,通过数学演绎推理得出若干物理定理,再将这些定理运用到解决实际物理问题中去,由此所建立的物理体系称作“公理物理学”体系,如牛顿力学体系、爱因斯坦相对论力学体系等。

(2)、首先从实验、总结出发,根据需要定义出若干物理量,建立一定的数学模型,然后用于去解释其他物理现象;若有偏差,则再引入新的物理量定义或修正数学模型......如此不断修正而建立起来的物理理论体系称作“实验物理学”体系,如经典电磁学、量子力学等。

牛顿力学体系是从公理(三定律)体系出发,先确定质点所在位置,再通过定义速度、加速度等概念来研究引起物体状态变化中力的问题;

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狭义相对论力学体系则是通过光速不变假设、结合相对性原理,运用洛伦兹数学变换推演,得出质量变化、质能守恒公式,以此来解决微观粒子或宏观物体高速运动问题。

电磁学是一门实验科学,它的一些理论不是从粒子运动的物理机制上得出的,而是通过对电磁实验现象的描述和总结中得来的,由此建立的理论是一种“唯现象理论”;

量子力学也是如此,它首先是从实验出发,确立量子概念,再引入波动理论来研究自旋粒子的运动问题,因此,量子力学也只能算是一种“实验力学”或称“现象力学”。

实验力学体系是由实验现象描述与总结而建立起来的理论体系,这种理论只能随着实验的完善和科技的发展而随之改进,其中,就必然会“制定”出许多“新概念”来。

通过上述比较,我们可以看出:

(1)、公理物理学体系有一个突出的优点,就是它对物质运动的描述有可预知性,且强调物体运动变化所遵循的物理原理前后统一性,即讲究物体运动形成的物理机制;其缺点是,当物体运动条件发生变化时,往往会出现不符合该体系“制定”的运动规律;这时就要求适时修改或完善原有的运动规律描述,以符合现有物体初始运动的条件,但目前物理学在这方面做得是不够的!

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如,牛顿万有引力G值测定问题,卡文迪许测定G值时用的二个铅球是处于静态的,但当它们处于自旋态时,测得的G值就不同,关于这方面实验,江西朱永焕老师作了较全面的验证;同时,温度变化也会对G的测定值产生影响等等,这说明牛顿万有引力G的适用是有初始条件限制的,运动公式成立的初始条件发生改变,牛顿万有引力的描述形式也就要作适当调整,但这不能否定万有引力的普遍存在性;同时,我们还应该看到,万有引力只是一种静态场理论,对于运动物体(如自旋与平动)而言,万有引力的G会不会产生变化?我们没有深究。其实,牛顿万有引力公式描述的只是一个物理“函数”式,因G值会随物质运动组成系统的初始条件不同而不同,如太阳系中的G是一个常数,木星系或原子系的G应是另一个常数;但每个运动系统都必须有一个引力常数G,否则,这个系统就不是一个稳定的系统;它们的引力常数G可用同一个物理函数式来描述,那就是G=ω1ω2/π,具体论述请参与司今《物质自旋与力的形成》一文。[2]

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

(2)、实验力学体系的优点是不受物体运动初始条件变化的限制,因没有公设条件存在,仅从现象出发,总结规律以用于解释其他现象,如有错误,可以立即修订,从而表现出巨大的灵活性和适应性。

但实验力学体系最大的缺陷就是没有一个完整的系统性,不讲物理机制,往往会得出前后不一致、不自洽的结论。

如,电磁学中“洛伦兹运动形成的物理机制”到现在还没有人能真正能揭示出,电子电荷与磁子磁荷是如何产生的?电、磁荷存在不存在真正的统一?等,这些问题都是实验物理学体系无法真正揭示出来的。

又如,量子力学就是一个“不讲机理”的物理学,什么新奇的微观实验现象一旦出现就都往它肚子里装,但又不研究为什么?如量子纠缠,只强调根据量子场原理就可以得出量子纠缠,但曾不去深究“量子们”为什么会纠缠?

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再如,电子磁矩问题,量子力学就是从经典电磁学中直接“移植”过来的概念,但电子在线圈中运动与电子绕原子核运动应存在本质性差异,如此“移植”得出的电子电子磁矩到底是什么物理含义?量子力学也没有去深究。

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我们的看法是,电子轨道磁矩就是电子自旋所产生的自旋磁荷到原子核质心的距离之积,即荷动量矩,且μ=qm.r,因为我们通过qm=q.v变换,最终就可以得出电子轨道磁矩就是μ=qm.r 的结论,具体论述请参阅司今《量子力学磁矩的含义》一文。

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至于量子力学给出的电子自旋磁矩是μs=-el/2m,我们就感到有点困惑了,因为目前并没有发现电子有内部结构,即它一直被看作是一个点粒子,那么,它的自旋磁矩为什么可以用轨道磁矩形式来描述呢?对此,量子力学讳而不言!并将之定性成粒子所具有的”内禀“属性......

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其实,量子力学对自旋磁矩的含糊描述,充分反映了现代物理学基础存在缺失或说缺陷问题,因为自旋是一个与空间大小无关的量,而磁矩则必须与空间r有关,故现代物理学对自旋描述是存在缺失的,对此,我们给出的思路是:抛弃自旋体的空间性,用pm=m.ω来定量自旋粒子的磁量,以取代现代量子力学自旋磁矩概念,这对量子力学中粒子自旋磁性起源的诠解与应用将会产生深远影响,就此问题论述,大家可参阅司今《一个将万有引力、库伦电磁荷力统一的新方法》一文。

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3、经典物理学理论存在缺陷或缺失

3.1.经典电磁学理论存在缺陷

量子力学虽脱胎于经典电磁学,但又不同于经典电磁学理论:

首先,经典电磁理论描述的对象——电子,只有电荷性,没有自旋性;

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其次,电磁学着重讨论的是电子在宏观磁场中的运动,没有涉及微观粒子磁场空间,如纳米级窄缝、原子核等磁场空间;

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再次,电磁学讨论磁场的方法是通过“去质点化而”建立起来的高斯磁通量理论,这个理论是建立在体、面等宏观概念之上的,并不适于质点力学描述问题;因为我们对微观粒子的体、面等无法精确测量出来,故电磁学的一些非质点的场理论就无法再在量子力学中适用,结果量子力学不得不在寻求质点偶极磁子与改变原有宏观磁场理论的一些定义,以适于描述微观质点在磁场中运动的描述。

因此说,量子力学在改造”经典”中发展,这正是经典力学、电磁场理论存在缺陷或缺失必须付出的代价!

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量子力学虽诞生于19世纪初的“二朵乌云”中,但“二朵乌云”体现的是经典力学认识与微观世界现象存在严重冲突,这种冲突根源在于:宏观力学所描述的物质运动是没有自旋与空间不存在场影响的运动,而微观世界中,任何粒子运动都是有自旋性和自旋磁矩性的,这种“双重性”是经典力学根本没有涉及或全面认识到的,而量子力学正是沿着微观世界粒子这种“双重性”思路出发并发展起来的。

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同时,在微观世界中,粒子运动是一种“场源运动”,它不同于电磁学中将场源看作是静态的、产生运动的只是无粒子性的电磁波,即“交变电磁场”。

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场源运动是特斯拉所描述的“动态场理论”的重要组成部分,但量子力学只继承了电磁学“静态场理论”部分,没有引入“动态场论理论”,结果,量子力学在继承麦克斯韦电磁波理论后才会得出“真空不‘真’”、“无中生有”的离奇结论,这种结论从根本上破坏了物理学建立的基础——物质守恒定律,这正体现了“实验物理学”体系普遍存在的“逻辑系统混乱性”的通病。

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3.2.牛顿力学体系存在缺陷

牛顿力学是建立在质点概念之上的力学,它可分二个部分:

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前一部分由牛顿三大定理组成的“接触力学”,在这个力学体系中,物体是没有自旋与场存在的力学;后部分是由万有引力定律组成的“质量场力学”,在这个力学体系中,物体不但没有自旋,且质量场也是一种静态场

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可见,牛顿的这二个力学体系都无法真正描述带有自旋磁场的运动粒子通过磁场空间时的运动变化,这是牛顿力学体系存在的巨大缺陷。

量子力学虽继承了牛顿质点思想——将粒子看作是质点,但又不同于牛顿力学中的经典粒子,于是,量子力学另辟途径,沿用宏观能量的统计学思想,用“波”概念来描述“质点群”运动,即薛定谔波函数方程;为此,量子力学就必须“创造”出许多不同于经典力学的“新概念”,如自旋磁矩、概率波、AB效应、量子纠缠等新名词来说明自旋粒子在磁场中运动变化的现象问题。

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当然,这种描述不但与牛顿质点力学格格不入,也与电磁学大相径庭,结果将人类对微观粒子运动的认识带入到困惑、迷茫与“不确定性”之中。

3.3、现代物理学对物体自旋所产生的物理效应认识存在缺失

量子力学是关于带有自旋和自旋磁矩的微观粒子在空间磁场中运动现象研究的力学,它的研究思路是按陀螺运动理论来进行的,不过这种陀螺是一种带有自旋磁场的磁陀螺;从球坐标的选择到莫拉尔进动,从自旋磁矩理论到包利不相容原理等,无不体现了粒子自旋与自旋磁矩的重要性来。

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但是,到目前我们的物理学对“物体自旋会产生什么物理效应”问题还是“一概不知”,对“自旋磁陀螺在磁场中运动”的研究仍是“一片空白”,这不能不说我们现有的物理学理论研究方法与模式存在严重的结构性缺失。

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上二个问题是微观世界普遍存在的现象,也是我们深入认识微观世界奥秘的二把“金钥匙”!特别是“物体自旋会产生什么物理效应”问题是目前物理学必须首先要去澄清的问题,这个问题一旦有了定论,那么,磁的起源、电的来历、电、磁的统一等问题就都可以迎刃而解了。

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据我们推理,物体自旋会产生自旋磁荷,且自旋磁荷量大小为qm=m.ω,正是自旋产生的自旋磁荷才使宏观自旋物体与微观自旋粒子具有相同的运动模型,我们现在认可的卢瑟福“原子行星结构模型”正说明了这一点。

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

如果我们能够补充与完善经典力学的场理论、磁陀螺运动理论和粒子自旋与自旋磁场理论,那么,将来的量子力学就一定能够走出“象牙塔”困境,从而融入“新经典力学”——“自旋场物理学”中来,并为更多人接受、理解与应用。

纵观量子力学发展可以看出,每一个新概念的添加都与现有的经典理论格格不入,如自旋与自旋磁矩理、AB效应、物质波、波函数崩塌、隧道效应、粒子纠缠理等,都是我们经典物理学对粒子自旋及其自旋物理效应——自旋磁场认识存在缺失所造成的结果。如果我们的基础物理学对“粒子自旋会产生磁场”有足够认识,就不会出现量子力学“新概念”层出不穷的现象了。

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

4、量子力学浅评

量子力学的最大功绩是将经典电磁学废弃的“质点”思想重新以“量子”概念的形式找了回来,并引入自旋和自旋磁矩,用磁陀螺运动方式来研究自旋粒子在微观磁场空间中的运动。

量子力学的最大败笔是引入“波动论”来解说粒子“衍射”现象,其中最不可思议的就是“波粒二象性”、“波函数”与“几率波”等概念。

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

我们知道,麦克斯韦电磁波是纯场波,无粒子组成,而量子力学物质波却是粒子波,这种波要求粒子不但要“抱团”(波包),而且在“团”内要“上窜下跳”、并随“团”向前运动,这真不可思议!难怪爱因斯坦称它是“鬼波”!

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

量子力学的许多怪论都是由波动论引起的,而波动性的定论只是依据“粒子通过磁场空间时会产生‘转弯’”这一现象推理出来的(即干涉、衍射),但它并没有真实描述“粒子通过磁场空间时产生运动变化”的物理本质;也就是说,我们冒然得出“波粒二象性”结论是“没有从粒子本质入手——粒子有自旋和自旋磁矩性,同时也忽略了小孔或窄缝在一定小的空间内(如纳米级空间)也会表现出磁场性来”的必然结果。

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

量子力学“新概念”层出不穷现象正说明我们的物理学基础存在一定的缺陷或缺失,它对带有自旋、平动和自旋磁场的微观粒子运动的描述存在一定的模糊性与迷茫性。

但量子力学无疑是一个目前关于微观粒子运动研究最深入、最成功的理论,因为它可以为很多微观粒子实验结果提供一种可行的计算方法,但这种方法只能是预测,即只能给一个事件发生的概率,不能完全确定该事件会不会真地发生,这使人们对物理的认识产生了怀疑,因为物理规律在这里已丧失了本应具有的确定性。

对此,包括爱因斯坦在内的许多物理学家们都认为,量子力学是一门不完备的力学,爱因斯坦对其概率方面的描述提出了“不拘一格”的看法:概率的出现仅仅是因为粒子运动的一些参数没有被指定;如果这些“隐藏”参数是已知的,那么,粒子运动的一个完全确定的轨迹就可以被定义出来。

量子力学漫谈(2)—量子力学为什么会新概念层出不穷现象?

我赞同爱因斯坦的这一看法!


参考文献:

[1]、什么是经典粒子?百度知道:

http://zhidao.baidu.com/link?url=Jj5JIm40yl9m3bXIBly1sflLLkmCSHDG9qLVNh0WK8_xQknQNc-ywWE5BObGxx4dZnmO19QGKkIevOyUs3JJEd_TGcKtNDIM0EKjwzHu8WC

[2]、司今/《物质自旋与力的形成》:中国预印本网站:

http://www.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=2c92828239ffeaeb013b45b5a78c01b2

[3]、司今/《量子力学磁矩的含义》:中国预印本网站:

http://www.nstl.gov.cn/preprint/main.html?action=showFile&id=2c9282823f190b1d0140fe24d9a2019c


上期目录:量子力学漫谈(1)—量子力学建立的物理学基础是牢固的吗?

下期预告:量子力学漫谈(3)—量子力学为何用“波粒二象性”描述粒子运动?

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