物理學(xué)玻爾理論下量變與質(zhì)變的問題

云南大學(xué)高等教育研究院 張曉軍

量變和質(zhì)變是事物發(fā)展的兩種狀態(tài)，量變是指事物量的規(guī)定性的變化，是事物數(shù)量的增減、場所的變更以及事物內(nèi)部各個組成部分在空間排列組合上的變化。量變是一種漸進的、不顯著的變化，是在原有度的范圍內(nèi)的變化，它不改變事物的根本性質(zhì)，因而也稱漸變。質(zhì)變是事物根本性質(zhì)的變化，是一事物變?yōu)樗挛?。質(zhì)變和量變的辨證關(guān)系：第一、量變是質(zhì)變的前提和必要準備。第二、質(zhì)變是量變的必然結(jié)果。第三、質(zhì)變體現(xiàn)和鞏固量變的成果，并為新的量變開拓道路?？傊澜缟先魏问挛锏倪\動，發(fā)展都是量變和質(zhì)變的統(tǒng)一。[1]

黑格爾提出了從量變到質(zhì)變的思想，揭示了由一種質(zhì)態(tài)到另一種質(zhì)態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化的規(guī)律。黑格爾認為，量變是漸進性的運動，量變在一定限度內(nèi)并不影響質(zhì)，但是，量變積累到一定程度時，就會引起質(zhì)的突然變化，質(zhì)變表了漸進的運動的中斷，使事物出現(xiàn)飛躍式的發(fā)展。黑格爾的這一發(fā)展觀，從根本上打擊了把運動歸結(jié)為純粹是量變的形而上學(xué)觀點。量變與質(zhì)變似乎是哲學(xué)的思想，與自然科學(xué)沒有什么關(guān)系。其實物理與哲學(xué)是有淵源的。在古代大而全的哲學(xué)中物理學(xué)包含在其之中，只是后來學(xué)科發(fā)展從哲學(xué)分離出來。亞里士多德的一本著作名稱是《物理學(xué)》只是這里的“物理學(xué)”和我們現(xiàn)代社會所講的物理學(xué)有比較大的差異，它是一種比較樸素的，對物的哲學(xué)認識，牛頓的一本偉大的物理學(xué)著作名稱是《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。

玻爾理論是本世紀初最偉大的創(chuàng)造。它新穎、大膽，把幾個不同領(lǐng)域的發(fā)現(xiàn)和研究，集中在原子結(jié)構(gòu)這樣一個問題之下，因此獲得了許多科學(xué)家的熱情贊揚。愛因斯坦認為是“一個巨大的成就”，金斯（J.H.Jeans）認為它是譜線系最巧妙、最令人信服的解釋。但不少科學(xué)家則持保留和懷疑態(tài)度，勞厄（M.vonLaue）就認為是“完全的胡扯”。所以，正象其它理論的成長一樣，玻爾理論這時急需要強有力的實驗證明。不久后，賴曼（T.Lyman）在紫外區(qū)，發(fā)現(xiàn)了氫原子的一組光譜線，證實了玻爾的預(yù)言。1914年，弗蘭克（J.Franck）用電子撞擊汞蒸氣，出現(xiàn)了三個電壓峰值，證明了電子能量的分立性。1915年索末菲（A.Sommer-feld）發(fā)展了玻爾理論，提出了角量子數(shù)和磁量子數(shù)。這一研究成果，不但豐富了玻爾理論，而且進一步證明了其正確性和過渡性，隨后量子力學(xué)的誕生也有力地說明了這一點。[2]玻爾理論的內(nèi)容：（1）原子只能處于一條列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的，電子雖做加速運動，但并不向外輻射能量，這些狀態(tài)叫定態(tài)。（2）原子從一種定態(tài)（設(shè)能量為E2）躍遷到另一種定態(tài)（設(shè)能量為E1）時，它輻射或吸收一定頻率的光子，光子的能量由這種定態(tài)的能量差決定，即hν=E2-E1（3）氫原子中電子軌道量子優(yōu)化條件：氫原子中，電子運動軌道的圓半徑r和運動初速率v需滿足下述關(guān)系：

在量變質(zhì)變哲學(xué)和物理學(xué)玻爾理論的基礎(chǔ)上總結(jié)分析研究有了疑問主要是以下兩個問題：

一、原子只能處于一條列不連續(xù)的能量狀態(tài)與漸進性量變的矛盾

黑格爾的《邏輯學(xué)》中質(zhì)是最初的、直接的規(guī)定性，量是對“有”漠個相關(guān)的規(guī)定性，是一個不是界限的界限，是絕對與為他之有同一的自為之有，——是多個的一的排斥，而這個排斥又直接是多個的一的非排斥，是多個的一的連續(xù)。[3]哲學(xué)是定性的、概括的，物理學(xué)是定量的、具體的。在玻爾理論中規(guī)定繞氫原子核運動的電子的能量不是連續(xù)的，而是一份一份的，也就是物理學(xué)中所說的量子化，從高能級躍遷到低能級放出光子，吸收一定光子能量的電子可從低能級態(tài)躍遷到高能級，從而使氫原子的能量狀態(tài)發(fā)生改變。有沒有兩能級之間的能量狀態(tài)，在玻爾理論中答案是沒有兩能級之間的能量狀態(tài)，繞氫原子核運動的電子的能量變化不是漸進的。玻爾理論中氫原子的能量狀態(tài)它不是一個數(shù)量不能和數(shù)量2一樣，可以分成小數(shù)1.5和0.5或更小的量，氫原子的能量狀態(tài)像一級一級臺階一樣。設(shè)物質(zhì)運動存在的基本形式時空的變化，氫原子中電子的躍遷使氫原子的能量狀態(tài)發(fā)生改變，在電子躍遷過程中總要經(jīng)過一定的空間和時間應(yīng)該也是一個連續(xù)的運動變化過程，也就是氫原子中的電子從一個“臺階”到另一個“臺階”要經(jīng)過“臺階之間”。但這是用經(jīng)典牛頓力學(xué)進一步研究氫原子中電子是高速運動的物體還是有一定的局限性，研究物體高速運動的時空觀涉及到愛因斯坦相對論的范疇，在這里不詳敘。如果氫原子的能量狀態(tài)是連續(xù)變化的從高能級躍遷到低能級放出的光子的頻率是連續(xù)光譜，而現(xiàn)實實驗得到的光譜是不連續(xù)，金斯（J.H.Jeans）認為玻爾理論是譜線系最巧妙、最令人信服的解釋，其中的公式hν=E2-E1，從高能級躍遷到低能級，放出的光子的頻率大小是ν=（E2-E1）/h——能量的差值除以普朗克常數(shù)。

二、對質(zhì)變和量變的辨證關(guān)系中量變是質(zhì)變的前提和必要準備的質(zhì)疑

在玻爾理論中繞氫原子核運動的電子只能從一個能級到另一個能級不能在兩能級之間有連續(xù)的能量狀態(tài)，是不是可以認為電子從一個能級到另一個能級的變化是一個質(zhì)變過程，電子能量狀態(tài)質(zhì)變過程中的變化不是連續(xù)的變化也就是說幾乎見不到有量變。黑格爾《小邏輯》中“一粒麥是否可以形成一堆麥；又如從馬尾上拔，一根毛，是否可以形成一禿的馬尾?”黑格爾答道：“只要最后達到這極點，則繼續(xù)再加一粒麥就可形成一堆麥，繼續(xù)再拔一根毛，就可產(chǎn)生一禿的馬尾。”[4]黑格爾所處的年代雖然有了近代物理學(xué)，但當(dāng)時人們認識微觀的原子分子是有局限性的，更不可能考慮到玻爾理論中的氫原子核、核外電子運動的情況。從嚴格的邏輯學(xué)觀點，目前尚沒有“量變”這一重要哲學(xué)范疇的確切定義。例如有這樣的說法：“量變是事物數(shù)量的增減和場所的變更。”（見《馬克思主義哲學(xué)基本原理》，上海人民出版社，第5版）。其它哲學(xué)教科書的說法也大致如此。當(dāng)然，數(shù)量的增減是一種量變，場所的變更也是一種量變。但是除此之外還有著其它類型的量變。[5]量變中的“量”在黑格爾的舉例中可以是一粒麥、一根毛，在微觀世界中量變的“量”是怎樣的呢？原子還可再分原子核、電子，這些微觀的物質(zhì)又由夸克或更微小的物質(zhì)組成，在玻爾理論下氫原子是一個能態(tài)到另一個能態(tài)氫原子微觀的量變似乎是找不到了。

[1]http://baike.baidu.com/link?url=vtiKBcxPn4Rj QCUWLRWgHwL-mSXCftSXLatDD2y2C4KpXVhOqU KLoK41q5lmW6XV質(zhì)變[OL].百度百科，2013-9-4.

[2]張文根，王存虎.玻爾理論的創(chuàng)立及其科學(xué)方法研究[J].寶雞文理學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）1998（3）:59-62.

[3]黑格爾.邏輯學(xué):上卷[M].楊一之譯.商務(wù)印書館，1982:192.

[4]黑格爾.小邏輯[M].賀麟譯.商務(wù)印書館，1982:237.

[5]夏志權(quán).關(guān)于“量變”的深入思考[J].上海師范大學(xué)學(xué)報，1993（2）:24-27.