周吉善 （jishanzhou@126.com）　2007.07

理论物理学分为用质量M计量、用时间T和长度L描述，及其用能量（专指ε）计量和相位描述两大体系，前者是牛顿范式的沿续，后者是非牛顿范式的滥觞。

前者研究的物理客体最小单元叫粒子，用量纲式中的M度量；后者的最小单元叫量子（？），不能用M而用量纲式中的T度量。粒子物理学误认为二者同属于物质范畴，分别称其为费米子和玻色子，却忽略了二者最本质的差异。

这篇文章不讨论其共性，而只依据有无静质量着重探讨其差异，以期能够澄清将二者统称为“子”带来的观念混乱。

“量子力学的本质是关于我们不知和不能预言的事物的理论”（1-P48），“量子理论和每一种合理的真实世界观念都冲突”（2-P127）。当代物理学家们的这种困惑，根源就在于将粒子和量子混为一谈。

本文的出发点是：粒子是牛顿范式研究的最小单元，凡可以用质量M度量的物理客体，皆属于粒子系统；量子是非牛顿范式研究的最小单元，凡不能用质量M度量的物理客体皆属于量子系统，亦可统称为量子世界。

这种两分法的自然观不是唯物论，而是物质～空间系统论、即宇宙中的基本存在，应该被分为用M计量的物质、用L、T计量的空间两大截然不同的系统。“物质 空间和时间的逻辑关系”中，有详尽的剖析和讨论。

一、量子概念的由来

19世纪末叶，对热辐射的研究有突破性进展，首先认识到热辐射的本质是电磁波，其能量的大小由辐射频率ν决定；进而发现了史丹芬～玻尔兹曼常数，确定了能量均分原理；1896年由维恩根据热力学,结合实验数据，凑出一个经验公式，稍晚些时候瑞利和琼斯假定电磁波形成一切可能的驻波，依据能量均分原理也导出一个公式，前者只适用于短波，后者只适用于长波；最后由普朗克大胆放弃经典的能量均分原理，反传统地假定振子的能量变化不连续，对维恩公式引入一个假想的h进行改进，新公式就在长波区与短波区分别与瑞利和维恩公式一致，圆满地解决了热辐射问题，其能量可以表示为：

En=nhν （n=0，1，2 …）

n叫作量子数，只能取正整数，每一种可能的能量状态称为一个量子态，h被称为普朗克常数，普朗克就被公认为量子概念的创始人。

量子即是能量子（ε=hν）的简称。能量总是一份一份的观念当时并没有被普遍接受，直到爱因斯坦提出光量子理论，成功地解决了光电效应带来的困惑，量子这个概念才开始被广泛认同。但是，在长达数十年的历史时期内，人们都只满足于使用公式ε=hν，却没有人去追究普朗克插入的h究竟具有什么样的物理意义。

量子究竟是什么？跟粒子的本质差异在哪里？

迄今为止都没有人认真考察过这个问题，因为唯物论认为凡是客观存在都属于物质的范畴；既然可以精确度量，就足以证明量子与粒子都是物质而无异；粒子用质量M度量，量子用能量ε度量，这就是二者的差异。

且慢，质量M和能量ε都用于计量，属于属性概念；而粒子指的是实际存在之物，能量子ε（？）却不属于实体的范畴，将它跟粒子混同显然是不合适的。在能量后加个“子”字，是量子论从创立开始就隐含其中的先天缺陷；粒子和（能）量子并用，在“近代科学一开始就确立了只研究属于第一性的质量和重量，排除一切与感觉有关的第二性”（3-P8）的物理学理论中，毫无疑问会同时被视为指代客观存在之实体的概念，从而将指代实体的概念粒子和指代属性的概念能量子ε混为一谈。量子世界不能被正确理解的根源就源于此。

二、爱因斯坦的洞察

古希腊哲学中与物质并存的概念还有一个以太，被认为是连续态的实存之物；笛卡尔曾将以太引入物理学，认为它是传递光、电的介质。19世纪末，迈克尔逊～莫雷实验测出地球相对于以太速度为0，被称为以太不存在的判决性实验，从此以后，物理学理论中能够属于“第一性”的概念就唯一地只有物质这个范畴。

广义相对论创立不久，爱因斯坦在1920年一次演讲的总结中就说“依据广义相对论……没有以太的空间是不可思议的”。他还进一步指出：“这种以太又不能认为具有重量媒质所特有的那些性质，也不可以认为它是由某些其运动可被追随的粒子所组成的，而且也不可能把运动概念应用于它”。

这段话包括三个要点：1、以太不能用质量M计量，2、不是由粒子组成的，3、其运动不能用L、T予以描述（所谓运动即是用L、T的函数描述物体对物体的位移）。

现在看起来，爱氏当时已经隐约觉察到除粒子外，还有一种截然不同的物理客体，就上述三个要点可以判定这类客体属于一种连续态，与人类所熟知的粒子系统迥异。

爱氏的话并没有引起太大关注，因为迈～莫实验已经判定以太并不存在；爱因斯坦的这种猜想，面对迈～莫实验的结论就显得太苍白无力了。

但是，如果放到物质～空间系统论的框架内来看，传统对迈～莫实验的解释很明显就存在一个常识性错误，竟然一直没有被人发现：

由于测不出水对船的速度，难道就可以判定水不存在吗？地球如果是被以太带着运动，又怎能测出它相对于以太的速度呢？

迈克尔逊～莫雷实验的结果肯定是对的；但是由之得出“以太并不存在”的结论，对由流体似的空间和基本上都属于固态的物质（物质客体（其中重要的特例是‘固体’）-爱因斯坦语）组成的整体宇宙而言，就很显然是错误的。

爱因斯坦在1926年12月4日写给玻尔的信中这样说：“量子力学是堂皇的，可是有一种内在的声音告诉我，它还不是那真正的东西，这理论说得很多，但是一点也没有真正使我们更接近这个‘恶魔’的秘密”；在爱因斯坦最后一篇科学论文《非对称场的相对论性理论》中，他依旧念念不忘地指出：“但是我相信，在目前，关于它，谁也不知道有任何可靠的东西”（4-P221）。

如果我们将爱因斯坦关于广义相对论和以太关系的论述跟量子联系起来看，就一定会有新的发现：“依据广义相对论，空间已经被赋予物理性质；因此，在这种意义上，存在着一种以太”。“广义相对论的以太是这样一种媒质，它本身完全没有一切力学的和运动学的性质，但它参与对力学（和电磁学）事件的决定”；“这种新的以太在未来物理学的世界图像中注定要起的作用，我们现在还不清楚”（5-P120）。

综上所述不难看出爱因斯坦所关注的，正是量子论迄今都没有给出答案的要害。

1、传统理论中所谓的量子ε，并不是一个指代实体的概念；“它还不是那真正的东西”，“ 关于它，谁也不知道有任何可靠的东西”——爱因斯坦所关注的是必须要回答与粒子相对应的属于实体范畴的量子究竟是什么。

2、依据广义相对论，爱因斯坦已经发现了“不空的空间”中存在某种不同于粒子系统的物理客体，这种客体具有“不能用质量M计量、不能被隔离成粒子似的去描述、甚至不能将运动概念应用于它”三大特点。

“亚里士多德关于称谓和关于基本实体的学说，就发展而为实体的诸属性相互联系而基本实体之间却相互分离的学说了。所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”（6-P298）。怀特海指出的“大伤脑筋”的问题，早已在困扰着爱因斯坦，但是在他苦苦思索了30多年之后，虽说已经发现了端倪，却仍旧没有给出肯定的答案。在“物质 空间和时间的逻辑关系”中有详尽的剖析，这里无暇赘述。

3、“不能认为具有重量媒质所特有的那些性质”这一句，已经说破了空间中的物理客体和粒子属于截然不同的两类实体，但是理论界却依据质能方程mC²=hν将粒子和量子视为同类“物质”，并且走到以能量单位电子伏eV取代质量单位千克kg的地步，不能说不是一个非常重大的失误。

4、空间中存在的这种不同于粒子系统的物理客体，“它本身完全没有一切力学的和运动学的性质，但它参与对力学（和电磁学）事件的决定”。这句话指出了量子系统不具有牛顿范式物理学所描述的质点的基本性质，但是却参与决定“物理事件”。

5、“这种新的以太在未来物理学的世界图像中注定要起的作用，我们现在还不清楚”。既然“注定要起作用”，这种“新以太”就肯定是一种实体而无疑了。

对于最后这两项，下文将会有具体的阐述。

三、连续辐射

20世纪60年代中期，彭齐亚斯和威尔逊在观测实验中意外地发现，宇宙空域存在着各向同性的2.7k连续辐射，被称为3k微波背景辐射，为此而获得诺贝尔物理奖。

自此以后，宇观上的物理客体被分为断续分立的天球和连续辐射，被普遍认同；而这种连续辐射应该如何定量描述？量子到底指的是这种物理客体本身还是它的特性？它和粒子的根本差异是什么？这些问题却没有人予以关注。前后已经过了六、七十年，有谁还会将普朗克的能量子、爱因斯坦的新以太跟3K微波联系起来考察呢？

要想对连续辐射进行定量描述，首先必须认定其最小单元，与粒子不同的是这些单元个体却都无法从连续态网络中隔离出来进行考察；

其二、必须有一种客观的计量标准能够对之进行度量，ε=h/T（即ε=hν）式中用T度量的是h而不是ε，ε却是一个属性概念而不指代实体；

其三、h既然不能被隔离出来，即使有计量标准又该如何予以度量呢？

依此而论，连续辐射根本就无法进行定量描述。

但是，由于在处理热辐射问题时普朗克曾经非常随意地引入了一个h，最终证明一份一份的辐射能ε都可以用h定量计算。迄今为止学术界对h究竟具有什么样的物理学意义和哲学意义，依旧是众说纷纭、莫衷一是。

不过，在“费因曼形成了传播子的概念，并用它表示各种动力学规律”时，“他想到了经典作用量”这个概念，进而根据狄拉克论文的提示，确立了一个与“拉格朗日力学中的最小作用量”相关的方程。就是在这个方程中，“是作用量的量子（最小单位）”（1-P386）；因为h=2π，h自然就应该被叫做作用量子，属于一个指代物理客体的实体概念。能量子ε很显然就成了指谓作用量子h之特性的一个属性概念。

当我们以物质～空间系统论的自然观为基础去审视这个问题时，即可以把ε=h/T的真实涵义诠释为：

作用量子h即是连续辐射系统中的最小单元个体，用时间T（即作用量子h各自振动的周期）对h度量的结果便是能量子ε。

这一点跟粒子必须使用量纲式中的M予以度量，其结果用千克计量完全是一致的。

T又是什么意思呢？T指的是作用量子h自身的内禀属性，即由于同一个h 的振动周期T会有所不同，由之传递的能量值ε就必然会有差异。这种观点可以从琴弦或者是由水波传递能量时，同一的“单元粒子”所传递的能量就不尽相同中悟出来。

粒子在传统理论中被叫做质点，是构成现实世界最基本的单元个体，度量用的都是统一的客观标准M；而量子（即对作用量子h的简称）则是连续态的空间中的最小单元个体，度量使用的是其自身的内禀时间T（即振动周期），而计量却又使用能量的单位电子伏eV，这确实有点太让人不可思议了。故而才会有：“量子力学的本质是关于我们不知和不能预言的事物的理论”之慨叹。

h亦可以被称为普朗克子，它就是指代空间中实际存在之物的量子，既是连续态网络中的最小单元，却又无法被隔离出来考察。ε用于表示量子h的属性,而不是量子本身；与粒子用客观的M度量不同，量子h的能量特性ε，却是使用h的内禀时间T对h度量的结果。由于传统的观念都是依据粒子系统展示的现象为基础确立下来的，“量子理论和每一种合理的真实世界观念都冲突”的说法，即由此而产生。

玻姆曾经说过：“整个宇宙的不可分割的量子性相互关联是基本的实在，而有相对独立行为的部分仅仅是这个整体中特定的偶然的形式”，我们应该“把通常的经典的观念颠倒过来”（7-P109）。

这第一句话指的就是量子世界，“有相对独立行为的部分”则是粒子系统；由于以往的观念都是以粒子系统的现象为据建立起来的，而量子世界在许多情况下却都是它的“镜像”——把“经典的观念颠倒过来”自然就非常必要了。

但是还需要补充一句：只有在处理量子世界的问题时，才需要把“经典的观念颠倒过来”；而在处理粒子系统的问题时，经典观念却依旧非常适用——两套理论分别适用于两个系统，如果将二者混为一谈，就必然会带来“不知和不能预言”的结果。

四、物理空间的组成和结构

怀特海指出的让“所有的现代认识论和现代宇宙论都为此问题而大伤脑筋”的根源，并不难从爱因斯坦讲过的“科学从科学发展前的思想中将空间、时间和物质客体（其中重要的特例是‘固体’）的概念接收过来，加以修正，使之更加确切”（8-P113）这段话中窥见一些端倪。

我们对爱因斯坦这句话深入剖析的结果，在“物质 空间和时间的逻辑关系”中最后得出：

可以将物质、空间、质量、时间和长度这五个最基本概念之间的关系表示如下：

实体概念： 物质 空间 （属哲学范畴表述共性的抽象的类概念）

↓ ↙ ↘

基本物理量：质量 时间 长度 （属科学范畴计量个性的属性概念）

不仅证明了物理学必须持物质～空间系统论的自然观，同时还指出时间T和长度L是度量空间之属性的两个物理量，跟物质用M度量完全一致。

在物理学理论中，物质用量纲式中的M度量，换句话说就是M的本体即是物质；而量子则用量纲式中的T度量，换句话说就是T的本体即是空间。而组成空间的“作用量子h”却是一种“连续体”，不同于物质的可以连续被分隔。

爱因斯坦在1924年《论以太》和1930年《物理学中的空间、以太和场的问题》两篇文章中，就初步“论述了真空、空间、以太和场的统一性问题”，即“以太、真空和场指的是物理性质同一的物理实在”（9）——实际上在哲学理论中被称之为空间的，就是爱因斯坦所说的一种“物理性质同一的物理实在”。

我们建议在未来的物理学理论中，应该将“真空、空间、以太和场”统一起来，简化为一个大家都非常熟悉的通用概念空间。

依据物质～空间系统论的自然观，我们在“确立正确的L-T观”中又得出如下六个定义：

宇宙（指universe而不是cosmos）是由物质和空间构成的巨系统。

边界条件是：宇宙之外再也没有任何基本存在。

物质：指用量纲式中M计量的、可以被分隔成独立个体的基本存在；

空间：指宇宙中除物质之外，用量纲式中L、T计量的所有空域。

质量M是用于计量物质的量的多少的基本物理量；

时间T是用于计量空间中任意一点弯曲程度的基本物理量；

长度L是用于计量空间中任意两点之间间隔的基本物理量。

在经典物理学中L用于度量欧氏几何的直线距离，在相对论和量子论中L用于度量非欧几何的弧线长度。

物理学量纲式中的T、L、M，都是用于计量客观存在基本特性的属性概念。物理学理论中用L、T的函数表述的物理量（比如g、gR、g_μν等），所指都是空间中的“实体”结构；而只用L、T描绘的“数学图像”，均为空间中存在的一种自然规律。

推论一 物理学理论中所谓的空间，指的是由“作用量子h”组成的、流体似的连续体。而传统理论中所谓的能量子ε，仅只是由于“作用量子h”振动所传递的一种能量形式而已。h是一个指代空间中最小单元个体的实体概念，而ε则是指称由h所传递的能量形式的基本物理量，与M、L、T属于同类概念。

关于空间的结构，那是一个跟广义相对论直接相关的问题。在“封闭空间中的三维圆球”和“空间 时间和宇宙的结构”中，已经给出了具体而详尽的阐述，于此不再赘述。

最后需要指出的是：在物理学史上真正发现空间中存在有基本实体的只有两个人：一个是发现了空间中存在用R³/T²=K描述的实体结构的开普勒，一个是发现了空间中的作用量子h的普朗克。

普朗克的发现开创了一个全新的量子时代。可惜的是由于将指代实体的概念h和指称属性的概念ε混为一谈，使得学术界出现了“无人懂得量子力学”（10-P129）的困窘。

开普勒的发现，本来可以正确回答诸如天体运行和自由落体等自然运动之起源，但是由于牛顿引力理论的误导，致使迄今为止在科学的殿堂上一直徘徊着上帝的阴影；虽说广义相对论已经揭示出“用L、T的函数表述的空间结构是使物体做自然运动的动力学量”，从根本上纠正了牛顿力学的错误，却因为无法摆脱传统的物质一元论自然观的束缚，迄今都不能正确理解广义相对论的真实价值。

具体而详尽的讨论尽在“广义相对论的实质”和“对牛顿力学体系的否定”中。

五、 粒子 量子 电荷

近代物理学是以希腊哲学为基础发展而来的一门学科。

古希腊哲人的自然观是人与自然分离，从公元1世纪基督教创立开始，就出现了神权与人权的对立，最终将物质和意识定为一对最抽象的范畴。为了能够与神权分庭抗礼，“近代科学一开始就确立了只研究属于第一性的质量和重量，排除一切与感觉有关的第二性”，即确定自己研究的对象统称物质，都可以用客观的标准M予以精确度量；同时派生出将时间T和长度L说成是“描述运动的参量”之重大失误。

近代物理学发韧于牛顿《自然哲学的数学原理》，具体地讲就是开始于用牛顿三定律对宏观物体的运动进行定量描述；这种被称为经典运动学的牛顿范式物理学，是一种以M度量物质的多少，用L、T描述其运动规律的自洽理论。

法国人傅立叶等开辟了另一条途径，着力于描述热现象的规律，被称为非（或曰“反”）牛顿范式物理学，把温度定为度量的标准，用现象状态之不同描述系统的变化，又被称为现象论物理学。学术界迄今都没有对这两种范式做出严格区分，不能说不是理论物理学的一种失误。

运动，是从广延的角度描述一物体对另一物体的位移，物体与物体之间的关系就总是相对的、人为规定的、非自然的。

变化，是从持续的角度对同一系统的始、末状态进行比较，其关系是同一系统的两种状态互为参照，属于不添加人为条件的纯自然过程。

严格地讲由牛顿力学发展而来的经典运动学就不属于物理学范畴，因为着眼于运动去描述现象时，总会加进“相对的、人为规定的、非自然的”因素，而物理学所研究的就只能包括行星运行和自由落体之类的自然运动，有兴趣者可以参阅“对牛顿力学体系的否定”。这里只讨论与热辐射现象相关的内容。

研究热现象的基础理论是分子运动论，即依据一个系统分子动能与温度的关系，对系统的初、末状态进行定量描述，从而发现了普适气体恒量R=8.31焦耳/摩尔开。即1摩尔质量的粒子（即系统）温度变化1K需要8.31焦耳能量，揭示出能量ε是引起现象变化的“主动因”，可以用温度计予以精确度量 。

直到19世纪末叶，非牛顿范式才从研究热现象深入到对热本质的求索。

对黑体辐射实验数据处理的结果，在1900年由普朗克凭空插入一个h、引入“能量子”的概念给予解决，最终解开了这个谜。

但是却错过一个正确界定量子这个概念的机会，带来了将“不对等的”能量子ε与粒子混为一谈的失误，导致一百多年来学术界总是把表述量子属性的ε，当成“作用量子h”本身予以看待，致使在理论物理学中出现了不少的困惑和悖论。

量子和粒子的本质差异是什么？迄今为止依旧是理论物理学的一个盲点，人们对量子理论感到迷茫和不理解的要害就在于此。我们给出的肯定答复是：

所谓的量子ε和粒子的“本质差异”就在于二者的不对等性。

因为前者是属性概念，而后者却是实体概念，犹如 “白色”与“马”之不对等似的；所以古人留下的“白马非马”这个命题，迄今都不能完全透彻地被理解。

牛顿范式物理学把研究的对象叫做质点，统一使用量纲式中的M度量，本文称其为粒子系统，由之构成了人类生活其间的现实世界（包括人类自身）；反牛顿范式物理学求索二、三百年，最终认定研究的对象叫做量子，统一使用量纲式中的T对流体似的空间中的h进行度量，本文称其为量子系统（或曰量子世界）。粒子是构成现实世界的最小单元个体，属于物质的范畴；而量子h则是宇宙中除去物质之外所有空域中的最小单元个体，属于空间的范畴。质量M和能量ε，就分别指称粒子和量子的最本质特性。

宇宙自然界是由粒子系统和量子系统两类基本存在构成的和谐互补、自洽统一的有机整体。前者属于能“被看到和摸到的感官知觉的对象”（爱因斯坦语），由之构成人类自身及其生活的现实世界；后者属于“由物理实验技巧之现代精确化所开辟的这一新的经验领域中”（玻尔语）、只有通过仪器才能“被感官知觉的对象”，属于不可分隔的连续态。粒子和量子的实体性，分别展示在可以用M和T精确测定的属性之中；作用量子h作为一个不变的恒量，更足以证明它确系是一种具有实体性的基本存在。

进一步深入考察还可以发现，质量M、电量Q、能量ε，是物理学理论中用于度量物理客体“量”的多少的三个最基本概念，可以判定其背后都必然有能够独立于人的意志之外的实体存在。

用质量M和能量ε度量的实体分别叫做粒子和量子已如前述，还有一种用电量Q度量的实体叫做电荷；电荷同样属于一个实体概念，可以分为带正电的质子和带负电的电子两种。

从微观的角度考察，物理学研究的实体有且仅有三种：粒子、电荷、量子，分别用质量M、能量ε和电量Q度量其量的多少。

三者之间可以通过创生或湮灭构成一种可逆的自然演化链：“粒子可以以粒子/反粒子对的形式从能量中创生出来”（11-P120），已经被学界普遍认同；应该提请注意的是，真正属于创生的第一步是生出电荷，而后再在稳定的反中微子和具有不同能量值的稳定态量子h的参与下，构成原子、分子乃至于万物。

综上所述，严格区分粒子和量子的重要意义，突出表现在对“基本粒子”观念的澄清——对于现实世界而言，基本粒子只有质子和电子；粒子物理学中所谓的二百多种粒子，除质子和电子之外，均属于空间中不同类型的“作用量子”分裂—组合—再分裂—再组合的动态过程，对人类生活的现实世界并不发生直接作用。因为这二百多种所谓粒子的寿命，均小于10ˉ⁸ 秒，用瞬息万变予以形容都显得太长太长，所以即使对现实世界能产生微弱的作用，自然也就可以完全忽略不计了。

推论二 宇宙是由用M度量的物质世界和用T度量的量子世界构成的和谐统一的巨系统。能量子ε由粒子的辐射而产生，而由能量子ε构成的空间环境却是决定大千世界纷纭万象的第一因（或曰第一推动者）。

推论三 从微观角度考察，自然界存在的最小单元有且仅有用M度量的粒子、用T度量的量子和用Q度量的电荷三类。物质世界和量子世界通过电荷的创生或湮灭，构成了宇宙大自然的自主演化链。

传统的粒子物理学的分类依据是不科学的，因为根本就没有抓住“自然界存在的最小单元个体”的本质差异，所以才会出现众说纷纭、难以相容的局面。

针对这两个推论，将会另外专门撰写文章予以讨论。

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