物理學(xué)玻爾理論下量變與質(zhì)變的問(wèn)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(chǎng)所的變更以及事物內(nèi)部各個(gè)組成部分在空間排列組合上的變化。量變是一種漸進(jìn)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(chēng)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(zhǔn)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(kāi)拓道路?？傊?，世界上任何事物的運(yùn)動(dòng)，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(rèn)為，量變是漸進(jìn)性的運(yùn)動(dòng)，量變?cè)谝欢ㄏ薅葍?nèi)并不影響質(zhì)，但是，量變積累到一定程度時(shí)，就會(huì)引起質(zhì)的突然變化，質(zhì)變表了漸進(jìn)的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)歸結(jié)為純粹是量變的形而上學(xué)觀點(diǎn)。量變與質(zhì)變似乎是哲學(xué)的思想，與自然科學(xué)沒(méi)有什么關(guān)系。其實(shí)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(lái)學(xué)科發(fā)展從哲學(xué)分離出來(lái)。亞里士多德的一本著作名稱(chēng)是《物理學(xué)》只是這里的“物理學(xué)”和我們現(xiàn)代社會(huì)所講的物理學(xué)有比較大的差異，它是一種比較樸素的，對(duì)物的哲學(xué)認(rèn)識(shí)，牛頓的一本偉大的物理學(xué)著作名稱(chēng)是《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》。

玻爾理論是本世紀(jì)初最偉大的創(chuàng)造。它新穎、大膽，把幾個(gè)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(gè)問(wèn)題之下，因此獲得了許多科學(xué)家的熱情贊揚(yáng)。愛(ài)因斯坦認(rèn)為是“一個(gè)巨大的成就”，金斯（J.H.Jeans）認(rèn)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(rèn)為是“完全的胡扯”。所以，正象其它理論的成長(zhǎng)一樣，玻爾理論這時(shí)急需要強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)證明。不久后，賴(lài)曼（T.Lyman）在紫外區(qū)，發(fā)現(xiàn)了氫原子的一組光譜線，證實(shí)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(gè)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(jìn)一步證明了其正確性和過(guò)渡性，隨后量子力學(xué)的誕生也有力地說(shuō)明了這一點(diǎn)。[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(yùn)動(dòng)，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(shí)，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(yùn)動(dòng)軌道的圓半徑r和運(yùn)動(dòng)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(wèn)主要是以下兩個(gè)問(wèn)題：

一、原子只能處于一條列不連續(xù)的能量狀態(tài)與漸進(jìn)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(duì)“有”漠個(gè)相關(guān)的規(guī)定性，是一個(gè)不是界限的界限，是絕對(duì)與為他之有同一的自為之有，——是多個(gè)的一的排斥，而這個(gè)排斥又直接是多個(gè)的一的非排斥，是多個(gè)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(yùn)動(dòng)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(shuō)的量子化，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)放出光子，吸收一定光子能量的電子可從低能級(jí)態(tài)躍遷到高能級(jí)，從而使氫原子的能量狀態(tài)發(fā)生改變。有沒(méi)有兩能級(jí)之間的能量狀態(tài)，在玻爾理論中答案是沒(méi)有兩能級(jí)之間的能量狀態(tài)，繞氫原子核運(yùn)動(dòng)的電子的能量變化不是漸進(jìn)的。玻爾理論中氫原子的能量狀態(tài)它不是一個(gè)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(jí)一級(jí)臺(tái)階一樣。設(shè)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)存在的基本形式時(shí)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(guò)程中總要經(jīng)過(guò)一定的空間和時(shí)間應(yīng)該也是一個(gè)連續(xù)的運(yùn)動(dòng)變化過(guò)程，也就是氫原子中的電子從一個(gè)“臺(tái)階”到另一個(gè)“臺(tái)階”要經(jīng)過(guò)“臺(tái)階之間”。但這是用經(jīng)典牛頓力學(xué)進(jìn)一步研究氫原子中電子是高速運(yùn)動(dòng)的物體還是有一定的局限性，研究物體高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)空觀涉及到愛(ài)因斯坦相對(duì)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(jí)躍遷到低能級(jí)放出的光子的頻率是連續(xù)光譜，而現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)得到的光譜是不連續(xù)，金斯（J.H.Jeans）認(rèn)為玻爾理論是譜線系最巧妙、最令人信服的解釋?zhuān)渲械墓絟ν=E2-E1，從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)，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(duì)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(zhǔn)備的質(zhì)疑

在玻爾理論中繞氫原子核運(yùn)動(dòng)的電子只能從一個(gè)能級(jí)到另一個(gè)能級(jí)不能在兩能級(jí)之間有連續(xù)的能量狀態(tài)，是不是可以認(rèn)為電子從一個(gè)能級(jí)到另一個(gè)能級(jí)的變化是一個(gè)質(zhì)變過(guò)程，電子能量狀態(tài)質(zhì)變過(guò)程中的變化不是連續(xù)的變化也就是說(shuō)幾乎見(jiàn)不到有量變。黑格爾《小邏輯》中“一粒麥?zhǔn)欠窨梢孕纬梢欢邀湥挥秩鐝鸟R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(dá)到這極點(diǎn)，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?！盵4]黑格爾所處的年代雖然有了近代物理學(xué)，但當(dāng)時(shí)人們認(rèn)識(shí)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(yùn)動(dòng)的情況。從嚴(yán)格的邏輯學(xué)觀點(diǎn)，目前尚沒(méi)有“量變”這一重要哲學(xué)范疇的確切定義。例如有這樣的說(shuō)法：“量變是事物數(shù)量的增減和場(chǎng)所的變更?！保ㄒ?jiàn)《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(shū)的說(shuō)法也大致如此。當(dāng)然，數(shù)量的增減是一種量變，場(chǎng)所的變更也是一種量變。但是除此之外還有著其它類(lèi)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(gè)能態(tài)到另一個(gè)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(bào)（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(shū)館，1982:192.

[4]黑格爾.小邏輯[M].賀麟譯.商務(wù)印書(shū)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(bào)，1993（2）:24-27.