——兼评冯劲松先生历经20年给出的新的电子轨道理论
文/范良藻
编者按
这可能是本报编辑部推出的选题中，准备时间最长的一期。原因就在于，对曾经辉煌的物理学，我们始终抱有一种无法言说的崇敬；而对当今国际科学界在现代物理学领域的艰难跋涉，我们同样抱着一种谨慎而又乐观的期盼，期盼在世纪初的历史节点上，能够再造物理学往昔的辉煌。
但是，希望之光又在哪里呢？
我们知道，任何一种言说，都可能失之无礼，或失之无知。好在，经过2005年世界物理年之后，无论是物理学界自身还是整个社会舆论，都在以一种更开放的姿态倾听来自“小人物”的声音。这要感谢爱因斯坦，因为假如他在提出相对论时就是一位颇具知名度的科学家，在人们的经验世界中，科学发现的路径——比如从专利局的小职员到做出物理学大发现的科学家——就将减少一条。
还要感谢前不久召开的全国科学技术大会，在这个具有里程碑意义的大会上，胡锦涛总书记向全社会发出了建设创新型国家的号召，要求全社会努力培育创新精神。有了这样宽容的氛围和鼓励创新的国家目标，我们决定给一切爱好物理学的读者奉上这期承载着太多情感与祝愿的物理学专题。
但科学不相信情感。三个月里，编辑部与提出太极子物理学理论和广义宇宙相对论的科学工作者进行了充分的沟通与交流。遗憾的是，作为太极子物理学理论主要创立者之一的熊承堃先生已经去世。其间，具有资深物理学专业背景的中国科学院研究员范良藻先生，和具有严密哲学思维的王中宇先生给了我们对新理论“追根究底”的信心。他们对中国物理学事业的热情令人感佩。
与两个新理论“打交道”的日子令人兴奋，因为它们“从微观到宏观，给人们描述了一个完全不同于主流物理学的、毫无神秘色彩的物理世界”。像即将给人们揭开自己内心深处的一个秘密，我们心怀激动与忐忑。但无论如何，历史为什么就不可能因中国而改变呢？
从爱因斯坦和玻尔之争谈起
任何一个接受过物理学系统教育的物理学工作者，在学习狭义相对论和量子力学时无一例外会遇到相应的哲学困惑。这种困惑也同样发生在科学大师爱因斯坦和玻尔身上。
爱因斯坦认为：量子论学说是一个不完备的学说，它违反了因果律和决定论。但是，量子力学的创立者们却认为：测不准原理反映了微观世界的客观实际。也就是说，对微观高速运动粒子不允许人们用经典力学的语言进行全方位的描述。
可是量子力学的创立者们始终也没能把狭义相对论融入到量子力学的理论框架中去，随着科学技术的不断进步，这场历经百年的争论不但没有平息，反而各执一词，分歧更见加深。这不得不令人怀疑狭义相对论的数学构架和逻辑体系是否有其内在的矛盾。现在，这场学术争论已经转化为不同哲学流派对客观世界的不同看法。而西方自然哲学中的还原论、实证主义和数学唯美主义的片面性，也在这场争论中得以充分暴露。
正如中科院原院长、理论物理学家周光召去年在中科院理论物理所的一次演讲中所说：“像相对论、量子力学或是量子场论这些最基本的理论，到现在为止，仍有迹象表明都不是最终的理论。无论是基本粒子，还是天体物理，都在不断提供很多新的现象，对这些现象，现有的理论完全无法解释。”
物理学家似乎越来越相信，对于看不见、摸不着的基本粒子世界，唯一可与之亲近交流的，惟有数学和数学公式了，经验世界所熟悉的基本概念与思维方法都已束手无策。当作为工具的数学凌驾于物理之上，其后果必然是使物理学离玄学愈来愈近，于是，一本《现代物理与东方神秘主义》的书红遍国内外：把富于东方哲理的老子学说——天人合一的朴素的唯物论贴上神秘主义玄学的标签，来解嘲西方自然哲学当今的贫困。标签自然是贴错了，但却被东方“抓了个正着”。
历史在新的层次上走上了回归之路，回归到主流物理学与牛顿分手的地方，追寻当初物理学为何走上了今天的道路。
为什么二十世纪初牛顿经典力学在原子学说中难有作为？
以氢原子为例，电子绕原子核的轨道运动和地球绕日运动有极大相似性，这种相似性来源于库仑定律和万有引力定律有相似的数学结构；不同之处在于，根据麦克斯韦尔方程，电子作圆周运动时要辐射电磁波，不可能维持稳定的轨道运行。
但是，氢原子光谱的客观存在说明电子分立轨道运行是稳定的。同样，玻尔的原子学说也没有解释作圆周轨道运动的电子为什么也不发射电磁波？这说明由宏观电磁现象总结出的麦克斯韦尔方程，不适用于电子绕原子核高速运动这样一个尺度空间。物理学首先应该由科学实验得出事实，而不应受麦克斯韦尔方程不足的困扰，担心电子绕原子核运动会辐射能量；相反，应该把它作为一个基本事实予以肯定。
19世纪的数学已得到充分发展，但数值计算的能力还极其薄弱。像氢分子及其同位素（氘、氚分子）这样的四个质点多体动力学，其数值计算工作量之大，绝非20世纪30年代的科学家敢于问津。这大概也是牛顿力学对电子绕原子核运动难有作为，而不得不把眼光朝向当时蓬勃发展的量子力学这一并不完备的理论的原因。
80年过去了，在亚原子层，即对所谓基本粒子的研究，其主要工具包括：一是加大加速器的能量，期望打出一些稳定的基本粒子来研究电子、质子、中子更深层次的构成；二是不断变换使用各种不同的数学模型来猜测基本粒子的构成。这80年来的不断努力，像瞎子摸象式的试错方案使基本粒子的研究堕入数学唯美主义之中。
这种试图用非常抽象的方式去统一描述自然万物的趋势，实际上是对物理学未来的威胁，因为他们动摇了用经验世界和科学实验推动物理学发展的信念，正如中世纪的神学毁坏了当时欧洲的科学一样。我们认为，由观察世界而了解世界的这一传统应继续保留下来。在近代物理学领域，加速器越做越大，理论物理所用的数学越来越复杂，“基本粒子”也发现了300多个，前后推导出的有关基本粒子的理论一个接一个，并多次获得诺贝尔奖，不是专门多年从事这一领域研究的人，根本弄不明白。但尽管如此，物理学历史发展中留下的一些根本问题却基本没有动静。至今，甚至连一个寿命稳定、更深层次的基本粒子都没找到，也许永远也找不到。
更要命的是，现今的主流物理学前沿已经远离了人们的经验所及，越来越构造在逻辑与数学之上。什么是更好的理论，现在往往看它在数学上是否优美、逻辑上是否自洽以及是否与已经成熟的理论相抵触，而检验这些理论是否正确所需的物理手段远远超出了地球上人类的经验。这就鼓励了越来越多的科学家重新在经典物理的框架中去探寻宇宙万物的新规律。计算机巨大计算能力的发展使他们有能力去做当年绝不敢、也不能去做的事，使他们有勇气重新洗牌、另立新章，历史在新的层次上走上了回归之路。
现在，一个基本事实是，曾经作为科学“旗手”的物理学，无可奈何地让位给了生物学。恰如上一个世纪之交，人们又在议论“物理学的危机”，然而，这一次能拨开乌云的是谁？
牛顿力学还需怎样完善才能使量子理论成为完备的理论
在人们的经验世界中，最原始、最直观的概念是质量、空间和时间。由此可以构成经典力学完备的量纲：动量、能量、热量。但是，人们很快就意识到，仅凭牛顿三大定律不可能对电子绕核的轨道运动作出定量描述。正如普朗克推出量子论后，仍然私下花12年时间，企图用连续介质理论推导出黑体辐射的经验公式，从而放弃量子论，最终以失败告终。因此，探讨问题的性质就转变为普朗克常数究竟为何物？能不能由更基础的理论推导而出？这些问题至今仍是科技界的一大悬案。但是，类似的努力却从未停止过。
冯劲松先生历经20年给出的新的电子轨道理论就是这样的一种努力（《量子光学学报》、《原子与分子物理学学报》介绍了他的部分结果）。
任何企图用牛顿经典力学来描写电子绕核运动的学说必须满足以下五个条件：
一、普朗克常数以何种方式介入理论体系的构建；
二、方程式的计算必须也能得到轨道分立的结果；
三、对电子绕原子核运动的轨道半径及其运动瞬时速度不能给任何先验的数值假定；
四、理论是否符合客观实际必须通过科学实验的检验；
五、理论计算、软件编程、科学实验的方法在完全公开的前提下是可以重复的。
按照这五个条件，冯劲松的新理论的基本构思和运动方程分述如下：
一、牛顿三大力学定律全部适用；
二、波尔量子唯象理论给出的氢原子光谱电磁波频率经验公式；
三、带电粒子的静电库仑力必须加上电子在绕核高速运动时的速度修正项，因为库仑力场不是超距的，也是以光速传播的。
这样就可以把普朗克常数、电子的质量和电子的电荷量引入到多体问题的运动方程组中去，进行电子绕核轨道运动的计算，看看能否得出电子运动轨道分立的结果！
以氢分子（两个质子两个电子）为例，氢分子的四个动质点的空间分布，共有6根库仑作用力的连线，每个动质点受到另三个动质点的库仑力作用。即一共需要求解6个库仑力的矢量，因为每根连线上的受力成对发生，大小相等，方向相反。
以上构思也许并无任何新奇之处，甚至可被人说成牛顿绝对时空观念的回归。但毕竟，以上五点要求和解决问题所面临的庞大的数值计算在上世纪二三十年代是无法实现的。即使现在，冯劲松进行的方程组数值计算所经历的艰难险阻也是难以想象的。
冯劲松现在所得到的结果满足他为自己定立的五条标准，也远超越他自己所预期的结果。其最重要的成功之处在于，他在构建理论框架的同时设计了相应的测试设备，对理论框架的计算结果进行了有效的实验验证。两者不但高度一致，而且对原来的氢分子光谱提出了新的诠释。看来，所谓原创性的基础研究不过是人类一系列试错努力的记录，可真理只有一个。
从这个角度看，我们真应该对那些勇于投身试错活动的科技勇士们表示高度敬意!正是排除了这些错误的积累，才为未来的发现者铺平了前进的道路。
是否推开了发现之门
1.主要的研究结果：
A.计算出了氢原子内电子绕核运动的轨道半径和电子的瞬时速度，使得冯劲松在原子半径内对微观粒子的描写符合经典力学的语言。当然，不能就此说测不准关系错了，也不能因此就说测不准关系无可质疑——全对；但是，新理论的提出者无疑站在爱因斯坦一方，相信因果律、相信决定论，认为伟大的量子理论仍然是一个不完备的理论。除了氢原子，冯劲松还计算了氢分子、氦离子、氦原子等一系列多体问题，其计算结果和他自行设计的发射光谱仪的实测结果高度一致。
B.恢复了牛顿力学在微观世界中本应有的地位。
C.断然否定质量可以转化成能量，认为能量的载体仍然是有质量的微粒。
D.在冯劲松的新理论体系中，运动中的电子可以吸收光子，也可以发射光子，成为某种形式上的光子仓库，每当吸收和发射光子的时候，电子的轨道运动状态也会随之改变。在不吸收发射光子时，电子绕核轨道运动处于稳定态，不存在上世纪人们常议论的轨道运动会对外辐射电磁波。这是一个十分令人惊奇而又必然的结果。但仔细想来，人们对电子质量的测定是通过密立根油滴实验测量得到的游离电子的质量，而不是在原子核外轨道上高速运动着的运动电子的质量，两者不同，不足为奇。
E.在对七色可见光谱不同频率光子的静止质量序列计算的结果表明，其间存在一个最小公约数，说明光量子的能量和质量完全具有确定的数值，和光子的频率无关。与频率相关的是光量子的个数，就像一串子弹，由于个数的不同，引起光谱线的不同，此结果完全出人意料。或者是新理论哪里错了，或者它露出了光电子科学的冰山一角。
2.漫长的试错过程：
A.不是根据某种物理模型写出的数学方程都是可解或者有解的，如果无解，说明冯劲松列出的方程不完全符合物质运动的客观规律，这是新理论起步阶段必然会遇到的挫折，它说明还有某些相关的物理相互作用未被考虑在内，应努力去寻找新的试错方案。
B.一个自然的联想，一对作相对高速运动的带电粒子的相互作用力不仅和相互的间距有关，而且还应和相对运动速度有关。为此，冯劲松在库仑定律的基础上加了一个速度修正项，以区别静电学的库仑定律。为尽量避免这个新给出的速度修正项流于主观，同时增强它在更大范围内的自适应性，冯劲松并未对x的性质是常数或是函数作任何先验的指定，而是谨慎地把修正项写成｛1－v/c｝x。这个修正项的列出最终使冯劲松得出一系列的方程解，而这些解完全符合其理论值的实测结果，这才使他相信自己的理论体系是自洽的，而非封闭的；是合理的，但不是完美的；因为这样才能为科学的发展留下空间。冯劲松最新的一版计算方案考虑了电子的自旋，所用的计算工具是立体解析几何和三角函数的联立方程组，而不是传统的微分方程。这个方程组实际上是对可能的轨道运行给出了几何上的约束条件，这样算出来的结果必然是有限的、分立的，自然就保证了轨道运转在形式上的量子化条件。修证项还须同时对电磁波频率经验公式进行修正，否则计算不出和实验相符的正确结果。
C.冯劲松做出的工作比本文介绍的内容要多得多，冯劲松新版修正案对电子自旋作用的考虑，其联想来自量子力学的成就和地球自转、公转和轨道倾角的客观存在。最终，他将用一个描绘电子绕核运动动态图像的光盘来推介他的研究成果。
D.今后，冯劲松工作的着力点将向生命科学倾斜，并为新设备、新仪器在各个领域的应用作进一步的努力。
E.从整个科学发展史和技术发展史的角度来看，观念的创新是最根本的，科学和技术在发展的各个阶段，有的时候是科学促进了技术，有的时候是技术促进了科学；计算机科学所提供的强大计算功能将全面推进人类对自然的认识能力，这一点在冯劲松的工作中得到了充分的反映。该理论的生命力在于人类认识世界的同时能否进一步改造世界，冯劲松深信对其理论的进一步纠错和发展，会使这一理论在可控热核聚变、高温超导、生命科学、医疗设备领域都能得到明确的应用。
后记
2005年11月17日～20日，我赴长沙参加“首届全国民间科技发展研讨会”，对民间科技力量的迅猛发展是没有思想准备的。我要感谢郝建宇先生，把我这个长期生活在主流科技共同体的成员，引入到一个尚未充分开垦的处女地，才有可能接触到像冯劲松和刘良俊等诸多有识之士。有人说民间科技队伍土生土长，没有接受过正规的训练，是土八路。我得到的印象却是：野生野长，自由飞翔，不拘一格，却出人意表。
想起周光召先生最近说过这样一段话，大意是：在中国本土上“第一个”获得诺贝尔奖的人一定是地处边远山区县、一个在自由自在做深入研究的民间科技工作者。这说明这位曾经的中科院院长对民间科技伟力有所认知、有所期盼。
笔者此文主要介绍冯劲松先生的部分作品。本人不幸外伤，冯先生远道来京探视，在外科病房互动交流切磋，故作此文以飨公众。好在本人不才，也非名家，早已三界之外，村夫野叟，口无遮拦。意之所在，言之所表。或是笔者叙述了一个能自圆其说的美丽故事，或是老天有眼，不拘一格降了人才。若能言中，真的是轮到我们中国人推开了世纪发现之门，则三生有幸。遥祝邓大人在天之灵，回眸苍生，能含笑安息！(范良藻)
我会员冯劲松、熊承堃和刘良俊的科学成就，今天在《科学时报》（即科学网）加以介绍。北京相对论研究联谊会总部受权向全体会员公布这一喜人消息，并向冯劲松、熊承堃和刘良俊先生表示热烈地祝贺，希望他们再接再厉，更上一层楼，夺取更大的胜利。
[北京相对论联谊会网]
