物理學玻爾理論下量變與質變的問題

云南大學高等教育研究院 張曉軍

量變和質變是事物發展的兩種狀態，量變是指事物量的規定性的變化，是事物數量的增減、場所的變更以及事物內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的變化，它不改變事物的根本性質，因而也稱漸變。質變是事物根本性質的變化，是一事物變為他事物。質變和量變的辨證關系：第一、量變是質變的前提和必要準備。第二、質變是量變的必然結果。第三、質變體現和鞏固量變的成果，并為新的量變開拓道路?？傊澜缟先魏问挛锏倪\動，發展都是量變和質變的統一。[1]

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

玻爾理論是本世紀初最偉大的創造。它新穎、大膽，把幾個不同領域的發現和研究，集中在原子結構這樣一個問題之下，因此獲得了許多科學家的熱情贊揚。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。但不少科學家則持保留和懷疑態度，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，發現了氫原子的一組光譜線，證實了玻爾的預言。1914年，弗蘭克（J.Franck）用電子撞擊汞蒸氣，出現了三個電壓峰值，證明了電子能量的分立性。1915年索末菲（A.Sommer-feld）發展了玻爾理論，提出了角量子數和磁量子數。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，隨后量子力學的誕生也有力地說明了這一點。[2]玻爾理論的內容：（1）原子只能處于一條列不連續的能量狀態中，在這些狀態中原子是穩定的，電子雖做加速運動，但并不向外輻射能量，這些狀態叫定態。（2）原子從一種定態（設能量為E2）躍遷到另一種定態（設能量為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的能量差決定，即hν=E2-E1（3）氫原子中電子軌道量子優化條件：氫原子中，電子運動軌道的圓半徑r和運動初速率v需滿足下述關系：

在量變質變哲學和物理學玻爾理論的基礎上總結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的能量狀態與漸進性量變的矛盾

黑格爾的《邏輯學》中質是最初的、直接的規定性，量是對“有”漠個相關的規定性，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。[3]哲學是定性的、概括的，物理學是定量的、具體的。在玻爾理論中規定繞氫原子核運動的電子的能量不是連續的，而是一份一份的，也就是物理學中所說的量子化，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躍遷到高能級，從而使氫原子的能量狀態發生改變。有沒有兩能級之間的能量狀態，在玻爾理論中答案是沒有兩能級之間的能量狀態，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它不是一個數量不能和數量2一樣，可以分成小數1.5和0.5或更小的量，氫原子的能量狀態像一級一級臺階一樣。設物質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發生改變，在電子躍遷過程中總要經過一定的空間和時間應該也是一個連續的運動變化過程，也就是氫原子中的電子從一個“臺階”到另一個“臺階”要經過“臺階之間”。但這是用經典牛頓力學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是連續變化的從高能級躍遷到低能級放出的光子的頻率是連續光譜，而現實實驗得到的光譜是不連續，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。

二、對質變和量變的辨證關系中量變是質變的前提和必要準備的質疑

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的能量狀態，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變過程，電子能量狀態質變過程中的變化不是連續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，則繼續再加一粒麥就可形成一堆麥，繼續再拔一根毛，就可產生一禿的馬尾?！盵4]黑格爾所處的年代雖然有了近代物理學，但當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。從嚴格的邏輯學觀點，目前尚沒有“量變”這一重要哲學范疇的確切定義。例如有這樣的說法：“量變是事物數量的增減和場所的變更?！保ㄒ姟恶R克思主義哲學基本原理》，上海人民出版社，第5版）。其它哲學教科書的說法也大致如此。當然，數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，這些微觀的物質又由夸克或更微小的物質組成，在玻爾理論下氫原子是一個能態到另一個能態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質變[OL].百度百科，2013-9-4.

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

[3]黑格爾.邏輯學:上卷[M].楊一之譯.商務印書館，1982:192.

[4]黑格爾.小邏輯[M].賀麟譯.商務印書館，1982:237.

[5]夏志權.關于“量變”的深入思考[J].上海師范大學學報，1993（2）:24-27.