Nature披露观察到量子跃迁过程，不确定性原理是否被推翻？

第一部分：前言：

1.1、摘露Nature研究的报道

耶鲁大学最新发表在Nature上的一项研究表明：可以观察和计算出某个时间量子跃迁发生的概率，从而预测“薛定谔的猫”的命运。

实验首次捕捉到了跃迁中的量子系统，这意味着量子跃迁并非玻尔和海森堡所认为的完全随机、瞬时发生的过程，而是更符合薛定谔的波函数理论。

上世纪 20 年代中期，物理学家玻尔、海森堡等人建立了量子理论，而量子跃迁的瞬时性正是其中的核心支柱，这套理论被称为哥本哈根诠释。

最近，Nature研究报告发现了量子跃迁，发生在受电磁场作用下悬浮的单个原子中。原子在“亮”态和“暗”态之间来回转换，处在“亮”态时原子会发射一个光子，而“暗”态时则不会随机发射光子。

到此，关于量子跃迁的报道表明，在哥本哈根诠释里，量子跃迁是随机的、概率的、不可预测的，而这次耶鲁大学的研究团队实验证明，量子跃迁的是可预测的，而且是可控的，甚至可以让其逆转，似乎在颠覆哥本哈根诠释。

当然，目前披露的信息不是很多，期待后续的验证和继续报道。

1.2、量子跃迁诠释的现状

到今天为止，关于量子跃迁的机理和本质，或者其原理，基本上沿用哥本哈根派的诠释。

但哥本哈根派的诠释，几乎是颠覆基本宏观常识和经典理论的，看起来确实是不可思议。

所以，哥本哈根派的诠释自诞生到今天，一直充满争议和质疑，爱因斯坦批评它是上帝在掷骰子，薛定谔把它比喻为一只即死又活的猫。

但是，一百多年来，量子力学在哥本哈根派诠释的支撑下，顶住了争论和质疑的风雨飘摇，取得了长足的发展。

虽然量子力学取得的成果是伟大的，但是关于量子本质的解说，仍然是缺失的，物理学家们依旧对量子本质一无所知。

所以，费曼说，“没有人真正懂得量子力学”。

德国量子信息专家大卫·达文森佐也说道， “这是一种精妙的理论，我们目前连它的皮毛都没有掌握。”

今天，耶鲁大学的研究，首次观察到量子跃迁过程，似乎在颠覆哥本哈根诠释的不确定性原理，而不确定性原理是哥本哈根诠释的核心和支柱。

如果哥本哈根对量子跃迁的诠释失效，那么，量子跃迁的本质是什么？这仿佛是飘在量子力学的一朵大大的乌云。

为此，在下面，我们还是试图对量子跃迁的过程、原理和本质作一番尝试性的探讨。

注意，这是前沿理论，不是Nature报告的内容，在此仅仅用以讨论和参考。

第二部分：动态的原子模型

我们要解说量子跃迁，实质就是讨论原子和原子核外的电子规律，因为量子跃迁主要是指电子跃迁，所以我们从原子的本身和电子运动规律开始，逐步讨论。

2.1、原子模型的物理史

原子由原子核和核外电子构成，这是基本常识，但是，关于电子绕核运动的方式和绕核轨道，却有不断被修改的历史：

从汤姆孙的“枣核模型”到卢瑟福的“太阳系”模型，后来就是在海森堡的不确定性原理规范下，原子轨道是高概率下的“电子云”，最后就是现在，被规范到原子核的“标准模型”。

但是，原子的现代“标准模型”依然不标准，是依赖于多达20个参数而勉强凑合的模型，是排除引力作用，以电磁力、粒子的强作用力和弱作用力来解释粒子组合，事实上，“标准模型”还有太多的遗憾和失望。

如何建立原子的正确模型，才能揭开量子的本质秘密，这是大家的共识和期盼。

那么，原子的正确模型究竟怎样的呢？

2.2、电子的运动规律与惯性圆周运动论

原子是动态的结构，这是谁都不会否定的事实，那么，揭示原子真实的运动方式才是最重要的事情。

原子内的所有粒子遵守惯性圆周运动规律是本文探讨的第一个重点，什么是惯性圆周运动规律呢？先来看惯性圆周运动原理：

惯性圆周运动原理：一切粒子在不受任何干扰作用下，将保持绕一核心作匀速自旋和周转的运动状态不变，直到被干扰破坏为止。

我们以电子为例，来解读这一原理的含义：

电子在不受任何干扰的前提下，电子以原子中心点为圆心，绕核匀速的周转，并同时自旋。即电子在不受任何干扰时，有确定的速率和确定的轨道，且永恒的运动下去，故称为电子的惯性圆周运动。

但是，电子不受任何干扰，仅是理想状态，除非是封闭孤立的理想环境，显然，这是无法实现的。

事实上，电子处于一个开放的自然环境，极小的电子要受到外界不断的干扰，且干扰是不可预测的，或者说是不确定性的。

时刻处在不确定性干扰下的电子，其惯性圆周运动状态就常常被破坏，表现为电子的运动速度和轨道被常态性改变，所以电子的实际运动状态就成为了不确定性的运动状态。

另一方面，电子太小了，任何对电子的观察和测量行为，都是对电子的干扰，因为观察是“光察”，测量是“电量”，都是对电子惯性圆周运动干扰和破坏，这加剧了电子的不确定性。

总之，定量的对电子“光察”，和“电量”，必然导致电子惯性运动状态“坍缩”，不定量的“光察”和“电量”，则加剧电子运动的不确定性。

这样，电子在外界常态性的干扰破坏和不确定性的“光察”和“电量”下，电子的实际观察到的运动状态，就是常态性的不确定性状态，确实符合不确定性原理。

但是，电子虽然受到不确定性能量的干扰破坏，可是其惯性圆周运动的属性不变，在干扰减小或停止后，电子将回归绕核心的惯性自旋和周转。

所以，电子运动的实际运动状态仍然具有规律性，可以描述为：

电子的实际运动状态是：绕核心的惯性圆周运动被破坏和回归的渐变。

意思是说，电子由于有保持惯性圆周运动的初始速度和轨道状态的属性，所以电子实际运动的速度和轨道半径，都是在初始速度和轨道幅度范围内的摆动。

这就是说，电子的运动规律是在确定的惯性速度和轨道范围的震荡运动，具有概率性，即遵守电子云概率轨迹，或者符概率方程的解，其解集是电子惯性圆轨道一定幅度范围的震荡点的集合，例如薛定谔方程。

这样，可以归纳总结就是：

电子的不确定性原理不是电子的本质，而是其变性，电子在不受干扰时绕一核心作匀速自旋和周转的圆周运动，具有确定的初始速度和确定的初始轨道。

但是，受到外界不确定性的干扰破坏时，被改变为不确定性的运动状态，而且不确定性是相对的，其不确定性仍然是惯性运动初始状态的幅度变化规律，是概率的圆周运动。

2.3、动态的原子结构模型

基于上面的分析，由惯性圆周运动原理，可以说明：

原子在不受干扰时，核外电子绕原子核作匀速自旋和周转的圆周运动，相当于卢瑟福的“太阳系模型”， 由于有了惯性圆周运动原理，完全不用考虑电子会丢进原子核内去，原子若不受干扰，就是稳定的太阳系结构的缩影。

事实上，电子无时无刻受到外界干扰，但是电子本身具有惯性的圆周运动属性，电子的惯性运动的初始速度和轨道半径被不断破坏和改变，但是依然以初始速度和轨道半径为基本值而幅度变动，所以遵守概率方程规律，电子云的轨迹依旧是圆的轮廓，圆内点的集合就是概率方程的解集。

这样，原子的动态模型就是：

原子不受干扰时是太阳系的缩影，受干扰时是圆周云的概率态。

2.4,、电子的惯性能量

如果设电子不受干扰时的自旋速度是V1，绕核的周转速度是V2，质量为m，则电子在任意点具有自旋动能E1和周转动能E2，则有（如图）：

E1=1/2mV1^2 (2.4.1)

E2=1/2mV2^2 (2.4.2)

电子的总动能E为：

E= E1+ E2=1/2mV1^2+1/2mV2^2 （2.4.3）

这样，把(2.4.3)中的E叫做电子的总惯性能量、(2.4.1) 中的E1叫做电子的自旋惯性能量、(2.4.2)中的 E2叫做电子的周转惯性能量，惯性能量也可称为初始能量。

在电子不受干扰作用下，如果电子绕核周转的半径是r，则轨道周长是2πr，电子绕核一周就是一个周期，这样，每个周期内，电子周转惯性能量与周转轨道周长的乘积值是确定不变的，而轨道周长是由半径确定的，所以：

电子周转惯性能量与周转轨道半径的积也是确定的，把这两者之积就叫做周期惯性量，即有（如图）：

q=Er=1/2mrv2^2 (2.4.4)

这里，q是周期惯性量，这样，周期惯性量也可表述为：电子质量m、周转轨道半径r和周转速度平方的积，

2.5、共核公转原理：

一个不受干扰的原子，其核外电子的绕核速度和轨道是确定的，所以其周期惯性量就是确定的，无论电子跃迁或回归到任何轨道，电子的周期惯性量不变。

这样，总结一下，对于同种元素原子核外电子不受干扰时就有规律：

同一元素原子的核外不同轨道的电子，周转惯性能量与轨道半径的积是一个不变的周期惯性常量。

若设一个元素原子核外电子各层轨道的半径分别是R1、R2、R3…、周转速度是V1、V2、V3…、质量是m、则周期惯性常量就有方程（如图），则有：

q1=q2=q3=… (2.5.1),

1/2 mR1 v1^2=1/2 mR2 v2^2=1/2 mR3 v3^2=q （2.5.2）

简化就是：

R1v1^2=R2v2^2=R3v3^2=…q （2.5.3）

这样，在（2.5.3）中，我们把q，即电子绕核的轨道半径与其速度平方的乘积称为共核公转常数。

所以，电子在不受干扰的前提下：

同一元素的核外电子，无论电子处于哪一层轨道，或跃迁到另一个轨道，电子绕核速度的平方与核心距离的积等于这一元素的共核公转常数q。

如果我们把原子核的中心作为一个核心质点，核外电子就是绕这一个公共核点而公转，那么，进一步归纳，就有了共核公转原理：

共核公转原理：在不受干扰的前提下，绕同一核心公转的多个量子（电子），其轨道半径与公转速度平方的积等于共核公转常数q。

这个原理表示，同一元素的原子核外的电子，在不受外界干扰时，无论电子处于哪一个电子层轨道，或者电子跃迁到那个轨道，其轨道半径与公转速度平方的积始终等于共核常数q。

以此，我们来解说电子的跃迁原理和原子的本质秘密。

2.6、共核公转原理的推广

共核公转原理，不仅仅是微观粒子的属性，我们把它推向宇宙天体也是成立的：

如果把地球中心看成核心，月球和人造地球卫星看成是电子，则有：

R月*V月^2= R卫*V卫^2（2.6.1）（如图）

R月即月球绕地半径，若取地球半径6400km、月球半径1740km、月地距离384000km，则月球绕地公转半径R月=392140km，,月球绕地速度取V月=1.03km/s，则地月系的共核公转常数约等于：

R月*V月^2= R卫*V卫^2=407982m/s^2（2.6.2）（如图）

若取R卫=6400km，则此卫星就是贴地卫星，很容易求出地球的贴地卫星的速度：

V=√407982m/s^2/6400km≈7.9km/s.（2.6.3）

这实际就是地球卫星的最大速度，也是第一宇宙速度。

当然，假设地球半径缩小一半，那么地球半径就是3200km，此时地内卫星速度就是：

V=√407982m/s^2/3200km≈11.28km/s.（2.6.4）

而对于地外的同步卫星，距地高度是35786km,则距地心距离是：

R同步=35786km+6400km=42186km

所以，同步卫星的速度就是：

V同步=√407982m/s^2/42186km≈3.1km/s（2.6.5）

这与同步卫星平均速度为3.08km/s只存在较小误差，这与地月系共核常数取平均值产生误差有关，一个准确的地月系常数和同步卫星确定点距离是符合共核公转原理的。

事实上，我们根据共核公转原理，已知自由轨道的卫星与地心的距离，就很容易算出自由轨道上的卫星绕地速度，或者已知卫星速度，可以方便快速的计算出卫星与地心的距离。

在太阳系里，所有行星都是绕太阳核心公转的共核系，因此，所有行星的公转轨道半径与公转速度平方的乘积是相等的，都等于太阳系的共核常数。即：

R1v1^2=R2v2^2=R3v3^2=…q（2.6.6）（如图）

还可以参看下图表验证。

同时，我们知道，太阳系的行星公转轨道是椭圆，因此，每个行星的公转速度是变速的，但是：

所有行星在椭圆轨道上任意点的速度平方与太阳核心距离的积，都是等于太阳系的共核常数。即：

而关于共核公转原理，可以用开普勒定律证明：（如图）

因此，无论是电子基态轨道到激态轨道跃迁，还是地月系的人造地球卫星和月球、以及太阳系行星、包括宇宙其它天体的共核公转星体，都将遵守共核公转原理。

共核公转原理不仅是量子跃迁的基本原理，也是人造地球卫星轨道确定和行星椭圆轨道变速的基本依据。

共核公转原理是天体和粒子的共同规律，电子运动规律是具有确定性的，也就是说：

量子的不确定性原理不是量子本质，而是其受到干扰后的变性，从观察、测量、验证的角度看，不确定性原理是正确的，但是从本质分析，不确定性原理是错误的。

2.7、量子理论的更多解说

至于电子为什么会从基态到激态跃迁？为什么会辐射光子？电磁的本质是什么？元素的化学性质的基本原理是什么？限于篇幅，将分为几个部分来解说，未完待续，这包括：

第三部分：共核自转原理；

第四部分：光子辐射本质；

第五部分：电磁本质；

第六部分：元素化学性质的电子变化本质。