物理学玻尔理论下量变与质变的问题

云南大学高等教育研究院 张晓军

量变和质变是事物发展的两种状态，量变是指事物量的规定性的变化，是事物数量的增减、场所的变更以及事物内部各个组成部分在空间排列组合上的变化。量变是一种渐进的、不显著的变化，是在原有度的范围内的变化，它不改变事物的根本性质，因而也称渐变。质变是事物根本性质的变化，是一事物变为他事物。质变和量变的辨证关系：第一、量变是质变的前提和必要准备。第二、质变是量变的必然结果。第三、质变体现和巩固量变的成果，并为新的量变开拓道路。总之，世界上任何事物的运动，发展都是量变和质变的统一。[1]

黑格尔提出了从量变到质变的思想，揭示了由一种质态到另一种质态之间相互转化的规律。黑格尔认为，量变是渐进性的运动，量变在一定限度内并不影响质，但是，量变积累到一定程度时，就会引起质的突然变化，质变表了渐进的运动的中断，使事物出现飞跃式的发展。黑格尔的这一发展观，从根本上打击了把运动归结为纯粹是量变的形而上学观点。量变与质变似乎是哲学的思想，与自然科学没有什么关系。其实物理与哲学是有渊源的。在古代大而全的哲学中物理学包含在其之中，只是后来学科发展从哲学分离出来。亚里士多德的一本著作名称是《物理学》只是这里的“物理学”和我们现代社会所讲的物理学有比较大的差异，它是一种比较朴素的，对物的哲学认识，牛顿的一本伟大的物理学著作名称是《自然哲学的数学原理》。

玻尔理论是本世纪初最伟大的创造。它新颖、大胆，把几个不同领域的发现和研究，集中在原子结构这样一个问题之下，因此获得了许多科学家的热情赞扬。爱因斯坦认为是“一个巨大的成就”，金斯（J.H.Jeans）认为它是谱线系最巧妙、最令人信服的解释。但不少科学家则持保留和怀疑态度，劳厄（M.vonLaue）就认为是“完全的胡扯”。所以，正象其它理论的成长一样，玻尔理论这时急需要强有力的实验证明。不久后，赖曼（T.Lyman）在紫外区，发现了氢原子的一组光谱线，证实了玻尔的预言。1914年，弗兰克（J.Franck）用电子撞击汞蒸气，出现了三个电压峰值，证明了电子能量的分立性。1915年索末菲（A.Sommer-feld）发展了玻尔理论，提出了角量子数和磁量子数。这一研究成果，不但丰富了玻尔理论，而且进一步证明了其正确性和过渡性，随后量子力学的诞生也有力地说明了这一点。[2]玻尔理论的内容：（1）原子只能处于一条列不连续的能量状态中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽做加速运动，但并不向外辐射能量，这些状态叫定态。（2）原子从一种定态（设能量为E2）跃迁到另一种定态（设能量为E1）时，它辐射或吸收一定频率的光子，光子的能量由这种定态的能量差决定，即hν=E2-E1（3）氢原子中电子轨道量子优化条件：氢原子中，电子运动轨道的圆半径r和运动初速率v需满足下述关系：

在量变质变哲学和物理学玻尔理论的基础上总结分析研究有了疑问主要是以下两个问题：

一、原子只能处于一条列不连续的能量状态与渐进性量变的矛盾

黑格尔的《逻辑学》中质是最初的、直接的规定性，量是对“有”漠个相关的规定性，是一个不是界限的界限，是绝对与为他之有同一的自为之有，——是多个的一的排斥，而这个排斥又直接是多个的一的非排斥，是多个的一的连续。[3]哲学是定性的、概括的，物理学是定量的、具体的。在玻尔理论中规定绕氢原子核运动的电子的能量不是连续的，而是一份一份的，也就是物理学中所说的量子化，从高能级跃迁到低能级放出光子，吸收一定光子能量的电子可从低能级态跃迁到高能级，从而使氢原子的能量状态发生改变。有没有两能级之间的能量状态，在玻尔理论中答案是没有两能级之间的能量状态，绕氢原子核运动的电子的能量变化不是渐进的。玻尔理论中氢原子的能量状态它不是一个数量不能和数量2一样，可以分成小数1.5和0.5或更小的量，氢原子的能量状态像一级一级台阶一样。设物质运动存在的基本形式时空的变化，氢原子中电子的跃迁使氢原子的能量状态发生改变，在电子跃迁过程中总要经过一定的空间和时间应该也是一个连续的运动变化过程，也就是氢原子中的电子从一个“台阶”到另一个“台阶”要经过“台阶之间”。但这是用经典牛顿力学进一步研究氢原子中电子是高速运动的物体还是有一定的局限性，研究物体高速运动的时空观涉及到爱因斯坦相对论的范畴，在这里不详叙。如果氢原子的能量状态是连续变化的从高能级跃迁到低能级放出的光子的频率是连续光谱，而现实实验得到的光谱是不连续，金斯（J.H.Jeans）认为玻尔理论是谱线系最巧妙、最令人信服的解释，其中的公式hν=E2-E1，从高能级跃迁到低能级，放出的光子的频率大小是ν=（E2-E1）/h——能量的差值除以普朗克常数。

二、对质变和量变的辨证关系中量变是质变的前提和必要准备的质疑

在玻尔理论中绕氢原子核运动的电子只能从一个能级到另一个能级不能在两能级之间有连续的能量状态，是不是可以认为电子从一个能级到另一个能级的变化是一个质变过程，电子能量状态质变过程中的变化不是连续的变化也就是说几乎见不到有量变。黑格尔《小逻辑》中“一粒麦是否可以形成一堆麦；又如从马尾上拔，一根毛，是否可以形成一秃的马尾?”黑格尔答道：“只要最后达到这极点，则继续再加一粒麦就可形成一堆麦，继续再拔一根毛，就可产生一秃的马尾。”[4]黑格尔所处的年代虽然有了近代物理学，但当时人们认识微观的原子分子是有局限性的，更不可能考虑到玻尔理论中的氢原子核、核外电子运动的情况。从严格的逻辑学观点，目前尚没有“量变”这一重要哲学范畴的确切定义。例如有这样的说法：“量变是事物数量的增减和场所的变更。”（见《马克思主义哲学基本原理》，上海人民出版社，第5版）。其它哲学教科书的说法也大致如此。当然，数量的增减是一种量变，场所的变更也是一种量变。但是除此之外还有着其它类型的量变。[5]量变中的“量”在黑格尔的举例中可以是一粒麦、一根毛，在微观世界中量变的“量”是怎样的呢？原子还可再分原子核、电子，这些微观的物质又由夸克或更微小的物质组成，在玻尔理论下氢原子是一个能态到另一个能态氢原子微观的量变似乎是找不到了。

[1]http://baike.baidu.com/link?url=vtiKBcxPn4Rj QCUWLRWgHwL-mSXCftSXLatDD2y2C4KpXVhOqU KLoK41q5lmW6XV质变[OL].百度百科，2013-9-4.

[2]张文根，王存虎.玻尔理论的创立及其科学方法研究[J].宝鸡文理学院学报（自然科学版）1998（3）:59-62.

[3]黑格尔.逻辑学:上卷[M].杨一之译.商务印书馆，1982:192.

[4]黑格尔.小逻辑[M].贺麟译.商务印书馆，1982:237.

[5]夏志权.关于“量变”的深入思考[J].上海师范大学学报，1993（2）:24-27.