复杂粒子多次级多分支-混沌波动性基本假设.pdf

开放系统物理学 系列论文 28 复杂粒子多次级多分支 混沌波动性基本假设 李宗诚 苏州大学交叉科学研究室 筹 215000 lzc58515 21cn com 摘 要 本文通过探讨建立二级交叉分析量子结点 将可以为量子力学描述的物质 波及其波动性与可以为经典力学描述的物质波包及其波动性联系起来 以研究一个 复合粒子在非平衡条件下 在非线性作用中的各种复杂演变行为 关键词关键词 量子开放系统 二级交叉分析量子结点 复合粒子 多次级多分支 混沌 波动性 1 引 引 言言 在文 1 10 的探讨基础上 文 11 通过对已有光学实验所发现的噪声 分岔和混沌 现象进行初步分析 对于复杂粒子及其行为提出模拟实验的初步分析和设计 现在的问题在于 如何通过建立二级交叉分析量子结点 将经典相点与量子的相干态波 包结合起来 将相点运动所在的能量面与相干态所占据的能区结合起来 在非平衡条件下研 究一个复合粒子在非线性作用中由量子力学描写的初级粒子演变成为可以由经典力学描述 的多粒子体系 自然地 这一方法不仅可以进一步研究部分可积等问题 而且可以将各个不 同子空间中的相应量放在一起统一进行分析 虽然波包动力学在处理波包的激发 波包在激 发态势能面上的运动 波包的干涉等方面都取得了巨大的成功 然而波包法在解决耗散问题 象自发发射 溶剂分子的影响等时却遇到了巨大的挑战 这使得波包法在处理光与物质的相 互作用方面不能成为一个十分完美的方法 严格地讲 出现这种情况的原因在于波包动力学 本身的缺陷 从本质上讲 波包动力学是一种半经典的量子力学 它在处理分子时用到了量 子力学方法 而在处理光场时又运用了半经典方法 目前人们正从两个方面努力试图解决这 一矛盾 一方面人们在波包法的基础上进行修正 如在波函数里加上衰减项 引入密度矩阵 方程 12 等 并取得了一些成功 另一方面 最根本的解决办法应该采用新的方法 这也是 本文作者的兴趣所在 本文作者正在进行这方面的尝试 进一步需要考虑的问题是 如何通过建立二级交叉分析量子结点 将可以为量子力学描 述的物质波及其波动性与可以为经典力学描述的物质波包及其波动性联系起来 以研究一个 复合粒子在非平衡条件下 在非线性作用中的各种复杂演变行为 2 基本假设及其推论和说明基本假设及其推论和说明 针对这些问题 按照上述理论解释的基础和模拟实验的分析 并以本书作者在文 13 的 分析和推导为基础 我们可以提出如下假设 1 任一由基本粒子构成的粒子在开放性条件下可以被看作为一个 Poincare 系统 并且 任一作为不稳定 Poincare 系统的粒子在开放性条件下可以被看作一个具有自组织的非线性 非平衡系统 1 2 实物粒子和光子在非线性作用下具有分频为 z n 波长为 z n z n n 为第 n 阶分岔上的分支个数 的 N 阶分岔 混沌波动性 而且 实物粒子和光子在热的非平衡条 件下以分岔 混沌波形式进行演变 特别地 当 n 时 实物粒子和光子一样具有混沌 波动性 当 n 0 时 实物粒子和光子一样具有 de Broglie 波动性 3 第n级第q个分支粒子应具有分频为 z n 的波 14 第n级分岔粒子应有z n 分支 波 N级分岔粒子应有z n 个分岔 混沌波 N n 1 4 微观粒子的上述分岔 混沌波动性可归结为量子结点的多层级多分支波动性 因而 可以在交叉分析空间用量子结点的超越完备物理量加以描述 基本推论如下 一般地 对任一在非平衡条件和非线性作用下的复杂粒子 本书作者曾推导出如下基本 关系 13 第n级分岔波的频率和波长应为 1 1 1 1 n nz n n 1 1 1 1 nnz n n 式中 为Feigenbaum常数 o为未分岔时段 t o t 1 在一特定演变时段 t o t 中所占的比 重 且 0 o I 0 又设非线性介质对光强的响应时间为T c 可得 15 0 TtGIITtGIt dt td Tc 13 NFP I 0 分束镜 I t GI t T 全反镜 全反镜 放大器 图 1 观察 NFP 腔混沌行为的实验装置示意图 取自文献 15 上式已将非线性介质产生的相位 t 与光强I t T 联系起来 若T T c 则 dt d Tc 可 略去 上式可写为 0 ITtGIt 代入 12 式 得 sin1 2 0 TtGIF I tI 14 采用记号 0 1 FI tI in 0 FI TtI in 1 F 0 F I G 15 则 5 n n i i 2 1 sin 1 16 该式给出了透射光强i n 1 的迭代式 已有分析表明 200 当及 时 输出是稳定的 当 517 0 229 0 i 884 1 082 2 001 1 909 0 ii 229 0229 0 时 便发生混沌 这样一个由分岔至混沌的方式与环行腔中的 经历 2 n 周期分岔至混沌不一样 当改变参数使之逐渐增大 输出将经过由稳态 分岔 稳 态 混沌 3 探测原子复杂演变结构的实验基础和光谱探测原子复杂演变结构的实验基础和光谱 与现有量子力学将原子结构看作为封闭条件下原子的平衡结构不同 新的量子假设则将 原子结构看作为非平衡态条件下原子的演变结构 这种分析适合于如下三种情形 1 原子 在宇宙演化过程中发生的演变 2 在作为非点粒子的极高能电子作用下原子随时发生的演 变 3 在核中多个核子的协同作用下原子随时发生的演变 对于第 1 种情形 虽然天体物理的元素合成理论 B2 FH 提出了八个过程 氢燃 烧 氦燃烧 过程 e过程 s过程 r过程 p过程和x过程等 但我们还必须在量子力学基 础上给出合适的分析框架 对于第 2 种情形 虽然高能物理的量子电动力学已经预言在 质心系能量高于 38GeV时在 10 16 cm以下电子将出现结构而成为非点粒子 但我们还必须 在量子力学基础上为高能电子的演变提供尽可能有用的描述 对于第 3 种情形 虽然核 物理已经意识到在核中描述多个核子协同运动的集体自由度也是一种序 并且意识到随着激 发能增加 序就趋于减小 直到最后相发生变化 但我们必须在量子力学基础上为分析这种 相变保留余地 利用非线性电路 我们就有可能在不具备超高能的地面实验室条件下使电子发生演变 这就是将非线性振荡电路引入高频高压倍加器 dynamitron 在此并激式分岔 混沌电路基 础上 高频高压倍加器可加速较强 10 毫安以上量级 的级联演变电子流 新型倍压加速器 的工作电压大约可在几十千伏到几兆伏以上 而级联演变粒子流强度大约在几百微安到几百 毫安可以使电子 轻离子和重离子等加速并发生演变 在高频高压倍加器的作用下 电子枪可打出级联演变电子 这种入射电子同原子碰撞后 不仅可引起原子内部势能发生变化 而且可以使原子体系发生结构性演变 要研究非平衡态条件下原子的演变结构 就需要有相应的原子光谱 然而 对于新的光 谱来说 现有激光器有一定的局限性 在束缚电子激光器中 由于工作物质固有能级的限制 激光波长不可能在大范围内连续调谐 受激发射几率与波长成正比 因此想获得高功率短波 长激光很难 自由电子激光器 FEL 产生的激光则局限于高功率 短波长 宽频带连续调 谐 通过引入非线性电路系统 我们可以将激光辐射技术与受激光散射技术结合起来 以产 生 发射比现有激光性能更好且辐射的立体角未必极小的光 这种光应具有倍周期演变性 高定向散射性 分级单色性和多级高简并度等 由此 我们可以设计一套演化谱线Doppler 轮廓分级变化的原子空心阴极放电装置 13 如图 2 通过此装置并用光电流光谱法可获得 原子复杂演变结构光谱 新的量子假设和测量手段 可使原子光谱既包含原子或离子在电子运动状态发生变化时 发射或吸收的有特定频率的电磁频谱 也包含原子或离子在宇宙演化中电子运动引发的有演 6 变频率的电磁频谱 可使原子光谱的精细结构既包含由原子中电子自旋轨道相互作用引致的 多重结构 也包含由电子的结构演变性引起的复杂结构 可使原子光谱的超精细结构既包含 由核磁矩和核电矩引起的多重结构 也包含由核对称性破坏引起的复杂结构 R 参比 235U 信号 C 3 R 235U 信号 C 参比 空心阴极 放电电源 双光栅 分级单色仪 分级扫描 电子仪 分级锁定 放大器 235U放电管 透镜 分束器 切光器 分束器 受激光 级联簇射器 空心阴极 放电电源 分级锁定 放大器 235U放电管 透镜 非线性电路 系 统 电 源 图 2 以非线性电路为基础的倍周期分岔光电流光谱装置示意图 cm 1 cm 1 50000 50000 40000 40000 30000 30000 20000 20000 10000 10000 0 0 1 3 5 7 9 11 13 15 V 1 3 5 7 9 11 13 15 V 13 53 13 53 A 经典 Raman 系 B 包含演变谱线的 Raman 系 图 3 以氢为例 我们可以给出原子演变能级图 13 在此类图中 纵座标表示能量 用波数的单 位cm 1 表示 水平线表示能级或光谱项 横座标表示电位 以伏特作单位 对于图 3 A 7 所示的经典Raman系 可给出图 3 B 所包含演变谱线的广义Raman系 对于图 4 A 所示 的经典Ralmer系 可给出图 4 B 所包含演变谱线的广义Ralmer 系 对于图 5 A 所示的 经典Paschen系 可给出图 5 B 所包含演变谱线的广义Paschen系 cm 1 cm 1 50000 50000 40000 40000 30000 30000 20000 20000 10000 10000 0 0 1 3 5 7 9 11 13 15 V 1 3 5 7 9 11 13 15 V 13 53 13 53 A 经典 Raman 系 B 包含演变谱线的 Raman 系 图 4 cm 1 cm 1 50000 50000 40000 40000 30000 30000 20000 20000 10000 10000 0 0 1 3 5 7 9 11 13 15 V 1 3 5 7 9 11 13 15 V 13 53 13 53 A 经典 Raman 系 B 包含演变谱线的 Raman 系 图 5 由此可见 新的量子假设能够拓展量子力学 使其适用于对第 1 2 3 种情形 的研究 进一步将这一假设拓展于高能物理和宇宙物理其它领域 是有希望的 4 范例分析 对量子力学测量的新解释范例分析 对量子力学测量的新解释 8 现以一个对应于只有两个过程的两层原子的模型 16 17 18 为例 考虑两种情形 一种是 通常模型 即一个处于激发态的原子被嵌在连续场的频率中 另一种是考虑一种束缚态 它 具有负能量 且在连续谱下不会再发生共振 现在来考察当给粒子初值条件后 熵或信息的 行为如何 H函数为 H 22 1 2 111 2 kk kk k kk tr 其中H 0 包含关于粒子 11 的信息 H 1 对应于粒子与场 1k及 k1 的关联 H 2 是关于场 kk 的信 息 我们先看束缚态 计算机最新模拟给出 3 个贡献 一是束缚态的贡献 二是粒子与场的 贡献 三是场产生的贡献 3 个贡献中每一个都在涨落 但是每一个涨落从本质上是不变的 因此没有信息传递 然而 一旦考虑不稳定粒子就出现了很大的变化 如图 6 在这里 场 收集了被原子衰减破坏掉的信息 如果作多层次相互作用的研究 则有很好的图像 以此方 式从二体关联到越来越高阶的关联 一个传递一个 其总和仍然恒定 不过这是一种理想化 的情形 如果我们考虑有无数态的福克空间 则在这点上关联既不能观测又不能计算 如果 将系统截断 则会抑制掉这些自由度及信息 从而不再被传播 现在能做的就是应用新量子 理论来分析这种情况 当考虑引进熵时 我们会看到H量减少了 当继续引进时 相应于一 个完全动力学系统的波函数被破坏 即系统中正在发生的力学过程导致了波函数的破裂 以 这种方式 我们使量子理论中的事件复活了 波函数的破裂是由于高阶关联的结果 只有远 程和大时间才出现这种高阶关联 1 0 8 H0 H2 0 6 H 0 4 0 2 0 0 40 80 120 160 200 图 6 对于不可积的弗里德利希模型H 函数的演化 实线为数值模拟的结果 虚线为子动力学理论结果 现在共振使得信息从低阶关联传递到高阶关联 通过对于微观粒子引入具有分岔 混沌波动性的非线性非平衡系统 我们可以给出量子力学 更完备的描述形式 并赋予事件以内在的意义 由于新量子理论的研究对象既是 非局域性 的实在 又是 发展 演变 的过程 所以 随着单个微观粒子演变成为多次级多粒子体 系 乃至成为中观量子体系 一方面 仅满足线性量子系统的 Heisenberg 测不准关系可以被 拓广为适合于量子结点 从而适合于非线性非平衡量子系统的泛测不准关系 另一方面 对 于 演变前 的单个微观粒子无法进行的测量 将主要转向量子结点 从而主要转向 演变 中 及 演变后 的多次级多粒子体系或中观量子体系 9 参考文献 1 李宗诚 不可逆性类完备随机系统的全拓展算子 开放系统物理学 系列论文 17 2005 2 李宗诚 开放系统类完备统计物理的全拓展方程 开放系统物理学 系列论文 18 2005 3 李宗诚 开放系统完备统计物理的基本模式分类 开放系统物理学 系列论文 19 2005 4 李宗诚 类完备统计过程 系统演变和模式转换 开放系统物理学 系列论文 20 2005 5 李宗诚 基础能流密度 量子基础均衡和量子耗散均衡 开放系统物理学 系列论文 21 2005 6 李宗诚 基础耦合关系 量子系统消耗与量子组织均衡 开放系统物理学 系列论文 22 2005 7 李宗诚 量子耗散系统非均衡交流分析力学方程和函数 开放系统物理学 系列论文 23 2005 8 李宗诚 量子耗散系统交叉分析基础 类完备性耗散波 开放系统物理学 系列论文 24 2005 9 李宗诚 量子耗散系统交叉分析基础 结点和新物理量 开放系统物理学 系列论文 25 2005 10 李宗诚 量子耗散系统交叉分析结点和超越完备物理量 开放系统物理学 系列论文 26 2005 11 李宗诚 复杂量子系统的模拟实验设计和统计分析基础 开放系统物理学 系列论文 27 2005 12 Collet P Eckmann J P On the Abundance of Aperiodic Behavior for Maps on the Interval Commun Math Phys 1980 13 李宗诚 关于热的非平衡条件下原子的分岔 混沌量子假设 原子与分子物理学报 4 1995 427 438 14 赵松年 熊小云 子波变换与子波分析 电子工业出版社会性 996 15 Narburger J H Felber F S Phys Rev 417 1978 335 16 普里戈津 探索复杂性 中译本 四川教育出版社 1992 17 Prigogine I The Microscopic Meaning of Irreversible Processes Leipzig Publication 1989 18 方锦清 非平衡态研究的最新进展 自然杂志 1990 Basic Hypothesis on Evolution of Multistage Bifu