波动性

现代物理学认为，粒子具有波粒二象性。然而，波和粒子的解释相互不协调，粒子将其能量集中于一个小的区域内，波的能量是均匀分布在整个波前上。对于波粒二象性的困境，自量子论诞生以来，许多物理学家和哲学家都顽强地拼搏过这个问题 ，遗憾的是都无果而终。虽然波粒二象性已被科学界广泛接受，但这仅是一种限于当时科技和认识水平而被迫妥协的结果，许多人将它视为一个权宜之计，而不是一个终极的答案。

粒子模型对单粒子双缝干涉实验的考查

在物理学上，单粒子的双缝干涉实验被视为粒子具有波动性的最有力证据。在该实验中(以光子为例)，入射光里只包含一个光子，在屏幕上光子将整体的为其上某个感光单元所接收。在底片上起初星星点点、继而干涉条纹渐露端倪、最终呈现出完整的干涉图样。如果交替地每次挡住其中一条缝，就可以肯定每个光子通过的是另一条缝，结果是双缝干涉条纹消失了，屏幕上显示单缝衍射图样。

物理学界对上述实验的通常推理是：干涉条纹是两束光相干叠加的结果，按经典粒子的概念，一个光子只通过双缝之一，另一个缝的存在与否，似乎对它的行踪没有影响。它打在屏幕上的概率怎么会受另一缝的制约？如果说下一个光子通过了另一条缝，前后两光子在时间上相隔甚远，干涉效应绝不可能在它们之间发生。所以，是一个光子自己和自己发生干涉，即一个光子同时通过了两条缝。

1.单光子与光束在干涉机制上的矛盾

理性比较光束和单光子的双缝实验不难发现，一方面，前者要求光束必须为相干光 ，否则不能干涉；而后者单光子之间不存在相干，也能出现干涉条纹。显然这两个实验本身就存在无法调和的矛盾。

另一方面，前者的解释是：通过双缝后的不同光子之间发生干涉；而后者的解释：是同一个光子同时通过双缝后与自身干涉。显然，对于同一套实验装置产生的干涉条纹，出现了两种完全不同的干涉机制。难道自然界为我们准备了多套干涉方式，以供我们根据需要来任意选择吗？

面对上述两种实验事实，我们已经陷入干涉机制的困境。

2. 单光子双缝干涉效应的系统相对论解释

在单光子双缝实验中，实验装置的两缝间隔为微米级，如图2-1所示。由于间隔的截面尺度极小，在间隔的临界场中作无规则运动的自由电子，具有围绕“间隔”做环绕运动的分量。这些自由电子相互诱导运动，最终它们都围绕 “间隔”作同向的环绕运动。这种规则的运动导致自由电子之间相互耦合，形成电子对或电子链。于是，在间隔周围形成了一个电流磁场 。

在这个电流磁场的诱导作用下，缝的另一侧上产生一个其表面原子核形成的协变磁场，这两个场统称缝隙场。单光子在通过任意一条缝时，在缝隙场的作用下发生偏向运动，即物理学上的衍射。

在间隔上做环绕运动的自由电子具有一个稳定转动周期T₁，设T₁=nτ₀ ，其中n为整数，τ₀为某个时间单位。一般，从光源发出的光子也具有固定的周期T₂，可表示为：T₂=mτ₀ ，其中m为整数。那么，光源和双缝构成的系统也存在一个周期T，即：T=0。这里未考虑入射单光子的随机路径。

如上所述，相隔时间T的两个光子受到缝隙场的作用相同，设光子与缝隙场的作用共分x种情况，则有：x=T/T₂=

可见，光子与缝隙场的作用共有T/T₂种类型。换言之，通过缝隙后的光子具有T/T₂个运动方向，形成T/T₂条亮纹。由此推测，实验显示的亮纹是将两缝亮纹重叠而成，当然这需要精细调制。显然，这与所谓的自身干涉毫无关联。

当任意一个缝被挡住，间隔消失了，间隔上的电流磁场也就消失，缝隙场也就不存在了，所谓干涉条纹也就消失了。于是，在屏幕上呈现出因受缝隙边沿临界场影响而形成的衍射图案。

粒子模型对波粒二象适用范围的考查

现代物理学认为，对于粒子的波动性和粒子性，它们的使用范围是不同的，即在讨论与物质(物体)相互作用时粒子性有效，在讨论在空间中的运动时波动性有效。

我们知道，不论任何物体，构成物体的分子或原子之间存在着间隙、原子核与电子之间也存在间隙。因此，一个物体就是由悬浮于空间中的各级粒子通过不同作用关系逐级构成的一个松散结构的聚合体。

一方面，根据接触的相对性原理，任何物体或粒子之间的相互作用都是在一定间隙下通过场传递的。也就是说，无论一个粒子与某个物体作用与否，粒子始终处于空间中。而无论物体内的空间还是物体外的空间，它们都是整个连续空间的一部分，粒子性和波动性的精确分界线应在哪个位置呢？显然，从连续空间的角度看，这个分界线并不存在。

另一方面，一个粒子与物体的相互作用，本质是与物体中的某个粒子的相互作用(如核外电子、原子核等)，只不过这个粒子处于束缚态、具有我们可以描述的位置和状态罢了。如果一个粒子与束缚态粒子相互作用就表现出粒子性，而与自由态粒子相互作用时就表现出波动性。这显然是表明，一个粒子是根据与它作用粒子的束缚态或自由态，来决定它要表现出粒子性或波动性。难道一个粒子能够识别与它作用粒子的状态吗？显然，粒子是不可能有意识的。

综上所述，系统相对论认为，包括光子、电子等各种粒子，它们都不具有波动本性，但在特定条件下可以显示出波的某些特征。

光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应。

金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。这种解释为爱因斯坦所提出。光电效应由德国物理学家赫兹于1887年发现，对发展量子理论起了根本性作用，在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应(Photoelectric effect)。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏打效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。

光电效应里，电子的射出方向不是完全定向的，只是大部分都垂直于金属表面射出，与光照方向无关 ,光是电磁波，但是光是高频震荡的正交电磁场，振幅很小，不会对电子射出方向产生影响.

高比例可再生能源电力系统结构演化高比例可再生能源波动特征及其影响

风电和光伏是当前技术最成熟的可再生能源发电技术。这两类电源都具有很强的波动性、随机性，往往被统称为波动电源(variable generation, VU)。有文献对世界各地的大规模风电出力和系统净负荷(负荷与风电出力之和)的波动性进行了多年统计分析，发现全球可按风电波动性低、中、高划分为三类地区，瑞典、西班牙和德国属于风电低波动地区，葡萄牙、爱尔兰、芬兰和丹麦属于风电中波动地区，北美的魁北克、邦纳维尔电力局、德州可靠性管委会辖区，中国的甘肃、吉林和辽宁，挪威，丹麦的海上风电属于风电高波动区。低波动区每小时风电爬坡功率不超过额定容量的10%，而高波动区每小时风电爬坡功率可达额定容量的30%。

光伏出力具有显著的昼夜周期性。在太阳能资源富集的美国加州地区，高比例光伏并网导致其净负荷呈现“鸭型曲线”，即春季净负荷在中午急剧下降而成为全日低谷负荷点，且这种趋势随着光伏接入比例升高而加剧，预计到2020年将需要系统具有3h内13 000 MW的爬坡调节能力方可保证不弃光。

风电、光伏等波动电源的波动特性源于一次资源。风光资源是一种过程能源，不可存储、不易控制，在不同时间尺度、不同空间范围，呈现不同的波动特性。

可见，在高比例可再生能源并网的未来电力系统，电源波动甚至超过了负荷波动而成为系统不确定性的主要来源。而如何应对这种电源和负荷的双不确定性，也成为系统规划和运行的核心问题。北美电力可靠性组织(North American Reliability Council, NERC)研究提出，为了消纳风电、光伏、海洋能和小水电，北美电力系统的传统规划和运行方法要进行巨大变革，具体包括以下几个方面 。

1)开发多种类型的波动电源，在广域空间尺度内平衡一次资源，并采用先进控制技术实现波动电源的功率爬坡和电压控制性能。

2)适应高比例波动电源并网，电网输变电设施需要显著增加，保障源荷间功率交换和辅助服务。

3)新增储能和可控负荷，如需求响应、电动汽车、大规模储能，有助于平衡波动电源的灵活调节需求。

4)提升波动电源的出力测量和预测精度是保障整个系统运行和规划可靠性的关键。

5)输配电网需要更加协调地综合规划。

6)需要扩大供需平衡区域规模以获得更好的波动电源消纳能力。

高比例可再生能源电力系统结构演化高比例可再生能源电力系统形态演化模型

高比例可再生能源带来的不确定性，是电力系统形态演化的关键驱动力。

高比例可再生能源驱动的电力系统形态演化模型如图2所示。

欧洲、美国和中国分别提出2050年实现100%，80%，60%可再生能源电力系统蓝图。全新场景下，电力系统特征将发生显著变化，随机波动的风能和太阳能成为主力电源，基本取消“基荷”发电厂，常规火电机组在日内启停，并通过水电厂、燃气电厂、储能等灵活资源调节实现对可再生能源随机波动性的互补，灵活性成为规划和运行关注的核心问题。

源端的主要趋势是电源清洁化。风电/光伏等可再生能源大力发展(局地发电量占比超过30%,水电充分开发，火电定位调整，逐步参与调峰，核电稳步发展，从而形成一种全新的高度清洁化电源格局。

电网的关键特征是电力电子化。远距离输电系统和就地平衡供电网络因地制宜，差异化并存，交直流混联输电网广泛应用，配电网中多类型新设备涌现，直流配电技术得以快速发展。

负荷呈现多重不确定性。分布式电源、电动汽车、分布式储能和双向负荷的涌现和接入比例不断提升，整个系统“源-网-荷-储”互动藕合特性凸显，不确定性成为规划和运行而临的核心问题 。