光的粒子性和波动性 一个关于光的波动性与粒子性统一的探索性观点
时间：2019-05-13 03:27:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
1、关键词：光、光量子、有序光子、混沌量子，物质、运动、速度、方向、碰撞、能量、动量、自旋、相对论，量子力学，折线，波，波动性、粒子性、螺旋线、正弦曲线。 2、内容提要：光与人类生活息息相关，我们离开光将无法生存。千百年来，人类的智者一直在思考光是什么？20世纪初期，量子力学指出光具有波粒二象性，但至今也未能阐明光的波粒二象性的物理机制。对光的本质是什么，一直没有答案，量子力学本身也没有令人满意的诠释。爱因斯坦1951年深有体悟地说：“整整五十年的自觉思考没有使我更接近解答‘光量子是什么’这个问题”。本文分析各种自然现象，通过推理性的思想实验，依据光具有粒子性和波动性的基本事实，探索粒子性的光子产生波动性的原因、途径和物理机制。提出人类所谓的“真空”并不空虚，而是存在着大量（作不规则运动、均匀或基本各向同性的），还没有观测到的无序光子和其它粒子—混沌量子。指出光量子是宇宙中最小球形物质粒子，它本身携带能量和动量，在空间作无规则的运动，相互之间通过弹性碰撞传递能量和动量，在碰撞中产生自旋和角动量。光的波动性是有序光子与空间混沌量子发生弹性碰撞，使它的运动径迹成为许多可能的棱柱上的折线集合，在宏观上表现为波。所谓的波粒二象性应解释为：波动着的粒子或粒子的波动，光量子是物质的粒子性与其运动的波动性的统一体。回答了爱因斯坦思考了五十年的“光量子是什么”的问题，给出了量子力学的物理学诠释，也给出了量子力学与相对论统一的基础。
3、自然现象给人的思维的启示
3.1 一次我在山间散步，看见一排小松树上螺旋状的缠绕着一种不知名的藤条。猛一看去，这藤条象一条正弦曲线，这使我想起中学学习光学时，老师讲的光波是一条正弦曲线，并用一些可上下移动的小球作演示。我想：光也许象藤条一样，是空间中沿某直线螺旋运动着的许多小球，从一个方向看去，好象平面上的一条正弦曲线。而我们过去所说的光的波动图象—正弦曲线，是一根螺旋线在平面上的投影。但是，是什么原因使光子作如此奇妙的正弦波动？
3.2 一天，我看见一只野猪在树林中穿行，树林中的树木排列是不规则的，野猪虽想沿直线到达目的地，由于树木的阻挡，它不得不沿一条波浪形的弯曲路径前进。这弯曲路径远观很象一段段的正弦曲线。如果把野猪看作光子，树木看作光子运动的背景，那么光子的运动径迹就接近于波浪线。
3.3 设想一广场有足够多的人在散步，他们移动的方向和速度是随意的，其密度即不太大，也不太小。这时有一个人急切地想从广场的一边到另一边，他选定一条直线方向前进，通过广场中间。当他走过一段路后，前进方向上有一人挡住去路，而他又不想等那人离开后再走，使他不得不向左（或右）转一下方向继续前进；当他绕开那个人前进一段路后，前面又有人挡住去路，这时他不得不向右（或向左）转一下方向继续行走，他只好努力保持一个大致的方向在人群中穿行。如果记下他的运动径迹，可以看到他是按一个大致方向沿一条即象折线又象波浪线的路径行走。如果我们从远处看，则看到一个小点在波动式的前进，一群这样的人按同一方向通过这广场中间，从远处看他们的运动具有波的特征，且他们的运动径迹也不是确定的，是受广场上散步人的背景和它的速度和瞬间状态决定的，因而是随机的、统计性的。
这个现象说明，折线、波浪线与曲线之间有巨大差别，但有时由于我们观察的远近和角度不同，有时折线可以看成是波浪线，波浪线有时可以看成曲线。那么，光子如果在作一种折线运动，我们是不是把它看成了正弦曲线呢？
3.4 声波的分析：根据这些自然现象的特征，使我联想到波动现象，其中最常见的是光波和声波。人们对光波的理解出现困难，但是声波我们了解的较详细。现在来用粒子的运动对声波作一分析。我们知道声音是空气的振动，就是说一物体产生了振动，如果没有空气的话，它的振动就不能传播，即不发出声音。也就是说物体在空气中振动产生声音，而在真空中振动不能发出声音。那么空气与真空的区别是什么呢？我们知道空气中各种气体分子在作各种有规则和无规则的运动，它们象一群群刚性小球弥漫在空间中，而真空中缺少这种刚性小球。我们可以这样描述声波：当物体振动时，它推动（或撞击）与它非常邻近的气体分子。这物体就把自己振动的能量和动量传递给被撞击的气体分子，被撞击的气体分子结束无规则的运动状态，而按一定的方向快速运动。这时它们的运动方向上有别的气体分子阻碍，它与阻碍它运动的气体分子发生弹性碰撞。通过碰撞它把自己具有的能量和动量传递给被撞击的气体分子。被碰撞的气体分子也沿同方向向前冲击，从而撞击了更前面的气体分子，把能量和动量传递给更前面的气体分子。这种不断的冲击碰撞，气体分子将能量和动量传向远方，也将这种弹性碰撞传向远方。当这些碰撞的气体分子遇到人的耳膜时，它们撞击了人的耳膜，使耳膜产生振动，人感觉到这种振动，也就说听到了远方传来的声音。在这种声音传播过程中，某方向振动能量传播的路径不是直线，而是通过一系列连续不断的碰撞，沿一条折线路径传播的，这些折线相互叠加，在整体上表现为波。
3.5 水波的分析：给平静的水面上投下一粒石子时，宏观上我们看见水在一圈圈的波动。在微观上，我们把水看作一个个靠得很近而又彼此分离的水分子。当石子击打水平面时，石子撞击接触到的水分子，把石子的能量传给被碰撞的水分子。使这些水分子获得能量，向接触点外冲去，立即与外层水分子发生弹性碰撞，把能量和动量传给外层水分子。外层水分子向更外面的区域冲击，碰撞更外面的水分子，把能量和动量向外面传递。这种微观上一系列连续不断的碰撞，水分子是通过一条条折线式的径迹向外传递着能量和动量，这些折线叠合起来，在宏观上就表现为一圈圈的水波。
由此，我想光是物质粒子性的，我们可以把光子设想为一个个的刚性小球，光的传播是否可以有类似于上面所分析的各种碰撞过程，即光可以看作光子小球沿某一直线方向运动时与空间其它混沌量子发生碰撞，使其运动径迹在微观上是一条折线。大量光子的运动径迹是无数条互相缠绕的折线，这些折线叠合后，在整体上的行为表现为波呢？ 4、两个基本假设
4.1 光量子假设：光子是球形的刚性微粒，本身具有一定的能量和动量，是宇宙中最基本的物质粒子它的体积、运动速度、质量是宇宙中所有物质的极限。
4.2 光波动的混沌背景假设：广阔的宇宙空间中，除了我们通常所说的可观测的物质外，还存在着大量的作无规则运动的混沌量子——自由光子和光子的集合体，它们是普通物质发出的辐射之间相互碰撞造成的无序状态，它们时刻都在相互碰撞，作无规则的布朗运动，它们与普通物质发生相互作用，并能被普通物质吸收。
5、两个基本假设的合理性分析：
5.1 光量子假设的合理性分析：
1660年，牛顿根据自己的光学实验提出：光具有刚性小球式的弹性碰撞特征，光是粒子。1830年，英国物理学家托马斯?扬通过双缝实验，使光产生干涉条纹，证明光是一种波，否认了光的粒子性。然而1890年前后发现的光电效应，用光的波动说无法解释。爱因斯坦1905年最终解释了光电效应，确认光是量子化的小粒子——光量子。
于是科学家得出结论：单个光子的运动好像粒子那样，但大量光子集合在一起，就像波那样传播。根据大量的实验事实和自然现象，我们应该认为光在本质上是粒子性的，应该在光的粒子性的基础上，研究光所具有的波动性。而不应该认为光在一种状态下是粒子，而在另一种状态下是波。所以我作出光是粒子性的，光量子是最小的刚性小球的假设，应该是合理的。下面的问题是刚性小球怎样产生了波动，即造成刚性小球波动的原因和物理机制是什么？
5.2 光波动的混沌背景假设的合理性分析：
早在牛顿之前，关于物质间的相互作用就有两种对立的猜想，一种是“超距作用”，一种是“近距作用”。超距作用认为物体间的相互作用既不需要媒质传递，也不需要任何时间的一种直接的、瞬时的作用；而近距作用则相反，认为任何物体间的相互作用，不论相距多远，都需要用他们之间的某种媒介物质才能传递，而且还需要传递时间。虽然牛顿的万有引力似乎支持超距作用，但是牛顿本人确感到超距作用的观点极其荒谬。
1832年3月，法拉第开始把场的近距用作思想作为一个研究纲领，用来指导他解释以前已有的发现，和探索未知的现象。法拉第说“物质充满空间”，认为每个原子都可以扩展到它的力线所及的全部空间。也就是说，那里有力线那里就有粒子，即说明所有的空间都充满着粒子。
1905年，爱因斯坦在第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点》中提出光量子概念，顺利说明了光电效应，使光理论革命化，1916年他在《广义相对论基础》一文中指出：“空时未必能被看作是一种可以离开物理实在的实际客体而独立存在的东西。物理客体不是在空间之中，而是这些客体有着空间的广延。因此‘空虚空间’这个概念就失去了它的意义”。
根据前人的这些研究成果，我感到真空空间应该存在着一些人们目前还没有观测到的、更小的、大量的微观粒子。同时，我们知道宇宙中的所有物体都发出辐射，这些辐射在被其它物体吸收前，应在空间传播。大量的不同方向的辐射粒子发生相互作用，使原来的运动方向、能量发生变化，即原来的有序状态变为无序状态（而这些无序的微粒没有整体效应不易探测，所以人类目前认为它们不存在）。大量的无序状态的微观粒子充满全部宇宙空间，成为有序物质粒子运动变化的混沌背景，这应该是一个即合理又现实的假设。而我们应作的工作是：怎样使刚性小球式的光量子在混沌背景中运动时产生波动性？
6、光量子的波动性图象
6.1 光量子在混沌背景中的运动径迹模式一：
6.1.1 一个有确定方向的光子，在运动中受到空间混沌量子的碰撞，使运动方向发生偏折离开原方向。当这光子沿偏折后的方向运动时，同样受到前方混沌粒子的碰撞，使运动方向再次偏折。第一次偏折使光子偏离原方向，则第二次偏折时必定趋向原方向。当光子沿第二次偏折后的方向前进时，又受到前方混沌粒子的碰撞，使它的运动方向发生第三次偏折，离开原方向。光子沿第三次偏折后的方向继续前进时，也遇到前方混沌粒子的碰撞，使运动方向发生偏折，这次偏折使光子趋向原来的运动方向。这样无数次的反复碰撞，使光子的运动方向发生了无数次的偏折，但每次脱离原方向后，下次就总是要趋向原方向，使它显得在原方向的直线周围作跳跃运动。同时，由于光子有自旋，每次碰撞后，它并不在原来的运动平面内，而是在空间中以折线的方式，沿一条直线为轴线的棱柱上作螺旋式的运动。所以单个光子的运动径迹应是空间一条以原方向为中轴线的棱柱上的螺旋折线。
6.1.2 一束光沿确定方向在空间运动时，每个光子都受到前方混沌粒子的碰撞。每个光子的运动径迹都是一条互不相同但又相似的棱柱上的螺旋折线，这些螺旋折线叠合在一起，就构成了整体上相当于园柱体上的螺旋线。这种螺旋线从一个方向看去，就相当于某平面上的一条正弦曲线。所以光的运动表现为波，这种波是由微观粒子间的相互碰撞造成的，每次碰撞的空间位置、时间、方向都是随机的，整个运动在宏观上是统计平均的，故光波是一种几率波，服从统计律。
6.2 光子在混沌背景中的运动模式二：
6.2.1 一个以确定方向运动的光子，碰撞了它遇到的混沌光子，将能量、动量和转动惯量传递给了混沌光子。使混沌光子的运动方向趋向于原光子的运动方向，又不同于原光子的方向，这方向完全由原光子和混沌光子的弹性碰撞决定。这样，我们可以看作混沌光子代替了原光子，原光子变成了混沌光子。经过这样无数次的碰撞过程，进行了无数次的能量、动量和角动量的传递，经历了无数次的替代过程，使原光子的能量、动量和转动惯量沿一条棱柱上的螺旋折线传播到远方，也可以认为原光子沿一条螺旋折线的径迹运动。
6.2.2 当一束光沿确定方向在空间运动时，每个光子都碰撞它遇到的空间混沌光子，发生替代过程，使它们的能量和动量都沿一条棱柱上的折线传播到远方，好像是光子沿折线运动。这些无数个棱柱上的折线相互叠合。宏观上看，棱柱演变成园柱，螺旋式的折线演化为螺旋线，从而使光的行为表现为波。 七、结论：上面的两种模式虽然不同，但都表明，对于光的传播，我们可以这样认为，当光线射向空间时，与空间中存在的混沌光子发生弹性碰撞，这种随机的弹性碰撞扰动了光的直线运动，使光子沿一条园柱上的螺旋线运动。这种螺旋线状的径迹在平面上的投影是一条正弦曲线。光的波粒二象性可解释为：波动是粒子的波动，而粒子是波动着的粒子，不存在无物质粒子的波动，也不存在不波动的物质粒子。
光的波动是光量子间相互碰撞的结果，一个光子在某时间，某位置受空间混沌量子撞击的方向、能量、动量是不确定的、随机的，它的运动径迹就是许许多多可能径迹中的一条，许多光子走着许许多多可能径迹，所以光的运动规律是统计性的。
同时，大量光子的运动中，空间混沌量子的特征决定了运动光子是这样的波，而不是那样的波，服从一定的统计律，而不是不可捉摸的。所以，微观粒子服从的统计律并不与因果律相矛盾，统计律是在因果律基础上的统计律。这就是量子力学的物理学诠释，也是对爱因斯坦五十年思考的“光量子究竟是什么”的回答。
8、实验证实：
8.1 光的衍射实验中，当两个夹缝间距离增大到某一特定值时，将不会出现干涉条纹或衍射图案。
8.2 在一个实验中，先进行光的衍射实验，再把接收屏换成光电效应实验中的金属板，从而使光的干涉条纹和光电效应现象同时出现，证明光是波动的粒子。
8.3 把长距离真空的温度降低或升高，能改变在其中传播的光的频率或波长。
9、推论：
9.1 一切微观粒子的运动都是波动的，服从统计律，一切波动都是物质粒子的运动形式，不存在无物质的纯粹的波。
9.2 光量子是宇宙中最基本的、最小的、纯空间速度最大的粒子，是物体能量、动量、质量的最终来源，光子之间只能通过碰撞发生作用，而没有其它的相互作用，即光子之间没有四种基本作用力，且四种作用力可用光子间的相互碰撞来解释。
9.3 光量子与空间中的一切物质发生相互作用。
9.4 微波背景辐射是空间中的光量子的混沌。
9.5 光通过宇宙空间时，它的能量有微量的变化。
9.6 物质是离散的，但物质在空间中的运动是连续的。
9.7 一切物质及物体间的相互作用，都可以归结为最简单的作用——碰撞及碰撞的统计律造成的差别来说明。
10、参考文献：
《科学巨星》陕西人民教育出版社 1998年 李醒民主编
《物理学的困惑》［美］L?斯莫林著 李泳译
湖南科学技术出版社2008年4月
《爱因斯坦奇迹年——改变物理学面貌的五篇论文》2005年1月
上海科学技术出版社［美］约翰?施塔赫尔主编
《相对论》［美］阿尔伯特?爱因斯坦著
重庆出版社 2006年11月
《聆听宇宙的声音—宇宙真相》
金飞波?波音著化学出版社 2009年10月
二〇一〇年四月十八日写于竹林关
