一個(gè)關(guān)于光的波動(dòng)性與粒子性統(tǒng)一的探索性觀點(diǎn)

1、關(guān)鍵詞：光、光量子、有序光子、混沌量子，物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)、速度、方向、碰撞、能量、動(dòng)量、自旋、相對(duì)論，量子力學(xué)，折線，波，波動(dòng)性、粒子性、螺旋線、正弦曲線。

2、內(nèi)容提要：光與人類生活息息相關(guān)，我們離開光將無法生存。千百年來，人類的智者一直在思考光是什么？20世紀(jì)初期，量子力學(xué)指出光具有波粒二象性，但至今也未能闡明光的波粒二象性的物理機(jī)制。對(duì)光的本質(zhì)是什么，一直沒有答案，量子力學(xué)本身也沒有令人滿意的詮釋。愛因斯坦1951年深有體悟地說：“整整五十年的自覺思考沒有使我更接近解答‘光量子是什么’這個(gè)問題”。本文分析各種自然現(xiàn)象，通過推理性的思想實(shí)驗(yàn)，依據(jù)光具有粒子性和波動(dòng)性的基本事實(shí)，探索粒子性的光子產(chǎn)生波動(dòng)性的原因、途徑和物理機(jī)制。提出人類所謂的“真空”并不空虛，而是存在著大量（作不規(guī)則運(yùn)動(dòng)、均勻或基本各向同性的），還沒有觀測(cè)到的無序光子和其它粒子—混沌量子。指出光量子是宇宙中最小球形物質(zhì)粒子，它本身攜帶能量和動(dòng)量，在空間作無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，相互之間通過彈性碰撞傳遞能量和動(dòng)量，在碰撞中產(chǎn)生自旋和角動(dòng)量。光的波動(dòng)性是有序光子與空間混沌量子發(fā)生彈性碰撞，使它的運(yùn)動(dòng)徑跡成為許多可能的棱柱上的折線集合，在宏觀上表現(xiàn)為波。所謂的波粒二象性應(yīng)解釋為：波動(dòng)著的粒子或粒子的波動(dòng)，光量子是物質(zhì)的粒子性與其運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)性的統(tǒng)一體?；卮鹆藧垡蛩固顾伎剂宋迨甑摹肮饬孔邮鞘裁础钡膯栴}，給出了量子力學(xué)的物理學(xué)詮釋，也給出了量子力學(xué)與相對(duì)論統(tǒng)一的基礎(chǔ)。

3、自然現(xiàn)象給人的思維的啟示

3.1 一次我在山間散步，看見一排小松樹上螺旋狀的纏繞著一種不知名的藤條。猛一看去，這藤條象一條正弦曲線，這使我想起中學(xué)學(xué)習(xí)光學(xué)時(shí)，老師講的光波是一條正弦曲線，并用一些可上下移動(dòng)的小球作演示。我想：光也許象藤條一樣，是空間中沿某直線螺旋運(yùn)動(dòng)著的許多小球，從一個(gè)方向看去，好象平面上的一條正弦曲線。而我們過去所說的光的波動(dòng)圖象—正弦曲線，是一根螺旋線在平面上的投影。但是，是什么原因使光子作如此奇妙的正弦波動(dòng)？

3.2 一天，我看見一只野豬在樹林中穿行，樹林中的樹木排列是不規(guī)則的，野豬雖想沿直線到達(dá)目的地，由于樹木的阻擋，它不得不沿一條波浪形的彎曲路徑前進(jìn)。這彎曲路徑遠(yuǎn)觀很象一段段的正弦曲線。如果把野豬看作光子，樹木看作光子運(yùn)動(dòng)的背景，那么光子的運(yùn)動(dòng)徑跡就接近于波浪線。

3.3 設(shè)想一廣場(chǎng)有足夠多的人在散步，他們移動(dòng)的方向和速度是隨意的，其密度即不太大，也不太小。這時(shí)有一個(gè)人急切地想從廣場(chǎng)的一邊到另一邊，他選定一條直線方向前進(jìn)，通過廣場(chǎng)中間。當(dāng)他走過一段路后，前進(jìn)方向上有一人擋住去路，而他又不想等那人離開后再走，使他不得不向左（或右）轉(zhuǎn)一下方向繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)他繞開那個(gè)人前進(jìn)一段路后，前面又有人擋住去路，這時(shí)他不得不向右（或向左）轉(zhuǎn)一下方向繼續(xù)行走，他只好努力保持一個(gè)大致的方向在人群中穿行。如果記下他的運(yùn)動(dòng)徑跡，可以看到他是按一個(gè)大致方向沿一條即象折線又象波浪線的路徑行走。如果我們從遠(yuǎn)處看，則看到一個(gè)小點(diǎn)在波動(dòng)式的前進(jìn)，一群這樣的人按同一方向通過這廣場(chǎng)中間，從遠(yuǎn)處看他們的運(yùn)動(dòng)具有波的特征，且他們的運(yùn)動(dòng)徑跡也不是確定的，是受廣場(chǎng)上散步人的背景和它的速度和瞬間狀態(tài)決定的，因而是隨機(jī)的、統(tǒng)計(jì)性的。

這個(gè)現(xiàn)象說明，折線、波浪線與曲線之間有巨大差別，但有時(shí)由于我們觀察的遠(yuǎn)近和角度不同，有時(shí)折線可以看成是波浪線，波浪線有時(shí)可以看成曲線。那么，光子如果在作一種折線運(yùn)動(dòng)，我們是不是把它看成了正弦曲線呢？

3.4 聲波的分析：根據(jù)這些自然現(xiàn)象的特征，使我聯(lián)想到波動(dòng)現(xiàn)象，其中最常見的是光波和聲波。人們對(duì)光波的理解出現(xiàn)困難，但是聲波我們了解的較詳細(xì)?，F(xiàn)在來用粒子的運(yùn)動(dòng)對(duì)聲波作一分析。我們知道聲音是空氣的振動(dòng)，就是說一物體產(chǎn)生了振動(dòng)，如果沒有空氣的話，它的振動(dòng)就不能傳播，即不發(fā)出聲音。也就是說物體在空氣中振動(dòng)產(chǎn)生聲音，而在真空中振動(dòng)不能發(fā)出聲音。那么空氣與真空的區(qū)別是什么呢？我們知道空氣中各種氣體分子在作各種有規(guī)則和無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，它們象一群群剛性小球彌漫在空間中，而真空中缺少這種剛性小球。我們可以這樣描述聲波：當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)，它推動(dòng)（或撞擊）與它非常鄰近的氣體分子。這物體就把自己振動(dòng)的能量和動(dòng)量傳遞給被撞擊的氣體分子，被撞擊的氣體分子結(jié)束無規(guī)則的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而按一定的方向快速運(yùn)動(dòng)。這時(shí)它們的運(yùn)動(dòng)方向上有別的氣體分子阻礙，它與阻礙它運(yùn)動(dòng)的氣體分子發(fā)生彈性碰撞。通過碰撞它把自己具有的能量和動(dòng)量傳遞給被撞擊的氣體分子。被碰撞的氣體分子也沿同方向向前沖擊，從而撞擊了更前面的氣體分子，把能量和動(dòng)量傳遞給更前面的氣體分子。這種不斷的沖擊碰撞，氣體分子將能量和動(dòng)量傳向遠(yuǎn)方，也將這種彈性碰撞傳向遠(yuǎn)方。當(dāng)這些碰撞的氣體分子遇到人的耳膜時(shí)，它們撞擊了人的耳膜，使耳膜產(chǎn)生振動(dòng)，人感覺到這種振動(dòng)，也就說聽到了遠(yuǎn)方傳來的聲音。在這種聲音傳播過程中，某方向振動(dòng)能量傳播的路徑不是直線，而是通過一系列連續(xù)不斷的碰撞，沿一條折線路徑傳播的，這些折線相互疊加，在整體上表現(xiàn)為波。

3.5 水波的分析：給平靜的水面上投下一粒石子時(shí)，宏觀上我們看見水在一圈圈的波動(dòng)。在微觀上，我們把水看作一個(gè)個(gè)靠得很近而又彼此分離的水分子。當(dāng)石子擊打水平面時(shí)，石子撞擊接觸到的水分子，把石子的能量傳給被碰撞的水分子。使這些水分子獲得能量，向接觸點(diǎn)外沖去，立即與外層水分子發(fā)生彈性碰撞，把能量和動(dòng)量傳給外層水分子。外層水分子向更外面的區(qū)域沖擊，碰撞更外面的水分子，把能量和動(dòng)量向外面?zhèn)鬟f。這種微觀上一系列連續(xù)不斷的碰撞，水分子是通過一條條折線式的徑跡向外傳遞著能量和動(dòng)量，這些折線疊合起來，在宏觀上就表現(xiàn)為一圈圈的水波。

由此，我想光是物質(zhì)粒子性的，我們可以把光子設(shè)想為一個(gè)個(gè)的剛性小球，光的傳播是否可以有類似于上面所分析的各種碰撞過程，即光可以看作光子小球沿某一直線方向運(yùn)動(dòng)時(shí)與空間其它混沌量子發(fā)生碰撞，使其運(yùn)動(dòng)徑跡在微觀上是一條折線。大量光子的運(yùn)動(dòng)徑跡是無數(shù)條互相纏繞的折線，這些折線疊合后，在整體上的行為表現(xiàn)為波呢？

4、兩個(gè)基本假設(shè)

4.1 光量子假設(shè)：光子是球形的剛性微粒，本身具有一定的能量和動(dòng)量，是宇宙中最基本的物質(zhì)粒子它的體積、運(yùn)動(dòng)速度、質(zhì)量是宇宙中所有物質(zhì)的極限。

4.2 光波動(dòng)的混沌背景假設(shè)：廣闊的宇宙空間中，除了我們通常所說的可觀測(cè)的物質(zhì)外，還存在著大量的作無規(guī)則運(yùn)動(dòng)的混沌量子——自由光子和光子的集合體，它們是普通物質(zhì)發(fā)出的輻射之間相互碰撞造成的無序狀態(tài)，它們時(shí)刻都在相互碰撞，作無規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng)，它們與普通物質(zhì)發(fā)生相互作用，并能被普通物質(zhì)吸收。

5、兩個(gè)基本假設(shè)的合理性分析：

5.1 光量子假設(shè)的合理性分析：

1660年，牛頓根據(jù)自己的光學(xué)實(shí)驗(yàn)提出：光具有剛性小球式的彈性碰撞特征，光是粒子。1830年，英國(guó)物理學(xué)家托馬斯?揚(yáng)通過雙縫實(shí)驗(yàn)，使光產(chǎn)生干涉條紋，證明光是一種波，否認(rèn)了光的粒子性。然而1890年前后發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)，用光的波動(dòng)說無法解釋。愛因斯坦1905年最終解釋了光電效應(yīng)，確認(rèn)光是量子化的小粒子——光量子。

于是科學(xué)家得出結(jié)論：?jiǎn)蝹€(gè)光子的運(yùn)動(dòng)好像粒子那樣，但大量光子集合在一起，就像波那樣傳播。根據(jù)大量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)和自然現(xiàn)象，我們應(yīng)該認(rèn)為光在本質(zhì)上是粒子性的，應(yīng)該在光的粒子性的基礎(chǔ)上，研究光所具有的波動(dòng)性。而不應(yīng)該認(rèn)為光在一種狀態(tài)下是粒子，而在另一種狀態(tài)下是波。所以我作出光是粒子性的，光量子是最小的剛性小球的假設(shè)，應(yīng)該是合理的。下面的問題是剛性小球怎樣產(chǎn)生了波動(dòng)，即造成剛性小球波動(dòng)的原因和物理機(jī)制是什么？

5.2 光波動(dòng)的混沌背景假設(shè)的合理性分析：

早在牛頓之前，關(guān)于物質(zhì)間的相互作用就有兩種對(duì)立的猜想，一種是“超距作用”，一種是“近距作用”。超距作用認(rèn)為物體間的相互作用既不需要媒質(zhì)傳遞，也不需要任何時(shí)間的一種直接的、瞬時(shí)的作用；而近距作用則相反，認(rèn)為任何物體間的相互作用，不論相距多遠(yuǎn)，都需要用他們之間的某種媒介物質(zhì)才能傳遞，而且還需要傳遞時(shí)間。雖然牛頓的萬有引力似乎支持超距作用，但是牛頓本人確感到超距作用的觀點(diǎn)極其荒謬。

1832年3月，法拉第開始把場(chǎng)的近距用作思想作為一個(gè)研究綱領(lǐng)，用來指導(dǎo)他解釋以前已有的發(fā)現(xiàn)，和探索未知的現(xiàn)象。法拉第說“物質(zhì)充滿空間”，認(rèn)為每個(gè)原子都可以擴(kuò)展到它的力線所及的全部空間。也就是說，那里有力線那里就有粒子，即說明所有的空間都充滿著粒子。

1905年，愛因斯坦在第一篇論文《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)啟發(fā)性觀點(diǎn)》中提出光量子概念，順利說明了光電效應(yīng)，使光理論革命化，1916年他在《廣義相對(duì)論基礎(chǔ)》一文中指出：“空時(shí)未必能被看作是一種可以離開物理實(shí)在的實(shí)際客體而獨(dú)立存在的東西。物理客體不是在空間之中，而是這些客體有著空間的廣延。因此‘空虛空間’這個(gè)概念就失去了它的意義”。

根據(jù)前人的這些研究成果，我感到真空空間應(yīng)該存在著一些人們目前還沒有觀測(cè)到的、更小的、大量的微觀粒子。同時(shí)，我們知道宇宙中的所有物體都發(fā)出輻射，這些輻射在被其它物體吸收前，應(yīng)在空間傳播。大量的不同方向的輻射粒子發(fā)生相互作用，使原來的運(yùn)動(dòng)方向、能量發(fā)生變化，即原來的有序狀態(tài)變?yōu)闊o序狀態(tài)（而這些無序的微粒沒有整體效應(yīng)不易探測(cè)，所以人類目前認(rèn)為它們不存在）。大量的無序狀態(tài)的微觀粒子充滿全部宇宙空間，成為有序物質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)變化的混沌背景，這應(yīng)該是一個(gè)即合理又現(xiàn)實(shí)的假設(shè)。而我們應(yīng)作的工作是：怎樣使剛性小球式的光量子在混沌背景中運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生波動(dòng)性？

6、光量子的波動(dòng)性圖象

6.1 光量子在混沌背景中的運(yùn)動(dòng)徑跡模式一：

6.1.1 一個(gè)有確定方向的光子，在運(yùn)動(dòng)中受到空間混沌量子的碰撞，使運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏折離開原方向。當(dāng)這光子沿偏折后的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，同樣受到前方混沌粒子的碰撞，使運(yùn)動(dòng)方向再次偏折。第一次偏折使光子偏離原方向，則第二次偏折時(shí)必定趨向原方向。當(dāng)光子沿第二次偏折后的方向前進(jìn)時(shí)，又受到前方混沌粒子的碰撞，使它的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生第三次偏折，離開原方向。光子沿第三次偏折后的方向繼續(xù)前進(jìn)時(shí)，也遇到前方混沌粒子的碰撞，使運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏折，這次偏折使光子趨向原來的運(yùn)動(dòng)方向。這樣無數(shù)次的反復(fù)碰撞，使光子的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了無數(shù)次的偏折，但每次脫離原方向后，下次就總是要趨向原方向，使它顯得在原方向的直線周圍作跳躍運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，由于光子有自旋，每次碰撞后，它并不在原來的運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)，而是在空間中以折線的方式，沿一條直線為軸線的棱柱上作螺旋式的運(yùn)動(dòng)。所以單個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)徑跡應(yīng)是空間一條以原方向?yàn)橹休S線的棱柱上的螺旋折線。

6.1.2 一束光沿確定方向在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)光子都受到前方混沌粒子的碰撞。每個(gè)光子的運(yùn)動(dòng)徑跡都是一條互不相同但又相似的棱柱上的螺旋折線，這些螺旋折線疊合在一起，就構(gòu)成了整體上相當(dāng)于園柱體上的螺旋線。這種螺旋線從一個(gè)方向看去，就相當(dāng)于某平面上的一條正弦曲線。所以光的運(yùn)動(dòng)表現(xiàn)為波，這種波是由微觀粒子間的相互碰撞造成的，每次碰撞的空間位置、時(shí)間、方向都是隨機(jī)的，整個(gè)運(yùn)動(dòng)在宏觀上是統(tǒng)計(jì)平均的，故光波是一種幾率波，服從統(tǒng)計(jì)律。

6.2 光子在混沌背景中的運(yùn)動(dòng)模式二：

6.2.1 一個(gè)以確定方向運(yùn)動(dòng)的光子，碰撞了它遇到的混沌光子，將能量、動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量傳遞給了混沌光子。使混沌光子的運(yùn)動(dòng)方向趨向于原光子的運(yùn)動(dòng)方向，又不同于原光子的方向，這方向完全由原光子和混沌光子的彈性碰撞決定。這樣，我們可以看作混沌光子代替了原光子，原光子變成了混沌光子。經(jīng)過這樣無數(shù)次的碰撞過程，進(jìn)行了無數(shù)次的能量、動(dòng)量和角動(dòng)量的傳遞，經(jīng)歷了無數(shù)次的替代過程，使原光子的能量、動(dòng)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量沿一條棱柱上的螺旋折線傳播到遠(yuǎn)方，也可以認(rèn)為原光子沿一條螺旋折線的徑跡運(yùn)動(dòng)。

6.2.2 當(dāng)一束光沿確定方向在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)光子都碰撞它遇到的空間混沌光子，發(fā)生替代過程，使它們的能量和動(dòng)量都沿一條棱柱上的折線傳播到遠(yuǎn)方，好像是光子沿折線運(yùn)動(dòng)。這些無數(shù)個(gè)棱柱上的折線相互疊合。宏觀上看，棱柱演變成園柱，螺旋式的折線演化為螺旋線，從而使光的行為表現(xiàn)為波。

七、結(jié)論：上面的兩種模式雖然不同，但都表明，對(duì)于光的傳播，我們可以這樣認(rèn)為，當(dāng)光線射向空間時(shí)，與空間中存在的混沌光子發(fā)生彈性碰撞，這種隨機(jī)的彈性碰撞擾動(dòng)了光的直線運(yùn)動(dòng)，使光子沿一條園柱上的螺旋線運(yùn)動(dòng)。這種螺旋線狀的徑跡在平面上的投影是一條正弦曲線。光的波粒二象性可解釋為：波動(dòng)是粒子的波動(dòng)，而粒子是波動(dòng)著的粒子，不存在無物質(zhì)粒子的波動(dòng)，也不存在不波動(dòng)的物質(zhì)粒子。

光的波動(dòng)是光量子間相互碰撞的結(jié)果，一個(gè)光子在某時(shí)間，某位置受空間混沌量子撞擊的方向、能量、動(dòng)量是不確定的、隨機(jī)的，它的運(yùn)動(dòng)徑跡就是許許多多可能徑跡中的一條，許多光子走著許許多多可能徑跡，所以光的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是統(tǒng)計(jì)性的。

同時(shí)，大量光子的運(yùn)動(dòng)中，空間混沌量子的特征決定了運(yùn)動(dòng)光子是這樣的波，而不是那樣的波，服從一定的統(tǒng)計(jì)律，而不是不可捉摸的。所以，微觀粒子服從的統(tǒng)計(jì)律并不與因果律相矛盾，統(tǒng)計(jì)律是在因果律基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)律。這就是量子力學(xué)的物理學(xué)詮釋，也是對(duì)愛因斯坦五十年思考的“光量子究竟是什么”的回答。

8、實(shí)驗(yàn)證實(shí)：

8.1 光的衍射實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)兩個(gè)夾縫間距離增大到某一特定值時(shí)，將不會(huì)出現(xiàn)干涉條紋或衍射圖案。

8.2 在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，先進(jìn)行光的衍射實(shí)驗(yàn)，再把接收屏換成光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中的金屬板，從而使光的干涉條紋和光電效應(yīng)現(xiàn)象同時(shí)出現(xiàn)，證明光是波動(dòng)的粒子。

8.3 把長(zhǎng)距離真空的溫度降低或升高，能改變?cè)谄渲袀鞑サ墓獾念l率或波長(zhǎng)。

9、推論：

9.1 一切微觀粒子的運(yùn)動(dòng)都是波動(dòng)的，服從統(tǒng)計(jì)律，一切波動(dòng)都是物質(zhì)粒子的運(yùn)動(dòng)形式，不存在無物質(zhì)的純粹的波。

9.2 光量子是宇宙中最基本的、最小的、純空間速度最大的粒子，是物體能量、動(dòng)量、質(zhì)量的最終來源，光子之間只能通過碰撞發(fā)生作用，而沒有其它的相互作用，即光子之間沒有四種基本作用力，且四種作用力可用光子間的相互碰撞來解釋。

9.3 光量子與空間中的一切物質(zhì)發(fā)生相互作用。

9.4 微波背景輻射是空間中的光量子的混沌。

9.5 光通過宇宙空間時(shí)，它的能量有微量的變化。

9.6 物質(zhì)是離散的，但物質(zhì)在空間中的運(yùn)動(dòng)是連續(xù)的。

9.7 一切物質(zhì)及物體間的相互作用，都可以歸結(jié)為最簡(jiǎn)單的作用——碰撞及碰撞的統(tǒng)計(jì)律造成的差別來說明。

10、參考文獻(xiàn)：

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《物理學(xué)的困惑》［美］L?斯莫林著 李泳譯

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上海科學(xué)技術(shù)出版社［美］約翰?施塔赫爾主編

《相對(duì)論》［美］阿爾伯特?愛因斯坦著

重慶出版社 2006年11月

《聆聽宇宙的聲音—宇宙真相》

金飛波?波音著化學(xué)出版社 2009年10月

二〇一〇年四月十八日寫于竹林關(guān)