“第三種波粒二象性”的揭示及其“波粒二象關(guān)系式”與“巨光子炮”

摘 要：基于“經(jīng)典電磁場按光子對(duì)應(yīng)分解”而揭示了與愛因斯坦、德布羅意分別于1905、1923年揭示的“光的波粒二象性”、“實(shí)物粒子的波粒二象性”相并列的“第三種波粒二象性”并把這“三種波粒二象性”和諧地統(tǒng)一起來，進(jìn)而揭示了微觀客體的“π型三重波粒二象性”；接著，通過對(duì)“π型三重波粒二象性”的數(shù)學(xué)抽象而得到了“波粒二象關(guān)系式”，給出了“波”與“粒子”關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)并介紹了反導(dǎo)武器“巨光子炮”的工作原理；最后，還對(duì)“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論進(jìn)行了初步驗(yàn)證與展望。

關(guān)鍵詞：第三種波粒二象性；三種波粒二象性的統(tǒng)一；π型三重波粒二象性；波粒二象關(guān)系式；巨光子炮；物理學(xué)第六次大綜合

中圖分類號(hào)：O41 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

一、引言

“波粒二象性”是量子物理、現(xiàn)代光學(xué)與粒子物理中的核心問題，也是破解“光的本性”、“粒子與場的關(guān)系”、“物質(zhì)世界的最基本結(jié)構(gòu)單元”的關(guān)鍵所在。前蘇聯(lián)科學(xué)家瑞德尼克在《量子力學(xué)史話》中曾一針見血地指出：“今天，決定微觀世界統(tǒng)一體的最深刻本質(zhì)的全部問題，就是物理學(xué)所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰：物質(zhì)的兩種基本形式——實(shí)物（粒子）和場（波）——之間的相互關(guān)系。”誰要是破解了實(shí)物（粒子）和場（波）的關(guān)系，那么，他就登上了物理學(xué)的珠穆朗瑪峰。本文基于狄拉克“經(jīng)典電磁場按模式分解”的自然推廣——“經(jīng)典電磁場按光子對(duì)應(yīng)分解”（因?yàn)槊恳粋€(gè)模式又可以包含多個(gè)光子）而展開討論，通過一系列邏輯分析與數(shù)學(xué)抽象而得到了一些新的結(jié)論。

二、“第三種波粒二象性”的揭示

“第一種波粒二象性（光的波粒二象性）”（如圖1）由愛因斯坦1905年揭示、1916年由密立根驗(yàn)證，分別獲1921、1923年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?！暗诙N波粒二象性（電子的波粒二象性）”由德布羅意1923年揭示、1927年由戴維遜和小湯姆遜驗(yàn)證，分別獲1929、1937年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

1994年，中國學(xué)者把狄拉克1927年所作“經(jīng)典電磁場按模式分解”進(jìn)一步推進(jìn)到“經(jīng)典電磁場按光子對(duì)應(yīng)分解”，凝練出了“電磁基波”的概念，提出了“波粒二象性的相變假說”，在經(jīng)典電磁場與量子電磁場之間建立起了一種基本單元（“電磁基波”與“光子”）的對(duì)應(yīng)關(guān)系（每一份“電磁基波”的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量都能與一個(gè)同頻光子的能量、動(dòng)量、角

動(dòng)量分別對(duì)應(yīng)相等），揭示了與前兩種波粒二象性相并列的“第三種波粒二象性”——經(jīng)典（電磁）場在結(jié)構(gòu)上的粒子性。

三、“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一

雖然“第三種波粒二象性”、“第三種中微子振蕩”、“第三種量子霍爾效應(yīng)”的揭示令世人矚目，但“三種波粒二象性”、“三種中微子振蕩”、“三種量子霍爾效應(yīng)”如何統(tǒng)一（揭示其背后的深刻本質(zhì)）卻更令人神往。

愛因斯坦整整五十年的自覺思考都沒能解決“電磁波”與“光量子”之間的關(guān)系問題，德布羅意一輩子也未能解決“實(shí)物粒子”與“物質(zhì)波”之間的關(guān)系問題。也就是說，盡管“光的波粒二象性”與“實(shí)物粒子的波粒二象性”被揭示出來并頒發(fā)了四次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但“波粒二象性之謎”卻并沒有完全揭開。

今天，由于“第三種波粒二象性”的揭示，我們才能理順“三種波粒二象性之間的π型結(jié)構(gòu)關(guān)系”，破解“波粒二象性之謎”，把“三種波粒二象性”完美而又和諧地統(tǒng)一起來 （如上圖）。

原來，只有第一種波粒二象性才是本質(zhì)上的波粒二象性（真實(shí)的波與真實(shí)的粒子在存在的時(shí)間上相互錯(cuò)開，滿足一定條件時(shí)還可以相互轉(zhuǎn)化）；而第二種波粒二象性（真實(shí)的粒子在運(yùn)動(dòng)上具有“德布羅意波動(dòng)性”）、第三種波粒二象性（真實(shí)的波“在結(jié)構(gòu)上具有粒子性”）都是現(xiàn)象上的波粒二象性，它們的“波”與“粒子”同時(shí)存在但一虛一實(shí)、不能相互轉(zhuǎn)化。這就是微觀客體的“π型三重波粒二象性”。

四、“π型三重波粒二象性”的數(shù)學(xué)抽象：“波粒二象關(guān)系式”與“巨光子炮”

根據(jù)“波粒二象性的相變假說”，尤其是更為具體的“π型三重波粒二象性”理論，我們不難想象：由于在經(jīng)典電磁場（電磁基波的疊加）與量子電磁場（光子氣）之間建立起了一種基本單元（“電磁基波”與“光子”）的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以，在一定條件下經(jīng)典電磁場與量子電磁場之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化（相變），而其本質(zhì)就是“電磁基波”與“光子”之間的相互轉(zhuǎn)化（真空中基態(tài)的量子電磁場吸收一份“電磁基波”而躍遷到激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)放出一個(gè)“光子”又回到基態(tài)；或者基態(tài)的量子電磁場吸收一個(gè)“光子”而跳到激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)發(fā)射一份“電磁基波”又跳回基態(tài)）。假若我們把量子電磁場（光子氣）用粒子矩陣P表示，經(jīng)典電磁場（電磁基波的疊加）用波矩陣W表示，那么，經(jīng)典電磁場與量子電磁場之間的轉(zhuǎn)化（相變）就可以用數(shù)學(xué)描寫成為一種矩陣變換：

P = G W

其中，G為變換矩陣。再詳細(xì)一點(diǎn)，我們還可以寫出（甚至還可以寫出其四維形式）如公式1：

這就是“波粒二象關(guān)系式”。它是對(duì)“波粒二象性的相變假說”與“π型三重波粒二象性”高度的數(shù)學(xué)抽象——不僅把量子力學(xué)的兩大開山之作（普朗克公式與德布羅意公式）統(tǒng)一了起來，而且還把“物理學(xué)尚未征服的山峰中的最高峰——實(shí)物（粒子）與場（波）之間的關(guān)系”用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)公式表達(dá)了出來，有如愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式E=Mc2揭示“質(zhì)量”與“能量”的平等、線性關(guān)系一樣。

另外，根據(jù)“波粒二象性的相變假說”與“π型三重波粒二象性”理論，我們有望把一份巨大的“彌散能量（波）”通過某種途徑集中起來而轉(zhuǎn)化成為一個(gè)高速（甚至接近光速）飛行的“巨粒子炮”，例如，可以把現(xiàn)在的激光武器改造成為“巨光子炮”——以光速飛行的“一顆巨大的光子”（根據(jù)“三種波粒二象性”的內(nèi)在關(guān)系，我們把“激光諧振腔內(nèi)輸出的受激輻射”不是展現(xiàn)成為數(shù)額巨大的多“光子”，而是設(shè)法轉(zhuǎn)化成唯一的一顆以光速飛行的“巨光子”炮彈——它在空中飛行幾乎沒有衰減，用來攔截核導(dǎo)彈簡直就是甕中捉鱉）。 相信“巨光子炮”這種超級(jí)武器一定會(huì)引起軍方乃至世界和平組織的極大興趣。因?yàn)楹宋淦鳉缛祟?，而“巨光子炮”卻可以拯救人類。endprint

五、“三種波粒二象性”和諧統(tǒng)一理論的初步檢驗(yàn)

鑒于愛因斯坦廣義相對(duì)論的三大預(yù)言（水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、光線的引力偏折、光譜線的引力紅移）被驗(yàn)證就奠定了它在科學(xué)界的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，我們也基于“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論而做出了三個(gè)頗具顛覆性（在現(xiàn)代物理學(xué)的框架內(nèi)幾乎就是不可能）的預(yù)言（推論）。如果這三個(gè)幾乎是不可能的事件都能夠得到證實(shí)，那么就只能說明“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論具有無比強(qiáng)大的生命力，是攻不破、打不垮的理論。

事實(shí)上，這三個(gè)頗具顛覆性的推論經(jīng)過幾番腥風(fēng)血雨、學(xué)術(shù)論戰(zhàn)，已經(jīng)有兩個(gè)半得到了證實(shí)：

①根據(jù)經(jīng)典理論而不需要任何量子假設(shè)就可以直接導(dǎo)出“普朗克的黑體輻射公式”（已為英國曼徹斯特大學(xué)的馬歇爾所證實(shí)）；

②根據(jù)經(jīng)典理論而不需要任何量子假設(shè)就可以直接導(dǎo)出“光能量的量子化”（已為中山大學(xué)的佘衛(wèi)龍所證實(shí)）；

③“波”與“粒子”完全平等，“光的量子理論”與“光的經(jīng)典電磁理論”是兩個(gè)獨(dú)立、平行的理論，光的量子理論不能包含光的經(jīng)典電磁理論（已被甘永超證明了一半，還剩下另一半，需要實(shí)驗(yàn)判決）。

為了彌補(bǔ)上面三個(gè)推論只證實(shí)了兩個(gè)半的遺憾，我們又借助科學(xué)史上伽利略推翻亞里士多德“物體越重下落速度越快”所使用的歸謬法（它比伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)更為有力），從邏輯上進(jìn)一步證明了第三個(gè)推論（如果“光的量子理論能夠包含光的經(jīng)典電磁理論”，那么，我們就可以完全拋棄光的經(jīng)典電磁理論，這勢必導(dǎo)致“光量子”一統(tǒng)天下而“電磁波”突然消失，可是，“電磁波”作為一種具有質(zhì)量、能量、動(dòng)量而真實(shí)存在的物質(zhì)，是不可能憑空消失的。所以，“光的量子理論不能包含光的經(jīng)典電磁理論”）。而這種邏輯推理的力量又十分有力，以至于“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)判決都成為多余”！

另外，對(duì)于光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)物理學(xué)都極力回避的難題（當(dāng)一個(gè)光子的能量低于紅限而兩個(gè)光子的能量高于紅限時(shí)，能否產(chǎn)生光電效應(yīng)），“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論卻能夠給出圓滿的解釋。第一個(gè)光子打到電子上，顯示粒子性，被電子吸收，使電子躍遷到高能態(tài)；第二個(gè)光子緊接著打過來，如果它還顯示粒子性，就可能使高能態(tài)的電子吸收該光子而逃逸，發(fā)生光電效應(yīng)，可事實(shí)上并非如此。而新理論的解釋卻是：如果第二個(gè)光子緊接著打過來，由于電子已經(jīng)躍遷到了高能態(tài)，與之發(fā)生相互作用的第二個(gè)光子就不再顯示粒子性，而是顯示波動(dòng)性，應(yīng)該用電磁波理論來處理，所以，不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。

如果再計(jì)及“π型三重波粒二象性”抽象成為一個(gè)數(shù)學(xué)上的矩陣等式——波粒二象關(guān)系式，而該矩陣等式卻居然能夠把量子力學(xué)的兩大開山之作（普朗克公式和德布羅意公式）統(tǒng)一起來——這完全可以理解為對(duì)“π型三重波粒二象性”與物理學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)自洽性的第5.5次驗(yàn)證。想當(dāng)年，愛因斯坦的廣義相對(duì)論也只有“水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)”、“光線的引力偏折”2個(gè)預(yù)言被驗(yàn)證（“光譜線的引力紅移”一直等到1959年才被美國的龐德和雷布卡利用穆斯堡爾效應(yīng)加以驗(yàn)證）就奠定了它在科學(xué)界的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)并轟動(dòng)世界，而甘永超的“π型三重波粒二象性”卻已經(jīng)經(jīng)歷了5.5次驗(yàn)證為什么就不能轟動(dòng)世界！

六、結(jié)果與討論

我們知道，“經(jīng)典電磁場按光子對(duì)應(yīng)分解”是狄拉克1927年所作“經(jīng)典電磁場按模式分解”的自然推廣，而在“經(jīng)典電磁場按光子對(duì)應(yīng)分解”基礎(chǔ)上建立起來的“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論——“π型三重波粒二象性”又經(jīng)過了上述5.5次驗(yàn)證，特別是前面那2.5次顛覆性驗(yàn)證是足夠有力的。如果與廣義相對(duì)論的驗(yàn)證相對(duì)比，我們應(yīng)該更加有信心，把“π型三重波粒二象性”理論進(jìn)一步推向高潮。

其實(shí)，“經(jīng)典電磁場按光子對(duì)應(yīng)分解”——每一個(gè)“電磁基波”的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量都能與一個(gè)同頻“光子”的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量分別對(duì)應(yīng)相等，就讓我們找到了破解“粒子自旋”之謎的鑰匙。根據(jù)“π型三重波粒二象性”理論，粒子的自旋不過是從它的娘胎里帶出來的，是粒子的一種內(nèi)稟特性，例如，當(dāng)一份“電磁基波”轉(zhuǎn)化為一個(gè)“光子”時(shí)，轉(zhuǎn)化前“電磁基波”的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量都由轉(zhuǎn)化后的那個(gè)“光子”所承載，也就是說，光子的自旋角動(dòng)量來源于轉(zhuǎn)化前的那份“電磁基波”的角動(dòng)量。其實(shí)，這個(gè)謎底非常簡單。

隨著“光子自旋”這類艱深物理問題的解決，現(xiàn)代物理學(xué)前沿的四大疑難“波粒二象性之謎”、“光的本性之謎”、“粒子與場的關(guān)系之謎”、“物質(zhì)世界的最基本結(jié)構(gòu)單元之謎”也會(huì)在“π型三重波粒二象性”的框架下得到解決，我們將會(huì)順利進(jìn)入“后粒子物理學(xué)時(shí)代”，迎來“物理學(xué)的第六次大綜合”——實(shí)現(xiàn)“實(shí)物（粒子）與場（波）的統(tǒng)一”，建立起“波與粒子的統(tǒng)一物理學(xué)”并證實(shí)“物質(zhì)世界的最基本結(jié)構(gòu)單元——‘太極粒子波”的存在。

回首亞里士多德2300多年以前的《物理學(xué)》至今，我們不妨大膽猜想一下物理學(xué)究竟有哪幾大核心公式。它們應(yīng)該是主宰物理運(yùn)動(dòng)中某一個(gè)大類運(yùn)動(dòng)的基本定律或公式（例如①主宰機(jī)械運(yùn)動(dòng)的牛頓第二定律，②主宰電、磁、光運(yùn)動(dòng)的麥克斯韋方程，③主宰微觀粒子運(yùn)動(dòng)的薛定諤方程），或者是揭示最基本、最重要的物理關(guān)系與實(shí)質(zhì)的公式，例如④愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式與甘永超揭示的⑤波粒二象關(guān)系式——前者揭示了質(zhì)量、能量、時(shí)間、空間與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，它是物理學(xué)中最基本的關(guān)系——物理學(xué)就是研究物質(zhì)（質(zhì)量、能量）在時(shí)間、空間中的運(yùn)動(dòng)，而后者則是物理學(xué)中最重要的關(guān)系，因?yàn)閷?shí)物（粒子）與場（波）之間的關(guān)系至高無上——被（瑞德尼克）稱之為“物理學(xué)所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰”，也是愛因斯坦一輩子苦苦求索的對(duì)象。

作為一種印證，當(dāng)您在電腦中輸入“世界上最偉大的十大公式”并進(jìn)行搜索時(shí)，大多數(shù)時(shí)，上述“物理學(xué)的五大核心公式”都能全部入選，只要把“波粒二象關(guān)系式”作為德布羅意方程組（普朗克公式與德布羅意公式之組合）的升級(jí)版就行。

我們殷切期望：由中國學(xué)者創(chuàng)立的“波粒二象關(guān)系式”能夠躋身“物理學(xué)的五大核心公式”與“世界上最偉大的十大公式”，為人類的文明和進(jìn)步做出不朽的貢獻(xiàn)。我們也期望“巨光子炮”能夠早日問世，為維護(hù)世界和平、全面銷毀核武器做出貢獻(xiàn)。endprint

參考文獻(xiàn)

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