“第三种波粒二象性”的揭示及其“波粒二象关系式”与“巨光子炮”

2014-09-03甘永超

中国新技术新产品 2014年14期

摘要：基于“经典电磁场按光子对应分解”而揭示了与爱因斯坦、德布罗意分别于1905、1923年揭示的“光的波粒二象性”、“实物粒子的波粒二象性”相并列的“第三种波粒二象性”并把这“三种波粒二象性”和谐地统一起来，进而揭示了微观客体的“π型三重波粒二象性”；接着，通过对“π型三重波粒二象性”的数学抽象而得到了“波粒二象关系式”，给出了“波”与“粒子”关系的数学表达并介绍了反导武器“巨光子炮”的工作原理；最后，还对“三种波粒二象性”的和谐统一理论进行了初步验证与展望。

关键词：第三种波粒二象性；三种波粒二象性的统一；π型三重波粒二象性；波粒二象关系式；巨光子炮；物理学第六次大综合

中图分类号：O41 文献标识码： A

一、引言

“波粒二象性”是量子物理、现代光学与粒子物理中的核心问题，也是破解“光的本性”、“粒子与场的关系”、“物质世界的最基本结构单元”的关键所在。前苏联科学家瑞德尼克在《量子力学史话》中曾一针见血地指出：“今天，决定微观世界统一体的最深刻本质的全部问题，就是物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰：物质的两种基本形式——实物（粒子）和场（波）——之间的相互关系。”谁要是破解了实物（粒子）和场（波）的关系，那么，他就登上了物理学的珠穆朗玛峰。本文基于狄拉克“经典电磁场按模式分解”的自然推广——“经典电磁场按光子对应分解”（因为每一个模式又可以包含多个光子）而展开讨论，通过一系列逻辑分析与数学抽象而得到了一些新的结论。

二、“第三种波粒二象性”的揭示

“第一种波粒二象性（光的波粒二象性）”（如图1）由爱因斯坦1905年揭示、1916年由密立根验证，分别获1921、1923年度诺贝尔物理学奖。“第二种波粒二象性（电子的波粒二象性）”由德布罗意1923年揭示、1927年由戴维逊和小汤姆逊验证，分别获1929、1937年度诺贝尔物理学奖。

1994年，中国学者把狄拉克1927年所作“经典电磁场按模式分解”进一步推进到“经典电磁场按光子对应分解”，凝练出了“电磁基波”的概念，提出了“波粒二象性的相变假说”，在经典电磁场与量子电磁场之间建立起了一种基本单元（“电磁基波”与“光子”）的对应关系（每一份“电磁基波”的能量、动量、角动量都能与一个同频光子的能量、动量、角

动量分别对应相等），揭示了与前两种波粒二象性相并列的“第三种波粒二象性”——经典（电磁）场在结构上的粒子性。

三、“三种波粒二象性”的和谐统一

虽然“第三种波粒二象性”、“第三种中微子振荡”、“第三种量子霍尔效应”的揭示令世人瞩目，但“三种波粒二象性”、“三种中微子振荡”、“三种量子霍尔效应”如何统一（揭示其背后的深刻本质）却更令人神往。

爱因斯坦整整五十年的自觉思考都没能解决“电磁波”与“光量子”之间的关系问题，德布罗意一辈子也未能解决“实物粒子”与“物质波”之间的关系问题。也就是说，尽管“光的波粒二象性”与“实物粒子的波粒二象性”被揭示出来并颁发了四次诺贝尔物理学奖，但“波粒二象性之谜”却并没有完全揭开。

今天，由于“第三种波粒二象性”的揭示，我们才能理顺“三种波粒二象性之间的π型结构关系”，破解“波粒二象性之谜”，把“三种波粒二象性”完美而又和谐地统一起来（如上图）。

原来，只有第一种波粒二象性才是本质上的波粒二象性（真实的波与真实的粒子在存在的时间上相互错开，满足一定条件时还可以相互转化）；而第二种波粒二象性（真实的粒子在运动上具有“德布罗意波动性”）、第三种波粒二象性（真实的波“在结构上具有粒子性”）都是现象上的波粒二象性，它们的“波”与“粒子”同时存在但一虚一实、不能相互转化。这就是微观客体的“π型三重波粒二象性”。

四、“π型三重波粒二象性”的数学抽象：“波粒二象关系式”与“巨光子炮”

根据“波粒二象性的相变假说”，尤其是更为具体的“π型三重波粒二象性”理论，我们不难想象：由于在经典电磁场（电磁基波的叠加）与量子电磁场（光子气）之间建立起了一种基本单元（“电磁基波”与“光子”）的对应关系，所以，在一定条件下经典电磁场与量子电磁场之间可以发生相互转化（相变），而其本质就是“电磁基波”与“光子”之间的相互转化（真空中基态的量子电磁场吸收一份“电磁基波”而跃迁到激发态，再由激发态放出一个“光子”又回到基态；或者基态的量子电磁场吸收一个“光子”而跳到激发态，再由激发态发射一份“电磁基波”又跳回基态）。假若我们把量子电磁场（光子气）用粒子矩阵P表示，经典电磁场（电磁基波的叠加）用波矩阵W表示，那么，经典电磁场与量子电磁场之间的转化（相变）就可以用数学描写成为一种矩阵变换：

P = G W

其中，G为变换矩阵。再详细一点，我们还可以写出（甚至还可以写出其四维形式）如公式1：

这就是“波粒二象关系式”。它是对“波粒二象性的相变假说”与“π型三重波粒二象性”高度的数学抽象——不仅把量子力学的两大开山之作（普朗克公式与德布罗意公式）统一了起来，而且还把“物理学尚未征服的山峰中的最高峰——实物（粒子）与场（波）之间的关系”用精准的数学公式表达了出来，有如爱因斯坦的质能关系式E=Mc2揭示“质量”与“能量”的平等、线性关系一样。

另外，根据“波粒二象性的相变假说”与“π型三重波粒二象性”理论，我们有望把一份巨大的“弥散能量（波）”通过某种途径集中起来而转化成为一个高速（甚至接近光速）飞行的“巨粒子炮”，例如，可以把现在的激光武器改造成为“巨光子炮”——以光速飞行的“一颗巨大的光子”（根据“三种波粒二象性”的内在关系，我们把“激光谐振腔内输出的受激辐射”不是展现成为数额巨大的多“光子”，而是设法转化成唯一的一颗以光速飞行的“巨光子”炮弹——它在空中飞行几乎没有衰减，用来拦截核导弹简直就是瓮中捉鳖）。相信“巨光子炮”这种超级武器一定会引起军方乃至世界和平组织的极大兴趣。因为核武器毁灭人类，而“巨光子炮”却可以拯救人类。endprint

五、“三种波粒二象性”和谐统一理论的初步检验

鉴于爱因斯坦广义相对论的三大预言（水星近日点进动、光线的引力偏折、光谱线的引力红移）被验证就奠定了它在科学界的坚实基础，我们也基于“三种波粒二象性”的和谐统一理论而做出了三个颇具颠覆性（在现代物理学的框架内几乎就是不可能）的预言（推论）。如果这三个几乎是不可能的事件都能够得到证实，那么就只能说明“三种波粒二象性”的和谐统一理论具有无比强大的生命力，是攻不破、打不垮的理论。

事实上，这三个颇具颠覆性的推论经过几番腥风血雨、学术论战，已经有两个半得到了证实：

①根据经典理论而不需要任何量子假设就可以直接导出“普朗克的黑体辐射公式”（已为英国曼彻斯特大学的马歇尔所证实）；

②根据经典理论而不需要任何量子假设就可以直接导出“光能量的量子化”（已为中山大学的佘卫龙所证实）；

③“波”与“粒子”完全平等，“光的量子理论”与“光的经典电磁理论”是两个独立、平行的理论，光的量子理论不能包含光的经典电磁理论（已被甘永超证明了一半，还剩下另一半，需要实验判决）。

为了弥补上面三个推论只证实了两个半的遗憾，我们又借助科学史上伽利略推翻亚里士多德“物体越重下落速度越快”所使用的归谬法（它比伽利略的比萨斜塔实验更为有力），从逻辑上进一步证明了第三个推论（如果“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”，那么，我们就可以完全抛弃光的经典电磁理论，这势必导致“光量子”一统天下而“电磁波”突然消失，可是，“电磁波”作为一种具有质量、能量、动量而真实存在的物质，是不可能凭空消失的。所以，“光的量子理论不能包含光的经典电磁理论”）。而这种逻辑推理的力量又十分有力，以至于“进行实验判决都成为多余”！

另外，对于光电效应实验中传统物理学都极力回避的难题（当一个光子的能量低于红限而两个光子的能量高于红限时，能否产生光电效应），“三种波粒二象性”的和谐统一理论却能够给出圆满的解释。第一个光子打到电子上，显示粒子性，被电子吸收，使电子跃迁到高能态；第二个光子紧接着打过来，如果它还显示粒子性，就可能使高能态的电子吸收该光子而逃逸，发生光电效应，可事实上并非如此。而新理论的解释却是：如果第二个光子紧接着打过来，由于电子已经跃迁到了高能态，与之发生相互作用的第二个光子就不再显示粒子性，而是显示波动性，应该用电磁波理论来处理，所以，不会发生光电效应。

如果再计及“π型三重波粒二象性”抽象成为一个数学上的矩阵等式——波粒二象关系式，而该矩阵等式却居然能够把量子力学的两大开山之作（普朗克公式和德布罗意公式）统一起来——这完全可以理解为对“π型三重波粒二象性”与物理学理论和实验自洽性的第5.5次验证。想当年，爱因斯坦的广义相对论也只有“水星近日点进动”、“光线的引力偏折”2个预言被验证（“光谱线的引力红移”一直等到1959年才被美国的庞德和雷布卡利用穆斯堡尔效应加以验证）就奠定了它在科学界的坚实基础并轰动世界，而甘永超的“π型三重波粒二象性”却已经经历了5.5次验证为什么就不能轰动世界！

六、结果与讨论

我们知道，“经典电磁场按光子对应分解”是狄拉克1927年所作“经典电磁场按模式分解”的自然推广，而在“经典电磁场按光子对应分解”基础上建立起来的“三种波粒二象性”的和谐统一理论——“π型三重波粒二象性”又经过了上述5.5次验证，特别是前面那2.5次颠覆性验证是足够有力的。如果与广义相对论的验证相对比，我们应该更加有信心，把“π型三重波粒二象性”理论进一步推向高潮。

其实，“经典电磁场按光子对应分解”——每一个“电磁基波”的能量、动量、角动量都能与一个同频“光子”的能量、动量、角动量分别对应相等，就让我们找到了破解“粒子自旋”之谜的钥匙。根据“π型三重波粒二象性”理论，粒子的自旋不过是从它的娘胎里带出来的，是粒子的一种内禀特性，例如，当一份“电磁基波”转化为一个“光子”时，转化前“电磁基波”的能量、动量、角动量都由转化后的那个“光子”所承载，也就是说，光子的自旋角动量来源于转化前的那份“电磁基波”的角动量。其实，这个谜底非常简单。

随着“光子自旋”这类艰深物理问题的解决，现代物理学前沿的四大疑难“波粒二象性之谜”、“光的本性之谜”、“粒子与场的关系之谜”、“物质世界的最基本结构单元之谜”也会在“π型三重波粒二象性”的框架下得到解决，我们将会顺利进入“后粒子物理学时代”，迎来“物理学的第六次大综合”——实现“实物（粒子）与场（波）的统一”，建立起“波与粒子的统一物理学”并证实“物质世界的最基本结构单元——‘太极粒子波”的存在。

回首亚里士多德2300多年以前的《物理学》至今，我们不妨大胆猜想一下物理学究竟有哪几大核心公式。它们应该是主宰物理运动中某一个大类运动的基本定律或公式（例如①主宰机械运动的牛顿第二定律，②主宰电、磁、光运动的麦克斯韦方程，③主宰微观粒子运动的薛定谔方程），或者是揭示最基本、最重要的物理关系与实质的公式，例如④爱因斯坦质能关系式与甘永超揭示的⑤波粒二象关系式——前者揭示了质量、能量、时间、空间与运动之间的关系，它是物理学中最基本的关系——物理学就是研究物质（质量、能量）在时间、空间中的运动，而后者则是物理学中最重要的关系，因为实物（粒子）与场（波）之间的关系至高无上——被（瑞德尼克）称之为“物理学所面临的尚未征服的山峰中的最高峰”，也是爱因斯坦一辈子苦苦求索的对象。

作为一种印证，当您在电脑中输入“世界上最伟大的十大公式”并进行搜索时，大多数时，上述“物理学的五大核心公式”都能全部入选，只要把“波粒二象关系式”作为德布罗意方程组（普朗克公式与德布罗意公式之组合）的升级版就行。

我们殷切期望：由中国学者创立的“波粒二象关系式”能够跻身“物理学的五大核心公式”与“世界上最伟大的十大公式”，为人类的文明和进步做出不朽的贡献。我们也期望“巨光子炮”能够早日问世，为维护世界和平、全面销毁核武器做出贡献。endprint

参考文献

[1]瑞德尼克. 黄宏荃，彭灏译.量子力学史话[M].北京：科学出版社，1979： 281-282.

[2]甘永超，章介伦. 沈文达，等. 辐射场的内禀结构研究[J].光子学报， 1995， 24（5）： 472～475.

[3]甘永超，吴美钧. 论电磁场的自身量子化[J].荆州师专（现长江大学）学报（自然科学版）， 1994， 17（5）： 37～39.

[4]甘永超，吴美钧. 一种自洽的光的波粒二象性图景[J].荆州师专（现长江大学）学报（自然科学版）， 1996， 19（5）： 53～56.

[5]Y. Gan， W.Wang.A self-consistent picture of wave-particle duality of light[C].Proc.of SPIE， 2007， 6664： 666407（本文获湖北省第十二届自然科学优秀学术论文二等奖）.

[6]Marshall T W. Brownian motion of a mirror[J].Phys. Rev. D， 1981， 24（6）： 1509～1515.

[7]She Wei-Long. Quantization of light energy directly from classical electromagnetic theory in vacuum[J].Chinese Physics， 2005， 14（12）： 2514-2521.

[8]She Wei-Long. Light quantum from classical electromagnetic theory[C].Proc. of SPIE， 2007， 6664： 66640A.

[9]Gan Y. Can the quantum theory of light contain the classical electromagnetic theory of light？[J].Proc. of SPIE， 2009， 7421： 74210U（本文获湖北省第十三届自然科学优秀学术论文二等奖）.

[10]甘永超，胡战，周刚.Lorentz-Compton佯谬与一个双赢判决性散射实验设计[J]. 光散射学报， 2006， 18（1）： 75～79.endprint