关于光的波粒二象性与光本性的探讨                          

                                      ——读王令隽教授的文章《光的波粒二象性漫谈》后感                        

                                                                      作者   吴东敏  

   关于光的波粒二象性，美国某大学的终身教授王令隽老师提出了一个很好的，颇具代表性的观点：“光波，电磁波，声波的波动性是没有疑义的，有疑义的是其粒子性；物质的粒子性是没有疑义的，有疑义的是其波动性。”我的观点与其相似：光波，电磁波，声波的波动性是没有疑义的，有疑义的主要是波动性的实质；物质的粒子性是没有疑义的，有疑义的是光除了有波动性以外，还具有粒子性。对于两种相似的观点却有着完全不同的内涵。 

   在王教授的《光的波粒二象性漫谈》里可以看出，王教授在研究中认为光是波而绝非粒子。光的能量是光具有波动性表现出来的能量，所以，光波的实质就是能量（电磁能）的密度波。如果赞同普朗克量子理论和爱因斯坦光子理论的话，应该把光子视为没有质量的“能量子”，光的传播只不过是“能量子”的量子涨落或能量密度起伏的传播，而绝非物质粒子振动的传播（机械波）。

   王教授认为波和粒子是不相容的两个概念，波是运动而不是物质，粒子则是物质。他以人们最熟悉的水波为例，在一个宁静的湖面上激起波浪，水波往前传播，可是水分子并没有随着波浪前进，水分子只作上下振动，所以水波传播的是运动，是能量和动量，而不是物质（水分子）。此话十分正确，但是王教授怎么没有想到，宁静的湖面为什么会激起波浪？那是因为我们在宁静的湖面上扔了一块石头。如果扔下去的不只是一块石头，而是一块接一块的石头，这样，人们就可以看到持久不断的水的波动。光波与水波类比，有质量的光粒子在弹性媒质里运动，激起了媒质的波动，这个波动叫做光波。光包括了三部分：1，提供光子的光源；2，运动中的光子链；3，传递光波的媒质。前辈科学家把传递光波的弹性媒质叫“以太”。通常人们忽略了光源，所以光的波粒二象性指的仅仅是光子和光波。光的能量由两部分组成：1，携带质量的光子由于运动具有的动量和动能；2，受激媒质由于波动具有的动量和能量。在光的波粒二象性中光子的运动和媒质的橫振动的传播各行其道，是和谐的，相容的。含有光子辐射的光有近红外线，可见光，紫外线，X射线，伽马射线，它们具有波粒二象性；而波长较长的无线电波，微波，远红外辐射不含有粒子辐射，不具有波粒二象性，只具有波动性。 

   如果王教授认为光只是波，只具有波动性而没有粒子性的话，许多光现象将不能解释。下面以王教授提到的“光电效应”，对问题展开讨论，采用爱因斯坦时代最原始的真空光电管的工作情况作具体简易的分析：

  一束光照射到光电管的阴极时，按照王教授的观点，光应该是能量的密度波，阴极表面的所有电子将受到波动能量起伏的扰动，当能量达到某一临界值，克服电子的逸出功，将发生光电子辐射；由于能量是连续的，阴极表面的每个电子受到的作用是相同的，因此每个光电子逸出阴极表面的初速度或初动能是相同的。这表明阴极表面的每个电子的命运是相同的，行为是一致的。要么大家都不出来，只在阴极表面振动，要么大家一齐出来，而且离开阴极表面的初速度与初动能相同。表现为阳极电流出现两种状态，要么截止（最小值），要么导通饱和（最大值）。不管入射光线的能量大小的变化规律按照正弦波，或其它各种脉冲波分布，而相应阳极电流的波形始终是矩形波（或前沿陡峻的梯形波）。这显然与光电管的工作状况相悖。因此用光的波动性解释光电效应是不合理的。然而更加棘手的问题还在下面：王教授认为光不是物质，是能量，能量没有大小，没有形状，没有电荷，没有引力；你如何去描述它与电子发生作用的微观机理或机制。它会把人们的进一步的思维，假设，导入到唯心主义的歧路中去，越走越远。离开物质的能量犹如离开躯体的鬼魂。可以说它披头散发，青面獠牙，也可以说它像窈窕淑女，白面书生。 

  光电效应的主要原因是光具有粒子性，而且这个粒子必须具有质量，才能得到圆满的解释。光粒子（光子）辐射，犹如机关枪扫射，光强弱表示机关枪的数量的多少，光的频率高低表示每支机关枪射出的子弹数量的多少。光子的能量不是连续的而是一份一份的。由于光子的质量大大地小于电子的质量（约是电子的10^-18倍），所以要求击中电子的机关枪里射出的子弹数量要多，就是说光的频率要足够高。否则，就不能克服电子的逸出功。事实证明，光的频率越高，光电子的初速度和初动能才会越大。对于不同材料制作的阴极，电子的逸出功的大小不一样，因此其发生光电效应的临界频率是不同的。另外，从微观的物质内部结构来看，物质内部是很“空”的，电子的分布密度不大，机关枪击中电子的命中率不高，所以要求机关枪的数量足够多，就是光的强度不能太小。表现出来的现象是：随着光的增强减弱，阳极电流会同步增大和减小。在感光录音的电影胶带中，经过脉动音频电流调制的胶带通光声道，当光通过它射入光电管的阴极时，阳极电流的变化曲线与射入阴极的光强弱的变化相同，光电管把光信号转换成相应的电信号。只有这样的解释，才与实际相符合。

  光的粒子性表现的能量是不连续的或者说是一份一份的，而波动性表现的能量是连续的。除了光电效应，其它如康普顿效应，黑体辐射，光的反射，光的折射，光的散射，光的色散等也都需要光具有粒子性又有波动性才能得到合理的解释。在此不作过多的表述。

  在一束自然光中，包含有光波和光子，还可以把光子从光波里分离出来。王教授听到一定会感到惊讶。怎么可能呢？是不是痴人说梦？这其实是很自然的现象。下面举例和说明一些与波粒二象性有关的问题：

  1，        一束阳光或者白炽灯光，含有光子和光波，当它直接射到光电管阴极和通过偏振片后射到光电管阴极两种情况下，阳极输出的光生电流的大小不一样。透过偏振片，有部分光子被散射或折射，到达阴极的光子减少，就是说扫射电子的机关枪的数量减少，因此光生电流变小。偏振片不能把光子全部分离出去，透过的光是属于部分偏振光，而不是完全偏振光。

  2，        一张白纸能反射光波，但不能反射光子，光子被纸吸收。一面镜子（镀银的玻璃平面镜）能反射光波，也能反射光子。两种反射光的能量明显差别，可以用肉眼辨别出来。是不是可以得出如下结论：一张白纸能把太阳光中的光子和光波分离出来，而镀银的平面镜不能把太阳光中的光子与光波分离出来。

  3，        一片绿色的树叶由于反射太阳光，能使人们看到它。太阳光含有光波和光子，当它射到树叶的时候，阳光中的光子被原子（电子和核子）散射，折射，吸收，或者透射。被反射回来的光波中，光子几乎被分离出去。在树叶表面发生反射的仅仅是光波，是波长约为490到570纳米的绿色的光波。780到570纳米的红橙黄波与490到380纳米的青蓝紫波没有被反射而是被吸收了。顺便说一下视觉的本性，人们在空间中任意地方可以看到这片树叶，是因为我们眼睛里的视网膜感觉到从这片树叶反射的绿色偏振光传来的光媒质的微小振动所带来的能量。大科学家牛顿和爱因斯坦却认为反射的是光子，而不是光波。一片树叶能把光子洒满整个空间，有这么多光子吗？请思考在我们的周围有多少片叶子和多少颗树？多少使我们可以看到的桩桩件件？我们的空间将被光子充满，这是不可能的。更加觉得太不可思议的是，天刚朦朦亮，太阳还没有从东山上升起的时候，这棵树和周围的一切事物已经把光子洒满了整个空间，让人们可以看到它。可惜的是牛顿和爱因斯坦没有仔细的想想，一直到死仍然没有感悟出这个似乎是十分简单的道理来。

  4，        光的波粒二象性表现出来的特性。光与物质发生作用的时候表现出粒子性，是因为光子的能量密度大，光波的能量密度小。同时，光和物质作用的时候，光波在界面上被反射回来，而光子则与物质粒子发生碰撞，发生动量能量交换（如：局部温度变化而被人们检测出来）。尤其是紫外线，真空紫外线，软硬X射线，伽马射线，它们所含有的光粒子数量巨大，表现出明显的粒子性。光在传播的过程中表现出波动性，是因为人们发现光传播过程中光的绕射（衍射），干涉，极化（偏振）等波动现象。所以，光在传播时只观测到波动性，难以观测到粒子性，而与物质作用时明显地观测到粒子性，波动性却很不明显。

  5，        在著名方程E=hν中，有它使用的局限性。阳光通过三棱镜色散出来的绿色自然光，树叶反射出来的绿色偏振光，LED绿色光源，激光器发出来的绿色激光，同步辐射光源射出来的高纯绿光，虽然它们的频率基本相同，但它们的能量却不大相同。光的能量还与其它几个因素有关，最重要的是光的波粒二象性因素，而不仅仅是频率ν。   

   6，        光速问题。人们对光速不变原理持有疑义。在此，把光速分解为光子的速度与光波的速度，人们在研究各种波的波速时发现，任何波的传播速度由其赖以传播的弹性媒质的性质来决定，以此类推，光波的速度由空间的媒质来决定，这一点对于相信空间媒质是以太，还是电磁场的学者来说双方均没有疑义，都相信光速不变。由于是媒质波动的传播，与光源的状态无关，不管光源是静止还是运动，不管光源运动速度的快慢，光速始终不变，人们可以很容易就能理解它。测量得到的光波的速度是299792458m/s 。   

    光的速度还包括光子的速度，光子速度与光波速度通常情况下保持同步。不然的话，在光的长时间长距离数万年，数亿年的传播中不堪设想，光的结构肯定会破坏会散架，这与观察不符。但是，光子在传播过程中，光子从光疏媒质进入光密媒质，或者由光密媒质进入光疏媒质时，或者进入不透光的物质，或者进入半透光的云彩中时，光子的速度当然会发生改变，或者迅速降低至零。降低至零的时候，光子的动能转化为物质的内能，还有其它重要效应（另择文章细说）。

   7，        王教授不相信德布罗意波的存在。认为电子只有粒子性，没有波动性，大部分学者与王教授的想法一致，都认为物质粒子具有波动性是不可思议的，这是王教授激烈抨击光的粒子性的主要指导思想。作一个高速运动粒子的波动图像，很伤脑子。2005年，我曾作过一个携带负电的有质量的光子的运动轨迹图像：光子在自身运动电场感应出来的磁场里受洛伦兹力的作用下做圆周运动，描述出来的光子运动轨迹是光子呈螺旋线式前进，好像子弹出膛，是旋转着前进的。后来我放弃了这个想法。物质粒子的波动性，不在于自身的波动，在于自身运动激荡起周边弹性媒质的振动，这个振动的传播形成纵波，横波，平面波，空间波等。我希望王教授也能从固执的旧观念中尽快走出来。

  在光的以太媒质中高速运动的电子流，对弹性的以太媒质发生碰撞，照样会激起媒质的波动。X射线的频率约为10^18到10^20赫兹，它所含有的光子数的总质量与电子质量的数量级相当，它们的行为相似，所以电子的衍射图像与X射线的衍射图像相似。但是，物质波与光波的行为有重大区别，光的三要素，构成光的完整的辐射机制（在此不做细述），能在空间中做长时间，长距离的辐射。而电子流却不能。德布罗意波公式：λ= h/mv 反应了物质波的波长与粒子（电子或质子）的速度关系，并不能反应波的频率或者周期等最重要的波动概念。 

    下面讨论电磁波，光波的波动性问题。

  对电磁场的本质问题，谈谈我的看法。200年前，法国科学家安培认为磁铁内部的原子分子等物质微粒内部存在一种环形电流，提出分子电流假设；这种电生磁的理论被法拉第和麦克斯韦沿用和发展成为经典电磁理论。法拉第先后提出电场，磁场的概念，把电力磁力的疑难本质打包在电场磁场里换了一个名称叫作电场力和磁场力。电场最基本的性质是对放入其内部的电荷产生力的作用，不管该电荷运动还是静止；而磁场最基本的性质是对放入其内部的运动电荷产生力的作用。当运动电荷产生磁场以后，变成磁场与磁场之间的作用。这说明同种场，电场与电场，磁场与磁场才能发生力的作用，磁场与电场不发生力的作用。同种场才有力的作用，异种场不发生力的作用在实验中早被人们认可。这证明了磁和电是两种不同的事物。在人们的观念中只有龙生龙，凤生凤；而龙生凤，凤生龙不可能。麦克斯韦认为在什么都没有的真空中，运动的电场会产生磁场，运动的磁场会产生电场的假设理由根本是不充分的。然而这种交变电磁场形成电磁波的理论却一直被科学家推崇。虽然有破绽，但再也找不出其它好的理论代替它。按照磁的电本质假设，二百年来，人们没有找到分子电流；对地磁场的成因，人们总结并提出了12种与电流有关的理论学说，都没有成功。我在怀疑，是不是受经典电磁理论束缚，毒害的结果。电，磁，场的微观本质至今仍然是个谜。

  王教授特别尊崇麦克斯韦方程组的数学描述，认为其精密程度到了令人不容置疑的程度。我的数学水平不好，但我可以怀疑它的正确性。理由一，麦克斯韦在研究电磁现象而不知道电磁本质的情况下作出的数学定量，可能会犯定性的错误。如果定性错了，那方程组就全错了。理由二，对物理问题作数学定量的精确性是技术问题。例1，假设通过人家的观测，光速值约为30万公里/秒，你可以参考电磁振荡现象设计两个参数；电参数，真空介电常数ε0 ；磁参数，真空磁导率μ0 ；使它们的数值符合运算得到真空光速等于30万公里/秒。如果发现实验数据只有29.9万公里/秒，你可以对两个参数的数值进行调整，使它达到十分精确并不难。例2，爱因斯坦根据前人长期对水星进动误差的观测，修正自己的参数，使其达到符合观测值43角秒/百年是可以做到的。

  用数学物理法去研究物理问题首要的是先认识物理。大家最熟悉的问题，树上3只鸟，开枪射死1只鸟，树上还有几只鸟？这是3-1=2还是3-1=0的问题。一座10亿吨的大山塌缩成一个原子核，把它放到百慕大三角的海底，它会很快地钻到地心里去还是不会？一个质量大约是太阳1.5倍的冷恒星，抵抗不住自身的引力，会发生瞬间塌缩成为一个黑洞，你会相信印度的强德拉塞卡和苏联的兰道的计算吗？400多年的近代科技史，多少困惑，多少设想，多少方程，有多少是正确的。多多少少的正确与错误的交融，编织成一团乱麻，把世界变得更加复杂。使人们看不清方向而走向歧路走向迷宫。梳理，辩别，整合，创新是后人的重要任务。

  电磁场和电磁波理论是虚拟的理论。由于它的神秘性，科学界历来认为它是一种特殊的物质。王教授干脆认为它不是物质，因为它不具备物质的特性，认为它是能量。也就是说，电磁场是能量场，电磁波是能量波。能量没有大小，没有形状，没有“手”，没有“足”，没有力的作用。能量的传播靠人们的想象，把它看成能量的起伏，涨落。电磁波是能量的密度波。要描述它的微观作用，十分困难，只能借助机械波，如水波，声波的行为去比较，去说明。谁能描述无线电波的电磁能的能量涨落为什么不从振荡廻路直接走，而跑到发射天线，从发射天线的表面抛洒到空间里去呢？天线与空间界面有何微观作用机制？我认为能量的密度起伏或密度涨落的传递是一种唯心设想，达到能量平衡能量就不能传递了。可以举出许多人们熟悉的机械能，热能，电能传递的例子。实现能量起伏传递是不可能的。

  光波（包括无线电波，微波）的传递媒质，前辈科学家认识到空间一定存在着一种物质，这种物质叫“以太”。由于多方面的原因，以太模型以太理论不够完善，发生几起几落。

  本人认为，空间中必然存在着平均密度稀薄弹性极小的以太结构。2011年出版了《宇宙的真谛》一书。建立了“二粒三构”理论。描述了基本粒子和基本物质结构模型，阐述了光，电，磁，热，场，波的本性，四种自然力的本质，基本天体结构与运行规律。欢迎提出质疑。                                       2013,07,02