光的波粒波粒二象性

1、光的波粒二象性（揭密狹義相對(duì)論系列之八）彭家驅(qū)廈門大學(xué)電子工程系，廈門（361005）E-mail: pjq摘要： 本文中，對(duì)光的波粒二象性進(jìn)行較廣泛和深入的研究；從介質(zhì)波和物質(zhì)波；從光波能量傳播過程， 從光波能量轉(zhuǎn)換過程（從物理學(xué)和化學(xué)及生物學(xué)領(lǐng)域）；從宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域；從波模型和粒子模型；提出了較全面和系統(tǒng)的論述；提出了不少新觀點(diǎn)和新概念。同時(shí)以光的波粒二象性， 檢驗(yàn)狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的理論基礎(chǔ)和結(jié)論。本文也將有助于解決黑洞領(lǐng)域的爭(zhēng)論。關(guān)鍵詞 ：光波，波粒二象性，波動(dòng)性，粒子性，波動(dòng)模型，粒子模型，介質(zhì)波，物質(zhì)波，能量傳遞，能量轉(zhuǎn)換，狹義相對(duì)論，廣義相對(duì)論，黑洞，光子，聲子，中圖分類

2、號(hào)： O411. 概述波粒二象性的提出是物理學(xué)史上的一大進(jìn)步， 極大地豐富了光波的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)律， 但同時(shí)，由于其運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜性，也造成人們混淆了波動(dòng)性與粒子性的區(qū)別，甚至迷失了方向。19 世紀(jì)末，在量子力學(xué)出現(xiàn)之前，在宏觀領(lǐng)域“光的波動(dòng)模型”就已經(jīng)完全取代了牛頓“光的粒子模型” ，光的波動(dòng)理論占領(lǐng)了主導(dǎo)的地位，光的傳播需要介質(zhì)也成為經(jīng)典波動(dòng)理論的基礎(chǔ)。然而此時(shí)，物理學(xué)的上空出現(xiàn)二朵“烏云”。由于“以太問題” （其中一朵烏云）沒有得到解決（主要是恒星光行差實(shí)驗(yàn)和邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)沒有得到正確的解釋），物理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)一股， “否定光的傳播需要介質(zhì)的思潮”。 ( 注：筆者在波源、介質(zhì)、觀察者相對(duì)運(yùn)

3、動(dòng)時(shí)，波源的測(cè)定1、重尋“以太” 2 二文中，重新論證和解釋了恒星光行差實(shí)驗(yàn)和邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)等實(shí)驗(yàn)。)近代物理學(xué)的研究及量子力學(xué)出現(xiàn)之后（其中另一朵烏云，“黑體輻射”問題得以初步解決），在研究過程人們發(fā)現(xiàn)，在微觀領(lǐng)域有些現(xiàn)象和理論需要量子化和粒子模型才能解釋，如“黑體輻射”問題、 “光電效應(yīng)” 、“康暜頓效應(yīng)”等微觀物理現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了“光的波粒二象性”和“物質(zhì)波” ，粒子模型才重新被提起；量子化和粒子模型解釋了微觀領(lǐng)域的一些物理現(xiàn)象， 愛因斯坦在量子力學(xué)建立的初期作出了一定的貢獻(xiàn)，同時(shí)也進(jìn)一步加劇了，否定光的傳播需要介質(zhì)的思潮。光的“波粒二象性”成了混淆不清和爭(zhēng)論不休的糊涂概念。在“以太問題”

4、沒有得到解決之前，愛因斯坦受到“否定光的傳播需要介質(zhì)的思潮”的影響， 在 1905 年發(fā)表了狹義相對(duì)論 （愛因斯坦發(fā)表狹義相對(duì)論的目的之一，是要否定光的傳播需要介質(zhì)） ，隨后又發(fā)表了 廣義相對(duì)論 ，并預(yù)言光線經(jīng)過引力場(chǎng)會(huì)彎曲，之后在得到“所謂”實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證（本文5章節(jié)詳細(xì)論證） ，愛因斯坦被神化了，加上他對(duì)狹義相對(duì)論的錯(cuò)誤解釋， 對(duì)否定光的傳播需要介質(zhì)的思潮，也起了推波助瀾的作用，盡管后來， 愛因斯坦勉強(qiáng)修正了錯(cuò)誤的解釋12 ，（由于愛因斯坦缺少波動(dòng)理論和實(shí)驗(yàn)的研究，同時(shí)是在被動(dòng)的情況下， 勉強(qiáng)修正了錯(cuò)誤觀點(diǎn)， 并沒有全面和徹底接受光波的傳播需要介質(zhì)的理論，導(dǎo)致對(duì)狹義相對(duì)論作出的解釋時(shí)，出現(xiàn)“漏

5、洞百出”和“以偏概全”及“不能自圓其說”的問題。）；但仍然有很多人接受了光的傳播不需要介質(zhì)的思潮（甚至很多人認(rèn)為， 狹義相對(duì)論已1經(jīng)解決了“以太問題” ，光的傳播不需要介質(zhì)） 。光波的傳播性質(zhì)屬于宏觀物理現(xiàn)象（光波的傳播過程只有強(qiáng)度發(fā)生變化，光波能量傳播過程中其頻率沒有變化） （注條件： 波源和介質(zhì)及觀測(cè)者處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。）。筆者在波源、介質(zhì)、觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源的測(cè)定1 、重尋“以太” 2、多普勒效應(yīng)與以太及超光速運(yùn)動(dòng) 3 、同步回旋加速器與超光速運(yùn)動(dòng)及以太問題4 、狹義相對(duì)論的本質(zhì)問題 5 過筆者大量的理論和實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，在宏觀領(lǐng)域主要呈現(xiàn)波動(dòng)性，粒子性是次要的，在宏觀領(lǐng)域波動(dòng)模型是正

6、確的，光波的傳播需要介質(zhì)。筆者認(rèn)為， 光的粒子模型雖然在微觀領(lǐng)域取得成功，但還是不能取代宏觀領(lǐng)域光的波動(dòng)模型（牛頓“光的粒子模型”在宏觀領(lǐng)域已經(jīng)被否定）；在宏觀領(lǐng)域光波的傳播過程，光的波動(dòng)模型仍然占據(jù)統(tǒng)治的地位，完全取代了牛頓“光的粒子模型”，經(jīng)典的波動(dòng)理論在宏觀領(lǐng)域是正確的。光波能量的“量子化”，是暜朗克為解決“黑體輻射”問題提出的新概念；“光子”的概念的重新被提出，是愛因斯坦在“量子化”的啟發(fā)下，在涉及量子力學(xué)領(lǐng)域的研究中為解釋光電效應(yīng)的物理現(xiàn)象時(shí)引入的；在微觀領(lǐng)域渋及到能量轉(zhuǎn)化，光子的頻率會(huì)發(fā)生變化， 光子呈現(xiàn)出粒子性， 能量轉(zhuǎn)化過程光子的頻率發(fā)生了變化，甚至轉(zhuǎn)化為正、 負(fù)電子；在物質(zhì)轉(zhuǎn)

7、變過程，光子的能量被吸收或被釋放。在微觀領(lǐng)域“電子對(duì)效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)中，正、負(fù)兩個(gè)電子相遇“湮滅”產(chǎn)生出光子。筆者在狹義相對(duì)論的本質(zhì)問題5一文 10章節(jié)中，對(duì)光的波粒二象性問題中，做過初步的論證。 本文將進(jìn)一步進(jìn)行較全面和系統(tǒng)的論述。2. 介質(zhì)波和物質(zhì)波2 1 介質(zhì)波介質(zhì)波是經(jīng)典波動(dòng)理論的基礎(chǔ)，機(jī)械波和聲波的傳遞過程是介質(zhì)波，聲波的波動(dòng)理論是依據(jù)機(jī)械波的理論才完善起來的； 光波傳播的波動(dòng)理論也是完全借鑒了聲波的波動(dòng)理論；可以說，沒有機(jī)械波的理論和實(shí)驗(yàn)，就沒有聲波的波動(dòng)理論；沒有聲波的理論和實(shí)驗(yàn)，就沒有光波的波動(dòng)理論；據(jù)此,光的傳播需要介質(zhì)也成為光波的波動(dòng)理論基礎(chǔ)。介質(zhì)波的特點(diǎn)：1 介質(zhì)波是：波的能量

8、必須是通過介質(zhì)才能傳遞的，即傳播過程只有能量的轉(zhuǎn)移，而沒有物質(zhì)的轉(zhuǎn)移；2 在同一種介質(zhì)中的傳播速度是恒定的，其傳播速度與波源的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，（簡(jiǎn)稱 “波速不變?cè)怼?，愛因斯坦狹義相對(duì)論中的“光速不變?cè)怼?，就是借鑒于波速不變?cè)怼?。）? 傳播過程，波的頻率保持不變。 （注條件：波源和介質(zhì)及觀測(cè)者處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。 ） 4 能量傳播過程，沒有物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。5 從宏觀領(lǐng)域觀測(cè)，介質(zhì)波是“一群” （大量）“波子”的集群運(yùn)動(dòng)，在能量傳遞過程，波動(dòng)性是主流，能量具有連續(xù)性。6 從微觀領(lǐng)域觀測(cè)， “波子”也具有“粒子性” ，“波子”的能量也具有“量子化”的特性，在能量轉(zhuǎn)換過程，才呈現(xiàn)粒子性。7 介質(zhì)

9、波的傳播速度與引力場(chǎng)無關(guān)。(光波的傳播過程屬于介質(zhì)波，與引力場(chǎng)沒有直接關(guān)系)8 介質(zhì)波的傳播方向與引力場(chǎng)無關(guān)。(光波的傳播過程屬于介質(zhì)波，與引力場(chǎng)沒有直接關(guān)系)2M1 M2M 9M 0M n圖 1-1 機(jī)械波傳遞原理圖，彈性粒子處于靜止的狀態(tài)M1M 2M 9M 0M n圖 1-2 機(jī)械波傳遞原理圖，彈性粒子處于傳遞能量的狀態(tài)為了直觀說明，本文選用機(jī)械波的傳遞過程的實(shí)驗(yàn)原理圖（原始的波動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停﹣碚f明。圖 1 1 是彈性粒子處于靜止的狀態(tài)，圖1 2 是彈性粒子處于理論傳遞的狀態(tài)，從圖1 2 可以看出 M 的能量傳遞給M 的過程，只有能量的傳遞，沒有物質(zhì)的轉(zhuǎn)移；機(jī)械波的19傳遞速度是恒定的，傳遞

10、速度（水平方向的傳遞速度）與地球的引力加速度g（垂直方向）和垂線的長(zhǎng)度l 有關(guān)。（注：機(jī)械波的傳遞方向與地球的引力方向無關(guān)）從機(jī)械波傳遞過程原始的波動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，可以很直觀地看出：從全局和整體上觀測(cè)，所有的小球構(gòu)成了傳遞能量的“介質(zhì)”；從局部和單一的個(gè)體上觀測(cè)，小球可以看成 “波子”；所有的小球既是“介質(zhì)”又是“波子” ，這就是原始“介質(zhì)波”的“波粒二象性” （聲波和光波也都具有類似的特征） 。32 2 物質(zhì)波物質(zhì)波 ,又稱德布羅意波,是概率波 ,指空間中某點(diǎn)某時(shí)刻可能出現(xiàn)的幾率。物質(zhì)波是在h量子力學(xué)產(chǎn)生過程中才被發(fā)現(xiàn)的，如電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的衍射圖實(shí)驗(yàn)，其波長(zhǎng)；進(jìn)一步p實(shí)驗(yàn)證明所有的基本粒子都具有波

11、性，物質(zhì)波和介質(zhì)波是二種不同性質(zhì)的波，物質(zhì)波適用于微觀量子力學(xué)領(lǐng)域。物質(zhì)波的特點(diǎn)是：1 能量轉(zhuǎn)移過程中伴隨著有物質(zhì)的轉(zhuǎn)移。2 物體的運(yùn)動(dòng)速度不是恒定的，其運(yùn)動(dòng)速度的快、慢與其動(dòng)量的大、小有關(guān)。速度 V 的快、慢與動(dòng)量p 的大、小成正比。P=mv，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)可以處于靜止或處于運(yùn)動(dòng)，3 4 5其速度可以接近光速，甚至可以超光速3 物體的運(yùn)動(dòng)速度是連續(xù)性的。4 能量轉(zhuǎn)移過程，可伴隨有物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。5 物質(zhì)波主要特性是粒子性，波動(dòng)性是附加的特性， （其波動(dòng)性的原理，有待進(jìn)一步研究） 。6 物質(zhì)波的產(chǎn)生，物質(zhì)波（又稱德布羅意波 ,是概率波 ,指空間中某點(diǎn)某時(shí)刻可能出現(xiàn)的幾率。），從微觀的“原子、質(zhì)子、

12、中子、電子、中微子”和“宏觀的物體運(yùn)動(dòng)”及“宇觀的天體運(yùn)動(dòng)”都有可能產(chǎn)生。（小至基本粒子，大至恒星）7 物質(zhì)波的傳播速度與引力場(chǎng)有關(guān)。8 物質(zhì)波的傳播方向與引力場(chǎng)有關(guān)。2 3 介質(zhì)波和物質(zhì)波是二種不同的物理現(xiàn)象物質(zhì)波發(fā)現(xiàn)后，很多人（包括愛因斯坦在內(nèi)，他在狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的研究中的光波，其實(shí)就是物質(zhì)波的概念）在學(xué)習(xí)和研究過程中，極易混淆二種不同的物理現(xiàn)象。3. 光波能量的傳遞和光波能量的轉(zhuǎn)換31 光波能量傳遞過程的波動(dòng)性光波傳播的波動(dòng)理論完全借鑒了聲波的波動(dòng)理論，機(jī)械波 （包含 聲波 ）的波動(dòng)方程 v22 y2 y，（注：機(jī)械波的波速vE， E：彈性模x2t 2量，：密度；聲波的波速 vp

13、RT：氣體的，M ：氣體的莫爾質(zhì)量，M比熱比， p：氣體的壓強(qiáng)， T：氣體的熱力學(xué)溫度、R：莫爾氣體常數(shù)： ）電磁波 （包含 光波 ）的波動(dòng)方程 c22 E2 E，（注：光速 c1,0 ：真空介電常數(shù)，x2t 2000 ：真空磁導(dǎo)率）比較機(jī)械波（聲波）的波動(dòng)方程與電磁波（光波）的波動(dòng)方程，可以看出，其物理結(jié)構(gòu)完全類似 ，其數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)完全相同。 2光波的傳播完全符合介質(zhì)波的經(jīng)典波動(dòng)理論，其特點(diǎn)：1 光波是波的能量是通過介質(zhì)傳遞的，即傳播過程只有能量的轉(zhuǎn)移，而沒有物質(zhì)的轉(zhuǎn)移；2 在同一種介質(zhì)中光波的傳播速度是恒定的，其傳播速度與波源的運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，（簡(jiǎn)稱“光4速不變?cè)怼?，其理論完全借鑒經(jīng)典的介質(zhì)

14、波“波速不變?cè)怼保? 能量傳播過程， 波的頻率保持不變。（注條件：波源和介質(zhì)及觀測(cè)者處于相對(duì)靜止的狀態(tài)。 ） 4 能量傳播過程，沒有物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變。5 從宏觀領(lǐng)域觀測(cè)，光波和聲波一樣，是“一群”（大量）“光子”的集群運(yùn)動(dòng)，在能量傳遞過程， 波動(dòng)性是主流， 能量具有連續(xù)性。 （從微觀角度來觀測(cè)， 單個(gè)“光子” 具有粒子性、能量具有“量子化”的特性、能量具有不連續(xù)的特性。同理，從微觀角度來觀測(cè)聲波，單個(gè)“聲子” 也具有粒子性、 能量也具有類似 “量子化” 的特性、 能量也具有不連續(xù)的特性。 ） 6 光波的波動(dòng)理論，主要適用于宏觀物理領(lǐng)域能量的傳遞過程，不適用于微觀物理領(lǐng)域的能量轉(zhuǎn)換過程。 宏觀

15、領(lǐng)域光波的波動(dòng)模型不能取代微觀領(lǐng)域光波的粒子模型。（暜朗克、 愛因斯坦和康暜頓等科學(xué)家在微觀領(lǐng)域的研究中，大膽地突破宏觀領(lǐng)域光波能量的連續(xù)性，提出了光波量子化和粒子性，并成為量子力學(xué)的基礎(chǔ)。）7 光波的傳播速度與引力場(chǎng)無關(guān)（無直接關(guān)系）。 (光波的傳播過程屬于介質(zhì)波，廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)理論不適合光波的傳遞過程)8 光的傳播方向與引力場(chǎng)無關(guān)（無直接關(guān)系）。( 光波的傳播過程屬于介質(zhì)波，廣義相對(duì)論的引力場(chǎng)理論不適合光波的傳遞過程)32 光波能量轉(zhuǎn)換過程呈現(xiàn)粒子性光波在微觀領(lǐng)域程呈現(xiàn)“粒子性”和“量子化”的特點(diǎn)，其特點(diǎn)：1光波在微觀領(lǐng)域程呈現(xiàn)粒子性（即：“光子”）， E=hf 。2光波的能量在微觀領(lǐng)

16、域程呈現(xiàn)“量子化” 的特性， 如暜朗克對(duì) “黑體輻射” 的解釋： E=hf ，E=nhf 。3在能量轉(zhuǎn)換過程“光子”頻率可以發(fā)生改變，甚至頻率完全消失。如光電效應(yīng)、康暜頓效應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)和植物的光合作用。4在能量轉(zhuǎn)換過程可以伴隨發(fā)生物質(zhì)結(jié)構(gòu)的改變，如光電效應(yīng)、 康暜頓效應(yīng)、 化學(xué)反應(yīng)和植物的光合作用5能量轉(zhuǎn)換過程是在瞬時(shí)間完成的。6光波的粒子模型，主要適用于微觀物理領(lǐng)域的能量轉(zhuǎn)換過程，不適用于宏觀物理領(lǐng)域能量的傳遞過程。微觀領(lǐng)域光波的粒子模型不能取代宏觀領(lǐng)域光波的波動(dòng)模型。（從光電效應(yīng)和康暜頓效應(yīng)的研究過程可以發(fā)現(xiàn)，光在某種情況下才表現(xiàn)出粒子性，這表明粒子性的產(chǎn)生是有條件的，即：在量子力學(xué)和化學(xué)

17、及生物學(xué)研究的領(lǐng)域。）微觀領(lǐng)域粒子性的特性實(shí)驗(yàn)例證（ 1）光電效應(yīng)光電效應(yīng)是指物質(zhì)吸收光子（photon）并激發(fā)出自由電子的行為。當(dāng)金屬表面在特定的光輻照 作 用 下 ， 金 屬 會(huì) 吸 收 光 子 并 發(fā) 射 電 子 （ electron ）， 發(fā) 射 出 來 的 電 子 叫 做 光 電 子（photoelectron ）。光的波長(zhǎng)需小于某一臨界值（相等于光的頻率高于某一臨界值）時(shí)方能發(fā)射電子， 其臨界值即為極限頻率和極限波長(zhǎng)。臨界值取決于金屬材料，而發(fā)射電子的能量取決于光的波長(zhǎng)而非光的強(qiáng)度，這一點(diǎn)無法用光的波動(dòng)性解釋。hf1 mv2W2其中的符號(hào)對(duì)應(yīng)如下h ：暜朗克常數(shù)f ：是入射光子的頻

18、率m ：電子質(zhì)量5v ：電子速度W ：逸出功（ 2） 康暜頓效應(yīng)康普頓散射，或稱康普頓效應(yīng)（英語：compton effect ），是指當(dāng) X 射線或伽馬射線的光子跟物質(zhì)相互作用，因失去能量而導(dǎo)致波長(zhǎng)變長(zhǎng)的現(xiàn)象。這個(gè)效應(yīng)反映出光不僅僅具有波動(dòng)性。此前湯姆孫散射的經(jīng)典波動(dòng)理論并不能解釋此處波長(zhǎng)偏移的成因，必須引入光的粒子性。這一實(shí)驗(yàn)說服了當(dāng)時(shí)很多物理學(xué)家相信，光在某種情況下表現(xiàn)出粒子性， 光束類似一串粒子流，而該粒子流的能量與光頻率成正比。在引入光子概念之后，康普頓散射可以得到如下解釋：電子與光子發(fā)生非彈性碰撞， 電子獲得光子的一部分能量而反彈，失去部分能量的光子則從另一方向飛出， 整個(gè)過程中總

19、動(dòng)量守恒， 如果光子的剩余能量足夠多的話，還會(huì)發(fā)生第二次甚至第三次彈性碰撞。 （筆者注：光子從另一方向飛出的解釋，實(shí)際上是物質(zhì)波的概念）h0(1cos)其中的符號(hào)對(duì)應(yīng)如下：撞后波長(zhǎng)0 ：撞前波長(zhǎng)m ：電子質(zhì)量：光子方向轉(zhuǎn)動(dòng)角（碰撞前后的路徑夾角）h ：暜朗克常數(shù)c ；光速（ 3）化學(xué)反應(yīng)， 氫氣和氧氣燃燒，轉(zhuǎn)化為水( 物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變) ，同時(shí)釋放出熱能：2H2+O2燃燒釋放出熱能2H2O轉(zhuǎn)換為微觀物理過程： 2H2+O2=2H2O+E釋放出E ：熱能、光能氫氣和氧氣燃燒化學(xué)反應(yīng)過程變成水( 物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變) 同時(shí)釋放出熱量（能量），（ 4）化學(xué)反應(yīng)，水經(jīng)過電解吸收能量，轉(zhuǎn)換為氫氣和氧氣

20、( 物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變) ：2H2O 通電吸收電能或加熱吸收熱能2H2 + O2轉(zhuǎn)換為微觀物理過程： 2H2O+E=2H2+O2吸收了E ：熱能、光能（ 5）如：植物的光合作用表示為：葉綠體中的光合作用，水二氧化碳（光合作用）淀粉氧氣，：CO2+H2O (CH2O)+O2(反應(yīng)條件：光能和葉綠體) (物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變)轉(zhuǎn)換為微觀物理過程： CO2+H2O+E=(CH2O)+O2吸收了E ：光能12H2O + 6CO2+ 陽光 ( 與葉綠素產(chǎn)生化學(xué)作用); C6H12O6( 葡萄糖 ) + 6O2+ 6H2OH2O 2H+ 1/2O2（水的光解）葉綠體在陽光的作用下，把經(jīng)由氣孔進(jìn)入葉子內(nèi)部的二

21、氧化碳和由根部吸收的水轉(zhuǎn)變成為葡萄糖，同時(shí)釋放氧氣：（ 6）水二氧化碳（光合作用）淀粉氧氣，( 物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變)植物的光合作用包含了波動(dòng)模型和粒子模型， 前期是光波的能量傳播， 屬于宏觀的波動(dòng)模型；后期是光波能量的轉(zhuǎn)化過程，屬于微觀的粒子模型。水二氧化碳一定條件下（注：光合作用是植物的葉綠素吸收了光波的能量）轉(zhuǎn)化成為淀粉氧氣，光波的能量轉(zhuǎn)化為新的物質(zhì)，這也是屬于微觀領(lǐng)域的物理運(yùn)動(dòng)規(guī)律（注：化學(xué)是微觀的物理學(xué)）。63 3 光波能量傳遞和光波能量轉(zhuǎn)換過程是二種不同的物理現(xiàn)象光的波粒二象性被發(fā)現(xiàn)后，很多人在學(xué)習(xí)和研究過程中，極易混淆二種不同的物理現(xiàn)象。愛因斯坦在相對(duì)論的研究過程也混淆二種不同的物

22、理現(xiàn)象。 （愛因斯坦對(duì)量子力學(xué)的發(fā)展是有貢獻(xiàn)的，但他對(duì)光波的理解始終是停留在物質(zhì)波的概念上，這也是他產(chǎn)生連續(xù)錯(cuò)誤理論的根源。）光波能量傳遞過程是宏觀的物理學(xué)現(xiàn)象，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合經(jīng)典的波動(dòng)理論，準(zhǔn)確地研究光波能量傳遞的規(guī)律， 只能采用波動(dòng)模型。 宏觀的波動(dòng)理論不能解釋微觀領(lǐng)域的 “光子”和“量子化”現(xiàn)象。光波能量轉(zhuǎn)換過程是微觀的物理學(xué)現(xiàn)象，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合“光子”和“量子化”及能量不連續(xù)的理論，準(zhǔn)確地研究光波能量轉(zhuǎn)換的規(guī)律，不能采用波動(dòng)模型。微觀的“光子”和“量子化”理論不能取代宏觀領(lǐng)域的波動(dòng)理論。34 光波微觀領(lǐng)域的量子化性質(zhì)的物理意義光波微觀領(lǐng)域的量子化的性質(zhì)表明：聲波在微觀領(lǐng)也具有類似量子化

23、的性質(zhì)。光波和聲波微觀領(lǐng)域的量子化的性質(zhì)也表明：光波和聲波具有最小的能量單位和最小的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用聲波原理的觀測(cè)儀器，無法觀測(cè)到原子和分子的精確物質(zhì)結(jié)構(gòu)；只能利用光波原理的觀測(cè)儀器， 才能觀測(cè)到原子和分子的物質(zhì)結(jié)構(gòu)；同理，利用光波原理的觀測(cè)儀器無法觀測(cè)到小于“光子”的精確物質(zhì)結(jié)構(gòu)。4. 新的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證41 光波的傳遞過程是介質(zhì)波，不是物質(zhì)波筆者在波源、介質(zhì)、觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源的測(cè)定1 、重尋“以太” 2 、多普勒效應(yīng)與以太及超光速運(yùn)動(dòng) 3 及揭密狹義相對(duì)論系列的論述中 4 5 ，已經(jīng)列舉了大量的理論和實(shí)驗(yàn)論證了光波的傳遞過程是介質(zhì)波。42 新的實(shí)驗(yàn)依據(jù)下面繼續(xù)提供三個(gè)很有說服力新的論據(jù)。1

24、切連科夫輻射 （Cherenkov radiation ）是在介質(zhì)中， 運(yùn)動(dòng)的物體速度超過該介質(zhì)中光速時(shí)，會(huì)發(fā)出的一種以短波長(zhǎng)為主的電磁輻射，其特征是藍(lán)色輝光。高能的中微子通過水中，當(dāng)其運(yùn)動(dòng)速度超過水中的光速時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生切連科夫輻射。極少數(shù)的中微子產(chǎn)生的極微弱切連柯夫輻射， 也可以通過切連柯夫探測(cè)器檢測(cè)到。 切連科夫輻射探測(cè)的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)成為經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)?？墒牵?當(dāng)我們觀測(cè)一束光波由空氣進(jìn)入玻璃（或水中）時(shí)，空氣中的光速超過水中的光速，如果光波是物質(zhì)波，超過水中光速的粒子進(jìn)入水中，將會(huì)產(chǎn)生切連科夫輻射；但此時(shí)只可以觀測(cè)到光波的折射和反射的物理現(xiàn)象， 從未有人觀測(cè)到切連科夫輻射； 這種物理現(xiàn)象表

25、明光波的傳遞過程的性質(zhì)，屬于介質(zhì)波，不是物質(zhì)波。圖 1 為光波在玻璃介質(zhì)中的折射和反射，如果光波的傳遞過程是物質(zhì)波，物質(zhì)波在介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)傳遞過程，其運(yùn)動(dòng)速度將會(huì)不斷下降。同時(shí)，當(dāng)“光子”由空氣進(jìn)入玻璃（或水中）時(shí)，由于空氣中的光速大于玻璃（或水中）的光速時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生切連科夫輻射，同時(shí)由于能量的不斷輻射，出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)速度逐漸下降。而光波在進(jìn)入玻璃介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)傳遞過程，其運(yùn)動(dòng)速度始終保持不變。在二種不同的介質(zhì)中傳遞轉(zhuǎn)換過程，其運(yùn)動(dòng)速度迅速由c1 減小變?yōu)?c2 ， c1 =c3 c2 （注： c3為反射波），其（大量的光子）損失的能量既沒有轉(zhuǎn)換為切連科夫輻射，也沒有產(chǎn)生新的物質(zhì)轉(zhuǎn)換；其速度的轉(zhuǎn)換過程是

26、瞬時(shí)間發(fā)生的， 不需要任何減速過程， 這種性質(zhì)與聲波的傳遞過程完全相似，可見光波的傳遞過程的性質(zhì)，屬于“介質(zhì)波”的性質(zhì)。7入射波反射波空氣c1c3c2玻璃折射波圖 1光波在玻璃介質(zhì)中的折射和反射2高能的粒子進(jìn)入大氣層和水中， 其速度將會(huì)明顯變慢； 大氣層外大量的高能粒子， 進(jìn)入大氣層時(shí)， 由于受到空氣的阻力， 只有少數(shù)粒子能夠達(dá)到地球表面。 光波進(jìn)入大氣層時(shí)由于介質(zhì)密度增加， 其速度只有微小變慢；進(jìn)入水中速度進(jìn)一步變慢，但在水中始終保持光速不變。在地球表面的空氣中和水中的粒子運(yùn)動(dòng)的速度會(huì)逐漸下降，甚至靜止； 而光波在空氣中和水中（注：同一種介質(zhì)中）的傳播速度始終保持不變；如果“光子”的運(yùn)動(dòng)是物

27、質(zhì)波，為什么“光子”的速度始終不會(huì)下降？說明光波的傳播是介質(zhì)波。3最近筆者在網(wǎng)絡(luò)上看到，一則對(duì)光波的粒子性提出的疑問（不其知名），“為什么光從玻璃等介質(zhì)中出來后還能恢復(fù)原速度？”（筆者注釋， 質(zhì)疑者完整的原意是： “光進(jìn)入玻璃后速度降低了， 為什么從玻璃等介質(zhì)中出來后還能恢復(fù)原速度？”）。很顯然質(zhì)疑者， 對(duì)光波傳輸過程的粒子模型存在疑問。雖然質(zhì)疑者沒有進(jìn)行深入的剖析，但筆者認(rèn)為：進(jìn)行深入的剖析，這是一個(gè)非常簡(jiǎn)單和非常有趣并且很有說服力的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。如果光波是“光子”的運(yùn)動(dòng)，當(dāng)“光子”以光速c1 由空氣中進(jìn)入玻璃后，其速度下降為c2 （粒子模型雖能夠部分解釋，但不能解釋損失的能量轉(zhuǎn)移到哪里去？因?yàn)?/p>

28、沒有觀測(cè)到切連科夫輻射。），當(dāng)穿透玻璃后， 從玻璃再進(jìn)入空氣中后，其速度為c3 ，此時(shí)將出現(xiàn) c1c2 =c3 的現(xiàn)象（依據(jù)粒子模型的解釋）。c1空氣c2玻璃c3空氣圖 2 光波進(jìn)入玻璃介質(zhì)中的入射和透射8然而，實(shí)際觀測(cè)結(jié)果是c1 =c3c2 ，光波從玻璃再進(jìn)入空氣中后c3c2 ，恢復(fù)了原來在空氣中的光速c1 。如果說“光子”從空氣中進(jìn)入玻璃時(shí)，受到阻力速度變慢；而當(dāng)光從玻璃等介質(zhì)中出來后還能恢復(fù)原速度，其粒子的動(dòng)能又來自何處？其運(yùn)動(dòng)速度的轉(zhuǎn)換是瞬時(shí)間完成的，不需要任何加速過程；很顯然， 這既了違背能量能量守恒定律，又違反牛頓三大運(yùn)動(dòng)規(guī)律（粒子和物體的運(yùn)動(dòng)速度不能產(chǎn)生突變，速度的變化是受到外力

29、產(chǎn)生加速度引起的，加速過程， 速度的變化是連續(xù)的過程。）。這種物理現(xiàn)象只能用波動(dòng)理論才能解釋（聲波的傳播過程，也有類似的規(guī)律），粒子模型根本無法解釋。這種物理現(xiàn)象連中學(xué)學(xué)生（甚至小學(xué)學(xué)生） 都能識(shí)別的簡(jiǎn)單物理現(xiàn)象，竟然有很多研究者至今乃迷信于權(quán)威的結(jié)論？（分不清光波的波粒二象性的現(xiàn)象，混淆了宏觀領(lǐng)域和微觀領(lǐng)域二種不同的物理現(xiàn)象，分不清介質(zhì)波和物質(zhì)波的區(qū)別，否認(rèn)光波的傳播需要介質(zhì)的基本常識(shí)。）從光波進(jìn)入玻璃產(chǎn)生的折射，及再?gòu)牟ＡС鰜砗透吣芰Ｗ舆\(yùn)動(dòng)規(guī)律的三個(gè)簡(jiǎn)單物理現(xiàn)象，進(jìn)一步充分表明：光波的傳播過程完全屬于“介質(zhì)波”，“物質(zhì)波”的粒子模型根本無法解釋 。5. 問題和討論1光波在微觀領(lǐng)域才明顯呈現(xiàn)

30、“光子”特性，并具有“量子化”的特性。聲波在微觀領(lǐng)域也是呈現(xiàn)“聲子”特性，也具有類似“量子化”的特性。2單個(gè)“聲子”可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，其運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度也可以超聲速。單個(gè)“光子”可以處于靜止?fàn)顟B(tài)，其運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度也應(yīng)該允許超光速。3慣性系統(tǒng)間光波的傳遞過程和觀測(cè)過程屬于宏觀的物理學(xué)問題，不是微觀的物理學(xué)問題；必須采用經(jīng)典波動(dòng)理論進(jìn)行研究，狹義相對(duì)論的研究應(yīng)該依據(jù)經(jīng)典波動(dòng)理論。對(duì)狹義相對(duì)論的解釋必須符合經(jīng)典波動(dòng)理論。量子力學(xué)的理論不能取代經(jīng)典物理學(xué)的理論。4狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的研究領(lǐng)域都屬于宏觀物理學(xué)的范疇；廣義相對(duì)論是建立在狹義相對(duì)論的結(jié)論之上，愛因斯坦對(duì)狹義相對(duì)論的解釋存在“漏洞百出”

31、和“以偏概全”及“不能自圓其說”的問題，廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)的可靠性存在很多問題。5盡管愛因斯坦對(duì)狹義相對(duì)論的解釋“漏洞百出”和“以偏概全”及“不能自圓其說”，但狹義相對(duì)論的二個(gè)基本假設(shè)還是有一定的理論和實(shí)驗(yàn)的依據(jù)，愛因斯坦對(duì)狹義相對(duì)論的錯(cuò)誤解釋，還有修正的余地 5 ，狹義相對(duì)論至今沒有得到可靠的實(shí)驗(yàn)支持，也有待實(shí)驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。廣義相對(duì)論的研究對(duì)象是“宏觀”和“宇觀”的物理學(xué)，宏觀領(lǐng)域光波的傳播過程屬于波動(dòng)理論的范疇， 然而，廣義相對(duì)論卻依然采用 “微觀的粒子模型概念 “作為其理論基礎(chǔ)，“光子”經(jīng)過引力場(chǎng)時(shí)， 光線產(chǎn)生彎曲的粒子模型 （即：引力場(chǎng)中時(shí)間與空間在引力場(chǎng)中彎曲的理論和模型） ，其理論

32、基礎(chǔ)沒有依據(jù)5 （或是依據(jù)了錯(cuò)誤的理論），盡管其數(shù)學(xué)邏輯和推導(dǎo)極其嚴(yán)密，但是，如果其基礎(chǔ)出了問題，其結(jié)果將是無法修正的。圖3 是在地球上觀測(cè)太陽日食時(shí)恒星的原理圖，恒星光線的彎曲，是由于光線經(jīng)過太陽周圍不同介質(zhì)密度引起的。狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的研究要依據(jù)科學(xué)的理論，不能靠神話。9紫外線太陽地球恒星觀測(cè)到恒星的位置月亮紅外線恒星實(shí)際位置太陽燃燒層大氣層圖2在地球上觀測(cè)太陽日食時(shí)的恒星廣義相對(duì)論的結(jié)論與狹義相對(duì)論的結(jié)論相互存在矛盾。6光線在引力場(chǎng)中彎曲的現(xiàn)象，不是引力直接造成的，而是引力場(chǎng)改變了周圍介質(zhì)密度接近7產(chǎn)生的， 如星球的光線經(jīng)過太陽周圍時(shí)，光線的彎曲， 是由于經(jīng)過太陽周圍的介質(zhì)密度不同

33、造成的 5 。介質(zhì)密度的改變，是光線彎曲的主要原因；如：光線通過透鏡和三棱鏡時(shí)，光線發(fā)生了明顯的彎曲， 但這不是引力場(chǎng)引起的。光波的傳播屬于介質(zhì)波， 其傳播方向與引力場(chǎng)沒有直接的關(guān)系； 物質(zhì)波的傳播方向受到引力場(chǎng)的影響；廣義相對(duì)論把光波當(dāng)作物質(zhì)波，并作為廣義相對(duì)論的理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)出現(xiàn)重大危機(jī)。廣義相對(duì)論關(guān)于“引力場(chǎng)中光速變快的結(jié)論”，不僅與愛因斯坦對(duì)狹義相對(duì)論“光速不變8原理” 矛盾，而且也與經(jīng)典波動(dòng)理論產(chǎn)生矛盾。當(dāng)光波從太陽傳遞進(jìn)入地球大氣層時(shí)，由于外大氣層空氣密度稀薄， 地球表面空氣密度較大，經(jīng)典波動(dòng)理論和實(shí)驗(yàn)都認(rèn)為：當(dāng)光波從介質(zhì)密度稀薄進(jìn)入密度較大的介質(zhì)，光波的傳播速

34、度是變慢的 （引力場(chǎng)中的光速， 不僅不會(huì)變快，反而會(huì)變慢；但這與引力場(chǎng)沒有直接相關(guān)，而是由于引力場(chǎng)改變了周圍的介質(zhì)密度，間接造成光速變慢。 ）。有關(guān)廣義相對(duì)論得到實(shí)驗(yàn)支持，如有關(guān)： 光波從空氣介質(zhì)密度稀薄的太空進(jìn)入密度較大的地面時(shí)， 光波的傳播速度是變快的實(shí)驗(yàn)支持，其實(shí)驗(yàn)的可靠性和準(zhǔn)確性值很得懷疑。 光波的傳播屬于介質(zhì)波， 其傳播速度與引力場(chǎng)沒有直接的關(guān)系；物質(zhì)波的傳播速度受到引力場(chǎng)的影響； 廣義相對(duì)論把光波當(dāng)作物質(zhì)波，并作為廣義相對(duì)論的理論和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)再次出現(xiàn)重大危機(jī)。廣義相對(duì)論也許適用于粒子的物質(zhì)波（如：小至基本粒子，大至恒星）研究領(lǐng)域，但不適9用于介質(zhì)波研究領(lǐng)域（如：光

35、波和聲波傳播的領(lǐng)域）。廣義相對(duì)論在天文觀測(cè)中的應(yīng)用，也出現(xiàn)爭(zhēng)議問題。（另文詳細(xì)論述）10“時(shí)空彎曲”與引力場(chǎng)沒有直接關(guān)系?！皶r(shí)空彎曲”主要是由于光波在不同的介質(zhì)密度和11介質(zhì)密度突變的空間傳輸過程產(chǎn)生的。如：光波從空氣中進(jìn)入水中產(chǎn)生的折射、望遠(yuǎn)鏡中光波的聚焦、 哈哈鏡中各種畸變的人形、都是時(shí)空彎曲的典型表現(xiàn)，它們與引力場(chǎng)都沒有關(guān)系。光波進(jìn)入地球表層的大氣層時(shí)產(chǎn)生的折射、光波經(jīng)過太陽表層產(chǎn)生的折射，但它們與引力場(chǎng)都沒有直接關(guān)系； 產(chǎn)生折射的原因是：引力場(chǎng)改變了星球表層光波介質(zhì)不同密度造成的，就像光波通過玻璃球表層時(shí)會(huì)產(chǎn)生的折射現(xiàn)象。現(xiàn)代的“黑洞”理論是建立在廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)之上的，光波的傳播與引

36、力場(chǎng)無關(guān)（注：12沒有直接關(guān)系） ，；因此，現(xiàn)代的“黑洞”理論基礎(chǔ)的正確性必然存在重大問題。（有關(guān)黑洞的問題，另文詳細(xì)論述。 ）6. 后記經(jīng)過筆者 40 多年的反復(fù)搜索和論證， 在宏觀領(lǐng)域已經(jīng)找不到， 光波的傳播不需要介質(zhì)的案例（歡迎讀者提供相反的案例） ，希望“癡迷”于光波的傳播不需要介質(zhì)的人，從中能得10以借鑒。也經(jīng)過筆者40 多年的反復(fù)搜索和論證，光僅在某種情況下才表現(xiàn)出粒子性，這表明粒子性的產(chǎn)生是有條件的，即：在微觀物理學(xué)領(lǐng)域和量子力學(xué)研究的領(lǐng)域。（筆者搜索范圍，從量子力學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到化學(xué)領(lǐng)域和生物學(xué)領(lǐng)域）。在微觀領(lǐng)域能量轉(zhuǎn)換和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過程，經(jīng)典波動(dòng)理論無法解釋；但這不能作為“以偏概全”

37、的理論依據(jù)，不能作為否定宏觀領(lǐng)域光波的傳播需要介質(zhì)的理論依據(jù)。更多光波微觀領(lǐng)域的粒子性（光波微觀領(lǐng)域的粒子性的研究，屬于量子力學(xué)研究的范疇），有待進(jìn)一步揭示，有待更多的理論和實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步檢驗(yàn)，借助聲波在微觀領(lǐng)域的粒子性（“聲子”）和類似“量子化”特性的深入研究（注：量子力學(xué)的產(chǎn)生過程，不僅發(fā)現(xiàn)了光在微觀領(lǐng)域的“光子”和“量子化”特性；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了聲在微觀領(lǐng)域的“聲子”和“量子化”特性），將可以進(jìn)一步揭示“光子”神秘面紗。光波的波粒二象性和“以太”的基礎(chǔ)理論研究，也將成為檢驗(yàn)“黑洞”理論是否正確的關(guān)鍵性基礎(chǔ)理論。 （有關(guān)黑洞的問題，另文詳細(xì)論述。）對(duì)光的波粒二象性的研究具有重大的意義，它可以豐富和

38、完善經(jīng)典波動(dòng)理論，也可以解決百年相對(duì)論領(lǐng)域的爭(zhēng)論，還可以解決經(jīng)典物理學(xué)和量子力學(xué)的矛盾，并促進(jìn)量子力學(xué)的發(fā)展和完善（現(xiàn)有量子力學(xué)的理論仍存在不完善的地方）。本文對(duì)光的波粒波粒二象性提出了較全面、系統(tǒng)的論述，提出了不少新觀點(diǎn)、新概念，不正和錯(cuò)誤之處歡迎批評(píng)指正。稿件增修升級(jí)歷史光波的波粒二象性EB/OL. 中國(guó)預(yù)印本服務(wù)系統(tǒng)（國(guó)家科技圖書文獻(xiàn)中心）.【發(fā)布時(shí)間】: 2014-02-16. 原始稿參考文獻(xiàn)1 彭家驅(qū) . 波源、介質(zhì)、觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源的測(cè)定 EB/OL. 中國(guó)預(yù)印本服務(wù)系統(tǒng)（國(guó)家科技圖書文獻(xiàn)中心）2011-03-10 ( 最新增修稿升級(jí)版本 ) 2009-10-03( 增修稿升

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