从光波粒二象性的统一看物理学的革命

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从光波粒二象性的统一看物理学的革命

作者:赵伟民

对任何一个物理学家来说，光的波动性和粒子性绝对是一对不可调和的矛盾：如果光是波动的，那么宇宙空间必然存在着一种连续的媒介，此时光的粒子性就无法解释；如果光是粒子，那么空间中绝对不可能存在连续的媒介，否则阻力将使光无法以光速运动。但是光的波动性和粒子性却是在同一种物质现象中表现出来的不同性质，很自然地，肯定存在一种物质的作用既表现出粒子性又表现出波动性，到底是什么原因使光的传递表现出如此对立的两种性质呢？ 　　“以史为鉴，可以知兴替。”的确，在重新认识光的本质之前，我们首先要回忆一下和光本质密切相关的一个问题，这就是自然本质上是连续的还是间断的，这一问题的争论可以说贯穿了整个自然科学的发展史。在古代，自然科学是包含在哲学这个庞大的思想体系之中的。当时在西方，关于自然本质的连续和间断就存在两种对立的学说，这就是“以太说”和“原子说”。“以太说”认为，“以太”实质上是连续的，它充满着整个宇宙空间，所有的物质都是由“以太”组成的，这里不仅包括我们能够观察的实体，而且还包括不可观察的物质离散化的空间。“以太说”虽然建立在物质的统一性之上，但它尚不能很好地解决物质世界的多样性，因此当时还出现了与之对立的“原子说”。“原子说”认为，物质世界是由两部分构成的，一部分是虚空，另一部分就是由少数几种不可分割的基本微粒组合起来的实体，显然，“原子说”不相信物质在空间上的连续性。与西方不同，古老的中国当时只是一个涵盖一切的学说，这就是“气一元论”，为什么会出现这种差异呢？原因是简单的，中国的“气一元论”虽建立在物质的统一性之上，但它却能很好地解释物质世界的多样性，所以根本没有出现两个学说的必要。 　　古中国人是如何将统一和多样有机地结合起来的呢？原来，中国“气”的观念与古希腊的“以太”是有所不同的，这集中就表现在中国的“气”本身就充满着活力，或者说空间中充满的“气”并不是静止不动的，而是在不断地紧张运动中存在的，我们能够观察到的实体就是这种生命之流的一种组织。统一的物质--“气”是不灭的，它有两种存在形式，一种是有组织的物质漩涡，由于它相对稳定存在，因此是可观察的；另一种是离散化的物质之流，由于自然界的一切实体都是由它组成的，因此我们根本无法观察。自然界的能量也是不灭的，当“气”从有序的状态向无序转化的时候，就会释放它内聚的能量，而这释放的能量又会激起周围混沌之“气”的重新组织，以此类推，自然界的能量就通过连续之“气”周期性地组织与离散流通于宇宙空间。 在古希腊的“以太说”中，所有物质都是由“以太”组成的，它们只有量上的区别，却没有质上的区别。这种解释虽然和古中国的认识一样，但它却没能很好地说明物体外在性质上的不同是如何形成的，以致人们难以理解这自然深层的统一性。古中国人认为，物质的本性都是相同的，这就是反抗、扩张，扩大自己的势力范围，正是这个原因，局部物质才能够在反抗周围物质的挤压中组织起来形成有秩序的结构，有序结构并不是稳定不变的，而是在不断反抗周围物质的不对称运动中存在的，它的性质就体现在这种环境的不断变化之中，因为最初的生成环境决定了它有序结构的性质，这种性质将伴随着这个有序结构的一生，只有当它的性质适应不了变化的环境而走向离散或重新组织的时候，它与周围物质性质上的差异才消失了。自然界本质上的不对称是永恒的，这源于系统发展过程上的不对称，即物质从产生、发展、壮大到衰退、灭亡的过程并不是匀速的，因此，尽管系统都是不断地从不平衡走向平衡，但自然界的能量总是不对称地在空间流动着，而这决定了由此产生的物体性质上的不同。 “气一元论”在中国的文化史上统治了几千年，人们也把连续在宇宙空间中的“气”看成是客观存在的事实，没有多少人怀疑这个理论。而古希腊的“以太说”就没有那么幸运了，到十七世纪，由于原子这些基本颗粒的发现，“原子论”已经不再被看成是假说，而是被认为是科学的理论，这样一来，“以太说”就没有存在的必要了。不过，当时还是有一些科学家把“以太说”引进了物理学，不过，它并没有受到什么重视，直到光学上问题的出现，人们才逐渐认识到它的价值。 　　在近代物理学史上，对以太学说的争论是与光、电、磁本质的认识紧密联系在一起的。光学是最早发展起来的一门学科，在十七世纪上半叶之前，人们对光学的研究仅限于其几何性质，十七世纪下半叶，牛顿和惠更斯几乎同时提出了光的两种对立的学说－－微粒说和波动说。牛顿是坚持微粒说的科学家，他基于光的直进、反射和折射等现象，从刚体力学角度出发，把光现象与力学中的理想刚球运动相类比，认为光是按惯性定律沿直线飞行的微粒流，是由发光物体接连不断地向周围空间发射的。与牛顿同时代的惠更斯却从振动力学的角度出发，把光现象与水波、声波相类比，形成了光本性的波动说。他认为光是由发光物体的振动引起的一种机械波，依靠具有弹性的媒质以太来传播，遵从着振动力学的规律。 　　很明显，如果以太是客观存在的，微粒说肯定是错误的，因为连续的阻力将会使微粒速度不断降低。反之，如果以太不存在，波动说就失去了它存在的基础。因此，对以太的争论一直牵涉到对光的本质认识。牛顿是理所当然地反对波动说的，他认为：对于天空为流体媒质(除非它们非常稀薄)所填满的对种主张，一个最大的反对理由在于行星和慧星在天空中各种轨道上的运动是那么地有规则和持久。显然天空中没有一切可观察到的阻力，所以就没有可观察到的物质，由于它存在是没有用途的，而且妨碍自然界的动作并使它衰退，所以它的存在是没有根据的，从而应该抛弃。而如果把以太观抛弃了，那么光是在这样一种媒质中传播的挤压或运动的这种假说，也就和它一起被抛弃了。 　　由于牛顿的威望，在牛顿以后的整个18世纪里，可以说牛顿的微粒说占据着绝对的统治地位。另外的原因莫过于惠更斯波动说的局限，如它当时还不能解释光的直进现象和偏振现象。当历史进入19世纪，微粒说与波动说的争论又以新的面貌开始了。首先是英国的物理学家托马斯·扬修改了惠更斯的波动理论，并根据自己所发现的双缝干涉现象为波动说竖起了一面旗帜，他指出了光的微粒说的严重缺陷：首先它不能解释由强光源和弱光源所发出的光为什么会有同样的速度，其次，当光从一种介质反射到另一种介质的界面时，为什么会有一部分光被反射，而另一部分光被折射，以及他自己发现的双缝干涉现象。由此他向牛顿的微粒说发起了公开的挑战。 　　托马斯·扬对波动学说的贡献是很大的，他第一次引入了光波波长和干涉的概念，并提出了干涉原理和相干条件，还用著名的双缝干涉实验出色地确证了他的理论。在这个基础上，他又解释了物理学中长期存在的两个难题--薄膜色彩和牛顿环等干涉现象，而这是用微粒说完全不能解释的现象，从而又引起了对以太的争论。遗憾的是，当时的波动说仍不能解释光的偏振现象，因为依据力学原理，以太只可能传播纵波而不可能传递横波，这一事实又引起波动说的危机。只有当托马斯·扬提出了光是横波的假想以后，法国科学家菲涅耳立即理解了这个假说的全部意义，虽然这个观念和当时的传统观念有点格格不入。为了使以太能够传递横波，他尝试着为光的横波理论设想了一个有很高弹性模量的“以太”动力学模型，并从横波理论中得到了其它许多推论。按照这个模型，他成功地解释了当时已知的几乎一切重要的光学现象，从而严重地动摇了微粒说的基础。 　　在这场波动说和微粒说的争论过程中，真正给波动说做出可靠证明的是对由波动说得出的推论的实践检验。因为根据菲涅尔的波动公式可以计算出，具有一定波长的点状光源所发出的光，可以绕过一个小圆盘而聚集在圆盘后面的暗影的中央，出现一个亮点，实验的结果是惊人的，而且与理论的推导定量地符合。由此，光的波动说又战胜了微粒说，使光学又进入了一个新的时期--弹性以太光学时期。之后，麦克斯韦又提出了光的电磁说，而且这个学说很快就以大量无可辩驳的事实赢得了普遍公认，光的传播媒介也以“电磁以太”代替了“机械以太”。光的电磁学确定以后，大有彻底排除微粒说之势，光的波动说也几乎取得了完全的胜利，当时的几乎所有物理学家都相信了以太的真实存在。但是，人们对以太的认识和传统的“以太说”并不相同，在古希腊文化中，自然界的可观察的物质和看起来虚无的空间都是由以太组成的，只不过可观察的物质“以太”密度大，虚无的空间“以太”密度小而已。而在当时的科学中，以太纯粹就是宇宙空间的填充物，它静止不动，但能够传递电磁力，和可观察的物质似乎有质的区别，而且没有任何联系。这样一来，就产生了“以太风”及其影响光传播速度的问题，麦克斯韦经过分析计算，与1879年得出一个结论，如果地球相对于静止的以太运动着，那么沿地球运动方向发出一个光信号，到一定距离又反射回来，它在整个路程上往返的时间，要稍微大于同样的信号沿垂直于地球运动方向到相等距离所需要的时间。 　　为了检验以太存在的假说，美国实验物理学家迈克尔逊依据麦克斯韦的设想，在莫雷的协助下，以异常高的精确度反复进行实验，结果证明，不论地球运动方向同光的传播速度方向一致或垂直，测定的光速都相同，在地球和假想的以太之间没有相对运动，这个零结果使物理学家们垂头丧气，从而也从根本上动摇了光波载体的“以太”假说，以静止以太为背景的绝对时空观遇到了根本的困难。之后，光电效应实验和黑体辅射实验的相继出现也从一定程度上证明了光的波动说的局限，于是光的微粒说又重新出现了。 　　在这场物理学革命中，普朗克首先用光的量子论解释了黑体辅射实验，之后爱因斯坦用量子理论成功地解释了光电效应，接着玻尔用光的量子论解释了氢原子光谱。一系列量子理论的杰出表现，使量子理论又重振雄风。虽然老一辈的物理学家都反对量子论，但无可辩驳的实验又不断证实了这个学说的科学性。在这个学说的基础上，现代物理学出现了，它以相对论和量子理论为代表，否定了以太的存在，光的量子论又开始占据了统治地位，而光的波动说却由于没有了传递的介质被人淡忘了。 　　实际上，光的量子论并不是万能的，它只是从光电效应、热压、热辅射等现象中确立的一种假说，从一方面反映了光的间断性，但它并不能解释光的波动现象，如光的干涉、衍射、偏振等现象。反过来，光的波动说也不能解释光的量子性，它们各有优缺点，也都有它们存在的合理性，因此都有待于进一步发展。不过对于大多数物理学家来说，由于相对论和量子力学的成功，他们已经把以太看作是已证伪的事实，从而频频地用粒子说解释着诸多的自然现象，特别是在二十世纪中叶，量子论已深入到大部分的科研领域，科学家们也理所当然地把它当作“真理”教给下一代，没有多少人真正怀疑过它的真实性，他们如果不是不加思索地、就是完全信赖着量子力学。然而这个富丽堂皇的理论大厦却建立在一种深刻的与不稳定的佯谬之上，这个佯谬使少数物理学家断言，这个理论最终是毫无意义的。 　　爱因斯坦是量子力学的创始人之一，但他是极不满意量子力学以后的发展的。在他看来，自然是统一的，而从连续性角度认识自然是统一基础，量子力学忽视了自然的连续性，片面强调了量子的间断性，因此，量子力学的推论是不完备的。为了反对量子力学的常规观点，爱因斯坦拿出了许多极有天赋的证据去证伪量子力学，但他的工作是徒劳的，因为量子力学的基础正是他自己的相对论。在晚年，爱因斯坦深刻地认识到了这一点，他在自己写给朋友的一封信中说：“我认为这样事情完全是可能的，物理学不是建立在场的概念之上，就是说不是建立在连续结构之上，这样一来，包括引力理论在内的我的整个空中楼阁以及现代物理学的剩余部分就没有什么会保留下来。” 　　爱因斯坦是极为注意自然的连续性的，他在解释光电效应的论文中，一开始就说，在物理学家关于气体或其它有重物体所形成的物理概念同麦克斯韦空虚空间中的电磁过程的理论之间，存在着深刻的形式上的分歧，他正是为了消除分立的质点与连续场之间形式上的分歧，在提出了光的量子论的同时，就赋于光有波粒二象性，即辅射场不仅显示波动性，而且还显示出粒子性。特别是在德布罗意的物质波概念提出以后，爱因斯坦一眼就看出了它的重要性。并大加赞赏，因为德布罗意在人们长期忽视波动性的时期注意到了自然的连续性。后来的研究证实了，波粒二象性确实是微观世界的普遍性质，之后，光本性的波粒二象性就这样被机械地定义下来。 　　物理学目前的局面可以这样概括如下：有一些可以用量子论来解释，但不能用波动说来解释，光电效应就是这样的一个例子；又有一些现象只能用波动说来解释，而不能用量子论来解释，典型的例子是光遇到障碍物会弯曲的现象；还有一些现象既可以用量子论来解释，又可以用波动说来解释，例如光的直线传播。那么，光到底是一些什么东西呢？是波呢，还是光子“雨”呢？ 　　以前，能够把光本性的“波动”和“粒子”两个完全不同的概念统一起来，被称为“唯物主义”的伟大胜利，但这种机械的统一并没有解决光的波动性和量子性之间“不可调和”的矛盾。应该说，波动性和粒子性描述了同一物质现象，那必然是一种东西既表现出波动性又表现出粒子性，但如果我们认为光是一束粒子流，显然它不可能解释光的波动性，如果认为光是一种连续媒介的波动，这更是物理学家们连想都不敢想的事，因为巨人们已经否定了这种想法。在这两难处境中，我们又如何去理解这同一物质运动所表现出的两种不同现象呢？ 应该说，为了揭示光的这种奇特现象的本质，许多物理学家是做了大量的深入研究的。他们都发现，用光的粒子性来解释光的波动性几乎是不可能的，如果把光的量子性放在一个连续的物质空间去认识，显然就容易些，但这就必须大动干格，因为这将动摇整个现代物理学的基础，重新解释光速不变、光电效应、量子力学等等，况且没有几个人能够想像以太在宇宙中的生命与运动。不过，对于一个真正有哲学头脑的物理学家而言，他是敢于冲出旧的传统观念，对现代物理学进行大胆变革的。但问题是，如果恢复了以太观，我们怎么能用连续的物质空间去解释光的粒子性以及光速不变呢? 　　自然界是连续的，这不仅是几千年来哲学思辨的结果，而且是现代科学不断证实的事实。试想，如果没有连续的物质充溢在无限的宇宙空间，引力和电磁力是如何传递的呢？但这种物质是什么呢？它和我们可观察的实体有什么关系呢？要理解这一点，我们必须重新回到两千多年前，按照东方哲学的思想，连续在空间中的物质和我们可观察的物质在本质上是一样的，只不过空间中的物质是离散化的物质，它是不可观察的，而我们可观察的物质都是这些离散化的物质有组织的结果。在西方科学中，物质的基础颗粒都是死寂不变的，而在东方哲学中，物质是无限可分的，而且无限分到最后都是一种东西，这种东西是在紧张的运动中存在的，正是有了这种本性，局部的物质才会在同一个目标――对外在世界变化的反抗中组织起来，成为一个相对稳定的有序实体。实体并不是永恒不变的，而是有生有灭。随着外在世界的变化，实体本身也在不断变化之中，当外在变化超过了这个实体有限的反抗范围，这个实体就会发生突变，要么变化为另一种性质的实体，要么重新回到它原始的混沌状态。统一的物质是不灭的，这也从某种程度上说明了在变化中存在的混沌物质本身是不可观察的，实体表象上的消失不过是物质从它有组织的状态过渡到它混沌无序的状态而已，而实体的“无中生有”不过是物质从混沌状态向它有组织的状态过渡而已。同样，在物质形态的变化过程中，能量也是不灭的，它不仅能够随着物质的有序而在实体内部蓄积起来，而且能够随着实体的离散而向外爆发出来。显然，自然界的物质都是在不断地组织与离散中存在的，能量也随着物质的周期组织与离散流通于宇宙空间。 　　我们一旦明白了物质世界的本质，就可以将它存在的原理应用到光的波粒二象性的解释之上，从而对这种奇特的现象做出一个更为科学的解释：光不过是依赖连续的统一物质周期组织与离散来进行传递的一种能量，周期的组织与离散使它表现出了波动性，而物质暂态的有组织形式使它表现出了粒子性。具体地说就是，自然本质上是连续的，统一的物质就永恒地运动于无限的宇宙空间，而就在这不对称运动之中，实体（有序结构）就可以在反抗这些不对称运动之中产生，实体不是永恒的，它是在反抗外在世界变化中存在的，如果外在世界的变化超过了它反抗的范围，那么这个实体就会从有序向无序转化，并释放它内聚的能量，而这些释放的能量又会使周围连续的混沌物质重新组织起来，以此类推，能量就在统一物质的周期组织和离散之中流转开来。显然，场就是对这种由连续物质周期组织和离散形成的。它是一种能量密度较小的物质紧张状态。而实体则不然，它是能量的一种有序聚集，因此，它储备着更大的能量。 　　实体和场是统一的，实体都是在反抗外在世界变化中存在的，它都有一个产生、发展、壮大、衰退、灭亡的过程，众多连续的这样能量传递的过程就是场。而在场的运动之中，它并不是完全无序的，而是一种连续物质周期组织和离散的结果，因此，从局部来看，它又是一个实体。同样在光的传递过程中，粒子性显然是由于连续物质在周期组织和离散中表现出来的，如果放大时间尺度，那么这一个周期中物质从无序到有序，然后再由有序到无序，就是一个粒子产生、发展、壮大、衰退、灭亡的过程。尽管这个过程有些短暂，但我们仍可将它称之为一个粒子。但如果从整体来看，光的传递过程并不是粒子在虚空中线性的移动，线性移动的只是一个能量包，或者说在一定条件下出现的能量周期移动，即粒子从有序向无序转化释放能量，而这个能量又在周围重新组织成粒子，以此往复，能量就借助于连续物质的周期组织和离散向外移动，显然，这种周期移动就是光表现出波动性的本质。 　　自然界是连续的，也是统一的，信息是物质和能量运动的一种描述方式，因此，信息的区别只可能在量上，不可能存在一个绝对不变的信息。在量子力学的发展过程中，德布罗意的物质波概念就显明地表现了物质世界的统一性，即不管作用于某个物体的物质是什么，只要单位时间内的作用量相等，物质的反应都是一样的。如果我们忽视了这种统一性，把实物粒子的作用和连续物质的周期组织与离散混为一潭，就会引起许多佯谬，如量子力学就是把统一物质的短暂的有序状态当作一个稳定的粒子而造成理论不实在的产物。 　　科学的发展总是在曲折中前进的，对物质基本结构的探索也毫不例外。几千年前，先哲们就认为世界是基于一种东西的不同组合，在几千年后，人们对物质世界的认识又将重新回到这一点，是偶然的还是必然的呢?我想，相信自然界统一性的科学家都会有同一个答案。因为自然界的一切都是由一个最基本的规律决定的，它不以任何人的意志为转移，科学也应该建立在这样的一个基础之上。我们有理由相信，物理学如果追求自然的统一性为目标，将会取得物理学上又一次伟大的革命，自然的朴素性告诉我们这一点。

动感人生

1、光不是连续的物质波，无需媒介…。

2、光不是粒子，是感应传播的“能量子”，媒介对其传播速度影响极小，只存在能量衷减…。

动感人生

“以太”是无耐者的想象，就象牛顿“上帝”最初的一击一样……。不知者不怪嘛！

zhaowmtz

自然界是统一的，这种统一就体现在物质的统一，物质的统一不是空洞的，而是实在的，这表现在我们可观察的一切物质都是由一种叫不出名字的东西组成的，这种东西在古中国叫“气”，而在古希腊叫“以太”。之所以这种连续的东西被否定，是由于西方以太观的局限，因为以太在这里是死寂不变的，而古中国的“气”却是有生命力，如果当时爱因斯坦对中国的“气”的观点有所认识，那么以太观就不会被否定了！