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摘要：光的粒子和波的争论是一个从牛顿时代就遗留到如今的困惑,至今没有人能解释为什么光以及其他物质粒子为什么会具有波粒二象性，更没有谁能用其中的一种性质成功统一另一种性质，毫不疑问，波粒二象性需要被解释.通过对介质水波与光波衍射图像实验数据的对比定量分析，研究证明，光是一种粒子，光粒子束在传播过程中与游离的光粒子发生相互作用而引发衍射，形成粒子衍射波，从而就解释光粒子为什么会具有干涉、衍射现象等'波的性质’；同时，其他物质粒子（比如电子）具有的'波性质’皆是由粒子衍射造成，这就找到了波粒二象性背后的作用机制.这一新研究成果对物理学的新进程具有非常乐观的意义. 引言： 在科学历史上，从来没有哪个问题像波粒二象性的争论那么持久，先后有：“笛卡尔'以太’说，牛顿光学的粒子说，惠更斯、托马斯·杨、菲涅尔波动说，再到普朗克黑体辐射和爱因斯坦光电效应的量子说”.但是，最终的结果仍然没有真正揭示光究竟是波还是粒子，只能勉强的称为波粒二象性，问题是，我们无从得知为什么光会具有波粒二象性，且这背后隐藏了什么？ 基于'二象性’的研究，导致了上世纪'量子力学’的诞生，但是二象性的困惑并没有因为量子力学的诞生而得到彻底的解决，量子力学的诞生反而让波粒二象性的面纱引向数学的概率而越发神秘，随后衍生出来的量子场论更是让当下的物理学越来越脱离物理本真，物理学的宗旨本因是将复杂的问题简单化，而眼下的物理学却恰恰相反，物理学遇到了新的瓶颈，物理学需要返璞归真，这意味着正孕育着一场新的变革，量子力学在一定的历史背景时期作为一种可能性解释存在有一定的科学意义，但是眼下物理学的发展迫切的需要更为完备的理论，这也是中国学术突破西方科学引领世界潮流的历史机遇. 基于返璞归真的历史需求，由于我们不清楚'二象性’本质背后隐藏了什么，所以导致我们谁也不能用其中的一种性质去统一另一种性质，不过接下来我们将试图用粒子的性质去统一波的性质，通过对波粒二象性的统一，可以很好的去解决'量子力学’不确定原理的本质，这对解决当下的物理学困惑具有非常乐观的意义. 公理：任何不同种类的能量，都是运动的一种，运动不能脱离物体而存在，而物体都具有质量. 质疑：当下物理学把光子定义为没有质量的纯能量子，显然是不正确的，因为即使是波，介质也是由粒子构成的. 研究着手点：对于光的本质，可直接排除是一种波，因为波的介质也是由粒子构成，故而，只需要考虑光是一种粒子，在什么条件下，能导致光粒子发生衍射，进而产生波的性质，这样就可以解释光为什么会具有波粒二象性. 1．1下图为水波的衍射实验衍射图纹分布图像。【7】 根据图1水波衍射实验图像分析可得：把衍射环的宽度用R表示，随着衍射面由（a）--（c）的宽窄变化，衍射环宽度R1-R2=0，R1-R3=0，R1-R4=0…….. .始终保持不变，即R1=R2=R3，这说明'介质水波的衍射环宽度是均匀的’. 1.2：下图为光波的衍射实验衍射图纹分布图像. 由图2光波的衍射实验图纹分析可知，光波衍射图纹的明亮衍射环宽度是分布不均匀的（表现为R1≠R2≠R3），且总是由中间向四周递减，即：R1>R2>R3.这种光的能量集中分布的实验现象说明光的能量在衍射过程中不能像水波一样被完全衍射开来（表现为光波无充分的衍射介质条件），从而就反应出了引发光衍射的是一种低密度的介质（注：因为任何波衍射的介质都是由粒子构成的，故：由低密度介质粒子引发的衍射可定义为低密度介质粒子衍射）. 从上式可以看出，公式（1）表达的是衍射环宽窄变化量与介质粒子饱和度e呈反比例关系，游离介质粒子密度越大，能量衍射越充分，衍射环宽窄变化越小，反之，游离介质粒子密度越小，能量衍射越不充分，衍射环宽窄变化越大；其中，介质粒子饱和度e的取值范围0～1,1为饱和度值，因除数不能为0，当e值为0时，表示的是空间无介质粒子（此方程坍塌），同时物质粒子不再有波的性质，变现为普通粒子，满足粒子的动力学原理，物质粒子的运动原理变为牛顿经典力学的运动原理；当e值为1的饱和值时，R1-R2=0，衍射环没有宽窄变化，粒子衍射波变为介质纯波(如图1水波衍射).由此可以看出，粒子衍射波是牛顿经典运动力学与介质波之间的桥梁. 1.3：下图为电子衍射图像.
根据图3可知，电子的衍射图像能量也是分布不均匀的（其中R1大约为0.8厘米，R2大约为0.4厘米，R1-R2=0.8-0.4=0.4≠R1），属于一种低密度介质衍射，且通过与图2衍射环的宽窄变化相比，可以确定，引发电子衍射的介质条件密度远低于光子衍射条件(注：这与空间中不能像光衍射一样到处游离着那么多失去动量的死光子的常识一致，从而可以解释量子力学中除光以外的其它物质粒子之所以具有波粒二象性，是因为游离的介质粒子引发衍射的缘故，从而可以揭开波粒二象性的本质). 小结：考虑到任何波的衍射介质都是由粒子构成，这里就可以把衍射充分的衍射波比如声波、水波定义为'介质衍射波’；衍射不充分的波比如光波、电子波以及其他物质粒子波定义为'粒子衍射波’，且衍射原理完全相同，唯一的区别是介质粒子'密度’不同或粒子衍射波有介质位移，而介质波无介质位移（注：这里的密度不同表示的是介质波密度为均匀连续的介质，粒子波密度为不连续的游离介质）. 2：介质衍射与粒子衍射的衍射原理 下图4为介质衍射的惠更斯衍射原理图
图4 介质衍射的惠更斯衍射原理 上图为介质水波衍射物理原理模型，实验中存在均匀的衍射介质水分子，且衍射图纹的圆环的宽窄是不变的. 满足关系： 下图5为粒子衍射原理，衍射原理与上图4的介质衍射原理相同，只是衍射图像明亮衍射圆环的宽度呈现由中间向四周递减变化.
根据粒子衍射波衍射物理模型，引发衍射的介质条件是空间游离低密度的游离粒子，其衍射原理和介质衍射原理相同，由于引发衍射的介质比较稀薄，从而不能将能量完全衍射开来，呈现能量的集中分布，满足波衍射原理如下： 由于粒子的性质，还满足普朗克量子效应原理，关系如下： 为了更直观的反应出光波的量子（粒子）性质，可将（4）转化为： 考虑到其它物质粒子也具有波的性质，可运用德布罗意物质波公式来表述为： 通过对以上两种衍射的分析可知，介质衍射的衍射条件是存在均匀连续的介质，而粒子衍射的条件是低密度不连续的游离介质粒子. 由于粒子衍射波既具有波的性质，又具有粒子的性质，对于粒子衍射波在这里就可以建立波粒二象性方程组来表示： 如上式（7）所示：波原理表示粒子衍射波满足波衍射原理；波量子表示粒子衍射波具有粒子的性质；而物质波表示其他物质也具有波的性质；将几种原理方程组合起来就可以得到一个粒子衍射波方程组，从而解释波粒二象性的本质.（注：本方程组三个方程均为当下熟知的物理学现有方程，并无创新之处，其价值在于将三个方程组合为一个方程，解释方程组背后的物理意义） 2.3：同时，根据波粒二象性是一种粒子衍射波的本质，我们还可以建立粒子衍射波的波函数： 考虑到单粒子衍射是一种运动过程中引发游离的其他粒子运动衍射造成的一种粒子衍射波效应，我们就需要对波恩假定进行从新定义：粒子衍射波在空间某处出现的强度，正比于该处出现的粒子数目，粒子衍射波强度表示的不是单个粒子在该处出现的概率，根据粒子衍射波原理，粒子衍射波强度表示的就是单个或多个粒子运动引发空间游离粒子衍射后在该处出现的粒子数目.这样，波函数
这样，粒子衍射波的波函数仍然可以沿用自由粒子波函数（不过这里单个或多粒子的粒子束都适用），如下： 从上式（8）粒子衍射波方程组可以看出，介质波也是粒子衍射波的一种，其性质取决于介质粒子密度. 小结：由上面可知，介质衍射与粒子衍射其衍射原理相同，但介质衍射只具有波的性质，而粒子衍射具有波粒二象性.从而也就是说：光和其他物质粒子的波性质是由于粒子运动过程中受外界因素影响引发衍射的缘故，这样我们就可以揭开波粒二象性的本质.从中可以看出，在单粒子的双缝干涉实验中，单个粒子是在通过双缝前引发空间游离两个或两个以上粒子同时运动，由两个粒子来同时穿过两道夹缝进而产生干涉，这就可以消除不确定原理.（注：在经典力学下，一个粒子将动量传递给两个粒子，其动量必然减半，但是考虑到粒子衍射与波衍射原理完全相同，其速度不属于单粒子速度，而属于粒子的群速度，故而速度不会减半） 3：实验证明及其验证方案 3.1：粒子衍射的衍射条件实验证明 如果说光所具有的'波性质’是由粒子衍射造成的，那么就必须具备衍射的条件：'真空不空’，且存在着大量游离粒子.根据2011年6月3日瑞典查尔姆斯理工大学在《自然》杂志公布的一项实验结果表明，实验成功的从真空中捕获到了不断出现和消失的光子，成功将虚拟光子转变成真实光子，制成了可测量的光，首次观测到40多年前就曾被预言的动力学卡西米尔效应，即平行金属板在辐射场真空态中存在吸引力的现象.从而证明真空并非所谓的虚空，而我们知道，这里所谓的虚光子实际上就是引起光束衍射的条件：失去动量的游离死光子（理论上的可行性：因为自宇宙诞生的一天，恒星就向宇宙空间辐射着光粒子，而这些粒子必然因为相互摩擦碰撞而失去动量而游离于宇宙空间，这些游离的失去动量的光粒子必然会对现在辐射出的光束粒子产生相互作用，这种相互作用的存在必然导致光粒子束发生衍射，进而产生波的性质）.
【5】下图为卡西米尔效应原理图: 3.2：粒子衍射波的模拟思想实验验证方案 为方便进一步实验验证，我们可以做一个模拟思想实验： 对照实验一：选取一个密闭的容器，容器的一侧装有发射空气分子束的仪器；当仪器对这个密闭容器内的空气分子发射一束分子束时，因为密闭空气容器内的空气分子是连续的，可探测到：这束空气分子束的发射，导致能量以声波的形式传递开来，这属于介质纯波衍射. 对照实验二：如果将容器内的空气分子抽走三分之二，导致其空气分子密度非常的稀薄而出现较大的间距，此时再次发射一束空气分子，可以探测得出，因为介质粒子存在间距，这束空气分子的能量不再以声波的形式传播，而是以存在一定位移的粒子衍射的方式传播，形成粒子衍射波，波和粒子两种性质共存，这就是光和其他物质粒子波粒二象性背后的本质. 3.3：实际试验验证方案： 考虑到粒子衍射波效应与游离介质粒子的密度有关；对于光衍射，我们可以选取两种不同游离介质粒子密度的环境来做光的衍射对照试验： 实验方案一：通常，根据常识，外太空（或地下深洞）的空间游离光粒子密度应该小于地面，我们可以选择在两种游离介质粒子密度存在较大差异的地方做光的衍射对照试验，根据粒子衍射波效应，游离光粒子密度大的地方，衍射效应（图像）会更加明显，反之，衍射效应会更加不明显. 实验方案二：通常电子的衍射现象是通过某些晶体时才能观察到，假如是这些晶体的结构提供了电子所需的衍射介质条件，那么，通常情况下发射一束电子束，由于游离的电子粒子不足，必然无法观察到明显的衍射现象，如果我们人为的做一个仪器，同样的在一个密闭的容器里发射一束电子粒子；对照方案一：在正常容器内发射一束电子粒子，观察其有无衍射现象产生；对照方案二：在容器内注入大量的游离电子粒子，通过发射电子束，观察衍射实验现象. 实验结论猜想：没有注入电子粒子的实验条件下，无明显衍射现象的产生，而注入电子粒子的实验发生了衍射现象.这就可以解释物质粒子为什么会具有波的衍射性质. 小结： 通过以上推导及其实验证明，可证明光的本质是一种粒子衍射波，波粒二象性由粒子衍射造成. 推导一：考虑到光的本质是一种粒子衍射波效应，这意味着光粒子随时都在进行着二次发射，而二次发射意味着必然导致光速与光源或观察者的运动无关，这意味着'粒子衍射波效应’会导致'光束不变原理’的发生，从而就可以从另一个角度革新狭义相对论中对'光速不变原理’的解释.（注：'光速不变原理’是实验事实，在相对论中被视为'光速绝对’，而此时证明'粒子衍射波效应’的存在同样会导致'光速不变原理’的发生，这对'光速不变原理’可提供另一种新的解释方案） 推导二：考虑到光的本质是一种粒子衍射波，粒子衍射波属于二次发射，而粒子的二次发射会损耗能量，而能量的损耗会导致光谱频率降低、出现红移，这可以从另一个角度解释宇宙红移的本质，这意味着宇宙不一定在膨胀. 4：总结与展望 因为任何不同波的介质都是由粒子构成，所以，只要假设光是一种粒子，自宇宙诞生的一天恒星就向茫茫宇宙空间辐射着光粒子，那么100多亿年以后的今天，宇宙空间必然游离着众多的光粒子，刚辐射出的光束粒子穿过空间粒子海洋时必然存在相互作用（不受影响反而与实际不符）而引发光束粒子衍射，从而形成粒子衍射波，这就可以解释光为什么会具有波粒二象性.光本质的确定一方面可以结束几千年来对光本质是波还是粒子存在的争议；另一方面还可以解释其他物质粒子的波效应，从而消除量子力学不确定性原理的困惑. 不过，虽然理论上光是一种粒子是成立的，且空间存在游离低密度光粒子群也得到卡西米尔效应证实，但是本文尚不能给出游离光粒子密度在空间的密度值、光子大小半径值和质量的大小值，这需要今后的实验来精确验证.同时本文的最后得出了两个与当下物理学主流观点很不一致的大胆推论，希望持不同学术立场的朋友看后多多包涵. 致谢:感谢美国田纳西大学物理系王令隽教授、山西大学量子光学国家重点实验室彭堃墀院士委托苏晓龙教授的指导；同时感谢复旦大学物理系张操教授、浙江大学光电系沈建其教授、上海交通大学物理系雷啸霖院士、美国斯坦福大学研究员兼俄罗斯科学院华棣院士的探讨. 参考文献： 【1】光论/（荷兰）惠更斯著；蔡勖译.——北京：北京大学出版社，2007,10 【2】光学/（英）牛顿著；周岳明等译. ——北京：北京大学出版社，2007，1 【3】粒子与宇宙/（美）凯尔·柯克兰德著；雷泉译.——上海：上海科学技术文献出版社，2008.4 【4】光与光学/（美）凯尔·柯克兰德著；文青等译.——上海：上海科学技术文献出版社，2008.4 【5】Observation of the dynamical Casimir
effect in a superconducting circuit, 二：波效应之光速非绝对：推论《一》 4：波粒二象性导致了光速与光源的运动无关 4.1：通过以上推理及其实验证明，光波粒二象性的本质是粒子衍射波效应.由于波的性质，而这样就可解释迈克尔逊——莫雷实验在没有探测到光介质'以太’的情况下光速为什么与光源的运动无关，从而就可以解释光谱双星、超新星等天文观察实验为什么显示光速与光源和观察者的运动无关.而我们知道，爱因斯坦认为'光速绝对’进而建立相对论的根本原因就是为了解释：“在光没有探测到传播介质'以太’的情况下，为什么光速还与光源的运动无关”，进而才认为光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的，并且这在当时是唯一合理的解释，逻辑上也根本不存在任何问题.【6】【8】【9】【10】（注：迈克尔逊-莫雷实验之所以不能探测到光的介质，是因为光本质上就不存在像波一样均匀连续的介质，而仅属于一种波效应） 4.2：现在已经清楚，用光速绝对来解释为什么光速与光源的运动无关可以是一个多余的假设，也就是说光速不是绝对的，如下图7光束对照实验所示，可以证明光速是相对的. 如果光速不是绝对的，那时间相对也就无从谈起，由时间相对引发的时间膨胀、长度收缩、质量增加等效应也就无从谈起. 并且我们知道，验证空间相对的'飞机地面思想实验’实际上只能证明空间里的'位置’是相对的，而不能证明空间是相对的.【8】 这样就说明时空的绝对性是毋庸置疑的！ 4.3：考虑到相对论中光速绝对是错误的，那么相对论中所示的质能方程就要被修改，这种用来表述核能这种物质转换为能量的形式就应该表述为一般的动能方程，如下： 4.4：根据动能方程，物体的速度只与物体的质量m成反比例关系与能量E成正比例关系，进而就可以得出两个推理： 推理一：光速不是上限，超光速很常在，表现为比光子更小的物质基本粒子； 推理二：在物质粒子一定的条件下，只要能量充分，一般的物质粒子也可超光速，这可以去观察超新星爆发所产生的高能射线或核裂变以及一些放射性衰变，切记勿把超光速现象解释为时间膨胀的荒谬见解（注：光速不是一个恒定不变的值，目前所测量得到的光速值是光子的宏观群体波效应所显示的值，在一定条件下，即使是光子本身也能超出现有数据所测量得到的光速值）. 三：宇宙并非在膨胀：推论《二》 5:波粒二象性的本质必然导致宇宙红移 5.1通过以上实验证实，光是一种光束粒子与游离粒子相互作用产生的粒子衍射波.这样，因为光在传播过程中存在相互作用，所以必然就存在能量损耗，而这种能量损耗必然随传播距离的增大而增大，这样就必然形成一种光束传播的'疲惫光效应’，并且最终导致光谱频率降低、发生红移，且红移量随传播距离的增大而增大.（注：这里的'疲惫光效应’不同于之前科学界提出的星际尘埃'疲惫光效应’假说，这里是指光波粒二象性的本质就决定了光谱必然因'光耗’而发生红移） 满足下列关系： 从该关系式可得，我们在地球上观测遥远星系发出的光，光谱必然会发生红移，且红移量随距离的增大而增大.这样就对认为红移是由行星退却产生的哈勃定律做出挑战，换句话说我们就不能再认为宇宙一定在膨胀.【10】 5．2：下图8为宇宙微波背景辐射板块状分布图，在大爆炸理论中，宇宙的微波背景辐射分布必然是非常均匀的，但是最新的天文观察表面并非如此，而运用'疲惫光效应’产生的能量能更好的解释大爆炸理论所不能解释的这一实验现象，这就有力的质疑了大爆炸理论.（注：斑块状分布图恰恰与恒星的不均匀分布相符，恒星集中的地方，能量分布自然比较集中，符合光耗理论）【10】【11】【12】 5.3：天文观察还表面：仙女座星云以及其他少数几个星云都存在发生蓝移的情况，这就支持宇宙非膨胀的'疲惫光效应红移’假说.（注：认为在小范围内出现蓝移是允许的观点经不起推敲，因为这意味着一个不断膨胀气球上的两个斑点会相互靠近） 5.4：物理学者索尔·珀尔马特、布莱恩·施密特与亚当·里斯“透过观测遥远超新星而发现了宇宙加速膨胀”，因此，共同荣获2006年邵逸夫天文学奖与2011年诺贝尔物理学奖.而对于宇宙的加速膨胀的说法这里也是可以解释的.如下图（13-A-B）所示，当随着时间的推移，由于恒星在不断的向外辐射光粒子，这样就导致空间的游离粒子在不断累积，当之后发出的光与游离粒子相互作用时，能量的损耗量必然比之前的量大，疲惫光效应就更加明显，当我们进行观测时：之后恒星所显示的亮度必然就比之前的较暗，且红移量也会明显变大.这样就从另一个角度解释了超新星光亮度比理论值较暗的原因，从而认为宇宙不一定在加速膨胀. 跟以上原理分析，用数学表达可表示为： 由以上推理及实验现象可知：'宇宙膨胀红移’我们完全可以用光束传播的'疲惫光效应红移’来解释. 推理一:由于宇宙微波背景辐射的本质是'二象性’损耗的能量，又由于宇宙恒星正一直不断的向宇宙空间辐射粒子，那么可以肯定，宇宙微波背景辐射的温度并不像大爆炸宇宙论观点所言的在冷却，而是在上升.（特殊因素除外） 推理二：由于宇宙空间中充满着无数游离的粒子，这样必然时常与行星和恒星发生相互作用，最终必然导致恒星和行星运动变慢.（天文观测发现，行星运动的速度确实在逐渐变慢） 四：总结 粒子衍射波效应的发现，解释了光为什么会具有波粒二象性和量子力学不确定原理的本质，结束并解释了物理学的巨大争议和困惑；另一方面证明了波效应是导致光速与光源运动无关的本质，可证明光速不是绝对的，进而有必要对狭义相对论产生质疑；最后研究还发现波粒二象性的本质必然导致光谱的普遍红移，从而对宇宙红移提出一种全新的解释，这样就有必要对目前的大爆炸膨胀宇宙观从新进行一番全新的认识.整体对解决当下物理学的很多困惑具有非常乐观的意义. 致谢：感谢美国田纳西大学物理系王令隽教授、美国 Utah 州立大学和美国 Alabama 大学任客座教授兼空间物理研究员张操教授和斯坦福大学研究员、俄罗斯科学院华棣院士；清华大学物理系李师群教授；北京大学物理学院田光善教授、俎栋林教授、理论物理研究所所长赵光达院士，以及上海交通大学物理系雷啸霖院士等等的讨论。 http://blog.sina.com.cn/s/blog_af2b8ff40101brkk.html |
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