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黑白斋主——奇门探索录

博学之,审问之,慎思之,明辨之,笃行之。

 
 
 

日志

 
 

“孙悟空”帮助我们理解“π型三重波粒二象性”和光的本性[转]  

2011-06-24 11:52:42|  分类: 河洛八卦 |  标签: |举报 |字号 订阅

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甘永超

鈥溗镂蚩这澃镏颐抢斫忖溝型三重波粒二象性鈥澓凸獾谋拘訹转]

太极初开,阴阳合抱,阴中含阳,阳中含阴,阴阳合谐,相辅相成,这就是世界的本原,也是波粒二象性的本质。原来,世界的本原与波粒二象性的本质是相通的……

①阴阳合抱(第一种波粒二象性——波与粒子是完全平等的,由爱因斯坦1905年揭示)

②阴中含阳(第二种波粒二象性——粒子在运动上具有波动性,由德布罗意1923年揭示)

③阳中含阴(第三种波粒二象性——波在结构上具有粒子性,由甘永超1994年揭示)

第一种波粒二象性——“光的波粒二象性”由爱因斯坦1905年揭示、密立根1916年用实验验证,曾颁发“理论(1921年)”与“实验(1923年)”两个诺贝尔物理奖。它揭示了微观客体可以弥散形态(波)或凝聚形态(粒子)这样两种不同的形态存在(如图1中π的左、右两部分,其中的“波”与“粒子”都是客观实在,但它们在存在的时间上却相互错开,满足一定条件时还可以相互转化)(自然注:实际上这种认识还可前进一步,即立位于零去关注波粒二相的完全统一。这样必然具有三种客观存在的状态:粒子态、波态和零子态。粒子态有形;波态有象;零子态无形无象,与真空基态为完全相融。零子态表征的太极必然是双s而非单s,且存在中宫空如之地)。

第二种波粒二象性——“实物粒子的波粒二象性”由德布罗意1923年揭示、戴维孙和小汤姆孙1927年用实验验证,也曾颁发“理论(1929年)”与“实验(1937年)”两个诺贝尔物理奖。它揭示了当微观客体以“粒子”的形态存在时,“粒子”在运动上具有波动性(第二种波粒二象性,见图1中π的右半部分:其中的“粒子”与“波”同时存在但它们存在的形式却是一“实”一“虚”,“波”是“粒子”存在的反映(说明“粒子”在运动上具有波动性),两者不能互相转化)。

第三种波粒二象性——“经典电磁场在结构上具有粒子性”由博主于1994年用严谨的数学推理揭示(将Dirac1927年所做的电磁场按模式分解进一步推进到电磁场按光子对应分解,从而使每一个“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)。它揭示了当微观客体以“波”的形态存在时,“波”在结构上具有粒子性(第三种波粒二象性,见图1中π的左半部分:其中“波”与“粒子”同时存在但它们存在的形式却是一“实”一“虚”,“粒子”是“波”存在的反映(说明“波”在结构上具有粒子性),两者不能互相转化)。而在此之前经典电磁场却一直是连续的、根本没有分立的概念。

《西游记》中孙悟空的形象在我国是妇孺皆知。我们不妨利用吴承恩所想象的“孙悟空”的故事来帮助我们理解“π型三重波粒二象性”。假设我们所研究的对象(光)像孙悟空一样,具有七十二般变化……

当孙悟空变成一群粒子(光子)的时候,孙行者的真身就消失了,我们所能看到的是一群粒子,而这群粒子是由孙悟空变化而来的,故与其它的粒子有所不同,它们在运动上具有波动性。

当孙悟空变成一团弥散的电磁波的时候,孙行者的真身也不见了,我们所能看到的是一团弥散的电磁波,而该团弥散的电磁波也是由孙悟空变化而来的,故与其它的波也有所不同,它在结构上具有粒子性——可以看作是一系列“电磁基波”的叠加,而每一个“电磁基波”的能量、动量、角动量都能与(上一状态)那群粒子中的某一个粒子(光子)的能量、动量、角动量分别对应相等。所以,一团弥散的“电磁基波”就相当于一个“准粒子”(我们不妨把这个与“电磁基波”相当的“准粒子”命名为“虚光子”。一个“虚光子”的能量、动量、角动量与一个“实光子”的能量、动量、角动量是完全对应相等的,只是没有“实光子”的凝聚形态,而是以一团弥散的“电磁基波”的形式出现)。

如此,“一群粒子(光子)”与“一团电磁波”就都是孙悟空的化身,两者之间可以相互转换,它们都是两种真实的存在。但是,孙悟空的这二种(存在形式)化身却不能同时出现(就像白骨精变成老翁、老妇、少女一样),必须在存在的时间上相互错开。这就是“第一种波粒二象性”(如下图中“π”上面的“一横”所示,相当于爱因斯坦1905年揭示的光的波粒二象性)。

当孙悟空变成“一群粒子(光子)”的时候,这些粒子(光子)在运动上具有波动性。此时的“波”与“粒子”虽然是同时存在,但是,它们在存在的形式上却又不相同:此时,“粒子(光子)”是一种真实的存在,而“波(光子的德布罗意波)”却是一种虚假的存在,是那些“粒子(光子)”存在的反映——“粒子(光子)”在运动上具有波动性。这就是“第二种波粒二象性”(如下图中“π”的“右半边”所示,相当于德布罗意1923年揭示的实物粒子的波粒二象性)。

当孙悟空变成“一团弥散的电磁波”的时候,这团弥散的电磁波在结构上却具有粒子性。此时的“波”与“粒子”虽然是同时存在,但是,它们在存在的形式上也不相同:此时,“波(电磁波)”是一种真实的存在,而“粒子(虚光子)”却是一种虚假的存在,是一种“准粒子”,是那些“波(电磁波)”在结构上具有粒子性的反映。这就是“第三种波粒二象性”(如下图中“π”的“左半边”所示,相当于甘永超1994年揭示的“经典电磁场在结构上具有粒子性”)。

所以“波粒二象性”难于理解,让很聪明的人都犯糊涂,就是因为有这样三种“波粒二象性”搅和在一起,而我们又没能有效地把它们加以区分,于是,就有了“波”与“粒子”的模棱两可、扑朔迷离、亦波亦粒、非波非粒、真真假假、虚虚实实、同时异态、同态异时……

我们需要孙悟空的火眼金睛,才能有效地区分这“三种波粒二象性”。很显然,“第一种波粒二象性”是“本质上的波粒二象性”,它所涉及的“波”和“粒子”都是真实存在的物质,是平等的,只不过在“存在的时间”上相互错开而已;而“第二种波粒二象性”和“第三种波粒二象性”却是“现象上的波粒二象性”,它们所涉及的“波”和“粒子”是不平等的,一个是真实存在的物质,而另一个却是前者存在的反映,是意识!这种“现象上的波粒二象性”就像“树”与“树的影子”一样,虽然两者同时存在,但它们在“存在的形式”上却具有本质的区别:一个是真实的存在,而另一个却是虚假的存在,是前者存在的反映。

前面我们已经对“孙悟空”变成“一群粒子(光子)”与“一团电磁波”的情况做了分析。现在,我们将对“孙悟空”是怎样在“一群粒子”与“一团电磁波”之间进行变化的过程进行一番剖析。

很显然,“孙悟空”可以先变成“一群粒子”,再变回它的原形,而后,又由其原形再变成“一团弥散的电磁波”。不过,这样变化起来有些麻烦,减缓了变化的速度,在实战中一旦与妖魔斗法,在气势与速度上就先输了一成,聪明伶俐的“孙悟空”当然不会这么干,他很可能在“一群粒子”与“一团电磁波”之间直接进行变化。那么,“孙悟空”又是怎样在“一群粒子”与“一团电磁波”之间进行变化的呢?
       让我们先回忆一下《西游记》中对“孙悟空”与“二郎神”之间一段斗法的描述吧:那大圣趁着机会,滚下山崖,伏在那里又变了,变做一座土地庙儿,大张着口,似个庙门,牙齿变做门扇,舌头变做菩萨,眼睛变做窗户。只有尾巴不好收拾,竖在后面,变做一根旗竿。真君赶到崖下,只见一间小庙,急睁凤眼,仔细观之,却见旗竿立在后面,笑道:“是这泼猴了!他今又在那里耍我。我也曾见过许多庙宇,却从不曾有旗竿立在后面的,断是这畜生在捣鬼!倘若哄我进去,他便一口咬住。我怎肯进去?等我先捣窗户,再踢门扇!” 悟空听得,心惊肉跳。“好狠!窗户是我眼睛,门扇是我牙齿。若捣了眼,打了牙,却如何是好?”扑的一个虎跳,又冒在空中不见了。
       由此可见,“孙悟空”的变化,是有着一种基本单元的对应关系的。那么,“孙悟空”又是基于一种什么样的对应关系而在“一群粒子(光子)”与“一团电磁波”之间进行变化的呢?这得借助于一位中国科学家的工作。他在许多年以前就基于严谨的数学推理而完成了“经典电磁场按光子的对应分解”。也就是说,他从数学上严格证明了可以把“一团电磁波”看作是一系列“电磁基波”的叠加,而每一个“电磁基波”的能量、动量和角动量都能与一个相应光子的能量、动量和角动量分别对应相等!一旦在“光子”与“电磁基波”之间建立起了这种对应关系,那么,“孙悟空”就可以“作法”了。只要将“一群粒子(光子)”中的每一个粒子都变成一团与之相对应的“电磁基波”,那么,这些“电磁基波”的叠加就是我们所需要的那团“电磁波”!反之,将“一团电磁波”中的每一团“电磁基波”都变成一个与之对应的“光子”,那么,这些“光子”的集合也就是我们所需要变成的那群“粒子”了。
         由于“孙悟空”法力无边,无所不能,甚至还敢大闹天宫,所以,他可以在“一群粒子(光子)”与“一团电磁波”之间变来变去(其实,也就是“光子”与“电磁基波”之间的变来变去)。然而,一旦回到我们的物理现实,凝聚态的“光子”与弥散态的“电磁基波”要在极短的时间内完成相互转化却是违反相对论原理的,我曾为此伤透脑筋,甚至一度想到过放弃!那些质疑“第三种波粒二象性”以及“三种波粒二象性和谐统一”的专家,如果能够提出类似的问题,将会点到我的死穴。因为,分布在无限空间的“电磁基波”不可能在一瞬间之内收缩成为一粒“光子”,否则,能量的传递就会超过光速,那将是不可能发生的事情!
        经过一段相当长时间的苦思冥想,当我把“孙悟空”的法力与量子场的基态相结合时,终于参透了其中的奥妙,克服了违反相对论的困难。实际上,如果不借助其它东西的帮助,弥散的“电磁基波”是不可能在一瞬间之内收缩成为一颗“光子”的!从“孙悟空”的角度讲,那是借助于“法力”——是“孙悟空”通过“作法”而将一系列弥散的“电磁基波”变成一颗一颗的“光子”(它不受相对论原理的限制)。而在实际中我们则是借助于处于基态的量子电磁场(或者称作处于基态的“真空”)。
       我们知道,弥散的“电磁基波”是叠加在“处于基态的量子电磁场”之上或者存在于基态的“真空”之中。“孙悟空”的“作法”就相当于弥散的“电磁基波”被处于“基态的量子电磁场”(或者“真空”)就地吸收(而不是弥散的“电磁基波”在一瞬间之内收缩成为一颗“光子”)。此时,弥散的“电磁基波”消失了,而处于“基态的量子电磁场”由于吸收了一个“电磁基波”的能量就会由原来的基态而跳到激发态。由于处于“激发态的量子电磁场”(或者“真空的激发态”)的寿命非常短,所以,瞬间过后,处于“激发态的量子电磁场”就会放出一个“光子”而又从新回到原来的基态。很显然,处于“基态的量子电磁场”吸收的“电磁基波”与处于“激发态的量子电磁场”发出的“光子”具有完全相同的能量、动量和角动量。反过来,“光子”也是存在于处于“基态的量子电磁场”或者“真空”之中。“孙悟空”的“作法”就相当于使处于“基态的量子电磁场”(或者“真空”)吸收这颗“光子”。此时,一颗“光子”消失了,而处于“基态的量子电磁场”由于吸收了一颗“光子”就会由原来的基态而跳到激发态。由于处于“激发态的量子电磁场”(或者“真空的激发态”)的寿命非常短暂,所以,瞬间过后,处于“激发态的量子电磁场”就会放出一团弥散的“电磁基波”而又重新回到原来的基态。在整个过程中,处于基态的量子电磁场(或者处于基态的真空)并没有发生根本的变化,而“电磁基波”与“光子”却在不停地变来变去。
        从上述过程的表面上看,我们似乎只看到了一团团弥散的“电磁基波”与一颗颗“光子”之间的相互转化(或者是一团弥散的“电磁波”与“一群光子”之间的相互转化),但实际上却还有“孙悟空”在背后“作法”或者是处于“基态的量子电磁场”(或者“真空”)的参与。倘若看不到这些更深刻本质的东西,那么,我们的认识与瞎子摸象就没有两样,是不可能全面理解光的“π型三重波粒二象性”。
       下面让我们再回到对“π型三重波粒二象性”以及“光的本性”的全面认识上。勿容置疑,光是一种客观存在的物质。我们对光的本性的认识有点类似于唐僧、猪八戒和沙僧师徒三人对“白骨精”的认识,光的“π型三重波粒二象性”也有点类似于“白骨精”的“π型三重老少二象性(见后面的解释)”。
       当我们把“光”当作“电磁波”时,就有如唐僧、猪八戒和沙僧师徒三人把那个“白骨精”当作送饭的“村姑”。我们对“电磁波(光波)”特性的认识就等同于唐僧师徒三人对那个“村姑(白骨精)”的认识;而“电磁波”在结构上所具有的“粒子性”(即经典电磁场可以按光子对应分解),则相当于师徒三人对那个“村姑”在外貌或气质上最典型特征的认识(作为类比,我们假设那个“村姑”的典型特征是“外貌虽然年轻,但内心却十分苍老”)。
        类似地,当我们把“光”当作“一群粒子(光子)”时,就有如唐僧、猪八戒和沙僧师徒三人把那个“白骨精”当作寻找女儿的“老婆婆”。我们对“一群光子流(光)”特性的认识就等同于唐僧师徒三人对那个“老婆婆(白骨精)”的认识;而“光子”在运动上所具有的“波动性”(德布罗意所揭示的物质波的波动性),则相当于师徒三人对那个“老婆婆”在外貌或气质上最典型特征的认识(为了类比,我们假设那个“老婆婆”的典型特征是“外貌虽然苍老,但内心却很年轻”)。
        作为肉眼凡胎的唐僧,甚至还有一些道行和法力的猪八戒和沙僧,都只能看到那个“村姑”或者“老婆婆”的存在以及认识到她们在“外貌或气质上所具有的特性(包括外貌或气质上最典型的特征,例如,“村姑”外貌虽然年轻,但内心却十分苍老,而“老婆婆”外貌虽然苍老,但内心却很年轻),就像我们只能看到“电磁波”或者“光子”的存在以及认识到“电磁波”或者“光子”所具有的那些特性(包括“电磁波”在结构上具有“粒子性”以及“光子”在运动上具有“波动性”)。只有火眼金睛的“孙悟空”才能透过现象看本质,认识到那个“村姑”或者“老婆婆”都是白骨精的化身。不论她们是“柳眉积翠黛,杏眼闪银星。体似燕藏柳,声如莺啭林。”还是“走路慢腾腾,行步虚怯怯。弱体瘦伶仃,脸如枯菜叶。”其本质都是“白骨精”!是在背后操纵着整个事态发展的主体——“白骨精”!
       换句话说(作一个类比),“白骨精”相当于“光”,而“村姑”相当于“电磁波”,“老婆婆”则相当于“光子”。唐僧、猪八戒和沙僧师徒三人仅仅认识到“村姑”和“老婆婆”,离认识真正的“白骨精”还相差十万八千里,就像我们仅仅认识到“电磁波”和“光子”的特性,离真正认识“光的本性”相差十万八千里一样!
       对于光的本性,我们也可以作类似的剖析。假设“光”和“白骨精”都是我们认识的对象,那么,当年麦克斯韦和赫兹认识到“光是一种电磁波”,就相当于唐僧、猪八戒和沙僧师徒三人发现了由“白骨精变成的那个村姑”;当人们认识到“电磁波”具有干涉、衍射、偏振等诸多特性时,就相当于唐僧师徒三人发现了那个“村姑”在“外貌和气质上所具有的诸多特性”(其中,甘永超发现的那个本质特性——“电磁波”在结构上具有“粒子性”——光的第三种波粒二象性,就相当于唐僧师徒三人发现的那个“村姑”的本质特性——“外貌虽然年轻,但内心却十分苍老”——“白骨精”的第三种老少二象性)。当年爱因斯坦和康普顿发现“光就是一群粒子(光子)”,则相当于唐僧、猪八戒和沙僧师徒三人发现“白骨精变成的那个老婆婆”;当人们认识到“光子”所具有的诸多特性时,就相当于唐僧师徒三人发现那个“老婆婆”在“外貌和气质上所具有的诸多特性”(其中,德布罗意发现的那个本质特性——“粒子(光子)”在运动上具有“波动性”——光的第二种波粒二象性,则相当于唐僧师徒三人发现的那个“老婆婆”的本质特性——“外貌虽然苍老,但内心却很年轻”——“白骨精”的第二种老少二象性)。
       当然,我们还可以更进一步地类比。例如爱因斯坦当年揭示“光具有波粒二象性——光有时像“粒子”有时又像“波”(光的第一种波粒二象性)”,就非常类似于“孙悟空”揭示“白骨精具有的老少二象性” ——“白骨精”有时像“村姑”有时又像“老婆婆”(这是“白骨精”的第一种老少二象性)”(这里只考虑“白骨精”的前二种变化而没有考虑她的第三种变化。她的第三种变化将用来模拟对光的本性的“波”“粒”二象之外的新发现)。既然“光”可以一会儿变成“粒子”而另一会儿又变成“波”(光的第一种波粒二象性),那么,“白骨精”也可以一会儿变成“村姑”而另一会儿又变成“老婆婆”(“白骨精”的第一种老少二象性)!当“光”变成“粒子”的时候,这些“粒子”在运动上具有“波动性”(光的第二种波粒二象性)就相当于当“白骨精”变成“老婆婆”的时候,这位“老婆婆”“虽然外貌苍老,但内心却非常年轻”(“白骨精”的第二种老少二象性);当“光”变成“电磁波”的时候,这些“电磁波”在结构上又具有“粒子性”(光的第三种波粒二象性)就相当于当“白骨精”变成“村姑”的时候,这位“村姑”“虽然外表年轻,但内心却十分苍老”(“白骨精”的第三种老少二象性)。如此,当我们暂时忽略“白骨精”的第三般变化(变成“老翁”)时,就可以把“光的π型三重波粒二象性”与“白骨精的π型三重老少二象性”很好地类比:“光的π型三重波粒二象性”揭示了“光的本性”,而“白骨精的π型三重老少二象性”也揭示了“白骨精的本性”。当然,由于后来又发现了“白骨精”的其它变化(变成了一个“老翁”),所以,现在的“π型三重老少二象性”还不能完全揭示“白骨精的本性”,还必须有新的发展,这就像我们发现了光的“波”“粒”二象之外的新特性以后,“光的π型三重波粒二象性”不能完全揭示“光的本性”一样!
       到目前为止,我们还没有发现光的“波”“粒”二象之外的新特性,所以,“光的π型三重波粒二象性”就比较全面地揭示了“光的本性”。只有当我们发现了光的“波”“粒”二象之外的新特性以后,“光的π型三重波粒二象性”才需要进一步发展。
        在现代物理学中,主张“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”,就是企图用光的“量子图景”来全面揭示“光的本性”,这就相当于在《西游记》中用那个寻找女儿的“老婆婆的图景”来全面揭示“白骨精的本性”一样滑稽、可笑!好在近80年来“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”没能找到一个实验证据,要是真找到了这样的实验证据,那物理学的麻烦可就大了,又不知会在一片混沌中度过多少蹉跎岁月(就像科学史上基于“弹性以太理论”来研究光学而虚度了几十年光阴一样)……
        让我们重温一下光学中的圣经——《Principles of Optics》by Born & Wolf 中的一段话——“菲涅耳的工作给波动理论奠定了如此牢固的基础,以致傅科与斐索和布雷格特在1850年所进行的一项由阿拉果首先建议的仲裁实验,都显得近乎多余了。微粒理论用光粒子在界面上受到向光密媒质这边的吸引来解释折射,这就要求光密媒质中的光速比较大;相反,波动理论依据惠更斯作图,要求光密媒质中的光速比较小。傅科等直接测量了空气和水中的光速,结果毫无疑问,判定波动理论获胜。”
       博主的工作,其实也有点类似于当年的菲涅耳——提出了一套理论并设计了一个判决性实验(除发表了一系列科学论文之外,还撰写了一篇中级科普文章和三篇大众科普文章)。同样,该判决性实验的结果也像菲涅耳当年的一样,无所谓。因为,“光的量子理论能够包含光的经典电磁理论”虽然受人追捧,阅尽人间春色,但80年来却找不到一个实验证据,这就从反面证实了与之相反的(博主的)理论无疑是正确的!“孙悟空”与“如来佛”都知道这些!

注:

其实,甘永超早就对逻辑检验与实验检验做过考虑。由于新理论认为“波与粒子平等”,因此“光的量子理论”与“光的经典电磁理论”是两个平行理论,而传统理论却认为的“光的量子理论包含光的经典电磁理论”。从逻辑上讲,“如果‘光的量子理论包含光的经典电磁理论’,那么,我们就可以用光的量子理论一统天下而消灭电磁波。可是,电磁波作为一种真实存在的物质又不可能被消灭,所以,传统理论不符合逻辑而新理论必然胜出。”

根据这一逻辑判断以及传统理论80年来找不到一个实验证据,甘永超又设计了一个敏感而可行的双赢判决性实验:让632.8nm的氦氖激光与100eV的单能电子束在真空中对撞并精确测量散射光之波长,以比较“经典条件下光的量子理论与光的经典电磁理论究竟哪一个更为精确”。

一旦实验验证,我们便可以更大胆地去追寻新理论的下一个预言:物质世界的最基本结构单元“太极粒子波”。例如,太极光子波就是电磁波与光子的统一整体。

甘永超希望,新理论的验证能够得到国家和科学界更多的关注和支持。

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