关于光波粒二象性困惑的另一可种行性解释方式剖析.docx

关于光的波粒二象性困惑的另一可种行性解释方式凡伟（ 云南大学物理系 昆明 650091 中国）摘要：关于光的波粒二象性的困惑，一直是物理学未解之谜，虽然量子力学和量子场论从不同的角度给出过一种可行性解释方式，但并不是很完备，还产生了一些新的问题在最近的研究中，我们找到了一种用光的波动性去解释粒子的性的一种可行性方式，并能消除量子力学概率波的困惑关键词：光波；介质波；波粒二象性；量子力学；宇宙红移 引言：光的波动性和粒子性的争论，是一个从牛顿时代就持续到现在的问题直到上世纪量子力学的建立，才使我们意识到了光具有波粒二象性.可是关于光为什么会具有波粒二象性，其内在机制是什么？量子力学并不能给出很好的解释，并且还带来概率波这个新的困惑，虽然采用量子场论的二次量子化可以给出一种有效的解释方式，但这只是一种比较抽象的数学解释，并没有物理意义.所以，我们需要一套更加完备的理论.本文从电子周期运动辐射光子的动力学机制出发，从光的波动性的角度提出了一种解释光的粒子性问题的一种可行性解释方式，从而我们首次用光的波动性解释了光的粒子性由于可以用光的波动性去解释光的粒子性，从而我们可以取代量子力学概率波的解释方式，进而就消除了量子力学概率波的困惑，最终证明了光是一种介质波，通过进一步推导，我们还消除了其它物质粒子波粒二象性的困惑.并产生了一些新的预言，同时还意外推导出了关于宇宙红移和光速不变原理的另一种可行性解释方式。

1：光是一种疏密介质纵波通常，光子是电子发射的，如果没有介质的存在，电子的周期运动无法向外辐射传递能量.那么，光可以视为一种介质波.从而，光波的频率就等于单位时间内电子绕核运转的次数: （1）而一个电子碰撞作用于介质向外辐射的能量，可以看作一个普朗克常数，由于电子的运转周期之间存在时间间隔，那么其辐射的能量是一份份的，所以光波的能量有： （2）对于电子吸收光子的能量产生电流的光电效应就有： （3）从以上可以看出，电子的周期运动必然导致其辐射和吸收的能量是一份份的，从而我们从波动性的角度解释了光的粒子性，这并不存在什么神秘的地方.考虑到电子辐射的能量宏观上具有波动性，那么就满足惠更斯-菲涅耳原理： （4）合振为： （5）考虑到光波可以在真空、液态、气体、固体中传播，这说明光只能是一种介质纵波而不是横波（稍后做解释），微观数学表达是就可以表示为： （6）波速为： （7）以上是光作为纵波的波速数学表达式.（对于光波的偏振现象表现出来的横波性质，我们可以解释为作为纵波的光通过固体介质（偏振片）时纵波转换为了横波(好比声波通过固体传播时会从纵波转换为横波一样)，从而，光波具有横波的性质）.（注：传统理论一直认为光是横波，这是本文有别于传统理论的一大创新点）从上式可以看出，光速与介质密度成反比例关系，表示为： （8）根据麦克斯韦的电磁理论，电磁波的波速与介质的相对电容率和相对磁导率成反比例关系: （9）考虑到光波是电磁波的一种，光波是介质波，那么电磁波也是介质波，那么介质的相对电容率与相对磁导率和介质密度就成正比例关系 （10）那么电磁波的波速就与介质密度成反比例关系: （11）考虑到光是介质纵波，非平直时空下，介质相对于星体的引力惯性系分布，那么，光介质密度必然受到引力的影响，从而光波是一种疏密介质波.那么，介质密度正比于引力场强度分布，那么介质密度就正比于引力势梯度的负值： （12）其中，是一个待定常数.从上式可以看出介质密度与场强成正比例关系，由于光速与介质密度成反比例关系，那么有光速与引力场强度成反比例关系表示为： （13）从以上可以看出，引力场强越强，介质密度越大，光的传播速度越慢，同时光速在引力场中呈现梯度分布.我们可以通过观测同一引力场的不同场强位置的光速和不同引力场强附近光的传播速度值的快慢来进行实验检验.由于强引力场中的光介质密度相对叫大，那么，当一束光经过强引力场时，属于光疏介质向光密介质传播.从而，当一束光经过具有强引力场的天体附近时，光线必然能发生明显的折射现象，当然这种偏折现象已经被天文观察证实，且其偏折率就满足折射率定律： （14）由于光速在同一引力场中的速度不是一个固定的速度值，而是一个梯度变化值，那么，同一引力场中的光的折射率应是一个随引力场强梯度变化的范围值，满足关系： （15）这与实际天文观测所得出的光线偏折是一个范围值相符，从而比广义相对论所预言的一个精确不变值更符合实际天文观测实验结果.考虑到波长与折射率还满足如下关系： （16）其中，表示真空中波长，表示非真空介质中的波长，为折射率.从而我们可以看出，当一束光经过强引力场附近时，由于其折射率变大，其波长就会变小.而当一束光从引力场的内部发射出来时，属于光密介质向光疏介质传播的过程，折射率变小，那么其波长就会变大，这就可以解释引力红移现象.讨论和预言：1：由于光的传播介质相对于星体的引力惯性系静止分布，那么，介质必然跟随引力惯性系同步周期运动，我们可以通过天文观察是否存在周期运动的介质扰动波，从而来证明光是否具有介质的存在和本文提出的新理论的合理性.2：如果光存在介质，并且相对于引力惯性系静止分布.我们知道，当地球上的某物体爆炸时，会产生高密度的介质冲击波，冲击波中的光介质密度必然较大，我们可以让一束光穿过冲击波，观测光速是否变慢来证明光是否是存在介质和光是否是疏密介质纵波.2：如何消除量子力学概率困惑从以上可以看出，光是一种弹性介质粒子波动，光强代表通过某点的能流密度，数学表达式为： （17）故而，从微观上讨论光波的位置和动量是没有物理意义的，只能探讨空间各点能流密度的分布，符合经典波动光学原理，所以不存在概率分布问题.从而我们就可以解开光量子概率分布的困惑.对于电子束通过某些晶体时具有波动衍射现象.由于电子是周期运动的，其波长表示的不是电子是一种波，表示的是电子周期运转过程中，前一周运动的电子与后一周运动的电子的轨道距离（或做平动运动的两批电子之间的间距），满足关系： （18）其中频率表示的是单位时间内电子绕核运动的次数（或单位时间内电子通过空间某点的批次）. （19）所以，我们认为，电子或其它微观物质粒子（如：中子、原子等）通过某些晶体会发生波动衍射现象，表示的不是微观物质粒子是一种波，而是其通过该晶体时发生了弹性波动散射.对于微观物质粒子发生弹性波动散射后其运动状态的数学描述，我们可以用薛定谔方程来表示： （20）反映的是微观物质粒子发生波动散射后运动状态随时间的变化规律.对于不随时间变化的物质波方程有定态薛定谔方程，表示为： （21）同理，物质波波强（振幅的平方）代表的不是某处出现的概率密度，而是散射粒子量. （22）从而，我们就彻底解开了量子力学微观物质粒子概率分布的困惑.3：光波在传播过程中存在能量损耗的光谱红移由于光存在介质，那么光的介质就具有动能和势能，即：哈密顿量，光波通过介质散射的过程中就需要克服介质的哈密顿量，我们把这个量定义为哈密顿量阻尼系数，从而，光在传播过程中由于能量存在损耗，故而光波的频率就会降低，满足如下数学关系： （23）从上式可以看出，当光在传播过程中发生能量损耗时，光的频率会降低，进而光谱就会发生红移,所以，红移量与哈密顿量阻尼系数成正比例关系：，又由于密顿量阻尼系数与光的传播距离成正比例关系，从而，红移量与距离成正比例关系： （24）从而我们可以用来解释宇宙红移.如果单位距离内因频率降低产生的红移量用常数表示，那么总红移与传播距离满足如下关系： （25）从以上可以看出，距离我们越远恒星发出的光，其能量的损耗越大，红移量越大，这可以对宇宙光谱红移提供另一种可行性解释.讨论：根据以上分析，光作为一种介质波的本性必然导致其传播过程中发生能量损耗,由于存在做功，故而损耗的能量就会转化为热能，所以，我们可以预言，我们的宇宙空间普遍存在一个热能温度，而这正好可以用来解释宇宙微波背景辐射存在的温度值的来源.4：关于光速不变原理的另一种合理性解释方式一个被误解的光速不变原理：根据伽利略相对性原理，任何惯性系内的力学原理都是等价的.所以，对于光速，由于光的介质相对引力惯性系静止分布，我们在任何引力惯性系内测量的光速都是（以介质所在惯性为参考系测量的）一个普适的速度值，我们可以把这一现象定义为：相对引力惯性系的速度不变性原理或伽利略相对速度不变性原理!相对引力惯性系的数学表达式为： （26）将上式中的第一组的前三式对时间求一阶导数得伽利略相对光速变化式： （27）其矢量形式为： （28）从以上可以看出，光速是相对的，满足叠加原理.而我们通常测量的光速值，都是以光介质所在引力惯性系为参考系测量得出的光速值，故而，光速在任何引力惯性系中测量的速度值都是一样的.从而，我们说光速与参考系的选取无关，并不表示光速没有相对速度，也不表示光速是宇宙上限，所以光速与参考系的选取无关的光速不变原理其实是伽利略相对速度不变性原理，满足伽利略变换.也就说我们提出了另一种关于光速不变原理的合理性解释方式.讨论：从以上可以看出，光的传播介质不是绝对平直空间分布的，而是相对于不同引力惯性系非平直空间的相对静止分布，从而与不存在绝对空间分布的介质‘以太’的迈克尔逊-莫雷实验一致.5：总结通过以上证明，光是一种疏密介质纵波（这完全颠覆了传统理论的认知，但是却更加的符合已有的实验现象），我们首次从波动性的角度解释了光的粒子性，从而弄清楚了光具有波粒二象的内在机制，并对其它微观物质粒子的波粒二象性做了推导，进而消除了关于光和其它微观物质粒子的波粒二象性的困惑和量子力学概率波的困惑，最终建立了一套更加完备的理论。

由于光本质的确定，我们不但产生了一些新的预言，还有幸发现了一种关于宇宙红移和光速不变原理的另一种可行性解释方式1】Huang Shizhong and Zhixiang Ni,College physics/Vol 2. (Beijing advanced education press, Beijing, 2.2014). Art. (4-5).致谢:感谢中国量子光学学会主任，山西大学量子光学国家重点实验室张天才教授和中国量子力学学生理事长，中科大物理系张永德教授的探讨.。