“第三種波粒二象性”的揭示及其“波粒二象關系式”與“巨光子炮”

2014-09-03 03:30:00甘永超

中國新技術新產品 2014年14期

摘要：基于“經典電磁場按光子對應分解”而揭示了與愛因斯坦、德布羅意分別于1905、1923年揭示的“光的波粒二象性”、“實物粒子的波粒二象性”相并列的“第三種波粒二象性”并把這“三種波粒二象性”和諧地統一起來，進而揭示了微觀客體的“π型三重波粒二象性”；接著，通過對“π型三重波粒二象性”的數學抽象而得到了“波粒二象關系式”，給出了“波”與“粒子”關系的數學表達并介紹了反導武器“巨光子炮”的工作原理；最后，還對“三種波粒二象性”的和諧統一理論進行了初步驗證與展望。

關鍵詞：第三種波粒二象性；三種波粒二象性的統一；π型三重波粒二象性；波粒二象關系式；巨光子炮；物理學第六次大綜合

中圖分類號：O41 文獻標識碼： A

一、引言

“波粒二象性”是量子物理、現代光學與粒子物理中的核心問題，也是破解“光的本性”、“粒子與場的關系”、“物質世界的最基本結構單元”的關鍵所在。前蘇聯科學家瑞德尼克在《量子力學史話》中曾一針見血地指出：“今天，決定微觀世界統一體的最深刻本質的全部問題，就是物理學所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰：物質的兩種基本形式——實物（粒子）和場（波）——之間的相互關系。”誰要是破解了實物（粒子）和場（波）的關系，那么，他就登上了物理學的珠穆朗瑪峰。本文基于狄拉克“經典電磁場按模式分解”的自然推廣——“經典電磁場按光子對應分解”（因為每一個模式又可以包含多個光子）而展開討論，通過一系列邏輯分析與數學抽象而得到了一些新的結論。

二、“第三種波粒二象性”的揭示

“第一種波粒二象性（光的波粒二象性）”（如圖1）由愛因斯坦1905年揭示、1916年由密立根驗證，分別獲1921、1923年度諾貝爾物理學獎。“第二種波粒二象性（電子的波粒二象性）”由德布羅意1923年揭示、1927年由戴維遜和小湯姆遜驗證，分別獲1929、1937年度諾貝爾物理學獎。

1994年，中國學者把狄拉克1927年所作“經典電磁場按模式分解”進一步推進到“經典電磁場按光子對應分解”，凝練出了“電磁基波”的概念，提出了“波粒二象性的相變假說”，在經典電磁場與量子電磁場之間建立起了一種基本單元（“電磁基波”與“光子”）的對應關系（每一份“電磁基波”的能量、動量、角動量都能與一個同頻光子的能量、動量、角

動量分別對應相等），揭示了與前兩種波粒二象性相并列的“第三種波粒二象性”——經典（電磁）場在結構上的粒子性。

三、“三種波粒二象性”的和諧統一

雖然“第三種波粒二象性”、“第三種中微子振蕩”、“第三種量子霍爾效應”的揭示令世人矚目，但“三種波粒二象性”、“三種中微子振蕩”、“三種量子霍爾效應”如何統一（揭示其背后的深刻本質）卻更令人神往。

愛因斯坦整整五十年的自覺思考都沒能解決“電磁波”與“光量子”之間的關系問題，德布羅意一輩子也未能解決“實物粒子”與“物質波”之間的關系問題。也就是說，盡管“光的波粒二象性”與“實物粒子的波粒二象性”被揭示出來并頒發了四次諾貝爾物理學獎，但“波粒二象性之謎”卻并沒有完全揭開。

今天，由于“第三種波粒二象性”的揭示，我們才能理順“三種波粒二象性之間的π型結構關系”，破解“波粒二象性之謎”，把“三種波粒二象性”完美而又和諧地統一起來（如上圖）。

原來，只有第一種波粒二象性才是本質上的波粒二象性（真實的波與真實的粒子在存在的時間上相互錯開，滿足一定條件時還可以相互轉化）；而第二種波粒二象性（真實的粒子在運動上具有“德布羅意波動性”）、第三種波粒二象性（真實的波“在結構上具有粒子性”）都是現象上的波粒二象性，它們的“波”與“粒子”同時存在但一虛一實、不能相互轉化。這就是微觀客體的“π型三重波粒二象性”。

四、“π型三重波粒二象性”的數學抽象：“波粒二象關系式”與“巨光子炮”

根據“波粒二象性的相變假說”，尤其是更為具體的“π型三重波粒二象性”理論，我們不難想象：由于在經典電磁場（電磁基波的疊加）與量子電磁場（光子氣）之間建立起了一種基本單元（“電磁基波”與“光子”）的對應關系，所以，在一定條件下經典電磁場與量子電磁場之間可以發生相互轉化（相變），而其本質就是“電磁基波”與“光子”之間的相互轉化（真空中基態的量子電磁場吸收一份“電磁基波”而躍遷到激發態，再由激發態放出一個“光子”又回到基態；或者基態的量子電磁場吸收一個“光子”而跳到激發態，再由激發態發射一份“電磁基波”又跳回基態）。假若我們把量子電磁場（光子氣）用粒子矩陣P表示，經典電磁場（電磁基波的疊加）用波矩陣W表示，那么，經典電磁場與量子電磁場之間的轉化（相變）就可以用數學描寫成為一種矩陣變換：

P = G W

其中，G為變換矩陣。再詳細一點，我們還可以寫出（甚至還可以寫出其四維形式）如公式1：

這就是“波粒二象關系式”。它是對“波粒二象性的相變假說”與“π型三重波粒二象性”高度的數學抽象——不僅把量子力學的兩大開山之作（普朗克公式與德布羅意公式）統一了起來，而且還把“物理學尚未征服的山峰中的最高峰——實物（粒子）與場（波）之間的關系”用精準的數學公式表達了出來，有如愛因斯坦的質能關系式E=Mc2揭示“質量”與“能量”的平等、線性關系一樣。

另外，根據“波粒二象性的相變假說”與“π型三重波粒二象性”理論，我們有望把一份巨大的“彌散能量（波）”通過某種途徑集中起來而轉化成為一個高速（甚至接近光速）飛行的“巨粒子炮”，例如，可以把現在的激光武器改造成為“巨光子炮”——以光速飛行的“一顆巨大的光子”（根據“三種波粒二象性”的內在關系，我們把“激光諧振腔內輸出的受激輻射”不是展現成為數額巨大的多“光子”，而是設法轉化成唯一的一顆以光速飛行的“巨光子”炮彈——它在空中飛行幾乎沒有衰減，用來攔截核導彈簡直就是甕中捉鱉）。相信“巨光子炮”這種超級武器一定會引起軍方乃至世界和平組織的極大興趣。因為核武器毀滅人類，而“巨光子炮”卻可以拯救人類。endprint

五、“三種波粒二象性”和諧統一理論的初步檢驗

鑒于愛因斯坦廣義相對論的三大預言（水星近日點進動、光線的引力偏折、光譜線的引力紅移）被驗證就奠定了它在科學界的堅實基礎，我們也基于“三種波粒二象性”的和諧統一理論而做出了三個頗具顛覆性（在現代物理學的框架內幾乎就是不可能）的預言（推論）。如果這三個幾乎是不可能的事件都能夠得到證實，那么就只能說明“三種波粒二象性”的和諧統一理論具有無比強大的生命力，是攻不破、打不垮的理論。

事實上，這三個頗具顛覆性的推論經過幾番腥風血雨、學術論戰，已經有兩個半得到了證實：

①根據經典理論而不需要任何量子假設就可以直接導出“普朗克的黑體輻射公式”（已為英國曼徹斯特大學的馬歇爾所證實）；

②根據經典理論而不需要任何量子假設就可以直接導出“光能量的量子化”（已為中山大學的佘衛龍所證實）；

③“波”與“粒子”完全平等，“光的量子理論”與“光的經典電磁理論”是兩個獨立、平行的理論，光的量子理論不能包含光的經典電磁理論（已被甘永超證明了一半，還剩下另一半，需要實驗判決）。

為了彌補上面三個推論只證實了兩個半的遺憾，我們又借助科學史上伽利略推翻亞里士多德“物體越重下落速度越快”所使用的歸謬法（它比伽利略的比薩斜塔實驗更為有力），從邏輯上進一步證明了第三個推論（如果“光的量子理論能夠包含光的經典電磁理論”，那么，我們就可以完全拋棄光的經典電磁理論，這勢必導致“光量子”一統天下而“電磁波”突然消失，可是，“電磁波”作為一種具有質量、能量、動量而真實存在的物質，是不可能憑空消失的。所以，“光的量子理論不能包含光的經典電磁理論”）。而這種邏輯推理的力量又十分有力，以至于“進行實驗判決都成為多余”！

另外，對于光電效應實驗中傳統物理學都極力回避的難題（當一個光子的能量低于紅限而兩個光子的能量高于紅限時，能否產生光電效應），“三種波粒二象性”的和諧統一理論卻能夠給出圓滿的解釋。第一個光子打到電子上，顯示粒子性，被電子吸收，使電子躍遷到高能態；第二個光子緊接著打過來，如果它還顯示粒子性，就可能使高能態的電子吸收該光子而逃逸，發生光電效應，可事實上并非如此。而新理論的解釋卻是：如果第二個光子緊接著打過來，由于電子已經躍遷到了高能態，與之發生相互作用的第二個光子就不再顯示粒子性，而是顯示波動性，應該用電磁波理論來處理，所以，不會發生光電效應。

如果再計及“π型三重波粒二象性”抽象成為一個數學上的矩陣等式——波粒二象關系式，而該矩陣等式卻居然能夠把量子力學的兩大開山之作（普朗克公式和德布羅意公式）統一起來——這完全可以理解為對“π型三重波粒二象性”與物理學理論和實驗自洽性的第5.5次驗證。想當年，愛因斯坦的廣義相對論也只有“水星近日點進動”、“光線的引力偏折”2個預言被驗證（“光譜線的引力紅移”一直等到1959年才被美國的龐德和雷布卡利用穆斯堡爾效應加以驗證）就奠定了它在科學界的堅實基礎并轟動世界，而甘永超的“π型三重波粒二象性”卻已經經歷了5.5次驗證為什么就不能轟動世界！

六、結果與討論

我們知道，“經典電磁場按光子對應分解”是狄拉克1927年所作“經典電磁場按模式分解”的自然推廣，而在“經典電磁場按光子對應分解”基礎上建立起來的“三種波粒二象性”的和諧統一理論——“π型三重波粒二象性”又經過了上述5.5次驗證，特別是前面那2.5次顛覆性驗證是足夠有力的。如果與廣義相對論的驗證相對比，我們應該更加有信心，把“π型三重波粒二象性”理論進一步推向高潮。

其實，“經典電磁場按光子對應分解”——每一個“電磁基波”的能量、動量、角動量都能與一個同頻“光子”的能量、動量、角動量分別對應相等，就讓我們找到了破解“粒子自旋”之謎的鑰匙。根據“π型三重波粒二象性”理論，粒子的自旋不過是從它的娘胎里帶出來的，是粒子的一種內稟特性，例如，當一份“電磁基波”轉化為一個“光子”時，轉化前“電磁基波”的能量、動量、角動量都由轉化后的那個“光子”所承載，也就是說，光子的自旋角動量來源于轉化前的那份“電磁基波”的角動量。其實，這個謎底非常簡單。

隨著“光子自旋”這類艱深物理問題的解決，現代物理學前沿的四大疑難“波粒二象性之謎”、“光的本性之謎”、“粒子與場的關系之謎”、“物質世界的最基本結構單元之謎”也會在“π型三重波粒二象性”的框架下得到解決，我們將會順利進入“后粒子物理學時代”，迎來“物理學的第六次大綜合”——實現“實物（粒子）與場（波）的統一”，建立起“波與粒子的統一物理學”并證實“物質世界的最基本結構單元——‘太極粒子波”的存在。

回首亞里士多德2300多年以前的《物理學》至今，我們不妨大膽猜想一下物理學究竟有哪幾大核心公式。它們應該是主宰物理運動中某一個大類運動的基本定律或公式（例如①主宰機械運動的牛頓第二定律，②主宰電、磁、光運動的麥克斯韋方程，③主宰微觀粒子運動的薛定諤方程），或者是揭示最基本、最重要的物理關系與實質的公式，例如④愛因斯坦質能關系式與甘永超揭示的⑤波粒二象關系式——前者揭示了質量、能量、時間、空間與運動之間的關系，它是物理學中最基本的關系——物理學就是研究物質（質量、能量）在時間、空間中的運動，而后者則是物理學中最重要的關系，因為實物（粒子）與場（波）之間的關系至高無上——被（瑞德尼克）稱之為“物理學所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰”，也是愛因斯坦一輩子苦苦求索的對象。

作為一種印證，當您在電腦中輸入“世界上最偉大的十大公式”并進行搜索時，大多數時，上述“物理學的五大核心公式”都能全部入選，只要把“波粒二象關系式”作為德布羅意方程組（普朗克公式與德布羅意公式之組合）的升級版就行。

我們殷切期望：由中國學者創立的“波粒二象關系式”能夠躋身“物理學的五大核心公式”與“世界上最偉大的十大公式”，為人類的文明和進步做出不朽的貢獻。我們也期望“巨光子炮”能夠早日問世，為維護世界和平、全面銷毀核武器做出貢獻。endprint

參考文獻

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