太極初開,陰陽合抱,陰中含陽,陽中含陰,陰陽合諧,相輔相成,這就是世界的本原,也是波粒二象性的本質。原來,世界的本原與波粒二象性的本質是相通的……

陰陽合抱(第一種波粒二象性——波與粒子是完全平等的,由愛因斯坦1905年揭示)

陰中含陽(第二種波粒二象性——粒子在運動上具有波動性,由德布羅意1923年揭示)

陽中含陰(第三種波粒二象性——波在結構上具有粒子性,由甘永超1994年揭示)

第一種波粒二象性——“光的波粒二象性”由愛因斯坦1905年揭示、密立根1916年用實驗驗證,曾頒發“理論(1921年)”與“實驗(1923年)”兩個諾貝爾物理獎。它揭示了微觀客體可以彌散形態(波)或凝聚形態(粒子)這樣兩種不同的形態存在(如圖1中π的左、右兩部分,其中的“波”與“粒子”都是客觀實在,但它們在存在的時間上卻相互錯開,滿足一定條件時還可以相互轉化)(自然注:實際上這種認識還可前進一步,即立位於零去關注波粒二相的完全統一。這樣必然具有三種客觀存在的狀態:粒子態、波態和零子態。粒子態有形;波態有象;零子態無形無象,與真空基態為完全相融。零子態表徵的太極必然是雙s而非單s,且存在中宮空如之地)。

第二種波粒二象性——“實物粒子的波粒二象性”由德布羅意1923年揭示、大衛孫和小湯姆孫1927年用實驗驗證,也曾頒發“理論(1929年)”與“實驗(1937年)”兩個諾貝爾物理獎。它揭示了當微觀客體以“粒子”的形態存在時,“粒子”在運動上具有波動性(第二種波粒二象性,見圖1中π的右半部分:其中的“粒子”與“波”同時存在但它們存在的形式卻是一“實”一“虛”,“波”是“粒子”存在的反映(說明“粒子”在運動上具有波動性),兩者不能互相轉化)。

第三種波粒二象性——“經典電磁場在結構上具有粒子性”由博主於1994年用嚴謹的數學推理揭示(將Dirac1927年所做的電磁場按模式分解進一步推進到電磁場按光子對應分解,從而使每一個“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)。它揭示了當微觀客體以“波”的形態存在時,“波”在結構上具有粒子性(第三種波粒二象性,見圖1中π的左半部分:其中“波”與“粒子”同時存在但它們存在的形式卻是一“實”一“虛”,“粒子”是“波”存在的反映(說明“波”在結構上具有粒子性),兩者不能互相轉化)。而在此之前經典電磁場卻一直是連續的、根本沒有分立的概念。

《西遊記》中孫悟空的形象在我國是婦孺皆知。我們不妨利用吳承恩所想像的“孫悟空”的故事來幫助我們理解“π型三重波粒二象性”。假設我們所研究的物件(光)像孫悟空一樣,具有七十二般變化……
當孫悟空變成一群粒子(光子)的時候,孫行者的真身就消失了,我們所能看到的是一群粒子,而這群粒子是由孫悟空變化而來的,故與其它的粒子有所不同,它們在運動上具有波動性。
當孫悟空變成一團彌散的電磁波的時候,孫行者的真身也不見了,我們所能看到的是一團彌散的電磁波,而該團彌散的電磁波也是由孫悟空變化而來的,故與其它的波也有所不同,它在結構上具有粒子性——可以看作是一系列“電磁基波”的疊加,而每一個“電磁基波”的能量、動量、角動量都能與(上一狀態)那群粒子中的某一個粒子(光子)的能量、動量、角動量分別對應相等。所以,一團彌散的“電磁基波”就相當於一個“准粒子”(我們不妨把這個與“電磁基波”相當的“准粒子”命名為“虛光子”。一個“虛光子”的能量、動量、角動量與一個“實光子”的能量、動量、角動量是完全對應相等的,只是沒有“實光子”的凝聚形態,而是以一團彌散的“電磁基波”的形式出現)。
如此,“一群粒子(光子)”與“一團電磁波”就都是孫悟空的化身,兩者之間可以相互轉換,它們都是兩種真實的存在。但是,孫悟空的這二種(存在形式)化身卻不能同時出現(就像白骨精變成老翁、老婦、少女一樣),必須在存在的時間上相互錯開。這就是“第一種波粒二象性”(如下圖中“π”上面的“一橫”所示,相當於愛因斯坦1905年揭示的光的波粒二象性)。
當孫悟空變成“一群粒子(光子)”的時候,這些粒子(光子)在運動上具有波動性。此時的“波”與“粒子”雖然是同時存在,但是,它們在存在的形式上卻又不相同:此時,“粒子(光子)”是一種真實的存在,而“波(光子的德布羅意波)”卻是一種虛假的存在,是那些“粒子(光子)”存在的反映——“粒子(光子)”在運動上具有波動性。這就是“第二種波粒二象性”(如下圖中“π”的“右半邊”所示,相當於德布羅意1923年揭示的實物粒子的波粒二象性)。

當孫悟空變成“一團彌散的電磁波”的時候,這團彌散的電磁波在結構上卻具有粒子性。此時的“波”與“粒子”雖然是同時存在,但是,它們在存在的形式上也不相同:此時,“波(電磁波)”是一種真實的存在,而“粒子(虛光子)”卻是一種虛假的存在,是一種“准粒子”,是那些“波(電磁波)”在結構上具有粒子性的反映。這就是“第三種波粒二象性”(如下圖中“π”的“左半邊”所示,相當於甘永超1994年揭示的“經典電磁場在結構上具有粒子性”)。
所以“波粒二象性”難於理解,讓很聰明的人都犯糊塗,就是因為有這樣三種“波粒二象性”攪和在一起,而我們又沒能有效地把它們加以區分,於是,就有了“波”與“粒子”的模棱兩可、撲朔迷離、亦波亦粒、非波非粒、真真假假、虛虛實實、同時異態、同態異時……
我們需要孫悟空的火眼金睛,才能有效地區分這“三種波粒二象性”。很顯然,“第一種波粒二象性”是“本質上的波粒二象性”,它所涉及的“波”和“粒子”都是真實存在的物質,是平等的,只不過在“存在的時間”上相互錯開而已;而“第二種波粒二象性”和“第三種波粒二象性”卻是“現象上的波粒二象性”,它們所涉及的“波”和“粒子”是不平等的,一個是真實存在的物質,而另一個卻是前者存在的反映,是意識!這種“現象上的波粒二象性”就像“樹”與“樹的影子”一樣,雖然兩者同時存在,但它們在“存在的形式”上卻具有本質的區別:一個是真實的存在,而另一個卻是虛假的存在,是前者存在的反映。

前面我們已經對“孫悟空”變成“一群粒子(光子)”與“一團電磁波”的情況做了分析。現在,我們將對“孫悟空”是怎樣在“一群粒子”與“一團電磁波”之間進行變化的過程進行一番剖析。
很顯然,“孫悟空”可以先變成“一群粒子”,再變回它的原形,而後,又由其原形再變成“一團彌散的電磁波”。不過,這樣變化起來有些麻煩,減緩了變化的速度,在實戰中一旦與妖魔鬥法,在氣勢與速度上就先輸了一成,聰明伶俐的“孫悟空”當然不會這麼幹,他很可能在“一群粒子”與“一團電磁波”之間直接進行變化。那麼,“孫悟空”又是怎樣在“一群粒子”與“一團電磁波”之間進行變化的呢?
讓我們先回憶一下《西遊記》中對“孫悟空”與“二郎神”之間一段鬥法的描述吧:那大聖趁著機會,滾下山崖,伏在那裏又變了,變做一座土地廟兒,大張著口,似個廟門,牙齒變做門扇,舌頭變做菩薩,眼睛變做窗戶。只有尾巴不好收拾,豎在後面,變做一根旗竿。真君趕到崖下,只見一間小廟,急睜鳳眼,仔細觀之,卻見旗竿立在後面,笑道:“是這潑猴了!他今又在那裏耍我。我也曾見過許多廟宇,卻從不曾有旗竿立在後面的,斷是這畜生在搗鬼!倘若哄我進去,他便一口咬住。我怎肯進去?等我先搗窗戶,再踢門扇!” 悟空聽得,心驚肉跳。“好狠!窗戶是我眼睛,門扇是我牙齒。若搗了眼,打了牙,卻如何是好?”撲的一個虎跳,又冒在空中不見了。

由此可見,“孫悟空”的變化,是有著一種基本單元的對應關係的。那麼,“孫悟空”又是基於一種什麼樣的對應關係而在“一群粒子(光子)”與“一團電磁波”之間進行變化的呢?這得借助於一位中國科學家的工作。他在許多年以前就基於嚴謹的數學推理而完成了“經典電磁場按光子的對應分解”。也就是說,他從數學上嚴格證明了可以把“一團電磁波”看作是一系列“電磁基波”的疊加,而每一個“電磁基波”的能量、動量和角動量都能與一個相應光子的能量、動量和角動量分別對應相等!一旦在“光子”與“電磁基波”之間建立起了這種對應關係,那麼,“孫悟空”就可以“作法”了。只要將“一群粒子(光子)”中的每一個粒子都變成一團與之相對應的“電磁基波”,那麼,這些“電磁基波”的疊加就是我們所需要的那團“電磁波”!反之,將“一團電磁波”中的每一團“電磁基波”都變成一個與之對應的“光子”,那麼,這些“光子”的集合也就是我們所需要變成的那群“粒子”了。
由於“孫悟空”法力無邊,無所不能,甚至還敢大鬧天宮,所以,他可以在“一群粒子(光子)”與“一團電磁波”之間變來變去(其實,也就是“光子”與“電磁基波”之間的變來變去)。然而,一旦回到我們的物理現實,凝聚態的“光子”與彌散態的“電磁基波”要在極短的時間內完成相互轉化卻是違反相對論原理的,我曾為此傷透腦筋,甚至一度想到過放棄!那些質疑“第三種波粒二象性”以及“三種波粒二象性和諧統一”的專家,如果能夠提出類似的問題,將會點到我的死穴。因為,分佈在無限空間的“電磁基波”不可能在一瞬間之內收縮成為一粒“光子”,否則,能量的傳遞就會超過光速,那將是不可能發生的事情!

經過一段相當長時間的苦思冥想,當我把“孫悟空”的法力與量子場的基態相結合時,終於參透了其中的奧妙,克服了違反相對論的困難。實際上,如果不借助其他東西的幫助,彌散的“電磁基波”是不可能在一瞬間之內收縮成為一顆“光子”的!從“孫悟空”的角度講,那是借助於“法力”——是“孫悟空”通過“作法”而將一系列彌散的“電磁基波”變成一顆一顆的“光子”(它不受相對論原理的限制)。而在實際中我們則是借助於處於基態的量子電磁場(或者稱作處於基態的“真空”)。
我們知道,彌散的“電磁基波”是疊加在“處於基態的量子電磁場”之上或者存在於基態的“真空”之中。“孫悟空”的“作法”就相當於彌散的“電磁基波”被處於“基態的量子電磁場”(或者“真空”)就地吸收(而不是彌散的“電磁基波”在一瞬間之內收縮成為一顆“光子”)。此時,彌散的“電磁基波”消失了,而處於“基態的量子電磁場”由於吸收了一個“電磁基波”的能量就會由原來的基態而跳到激發態。由於處於“激發態的量子電磁場”(或者“真空的激發態”)的壽命非常短,所以,瞬間過後,處於“激發態的量子電磁場”就會放出一個“光子”而又從新回到原來的基態。很顯然,處於“基態的量子電磁場”吸收的“電磁基波”與處於“激發態的量子電磁場”發出的“光子”具有完全相同的能量、動量和角動量。反過來,“光子”也是存在於處於“基態的量子電磁場”或者“真空”之中。“孫悟空”的“作法”就相當於使處於“基態的量子電磁場”(或者“真空”)吸收這顆“光子”。此時,一顆“光子”消失了,而處於“基態的量子電磁場”由於吸收了一顆“光子”就會由原來的基態而跳到激發態。由於處於“激發態的量子電磁場”(或者“真空的激發態”)的壽命非常短暫,所以,瞬間過後,處於“激發態的量子電磁場”就會放出一團彌散的“電磁基波”而又重新回到原來的基態。在整個過程中,處於基態的量子電磁場(或者處於基態的真空)並沒有發生根本的變化,而“電磁基波”與“光子”卻在不停地變來變去。
從上述過程的表面上看,我們似乎只看到了一團團彌散的“電磁基波”與一顆顆“光子”之間的相互轉化(或者是一團彌散的“電磁波”與“一群光子”之間的相互轉化),但實際上卻還有“孫悟空”在背後“作法”或者是處於“基態的量子電磁場”(或者“真空”)的參與。倘若看不到這些更深刻本質的東西,那麼,我們的認識與瞎子摸象就沒有兩樣,是不可能全面理解光的“π型三重波粒二象性”。

下面讓我們再回到對“π型三重波粒二象性”以及“光的本性”的全面認識上。勿容置疑,光是一種客觀存在的物質。我們對光的本性的認識有點類似於唐僧、豬八戒和沙僧師徒三人對“白骨精”的認識,光的“π型三重波粒二象性”也有點類似於“白骨精”的“π型三重老少二象性(見後面的解釋)”。
當我們把“光”當作“電磁波”時,就有如唐僧、豬八戒和沙僧師徒三人把那個“白骨精”當作送飯的“村姑”。我們對“電磁波(光波)”特性的認識就等同於唐僧師徒三人對那個“村姑(白骨精)”的認識;而“電磁波”在結構上所具有的“粒子性”(即經典電磁場可以按光子對應分解),則相當於師徒三人對那個“村姑”在外貌或氣質上最典型特徵的認識(作為類比,我們假設那個“村姑”的典型特徵是“外貌雖然年輕,但內心卻十分蒼老”)。
類似地,當我們把“光”當作“一群粒子(光子)”時,就有如唐僧、豬八戒和沙僧師徒三人把那個“白骨精”當作尋找女兒的“老婆婆”。我們對“一群光子流(光)”特性的認識就等同於唐僧師徒三人對那個“老婆婆(白骨精)”的認識;而“光子”在運動上所具有的“波動性”(德布羅意所揭示的物質波的波動性),則相當於師徒三人對那個“老婆婆”在外貌或氣質上最典型特徵的認識(為了類比,我們假設那個“老婆婆”的典型特徵是“外貌雖然蒼老,但內心卻很年輕”)。
作為肉眼凡胎的唐僧,甚至還有一些道行和法力的豬八戒和沙僧,都只能看到那個“村姑”或者“老婆婆”的存在以及認識到她們在“外貌或氣質上所具有的特性(包括外貌或氣質上最典型的特徵,例如,“村姑”外貌雖然年輕,但內心卻十分蒼老,而“老婆婆”外貌雖然蒼老,但內心卻很年輕),就像我們只能看到“電磁波”或者“光子”的存在以及認識到“電磁波”或者“光子”所具有的那些特性(包括“電磁波”在結構上具有“粒子性”以及“光子”在運動上具有“波動性”)。只有火眼金睛的“孫悟空”才能透過現象看本質,認識到那個“村姑”或者“老婆婆”都是白骨精的化身。不論她們是“柳眉積翠黛,杏眼閃銀星。體似燕藏柳,聲如鶯囀林。”還是“走路慢騰騰,行步虛怯怯。弱體瘦伶仃,臉如枯菜葉。”其本質都是“白骨精”!是在背後操縱著整個事態發展的主體——“白骨精”!

換句話說(作一個類比),“白骨精”相當於“光”,而“村姑”相當於“電磁波”,“老婆婆”則相當於“光子”。唐僧、豬八戒和沙僧師徒三人僅僅認識到“村姑”和“老婆婆”,離認識真正的“白骨精”還相差十萬八千里,就像我們僅僅認識到“電磁波”和“光子”的特性,離真正認識“光的本性”相差十萬八千里一樣!
對於光的本性,我們也可以作類似的剖析。假設“光”和“白骨精”都是我們認識的物件,那麼,當年麥克斯韋和赫茲認識到“光是一種電磁波”,就相當於唐僧、豬八戒和沙僧師徒三人發現了由“白骨精變成的那個村姑”;當人們認識到“電磁波”具有干涉、衍射、偏振等諸多特性時,就相當於唐僧師徒三人發現了那個“村姑”在“外貌和氣質上所具有的諸多特性”(其中,甘永超發現的那個本質特性——“電磁波”在結構上具有“粒子性”——光的第三種波粒二象性,就相當於唐僧師徒三人發現的那個“村姑”的本質特性——“外貌雖然年輕,但內心卻十分蒼老”——“白骨精”的第三種老少二象性)。當年愛因斯坦和康普頓發現“光就是一群粒子(光子)”,則相當於唐僧、豬八戒和沙僧師徒三人發現“白骨精變成的那個老婆婆”;當人們認識到“光子”所具有的諸多特性時,就相當於唐僧師徒三人發現那個“老婆婆”在“外貌和氣質上所具有的諸多特性”(其中,德布羅意發現的那個本質特性——“粒子(光子)”在運動上具有“波動性”——光的第二種波粒二象性,則相當於唐僧師徒三人發現的那個“老婆婆”的本質特性——“外貌雖然蒼老,但內心卻很年輕”——“白骨精”的第二種老少二象性)。

當然,我們還可以更進一步地類比。例如愛因斯坦當年揭示“光具有波粒二象性——光有時像“粒子”有時又像“波”(光的第一種波粒二象性)”,就非常類似於“孫悟空”揭示“白骨精具有的老少二象性” ——“白骨精”有時像“村姑”有時又像“老婆婆”(這是“白骨精”的第一種老少二象性)”(這裏只考慮“白骨精”的前二種變化而沒有考慮她的第三種變化。她的第三種變化將用來模擬對光的本性的“波”“粒”二象之外的新發現)。既然“光”可以一會兒變成“粒子”而另一會兒又變成“波”(光的第一種波粒二象性),那麼,“白骨精”也可以一會兒變成“村姑”而另一會兒又變成“老婆婆”(“白骨精”的第一種老少二象性)!當“光”變成“粒子”的時候,這些“粒子”在運動上具有“波動性”(光的第二種波粒二象性)就相當於當“白骨精”變成“老婆婆”的時候,這位“老婆婆”“雖然外貌蒼老,但內心卻非常年輕”(“白骨精”的第二種老少二象性);當“光”變成“電磁波”的時候,這些“電磁波”在結構上又具有“粒子性”(光的第三種波粒二象性)就相當於當“白骨精”變成“村姑”的時候,這位“村姑”“雖然外表年輕,但內心卻十分蒼老”(“白骨精”的第三種老少二象性)。如此,當我們暫時忽略“白骨精”的第三般變化(變成“老翁”)時,就可以把“光的π型三重波粒二象性”與“白骨精的π型三重老少二象性”很好地類比:“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”。當然,由於後來又發現了“白骨精”的其他變化(變成了一個“老翁”),所以,現在的“π型三重老少二象性”還不能完全揭示“白骨精的本性”,還必須有新的發展,這就像我們發現了光的“波”“粒”二象之外的新特性以後,“光的π型三重波粒二象性”不能完全揭示“光的本性”一樣!
到目前為止,我們還沒有發現光的“波”“粒”二象之外的新特性,所以,“光的π型三重波粒二象性”就比較全面地揭示了“光的本性”。只有當我們發現了光的“波”“粒”二象之外的新特性以後,“光的π型三重波粒二象性”才需要進一步發展。

在現代物理學中,主張“光的量子理論能夠包含光的經典電磁理論”,就是企圖用光的“量子圖景”來全面揭示“光的本性”,這就相當於在《西遊記》中用那個尋找女兒的“老婆婆的圖景”來全面揭示“白骨精的本性”一樣滑稽、可笑!好在近80年來“光的量子理論能夠包含光的經典電磁理論”沒能找到一個實驗證據,要是真找到了這樣的實驗證據,那物理學的麻煩可就大了,又不知會在一片混沌中度過多少蹉跎歲月(就像科學史上基於“彈性乙太理論”來研究光學而虛度了幾十年光陰一樣)……
讓我們重溫一下光學中的聖經——《Principles of Optics》by Born & Wolf 中的一段話——“菲涅耳的工作給波動理論奠定了如此牢固的基礎,以致傅科與斐索和佈雷格特在1850年所進行的一項由阿拉果首先建議的仲裁實驗,都顯得近乎多餘了。微粒理論用光粒子在介面上受到向光密媒質這邊的吸引來解釋折射,這就要求光密媒質中的光速比較大;相反,波動理論依據惠更斯作圖,要求光密媒質中的光速比較小。傅科等直接測量了空氣和水中的光速,結果毫無疑問,判定波動理論獲勝。”
博主的工作,其實也有點類似于當年的菲涅耳——提出了一套理論並設計了一個判決性實驗(除發表了一系列科學論文之外,還撰寫了一篇中級科普文章和三篇大眾科普文章)。同樣,該判決性實驗的結果也像菲涅耳當年的一樣,無所謂。因為,“光的量子理論能夠包含光的經典電磁理論”雖然受人追捧,閱盡人間春色,但80年來卻找不到一個實驗證據,這就從反面證實了與之相反的(博主的)理論無疑是正確的!“孫悟空”與“如來佛”都知道這些!

 

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