物理學(xué)中的荒誕假設(shè)之7波粒二象性

摘要  在物理學(xué)的歷史上，承認(rèn)光是波的波動派與承認(rèn)光是粒子的粒子派，經(jīng)過第三次波粒大戰(zhàn)后握手言和：承認(rèn)光既是粒子又是波。但是，粒子與波是兩種完全不同的概念，光怎么可能既是波又是粒子呢？

關(guān)鍵詞：以太，光波，粒子，光子

1. 引言

波粒二象性如何統(tǒng)一的問題是人類認(rèn)識史上最令人困惑的問題之一，至今沒有解決。在現(xiàn)代物理學(xué)中，波粒二象性這個提法，源自對“光是粒子還是波”的大思考，在科學(xué)的發(fā)展史上，先后經(jīng)歷了三次波粒大戰(zhàn)，最后給出的結(jié)論是：光具有波粒二象性，或者說，光既是波又是粒子，在量子論中，直接將光子定義為基本粒子。但是，波與粒是兩種完全不同的概念，光只能是其中的一種，光怎么可能既是波又是粒子呢？因此，波粒二象性實(shí)際上只是一種假設(shè)。

2. 波粒二象性的產(chǎn)生過程

2.1. 20世紀(jì)之前

在19世紀(jì)末，由于第二次波粒大戰(zhàn)以波動派的完勝而結(jié)束，大家公認(rèn)：光就是波，由于科學(xué)界普遍承認(rèn)以太的存在，因此，光就是以太中的機(jī)械波，與聲波類似。在1900年的英國皇家學(xué)會上，著名物理學(xué)家湯姆遜發(fā)表了新年祝詞：“物理大廈已經(jīng)落成，所剩只是一些修飾工作。”事實(shí)上，經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展到19世紀(jì)末期，可以說是達(dá)到相當(dāng)完美、相當(dāng)成熟的程度，一切物理現(xiàn)象都能夠從相應(yīng)的理論中得到滿意的回答。在那個時候，光是什么的問題根本就不是問題，也不存在波粒二象性的假設(shè)。19世紀(jì)的大多數(shù)物理學(xué)家相信以太的存在，19世紀(jì)末，以太論進(jìn)入極盛時期。

2.2. 波粒二象性的產(chǎn)生

波粒二象性的產(chǎn)生主要有如下幾種原因：

A. 以太被拋棄

以太被拋棄的主要原因有二，一是與以太靜止參考系的假設(shè)相矛盾，二是它怪異的性質(zhì)：必須非常堅(jiān)硬而又必須非常輕盈。以太被拋棄后，光不再是傳統(tǒng)意義上的介質(zhì)波。

B. 黑體輻射問題的提出

普朗克于1901年建立了黑體輻射定律的公式，使普朗克不得不假設(shè)量子的理論，誕生了量子學(xué)說。

C. 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)

1905年愛因斯坦提出了光子假說，認(rèn)為光電效應(yīng)是光子存在的有力證明。

D. 電子衍射的發(fā)現(xiàn)

1924年，德布羅意提出了“物質(zhì)波”假說，認(rèn)為和光一樣，一切物質(zhì)都具有波粒二象性，1927 年，戴維孫和革末在觀察鎳單晶表面對能量為100 電子伏的電子束進(jìn)行散射時，發(fā)現(xiàn)了散射束強(qiáng)度隨空間分布的不連續(xù)性。湯姆遜用能量為2萬電子伏的電子束透過多晶薄膜做實(shí)驗(yàn)時，也觀察到衍射圖樣。電子衍射的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了德布羅意提出的電子具有波動性的設(shè)想，從而證實(shí)了一切物質(zhì)都具有波粒二象性，微粒說與波動說實(shí)現(xiàn)了融合。

2.3. 波粒二象性的確立

在經(jīng)典力學(xué)里，研究對象總是被明確區(qū)分為“純”粒子和“純”波動。前者組成了我們常說的“物質(zhì)”，后者的典型例子則是光波。波粒二象性解決了這個“純”粒子和“純”波動的困擾。它提供了一個理論框架，使得任何物質(zhì)有時能夠表現(xiàn)出粒子性質(zhì)，有時又能夠表現(xiàn)出波動性質(zhì)。量子力學(xué)認(rèn)為自然界所有的粒子，如光子、電子或是原子，都能用一個微分方程，如薛定諤方程來描述。這個方程的解即為波函數(shù)，它描述了粒子的狀態(tài)。波函數(shù)具有疊加性，它們能夠像波一樣互相干涉。同時，波函數(shù)也被解釋為描述粒子出現(xiàn)在特定位置的機(jī)率幅。這樣，粒子性和波動性就統(tǒng)一在同一個解釋中。

3. 為什么波粒二象性是錯誤的？

3.1. 否定以太的存在是錯誤的

以太被拋棄的理由并不成立，一是與以太靜止參考系并不存在，以太是流體，而且以太粒子具有質(zhì)量，憑什么假設(shè)它是絕對靜止的？為什么它不能跟隨地球一起運(yùn)動？難道地球的引力不夠大？憑什么拿洛奇的鋼盤旋轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)與地球相比？如果假設(shè)地球大氣層內(nèi)的以太相對地球靜止，并不會影響對光行差的解釋。二是它的性質(zhì)并不怪異，光傳播速度的平方與以太的壓強(qiáng)成正比，與密度成反比，以太是氣體，并沒有莫氏硬度，為什么必須非常堅(jiān)硬？如果地球軌道內(nèi)的以太與地球一起運(yùn)動，以太對地球的運(yùn)動如何產(chǎn)生的阻力？

如果否定以太的存在，光波就沒有了介質(zhì)，但是，沒有介質(zhì)還是波嗎？否定了以太的存在相當(dāng)于否定了光是波。

否定以太后，人們必須假設(shè)電磁場就是物質(zhì)，必須假設(shè)場可以在真空中以波的形式傳播。但是，電磁場是什么物質(zhì)呢？誰也不知道，誰又聽說過物質(zhì)的存在還與參考系有關(guān)呢？而且電場與磁場是否能夠互變還存在巨大的問號。可以說：否定以太的存在，是科學(xué)發(fā)展史上最大的敗筆！

3.2. 對黑體輻射問題的解釋

在普朗克之前，維恩已經(jīng)給出了黑體輻射定律的公式，但比使普朗克給出的公式在分母上少了一個1。本文認(rèn)為：這兩個公式都是正確的，維恩公式適用于氣體，而普朗克公式適用于固體，其可能原因是：固體中分子間的作用力和距離與溫度有關(guān)（氣體分子間的作用力可忽略）。因此，普朗克公式中分母所多出的一個1，很可能與光是否是量子化的無關(guān)。

3.3. 對光電效應(yīng)的解釋

愛因斯坦雖然因?yàn)樘岢龅墓庾蛹僬f而獲得了諾貝爾獎，但它的解釋實(shí)際上是基于波動學(xué)說的頻率或波長，從電子飛出的方向上看，電子并不是“撞”出來的，而是“振”出來的，而且光電效應(yīng)的發(fā)生對應(yīng)一定的頻率范圍。對光子，連愛因斯坦自己都不知道光子是什么，他說:“我認(rèn)真思考了五十年,光子是什么?但是并沒有找到答案”，這可能就是否定以太的代價。

3.4. 對電子衍射的解釋

如果承認(rèn)以太的存在，那么，任何粒子在以太中運(yùn)動時都會產(chǎn)生波動，而且質(zhì)量越小波動越明顯，就象物體在空氣中運(yùn)動時會產(chǎn)生波動一樣，例如，旗幟在空氣中運(yùn)動時就會產(chǎn)生明顯的波動現(xiàn)象。

4. 結(jié)論

光不可能既是波又是粒子，只能是其中的一種，微粒說與波動說不可能真正融合。波粒二象性只是否定以太后的無奈之舉，如果承認(rèn)以太的存在，光波與超聲波的性質(zhì)基本相同，或者說，超聲波也具有波粒二象性。

既是粒子又是波的說法本身就是矛盾的。