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从光的波粒二象性谈起 引言 光是粒子还是波？科学界争论了几百年，直到20世纪20年代提出“波粒二象性”后，才告一段落。然而波和粒子的解释相互不协调，自量子论诞生以来，许多物理学家和哲学家都顽强地拼搏过这个问题[1]，遗憾的是都无果而终。虽然“光具有波粒二象性”已被人们广泛接受，但笔者认为，这仅是一种限于当时科技和认识水平而被迫妥协的结果，许多人将它视为一个权宜之计，而不是一个终极的答案。 1. 光束与单光子在干涉机制上的矛盾 在科学界，杨氏双缝干涉实验被视为光具有波动性的关键证据，单粒子的双缝干涉实验被视为粒子具有波动性的有力证据。 理性比较光束和单光子的双缝实验不难发现，前者的解释是通过双缝后的不同光子之间发生干涉，而后者的解释是同一个光子同时通过双缝后与自身干涉。显然，对于同一套实验装置产生的干涉条纹出现了两种完全不同的干涉机制。 难道自然界为我们准备了多套干涉方式，以供我们根据需要来任意选择吗？面对上述两种实验事实，显然我们已经陷入干涉机制的解释困境之中。 2. 光的波粒二象性在适用范围上的矛盾 现代物理学认为，对于光的波动性和粒子性，它们的适用范围是不同的，即讨论光与物质（物体）相互作用时粒子性有效，讨论光在空间中的运动时波动性有效。 现代物理学还告诉我们，不论任何物体，构成物体的分子或原子之间存在着间隙、原子核与电子之间也存在间隙等等。总之，一个物体就是由悬浮于空间中的各级粒子通过不同作用关系逐级构成的一个松散结构的聚合体。 如上所述，根据接触的相对性原理[2]可知，任何物体或粒子间的相互作用都是在一定间隙下通过场传递的。也就是说，无论一个光子与某个物体作用与否，光子始终处于空间之中。而无论物体内的空间还是物体外的空间，它们都是整个连续空间的一部分，光的粒子性和波动性在空间上的精确分界线应在哪个位置呢？显然，从连续空间的角度看，这个分界线并不存在。 可见，“光具有波动性质”的结论是令人怀疑的。 3.对普朗克“谐振子”中的“能量子”的推导 1900年，普朗克从适用于高频的维恩位移定律和适用于低频的瑞利-琼斯分布公式，拟合出了普朗克黑体辐射公式。为了给出公式的解释，普朗克认为，产生电磁波的源可看成是“谐振子”，进而假设谐振子的振动能量（er）只可能取离散值，即：er=nhv0=nε0 与此不同，1905年爱因斯坦为了解释光电效应，假设电磁波本身是量子化的，即光由粒子组成，称之为光子。光子的能量（ev）可表示为：ev=hv 笔者认为，“谐振子”的概念是普朗克为理解他的黑体辐射公式而提出的，它未必是一种真实的存在。因为“谐振子”无法被直接观测，实际上我们是通过观测“谐振子”发出的光子来间接理解它的。换言之，“谐振子”的能量er是通过它发出的光子的能量ev反映出来的。可见，er与ev是同一个物理量。于是有：ev=er=nε0=hv 上式中，ε0不再是“谐振子”中的能量子，而应理解为光子中的能量子。由此可知，光子的能量ev是能量子ε0的整数倍。换言之，光子是由若干能量子ε0构成的，光子所含能量子的数量越多，光子的能量就越高，在真空中它的转动频率也越高。 可见，光的本性是粒子。光的所谓“波动性”的粒子解释详见笔者撰写的《系统相对论》相关章节，限于篇幅，不作赘述。 参考文献 [1] 杨桂林，江兴方，柯善哲.近代物理[m].北京：科学出版社，2009：18-19. [2] 刘泰祥.系统相对论[m].北京：科学技术文献出版社，2012：18. 作者简介：刘泰祥（1969～ ）山东莱芜人，高级工程师，研究方向：理论物理。