第二节
《重新审视光的本质与波粒二象性》
在物理学的广袤领域中,光的本质始终是核心且极具争议的论题,而波粒二象性更是关键焦点所在。然而,“光具有波粒二象性”这一定义究竟赋予了光怎样的特质呢?此表述着实模糊不清。所谓的“光子”,既是粒子又是波,既非纯粹的粒子也非纯粹的波,仿若一个“四不像”。
那么,“光子”到底是什么?我始终笃定地认为:“波和粒子是物体的两种不同属性。”粒子归属于物质范畴,而波是描述物质运动的一种属性,并非物质本身,二者决然无法等同。
我觉得光就是粒子,它和高速飞行的子弹有相似之处,却也存在差异:高速飞行的子弹具备可观测性,而对于“光子”而言,光能够照亮“他物”,却无法照亮自身。在观测光子这件事上,我们无疑成了名副其实的“瞎子”。
现在,让我来阐释一下杨氏双缝干涉实验。哎呀!该如何讲起呢?在此之前,咱们不妨先来一场奇妙的思想之旅!
我们搭乘着想象的飞船抵达布莱德(英语:瞎子)王国。这个王国甚是奇异:其国民皆为瞎子,被称作布莱德毛。由于布莱德王国的民众皆双目失明,久而久之,便形成了独特的布莱德文明。
走,咱们去那边瞅瞅,那里似乎颇为热闹,想必有重大的新闻事件正在发生。
原来,有两个布莱德毛在打赌(在布莱德王国,赌博是合法的,且受国家法律保护)。打赌的缘由是这样的:在一条公路上,由于公路与铁路立交,公路从铁路下方穿过,而且一个方向上就有两个桥洞。一个布莱德毛(我们称其为布莱德左)认定汽车必定从左洞通过;而另一个布莱德毛(我们叫他布莱德右)则坚信汽车必定从右洞通过,为此他们下了一千万布莱德元的赌注。由于布莱德王国的人都是瞎子,他们无法亲眼观察汽车究竟从哪个桥洞经过,所以,他们只能通过倾听声音来判断汽车的运动,通过用手触摸的感觉来确认汽车的存在。于是他们俩分别在桥洞的上方各安装了一个话筒,心里想着:只要汽车从哪个桥洞经过,耳机必然能听到呼啸之声。
打赌开始了,为确保公平公正,布莱德左和布莱德右请来了布莱德王国皇家物理协会的会长——布莱德扬来进行公证。为了让对方输得心服口服,他们各自戴上对方桥洞的耳机,即布莱德左戴右洞耳机、布莱德右戴左洞耳机。不一会儿,一辆汽车呼啸着穿过桥洞,两个布莱德毛同时瘫坐在地,惊呼:“哎呀!我输了”。这可难住了布莱德扬,因为此次赌注竟然没有赢家,他无法进行公证。思索片刻后说道:“你们当中必定有一人在说谎,毕竟众所周知,汽车必定只能通过一个桥洞”。因此,布莱德扬只好表示:“这次不算数,由于没有赢家,你们俩各自戴回自己的耳机,重新再赌一次”。
布莱德左和布莱德右都同意重新再赌。于是,布莱德左戴上左洞耳机、布莱德右戴上右洞耳机。过了一会儿,一辆汽车开过了桥洞。布莱德左和布莱德右同时兴奋地喊道:“我赢了”。
这时,布莱德扬发火了,摆出皇家物理协会会长的威严:“你们闹够了没有?当我好欺负是不是!刚才没有赢家,现在没有输家,等下我真判定你们两个都在撒谎,统统拉出去枪毙”。这可把布莱德左和布莱德右吓坏了,因为在布莱德王国,撒谎可是重罪,布莱德扬并非在吓唬他们。他们都委屈地说道:“我的确两次都听到了汽车通过的声音”。
布莱德扬:“鬼才信呢?你们俩中必定有人撒谎,我跟你们较上劲了,这赌局不管你们愿不愿意都必须继续下去。这两次都不算,下一次你们俩都不许戴耳机了,由我一只耳朵各戴一只”!
两个布莱德毛都点头同意。于是,布莱德扬左耳戴左洞的耳机、右耳戴右洞的耳机。一辆汽车呼啸而来,穿过桥洞。布莱德扬随口惊叹:“啊!汽车同时经过了两个桥洞”。“会长也撒谎!”观众齐声呼喊。此时,布莱德扬惊恐万分:“我的确同时听到了两只耳机传来的声音”。观众齐声说道:“不可能,会长撒谎,应当接受法律的制裁”。
于是,可怜的布莱德扬被抓了,因撒谎罪被布莱德王国检察院批准逮捕。然而,布莱德扬拒不认罪,一直喊冤。由于布莱德扬是布莱德王国皇家物理协会会长,关于布莱德扬的撒谎案案情很快惊动了布莱德王国国王,为了维护法律的尊严,也为了确保公平公正,国王决定亲自审理此案。
国王重复了布莱德扬的做法,两只耳朵各戴一只耳机,一辆汽车开过桥洞,两只耳机同时响起,国王惊讶地说道:“会长没有撒谎,布莱德扬是被冤枉的”。布莱德王国法院的法官布莱德斯坦:“不可能吧,有这种事?国王”。国王:“不信!你试试”。法官也做了一次试验,最终确定会长无罪。布莱德斯坦法官说道:“看来,运动的汽车具有波粒二象性”。
就这样,布莱德王国的物理理论中新增了一条定律——运动的物体具有波粒二象性。
哈哈,因为我们拥有眼睛,能够清晰地看到汽车是从某一个桥洞通过,所以能够明确知晓这条定律的错误所在。但是,对于布莱德毛来说,否定这条定律难以理解。因为他们是瞎子,缺失了一种认识事物的本能。
哦!抱歉,讲了这样一个故事,还是让我们回到光子的问题上来吧,瞧瞧我们人类是如何了解光子的。实际情况是这样:对于光子而言,光子能够照亮其他物体,却无法照亮自身。我们探索物理就如同盲人摸象,受到感知的限制,仅能获取部分信息,却自认为了解了全部,于是乎大象便成了扇子,成了柱子……进而引发无休止的争吵!而实际情况是,对于大象的形状特征,我们连百分之一都未曾掌握!正因如此,才会产生争执!倘若能够意识到自身了解的不足,再多探索几个方面,是否就能达成共识,又何来争论?
所以,所谓的观测,如果不经过理性的分析和探讨,是会具有欺骗性的!牛顿第一定律指出“物体的运动不需要力来维持,力是改变运动的原因”!为何这一真理历经人类数千年,直到牛顿才得以提出?难道以前的人都未曾见过物体的运动吗?并非如此!是因为他们未曾深入思考!
对于光而言,我们能够感知光子的存在,却无论如何都无法知晓光子的形态、大小等具体特征。也就是说:人类只能测量光子,却无法清晰地观测光子。哦,这句话表述得仍不够准确——测量光子的什么呢?应当说我们只能测量光子由于运动产生的波,而非测量光子本身。所以,对于光子而言,我们人类就如同瞎子——无法获取光子的本身信息,而只能凭借测量光子由于运动产生的波来研究光子。因此,用测量光子运动的实验结果来定义光子本身是不科学的。爱因斯坦对于光的波粒二象性的描述存在逻辑矛盾,因为粒子是物质,波是运动或运动的产物,波和粒属于不同的类别。也就是说波和粒是无法统一的两个截然不同的概念。
德布罗意已经证明了高速飞行的子弹会产生波,这种波被称为物质波。因为是德布罗意的发现,所以也被称作德布罗意波。因此,高速飞行的子弹也具有波粒二象性。我现在试探性地给出方程式:
能量表达式:
对于飞行的子弹,根据德布罗意物质波的理论,其物质波的波长λ = h / p,其中 h 是普朗克常量,p 是子弹的动量。
子弹的总能量 E 可以表示为动能 Ek 加上由于其波动性产生的能量 Ew:
E = Ek + Ew
子弹的动能 Ek = (1/2)mv² (m 是子弹的质量,v 是子弹的速度)
子弹的动量 p = mν。
动量表达式:
子弹的总动量 P = mv + Pw (其中 Pw 是由于子弹的波动性产生的动量部分)
我吃饭得一口一口吃,做分析也要一段一段研究。以后会以牛顿和爱因斯坦的理论基础,用全新的视角!用二到四节的内容来分析和解读杨氏双篷干涉实验!
今天凭空虚构一个瞎子国出来是想说明一个问题:我们在探索自然的道路上!世界给我们封闭了很多入口!我们永远无法知晓事物的全部!我们所掌握了解的只是事物的碎片。不要以为人类是高智商生物就以为什么都是强项!其实根本不是这么回事:动物可以感知地震,能看见红外线,植物能常温常压合成氨,能常温常压把二氧化碳合成有机物……。我们人类了解自然连万分之一都没有……。观测不通过思考就是个骗人的把戏。
我们能否像解释光子一样——(光子是粒是波又非粒非波)来解释子弹呢?不能,因为我们可以用眼睛清晰地看到子弹的大小、形态以及运动状态。这意味着:因为我们无法看见光子,仅依据一个实验数据就将其描述为“四不像”;因为能够看清“子弹”,而“子弹”同样具有杨氏双缝干涉实验的实验数据,所以“子弹”被认定为“粒子”;而光子却成了“四不像”。我们的物理学还是唯物的吗?假设存在一个外星人,他除了具备我们人类所有感知事物的感官以外,还拥有“第六感”——比我们人类多一种感知事物的本能,他能够清晰地感知“光子”是从哪一条窄缝穿过。那么,这个外星人会不会像我们嘲笑布莱德毛一样,嘲笑我们的“波粒二象性”是一条荒谬的定律呢?
结论:德布罗意已经证实了运动都能产生波!那为何不说飞行的子弹具有波粒二象性呢?爱因斯坦对光的描述是极其不准确和模糊的!粒子是光的固有特征,波只不过是光子运动的产物,这才符合逻辑!我要重新开启波粒之争,以推动物理学的进步!