粒子观点对传统波动说的挑战与思考（一）
第一节 粒子说与波动说争论的焦点及各自的不足
近代以来，物理学取得了丰硕的成果：16世纪天文学家哥白尼的“日心说”取代了“地心说”，17世纪牛顿提出三大运动定律和万有引力定律，奠定了经典力学理论的基础。18世纪发现了点电荷并建立了库仑定律，19世纪X射线、放射线和电子的发现，使物理学的研究由宏观进入到微观，也标志着现代物理学的产生。20世纪初爱因斯坦提出相对论，德布罗意提出了物质波假说，之后薛定谔等人提出了量子力学，“黑洞”“宇宙大爆炸”假说的提出彻底改变了人们的时空观念。相比于之前物理学取得的巨大成就，近几十年来物理学却显得有些沉寂。实际上阻碍当今物理学发展的并不是实验设备和观测手段的滞后，而是认识方法和思想观念的束缚，双缝干涉实验打开了潘多拉魔盒，延迟选择实验引发了人类对因果律的质疑，“虫洞”“平行宇宙”等一系列奇思妙想使物理学发展逐渐偏离了正确的研究方向。原始返终，当代物理学发展的主要瓶颈就是对微观粒子“波动性”的错误认识，而正确认识微观粒子的粒子本质就是彻底解决上述矛上述瓶颈唯一正确有效且明智的选择。人们对微观粒子的研究最早是从光子开始的，物理学发展史上对光本质的认识过程可谓是一波三折，关于光的本质问题物理学家 提出了微粒说和波动说两种主流观点，我们将循着历史的轨迹分析对光的认识过程，并对光的本质进行深入探讨。
微粒说首占上风。17世纪初以牛顿为首的科学家认为光的本质是粒子，光是由一颗颗像小弹丸一样的微粒组成的粒子流，发光物体接连不断地向周围空间发射高速直线飞行的光粒子流，一旦这些光粒子进入我们的眼睛冲击视网膜，就引起了视觉。微粒说可以很好地解释光的直线传播、反射和折射现象，又能解释常见的一些光学现象，加之牛顿在物理学领域的巨大威信，所以光的微粒说很快获得了人们的普遍承认和支持。牛顿指出，在光子进入介质时将受到介质引力作用，因此光在介质中的传播速度大于光在真空中的传播速度。1850年傅科用实验证明光在介质中的传播速度小于真空中的传播速度，对光的微粒说提出了挑战。这也是光的微粒说难以解释的第一个问题：为什么光进入介质会减速而离开介质又会突然增大速度，并且这一过程可以反复重复，是什么原因使光的速度反反复复发生变化的呢？ 波动说取得初步胜利。惠更斯坚持认为光是一种机械波，由发光物体振动引起，依靠一种特殊的叫做“以太”的弹性媒质来传播。1801年，英国著名物理学家托马斯·杨进行了著名的
杨氏双缝干涉实验，并在此基础上提出了光的波动说。1808年，拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射线现象，批驳了杨氏的波动说。1809年，马吕斯在试验中发现了光的偏振现象，他发现光在折射时是部分偏振的，因为惠更斯曾提出过光是一种纵波，而纵波不可能发生这样的偏振，这一发现成为反对波动说的有利证据。1811年，布吕斯特在研究光的偏振现象时发现了光的偏振定律。光的偏振现象和偏振定律的发现，使当时的波动说一度陷入了困境，物理光学的研究开始朝着向有利于微粒说的方向发展。1819年，非涅耳和阿拉戈建立了光波的横向传播理论。由于惠更斯认为光在水中的速度小于在空气中的速度，这与牛顿的观点正好相反。1850年，法国科学家傅科采用旋转镜法分别测量了光在空气和在水中的速度，证实光在介质中的传播速度小于真空中的传播速度，为光的波动说再下一城。1882年，德国天文学家夫琅和费首次用光栅研究了光的衍射现象。之后，施维尔德根据光的横波理论对光栅衍射现象进行了成功的解释。至此，光的波动学说普遍获得了承认。光的波动说取得了胜利说明光的微粒说在解释干涉衍射现象时遇到了难以解释的问题，所以光的微粒说难以解释的第二个问题就是：如何正确解释光在干涉衍射现象中形成的明暗相间的条纹。
微粒说再次胜利反转硅油乳膏。1887年，英国物理学家麦克尔逊与化学家莫雷用“以太漂流”实验否
定了“以太”的存在，再次暴露了波动学说的短板。同年，赫兹在实验中发现，当光照射到金属表面上时有电子从金属表面逸出，这种现象称为光电效应。普朗克在1900年研究物体热辐射规律时发现，只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的、而是一份一份进行的，计算的结果才能和试验结果相符。爱因斯坦随后提出了光量子假说，认为光和原子、电子等微粒一样也具有粒子性，光就是以光速C运动着的粒子流，他把这种粒子叫光量子。光电效应的发现和光量子理论的提出使光的微粒说重新占据了历史舞台。光电效应是波动说面临的第一个难题，波动理论完全无法解释光电效应，同时，波动说无法解释光在真空中的传播问题，也不到“以太”存在的证据。
双方握手言欢--光具有波粒二象性。1921年，康普顿散射实验证明X射线具有粒子性。1927年，杰默尔和乔治·汤姆森在试验中证明了电子束具有波的性质。后来人们也相继证明了氦原子射线、氢原子和氢分子射线同样具有波的性质。1961年，克劳斯·约恩松用电子做双缝实验，发现电子也会发生干涉现象。1974年，皮尔·乔治·梅利用单个的电子做双缝干涉实验，也观测到了干涉条纹。为了兼顾光具有粒子性和波动性的事实，人们认为光既具有粒子性又具有波动性，光的本质属性是波粒二象性。至此，人们普遍认同了物质波理论，认为一切物质都同时具有波动性和粒子性，光子总是以波的形式在空间分布和传播，
它总是同时通过双缝中的左缝和右缝、甚至是同时通过3缝、4缝、5缝或者多条缝，而我们一旦对其进行观测，它就会坍缩为一个点并表现为物质实体属性，这也是量子力学“测不准”原理描述的内容：同一时刻粒子的位置与动量不可能被同时确定。
物质波理论无法解释的问题。就在当代物理学把粒子性和波动性通过胶水工艺粘在一起推出所谓的波粒二象性兼容的“物质波”理论，看起来很厉害的样子，然并卵，问题并没有得到根本解决，相反电子单缝实验和延迟选择实验（量子擦除实验）直接颠覆了我们对因果律的认识，造成了更多的困扰－－未来发生的事情甚至可以改变已经发生的事实，这个推论已经把波动理论的缺陷及矛盾推向了极致，也表明波动理论已经走向了穷途末路，可悲的是人们并没有发现问题到底出在哪而是认为物质的本质就是如此，更有一些喽啰为之摇旗呐喊认为世界本来是不确定的或者是不可认知的。由此，微粒说肩负起的一个重要任务就是：正确解释电子双缝实验延迟选择实验（量子擦除实验），推动物理学研究重新走向正确的研究发展道路。
综上所述，光的波动说无法解释的问题主要有三个：一是光电效应问题，二是光在真空中的传播介质问题；三是合理解释电子双缝实验延迟选择实验（量子擦除实验）。光的粒子
模型需要解释的主要问题也有三个：一是光在介质中的传播速度问题，二是光的干涉衍射现象形成的明暗相间的条纹问题，三是正确解释电子双缝实验延迟选择实验（量子擦除实验）。本章我们将主要围绕粒子模型需要解释的三个主要问题进行分析阐述。
武汉职业技术学院图书馆>如何当好一把手第一节 光在介质中的传播速度及其微观解释
（一）解释光在介质中的传播速度的难点问题。1850年，法国科学家傅科采用旋转镜法测量了光在空气和在水中的速度，傅科测得光在空气中的速度为289000千米每秒。光可以从真空中射向介质，同样可以从介质中射向真空，光在真空中的传播速度为C在介质中的传播速度小于C。解释光在介质中的传播速度最大难点在于光传播速度的变化，如一束光在介质中以0.8C传播，此时光从介质中进入真空则光速度会突然增大到C，再次进入相同介质后速度又会减小到0.8C，传统微粒模型无法解释光子速度突然增大或者突然减小的原因，因为没有任何力的作用使光子突然加速或者突然减速，自然也就无法解释光子在进入介质－真空－介质过程中速度反复变化的现象。
（二）光在介质中的传播速度与真空中的传播速度相同始终是C。看到这里有人会骂标题党，我们强烈建议大家花两分钟时间看完下面的分析再喷。举一个简单的例子，在一条长
度为1000公里的公路上公交车和出租车都以相同的每小时60公里的速度行驶，这条公路上每1公里设有一个车站，按照规定出租车在每站的停留时间为1分钟，公交车在每站的停留时间为5分钟（因为公交车上下车的人比较多需要的时间就长）。则公交车和出租车以相同速度走完这段公路出租车所用时间少于公交车所用时间，也就是说出租车的平均车速大于公交车的平均车速。但实际上，公交车和出租车的速度是相同的都是每小时60公里，只不过公交车在每站停留的时间较长从而使其平均车速较慢，出租车在每站停留的时间较短从而使其李福兆平均车速较快。这个简单例子看不懂的人就洗洗睡吧，不用再往下看了，再看也是浪费时间。
与之类似，光子在真空中和介质中的传播速度始终都是C，只不过光子在真空中传播时没有与原子作用，所以其平均速度始终为C；而光子在介质中传播时会不断与介质中的原子发生碰撞，光子与原子从碰撞到分离是需要一定时间的（就像公交车出租车到每站都要停留一段时间一样），考虑光子与原子的作用时间后自然就造成光子在介质中的平均传播速度小于C。这里我们提出了光子在介质中的平均传播速度这个概念，平均传播速度和光子在介质中的至于夏水襄陵传播速度是两个概念，平均传播速度永远小于传播速度。光子和原子的作用时间指光子与原子从相遇到分离所需要的时间，光子在介质中的传播中会多次遇到介质中的
原子（就像公路上的车站一样），光子遇到原子就会短暂停留一小段时间，之后再离开原子继续行进，光子在行进的路程上不断与原子作用(结合)--分离、传播极小距离后再与原子作用(结合)--分离，这一过程不断重复，造成光子在介质中的平均传播速度小于光子在真空中的传播速度。而实际上光子在介质中的传播速度和光子在真空中的传播速度是一样的，都是C。光子在介质中的平均传播速度主要取决于光子与原子的作用(结合)时间长短，光子与原子作用(结合)时间越长则光子在介质中的平均传播速度越小。实验表明能量不同的光子在介质中的传播速度是不同的，如紫光在介质中的传播速度小于红光在介质中的传播速度，波动理论用不同波长的光在同一介质中折射率不同来解释，但是用粒子模型解释起来更直观也更加符合实际。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议