1、波具有粒子性的本性摘要：筆者因?yàn)榭吹讲６笮缘拿苁俏锢韺W(xué)家們沒有解決的難題，而它的對(duì)錯(cuò)卻牽連著整個(gè)物理學(xué)的是非，自在波的現(xiàn)象規(guī)律中發(fā)現(xiàn)了波具有粒子性，并用近十年的時(shí)間依據(jù)與實(shí)驗(yàn)相符的平面簡(jiǎn)諧波及相關(guān)彈性介質(zhì)的物性建立了彈性波的粒子理論，為波具有粒子性的本性提供了證據(jù)。關(guān)鍵詞：通過現(xiàn)象看本質(zhì)波具有粒子性的本性彈性波的粒子理論引言：光速不變?cè)砗筒６笮园l(fā)源于邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射實(shí)驗(yàn)之上，接續(xù)引來的相對(duì)論和量子力學(xué)又形成于假設(shè)的猜想之中。歷史上稱這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為兩朵烏云，說明它們同已有的電磁波理論相矛盾。尤其是普朗克對(duì)黑體輻射實(shí)驗(yàn)給出能量不連續(xù)的解釋，反映的是電磁波的粒子性，更像是對(duì)該理論

2、的否定。如此地想下去，深感物理學(xué)無處不是疑問。日積月累也就形成一種看法：物理學(xué)是越基本越糊涂！自筆者有了這種看法，便在教學(xué)之余為驅(qū)散這揮之不去的陰云開始研究物理理論的創(chuàng)建基礎(chǔ)。能定下研究波粒二象性這個(gè)題目，是因?yàn)樗鼈冊(cè)诖嬖谛问缴喜豢烧{(diào)和。而在對(duì)此二性的泛泛研究中又想到了兩點(diǎn)：其一，粒子性來自牛頓力學(xué)，波動(dòng)性出自經(jīng)典波動(dòng)理論，波粒二象性的矛盾反映了這兩種理論的對(duì)立。因?yàn)槭撬鼈児餐沃麄€(gè)物理學(xué)的大廈，一旦否定其一，物理學(xué)的理論大廈必將坍塌；其二，看物理學(xué)的發(fā)展從粒子性、波動(dòng)性、到波粒二象性，它們已構(gòu)成了對(duì)自然界認(rèn)識(shí)的閉合性，如果我們承認(rèn)對(duì)自然界的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有完成、物理學(xué)中的矛盾還需要解開，這

3、個(gè)理論體系也就必須打破。由此確信，波粒二象性是牽連著整個(gè)物理學(xué)是非和理論思想體系的重大問題，是值得筆者用后半生為之一搏的。為認(rèn)識(shí)波粒二象性而能研究波，是因?yàn)槠绽士说哪芰苛孔踊从车牧Ｗ有允构P者想到：凡是物質(zhì)都因有質(zhì)量而具有慣性，而慣性就是粒子性，因此一切物質(zhì)都具有粒子性的本性。在此力學(xué)觀點(diǎn)下，與粒子性并立且矛盾的波動(dòng)性就成了懷疑對(duì)象。于是，在漫長(zhǎng)的時(shí)間里研究了波，并建立了彈性波的粒子理論，認(rèn)識(shí)到波是由彌散物質(zhì)的慣性作用產(chǎn)生的，證實(shí)了波具有粒子性的本性，從而解開了波粒二象性之迷。1對(duì)波粒二象性的研究我們常說，通過現(xiàn)象看本質(zhì)。但筆者卻沒有把這句話與物理聯(lián)系起來，加之在研究上受著物理學(xué)傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的束

4、縛和在解決問題的方法上又受從假設(shè)出發(fā)的誤導(dǎo)，使得在尋求波的粒子性上陷入了冥思苦想之中。也許是長(zhǎng)時(shí)間的思想沉積起了作用。一日在與熟人閑談過后突然想到，聲波、電磁波都能不失真的傳播波源的信息，肯定是因?yàn)椴ㄖ懈鼽c(diǎn)的擾動(dòng)狀態(tài)具有獨(dú)立性。正是這飛入的想法讓筆者從我們熟知的波的現(xiàn)象規(guī)律中發(fā)現(xiàn)了波本身具有的粒子性。在這欣喜之余，才領(lǐng)悟到“通過現(xiàn)象看本質(zhì)”對(duì)如何認(rèn)識(shí)自然界帶有根本性的指導(dǎo)作用。作為波具有粒子性本性證據(jù)的彈性波的粒子理論就是在這句話的指導(dǎo)下建立的。可以說，筆者是“通過現(xiàn)象看本質(zhì)”才破解了波粒二象性之迷。1.1波具有粒子性的本性波粒二象性不存在在經(jīng)典波動(dòng)理論中，因?yàn)槠矫娌ê?jiǎn)單且基本、并與實(shí)驗(yàn)相符，

5、我們就以它先來揭示機(jī)械波所具有的粒子性本性。設(shè)，平面波用下式表示 (1)因?yàn)椴ㄊ怯刹ㄔ串a(chǎn)生的，因此要搞清波中各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，就必須把波與波源聯(lián)系起來。這里把產(chǎn)生波的作用激發(fā)源稱為場(chǎng)源，把彌散物質(zhì)中接觸場(chǎng)源的點(diǎn)(質(zhì)元)稱為波源。再設(shè)是波源位置，令。稱為波源的歷史時(shí)間，稱t為觀測(cè)時(shí)間，即現(xiàn)在時(shí)間。把（1）式改寫成下式， (2)我們參照(2)式來認(rèn)識(shí)（1）式所表達(dá)的物理涵義：當(dāng)t不變時(shí)，隨x變化。我們看到，每一點(diǎn)x都再現(xiàn)了波源不同歷史時(shí)刻的擾動(dòng)狀態(tài)，并構(gòu)成一個(gè)空間橫向的有序排列。表明在任一時(shí)刻t的波所展示的都是波源擾動(dòng)狀態(tài)的全部歷史；當(dāng)x不變時(shí)，隨t變化。我們?cè)趚點(diǎn)看到的也是波源擾動(dòng)狀態(tài)的歷史變化，

6、并構(gòu)成一個(gè)時(shí)間縱向的有序排列。表明在波線上任一點(diǎn)x也都是展示了波源擾動(dòng)狀態(tài)的歷史；當(dāng)不變時(shí)，x隨t變化。我們看到，波源時(shí)刻的擾動(dòng)狀態(tài)以波速c獨(dú)立地向x軸正向傳播，如同其它擾動(dòng)完全不存在一樣。這就清楚地表明，波是波源所有擾動(dòng)狀態(tài)的傳播，且波中同一時(shí)刻t、不同x點(diǎn)的擾動(dòng)狀態(tài)，同一點(diǎn)x、不同時(shí)刻t的擾動(dòng)狀態(tài)，它們都不相關(guān)，彼此也不發(fā)生相互作用，即波中各點(diǎn)任意時(shí)刻的擾動(dòng)狀態(tài)都具有粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的獨(dú)立性。因此，機(jī)械波必有粒子性的本性。在場(chǎng)的觀點(diǎn)下，電磁場(chǎng)也是一種彌散于空間的物質(zhì)，盡管描述電磁波的物理量與機(jī)械波不同，但所描述的都是擾動(dòng)在彌散物質(zhì)中的傳播，且(1)、(2)式為它們所共有。當(dāng)然，(1)、(2)式

7、對(duì)機(jī)械波揭示的，也就是對(duì)電磁波揭示的。因此，從道理上也能確認(rèn)電磁波也具有粒子性的本性。重溫“凡是物質(zhì)都因有質(zhì)量而具有慣性，而慣性就是粒子性，因此一切物質(zhì)都具有粒子性的本性”這一最基本的力學(xué)觀點(diǎn)，也有了更深刻的認(rèn)識(shí)，它不但是對(duì)波具有粒子性本性的明示，也是對(duì)物質(zhì)具有波動(dòng)性的否定。可見，波粒二象性就錯(cuò)在了“質(zhì)量”這一最基本的概念上。基于上述認(rèn)識(shí)，所謂波就是彌散物質(zhì)內(nèi)部大量粒子性個(gè)體運(yùn)動(dòng)所表現(xiàn)出的一種集體行為，就像多米諾骨牌效應(yīng)那樣，反映的是粒子性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的獨(dú)立性和獨(dú)立的粒子性運(yùn)動(dòng)狀態(tài)在粒子性個(gè)體間傳播的現(xiàn)象規(guī)律。1.2 證據(jù)彈性波的粒子理論為充實(shí)波具有粒子性本性的證據(jù)就得從彌散物質(zhì)的粒子性給出波，出

8、于對(duì)電磁場(chǎng)物性的無奈，也只好將這一想法轉(zhuǎn)到對(duì)彈性波的研究上。因堅(jiān)持了通過現(xiàn)象看本質(zhì)的原則，經(jīng)過近十年的努力，根據(jù)與實(shí)驗(yàn)相符的平面簡(jiǎn)諧波及與其相關(guān)的彈性介質(zhì)的物性找到了彈性波遵從力學(xué)規(guī)律的新形式，從機(jī)制上解決了彈性波的傳播、反射與折射、激發(fā)三大問題，形成了一個(gè)基本功能齊全的沒有假設(shè)的彈性波的粒子理論。它糾正了彈性動(dòng)力學(xué)的錯(cuò)誤、使其中合理的部分得到保留、不合理的部分得到剔除，將質(zhì)點(diǎn)動(dòng)力學(xué)拓展到彈性物體，為波具有粒子性的本性提供了證據(jù)。而之所以說是證據(jù)，就在于它證明了波是由彌散物質(zhì)的慣性作用產(chǎn)生的，只要我們承認(rèn)電磁場(chǎng)也是空間中的彌散物質(zhì)，該理論就同直接證明電磁波也具有粒子性的本性相等效。這里以簡(jiǎn)單的

9、彈性波為例，看一看波是怎樣由彌散物質(zhì)的慣性作用，即粒子性作用產(chǎn)生的。在彈性介質(zhì)中，從波源開始沿波線按或取一系列波質(zhì)元（波質(zhì)元就是遵從力學(xué)規(guī)律新形式的彈性質(zhì)元，波的產(chǎn)生過程都是擾動(dòng)在波質(zhì)元中的傳播時(shí)間等于波質(zhì)元兩兩碰撞的時(shí)間內(nèi)發(fā)生的，c為彈性波的波速，對(duì)于縱波，對(duì)于橫波），再給出對(duì)它們的描述：根據(jù)彈性波的粒子理論，對(duì)平面波（包括橫波和縱波）、可忽略沿球面或柱面垂直向張應(yīng)力的近似的簡(jiǎn)單球面縱波和柱面縱波，因?yàn)樗鼈兪怯刹ㄙ|(zhì)元間的慣性作用產(chǎn)生的，在兩個(gè)相鄰波質(zhì)元間的彈性碰撞都遵從動(dòng)量和機(jī)械能守恒定律，都可列出相同形式的方程組： (3)當(dāng)時(shí)，為平面波（縱波與橫波）的方程組；當(dāng)時(shí)，為簡(jiǎn)單球面、柱面縱波的方

10、程組。因不同形式的波有不同形式的波質(zhì)元，就能得到不同形式的波。平面波： (4)因?yàn)椴ㄊ遣ㄔ磾_動(dòng)狀態(tài)的傳播，而波源一個(gè)擾動(dòng)狀態(tài)的傳播是由相鄰波質(zhì)元兩兩碰撞產(chǎn)生的。根據(jù)這一機(jī)制，我們由(4)可以一直寫出波質(zhì)元的位移un與波源波質(zhì)元的位移u0關(guān)系， (5)顯然，(5)式僅是波源波質(zhì)元某一歷史時(shí)刻（）的一個(gè)擾動(dòng)狀態(tài)的傳播規(guī)律。為表明波與波源的關(guān)系，且全波是波源所有擾動(dòng)狀態(tài)的傳播（體現(xiàn)在的變化上），把這層關(guān)系和意義加進(jìn)(5)式后就得到了對(duì)平面波的完備描述 (6)簡(jiǎn)單的球面縱波： (7)由(7)式可一直寫出波質(zhì)元的位移un與波源波質(zhì)元的位移u0關(guān)系， (8)簡(jiǎn)單的柱面縱波：， (9) 由(9)式一直寫出波

11、質(zhì)元的位移un與波源波質(zhì)元的位移u0關(guān)系， (10)將(10)中的換成就是對(duì)柱面橫波的完備描述。從(6)、(8)、(10)式看到，它們與彈性動(dòng)力學(xué)給出相對(duì)應(yīng)的波只差個(gè)不連續(xù)，但這不連續(xù)恰是彈性波具有粒子性本性的特征，證明了波是由彌散物質(zhì)的慣性作用產(chǎn)生的（我們稱它為慣性波），揭露了納維方程所犯的顛倒因果關(guān)系的錯(cuò)誤。所謂波，僅僅是彌散物質(zhì)傳遞著的波源信息，反映的是彌散物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。這個(gè)理論打破了幾百年來對(duì)衍射干涉現(xiàn)象不能用粒子性解釋的成見，使粒子性與波動(dòng)性得到了本質(zhì)與現(xiàn)象的統(tǒng)一。因?yàn)椴ㄊ怯蓮浬⑽镔|(zhì)的慣性作用產(chǎn)生的，也就證實(shí)了波的衍射干涉現(xiàn)象是由彌散物質(zhì)的粒子性決定的、因作用迭加而產(chǎn)生的一種內(nèi)部運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。之所以障礙物不可缺少，是因?yàn)樗鼌⑴c了作用，改變了彌散物質(zhì)自身作用的傳播方向，使同一波的不同部分相遇。應(yīng)當(dāng)指出，根據(jù)波具有的粒子性本性波速也不該連續(xù)，我們所知道的波速應(yīng)是個(gè)粒子性作用傳播跨越空間的平均速度。因?yàn)楸纠碚摰慕⑺罁?jù)的是彈性動(dòng)力學(xué)給出的平面簡(jiǎn)諧波，在質(zhì)元上也就不能擺脫波速這個(gè)常量，也正是這一原因，才將彈性介質(zhì)中包含波速的質(zhì)元稱為波質(zhì)元。在證實(shí)波具有粒子性本性之后，根據(jù)波的不連續(xù)性就能看出，經(jīng)典波動(dòng)理論的創(chuàng)建采