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对“光是粒子”的质疑

(2011-07-21 23:31:55)
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光的波粒二象性

质疑

新观点

光子论

方法论

科学哲学

物理学

物理机制

分类: 光速问题

对“光是粒子”的质疑

马海飞

(http://blog.sina.com.cn/gfis 2011721)

光到底是波还是粒子?历史上对此有过很多研究。有些人认为光是波,而另一些人认为光是粒子。两个学派曾争论不休。后来爱因斯坦用了一个折中的“波粒二象性”算是平息了这个争议。可是,如果我们仔细分析和研究一下就会发现,虽然争议被平息了,但是这个问题还是没有得到彻底解决。“光到底是粒子还是波”依旧是一个实际存在的问题。

波动理论几乎在所有光学和电磁学的现象中都得到了验证,所以,就目前为止的研究结果和实际应用情况来看,“光是一种波”的结论(波动理论)已经无懈可击。至于“光是粒子” 的结论(光子论),好像从来就没有得到过任何物理实验的直接证实。“光是粒子”的结论只不过是来自一些用波动理论难以解释的实验结果。例如,因为人们难以用波动来解释光电效应,所以就认为光是粒子。很显然,这种通过间接方式得出的结论是不可靠的。用波动理论无法解释光电效应,也许是因为波动理论本身不完善而导致它不能正确描述波动与电子运动之间的关系造成的。但这种理论上的不完善并不是否定光实际存在波动性的证据。也不是一个可以让人们作出这样结论的“合理”理由:只要是用光波动理论解释不了的现象就一定证明“光是粒子”。所以,“光是粒子”这个结论的正确性非常让人怀疑。不仅如此,这种间接的证据实际上也并不多。此外,我们知道,任何科学理论中的概念都必须是明确的,理论本身都必须是自洽的。任何存在自相矛盾的理论和观点都不可能是正确的。光子论也不应该例外。如果要说“光是粒子”的话,那么这个结论就不应该存在概念混乱和自相矛盾的地方。可事实正好相反,在“光是粒子”的观点中存在很多概念混乱和自相矛盾的地方。这些都再一次让人对“光是粒子”的结论产生了怀疑。看一个结论是否正确不能只看它合理的那个方面,更重要的是要看它是否存在不合理的地方。从这些不合理的地方很有可能会让人找到前所不知的重要线索并发现新的自然规律。为此,本文对“光是粒子”的结论从以下几个方面提出质疑。

一、没有质量的粒子是不是真正的粒子?认为光是粒子的学派把“光子”视为为“组成光的基本粒子”。他们认为光的形成来自于光源向外发射光子的过程。光的传播是光子运动的结果。最难以让人理解的是他们认为:“光子是没有静止质量的粒子”。仅此一点就存在非常严重的自相矛盾。如果光子是一种粒子,它就必定有静质量。如果它没有静止质量,那么它就一定不是粒子。客观世界中不可能存在没有质量的粒子。所以,要么光子不是粒子,要么光子必须是有静质量的。二者不可兼有。所以,把“光子”叫做“没有静质量的粒子”是一种对“粒子”概念的混淆使用。如果光子确实存在的话,也不应该把它叫做粒子,而应该给它一个不会与粒子概念混淆的名称。我们知道在数学和几何中的“点”可以是不占空间的,因为那个点是“抽象”的,是客观不存在的。是否“光子”也是一个数学的“抽象粒子”,而并不是一个客观存在的“质点粒子”呢?这是质疑之一。

二、没有质量的粒子以什么形式存在?我想无论如何都不会有人能够讲清楚没有质量的粒子的具体存在形式是什么样子。而研究却发现,没有静质量的光子在传播过程中具有动量。一个没有质量的光子,又无法描述它的存在形式,它却可以运动。而且在运动过程中还能让能量转化出动质量。听起来象鬼魂一般。对此,我们站在物理学的立场上不得不问:产生这个过程的物理机制是什么?因为没有物理机制的物理现象是不可能实际存在的,所以,如果不能说明没有静质量的光子是如何存在的,它的动质量是如何产生出来的,那么又如何证明“光子”是实际存在的粒子呢?这是质疑之二。

三、如果光子运动可以产生动质量,那么动质量在撞击到一个物体的时候就会产生出动能。与此同时,光子回复到质量为零的静止状态。如果是这样的话,那么,在这个质能转化过程中就应该产生出一个“光线推动物体的作用力”。可是,从来都没听说有人发现过可以用光来推动物体运动的现象。也许有人会说光子的能量全部消耗在光电效应中了。可是,能够产生光电效应的光波波长和频率都是有要求的。并不是所有的光都能产生光电效应。那些不能产生光电效应的光子的能量哪里去了?这是质疑之三。

四、粒子的运动形式是(线性)轨道式的。如果作为粒子的光子存在,那么光子就应该以质点的轨道形式运动。质点的运动形式与波完全不同。质点的运动速度完全是由质点所受到的能量大小决定的,而波的传播速度完全是由介质决定的。光的传播速度显然是由介质而不是由能量决定的。而且,轨道式的质点运动是不可能出现多普勒效应的。而光却可以出现多普勒效应。所以,这些现象难道不都与“光的粒子性”相矛盾吗?这是质疑之四。

五、 光的粒子性无法解释光速不变现象。如果光是粒子,那么粒子就遵循伽利略相对性原理。当观察者运动的时候,光子的传播速度就应该与观察者的运动速度叠加,那么观察者测量到的光速与静止时的光速就应该不同。事实上,“光速不变现象”的产生是通过波长的不断调整实现的。而粒子并不具备这种调整能力,所以,光的粒子性与光速不变现象之间的相互矛盾又怎么解释呢?这是质疑之五。

六、并不是所有波长的光都具有产生光电效应的能力。而是只有特定波长的光才可以产生光电效应。这正好说明,在光电效应中发生作用的不是“粒子性的特征”,而是“波动性的特征”。如果光电效应是粒子之间的碰撞产生的话,那么,只要是光,就会有“光子流”存在。只要光子击中电子就可以产生出光电效应,与波长和频率之间可能有“量”上的相关性,但不应该有决定光电效应是否出现的临界值存在。然而,实际观察发现,当光的频率低于临界值的时候,根本就不会出现任何光电效应。为什么低频率光的光子就无法撞击电子了呢?难道在光电效应中除了粒子之间的碰撞之外就没有别的可能把电子释放出来吗?这是质疑之六。

七、光与声音之间的比较。光与声音的传播在形式上具有很多相似之处。我们知道,在发声过程中不存在任何从声源向外发射粒子的现象。所以,声音的传播不存在“声子”运动的现象。声音的传播是通过介质的波动实现的。而且,当一辆大货车从你家窗外经过的时候,你可能会听到在你的书架上放着的一个小东西发出响声甚至从书架上掉落下来。喷气式飞机从一些建筑物附近经过的时候,虽然没有直接的物体接触,但也可能把建筑物上的玻璃窗户震碎。在这些现象中都不存在质点与质点之间的直接接触。人们之所以没有用粒子性来解释这些现象,那是因为人们已经对这种现象的产生机制非常清楚了。类似的现象如果发生在光上,人们可能就会用粒子性来解释它们。随着质量场的发现,已经可以确信,质量场就是光的传播介质。因此我们就可以提出这样的疑问:难道光电效应的产生机制与声音的这种(共振)效应就没有类似之处吗?难道在光电效应中必须要有粒子的传递才能产生这个效应吗? 如果声音的能量可以通过介质让被空间距离隔开的物体运动,为什么光就不可以呢?用光电效应来证明光的粒子性有什么意义呢?这是质疑之七。

八、在光的传播过程中波与粒是不可能同时存在的。粒子传播是一种主体物质在空间距离上的运动形式,它伴随着主体物质的位移。而波动是能量的传播,并不存在主体物质的位移,仅仅是介质在原地的往复运动。质点粒子是不可能沿着波动的波形曲线随时改变方向快速向前运动的。所以,在光的传播过程中,要么是波动,要么是粒子的质点式运动,两种运动形式不可能同时存在。因为有直接证据证明光具有波动性,而没有直接证据证明光具有粒子性,再加上波动与粒子运动不可并存,所以,光的粒子性令人怀疑。这是质疑之八。

看来,用“波粒二象性”对光的解释似乎是使用了一种哲学的诡辩术。首先使用的是混淆概念的手法。借用物理学中的粒子概念来定义光子,而实际上光子却根本就不具备粒子的基本特征。久而久之,因为没有别的更好的解释,或在一些人的“炒作”之下,人们就渐渐地但不明不白地把光子作为一种“特殊粒子”接受了。于是这种混淆概念的手法就获得了成功。结果,科学家们就可以对光所表现出来的现象在需要用粒子特征解释的时候就用粒子性来解释,在需要用波动来解释的时候就用波的特性来解释。当别人指出这些解释中存在的自相矛盾的时候,回答一定是这样的:你要知道,光子不是普通的粒子,而是一种特殊的、没有静质量的粒子。这句话实际上是对“光子是粒子”的否定。但是因为光子概念中盗用了“粒子”这个概念,所以,绕来绕去它又成了“粒子”。把人绕晕之后,问题也就没法再问下去了。矛盾也就不了了之了。这种解释问题的做法可能会对人类认识光的本质造成很坏的影响。因为它可能掩盖了“光所表现出粒子性的真相”。也许,光在某些物理现象中所表现出来的“粒子性”并不是真正的粒子行为,其背后可能隐藏着重要的物理机制和自然规律。可是,当人们习惯了使用光的波粒二象性解释光的各种现象之后,就会自以为是地以为自己已经完全理解了光子是什么,因此就不会再去考虑这个现象背后的机制问题了。科学理论的自洽性是在明确的概念基础上建立起来的。使用混淆概念的自圆其说的理论无论听起来怎样地“合理”,都不能表示那个理论是自洽的。所以,波粒二象性根本就不能解释光在物理机制上的行为和作用。

光的粒子性可能是来自对光现象的错觉。就像从前“地心说”来自人们对地球周围天体相对运动所产生的错觉一样。我认为,光应该是一个波场,而不是“线性”的。“光线”的说法是民间对光的俗称,并不科学。光的波粒二象性应该这样理解:光是构成光源发光物质的基本粒子的强烈波动通过介质向外传播出来的一个波场。在这个过程中不存在向外放射粒子的问题。也就是说,光是由发光体物质的基本粒子的剧烈波动产生,是由波的形式向外传播。二者缺一不可。由于构成不同发光物质的基本粒子的结构不同,所以产生的波动频率不同。但是,波的传播速度是由介质决定的,所以,这些频率不同的波却可以在同一个介质中以同样的速度向外传播。在光电效应中表现出来的“粒子”性特征很可能是某些光的波与电子运动周期之间的某种和谐性所产生出来的类似“共振”的场效应导致的。光波本身什么物质特性都没有,仅仅是介质在波动。所以,在没有任何物体存在的时候,我们根本就看不到光波的存在。这就是为什么夜晚的天空是黑暗的原因。在黑暗的夜空中不是没有光波存在,而是因为没有物体存在。月光是太阳发出的光波激活了月球表面物质的基本粒子而从月球发出的光波场。光的很多现象可能都与作为光介质的质量场的存在有直接关系。关于这方面的详细情况将在另文中探讨。

本文对“光是粒子”的质疑并不是以“否定光的粒子性”为目的做出的。质疑的重要意义至少有两个:1)是对“光是粒子”结论是否正确的一种检验。如果这些质疑得到了解除,那么就证明光的粒子性的结论是正确的,否则就证明它是错的。2)是为了发现光粒子性背后可能隐藏的秘密。如果能够确定“光不是粒子”的话,那么,科学家就应该认真地考虑到底什么物理机制导致了光电效应中“光粒子假象”的出现。发现问题是解决问题的前提。而只有解决了问题科学才能发展。质疑的过程就是一个发现问题的过程。如果通过质疑能够识别出“光的粒子性是一种假象”,那么才有可能让人们去揭示真相。只有揭示出真相,才会对我们正确认识光的本质和对光的利用产生重大实际的科学意义。

本文引用地址:http://blog.sina.com.cn/s/blog_63a266370100xh8p.html

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