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粒子衍射学说

(2013-06-16 15:47:51)
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杂谈

波粒二象性的本质                           

凡伟

                                     E-mail:1543268874@qq.com

 

摘要:光的波粒二象性是一个从牛顿时代就遗留到如今的困惑,至今没有人能解释为什么光以及其他物质粒子为什么会具有波粒二象性,更没有谁能用其中的一种性质成功统一另一种性质,毫不疑问,波粒二象性需要被解释。基于对关于光的波粒二象性与介质波的对比研究发现,光的本质是一种粒子,光之所以具有干涉、衍射现象等‘波的性质’,是因为光束粒子在传播过程中与空间游离的死光子(虚光子)发生相互作用使其衍射造成的,从而使光具有波粒二象性,准确的定义:光是一种粒子衍射波。同理,其他物质粒子具有的‘波性质’也是衍射造成的。由于光的本性得以确定,在探讨光的传播速度性质问题上就显得很明了,通过进一步研究发现,光束衍射(波效应)的本质就会导致光速与光源的运动无关,这可以从另一个角度对相对论中‘光速绝对’的看法提供一种全新的认识视角;另一方面,从光束衍射的本性还可以揭示出:光波粒二象性的本质很可能导致恒星发出的光谱呈现普遍红移,这可以对宇宙红移的看法提供另一种全新的解释。这一研究发现对物理学的新进程具有非常乐观的意义。

 

关键词:波粒二象性;粒子衍射波;相对论;光谱红移;哈勃定律

 

中图分类号:NO

            

 

引言:

在科学历史上,从来没有那个问题像波粒二象性的争论那么持久,先后有:“笛卡尔‘以太’说,牛顿光学的粒子说,惠更斯、托马斯·杨、菲涅尔波动说,再到普朗克黑体辐射和爱因斯坦光电效应的量子说”。但是,最终的结果仍然没有真正揭示光究竟是波还是粒子,只能勉强的称为波粒二象性,问题是,我们无从得知为什么光会具有波粒二象性,且这背后隐藏了什么?【1】【2】【3】【4】

正是我们不清楚‘二象性’本质背后隐藏了什么,所以导致我们谁也不能用其中的一种性质去统一另一种性质,不过接下来我们将试图用粒子的性质去统一波的性质。并且在统一的过程中还会产生意外的收获:一方面是,光在不需要介质‘以太’的条件下,用粒子衍射的波效应可以完美的解释并证明光速与光源运动无关的光谱双星、超新星等天文观测实验,从而揭示迈克尔逊——莫雷实验在没有探测到介质‘以太’的条件下,不需要像爱因斯坦那样假设‘光速是绝对’的来解释光速为什么与光源的运动无关,这样我们就要对狭义相对论进行从新的认识。【5】【6】【7】【8】【9】

另一方面是,由于光所具有的‘波性质’是由于光束粒子与失去动量的游离死光子(虚光子)相互作用产生的衍射造成,而这种相互作用的存在就必然导致光在传播过程中出现能量损耗,且随距离的传播越远,损耗量越大,进而导致光谱在传播过程中频率逐步变低,产生红移,且红移量随传播距离的变大而变大,也就是光波粒二象性的本质就决定了光谱必然发生红移。这样就需要对违背能量守恒定律的宇宙膨胀红移的观点进行从新的认识,因为支持宇宙大爆炸的最有力证据:‘宇宙微波背景辐射’可以从波效应相互作用产生的能量得到解释。【10】【11】【12】【13】【14】

通过对波粒二象性的统一,可以很好的去解决‘量子力学’不确定原理的本质,还可以对相对论和宇宙膨胀红移理论进行全新的认识,这对解决当下的物理学困惑具有非常乐观的意义。     

 

一:光的本质是一种粒子衍射波。

1.1下图为水波的衍射实验衍射图纹分布图像。【7】

粒子衍射学说

          图1

 

根据图1水波衍射实验图像分析可得,随着衍射面由(a)--(c)的宽窄变化,衍射环宽度始终保持,这说明介质水波的衍射环宽度是均匀的。

 

1.2:下图为光波的衍射实验衍射图纹分布图像。

   粒子衍射学说

                                  图2

由图2光波的衍射实验图纹分析可知,光波衍射图纹的明亮衍射环宽度是分布不均匀的,且总是由中间向四周递减。这种光的能量集中分布的实验现象说明光的能量在衍射过程中不能(像水波)一样被完全衍射开来,从而就反应出了引发光衍射的是一种低密度的介质。

 

根据衍射图像分析,我们把由衍射中心这个明亮衍射圆面的半径用R1表示,第二个明亮衍射环的宽度用R2表示,把空间游离介质粒子密度(介质粒子的空间饱和度)用e表示,这样我们就可以建立一个用来表示衍射量大小随介质粒子饱和度大小的变化公式:

 粒子衍射学说 (1)

其中,介质粒子饱和度e的取值范围0~1,1为饱和度值,因除数不能为0,当e值为0时,此方程坍塌,同时物质粒子不再有波的性质,物质粒子的运动原理变为牛顿经典力学的运动原理;当e值为1的饱和值时,2R1-R2=R1,衍射环没有宽窄变化,粒子衍射波变为介质纯波。由此可以看出,粒子衍射波是牛顿经典运动力学与介质之间的桥梁。

1.3:下图为电子衍射图像。

粒子衍射学说

图3(注:本文衍射图像为按照一定比例缩放的真实实验图像,在网上和教科书上随处可见)

 

根据图3可知,电子的衍射图像能量也是分布不均匀的(其中R1大约为0.8厘米,R2大约为0.4厘米,2R1-R2=1.6-0.4=1.2≠R1),属于一种低密度介质衍射,且通过与图2衍射环的宽窄变化相比,可以确定,引发电子衍射的介质条件密度远低于光子衍射条件。

 

小结:考虑到任何波的衍射介质都是由粒子构成,这里就可以把衍射充分的衍射波比如声波、水波定义为‘介质衍射波’,衍射不充分的波比如光波、电子波以及其他物质粒子波定义为‘粒子衍射波’。

 

2:介质衍射与粒子衍射的衍射原理

下图4为介质衍射的惠更斯衍射原理,图5为粒子衍射原理,其衍射原理完全相同,而衍射介质条件不同。

粒子衍射学说

图4 介质衍射的惠更斯衍射原理

 

粒子衍射学说

       

图5 粒子衍射原理及其图像

B: particle diffraction principle and image

 

小结:通过对以上两种衍射的分析可知,介质衍射的衍射条件是存在均匀连续的介质,而粒子衍射的条件是低密度不连续的游离介质粒子。

 

3:粒子衍射的性质。

因为介质衍射与粒子衍射的区别仅在于衍射介质密度上的问题,这样其衍射原理都一样。

 

考虑到同属于波衍射,这样粒子衍射就满足波衍射原理,可用数学公式表示为:

波长=频率X波速

      λ= V ƒ (波原理)    (2)

 

考虑到光是一种粒子衍射波,具有粒子的性质,并且我们还有一个已知关于光能量子的普朗克常数h,关于光的能量计算就可表示为:

             能量=普朗克常数x频率

         E = h v (光的能量) (3)

 

为了更直观的反应出光波的量子(粒子)性质,可将(3)转化为:

            普朗克常数=能量/频率

h=E/v(波量子)   (4)

 

考虑到其它物质粒子也具有波的性质,可运用德布罗意物质波公式来表述为:

             波长=普朗克常数/动量

            λ=h/p (物质波)  (5)

 

这样,由于粒子衍射波既具有波的性质,又具有粒子的性质,对于粒子衍射波在这里就可以建立的波粒二象性方程组来表示:

粒子衍射学说

 (6)

 

如上图5所示:波原理表示粒子衍射波是一种波,波量子表示光具有粒子的性质,而物质波表示其他物质也具有波的性质,组合起来就可解释波粒二象性的本质。

 

同时,根据波粒二象性是一种粒子衍射波的本质,我们还可以建立粒子衍射波的波函数:

考虑到单粒子衍射是一种运动过程中引发游离的其他粒子运动衍射造成的一种粒子衍射波效应,我们就需要对波恩假定进行从新定义:粒子衍射波在空间某处出现的强度,正比于该处出现的粒子数目,粒子衍射波强度表示的不是单个粒子在该处出现的概率,根据粒子衍射波原理,粒子衍射波强度表示的就是单个或多个粒子运动引发空间游离粒子衍射后在该处出现的粒子数目。这样,波函数粒子衍射学说表述的是粒子在空间分布的衍射批次(衍射量幅),同时波函数粒子衍射学说就具有了物理意义,表示的是单位时间内,某空间位置可探测到衍射粒子批次的量的多少。粒子衍射学说     ,衍射批次的平方表示的就是‘衍射密度’。衍射密度表示物理意义是:在t时刻,粒子衍射学说点处单位体积内发现衍射粒子量的多少。

这样,粒子衍射波的波函数仍然可以沿用自由粒子波函数(不过这里单个或多粒子的粒子束都适用),如下:

 

 

粒子衍射学说(7)

                                                                          

小结:由上面可知,介质衍射与粒子衍射其衍射原理相同,但介质衍射只具有波的性质,而粒子衍射具有波粒二象性。从而也就是说:光和其他物质粒子的波粒二象性是由于粒子衍射波效应的缘故,这样我们就可以揭开光的波粒二象性的本质和量子力学不确定原理的本质。

 

4:粒子衍射的衍射条件实验证明

如果说光所具有的‘波性质’是由粒子衍射造成的,那么就必须具备衍射的条件:‘真空不空’,且存在着大量游离粒子。根据2011年6月3日瑞典查尔姆斯理工大学在《自然》杂志公布的一项实验结果表明,实验成功的从真空中捕获到了不断出现和消失的光子,成功将虚拟光子转变成真实光子,制成了可测量的光,首次观测到40多年前就曾被预言的动力学卡西米尔效应,即平行金属板在辐射场真空态中存在吸引力的现象。从而证明真空并非所谓的虚空,而我们知道,这里所谓的虚光子实际上就是引起光束衍射的条件:失去动量的游离死光子。下图为卡西米尔效应原理图。(电磁相互作用力就是通过游离的死光子来实现的)

  粒子衍射学说

                                                                                                   图6:卡西米尔效应

 figure 8: Casimir effect

 

5:总结

通过以上推导及其实验证明,光的本质是一种粒子衍射波,波粒二象性由粒子衍射造成。

 

二:波效应之光速非绝对:推论《一》

6:波粒二象性导致了光速与光源的运动无关

6.1:通过以上推理及其实验证明,光波粒二象性的本质是粒子衍射波效应。由于波的性质,而这样就可解释迈克尔逊——莫雷实验在没有探测到光介质‘以太’的情况下光速为什么与光源的运动无关,从而就可以解释光谱双星、超新星等天文观察实验为什么显示光速与光源运动无关。而我们知道,爱因斯坦认为‘光速绝对’进而建立相对论的根本原因就是为了解释:“在光没有探测到传播介质‘以太’的情况下,为什么光速还与光源的运动无关”,进而才认为光速在任何惯性参考系中都是恒定不变的,并且这在当时是唯一合理的解释,逻辑上也根本不存在任何问题。【6】【8】【9】【10】(注:迈克尔逊-莫雷实验之所以不能探测到光的介质,是因为光本质上就不存在像波一样均匀连续的介质,而仅属于一种波效应)

 

6.2:现在已经清楚,用光速绝对来解释为什么光速与光源的运动无关可以是一个多余的假设,也就是说光速不是绝对的,如下图7光束对照实验所示,可以证明光速是相对的。

   粒子衍射学说

                  图7: 光束对照实验

               Figure 10: beam control experiment

 

如果光速不是绝对的,那时间相对也就无从谈起,由时间相对引发的时间膨胀、长度收缩、质量增加等效应也就无从谈起。

并且我们知道,验证空间相对的‘飞机地面思想实验’实际上只能证明空间里的‘位置’是相对是,而不能证明空间是相对的。【8】

这样就说明时空的绝对性是毋庸置疑的!

 

6.3:考虑到相对论中光速绝对是错误的,那么相对论中所示的质能方程就要被修改,这种物质转换为能量的形式就应该表述为一般的动能方程,如下:

粒子衍射学说(8)

6.4:根据动能方程,物体的速度只与物体的质量m成反比例关系与能量E成正比例关系,进而就可以得出两个推理:

 

推理一:光速不是上限,超光速很常在,表现为比光子更小的物质基本粒子;

 

推理二:在物质粒子一定的条件下,只要能量充分,一般的物质粒子也可超光速,这可以去观察超新星爆发所产生的高能射线或核裂变以及一些放射性衰变,切记勿把超光速现象解释为时间膨胀的荒谬见解(注:光速不是一个恒定不变的值,目前所测量得到的光速值是光子的宏观群体效应所显示的值,在一定条件下,即使是光子本身也能超出现有数据所测量得到的光速值)。

 

三:宇宙并非在膨胀:推论《二》

7:波粒二象性的本质必然导致宇宙红移

7.1通过以上实验证实,光是一种光束粒子与游离粒子相互作用产生的粒子衍射波。这样,因为光在传播过程中存在相互作用,所以必然就存在能量损耗,而这种能量损耗必然随传播距离的增大而增大,这样就必然形成一种光束传播的‘疲惫光效应’,并且最终导致光谱频率降低、发生红移,且红移量随传播距离的增大而增大。(注:这里的‘疲惫光效应’不同于之前科学界提出的星际尘埃‘疲惫光效应’假说,这里是指光波粒二象性的本质就决定了光谱必然发生红移)

满足下列关系:粒子衍射学说

               (9)

从该关系式可得,我们在地球上观测遥远星系发出的光,光谱必然会发生红移,且红移量随距离的增大而增大。这样就对认为红移是由行星退却产生的哈勃定律做出挑战,换句话说我们就不能再认为宇宙一定在膨胀。【10】

 

7.2:下图8为宇宙微波背景辐射板块状分布图,由于‘疲惫光效应’产生的能量能更好的解释大爆炸理论所不能解释的这一实验现象。(注:斑块状分布图恰恰与恒星的不均匀分布相符)【10】【11】【12】

粒子衍射学说

图8: 宇宙微波背景辐射斑块分布图

 diagram 11: the cosmic microwave background radiation patches pattern

 

7.3:仙女座星云以及其他少数几个发生蓝移的星云支持宇宙非膨胀的‘疲惫光效应红移’假说。(注:认为在小范围内出现蓝移是允许的观点经不起推敲,因为这意味着一个不断膨胀气球的两个斑点会靠近)

 

粒子衍射学说

 

9:仙女座星系图像

        diagram 12: Andromeda galaxy image

 

7.4:物理学者索尔·珀尔马特布莱恩·施密特亚当·里斯“透过观测遥远超新星而发现了宇宙加速膨胀”,因此,共同荣获2006年邵逸夫天文学奖与2011年诺贝尔物理学奖。而对于宇宙的加速膨胀的说法这里也是可以解释的。如下图(13-A-B)所示,当随着时间的推移,由于恒星在不断的向外辐射光粒子,这样就导致空间的游离粒子在不断累积,当之后发出的光与游离粒子相互作用时,能量的损耗量必然比之前的量大,疲惫光效应就更加明显,当我们进行观测时:之后恒星所显示的亮度必然就比之前的较暗,且红移量也会明显变大。这样就从另一个角度解释了超新星光亮度比理论值较暗的原因,从而认为宇宙不一定在加速膨胀。

粒子衍射学说

                                                 B       

                            图10:粒子衍射

                      figure 13: particle diffraction

 

跟以上原理分析,用数学表达可表示为:

粒子衍射学说    (10)

 

由以上推理及实验现象可知:‘宇宙膨胀红移’我们完全可以用光束传播的‘疲惫光效应红移’来解释。

 

推理一:由于宇宙微波背景辐射的本质是‘二象性’损耗的能量,又由于宇宙恒星正一直不断的向宇宙空间辐射粒子,那么可以肯定,宇宙微波背景辐射的温度并不像大爆炸宇宙论观点所言的在冷却,而是在上升。(特殊因素除外)

 

推理二:由于宇宙空间中充满着无数游离的粒子,这样必然时常与行星和恒星发生相互作用,最终必然导致恒星和行星运动变慢。

 

 

四:总结

粒子衍射波效应的发现,解释了光为什么会具有波粒二象性和量子力学不确定原理的本质,结束并解释了物理学的巨大争议和困惑;另一方面证明了波效应是导致光速与光源运动无关的本质,可证明光速不是绝对的,进而有必要对狭义相对论产生质疑;最后研究还发现波粒二象性的本质必然导致光谱的普遍红移,从而对宇宙红移提出一种全新的解释,这样就有必要对目前的大爆炸膨胀宇宙观从新进行一番全新的认识。整体对解决当下物理学的很多困惑具有非常乐观的意义。

 

 

参考文献:

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光论/(荷兰)惠更斯著;蔡勖译.——北京:北京大学出版社,2007,10  第一章:论沿直线传播的光线 11-16页

 

【2】 Optical / (English) the Newton, ZHOU YUE-ming et al., Beijing: Peking University press,2007, 1

光学/(英)牛顿著;周岳明等译. ——北京:北京大学出版社,2007,1

 

【3】 Particles and the universe / (beauty) kyle · the later small-horned relatives; LEI QUAN translation. -- Shanghai: Shanghai science and technology literature press, 2008.4 32-33 (ZHI SHI CHUANG) pp. 67-78

粒子与宇宙/(美)凯尔·柯克兰德著;雷泉译.——上海:上海科学技术文献出版社,2008.4  32-33(知识窗)页 67-78页

 

【4】 Light and optical / (beauty) kyle · the later small-horned relatives; WEN QING et al., Shanghai: Shanghai science and technology literature press, 2008.4 4 to 8 page 14 to 15 pages

光与光学/(美)凯尔·柯克兰德著;文青等译.——上海:上海科学技术文献出版社,2008.4  4-8页 14-15页

 

 

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物理学史/(美)弗·卡约里著;戴念祖译,范岱年校——桂林:广西师范大学出版社,2002.8  112-121页 147-148页

      

【6】 Float to where two a dark cloud: hand in hand to the theory of relativity and quantum theory/YANG GUANG-Jun, WU Yu-Gong editor. - Beijing: GUANG ming daily press, 2007.6 27 to 30 pages 21-30 page 40-53 page

何方飘来两朵乌云:携手相对论与量子论/杨广军,吴玉红主编.——北京:光明日报出版社,2007.6  27-30页 21-30页 40-53页

 

【7】 Harry's university physics. Part ii / (beauty) harry DE, REISS Nick, the walker, ZHANG SAN hui and translation; TENG XIAO YING adaptation, etc. - Beijing: mechanical engineering press, 2009.2 (22-1-6) 190-226 (24-1-5) 264-276

哈里德大学物理学. 下册/ (美)哈里德,瑞斯尼克,沃克著;张三慧等译;滕小瑛等改编.——北京:机械工程出版社,2009.2 (22-1-6) 190-226页  (24-1-5) 264-276页

      

【8】  Expatiate theory of relativity / [beauty] shan na · Bligh Walter, Cynthia · the Phillips, Chen Gu-QIAN translation. - Harbin, HEI Long-JIANG science and technology press, 2007.6 pp. 66-77

细说相对论/[美] 莎娜·布莱沃,辛西娅·菲利普斯著;陈家乾译.——哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,2007.6  66-77页

 

【9】  Special and general relativity elementary introduction / (beauty) Einstein (Einstein, A.) the; Yang Run-YUN YI. - Beijing: Peking University press, 2006.1 6-28 pages

狭义与广义相对论浅说/(美)爱因斯坦(Einstein, A.)著;杨润殷译. ——北京:北京大学出版社,2006.1  6-28页

       

【10】  Physics astronomy front / [British] f. hoyle, [printing] J · NA no in the card; HE XIANG-Tao, ZHAO Jun-Liang translation; - Cambridge: Cambridge university press, 2005.2 (10-5-6) 321-332 (12-2-3) 390-401 (13-8) 448-453

物理天文学前沿 /[英]F·霍伊尔,[印]J·纳里卡著;何香涛,赵君亮译;——湖南:湖南科学技术出版社,2005.2  (10-5-6)321-332页 (12-2-3) 390-401页 (13-8)448-453页

 

【11】 Graphical astronomy/XUAN HUAN-Can, XIAO NAI YUAN garden. - Nanjing university press, 2012.2 pp. 281-291

图解天文学/ 宣焕灿,萧耐园 编著.——南京大学出版社,2012.2  281-291页

 

【12】  Physical light/QI XIN, etc. -- Shanghai: Shanghai science and technology literature press, 2005.8 pp. 106-111

物理之光/齐欣等编著.——上海:上海科学技术文献出版社,2005.8 106-111页

 

【13】  The state of the universe: modern cosmology entry / (English) pedro g. Frey took; ZHAO SHU static translation. -- Shanghai: Shanghai science and technology literature press, 2011.1 pp. 146-157

宇宙的状态:现代宇宙学入门/(英)佩德罗·G.弗雷拉著;赵舒静译.——上海:上海科学技术文献出版社,2011.1  146-157页

 

【14】20th-century physics / (beauty) with Adams, ZHOU FU-XIN, porch planting China , Shan ZHEN GUO translation. -- Shanghai science and technology press, 2006.7 (14.3.4) 270-272

20世纪的物理学/(美)亚当斯著;周福新,轩植华,单振国译.——上海科学技术出版社,2006.7 (14.3.4)270-272页

                

 

The particle theory of diffraction

Fan Wei

(Yunnan university physics department of Kunming 650091)

 

Abstract: the wave-particle duality of light is a legacy from Newton to today's confusion, until now no one can explain why light and other particles of why have wave-particle duality, more no one can use one of these properties successfully unified, another kind is no doubt, the wave-particle duality need to be explained. Based on wave-particle duality of light and medium wave comparison study found that the nature of light is a kind of particle, light the reason is the nature of the phenomenon of interference, diffraction, etc 'wave', because the light particles in the process of propagation and space free of dead photons interact (virtual photons) so that it is caused by diffraction, thus make light wave-particle duality, accurate definition: light is a kind of particle diffraction wave. Similarly, other matter particles has the nature of 'wave' is also caused by diffraction. Be determined by the nature of light to, on the velocity of propagation properties of optical problems seem to be very clear,

Through further study found that the beam diffraction wave (effect) will lead to the nature of the movement of the light source and the speed of light, it can from another Angle 'absolute' at the speed of light in the relativistic view provides a new perspective; On the other hand, from the nature of beam diffraction can also reveal: the nature of the light wave particle duality is likely to lead to present common stars spectrum redshift, which provide another view of redshift universe new explanation. The findings of physics of the new process has very positive meaning.

 

Key words: the wave-particle duality; Particle diffraction wave; The theory of relativity; Redshift spectrum; Hubble's law

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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