一、微粒还是波动？

光，是人类所见最多、生命不可或缺的东西。但是，光究竟是什么东西？却是一个悬而未决的疑案。在远古人那里，光是受到崇拜的神灵，是上帝的恩赐。到了古希腊时期（始于公元前800年），人类开始认真考虑光的本质究竟是什么的问题。古希腊人提出光的微粒说，把光看成是一种微小的粒子流。微粒说可以很好地解释光的直线传播和反射折射现象。十七世纪初，人们发现了光的衍射现象，于是提出了光的波动说，认为光是一种类似于水波的波动。波动说不仅可以解释衍射现象，也可以解释光的直线传播和反射折射现象。波动说假设传播光波的介质为“以太”，星光通过以太传到地球。波动说和微粒说都是为了解释光的现象和性质，然而本性又明显对立。它们犹如一对前世冤家，两者之间的恩怨和论战一直延续至今。有关粒子说和波动说之间争战历史的文献汗牛充栋，《上帝掷骰子吗 - 量子物理史话》一书有精彩的戏剧化叙述。

十七世纪后半叶，关于颜色属性的导火索点燃了第一场波粒大战的战火。微粒说将光的颜色解释为不同微粒的特性，波动说认为颜色是由光波的不同频率引起的。起初，惠更斯主帅带领的波动说军队攻克了光的双折射阵地，明显占有上风。后来，身为物理学统帅的牛顿亲率微粒说大军强势反击，收复了全部光学阵地。第一场波粒战争以波动说的失败而告终，导致了微粒说在光学领地长达一个世纪的统治。

十九世纪初，波动说利用托马斯·杨锻造的光的双缝干涉重炮（1807年）轰开了微粒说阵营的大门，拉开了第二场波粒大战的序幕。微粒说以马吕斯制造的光的偏振大炮（1809年）与之对阵，双方一时相持不下。1819年，在法国科学院举行的悬赏征文赛决战中，波动说阵营的菲涅尔利用改造后的横波大炮，一举攻占了光的衍射和偏振阵地，给微粒说以致命一击。此后，微粒说节节败退，溃不成军。1850年，傅科以水中光速测定的一纸报告，宣判了微粒说的死刑。第二场波粒战争以微粒说的失败而告终，波动说从此登上了统治的宝座。

为了说明波动的基础，波动说假设“以太”是光波传播的介质，波动王朝需要以太这个光明的使者提供统治合法性依据。这种光以太充满太空，看不见，摸不着。它必须相当坚硬以承载高速的光波，而又非常轻盈不致妨碍任何星体的运动。以太使者的怪异特性受到了敌对势力的攻击，也遭到了波动阵营的嫌弃。幸运的是，麦克斯韦的电磁场理论（1856-1865）为波动说统治找到了新的法理基础。麦克斯韦理论证明，光波是电磁场，电磁场的时空交互变化和传播可以自我实现，无需借助光以太。换句话说，电磁场本身就是光波的媒介。1888年，迈克尔逊-莫雷提交了否定以太的实验报告，以太假设终于被抛弃，这个光明的使者从此被放逐于不见天日的暗黑世界。此后，光的波动说在电磁场教义的加持下获得了法统地位，大有雄踞天下、江山永固之势。

然而，光的粒子幽灵于十九世纪和二十世纪之交再次浮现。继X射线（1895年）和元素放射性（1896年）现象面世之后，J.J.汤姆森发现了电子（1897年）。电子的发现具有重大意义，因为电子与光波具有天然的联系，这种本质联系被现实物理学第一次昭示于世（笔者认为，历史对发现电子意义的评价尚未达到应有的高度）。1900年，老派学者普朗克谨慎地从黑体辐射的魔盒中释放出能量子（E=hv）这个幽灵，这个幽灵控制光能量只能以整数为单位不连续地发射和吸收。能量子魔鬼的断续性杂音打破了麦克斯韦方程组这个上帝旋律的连续性和谐，成为第三次波粒争战的前奏。此后，一些叛逆的学者借助量子魔力打造新式武器以拓展疆界。1905年，爱因斯坦利用光量子占领了光电效应阵地。1913年，玻尔借助量子轨道跃迁攻破了氢原子光谱的城堡。1923年，在康普顿散射效应之战中X光的量子魔力毕现无遗。量子幽灵不仅使光的微粒说死灰复燃，而且成为微粒说阵营的独门利器，对波动说的统治地位造成了严重冲击。1925年，海森堡从原子光谱的分立数据出发，创立了量子矩阵力学，象征着微粒说势力的重大胜利。1923年，德布罗意提出物质波概念，试图调解量子与波动之间的冲突。他预言的电子衍射现象在1925年被戴维逊和革末发现，物质波概念也在1927年为G.P.汤姆逊的精确实验所验证。1926年初，薛定谔乘物质波之风创建了量子波动力学理论，赢得了正统波动说阵营的喝彩。但是，由于电子的介入，德布罗意的调停不但未能平息光的波粒之争，反而将第三次波粒战争拖入了一个更加混乱的局面。是波还是粒子？整个物质世界都被如此质问。面对兵临城下的叛军，无奈的波动王朝只能妥协。叛军首领玻尔提出的“互补性原理”条约是：光既是波又是粒子，电子既是粒子也是波。你要观察波，它们就显示波；你要观察粒子，它们就显示粒子。尽管波动阵营对这个霸道条款心怀不满，双方最终还是签下了这个史称“波粒二象性”的停战协议。

二、从暗物质到光以太

随着历史进入二十一世纪，越来越多的天文观测清楚地表明：星系团中星系的运动与牛顿引力理论的预言存在很大偏差。根据牛顿和爱因斯坦引力理论，需要假设太空存在看不见摸不着的暗物质（dark matter）和暗能量（dark energy），以补偿星系形成和运动的重力作用。据算，宇宙中能够观察到的“亮物质”只占4%，暗物质占23%，暗能量高达73%。自暗物质假设提出后，人们依据各种理论筛选暗物质粒子，但是，设计用于探测暗物质的昂贵设备至今颗粒无收。所谓看不见摸不着，是指暗物质主要参与引力作用，几乎不参与电磁作用，因此很难探测。暗物质粒子必须具有质量，这是牛顿引力理论的要求。暗物质粒子不可能来自标准模型，因为标准模型理论不能正确描述引力。抛开各种复杂的暗物质理论和实验探索，让我们回头看看，是否推测暗物质存在的引力理论自身存在着什么问题？

牛顿引力理论在太阳系范围的适用性几乎无人怀疑，更大范围的引力理论是爱因斯坦的广义相对论。牛顿引力理论需要推广到广义相对论，说明牛顿引力理论是不完备的。如果爱因斯坦的引力理论是完备的，它应该能够独立解释暗物质效应，可事实并非如此。现在让我们撇开广义相对论，在承认暗物质存在的前提下直接对牛顿引力理论进行修改。怎么改？牛顿引力理论是建立在绝对空间概念上的，这个绝对空间是三维的、真空的，所有星体都在绝对空间中依据牛顿的力学和引力定律有秩序地运动。问题来了，绝对空间关于真空的假设是正确的吗？宇宙星体之间真的是空无一物吗？让我们修改真空假设，认为物理空间是三维的、充满粒子的，这个充满粒子的空间在现实物理学中称为实空间（real-space）。实空间定义否定了真空的存在，肯定了星体之间存在暗物质粒子。接下来的问题是，宇宙太空中的暗物质粒子究竟是什么？

现实物理学中的粒子称为实粒子（real-particles），实粒子是既有质量又有体积、既能自旋又能形变的弹性粒子。原始实粒子只有质子和电子两种。这里的质子和电子都是弹性粒子，质量与现代物理学中的质子和电子相同，但是没有电荷。在现实物理学中，质量远小于质子的电子是暗物质粒子的不二选择。于是，现实物理学为我们描述了这样一幅图景：弥漫太空的电子气构成宇宙的暗物质背景，质子聚集的空间形成宇宙中的亮物质岛屿。

等一等，“弥漫太空的电子气”，这让我们想起因迈克尔逊-莫雷实验被流放至今的光以太。没错，现实物理学中的暗物质就是电子气，电子气就是光以太。这个电子气不仅是传递光波的介质，还是传递引力的介质。暗物质 — 实空间 — 电子气 — 光（引力）以太，在上帝（自然）的召唤下，以太使者终于从暗物质世界回归光明！让我们看一下这个身负重任、光荣回归的新以太：它是连续空间中离散的弹性电子气体，它有质量，因此参与引力作用。它不带电荷，因此没有电磁作用。有人会问：光以太有质量，为什么我们感觉不到？那是因为电子的质量（M_e = 9.1093821×10^-31公斤）太小。在电子密度为1千个/立方微米的空间中，每立方米的电子质量还不到一克，与标准状态下空气的质量密度（约1.2公斤/立方米）相比，可以说是微乎其微。还有人会质问：光波是电磁波，没有电磁作用的电子如何传递光波？不用担心，现实物理学的实粒子不是经典物理的点粒子和现代物理的波粒子。脱胎换骨后的弹性粒子士兵不仅体格强壮，而且天赋异禀，善于合作，传统的麦克斯韦电磁场阵法也被更加宏大缜密的弹性粒子场阵法所取代。

三、粒子场与电磁场

现代物理学认为连续波动的场是物质的本性，粒子是场的激发态，场是内容，粒子是形式，这是关于物质的场一元论观点。现实物理学认为离散的粒子是物质的本性，场是大量粒子的综合现象，粒子是内容，场是形式，这是关于物质的粒子一元论观点。现实物理学秉持粒子一元论观点，认为场是由弹性粒子构成的，称为弹性粒子场。由纯电子构成的场称为电子场，电磁场的本质就是电子场。

  现在让我们观摩一下弹性粒子场是如何排兵布阵的。由空胞V_s = (r_s)³ 内的粒子组成团簇，体积为的物体共有个团簇。团簇的质量分布构成质量密度场ρ( r, t )，团簇的动量分布构成动量密度场j( r, t )。每个团簇再与其它团簇形成空间关联的势场。质量关联势（标量势）Φ( r, t )是团簇的质量与距离比值之和，用于表征团簇之间的质量吸引作用。动量关联势（矢量势）A( r, t )是团簇的动量与距离比值之和，用于表征团簇之间的运动排斥作用。势场的空间一阶导数给出作用场，作用场包括梯度场G( r, t )、旋度场C( r, t )和散度场D( r, t )。作用场与密度场的耦合给出力场，力场包括梯度力（平动力）、旋度力（转动力）和散度力（振动力）。势场的空间二阶导数给出势场方程组，作用场的空间二阶导数（势场的空间三阶导数）给出作用场方程组。表1是严格导出的弹性粒子场方程组，它完整地规定了粒子场的演化规律。

表1 弹性粒子场方程组

表1中的质量势泊松方程就是牛顿引力势方程，势场方程组中有四个方程与麦克斯韦方程组相似。通过表2所列常数可以找出引力场、电磁场与粒子场之间的对应关系。由此可见，引力场和电磁场本质上都是弹性粒子场，弹性粒子场方程组是统一场方程组。表中的散度场方程是实数形式的波动方程，它有任意形式的波动解。对于宇宙背景中的纯电子场，将这种波动称为光波、电磁波、引力波、以太波、暗物质波，其实都是一回事。

表2 粒子场和电磁场物理量及其变换关系

四、电子与光子

早在1887年赫兹就发现了光电效应现象。光电效应是金属表面在光照作用下发射电子的现象，发射出来的电子叫做光电子。由于光电子的能量取决于照射光的频率而与光强度无关，经典的麦克斯韦波动理论一直对它束手无策。直到1905年，爱因斯坦借用普朗克的量子概念提出光量子假设，才攻克了光电效应这个难题。爱因斯坦写道：“……根据这种假设，从一点所发出的光线在不断扩大的空间中传播时，它的能量不是连续分布的，而是由一些数目有限的，局限于空间中某个地点的能量子（energy quantum）所组成的。这些能量子是不可分割的，它们只能整份地被吸收或发射。”爱因斯坦后来把这种组成光能量的最小单位叫做光量子（light quantum）。1926年，美国物理学家刘易斯给它取了个时髦的名称，叫做光子（photon）。

那么，光量子（光子）究竟是什么东西呢？经常有人将光量子和光电子混为一谈。其实不然，它们是两个不同的概念。光电子（电子）的本性是离散的，但是光电子的能量是连续的。光量子（光子）假设是指光辐射的能量是不连续的。我们上述问题的实质是想知道与光子对应的物理实体是什么。仔细观察弹性粒子场的排兵布阵过程，我们会发现，粒子场是以团簇为单位构建的，团簇是粒子场实体的最小单位，最小的能量单位也应该来自团簇。团簇是位于空胞内的粒子集合，空胞是以空间标度为边长的立方体V_s = (r_s)³。具体到光波场，我们可以确定，光子是电子团簇，光子的空间尺度是波长λ，位于V_s = λ³的空胞内。光子的振动是指电子团簇相对于质心的振动，振动能量是H_s = hv，它是系统振动能量的团簇平均值。至于为什么是h = 6.6260690×10^-34J·Hz ，那是由能量的单位焦耳(J)和频率的单位赫兹(Hz)决定的，没有什么特别的奥秘。

五、终战协议

以太使者的荣归使波动和微粒找到了各自的身份定位。现在，现实物理学对光的本性作出如下裁决：电子是暗物质粒子，电子气是光以太，电子团簇是光子。光的本性是电子，光的形式是电子气的波动，光子的能量是电子团簇的振动能。微粒是内容，波动是形式，光是内容与形式的统一体，彼此依存，缺一不可。光的波粒争战到此可以终结。

论文下载： Outline of Real Physics. Global J. Sci. Front. Res. 2020,20(3A):9-27