粒、波简史及其发展

 

中国科学院   力学研究所   吴中祥

 

提           要

对物质的粒子与波动的认识，科学界有着长期的争辩。现有的主要论点是认同所谓“波、粒2象性”。并在此基础上，发展了量子力学及量子场论，在解释物质运动方面取得了很大成功。

但是，“单个粒子也有波动性”本身，就是不能自圆其说的矛盾。而且，还带来一系列错误的哲学观点。

本文以充分的事实和论据，论证和发展了一切自然物质的“粒子性”和在已有能量范围内最基本的粒子。“波”只是大量粒子的集体表现和统计结果。量子力学及量子场论是大量粒子的统计力学及场论。并以时空“相宇”统计得到的“显含时”的“最可几分布函数”取代“波函数”，而改造和发展了相应的量子力学及量子场论。使那些错误的哲学观点不攻自破。

 

 

关键词：波、粒2象性 量子力学及量子场论 时空“相宇”统计 错误的哲学观点

 

1．什么是粒子？什么是波？

粒子是物质及其运动较稳定地集中于一定相对较小时空范围内的形态。

其运动特性在一定相对较小的时空范围内集中，或即所谓“量子性”，就是

粒子的特征。

沙子、地球、太阳，…等等，就都分别是粒子。

如果其本身的尺度相对其运动和相互作用时空的尺度可以忽略，就甚至可看作质点。否则，需划分为多个可忽略的小区域，进行求和或积分。

 

波是物质的运动在一定广阔时空范围内有规律地传播或几率分布的形式。

其运动特性可在一定广阔时空范围内分布、传播，就是波的特征。

水波、光波，…等等，就都分别是波。

 

2．“粒子”可被确定其时空运动的轨迹；“波”只能被确定其集体运动的规律，或时空统计的几率。

对于粒子，只要其相应各部分的初始和边界条件都是已知的，就都可由相对论力学或经典力学（相对论力学的低速{3维空间速度与真空中光速相比，可以忽略}和有相互作用的小时空范围内{时空弯曲的影响可以忽略}的近似）求得其运动轨迹和状态变化。

对于“氫原子（唯一电子绕核运行）”这个模型，就是一个典型的实例。

所谓“玻尔半径a”就是按此模型，并给出所谓“玻尔量子条件”，即：电

子的动量改变也是量子的，而推导出的电子可运行的最小轨道半径，它又可由质子与电子的康普顿波长表达。

 所谓“康普顿波长”是X光子与实物粒子（核子、质子、电子等等，视

作静止）作弹性碰撞时，按动量守恒和能量守恒定律，而导出确定其X光子的[散射角] 与入、散射的，相应大量光子的[波长差]间的关系。

由此，也根本得不出“波、粒2象性”的任何结论。而由光子的康普顿散射得出的所谓“康普顿波长”，却也正是具体表明：光的粒子性的有力证据之一。

对于大量粒子或所划分的多个小区域中，若存在着不知其初始和边界条件者，就不能如上求得其运动轨迹和状态变化，而只能由其集体运动规律确定其状态变化或由相应的统计方法确定其时空状态变化的几率。这就也是一种类型的“波”。

 

3．对粒子的逐步深入认识

原子时代认识到各种元素的原子是基本的粒子。

卢瑟福的实验从原子的核结构，认识到原子核和电子也都是基本的粒子。

进而，由高能粒子实验，更认识到：正电子、中微子，各种介子、超子，质子、中子，等也都是各种基本的粒子。

普朗克的辐射热公式引出量子论，就已认识到：甚至热辐射也都是粒子的。

爱因斯坦更根据光电效应，认识到：所有的光，也都是不同频率的光子。

以及各种基本粒子的实验和实测，就都逐步深入地认识到：自然界的各种物质无一不是粒子性的。

 

4．对现已认识的粒子按其基本特性分类

4．1．实物粒子：包括各种基本粒子和物体。

其静止质量不=0。其速度不大于真空中光速。其运动质量可按狭义相对论公式给出。还可由其带电性，再分为：正，中，负的不同3类。

4．2．光子：是带电粒子从高能态跃迁到相应低能态辐射的电中性粒子，并

可被吸收而使带电粒子从低能态跃迁到相应高能态。因而，可影响其所在介质的电磁状态。

其静止质量=0。其在真空（无实物粒子的空间）中的速度=c，在介质中的速度=c/n，n是该介质的折射率，可由介质粒子运动波动方程的解表达。其在真空的运动质量按狭义相对论公式=0/0，给不出具体数值，而需由其大量同种粒子统计得到的波长或频率和速度表达。

大量光子统计表现为电磁波。

4．3．声子：是电中性粒子因所受弹性力，而从高能态跃迁到相应低能态辐

射的电中性粒子，并可被吸收而使电中性粒子因所受弹性力，而从低能态跃迁到相应高能态。

其在介质中的速度是介质状态的函数，可由介质粒子运动波动方程的解表达。但不能在真空中传播。

其运动质量同样需由其大量同种粒子统计得到的波长或频率和速度表达。

大量声子统计表现为声波。

4．4．引力子：按理论推断，应是电中性粒子从所受引力的高能态跃迁到相

应低能态辐射的电中性粒子，并可被吸收而使电中性粒子从所受引力的低能态跃迁到相应高能态。

其在介质中的速度是介质状态的函数，可由介质粒子运动的波动方程的

解表达。但可在真空中传播。

其运动质量同样需由其大量同种粒子统计得到的波长或频率和速度表达。

大量引力子 统计表现为引力波。

但是，迄今尚未能实际观测到它的存在。可能并不存在相应的高、低能

态，或难于在其间跃迁。

 

5．对粒子认识的进一步发展

5．1．所谓“夸克”

所谓“夸克”，是仅根据某些实际观测到的粒子，按通常量子场论等唯象理论推断：它们是由这种分别具有分数电子电荷的“拟粒子”，彼此永远禁闭地，组配成团存在。

但是，迄今并未能观测到任何单个的“夸克”，也不能证明它们在4维时空的禁闭性。因而，实际上，尚不能肯定它们的客观 “存在性”。

而按《时空可变系多线矢世界》新理论体系，可将所谓“夸克”解释为具有高维的高次、线多线矢的各复合维分量。

5．2．所谓“弦论”

“弦论”认为，宇宙中所有的物体都是由微小的、振动的“弦”所构成。“弦”是物体的基本单元。

但是，所谓“弦”只是微扰方法下，各种量子数的某种振动模式，它们怎么能是物体的基本单元呢？

而任何 “时空多线矢” 的弹性力方程在经典近似条件下, 各分量的解都是相应的谐振子多线矢，都表现出“弦” 或“膜”或其“高次、线类”的特性。因而，可具体说明 相应的“弦”或“膜” 或其“高次、线类”的产生。

5．3．所谓“暗物质、暗能量”

 现在，虽还根据对遥远天体的某些观测，猜测有所谓“暗物质、暗能量”，具有所谓“反引力”特性，并可能无处不在。但是，并未能弄清其性质，也未能证实其存在性，就更不能以此否定物质的粒子性。

5．4．所谓“黑洞”

根据太空、X射线和射电望远镜等的大量实际观测结果，确已发现宇宙间存在大量质量巨大的黑洞。但可以推断它们都是不同密度分布的各已知特性粒子的大质量粒子团。

5．5．电子、正电子可被证明为：已知能量范围内，最基本的粒子

按《时空可变系多线矢世界》新理论体系，逐次研讨由电子、正电子到中微子，到各种介子，到各种超子，到质子，到中子，到各种原子的，各种基本粒子的转化变换规律，都能与实际观测结果相符地具体表明：一切物质都是由“电子”与“正电子” 逐次组合、转变而成。电子、正电子是最基本的粒子。

但是，上述各基本粒子逐次组合、转变的过程还都伴随着各组成粒子(包括“电子”与“正电子”)结合能的显著改变，显示出它们还有更深层次的结构。显然，它们的具体结构必将在更高能量条件下才会显现。因而，还须在更高能量条件下，作更深层次的实验观测、分析研究，才能解决。

 

6．对“波”的现有认识

6．1．水波：微风吹动湖面，或轻舟荡过江面，甚至投石入水，就都可看到

水波，一圈圈、一层层，地向外传播。这就是最常见的波。但是它们远非最简单的波。因为通常状态的水分子间较为松散的结合力，使得它们相互间的运动很复杂，水面上传播的水波就也不简单。特别是，当狂风卷起巨浪时，水面上传播的波浪就更加复杂、多样。

6．2．振动波：最简单是振动绳子的一端，就出现向另一端传播的振动波。

敲击锣、鼓，就会在锣、鼓面上从敲击处向外传播振动波。如果在平放的锣、鼓面上撒放些沙粒，就可看到沙粒在锣、鼓面上，下振动向外传播的具体情况。

具体表明：这种振动的粒子只是在其平衡位置附近振动，并不随振动传播的方向运动。

6．3．横波和纵波：

横波；振动粒子运动的方向与振动波传播的方向彼此正交。例如：带电粒子运动的方向与光子（包括热辐射子）运动的方向彼此正交。光波是横波。

纵波：振动粒子运动的方向与振动波传播的方向彼此平行。例如：电中性粒子运动的方向与声子（包括热传导子）运动的方向彼此正交。声波是纵波。

6．4．所谓：“波、粒2象性”

只是“波”才有干涉、衍射等现象。而“光”既由光电效应等表明确有粒子特性，又有干涉、衍射等现象，因而认为：“光”具有所谓“波、粒2象性”。进而，更发现所有的微观粒子都有所谓“波、粒2象性”。例如：电子衍射等，而所谓“波、粒2象性”就成了物质的普遍特性。

6．5．所谓“物质波”的质量、能量、动量，与频率、波长、光速的关系

“物质波”的E（能量）=m(质量)c²(c是真空中3维空间光速)=h(普朗克常数)频率=h光速/波长，p(动量)=mv=h/波长=h频率/光速，

如此看来，似乎物质粒子的质量、能量、动量，都是单一且确切地与频率、波长、光速，对应的关系。它们是否表明物质确有“波、粒2象性”呢？

其实，能质数值等当的公式E=mc²，是由沿相对论性粒子惯性力作功得到的动能，并且把光子在真空（无实物粒子的空间）的运动质量（因按狭义相对论公式为0/0，给不出具体数值，而只能用大量同种粒子形成的波的频率或波长表达）代入而得到的结果。显然，其频率或波长都是大量同种粒子形成的波的，而这样表达的能量和动量，当然也都只是表达作为形成波的大量同种粒子的个体代表的单个光子的。怎么能因此而认为它是表明单个光子有波动性呢？！

 

7．通常量子力学及量子场论的发展

7．1．“德布罗意波”的假说是通常量子力学及量子场论的基础

在“波、粒2象性”成了物质的普遍特性认识的基础上，德布罗意提出“物质波”，“德布罗意波”的假说。通常量子力学及量子场论就在此基础上，以所谓“波函数”表达各种物质的运动态，和各种算符，类比、扩展经典力学的正则运动方程和拉格朗日量建立的微分方程，研讨各种物质的运动。取得了很大的成功。

7．2． “波、粒2象性”带来的问题

“波、粒2象性”，即认为单个粒子既是粒子又是波的观点，按粒子与波的基本概念就是不能自圆其说的。

物质怎能既在一定相对较小的时空范围内集中，又在一定广阔的时空范围内分布？！

而且，由量子力学及量子场论的所谓：“测不准关系”、“真空中的实物分布”、“量子缠绕”等结果，就，因此，而导出所谓“不可知论”、“非决定论”、“真空生成物质”，“无因果论”、“物质意志论”，等等，错误的哲学观点。

7．3．一切“波”都只是大量粒子的集体表现和统计结果

从水波和各种振动波都清楚的看到它们都只是大量粒子的集体表现，不是个别粒子的单独行为。

单个粒子是无论如何也不可能是“波”，不可能有衍射或干涉现象。

确有多种所谓“单光子”、“单电子”的衍射或干涉实验，但是，它们都只是大量光子或电子，在一定时间内的积累效应。实际上也都只能是在该时间范围内，各个相应粒子的统计效果。只是反映了大量粒子在不同时间的统计效应。

单个粒子是无论如何不可能是“波”，不可能有衍射或干涉现象。

7．4．任何波都不可能形成大小基本稳定的粒子

若把德布罗意波当成相应的粒子，它即使在真空中运动，其大小也必然要扩大到无限，而在不均匀的介质，或不同介质间运动时，这种发散现象就更为显著。

因而，事实说明：这种所谓“粒子”根本是不稳定的，不能称为通常概念的粒子。

其实，按傅立叶公式，可把任何形式的波（由周期函数表达）都表达为一系列简单波（纯单色波）的“波包”。若将某种“波包”当作粒子，则其速度就是此“波包”的“群速度”。但是，“波包”中的各个纯单色波，都各有不同的传播速度，因而，任何“波包”都必然在运动中，彼此分散，任何“波包”的大小都必然会扩大，就根本不能表达大小基本稳定的粒子。

德布罗意波包、薛定谔波包和含非线性孤子的光脉冲，都是以上证明的具体实例。

7．5．现有理论尚不能具体解释量子力学及量子场论的矛盾特性

对于量子力学及量子场论反映出的特性，虽早就有人指出了应将微观粒子的波函数解释为：“在已知时间和地点找到该粒子的机率”，提出了对大量微观粒子作统计描述的正确观点。

但是，通常的统计力学只是从3维空间的位置1-线矢和动量1-线矢组成的“相宇”出发建立的，通常的量子统计力学也还是以 通常 量子力学解得的各量子态，仍用3维空间的统计力学所进行的统计，也因而仍须采用本身就是矛盾的，单个粒子也有“波、粒2 象性”，而对此仍未能作出具体的说明。

 

8．波、粒 观点的新发展

8．1．由4维时空多线矢“相宇”统计力学的建立

按《时空可变系多线矢世界》新理论体系由4维时空多线矢“相宇”，建立起真正相对论性的统计力学及其与通常的统计力学的相互关系，统一地分别对具有实物粒子和光子特性的大量同种微观粒子进行统计，都得到相应的4维时空“最可几分布函数”(明显含有时间，通常3维空间“最可几分布函数”不明显含有时间)，它也就是通常的波函数。对于由4维时空1-线矢“相宇”统一的结果，当粒子间的相互作用可当作弹性碰撞时，它就是通常的德布罗意(de Broglie)波。类似地，还可由相应匹配成对的高次线多线矢组成的“相宇”对大量相应的物理量多线矢进行统计，得到相应的“最可几分布函数” (高次线多线矢波函数)。

因而，具体认识到这种大量粒子统计表现的几率波。

8．2．一切“波”都只是大量微观粒子的集体表现或统计结果

这就具体表明：一切“波”都只是大量微观粒子的集体表现或统计结果；并非单个粒子的特性。一切单个粒子(包括单个的光子和电子)的运动特性都是宏观可观测的，无须区分为宏观粒子与微观粒子，而对于大量的同种粒子，由于 所观测的只是大量同种粒子的统计结果或集体表现 (所谓“波”)，所谓“微观粒子”只是作为大量同种粒子的统计结果或集体表现的个体代表。

量子力学及其场论，就确实是大量粒子的4维时空统计力学及场论，因而无须引入本身就是矛盾的，“单个粒子既是粒子又是波”的所谓“2象性”观点，就能全面合理地解释各种粒子 (包括光子和电子) 的各种特性，并从而使由此产生的一些错误的哲学观点不攻自破。

8．3．与通常的量子统计的不同

通常的量子统计是按量子态进行的，但仍然是对3维空间的位置1线矢与速度1线矢组成的“相宇” 进行的统计，所得到的“最可几分布”也是3维空间的，因而在计及各不同时刻的分布时，还须根据所统计粒子的不同特性区分为费米(Fermi) (各“态”仅限有一个粒子) 与玻色(Bose) (各“态”可有多个粒子) 两种不同的类型。

而本理论体系是采用4维时空各类n维多线矢“相宇”进行的统计，其所得到的“最可几分布”就是相应扩展的波函数，是在4维时空相应明显含有“时轴”分量的“相宇”中的分布，在计及各不同时刻的分布时，就没有费米与玻色两种类型的区分，而普遍适用于各种粒子(包括费米与玻色两种类型的实物粒子和光子)。

8．4．对电磁波和声波的新理解

电磁波和声波的传播，实际上，应可分别理解为：带电体（分别带有正或负电荷的粒子或物体）和电中性的粒子或物体，分别在相应介质中的振荡运动，也就是较高能态的带电和中性的粒子或物体辐射出的各相应频率的光子和声子而成为较低能态；较低能态的带电和中性的粒子或物体吸收的各相应频率的光子和声子而成为较高能态，而各相应频率的大量光子和声子在相应介质中以在该介质中的相应光速和声速辐射、运动、传播。分别统计形成的电磁波或（和）声波，分别以在该介质中的光速和声速在该介质中的传播

在这里，实际传播（或发射）的都只是相应的光子和声子，并非带电体和电中性的粒子或物体本身。后者只是在其所在介质中原有位置附近作相应的振荡运动，而以相应的光速和声速传送相应的光子和声子。

这些光子和声子的运动规律，既可由电磁波和声波的波动方程的解表达；又可由它们分别按4维时空位置1-线矢和动量1-线矢组成的“相宇”进行统计，分别相应得到的4维时空“最可几分布函数”(即：通常的波函数)表达。

在真空中，光子仍可在相应的电磁场中以相应的光速运动，而声子只能在实物粒子组成介质和作用力(引力、弹性力或粒子团的状态变化)场中运动，发出声子的振子间有效作用力场的范围不大，在真空中，超过这个范围，声子就只能反射或被吸收，而停止向前的运动。这也是光子和声子的一种差异。

8．5．对通常量子力学和场论的相应改造和发展

直接将时空各多线矢“相宇”的统计力学得到的“显含时”的最可几分布函数作为相应的波函数，对常量子力学和场论，作相应的改造和发展，建立起时空各多线矢相应的量子力学和场论。而通常量子力学和场论只是其时空1-线矢的特例，并且去掉了自相矛盾的所谓“波、粒2象性”观点。

由其结果可知：

量子力学和场论只是大量粒子按4维时空多线矢统计得到的宏观效应力学和场论。又由于，一切运动方程都可表达为正则的形式，即都可仅由相互匹配成对的各类(n维)多线矢和矢量场 各“分量模长”的函数表达，因而大量粒子的各类(n维)物理量多线矢和矢量场一切运动方程的宏观效应就都可类似地求得，从而建立起相应各类(n维)多线矢的相对论性的量子力学和场论。但须注意，对于各不同类的多线矢(例如n=4的1-线矢和n=12的22,1-线矢)，其正则运动方程，波函数，因而相应的量子力学都各有差异。不能混同，否则，就会出现如 通常量子场论中所谓“自发破缺对称性” 等的问题。而通常的量子力学都只是其非相对论性的，或限于在Euclid时空，仅对3维空间1-线矢的简化近似。

Dirac考虑到 通常的量子力学不满足4维时空Lorentz变换下的不变性，而

人为地引进4个反对易的4行4列矩阵，使其 满足相对论的要求，而建立的相对论性量子力学，也仅适用于4维时空1-线矢。

8．6．一切由“波、粒2 象性”带来的错误哲学观点也罢都不攻自破

量子力学的重要基础之一的所谓“测不准关系”，实际上，只是大量相互匹配成对的各类(n维)多线矢或矢量场各“分量模长”误差平方的平均值间的相互关系，表明大量相互匹配成对的各类(n维)多线矢或矢量场相应各“分量模长”的均方差不能同时为零。它反映的只是这大量相互匹配成对的各类(n维)多线矢或矢量场的一种统计规律，并不是个别相互匹配成对的各类(n维)多线矢或矢量场各分量模长误差间的相互关系, 并不表明 “个别(无论是单个粒子的还是从大量粒子群中挑选的)相互匹配成对的各类(n维)多线矢或矢量场各分量模长不能同时测准”。更不表明“个别(无论是单个粒子的还是从大量粒子群中挑选的)相互匹配成对的各类(n维)多线矢或矢量场各分量模长之一必不可知或不能决定”。

“最可几分布函数”只是描述大量粒子在时空的统计分布；只能表明各相应粒子在相应条件下，在各相应时空位置出现的几率。因而，甚至在单个粒子不能出现的地点，例如：穿过某种通常不可逾越的屏障、或在通常应为真空的位置，也可能以一定的几率出现 (隧道效应、或量子真空能量涨落)。而且既是对大量粒子的统计结果，就容易理解多个粒子的统计分布彼此关联、相互影响而产生的所谓“粒子缠结” 以及各种“起伏现象”等，而不致将其误解为来自单个物质粒子的“不确定性”。

因此，哪些由于将大量粒子统计结果和集体表现的“波动性”当作单个粒子具有“波、粒2 象性”，和将大量相互匹配成对的各类(n维)多线矢或矢量场相

应各“分量模长”的均方差不能同时为零的统计效应，“测不准关系”，当作单个物质粒子具有“不确定性”，而产生的诸如：“颠覆认知哲学”，“不确定的世界”等，否定“因果论”、“决定论” 的一切错误哲学观点，也就不攻自破了。

9．参考文献：

[1]    例如：《量子力学原理》狄拉克(Dirac) 著 陈咸亨 译 科学出版社 1958， 《量子力学原理》布洛欣采夫(Д.И.Блохинцев)著 叶蕴理 金星南 译 高等教育出版社 1956

[2]    “4维时空多线矢广义协变物理学的一些哲学观点” 吴中祥《中国新时期社

   会科学成果荟萃》中国经济出版社1999年第1卷 pp291-292,

[3] 《时空可变系多线矢世界》 吴中祥 博士苑出版社2004年11月

[4] http://www.sciencenet.cn/u/可变系时空多线矢主人/