微观粒子波粒二象性的物理本质

微观粒子波粒二象性的物理本质

——剖析光子的静止质量与不等于零的实验结果

（作者：夏烆光， 江 欣）

【提 要】：本文从普朗克长度和普朗克时间的定义出发，用《广义时空相对论》给出的光子静止质量计算公式，并结合多位物理学家的实验结果，系统地讨论了光子的静止质量，以及静止质量不等于零的物理意义；进而指出了量子力学波函数的叠加原理与微观粒子波粒二象性的物理本质。坦率地说，这些学术观点对于正确认识狭义相对论、量子力学态的叠加原理与波粒二象性的物理本质，具有重要的学术价值。

【关键词】：普朗克长度 普朗克时间 波粒二象性 广义时空相对论 狭义相对论 光子的静止质量 质量单

元 康普顿波长 机率波动频率 态的叠加原理

引 言

普朗克质量的意义，大约是一个“史瓦西半径”等同于“康普顿波长”的“黑洞”所包含的质量。这个黑洞的半径就是一个普朗克长度。透过思想实验指出（请注意，思想实验是建立在传播速度为无穷大的绝对主义时空观念之上！）：想像要测量一个物体的位置，需要用投射到该物体之上的反射光。如果要求提高位置的测量精度，必须使用更短波长的光子。这就意味着光子的能量要更高。如果光子的能量高到一定程度，它们撞到物体时会产生黑洞。这个黑洞可以“吞噬”光子而导致实验失败。通过“量纲分析计算”可以发现，当测量物体位置的精度达到普朗克长度以下时，便会发生上述问题（参见【1】）。

这个思想实验涉及到广义相对论和量子力学的“海森堡测不准原理”。即是说，我们无法对空间位置做出比普朗克长度还要小的精确测量。因此说，在广义相对论的引力理论和量子力学中，若在时间短于普朗克时间、空间小于普朗克空间时，传统意义上的空间与时间的概念都失去了物理意义。

这一结论告诉我们：在微观领域中，空间和时间也具有量子化的物理特征。虽然在宏观领域中，我们不必考虑这个不连续的问题。不过，在对引力理论求解的过程中发现，在普朗克长度的范围，即使是重力，也将展现出它的量子效应。所有微观物理量的量子化特征，都是基于普朗克常数本身的量子化特征。由普朗克常数确定出普朗克空间的尺度约为3310-厘米；确定出普朗克时间的尺度约为4410-秒。

本文从普朗克空间和普朗克时间出发，利用《广义时空相对论》所导出的“光子静止质量计算公式”，以及此前对于此类问题的讨论，并结合多位实验物理学家对光子静止质量的实验检测结果，透过系统地分析和讨论，进而揭示了微观粒子“波粒二象性”的物理本质。

1、 普朗克时间。现代物理学把可观察事件发生的最短时间过程定义为普朗克时间。比普朗克时间更短的“时间过程”是不可观测的。普朗克时间可以表示为（参见【2】，第972页）

[]s c

Gh t p 4451039056.5-⨯==，………………………………………………（1） 2、 普朗克空间。同样的道理，可观测事件所占据的最小空间尺度定义为普朗克长度。如果一个可观测事件的空间尺度小于这个普朗克长度时，这个事件也是不可观测的。普朗克长度表示为

[]cm c

Gh l p 3331061605.1-⨯==，……………………………………………（2） 以上概念表明：在微观领域中，物理空间和物理时间，以及能量本身的不连续特征。广义相对论和它的引力理论则认为，一个普朗克长度就是一个普朗克质量坍缩成一个“微型黑洞”时的空间尺度。——不管这

种观点是否正确？在微观领域中，物理空间和物理时间都是不连续的这一点，是一个基本的物理事实。

3、光子的极限速度和极限加速度。用普朗克空间p l 除以普朗克时间p t 就是光速（c ），即

[]

11044335310997926.21039056.51061605.1---⋅⨯=⨯⨯===s cm c c Gh c Gh t l p p ，…………（3） 因为普朗克空间和普朗克时间是固定的，所以二者的比值（光速）必然是恒定的。但是，由于光子的加速度是量子化的，所以从微观上看，在普朗克空间和普朗克时间的限制下，光子在传播的过程中，其速度和加速度都必然地表现为从c c →→→00，如此不停地、间断地、脉冲式地振荡前进。这样，只有这样，才会有光的“加速度”这一物理概念存在（参见【3】）。否则，如果坚持认为光速是恒定的，那就根本没有“光的加速度”这个概念。正因为微观领域中的物理空间和物理时间都是量子化的，所以光的“加速度”也必然是量子化的，并可以写成

()[]

25324433

210561437.51039056.51061605.1---⋅⨯=⨯⨯==s cm t l a p p

，…………………（4） 不难想象，既然光子存在着加速度的概念，这就表明光子在传播的过程中，必定是跳跃式的、一步一步地向前迈进。每跳跃“一步”，就是光子的一个脉冲波动的“波长”。不过，这个波长并不是我们日常经验中所见到的横向振动的光波所具有的波长，而是一种脉冲前进的“步幅”。这里，问题的关键在于：小于一个普朗克长度的空间和时间尺度都已经不存在。因此，我们可以把普朗克长度定义为光子随机波动的“机率波的波长”。自然，光速与这个“波长”之间的比值，就是光子跳跃式前进时的脉冲振荡频率。 在量子力学中，基于哥本哈根学派的正统解释，波函数是一种单纯的机率波动。它的绝对值的平方代表着一个粒子态在指定位置出现的几率。所以我们把这种脉冲振荡频率定义为“机率波动频率”。 机率波动是一种非定域的物理理论。机率波动的存在，说明在量子力学领域中，我们不能确定某个时刻微观粒子会出现在某个指定的空间位置之上，而只能确定它落到这个空间位置附近的几率。

4、光子机率波动的极限频率。实验表明，光波和其它微观粒子的“物质波”都必须用波函数来表示它们的物理特征。机率波动的突出特征，是它满足“态的叠加原理”。通过上述分析，我们可以给出“机率波动的极限频率”为

[]

1434410855095.11039056.511--⨯=⨯==⋅==s t t l l l c p p p p p ξ，……………（5） 须指出，这个振荡频率不同于德布罗意波的频率。德布罗意波的频率是微观粒子在均匀引力场中公转振动频率，即

h c m c

20==λν德， ………………………………………………………………（6） 其中，p h =λ是德布罗意波的波长。根据广义时空相对论质能关系式给出的德布罗意波物质波的频率

h

c m 2

02=广ν，…………………………………………………………………（7） 故有德广νν2=。——这是广义时空相对论与狭义相对论在质能关系式上存在差别的原因。