基本粒子、光子、物质

Elementary particle、photon、matter

光子信息与量子力学  

赵丰军

   我们知道量子力学是当今物理学中比较完善的物理科学，无论是宏观物质的运动形式，还是微观世界中物质的运动形式，都能够从量子力学中得到正确的结论，特别是在宏观世界得到的物理规律和结论，在微观世界中很多都不成立，在低速运动中研究出的结果，在高速运动中就会出现不可想象的结果，但是，量子力学的建立将这个世界统一起来了，可以这样讲，是量子力学架起了宏观与微观、低速与高速的桥梁，是量子力学完美地解释了这个世界，如果光子信息的科学，抛弃量子力学，另外建立一个科学体系，这是不正确的，等于是抛弃了一代科学家的研究成果，抛弃了一段科学历程，因此在这里我们说说量子力学与光子信息的关系问题，可以这样讲，光子信息的科学是建立在量子力学之上的，是以量子力学为基础的科学，没有量子力学就没有光子信息科学的支持，不可能有光子信息科学的发展，同样不可能有光子信息科学、生命科学的结论。

作为这个世界的构成上，有关粒子与波研究问题是历来以久了，部分科学家认为是粒子性，部分科学家认为是波，后来的研究发现，有时表现出粒子、有时表现出波动，对一个物质来讲，如果物质质量比较大、体积尺寸比较大，这个物质表现出粒子；如果这个物质质量比较小、体积尺寸比较小，在世界存在中表现出波，就是光子也是这个结论，如果光子的能量比较大，在存在的过程中表现出粒子性，如果光子的能量比较小，在存在的过程中表现出波动性；这只是对这个世界上物质的研究现象，对这个世界的物质构成的看法问题，仍然没有解决，这个世界到底是粒子还是波，这是回答这个世界构成问题的一个根本问题，也是哲学中问到的“世界观”问题。在光子信息理论中，对世界的看法是，自然界的构成是：光子是物质的基本粒子、这个世界是粒子性的；其它的波动性只是物质存在时，相互作用过程中所表现出的一种特殊现象。我们知道，真正能说明物质的波、粒二象性，是德布罗意的物质波，我们可以这样理解物质波，所有物质的波动性，都是由于这种物质在自然界存在的过程中，与光子不断作用的结果。如何证明这个结论，我们可以举这样一个例子：物质的波动性，会在极低的温度下消失，特别是绝对零度的地方，光子的能量密度为零的区域中，物质性不存在，物质的波动性也不存在。通过这个事例，物质的波动性在某种情况下会消失，来说明这个世界原本是粒子构成的。

由于物质光子信息的存在，物质的体积会不断增大；我们说量子力学是研究物质微观世界的内容，所有内容都是将物质粒子看成是波动性来研究的，而我们说这个世界的基本构成是粒子性的内容，为什么还要用量子力学来处理这些问题呢，这是因为自然界不可能存在绝对零度的地方，也就是自然界不可能存在光子能量密度为零的区域，只要光子信息的能量密度不为零，所有物质的波动性都是存在的，物质波就会存在，这就是自然界是由光子和光子信息构成的，是有粒子性的，但是波动性又是自然界普遍的物质现象，用量子力学研究世界中的问题是非常恰当的。

由于物质的微观粒子是由光子组成的光子信息，而这个光子信息又不断地与环境作用光子，才能将物质的各种性质表现出来，在作用光子的同时，粒子表现出了波动性，就好像粒子是由波来形成的，这样将物质的微观粒子看成是一个波包，这正是量子力学的物理模型；一个波函数，在自然界中，由于波的存在和波在自然界运行，会发生色散，这个波束是要随着时间的流逝，波束的大小 是要变大的，当一个波束由 ，增大到2 时，它所需要的时间满足如下的数学公式： ，将 代入得 ，我们举例说明，对一个电子波束来讲，在 时，就是说电子从 ，扩展为 ，只需要 ；但是对于一个宏观粒子来讲 ，要使这个粒子的尺寸扩展为原来的两倍，就会需要 年之久；我们再举一个更常规的例子， ，若要使这个宏观物体的光子信息波束的尺寸增大为2米时，需要的时间更是可观： 年，这在目前的宇宙年龄观察中是不可观察到的，这说明自然界的所有物质都有一个自然增大的要求，只是这个增大的时间过于慢长，让人类，甚至是让宇宙都没有办法等待物质的生长。

物质的几何尺寸的增加是量子力学中研究的结果，而物质的生命现象是光子信息的自然结果；我们知道物质的存在都是光子信息与环境光子信息相作用的结果，这个结果必然让这个光子信息的集合构成发生变化，这个集合构成的变化，就会构成光子信息的死亡，而光子信息的消失和死亡，就是新形式下的光子信息的诞生，这种有生有死的循环不断，就是自然界的生命过程，就是说地球上出现生命，并不是宇宙、银河特意为地球送来的特殊礼物，而是宇宙自然存在时的一个必然过程，特别是我们的周围的光子信息并不是像量子力学中研究的结果那样，光子信息不吸收光子，不发出光子，自然增大一倍的尺寸，需要那么多的时间，其中物质质量是： ，当它的长度变成2米时，需要 年，这个数量不是人类所能等的时间，也不是宇宙所能等的时间，事实上物质的质量增加速度，与物质几何尺寸增加的速度，远比这个时间短得多，因为物质在存在的时候是不断地吸收来自环境中的光子信息，甚至是吸收质量、能量更大的光子信息，特别是原子、分子，甚至是吸收环境中更大的粒子，特别是宇宙中的星体在存在的过程中，甚至是吸收环境中的小星体，这会使自己的质量和能量，以及自己的几何尺寸增加很快，所以物质的成长过程，不需要上面计算的那么多的时间，这就是说宇宙中生命的诞生不需要等太久，同时也就说明自然中生命的诞生，是宇宙生命过程中的必然进程，地球生命只是宇宙中生命的一种形式，其它星球具有成千上万种生命，只是和地球上一样的生命形式，可能没有了，因为宇宙中不可能同时存在两种完全相同的光子信息，更不可能存在这种对应光子信息的相同进化过程，因此想从宇宙中找到生命是容易的，但是想从宇宙中找到和地球上生命形式相同的生命，是非常困难的，甚至是不可能的。

粒子在势井中的逃离，我们知道宏观物体以速度 水平运动的时候，由于方势阱周围的重力势能比较大，这个宏观粒子只能以 的速度，在方势阱运动和存在，不能离开方势阱运动，不能在方势阱以外存在，这在宏观世界中是容易理解的，因为事实就是这样；但是在量子力学中却不是这样，在量子力学中，是将粒子看成是波函数，当波函数在方势阱中运动和存在地时候，这个粒子的波函数既可能在方势阱中运动和存在，也可能在方势阱以外的区域运动和存在，粒子的运动，就是波函数的运动和存在，在这个区域中运动和存在只作为可能性解读出来，只是粒子的波函数在方势阱中运动和存在，与粒子的波函数在方势阱中以外的区域运动和存在的概率不同，也就是说，无论方势阱内外的势能差值有多大，粒子的波函数都是有可能逃离的，这在宏观世界中无论如何不好理解，这也是量子力学不容易让人们理解的原因之一。

但在光子信息的理论中，对量子力学中方势阱问题是很好理解的，并且是完全存在的；粒子作为自己的光子信息特征是存在的，它不同于其它物质的光子信息，这个粒子的光子信息无论是运动，还是静止，它都是要在环境中不断吸收周围的光子信息，同时发出具有自己的特征的光子信息，粒子在方势阱运动，只要存在，就要作用光子信息，自己的光子信息就要变化，要想在方势阱中找到前一时刻的粒子，是不可能的，因为前一时刻的光子信息，有一部分已经离开粒子本身，沿着粒子原来的运动方向和路径运动走了， 这就是说，要想找到原来的光子信息，只能从方势阱内和方势阱以外去寻找，在方势阱中找到的几率要大一些，在方势阱以外找到原来光子信息的可能性小一些，原来光子信息的全部，是对整个光子信息所到空间的所有集合上，用数学语言来讲，就是对整个空间进行积分，才能得到原来的光子信息。

这里也是说，粒子的光子信息在这一时刻的运动，存在于方势阱中，下一个时刻，在方势阱中存在的粒子，已经不是原来的粒子了，只是原来的一大部分的光子信息，另一部分光子信息已经逃离势阱，按照原来的运动方式运动下去了，这在一定的意义上也是粒子离开了方势阱。我们在方势阱中看到的粒子，只是原来光子信息的绝大部分，是原来光子信息的一个代表，并不是真正的原来的光子信息，希望人们不要让自己的眼睛欺骗了自己，当方势阱中的粒子，运动存在的时间很长的时候，粒子的生命终结了，而粒子的光子信息全部离开了这里，完成了真正的胜利大逃亡。

只从上面两个例子中看出来，量子力学是光子信息科学的基础，量子力学中的很多结论可以在光子信息理论中得以应用。

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