基本粒子、光子、物质

Elementary particle、photon、matter

赵丰军

     波动性与粒子性的争议是历来已久的事，最早是人类对光的粒子性与波动性的争议，人具有直接感光的器官-----眼睛，对光的认识很早。在两千多年前对光就有定义，它是从眼睛中射出的一种微粒，接触到物体后就看到了物体，牛顿对光的研究更深刻，太阳光经过棱镜后，分解为七种颜色的光，牛顿也认为光是一种粒子，这一观点被很多科学家公认。但是牛顿的粒子学说却受到托马斯-杨等人的怀疑，他们提出光是一种波，光具有波动性，在运动中是以波动的形式存在；这两种学说争执不下，有时微粒说占有优势，有时波动说占有优势。爱因斯坦提出光子的概念，将光的认识统一起来，光具有波、粒二像性。特别是麦克斯韦的电磁波理论，将光归于电磁波中的一小部分，对光有了更加清晰的认识。后来，德布罗意发展了波粒子二像性，将光的波粒二像性，发展到微粒，提出德布罗意波，又称为物质波。

     物质具有二重性，这不合逻辑，到底哪一个性质是主要的，另一个性是表现出来的，这是物质的一个本质问题，让我们从物质的基本粒子出发，解决这个基本问题，粒子性是根本的性质，波动性是物质存在时，不断与环境作用光子所表现出的波动性。

    所有物质的单独存在没有意义，包括物质的基本粒子---光子的存在本身没有意义，只有光子在运动中，被其它物质不断的吸收、发出、作用才能表现出自己的质量，物质的存在、构成本身没有意义，物质本身没有静止质量，只有这个物质与环境或其它物质作用光子才能将自己的质量、存在、构成表达出来，到底是多少，取决于单位时间内物质与环境作用光子的总能量。在单位时间内，作用的光子能量越少，物质对外表现出的物质质量就越少；这可以用一个数学公式来表达：，其中是物质吸收和发出光子的最高频率，是在单位时间内物质与环境作用的光子总能量，它越大，就越大，我们就感觉到物质质量越多，就说成是物质的质量大，惯性多；相反也是成立的。

    由于物质的存在都要不断地与环境作用光子，没有作用光子，物质的所有性质都表现不出来，这就带来一个问题，作用光子的时候，何处有光子，何时作用，都是不可预测的事，这就是带来一个测不准问题，只要你对物质的行为进行测量，就要用一仪器对这种物质进行作用，这种作用就是交流光子信息，就会让仪器的光子信息与这种物质的光子信息进行作用，就会不同程度上影响这个物质的行为，这就是量子力学中的测不准原理，其中物质的质量越小，这种影响相对越大，测不准现象越明显。这种测不准原理存在的本质原因，就是物质的存在原理，不断地与环境作用光子的再一次证明，也是物质存在时所存在的必然现象。测不准现象，也是物质波动性的又一个体现。既然测不准原理是由于物质的粒子性，在物质存在的过程中不断地与环境作用光子造成的结果，那么光的波动性、物质的波动性、德布罗意波、物质波等都是由于粒子性引起的，由于物质存在的过程中，不断地与环境作用光子，由于光子的不确定性，才表现出的波动性。

    我们通过一个实例来说明光的波动性是由于粒子性引起的，在某种条件下，波动现象会减弱，而粒子性会加强，甚至是波动现象会消失，仅表现出粒子性。

    在中学物理课本中，有这样一个演示实验，让一束光通过一个小孔，不断缩小小孔的直径，开始的时候，照在屏幕上的光斑的直径不断缩小，但是，当小孔的直径小到一定的程度，光斑的直径不但不缩小，反而直径变大，这是物理学中所说的光的衍射现象，还有著名的泊松亮斑，都能很好地说明光发生了明显的衍射现象，就是光的能量传播到阴影区域里去了，这种现象是直接支持了光的波动性，也是托马斯-杨等人反对牛顿的光子粒子学说的直接证据。

     在这个实验里，只所以发生了波动，是由于光子在运动过程中，不断地被其它物质吸收和发出，特别是发出过程中，是向哪一个方向发出都不能唯一地确定的，只能用，到达哪一个区域的比较多，到达哪一个区域的比较少进行比较，出现了几率波，出现了波动性这个说法，特别是小孔的直径越小，达到与光子波长接近的时候，被小孔周围物质吸收、作用、发出的可能性越大，走向阴影区域的可能性越大，物理学中所说的衍射现象越明显。

    如果在相同装置的情况下，仅用降低温度的办法，重新做这样一个实验，就会出现不同的结论，我们知道，物质分子的杂乱无章运动程度越剧烈，物质的温度越高，这里的根本原因是物质所处的光子信息能量密度比较大，光子杂乱无章的运动程度剧烈造成的结果，宇宙中几乎找不到没有光子的区域，也就达不到绝对零度，达不到-273度，也就是只要降低物质周围的温度，就是减少了物质周围、内部的光子信息能量密度，减少了与其它光子作用的可能性，就可以让光子表现自己的粒子性，表现自己直线传播，不传播到物质阴影区域内，或者说尽可能少地减少传播到阴影区域内的可能性。所以讲，在上述的物质演示实验中，不断降低环境的温度，就会减少光子传播到阴影区域的可能性，宏观表现为粒子性加强，波动性减弱，这里存在一个极限的情况，当环境温度降到绝对零度附近，波动性就会消失，粒子性加强；但是温度不能太低，如果环境中绝对没有了光子信息，原来的光子也会消失，淹没，或者表现为光速很慢。

    通过以上分析可知，光子的粒子性是根本的，而光的波动性是光子存在过程中一种表现。同样其它微粒子的粒子性也是绝对的，波动性是相对的，是物质存在过程、表现过程的一种体现。

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