《西游记》中的孙悟空在我国可是妇孺皆知,我们不妨利用“孙悟空”的故事来帮助我们把“π型三重波粒二象性”科普一下。假设我们所研究的对象(光)像孙悟空一样,具有七十二般变化……
当孙悟空变成一群粒子(光子)的时候,孙行者的真身就消失了,我们所能看到的是一群粒子,而这些粒子是由孙悟空变化而来的,故与其它的粒子有所不同,它们在运动上具有波动性。
当孙悟空变成一团弥散的电磁波的时候,孙行者的真身也不见了,我们所能看到的是一团弥散的电磁波,而该团弥散的电磁波是由孙悟空变化而来的,故与其它的波不同,它在结构上具有粒子性——可以看作是一系列“电磁基波”叠加而成,而每一个“电磁基波”的能量、动量、角动量都能与(上一状态)那群粒子中的某一个粒子的能量、动量、角动量分别对应相等。所以,一个“电磁基波”就相当于一个“准粒子”。
如此,“一群粒子”与“一团电磁波”就都是孙悟空的化身,都是两种真实的存在,但这二者却不能同时存在(就像白骨精变成老翁、老妇、少女一样),必须在存在的时间上相互错开。这就是“第一种波粒二象性”(由爱因斯坦1905年揭示的光的波粒二象性)。
当孙悟空变成“一群粒子”的时候,这些粒子在运动上具有波动性。此时的“波”与“粒子”虽然是同时存在,但是,这些“波”与“粒子”的存在形式却不相同:“粒子”是真实的存在,而“波”却是一种虚假的存在,是那些“粒子”存在的反映——“粒子”在运动上具有波动性。这就是“第二种波粒二象性”(由德布罗意1923年揭示的实物粒子的波粒二象性)。
当孙悟空变成“一团电磁波”的时候,这团电磁波在结构上具有粒子性。此时的“波”与“粒子”虽然是同时存在,但是,这些“波”与“粒子”的存在形式也不相同:“波”是真实的存在,而“粒子”却是一种虚假的存在,是一种“准粒子”,是那些“波”在结构上具有粒子性的反映。这就是“第三种波粒二象性”(由甘永超1994年揭示的“经典电磁场在结构上所具有的粒子性”)。
所以“波粒二象性”难于理解,让很聪明的人都犯糊涂,就是因为有三种“波粒二象性”搅和在一起,我们没有能够有效地加以区分,它们模棱两可、扑朔迷离、亦波亦粒、非波非粒、真真假假、虚虚实实、同时异态、同态异时……
我们需要孙悟空的火眼金睛,才能有效地区分这“三种波粒二象性”……
参 考 文 献
[1] 甘永超, 吴美钧. 论电磁场的自身量子化. 荆州师专(现长江大学)学报(自然科学版), 1994, 17(5): 37~39
[2] 甘永超, 章介伦. 沈文达等. 辐射场的内禀结构研究. 光子学报, 1995, 24(5): 472~475
[3] 甘永超, 李文川, 吴美钧. 引进现代光学成果, 促进光学基础教学(Introducing the Achievements of Modern Optics and Promoting the Teaching of Optical Foundations)[A]. 吴宗汉编. 基础物理教育改革新动向(Proceedings of International Conference on Physics Education (中、英文))[C]. 南京: 东南大学出版社, 1995, 107~109
[4] 甘永超, 吴美钧. 一种自洽的光的波粒二象性图景. 荆州师专(现长江大学)学报(自然科学版), 1996, 19(5): 53~56
[5] 甘永超, 朱江. 光的相变机制与真空的有关性质. 荆州师专(现长江大学)学报(自然科学版), 1996, 19(2): 52~55
[6] 甘永超. 波粒二象性研究中的历史学与方法论思考. 湖北大学学报(哲学社会科学版), 2002, 29(3): 90~95
[7] 甘永超, 胡战, 周刚. Lorentz-Compton佯谬与一个双赢判决性散射实验设计. 光散射学报, 2006, 18(1): 75~79
[8] Y. Gan, W. Wang. A self-consistent picture of wave-particle duality of light. Proc. of SPIE, 2007, 6664: 666407. Chandrasekhar Roychoudhuri, Al F. Kracklauer, Katherine Creath. 《The Nature of Light: What Are Photons?》
文献[1]:论电磁场的自身量子化
文献[2]:辐射场的内禀结构研究——电磁场的按光子对应分解及其物理实质
文献[4]:一种自洽的光的波粒二象性图景
文献[5]:光的相变机制与真空的有关性质
文献[6]:波粒二象性研究中的历史学与方法论思考
文献[7]:Lorentz-Compton佯谬与一个双赢判决性散射实验设计
文献[8]:A self-consistent picture of wave-particle duality of light