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光到底是粒子还是波?让物理学家头痛的波粒二象性到底是什么?

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关于对光的认知史的略述:
光到底是什么?早在2000多年以前,古希腊的哲学家就开始了对光的研究。他们昔日的观察日常生活中的光影,最终得出结论,光是由肉眼不可见的粒子构成的烛火一类的发光体,向四面八方发射“光粒子”,当他们碰到障碍就会被弹开。
如果偶然进入人眼中,那人们看到的就是最后弹开它的东西。就这样过了一千年,没有人这一光的本质,但科学发展没有停下脚步,我们不再满足于肉眼可见的事情,开始探求微观世界的秘密。
法国物理学家笛卡尔也开始了对光的研究。他认为光是一种脉冲,它依靠神秘物质“以太”引起扰动来传播,但是笛卡尔也没有明确证明光其实是一种波的看法,因为他没法在此基础上证明光的反射和折射现象。不过这一想法却是撼动了科学界,引发了长达200年的波粒之争。荷兰物理学家克里斯蒂安·惠更斯坚持笛卡尔的观点,他觉得光把能量传播给了以太微粒,让以太四处冲击,引起光的传播。
所谓以太是古代哲学家提出的假想物质,用来解释类似光、声音一样的,我们可以感受却无法定论的物质,这种叫做“以太”的东西无处不在,充斥整个宇宙,惠更斯在以太的基础上成功解释了光的反射与折射,打破了盛行千年的为你学说同时代还有一位名震天下的科学家不同意这个观点,他就是牛顿,站在巨人肩膀上的牛顿坚信光是一种粒子,与波动学说一派开始了无穷无尽的争论。
直到1802年,托马斯·杨用著名的双缝实验挑战了牛顿的权威。双缝实验很简单,就是拿一块挡板留出两条缝,让光通过挡板罩在后面的屏幕上。如果光真的是粒子,那毫无疑问屏幕上会出现两条明亮的光线,但结果让微粒学派大失所望,屏幕上出现了一系列光线,又明又暗。
新理论关于电磁波的论述:
电磁波是由互相垂直的电场与磁场,在空间中相互转换发射的震荡粒子波。电磁波类似于波动,但传递过程中并无形态意义上的波动,而是沿电场方向传递的(详细理论见《三元平衡定律》),是电场和磁场以类似于能量相互转换的形式,而形成的震荡,通过周期性震荡而形成的“类波粒子”(真实状态为,电场与磁场呈周期性转换的微观系统)。
电磁波在一个波动频率中,电场由强变弱再由弱变强,呈周期性变化,变化电场周围会形成一个围绕它的磁场。当电场由强变弱时,围绕它的磁场则由弱变强,当电场由弱变强时,围绕它的磁场则由强变弱。
除了电磁波(光)之外,宇宙中的一切波动现象、物体间相互作用都比必须遵循“三元平衡定律”。也就是说,宇宙中所有的波必然是一种“三元平衡系统”,但“三元平衡系统”不一定是波。而电磁波、电子波、基本粒子、包括普通物质等等,就是典型的“三元平衡系统”,却又不是真正意义上的波。
只不过电磁波(光)是这类“三元平衡系统”中最基础的一类,电子波、基本粒子、物质等等,则是更加复杂的系统而已,因此这类“三元平衡系统”其实都具有“波粒二象性”。由于电磁波(光)是这类“三元平衡系统”中最基础的一种,所以其“波粒二象性”最明显罢了,而普通物质的“波粒二象性”最弱甚至难以被科学家发现而已。
三元平衡定律:在一个系统内,两个非平衡状态趋向于平衡状态的过程,就是三元平衡的过程。
在电磁波的三元平衡中,电场和磁场分别为两个非平衡因素,在电磁波中,电场和磁场的这两种能量的关系,类似于水波中在波峰和波谷位置的两种势能,在水波中波峰处的势能与波谷处的势能,呈周期性的相互转换,而最终形成水波。
电场转化为磁场的过程和磁场转换为电场的过程,就是变化的磁场和变化的电场(能量转移或转换的过程),类似于水波中变化的动能(势能转移或转换的过程)。即在水波中相当于由波峰到波谷的向下的动能,和波谷到波峰向上的动能,动能大小与势能大小呈此消彼长的关系。
在电磁波中的电场和磁场,就是一对以波动形式周期性相互转换的非平衡状态,这种以波的形式周期性相互转换的状态,就是非平衡趋于平衡的状态。所以电磁波其实就是电场与磁场的三元平衡状态,这是一种最基础的三元平衡状态,同样也是最基础的三元平衡系统。
但是又由于电磁波并非是一般理解的波,即电磁波并非一般意义上的横波,也不是一般意义上的纵波。因为一般意义上,无论横波还是纵波都是一种机械波,机械波都是两种非平衡作用力形成的能量(包括势能和动能),交替转换形成的波。而这种通过非平衡作用力形成的波,往往都需要通过介质才能传递。而形成电磁波的两个非平衡因素,都与作用力形成的能量不同,而是电场和磁场本身,所以电磁波是通过电磁辐射传播的波,不需要通过某种介质来传递。
电磁波的传播方向和传递速度只和电场的方向有直接关系,和磁场的方向无直接关系,但磁场可以影响电磁波的传播方向。(关于电磁波的传递方向和传递速度的问题,在《三元平衡定律》一书中有详细的理论论述)。
三元平衡定律:https://doi.org/10.5281/zenodo.4539809


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