摘 要：基于“經(jīng)典電磁場(chǎng)按光子對(duì)應(yīng)分解”而揭示了與愛因斯坦、德布羅意分別于1905、1923年揭示的“光的波粒二象性”、“實(shí)物粒子的波粒二象性”相并列的“第三種波粒二象性”并把這“三種波粒二象性”和諧地統(tǒng)一起來，進(jìn)而揭示了微觀客體的“π型三重波粒二象性”;接著，通過對(duì)“π型三重波粒二象性”的數(shù)學(xué)抽象而得到了“波粒二象關(guān)系式”，給出了“波”與“粒子”關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)并介紹了反導(dǎo)武器“巨光子炮”的工作原理;最后，還對(duì)“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論進(jìn)行了初步驗(yàn)證與展望。

　　關(guān)鍵詞：自動(dòng)化與儀器儀表雜志,第三種波粒二象性,三種波粒二象性的統(tǒng)一,π型三重波粒二象性,波粒二象關(guān)系式,巨光子炮,物理學(xué)第六次大綜合

　　一、引言

　　“波粒二象性”是量子物理、現(xiàn)代光學(xué)與粒子物理中的核心問題，也是破解“光的本性”、“粒子與場(chǎng)的關(guān)系”、“物質(zhì)世界的最基本結(jié)構(gòu)單元”的關(guān)鍵所在。前蘇聯(lián)科學(xué)家瑞德尼克在《量子力學(xué)史話》中曾一針見血地指出：“今天，決定微觀世界統(tǒng)一體的最深刻本質(zhì)的全部問題，就是物理學(xué)所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰：物質(zhì)的兩種基本形式――實(shí)物(粒子)和場(chǎng)(波)――之間的相互關(guān)系。”誰要是破解了實(shí)物(粒子)和場(chǎng)(波)的關(guān)系，那么，他就登上了物理學(xué)的珠穆朗瑪峰。本文基于狄拉克“經(jīng)典電磁場(chǎng)按模式分解”的自然推廣――“經(jīng)典電磁場(chǎng)按光子對(duì)應(yīng)分解”(因?yàn)槊恳粋�(gè)模式又可以包含多個(gè)光子)而展開討論，通過一系列邏輯分析與數(shù)學(xué)抽象而得到了一些新的結(jié)論。

　　二、“第三種波粒二象性”的揭示

　　“第一種波粒二象性(光的波粒二象性)”(如圖1)由愛因斯坦1905年揭示、1916年由密立根驗(yàn)證，分別獲1921、1923年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。“第二種波粒二象性(電子的波粒二象性)”由德布羅意1923年揭示、1927年由戴維遜和小湯姆遜驗(yàn)證，分別獲1929、1937年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

　　1994年，中國(guó)學(xué)者把狄拉克1927年所作“經(jīng)典電磁場(chǎng)按模式分解”進(jìn)一步推進(jìn)到“經(jīng)典電磁場(chǎng)按光子對(duì)應(yīng)分解”，凝練出了“電磁基波”的概念，提出了“波粒二象性的相變假說”，在經(jīng)典電磁場(chǎng)與量子電磁場(chǎng)之間建立起了一種基本單元(“電磁基波”與“光子”)的對(duì)應(yīng)關(guān)系(每一份“電磁基波”的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量都能與一個(gè)同頻光子的能量、動(dòng)量、角

　　動(dòng)量分別對(duì)應(yīng)相等)，揭示了與前兩種波粒二象性相并列的“第三種波粒二象性”――經(jīng)典(電磁)場(chǎng)在結(jié)構(gòu)上的粒子性。

　　三、“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一

　　雖然“第三種波粒二象性”、“第三種中微子振蕩”、“第三種量子霍爾效應(yīng)”的揭示令世人矚目，但“三種波粒二象性”、“三種中微子振蕩”、“三種量子霍爾效應(yīng)”如何統(tǒng)一(揭示其背后的深刻本質(zhì))卻更令人神往。

　　愛因斯坦整整五十年的自覺思考都沒能解決“電磁波”與“光量子”之間的關(guān)系問題，德布羅意一輩子也未能解決“實(shí)物粒子”與“物質(zhì)波”之間的關(guān)系問題。也就是說，盡管“光的波粒二象性”與“實(shí)物粒子的波粒二象性”被揭示出來并頒發(fā)了四次諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，但“波粒二象性之謎”卻并沒有完全揭開。

　　今天，由于“第三種波粒二象性”的揭示，我們才能理順“三種波粒二象性之間的π型結(jié)構(gòu)關(guān)系”，破解“波粒二象性之謎”，把“三種波粒二象性”完美而又和諧地統(tǒng)一起來 (如上圖)。

　　原來，只有第一種波粒二象性才是本質(zhì)上的波粒二象性(真實(shí)的波與真實(shí)的粒子在存在的時(shí)間上相互錯(cuò)開，滿足一定條件時(shí)還可以相互轉(zhuǎn)化);而第二種波粒二象性(真實(shí)的粒子在運(yùn)動(dòng)上具有“德布羅意波動(dòng)性”)、第三種波粒二象性(真實(shí)的波“在結(jié)構(gòu)上具有粒子性”)都是現(xiàn)象上的波粒二象性，它們的“波”與“粒子”同時(shí)存在但一虛一實(shí)、不能相互轉(zhuǎn)化。這就是微觀客體的“π型三重波粒二象性”。

　　四、“π型三重波粒二象性”的數(shù)學(xué)抽象：“波粒二象關(guān)系式”與“巨光子炮”

　　根據(jù)“波粒二象性的相變假說”，尤其是更為具體的“π型三重波粒二象性”理論，我們不難想象：由于在經(jīng)典電磁場(chǎng)(電磁基波的疊加)與量子電磁場(chǎng)(光子氣)之間建立起了一種基本單元(“電磁基波”與“光子”)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，所以，在一定條件下經(jīng)典電磁場(chǎng)與量子電磁場(chǎng)之間可以發(fā)生相互轉(zhuǎn)化(相變)，而其本質(zhì)就是“電磁基波”與“光子”之間的相互轉(zhuǎn)化(真空中基態(tài)的量子電磁場(chǎng)吸收一份“電磁基波”而躍遷到激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)放出一個(gè)“光子”又回到基態(tài);或者基態(tài)的量子電磁場(chǎng)吸收一個(gè)“光子”而跳到激發(fā)態(tài)，再由激發(fā)態(tài)發(fā)射一份“電磁基波”又跳回基態(tài))。假若我們把量子電磁場(chǎng)(光子氣)用粒子矩陣P表示，經(jīng)典電磁場(chǎng)(電磁基波的疊加)用波矩陣W表示，那么，經(jīng)典電磁場(chǎng)與量子電磁場(chǎng)之間的轉(zhuǎn)化(相變)就可以用數(shù)學(xué)描寫成為一種矩陣變換：

　　P = G W

　　其中，G為變換矩陣。再詳細(xì)一點(diǎn)，我們還可以寫出(甚至還可以寫出其四維形式)如公式1：

　　這就是“波粒二象關(guān)系式”。它是對(duì)“波粒二象性的相變假說”與“π型三重波粒二象性”高度的數(shù)學(xué)抽象――不僅把量子力學(xué)的兩大開山之作(普朗克公式與德布羅意公式)統(tǒng)一了起來，而且還把“物理學(xué)尚未征服的山峰中的最高峰――實(shí)物(粒子)與場(chǎng)(波)之間的關(guān)系”用精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)公式表達(dá)了出來，有如愛因斯坦的質(zhì)能關(guān)系式E=Mc2揭示“質(zhì)量”與“能量”的平等、線性關(guān)系一樣。

　　另外，根據(jù)“波粒二象性的相變假說”與“π型三重波粒二象性”理論，我們有望把一份巨大的“彌散能量(波)”通過某種途徑集中起來而轉(zhuǎn)化成為一個(gè)高速(甚至接近光速)飛行的“巨粒子炮”，例如，可以把現(xiàn)在的激光武器改造成為“巨光子炮”――以光速飛行的“一顆巨大的光子”(根據(jù)“三種波粒二象性”的內(nèi)在關(guān)系，我們把“激光諧振腔內(nèi)輸出的受激輻射”不是展現(xiàn)成為數(shù)額巨大的多“光子”，而是設(shè)法轉(zhuǎn)化成唯一的一顆以光速飛行的“巨光子”炮彈――它在空中飛行幾乎沒有衰減，用來攔截核導(dǎo)彈簡(jiǎn)直就是甕中捉鱉)。 相信“巨光子炮”這種超級(jí)武器一定會(huì)引起軍方乃至世界和平組織的極大興趣。因?yàn)楹宋淦鳉�滅人類，�?ldquo;巨光子炮”卻可以拯救人類。 　　五、“三種波粒二象性”和諧統(tǒng)一理論的初步檢驗(yàn)

　　鑒于愛因斯坦廣義相對(duì)論的三大預(yù)言(水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)、光線的引力偏折、光譜線的引力紅移)被驗(yàn)證就奠定了它在科學(xué)界的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，我們也基于“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論而做出了三個(gè)頗具顛覆性(在現(xiàn)代物理學(xué)的框架內(nèi)幾乎就是不可能)的預(yù)言(推論)。如果這三個(gè)幾乎是不可能的事件都能夠得到證實(shí)，那么就只能說明“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論具有無比強(qiáng)大的生命力，是攻不破、打不垮的理論。

　　事實(shí)上，這三個(gè)頗具顛覆性的推論經(jīng)過幾番腥風(fēng)血雨、學(xué)術(shù)論戰(zhàn)，已經(jīng)有兩個(gè)半得到了證實(shí)：

　　①根據(jù)經(jīng)典理論而不需要任何量子假設(shè)就可以直接導(dǎo)出“普朗克的黑體輻射公式”(已為英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的馬歇爾所證實(shí));

　　②根據(jù)經(jīng)典理論而不需要任何量子假設(shè)就可以直接導(dǎo)出“光能量的量子化”(已為中山大學(xué)的佘衛(wèi)龍所證實(shí));

　　③“波”與“粒子”完全平等，“光的量子理論”與“光的經(jīng)典電磁理論”是兩個(gè)獨(dú)立、平行的理論，光的量子理論不能包含光的經(jīng)典電磁理論(已被甘永超證明了一半，還剩下另一半，需要實(shí)驗(yàn)判決)。

　　為了彌補(bǔ)上面三個(gè)推論只證實(shí)了兩個(gè)半的遺憾，我們又借助科學(xué)史上伽利略推翻亞里士多德“物體越重下落速度越快”所使用的歸謬法(它比伽利略的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)更為有力)，從邏輯上進(jìn)一步證明了第三個(gè)推論(如果“光的量子理論能夠包含光的經(jīng)典電磁理論”，那么，我們就可以完全拋棄光的經(jīng)典電磁理論，這勢(shì)必導(dǎo)致“光量子”一統(tǒng)天下而“電磁波”突然消失，可是，“電磁波”作為一種具有質(zhì)量、能量、動(dòng)量而真實(shí)存在的物質(zhì)，是不可能憑空消失的。所以，“光的量子理論不能包含光的經(jīng)典電磁理論”)。而這種邏輯推理的力量又十分有力，以至于“進(jìn)行實(shí)驗(yàn)判決都成為多余”!

　　另外，對(duì)于光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)中傳統(tǒng)物理學(xué)都極力回避的難題(當(dāng)一個(gè)光子的能量低于紅限而兩個(gè)光子的能量高于紅限時(shí)，能否產(chǎn)生光電效應(yīng))，“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論卻能夠給出圓滿的解釋。第一個(gè)光子打到電子上，顯示粒子性，被電子吸收，使電子躍遷到高能態(tài);第二個(gè)光子緊接著打過來，如果它還顯示粒子性，就可能使高能態(tài)的電子吸收該光子而逃逸，發(fā)生光電效應(yīng)，可事實(shí)上并非如此。而新理論的解釋卻是：如果第二個(gè)光子緊接著打過來，由于電子已經(jīng)躍遷到了高能態(tài)，與之發(fā)生相互作用的第二個(gè)光子就不再顯示粒子性，而是顯示波動(dòng)性，應(yīng)該用電磁波理論來處理，所以，不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。

　　如果再計(jì)及“π型三重波粒二象性”抽象成為一個(gè)數(shù)學(xué)上的矩陣等式――波粒二象關(guān)系式，而該矩陣等式卻居然能夠把量子力學(xué)的兩大開山之作(普朗克公式和德布羅意公式)統(tǒng)一起來――這完全可以理解為對(duì)“π型三重波粒二象性”與物理學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)自洽性的第5.5次驗(yàn)證。想當(dāng)年，愛因斯坦的廣義相對(duì)論也只有“水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)”、“光線的引力偏折”2個(gè)預(yù)言被驗(yàn)證(“光譜線的引力紅移”一直等到1959年才被美國(guó)的龐德和雷布卡利用穆斯堡爾效應(yīng)加以驗(yàn)證)就奠定了它在科學(xué)界的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)并轟動(dòng)世界，而甘永超的“π型三重波粒二象性”卻已經(jīng)經(jīng)歷了5.5次驗(yàn)證為什么就不能轟動(dòng)世界!

　　六、結(jié)果與討論

　　我們知道，“經(jīng)典電磁場(chǎng)按光子對(duì)應(yīng)分解”是狄拉克1927年所作“經(jīng)典電磁場(chǎng)按模式分解”的自然推廣，而在“經(jīng)典電磁場(chǎng)按光子對(duì)應(yīng)分解”基礎(chǔ)上建立起來的“三種波粒二象性”的和諧統(tǒng)一理論――“π型三重波粒二象性”又經(jīng)過了上述5.5次驗(yàn)證，特別是前面那2.5次顛覆性驗(yàn)證是足夠有力的。如果與廣義相對(duì)論的驗(yàn)證相對(duì)比，我們應(yīng)該更加有信心，把“π型三重波粒二象性”理論進(jìn)一步推向高潮。

　　其實(shí)，“經(jīng)典電磁場(chǎng)按光子對(duì)應(yīng)分解”――每一個(gè)“電磁基波”的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量都能與一個(gè)同頻“光子”的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量分別對(duì)應(yīng)相等，就讓我們找到了破解“粒子自旋”之謎的鑰匙。根據(jù)“π型三重波粒二象性”理論，粒子的自旋不過是從它的娘胎里帶出來的，是粒子的一種內(nèi)稟特性，例如，當(dāng)一份“電磁基波”轉(zhuǎn)化為一個(gè)“光子”時(shí)，轉(zhuǎn)化前“電磁基波”的能量、動(dòng)量、角動(dòng)量都由轉(zhuǎn)化后的那個(gè)“光子”所承載，也就是說，光子的自旋角動(dòng)量來源于轉(zhuǎn)化前的那份“電磁基波”的角動(dòng)量。其實(shí)，這個(gè)謎底非常簡(jiǎn)單。

　　隨著“光子自旋”這類艱深物理問題的解決，現(xiàn)代物理學(xué)前沿的四大疑難“波粒二象性之謎”、“光的本性之謎”、“粒子與場(chǎng)的關(guān)系之謎”、“物質(zhì)世界的最基本結(jié)構(gòu)單元之謎”也會(huì)在“π型三重波粒二象性”的框架下得到解決，我們將會(huì)順利進(jìn)入“后粒子物理學(xué)時(shí)代”，迎來“物理學(xué)的第六次大綜合”――實(shí)現(xiàn)“實(shí)物(粒子)與場(chǎng)(波)的統(tǒng)一”，建立起“波與粒子的統(tǒng)一物理學(xué)”并證實(shí)“物質(zhì)世界的最基本結(jié)構(gòu)單元――‘太極粒子波’”的存在。

　　回首亞里士多德2300多年以前的《物理學(xué)》至今，我們不妨大膽猜想一下物理學(xué)究竟有哪幾大核心公式。它們應(yīng)該是主宰物理運(yùn)動(dòng)中某一個(gè)大類運(yùn)動(dòng)的基本定律或公式(例如①主宰機(jī)械運(yùn)動(dòng)的牛頓第二定律，②主宰電、磁、光運(yùn)動(dòng)的麥克斯韋方程，③主宰微觀粒子運(yùn)動(dòng)的薛定諤方程)，或者是揭示最基本、最重要的物理關(guān)系與實(shí)質(zhì)的公式，例如④愛因斯坦質(zhì)能關(guān)系式與甘永超揭示的⑤波粒二象關(guān)系式――前者揭示了質(zhì)量、能量、時(shí)間、空間與運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系，它是物理學(xué)中最基本的關(guān)系――物理學(xué)就是研究物質(zhì)(質(zhì)量、能量)在時(shí)間、空間中的運(yùn)動(dòng)，而后者則是物理學(xué)中最重要的關(guān)系，因?yàn)閷?shí)物(粒子)與場(chǎng)(波)之間的關(guān)系至高無上――被(瑞德尼克)稱之為“物理學(xué)所面臨的尚未征服的山峰中的最高峰”，也是愛因斯坦一輩子苦苦求索的對(duì)象。

　　作為一種印證，當(dāng)您在電腦中輸入“世界上最偉大的十大公式”并進(jìn)行搜索時(shí)，大多數(shù)時(shí)，上述“物理學(xué)的五大核心公式”都能全部入選，只要把“波粒二象關(guān)系式”作為德布羅意方程組(普朗克公式與德布羅意公式之組合)的升級(jí)版就行。

　　我們殷切期望：由中國(guó)學(xué)者創(chuàng)立的“波粒二象關(guān)系式”能夠躋身“物理學(xué)的五大核心公式”與“世界上最偉大的十大公式”，為人類的文明和進(jìn)步做出不朽的貢獻(xiàn)。我們也期望“巨光子炮”能夠早日問世，為維護(hù)世界和平、全面銷毀核武器做出貢獻(xiàn)。 　　參考文獻(xiàn)

　　[1]瑞德尼克. 黃宏荃， 彭灝譯.量子力學(xué)史話[M].北京：科學(xué)出版社，1979： 281-282.

　　[2]甘永超， 章介倫. 沈文達(dá)，等. 輻射場(chǎng)的內(nèi)稟結(jié)構(gòu)研究[J].光子學(xué)報(bào)， 1995， 24(5)： 472～475.

　　[3]甘永超， 吳美鈞. 論電磁場(chǎng)的自身量子化[J].荊州師專(現(xiàn)長(zhǎng)江大學(xué))學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 1994， 17(5)： 37～39.

　　[4]甘永超， 吳美鈞. 一種自洽的光的波粒二象性圖景[J].荊州師專(現(xiàn)長(zhǎng)江大學(xué))學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)， 1996， 19(5)： 53～56.

　　[5]Y. Gan， W.Wang.A self-consistent picture of wave-particle duality of light[C].Proc.of SPIE， 2007， 6664： 666407(本文獲湖北省第十二屆自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文二等獎(jiǎng)).

　　[6]Marshall T W. Brownian motion of a mirror[J].Phys. Rev. D， 1981， 24(6)： 1509～1515.

　　[7]She Wei-Long. Quantization of light energy directly from classical electromagnetic theory in vacuum[J].Chinese Physics， 2005， 14(12)： 2514-2521.

　　[8]She Wei-Long. Light quantum from classical electromagnetic theory[C].Proc. of SPIE， 2007， 6664： 66640A.

　　[9]Gan Y. Can the quantum theory of light contain the classical electromagnetic theory of light?[J].Proc. of SPIE， 2009， 7421： 74210U(本文獲湖北省第十三屆自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文二等獎(jiǎng)).