波粒二象性理论与波速问题探讨

速度是宏观的概念;在量子力学中速度表示什么,本来无法回答。在半经典理论中,为重新定义速度,可取v→=▽S/m[m是粒子质量,S满足ψ=Aexp(j S/h)]。这样虽建立了速度与波函数的联系,却不是波科学中必需而有用的波速概念。真空中光速c是一个普遍性基本物理常数,量子力学显然也需要这个参数,亦即新波动力学需要这个物理量。从人类实践过程和结果看,科学家若企图确定c的最精确值,必须依靠标量方程c=fλ这样的标量描述才能实现。现代物理学认为波速度(相速vp、群速vg)是标量而非矢量。波动具有独特的科学性质,其规律与经典力学不同,它需要量子力学支持,又不等同于严格的量子力学。目前尚无单独一个理论能完美解释波科学问题,处在经典物理和量子物理并用的局面。电磁场的量子化过程为光的波粒二象性提供了基本的数学诠释,即连续展布于空间的电磁场在量子化后得到光子。尽管如此,"光子是什么"的难题仍困扰着科学家。通常认为电子的物质波是几率波,光子的波动是电磁波而非几率波。但在分析处理双光子纠缠时又在使用几率波理念,这样光子的波是什么仍未解决。另外,电子几率波与Schrdinger方程对应,但有一种观点认为光子几率波尚无可对应的波方程。另一方面,物质波相速的物理意义并不清晰;而de Broglie波的相速是超光速的,对此还需要更多的说明。类似的许多例子表明,波粒二象性仍是现代物理学中的一个待解之谜。最后,近年来对负波速(NWV)的研究既使波科学更加丰富,也为发展理论思维提供了新的契机。     

对引力波概念的理论质疑

2016年2月11日美国激光干涉引力波天文台(LIGO)宣布,它于2015年9月14日探测到引力波,说这是两个黑洞合并造成的,收到的波形与广义相对论(GR)的预测一致。以后又有几次宣布,例如2017年10月16日说已第5次探测到引力波,而这是由于两个中子星的合并。2017年10月3日Nobel奖委员会宣布,LIGO的3位美国科学家获得当年的Nobel物理奖。然而一直有不同国家(德国、巴西、英国、丹麦、中国)的科学家提出质疑,认为LIGO不可能探测到引力波,甚至向Nobel奖委员会发电子邮件,详述他们的反对理由。本文认为是基本的物理原理决定了引力波不能存在,从理论层面详述了该课题不可信的原因。Einstein的引力场、引力波理论的公式推导,明显地有借鉴和模仿电磁场、电磁波理论的痕迹,因此我们可以遵循电磁理论的逻辑对前者提出批评。任何人如认定引力波存在,那么他要先证明引力场是旋量场。我认为Newton万有引力定律与Coulomb静电力定律的相似已证明引力场是静态场,而引力和静电力都以超光速传播的事实进一步证明了这点。引力场既然是静态的无旋场,是不会有引力波的。我认为"引力传播速度和引力波速度都是光速"的观点是完全错误的,不仅不符合事实,而且把引力相互作用和电磁相互作用混为一谈。"引力速度"与"引力波速度"是不同的概念。很久以前许多著名科学家就知道引力传播速度比光速大很多(v_G≥c),他们普遍认为引力如以有限速度(光速c)传播,绕日运动的行星由于扭矩作用将不稳定。相对论者坚持说"引力以光速传播"是为了替SR辩护,因为该理论认为超光速没有存在的可能,然而这已被事实所否定。Einstein引力场方程是GR理论的基本方程,但它的推导有假设和拼凑的作法。引力场的物理效果被认定由Riemann空间的度规张量体现,需要知道度规场分布的规律。但由于没有可作依据的实际观测知识,推导引力场方程就用猜测性的推理。尽管引力场方程被导出,但它非常复杂且有高度非线性,实际上不可解。然而,一个无法求解的方程是对人类无用的东西,因此Einstein通过弱场近似导出引力波。这是尽力模仿电磁理论的作法。但这并不合理,连LIGO也说在有剧烈天文现象发生时才迅速地有引力波产生,这可不是弱场,与理论前提相矛盾。总之,Einstein引力场方程的非线性造成无波动解。当前西方理论物理界乱象频生,黑洞的有无、暗能量和暗物质是否存在,都在无休止地争论。在本文中我们呼吁重建经典力学的时空观,提出"牛顿仍称百世师"。Newton引力理论经过了漫长时间的考验,它对人类极为有用。因此,本文批评了Minkowski的时空一体化。此外,还批评了LIGO所采用的数值相对论方法。最终的结论是:引力波是一个无意义的概念,缺乏物理实在性且造成误导。     

电磁波经典波速理论及存在问题

对电磁波波速的定义作深入的讨论，并指出：群速具有基础性和重要性。近年来，实验技术上的改进更保证了群速定义有效和有价值，应当引起重视。论述了Sommerfeld-Brillouin经典波速理论的意义及存在的问题。介绍了某些“群速超光速”和“负群速”实验。     

中国第一个超光速实验在北京广播学院获得成功

北京广播学院通信工程系的黄志洵、逯贵祯教授及硕士研究生关健,最近完成了一篇英文论文“Superluminal and Negative Group Velocity in the Electromagnetic Wave Propagation”(“电磁波传播中的超光速群速和负群速”),今年6月在《Engineeting Science in China》(ESIC——中国工程院院刊英文版)上发表。文章的前半为理论研究——分析了产生群速超光速和负群速的条件;讨论了截止波导中消失波条件下的超光速群速和负群速。文章的后半报道了关于“超光速群速”的实验——据我们所知,这是国内的首例超光速实验。该实验采用同轴光子晶体(CPC)结构进行,获得了阻带中的超光速群速,V_g=(1.5～2.4)c。     

电磁波经典波速理论及存在问题

对电磁波波速的定义作深入的讨论,并指出:群速具有基础性和重要性.近年来,实验技术上的改进更保证了群速定义有效和有价值,应当引起重视.论述了Sommerfeld-Brillouin经典波速理论的意义及存在的问题.介绍了某些"群速超光速"和"负群速"实验.     

光子是什么

通常认为光子是电磁场量子,亦即电磁场经量子场处理后形成的方程可以描写光子。然而在物理思维上存在困难,例如很难了解光子物理形象的动力学。非相对论量子力学(例如Schr?dinger方程)决定,用波函数Ψ(x)描述的电子定位是在空间中的几率性分布;但与此相反,光子是不可定位的。由于在数学上不能使用满足Einstein狭义相对论的定位几率分布来建立连续性方程,因而无法对光子流建立连续性方程。正如大家所知,对量子粒子(如电子)是用波函数表达其空间定位性质,但光子是非局域粒子的事实造成我们无法为光子定义一个自洽的波函数,虽然在Weisskopf-Wigner模型理论框架内可以建立光子波函数的操作性定义。总之,不能为光子写出波方程。必须强调指出,光子不是一个刚性球,永远无法给出其尺寸和体积。光子的理论分析以广义Maxwell方程组和量子理论为基础,后者是指量子力学(QM)和量子电动力学(QED)。Schr?dinger方程(SE)非常适用于光纤的分析,这个事实证明QM对解释光子有用。然而,必须指出光子形象仍然模糊不清。光波并不完全等同于传统电磁波,因为光子是微观粒子,波特性遵从统计规律,波函数表达几率波模式。然而现时却缺少光子几率波的方程。本文将1936年发现的Proca方程组称为广义Maxwell方程组或修正的Maxwell方程组,在光子有静止质量时应由Proca方程组取代Maxwell方程组。这时,磁矢势A成为可观测量。人们已用许多方法进行了光子静质量测量,可以相信光子也是一种有质(量)粒子。在这种情况下,我们发现即使在自由空间(真空)条件下电磁波也可能作超光速传播。而按照Proca理论,将给光子带来几率波特性,但却仍然保持光子与电磁波之间的传统关系(光子仍是电磁波的量子)。……本文的结论是:光子是一种深具特殊性的微观粒子。由于光子静质量、引力、真空极化作用等因素的影响,在我们的新理论中速度的非恒值性是一个特点。这就可能造成对光速的多样化解释。因此我们追求对物理学中的这个基本问题的新理解——"真空中光速"的确切含意是什么?     

负波速研究进展

近年来有众多实验证明了超过真空中光速的可能性,并从理论上和实验上对群速超光速和负群速作了研究。本文着重论述负波速的光传播,例如光脉冲通过被测物(如原子气室或光纤)时其峰值在进入它之前就在它的输出端出现了,从而呈现出负渡越时间和负群速(NGV)。可以证明当Goos-Hnchen位移GHS为负,即D<0,而|D|>dΦ/dkz,则可获得负渡越时间(τ<0)。……文中论述的NGV传播是依靠反常色散媒质或消失波而实现的。在电磁理论中相速、群速可定义为矢量或标量。如在标量表达时出现负号,例如νg=-c/ng,不能认为负号只表示向反方向传播。必须指出在Sommerfeld-Brillouin波速理论中负群速是超光速的一种形态。本文提出了开展"三负研究"的思想,所谓"三负"是指负折射、负波速和负GH位移。如果我们透过现象看本质,这三方面的内在联系是非常重要的。最后,本文深入讨论了量子波动的内容和意义。     

论电磁学中的负波速和超前波

波动是物质运动的特殊形式,波动力学具有独特的内容、方法和意义,其概念和内涵都和经典力学有重大区别。例如,波速度(无论相速或群速)都是标量,“负波速”并不表示运动方向反了过来,而是一种从表面上看与因果性不相符的特殊现象。无论如何,最近几十年的研究已证明,负波速不仅在理论上可行,在实验中也多次证明其存在。而且,负波速是超光速的一种特殊形态。……本文指出,具有负波速的波动是超前波。它对应电磁场与电磁波基本方程的超前解;过去的做法是抛弃超前解,这是不合适的!关于超前波,虽然早就有这一概念,但从未有人明确指出这个波是真实存在的。本文认为已有的许多负群速实验正是超前波存在的证明。有人用“违反因果律”作为理由,说超前波不可能存在。但是,中国科学家已经对因果性作了更深刻、更全面的解释,这对波动力学和量子光学都是重要的贡献。众所周知,在量子力学中经典的因果律已丧失其合理性和至高无上的地位。2022年的Nobel物理学奖被授予Alain Aspect等3人是很不平常的,因为Aspect的关于Bell不等式的实验完成于1982年,今天来看它仍然是一个证明Einstein的EPR论文错了、而量子力学正确的关键...     

论电磁学中的负波速和超前波

波动是物质运动的特殊形式,波动力学具有独特的内容、方法和意义,其概念和内涵都和经典力学有重大区别。例如,波速度(无论相速或群速)都是标量,“负波速”并不表示运动方向反了过来,而是一种从表面上看与因果性不相符的特殊现象。无论如何,最近几十年的研究已证明,负波速不仅在理论上可行,在实验中也多次证明其存在。而且,负波速是超光速的一种特殊形态。……本文指出,具有负波速的波动是超前波。它对应电磁场与电磁波基本方程的超前解;过去的做法是抛弃超前解,这是不合适的!关于超前波,虽然早就有这一概念,但从未有人明确指出这个波是真实存在的。本文认为已有的许多负群速实验正是超前波存在的证明。有人用“违反因果律”作为理由,说超前波不可能存在。但是,中国科学家已经对因果性作了更深刻、更全面的解释,这对波动力学和量子光学都是重要的贡献。众所周知,在量子力学中经典的因果律已丧失其合理性和至高无上的地位。2022年的Nobel物理学奖被授予Alain Aspect等3人是很不平常的,因为Aspect的关于Bell不等式的实验完成于1982年,今天来看它仍然是一个证明Einstein的EPR论文错了、而量子力学正确的关键...     

试评LIGO引力波实验

物理学的一些基本问题体现在对空间、时间、引力的看法上,由Newton建立的经典力学(CM)作了清楚的阐述.1905年Einstein提出的狭义相对论(SR)当中根本没有对引力的思考,而在1908年Minkowski说“从今以后空间、时间都将消失,只有这二者的结合保持为独立的实体”——他指的是spacetime概念,译作“时空”或“空时”.这概念立即体现在1916年问世的广义相对论(GR)中,并发展为引力波理论——质量使时空弯曲,当物体加速时它沿着弯曲时空(curved spacetime)以光速发出涟漪,即引力波.然而查遍计量学书籍文献也找不到一个独立的称为“时空”(或“空时”)的物理量.spacetime概念要表达什么,是模糊不清的;时空一体化是整个理论体系的基础,而这个“地基”令人怀疑.2015年9月14日,美国激光干涉引力波天文台(LIGO)的2个检测器同时收到一个瞬态信号;据此LIGO团队宣布说:“我们已从两个黑洞的合并观测到引力波,因为检测到的波形与广义相对论的预测一致”.这不像是真正令人完全相信、十分放心的科学发现方式,因为你无法确认它真的是由“引力波”造成的.虽然信噪比较高,但是它也可能来自别的原因.所用数值相对论(numerical relativity)方法并不很好,因它有许多误差源和非线性影响.至少可以说,目前的“发现”离1887年Hertz发现电磁波的实验还有很大差距,有待查明是事实还只是一种迹象.“引力速度”与“引力波速度”是不同的概念.很久以前许多著名科学家就知道引力传播速度比光速大很多(vG(》)c),他们普遍认为引力如以有限速度(光速c)传播,绕日运动的行星由于扭矩作用将不稳定.再者,说“引力波以光速传播”,似乎它也是电磁波谱上的一员,这是荒唐的.引力理论和电磁理论一直互相独立地、平行地发展;可以借鉴电磁学的成就和方法论,但凭什么把电磁波的速度(光速c)也拉过来安到引力波(假如存在)的头上？可以判定,GR所谓引力波和引力子一样,其存在性可疑,至少还需再作讨论.最后指出,引力场作用是唯一的不能充分与量子理论吻合一致的相互作用,而它是人类最先知道的物理作用.GR描述了这种作用,但它是非量子的,因而也是一种经典理论.GR也可以称为几何动力学;然而GR建立在时空一体化和必定有弯曲时空的基础上,令人疑虑.更何况,根据已发现的某些新的物理现象,由此认为需要寻找比GR更基本的理论.近年来国际上展开研究了“修正的Newton力学”,我们认为是重要的动向.