光線像“彈簧”一樣沿螺旋線傳播？科學家證明了我的猜測

光線像“彈簧”一樣沿螺旋線傳播？科學家證明了我的猜測

文/袁玉剛 圖/源於互聯網

光是宇宙中速度最大的物質，具有波粒二象性即既是光波又是微粒。波動所具有的波長與頻率意味著它在空間方面與時間方面都具有延伸性；粒子在某時間與某空間具有明確的位置與動量。自然界所有的粒子，如光子、電子或是原子，都能用薛定諤方程來描述。粒子性和波動性被統一在這個薛定諤方程中。

1663年，羅伯特·胡克提出了“光是以太的一種縱向波”的觀點。1672年，艾薩克·牛頓提出了光微粒說，認為光由微粒組成，遵守運動定律，合理解釋了光的直線移動和反射性質，但解釋不了光的折射與衍射。從此，牛頓和胡克開始了光微粒說和光波動說的第一次大辯論，兩駕馬車並駕齊驅。

1678年，克里斯蒂安·惠更斯提出了光波動說，解釋了光波的直線傳播與球面傳播，推導出反射定律與折射定律，但不能解釋衍射效應。

十九世紀初，托馬斯·楊完成雙縫實驗。奧古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理，解釋了光波的朝前方傳播與衍射現象。十九世紀後期，詹姆斯·麥克斯韋提出電磁學麥克斯韋方程組，猜測光波就是電磁波，使光波動說日臻完善。

1901年，馬克斯·普朗克提出了量子論解決了黑體輻射問題。1905年，愛因斯坦引入了光量子概念，解決了光電效應問題。物質的粒子性由能量E和動量P刻畫，波的特徵則由頻率V和波長λ表達，這兩組物理量由普朗克常數h聯繫在一起。光不僅具有波動性質，也具有粒子性質。

1924年，路易·德布羅意提出“物質波”假說，主張“一切物質”都具有波粒二象性，即具有波動和粒子的雙重性質。根據德布羅意假說，電子應該具有干涉和衍射等波動現象。

1927年9月，尼爾斯·玻爾提出互補原理：“一些經典概念的應用不可避免的排除另一些經典概念的應用，而這另一些經典概念在另一條件下又是描述現象不可或缺的；必須而且只需將所有這些既互斥又互補的概念彙集在一起，才能而且定能形成對現象的詳盡無遺的描述。”

1929年，奧托·施特恩團隊完成氫、氦粒子束衍射實驗，表明了原子和分子具有波動性質。

1970年代，物理學家使用中子干涉儀觀測到中子好似量子波一樣，直接感受到引力的作用。

1999年，維也納大學研究團隊觀察到C60富勒烯的衍射。2003年，維也納大學研究團隊觀測到四苯基卟啉的波動性。2011年，實驗證實，質量為6910 u的分子展示出干涉現象。2013年，實驗發現：質量超過10000 u的分子也能發生干涉現象。

2015年，人類獲得光同時顯現波動性和粒子性的首張圖像。

圖1 光的波動性和粒子性圖

愛因斯坦曾說過:“好像有時我們必須用一套理論，有時候又必須用另一套理論來描述(這些粒子的行為)，有時候又必須兩者都用。我們遇到了一類新的困難，這種困難迫使我們要藉助兩種互相矛盾的的觀點來描述現實，兩種觀點單獨是無法完全解釋光的現象的，但是合在一起便可以。”

光為什麼具有波粒二象性呢？現在科學家們還沒有搞清楚。這是量子力學界燒腦的問題。

我想起了玻爾的互補原理，用互補原理解釋波粒二象性當然再恰當不過了。可是，能不能把思路再放寬一些。為什麼要對立，為什麼要互補，波粒本來就是一體的，只是觀察者的角度不同而已。

我把波粒二象性描述為光子沿力線螺旋前進。質子、電子等帶電粒子則沿磁力線螺旋前進。波粒二象性是旋渦裡的任何物體都具有的現象。從側面看，物體運動的軌跡是波，有波長、振幅、頻率等參數；從橫截面來看，物體運動的軌跡是粒子，有速度、位置等參數。當你描述光的三維運動時，這些參數就一一跳了出來。小小的粒子都有這個特性。大大的地球也有這個特性。只是地球的頻率是一年一次，振幅是地日距，波長大約為4500公里，21000年進動一圈。只要把地球這21000年的公轉軌跡拉開，就能看到一幅地球波動圖。這就是我的《旋渦裡的宇宙》一書的要旨。

地球如此，月亮如此，太陽也是如此。它們都有自己的波長、振幅、頻率、速度、位置等參數。

最近，西班牙和美國的科學家組成的國際科研團隊發現了光的一種新特性即自扭矩，光線能夠圍繞中心軸螺旋前進，像“彈簧”一樣傳播，看起來像一個渦旋光束。當渦旋光束撞擊一個平坦表面時，光圖案看起來像甜甜圈那樣的圓環。

圖2 光的三維軌跡圖

這令我非常興奮和欣慰。我對光的認識總算有了實驗的驗證。

繼續努力，加油！