粒波物性理论

粒波物性理论

陈叔瑄

【关键词】粒子；量子；波动；介质；介面；作用时间；相位调整；

方位调整在物性理论看来，实物（天体、物体、粒子等）与场（引力场、磁场、电场、电磁场、光热量子、强弱作用场等）都是物质，场物质简称场质。可以说实物极限速度是光速，但不是包含场质的物质极限速度，物质极限速度是总能全部化为平动能（mc2=mυ2/2），即￠=1.41c（其中c为光速，￠为物质极限速度）的物质状态。各式各样场质运动状态通常处于光速与极限速度之间，构成各种相应性质的高速较连续场质状态。

各种场物质本身运动变化量度就是能量或能密度变化，更妥当提法是各种场物质能（量子）密度流动描述。能量或能密度流动可以直接由粒子或量子本身携带某种能量或能密度跟着粒子或量子运动，粒子或量子走到那里带到那里来实现的，也可以通过实物原子、分子等传递来实现的。如果能量（或能量子）或能密度在其运行途径上是周期变换，那么坐标参考系所描述空间（即场）就出现某种能量或能密度强弱交错的波动现象。

1.量子波动

1.1周期变换。光、热能量子实际上是实物的原子或分子辐射的，由光、热量子自身携带能量运动的。物体的原子、分子辐射与吸收能量是不连续的，即以量子方式辐射与吸收的。且在整体上具有一定的能量统计分布的。如辐射能量子平均能量为

E(ν)=hν/(e&sup(hν/kT)-1)

其中&sup符号表示连接后面括号内数值为指数。它跟辐射体温度与量子能量为hν有关。辐射采取发射本领，吸收采取吸收系数来描述。

如图示绝对黑体（吸收系数为1）的辐射或发射本领随波长或频率在不同温度下的分布曲线。每条曲线下的面积为绝对黑体在一定温度下单位时间单位面积上所发出的总辐射能。辐射能最大值来看，温度愈高，频率愈高或波长愈短。普朗克提出能量子解释了此分布曲线，首次引入了量子概念。

光电效应实验如图所示，在玻璃容器上装一石英小窗让紫外线光量子束穿过，并落在阴极上，在容器另一端置阳极。现从负电压开始逐渐往正电压升高，并绘出电流随电压改变的特性曲线。电压大到某个值后才开始有电流，说明光量子打出壳粒需大于逸出功A，电压达到一定值后电流处于饱和状态。

hν=mυ2/2+A，光量子能量转化为壳粒动能和逸出功A。光量子频率不能低于逸出功。电压大于此值才能逸出。入射光量子总数量是有限的，能够打出壳粒或脱离原子的壳粒成为带电粒子数目是有限的，即出现再增加电压而不再增加电流的饱和电流现象。这是光粒子性验证实例之一。

量子是周期性微涡旋（磁性）与平动（电性）变换的粒子。涡旋运动浓缩质量，而平动运动则弥漫质量，形成垂直平动的微涡旋方向与质量浓缩（即涡旋与平动，磁与电）周期性变换运动。由于周期变换情况下，失去纯涡旋运动属性，而保持直线平动运动。称量子是具有微涡旋方向（旋轴、磁）与浓缩状态（平动、电）周期性变换的高速直线运动的粒子原理。

1.2光子能量。光量子不是几何的点，也不是物理的质点，它就是高速运动的周期性变换的物质粒子，它既有平动又有周期变换运动。微涡旋和参与变换部分平动所构成的周期变换能定义为hν/2，且c=λ/τ=λν（c为光量子速度，ν为光量子浓缩状态变换频率，τ为变换周期，λ光量子运行途径上相邻浓缩峰值间距）。从而光量子总能由平动能与变换能组成的。称为光量子总能量由平动能与变换能组合原理。即变换能等于总能减动能

hν/2=mc2-mc2/2=mc2/2

E=mc2=mc2/2+hν/2=hν

p=mc=mc2/c=hν/c=h/λ

证明量子论与相对论统一表达式，并推出德玻罗意波公式。

运动在实物真空中，同频率、同相位、同方位，且同速度同步运动的光量子束之间相对静止，从而存在交换。这类场质的交换影响，是光出现缠结现象根源。光的缠结现象使两个或者更多个同步运动光量子中一个光量子量度、作用，也影响另外其它同步光量子状态称为缠结现象。

光子在无实物空间距离光年、万光年、甚至亿光年的运行,其周期变换能因在愈来愈宽大空间运行而逐渐转化为平动能而使变换能及其变换频率降低，降低的下限为3K，再低则转化为引力连续场质，称为红移现象。光量子的缠结现象与红移现象两者证明超光速场物质应存在。

1.3光束波动。从单一量子来看波函数，波函数是量子在其运动途径上周期性变换的涡旋浓缩，即涡旋质量或能量密度状态函数

w=w。Sin2ω(t-ι/υ)

正弦平方表示质量与能量密度周期变化范围是正数内变化。如果w。=μH。2则表示涡旋方向实际上是磁场H。方向。上式中ι=0时表示量子处于发射源的涡旋能密度状态。初始状态确定后，量子在途径ι上涡旋能密度状态也就随着确定。发射源连续同步发射则成量子束。

同步运动的周期性变换能量子束或电磁波量子群集合的涡旋能密度空间运行速度υ（或c），在其运行空间涡旋浓缩状态或涡旋能密度出现周期性变换的波动，其幅度是同时运行量子幅度之和。同步量子束或电磁波动相邻峰值间距为波长λ，经某一位置单位时间传递峰值次数称为频率ν，频率倒数为周期τ，它们之间关系为υ=λ/τ=λν。量子束或电磁波动的某种能（如涡旋能）密度周期变换可描述为

w=w。Sin2ω(t-ι/υ)=w。Sin22π(νt-ι/λ)

或w=w。Cos2ω(t-ι/υ)=w。Cos22π(νt-ι/λ)

其中圆频率ω=2πν，时间t，位移ι。称为波动是同步运动量子束或粒子束自身某种(如微涡旋能或磁能)能量周期变换形成的集合行为，其波动可描述为某种能密度周期性变换原理。

不依赖介质的同步光量子束或电磁波（同步运动电磁量子的集合）在发射源周围运行所形成某种能密度周期性变换的波动过程。由于光量子是粒子性，光量子束是电（平动）与磁（涡旋）两种能密度交替变换，可描述为量子数密度与量子浓缩状态量的函数或波函数

n=(w。Sin22π(νt-ι/λ)+w。Cos22π(νt-ι/λ))/hν=w。/hν

φ2=(w。/n)Sin22π(νt-ι/λ)=φ。2Sin22π(νt-ι/λ)

φ=√(w。/n)Sin2π(νt-ι/λ)=φ。Sin2π(νt-ι/λ)

其中w为能密度，n为粒子数密度，φ为量子浓缩状态量函数。

上式更适合描述电磁波（同步运行量子群集合）。但光量子通常由各个原子或分子发射的，同元素不同原子发射量子频率即使相同的，其周期性变换的相位或方位也不可能一致的，即不可能完全同步的。因此普通光源发射光束的量子间通常是不相干的，很难构成波动或相干现象。只有通过介质介面的单色光，才有明显相干现象。

2.介质介面

2.1相位调整。当周期性变换的光子入射到光滑介面时，由于到介面平动能改变量（也可以看成与介面交换能或相位）各不相同的，停留时间不同，两者成反比，能量改变量愈大，停留介面时间愈短，使量子反射或折射后，相位甚至方位较为一致，起了相位和方位调整作用。如动能改变量与作用时间

ΔEΔt=ΔpΔι=h/2π

ΔEΔt=ΔNΔθ=h/2π

光束的介面、边缘的相位调整成为反射、折射现象、干涉现象、衍射现象以及各种光学成像现象的根源，称为周期性变换量子入射介面引起相位与方位调整原理。

若光子运动可以同一周期变化而不同相位在介面作用时又不改变量子能量。那么入射介面光子流（束）相位或动能改变量不同，只能通过停留介面时间长短（间接地通过位移Δι或角位移Δθ）来补偿，以保持能量交换不变性。这样光束入射介面时能量相位和方位是随机的，而反射或折射后光子束时，其相位和方位状态自动调整，使反射光子束或折射光子束具有较多同相位和较多同方位的运动状态，即偏振现象。

左图所示光量子束入射光滑介面反射时，反射光量子受介面作用，垂直介面分量速度方向改变为反向，数值相等；而平面分量不变，反射角等于入射角

Sini=Sini′

由于介面相位与方位调整作用，使反射光量子束相位、方位同步。为了更明确方位调整意义，借此作个解释。光子振动（或伸缩）方位垂直入射束与反射束构成面的量子，与介面平行，接触面大而易反射，使反射光构成了垂直此入射面的偏振光束。

折射时，由于介质交换，速度变慢，入射角正弦对折射角正弦比值称折射率

δ=Sini/Sinr=c/υ

不同材料折射率不同。且介面相位与方位调整作用，使折射光束也产生相位同步，平行入射束与折射束构成面的量子接触介面的面积较小，而易穿入，使折射光构成平行入射束与折射束平面为主的偏振光。

2.2介质交换。由于光量子与介质交换作用，光量子部分平动能和变换能转化为交换能，从而光量子速度变慢及其它状态变化。即

ΔE=Δhν=mc2-hν/2-mυ2/2=mc2-mυ2=mc2(1-υ2/c2)

这里交换能Δhν，变换能hν/2=mυ2/2与p=mυ=h/λ仍然成立，从而推出

hν=mυυ=hυ/λ

υ=λν=λ/τ

也仍然成立。说明光量子在介质中交换作用时总能与质量不变外，其它波动参量都发生变化。

入射介质的折射率δ=c/υ与交换能对总能之比Δhν/mc2=β2密切相关的

δ2=1/(1-Δhν/mc2)=1/(1-β2)

表示交换能比β2愈大，折射率δ也愈大，通常原频率愈高相应地交换能愈大，而出现色散现象。介质对光量子交换能不仅决定于总能或原变换频率，还决定于其它内部与外部条件，如介质交换场质结构分布与外加条件对介质影响等。

量子交换能差异ΔE=Δmυ2=Δhν实际上有三重意义，一重是量子周期性变换中动能运行途径上改变量，尤其是入射介面时改变量；二重是量子从一介质进入另一介质交换作用而引起动能（包括速度、频率、波长改变）改变量，跟介质的性质密切相关的；三重是量子质量间差异，如白光中含有七种以上颜色的不同频率或质量的量子，其与平均间的差异，使其跟介质和介面作用产生差异。如果跟作用时间联系起来，即ΔEΔt=h/2π考察，可解释各种介质对光学的现象。

某些介质分子周围交换场质在外加压力、外加电场（克尔效应）、外加磁场（法拉弟效应）等作用下产生状态改变，影响着光量子束运动偏振状态和传播状态，可用此性质制造控制光量子束器件。介质交换分布、结构、性质不同，加上不同外部条件与运动状态可以产生不同的现象，称为不同介质及其外加条件对介质影响引起光子交换方式不同而产生不同现象原理。

光量子通过介面与介质速度υ大小、方向、内外部条件各不相同，使光量子运动状态各不相同。这样光束所通过介面与介质原子、分子的周围交换方式与场物质结构、分布、性质各不相同，使光束通过介质时产生一系列不同现象。如折射、反射、色散、偏振、旋光、双折射、吸收、散射等现象都可以通过介质特有结构、分布产生特有的现象来解释。也可以反过来通过这些现象分析介质的交换方式与分布、结构性质。

2.3干涉衍射。来自于不同介面的两束同步（同速度、同频率）同时入射到某一个平面上重叠，落在该平面（屏幕）上各位置存在不同光行差或相位，若所存在两束峰值重叠与相邻的峰、谷值重叠而构成相对强弱交叉状态的则出现干涉现象。如果两束同步运行能束是由边缘散射重叠而出现强弱交叉状态的为衍射现象。称两束周期变换同步能量或能密度重叠而出现强弱交叉状态的干涉衍射原理。

φ12=φ。2Sin22π(νt-ι/λ)=φ。2(1-CoS4π(νt-ι/λ))/2

φ22=φ。2Sin22π(νt-ι/λ+δ)=φ。2(1-CoS4π(νt-ι/λ+δ))/2

当两束光在屏幕一位置相重叠，相位差4πδ=π，即相位差π使两辐度状态相反或光程差半波长（相邻峰值间距）时

φ2=φ12+φ22=φ。2

当两束光在屏幕相邻另一位置相重叠，相位差4πδ=2π，使两束光辐度变换同步或光程差波长整数倍时，

φ2=φ12+φ22=2φ。2Sin22π(νt-ι/λ）

它相对φ2=φ12+φ22=φ。2为亮条纹，即亮暗交错干涉条纹。

左图是两块平面玻璃片间右侧垫入薄纸片，形成一个空气层劈尖。在单色光源S照射下，光量子束经a、b介面反射，在p处重叠，两束反射光的光程差，有波长整数倍或相位相同处，变换辐度是其之和与相邻的半波长或相位相反，变换辐度处于平均状态，形成了强弱或亮暗交替的干涉条纹。

右图是劈尖类似的牛顿环。取曲率半径相当大的平凸玻璃透镜A，并将凸面放在平面玻璃B上面。单色光束经倾斜45度半透明平面镜M后，垂直照射到平凸透镜的表面上，并在两个面反射到目镜上。同样出现相位相同（或波程差为波长整数倍）与相位相反（或波程差为半波长奇数倍）的交错重叠圆圈，并形成亮暗交错圆圈的干涉条纹。

此图是迈克尔逊干涉仪示意图。M1、M2是两面精细磨光平面镜，两者构成劈尖，G1、G2是两块厚薄均匀且相等玻璃片，G1一面镀上半透明的薄银层光源S照射上去，一半反射与一半透射，经M1、M2后到a处形成干涉条纹。光子束分别经过M1、G1与M2、G2相位调整在a处重叠，形成亮暗交错干涉条纹。转过90度仍然如此，证明四个面对光子束起了相位调整作用，与真空介质无关，也与相对介质运动无关。

衍射是边缘散射光束之间或其与主光束重叠引起亮暗交错的干涉现象。左图是刀片边缘光量子束散射与直射光重叠所产生相位差或波程差交错的亮暗交错衍射现象。

右图是圆孔边缘光量子束散射与直射光重叠，散射光之间重叠而产生相位差或波程差交错的亮暗交错的衍射现象。有的圆圈重叠光束的光程差是半波长奇数倍而处于平均状态，相邻圆圈重叠光束的光程差是半波长偶数倍而处于幅度是重叠光之和同步周期性变换，相对于前者是亮条纹，构成亮暗交错圆圈的衍射条纹。

3.声音波动

3.1声音递传。波动是一种不管它有否依赖介质所形成的周期性能量或能密度或能量子流动现象。不依赖介质的周期性变换能量或能密度或能量子流动主要是光波与电磁波。依赖介质分子、原子递换传输周期性能量或能密度或能量子流动的主要是机械波（通常是横向的，媒介以液体与固体为主）与声波（振动传播是纵向的，媒介以空气为主）。其波动公式仍然可用能密度随空间位置与时间变化表示

w=w。Sin22π(νt-ι/λ)

或w=w。Cos22π(νt-ι/λ)

通过介质的如机械振动周期性推压实物内分子，则将其能量或能量子传递给被推压的分子（或原子），分子位移，此分子又推压下一分子，其平衡趋势又将能量传递下一分子，使前分子恢复原状态。而分子平衡趋势再将其能量或能量子传递给下一分子，并继续传递给再下一分子，就这样能量或能量子一环扣一环地递换传输下去，它们特点是能量子周期性同步地在介质分子间递换传输过程。称机械波或声波是介质粒子间能量子交换传输原理。

声音传播实际上是空气中分子间的周期性变换能量子的递换传输，这类在分子间递换传输的能量子可以称为“声子”。不过它不是独立的量子，它通过介质分子受声源发出振动所形成的与传递的能量子，其集合则构成各种频率重叠的声波。声波振源推压空气介质分子群疏密状态传递，就是大气分子间能量子传递，这类传递称为纵波传播。水面波动或固体机械振动通常是横波传播，其振动通过粒子间拉力牵动传播的，方向垂直于传播方向。

3.2声音效果。不同声源结构就产生不同的声音及其组合，具有不同声品音质。穿过声波射线垂直单位面积的能量，称为声强I。单位为尔格/厘米平方·秒。也可以用声压P表示，单位达因/厘米平方。人的听觉的声音频率ν与声强I范围如图所示。声音效果跟主观的听觉、神经、大脑等器官与客观声源位置、方向、气象等因素密切相关的，这是因为大气媒介状态受到多种因素，如气温、气压、风、雨、雷电等因素影响，而声音主要通过大气媒介分子传递能量子的，其状态不能不影响声音传播。

众多乐器配合可构成美妙音乐。声音接收效果有很大程度上决定生物体的听觉器官，不同生物听觉波长范围是不同的，有的生物对超声波很敏感，有的对次波可感觉得到。不同的人对音乐感受是不同的，决定人的感官与大脑对其反应等。声音效果决定于主客观因素原理。

3.3信号收发。声音、语言可以直接通过声波传播，也可与字符、数码、图像、照片等转化为电磁波信号进行发送与远距离传播，电磁波频率愈高传播的愈远，接收到信号再转化为原来信号。能流信号复杂组合方式或表象，如声音、语言、音乐、文字、图像、符号、数码、相片和其它可感觉形态等可以通过信号发送、传递和接收，并在人脑中产生相应事物的感性思维的印象和表象。称声音、语言、音乐、字符、文字、数码、图像、照片等通过波动能流构成信号的转化、发送、传输、接收原理。

电磁波实际上是较低频的同步周期性变换量子流的集合，这样可以把γ射线（原子核）、X射线（原子内壳层）、紫外线、光（原子外壳层）、红外线（分子）等一起列入不同级别的电磁波。电磁波频率或波长范围如图所示。

按频率高低电磁波有：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电的电磁波等。大量信号通过转化为电磁波进行远距离传输已相当普及，如手机、广播、电视等。参考文献

［1］陈叔瑄.《物性论-自然学科间交叉理论基础》，厦门大学出，1994年12月出版。

［2］陈叔瑄.《光子波动新论》《科学（美国人）》中文版，1999年7期。

［3］陈叔瑄.《物性理论及其工程技术应用》，香港天马图书有限公司，2002年12月出版。

［4］陈叔瑄.《物质世界之奥秘（上、下卷）》，香港天马图书有限公司，2006年3月出版。

［5］陈叔瑄.《思维工程-人脑智能活动和思维模型》，福建教育出版社，1994年6月出版。作者简介：陈叔瑄，男，汉，1936年3月30日，福建省福州市人，教授，毕业于厦门大学物理系；工作单位：退休前在厦门大学计算机系任教；主要兼职：中国老教授协会、厦门老教授协会教授，中国管理科学研究院特约研究员兼创新研究所高级研究员，中国科学发展研究院院士兼高级研究员，中国人文社会科学研究院院士兼客座教授。