第243篇 置疑之三：弦论能解决波粒二象性问题吗？
2007-10-20 07:57阅读：
“道”物理学（十一、“弦论”初探7）
第243篇 置疑之三：弦论能解决波粒二象性问题吗？
一、波粒二象性的疑惑
美国物理学家阿特. 霍布森教授在所著的《物理学：概念及联系
》（2001年版）一书中说：
光电效应的事实说明光是粒子，占有很小空间，是光子、光量子。光的干涉的事实又说明光是波动，占有很大空间，是光波。粒子性和波动性本不相容，怎么能既是粒子又是波？（参见该书P330）
书中又说：一个电子并不散布在空间里，它运动时在正常情况下也并不振动或波动，一个象电子这样的实物粒子怎么能有一个波长呢？（参见该书P334）
物理学家今天仍然象以往那样对它感到困惑，为什么粒子性更强的电子，也能产生干涉图象？（参见该书P339）
霍布森所说的这些话就是指理论物理学中的著名的波粒二象性问题。这问题从上世纪初爱因斯坦提出光量子论开始,至今已有一百年的历史了。
霍布森说这些话时弦论已经没落，所以在他的书中未提及弦论。美国著名物理学家哈理德教授等人的巨著《物理学基础》的2001年版本，也未提及弦论（该书由张三慧等人译）。但是，我们将会提到弦论的特别的观点。
关于波粒二象性问题，物理学界一直处于疑惑之中，学者们也提出过不同的解决办法，各家学说自显其能，例如：
德布洛意提出了“物质波说”，海森伯提出了“几率波说”，
爱因斯坦提出了带猜测性的“幽灵场幽灵波说”、古老的“以太波动说”也似乎在复活，弦论则提出了“弦波动说”，等等。其实，弦论的产生和发展，其初衷之一，也是希望能够有助于波粒二象性问题的解决。
每一种办法都未必会成功，虽然海森伯的“几率波说”曾优势很大，但因爱因斯坦等人的坚决反对，学术界也不能形成统一的见解，各种理论仍归于见仁见智的争鸣，离统一为时尚早。关于波粒二象性问题，一百年来，众说纷纭是其基本特征。
二、弦论的“弦波动说”
弦论假设基本粒子是“弦”，其目的之一是试图解决波粒二象性问题。
霍金说：弦理论，是20世纪60年代后期的发明，其方法是把质子和中子这样的粒子认为是一根弦，一根波动的弦。
他又说：两根弦可以连接在一起，形成一根单独的弦。类似地，一根单独的弦也可以断而分为两根弦。一个粒子从另一个粒子发射出来或者被吸收，对应于弦的分解与合并。
霍金说：弦理论基本的对象不再是只占空间单独一点的粒子，而是只有长度而没有其它线度，象是一根无限细的弦这样的东西。这弦可以有端点（所谓的开弦），或可以自身首尾相接成闭合的圈子（闭弦）。
他还说：在弦理论中，原先以为是粒子的东西，现在被描述为一根弦和在弦里传播的波动，如同风筝的振动波，沿着风筝的弦线传送一样。
（注：以上引文参见霍金的《时间简史》）
总而言之，弦论认为，粒子的形状不是点，而是一根弦，开弦或闭弦。粒子的振动就是弦粒子自身的波动，在自由空间中粒子，依靠它自身的运动就把波动传送出去。
（注：后来又有膜论，粒子是一片膜和膜的波动，在自由空间中的膜粒子，依靠膜粒子的运动把膜的波动传送出去，与弦论相类似。）
三、置疑“弦波动说”
1、“弦波动说”把作为基本粒子的光子，由点粒子改变成一根波动的短线，即开弦，（或波动的闭弦）这样的新形式光子。这新的线状的光子非常短小，它是只占有很小很小空间的个体，从而保存着粒子性，只是由点粒子变成线粒子而已。
新的线状光子被假定自身能够波动，就是说，是一波动的线段。线光子自身的这种波动只局限在很短的一段一维空间上（线是一维的），但是，在衍射和干涉实验中，光子却表现出是占据了很大的三维空间的光波，粒子性和波动性的非常突出的矛盾仍然存在着。
2、“弦波动说”把作为基本粒子的电子，由点粒子改变成一根波动的短线（开弦）、或波动的闭弦这种新形式的电子，而电子的粒子性并没有被否定。因为这新的线状的电子仍然非常非常小，只是占有很小很小空间的个体，保存着粒子性。
但是，在电子衍射的实验中我们看到，粒子性比普通的光强很多的电子并不是一个有限线段的波动，而是一种散布在很大的三维空间里的波动。此外，在电子的干涉实验中，电子产生的干涉图象，同样使我们能够看到，电子并不是一个有限的线段波动，而是一种占据很大三维空间的波动。可见，粒子性和波动性的非常突出的矛盾仍然没有解决。
总结起来说：一个单独的光子，或者一个单独的电子，不管把它看成是波动的开弦、波动的闭弦、（或波动的膜），或者看成是旋转的弦、（旋转的膜）、等等，都仍然是一个单独的非常小的个体，就是说，是粒子，并不是散布在很大的三维空间里的什么存在。但是，在衍射实验和干涉实验中光子和电子都表现出是占据很大的三维空间里的波动，
一维空间与三维空间，有本质的区别。很短的一段一维空间的开弦（或很小的二维的闭弦、或很小的二维的膜、或很小的卷起的三维的膜、等等），它和很大的三维空间，还有量的区别。粒子性和波动性的矛盾依旧非常突出。弦论的“弦波动说”仍然不能解释上述实际存在的区别和矛盾，“弦波动说”不能把线段粒子（以及膜论中的膜粒子）和占据广大三维空间的光波统一起来。
“弦波动说”把作为基本粒子的光子或电子，由点粒子改变成波动的短线（开弦）、或波动的闭弦（以及膜论把膜粒子变成波动的膜）这种新形式的光子或电子，表面上看似乎缓解了波粒二象性问题，但实际上并未解决波粒二象性问题。
笔者
2007年10月20日
