光的再認(rèn)識

汪志民

(上海市東航技術(shù)應(yīng)用研發(fā)中心安全運(yùn)行研究院 201706)

宇宙誕生伊始就有了光，地球上除了深海中靠火山能量維持生命的少量生物外，絕大部分生物都直接或簡接地從太陽光中獲得能量，沒有太陽光就沒有我們?nèi)祟悾瑳]有地球上豐富多彩的生命.

人類對光的探索過程中，有幾次里程碑式的進(jìn)步：先是蘇格蘭物理學(xué)家麥克斯韋推導(dǎo)出了電磁方程組，表明光就是一種電磁波，打下了現(xiàn)代電磁理論大廈的基石；接著托馬斯·揚(yáng)(ThomasYoung)的雙縫干涉實(shí)驗以及泊松光斑實(shí)驗，證明光是一種波.最后愛因斯坦對光電效應(yīng)的理論解釋，證明光是一種粒子.最終，波動論和粒子論統(tǒng)一到了一起，確立了光的波粒二象性理論.

干涉是波特有的現(xiàn)象，在水面上投下兩顆石子，就能觀察到干涉波紋，因此波動論比較好理解，光的粒子特性則需要做個簡單介紹：電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)，有特定的軌道，電子從高能量軌道躍遷到低能量軌道時，可以發(fā)射出特定頻率的光波，根據(jù)光波的頻譜，我們可以確定是什么物質(zhì)在發(fā)光.同樣，電子在吸收光子后，軌道會向高能級發(fā)生躍遷，如果光子能量足夠高，還可以把電子從原子中激發(fā)出來，這就是光電效應(yīng).

但是宇宙中除了光以外，所有物質(zhì)的速度都有相對論效應(yīng)，唯獨(dú)光的速度在真空中保持不變，不依賴于特定慣性參照系，又在所有(無窮多個)慣性參照體系中適用，可以看出光是如此特殊，注定了光必然具有其它物質(zhì)不具備的某種特性.因此我們還需要從總體上對光進(jìn)行把握，補(bǔ)充一些細(xì)節(jié)，讓光的模型變得更加豐滿.下面羅列了幾個人們經(jīng)常碰到的對光的誤解和疑惑.

1.光子有沒有質(zhì)量？根據(jù)質(zhì)能方程E=MC2，能量就等同于質(zhì)量，光子有能量就應(yīng)該有質(zhì)量.但如果光子有質(zhì)量，根據(jù)狹義相對論，把質(zhì)量加速到光速，質(zhì)量會變得無窮大，需要的能量也無窮大，顯然這是不可能的.

2.光子有沒有質(zhì)量的第二對矛盾：光子如果有質(zhì)量，在引力場中就會受力，向太陽發(fā)出的光，就會在引力場中加速，光終將會超過光速；從太陽發(fā)出的光，被太陽的引力場拖住，會逐漸減速，光速恒定就不能成立.如果沒有質(zhì)量，在引力場中不受力，光線通過星體周圍為什么會發(fā)生彎曲和偏轉(zhuǎn)？

3.面對上述矛盾，有人提出了動質(zhì)量學(xué)說，表示光子靜止時沒有質(zhì)量，運(yùn)動起來后才會有質(zhì)量.動質(zhì)量到底是什么，為什么找不到這個物理概念？光子的動質(zhì)量又是何時產(chǎn)生的，到達(dá)光速之后才突然有質(zhì)量的嗎？這與相對論中質(zhì)量隨速度增大，漸變增大的規(guī)律不符合.如果是加速過程中質(zhì)量逐漸增大，那光子就有一個加速過程，光子不會一出現(xiàn)就達(dá)到了光速.此時，光線已經(jīng)發(fā)出了，加速的力來自于何處，如果能加速，光速也就不能在真空中保持恒定了.

此外，還有兩個方程可以計算出所謂的“光子質(zhì)量”，第一個是愛因斯坦的質(zhì)能方程，該方程表示有能量，就有對應(yīng)的質(zhì)量.光子能量E=hv，再根據(jù)質(zhì)能方程E=mc2，代換之后m=hv/c2.看上去沒錯，其實(shí)這是對質(zhì)能方程的錯誤理解，質(zhì)能方程中的質(zhì)量m，表示能量本身的等價質(zhì)量，不是攜帶能量的物體質(zhì)量(不是攜帶能量的光子質(zhì)量)；第二個方程是光子能量E=hv，再根據(jù)動能公式E=1/2mV2，得到m=2hv/V2.二個公式的本質(zhì)都是把光子的質(zhì)量聯(lián)系到能量上去，此處的質(zhì)量含義是光子擁有的能量，可以讓該質(zhì)量的靜止物體，經(jīng)過勻加速運(yùn)動，最終達(dá)到V的運(yùn)動速度，表達(dá)的是光子能量做的功.對比上一個公式，兩個質(zhì)量居然值是不相等的，這不是公式錯了，是兩個質(zhì)量的含義不同，而且都不適用于光子質(zhì)量計算.

由此可以看出，光子是沒有質(zhì)量的，永遠(yuǎn)不能在引力場中受力，這樣光速在宇宙真空中，才能不受任何影響地保持恒定.引力場確實(shí)可以使光彎曲偏轉(zhuǎn)，但這不是光子受力的結(jié)果，光走的還是直線，光的彎曲只是它通過的時空被引力場彎曲了.

光子既沒有靜質(zhì)量，也不存在動質(zhì)量，因此由動質(zhì)量引申出來的矛盾也就不存在了.

本人認(rèn)為光子是純能量體，不是質(zhì)量粒子，虛擬粒子和實(shí)體粒子的分類方法用來界定光子是不恰當(dāng)?shù)模庾邮且环N客觀存在的非物質(zhì)粒子，這個定義比較準(zhǔn)確.通常意義上的光是“光波”和“光子”的統(tǒng)稱，光波就是電磁波，就是電場和磁場互相交變向前傳播.光波和光子的關(guān)系，用量子的話來講，在不對光波(電磁波)進(jìn)行觀測時，光就會一直傳播下去，光子也不存在，或者講光子沒有表現(xiàn)出來.一旦進(jìn)行觀測，概率波塌縮，光子會就出現(xiàn)在觀測它的地方.所以，光子會出現(xiàn)在所有可能出現(xiàn)的地方，這些可能的地方，以及前進(jìn)的路線，是由光波決定的.光子則是一種非物質(zhì)粒子，它真實(shí)存在，但沒有質(zhì)量，不是實(shí)體物質(zhì).

光子的能量被電子吸收后，能量(光子本身)就消失了，因此不會有被吸收掉能量的光子反彈出來.也正因為電子吸收的是純能量，不是任何物質(zhì)，所以電子和光子合成之后，還是電子，只是能量更高的電子，并不會變成一種新的粒子.

光子是純能量的假說揭開了對光的認(rèn)識的新篇章，但仍舊有懸而未決的迷題有待探索：相對論公式就是根據(jù)光在真空中速度恒定為前提而推導(dǎo)出來的，那為什么光不具有相對性？單獨(dú)一個物體不構(gòu)成速度，必須要有對比，光和什么做對比？光擁有絕對速度，不依賴于任何慣性坐標(biāo)系，又能和所有的慣性坐標(biāo)系做對比.這要求我們找出一個絕對參照系，并把這個絕對參照系聯(lián)結(jié)到其它的慣性坐標(biāo)系上.這不是過去的絕對時空的概念，代表絕對時空的以太，早就被證實(shí)是不存在的.新的思路已經(jīng)展現(xiàn)在我們面前，純能量的假說為光模型的建立打開了充分的空間，在此先拋磚引玉，期待早日破解這一迷題.