光不是一種特殊的物質(zhì)
戚華
（世紀課程教材研究院,上海200000）
摘要：本文從新的角度對經(jīng)典實驗結(jié)果做出的再分析和推理，得出光子被物質(zhì)吸收是光子在物質(zhì)中發(fā)生湮滅；湮滅是一種相變，中 ，單位是 正是發(fā)生這種相變時的“單位物質(zhì)吸收或損失的相變潛熱”；光在物質(zhì)中的傳播就是光子在物質(zhì)中不斷發(fā)生“光子－粒子－光子”的相變，每一次相變循環(huán)相當于產(chǎn)生一個“子波”，光傳播的整體效果由子波包絡(luò)面決定。從而解說了光的波動性的本質(zhì)、光速不變等問題。最終說明了光是一種普通的物質(zhì)。
關(guān)鍵詞：光 相變、湮滅、波粒二象性、相對論、波動、世紀課程研究院、戚華、
光是什么？在過去的300多年中，關(guān)于光是什么的爭論一直綿延不斷，時起時伏。十七世紀為光的研究打下了兩個扎實的基礎(chǔ)。一個是牛頓對光的色散的研究和對光現(xiàn)象中周期性的認識，另一個是惠更斯的光的傳播理論，惠更斯認為，光傳播到某處，該處上的每一點都會發(fā)出一個子波，全體子波波前的疊加形成新的波面。這就是“惠更斯原理”。當時對光的本性的認識形成兩派學說：微粒說和波動說。微粒說認為光是物質(zhì)中釋放出的微粒流，從這種觀點出發(fā)，很容易理解光的直線傳播和光的反射規(guī)律，但是，在解釋光的折射時遇到了困難。按微粒說，在介質(zhì)中傳播時光微粒受介質(zhì)的萬有引力大，光微粒的運動速度比真空中快，因此折射光線比入射光線更靠近法線。但后來人們發(fā)現(xiàn)光在介質(zhì)中傳播速度比光在真空中傳播速度慢。微粒說也不能解釋兩束光相互交叉通過時，彼此互不干擾事實。波動理論不但能解釋光的直線傳播等微粒說能解釋的一些問題，而且很容易解釋光的折射和兩束光線相交互不干擾的問題。波動說致命的缺點是：如果光是一種波動，自然界應該存在傳播光振動的介質(zhì)。惠更斯為此提出了以太的概念，“光是在一種連續(xù)介質(zhì)――以太里傳播的，這種以太充滿整個空虛的空間，并滲透在一切物質(zhì)之中”。但按當時人們對傳播機械波的介質(zhì)的認識，這種以太必須具有“很低密度和遠遠比鋼要強的剛性”的特點，這樣的以太一直沒有找到。
光的微粒說和波動說爭論不休，牛頓試圖將兩種學說統(tǒng)一起來，但限于當時科學的發(fā)展水平，沒有獲得成功。當時，可能由于微粒說能解釋的光學現(xiàn)象更多一些，加上牛頓傾向于微粒說。因此，18世紀中微粒說一直占據(jù)統(tǒng)治地位。
1801年英國醫(yī)生兼物理學家托馬斯·楊做了雙縫干涉實驗，奠定了光的波動說的實驗基礎(chǔ)。隨后菲涅爾發(fā)展了惠更斯的波動學說，又奠定了波動說的理論基礎(chǔ)。微粒說一統(tǒng)的局面被打破。1865年麥克斯韋建立了電磁場的麥克斯韋方程，提出了電磁波的概念。麥克斯韋推算出電磁波的傳播速度，發(fā)現(xiàn)電磁波的傳播速度和光速十分接近，他本來就猜測光與電磁現(xiàn)象之間有著內(nèi)在聯(lián)系，在建立了完整的電磁理論后，他更明確提出了光的電磁理論，光是一種電磁波。由于電磁波具有許多一般機械波不具備的特點，如能在真空中傳播等，光的波動學說似乎徹底戰(zhàn)勝了光的微粒說。因此，到了19世紀中葉，光的波動說已經(jīng)取得了很穩(wěn)固的地位。
1887年，赫茲在證明麥克斯韋波動理論的實驗中，首次發(fā)現(xiàn)了光電效應。1902年勒納特作了詳細的定量研究，出人意料的是光電子的初動能竟然與光的強度無關(guān)，取決于入射光的頻率，頻率越高，逸出的電子的初動能越大，而按光的波動理論，逸出電子的初動能和光的強度有關(guān)。1905年，25歲的愛因斯坦利用普朗克提出的量子論思想成功地解釋了光電效應，他認為光攜帶的能量在空間是以不連續(xù)的方式分布，形成一個個能量顆粒，它們被稱為光的量子，簡稱光子。后來光量子說又成功地解釋了波動說沒有辦法解釋的康普頓效應等，使光的微粒說在新的基礎(chǔ)上復興了。不久，邁克耳孫在美國化學家莫雷幫助下做了一系列特別精細的實驗，否定了以太的存在。1905年，愛因斯坦在“論運動物體的電動力學”的論文中宣布“以太是多余的”，提出了光跟普通物質(zhì)“不一樣”，光在一切慣性參照系中都以相同的速度運動的思想，建立了嶄新的時空理論――狹義相對論。
現(xiàn)代物理理論認為光既有波動性又有粒子性，這叫做光的波粒二象性，光在傳播過程中主要表現(xiàn)出波動性，而在與物質(zhì)相互作用時則較多地表現(xiàn)出粒子性。光的波粒二象性的提出，光是粒子還是波動的爭論似乎可以落下帷幕了。其實不然，對光究竟是普通物質(zhì)還是特殊物質(zhì)？光是物質(zhì)流還是僅僅是能量流？搞不清這兩個問題將影響到物理學基礎(chǔ)理論的發(fā)展。許多實驗現(xiàn)象都告訴我們光和電子、質(zhì)子一樣是一種很變通的物質(zhì)。
一、物質(zhì)吸收光子不但吸收光子帶來的能量和慣性而且吸收了光子帶來的物質(zhì)
對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認識，一直存在兩種對立的觀點：一種觀點認為物質(zhì)不是無限可分的，存在某種分割的極限；另一種觀點認為物質(zhì)是無限可分的。
持“物質(zhì)不是無限可分割”觀點的學者認為:我們不能無止境地以構(gòu)成物體的各個部分來分析物體。這個過程最終要失去它的意義，我們會遇到不能再簡約的實體，這就是基本粒子。如果不能把一個粒子描述為其他更基本實體的一個復合體系，就可以認為這個粒子是基本的。
為了用實驗決定一個粒子是基本的還是復合的，通常采用讓它與另一個高速運動的粒子碰撞來粉碎它，觀察反應后的產(chǎn)物，看看能否找出它的碎片。用現(xiàn)代粒子加速器，可產(chǎn)生能量極高的電子束。讓兩個高速電子相互對心碰撞，在反應的產(chǎn)物里仍找不到電子的碎片；加大碰撞前電子的能量，你甚至可以在反應的產(chǎn)物里找到三個電子和一個正電子，但還是找不到電子的碎片。看來電子是一個整體，不可粉碎！為此，在E·H·Wichmann所著《伯克利物理學教程》第四卷中寫道：“我們達到了一個極限：把電子看成是由其它更基本的粒子所組成，就顯得不合情理和無用了?！痹摃謱懙溃骸敖裉鞗]有人企圖根據(jù)物質(zhì)是無限可分的前提來創(chuàng)立一個全面的物質(zhì)理論，這樣一種企圖將是無益的。”目前認為夸克和一些輕子是組成自然界所有物質(zhì)的不可再分割的“基本粒子”。近代發(fā)展的物理學基礎(chǔ)理論都是以這種觀點為基礎(chǔ)的。
在兩個高速運動電子對心碰撞的實驗中，我們注意到對心碰撞后“在反應生成物中可能找到三個電子和一個正電子”的實驗細節(jié)。對這個細節(jié)必須滿足能量守恒：
?。?/span>1）
其中 、 表示兩個高速運動電子的運動質(zhì)量， 、 、 表示生成的三個電子的運動質(zhì)量， 表示生成的一個正電子的質(zhì)量。
必須滿足質(zhì)量守恒：
在兩個高速運動電子對心碰撞中，人們忙著找電子的碎片而找不著，但放在人們眼前的三個電子和一個正電子正是兩個高速運動電子碰撞后的碎片視而不見。人們只熟悉用碰撞的方法找碎片，不知道還能用其它的方法找碎片。下面我們用其它方法找電子的碎片。
方程（2）反映出兩個三個電子和一個正電子是高速運動的電子的“碎片”；高速運動的電子是三個電子和一個正電子的母體。三個電子和一個正電子（四個碎片）的靜止質(zhì)量和為（其中表示一個電子或一個正電子的靜止質(zhì)量）。那么，它們的母體，在打碎前的靜止質(zhì)量之和至少應等于（碰撞期間沒有系統(tǒng)外光子湮滅），而兩個電子在加速器中加速前，它們的“靜止質(zhì)量”和為。這說明電子在加速器中加速過程中不但從外界吸收了能量和慣性，而且從外界吸收了物質(zhì)；說明經(jīng)加速器加速的高速運動的電子是“帶著一大堆從外界吸收的物質(zhì)的電子”，是可以粉碎的。正是高速運動電子所帶的這些從外界吸收的物質(zhì)組成了后來多出來的“一對正、負電子”。這些“從外界吸收的物質(zhì)”是電子在加速過程中從外界一點一滴吸收進來，一點一滴積累起來的。這說明生成的“正、負電子對”是由一點一滴積累起來的質(zhì)量十分微小的物質(zhì)單元組成的；說明自然界存在未被我們認識的質(zhì)量遠比電子質(zhì)量小的物質(zhì)單元。所以，我們得到了“正、負電子對”由一種“未知的微質(zhì)量物質(zhì)單元”組成的結(jié)論。
相對論提出高速運動電子的靜止質(zhì)量不增加，有兩個方面的考慮：一是相對論研究的是在兩個不同參照系中觀察同一事物的運動。由于觀察者自身做高速運動，反過來觀察到靜止電子在做高速運動，其實，電子并未受到任何力的作用。這種高速運動的電子的靜止質(zhì)量當然是不變的；二是考慮電子是一個整體，不能再分割，它被物質(zhì)吸收就是通過光子在物質(zhì)中減速實現(xiàn)的，由質(zhì)量－速度關(guān)系，光子的靜止質(zhì)量必須為零。
我們研究的是電子通過加速器加速獲得能量，由靜止變成高速運動。電子在加速器中加速是通過電磁相互作用完成的，電磁相互作用是由光子傳遞的。電子的加速過程正好和發(fā)射火箭的情況相反，它是不斷從外界光子實現(xiàn)的，也是一個變質(zhì)量問題，但是一個質(zhì)量不斷變大的可變質(zhì)量問題。
1901年考夫曼從鐳的射線中觀察到運動電子質(zhì)量變大的現(xiàn)象。射線是高速運動的電子流，它從鐳原子中放射出來，實質(zhì)上它是鐳原子中的某些部分被加速，離開母體形成的。因此，考夫曼觀察到的現(xiàn)象，屬于粒子通過加速過程后質(zhì)量變大的這種情況。
二、 的物理意義
愛因斯坦是明確表達全部物理學的新運動學基礎(chǔ)的第一位物理學家。在1905年發(fā)表的《論動體的電動力學》這篇論文中愛因斯坦提出了相對性原理：物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時所參照的坐標系究竟是用兩個在互相平行勻速移動著的坐標系中的哪一個并無關(guān)系。這篇文章后來被普朗克等人稱作《相對論》，愛因斯坦最終也接受了這種說法，但他把它稱為《狹義相對論》。《狹義相對論》以全新的相對論時空觀征服了物理學界。在《狹義相對論》的基礎(chǔ)上，他又發(fā)表了《物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎？》一文，在這篇論文中愛因斯坦提出了他最得意的公式：。據(jù)此理論，科技人員創(chuàng)建成了原子能發(fā)電站、原子彈等，原子核能獲得到了廣泛的應用。但 的物理意義是什么？各人理解的深淺仍然大相庭徑。有人認為這公式說明了在能量的轉(zhuǎn)換過程中質(zhì)量可以轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰?，在這個過程中質(zhì)量消失了只剩下能量，在物理學中能量是比質(zhì)量更基本的量；有人認為這公式反映的是一定質(zhì)量的物體和它具有的總能量的數(shù)值關(guān)系。
光子被吸收，光子的速度由光速變?yōu)殪o止。光子速度變?yōu)殪o止有兩種可能：一種是通過減速；另一種是發(fā)生湮滅。如果光子被電子吸收光，是通過光子不斷減速獲得的，因為光子的“靜止質(zhì)量”為零，電子不可能在加速過程中同時獲得靜止質(zhì)量；如果光子被電子吸收是通過光子在電子中湮滅來實現(xiàn)的，湮滅時把能量傳給了物質(zhì)，而湮滅產(chǎn)生的新粒子被物質(zhì)吸收，物質(zhì)的量也增加了。那么，我們就能很好地解釋兩個高速運動的電子對心碰有可能生成三個電子和一個正電子的實驗事實。因此，我們可以認為：光子被電子吸收 實質(zhì)是光子在電子中湮滅。
現(xiàn)代理論認識到光子有動量、有能量，是物質(zhì)的一種存在形式，粒子也是物質(zhì)存在的一種形式；認識到粒子對的湮滅必定生成光子；光子的湮滅也能生成粒子對，而且在這兩個過程中都遵守總能量守恒、動量守恒和質(zhì)量守恒。這說明不管光子湮滅是怎樣生成粒子的，也不管粒子對湮滅是怎樣生成光子的，粒子對湮滅生成光子和光子湮滅生成粒子對都是物質(zhì)從一種形態(tài)轉(zhuǎn)化成另一種形態(tài)。物質(zhì)從一種存在形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)存在的形態(tài)就是相變。因此，光子和粒子之間的湮滅本質(zhì)上是物質(zhì)的一種相變。反映的是這種相變過程中釋放或獲得的相變潛熱。 中 ，單位是 正是發(fā)生這兩種相變時的“單位物質(zhì)相變潛熱”。
到目前為止，一般認為從大的方面劃分物質(zhì)有5種態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)、等離子態(tài)和中子態(tài)。而物質(zhì)從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)發(fā)生的相變都可以用物質(zhì)自身的運動和結(jié)構(gòu)上的特點給出解釋。物理學在建立了分子動理論之后，才對物質(zhì)固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)之間的變化有了深刻的認識；物理學認識了原子結(jié)構(gòu)規(guī)律后才對等離子態(tài)的深刻的認識；物理學認識了原子核結(jié)構(gòu)后，才對中子態(tài)物質(zhì)有所了解。既然物質(zhì)從粒子態(tài)轉(zhuǎn)變成光子態(tài)是一種相變，那么，粒子和光子之間的相變是一種很普通的變化，它也應該可以從物質(zhì)結(jié)構(gòu)上給出解釋。這提示我們，光子和電子等都是有結(jié)構(gòu)的，它們都有公共的組成單元。如果光子、電子等有結(jié)構(gòu)，組成光子的組成單元是以光速運動的，在發(fā)生相變時這個特性應該保存下來，也就是說，組成電子的各組成單元仍以光速運動，只是被局限于很小的范圍之內(nèi)。以后我們將看到電子雖小，但在電子的組成單元看來卻是一個龐然大物。目前已知的能量最小的光子的能量是/秒，因此，組成光子和粒子的公共單元的質(zhì)量小于、等于，這大約是電子靜能的，也就是說，組成光子電子的公共單元的質(zhì)量小于、等于電子質(zhì)量的 。
三、 解讀質(zhì)量-速度關(guān)系的物理意義
，展開后得
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（1）
（2）
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（2）、（3）又可化為
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（5）
（4）、（5）兩式描述的是這樣的物理過程：如果組成電子的各部分組成質(zhì)量相等并以光速相互環(huán)繞旋轉(zhuǎn)的2個集團、加速前每個集團質(zhì)量為，加速后每個集團的質(zhì)量為。那么，加速后每個集團的動量在質(zhì)心運動方向的投影和等于，它們繞質(zhì)心運動方向的動量矩是守恒的。其中作環(huán)繞運動的兩物體之間的距離。電子在電場中加速時，相互作用力沿加速度方向，而在加速器中加速時加速度方向和速度方向是一致的。因此，電子各組成成分繞電子的運動方向的動量矩確實是守恒的。
上面式子告訴我們：
1．組成電子各部分在電子內(nèi)部都以光速運動。
2．電子在電場中加速的原理和火箭加速的原理不同?；鸺诩铀龠\動過程中大量向外拋出高速運動物質(zhì)而電子在加速器加速過程中大量吸收光子。
3．靜止電子動量矩中的和運動電子動量矩中的是否相等，這應該通過實驗驗證。目前知道實驗結(jié)果是兩者是相等的（考夫曼實驗），若能有精確的實驗數(shù)據(jù)，我們可以通過分析這些實驗數(shù)據(jù)進一步了解電子的結(jié)構(gòu)。我們還可用靜止電子由粒子組成，運動電子由粒子組成的，電子外觀動量由電子各組成粒子貢獻，加速過程中電子的動量矩守恒導出。
4．是狹義相對論最重要的動力學結(jié)論，它們可以通過牛頓力學導出。因此，相對論不是解決高速運動物體的唯一理論。
四、 光子和粒子間相變是能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)變的基本形式
到目前為止，科學家認為一切物質(zhì)都由夸克和一些像光子、電子等輕子組成。在夸克和光子、電子等輕子之間只存在四種相互獨立相互作用，因此認為自然界存在四種基本相互作用：強相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和引力相互作用。現(xiàn)在我們知道所有基本粒子都有它的反粒子，粒子和反粒子湮滅生成光子；在一定條件下光子湮滅可以生成各種粒子和反粒子對。光子是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)；粒子也是物質(zhì)存在的一種狀態(tài)。粒子和光子之間的相互湮滅是物質(zhì)的一種相變。相變都可以從物質(zhì)結(jié)構(gòu)上加以說明。說明目前我們認識的自然界中所有基本粒子都還有更深一層次的結(jié)構(gòu)。雖然在目前的討論中我們還不知道組成光子和電子等的更深層次結(jié)構(gòu)是怎么樣的，但是，我們可以知道在這個層次中是不存在強相互作用和弱相互作用的。光子是電磁波，說明在物質(zhì)結(jié)構(gòu)的更深層次中電磁相互作用和引力相互作用還是存在的。在一般物質(zhì)中，相互作用主要是電磁相互作用在起作用（除重力外），因此，有理由認為而電磁相互作用是通過光子傳遞的，所以，所謂光子被物質(zhì)吸收就是光子在物質(zhì)中發(fā)生了相變，生成某種未被我們注意和認識的粒子對，這些粒子對被電子、或原子核吸收；所謂物質(zhì)放出能量就是構(gòu)成電子、質(zhì)子、光子等的更深一層次的結(jié)構(gòu)的部分粒子發(fā)生了相變，轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾与x開我們研究的物質(zhì)?？梢娢镔|(zhì)間能量的轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)變實質(zhì)上是通過光子和粒子間相變實現(xiàn)的，光子和粒子之間的相互相變是一切能量轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)換的基本形式。
五、 光在真空和介質(zhì)中的傳播規(guī)律
光在物質(zhì)中傳播總要碰到物質(zhì)，光子很快被物質(zhì)中電子吸收，但核外電子的能級是量子化的，但大多數(shù)電子在吸收了光子后很快又把光子放了出來。電子吸收光子，就是光子在電子中湮滅生成粒子被電子吸收；電子放出光子就是電子中一部分粒子湮滅生成光子。因此，換一句話說，光子在物質(zhì)中的傳播實際上是光子不斷湮滅生成粒子和粒子不斷湮滅生成光子對的過程。粒子和光子之間的相變是一切能量傳遞和轉(zhuǎn)移的最基本過程；是能量傳遞和轉(zhuǎn)移的基本形式。任何實物都由原子核和核外電子組成。電子在核外的能級是分裂的，通常情況下光子被核外電子吸收，電子獲得的能量并不能使電子剛好達到另外一個穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)，因此很快又把光子釋放了出來；有些光子被電子吸收，電子剛好能達到穩(wěn)定態(tài)，但這樣的電子隨著后續(xù)光子的到來，很快會放出光子（激光原理）。少量的光子被原子核吸收，能量轉(zhuǎn)變成原子核熱運動的能量，而原子核熱運動的能級是連續(xù)的，被原子核吸收的光子的能量就轉(zhuǎn)變成原子核熱運動的能量，在短期內(nèi)，不能再釋放出來了，這些光子真正被物質(zhì)吸收了。
太陽光垂直照射在地面上，每秒鐘到達地面每平方厘米的能量是 ，太陽可見光子的平均頻率為 ，能量為，這樣平均每秒到達地面的光子數(shù)為個，但在1立方厘米的液態(tài)、固態(tài)介質(zhì)中至少有個電子，遠比到達的光子多。這些光子進入介質(zhì)中后不斷地被物質(zhì)吸收和釋放。每一次吸收和釋放就是形成一個“子波”。因此，從總的效果看，光子在介質(zhì)中的運動遵循惠更斯原理，因此，大量光子的群體行為表現(xiàn)出“波動性”。光在“真空”中傳播時，基本不發(fā)生相變，平均自由程很生長，傳播速度快。光在介質(zhì)中傳播，光子的反復相變需要時間，因而光在介質(zhì)中傳播速度變慢。因此，光波無論在有介質(zhì)或沒有介質(zhì)的空間中都能“傳播”。光從外星球來到地球或者從運動物體發(fā)出到達測量裝置，不管光子從何而來，不管原來光子的運動速度是多少，光子一旦進入新的物質(zhì)系統(tǒng)（新參照系），被該系統(tǒng)的物質(zhì)吸收后再釋放，介質(zhì)原子就成了新光源，就要按新系統(tǒng)（新參照系）重新確定光速。這就是光速不變的原理。當單個光子的能量已很大，單個光子就能引起一些能被人觀察到的現(xiàn)象，光的粒子性就充分地顯露了出來，光電效應就是單個光子的效應。
因此，一群光子的運動，整體上表現(xiàn)出波動性；高能量的單個光子跟物質(zhì)相互作用，表現(xiàn)出粒子性。這就是波粒二象性的實質(zhì)。
六、波動的外殼和內(nèi)核
機械波是機械振動在介質(zhì)中傳播。機械波在傳播過程中，介質(zhì)分子在原地的平衡位置附近作振動，并不隨波一起作定向運動。機械波在傳播過程中介質(zhì)分子確實不隨波移動，但波傳播時有能量隨波在一起傳播，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)-能關(guān)系，一定的能量轉(zhuǎn)移必伴隨物質(zhì)的轉(zhuǎn)移，但隨波轉(zhuǎn)移的不是介質(zhì)分子。我們知道介質(zhì)分子或原子之間的相互作用本質(zhì)上電磁相互作用，電磁相互作用是靠光子傳遞的。這樣，能量隨波一起轉(zhuǎn)移的就是光子，也就是電磁波，而光子在物質(zhì)中的傳播是通過反復湮滅實現(xiàn)的。由機械波傳播的特點決定了能量在波動中從一些介質(zhì)分子或原子傳到另一些分子或原子需要更長的時間。因此，在機械波傳播過程中，能量轉(zhuǎn)移或說電磁波傳播從整體上看比較慢。這樣我們可以看出：傳播機械波的介質(zhì)宏觀表現(xiàn)出來的波動特點是機械波特有的外觀表現(xiàn)，或說成是機械波的外殼；在這外殼下還有能量的傳播，也就是電磁波的傳播，這是所有波都具有的內(nèi)核。對電磁波而言，傳播運動形式和傳播能量集于一身，它已經(jīng)沒有了外殼也不需要外殼。因此，根本不用尋找電磁波的外殼即以太。
原載第4卷第1期2006-08-20
2014-10-16
