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光子是什么

已有 2994 次阅读 2016-8-29 08:58 |个人分类:非线性数理方法|系统分类:科研笔记|关键词:光子,量子,几率密度,麦克斯维尔方程,薛定谔| 光子, 量子, 薛定谔, 几率密度, 麦克斯维尔方程

光子是什么

黄志洵l

(中国传媒大学信息工程学院,北京100024


摘要:通常认为光子是电磁场量子,亦即电磁场经量子场处理后形成的方程可以描写光子。然而在物理思维上存在困难,例如很难了解光子物理形象的动力学。非相对论量子力学(例如Schrödinger方程)决定,用波函数描述的电子定位是在空间中的几率性分布;但与此相反,光子是不可定位的。由于在数学上不能使用满足Einstein狭义相对论的定位几率分布来建立连续性方程,因而无法对光子流建立连续性方程。正如大家所知,对量子粒子(如电子)是用波函数表达其空间定位性质,但光子是非局域粒子的事实造成我们无法为光子定义一个自洽的波函数,虽然在Weisskopf-Wigner模型理论框架内可以建立光子波函数的操作性定义。总之,不能为光子写出波方程。

必须强调指出,光子不是一个刚性球,永远无法给出其尺寸和体积。光子的理论分析以广义Maxwell方程组和量子理论为基础,后者是指量子力学(QM)和量子电动力学(QED)。Schrödinger方程(SE)非常适用于光纤的分析,这个事实证明QM对解释光子有用。然而,必须指出光子形象仍然模糊不清。光波并不完全等同于传统电磁波,因为光子是微观粒子,波特性遵从统计规律,波函数表达几率波模式。然而现时却缺少光子几率波的方程。

本文将1936年发现的Proca方程组称为广义Maxwell方程组或修正的Maxwell方程组,在光子有静止质量时应由Proca方程组取代Maxwell方程组。这时,磁矢势成为可观测量。人们已用许多方法进行了光子静质量测量,可以相信光子也是一种有质(量)粒子。在这种情况下,我们发现即使在自由空间(真空)条件下电磁波也可能作超光速传播。而按照Proca理论,将给光子带来几率波特性,但却仍然保持光子与电磁波之间的传统关系(光子仍是电磁波的量子)。……本文的结论是:光子是一种深具特殊性的微观粒子

由于光子静质量、引力、真空极化作用等因素的影响,在我们的新理论中速度的非恒值性是一个特点。这就可能造成对光速的多样化解释。因此我们追求对物理学中的这个基本问题的新理解——“真空中光速的确切含意是什么?

关键词:光子;量子力学;量子电动力学;Proca方程组;真空中光速

公式太多,详细可下载下面所附原文

光子是什么.doc

1  引言

1951Einstein[1]说:整整50年的思考没有使我接近于解答光子是什么这个问题,人们都知道正是Einstein光子说使光电效应得到完满解释,因而成为光子的发现者;所以他在晚年时说这句话是令人惊异的。那么现在人们真的弄清楚光子是什么了吗?回答是否定的。2003量子光学家A. Zajonc[2]说,今天人们对光子的无知和52年前Einstein所说状况差不多。2009年中山大学佘卫龙[3]总结了目前的6种光子理论模型:粒子模型;光原子模型;粒二象性模型;奇点模型;波包模型;量子电动力学(QED)模型;得出的结论是:光子)的本性问题尚未解决。佘卫龙的观点是正确的;笔者的多次努力也证明[4-7],光子的真面目似乎还是模糊不清的。

近年来量子高新技术(量子通信、量子计算机量子雷达)的迅速发展造成了更深入了解光子的需要;本文作出一些新解释,但也论及存在的问题。


2  传统物理理论对光子的认识

Einstein1905年提出光量子假说,认为光的能量在空间并非连续分布,而是由有限个数的、局域于空间各点的能量子(光量子)所组成。这些能量子能够运动,但不能再分割,而只能整个地被吸收或产生。这一假说被实验证明后,Einstein获得了1921年的Nobel物理奖。在1905年之后,值得一提的是,1910年俄罗斯科学家P.Lebedev首次测量光压的实验。他把一个薄金属片放到抽真空到10-4Pa的玻璃容器中,测量薄片受光照射时悬丝(玻璃丝)的扭转角,得到光压为3.08×10-10N。力的存在表明能量、量存在,这可用光子理论解释。而自1912年起,R.Millikan花了三年时间,用复杂精密的仪器和高真空中的样品,检验了Einstein根据光子假说提出的光电效应公式,证明了其正确性,给出了截止电位与入射频率之间的线性关系。由于这些工作,再加上A.Compton1924年完成的光子与电子碰撞实验,到这时光子的存在已无可置疑。

传统物理理论对光子的认识可归结如下。首先,单个光子的动量为(下文公式太多,详细下载本文最后或者最前面所附原文)

                                                   1

引用能量关系式=,可以证明

==                                             2

式中Planck常数,=;采用归一化的观点时,有

=

不失一般性,对电磁波量子可写作

=

矢量写法为

=                                                  3

式中为光子动量矢量;为波矢。

一束光的光子数如为,则光子动量方程应写作

=                                                4

那么上述光子动量理论怎样与光的波动形象适应和一致?在经典电磁理论中,电磁场是物质的一种形态,电磁波被看做电磁场动态的表现和结果。因此,怎样从经典场论出发描写电磁波动量是值得关注的。1947S. Rytov给出

=+                          5

式中Poynting矢;目前需要做的是把动量理论研究引向深入,并阐明波、粒理论的一致性。

电磁场理论、量子力学QM及量子电动力学(QED)结合是分析的基础。在这样的理论处理之中,光子其实是电磁场量子化的结果。QED电磁场量子化方法,是在Coulomb规范下把矢势作为正则坐标,进而导出正则动量;然后经过正则动量求出Hamilton量,经过量子化处理求出Hamilton算符;因而,电磁场转变为光子场。进而用Hamilton算符的本征态(即光子数态)表示光子场的状态。由于这关系到我们对光子的认识的深化以及如何看待波粒二象性,这里给出基本的处理过程。使用Coulomb规范,矢位满足波方程

=

经过正则动量而求出Hamilton量,即

=

注意积分号内的为磁场强度;现在用正交模函数展开,得

=

式中是两个偏振方向:在通常的理论陈述中,光子能量

==                                               6

现在可由=求出广义动量,并变成算符,故有

=                7

=           8

经过量子化处理,Hamilton算符为

=

式中:为光子的产生算符;为光子的消灭算符。更简便的写法为

=                                    9

对易关系为

=

因此表征光子场的光子数态为

=                                10

光子数算符(模式)

=

以上各式中代表个光子的状态,而其光场平均值为零。

用谐振子量子化方法可得出与式(10)相同的结论。总起来讲,量子化之后的电磁场是用光子数算符的本征态来描述的,它代表含有模光子的态。因此,我们统一地用较简单的下式表示,即单模电磁场有

=                                        11

由此可知,模电磁场的能量不是,而多出一项。当空间不存在光子时(=0),模的能量不为零,而是/2。这叫零点能(zero energy),它的发现是电磁场量子化理论的成就。现在,真空在量子理论中看作基态,记为。可求出基态能量为

=                                     12

实际上是说零点能量为

=                                             13

这与其他方法推导零点能的结果一致。

因此,传统物理理论对光子的认识可归结为:光子是光场或电磁场的量子,其动量、能量分别与电磁场波矢及角频率成正比。此外,光子有角动量和宇称,其自旋量子数为1.……物理理论还认为,光子与量子力学(QM)的微观粒子在概念上有很大不同,这是因为QM被认为是量子场论QFT)在非相对论情况下的近似,在该情况下电子场的Dirac方程(DE)近似为Schrödinger方程(SE),而场的量子化对应Schrödinger波函数的量子化(二次量子化)。

粒二象性(wave-particle duality)理论是物理学中的一个令人头痛的问题,物理学大师R.Feynman曾称之为混乱的情况情的根源在于,波以其叠加性、干涉、衍射和散射特性、能量在空间非局域分布(non-locality distribution)等特点,使其从根本上不同于具有集中质量的物质(粒子或物体)。但奇妙之处在于粒子性,典型例子是光——它既是光子,又是光波。由于经典理论中对电磁场、电磁波已有丰富的内容,通常认为光波较容易理解。但对光子却不是如此,一直以来总有物理学家在问:光子到底是什么?1925Einstein在巴西科学院演讲时,回答不了听众的提问,因为他提不出能同时统一地描述二者的数学图景。


3  光子的不可定位性质

光子不可定位的英文说法是“the photon can’t be localized”,这似乎早有征兆。1930Dirac说,对Young的双缝干涉而言,每个光子都进入两分束中的每一束,每个光子只同自己发生干涉,决不会发生两个光子之间的干涉。后人据此设计了“双缝干涉而光子反冲”的理想实验,并证明:只要测不准关系式成立,就无法确定光子走哪个缝。……这些陈述赋予光子奇妙的性质

物理对电子的处理方式是深具启发性的。电子是微观粒子,由于不确定性原理,它的坐标位置和速度(即动)不能同时精确地决定。但这并不表示可以把速度概念从关于电子的理论中排除。实际上,量子力学(QM)允许建立一种合理的粒子速度定义,并在QM过渡到极限情况即经典力学(CM)时与经典粒子的速度定义相一致。这是一种对物理系统作半经典(semi-classical)的处理。……问题是,如何看待电子的波函数描述?de BroglieD.Bohm曾提议,采用作用量作为中间参量以建立粒子速度和波函数之间的联系,即假设

=                                             14

这个假定的基础是考虑波动的振幅和相位时,的表达是最合理和方便的。

通常称Schrödinger方程(SE)为非相对论量子力学(NRQM)方程,这是因为推导时用的是Newton力学的假定。把SE用于电子,并写出

=                               15

式中为势能函数;把Broglie-Bohm假设代入并作微分运算,按实部、虚部分开可得两方程,其中之一为

=0

一个是

=0                                   16

这被称为连续性方程;在一维情况下(粒子沿方向运动)讨论,又定义一个几率密度,以便把空间单元内的粒子定位,即有

==                                      17

故可写出

=0                                    18

式中几率通量密度(probability flux density):

==                              19

18称为粒子定位的连续性方程(continuityequation for particle localization)

以上分析仅适用于电子,并且隐约地给人以轨道概念的印象。这是允许的,我们已说过这是一种半经典处理。总之,电子似乎较易把握其运动规律,允许一些物理意义较明确的描述。……但对于光子,情况有所不同。2012M.Lanzagorta [8] 在《Quantum Radar》一书中曾对光子不能被定位作了阐述,指出其含意是光子无法在数学上用满足狭义相对论(SR)的定位几率分布来建立连续性方程。对此,笔者的理解是这指的是Einstein所一贯主张的局域性(locality)思想。另外,光子不能被定位无法为光子定义一个自洽的波函数,至多只能在Weisskopf-Wigner模型框架内提出光子波函数的“操作性定义”。这些情况对量子雷达QR)的研究有不利影响。因为既然是雷达就必定把重点放在入射光子从目标的反射。尽管反射过程可以被简化为一个散射问题:入射光子被组成反射体的一个或多个原子散射。入射光子被一个或多个原子吸收,随后再被发射但是,有多少原子散射了光子?如果我们不能定位光子,那么什么样的原子会参与到散射过程中?而且,如果特定的路径在QED情境中没有意义,那么又如何能预期得出反射定律(入射角等于光束的离开角)?另外,如果QED中的散射过程不涉及任何几何角,散射原子是如何知晓它必须将输光子沿精确的方向发送?——这些都是Lanzagorta提出的题。他认为,将光子勾画成台球游戏中被散射的球并不能带来正确答案,通常的将光子诠释为一种像电子一样的粒子是错误的。他的这些观点与笔者完全相同。

现在我们把讨论引向深入。如所周知,1927年由W.Heisenberg提出的不确定性原理早已被证明是微观粒子遵守的规律,R.Feyaman曾说这是QM的根本。规定某个可观察物理量在QM中对应一个Hermite算符;在一般的量子态中,人们只能测出平均值=。现定义算符

=

不过它在量子态中平均值是零,一般只研究其均方值

Euclid空间的矢量代数中,如有两个矢量,必有以下不等式成立:

类似地,在QM中有Schwarz不等式针对两个态矢的关系:

现在假定有两个可观察,如使用算符Hermite性,又引用Schwarz不等式,则可证明:

                        20

这叫不确定性原理;当用它处理粒子运动时,就得到测不准关系式

QM中对测不准关系式的常见陈述为:设测量粒子坐标位置()与测量粒子动)同时进行,当两个力学算符满足对易关系

[,]=

这时测量坐标不确定度与测量量的不确定度的相互关系为

·/2                                      21

由于粒子在Euclid空间运动,=++=++,其中为单位矢量;则在3维条件下的测不准关系式为

···              22

上述式表明,微观粒子的坐标位置不确定性不确定性的乘积永远等于或大于/2。若粒子的动量完全确定(0),坐标位置就完全不确定(→∞);具有确定速度的粒子是没有确切的空间位置的。反之,若粒子坐标位置完全确定(0),那么粒子动量完全不确定(→∞);这意味着瞬时地处在空间某处的粒子不会有确切的速度值。这种情况Newton的经典力学中是不会发生的。……现在,如果我们承认光子有确定的速度(真空中=299792458m/s),那么作为微观粒子的光子的运动就完全不可捉摸实际上人们将不能获得和操控光子。但这与当前的情况(单光子技术日益成熟和发展)不相符合。那么,说“光子能在空间定位”,这该怎么解释

4  光子与电子的进一步比较

光的波粒二象性理论认为光子与电子相似——既是波动又是粒子。但开始时认为光子的这个波即经典电磁波,后来又说是几率波。这与电子的情况不同,通常认为电子对应几率波,遵守Schrödinger方程(SE)Dirac方程(DE);然而目前尚无光子的几率波方程。

1926年由Schrödinger建立起来的非相对论量子力学(NRQM),很快就在微观领域起Newton经典力学(CM)的作用,实际上完全取代了CM。胡宁[9]的著作中并没有“Schrödinger量子理论只适用于低速情况”的说法;但他着重指出:虽然光子、电子两者都有波粒二象性,但在NRQM中(也就是在SE中)这二者“地位完全不同”;又说SE反映不出“光子是和电子一样的微观粒子”。那么他是如何得出这个结论的?

现在先把实物粒子(如电子)与电磁场(电磁辐射)的理论处理进行比较。首先回顾电磁场经典理论告诉我们什么?如所周知,有一个本身不具有物理意义、但可作为分析工具的矢量势(vector potential),其定义满足=;在一定条件下,由Maxwell方程组可以推出:

=                                   23

当空间无电流源()以及为真空(=)时,上式成为

=0                                     24

成为Maxwell方程的基本形式;然而具有不确定(不唯一)性,故要用一定的规范——用Lorentz规范时0Coulomb规范时则有

=0                                              25

把电磁场按正则方式量子化时,要使用Coulomb规范条件。

对于电子而言,分析中没有与Maxwell方程理论相应的阶段,没有上述的理论关系式。由此可看出光子与电子的不同;电子分析时,实物的粒子性贯彻始终——经典粒子的动量、坐标为,在量子理论中的对易关系为

=

式右端前方的=;在Schrödinger理论中,有单电子的SE,以及相应的连续或不连续的能级。总的讲电子的微观理论表述比较明确,而光子的理论描写相当模糊

我们看一下所谓几率波的确切含意。19266Born在论文“散射过程的量子力学”中指出,Heisenberg的矩阵力学可用于计算定态及与跃迁相关的振幅,对散射问题则只有SE能够胜任。在对两个自由粒子进行散射方面的计算后,Born提出发现粒子的几率正比于波函数模值的平方,为了解释散射计算结果的意义必须这样诠释。在QM中标准的统计解释如下——微观粒子的状态用波函数描述,时刻在空间处的体元内找到微观粒子的几率为时刻在空间处微观粒子出现的几率密度为。因此描述微观粒子的波为几率波,而是几率振幅。现在只有几率分布才是实际可观测量,而却不是。所以微观粒子不是经典粒子,对应的波不是经典波。在电子双缝衍射实验中,尽管不能唯一地知道单个电子到达感光板的位置,但作为统计结果的衍射图形的唯一性是肯定的。根据电子双缝实验可以总结以两条:①对处在同一状态下的大量粒子(电子)而言,波函数模的平方与时刻在空间处单位体积内的粒子数成正比;亦在波强度大的地方粒子数必定也大。②对单个粒子(电子)而言,波函数模的平方时刻在空间处单位体积内发现粒子的几率(即几率密度)成正比。因此,无论对处于相同条件下的大量粒子的一次性行为,或者单个粒子的多次重复性行为Born的波函数统计解释都有效。上述情况的第②是特别令人感兴趣的;电子通过双缝的干涉代表单个电子的波的干涉,即一个电子自身的干涉,电子的干涉条纹是许多处于相同状态下电子体系的多次积累效应。

因此,不能认为必须由一群粒子组成波,因为实验已表明那怕只有一个电子也具有波动性。虽然我们不能根据波函数预言粒子在某时刻一定会在某处出现,但却可知道粒子在该时该处出现的几率有多大。由此可得出两点结论,首先,微观粒子的波动性在很大程度上是由统计性规律决定的其次,波函数所代表的是一种几率波

因此,物质粒子(如电子)相应的波动并非与描绘电磁波的Maxwell方程相对应。同时,电磁波则明显是一种经典性的宏观波动。但这样论述下去就会有真正的麻烦——既然人们公认光是电磁波的一种(例如可见光是漫长电磁波谱中间的一段),而且正是数量庞大的光子流组成了光;那么光子还是微观粒子么?如果是,那么为什么光波不是几率波?SE尽管很好地描写了电子的运动,但它是否适用于光子?换句话说,SE没有完成下述任务,证明光子(和电子一样)是微观粒子?

因此,尽管量子力学(QM既可以描写电子又可以描写光子,在这两方面都有很大的区别——描写电磁波的是一个算符,而描写电子波的却是一个几率振幅。究竟怎样理解电磁波和光子,实际上并不简单。除非光子能和电磁波分开;但这是不可能的。而且,光子的原始定义来自一个个孤立的能量子,这也令人费解——单纯由一份又一份能量组成的光量子究竟是不是一种微观粒子?它有没有大小和结构?……人们只是通过光电效应(以及别的物理效应)确知光子存在,但又无法确切知道它究竟是什么。Einstein本人曾说,这样思考和讨论下去“会使人疯掉”了。

我们仍把目光投向SE,看它还能告诉我们什么。这里有一件有意思的事——SE的二次量子化。认为SE不能用于光子和光波问题的分析,这种观点肯定是错误的。我们知道,在QM求解问题中有所谓WKB法(Wentgel-Kramers-Brillouin法),作为一种近似解法用在许多领域。在20世纪70年代,在光导纤维(optical fiber)问世后,很早就发现光纤的标量波方程在形式上与SE相同,用来求解工程问题卓有成效。除非是对光纤技术陌生的物理学家,大多数专家学者都会承认量子力学基本方程SE)用来处理光学问题是一件平常的事情。

因此,可以把SE当作经典的方程,对其进行量子化,并把得到的能量子解释为SE描写的粒子。也就是说,先把单粒子SE看成与Maxwell方程一样的描写经典波动的方程,再做量子化的工作。结果是,得能量子恰为经典粒子经过量子化后得的微观粒子。尽管分析只适用于BoseBoson),证明SE在表面上呈现的应用上的不对称性,是可以通过引入新的描述方式而消除,因而困难和问题并非像表面上那么严重。因此,在分析光子时必然经过的Maxwell方程步骤对应分析电子时经过的SE步骤。而且,对电磁波情况而言能量子就是光子;物质粒子而言能量子就是该粒子本身;……实际上,在光纤技术发展史上的理论分析实践,早就证明在微观世界理论(QM)和客观世界理论(Maxwell方程)之间没有根本性的矛盾,否则物理学大厦也就不可能建立起来。

然而二次量化只能消除表层上的矛盾,并不能带来对光的本质的深刻知识。正因为因此,中国科学院物理所研究员李志远[10]2015年的学术报告结尾,除了说“新的干涉仪方案可能实现同时观测波动性和粒子性,从而打破互补原理的正统解释”,他还指出光学的基本问题在于不了解光子——光子到底是什么、长什么样?尺寸是多少?光子如何运动并如何与物质相互作用?其时细节如何?……在他看来,物理学的基本问题在于弄清楚QM微观粒子的统计描述是否完备?有没有未知的更深刻规律描写单个粒子的运动和行为?……在今天,这些既是哲学问题又是检验的科学问题。例如,20112012年国际上几个研究团队提出并验证了波动性和粒子性的量子叠加态概念。


5  传统电磁理论的深刻化和现代化

19世纪末人们发现了电磁波,它在空间的传播呈现出能量和动量,H.Poincarè在1900年的论文中曾作推导和阐述。在同一时期(1897年)发现了电子,1924deBroglie根据电子提出了物质波概念。但是,这种物质波仅为几率波,与电磁波很不一样。“光是电磁波的一种”是在1865J.C.Maxwell提出的,1905A. Einstein提出了光量子假说,“光既是波又是粒子”看起来顺理成章。然而,20世纪20年代出现的QM表明,电磁波其实也是光子的几率波,宏观数量的光子把几率波实现为随时间变化的能量、动量分布。这是与电子的情况不同的——光子是玻色子(Boson),在某个电磁波模式上有大量的光子存在;但电子是费米子(Fermion),要服从Pauli不相容原理,在个量子态只能有个电子。……诸如此类的复杂情况都反映在粒二象性的讨论中。

波科学的发展是否只能走QM的道路?例如在宏观面的电磁波,是否可以通过Maxwell方程的深刻化和进一步引用现代数学方法,而实现理论上的提高甚至跃进?这是科学家们在思考的问题。电磁理论专家宋文淼2000年的学术报告中说[11]

“研究动量问题在物理上的重要性在于它是精确研究电磁波(包括光)的传播方向和速度这样一些基本物理量的基础。同时对于动量的描述,反映了经典理论与量子理论的根本差别从量子力学理论可以知道,动量是必须由空间中的数学运算才能求得,即先在空间中对波函数取时间的微分,然后再通过内积运算才能得到动量在欧氏空间中的表达式,而不可能直接对波函数用欧氏空间中的数学运算来求得。这也就是为什么经典电磁场理论无法精确描述电磁波动量和能流方向的根本原因。光速的问题是与电磁波的动量直接相关的问题。光速不变性经过Einstein相对论的描述成了物理学的一个基本规律,但是在经典电磁场理论中实际上还没有找到一种描述光速的数学方法。在经典场论中对于电磁波有各种不同的速度的描述方法,如电磁波的相速度,群速度等,这些速度都不是不变的,而是变化的,它们与介质的介电常数和导体边界的情况有密切的关系。自然这些速度都不应该是Einstein所指的不会改变的光速,他的光速不变性是指自由空间中的光速是不变的。令人遗憾的是经典场论中同样得不到自由空间中电磁波传播的精确形式。从量子理论来研究电磁波的动量将有助于我们正确地理解关于光速和光速不变性的概念,这一工作与三维无限大空间下的矢量偏微分算子理论有紧密的联系

2003宋文淼[12]在《电磁波基本方程组》一书中指出:当年Maxwell推出的方程组(以及后来由Hertz整理的简化形式)实际上无法求解,只能量波方程求出某些特殊解。为了把数学基础从经典数学转为现代数学,使用矢量函数空间和矢量偏微分算子理论可从Maxwell方程组导出用两个标函数表示的电磁波基本方程组,实际上是纯旋量场(电磁波的场)方程组。这两个标函数称为态函数,是反映电磁波群体特性的函数,不是单个光量子的态函数。方程形式为(在域内):

+=

文本框:(26)+=                                  

=                                    

=

在边界上:

=0

可以证明这方程组的与旋量场算子方程在量场空间中的解等价。

2004宋文淼[13]论述说,波理论即使在宏观的情况下也是不完善的;那种没有轨迹、没有加速度、在不断增大的体积中连续分布的物质运动图景,直到现在并不为人们所理解,但是它又是物质运动中确实存在的事实。波理论的核心就是波函数空间的理论,这是一种与Newton的时空概念不完全相同的概念。Newton的时空概念本质上是粒子物理的概念,Einstein的时空模型虽然有了时空的收缩、膨胀和弯曲,但是本质上还是Newton的概念,即它是适合于不连续粒子运动的模型。在连续函数空间的数学模型中,只有在这一空间中建立“元素”(波函数或基函数)的过程中,才直接与欧氏空间的元素的坐标发生关系。此后的所有运算不是在欧氏空间的元素(坐标点)上而是波函数空间的元素(基函数系)上,不是按照欧氏空间的运算规则进行的。虽然Newton的经典数学理论中也解决了连续的概念问题,但是在欧氏空间中不仅允许函数及其导数存在不连续,或者说在一般情况下,欧氏空间中的运算常会出现各种不连续所造成了奇性,而波函数空间中不可能有任何奇出现,因为在波函数空间中欧氏空间中的点不再是一个有直接意义的量,所以对于空间点奇性也变得没有意义。……

因此,为认识光子及光波的本质,还应对传统电磁理论做深刻化和现代化的工作;这可能需要数学家的参加。


6  从质量问题入手研究光子

在大学攻读“电磁波与微波技术”专业的研究生们和他们的导师,没有人怀疑Maxwell电磁理论的正确性和应用的广泛性。然而正是因为传统的Maxwell理论解释不了光电效应,Einstein才提出光子假说(光量子假说)并取得成功。但是对光子本身的理解又不能脱离该理论——这就形成了一种逻辑循环或悖论。光子场(自由电磁场)是用Maxwell方程描写的,而光子说的出则是由于Maxwell理论在光电效应面前一败涂地。为了认识光子,或许我们应当另觅途径。

可以考虑光子是否具有静止质量?光子是以光速运动的粒子,它静止不下来;这里所说“静止”只是一种假定。光子(photon)和中子(neutrino)是两种至今仍然令人产生神秘感的粒子。它们是否有非零(但微小)的静止质量,一直是引起争论的课题[14,15]。传统的物理理论Maxwell电磁理论和狭义相对论SR),认为光子没有静止质量,即=0;因此,光子被称为“无质()粒子”,以区别于像电子这样的“()粒子”——后者也被称为物质粒子。尽管测量光子静质量的努力从未停止,而且像量子电动力学QED)这样的精确物理理论也作了光子静质量不为零的假定[16],人们仍然认光子是无质粒子。现在看来,这或许不仅是认识光子的障碍,而且还是对“光是什么”始终得不到根本性了解的原因之一。

粒子物理学通常假定LorentzEinstein质速公式为真[17,18]

=                                        27

式中粒子速度,是光速,=0时的静止质量(restmass)。物理学教科书从未说过上式不适用于光子,因此人们不妨一试。但是,对子而言两个关系式同时成立(=0=),故其运动质量=0/0,是不定式;光质量成为任意大小,这完全说不通。问题只能出在以下三方面:质速公式不对;静质量不是零;运动速度不是光速。显然这三者任何一个成立都与SR不符。然而,很早就有人怀疑光子可能有非常小的静质量,并循此展开研究。

现在把讨论引向深入;由上式,可得

=                                      27a

根据Einstein的光子假说,光辐射即大量光子(每个光子携带能量)的集合,单个光子的(运动)质量为

=                                               28

式中Planck;代入前式后得

=                                  29

上式指出,粒子速度取决于静质量和频率;如果已指定,那么决定;故光子可能有种情形:

0,但为实数;这时<粒子以亚光速运动。

=0=粒子以光速运动。

0,但为虚数=>粒子以超光速运动。

传统电磁理论选择了情况②。

在粒子物理学,设粒子静止时具有能量运动时获得的动能为。则总能量为=+,故有=;取粒子动,则在承认LorentzEinstein质速方程时可证明:

=                              30

故可

=                                31

这是一个被物理学界普遍接受的比值式。由上式知:当=0=0增加,将增大;=达到最大值(1)。这样的分析,一方面用来说明粒子运动速度最大只能是光速,有时还用来说明SR并不要求光=0——即使静质量不为零,似乎没有关系,只是度取决于,仅此而已。

我们在这里不对质粒子作超光速运动”的可能性作讨论,因为这已在2015年黄志洵[19]论文中详细阐述过了。这里只指出上述观点的逻辑矛盾——既然光子就是以光速运行的粒子,那么谁又能证明“光子拥有无限大能”?!……之所以出现悖论问题可能出在“物质的质量随运动速度变化”的论断上。但粒子质速关系问题我们已作过多次讨论[20,21],本文不再赘述。

一种观点是需要考虑的,认为SR的第二公设(光速不变原理决定了不会有光子的静止系,故光子静质量=0。这个观点如成立,那么说“SR不需要光子静质量为零的假设[16],就不合适了。……总之,现有的物理理论存在矛盾,是不争的事实。

既然出现悖论,可以通过实验来研究这个课题[22]。例如,1940de Broglie用双星观测方法,8×10-40g1969年,G.Feinberg利用脉冲星光进行观测,10-44g1975L.Davies等利用木星磁场进行观测,结果为7×10-49g;等等。另有许多研究者利用对Coulomb定律的检验来求取光子的静质量,结果为3.4×10-44g3×10-46g1.6×10-47g,等。还有一些人从Ampere定律出发做实验,得到的结果有2×10-47g8×10-48g4×10-48g,等。进入21世纪以后,科家仍在设计实验以求测量光子的静质量,例如《Phys.Rev.Lett.》杂志于2003年刊登了中国学者罗俊等的文章,报道他们用精密扭秤方法的检测结果是10-48g [23]

后来罗俊给出以下测量数据:1998Lakes用静态扭秤实验得到2×10-50g2003Luo[23]用动态扭秤调制实验得到1.2×10-51g2006Tu用改进的动态扭秤调制实验得到1.5×10-52g。……所有这些数据均为光子静质量上限;但罗俊说:“总有一天能观测到光子静止质量,而不是其上限”[16]。……顺便指出,2005年笔者曾参观华中科技大学由罗俊团队建立的位于山洞中的光子静质量测量系统,产生了深刻的印象。


7  Maxwell方程组的欠精确性及其改进

  1865J.Maxwell提出光是电磁波的一种[24],其根据是在1865年之前的3个光速测量数据(J.Bradley的值301000km/sA.Fizeau的值303000km/sJ.Foucault的值298000km/s),与Maxwell由下式的真空中光速计算值非常接近:

=                                             32

式中,分别为真空的介电常数及导磁率。按照国际科学技术数据委员会(CODATA)1998年公布的基本常数平差值[25]=8.854187817×10-12F/m=4×10-7=1.2566370614×10-6N/A2=299792458m/s;对这些常数的恒定性一直无人怀疑,即应与时间没有关系。而且,真空中光速的值也应与光的行进方向没有关系。

Maxwell方程组包含4矢量微分算子方程,无论在理论上或工程实践的应用上都有巨大价值和意义。但是很少有人思考过这样的问题——Maxwell方程组是否100%精确,有没有出现微小误差的可能?……1936年,A.Proca在假定0的条件下,推导出与Maxwell方程组不完全相同的方程组(见:Compt.Rend.,19362021420Jour.de Phys.,19367:7)。但是,Proca电磁场方程组并不是对Maxwell方程组的全盘否定,而是前者比后者更全面。或者说,Proca方程组的出现揭示了Maxwell方程组的近似性。由于0的假设与Maxwell理论不符;而且“光子有静质量”的观点也与SR理论不符。因此,A.Proca进行推导的本身,就是迈出了与主流物理理论不同的一步[26]。……可以证明,光子的静质量(0)时,数学上的变分原理和物理上的QED思维导致下述的方程组成立:

=                                      33

=0                                              34

=                                35

=                                         36

这是QED的扩展的Maxwell方程组,即Proca方程组。式中是磁矢势,是电标势,系数

=                                                (37)

==,该方程组又可写作

=                                      33a

=0                                             34a

=                            35a

=                                       36a

如果光子无静质量(=0),则立即得到人们熟悉的Maxwell方程组。……但是,之值即使不是零,也非常微小;因此很容易给人们造成错觉——即使Proca方程组成立,对现有的物理理论也没有什么影响。以下我们将要说明,这种想法是错误的。

我们知道,电磁场方程组在规范变换下的不变性称为规范不变性,这种变换形成局部规范群U(1),意思是代表变换的矩阵是一维的,即在U(1)下场方程的不变性。在Maxwell场方程的Lagrange理论中,用电磁场的Lagrange密度这样的量,对场变量变分即得到Maxwell方程。如放弃U(1)规范不变性,Lagrange量需要修改——增加一个与有关的项,由此进行推导就得到Proca方程组。这时,直接出现在方程组中,规范变换失去了意义,规范不变性受破坏。这大概是许多物理学家长期以来对Proca方程组不予重视的原因。尽管如此,建筑在“光子有静质量”基础上的Proca理论,有广泛而深远的影响。

可以证明,在使用Proca方程组的情况下,电磁波的相速、群速为

=                                       38

=                                       39

==                                        40

称为截止角频率,其意义将在后面说明;故得

=                                      38a

=                                     39a

=/=/,得

=                                             38b

=                                              39b

故有

=                                             41

因此Proca方程有效时,相速与群速之积为恒定值()

可见,在截止点(==1)时,==0;当频率增高,波速很快地向值靠近;例如,当=10,计算得到=1.0051/=0.995,与1的差别只有0.5%。实际上,的值比10要大很多(例如=1061010),故可,值是非常接近的。从理论上讲,在真空条件下有关,呈现真空中电磁波速的色散效应;时,真空中相速、群速才与取得一致。显然,“真空中光速不变”的原理已失去意义。……因此我们现在已经证明,认为光子静止质量不为零的理论是与狭义相对论SR不相容的物理理论

  另外,在真空条件下(即在完全的自由空间传播条件下)Maxwell理论表示==;而Proca理论则说,>(超光速)<(亚光速)。故两个不同的理论体系的认知有很大差别。……总之,从表面上看仅为对Maxwell方程组的微小修正,竟演变为动摇物理学基础理论之一的相对论的重大问题。然而Proca理论与量子电动力学(QED)却保持一致。这似乎也证明了笔者一直持有的观点量子理论与相对论在根本上不相容

Proca理论或可看成QED介入到传统电磁理论中时产生的影响,它还带来其他的一些“反常”现象。例如,传统电磁波的横波性质受到破坏。众所周知,在传统理论中不能由给定的完全确定,故H.A.Lorentz曾引入下述关系式:

=0                                       42

这称为Lorentz规范(Lorentz guide),特点是0。上式可化为

=0                                                43

式中是波矢;故在=0的电磁理论中,与波传播方向垂直,即电磁波是横波。或者说,光子的极化方向与垂直(只有横向极化),对应3个分量中只有2个独立的偏振态。

0,规范变换受破坏,(43)式不再立,的独立偏振态数为3,故出现了纵波,光波将像声波一样会产生纵向振动,即存在纵光子。这就使我们对光子的认识更趋复杂化,探测“纵光子”可能需要更加精密高级的技术。

Proca理论对现行静电场理论也有影响。Proca方程在真空中的平面波解可写作

=

式中是波矢量,是位置矢量,可为以证明有下述关系存在:

=

亦即

=                                       44

因此,即便是自由空间(真空中)传播,亦会出现类似微波技术中的截止波导状态。……对静电场而言=0,得到

=                                             45

这就出现了消失波状态,场强按规律呈指数下降。造成的影响是,静电场中点电荷的势将随距离呈现指数衰减,故Coulomb定律中的“平方反比规律”受到破坏,两个点电荷之间的作用力将为

 (>2)                                     46

尽管2很接近,静电场的Coulomb定律需要修正却是不争的事实。对于静磁场理论,也有类似的影响。

尽管主流物理学界对电磁理论不重视,但并非没有科学家注意于此。例如,1999V.Majernik[27]讨论了经典电磁场的复四元数代数分析方法,其中不仅考虑了Proca方程,而且考虑了T.Ohmara 1956年提出的方程,并在理论中计入了如果磁单极子(magnetic monopoles)存在对理论产生的影响。又如,2001S.Kruglov[28]论述了广义Maxwell方程组(generalizedMaxwell equations)及其求解方法,所推导的广义Maxwell方程组包括了Proea方程组。2004S.Kruglov[29]讨论了Proca方程的平方根,从而得到自旋32的场方程;文章涉及了超光速、负能量、超引力等问题。这些工作不但回答了“Maxwell方程组是否存在不精确性”这样的问题,而且扩展了我们对光子的认识。


8  光子可能以比真空中光速略小的速度飞行

本文前述内容对研究光子有益,Proca理论由于和QED一致而得到了支持。……另一方面,通过粒子的飞行度来深化对粒子的认识,也是一种重要而有效的方法。有趣的是,近年来的研究(Franson理论[30]Padgett小组实验[31])揭示出光子可能以比真空中光速略小的度飞行。因此,对于“究竟什么是光子”这样的问题,要想回答是越发困难了。

从语义学上讲,说“光子的飞行度不是光速”是不通的“病句”,科学刊物不会接受写这样句子的论文。但是,在这里我们要着重指出,这恰恰是Einstein自己提出的观点1911Einstein[32]推导了引力光速的影响公

=                                          47

式中为原点上的光速,为引力的某点的光速;由于<0,故<。这时Einstein说,在此理论中光速不变性原理不成立。我们知道1905Einstein在提出SR时没有考虑引力的存在和影响,整个SR理论体系似乎是一种对“无引力世界”的说明。但在广义相对论GR)中,引力是着重被考虑的;其实GR光不走直线,即已暗示光速不可能处处恒定。至于Einstein为什么发生这样的前后矛盾SRGR似乎不一致),则是科学史家需要考虑的问题。

2014J. Franson[30]研究了考虑引力势时子波方程中的Hamilton,分析针对Schrödinger方程进行,导出了在弱引力场条件下一个非相对论性粒子的Hamilton量为

=+                          48

式中粒子质量,是引力矢势,是引力标势(实际上是某处的Newton引力势);于静态引力场源=0则有

=+                                    49

上式右端首项是人们熟悉的,第二项是引力。把引力势的作用引入到量子波方程一种尝试,在此基础上Franson提出了关于光子在宇宙中作长途飞行时银河系引力势会使光速减慢的理论——计算表明地球、太阳、银河系这三者中,银河系的最大,为4.2×10-6最大,为4.3×10-9Franson大胆地假设,真空极化作用突出地呈现于光子在真空中飞行的时候——光子先分解为电子和正电子,然后两种粒子又合成为一个光子。这是子理论中特有的真空涨落,造成光的运行过程并非简单地“有一个粒子从虚空中平静地飞过”。波矢量光子在湮灭产生一个虚态(包含电子和正电子),短时间后两者湮灭造成一个矢仍为光子继续前行。因此虚过程是周期性地出,应考虑引力对虚的正负电子偶能量的影响,从而造成光速的微小变化:

                                       50

式中是精细结构

2015年英国Glasgow大学的Padgett研究组的实验[31],并不是为了证明(或否定)Franson理论,但在客观上同样是光速不变原理”的否定。他们使光子经过一个散射结构使光子变慢——这并不奇怪,光通过某种媒质速度变慢根本不是新鲜事。奇怪的是光子出来后在自由空间仍以减慢了的速度飞行,并没有恢复为;这是不好解释的,是和SR直接相冲突的。


9  新实验进一步描绘出光子的本性

光子的奇怪和难以捉摸的特性有时会让研究波粒二象性的物理学家晕头转向和不知所措,有的人甚至站出来否认光子的存在。2007年英国科学刊物《NewScientist》报道了S.Afshar进行的一项光学实验,其目的是质疑和反驳Bohr的互补原理。Afshar认为物理学家称之为波粒二象性的现象是完全不同的事物,在人们所熟悉的经典实验中没有类似的现象。当面对经典的实验设备时这些神秘的量子实体会表现出粒子性或者波动性;实际上,你永远不会在一个实验中同时看到两者;Bohr把这称为“互补性原理”。现在Afshar自己完成了一个新的双缝实验,得到了与标准结果相反的结论。实验情况见文献[33][34]

Afshar承认,他不十分确定他的实验在细节上究竟对于量子论意味着什么。他说:“我们又回到了BohrEinstein当初相遇的交叉路口,并且要完全避开Bohr独创的互补性原理。”他认为现在可以有两个选择。第一是承认人类的逻辑和语言永远不能解释发生的事情;第二是认定粒子现象并不真的在那儿,并对整个实验使用波的图像。在这个解释中,干涉模式和方式信息在逻辑上并不矛盾——波确实从两个缝隙中穿过,而每个探测器看到的“图像”对应着仅从其中一个小孔穿过的光线。Ashar相信第二个选择更简单而且更好,但留下一个大问题:确实有光子这种东西么?Afshar实验中的光子探测器发现一个光子的时候会“滴答”一下。但是如果没有光子,它们看到了什么?这就回到了Einstein对光电效应的解释,这个实验“证明”了光子的存在并且为他赢得了1921年的Nobel奖。Afshar说美国物理学家W.Lamb和其他人已经解释了这些像粒子似的“滴答”是探测器里非量子化的电磁波和量子化的物质粒子相互作用的结果。所以尽管Einstein怀疑Bohr的互补性原理是对的,但他是“为错误的理由而正确的”。Afshar说:“为了宣布在EinsteinBohr的争论中前者是获胜者,我们必须拿掉他的Nobel奖。我们没有其他的选择而只能宣布Einstein光子理论的死亡。”他说“我怀疑光子的存在很长时间了。”

Afshar对光子存在的怀疑当然是错误的,近年来单光子技术的迅速发展已经清楚地证明人类对光子的认识和掌控能力都有非常大的提高。2007年黄志洵[5]指出,单光子实验技术大致上是从2000年开始的,单光子的产生和检测技术的发展都很惊人。……现在我们对单光子的几种新应用作阐述,可以增进我们对光子的理解,当然还有必不可少的信心。近年来国际科学做了许多与光子有关的实验,有的仅为探索原理,有的则是开发新应用领域。两者均很重要,而后一方面更加突出地显示了光子学(Photonics)的重要性。现在根本不存在“光子到底有没有”的问题,而是早已把这种粒子应用到多个前沿性领域。而且,应用的过程也是深化对光子本性认识的过程。

对单光子的产生到消失作监测

2007314日法新社从巴黎发出电讯称[35],法国科学家发明了捕捉光子的装置,并且上百次成功地追踪到光子从产生到消失的过程,最长的达0.5s。在过去,虽然发现光子不难,但难以捕捉到光子——捕获时也就破坏了它。新的技术由法国国家科学研究所的Bruxell领导的研究组完成,一个仅为67.5px长的装置可捕捉一个光子并监控它从产生到消失的全过程。法国研究小组说,他们通过让一束铷原子穿过捕获光子的盒子而找到了答案。光子的电场会轻微地改变原子的能量水平,但这种情况不足以使原子从电场中吸收能量。当一个原子穿过光子的电场时,会使绕原子核运行的电子略微迟缓,而这一推迟时间可以使用现代原子钟技术测量,即把电子的轨道视为钟摆以测量出准确时间。……这种实验上的进展推动了人对光子的直观感受和认知。

②获取静止下来的零速度光子

近年来,极慢光速的研究工作取得了一些重要结果,其中以1999年《Nature》发表的“Light speed reduction to 17metresper second in a ultracold atomic gas”最为著名。L. Hau[36]在超冷钠原子气中,利用电磁感应透明(EIT)技术得到了=17m/s的光脉冲群速度。2001年以后极慢光速研究又有新突破,《Phys. Rev. Lett.》杂志发表文章表明,科学家可以把光速减为零,也就是可以使光停止并储存起来。20011月,《Phys. Rev. Lett.》连续两期刊发了关于光速为零的文章。一篇是O.Kocharovskaya[37]“Stopping light via hot atoms”,他们证明通过电磁感应透明技术,可以在相干驱动Doppler加宽原子介质中使光脉冲完全停下来,甚至使其群速度为负值。其基本原理是利用折射率的空间色散性质,即与波数有关,进而使其对群速的贡献是负的。另一篇是D.Phillips[38]“Storage of light in atomic vapour”。文中报道了如何使光脉冲减速并将其约束在铷原子蒸气中(约束时间达0.5ms)。首先将光脉冲在空间压缩5个数量级,即:将光脉冲群速度减为千米量级,然后通过控制光速的加入和撤出来控制信号光的停和走,这就是光的存储和释放。这项储存光的技术的关键是将光速减慢为零,至使光的相干激发能够嵌入铷蒸气的Zeeman(自旋)相干态中。这种储存光的方法的最大特点是不破坏原来光脉冲的特征,这就使信号脉冲的相位和量子态得以保存。……上述实验是否已打破了传统电磁理论的看法(认为光子决可能静止下来),是值得考虑的;这再次证明,实验物理学家常迫使理论家修正自己的观点。

子保密通信实验中的单光子应用

201010月在北京召开了《现代基础科学发展论坛》年会,会上清华大学电子工程系黄翊东教授作学术报告,题目是“纳结构电子器件研究进展”[39]。她在报告中论述了基于微纳结构非线性光波导的量子光源。她先讲了单光子源的意义:首先,单光子源是量子保密通信中不可缺少的关键功能单元。量子保密通信中需要的理想单光子源应能够高质量产生单光子脉冲序列,即每个脉冲满足仅有一个光子。高质量的实用化单光子源应为高产生速率和低噪声,可现集成化器件,并且结合不同量子信息应用还应具有输出单光子特性调控功能(如波长调谐、偏振调控、相位调制等)。目前,量子保密通信实验中大多采用衰减的相干光脉冲作为近似的单光子源。由于相干光脉冲中光子数满足Poison分布,光脉冲存在一定的多光子几率,这使得对量子线路实施窃听成为可能,影响量子密钥分配过程的安全性。若要减小光脉冲中多光子几率,就必须将每脉冲平均光子数水平降得很低(1%~10),使脉冲序列中有大量空脉冲(脉冲中光子数为零)出现。因此,这种近似的单光子源效率很低,严重制约量子密钥的生成速度和系统噪声特性。

必须着重指出,作为关联双光子的重要应用,可预报单光子源在量子保密通信中具有重要的实用价值。它通过探测关联双光子中的一个光子为另一个光子的到达提供触发信号,可大大降低空脉冲几率。近年来已有利用可预报单光子源提升量子保密通信性能的实验报道,展现了可预报单光子源作为量子信息关键器件的实用前景。传统上量子关联/纠缠的产生依赖非线性光学晶体中的二阶非线性光学参量下的转换,一般工作在800nm波段。然而,晶体量子光源由晶体光学器件搭建而成,需要精细的光路调整,对环境稳定性有严格的要求,更难以实现功能的器件化和集成化。

具体讲,非线性光学过程可产生具有时间关联性的两路光子,即相关光子对。先由pump光源产生pump光子,加到非线性媒质(微结构光纤MSF)上面,再加到分光/滤波器,然后分为两路输出:闲频光子,这路导致直接的光子输出;信号光子,这路径由APD导致预报信号输出。MSF是一种芯轴四周排布许多气孔的石英纤维,我们在2003年制成了第一根MSF光纤。可预报光子源的核心是探测其中一路光子,从而预报另一路1.5μm波段单光子的存在。这一技术可在保证单光子输出的基础上有效避免光脉冲。

黄翊东介绍了近年来清华大学的研究进展。她说,MSF是一种折射率横向周期变化、轴向均匀延伸、在芯轴引入缺陷的纤维材料,十余年的研究工作表明MSF的多孔包层结构使其具有不同于常规石英光纤的新导光机制、新特性和新功能,有望引发光纤技术的新突破。1.55μm近泵的关联光子对产生可采用光纤通信用半导体激光器和掺饵光纤放作为pump光源,具有将脉冲重复频率提升至10GHz的潜力。我们建立了光纤基关联光子对产生的实验平台,比较了不同光纤中关联光子对产生的噪声特性。进一步利用MSF的本征双折射效应直接产生了偏振纠缠双光子,并且通过pump的偏振调控可以实现偏振纠缠Bell基的产生和变换,为量子信息的加载提供了新途径。

另一项技术是纳米硅线,也是产生关联双光子的方法,尺寸特别小。具体讲,纳米硅线是横截面结构尺度在百纳米量级的硅光波导,采用强折射率差导引,可以支持微米量级的波导弯曲半径,特别适合制备微尺度芯片集成的光学器件。它的非线性系数比光纤高45个数量级,在很短长度上可以实现高效率关联光子对产生。它的色散特性可以根据非线性光学器件相位匹配条件的需要灵活设计,从而支持各种非线性光学功能。它具有非常窄的自发Raman散射谱,便于去除影响可预报单光子源性能的Raman噪声光子。我们近期建立并完善了硅纳米线波导的制备工艺,制备出毫米量级的硅纳米线波导样品,并实现了关联光子对的产生。

④利用超导纳米线探测单光子

单光子探测器的主要技术指标为:探测效率()、暗计数率(R)、噪声效率和重复率。传统的硅雪崩光电二极管单光子探测器(SPADR值较高(据说高于103 counts/s)而且光子能量承受力低。2001年莫斯科师范大学的Goltsman组发明了利用超导线(纳米级)探测单光子的技术[40],称为SSPD;当1个光子打到纳米线上,由于热点效应可快速产生一个电脉冲。这一技术暗计数率低(R<102 s-1),灵敏度高(小于单光子水平),以及其他优点,故受到广泛重视。SSPD允许在门控时间内进行多次测量,亦即在一个脉冲周期内进行多次单光子探测,使其应用价值大大增强。

⑤利用单光子技术空间碎片作激光测距技术实验

地球上层空间的碎片数量极多,大小尺寸不一,是航天界非常头疼的问题,因为它严重威胁航天器的安全。空间碎片的准确测量和定位困难很大,除利用微波频段外,各国开展了使用激光作测距和定位的实验。碎片的反射特性可处在单光子水平,而自2007年起上述俄罗斯研究团队已开始用SSPD取得了激光测距的成果[40],虽然距离只在数百米量级。中国科学院云南天文台目前已有激光测距系统;最新的研究表明[41]使用SSPD技术有望使该系统实现空间碎片激光测距,大小的碎片探测距离可达800km以上。计算系统作用距离的方法是通过信噪比与回光子数变化的关系曲线(理论或实验);在对信噪比的研究中必须考虑声光子引起的光子湮没。


10  为什么对“光子是什么”问题难于回答

过去前辈大师们一直在努力探索光的本性。1672I.Newton叙述了他所做的实验,用三角形玻璃棱镜把日光分开为不同折射角的光就得到了7色光谱。在同一时期Newton又用光的微粒性假说解释光在界面上的反射。1690C.Huygens提出“光是一种波动”的理论,其中包含了“子波”、“波前”等概念。1802T.Young做了光的双缝干涉实验,对“光是波动”提供了实验证明。1818A.J.Fresnel计算了狭缝、圆孔、圆板等障碍物造成的衍射花样,与实验相符;Fresnel被认为发展了Huygens原理。至此,多数物理学家相信光的波动说。1865J.C.Maxwell提出光是一种“按电磁规律通过场传播的电磁扰动”,即电磁波;1887H.Hertz以实验发现了电磁波。光的波动说的发展暂告一个段落,整个过程经历了大约200年。

然后,突出的大事是光子的发现。19世纪末期P.Lenard等发现光电效应;但用Maxwell电磁理论却无法解释;因此在1905A.Einstein假定光能量是量子化的,即由“能量子”组成。用光量子假设,A.Einstein解释了光电效应,导出了光电方程。总之,Einstein是根据光说“波有粒子性”,粒子的能量、动量可由波的参数(频率和波长)决定:==1905年—1914年,R.Millikan以长期实验证实了光电方程的正确性。1921年和1923年,EinsteinMillikan分别获Nobel物理奖。1924年,A.Compton和吴有训测到了X射线被石墨散射时波长变长的现象。在解释时考虑了光子的动量,当光子碰撞电子时是可以计算X光被散射时产生次级X光波长的变化,计算与实测一致。至此,光子假说得到进一步的证明,Compton1927Nobel物理奖。……到1924年为止,“光是波动”一说并未被谁否定掉,与此同时又确立了“光由许多光子组成”。这就出现了复杂的情况。

20世纪80年代初,R.Feynman曾在美国就量子电动力学(QED)作过系列演讲,后来出版了一本书[42],其中说:“光由粒子(光子)组成是一个本质的现象。”他指出,光在两表面的部分反射的奇怪现象,光强大时可由波动理论解释;当光越来越微弱时波动理论就解释不了;QED明确地断言,光是由粒子(光子)组成的。……这位物理学大师强调这个尽人皆知的事实并非偶然,而是大有深意。Feynman并不否定与光子对应的光波的存在,但他表示了对“波粒二象性”理论的不满,称之为“混乱的状况”,因为当人们为了说光是波动还是粒子,必须知道所分析的是什么样的实验……总之,Feynman非常侧重于光的粒子性的方面。

19511212日,Einstein在致友人Besso的信中表示了对光子的巨大困惑[1]。他说:“整整50年的自觉思考没有使我更接近于解答‘光量子是什么’这个问题”。从1951年至今已过去了65年,今天的情况虽然对光的研究已取得巨大成功,但对于光到底是什么,目前仍然没有最终的结论。

为什么研究光子这么难?首先,因为它不是经典性的粒子,不能期待使用Newton力学作出解释;但理解时又不能完全抛开Newton力学其次,与其他微观粒子相比光子也是特殊的,例如它的静质量似有若无,它的速度似恒稳又微变,它的物理形象似清晰又模糊……正是这多种因素,才导致提出光子假说的Einstein本人有巨大困惑,同时也给后人留下许多研究和想象的空间。

基于以上情况,现在我们的认识如下:光子是一种独特的微观粒子,是光束基元,具有能量和量。关于过去对它的困惑,现在似可作较好的解释——光子的电磁波特性是由于光子是电磁场量子化造成的结果;但由于光子可能有小的静质量,又导致它像电子那样可能有几率波的特征。这正是我们认为应当把Proca方程组作为Maxwell方程组的改进版而加以重视的原因。不过,尽管光子可看成有粒子,但却与参与物质构成的粒子(如电子子、中子)有很大区别。这样一来,光波既是经典性电磁波,又可能像是几率波。光子小静质量,造成Maxwell方程组的修正。光子在飞行中受真空极化影响,其速度并非恒定至于=299792458m/s这个数据,在一般科学陈述中和工程计算中仍可使用但它似不适于作为严格理论的核心部分。

必须再次强调指出,光子不是刚性球,无法给出肯定的体积和尺寸其运动可以非相对论性的量子波方程SE描写,也遵循量子电动力学(QED)的规律。经典理论则只能从表面上和局部地作出说明,从根本上解释光子本质因此,光子是一种遵从量子理论指出规律性粒子,它的研究还将持续

11  结束语

为了能真正认识光子,必须不断努力,而且要有新思路,例如重视1936年提出的Proca方程组。在科学史上不乏这样的先例,即一个思想、一个公或一个实验,是在原作者发表后经过多年,才被认识和承认其巨大价值;Proca方程组可能就属于这种情况。或许有人不习惯、不认同这个与Maxwell方程组不一样的东西;但是,我们不应凭主观喜好或多年习惯来确定对某个理论的态度,而应思索某些物理课题为什么长期停滞不前。……事实上,一些物理学家已坚定地走上了这条路:他们计算光子微小静质量的影响;考虑一些所谓“反常”的物理现象企图建立广义Maxwell方程组;思索引力和量子真空光子运动影响;重新认识波粒二象性及设计新实验;以及在技术中认识光子……等等。这就像在平静的水面上激起波澜,推动了研究工作向前进展,带来了的希望。

参考文献


作者简介:黄志洵(1936-  ),中国传媒大学教授、博士生导师,中国科学院电子学研究所客座研究员


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光子是什么.doc

黄志勋教授联系方式如前公布



http://blog.sciencenet.cn/blog-1354893-999409.html

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