2.光的电磁本质.docx

光的电磁本质

1.光子本质问题的困惑

光波的本质结构必须能导出光波的所有性质.尽管科学家对光波的研究由来已久，前人的聪明才智使得性质如幽灵般的光波不再神秘，对它的应用已相当熟练.在理论上，量子的发现和相对论的问世，都让人们相信光波的理论已走上不可超越的颠峰.然而，仔细地审阅我们现有的光波理论就会发现，它还存在着很多重要问题.

其一，光量子的发现已有一个世纪，但光量子的物理本质却还是一个谜，这应该是理论物理学的最大问题之一.前人经过努力而没能将它解决，后人就不再关注它了，将它当作物质的固有本性.

其二，相对论有实验和现象的支持，但它不合常理且不能解释光速不变的物理过程.

其三，光波的性质具有多样性，我们的理论也就具有多样化，所有的理论都是在描述光波的属性和它表现出来的各种性质.它们都不能够用一个共同的简单的基本结构和一套基本理论，推演出光波所具有的一切性质.对它们的研究尚处在以实验科学为基础的水平上.

这些问题足以说明，目前的光波理论还没有到达最基本的层次.

2.光的电磁本质

描述电磁相互作用的量子电动力学(QED)将电磁场量子化，认为宏观上看来连续的电磁场，实际上是由光子组成的，作为创建“量子场论路径积分”的核心人物费曼先生，认为两个静电荷之间的相互作用的传递过程是交换虚光子来完成的，可用费曼图形象地表示.这样计算出来的结果，尽管采用的是一种微扰的近似方法，但与实验吻合到了一种惊人的程度.如果光子呈现电中性，那么它是如何表现为电磁场的排斥和吸引的性质的呢？光子的能量是正定的，其动量也有确定的方向，为何能表现排斥和吸引的性质呢？其动力学的基础是什么？静电场是与时间无关的.假如如量子力学理论所云：他们的作用是通过交换光子产生.则要求光子在所有的方向发射光子，同时在无穷大的时间内不停地发射光子.场本身是如何保持稳定，物质与场构成的系统是如何保持能量守恒的呢？光子带微弱电量的话应该引起有相应的电磁场的变化量，即如果有电量的话必然导致有微弱的电流，导致存在一个磁场，如果是大功率激光的话，其磁场效应就更加明显.但实际上到目前为止，没有这方面的实验证据加以证实.列别捷夫的光压实验证实了光量子的能量动量与光的频率波长的关系式.

光子的电场（）与光子的磁场()相互垂直，并且两者都与电磁波（光子）的传播方向()垂直.此外，三者的方向呈现右手螺旋关系.电磁场（光子）方向可表达为：电场方向(+x),磁场方向(+y)，电磁波（光子）传播方向（+z）.值得注意的是，讨论光子振动属性时，主要考虑电矢量（）；因为光子（电磁波）对物质的磁场作用比电场作用弱很多.

由于光子的衰变是根据Heisenberg的测不准原理得到，因此测不准原理具有一定的局限性.由于光只具有电磁质量，与引力质量没有相互作用，因此不能把电磁扰动看成ether介质的扰动，光波没有纵波，也不存在ether的切变模量极其大.物体在空间运动自如，得不出ether的密度极其小.

由于光只具有电磁质量，因此光是electromagnetic field的一种，光学是电磁学的一个分支，Maxwell的观点是正确的.

引力红移的本质在于是引力场强的地方时钟运动慢，在引力场中观察光子的频率减小，与光子是否具有引力质量无关.在阿贝尔规范场理论中，电磁场称为规范场，它的量子即光子，成为规范粒子.带电粒子间的相互作用是通过交换规范粒子来实现的.Maxwell方程描写了在物质场（通过电流）的作用下电磁场的运动规律，而局域规范不变的狄拉克方程描写了在电磁场作用下物质场的运动规律.两个方程在局域规范变换下都保持不变.利用阿贝尔局域规范不变性，可以唯一地确定满足各种运动方程的带电粒子与电磁场的相互作用形式.它的正确性已得到实验的检验.

注意到规范粒子的质量项m²A^μA_μ不满足局域规范不变性，因此在严格规范不变的局域规范场理论中，规范粒子一定是零引力质量，只具有电磁质量.

通常，获得粒子之间量子纠缠的形式都是以非相对论极限为理论前提，以光与原子的相互作用为理论基础，而所有光与原子相互作用的力现象均属于四大基本作用力中的电磁相互作用力.光子是具有相对论性的麦克斯韦方程组二次量子化的产物，电子自旋和电子内禀磁矩原则上也是相对论效应的产物，Dirac方程的二次量子化形式是描述多电子性质的运动学方程.

根据新南威尔士大学天文学家约翰.韦伯收集到的有关数据，一个距地球120亿光年的类星体发出的光，在到达地球的过程中从星云中吸收了错误类型的光子，但是根据现代物理的理论，它是不可能吸收这种类型的光子的.悉尼麦加里大学的理论物理学家戴维斯认为，造成这种现象的原因可能有两个方面：电子的电荷发生了变化或者光速不恒定，笔者认为电子在到达地球的过程中由于辐射了光子，中间电荷发生了变化，因此从星云中吸收了错误类型的光子，进一步说明了光子具有电磁质量.根据现代的光学理论，在入射点处，即使是全反射，在折射律的介质中也有电磁场的存在，不过是以exp(-2izβ/λ)的形式衰减.1959年，庞德与瑞布卡在哈佛塔做了一个著名的实验.他们把发射14.4kev伽玛光子的57钴(Co)放射源放在塔顶，而在塔底测量它射来的伽玛光子频率γ′，比较它与原频率γ的差别.他们的测量结果是γ( γ′－γ )＝(2.57±0.26)×10^-15，这表明，光子在光传播媒介物质中表现出来的振动频率是由光子具有的绝对能量决定.

1909年9月21日，爱因斯坦在德国自然科学家大会作报告中说，“光的光波表现是同奇点联系的，电磁场的全部能量可被看做是定域于这些奇点上，就像过去的超距理论一样，我们离开拥有一种合理的并符合事实的关于光和物质的理论还远得很呢？我觉得只有大胆的思辩而不是经验的堆积才能使我们进步.怎么可能把光化归为运动的物质元素呢？这曾经拼命地尝试过，但未获成功，最后终于放弃了这一企图.整整五十年有意识的思考还没有使我更接近于光量子是什么的答案.当然，今天每一个不老实的人以为他知道了答案，但他是在欺骗自己.”

3.光子的稳定时间为无穷大

各种观察和试验表明，光子的稳定时间至少在10³³年（笔者注：因为电磁质量没有时间，所以稳定时间为无穷大），这也说明了上面观点的正确性.

4.光子是中性电磁质量

量子电动力学（QED）认为，两个带电粒子之间是通过互相交换光子而相互作用的.相互交换光子可有多种不同的方式；例如其中一个电子发射出一个光子，另一个电子吸收这个光子.不同的交换方式，对最终作用的贡献并不是一样的；其贡献随着过程中光子的吸收（或发射）次数呈指数式下降，而该指数的底，就是精细结构常数.换句话说，在量子电动力学中，任何电磁现象都可用精细结构常数的幂级数表达.这意味着，精细结构常数体现了电磁相互作用中，电荷之间耦合强度的度量.根据量子三维常数理论，两个带电粒子之间是通过相应的场而相互作用的，相互之间的作用是超距的（纠缠）.

，

或，,或；

其中，

，精细结构常数，量纲，[L^(0)T^(0)]；

，普朗克频率，量纲，<[L^(0)T^(-1)]>；

，电子的质量，量纲，<[L^(3)T^(-1)]>；

，普朗克频率，量纲，<[L^(3)T^(0)]>*>[L^(2)T^(-2)]<；

，最大的信号速度，量纲，>[L^(1)T^(-1)]<.

现代物理学认为光子不带电荷是错误的，只是其电荷的电量非常小，现代物理学的实验观察不到，笔者认为当光的强度达到一定程度时，在实验中一定能够观察到.假如说电磁场交换的光子，目前的实验上限是5×10^-30电子的电量.浙江大学光学博士生导师沈建其教授认为，至少在介质中，可以看作光子带上等效电量，建立一个等效的描述理论.G.B.West测量出2ev的光子带电约10^-16e;G.L.Grodins测量出140ev的光子带电约10^-15e.

根据靴袢理论：在两个强子的相互作用中，没有任何粒子表现为单独负责传递这种作用.所以光子是正电荷与负电荷之间的相互作用表现形式，因此光子是中性电磁质量，电荷守恒定律是完全正确的.

5.光子的电磁质量的计算

光子不参与引力相互作用，而参与电磁相互作用，存在于一切带电粒子或具有磁矩粒子间的电磁相互作用过程中，说明光子的引力静止质量为0，能量由电磁质量携带，光子能量hν=m_电磁c²，光子的电磁动量为m_电磁c.

6.光压力问题

1900年普朗克宣告发现了量子，杰出的俄国科学家列别捷夫宣告做成功了证明光有压力的实验.列别捷夫认定光是极其细微的物质微粒流，光线射落到很轻巧的光车桨叶上，必定像最微小的水分子流射落到水车桨叶上，以冲压力使水车转动，实验中光车果然转动了.因此如果进一步认定光线是最小的不可再行分割的物质基元粒子集群，同时这些被发射的基元粒子在空间中的运动轨迹是横波形态的，光的本源问题就可以得到基本解决.可惜，量子理论与光压的研究失之交臂，一直没有能够取得联系，笔者认为光压问题应该是光子所带电荷与物质所带电荷相互作用的结果.

在20世纪物理学所取得的重大成果中，有两项与光学关系最密切.一是凝聚态物质的微观结构，二是受激原子的发光机理.即所有的宏观介质体的微观结构，都是由原子核与核外电子组成.电子在不同能级上围绕着原子核高速运动.在微观上呈现为分立态的各种光子，就是这些电子在原子内由高能级向低能级跃迁时，从自身内发射出来的、分别具有各种能量的小客体.从远红外线经可见光到硬X射线在内的各种宏观光束，均无例外的由这种光子组成.上世纪60年代以后，国外一些实验物理学家，又观测到了光子带微量负电荷之效应.如G.L.Grodins在1961年，发表于《V6.》上的论文，就宣称他观测到了14400eV的光子带电约10^-15e，G.B.West在1967年，发表于《Phyc.Rev.V162》中的论文又宣称，他已经测量出了2eV这样小能量的光子带电约10^-16e^[1].中文期刊《科学》60卷1期又报导：2005年美国科学家K.M.Birnhaum等人在光学微腔中观测到了光子与光子之间的有效排斥相互作用.《现代物理知识》2007年1期也报导：2006年初PVLAS实验组观测到，光束在缓慢旋转的磁场中传播能够产生与磁场旋转频率成正比的微小频移，均需要用光子带微量负电荷这种理念来解释.

各色光子既然都来自带负电荷之电子，原本就是其自身物质的极其微小部分，实验观测到光子带微量负电荷，顺其自然.而当今之物理学界，也已经以1969年、1998年两度诺贝尔物理学奖之形式，公认了分数电荷的存在^[2].于是光子所带之电荷，只不过是分数值极其微小的分数电荷而已.此外，光之电磁波动理论也赋予光波之振幅以电矢量E.而实验又证明使摄影胶卷感光的是电场不是磁场，对人眼视网膜起作用的也是电场不是磁场^[3].这说明即使当前在物理光学中占主流地位的光本性观——电磁波动理论，也承认光束具有电荷之属性.

参考文献

[1]张多文..原子核的电荷恰等于原子序数吗？（附录）[J].物理.1976.5(2).121.

[2]郭奕玲.沈慧君.20世纪世界杰出物理学家[M].北京：中国石化出版社2002.209，344.

[3]石顺祥，张海兴，刘劲松.物理光学与应用光学[M].西安：西安电子科技大学出版社,2000,8.