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(jiǎn)接地從太陽(yáng)光中獲得能量，沒(méi)有太陽(yáng)光就沒(méi)有我們?nèi)祟?，沒(méi)有地球上豐富多彩的生命.

人類對(duì)光的探索過(guò)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(yàn)以及泊松光斑實(shí)驗(yàn)，證明光是一種波.最后愛(ài)因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的理論解釋，證明光是一種粒子.最終，波動(dòng)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(dòng)論比較好理解，光的粒子特性則需要做個(gè)簡(jiǎn)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(shí)，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(huì)向高能級(jí)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(lái)，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(duì)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(wú)窮多個(gè))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(duì)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(gè)人們經(jīng)常碰到的對(duì)光的誤解和疑惑.

1.光子有沒(méi)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(duì)論，把質(zhì)量加速到光速，質(zhì)量會(huì)變得無(wú)窮大，需要的能量也無(wú)窮大，顯然這是不可能的.

2.光子有沒(méi)有質(zhì)量的第二對(duì)矛盾：光子如果有質(zhì)量，在引力場(chǎng)中就會(huì)受力，向太陽(yáng)發(fā)出的光，就會(huì)在引力場(chǎng)中加速，光終將會(huì)超過(guò)光速；從太陽(yáng)發(fā)出的光，被太陽(yáng)的引力場(chǎng)拖住，會(huì)逐漸減速，光速恒定就不能成立.如果沒(méi)有質(zhì)量，在引力場(chǎng)中不受力，光線通過(guò)星體周圍為什么會(huì)發(fā)生彎曲和偏轉(zhuǎn)？

3.面對(duì)上述矛盾，有人提出了動(dòng)質(zhì)量學(xué)說(shuō)，表示光子靜止時(shí)沒(méi)有質(zhì)量，運(yùn)動(dòng)起來(lái)后才會(huì)有質(zhì)量.動(dòng)質(zhì)量到底是什么，為什么找不到這個(gè)物理概念？光子的動(dòng)質(zhì)量又是何時(shí)產(chǎn)生的，到達(dá)光速之后才突然有質(zhì)量的嗎？這與相對(duì)論中質(zhì)量隨速度增大，漸變?cè)龃蟮囊?guī)律不符合.如果是加速過(guò)程中質(zhì)量逐漸增大，那光子就有一個(gè)加速過(guò)程，光子不會(huì)一出現(xiàn)就達(dá)到了光速.此時(shí)，光線已經(jīng)發(fā)出了，加速的力來(lái)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(gè)方程可以計(jì)算出所謂的“光子質(zhì)量”，第一個(gè)是愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，該方程表示有能量，就有對(duì)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(méi)錯(cuò)，其實(shí)這是對(duì)質(zhì)能方程的錯(cuò)誤理解，質(zhì)能方程中的質(zhì)量m，表示能量本身的等價(jià)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(gè)方程是光子能量E=hv，再根據(jù)動(dòng)能公式E=1/2mV2，得到m=2hv/V2.二個(gè)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(guò)勻加速運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)到V的運(yùn)動(dòng)速度，表達(dá)的是光子能量做的功.對(duì)比上一個(gè)公式，兩個(gè)質(zhì)量居然值是不相等的，這不是公式錯(cuò)了，是兩個(gè)質(zhì)量的含義不同，而且都不適用于光子質(zhì)量計(jì)算.

由此可以看出，光子是沒(méi)有質(zhì)量的，永遠(yuǎn)不能在引力場(chǎng)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(chǎng)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(guò)的時(shí)空被引力場(chǎng)彎曲了.

光子既沒(méi)有靜質(zhì)量，也不存在動(dòng)質(zhì)量，因此由動(dòng)質(zhì)量引申出來(lái)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(lái)界定光子是不恰當(dāng)?shù)?，光子是一種客觀存在的非物質(zhì)粒子，這個(gè)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(chǎng)和磁場(chǎng)互相交變向前傳播.光波和光子的關(guān)系，用量子的話來(lái)講，在不對(duì)光波(電磁波)進(jìn)行觀測(cè)時(shí)，光就會(huì)一直傳播下去，光子也不存在，或者講光子沒(méi)有表現(xiàn)出來(lái).一旦進(jìn)行觀測(cè)，概率波塌縮，光子會(huì)就出現(xiàn)在觀測(cè)它的地方.所以，光子會(huì)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(méi)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(huì)有被吸收掉能量的光子反彈出來(lái).也正因?yàn)殡娮游盏氖羌兡芰?，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(huì)變成一種新的粒子.

光子是純能量的假說(shuō)揭開(kāi)了對(duì)光的認(rèn)識(shí)的新篇章，但仍舊有懸而未決的迷題有待探索：相對(duì)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(lái)的，那為什么光不具有相對(duì)性？單獨(dú)一個(gè)物體不構(gòu)成速度，必須要有對(duì)比，光和什么做對(duì)比？光擁有絕對(duì)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(duì)比.這要求我們找出一個(gè)絕對(duì)參照系，并把這個(gè)絕對(duì)參照系聯(lián)結(jié)到其它的慣性坐標(biāo)系上.這不是過(guò)去的絕對(duì)時(shí)空的概念，代表絕對(duì)時(shí)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(shuō)為光模型的建立打開(kāi)了充分的空間，在此先拋磚引玉，期待早日破解這一迷題.