现代物理学基础的思考之七：热学与光学问题思考目录第一章：热学问题的讨论 1、经典物理学对于温度的定义 2、现代物理学对于温度认识的发展 3、温度与引力关系浅析 4、热的本质的思考 第二章：光子的静止质量问题 1.光子的静止质量问题的由来 2、光子的静止质量在物理学中的重要意义 3.测量光子静止质量的方法 第三章：光的电磁本质 1、 2、 3、 4、 5、 6、 7、 8、 9、 10、 第四章:光速不变性原理 1、真空光速不变性原理的解释 2、非惯性系中的真空光速不变性原理 3、真空光速不变性原理与相对性原理的关系 4、根据真空光速不变原理推导多普勒效应公式 5、群速度与相速度 把光子运动质量视为惯性质量的困难 光的电磁本质 光的电磁本质的实验基础 光的电磁本质的意义 光子与电子的比较 场强叠加原理的解释 光的偏振 磁光效应 光的干涉与衍射 广义相对论红移危机的解决6、 “玻色-爱因斯坦”凝聚态简介 第五章 ：关于超光速的争论 1、关于超光速的争论 2、 “超光速”的定义 3、超光速对于宇宙探索的意义 4、量子力学中的超光速现象 5、超光速与狭义相对论的关系 6、快子理论简介 7、 “超光速”的实例分析 8、中微子的“超光速”第一章热学问题1、 经典物理学对于温度的定义现代物理学认为温度是表示物体冷热程度的物理量，与体系粒子平均动能近似成正 比，就是体系粒子平均动能的宏观表现.分子运动论的思想方法是：将单原子理想气体分子 视作弹性小球， 这些弹性小球在重力作用下将发生加速运动， 小球的动能将随着位移而变化， 这种对位移的变化率，被称谓动能梯度.宏观物体是由大量的微粒──分子或原子组成的.一切物质（气体、液体和固体）的分 子都在做永不停息的无规则运动.就每个分子来说，它的具体运动过程具有很大的偶然性， 但从总体上看，大量分子的运动却遵循统计平均规律.理想气体分子的平均平动动能为1 2 1 3kT 3 ? ? ?v ? ? ? ? kT 2 2 ? 2每个分子平均平动动能只与温度有关，与气体的种类无关. 说明：(1) 温度是大量分子热运动平均平动动能的度量.它反映了宏观量 T 与微观量ε 的统计平均值之间的关系.(2) 温度是统计概念，是大量分子热运动的集体表现. 对于单个或少数分子来说，温度 的概念就失去了意义.（3）温度是某一系统的宏观性质，它决定了该系统与其它系统处于热平衡，一切彼此处 于热平衡的系统有相同的温度.分子的无规则运动叫做分子的热运动.对气体分子来说， 根据分子热运动规律， 采取 统计平均的方法，可以导出热力学温度 T 与气体分子运动的平均平动动能的关系为：,式中为分子的平均平动动能，k＝1．－23JK ，为玻尔兹曼常数.上－1式说明气体分子的平均平动动能只与温度有关，并与热力学温度成正比.它揭示了宏观量 T 与微观量 之间的关系.从宏观上看，温度表示物质的冷热程度，从微观上看，温度是表征大量气体分子的平均平动动能的平均值的物理量.这表明温度标志着物体内部大量分子无规 则运动的剧烈程度，温度越高，就说明物体内部分子热运动越剧烈. 在海洋深处，液体的压强比较大，分子的平均动能比海平面高出一些，但是温度反倒低 一些，当然需要考虑到太阳的照射因素. 2、现代物理学对于温度认识的发展 普朗克希望通过分析热辐射， 能够解开热学和电磁学之间联系的奥秘.他想通过自己的 研究，将物理学中这两个领域彼此不相矛盾地统一起来. 温度的实质就是使物质产生振动，这种振动是原子、粒子层次的，而不是物体的物理 振动.这种振动，与出现声音的物理振动是不同 的.温度越高，粒子的振动频率就越大.当振动的频率达到一定的数值时，能破坏粒子内部的微粒的聚合力.这时根据温度的高低，会产生聚合和裂变两种状况：当温度达到摄氏三千 多万度时，高温产生的极高的振动频率破坏了元素粒子内部结构的聚合力，使粒子重新组 合.核聚变反应开始，恒星内部将由氢元素开始，依次从较轻元素氢聚合成较重元素，直 到铁元素的出现.如果温度继续升高，比如，达到了超新星爆炸的温度，同样道理，元素又 会重新合成，生成了铁元素以上的自然界里存在的所有重元素，比如，金、铀、锕等.如果 温度继续升高，则物极必反，事物的发展程序走向反面.笔者认为现代物理学对于温度的认识已经突破经典物理学的限制， 在没有实物粒子的 真空也有温度的概念，而是通过光谱定义，波长与温度成反比. 3、温度与引力关系浅析 （1）现代物理学对于引力与温度关系的认识 在重力场中的三维空间中,介质在xyz 方向上温度均为常数,即终极态均温.如郎道、 吉 布斯、王竹溪的热力学著作中均有专门介绍,他们都是利用能量判据导出了在重力场中温度 是到处一样的结论,即重力场不影响温度分布.热统界之所以一直认为力场只能导致物体 （气 体尤为明显）的密度作不均匀分布，但不能影响物系的温度分布,这不仅是因为力场所导致 的温度梯度很微弱（《大气科学》早就明确指出绝热稳衡态的大气柱存在着大约0.97k/100m 的温度梯度；地热的研究也表明地球内部存在温度分布；宇宙无热寂迹象），不易检测；更是因为人们并没有从理论上予以清晰而严密的证明,更没有进行过质疑和讨论.（2）当前温度与引力关系的实验目前，关于温度-引力实验主要有三类：1、 物体之间的相互作用与物体相对于周围的环境温度有关： 高于环境温度的产生引力， 其温度越大，引力越大；低于环境温度的产生斥力，其温度越低，斥力越大.李华旺将万有 引力常量实验仪的两个大铅球加热后放到仪器上，发现引力变大；两个大铅球的温度越高， 引力越大.他将两个大铅球放到冰箱里，使它们降低温度，然后放到仪器上，发现引力成了 排斥力；两个大铅球的温度越低，排斥力越大.他又把引力常量实验仪置于真空罐内，使实 验室内的温度上升，真空罐内的温度没有变化，但大小铅球也相互排斥了.冯劲松也进一步 做了类似的真空实验，结果相同.2、物体的温度升高，重量变轻.几年前，冯劲松等通过加热不锈钢和铝试件显示了这一 点.其实，早在 1923 年就有人进行过这方面的实验；2008 年，俄罗斯科学家也发表了有关 论文.3、质量较大的物体，其质心温度较大.李华旺将 1000KG 和 10KG 的两个铜球放在温度 变化极小的山洞里，用热敏电阻测得大球的中心温度比小球的高约 0.015 C. （3）重力场中介质的温度分布（朱顶余，何沛平） 这里只运用两个通俗的数学逻辑： 其一， 就是一组大小各异的同向矢量之平均量肯定不 等于零；其二，就是微商与累和这两种运算的结合与其次序无关. 其一，就是指一组大小各异的同向矢量 Ai 的平均量肯定不等于零：.?A ? 0i i?1?Am ? An且总有? m, n ? 0 ，其中 ?m,n 表示任意两个矢量（ Am、An ）之间的夹角. 这是一个最简单不过的数学逻辑； 因为只有大小和方向都各异的一组矢量才有可能相互抵消 为零；而大小各异的同向矢量只能相互加强，除非全为零；又因其大小各异，所以不可能全 为零，也就是说这第 ?1? 式所示的结论毋庸置疑.其二，就是“微商”与“平均”这两种复合运算的结合与（这两种运算的）次序无 关（即若颠倒这两种运算的次序并不影响该复合运算的结果） ：??e ? ?? ei i ii? 2?其实这就是代数学中常说的所谓的（ “运符” ） “交换律” ，究其实质也就是 “ （微商）分 配律” ；乃属一种常用的计算方式. 如果 Ai ? ?ei ，则有：? A ? ??e ? ?? ei i i i ii?0?3?这第 ? 3? 式就是将第 ?1?、 ? 2? 两式所示的数学逻辑结合使用所得到的结论.这第 ? 3? 式所 示的数学结论将是下面进行推理的逻辑基础. 若 ei 代表第 i 个分子的热运动动能，即若有 ei ? 方向都相同；则必有mi ui2 m u2 ；当然还须保持矢量 ? i i 的 2 2miui2 miui2 Ai ? ? ? ? ?? ?0 ? 2 2 i i i? 4?又因为在热学中有（为了简便，这里不妨暂且只讨论单原子理想气体） ：mi ui2 3 ? kT ? 2 2 i? 5?其中 T 表示物系某一点的热力学温度；k 则表示波耳兹曼常数； 由此便得到了很有意义的结 果：mi ui2 mi ui2 ? ? ?? ? ? mg ? ??T ? 0 ? 2 2 i i这里的关键就是要求矢量 ??6?mi ui2 的方向必须都保持相互一致！这意味着分子的动能梯 2度?mi ui2 必须是由（宏观的）外场（含引力场、加速场）所导致的，即要求外场属于一种 2宏观力场；因为宏观的力场可以使（单原子）理想气体系统内的每个小局域（子系统）的各 个分子具有方向一致的动能梯度. 一般而论， 在重力场中的粒子始终受到重力的作用， 所以在重力场中任何类型的物系 （含 非理想气体）的各分子也都必然始终叠加着同一方向的动能梯度?mi ui2 ? mi g 2? 7?这里以重力方向为正方向；其中 u i 则表示第 i 个粒子相对于体系（小局域）质心 的平动速度 ．． 也就是说， 在重力场中分子还受到重力的作用， 分子的动能在位移中必然发生附加的改变— —具有所谓附加的“动能梯度” ?mi ui2 ；这附加的动能梯度正比于力场强度；这是一种 2（附加）矢量，其方向都与重力方向一致；所以重力场必然迫使（同一小局域的）各分子附 加着方向一致的动能梯度. 依第 ? 6 ? 式得知，重力场（含加速场）必然导致物系内各点都叠加着正比于力场强度的 温度梯度. 重力场（含加速场）虽然不能使同一个小局域（子系统）每个分子的热运动方向都保持 相互一致；但却可以使各个分子附加着同一方向的加速度（即附加着同向的动能梯度） ，导 致物系各点都叠加着一个正比于力场强度的温度梯度！分子动能引力梯度的平均值(∑▽E)/n 就是分子动能平均值（∑E） /n 的引力梯度 ▽[（∑E）/n]；即有关系式：(∑▽E)/n=▽[（∑E）/n]；一般地有∑▽B=▽ ∑B；即交 换运符次序不影响其结果 （即运符交换律）； 而分子动能平均值正比其温度 （∑E）/n=β T； 其道理就这么简单.运用“质点系”的相关理论处理单原子理想气体系统所得结果比波耳兹曼积分微分方程 (H 定理)的推论更朴实明了.在力场中每个（理想气体）分子（在自由程中）都服从 运动）动能定理 ▽E=m(g-a)；设 分子的热运动动能表示成 （热E=(mu^2)/2；其中 m 为分子量， u 为分子相对于小局域气团的质心的运动速度， 即有 u=v-C； 其中 v 为分子的平动速度； C 则为气团质心的平动速度；g 表示外场加速度，a 为（小气团）质心加速度.（∑E）/n=β T表示分子动能的平均值正比于其温度 T；β 为比例系 表示“求和”与数；∑“求和”的运符；n 表示分子数，T 表示当地温度.∑▽E= ▽∑E“梯度”这两种“算符”位置的交换并不影响其结果；其中▽即表示“梯 度”.μ Mg=(∑▽E)/n=β ▽T = -μ V▽p 中含有静力平衡条件 V▽p+Mg=0；M=Nm，其 ，故知 ▽T≠0；又因中 N 为摩尔分子数；因为 g≠0；故因有 μ Mg=(∑▽E)/n=β ▽TV▽p+Mg=0 ， 故 知 ▽p ≠0 ， 再 由 状 态 方 程 得 ， V▽p+p▽V=R▽T； 故 知p▽V=R▽T-V▽p=(1-Rμ /β )Mg≠0；即▽V≠0；其中 V 表示摩尔体积，固有 Vρ =1；这里 ρ 则表示摩尔数密度.这里▽V≠0 表示，在力场中气体的密度梯度不等于零.所有这些都是数理逻辑的结果；这里利用了：静力平衡条件 ， 状态方程 (含动能 温度约定式【（∑E）/n=β T】)， 动能定理 ；获取 力场温梯关联式（μ Mg=β ▽T≠0） 以及 p▽V=(1-Rμ /β )Mg≠0，V▽p =-μ Mg≠0. 即使是波耳兹曼积分微分方程， 也没有从理论上导出在重力场中不仅存在着压力梯度 和 密度梯度 同时还必然存在着温度梯度，人们都可以利用静力平衡条件 确定在力场中必 然存在着压力梯度， 至于究竟是否存在着 密度梯度或温度梯度， 那就只能靠“维象”经验， 因为高空大气稀薄， 所以就以为只存在着密度梯度， 虽然也观测到了大气的温度梯度但由于 太阳的辐射的干扰??因而掩盖了力场所贡献的那部分微小的梯度成分??密度梯度，压力梯度，温度梯度这三个梯度 需要三个独立的关联式才能唯一定夺，人 们仅仅注意到了状态方程与静力平衡这两个约束条件是不够的， 必须再注意到 “（分子） 动能定理”才能唯一确定.这里需要特别提出强调的是：即使如此 也只能得到定性的结论， 因为其中尚存一个未知的比例系数“μ ”， 至于其中的“β ”则属于定体比容 （这属于已知量），欲进一步澄清这个比例系数“μ”，必须再挖掘一个关系式??好在，现在已经可以定性地确定：在力场中的平衡态体系 不仅存在着压力梯度和密度梯度，还必然存在 着温度梯度！这无疑是迈出了突破性（挑战性）的一大步??为了再挖掘出一个潜在着的参量关联式， 我们不妨设想有这样一个过程： （在惯性空间） 有一个气柱从匀速直线运动开始产生加速度且渐渐增大......这就相当于惯性空间产生外 力场且渐渐增大力场强度.此时该气柱也从参量均匀分布状态开始产生且渐渐增大压力梯 度、密度梯度以及温度梯度，而且这正比于力场强度的温度梯度一直没有伴生传导热流，即 其各局域一直处于热孤立 （绝热） 状态， 各个局域都一直在进行绝热 （可逆） “压缩”...... 虽然各个局域的绝热（可逆） “压缩”的程度不尽相同，但却都具有共同的起点（初始状 态）.或曰虽然各局域具有不同的 “压缩”进程但却都处在同一条绝热曲线上.就是因为各 个局域一直处于（无热流伴随的）绝热（可逆） “压缩”过程，尤其具有共同的起点（初 始状态）.换言之，在初始状态，体系的一切热力学参量都处处相等，当然 其摩尔熵也处处相 等，当其出现加速度且逐渐增大过程，诚然遂即出现了（正比于加速度的）温度梯度但却并 未伴生传导热流，故而各局域便开始进行绝热（可逆） “压缩”，依据熵增定律（绝热过 程其摩尔熵永不减少， 只有绝热可逆的过程才能保持其摩尔熵不再增加） 这属于一种“定熵 过程”， 也就是说各局域的摩尔熵一直保持着初始值不改变， 因为体系初始状态各局域具有 相等的摩尔熵，所以这种等摩尔熵的关系一直保持不变.这就得到了一个重要结论：在力场 中的平衡态各局域具有相等的摩尔熵 （CvlnT+RlnV=常数） ； 即满足同一个绝热方程： （T^Cv） V^R=新常数.这个结论对（理想气体）自引力体系很必要；因为只有依据这个绝热方程，再 结合 状态方程以及静力平衡条件这个三个约束条件方可唯一确定自引力体系的三个未知函 数：即压强分布函数，密度分布函数以及温度分布函数；若对其温度分布函数求导即得精确 的温度梯度函数；这时所得的温度梯度已经不再是定性的结论了.顺便指出，人们在建立声 学方程时早就使用着“绝热方程”（被人们称之为“泊松方程”）.（人们使用绝热方程的） 理由是，因为声振动过程太快， 介质中出现的温度梯度瞬间即逝， 来不及驱动（传导）热流， 故而近似作一种绝热波动过程，也只有这样所得的声速计算公式才得到测量结果的支持.现 在方知，并不是因为“介质中出现的温度梯度瞬间即逝，来不及驱动（传导）热流”，而是 这种非惯性运动（振动）所导致的（正比于当地加速度的）温度梯度不管持续多久都不会导 致传导热流的产生； 因而在可逆的绝热波动过程， 介质各点的热力学参量必然被同一个绝热 方程所关联.虽然分子在自由程中受到重力的作用具有方向一致的动能梯度 但并不意味着此时气 体整体质心必然在作加速运动， 因为当且仅当分子具有方向一致的速度才会表现出气体整体 质心的宏观运动.众所周知，静止于地面的气柱（内盛气体的箱子）的质心相对于地面既无速度也无加 速度， 但该箱子内部的气体分子在自由程中却一直保持着方向一致的动能梯度即具有方向一 致的重力加速度， 那么为什么整个气体的质心却没有重力加速度呢？因为整个气体质心的加 速度应该等于各个分子的加速度的平均（只对于单元系），这里最容易被疏忽的就是器壁一 膜层（分子直径的厚度）的分子却叠加着方向一致的器壁反弹加速度（器壁的托力所致）， 这些加速度的平均值恰好抵消了重力加速速度，但必须注意：这只出现在器壁的一膜层，而在气体内部分子的重力加速度的平均并没有被抵消， 所以只是在气体内部存在着温度重力梯 度，而在器壁的一膜层则存在着巨大的反弹温度梯度，因为假定器壁属于零度的刚性壁，由于在气体所有分子的平动动量和等于零， 所以气体质心没有速度， 即没有宏观运动， 但内部气体（器壁的一膜层气体例外）质心一直具有重力加速度，故而也一直具有温度重力 梯度.气体质心一直具有加速度不等于一定具有速度， 就好比 作匀速圆周运动的物体一直具 有向心加速度， 但一直不具有向心速度； 所以万不可将方向一致的动能梯度与宏观运动相捆 绑.同时依据作用力等于反作用力定律可知，分子之间的动能撞击梯度之和必然恒为零，所 以不必担心动能重力梯度被撞击梯度所磨平.器壁一膜层气体分子的平均动量虽然一直等于零，但其反弹加速度的平均值却一直不 等于零，所以具有温度反弹梯度. 总之，一旦存在着宏观的力场热力学体系的分子必然叠加着方向一致的动能场力梯度， 即必有温度场力梯度.但由热源引起的温度梯度却未必关联着宏观力场. 器壁层的那部分气体所遭受到的器壁反弹力之和正好等于气体系统的总重力.而容器 内部气体的分子的相互碰撞并不能改变其总重量.所以容器内部气体的整体质心是一直具有 重力加速度的， 而且处处具有相同的重力加速度； 所以处处具有动能梯度即处处具有温度梯 度；但其处处不具有速度，所以没有宏观运动. 各分子都具有方向一致的动能梯度， 即意味着气体的整体质心具有动能梯度， 动能梯度 即等于其重力，即气体内部处处具有重力； 故其处处具有温度重力梯度. 器壁层内的分子受到刚性器壁反弹力的作用产生方向一致的动能弹力梯度， 所以存在着 温度弹力梯度， 器壁层内分子所遭受到的反弹力的总和正好抗衡气体系统的总重力； 因为气 体系统内各分子所遭受到的外力冲量之和恒等于零， 由于整个气体系统一直保持相对于地面 静止（即系统质心的动量变化为零） ，这被分解为两部分，即器壁层 与非器壁层这两部分各 自都具有一定的冲力， 只不过恰好互相抵消而已， 所以气体的这两部分各自都具有一定的温 度冲力梯度.器壁层的温度弹力梯度是很巨大的；而非器壁层内部的温度重力梯度几乎均匀 一致且很微弱.这种分析很合乎事理. 在重力场中的粒子始终受到重力， 重力场 （含加速场） 必然导致物 系 内 各 点 都 叠 加 着 正 比 于 力 场 强 度 的 温 度 梯度.这仅在重力场(z)方向， 而在水平(x、 y)方向 是没有温度梯度的.重力场（含加速场）虽然不能使同一个小局域（子系统）每个分子的热运动方向都保持相互一致,但 却 可 以 使 各 个 分 子 附 加 着 同 一 方 向 的 加 速 度（即附加着同向的动能梯度），导致物系各点都叠加着一个正比于力场强度的温度梯度！ 因为微观粒子在重力作用下在重力方向存在着位移分量， 这位移分量乘以微观粒子所受到的 重力便等于重力对该微观粒子所作的功.依据（质点的）动能定理，这时重力对微观粒子所 作之功等于微观粒子动能的改变.那么将微观粒子的动能的改变（微分）再除以位移（微分） 就叫微观粒子的动能梯度.显然，微观粒子的动能梯度就等于微观粒子所受到的重力；而重 力属于一种矢量， 所以微观粒子的动能梯度也就属于一种矢量； 又因为重力的方向在不太大 的范围内是（近似）平行的同向矢量，所以微观粒子的动能梯度也总是（近似）平行的同向 矢量；而同向矢量的平均量是不等于零的！除非这些同向矢量全为零，而微观粒子在重力场 中的动能梯度显然不等于零， 除非重力场强度等于零； 所以微观粒子的动能梯度的平均量肯 定不等于零！ 我们知道这些微观粒子的行为就是对单原子理想气体的个别分子在力场中的行 为的写照， 也就是说， 单原子理想气体分子在重力场中受到重力的作用都存在着方向一致的 动能梯度.这些分子的动能梯度的平均量肯定不等于零！我们都知道，只有分子的物理参量 的平均量才属于可观察（测量）的宏观量，例如分子的动能的平均值正比于温度；温度是可 观测量； 也就是说分子的平均动能是可观测量； 那么分子动能的梯度的平均量也必然是个可 观测量，即属于一种宏观量. 如果将“（求）平均”的运算与“（求）微商”的运算交换次序，这并不会改变这两 种复合运算的结果，那么我们就不妨来个次序交换：即先对分子的动能求平均，尔后再求其 梯度，那么对分子的动能求平均就可或得气体该点的温度，再求其梯度，也就是再对其温度 求梯度，这温度梯度就是分子动能梯度的平均量所对应的宏观量（即可观测量）；其结果当 然也应该不等于零！ 因为上面已经得到结论： 在重力场中理想气体分子动能梯度的平均量肯 定不等于零； 那么换言之也就等于说重力场中的理想气体内部肯定存在着不等于零的温度梯 度. 笔者认为如果把温度定义为电磁场中波长的倒数的数学期望，引力质量与电磁质量没 有作用力，上面的矛盾便不复存在. 4、热的本质问题 自古以来人们对热就有不同的看法. 主要有两大学说：一是热质学说，二是运动学 说.几百年来， 先后出现了一些不同的实验现象， 分别解释支持了这两种不相同的学说.目前， 占上风的是运动学说.尽管如此，当我们深入一步认识热的本质的时候，就会发现这种解释 是有质疑的，因此，热的本质有待进一步探讨，以使理论趋于统一【1】.现代科学家们感觉到我们的这个世界是有限的物理理论，应该是热力学的第二定律.热 力学第二定律的思想萌生于法国物理学家卡诺，他对此做出了不朽的建树. 1850 年，德国物理学家克劳修斯从能量守恒所提供的新的角度描述了卡诺循环.热力 学第二定律有克劳修斯说法及开尔文说法， 虽然描述的是两类不同的现象， 表述亦很不相同， 但二者都强调了热事物的本质—不可逆过程：克劳修斯说法实质上是热传递过程的不可逆； 开尔文说法是做功转变为热的过程不可逆 .这两种说法是完全等价的.它们都可称为热力学 第二定律.如果我们的宇宙在时间上是无限的，根据热力学第二定律：功或热的转化过程的 不可逆性.那么，我们的宇宙早就应该是一个恒热的、不再有任何变化的世界了.但是，我们 的宇宙现在还是生气勃勃， 并没有“热寂”问题的显现， 这是为什么呢？这个疑问已经困扰 人类一个半世纪了， 在这科学技术快速发展的一个半世纪里， 人们为它苦苦地探寻着各种出 路.如果宇宙开始于一点，它也是解决以上热寂问题的办法之一. 1900 年的 10 月 7 日，普朗克假设在一个特定大小的盒子里装满一定温度和波长的辐 射， 那么这个盒子能容纳的能量有多少？基于这样的思考， 普朗克从完全不同的角度进行一 些尝试.他想象有一个电荷振子——一个带电的粒子在电场的作用下来回震荡，那么所有电 荷振子的集合所含能量是多少？普朗克的回答是， 电荷振子集合的能量与辐射的能量是一样 的.这个假设是解决问题的关键，因为解决电荷振子的问题比处理辐射的问题要简单得多 . 根据这些假设和推理，普朗克得出后来被称为普朗克辐射定律的物质和辐射共同平衡方程， 他成功地用一个统一的定律完满地解决了所有波长辐射的能量和温度之间关系.通过这个定 律，如果知道温度和辐射的波长，人们可以得出辐射的强度，即能量的大小. 笔者认为，热的本质是电磁辐射，电磁能可以通过一定形式转化为引力能量，不存在 所谓的热寂说.例如在重力场中的三维空间中,介质在 xyz 方向上温度均为常数,即终极状均 温.如郎道、 吉布斯、 王竹溪(2005 热力学 北京大学出版社 P371)的热力学著作中均有介绍, 他们都是利用能量判据导出了在重力场中温度是到处一样的结论,即重力场不影响温度分布. 这也进一步验证了引力质量与电磁质量是独立的，它们之间没有相互作用.一般说来，热的 良导体也是电的良导体也证明了这一点. 参考文献: 【1】解恩泽等编， 《简明自然科学史手册》 ， 山东教育出版社，1987 年出版，P316.第二章光子的静止质量问题（1）光子的静止质量问题的由来狄拉克在1927年发表的《辐射的发射和吸收的量子理论》中，对辐射电磁场量子化 进行了探讨，首次提出并应用了真空的思想.他说：“光子有一种特性，即当它处于定态亦 即零态时， 它就很快消失.所谓零态即这种态的动量、 能量均为零.当一个光量子被吸收的时 候， 这个光量子可以被认为是跃迁到了这种零态， 而被发射时可以被认为是从零态跃迁到了 一种物理可观测态，这样它就产生了.因为被产生的光子没有限制，所以我们必须假定零态 中有无限多的光子??” 19 世纪物理学的重大胜利之一是 Maxwell 公式的建立， 即对经典电磁场的数学描述， 而 Maxwell 电磁场暗含的一个基本假定就是真空中的所有电磁辐射都以一个恒定的速度传 播.实验研究在很高的精度上验证了在一个很宽的频带里所有电磁辐射都以光速c 传播 这 就预示了光子没有静止质量.但其能量为 hν ,动量为 hν /c,自旋角动量有两个特征值±h / 2π (≡±h) 其中 h 表示 Planck 常量和电磁波的频率ν .量子电动力学的巨大成功导致了光子无静止质量这个概念几乎被完全接受了,现代规范理论又进一步确定光子没有静 止质量.尽管理论上已经接受了光子没有静止质量这个事实,但仍然有必要对光子静止质量 进行直接或间接的测量由于光子的静止质量可能以现在实验不可能达到的极小的值存在.现 在实验条件下只能是给出一个静止质量的上限,依照测不准原理光子静止质量的上限 mγ ? 可以用mγ ≈?h /?(Δ t)c 来估算. 狭义相对论的第二个假定具有有限质量的粒子的速度 不可能到达光速,换而言之静止质量为零的粒子在静止坐标系下是不存在的,这件事实使人 们相信光子静止质量为零的假定是合理的.在过去的近两个世纪里，基于麦克斯韦方程的电 磁理论物理学取得了令人瞩目的成就， 它描述了光子静止质量为0时的宏观现象.麦克斯韦的 经典电磁场理论和爱因斯坦的狭义相对论都认为光在真空中以恒定的速度 c 传播，这要求 光子的静止质量必须等于零,因为根据狭义相对论,对于光子, 速度为c ,而m又不可能为无 限大,所以光子的静止质量m0 = 0.然而，从理论上人们既不能肯定也不能否定光子具有非零 的静止质量，因此只有通过大量的实验去检验光子的静止质量到底是否为零.Einstein说： “光子静止质量为零.由于光子以光速行进，不可能找到光子的静止惯性系，所以静止质量 一词严格说来是不适用于光子的.” 【1】 “我们的物理世界是由实体和场构成的.也就是说，光是场，不是实体.” 【2】 在一 份纪念兰姆 90 岁诞辰兼讨论光的本质的专集上，量子光学专家 Zajonc 说：&我们对光量子 的无知与 Einstein 当年的情况差不多&. 参考文献：2【1】 《相对论导论》 W?G?V 罗瑟 著 236 页 【2】 《相对论的意义》 Einstein 著 （2）光子的静止质量在物理学中的重要意义 光子没有静止质量，光子转化为电子和正电子意味着静止质量从运动质量中产生， 这是一个极其普遍的和根本的规律.在物体以与光的传播速度相比拟的高速运动时，粒子的 质量比其静止质量增大成为重要的事情.在电子和正电子转化为光子的场合，静止质量完全 转化为运动质量.这些效应已经不能称为相对论性的， 而应称为超相对论性的了.──库兹涅佐 夫 中国科学院理论物理学研究所研究员、 相对论研究专家张元仲著的 《狭义相对论实验基 础》 ，在第 152～182 页中介绍世界各国科学家做的、证明光静质零定理的 19 个实验时说： “迄今对光子静质量所进行的各种检验都是以重电磁理论（Proca 方程）为基础的． ”假设 洛仑兹不变性成立，放弃相角规范(U(r)规范)不变性，从而对麦克斯韦方程进行修改，再附 加上与光子静质量有关的项，就得到所谓的 Proca 方程.在这种情况下，洛仑兹变换中的常 数 c 已不再代表通常意义下的光速， 而只是一个具有速度量纲的普适常数， 光速将于频率有 关、静电场将发生偏转（附加了汤川势） 、电磁波的纵向分量将不为 0. 历史上， 德布罗意曾提出光子具有静止质量的设想， 薛定谔在试图统一电磁与引力时也 曾对有限光子质量感兴趣.应当指出，光子具有静止质量将导致一个严重的后果，那就是目 前最成功的量子电动力学将是不可重正化的，从而将变得无效. Coulomb s,law 与光子静止引力质量 mγ 是否为零有密切的关系.mγ 是有限的非零值还是等于 0，有本质的区别，并且会给物理学带来一系列原则问题. 如果 mγ ≠0，那么：1.电 动力学的规范不变性被破坏，使电动力学的一些基本性质失去了依据；2.电荷将不守恒；3. 光子的偏振态有 2 变为 3；4.黑体辐射公式要修改；5.会出现真空色散，即不同频率的光波 在真空中的传播速度不同， 真空光速不变性原理遭到了质疑； 重电磁理论的最直接的结论是 重光子(μ ≠ 0)在真空中的速度色散效应.方程(1.2-6)在真空中无电荷电流存在时的自由 平面波解是 Aν = exp{i(k·r – ω t)} (1.2-2.1)，其中，波矢 k ( | k| ≡ 2 π / λ , λ 是波长),角频率 ω 同质量 μ 之间必须满足关系 k - ω / C = - μ2 2 2 2(1.2-2.2)，这就是2 2 2 –1/2电磁波在真空中的色散关系.自由电磁波的相速度是 μ = ω / | k| = c (1 - μ c / ω ) (1.2-2.3)，群速度定义为 vk，= d ω / d | k| = c (1 - μ2c / ω )22–1/2，(1.2-2.4)，光子质量 μ 是一个有限的常数，所以在 ω →∞ 的极限情况下，自由电磁波的相速度和群 速度都趋于常量 c ，即 lim μ (w ? ? )= lim ng(w ? ? ) = c 也就是说，Proca 方程中的常数 c 是频率趋于无限大的自由电磁波在真空中的传播速度. 由方程 (1.2-2.1) 和 (1.2-2.2) 可以看到，当 ω = μ c 时, k = 0，即电磁波不 再传播了：当电磁波的频率 ω & μ c, k & 0,即 k 是虚数.这样，方程(1.2-2.1)就要贡献 出一个指数衰减因子 exp{- | k| r}， 即电磁波的振幅是指数衰减的(evanescent)； 只有 ω & μ c ，波才能无衰减地传播出去，其相速度和群速度由第程(1.2-2.3)和(1.2-2.4)给出. 方程(1.2-2.4)表明，不同频率的电磁波在真空中传播的速度不同.这种传播速度随 频率而变化的现象称为色散.显然，这给人们提供了利用电磁波的真空色散效应确立光子静 质量的可能性(测量不同频率的光信号的速度，或者测量不同频率的光走过相同距离所用的 时间之差). 考虑角频率为 ω 1 和 ω 2 的二列电磁波，并假设 ω 1, ω 2 && μ c，那么这二列波在 真空中的速度之差可由方程(1.2-2.4)给出：2(1.2-2.5)，其中最后一个等式中略去了(μ 方 程 (1.2-2.2)2c / ω 2) 可22以上的小项.在同样的近似下，由 以 得 到(1.2-2.6)用方程(1.2-2.6)， 可将 v 用波长表达成(1.2-2.7)， 如果这二列波通过相同的路程 L，那么它们所用的时间之差便是 (1.2-2.8)，方程(1.2-2.5)-(1.2-2.8)就是人们利用色散效应确立光子静质量 μ 的出发 点.6.电磁力将不会是长程力，平方反比律应有偏差， 如果 mγ ≠0，则电磁力为非长程力， Coulomb s law 应有偏差， 即 f∝r, -2±δ， δ ≠0； 反之， 如果 mγ =0， 则δ =0.因此 mγ 与 Coulomb s,law 偏离平方的修正数有关.1930 年，Proca 指出，如果 mγ ≠0，则真空中的 Maxwell 方程组 应修改为▽.E=4π ρ —（mγ c/h) θ ▽.B=0 ▽×E= —c （ζ B/ζ t） ▽×B= c （ζ E/ζ t） +4π /cJ—（mγ c/h） A 式中 A 和θ 分别是电磁场的矢势和标势， c 是真空中的光速, h 是普朗克常量.②式称为 Proca 方程，采用的是高斯单位制 .Proca 方程的解的形式为 θ ~r-1 -1 2 -12e-ur③,式中的μ 为 μ=mrc/h ④.当 mr≠0 时， μ ≠0， 可见 Proca 方程的解比通常的 Maxwell 方程的解多了一个 指数因子 e .当 mr=0 时， μ =0，Proca 方程回复到 Maxwell 方程.有 E∝—▽θ 、E∝γδ -ur —2—及③④式，可以找出δ 与μ 的关系，即找出δ 与 mr 的关系.再利用 1971 年 William 等人的—16实验结果δ ＜3×10，可得出 mr＜2×10—47g.这就是利用δ 的下限得出 mr 下限的方法.3、测量光子静止质量的方法直到现在，人们对光子获得非零静止质量理论机制并没有定论，所以只有通过大量的 实验去检验光子的静止质量是否为零.由于光子的静止质量很小，人们不可能直接测量光子 的静止质量， 只有通过检验光子具有非零静止质量时所对应的物理效应， 从而推导出光子静 止质量.光子静止质量不为零时所对应的物理效应有：真空中光速的色散效应、静态电磁场 的 Yukawa势、纵向虚光子的出现、AB (Aharonov and Bohm) Casher)效应、磁单极子的存在与否、Casimir 和AC (Aharonov and效应的修正和有限光子质量的引力偏折等等.所有这些效应都是人们检验光子静止质量的基础.长期以来， 人们做了大量的实验， 但 是到目前为止， 所有检验光子静止质量的实验都是零结果， 人们只能根据他们的实验精度给 出光子静止质量上限.真空中光速的色散效应是人们检验光子静止质量的一个常用方法，除 此之外，与光子静止质量有关的色散效应还有等离子体的色散和星际磁流体力学波的色散 等，它们也曾被科学家们用来检验光子静止质量上限. 1、星光到达地球的时间差 测量不同频率的光走过相同一段路程所用的时间之差 t 的微元来确立光子的静质 量 μ 0.方程(1.2-2.8)表明， t 与 L 成正比.路程 L 越长，效应就越大.因此，我们可以测量远方星体在同一时刻发射的不同频率的电磁幅射到达地球的时间差， 比如， 利用双星和脉 冲星就可做这类观测. 需要强调的是，星光的色散效应除了用光子静质量解释外，还可以用电磁场的非线 性效应和等离子体色散效应来解释.在远第星体与地球之间的巨大星际空间里存在着极其稀薄的星际介质(等离子体)， 这些等离子体引起的色散与 μ 引起的色散完全类似.这是利用星 光色散确立光子静质量的主要障碍.下面我们先简略介绍一下电磁波在等离子体中的色散效 应. 通 常 ， 麦 克 斯 韦 电 磁 波 在 等 离 子 体 中 的 色 散 方 程 是(1.2-3.la) ， (1.2-3.lb)，其中，n 是等 离子体中电子的数密度，m 是电子静质量，B 是磁感应强度，α 是 k 与 B 之间的交角.星际空间的磁场 B 很小， ω B 可以略去.于是方程(1.2-3.2) 给出电 磁波在等离子体中的色散效应是 Vg = d ω / d | k| = c (1 – ω2 ρ/ω )21/2，(1.2-3.2)，将方程 (1.2-3.2) 与 Proca 重电磁场的真空色散方程(1.2-2.4)比较， 可以看出， 等离子体 的特征频率 ω p 引起的电磁色散效应与光子静质量 μ 引起的色散效应是一样的.这就是说 ω p 的效果同 μ c 的效果完全一样.因此，如若不能用另外的方法 获得星际离子体的密度， 就无法分辫星光的色散究竟是等离子体产生的还是光子静质量的效应.这就使我们在利用星 光色散效应确立光子静质量 μ 上受到了限制.根据银河系旋臂磁场范围对光子静质量上限 做的估计约为 10 克. 2、 双星观测 德布罗意 (deBroglie) 1940 年提出了利用双星来确立光子静质量的方法.双星是在 一个椭圆轨道中不停地旋转的二颗星体(例如，将它们分别叫做 S1 星和 S2 星).在某一时刻， S1 星把 S2 星挡住，使我们看不到 S2 星.随后，S1 星从 S2 星背后显露出来，此刻测量 S2 星发射 的不同频率的光波到达地球的时间之差.德布罗意使用的数据是： λ2 3 2 2 -59– λ2 1≈ 0.5x10-3-8厘米 ；双星到地球的距离 L = 10 光年；这两种颜色的光到达地球的时间差 如果光子静质量的贡献不能忽略的话，那么，由方程t ? 10 秒.(1-2-2.8) 便 得 到(1.2-3.3) 3、脉冲星观测 脉冲星的发现为检验光的色散现象提供了一种新的手段.虽然脉冲星在同一个脉冲里发 射的频率相近的两列光波色散很小， 但是脉冲星到地球的距离很远， 这两列光波到达地球的 时间差大得足以观测到.脉冲星发射的无线电波的色散效应通常是以等效平均电子密度给 出 的 . 对 于 脉 冲 星 NP0532 Staelin 等 人 (1968) 给 出? 2.810-2厘米 ，-3Feinbertg(1969) 假定观察到的 NPO532 脉冲星的色散效应主要是光子静质量引起的.从方 程(1.2-2.4)和(1.2-3.2)的比较可知，ωp/ c = 4π e2/mc 的等离子体的色散效应与光子静质量引起的色散效应相同，因此有： (1.2-3.4) ， 封伯格(Feinberg) 认为，这种方法是对薛定谔静场方法的一种补充. 4、光子静止质量的最新测量结果 最近由于物理实验的重大新突破，即由于单个光子质量实验的精确测定结果和用原子 的发射光谱对氢原子、 氦离子、 氦原子内电子的运动瞬时速度和轨道半径的精确测量结果的 出现，迫切需要寻求一种新物理理论的新解释. 2003 年 3 月的《物理学评论快报》发表了一篇文章，说中国科学家、武汉华中科技大 学教授罗俊及同事通过实验在宇宙磁势造成的影响中寻找光子质量的痕迹， 用精密扭秤检验 出光子静止质量的上限为 10 千克.在 2010 年 2 月 28 日出版的美国《物理学评论快报》 （PhysicalReviewLetters）上，有专文介绍说：“一项由中国科学家罗俊等完成的新的实 验表明，在任何情况下，光子的静止质量都不会超过 10-54 -48千克，这一结果是之前已知的光子质量上限的 1／20.”罗俊和他的同事通过一种新颖的实验方法，在一个山洞实验室里将 光子静止质量的上限，进一步提高了至少一个数量级.它使我们再次认识到精确验证电力平 方反比律，即确定δ 下限的重要性.描写电磁相互作用的局域规范理论称为阿贝尔规范场理 论.光波是不应该有惯性质量的.如果有， 则会产生一系列的问题.如： 假设光波有惯性质量. 则光波通过介质后其速度无疑会减少 .但实际的情况恰恰相反.光波通过介质后速度不但不 减少， 反而其速度有时会增加.而这显然与光波具有惯性质量矛盾.所以光波哪怕是具有一点 点惯性质量，都将与我们所观察到的物理事实相违背.长期以来，人们就试图利用各种电磁 学现象检验麦克斯韦电磁理论的正确性，检验光子静质量是否为零.这些实验也是对真空光 速不变原理的一种检验. 前几年， 华中科技大学的罗俊教授和他的研究生涂成良就做了测定光子静止质量的实验. 测定光子静止质量为 1.5×10-55千克，论文“实验检验光子静止质量的研究进展”发表在2006 年 09 期的物理杂志上.现代物理实验用天体物理的磁压法得出的 mγ 的最强限制为 mγ ＜ 10 克， 既不能否定也不能肯定光子有引力静止质量.在麦克斯韦电磁场的拉格朗日理论中， 电磁场的拉格朗日密度是由场变量(势函数)Al 的一阶导数? Al /? xm 构成的双线型的，在-60洛仑兹变换下的不变 量(标量)和在相角变换(U(r)规范变换)下的不变量.用这样的拉格朗 日量，通过对场变量变分得到的方程就是麦克斯韦电磁场方程.现在，我们放弃 U(r)规范不 变性这个条件，因此通常的拉格朗日量中需要增加一项 μ ArAν ，这是与质量有关的项.由 这样修改过的拉格朗日量得到的方程就是中子静质量 μ ? 0 的运动方程，即重电磁场方程2或称为 Proca 方程(使用高斯单位制)： 其中(1.3-1)(1.3-2) ，它满足恒等式 对称张量，(1.3-3) ，上面诸希腊指标均取 1，2，3，4.xλ ν ρ ζ是单位全反. 是矢势，f 是标势，J 是电流密度 ， r 是 电 荷 密 度 . 方 程 中 的 电 流 四 矢 Jv 是 守 恒 流 ， 满 足 守 恒 方 程(1.3 -4)， 对方程(1.3-1)做微分， 利用定义, (1.3 -2) 和方程 (1.3-4)可以得到(1.3-5)，此式表明，电荷守恒条件(方程(1.3-2))与洛 仑兹条件(方程 (1.3-5))互相等价. 将方程 (1.3-2) 代入 (1.3-1) ，并利用方程 (1.3-5) ，可以得到电磁势 Aμ 的波动方程.(1.3-6)，其中( 达朗贝尔算子).以上方程唯一地确 定了电磁势 Aν .相应于方程 (1.3-1) - (1.3-6) 的三维矢量形式是：(1.3-7a)(1.3-7b) ，(1.3-8a) ，(1.3-8b)，(1.2-9a)，(1.2-9b)(1.2-10a) ，(1.2-10b) ，(1.2-11a)，(1.2-11b)，显然，当μ = 0,时，Proca 方程可简化为麦克斯韦方程.方程(1.3-1)是 Proca 在 30 年代初首先提出 的， 它是对麦克斯韦方程所做的(保持洛仑兹协变的)唯一推广形式.方程(1.2-7)- (1.2-11) 是用实验检验光子静质量的基础.实际上根据近代量子电动力学理论，并不存在尚未发出的 静止光子， 光子是在电子 （或其他带电的基本粒子） 做跃迁运动时产生出来同时发射出去的． 历史上对彗尾的尾巴现象解释首先是光压说， 但是近代物理学家发现光根本不具有如此 威力，甚至光是否存在压力都受到了人们的怀疑，军事专家的观点更支持我们， 《军事学教 程》中言：“激光武器的特点：不产生后坐力，是一种无惯性武器.”近代实验也发现原子 核向外发射出能量极高的 Y 光子时并不做反冲运动（近代理论认为能量越大的光子其动量 越大） .我们应该怀疑麦克斯韦所预言的光压了.经典物理后来又转用太阳风来解释彗尾， 但 目前的研究发现， 地球外的宇宙射线是各向同性的， 来源于太阳方向上是宇宙射线并不比其 他方向上是多，而且宇宙射线来源于那里至今仍是个迷，后来人们发现宇宙射线中有一些 “低能质子”的多少与太阳黑子活动存在某种联系， 于是认为“低能质子”就是太阳风， 但 仍然存在两个困难， 一是“低能质子”也是各向同性的， 二是我们还不清楚是“低能质子” 的变化引起太阳黑子活动呢还是太阳黑子活动引起“低能质子”的变化.第二章光的电磁本质(一)现代物理学对于光子本质认识的困惑1、把光子运动质量视为惯性质量的困难问题导引：1、光子是不稳定的吗？ 各种观察和试验表明，光子的稳定时间至少在 10 的 33 次方年，然而，许多物理学家认 为， 如果这三种原子力确实是单个统一场的不同表现形式， 前文所说的神秘变化的超大玻色 子就会不时从夸克中演化出来，使夸克及其组成的光子衰退.如果一开始你认为这些物理学 家脑子出了点毛病， 那也是情有可原的， 因为按理说微小的夸克不可能生成比它重这么巨大 倍数的玻色子，但根据海森伯的测不准原理，我们不可能同时知道一个粒子的动量和位置， 这就间接使这样一个大胆命题可以成立，因此，一个巨大的玻色子由一个夸克中生成，在很 短时间内形成一个光子并使光子衰变是可能的. 2、光子是电中性粒子，为什么有电磁波的特性？光子具有运动质量，它们之间为何没 有万有引力，如果存在万有引力，光速不变性原理是否仍然成立？ 根据这里的假设，当一束光从点光源发出时，它的能量不是随着体积增大而连续分布，而是包含一定数量的能量量子，这些能量量子在空间上局域，不随运动而分裂，并只能作为 一个整体被吸收和发射.依据我们今天的见解，物质的基本粒子按其本质来说，不过是电磁 场的凝聚， 而决非别的什么.整整 50 年有意识的思考还没有使我更接近光量子是什么这个问 题的答案.---爱因斯坦 (二)把光子运动质量视为惯性质量的困难 规范场负责传递相互作用， 而场的量子化的稳定态对应了粒子， 所以规范场的量子化必 然就对应了某种场媒介粒子， 比如电磁场的量子化对应了光子.传播相互作用的时候的光子， 和独立被激发时候的光子还有不同，术语叫做“虚光子”和“实光子”.虚光子只在相互作 用的过程中出现，对应到费曼图，就是虚光子只是费曼图中的内线，而实光子则对应了费曼 图的外线.在量子力学中，粒子是场的激发态，而场传播力，所以这种激发态既可以是稳定 的激发态，对应实光子，也可以是被别的粒子激发而导致的激发态，对应虚光子.在虚光子 过程中，只要在相互作用过程中符合能量守恒（具体说来就是费曼图的顶角上能量总和不 变） ，怎么样的光子都可以出现.量子理论中的激发态，如果是对应虚光子的被动激发态，那 么其实是没有除了能量守恒以外更多的限制的——当然， 严格说来还需要满足对称性与规范 条件，以及反常消除条件等等，不过都是量子化以后的，没有经典对应.实光子与虚光子有 何区别，它们是如何转化的？ 根据 2011 年 6 月 3 日瑞典查尔姆斯理工大学在 《自然》 杂志公布的一项实验结果表 明， 实验成功的从真空中捕获到了不断出现和消失的光子， 成功将虚拟光子转变成真实光子， 制成了可测量的光，首次观测到 40 多年前就曾被预言的动力学卡西米尔效应，即平行金属 板在辐射场真空态中存在吸引力的现象.下图为卡西米尔效应原理图：根据光的电磁本质的观点， 很容易判定爱因斯坦当年设计的理想实验是错误的——设想 一个箱子，箱子有个孔，里面关着许多光子，在一定的条件下，每次以够快的速度打开箱子 的门一次只放飞一个光子.因为时间极短，△t 是足够小的，这时箱子里的光子少了一个， 那么它就轻了一点.用个理想的秤来秤一下.假如箱子轻了△m， 那么飞出去的光子重△m， 根 据相对论的质能方程E=mc2， 就可以精确地算出箱子内部减少的能量△E.那么， △E 和△t 都很确定，波尔的主将海森堡的公式E× t &h 也就不成立. 根据经典力学光子的动能为 0.5mv ,v=c,即 0.5mc ，可是根据质能方程为 mc ，对于难道 除了动能还有其它形式的能量？这显然存在着不协调？根据光的电磁本质， 电磁质量的动能 不能利用 0.5mv 计算，矛盾便自然解决了.笔者认为氢原子在能级跃迁与反氢原子在能级跃 迁时释放的光子的性质应该不同. 当光源相对于观察坐标系运动时， 光波产生多普勒效应频率变化； 当光源作横向运动时， 光波不产生非相对论的多普勒效应， 但按相对论由洛仑兹变换引入一个因子使频率变快为兰 移，反映光子能量增大. 按狭义相对论，运动钟的时率变慢，光波频率变慢，应该产生红移， 为什么横向多普勒效应得出结果为兰移.根据光的电磁本质的观点，光子具有电磁质量，不 满足洛伦兹变换，矛盾本身就不存在.如果光子具有引力质量，那么光子在引力场中的运动 速度改变，与光速不变性原理矛盾.2 2 2 22、光的电磁本质电磁波的本质结构必须能导出电磁波的所有性质.尽管科学家对电磁波的研究由来已 久,前人的聪明才智使得性质如幽灵般的电磁波不再神秘，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,都让人们相信电磁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电磁波理论就会发现,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，电磁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 描述电磁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,推演出电磁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，目前的电磁波理论还没有到达最基本的层次. （一）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？ 2： 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. 各种观察和试验表明， 光子的稳定时间至少在 10 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.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，33Maxwell 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 m A Aμ 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2 μ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， “光的电磁波的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.” （二）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 c ，光子的电磁动量为 m 电磁 c. 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 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 G.L.Grodins 测量出 140ev 的光子带电约 10 e.-16 -15 -30 21900 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.3.光的电磁本质的实验基础测量光子的带电量或者检验质子与电子发出的光子带量性相反,可以验证笔者理论的正 误.假设光子带有分数电荷 Q，则可以建立光子在磁场中受罗伦兹力运动方程的坐标分量形 式.当光子在垂直于磁场方向运动时， 光子的运动方向将发生改变.为此， 加拿大的宁宝钢先 生在北京 401 所进行了实验，该所薛丕友等人参加了实验，北师大的方福康、何香涛等人为 实验提供了协助.实验中， 激光束通过了具有 3,000 高斯的同位素分离器磁场.实验中得到的 初步结果是 Q≈10-21e（电子电荷）.上述实验结果及光的本性、相对论等问题曾与周培源、王竹溪（北大校园） ，唐晓威（高能所） ，彭恒武（九十年代初在寓宅）进行过讨论，并在物 理所举行过小型报告讨论会.分数量子霍尔效应的发现使 Robert Laughlin 等人在 1998 年获得诺贝尔物理学奖， 它暗示了电子可能不是基本粒子.以色列的科学家更宣称发现产生电子噪声的电荷可以是 任意分数值，各国科学家对分数电荷的研究方兴未艾.然而，Einstein 在逝世的前几年在 给朋友的信中还写道：“整整五十年的思考，并没有使我更接近‘光子’是什么的答案” （P. Speziali,??, Paris, 1972）.毫无疑问，人们对光子的无知和分数电荷的存在极 大地冲击着光子和狭义相对论的理论基础和经典概念.在当前的形势下， 光线在传播中强烈 表现出的电磁本性，促使我们不能不联想到，光的电磁本性极可能产生于一个带有微小分 数电荷的准粒子的运动结果.宁宝钢确信它的分数电荷值约在 10 ～10 附近.上世纪 60 年 代，国外一些实验物理学家，又观测到光子携带微量负电荷.例如 G.L.Grodins 在 1961 年， 发表于《Bull.Am.Phys.Soc.V6.》中的论文，就宣称他观测到了能量为 14400eV 的光子带 电约 10^-15e. G.B.West 在 1967 年，发表于《Phys.Rev.V162》中的论文又宣称，他已-16 -21 -23经测量出了 2eV 能量的光子带电约 10 e .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 PVLAS 实验组观测到，光束在缓慢旋转的磁 场中传播时，能够产生与磁场旋转频率成正比的微小频移.上述各种实验观测事实，均需要 用光子带微量负电荷这种新观点来解释.笔者认为， 因为我们观察到的光子主要是电子发出 的，如果是质子发出的，应该带微量的正电荷.目前交叉科学的发展使相对论的研究不能只停留在相对论之中，必须去寻找其它领 域中可能有重大影响或突破的实验和理论， 才能使相对论的理论不断发展和完善.如果光子 被证实带有分数电荷，它不仅仅是一个诺贝尔物理奖的问题，更重要的是它能引起理论物 理和相对论研究的一次革命.这项实验的原理和技术路线是成熟的， 该实验的一个决定因素 是光源.激光的准直性并不好， 如果使用光学准直系统会使光线携带的原始信息损失或发生 畸变.因此，实验中必须使用同步辐射光，特别是它具有的极好的偏振性，是测量光子分数 电荷不可替代的光源.附录：北京时间 2012 年 11 月 8 日消息，长久以来，人们都知道光既可以表现出粒子 的形式，也可以呈现波动的特征，这取决于光子实验测定时的方法.但就在不久之前，光还 从未同时表现出这两种状态. 关于光是粒子还是波的争论由来已久，甚至可以追溯到科学 最初萌芽的时候.艾萨克·牛顿提出了光的粒子理论，而詹姆斯·克拉克·麦克斯韦的电磁 学理论认为光是一种波.到了 1905 年，争论出现了戏剧性的变化.爱因斯坦提出光是由称为 “光子” 的粒子组成， 借此解释了光电效应.他也因此获得了诺贝尔物理学奖.光电效应的发 现对物理学影响深远，并为后来量子力学的发展作出了重大贡献.量子力学在对微小粒子， 如原子和光子的行为预测上，具有惊人的准确性.然而，这些预测非常违反直觉.比如，量子 理论认为类似光子的粒子可以同时在不同的地方出现， 甚至是同时在无穷多的地方出现， 就 像波的行为一样.这种被称为“波粒二象性”的概念，也适用于所有的亚原子粒子，如电子、 夸克甚至希格斯玻色子等.波粒二象性是量子力学理论系统的基础，诺贝尔奖获得者理查 德·费曼将其称为“量子力学中一个真正的奥秘”. 刊于《科学》杂志上的两组独立研究，利用不同的方法对光从波形态向粒子态的转变 进行了测定，以揭示光的本质面貌.两组研究都来源于理论物理学家约翰·惠勒于上个世纪 80 年代进行的经典实验.惠勒的实验提出，观察光子时应用的方法，将最终决定光子的行为 是像粒子还是像波. 阿尔贝托·佩鲁(Alberto Peruzzo)佐是布里斯托大学量子光子学中心 的研究员， 在他的带领下， 一个由物理学家和量子理论物理学家组成的团队根据惠勒的实验 设计了新的方法，以同时观测光的粒子性和波动性.他们利用光分离器使一个光子纠缠另一 个光子.通过对第二个光子的测定， 来决定对第一个光子的测定方法.这一过程使研究者得以 探索光从波的形式向粒子态转变的过程. “这种测量装置检测到强烈的非定域性，证实了 实验中光子同时表现得既像一种波又像粒子，”佩鲁佐说，“这对光或者是波形态，或者是 粒子态的模型是非常有力的反驳.” 量子光子学中心的主管杰里米·奥布莱恩(Jeremy O’Brien)说：“为了进行这项研究，我们使用了一项新颖的量子光子芯片技术.这种芯片具有 可重构性，即它可以根据不同的电子环路来进行编程和操控.这项技术在今天的量子计算机 研究中处于十分领先的地位，而在未来，它还将带来更多有关量子力学尖端研究的重要成 果.” 尼斯大学国家科学研究中心的弗洛里安·凯瑟(Florian Kaiser)利用纠缠光子对实 现了惠勒的实验.一个光子通过干涉仪被探测到，使研究者能够测定第二个光子的状态，是 像波的形式还是粒子形式，或者是二者之间.他们的实验也实现了光子从波的形式向粒子状 态的连续转变.（来源：新浪科技 任天） 4、光的电磁本质的意义 问题导引： 光线在万有引力场作用下的弯曲现象， 应理解为光子的运动轨道弯曲呢？还 是所谓的空间弯曲？ 从电荷分布的量子性——麦克斯韦的光的电磁说——普朗克量子辐射——爱因斯坦 的光电效应——玻尔的原子轨道的量子化反映了人们在探索电磁质量的量子化进程， 同时也 是人们对于光的电磁本质认识不断深化的过程.费马原理应当是这一现象的表现形式，根据最小作用原理，此时的总阻力最小为 0. 为了对光的反射行为有更深刻的理解，费马提出了一个相当神秘的原理，被称着费马原理. 这个原理说，光所选择的是使它到达目的地所花时间最短的那条路径.在这一基本思路的引 导下， 经莫培督及拉格朗日等人的努力， 拓宽视野融入经典力学， 形成 “最小作用量原理” 并 上升为普遍的“自然经济原理”.在今天作用量原理已经对阿·热等基础理论物理学家们产 生了深刻的影响，他们坚信自然的终极设计用到了简洁质朴的作用量原理.Cassini 飞船在 其飞向土星的旅程中， 它的轨道被太阳所偏转的状态已被测控的无线电波所测定， 这又一次 证实了 Einstein 广义相对论中关于 space-time 结构的论断.现在意大利位于三地 （Pavia,Rome,Bologna）的三所大学以 Berotti 为首的科学家们，细致地核对了由 Cassini 飞船发回的无线电数据，并发现光波轨道的偏转完全符合广义相对论的规范理论.同时他们 宣称，他们的测量仪器已达到非常灵敏的程度，可为其它引力模型提供精确的测试.【1】庞 加莱（Poincaré）所说： “作为普遍的原理，最小作用量原理和守恒原理具有极高的价值， 他们是在许多物理定律的陈述中寻求共同点时得到的， 因此， 他们仿佛代表着无数观察的精 髓”.最小作用量原理应用于电磁学、热学、物理、化学（在化学中作用量是自由能 G）和 量子力学等各科学领域，在各领域作用量 S 各有自己的退化方式.就连广义相对论也是建立 在最小作用量的基础上；定性的说，光在弯曲的时空中走的是光程最短的路径，虽然在我们的眼中它并不是直线， 但是就像在球面上划一条长度最短的线不是直线一样， 光在弯曲时空 中光程最短的路径也是弯曲的.由于 space-time 是弯曲的，光子是自由粒子，其运动轨迹是测地线——物体总是沿 着四维空间——时间的直线走，与光子有无引力质量无关，因此光线弯曲是自然的，光线在 天体附近的弯曲是由于引力质量引起空间的弯曲，进一步验证了广义相对论的正确.由于光 子与引力质量之间没有相互作用， 因此迈克尔逊——莫雷实验测得的光速没有变化， 与前面 所说的绝对时空并不矛盾， 而且进一步验证了爱因斯坦的狭义相对论中真空光速不变性原理 以及性对性原理，爱因斯坦的基本假设是完全正确的. 1851 年，裴索做了一个非常巧妙的实验，如下图，S 是光源，M 是镀银的（即半反射 半透明的）玻片，M1、M2、M3 是反射镜，T 是观察望远镜，有一个弯曲的水管，其水平部分 内部水的流动速度为 V.从 S 发出的光经过 M 时被分成两束，一束被 M 反射，经反射镜 M3、 M2、M1、M 而到达 T，另一束透过 M 经反射镜 M1、M2、M3 再透过 M 而到达 T.它们通过管中流水 时，前一束光与水流方向相反，后一束则相同，两束光在 T 内发生干涉. 实验开始时，使水流速度为 0，由于两束光的光程相同，干涉条纹是明亮的.然后使水 流速度 V 逐渐增大， 观察到干涉条纹有明暗交替的变化， 这表示光在水流中相反的方向传播 的速度不一样了，由条纹变化的数目可以确定在水中传播的光相对于地球的速度./ 裴索实验中测量的在水中传播的光相对于地球的速度是： C ?C ? f ? V ,式中“+” n表示光顺着水流的情况，“-”表示光逆着水流的情况.其中，f = 0.434 ? 0.002 ，比 1 小. 斐索实验非常巧妙而精确，它反映出水可以带动光(说明了水中微弱的电磁场对于光传 播的影响)，然而不能完全带动光（说明了引力质量与电磁质量之间没有相互作用力）.参考文献： 【1】 《物理》第 32 卷 12 期 89 页 2003 年 北京附录：欧洲核子研究中心(CERN)科学家宣布，在实验中首次成功捕获反物质，取得了 重大的物理学突破.他们在实验中创造了以反氢形式存在的反物质，证明捕获和释放反物质 是有可能的.这项研究突破或许有助于科学家设计出相应的实验，以深入了解这种行踪诡异 的物质.反物质就是正常物质的镜像，正常原子由带正电荷的原子核构成，核外则是带负电荷 的电子.但是，反物质的构成却完全相反，它们拥有带正电荷的电子和带负电荷的原子核. 当物质和反物质相撞，它们会立即相互湮没，释放出能量.从理论上讲，1 磅(约合 450 克)反物质的破坏力超过当量最大的氢弹.不过，制造和保 存微量反物质是一件非常困难和耗资巨大的事情， 用于制造超级武器的前景更是距离现实非 常遥远.在刊登于最新一期《自然》杂志上的最新研究中，欧洲核子研究中心的科学家使用反 氢激光物理仪器(简称 ALPHA)， 冷却带负电荷的反质子(氢原子核的镜像)， 将其挤压至长 20 毫米、宽 1.4 毫米的火柴棍大小的云状物中，这些粒子云接着被导入类似的正电子(反物质 电子)云中.两种粒子结合形成反氢原子，最终磁场在六分之一秒内成功捕捉到反氢原子.卡尔加里大学物理学与天文学系主任罗布·汤普森教授说：&这是一项重要发现，可能 有助于实施一些实验， 使我们对当前物理学的基本看法产生巨大变化， 证实我们当前了解到 的知识.英国斯旺西大学教授麦克·查尔顿说：&氢原子是所有原子中结构最简单的，反氢是 可以在实验室最容易制造的反物质类型.深入了解它将有助于揭开已知宇宙由物质而非反物 质构成的几乎所有谜团.&英国理论物理学家保罗· 狄拉克在 20 世纪 50 年代最早预测了反物 质的存在. 5、光子与电子的特性比较 属性 宇称 自旋 静止质量 电量 速度 电子 费米子 1/2 m0 e ＜c/n 光子 玻色子 1 0 0（注 3） c/n泡利不相容原理 波函数 色散函数 描述方程 敏感系数服从 标量波 抛物线性 薛定谔方程 电势场大小不服从 向量波 线性 麦克斯韦方程 介电常数（ε ）和磁导率（μ ） 自由光子 晶体中的光子自由电子晶体中的 电子波函数平面波布洛赫波平面波（E 分量 和 H 分量）布洛赫波能量本征值h k /(2m0)2 2能带结构 En(k)光子能量 hω =hkc/ε0.5能 带 结 构 En(k)有效质量 速度 相互作用m0 hk/m0 库仑力m* hk/m*μ r 或ε r（注 1） μ r 或ε （注 1） r c/n 无（注 2） 群速度 无（注 2）镜面库仑特征 静 止质量 (m) 运 动质量 (m) 传 播 特 性 传 播 速 度 时 间 特 性 空 间 特 性 粒 子 特 性 电 自 荷 旋电子 m0 me光子 0 h ν /c2不能 在自由空间传播 小于光速 (c) 具时间不可逆性 高度的空间局域 费 米子 ( 费米统计 )能在自由空间传播 等于光速 (c) 具一定的类时间可逆性 不具空间局域性 玻色子 ( 玻色统计 ) 0-el(h)/2l(h)注 1：根据上面的观点，有效引力质量为 0，存在有效电磁质量； 注 2：根据上面的观点，存在库仑力，但是非常小. 注 3：根据上面的观点，电量不等于 0，但是非常小. 在各种粒子的相互作用中， 动量守恒定律依然成立， Compton 效应与此理论并不矛盾. 在光电效应中由于电子的电磁质量具有量子性， 所以只有吸收一定频率的光子电子才能逸出.若频率小于该频率， 也不能吸收多个光子使电子逸出， 因为电子吸收一个光子后电磁能不在 其量子态， 这一现象用现代物理学理论无法解释.电子吸收光子后电磁质量增加， 能级增大. 如果频率进一步增大，多余的电磁能将转化为引力能，使电子具有一定的动能. 光子与电子的一个重要区别： 光子的数目在传播中不守恒.在吸收介质中光子的数目 会减少，而在增益介质（反转介质）中则增加.如果囚禁在反转介质中的光子获得的增益大 雨损耗，就可能产生激光. e +e →γ2 ++ γ ,偶尔也会转化为三个光子， 一对几乎静止的正负电子， 其总能量为2mc .由于动量守恒的要求， 两个光子必定以相同的能量朝相反的方向辐射出来.因此每个光 子的能量为 mc =0.51Mev, 其实它仅为电子的引力能量转化为电磁能量，正负 electric charge 中和电磁质量空间量子形式消失，它们激发的 electric field 的空间结构相互抵 消.根据 bootstrap 关系，所有的基本粒子都是至少由两个基本粒子复合而成的，而且它们 之间的关系是可逆的，其中没有哪一种粒子比其他粒子更优越.就是说，任何一种基本粒子 都能够充当构成多种其他基本粒子的要素. 当π 介子衰变为两个光子时，由于光子的引力 静止质量为 0， 因此π 介子内部蕴藏的全部引力能量被释放出来而转变为光子的电磁质量 的空间量子 形式.在适当条件下，它们还可以从激发 space-time 中获得，例如正负电子对 的产生.Newton 讲： “物体变为光和光变为物体是符合自然进程的， 自然界似乎以转化为乐” . 光电效应说明引力质量和电磁质量可以互相转化，在转化过程中能量不变，满足能 量守恒定律.正如钱学森所言， “光子学是一门和电子学平行的科学， 而不是在电子学之内的 科学”. 6、场 强 叠 加 原 理 的 解 释 因为 electric field 是物质存在的一种形态， 它有特定的运动规律和物质属性， 它和其它带电物质以一定形式发生相互作用，electric field 由光子组成，所以 光子具 有电磁质量， 它的能量可以用 hν 表示， 频率与波长为定值， 相当于带有 electric charge. 由于 electric charge 的电磁质量有正负之分，因此光子的电磁质量也有正负之分，即正 负 electric charge 辐射的光子应该不同，光子的频率也应当存在正负，这样就可以解释0 0 2光子发射的原因， 自然界不存在静止的光子.量子场论 需要把场论分解成正频和负频两部分. 前者沿时间前进方向传播，而后者向后传播 . 由于正 electric charge 与负 electriccharge 都是能量存在的方式， 因此正 electric charge 激发或者辐射的光子为负光子， 负 electric charge 激发或者辐射的光子为正光子， electric field 可以脱离 electriccharge 而独立存在， electric charge 的电磁质量与 electric field 的能量应当相互影响. 根据 QED 理论，电磁力解释为光子的交换.两个 electric charge 位于距离为 r 的 A、 B 两点，由静止开始作加速运动，两个 electric charge 分别辐射以保持电磁质量不变， 由于做加速运动，产生引力场，空间曲率变大，引力质量增加，引力能量增加.根据能量最 低原理可知，异种 electric charge 互相吸引，同种 electric charge 互相排斥 . 正electric charge 在负 electric charge 形成的 electric field 中加速运动， 能级增加， 辐 射 electromagnetic electromagnetic electric field ； 反 之 依 然 . 减 速 运 动 时 ， 能 级 降 低 ， 应 该 吸 收field 以保持电磁质量不变 .正光子与负光子互为反粒子，所以同种 field 加 强 ， 异 种 electric charge 形 成 的charge 形 成 的 electricelectricfield 减弱，把 electric charge 的相互作用归结光子的相互作用，这也符合靴 袢理论. 笔者认为能量最低原理可能是自然界的一个基本规律， 例如普氏耗散结构的建立， 使人 们对自然界产生了一种新的认识， 这就是当一个系统处于平衡态附近时， 其发展过程主要表 现为趋向平衡并伴随着熵增加（即无序度的增加——能量最低状态）和结构的破坏.可是当 系统在远离平衡的条件下，如果系统是开放的且又与外界有能量、物质的交换，其发展过程 可以经过突变而产生新结构并达到新的有序状态——能量最低状态.能量最低原理的背后是 熵定律，偏离稳定状态就是偏离熵最大的状态，使用“基态”这个名词更好. 光子是组成 electric charge， 但是 quantity22field 的基本粒子，具有电磁质量，相当于带有 electric electricity 极小， 例如γ 光子的电磁质量仅相当于电子的电of磁质量的 2.04×10 分之一，因此在 electric field 中观察不到光子的电磁质量，与现代 物理学的实验并不矛盾， 但是高频率的光子在强 electric field 中运动光线应当弯曲， 这 一现象可以运用实验验证.宇宙线是由高空射来的带电高能粒子流，其能量的数量级为 105 3——10 MeV ，说明当能量达到一定的数量级时(因为此时高能粒子多)，它的带电性才显现 出来 .electric field 可以脱离 electric charge 而独立存在，那么一个 electriccharge 产生的 electric field 应当对它本身有影响，这可能是带电体的运动速度小于 c 的原因. 7、光的偏振光的偏振是指光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现 象.只有横波才能产生偏振现象，故光的偏振是光的波动性的又一例证.在垂直于传播方向的平面内，包含一切可能方向的横振动，且平均说来任一方向上具有相同的 振幅，这种横振动对称于传播方向的光称为自然光（非偏振光）.凡其振动失去这种 对称性的光统称偏振光.偏振光包括如下几种： （1）线偏振光，在光的传播过程中， 只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平 面偏振光）.（2）部分偏振光，光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的 振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏 振光.自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成.（3）椭圆 偏振光，在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电 矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光.迎着光线方向看，凡电矢量顺 时针旋转的称右旋椭圆偏振光， 凡逆时针旋转的称左旋椭圆偏振光.椭圆偏振光中的 旋转电矢量是由两个频率相同、振动方向互相垂直、有固定相位差的电矢量振动合 成的结果.（4）圆偏振光，旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏 振光的特殊情形. 人们利用光的偏振现象发明了立体电影， 照相技术中用于消除不必要的反射光或散射光.光在晶体中的传播与偏振现象密切相关， 利用偏振现象 可了解晶体的光学特性，制造用于测量的光学器件，以及提供诸如岩矿鉴定、光测 弹性及激光调制等技术手段.下面是梁显隆、 梁建中先生的分析——（1） 、自然光 把一个左旋光量子的波长等分 4 段，迎着光传播的方向看，在 0 到 λ /4 区段内的光矢 量是在第 I 象限从 0 →90 变化;在 λ /4 到 λ /2 区段内的光矢量是在第 II 象限从 90 →180 ; 在 λ /2 到 λ 3/4 区段内的光矢量是在第 III 象限从 180 →270 ;在 λ 3/4 到 λ 区段内的光 矢量是在第 IV 象限从 270 →360 (见图 1).0 0 0 0 0 0 0 0图1（2） 偏振光 调整偏振片的光轴，使自然光中光矢量在 I,III 象限上的亚光量子全部通过偏振片,则 II,IV 象限上的亚光量子全部被偏振片吸收(见图 2).图2 （3）偏振光经检偏器后光振幅的变化规律(马吕斯定律) 当起偏器与检偏器光轴之间的夹角为 θ 时，在第 I，III 象限内由两坐标轴 x，x’所 围区域内的亚光量子被检偏器所吸收，所以通过检偏器的亚光量子是在第 I，III 象限内由 两坐标轴 x’,y 所围区域内的亚光量子(见图 3).图3光振幅是指在光量子的一个周期内落在屏幕某一点上的亚光量子数总和， 不难发现， 求 解偏振光的光振幅问题可以转化为计算圆面积或扇形面积的问题. 设圆面积为 2S，由两坐标轴 x’,y 所围区域的面积 S1 等于 2 倍的扇形面积 Syox’，而扇 形面积 Syox’等于扇形面积 Syox 减去扇形面积 Sxox’，根据扇形面积=园面积*θ /360 可得到： S1=2*Syox’ =2*( Syox - Sxox’) =2*[S/2-(2S*θ /360 )] =S*(1-θ /90 )0 0 0令 A0 等于光通过起偏器后偏振光的振幅，A1 等于偏振光经过检偏器后的光振幅. 则: A1= A0 * (1-θ /90 ) 当 θ 等于 0 时，A1= A0，透过检偏器的光振幅最大，视场最强；当 θ 等于 90 时，A1= 0， 视场最弱,通过检偏器的亚光量子数为 0，当 θ 等于 45 时，A1= A0/2，透过检偏器的光振幅 等于入射偏振光振幅的一半. （4） 、偏振光通过晶片后的变化规律 当一束线偏振光垂直入射于厚度为 d 且其光轴平行于表面的晶体薄片， 并使入射偏振光 的偏振化方向恰与晶体薄片的主截面夹角为 45 .入射的线偏振光进入晶体后， 被分解为相互 垂直的沿同一方向传播的 o 光与 e 光， 由于 o， e 两光在晶体中行进的速率不同,当从晶体的 另一个表面出射时两光间的光程差 δ =(no-ne)d，两光的夹角 Δ Ф =2π (no-ne)d/λ . 当 o 光与 e 光通过晶片后所形成的光程差 δ =(no-ne)d=λ κ 时，从晶片射出的 o，e 两 光的光矢量为相互垂直的相干光，合成后的光矢量端点轨迹是沿 45 →135 ，225 →315 顺时 针变化的线偏振光(见图 4).0 0 0 0 0 0 0 0 0图4 当 o 光与 e 光通过晶片后所形成的光程差 δ =(no-ne)d=λ κ +λ /8 时，透射出的光为偏 振 光 其 光 矢 量 端 点 轨 迹 是 沿 67.5 →112.5 ， 45 →90 ， 270 →315 ， 247.5 →292.5 ， 225 →270 ，90 →135 的顺序交错变化(见图 5).0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0图5 当 o 光与 e 光通过晶片后所形成的光程差 δ =(no-ne)d=λ κ +λ /4 时， 从晶片射出的 o， e 两光为非相干光，透射出的光矢量端点的轨迹是沿着 0 →90 ，270 →360 ，180 →270 ， 90 →180 的顺序交错变化(见图 6).0 0 0 0 0 0 0 0图6当 o 光与 e 光通过晶片后所形成的光程差 δ =(no-ne)d=λ κ +λ 3/8 时， 从晶片透射出的 光 为 偏 振 光 其 光 矢 量 端 点 轨 迹 是 沿 0 →45 ， 337.5 →22.5 ， 315 →0 ， 180 →225 ， 157.5 →202.5 ，135 →180 的顺序交错变化(见图 7).0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0图7当 o 光与 e 光通过晶片后所形成的光程差 δ =(no-ne)d=λ κ +λ /2 时， 从晶片射出的 o， e 两光的光矢量为相互垂直的相干光， 合成后光矢量端点的轨迹是沿着 315 →45 ， 135 →225 顺时针变化的偏振光(见图 8).0 0 0 0图8当 o 光与 e 光通过晶片后所形成的光程差 δ =(no-ne)d=λ κ +λ 5/8 时， 从晶片透射出的 光矢量端点的轨迹是沿着 337.5 →22.5 ，45 →135 ，157.5 →202.5 ，225 →315 顺时针变 化(见图 9).0 0 0 0 0 0 0 0图9 当 o 光与 e 光通过晶片后所形成的光程差 δ =(no-ne)d=κ λ +λ 3/4 时， 从晶片透射出的 光矢量端点的轨迹是沿着 0 →90 →180 →270 →360 顺时针变化的圆偏振光(见图 10).0 0 0 0 0图 10 当 o 光与 e 光通过晶片后所形成的光程差 δ =(no-ne)d= κ λ +λ 7/8 时，从晶片透射出 的光矢量端点的轨迹是沿着 315 →45 ，67.5 →112.5 ，135 →225 ，247.5 →292.5 顺时针 变化(见图 11).0 0 0 0 0 0 0 0图 11 8、磁光效应 磁光效应是指处于磁化状态的物质与光之间发生相互作用而引起的各种光学现象.包 括法拉第效应、 克尔磁光效应、 塞曼效应和科顿-穆顿效应等.这些效应均起源于物质的磁化， 反映了光与物质磁性间的联系.笔者认为这些磁光效应实验进一步说明光子具有电磁质量. （一） 、 “法拉第效应” 1845 年 M.法拉第发现，当线偏振光在介质中传播时，若在平行于光的传播方向上加一 强磁场，则光振动方向将发生偏转，偏转角度 ψ 与磁感应强度 B 和光穿越介质的长度 l 的 乘积成正比，即 ψ ＝VBl，比例系数 V 称为费尔德常数，与介质性质及光波频率有关.偏转 方向取决于介质性质和磁场方向.上述现象称为法拉第效应或磁致旋光效应.该效应可用来 分析碳氢化合物，因每种碳氢化合物有各自的磁致旋光特性；在光谱研究中，可借以得到关 于激发能级的有关知识；在激光技术中可用来隔离反射光，也可作为调制光波的手段. 因为磁场下电子的运动总附加有右旋的拉穆尔进动﹐当光的传播方向相反时﹐偏振面 旋转角方向不倒转﹐所以法拉第效应是非互易效应.这种非互易的本质在微波和光的通信中 是很重要的.许多微波﹑光的隔离器﹑环行器﹑开关就是用旋转角大的磁性材料制作的. “法拉第是很熟悉借助于偏振光来研究产生在透明固体中的协变的方法的.他作了许多 实验，希望发现偏振光在通过内部存在着电解导电或介电感应的媒质时所受到的某种作用. 然而他并没有能找到任何这种作用， 尽管实验是用按照最适宜发现拉力的效应的方式装置起 来的－－电力或电流和光线相垂直，并和偏振平面成 45 度角.法拉第用各种方式改变了实 验，但是没有发现由电解电流或静电感应引起的对光的任何作用. 然而他在确立光和磁之间的关系方面却取得了成功， 而他作到这一点的那些实验则描述 在他的《实验研究》的第十九组中.我们将把法拉第的发现取作我们有关磁的本性的进一步 探索的出发点.从而我们将描述一下他所观察到的现象 .一条平面偏振的光线从一种透明的 抗磁性媒质中通过；当从媒质中出来时，用一个检偏器截断它的路程，以测定它的偏振面.然后加上一个磁力，使透明媒质中的磁力方向和光线的方向相重合.于是光立即重新出现， 但是如果把检偏器转过某一角度，光就又被截断.这就表明，磁力的效应就是使偏振面以光 线方向为轴而转过一个确定的角度， 这个角度为了截断光线而必须使检偏器转过的那个角度 来描述.偏振面转过的角度和下列各量成正比： （1） 光线在媒质中超过的距离.因此偏振面是 从它的原始位置开始而连续变化的.（2）磁力在光线方向上的分量.（3）转动角的大小依赖 于媒质的种类.当媒质是空气或任何其他气体时， 还没有观察到任何的转动.这三点说法被包 括在一个更普遍的叙述中， 那就是， 旋转角在数值上等于光线从进入媒质的一点到离开媒质 的一点的矢势增量乘以一个系数，而对抗磁性媒质来说，这个系数通常是正的. 在抗磁性物质中，偏振面被转向的方向（一般说来）和一个电流的正方向相同，那个电 流就是为了产生和实际存在的磁力同方向的磁力而必须绕着光线运行的.然而外尔代特却发 现，在某些铁磁性媒质中，例如在一种高氯化铁在木精或乙醚的浓溶液中，旋转方向却和将 会产生磁力的电流运行方向相反.这就表明，铁磁性物质和抗磁性物质的区别不仅仅起源于 “磁导率”在前一事例中大于而在后一事例中小于空气的磁导率， 而这两类物体确实性质相 反. 一种物质在磁力作用下获得的使光的偏振面发生施转的能力， 并不是恰好正比于它的抗 磁的或铁磁的磁化率.事实上，抗磁性物质中的旋转为正而铁磁性物质中的旋转为负这一法 则.是有例外情况的，因为中性的铬酸钾是抗磁性的，但它却引起负旋转. 也存在另外一些物质， 他们不依赖于磁力的施加就能在光线通过物质时使偏振面向左或 向右旋转.在某些这种物质中， 性质依赖于一个轴， 例如在石英的事例中就是如此.在另一些 物质中，性质并不依赖于光线在媒质中的方向，例如在松节油、糖溶液等等中就是如此.然 而， 在所有这些物质中， 如果任何一条光线的偏振面在媒质中是像一个右手螺旋那样地扭转 的，则当光线沿相反方向通过媒质时偏振面仍将像右手螺旋似的扭转.当把媒质放在光线的 路程上时， 观察者为了截断光线就必须旋转他的检偏器， 而不论光线是从南或从北向他射来， 旋转的方向相对于观察者来说都是相同的.当光线的方向反向时，旋转在空间中的方向当然 也会反向.但是当旋转是由磁作用引起的时，它在空间中的方向却不论光是向南还是向北传 播都是相同的.如果媒质属于正类，则旋转方向总是和产生或将会产生实际的磁场状态的电 流的方向相同，而如果媒质属于负类则旋转方向总是和该电流的方向相反.由此可以推知， 如果光线在从北向南通过了媒质以后受到一个镜面的反射而从南向北返回媒质中， 则当旋转 是由磁作用引起的时， 旋转就会加倍.当旋转只依赖于媒质的种类 （而不依赖于光线的方向） ， 就像在松节油等等中那样时， 光线在被反射而回到媒质中再从媒质中出来时， 它的偏振将是入射时在相同的平面上的，第一次通过时的旋转将在第二次通过时被恰好倒了回来.现象的 物质解释带来了相当大的困难.不论是在磁致旋转方向，还是在某些媒质的表现方面，这些 困难还几乎不能说已经解决.然而我们可以通过分析已经观察到的事实来给一种解释作些准 备. 运动学中的一个众所周知的定理就是，两个振幅相同、振动周期相同、在同一平面上但 沿相反方向转运的匀速圆周振动，当合成在一起时是和一个直线振动相等价的.这一振动的 周期等于圆周振动的周期， 它的振幅等于圆周振动的振幅的两部， 它的方向是两个点的连线， 那就是在同一圆周上沿不同方向描述圆周运动的两个质点即将相遇的两个点.因此，如果一 个圆周运动的周相被加速， 则直线振动的方向将沿着圆周运动的方向转过一个等于周相加速 度的二分之一的角.也可以通过直接的光学实验来证明，两条沿相反方向而圆偏振的强度相 同的光线，当合并在一起时就变成一条平面