汪志民
(上海市東航技術應用研發(fā)中心安全運行研究院 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接地從太陽光中獲得能量,沒有太陽光就沒有我們人類,沒有地球上豐富多彩的生命.
人類對光的探索過程中,有幾次里程碑式的進步:先是蘇格蘭物理學家麥克斯韋推導出了電磁方程組,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(ThomasYoung)的雙縫干涉實驗以及泊松光斑實驗,證明光是一種波.最后愛因斯坦對光電效應的理論解釋,證明光是一種粒子.最終,波動論和粒子論統(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,因此波動論比較好理解,光的粒子特性則需要做個簡單介紹:電子圍繞原子核旋轉,有特定的軌道,電子從高能量軌道躍遷到低能量軌道時,可以發(fā)射出特定頻率的光波,根據光波的頻譜,我們可以確定是什么物質在發(fā)光.同樣,電子在吸收光子后,軌道會向高能級發(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,這就是光電效應.
但是宇宙中除了光以外,所有物質的速度都有相對論效應,唯獨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(無窮多個)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不具備的某種特性.因此我們還需要從總體上對光進行把握,補充一些細節(jié),讓光的模型變得更加豐滿.下面羅列了幾個人們經常碰到的對光的誤解和疑惑.
1.光子有沒有質量?根據質能方程E=MC2,能量就等同于質量,光子有能量就應該有質量.但如果光子有質量,根據狹義相對論,把質量加速到光速,質量會變得無窮大,需要的能量也無窮大,顯然這是不可能的.
2.光子有沒有質量的第二對矛盾:光子如果有質量,在引力場中就會受力,向太陽發(fā)出的光,就會在引力場中加速,光終將會超過光速;從太陽發(fā)出的光,被太陽的引力場拖住,會逐漸減速,光速恒定就不能成立.如果沒有質量,在引力場中不受力,光線通過星體周圍為什么會發(fā)生彎曲和偏轉?
3.面對上述矛盾,有人提出了動質量學說,表示光子靜止時沒有質量,運動起來后才會有質量.動質量到底是什么,為什么找不到這個物理概念?光子的動質量又是何時產生的,到達光速之后才突然有質量的嗎?這與相對論中質量隨速度增大,漸變增大的規(guī)律不符合.如果是加速過程中質量逐漸增大,那光子就有一個加速過程,光子不會一出現(xiàn)就達到了光速.此時,光線已經發(fā)出了,加速的力來自于何處,如果能加速,光速也就不能在真空中保持恒定了.
此外,還有兩個方程可以計算出所謂的“光子質量”,第一個是愛因斯坦的質能方程,該方程表示有能量,就有對應的質量.光子能量E=hv,再根據質能方程E=mc2,代換之后m=hv/c2.看上去沒錯,其實這是對質能方程的錯誤理解,質能方程中的質量m,表示能量本身的等價質量,不是攜帶能量的物體質量(不是攜帶能量的光子質量);第二個方程是光子能量E=hv,再根據動能公式E=1/2mV2,得到m=2hv/V2.二個公式的本質都是把光子的質量聯(lián)系到能量上去,此處的質量含義是光子擁有的能量,可以讓該質量的靜止物體,經過勻加速運動,最終達到V的運動速度,表達的是光子能量做的功.對比上一個公式,兩個質量居然值是不相等的,這不是公式錯了,是兩個質量的含義不同,而且都不適用于光子質量計算.
由此可以看出,光子是沒有質量的,永遠不能在引力場中受力,這樣光速在宇宙真空中,才能不受任何影響地保持恒定.引力場確實可以使光彎曲偏轉,但這不是光子受力的結果,光走的還是直線,光的彎曲只是它通過的時空被引力場彎曲了.
光子既沒有靜質量,也不存在動質量,因此由動質量引申出來的矛盾也就不存在了.
本人認為光子是純能量體,不是質量粒子,虛擬粒子和實體粒子的分類方法用來界定光子是不恰當?shù)?,光子是一種客觀存在的非物質粒子,這個定義比較準確.通常意義上的光是“光波”和“光子”的統(tǒng)稱,光波就是電磁波,就是電場和磁場互相交變向前傳播.光波和光子的關系,用量子的話來講,在不對光波(電磁波)進行觀測時,光就會一直傳播下去,光子也不存在,或者講光子沒有表現(xiàn)出來.一旦進行觀測,概率波塌縮,光子會就出現(xiàn)在觀測它的地方.所以,光子會出現(xiàn)在所有可能出現(xiàn)的地方,這些可能的地方,以及前進的路線,是由光波決定的.光子則是一種非物質粒子,它真實存在,但沒有質量,不是實體物質.
光子的能量被電子吸收后,能量(光子本身)就消失了,因此不會有被吸收掉能量的光子反彈出來.也正因為電子吸收的是純能量,不是任何物質,所以電子和光子合成之后,還是電子,只是能量更高的電子,并不會變成一種新的粒子.
光子是純能量的假說揭開了對光的認識的新篇章,但仍舊有懸而未決的迷題有待探索:相對論公式就是根據光在真空中速度恒定為前提而推導出來的,那為什么光不具有相對性?單獨一個物體不構成速度,必須要有對比,光和什么做對比?光擁有絕對速度,不依賴于任何慣性坐標系,又能和所有的慣性坐標系做對比.這要求我們找出一個絕對參照系,并把這個絕對參照系聯(lián)結到其它的慣性坐標系上.這不是過去的絕對時空的概念,代表絕對時空的以太,早就被證實是不存在的.新的思路已經展現(xiàn)在我們面前,純能量的假說為光模型的建立打開了充分的空間,在此先拋磚引玉,期待早日破解這一迷題.