五、光的物理本質(zhì)

五、光的物理本Einstein說：“整整50年有意識的思考，還沒有使我更接近光量子是什么的答案，當(dāng)今許多人認(rèn)為他們知道答案了，其實(shí)他們是欺騙自己。我堅(jiān)定地相信，有人會找到比我的命運(yùn)所能找到的一種更加符合實(shí)在論的方法，說得妥當(dāng)點(diǎn)兒，是一種明確的基礎(chǔ)?！毙碌目茖W(xué)體系的誕生無不是在固有體系的基礎(chǔ)上，根據(jù)當(dāng)時(shí)所了解的知識，理想化出一系列基本理論，并在這些基本理論基礎(chǔ)上發(fā)展出來整個(gè)體系。但沒有人能保證這些基本理論始終有效。當(dāng)我們學(xué)習(xí)這些科學(xué)體系時(shí)，對權(quán)威的崇拜，對這些科學(xué)體系魅力的迷戀，對整個(gè)科學(xué)體系坍塌的恐懼使得我們的自由意志與既有結(jié)論或權(quán)威對立時(shí)，我們的第一個(gè)反應(yīng)就是逃避。而作為科學(xué)基本的態(tài)度和精神的懷疑與批判，則早已被我們置之于腦后。逐漸地，我們就把這些基本理論看成神圣不可侵犯的"公理"，即使它們已經(jīng)不合時(shí)宜。（一）光可以旋轉(zhuǎn)和具有角動量早在20世紀(jì)初，人們就已經(jīng)有了圓偏振光能夠輸運(yùn)角動量以致弓I起旋轉(zhuǎn)的概念。坡印亭(J.H.Poynting)于1909年將光與力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行類比后，認(rèn)為圓偏振光具有角動量。5年后，愛潑斯坦(P.S.Epstein)通過計(jì)算波作用在各向異性介質(zhì)中感應(yīng)電偶極子上的力，精確地得到引起旋轉(zhuǎn)的力偶。如果假設(shè)引起光偏振的系統(tǒng)由波和起偏晶片組成，這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)然應(yīng)符合角動量守恒這一普遍規(guī)律，所以，必須承認(rèn)電磁波也具有角動量，而且它的變化與晶片的角動量變化相反。具體地說，光有三類：不旋轉(zhuǎn)的、左向旋轉(zhuǎn)的和右向旋轉(zhuǎn)的光。1936年，首先是美國人貝S(Beth)，緊接著美國人霍爾朋(Holbourn)從實(shí)驗(yàn)上證明了上述結(jié)論的正確性。他們設(shè)計(jì)了一個(gè)圓筒型的暗箱，用一根極細(xì)的石英絲將一系列的波片和平面鏡懸掛在暗箱中。將一束圓偏振光射入暗箱，結(jié)果發(fā)現(xiàn)波片發(fā)生了偏轉(zhuǎn)。上述實(shí)驗(yàn)雖然驗(yàn)證了光線具有角動量，但是由于可見光和近紅外光的頻率大于1014赫，所以合力矩極小。即使在實(shí)驗(yàn)中采用扭轉(zhuǎn)系數(shù)很小的扭絲，如石英細(xì)絲，這個(gè)偏轉(zhuǎn)角也只不10-3弧度。對這么小的變化進(jìn)行定量測量，在當(dāng)時(shí)幾乎是不可能的。增大作用力矩的有效辦法之一就是增大光線的波長，也就是必須提供頻率相對低的電磁波。20世紀(jì)40年代，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，射頻波成為了理想的光源。它的波長要比我們眼睛能看到的可見光波長要大上千倍，作為有別于以前的新光源相當(dāng)理想。意大利科學(xué)家卡拉拉(Carrara)于1949年利用射頻波很容易地完成了定量測量光角動量的實(shí)驗(yàn)，他采用的裝置類似于貝思的，只不過將波片替換成能吸收射頻波的器件。當(dāng)然，我們今天已經(jīng)清楚地知道，光的能量傳播以光子形式進(jìn)行，能量P=hw/2n(h為普朗克常量)，因而它同時(shí)帶有P/w=h/2n的角動量。我們采用右手螺旋法則，定義沿磁場方向右手旋進(jìn)的光為+偏振，反之為-偏振，角動量為零的是n線偏振光。而在當(dāng)初，得到這樣定量的結(jié)果相當(dāng)不容易。光具有角動量這一性質(zhì)最終被應(yīng)用于實(shí)際研究中，人們通過它得到原子、分子等的能級結(jié)構(gòu)、能級壽命、電子的組態(tài)、分子的幾何形狀、化學(xué)鍵的性質(zhì)、反應(yīng)動力學(xué)等多方面物質(zhì)結(jié)構(gòu)的知識。（二）光的電磁本質(zhì)威切曼：當(dāng)我們考慮電磁波時(shí)，自然會問，是什么東西在振動。一個(gè)十九世紀(jì)的物理學(xué)家會說，是以太在振動。今天，我們夸張地談到真空，表明我們對波在其中傳播的介質(zhì)缺乏興趣。當(dāng)我們研究電磁波或德布羅意波時(shí)，我們不再提問：是什么樣的東西在真正地振動？【3】Einstein：按照麥克斯韋或任何一種關(guān)于光的波動理論，一個(gè)點(diǎn)光源發(fā)出的一束光的能量，可以分成任意小的部分，連續(xù)地分布在一個(gè)不斷增大的體積之中。阿爾明?赫爾曼：在Einstein看來，物理量尤其是能量的連續(xù)分布，是根本站不住腳的一種虛構(gòu)【4】。Einstein：我們不能從光的波動說中推出為什么光照射在金屬上打出的電子的能量和光的強(qiáng)度無關(guān)。因此，我們就試用其他理論。我們假定單色光是以光速c穿過空間的能量的粒子組成，它們是能量的最小單元，我們把它們叫光量子或光子。簡明不列顛百科全書：波長單一的單色光實(shí)際上并不存在，一定波長的光，總是包含一定的波長范圍。Einstein：各種波長的光有各種不同的光子【5】。注：從波長或頻率不同的光已知就有成百萬種看，hf或光子有成百萬種。從成百萬種光可以互為原料互相轉(zhuǎn)化看，一般的hf或光子不可能是能量的最小單元?？梢圆槊?，只有與單位頻率/，相對應(yīng)的hf'或光子，才是能量的最小單元。唐孝威：包括所有的電磁輻射在內(nèi)的廣義的光，都是光子流【6】。注：光子假說不能回答光為何存在被稱為頻率和波長的現(xiàn)象？為何存在普朗克常數(shù)h和速度常數(shù)c?1951年，Einstein在給貝索的信中寫道：“整整50年的思考，還是沒能讓我更加接近對這個(gè)問題的回答：光量子是什么？”【7】康普頓實(shí)驗(yàn)一年后，Einstein在《柏林日報(bào)》寫了一篇科普文章，其中說道：現(xiàn)在有兩個(gè)光理論，都必不可少，而且，盡管20年來理論物理學(xué)家在這方面付出了巨大的努力，我們今天還是必須承認(rèn)，還沒有發(fā)現(xiàn)它們之間有任何邏輯聯(lián)系【8】1958年，有人改進(jìn)了邁克耳孫?莫雷實(shí)驗(yàn)，得到了“以太風(fēng)”小于地球軌道速度的1/1000的結(jié)論。后來利用穆斯堡爾效應(yīng)，測得“以太風(fēng)"的速度為1.6±2.8米/秒,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于期望值（30公里/秒）。這既是對狹義相對論的驗(yàn)證，也證明根本不存在19世紀(jì)的作為電磁場載體的以太。尤其明顯的是，從宇宙線的探測到高能加速器以及對撞機(jī)的應(yīng)用，幾乎高能物理實(shí)驗(yàn)的各個(gè)方面都要涉及狹義相對論效應(yīng)，可是隨著加速能量的不斷提高，現(xiàn)在已經(jīng)確認(rèn)在小到約為一個(gè)質(zhì)子半徑百分之一的距離內(nèi)，沒有觀測到狹義相對論的破壞。有人進(jìn)行了靜止光子質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)及光速測定的實(shí)驗(yàn)，還有人進(jìn)行了大量有關(guān)運(yùn)動介質(zhì)的電動力學(xué)實(shí)驗(yàn)和直接檢驗(yàn)尺縮鐘慢的相對論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，甚至有人用高速噴氣飛機(jī)上的原子鐘驗(yàn)證運(yùn)動時(shí)鐘變慢的效應(yīng)。所有這些實(shí)驗(yàn)都表明，無論在微觀尺度還是在宏觀尺度，還沒有發(fā)現(xiàn)狹義相對論有破壞的跡象。Einstein:"光子靜止質(zhì)量為零。由于光子以光速行進(jìn)，不可能找到光子的靜止慣性系，所以靜止質(zhì)量一詞嚴(yán)格說來是不適用于光子的。"【2】弱相互作用存在于除光子外所有基本粒子之間的一種短程作用。光子不參與引力相互作用，而參與電磁相互作用，存在于一切帶電粒子或具有磁矩粒子間的電磁相互作用過程中，說明光子的引力靜止質(zhì)量為0，能量由電磁質(zhì)量攜帶，光子能量hv=m電磁c2，光子的電磁動量為m電磁c。現(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為光子不帶電荷是錯(cuò)誤的，只是其電荷的電量非常小，現(xiàn)代物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)觀察不到，筆者認(rèn)為當(dāng)光的強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)，在實(shí)驗(yàn)中一定能夠觀察到?，F(xiàn)代物理學(xué)認(rèn)為：光子奇點(diǎn)帶電….作為創(chuàng)建“量子場論路徑積分”的核心人物費(fèi)曼先生，根據(jù)這個(gè)理論，認(rèn)為兩個(gè)靜電荷之間的相互作用的傳遞過程是交換虛光子來完成的，可用費(fèi)曼圖形象地表示。1:假如說電磁場交換的光子。目前的實(shí)驗(yàn)上限是5X10-30電子的電量?，F(xiàn)代光學(xué)認(rèn)為，至少在介質(zhì)中，可以看作光子帶上等效電量和靜止質(zhì)量，建立一個(gè)等效的描述理論。如果光子呈現(xiàn)電中性，那么它是如何表現(xiàn)為的，其動量也有確定的方向，為何能表現(xiàn)排斥和吸引的性質(zhì)呢？其動力學(xué)的基礎(chǔ)是什么？2：靜電場是與時(shí)間無關(guān)的。假如如量子力學(xué)理論所云：他們的作用是通過交換光子產(chǎn)生。則要求光子在所有的方向發(fā)射光子，同時(shí)在無窮大的時(shí)間內(nèi)不停地發(fā)射光子。場本身是如何保持穩(wěn)定，物質(zhì)與場構(gòu)成的系統(tǒng)是如何保持能量守恒的呢？光子帶微弱電量的話應(yīng)該引起有相應(yīng)的電磁場的變化量，即如果有電量的話必然導(dǎo)致有微弱的電流，導(dǎo)致存在一個(gè)磁場，如果是大功率激光的話，其磁場效應(yīng)就更加明顯。但實(shí)際上到目前為止，沒有這方面的實(shí)驗(yàn)證據(jù)加以證實(shí)。各種觀察和試驗(yàn)表明，光子的穩(wěn)定時(shí)間至少在1033年（筆者注：因?yàn)殡姶刨|(zhì)量沒有時(shí)間，所以穩(wěn)定時(shí)間為無窮大），這也說明了上面觀點(diǎn)的正確性。由于光子的衰變是根據(jù)Heisenberg的測不準(zhǔn)原理得到，因此測不準(zhǔn)原理具有一定的局限性。由于光只具有電磁質(zhì)量，與引力質(zhì)量沒有相互作用，因此不能把電磁擾動看成ether介質(zhì)的擾動，光波沒有縱波，也不存在ether的切變模量極其大。物體在空間運(yùn)動自如，得不出ether的密度極其小。由于光只具有電磁質(zhì)量，因此光是electromagneticfield的一種，光學(xué)是電磁學(xué)的一個(gè)分支，Maxwell的觀點(diǎn)是正確的。引力紅移的本質(zhì)在于是引力場強(qiáng)的地方時(shí)鐘運(yùn)動慢，在引力場中觀察光子的頻率減小，與光子是否具有引力質(zhì)量無關(guān)。在阿貝爾規(guī)范場理論中，電磁場稱為規(guī)范場，它的量子，即光子，成為規(guī)范粒子。帶電粒子間的相互作用是通過交換規(guī)范粒子來實(shí)現(xiàn)的。Maxwell方程描寫了在物質(zhì)場（通過電流）的作用下電磁場的運(yùn)動規(guī)律，而局域規(guī)范不變的狄拉克方程描寫了在電磁場作用下物質(zhì)場的運(yùn)動規(guī)律。兩個(gè)方程在局域規(guī)范變換下都保持不變。利用阿貝爾局域規(guī)范不變性，可以唯一地確定滿足各種運(yùn)動方程的帶電粒子與電磁場的相互作用形式。它的正確性已得到實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)。注意到規(guī)范粒子的質(zhì)量項(xiàng)m2ApA不滿足局域規(guī)范不變性，因M此在嚴(yán)格規(guī)范不變的局域規(guī)范場理論中，規(guī)范粒子一定是零引力質(zhì)量，只具有電磁質(zhì)量。根據(jù)新南威爾士大學(xué)天文學(xué)家約翰.韋伯收集到的有關(guān)數(shù)據(jù)，一個(gè)距地球120億光年的類星體發(fā)出的光，在到達(dá)地球的過程中從星云中吸收了錯(cuò)誤類型的光子，但是根據(jù)現(xiàn)代物理的理論，它是不可能吸收這種類型的光子的。悉尼麥加里大學(xué)的理論物理學(xué)家戴維斯認(rèn)為，造成這種現(xiàn)象的原因可能有兩個(gè)方面：電子的電荷發(fā)生了變化或者光速不恒定，筆者認(rèn)為電子在到達(dá)地球的過程中由于輻射了光子，中間電荷發(fā)生了變化，因此從星云中吸收了錯(cuò)誤類型的光子，進(jìn)一步說明了光子具有電磁質(zhì)量。根據(jù)現(xiàn)代的光學(xué)理論，在入射點(diǎn)處，即使是全反射，在折射律的介質(zhì)中也有電磁場的存在，不過是以exp（-2izp/入）的形式衰減。1959年，龐德與瑞布卡在哈佛塔做了一個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)。他們把發(fā)射14.4kev伽瑪光子的57鉆(Co)放射源放在塔頂，而在塔底測量它射來的伽瑪光子頻率y'，比較它與原頻率Y的差別。他們的測量結(jié)果是Y廣=(2.57±0.26)X10-15,這表明，光子在光傳播媒介物質(zhì)中表現(xiàn)出來的振動頻率是由光子具有的絕對能量決定。G.B.West測量出2ev的光子帶電約10-i6e;GL.Grodins測量出140ev的光子帶電約10-i5e.歷史上對彗尾的尾巴現(xiàn)象解釋首先是光壓說，但是近代物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)光根本不具有如此威力，甚至光是否存在壓力都受到了人們的懷疑，軍事專家的觀點(diǎn)更支持我們，《軍事學(xué)教程》中言：“激光武器的特點(diǎn)：不產(chǎn)生后坐力，是一種無慣性武器。”近代實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)原子核向外發(fā)射出能量極高的Y光子時(shí)并不做反沖運(yùn)動(近代理論認(rèn)為能量越大的光子其動量越大)。我們應(yīng)該懷疑麥克斯韋所預(yù)言的光壓了。經(jīng)典物理后來又轉(zhuǎn)用太陽風(fēng)來解釋彗尾，但目前的研究發(fā)現(xiàn)，地球外的宇宙射線是各向同性的，來源于太陽方向上是宇宙射線并不比其他方向上是多，而且宇宙射線來源于那里至今仍是個(gè)迷，后來人們發(fā)現(xiàn)宇宙射線中有一些“低能質(zhì)子”的多少與太陽黑子活動存在某種聯(lián)系，于是認(rèn)為“低能質(zhì)子”就是太陽風(fēng)，但仍然存在兩個(gè)困難，一是“低能質(zhì)子”也是各向同性的，二是我們還不清楚是“低能質(zhì)子”的變化引起太陽黑子活動呢還是太陽黑子活動引起“低能質(zhì)子”的變化。江西贛南師范學(xué)院呂家鴻教授用自己的研究證明，用絕對空間加時(shí)間的傳統(tǒng)方法，可以充分準(zhǔn)確地表述廣義相對論的全部成果，結(jié)果不帶根式，比傳統(tǒng)的帶根式的做法更方便、更直觀。我國學(xué)者章均豪、付昱華等人，也曾用平直空間表述廣義相對論結(jié)論并取得一定進(jìn)展。用平直空間表述廣義相對論的內(nèi)容，和傳統(tǒng)的彎曲空間方法相比，用哪種空間表述力學(xué)理論，僅僅是形式問題，而不是本質(zhì)問題。時(shí)間、空間既然不是單獨(dú)的存在，僅僅是形式，它們也就不可能有彎曲和平直之分。空間無大小，時(shí)間無快慢，是時(shí)空的基本屬性。所謂彎和直，都只是數(shù)學(xué)家在觀念形態(tài)上的需要，這不是對現(xiàn)實(shí)世界的強(qiáng)制法。由于space-time是彎曲的，光子是自由粒子，其運(yùn)動軌跡是測地線一一體總是沿著四維空間——時(shí)間的直線走，與光子有無引力質(zhì)量無關(guān)，因此光線彎曲是自然的，光線在天體附近的彎曲是由于引力質(zhì)量引起空間的彎曲，進(jìn)一步驗(yàn)證了廣義相對論的正確。費(fèi)馬原理應(yīng)當(dāng)是這一現(xiàn)象的表現(xiàn)形式，根據(jù)最小作用原理，此時(shí)的總阻力最小為0。為了對光的反射行為有更深刻的理解，費(fèi)馬提出了一個(gè)相當(dāng)神秘的原理，被稱著費(fèi)馬原理。這個(gè)原理說，光所選擇的是使它到達(dá)目的地所花時(shí)間最短的那條路徑。在這一基本思路的引導(dǎo)下，經(jīng)莫培督及拉格朗日等人的努力，拓寬視野融入經(jīng)典力學(xué)，形成“最小作用量原理”并上升為普遍的“自然經(jīng)濟(jì)原理”。在今天作用量原理已經(jīng)對阿?熱等基礎(chǔ)理論物理學(xué)家們產(chǎn)生了深刻的影響，他們堅(jiān)信自然的終極設(shè)計(jì)用到了簡潔質(zhì)樸的作用量原理。Cassini飛船在其飛向土星的旅程中，它的軌道被太陽所偏轉(zhuǎn)的狀態(tài)已被測控的無線電波所測定，這又一次證實(shí)了Einstein廣義相對論中關(guān)于space-time結(jié)構(gòu)的論斷。現(xiàn)在意大利位于三地(Pavia,Rome,Bologna)的三所大學(xué)以Berotti為首的科學(xué)家們，細(xì)致地核對了由Cassini飛船發(fā)回的無線電數(shù)據(jù)，并發(fā)現(xiàn)光波軌道的偏轉(zhuǎn)完全符合廣義相對論的規(guī)范理論。同時(shí)他們宣稱，他們的測量儀器已達(dá)到非常靈敏的程度，可為其他引力模型提供精確的測試?！?】龐德(R?V..Pound)與瑞布卡(G.A.Rebka)哈佛塔的著名實(shí)驗(yàn)證明了引力場可以使光子產(chǎn)生藍(lán)移。從而間接地證明了Einstein廣義相對論的引力紅移的存在。這個(gè)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用光子在地面重力場中的能量守恒關(guān)系得出gh.方程V"o(1*占).其中v0是光子在塔頂?shù)念l率，v是光子經(jīng)過重力場后到達(dá)塔底的頻率，h為塔高，g為重力加速度。從上式可以看出光子頻率的變化與它在引力場中運(yùn)動的距離有關(guān)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，假設(shè)我們在塔頂與地面之間設(shè)定幾個(gè)不同的測量點(diǎn)，根據(jù)上式，光子在這些不同的點(diǎn)上應(yīng)當(dāng)有不同的頻率。我們做一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，我們把測量間距變到一個(gè)波長的大小，那么，根據(jù)上式，光子每越過一個(gè)波長就應(yīng)當(dāng)有一個(gè)不同的頻率，根據(jù)普朗克諧振子理論這個(gè)光子就應(yīng)當(dāng)有一個(gè)不同的能量。從哈佛塔實(shí)驗(yàn)還可以看到，光子只有從引力勢小的空間向引力勢大的空間運(yùn)動才可能發(fā)生紅移。從力學(xué)角度看，引力場自身不存在做負(fù)功的能力，換句話說，光子的紅移不可能是引力場作用的結(jié)果。那么作為廣義相對論的一個(gè)理論結(jié)果一引力紅移又是怎樣來的呢？筆者認(rèn)為這是時(shí)空平權(quán)理論的體現(xiàn)，因?yàn)橐菪〉牡胤綍r(shí)空彎曲程度大。由于光子不具有引力質(zhì)量，因此光子space-time屬性，它在絕對space-time中靜止，在相對space-time中以光速運(yùn)動。e-+e+fY+Y,偶爾也會轉(zhuǎn)化為三個(gè)光子，一對幾乎靜止的正負(fù)電子，其總能量為2皿。2。由于動量守恒的要求，兩個(gè)光子必定以相同的能量朝相反的方向輻射出來。因此每個(gè)光子的能量為mc2=0?51Mev其實(shí)它僅為電子的引力能量轉(zhuǎn)化為電磁能量，正負(fù)electriccharge中和電磁質(zhì)量空間量子形式消失，它們激發(fā)的electricfield的空間結(jié)構(gòu)相互抵消。根據(jù)bootstrap關(guān)系，所有的基本粒子都是至少由兩個(gè)基本粒子復(fù)合而成的，而且它們之間的關(guān)系是可逆的，其中沒有哪一種粒子比其他粒子更優(yōu)越。就是說，任何一種基本粒子都能夠充當(dāng)構(gòu)成多種其他基本粒子的要素。當(dāng)n0介子衰變?yōu)閮蓚€(gè)光子時(shí)，由于光子的引力靜止質(zhì)量為0，因此n0介子內(nèi)部蘊(yùn)藏的全部引力能量被釋放出來而轉(zhuǎn)變?yōu)楣庾拥碾姶刨|(zhì)量的空間量子形式。在適當(dāng)條件下，它們還可以從激發(fā)space-time中獲得，例如正負(fù)電子對的產(chǎn)生。Newton講：“物體變?yōu)楣夂凸庾優(yōu)槲矬w是符合自然進(jìn)程的，自然界似乎以轉(zhuǎn)化為樂”。在各種粒子的相互作用中，動量守恒定律依然成立，Compton效應(yīng)與此理論并不矛盾。在光電效應(yīng)中由于電子的電磁質(zhì)量具有量子性，所以只有吸收一定頻率的光子電子才能逸出。若頻率小于該頻率，也不能吸收多個(gè)光子使電子逸出，因?yàn)殡娮游找粋€(gè)光子后電磁能不在其量子態(tài)，這一現(xiàn)象用現(xiàn)代物理學(xué)理論無法解釋。電子吸收光子后電磁質(zhì)量增加，能級增大。如果頻率進(jìn)步增大，多余的電磁能將轉(zhuǎn)化為引力能，使電子具有定的動能。光子與電子的特性比較:屬性電子光子宇稱費(fèi)米子玻色子自旋1/21靜止質(zhì)量m00電量e0（注3）速度Vc/nc/n泡利不相容服從速度Vc/nc/n泡利不相容服從不服從原理波函數(shù)標(biāo)量波向量波色散函數(shù)拋物線性線性描述方程薛定諤方程麥克斯韋方程敏感系數(shù)電勢場大小介電常數(shù)波函數(shù)標(biāo)量波向量波色散函數(shù)拋物線性線性描述方程薛定諤方程麥克斯韋方程敏感系數(shù)電勢場大小介電常數(shù)（g）和磁導(dǎo)率（U）自由電子晶體中的電子自由光子晶體中的光子波函數(shù)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h2k2/（2m0）能帶結(jié)構(gòu)En（k）光子能量h3=hkc/g0.5能帶結(jié)構(gòu)En（k）有效質(zhì)量m0m*M或grr（注1）M或grr（注1）速度hk/m*c/n群速度相互作用庫侖力鏡面庫侖無（注2）無（注2）注1：根據(jù)上面的觀點(diǎn)，有效引力質(zhì)量為0,存在有效電磁質(zhì)量；注2：根據(jù)上面的觀點(diǎn)，存在庫侖力，但是非常小。注3：根據(jù)上面的觀點(diǎn)，電量不等于0，但是非常小。光子與電子的一個(gè)重要區(qū)別：光子的數(shù)目在傳播中不守恒。在吸收介質(zhì)中光子的數(shù)目會減少，而在增益介質(zhì)（反轉(zhuǎn)介質(zhì)）中則增加。如果囚禁在反轉(zhuǎn)介質(zhì)中的光子獲得的增益大雨損耗，就可能產(chǎn)生激光。原子核外的電子在核外運(yùn)動沒有確定的軌道的原因之一就是電子吸收光子的頻率大于某一能級的電磁能時(shí)，其中部分電磁能轉(zhuǎn)化為引力能，動能增加導(dǎo)致運(yùn)動半徑增加，因此宏觀物體的運(yùn)動與微觀粒子的運(yùn)動遵循同樣的規(guī)律，微觀粒子遵循統(tǒng)計(jì)規(guī)律是因?yàn)樽饔昧?fù)雜難以運(yùn)用宏觀物體的運(yùn)動規(guī)律描述，“薛定諤貓佯謬”不存在。Heisenberg認(rèn)為：“我相信自然規(guī)律的簡單性具有一種客觀的特征。如果自然界引向極其簡單而美麗的數(shù)學(xué)形式，引向前人

所未見過的形式，我們就不得不認(rèn)為這些形式是真的，認(rèn)為它們是顯示自然界的真正特征。”在Einstein那里，大自然的和諧、統(tǒng)一這種美感，已經(jīng)上升為一種堅(jiān)定的信念，這給他帶來了無窮無盡的探索的力量和智慧。1851年，裴索做了一個(gè)非常巧妙的實(shí)驗(yàn)，irnii如圖2.1,S是光源，M是鍍銀的（即半反射半、透明的）玻片，M1>M2、M3是反射鏡，T是觀察f望遠(yuǎn)鏡，有一個(gè)彎曲的水管，其水平部分內(nèi)部水的流動速度為Virniif進(jìn)水圖2.1從S發(fā)出的光經(jīng)過M時(shí)被分成兩束，一束-被M反射，經(jīng)反射鏡M3、M2、M1.M而到達(dá)T，另一束透過M經(jīng)反射鏡M：、M：、m3再透過M而到達(dá)［T。它們通過管中流水時(shí)，前一束光與水流方向相反，后一束則相同，兩束光在f進(jìn)水圖2.1實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，使水流速度為0，由于兩束光的光程相同，干涉條紋是明亮的。然后使水流速度V逐漸增大，觀察到干涉條紋有明暗交替的變化，這表示光在水流中相反的方向傳播的速度不一樣了，由條紋變化的數(shù)目可以確定在水中傳播的光相對于地球的速度。裴索實(shí)驗(yàn)中測量的在水中傳播的光相對于地球的速度是：（2.4）式中“+”表示光順著水流的情況，“-”表示光逆著水流的情況。其中，f=0.434±0.002，比1小。斐索實(shí)驗(yàn)非常巧妙而精確，它反映出水可以帶動光(說明了水中微弱的電磁場對于光傳播的影響)，然而不能完全帶動光(說明了引力質(zhì)量與電磁質(zhì)量之間沒有相互作用力)。科學(xué)家首次成功地將一個(gè)光脈沖“凍住”了足足1秒鐘的時(shí)間，這是以前最好成績的1000倍。將凍住光束的時(shí)間大大延長，意味著可能據(jù)此找到實(shí)用方法，來制造光計(jì)算機(jī)或量子計(jì)算機(jī)用的存儲設(shè)備。要使光停住腳步，需要一種特殊的陷阱，其中的原子溫度極低，幾乎靜止，以至于每個(gè)原子都有著同樣的量子態(tài)。通常情況下，這樣一團(tuán)凍結(jié)的原子是不透明的，但仔細(xì)校準(zhǔn)后的激光能夠在其中“切割”出一條通道，使得一個(gè)光脈沖從另一方向傳播過來時(shí)，陷阱相對于它來說是透明的。一旦切斷激光，陷阱立刻又變得不透明，光脈沖就被困在陷阱里了?；謴?fù)激光照射，光脈沖將繼續(xù)傳播。陷阱的秘密在于，它并不是普通陷阱困住物體那樣困住光線，而是通過建立“量子沖突”(quantumconflict)來保存住光脈沖的信息。激光和光脈沖對原子的作用是相反的，導(dǎo)致原子發(fā)生“糾纏”，處于兩種量子態(tài)的混合狀態(tài)。切斷激光時(shí)，原子吸收光脈沖，但光脈沖并沒有丟失，原子仍然糾纏在不同量子態(tài)中，光脈沖的信息給它們留下了印記。只要原子不移動或改變，就能完全保有光脈沖的信息。以前的光陷阱只能堅(jiān)持約1毫秒，隨后就由于原子的移動而崩潰了。澳大利亞國立大學(xué)的物理學(xué)家JevonLongdell及其同事利用摻有稀土元素錯(cuò)的硅酸鹽晶體，制造出一個(gè)“超級光陷阱”。由于晶體是固態(tài)的，而錯(cuò)的磁穩(wěn)定性非常好，這個(gè)陷阱保留光脈沖信息的時(shí)間比氣體陷阱或不夠穩(wěn)定的晶體陷阱要長得多?？茖W(xué)家在8月5日的《物理評論通報(bào)》(PRL)上報(bào)告了這一成果。（二）場強(qiáng)疊加原理的解釋靴祥理論認(rèn)為：在兩個(gè)強(qiáng)子的相互作用中，沒有任何粒子表現(xiàn)為單獨(dú)負(fù)責(zé)傳遞這種作用。參加強(qiáng)相互作用的粒子既可以作初、末態(tài)粒子，又可以作為負(fù)責(zé)弓I起相互作用的被交換粒子。這一事實(shí)對描述這類反應(yīng)的散射振幅提供了自恰性約束，并且強(qiáng)子是互為組成部分的。這種相互嵌合的粒子體系是通過“自恰性原理”而組成動力學(xué)系統(tǒng)的。事實(shí)上物質(zhì)世界是不能歸結(jié)為最基本的實(shí)體的，所謂“基本粒子”只是一組向外散射著的關(guān)系，每一個(gè)粒子的行為是由所有其他粒子的行為決定的。因此，其性質(zhì)可由其他粒子的性質(zhì)推導(dǎo)出來。物質(zhì)世界沒有“部分”，只有性質(zhì)?，F(xiàn)代物理學(xué)已經(jīng)把強(qiáng)相互作用與電磁作用統(tǒng)一起來，根據(jù)上面的觀點(diǎn)電磁作用與強(qiáng)相互作用是互為反作用力，所以電磁作用也滿足靴袢理論。力其實(shí)就是信息的最原始的表現(xiàn)形式。這樣不難理解，electriccharge躍遷的能級不同，輻射的光子頻率不同。因?yàn)閑lectricfield是物質(zhì)存在的一種形態(tài)，它有特定的運(yùn)動規(guī)律和物質(zhì)屬性，它和其它帶電物質(zhì)以一定形式發(fā)生相互作用，electricfield由光子組成，所以光子具有電磁質(zhì)量，它的能量可以用hv表示，頻率與波長為定值，相當(dāng)于帶有electricchargeo由于electriccharge的電磁質(zhì)量有正負(fù)之分，因此光子的電磁質(zhì)量也有正負(fù)之分，即正負(fù)electriccharge輻射的光子應(yīng)該不同，光子的頻率也應(yīng)當(dāng)存在正負(fù)，這樣就可以解釋光子發(fā)射的原因，自然界不存在靜止的光子。量子場論需要把場論分解成正頻和負(fù)頻兩部分。前者沿時(shí)間前進(jìn)方向傳播，而后者向后傳播。由于正electriccharge與負(fù)electriccharge都是能量存在的方式，因此正electriccharge激發(fā)或者輻射的光子為負(fù)光子，負(fù)electriccharge激發(fā)或者輻射的光子為正光子，electricfield可以脫離electriccharge而獨(dú)立存在，electriccharge的電磁質(zhì)量與electricfield的能量應(yīng)當(dāng)相互影響。根據(jù)QED理論，電磁力解釋為光子的交換。兩個(gè)electriccharge位于距離為r的A、B兩點(diǎn)，由靜止開始作加速運(yùn)動，兩個(gè)electriccharge分別輻射以保持電磁質(zhì)量不變，由于做加速運(yùn)動，產(chǎn)生引力場，空間曲率變大，引力質(zhì)量增加，引力能量增加。根據(jù)能量最低原理可知，異種electriccharge互相吸引，同種electriccharge互相排斥。正electriccharge在負(fù)electriccharge形成的electricfield中加速運(yùn)動，能級增加，輻射electromagneticfield；反之依然。減速運(yùn)動時(shí)，能級降低，應(yīng)該吸收electromagneticfield以保持電磁質(zhì)量不變。正光子與負(fù)光子互為反粒子，所以同種electriccharge形成的electricfield加強(qiáng)，異種electriccharge形成的electricfield減弱，把electriccharge的相互作用歸結(jié)光子的相互作用，這也符合靴祥理論。筆者認(rèn)為能量最低原理可能是自然界的一個(gè)基本規(guī)律，例如普氏耗散結(jié)構(gòu)的建立，使人們對自然界產(chǎn)生了一種新的認(rèn)識，這就是當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)處于平衡態(tài)附近時(shí)，其發(fā)展過程主要表現(xiàn)為趨向平衡并伴隨著熵增加（即無序度的增加——能量最低狀態(tài)）和結(jié)構(gòu)的破壞。可是當(dāng)系統(tǒng)在遠(yuǎn)離平衡的條件下，如果系統(tǒng)是開放的且又與外界有能量、物質(zhì)的交換，其發(fā)展過程可以經(jīng)過突變而產(chǎn)生新結(jié)構(gòu)并達(dá)到新的有序狀態(tài)一一能量最低狀態(tài)。能量最低原理的背后是熵定律，偏離穩(wěn)定狀態(tài)就是偏離熵最大的狀態(tài)，使用“基態(tài)”這個(gè)名詞更好。光子是組成electricfield的基本粒子，具有電磁質(zhì)量，相當(dāng)于帶有electriccharge，但是quantityofelectricity極小，例如Y光子的電磁質(zhì)量僅相當(dāng)于電子的電磁質(zhì)量的2.04X1022分之一，因此在electricfield中觀察不到光子的電磁質(zhì)量，與現(xiàn)代物理學(xué)的實(shí)驗(yàn)并不矛盾，但是高頻率的光子在強(qiáng)electricfield中運(yùn)動光線應(yīng)當(dāng)彎曲，這一現(xiàn)象可以運(yùn)用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。宇宙線是由高空射來的帶電高能粒子流，其能量的數(shù)量級為103——105MeV，說明當(dāng)能量達(dá)到一定的數(shù)量級時(shí)（因?yàn)榇藭r(shí)高能粒子多），它的帶電性才顯現(xiàn)出來。electricfield可以脫離electriccharge而獨(dú)立存在，那么一個(gè)electriccharge產(chǎn)生的electricfield應(yīng)當(dāng)對它本身有影響，這可能是帶電體的運(yùn)動速度小于1的原因。（三）廣義相對論的紅移危機(jī)的解決章均豪先生認(rèn)為經(jīng)典引力理論是建立在平直space-time基礎(chǔ)上的。牛頓萬有引力公式和牛頓第二定律是經(jīng)引力理論的兩條基本定律。由這兩條定律得到：當(dāng)一個(gè)物體用（例如行星）在另一個(gè)物體財(cái)口（例如太陽）的引力場中運(yùn)動時(shí),引力場引起的能量變化服和引起的角動量變化由分別是1一1),AE=0(1_2)由這兩條公式可以進(jìn)一步推出行星繞太陽運(yùn)動軌跡一橢園運(yùn)動。19世紀(jì)末就已經(jīng)觀察到行星的近日點(diǎn)緩慢移動(或它的橢園軸在緩慢轉(zhuǎn)動)。這是經(jīng)典引力理論所不能解釋的，這一理論面臨極大困難。廣義相對論認(rèn)為：一個(gè)物體使自已周圍space-time彎曲，另一物體在彎曲space-time中沿短程線運(yùn)動，這就是引力的本質(zhì)。由廣義相對論引力場方程和短程線方程，在線性近似下得到另一組方程尸r廣J(1-3)，位。=0(1-4)，這組方程成功解釋了行星近日點(diǎn)的移動。光子經(jīng)過太陽附近時(shí)受到太陽的吸引而改變方向，由(1-3)—(1-4)式求出的光偏折角是牛頓理論預(yù)期值的一倍。實(shí)際觀察結(jié)果是與廣義相對論一致，Einstein取得巨大勝利。隨后人們觀察到從太陽發(fā)出的光線到達(dá)地球時(shí)其頻率由改變?yōu)閂，也岑?^(1-5)，廣義相對論用引力勢場中不同點(diǎn)時(shí)間間隔不同解釋了這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。所以人們認(rèn)為上述三個(gè)經(jīng)典相對論引力實(shí)驗(yàn)支持廣義相對論,并且進(jìn)一步得到space-time是彎曲的結(jié)論。然而根據(jù)Einstein的光子能量w與頻率v的關(guān)系式w=加，(1-5)備一叫吧式實(shí)際上是c2r(1-6)，這個(gè)式子是光紅移實(shí)驗(yàn)結(jié)果的另一種表示形式。它恰好是寸虬…情況下的(1-1)式，而不是廣義相對論所預(yù)期的(1-3)式?；蛘哒f光紅移實(shí)驗(yàn)明確告訴人們，物體在太陽引力場中運(yùn)動時(shí)只有牛頓引力作功。長期以來人們對此迷惑不解。史坦福大學(xué)引力研究小組正式承認(rèn)廣義相對論只得到兩個(gè)半實(shí)驗(yàn)的支持。半個(gè)不支持廣義相對論的實(shí)驗(yàn)就是指(1-6)式與(1-3)式矛盾。半個(gè)不支持廣義相對論的實(shí)驗(yàn)意味著什么呢？光偏折實(shí)驗(yàn)和光紅移實(shí)驗(yàn)都是觀察同一物理過程一光子從太陽到地球的運(yùn)動。因此不可能在兩種觀察中，1一1),AE=0(1_2)由行星近日點(diǎn)的移動和光偏角得出聯(lián)立方程(1-1)-(1-2)是錯(cuò)的，只有這三種可能：(a)品照式錯(cuò)了；(b)AE網(wǎng)式錯(cuò)了；(c)赫花和以網(wǎng)兩式都錯(cuò)了。光紅移實(shí)驗(yàn)告訴人們：函四式?jīng)]有錯(cuò),那么三種可能中只剩下一種可能，渺，式錯(cuò)了。廣義相對論導(dǎo)出的(1-3)、(1-4)兩個(gè)式子恰好相反，把不應(yīng)該改動的(1-1)式改了，而應(yīng)該改動的(1-2)式卻沒改。由于(1-3)—(1-4)式都錯(cuò)，而兩個(gè)錯(cuò)誤產(chǎn)生的效果碰巧互相抵消，導(dǎo)出一個(gè)與實(shí)驗(yàn)一致的行星近日點(diǎn)的移動和光偏角結(jié)果，這點(diǎn)正是使人迷惑之處。無論如何，廣義相對論解釋行星近日點(diǎn)移動和光偏折的一個(gè)前提(1-3)式已被另一個(gè)實(shí)驗(yàn)(光紅移)否定了，這種解釋就不是本質(zhì)的。這樣本質(zhì)上廣義相對論將只得到這三個(gè)實(shí)驗(yàn)中半個(gè)實(shí)驗(yàn)的支持?？茖W(xué)家把紅移實(shí)驗(yàn)暴露出來的困難稱為廣義相對論的紅移危機(jī)。筆者認(rèn)為廣義相對論是研究引力質(zhì)量的，而光子只具有電磁質(zhì)量，不存在廣義相對論的紅移危機(jī)。角動量反映在基本粒子的自旋方面，同物理學(xué)的三個(gè)方面的內(nèi)容有關(guān)。第一個(gè)是經(jīng)典的轉(zhuǎn)動概念，即作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的物體總是具有角動量；第二個(gè)是角動量量子化。在微觀領(lǐng)域，基本粒子的角動量是量子化的，這里要特別指出的是基本粒子的自旋角動量純粹是粒子的內(nèi)稟屬性，它與粒子的運(yùn)動狀態(tài)毫無關(guān)系。假如用經(jīng)典的轉(zhuǎn)動概念來解釋微觀粒子的自旋，很容易得出如電子表面的切向速度遠(yuǎn)大于光速這樣違背相對論理論的結(jié)論；第三個(gè)是狹義相對論。1927年狄拉克寫下了著名的狄拉克方程，方程表明，自旋乃是帶電粒子的相對論性理論的一個(gè)自然特性。筆者認(rèn)為基本粒子的角動量與其電磁質(zhì)量有關(guān)。量子信息學(xué)告訴人們：量子態(tài)是指原子、中子、質(zhì)子等粒子的狀態(tài)，它可表征粒子的能量、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動、磁場以及其他的物理特性。1993年，美國物理學(xué)家貝尼特等人提出了“量子態(tài)隱形傳輸”的方案，即位將原粒子物理特性的信息發(fā)向遠(yuǎn)處的另一個(gè)粒子，該粒子在接收到這些信息后，會成為原粒子的復(fù)制品。而在此過程中，傳輸?shù)氖窃Ｗ拥牧孔討B(tài)，而不是原粒子本身。傳輸結(jié)束后，原粒子已經(jīng)不具備原來的