關于光的本質(zhì)的探討

關于光的本質(zhì)的探討摘要在科學的歷史上，光是什么的問題已經(jīng)爭論了幾百年了，雖然現(xiàn)代科學已經(jīng)給出了結論：光既是波又是粒子。然而，波與粒子是兩種完全不同的概念，光怎么可能既是波又是粒呢？光電效應和康普頓效應并不能證明光是粒子，只能證明光具有粒子性。如果引入光的介質(zhì)，就可以解釋關于光的所有性質(zhì)，而且比學界主流的解釋更加符合實際。光不是由光子組成的，也不是運動的電磁場，光的本質(zhì)就是介質(zhì)中的機械波，與電場和磁場沒有任何的關系。關鍵詞：電磁波，光介質(zhì)，電磁場，光子，麥克斯韋方程引言關于光是什么的問題，大家認同的有兩種答案，一種是波，一種是粒。光到底是波還是粒子？波動派有強大的理論和實驗支持，微粒派也有強大的理論和實驗支持，雙方?jīng)Q定握手言和，得出了最終的結論：光具有波粒二象性，既是波又是粒子。但是，波與粒是兩種完全不同的概念，光只能是其中的一種，怎么可能既是波又是粒呢？光是粒子嗎？光是波，是一定頻率范圍的電磁波，已經(jīng)得到大家的公認，沒有人懷疑，但是光是粒子嗎？證明光是粒子的證據(jù)主要有三個：第一是光電效應，第二是黑體輻射，第三是康普頓散射，但是，這三個證據(jù)都是間接證據(jù)，沒有任何直接的證據(jù)證明光子的存在。光電效應光電效應被主流認定為粒子說的最主要的證據(jù)，是把光想象成由光子組成的，或者說假設光是由一個個的光子構成的。愛因斯坦假設存在光子，并定義一個光子的能量為hf，并提出了一個關系式：Ek=hf-W0（其中h為普朗克常量，f為光的頻率，W0為逸出功，就是電子脫離金屬吸引需要做的功），即愛因斯坦光電效應方程，它可以解釋了許多的現(xiàn)象，為光的粒子說奠定了基礎，并因此獲得了諾貝爾獎。但是，愛因斯坦的光子說并不是無懈可擊的，其原因如下：A、科學發(fā)展到今天，我們?nèi)匀徊恢拦庾邮鞘裁?，晚年的愛因斯坦說過：“整整50年的時間思考，但我還是沒有接近'光子是什么'這個問題的答案?！比绻覀冞B光子是什么都無法回答，如何認定光就是粒子呢？B、光子說的重點是普朗克常數(shù)h和頻率f，而不是粒子的動量，E=hf是粒子說方程還是波動說方程呢？波和粒子是水火不相容的兩個概念，把光看成是粒子，就無法解釋頻率、波長、干涉和衍射現(xiàn)象。事實上，愛因斯坦的光電效應解釋是介于粒子說和波動說之間的解釋，但是，絕對不是粒子說的解釋。愛因斯坦是用頻率和波長來描繪的粒子，表面上是粒子說的解釋，實際是波動說的解釋，但是，我們卻對此視而不見，仍然把光電效應作為光是粒子的證據(jù)。C、光子說無法解釋光電子的運動方向，如果光子說成立，那么，撞擊出的電子應是順著入射光子的方向運動。而事實是：產(chǎn)生的光電子的方向卻是與入射光的方向無關。D、如果光子說成立，那么，光的頻率越高，光子的動能越大，光電效應就應該越易發(fā)生，但是，當入射光的頻率較高時，光電效應反而減弱甚至停止。E、在光子與電子作用時，必須把金屬中的自由電子看作是“束縛電子”，而且光子與電子碰撞時，光子把自己的能量全部傳輸給電子，然后就消失了。黑體輻射黑體輻射的規(guī)律能夠說明光是粒子嗎？我的回答是：不能。關于黑體輻射強度的計算，普朗克使用插值法總結出了一條公式，也即普朗克公式：，為了解釋這個半經(jīng)驗公式，他提出了能量量子化假設：E=hf，但這也僅僅是一種假設，并不能說明光就是粒子，其原因如下：與光電效應一樣，普朗克所提出的能量子也只與光的頻率相關，說明光仍然是波；普朗克假設光是由原子振動產(chǎn)生的，而且是簡諧振動，如果假設微觀粒子的振動規(guī)律符合mωA2=?，波的幅值能量等于hf就能得到很好的解釋；能量只所以是一份一份的，是由于原子的振動方向是隨機變化的，所輻射的能量具有方向性?？灯疹D散射康普頓散射也是作為光子說的主要證據(jù)之一，康普頓用光子說成功地解釋了這種現(xiàn)象。但是，發(fā)生康普頓效應后，光既沒有被加速，也沒有被減速，根本沒有表現(xiàn)出粒子受力改變運動速度的性質(zhì)。無論是在光電效應還是康普頓效應中，決定光的能量的特征物理量都是光的頻率，沒有出現(xiàn)任何代表粒子性的物理量來計算光的能量的數(shù)學式（頻率是描述波的性質(zhì)的物理量）?？灯疹D解釋這個現(xiàn)象時，還提出了如下假設：光子不但具有能量E=hf，還具有動量p=h/λ。碰撞前，電子的能量E=0.5m0c2，動量為0，光子的能量E=hf，動量p=hf/c，碰撞后，電子的能量E=0.5mc2，動量p=mv，光子的能量為E=hf’，動量p=hf’/c。光子與電子的碰撞過程中，能量和動量必須都守恒。D、光子與電子的碰撞過程中，電子和光子的動量和運動方向必須符合圖1所示，或者說，這三個矢量必須符合余弦定理。圖1.光子與電子的碰撞過程E、電子碰撞后的質(zhì)量必須符合相對論：。只有滿足上述所有的假設，才能得出與實驗相符合的結論：，但有些假設是無法驗證的，例如，碰撞過程中，動量及動能是否守恒（在光電效應中，動量不守恒）、電子的動能、電子的動量及方向等。本來是為了證明光是粒子，但卻引入了過多且無法證明的假設。對于光子的猜測光電效應一般用金屬作為實驗材料，將金屬中的自由電子視作“束縛電子”，而在康普頓效應中，卻將石墨甚至石蠟（絕緣）中的“束縛電子”視作“自由電子”。光電效應中，光子的能量全部轉化為電子的能量，即我們熟悉的Ek=hf-W。而在康普頓效應中，光子與電子作彈性碰撞，光子只把部分能量轉移給電子，光子本身的能量和動量都發(fā)生了改變。這兩個實驗原則上應該是相似的，都是光子撞擊電子，但是，解釋是分別進行，也不能互相貫通。都是光子，為何一個只撞擊“自由電子”，另一個只撞擊“束縛電子”？光電效應是光子能量一次性全部給予電子，然后光子完全消失，康普頓效應的光子卻只能將能量部分給予電子，碰撞后光子被分裂，電子為何有時完全吸收光子，有時只是將光子分裂？另外，原子內(nèi)部是十分空曠的，光子是如何擊中電子的？那么，光子到底是什么呢？本文認為：光子是人們假想的粒子，實際并不存在，與晶體中的聲子具有相似性。光波具備粒子的某些特征，與“光是粒子”并不等價，超聲波也具有粒子性，它可以打孔，可以清洗，但我們不能說超聲波是粒子。電磁波是運動的電磁場嗎？電場強度的決定式和畢-薩定理都是正確的電場強度的決定式可表示為：E=kQ/r2，目前為止，還沒有發(fā)現(xiàn)過它有任何的錯誤或存在成立的條件，或者說，它在任何條件下都成立。畢-薩定理可表示為：，也是在任何條件下都成立。這兩個式子可以說明：任何電場的存在，都必須存在電荷，或者說，沒有電荷就沒有電場，任何磁場的存在，都必須有電荷的運動。因此，在沒有電荷的真空中，是絕對不會存在任何電磁場的。麥克斯韋方程的缺陷麥克斯方程是在庫侖定律、畢-薩定律、法拉弟定律的基礎上，是假設以太存在的條件下，用數(shù)學分析的方法組合而成的。A、方程一：安培環(huán)路定律在穩(wěn)恒磁場中，磁感應強度B沿任何閉合路徑的線積分，等于這閉合路徑所包圍的各個電流的代數(shù)和乘以磁導率，這個結論稱為安培環(huán)路定理。安培環(huán)路定理可以由畢奧－薩伐爾定律導出。它反映了穩(wěn)恒磁場的磁感應線和載流導線相互套連的性質(zhì)：。麥克斯韋在安培定律的基礎上，提出了位移電流假設，得到全電流定律：。但是，安培定律的成立是有條件的，它是根據(jù)畢-薩定律推導出來的，其條件就是導線為無限長的直導線，如果導線的長度是有限的或不是直的，安培定律就不成立，因此，麥克斯韋的全電流定律也是有條件的，并不是在任何條件下都成立。另外，麥克斯韋的位移電流假設也引起了很大的爭論，最先否定位移電流假設的是RosserandG.V.W.[1]，北京大學物理系的趙凱華教授[2]直接否定了位移電流產(chǎn)生磁場，特別是清華大學物理系的高炳坤教授[3]，在摘要中只有一句話：“直接論證了位移電流不激發(fā)磁場”，蘇景順、謝革英[4]從理論上證明了位移電流不能產(chǎn)生磁場。類似的文章還有很多，例如：朱久運[5]、李元勛[6]、江俊勤[7]等教授都是這個觀點，因此，麥克斯韋所提出的位移電流假設很可能是不成立的，在任何條件下都成立的只有畢奧－薩伐爾定律，或者說，沒有真實的電荷移動，就沒有磁場，或者說，變化的電場不能產(chǎn)生磁場。B、方程二：法拉弟電磁感應定律磁場中的一個閉合導體回路，由于某種原因引起穿過回路的磁通量發(fā)生變化時，可以產(chǎn)生感生電動勢，且正比于磁通對時間的變化率：。但麥克斯韋把法拉弟電磁感應定律的應用范圍推廣到介質(zhì)或真空中的任意閉合曲線的情況，表示為。真理往前再跨一步就會成為謬誤，法拉弟定律的前提條件是：導體回路，如果沒有這個條件，法拉弟定律也不成立，但是，麥克斯韋直接把這個條件去掉了，這個方程還能成立嗎？在導體回路中，產(chǎn)生感生電動勢的原因是洛侖茲力的作用，并不是電場的作用，如果沒有導體中的自由電子，無論磁通量如何變化也不可能產(chǎn)生出電場。因此，麥克斯韋的這個方程并不成立，或者說，變化的磁場并不能產(chǎn)生電場，你在真空中無論如何揮動磁鐵，也不可能產(chǎn)生出電場。綜上所述：“變化的電場產(chǎn)生磁場，變化的磁場產(chǎn)生電場”這種表述方法并不準確，必須加上相應的條件：沒有電荷就不會存在電場，沒有電荷的運動就不會存在磁場。雖然用麥克斯韋方程組可以推導出波動方程，但那也只是數(shù)學上的游戲，因為在沒有電荷的真空中是不可能存在電場的，而且在發(fā)射天線為有限長度的情況下，方程組并不成立。電磁場與電磁波的區(qū)別波與場具有本質(zhì)的區(qū)別。波是指振動的傳播，是某一物理量的擾動或振動在空間逐點傳遞時形成的運動稱為波；而場在物理學上指的是空間或空間的某種分布，是物體與生俱來的屬性。波是物體振動產(chǎn)生的，其傳播需要介質(zhì)，它可以脫離物體而存在；而場是物體發(fā)生作用的范圍，是一定范圍內(nèi)的物理作用，只能存在于物體的周圍，不能脫離物體而存在。場是源激發(fā)的，沒有源就沒有場，不存在無源之場，場是源決定的。例如，電場是由電荷產(chǎn)生的，雖然在表象上變化的磁場可以產(chǎn)生渦旋的電場，但本質(zhì)上渦旋的電場仍然是由電荷的密度分布不均產(chǎn)生的。在表象上，渦旋的電場也可以產(chǎn)生磁場，但實際上，沒有電荷的運動就沒有磁場。波也是源激發(fā)的，但波可以脫離源而存在，不存在無源之波，但波是由源和介質(zhì)共同決定的，源決定波的頻率、幅度、方向及偏振，介質(zhì)決定波的速度和衰減，電磁波也不例外。下面以偶極子天線為例，說明電磁場和電磁波的區(qū)別：天線的輻射包括近場和遠場，近場是電磁場，其中，電場是由天線上的電勢產(chǎn)生的，與電流無關，磁場是由天線上的電流產(chǎn)生的，與電勢無關；遠場為電磁波，是由天線上的電子振動產(chǎn)生的。偶極子天線上的電流是時變的，但它所激發(fā)的電場和磁場卻與靜態(tài)電磁場的特點完全相同。在天線周圍所產(chǎn)的電磁場（近場）可表示為（以振子中心為原點）：，其中L是電偶極子天線的長度，它與靜態(tài)的電偶極子所產(chǎn)生的電場在形式上完全相同，但偶極子天線周圍的電磁波（遠場）可表示為：，其中是波阻抗。電磁場與電磁波可以是同源的，也就是說，同一個源即可以產(chǎn)生電磁場，也可以產(chǎn)生電磁波，但二者卻具有完全不同的性質(zhì)：電磁場只能存在于天線的附近，但電磁波卻可以存在于遠離天線的地方；電磁場不能脫離天線而存在，但電磁波卻可以；電磁場不能向外輸送能量，但電磁波卻可以；電磁場的強度與頻率無關，但電磁波的強度與頻率有關；電場的強度滿足高斯定理，磁場強度滿足畢-薩定理，但電磁波的強度與二者都沒有關系；電磁場中不存在相位因子（說明了電磁場不存在波動，也說明電磁場不能以波的形式傳播），但電磁波中一定存相位因子；電磁場的強度與阻抗是否匹配無關（與電流和電勢有關），但電磁波的強度與阻抗及是否匹配關系很大，如果阻抗不匹配，無論天線上的電流有多大，電磁波也無法有效地輻射出去；交變的電磁場與電磁波都能使帶電粒子產(chǎn)生振動，但電磁場的作用與帶電粒子所帶電荷有關，它只能作用于帶電粒子，而電磁波可作用于任何粒子，不論粒子是否帶電。為什么我們會把交變的電磁場當作電磁波？雖然電磁場與電磁波具有很大的不同，但是，我們很容易把交變的電磁場當作電磁波。因為根據(jù)目前的理論，只有電磁場才能使電子產(chǎn)生的運動，實際上，電磁波也能使電子產(chǎn)生振動，而且電磁波能使任何自由粒子產(chǎn)生振動，不論這個自由粒子是否帶電。但是，我們檢測空間中的電磁波，只有觀察電子的運動（沒有其他的自由粒子可以觀察），這就是我們?nèi)菀谆煜蛔兊碾姶艌雠c電磁波的原因。如何證明電磁波可以作用于任何粒子呢？激光冷卻就是最好的證明，它能使任何中性粒子冷卻，還有，激光能夠切割任何物體，就是因為它能夠使任何中性原子產(chǎn)生振動。光是電磁波嗎？光是電磁波，這是教科書上明確指出的。但是，還有許多人認為光不是電磁波，為什么呢？因為我們對光和電磁波作了不同的解釋。例如，電磁波是由變化的電場和變化的磁場構成的，而光是由光子組成的，電磁波是由電流產(chǎn)生的，而光是由電子的躍遷產(chǎn)生的等等。既然光與電磁波是同一個概念，我們就應該把二者的解釋統(tǒng)一起來。但是，如果把電磁波解釋為運動的電磁場，光與電磁波很可能永遠也無法統(tǒng)一解釋，因為光與電場或磁場都沒有關系。光需要介質(zhì)嗎？光是否需要介質(zhì)已經(jīng)爭論幾百年了，現(xiàn)在仍在爭論之中。如果電磁波不是運動的電磁場，光又是什么呢？本文假設它與聲波一樣，是介質(zhì)中的機械波。光介質(zhì)質(zhì)點的運動方式在“老胡說科學”里有一篇文章：《光的傳播真的不需要介質(zhì)嗎？以太真的不存在嗎？》，文中介紹了以太質(zhì)點的運動方式，如圖2所示。圖2.以太質(zhì)點的運動（打開鏈接后可看到動圖）有一位知乎網(wǎng)友SiCo，在《失落的秘密——基于以太的電磁波模型》中，也給出了電磁波在以太中的傳播過程，本文從動畫演示中截取了一個畫面如圖3所示，其網(wǎng)址為/zvideo/1314654672141819904。圖3.以太質(zhì)點的運動方式他在文中寫到：“當我看到這個基于以太的模型的時候，一下子被震撼到了，這解釋了我若干天以來對電磁波的若干困惑：電磁波的形狀，電磁波怎么傳輸，磁場和電場到底什么關系，電磁波為什么沒有能量耗散，電磁波的方向，所有的問題，被這個模型一下子就解決了。這個基于以太的電磁波模型，實在是太美了！這就是物理的美，甚至勝過數(shù)學的美！用一個形象驅動，遠勝過用一堆算式去推導”（/p/310097037）。光子的定義關于光子的定義，可以根據(jù)介質(zhì)中的體積元的運動給出：如果介質(zhì)的密度為ρ，假設介質(zhì)中有一體積為dV體積元，其質(zhì)量為m，在波動過程中，任一質(zhì)元的動能和勢能相等，且同相位變化。體積元的能量可表示為：，其能量幅值：E0=ρA2ω2dV=mA2ω2，令mωA2=?，則E0=hf。在一個周期內(nèi)，它的平均能量可以表示為：。為什么mωA2=?呢？根據(jù)前文，假設體積元的運動軌跡為圓形，那么，體積元的振幅A就是體積元的運動半徑，上式就可以表示為mvr=?，這個式子正是玻爾的假設，也反映了微觀粒子的運動規(guī)律：共振，或者說，當粒子處于共振狀態(tài)時，mωA2=?成立?？梢钥闯觯汗庾訉嶋H上就是介質(zhì)中的體積元，光子的能量實際上就是體積元能量的幅值。光子為什么沒有質(zhì)量呢？因為體積元雖然具有絕對質(zhì)量，但它相對于介質(zhì)的平均質(zhì)量卻是零，在聲學中，聲子的質(zhì)量同樣也是零。聲波與光波的區(qū)別聲波與光波都是介質(zhì)中的波，都是疏密波，并沒有本質(zhì)的區(qū)別，在動畫中可以明顯地看到。但二者唯一的差別是：質(zhì)點的運動方式不同，聲波中的質(zhì)點一般是簡諧振動，而光波中的質(zhì)點一般是圓周運動。造成二者不同的原因并不是介質(zhì)的原因，而是波源的振動方式不同，這也是宏觀物體與微觀粒子運動的最顯著的區(qū)別：微觀粒子的振動方向是隨機的，但振動的規(guī)律卻符合mωA2=?。宏觀物體的振動方向、振動頻率和振動幅度都與外力有關，但微觀粒子的振動頻率、振動方向和振動幅度卻與外力無關，只與粒子所處的環(huán)境有關（例如溫度、電場等）。如果宏觀物體左右振動的同時也具有上下振動，那么，聲波中的質(zhì)點也是圓周或橢圓運動，這時的聲波也是偏振波，希望有條件的實驗室能夠證實或證偽。光介質(zhì)的參數(shù)光介質(zhì)（以太）的參數(shù)如表1所示[6]表1.以太與空氣的比較atmK靜態(tài)密度ρ0(kg/m3)c(m/s)08模量P(Pa)靜態(tài)壓強P0(Pa)6.78×1010波阻抗Z(?)7.610-6=1/Pλ(m)=b/T粒子最可幾速度vp(m/s)108=m(kg)1×10-2610-40每立方米粒子個數(shù)N(m-3)9×1025氣體常數(shù)R（J/mol.K)8.318.31平動動能E(J)0-210-23在參考文獻[6]中，給出各種參數(shù)的來源。討論電磁波的產(chǎn)生如果電磁波不是運動的電磁場，那么，電磁波是如何產(chǎn)生的呢？我們知道：任何波的產(chǎn)生，必須是依靠物體的振動，下面以半波天線為例說明電磁波的產(chǎn)生過程。電磁波的產(chǎn)生，依靠的是電子的振動，電子是如何振動的呢？因為導體內(nèi)無法長時間存在凈電荷，凈電荷只能跑到導體的表面，當電子以一定的速度到達導體表面時，由于電子無法脫離導體表面，只能在導體表面產(chǎn)生振動，就像氣球從水中浮上來一樣。A、電子在導體內(nèi)的運動情況電子在天線上的密度和運動如圖4所示。圖4.天線上電子的密度和運動方向B、介質(zhì)的運動情況如圖5所示，黑色圓點代表原子核，紅色圓點代表電子，綠色代表質(zhì)元的運動軌跡。在天線上，電子密度大的部分，電子運動的方向不但有上下運動，而且還向外運動，天線上的電子密度小的部分，電子運動的方向除上下運動外，表面的電子還向內(nèi)運動（為了保證導體內(nèi)部的電荷平衡）。圖5.介質(zhì)的運動過程C、電磁波的描述電磁波既然不是運動的電磁場，那么，電磁波的描述就不應該繼續(xù)用電場E和磁場H，而是應該用介質(zhì)的壓強差p和體積元速度u描述。在任何的電磁波方程中，完全可以用p和u代替E和H，例如：電磁波的阻抗可定義為：Z=p/u，而不需要定義為Z=E/H，電磁波的波動方程可定義為：，，而不需要定義為：，。我們在實際測量電磁波時，一般測量的是天線的輸出電壓，但是，我們并不知道是什么物理量產(chǎn)生的電壓，只知道是電子運動的結果，是什么導致的電子運動？你可以認為是電場（但電場從哪里來呢），也可以認為是介質(zhì)的壓強變化導致的質(zhì)元運動，從而推動電子的運動。光的產(chǎn)生光的產(chǎn)生過程，實際上與電磁波的產(chǎn)生是一樣的，都是粒子的振動，只是振動的方式不同，舉例如下：A、熱致發(fā)光熱致發(fā)光實際上是原子振動產(chǎn)生的，在黑體輻射中，黑體的輻射頻率就是黑體中原子的振動頻率，由于原子的振動方向是隨機改變的，才導致了光是一份一份的，黑體中的原子振動頻率符合玻爾茲曼分布，只要存在溫度，就會存在原子的振動，就會存在輻射，但與電子無關（電子處于基態(tài)）。B、原子發(fā)光原子的發(fā)光，實際上是原子的核外電子運動產(chǎn)生的，是電子脫離基態(tài)后、橢圓運動產(chǎn)生的韌致輻射，其頻率與電子運動的軌道頻率相等，其強度與電子的急動度（加速度的導數(shù)）成正比，當電子在近核點時的輻射最強。需要說明的是原子發(fā)光必須在氣體狀態(tài)下，因為物體處于固態(tài)或液態(tài)時，原子沒有足夠的空間使核外電子運行在激發(fā)狀態(tài)下。C、自由電子激光當電子以近光速運動時，能夠在介質(zhì)中產(chǎn)生激波，當電子轉彎時，激波就會部分脫離電子單獨傳播，是一種典型的韌致輻射，在空氣中也存在這種情況，例如，河南有一種民間運動“響鞭”，它發(fā)出的聲音其實就是激波。光電效應的波動說解釋假設金屬中的自由電子處于一個陷阱中，當光波與電子相互作用時，電子將會與光波中的質(zhì)元同步，要想把電子從陷阱中發(fā)射出來，電子就必須具有一定的速度，由于質(zhì)元的運動是圓周運動，其速度v=ωr，可以看出：當半徑一定時，質(zhì)元的速度與頻率成正比，這就是光為什么必須達到一定頻率才能把電子發(fā)射出來的原因。為什么電子的方向與光的方向不一致呢，因為質(zhì)點的運動方向是隨時間變化的，電子不是“碰”出來的，而是“振”出來的。為什么當光的頻率足夠高時光電效應停止了呢？因為mωr2=?，當ω很大時，質(zhì)元的運動半徑太小，電子無法從金屬中跑出來。為什么光能與電子發(fā)生作用呢？因為光是波，而波是無處不在的。光電效應的發(fā)生也是需要時間的，這個時間就是光波與電子的同步時間，但這個時間很短，估計在幾個周期內(nèi)，它與超聲波清洗具有相同的原理?？梢钥闯觯哼@種解釋比愛因斯坦的解釋更符合事實