关于光的本性的思考
1. 光本性探索史概要 1690年惠更斯的《光学》出版,主张光的波动学说。 1704年牛顿的《光学》出版,主张光的粒子学说。 从17世纪到20世纪初1905年爱因斯坦提出光量子假设之前,光的波动说占了主导地位。这其中有许多科学家对波动说作出了卓越的贡献:托马斯·杨 1803年发表论文《物理光学的实验和计算》,用波动说对双缝干涉进行了解释。又于1807年出版《自然哲学讲义》,系统的提出了波动光学的基本原理。 1809年马吕斯指出光波是横波,解释了光的偏振现象。 1816年菲涅尔提出惠更斯—菲涅尔原理(半波带理论),推出了著名的菲涅尔公式。 1864年麦克斯韦发表了著名的论文《电磁场的动力学理论》,提出麦克斯韦电磁场方程,统一了光学和电磁学,预见了电磁波的存在,并且指出光本身是一种电磁干扰。 1887年在麦克斯韦逝世8年后,赫兹发表了《论动电效应的传播速度》,用实验证实了麦克斯韦关于光波是电磁波的理论。 这时物理学家们认为光波是在电磁以太中传播的电磁波。1881年到1887年间迈克尔逊和莫雷作了著名的M---M实验,以干涉条纹的移动来测量地球相对于以太的速度,实验结果为零移动。这就是开尔文所说的在物理学天空上出现的两朵乌云之一。 1905年3月爱因斯坦发表第一篇论文《关于光的产生与转化的一个试探性观点》。他发现空腔内光的熵随空腔体积的变化与理想气体的熵变完全相同,进而提出就象辐射是由能量子所组成那样,光也是由这样一种能量子所组成的试探性观点,并以此解释了光电效应。光的能量子—光量子—光子,这就是光的新粒子说。整个20世纪直到今天,光的电磁波动说和光的光量子说都被物理学所接受。但是,光量子说却一直受到质疑。连爱因斯坦本人也说:“整整50年的自觉思考,没有使我更接近解答`光量子是什么'这个问题。的确,现在每一个不老实的人都相信,他懂得它,可是他在骗他自已”。 2. 光子说的困难 为此作者2007年5月在山风工作室发表了于2005年5月成稿的《百年困惑—质疑爱因斯坦光子理论》的文章。文中质疑了光的波粒二象性;质疑了光子的发射和吸收;质疑了光速不变;质疑了光子的静止质量等于零。同时还发表了《真空微粒与真光子结构模型探索》的文章。此文在存在新以太媒质的背景下,给出了真光子的结构图,其电荷为零,静止质量不为零;给出了真光子的发射过程;真光子的能量来源和真光子以光速传播的原因。但是这个模型还是唯象的,没有解决如光子与电磁波方程间的关系,没有解决光子的运动方程,这些是和下面谈到的其它模型一样。 3. 光量子曾有过的几种典型模型简述 1) 光粒子模型---即爱因斯坦的光子模型,此模型能解释光电效应和康普顿效应,但不能解释光从真空到电介质的折射; 2) 波---粒二象性模型---以玻尔为首的哥本哈根学派的模型。此模型认为光量子象电子一样,既是波又是粒子;传播时为波,与物质相互作用时表现为粒子。 3) 波包模型---薛定谔和德布罗意坚持的模型。此模型能解释光的干涉特别是光的相干时间和相干长度,但这个电磁波包在线性色散介质中会发散,这与实际不符。 4) 量子电动力学模型---这是由狄拉克、费米等人提出的模型。这个模型假设,可以利用正则量子化规则将真空中经典电磁场进行量子化---即光量子。此模型能描述光与带电粒子间的相互作用,但这个假设缺乏实验基础,且展成的级数并不收敛---存在发散困难,只得采用强行切断(数学上不合理的)手术。 4. 今后的探索方向 作者认为光波包模型较有前途,但是应该考虑以下的几个基本情况: 1) 找到光波包在自由空间的传播运动方程----类似于自由粒子满足的NLSE。因为这个光波包---孤粒子---在传播的过程中,波包不会发散; 2) 电磁波包还要满足某种形式的麦克斯韦电磁波方程,其矢势应具有孤子解形式; 3) 考虑到红移,即“光子”能量衰减,这个解的振幅应当随着传播距离的增大而减小,找到它们之间的那种函数关系; 4) 由于光子静质量不为零,将满足电动力学中的沷洛卡场方程,这也是应该考虑到的。 这是一项爱因斯坦未完成的工作:从麦克斯韦方程寻找光量子的物理起源。 附:电磁波方程、自由粒子NLSE、sine—Gordon方程、沷洛卡方程、Klein—Gordon方程 电子科大 退休教师 赵常德 2013年7月20日 |