光子晶体的结构微元.doc

光子微元是透明晶体的结构摘要：光子结构和光粒子的天然特性:所谓光子结构的测量，在量子电动力学中是指观测光子场的量子涨落79，这种能量涨落用一个光子的结构方程来描述。对光子结构的测量一般都依赖于对光子与电子，以及正负电子的对撞时的深度非线性散射的观测,物理定律在一切参考系中都具有相同的表达形式。它适用于一切物理定律，其本质是所有参考系平权。基于此，本文把电场、磁场、电磁场的物理性质作为一种规范从规范场的角度向物理空间的纵深平移，从宏观到微观论证了电波传播的规范电场、规范磁场、规范电磁场的局域能电结构，从而将“光的量子理论”与“光的经典电磁理论”两个平行的理论相互包熔，以经典物理学概念和牛顿理论为基础,大胆地提出和探讨了光的有质辐射过程及其弹性动力学模型。在引进一些新概念的基础上,建立了一组数理方程,进而给出了质、能、力、形均十分明确的光辐射过程和运动图象。由于本模型自然合理地用牛顿运动定律演绎了光的粒弦转换,所以它清晰地展现了光的波粒二象性并与现有光学理论完全兼容。同时,本模型从更基本的角度探讨了能量量子化的实质,在经典物理学(而非相对论)框架内严格论证了辐射物质(而非普通物质)的质能相当关系式。质和力的概念被定量引入模型的讨论,一个重要的结果是,光在自由真空中以弹性弦的形式存在和恒速传播。辐射场的机械力学本质和结构图象因此得到新的揭示。从而揭示了电作用与磁作用的本质，以及电磁波为什么电场与磁场统一于空间一个点，质疑和发展了麦克斯韦传统电磁波理论，并论证了光子的电结构与引力子、磁偶极子的电结构，提出了光子晶体，引力场晶体的概念关键词： 光子晶体 磁偶极子 引力子晶体中图分类号：O4英文标题 Photonic structure and electromagnetic unfied from conjectureDongWeidongDepartment of physics, Beijing University Postalcode 100871英文摘要（Summary）: In this paper,from the analysis of the photon micro angl which reveals the essence of electric force and magnetic force and electromagnetic wave why electric field and magnetic field of uniform at a single point in space,the question and the development of Maxwells traditional electromagnetic wave theory,and demonstrates the photonic structure photonic structure and magnetic dipole the.英文关键词（Keyword）: photon structure electromagnetic wave magnetic dipole graviton 基金名称：国家自然科学基金资助项目（19973008） 中国工程物理研究院科学技术基金资助项目（990226） 引言：科学世界2015年1月刊号：2015年被联合国命名为国际“光之年”（Intermaitional Year of Light),以宣传和普及人类历史上，那些与光有关的重大科技成就。之所以选择2015年为节点，主要是因为至少七个里程碑事件恰逢50周年及其倍数，值得隆重纪念：1.1015年光和像的认识。2. 1815年 创建了波动光学理论。3. 1865年题出的光的电磁波理论。4.1905年提出的光量子的概念光电效应-量子理论。5.1965年人们发现宇宙背景辐射。6.1965年光通信现实来到。7.2015年光子之年在中国发现光粒子凝聚态存在，开启光粒子碳基实效的大门，将进入人们的生活领域，引领粒子量子科学的到来。2015年“光子之年”光粒子也凝聚图片： 光-光子-光子凝聚（三位一体）图片单个自由原子的电子占据了原子轨道，形成一个分立的能级结构。如果几个原子集合成分子，他们的原子轨道发生类似于耦合振荡的分离。这会产生与原子数量成比例的分子轨道。当大量(数量级为1020或更多)的原子集合成固体时，轨道数量急剧增多，轨道相互间的能量的差别变的非常小。但是，无论多少原子聚集在一起，轨道的能量都不是连续的。单个自由场光子占据了一个轨道，形成一个分立的能级结构。如果几个光子集合，他们的轨道发生类似于耦合振荡的分离。这会产生与光子数量成比例的轨道。当大量(数量级为1020或更多)的光子集合成椭圆场时，轨道数量急剧增多，轨道相互间的能量的差别变的非常小。但是，无论多少光子聚集在一起，轨道的能量都不是连续的，单电子原子的轨道能量不连续说明电子受到周期势场的布拉格散射，除自身的干涉外原子核的正电场光子有周期势场存在的可能性，或被激发或自身激发 1（1（3）=+）9（7）4（5） 左图和上图说明线系之间存在起始点间隔，轨道能量是不连续的，形成电磁场光子能隙 光子晶体(Photonic Crystal)是在1987年由S.John和E.Yablonovitch分别独立提出，是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构。光子晶体即光子禁带材料，从材料结构上看，光子晶体是一类在光学尺度上具有周期性介电结构的人工设计和制造的晶体。与半导体晶格对电子波函数的调制相类似，光子带隙材料能够调制具有相应波长的电磁波-当电磁波在光子带隙材料中传播时，由于存在布拉格散射而受到调制，电磁波能量形成能带结构光子晶体。光子晶体能带与能带之间出现带隙，即光子带隙。所具能量处在光子带隙内的光子，不能进入该晶体。光子晶体和半导体在基本模型和研究思路上有许多相似之处，原则上人们可以通过设计和制造光子晶体及其器件，达到控制光子运动的目的。光子晶体(又称光子禁带材料)的出现，使人们操纵和控制光子的梦想成为可能。光子晶体的结构可以这样理解，正如半导体材料在晶格结点(各个原子所在位点)周期性的出现离子一样，光子晶体是在高折射率材料的某些位置周期性的出现低折射率(如人工造成的空气空穴)的材料。如下图所示的光子晶体材料从一维到三维的结构，可以明显看出周期性的存在，而且三维光子晶体的结构图与普通的硅晶体单从结构是很相似的。高低折射率的材料交替排列形成周期性结构就可以产生光子晶体带隙(BandGap，类似于半导体中的禁带)。而周期排列的低折射率位点的之间的距离大小相同，导致了一定距离大小的光子晶体只对一定频率的光波产生能带效应。也就是只有某种频率的光才会在某种周期距离一定的光子晶体中被完全禁止传播。如果只在一个方向上存在周期性结构，那么光子带隙只能出现在这个方向。如果在三个方向上都存在周期结构，那么可以出现全方位的光子带隙，特定频率的光进入光子晶体后将在各个方向都禁止传播。这对光子晶体来说是一个最重要的特性。而且实际上，这种三维光子晶体也是最先被制造出来的。因为光被禁止出现在光子晶体带隙中，所以我们可以预见到我们能够自由控制光的行为。例如，如果我们考虑引入一种光辐射层，该层产生的光和光子晶体中的光子带隙频率相同，那么由于光的频率和带隙一致则禁止光出现在该带隙中这个原则就可以避免光辐射的产生。这就使我们可以控制以前不可避免的自发辐射。固体物理中的许多其它概念也可以用在光子晶体中，不过需要指出的是光子晶体与常规的晶体虽然有相同的地方，也有本质的不同，如光子服从的是麦克斯韦(Maxwell)方程，电子服从的是薛定谔方程;光子波是矢量波，而电子波是标量波;电子是自旋为1/2的费米子，光子是自旋为1的玻色子;电子之间有很强的相互作用，而光子之间没有。本文将光子晶体的概念扩大化为一般的电磁场，引力场，原子的光谱理论说明某些原子的电子的分布是晶体场 电磁场理论的研究与光子理论的研究关系密切。迄今为止，关于光的本性的理论和实验研究已取得了巨大成就，特别是20世纪后期以来以量子电动力学为基础的量子光学的发展将麦克斯韦关于光的电磁理论和光量子理论统一起来，成为当代物理学的研究热点。然而从爱因斯坦提出光子的概念以来，人们至今仍不能同时看到光的粒子与波的双重现象，光究竟是以粒子还是以波的形式出现，还是决定于实验。在爱因斯坦之后有许多物理学家致力于探索光子波粒二象性的奥秘，量子光学是其中的主流方向。例如在量子色动力学中，对光子结构的测量显示光子既能以无尺寸粒子即轻子的方式参与相互作用，也能以一组夸克和胶子的集合体即强子的方式参与作用。其他方向的探索也取得了一定的进展，如我国龚祖同院士提出的类氢原子光子结构猜想，以及北京大学学者提出的光子是一光速前进的电磁场的猜想。光的量子本质包括光场的量子本质与光子的量子本质两个方面，光场的量子本质集中表现在光场的各种非经典效应方面，而光子的量子本质则集中反映在光子的结构这一问题上。下面介绍我国科学家在这一方面的探索光子结构论。光子结构论，最初是由我国老一辈著名科学家、中国科学院院士龚祖同先生于1980年提出来的。其基本要点如下：第一，光子具有电结构，它由带正电的光微子+和带负电的光微子-组成。+与-两者质量相等都等于me，两者电荷相等但符合相反，所以光子对外不显电性(光子属电中性粒子)。第二，光子是以+为核心以-为卫星的类氢结构。第三，-绕+作等螺距的高速螺旋线旋进，其核心则以真空中的光子速度c匀速向前推进，核心的推进方向即为光子传播方向。第四，-绕+旋进的轨迹在垂直光子传播方向的平面内为一个圆，在平行于光子传播方向且包含该方向的平面内是一条周期性变化的类正弦曲线，它代表光子的偏振性即横波性。第五，光子的电场与磁场两者方向正交，且皆垂直于光子的传播方向。第六，光子中+和-的质量与电荷均来自于它的母体原子核和核外电子。受龚祖同先生光子结构论的启发，人们认为光子结构问题应属量子光学领域的重大研究课题之一，它属量子光学领域的另一个诺贝尔奖项目，揭示光子结构是量子光学理论研究的最高境界之一。龚祖同院士的这种光子结构模型建立在初等量子理论之上，成功解释了一些经典光学现象，如光的折射，反射，干涉，衍射和布儒斯特角下的线偏振。但这种光子结构是宏观物质结构翻版，是反高等量子力学的，不能很好地解释非经典现象与效应；用正负光子的绕转与旋进解释电磁波传播中电磁场的同步变化也是牵强的，它只能说明电磁波传播中电场强度在垂直于矢径方向上的余弦变化而不能解释电场时刻在一个传播平面上垂直于传播矢径（因为该模型中电场是一个旋转矢量）以及电场与磁场始终以矢径为传播轴处于两个相互垂直的平面。量子色动力学证明，决定光子结构的并不是像质子那样由传统的价夸克分布，而是由轻子的涨落而形成的部分子的集合。下面我们从规范场的角度揉合龚祖同院士光子结构以及最近北京大学学者提出的光子是一直线前进的电磁场观点，对光子结构进行进一步的量子分析从而使之与规范场理论统一起来。我们知道，规范场论（Gauge Theory）是基于对称变换可以局部也可以全局地施行这一思想的一类物理理论。非交换对称群的规范场论最常见的例子为杨-米尔斯理论。物理系统往往用在某种变换下不变的拉格朗日量表述，当变换在每一时空点同时施行，它们有全局对称性。规范场论推广了这一思想，它要求拉格朗日量必须也有局部对称性应该可以在时空的特定区域施行这些对称变换而不影响到另外一个区域。这个要求是广义相对论的等价原理的一个推广。规范“对称性”反映了系统表述的一个冗余性。规范场论在物理学上的重要性，在于其成功为量子电动力学、弱相互作用和强相互作用提供了一个统一的数学形式化架构标准模型。这套理论精确地表述了自然界的三种基本力的实验预测，它是一个规范群为SU(3) SU(2) U(1)的规范场论。像弦论这样的现代理论，以及广义相对论的一些表述，都是某种意义上的规范场论。有时，规范对称性一词被用于更广泛的含义，包括任何局部对称性，例如微分同胚。电磁场可用规范场论来理解为要求时空中每一个位置都满足对称性要求的结果。对于电磁场，这种规范对称性是复数的局域阿贝尔U(1)对称性，复数代表着可以自由改变其相位，而不改变其实数部分，例如能量或拉格朗日量是复数的实部。电磁场是局域规范不变场，所以我们可以把电场、磁场、电磁场的宏观物理性质作为一种局域不变的规范来对待并用它来分析电场、磁场以及电磁场的局域电结构。量子力学理论从波动场的角度证明，电场和磁场的成分都是光子，光子携带电荷（有正负之分）并且有中性（中和）态，这是一个关于光子的粗略的定性描述. 光子的概念是爱因斯坦在1905年至1917年间提出的，当时被普遍接受的关于光是电磁波的经典电磁理论无法解释光电效应等实验现象。相对于当时的其他半经典理论在麦克斯韦方程的框架下将物质吸收和发射光的能量量子化，爱因斯坦首先提出光本身就是量子化的，这种光量子（英语：light quantum，德语：das Lichtquant）被称作光子。这一概念的形成带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展，例如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计诠释、量子光学和量子计算等。根据粒子物理的标准模型，光子是所有电场和磁场的产生原因，而它们本身的存在，则是满足物理定律在时空内每一点具有特定对称性要求的结果。光子的内秉属性，例如质量、电荷、自旋等，则是由规范对称性所决定的。所谓光子结构的测量，在量子色动力学中是指观测光子场的量子涨落，这种能量涨落用一个光子的结构方程来描述。目前对光子结构的测量一般都依赖于对光子与电子，以及正负电子的对撞时的深度非线性散射的观测。根据量子色动力学，光子既能以无尺寸粒子，即轻子的方式参与相互作用；也能以一组夸克和胶子的集合体，即强子的方式参与。决定光子结构的并不是像质子那样由传统的价夸克分布，而是由轻子的涨落而形成的部分子的集合。光子的量子结构和形式到底如何？用量子理论来分析量子相对的“静态”结构是不可能的，我们必须利用光子宏观物理性质的规范对称性对它作理论的局域结构微元分析才能确定。微元分析的理论依据除规范场理论外还有诺特定理，诺特定理是理论物理的中心结果之一，它表达了连续对称性和守恒定律的一一对应。对该定理一种比较完善的表述方法为：对于每个局部作用下的可微对称性，存在一个对应的守恒流，从而保证了电磁场宏观物理性质局域规范不变的可行性。1 规范电场局域结构微元分析光子驻波轨道（数目等于3倍电荷数）电场力线(1) 场光子电荷与源电荷等量异号的证明：首先，场光子只有携带电荷才能让异种源电荷相互吸引，同种源电荷相互排斥；其次，假设场光子电荷量值可以小于源电荷量值，源电荷自禀电量和电性不变，源电荷电量将表现为一个不确定值，电量随场光子电量值变化，这与源电荷所表现的电量不变与守恒的物理性质不符.我们知道，源电荷表现出定量的电量电荷，是稳定不变与守恒的.假设场光子电荷电量大于源电荷，源电荷将失去对多余场光子的吸引力，显然这种结构不稳定且不能存在，即使存在，同样出现源电荷对外电量值可变且不守恒.所以源电荷与场光子是不可分割的整体，源电荷外存在等量异号的场光子，即正电荷外有等量负光子场，负电荷外有等量正光子场，光子在对应波长的整数倍形成一个个独立的驻波轨道，可以被认为是彼此独立的谐振子，一个光子对应着该种模式的对应能量的最小单位正因为如此，离源电荷越近，场光子电强越大，随着距离变大，电场强度趋于中和，这与电荷的物理实验性质科学相符. 上图1 电荷外规范场光子驻波轨道示意图 不难看出，我们可以成功地将其分解成傅立叶模式，并假设了每一种模式的能量都是的整数倍。直到1923年大多数物理学家都不愿接受电磁辐射本身是量子化的事实。相反，他们试图从物质结构的量子化出发寻找解释，例如玻尔的氢原子模型。 这些半经典理论尽管被实验证明不成立，却开创了量子力学的先河。 (2) 电荷电力线的形成及本质：电荷z+或电荷z-的规范场光子的驻波轨道梯度线就是点电荷z+和z-的电场力线；z+和z-的光子轨道重叠，交点处正负光子结合成对，其连线形成电场力线；规范场光子的波动速度显而易见是光速c，根据爱因斯坦相对论，场光子在空间形成波动时，它的时空是“静止”的，这样一来，数目有限的场光子的波动等效于大量全同光子相互挨排形成的波.如此一来，电场力线就可以近似认为是场光子波动时的排列线，是光子立体波动、瞬间结合形成的“时空静止”物质线（成分是场光子）.这里还要强调的是，电场力线上光子相对稳定的电结构不是机械静止的，而是规范波动的正负光量子自相或相互结合的瞬态, 交点是对连续波形的量子化，量子化后的轨道交点表现为驻波粒子。负光子驻波轨道正光子驻波轨道轨道交点上的正负光子对，彩色圆点表示了部分交点 yzyzxx 图2相交电场上的旋度粒子和它的全息晶格分布，任意一个弧形相交区域或菱形相交区域的旋度粒子性质相同，能量不同，相反电荷电场的交的旋度粒子为电磁场性质，相同电荷电场的交的旋度粒子为牛顿引力场性质，相交电场能量层的梯度量子分布成为电场力线或牛顿引力力线，弧形相交区域或菱形相交区域的分布形成引力场晶体 规范场光子的驻波轨道交点连线形成电场力线示意图，下图力线为驻波轨道交点连线和引力场的晶体分布(3) 场光子内部结构分析与证明：有实验证明光子可以分裂，所以光子一定有内部结构。我们知道，光子自旋为1,说明光子具有从正到负的指向；同时光子又携带电荷，说明在指向方向上存在电量的不对称，而且结构相对稳定，因而据以上特征及能量最低原理我们可得到关于光子的唯性的两种三角共面结构：正光子由两个正的分数电荷和一个负的分数电荷组成；负光子由两个负的分数和一个正的分数电荷组成，可以在三个方向上极化。核物理学科学地测定了分数电荷的存在，基本单位是1/3和2/3分数电荷，由电荷守恒定律和正负电子湮灭方程式e+ + e- =r1 + r2可知，正负电子湮灭后，形成两个相同的中性光子r1和r2，它们结构相同分数电荷数目相同，由于电荷守恒，其中每个仍将存在相同结构、相同数目正负电荷的6个分数电荷（由正负电子及它们的场光子提供，共12个分数电荷），又由于是中性光子，所以只能是分别包含一个三分数电荷正光子和一个三分数电荷负光子。特别要说明的是，光子相对稳定的电结构并不是机械静止的，而是光量子波动运动的瞬间结合结果。由于正负光子电荷、质量、能量绝对对称，所以中性光子结构并不是类氢原子的绕转而是正负光子分数电荷波动运动的瞬间结合态。该模型可称为相对稳定电结构的光子波动模型，由于它建立在规范场论基础上，所以能在成功解释经典光学现象的基础上同时很好地解释非经典现象与效应。 光子驻波轨道的量子分布，光子电场力线及其自旋点电荷电场力线上的光子排列结构点电荷的电场线微元及指向光子内场光子外场 光子体绕物质波驻波环公转光子体轴向自转 图3（上）点电荷的光子驻波轨道与光子电场力线及力线上光子的自旋，能说明正电荷外电子运动非任意 图3（下）理论正负光子在电场力线上的自相结合图（光子如同一个微小的磁体，它的场是具有两个极的极性场，可以在三个方向上极化。）左图为3个负光子，右图为3个正光子，左图细线为无自旋光子的内场与外场，可见其与实测自旋光子结构与场的契合,见下图8 （4）负光子单体结构的波动性形成自然光光子，自然光为人类肉眼可见的“亮光子”，正光子预言了“黑光子”的存在和产生机制，单体光子的波动如下图，光子结构的三角形与光子结构的十字形是等价的，十字形是三角形偏电荷光子的单体波动，偏电荷光子是引力场晶体的单元。偏电荷光子结构与水分子的电结构类似，水分子集合的电结构表现为透光性，是类晶体的特征，水的凝聚为冰与光子的凝聚为晶体类似，与光粒子的凝聚图片一致，反证了光子的偏电荷结构可能性+_+_+_+_+_+_+_+_+ +上图上为正光子单体的波动形成“黑光子”，同理负光子单体的波动形成自然光光子见上图下左，下图右为中性光子的结构，正负光子相抵消产生黑暗的电磁背景（如宇宙微波背景辐射，能量不足于让肉眼感光）暗光子的产生机理与自然光相反，自然光是原子的波动或跃迁，自然光源的点电结构为一般原子结构，原子机构物质波产生亮光子，理论上反物质原子物质波的跃迁可产生暗光子+_+正光子辐射源负光子辐射源 一般物质的质量分布亦属于物质波，一般物质的外场可成为光源，如爱因斯坦凝聚体，整体像一个大原子，更为一般的原子构成的物体由于分子轨道的存子，它的外场亦可成为光源，一般正物质物质波的恰当结构分布可成为暗光子的暗光源暗光子 在最暗处形成亮斑，1余弦波闭合为圆形波，明暗相间传播向无穷远，自然光传播光子象人类的瞳仁亮光子光源 自然光相对人类的感光细胞而言，感光细胞对亮光子最亮点反而是盲点，刺目的光可致盲。自然体可以产生暗影，自然体的电场象一个巨大的暗光子，它的内部能量受激发辐射亮光子，在质量界面周围的外部能量受场激发形成暗光子，是两种波锋相对的德布罗意波+_亮光子光源暗光子 在最暗处亮度损失最小形成亮斑，亮光子的暗光子亮度损失与暗光源的质量分布曲率相关 依此原理可以在黑暗中找到光源，可以在无信号的区域找到信号最强的点，可以在辐射最强的区域找到辐射屏蔽点2 规范磁场局域结构微元分析(1) 磁场的根本性质与磁偶极子结构的证明：我们知道，磁场也是由光子组成，那么磁场的相吸、相斥也一定是光子间的相互作用（只是光子结构不同而已），这一点磁场与电场性质相同，不是磁场特殊的区别于其他作用的性质，磁场的区别于电场作用的特性表现在它的电场为零却可以使运动电荷在磁场中产生涡旋，而电荷的运动受电场制约，即沿电场线运动，所以磁场的显著特征应该是它的涡旋电场.涡旋电场是构成磁场的要素与规范. 物理定律在一切参考系中都具有相同的形式,利用这个局域不变性对约束电荷运动方向的电场线按规范对称的要求进行无限分割，我们将得到由一个正光子和一个负光子形成的电场元；假如我们对磁场的涡旋电场进行微元分析和无限分割，我们将得到由两个反向电场元结合而成的涡旋电场元.涡旋电场元中的电场方向相反，所以对外表现零电场，首尾相接形成涡旋电场线.这就是磁偶极子的基本电场结构，它的自旋显而易见是2.(见图10)。以微小圆电流作为磁偶极子是不妥当的.磁的本质是涡旋电场。恰像无数环绕方向一致的分子电流可以形成大圆形磁化电流一样，无数电场涡旋方向一致的磁偶极子形成了磁场和它宏观的涡旋电场.(2) 磁偶极子同名相斥异名相吸的原理：由安培实验可知，两无限长直导线电流方向相同时相吸，电流方向相反时相斥.如果把无限长直导线相吸相斥的本质归结为电子运动方向不同形成的作用，则不能说明无限长直导线之间非接触性的场光子作用实质，所以更为本质的解释应该是两无限长电场线之间，电场方向相同时相吸，电场方向相反时相斥，这应该是一条物理定律. 已有实验证明，安培实验可从长直导线推广到长直电场，物理学家发现，以很高的电压将电能输入电容器，形成长直电场，就会在磁场背景下产生一个微弱的推力，他们把这种现象称为别费尔德布朗效应。刘武青给电容器充电，发现电容器重量变小 。 分析图10可知，作为磁偶极子的涡旋电场，首尾相连，无头无尾，完全相当于一条无限长直导线形成的电场，因而它不是两个反向电场元的简单拼合.所以，磁偶极子按照安培实验原理相互吸引形成磁场力线（和波动电场一样，磁场力线也可认为是磁偶极子的排列线），涡旋方向相同则相吸，涡旋方向相反则相斥.(3) 运动电荷形成磁场原理：经过上面的分析，可知场光子在源电荷周围的排列结构：正电荷周围的负光子按负极正极相连排列形成电场线；负电荷周围的正光子按正极负极相连排列形成电场线.我们看到，无论是两个正光子还是两个负光子形成的两个三角面对中且正负极相连、自相排列后，它们的中间部分都是一个天然的涡旋电场即磁偶极子结构，只不过电场方向钳形相对、涡旋方向隐性，所以不能产生磁场.另外，源电荷还会将自身产生的自旋传递给场光子，从而它只显轴向电场性.而当源电荷按一定方向运动后，由于电场力线上的光子相对源电荷存在运动滞后现象，电力线发生偏转；又由于源电荷运动电场的存在，电力线上光子三角面受源电荷运动电场作用（运动中场光子自发排列，由图3光子排列结构可知此时两侧侧向电性受源电荷运动电场作用力最强）发生侧向偏转，其中任意一侧总是靠向源电荷运动轴线，而偏转使得最接近源电荷的光子钳形电场的一条臂侧向靠近源电荷而另一条臂远离，从而钳形电场的平衡状态破坏，这种不对称沿电力线光速传播，从而形成与源电荷运动方向相关的涡旋电场即磁场。即，运动的电荷产生了磁场.由于运动滞后，场光子失去源电荷传递来的自旋动量，磁偶极子沿电力线次第相连、环环相切，无自旋动量作用从而侧向磁场在垂直于电力线方向自相吸引排列成磁力线.且由于力线光子运动相对源电荷滞后，力线在运动时总是偏向运动方向相反的一边，对称的钳形电场破坏形态因运动方向而不同，造成源电荷力线形成的涡旋磁场以源电荷运动方向为轴按右手定则涡旋，使得磁场方向与电荷运动方向垂直相关（符合安培定则）。原理详见图3.3 规范电磁场局域结构微元分析(1) 电偶极子电场微元分析：一个电偶极子交换场光子之后形成的电场在每一点都能使电荷在其中沿电场线方向以固定的光速c扰动.我们把这个物理性质作为一规范对电场线无限分割即可得到一个能使电荷移动的电偶极子电场元：它由一个正光子和一个负光子形成的有电场方向的光子对组成. 闭合力线上分布的中性光子在电偶极子振荡时成为电磁场场元并辐射电场力线上的中性光子结构闭合力线上的电场线微元及指向偶极子振荡形成的自由光子波团（每个波团包含n个中性光子） 图4上 中性光子的形成偶极子电场的电场力线，闭合电场力线（光子驻波轨道交点）上分布中性光子结构如图右所示，其数目n等于Z+(Z_)的电荷数的3倍（这是因为每一正光子或每一负光子均表现为1/3分数电荷） 图4下 偶极谐振子振荡形成场光子辐射原理图（n等于闭合力线数目）(2) 场光子辐射原理：在电偶极简谐振子振荡时，连接在两个极电荷上的电场力线在中和点粘结成为闭合力线，并成为自由光子波团.闭合力线为中性光子电磁场，所以其数目只能等于极电荷Z+（或Z-）的场光子数目即光子驻波轨道数目。见图4下。由于谐振子连续振荡，自由光子不断生成，每一自由光子波团均包含n个中性光子（即闭合力线数目）。它们之间的的相互作用使自由光子向外辐射并扩散成为球面波；辐射出去的场光子若不被外界吸收，则仍将受偶极子电场作用。辐射出去的光子受偶极子电场作用逐渐减弱因而速度并不一样，这一推论与实验实测相同。当一个系统辐射出一个光子，从相对系统静止的参考系来看，能量相应地降低了一个光子对应的能量，这造成系统质量降低了；同样地，系统吸收光子时质量也会增加相应的值。由于存在场光子损失，所以天线和导线不能永续利用，这一点已为生产实践所证明。图4结合图1就可以证明，电磁场的傅立叶模式，这个由其波矢k和偏振态标记的平面电磁波的一组完备集合，和无耦合的谐振子的一组集合等价。它形象地证明了电磁场的每一种傅立叶模式的能级都对应可用表示的具有n个光子的一个态，每一个光子的能量是。这种方法给出了正确的能量涨落公式。该原理适用于电子跃迁产生的辐射.当电子从远核轨道向近核轨道跃迁时，电子与核的电力线出现瞬时闭合而形成场光子辐射，辐射出去的中性光子以正光子为圆心光速旋转；当电子从近核轨道向远核轨道跃迁时，场光子电力线出现开口，扰动它的光子填补进去并被完全吸收，不稳定的开弦成为闭弦，电场力线闭合。(3) 电磁场微元结构的证明：1）电磁场场元（正负光子对）可能的分数电荷结构形式.我们知道，在电磁波任一给定点上，电场强度E和磁场强度H振动相位相同，它们同时达到最大值也同时达到零，我们把这个物理性质作为一规范对电磁场无限分割将得到一正负光子对，电磁场波动的量子瞬态，显然电磁波电场与磁场是同一点同一光子构物物质性质的两个方面.也就是说，假如对电磁场进行微元分割，局域场元光子（正负光子对）既包含电场又包含磁场.电场显而易见，磁场在光子对的什么地方？分析正负光子对中分数电荷结构形式后，答案就一目了然.我们知道，正光子包含两个正分数电荷和一个负分数电荷，负光子包含两个负分数电荷和一个正分数电荷，它们按势能最低原理排列相吸后的瞬态有两种可能：两个三角面平行或两个三角面共面.其中两个三角面平行将使正负光子对分数电荷完全中和而无法表现出线性电场，所以线性电场要求它们只有共面结构一种可能.而共面结构既要形成电场又要形成与电场相垂直的磁场，所以正负光子共面结构中间部分必须是一个磁偶极子，上下两端分别有一个正的分数电荷和一个负的分数电荷，这样恰好六个分数电荷.中间磁偶极子电场涡旋方向由正光子、负光子自身固有的电场方向决定.电磁场中的电场和磁场就这样统一于空间场的一个点。如下图5。分析光子电性结构可知，中性光子对中既有磁场又有电场（见图5），而正负光子自相结合的光子对形成的与运动方向相关的涡旋电场在电力线上环环相切连接在一起，所以只有涡旋电场即磁场（见图3）。这与实验事实恰好相符（即电磁波电磁场既有磁场又有电场，而运动电荷形成的磁场点中无同时并存的电场），证明了光子结构是合理的。电磁场场元结构瞬态详见下图。光子体绕物质波驻波环公转 光子外场光子内场 光子体轴向自转 电场 磁场 电场 磁场 A B（光子如同一个微小的磁体，它的场是具有两个极的极性场，参见图8） 图5电磁波传播过程中中性光子相对稳定的电结构及其电场磁场方向的周期翻转（左图A为静止偶极子电场中的中性光子受源电荷作用产生自旋，细线为无自旋光子的内场与外场，可见其与下图8实测自旋中性光子结构与场的契合, 电磁传播过程中自旋消失）电磁场A点与B点的电场与磁场翻转，光子无自旋2）电磁场形成原理：在静止偶极子的电场中，光子对共面结构正负对中沿电场线轴自旋使光子对只显电场性。自旋是相对的，随相对运动而相应变小、消失。电场变化时，电场的运动使场光子“克服”自旋形成系列光子对相互的磁作用而形成电磁场.电场运动停止，在静止观察者看来，源电荷重新将自旋动量传递给场光子，磁场消失.在偶极子振荡过程中，辐射出去的闭合电力线完全失去源电荷的自旋动量传递，从而形成稳定的电磁场.由于中性光子固有的电结构（其中一侧电性受偶极子电场作用较强）使得闭合电力线上的光子对受偶极子电场作用而随之侧转，光子对总是侧向辐射，且始终侧向偶极子电场（见图5），从而造成电磁场中任意一点的电场强度、磁场强度和矢径相互垂直并且始终形成右手螺旋系而非左手螺旋。偶极子反复振荡，辐射出去的同伦闭合电力线系沿垂直于偶极子轴的传播矢径伦移，形成在传播矢径上系列力线的切向电场周期反向如下图6。自由的同伦力线团随偶极子振荡而周期规范排列的结果是沿矢径方向的切向电场不但周期反向而且切向电场的强度（即切向电力线的线密度）与它的曲率变化相关呈余弦分布，同伦伦心的曲率无穷大故切向电场强度为0，如图6；自由的闭合力线系相互作用并扩散成图6所示的球面波，沿传播矢径闭合力线切向电场强度的余弦变化拓扑不变。由于电磁场中任意一点电场和磁场由同一个光子对在同一点产生，所以同步磁场强度也呈余弦分布，并且电场强度与磁场强度振动相位相同.所以，光子是以光速前进的电磁场。麦克斯韦传统电磁理论认为电磁波是电场与磁场的相互激发，由于光速有限，所以电磁不能同步，否则光速变成无穷大；事实是电磁波传播中电场磁场同步变化，麦克斯韦电磁场理论明显存在缺陷。而基于光子结构的电磁理论能合理的解释这一问题。 图6振荡偶极子足够远处闭合电场力线的周期反向与密度的余弦分布（箭头方向为规范中性光子的电场方向，可见其沿矢径周期翻转） 图7焦善庆光子的夸克-胶子结构与结构函数分析图（作者原图），与图5比较可见它们所含分数电荷相同（均包含6个分数电荷），但焦氏光子结构无交于一点的电场与磁场3)光子结构与现代科学理论和实验的契合 最近实验已经证明，光子是由夸克-反夸克被胶子弦粘结在一起的夸克-胶子结构，不仅是电磁相互作用的载体，也具有强相互作用的性质。西南交通大学物理学院焦善庆在光子静质量和光子结构一文引入宇宙早期粒子与现时粒子的概念，提出宇宙早期粒子是现时粒子的超对称性伴子，并通过计算得出光子具有质量的结论，而光子有质量则必然有结构，他认为，因现时光子是玻色型粒子，它的宇宙早期超对称伴子则为费米型的粒子单态0s,F（亚夸克q1,q2g）,若高动量的亚夸克0s,F(q1,q2g)从低动量的亚夸克海中俘获2对胶子bcbc-，一对由于构成uF+2/3(或dF-1/3)和它相对应的超对称伴子yeB-2/3(或yeB+1/3),另一对则作为胶子弦将两者粘结在一起，因此光子系统的反夸克不是uF-(dF-)而是玻色型的yeB-2/3(或yeB+1/3),表示为：0B0s,F(q1,q2g)，yeB+1/3(q1bc-)+dF-1/3(q2bcg)+bcbc-0s,F(q1,q2g)+2bcbc- yeB-2/3 (q2bc-)+uF+2/3(q1bcg)+bcbc-作者基于光子的中性而对作上述排列，这种对称排列完全中和，不能保证中性光子将和连接为一整体（其结构见上图7）。而在保证光子中性的前提下，又不违反作者原意，我们得到等效的下式：uF+2/3(q1bcg) +dF-1/3(q2bcg) +bc-0s,F(q1,q2g)+2bcbc- +bcbc-yeB-2/3 (q2bc-)+ yeB+1/3(q1bc-)+bc显然，就是我们所论述的正光子（包含2个正1/3分数电荷和1个负1/3分数电荷），胶子bc-是正光子分数电荷的再分数电荷外场，就是我们所论述的负光子（包含2个负1/3分数电荷和1个正1/3分数电荷），胶子bc是负光子分数电荷的再分数电荷外场，和通过胶子弦bcbc-粘结在一起形成中性光子结构（同时和的外场bc-和 bc也构成一胶子弦，2bcbc-使光子结合成一整体）如此一来图7光子结构等效地变化为图5光子结构，单光子可以在三个方向上极化，二者的区别仅是结构不同，经典物理学与量子场论和谐统一。2009年焦善庆又在广西科学撰文光子的夸克-胶子结构与结构函数分布分析计算了该光子的结构函数，所得光子结构与实验观测相符。 上图为焦善庆光子的夸克胶子结构的电中性体,下为焦善庆光子的夸克胶子结构侧转45角后的电结构,既有电场又有磁场.右为光子的晶格比较可见它们所含分数电荷相同(均包含6个分数电荷),但焦氏光子结构无交于一点的电场与磁场,将下图侧转45角可以发现焦氏光子结构与本文所论述之中性光子结构相同. 实验测量光子体的结构可为菱形,是能量纽合结果.另外，量子理论中光子的点粒子模型认为，基本粒子（与量子论中的定义不同，详见二态物论第1节）是构成光子的基本单元，若干基本粒子通过叠加方式凝聚成的棒状粒子，称作光子。光子是空心的管状体，它是轴全对称结构，如下图8所示。光子中的基本粒子按极性同向排列，基本粒子间的耦合涡环如同一条条绳索将它们紧紧捆在一起。在光子中，相邻基本粒子并不是相互紧贴在一起，而是存在一定间隙，如图8所示。这个间隙是它们间引力和斥力的平衡位置，详见二态物论第2.2节。在这个平衡位置，基本粒子所受合力为零，因此基本粒子处于自由状态，量子论中的渐进自由是与之类似的概念。如图8所示，基本粒子的独立涡环和部分基本粒子间耦合的涡环构成光子的内场，内场处于光子体内；在光子体外，弥散着所有基本粒子共同构成的耦合涡环，形成光子的外场，简称光子的场（下同）。光子如同一个微小的磁体，它的场是具有两个极的极性场，简称双极场。光子内场的包络圆构成一个圆球面，其它光子或粒子很难到达这个包络球的内部，这个包络球体称作光子的粒子体，简称光子体（光子中基本粒子构成的管状体称作光子的本体），相应将这个包络球面称作光子的表面、包络球的半径r0称作光子的半径。上述光子体就是量子理论中光子的点粒子模型。限于技术水平和基于实证思维，量子理论采用这种粗糙的点粒子模型使得研究得以深入，但由于未把握结构，而不得不将基本的结构所决定的在各种环境下表现出的状态特征，定义为纷杂的各种量子态、甚至视为本征。显然从结构入手，可以使纷杂的量子态变得有章可循，而且能够更好地理解和预言。下图为实测结合计算的光子结构。图8.一种实测光子结构由量子力学可知，源电荷粒子必然在波动，这种波动必须是一个点驻波。由于这个驻波要形成一个点和物质空间，所以这个物质波驻波不但要求是线性的而且必须是立体复合的，这种规范对称性要求波动不但要立体线性环绕并符合量子条件，而且在这个点驻波上的任意点和任意法向方向上也要形成一个个环形驻波，这样粒子才是稳定的。点粒子任意法向上的无数微小环形物质波驻波形成的动量传递给场光子，造成粒子外场光子的自旋，注意，这种自旋不但轴向自转而且绕微小圆转动(自转与公转动量来自不同层次的物质波驻波环，由海森堡测不准原理可知，任意驻波环上任意一点均存在次级粒子的波动与相应的驻波环)，所以实验检测时光子似乎是管状对称。又由于光子中间部分磁偶极子的电场结构整体中性，剩余电作用被两端轴向电场极化，实验检测时光子似乎是由轴向的三个基本粒子组成，它们具有同向的电场，分数电荷按极性同向排列，并高速旋转成管状轴全对称结构。目前的科技水平和量子力学计算精度只能确定到光子的电性和极性，尚未能进一步分辨出光子详细的分数电荷结构，所以一个正光子或一个负光子结构在量子力学计算与科技检测中似乎由两个对称的极性基本粒子组成，而自相结合的正光子或负光子叠加成棒状高速复合自旋成为偶数个基本粒子形成的轴全对称空心管状光子体。图8为实验实测结合量子力学计算得到的自旋光子的结构与场（二态物论作者原图），与本文预言的理论光子完全契合。4 引力规范场的电磁本质 图9.一对电偶的电场和它们的部分引力子场（红色为部分只有质量效应的引力子）上图核心部分引力子能量被屏蔽，反冲动量小于抛射动量，可解释核子结合的质量亏损，引力受结合能影响变小现象。下图为引力的量子力线与相互作用 （1）1987年，中国发明家刘武青，通过实验发现电磁力对重力有影响，同年申请了建立电磁力减轻物体重量概念的教具的专利。实验被屏蔽的电磁力影响万有引力效应：当一个物体内部有被屏蔽的电磁力后，外部测量不出有电磁力存在的条件下，此物体与另一个物体之间的万有引力不能用现有的万有引力公式计算。说明了两个物体在质量、距离不变的条件下，而且两个物体之间无法测量出有电磁力存在的条件下，当其中一个物体或两个物体内部的原子、分子、电子的排列发生变化后，此两个物体之间的万有引力有改变。被屏蔽的电磁力强度大小影响万有引力强度大小。牛顿在推导万有引力作用公式时，在引力与作用距离的关系上，把它等效于光的强度与距离的关系，由此导出万有引力公式并得到实验证实.这是引力子与电磁场光子相关的哲学依据.（2）引力子的形成猜想 既然引力子来自光子，而光子分正负和中性，由于引力场中无电场，假设引力子由中性光子组成，而中性的正负光子对可形成电场元，所以不可能.引力场中无电场存在说明，光子的正负电场在引力场中被中和了，而场光子电场中和态只有两个反向电场元结合在一起并形成涡旋电场一种可能，所以猜测引力子就是电场次生的磁偶极子.万有引力是大量电场为零的磁偶极子随电场作用次生的与电场相关的质量效应，是电场质量的反冲动量；所以万有引力极其微小，与磁偶极子场的质量强度大小成正比.下面我们从另外一个角度证明引力子的电结构：从前面我们已经知道，正电荷的场光子是负光子，负电荷的场光子是正光子，正负电荷靠交换正负光子形成电作用；而中性电结构的场光子是交换后形成的光子对，电力线只是它的波动形式，中性电结构之间的作用除却交换正负光子形成的电力线作用外，只有靠交换它们的共同场光子即正负光子对来形成相互作用。正负光子对在交换过程中于交点反向结合为电场为0自旋为2且区别于电场作用的引力子，形成涡旋引力子至少需要四个电荷，引力子为四极结构。引力子是电场次生的附属于电场运动的运动，本质是电场的运动，所以引力波速与电场波速相同，引力梯度因此与电场梯度相关，具有相同的公式形式。综上所述，质量的引力来自它电场的动质量光子的反冲动量，电场梯度的质量梯度就是万有引力，引力子的本质是光子，是电磁场质量的反冲运动。见下图9。显然引力子就是磁偶极子的质量效应，万有引力是大量引力子的质量场作用；中性物质的核子-电子结构是形成引力子的天然场源，质量与它的场成正比，因而万有引力与物质质量成正比.形成万有引力至少需要一对电偶且是一般电场，实验已经证明，万有引力不是普遍存在的，三百多年前由