关于光的本质的探讨

关于光的本质的探讨摘要在科学的历史上，光是什么的问题已经争论了几百年了，虽然现代科学已经给出了结论：光既是波又是粒子。然而，波与粒子是两种完全不同的概念，光怎么可能既是波又是粒呢？光电效应和康普顿效应并不能证明光是粒子，只能证明光具有粒子性。如果引入光的介质，就可以解释关于光的所有性质，而且比学界主流的解释更加符合实际。光不是由光子组成的，也不是运动的电磁场，光的本质就是介质中的机械波，与电场和磁场没有任何的关系。关键词：电磁波，光介质，电磁场，光子，麦克斯韦方程引言关于光是什么的问题，大家认同的有两种答案，一种是波，一种是粒。光到底是波还是粒子？波动派有强大的理论和实验支持，微粒派也有强大的理论和实验支持，双方决定握手言和，得出了最终的结论：光具有波粒二象性，既是波又是粒子。但是，波与粒是两种完全不同的概念，光只能是其中的一种，怎么可能既是波又是粒呢？光是粒子吗？光是波，是一定频率范围的电磁波，已经得到大家的公认，没有人怀疑，但是光是粒子吗？证明光是粒子的证据主要有三个：第一是光电效应，第二是黑体辐射，第三是康普顿散射，但是，这三个证据都是间接证据，没有任何直接的证据证明光子的存在。光电效应光电效应被主流认定为粒子说的最主要的证据，是把光想象成由光子组成的，或者说假设光是由一个个的光子构成的。爱因斯坦假设存在光子，并定义一个光子的能量为hf，并提出了一个关系式：Ek=hf-W0（其中h为普朗克常量，f为光的频率，W0为逸出功，就是电子脱离金属吸引需要做的功），即爱因斯坦光电效应方程，它可以解释了许多的现象，为光的粒子说奠定了基础，并因此获得了诺贝尔奖。但是，爱因斯坦的光子说并不是无懈可击的，其原因如下：A、科学发展到今天，我们仍然不知道光子是什么，晚年的爱因斯坦说过：“整整50年的时间思考，但我还是没有接近'光子是什么'这个问题的答案。”如果我们连光子是什么都无法回答，如何认定光就是粒子呢？B、光子说的重点是普朗克常数h和频率f，而不是粒子的动量，E=hf是粒子说方程还是波动说方程呢？波和粒子是水火不相容的两个概念，把光看成是粒子，就无法解释频率、波长、干涉和衍射现象。事实上，爱因斯坦的光电效应解释是介于粒子说和波动说之间的解释，但是，绝对不是粒子说的解释。爱因斯坦是用频率和波长来描绘的粒子，表面上是粒子说的解释，实际是波动说的解释，但是，我们却对此视而不见，仍然把光电效应作为光是粒子的证据。C、光子说无法解释光电子的运动方向，如果光子说成立，那么，撞击出的电子应是顺着入射光子的方向运动。而事实是：产生的光电子的方向却是与入射光的方向无关。D、如果光子说成立，那么，光的频率越高，光子的动能越大，光电效应就应该越易发生，但是，当入射光的频率较高时，光电效应反而减弱甚至停止。E、在光子与电子作用时，必须把金属中的自由电子看作是“束缚电子”，而且光子与电子碰撞时，光子把自己的能量全部传输给电子，然后就消失了。黑体辐射黑体辐射的规律能够说明光是粒子吗？我的回答是：不能。关于黑体辐射强度的计算，普朗克使用插值法总结出了一条公式，也即普朗克公式：，为了解释这个半经验公式，他提出了能量量子化假设：E=hf，但这也仅仅是一种假设，并不能说明光就是粒子，其原因如下：与光电效应一样，普朗克所提出的能量子也只与光的频率相关，说明光仍然是波；普朗克假设光是由原子振动产生的，而且是简谐振动，如果假设微观粒子的振动规律符合mωA2=ℏ，波的幅值能量等于hf就能得到很好的解释；能量只所以是一份一份的，是由于原子的振动方向是随机变化的，所辐射的能量具有方向性。康普顿散射康普顿散射也是作为光子说的主要证据之一，康普顿用光子说成功地解释了这种现象。但是，发生康普顿效应后，光既没有被加速，也没有被减速，根本没有表现出粒子受力改变运动速度的性质。无论是在光电效应还是康普顿效应中，决定光的能量的特征物理量都是光的频率，没有出现任何代表粒子性的物理量来计算光的能量的数学式（频率是描述波的性质的物理量）。康普顿解释这个现象时，还提出了如下假设：光子不但具有能量E=hf，还具有动量p=h/λ。碰撞前，电子的能量E=0.5m0c2，动量为0，光子的能量E=hf，动量p=hf/c，碰撞后，电子的能量E=0.5mc2，动量p=mv，光子的能量为E=hf’，动量p=hf’/c。光子与电子的碰撞过程中，能量和动量必须都守恒。D、光子与电子的碰撞过程中，电子和光子的动量和运动方向必须符合图1所示，或者说，这三个矢量必须符合余弦定理。图1.光子与电子的碰撞过程E、电子碰撞后的质量必须符合相对论：。只有满足上述所有的假设，才能得出与实验相符合的结论：，但有些假设是无法验证的，例如，碰撞过程中，动量及动能是否守恒（在光电效应中，动量不守恒）、电子的动能、电子的动量及方向等。本来是为了证明光是粒子，但却引入了过多且无法证明的假设。对于光子的猜测光电效应一般用金属作为实验材料，将金属中的自由电子视作“束缚电子”，而在康普顿效应中，却将石墨甚至石蜡（绝缘）中的“束缚电子”视作“自由电子”。光电效应中，光子的能量全部转化为电子的能量，即我们熟悉的Ek=hf-W。而在康普顿效应中，光子与电子作弹性碰撞，光子只把部分能量转移给电子，光子本身的能量和动量都发生了改变。这两个实验原则上应该是相似的，都是光子撞击电子，但是，解释是分别进行，也不能互相贯通。都是光子，为何一个只撞击“自由电子”，另一个只撞击“束缚电子”？光电效应是光子能量一次性全部给予电子，然后光子完全消失，康普顿效应的光子却只能将能量部分给予电子，碰撞后光子被分裂，电子为何有时完全吸收光子，有时只是将光子分裂？另外，原子内部是十分空旷的，光子是如何击中电子的？那么，光子到底是什么呢？本文认为：光子是人们假想的粒子，实际并不存在，与晶体中的声子具有相似性。光波具备粒子的某些特征，与“光是粒子”并不等价，超声波也具有粒子性，它可以打孔，可以清洗，但我们不能说超声波是粒子。电磁波是运动的电磁场吗？电场强度的决定式和毕-萨定理都是正确的电场强度的决定式可表示为：E=kQ/r2，目前为止，还没有发现过它有任何的错误或存在成立的条件，或者说，它在任何条件下都成立。毕-萨定理可表示为：，也是在任何条件下都成立。这两个式子可以说明：任何电场的存在，都必须存在电荷，或者说，没有电荷就没有电场，任何磁场的存在，都必须有电荷的运动。因此，在没有电荷的真空中，是绝对不会存在任何电磁场的。麦克斯韦方程的缺陷麦克斯方程是在库仑定律、毕-萨定律、法拉弟定律的基础上，是假设以太存在的条件下，用数学分析的方法组合而成的。A、方程一：安培环路定律在稳恒磁场中，磁感应强度B沿任何闭合路径的线积分，等于这闭合路径所包围的各个电流的代数和乘以磁导率，这个结论称为安培环路定理。安培环路定理可以由毕奥－萨伐尔定律导出。它反映了稳恒磁场的磁感应线和载流导线相互套连的性质：。麦克斯韦在安培定律的基础上，提出了位移电流假设，得到全电流定律：。但是，安培定律的成立是有条件的，它是根据毕-萨定律推导出来的，其条件就是导线为无限长的直导线，如果导线的长度是有限的或不是直的，安培定律就不成立，因此，麦克斯韦的全电流定律也是有条件的，并不是在任何条件下都成立。另外，麦克斯韦的位移电流假设也引起了很大的争论，最先否定位移电流假设的是RosserandG.V.W.[1]，北京大学物理系的赵凯华教授[2]直接否定了位移电流产生磁场，特别是清华大学物理系的高炳坤教授[3]，在摘要中只有一句话：“直接论证了位移电流不激发磁场”，苏景顺、谢革英[4]从理论上证明了位移电流不能产生磁场。类似的文章还有很多，例如：朱久运[5]、李元勋[6]、江俊勤[7]等教授都是这个观点，因此，麦克斯韦所提出的位移电流假设很可能是不成立的，在任何条件下都成立的只有毕奥－萨伐尔定律，或者说，没有真实的电荷移动，就没有磁场，或者说，变化的电场不能产生磁场。B、方程二：法拉弟电磁感应定律磁场中的一个闭合导体回路，由于某种原因引起穿过回路的磁通量发生变化时，可以产生感生电动势，且正比于磁通对时间的变化率：。但麦克斯韦把法拉弟电磁感应定律的应用范围推广到介质或真空中的任意闭合曲线的情况，表示为。真理往前再跨一步就会成为谬误，法拉弟定律的前提条件是：导体回路，如果没有这个条件，法拉弟定律也不成立，但是，麦克斯韦直接把这个条件去掉了，这个方程还能成立吗？在导体回路中，产生感生电动势的原因是洛仑兹力的作用，并不是电场的作用，如果没有导体中的自由电子，无论磁通量如何变化也不可能产生出电场。因此，麦克斯韦的这个方程并不成立，或者说，变化的磁场并不能产生电场，你在真空中无论如何挥动磁铁，也不可能产生出电场。综上所述：“变化的电场产生磁场，变化的磁场产生电场”这种表述方法并不准确，必须加上相应的条件：没有电荷就不会存在电场，没有电荷的运动就不会存在磁场。虽然用麦克斯韦方程组可以推导出波动方程，但那也只是数学上的游戏，因为在没有电荷的真空中是不可能存在电场的，而且在发射天线为有限长度的情况下，方程组并不成立。电磁场与电磁波的区别波与场具有本质的区别。波是指振动的传播，是某一物理量的扰动或振动在空间逐点传递时形成的运动称为波；而场在物理学上指的是空间或空间的某种分布，是物体与生俱来的属性。波是物体振动产生的，其传播需要介质，它可以脱离物体而存在；而场是物体发生作用的范围，是一定范围内的物理作用，只能存在于物体的周围，不能脱离物体而存在。场是源激发的，没有源就没有场，不存在无源之场，场是源决定的。例如，电场是由电荷产生的，虽然在表象上变化的磁场可以产生涡旋的电场，但本质上涡旋的电场仍然是由电荷的密度分布不均产生的。在表象上，涡旋的电场也可以产生磁场，但实际上，没有电荷的运动就没有磁场。波也是源激发的，但波可以脱离源而存在，不存在无源之波，但波是由源和介质共同决定的，源决定波的频率、幅度、方向及偏振，介质决定波的速度和衰减，电磁波也不例外。下面以偶极子天线为例，说明电磁场和电磁波的区别：天线的辐射包括近场和远场，近场是电磁场，其中，电场是由天线上的电势产生的，与电流无关，磁场是由天线上的电流产生的，与电势无关；远场为电磁波，是由天线上的电子振动产生的。偶极子天线上的电流是时变的，但它所激发的电场和磁场却与静态电磁场的特点完全相同。在天线周围所产的电磁场（近场）可表示为（以振子中心为原点）：，其中L是电偶极子天线的长度，它与静态的电偶极子所产生的电场在形式上完全相同，但偶极子天线周围的电磁波（远场）可表示为：，其中是波阻抗。电磁场与电磁波可以是同源的，也就是说，同一个源即可以产生电磁场，也可以产生电磁波，但二者却具有完全不同的性质：电磁场只能存在于天线的附近，但电磁波却可以存在于远离天线的地方；电磁场不能脱离天线而存在，但电磁波却可以；电磁场不能向外输送能量，但电磁波却可以；电磁场的强度与频率无关，但电磁波的强度与频率有关；电场的强度满足高斯定理，磁场强度满足毕-萨定理，但电磁波的强度与二者都没有关系；电磁场中不存在相位因子（说明了电磁场不存在波动，也说明电磁场不能以波的形式传播），但电磁波中一定存相位因子；电磁场的强度与阻抗是否匹配无关（与电流和电势有关），但电磁波的强度与阻抗及是否匹配关系很大，如果阻抗不匹配，无论天线上的电流有多大，电磁波也无法有效地辐射出去；交变的电磁场与电磁波都能使带电粒子产生振动，但电磁场的作用与带电粒子所带电荷有关，它只能作用于带电粒子，而电磁波可作用于任何粒子，不论粒子是否带电。为什么我们会把交变的电磁场当作电磁波？虽然电磁场与电磁波具有很大的不同，但是，我们很容易把交变的电磁场当作电磁波。因为根据目前的理论，只有电磁场才能使电子产生的运动，实际上，电磁波也能使电子产生振动，而且电磁波能使任何自由粒子产生振动，不论这个自由粒子是否带电。但是，我们检测空间中的电磁波，只有观察电子的运动（没有其他的自由粒子可以观察），这就是我们容易混淆交变的电磁场与电磁波的原因。如何证明电磁波可以作用于任何粒子呢？激光冷却就是最好的证明，它能使任何中性粒子冷却，还有，激光能够切割任何物体，就是因为它能够使任何中性原子产生振动。光是电磁波吗？光是电磁波，这是教科书上明确指出的。但是，还有许多人认为光不是电磁波，为什么呢？因为我们对光和电磁波作了不同的解释。例如，电磁波是由变化的电场和变化的磁场构成的，而光是由光子组成的，电磁波是由电流产生的，而光是由电子的跃迁产生的等等。既然光与电磁波是同一个概念，我们就应该把二者的解释统一起来。但是，如果把电磁波解释为运动的电磁场，光与电磁波很可能永远也无法统一解释，因为光与电场或磁场都没有关系。光需要介质吗？光是否需要介质已经争论几百年了，现在仍在争论之中。如果电磁波不是运动的电磁场，光又是什么呢？本文假设它与声波一样，是介质中的机械波。光介质质点的运动方式在“老胡说科学”里有一篇文章：《光的传播真的不需要介质吗？以太真的不存在吗？》，文中介绍了以太质点的运动方式，如图2所示。图2.以太质点的运动（打开链接后可看到动图）有一位知乎网友SiCo，在《失落的秘密——基于以太的电磁波模型》中，也给出了电磁波在以太中的传播过程，本文从动画演示中截取了一个画面如图3所示，其网址为/zvideo/1314654672141819904。图3.以太质点的运动方式他在文中写到：“当我看到这个基于以太的模型的时候，一下子被震撼到了，这解释了我若干天以来对电磁波的若干困惑：电磁波的形状，电磁波怎么传输，磁场和电场到底什么关系，电磁波为什么没有能量耗散，电磁波的方向，所有的问题，被这个模型一下子就解决了。这个基于以太的电磁波模型，实在是太美了！这就是物理的美，甚至胜过数学的美！用一个形象驱动，远胜过用一堆算式去推导”（/p/310097037）。光子的定义关于光子的定义，可以根据介质中的体积元的运动给出：如果介质的密度为ρ，假设介质中有一体积为dV体积元，其质量为m，在波动过程中，任一质元的动能和势能相等，且同相位变化。体积元的能量可表示为：，其能量幅值：E0=ρA2ω2dV=mA2ω2，令mωA2=ℏ，则E0=hf。在一个周期内，它的平均能量可以表示为：。为什么mωA2=ℏ呢？根据前文，假设体积元的运动轨迹为圆形，那么，体积元的振幅A就是体积元的运动半径，上式就可以表示为mvr=ℏ，这个式子正是玻尔的假设，也反映了微观粒子的运动规律：共振，或者说，当粒子处于共振状态时，mωA2=ℏ成立。可以看出：光子实际上就是介质中的体积元，光子的能量实际上就是体积元能量的幅值。光子为什么没有质量呢？因为体积元虽然具有绝对质量，但它相对于介质的平均质量却是零，在声学中，声子的质量同样也是零。声波与光波的区别声波与光波都是介质中的波，都是疏密波，并没有本质的区别，在动画中可以明显地看到。但二者唯一的差别是：质点的运动方式不同，声波中的质点一般是简谐振动，而光波中的质点一般是圆周运动。造成二者不同的原因并不是介质的原因，而是波源的振动方式不同，这也是宏观物体与微观粒子运动的最显著的区别：微观粒子的振动方向是随机的，但振动的规律却符合mωA2=ℏ。宏观物体的振动方向、振动频率和振动幅度都与外力有关，但微观粒子的振动频率、振动方向和振动幅度却与外力无关，只与粒子所处的环境有关（例如温度、电场等）。如果宏观物体左右振动的同时也具有上下振动，那么，声波中的质点也是圆周或椭圆运动，这时的声波也是偏振波，希望有条件的实验室能够证实或证伪。光介质的参数光介质（以太）的参数如表1所示[6]表1.以太与空气的比较atmK静态密度ρ0(kg/m3)c(m/s)08模量P(Pa)静态压强P0(Pa)6.78×1010波阻抗Z(Ω)7.610-6=1/Pλ(m)=b/T粒子最可几速度vp(m/s)108=m(kg)1×10-2610-40每立方米粒子个数N(m-3)9×1025气体常数R（J/mol.K)8.318.31平动动能E(J)0-210-23在参考文献[6]中，给出各种参数的来源。讨论电磁波的产生如果电磁波不是运动的电磁场，那么，电磁波是如何产生的呢？我们知道：任何波的产生，必须是依靠物体的振动，下面以半波天线为例说明电磁波的产生过程。电磁波的产生，依靠的是电子的振动，电子是如何振动的呢？因为导体内无法长时间存在净电荷，净电荷只能跑到导体的表面，当电子以一定的速度到达导体表面时，由于电子无法脱离导体表面，只能在导体表面产生振动，就像气球从水中浮上来一样。A、电子在导体内的运动情况电子在天线上的密度和运动如图4所示。图4.天线上电子的密度和运动方向B、介质的运动情况如图5所示，黑色圆点代表原子核，红色圆点代表电子，绿色代表质元的运动轨迹。在天线上，电子密度大的部分，电子运动的方向不但有上下运动，而且还向外运动，天线上的电子密度小的部分，电子运动的方向除上下运动外，表面的电子还向内运动（为了保证导体内部的电荷平衡）。图5.介质的运动过程C、电磁波的描述电磁波既然不是运动的电磁场，那么，电磁波的描述就不应该继续用电场E和磁场H，而是应该用介质的压强差p和体积元速度u描述。在任何的电磁波方程中，完全可以用p和u代替E和H，例如：电磁波的阻抗可定义为：Z=p/u，而不需要定义为Z=E/H，电磁波的波动方程可定义为：，，而不需要定义为：，。我们在实际测量电磁波时，一般测量的是天线的输出电压，但是，我们并不知道是什么物理量产生的电压，只知道是电子运动的结果，是什么导致的电子运动？你可以认为是电场（但电场从哪里来呢），也可以认为是介质的压强变化导致的质元运动，从而推动电子的运动。光的产生光的产生过程，实际上与电磁波的产生是一样的，都是粒子的振动，只是振动的方式不同，举例如下：A、热致发光热致发光实际上是原子振动产生的，在黑体辐射中，黑体的辐射频率就是黑体中原子的振动频率，由于原子的振动方向是随机改变的，才导致了光是一份一份的，黑体中的原子振动频率符合玻尔兹曼分布，只要存在温度，就会存在原子的振动，就会存在辐射，但与电子无关（电子处于基态）。B、原子发光原子的发光，实际上是原子的核外电子运动产生的，是电子脱离基态后、椭圆运动产生的韧致辐射，其频率与电子运动的轨道频率相等，其强度与电子的急动度（加速度的导数）成正比，当电子在近核点时的辐射最强。需要说明的是原子发光必须在气体状态下，因为物体处于固态或液态时，原子没有足够的空间使核外电子运行在激发状态下。C、自由电子激光当电子以近光速运动时，能够在介质中产生激波，当电子转弯时，激波就会部分脱离电子单独传播，是一种典型的韧致辐射，在空气中也存在这种情况，例如，河南有一种民间运动“响鞭”，它发出的声音其实就是激波。光电效应的波动说解释假设金属中的自由电子处于一个陷阱中，当光波与电子相互作用时，电子将会与光波中的质元同步，要想把电子从陷阱中发射出来，电子就必须具有一定的速度，由于质元的运动是圆周运动，其速度v=ωr，可以看出：当半径一定时，质元的速度与频率成正比，这就是光为什么必须达到一定频率才能把电子发射出来的原因。为什么电子的方向与光的方向不一致呢，因为质点的运动方向是随时间变化的，电子不是“碰”出来的，而是“振”出来的。为什么当光的频率足够高时光电效应停止了呢？因为mωr2=ℏ，当ω很大时，质元的运动半径太小，电子无法从金属中跑出来。为什么光能与电子发生作用呢？因为光是波，而波是无处不在的。光电效应的发生也是需要时间的，这个时间就是光波与电子的同步时间，但这个时间很短，估计在几个周期内，它与超声波清洗具有相同的原理。可以看出：这种解释比爱因斯坦的解释更符合事实