光的再认识

汪志民

(上海市东航技术应用研发中心安全运行研究院 201706)

宇宙诞生伊始就有了光，地球上除了深海中靠火山能量维持生命的少量生物外，绝大部分生物都直接或简接地从太阳光中获得能量，没有太阳光就没有我们人类，没有地球上丰富多彩的生命.

人类对光的探索过程中，有几次里程碑式的进步：先是苏格兰物理学家麦克斯韦推导出了电磁方程组，表明光就是一种电磁波，打下了现代电磁理论大厦的基石；接着托马斯·扬(ThomasYoung)的双缝干涉实验以及泊松光斑实验，证明光是一种波.最后爱因斯坦对光电效应的理论解释，证明光是一种粒子.最终，波动论和粒子论统一到了一起，确立了光的波粒二象性理论.

干涉是波特有的现象，在水面上投下两颗石子，就能观察到干涉波纹，因此波动论比较好理解，光的粒子特性则需要做个简单介绍：电子围绕原子核旋转，有特定的轨道，电子从高能量轨道跃迁到低能量轨道时，可以发射出特定频率的光波，根据光波的频谱，我们可以确定是什么物质在发光.同样，电子在吸收光子后，轨道会向高能级发生跃迁，如果光子能量足够高，还可以把电子从原子中激发出来，这就是光电效应.

但是宇宙中除了光以外，所有物质的速度都有相对论效应，唯独光的速度在真空中保持不变，不依赖于特定惯性参照系，又在所有(无穷多个)惯性参照体系中适用，可以看出光是如此特殊，注定了光必然具有其它物质不具备的某种特性.因此我们还需要从总体上对光进行把握，补充一些细节，让光的模型变得更加丰满.下面罗列了几个人们经常碰到的对光的误解和疑惑.

1.光子有没有质量？根据质能方程E=MC2，能量就等同于质量，光子有能量就应该有质量.但如果光子有质量，根据狭义相对论，把质量加速到光速，质量会变得无穷大，需要的能量也无穷大，显然这是不可能的.

2.光子有没有质量的第二对矛盾：光子如果有质量，在引力场中就会受力，向太阳发出的光，就会在引力场中加速，光终将会超过光速；从太阳发出的光，被太阳的引力场拖住，会逐渐减速，光速恒定就不能成立.如果没有质量，在引力场中不受力，光线通过星体周围为什么会发生弯曲和偏转？

3.面对上述矛盾，有人提出了动质量学说，表示光子静止时没有质量，运动起来后才会有质量.动质量到底是什么，为什么找不到这个物理概念？光子的动质量又是何时产生的，到达光速之后才突然有质量的吗？这与相对论中质量随速度增大，渐变增大的规律不符合.如果是加速过程中质量逐渐增大，那光子就有一个加速过程，光子不会一出现就达到了光速.此时，光线已经发出了，加速的力来自于何处，如果能加速，光速也就不能在真空中保持恒定了.

此外，还有两个方程可以计算出所谓的“光子质量”，第一个是爱因斯坦的质能方程，该方程表示有能量，就有对应的质量.光子能量E=hv，再根据质能方程E=mc2，代换之后m=hv/c2.看上去没错，其实这是对质能方程的错误理解，质能方程中的质量m，表示能量本身的等价质量，不是携带能量的物体质量(不是携带能量的光子质量)；第二个方程是光子能量E=hv，再根据动能公式E=1/2mV2，得到m=2hv/V2.二个公式的本质都是把光子的质量联系到能量上去，此处的质量含义是光子拥有的能量，可以让该质量的静止物体，经过匀加速运动，最终达到V的运动速度，表达的是光子能量做的功.对比上一个公式，两个质量居然值是不相等的，这不是公式错了，是两个质量的含义不同，而且都不适用于光子质量计算.

由此可以看出，光子是没有质量的，永远不能在引力场中受力，这样光速在宇宙真空中，才能不受任何影响地保持恒定.引力场确实可以使光弯曲偏转，但这不是光子受力的结果，光走的还是直线，光的弯曲只是它通过的时空被引力场弯曲了.

光子既没有静质量，也不存在动质量，因此由动质量引申出来的矛盾也就不存在了.

本人认为光子是纯能量体，不是质量粒子，虚拟粒子和实体粒子的分类方法用来界定光子是不恰当的，光子是一种客观存在的非物质粒子，这个定义比较准确.通常意义上的光是“光波”和“光子”的统称，光波就是电磁波，就是电场和磁场互相交变向前传播.光波和光子的关系，用量子的话来讲，在不对光波(电磁波)进行观测时，光就会一直传播下去，光子也不存在，或者讲光子没有表现出来.一旦进行观测，概率波塌缩，光子会就出现在观测它的地方.所以，光子会出现在所有可能出现的地方，这些可能的地方，以及前进的路线，是由光波决定的.光子则是一种非物质粒子，它真实存在，但没有质量，不是实体物质.

光子的能量被电子吸收后，能量(光子本身)就消失了，因此不会有被吸收掉能量的光子反弹出来.也正因为电子吸收的是纯能量，不是任何物质，所以电子和光子合成之后，还是电子，只是能量更高的电子，并不会变成一种新的粒子.

光子是纯能量的假说揭开了对光的认识的新篇章，但仍旧有悬而未决的迷题有待探索：相对论公式就是根据光在真空中速度恒定为前提而推导出来的，那为什么光不具有相对性？单独一个物体不构成速度，必须要有对比，光和什么做对比？光拥有绝对速度，不依赖于任何惯性坐标系，又能和所有的惯性坐标系做对比.这要求我们找出一个绝对参照系，并把这个绝对参照系联结到其它的惯性坐标系上.这不是过去的绝对时空的概念，代表绝对时空的以太，早就被证实是不存在的.新的思路已经展现在我们面前，纯能量的假说为光模型的建立打开了充分的空间，在此先抛砖引玉，期待早日破解这一迷题.