對真空及電磁波傳播機理的重新認(rèn)識

黎漢強

(東莞開放大學(xué)教導(dǎo)處，廣東東莞，523000)

0 引言

回想經(jīng)典力學(xué)中沒有令人費解的假設(shè)，但到了麥克斯韋在電磁波傳播的方程組中應(yīng)引入了位移電流假設(shè)并預(yù)言電磁波的存在，隨后赫茲用實驗證明了電磁波的存在。麥克斯韋的預(yù)言終于得證實，于是人們就全面認(rèn)可麥克斯韋方程組對電磁波的解釋，包括對位移電流假設(shè)的承認(rèn)。嚴(yán)重的邏輯問題就在這里，當(dāng)一種理論可以解釋一個現(xiàn)象時，就連這種理論的假設(shè)都獲得承認(rèn)。類似的情況還發(fā)生在狹義相對論中，當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失會產(chǎn)生大量的能量時，人們也承認(rèn)了狹義相對論的假設(shè)，當(dāng)然包括光速極限假設(shè)，可是當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)一些超光速現(xiàn)象時，例如在一些實驗中發(fā)現(xiàn)中微子的運動速度比光速還快，人們并沒有立即懷疑狹義相對論的正確性，當(dāng)然我這里所指的是主流現(xiàn)象。其實，承認(rèn)一種理論附帶承認(rèn)這種理論的假設(shè)本來就無可厚非，但是，在更多的假設(shè)上推導(dǎo)的理論更容易出現(xiàn)謬誤。這就是我感到不踏實的地方，例如：光子的靜止質(zhì)量為0等等。下面我從幾個方面去論證我的觀點。

1 靜電場的存在本身就證明了在我們所認(rèn)為的“真空”中存在大量的電磁力子，像空氣一樣包圍在靜電荷周圍

我們常說靜電荷能產(chǎn)生電場，由庫侖定律給出量化的描述。若進一步追問：場是什么？法拉第的答復(fù)是：場是一種特殊的物質(zhì)。再深入一步提問：這種特殊的物質(zhì)來源于哪里？我們知道在靜電場中，帶有靜電荷的粒子本身質(zhì)量沒有發(fā)生變化，場這種特殊的物質(zhì)并不是由帶有靜電荷的粒子發(fā)射出來，場這種特殊物質(zhì)只能來源我們所認(rèn)為的“真空”，但是我們會問：當(dāng)沒有靜電荷粒子時，真空并沒有測量到靜電場的存在，場這種特殊的物質(zhì)去了哪里呢？我認(rèn)為：在沒有帶電粒子存在的情況下，在體積足夠大的“真空”中大量的電磁力子處于無規(guī)則運動狀態(tài)，即在一定的體積內(nèi)，建立一個坐標(biāo)系，電磁力子的動量之和為0是一定體積內(nèi)的電磁力子的數(shù)量，是正整數(shù)。電磁力子的角動量之和為0，即：所以，在電場強度為0時，在現(xiàn)有技術(shù)的條件下無法測量到電磁力子的存在，但是當(dāng)電場強度不為0時，真空中肯定存在場這種特殊物質(zhì)，而這種物質(zhì)早已存在“真空”里，只是這種特殊的物質(zhì)電磁力子呈有規(guī)律的分布或有規(guī)則的運動而已。試想，當(dāng)帶電粒子周圍的電磁力子呈有規(guī)律分布時（如，在一個足夠大的封閉空間里，建立一個極坐標(biāo)系，電磁力子的動量之和為0，電磁力子的自轉(zhuǎn)角動量之和大于0 ，兩個帶電粒子相互靠近，它們周圍的電磁力子呈有規(guī)律分布，當(dāng)這個帶電粒子周圍的電磁力子相互碰撞時就會使這兩個帶電粒子產(chǎn)生相互作用力（庫侖力）。

2 電磁波的存在就證明了真空存在電磁力子

大家都知道對波的定義是：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。我認(rèn)為這種對波的描述過于理想化，其一是出現(xiàn)在“在空間中逐點”傳遞上，體現(xiàn)了波在空間傳遞的連續(xù)性，但實際狀態(tài)下波的傳播不總是具有連續(xù)性；其二，沒有強調(diào)介質(zhì)的作用，以致后來發(fā)展到認(rèn)同電磁波[1-2]的傳播不需要介質(zhì)。我認(rèn)為波的傳播機理是這樣的：傳播介質(zhì)在某處受到擾動或振動，通過介質(zhì)間的相互作用或碰撞，把這種擾動或振動傳播到更遠(yuǎn)的地方，介質(zhì)的運動，在傳播過程中遵守動量守恒，角動量守恒，能量守恒定律。也就是說，波傳播的本質(zhì)是介質(zhì)運動造成的，是介質(zhì)運動狀態(tài)的傳遞，并由此而導(dǎo)致某個物理量的傳遞。由此可見，波的傳播不能離開介質(zhì)，就像真空不能傳播聲音的原理一樣，但后來很多人認(rèn)為電磁波的傳播不需要介質(zhì)，理由主要是找不到電磁波傳播的介質(zhì)，我認(rèn)為這樣的理由是站不住腳的，用現(xiàn)時的科技手段找不到電磁波的傳播介質(zhì)也不能說明它不存在。其實我們看到的光就是這種介質(zhì)，電磁波也是這種介質(zhì)。也許有人會提出邁克耳遜——莫雷實驗已間接證明電磁波傳播的介質(zhì)（以前所說的以太）不存在，其實解釋邁克耳遜——莫雷實驗的結(jié)果可以有別的理由(例如地球?qū)@種介質(zhì)的拖曳效應(yīng)）。當(dāng)然我認(rèn)為電磁波傳播的介質(zhì)并不是以前所說的以太，而是一種基本粒子——電磁力子，一種具有靜止質(zhì)量的遠(yuǎn)小于電子質(zhì)量的基本粒子，這種粒子——電磁力子以龐大的數(shù)量在我們所認(rèn)為的“真空”中高速運動（速度達(dá)到光速量級），相互激烈碰撞。因為這種介質(zhì)（電磁力子）的存在，電磁波的傳播就變成水到渠成的事，就類似于聲音在空氣中傳播一樣。下面我把電磁波的傳播機理論述一下。（從機械運動的角度）。

3 電磁波的傳播機理

我們所處的宇宙中充滿著電磁力子，它們都是一些高速運動，高速自旋的粒子，當(dāng)一個物理事件(例如：碰撞）在空間發(fā)生時，必然會影響其周圍的電磁力子的運動狀況，但是這種影響存在一定的范圍，是具有一定邊界。

圖1

如圖1所示，有一粒電磁力子在O點處，它們的運動方向和X軸的正方向一致，它的速度是V1，角速度是ω1，在這粒電磁力子的周圍是一從此“平靜”的（沒有任何擾動）、無序的、處于動態(tài)平衡的空間，所謂動態(tài)平衡的空間是單位體積內(nèi)的電磁力子數(shù)不變（類似飽和的概念），在足夠大的確定的空間內(nèi)，處于任何一種運動狀態(tài)的電磁力子數(shù)量不變（主要是指質(zhì)心運動速度的大小和方向以及自旋角動量的大小和方向）。無序空間是指在足夠大的空間內(nèi)，電磁力子的動量之和為0，角動量之和為0，單位體積內(nèi)的電磁力子的能量之和為恒量（把質(zhì)心動能和轉(zhuǎn)動動能相加），電磁力子速率分布規(guī)律不變，電磁力子自旋角速度的大小的分布規(guī)律不變。這粒額外的電磁力子對于其周圍的電磁力子產(chǎn)生什么影響？首先，這粒速度為V1，角速度為ω1，的電磁力子和周圍的電磁力子（尤其是右邊的）發(fā)生一系列的碰撞，對其周圍的空間發(fā)生擾動；其次，周圍的電磁力子受擾動后又對更大范圍電磁力子產(chǎn)生碰撞，造成更大范圍的擾動。但是這種擾動是逐漸減弱的，直到消失為止。就在這種擾動消失的位置，可把這些位置坐標(biāo)連結(jié)成一個封閉曲面S，也就是說，這里發(fā)生的擾動是有一定范圍的，有一定的邊界S，這邊界S（封閉曲面）所圍成的體積V是確定的，而且體積V的這間是很小的。從O點到邊界S的最長距離為R1，我把它稱為擾動半徑。擾動半徑R1會因“外來”電磁力子的能量大小有所不同。其實邊界S外的空間里的電磁力子間也進行著激烈的碰撞，只是這些碰撞沒有因為這?！邦~外”的電磁力子（V1，ω1）的經(jīng)過而發(fā)生改變，也就是說，這?！邦~外”的電磁力子的經(jīng)過對邊界S外的電磁力子的運動狀況沒有影響。

我們知道，電磁波經(jīng)過的空間在傳播電磁波后，這個空間很快就“平靜”下來重新回到原來的無序狀態(tài)；也就是說，電磁波對這空間產(chǎn)生的擾動很快地消失了。根據(jù)空間里的電磁力子很快恢復(fù)“平靜”性質(zhì)，我們可以把S所包圍的電磁力子看作一個整體，這樣我們就可以列出以下碰撞方程組（以O(shè)點為極點，X軸方向為極軸建立一個極坐標(biāo)系）。

其中m是電磁力子的質(zhì)量，V1是“額外”電磁力子的速度，n是封閉曲面S內(nèi)處于動態(tài)平衡時的電磁力子數(shù)量，Vi是閉合曲面S內(nèi)其中一個電磁力子的速度,Vi＇是碰撞擾動后曲面S內(nèi)其中一個電磁力子的速度，V1＇是碰撞擾動后（即曲面S內(nèi)的空間恢復(fù)“平靜”后），閉合曲面S里釋放出的一?！邦~外”的電磁力子的速度，J是電磁力子的轉(zhuǎn)動慣量，ri是對應(yīng)于速度為Vi的電磁力子的矢徑，ωi是對應(yīng)于速度Vi的電磁力子的自旋角速度矢量，ri＇是對應(yīng)于速度為Vi＇的電磁力子的矢徑，ωi＇是對應(yīng)于速度為Vi＇的電磁力子的角速度矢量，ω1＇是對應(yīng)于速度V1＇的電磁力子的角速度矢量。n在擾動前后保持不變。

方程①根據(jù)動量守恒定律，方程②根據(jù)能量守恒定律得出，方程③是根據(jù)角動量守恒定律得出。由于閉合曲面S內(nèi)的電磁力子的運動狀態(tài)在碰撞擾動前后保持不變（但擾動過程中發(fā)生變化），在碰撞擾動前后，閉合曲面S內(nèi)的電磁力子數(shù)量保持不變；也就是：

所以根據(jù)方程組（I），我們可以得出 V1＇ =V1，ω1＇=ω1,這個結(jié)論有重要的意義：當(dāng)外界的一粒電磁力子（如狀態(tài)為：V1，ω1)對一個“平靜”的空間發(fā)生碰撞擾動時，無論一系列的碰撞多么復(fù)雜，直到這個空間釋放一粒相同運動狀態(tài)（狀態(tài)為V1，ω1）的電磁力子后，這個受擾動的空間就可以恢復(fù)“平靜”（回到受擾動前的狀態(tài)）。這個狀態(tài)為（V1，ω1）的電磁力子好像是沿直接穿過這個空間一樣，但實際上，釋放出來的狀態(tài)為（V1，ω1）的電磁力子不一定是原來的那粒電磁力子，只是它們的運動狀態(tài)相同而已。在閉合曲面S內(nèi)，原來的那粒電磁力子在碰撞過程中運動狀態(tài)發(fā)生改變。釋放出來的電磁力子狀態(tài)為（V1，ω1）又對相鄰的有限空間作碰撞擾動，同理，這有限空間最后也會釋放出運動狀態(tài)相同的電磁力子（V1，ω1）， 這樣不斷地重復(fù)進行下去，就形成了電磁波的傳播了。連結(jié)釋放出來的電磁力子狀態(tài)為（V1，ω1）通過邊界時和邊界曲面的交點（圖一的A點就是這樣的交點），會得到一條直線，所以我們以足夠大的空間觀察電磁波的傳播時，會認(rèn)為它是沿直線傳播的，當(dāng)然，當(dāng)發(fā)生衍射時，就顯得不是直線傳播了。我們觀察磁波時，并不能看到某一粒電磁力子所產(chǎn)生的信號，而是大量電磁力子所產(chǎn)生的信號。

假設(shè)有k個“額外”的電磁力子在“真空”中傳播時，我們可以看出有k個方程組（I）的疊加，這樣就可以使這k個“額外”的電磁力子在“真空”中傳播，形成電磁波。

4 施溫格效應(yīng)也證明了“真空”中有大量的電磁力子存在

在施溫格效應(yīng)[3-4]中，在超強場的“真空”中產(chǎn)生正負(fù)電子對，正負(fù)電子這些物質(zhì)不能憑空產(chǎn)生，組成正負(fù)電子的物質(zhì)只能來自“真空”中的物質(zhì)，這種物質(zhì)就是電磁力子。當(dāng)正負(fù)電子相撞湮滅而產(chǎn)生光波，正負(fù)電子里的物質(zhì)重新又分解成電磁力子。在整從此施溫格效應(yīng)的過程中，我們只測量到電磁場、電磁波、正負(fù)電子。我認(rèn)為過程是這樣的：在超強場中的“真空”中的電磁力子呈有規(guī)律化分布（即建立一個極坐標(biāo)系后單位體積內(nèi)電磁力子的角動量之和不為0）或有規(guī)律運動，當(dāng)極高自旋角速度而又極低質(zhì)心運動速度的電磁力子聚集在一起（即電磁力子間距極?。┚腿菀桩a(chǎn)生正負(fù)電子對。當(dāng)正負(fù)電子相撞湮滅并產(chǎn)生光波，極高自轉(zhuǎn)動能的電磁力子將部分轉(zhuǎn)動動能量轉(zhuǎn)移到電磁力子的質(zhì)心運動動能，這過程中電子里的電磁力子分崩離析，電磁力子間的距離迅速拉大。從電子里分離出來的較高自轉(zhuǎn)動能和質(zhì)心運動能的電磁力子對周圍的電磁力子形成沖擊產(chǎn)生光波，這就是質(zhì)量虧損而產(chǎn)生巨大能量的實質(zhì)，其實，能量早已隱藏在組成物質(zhì)的電磁力子極高的自轉(zhuǎn)動能上，因而無須相對論的E=△mc2來解釋，這公式用來做經(jīng)驗公式倒也無妨。

從施溫格效應(yīng)中可以看出，電磁力子是組成物質(zhì)的基本粒子，電子質(zhì)量是電磁力子質(zhì)量的整數(shù)倍。

5 光電效應(yīng)也說明電磁力子的存在

大家都知道光電效應(yīng)[5-8]說明光具有粒子性，光電效應(yīng)的方程是：Ek=hν-w0。

（h為普朗克常數(shù)，ν為入射光的頻率，Ek為被發(fā)射的電子動能，hν為一份光量子的能量。在我看來,一份光量子的能量遠(yuǎn)大于一個電磁力子所具備的動能(包括轉(zhuǎn)動動能和質(zhì)心運動動能)我們之所以在量子力學(xué)中常用hν作為一份量子能量，是因為這個量級的能量可令電子發(fā)生能級躍遷而可被測量而已。人們在光電效應(yīng)所說的電子吸收了光量子的能量hν。那我要問，怎樣吸收？我想人們難以回答。我認(rèn)為，這個吸收過程就是一群電磁力子和電子發(fā)生碰撞而發(fā)生了動能的轉(zhuǎn)移。把光電效應(yīng)的方程改為：

k為參與碰撞的電磁力子數(shù)量，m為電磁力子質(zhì)量，J為電磁力子的轉(zhuǎn)動慣量，Vi為電磁力子碰撞前速度，Vi＇為對應(yīng)電磁力子碰撞后的速度，ωi為電磁力子碰撞前的自轉(zhuǎn)角速度，ωi＇為對應(yīng)電磁力子和電子碰撞后的角速度。

這就表明只有“真空”中存在電磁力子才能很好地解釋光電子吸收動能量的細(xì)節(jié)，否則難以解釋。

6 脈沖量的制動效應(yīng)也說明“真空”有電磁力子存在

人類已發(fā)現(xiàn)多顆脈沖量，發(fā)現(xiàn)脈沖量普遍具有制動現(xiàn)象[7-15]，即脈沖量自轉(zhuǎn)速度越來越慢，通過觀察，以脈沖量的自轉(zhuǎn)周期來計時，數(shù)千萬年才慢1秒（當(dāng)然不同的脈沖量數(shù)據(jù)不一樣），而且脈沖量表面的線速度很高，有些達(dá)到亞光速，所以脈沖量轉(zhuǎn)速的減慢是由于“真空”中電磁力子對高速轉(zhuǎn)動的脈沖量表面產(chǎn)生的阻力。所以，脈沖量的制動效應(yīng)說明“真空”不空，彌漫著大量的電磁力子。

7 微觀粒子的運動狀況也證明“真空”中有大量電磁力子

我們都知道微觀粒子的運動存在不確定性，這種不確定性的根本原因是“真空”中彌漫著電磁力子，微觀粒子和電磁力子發(fā)生碰撞，從而交換動能和動量。原子核外“電子云”就是這種現(xiàn)象之一。

8 結(jié)論

綜上所述以及對大量的微觀世界粒子運動狀態(tài)的觀測，說明“真空”彌漫大量的構(gòu)成物質(zhì)基礎(chǔ)的基本粒子——電磁力子。正是基于“真空”存在大量的電磁力子，電磁波才得以傳播。