光的概念與本質(zhì)

葛葆安

(天津市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，天津 300041)

光，尤其從太陽發(fā)射的光和月球反射的光，給地球——人類賴以生存的地方——帶來光明、冷暖和生機(jī)勃勃.陽光是人類生存環(huán)境的重要因素，因此太陽也曾是科學(xué)與宗教的爭奪對象.

真正引起早期的哲學(xué)家對光的重視，或許始于伽里略-牛頓年代.從此以后人類對光的關(guān)注始終沒有間斷過，產(chǎn)出的科學(xué)研究成果是豐碩的.從學(xué)科門類看，物理學(xué)工作者從“可見光”部分開始分別向兩個(gè)相反方向的研究和發(fā)現(xiàn)大大拓展了我們對物理光學(xué)的知識，通常是根據(jù)頻率(或波長)范圍劃分它們的稱謂、性質(zhì)和應(yīng)用.同時(shí)，也擴(kuò)大了物理學(xué)中光學(xué)的分支學(xué)科.

1900年普朗克提出熱輻射是“能量包”中發(fā)射和吸收的量子.1905年愛因斯坦發(fā)現(xiàn)普朗克的結(jié)論也適用于光，并用光量子描述光.近代研究表明：不僅只有可見光、紅外線、紫外線是光，所有電磁能(例如高能射線、無線電波、微波等)也都是光，都是由光量子組成，并將它們通稱為光子(古爾伯特·牛頓·路易斯提出).

1 光的知識

從目前知識看，光的概念既清晰，但又不能給出描述其本質(zhì)的定義.它的本質(zhì)是什么，并沒有搞得很清楚.應(yīng)該講，對光子的認(rèn)知仍然在研究中，它的家族太大了，成員擴(kuò)展得太廣了，需要時(shí)間、精力將它們一一搞清楚，前面的路仍是遙遙之途.從已知有關(guān)光的知識看[1-8]:

1)光的靜止質(zhì)量(牛頓定義的和愛因斯坦認(rèn)知的質(zhì)量)為零.但是，至今仍然有科學(xué)工作者利用現(xiàn)代測量儀器設(shè)備努力工作，并希望能夠測出光子的靜止質(zhì)量[9-11]，并認(rèn)定它會(huì)是一個(gè)很微小的數(shù)值，但至今未能測得結(jié)果.或許是因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)設(shè)備精度和測量手段不足所致.這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性很強(qiáng)的工作，應(yīng)該繼續(xù)下去.

2)光是基本粒子，或許可以講，相比許多已經(jīng)被認(rèn)知的基本粒子而言，它們是基本粒子族中相對最穩(wěn)定的群體.

3)光在真空中沿直線傳播，其速度是個(gè)定值c≈3.0*108m/s，稱謂光速.曾經(jīng)有物理學(xué)工作者耗畢生精力測定它的精確值，此種精神值得業(yè)內(nèi)人士敬佩.光速對人類而言或許是個(gè)門坎，也是一部分科學(xué)工作者躍躍欲試挑戰(zhàn)的門坎.

4)光具有波粒二象性質(zhì)，它們還可以表現(xiàn)為粒子(光子).宇宙空間內(nèi)它們是無處不在的，不斷運(yùn)動(dòng)充滿著整個(gè)宇宙.其實(shí)，微波背景輻射就是最好的證例，況且一百多億光年外的光也能被我們觀測到.

5)光是個(gè)大家族，若以頻率(或波長)劃分，處于不同頻率范圍內(nèi)的光子群體都擁有各自不同的、自己的獨(dú)特性質(zhì).

6)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，光的譜線是不連續(xù)的，每份光子都是獨(dú)立存在的.愛因斯坦將光描述為光量子，至于光量子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與性能的研究近乎空白.

7)愛因斯坦從狹義相對論研究中發(fā)現(xiàn)“質(zhì)量”與“能量”是等效的，作為相對論理論的推論，愛因斯坦對質(zhì)能方程似乎沒有更多說什么，僅從質(zhì)能方程看，質(zhì)量與能量之間應(yīng)該具有“等值”的特征.而對每個(gè)光子而言，這個(gè)性質(zhì)或許含有獨(dú)特的意義，因?yàn)檫@個(gè)特性表現(xiàn)出光子的一些“本質(zhì)”：每份光量子呈現(xiàn)出的是它含有多少“能量”的性質(zhì)，至今沒有測出它的質(zhì)量就不足為奇了.從表象看，光子是不是有一層皮“在”包裹著這一份份的能量；或是每份能量“自己”都在獨(dú)自地旋轉(zhuǎn)著，像太陽系中的太陽一樣，“不容易”發(fā)散自己的能量.如果是前者，每份光量子都應(yīng)有“皮”，光子中的能量被“皮”包裹著.隨著技術(shù)的發(fā)展，光“皮”的厚度、質(zhì)量應(yīng)該被測量到的.如果是后者，每份光子的能量也可以慢而又慢地散發(fā)出來的，前提條件是：它們的周邊環(huán)境溫度(能量)比該光量子所擁有的溫度(能量)低.這樣看來，光子是以其內(nèi)含能量劃分它們的家族的.因此，將光量子或光子稱為“能量包”更切真實(shí).事實(shí)上，多項(xiàng)實(shí)踐表明光子是以能量方式存在的，而且它們與其它物體之間的作用，通常也是以傳遞能量表明自己的存在和運(yùn)作行為的.

8)“光子”中可見光部位的光是一個(gè)特殊頻段的光，除具有可視功能外，它們將光家族從自己身側(cè)兩旁分割成各自具有明顯特征的兩個(gè)分支：低頻家族和高頻家族.每個(gè)家族顯現(xiàn)的各自特征如下：

低頻家族光子的“能量包”中的能量隨頻率降低(或波長增長)逐漸減少.紅外線頻段光子的能量包似乎比較容易“破裂”，將其所含能量以“熱”的形式釋放，傳遞給相遇的物體，此頻段的熱效應(yīng)最強(qiáng).電磁波頻段光子的能量包以能量交換顯示其特征，隨頻率降低，散發(fā)能量速度降低，則其傳播距離增大.此頻段另一特征是光子能量包的穿透能力比紅外波段和可見光波段強(qiáng)，似乎尚未有實(shí)驗(yàn)和理論研究說明之.微波頻段光子能量包應(yīng)該是穩(wěn)定的，從宇宙微波背景輻射充滿星空且各向均勻，同時(shí)具有與黑體輻射一致的能量譜而言，似乎也可以說明它的穩(wěn)定性質(zhì)，就微波背景輻射的溫度看，似乎已經(jīng)沒有比其更低的能量包傳遞自己的能量了.同樣，目前尚未見有關(guān)研究報(bào)告.如是，這一族的光子是遵循物理熱力學(xué)“熵”增原理的.

高頻家族光子的“能量包”中的能量隨頻率增加(或波長減低)逐漸增大，紫外線頻段光子的能量包能夠按照其能量大小置換原子中不同能級的電子(光電效應(yīng)).隨著光子能量包的能量增加，它的電離作用減弱，甚至不再明顯，但是其穿透能力增強(qiáng).是否由于光子能量包內(nèi)能量增加，它們逸散能量的情況也會(huì)增多？從觀測宇宙中射線到達(dá)地球表面的實(shí)驗(yàn)來看，只是距離地球較近的星體發(fā)生強(qiáng)烈爆發(fā)時(shí)才能觀測到高頻一族的存在，是不是表明它們確實(shí)出于尚不為我們所知的原因在行進(jìn)過程中發(fā)生過能量“逸散”.如是，這一族的光子也是遵循物理熱力學(xué)“熵”增原理的.

可見光家族光子的“能量包”中的能量介于低頻家族與高頻家族之間，其頻率范圍在家族中部，也是隨頻率改變能量，從紅光至紫光逐漸增強(qiáng).這個(gè)家族是很特殊的一族，是人類感知最早的一族，是對地球上生物世界影響最大的一族，也是人們研究時(shí)間最久遠(yuǎn)、最深入的一族.從目前研究成果看，這一族光子的“能量包”在發(fā)散過程中是永恒的，似乎不會(huì)逸散自己“包”中的能量.如是，似乎這一族光子是不遵循物理熱力學(xué)“熵”增原理的.

2 實(shí)驗(yàn)確定光子是否遵循 “熵”增原理

光的家族中的光子是不是都遵循物理熱力學(xué)“熵”增原理的研究尚不深透，這與對光子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制的研究相對缺乏有關(guān)，也與它們靜止質(zhì)量為零和運(yùn)行速度為c有關(guān)聯(lián)，給研究工作帶來困難.

近年來，除有物理學(xué)者努力測定光子是否“有”質(zhì)量外，研究電磁作用力的本質(zhì)及在加速器內(nèi)讓光子相互撞擊的實(shí)驗(yàn)也在進(jìn)行中，物理學(xué)者對光的本質(zhì)的探索從未停止過.

多年來，物理學(xué)界已經(jīng)有共識，在遵循愛因斯坦廣義相對論條件下，有理論證明，在特定環(huán)境中，如在形成當(dāng)今宇宙初始的“奇”點(diǎn)中，當(dāng)前的物理學(xué)原理、定律將會(huì)失效.而且目前正高速膨脹的宇宙會(huì)在未來某個(gè)時(shí)刻開始收縮，再次回到“奇”點(diǎn)，新的宇宙將會(huì)重新開始.因此，在“脈動(dòng)”的宇宙中，當(dāng)今認(rèn)知的物理學(xué)公理、定律，包括“熵”增原理似乎并不重要，“宇宙”也似乎不會(huì)迎來物理熱力學(xué)第二定律認(rèn)定的“熱寂”.

目前，物理學(xué)原理、定律尚未失效情況下，光子的家族是否遵循“熵”增原理應(yīng)是物理學(xué)硏究中重要課題，不僅僅因?yàn)樗鼈儗ξ覀兩畹挠绊憻o處不在，也是由于它們遍布宇宙空間，無所不在地影響著我們千百年來對宇宙窺探其奧秘的愿望.

自1928年，哈勃觀測到星系光譜出現(xiàn)紅移結(jié)果后，用多普勒效應(yīng)解釋所觀測的星系都朝著與地球相反方向運(yùn)動(dòng)后，很快興起的大爆炸理論被認(rèn)定是主流理論，雖然多年來不同意見很多，但是并沒有能夠撼動(dòng)大爆炸理論.當(dāng)初哈勃似乎并沒有考慮過光子在宇宙空間傳播過程中會(huì)發(fā)生能量逸散的情況，似乎也沒有考慮到它們也是應(yīng)該遵循熱力學(xué)熵增原理的，并可能導(dǎo)致紅移.大爆炸理論導(dǎo)出宇宙在膨脹，遠(yuǎn)處星系正以超過光速的速度遠(yuǎn)離地球的結(jié)論.本文下一段中建議的實(shí)驗(yàn)，目的是證明光也是遵守熵增原理的，頻率(或波長)由于能量的逸散，在宇宙空間運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生微小變化的.如果光不遵守熵增原理的話，太空的景色會(huì)不一樣.利用實(shí)驗(yàn)做判斷并得出結(jié)論，相信不僅結(jié)論應(yīng)該是肯定的：遵守，而且實(shí)驗(yàn)還可以確定逸散的速度，這個(gè)結(jié)果也是至關(guān)重要的.

可見光一族的光子“能量包”是否遵循“熵”增原理應(yīng)由可操作的實(shí)驗(yàn)來確定.例如：1)建成類似宇宙空間的環(huán)境，將單一的弱、強(qiáng)激光束分別通過此空間，觀測其頻率(或波長)是否發(fā)生(微微)變化；2)在上述環(huán)境中，調(diào)整環(huán)境溫度(溫度指在4 k度附近調(diào)整)，測量激光束光壓是不是發(fā)生改變；3)利用現(xiàn)代空間技術(shù)，在空間站與衛(wèi)星之間或在空間站與月球、火星表面地面站做上述實(shí)驗(yàn).

3 結(jié)論

總之，可見光一族的光子在經(jīng)歷了上百億光年的行程中，其“能量包”內(nèi)的能量是否存在著“逸散”部分能量的問題，應(yīng)該是研究光學(xué)的物理學(xué)者有興趣的問題，也是確定它們是否不遵守熵增原理，永存宇宙空間的獨(dú)特一族.此項(xiàng)研究工作對宇宙大爆炸理論也是重要的，該理論是基于哈勃對遙遠(yuǎn)星系觀測時(shí)發(fā)現(xiàn)到光的紅移，似乎也是認(rèn)定可見光的光子能量(能量包)是守恒的，紅移是星系高速與地球遠(yuǎn)離的結(jié)果.