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第二章3节 光子模型

(2013-04-09 14:28:19)
标签:

波动学说

微粒学说

光子

光子模型

光量子

杂谈

分类: 系统相对论第2版

第三节  光子模型

3.1  光的早期认识

远古时期的人类认为,眼睛看见东西是从眼睛发出某种触须去触及物体,也就是说光是从眼睛发出的。大约公元前6世纪,泰勒斯、毕达哥拉斯等古希腊的哲学家们大都理性地探讨过光的性质和光的传播,当时已经有人提出月亮因反射太阳的光线而发光。似乎是亚里士多德首先对眼睛向物体发出视线的说法产生质疑,并提出了一种一直影响到17世纪的光的理论。

13世纪前后,担任过林肯郡主教的牛津大学首任校长格罗斯代特写过一部《论光》,他把奥古斯丁的光照说以及当时的数学和光学知识,揉合成独特的“形而上光学”。他认为,上帝最初创造的形式就是光;光瞬间充满整个世界,给一切有形的事物赋予外观;光按本性,其扩展是无限的;光源之扩展形成了宇宙的边界;射向宇宙的光先收敛于太阳,依次生成九大天体,然后再产生出火、气、水和土,最后才是宇宙的中心地球。

事实上,关于光的认识,真正实现向近代科学转变的,是达·芬奇、哥白尼、伽利略、笛卡尔及其后继者的工作。笛卡尔运用他的坐标几何学从事光学研究,第一次对折射定律提出了理论上的推证;他认为光是压力在“以太”中的传播。

关于光的本性问题,笛卡尔在《折光学》中提出两种假说。一种假说认为,光是类似于微粒的一种物质;另一种假说认为,光是一种以“以太”为媒质的压力。笛卡尔的这两种假说,为后来的微粒说和波动说的大争论埋下了伏笔。

3.2  光的波粒大争论[6]

17世纪初,随着几何光学的发展,物理光学的研究也开始起步。在人们对物理光学的研究过程中,光的本性问题成为焦点。

3.2.1  光的波动说微粒说的第一次交锋

1655年,意大利数学教授格里马第通过小孔衍射和干涉实验得出结论:光可能是一种能够做波浪式运动的流体,光的不同颜色可能是波动频率不同的结果。格里马第首先提出了“光的衍射”的概念,成为光的波动学说最早的倡导者。大约1663年,英国科学家波义耳通过观察肥皂泡和玻璃球中的彩色条纹,认为物体的颜色可能不是物体本身的性质,而是光照在物体上产生的效果。随后英国物理学家胡克重复了格里马第和波义耳的实验,提出了“光是以太的一种纵向波”的假说。据此胡克认为,光的颜色是由其波动频率决定的。

1666年,牛顿通过著名的三棱镜色散实验,发现了白光是由各种不同颜色的光组成的。为了验证这个发现,牛顿设法把几种不同的单色光合成白光,并且计算出不同颜色光的折射率,精确地说明了色散现象,揭开了物体的颜色之谜,原来物体的色彩是不同颜色的光在物体上有不同的反射率和折射率造成的。后来,牛顿还观察到著名的“牛顿环”等光学现象。在牛顿的论文《关于光和颜色的理论》中,他提出了光的“微粒说”,认为光是由微粒形成的,并且走的是最快速的直线运动路径;光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样。在这篇论文里他用微粒学说阐述了光的颜色理论。

关于光的波动说和微粒说的第一次交锋,由“光的颜色”拉开了序幕,此后胡克与牛顿之间展开了漫长而激烈的争论。由于当时牛顿和胡克都没有形成完整的理论,因此波动说和微粒说之间的论战并没有全面展开。

3.2.2  光的波动说和微粒说的第二次交锋

荷兰著名物理学家惠更斯继承并完善了胡克的观点。他仔细研究了牛顿和格里马第的实验,认为其中有很多现象都是微粒说所无法解释的。惠更斯认为:光是一种机械波;光波是一种靠“以太”载体来传播的纵波;波面上的各点本身就是引起媒质振动的波源。根据这一理论,惠更斯证明了光的反射和折射定律,也比较好地解释了光的衍射、双折射和“牛顿环”现象。在1678年提交法国皇家科学院的《光论》一文中,惠更斯系统地阐述了光的波动理论,同年他公开发表了反对微粒说的演说。

就在惠更斯积极地宣传波动说的同时,牛顿的微粒说也逐渐的建立起来。在牛顿修订后的《光学》中,提出了两点反驳惠更斯的理由:第一,光如果是一种波,它应该同声波一样可以绕过障碍物、不会产生影子;第二,冰洲石的双折射现象说明光在不同的边上有不同的性质,波动说无法解释其原因。与此同时,牛顿把他的物质微粒观推广到整个自然界,并与他的质点力学体系融为一体,为微粒说找到了坚强的后盾。

随着惠更斯和胡克的相继去世,波动说一方已无人应战。此时牛顿已成为无人能及的一代科学巨匠,人们对他的理论顶礼膜拜,重复他的实验,并坚信他的结论。整个18世纪,几乎无人向微粒说挑战,也很少再有人对光的本性作进一步的研究。

3.2.3  光的波动说和微粒说的第三次交锋

18世纪末,受哲学领域的思想革命或启蒙运动的影响,英国著名物理学家托马斯·杨开始对牛顿的光学理论产生怀疑。根据一些实验事实,他认为光是在“以太”流中传播的弹性振动,并以纵波形式传播。从此波动说终于重新活跃起来。1801年,托马斯·杨进行了著名的杨氏双缝干涉实验,证明了光的干涉现象,从而证明了光是一种波,并首次提出了光的干涉的概念和光的干涉定律。

1807年,托马斯·杨把他的实验和理论编入了《自然哲学讲义》,由于在理论上认为光是一种纵波,所以遇到很多麻烦。虽然托马斯·杨的理论没有得到足够的重视,但却激起了牛顿微粒学派对光学研究的兴趣。1808年,拉普拉斯用微粒说分析了光的双折射现象,批驳托马斯·杨的波动说。1809年马吕斯发现光的偏振现象,1811年布吕斯特发现了光的偏振定律。由于纵波不可能发生这样的偏振,光的偏振现象和偏振定律的发现,使当时光的波动说陷入困境。

面对这个情况,托马斯·杨再次深入研究,于1817年他放弃光是一种纵波的说法,提出了光是一种横波的假说,从而比较成功地解释了光的偏振现象。1819年,菲涅耳完成双面镜干涉实验,再次证明了光的波动说。之后,夫琅禾费首次用光栅研究了光的衍射,德国另一位物理学家施维尔德根据新的光波学说,对光栅衍射现象成功解释。至此,新的波动说牢固地建立起来,微粒说开始转入劣势。

3.2.4  光的波动说和微粒说的第四次交锋

1887年,德国物理学家赫兹发现光电效应,1905年爱因斯坦给出光电效应的粒子解释;1923年,康普顿散射实验进一步证实了光子的粒子性。至此,一方面,光的粒子证据和波动证据一起呈现在人们的面前,另一方面,基于量子化条件构建的海森堡矩阵方程和基于波动性构建的薛定谔波动方程被证明是等价的。

于是,人们被迫得到这样不愉快的结论:光既不是经典的粒子又不是经典的波;它既有粒子性又有波动性。光以经典的波动方式传播,又以粒子方式和物质相互作用。这就是光的“波粒二象性”。

至此,历时近300年的“波粒之争”终于落下帷幕。然而这并没有给人们带来多少胜利的喜悦,相反许多人意识到,我们所作的实验仅仅是表现出粒子或波的特征,将光分类成粒子或波的失败,实际上是我们用经典语言描述比粒子或波更加深奥的现象的失败[7]

3.3  光子存在结构的启示

自1905年爱因斯坦提出光量子概念,直到1926年才被广泛接受,并正式命名为光子(photon)。photon源于希腊文,指的是辐射能量的最小单位,其不能被创生也不能被消灭。 

尽管在粒子物理学中光子被定义为一种基本粒子,然而,还是有人提出了光子的假想模型。其中一种假想模型是:如图2-4a所示,光子是由同样大小的正电粒子和负电粒子所组成,正电粒子中心与负电粒子中心的距离为光子的半径,正电粒子的质量(动质量)等于负电粒子的质量。光子是以光速运动的旋转的电偶极子,旋转轴的方向与光的运动方向垂直。

第二章3节 <wbr>光子模型

另外,也有人基于光的波动性,提出了如图2-4b所示的光波模型。显然,上述两种光的模型与许多实验事实相矛盾、是错误的,可以看出这些模型的构建受到了正负电概念的深刻影响。从系统相对论的视角观察光的一些特性,可以窥见光子存在结构的信息。

光子的频率  根据我们在宏观上获得的经验,将频率视为光子的转动频率是一个容易理解的方案。然而,对于各向同性(即没有极性)的粒子,我们是无法探测它的转动频率的,因此光子频率的存在,意味着光子是非各向同性的,即光子是有极性的。而极性又意味着结构的存在,因此光子的频率给出了光子存在结构的暗示。

光子的自旋  光子的自旋量子数为1,从本章2.4节可知,光子每转动1圈我们才看到相同的面,即在转动方向上光子是360度对称结构。如果将光子理解为一个条形磁铁,这个磁铁水平放置且在水平面内转动,那么这个磁铁转动360度时我们看到的将是同一个磁极。因此,从光子的自旋量子数,我们获得光子可能存在两个极的信息。

普朗克的能量子”  黑体辐射理论中,在电磁辐射低频极限上,瑞利-琼斯分布公式与实验结果很好地符合,但在高频极限却导致紫外发散,即黑体辐射能量密度趋于无穷大,史称“紫外灾难”,这与试验结果存在明显矛盾。后来,普朗克从适用于高频的维恩位移定律和适用于低频的瑞利-琼斯分布公式,拟合出了普朗克黑体辐射公式,该公式完全符合于实验。为了给出公式的解释,普朗克假设光子的能量取离散值,即能量量子化,进而提出“能量子”的概念。光子的能量E是能量子ε0的整数倍,即E=nε0。也就是说,光子是由若干能量子构成的,光子所含能量子的数量越多,光子的能量就越高。因此普朗克的能量子概念给出了光子是由更基本的粒子构成的启示。

3.4  光子的管状体模型

根据上文提供光子存在结构的信息,系统相对论构建的光子模型如下:

光子是由若干cn粒子通过叠加方式凝聚成的管状粒子,cn粒子是构成光子的基本单元。光子中的cn粒子按极性同向排列,cn粒子间的耦合涡环(场环)如同一条条绳索将它们紧紧捆在一起。光子是轴对称结构,如图2-5a所示。

第二章3节 <wbr>光子模型

光子的场结构如图2-5b所示,光子的场是由内场、临界场和外场组成的三层结构。光子中,各cn粒子独立涡环的包络线围成的区域称作光子的内场,又称光子的本体。在内场外侧,部分cn粒子间耦合涡环的包络圆围成的区域,称作光子的临界场;其它光子或粒子很难到达临界场内,因此这个包络球又称作光子的粒子体,简称光子体;相应地,将这个临界场的外边界称作光子的表面,临界场的半径r0称作光子的半径。在光子体的外部,弥散着所有cn粒子共同的耦合涡环,称作光子的外场,简称光子场

与cn粒子一样,光子也如同一个微小的磁体,它的场是具有一个阳极N和一个阴极S的极性场,又称双极场。光子的双极场与物理学中的电偶极子和磁偶极子的概念有相通之处。

依据上述光子模型,我们可以更好地理解光子的横波、偏振、频率等各种特性,以及对普朗克黑体辐射公式、光电效应、康普顿散射实验、电磁波等作出更合理的解释。具体讨论见相关章节。

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