百年困惑——质疑爱因斯坦光子理论

摘要：在引述了我国和外国一些科学家对于爱因斯坦光子理论的质疑后，本文着重对光子理论中的波粒二象性问题、光子的吸收与发射问题、光子的传播速度问题、以及光子的相对静止质量等于零问题等经典结论提出了进一步的质疑。随后指出，根据广义时空相对论的理论结果，光子的相对静止质量并不等于零。从而表明，虽然爱因斯坦的光子理论取得了很大的学术成就，但仍是一个近似正确的相对真理。因此，当前的工作重点是亟待解决这些疑难问题。而要想解决这些问题，只有从更深层次的微观世界出发，才能使现有的光子理论有所突破和发展。

自1905年3月爱因斯坦发表题为《关于光的产生与转化的一个探测性的观点》以来，光子的概念就一直困惑着人们，这不仅是因为光子的相对静止质量等于零、以及能在“空无一物”的真空中传播，更是因为它本身所具有的“波粒二象性”。迄今为止，这个理论诞生刚好100周年。100年来，随着理论物理研究的深入，不断有人对这个理论提出质疑。

1993年，我国物理学家庞小峰在其著作《非线性量子力学理论》一书中指出：在极低温度（）的条件下，在玻恩－莫非尔德（Born-Iufeld）非线性方程中，引入光子系统中光子之间的非线性自相互作用项，就得到了光子的相对静止质量。1996年联合国教科文组织总干事、系统哲学家拉兹洛（Ervin Laszlo）在其著作《微漪之塘——宇宙中的第五种场》中指出：“光和引力并不是在虚空的空间中游荡的幽灵般的波”，并且反问道：“光子当发射时是一种粒子，当干涉时就是一种波吗？这种‘波粒子’（wavticle）永远是不确定的吗？”为纪念赵忠尧、狄拉克百年诞辰，我国科学家罗恩泽于2003年8月出版了《真空动力学——物理学的新架构》一书。书中明确指出：“我们必须纠正近代物理学中关于‘光子’的错误概念，这种概念把光子说成是一种在空无所有的虚空中直接穿过的微粒，而且光子在虚空中没有较慢或较快的速度，它相对于光源或任何观测者只能具有ms^-1的唯一速度，以及光既是粒子又是波动等许多令人无法理解的奇怪粒子”。

光具有波粒二象性是说，光既是波（电磁波）又是粒子。比较普遍的说法：光有时（比如在传播、干涉、衍射、偏振现象中）突出地表现为波，有时（比如与物质的相互作用，与检测器工作物质的单个电子、原子或分子作用时）突出地表现为粒子。

[质疑]：由麦克斯韦方程解出的是平面（或球面）电磁横波，而光量子理论认为光子具有粒子性，其能量，动量，光是由一粒一粒的光子所构成。那么，光既是平面（或球面）横波又是有体积的粒子，这难道不是非常奇怪的事情吗？毫无疑义，这是完全不可理解的，也是完全不符合逻辑的！既然是一个面，又哪来的体积呢？按理说，光的波粒二象性应是集波动性和粒子性于一身，二者是统一的。那么，它怎么会有时是波有时又是粒子呢？如果说在传播时它突出地表现为波，这时它的粒子性又如何体现呢？相反地，当光与物质相互作用时突出地表现出粒子性，那么这时的波动性又是如何体现的呢？因此，人们仍然要固执地问道：光究竟是一个粒子还是一个波？

光子的“发射”和“吸收”是指：处于原子和分子中的束缚电子从高能级跃迁到低能级时就会发射一粒光子，处于低能级的束缚电子如果吸收一粒能量合适的光子就会跃迁到高能级。这是迄今为止的物理学（包括量子物理学、量子场论以及所有规范场）告诉我们的。

[质疑]：但是，究竟光子是如何发射或吸收的呢？特别是，在发射或吸收的具体过程中，它的物理图像是怎样的？现代物理学对此绝口不谈，只给出了原因和结果，而没有中间过程。这难道不奇怪吗？例如，处于氢原子第一激发态（）能级上的电子（按照玻尔理论nm，根据最小能量原理会自发的（为什么？）因为不稳定（为什么？）而跃迁到基态（nm），同时会发出莱曼系谱线的光子，其波长为nm。根据量子力学的不确定关系，电子从跃迁到所需的时间为s。这里我们要问：在这个时间内，究竟发生了什么样的物理过程和物理景象呢？换言之，这个光子在这段时间内的什么时候发出的？从什么位置上发出的？向着什么方向发出的？其中的和是如何被激发而形成“平面电磁波”的？还有，这个光子与其电磁波之间究竟有什么样的结构关系？如此等等。时至今日，还没有一个物理学家回答过这其中的任何一个问题。

根据麦克斯韦电磁场方程，在真空中由于，和以及均为常数，即得到在均匀理想各向同性媒质中无源（区域）的波动方程，其解为垂直于传播方向（

）的和的均匀平面波，波速为ms^-1。式中为真空中的磁导率，等于NA^-2，为真空中的介电常数，等于…Fm^-1。根据国际科技数据委员会（CODATA）1998年基本物理常数国际推荐值数值表查明，上述数值均为精确值。

[质疑]：请问，真空中的磁导率和介电常数有什么物理意义？空无一物的真空，其中和的物理本质究竟是什么？它们与在真空中“穿行”的光子究竟有什么样的关系？现代物理学认为：虽然某区域，但并不排除占到宇宙空间物质99％的物质第四态——等离子态的存在。而等离子态的密度从～个/cm³，横跨20个数量级，难道在这种情况下和还是一成不变的常数吗？！还是那么精确吗？！何况真空还有“零点能”、还能极化，还有中微子、各种介子以及“真空微粒”的存在。光子在这样的“真空”中“穿行”，难道会不受任何影响吗？！

当时，必须为零，这就是光子静止质量为零的由来。这里由于，所以引出了光子的动质量

[质疑]：然而，式（1）中的参量“”是粒子运动的相对速度（），在相对论中的含义是：位于静止系坐标原点上的观测者测得的物体运动的速度。可是按照广义时空相对论，这个相对速度（）的定义是不确切的，因为它并没有从根本上摆脱绝对同时性的时间观念。因而，它与运动物体相对于运动起点的绝对速度（）之间的变换关系应为：

中，将相对速度（）用式（3）中的绝对速度（）替换，可得出：

这里，跟随光子一起运动的观测者测得光子的绝对速度、质量为，乃是真光子的“总质量”，或者叫做“固有质量”。可见，光子的相对静止质量并不为零，它的“动质量”为“相对静止质量”的倍。——这是与爱因斯坦的相对论根本对立的！

因为光子具有相对静止质量（），所以根据电动力学，它应遵从泼洛卡场方程：

在真空中，因为，所以可得平面波解。此波是色散的，因其相速度

由此可见，只要测定了光的色散效应，就可以计算出光子的静止质量的上限。1971年，歌德哈伯等人作了实验，结果表明光子静止质量的上限kg。——事实上，到目前为止还没有任何一个实验结果已经证明光子的相对静止质量真等于零！

顺便指出：泼洛卡场方程采用了麦克斯韦电磁场方程的矢势及其相关条件。然而，广义时空相对论已经明确地指出：这个电磁矢势只是“相对描述”，因而也是一个不确切的物理概念。——电磁场的“规范不变性”刚好证明了这种不确切性的存在。

总而言之，虽说爱因斯坦的光子理论取得了很大的学术成就，但从这个理论本身所存在的问题与不断被质疑、以及理论物理的最新发展上看，它并不能完善地解释光学现象中所面临的许多基本矛盾。因此说，现有的光子理论只不过是一定物理层次上的相对真理，是一个需要不断完善与发展的基础理论。特别是，现有的学术成就表明：要想解决这些根本性的矛盾，只有从更深层次的微观世界入手才能使理论有所突破与发展。

参考文献

1．庞小峰，非线性量子力学理论，重庆：重庆出版社，1994年8月。第719～720页。
Pang-Xiaofeng, non-linear quantum theory, Chongqing, pages 719~720.
2．欧文·拉兹洛，微漪之塘——宇宙中的第五种场，钱兆华译，北京：社会科学文献出版社，2004
年10月，第二版。202页，262页。
Author: Ervin Laszlo, The whispering Pond, Translator: Qian-Zhaohua, Beijing, pages 202, and 262.
3．罗恩泽，真空动力学——物理学的新架构，上海：上海科学普及出版社，2003年8月。54页。
Lo-Enze, Wacuum Dynamics---New framer work of physics, Shanghai, page 54.
4．夏烆光，广义时空相对论，北京：人民交通出版社，2003年1月。第143页。
Xia-Xingguang, Generalized time-space theory of relativity, Beijing, page 143.
5．虞福春、郑春开，电动力学，北京：北京大学出版社，2003年9月。218～220页。
Yu-Fuchun, Zheng-Chunkai, Electrodynamics, Beijing, pages 218~220.
6. 赵凯华罗蔚茵，量子力学，北京：高等教育出版社，2001年1月。19～20页。
Zhao-Kaihua, Luo-Weiyin, Quantum physics, Beijing, pages 19~20.
7．张三慧主编，量子物理，北京：清华大学出版社，2000年8月第二版。第13页。
Zhang-Huisan, Quantum physics, Beijing, page 13.

Abstract: On the basic of theory results quoted by the authors, that they have been oppugned by the Chinese and foreign scientists to the Einstein’s photon theory, this article, oppugns emphatically to the classical conclusions in Einstein’s photon theory about the problems, which they are wave-particle duality, emission and absorption of photons, propagation velocity of photon, and relative stationary mass equals to naught. Whereafter points out the photons have a relative stationary mass, according to the result in generalized time-space theory of relativity. Thereby indicating, although Einstein’s photon theory had got some tremendous science achievements, but it is a relative truth which is approximate exactitude. Therefore, currently the study emphases are solves these problems as quickly as possible. In order to solving these problems, should be start with from the microcosmic scopes in the more deep arrangement. Otherwise, the existing photon theory shill hasn’t any breakthrough and development.

Key words: physics of light oppugning to Einstein’s photon theory wave-particle duality relative stationary mass