光的概念与本质

葛葆安

(天津市科学技术协会，天津 300041)

光，尤其从太阳发射的光和月球反射的光，给地球——人类赖以生存的地方——带来光明、冷暖和生机勃勃.阳光是人类生存环境的重要因素，因此太阳也曾是科学与宗教的争夺对象.

真正引起早期的哲学家对光的重视，或许始于伽里略-牛顿年代.从此以后人类对光的关注始终没有间断过，产出的科学研究成果是丰硕的.从学科门类看，物理学工作者从“可见光”部分开始分别向两个相反方向的研究和发现大大拓展了我们对物理光学的知识，通常是根据频率(或波长)范围划分它们的称谓、性质和应用.同时，也扩大了物理学中光学的分支学科.

1900年普朗克提出热辐射是“能量包”中发射和吸收的量子.1905年爱因斯坦发现普朗克的结论也适用于光，并用光量子描述光.近代研究表明：不仅只有可见光、红外线、紫外线是光，所有电磁能(例如高能射线、无线电波、微波等)也都是光，都是由光量子组成，并将它们通称为光子(古尔伯特·牛顿·路易斯提出).

1 光的知识

从目前知识看，光的概念既清晰，但又不能给出描述其本质的定义.它的本质是什么，并没有搞得很清楚.应该讲，对光子的认知仍然在研究中，它的家族太大了，成员扩展得太广了，需要时间、精力将它们一一搞清楚，前面的路仍是遥遥之途.从已知有关光的知识看[1-8]:

1)光的静止质量(牛顿定义的和爱因斯坦认知的质量)为零.但是，至今仍然有科学工作者利用现代测量仪器设备努力工作，并希望能够测出光子的静止质量[9-11]，并认定它会是一个很微小的数值，但至今未能测得结果.或许是因为我们的实验设备精度和测量手段不足所致.这是一项挑战性很强的工作，应该继续下去.

2)光是基本粒子，或许可以讲，相比许多已经被认知的基本粒子而言，它们是基本粒子族中相对最稳定的群体.

3)光在真空中沿直线传播，其速度是个定值c≈3.0*108m/s，称谓光速.曾经有物理学工作者耗毕生精力测定它的精确值，此种精神值得业内人士敬佩.光速对人类而言或许是个门坎，也是一部分科学工作者跃跃欲试挑战的门坎.

4)光具有波粒二象性质，它们还可以表现为粒子(光子).宇宙空间内它们是无处不在的，不断运动充满着整个宇宙.其实，微波背景辐射就是最好的证例，况且一百多亿光年外的光也能被我们观测到.

5)光是个大家族，若以频率(或波长)划分，处于不同频率范围内的光子群体都拥有各自不同的、自己的独特性质.

6)实验证实，光的谱线是不连续的，每份光子都是独立存在的.爱因斯坦将光描述为光量子，至于光量子内部的结构与性能的研究近乎空白.

7)爱因斯坦从狭义相对论研究中发现“质量”与“能量”是等效的，作为相对论理论的推论，爱因斯坦对质能方程似乎没有更多说什么，仅从质能方程看，质量与能量之间应该具有“等值”的特征.而对每个光子而言，这个性质或许含有独特的意义，因为这个特性表现出光子的一些“本质”：每份光量子呈现出的是它含有多少“能量”的性质，至今没有测出它的质量就不足为奇了.从表象看，光子是不是有一层皮“在”包裹着这一份份的能量；或是每份能量“自己”都在独自地旋转着，像太阳系中的太阳一样，“不容易”发散自己的能量.如果是前者，每份光量子都应有“皮”，光子中的能量被“皮”包裹着.随着技术的发展，光“皮”的厚度、质量应该被测量到的.如果是后者，每份光子的能量也可以慢而又慢地散发出来的，前提条件是：它们的周边环境温度(能量)比该光量子所拥有的温度(能量)低.这样看来，光子是以其内含能量划分它们的家族的.因此，将光量子或光子称为“能量包”更切真实.事实上，多项实践表明光子是以能量方式存在的，而且它们与其它物体之间的作用，通常也是以传递能量表明自己的存在和运作行为的.

8)“光子”中可见光部位的光是一个特殊频段的光，除具有可视功能外，它们将光家族从自己身侧两旁分割成各自具有明显特征的两个分支：低频家族和高频家族.每个家族显现的各自特征如下：

低频家族光子的“能量包”中的能量随频率降低(或波长增长)逐渐减少.红外线频段光子的能量包似乎比较容易“破裂”，将其所含能量以“热”的形式释放，传递给相遇的物体，此频段的热效应最强.电磁波频段光子的能量包以能量交换显示其特征，随频率降低，散发能量速度降低，则其传播距离增大.此频段另一特征是光子能量包的穿透能力比红外波段和可见光波段强，似乎尚未有实验和理论研究说明之.微波频段光子能量包应该是稳定的，从宇宙微波背景辐射充满星空且各向均匀，同时具有与黑体辐射一致的能量谱而言，似乎也可以说明它的稳定性质，就微波背景辐射的温度看，似乎已经没有比其更低的能量包传递自己的能量了.同样，目前尚未见有关研究报告.如是，这一族的光子是遵循物理热力学“熵”增原理的.

高频家族光子的“能量包”中的能量随频率增加(或波长减低)逐渐增大，紫外线频段光子的能量包能够按照其能量大小置换原子中不同能级的电子(光电效应).随着光子能量包的能量增加，它的电离作用减弱，甚至不再明显，但是其穿透能力增强.是否由于光子能量包内能量增加，它们逸散能量的情况也会增多？从观测宇宙中射线到达地球表面的实验来看，只是距离地球较近的星体发生强烈爆发时才能观测到高频一族的存在，是不是表明它们确实出于尚不为我们所知的原因在行进过程中发生过能量“逸散”.如是，这一族的光子也是遵循物理热力学“熵”增原理的.

可见光家族光子的“能量包”中的能量介于低频家族与高频家族之间，其频率范围在家族中部，也是随频率改变能量，从红光至紫光逐渐增强.这个家族是很特殊的一族，是人类感知最早的一族，是对地球上生物世界影响最大的一族，也是人们研究时间最久远、最深入的一族.从目前研究成果看，这一族光子的“能量包”在发散过程中是永恒的，似乎不会逸散自己“包”中的能量.如是，似乎这一族光子是不遵循物理热力学“熵”增原理的.

2 实验确定光子是否遵循 “熵”增原理

光的家族中的光子是不是都遵循物理热力学“熵”增原理的研究尚不深透，这与对光子的内部结构和运行机制的研究相对缺乏有关，也与它们静止质量为零和运行速度为c有关联，给研究工作带来困难.

近年来，除有物理学者努力测定光子是否“有”质量外，研究电磁作用力的本质及在加速器内让光子相互撞击的实验也在进行中，物理学者对光的本质的探索从未停止过.

多年来，物理学界已经有共识，在遵循爱因斯坦广义相对论条件下，有理论证明，在特定环境中，如在形成当今宇宙初始的“奇”点中，当前的物理学原理、定律将会失效.而且目前正高速膨胀的宇宙会在未来某个时刻开始收缩，再次回到“奇”点，新的宇宙将会重新开始.因此，在“脉动”的宇宙中，当今认知的物理学公理、定律，包括“熵”增原理似乎并不重要，“宇宙”也似乎不会迎来物理热力学第二定律认定的“热寂”.

目前，物理学原理、定律尚未失效情况下，光子的家族是否遵循“熵”增原理应是物理学硏究中重要课题，不仅仅因为它们对我们生活的影响无处不在，也是由于它们遍布宇宙空间，无所不在地影响着我们千百年来对宇宙窥探其奥秘的愿望.

自1928年，哈勃观测到星系光谱出现红移结果后，用多普勒效应解释所观测的星系都朝着与地球相反方向运动后，很快兴起的大爆炸理论被认定是主流理论，虽然多年来不同意见很多，但是并没有能够撼动大爆炸理论.当初哈勃似乎并没有考虑过光子在宇宙空间传播过程中会发生能量逸散的情况，似乎也没有考虑到它们也是应该遵循热力学熵增原理的，并可能导致红移.大爆炸理论导出宇宙在膨胀，远处星系正以超过光速的速度远离地球的结论.本文下一段中建议的实验，目的是证明光也是遵守熵增原理的，频率(或波长)由于能量的逸散，在宇宙空间运行过程中会产生微小变化的.如果光不遵守熵增原理的话，太空的景色会不一样.利用实验做判断并得出结论，相信不仅结论应该是肯定的：遵守，而且实验还可以确定逸散的速度，这个结果也是至关重要的.

可见光一族的光子“能量包”是否遵循“熵”增原理应由可操作的实验来确定.例如：1)建成类似宇宙空间的环境，将单一的弱、强激光束分别通过此空间，观测其频率(或波长)是否发生(微微)变化；2)在上述环境中，调整环境温度(温度指在4 k度附近调整)，测量激光束光压是不是发生改变；3)利用现代空间技术，在空间站与卫星之间或在空间站与月球、火星表面地面站做上述实验.

3 结论

总之，可见光一族的光子在经历了上百亿光年的行程中，其“能量包”内的能量是否存在着“逸散”部分能量的问题，应该是研究光学的物理学者有兴趣的问题，也是确定它们是否不遵守熵增原理，永存宇宙空间的独特一族.此项研究工作对宇宙大爆炸理论也是重要的，该理论是基于哈勃对遥远星系观测时发现到光的红移，似乎也是认定可见光的光子能量(能量包)是守恒的，红移是星系高速与地球远离的结果.