光子是什麼東西?

布魯諾二


1951年的時候愛因斯坦曾經說過:“整整50年的時間思考,但我還是沒有接近'光子是什麼'這個問題的答案。”我們知道,正是愛因斯坦的光子說使光電效應得到完美的解釋,因而成為光子的發現者,但這個偉大的發現者也不知道光子到底是什麼。可見題主的問題有多難。

那現在人們有很好的答案了麼?仍然沒有。“我們今天對於光子的無知和52年前愛因斯坦說的差不多。”——2003年量子光學家A.Zajonc說。

目前對於光子的理論模型有很多,粒子模型、光源子模型、奇點模型、波包模型、波粒二象性模型、量子電動力學模型(QED)等等。但是結論對於光子的本性問題仍然沒有解決。

具體的理論介紹不過多闡述了,但有幾點誤區是可以在這裡說一下:

1、光的速度並不是30萬公里每秒這麼規整,光在真空中的速度是299792458m/s,我們通常說的30萬公里每秒是一個近似值,這個數值的來源就是實驗測量,沒有那麼完美,因此不要強加附和傳奇色彩。

2、光子理論上就是個粒子,粒子有別與剛性球體,不能測量固定的長度大小,就類似於數學上的點。因此就目前的理論來說,光子的大小是沒有意義的,光子就是一個不能分割的點。(圖示中的圓形只是為了方便理解,並不是光子真正的形狀)

3、光子的靜質量為0,但因為其高速運動,根據E=mc²,運動的光子是具備能量的(即存在動質量)。

4、光速恆定並不是單純指光的最大速度為299792458m/s(真空),光速恆定原理指的是無論運動者相對光源如何運動,其觀測的光速都是299792458m/s(真空)。正是這個有悖常識的光速恆定,才有了後來的相對論。

媽咪叔專注通俗易懂趣味科學科普。

科學的基本觀念本質上大都很簡單,通常都可以用人人皆知的語言來表達。——愛因斯坦


媽咪說MommyTalk


光子是我們宇宙最重要的一種東西,也是人類最重要的一種寶貝。沒有光子,我們的世界將一片漆黑,我們所有對宇宙的認識都將化為烏有。科學家們很早就對光子進行了研究,對光子本質和特性的瞭解,引領著人類的前行。

光子是一種量子,因此它的正式名稱叫光量子,表達式為E=mc2=hν。科學界對光子的研究已經很深了,可以說,如果沒有對光子性質的研究,就沒有現代物理學理論的建立,一切都要推倒重來。



光量子的概念是1905年由愛因斯坦提出。

光子是一種規範玻色子,是電磁輻射的載體,是傳遞電磁相互作用的基本粒子。光子以光速運動,在真空中的傳播速度為每秒接近30萬公里,光子具有能量、動量、質量。但光子無法靜止,所以沒有靜止質量。

光子的質量是相對論質量,公式為:按照質能方程,E=mc2=hν,求出m=hν/c2。計算方法為:由於頻率為v的光子的能量為E=hv,(其中h為普朗克常數),故由質能公式可得其質量為:m=E/c2=hv/c2其中c2表示光速的平方,這個方法由愛因斯坦首先提出。



愛因斯坦預言玻色-愛因斯坦凝聚態的存在,就是在特定的溫度條件下,一些原子會“凝聚”到同一狀態。光子也具有這種性質。這個預言已經被科學家的試驗所證實。

因此,科學界對光量子得出瞭如下性質:光子有速度、能量、動量、質量,有凝聚。光子不可能靜止。光子可以變成其它物質(如一對正負電子),但能量守恆、動量守恆。

以上就是近百年來人類對光子研究的成果。至於光子是個什麼模樣,憑目前人類的能力還沒有辦法直觀的“看到”,只能描述,它就是一個很小很小的粒子,這個粒子的體積可能為0或接近0,它具有波粒二象性,既可以一粒一粒的發出,又會發生衍射,以波的方式發出。

但有些科學家認為,光子可能有靜止質量,如果實驗能夠最終檢測到光子的靜止質量,一些經典理論將要改寫。

我國的華中科技大學羅俊完成了一項實驗,將光子靜止質量上限較之前已知的質量上限提高了1/20,得出了在任何情況下,光子的靜止質量都不會超過10^-54公斤的結論。

如果光子真的存在靜止質量,雖然短期不會影響到人們的日常生活,但其產生的後果將是根本性的,這個世界光速是不是極限速度都要重新考量。



這些對光速描述都是經過無數次實驗和計算得到的,光速理論正在被一個個科學發現所證實,正在運用到造福人類的一個個發明創造中,檢驗著其正確性和精確性。

這就是時空通訊的看法,歡迎點評討論發表高見。感謝關注支持和理解。


時空通訊


題主說得沒錯:光子的概念就是一鍋粥。我先給出理由,再給出光子定義與相關參數。歡迎大家積極參與討論。

說“光子的靜質量為零”是偽命題!

光子總是運動的,在真空介質中以真空光速c運動。既然光子不可能靜止,又何來靜質量?這在邏輯上違背同一律與不矛盾律。

我們依然相信“物質不滅定律”或者“質量守恆定律”。以電子湮滅反應為例:±e↹±γ,高密度小體積電子變成了低密度大體積光子。

這意味著:光子質量(m')就是電子質量(m),按粒子物理:m'=m=9.11e-31kg=0.511MeV。

可以規定:光子質量恆為電子質量,有時也叫虛質量、負質量、暗質量。光子頻率(f)與光子密度(ρ)成正比,即:f∝ρ...(1),與光子體積(V)成反比,即:f∝1/V...(2)

說“光子是無體積的質點”是偽命題!

量子力學把基本粒子,包括電子、質子、中子、介子、光子、引力子,說成是無體積的質點,顯然違背“聚小成大”的第一性原理。

違背第一性原理,過度把“數學質點”強加於“物理體積”是荒謬的,迫使人們無法進一步認知基本粒子的結構屬性,諸如尺度、體積、質密、能密、角動量。

必須指出:過度的用數學思維取代物理思維,是數學唯心主義在物理學上的典型表現,也是現代物理一片亂象的主要根源。

基本粒子的尺度很小,其構型可能是多樣化的,都是自轉的漩渦體。

根據微積分思維策略,我們完全有理由預設:基本粒子都是球狀模型的漩渦體。因此有:

通用的體積公式為:V=4π/3·r³=4.2r³...(3)。通用的玻色子半徑為:r=λ/2π...(4)。

根據粒子物理學慣例,我們完全有理由預設:基本粒子都是光速自旋的漩渦子。因此有:

通用的勢能公式為:Ep=mc²...(5)。通用的勢能梯度公式為:F=▽·Ep=mc²/r...(6)。

說“光子具有波粒二象性”是偽命題!

德布魯伊物質波或概率波,是波粒二象性的典型學說,即:單個粒子就是飄忽不定的波,祂能超光速同時身處各個位置。

這種魔幻般的分身術,違背“時序因果律”的第一性原理。事實上,概率波沒什麼卵用。

量子場論對光子的定義是:光子是電磁波的傳播子。我認為,這是一個惡性循環的毫無價值的定義。

光子本來就是電磁波的基本單元,怎麼成了另行的傳播子?光子是傳播光子的光子。什麼玩意!

再說定義也是片面的:除了電磁振盪可以產生光子,機械震盪與熱力學震盪也可產生光子。

這種神邏輯的癥結在於:現代物理對電磁波的定義也是一鍋粥。請問大牛大神:電磁波究竟是物質波還是介質波?

我對光子的定義是:光子是外加角動量激發真空場介質若干場量子徑向推湧的漩渦子。

電磁波是一種真空介質波,引力波也是一種真空介質波,風波是一種空氣介質波,水波是一種液體介質波,地震波是一種固體介質波。

與電動力學對應的“光動力學”簡介

光動力學,是筆者的研究課題,作為統一物理學的組成部分,旨在致力於修正量子論與相對論的若干瑕疵,走出數學唯心主義的泥潭。

一,臨界光子的概念

臨界光子:是上界光子與下界光子的統稱。

上界光子:電子湮滅變成的最高密度光子。

下界光子:是背景微波場量子對應的光子。

二、背景微波是等離子體的歸宿

宇宙空間存在最大熵的真空場介質,即宇宙微波背景物質,簡稱場,對應的場量子。

場量子有最大熵,基本粒子都會分解到最均勻的最小單元。這是一個極其漫長的衰變歷程。

三、光動力學的幾個規定

①電子湮滅生產的光子叫上界光子(γ*),相應參數有上標符號*;

②光子不斷膨大/熵增加直至最大的光子,叫下界光子(γ°),相應參量有上標符號°。

③下界光子,含n=6.4e8個激發態場量子。激發態場量子,也叫引力子(g),

④未激發的叫(基態)場量子(g0),相應參量有下標符號0。場量子以宇宙背景微波為基礎,是光子的最終歸宿。

⑤電子湮滅的質量守恆,光子質量≡電子質量,光子服從熵增加而漸漸衰減。

⑥引力子以背景微波為基礎:引力子質量≡場量子質量。引力子服從熵增加而漸漸衰減。

四、場量子的相關參量

場量子基礎:λ0=7.35cm, T=2.725K

場量子半徑:r0=λ0/2π=1.17cm

場量子體積:V0=4.2r0³=6.7cm³

場量子頻率:f0=c/λ0=1.25e26Hz

場量子質量:m0=3kT/c²=1.26e-39kg

五、上界光子的相關參量

電子湮滅方程:±e=±γ*(0.51MeV)

上界光子波長:λ*=λc=2.42e-12m

上界光子半徑:r*=λ*/2π=3.9e-13m

上界光子體積:V*=4.2r*³=2.5e-37m³

上界光子頻率:f*=c/λ*=1.25e26Hz

上界光子質量:m*=e=0.911e-30kg。

光子角動量矩:h=m*cλ*=6.63e-34J/s

六、下界光子的相關參量

引力要素質子:m=1.67e-27kg

所含引力子數:n=m/m0=6.4e8

下界光子體積:V°=nV0=43cm³

下界光子半徑:r°³=V°/4.2,r0=2.2m

下界光子波長:λ°=2πr°=13.8m

下界光子頻率:f°=c/λ°=2.17e7Hz

七、特殊電磁波的參量(需深入研究)

無線電波的頻率:f=1e4~3e11 Hz,

無線電波的波長:λ=34km~10μm

無線電波的半徑:r=λ/2π

可見光頻率範圍:f=3.9~8.6e6 Hz

可見光波長範圍:λ=0.77~0.35μm

可見光子的半徑:r=λ/2π

腦電波頻率範圍:f=5~35Hz

腦電波波長範圍:λ=6e7m~14e7m

腦電波半徑範圍:r=9.6e6m~2.2e7m

題記:理論的困惑是痛苦的,批判是要冒風險的,創新的建設是極為艱難的。我願與銳意進取者共進退。

好了,本答stop here。請關注物理新視野,共同切磋物理邏輯與中英雙語的疑難問題。


物理新視野


書讀少了,無法用科學知識回答。

換一個方法回答。神話=謊話。

一天唐僧問老孫:悟空你一個什麼鬥,翻了十萬八千公里,從有到無的看不見了。這是光,還是子。悟空說;師傅你也學知識了嗎?我翻出去叫光。所你就象看導彈一樣飛。我回來時就叫:光中有子。一下就出現在你面前。唐僧問:為什麼呢?悟空:因能量加大了就變成子回來。唐僧大罵:少吹牛。一定是如來在你屁股上打手印磁力,你才加她媽什麼子回來。說到底是怎樣一回事。你有沒有糾纏量子般跟質子打架。不說為師要念那磁力鏈接緊箍咒了,咒。。。。。。。。。(哼哼鋸了你)


老豬家1


這一連串的問題一問到點子上了,是好問題,也是難以回答的問題

在我們日常生活中面對宏觀事物時,我們經常會問到這個東西到底是什麼,類似這樣的問題很多。比如說,水是什麼東西?我可以這麼回答,水就是由水分子構成的一種液態物質,水分子則是由一個氫原子和兩個氧原子通過某種化學鍵結合在一起的。

一般來說一個宏觀物體我們可以通過描述它的大小、形狀、重量、顏色、化學性質和構成材料等等這些物理性質來回答這個東西到底是什麼,可是這樣的回答方式一旦到了微觀世界就統統失效了。

失效並不是因為我們的技術水平達不到,而是在邏輯上失效了。我們日常經驗中的那些物理性質到了微觀世界中,要麼不存在,要麼已經不再是我們日常經驗中的那些性質了。

在微觀世界中的一個粒子是什麼?

  • 這和你用什麼樣的觀測方式是緊密結合在一起的,我們無法脫離觀測方式來單獨談一個粒子是什麼的問題。

  • 比如說光子這個東西,你如果用熒光屏去接收它,那麼它就是一個小球一樣的粒子,可以在熒光屏上打出一個亮點。但如果你用干涉儀去觀測它,它就成了波,可以具備波的特性。如果你用一塊金屬板去觀測,它又成了一份能量的最小單位,變成了能量子,因為可以打出電子,這就是著名的光電效應實驗。

所以沒有辦法用一句話來回答你"光子到底是什麼東西“這個問題,但我們卻可以用數學公式準確的計算出光子在什麼樣的條件下會表現出什麼樣的結果。

光子沒有靜止質量

這也就是說根據狹義相對論,能量和質量是等價的,光子含有能量,所以你也可以說光子有質量,但這個質量卻不是普通物質的那種質量,這也就意味著光子相對任何東西來說都是以光速運動的,它根本停不下來,停下來時它就消失了。


量子貓


光是能量,不是物質,它是一種電磁波,也就是特殊物質電磁場在空間的運動而具有的能。

眾所周知,煤炭燃燒會發光,煤炭燃燒時,炭原子和氧原子相互靠近,碳原子失去電子而變成正離子,氧原子得到電子而變成負離子,正負離子相互吸引形成二氧化碳分子時,正負離子速度越來越快,帶動周圍的電場運動,變化的電場周圍又產生變化的磁場,變化的磁場遠處又產生變化的電場……,這樣變化的電磁場傳到遠處就是光。

由此可見,煤炭燃燒發光時,實質上是電磁場的運動而具有的能,而不是什麼光子。原子核裂變和聚變反應發光時,也是電磁場由近及遠的運動而具有的能,根本不是什麼光子。

那麼光子是什麼呢?,光子是人們為了研究量子力學的方便,虛擬和假設出的一種質量為零的粒子流,實際並不存在,但在研究量子力學時起到了很大的作用。


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人類所謂的光子,不過只是靈魂無所不能表演的示現之一。簡單的說,光子就是靈魂!光子的速度,也決非人類依所謂觀測假象虛擬認定的每秒約30萬千米的所謂光速。沒有也不需要哪來的約束,靈魂演化的光子,可以自主決定以任何速度運行。之所被人類認定為約每秒30萬公里的運行速度值,純粹就是為了能給人類的數理遊戲,貌似有據可依的有所遊戲而已!因為,任何光子都可以無須時間,瞬去無影了無痕跡可測。


我乃天空


我們對光子的認知,事實只在陌生階段,從描述來說是很什麼的,光子,是傳遞電磁相互作用的基本粒子,是一種規範玻色子。原始稱呼是光量子(light quantum),電磁輻射的量子,傳遞電磁相互作用的規範粒子,記為γ。光子是電磁輻射的載體,而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。與大多數基本粒子(如電子和夸克)相比,光子沒有靜止質量(愛因斯坦的運動質量公式中,光子的v = C,使得公式分母為0,但光子的運動質量m具有有限值,故光子的靜止質量必須為零。),光子有速度、能量、動量、質量,這意味著其在真空中的傳播速度是光速。


沂山蜂場


這個世界有兩個存在體,一個是外質的(科學對象),一個是內質的(宗教對象),也可以看成物質和精神、形態和本質。這兩個存在體都和意識(能量體)有關,外質作為存在依據,內質作為存在性質,那麼存在的概念就是將外質和內質同構於一個意識(可以是任何尺度意識空間)之中。同構於意識是因為外質產生於意識(電磁波能量蛻變,既光和物質關係),通過意識明確其形態,並給予性質度量,而這樣的一個判斷迴歸於意識主體,或者說兩者溝通在同一個層面和性質裡進行,缺失任何一面,存在的概念就會被打破。如果說物質獨立存在,不會因為人的觀察而存在,其實任何物質體都是由意識創生並由意識場形成自洽性質(空間),從這個角度也可以看出宇宙是一個意識體。


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光子是基本粒子,是電磁場的量子,是傳遞電磁相互作用的媒介子。但是,它的運動特徵和實物粒子,例如電子運動特徵完全不同。因為,實物粒子有不同的運動速度並且有靜止質量,而光子的運動速度永遠是C,並且沒有靜止質量。愛因斯坦根據光速不變的原理和狹義相對性原理而創立了《狹義相對論》,狹義相對倫裡有個著名的質能關係式,E=mC2。這也是原子核能的計算公式。這個公式把能量與質量的關係聯繫了起來。愛因斯坦的狹義相對論指出:"任何實物粒子的速度不可能超過光速,光速是實物粒子運動速度的極限。”我認為:從哲學的角度上去思考和判斷,光子是介於物質和空間的橋樑,是物質轉化空間的橋樑,是無中生有的橋樑。物質一一光一一空間。空間一一光一一物質。這也正如老子的《道德經》所說:”道可道,非常道。名可名,非常名。無為天地之始,有為萬物之母……。”現代物理學研究證明:基本實物粒子電子和它的反粒子正電子相遇會發生湮滅現象並且產生光子。光子到底是什麼?我認為:光子就是我國古代哲學《易經》裡所說的太極。光子就是太極,是物質世界微觀層次的極限。宇宙中的實物粒子不是無限可分的,從分子到原子,再到原子核和電子,從原子核可分為中子和質子,中子和質子又可分為夸克,組成物質的基本粒子可以無限地分割下去嗎?有沒有極限?如果有,它的極限粒子是什麼?我認為:物質在微觀層面的分割是有限的。這個極限就是光子。光子是宇宙的極限,是聯繫宏觀世界和微觀世界的橋樑。光子是信息和能量的載體。這就是我的《光子極限論》。


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