光子是物质吗

光子是物质吗
光子是物质吗

光子是物质吗
光子
photon
一种基本粒子（fundamental particle）.亦称光量子.光是由一群光子组成的.光子的能量w正比于其频率v,即 w=hv；
它的动量与其波长λ成反比,即 p=h/λ；
它的质量为.
爱因斯坦在解释光电效应时提出了光量子理论.高能物理证实：当电子与正电子（positivc electron）相遇时,电子对将会湮没而转化为二个光子.相反,能量超过1.02兆电子伏特的光子在原子核场的作用下,可以转化为一个电子和一个正电子.
这50年的沉思,并没有使我更接近“什么是光量子”这个问题的解决.今天每个乡巴佬都以为知道它的答案,但他是错了.——爱因斯坦
光究竟是什么呢?牛顿时代的人们坚信,光是由光源发射出的大量微粒.与他同时代的惠更斯明确提出了光的波动说,但没有竞争过微粒,因为他认为光波类似于声波,是一种流体介质中的纵波,这种流体就是后来的流体以太（流体中横波不能传播）,我们知道,光实际上是一种横波,因此惠更斯推导出的结论与当时的实验符合得并不好.虽然微粒说对牛顿环的解释牵强附会,但它的确很好的解释了当时已知的各种光学现象,比如直线传播、反射、折射等（微粒说认为水中的光速大于真空中光速）.进入19世纪,著名的大科学家如拉普拉斯、泊松等人都是微粒说的支持者,然而托马斯.杨做成了双缝干涉实验,菲涅尔也提出了他的波动光学,牛顿的微粒说被推翻了.光的偏振的发现又表明,光是一种横波,于是学者们不得不抛弃流体以太,重新建立起一套弹性以太模型.为了解释各种光学及力学现象,科学家们为以太附加了许多奇特的性质,从而使以太学说成为19世纪科学理论的两大基础之一（另一个基础是原子论）.麦克斯韦电磁场理论问世后,光作为一个特殊波段的电磁波,使得光学成为电磁学的一个分支,也使得人们对光的认识有了质的飞跃.然而麦克斯韦却发现在他的方程组中没有以太的位置,光速是作为一个常数的身份出现的,在当时看来,在地面上和飞奔的火车上测量到相同的光速是不可理解的,因此麦克斯韦做出了一个非常遗憾的论断：他的方程组只在以太参考系内严格成立,在其他惯性系内需要用伽利略坐标变换,导出在新的惯性系内成立的方程组.结果在除以太系外其他惯性系内的方程组均其丑无比,方程组天然的美感被破坏的几乎荡然无存.这一状况直到相对论问世才被消除,不过在当时所有的人都认为,地面参考系内的麦克斯韦方程组只是近似.
然而麦氏方程组真的就完美的刻画了光（或者说电磁波）的本质了吗?光是什么这一悬案已经彻底告破了吗?可惜的是,麦氏方程组预言了电磁波,而电磁波的性质却超出了方程组的限制.1900年,普朗克发现能量量子化,最终量子化的概念横扫整个物理界.1905年,爱因斯坦发表了光量子理论,解释了光电效应,因此获得了1921年诺贝尔奖.现在让我们重温爱因斯坦的推理：能量现在有两个基本性质：一个是能量守恒,一个是能量量子化.如果一个振动电荷能量是量子化的,那么它的能量变化只能从一个允许的能量瞬间跃迁到另一个允许的能量,因为根本不允许它具有任何中间的能量值.而能量守恒就意味着电荷发射的辐射,必须是以一股瞬时的辐射迸发的形式从振动电荷产生出来,而不是麦克斯韦电磁理论预言的长时间的连续波.这样,辐射永远是以一个个小包的形式出现,它以光速运动,静止质量为零,由振动的带电粒子发出,这就是光量子.这似乎就是牛顿光微粒的翻版,光源中有大量的振动带电粒子,因此光源向空间发射出有限数目的光量子.然而怎样解释干涉呢?又如何解释麦氏方程组的成功呢?麦氏方程组在光量子理论中又是什么角色?爱因斯坦通过分析指出,麦克斯韦理论中场量的平方正比于光量子的粒子数密度（玻恩后来从这里得到启示,提出了波函数的概率诠释,并因此获得了诺贝尔奖）,而统计力学中那个玻色-爱因斯坦统计应用于光量子时,就是光量子随频率分布的概率密度函数.这样自然就可以解释光量子的行为了,干涉和衍射是一种光量子的统计行为,只有大量光子才会在整体上表现出波的性质.可惜爱因斯坦却对这种统计解释非常不安,这样一来,麦氏理论似乎只能是统计意义上的理论了.而爱因斯坦眼中的统计,意味着不确定和理论的不完备.这也就能够理解他为什么要花费后半生30年光阴去寻找统一场论了（而他当时认为的统一场论中只包含引力和电磁力）,因为他认为麦克斯韦理论不够完备,只有统一场论才能够真正理解光量子.
相信几乎所有的量子力学教科书中都会提到让人发疯的单电子干涉实验.将电子换成光子有同样的效果.一个粒子怎样才会有一个伴生的频率?单个粒子如何实现自身的干涉?光子如何知道前面的缝是双缝还是单缝?当然,这一切疑问对于哥本哈根学派来说易如反掌.然而,我根本无法理解玻尔的互补原理,我接受了费曼的忠告：在量子力学里永远不要去钻死胡同,因为在这里还没有人安全的出来过.
不过作为一篇完整的文章,互不原理是不能少的.我觉得,对于互补原理一千个人会有一千种解释.我的理解是：当没有观测者时,不存在光量子的概念,光量子在这里没有意义,而它对应的波函数以严格的因果律演化,并在空间中弥散,表现出波的性质；而一旦试图观测,波函数会立即坍缩,以一个光量子的形象出现在观察着面前,光量子出现的概率与波幅平方成正比.如果换作通俗的语言的话那就是：波和粒子是硬币的正反面,是光量子的两个不同的属性,你可以得到它的波的一面,也可以得到它的粒子的一面,但无法同时得到波和粒子.波和粒子是一对互斥互补的概念,互斥的概念可以同时存在于一个事物上,但不能同时被感知,光具体表现出什么性质与具体的实验操作有关.因此问光是波还是粒子没有意义,在干涉实验面前,光是波,在光电效应面前,光是粒子,离开了实验,光无所谓波或粒子.