黎漢強
(東莞開放大學(xué)教導(dǎo)處,廣東東莞,523000)
回想經(jīng)典力學(xué)中沒有令人費解的假設(shè),但到了麥克斯韋在電磁波傳播的方程組中應(yīng)引入了位移電流假設(shè)并預(yù)言電磁波的存在,隨后赫茲用實驗證明了電磁波的存在。麥克斯韋的預(yù)言終于得證實,于是人們就全面認(rèn)可麥克斯韋方程組對電磁波的解釋,包括對位移電流假設(shè)的承認(rèn)。嚴(yán)重的邏輯問題就在這里,當(dāng)一種理論可以解釋一個現(xiàn)象時,就連這種理論的假設(shè)都獲得承認(rèn)。類似的情況還發(fā)生在狹義相對論中,當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)質(zhì)量損失會產(chǎn)生大量的能量時,人們也承認(rèn)了狹義相對論的假設(shè),當(dāng)然包括光速極限假設(shè),可是當(dāng)人們發(fā)現(xiàn)一些超光速現(xiàn)象時,例如在一些實驗中發(fā)現(xiàn)中微子的運動速度比光速還快,人們并沒有立即懷疑狹義相對論的正確性,當(dāng)然我這里所指的是主流現(xiàn)象。其實,承認(rèn)一種理論附帶承認(rèn)這種理論的假設(shè)本來就無可厚非,但是,在更多的假設(shè)上推導(dǎo)的理論更容易出現(xiàn)謬誤。這就是我感到不踏實的地方,例如:光子的靜止質(zhì)量為0等等。下面我從幾個方面去論證我的觀點。
我們常說靜電荷能產(chǎn)生電場,由庫侖定律給出量化的描述。若進一步追問:場是什么?法拉第的答復(fù)是:場是一種特殊的物質(zhì)。再深入一步提問:這種特殊的物質(zhì)來源于哪里?我們知道在靜電場中,帶有靜電荷的粒子本身質(zhì)量沒有發(fā)生變化,場這種特殊的物質(zhì)并不是由帶有靜電荷的粒子發(fā)射出來,場這種特殊物質(zhì)只能來源我們所認(rèn)為的“真空”,但是我們會問:當(dāng)沒有靜電荷粒子時,真空并沒有測量到靜電場的存在,場這種特殊的物質(zhì)去了哪里呢?我認(rèn)為:在沒有帶電粒子存在的情況下,在體積足夠大的“真空”中大量的電磁力子處于無規(guī)則運動狀態(tài),即在一定的體積內(nèi),建立一個坐標(biāo)系,電磁力子的動量之和為0是一定體積內(nèi)的電磁力子的數(shù)量,是正整數(shù)。電磁力子的角動量之和為0,即:所以,在電場強度為0時,在現(xiàn)有技術(shù)的條件下無法測量到電磁力子的存在,但是當(dāng)電場強度不為0時,真空中肯定存在場這種特殊物質(zhì),而這種物質(zhì)早已存在“真空”里,只是這種特殊的物質(zhì)電磁力子呈有規(guī)律的分布或有規(guī)則的運動而已。試想,當(dāng)帶電粒子周圍的電磁力子呈有規(guī)律分布時(如,在一個足夠大的封閉空間里,建立一個極坐標(biāo)系,電磁力子的動量之和為0,電磁力子的自轉(zhuǎn)角動量之和大于0 ,兩個帶電粒子相互靠近,它們周圍的電磁力子呈有規(guī)律分布,當(dāng)這個帶電粒子周圍的電磁力子相互碰撞時就會使這兩個帶電粒子產(chǎn)生相互作用力(庫侖力)。
大家都知道對波的定義是:某一物理量的擾動或振動在空間逐點傳遞時形成的運動稱為波。我認(rèn)為這種對波的描述過于理想化,其一是出現(xiàn)在“在空間中逐點”傳遞上,體現(xiàn)了波在空間傳遞的連續(xù)性,但實際狀態(tài)下波的傳播不總是具有連續(xù)性;其二,沒有強調(diào)介質(zhì)的作用,以致后來發(fā)展到認(rèn)同電磁波[1-2]的傳播不需要介質(zhì)。我認(rèn)為波的傳播機理是這樣的:傳播介質(zhì)在某處受到擾動或振動,通過介質(zhì)間的相互作用或碰撞,把這種擾動或振動傳播到更遠(yuǎn)的地方,介質(zhì)的運動,在傳播過程中遵守動量守恒,角動量守恒,能量守恒定律。也就是說,波傳播的本質(zhì)是介質(zhì)運動造成的,是介質(zhì)運動狀態(tài)的傳遞,并由此而導(dǎo)致某個物理量的傳遞。由此可見,波的傳播不能離開介質(zhì),就像真空不能傳播聲音的原理一樣,但后來很多人認(rèn)為電磁波的傳播不需要介質(zhì),理由主要是找不到電磁波傳播的介質(zhì),我認(rèn)為這樣的理由是站不住腳的,用現(xiàn)時的科技手段找不到電磁波的傳播介質(zhì)也不能說明它不存在。其實我們看到的光就是這種介質(zhì),電磁波也是這種介質(zhì)。也許有人會提出邁克耳遜——莫雷實驗已間接證明電磁波傳播的介質(zhì)(以前所說的以太)不存在,其實解釋邁克耳遜——莫雷實驗的結(jié)果可以有別的理由(例如地球?qū)@種介質(zhì)的拖曳效應(yīng))。當(dāng)然我認(rèn)為電磁波傳播的介質(zhì)并不是以前所說的以太,而是一種基本粒子——電磁力子,一種具有靜止質(zhì)量的遠(yuǎn)小于電子質(zhì)量的基本粒子,這種粒子——電磁力子以龐大的數(shù)量在我們所認(rèn)為的“真空”中高速運動(速度達(dá)到光速量級),相互激烈碰撞。因為這種介質(zhì)(電磁力子)的存在,電磁波的傳播就變成水到渠成的事,就類似于聲音在空氣中傳播一樣。下面我把電磁波的傳播機理論述一下。(從機械運動的角度)。
我們所處的宇宙中充滿著電磁力子,它們都是一些高速運動,高速自旋的粒子,當(dāng)一個物理事件(例如:碰撞)在空間發(fā)生時,必然會影響其周圍的電磁力子的運動狀況,但是這種影響存在一定的范圍,是具有一定邊界。
圖1
如圖1所示,有一粒電磁力子在O點處,它們的運動方向和X軸的正方向一致,它的速度是V1,角速度是ω1,在這粒電磁力子的周圍是一從此“平靜”的(沒有任何擾動)、無序的、處于動態(tài)平衡的空間,所謂動態(tài)平衡的空間是單位體積內(nèi)的電磁力子數(shù)不變(類似飽和的概念),在足夠大的確定的空間內(nèi),處于任何一種運動狀態(tài)的電磁力子數(shù)量不變(主要是指質(zhì)心運動速度的大小和方向以及自旋角動量的大小和方向)。無序空間是指在足夠大的空間內(nèi),電磁力子的動量之和為0,角動量之和為0,單位體積內(nèi)的電磁力子的能量之和為恒量(把質(zhì)心動能和轉(zhuǎn)動動能相加),電磁力子速率分布規(guī)律不變,電磁力子自旋角速度的大小的分布規(guī)律不變。這粒額外的電磁力子對于其周圍的電磁力子產(chǎn)生什么影響?首先,這粒速度為V1,角速度為ω1,的電磁力子和周圍的電磁力子(尤其是右邊的)發(fā)生一系列的碰撞,對其周圍的空間發(fā)生擾動;其次,周圍的電磁力子受擾動后又對更大范圍電磁力子產(chǎn)生碰撞,造成更大范圍的擾動。但是這種擾動是逐漸減弱的,直到消失為止。就在這種擾動消失的位置,可把這些位置坐標(biāo)連結(jié)成一個封閉曲面S,也就是說,這里發(fā)生的擾動是有一定范圍的,有一定的邊界S,這邊界S(封閉曲面)所圍成的體積V是確定的,而且體積V的這間是很小的。從O點到邊界S的最長距離為R1,我把它稱為擾動半徑。擾動半徑R1會因“外來”電磁力子的能量大小有所不同。其實邊界S外的空間里的電磁力子間也進行著激烈的碰撞,只是這些碰撞沒有因為這?!邦~外”的電磁力子(V1,ω1)的經(jīng)過而發(fā)生改變,也就是說,這?!邦~外”的電磁力子的經(jīng)過對邊界S外的電磁力子的運動狀況沒有影響。
我們知道,電磁波經(jīng)過的空間在傳播電磁波后,這個空間很快就“平靜”下來重新回到原來的無序狀態(tài);也就是說,電磁波對這空間產(chǎn)生的擾動很快地消失了。根據(jù)空間里的電磁力子很快恢復(fù)“平靜”性質(zhì),我們可以把S所包圍的電磁力子看作一個整體,這樣我們就可以列出以下碰撞方程組(以O(shè)點為極點,X軸方向為極軸建立一個極坐標(biāo)系)。
其中m是電磁力子的質(zhì)量,V1是“額外”電磁力子的速度,n是封閉曲面S內(nèi)處于動態(tài)平衡時的電磁力子數(shù)量,Vi是閉合曲面S內(nèi)其中一個電磁力子的速度,Vi'是碰撞擾動后曲面S內(nèi)其中一個電磁力子的速度,V1'是碰撞擾動后(即曲面S內(nèi)的空間恢復(fù)“平靜”后),閉合曲面S里釋放出的一?!邦~外”的電磁力子的速度,J是電磁力子的轉(zhuǎn)動慣量,ri是對應(yīng)于速度為Vi的電磁力子的矢徑,ωi是對應(yīng)于速度Vi的電磁力子的自旋角速度矢量,ri'是對應(yīng)于速度為Vi'的電磁力子的矢徑,ωi'是對應(yīng)于速度為Vi'的電磁力子的角速度矢量,ω1'是對應(yīng)于速度V1'的電磁力子的角速度矢量。n在擾動前后保持不變。
方程①根據(jù)動量守恒定律,方程②根據(jù)能量守恒定律得出,方程③是根據(jù)角動量守恒定律得出。由于閉合曲面S內(nèi)的電磁力子的運動狀態(tài)在碰撞擾動前后保持不變(但擾動過程中發(fā)生變化),在碰撞擾動前后,閉合曲面S內(nèi)的電磁力子數(shù)量保持不變;也就是:
所以根據(jù)方程組(I),我們可以得出 V1' =V1,ω1'=ω1,這個結(jié)論有重要的意義:當(dāng)外界的一粒電磁力子(如狀態(tài)為:V1,ω1)對一個“平靜”的空間發(fā)生碰撞擾動時,無論一系列的碰撞多么復(fù)雜,直到這個空間釋放一粒相同運動狀態(tài)(狀態(tài)為V1,ω1)的電磁力子后,這個受擾動的空間就可以恢復(fù)“平靜”(回到受擾動前的狀態(tài))。這個狀態(tài)為(V1,ω1)的電磁力子好像是沿直接穿過這個空間一樣,但實際上,釋放出來的狀態(tài)為(V1,ω1)的電磁力子不一定是原來的那粒電磁力子,只是它們的運動狀態(tài)相同而已。在閉合曲面S內(nèi),原來的那粒電磁力子在碰撞過程中運動狀態(tài)發(fā)生改變。釋放出來的電磁力子狀態(tài)為(V1,ω1)又對相鄰的有限空間作碰撞擾動,同理,這有限空間最后也會釋放出運動狀態(tài)相同的電磁力子(V1,ω1), 這樣不斷地重復(fù)進行下去,就形成了電磁波的傳播了。連結(jié)釋放出來的電磁力子狀態(tài)為(V1,ω1)通過邊界時和邊界曲面的交點(圖一的A點就是這樣的交點),會得到一條直線,所以我們以足夠大的空間觀察電磁波的傳播時,會認(rèn)為它是沿直線傳播的,當(dāng)然,當(dāng)發(fā)生衍射時,就顯得不是直線傳播了。我們觀察磁波時,并不能看到某一粒電磁力子所產(chǎn)生的信號,而是大量電磁力子所產(chǎn)生的信號。
假設(shè)有k個“額外”的電磁力子在“真空”中傳播時,我們可以看出有k個方程組(I)的疊加,這樣就可以使這k個“額外”的電磁力子在“真空”中傳播,形成電磁波。
在施溫格效應(yīng)[3-4]中,在超強場的“真空”中產(chǎn)生正負(fù)電子對,正負(fù)電子這些物質(zhì)不能憑空產(chǎn)生,組成正負(fù)電子的物質(zhì)只能來自“真空”中的物質(zhì),這種物質(zhì)就是電磁力子。當(dāng)正負(fù)電子相撞湮滅而產(chǎn)生光波,正負(fù)電子里的物質(zhì)重新又分解成電磁力子。在整從此施溫格效應(yīng)的過程中,我們只測量到電磁場、電磁波、正負(fù)電子。我認(rèn)為過程是這樣的:在超強場中的“真空”中的電磁力子呈有規(guī)律化分布(即建立一個極坐標(biāo)系后單位體積內(nèi)電磁力子的角動量之和不為0)或有規(guī)律運動,當(dāng)極高自旋角速度而又極低質(zhì)心運動速度的電磁力子聚集在一起(即電磁力子間距極?。┚腿菀桩a(chǎn)生正負(fù)電子對。當(dāng)正負(fù)電子相撞湮滅并產(chǎn)生光波,極高自轉(zhuǎn)動能的電磁力子將部分轉(zhuǎn)動動能量轉(zhuǎn)移到電磁力子的質(zhì)心運動動能,這過程中電子里的電磁力子分崩離析,電磁力子間的距離迅速拉大。從電子里分離出來的較高自轉(zhuǎn)動能和質(zhì)心運動能的電磁力子對周圍的電磁力子形成沖擊產(chǎn)生光波,這就是質(zhì)量虧損而產(chǎn)生巨大能量的實質(zhì),其實,能量早已隱藏在組成物質(zhì)的電磁力子極高的自轉(zhuǎn)動能上,因而無須相對論的E=△mc2來解釋,這公式用來做經(jīng)驗公式倒也無妨。
從施溫格效應(yīng)中可以看出,電磁力子是組成物質(zhì)的基本粒子,電子質(zhì)量是電磁力子質(zhì)量的整數(shù)倍。
大家都知道光電效應(yīng)[5-8]說明光具有粒子性,光電效應(yīng)的方程是:Ek=hν-w0。
(h為普朗克常數(shù),ν為入射光的頻率,Ek為被發(fā)射的電子動能,hν為一份光量子的能量。在我看來,一份光量子的能量遠(yuǎn)大于一個電磁力子所具備的動能(包括轉(zhuǎn)動動能和質(zhì)心運動動能)我們之所以在量子力學(xué)中常用hν作為一份量子能量,是因為這個量級的能量可令電子發(fā)生能級躍遷而可被測量而已。人們在光電效應(yīng)所說的電子吸收了光量子的能量hν。那我要問,怎樣吸收?我想人們難以回答。我認(rèn)為,這個吸收過程就是一群電磁力子和電子發(fā)生碰撞而發(fā)生了動能的轉(zhuǎn)移。把光電效應(yīng)的方程改為:
k為參與碰撞的電磁力子數(shù)量,m為電磁力子質(zhì)量,J為電磁力子的轉(zhuǎn)動慣量,Vi為電磁力子碰撞前速度,Vi'為對應(yīng)電磁力子碰撞后的速度,ωi為電磁力子碰撞前的自轉(zhuǎn)角速度,ωi'為對應(yīng)電磁力子和電子碰撞后的角速度。
這就表明只有“真空”中存在電磁力子才能很好地解釋光電子吸收動能量的細(xì)節(jié),否則難以解釋。
人類已發(fā)現(xiàn)多顆脈沖量,發(fā)現(xiàn)脈沖量普遍具有制動現(xiàn)象[7-15],即脈沖量自轉(zhuǎn)速度越來越慢,通過觀察,以脈沖量的自轉(zhuǎn)周期來計時,數(shù)千萬年才慢1秒(當(dāng)然不同的脈沖量數(shù)據(jù)不一樣),而且脈沖量表面的線速度很高,有些達(dá)到亞光速,所以脈沖量轉(zhuǎn)速的減慢是由于“真空”中電磁力子對高速轉(zhuǎn)動的脈沖量表面產(chǎn)生的阻力。所以,脈沖量的制動效應(yīng)說明“真空”不空,彌漫著大量的電磁力子。
我們都知道微觀粒子的運動存在不確定性,這種不確定性的根本原因是“真空”中彌漫著電磁力子,微觀粒子和電磁力子發(fā)生碰撞,從而交換動能和動量。原子核外“電子云”就是這種現(xiàn)象之一。
綜上所述以及對大量的微觀世界粒子運動狀態(tài)的觀測,說明“真空”彌漫大量的構(gòu)成物質(zhì)基礎(chǔ)的基本粒子——電磁力子。正是基于“真空”存在大量的電磁力子,電磁波才得以傳播。