光子是什么东西?

布鲁诺二


1951年的时候爱因斯坦曾经说过:“整整50年的时间思考,但我还是没有接近'光子是什么'这个问题的答案。”我们知道,正是爱因斯坦的光子说使光电效应得到完美的解释,因而成为光子的发现者,但这个伟大的发现者也不知道光子到底是什么。可见题主的问题有多难。

那现在人们有很好的答案了么?仍然没有。“我们今天对于光子的无知和52年前爱因斯坦说的差不多。”——2003年量子光学家A.Zajonc说。

目前对于光子的理论模型有很多,粒子模型、光源子模型、奇点模型、波包模型、波粒二象性模型、量子电动力学模型(QED)等等。但是结论对于光子的本性问题仍然没有解决。

具体的理论介绍不过多阐述了,但有几点误区是可以在这里说一下:

1、光的速度并不是30万公里每秒这么规整,光在真空中的速度是299792458m/s,我们通常说的30万公里每秒是一个近似值,这个数值的来源就是实验测量,没有那么完美,因此不要强加附和传奇色彩。

2、光子理论上就是个粒子,粒子有别与刚性球体,不能测量固定的长度大小,就类似于数学上的点。因此就目前的理论来说,光子的大小是没有意义的,光子就是一个不能分割的点。(图示中的圆形只是为了方便理解,并不是光子真正的形状)

3、光子的静质量为0,但因为其高速运动,根据E=mc²,运动的光子是具备能量的(即存在动质量)。

4、光速恒定并不是单纯指光的最大速度为299792458m/s(真空),光速恒定原理指的是无论运动者相对光源如何运动,其观测的光速都是299792458m/s(真空)。正是这个有悖常识的光速恒定,才有了后来的相对论。

妈咪叔专注通俗易懂趣味科学科普。

科学的基本观念本质上大都很简单,通常都可以用人人皆知的语言来表达。——爱因斯坦


妈咪说MommyTalk


光子是我们宇宙最重要的一种东西,也是人类最重要的一种宝贝。没有光子,我们的世界将一片漆黑,我们所有对宇宙的认识都将化为乌有。科学家们很早就对光子进行了研究,对光子本质和特性的了解,引领着人类的前行。

光子是一种量子,因此它的正式名称叫光量子,表达式为E=mc2=hν。科学界对光子的研究已经很深了,可以说,如果没有对光子性质的研究,就没有现代物理学理论的建立,一切都要推倒重来。



光量子的概念是1905年由爱因斯坦提出。

光子是一种规范玻色子,是电磁辐射的载体,是传递电磁相互作用的基本粒子。光子以光速运动,在真空中的传播速度为每秒接近30万公里,光子具有能量、动量、质量。但光子无法静止,所以没有静止质量。

光子的质量是相对论质量,公式为:按照质能方程,E=mc2=hν,求出m=hν/c2。计算方法为:由于频率为v的光子的能量为E=hv,(其中h为普朗克常数),故由质能公式可得其质量为:m=E/c2=hv/c2其中c2表示光速的平方,这个方法由爱因斯坦首先提出。



爱因斯坦预言玻色-爱因斯坦凝聚态的存在,就是在特定的温度条件下,一些原子会“凝聚”到同一状态。光子也具有这种性质。这个预言已经被科学家的试验所证实。

因此,科学界对光量子得出了如下性质:光子有速度、能量、动量、质量,有凝聚。光子不可能静止。光子可以变成其它物质(如一对正负电子),但能量守恒、动量守恒。

以上就是近百年来人类对光子研究的成果。至于光子是个什么模样,凭目前人类的能力还没有办法直观的“看到”,只能描述,它就是一个很小很小的粒子,这个粒子的体积可能为0或接近0,它具有波粒二象性,既可以一粒一粒的发出,又会发生衍射,以波的方式发出。

但有些科学家认为,光子可能有静止质量,如果实验能够最终检测到光子的静止质量,一些经典理论将要改写。

我国的华中科技大学罗俊完成了一项实验,将光子静止质量上限较之前已知的质量上限提高了1/20,得出了在任何情况下,光子的静止质量都不会超过10^-54公斤的结论。

如果光子真的存在静止质量,虽然短期不会影响到人们的日常生活,但其产生的后果将是根本性的,这个世界光速是不是极限速度都要重新考量。



这些对光速描述都是经过无数次实验和计算得到的,光速理论正在被一个个科学发现所证实,正在运用到造福人类的一个个发明创造中,检验着其正确性和精确性。

这就是时空通讯的看法,欢迎点评讨论发表高见。感谢关注支持和理解。


时空通讯


题主说得没错:光子的概念就是一锅粥。我先给出理由,再给出光子定义与相关参数。欢迎大家积极参与讨论。

说“光子的静质量为零”是伪命题!

光子总是运动的,在真空介质中以真空光速c运动。既然光子不可能静止,又何来静质量?这在逻辑上违背同一律与不矛盾律。

我们依然相信“物质不灭定律”或者“质量守恒定律”。以电子湮灭反应为例:±e↹±γ,高密度小体积电子变成了低密度大体积光子。

这意味着:光子质量(m')就是电子质量(m),按粒子物理:m'=m=9.11e-31kg=0.511MeV。

可以规定:光子质量恒为电子质量,有时也叫虚质量、负质量、暗质量。光子频率(f)与光子密度(ρ)成正比,即:f∝ρ...(1),与光子体积(V)成反比,即:f∝1/V...(2)

说“光子是无体积的质点”是伪命题!

量子力学把基本粒子,包括电子、质子、中子、介子、光子、引力子,说成是无体积的质点,显然违背“聚小成大”的第一性原理。

违背第一性原理,过度把“数学质点”强加于“物理体积”是荒谬的,迫使人们无法进一步认知基本粒子的结构属性,诸如尺度、体积、质密、能密、角动量。

必须指出:过度的用数学思维取代物理思维,是数学唯心主义在物理学上的典型表现,也是现代物理一片乱象的主要根源。

基本粒子的尺度很小,其构型可能是多样化的,都是自转的漩涡体。

根据微积分思维策略,我们完全有理由预设:基本粒子都是球状模型的漩涡体。因此有:

通用的体积公式为:V=4π/3·r³=4.2r³...(3)。通用的玻色子半径为:r=λ/2π...(4)。

根据粒子物理学惯例,我们完全有理由预设:基本粒子都是光速自旋的漩涡子。因此有:

通用的势能公式为:Ep=mc²...(5)。通用的势能梯度公式为:F=▽·Ep=mc²/r...(6)。

说“光子具有波粒二象性”是伪命题!

德布鲁伊物质波或概率波,是波粒二象性的典型学说,即:单个粒子就是飘忽不定的波,祂能超光速同时身处各个位置。

这种魔幻般的分身术,违背“时序因果律”的第一性原理。事实上,概率波没什么卵用。

量子场论对光子的定义是:光子是电磁波的传播子。我认为,这是一个恶性循环的毫无价值的定义。

光子本来就是电磁波的基本单元,怎么成了另行的传播子?光子是传播光子的光子。什么玩意!

再说定义也是片面的:除了电磁振荡可以产生光子,机械震荡与热力学震荡也可产生光子。

这种神逻辑的症结在于:现代物理对电磁波的定义也是一锅粥。请问大牛大神:电磁波究竟是物质波还是介质波?

我对光子的定义是:光子是外加角动量激发真空场介质若干场量子径向推涌的漩涡子。

电磁波是一种真空介质波,引力波也是一种真空介质波,风波是一种空气介质波,水波是一种液体介质波,地震波是一种固体介质波。

与电动力学对应的“光动力学”简介

光动力学,是笔者的研究课题,作为统一物理学的组成部分,旨在致力于修正量子论与相对论的若干瑕疵,走出数学唯心主义的泥潭。

一,临界光子的概念

临界光子:是上界光子与下界光子的统称。

上界光子:电子湮灭变成的最高密度光子。

下界光子:是背景微波场量子对应的光子。

二、背景微波是等离子体的归宿

宇宙空间存在最大熵的真空场介质,即宇宙微波背景物质,简称场,对应的场量子。

场量子有最大熵,基本粒子都会分解到最均匀的最小单元。这是一个极其漫长的衰变历程。

三、光动力学的几个规定

①电子湮灭生产的光子叫上界光子(γ*),相应参数有上标符号*;

②光子不断膨大/熵增加直至最大的光子,叫下界光子(γ°),相应参量有上标符号°。

③下界光子,含n=6.4e8个激发态场量子。激发态场量子,也叫引力子(g),

④未激发的叫(基态)场量子(g0),相应参量有下标符号0。场量子以宇宙背景微波为基础,是光子的最终归宿。

⑤电子湮灭的质量守恒,光子质量≡电子质量,光子服从熵增加而渐渐衰减。

⑥引力子以背景微波为基础:引力子质量≡场量子质量。引力子服从熵增加而渐渐衰减。

四、场量子的相关参量

场量子基础:λ0=7.35cm, T=2.725K

场量子半径:r0=λ0/2π=1.17cm

场量子体积:V0=4.2r0³=6.7cm³

场量子频率:f0=c/λ0=1.25e26Hz

场量子质量:m0=3kT/c²=1.26e-39kg

五、上界光子的相关参量

电子湮灭方程:±e=±γ*(0.51MeV)

上界光子波长:λ*=λc=2.42e-12m

上界光子半径:r*=λ*/2π=3.9e-13m

上界光子体积:V*=4.2r*³=2.5e-37m³

上界光子频率:f*=c/λ*=1.25e26Hz

上界光子质量:m*=e=0.911e-30kg。

光子角动量矩:h=m*cλ*=6.63e-34J/s

六、下界光子的相关参量

引力要素质子:m=1.67e-27kg

所含引力子数:n=m/m0=6.4e8

下界光子体积:V°=nV0=43cm³

下界光子半径:r°³=V°/4.2,r0=2.2m

下界光子波长:λ°=2πr°=13.8m

下界光子频率:f°=c/λ°=2.17e7Hz

七、特殊电磁波的参量(需深入研究)

无线电波的频率:f=1e4~3e11 Hz,

无线电波的波长:λ=34km~10μm

无线电波的半径:r=λ/2π

可见光频率范围:f=3.9~8.6e6 Hz

可见光波长范围:λ=0.77~0.35μm

可见光子的半径:r=λ/2π

脑电波频率范围:f=5~35Hz

脑电波波长范围:λ=6e7m~14e7m

脑电波半径范围:r=9.6e6m~2.2e7m

题记:理论的困惑是痛苦的,批判是要冒风险的,创新的建设是极为艰难的。我愿与锐意进取者共进退。

好了,本答stop here。请关注物理新视野,共同切磋物理逻辑与中英双语的疑难问题。


物理新视野


书读少了,无法用科学知识回答。

换一个方法回答。神话=谎话。

一天唐僧问老孙:悟空你一个什么斗,翻了十万八千公里,从有到无的看不见了。这是光,还是子。悟空说;师傅你也学知识了吗?我翻出去叫光。所你就象看导弹一样飞。我回来时就叫:光中有子。一下就出现在你面前。唐僧问:为什么呢?悟空:因能量加大了就变成子回来。唐僧大骂:少吹牛。一定是如来在你屁股上打手印磁力,你才加她妈什么子回来。说到底是怎样一回事。你有没有纠缠量子般跟质子打架。不说为师要念那磁力链接紧箍咒了,咒。。。。。。。。。(哼哼锯了你)


老猪家1


这一连串的问题一问到点子上了,是好问题,也是难以回答的问题

在我们日常生活中面对宏观事物时,我们经常会问到这个东西到底是什么,类似这样的问题很多。比如说,水是什么东西?我可以这么回答,水就是由水分子构成的一种液态物质,水分子则是由一个氢原子和两个氧原子通过某种化学键结合在一起的。

一般来说一个宏观物体我们可以通过描述它的大小、形状、重量、颜色、化学性质和构成材料等等这些物理性质来回答这个东西到底是什么,可是这样的回答方式一旦到了微观世界就统统失效了。

失效并不是因为我们的技术水平达不到,而是在逻辑上失效了。我们日常经验中的那些物理性质到了微观世界中,要么不存在,要么已经不再是我们日常经验中的那些性质了。

在微观世界中的一个粒子是什么?

  • 这和你用什么样的观测方式是紧密结合在一起的,我们无法脱离观测方式来单独谈一个粒子是什么的问题。

  • 比如说光子这个东西,你如果用荧光屏去接收它,那么它就是一个小球一样的粒子,可以在荧光屏上打出一个亮点。但如果你用干涉仪去观测它,它就成了波,可以具备波的特性。如果你用一块金属板去观测,它又成了一份能量的最小单位,变成了能量子,因为可以打出电子,这就是著名的光电效应实验。

所以没有办法用一句话来回答你"光子到底是什么东西“这个问题,但我们却可以用数学公式准确的计算出光子在什么样的条件下会表现出什么样的结果。

光子没有静止质量

这也就是说根据狭义相对论,能量和质量是等价的,光子含有能量,所以你也可以说光子有质量,但这个质量却不是普通物质的那种质量,这也就意味着光子相对任何东西来说都是以光速运动的,它根本停不下来,停下来时它就消失了。


量子猫


光是能量,不是物质,它是一种电磁波,也就是特殊物质电磁场在空间的运动而具有的能。

众所周知,煤炭燃烧会发光,煤炭燃烧时,炭原子和氧原子相互靠近,碳原子失去电子而变成正离子,氧原子得到电子而变成负离子,正负离子相互吸引形成二氧化碳分子时,正负离子速度越来越快,带动周围的电场运动,变化的电场周围又产生变化的磁场,变化的磁场远处又产生变化的电场……,这样变化的电磁场传到远处就是光。

由此可见,煤炭燃烧发光时,实质上是电磁场的运动而具有的能,而不是什么光子。原子核裂变和聚变反应发光时,也是电磁场由近及远的运动而具有的能,根本不是什么光子。

那么光子是什么呢?,光子是人们为了研究量子力学的方便,虚拟和假设出的一种质量为零的粒子流,实际并不存在,但在研究量子力学时起到了很大的作用。


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人类所谓的光子,不过只是灵魂无所不能表演的示现之一。简单的说,光子就是灵魂!光子的速度,也决非人类依所谓观测假象虚拟认定的每秒约30万千米的所谓光速。没有也不需要哪来的约束,灵魂演化的光子,可以自主决定以任何速度运行。之所被人类认定为约每秒30万公里的运行速度值,纯粹就是为了能给人类的数理游戏,貌似有据可依的有所游戏而已!因为,任何光子都可以无须时间,瞬去无影了无痕迹可测。


我乃天空


我们对光子的认知,事实只在陌生阶段,从描述来说是很什么的,光子,是传递电磁相互作用的基本粒子,是一种规范玻色子。原始称呼是光量子(light quantum),电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为γ。光子是电磁辐射的载体,而在量子场论中光子被认为是电磁相互作用的媒介子。与大多数基本粒子(如电子和夸克)相比,光子没有静止质量(爱因斯坦的运动质量公式中,光子的v = C,使得公式分母为0,但光子的运动质量m具有有限值,故光子的静止质量必须为零。),光子有速度、能量、动量、质量,这意味着其在真空中的传播速度是光速。


沂山蜂场


这个世界有两个存在体,一个是外质的(科学对象),一个是内质的(宗教对象),也可以看成物质和精神、形态和本质。这两个存在体都和意识(能量体)有关,外质作为存在依据,内质作为存在性质,那么存在的概念就是将外质和内质同构于一个意识(可以是任何尺度意识空间)之中。同构于意识是因为外质产生于意识(电磁波能量蜕变,既光和物质关系),通过意识明确其形态,并给予性质度量,而这样的一个判断回归于意识主体,或者说两者沟通在同一个层面和性质里进行,缺失任何一面,存在的概念就会被打破。如果说物质独立存在,不会因为人的观察而存在,其实任何物质体都是由意识创生并由意识场形成自洽性质(空间),从这个角度也可以看出宇宙是一个意识体。


用户56948517968


光子是基本粒子,是电磁场的量子,是传递电磁相互作用的媒介子。但是,它的运动特征和实物粒子,例如电子运动特征完全不同。因为,实物粒子有不同的运动速度并且有静止质量,而光子的运动速度永远是C,并且没有静止质量。爱因斯坦根据光速不变的原理和狭义相对性原理而创立了《狭义相对论》,狭义相对伦里有个著名的质能关系式,E=mC2。这也是原子核能的计算公式。这个公式把能量与质量的关系联系了起来。爱因斯坦的狭义相对论指出:"任何实物粒子的速度不可能超过光速,光速是实物粒子运动速度的极限。”我认为:从哲学的角度上去思考和判断,光子是介于物质和空间的桥梁,是物质转化空间的桥梁,是无中生有的桥梁。物质一一光一一空间。空间一一光一一物质。这也正如老子的《道德经》所说:”道可道,非常道。名可名,非常名。无为天地之始,有为万物之母……。”现代物理学研究证明:基本实物粒子电子和它的反粒子正电子相遇会发生湮灭现象并且产生光子。光子到底是什么?我认为:光子就是我国古代哲学《易经》里所说的太极。光子就是太极,是物质世界微观层次的极限。宇宙中的实物粒子不是无限可分的,从分子到原子,再到原子核和电子,从原子核可分为中子和质子,中子和质子又可分为夸克,组成物质的基本粒子可以无限地分割下去吗?有沒有极限?如果有,它的极限粒子是什么?我认为:物质在微观层面的分割是有限的。这个极限就是光子。光子是宇宙的极限,是联系宏观世界和微观世界的桥梁。光子是信息和能量的载体。这就是我的《光子极限论》。


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