葛葆安

(天津市科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，天津 300041)

光，尤其從太陽(yáng)發(fā)射的光和月球反射的光，給地球——人類賴以生存的地方——帶來(lái)光明、冷暖和生機(jī)勃勃.陽(yáng)光是人類生存環(huán)境的重要因素，因此太陽(yáng)也曾是科學(xué)與宗教的爭(zhēng)奪對(duì)象.

真正引起早期的哲學(xué)家對(duì)光的重視，或許始于伽里略-牛頓年代.從此以后人類對(duì)光的關(guān)注始終沒(méi)有間斷過(guò)，產(chǎn)出的科學(xué)研究成果是豐碩的.從學(xué)科門(mén)類看，物理學(xué)工作者從“可見(jiàn)光”部分開(kāi)始分別向兩個(gè)相反方向的研究和發(fā)現(xiàn)大大拓展了我們對(duì)物理光學(xué)的知識(shí)，通常是根據(jù)頻率(或波長(zhǎng))范圍劃分它們的稱謂、性質(zhì)和應(yīng)用.同時(shí)，也擴(kuò)大了物理學(xué)中光學(xué)的分支學(xué)科.

1900年普朗克提出熱輻射是“能量包”中發(fā)射和吸收的量子.1905年愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)普朗克的結(jié)論也適用于光，并用光量子描述光.近代研究表明：不僅只有可見(jiàn)光、紅外線、紫外線是光，所有電磁能(例如高能射線、無(wú)線電波、微波等)也都是光，都是由光量子組成，并將它們通稱為光子(古爾伯特·牛頓·路易斯提出).

1 光的知識(shí)

從目前知識(shí)看，光的概念既清晰，但又不能給出描述其本質(zhì)的定義.它的本質(zhì)是什么，并沒(méi)有搞得很清楚.應(yīng)該講，對(duì)光子的認(rèn)知仍然在研究中，它的家族太大了，成員擴(kuò)展得太廣了，需要時(shí)間、精力將它們一一搞清楚，前面的路仍是遙遙之途.從已知有關(guān)光的知識(shí)看[1-8]:

1)光的靜止質(zhì)量(牛頓定義的和愛(ài)因斯坦認(rèn)知的質(zhì)量)為零.但是，至今仍然有科學(xué)工作者利用現(xiàn)代測(cè)量?jī)x器設(shè)備努力工作，并希望能夠測(cè)出光子的靜止質(zhì)量[9-11]，并認(rèn)定它會(huì)是一個(gè)很微小的數(shù)值，但至今未能測(cè)得結(jié)果.或許是因?yàn)槲覀兊膶?shí)驗(yàn)設(shè)備精度和測(cè)量手段不足所致.這是一項(xiàng)挑戰(zhàn)性很強(qiáng)的工作，應(yīng)該繼續(xù)下去.

2)光是基本粒子，或許可以講，相比許多已經(jīng)被認(rèn)知的基本粒子而言，它們是基本粒子族中相對(duì)最穩(wěn)定的群體.

3)光在真空中沿直線傳播，其速度是個(gè)定值c≈3.0*108m/s，稱謂光速.曾經(jīng)有物理學(xué)工作者耗畢生精力測(cè)定它的精確值，此種精神值得業(yè)內(nèi)人士敬佩.光速對(duì)人類而言或許是個(gè)門(mén)坎，也是一部分科學(xué)工作者躍躍欲試挑戰(zhàn)的門(mén)坎.

4)光具有波粒二象性質(zhì)，它們還可以表現(xiàn)為粒子(光子).宇宙空間內(nèi)它們是無(wú)處不在的，不斷運(yùn)動(dòng)充滿著整個(gè)宇宙.其實(shí)，微波背景輻射就是最好的證例，況且一百多億光年外的光也能被我們觀測(cè)到.

5)光是個(gè)大家族，若以頻率(或波長(zhǎng))劃分，處于不同頻率范圍內(nèi)的光子群體都擁有各自不同的、自己的獨(dú)特性質(zhì).

6)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，光的譜線是不連續(xù)的，每份光子都是獨(dú)立存在的.愛(ài)因斯坦將光描述為光量子，至于光量子內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與性能的研究近乎空白.

7)愛(ài)因斯坦從狹義相對(duì)論研究中發(fā)現(xiàn)“質(zhì)量”與“能量”是等效的，作為相對(duì)論理論的推論，愛(ài)因斯坦對(duì)質(zhì)能方程似乎沒(méi)有更多說(shuō)什么，僅從質(zhì)能方程看，質(zhì)量與能量之間應(yīng)該具有“等值”的特征.而對(duì)每個(gè)光子而言，這個(gè)性質(zhì)或許含有獨(dú)特的意義，因?yàn)檫@個(gè)特性表現(xiàn)出光子的一些“本質(zhì)”：每份光量子呈現(xiàn)出的是它含有多少“能量”的性質(zhì)，至今沒(méi)有測(cè)出它的質(zhì)量就不足為奇了.從表象看，光子是不是有一層皮“在”包裹著這一份份的能量；或是每份能量“自己”都在獨(dú)自地旋轉(zhuǎn)著，像太陽(yáng)系中的太陽(yáng)一樣，“不容易”發(fā)散自己的能量.如果是前者，每份光量子都應(yīng)有“皮”，光子中的能量被“皮”包裹著.隨著技術(shù)的發(fā)展，光“皮”的厚度、質(zhì)量應(yīng)該被測(cè)量到的.如果是后者，每份光子的能量也可以慢而又慢地散發(fā)出來(lái)的，前提條件是：它們的周邊環(huán)境溫度(能量)比該光量子所擁有的溫度(能量)低.這樣看來(lái)，光子是以其內(nèi)含能量劃分它們的家族的.因此，將光量子或光子稱為“能量包”更切真實(shí).事實(shí)上，多項(xiàng)實(shí)踐表明光子是以能量方式存在的，而且它們與其它物體之間的作用，通常也是以傳遞能量表明自己的存在和運(yùn)作行為的.

8)“光子”中可見(jiàn)光部位的光是一個(gè)特殊頻段的光，除具有可視功能外，它們將光家族從自己身側(cè)兩旁分割成各自具有明顯特征的兩個(gè)分支：低頻家族和高頻家族.每個(gè)家族顯現(xiàn)的各自特征如下：

低頻家族光子的“能量包”中的能量隨頻率降低(或波長(zhǎng)增長(zhǎng))逐漸減少.紅外線頻段光子的能量包似乎比較容易“破裂”，將其所含能量以“熱”的形式釋放，傳遞給相遇的物體，此頻段的熱效應(yīng)最強(qiáng).電磁波頻段光子的能量包以能量交換顯示其特征，隨頻率降低，散發(fā)能量速度降低，則其傳播距離增大.此頻段另一特征是光子能量包的穿透能力比紅外波段和可見(jiàn)光波段強(qiáng)，似乎尚未有實(shí)驗(yàn)和理論研究說(shuō)明之.微波頻段光子能量包應(yīng)該是穩(wěn)定的，從宇宙微波背景輻射充滿星空且各向均勻，同時(shí)具有與黑體輻射一致的能量譜而言，似乎也可以說(shuō)明它的穩(wěn)定性質(zhì)，就微波背景輻射的溫度看，似乎已經(jīng)沒(méi)有比其更低的能量包傳遞自己的能量了.同樣，目前尚未見(jiàn)有關(guān)研究報(bào)告.如是，這一族的光子是遵循物理熱力學(xué)“熵”增原理的.

高頻家族光子的“能量包”中的能量隨頻率增加(或波長(zhǎng)減低)逐漸增大，紫外線頻段光子的能量包能夠按照其能量大小置換原子中不同能級(jí)的電子(光電效應(yīng)).隨著光子能量包的能量增加，它的電離作用減弱，甚至不再明顯，但是其穿透能力增強(qiáng).是否由于光子能量包內(nèi)能量增加，它們逸散能量的情況也會(huì)增多？從觀測(cè)宇宙中射線到達(dá)地球表面的實(shí)驗(yàn)來(lái)看，只是距離地球較近的星體發(fā)生強(qiáng)烈爆發(fā)時(shí)才能觀測(cè)到高頻一族的存在，是不是表明它們確實(shí)出于尚不為我們所知的原因在行進(jìn)過(guò)程中發(fā)生過(guò)能量“逸散”.如是，這一族的光子也是遵循物理熱力學(xué)“熵”增原理的.

可見(jiàn)光家族光子的“能量包”中的能量介于低頻家族與高頻家族之間，其頻率范圍在家族中部，也是隨頻率改變能量，從紅光至紫光逐漸增強(qiáng).這個(gè)家族是很特殊的一族，是人類感知最早的一族，是對(duì)地球上生物世界影響最大的一族，也是人們研究時(shí)間最久遠(yuǎn)、最深入的一族.從目前研究成果看，這一族光子的“能量包”在發(fā)散過(guò)程中是永恒的，似乎不會(huì)逸散自己“包”中的能量.如是，似乎這一族光子是不遵循物理熱力學(xué)“熵”增原理的.

2 實(shí)驗(yàn)確定光子是否遵循 “熵”增原理

光的家族中的光子是不是都遵循物理熱力學(xué)“熵”增原理的研究尚不深透，這與對(duì)光子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和運(yùn)行機(jī)制的研究相對(duì)缺乏有關(guān)，也與它們靜止質(zhì)量為零和運(yùn)行速度為c有關(guān)聯(lián)，給研究工作帶來(lái)困難.

近年來(lái)，除有物理學(xué)者努力測(cè)定光子是否“有”質(zhì)量外，研究電磁作用力的本質(zhì)及在加速器內(nèi)讓光子相互撞擊的實(shí)驗(yàn)也在進(jìn)行中，物理學(xué)者對(duì)光的本質(zhì)的探索從未停止過(guò).

多年來(lái)，物理學(xué)界已經(jīng)有共識(shí)，在遵循愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論條件下，有理論證明，在特定環(huán)境中，如在形成當(dāng)今宇宙初始的“奇”點(diǎn)中，當(dāng)前的物理學(xué)原理、定律將會(huì)失效.而且目前正高速膨脹的宇宙會(huì)在未來(lái)某個(gè)時(shí)刻開(kāi)始收縮，再次回到“奇”點(diǎn)，新的宇宙將會(huì)重新開(kāi)始.因此，在“脈動(dòng)”的宇宙中，當(dāng)今認(rèn)知的物理學(xué)公理、定律，包括“熵”增原理似乎并不重要，“宇宙”也似乎不會(huì)迎來(lái)物理熱力學(xué)第二定律認(rèn)定的“熱寂”.

目前，物理學(xué)原理、定律尚未失效情況下，光子的家族是否遵循“熵”增原理應(yīng)是物理學(xué)硏究中重要課題，不僅僅因?yàn)樗鼈儗?duì)我們生活的影響無(wú)處不在，也是由于它們遍布宇宙空間，無(wú)所不在地影響著我們千百年來(lái)對(duì)宇宙窺探其奧秘的愿望.

自1928年，哈勃觀測(cè)到星系光譜出現(xiàn)紅移結(jié)果后，用多普勒效應(yīng)解釋所觀測(cè)的星系都朝著與地球相反方向運(yùn)動(dòng)后，很快興起的大爆炸理論被認(rèn)定是主流理論，雖然多年來(lái)不同意見(jiàn)很多，但是并沒(méi)有能夠撼動(dòng)大爆炸理論.當(dāng)初哈勃似乎并沒(méi)有考慮過(guò)光子在宇宙空間傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生能量逸散的情況，似乎也沒(méi)有考慮到它們也是應(yīng)該遵循熱力學(xué)熵增原理的，并可能導(dǎo)致紅移.大爆炸理論導(dǎo)出宇宙在膨脹，遠(yuǎn)處星系正以超過(guò)光速的速度遠(yuǎn)離地球的結(jié)論.本文下一段中建議的實(shí)驗(yàn)，目的是證明光也是遵守熵增原理的，頻率(或波長(zhǎng))由于能量的逸散，在宇宙空間運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生微小變化的.如果光不遵守熵增原理的話，太空的景色會(huì)不一樣.利用實(shí)驗(yàn)做判斷并得出結(jié)論，相信不僅結(jié)論應(yīng)該是肯定的：遵守，而且實(shí)驗(yàn)還可以確定逸散的速度，這個(gè)結(jié)果也是至關(guān)重要的.

可見(jiàn)光一族的光子“能量包”是否遵循“熵”增原理應(yīng)由可操作的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定.例如：1)建成類似宇宙空間的環(huán)境，將單一的弱、強(qiáng)激光束分別通過(guò)此空間，觀測(cè)其頻率(或波長(zhǎng))是否發(fā)生(微微)變化；2)在上述環(huán)境中，調(diào)整環(huán)境溫度(溫度指在4 k度附近調(diào)整)，測(cè)量激光束光壓是不是發(fā)生改變；3)利用現(xiàn)代空間技術(shù)，在空間站與衛(wèi)星之間或在空間站與月球、火星表面地面站做上述實(shí)驗(yàn).

3 結(jié)論

總之，可見(jiàn)光一族的光子在經(jīng)歷了上百億光年的行程中，其“能量包”內(nèi)的能量是否存在著“逸散”部分能量的問(wèn)題，應(yīng)該是研究光學(xué)的物理學(xué)者有興趣的問(wèn)題，也是確定它們是否不遵守熵增原理，永存宇宙空間的獨(dú)特一族.此項(xiàng)研究工作對(duì)宇宙大爆炸理論也是重要的，該理論是基于哈勃對(duì)遙遠(yuǎn)星系觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)到光的紅移，似乎也是認(rèn)定可見(jiàn)光的光子能量(能量包)是守恒的，紅移是星系高速與地球遠(yuǎn)離的結(jié)果.