物理科学探疑-技术-光的量子化在波动理论中所面临的困难及光的波动属性
光的量子化在波动理论中所面临的困难及光的波动属性
志勰
简介：对光的作用属性波峰和波谷相削的问题分析，光不具有电磁波理论整波的周期性，仅具有半波的属性。理论上提出了一种不参与物质作用的波。
一、引言
1865年，麦克斯韦依据根据麦克斯韦方程组，推出电磁场的扰动以波的形式传播，该速度等于光速，预言了电磁波的存在。1888年赫兹采用电容器和感应线圈所产生的电磁震荡，通过发生火花放电的方法，来产生和接受电磁波，证实了电磁波可以发射、接收和传播。并与1889年在一次著名的演说中，赫兹明确的指出，光是一种电磁现象。光的电磁属性时代来临。
1900年，普朗克在《论正常光谱中的能量分布》的报告中提出了辐射的能量量子化方案，物质辐射（或吸收）的能量不是连续的，而是一份一份的，其数值只能取最小数值的整倍数。即ε=hν。1905年爱因斯坦解释光电效应，进一步将普朗克的能量子观念引入到光的观念中，提出光波本身不是连续的，而是具有一个最小的能量单位hν，即光量子。光量子具有波粒二像性。
不论是普朗克辐射理论中的能量量子化，还是爱因斯坦的光量子化。有一点是具有共识的，这就是辐射和光的电磁属性。它们都是电磁波。虽然在理论数值上可以很好地解决理论计算问题，但是在光的波动理论上，量子化的方案意味着将光的波动性本身赋予给每一个光子个体，而光子个体在保持它本身波动属性前提下，是否仍然可以组合成宏观的波动现象并符合客观事实，这一点尚未考虑。这使得微观上的能量量子化反应在宏观上存在波动理论无法克服的困难。
二、光的量子化所面临的困难
发光体、辐射体所发出的光都是由构成光源物质中大量的电子运动来完成的，以现代量子论的观念来看就是电子的跃迁。这和我们所采用传统的波动现象存在的本质的区别，传统的波动现象中，波源是由少量的一个或者几个作为研究的对象，而光的量子化，波源则是高度密集海量的，光源中发射光的任何一个电子都是一个光源点,其发射出的光子具有确定的大小并具有恒定性。这构成了我们所研究的波动对象存在着根本的不同，并影响到从经典理论中所采用的波的概念对光波领域的适用性。
对光的量子化和传统的机械波不同的地方就在于波源上，机械波我们都是采用的一个或者几个有限的波源，光波的波源则是在空间分布上几乎可以当作连续分布的波源了。比如距离地面一米高度处的一点，或者距离一面墙壁一米处的一点。我们在这一点会接受到地表或者墙壁所发射的光子的辐射。理论上的算法通常我们都是采用辐射面积累积的方法来得到该点总的辐射强度，而往往忽略了作为波的本身所具有的波动特性。就是振动周期。如图：
（图一）
图中红色的点是我们所设立的接受辐射的点，根据波的叠加原理，地面或者墙壁上所辐射的光子在相同的时间点辐射到该点的辐射波将会在该点叠加，不论是采用机械波的原理还是采用电磁波理论，在该点叠加的波其振幅强度及矢量方向，都会遵守叠加原理。那么假设这些波辐射到该点的相位和方向及矢量都是随机的，波峰和波谷的叠加则会存在给予该点作用相削的关系。采用统计原理我们只有一个结论，那就是辐射的电磁波所給予该点的作用和趋近为零，或者该点所受到的作用和不是所有辐射累积的关系，该点所受到的作用将会相削，要远小于该点所受到的总的作用。而这个结论和客观事实矛盾！
形象的说上图中的光波采用激光来讨论这个问题比较合适，激光的频率具有单一性，如果是固体激光器，那么还具有偏振，这样所设计的面就会大大的缩短。激光所输出的光就是标准的上图。如果激光输出的光不具有相削性，那么谐振腔中发射光子物质的质点之间的距离，就需要满足沿光轴的方向为激光波长的整数倍。这个条件是不能满足的！因为激光波长要远大于分子原子之间的距离。
这个矛盾采用经典的光的电磁波理论是不能解决的。而采用光量子，如果将波动性仍然定位为经典的周期波动性，那么不论是辐射还是激光，都不能解释辐射或者光的量子化在光子相位分布问题上相削的矛盾。
三、光的波动属性
只要采用物质辐射的光子具有经典的周期性，那么在光子对物质的作用中就不可避免的陷入光波波峰和波谷到相削的结论中，在光的电磁理论中要解决这个问题，只有一种可能，那就是物质所辐射的光子的波动是半波的，振动周期仅具有半波的属性。（图二）
（图二）
（图三）
物质辐射的光子以及物质发光的光子满足半波的属性，就可以解决和物质作用的相削问题。并且也满足叠加原理在电磁波理论中的成立。（图三）
四、经典光子波对质点相削和加强的讨论及解释
光子波峰和波谷相削这个问题的提出，是在九年前的一篇文章①中提出的，并且那时在上海交大饮水思源bbs和ruster等几位先生讨论了这个问题。可参见这个问题的讨论过程②。在这个问题的讨论过程中，对不能相削存在两个争论点，一个争论点是光子的密度太小，光子的密度分布很小，绝大部分光子不存在在空间中叠加的问题，即光子的空间分布不足以产生两个光子在空间中叠加，就更不可能形成光子的初相位在空间中产生连续分布的情况了。另一个争论点是即便不同频率波长的波在一块叠加，那么采用付立叶分析也不存在相削的趋势。
1、光子密度的问题
对于光子的密度问题，我们可以在现实的情况中计算一下，由于我们所讨论的是光子的属性是否存在相削的问题，那么只要现实中存在的就不违背对光作用属性的真实判别。在这里我采用一段现成的数据：
美国国家点火装置 - 实验过程
先将外部激光增强10000倍，然后将一束激光分离为48束激光，再增强，进一步分离为192束激光，其总能量增加到原来能量的3000万亿倍，再聚焦到直径为3毫米的氘氚小丸上，产生1亿度的高温，压力超过
美国国家点火装置1000亿个大气压，进而引发核聚变。
每束激光发射出持续大约十亿分之三秒、蕴涵180万焦耳能量的脉冲紫外光——这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还多。当这些脉冲撞击到目标反应室上，它们将产生X光。这些Ｘ光会集中于位于反应室中心装满重氢燃料的一个塑料封壳上。X光将把燃料加热到一亿度，并施加足够的压力使重氢核生聚变反应。
释放的能量将是输入能量的15倍还多。这是因为激光在镜面之间来回反射，并通过3000块磷酸盐玻璃，其中的钛原子会使激光束扩大。利弗莫尔有850名科学家和工程师。另外大约有100名物理学家在那里设计实验。NIF的问题是它的激光每几小时只能发射一次。Mercury激光的方案已经在计划中。它不一定比NIF更大，它的目标是每秒钟发射10次脉冲。
——百度百科
这一段中存在一个笔误，即这些能量是美国所有电站产生的电能的500倍还多，能量应该是功率。所提供的数据如下：
一束激光所提供的能量总量为180万焦耳，输出时间为十亿分之三秒，光束直径为3毫米。光的频率没有提供，这里采用紫外光的7.5×1014Hz。采用这个数据计算，这束激光每立方微米大概包含有5.7×1011个光子，而这种紫外光的波长则为0.4微米。这样密度的光子足可以看作初相位连续在空间分布。如图一。
2、相削的问题
在讨论结束后，我个人的感觉是ruster先生不能正视波动理论的叠加原理，没有分清讨论的对象，讨论的相削是该点所受到的作用。他认为采用数学上的傅立叶分析就可以解决这个问题，不存在任何相削。如果是这样的话，那么波的叠加原理在电磁波中就不能成立了。同样麦克斯韦的电磁波理论也就不具有电磁作用方向的基础了。图四
(图四)
图四中黑色的质点受到四个光子的电场或者磁场的某个瞬时作用，如四个箭头。该质点分别位于光子1的波峰2的波谷，光子2和4也是相对应的。该点所受到电场和磁场的作用方向光子12和34是相反的。那么该点仅受到光子1和3作用时，该点电场或者磁场的作用合力为零，光子1和3的和电场或者磁场作用为相消的。而该点所受到的光子1和2的电场或者磁场作用则是加强的。请注意，这里的作用不是该质点物质的运动方向，而仅仅是所受到的光子的电场或者磁场的作用方向。如果电场和磁场给予该点的场作用和不为零，那么根据光子的粒子性，该物质点的物质和光子碰撞后，它们的运动方向遵守能量守恒的弹性碰撞，其中的能量守恒中的能量是参与该点作用的电场或者磁场的作用的积分。其动量方向遵守动量守恒。动量的方向垂直于电场和磁场的方向。上图中的场作用相削和加强将会导致群光子的另一种情况。如图五
(图五)
假设一系列的相同频率光子的初相位在空间分布可以当作均匀连续分布看待，那么频率相同的光子的这种连续分布则必然导致光子的电场或者磁场对该点的场作用和为零。或者说，光子将会不参与该点的作用。也就是要满足光波对该点的电场或者磁场的大小相等方向相反。就拿美国国家点火装置的这束高能激光来说，它满足这样的条件，但是激光的能量仍然释放出来，这说明传统的光的电磁波动理论是有问题的。要回避这个问题，那么就是我在本文第三部分提出来的结论：物质辐射的光子以及物质发光的光子满足半波的属性，而不是整波的属性。
五、一种理论上的新的信号传播技术
从上面的分析中可以看到频率相同的光子的初相位（严格的说再加上偏振相同），在空间中可以看作连续分布的这种情况下，空间的质点将会不参与电磁波的作用。该电磁波给予该质点的作用和为零。那么我们只要能发射这种电磁波，可以想到它的穿透力是极强的。就像中子和中微子的概念一样，它将没有损耗。它会比普通的电磁波传递的更远。这点让我想到星际航行的信号传播。
要满足电磁波信号在传播过程中给予空间点电场、磁场的作用合力为零，这个条件是有些苛刻的。我们上面的分析是采用大量的光子来作为无数波源分析的，现实的问题是我们所应用的电磁波通常只采用一个波源。初相位在时间轴上的连续分布我们就很难做到。当然现在集成技术发展得很快，但能不能做到n个发射器发射出的信号达到这样的条件，这个有待实践检验。另一方面是定向发射。普通的电磁波遵守波的传播过程中距离平方反比定律，即便电磁波不会被传播区域的物质进行任何吸收，遥远传播距离的平方反比的衰减，我们仍然不好处理这个问题。定向发射是解决这个问题的关键。
既然这种信号不能被传播区域的物质所吸收，那么信号的接收也是一个问题，不能和空间中的物质发生作用意味着我们采用普通的方法，也将不能获取这种信号。发射这种信号是很简单的事，只要我们的发射电流工作正常就行了，检测该信号则存在一定困难。
六、电磁波和光波的区别
前面我们提到了这个问题，我们人类所大量使用的电磁波都是采用电流的震荡来完成的，发射电磁波的所有的电子都是统一步调的震荡来完成，一般电磁波源只有一个源。辐射或者发光的物体则是电子无序的的随机震荡，可以看作无数个发射源。两者从电子的发射形式上存在着根本的区别。
2011年1月23
参考：
①空间的介质问题之三——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验（上）（光的波动性）http://www.phyw.com/shkl/kjywzhdyd/mkerxmlshy-gdbdx.htm
②光的波动性的讨论 http://www.phyw.com/shkl/bdxtl/bdxtl.htm
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