光子的疑惑
摘 要：光子是什麼樣子的？人們充滿了想象。當前最流行的形象是，光子是粒子，裡面沒有更基本的實粒子，沒有電荷，只有純粹的不斷振動著的電磁場。這種形象真實嗎？本文對此提出兩大質疑。為解決這兩大疑惑，本文提出光子是深度微觀尺寸的電偶極子之說，並進而提出“真空基元”的概念。除了能很好解釋那兩大疑惑外，還能解釋系列問題。
關鍵詞：量子力學；量子場論；麥克斯韋電磁場理論；光電效應；電偶極子。
1，量子和微觀粒子。
量子不是物質，是物理量。當物體的物理量具有不連續的分立的量子化特徵時，其不可再分的最小單位的物理量稱為量子。宏觀物體的物理量是連續的，只有微觀粒子的物理量才具有這種分立的量子性質。由於物理量要有物質作承載才有實在的意義，因此量子概念與微觀粒子不可分割。在行文時，把量子和微觀粒子兩個名詞混在一起是常見的事，用量子名詞是強調概念性質，用微觀粒子名詞是強調實體性質。如果約定：
“量子”已包括承載量子性質的實體“微觀粒子”；“微觀粒子”已包括它必然具有的量子特性。
那麼，在這種約定下兩個名詞是可以互通的。比如一個電磁場量子佔有的空間也可以說成是一個光子佔有的空間。
2，量子場論關於真空的論述。
從姚麗萍和黃金書兩學者合寫的《從量子場論看真空的物質形態問題》一文[1]引用如下的一段文字作說明。
“現代的真空理論實質上是量子理論。量子場是物質的基本形態，它是既具有波動性又具有微粒的物質客體，它具有多種運動狀態，如激發態和基態。量子場激發態的出現代表實粒子的產生，激發態的消失代表實粒子的消失。實粒子的消失只是表明量子場的激發態消失了，而不是量子場這種客體消失了，量子場還存在，不過此時量子場處於能量最低的運動狀態，也就是處於基態，人們把基態的量子場稱為“真空”。真空不空，真空本身就是一種特殊的物質，即基態量子場。所以說真空是物質的一種特殊形態，而不是物質的一種特殊狀態。”
以上是關於真空和粒子關係的嚴謹的學究式的表述，為方便於本文對標的的論述，因此提出以下的“直白”的表述。
不可觀察的真空乃是可觀察的實粒子之母。
2,1 真空充滿各種基態量子場，基態量子場不是一種虛概念，每一種基態量子場充滿實實在在的微觀粒子，只不過這些微觀粒子具有最低能量狀態。由於這些場粒子具有最低能量，人們無法觀測到它的能量值，因而基態場粒子是不可觀察的，也因而基態量子場是不可觀察的，真空是不可觀察的，感性地說，真空是看不見的。
2,2 當有一份適當能量“注入”真空中的基態量子場的粒子，該粒子就成為激發態粒子，具有可觀測的能量值，也即成為可觀察的實粒子，也即看得見的粒子。
激發態粒子可觀測，又稱為實粒子。光子是電磁場的激發態粒子，儘管它的靜止質量等於零，但光子具有可觀測的能量和動量，從這個角度看，光子也屬於實粒子
2,3 真空充滿基態場粒子，只要有能量注入，就能產生實粒子，因此，真空是實粒子之母。甚至可以寫出如下公式
實粒子= 基態粒子+能量 (1)
其中，+號相當於“注入”。當然，公式裡存在三個問題：1）能量是什麼？2）能量從哪裡來？3）能量如何注入真空？這三個問題都屬於接近物之本質的問題，是難以簡單地論述的問題，有幸這三個問題不是本文論述的標的。本文論述的標的是：
構成真空的基態量子場的基態粒子是不是最基本的？
按量子場論，當人們發現一種激發態量子場，必然在真空對應有相應的基態量子場，人們已發現“標準模型”中的61種粒子，對應地真空中的基態量子場有61種之多，因此可以說，構成真空的61種基態粒子就不可能是最基本的，這61種真空粒子應該由數量比61少得多的更基本的基態粒子構成。如果這61種基態粒子由一兩種，或兩三種更基本的“東西”構成，這少數的幾種“東西”才有資格稱為物之“基元”。由於真空是萬物之母，物之基元首先存在於真空，因此一切實粒子源於“真空基元”，也即
能量注入真空基元就激發成為實粒子——真空是實粒子之母，實質是真空基元是實粒子之母。真空基元是卵子，能量是精子。
2,4 以上“能量注入真空基元就成為實粒子”這句話只是一種基本原理，實施這一基本原理的技術問題不容易解決，理論自身也不容易解決。比如“弦理論”就是探索“真空基元”的理論，弦論的一個基本觀點是，自然界的基本單元不是電子、光子、中微子和夸克之類的點狀粒子，而是很小很小的線狀的"弦"，弦才是真空基元。弦理論是最前沿的理論，可惜非常複雜，其複雜的程度幾乎與人們的“常理認知”距離無限遠，也因此人們對其前景是有所懷疑的。也正是這個原因，本文試圖以貼近常理認知的方式在理論上探索“真空基元”。
2,5 按量子場論，能量子即電磁場量子。我們不能把電磁場量子抽象理解為瀰漫空間的電磁場的一份份電磁能量，這樣的理解太模糊了。根據本文第1節，電磁場量子所對應的微觀粒子就是“光子”。光電效應證明了光是由一顆顆光粒子組成，明確地說，電磁場量子不是一團團的、瀰漫空間的電磁場，電磁場量子所對應的微觀粒子就是光子。光電效應證明了光粒子完整地，而不是部分地被具有微觀體積的微觀粒子電子吸收，因此，光子具有與微觀粒子可比喻的微觀體積，不是一種無形跡的概念，光子的完整能量轉化為電子的溢位能量。儘管人們說不出光子的微觀尺寸，但光電效應已經可以肯定：
1）光子存在一個微觀體積，振動著的電磁場包裹在光子的體積裡。
2）光子的能量是光子內部振動著的電磁場能量。
根據愛恩斯坦提出的光電效應理論，光子的能量ε就是普朗克提出的能量子的能量
ε=hv (2)
其中h是普朗克常數，v是光子內部的電磁場振動頻率。
2,6 但是，當我們思考光子的內部結構時，就會懷疑這種形象的光子是否真實存在。這就是下一節提出的對光子的疑惑。
3，光子的疑惑。
誰也觀察不到光子的內部結構，所有對光子內部結構的想象都是假設。
3,1 假設1 ：光子是粒子，光子裡沒有更基本的實粒子，也沒有能控制電場的元電荷，光子裡存在的是純粹的電磁場，並且是不斷振動著的電磁場，其振動頻率v決定著這個光子的由(1)表示的能量。這假設1正是人們目前設想的光子內部結構。
3,1,1光子是中性粒子，這一觀測結果是對這假設1的強力支援。但存在太多的疑惑了。
3,1,2 疑惑1。根據麥克斯韋電磁場理論，一個元點電荷的擾動就會激發電磁場的振動，電磁場的振動不依靠任何媒質傳播，而是依靠自身的電場和磁場的相互轉換，以電磁波的形式脫離場源、自行地、向四面八方傳播，脫離場源的振動著的電磁場內可以是沒有電荷的，可以是純電磁場物質。疑惑的關鍵點是，按麥克斯韋電磁場理論，在真空中，一個點或一個微觀體積所激起的電磁振動是向四面八方傳播的，為什麼經過量子化的數學處理後純電磁場在沒有內控因素的情況下就可以侷限在一個光子的體積內振動而不分散？這是經典認知所無法接受的。其實，經典力學和量子力學不是互相絕緣的理論，量子力學是在經典力學的基礎上發展起來的，量子力學到處都存在經典認知的烙印，薛定格波動力學方程完整地保留庫侖力場，機率解析，分立的概念都是經典認知可以接受的，即是說，量子力學的表現和結果，最後都應該能夠被常理認知理解，能夠由常理認知的詞語表述的。如果硬說，“電磁場經量子化數學處理後，純電磁場就可以成為穩定而不分散的粒子，”這就是量子場論的認知，無需顧及陳舊的常理認知能否接受，這就很令人遺憾！但下面的假設2，卻很能貼近常理認知解釋純電磁場成為粒子的疑惑。
3,1,3 疑惑2。按量子場論，光子的出現表示電磁場激發態的出現，它具有可觀測的由(2)式表示的能量。量子場論又說，電磁場激發態的消失相當於光子的消失，此時電磁場處於能量最低的基態，光子成為最低能量狀態的基態粒子。按式(2)，由於頻率沒有負值，最低能態就是v=0，ε=0。基態光子的頻率v=0，也即電磁場不變化。根據麥克斯韋電磁場理論，變化的電場產生變化的磁場，變化的磁場產生變化的電場，在真空中電磁場能自行存在的必要條件是電磁場不斷地振動。那麼，光子從激發態躍遷到基態，v=0，電磁場不振動了，原來存在的振動的電磁場消失了，如果因此而原來的光子變得什麼也沒有，所謂的基態光子就沒有實際存在的意義，就算有能量注入真空，也沒有基態的承接物，就不可能出現激發態光子。
3,1,3,1光子從激發態躍遷到基態，雖然原來存在的振動的電磁場消失了，可否殘存有靜電場？如果有，能量的注入還可以令靜電場產生變化，重新激發起變化的電磁場而成為激發態光子。但假設1說，光子不存在電荷，也就是說，能起到重新啟用作用的殘存的靜電場也沒有。什麼也沒有！“基態光子”實際上是不存在的。這就很嚴重：假設1和量子場論不相容！有幸，下面的假設2可以同時解決這一疑惑1和疑惑2。
3,2假設2。在提出假設2之前，引用《淺析量子排斥力》一文[2]最後第8節（振動是最基本的運動形式）的一段話作說明：
“任何粒子只要有內部結構，至少由兩部分物質組成，這部分物質直稱為“結構物質”，既然在理論研究時，把粒子作點模型質點處理，那麼，“結構物質”也只能作“結構質點”處理，也就是說一個粒子（至少）由兩個結構質點組成。如果這兩個結構質點之間沒有某種吸引力維繫，不可能構成一個粒子，但如果除了吸引力之外沒有其他因素干擾或說制約，這兩個結構質點又成為一個點。點模型只能是一種數學模型，不可能是真實的物理存在。正好本文引入的萬有的量子排斥力成為一種干擾制約的因素，兩結構質點在吸引力和量子排斥力的共同作用下組成量子諧振子，而不是在吸引力作用下結合成一個點。因此，各種各樣的粒子其實是各種各樣的量子諧振子。”由此提出假設2。
假設2:
1）光子是由一個正元點電荷和一個負元點電荷組成的電偶極子。
2）庫侖力和量子排斥力的平衡位置數量級10-14米≈10-16米（參考[2]文第(13)式和(18)式）是電偶極子的微觀尺寸，也是光子的微觀尺寸。
3）振動著的電偶極子就是量子場論中的電磁場的激發態，也就是光子，這個激發態的能量ε由本文式(2)表示。
4）量子場論中電磁場基態量子就是不振動（處於平衡位置）的電偶極子，又稱為靜止的電偶極子，也即基態光子。能量注入基態光子令靜止的電偶極子成為振動的電偶極子，也就是激發態光子。
3,2,1 解疑惑1和疑惑2.
1）振動著的電偶極子內控著光子內的振動著的電磁場不分散，成粒子狀，這就解決了疑惑1。
2）電磁場基態粒子就是處於靜止狀態的電偶極子，疑惑2中3,1,3,1小節提到的能使電磁場基態粒子復活的殘存的靜電場就相當於靜止電偶極子的靜電場，當有能量注入，又可以激發出振動的電磁場。這就解決了疑惑2.
3,2,2 光子是電偶極子，為什麼是中性粒子？
當我們能夠在微觀空間（比如10-8米）觀察原子時，原子充滿電荷。實際上觀察儀器是在宏觀空間觀察這一原子的，由於原子內正電荷和負電荷數目相等，也即電中性，宏觀觀察的結果，原子是中性粒子。當原子內正電荷和負電荷數目不相等時，宏觀觀察的結果，原子是帶電的離子。
因此對電中性（正和負的電荷相等）的微觀粒子的宏觀觀察的結果是中性的。
光子的電偶極子是電中性的，並且其尺寸是深度微觀的尺寸(10-16米)，因此對光子的宏觀觀察結果是中性的粒子。這也是對假設2的有力支援。
3,2,3 參考本文第2,3小節提出的“真空基元”概念，那麼靜止狀態下的電偶極子就是真空基元。真空充滿真空基元，因此真空充滿電荷，但每一個真空基元都是電中性的，因此，宏觀觀察的效果，真空空間是中性的。深度微觀空間的電偶極子實質是弦理論中的其中一種弦，並且是貼近常理認知的一種弦。
4，由假設2提出的真空基元不但解決假設1的兩個疑惑並且還能解釋不少現象，舉例如下。
4,1 原子內的空間充滿真空基元，原子從高能級向低能級躍遷放出的那一份能量注入其中一個真空基元，，使之成為激發態，相當於發射出一個光子。
4,2 一對正電子和負電子湮滅，“電子對”原有的能量受動量守恆定律的制約，同時注入兩個真空基元，“電子對”湮滅的結果放射出兩個光子。
4,3 一個能量極高的光子（比如X射線）擊中一個真空基元，令真空基元裂解成為一個正電子和一個負電子，這就是一個高能光子轉化為“電子對”的現象。
4,4對於上面（4,1）的例子，為什麼我們不說，能級躍遷釋放的電磁能量直接就生成一個光子，而要兜個彎說“能量注入真空基元激發成為一個光子”？ 是因為，
4,4,1我們堅持量子場論的激發態和基態的概念，
4,4,2 我們堅持量子場論中的“量子場激發態的出現代表實粒子的產生，激發態的消失代表實粒子的消失”[1]的觀點。
4,4,3 對以上例子的表述符合量子場論中場的相互作用，粒子的產生轉化都是在真空裡進行的觀點。
真空是現實世界之母！
文獻：
[1]姚麗萍，黃金書。從量子場論看真空的物質形態問題[J]。南陽師範學院學報（社會科學版）2005(12):28-30.
[2] 袁賀滔.淺析量子排斥力[J].科學技術創新,2020(36):63-65.
