3330.光子的种类和频率变化

王东镇

3330.光子的种类和频率变化

2014.4.6

网上搜索，维基百科关于光子的解释如下：
“光子（Photon）原称光量子（light quantum），是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范玻色子。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[4]。与大多数基本粒子（如电子和夸克）相比，光子的静止质量为零[5]，这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样，光子具有波粒二象性：光子能够表现出经典波的折射、干涉、衍射等性质[6]（关于光子的波动性是经典电磁理论描述的电磁波的波动还是量子力学描述的几率波的波动这一问题请参考下文波粒二象性和不确定性原理）；而光子的粒子性则表现为和物质相互作用时不像经典的波那样可以传递任意值的能量，光子只能传递量子化的能量，即：


这里
是普朗克常数，
是光波的频率。对可见光而言，单个光子携带的能量约为4×10-19焦耳，这样大小的能量足以激发起眼睛上感光细胞的一个分子，从而引起视觉[7]。除能量以外，光子还具有动量和偏振态，不过由于有量子力学定律的制约，单个光子没有确定的动量或偏振态，而只存在测量其位置、动量或偏振时得到对应本征值的几率。

光子的概念是爱因斯坦在1905年至1917年间提出的[8][9][10][11]，当时被普遍接受的关于光是电磁波的经典电磁理论无法解释光电效应等实验现象。相对于当时的其他半经典理论在麦克斯韦方程的框架下将物质吸收和发射光的能量量子化，爱因斯坦首先提出光本身就是量子化的，这种光量子（英语：light quantum，德语：das Lichtquant）被称作光子。这一概念的形成带动了实验和理论物理学在多个领域的巨大进展，例如激光、玻色-爱因斯坦凝聚、量子场论、量子力学的统计诠释、量子光学和量子计算等。根据粒子物理的标准模型，光子是所有电场和磁场的产生原因，而它们本身的存在，则是满足物理定律在时空内每一点具有特定对称性要求的结果。光子的内秉属性，例如质量、电荷、自旋等，则是由规范对称性所决定的。

光子的概念也应用到物理学外的其他领域当中，如光化学、双光子激发显微技术，以及分子间距的测量等。在当代相关研究中，光子是研究量子计算机的基本元素，也在复杂的光通信技术，例如量子密码学等领域有重要的研究价值。”

以上解释比较全面的概括了现代物理关于光子的认识，但是存在不足：认识到了光子的粒子性，没有认识到光子可能是正负电荷的对偶统一体，存在不同的类型；认识到光子与温度的关系，没有认识到光子密度决定环境温度；认识到光子与电场、磁场存在关系，没有认识到光子未必是电场、磁场的决定性因素；认识到光子存在频率和波长，没有认识到光子的频率和波长形成以后也可能会发生改变。
以上不足不能怪词条的编纂者，因为我认为的不足还不是现代物理的权威认识，可能存在偏差。
现代物理认为光子是电中性物质，不带电荷。我认为光子是正负电荷的对偶统一体，所以光电之间可以转化。现代物理认为光子具有统一性，差别仅仅在于频率的不同。我认为除了电中性光子之外，可能存在偏电荷光子，偏电荷光子只有实现正负电荷的相对均衡以后才能转化为电流和视觉。正反物质和中子向质子转化的存在决定于偏电荷光子的存在，“暗物质”和“黑洞”现象的存在可能决定于正反物质辐射偏电荷光子的不同。光子不仅携带能量，其密度和频率还决定环境温度。有网友以夏季的夜晚与冬季的白昼对比反驳我的观点，其实是没有搞清楚可见光仅仅是光子的部分表现形式。并且，光子的频率未必是一成不变的，折射光的频率可能会伴随折射物质的频率改变，所以客观世界才不会由于光线反复折射而模糊不清，涂料频率的不同可能起到隐身效果。至于光子与电场、磁场的关系，可能是后者决定前者，而不是前者决定后者，因为两极总是相对寒冷的，存在极昼、极夜现象，星际磁场可能是单电荷循环，而不是光子循环。