光速随频率的变化和光子的结构

2022-07-16 11:54朱临
科学与财富 2022年4期
关键词:光速

摘  要:介绍了普适速度的量值,阐述了光速—频率的关系式,探讨了光子的静止质量,引入了原初粒子—元子,分析了光子的结构,得出了引力波速度大于光速的结论。

关键词:普适速度;光速—频率关系式;光子静止质量;元子;光子结构;引力波速度

0  引言

光速问题在物理学中具有特殊的地位。光速不变是A·爱因斯坦狭义相对论的基本假设之一。根据爱因斯坦的狭义相对论,光速在真空中速度恒为 。 为宇宙中的极限速度,没有任何物体或信息运动的速度可以超过真空中的光速 。2003年年底,本人曾发表光速和频率关系的论文[1],提出光速是可变的,光子也是具有静止质量的。近段时间来,又对有关问题进行了研究,分析了光子的结构,并得出了引力波速度大于光速的结论。

1  关于普适速度。

实验指出,光速或广义意义上的电磁波速度,有随频率的增加而增大的趋势[2]。尽管这种变化是不大的。由此可以得出,光速并不是一个不变量。在理论上,罗马尼亚物理学家A·普洛卡于1930年提出了不同于光速的普适速度的概念,这个普适速度用常数C表示,并在麦克斯韦电磁场方程中,列入光子具有静止质量的数学项,得出了普洛卡电磁场方程组[3]。在这里,普洛卡得出的常数C是一个具有速度量纲的普适常数,这是一个理想化的极限速度。普洛卡认为,当光的频率不断增加、趋于无穷大时,其速度C也不断增大,最后即趋于普适常数C[4]。在这个理论中,光速不变原理已不再存在。因此,应用C代换A·爱因斯坦狭义相对论相关公式中的 。在此情况下,将得到新的运动物体长度收缩公式、时钟变慢公式、质量随速度增长公式和质能公式等。

4  关于光子的结构。

由于光子具有静止的质量,意味着光子具有一定的半径和体积。就是说,光子具有内部的结构。也就是说,光子是由亚夸克所构成的。按照元子理论,元子是构成物质世界的原初粒子 。元子是一种亚夸克。元子以 表示。可以假设,元子是费米子,其自旋量子数 ,电荷为 。元子具有阴子和阳子两个不同的荷电态。阳子以 表示,阴子以 表示。阳子有红、绿、蓝 种色荷,以 、 、 表示。阴子以 、 、 表示, 、 、 为 、 、 的反色。实验发现,顶夸克 的质量为  ,它由 个阴子和阳子所组合而成。组合中的每一个阴子或阳子称为其组分。据此可得,阴子和阳子的质量为 。阴子和阳子也是费米子,自旋角动量也为 。阳子的电荷为 ,阴子的电荷为 。传递相互作用力的媒介子为粘子,以 表示。粘子 也包括正反粘子 和 。它们也各有 种色荷。粘子传递的相互作用力称为粘力。电子等轻子的半径为 。粘子作为亚夸克之间相互作用的媒介子,其力程应当在这一范围之内,是极短的。粘子将阴子和阳子牢固地结合在一起,其作用力是一种极强力。由 可得,粘子的质量为 。此值和质量最大的顶夸克 的值相当,是极大的。粘子的自旋为 ,电荷为 。元子 数等于阴子 数与阳子 数之和, 。

元子的两个荷电态——阴子和阳子的 个、 个或超过 个,都可构成夸克等粒子。对于1个、2个或多个阴子和阳子组合在一起的情况,其组合数即粒子数为, 。其中 ; 。由此可见,阴子和阳子可以组成63种粒子。其中包括粒子物理标准模型的62种粒子和胶子的第9态。63种粒子可以组成介子和重子等强子。介子和重子可以构成原子核。电子等轻子和原子核可以构成原子。原子可以构成分子。而原子和分子则可以构成形形色色的各种物体。归根结底,元子是世界万物的源头,它构成了整个的物质世界。

按照元子理论,光子 的组分为  。可以看出,它由2个阳子 、 和2个阴子 、 所组成。阳子的 ,阴子的 ,阳子和阴子的电荷正好相反,相互抵消,故其总电荷为 。光子4个组分的的自旋量子数各为 ,可以设想,其中2个组分的自旋相反,其组合的效果为0,2个组分的自旋相同,其组合的效果为1,故其总的效果为1。如前所述,光子的静止质量则为 。可以看出,这些结果都和实验的结果相符合。

5  关于引力波速度。

现在来求普适速度的物质载体。任何速度都是物体的运动速度。同任何运动速度都有物質载体一样,普适速度也有其具体的物质载体。在狭义相对论中,光速是基本公设,是最快的运动速度,是不变的。光速不变,是由四维时空的结构决定的。至于近来认为引力波的速度也是光速,这不是偶然的巧合,实际上是由爱因斯坦自己所定的。在狭义相对论里,由于测量结果已认为光速不变,所以,爱因斯坦直接以此为基础,推导出统一的时空结构。而广义相对论完全沿用狭义相对论里统一的时空结构。既然狭义相对论已经定义了这个极限速度,那么作为时空自身几何变化的引力波速度,自然也是这个极限速度了。因此,爱因斯坦推导出引力波方程时,光速 实际上是作为一个参数,被添加进去的。其引力波方程为 。可以看出, 已经在方程里面了。所以,引力波确实是广义相对论的预言。引力波的速度就是引力速度。但是,对于引力波的速度是光速,其实并不是广义相对论的预言,因为它不是从方程直接导出的。

对于广义相对论,似乎只是爱因斯坦一个人的战斗。其实不然 。在广义相对论的诞生历史中,还是有过一段有趣的插曲,那就是广义相对论中的核心方程—广义相对论场方程的提出。这段插曲涉及两个人,一位当然是爱因斯坦,另一位则是当时世界数学中心、哥廷根学派的领袖、被誉为数学之王的德国数学家D·希尔伯特。希尔伯特虽然是一名数学家,但他对物理学却也涉猎颇深。

从1905年狭义相对论诞生之后,爱因斯坦就开始探寻广义相对论,但却遇到了困难,一直没有找到完美描述其物理过程的数学表达式。所以,爱因斯坦求助了希尔伯特。同样,在1912年的时候, 希尔伯特在研究线性积分方程时,也曾和爱因斯坦有过信件的往来。在信件往来中,爱因斯坦向希尔伯特展示了自己的研究成果,并透漏过自己所遇到的困难。1915年11月7日,爱因斯坦曾和希尔伯特进行过信件的交流,通过希尔伯特的反馈,爱因斯坦在11月11日提出了一个大致协变的等式。在此期间,他们两人的研究工作都取得了突破。于1915年11月20日,希尔伯特在哥廷根皇家科学院作了有关引力理论的报告,介绍了他的研究成果。一、引力理论的作用量为 。其中 为曲率标量,现代符号为 , 为物质场的作用量,对于希尔伯特来说,特指德国物理学家G·米理论中的电磁作用量。实际上,这里的作用量即为最小作用量原理。二、引力场方程为 。其中 为里奇张量,现代符号为 , 为度规张量, 为度规张量的行列式。这里,没有引入光速是极限速度的假设。

爱因斯坦传记作者—德国作家A·弗尔辛认为,在11月,当爱因斯坦专注于他的引力理论时,他基本上只和希尔伯特通信,向希尔伯特发送了他的出版物。希尔伯特也撰写了他的文章草稿。11月18日,爱因斯坦感谢希尔伯特撰写了他的文章草稿。爱因斯坦应该在写这封信之前,收到了那篇文章。虽然看似确信爱因斯坦和希尔伯特独立得出了正确的形式,但爱因斯坦也许借鉴了希尔伯特的论文,发现了他自己方程式中仍然缺乏的术语。在之后和希尔伯特的多次信件交流后,爱因斯坦则在11月25日,提出了最终的广义相对论场方程 。 是爱因斯坦张量, 是从黎曼张量缩并而成的里奇张量, 是从里奇张量缩并而成的曲率标量, 是度规张量, 是能量动量张量, 是万有引力常数, 是真空中的光速。其方程为二阶非线性方程。其意义为,空间的弯曲状况( ) 空间物质的能量动量分布( )。

可以看出,虽然希尔伯特方程和爱因斯坦方程的形式不一样,但都发现了正确的引力场方程。虽然后人经常争论爱因斯坦和希尔伯特究竟谁先抵达,但多人认为,希尔伯特的方程早于爱因斯坦的方程。美国加州理工学院的物理学家K·索恩在他的著作《黑洞与时间扭曲:爱因斯坦的离谱遗产》中明确指出:“值得注意的是,爱因斯坦并不是第一个发现翘曲定律的正确形式的人。对第一次发现的认可必须归功于希尔伯特。”荷兰裔美国物理学家A·派斯在他的爱因斯坦传记《上帝是微妙的》里也表示:基本方程式的发现应同时归功于希尔伯特和爱因斯坦。这两段话可以说为希尔伯特和爱因斯坦在引力场方程的发现中所作出的成就,作了公正的评价。因此,引力场方程可以称之为希尔伯特一爱因斯坦方程。希尔伯特的可称为希尔伯特引力场方程,或引力场方程的希尔伯特表述,爱因斯坦的可称为爱因斯坦引力场方程,或引力场方程的爱因斯坦表述。

那么,引力波的速度是不是就是光速呢?那可不一定。根据广义相对论,研究表明,对于双星系统中的某一星体,其引力四极辐射所造成的轨道能量损失率为 , 。其中符号 表示对轨道周期求平均。 ,为折合质量,  , 为总质量, 为双星系统中某一星体的速度, 为该星体轨道到质心的距离,符号   表示求导。对于某星体,可以求得其轨道周期的变化率。对于脉冲星PSR1913+16,其轨道周期变化率为:

由此可见,引力波速度 大于光速 ,光速并不是极限速度,引力波速度才是极限速度。也就是说,引力波速度应当就是普适速度具体的物质载体。

6  结论

自然界存在一种普适速度。这种普适速度并不是光速。它大于光速 。由此,可以得出光速随频率的变化,进而求得光子的静止质量。由于光子具有静止质量,故其应有内部的结构。由于普适速度应有物质的载体,这种载体就是引力。普适速度就是引力波的速度。

参考文献:

[1]朱临.光速与频率的关系和光子静止质量的下限[C].牛子娟、郝亚平.自然科学专辑.兰州:兰州交通大学学报编辑部,2003. 93-96。

[2]A·P·弗里奇著,張大卫译.狭义相对论[M].北京:人民教育出版社,1979,11。

[3]A·Proca.Sur l'equation de Dirac[J].l'Académie parisienne:Comptes rendus: 1930,190:1377-1379.

[4]张元仲.狭义相对论的实验基础[M].北京:科学出版社,1979,152。

[5]倪光炯、李洪芳.近代物理[M].上海:上海科学技术出版社,1979,54—55。

[6]复旦大学《物理学》编写组.物理学(下册)[M].北京:高等教育出版社第二版,1987,113—136。

[7]赵凯华、陈熙谋.电磁学[M].北京:高等教育出版社第二版,1985,805。

[8]朱临.元子和物质世界的统一性[J]. 天津:科学与信息化:2017,2(9中):196。

[9]维基百科,顶夸克,[EB/OL].zh.wikipedia.org/wiki,2014-09-10。

[10]朱临.哲学的阴阳理论和粒子的亚夸克模型[J]. 河北:科技风:2015,28(6下):258—259。

[11]百度,数学与物理天才之争—爱因斯坦与希尔伯特的广义相对论竞赛,[EB/OL].baijiahao.baidu.com,2020-01-28。

[12]秦荣光、阎永康.广义相对论与引力理论的实验检验[M].上海:上海科学技术文献出版社,1987,210,236-237。

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