1、電磁質量量子化認識過程簡要回顧物理學的發展與人類社會的發展背景密切相關，也同樣充滿著新與舊，正確與錯誤甚至是水火不容的斗爭. 物理理論的逐步完善符合個別到一般，一般到個別，實驗認識再實驗再認識的規律.1、電荷的量子化關于電荷不是無限可分的，而是以離散的單位存在的第一個實驗證據是法拉第得到的. 法拉第于1833 年發現電解定律， 即當電流通過導電的化合物溶液時，在一定時間內電極上釋放出來的物質質量，與電量成正比、與物質的化學價成反比. 對此法拉第認為，在電解過程中導電溶液的原子或原子團都攜帶一定的電荷，帶電的原子或原子團稱為離子；電解時，正離子朝陰極運動，負離子朝陽極運動；在電極上，正負離子轉變

2、成中性原子（或根）被釋放出來，或參與第二次反應 .電解定律暗示存在電荷的基本單位，正如亥姆霍茲所指出的那樣：“如果我們假說化學元素原子是存在的， 就不得不得出這樣的一個推理， 電荷無論正負都是由基本電荷組成的，基本電荷的行為類似于電的原子” . 然而，在法拉第試驗的年代，電荷以離散的單元而存在的概念，似乎與來自其他的電學現象（如金屬導電實驗中顯示出電流的連續性）不完全符合 .因此，法拉第等都只是勉強地接受這個概念 . 事實上，電荷的“自然單位”存在的假設，只是到 1874 年才由斯托里提出 .對電荷本質具有決定意義的是關于氣體導電的研究. 隨著“蓋斯勒真空管”的發明，于 1859 年開始真空放

3、電研究，對于陰極管壁上產生的輝光，認為是陰極上所產生的某種射線射到玻璃上引起的，稱之為“陰極射線” . 對于“陰極射線”的本質，存在“帶負電的粒子流”和“電磁波”兩種觀點， 后來的實驗不斷否定“電磁波”的看法，特別是倫琴于 1895年發現了X 射線，為揭示陰極射線的粒子性提供了一定的證據.對電子發現作出重大貢獻的是英國物理學家JJ湯姆孫 . 他首先通過實驗發現了陰極射線不僅可被磁場偏轉，也能被電場偏轉，從而斷定這是一種帶負電的粒子；其次，他測定了這種荷電粒子的荷質比，其值比氫離子荷質比大1000 多倍；他還發現，陰極射線的荷質比與放電管中的氣體和電極材料均無關. 由此，湯姆孫于 1897 年

4、4 月在英國皇家學院的一次討論會上宣布：陰極射線是一種帶負電的粒子. 后來，人們普遍采用斯托里對陰極射線的稱呼“電子”.在確定電子的荷質比之后，湯姆孫和他的學生試圖直接精確測量電子的電荷，結果卻失敗了.1909 年，美國物理學家密立根通過油滴實驗，精確測定了電子的電荷.11913年R.A. 密立根從實驗中測定帶電體的電荷是電子電荷的整數倍，即q=ne ,n=1,2,3,. 電荷的這種只能取離散的、不連續的量值的性質叫做電荷的量子化. 電子的電荷絕對值 e 為元電荷，或稱電荷的量子 .e 1.602 10-19 C.2、電磁輻射的量子化引力質量在實數集上連續分布造成space-time彎曲，電磁

5、質量在實數集上量子分布使空間結構表現為不同的能級. 電磁質量的速度只有 0與光速兩種狀態，帶電體在electricfield 中加速運動的本質是電磁質量的能級發生變化，這樣可以解釋原子核外的電子一般不輻射 electromagnetic field，只有能級降低時才輻射electromagneticfield，能級增加時吸收 electromagneticfield，例如光電效應 .電子從高能級躍遷至低能級，釋放電磁質量 （光子），從而保持電磁質量不變. 在同一能級內作加速運動的電子，很可能處在電磁“輻射”與“吸收”的動平衡之中. 雖然在總體上并沒有表現出電磁輻射的存在，但是并不表明根本沒有電

6、磁輻射與吸收的過程存在. 現代物理學認為經典電動力學中點電荷模型成立的條件是：考察電荷運動的尺度遠大于電荷本身的尺度. 而在原子尺度內，電子已不能看成點電荷了，所以不能用經典模型，而必須用場分布模型. 現在的量子理論主要處理場的本征態，所以是一個代數問題，因此流行的觀點認為微觀過程是離散化的（量子化）. 我的觀點是：物質是4 維存在，其性質只有用分布場量來描敘才是完整的. 只是因為本征態之間的躍遷過程很短，而本征態只涉及代數問題，比連續方程容易求解，所以關于微觀粒子主要發展了量子理論 .按照經典電磁輻射理論，如果粒子的加速度與運動速度平行，比如電子在電場中的運動，輻射功率為：dU12q2a 2

7、dt4 03c3 (1 V 2 / c2 ) 3, 如果加速度與速dU12q2a 2度垂直，比如電子在磁場中的運動，輻射功率為：dt40 3c3 (1 V2 / c2 )2是, 式中V推遲速度， a 是推遲加速度. 然而實驗上只發現帶電粒子做直線周期性振蕩運動時，以及在與介質碰撞的減速運動時會產生輻射， 并沒有發現帶電粒子在均勻電場中做勻加速運動時也會產生輻射 .Einstein認為：“憑這一小點既不保險而又互相矛盾的理論基礎，居然足以使玻爾這樣一位具有獨特直覺和洞察力的人發現了光譜線的主要規律，?，這對我來說真是一個奇跡. ”量子場論的發展是從電磁場的量子化開始的，它是由狄拉克在1927年首

8、先實現的. 他把電磁場分解成無窮多種振動方式的迭加. 然后把每一種振動方式仿照海森堡的做法進行量子化，使其能量取一系列分立的數值. 頻率為 的振動方式受到激發，跳到高一個能級，就相應于產生了一個頻率為 的光子 . 激發消失時，該振動方式跳回到原來的能級意味著一個光2子的湮滅 .1928年約當和維格納 (E.Wigner)引入了電子場的概念， 認為狄拉克提出的電子的相對論量子力學方程，實際上是電子場的運動方程. 他們仿照電磁場量子化的方式，建立起了電子場的量子化理論 . 電子場的激發相應于電子的產生、電子場激發的消失相應于電子的湮滅 . 電磁場是矢量場，由它經過量子化得到的光子是自旋為1 的粒子

9、 . 而電子場是旋量場，量子化后得到的電子是自旋為1 2 的粒子 . 這兩種粒子遵從很不相同的統計物理規律. 光子是玻色子，而電子是費米子. 此外，電子場的量子化還自然地導致兩種粒子出現，即除了電子之外， 還有它的反粒子 - 正電子 . 光子的反粒子就是它自己 .1929年，海森堡和泡利進一步研究了電子與電磁場之間相互作用的量子理論. 對應經典電動力學，通常人們把這種理論稱之為量子電動力學或 QED.在 QED 中，電子以電流的形式與電磁場相耦合. 電子之間的相互作用過程都可以看成電流之間通過電磁場為媒介發生耦合.量子力學 認為兩個電荷之間通過交換“虛光子”作用的，即加速運動的電荷向外輻射出“

10、虛光子”（能量為零的光子）其實根本不輻射任何粒子. 這也證明，加速運動的電荷不輻射能量 . 電動力學當然知道其中的困難，并把這稱為“自身的局限性”，但又無法拋棄這個觀點 （即加速運動的電荷向外發射能量），這是因為， 如果拋棄這個觀點的話，它將面臨一個更大的困難電磁波是如何產生的呢！在“量動”下，“地球觀察者認為電子相對于自己有加速運動”并不一定會得出電子一定就發射“光子” 的結論，他還要考察這個電子聯系的場函數的變化. 比喻在量動中， 用“虛光子”概念， 推導出兩個電子的散射公式 .其中雖有“電動“概念下的“加速運動”，但卻并沒有“實光子”的地位，但也和實驗符合的很好 .電子的動量僅指引力質量

11、的動量，此時電磁質量無動量，引力質量的速度為0；因為電磁質量在度量空間中運動，它的能級沒有變化， 所以一個系統的總電磁質量不因帶電體的運動狀態改變， 電磁質量不滿足Lorentztransformation，電磁質量的動量是數量，等于 QC；electric field的動量是向量，是電磁質量動量在引力場中觀察到的space-time 量子形式.理論物理發展到分析力學的階段，最小作用量原理和歐拉- 拉格朗日方程，哈密頓方程逐漸升起， 經過普朗克寫出狹義相對論力學的拉氏量，希爾伯特寫出廣義相對論的拉氏量后，漸漸占據了主要位置. 其中，在歐拉 - 拉格朗日方程中， 廣義坐標， 廣義速度是關鍵變量.

12、在哈密頓方程中， 廣義動量和廣義坐標是關鍵變量. 他們之間差別在一個拉朗德變換. 量子場3論的出發點，就是把波函數算符化，其中作為廣義坐標和作為廣義速度，構建拉氏密度. 這個是波恩，約當等為了量子化電磁場而開始的 . 因為電磁場是連續變量 . 后來對狄拉克方程的研究， 特別是蘭姆位移的出現， 導致了費米子場的量子化 . 總結發現， 拉氏密度主要有以下形式： 標量場拉氏密度， 旋律場拉氏密度，矢量場的拉氏密度 . 這些分別是從原有的克萊因 - 戈登方程， 狄拉克方程， 麥克斯韋方程反推而來的 . 最小作用量原理成為主流后，經過多年的發展，對如何構建拉氏密度，逐漸形成了一定的經驗 .因為根據未來的

13、統一場論，電力是引力的一個分量，那么電子就如普通質量一樣，不應該發射電磁波 . 但是，這是僅對低級近似而言的. 如在廣義相對論中，質量粒子的加速，沒有考慮它會發射引力波，但在高級效應中，加速的質量應該發射引力波. 所以，在高級效應中，電荷在引力場中也應該輻射電磁波（當然要扣除那種導致能量不守恒的自我加速效應）. 如果能量守恒把物體輻射的電磁波考慮在內，由于對于電磁力宇稱是守恒的，電磁波向空間各個方向輻射是等可能，因此電磁波的動量應當為0. 按照經典的電磁理論，帶電體每秒輻射的能量為E=2q2a2/ （ 3c） 10-1 J.s -1 ，根據狹義相對論經過時間t ，帶電體的質量為由質子組成的物體

14、速度應當大，能量仍然不守恒. 有人認為引力質量相等是有條件的，在某參照系中 A,B 兩質點的靜止質量相等， 那么要 A,B 運動起來質量仍然相等， 需要它們在該參照系中運動速率相等 . 如果由質子組成的物體 B 做加速運動，向空間輻射電磁波，那么它的運動能量將會減小， 即它的速率會減小， 向空間輻射的電磁波的能量來源于B的動能， 或者如果有某種驅動 B 運動的機制，那么能量將進而來源于該機制，但總的能量是守恒的. 那么這種機制又是什么呢？根據上面的理論，電磁質量在引力場中運動，它的能級沒有變化， 所以不輻射 electromagnetic field.在地球的表面磁場近似認為均勻，原子在地磁場

15、中運動但是并非連續輻射 electromagneticfield，這一現象證明了上面觀點的正確性. 由此可知，在自由落體的升降機內，測不到靜止electric charge的輻射，進一步驗證了廣義相對論的正確，因為這一問題是眾所周知的廣義相對論正確與否的一個懸案. 王仁川先生區分了space-time變量和 space-time參數，常規可測量和廣義量，在此基礎上圓滿地解決了這個4問題，電磁波的波印廷矢量為零，所以不輻射電磁波 . 【 2】，因此它實際上驗證了上面的理論的正確性 . 正如 Bohr 所講的：“一切矛盾的消除，是由表述形式的數學一致性來保證的，而這種描述在它自己的范圍內的詳盡無遺

16、性則由其對于任意可設的實驗裝置的適用性指示了出來 .”粉碎電磁波【3】是一種新的電磁波，是由無窮個源以無窮個相位在一個局部范圍有限空間內發射的波， 它與普通電磁波有完全不同的性質，波動性幾乎已消失， 而以粒子性為主.當粉碎電磁波諧振子能量小于導體內局部電子濃度起伏能量時，導體就不會接受粉碎電磁波諧振子能量，這樣它穿透導體的能力幾乎大了一百倍. 同時它的傳播是以粒子擴散方式進行的，因為粉碎電磁波是一團在空間自我碰撞的電磁波諧振子，使它具有一種保持在地球原來位置的特性，因此它具有與運動載體反方向運動的趨勢. 粉碎電磁波的存在進一步驗證了電磁質量的量子化分布的特性.以波爾為首的哥本哈根新量子論學派是

17、一群科學界最徹底的思想革命者，他們用科研實證否定了傳統的自然哲學思想. 實際上，量子力學規律的存在已經強烈暗示了存在一種與經典連續運動完全不同的新的運動形式，甚至是更基本的運動形式，它將為我們提供一幅單獨的實在圖景，并且它可以自然地表現出在經典框架內看來是互斥的性質 . 量子力學并沒有阻止我們去尋找這種運動形式，阻止我們的只有我們自己，我們的偏見，我們的自傲，還有我們的無知. 現在，量子運動及其規律的發現無疑用事實揭示了互補性思想的局限性，同時它讓人們不得不痛苦地放棄經典連續運動的唯一性偏見，但這種痛苦是短暫的，它所給我們帶來的對實在理解的快樂卻是永久的.參考文獻：【1】 Einstein傳 49 頁【美】 A?弗爾辛著薛春志遙遙 譯時代文藝