光子质量说的问题。。。。。

戴榕菁

1. 关于光子质量说

前文《差点看走眼。。。。》和《宇宙微波背景的一个牛公式。。。》指出academia.com的Henri的杂乱无章的文章多次在错误的前提下得出正确的公式，并进而以非常简单的形式得到与官方的宇宙微波频率出奇地接近的数值。另外，在那两篇文章以及更早的《光子的质量》一文中也从Henri的文章提出的光子有质量的角度讨论了光子有质量的条件为光子需要有势能。

在《差点看走眼。。。。》中还提到根据Henri的文章的计算结果推测，如果光子有势能的话，其势能应该与其动能相匹配。但事后发现那个估算有问题，因为如果光子有质量，那么光子的动能必须为mc²/2（不是他声称的mc²），而根据我之前有关E=mc²的讨论知道势能与质量之间的关系为mc²。也就是说势能是动能的2倍。这让我开始对光的质量说产生怀疑，因为在绝大多数情况下光对物体的作用似乎都可用动能进行解释，并没有表现出明显的势能特性。

于是我又做了一些调研，发现光的质量说的另一大问题可能在于如果光子具有质量，那么如Henri声称的，光子好像就变成了德布罗意波而不是单纯的电磁波。

光是电磁波的结论不是由相对论而来，恰恰相反，相对论是建立在光是电磁波的基础之上的。早在麦克斯韦方程被建立之前，法拉第等人就已经相信光是与电磁有关的波，麦克斯韦方程让人们更加坚信了这一点，然后在麦克斯韦方程的基础之上才引出了相对论的议题。更重要的是，具有质量的德布罗意波与光的区别是明显的：德布罗意波不具有包括可分性在内的各种所谓的光学特性。

狭义相对论要求光的质量为零，这使得光与具有内部势能的其它粒子之间有多了一个本质性的区别。今天的物理学主流把光能列为纯动能主要应该就是这个原因。

但另一方面，关于光波的麦克斯韦方程却是建立在电磁场的势能的梯度的基础之上的，而且不论是量子论还是经典理论都并没有给出为什么光能一定是纯动能的根本原因。这也许就是为什么今天的物理学界也有认为光波具有势能的声音的原因。

不过从逻辑上说，虽然狭义相对论要求光子的质量为零，推翻了狭义相对论只是除去了要求光子质量为零的一个限制而已，并不等于说推翻了狭义相对论就要求光子的质量不为零，这两者之间并没有必然的逻辑关系。

从实验的角度来说，对于光具有势能的最有力的证据就是在光对电磁场会做出反应，这在一些所谓的非线性介质中表现得比较突出。但另一方面，光经过静电场时不会发生任何反应，这又是光不具有势能的一个依据。

1. 结论

我在《光子的质量》一文中将光子具有势能作为光子具有质量的前提条件。但现在看来，光子具有质量的最大的问题就是前面提到的，一旦光子具有质量，它的动能就应该是mc²/2而它的势能为mc²，这种可能性似乎不大毕竟在绝大多数情况下光并没有表现出具有势能的特性。

根据以上的讨论，在光是否具有势能和质量的问题上，我认为还需要采取审慎的态度，不宜下过于简单的结论，毕竟光在自然界中具有极为特殊的位置。也就是说，我个人将如在《光子的质量》一文中表示的，把光子质量说继续存疑，直到有足够的证据再下确定的结论。

2. 关于Henri的理论【[1]】

在将光子质量说存疑之后，再回到引起我对光子质量说的注意的Henri的那篇文章。不论光子是否具有质量，Henri他可以用看似杂乱无章的逻辑推出可以得出很好的数据却又极为简单的公式这一点值得引起注意。

除了之前提到的宇宙微波背景的频率之外，他的文章中对于宇宙微波背景辐射压力也有惊人之作。

根据宇宙学的经典理论，宇宙微波背景辐射呈现出黑体辐射的特性。所以，根据Stefan-Boltzmann定律，我们可得出辐射压力P与能量密度U之间的关系以及U与背景温度T之间的关系为【[2]】：

P=U/3                                                  （1）

U=4σT⁴/c                                            （2）

其中σ = 5.670374 x 10-8 W/m² K⁴   （3）

如文献【2】所示，所有这些都是已知的主流物理学理论。将宇宙背景温度T=2.72548K，光速c=299797000m/s代入后，Henri得到：

P= 1.39156 x 10^-14 Pa                         （4）

然后，Henri按理想气体模型得出

P=ρc²/3                                                （5）

其中单位体积的光子质量

ρ=n m                                                          （6）

n为单位体积的光子数目，m为所谓的光子质量。

Henri用E=3kT作为光子的总能量计算n和m。这里出现了问题，因为如我之前在《差点看走眼。。。。》一文中提到的，当光子具有质量之后，他没有理由再认为光子的动能是mc²，而必须将光子的动能设为mc²/2，因此他只有将光子按照3自由度而不是他所声称的6自由度才能得出mc²=3kT。

同时，当他把微波背景作为理想气体时，就意味着没有考虑势能，这时为了用E=3kT这个关系，他又不得不如他在文中声称的假设光子是6自由度-----这里我们又看到他的逻辑混乱的一个地方。

且不管他的逻辑混乱，反正他的整篇文章就是在混乱中得出漂亮的结果。我们接下去看他的推导。

根据E=3kT和（2）式，我们可以用能量密度除以单个光子总能量得到单位体积中的光子数

n=U/E=3.69807 x 10⁸ m^-3       （7）

另外由mc²=3kT （这可以由3自由度的模型而不是他所声称的6自由度模型得到）可算出所谓的光子质量

m=3kT/c²=1.25605x10^-39        （8）

把（7）和（8）代入（6）得到

ρ = 4.64495 x 10^-31 kg. m^-3      （9）

再把（9）和已知的c代入（5）Henri可以得出

P= 1.39156 x 10^-14 Pa             （10）

我把所有的数据都验算了一遍，与他的数据稍有出入，但出入不大。比如，我两次算出的P分别为P= 1.39154 x 10^-14 Pa和P= 1.3926 x 10^-14 Pa，而Henri两次都得到正好P= 1.39156 x 10^-14 Pa。估计可能是我所取的精度与他的计算稍有不同造成的。

1.      讨论

这里我们再一次看到Henri他乱枪打鸟的本领。他用他的那个一会儿声称6自由度但实际应该是3自由度一会儿实际就是6自由度的所谓理想气体模型算出的结果居然和著名的Stefan-Boltzmann模型算出的结果完全一样（我验算时是基本一样）！而这又与宇宙学的官方的所谓黑体模型完全一致！要知道黑体模型与理想气体完全是两个不同极端的模型！

总之，Henri的乱枪打鸟的杂乱无章的逻辑可以不但一再以错误的前提得出正确的关系式，而且居然可以在宇宙微波背景辐射频率和辐射压力这两个项目上推出可以计算出与官方数据或是完全一样或是出奇地接近的公式，这不得不令人啧啧称奇。难道世界上真有这种胡乱来能有好收获的好事？

这令人不得不思考其背后的原因。。。。。。

 

文献