光子是物質的基本粒子嗎?


我們先討論光是不是物質。

我們知道,自然界的物質形態有很多種。實物、場、暗物質、暗能量等都是自然界中普遍的物質存在形式。其中,暗物質、暗能量佔據了整個宇宙的約 96%。我們日常所提到的物質,嚴格地講應該叫實物――即由原子、分子構成的物質。場是傳遞相互作用的物質,譬如引力場、電場、磁場等。

之所以將光歸為物質,是因為光與原子一樣,能夠與其他物質傳遞能量和動量。這是判斷一個物理實體能否歸為物質的主要依據。

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下面討論光子是不是構成物質的基本粒子。

經典物理中,麥克斯韋把光看成是一種電磁波,沒有任何粒子的特性;對於實物粒子(如電子、中子、質子等)則被純粹地認為是一種粒子,用於構成更複雜的物質結構,進而構成宏觀實體,沒有任何波的特性。

後來,人們發現黑體輻射、光電效應等,無法完全利用光的波動性加以解釋,於是物理學家開始把光看成是一些光子的集合,同時具有波動性,量子力學由此誕生。之後,那些實物粒子也被雙峰干涉實驗發現具有波動性,具有同光量子相同的性質。於是,物理學把這個光與實物的都具有普適特性稱為「波粒二象性」,光與實物由此統一起來。

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在現有物理學理論中,光的本質究竟是什麼?

光的本質就是可見光頻率的光子流,在真空中以光速c傳播,與其他微觀粒子一樣具有波粒二象性。從這個意義上講,光是一種概率波。當光的粒子數密度極高,且探測儀器分辨本領遠低於一個光子的能量時,則可以看做是經典電磁波,其傳播遵循 Maxwell 方程組。

光子是一種基本粒子,是傳遞電磁相互作用的玻色子。(如圖)

發光的種類有很多。比如說:原子、分子由高能級躍遷至低能級往往會向外發射光子;熱輻射本質也是電磁輻射,一切不是絕對零度的物質都會向外熱輻射;螢火蟲通過化學反應發射光子。

根據量子場論,光子是電磁場量子化之後的直接結果。光的粒子性揭示了電磁場作為一種物質,是與分子、原子一樣,是由更基本的結構組成的。而在經典的電動力學理論中,是沒有「光子」的概念的。

關於 Maxwell 經典電磁場理論如何與光子學說統一起來,這裡有一個知乎問題可供參考:如何從量子光學出發,給出波動光學中經典電磁波的電、磁場分量,以及光強等概念的量子對應? - 知乎


如果從基本粒子理論來看的話,光子屬於基本粒子中的傳播子,用於傳播電磁相互作用。

其實一般不提基本粒子這個概念,因為並不存在固定體積的所謂最小粒子,而作為「不改變物質基本性質的最小粒子」這個概念也十分牽強,所以「基本粒子」基本上已經是一個過去式的名詞了。


放棄基本粒子名詞這個我覺得是對的,的確現在已經不再說誰是基本粒子了;不過,說光子是最小的粒子,體積為零,這也不合適,因為量子物理里物質都具有波粒二象性,粒子不具有確定體積,只是有時候根據它相互作用的影響範圍會說說有效體積,但並不是指本身的體積。

趙先生可能想把所有物質歸結到同一個本原,認為由一個最基本的東西構成,這一點在目前物理學看來是不可能的。

舉個例子,電荷有正有負,如果都是同一個東西,那它帶電是正是負?

這麼認真的跨學科思考很值得欽佩,就是最好避免誤解基礎知識,不然花的心血就很可惜了……


不是,光子是玻色子,費米子才能組成實物。


基本粒子,按照目前的水平,只能是這樣一個概念,介於有與無之間屬於有。


顯然不是 光子是傳遞電磁力力的基本粒子


呵呵,不就是周光召么,怎麼換個小號又來了。


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