光子学报2020第4期封面

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高博文，男，副教授，现任泰山学院光伏材料与建筑一体化研究所所长。2014年博士毕业于西安交通大学（中国科学院大学联合培养）。专业是电子科学与技术，主要研究方向是有机聚合物富勒烯太阳能电池材料与器件物理机制和有机-无机杂化钙钛矿太阳能电池器件的优化与应用。本人2016年主持山东省教育厅高校科技计划项目1项（项目名称：基于全光波段吸收的有机太阳能电池结构设计与光伏性能研究，项目编号：J16LA02），另外主持山东省本科高校教学改革研究项目1项（项目名称：“以赛促教”培育大学生科技创新核心素养的实践探索—以山东省大学生机电产品设计竞赛为例, 项目编号：Z2016M058）。本人2017年主持山东省自然科学基金面上项目1项(项目名称：基于新型Ag/Au matrix微纳结构的有机三元体系太阳能电池物理机制与光伏性能研究，项目编号： ZR2017MF007)。2018年主持西安交通大学电子陶瓷与器件教育部重点实验室开放基金（项目名称：喷墨打印制备大面积钙矿太阳能电池器件关键技术工艺研究，项目编号：KF20180630）和泰安市科技发展计划项目（项目名称：大面积高效率钙钛矿太阳能电池制备工艺技术研发，项目编号：2018GX0057）。2019年本人主持山东省重点研发计划项目(公益类科技攻关) ，项目名称:大面积高效率钙钛矿太阳能电池关键工艺技术实现与产品研发，项目编号:2019GGX103005。2020年主持山东省自然科学基金重点项目，项目名称:高效率、高稳定性钙钛矿/有机集成太阳能电池关键技术研发与产业化应用，项目编号:ZR2020KF001。2021年主持泰山学院教育教学研究专项重点课题，项目名称：“两纵一横”科技创新模式助力应用型大学建设的实践探索---以泰山学院为例，编号：JY-01-202101。除此以外，本人于2016年以来以第一作者身份在ACS Applied Energy Materials ，Applied Surface Science，Solar Energy, Materials Letters等国际著名刊物发表三十多篇SCI学术论文，其中SCI一区（IF>=5）的论文占比30%，他引500余次， H-index为8。并且长期担任国际期刊Journal of Materials Chemistry A，Organic Electronics, Materials Letters, Journal of Polymer Research, Journal of Electronic Materials特约审稿人,受到本领域国内外专家以及同行的关注和肯定。本人自2016--2018年连续三年获得泰山学院优秀科研成果奖，2018年获得泰安市第十三届自然科学论文二等奖，2019年获得“泰山学院重大科研项目培育对象”称号。2020年获得山东省高等学校优秀科研成果奖三等奖，2021年获得“泰山学院标志性教学成果培育对象”称号，2021年论文“RbCs(MAFA)PbI3 perovskite solar cell with 22.81% effiffifficiency using the precise ions cascade regulation”被全球工程领域著名科研评价机构Advances in Engineering（AIE）遴选为关键科学文章。2021年获得泰安市第十四届自然科学论文一等奖。

光子的疑惑

摘 要： 光子是什么样子的？人们充满了想象。当前最流行的形象是，光子是粒子，里面没有更基本的实粒子，没有电荷，只有纯粹的不断振动着的电磁场。这种形象真实吗？本文对此提出两大质疑。为解决这两大疑惑，本文提出光子是深度微观尺寸的电偶极子之说，并进而提出“真空基元”的概念。除了能很好解释那两大疑惑外，还能解释系列问题。

关键词： 量子力学；量子场论；麦克斯韦电磁场理论；光电效应；电偶极子。

1，量子和微观粒子。

量子不是物质，是物理量。当物体的物理量具有不连续的分立的量子化特征时，其不可再分的最小单位的物理量称为量子。宏观物体的物理量是连续的，只有微观粒子的物理量才具有这种分立的量子性质。由于物理量要有物质作承载才有实在的意义，因此量子概念与微观粒子不可分割。在行文时，把量子和微观粒子两个名词混在一起是常见的事，用量子名词是强调概念性质，用微观粒子名词是强调实体性质。如果 约定：

“量子”已包括承载量子性质的实体“微观粒子”；“微观粒子”已包括它必然具有的量子特性。

那么，在这种约定下两个名词是可以互通的。比如一个电磁场量子占有的空间也可以说成是一个光子占有的空间。

2，量子场论关于真空的论述。

从姚丽萍和黄金书两学者合写的《从量子场论看真空的物质形态问题》一文[1]引用如下的一段文字作说明。

“现代的真空理论实质上是量子理论。量子场是物质的基本形态，它是既具有波动性又具有微粒的物质客体，它具有多种运动状态，如激发态和基态。量子场激发态的出现代表实粒子的产生，激发态的消失代表实粒子的消失。实粒子的消失只是表明量子场的激发态消失了，而不是量子场这种客体消失了，量子场还存在，不过此时量子场处于能量最低的运动状态，也就是处于基态，人们把基态的量子场称为“真空”。真空不空，真空本身就是一种特殊的物质，即基态量子场。所以说真空是物质的一种特殊形态，而不是物质的一种特殊状态。”

以上是关于真空和粒子关系的严谨的学究式的表述，为方便于本文对标的的论述，因此提出以下的“直白”的表述。

不可观察的真空乃是可观察的实粒子之母。

2,1 真空充满各种基态量子场，基态量子场不是一种虚概念，每一种基态量子场充满实实在在的微观粒子，只不过这些微观粒子具有最低能量状态。由于这些场粒子具有最低能量，人们无法观测到它的能量值，因而基态场粒子是不可观察的，也因而基态量子场是不可观察的，真空是不可观察的，感性地说，真空是看不见的。

2,2 当有一份适当能量“注入”真空中的基态量子场的粒子，该粒子就成为激发态粒子，具有可观测的能量值，也即成为可观察的实粒子，也即看得见的粒子。

激发态粒子可观测，又称为实粒子。光子是电磁场的激发态粒子，尽管它的静止质量等于零，但光子具有可观测的能量和动量，从这个角度看，光子也属于实粒子

2,3 真空充满基态场粒子，只要有能量注入，就能产生实粒子，因此，真空是实粒子之母。甚至可以写出如下公式

实粒子= 基态粒子+能量 (1)

其中，+号相当于“注入”。当然，公式里存在三个问题：1）能量是什么？2）能量从哪里来？3）能量如何注入真空？这三个问题都属于接近物之本质的问题，是难以简单地论述的问题，有幸这三个问题不是本文论述的标的。本文论述的标的是：

构成真空的基态量子场的基态粒子是不是最基本的？

按量子场论，当人们发现一种激发态量子场，必然在真空对应有相应的基态量子场，人们已发现“标准模型”中的61种粒子，对应地真空中的基态量子场有61种之多，因此可以说，构成真空的61种基态粒子就不可能是最基本的，这61种真空粒子应该由数量比61少得多的更基本的基态粒子构成。如果这61种基态粒子由一两种，或两三种更基本的“东西”构成，这少数的几种“东西”才有资格称为物之“基元”。由于真空是万物之母，物之基元首先存在于真空，因此一切实粒子源于“真空基元”，也即

能量注入真空基元就激发成为实粒子——真空是实粒子之母，实质是真空基元是实粒子之母。真空基元是卵子，能量是精子。

2,4 以上“能量注入真空基元就成为实粒子”这句话只是一种基本原理，实施这一基本原理的技术问题不容易解决，理论自身也不容易解决。比如“弦理论”就是 探索 “真空基元”的理论， 弦论的一个基本观点是，自然界的基本单元不是电子、光子、中微子和夸克之类的点状粒子，而是很小很小的线状的"弦"，弦才是真空基元。弦理论是最前沿的理论，可惜非常复杂，其复杂的程度几乎与人们的“常理认知”距离无限远，也因此人们对其前景是有所怀疑的。也正是这个原因，本文试图以贴近常理认知的方式在理论上 探索 “真空基元”。

2,5 按量子场论，能量子即电磁场量子。我们不能把电磁场量子抽象理解为弥漫空间的电磁场的一份份电磁能量，这样的理解太模糊了。根据本文第 1 节，电磁场量子所对应的微观粒子就是“光子”。光电效应证明了光是由一颗颗光粒子组成，明确地说，电磁场量子不是一团团的、弥漫空间的电磁场，电磁场量子所对应的微观粒子就是光子。光电效应证明了光粒子完整地，而不是部分地被具有微观体积的微观粒子电子吸收，因此，光子具有与微观粒子可比喻的微观体积，不是一种无形迹的概念，光子的完整能量转化为电子的溢出能量。尽管人们说不出光子的微观尺寸，但光电效应已经可以肯定：

1）光子存在一个微观体积，振动着的电磁场包裹在光子的体积里。

2）光子的能量是光子内部振动着的电磁场能量。

根据爱恩斯坦提出的光电效应理论，光子的能量ε就是普朗克提出的能量子的能量

ε=h v (2)

其中h是普朗克常数， v 是光子内部的电磁场振动频率。

2,6 但是，当我们思考光子的内部结构时，就会怀疑这种形象的光子是否真实存在。这就是下一节提出的对光子的疑惑。

3，光子的疑惑。

谁也观察不到光子的内部结构，所有对光子内部结构的想象都是假设。

3,1 假设1 ： 光子是粒子，光子里没有更基本的实粒子，也没有能控制电场的元电荷，光子里存在的是纯粹的电磁场，并且是不断振动着的电磁场，其振动频率v决定着这个光子的由(1)表示的能量。这假设1正是人们目前设想的光子内部结构。

3,1,1 光子是中性粒子，这一观测结果是对这假设 1 的强力支持。但存在太多的疑惑了。

3,1,2 疑惑1。 根据麦克斯韦电磁场理论，一个元点电荷的扰动就会激发电磁场的振动，电磁场的振动不依靠任何媒质传播，而是依靠自身的电场和磁场的相互转换，以电磁波的形式脱离场源、自行地、向四面八方传播，脱离场源的振动着的电磁场内可以是没有电荷的，可以是纯电磁场物质。疑惑的关键点是，按麦克斯韦电磁场理论，在真空中，一个点或一个微观体积所激起的电磁振动是向四面八方传播的，为什么经过量子化的数学处理后纯电磁场在没有内控因素的情况下就可以局限在一个光子的体积内振动而不分散？这是经典认知所无法接受的。其实，经典力学和量子力学不是互相绝缘的理论，量子力学是在经典力学的基础上发展起来的，量子力学到处都存在经典认知的烙印，薛定格波动力学方程完整地保留库仑力场，概率解析，分立的概念都是经典认知可以接受的，即是说，量子力学的表现和结果，最后都应该能够被常理认知理解，能够由常理认知的词语表述的。如果硬说，“电磁场经量子化数学处理后，纯电磁场就可以成为稳定而不分散的粒子，”这就是量子场论的认知，无需顾及陈旧的常理认知能否接受，这就很令人遗憾！但下面的假设2，却很能贴近常理认知解释纯电磁场成为粒子的疑惑。

3,1,3 疑惑2。 按量子场论，光子的出现表示电磁场激发态的出现，它具有可观测的由(2)式表示的能量。量子场论又说，电磁场激发态的消失相当于光子的消失，此时电磁场处于能量最低的基态，光子成为最低能量状态的基态粒子。按式(2)，由于频率没有负值，最低能态就是 v =0，ε=0。基态光子的频率 v =0，也即电磁场不变化。根据麦克斯韦电磁场理论，变化的电场产生变化的磁场，变化的磁场产生变化的电场， 在真空中电磁场能自行存在的必要条件是电磁场不断地振动。 那么，光子从激发态跃迁到基态， v =0，电磁场不振动了，原来存在的振动的电磁场消失了，如果因此而原来的光子变得什么也没有，所谓的基态光子就没有实际存在的意义，就算有能量注入真空，也没有基态的承接物，就不可能出现激发态光子。

3,1,3,1 光子从激发态跃迁到基态，虽然原来存在的振动的电磁场消失了，可否残存有静电场？如果有，能量的注入还可以令静电场产生变化，重新激发起变化的电磁场而成为激发态光子。但假设 1 说，光子不存在电荷，也就是说，能起到重新激活作用的残存的静电场也没有。什么也没有！“基态光子”实际上是不存在的。这就很严重：假设1和量子场论不相容！有幸，下面的假设2可以同时解决这一疑惑1和疑惑2。

3,2假设2。 在提出假设2之前，引用《浅析量子排斥力》一文[2]最后第8节（振动是最基本的运动形式）的一段话作说明：

“任何粒子只要有内部结构，至少由两部分物质组成，这部分物质直称为“结构物质”，既然在理论研究时，把粒子作点模型质点处理，那么，“结构物质”也只能作“结构质点”处理，也就是说一个粒子（至少）由两个结构质点组成。如果这两个结构质点之间没有某种吸引力维系，不可能构成一个粒子，但如果除了吸引力之外没有其他因素干扰或说制约，这两个结构质点又成为一个点。点模型只能是一种数学模型，不可能是真实的物理存在。正好本文引入的万有的量子排斥力成为一种干扰制约的因素，两结构质点在吸引力和量子排斥力的共同作用下组成量子谐振子，而不是在吸引力作用下结合成一个点。因此，各种各样的粒子其实是各种各样的量子谐振子。”由此提出假设2。

假设2:

1）光子是由一个正元点电荷和一个负元点电荷组成的电偶极子。

2）库仑力和量子排斥力的平衡位置数量级10-14米 10-16米（参考[2]文第(13)式和(18)式）是电偶极子的微观尺寸，也是光子的微观尺寸。

3）振动着的电偶极子就是量子场论中的电磁场的激发态，也就是光子，这个激发态的能量ε由本文式(2)表示。

4）量子场论中电磁场基态量子就是不振动（处于平衡位置）的电偶极子，又称为静止的电偶极子，也即基态光子。能量注入基态光子令静止的电偶极子成为振动的电偶极子，也就是激发态光子。

3,2,1 解疑惑1和疑惑2.

1）振动着的电偶极子内控着光子内的振动着的电磁场不分散，成粒子状，这就解决了疑惑1。

2）电磁场基态粒子就是处于静止状态的电偶极子，疑惑2中 3,1,3,1 小节提到的能使电磁场基态粒子复活的残存的静电场就相当于静止电偶极子的静电场，当有能量注入，又可以激发出振动的电磁场。这就解决了疑惑2.

3,2,2 光子是电偶极子，为什么是中性粒子？

当我们能够在微观空间（比如10-8米）观察原子时，原子充满电荷。实际上观察仪器是在宏观空间观察这一原子的，由于原子内正电荷和负电荷数目相等，也即电中性，宏观观察的结果，原子是中性粒子。当原子内正电荷和负电荷数目不相等时，宏观观察的结果，原子是带电的离子。

因此对电中性（正和负的电荷相等）的微观粒子的宏观观察的结果是中性的。

光子的电偶极子是电中性的，并且其尺寸是深度微观的尺寸(10-16米)，因此对光子的宏观观察结果是中性的粒子。这也是对假设2的有力支持。

3,2,3 参考本文第2,3小节提出的“真空基元”概念，那么静止状态下的电偶极子就是真空基元。真空充满真空基元，因此真空充满电荷，但每一个真空基元都是电中性的，因此，宏观观察的效果，真空空间是中性的。深度微观空间的电偶极子实质是弦理论中的其中一种弦，并且是贴近常理认知的一种弦。

4，由假设2提出的真空基元不但解决假设1的两个疑惑并且还能解释不少现象，举例如下。

4,1 原子内的空间充满真空基元，原子从高能级向低能级跃迁放出的那一份能量注入其中一个真空基元，，使之成为激发态，相当于发射出一个光子。

4,2 一对正电子和负电子湮灭，“电子对”原有的能量受动量守恒定律的制约，同时注入两个真空基元，“电子对”湮灭的结果放射出两个光子。

4,3 一个能量极高的光子（比如X射线）击中一个真空基元，令真空基元裂解成为一个正电子和一个负电子，这就是一个高能光子转化为“电子对”的现象。

4,4 对于上面（ 4,1 ）的例子，为什么我们不说，能级跃迁释放的电磁能量直接就生成一个光子，而要兜个弯说“能量注入真空基元激发成为一个光子”？ 是因为，

4,4,1 我们坚持量子场论的激发态和基态的概念，

4,4,2 我们坚持量子场论中的“量子场激发态的出现代表实粒子的产生，激发态的消失代表实粒子的消失”[1]的观点。

4,4,3 对以上例子的表述符合量子场论中场的相互作用，粒子的产生转化都是在真空里进行的观点。

真空是现实世界之母！

文献：

[1]姚丽萍，黄金书。从量子场论看真空的物质形态问题[J]。南阳师范学院学报（ 社会 科学版）2005(12):28-30.

[2] 袁贺滔.浅析量子排斥力[J].科学技术创新,2020(36):63-65.