在胡克參考球觀念下誕生的新理論

　　0 引言

　　在光學的發展歷史上，曾經有幾位學者做出過杰出貢獻。其中，依薩克-牛頓（i. newton1642--1727）[1] 認為，光是發光體發射的一種微粒，人們通常說的粒子性。 到公元二十世紀初，愛因斯坦等人[2] 認為，光是一份一份的，每一份被稱為光量子。綜合牛頓與愛因斯坦的研究思想，作者經過詳細思考后認為，一份光量子為一個獨立的能量體，它是由更“細微的能量顆粒”按照某種方式集合而成的一個能量體，是一個具有空間形態的幾何體。作者為了不再引進更多的新名稱而稱它為“基本能量單元體”。這種能量單元體顆粒也有學者稱它為“亞光子”[3]。波動性代表人物惠更斯（c.huygens,1629-1695）[4] 提出了光的球面波觀點，作者不能理解的是：一個光粒子是怎樣產生的一個球面波，一個子波的能量又是多少？恐怕科學巨匠和高手也不理解他的具體描述。

　　1 自然條件下的光輻射

　　一份光量子能量的大小，我們不可能將一份光量子的內部結構分拆開進行測量和計算——至少在當前這個時代是這樣。接下來我們只有間接地使它與粒子（實物體）發生相互作用后所產生的效應進行描述。

　　如示，設想，這些實物粒子在常溫下處于穩定狀態（只有溫度處在絕對零度或附近時的實物粒子才可能處于基態），當它沒有吸收外來能量時，也就不存在能量的外瀉（輻射），這時它處于臨時穩定狀態。在中，從s 發出的光經透鏡l 后照射一透明物質，光子-1從實物粒子之間的狹小空隙（真空區域）中穿刺而過，光子-2 被實物粒子所吸收；我們構想，這個理想化粒子具有吸收一切能量段光子的能力，將吸收的每份光子又完全徹底地輻射出去（在粒子中不作任何殘留）。即是，認為實物粒子輻射出去的光子與它所吸入光子的能量“完全相同”。顯然，粒子在這一過程中經歷了兩個階段：它吸收一份光子便從初始的穩定狀態躍升至高的能量狀態，這過程即為能量的上漲階段；而高能態的它是極不穩定的，?即開始瀉能，從高能態輻射光子而回落到原有的初始狀態。粒子所經歷吸能和瀉能這一過程的兩個階段，就認為是粒子完成了一次能量的上漲和回落，簡稱粒子能量的一次漲落。粒子能量的一次漲落總會經歷一段時間過程（哪怕很短）。

　　在中我們假設粒子在發射光子-1 后又吸收相同能量的光子，然后再輻射出光子-2；這一過程所經歷的時間稱為粒子能量的一次漲落（稱為一個周期），用符號t 表示。 在這個漲落周期內光子（在真空中）所運動的路程為ct, 即是：光子-1 和光子-2 之間的距離就稱為一個漲落光程（為了直觀，這里假定兩份光子是在同一直線上），用符號λ0 表示。

　　為了與經典理論相對應，便將漲落光程另名為漲落長度，光的漲落長度對照成經典概念的光波[5] 波長λ0 。 由于不同能量光子與實物粒子發生相互作用的漲落周期各異，因而漲落長度λ也不相同。顯然，光子能量與漲落長度成為一一對應。漲落周期t 的倒數稱為漲落頻率（將光的漲落頻率對照理解成經典概念——光波頻率）, 用符號у表示, у = 1?t 。為此，作者將新舊概念對照列表：

　　顯然，不同顏色（或稱為能量）的光，它漲落一次的時間不相同，漲落光程也不相同。即是，光的漲落長度不相同。光子能量與漲落長度成為單值對應。

　　2 新建概念和觀點

　　2.1 胡克參考球

　　當一份光子從粒子中輻射出去以后，作者假想，光量子是沿實物粒子的自旋切線方向輻射出去的，所以它離開粒子時刻就具有一速度c 。在科學史上，胡克（r.hooke,1635-1703）[6] 認為：“光是由快的振動所組成， 可于剎那之間，或者說以非常大的速度，傳播過任何距離；在均勻媒質中每一個振動都將產生一個圓球，這個圓球將恒穩地向外擴大。” 胡克認為，光的行為如同聲音在空氣中的傳播。 而現代研究認為，光是一種粒子，光子的運動方向是任意地自由取向， 即是：光子的運動方向有可能是oa、ob、oe 和 of … 等方向的任意一個。 一份光子不可能同時射向兩個或兩個以上的幾個方向，由于光子運動方向的不確定性，所以，作者為此設計一個數學模型——半徑為r = ct 的參考球，并堅信它（光子）肯定會出現在這個圓球球面上的某一點，這個“光子參考球”如所示。

　　作為一個向外輻射能量（光子）的實物粒子o ，它不可能同時輻射出兩份或兩份以上的多份光子，因此，一個參考球的球面上就只有一份光子出現。由于它是不受我們的具體操控，也就不能確定它的具體方向，所以，它的運動方向是自由取向。經考證，最先提出擴散圓球概念的是胡克，作者構想的這個數學模型雖然與胡克所描述的物理意義大不相同，但提議將這個“光子參考球”命名為光子胡克參考球，簡稱為胡克參考球或胡克球。

　　2.2 惠更斯包絡面

　　惠更斯（c.huygens,1629-1695）提出的包絡面概念及惠更斯原理：波所到達的每一點都可以看作是新的波源，從這些點發出的波叫做子波；而新的波面就是這些子波在同一時刻所到達位置的包跡。 惠更斯所稱的“子波”，其實應該理解成胡克提出的“擴散圓球” [6] 。

　　但惠更斯原理對客觀?物的描述是不準確的，比如，在真空中運動的光子，是以發射源為參考點的。它不是按照惠更斯包絡面形式向外部空間擴散, 而是以胡克參考球方式向外部空間擴散，如所示。只有當這份光子被空間某一實物粒子完全吸收以后，又被完全輻射出去并產生了一個胡克圓球，實物粒子就是這個胡克參考球的中心。顯然，包絡面是由很多個胡克參考球包絡而形成的，于是我們得到：

　　跟包絡面相互作用的每一個質點，都可以看著是新的發射源或擾動中心，從這些點發出的胡克球叫做次圓球； 而新的包跡就是這些次圓球在同一時刻所到達位置的重疊。

　　3 綜述與討論

　　早期的胡克和惠更斯理論說的都是一個一個“脈沖”，而不是具有一定波長的波列。后來，數學家歐勒（l. euler,1707-1783）[5]認為, 光譜里每一種顏色必與某一定光波波長相對應。這就是最早提出波動光學的基本模式。不難看出，“光波”一詞，是人為的一種假設。

　　雖然后來有實驗支持，但本文作者應用胡克參考球模型和惠更斯包絡面概念相結合，同樣對光的干涉、衍射、折射、反射、偏振及全息[7-11]等實驗結果作出了更合理的解釋。

　　包絡面的物理意義：作者對惠更斯包絡面的分析，設有包絡面從點o 以速度c 向四周擴散，已知t 時刻的包絡面是半徑為r1 的球面s1。 用惠更斯原理——楊發成理論來求(t + t )時刻的包絡面。s1 面上的各點都可以看作新的擾動源，它們在t 時間內發出半徑為ct 的胡克球，這些胡克參考球的包跡, 便成為新的包絡面s2 和s3 ，并且s2 和s3的擴展方向相反(由于光子能量作用在粒子上的漲落時間非常小，在此處討論可以忽略它)。

　　4 結論

　　在真空中，一份光粒子出現在以源點為中心、半徑為光速與時間乘積的球面上，這個數學模型稱為胡克參考球； 兩個或兩個以上的多個胡克參考球球面在同一時刻所到達位置的包跡，稱著包絡面。

　　[參考文獻] (references)

　　[1] i . newton , phil . trans . no .80 (feb .1672) , 3075 .

　　[2] a . einstein , ann .d . physik . (4) .17 (1905) , 132 ；20 (1906) , 199 .

　　[3] chong an zhang, “wide existence of wave with the non- medium transmission in the nature”, matterregularity 12 (3) 207-214 ().

　　[4] chr . huygens , traite de la lumiere , brighton press, 1690 .

　　[5] l. euler, opuscula varii argumenti, berlin (1746), 169 .

　　[6] r . hooke , micrographia . (1665) , 47 .

　　[7] d. gabor, nature, 161(1948),777; proc. roy. soc., a, 197(1949),454; proc. roy. soc., b, 64(1951),449.

　　[8] d. gabor, rev. mod. phys., 28(1956), 260.

　　[9] e.n.leith and j.upatnieks, j. opt. soc. amer., 52(1962),1123; 53(1963),1377; 54(1964),1295.

　　[10] e. wolf and j. r. shewell , j. math., 11(1970), 2254.

　　[11] m ax born and emil wolf . principles of optics, pergamon press, 1975 .