摘要　本文认为光子和正反粒子都是电磁场的量子化产物，光子是交变电磁场的量子化，粒子则相当于稳恒电磁场的量子化；稳定基本粒子均由一个静止质量为零的电量子（或磁量子）以光速沿半径为的轨道作自旋运动而形成，其质量等于上述电量子（或磁量子）的相对论质量；所有的基本粒子都是由电磁量子构成的不同量子态和磁场强度的能量结构；核力的本质是稳恒磁力的量子化表现。在上述认识的基础上，本文简要探讨了基本粒子的电磁特性和组合规律。

　　关键词　光量子，波，电量子，磁量子，基本粒子

一、波粒的量子等效性

　　1905年爱因斯坦为了解释光电效应，提出了光量子假说，认为光不仅是具有波动性的电磁波，而且是具有粒子性的光量子，它在发射和接收的过程中具有粒子性。光量子假说很好地解释了光电效应，并且为实验所证实，因而得到了普遍的承让。

　　　　根据相对论能量子和光量子的假说，每一个光子的能量（1）

　　 (1.1)

　　　　式中，v光的频率，可以由光子的能量计算出光子的相对论质量：

　　 (1.2)

　　因为 (1.3)

　　所以，一个光子的相对论质量和能量 :

　　 (1.4)

　　　　本文在爱因斯坦光子理论的基础上，进一步地假设：光子和正反粒子都是电磁场的量子化产物。光子由电磁量子相互激发、相互转换构成，在相互转化的过程中，电量子和磁量子的能量相等；而正反粒子则是这个过程中，电磁量子能量不相等时的产物。

　　　　结合图一，假设光子由一个平行于纸面作圆周运动的电量子激发形成一个垂直于纸面作相同运动的磁量子构成，则光子波长的一半为电量子的半个周长，另一半为磁量子的半个周长。

　　　　因此，式中的 因

　　　　所以

　　　　若将轴取正负值，光子能量有如下等式：

　　 (1.5)

　　　　上式分别表示正反光子的能量，因光子的反粒子就是其本身，所以光子总是以能量的形式存在。

　　　　但 只是能量的一种形态。

　　　　图二示出了另两种特殊形态：

　　（1）当时

　　 (1.6)

　　　　此时，相当于电量子的能量增大，能量因无法转化而只能以粒子的形态存在。 在这种条件下，电量子处于封闭状态，成为粒子的主体，而磁量子则成为维持这种存在的力（磁力或核力），由此也形成了正粒子。

　　　　（2）当时

　　 （1.7）

　　　　此时，相当于磁量子能量增大，能量因无法转化而以粒子的形态存在，磁量子作为粒子的主体而形成反粒子。

　　上式中的符号只代表正反粒子，而不能理解为正负能量。当正反粒子相遇时，由于满足了光子的条件，即，正反粒子发生湮灭而转化为两个光子。由此，本文认为，光子、正粒子、反粒子都是电磁场量子化的三种形态，也是物质存在的三种形态，它们都是电磁量子运动的不同表现形式。

　　由此得出结论，基本粒子均由电磁量子作自旋运动而形成，其质量和能量可由如下关系表述：

　　 (1.8)

　　　　式中　　为该粒子的自旋半径。它的物理含义是：一个基本粒子的质量由一个电量子（或磁量子）以光速沿半径为的轨道作自旋运动而形成，质量与自旋半径成反比。

　　　　为了说明这种推论的合理性，我们再来看量子力学对粒子的描述。我们知道，在粒子的自旋运动中，粒子的角动量必须满足玻尔的量子化条件（2）

　　　　 　　　　　 　　 (1.9)

　　其中，是粒子的自旋角速度，是粒子的质量。本文假设基本粒子是由沿半径为的轨道以光速作自旋运动的电量子（或磁量子）构成。故式中的可由光速替代，式中的质量可看作是电量子（假设电量子的静止质量为零）以光速运动而形成的相对论质量，则有：

　　　　　 　　 (1.10)

　　变换后，即可得出下式：

　　 (1.11)

　　由于基本粒子是由以光速沿半径为的轨道作自旋运动的电量子（或磁量子）构成的，故粒子的外观速度可为零，此时电量子（或磁量子）的相对论质量就是该粒子的静止质量。

　　粒子的外观速度可由下式表示：

　　 (1.12)

　　式中，速度矢量如用光速与、、的夹角、、来表示，则其分量为：

　　 ，， (1.13)

　　又，粒子的自旋频率为

　　 (1.14)

　　　　式(1.11)又有如下等效关系式：

　　 (1.15)

　　即光子与粒子在本质上是完全相同的，即光子的波长等效于粒子的自旋周长。

　　有了对基本粒子的上述假设，我们可进一步地探讨基本粒子的其它属性（本文主要以电子和质子为例 ）。只要测定一个基本粒子的静止质量，就可计算其自旋半径和频率：

　　基本粒子的自旋半径：

　　 (1.16)

　　　　从电子、质子到超子的自旋半径都可用本式来描述：

　　　　电子自旋半径

　　 (1.17)

　　　　质子自旋半径

　　 (1.18)

　　　　基本粒子的自旋频率：

　　 (1.19)

　　　　电子自旋频率

　　 (1.20)

　　　　质子自旋频率

　　 (1.21)

二、基本粒子的电磁特性

　　　　本文认为：光子与基本粒子都是电磁量子运动的不同表现形式。光子与基本粒子的区别在于：光子相当于交变电磁场的量子化，电磁量子相互激发、相互转换，在相互转化的过程中，将能量全部传递给了对方，且在空间中沿直线光速传播；粒子则相当于稳恒电磁场的量子化，由电磁量子的相互激发、相互约束而形成了一个稳定的量子态（也可等效地看作是一个量子电流环或磁偶极子），在空间中只能以低于光速的速度运动。

　　　　因此，基本粒子仍具有电磁特性。为了证明上述论点，我们可进一步探讨基本粒子的自旋磁矩和中心磁场强度等问题：

　　　　本文假设：基本粒子都是由一个静止质量为零携带电量为的电量子、以光速绕半径为的轨道作自旋圆周运动而形成的电磁量子系统。我们可将其等效地看作是一个圆电流环。

　　（1）根据圆电流公式，电量子因自旋而产生的电流强度（3）为

　　 (2.1)

　　通过上式可计算出：

　　电子圆电流强度

　　 (2.2)

　　质子圆电流强度

　　 (2.3)

　　（2）根据毕奥——萨伐尔定律，圆电流的中心磁场强度（4）

　　令

　　 (2.4)

　　将式（2.5）代入（(2.4)式，可得：

　　 　 (2.5)

　　　　式中，（真空磁导率），为电子电量，我们可计算出电子和质子的中心磁场强度：

　　 (2.6)

　　 (2.7)

　　　　中心磁场强度表征的是粒子本身固有的磁场属性。由以上数值可知，所有粒子都是由其强大的中心磁场约束下的电磁量子系统，蕴涵着异常强大的能量，而这种强大稳恒磁力的量子化就是核力。

　　　　由此本文认为，核力就是稳恒磁场力的量子化，具有短程性和饱和性，性质上与电磁力有区别，但它的本质仍是磁力。

　　　　质子和中子自旋中心的磁场强度虽然异常强大，但由于与自旋的电量子环相互激发相互制约，本身是自足的，因此对外并不显露。但是在中子星或脉冲星那样异常强大的引力作用下，所有的电量子都垂直于磁力线作圆周运动，将迫使磁量子外露，从而使中子星或脉冲星对外呈现出强大的磁场强度。其磁场强度等于，即中子的中心磁场强度。

　　（2）电子的自旋磁矩为

　　 　 (2.8)

　　　　将式（1.11 ）代入上式得：

　　 　 (2.9)

　　　　将式(2.1)代入，也可得同样的结果。因此，任一带电粒子的最小自旋磁矩都可由下式表示：

　　 (2.10)

　　式中，为该粒子的自旋半径。任一基本粒子的自旋磁矩与其自旋圆面积成正比，它表征的是基本粒子对外显现的磁场属性。由于基本粒子的自旋频率极高，服从海森堡的测不准原理，并没有一个确定的自旋圆面积，因此，基本粒子的实际磁矩都大于这个值。

　　 将电子和质子的自旋半径代入上式可分别计算出它们的最小磁矩，分别为玻尔磁子和核磁子。

三、基本粒子的组合规律和它们的统一性

　　本文进一步认为：所有的基本粒子都是由电磁量子相互激发、相互约束而形成的量子系统，基本粒子的不同属性都是这个量子系统的不同量子态和磁场强度的不同表现。基本粒子的质量、能量和其中心磁场强度均与其自旋半径成反比关系，即自旋半径越小其质量、能量和中心磁场强度越大。

　　与现有的夸克理论不同，本文认为所有的基本粒子都由电量子和磁量子两种量子构成，两种量子的不同能量状态和不同组合构成了所有的基本粒子。下表列出了部份基本粒子的不同量子组合态和自旋半径的参考数值。

　　为了使基本粒子的量子态表示形象化，本文用特殊符号分别代表不同的电磁量子态，结合“基本粒子排列周期表”，现对基本粒子的不同量子态作如下说明：

　　○：代表电量子的封闭态，不表示电荷，与之对应的是磁量子。在表中表示正粒子的主体部分。

　　 ●：代表磁量子的封闭态，无电荷，与之对应的是电量子。在表中表示反粒子的主体部分。

　　　　　　↗、→、　　：代表左旋磁量子，并分别表示左旋磁量子的不同能量状态，能量状态从左至右依次增大。无电荷。主要表示核力及方向。

　　　　↙、←、　　：代表右旋磁量子。其余同上。

　　﹝：代表一个电量子，带一个正电荷。与右旋磁量子成对。

　　﹞：代表一个电量子，带一个负电荷。与左旋磁量子成对。

　　组合原则：电量子只能与相应的磁量子结合，二者之间总是相差900 ，即相互垂直；电量子与电量子遵循泡利不相容原则；磁量子与磁量子可叠加。

　　　　以下是对具体粒子量子态的说明：

　　　　→○←：代表一个光子，由一个左旋磁量子激发形成一个负电子，负电子又激发形成一个右旋磁量子；右旋磁量子又激发形成一个正电子，正电子又激发形成一个左旋磁量子，如此循环而完成能量的传递。

　　　　﹝●﹞：表示一个光子的反粒子，完整的形式是：﹝←→﹞。

　　↗﹞：代表负电子，一个电量子环激发出左旋磁量子，并被其形成的中心磁力所约束而稳定地存在。电子因自旋而产生的环电流约为19.6A，中心磁场强度达特斯拉，因而电子可稳定存在。

　　　　﹙↙：代表一个正电子，一个电量子环绕一个右旋的磁量子环自旋，对外显正电荷。正电子除电荷和自旋方向与负电子不同外，根本的区别如图二所示：在于构成它们的主体不同。

　　　　电子的自旋半径为，但我们不能把它看作是一个半径为的点粒子，根据德布罗意的物质波波长公式，运动中的粒子应该具有波长

　　 (3.1)

　　　　将式(1.11)代入上式，得

　　 (3.2)

　　　　上式是单个粒子的德布罗意波长公式，即基本粒子的德布罗意波长等于其自旋周长乘以光速与外观速度的比值。上式说明，当基本粒子的速度远低于光速时，主要表现为粒子性；当速度接近于光速时，则主要表现为波动性。

　　　　由于所有的基本粒子都由电磁量子的自旋运动构成，基本粒子的绝对大小应该由电磁量子的几何尺寸决定，但现代物理学目前还不能确定电磁量子本身的大小。目前折中的方案是，当速度远低于光速时，可将基本粒子看作是大小为自旋半径的点粒子；当速度接近于光速时，可看作是波长为自旋周长的无限小的点粒子。

　　　　同理，其它粒子也不能看作是大小为自旋半径的点粒子。

　　 子和子的量子态与电子相同，只是子的自旋半径比电子小。

　　　　↗、→、：分别代表三种能量不同的中微子，实质上它们是完全相同的。中微子都是基本粒子在衰变时放出的高能磁量子，具有自旋频率，但由于中微子以光速运行，很难测定其静止质量，但通过其能量可计算其相对论质量。中微子由于没有电量子与其结合，故没有电荷，同时，由于其能量极高，在一般的电磁场中很难发生弯曲，所以中微子很难与其他物质发生相互作用。

　　　　↙、←、：代表反中微子，是能量不同的右旋磁量子。

　　　　←﹙、﹙：分别代表能量不同的几种介子。介子是核子和超子的电量子环激发形成的高能磁量子，是核力的载体。介子不能单独形成，只能在超子发生衰变时被放出，并迅速衰变为电子和中微子。﹞→、﹞是介子的反粒子，其自旋和电荷与介子相反。

　　　　○←﹙：代表质子，如图三所示，质子由一个自旋半径为的电量子环和一个介子组成。图中的力线表示质子在空间中激发出的力场。

　　○←﹙↗﹞：表示中子的量子态。如图所示，中子与质子的区别在于：中子捕获了一个电子，并使它处于亚介子状态，由于正负电荷抵消，中子对外不显电性。由于介子的能量远远高于电子，电子被中子捕获后相当于被幽禁，无法再表现出电子的特性。同理，其它基本粒子也不能看作是几种粒子的简单组合。

　　　　﹞→○←﹙：是超子的量子态，由一个电量子和两个磁量子构成，是超子中的一个特殊组合。

　　　　从超子到超子相当于超子与不同能量的介子的组合。超子是根据“基本粒子排列周期表”的排列规律，推测出的超子，文献还没有正式的记载。它的特征是质量约1700，由于外围的介子处于饱和状态，不参与强相互作用，性质类似于光子。

　　本文将子、、子归为重超子，理由是它们都是超子演化的进一步延续。和子是复合粒子，质量很大，反粒子就是其本身。

　　以超子为界，子、、子又重新表现出了轻子、介子的特征，由此也表现出了基本粒子排列的周期性。出现这种周期性的主要原因就在于它们的核力在这一周期中达到了饱和状态，是这一周期结束的标志；同时，也向我们预示了下一个周期的开始。

　　通过对基本粒子的上述探讨，我们发现基本粒子表现出了明显的规律性和周期性，质量向我们表明了它的能量状态，而处于外围的粒子则主要体现了它们的性质。

　　与夸克理论形成明显对立的是，本文认为我们的世界是由两种最小最轻的粒子——电量子和磁量子构成的，它们是万物的基石；而夸克理论则认为，基本粒子由质量更大的夸克组成，因此寻求物质的本源必须借助高能量的加速器。而从本文的角度来看，夸克理论寻求本源的过程则恰恰是一个制造目标的行为，我们在不断地试图制造着我们刻意寻求的东西。

　　参考文献：

　　（1） 程守洙、江之永编《普通物理学》，高教出版社，第5版，第3册，329页；

　　（2） 张三慧主编《大学物理学》清华大学出版社，2000年8月，北京，p81；

　　（3） 林嘉骐、吴万国等编《原子物理学》，福建人民出版社，1985年6月，p48页；

　　（4） 吴百诗编《大学物理》，科学出版商，新版上册，p366页；

　　附录：

　　基本粒子排列周期表