第四章　光子的三种相互作用力

光子是具有最小质量，最小电量和两个玻尔磁子磁矩的基本粒子。

§4.1　光子具有最小质量，因而光子间有万有引力作用

　　　　　　　　　　　　　　　　　（4.1）

式中　G为万有引力常数，；

　为光子质量；d为两个光子间的距离。

§4.2　光子具有最小电量，因而光子间有电性力作用

　　　　　　　　　　　　　　　（4.2）

式中　为光子电量；为真空介电系数。

§4.3　光子具有磁矩，因而光子间有磁力作用

　　　　　　　　　　　　　　（4.3）

式中　为光子的磁矩；为磁导率。

§4.4　光子间相互作用力的比较

　　一、电性力和万有引力的比较

　　　　　　　　　（4.4）

由式（4.4）知，电性力比万有引力大数量级，光子间的万有引力是很小的，可忽略不计。

二、电性力和磁性力的比较

因为光子间的电力与成反比，而光子间的磁力与成反比。磁力比电力的变化快，所以在某个距离上，电力可以等于磁力，由，则有

　　　　　　　　　　　　　　　（4.5）

解得

　　　　　　　　　　　　（4.6）

由式（4.6）我们看出，当两个光子间的距离小于时，磁力大于电力，磁力占主导地位；当两个光子间距离大于时，电力大于磁力，电力占主导地位。在微观领域，光子间的电力可忽略不计，因为它远小于磁力。

§4.5　光子的基本组态

因为光子所带电荷有正、负之分，而光子的自旋有两个方向，所以两个光子可能有四种基本组态。

一、电力相吸，磁力相吸：

二、电力相吸，磁力相斥：

三、电力相斥，磁力相吸：

四、电力相斥，磁力相斥：

上述四种光子组态，第四种两个光子电力和磁力都相斥故它们不能组成一个稳定的体系。第一种两个光子的电力和磁力都相吸，两个光子的组态最稳定，当它们围绕共同质心旋转时（轨道运动也有两个方向），离心力和向心力平衡，组成稳定的体系。第二、第三种情况，则视两个光子间的距离d是大于还是小于而决定是电力还是磁力占主导地位。但不管怎样，当这样的两个光子围绕它们的共同质心旋转时，也能组成稳定的系统。对于第二种组态，稳定体系的回转直径d大于；对于第三种组态，稳定体系的回转直径小于。

上述第一种稳定体系，因电荷相反，磁极相反，对外表现为中性，体系的质量等于2倍光子质量。

第二种稳定体系因d大于，已不能视为微观体系了。在宇宙空间中，这样的两个光子体系，因回转直径太大，这两个光子可视为自由运动光子。

第三种稳定体系的对外表现则是既有电荷（正电荷或负电荷），又有磁矩。但因为两个光子的自旋相反，自旋总磁矩为零。这里所说的磁矩应为两个光子绕其共同质心作回转运动的轨道磁矩。轨道磁矩的方向，以携带正电荷的光子为准，按右手螺旋定则判别。

一般来说，“光子对”的磁矩是两个光子轨道磁矩和自旋磁矩的矢量和，应具有如下形式

　　　　　　　　　　（4.7）

式中　n为量子数；为光子对的轨道磁矩；为光子的自旋磁矩。

这里n 取什么值呢？如果我们像电子绕核运动一样，把n视为轨道运动的发射能力，即电子每绕核一圈，具有发射n个光子的能力。则这里是两个光子组成的体系，n不能≥3，最多只能发射两个光子，或者说只具有发射两个光子的能力。就一个光子而言，n只能等于1。

又因为第四种组态不能形成体系；第二种组态，回转直径太大，只能视为自由运动光子；第三种组态，在直径较大时，也只能视为自由运动光子；只有光子运动速度很大，轨道d远小于，取微观线度尺寸时，才能视为形成了微观粒子体系。而第一种组态，显然能形成微观粒子体系，所以“光子对”的微观粒子体系只能有两种，于是

对于“异荷光子对”（第一种组态），＝0。＝0。对外表现为中性。

对于“同荷光子对”（第三种组态），＝0，＝±2。

这两种组态，因r＜＜，所以磁力起主导作用。

综上所说，我们可以把光子及其组态列表显示如下：

§4.6　光子对，和的回转半径

　　设r为回转半径，仿照电子绕核运动情况，我们同样可以建立方程

　　　　　（4.8）

　　由于在微观领域，光子间的相互作用主要是磁力，电子和万有引力可忽略不计，所以式（4.8）可写为

　　　　　　　　　　　（4.9）

解得

。　n＝1。　　　（4.10）

代入有关常数解得

　　　　。

§4.7　光子对的回转速度

将式（4.10）代入式（4.9）解得

　　。　n＝1。　　　　　　　　　　　（4.11）

代入有关常数得

　　　　。

这速度大得惊人。在微观领域，我们必须承认超光速现象。当然，光子不会有这样大的自由运动速度，下文我们将会看到。这里的速度是光子对的回转速度。

§4.8　光子对的能量和功

由式（4.9）知道，在光子对体系中，不管是中性的，还是带电的或，体系的离心力等于向心力。根据本论文集第二篇《原子辐射的新观点》§3.2的论述，在这种体系中，光子的动能为

　　　　　　　　　（4.12）

与动能相联系的功为

　　　　　　　　（4.13）

这体系的势能为

　　　　　　　　　（4.14）

我们看到，光子对体系与原子体系不同。在原子体系中，电子的动能等于势能，而在光子对体系中，光子的动能仅为势能的一半。两个光子的动能之和才与势能相等。

与势能相联系的功为

　（4.15）

这体系的机械能并不守恒，守恒量是功

　　　　　　　　　　　　　 （4.16）

式中　为与辐射能相联系的功，负号表示体系对外做功；为与势能相联系的功；为与动能相联系的功。

体系的辐射能在数值上等于辐射功

　　n＝1 　　　 （4.17）

代入有关常数得

　　　　。

这体系的能量极大，它应是我们这个宇宙的最高辐射能量。如果按照爱因斯坦的说法，光速C是速度的极限，而微观粒子的质量又那么小，那么宇宙射线中的高能量是那儿来的呢？

这体系的辐射频率为

　　。　n＝1。　　　　（4.18）

代入有关常数得

　　　　。

辐射波波长为

　　。　　　　　　　　（4.19）

可见，由光子对体系的辐射功所激起的光海洋中的德布罗意组合波的波长（辐射波长）是极短的，呈现明显的粒子性。

§4.9　光子的其它组态

光子除了上述基本组态――异荷光子对和同荷光子对、外，还可以有新的组合形式。

异荷光子对，无论是电荷还是磁矩外观表现都是中性，而且在光子对的线度上，万有引力极小，约数量级；电力也很小。那么中性的就不会参与新的组合了吗？不，会参与的。因为在光子的线度上，回转半径为

　　，

距离极小。而磁力极大，为

　　　　　　　　（4.20）

如图4－1所示，当自由光子或以速度C接近光子对时，由于电力可忽略不计，

而单个光子磁力极大，自由光子将被加速，最后“吸附”在光子对上，以相同的速度v（超光速）旋转，结成光子团。

对于同荷光子对，不但每个光子具有自旋磁场，整个光子对也具有轨道运动磁场，自由光子可以因吸附，结成光子团；也能以同荷光子对为中心，构成有心回转体系，像电子绕核运动一样。例如自由负光子和同荷光子对结成如图4－2（a）所示结构；自由正光子和同荷光子对结成如图4－3（a）所示结构。

此图是根据本论文集第二篇《原子辐射的新观点》§9.3的轨道翻转和自旋翻转原理画出的，并考虑了泡利不相容原理。

图4－2（a）和图4－3（b）象是物质与反物质结构。图4－2（b）组成了带正电的光子团；图4－3（b）则组成了带负电的光子团。

由图4－2和图4－3我们还可以看出，自由负光子和自由正光子当它们自旋方向相反时，在磁场中的表现实际上是等效的。

由于光子的不同组合，结成的稳定体系可以是中性的，也可以带有电荷。所带电荷可以是正电荷也可以是负电荷。又由于光子的自旋和体系的自转都只能具有两个方向，而轨道磁矩和自旋磁矩可以相等也可以不等，所以不同稳定体系的磁矩可以为正，可以为负，也可以为零。

各种体系所带电荷总是光子电荷的整数倍。

我们已经推得光子自旋磁矩等于两个玻尔磁子（2）。但是各种光子体系的磁矩却不一定是光子磁矩的整数倍。因为磁矩是矢量，光子轨道运动也会发生取向问题，矢量合成的结果，总磁矩就不一定是玻尔磁子的整数倍了。

由此我们得出结论：在光子的两种基本组态的基础上，不断地组合下去，就会得到各种微观粒子。