| 电磁场理论的研究与光子理论的研究关系密切。迄今为止，关于光的本性的理论和实验研究已取得了巨大成就，特别是20世纪后期以来以量子电动力学为基础的量子光学的发展将麦克斯韦关于光的电磁理论和光量子理论统一起来，成为当代物理学的研究热点。然而从爱因斯坦提出光子的概念以来，人们至今仍不能同时看到光的粒子与波的双重现象，光究竟是以粒子还是以波的形式出现，还是决定于实验。在爱因斯坦之后有许多物理学家致力于探索光子波粒二象性的奥秘，量子光学是其中的主流方向。例如在量子色动力学中，对光子结构的测量显示光子既能以无尺寸粒子即轻子的方式参与相互作用，也能以一组夸克和胶子的集合体即强子的方式参与作用。其他方向的探索也取得了一定的进展，如我国龚祖同院士提出的类氢原子光子结构猜想，以及北京大学学者提出的光子是一光速前进的电磁场的猜想。光的量子本质包括光场的量子本质与光子的量子本质两个方面，光场的量子本质集中表现在光场的各种非经典效应方面，而光子的量子本质则集中反映在光子的结构这一问题上。下面介绍我国科学家在这一方面的探索—光子结构论。光子结构论，最初是由我国老一辈著名科学家、中国科学院院士龚祖同先生于1980年提出来的。其基本要点如下：第一，光子具有电结构，它由带正电的光微子ε+和带负电的光微子ε-组成。ε+与ε-两者质量相等都等于me，两者电荷相等但符合相反，所以光子对外不显电性(光子属电中性粒子)。第二，光子是以ε+为核心以ε-为卫星的类氢结构。第三，ε-绕ε+作等螺距的高速螺旋线旋进，其核心则以真空中的光子速度c匀速向前推进，核心的推进方向即为光子传播方向。第四，ε-绕ε+旋进的轨迹在垂直光子传播方向的平面内为一个圆，在平行于光子传播方向且包含该方向的平面内是一条周期性变化的类正弦曲线，它代表光子的偏振性即横波性。第五，光子的电场与磁场两者方向正交，且皆垂直于光子的传播方向。第六，光子中ε+和ε-的质量与电荷均来自于它的母体—原子核和核外电子。受龚祖同先生光子结构论的启发，人们认为光子结构问题应属量子光学领域的重大研究课题之一，它属量子光学领域的另一个诺贝尔奖项目，揭示光子结构是量子光学理论研究的最高境界之一。龚祖同院士的这种光子结构模型建立在初等量子理论之上，成功解释了一些经典光学现象，如光的折射，反射，干涉，衍射和布儒斯特角下的线偏振。但这种光子结构是宏观物质结构翻版，是反高等量子力学的，不能很好地解释非经典现象与效应；用正负光子的绕转与旋进解释电磁波传播中电磁场的同步变化也是牵强的，它只能说明电磁波传播中电场强度在垂直于矢径方向上的余弦变化而不能解释电场时刻在一个传播平面上垂直于传播矢径（因为该模型中电场是一个旋转矢量）以及电场与磁场始终以矢径为传播轴处于两个相互垂直的平面。下面我们从规范场的角度揉合龚祖同院士光子结构以及最近北京大学学者提出的光子是一直线前进的电磁场观点，对光子结构进行进一步的定量分析从而使之与规范场理论统一起来。我们知道，规范场论（Gauge Theory）是基于对称变换可以局部也可以全局地施行这一思想的一类物理理论。非交换对称群的规范场论最常见的例子为杨-米尔斯理论。物理系统往往用在某种变换下不变的拉格朗日量表述，当变换在每一时空点同时施行，它们有全局对称性。规范场论推广了这一思想，它要求拉格朗日量必须也有局部对称性—应该可以在时空的特定区域施行这些对称变换而不影响到另外一个区域。这个要求是广义相对论的等价原理的一个推广。规范“对称性”反映了系统表述的一个冗余性。规范场论在物理学上的重要性，在于其成功为量子电动力学、弱相互作用和强相互作用提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型。这套理论精确地表述了自然界的三种基本力的实验预测，它是一个规范群为SU(3) × SU(2) × U(1)的规范场论。像弦论这样的现代理论，以及广义相对论的一些表述，都是某种意义上的规范场论。有时，规范对称性一词被用于更广泛的含义，包括任何局部对称性，例如微分同胚。现在我们把电场、磁场、电磁场的宏观物理性质作为一种规范来对待并用它来分析电场、磁场以及电磁场的局域电结构。详见附件。 |
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