百科精品：3.1-1：物質粒子和能量子有相同的來源嗎？（多圖）

【人民報消息】前面我們談到了光子。一個光子是多少能量呢？在物理學上有一個公式：E=hν，這個字母ν表示頻率。公式表示光子能量和頻率的關係。比如紅光的頻率比較低，那麼一個紅光光子的能量就低；而紫光頻率比較高，表示紫光光子能量比較高。這樣就帶來一個問題：同一個頻率的光子可以看成相同的能量子，那不同頻率的光子就是不同的能量子。光波的頻率是從低到高連續的，那這光子不是有無數種嗎？怎麼能稱為「基本粒子」呢？（一）能量子的來源我們可以換一種理解：把一個光子看成是更小的能量小組成的，叫基本能量子，也叫h子，它的能量就寫成。一個光子是由多少個h子組成的，它的能量就是多少個。這樣一來，就成了下面的對應關係：

h子（作者製圖）

表示一個h子的能量，n表示一個光子中所含的h子的數目，E表示一個光子的能量。這樣就很好理解了。光子中所含的基本能量子越多，光子的能量就越大。

光波（電磁波）中含有電（E）和磁（B）的成分（AI製圖）

h子構成光子，可以構成許多種，不同的光子中所包含的h子數量是不一樣的。光子中所含h子特別少的，叫無線電波，它的穿透能力特別弱，但衍射能力特別強，就是遇到障礙物就拐彎過去，所以我們的手機在房間裡也能收到信號。光子中所含h子比較多的，就叫做可見光，我們眼睛可以看到。所含h子特別多的，有X射線和射線，它們的穿透能力就特別強。所有電磁波的家族，就像一個族譜，我們叫做電磁波譜。

電磁波譜（作者製圖）

目前還有的家庭使用日光燈，日光燈的燈管裡邊發出的電磁波中其實有大量的紫外線，對人是有傷害的。不過不用擔心，在日光燈管上塗有一層熒光粉，它的作用就是吸收紫外線，然後放出可見光，對人就沒有傷害了。這個熒光粉的作用，就像是把一根很長的大蔥，切成好幾根短短的蔥段。不同數量的h子，組成了不同的光子。我們還知道，變化的電場可以產生磁場；變化的磁場也可以產生電場。這樣相互產生，就形成了電磁場。電磁場向遠處傳播，就是電磁波。而光也是一種電磁波。這樣看來，電場、磁場、電磁場和電磁波（光波），它們都是親戚了，由同樣的粒子——h子組成的。那麼，它們之間的轉化，就像是化學反應一樣，只是h子構成不同的能量子時，結構的改變。這與石墨和金剛石的轉變也有類似之處。同時，無論電場子、磁場子和不同的光子之間如何轉化，組成它們的更小的粒子——h子是不變的，這就是能量轉化中的守恆。（二）物質粒子的來源在現代物理學的標準模型中，認為電子是基本粒子。但同時，又有另外一個現象：就是正負電子對的湮滅：

電子對的湮滅（作者製圖）

一個正電子和一個負電子相撞，然後都消失了，而出現了一對能量很大的光子——（伽瑪）光子。如果不是正負電子轉化成了光子，那它們哪去了？這違反了物質不滅。如果光子不是正負電子轉化來的？那它們從何而來？這違反了能量守恆。我們只能認為，電子轉化成了光子。那為什麼能轉化呢？就像金剛石可以變成石墨，卻變不成黃金一樣。因為組成金剛石和石墨的下一層粒子都是一樣的，都是碳原子。而變成黃金，除非發生核反應。也就是說，電子和光子有黃同的來源：都是h子組成的。中子可以變成質子，放出一個電子來；質子也可以變成中子，放出一個正電子來。這又說明，質子和中子也是由h子組成的。而所有的原子，都是由質子、中子和電子組成；所有的分子都由原子組成；所有的物質都由分子或者原子組成。那麼，一切物質都由h子組成，一切能量也都由h子組成。 H子是組成一切物質和能量的「基本能量子」。如果這樣的話，那光子是否可以變成正負電子呢？真可以。英國科學家做了高能光子碰撞產生正負電子的實驗，科學家首先用高能激光加速電子，當電子接近光速後撞擊金箔，就可以產生能量更高的光子束。然後科學家把高能光子引入黃金製作的容器中，使兩個高能光子發生碰撞，就能產生正負電子被儀器探測到。

左：光子轉變成電子；右：電子轉變成光子（作者製圖）

在科學的前沿，同一種現象，不同的人會有不同的解讀。科學的每一步發展，都是對先前理論的突破，甚至否定。而更新的理論，又是對這個理論的突破。科學就是這樣發展過來的。所以有科學家戲稱：科學總是從一個錯誤走向另一個錯誤。如果有人堅持說，哪個理論是牛頓說的，是愛因斯坦說的，怎麼可能錯呢？回顧科學發展的歷史，可以看到，當年牛頓從默默無聞到創立他的學說的時候，他承受的不也是這樣的壓力嗎？當他成名之後，愛因斯坦創立他的相對論的時候，不也有大量的人又利用牛頓的理論來打擊愛因斯坦嗎？歷史的教訓太多了。（三）如何理解？以水為例。在常溫下，水是液態的；溫度太低，它就結冰，成為固態；溫度太高，它就飄散到空氣中，成為氣態。水還是水，狀態不同而已。