电子是如何变成光子的？

本题，是一个超现代物理的大课题，不要仰息西方答案，我们有尊严，他们不是神。

在今日头条之大众科普平台，有不少科学人士参与进来，积极探讨某些深层问题，笔者感到很欣慰。

1. 不是题外话的题外话

为什么说本题是超现代物理的？因为现有的科学原理嫣然不够用，现有主流理论明显不自洽，它们无法解释基础物理依然困惑的若干基本问题。

诸如：电子、正电子、光子的精准定义与生产机制？为什么正负电子可以发生湮灭反应，而负负电子则不可以？为什么正负质子对撞是降解反应而不是湮灭反应？电子与中微子的内部究竟是什么？光子究竟是什么结构？为什么光子有降频红移现象？为什么光子可以缩聚为电子？

这些问题的问题，主要原因是：某些主流理论的僵死误导，所谓科学共同体的逐利陷阱，除国内某些崇洋媚外的心态作祟，严重阻碍了新原理的发现。

殊不知，西方的伪科学理论，不仅在人文科学领域，而且在自然科学领域，颇有泛滥成灾的乱象，比如说“群体免疫”之荒谬。

恕我直言，国内某些基础物理研究人士可谓一脸懵逼一锅粥。要么仰人鼻息拾人牙慧，要么东施效颦忸怩作态，动不动就引用某个ABC博士XYZ教授，很难有自己的创意。

他们的内心世界五味杂陈虚与委蛇，明明心里不认可西洋主流的那些意淫，又怕被排斥在共同体之外，却又不想舍弃拉大旗作虎皮的苟且私利。

2. 电子的基本概念

笔者数十年对【粒子物理】的学习与研究的最终结论是：只有电子才是构造原子框架的基元粒子，只有真空(场)才是填充原子框架关联亚原子的基元介质。

2.1 电子的定义

电子是构造原子和/或核子的基元粒子。

●经典粒子学认为：

原子=电子(e)+核子(质子+中子)

质子(p)=夸克(uud)+缪子(μ)+胶子(g)

中子(n)=夸克(udd)+缪子+玻色子(g,W,Z)

正电子=反电子(与e⁻自旋方向相反)

中微子(ν)震荡的空间分布有三代

=电子代(νe)+缪子代(νμ)+陶子代(ντ)

夸克分类，按纯数学模型有【36种夸克】

问题：标准粒子模型无法满足能量守恒。

●物理新视野认为：

原子=核外电子+核内电子+场介质

原子核=核内电子(v≈c)+高密场介质(m')

质子=正电子(e⁺)+缪子(e⁻)+场介质(m')

p=2e(1.02M)+m'(937.28M)

中子=负电子(2e⁻)+质子(p)+场介质

n=2e(1.02M)+p(938.3M)+m'(0.68M)

正电子=颠倒南北极的电子(与e⁻自旋一致)

中微子=高能光电子=β射线粒子(e⁻,v≈c)

2.2 电子的尺度与半径

关于电子尺度或直径，即便是权威，说法很不一致，有说2.82费米，有说10⁻³费米，又说10⁻⁷费米，哥派量子说“电子无穷小”。

经典物理说2.82费米，还比较靠谱。但是，如果电子无穷小，那么电子的质量密度与电荷密度就会无穷大，这显然是荒谬的。

怎么确定电子的半径呢？直接测量是非常困难的，只能通过电荷之间相互作用的【实验公式】加【外推法】来估算了。以下是笔者的推算过程。

电子是什么构型？笔者认为，由于电子是最稳定的最长寿的基元粒子。

要想最稳定，就必须自旋最快，而球形最节约耗能，符合最小作用量原理，故电子可以假设为球模型。

注意到：两个电子靠得越近，电子绕旋速度越快，如果靠得很近，就以光速绕旋。这见证于从原子核衰变释放β粒子几乎是光速，说明中子的核内电子也是以光速绕行的。

电荷之间相互作用力，就是大名鼎鼎的库仑定律：F=ke²/r²...(1)，k=1/4πε₀=9×10⁹

假设电子半径为r₀，正负两个电子之间几乎靠在一起，电荷之间的距离r=2r₀，

电子电荷之间的相互作用力，是一对反作用力，本质上是两个电子光速自旋的向心力与反向心力，故：F=m₀c²/r₀...(2)，

可令式(1)=式(2)，有：

ke²/(2r₀)²=m₀c²/r₀...(3)

r₀=ke²/4m₀c²...(4)

=0.77×10⁻¹⁵[m]=0.77费米。

备注：有人说，我这是经典物理思维，早就被淘汰了。——糊涂！现代物理哪一个不是立足于经典物理的？最先进的仪器设备无一不是经典物理的产物。两个支柱理论，依然需要接受实践的考验与时间的审判。

3.电子的内部结构、质密度、荷密度

知道电子的内部成分是极为重要的。无数实验表明，电子内部是纯净的最高密的真空场介质，电子是最典型的【色空亦空】。

3.1 电子内部是密度最大的场介质

四大皆空。色即实粒子，空即真空场。实粒子，不过是高密度的真空场。

虚粒子或玻色子只是场梯度的测量单元，例如引力子(轴子)、光量子(光子)、声量子(声子)。虚粒子并不是一个独立存在形式，而只是为了便于测量与计算的权宜之计。

正因为电子内部是最高密度场，而光子也是真空场介质，所以当电子极速碰撞时，才有可能电子变光子，即电子急遽膨胀为光子。

光电关系eU∝Ek∝hf本来就是【连续函数】，而不是【取整函数】，当加速电子克服【束缚功阈值】eU₀，才会变成光电子并激发电磁波的极限频率f₀，

但是，当U<U₀，电子也会激发相应电磁波，只是f<f₀而已，这与原子光谱的超精细结构的生产机制是一个道理。正因为电子轨迹的【连续性】，才有所谓的【超精细】。

请注意，数学上的取整函数或量子化是违背能量守恒定律的。光电效应并不意味着量子化，只要电子枪达到【脱出功】或者电磁波达到【极限频率】，原子就会就会释放β电子或光电子或自由电子。

3.2 电子的基本参数

●电子的经典体积

V₀=4.2r₀³=1.92×10⁻⁴⁵[m³]

●电子的质量常数

m₀=9.1×10⁻³¹kg，

●电子的固有势能

U₀=m₀c²=8.2×10⁻¹⁴[J]=0.511M[eV]

电子电荷，即基本电荷

q₀=e=1.6×10⁻⁹C。

3.3 电子的三项密度

●电子的质量密度：

ρ₀=m₀/V₀...(5)

=9.1×10⁻³¹÷(1.92×10⁻⁴⁹)

=4.7×10¹⁴[kg/m³]=4.7×10¹¹[t/m³]

=4700亿吨/米³

●电子的势能密度

σ₀=U₀/V₀...(6)

=8.2×10⁻¹⁴÷(1.92×10⁻⁴⁵)

=4.27×10³¹[J]

●电子的电荷密度

ε₀=q₀/V₀...(7)

=1.6×10⁻¹⁹÷(1.92×10⁻⁴⁵)

=8.3×10²⁵[C/m³]

3.4 电子的七个宇宙之最

就物质的深层结构而言，电子是唯一终结的唯一性的基元粒子，电子有七大宇宙之最。

①电子的半径最小

②电子的体积最小

③电子的质量最小

④电子的自旋最快

⑤电子的质密最大

⑥电子的能密最大

⑦电子的荷密最大

4. 正电子的发生机制

正电子，最初有安德森云室实验提起，原本是负电子因【通过与核电荷的反向磁场】而颠倒了南北极的变态电子。

有权威人士说，正电子恰好是狄拉克预言的反物质电子。反物质是与正物质自旋方向相反的粒子，但这只是纯数学的构想。

事实上，我们从正负电子对撞机的实验布局与反应机制发现，有以下五个步骤：

①电子枪发射出若干负电子(↑)；

②若干负电子分别通过正反两个磁场；

③反向磁场电子颠倒姿态变成正电子(↓)；

④各自在回旋加速器轨道被加速到光速；

⑤正负电子对撞并急遽膨胀为正负光子。

在“湮灭反应”前后过程有几个要点

要点1：电子枪发射前，因核电荷(Ze⁺)磁场的异性相吸，核外电子与核电荷反向匹配，假设电子姿势是【南极向内】，记作↓。

要点2：电子枪发射后，核外电子南北极的指向不变，依然是【南极向内】，即↓。

要点3：进入反向磁场的电子，因反向磁场的作用，电子姿势颠倒，变成【南极向外】，即↑，不可能有“反向自旋”姿态。

换言之，电子还是负电子，只是颠倒了姿态，反电子的理论，事实上不成立。

要点4：正电子≡颠倒负电子的类比实验。把一个南极在下的磁性陀螺，先放在顶面为北极的磁盘上自旋，然后将其引入另一个顶面为南极的磁盘上，该陀螺不会反向自旋，而只能因同斥异吸效应而翻倒。

要点5：“湮灭”不是消灭而是“膨胀”。根据守恒原理，电子质量(m₀)变成光子质量(m₀)，电子动能(½m₀c²)变成光子辐射能(hc/λ)，电子电荷(e)变成光子电荷(e)，但光子的电荷密度极小。方程与计算如下：

2e(↓↑)+2×½m₀c²=2γ(↓↑)+2hc/λ...(8)

能量守恒：½m₀c²=hc/λ...(9)

光子波长：λ=2hc/m₀c²=4.85[pm]

光子半径：r=λ/2π=0.77[pm]

膨胀系数：ξ=(r/r₀)³=10⁹

此时，最高频光子体积是电子的10亿倍，电荷密度下降10亿倍，光子几乎不显荷性。

5. 关于光子造型的探讨

笔者认为，空间充满了不同频率的电磁波，不存在虚无空隙，否则无法解释。因此，源于电子膨胀的光子，不可能是球形粒子。

如果光子成球形，则按面心体堆积有25%的缝隙无法解释。光子以【飘带】或以正弦波的一个【波节】构型，才可能充分填满。

在光子的波节构型中，∽的长度是光子波长(λ)，∽每秒波动次数是光子频率(f)。

当然，我们可用拓扑方法，将波节揉成球形，就有了所谓的虚粒子(virtual particle)。

进而有了光子半径、体积、自旋势能、自旋角动量、电荷密度、质量密度、势能密度。

但是，我们必须清醒认识到，虚粒子是虚构的模型，实际并不存在，只为测算方便。

严格讲，根据熵增加原理，高能位总要向低能位扩散，构成电磁波的每一节光子，各不相同，即电磁波有【降频红移】效应。

当然，在波程不很远，如从地球发射到卫星的电磁波，可近似认为每节光子是相同的。

不过，如果是从遥远的类星体光源，发射电磁波到达地球望远镜，初始波长很短，如伽玛线到我们望远镜至少红移为毫米波。

以下第6,7,8,9节，讨论电子与光子的四大关系。

6. 核内电子激发的【光子质增机制】

本章提出的【场质增机制】，也叫【光子质增机制】，可以自洽解释核子结构的守恒问题。希望引起学界的热烈讨论。

6.1 粒子模型的困惑，音障效应的启发

在玻色子标准模型中，胶子质量为零(g)，介子质量是核子的80~90倍，这些基于对撞机实验与狭义相对论的杂合数据，彻底破坏了封闭系统的守恒原理，难怪杨振宁先生感叹“THE PARTY IS OVERR”，且竭力劝阻中国不要上大型强子对撞机项目。

我们知道，分子与原子的质量构成是【粒子+真空场】，场质量≈零，这是因为粒子速度远远低于光速，即v<<c。即便是最快的核外电子速度v≈0.0073c。

奇怪的是，亚原子的质量构成也是【粒子+真空场】，场质量(m')远远大于核内电子质量(m₀)，即：m'>>m₀，这是因为核内电子速度几乎以光速运动，即v≈c。

我们发现，当飞机以音速飞行时，会产生很大的【音障】，即飞机附近的空气密度急遽增大，产生了【音障型的密度急增效应】。

那么，音障的发生机制是什么呢？其实这个问题不难解释。一方面，飞机极速飞行，机身前面的空气介质被急速挤压，空气密度急剧增大。

另一方面，机身背后暂留真空场，外围的空气介质极速填充，更外围的空气介质随之大量涌入，也有【音障型的密度急增效应】。

笔者认为，基于电子湮灭反应，玻色子都是场量子或光子，其光子质量密度与光子波长成反比，与电子切向运动速度成正比。

若电子以低速震荡，光子密度可以忽略不计，但是亚原子的核内电子以光速震荡，也会发生【光障型的密度急增效应】。

6.2 因核内电子激发的【场质增光子】

●根据原子核的β衰变所释放光电子的初速度为准光速(v≈0.999c)来推定，核内电子以光速震荡(v=c)。

●核内电子与缪核电子之间，堪称有宇宙中最大的电荷之间的相互作用力（库仑力），由电子自旋的向心力提供，有：

F=m₀c²/r=ξ·ke²/r²...(9)

ξ=(m₀c²/ke²)·r...(10)

其中，ξ叫【强力弱化系数】，与核子半径(r)成正比。k=1/4πε₀叫【真空介质系数】

●核子内空间主要由核内电子云与高密场介质构成。核内电子以光速运动，产生【光障型的密度急增效应】。以质子为例：

质子=正电子+缪电子+若干场量子(m')，以电子质量常量(m₀)，规定：与虚粒子有关的参量右上角有撇号【'】。

m(1836m₀)=2e(2m₀)+m'(1834m₀)...(11)

由于质子内空间被核内电子云密布笼罩，所激发的高频光子均匀分布，故质子内空间的场密度=光子密度，进而有

场质量(m')=光子密度(ρ')×质子体积(V)

即：m'=ρ'V=ρ'(4π/3)r³...(12)

其中，r是待定的质子半径，也是核内电子的平均震荡半径（或轨道半径），而

光子密度(ρ')=光子质量(m₀)/光子体积(V')

即：ρ'=m₀/(4π/3)r'³...(13)

光子半径：r'=λ/2π...(14)

从(12)(13)有【单电子的场质增方程】

即：m'=m₀(r/r')³...(15)

式(15)的意义是：场质量(m')与光子半径立方(r'³)成反比，换言之，场质量对电子速度极其敏感。

根据式(11)，有质子的场质量：

即：m'=1834m₀=m₀(r'/r)³...(16)

有：1834=(r'/r)³...(17)

可求【质子的场效应半径】

r=r'·1834^-⅓=0.082r'...(18)

而，λ=2hc/m₀c²=4.85[pm]

且，r'=λ/2π=7.7×10⁻¹³[m]=0.77[pm]

故：r=7.7×10⁻¹³×0.082=0.63 [fm]

即质子半径的场效应计算值是0.63费米，而权威资料称，质子半径的实验测算值是0.84费米。数量级几乎没什么大毛病。但孰是孰非，有待进一步验证。

7. 因核外电子激发的【场效应光子】

这个命题的提出，基于并解释【原子光谱的超精细结构分布】与【光电效应方程】。

原子内空间，由核外电子与原子核构成。核外电子与核电荷之间的相互作用力提供核外电子绕核震荡的向心力，即库仑力。

核外电子不同速度的切向运动，既有切割核电荷的磁场，也有切割自身磁偶极子的自旋磁场，进而产生电磁场与不同频率的电磁波，进而表现为原子光谱超精细分布，有

½m₀v²=hc/λ...(20)

为不失一般性，对于质量为m的大粒子切向运动而言，其挤压或扰动真空场进而激发电磁波，方程(20)改写为

½mv²=(m/m₀)hc/λ=1.5kT...(21)

其中，m/m₀=n，表示对应的光量子个数。k=1.38×10⁻²³J/T是玻尔兹曼常数，T是热力学温标。

就光电效应而言，当核外电子接受外来的加速电压(U)或热辐射能(Q)达超电子脱出功的阈值(W₀)就会变成光电子或等离子态电子。

eU₀=W₀=½m₀(v₀²-v²)=h(f₀-f)...(22)

方程(22)是方程(20)的特例。

8. 因自由电子消弭的【超低温光子】

狄拉克认为，宇宙空间是电子的海洋。这话说对了一半。其实，电子在不同环境下的寿命是截然不同的，尤其超低温与超高温。

在离地800千米的地球大气层，不仅电离层有自由电子，还有非电离层因量子隧穿效应的自由电子。

在离地6000千米之外的地球辐射带，不存在分子与原子，都是亚原子或等离子体，本质上都是自由电子。

但在离地150万千米的微波背景辐射带（深太空），没有分子原子，也没有亚原子，那里的电子因为超真空与超低温，高能态电子完全降解或消弭为低能态光量子。

此时电子变光子的场效应方程，依然可套用式(20)，写成：

½m₀v₀²=hc/λ₀...(23)

其中，光子波长λ₀的实测值大约是7.35厘米，相应的绝对温标是2.725K。

当然，在更遥远的深太空，例如离地1000万千米，光子波长可能是米波乃至千米波。

9. 因光速电子碰撞的【超高温光子】

这里分类的超高温光子，就是前文提及的正负电子湮灭反应的最高频率的临界光子。具体方程可参阅本文的【第4章】。

为什么我们总是用正负电子而不是负负电子或正正电子进行对撞实验呢？有两个简单的理由是：

一是，利用【同斥异吸原理】，至少可以大大减少实验难度；

二是，利用【泡利不相容原理】，或许，哪怕你用再大功率的电子枪，也不可能强迫两个同性电子电荷进行碰撞，要知道电子是独一无二的极稳定极致密的基元粒子。

(完)