粒子-光子模型：具备实验支撑的独特理论

以夸克模型为前提假设的标准模型理论，是现代物理学的重要组成部分。它有实验支持，有相对完整的理论，也有成功的预测案例，而且可以很好地与相对论和量子论融合。

然而，与粒子结构相关的理论猜想并不只有这一个。比如有名的弦论等，但它们一般只有数学上的模型却缺乏实验上的证据。

而有实验支撑且足够自洽的其他理论还是存在的，比如“粒子—光子模型”，它同样可以描述粒子的内部结构，并进行更大的扩展。它甚至有望帮助我们更好地认识相对论与量子力学中的基础细节，将两者补全并打通。之前我们曾说过，虽然现代物理学与经典物理学在时间顺序上前后承接，但它们的研究方法不尽相同，这两者依赖的前提假设也不尽相同。

粒子—光子模型可以看作经典物理学思想的延伸与继承。它的时空认知更贴近牛顿的经典时空观，但同样可以解释已知的几乎所有物理现象，无论是与相对论相关的，还是与量子物理相关的，或者粒子物理中的各种现象。

但请读者注意，粒子—光子模型并不是学术界公认的观点，只是一个在本书中第一次提出的假设模型。

现在让我们回到前文中的第二个光子钟实验。

在这个实验中，当飞船的速度增加到0.8c时，光子钟向下的移动速度会由10m/s降低到6m/s，这说明组成光子钟的每一个粒子向下的移动速度都由10m/s降低到6m/s。

相对论认为，是四维时空结构的变化造成了这一现象，因为时间维度膨胀导致时间变慢。如果的确存在可变的时间维度，那这种解释与实验观察相符，但现在我们要尝试另一种思路，那就是：

如果不存在可变的时间维度，粒子应该有怎样的内部结构才能导致“时间变慢”？才能让其纵向移动的速度随着水平速度的增加而降低？

光子钟是一个简单的结构，它由两部分组成，一个是其内振动的光子，另一个是反射光子的反光板。如果忽略反光板的材质与质量，只保留其在空间中的位置信息与反射光子的功能，我们可以认为这个简单结构描述的是：一个被束缚在特定空间范围内的振动光子。

粒子—光子模型认为，每一个有质量的基础粒子都如上述光子钟一样，由可以反射光子的粒子外壳与在其内折返的光子两部分组成，粒子外壳内的空间是光子的活动范围，而粒子所携带的能量便是其内光子的能量。

粒子—光子模型有两个典型形态，其中之一是粒子—内部光子振动模型，意即粒子内的光子在粒子内部往复振动，就如同前文实验中的光子钟，这也是便于说明与计算的最简形态。

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图3-1　用振动的光子模拟静态粒子

上图所示是一个在空间中静止的粒子，而粒子中的光子正在水平方向上往复振动。

先这样想象：当光子与粒子外壳发生撞击时，光子被反射，而粒子外壳的空间位置也会被光子改变，产生一小段位移。当被反射的光子反向撞击到粒子外壳时，也会产生一段相反的位移，两个方向的位移相互抵消。随着粒子内部光子与粒子外壳不断发生作用，粒子内的光子不断折返，粒子外壳的空间位置也会随之发生不间断的摆动。

在这样的模型中，我们仍然可以如宏观世界物体那样想象一个粒子的细节结构与动态：如果粒子外壳左右摆动的距离相同，那么虽然粒子内光子会持续振动，但粒子整体的空间位置不变，粒子处于静止态。

当没有外来因素影响时，除了静止态，典型惯性系的另一种状态是匀速运动态。在粒子—内部光子振动模型下，匀速运动可以理解为：往复振动的光子使粒子外壳在空间中左右摆动的距离不同，比如假设向左移动m，向右移动n，那么粒子内光子每一个回合的振动都会使这个粒子的位置发生m-n的改变。虽然从微观上看这个粒子是在左右摆动，但当我们从宏观上观察这个粒子时，会认为这个粒子以恒定的速度在做匀速运动。

图3-2　用光子的振动模拟匀速运动的粒子

也就是说：

粒子的空间位置，也就是其内振动光子的空间范围；而粒子在空间中移动的速度，是其内光子在多次振动后得到的叠加速度。

如果构成光子钟的每一个基础粒子真的具有这样的微观结构，那即使我们不采用四维时空结构的假设，也可以完备地解释前文中的第二个光子钟实验，甚至可以解释狭义相对论时间效应底层的物理机制。

现在，让我们暂时把构成光子钟的所有微观粒子都想象成粒子—内部光子振动模型表述的结构。