用量子理論推導康普頓實驗中的相對論“質速關系”

用量子理論推導康普頓實驗中的相對論“質速關系”作者：邱旭濱摘要：1923年，美國物理學家康普頓用經典電磁理論來解釋康普頓效應時遇到了困難，康普頓借助于愛因斯坦的光子理論及相對論“質速關系”對此實驗現(xiàn)象進行了圓滿的解釋，但并未揭示質速關系的真相。經重新研究發(fā)現(xiàn)，康普頓實驗用量子理論便可得到合理的解釋，“質速關系”是光電效應量子化的結果，是一種量子效應。這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，是對量子理論的必要補充，為解釋微觀領域相對論現(xiàn)象提供全新的視角。關鍵詞：康普頓散射實驗；相對論；經典理論；質速關系；量子理論前言量子理論作為近代新興的物理科學理論在描述與解釋物理世界取得過輝煌的成績，也成為近現(xiàn)代物理大廈的重要支柱，在未來亦必將繼續(xù)肩負起物理及相關科學發(fā)展的重任。但量子理論是在發(fā)展中不斷完善的，它的完善離不開各種新的發(fā)現(xiàn)。經研究發(fā)現(xiàn)，康普頓效應蘊含著重要的量子效應規(guī)律，這一規(guī)律與質速關系緊密相關，可以更好的解釋光電效應，必然對量子理論的完善發(fā)展有著重要價值。一、康普頓散射實驗介紹1923年，美國物理學家康普頓在研究X射線通過物質發(fā)生散射的實驗時，發(fā)現(xiàn)了一個新的現(xiàn)象，即散射光中除了有原波長λ0的X光外，還產生了波長λ>λ0的X光，其波長的增量隨散射角的不同而變化。這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(ComptonEffect)。用經典電磁理論來解釋康普頓效應時遇到了困難，康普頓借助于愛因斯坦的光子理論及相對論，從光子與電子碰撞的角度及相對論質速關系對此實驗現(xiàn)象進行了圓滿地解釋。簡述如下：根據(jù)光子理論，X射線的散射是單個光子和單個電子發(fā)生彈性碰撞的結果。在固體如各種金屬中，有許多和原子核聯(lián)系較弱的電子可以看作自由電子。由于這些電子的熱運動平均動能（約百分之幾電子伏特）和入射的X射線光子的能量（104~105eV)比起來極小可略去不計，因而這些電子在碰撞前可以看作是靜止的。一個電子的靜止能量為me0c2，動能為0。設入射光的頻率為f0，它的一個光子就具有能量hf0，動量hf0·e0。再設彈性碰撞后，電子的能量變?yōu)閙ec2，動量變?yōu)閙eu；散射光子的能量為hf1，動量為hf/c·e，散射角為φ，e0、e分別為碰撞前和碰撞后的光子運動方向上的單位矢量（如下圖）： 圖1光子與靜止的自由電子的碰撞分析矢量圖按照能量和動量守恒，同時考慮反沖電子速度可能很大，質量m取相對論質速關系，由此得出康普頓散射公式。從量子力學角度重新解釋康普頓實驗歷史上，在對康普頓電子散射實驗的計量研究中發(fā)現(xiàn)，引入相對論的質速關系，所得計量結果與實驗相符。但歷史上對康普頓電子散射的解釋，并未揭示質速關系與量子理論的內在聯(lián)系。實際上，經研究發(fā)現(xiàn)，康普頓效應用量子理論便可得到合理的解釋，質速關系只是光電效應量子化的結果。康普頓實驗中涉及的相對論“質速關系”是光電效應量子化的結果根據(jù)現(xiàn)代物理學可知，電子湮滅成為光能量的事實，可知電子的質能與光量子的關系為mec2=hf。粒子的質能，有人認為mc2本身就是相對論的產物，其實是誤解。比照熱力學原理可知，一個系統(tǒng)中以速度u運動的粒子，其能量為Mu2。從量子論的角度可知，構成粒子的要素與光量子是同源同質的，其質量為m，其速度為c，則顯然系統(tǒng)的能量為mc2。正因為如此，才體現(xiàn)出電子是光量子mlc2的粒子化：hf=mlc2=mec2?？梢?，質能mc2并不是相對論的專利。由于電子實際上是光量子的粒子化，必然有其固有的頻率與波長：由于光量子都是由一份份最小能量|h|J（J焦耳）所組成，即：可知對應的基本質量子（以mh表示，下標h為普朗克常數(shù)符號）為：故對于任何的光量子有：那么，對于入射光、靜電子、出射光就有：即： 考慮出射光量子能量大小與出射角度φ有關（出射角與反沖能量大小相關），且實驗中入射光與出射光的波長差與（1-cosφ）有關，故把它引入到等式兩邊。雖然（1-cosφ）是根據(jù)后來實驗結果得知的，但這不妨礙我們把它當作一種預設引入到等式兩邊。一是引入的（1-cosφ）在方程的左右兩邊，沒有破壞方程的平衡，二是在這一預設下，得出的結果必須與實驗相符合且由結果反向推導不會出現(xiàn)其它解，故可知它是充分必要的條件，是排它的。下文的演繹過程事實上都滿足這一要求。即有：因為me0cλe0=h中的波長λe0實質即為康普頓波長λc，所以波長差為：康譜頓為了找出滿足實驗結果的條件，預設了實驗與質速關系相關，并加上動量守恒及能量守恒，得出了符合實驗結果的波長差公式；本文在量子力學的關系式左右兩邊同時加上與實驗相關的（1-cosφ)項，也是作了預設，得出了符合實驗結果的波長差公式。從上述的推導中可以看出，決定這一結果的其實只是入射光的質量、靜電子的質量、出射角度，及一條重要的條件，即電子質能量子化me0c2=hf。下面具體探討一下，為什么質量與角度φ決定了出射光的波長。由于電子質能量子化，而光量子又是由基本質量子mh與頻率構成，故有：從這里可以發(fā)現(xiàn)，康普頓實驗結果與光量子及靜電子自身的振動周期有關（注意靜電子能量振動周期Tc與康普頓波長相應λc，Tc不是電子繞原子核的振動周期）。出射光的振動周期由入射光與靜電子能量振動周期及出射角決定，反映了出射光的周期以入射光的周期為基礎，疊加入射光與電子交互作用的周期Tc（1-cosφ）。交互作用的時間越長，反映了每一份入射光量子在電子中滯留的時間越長，被電子吸收的能量越多，出射的能量越少，出射光的波長越長。由于出射光能量由入射光和靜電子能量振動周期及出射角決定，電子增加的能量也就確定了，進而結合動量守恒及能量守恒，質速關系便確定了。質速關系推導過程如下：動量守恒：能量守恒： 把（8）代入到（9）式中得：上文中已論述了入射光、出射光、電子質量與頻率（或周期）的關系，可知質速關系是由頻率（或周期）及出射角決定的，見下：把（10）式代入（11）式中得：由（12）式可得：上述過程可歸納為： 這正是光電效應量子化、動量守恒、能量守恒的必然結果?？梢钥闯?，這其實是式（1）、（2）、（3）式的逆過程。式（1）、（2）、（3）過程反映的是，光速不變性決定了相對論質速關系，進而決定了出射光波長的變化，同時動電子因具有u速度而獲得相對論的動質量。這一過程沒有考慮到真實的能量吸收。而式（7）、（1）、（2）反映了質速關系由能量固有頻率決定，電子質量的增加不是相對性的觀察效果，而是真實吸收能量后電子頻率增強、質能增大。兩個相逆的過程具有明顯的邏輯差別。前一過程，動質量因速度的變化而變化，速度決定了質量。后一過程，電子質量的增加由入射光質量、靜電子質量及出射光角度決定（出射光角度與反沖能量大小相關），進而決定了電子速度。康普頓實驗符合相對論質速關系的本質原因眾所周知，質速關系與洛倫茲變換相關。而這一變換在相對論中，以光速不變性原理為前提。為什么光電效應量子化也能推導出質速關系呢？這是因為在量子時空環(huán)境下，以實驗室為參照系，入射光與出射光都以光速運動，同時電子質能量子化，使得入射光與電子在交換能量的過程中正好滿足了光速不變，進而在能量守恒與動量守恒的制約下，質能分配滿足質速關系。根據(jù)現(xiàn)代物理粒子湮滅轉化為光能量可知粒子與光量子本是同一物質的不同形式，無論宏觀還是微觀粒子都不是憑空創(chuàng)生的，其構成物質只能來自于量子世界這一汪洋大海，由于粒子是聚合之物，只有受到外力的約束才能保持聚合的形態(tài)，并不斷與外部的量子海洋交換能量．根據(jù)各種不同頻率的光波具有相同的光速，可知，當前實驗可觀察的量子世界以光速c不停的振動傳播.比照熱力學原理可知，由光量子構成的粒子系統(tǒng)，其質能為．考慮到實驗立足于實驗室這一參考系的客觀事實，靜電子的質能相對于實驗室參考系為，故其周邊的量子海洋亦以光速振動．根據(jù)入射光與出射光均為光速原理，可知構成電子質能的光量子受外來光量子的作用不改變光速振動，只改變振動方向，故電子速度u只能是組成電子的量子群體螺旋曲折前進的表象．如圖2所示：ccu圖2靜電子以光量子態(tài)振動圖圖2中虛線僅表示受力后電子的運動方向，實線表示受力前靜電子以光量子形態(tài)繞中心振動。uuc圖3靜電子以光量子態(tài)振動圖圖3反映的是電子受外力作用后，構成電子的量子群運動方向發(fā)生改變，產生前傾偏角，螺旋曲折運動，整體看來仍然以速度u前進，如圖4：ooucc圖4電子受力偏折運動的速度關系圖這正好構成了如下的動量關系：這正是光電效應量子化、動量守恒、能量守恒的必然結果。電子吸收能量內部分配亦遵循量子效應規(guī)律質速關系解構如下：可以看出與交互作用，獲得了速度u。獲得部分動能的同時減損部分質能，靜質能變?yōu)?；則獲得部分能量，動質能變?yōu)?。內部能量分配亦遵循量子交換規(guī)律：其中，正是電子靜質能減少的能量中的質量。同類實驗解釋基于量子效應合理解釋康普頓實驗這一事實，它必定亦可以解釋一些微觀同類的實驗現(xiàn)象。貝托齊極限速率實驗貝托齊極限速率實驗中電子由靜電加速器加速，隨動能的增大，速率趨近于極限速率c，而不是按牛頓公式電子速率無限增大。并得出粒子有一極限速率c這一結論。由此，這實驗亦被用于證明相對論的正確性。然而，這類實驗本質上與康普頓實驗類似，都是光電效應。即光量子與電粒子之間的相互作用。故極限速率必然能用量子效應的觀點來解釋。從康普頓實驗中可知，入射能量與粒子相互作用，能量、動量分配后有質速關系：，u速率受約束，越大，u就越大，且u小于c。從另一個更直觀的角度看，被吸收的能量除了要分配一部分能量推動電子以u速運動外，還要留下一部分能量保持自身質量與運動電子速率同步運動，故顯然。μ子實驗運動的高能粒子穿過一段距離所需時間與靜止時高能粒子的平均壽命之間存在一個洛倫茲因子的比例關系，被視為相對論的佐證。其中一個案例與μ子有關。μ子帶負電荷，靜止質量是電子的207倍，有的速度高達0.995倍光速，靜止平均壽命約τ=2.2微秒。科學家發(fā)現(xiàn)μ子居然能從6~7公里的高空出現(xiàn)并抵達地面，而按平均壽命計算，它能穿越的距離約，于是科學家認為高速運動的粒子要考慮相對論效應，故換算后穿越時間及距離為：因為所得的結果與實際的實驗結果較為接近，實驗被認為是對相對論的支持。然而，我們同樣可以用量子效應來解決這個實驗問題。首先，前文中量子效應認為靜粒子吸收能量高速運動，質速關系形式如同相對論，但不是相對論效應，粒子都是由一份份的具有相同速率的量子組成，每一量子不存在時空相對收縮，自然粒子也就不會發(fā)生尺縮鐘慢。其次，由于粒子衰變，本質上是粒子能量發(fā)生衰變的結果。當能量衰變到臨界點時，粒子就分解成其他形態(tài)。根據(jù)能量量子化的特點，可知一份份的能量衰減必然對應一份份的時間。也就是時間與衰變的能量之間呈正比的關系。即有：，k為常數(shù)，Δm為衰減質量，則有：此處反映了粒子平均壽命的本質是由衰減的能量決定的，處于高速運動時能量頻率高，衰變用時比靜止時增多，其比率自然因與質量直接相關而滿足質速關系。結論與意義康普頓實驗揭示了量子效應中的一條重要規(guī)律，即“光電效應量子化”，揭示了電子與光量子同質異構，所有的粒子與光量子，都由光速振動的基本質量子構成，只是存在的形式不同，電子本質是粒子化的光量子，即，這一事實，與正負粒子湮滅成光量子的現(xiàn)代實驗是一致的。通過對核心公式展開演繹，揭示了康普頓實驗中出現(xiàn)的“相對論質速關系”的本質是量子時空下光電效應量子化的結果。這一規(guī)律的發(fā)現(xiàn)，是對量子理論的必要補充，為解釋微觀領域相對論現(xiàn)象提供全新的視角?；诹孔有侠斫忉尶灯疹D實驗這一事實，它必定亦可以解釋一些微觀同類的微觀實驗現(xiàn)象。參考書籍：《大學物理學（光學、量子物理）》，張三慧著，清華大學出版社，2013年《大學物理學（力學、熱學）》，張三慧著，清華大學出版社，2013年《原子物理學》，楊福家著，高等教育出版社，2019年QuantumTheoryDeductionofRelativity"MassVelocityRelation"inComptonExperimentAuthor:XubinQiuAbstract：In1923,theAmericanphysicistComptonencountereddifficultiesinexplainingtheComptoneffectwiththeclassicalelectromagnetictheory.ComptonsuccessfullyexplainedtheexperimentalphenomenonwiththehelpofEinstein'sphotontheoryandrelativity"mass-velocityrelationship",butdidnotrevealthetruthofthemass-velocityrelationship.ThenewresearchfoundthattheComptonexperimentcanbereasonablyexplainedbyquantumtheory.The"mass-velocityrelationship"istheresultofthequantizationofphotoelectriceffectandaquantumeffect.Thediscoveryofthislawisanecessarysupplementtothequantumtheoryandprovidesanewperspectivetoexplaintherelativisticphenomenainthemicroscopicfield.Keywords:Comptonscatteringexperiment;relativity;Classicaltheory;Mass-velocityrelationship;QuantumTheory.PrefaceQuantumtheoryhasmadebrilliantachievementsindescribingandinterpretingthephysicalworldasanewlyemergingphysicalsciencetheoryinmoderntimes,andhasalsobecomeanimportantpillarofthemodernphysicsbuilding.Itwillalsocontinuetoshouldertheheavyresponsibilityofthedevelopmentofphysicsandrelatedscienceinthefuture.However,quantumtheoryisconstantlyimprovingintheprocessofdevelopment,anditsimprovementcannotbeseparatedfromvariousnewdiscoveries.Throughresearch,itisfoundthatComptoneffectcontainsanimportantlawofquantumeffect,whichiscloselyrelatedtotherelationshipbetweenmassandvelocity,andcanbetterexplainthephotoelectriceffect,whichisofgreatvaluetotheimprovementanddevelopmentofquantumtheory.IntroductiontoComptonscatteringexperimentIn1923,theAmericanphysicistComptondiscoveredanewphenomenonwhenstudyingtheexperimentofXrayscatteringthroughmatter,thatis,inadditiontotheoriginalwavelengthofXray,thescatteredlightalsoproducedXraywithwavelengthλ>λ0,andtheincrementofitswavelengthvariedwiththescatteringangle.ThisphenomenoniscalledComptonEffect.ItisdifficulttoexplaintheComptoneffectwiththeclassicalelectromagnetictheory.Compton,withthehelpofEinstein'sphotontheoryandrelativity,hassatisfactorilyexplainedtheexperimentalphenomenonfromtheperspectiveofphotonandelectroncollisionandtherelativisticmass-velocityrelationship.Thebriefdescriptionisasfollows:Accordingtophotontheory,X-rayscatteringistheresultofelasticcollisionbetweenasinglephotonandasingleelectron.Insolids,suchasvariousmetals,therearemanyelectronswithweakconnectionwiththeatomicnucleusthatcanberegardedasfreeelectrons.Sincetheaveragekineticenergyofthermalmotionoftheseelectrons(aboutafewpercentofelectronvolts)isnegligiblecomparedwiththeenergyofincidentX-rayphotons(104~105eV),theseelectronscanberegardedasstationarybeforethecollision.Thestaticenergyofanelectronisme0c2,andthekineticenergyis0.Ifthefrequencyoftheincidentlightisf0,oneofitsphotonshasenergyhf0andmomentumhf0·e0.Aftertheelasticcollision,theenergyoftheelectronbecomesmec2andthemomentumbecomesmeu;Theenergyofscatteredphotonsishf1,themomentumishf/c·e,andthescatteringangleisφ，e0andeareunitvectorsinthedirectionofphotonmotionbeforeandaftercollision: Fig.1VectordiagramofcollisionanalysisbetweenphotonandstationaryfreeelectronAccordingtotheconservationofenergyandmomentum,andconsideringthattherecoilelectronvelocitymaybeverylarge,themassistakenastherelativisticmass-velocityrelationship,andtheComptonscatteringformulaisobtained.Re-interpretingComptonexperimentwithquantumtheoryAlthoughtheintroductionofthemass-velocityrelationshipofrelativitymakesthemeasurementresultsconsistentwiththeComptonelectronscatteringexperiment,theinterpretationofComptonelectronscatteringdoesnotrevealtheinternalrelationshipbetweenthemass-velocityrelationshipandquantumtheory.Itisfoundthattherelativisticmass-velocityrelationshipcanbederivedfromquantumtheory,andthemass-velocityrelationshipisonlytheresultofthequantizationofphotoelectriceffect.2.1."Massvelocityrelationship"istheresultofquantizationofphotoelectriceffectAccordingtothemodernphysicalexperimentalfactthatelectronannihilationbecomeslightenergy,wecanknowthattherelationshipbetweenelectronmassenergyandlightquantumismec2=hf.Somepeoplethinkthatmc2itselfistheproductofrelativity,whichisactuallyamisunderstanding.Accordingtotheprincipleofthermodynamics,theenergyofparticlesmovingatvelocityuinasystemismu2.Fromtheperspectiveofquantumtheory,itcanbeseenthattheelementsthatmakeupparticlesarehomologousandhomogeneouswithlightquanta,whosemassismanditsspeedisc,soitisobviousthattheenergyofthesystemismc2.Becauseofthis,itshowsthattheelectronistheparticleoflightquantummlc2:hf=mlc2=mec2.Itcanbeseenthatmassandenergymc2isnotthepatentofrelativity.Sincetheelectronisactuallyaparticleoflightquantum,itmusthaveitsinherentfrequencyandwavelength:Photonsarecomposedofaportionoftheminimumenergy|h|J(Joules),namely:Thecorrespondingbasicmass(Expressedinmh,subscripthisPlanckconstantsign)is:Soforanyquantumoflight:Then,forincidentray,staticelectronandoutgoingray,thereare:Namely: Considerthattheenergyoftheoutgoingrayisrelatedtotheoutgoingangleφ(theoutgoingangleisrelatedtotherecoilenergy),andthewavelengthdifferencebetweentheincomingrayandtheoutgoingrayintheexperimentis(1-cosφ）Soweintroduceittobothsidesoftheequation.Although(1-cosφ）Itisknownfromthelaterexperimentalresults,butthisdoesnotpreventusfromintroducingittobothsidesoftheequationasapreset.First,introduced(1-cosφ）ontheleftandrightsidesoftheequation,thebalanceoftheequationisnotbroken.Ontheotherhand,underthispresupposition,theresultsobtainedmustbeconsistentwiththeexperimentandnoothersolutionswillappearinthereversederivationoftheresults.Therefore,itisanecessaryandsufficientconditionandisexclusive.Thefollowingdeductiveprocessactuallymeetsthisrequirement.Thereare:Becausethewavelengthλe0inme0cλe0=hisessentiallyComptonwavelengthλc，Sothewavelengthdifferenceis:Inordertofindouttheconditionsthatmeettheexperimentalresults,Comptonpresetthecorrelationbetweentheexperimentandthemassvelocity,andaddedtheconservationofmomentumandenergy,andobtainedthewavelengthdifferenceformulathatconformstotheexperimentalresults;Inthispaper,wealsomakeapreset,addthetermssuchas（1-cosφ)relatedtotheexperimenttotheleftandrightsidesofthequantummechanicsformula,andobtainthewavelengthdifferenceformulathatisconsistentwiththeexperimentalresults.Fromtheabovederivation,itcanbeseenthatthisresultisonlydeterminedbythemassoftheincidentlight,themassofthestaticelectron,theexitangle,andanimportantcondition,namely,theelectronmassandenergyquantizationme0c2=hf.Let'sdiscussindetailwhyqualityandperspectiveφdeterminesthewavelengthoftheoutgoinglight.Sincetheelectronmassandenergyarequantized,andtheopticalquantumiscomposedofthebasicmassmhandfrequency,thereare:ItcanbefoundthattheComptonexperimentresultsarerelatedtothevibrationperiodofthephotonandthestaticelectronitself(wherethestaticelectronenergyvibrationperiodTcisrelatedtotheComptonwavelengthλccorresponds).Thevibrationperiodoftheoutgoinglightisdeterminedbythevibrationperiodoftheenergyoftheincidentlightandthestaticelectronandtheoutgoingangle,reflectingthattheperiodoftheoutgoinglightisbasedontheperiodoftheincidentlight,andtheperiodTcoftheinteractionbetweentheincidentlightandtheelectronissuperimposed.Thelongertheinteractiontimeis,thelongerthequantumofeachincidentlightstaysintheelectron,themoreenergyabsorbedbytheelectron,thelessenergyemitted,andthelongerthewavelengthoftheemittedlight.Sincetheenergyoftheoutgoinglightisdeterminedbythevibrationperiodandtheoutgoingangleoftheincidentlightandthestaticelectronenergy,theincreasedenergyoftheelectronisalsodetermined,andthenthemass-velocityrelationshipisdeterminedincombinationwiththeconservationofmomentumandenergy.Thederivationprocessofmass-velocityrelationshipisasfollows:Conservationofmomentum:Energyconservation:Substitute(8)into(9)toget:Therelationshipbetweenincidentlight,outgoinglight,electronmassandfrequency(orperiod)hasbeendiscussedabove.Itcanbeseenthatthemass-velocityrelationshipisdeterminedbyfrequency(orperiod)andoutgoingangle,asshownbelow:Substituteformula(10)intoformula(11)toget:Accordingtoformula(12):Theaboveprocesscanbesummarizedasfollows: Thisistheinevitableresultofthequantizationofphotoelectriceffect,theconservationofmomentumandtheconservationofenergy.ItcanbeseenthatthisisactuallythereverseprocessofFormula(1),(2)and(3).Equations(1),(2)and(3)reflectthattheinvarianceofthespeedoflightdeterminestherelativisticmass-velocityrelationship,andthendeterminesthechangeofthewavelengthoftheoutgoinglight.Atthesametime,themovingelectronobtainstherelativisticdynamicmassduetoitsvelocityu.Thisprocessdoesnottakeintoaccounttheactualenergyabsorption.Equations(7),(1)and(2)reflectthatthemass-velocityrelationshipisdeterminedbythenaturalfrequencyofenergy.Theincreaseofelectronmassisnottheobservationeffectofrelativity,buttheincreaseofelectronfrequencyandmassenergyaftertheactualabsorptionofenergy.Thetwooppositeprocesseshaveobviouslogicaldifferences.Inthepreviousprocess,thedynamicmasschangeswiththechangeofspeed,whichdeterminesthemass.Inthelatterprocess,theincreaseoftheelectronmassisdeterminedbythemassoftheincidentlight,themassofthestaticelectronandtheangleoftheoutgoinglight(theangleoftheoutgoinglightisrelatedtothesizeoftherecoilenergy),thusdeterminingtheelectronvelocity.2.1.TheessentialreasonwhyComptonexperimentaccordswiththerelativisticmass-velocityrelationshipItiswellknownthatthemass-velocityrelationshipisrelatedtoLorentztransformation.Inthetheoryofrelativity,thistransformationisbasedontheprincipleofinvarianceofthespeedoflight.Whycanthemass-velocityrelationshipbederivedfromthequantizationofphotoelectriceffect?Thisisbecauseinthequantumspace-timeenvironment,takingthelaboratoryasthereferenceframe,boththeincidentlightandtheoutgoinglightmoveatthespeedoflight,andtheelectronmassandenergyarequantized,sothattheincidentlightandtheelectronjustmeettheconstantspeedoflightintheprocessofexchangingenergy,andthenundertheconstraintsofenergyconservationandmomentumconservation,themassandenergydistributionmeetsthemassandspeedrelationship.Accordingtotheannihilationofpositiveandnegativeelectronsaslightenergyinmodernphysics,particlesandquantumphotonsaredifferentformsofthesamesubstance.Bothmacroandmicroparticlesarenotcreatedoutofthinair,andtheirconstituentsubstancescanonlycomefromthevastoceanofthequantumworld.Becauseparticlesareaggregates,theycanonlymaintaintheformofaggregationundertheconstraintofexternalforces,Andconstantlyexchangeenergywiththeexternalquantumocean.Accordingtothefactthatlightwavesofdifferentfrequencieshavethesamespeedoflight,itcanbeseenthatthequantumworldobservedinthecurrentexperimentpropagateswithconstantvibrationatthespeedoflightc.Accordingtotheprincipleofthermodynamics,themassandenergyoftheparticlesystemcomposedoflightquantumis.Consideringtheobjectivefactthattheexperimentisbasedonthelaboratoryreferencesystem,themassandenergyofthestaticelectronisrelativetothelaboratoryreferencesystem,Therefore,thequantumoceanarounditalsovibratesatthespeedoflight.Accordingtotheprinciplethatboththeincidentlightandtheoutgoinglightarethespeedoflight,itcanbeseenthatthequantumoflightformingtheelectrondoesnotchangethevibrationofthespeedoflight,butonlychangesthedirectionofvibration,sotheelectronvelocityucanonlybetherepresentationofthequantumgroupofelectronsspiralingforward,asshowninFigure2:ccuFig.2VibrationdiagramofstaticelectroninquantumstateThedottedlineinFigure2onlyshowsthedirectionofmotionoftheelectronaftertheforceisapplied,andthesolidlineshowsthatthestaticelectronvibratesaroundthecenterintheformofopticalquantumbeforethe