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类型光究竟是什么?.doc

  • 上传人:灵遁者
  • 文档编号:91341
  • 上传时间:2021-10-21
  • 格式:DOC
  • 页数:18
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    究竟 是什么
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    光究竟是什么? ——灵遁者 关于光的文章,我在《变化》和《见微知著》中介绍过很多了,但有读者还觉得不够,内容和完整性远远不够,我自己也是这么觉得。一本书的完成只代表当下的思想,不能代表永远。就像我说的,最伟大的人类远远没有诞生,以此来说,最伟大的作品或者书籍,也远远没有诞生。我科普三部曲中的谬误一定很多,需要补充的点也一定很多,所以我会不断地去完善它。 今天这篇关于光的文章,是一篇综合性的思考,我会将它收录在《变化》一书中。现在就请诸君开动思维,随我一起来思考光究竟是什么? 有一点很明确,人类的探索史是一次次“追光史。”我们无法想象如果这个世界没有光,那将是怎样的场景?我们无法想象,其实我们也不敢去想象,因为人类需要光。 人类对于两个概念应该有特别的理解,一个是惯性,另一个就是光。理解这两个概念和研究这两个物理现象,将会使得我们把一切物理现象进行串联和解释。 那么问题来了,理解这两个概念的关键是什么?你来思考一下,是什么?如果你仔细思考,不难给出答案——场!没错,理解惯性和光的关键是场,一定是场! 为什么这么说,我们一起来思考。首先很多人困惑的一个知识点是光速不变!光速不变原理也是狭义相对论的根基,该原理表明真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。同样,什么是惯性,我们似乎都了解。但事实上,我们又不了解它。这就是我为什么说,我们要对此两者的概念有特别的理解。 任何物体都具有保持原来运动状态的性质,这个叫惯性,惯性是万有的,任何物体都有。任何物体都有,意味着什么?意味着广大无边和浩淼,于是我们很容易就联想到了空间!物理学上的名词自然就是宇宙空间,或者宇宙空间场。 那么这种宇宙空间场是什么呢?我们不能说是惯性场,因为没有任何实验数据和现象表明存在这么个惯性场。那么究竟是什么使得物体具有惯性,还是一个等待回答的问题。 从惯性质量和引力质量严格相等的事实出发,爱因斯坦得出了等效原理。那么符合什么使得物体具有惯性,就变得清晰起来。毕竟根据当代物理研究,可供选择的“项”也少之又少。惯性是万有的,引力也是万有的。爱因斯坦根据等效原理和广义相对性原理得出的理论也是引力理论,不是其他理论。所以我们自然而然,可以提出一个观点,使得物体具有惯性的原因是引力场。即我在《变化》中反复强调的:“引力是惯性的源泉。”其他诸如希格斯场,杨米尔斯场,电磁场等,都不是我们应该选择的“项”。 引力是惯性的源泉的内涵,比你想象地会更奇妙。这意味着万物都以光速保持其原来的运动状态。而关于惯性的定义,自然就变成了:在引力场中,物体保持原来的运动状态的性质叫做惯性。 这样一切变得有迹可循,而不再是没有原因了。不知道你有没有注意到我在表述什么?我说万物都以“光速”保持其原来的运动状态。大家看到了吗?惯性和光速看似风牛马不相及的东西,现在有了直接的联系。 现在再回到开头所说的,理解惯性和光的关键是场!现在你大概就有些清晰了,为什么是场了吧。如果还不够清晰,我们接着思考。这里值得说一句,既然万物具有惯性,那么光具有惯性吗?只要是有质量的物体,就具有惯性,就都受到引力场影响,那么光是有质量的,自然具有惯性。而且光是以光速保持其运动状态,其他物体同样和光一样是以光速保持其运动状态。比如我现在坐着写作,就可以说,我在以“光速”保持静止状态。【有人会说光没有质量,这是一种理论假说,是说光没有静止质量。可是不存在完全静止的光子,所以光是有绝对运动质量的,所以光一定是具有惯性的。】 光的本质是什么?得益于麦克斯韦的贡献,我们知道了光的本质是电磁波。什么是电磁波,电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的振荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性,其粒子形态称为光子,电磁波与光子不是非黑即白的关系,而是根据实际研究的不同,其性质所体现出的两个侧面。由同相振荡且互相垂直的电场与磁场在空间中以波的形式移动,其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定,速度为光速。 大家看到了吧,内容写得十分清楚,电磁波是以波动形式传播的电磁场!而且还有一点,大家必须明确,光速是与真空磁导率以及真空介电常数是有关系的。看看下面的内容,大家就懂了。 根据公式:所得出的光速值为2.9979×108 m*s,和光速的实测值非常接近,在1983年国际计量大会决定采用的真空中光速值为2.99792458×10^8 m*s。c为光速;ε0为真空的介电常数=8.85418782×10^(-12) F/m;u0为真空的磁导率=4π×10^(-7) N/A^2。所以,这种数学表示方式是根据麦克斯韦电磁方程组推导出来的。 而光速在真空中是一个定值,真空磁导率和真空介电常数也是定值。它们都具有一定的“恒定性”,这是光速不变原理的一个原因。显然真空磁导率和真空介电常数是与时空背景有关的,所以综合去考量,可以大胆得出光速为什么是光速,光速为什么不能超越。 原因就是光速是时空使然,光速恒定有时空背景限制。为什么呢?光既然是以波传播的场,而且大家要把这种场理解为立体场,也就是时空对于电磁场的作用,所以说光速是时空使然。而光速不能超越,可以认为光速是一种时空束缚态或场束缚态。即物体的能量不可能撼动整个时空,所以物体的速度就不能超越光速。 所以我在第四十四章中关于光的本质的时候写道:光速【真空中】是一种时空束缚态,光速为定值是时空使然。也就是时空告诉物质如何运动,这种运动就包含了以多大速度运动。光是物质,自然就遵从时空规律。 这句话是这样理解的,不知道你在看前面第四十四章的时候,是如何理解的。因此你就可以大胆得出结论,如果宇宙性质和环境发生变化,那么光速值自然会波动,所以光速值增加或者减少,不能证明爱因斯坦光速不变理论是错误的。 我在那一章里给了一个理解的案例,大家再看看吧。我们知道河槽宽的地方,河流流速缓慢;而河槽窄的地方,河流流速较快。等量的河水,我让河槽窄的地方,比原来窄上100万亿分之1米,那么窄的地方河流的流速有变化吗?理论上有变化,可是实际呢?实际是没有变化的,因为这样微小的变化,至少人类是无法测量出来的。 同样光速有测量值,也有定义值。但我们都知道,它不是绝对定值,小数点后面有多少数字我们不清楚,这可以解释为宇宙背景的“弹性”。你会发现很有物理常数,都不是绝对定值,那这就不是偶然。我有一章内容,专门列出了很多个常数,相信大家看到了,很多人可能会认为我是为了凑字数,而增加的这一章。其实还不是,对于这一章,我思虑了很久。我把这些数字都列了一个表了,试着找关系,看看能否找到一些共性,结果没有找到。当然我的算法就很简单,这是能力的限制。如果你看到了,你有新的方法,或许可以算出宇宙这种“弹性系数。” 还有一个思维,我给大家点一下。因为在我们否定了以太之后,就没有人在思考光或者引力传播需不需要介质的问题。各位,应该这样思考。否定以太没有问题,是人类的进步,也有实验支撑。 光波也不能理解为声波。声波是振动的空气引起的,而光波不是。光波,电磁波是由磁场激发的。我们现在所说的,光不需要任何介质可以传播,这句话其实是不可想象的。【主要是哲学方面】 我写这本书,就是为了告诉大家,我们创立一个理论的时候,先去想这个理论,这句话能不能想象是很重要的。光不需要任何介质可以传播。世界上什么都没有这个状态,你其实是想象不出来的。世界上什么都没有的话,世界不可想象,这个逻辑没有错吧。 就好像我这样说,没有玻璃的话,光不可能在玻璃中传播。更何况没有绝对的真空,所以光一定在介质中传播的,在不同的介质中传播速度不同。在介质中传播和需要借助介质传播是两个概念,大家继续思考。 宇宙中充斥着各种场,所以光传播的介质是“场”。同样引力的传播不需要介质,但引力必须穿透这些宇宙的“场”来把一个个带有质量的物体连接起来。这样去想,可以想象,也丝毫不破坏现在理论的框架,只是在表述上,需要修改。 按照我们现在的教课书,甚至可以这样理解。电磁波是电磁场的激发,它的磁力线延伸在理论上是无穷远的。这是我们学过的,也就是可以从某种程度上说,场的延伸也是无穷远的。所以电磁波以各种电磁场为介质进行传播。大家可以看看现在教科书中关于电磁波的定义,就好理解了。电磁波是由同相且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性,所以可以说电磁波以自身为介质在进行传播。引力,引力波同样也是,可以通过引力场传播。因为没有任何物质的传播是不可想象的。这和世界存在的方式是矛盾是两个概念。任何物质都没有,是世界不存在。世界存在的方式是矛盾的,是说我们关于世界的解释,一定有不能自洽的地方,就像哥德尔不完备定理所揭示的那样。 以自身为介质进行传播,顶多是有矛盾的一面,但是是可以想象的,也有理论基础。现代物理学是以西方人的思维进行建立的,他们这种“排除法”的思维是很好的,但不是任何时候都是很好的。 这是我要给大家点出来的一个点。你在科研的时候,你怎么想真的很重要的。尤其是当一个理论和实验,你进行了很长时间了,就要想一下,我是不是该换一个路走走,看看能不能走得通。 再进一步发散一下思维,宇宙可以认为有一个,但不排除,我们现在所说的宇宙只是宇宙的一个部分,我们现在是管中窥豹,坐井观天的人。而另一些宇宙的部分,它们的时空背景有可能与我们的部分有差异化,因此在它们的世界里,光速是恒定的,但光速的值与我们并不想同,这样的情况是合理的。 以上的内容,可以视为结论,但推出结论的过程在我看来更惊心动魄,也更值得我们去探究。读了上面的推论,我再次问你一个曾经困惑了科学大佬们多年的问题:光是粒子还是波? 即使今天,这个问题,你还是应该思考。关于光的第一个系统的理论是惠更斯1690年的《光论》,惠更斯认为光是机械波。不久之后,牛顿在1704年发表的《光学》中提出一个截然不同的理论,牛顿认为光是从光源发出的高速直线运动的弹性微粒流,这些粒子就像小弹珠一样,不同的弹珠有不同的颜色,它们携带能量,所以可以生热。 直到201年后,在1905年又被爱因斯坦拿出来成功解释了光电效应,并因此获得诺贝尔物理学奖。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现,而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们在研究光电效应的过程中,物理学者对光子的量子性质有了更加深入的了解,这对波粒二象性概念的提出有重大影响。 色散的微粒解释 色散的波动解释 而在这之前,1801年一个叫托马斯杨的人做了双缝干涉实验,证明光以波动形式存在,而不是牛顿所想象的光颗粒(Corpuscles),该实验被评为“物理最美实验”之一。二十世纪初物理学家将杨的双缝实验结果和爱因斯坦的光量子假说结合起来,提出了光的波粒二象性,后来又被德布罗意利用量子力学引申到所有粒子上。认为所有物质都对应着一种波,标志着“波粒二象性”概念的建立,光既是粒子也是波。 电磁波 首先面对上面的提问,你一定要清楚,我们开始就下的结论,光是以一种“场”!那么我问你,场是粒子还是波?你一定要清楚,场是立体的,这是事实。如果你看得细心,自然就读到了电磁波的定义,定义是电磁波是以波动形式传播的场。 再问你,单个光子是波还是粒子?单个光子是光吗?答案是肯定的。那么光是电磁波,答案自然是单个光子也具有波粒二象性。如果单个光子不具有波动性,那么双缝干涉实验,单光子发射怎么产生衍射条纹?如果单个光子不具有波动性,那么德布罗意的物质波理论怎么能够成立呢? 在说到干涉或者衍射实验之前,先了解什么是干涉,什么是衍射。物理学中,干涉(interference)是两列或两列以上的波在空间中相遇时发生叠加或抵消从而形成新的波形的现象。衍射就是波绕过障碍物继续传播的现象。生活中最常见的就是水波的衍射,水波经过一个缝之后,就会是这个样子: 宽缝衍射 狭缝衍射 缝的宽度越窄,衍射作用就越明显。当有两个缝隙时候,其实就是干涉和衍射现象都参与了。物理学中,大家热们讨论的电子双缝实验,就是这样的。严格表述就是电子双缝实验,而不是电子双缝干涉实验或者电子双缝衍射实验。有了这个认识,我们继续往下探讨。 1801年,托马斯·杨巧妙设计了一个实验,让一束相干光经过两个很小很小的狭缝,如果光是波,就应该会像水波一样干涉: 而如果光是粒子,则应该会像子弹枪一样(一个子弹枪扫射,如果只开1孔,墙上的子弹分布应该会像1孔大小一样,如果开了两孔,2孔的子弹分布会和1孔类似。事实是,光像水波一样。杨氏双缝干涉的结果是这样的: 杨氏双缝干涉 光通过双缝后没有照亮整个屏幕,而是出现明暗相间的条纹。这充分说明了光是波! 为了进一步了解双缝实验的物理行为,物理学者好奇地问,假设光子是一个一个的通过狭缝,那么,会出现什么物理状况?1909年,为了解答这问题,杰弗里·泰勒爵士设计并且完成了一个很精致的双缝实验。这实验将入射光束的强度大大降低,在任何时间间隔内,平均最多只有一个光子被发射出来。经过很久时间,累积许多光子于摄影胶片后,他发现,仍旧会出现类似的干涉图样。很清楚地,这意味着,虽然每次只有一个光子通过狭缝,这光子可以同时通过两条狭缝,似乎自己与自己互相干涉!类似地,电子、中子、原子、甚至分子,都可以表现出这种奇异的量子行为。 后来人们又升级了实验,产生更加让人疑惑的现象。例如,稍微改变双缝实验的设计,在狭缝后面装置探测器,专门探测光子通过的是哪一条狭缝,则干涉图样会完全消失,不再能观察到干涉图样;替代显示出的是两个单缝图样的简单总和。这种反直觉而又容易制成的结果,使得物理学者感到非常困惑不解。简单来说就是观测行为影响实验结果。 你怎么解释?首先大家要清楚,单个光子也是电磁波,电磁波以自身为条件【电磁场】进行传播,所以单个光子或者电子从某种意义上,可以有自我干涉。但并不是说,一个光子同时穿过了两条缝隙。因为只发射一个光子或者一个电子不会有干涉条纹出现!一个光子的自我干涉还是它自己!如果一个光子同时穿过两条缝隙,理论上,干涉条纹就会出现。这里的情况很复杂,不知道你能想到哪些? 我简单来说说。先不考虑荒诞的问题,我们就说一个光子同时穿过两条缝隙。有哪些原因可以产生这一效果。1、就是网友们经常说的,平行世界。2、单个光子以电磁场场或以波的形式穿过了两条缝隙。3、任何环境中都充实着电磁波和电磁场,单光子在进行实验中,无法避免与电磁场的隔绝,从而与外部环境产生干涉和衍射。 如果这些解释靠谱,新的问题是既然单个光子以“自我干涉”的形式穿越过两个缝隙,那为什么没有看到干涉条纹。答案还在单个光子身上!那就是单个光子所携带的能量如此之小,也无法在屏幕上形成宏观条纹,所以根本没有。所以单独发射一个光子,两个光子是无法形成干涉条纹的。 那么再回答另一个问题:“为什么观测行为会影响实验?”答案很简单,观测行为是一种扰动,扰动自然会影响实验。这个问题我专门在《见微知著》中有一章内容,所以这里不再展开讨论。 在这里还要强调一点,那就是我并不赞同一个光子会同时穿过两个缝隙。我说它自我干涉,不是说它会自我分裂或者变身。光子有自己的波长,光子的电磁场延伸范围理论上也是无限的,但光子的波长不是的。所以它只能通过一个缝隙,但通过场来自我干涉。 一个光子不能形成干涉条纹,就说明了双缝实验的干涉条纹是“群体”干涉行为,这也是符合干涉和衍射的定义。那么此刻就要把描述量子力学的重要武器搬出来了,那就是概率! 1927年索维尔会议 核外电子出现的位置无法确定,但通过电子云,我们大概知道了核外电子哪里出现的次数多,哪里少,这是一目了然的。1926年马克思·玻恩提出统计诠释,认为这种波是一种概率波,即粒子出现在空间某一位置的概率,所以大量电子或光子可以体现出波动性,他们出现在不同位置的概率有大有小,就表现出了干涉的图样。 用这个可以可以解释上面的问题,人们可以控制光子一个一个地发射,但每次同样地发出一个光子,光子最终到达的位置是不一样的,如果一个一个发射很多很多的光子,他们就会按照概率的统计分布在屏幕上,形成干涉图样(单光子干涉)。少量光子往往体现粒子性,而大量光子则体现出统计波动性。 有人说量子力学的本质就是概率,你认为呢?这个问题留给你,你慢慢思考。 读到这里,你对于什么是光有了解和认识了吗?我来为你梳理和总结一下。 首先光是一种电磁波,是以波动形式传播的电磁场。它具有立体性和广延性。光速为什么是光速是时空使然,因为真空磁导率和真空介电常数是定值。光速不能超光速的原因也在于此,物体无法以自身能量拉动整个时空,就必然要在时空的“束缚”中。所以说光速是一种束缚态,这是我个人的表达。你可以有其他的表达,来说明这样的情况。 光既然是场,那自然就是点,线,面的结合,所以自然就是波粒二象性,甚至是“体波粒三象性”。场的立体性没有表现出来,是因为看不见,摸不着,但不能说不存在,因为电磁场一定是物质场,不是虚拟场!自我干涉不仅是波的体现,还是体的表现。而且解释双缝实验的关键是概率和自我干涉,二者缺一不可。 但永远记住,我们的问题永远没有最后一个。关于光,我还有很多问题,但一旦牵涉出来,就要加入其他的解释,比如杨米尔斯场,希格斯场等等,我无能为力,留给诸君慢慢解答。
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