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光的本质是什么?科学至今也不知道!


对任何一个物理学家来说,光的波动性和粒子性绝对是一对不可调和的矛盾:如果光是波动的,那么宇宙空间必然存在着一种连续的媒介,此时光的粒子性就无法解释;如果光是粒子,那么空间中绝对不可能存在连续的媒介,否则阻力将使光无法以光速运动。但是光的波动性和粒子性却是在同一种物质现象中表现出来的不同性质,很自然地,肯定存在一种物质的作用既表现出粒子性又表现出波动性,到底是什么原因使光的传递表现出如此对立的两种性质呢?


“以史为鉴,可以知兴替。”在重新认识光的本质之前,我们首先要回忆一下和光本质密切相关的一个问题,这就是自然本质上是连续的还是间断的,这一问题的争论可以说贯穿了整个自然科学的发展史。


在古代,自然科学是包含在哲学这个庞大的思想体系之中的。当时在西方,关于自然本质的连续和间断就存在两种对立的学说,这就是“一元说”和“原子说”,一元说的代表人物是泰利士、阿那克西美、赫拉克里特,它相信空间中连续着运动的统一物质。原子说的代表人物是留基伯和德漠克利特,它相信空间是空无一物的。在这两者之中,还出现了第三个学说,它就是以太说,它借鉴了原子说的间断和一元说的连续,其代表人物就是亚里士多德。与西方不同,古老的中国当时只有一个涵盖一切的学说,这就是“气一元论”,这是一个和西方的“一元论”类似的学说,它认为空间中连续着不对称运动的统一物质,万物都是由这种物质组织起来的不同花样。


很多人可能迷惑,为什么西方出现了几个对立的学说,而中国只有一个学说。其实,原因很简单,西方的一元论难以解释自然界的多样性,而原子说则难以解释自然界的统一性。而中国的气一元论可以在统一的基础上很好地解释自然界的多样性,因此,根本没有出现两个学说的必要。


古中国人是如何将统一和多样有机地结合起来的呢?原来,中国的物质观与古希腊的物质观是有些差别的,它就体现在中国的气是一种有生命力的东西,而西方人理解的物质则是死的,如原子,以太。物质有了生命力,自然界的一切现象都可以用统一物质的有序和无序变换的规律来解释;而没有了生命力,组织现象就不可理解了。


很多人喜欢把古希腊的以太说与中国的气一元论相提并论,其实,以太观只是一个四不象的学说,它一不承认物质彻底的统一性,二不承认物质内在的生命力,而这却是气一元论的核心。气一元论在中国文化史上统治了几千年,至今不变,而古希腊的以太观就没有那么幸运了,到十七世纪,由于原子这些基本颗粒的发现,“原子论”已经不再被看成是假说,而是被认为是科学的理论,这样一来,“以太说”就没有存在的必要了。


在近代物理学史上,对以太说的争论是与光、电、磁本质的认识紧密联系在一起的。光学是最早发展起来的一门学科,在十七世纪上半叶之前,人们对光学的研究仅限于其几何性质,十七世纪下半叶,牛顿和惠更斯几乎同时提出了光的两种对立的学说--微粒说和波动说。牛顿是坚持微粒说的科学家,他基于光的直进、反射和折射等现象,从刚体力学角度出发,把光现象与力学中的理想刚球运动相类比,认为光是按惯性定律沿直线飞行的微粒流,是由发光物体接连不断地向周围空间发射的。与牛顿同时代的惠更斯却从振动力学的角度出发,把光现象与水波、声波相类比,形成了光本性的波动说。他认为光是由发光物体的振动引起的一种机械波,依靠具有弹性的媒质以太来传播,遵从着振动力学的规律。


很明显,如果以太是客观存在的,微粒说肯定是错误的,因为连续的阻力将会使微粒速度不断降低。反之,如果以太不存在,波动说就失去了它存在的基础。因此,对以太的争论一直牵涉到对光的本质认识。由于牛顿的威望,在牛顿以后的整个18世纪里,可以说牛顿的微粒说占据着绝对的统治地位。当历史进入19世纪,微粒说与波动说的争论又以新的面貌开始了。首先是英国的物理学家托马斯扬修改了惠更斯的波动理论,并根据自己所发现的双缝干涉现象为波动说竖起了一面旗帜,特别是当托马斯扬提出了光是横波的假想以后,法国科学家菲涅耳立即理解了这个假说的全部意义,按照这个模型,他成功地解释了当时已知的几乎一切重要的光学现象,从而严重地动摇了微粒说的基础。


在这场波动说和微粒说的争论过程中,真正给波动说做出可靠证明的是对由波动说得出的推论的实践检验。因为根据菲涅尔的波动公式可以计算出,具有一定波长的点状光源所发出的光,可以绕过一个小圆盘而聚集在圆盘后面的暗影的中央,出现一个亮点,实验的结果是惊人的,而且与理论的推导定量地符合。由此,光的波动说又战胜了微粒说,使光学又进入了一个新的时期--弹性以太光学时期。之后,麦克斯韦又提出了光的电磁说,而且这个学说很快就以大量无可辩驳的事实赢得了普遍公认,光的传播媒介也以“电磁以太”代替了“机械以太”。光的电磁学确定以后,大有彻底排除微粒说之势,光的波动说也几乎取得了完全的胜利,当时的几乎所有物理学家都相信了以太的真实存在。


不过,以太说的缺陷很快就暴露了,当美国实验物理学家迈克尔逊依据麦克斯韦的设想,在莫雷的协助下,以异常高的精确度反复进行实验,结果证明,不论地球运动方向同光的传播速度方向一致或垂直,测定的光速都相同,在地球和假想的以太之间没有相对运动,这个零结果使物理学家们垂头丧气,从而也从根本上动摇了光波载体的“以太”假说,以静止以太为背景的绝对时空观遇到了根本的困难。之后,光电效应实验和黑体辅射实验的相继出现也从一定程度上证明了光的波动说的局限,于是光的微粒说又重新出现了。


在这场物理学革命中,普朗克首先用光的量子论解释了黑体辅射实验,之后爱因斯坦用量子理论成功地解释了光电效应,接着玻尔用光的量子论解释了氢原子光谱。一系列量子理论的杰出表现,使量子理论又重振雄风。虽然老一辈的物理学家都反对量子论,但无可辩驳的实验又不断证实了这个学说的科学性。在这个学说的基础上,现代物理学出现了,它以相对论和量子理论为代表,否定了以太的存在,光的量子论又开始占据了统治地位,而光的波动说却由于没有了传递的介质被人淡忘了。


如果今天你向科学家问光是什么?可以说没有一个科学家能够确切地答出来,不过在他们的心目中,光已经被当成类似“子弹”一样的运动了,为了解释光的波动性,它们又人为地给这种“子弹的运动”加上了几个弯,量子力学就是在这种认识上发展起来的。


由于相对论和量子力学的成功,科学家们已经把以太看作是已证伪的事实,从而频频地用粒子说解释着诸多的自然现象,特别是在二十世纪中叶,量子论已深入到大部分的科研领域,科学家们也理所当然地把它当作“真理”教给下一代,没有多少人真正怀疑过它的真实性,他们如果不是不加思索地、就是完全信赖着量子力学。


以前,能够把光本性的“波动”和“粒子”两个完全不同的概念统一起来,被称为“唯物主义”的伟大胜利,但这种机械的统一并没有解决光的波动性和量子性之间“不可调和”的矛盾。应该说,波动性和粒子性描述了同一物质现象,那必然是同一种物质运动既表现出波动性又表现出粒子性,但如果我们认为光是一束粒子流,显然它不可能解释光的波动性,如果认为光是一种连续媒介的波动,这更是物理学家们连想都不敢想的事,因为巨人们已经否定了这种想法。在这两难处境中,我们又如何去理解这同一物质运动所表现出的两种不同现象呢?


应该说,对于今天的人类来说是幸运的,因为东西方科学的结合使人们有幸更深刻地认识光的本质。西方科学为什么解释不了光,是因为西方科学的前提假设错了,在一个错误的前提假设之上再怎么理解也是没有用的。与西方科学不同,东方科学有一个完全不同于西方的前提假设,它就是气一元论。与西方科学的前提假设不同的是,它一是强调物质在空间中的连续性,二是强调物质彻底的统一性。有了这两点,光的本质就揭示了。按照气一元论的观点,光就是依赖连续在空间中的统一物质有序和无序周期变换传递的,暂态的组织使它表现出粒子性,周期性地有序和无序变换使它表现出波动性。更形象地说,这里的粒子只是一个极为短命的粒子,它迅速产生(有序),又迅速灭亡(无序),周期变换,能量就是通过这种方式一包一包地进行传递的。


为了更形象地说明光的本质,我们拿现实中的一种物质运动来进行比喻,它就是涡街。见下图:所谓的粒子,其实是统一物质暂态的有序表现出来的,但它并不稳定,而是周期产生与灭亡,光就是依赖连续媒介的一个正向涡漩,继而一个反向涡漩的周期变换传递的。



很多人不知道,如果光真的是如此运动的,那么现代物理学会怎样?一句话,天翻地覆!因为现代物理学的整个基础就是错的,这就象爱因斯坦所说的那样:“我认为这样事情完全是可能的,物理学不是建立在场的概念之上,就是说不是建立在连续结构之上,这样一来,包括引力理论在内的我的整个空中楼阁以及现代物理学的剩余部分就没有什么会保留下来。”


那么这种假设是否真的正确呢?显然,单靠嘴说是没有意义的,它需要确定性的实验证明。现在的问题是,我们能否拿出确定性地实验来证明它呢?答案是肯定的,不过这种实验是间接的证明,因为连续在空间中的统一物质是任何精密仪器都无法观察的。


显然,一旦确定了光是连续媒介的周期运动,我们就知道了横波与纵波的真正区别了!纵波是连续媒介在运动方向上的疏密振动,而横波则是在连续媒介的周期运动中包含着一种旋转的能量,它是连续媒介的一个正向涡漩、继而反向涡漩的周期变换。由此我们可以得出一个重要的推论,那就是有电磁横波一定有电磁纵波,有声音纵波一定有声音横波和它的类激光形式。如果我们能够证明了电磁纵波的存在以及声音横波和它的类激光形式的存在,就可以反证我们的观点是正确的!


我们能否从实验上加以证明呢?让我们拭目以待吧!相信这两个实验一证明,物理学的革命就开始了!


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