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读懂这篇文章,回答你儿子提出的光的问题:光的本质和光的传播!

2017.07.05

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十三章:光的本质和光的传播

通过上面的很多章节,我们分析了光的诸多实验内容。包括光的反射,折射,色散,干涉,衍射,光电效应及迈克尔逊莫雷实验。这一章我们将对光知识有一个整体的总结和发散思考。

没有光,人类的世界的不可想象。但我们要理解光,追上光,似乎真的很难。从人类诞生到今天,光学研究依然很热门,就足以说明这一点。甚至有的人说光是“承上启下”的东西,连接宏观世界和量子世界,谁如果吃透了光的本质,本性,就会对这个世界有深的认识。

作为一个普通人,你认为光是咋样的?光对你来说意味着什么?今天我们一起来走进光的世界,去揭开它最神奇的面纱。

首先大家要知道的是“光”是一个特殊的词,为什么这样说呢?因为光的本质是电磁波,这是我们知道的。麦克斯韦是一个做出光是电磁波预言的人,赫兹是第一个用实验证实的人。

所以我们通常所说的光,光源,是我们可以看见的电磁波。电磁波之可见光谱范围大约为390~760nm,这只是整个电磁波谱中范围极小的一部分,所以它是特殊的。

其他光谱范围是人类看不见的电磁波,有紫外线,红外线,x射线,伽马射线等等。

所以重要的事情再强调一遍——光是一种电磁波! 那么我现在来问大家一个问题。

光具有的折射,反射,干涉以及有光电效应的现象,对于x射线,伽马射线,紫外射线等也有吗??

各位答案是确定无疑的,光具有的一切性质,其他名称的电磁波也具有。只是我们人眼睛看不到而已,能借助其他仪器来观测。

但不同光谱范围的电磁波,会有不同的差异。比如x射线,伽马射线有很强的穿透性,对人体有危害。

但在这里要强调,这种差异主要是对人类来说的。因为一块石头,任何一种电磁波都是一样的。它看不见任何光谱范围的电磁波,对于它来说也不存在“伤害”这个词。

光是一种电磁波,会引出另一个问题——电磁波的本质是什么? 只有了解电磁波的本质,才算是了解了光的本质。这个观点,大家都会认同。

电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面,变化的电场会产生磁场(即电流会产生磁场),变化的磁场则会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场,这就是电磁场,而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波,电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般,因此被称为电磁波,也常称为电波。

电磁波的官方定义如下: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。电磁波是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。电磁波在真空中速率固定,速度为光速。

所以电磁波本质是电磁场辐射。那么根据辐射学说,绝对零度不可达到,就说明万物皆有辐射。向外辐射能量,这种辐射就是电磁辐射。

所以用另一句通俗的话说电磁波是一种能量,光自然也是一种能量。这样我们就把光的一般性认识推广到所有物质中来了,任何物质都是能量。

这时候大家会想起爱氏的一个质能公式:E=MC^2。

这个公式中竟然出现了光?光速的平方!这是偶然吗?显然我不会这么想。

推导到这里,我们再来总结一下,光是一种电磁波,电磁波是一种能量辐射。即光是一种能量。

质能公式是普遍的,是宇宙范围内适用的公式,光出现在这个公式中,本身就代表了它是衡量宇宙物质能量的一个不可或缺“因子”。

无论你是初中生,还是科研工作者,如果你从来没有这样思考过的话,现在就可以好好思考一下这个问题了。

我在此书的第一章就强调过“世界是确定的,但世界的确定性我们无法把握。”这句话的深层含义就包括了,任何联系的偶然性,都是确定的。所以光出现在这个公式中,就不是偶然。

同样正是本着这样的思维指导,我在《变化》中大胆的对于惯性做了新的定义。也就是说惯性质量和引力质量严格相等的事实,在我看来绝非偶然,所以我推出引力是惯性的源泉观点。对这个问题,进行了阐述。

同样宇宙间的众多的反比平方定律,在我的眼中也非偶然,值得去探究。如果你把所有这一个个相似,看成偶然,我们必然会失去走近真相的机会。

无独有偶,爱氏场方程是中也出现了光。牛顿力学是爱因斯坦的狭义相对论在低速条件下的极限,包括万有引力定律。所以万有引力公式中其实是暗藏“光”的因素。

想到低速,你立刻就要想到“速度”这个词。但想到速度,你又会想到光速!对了,就是这样的。对于速度所带来的冲击,对于我们人类来说,至今新鲜。新的时空观,新的宇宙观,好像什么都是新的。

我们这一章是对光的总结行和启发性认识,所以我们必须紧紧围绕光来说。

那么现在说说光的运动,关于光的运动,前面的几个章节的铺垫,已经是现代实验所取得的成果。

首先我们普通人的第一印象是光沿着直线传播,其次光速很快,是最快的。

一个涉及运动方向,一个涉及运动速度,现在对这两个点我们进行分析认识。

更严谨的认识应该是这样的。光在真空中沿直线传播,也可以表述为光在同一种均匀介质中沿直线传播。【但最严格的真空和均匀介质是不存在的。】

在现实世界中,光大多时候不是沿着直线传播的。光在介质中传播时,由于光受到介质的相互作用,其传播路径遇到光滑的物体会发生偏折,产生反射与折射的现象。还有在不同条件下出现干涉,衍射等现象。另外,根据广义相对论,光在大质量物体附近传播时,由于受到该物体强引力场的影响,光的传播路径也会发生相应的偏折。

那么我现在又要问题了?那么我们说光沿着直线传播正确吗?或者说我们看到的光是直线的对吗?

答案是对的。光在同一种均匀介质中沿直线传播。就以上图为例白色光在进入三棱镜之前,算是在同一种介质中,所以是直线传播。进入三棱镜后,在三棱镜中也算同一种介质中【只不过是被折射了】,在出三棱镜界后,又是在同一介质中,所以沿着直线传播。

这个问题还可以转化为,光沿着直线传播,可是彩虹为什么是圆弧状的??大概就是上面的原因,但情况比较复杂。彩虹的形成是太阳光射向空中的水珠,经过折射反射折射……后射向我们的眼睛所形成。

我们问题永远不会是最后的一个! 接下来我再问你们一个问题:“既然光线是沿着直线传播的,为什么又说它是一种波。还有波峰,波谷?”

专业人士不要笑,确实有很多朋友,有这样的疑惑。所以我才写出来。既然是科普,就要讲出大家的疑惑。

答案确实不难,就像上面的图所示。我们说光是沿着直线传播的,可是没有人告诉你光是直线!大家要记住光沿着直线传播,但光不是直线!光是有波峰,波谷,和频率的,所以是有“波”的性质。

至于我们眼睛看到了光是直线,那是眼睛在欺骗我们。

如果你读了我关于光学知识的前几章铺垫,就应该很清楚的知道,刚开始光的微粒说是占主导地位的,这里面牛顿的权威影响很大。后来有了干涉和衍射现象的实验和解释,才打破微粒说,波动说开始被重视。再后来,爱氏关于光电效应的解释,引出光的波粒二象性。

在光具有波粒二象性的启发下,法国物理学家德布罗意在1924年提出一个假说,指出波粒二象性不只是光子才有,一切微观粒子,包括电子和质子、中子,都具有波粒二象性。他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微观粒子上,指出:具有质量m 和速度v 的运动粒子也具有波动性,这种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比,即λ= h/(mv)。这个关系式后来就叫做德布罗意公式。

很多人可能没有耐心看整个前面的铺垫内容,所以在这里再次大概给大家说一下过程。

先是惠更斯,后来是牛顿。

按照惠更斯原理,波的直线传播与球面传播。现在认为较为完全的光理论最早是由克里斯蒂安·惠更斯发展成型,他提出了一种光波动说。使用这理论,能够解释光波如何因相互干涉而形成波前,在波前的每一点可以认为是产生球面次波的点波源,而以后任何时刻的波前则可看作是这些次波的包络。从他的原理,可以给出波的直线传播与球面传播的定性解释,并且推导出反射定律与折射定律,但是他并不能解释,为什么当光波遇到边缘、孔径或狭缝时,会偏离直线传播,即衍射效应。

惠更斯假定次波只会朝前方传播,而不会朝后方传播。他并没有解释为什么会发生这种物理行为。稍后,艾萨克·牛顿提出了光微粒说。他认为光是由非常奥妙的微粒组成,遵守运动定律。这可以合理解释光的直线传播和反射性质。但是,对于光的折射与衍射性质,牛顿的解释并不很令人满意,他遭遇到了较大的困难。

由于牛顿无与伦比的学术地位,他的粒子理论在一个多世纪内无人敢挑战,而惠更斯的理论则渐渐为人淡忘。直到十九世纪初衍射现象被发现,光的波动理论才重新得到承认。而光的波动性与粒子性的争论从未平息。

后来杨、菲涅尔、麦克斯韦、赫兹等人完善了理论。

十九世纪早期,托马斯·杨和奥古斯丁·菲涅耳分别做出重大贡献。托马斯·杨完成的双缝实验显示出衍射光波遵守叠加原理,这是牛顿的光微粒说无法预测的一种波动行为。

这实验确切地证实了光的波动性质。奥古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理,在惠更斯原理的基础上假定次波与次波之间会彼此发生干涉,又假定次波的波幅与方向有关。

惠更斯-菲涅耳原理能够解释光波的朝前方传播与衍射现象。光波动说并没有立刻取代光微粒说。但是,到了十九世纪中期,光波动说开始主导科学思潮,因为它能够说明偏振现象的机制,这是光微粒说所不能够的。

同世纪后期,詹姆斯·麦克斯韦将电磁学的理论加以整合,提出麦克斯韦方程组。这方程组能够分析电磁学的种种现象。从这方程组,他推导出电磁波方程。应用电磁波方程计算获得的电磁波波速等于做实验测量到的光波速度。麦克斯韦于是猜测光波就是电磁波。电磁学和光学因此联结成统一理论。1888年,海因里希·赫兹做实验发射并接收到麦克斯韦预言的电磁波,证实麦克斯韦的猜测正确无误。从这时,光波动说开始被广泛认可。

看完了上面的介绍和解释,你对光的运动又提问吗? 我有提问:“惠更斯原理所假想的光的传播是真实的光的情况吗?即关于球面波,次波,包络面等这样描述,是光的真实样子吗?”

显然这些“次波”,“球面波”,“包络面”都是后天发展的词,也难为先辈们了。没有好的想象力,还不好创造这些词。

显然惠更斯是很有开创性思维的一个人,但大家要知道,他的原理是从现象入手的。并不是说他观测到了“包络面”“次波”之类的,是为了阐述光的运动,为了符合观测现象,而创造了这些词。

想象的成分很大,但这是结合实际的想象,所以是有用的。没有这次词,我们很难给你说清楚光的诸多现象。

现在我们知道了光具有波粒二象性,那么次波的观点肯定是正确的,有一种“微分”思维在里面。至于包络面,弧度这是“波”的特性,也可以认为是正确的。 所以答案就很明显了,这是在描述光的真实情况。

假如有另一个星球的人,他们所用的关于描述光运动现象的词,肯定不是这些。但我们知道,无论他们用了什么词,我们描述的东西是一个东西。

就好像语言一样,“早上好”有很多个不同的表述,发音,字体不一样,但我们知道,我们说的同一个意思。

那么菲涅尔在关于衍射和干涉的解释,无疑也是正确的。因为他是在惠更斯的基础上发展的理论。

惠更斯和菲涅尔的理论的数学证明,是由费马给出的。这个前面的章节中有说过。

关于光的衍射和干涉的解释,也是量子力学的基础。大家熟悉的一个实验还有单电子干涉实验。相当诡异的一个实验,一般认为一个电子同时通过两个缝隙,还有电子和实验观察者的关系等等。

本章在此不做讨论,但后面的文章中会为大家做这个解释和阐述。现在继续就光速做出解释。

可以毫不夸张的说,“光速”出现在了很多最普遍的物理公式之中。爱氏方程场就是这样的方程。我在宇宙物理书籍《变化》中对爱氏场方程做了很多阐述。

无疑场方程是正确的理论,它的难解性,就在于场方程的非线性波动性。这是一个宇宙方程。

光速无法超越,这是我们现在的认知。可是光速为什么无法超越?光速为什么是30万米每秒?回答这些问题,对我们很重要。

其实这个问题在《变化》第二十六章《关于光的质量以及运动速度的说明》中我就有过阐述。今天再给大家阐述说明一下。

真正意义上物体的运动速度是不会超越光速的,而且光子是没有静止质量的,光也就没有静止质量的。这点我是赞同爱氏的观点。

我们先来说说物体为什么不会超越光速?大家看看这个公式m=m0/sqrt(1-v^2/c^2)。假如物体的速度V大于光速,那么根号下肯定是1减去比它大的数字,得到一个负数,负数怎么开根?就算开出来也没有任何意义。这就是为什么理论上超光速是不存在的。

同样是这个公式,我们假设物体质量为1。物体速度达到光速。那么此时物体的质量就变成了1除以0了。1除以零在数学上没有意义,可是在现实宇宙环境中,意味着无穷大。也就是说物体质量趋向于无穷大。大家可以在手机上输入1除以0,就会显示无穷大。

所以这就是为什么物体不能达到光速的数学解释。无论质量为1,2,3等任何一个正数,除以零,都是一个无穷大的趋向。

这是数学解释,你满意吗?我还要更深层次问物体不可以光速运动的原因是什么?一切数字公式回归现实才会变的有力量,更清晰!

我这样来回复大家,爱氏用时空弯曲解释引力的成因,我认为需要修正。那就是引力的成因是时空,不是时空弯曲。而且时间,空间,物质是一体的东西。这种一体的东西都可以用时空能量来衡量。所以任何物体必然是处于引力场中,处于宇宙之中的物体。

那么一个物体要超越光速就必须克服时空性质。这种时空性质是指宇宙环境,毕竟时间,物质,空间是一体的东西,它具有粘性。

而且有质量的物体以光速运动的话质量会趋于无限大,时间将停止。就好像是说这个物体作为一个“力点”要试图影响和拉动整个宇宙。所以这是不可能实现的情况。

因为单个物体的能量是不会超越整个宇宙的能量。所以这样解释的话光速其实是个法则,即光速是一种束缚态,是一个束缚态法则。这就是为什么物体运动速度不会超越光速!

另外一种通俗的解释可以是这样的,宇宙要求光速是以30万米每秒为极限做运动,而不容许它突破。

我们的问题还没有结束!既然光可以被大质量物体的引力偏转,就说明它应该具有质量。如果没有质量,引力就不会作用与它。

来看看两个公式,质能公式E=MC^2。和普朗克E=hv。假设光子有质量,所以不同的跃迁跳跃光子对应不同速度,然而这与观察结果不相符,被观测的光子速度均为统一速度。而且普朗克公式里面本来就没有m的出现,本身就说明了光子静止质量为零。或者也可以说没有静止质量。这样更加准确。

事实上我们知道光子静止质量为零,是一种理论的要求,我们谁也没有测量它的质量是“零”。也无法测量,因为你无法找到静止的光子。所以说光子没有静止质量是准确的。也可以说光子是一定有质量的,是有运动质量的。

爱氏曾质疑牛顿第一定律有循环论证嫌疑,这里我发现他这个理论也有循环论证嫌疑。我们在现实生活中找不到惯性系,却要来说明在惯性系中物体总要保持匀速直线运动和静止状态。同样我们要证明光子静止质量为零,首先必须找到静止的光子。可是静止的光子我们找不到,但我们还说光子静止质量为零。或者说光子没有静止质量。在这里的讨论看似无意义,其实很有意思。

我们接着假设光子没有静止质量,不同跃迁的光子对应一个固定的光谱,与观测结果一致。所以我们说光子没有静止质量。

那么问题又来了,光有运动质量,为什么运动过程,质量没有无限大?? 一般书本以光子没有静止质量来说明。但是我们其实还是不理解的。 有运动质量,为什么不遵守理论内容呢!

类似的问题还有一个:光速为什么以光速运行??规定光速原则的性质和宇宙法则机制如何的?

先来回答第一个问题,光有运动质量,却可以光速运行!我个人认为这和波粒二象性有关。光子的能量是传输是一份份的,而它被大质量物体偏转时候又表现出“波”的性质。

质量和能量是两个概念,物体的一体两面。光子我们多以能量来形容。也就是光子以光速运动的能量是多少多少,而不是质量是多少多少。能量不是无限大,质量自然也不是无限大。所以光子这个特殊的粒子以光速运动质量不会无限大。

否则打在我们身上的太阳光,直接将我们打的灰飞烟灭!但太阳光很温暖,说明它携带有能量。用我们可见的词汇来形容就是“温暖”,你见过谁会说给我来二斤“温暖”。这样形容其实不准确,只是为了让大家有直观的感受。

而一个原本有质量的物体,要以光速运动,就需要无限能量来维持它以光速运动。能量是无限的,那么质量自然无穷大,所以有质量的物体是不可能达到光速的。

其实波粒二象性本身就是“宏观”和“量子”的结合体现。也可以说是物体“质量”和“能量”的过渡体现。我们一般说质量多指宏观,能量却可以指向微观。所以爱氏在发现光电效应和建立了相对论理论后,一直脑海中有统一四种基本的力的构想是正确的,也是可以统一的。物理学的发展本身也是证明了这一点,只不过万里长城还差最后一段没有走完!

至于最后一个问题:光为何以光速运动? 刚才上面有回答了,其实还是时空“粘性“使然。这种粘性阻碍了物质的物体光速运动,又使得光子能以光速运动。

说到上面的循环论证,我想到了哥德尔不完备定理。

1、任意一个包含一阶谓词逻辑与初等数论的形式系统,都存在一个命题,它在这个系统中既不能被证明为真,也不能被证明为否。

2、如果系统S含有初等数论,当S无矛盾时,它的无矛盾性不可能在S内证明。

所以大家看到了,伟大的哥德尔为我们揭示了一个哲理启发。任何一个循环论证,悖论和理论想要以此说此,以彼证彼,层层跟进最后的结果是不可证,不可说。

这就是告诉了我们,宇宙以一种彼此连接的形式存在,却不能自证真伪。是啊,宇宙不需要真,也不需要伪,但是人类需要!

我们的问题没有最后的一个? 其实关于光,再多的问题也不多余,真正的难题,还没有解决?

麦克斯韦当初计算出电磁波速度是光速,大胆预言光就是电磁波。可是到现在有谁能说明光速为什么是30万米每秒,而不是29万米没秒。电磁波在真空中是30万米每秒,是频率和波长的乘积。可是单个光子速度也是30万米每秒,单个光子也有频率和波长吗? 各位为什么说我们的问题永远不会是最后一个了吧?

更多问题,更多回答。我的回答不是最好的,你们可以骂,但我希望你们的回答永远都比我好,比我的回答有启发性。

摘自独立学者,诗人,作家,国学起名师灵遁者量子力学科普书籍《见微知著》

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