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关于光的几个基本概念

已有 1661 次阅读 2019-9-7 09:45 |个人分类:时空认知|系统分类:科研笔记

关于光的几个基本概念

 

(0)陆陆续续发表了一些博客文章。里面的观点/说法,当然有对有错;近期整理一番,给出如下几个要点。

(1)关于光速不变(很多人纠结于此问题)。举例说明如下:

比如一个人叫做张三,张三做了很多好事,所以有很好的名声。张三的好名声在人群中传播,逐渐地,大家都认可张三是个好人了。现在的问题是:如果张三从西向东跑,那么张三的名声的传播的速度,向东方会更快一点吗?

问题很清楚,张三的跑动等同于光源的运动,有一个速度;光源发出的光,则是一种波动的传播;二者本不是一回事,哪里来的“速度相加”?

光作为电磁波,它的传播速度取决于媒质,只要真空(空气)的介电常数、磁导率是常数、各项同性、均匀、不变化,光速(准确地说,光传播的速度)自然必须是常数,光速自然不变。

核心性质的“误导性”的观点,是将光看作粒子(后来量子力学中的“波粒二象性”更倾向于混淆粒子与波,并不将两者明确分开,采取的是“黑猫白猫”式的哲学)。光源看作是移动有一定速度的车,从车上投出的小球,其速度是车速加上小球相对于车的速度;将光源与光,与小车与球相类比,得出光源移动的话,光速会有快慢的变化。如果明确指出,根本不可以这样类比,事情就很清楚了:张三移动归移动,将张三名声传播的速度(这是其他人的口耳相传、与张三本人其实无关),与张三本人移动的速度相叠加,逻辑上是不通的。

话说,光源移动,对于光的传播(光源连续发光的话),所造成的影响,是移动方向上频率的变化,也就是多普勒效应。(红移意味着光源与光吸收体相互远离。这种关系为宇宙在膨胀的观点提供支持,比如大爆炸宇宙模型。)

(2)光的粒子性。光可能具有“粒子性”,但未必直接就是粒子。

本人倾向于将微观尺度下的一切,包括电子,都,尽可能地,归结为波;所以论及光、或者电子束、粒子束等的波动,从来就不是问题,认为都是自然的。问题在于,如何去考虑或者解释“粒子/粒子性”。

光的粒子性,从来都是表现在与物质作用之时,且“粒子性”更多地是物质这一方所决定的,更多地关乎物质。在物质发光现象中,光源具分立的能级,能级之间的跃迁,导致发光,这导致光的能量是不连续的(因为能级不是连续性的),造成hν这样的“粒子性”;在物质吸收光的现象中,光打到物质上,物质对于光的吸收,也是“一份一份”地进行的,每一份对应能级间由下向上的跃迁,还是物质的能级结构起主导的作用。

爱因斯坦提出光子说,最重要的实验是光电效应。这个实验中,正是光与物质的相互作用,呈现出典型的“粒子性”;此时,是物质中电子的逸出功在起作用。

另一个实验,是光的双缝干涉。双缝干涉本身是波动效应,如前所述,本身不是问题;问题在于在同样的实验中,被人生生地做出了某种“粒子性”。据说在某些双缝干涉的实验中,可以做到让光子一个一个地穿过双缝中的某一个(缝),长时间曝光后,在白底上呈现黑色的干涉条纹;愿意的话,也可以安排让一个光子打到屏上时,发出一声“呯”的声响。这个实验,说的是光的传播,没有什么明显的“光与物质相互作用”;但是仍然有呈现“粒子/粒子性”,因为可以数出一个一个的“光子”。对于这件事,本人看法为,按标准的惠更斯波动原理的说法,两个狭缝处会发出子波,子波到达屏上满足相干增强条件的位置处,产生一个黑点;如果降低光的强度,那么缝1出发的子波,可能奔向+1级位置,而缝2出发的子波,可能奔向-3级条纹的位置;到底能不能确实地相逢在+2级条纹位置,干涉出一个黑点,是要遵从一定的概率的;让光子一个一个通过狭缝的实验,不过是令干涉极缓慢地发生而已,并不能证明光是以“一个一个光子”的形式通过狭缝的。

(续上段)光的干涉,最重要的因素是相位;大量光通过狭缝时,即便缝1处和缝2处出发的子波,其相位有随机的小的抖动,也不会影响干涉条纹的形成;但是极少量的光通过狭缝时,相位的同样量级的随机性的误差,难道还可以忽略吗?有什么人能够证明两个缝是绝对地完美(比如缝的宽度绝对相同,缝的厚度绝对为0,或者缝的材料中的微观粒子处在绝对等同的状态,处于绝对0度没有任何热扰动,连量子涨落都完全一致)、一模一样?如果这种微小的相位不同步不可以忽略,那么预计中的干涉条纹就处于可能有也可能没有的几率性状态了。这是另一种考虑。

(3)提出问题。假定远方物体含大量氢原子,这些氢原子假定和近处的氢原子是一样的(目前为止还没有人假定不一样;无法设想物质的性质随处不同的情况)。远方氢原子的核外电子由激发态跃迁回基态,发出光,对应“光子”的能量是“1”(单位先不管它)。近处的物体吸收这些“光子”。

如果两个物体在相互远离,在连续发光和吸收的情况下,根据多普勒效应,吸收的“光子”的能量,可能是“0.99”,定性上肯定是要小一些的(因为光子能量hν中,表频率的那个ν要变小一些)。那个“0.01”的能量哪里去了?

类似地,如果两者物体相互接近,吸收到的“光子”能量会大一些,则这些多余的能量又来自哪里?

4)真正重要的是第(3)点中所提的这个问题。如果针对前者,说发光能量为1,吸收0.99,多余0.01能量存储于二者之间的空间(空间有电磁场成分;连续发光和吸收的情况,电磁场可以稳定存在);那么对后者来说,难道两个物体合作,联合起来连续地从虚空中凭空攫取能量不成?

5)不知道这样的类比是否恰当,核力被认为是交换微观粒子的结果;那么引力,可否看作两个宏观物体之间交换“光子”的结果?当两物体交换“光子”且远离时,多余的0.01能量,或许可以称作“引力势能”,是增加的;而两物体交换“光子”且相互接近时,所需的额外能量,则来自于“引力势能”的减少。

(6)平方反比率的问题。计算某个“力线”在圆球面的单位面积通量,分母上自然出现半径的平方。这是库仑力和万有引力公式如此相似的基本的原因。

(7)太阳光照射东半球时,西半球为黑夜。如第(5)点中所说,是因为两物体之间的“光子”的交换造成的彼此之间的引力,那么一个小球,其在白天的重量应该要比晚上重得多吗?

对于这个问题,关键在于“谁”的引力。如果是“太阳”的引力,当然可以论及白天、黑夜;但是小球的重量,更多说的是“地球”的引力,似乎与白天黑夜没什么关系。若单论太阳和地球之间的引力,在宏观尺度下,地球理想化为一个质点,白天黑夜云云,并不怎么重要。如果要较真,非要抠这半边和那半边的差异,似乎这种差异可以解释地球的自转呢、也不一定。

(8)如何确定物体的质量。人们是先承认万有引力定律成立,然后再去确定物体的质量的,并没有真正地用什么手段“称量”过太阳,或者其他星球、包括地球自身。

卡文迪许确定万有引力常数的那个实验中,要先给定两个球的质量,然后根据距离和力的大小,才能得出常数G。确定两个球的质量时,哪怕用的是天平,其实已经隐含地使用了地球引力了;话说,通常认为引力质量总是等于惯性质量,好像我们想要确定物体的惯性质量时,无论如何拐弯抹角,总还是离不开先应用一把地球重力和万有引力公式呢。

普适常数,当然可以规定它是绝对的,只要相应调整公式中的大M、小m质量就行了;这样一来,引力常数当然是universal(因为是规定的、且大家都接受),引力公式当然也保证成立了。

却原来如此的逻辑。

(9)根据第(5)点,以万有引力定律而言(即事先承认该公式正确),发光的物体看起来质量更大一些,好像是有道理的;只是很难找到比较直接的实证;以及另一个截然相反的观念,某些不发光的暗区,硬要赋予这处区域存在暗质量(暗物质)。

(10)目前为止,引力始终是令人迷惑的问题。不仅仅是在起源上,在力矢量的指向上,其实还体现在势能面的画法上。

根据广义相对论,两个大质量体A和B附近的空间会是弯曲的,如果各自弯曲的话,直观的想象应该是两组同心圆;然而两体放在一起来看,应该整合成为一个吧;由于作用力等于反作用力,画等势能面的话,两物体A和B附近的等势能面的间隔,在任何时刻都应该是完全一样的(势能取梯度,前面加上一个减号,就是所受的力了),看上去似乎是从几何中心画出的一组同心圆。空间弯曲是这样的吗,这是相对论的本意吗?


 




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2 王安良 史晓雷

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