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？