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关于光的质量以及运动速度的说明 光不仅在物理史上是个非常重要的概念，就是日常生活中我们也非常熟悉。可是我们真的熟悉吗？ 真的理解光吗？其实就目前为止，关于光的研究还在继续。比如光有没有质量，光速能否被超过，就这些被激烈讨论的问题，我以自己的了解和理解为大家做一个详细说明。 首先我们应该对现有的光的研究历程有一个大概的了解。这里不得不提到一个人——詹姆士·克拉克·麦克斯韦。他在法拉第的工作基础上，开创电磁理论，成为电磁理论的集大成者。 并且他通过计算，得出光和电磁波的速度相同，于是他大胆预言：光就是电磁波。在1864年麦克斯韦提出他的理论之后，1887年德国物理学家赫兹用实验证实了电磁波的存在。之后1898年,马可尼又进行了许多实验,不仅证明光是一种电磁波,而且发现了更多形式的电磁波,它们的本质完全相同,只是波长和频率有很大的差别。 这样人类除了知道光的速度之外，开始从本质认识光的历程——光是一种电磁波！ 这里值得一提的是最早测量光速的人是伽利略，尽管他没有完成测量，但开启了人类测量光速的序幕。大家都知道伽利略可以说是近代实验科学的奠基人。很多后辈大科学家包括牛顿，爱因斯坦等都受伽利略启发。 接着说赫兹，赫兹还发现了光电现象【光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应】，后来由爱因斯坦给出了解释。并由此获得了1921的诺贝尔物理学奖。爱因斯坦主张，光的能量并非均匀分布，而是负载于离散的光量子，而光子的能量和其所组成的光的频率有关。这个突破性的理论不但能够解释光电效应，也推动了量子力学的诞生。 在量子力学体系建立的过程中，光的研究也不断的深入，尤其是波粒二象性的理论。即光具有波粒二象性，单独用波，单独用粒子来形容光都是不完整的，二者结合才能解释光的一切现象。 后来德布罗意在光具有波粒二象性的启发下，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。 三年后，通过两个独立的电子衍射实验，德布罗意的方程被证实可以用来描述电子的量子行为。在阿伯丁大学，乔治·汤姆孙将电子束照射穿过薄金属片，并且观察到预测的干涉样式。在贝尔实验室，克林顿·戴维森和雷斯特·革末做实验将低速电子入射于镍晶体，取得电子的衍射图样，这结果符合理论预测。 还有一个关于光的理论就是光速不变理论。这个得提到一个著名的实验——迈克尔逊-莫雷实验！迈克尔逊－莫雷实验是1887年迈克尔逊和莫雷做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的一项著名的物理实验。但结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系）的存在，从而动摇了经典物理学基础，成为近代物理学的一个发端，在物理学发展史上占有十分重要的地位。 大家要知道，爱氏本人也深受以太学说的影响，后来也是受迈克尔逊-莫雷实验否定了以太学说，以光速不变原理，否定了经典牛顿时空的同时绝对性，建立了狭义相对论。后来又以等效原理，把狭义相对论拓展到了广义相对论。但光速不变，依然是狭义，广义相对论的基石！ 上面简短的内容，就是人类大概认识光的历程。但关于光的讨论从未停止。我们来说说常见的问题：光速能否被超越？光有质量吗？ 甚至很多新闻报道都有说：光速可以被超越，比如用量子纠缠来举例说明是最多的。 至于光有质量吗？ 很多人会说光能被大质量物体的引力偏转，就说明它是具有质量的。 我这样来跟大家的解释：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。 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，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！ 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=mv²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。 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。 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。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？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，然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！ 摘自独立学者，诗人，作家，国学起名师灵遁者物理宇宙科普书籍《变化》第二十六章。 |
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