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光是宇宙的精灵,也是宇宙的秘密

2021-06-05  tjboyue

光的本质

无论我们赋予光多少宇宙间最纯粹的赞誉,显然都不会显得夸大其词和言过其实。因为光承载了太多宇宙的秘密,也担负着太多宇宙的使命。

生命从最根本的层面来讲,其实和冰冷的物质一样,不过是能量在宇宙中的表观形式。即使在一个宏观的角度来看,光也是生命得以存在的基本前提,因为生命活动所需的全部能量,不可例外的来源于恒星以光子作为主要形式的能量传递。

对于生命体来说,我们在与环境相互作用中获取的生存必不可少的信息,绝大部分是通过光来传递的。而人类基于天文观测的宇宙认知,信息的采集几乎全部通过光来实现。

γ光子正碰产生正负电子对的实验,以及正反物质湮灭为γ光子实验,则以无可辩驳的方式,预示着在最基本层面宇宙创生并存在的的原则和方式。

同时,光子作为能量传递的唯一量子形式,是形形色色的各种现象得以呈现并被感知的基本原因。

所以,我们可以说,我们对宇宙的理解程度,完全取决于我们对光的认知能力和认知程度。

人类对光的真正认知,显然始于经典电磁动力学的麦克斯韦电磁方程组,只是在这样的理论框架内,光作为一种以恒定速度在空间中传播的电磁波,其实只是一种理论推测,原因则仅仅因为电动势和电场强度的周期性转换,与磁势和磁场强度一样,在时间上的函数形式与传统的波动方程基本一致。而实验物理学家赫兹的被公认为验证经典物理学电磁波理论的实验,实际上仅仅证实了电磁波的传播特性。至于电磁波的真实空间行为,无论在现代还是当代,都缺乏更精确的实验描述。

而颠覆认知常识的γ光子正碰以及正反物质湮灭,揭示的也只是物质和光子相互转换的现象,并没有同时给出这种转换的内在根源和具体的转换过程。

物理学看起来更习惯于依赖数学手段对他们感兴趣的现象进行一种基于数学语言的描述,似乎对某一种物理现象的具体描述更乐于不屑一顾。物理学的定量描述对于某种事物的具体把握,无疑在现实能力方面具有哲学拍马难及的优势。不过就我们对于特定物理现象的真正认知来说,被物理学选择性忽略的事物本身具有的实在性和具体性,显然具有同样重要的意义。

这实际上是我们从一个与物理学截然不同的视角对光进行认知的主要理由,而且我们试图证实,这样一种认知视角,可能更有利于我们对物理现象的真正认识,至少在光速绝对性的认知上,会具有更符合客观实在的现实意义。

需要声明,我们将要进行的对光的阐述,依旧是始于经典力学给出的电磁波动理论,在进行光在一个波长内的具体描述时,唯一的依据对感生电流现象的直观考察,因为时变和瞬变在变化这一点上并没有本质的区别,而在我们对描述出来的现象进行简单的解释时,则借用电磁力学的一些基本常识。

我们对一个波长内电磁波的阐述,基于经典电磁力学的以下基本规律:

1. 在一个波长的时间范围,时变的电场对应一个伴随的磁场,两者在强度上表现为同相周期性变化,空间分布具有时间依从特性的变化的磁场的边缘同时伴随一个感生电场,感生电场的规律遵循感生电流揭示出来的感生电场变化规律:增加的磁通量感生一个反向电场,减少的磁通量感生一个同向电场;

2. 磁场在空间中,以电场为中心以有限速度扩布(可以通过感生电流在相对源电流不同距离出现是否存在时间差来进行验证),半个周期的扩散直径是波长的唯一原因;

3. 磁场总是依附于电流和变化的电场存在,新的电场出现时,存在于原有电场周围的磁场消失;

4. 在一个波长1/4或者2/4周期时长范围内,不存在电磁的无限感生,否则将导致与常识不符的电磁波以无限速度传播(可以通过感生电流实验进行实验验证)。电磁的感应可能不需要时间,但感生电场受制于一个最低的能量变化率,对于不同强度的源电场,感生电场的实现存在一个特定的时间延搁。

最后一个规律的主要依据于我们对连续电磁波谱的简单观察,即电磁波谱存在一个最小频率(至于是否同时存在一个最大频率尚无确定的观测或实验可以验证)。如果我们认为这个最低频率的存在,是能够产生可传播电磁波的最小能量要求,同时并不是测量精度不足引起的,那么,某个能否引起电磁波产生和传播的最小能量限制的存在,对于一个可以引起传播的电磁波来说,就必须存在一个微小的时间段,用以积蓄足够的能量。这意味着新的电场的感生存在一个最低限度的能量变化率。

所以感生电场出现的时间与变化的源电场存在一个最小的时间差,这种特性决定感生电场的不断出现与源磁场间呈现出时间依从的先后次序。而至于电流与感应磁场是否同样存在一个极小的时间差,则无相应的实验可以确切证实,我们认为它应该是存在的。经典电磁波动方程解出的电磁波速,比之实际测得的光速略小,倘若以更精确的测量进行真空介电常数和真空磁导率后对电磁波速进行修正,这个差距依然存在,则可以推定这种差异是这个微不可察的时间差决定的。但在上述的验证进行之前,我们认为电磁感应之间,至少存在逻辑上的先后,即电—磁,或者磁—电。

我们在下面给出两个外观上差异不大的图示,用以表达一个周期内,电磁波两种可能的空间行为模式。

光是宇宙的精灵,也是宇宙的秘密

电磁波空间分布图

图一中第一个箭头表示源电流或者电场的形态和方向(形态可以随实际的电路元件的不同而不同,此处我们假定为线段),第二个虚线箭头表示1/4周期内任一时间点感生电场的方向和与磁场的相对位置,即感生电场对应于任一时刻的磁力线,第3个箭头为1/2π时刻的感生电场。第一个实线圆为1/2π时刻源电场的感应磁场,第二个实线圆为π时刻感生电场的感应磁场,第一个虚线圆为1/4周期内任一时间点的源电场的感应磁场,第二个虚线圆为2/4周期内任一时间点的感生电场的感应磁场,外围的虚线圆为半个周期内任一时刻的源电场的感应磁场,在π时刻的空间分布达到最大值。

图二中,第一个箭头为源电场的位置和方向,第二个箭头为后半个周期初消失磁场的感应电场的位置和方向;第一个实线源为π时刻源电场的磁场,第二个实线圆为2π时刻的感应电场的伴随磁场,两个虚线圆均为前后半个周期内任一时刻的磁场的磁力线。

在进行具体的描述前,我们先给出正弦改变的源电流或者电场一个周期内的变化过程如下:

1.1/2π:电流或者电场强度呈正弦规律从零逐步增大至峰值,方向为初始方向,变化率逐渐从峰值减小为零;

2.2/2π:电流或者电场强度呈正弦规律从峰值逐步减小至零,方向与1/2π相同,变化率逐渐从零增大为峰值;

3.3/2π:电流或者电场强度呈正弦规律从零逐步增大至峰值,方向与π相反,变化率逐渐从峰值减小为零;

4.4/2π:电流或者电场强度呈正弦规律从峰值逐步减小至零,方向与π相反,变化率逐渐从零增大为峰值。

结合我们给出的用于我们阐述电磁波空间行为的基本电磁力学规律,图一描述的空间行为是在半个周期内,同时存在感生电场,感生电场周围存在感应磁场,但感应磁场不再同时产生感应电场,否则如此无限进行,电磁波将以无限速度传播,更重要的是,电磁波传播的只是一个有限能量,不可能无限分布。

于是,以1/4周期为单位,电磁波在半个周期的空间行为描述如下:

1.1/2π:电磁感应必然性决定源电流必然伴随一个协变的感应磁场,这个磁场以有限速度扩布,在1/4周期时间点最远,不同强度的磁场传播速度相同(因为磁场扩布是电磁波速度的唯一原因,所以电磁波速度恒定表征的其实是磁场扩布速度恒定);由于感生电场的必然性,变化的感应磁场必然伴随一个协变的与源电流方向相反的感生电场,电场的空间形态与源电流一致并且不随强度改变,在1/4周期时间点,感生电场位于动态扩布磁场的边缘;

2.2/2π:源电流方向不变,但强度减弱伴随一个强度减弱的磁场,从而感生一个方向相同的感生电场,由于电场改变以及磁场具有电场依赖性,前1/4周期末由第一个感生电场感应生成的磁场消失,一个新的磁场随着第二个方向相反的感生电场从零开始在空间扩布,在2/4周期末再次达到最大值;

3. 源电流的磁场在2/4周期继续扩布,在2/4周期末达到最大值,边缘与2/4周期末的第二个感生电场伴随的磁场的边缘在空间上重叠;

4. 由于平行电流的相互作用本质上由自身的感应磁场介导,所以1/4周期的感生电场感应磁场与源电场的感应磁场表现为排斥并导致感生电场远离源电场的位移,同时由于反向磁场场间的相互作用引起磁场能的消耗;但2/4周期产生一个与源电场同向的感生电场,磁场的作用及发生的位移与前一个1/4周期完全相反,而同向磁场相互作用表现为总场能的增加。所以,整体的位移和总的磁场能的消耗为零。

5. 半个周期内,半波长等于源电场感应磁场在半个周期时长的磁场扩布距离,也等于2个1/4周期感生电场伴随的感应磁场的扩布距离的和,显然,这两种距离是相等的。

至于图二所示,则假定半个周期内,并不存在前两个1/4周期内的感生电场,基于我们上面提到的电磁感应的逻辑先后,新的电场只在半个周期末的时间点上由消失的磁场感应生成。由于新的感应电场与源电场方向相反,由于电场的完全改变,导致电场依赖的源电场周围的磁场消失,新的感应磁场以新的电场为中心再次从零且以与前半个周期相等的有限速度扩布。于是半个波长就等于半个周期内源电场伴随的感应磁场在半个周期的扩布距离。

可见,无论哪种模式,磁场在半个周期的空间扩布距离,均是电磁波空间传播速度的唯一来源。

实际上,我们不知道电磁波真实的空间行为表现为上述的哪一种方式,前一种方式考虑电磁感应必然性的同时考虑感生电场的必然性,而后一种方式显然忽略了感生电场的必然性。所以,我们更倾向于电磁波的真实空间行为由第一种方式给出。但是两种模式都存在同样的规定,即在半个周期,电磁感应并不是无限发生的。这种规定是我们根据光速有限传播的事实,并结合经典电磁动力学揭示的波动特性共同进行的。

倘若果真如此,我们对电磁波空间行为的尝试性描述可以一目了然的推论出电磁波传播的主要特征如下:

1. 电磁波的传播原因在于必然规律作用下感生电场与源电场在空间上并不重叠,这种不重叠的根源在于伴随源电场的感应磁场以有限速度在空间中扩布,任一时刻的磁力线对应一条与之垂直的电场线,在磁场的边缘处的电场线表征磁场扩布的最大速度,新的电场的感应生成总是在磁场的最大边缘处,新的感应磁场以源磁场感应电场为中心重新从零开始扩布;

2. 电磁波的速度唯一的来源于与传播方向在同一个平面的磁场的空间扩布,感生电场的空间分布与源电场在空间位置上保持形态的恒定,由于感生电场总是垂直于伴随磁场与传播方向共同构成的平面,所以电场即使在麦克斯韦电磁波动理论是闭合曲线(尽管我们认为开放曲线更符合电场的基本特性),电场唯一的只决定电磁波的振幅,且大小由源电场给出并保持恒定。

3. 经典电磁波动理论给出的电磁波的传播速度,实际上是磁场在空间中的扩布速度,由于电磁波速度恒定,因此磁场的扩布速度也恒定,与磁场的强度无关。

4. 波速来源于磁场的空间扩布,而磁场总是以电场为中心的,于是波速只能是以源电场为参照物的相对于源电场的速度,等效于总的传播速度以波源为中心的以波源为参照物的相对速度。电磁波速的绝对性仅仅是指任何频率和波长的电磁波相对于波源的速度是一个定值,其大小来源于电磁波动方程推导出的由真空介电常数与真空磁导率决定的常数。

5. 电磁波的实质是时变耦联的电磁场,产生的唯一机制是经典电磁力学基于观测的电磁感应的必然特征,并且可以脱离波源以运动的形式存在。与脱离枪膛的子弹不同,波速不是波源以冲量的形式赋予的,而是电磁感应的必然性和磁场空间扩布的必然性决定的,所以电磁波的冲量仅仅呈现为磁场扩布具有的冲量。换句话说波源发射电磁波和枪发射子弹机制迥异,不能由经典运动力学的冲量规律来描述电磁波的宏观冲量,电磁波仅仅在半个波长范围内具备磁场扩布产生的微观冲量,而不局部宏观传播上惯性运动赋予的宏观冲量。量子力学用冲量来解释由场介导的力产生的运动效应的原因,看起来似乎有些不合时宜。

电磁波的行为的图示,在电磁波动理论中以下面的方式给出

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图1 电磁波空间分布

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图2 电磁波能量—时间变化

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图3电磁波能量—时间变化动图

显然,图一展示的是电磁波空间分布的具体图示,与我们给出的图示外观上非常相似,最大的不同在于,我们认为电场是线段性质的而不是闭合的,线段的空间形态由源电场给定并保持不变。但即使电磁波中真实的电场的确是闭合的,由于电场总是线性,不会像磁场一样从圆心向周围扩布,所以闭合的电场依然不是电磁波传播速度的来源。

图2和图3揭示的只是电磁波能量—时间曲线,所以图3展示的动态效果并不是电磁波在空间传播的具体描述,只是能量随时间的变化图示。

电磁波是一种波,主要的理论依据是电磁波的能量—时间函数与物质波的空间—时间函数在数学形式上基本一致,于是,为了更好的理解电磁波,我们必须从函数形式上对物质波和电磁波进行比较考察。

我们先给出物质波方程的一般形式如下:

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波动方程的一般形式

显然,对物质波的考察,是基于可见和可轻易感知的物质波都存在一个确定的空间形式,所以对物质波进行描述的波动方程,是物质波的空间—时间函数。

而电磁波的波动方程显然并非如此,它表现为如下的形式:

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电场能—时间函数

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磁场能—时间函数

可见,电磁波动方程的最初形式实际上是能量—时间函数,作为空间形态的波动形式,仅仅是依据方程与波动方程的一般形式类似而做的一种推论。所以,经典电磁波动理论函数中不存在空间坐标。实际上,由于电场和磁场在空间上并不连续分布,上述的两个方程必须联立存在,才能真正揭示电磁波的空间行为,即电场的波动特征只能是通过磁场介导的,磁场的波动特征也只能是通过电场介导的。换句话说,孤立的电场波或者孤立的磁场波均不存在,只存在耦联的电磁波。

其实,所有的波,都是波源运动变化导致的能量变化以某种物质运动变化的形式在空间中传播,波的两大要素包括:其一,不同能量形式(势能和动能)的周期性转换;其二,以物质形式表现的能量转换在空间上的位移。

以水波为例,物质波的内涵包括两个方面,其一,能量以重力势能、介质宏观动能和压强势能的方式在一个周期内周期性转换,这种转换是由外力始动下介质之间的相互作用来实现的,这种相互作用必然伴随能量的损耗(变成介质不同程度的以分子运动为唯一依据的热能),因此,物质波在传播过程中不遵守完全的能量守恒,波的传播逐步衰减;其二,位移的产生来源于压强势能在波传播方向上对介质产生的与传播方向平行的推移作用。

而在电磁波中,能量的周期性变化表现为电势能与磁势能以及电场能与磁场能的周期性转换,而且转换过程无总的能量损耗,因此遵守完全的能量守恒,传播过程不衰减;位移产生的唯一依据来源于磁场的空间扩布,以及新的感生电场与源磁场在空间上不完全重叠,总的位移效应为远离源磁场,这种位移的产生方式与物质波的位移产生方式显然大相径庭。

我们进一步考察波源运动对波速的影响。

不需要任何严格的理论证明,依据物质作用的基本特征,我们就会推论出物质波波源的运动由于介质间必然的相互作用,会使波源运动伴随的动能传递到介质波的运动中去,从而改变波的速度,但由于相互作用本身的的能量损耗,这种传递是不完全的。

而在电磁波中,波源的移动由于波源与运动方向总是垂直的场不发生相互作用(这一点可以由简单的经验证实),波源移动的能量不会传递到电磁波的传播中去,因此不会改变电磁波相对于波源的绝对速度。但是波源的移动会改变第一个电磁波的初始位置,而这种位置的改变会由于电磁波的连续性,分布到后续的电磁波中。如果定义速度为位移与时间的商,且以波源运动速度自身的参照物作为新的电磁波速度的参照物,则计算的速度必然大于电磁波相对于波源的速度,而且在量值上表现为两个速度的完全叠加。

可见,在物质波的描述上,波动方程的一般形式必然包括以波源为中心的坐标系的空间坐标,而且计算的波速必然是以波源为参照物的。而电磁波描述的只是电动强度和磁场强度与时间的函数关系,而强度的变化显然与空间位置无关。但是这并不意味着可以在电磁波的速度的界定上完全忽略任何形式的以波源为中心的参考系的运动带来的影响。换句话说,坐标系运动仅仅不改变电磁波相对于波源的速度。而任何有限速度,速度的度量必然是针对相应参照物的相对速度,换句话说,不依赖参照物的速度不可能存在。

我们花费大量的时间用以描述电磁波的本质,在于光的本质是一种电磁波,所以通过电磁波的考察,可以等效于对光的考察。但显然,光在以下方面与更多时候由可控操作产生的电磁波并不完全一致:

1. 具有电荷效应的微粒的振动并不一定是周期性的,如核外电子的跃迁;

2. 光的振幅依旧取决于电荷效应的粒子的振动范围,但无论方向还是幅度并不总是一个确定值。

最后结合对电磁波的考察及光源自身的运动特点,我们总结光的基本特征如下:

1. 光在本质上是电荷或具有电荷属性的粒子运动变化对应的能量变化,以运动时变耦联的电磁场在空间中的存在形式;

2. 光速唯一的来源于磁场在半个周期时间内在空间中以电场为中心的扩布,光速的界定以电场为参照物,等效于宏观的光速以波源为参照物;

3. 光速恒定来源于经典电磁动力学能量—时间函数的解,即

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电磁波速度方程

因为真空介电常数和真空磁导率均为经验测定的常数,因此光速同样是一个被真空介电常数和真空磁导率共同规定的常数,表征的是电磁基本特性而不是光波的能量。由于不同频率的光具有相同的波速,而唯一表征能量变化的振动对应于特定的振动周期,所以,频率是表征光能量的唯一形式。能量的降低表现为频率减小,而在光速不变的原则下,频率对应的波长相应变长。

4. 光源的运动不会改变光相对于光源的速度,但会改变光相对于运动光源的参照物的速度。光速绝对的真正含义在于光源的运动不改变光相对于波源的在不同频率均为常数的速度,

5. 作为一种有限速度,光速的界定和所有的有限速度一样,必须存在波源参照物。不需要参照物的绝对光速违背物理学对速度界定的基本原则。脱离参照物的光速绝对性实际上把自己凌驾于物理学之上,仅仅具备数学意义,因而仅仅是一种人为的规定,并非一种客观的物理实在。

6. 光速在量值上表现为极限速度的根源,唯一的在于不存在物实体质量的磁场在空间扩布以最大速度进行。普通物体的速度取决于外力和物体质量共同规定的加速度,或者说取决于外力所做的功。如果把场作为能量的非物实体形式,则物实体受限于质量,运动速度不可能超过不受质量约束的场的扩布速度。

7.对于一个特定的光子,只在发生的第一个周期依赖波源的存在,一个波长周期后便独立存在,在传播方向上,后一个波长电磁波的消失是前一个波长电磁波产生的唯一原因,因此无论时间点还是一个周期的时间段,有且只有一个光子存在。

8.在一个波长周期的时间段内,由于无论电场还是磁场都处在变化之中,磁场还表现为空间中的持续扩布,因此电磁波以强度和波长不同的波群的形式存在。

我们通过上面的描述,试图从另一个与物理学截然不同的视角,展示光的空间行为。不过我们对光空间行为的描述,显然多数是基于简单的思辨和推论,完全缺乏数理逻辑演绎和简单有效的实验验证,因而在物理学专业人士看来无疑显得荒谬且不值一顾。

我们之所以固执的坚持下来,在于我们认为这样一种思维视角,可以促进对光速绝对性的正确理解,从而重新评价包括相对论在内的一些现代物理学理论。由于牵涉的内容过多,不适合在这里继续喋喋不休的叙述下去。因此,我们在这里对光的本质的阐述,会是我们进一步考察某些物理学基本理论的基础。

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