摘要 光是什么？众所周知，光是电磁波，但电磁波又是什么？它有介质吗？它与电磁场又是什么关系？本文从多个方面论证了光就是以太中传播的波，它与声波具有很多的相似性。 关键词：以太，光子，电磁波，电磁场 1. 光的介质 光是电磁波，没有人表示怀疑（在下文中对二者不作区分），既然是波，它就必然存在介质，没有介质就不是波，本文把光的介质称为以太。 1.1. 声波与光波的比较 声波与光波具有高度的相似性，其主要表现为： A、波阻抗 波是具有阻抗的，它是反映介质中某位置对应力学扰动而引起的质点的阻尼特性。声波的阻抗定义为： B、平均能量密度 声波的平均能量密度可表示为： 电磁波的平均能量密度可表示为： C、平均能流密度 平均能流密度是能流密度（单位面积的能量传输速率）在一个周期内的平均值。声波的平均能流密度可表示为： D、辐射压力 声音与电磁波都存在辐射压力，而且计算方法也一样，其数值都等于平均能量密度，其量纲也相同：焦耳/米3 = 牛顿/米2。例如，声压级为100dB的声波，其声压为2
Pa，已知空气的密度为1.29
kg/m3，速度为332 m/s，就可以求出声音的平均能量密度为 声波与电磁波的更大相同之处在于：当波完全反射时的辐射压力是完全吸收时的两倍。 E、波动方程 声波的波动方程可表示为： F、传播速度 声波在介质中的传播速度可表示为： G、传播特征 声波具有反射、折射、干涉、衍射、聚焦、多普勒效应等一系列的传播特征，电磁波也同样具有上述所有特征，声波中的有关定理在电磁波中同样可用，而且计算方法也一样。更有甚者，波的指向角（衍射极限）都可以用 从以上比较可以看出，声压p与电场强度E等价，体积元速度u与磁场强度H等价，介质密度 1.2. 声波与光波相似性的原因分析 从上面的比较可以看出：声与光是非常相似的，电磁波依靠电与磁的互激进行传播的理论是无法解释上述现象的（光子理论更无法解释），因为在电磁波中，E与H的关系是线性的，E和H也是同步变化的（相位相同）：，E和H之间没有发生能量交换，E和H在空间的任何一点同时由小到大，再由大到小地变化，难道E和H在空间能够自生自灭？当E与H都是零时，电磁波的能量贮存在哪里？ 如果承认以太的存在，那么，电磁波与声波的相似性就很容易理解，我们可以定义E就是以太受到粒子扰动后所产生的压强变化量，与声压p具有完全相同的物理意义，定义H是以太的体积元速度，其物理意义与声学中的体积元速度u相同。引入以太后，电磁波中的各种参数具有了明确的物理意义：真空磁导率就是以太的密度，真空介电常数就是以太的体积压缩系数，以太中的传播速度 在电磁波中，把E定义为以太的压强变化量，把H定义为以太的体积元速度，与现代电磁理论具有本质的区别。也就是说，在电磁波中，我们所测量的电场强度实际上是以太压强的变化量，磁场强度是以太体积元的速度。 我们知道，所谓场强的测量，实际上是测量天线上感应的电压，天线上的电压是如何感应出来的成为关键，要想使天线上感应出电压，必须要有某种力量推动电子运动。是什么力量推动的电子？学界主流认为是电场。如果是电场，那么，电场是什么就必须说清楚，如果承认电场是物质，相当于变相承认了以太。如果承认以太的存在，就可以很明白地说明一切：电子是以太粒子推动的，电子的振动能产生电磁波，同样，电磁波也能使电子产生振动。因此，E只是一个符号，它代表一个物理量，它是什么要根据假设和推理，我们对天线的测量，只能得到感生电压或电流，重要的是这个电压或电流是如何产生的，是空间中的什么物理量产生的它。如果你认为是电场，你就应该定义E为电场强度，如果你认为是以太的振动产生的，就应该定义E为以太的压强变化量，定义H也是同样的道理。我们在话筒的输出端测量到的也是感应电压，但产生这个感生电压的原因却是空气的振动，天线与话筒实质上都是传感器。本文中仍然用E代表以太的压强变化量，H代表以太体积元的速度。 通过上面的讨论，可以认为：我们的耳朵只是一个传感器，它接收到的并不是声音，而是空气的振动，只是经过我们的大脑处理才变为声。同样的道理，我们的眼睛也只是一个传感器，它接收到的并不是光，而是以太的振动，只是经过我们的大脑处理才变为光。 1.3. 以太的性质 1.3.1. 以太的密度 从上节的讨论可以看出，以太的密度实际上就是真空磁导率，因此，本文定义：以太的密度ρ= 4π×10-7 kg/m3。以太的密度本来应该是测量值，怎么能够定义呢？因为现代的技术还不能测量它，只能暂时以定义值替代。 以太密度的取值并不是我的创造，而是麦克斯韦，但他并没有给出具体的值。在麦克斯韦之前，没有磁感应强度B这个概念，量度磁场的物理量是磁场强度H，磁场强度H与电流的关系为 磁感应强度B是麦克斯韦引入的，在引入B时明确指出：H是以太的涡度，B是加权涡度，是用以太的密度进行加权： 在现代电磁理论中，真空磁导率是定义值：μ0= 4π×10-7牛顿/安培2，是由公式 很明显，在电磁场理论中，B和D的引入是画蛇添足，因为 为什么真空磁导率的定义值是 可见，电磁理论中的真空磁导率与电磁波理论中的以太密度相等是由历史原因造成的，因为真空磁导率是麦克斯韦作为以太密度引入的，它在电磁场理论中只是一个常数，没有物理意义。它是为了场与波建立联系而引入的，但却把电磁波理论引入歧途，因为电磁场与电磁波具有完全不同的属性，二者没有关系。 1.3.2. 以太的温度 温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上，是物体分子热运动的剧烈程度，在数值上（绝对温标）等于物体的分子或原子所具有的平均能量除以玻尔兹曼常数，对于液体和固体，指的是原子的振动能量，对于气体，指的是粒子的动能，如果粒子没有振动或运动，其温度为0 K。 任何物体，只要它的温度大于绝对零度，就会产生辐射，以太也不例外。本文认为：宇宙微波背景辐射就是以太产生的，它不可能是“大爆炸”的“余烬”，如果是“大爆炸”遗留下来的电磁波辐射，不可能是理想的黑体辐射。因此，完全有理由相信宇宙背景辐射就是以太气体所产生的辐射。 可以认为：地球附近以太的温度就是宇宙微波背景在黑体辐射光谱上的温度，其值为2.725 K。 1.3.3. 以太的比热比 比热比指的是定压比热Cp与定容比热Cv之比，也称为绝热指数。根据分子运动理论，γ的理论值为 1.3.4. 以太的其他性质 我们知道：以太中的波速为3x108 m/s，根据以太的密度、温度和比热比，假设以太为理想气体，可推出以太的其它所有性质，如表1所示。 表1.以太与空气的比较
1.4. 以太的运动 以太是流体，在引力的作用下，它总是跟随大质量的物体运动（这也是迈克尔逊实验失败的原因），在地球大气层内，由于大气的长期拖曳，以太与大气保持同步。在大气层外，以地球中心作为参考系，其运动速度曲线如图1所示（D点为月球轨道）。
图 1. 地球中心为参考系时以太的速度分布（以地球表面为0点） 太阳周围的以太运动速度曲线如图2所示。 图 2. 太阳系中黄道面上以太的速度分布（以太阳表面为0点） 从图1和图2可以说明为什么地球自转（0.465 km/s）的萨格纳克效应值可以测量出来，但公转30 km/s的萨格纳克效应值却测量不到（中日双向时间传递实验，在任何时间所测量到的萨格纳克效应值都相等）的原因，在以地球中心作为参考系时，以太只有旋转运动而没有其他方向的运动（都随地球绕太阳运动）。 1.5. 以太的密度分布 星体周围的气体密度分布可表示为
图3.银河系中以太的密度与距离的关系 1.6. 以太存在的证据 以太无处不在，虽然我们还不能直接对它进行测量，但它还是给我们留下了很多的蛛丝马迹。 1.6.1. 声光的相似性 声与光表现出了极大的相似性，每一种相似性都可以说明以太的存在，例如，波速的相似性： A. 波速只与介质有关，是由介质的性质决定的； B. 波速与波源的运动无关，波源决定波的幅度和频率； C. 当观察者相对介质运动时，所观察到的波速是两个速度的叠加。 光速不变是有条件的，必须是观察者相对以太静止，多普勒效应和萨格纳克效应都证明了光速与声速具有完全相同的性质，中日双向时间传递实验也证明了光速是可叠加的。 光速不变也证明了光的传播也是必须存在介质的，如果没有介质，光速是无法稳定的，因为不论是光的发射过程和传播过程，都没有速度稳定机制。 1.6.2. 以太的阻力 对于质量较大星体的轨道运动，以太并不阻碍它的运动，因为大质量星体的引力能够拖曳以太，从而形成以太流体的整体运动，就象用棍子搅动一盆水，当棍子与水同步时，水对棍子的阻力就可以忽略了。但是，小质量的物体没有足够的引力，以太必然会阻碍它的运动，例如，国际空间站每年大约消耗7.5吨的燃料来维持轨道，说明空间站存在阻力，主流认为全部来至于地球大气的影响。我们知道：在空气中，直平面体风阻系数大约为1.0，球体风阻系数大约为0.5，但卫星轨道衰减的阻力系数却大于1.0，而且高度越高数值越大（马淑英等.大气阻力引起卫星轨道衰减的数值模拟[J].地球物理学报，2013, 56(12): 3980-3987），如图4所示，图中四条曲线代表不同形状的卫星（图片是文中的插图）。
图4.大气阻力系数（横坐标）与轨道高度的关系 如果以太不存在，大气阻力系数是不可能随着高度的升高而变大的，因此，必定有一部分阻力是来自于以太，而且轨道越高，以太产生的阻力所占的比例越大。从图中还可以看出：大气与以太对物体运动的阻碍原理明显不同，大气对物体的阻力只与迎风面有关，但以太不仅与迎风面有关，还与物体的厚度及密度有关。 1.6.3. 金星的大气环流 在金星的大气层顶，有从东到西的持续大气环流，只需要四个地球日就可以环绕金星一周，而且距表面越低速度越小，这种现象至今无人能够解释。这种现象很明显是外力推动的，如果承认以太的存在，引起这一现象的原因可能是地球和水星：由于地球的轨道速度比金星小，而水星的轨道速度比金星大，在水星和地球引力的拖动下，金星轨道内外的以太就会出现速度差，使金星周围的以太按顺时针旋转，如图5所示：
图 5. 金星周围以太的顺时针运动 金星周围以太的运动速度曲线如图6所示：
图6. 金星中心为参考系时以太的速度分布（以金星表面为0点） 金星周围的以太涡旋是地球和水星的引力形成的，而金星的大气环流运动是以太拖动的。正是金星周围存在顺时针的以太涡旋，在以太的拖曳下，金星大气才会呈现出从东到西大气环流运动（这很可能也是金星倒转的原因）。 在其他的行星周围是否也有类似的以太涡旋呢？有，而且太阳系中的所有行星都存在！其证据就是逆行轨道。金星的逆行轨道只所以离主星如此之近，是因为它没有顺行卫星（如果有，金星大气就不会出现环流运动），如果水星有大气层，水星的大气也会象金星大气那样转动，如果地球外围没有月球的存在，地球上的大气也会象金星大气那样运动。 1.6.4. 逆行轨道 太阳系中所有气态行星外围的卫星几乎全部逆行，如木星系统中，轨道半径大于1800万公里的50多颗卫星只有一个例外（Valetudo，它是在2018年发现的在逆行区的顺行卫星，但这颗卫星不可能在逆行区内长期存在），其原因还是由于主星轨道内外的以太速度差而形成的以太涡旋，木星周围以太的运动速度曲线如图7所示：
图7. 木星中心为参考系时以太的速度分布（以木星表面为0点） 木星周围的以太，与木星中心的相对静止点大约在1500万公里处，在1300—1700万公里范围内没有任何卫星存在。木卫四十六是一个例外，它是顺行卫星中最远离木星的一颗，但这颗卫星的轨道也会在以太的阻力下，其轨道半径将逐渐下降，直到以太顺行区，也就是说，在外围的顺行卫星不能长时间存在。 为什么卫星总是以群居的方式存在？例如，亚南克卫星群、加尔尼卫星群等，这是因为质量大的星体能够影响以太的运动，但以太却能够影响小质量的星体运行，小质量星体只有与以太运行同步，它才能够保持轨道的稳定。 1.6.5. 太阳系最强的风暴 海王星处于太阳系的外围，行星离太阳越远，驱动风暴的能量就越少，但海王星上却存在太阳系中最强的风暴，测量到的风速高达2400km/h，而且风向与海王星的自转方向相反，其原因就是海卫一的逆行，它对以太的拖动能力比海王星表面对以太的转动能力大，从而引起海王星周围的以太反转。如果这样的情况继续下去，海王星的自转周期将有较快的上升。海王星周围的以太速度如图8所示：
图8. 海王星中心为参考系时以太的速度分布（以海王星表面为0点） 与其他大型卫星不同，海卫一运行于逆行轨道，它是被海王星近期俘获的，由于它占围绕海王星公转的所有质量的99.5％（包括海王星环和其他13个已知的卫星），因此，对海王星的运行造成了极大的影响：它的顺行卫星将会逐渐消失（轨道逐渐降低，最后坠入海王星），而且它的自转速度也会加速变慢。 1.6.6. 较差自转 拥有顺行卫星的星体，其赤道的自转角速度大于两极，例如：太阳（赤道附近每25天转一圈，极区37天转一圈）、木星（赤道9小时50分钟，极区9小时55分钟）、土星、天王星等。但拥有逆行卫星的星体则相反，例如：海王星的赤道自转周期约为18小时，在两极只有12小时。海王星的较差自转是太阳系中最明显的，还是因为海卫一的逆行，星体自身结构内部的对流并不能解释较差自转。 可见，在太阳系中，总体上是以太跟随着行星运动，但每个行星周围的以太都存在一个逆行轨道，在太阳系的外围，以太同样存在逆行轨道，逆行的慧星就是最好的证明。以太的运动规律是：大质量天体拖曳以太，但以太能影响小质量天体（也包括微观粒子）的运行。 1.6.7. 太阳风的产生 人们普遍认为磁场对于产生持续高速的太阳风有着特殊重要作用，但磁场是如何对太阳风产生影响的？磁场是从哪里来的？谁也说不清楚。 本文对太阳风的产生有如下观点： 涡旋与喷流在太阳大气中无处不在，在活动区、宁静区以及冕洞区域都能观测到涡旋与喷流的存在，并在各个太阳大气层中均能观测到，例如色球喷流及日冕喷流等。 太阳风最初是在色球中产生的，色球中的针状物就是太阳风的起点。在色球中，可以发现太阳的边缘有很多毛刺状的喷流（即针状物），这些针状物间歇性地以约20公里每秒的速度从色球层喷出到日冕中，从而完成对太阳风的第一次加速。 日冕中也同样存在喷流，但日冕中的喷流原理与色球中的喷流稍有不同，日冕中的喷流原理相当于地球上的水龙卷，而色球中的喷流相当于火龙卷。日冕中的喷流结构为：纤细的丝状物，长长的环状物以及类似指纹一样的螺纹在整个日冕中起舞。阿尔夫文的理论也认为，日冕中存在“太阳磁通管”（俗称为太阳上的“小喷泉” ），本文认为：所谓的“太阳磁通管”应该就是以太为主体的涡旋，这就是太阳风的第二次加速。 地球上也存在飓风，但为什么它不能把空气分子抛出大气层呢？我们知道：地球上的飓风一般不超过3万米的高度，这是因为高空的空气密度小。但太阳日冕外层的大气密度也不大（约为10-12 kg/m3），它是如何把质子和电子抛出去的呢？这就必须依靠以太的帮助，如果以太不存在，这种加速机制只会存在于色球和日冕的底层中。在日冕底层中的质子密度与以太的密度（1.26x10-6 kg/m3）相当，因此，喷流可以在日冕层中一直存在。如果把日冕中的喷流与地球上的水龙卷作比较：质子的作用相当于水蒸汽，以太相当于空气，质子向上加速过程是螺旋式的，与地球上水龙卷中水分子的上升路径相似。 可见，太阳风的形成是涡旋与喷流的产物，属于自加速，但能量来源于光球。在色球层中，涡旋以激态的氢原子为主，色球层中的针状物就是激发态的氢原子向上加速所表现出来的现象。在日冕层，涡旋以以太为主，美国宇航局的界面区域成像光谱仪（IRIS）所拍摄的纳米喷气流应该就是这种涡旋，这种涡旋只存在于以太密度大于太阳大气密度的区域。 1.6.8. 太阳风的切向速度 现代观测已经证明，地球附近太阳风的前进方向总是垂直于地球运动的方向，也就是说，太阳风的横向速度与地球的轨道速度相等（地球的弓形激波为证）。 从彗星的离子尾也可以看出：太阳风的切向速度总是与彗星垂直于太阳的轨道速度分量相等（因为离子尾是太阳风造成的，而且它总是在太阳和彗星的连线上），如图9所示。如果彗星的轨道是圆形的，太阳风的切向速度必定与彗星的轨道速度相等（小于水星轨道的彗星除外）。
图9.彗星的离子尾（图片来源于网络） 随着帕克探测器的升空，观测到在距离太阳36倍太阳半径的地方，太阳风的切向速度峰值可达每秒30~50千米，明显大于理论预言，挑战了日冕绕太阳环流的模型，构成了一个未解之谜。本文认为：太阳风的切向速度是由以太的运动引起的，它应该与以太保持同步，其速度曲线应该如图2所示。 1.6.9. 星系的结构 以太是宇宙的主角，星系的涡旋结构就是最好的证明。如图10所示，它与地球上的气旋结构相似：内核作刚体旋转，外层作较差旋转，中心具有喷流。如果没有以太，星系核是不可能作“刚体旋转”的，中心也不可能存在喷流，结构也不可能如此相似。
A.地球上的气旋照片 B. 涡旋星系 NGC1232 图10.地球上的气旋与涡旋星系的比较（图片来源于网络） 1.6.10. 暗物质是什么？ 最早提出“暗物质”可能存在的是天文学家卡普坦，他于1922年提出可以通过星体系统的运动，间接推断出星体周围可能存在的不可见物质。一百年过去了，科学界仍然对暗物质一无所知，究竟暗物质是什么？如果承认以太的存在，暗物质可以定义为：由于以太密度的分布不匀，而产生的附加质量。 在地球上，空气的密度可表示为 由于以太是流体，它的密度分布与附近的星体质量密切相关，大质量的星体附近的以太密度高，远处的密度低，当我们计算这个星体产生的万有引力时，必须把由于以太密度不均产生的附加质量计算在内，这个附加质量就是暗物质。 可见，暗物质并不是物质，只是以太粒子参与了引力作用，如果以太密度是均匀的，引力各向同性，就没有附加质量。如果不承认以太的存在，或许我们永远无法弄清楚暗物质是什么。 2. 光的产生 光是如何产生的？科学界并没有给出令人满意的解释，因为我们不知道光是什么。目前，主要有两种说法：一种认为光是特定频段的光子流，是电子跃迁产生的；另一种认为光是电磁波，是电场与磁场的交替振荡，是电子振动产生的。 第一种说法是主流，但是，我们并不知道光子是什么，也不知道电子是如何跃迁的，更不知道光子是如何产生的。科学不是神话，如果光子是什么都搞不清楚，其他的问题就会更加糊涂。第二种说法也得到很多人的赞同，但我们并不知道电场是什么，主流认为电场是一种特殊物质，它是什么呢？谁也不知道，拿我们不知道的东西去说明其他现象，并不比神话更高明。 本文认为：光就是以太中的波（由于历史原因，仍然称之为电磁波），与声音一样，是由粒子振动产生的，与粒子是否带电无关。光子与声子一样，都是人们创造的概念，实际并不存在。电磁场与电磁波没有关系，电磁场是电场与磁场的通称，电场是带电粒子产生的，是粒子固有的属性，而磁场是带电粒子运动产生的，是电场的运动效应，而电磁波是一种机械波，具有介质波的共性。 2.1. 光的产生方式 从原理上，光的产生方式与声音是一样的，可以归纳为以下几种： 一是简谐振动发光，其特征是粒子以角频率ω简谐振动，发光强度与振幅的平方成正比，光的频率与粒子的振动频率相同，发光方向与粒子的振动方向相同，固体的发光属于简谐振动发光； 二是轫致发光，是粒子的运动突然转向时所产生的，粒子所辐射的光能量与它的急动度（加速度对时间的微分）成正比，发光方向与粒子的速度方向相同，原子的发光就属于此类（其特征是：电子的椭圆轨道运动），X射线谱也属于此类； 三是运动发光，是粒子在以太中的运动所产生的，发光方向与粒子的速度方向相同，这种方式所产生的波的能量很弱，气体发光就属于此类，只有当粒子的速度接近光速时，粒子所辐射的能量才比较明显。 2.2. 射电波的产生 射电波是指电磁波的低频波段，射电波一般是由自由电子产生的，与原子核及内层电子无关，下面以偶极子天线为例说明。
图11.偶极子发射天线 如图11所示，偶极子天线实际上就是两根金属棒的组合。天线的发射场分为远场和近场，但远场与近场具有本质的区别，偶极子天线上的电流是时变的，但它所激发的电磁场却与静态电磁场的特点完全相同。在天线周围所产的电磁场（近场）可表示为（以振子中心为原点）： 可以看出：天线既能产生电磁场，也能产生电磁波，但场与波是有本质区别的，场是静态的，是没有波动的，最明显的是没有波动因子 当电源从导体的一端输入电子时，由于密差的原因，电子就开始向外扩散，与其它流体的扩散原理相同，是密度波的传播。由于导体内无法长期保存多余的电子，多余的电子必然会跑到导体的表面，就象气球在水中的表现一样（当气球达到水面时，必然产生振荡）。为什么电磁波的产生与驻波比有关呢？所谓的驻波其实就是电子的密度波，当电子的密度波叠加时，电子的振荡幅度会明显的加强，所产生的辐射会明显增加，电子密度最大的地方就是电磁波辐射最强之处。 必须说明的是：电磁场与电磁波没有关系，是两种完全不同的概念，例如：一根直导线，当它通入电流时，由于存在电子的运动，它周围就会存在磁场，如果电流是时变的，它周围的磁场也是时变的，但是这个时变的磁场却不能产生电场，那么，导线周围的电场是如何产生的呢？是电荷的密度产生的！可表示为：
图12.只能产生电磁场的天线 可见，把电磁波当作电磁场的振荡是历史原因造成的，是科学发展的必然过程，在没有电荷的真空中，是不存电磁场的，麦克斯韦方程的成立也必须有电荷的存在，没有电荷就没有电场，没有电荷的运动就没有磁场。电磁场与电磁波可以是同源的，也就是说，同一个波源即可以产生电磁场，也可以产生电磁波，但二者却具有完全不同的性质： l 电磁场只能存在于源的附近，但电磁波却可以存在于远离源的地方； l 电磁场不能脱离源而存在，但电磁波却可以； l 电磁场中不存在相位因子 l 交变的电磁场与电磁波都能使电子产生振动，但电磁场的作用与电子所带电荷有关，而且只能作用于带粒子，而电磁波的作用与电子所带电荷无关，可作用于任何粒子，例如，激光可以冷却任何粒子，不论粒子是否带电。 2.3. 热致发光 热致发光是最常见的发光形式，现在最流行的理论就是振动跃迁，但振动是如何跃迁的呢？没有人描述。实际上，热致发光与热噪声的原理是一样的，无论是光或声，其频率都是物体（或粒子）振动的频率。 任何物体只要温度相同，热致发光的频谱都基本相同，也就是说，光的频谱只与温度有关，而原子振动的频率也只与温度有关，与原子的类型无关。但是，怎样证明物体辐射的频率就是原子振动的频率呢？ 证明物体辐射的频率就是原子振动的频率的思路：首先找出粒子最大动能密度所对应的振动频率，然后找出物体辐射的最大密度谱所对应的频率，如果两个频率相等，就可以说明。当物体热致发光时，原子一般处于基态（核外电子都处于基态轨道上），可以把原子看成一个整体，不需考虑电子的作用，特别是固体，电子没有存在激态的空间，也就没有电子跃迁的可能。 2.3.1. 气体状态下的热致发光 根据麦克斯韦-波尔兹曼函数 令 证明的第一步已完成，但最大密度谱所对应的频率比较难求，因为我们测量到的最大密度谱所对应的频率有两个，一个是以波长为单位的光谱辐射 同一个辐射只能有一个最大值，怎么会出现两个最大值呢？之所以单位波长的峰值功率与单位频率的峰值不同，是由于所取的间隔不是常量造成的，因此，可定义单位频宽解决。 根据黑体辐射定律，单位波长的功率密度谱为 可以看出，粒子的最大动能密度处的频率为
图13.维恩曲线与普朗克曲线的比较(Mathematics图) 从上面的推导过程可以看出：粒子的最大动能密度处的频率采用的是麦克斯韦-波尔兹曼函数，而辐射波的最大能量密度处的频率采用的是黑体辐射定律，但黑体辐射定律是从固体的实验中总结出来的，难道固体的黑体辐射定律与气体不同？假设气体单位频宽的黑体辐射符合 为什么固体与气体所辐射的能量密度曲线会不同呢？ 首先，实验用黑体都是固体（气体的辐射太弱），在固体中，原子并不是孤立的，原子间相互影响。可以猜测：如果不考虑原子间的相互影响，黑体的能量辐射谱符合维恩曲线，但当考虑相互影响时，黑体辐射符合普朗克曲线，也就是说，固体辐射符合普朗克曲线，而气体辐射符合维恩曲线。其原因可能是：由于原子共振时 2.3.2. 固体的热致发光 对于固体如何证明原子的振动频率与它所辐射的频率相等呢？由于现代科技还无法直接测量固体中原子的振动频率和振动幅度，也无法知道原子的振动频率的分布规律，因此，无法求出原子最大能量密度处的频率，只能求出原子的平均振动频率。 由于固体中原子的平动和转动能量可以忽略，也就是说，原子只存在振动能量。设原子的振动方程为 在气体中，由于气体粒子的均方根速率为 可见，不管是固体还是气体，当温度一定时，粒子的平振动频率都是 固体辐射的平均（加权）频率是多少呢？ 如果所分析的固体是一黑体，要想求出黑体所辐射的加权平均频率，就必须知道数密度分布。假设黑体所辐射的能量是由一个个能量为hf的光子所组成，当黑体的温度为T时，在单位时间、单位面积所辐射的总光子数为N。由于单位频率功率密度谱 可以看出：固体中粒子的平振动频率与黑体辐射的平均（加权）频率并不完全相等，但也相差不大，其原因是：固体中的平振动频率是按照能量均分定理求出的，实际上，能量均量均分定理在固体中只是近似成立。如果气体的辐射符合维恩曲线 2.3.3. 小结 对于热致发光，虽然没有严格证明光的频率就是原子振动的频率，但也相差不大。可以认为：气体的热致发光是原子运动产生的，属于运动发光，与电子无关，其辐射谱符合维恩曲线。固体的热致发光是原子振动产生的，也与电子无关（此时的电子处于基态）。原子所辐射的能量只与原子振动频率有关，而与原子的振动幅度无关。由于粒子振动方向是可变的，因此，能量是一份一份的。物体的辐射频率与原子的振动频率相等，原子的振动能量经过以太传播出来就是辐射，与声音的产生与传播原理是一样的。 温度与最大辐射能量密度时的频率及波长应该是对应关系，而且只能是一个，因此，对于黑体，本文定义：温度与峰值功率时的频率和波长关系为： 需要说明的是：声与光的产生也存在不同之处：声波的平均能量密度与振幅A和角频率ω都有关系： 2.4. 原子发光 热致发光一般与电子无关，因为原子一般处于基态，但原子的发光指的就是原子处于激发态时的发光。原子发光属于轫致发光，是电子绕核运动时在近核点产生的，与空气中的“响鞭”（一种民间运动）具有相似的原理。 2.4.1. 原子的基态 与主流不同，本文认为：任何原子的核外电子都有确定的轨道，其轨道的分布遵循两个原则： 一是轨道共振原则，指的是任何电子绕核运动时，其共振频率 第一，任何基态原子，第一层电子数不超过2个，其轨道角动量等于ħ，其它任何轨道的角动量都等于2ħ。 第二，能量最低原则，在不违背轨道共振原则的前提下，电子尽可能先占据能量较低的轨道，使原子体系的总能量最低。它包含两个方面的内容： 1、每个电子占据一个轨道，其轨道总是处于其它电子屏蔽最小的空间； 2、电子轨道的分布方式总是使整个原子的能量最低。 根据这两个假设可以推断出原子的核外电子分布： A.氢原子 氢原子是最简单的原子，其轨道参数为：角动量
图14.氢原子的电子轨道示意图 B.氦原子 根据能量最低原则，两个电子的轨道平面必然相互垂直（因为只有相互垂直才能使电子间的屏蔽系数最小），轨道参数相同，相位差为180度（指电子通过顶点时的相位），如图15所示。图中E、F为轨道的两个顶点，两个顶点的连线称为中轴线，也是两个轨道平面的交叉线。
图15.氦原子的轨道模型 设两电子的轨道半径均为r，当两个电子的位置处于E、F两点时，电子之间的斥力为 另一种方法是根据电离能：由于在同一电子层中的两个电子相互影响，当其中的一个电子脱离基态被电离时，另一个电子的轨道会收缩，屏蔽系数会增大，从而使被电离电子的势能变大。当氦原子的两个电子处于基态时，已知第一电离能D1=
24.59 ev，设两个电子的轨道能量均为x，电离前系统的总能量为2x
+ 24.59，电离后，被电离的电子能量为0，另一个电子的轨道参数也发生了变化：由于角动量还是 C.锂原子 如图16所示，两个内轨道电子的轨道结构与氦原子一样，两个轨道平面相互垂直，半径相等，而外电子轨道的平面与内电子轨道的平面夹角均为45度，处于两个内电子轨道平面的平分线上，三个轨道平面相交于中轴线。
两个内电子轨道参数的计算方法与氦原子一样，可以利用斯莱脱规则：轨道速度 对于外轨道电子的参数，可用三种方法求出： 第一种，根据斯莱脱规则，内层电子对外层电子的屏蔽系数约为0.85，可得外层电子的引力系数X=3- 2*0.85= 1.3，根据电子的角动量为2ħ可得：电子的速度 第二种，根据电离能，已知锂原子的第一电离能为5.39
ev，由于轨道能量与电离能相等，可得轨道速度 第三种，根据光谱值，已知锂原子的第一线系限波长为 λ= 229.96 nm，所对应的就是外轨道电子的轨道周期 可见，根据电离能和光谱值所得出的结果完全一样。斯莱脱规则是估算值，精确度较低，计算出的锂原子基态能量为-99.18x2 - 5.7= -204.06 ev（误差为0.27%），但比双参数微扰法简单得多。 2.4.2. 光谱产生的原理 与跃迁理论（该理论认为光是由电子的跃迁产生的）不同，本文认为：原子的发光是由于核外电子的椭圆运动产生的，属于轫致发光，是骤然改变物体的速度方向而产生的。电子在近核点的加速度最大，速度最高，发光也最强，发光方向为电子运动的切线方向。电子在不同的轨道上运动所发出的光的频率不同，但在基态或线系限轨道（指圆形轨道）上运动时不发光。电子每电离一次，在复合的过程中，都会发出一系列的光。电子椭圆运动时所发出的光是脉冲形式的（主要集中在近核区发光），但周期性的脉冲就是连续的光波，光的频率就是电子的轨道频率。只要电子在椭圆轨道上运动，原子就能发光，其发光强度与电子的急动度成正比。原子在基态时，电子是圆周运动，其轨道没有急动度，也就没有辐射，但当原子受激时，外层电子的轨道将产生偏心，从而产生光谱，这里作如下假设： A. 每一个激发态对应一个线系； B. 同一个激发态中的轨道角动量都相等； C. 电子的每个椭圆轨道与光谱值都一一对应； D. 轨道角动量的取值为： 根据上述假设，氢原子激态时的轨道示意图如图17所示，轨道参数如表2所示。
图17.氢原子的轨道示意图（红色是基态轨道，黄色为第一激态， 绿色为第二激态，蓝色为第三激态） 表2.氢原子的轨道参数与光谱
2.4.3. 小结 任何原子中的电子都有确定的轨道（如果没有确定的轨道，它的能级从何而来呢？），其参数是由共振原则与能量最低原则确定的，当原子由于某种原因（例如：碰撞、电磁场或电磁波的扰动等）被激发后，电子只是暂时不在能量最低的轨道上运动，但能量最低原则并没有失效，电子总的趋势仍然是向能量最低的轨道过渡，只是在某些特定的椭圆轨道（与系限轨道的周期具有整数比）上停留的时间较长，与行星或卫星的轨道共振具有一定的相似性（但原理不同）。 2.5. 激光 学界主流对激光产生的描述仍然采用的是跃迁理论，但对原子处于某个能级时的物理状态则是只字不提，例如，核外电子的轨道参数等。如果电子处于不确定状态，它为什么会有确定的能量？因此，这种理论只能是一种假说。本文认为：激光就是某种粒子的共振所产生的。 宇宙的大多数物质都是有弹性的，大到行星小到原子，几乎都能以一个或多个固有频率来振动。共振是物理学上的一个运用频率非常高的专业术语，不仅在物理学上运用频率非常高，而且共振现象也是一种宇宙间最普遍和最频繁的自然现象，所以在某种程度上甚至可以这么说，是共振产生了宇宙和世间万物，没有共振就没有世界。 2.5.1. 红宝石激光器 红宝石激光器是世界上第一台激光器，工作物质是红宝石棒，其基质是Al2O3，内掺有约0.05%的Cr2O3，Cr3+在晶体中取代Al3+位置而均匀分布在其中，在氙灯照射下，有波长为694.3 nm的激光输出。 传统理论认为：红宝石晶体中原来处于基态E1的粒子，吸收了Xe灯（波长为500 nm）发射的光子而被激发到E3能级。粒子在E3能级的平均寿命很短（约10-9秒）。大部分粒子通过无辐射跃迁到达激光上能级E2。粒子在E2能级的寿命很长，可达3×10-3秒。所以在E2能级上积累起大量粒子，形成E2和E1之间的粒子数反转，此时晶体对频率f满足hf= E2—E1（其中h为普朗克常数，E2、E1分别为激光上、下能级的能量）的光子有放大作用，即对该频率的光有增益。当增益G足够大，能满足阈值条件时，在部分反射镜端会有波长为0.6943微米的激光输出。 但是，红宝石晶体中处于基态E1的Cr2O3是什么状态？E2和E3又是什么状态？是怎样激发的？如何描述？为什么晶体对频率f满足hf= E2—E1的光子有放大作用？ 本文认为：固体中的电子是很难存在激发态的，因为它没有足够大的空间，如果电子被激发，化学键就会被破坏，因此，固体发光只能是原子的振动，与电子无关。694.3 nm应该是铬原子的共振频率，而500 nm是铝原子的共振频率。氙灯的照射只是增加了铝原子的振动能量，而氧原子只是起到桥梁的作用，从而导致这两种粒子有不同的振动频率。如果把Cr原子的振动能量形成的波再反馈回来，在以太的作用下，就可以形成众多Cr粒子的同相共振，这就是激光。 2.5.2. 二氧化碳激光器 在量子力学中，二氧化碳的发光被描述为振动能量的跃迁，但是，振动能量如何跃迁呢？振动能量跃迁就可以产生光子吗？没有人描述。 二氧化碳虽然是气体，但二氧化碳在产生激光的过程中，氧原子和碳原子都不存在激发态，二氧化碳更没有激发态可言。CO2分子形状是直线形的，它的振动包括对称伸缩振动、不对称伸缩振动和形变振动，如图18所示。
图18. CO2分子的振动方式 如果说对称伸缩振动是基态，不对称伸缩振动是第一激发态，那么，从不对称振动变为对称振动就可以产生光吗？本文认为：二氧化碳的发光是简谐振动发光，1060 nm的波长就是不对称伸缩振动产生的，它是CO2的固有振动波长，与电子无关，所谓的振动能量跃迁纯属子虚乌有。 2.5.3. 自由电子激光器 传统理论认为：自由电子激光是通过自由电子和光辐射的相互作用，电子将能量转送给辐射而使辐射强度增大。 但是，自由电子是如何与光辐射相互作用的？电子又是如何把能量传送给光子的？一个速度慢的物体能够给速度快的物体传送能量么？ 本文认为：当电子在扭摆器（或波荡器）中运动时，电子运动的轨迹类似于正弦波，如图19所示，当电子处于波峰时，急动度最大，辐射量也最大，辐射方向为电子运动的切线方向，属于典型的轫致辐射。自由电子激光是线偏振光，而且偏振方向在电子运动的平面内，并与电子的振动方向相同，这也是发光源横向运动的典型例子。
图19.自由电子激光 电子所辐射的光是脉冲形式的，如果是单个电子，所辐射光的频率等于电子振动频率的2倍，但如果在一个周期内有n个间隔相同的电子，所辐射的光的频率就等于电子振动频率的2n倍，如果电子的间隔是随机的，所辐射的就不是单色光。 3. 光的传播 3.1. 光子是什么？ 主流理论认为：光子是光线中携带能量的粒子，是传递电磁相互作用的基本粒子，是一种规范的玻色子。但在爱因斯坦晚年的时候，仍对光子的概念困惑不已，他说：“我认真思考了五十年，光子是什么？但是并没有找到答案”。 3.1.1. 光子不是真正的粒子 证明光子存在的实验主要有光电效应和康普顿效应。但是如果假设光子是光线中携带能量的粒子，就会产生如下逻辑混乱： A.一个光子在空间上是一个点，还是一定范围的分布？如果是一个点，相干性就难以理解了，如果是一定范围的分布，那么多大范围？如何分布？为什么人们从来没观察到光子与光子相撞的现象！ B.光子的频率越高，光通过三棱镜后的偏转角越大，但如果按照光子说则应该是：频率越高偏转角越小！因为频率越高的光子，动能或动量越大，改变方向的难度也就越大，因此，光的折射无法用光子进行解释。 C.光在空气中的速度约为30万千米/秒，在玻璃中约为20万千米/秒。当光子从玻璃出来再次进入空气时，速度瞬时增加了50％，同时运动方向也发生了突变，这并不是粒子所具备的特性，也不符合动量守恒。 D.如果光是粒子，在介质中，其速度应该会随运动距离的增加而降低，但光在均匀介质中的速度却是恒定的。 E.任何黑体所辐射的频率谱在频率上都是连续的，根黑体辐射定理可以求出每Hz频宽内的辐射度，这种频率分布特性是无法用单一频率的光子来解释的。例如，天狼星是全天空最亮的恒星（太阳除外），它的总光度为9.77x1027w，在地球上，每平方毫米能够接收到天狼星的光功率为1.18x10-13w，如果换算成500 nm的光子，约为30万个。假设天狼星的频谱范围是200-800 nm，光子在这个频谱范围平均分配，可以计算出在1秒时间内，每间隔3.8x109Hz才存在一个光子，但实际上天狼星的光却是连续的。同样的条件下，在地球上每平方毫米能够接收到太阳的光功率为1.36 mw，可以计算出每Hz才存在3个光子，如果接收的时间变短，每Hz存在的光子数更少，但不论接收太阳光的持续时间是多少，太阳光的频谱都是连续的。 F.光的干涉和衍射现象都不能用光子解释，相位相反的光子叠加后，光子哪里去了？ G.如果光是由光子组成的，单个光子的波动模式就无法理解（如果光子是波形运动，光子的实际运动路径的速度将大于光速，如果光子不波动，光的偏振就无法解释），半波损失就更不可理解了。 H.证明光是粒子的实验并不能让人信服，例如，发生光电效应时，光的频率存在一个范围，随着光频率的升高，光电效应现象反而不明显，明显的是康普顿现象，这说明把光当作粒子是存在问题的。再如，在康普顿实验中，与电子水平相撞的光子，可以使电子获得比光子还要大的动量，最可疑的是这个电子还无法逸出（不发生光电效应）。 I.量子力学认为：光子是基本粒子，但为什么光子的能量还会与光波的频率有关呢？光子又是如何波动的呢？ 可见，光具有粒子性，但光并不是由光子组成的，因为光的所有性质，超声波都具有，如果产生超声波的源存在横向运动，超声波也会偏振。如果承认以太的存在，就没有光子存在的必要。 3.1.2. 光子与声子的比较 光是以太中传播的波，光子是假想的粒子，与声子（用来描述晶格的简谐振动）一样，是用来描述以太中体积元的简谐振动，光子不是一个真正的粒子，光子也可以产生和消灭。光子与声子的比较如表3所示： 表3.光子与声子的比较
声子存在于微观的晶格之中。由于空气分子相距遥远，它们之间没有明显的弹性联系，不能形成集体激发，也就不能有效传递声子的振动。既然空气中没有明显存在的声子，为什么以太中能够存在光子呢？实际上，在气体中，能否形成集体激发主要与输入波的频率有关，在空气中，当输入的频率大于1 GHz时将会存在声子特征，在以太中，只有当输入的频率大于10000 GHz时才会存在光子的特征。 3.1.3. 光子的定义 用定义声子的方法去定义光子，确实可以解释一部分物理现象，但是，光与声的产生是有区别的，宏观物体的振动属于强迫振动，是外力推动的，而微观粒子的振动是自主振动的。因此，声子与光子的定义应该有所不同。 假设光是以太中传播的波，由于以太可以看作是理想气体，属于弹性介质，符合机械波的一般性质，在波动过程中，任一质元的动能和势能相等，且同相位变化，单个质元的机械能可表示为： 根据微观粒子热运动的规律： 如果我们定义一个光子的能量为hf，则一个光子的体积就可以确定： 根据上述描述，我们可以定义：光子是以太介质中，体积为7.25x10-25 m3的质元（质量单元）在平衡位置时的能量（包括动能和势能）。从宏观上，这个质元足够小，可以当作点粒子，但从微观上，它又足够大，包括了13亿个以太粒子，因此，它具有波粒子二象性。根据这个定义，可以解释3.1.1节中提出的所有问题，而且符合量子力学中的定义，例如，光子是基本粒子等。 光子的物理意义是：一个光子代表一定体积的质元在平衡位置时的瞬时能量。 关于光子的质量，可以作如下解释：光子代表的是能量，与质量是两个不同的物理概念。但历史上把光子看成粒子，它应该有质量，如果对光子的质量进行定义，本文认为：光子的质量可分为绝对质量与相对质量，绝对质量是指质元的绝对质量，也就是13亿个以太粒子的质量，而相对质量是指质元相对以太的质量，应该为0，与在空气中称量空气具有相同的原理，但是，如果质元被压缩，它应该有相对质量，这就是光子的动质量，光子的能量越大，代表质元的密度越大，其相对质量也越大。 3.2. 光的传播方式 3.2.1. 波的分类 我们对波并没有深入研究，在我们的教科书中，波简单地分为纵波和横波，纵波是指振动方向与传播方向一致或平行的一类波，即媒介（质点）的运动方向同波的运动方向相同或相反，横波是指质点的振动方向与波的传播方向垂直，例如，空气中的声波就是纵波。但是，这种定义方法是欠妥的，难道自然界中就只有纵波和横波吗？介质质点的运动方向即不与波的传播方向平行、也不垂直的波是什么波呢？ 在介质中，质点的运动采用的是补位方式，当介质中出现空缺时，周围的介质就会向空缺处运动，从而形成质点的振动传播。一般情况下，质点的分布是均匀的，当一个质点运动时，这个位置就会出现空缺，邻近的质点就会向那里运动去替补这个空缺，但并不是只有某一个点去替补，而是周围的所有质点都会向那里运动，只是运动的幅度不同。如果只有一个方向的质点向那里运动，这种波可以称为纵波，但自然界中并没有纯正的纵波，也不是所有质点的运动方向都与波的传播方向平行。 在实际的波中，质点的运动是复杂的，质点即不会与波的运动方向相平行，也不会相垂直，也不会是直线运动，而是椭圆运动，这样的波本文定义为偏振波。 波如何分类呢？实际上，所有的波都是偏振波，包括固体介质中的波，也就是说，任何介质中质点的运动轨迹都是椭圆。这里引入偏振度P的概念，并定义偏振度为：质点在垂直于传播方向上与平行于传播方向上的振动幅度之比。当P等于0时，为纵波，当P等于1时，为正偏振波（为了区别于教科书中的圆偏振波），当P等于无穷大时，为横波。偏振波可以包含自然界中大多数的波，纵波和横波只是偏振波的两个特殊形式。在纵波中，只有在波传播方向的中轴线上，质点的运动轨迹才是直线，其他方向上质点的运动都是椭圆。 波在传播时，在波的传播方向上一定存在质点的运动速度（质点在波传播方向上的速度矢量不能为0），如果在某一个方向上没有质点的运动速度，波也一定不会向这个方向传播，也就是说，真正的横波并不存在。例如，在地震波中，如果波源完全是横向运动，即使有剪切力的存在，在震源的正上方，也不会有地震波的传播。在实际的地震波中，质点在横向的振动速度比纵向速度高，这也是地震波的速度随着与波源距离的不同而不同的原因。 水面波就是典型的偏振波，水分子的运动轨迹就是椭圆，有的教科书中把水面波称为横波，但水分子的运动方向与波的传播方向并不垂直，而是不断地变化。在无限深液体自由表面进行波中，液体质点围绕各自平衡位置作圆周运动，其半径在自由表面上等于波幅（偏振度等于1），随质点所处自由面下的深度而按指数律递减。有限水深和浅水中的进行波，其流体质点运动的轨迹为具有水平长轴的椭圆（偏振度小于1）。椭圆的长轴和短轴都随质点所处自由面下的深度而递减，短轴比长轴递减得更快，短轴在自由表面上等于波幅，递减至底面时为零，水愈浅，椭圆愈扁，偏振度越小（部分摘自百度百科：液体自由表面波）。 在自然界中，很少存在单纯的纵波或横波，即使波源是单纯的纵波，波在传播过程中，并不是所有的质点都与波源的振动方向完全一致。如果单纯的纵波存在，波就不会发散，就是理想的平面波。 3.2.2. 光是横波吗？ 自然界中最常见的是偏振波，有些教科书中无法定义水面波的原因，就是由于其质点的运动方向既不与传播方向平行也不垂直。在实际的横波中，质点的运动方式并不是与波的传播方向完全垂直，只是偏振度较大。在流体中，不能传播偏振度大于1的波，也就是说，流体中可以传播偏振度等于或小于1的波，这就为以太的存在扫除了最大的障碍。对于波的理解，我们要根除非横即纵的概念，自然界中即没有单纯的纵波，也没有单纯的横波，光不是横波，而是偏振度不大于1的偏振波。 为什么光波中没有纵波呢？即使在光传播方向的中轴线上也不存在纵波，其原因是微观粒子的振动方式与宏观物体有所不同。对于宏观物体，由于是原子的整体运动，而且它的振动是由外力产生的，例如，响鼓还要重锤敲，而外力是有方向性的。但微观粒子不同，微观粒子的振动并不需要外力，例如，任何大于零K的物体都能发光，不需要任何的外力，也就是说，微观粒子的振动没有方向性，微观粒子发光时，其方向性也是随机的。因此，光波中没有纵波，主要是由于粒子发光的同时存在横向振动，如果与声音类比，相当于我们一边走一边敲锣，从而使波传播方向上的中轴线不复存在。水面波之所以是偏振波，就是因为波源的振动方向与传播相垂直，也就是波源存在横向运动。 光的偏振现象也证明了光的偏振只与光源有关，而与传播过程无关（电磁波的极化原理与此相同）。我们知道：电磁波的极化方式只与发射天线的形状有关，例如，偶极子天线，所产生的电磁波的极化方向一定与天线平行，而螺旋状天线所产生的电磁波就是圆极化的。在自由电子激光器中，所产生的偏振光也只与电子的运动状态有关，其中的电子是以类似于正弦波的方式运动，它发出的光就是线偏振的，而且偏振方向与电子的运动平面相平行。 可见，偏振波是由波源的横向运动引起的，与波的传播无关。声波产生时，如果波源没有横向运动，就表现出纵波的性质，但如果存在横向运动就表现出横波的性质。例如：一只喇叭发音的同时作匀速圆周运动，这个喇叭所发出的声音就是圆偏振波，如果喇叭作上下振动，所发出的声音就是线偏振波。因此，电磁波虽然具有横波的表象，但本质上与水面波一样是偏振波，如果存在一个没有横向运动的发光源，光波也一定不会偏振，波是纵或是偏振的关键是波源，与传播介质无关。 声波是纵波，人们普遍认为声波不可能存在偏振，但是，在2019年，来自美国加州大学伯克利分校、美国佐治亚理工学院以及中国同济大学的合作研究团队发现并通过实验观测证明：在垂直相干的声波中，每束声波贡献了局域速度场中的一个垂直分量，当局域速度场的两个垂直分量相位相差90度时，该声波的偏振发生旋转，从而导致了声波的自旋，因此，空气中传播的声波也存在偏振现象。 河南民间有一种运动叫“响鞭”，在甩起鞭子时，力量会顺着发力的方向，传递到鞭子的末梢，当鞭子的末梢达到一定的速度并突然改变方向时，鞭梢就会发出响亮的声音，这种声音就是线偏振波，偏振方向与鞭梢的运动平面平行。在发声时，鞭梢的急动度（加速度对时间的导数）很大，发声方向为物体运动的切线方向，产生声音的鞭梢在纵向运动的同时，存在横向运动，导致了声音在传播截面上的振动相位不同（纵波是同相的），从而使传播介质发生旋转。偏振波与纵波在流体中的传播原理是一样的，都是密度波的传播，只是介质中的质点运动方式不同。在纵波中，质点在平衡位置沿传播方向振动，而偏振波中的质点没有平衡位置，而且是椭圆运动。 因此，光既不是横波，也不是纵波，是在以太中传播的、偏振度不大于1的偏振波。 3.2.3. 光的传播方式 有一位知乎网友SiCo发表了题目为《物理之美——终极理论的序章——基于以太的电磁波模型》的文章，他在文中写到：“当我看到这个基于以太的模型的时候，一下子被震撼到了。这解释了我若干天以来对电磁波的若干困惑：电磁波的形状，电磁波怎么传输，磁场和电场到底什么关系，电磁波为什么没有能量耗散，电磁波的方向，所有的问题，被这个模型一下子就解决了。这个基于以太的电磁波模型，实在是太美了！这就是物理的美，甚至胜过数学的美！用一个形象驱动，远胜过用一堆算式去推导”。对作者表示祟高的敬意。 3.2.4. 声波能在以太中传播吗？ 我们都知道声音是不能在真空中传播的，既然以太无处不在，为什么以太不能传播声音呢？实际上，以太完全能够传播声音，例如：所谓的“引力波”实际上就是天体碰撞产生的声音，即使相隔几万光年也能传播到地球上。 首先，原子核和电子在原子中的体积占比只有百万分之一，而能够引起以太振动的粒子只有电子和原子核，因此，不是以太不能传播声波，而是普通物质的振动在以太中产生的波动太弱。 其次，在低频的情况下，以太没有空气的传播能力强，在介质中，体积元的能量可表示为： 综合这两个方面的因素，在我们的生活中，以太对声音的传播几乎没有作用，但声音确实能够在以太中传播，如果声音的频率达到1 MHz，以太对声音的传播能力将大于空气。 3.2.5. 光速不变的原因 很多的实验都可以证明：光速不变而且与发射体的运动状态无关，但所有的实验都有一个前提，就是观察者相对于传播介质是静止的，也就是说，只有观察者相对于传播介质是静止时，光速才是不变的。声音也有同样的性质：当观察者相对于空气静止时，声音的传播速度也同样与发射体的运动状态无关，只要空气的温度不变，声音的速度就是确定的，这是经过很多实验证明过的，与光速的性质完全一样。如果观察者相对于介质是运动的，所观察到的速度就是可变的，例如：两列相距为L、以相同速度V同向运行的高速列车A和B（A在前），在A车上听到B车发出的声音所需要的时间为： 著名的萨格纳克效应就是一个观察者相对于介质运动的例子（见7.8节）。这个实验与上述两个高速列车具有相同的原理，在这个实验中，光源与屏幕（观察者）之间的距离不变，两条光路的距离一样，当这个平台旋转时，两条光路的速度不一样（相对于观察者），从而导致两束光到达屏幕的时间不同，使干涉条纹发生移动。这个实验证明了三点：一是干涉条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积成正比，二是光的传播需要介质，三是光相对于介质的传播速度是恒定的。如果光的传播没有介质，萨格纳克效应是无法解释的。中日双向时间传递实验证明了地球自转具有萨格纳克效应，也证明了地球大气层以外的以太是相对地球表面是运动的（地球表面的以太相对地球静止）。对于观察者来说，光源相对介质的移动和观察者相对介质的移动不是等价的。 如果光的传播不依靠介质，是解释不了光子是如何发射的、如何达到光速的，也无法解释光通过透明物体后光的速度是如何重新变快的。光既然是波，它就和所有的波一样，是一种介质的波动。例如：在空气介质中的声音，尽管声源振动的频率有快有慢、振幅有大有小，但声音的速度却是恒定的，因为介质都有自己的内在固有属性，除非温度变化了，音速才会改变。同理，光也是波，传播同样需要介质，传播速度取决于介质，而与光源无关，不管波动频率和初始能量多大，只要介质的性质不发生变化，光速就是恒定的。如果没有介质，光在传播过程中没有任何速度恒定机制存在，而光的发射源和发射过程也没有任何速度恒定机制，因此，没有介质的光速是不可能恒定的。 我们知道：波在气体中的传播速度为： 可以得出结论：光速不变的原因，一是由于它是在以太中传播的波，传播速度取决于以太的温度；二是观察者相对于以太必须是静止的，如果观察者相对以太不是静止的，观察者所观察到的光速也会发生变化。在宇宙中，光速的值并不是恒定的。与音速一样，光速的大小也依赖于介质的温度，只有介质的温度不变时，光速才是恒定的，高密度星体附近的以太温度高，光速值大。 3.3. 波的反射与透射 光的反射与透射不能用粒子学说解释。假设一束光中有100个光子，以某个角度照射到玻璃上时，会有96个光子穿透玻璃，而另外4个光子则会发生反射。在光的部分反射现象中，反射率是一定的，也就是说不管测量多少次，结果依旧如此，那么对于单个光子而言，当它来到玻璃上时，是如何做出选择的呢？如果光子是基本粒子，每一个光子都是一模一样的，那么来到玻璃上的光子凭什么能够决定自己是应该穿过玻璃，还是反射回来呢？它怎么能够保证每穿过去96个，就反射回来4个呢？ 主流对波的反射和透射是用著名唯象理论——惠更斯原理进行解释的，惠更斯认为：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。 但是，在任何均匀的介质中，同一个介质粒子的运动总在不断地变化着，但介质粒子的速度向其传播方向上的下一个介质粒子进行着大小不变的传播。空间中每一个介质粒子，在介质粒子密度产生的属性力的作用下，不断地发生运动速度的改变，但对于同一个介质粒子而言，无论其速度为多少，传播后一定能够使下一个粒子获得相同的速度，即介质粒子的速度在传播过程中不会发生突变。正是因为均匀介质中的介质粒子间的等速传播，并没有造成空间介质粒子新的不平衡的分布，所以，并不会因空间某个介质粒子的振动而形成新的波源，介质粒子还是传播着由原始振源产生的波动。 可见，波在均匀介质中传播时并不能产生次波，波前的每一点并不是产生球面次波的点波源，只有在两种介质的交界面上，才能产生次波。因此，惠更斯原理应该描述为：波源决定波的频率、偏振、强度和方向，介质决定波的速度和衰减，在两种介质交界面上的每一点，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。 3.3.1. 声波的反射与透射系数
图20.声波的反射与折射 如图20所示，平面界面两侧是两种介质：介质1和介质2，密度、声速和特性阻抗分别为 建立直角坐标系，使界面位于 x= 0处， 入射波的传播方向在xy平面里，入射波在边界上会产生介质1中的反射波和介质2中的透射波。 设pi、pr、pt分别表示入射波、反射波、透射波的声压，Ai、Ar、At分别表示它们的幅度，入射波的声压可表示为： 入射波在边界上会产生介质1中的反射波和介质2中的透射波，反射波和透射波的声压以及x方向的质点速度为：
其中， 声压和声速连续的边界条件是： 1、两种介质的声压在分界面处连续，即： 2、两种介质在分界面处的法向声速连续，即： 根据这两个边界条件和Snell定律：
可以得出声压反射系数： 3.3.2. 光波的反射与透射系数 光波与声波具有非常相似的性质，其反射与透射系数的计算方法高度一致，所不同的是：光波的介质是以太，其密度在不同的介质中基本相同，也就是说，光波的特征阻抗只与光的速度有关，而与介质密度无关。根据 光的反射系数 光的透射系数 光波与声波还有一个不同点：光波是偏振的。因此，上面两式仅仅适用于垂直于入射面的偏振波（因为这种偏振方向符合上述连续边界条件）。但如果光波是平行于入射面的偏振波，由于介质质点是圆周运动，在两种介质的界面上，存在两种光压：一个是与波的前向光压，一个是波的横向光压，光压的幅值为
可以得出反射系数：
透射系数：
两种偏振方式的比较如图21所示。
图21.两种偏振方式的比较 从两种偏振的比较可以看出：当入射波的偏振方向与入射面垂直（P光）时，光波与声波具有完全相同的性质： 上面的这四个公式，是菲涅耳当时是在研究弹性波如何通过二媒质界面这一问题时推导出来的，他的推导是建立在以太说的基础上，是远在麦克斯韦方程组之前就推导出了这套公式，非常遗憾的是：我没有找到菲涅尔的原始推导过程（期望网友们的帮助，在此表示感谢），现代理论认为菲涅耳的以太理论基础是错误的，应该以麦克斯韦电磁理论为基础，但是，麦克斯韦电磁理论是“场”的理论，与“波”是风马牛不相及，光与电场和磁场没有关系。 3.4. 波的多普勒效应 多普勒效应是当波源与观测点之间存在相对运动时，观测点实际接收到的频率并不等于波源实际频率的现象。 3.4.1. 声波的多普勒效应 声波为什么具有多普勒效应呢？声波之所以会产生多普勒效应，是由于声波传播具有如下三个特征决定的： A. 声源与声波之间存在速度的叠加 声源与声波速度的叠加指的是：产生声音的物体，其相对于介质的运动速度与振动速度的叠加，当声源相对于传播介质的运动速度为零时，声波与声源之间的相对速度等于音速，当声源相对于传播介质的运动速度不为零时，声源的运动速度与振动速度的叠加可使一个周期时间内的波长长度发生变化，这种波长的长度变化量等于声源相对介质的运动速度乘以声波的周期。与波源运动同向传播的波，其波长是变短的，与声源运动反向传播的波，其波长是变长的。 B. 声波的传播速度只与介质的物理性质有关，而与声源的运动状态无关。 在一定的物理条件下，无论声源的运动状态如何，声波的传播速度是不变的。声速之所以与声源的运动状态无关，是因为声波只是能量传递的一种形式，一旦声波离开声源，声源的运动对声波不再起任何作用，声波将依据介质的传播特点进行传播。 C. 接收者与声波之间也存在速度的叠加 声波的产生和接收过程相似，接收是产生的逆过程，在接收的过程中，如果接收者相对于传播介质的运动速度不为零，接收者的运动速度与波动速度的叠加，也可使一个周期时间内的波长长度发生变化，这种波长的长度变化量等于接收者相对介质的运动速度乘以声波的周期。与接收者运动同向传播的波，其波长是变长的，与接收者运动反向传播的波，其波长是变短的。当波源静止，而观察者以速度v靠近波源时，由于波源静止，介质中声波的频率与波源频率相等。根据接收频率的定义（1s内连续通过接收者的完整波的个数），可以得出：1s内波传播了
图22.波源静止时的多普勒效应（图片来源于乞力马扎罗山的雪B） 当波源相对于介质向右运动时，波源在运动过程中向四周发出声波，等相位面就变成了一系列偏心圆环，沿着波源的运动方向，波长发生了压缩，如图23所示。
图23.波源运动时的多普勒效应（图片来源于乞力马扎罗山的雪B） 如果波源静止，S点发出的波经过一个周期以后传播到A点，S点与A点之间的距离就是此时的波长λ。由于波源是运动的，当波传输到A点的时候，波源从S点运动到了S’点，它们之间的距离就等于波源的移动速度vs乘以运动周期T，根据波长的定义，S’点与A点之间的距离就是此时的波长： 如果接收者相对介质是静止的，所接收到的频率与介质中的频率相同，如果接收者相对于介质以速度v向着波源运动，则所接收的频率为 需要指出的是：波源相对介质的运动与接收者相对介质的运动不是等价的，例如，假设波源的频率为f，当波源相对介质以0.5u的速度向接收者运动时，接收者相对介质静止时所接收到的频率为2f，但当波源相对介质静止，而接收者以0.5u的速度向波源运动时所接收到的频率为1.5f。 3.4.2. 光波的多普勒效应 学界主流认为，光波中的多普勒效应是相对论效应，是通过相对论的时空变换方程计算出光波频率的变化量： 在相对论中，假设光速不变，而且是相对任何惯性参考系都不变的物理量，这种假设已经超出了人们对速度概念的认知。依照光速不变性原理和相对性原理，如果波源的频率不变，而光波的速度又与光源的是否运动无关，因此，光的波长是不可能变化的，多普勒效应也就失去了存在的理论基础。光速不变是可以理解的，因为声速也是不变的，但速度是必须存在参考系的，声速不变指的就是相对于介质，没有参考系就没有速度。萨格纳克效应已经证明：当观察者相对介质运动时，光速是可变的，波源与观察者的运动并不等价。因此，相对论也就失去它的理论基础，通过时空变换方程推导出的光波频率变化量也必然是错误的。 但是，要想证明这是一个错误是非常困难的，例如：频率为10 GHz的波源以1000 m/s的速度运动时，计算所接收到的频率差，如果以声波中的多普勒公式所计算的结果是： 随着技术的发展，真相总有大白的时候，相信光波的多普勒效应的原理与声波完全一样，计算方法也应该是完全一样的。 任何物理现象，必然存在物理过程。在声波中，多普勒效应产生的物理过程非常清晰，而在光波中，只存在坐标系的变换和数学上的推导，却没有物理过程的说明。声源相对于声波可以有相对速度的叠加和变化，这种相对速度的叠加和变化才是多普勒现象产生的原因，而相对性原理和光速不变原理根本不容许光源与光波有相对速度的叠加和变化，既然没有相对速度的叠加和变化，那么类似于声波传播中发生的多普勒效应又如何在光波传播中发生呢?光波波长又如何变化呢？ 3.5. 波的萨格纳克效应 萨格纳克效应是指1913年萨格纳克发明的一种可以旋转的环形干涉仪。将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉，当在环路平面内有旋转角速度时，屏幕上的干涉条纹将会发生移动，如图24所示，这就是萨格纳克效应，萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积成正比。
图24.萨格纳克环形干涉仪 萨格纳克效应产生的原因是介质的相对运动，是光源和观察者相对静止，介质运动所产生的现象。与多普勒效应恰好相反，多普勒效应一般定义介质是静止的，在坐标系的选择上，也是选择介质作为参考系。但萨格纳克效应不同，一般定义观察者或波源是静止的，在坐标系的选择上，可选择观察者作为参考系，但这两种效应的本质是相同的。多普勒效应一般应用于频率或波长的变化，而萨格纳克效应一般应用于传播时间或传播速度的变化。 3.5.1. 声波中的萨格纳克效应 光与声是一样的，只要是光波中所具有的性质，声波中也同样具有。超声波测量风速实际上利用的就是萨格纳克效应，它的基本原理是：超声波在空气中传播时，顺风与逆风方向传播存在一个速度差，当传播固定的距离时，此速度差反映成一个时间差，这个时间差与待测风速具有线性关系，通过测量两个方向上超声波到达时间，即可得出超声波在顺风和逆风下的传播速度，经过计算即可得到风速值。 3.5.2. 萨格纳克值的计算 萨格纳克值指的是：当介质的运动速度相对观察者为v时，波从A点到B点所需要的时间，减去当介质相对观察者静止时波从A点到B点所需要的时间。也就是说，萨格纳克值就是由于介质的运动所产生的时间差。当介质的速度方向与波的传播方向存在夹角时，速度值取它在传播方向上的投影（余弦值）。 A. 声波中的萨格纳克值 如图25所示，A点是声源，B点是观察点，AB两点的距离为L，介质速度为v，波的传播速度为c。
图25.声波中的萨格纳克现象 当介质相对观察者静止时，从A传播到B的时间为 B. 环形干涉仪中的萨格纳克值 如图7-6所示，假设环路是边长为a的正方形，环形干涉仪以中心为原点，以角速度ω顺着光的传播方向旋转，如果以观察者（接收点）为参考点建立坐标系，则光路上的介质（以太）在光传播方向上的速度为 C. 中日双向时间传递的萨格纳克值 这个实验数据是中国国家授时中心同日本合作而测量出来的，中国的实验地点在西安（A，北纬 35.68°东经 139.75°），日本的实验地点在东京（B，北纬34.27°东经108.9°），地球同步卫星C在地球赤道上空， 距地心42100 公里，如图26所示。
图26.中日双向时间传递实验 图中的XOY面为赤道面，为了计算方便，假设C点和B点的经度相同，可以计算出从A到B的直线距离AB= 2800 km，BC= 37000 km，AC= 38000 km，∠ACB= 0.07 rad = 4°。 如果地球同步轨道内的以太与地球同步旋转，则从A点发射的电磁波经C点传播到B点时，萨格纳克值为0，但从3.1.2节的描述可以看到：只有高度在100公里内的以太与地球同步，也就是说，假设中转卫星定点于地球表面上空100公里处，无论电磁波的传播方向与地球自转方向是否相同，所得到的萨格纳克值都是0。当高度大于100公里时，以太的旋转速度逐渐降低，在距地面36000公里的同步轨道上，在月球的拖动下，以太相对地心的旋转速度只有91 m/s，如图1所示。 以地球中心为参考点建立坐标系，同步卫星静止于C点，可以求出以太在C点的速度约为-3000m/s，方向与B点的切线方向平行，负号表示与地球自转的方向相反。在C点上，由于∠ACB= 0.07 rad ，可以求出以太的速度在传播路径上投影为-208 m/s，由于以太相对于球心点的速度与距离成正比，因此，可以求出在电磁波的传播路径AC上任一点（距地球表面大于1000公里）以太的速度，在AC上的投影都等于-208 m/s。因此，电磁波从A到C传播时所产生的萨格纳克值可表示为 4. 结论 光是以太介质中传播的机械波。 |
