| 天人地 | 2024-06-25 10:02 |
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光到底是什么，这个问题困扰我好多年，从孩童时期到成家立业，我对光的认识经历了从肤浅到深刻的进化。 在小时候，我认为光只是能驱散黑暗的东西，至于这种东西长什么样子，有什么性质完全不懂，最后学了物理学，才明白光实在是太复杂了，学10年甚至都学不完。光简直就是宇宙基本法则的度量衡，光所蕴含的物理学知识代表人类对宇宙最深刻的认知。  第一层：普通人对光的理解 对于普通人来说，光是一种看得见，好像又摸不着，却能感知到的事物。我们能看见光，是因为没有光的地方对应的就是黑暗，能感知到光，是因为有光的地方也就有温度，但好像我们又摸不着光，因为我们伸手感知到的就是空气的流动，物质表面的粗糙程度，而并不是光本身。  所以对这个问题的回答，就延伸出对光的第二层认识。 第二层：光是虚幻的，是人的意识对物自体世界的映射 严格来说，我们看不见光本身的样子，甚至我们看不到任何物质真实的样子。比如说，我看见了一个桌子，那只不过是桌子表面核外电子受激辐射发射出来的光子，而人的眼睛只是识别到光子的波长，这种波长抵达到人的意识就在大脑中呈现出桌子的样子。至于桌子本来是什么样子，我们完全不知道，因为意识只是对波长的一种抽象呈现。所以光本来是什么样子，以及所有的物体本来是什么样子，我们无从得知，我们感知到物体的所谓样子，全都是通过人的五个感官映射出的抽象感知。  第三层：光是物质 如果我说，我们看见的所有东西都是物体反射或者发射出来的光，那我们就得假设光本身就是一种物质，那既然光是物质，它就肯定有一种形态，那光到底长什么样子的？ 在普通人对物质形态的认知中，就只有固态，液态和气体。首先可以肯定，我们看见的东西都是稳定的，这就证明光也是十分稳定的，而液体和气体是流动的，所以光不可能是气体和液体，那光是固态的吗？   所以对光线的第四层认识就是：光是波 牛顿并不认可光是波，反对的主要一个理由是，光如果是波的话，就会绕开障碍物，而光却是直线传播的，不会绕过障碍物。对于光的衍射现象，牛顿认为，光微粒是在以太中传播的，光在以太中的移动会造成一个局域波，所以光的衍射是以太造成的。  既然光是一种机械波，那么光就必须在介质中才能传播，声波是典型的机械波，声波之所以能传递，必须在物质中进行，因为声波的本质就是构成物质的微粒振动的传递过程。 那光波的传播介质是什么呢？ 首先，光能从非常遥远的星球抵达地球，这就证明，光在宇宙真空中也能传递，所以光波的介质在宇宙中是普遍存在的。科学家就设想，这种物质可能就是亚里士多德在2000多年前提出的以太。所以就设定光波必须在以太中传播。  如果以太移动的话，那么光速也就会在以太中改变。这就好像一个人在行驶中的列车中运动，那么这个人的相对于地面速度就是他运动的速度，加上车的速度。 所以如果认定光波需要以太，那么光速就是不恒定的。 所以在第四层认知中，光就是一种波，这种波需要借助以太才能传播，并且光速会随着以太的改变而改变。 第五层：光是电磁波，不需要以太 如果光需要以太，新的问题就又出现了，19世纪60年代，麦克斯韦提出来了麦克斯韦方程组，并且认为光就是一种电磁波，貌似不需要绝对静止的以太参考系，因为麦克斯韦方程组里面有两个参数都是无方向的标量，所以，光速在任何参考系中都是不变的。  我们假设以太无处不在，且绝对静止，并且光波在以太中传播。 再假设太阳静止在以太参考系中，由于地球绕太阳公转，那地球相对于以太就有一个速度v，在地球上测量光速的话，在不同方向上测量的光速数值是不同的，测量到的光速应该是光速相对于以太的速度加减地球相对于以太的速度。   第六层：光是光量子，且具有波粒二象性 1887年，赫兹发现，用紫外线照射到金属电极上，会产生电火花。当时的物理学家认为，这是因为光的能量被金属表面的物质吸收后，产生的火花现象。  物理学家发现光照射金属表面是否产生电火花只和光的频率有关，和光照强度没有任何关系。且只有光的频率达到一定的阈值，才能产生电火花。而光的频率没有达到这个阈值，即便增加光的照射强度，也就是光子的密度，也无法产生电火花。这个问题也困扰了物理学家很长时间。如果要解释这个问题，就必须假设光就是一种粒子。   但同时考虑到光的干涉现象，光也具有波动性。 所以这个时候的物理学家就认为光既是粒子，也是一种波，这就是光的波粒二象性。 第七层，光速是不变的，光速是相对论建立的基础 在20世纪初，物理学家不仅认为光具有波粒二象性，而且公认光速是不变的。 对于观测者来说，光是在时间和空间上进行的，光速等于光经过的空间长度除以时间。既然光速是永恒不变的，一旦光经过了空间长度改变，那只能导致时间也发生相应改变，才能维持光速不变的事实。所以光速不变，对应的就是时空改变。这样一来，绝对时空观就变成了相对时空观。所以才有了狭义相对论中，速度越快，时间越慢的时间膨胀效应。 第八层，光是基本粒子，且是电磁力的传播子 在第七层的理解中，科学家在20世纪初虽然已经知道了光速不变和时间膨胀效应。但是对光的本质的认知还停留在初级阶段。直到量子力学发展出了粒子物理学。我们才将光子纳入到基本粒子中，在标准模型中，我们已经找到了构成世界的61种基本粒子，而基本粒子又分为费米子和玻色子。  第9层，光是量子场 在第8层的理解中，光子负责传递电磁力。但是光子本身是什么样子的？我们依旧没有深刻的认知。量子力学经过了半个多世纪的发展，从最初的旧量子论到量子电动力学，量子色动力学，再到量子场论。如今，最为先进的“量子理论”就是量子场论，基于量子场论，物理学家建立起了标准模型。在量子场论的预设中，每一种基本粒子都是一种场。  所以光的本质就是一种具有不确定性原理和量子叠加特性的量子场。 第10层：光没有时间 在前面，我们已经说了，光只有运动质量，没有静止质量，或者说它的静止质量为零。因为光只能以光速运动，不可能静止下来。  在这138亿年的时间内，对于观测者来说是漫长的，而对于光子本身来说，这个时间为零。如果光子具有意识，那么还没有等它的意识有足够的时间去思考宇宙的意义，宇宙就从诞生变成了毁灭。所以在光子的角度看来，宇宙本身就是一种诞生与毁灭的混合体。 |
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