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光的本质
作者:凌龙庄 分类:未分类 提交日期:2010-3-10 18:27:00 正常| 访问量:2898
 光的本质

随着人类科学实验对物质世界的研究,人们对光的认识从牛顿时代开始,就在不断地提出新的观点。牛顿时代光的本质是粒子性,到了19世纪的马克斯韦时代,人们发现了光的干涉和衍射重新提出了光是波的性质。而到20世纪的爱因斯坦时代,根椐光的量子性和同时存在干涉与衍射的特性,又提出了光的“波粒二象性”。光究竟是波还是粒子呢?光的“波粒二象性”理论是物质世界真实而完备的描述吗?爱因斯坦在临终前说过这样的一句话:“它(光量子)不是一个理论,因为它不能为光学原理提供一个圆满的解释”。本文希望用“量子引力理论”来推演光的演化和能量的传输,从而展现出“光量子”的真实面目,为爱因斯坦的“光量子学说”提供一个合理的解释。
一 光量子的波粒二象性学说
1905年爱因斯坦发展了普朗克的量子论,提出了“光量子”假说。他认为:电磁辐射不仅在被发射和吸收时以能量为E=ћν的量子形式出现,而且以这一微粒形式在空间以速度C运动。这种微粒称为光量子。或简称光子。光是由光子所组成的光子流。光子不但具有确定的能量,而且还具有确定的动量。光子的能量和动量可由下式算出:E=ћν、P=ћ/λ。这就是爱因斯坦的光量子关糸式。他不仅成功地解释了光电效应,而且还成功地解释了经典物理所不能解释的大量其它实验。由此,1922年爱因斯坦因发现“光电效应定律”对物理理论的贡献而获得诺贝尔物理学金奖。
爱因斯坦认为:光量子具有动量是粒子性,光量子能发生干涉和衍射是波的特性,所以光量子属于“波粒二象性”。但光为什么具有波和粒子的二种特性呢?对于爱因斯坦来说也是一个永远未解开的谜。1924年德布罗意在爱因斯坦的光的波粒二象性的启示下,也提出了实物粒子具有波粒二象性的假说。后来许多物理学家通过大量的实验给于了验证,证实了德布罗意的理论假说的正确性,粒子具有波的特性。粒子为什么具有波的特性呢?在光的干涉与衍射中,难道粒子真的会同时通过两个缝隙的路径吗?光的波动性与粒子的波动性究竟是怎样产生的,它们有何内在的联糸?经典理论的波动学说,是否真实地揭示了光的本质呢?
在《量子引力理论》原理中,我们对物质粒子与引力子的能量传输关糸作了较为详细的研究,光量子是由场中引力子形成的。由于引力子是由运动粒子复制而成的“能量子”,它具有与实物粒子同样的轨迹能量和轴向能量,在与物质粒子的相互作用中,能产生出同样的能量与动量,所以光子具有粒子的性质。由于引力子在能量传输时,因光子传输的路径是沿着轴向能量所指的方向形成双子的极性排列,轨道能量垂直于运动方向。所以,光量子在传输中会发生极性的干涉和衍射,从而体现出波的特性。关于实物粒子的波动性则完全是由场中引力子在能量的传输与复制中演化出来的“虚粒子”。粒子在干涉与衍射中是否同时通过两个缝隙的假说是不存在的,这种现象与实验条件和场中引力子的复制有关,同时引力子与实物粒子在量子引力场中的传输方式也有着本质的区别。
二 光量子的形成与发射
爱因斯坦认为:光是由光量子形成的光子流,光量子以微粒的形式在空中以光速C运动。大家都知道,实物粒子在空中呈衰减运动,永远超不过光速。而光量子却以每秒30万千米的速度保持恒速运动。这是为什么呢?要想揭开光速不变的奥密,我们就必须首先搞清楚光量子是怎样形成与发射的。
1、光量子的同步辐射
同步辐射是指电子在同步辐射装制中通过加速运动而产生的电磁辐射。即高能光子流。同步辐射具有功率大、亮度高、准直性好、波长覆盖面大的优点。是现代实验科学技术的优质光源。同步辐射是怎样产生的呢?它与原子在激发态时所发射的光量子有何区别?同步辐射产生的原理很简单,电子沿着真空加速器作直线加速运动,当突然改变运动方向时,在其轨道的切线方向就会发生电磁辐射。在与轨道平面的垂直方向上,张角越小,准直性越好。对于一个同步辐射装置,电子运行的能量一定,当环形加速器的半径一定时,电子所辐射的光子能量有确定的范围。在加速运动中的电子为什么会发射光子呢?一个密闭的真空,只存在被加速的电子和电场的能量,光量子是怎样演化出来的。这就是真空中究竟由什么构成的关键问题。爱因斯坦的“场”是否真的与真空物质无关,物质的质量与能量究竟是怎样在场中产生着转换。从经典理论的《相对论》到“量子力学”理论都没有作出客观的回答,《量子引力理论》能否作出一个合理而满意的解释。
根椐电动力学原理:电子在作直线加速运动中,当改变运动方向时辐射能量。经典理论是通过实验和观测而作出的结论。但为什么改变运动方向时会产生电磁辐射,经典理论也不能解释其中的道理。让我们用《量子引力理论》原理来进行推理,揭开电磁辐射的本质。首先我们应该确立“场”是由引力子构成的时空背景,引力子与物质粒子一样具有相同的旋转磁矩和动量。(即轨迹能量与轴向能量)由此,我们可以客观合理地推理出:当加速运动的粒子在场中作直线运动时,粒子穿过场中引力子时,不断地复制着场中的引力子。由于粒子的运动是轴向能量指向运动方向的螺旋式运动,而轨迹能量垂直于运动方向,所以被复制的“引力子”与运动粒子的方式同相。由于粒子的螺旋加速向前运动,根椐角动量守恒的法则,粒子的轨迹能量转化为轴向能量,在垂直于粒子的运动方向的旋转磁矩与场中引力子的量子交换率很小,所以体现不出电磁辐射现象;而在粒子的运动方向,由于轴向能量的复制作用,运动粒子与场中的引力子形成了一条轴向能量相互吸引的引力子射线,当粒子改变运动方向时,这条能量射线在场中作位移扫描运动,所以,电动力学认为,“运动粒子改变运动方向时辐射能量”。因此,在同步辐射中能观测到辐射源张角越小,准直性越好的光量子辐射的物理特征。
在同步辐射中加速器的半径与电子运动的速度决定了同步辐射的频率;电场的强度决定了同步辐射光量子的能量;而电子束流的大小决定了同步辐射光的亮度。我们通过上述三条同步辐射的特征中可以推出,光量子的同步辐射是场中引力子获得加速运动粒子的轴向能量后,所形成的引力子传输路径。它与自然光源的区别在于:(1)、可以有效地控制辐射频率的大小;(2)、可以通过调整张角的大小实现引力子传输路径的平行辐射提高光的亮度。(3)、可以通过加速器的能量有效地改变光量子的辐射能量。所以激光的光源与原子受激所发射的光源有着本质的区别。
2、原子的受激辐射
根椐科学实验表明,核外电子从低能级跃迁到高能级,然后再从高能级跃迁回低能级时,原子会以光子的形式辐射能量。所以玻尔的原子理论中有三条基本假定。(1)、定态条件假定:电子只能处在一些分立的允许轨道上,且绕核运动时不辐射电磁波。(2)、频率条件假定:当电子从一定态能量允许轨道跃迁到另一定态能量的允许轨道时,会以电磁波的形式吸收或释放能量。(3)、角动量量子化假定:LN=MEVNR。其中H=H/2 。玻尔的原子理论假设只适用一条电子轨道的氢原子,在用于多电子轨道的原子分析时不准确。原子的能量辐射为什么能满足上述三条假定呢?用《量子引力理论》分析可归结为三点:(1)、质子的旋转磁矩与核外运动电子的轨道磁矩遵守4:1的自旋磁矩量子交换原则;(2)、核外运动电子的轨道磁矩与能级间的壳层电子轨道磁矩的量子交换率呈常数律;(3)、核外运动电子能量的吸收与释放,与质子的同步运动形成量子交换原则。如何理解《量子引力理论》中原子能量的吸收与释放的演化过程,首先必须搞清楚质子与核外运动电子的能量耦合状态。在同步辐射中我们分析了在加速器中运动的电子是通过轴向能量的动量耦合,复制出场中的引力子演化成与粒子同相的光量子,所以光子运动与粒子相似具有能量和动量。而原子辐射的光子也有能量和动量,那么原子是怎样使核外电子产生出同样的光量子呢?在“原子的能量传输”中我们作过详细的推演:质子的旋转平面上,两对“双子”的四个能量粒子,轴向能量与核外运动电子的轴向能量相互耦合,当原子处在同步量子引力场中运动时,质子的自旋磁矩与核外运动电子的轨道磁矩构成4:1的能量耦合产生稳定的基态能量,核外电子的轨迹能量大于轴向能量,所以原子不辐射能量。原子因受到外部能量的作用,使核外运动电子因吸收能量从内轨道跃迁到外轨道后原子进入激发态,当原子退激时,核外电子受质子中双子轴向能量的吸引作用,从外轨道跃迁到内轨道的突变过程中,电子的轨迹能量转化为轴向能量,通过场中的引力子复制,将所吸收的能量释放出去。所以原子释放的光子能量与同步辐射中的光子方式一样,都是由运动粒子的轴向能量的突变而产生的光量子。因此,《量子引力理论》原理,不但解释了玻尔的原子理论,同时还创新了“量子力学”理论所没有揭示的“原子能量传输”的问题。
三 光子在引力场中的传输
无论我们观测太阳射出的光线还是观察物质燃烧时发出的光线,光源都呈球状体和射线形状。所以,自然界中的光源,其光通量的密度都有遵循引力的反平方律特性。为什么引力、电力、磁力、光线都会遵守反平方律法则呢?其根本的原因就在于,这些能量的产生都源于质子与核外运动电子的能量交换。质子旋转平面中的四个能量粒子的轴向能量形成十字坐标,作用在核外运动电子的轴向能量上。在质子的旋转中就象四个磁极均匀地扫过作轨道运动的核外电子。当原子处在同步引力场中运动时,核外运动电子在质子的引力作用下,不断改变运动方向作均速圆周运动,电子在改变运动方向时所复制的引力子形成核外电子的轨道磁矩,不断地将运动的变化量传输给场中的引力子形成原子的基态能量。而这种基态能量相对于质子与轨道电子的轴向能量的作用力,其力的传输方向均垂直于质子中心。所以,无论能量辐射频率的大小都将遵循射线规律。同样的原理,电力线、磁力线都是由质子旋转磁矩与轨道运动电子演化产生的,所以能量的传输同样遵守反平方律。由于物质都是由原子构成,因此由物质产生的引力、电力、磁力、光线必然呈反平方律。
核外运动电子在能量交换中复制的引力子能量又是怎样通过场中的引力子传输出去的呢?由于宇宙时空充满了均匀的引力子,且由引力子的旋转磁矩确定了引力子场的平均密度,但从宏观上来分析,引力子的运动方向是无序的。所以,我们将“同步量子引力场”称为“无向标量场”。但当同步量子引力场中的任一运动粒子或引力子的能量大于场中引力子能量时,旋转磁矩与旋转磁矩之间就将发生能量的交换。这种交换是通过粒子或引力子的自旋速度差速来传输。因此,产生能量传输的引力子的自旋速度一定大于同步引力场中的引力子的自旋速度,由此,我们将引力子间的能量传输称为量子复制。我们在前面提出过这样的问题:光线与磁力线都称电磁波,为什么磁力线成闭合曲线,而光线却是射线?为什么磁力线会相互吸引,而光线则不会产生吸引现象?为什么磁力线不能交叉,而光线可以交叉穿越?这些问题在现代科学研究上,好象没有谁提出来讨论过,因此也就没有发现这方面的研究成果。在《量子引力理论》原理中作了较为详细的研究。量子引力理论认为:磁力线是由引力子的旋转磁矩的有序排列而形成的,所以呈闭合曲线;而光线是由引力子的轴向能量的有序排列而形成的,所以光线呈直线运动。因此同是引力子排列,但传输方式不同,所以表现出来的特性也不同。磁力线的传输我们将在后文中讨论。本条重点分析一下光子的复制与传输。
爱因斯坦在“光量子假说”中提出:“光量子以微粒的形式在空间以C的速度运动”。但绝大多数人都把光子的运动理解成物质粒子的孤立运动。认为光子就是一种带能量的“虚粒子”在时空中高速飞行,并用伽利略的相对性原理解释超光速运动。以此来怀疑爱因斯坦的光速不变性和光速的极限原则。《量子引力理论》推理的结论认为:爱因斯坦是正确的。光速是宇宙中物质运动的极限速度,光速也是不变的。其理由在以下几点:(1)、光量子的传输是通过场中引力子的复制产生出同步传输。等同于导线中电子移动的传递方式,所以,电磁波的传播速度与导线中的电流运动速度相同。(2)、光量子的能量复制方式是粒子或引力子的轴向能量复制,引力子与引力子之间按轴向能量的直线排列方式传输,所以,光量子与运动粒子一样以螺旋的方式作直线运动。因此光子具有能量和动量。(3)、光子的运动与物质粒子的运动有根本的区别:实物粒子是单一的从起点向终点穿越引力子作能量衰减运动。而光量子是引力子的无衰减同步复制,其传输速度由场中的引力子密度决定。(4)、实物粒子的运动是轴向能量的衰减运动,最终的结果是回归于场中作同步运动。而光量子的运动是场中引力子的同步复制,将在时空中无限延伸直到被子物质原子中的能量粒子所吸收为止。(5)、爱因斯坦的“光量子”,不是一个孤立的“引力子”能量单位,而是由多个“引力子”的复合体。产生光量子复合体单位的原因是测量条件所至,所以光量子的能量与频率有关。(一个光量子由多少个引力子构成尚需科学实验求证)。(6)、一个光量子中可能存在多个引力子的“虚双子”结构,所以光量子与光量子之间会发生极性的干涉,这是解开全息光学原理的重要课题。因此,《量子引力理论》认为,光量子的传输是引力子路径的振荡传输。光学原理的所有特征都是由光子结构和光子传输的本质所决定。这就是《量子引力理论》原理中的“光的本质”。
四 光的波动性思考
在经典理论中波具有三大明显的特点:(1)、波的能量大小由波的幅值所决定;(2)、波的宽度由波的频率所决定:(3)、波的形状由波峰与波谷构成。交流电波、无线电波、都具有波的三大特点,但光线却很难在实验中发现它们的这些特征。光量子的能量大小由光的发射频率所决定;光无法捡测出波的幅值和波的负值。但为什么又把光定义为波的性质呢?其原因在于光的干涉与衍射实验现象,由19世纪的托马斯-杨用机械波性质对其所作出的理论解释,他从表象上运用了马克斯韦的电磁理论。所以,从19世纪开始将牛顿的光的粒子性改为光的波动性。在20世纪从爱因斯坦的“光量子”学说上来看,光表征出来的特点是粒子性,但由于爱因斯坦无法解释光的干涉与衍射现象和实物粒子的波动性实验。所以爱因斯坦最后用全局的观点将光的性质定为“波粒二象性”。
粒子的波动性实验,为什么也会表现出光的干涉和衍射的实验现象。是理论出了问题还是实验出了问题呢?从微观的角度来考察粒子本质,粒子的运动绝不可能演变成波的形式。单一粒子的直线运动更不可能具有“分身术”同时从两条缝隙中穿过。现代科学对于粒子的波动性和光的波粒二象性的理解,变成了“量子力学”中薜定锷的“猫”,物理世界的因果率由人的意识所决定。量子引力理论认为:对于一个由物质决定宇宙的客观世界来说,任何理论的建立,都难免带有着他对客观世界认识的局限性和片面性。人类的智慧总是随着他对宇宙物质演化的认识不断地在提升。运用《量子引力理论》对光的“波粒二象性”作全面的思考得出的推理结论就是:光的本质是“量子性”。光和粒子的波动性是由场中引力子的相互作用所产生的“引力子效应”。对于19世纪运用光的干涉和衍射所作的光的波动性的理论解释,只要科学实验运用适当的“同步辐射光源”,重做光的干涉与衍射试验,就可以从实验中求证出光的“波动学说”理论的真实性,从而揭开微观世界时空的神秘面纱!

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
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江西  凌 龙 庄  
2010年3月10日于北京
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