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光为什么是波又是粒子?

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张祥前DS 发表于 2018-1-30 12:04 | 显示全部楼层

分类: 物理探索类

作者 张祥前
本文大写字母为矢量
经典物理中,麦克斯韦把光看成是一种电磁波,后来,人们发现黑体辐射、光电效应等,无法用光的波动性解释,物理学家无奈的把光看成是波又是粒子,这个就是著名的波粒二像性。
光为什么又是粒子又是波?光的运动速度为什么不变?光为什么静止质量为零?光子模型到底什么样?

1887年美国的阿尔伯特•迈克耳孙与爱德华•莫雷合作实验【现在有资料证实是麦克斯韦写信给他们的朋友,要求他们做这个实验的】,明确了光速不随观察者的运动而变化,也就是相互运动的两个观察者,测量同一束光的速度都是一样的,这个就是著名的光速不变。

光速为什么不变?引起了人们广泛的讨论。

爱因斯坦没有解释光速为什么不变,但是他把光速不变认定为事实,以光速不变为基础展开对牛顿力学的修改,诞生了相对论。

让人非常奇怪光速不变,到底是什么原因。本人提出的统一场论【百度统一场论6版 可以搜到】,给出了很简洁的解释。

统一场论认为,宇宙中任何物体【包括人的身体】静止时候,周围空间都以光速度C【C是矢量光速,方向可以变化,模不变】辐射式运动,空间这种运动给观察者的感觉就是时间,是我们人把光速运动空间叫时间,时间的数量等同于光速运动的空间。

光速在数学上是一个分式,光速的分子-------空间位移和光速的分母------时间本质是同一个东西【只是我们人为的叫了不同的名字】,所以,光速的分子-------空间位移如果有什么变化,光速的分母------时间就一定会同步变化,这样光速这个数学分式因为分子和分母同步变化,导致其值就永远不会变化。

光到底是粒子,还是波?历史上人们长期争论。

统一场论为光的本质认识画上了句号。

统一场论认为,电磁场的本质就是运动变化的空间,场的本质就是柱状螺旋式运动的空间。

麦克斯韦方程中描述的波动是空间本身的波动,空间时刻以光速运动,当这种运动发生变化,变化的形式也会以光速辐射出去。比如,一个向外均匀喷水的水龙头,如果我们把水龙头抖一下,这个抖动使水龙头水流弯曲,并且,这种弯曲状态会以水流的速度向外传遍出去。

统一场论还认为,加速运动的负电荷会产生加速度方向垂直的对称分布反引力场,这个反引力场可以抵消电子的静止质量,使电子的静止质量消失而处于零质量的激发状态。

物体的静止质量如果为零,就一定会以光速运动起来【这个逆定理人们已经发现了,就是物体或者粒子以光速运动静止质量一定为零,本质原因是物体具有静止动量mC是守恒的】,这样,电子随波动空间一同运动,这个就是发光。

统一场论对光的认识是,宇宙中任何物体静止时候周围空间都以光速运动,这个就是物体产生静止质量的原因,一旦这个物体的静止质量消失,这个物体周围空间的运动也同步消失,物体就会静止于空间中随空间一同运动,如果这个物体是静止质量为零的激发电子,被我们观察者的眼睛感觉到,这个就是发光。

电子静止质量消失,就可以变成光子。光子是没有静止质量。

麦克斯韦方程认为电磁场是类似不可以压缩的流体,所以可以用偏微分方程描述电磁场。在麦克斯韦方程中,加速运动的点电荷,可以产生沿径向电场的垂直方向的横向电场Eθ,这个横向电场又可以垂直方向产生横向磁场Bθ,并且和光速度C满足以下关系

Bθ = C×Eθ

相对论认为,静止点电荷可以在周围产生静电场E’,一旦这个点电荷以速度V运动的时候,可以引起V垂直方向的电场E的变化,电场变化的部分可以叫磁场B,并且B = V×E/c 2

对于电磁波,把速度V换成光速度C,B = V×E/c 2和Bθ = C×Eθ形式是一样的。

麦克斯韦方程中为什么强调加速电荷产生电磁波,而不是匀速运动电荷产生电磁波?

因为匀速运动电荷产生稳定的磁场,只有磁场变化时候才可以产生漩涡电场,而稳定磁场不产生电场。这个如同流水,流水很均匀,是没有漩涡的,流水不均匀,比如河流,靠岸边的水流和岸边摩擦,流速慢,中心水流快,这样漩涡形成了。比如两轮马车,一个轮子转的快,一个轮子转的慢,马车要打旋了。

同样的道理,加速运动电荷的磁场在空间分布上是不均匀的,由数学中的斯托克斯定理我们知道,磁场穿过一个有界的平面,如果磁场是变化的,会在界面上产生漩涡电场。

这些变化的磁场也可以在电场环绕平面垂直方向呈漩涡状分布,按照斯托克斯定理的看法,可以认为是漩涡磁场垂直方向的电场的变化而产生的。

这样,变化磁场产生垂直方向的变化漩涡电场,变化电场又产生了垂直方向的漩涡磁场,这样电磁场交错变化,在即垂直于漩涡电场平面、又垂直于漩涡磁场平面的方向上以光速传播,这个就是电磁波。

需要注意的是,在统一场论中认为电磁波就是加速运动的电磁场,本质仍然是空间,是没有能量辐射的,只有加速电磁场携带了电子一同前进,才会有能量辐射。

我们再来看看麦克斯韦方程是怎么推导出电磁波方程的。

一般情况下,麦克斯韦方程微分形式为:

▽×E = -∂B / ∂t
▽×H = ∂D / ∂t +J
▽·D = ρ
▽·B = 0
现在我们考虑在真空中一个点电荷o点周围空间里,没有其他电荷分布,也没有电流分布,这种情况下,以上麦克斯韦方程可以改写为:
▽×E = -∂B / ∂t
▽×H = ∂D / ∂t
▽·D =0
▽·B = 0
在真空中,D = ε。E,  B = μ。H
我们取式▽×E = -∂B / ∂t的旋度,得:
▽×(▽×E) = ▽×(-∂B / ∂t)
= -ε。μ。( ∂2E / ∂t2)
由于▽×(▽×E) = ▽(▽·E)-▽2E
并且▽·E = 0【因为▽·D =0,而D =ε。E,ε。为常数】
所以有下式:
▽2E -ε。μ。( ∂2E / ∂t2) = 0
以上是电场的波动方程,用同样的手段可以求出磁场B满足以下波动方程。
▽2B-ε。μ。( ∂2B/ ∂t2) = 0
设定ε。μ。的2分之1次方的倒数为标量光速c,则上边两式可以写为:
▽2E -(1/c2)( ∂2E / ∂t2) = 0
▽2B-(1/c2)( ∂2B/ ∂t2) = 0
从以上推导看,所谓的电磁波只是变化的电磁场在电荷o点周围空间传播而已,由于电场随时间一次变化可以转化为稳定磁场,由于电磁波的产生要求磁场也是要变化,所以,电场随时间变化一次,再随时间变化一次,也就是电场加速变化产生了电磁波。
归根结底,电磁波是加速运动电荷周围电磁场的扭曲状态以光速向外传播。电磁波的本质是变化的空间,仍然是电磁场,电磁波不等于发光,电磁波本身没有携带能量,只是这种扭曲状态扫到某一些电子,迫使这些电子质量、电荷特性消失而激发起来,随着扭曲电磁场一同运动,才可以说是发光,才可以有能量辐射出去。
光子的波动性是因为空间本身的波动,由于空间时刻在波动,光子是静止在空间中,随空间一同运动的。
光子的粒子性是因为光子是由电子激发而变成的。
现在的问题是变化扭曲的电磁场是如何迫使电子质量和电荷特性消失而激发起来的?
在统一场论中认为宇宙任何一个具有质量m’的物体,都有静止动量m’C,当这个物体相对于我们以速度V运动的时候,有动量P = m(C-V)

P,V,C都是矢量。

当P发生变化时候,就是物体受到的力

F = dP/dt = Cdm/dt - Vdm/dt + mdC/dt -mdV/dt

(C- V)dm/dt =Cdm/dt - Vdm/dt是质量随时间变化的力,简称加质量力,统一场论认为是电磁力,其中Cdm/dt 是电场力,Vdm/dt是磁场力,mdV/dt牛顿第二定理中的惯性力,也是万有引力(或者叫引力场力)。

在统一场论中认为空间本身以加速度运动就是引力场,万有引力产生的引力场,以地球为例子,一个物体在空中加速落下地球,这个物体加速度可以反映出物体所在空间位置的引力场情况,统一场论认为没有物体,仅仅是空间本身的运动就可以表现出引力场情况。

对于相对论中的电 场E和磁场B、光速c、点电荷运动速度V之间的关系式B = V×E/c 2,统一场论认为随时间变化的磁场产生环绕平面垂直方向的引力场A。将V对时间t求偏导数,结果为;

∂B/ ∂t= A×E/c 2

引力场A是连续分布,不能和万有引力场直接相互作用。

加速运动的负电荷【周围电磁场可以写为-(C-V)dm/dt】产生加速度方向垂直的对称分布的反引力场A’,A’可以和万有引力场相互作用,可以抵消加速负电荷的静止质量和周围的万有引力场。下面来给出解释。

统一场论认为场的本质是物体周围空间本身以柱状螺旋式的运动产生的。

我们习惯了描述物体在空间中的运动,如何描述空间本身的运动?

统一场论的做法是:把空间分割成许多小块,每一小块叫空间几何点,简称几何点,通过描述几何点的运动,就可以描述空间本身的运动。

统一场论认为,一个物体o点,在周围产生了引力场,是因为o点周围许多几何点指向o点的加速运动造成的。

一个物体o点,在周围产生了正电场,是因为周围许多几何点以光速度由o点辐射式指向无限远处运动造成的。

一个物体o点,在周围产生了负电场,是因为周围许多几何点由无限远处以光速度向o点汇聚运动造成的。

一个物体o点,在周围产生了磁场,是因为o点相对于我们以速度V运动的时候,产生了许多沿V垂直方向的普通速度【数量在大于0和小于光速之间】,空间以这种普通速度运动就是磁场。

一个物体o点,在周围产生的核力场,是周围空间许多几何点以光速度运动的时候,单位时间内矢量光速度方向发生变化的变化量【在统一场论中光速度作为矢量方向可以变化,标量光速不变】。

统一场论给出的结论:

加速运动的负点电荷产生了加速度方向垂直对称分布的反引力场。

这种反引力场以加速度轴为中心,对称分布,可以抵消或者减少点电荷本身的因万有引力而产生的质量,也可以抵消或者减少附近物体的质量。

下面我们来给出证明。

统一场论认为,宇宙中任何物体周围空间都以光速辐射式运动。一个负点电荷o点,相对于我们观察者静止,周围许多几何点以光速度C’由无限远处的空间从四面八方向o点汇聚而来。

当o点相对于我们以速度V沿笛卡尔坐标xyz的x轴匀速直线运动的时候,

按照经典力学,o点周围空间几何点相对于o点的运动速度仍然是光速度C’,和V合成后是C’+V,

可是,按照相对论光速不变原理,o点周围空间几何点相对于o点的运动速度和V合成后是的数量不变,仍然是光速。

这样,在和V垂直的y、z轴上,几何点的光速度的数量就变成了

√(c 2- v 2)。

我们设想,o点在0时刻,静止于坐标系xyz的原点,后开始沿x轴加速运动,在时间△t内,o点加速到速度V,这个时候我们选择o点周围任意一个的几何点p来观察,几何点p点沿y轴指向o点的光速度由c变成了√(c2-v 2), 变化量为:

c-√(c2- v 2)

这样沿y轴几何点产生了一个加速度a = [c-√(c2- v 2))]/△t,这个加速度a方向沿y正方向。

用同样的方法,可以推理出由o点指向y轴反方向的大小相等方向相反的加速度 -a 。

对于不平行x轴,也不平行于y轴的任意一个几何点,所获得的加速度可以写为

a =  sinθ  [c-√(c2-v 2))/△t

θ为几何点的光速度和x轴的夹角。当θ =0 时候,a =0,当θ = 90度角时候,a为最大值[c-√(c2-v 2))]/△t

由于物体的质量是万有引力场产生的,以物体为中心辐射式分布,引力场是许多几何点的加速度指向物体产生的。

这种由o点加速运动产生的对称分布的空间几何点加速度是一种反引力场,由o点指向无限远处的空间,可以抵消或者减少o点的质量,也可以以光速向外辐射,来抵消或者减少附近物体的质量。这个也是发光原理。

自然界有2中截然不同的运动方式,一致是加速度运动,一种是加质量运动【就是质量随时间变化的运动】,我们日常生活中看到的运动都是加速度运动,而发光就是加质量运动,发光的动力学方程是:

【 -(C- V)dm/dt】/dt = -(dC/dt)dm/dt + (dV/dt)dm/dt

光子的动量为P = m C,m是光子运动质量,C是矢量光速。光子静止动量和静止质量都为零。
   光子的能量为e = m c2
光的运动经典力学无法描述,比如,光照射到玻璃上被反射,如果用经典力学描述,光在接触玻璃被反射的一刹那,加速度可是惊人数字。

有趣的是外星人的飞碟飞行原理和发光是一样的,都是加质量运动。

飞碟起飞的时候,速度不变,质量随时间减少,一直到零,一旦质量为零,飞碟就一定以光速运动,飞碟降落的时候,可以从零质量逐步恢复到正常值。

加速运动的负电荷产生的光子是单个电子,以柱状螺旋式在运动。



正负电子相遇产生的光子是两个电子绕一个中心旋转,并且都是以旋转平面垂直方向以光速运动,也是一种柱状螺旋式运动。

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