空间的介质问题之三
                                    ——光的本性与麦克尔逊—莫雷实验(上)

(光的波动性)

志勰

本文主要对电磁波的波动性问题进行了分析,采用电磁波的波动理论不能对物质发光现象进行合理的描述。这来自于采用一个的电磁波的波动去作为整体的可观测到的波的量子化的方法,那么波的叠加我们实际将不能观测到物质发光存在任何的波动。

光的波动性在实验和理论上将是彻底失效的。


  引言

    麦克尔逊——莫雷实验通常被看作彻底否定掉以太观念的实验,或者至少否定掉以太作为实物的存在。那么,在采用试验过程中,有两个过程的鉴定是关键的。

   第一个是,首先我们采用麦克尔逊——莫雷实验的物理基础必须是正确的。我们根据电磁波传递所需要的以太介质必须是必须的,它的属性也必须是必须的。如果在关于电磁波和以太之间的理论,出现问题,比如以太的属性不是电磁波所预言的属性,那么,麦克尔逊——莫雷实验将是失效的。我们知道,麦克尔逊——莫雷实验采用的是光传播过程的行为作为检验这一过程的依据,这样,光的属性和理论在检验过程中也是非常重要的一个方面,它的有效性和光的理论本身是必不可分的。

       第二个是,麦克尔逊——莫雷实验的测量过程有效性和实验结果的解释。

     在本文中,我们着重探讨第一个问题——电磁波或者光的属性。  

电磁波和光的属性

   一、历史的看法

     最早由于光的直线传播,而将光的属性看作光具有粒子性,比较有代表意义的是17世纪的牛顿。通常认为,关于光的干涉、衍射和偏振观念的发现,使人们对光的属性探讨进入到波动性的时代。其中惠更斯所创建的惠更斯原理从波的数学形式上解释了光的直线传播、反射、折射和衍射,完成了波动理论和光的对应描述,奠定了波动概念在应用于光的领域物质间作用的基础。麦克斯韦电磁理论的完善使人们对光的属性认识深入到波动性的时代。但是,在电磁理论完善的同时,新的物理现象的出现又打破光的属性的认识,这就是光和物质的作用表现为粒子性的实验事实——当光照射到金属表面时,金属表面有电子逾出的现象,即光电效应。最早是由1887年赫兹采用紫外线照射放电火花隙会使放电更容易而发现的。爱应斯坦先生解决这个这个问题并建立了光电效应方程。从此,光的本性在现代物理中就稳定下来,通常我们把它叫做光的波粒二像性。

   二、电磁理论的疑点

   人类对光本性的认识似乎已经可以画上句号,似乎在属性上的认识已经很完善了。但是,在考虑到物理学的整体的结构观念和物理理论的基础的时候,似乎有很多疑点,这些疑点可以构成现代物理的死结。在建立物理模型对物质运动变化的对应解释上,将使看来曾经完全有效的波动学应用于光学的成功解释完全失效。传统的对光属性的解释,不具有从物质运动变化本身上解释的任何可能性。

    1、电磁波的电场和磁场的关系

    电场和磁场的关系最初发现是1819年奥斯特发现的通电导线中恒定的电流产生的磁场可以使导线旁的小磁针发生偏转。这是由电流产生磁场的关系。由磁场产生电流确是在11年后的1831年8月29日,法拉第发现了由磁场变化产生感应电流现象。1833年,楞次在大量事实的基础上,概括出了楞次定律:

   闭合回路中感生电流的方向,总是使它产生的穿过回路的磁通量,去补偿或者反抗产生电磁感应现象的磁通量的变化。

在电磁学中电场和磁场转化量化的关系也是非常重要的,这就是法拉第电磁感应定律:

   穿过闭合回路的磁通量发生变化时,回路中产生的感应电动势与磁通量对时间的变化率成正比。

在电磁波的传播原理上,所有的关于电场和磁场间转化的依据都是直接或者间接的来源于此,并作为经验事实的约定。

    我们必须确认,在如上两个定律描述中,所描述的只是采用经验约定的方法去描述的物理量间的数量关系。而物理量是采用实验事实约定的方法进行定义的。并没有给出关于物理量属性的进一步内容。实际上,在近代乃至现代的物理学中,关于物理量的定义问题大多采用经验约定的方法,在物理量和它所描述的对象问题上,即:抽象的物理量如电场,物理量的概念和意义上在物质运动变化的定位是不够的,我想这可能是来源于不同的描述体系并对物质世界的本身的描述要求是不同的吧。

    针对于闭合回路的磁通量发生变化,会在回路中产生感应电动势,麦克斯韦通过分析认为,变化磁场会在它周围空间激发一种电场,它和普通的静电场一样对电荷具有作用力,现在通常称之为感应电场。

    传统物理学认为,电磁波就是通过这种电磁相互间的感应而进行传播的,即:变化的电场产生变化的磁场,同时变化的磁场反过来又产生变化的电场。这两种变化的电场和磁场就永远互相联系在一起,互相影响,互相激发,形成统一的电磁场。

注:在解释的过程中并不是如此的简单,麦克斯韦先生对电磁现象作了大量的分析并作了大胆的假设,为了解释电磁感应定律,引入了力线闭合的涡旋电场。在非稳恒的电流情况下,恒稳磁场中的安培环路定律不能直接应用于电流不连续的非恒稳情况,引入了位移电流密度和位移电流,并且认为位移电流和传导电流一样,能够按同样的规律在空间中激发磁场,利用全电流代替传导电流,将安培环路定律推广到非恒稳的情况。     来自于大学课本)

  2、产生电磁理论时代的探索范围的局限性

      关于电场和磁场的规律经常使用的有如下的几个规律:

   库仑定律、电场高斯定律、电路环流定律、磁场高斯定律、安培环路定律,以及电磁感应中的楞次定律、法拉第电磁感应定律。

    在上述的定律中,我们可以看到,这些定律的形式都是通过电与磁的整体效应的规律,在得到这些规律的过程中,我们采用这些规律所描述对象除了库仑定律之外,其它的都是建立在整体的电与磁的对象之上。即便是以点电荷为对象的库仑定律在实验证实上仍然是以群电荷的作用情况作为点电荷规律的依据(对此,您可参见电磁理论与原子论之一库仑定律的适用范围)。在这些物理规律的探讨上,我们是以经验事实的数理关系来作为物理微观作用的基础。采用数学上的微分来对群电荷宏观反映出来的特性进行探讨电荷微观作用的基础是不妥的。

mkerxmlshy-1.gif (2283 字节)     如图:一个带电的物体表面和一个电子的作用。

    如果我们根据这个电子所受到的力的作用吸引和排斥现象来判断这个电子和物体表面一个电荷的作用属性特点,这样的做法是欠妥的。首先,我们对电子和这个电荷之间的作用形式是未知的,如果采用数学上的微分方法去判断电子和两个电荷之间的作用属性,那么依据我们所得到的总的作用模式,电子和另一个电荷之间的作用必然只有一种,但实际上,关于电子和一个电荷之间的作用属性,我们是未知的,采用数学的方法并普适于所有以此为外延的情况是没有依据的。

    这得自于我们对产生电磁现象的实验手段和判别的逻辑思路。当然,即便是今天,我们也仍然在采用数学上微分的方法在判断物理上的一些事情。

3、电磁学中反映出来的疑点

   (1)电荷作用的规律

    电荷在作为两个实体的作用属性和模式上,反映出来第一个疑点。这个疑点就是两个点电荷作为实体的作用来说,库仑定律不能朴实于所有的两个点电荷作用的情况。这疑点在原子的结构中已经确定无疑。

    按常理,我们在原子领域中发现原子核和电子之间的作用模式不是相吸的,我们完全可以怀疑库仑定律在两个点电荷在近距离处的正确性,但很遗憾。(请参见电磁理论与原子论中的看法)

    如果作为两个点电荷间的作用存在错误,那么我们有理由怀疑电磁理论中关于电磁波在空间中传播的作用模式是错误的。

   (2)电与磁的关系

    我们给一个导线通一稳定的电流,那么我们会发现在导线外垂直与电流的方向会产生一种新的作用,这种作用和电的作用完全是不同的两种作用。我们把它叫做磁场,磁的作用和电的作用在作用属性的量级上是相同的,即:通常我们所说的电磁的作用。

    如果我们发射一束电子流,那么,在电子流垂直的方向上将会存在和通电得知导线相同的效应。沿电子束的垂直方向,将会存在磁场,这一现象和电流的这一现象是等效的现象。

    我们知道,在电磁学成立的年代,存在物质不灭原理,也存在质量守恒定律。那么,电子的运动为什么会产生新的场物质呢?当然,即便是现在的物理学也是这样。为什么不把它看作电流运动过程中所反映出的一种运动效应呢?或者电子的一种新的作用模式呢?

    我们知道,电子的运动当然可以采用电子在空间中的运动来描述,那么我们必然也可以采用参照系的方法来对电子的运动进行描述。在电子相对静止的惯性参照系中,没有磁的作用,但是相对于电子运动的惯性参照系中却存在磁的作用。如果我们确认磁是一种新的物质,那么两种惯性参照系的空间应该是相同的空间, 空间属性应该是没有区别的。如何一个惯性参照系中存在这种物质,而另一个惯性参照系中没有这种物质呢?

   实际上,我们确认空间的各向同性,同时也确认不同惯性参照系的空间是相同的空间,在空间属性上没有区别,那么我们就不能得到,运动电子周围的空间中,一种惯性参照系中的空间中有磁的场物质,而在空间的同一点的另一种惯性参照系中则没有磁的场物质。这是不合逻辑的。而唯一的看法就是电子在运动过程中给于其它运动状态物质的不同属性的作用。

     如果量子论中的看法正确,那么,一个电荷的运动不会在两种惯性参照系的空间的同一点,一个惯性参照系中产生磁的场物质,另一个惯性参照系没有这种磁的场物质。如果场物质是一种物质的话。

4、关于电磁学中物质间作用模式的看法

   如上两点关于电与磁间的作用分歧虽然仅仅是两点,但已经充分说明传统物理电与磁间的作用理论是存在问题的,传统物理学中的作用模式在对物质世界的电与磁的解释中是不相协调的。我们不能利用这种已经得出的结论模式对微观物质间的作用进行外推,并普适于利用宏观客观事实得出的结论应用于微观物质间的作用。

   我们可以看到,采用数学分析的方法所得出的结论应用于电磁领域的物质微观作用的失效性。

三、光物质作为波动性的疑点

  1、光属性的一个疑点

    首先的一个问题是光属性的概念定义问题,也可以算作一个哲学问题吧。这个问题是首先关于波的属性和它所描述的物质概念本身运动变化的对应问题。

    我们可以将物质的运动形式根据物质在空间中的运动特点和外界物质作用形式的特点划分成两种形式:

    一种运动形式是物体本身在空间中发生位移的运动,通过物体本身的动量直接和其他的物质进行作用。这种运动形式物体的本身具有确定的位移、速度、动量等物理量。我们通常叫做物体的运动。物质的这种运动形式在物体间的作用上主要表现为动量的作用。mv的特点。

    另一种运动形式是物体本身不合其它物质发生作用,通过本身的运动变化,将作用传递给其它的物质,通过这种物质并作为媒介和其它物体发生作用。利用其它物质间接的和其他物体发生作用。其特点是这种运动形式必须存在一种对这种作用传递的媒介。这种物体的运动形式我们通常叫做波。物质的这种运动形式在物体间的作用上主要表现为冲量的作用。顺便提一下,这种作用必须通过媒介,并且这种运动形式一般会存在周期性的规律(不包括微观独立粒子间的作用)。我们现在将这种规律通常叫做波动的规律。即:波。

    如果光的运动形式是一种物质运动形式的话,那么必然是两者其中的一者。它不能即通过本身直接和其它物体发生作用,同时它本身不和物体发生作用。

  2、不同运动形式电荷发出的电磁波,波的属性存在不同。

   (1)电流产生的电磁波的特点

    在麦克斯韦先生的电磁理论中,其实验依据大多来源于宏观现象的电磁作用的依据。我们知道,电流所产生的电磁现象大多来源于电流的运动变化。实际上,在目前人类社会所应用最普及的通讯,大都位于无线电波段,都是通过电流的运动周期性的变化来实现的。如图:

mkerxmlshy-2.gif (1994 字节)

    一个确定的电流会在导线中产生一个确定数量的电子流动,任意时刻,这个导线产生的电磁波是这个导线中所有的电子在这一时刻统一对外作用的结果,因此,导线中电流所发射的电磁波给与外界物体的作用具有确定的周期。

    不论是我提出的导线发射电磁波的作用模式(可参见电磁波)还是传统物理学中所提出的电磁波作用模式,两者在对导线中电磁波的发射的解释模式上具有等效性,其结果是相同的。(两种解释模式的不同在于采用电荷间作用的解释模式可应用于孤立电荷间作用的电磁波的解释,在对所有的电荷间作用的解释上,具有普适性。而传统物理学中的解释模式则不能应用于孤立电荷间电磁波的作用模式。)

     传统物理学中的对导线中变化的电流所发射的电磁波的解释,不论是采用惠更斯原理解释,还是采用麦克斯韦方程组进行数理解释,都是导线中所有运动的电子对外作用的整体效果。

(2)原子发光的疑点

     我们现在已经掌握了大多数原子的特征光谱,并且将这些光谱应用于广泛的光谱技术,对物质的进行分析等一系列的高端技术上。但是,在我们所采用的这些技术里面,通常我们都会把它们看作已经经过实验证实的并且认为是正确的规律。在这里,我从物质间作用的角度提出传统解释的可能与不可能性,关于光的传统的基础波动理论是错误的。

     这里我们就拿氢原子光谱规律来说吧。我们确认氢原子所发出的光是传统物理意义上的光波的解释。

     我们所测量到的氢原子光谱特征光谱线通常被看作是大量的氢原子发光总的作用效果,如图:

mkerxmlshy-3.gif (3765 字节)

   如果我们选定一个点接受大量氢原子发出的光子,那么,这一点在接受到一个光子的一个周期的过程中,将会陆续的接收到其它的光子。

     在实际的传统解释中,我们却将氢原子的这种解释看作一个光子的波长的特征解释,如图:

mkerxmlshy-4.gif (1379 字节)

      这两种解释存在很大的区别。如果我们确认我们可以观测到氢原子的特征光谱,可以测量到氢原子发光的波长和频率,并且氢原子的发光具有这种特定的波动学特征。那么,我们实际上是将我们所观测到的所有光子当作一个光子处理。这就是传统的解释。

      实际上这是不可能的,我们不能让发光的所有氢原子在我们所观测的时间里进行统一发射光子,氢原子所发射的光子将是一种无序状态,如果是大量的氢原子发光,并且每一个氢原子都按它特定的频率和周期进行发光,我们首先不能确定这些氢原子都象经过特殊训练过一样,在任意一个时刻,所有的氢原子都处于一种相同的状态,当一个氢原子要发射光子的时候,所有的氢原子和这个氢原子都是同步的。只有这样,我们才有可能观测到传统意义上的氢原子的特征光谱。否则,我们将不能观测到氢原子的特征光谱。当然,也就不能符合传统物理学上的波动理论。

      如果我们确认大量氢原子的发光不能是这样同步的,是一种无序状态。那么,在我们的光谱仪接受到氢原子发射的光子的时候,任意一个时刻,接受到的可能会包含波峰,同时也都可能包含波谷,如带时间轴的图。那么,我们无论如何采用统计的方法,建立统计的原则,我们都不可能得到波动的规律。我们从图中可以看到,如果氢原子的数量足够的多,那么,我们所观测到的光子将是一个恒值,没有波长,没有波谷,而是一种恒定状态的作用,那么依据波动理论,我们将什么也看不到,什么也观测不到,因为波峰和波谷相互抵消。

    这只能证明传统物理学中所建立的关于光是一种具有周期性的电磁波是错误的。实际上,我们对所有的发光现象(不包括电流产生的电磁波)进行解释,如果采用传统的电磁波动理论,将会完全是相同的道理。

    麦克斯韦所建立的电磁理论,是建立在电流所产生的电磁波的基础上,我们将它推广到原子理论,会是完全错误的。当然,现代物理学中采用光量子的模式对光进行解释,我们知道,在这种定义中,我们仍然将原子所发出的光当作波动模式,并具有波的属性。我们通常所采用的对光进行描述的波长、频率,这样的解释已经充分说明了光的本身不是这种波动理论,也不能采用波动学中的波长和频率所对应的物质运动变化模式进行解释。只要我们采用这种解释的方法,那么就不能在理论上成立。尤其是反映在微观物质粒子的发光时间上的不同时性造成。在统计意义上,采用波动学的解释是没有任何意义的。温度辐射在采用波动理论进行解释的时候也一样。

  相应的,采用光的波动理论去解释光的干涉和衍射,是没有任何意义的。

   (3)孤立电子发射的电磁波——光波

    在对孤立电子发光(如电子和原子碰撞产生的X射线)等涉及到单个电荷的发光问题时,传统物理学则显得无能为力了。我们先来看下面的这一个疑点,如图:

mkerxmlshy-5.gif (1722 字节)

     图中的小白球是经过加速后的电子,以确定的速度向金属壁运动,并和金属壁发生碰撞,我们知道电子和原子的碰撞会导致X射线的产生。在产生过程中,电子的运动只能经历一种情况,即:碰到金属原子时减速,而后由于原子对这个电子的作用,再加速运动。在这个过程中,电子会辐射X射线。那么依据电子的运动过程去判断X射线的发射过程,X射线只有减速或者加速运动过程的半个周期,(加速过程中,由于原子给于电子的加速方向是未知的,频率也是未知的,但电子加速运动过程产生的光子频率应略小于电子减速运动过程产生光子的频率。相当于两个半个周期,并且方向是不同的,这依赖于入射角度和反射角度。当然,如果电子经过原子的反射后,仍然具有较高的动能,那么仍然存在次级X射线的可能。)我们必须确定,X射线的行为和普通的周期性的波动行为存在不同。一个电子发出的X射线应该是一种类似于脉冲式的波动行为。如图:

mkerxmlshy-6.gif (1978 字节)

   但我们在实际观测过程中,我们只能观测到右图的波动形式。实际上已经不能叫做波动了,因为宏观统计上是没有波动现象的。(注:图中的一条线表示一个电子在一个减速运动过程或者一个加速运动过程发射的X射线,两个过程电子所发射的X射线的属性肯定是不同的,这样只是形式描述)

    通常认为,采用X射线的干涉图样似乎说明X射线是一种波的形式,但是半个周期的脉冲的干涉、衍射很难想象会是波的周期的干涉、衍射规律。那么我们所采用的传统的物理学中的解释是很难站住脚的。

     这里顺便说明一下,采用麦克斯韦方程组不能对电子的变速运动发射的电磁波进行描述,只适用于电子在导线中运动形成的电磁波描述,虽然电磁波已经在数学的方法上对电磁作用进行的外延,但建立在宏观观测基础上的电磁规律不能应用于微观粒子间的描述。

     我们采用半个周期的X射线去对X射线的特征谱线进行解释,并且采用确定的频率和周期去描述,显然是不合理的。因为我们观测到的原子和微观物质运动变化的事实,是采用大量的微观粒子行为去进行解释的,但整体的微观粒子的行为和效果上,是不能采用波动的周期性去解释,如果每一个微观粒子的行为符合波动规律,那么它们的整体作用之和将没有波动规律。

     3、关于描述光子波动属性的看法

   如果我们将光子应用于所有的电磁波,那么我们必须区分如下的事实:

   (1)导线中运动变化的电流发出的电磁波

   在电磁理论的严格验证的范围是由导线中的电流的运动变化发射的电磁波,这种电磁波的特点是,导线中的电子遵守整体的电磁波的波动规律,我们采用电磁波的波动规律对它进行描述完全可以采用电磁波的频率与周期进行描述,这种描述仅仅是关于导线中的电流的运动变化所发出的电磁波的数理描述,不具有电磁波本身属性的任何含义,这主要依赖于如下两点:

    第一点:我们不知道传递电磁波的这种介质的属性和特点,如果我们对这种介质的看法象一个世纪以前的科学家们所赋予的机械以太的观念,那么我不能赞同这样的看法。这一点是未知的。

    第二点:我们不知道电与磁关于属性的转化关系。关于传统物理学中所依据通电的电流产生磁场,并且变化的磁场产生电流,而概括为:变化的电场产生变化的磁场,变化的磁场产生变化的电场,对这样的看法,我是持怀疑的态度的。这种怀疑在于我们所赋予的电场和磁场的属性和特点。将它们作为一种新的物质或者作为一种新的场物质,这只能是建立在经验事实基础上的一种经验约定,或者更精确的说,这是一种建立在电磁现象规律之上的一种假设。并且仅仅是一种假设。

   这决定了麦克斯韦电磁理论只能应用于电流所产生的电磁波的描述,或者可以将电荷的运动变化当作电流处理的物质运动变化形式。这是从物质的运动形式和作用性式出发而得到的结论。

  (2)微观带电粒子的运动变化所产生的电磁波

   微观带电粒子和导线中的电流在运动形式上存在着质的不同,这种不同反应在电荷的运动形式上。

   导线中的电荷的运动是由导线决定的,可以近似认为,导线中的所有的电荷的移动都遵守统一的规律,这一点是由建立在导线两端的电场决定的。反映出来的电磁波是一种整体的规律。

    但是,孤立的电荷却远非这样,孤立的电荷本身具有确定的质量,我们可以看作它会存在两种状态,一种是受力状态,另一种是非受力状态。通常认为,在电荷受到作用力进行变速运动的时候才会发射电磁波。这和导线中的电荷所发射的电磁波存在本质的区别。

    这种区别就是导线中电磁波的发射是由导线中电流大小的变化率决定,是单位时间内通过导线截面电荷的数量变化决定。但是,孤立电子则不同了,它只有一个确定的电荷,通过单位时间内电子本身的速度变化决定。

       (3)关于电磁波观测属性问题

    导线中的电流变化是一种整体的规律,导线中所有的电荷都遵守相同的规律。所以我们所观测到的导线中由电流的运动变化所形成的电磁波,可以采用数理的描述模式对这一规律过程中的一个电荷对外提供的作用进行积分而求得整体的电磁波的属性。任意时刻,我们所描述的一个电荷的行为同时也是导线中整体的运动电流的行为。对于这样的电磁波,采用波动的数理描述是没有任何的疑问的。这依赖于微观和宏观电荷运动模式的统一。

    但是,原子中的发光却远不是这样的现象,即便我们统一了微观原子对光子的发射模式在相同的频率(或者说相同轨道电子的跃迁)是相同的。但我们不能确认所有的原子都在同一时刻发射光子,并且它们的运动行为在时间上是同步的。硬性的规定是没有任何道理的。原子的发光原理不是来源于和导线两端的电压所建立的电场是相同属性的东西。我们不能统一所有相同原子在发光过程的同步。这注定了,将麦克斯韦的电磁理论,光的传统的电磁波属性是彻底失效的。

    我们通过实验所得到的结论——原子发光具有确定的频率,并且我们可以观测到光的存在,采用波动的模式,将不能解释原子发出的光子的属性。这依赖于采用统计的规律不能解释所有原子在发光过程中的同步。统计的规律所得到的结果是我们将不能观测到原子的发光,因为大量原子所发出的光子的波峰和波谷所给于我们的作用将会抵消。

   这样,传统物理学中的关于光子的波长和频率等概念至少将不会是传统物理学中所赋予的含义。

    我们不难得到一个关于光属性的结论:光的属性至少不是传统物理学意义上的波动性,或者说它不具有传统物理意义上的波动性。

   4、传统物理学的可能辩解

   传统物理学赋予光子两种属性,粒子性和波动性。针对与相同频率的光的叠加问题而作用的整体效果等于没有作用还是有辩解的余地的。如图:

mkerxmlshy-3.gif (3765 字节)

  首先,光子的属性是波动性和粒子性两种属性的结合体。可以通过光子作为一个个体在空间中的唯一性而进行解释。如图:

mkerxmlshy-7.gif (2354 字节)

   一个原子所发射的光子在空间位置上来说,它所发射的光子在空间位置上是唯一的,如果在原子中电子在发射一个光子的时候,另一个原子发射的光子到达,那么这个电子和这个光子的作用只能是弹性碰撞,这样,从发射电子的方向和空间位置上,原子所发射的一个光子所占据的空间位置是唯一的。但这样的解释仍然是不能成功的。

    首先原子发射光子的方向不是平行的,对于一个包含大量光子的光子群来说,由于原子所发射光子的方向不同,这种唯一性在光的传递过程中是不存在的。对于平行光,我们只要在光子运动的前方放置一个凸透镜,那么,这个凸透镜就会改变光子的运动方向,我们可以采用这种方法将大面积的光子汇聚到一个小面积上,由于光子具有波动性,光子间必然是要叠加的。仍然会得到前文中的结果。

 

2001.2.27


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