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光的粒子性与光速 李子丰 （燕山大学石油工程研究所，河北 秦皇岛 066004）
摘要：光的本质是粒子还是波？光速是多快？这些都是物理学的基本问题。从哲学和观测上，论证了光的本质是一种粒子，其群体行为具有类波特性。光的反射、散射、折射和透射都是物质对光的吸引、吸收和再发射现象。目前还没有精确测量光速的手段。星光相对于地球的速度，越接近地球，越接近于地球上光源发出的光相对于地球的速度。场是由空间和微小粒子组成的。 关键词：光；粒子；光速；测量；场 Particle nature of light and light speed LI Zifeng (Petroleum Engineering Institute of Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China) Abstract: What is the nature of light? Particle or wave? How fast is light speed? These are all basic questions of physics. From points of philosophy and observation, demonstrates that the nature of light is a kind of particle, many photon's behaviour is of similar characteristics of wave. Light reflection, diffusion, deflection and transmission are all phenomenons of matter's attraction, absorbtion and re-emission. Until now, there is no way to meassure light speed acurately. For star light speed relative to the earth, the more the star light near the earth, the close it equal the speed of light radiated by a source fixed on the earth ralative to the earth. Physics field is composed with space and mini particles. Key words: light; particle; light speed; measure; feild
引言 光的本质从来是物理界关注的焦点，却一直处于被争论但很少被研究的境地[1]。对于光的本质的研究能使人们更好的探讨微观世界、宇宙演化，揭示未知现象。对光的本质的描述，理论界一直存在三种说法：（1）波、（2）粒子、（3）波粒二象性。与光的本质相联系，光速和场的本质也一直被人们所关注。本文首先从哲学上、观测上论证光的本质是一种粒子，然后探讨光速测量问题, 最后简述场的本质。 1 传统的光的本质的三种说法 1.1 光是一种波 机械波在传播过程中具有干涉、衍射等现象。光在传播过程中也表现出干涉、衍射等现象。根据现象类比，推论光的本质是一种波，而不是粒子。 1.2 光是一种粒子 在光的照射下，物体发射电子的现象叫光电效应。由此推断光是一种粒子，而不是波。 1.3 波粒二象性 此种学说认为，光既是一种波，又是一种粒子。这里所说的波是一种概率波,对大量光子才有意义。这里所说的粒子,是指其不连续性,是一份能量。 ⑴个别光子的作用效果往往表现为粒子性;大量光子的作用效果往往表现为波动性[2]。⑵频率高的光容易表现出粒子性; 频率低的光容易表现出波动性。⑶光在传播过程中往往表现出波动性;在与物质发生作用时往往表现为粒子性。 2 光的本质是粒子，群体行为具有类波特性 世界是由空间和分布于空间内的物质构成的。物质以粒子的形式分布于空间中。粒子可以分为不同层次，例如：太阳、地球、汽车、原子、电子、光子等等。光的本质是一种粒子-光子。它是物质结构的一个层次。光子是物质，是物质就有质量，也有能量。光子是由更小的粒子组成的。由于人们还是用光观测世界，比光子还小的物质是没有办法用光子清晰的观测的；但是星光经过太阳附近被太阳的引力场所吸引，证明比光子还小的物质的是存在的。当人们发明了用比光子小得多的粒子观察世界的手段后，就可以观测光子的结构了。 既然光的本质是粒子，那么怎样解释光的波动性？物体发光是有规律地发出一系列光子。对于单个光子来说，就只有粒子性，没有波动性（光子的内部结构应该还具有波动性，这里暂不讨论）。对于光线，也就是一系列光子而言，既有粒子性又有类波特性。例如，有人形象地比喻，对于天安门广场的被阅队伍，单个人或车可以看作是粒子，由他们组成的一个方队由数排组成，就有周期的性质；一个方队可以看作为一个粒子团，一个个方队有规律的运动，也有类波特性。 为了与机械波的波动特性相区别，称光子群体的这种类似于机械波的特性为类波特性。 3 光的反射、散射、折射和透射 光的反射、散射、折射和透射是光子遇到物体之后，被物体之内的粒子的吸引、吸收和再发射的过程。这一过程需要时间。不同的物体对光的吸引、吸收和再发射的程度和方式是不同的。物体对光的吸引可以让光线偏离原来的运动方向。物体吸收光线后，可以再以同样的光发出，也可以以其它频率的光发出，也可以以其它形式的物质放出，也可以存在物体内部。再发射包含向来光物质内的反射、在物体内的折射和散射、穿透物体之后的透射。例如：黑体吸收光多，发射光少，在光的照射下，温度升高放出热射线；太阳能电池吸收光能转变为电能，可以储存起来；玻璃的透射性好，而铁的透射性差。 4 光速的测量 1607年，伽利略进行了最早的测量光速的实验。伽利略的方法是，让两个人分别站在相距一英里的两座山上，每个人拿一个灯，第一个人先举起灯，当第二个人看到第一个人的灯时立即举起自己的灯，从第一个人举起灯到他看到第二个人的灯的时间间隔就是光传播两英里的时间。但由于光速传播的速度实在是太快了，这种方法根本行不通。但伽利略的实验揭开了人类历史上对光速进行研究的序幕。 近代直至现代又有了多种不同的方法测量光速，但这些方法都是以反射的方法测量的回程光速。还没有测量单程光速的方法。 这就存在了一个问题，在光子照射在反射镜面反射后的光子是经过原子吸收发生向高能级跃迁而后再向低能级跃迁放出光子，还是光子直接发生弹球反射？因为光电效应的存在，显然后者是不成立的。所以光子的反射过程是经历了原子吸收发生向高能级跃迁后再向低能级跃迁放出光子的过程。这一过程需要时间。由此可见反射的方法测得的不是光的本来速度。它是包含反射过程在内的视速度。光的真实速度要比反射法测得的回程光速大。 从光速测量方法可以看出，即使光的反射时间可以忽略，人们测得的也只能是光相对于光源或反射体的速度。 光子遇到物质后，要与物质发生作用。作用弱的，使光子改变运行方向。作用强的，将光子吸收，什么时候再发射，以什么形式发射，是不是还发射该光子，都依情况而定。光子在物质内的传播过程，是与物质的相互作用过程，是光的吸收和再发射过程。因不同物质对光的吸收和再发射的速度和程度不同，所以光在不同介质中的传播速度和折射、透射和反射的程度不同。在地球上，真空中的物质密度最低（真空中也有物质。真空不等于空间。），光在真空中的传播速度最快。 光速测量的技术现状为：（1）还没有测量单程光速的方法；（2）反射方法测量的回程光速不是光的真实速度；（3）由于光速太快，还没有办法有效测量光源相对于测量仪器有相对运动时，光相对于测量仪器的速度；（4）由于星光在向地球运动的过程中，被宇宙物质干扰或吸收后再发射，星光到达地球后相对于地球的速度与地球上光源发出的光相对于地球的速度差不多，即使将来发明了单程光速测量仪，也很难观测到星光光速与地球光源光速的差别。 5 场的本质 场是由空间和分布于其中的微小粒子组成的。这些微小粒子一般比光子还小，用光很难或根本观测不到。电场、磁场、引力场都是如此。 6 光源与电池 在一个由电池、灯泡和导线组成的电路中，灯泡发光，既发射出质量也发射出能量；电池既提供能量也提供质量，电池本身的能量在减少，质量也在减少。 7 结论 （1）光的本质是一种粒子，群体行为具有类波特性。 （2）目前尚没有精确的测量光速的方法。 （3）星光相对于地球的速度，越接近地球，越接近于地球上光源发出的光相对于地球的速度。 （4）场是由空间和微小粒子组成的。
参考文献 10000 Science crux physics editorial committee. 10000 Science crux- physics volume[M]. Beijing: Science Press, 2009. [2] 范良藻，冯劲松. 光的本性[J]. 中国工程科学, 2007, 9(2): 58-67. Fan Liangzao, Feng Jinsong. The Nature of Light[J]. Engineering Science, 2007, 9(2): 58-67. |