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我们似乎对光是再熟悉不过了。然而我们真的了解光么？那光究竟是什么？ 一 在日常的生活中，我们感觉不到光的传播是需要时间的。光有速度吗？到17世纪还有争议，笛卡尔认为是无限的，伽利略（1564-1642）认为是有限的。最早尝试测量光速的人就是伽利略，他使用最原始的方法---两个人拿着灯各站在两个山头上，用手将灯光掩住。第一个人露出灯光开始计时，第二个人看到灯亮光时露出灯光。第一个人看到第二个人灯光时停止计时。不过光速实在太快了，这种土办法测不了光速。 光速有限是由丹麦天文学家罗默对木星及其卫星进行了长期推论得出的。其卫星绕木星一圈的时间是固定精准的，比我们生活中见到的所有钟还准确。可是科学家在地球上观测到其卫星绕木星一圈的时间随季节变化而变化。  1676年根据罗默观测结果计算得出光的速度为227000千米每秒。原来光真的有速度。虽然误差很大，毕竟让科学家知道了光的速度是有限的。 后来科学家用了很多方法测量光速，计算出的最精确的光速都是通过波长和频率的乘积求得的，为299792457.4米每秒。 |
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光也是电磁波，与电磁波的速度相同。
用一个高频振荡器加上天线发射电磁波，通过反射回来的电磁波与发射的电磁波对比，测量出一个波长的距离，乘了频率就是光速。 人的眼睛不能感觉光的速度，因为眼睛只接收直接射入眼睛的光，并且把射入的角度认作光源所在方向。比如我们从镜子里能看到物体，因为眼睛把物体发来的光认作从镜子里面射来的。 事实上不仅仅是眼睛，现有的光接收仪器也一样只能接收直接射入的光，和眼睛一样也把光的入射角度认作光源所在方向。因此也感觉不出光的速度变化。 对于光是什么，我发了一篇回复，可是一直到现在了也没有显示出来。光的问题比较简单，但是表达起来篇幅比较长，不知道是不是因为太长被删掉了。 |
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光是什么之一
要说清楚光是什么就必须先从场的概念说起。 那什么是场呢？ 场是物质对外宣示自己存在的范围或区域，是一个物体对其他物体的作用范围和区域。 我们常提到的场有电场、磁场，引力场，强力场等，当然也有的时候会提到气场、人场等更复杂的场。但是场都是事物对外宣示自身存在，并对外产生作用或影响的区域和范围。 在物理学中当然不需要去研究什么气场和其他的场，那些是纯哲学问题。物理学研究的场主要是电场、磁场、引力场和强力场。 场由物质所在点为起点，随着与物质的距离的增加而减弱，因为以物质为中心的球面积与半径的平方成正比，因此场的分布强度通常也随面积的增加而密度变小，所以，场的强度与距离的平方成反比。但是不同场的作用强弱不同，因此还一定存在着不同的系数。比如引力场的系数是G，电场的系数是ε。 由此可见，一个电荷产生的场只是随着距离的增加而减弱，直到距离为∞时才减弱到0。无穷远是多远呢？那就是宇宙的边缘。 但是电荷的场并不会占满整个宇宙，因为场的建立需要时间。 我们可以想像一下，假如某个地方突然出现一个极强的电荷，我们离那个地方很远，比如300万公里，我们能马上知道吗？事实上人们通过实验已经证明不能马上知道，需要在电荷出现10秒后才知道那里出现了一个电荷。 因此，电荷的电场并不是立即占整个空间的，而是以电荷所在的位置为中心，以一定的速度球形扩散的。 那么电荷要是消失了，电场是不是就立即消失呢？也不是。 假如一个检测点离电荷30万公里，另一检测点离电荷300万公里。电荷出现一秒钟后消失，那么在1秒钟时电荷虽然消失了，30万公里处的检测点刚刚发现电荷出现，再1秒后发现电荷消失。而在300万公里处的检测点则是在电荷出现10秒钟时才发现电荷的出现，在11秒时发现电荷消失。这个时候电荷已经不存在了。而电场从30万公里处依旧向300万公里处扩散。 假如一另一点上又出现一个电荷，对前面产生的场有影响吗？显然没有，因为新产生的场也是以场速扩散，根本追不上先前产生的电场。前面产生的电场依然以原来的中心为球心扩散，不论新电场在什么地方产生。 假如电荷持续存在着并移动，那么会产会把已经幅射出去的场拖拽着一起移动呢？显然不会，因为场一理离开场源出去就再也不受源的控制了，移动的电荷不断在新的位置上产生着新的电场，与原来已经产生的电场没有任何瓜葛。 这说明场一旦产生，就不再受场源的影响和控制了。无论场源存在不存在，无论场源是否在移动，已经产生的场会一直按产生时所在位置及恒定不变的速度扩散。这个扩散的速度我们称之为“场速”。球形场扩散的场的球心在宇宙中是静止的。即不随场源的移动而改变，也不受其他无关物体的移动而改变。 实验和观测证明，电场、磁场、引力场在宇宙中的速度都是相同的。大约每秒30万公里。所以称之为场速，而不是单独区别电场速度、磁场速度和引力场速度，就是因为是同一个速度。 因为篇幅太长可能会看不到，所以先写这么多，待续…… |
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光是什么之二 续上篇（5楼） 在5楼的表述中我们谈了场速。 假设有一个天线，上面被极化出正电荷，正电荷周围就会有电场以速向外扩散。 这样，当天线上的电荷依正弦规律变化时，如这样的变化：（弱＋→强＋→弱＋）→ 0 →（弱－→强－→弱－）→ 0 我们注意到，不管是＋还是－，都是有电场的时候，而＋与－之间总是由0隔离开的。因此，正弦变化的极化电压产生的电场是正负间被0（无电场）分隔着的两个独立的电场段。并且这些电场段一旦产生后就以宇宙中恒定不变的速度向外扩散，再也不受天线的影响了。天线后面再产生什么样的电场与已经离开天线的电场没任何关系。 已经离开天线电场的强弱变化顺序被固定下来，以不变的顺序和速度在宇宙中以场速扩散。
在这个图中我们把天线上的极化强度用幅度表示，把产生的电场强弱用亮度表示，用蓝色表示正电场，黄色表示负电场。 图中的那条曲线本来不存在，我们暂且把它看作示波器上显示的电压吧（虽然不确切）。但是别忘了，这串电场做成的珠串正在以场速在宇宙中移动着。 显然这就是电磁波的原理，但是这里我们并没提到磁场的问题。这个问题稍往后放一放。 显然电磁波的速度与光速是相同的，而场速决定了电磁波的速度。因此，电磁波的速度在宇宙中也是恒定不变的。至于在介质中为什么会变我们也许在后面会解释。 我们发现，正弦变化的电场波以场速移动着，那要是非正弦的极化电压呢？当然也不会改变这个速度，因为场速是电场在宇宙中的恒定速度，不会因为后面的电场是什么样而受影响。 后面的电场突然没有了，与前面的电场无关。 然而我们知道富里叶变换的都知道，如果一个有突变的脉冲波能被不变形的传输，就说明传输系统的频率响应为无限宽。换句更通俗的话说就是，说明电场在宇宙中无论频率是多少，移动的速度都相同。注意这一点，这与在介质中是完全不同的。这预示着真空中移动的电场是不需要介质的。 形象的说电场波就像是雕塑成一粒粒珠子的电场按固定的顺序和排列方向的整体的移动。我们可以称一段电场为电场段，（当频率较低时）或电场块（当极高时）。
好了，先发吧，写多了又该看不见了。待续……
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光是什么之三
续上篇（6楼） 我们从场的认识到电场波的认识，我们也认可光也是电磁波。但是光与电磁波还是有区别的。 光与电磁波的区别不仅仅是频率或波长的区别，还有连续性的区别。 发射天线要用复杂的组合方法才能保证幅射的电磁波方向单一，而光基本上方向是单一的。虽然我们平时看到的灯光是四面八方幅射的，但是对于每个跃迁发出的光却是单一方向的。 这其实反应了电子的跃迁并不像我们想象的那么简单，涉及了电子的旋转方向及能及间能量的释放电动机等许多目前还很难说清楚的因素，导到能射出来的光都是单方向的，其他方向的光可能无法幅射出来导致反复在原子内部反复吸收释放，直到达到可以幅射出来的角度和方向时才会脱离原子幅射出来。 而每个电子跃迁的过程中释放的能量是由不同元素能级分布的不同及能级间的能量差不同决定的，导致电子跃迁时释放的能量不同，而能量的不同在电磁波上反应出来就是频率的不同和持续的时间不同。因此，光是一串串长度不等的、不同时的电磁场的混合幅射。无数的电子不同时，不同步，不同方向的跃迁就导致了我们看到的普通光是四面八方的连续幅射。但是在微观上，光是一串串极短（一般1－7个周期）的电磁场串的移动。 我们通过一些方法设置一些限制让电子只在相同的角度上跃迁，光就只能从一个方向幅射，就形成了激光，激光的方向就可以严格的保持单一的方向了。但是激也不一样，还有时间上的同步与不同步之分，如果电子跃迁的时间也能保持一致，就会将能量集中在一个时间点上和一个空间方向上射出，达到极强的能量。而普通激是时间不同步的，因此，我们看到的普通激光的光斑会感觉有一些麻麻点在闪烁。那时因为方向高度一致，但是在每一个点上的光并不同时出现，也表明光的不连续性。对一个个点来说，接受到的光时有时无。不同的点上就形成了此亮彼暗的闪烁现象了。 我们在这里一般用移动来表达我们已经习惯的传播的意思，为的是时刻提醒我们是电场段整体的在空间中的移动。就像一块雕成波浪形状的冰块的移动一样，而不是象水波的传播那样水在原地能量自己移动。传播与移动是不同的概念。 我们在解释光是什么的同时，必然还要解释为什么光有那些特性：波动性、粒子性、功率与频率成正比、反射、折射等，其实对于波动性、粒子性、能量等问题前面的表述中都已经同时解决了。现在需要解释的是反射和折射的问题。 光是频率极高的、正负相间的电场串的组合与移动，在真空中没有任何物质时，光的移动不受其他物质的影响，但是既然是电场块，在电场与原子中的电子接近时就必然会与电荷产生相互的作用。导致电荷随电场的调整而产生振动。而光的能量又恰恰是由电子跃迁时形成的，且因为方向高度一致而并不损失。遇到与该能量刚好相符的电子时就会立即被电子的反向跃迁所吸收，而一串电场串被吸收后，马上电子又跃迁回原来的能级，再次把光以相同的能量释放出来，因此光在反射时是经历了被吸收再重新发射的过程的。因此，光照射到的物体就是新的光源，表面是看是反射的光，其实上是原来的光被吸收了，又新发射出来的光，被照射的物体就是新的光源。 被照射的物体如果表面的电荷排列不整齐，新产生的光的方向就不再统一，变成了散射光。假如物体表面的原子排列非常整齐，照射进去的光的角度相同时，电子反向跃迁时的方向也一致，所以就会接入射光的角度反向幅射出新的光，形成了镜面反射的效果。 光进入介质时，会因为介质的性质引起不同的效应，对于不透明的介质，光进入时在介质中被介质的电子吸收后向不同方向幅射，因为有的光能量不足以让电子跃迁，就被吸收转化成其他能量比如热能。 而对于非晶态的透明介质，光在进入后就与周围的电荷一起振动，电荷的振动是形成光的电场段的变化的，因此这种振动的结果是光被原来的光被电荷的振动代替进行变成电荷振动的传播，直到离开介质后才又被以光的频率振动的电荷转换成光幅射出来。而电荷的振动显然要比电场在真空中的移动速度慢。因此光在介质中传播的速度就会变慢。 光作为一个整体和电场串，在斜向进入介质时，必须在前进方向垂直的面上有一边先进入介质，先变慢，就像弹簧一边被压缩时一样，方向就会发生改变。射出介质时则会因为过程相反而再次改变方向。如果出入的两个介面是平行的，过程就正好相反，所以方向就恢复原来方向了，只是传播的路径错了一点位。如果两个介面不平行，则光就不能再恢复原来的方向，总的移动方向就改变了。 待续…… |
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光是什么之四 （续7楼） 光在斜向进入介面时因为每段电场的波长随频率成反比，所以波长越短，不同方向的速度差就越大，所以波长越短折射就越大。而反射时则因为新产生的光还在相同的介质中传播，所以不会发生频率分离。这是反射式望远镜可达到的清漆 淅度更高的原因。 但是光在反射时因为反射物表面电荷的约束使电荷的振动方向受限，因此反射光会随入射角度的改变而改变光的振动方向使光发生偏振现象。其实是对移动的电场场在方向上的过滤。其实透明物体如果能约束电荷的振动方向也可以让通过的光发生偏振。 迈尔逊莫雷实验的误区在于把光看作波，并认为是在以太中传播的。以太也是介质。这样的认识造成了对光的反射的误解，在7楼中已经谈过光的反射其实是光被吸收后再产生的过程，因此，新的光是以反射物为光源的光。 由于反射物的速度会造成接收到的光的频率发生变化，所以新产生的光的频率就发生了变化，而迈莫实验中的屏幕则相对反射镜的速距离是固定的，因此在以相同速度相对光运动时接收到的光的频率又被不愿了。所以无论如何改变方向，无论光相对实验仪器的速度是多少，都不会发生干涉条纹的改变。这就是迈莫实验0结果的原因，是对光的错误造成的错误实验方法。 光是我们赖以观测事物的终极媒介，我们对宇宙规律的一切测量都离不开光，都必须直接或间接的用光作标准。 这好像我们用放大镜看物体时我们知道物体被放大了，但是物体本身并没变大。因为我们能移开放大镜，所以有机会对比，但是在很多情况下我们没有机会进行对比，比如我们的眼睛也是放大镜，我们不能移开眼睛来对比。如果通过加放大镜改变眼睛的曲率的方法，我们就会发现，不同曲率下看到的物体的大小是不同的。但是哪个曲率下看到的物体是：真实“的呢？因此，可以说看到的物体本身就没有真实大小，是由大脑对影像进行了分析计算得到的真实大小的结论。每个人的眼睛大小不同，曲率就不同，因此每个人看到的影像也不同，但是都能正确的判断物体的大小，原因就是人脑起了运算作用。 长期戴眼镜的人会感觉戴眼镜看到的物体大小也是真实的，而不戴眼镜的人初戴上眼镜时则会感觉看到的物体都是变形的。 我们承认绝对空间，但是我们如何定位绝对空间呢？也就是如何在空间中找到静止不动的点作为参照系的原点呢？ 宇宙中一切物体都在移动着，没有任何能确保静止的物质。 但是我们通过前面之一、之二、之三的讨论已经发现，电磁波在离开天线后就不再受天线的影响，在宇宙中以恒定的速度、静止的球心扩散。那个电场扩散的球心在宇宙中是静止的。这给我们在宇宙中定位提供了条件，在一个封闭的球形反射面的中心点上放一个发天线，发出脉冲的电磁波，由于发射时球的位置与电场反射回来时的位置不同，形成发射点与电磁波的反射集中点有距离差。当然这个距离差极小，因为与光的速度相比地面的绝对速度是非常低的。 为了把光路加长，我们可以在光路上加上反射镜面，让光曲线运动。而事实上也并不需要一个完整的球形反射面，只需要一个很小的就够了。因为我们只是看反射回来的位置与肆地的位置的差别。
上面这个图就是用光路处以的原理设计的实验。 外壳中一个用铸造铝铸造的框架，之所以比较厚是为了尺量不让框架变形。 上下两个平等的反射面，让光在其间入复反射上千次，为使光不发生衰减，腔内抽真空。 光输入端由一半反射镜将光分成两路，一路经再次反射后射在对比屏上作为光点对照点。另一路进入真空反射腔内经上千次往反射后射出与对照点光斑对比。 对照点光斑设定在对照屏中心点，反射的光斑则会因为仪器随地面的速度和方向的不同而不断改变位置。记录每日的周期变化及每年的周期变化，需要经过长期的统计，将光斑的移动规律进行统计得到因自转和公转等原因导致的对地面速度影响，剩下的偏移量则代表地球在宇宙中的绝对速度。 实验设备必须放在恒温恒压的室内，如果技术上可以实现，也可以设置成可球形全方向旋转的，但考虑到仪器的精密性和微弱的变形导致的误差，技术上难度太高时也可以固定在一个方向上地设备变形。靠地球的自转与公转的方向不同来观测。 按地面以每秒30公里的速度运动时，光行1千米产生的偏差约为0.1毫米，由于光班的偏移量极小，所以对照屏要经显微镜观察和记录。当然如果改进设备让光的偏差被曲面镜偏转，可以增大可观测度。 可能需要数十年才能统计出太阳系在宇宙中的绝对速度。主要是因为地球的自转、公转、以重可能引力对光的偏置产生的影响，但是引和的影响只要地址不变，则是固定的。因此可能观测不出来。
待续…… 下一节谈谈与光相关的速度的极限为什么是光速的问题。
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光是什么之五 （续8楼）
从前四部份讲过的内容，我们已经了解了场速。 场的速度对我们研究运动有什么贡献呢？ 我偿看一个最简单的例子：假如一个人在推车，假设车除了受人的推力外不受任何磨擦力。那么随着人失车，车的速度就会增大。但是车的速度最快能有多快呢？显然，车的最快速度受人推车的速度限制，如果车的速度比人推它的速度还快，人就不可能追得上它，车没有了动力也就不会再有加速度。
假如推车的力不是人给的，而是电场给的，那么也很显然，电场的速度是恒定的，因此车的速度不可能会超过电场的速度。假如车的速度比电场的速度还快，那么电场就追不上车了，因此，车的速度不可能超过电场。
我们把这种规律形成的理论用可见的水作一个试验，假设水的流速是v水，物体在水中静止时受到的冲力是F静，物体相对水的速度是v物，那么在物体受冲力作用有了速度后，相对水的速度变慢了。 我们设计一个水池，在中央放一个由电动机带动的旋转轴，上面安装好一些测力的设备，改变转速看看不同转速（测力器相对水运动的速度）测量到的力的大小。以转速最大的力时为标准水流速度进行统计，速度降低时看作物体相对水的速度变慢。我们发现，受力大小与速度的变化符合这样一个关系式： F＝F静√(1－v物²/v水²) 这个公式看上去好像很眼熟，因为它竟然与相对论中的洛伦兹变换中时间的关系式相同，看来这个关系式是自然界的一个非常普遍的规律。
从公式可以看出来，当物体静止时受到水的冲力最大，就是F静。只要物体沿冲刷力的方向有速度，力就会减小。 当物体的速度与水流的速度相同时，物体受到的冲刷力就是0了，因为相对水是静止的。
把水换成场，水流的速度就是场速，电荷在场中受场的作用力就相当于水对物体的冲刷力。这样公式就可以写成： F＝F静√(1－v²/c²)，其中的v表示电荷沿电场力方向的速度。当电荷沿力的方向的加速度产生速度时，随着速度的增加，电荷受的力就会下降。当电荷的速度与电场的速度相同时，电场对电荷就没有作用力了。 把上面的公式两边除以质量就是加速度，F/m＝F静/m√(1－v²/c²)，显然两个公式是等价的。但是我们现在来想一想，我们能跟着电荷的运动一起运动着测量电荷所受的力吗？显然不能，因为假如我们跟着电荷一起运动着测量，观测到的现象是电荷是静止，加速度为0，电荷受的力始终是0，没有任何意义。因此我们只能是在静止的状态下测量电荷的运动。这导致了我们的观测结果中自动的把我们与电荷一起运动的影响抵消了。比如我们的实验设备随着地面的运动。也就是说我们观测到的电场力就是在我们本身有一定的速度的前提下的观测结果。这说明我们改变惯性系不会影响结论。 我们无法测量运动着的电荷所受的力，那我们就只能观测到静止的电荷受的力，也就是固定的电场强度。 把上面的公式再变换一下把F改写成F静，而把m改成动态与静止之分：那就成了F静/m＝(F静/m静)√(1－v²/c²)，再变换一下就得到m＝m静/√(1－v²/c²)，这个公式显示，因为我们无法跟着运动的电荷测量动太下的受力，导致我们在观测结果上测量到的电荷质量随速度变大。 显然当电荷的速度接近光速时，电荷的质量就会接近无限大，相对不变的电场力而言，电荷的加速度也就接近0了。因此，物体在电场力的作用下能达到的最高速度就是场速c。 我们知道物体之间的分子或原子就是在电场力的平衡下保持着相对的固定位置而形成的固体。当物体受力的作用时，受力点上的分子或原子就会产生位移趋势，这一趋势通过电场力的传递，传递到构成物体的全部分子或原子的。 当物体受力沿力的方向运动时，分子间的相互作用力也会因速度的原因而下降，因为电场在空间的速度是恒定的。
假如物体能达到光速，则在光速下的物体，沿运动方向上不存在力的作用，分子间也没有作用力。假如有人在这样的速度下运动，人不能向前或向后伸手伸腿，不能转身，不能向前后移动，因为不存在前后的力。如果遇到障碍物，因为不存在前后方向的作用力，物体也一样不会受到任何力的作用，不会产生任何撞击事件。 以光速运动的物体对任何物体都不会产生作用力。在这种情况下，冲量定理失效了。而反过来相对的说，因为物体的质量为无穷大，因此与任何固定质量的物体相撞时，自然感觉爱到的冲力都是0。 事实上，虽然量子理论中的结论光是有压力的，但是实际的任何手段和方法进行的测量都没有发现光有压力。
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