光以自身場(chǎng)為介質(zhì)傳播,這矛盾嗎?
- 留學(xué)出國
- 2023-07-27 13:00:05
如果光速一直走,那么一年走幾公里?
導(dǎo)讀:光速的本質(zhì)是什么?光速為什么是光速?光速為什么是不變的?光速不變!愛因斯坦的狹義相對(duì)論就是基于光速不變?cè)戆l(fā)現(xiàn)的,不要認(rèn)為光速不變?cè)硎嵌?,事?shí)上它只是愛因斯坦通過研究麥克斯韋方程組后的一個(gè)假設(shè),你也可以認(rèn)為是一個(gè)公理,有了這個(gè)假設(shè),才有了愛因斯坦之后的狹義相對(duì)論的誕生!
有人可能會(huì)說,既然是假設(shè),就不一定是正確的,但事實(shí)上任何科學(xué)理論都是一種假設(shè),然后再把這種假設(shè)進(jìn)行全方位的驗(yàn)證,同時(shí)這行假設(shè)能夠輕而易舉地詮釋相關(guān)宇宙奧秘。而邁克爾遜-莫雷的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了光速不變?cè)恚?/p>
而愛因斯坦做出光速不變假設(shè)是在牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀與愛因斯坦的相對(duì)時(shí)空觀的沖突中產(chǎn)生的,因?yàn)榕nD的絕對(duì)時(shí)空觀占據(jù)了統(tǒng)治地位,但它與完美到極致的麥克斯韋方程組不相容!
我們理解世界的方式永遠(yuǎn)不要單一??纯聪旅娴年P(guān)于光速的論述,會(huì)讓你耳目一新。
內(nèi)容如下:
這里有必要說一下,光速不變并不是指光速在真空的速度是30萬公里/秒,而是在任何運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,以任何物體為參照系,光速都不變!
這里還是再把四十四章的一個(gè)問題,拿出來再問一遍:你如何理解光速不變?cè)恚?/p>
關(guān)于光速不變?cè)淼睦斫?。注意再看一遍:光速不變?cè)硎侵刚婵罩械墓馑賹?duì)任何觀察者來說都是相同的。不要盯著光速值看,要看根本。
就好比我問你:現(xiàn)在的光速值被認(rèn)定為299,792,458 米每秒。假如100年后,光速值的測(cè)量變?yōu)?99792458.001米每秒,那么你會(huì)說愛氏的相對(duì)論是錯(cuò)誤的嗎?
很顯然就原理所述而言,沒有一點(diǎn)毛病,即使100年后光速測(cè)量變?yōu)?99792458.001的時(shí)候,愛氏的相對(duì)論依然是正確的。因?yàn)閷?duì)于任何觀測(cè)者而言,光速都是這個(gè)值,光速是不變的。光速不變?cè)砭褪浅闪⒌?。很多同學(xué),一般會(huì)被光速值吸引,這是舍本逐末。
在第四十四章中,明確說過這樣一句話,光速的本質(zhì):光速【真空】是一種時(shí)空束縛態(tài),光速為定值是時(shí)空使然。也就是時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)就包含了以多大速度運(yùn)動(dòng)。光是物質(zhì),自然就遵從時(shí)空規(guī)律。也就是光速的多少與時(shí)空性質(zhì)有直接關(guān)系。
更具體的的來說是真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù),引力場(chǎng)共同決定了光的速度。各位這就是引出了我們要介紹的兩個(gè)概念了。
先說說磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率是表征磁介質(zhì)磁性的物理量。表示在空間或在磁芯空間中的線圈流過電流后,產(chǎn)生磁通的阻力或是其在磁場(chǎng)中導(dǎo)通磁力線的能力。其公式μ=B/H ,其中H是磁場(chǎng)強(qiáng)度、B是磁感應(yīng)強(qiáng)度,μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率,或稱絕對(duì)磁導(dǎo)率。通常使用的是磁介質(zhì)的相對(duì)磁導(dǎo)率ur ,其定義為磁導(dǎo)率μ與真空磁導(dǎo)率μ0之比,即 ur=μ/μ0 。相對(duì)磁導(dǎo)率ur與磁化率χ的關(guān)系是:ur =1+ xm。磁導(dǎo)率μ,相對(duì)磁導(dǎo)率ur 和磁化率xm都是描述磁介質(zhì)磁性的物理量。
而真空磁導(dǎo)率自然是限定了真空條件下的磁導(dǎo)率。真空磁導(dǎo)率是一個(gè)常數(shù),也可以定義為一個(gè)基礎(chǔ)的不變量,是真空中麥克斯韋方程組中出現(xiàn)的常數(shù)之一。在經(jīng)典力學(xué)中,自由空間是電磁理論中的一個(gè)概念,對(duì)應(yīng)理論上完美的真空,有時(shí)稱為“自由空間真空”或“經(jīng)典真空”。
常用符號(hào)μ0表示,由公式F=μ0I2h/2πa定義,此式是真空中兩根通過電流相等的無限長平行細(xì)導(dǎo)線之間相互作用力的公式,式中I是導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度,a是平行導(dǎo)線的間距,F(xiàn)是長度為h的導(dǎo)線所受到的力,而稱μ0為真空磁導(dǎo)率,其值為μ0=4π×10-7牛頓/安培2,或者μ0=4π×10-7特斯拉·米/安培,或者μ0 = 4π×10-7 亨利/米。在高斯單位制(CGS)中,真空磁導(dǎo)率為無量綱的數(shù),其值為1。
真空磁導(dǎo)率μ0和真空電容率
以及光速 c的關(guān)系為:
無限長載流直導(dǎo)線外距離導(dǎo)線r處:
。
其中,
為真空磁導(dǎo)率。r為該點(diǎn)到直導(dǎo)線距離。
我們先不分析,先接續(xù)介紹關(guān)于真空介電常數(shù)的概念。介質(zhì)在外加電場(chǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場(chǎng),介質(zhì)中的電場(chǎng)減小與原外加電場(chǎng)(真空中)的比值即為相對(duì)介電常數(shù)(relative permittivity或dielectric constant),又稱誘電率,與頻率相關(guān)。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場(chǎng)中,電場(chǎng)的強(qiáng)度會(huì)在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。理想導(dǎo)體的相對(duì)介電常數(shù)為無窮大。根據(jù)物質(zhì)的介電常數(shù)可以判別高分子材料的極性大小。通常,相對(duì)介電常數(shù)大于3.6的物質(zhì)為極性物質(zhì);相對(duì)介電常數(shù)在2.8~3.6范圍內(nèi)的物質(zhì)為弱極性物質(zhì);相對(duì)介電常數(shù)小于2.8為非極性物質(zhì)。
而這里所說的極性,是與電荷分布有關(guān)的。在化學(xué)中,極性指一根共價(jià)鍵或一個(gè)共價(jià)分子中電荷分布的不均勻性。如果電荷分布得不均勻,則稱該鍵或分子為極性;如果均勻,則稱為非極性。物理上通常認(rèn)為極性是物體在相反部位或方向表現(xiàn)出相反的固有性質(zhì)或力量。物質(zhì)的一些物理性質(zhì)(如溶解性、熔沸點(diǎn)等)與分子的極性相關(guān)。
介電常數(shù)又稱電容率或相對(duì)電容率,表征電介質(zhì)或絕緣材料電性能的一個(gè)重要數(shù)據(jù),常用ε表示。它是指在同一電容器中用同一物質(zhì)為電介質(zhì)和真空時(shí)的電容的比值,表示電介質(zhì)在電場(chǎng)中貯存靜電能的相對(duì)能力??諝夂虲S2的ε值分別為1.0006和2.6左右,而水的ε值較大,10℃時(shí)為 83.83。
所以介電常數(shù)是物質(zhì)相對(duì)于真空來說增加電容器電容能力的度量。介電常數(shù)隨分子偶極矩和可極化性的增大而增大。在化學(xué)中,介電常數(shù)是溶劑的一個(gè)重要性質(zhì),它表征溶劑對(duì)溶質(zhì)分子溶劑化以及隔開離子的能力。介電常數(shù)大的溶劑,有較大隔開離子的能力,同時(shí)也具有較強(qiáng)的溶劑化能力。
介電常數(shù)是指物質(zhì)保持電荷的能力,損耗因數(shù)是指由于物質(zhì)的分散程度使能量損失的大小。理想的物質(zhì)的兩項(xiàng)參數(shù)值較小。而真空介電常數(shù)又稱為真空電容率,或稱電常數(shù),是一個(gè)常見的電磁學(xué)物理常數(shù),符號(hào)為ε0。這個(gè)已經(jīng)在上面提到了。在國際單位制里,真空介電常量的數(shù)值為:ε0=8. 854187817×10F/ m(近似值)。
真空介電常量是物理量在度量時(shí)引進(jìn)的常數(shù)( 主要是庫侖定律中對(duì)電荷量的度量) ,根據(jù)麥克斯韋方程組,可推知真空介電常數(shù)與其它物理常數(shù)的關(guān)系:
。其中,c是光波傳播于真空的光速,u0是真空磁導(dǎo)率。上式可作為真空介電常數(shù)的定義式。
說到這里,我給大家說一點(diǎn),你不要看到上面好多公式,就頭疼了,其實(shí)對(duì)于科普來說,我們要找的是概念之間的關(guān)系。但作為研究而言,就要推導(dǎo)和謹(jǐn)慎。我說過我也不是專業(yè)科班出身的,所以我盡量按我的理解,通俗的給大家講。文章中出現(xiàn)的公式,也不是我自己推導(dǎo),是在百度或者其他資料上找來的,為的是讓大家理解這些關(guān)系式中的概念是有聯(lián)系的。
我先通俗來講講我的思路,為什么光速和真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù)有關(guān)。光是電磁波,這是大家公認(rèn)的。而真空磁導(dǎo)率和介電常數(shù)又與電磁性質(zhì)以及電荷有關(guān),那么怎么能和光速?zèng)]有關(guān)系呢。
我們現(xiàn)在所定義的光速測(cè)量值是在真空條件下得到的,所以磁導(dǎo)率和介電常數(shù)也必須具有真空條件,才有一致性和可討論性。
最初提到光是電磁波的人是麥克斯韋。他在總結(jié)從庫倫定律到安培、高斯、法拉第等人有關(guān)電磁學(xué)說的全部成就,在此基礎(chǔ)上加以了推廣和發(fā)展,得出了以自己名字命名的方程組,即麥克斯韋方程組,其主要包括四個(gè)方程式,然后再補(bǔ)充三個(gè)描述介質(zhì)的方程式,總共7個(gè)方程式。通過解這個(gè)方程組的特定解,可以得出電磁波在某種介質(zhì)下的傳播速度。人們發(fā)現(xiàn)電磁波在真空的傳播速度恰好和真空的光速吻合,后來才確定光就是電磁波。
根據(jù)公式:
所得出的光速值為2.9979×108 m*s,和光速的實(shí)測(cè)值非常接近,在1983年國際計(jì)量大會(huì)決定采用的真空中光速值為2.99792458×10^8 m*s。c為光速;為真空的介電常數(shù)=8.85418782×10^(-10) F/m;u0為真空的磁導(dǎo)率=4π×10^(-7) N/A^2。所以,這種數(shù)學(xué)表示方式是根據(jù)麥克斯韋電磁方程組推導(dǎo)出來的。
而光速在真空中是一個(gè)定值,真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù)也是定值。它們都具有一定的“恒定性”,這是光速不變?cè)淼囊粋€(gè)原因。而真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù)是與時(shí)空背景有關(guān)的,所以綜合去考量,可以大膽得出光速為什么是光速,光速為什么不能超越。
原因就是光速是時(shí)空使然,光速恒定有時(shí)空背景限制。而光速不能超越,可以認(rèn)為光速是一種時(shí)空束縛態(tài)。物體的能量不可能撼動(dòng)整個(gè)時(shí)空,所以物體的速度就不能超越光速。
所以我在第四十四章中關(guān)于光的本質(zhì)的時(shí)候?qū)懙溃汗馑佟菊婵铡渴且环N時(shí)空束縛態(tài),光速為定值是時(shí)空使然。也就是時(shí)空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動(dòng),這種運(yùn)動(dòng)就包含了以多大速度運(yùn)動(dòng)。光是物質(zhì),自然就遵從時(shí)空規(guī)律。
這句話是這樣理解的,不知道你在看前面第四十四章的時(shí)候,是如何理解的。因此你就可以大膽得出結(jié)論,如果宇宙性質(zhì)和環(huán)境發(fā)生變化,那么光速值自然會(huì)波動(dòng)。所以光速值增加或者減少,不能證明愛因斯坦光速不變理論是錯(cuò)誤的。
我在那一章里給了一個(gè)理解的案例。大家再看看吧。我們知道河槽寬的地方,河流流速緩慢;而河槽窄的地方,河流流速較快。等量的河水,我讓河槽窄的地方,比原來窄上100萬億分之1米,那么窄的地方河流的流速有變化嗎?理論上有變化,可是實(shí)際呢?實(shí)際是沒有變化的,因?yàn)檫@樣微小的變化,至少人類是無法測(cè)量出來的。
而光速有測(cè)量值,也有定義值。但我們都知道,它不是絕對(duì)定值,小數(shù)點(diǎn)后面有多少數(shù)字我們不清楚。這是可以解釋為宇宙背景的“彈性”。你會(huì)發(fā)現(xiàn)很有物理常數(shù),都不是絕對(duì)定值,那這就不是偶然。我有一章內(nèi)容,專門列出了很多個(gè)常數(shù),相信大家看到了,很多人可能會(huì)認(rèn)為我是為了湊字?jǐn)?shù),而增加的這一章。其實(shí)還不是,對(duì)于這一章,我思慮了很久。我把這些數(shù)字都列了一個(gè)表了,試著找關(guān)系,看看能否找到一些共性,結(jié)果沒有找到。當(dāng)然我的算法就很簡(jiǎn)單,這是能力的限制。如果你看到了,你有新的方法,或許可以算出宇宙這種“彈性系數(shù)?!?/p>
還有一個(gè)思維,我給大家點(diǎn)一下。因?yàn)樵谖覀兎穸艘蕴?,就沒有人在思考光或者引力傳播需不需要介質(zhì)的問題。各位,應(yīng)該這樣思考。否定以太沒有問題,是人類的進(jìn)步,也有實(shí)驗(yàn)支撐。
光波也不能理解為聲波。聲波是振動(dòng)的空氣引起的,而光波不是。光波,電磁波是由磁場(chǎng)激發(fā)的。我們現(xiàn)在所說的,光不需要任何介質(zhì)可以傳播,這句話其實(shí)是不可想象的。
我寫這本書,就是為了告訴大家。我們創(chuàng)立一個(gè)理論的時(shí)候,先去想這個(gè)理論,這句話能不能想象是很重要的。光不需要任何介質(zhì)可以傳播。事實(shí)上是你不能想象世界上,沒有任何介質(zhì)。世界上什么都沒有這個(gè)狀態(tài),你其實(shí)是想象不出來的。世界上什么都沒有的話,也就是沒有世界。這個(gè)邏輯沒有錯(cuò)吧。
就好像我這樣說,沒有玻璃的話,光不可能在玻璃中傳播。更何況沒有絕對(duì)的真空。所以光一定在介質(zhì)中傳播的,在不同的介質(zhì)中傳播速度不同。在真空中恒定。在介質(zhì)中傳播和需要借助介質(zhì)傳播是兩個(gè)概念,繼續(xù)往下看。
宇宙中充斥著各種場(chǎng),所以可以認(rèn)為光傳播的介質(zhì)是“場(chǎng)”。同樣引力的傳播不需要介質(zhì),但引力必須穿透這些宇宙的“場(chǎng)”來把一個(gè)個(gè)帶有質(zhì)量的物體連接起來。這樣去想,可以想象,也絲毫不破壞現(xiàn)在理論的框架。只是在表述上,需要修改。
按照我們現(xiàn)在的教課書,甚至可以這樣理解。電磁波是電磁場(chǎng)的激發(fā)。它的磁力線延伸在理論上是無窮遠(yuǎn)的。這是我們學(xué)過的,也就是可以從某種程度上說,場(chǎng)的延伸也是無窮遠(yuǎn)的。所以電磁波以各種電磁場(chǎng)為介質(zhì)進(jìn)行傳播。大家可以看看現(xiàn)在教科書中關(guān)于電磁波的定義,就好理解了。電磁波是由同相且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波,是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng),具有波粒二象性。所以可以說電磁波以自身為介質(zhì)在進(jìn)行傳播。引力,引力波同樣也是,可以通過引力場(chǎng)傳播。因?yàn)闆]有任何物質(zhì)的傳播是不可想象的。這和世界存在的方式是矛盾是兩個(gè)概念。任何物質(zhì)都沒有,是世界不存在。世界存在的方式是矛盾的,是說我們關(guān)于世界的解釋,一定有不能自洽的地方。就像哥德爾不完備定理所揭示的那樣。
以自身為介質(zhì)進(jìn)行傳播,頂多是有矛盾的一面。但是是可以想象的,也有理論基礎(chǔ)?,F(xiàn)代物理學(xué)是以西方人的思維進(jìn)行建立的,他們這種“排除法”的思維是很好的,但不是任何時(shí)候都是很好的。
這是我要給大家點(diǎn)出來的一個(gè)點(diǎn)。你在科研的時(shí)候,你怎么想真的很重要的。尤其是當(dāng)一個(gè)理論和實(shí)驗(yàn),你進(jìn)行了很長時(shí)間了,就要想一下,我是不是該換一個(gè)路走走,看看能不能走的通。
關(guān)于這一章其實(shí)寫到這里就結(jié)束了。但我在百科上,看到一個(gè)真空介電常數(shù)與真空背景周期的關(guān)系的推理。我個(gè)人瀏覽了一遍,覺得不錯(cuò)。這也是大家理解真空介電常數(shù)與真空背景有關(guān)的佐證。數(shù)學(xué)能力強(qiáng)的,可以看看下文。
百科摘錄:值得一提的是,t =8.81 ×10秒在數(shù)值上剛好近似等于真空介電常數(shù)ε0,這兩個(gè)量之間有什么關(guān)系呢? 為了說明這個(gè)問題,這里假定真空中有二個(gè)帶有相同電量( 電量為e) 的點(diǎn)電荷相互作用,相互作用勢(shì)能為:
。如果單個(gè)電荷以周期 t 做圓周運(yùn)動(dòng),則電流強(qiáng)度為 I = e/t. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,電阻的表達(dá)式可寫為:
。其中 ρ 為電阻率,l 為介質(zhì)的長度,s 為介質(zhì)的橫截面積,電流的方向垂直于橫截面。對(duì)兩個(gè)點(diǎn)電荷來說,雖然它們“靜止”,但它們受“真空背景溫度”的影響,也在做輕微的熱運(yùn)動(dòng),這個(gè)運(yùn)動(dòng)可看成是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)方向在兩個(gè)點(diǎn)電荷之間,周期為( 即前面的所說的“真空背景周期”)。運(yùn)動(dòng)電荷對(duì)應(yīng)的電流可認(rèn)為就是位移電流,這種運(yùn)動(dòng)使兩個(gè)電荷間的電場(chǎng)也發(fā)生了周期性的變化,變化的周期也為t。由于位移電流的本質(zhì)就是變化的電場(chǎng),則 e/t 在數(shù)值上可表示電流的空間分布,電流方向垂直于以 r 為半徑的球面,式中的橫截面積為s =4πr2。
由于系統(tǒng)處在真空之中,電阻率很大(相對(duì)于導(dǎo)體來說) ,但電子的運(yùn)動(dòng)是自由的,兩個(gè)點(diǎn)電荷間的電阻為
。
一個(gè)電荷相對(duì)一另一個(gè)電荷的電勢(shì)
,相對(duì)應(yīng)的電勢(shì)能為
。比較勢(shì)能表達(dá)式可知 ε0= t / p,表明真空介電常數(shù)ε0與真空背景周期成正比。如果假定電阻率 ρ =1,真空背景周期與真空介電常數(shù)在數(shù)值上完全相等??傻茫?/p>
。
上式說明真空背景溫度與真空介電常數(shù)成反比,這個(gè)結(jié)果也顯示現(xiàn)實(shí)真空環(huán)境與宇宙背景有直接關(guān)系。雖然用 e/t 來表示位移電流的空間分布并不嚴(yán)格,但是足以說明真空介電常數(shù)的測(cè)量值與宇宙背景溫度有很大程度的關(guān)聯(lián)。
通過上面這個(gè)推理,大家可以看出,如果這個(gè)推理靠譜,因?yàn)樽髡咭舱f了用 e/t 來表示位移電流的空間分布并不嚴(yán)格。如果靠譜的話,那么根據(jù)現(xiàn)在的天文理論宇宙大爆炸之后,宇宙空間背景溫度一定是在下降的,那么真空介電常數(shù)成反比,就是上升的。有一點(diǎn)也很巧,不知道大家注意到?jīng)]有。光是電磁波,電磁波是同相且互相垂直的電場(chǎng)與磁場(chǎng)在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波,是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng)。而介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別對(duì)征著電場(chǎng)和磁場(chǎng)。所以又一點(diǎn)也不巧。
摘自獨(dú)立學(xué)者,科普作家,藝術(shù)家靈遁者科普書籍《變化》