如果光在空间传播是相对论的关键,那么光的发射和吸收则带来了量子理论。1900年,普朗克用他提出的量子假设来解释光发出的奇异色彩。五年后,爱因斯坦利用普朗克的量子概念来解释光电效应,即金属表面受到光的照射后释放电子的现象,并因此项成果而获得了诺贝尔物理学奖。(爱因斯坦获奖并非因相对论,因为相对论一直在物理学界存在巨大的争议,直至今日)后来,科学家在解释原子的光辐射和电子的波特性时也使用了量子的理论。量子论正确解释了许多原子现象及化学元素周期表的规律性,并继而对激光、晶体管、半导体的出现起了理论指导作用。可以说,没有量子论便没有现代的科学技术,而量子论的出现应归功于德国物理学家普朗克的量子假说。他提出物质中振动原子的新模型,从而正确计算出黑体辐射的频率光谱。普朗克假定物质原子不在连续的频率下振动,而只能在特定或量子化的频谱范围内振荡,即能量是一份一份的,每一份是一个量子。普朗克也因量子的发现并在其它科学家强烈的呼吁下,而获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
十九世纪做的大部分光学实验都证明光是一种连续波,普朗克为解释黑体辐射而计算不同波长的能量,他必须假定光是以分离群体或说量子形式被射出或吸收。也就意味着光的产生和传导是在空间非连续分布。如果说能量或者光在空间是“跳越式”前进的,而光速的绝对性又说明光速是光在空间传播的本性。那么,光或能量有什么理由跳跃于连续的空间呢?回答很可能是——没有。所以,只能有一种可能,即空间本身是分立的。光子是在分立的空间元中依次传递。
从另外一个角度我们也试着理解一下空间分立的必然性。在我们面前摆着一个一立方米的铁块,它与一立方米的空间严格对应,铁块可以完全代表这部分的空间。无论我们将铁块分到多小,这一小块也必然会有体积。换句话说,没有体积的物质无论堆积多少也形不成有体积的实体。既然一立方米的铁块确实存在,我们就可以断定这个铁块是由有限个最小体积组成,即空间拥有分立的结构特征。相反,无限的空间将导致许多荒谬的悖论。
如果确定了空间是分立的,空间有最小的结构,那么分立的空间元之间是什么呢?(提到分立,必然有“之间”,没有“之间”的物质必然是一个整体,也就不存在分立的概念),它肯定不是空间,空间不可能存在于空间之间,它肯定与空间的性质完全对立,完全相反,我们暂且把它称为反空间(反空间是空间单元的间隔,它与空间共同组成了我们所熟悉的整体空间体积)。能满足空间与反空间特点的结构只有一种,那就是间格结构。(图中画的是平面形式,我们可以轻易想象成立体的三维形式)。每个空间元的周围是六个反空间元,每个反空间元的周围是六个空间元。这个简单的结构决定了光的特性。
在纯粹的空间中,正反空间元是完全相反的,因而是相互吸引的。每一个空间元都对它周围的六个反空间元形成强大吸引。同样,每一个反空间元也对它周围的六个空间元形成同样强的吸引。由于空间元的分布结构是完全对称且抗衡的,所以整个的空间是均匀的,刚性的,稳定的,宏观上也是平滑的,连续的。
既然正反空间元强烈的相互吸引,这说明两者是具有能量的,且分出正反,就好象一块磁铁的两极。空间是正向的能量,反空间是反向的能量。空间的结构决定了空间在宏观上能量趋于零;在微观上能量趋于最大。
当一个光子被制造出来后,这个光子会占有一个空间元。由于它打破了纯粹空间的能量平衡,这个多出来的光子能量被它相邻的反空间元吸引过去;当光子进入反空间元时,又打破了这个区域的能量平衡,于是它又被下一个邻近的空间元吸引过去。光子便会在这个正反能量场的交替中向前运行。这种恒定的运行是绝对的。光子单位时间向前运行的距离就是光速。光子在正反空间元中的运行轨迹就是频率与波长。
我们用图来加以说明。如一个光子的运行轨迹是8-9-16-17-10-11-18-19-12-13-20-21,那么,8-9-10-11-12-13-14的七个空间元便是光子运行的距离。如果我们设定这段时间为一秒,它就成为光速。如果光子的轨迹是8-9-16-17-24-25-32-33-40-41-48-49,那么,光子的速度依然相同,在一秒内运行的还是七个空间元的距离。但两者的频率和波长却是不同的。第一种轨迹是光具有的最高频率和最短波长,第二种轨迹是光具有的最低频率(υ=1秒)和最长波长 (λ=C≈30万公里)。8-9-10-11-12-13-14的轨迹是严格限制的。这条轨迹意味着光速改变了,光也失去了频率和波长。一切光的频率和波长都限定在上述两条轨迹中间。选择哪一条轨迹将取决于这个光子的能量大小。上述两条轨迹范围之外的轨迹将不再具备球波的属性。
让我们努力想象光在立体的空间中传播的景象。一群光子从一个空间元散开前进,经过一段距离,光子又重新聚在一个空间元中,形成一个波长。然后又散开前进,再聚合为一个点,在一秒钟内聚合的次数便是频率。当光子聚在一个空间的点上的时候,它表现为粒子的特性。光子在运行的时候,又表现为波的轨迹。所以,光具有波粒二象性是光与空间的本性决定的。光既是粒子又是波,但某一时刻,它只能是其中一种。
在单位时间内(或者说在单位体积内,这两种说法是相同的,后面我们将会把时间与空间同化),越高能量的光子,因为波长短,所以频率高,即聚合成粒子的次数多,它就更多地表现为动量的粒子性,相反,则更多地表现为能量的波动性。一个光子的粒子性与波动性是随着时间的延续而周期出现,同一个时间点不能同时存在粒子状态和波动状态。粒子性与波动性是互补的。一个低频率的光子在波态占用的时间长,那么在单位时间内,它更大概率地是以能量的波态出现,即粒子出现的概率与频率成正比,与波长成反比,很简单地把单位时间换成单位空间,便是粒子在空间分布上的几率波的概念。海森堡的测不准原理也可由此给出解释。
现在我们将审视一下空间与时间的内在关系。请看空间的结构图,光在空间的运行是由空间的本性决定的,它所耗用的时间也是由相同的原因决定的。也就是说,光在运行中的距离(空间)与时间是由同一原因决定,且恒定不可改变,即光速的绝对性。这样,我们就可以将最短的时间定义为空间元的边长。我们可以用空间来代替时间,这个数值就是光速。
由于空间已经指明了几何意义上正的方向,(如果几何意义上是负的,我们便都不会存在)所以时间也被指明了正的方向,因此,时间之矢是不可能倒流的。时间的箭头永远指向未来。所谓动力学的时间箭头可以倒转是一种误解,动力学时间倒转的根本含义是运动方向的倒转,倒转的运动要耗费同样长的时间。只有热力学指明了时间的方向,且规定了发展的不可逆性。
光子在空间运行的速度由光子与空间结构的本性所决定,这就决定了光速是不变的,光速是一个恒定常数。而且光速是物理世界中速度的极限,它具有绝对性、唯一性。由于光速的唯一性,那么具备光速的物质只能是光子。这就是说,无论什么物质,当它(如果)被加速到光速时,物质会全部转化为光子形式存在,即能量的形态。物质与能量是等同的,它们之间由速度而连接,物质的多少代表着能量的多少。
这个质量与能量的转化无论从动力学(质量)还是从热力学(能量)都可以简单而明确地推出。
首先,从热力学来看
一个封闭的热力学系统的温度与内部粒子的质量和速度之间有关系式,
Mv2 = 3kT (k是玻耳兹曼常数)
我们知道,温度是能量E的最直接量度,当我们把粒子速度定义为光速时,(此时,系统内的粒子全部转化为光子形式存在)我们就可以得到公式
E = mc2 即质能公式
再从动力学来看
根据牛顿力学,一个质量为m的物体在一个引力场中的总能量等于动能与势能之和。我们要使这个运动的物体达到光速才意味着使这个物体的全部质量转化为完全的能量。使物体达到光速就意味着吸引体必须达到史瓦西半径,即黑洞。这样,得到公式:
E = E动 + E势 = mv2 /2+ KmM/R
把史瓦西半径R = 2KM/C2 代入上式得:
E = mv2 /2+ KmMC2/2KM = mv2 /2+ mC2/2
当物体m到达史瓦西半径那一刻,也即意味着到达了光速,它的动能公式里的v变为C,于是得到公式:
E = mC2 即质能关系转化公式
在爱因斯坦的狭义相对论中,E = MC2 的推导过程是不明确的,现将这一过程抄录于此。这个推导录自爱因斯坦一生独自写的唯一一本书《相对论的意义》
...............
事实上可以认识:对于远低于光速的速度,这些动量的分量和经典力学里的相符。对于高速度,动量的增长比较随速度的线性增长要快,以致在接近光速时趋于无限大。
如果将(43)里最后的方程应用于静止质点(q = 0),便知道静止物体的能量E0等于其质量。如果取秒为时间的单位,就会得到:
E0 =mc2 (44)
所以质量与能量实质上是相象的;它们只是同一事物的不同表示。物体的质量不是恒量;它随着物体能量的改变而改变。由(43)里末一个方程可知,当q趋于1,即趋近光速时,E将无限增大,如果按q2的幂展开E,便得到
这个表示式的第二项相当于经典力学里质点的动能。
由上面这一过程可以看出,爱因斯坦通过空间与时间的变换,最后得到公式 E = m, 即能量等于质量。然后,爱因斯坦在质量的后面加上了一个系数C2,从而得出 E = MC2 。这个系数的来由并没有说清,而且系数为什么取光速的平方而不是光速或光速的立方,也没有说明。
与爱因斯坦同时代的,可以说与爱因斯坦接触最密切的物理学家玻恩在他的《我们这一代的物理学》里指出了狭义相对论,尤其是质能关系式的得出当时曾引起很大的争议
在现代大型粒子加速器上也用实验证明了能量与物质的相互转化。量子理论认为,一个振荡的能量场会产生激发态,激发态的波峰便是能量场创造的粒子。在前面的论述中,已经知道空间拥有强大的能量,那么就不能否认,在这个强大的真空能量场的振荡中会创造出粒子。物质由真空创造,并不是不可理解的事情。而且它们遵从质能关系式E=MC2
前面论述中已知,空间是绝对的、唯一的、静止的,因而就必须要求它有一个坐标原点,即空间的中心。由中心向外辐射的空间波引起现实空间的振荡,这个观点将在后面论述,这里我们只记住空间波的概念即可,这有助于我们讨论下面的内容。
万有引力是牛顿伟大的发现,也是物理学最伟大的成就之一,它使人类认识世界的步伐跨出了飞跃的一步。今天,我们对引力太熟悉了。人们之所以站立在地球上而不是飞上空中,便是地球的引力吸引住我们的身体。太阳系之所以存在便是太阳的引力吸引住了其它的行星,包括我们地球,所以我们才能一年四季享受着太阳的光辉。一个物体在向引力中心坠落的过程中不断地被加速,根据牛顿公式 F = ma 可知引力场对物体施加了力,即引力场具有能量。被引力场束缚的物质总是呈三维的球形,这说明引力场是一个球形波能量场。
热力学定律规定,能量只能由高向低流动。能量凝聚态的物质在引力场中永远向引力最强的引力中心运动,这指明了引力最强的地方是空间中能量分布最低的地方。就是说,引力与能量成反比。而引力本身就是能量,这就意味着引力能量的方向与产生物质的空间能量方向是相反的,我们把它称为反能量,依照质能关系式,E = MC2,反能量构成的物质便成为反物质(后面论述反物质的形成)。
在空间中,分布着数量巨大的引力源,但空间波是唯一的、绝对的、均匀的,空间波与引力波都具有波的特性,当两者相遇,会产生波的相干,由引力波“切割”空间波形成一个个波包。由于空间波是均匀的,波包的大小便由引力的强弱决定,引力强度与波包的体积成为反比关系。大波包内的能量多于小波包内的能量,它们的差别导致了自然界中存在的一百多种元素质量上的差别。
波包对能量原先的均匀分布产生了“切割”作用,使得能量出现局域分割状态,波包内出现结构中心,此中心对波包内的能量产生强大的内敛作用。这种束缚是由空间本身提供的,它强烈束缚住波包内的能量形成实态的物质,这种内敛作用便是强力。由于强力是空间结构本身所造成的束缚能力,所以只有在极小尺度内才具有作用,一旦超过这一尺度,空间便跨跃入宏观的平滑状态,强力现象消失无踪。
波包内空间结构特点决定了内敛作用强度由结构中心向外缘的递减,由此造成能量密度也呈递减分布。每一个粒子都有一个坚硬的“核儿”。体积越小的粒子意味着越坚硬,能量密度越高,也就要求打开它的能量更大。粒子的这种密度层结构,决定了它的许多粒子特性。
前面已经说明了波包的体积形成不同原子量的元素,而波包体积是由引力的强度决定的。如果引力再增强,则波包会受到引力波的弹性挤压,使得波包内的能量密度增高,波包变得不稳定。当能量密度高到一个限度时,波包内一部分的能量或物质将被挤压出这个波包以达到重新的稳定状态,这就是元素的放射性衰变。引力波对波包挤压作用就是引起元素放射性衰变的弱力。因此,同样的元素在不同的引力场强度中放射衰变的速度会不同。波包在受到了强烈的引力波挤压或能量注入时,将以快速而集中的方式释放里面被束缚的能量,这就是原子裂变
引力制造的波包在空间形成一个能量的阶梯,能量凝聚态的物质便在这个由高到低的能量场中一直滑下去,物质永远向引力中心移动。引力、强力、弱力都是空间结构的变化导致的,虽然它们的强度有着极大的差别,但它们的原理是同一的、明确的,它们都可以用空间结构来加以说明,并统一到空间结构的叙述中去。
引力场是三维的球形波,设A点为质点,B点为自由物体,且mB<< mA ,围绕A点会构成有限个但难以计数的同心圆,(因为空间是有限的)每一个圆的引力强度是不同的,越接近A点,引力强度越大。这种引力强度的变化表现为自由落体B的加速度a,每一个圆则表示引力场中点的引力强度,它对应着这一点的环绕速度
V=
(v意味着刚好抵消A的引力,使B自由飘移,这里B的运动系是一个加速系,但这里的等价关系只与速率有关,与参考系无关)。
由此可知,加速度a与速率v两者都可以等价地表示引力场强度。换句话说,一个加速系等同于制造出一个局域的引力场;一个惯性系等同于处在一个引力场中的某一点上。
根据牛顿定律,物体半径与质量达到关系式
时物体便成为黑洞。黑洞意味着光也无法脱离黑洞的引力,意味着任何物体在到达黑洞的边界时,它的速度变为光速。即黑洞除了以光子的形式存在以外,它不会以任何实体的形式存在。黑洞导致空间反演,反演的空间是原先空间结构的异化,即正反空间的位置互换。畸变的空间由黑洞产生并传播出去,从而引起原先空间的振荡。空间是能量经由黑洞转化而来的。空间具有能量的属性,是能量的相变。由于空间的唯一性,这就要求空间的中心是制造空间的唯一点,这一点就是宇宙的原点,整个宇宙只有唯一的黑洞。现代天文观测有许多证据似乎支持黑洞的普遍存在。由于黑洞在原则上是不可观测的,因此,当一颗恒星或许多恒星围绕着一个“看不见”的质量运动时,我们就推测它有可能是一个黑洞。现在我们要说,它只是有着巨大引力红移(因此“不可见”),由稳定的轻粒子组成的巨大质量星体。
前面提到引力场能量是负能量,按照E = MC2,引力场制造出反物质。它与空间波创造的物质是对称的,它们质量相等、符号相反,相遇后会完全湮灭成光子。从空间结构上,可以认为物质的结构中心是空间元,反物质的结构中心是反空间元。引力场的强度与反物质的质量成正比。
​引力场的的能量与其他的能量场有一个最大的不同,就是该能量场是内敛的,能量运动的方向由发散向场源中心运动,而其他形式的能量都是由场源向外发散运动,所以引力能量是一个方向为负的能量场,其引力势最小的引力中心是该负能最高的地方。
从物理学角度来讲,力F可以做功,是能量E的标度,所以广义的来考察,可以认为F=E,并遵循守恒定律。
从这个角度说,引力场的力是一种能量,该能量方向为负,(这里的方向不是力的矢量方向的含义,而是能量性质的方向,可以用电荷力的正负来理解,或者直接说就是构成反物质的能量),那么,根据牛顿引力公式的主动引力
F主=GM╱r2
因为F=E,所以把质能关系式E=mc2 与上式联立得
GM╱r2 = mc2
移项得
m=GM ╱r2c2
把引力黄金公式G=gr2 ╱M带入上式得
m= g╱c2
该方程意味着反物质的质量线性正比于g,c2为系数。
根据引力场等于加速场的原理,我们还可以得知在粒子相撞的时候,一个加速度a发生在两个粒子的相撞以后,即等同于产生了一个引力场,该引力场制造出反物质m
数学推导如下
根据F=E,牛顿力学公式F=m粒a 与质能关系式E=mc2 联立得
m粒a=mc2
移项得
m=m粒a╱c2
这里a是粒子对撞后的加速度,m粒 是粒子的质量,m是该加速场制造出来 的质量,如果我们把加速度a认定等同于引力场的g,那么该公式就和上面公式达成了物理和数学意义上的同一。
在太阳中,强大的引力场制造了大量的反物质。它们与正物质湮灭并为太阳提供了巨大的能量,在太阳的中心,这种湮灭率最高。在太阳外围较弱引力场中,反物质的质量会减少,但因为外围的物质极其稀薄,这些少量的反物质要向太阳运动较长的距离才能遇到正物质,所以,日冕层里反物质的密度相对要高,导致日冕层的温度达到几百万度,远高于太阳表面6000的温度。同样,遥远的星系核、类星体中的巨大能量释放,也主要是由正反物质湮灭而提供的。
尽管地球的引力场非常微弱,它也在不断地制造着反物质,放射性衰变和反物质湮灭是地球内部两种重要的热量来源。反物质也是可以在地球表面测得的,只是它的质量极小,存在时间极短。
出现在星体上的反物质我们无法探测,我们最常看到的反物质出现在现代的高能粒子加速器上。从加速度与引力场等价的原理可以知道,加速器制造的是一个局域强引力场。当粒子之间撞击时,一个巨大的速度差发生在一个足够小的空间内,这个与引力场等价的加速场就会瞬间创造出反物质粒子。
黑洞是天文学中一种数学理论的产物,它一直没有被证实,它在真实世界中不应普遍存在。我们知道,黑洞的引力无限大,以致于速度极限的光都无法逃脱它的引力半径。根据反物质的原理,无限大的引力能产生无限质量的反物质,也就是说,在这个引力场中所有的物质将与同样质量的反物质完全湮灭,那么,除了能量态的光子以外,不再存在任何物质。如果反物质是被引力能量所创造的,那么,黑洞便失去了它在宇宙中普遍存在的理由。黑洞只能是唯一的,它创造了唯一的空间。
在宇宙中,到处存在着物质与反物质,物质存在的地方,就是反物质存在的地方,就象一张纸的两个面。我们生活在一个物质与反物质的世界中
摘要:通过对迈克尔逊莫雷实验的分析,发现了该实验在测量过程调整垂直光束重合的时候,导致两臂的夹角小于90°,从而导致光的实际运行距离小于他们所设想的运行距离,结果是两束光的实际运行距离等长,他们的实验设计错误的忽略了在调整光臂角度的时候,实际上已经无意中缩短了光程,导致预期的光程差没有出现。
关键词:迈克尔逊莫雷实验;光程差;光速
1. 引言 迈莫实验的设计原理
一百多年前,迈克尔逊和莫雷用干涉仪来测量地球对以太的漂移,从而想证明以太的存在。因为地球是从东向西以每秒30千米运动的,而以太不动,所以可以用干涉仪的东西向臂长与南北向臂长光程差来测出地球对以太的移动。他们做了很多消除误差的措施,使误差控制在一个非常好的精度内,该精度足以检测到地球对以太的30千米速度的位移。但结果是:什么都没有!地球和以太之间没有位移。这个实验非常著名,实验的更详细过程和细节数据在这里就不过多占用篇幅了,可以查阅相关的文献,这里主要来分析这个实验在设计上的错误。
2 对该实验设计的分析
我们把所有设计原理都纳入到一个图里,便于比较分析,该示意图是为了定性分析,所以并不拘泥于比例和定量。
以O为圆点画一个圆,臂长OM1和OM2相互垂直并高精度等长,OB'的射线上放置一个光源,光通过O点位置的分光镜,分出的两束光分别到达反射镜M1和M2然后再反射回分光镜聚焦到接收器R,从R处的干涉条纹变化就可以测出光在两个臂长所走过距离的光程差,从而知道地球相对以太的运行速度。因为地球是运动的,所以光从O运动到M2的时候,干涉仪的镜子M2已经运动到A了,光从A再反射到B,B和运动的O重合,光线奔向接收器R。运行在OM2臂长的光实际上走的是OAB的等腰三角形的两个腰,所以运行距离要大于OM1上光走的往返距离,这样在汇聚点一定会出现波峰波谷相位差导致的干涉。这个思路就是迈克尔逊和莫雷的设计原则。
图 1
现在我们开始分析这个思路。如果两个臂绝对垂直,且OM2和反射镜M2也绝对垂直,那么从O射向M2的光子在运行中,M2也在向西运行,所以光会落在A',从A'反射到B',B'不可能和O重合,(如果臂长是10m,并且和另一臂及镜子M2垂直,B'和O两点的距离是2mm),就是说该光线不能和OM1上反射回来的光线重合而产生干涉,这样实验就没法做了。怎么办?调整!所以就必须要人工调整光线OA以一个倾角指向A点,这样才能保证两道光线的重合。这就意味着两个臂的夹角小于直角,而他们并没有意识到这个变化带来的后果,他们还是按照原先认为的M2平移到A,但实际上,因为他们在调整光线聚合时移动了光臂OM2导致两臂夹角小于90度,实际运行的光臂是OM3,光运行到M3反射到D,D和运动的O点重合光线汇聚到R。三角形OM3D是一个等腰三角形,线段OM3等于M3D。同时OM1,OM2,OM3都是园的半径,它们等长,这样就可以得到光实际走的等腰三角形的两个腰的长和臂长OM1的往返光程是等长的,即
OM3+M3D=OM1+M1O
3 结论
他们预想的光走的是OA+AB>OM1+M1O,光程差会导致干涉条纹的出现。但是,光实际走的是OM3+M3D=OM1+M1O,不存在光程差导致的干涉条纹。原因是他们在实验中为了光线的重合而调整光臂的角度以适应反射镜M2在地球运动的情况下向西的偏移,导致光臂形成了小于90°的夹角,虽然光臂没有缩短,但是却缩短了他们设想中的光程,光程差没有按照他们希望的出现。这个操作恰恰抹除了地球相对空间运动的位移,而这个错误是在实验操作中无意犯下的,他们并没有意识到。这就导致实验得出了一个错误的结论。
附录
一些同行建议我分析一下百度百科和维基百科上关于迈克尔逊莫雷实验的错误和我的分析对比,以便于更清晰的了解我的分析的正确性。所以,将此分析作为附录,以便对比。
对于我的这篇文章,有三种反映:1,认为我的分析到位,揭示了迈莫实验一百年来的疑惑之处。2,并没有看的太明白,还有一些疑惑点,尤其是光学系统的搭建对比参考系的变换。3,认为迈莫实验经历了百年历史,从没有人发现其中的错误,包括洛伦兹,(所以才出现了一个洛伦兹变换)那么多的伟大物理学家洛伦兹,爱因斯坦,普朗克,狄拉克及所有的物理学者都没发现迈莫实验有错误,我怎么可能发现其错误呢?一定是我错了,所以从感性上就完全否定我的分析,他们认为现代物理学的支柱之一相对论的基础假设和根基--迈莫实验的光速不变原理是不可能、也没有理由错误的,错的一定是我这个不知名的学者。
针对以上的2人士,我在这个附录里分析一下百度和维基的错误都在哪里,因为我不习惯于在网络上或者论坛里反驳一些物理观点,所以对百度和维基的错误我也并没有著文反驳,更没有在论坛上反驳相对论的一些观点,因为不感兴趣。针对以上3的人士,我想说科学探索是为了真理,真理的东西或许被发现的很晚,但真理终究是符合世界真实的运行法则的,谬误可以蒙蔽人类一个世纪,或者像地心说一样蒙蔽人类近两千年,但是真理的光芒终究要显露出来,毕竟,晴天的日子要多于阴霾的日子。
为了分析百度和维基的实验分析,我就必须要粘贴一些主要的提要在这里,其他不重要的自行上网浏览。我们先来看百度的:https://baike.baidu.com/item/迈克尔逊-莫雷实验
维基的解释如下:https://en.wikipedia.org/wiki/Michelson–Morley_experiment
分析:
a, 百度和维基两者在分析顺行于地球的光臂M1上的光往返速度分别为c+v和c-v,光程长度为臂长L,两者分析相同,不多用笔墨分析,而且非常明显都是站在地球的动系来考察光的运动(记住这点很重要)。
2, 两者在垂直地球运动的光臂上的分析就差的十万八千里了,这才是我们要分析的重点。
维基的上行光线在到达镜子的时候有一个光落点的漂移,该光线反射回来和平行光臂上运行的返回光线相交点就是分光镜在运动后的位置。这个光路图是我们在地系上(也就是实验室里)摆出来的实际光路,也就是说,我们实际的光路布置一定会有一个为了消除落点漂移而导致的光臂夹角,从而使得这个光臂不可能和平行光臂垂直!当地球运动时候,去的光和回的光因为和地球的相对运动而两个光线重合,展现出来的是一条光线。这个图的整体结构是对的,是地系的实际光路,错误点在于光路中的上行光路应该有一个倾角,(不存在那个垂直的光路,只存在有一个倾角的光路),而该倾角会导致光路出现了他们没意识到的变化,他们的计算还是按照原先思路确定的计算值,而不是按照实际光路的值计算。原图没有字母标,凑合解释一下,就是L那个光臂是不存在的,只是设想的光臂,实际的光臂是c那个线段(但是长度是有问题的,参考后文的解释)
3, 百度的图显示上行光线已经重合了,这不是在实验室能摆出来的光路,如果您理解了迈莫实验维基的光路原理,就知道这个光路摆位的错误。根据计算,地球上镜子的漂移是1mm,这个量太小,我们极端化一点,假设地球的速度是3万公里每秒,光臂长度10米,可以计算出镜子每秒的漂移量是1米,显然你按照百度的图,那个镜子如果是我们现在所用的大小,光线是不可能接触到的。当光线到达了百度图上镜子的位置,镜子已经向右运动了1米,光线脱靶了。
为了对冲漂移,光臂必须要给出倾角使得光线可以追的上镜子的移动速度(光速大于镜子的运动速度),所以可以知道,百度的垂直光臂没有画出这个光路的倾角,维基的图已经画出了这个光路倾角,但是没有搞清楚该倾角导致的光路变化并不是他们预期的变化,这个论证可直接参考我的文章而得到澄清。百度的光臂如果只画一条光线重合后的臂,这个臂就必须是有倾角的臂,臂长不变。
4, 以上的几何光路分析基本都清楚以后,就很容易明白我的文章分析的要点了。
说几个容易理解不清的点(请参照图示)
a, O点是分光镜的位置,其会跟随地球运动到D,其漂移量是2mm每秒,漂移主要看的是这个点的漂移,从物理意义上来讲,镜子M2上光线的漂移量其主要作用是为了配合这个分光镜的漂移,而一切的操作并不是事先计算好的角度,而是在摆光路时候为了重合光线进行的手工操作。
b, A点和M2点是同一个镜子的位置,但这两个位置是虚点,并不存在于实际的光路中,是迈莫两人设想中的镜子位置和跟随地球移动后的位置,是他们进入数学计算的值,而不是实际光路走过的值。M3才是镜子的真实位置,当然这个镜子会跟随地球运动,只是没有必要标出来运动的轨迹,因为它对分析没有辅助作用。这样,可以很清楚的明白,光臂OM2是虚的,不存在的,只是迈莫设计的光路,实际的光路是OM3,该光路有了一个倾角,从而导致他们认为应该是延长的光路0A(根据勾股定理计算值)实际上并没有延长,两者的差值就是M3A这个虚的不存在的光程(但存在于他们设想的光路中),由于实验没有出现干涉现象而认为两束光是同时到达汇聚点的,所以,这个多出来的光程被不恰当的解释为平行光臂上的光程缩短了 ,(先设定了比例关系1:1,然后就发现平行光程不满足于这个比例,猜想是因为平行光程缩短了尺度),这就导致光臂会沿运动方向缩短的错误结论。
c, 这个实验关键要明白的点就是他们设想的光程进入了计算,但是实际的光程不是他们设想的光程。即他们设想是OAB,但实际是OM3D,他们设想的光程要大于实际光程,结果解释为平行光程缩短了,配合的变量是径向速度,导致洛伦兹变换的出现。当然也导致相对论的出现。
关于平行光臂上的光程:因为我们需要统一的在一个参考系来考察运动,所以在地球动系来看,该光程去和回不能做参考系变换,就是光臂的长度,去和回的光程在动系中是一样的,因为光臂是同样的光臂,对实验室(动系)并没有伸缩变化。当然,如果以静止的以太系来看,光路是不同的,但是站在以太系看,就需要变化垂直光臂上光的参考系到以太静系。读者可自行变换,不多赘述
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空间量子空间元频率波粒二象性 |
如果光在空间传播是相对论的关键,那么光的发射和吸收则带来了量子理论。1900年,普朗克用他提出的量子假设来解释光发出的奇异色彩。五年后,爱因斯坦利用普朗克的量子概念来解释光电效应,即金属表面受到光的照射后释放电子的现象,并因此项成果而获得了诺贝尔物理学奖。(爱因斯坦获奖并非因相对论,因为相对论一直在物理学界存在巨大的争议,直至今日)后来,科学家在解释原子的光辐射和电子的波特性时也使用了量子的理论。量子论正确解释了许多原子现象及化学元素周期表的规律性,并继而对激光、晶体管、半导体的出现起了理论指导作用。可以说,没有量子论便没有现代的科学技术,而量子论的出现应归功于德国物理学家普朗克的量子假说。他提出物质中振动原子的新模型,从而正确计算出黑体辐射的频率光谱。普朗克假定物质原子不在连续的频率下振动,而只能在特定或量子化的频谱范围内振荡,即能量是一份一份的,每一份是一个量子。普朗克也因量子的发现并在其它科学家强烈的呼吁下,而获得了1918年的诺贝尔物理学奖。
十九世纪做的大部分光学实验都证明光是一种连续波,普朗克为解释黑体辐射而计算不同波长的能量,他必须假定光是以分离群体或说量子形式被射出或吸收。也就意味着光的产生和传导是在空间非连续分布。如果说能量或者光在空间是“跳越式”前进的,而光速的绝对性又说明光速是光在空间传播的本性。那么,光或能量有什么理由跳跃于连续的空间呢?回答很可能是——没有。所以,只能有一种可能,即空间本身是分立的。光子是在分立的空间元中依次传递。
从另外一个角度我们也试着理解一下空间分立的必然性。在我们面前摆着一个一立方米的铁块,它与一立方米的空间严格对应,铁块可以完全代表这部分的空间。无论我们将铁块分到多小,这一小块也必然会有体积。换句话说,没有体积的物质无论堆积多少也形不成有体积的实体。既然一立方米的铁块确实存在,我们就可以断定这个铁块是由有限个最小体积组成,即空间拥有分立的结构特征。相反,无限的空间将导致许多荒谬的悖论。
如果确定了空间是分立的,空间有最小的结构,那么分立的空间元之间是什么呢?(提到分立,必然有“之间”,没有“之间”的物质必然是一个整体,也就不存在分立的概念),它肯定不是空间,空间不可能存在于空间之间,它肯定与空间的性质完全对立,完全相反,我们暂且把它称为反空间(反空间是空间单元的间隔,它与空间共同组成了我们所熟悉的整体空间体积)。能满足空间与反空间特点的结构只有一种,那就是间格结构。(图中画的是平面形式,我们可以轻易想象成立体的三维形式)。每个空间元的周围是六个反空间元,每个反空间元的周围是六个空间元。这个简单的结构决定了光的特性。
在纯粹的空间中,正反空间元是完全相反的,因而是相互吸引的。每一个空间元都对它周围的六个反空间元形成强大吸引。同样,每一个反空间元也对它周围的六个空间元形成同样强的吸引。由于空间元的分布结构是完全对称且抗衡的,所以整个的空间是均匀的,刚性的,稳定的,宏观上也是平滑的,连续的。
既然正反空间元强烈的相互吸引,这说明两者是具有能量的,且分出正反,就好象一块磁铁的两极。空间是正向的能量,反空间是反向的能量。空间的结构决定了空间在宏观上能量趋于零;在微观上能量趋于最大。
当一个光子被制造出来后,这个光子会占有一个空间元。由于它打破了纯粹空间的能量平衡,这个多出来的光子能量被它相邻的反空间元吸引过去;当光子进入反空间元时,又打破了这个区域的能量平衡,于是它又被下一个邻近的空间元吸引过去。光子便会在这个正反能量场的交替中向前运行。这种恒定的运行是绝对的。光子单位时间向前运行的距离就是光速。光子在正反空间元中的运行轨迹就是频率与波长。
我们用图来加以说明。如一个光子的运行轨迹是8-9-16-17-10-11-18-19-12-13-20-21,那么,8-9-10-11-12-13-14的七个空间元便是光子运行的距离。如果我们设定这段时间为一秒,它就成为光速。如果光子的轨迹是8-9-16-17-24-25-32-33-40-41-48-49,那么,光子的速度依然相同,在一秒内运行的还是七个空间元的距离。但两者的频率和波长却是不同的。第一种轨迹是光具有的最高频率和最短波长,第二种轨迹是光具有的最低频率 (υ=1秒)和最长波长 (λ=C≈30万公里)。8-9-10-11-12-13-14的轨迹是严格限制的。这条轨迹意味着光速改变了,光也失去了频率和波长。一切光的频率和波长都限定在上述两条轨迹中间。选择哪一条轨迹将取决于这个光子的能量大小。上述两条轨迹范围之外的轨迹将不再具备球波的属性。
让我们努力想象光在立体的空间中传播的景象。一群光子从一个空间元散开前进,经过一段距离,光子又重新聚在一个空间元中,形成一个波长。然后又散开前进,再聚合为一个点,在一秒钟内聚合的次数便是频率。当光子聚在一个空间的点上的时候,它表现为粒子的特性。光子在运行的时候,又表现为波的轨迹。所以,光具有波粒二象性是光与空间的本性决定的。光既是粒子又是波,但某一时刻,它只能是其中一种。
在单位时间内(或者说在单位体积内,这两种说法是相同的,后面我们将会把时间与空间同化),越高能量的光子,因为波长短,所以频率高,即聚合成粒子的次数多,它就更多地表现为动量的粒子性,相反,则更多地表现为能量的波动性。一个光子的粒子性与波动性是随着时间的延续而周期出现,同一个时间点不能同时存在粒子状态和波动状态。粒子性与波动性是互补的。一个低频率的光子在波态占用的时间长,那么在单位时间内,它更大概率地是以能量的波态出现,即粒子出现的概率与频率成正比,与波长成反比,很简单地把单位时间换成单位空间,便是粒子在空间分布上的几率波的概念。海森堡的测不准原理也可由此给出解释。
现在我们将审视一下空间与时间的内在关系。请看空间的结构图,光在空间的运行是由空间的本性决定的,它所耗用的时间也是由相同的原因决定的。也就是说,光在运行中的距离(空间)与时间是由同一原因决定,且恒定不可改变,即光速的绝对性。这样,我们就可以将最短的时间定义为空间元的边长。我们可以用空间来代替时间,这个数值就是光速。
由于空间已经指明了几何意义上正的方向,(如果几何意义上是负的,我们便都不会存在)所以时间也被指明了正的方向,因此,时间之矢是不可能倒流的。时间的箭头永远指向未来。所谓动力学的时间箭头可以倒转是一种误解,动力学时间倒转的根本含义是运动方向的倒转,倒转的运动要耗费同样长的时间。只有热力学指明了时间的方向,且规定了发展的不可逆性。
光子在空间运行的速度由光子与空间结构的本性所决定,这就决定了光速是不变的,光速是一个恒定常数。而且光速是物理世界中速度的极限,它具有绝对性、唯一性。由于光速的唯一性,那么具备光速的物质只能是光子。这就是说,无论什么物质,当它(如果)被加速到光速时,物质会全部转化为光子形式存在,即能量的形态。物质与能量是等同的,它们之间由速度而连接,物质的多少代表着能量的多少。
这个质量与能量的转化无论从动力学(质量)还是从热力学(能量)都可以简单而明确地推出。
首先,从热力学来看
一个封闭的热力学系统的温度与内部粒子的质量和速度之间有关系式,
Mv2 = 3kT (k是玻耳兹曼常数)
我们知道,温度是能量E的最直接量度,当我们把粒子速度定义为光速时,(此时,系统内的粒子全部转化为光子形式存在)我们就可以得到公式
E = mc2 即质能公式
再从动力学来看
根据牛顿力学,一个质量为m的物体在一个引力场中的总能量等于动能与势能之和。我们要使这个运动的物体达到光速才意味着使这个物体的全部质量转化为完全的能量。使物体达到光速就意味着吸引体必须达到史瓦西半径,即黑洞。这样,得到公式:
E = E动 + E势 = mv2 /2+ KmM/R
把史瓦西半径R = 2KM/C2 代入上式得:
E = mv2 /2+ KmMC2/2KM = mv2 /2+ mC2/2
当物体m到达史瓦西半径那一刻,也即意味着到达了光速,它的动能公式里的v变为C,于是得到公式:
E = mC2 即质能关系转化公式
在爱因斯坦的狭义相对论中,E = MC2 的推导过程是不明确的,现将这一过程抄录于此。这个推导录自爱因斯坦一生独自写的唯一一本书《相对论的意义》
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事实上可以认识:对于远低于光速的速度,这些动量的分量和经典力学里的相符。对于高速度,动量的增长比较随速度的线性增长要快,以致在接近光速时趋于无限大。
如果将(43)里最后的方程应用于静止质点(q = 0),便知道静止物体的能量E0等于其质量。如果取秒为时间的单位,就会得到:
E0 =mc2 (44)
所以质量与能量实质上是相象的;它们只是同一事物的不同表示。物体的质量不是恒量;它随着物体能量的改变而改变。由(43)里末一个方程可知,当q趋于1,即趋近光速时,E将无限增大,如果按q2的幂展开E,便得到
这个表示式的第二项相当于经典力学里质点的动能。
由上面这一过程可以看出,爱因斯坦通过空间与时间的变换,最后得到公式 E = m, 即能量等于质量。然后,爱因斯坦在质量的后面加上了一个系数C2,从而得出 E = MC2 。这个系数的来由并没有说清,而且系数为什么取光速的平方而不是光速或光速的立方,也没有说明。
与爱因斯坦同时代的,可以说与爱因斯坦接触最密切的物理学家玻恩在他的《我们这一代的物理学》里指出了狭义相对论,尤其是质能关系式的得出当时曾引起很大的争议
在现代大型粒子加速器上也用实验证明了能量与物质的相互转化。量子理论认为,一个振荡的能量场会产生激发态,激发态的波峰便是能量场创造的粒子。在前面的论述中,已经知道空间拥有强大的能量,那么就不能否认,在这个强大的真空能量场的振荡中会创造出粒子。物质由真空创造,并不是不可理解的事情。而且它们遵从质能关系式E=MC2
前面论述中已知,空间是绝对的、唯一的、静止的,因而就必须要求它有一个坐标原点,即空间的中心。由中心向外辐射的空间波引起现实空间的振荡,这个观点将在后面论述,这里我们只记住空间波的概念即可,这有助于我们讨论下面的内容。
万有引力是牛顿伟大的发现,也是物理学最伟大的成就之一,它使人类认识世界的步伐跨出了飞跃的一步。今天,我们对引力太熟悉了。人们之所以站立在地球上而不是飞上空中,便是地球的引力吸引住我们的身体。太阳系之所以存在便是太阳的引力吸引住了其它的行星,包括我们地球,所以我们才能一年四季享受着太阳的光辉。一个物体在向引力中心坠落的过程中不断地被加速,根据牛顿公式 F = ma 可知引力场对物体施加了力,即引力场具有能量。被引力场束缚的物质总是呈三维的球形,这说明引力场是一个球形波能量场。
热力学定律规定,能量只能由高向低流动。能量凝聚态的物质在引力场中永远向引力最强的引力中心运动,这指明了引力最强的地方是空间中能量分布最低的地方。就是说,引力与能量成反比。而引力本身就是能量,这就意味着引力能量的方向与产生物质的空间能量方向是相反的,我们把它称为反能量,依照质能关系式,E = MC2,反能量构成的物质便成为反物质(后面论述反物质的形成)。
在空间中,分布着数量巨大的引力源,但空间波是唯一的、绝对的、均匀的,空间波与引力波都具有波的特性,当两者相遇,会产生波的相干,由引力波“切割”空间波形成一个个波包。由于空间波是均匀的,波包的大小便由引力的强弱决定,引力强度与波包的体积成为反比关系。大波包内的能量多于小波包内的能量,它们的差别导致了自然界中存在的一百多种元素质量上的差别。
波包对能量原先的均匀分布产生了“切割”作用,使得能量出现局域分割状态,波包内出现结构中心,此中心对波包内的能量产生强大的内敛作用。这种束缚是由空间本身提供的,它强烈束缚住波包内的能量形成实态的物质,这种内敛作用便是强力。由于强力是空间结构本身所造成的束缚能力,所以只有在极小尺度内才具有作用,一旦超过这一尺度,空间便跨跃入宏观的平滑状态,强力现象消失无踪。
波包内空间结构特点决定了内敛作用强度由结构中心向外缘的递减,由此造成能量密度也呈递减分布。每一个粒子都有一个坚硬的“核儿”。体积越小的粒子意味着越坚硬,能量密度越高,也就要求打开它的能量更大。粒子的这种密度层结构,决定了它的许多粒子特性。
前面已经说明了波包的体积形成不同原子量的元素,而波包体积是由引力的强度决定的。如果引力再增强,则波包会受到引力波的弹性挤压,使得波包内的能量密度增高,波包变得不稳定。当能量密度高到一个限度时,波包内一部分的能量或物质将被挤压出这个波包以达到重新的稳定状态,这就是元素的放射性衰变。引力波对波包挤压作用就是引起元素放射性衰变的弱力。因此,同样的元素在不同的引力场强度中放射衰变的速度会不同。波包在受到了强烈的引力波挤压或能量注入时,将以快速而集中的方式释放里面被束缚的能量,这就是原子裂变
引力制造的波包在空间形成一个能量的阶梯,能量凝聚态的物质便在这个由高到低的能量场中一直滑下去,物质永远向引力中心移动。引力、强力、弱力都是空间结构的变化导致的,虽然它们的强度有着极大的差别,但它们的原理是同一的、明确的,它们都可以用空间结构来加以说明,并统一到空间结构的叙述中去。
引力场是三维的球形波,设A点为质点,B点为自由物体,且mB<< mA ,围绕A点会构成有限个但难以计数的同心圆,(因为空间是有限的)每一个圆的引力强度是不同的,越接近A点,引力强度越大。这种引力强度的变化表现为自由落体B的加速度a,每一个圆则表示引力场中点的引力强度,它对应着这一点的环绕速度
(v意味着刚好抵消A的引力,使B自由飘移,这里B的运动系是一个加速系,但这里的等价关系只与速率有关,与参考系无关)。
由此可知,加速度a与速率v两者都可以等价地表示引力场强度。换句话说,一个加速系等同于制造出一个局域的引力场;一个惯性系等同于处在一个引力场中的某一点上。
根据牛顿定律,物体半径与质量达到关系式
时物体便成为黑洞。黑洞意味着光也无法脱离黑洞的引力,意味着任何物体在到达黑洞的边界时,它的速度变为光速。即黑洞除了以光子的形式存在以外,它不会以任何实体的形式存在。黑洞导致空间反演,反演的空间是原先空间结构的异化,即正反空间的位置互换。畸变的空间由黑洞产生并传播出去,从而引起原先空间的振荡。空间是能量经由黑洞转化而来的。空间具有能量的属性,是能量的相变。由于空间的唯一性,这就要求空间的中心是制造空间的唯一点,这一点就是宇宙的原点,整个宇宙只有唯一的黑洞。现代天文观测有许多证据似乎支持黑洞的普遍存在。由于黑洞在原则上是不可观测的,因此,当一颗恒星或许多恒星围绕着一个“看不见”的质量运动时,我们就推测它有可能是一个黑洞。现在我们要说,它只是有着巨大引力红移(因此“不可见”),由稳定的轻粒子组成的巨大质量星体。
前面提到引力场能量是负能量,按照E = MC2,引力场制造出反物质。它与空间波创造的物质是对称的,它们质量相等、符号相反,相遇后会完全湮灭成光子。从空间结构上,可以认为物质的结构中心是空间元,反物质的结构中心是反空间元。引力场的强度与反物质的质量成正比。
在太阳中,强大的引力场制造了大量的反物质。它们与正物质湮灭并为太阳提供了巨大的能量,在太阳的中心,这种湮灭率最高。在太阳外围较弱引力场中,反物质的质量会减少,但因为外围的物质极其稀薄,这些少量的反物质要向太阳运动较长的距离才能遇到正物质,所以,日冕层里反物质的密度相对要高,导致日冕层的温度达到几百万度,远高于太阳表面6000℃的温度。同样,遥远的星系核、类星体中的巨大能量释放,也主要是由正反物质湮灭而提供的。
尽管地球的引力场非常微弱,它也在不断地制造着反物质,放射性衰变和反物质湮灭是地球内部两种重要的热量来源。反物质也是可以在地球表面测得的,只是它的质量极小,存在时间极短。
出现在星体上的反物质我们无法探测,我们最常看到的反物质出现在现代的高能粒子加速器上。从加速度与引力场等价的原理可以知道,加速器制造的是一个局域强引力场。当粒子之间撞击时,一个巨大的速度差发生在一个足够小的空间内,这个与引力场等价的加速场就会瞬间创造出反物质粒子。
黑洞是天文学中一种数学理论的产物,它一直没有被证实,它在真实世界中不应普遍存在。我们知道,黑洞的引力无限大,以致于速度极限的光都无法逃脱它的引力半径。根据反物质的原理,无限大的引力能产生无限质量的反物质,也就是说,在这个引力场中所有的物质将与同样质量的反物质完全湮灭,那么,除了能量态的光子以外,不再存在任何物质。如果反物质是被引力能量所创造的,那么,黑洞便失去了它在宇宙中普遍存在的理由。黑洞只能是唯一的,它创造了唯一的空间。
在宇宙中,到处存在着物质与反物质,物质存在的地方,就是反物质存在的地方,就象一张纸的两个面。我们生活在一个物质与反物质的世界中。