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光的本质之源(一)

来源：科普中国

前 言

光的本质之源是通过已有知识，从光的本质和对光性质的诠释以及光的结构性三方面揭示光的真面目。全文内容是能子源所学心得，望见者多多指教！

光的本质

光是一种物质，是由大量光子组成的电磁波，故光子的本质就是光本质的根源，这就是光的本质之源。光子是传递电磁相互作用的基本粒子，是爱因斯坦提出的一种规范玻色子。

光具有波粒二象性，这就是光的本质。但其根源于光子的波粒二象性。虽然光子的静止质量为零，但光子有运动质量，即m=hf/c²(f是光的频率，h是普朗克常数，c为光速)，同时光子也有能量和动量，所以光子具有粒子的性能，例如光的直线传播和光电效应。光不但具有粒子性，同时还具有波动性，如光有干涉、衍射的现象等等。单个或者少数光子显示粒子性，大量光子显示波动性；但这并不是说单个光子就没有波动性，因为所有物质和粒子都具有波动性，所以单个光子同样具有波粒二象性。举个简单的例子，好人只所以称好人是因为他做的好事多，而并不是说他一件错事也没做；光子亦然。光子的粒子性根源于物质的存在性，而光子的波动性根源于物质运动的旋动性。物质在客观世界中的性能都来源于其存在性和运动性，这些性能在以后其他文章中会进一步说明。故，光的本质之源是光子的波粒二象性。

光性质的诠释

一、红移现象。

多普勒效应是因为波源的相对运动而产生的一种效应；更为广义的多普勒效应是指，由于某种原因，导致波长和频率都改变的一种波效应。比如，在运动的波源前面，波被压缩了，波长变短，频率变高；否则，反之。举个例子：波源向观察者运动，观察者接收到波的波长就变短了、频率就变高了，如站台上的人，听到火车进站的声音变高就是这种效果。光是一种电磁波，所以光也有多普勒效应。当光源远离我们时，光波的波长变长，频率变低，光的颜色向红端移动，即光发生了红移(光的颜色由光的频率决定，频率越低，颜色越向红端移动)。当然光的红移现象除了运动引起之外，还存在其他因素。

光的红移表现在三个方面。第一，运动红移，指发光天体星球因运动而产生的多普勒效应。根据现代天体物理的理论，宇宙在不断向外膨胀，星球都远离我们。这样远离我们的星球，发出的光由于光波的多普勒效应就发生了红移。第二，引力红移，是指强引力场中天体发射的电磁波波长变长的现象，这是由相对论理论引起的一种红移现象。即在引力场越强的地方，光波的波长越短，频率越高；离引力场越远的地方引力越弱，光波波长越长，频率越低，光产生红移现象。第三，时空红移，指宇宙时空膨胀导致的红移。宇宙的膨胀，不仅仅是天体星球向外运动；而且还有宇宙时空的膨胀，即随着时间的推移，宇宙空间本身在不断的向外膨胀。因为空间的膨胀，把光波的波长给拉长了，所以光波的频率变低，光发生了红移。宇宙的膨胀和光波的红移，都是经过哈勃望远镜的观察并研究得出来的结果。

二、光速不变性。

光速不变原理指出，真空中的光速对任何观察者来说都是相同的。 根据爱因斯坦相对论中光速不变原理知，光在真空中的速度是一个常数C(C=299792458m/s)， 也就是说无论在何种惯性系中观察，光在真空中的传播速度都是这个常数。真空中的光速既不会因为光源或观察者的运动而发生改变，也不会由于引力场或宇宙时空的变化而产生变化。

光速C=λf(f是光的频率)，不管那种原因导致光波的多普勒效应，在真空中光速依然是C。即光的多普勒效应不影响光速不变性。虽然光发生红移后波长变长、频率变低，可以使光速不变；但这并不是光速不变的根本原因。光速不变的根本原因是光速不变原理，而光速不变原理的内在决定因素是光子不变性。正是因为这个因果关系，所以不仅仅多普勒效应不能改变光速，就是相对论时空观，或其他原因，也不可以改变光速。但现在有人对光速不变发起挑战；如果挑战有望，将会革命性的改写历史；即使如此，就像牛顿时空观在我们生活中适用一样，在光速范围内现有理论仍然是一个很好的近似。

三、光子不变性。

惯性是物体的一种固有属性，是物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质。惯性具体表现为，物体对其运动状态变化的一种反抗程度，这种反抗程度体现在物体质量的大小上面，因为物体的质量是物体惯性大小的量度。惯性可以阻碍物体运动的变化，但不能阻止物体运动的改变。一个物体，如果所受合外力不为零，它的运动状态就会改变。这种改变体现在，速度大小的变化或速度方向的改变。如果力的方向和速度的方向是同向，物体的运动速度就会不断变大；即使在相对论的框架中，速度的这种变化也存在，只不过物体运动的速度会由于物体质量的增加，而增大的比较困难而已。【相对论中M=m/√(1-v²/c²)，m是静止物体的质量，C是光速。 因此，物体运动速度v越大，质量M就越大。又F＝Ma，所以M越大，v越难增大】

光子是一种物质而不是一个物体，所以真空中的光速是一个常数，即使有引力场导致的时空扭曲，也只能让光的方向发生改变，而光的速度大小始终是常数C。另一方面，空间的膨胀能把光的波长拉长，但光速仍然不变。为什么会出现这种情况呢？原因是光子具有的不是惯性，而是比惯性更高级的不变性。如果说惯性是物体的固有属性，那么不变性就是物质的固有属性。不变性是惯性普遍的、更高级的物质属性，惯性是不变性特殊的、低级的物体属性；物体的惯性是组成物体的物质的不变性的具体体现现象。所以说不变性是物质固有的属性，而惯性是物体固有的属性；光子具有不变性，所以光速不变原理根源于此性质。虽然光子具有不变性，但这是一种相对的不变性，因为光子不是最基本的粒子，而只有最基本的粒子才有绝对的不变性。

基本粒子的这种不变性被称为物质不变性或物质本初不变性，简称本初性。本初性指，基本粒子的质能在宇宙时空中是一个常数，它不会因为粒子的运动、粒子的相互作用而发生变化，也不会因为时空的扭曲或改变而发生变化，一个基本粒子的质能一开始是多少，以后始终是原来的那么多。本初性是物体惯性的基础，也是光子不变性的根源，更是光速不变原理的源泉；当然本初性必然也是能量守恒定律的本质所在。能子源版权，违之必究(包括图片在内)！

关键词： 多普勒效应 光速不变原理 物体运动

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