如果光是波,那麼,又是什麼造就了波?

2020-12-04 天文在線

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簡單來說:啥都不是。光以波的形式呈現,但不像聲波,光不是一種能夠過去和回來移動物質。

波是一群相互協調移動的原子。波自身不由任何東西組成,它只是通過物質傳播移動。介質的每一部分或多或少都存在於它所在的地方,但是它能將波的運動傳遞給其他物質。

圖解:波是一個通過媒介,通常來講是一個沒有運動太遠的媒介,來相互協調的運動。

比如聲音信息的傳遞從任何地方以大約每秒0.2英裡的速度到達你的耳朵。迄今為止,當聲音在穿過空氣的時候,無處不在且不引起注意地空氣在你身邊四處移動。從字面意思上講,聲音就是空氣中撞擊其他原子的原子,使這些幹剛被撞擊的原子移動一點,去碰撞其他地方的原子,依次類推。

當波用幾種不同的形式,最基礎的想法總是一樣的:波是微小的移動從一個地方到另一個原物質所在地的傳播。聲音是波在空氣中的形式,波紋是波在水中的形式,地震是波在大地中存在的形式;每種波都似乎需要一些物質來表現出來。

圖解:在雙縫實驗中光展現了波幹涉現象。因此光一定是波。

幾個世紀之前,託馬斯·楊通過它有幹擾的能力證明光肯定是一種波。通過這樣做,他還設法測量了可見光的波長:400nm的紫外線和700nm的紅外線。在技術上,楊做的就是證明無論光是什麼,它都有像波一樣的性能。那時,所有已知的像波一樣的東西事實上都是波。因此,楊的實驗自然而然地引出了我們的標題:如果光是波,那麼波是由什麼形成的呢?

物理學家從來不愧於給他們絕對確信存在的事物起名,宣布物質之光穿過發光的以太虛空(「發光」,對於光來說的;「以太虛空」,我們也不知道是什麼的東西)

特別地,當你可以聽到,呼吸到,當你被海浪推走的時候,你已經陷入其中。因為我們若能夠看到波(光),那麼我們一定是已經在發光的以太空間之中了。(否則,這些光是怎麼到我們眼中的?)看起來似乎以太空間最重要的就是你不能感覺、看到、或聞到的那一部分。

其中一個專注於以太空間的前衛實驗是將一個玻璃瓶中的空氣都抽空,並通過玻璃瓶來觀察。結果是:光不需要任何由物質組成的東西來顯現。以太空間必須是充滿宇宙並自由的穿梭於任何物體的。並且,由於我們可以清晰的看到來自任何地方的星星後,它必須在宇宙中以暢通無阻、完全一樣的形式存在。真是奇怪的東西。

關於以太物質存在與否的爭論由來已久。它不存在。這裡有一個簡短的、或多或少能夠get到問題中心的辯論主線。

事光偏振意味著它有橫波(一端到一端),但只有縱波(過去——回來)可以在氣體和液體中存在。

圖解:A:縱波可以在空氣中存在 b:縱波和橫波都可以存在於固體中。

這暗示著以太空間必須是一個瀰漫在宇宙中的固體。但是問題來了:地球的移動。除此之外,它以一個巨大的環形軌道移動,因此對於大多數(如果不是全部)年份,它將做與以太有聯繫的運動。這樣的運動是可探測的。

如果你將一塊石頭從一個正在航行的船上拋下,你將注意到波紋向船外移動的速度變慢了,而波紋移動回來的速度變快了(從你在船邊的角度看)。如果將波在一個移動的媒介中彈過去並彈回來,那麼我們將發現他們在一個路徑上更快,在另一個路徑上更慢,並且,慢的部分贏了;波總是花更長的時間出去並在一個移動的物質上回來。因此彈性波過去和回來是一個很好的告訴你是否在移動,甚至是你移動的時間的方法。

再是莫利實驗。在19世紀晚期,他們創造了一個幹涉儀,即將光從兩個方向反射過去並回來,並比較兩個路徑。任何在方向或速度上的不同都可以立即檢測出來。我的意思是,你甚至不能在這些沒有任何幹擾震動東西旁邊呼吸。事實上,幹涉儀太過敏感以至於他們曾經用它來探測重力波(這是一個非常非常……非常小的影響)。

圖解:左:在一個幹涉儀中,光在兩種路徑中彈射並重組。右:結合的光產生了衝突並創造了一個幹擾項。它們對哪怕是微小的變化都非常敏感,這使光學幹涉儀聲名狼藉。

但是無論麥可遜和莫雷如何調整他們的儀器,也無論光到底是怎麼移動的,結果總是恰好與以太空間的0運動相符。所以假設它存在,這個以太空間必須使固體而且它必須是固定、靜止不動的(相對於地球來說)。這引發了一系列奇怪的理論,像以太空間幾乎是固體形態,但也跟著地球一起移動,這些新的理論一個接一個的被否定。比如,如果地球確實有那麼一個以太物質與它總是呆在一起,那麼在地球上移動的那個以太物質和不同地移動的深空以太物質之間的「剪切邊界」將使星球在一年中不斷運動。但是它們沒有。

跟著光,我們發現每一種量子波(每種粒子都有),有像波一樣的成分,但是沒有介質。比如,電子也是波並且它們也不用介質來移動(它們在深空中無時無刻不在移動)。這些沒有介質的波與我們經常討論的波(像聲音和水紋)不同。我們需要一個新的詞來區分沒有介質的波與有介質的波。可能是「Evaw」?或者……其他的任何名稱。

參考資料

1.WJ百科全書

2.天文學名詞

3. askamathematician- askamathematician

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