連直線是什麼你都不理解,當然不明白光為什麼沿直線傳播

光沿「直線傳播」嗎？答案可能是，可能不是，看你怎麼定義「直線」。

什麼是直線？其實很多人沒搞明白。

《幾何原本》

在歐幾裡得的《幾何原本》裡，直線被定義為「直線是它上面的點一樣地平放著的線」，其中線的定義是「線只有長度沒有寬度」。

但「一樣地平放著」只是一個直觀的概念，實際上這個定義很牽強，等於沒有。

現在更多人把直線定義為「兩點間最短的線」（在這裡不要去糾結線段和直線的區別），至少在邏輯上是比較清楚的定義了。

但又有一個問題：「短是什麼？」

短是距離概念，從幾何學考慮這個問題的話，測量距離需要運用尺子，但尺子是直的，也就是說需要建立在直線的概念上，這就成了典型的循環定義了。

也就是說，我們用了這麼久的「直線」在幾何學裡其實一直沒有一個精準的定義。

所以要定義距離，就不能僅從幾何學的角度去思考。而現在普遍昰用類似微積分的思考方法，在兩點距離間想像成有無數個無窮小的笛卡爾坐標系，

笛卡爾坐標系

再運用解析幾何在每個笛卡爾坐標系中定義出一小段距離（就是我們直觀認知的直線），然後在路徑上連接這無窮多個小段，就能定義出兩點間的連線距離。

想一想為了要定義個幾何最簡單的「直線」竟然需要用到微積分，也是夠恐怖的了。

直白點說，真正的「直線」是由數個「最短線」連接起來的線。

扭曲時空裡的直線，叫短程線。

如果光在宇宙中，無任何阻礙地飛行，它一定是直線飛行了，這個大家都能理解。

但廣義相對論告訴我們時空會扭曲，在扭曲的時空中光就會拐彎，在多數人看來，這不能叫直線傳播了吧。

但是，如果把光在扭曲時空裡的軌跡，理解為在一個球面上飛行，那用以上說的方法，在這樣的空間中找到的一條由數個「最短線」組成的線，只可能在球表面，也就是說「直線」變彎曲了。

所以，光其實還是在以直線傳播。

但為了區隔我們的直觀感受，這條線在相對論裡稱為「短程線」，這種現象也叫「短程線效應」。

所以準確的說，光在宇宙中是沿「短程線」傳播。

但以上說的全部只是基於光的粒子性角度，而光具有「波粒二象性」，在光的波動性下，光又是怎麼傳播的？

光的幹涉、衍生、泊松亮斑都已經證明了光的波動性，而且在實際生活應用中，波動性比粒子性應用得更廣泛。

而關於我們觀察到的光為什麼是直線傳播，在量子力學層面有另一種解釋，就是費曼的「路徑積分」。

通過所有可能發生的情況求和來描述量子的不確定現象（通過拉格朗日函數可以計算），而量子波函數的坍縮，表示為一個擁有所有可能的物理系統向一個唯一能確定的結果演化。

這裡面，費曼引入了經典力學的「作用量」概念。

大概意思是說，在一個已知初始狀態與最終狀態的系統裡，系統會以作用量最小的方向演化，這被稱為最小作用量原理。

在費曼看來，在同一均勻介質中，兩點之間光並不只沿一條路徑傳播，而是同時沿著所有可能的路徑傳播，甚至是歪歪扭扭的曲線路徑。

但由于波動性，光會在所有可能的路徑上自相干涉。 幾乎所有路徑上的光都會因為相位差異而相互抵消，只剩下最短的一條路徑，因為不同路徑的相位差在這裡會最小，不會完全抵消，而留下一條直線的完整波動。

所以我們看到的光是最短路徑的直線傳播，但前提是在宇宙真空或同一介質中。

在不同的介質之間，光可能並不會走最短的路徑。比如，光從空氣射入水中會發生折射，折射顯然比走直線達到目標點的路徑更長。

為什麼會這樣呢？

偉大的民科之王費曼告訴我們，因為光其實總是走時間花費最短的路線（費馬原理）。光在空氣中的速度比在水中更快，所以它會在空氣中多走一段路程。

無論在任何介質中，光永遠會主動選擇最節省時間的一條路來走。因為光很忙，沒有多的時間可以浪費。

光為什麼火急火燎地一直在趕時間？因為想逃命。

從1998年起，越來越多的天文觀測已經確定宇宙在不斷膨脹，星系與星系之間的距離會越來越大。

宇宙就像在烤箱裡面的葡萄乾麵包，天體就是嵌在麵團空間裡的葡萄乾。隨著麵團空間的膨脹，葡萄乾並沒有移動但它們之間的距離卻越來越遠。

因為宇宙在膨脹，而且在加速膨脹。離我們遠的地方，膨脹速度甚至超過了光速。當然這種超光速現象並不違背廣義相對論，這是空間的自身運動，並不會攜帶任何信息。

為了趕上宇宙的膨脹，光一直以這個世界上最快的速度在追趕。可惜它是註定的失敗者，永遠也到不了宇宙的邊緣。

這從某種意義上來說，我們整個太陽系、銀河系就好像正在掉入一個超大的黑洞，而光拼命地想把我們的信息帶到外界，可宇宙不允許。

這些是否是真實的，我們不得而知，但這樣的想法很有趣。

科學精神是一種探險精神，我們享受地是探知的過程，而不是一個結果。

哥本哈根學派有句名言：「先有自然再有我們人類，有了我們人類才有自然科學。」

所以雖然自然很神聖，但自然科學沒什麼大不了，它並不是現象本身，只是一個模型而已。 每個人都可以塑造自己的模型，最多你說我的是抽象派，你是寫實派而已。

我是想法捕手，捕捉一些關於世界有趣的想法，歡迎關注。