太陽光通過稜鏡為什麼會分出顏色?天空為什麼是蔚藍色?
這都是光線在介質中傳播的特有現象。不同頻率的光子攜帶的能量不同,會導致在介質中傳播的速度有差別,所以會導致分色現象。同時光線在空氣中和空氣的分子發生碰撞,空氣分子的大小和藍色光子的波長接近,所以藍色的光線被散射的最厲害,天空就是蔚藍色。
如果空氣中漂浮的顆粒的大小和紅色波長的光子相接近,那麼天空就會變成紅色。在火星上就會看到這樣的奇觀。
但是太空卻是一片的黑暗,因為光線在其中傳播,既未發生散射,也未發生色散。
在量子力學誕生以前,科學家都認為真空裡什麼都沒有。所以這很好地解釋了,光線在真空中傳播沒有任何變化。
然而隨後的科學發現,證明了真空中並非空無一物。真空是正負能量對消的凝聚態,是虛粒子的海洋。在真空中,每時每刻,每分每秒都在發生著能量的起伏漲落。
即使時空是平滑的,如果光只是按照直線傳播,在宇宙空間的大尺度上傳播,一定會碰到在真空漲落背景下出現的虛粒子而損失能量動量,因而會出現色散和散射。
宇宙空間中有無數發光的恆星,有無數光子同時在發射,那些遙遠的星光傳到地球上被望遠鏡接收之前,會反覆和真空中漲落的虛粒子發生碰撞。
如果真空出現散射和色散,真空就不會是黑漆漆的一片,星光就會五彩斑斕,望遠鏡接收到的圖像就會模糊。然而這種事情並沒有發生!
光線在真空中的傳播並沒有受到任何影響。有兩種機制可以解釋。
》第1種,要把「以太」請回來。
量子力學最需要時空是離散的,如果時空是離散的,但是光線在其中傳播又沒有發生色散,以太的存在就是極大可能的選項。
以太的存在還可以提供一個絕對靜止的參照系。在大尺度上,微波背景輻射可以看作是絕對靜止的。所以我們可以說因為光線是在以太中傳播的,所以真空中的光速在任何情況下不變,因為真空就是以太。
》第2種,最小作用量原理與路徑積分的解釋。
光子在真空中並非是以直線形式傳播,而是彌散在整個傳播的路徑上,按照最小作用量原理規劃的路徑傳播。按照能量損失最小原則,自動地規避了與真空中漲落出現的虛粒子的碰撞。
用路徑積分和最小作用量原理來解釋微觀粒子的路徑,是目前解釋微觀粒子行為的最流行說法。
延遲選擇實驗和單電子的雙縫幹涉都可以用路徑積分解釋。但是這裡仍然有一個先驗的法則存在~最小作用量原理。
泛函就是為最小作用量原理而生的數學工具,在數學物理的發展中起了重要的作用。
》但是,我們就算可以用最小作用量原理來解釋光線迴避和粒子碰撞的問題。仍然有一個繞不開的坎兒:時空到底是連續的還是離散的?
因為普朗克尺度要求時空是離散的。光線在離散的時空中傳播不產生色散和散色,仍然不能完全用最小作用量原理來解釋。
宗教的難題是上帝到底有沒有肚臍眼兒,科學的難題是時空到底是連續的還是離散的。
光線和真空都是奇怪的東西,它們的存在形式超出了我們的理解。科學對這個世界的所有解釋都不完美,包括量子力學和相對論。