光的產生與傳遞方式決定了光的本質就是電場與磁場

作者：彭曉韜

日期：2020.10.12

【文章摘要】：光的產生主要有三種方式：溫度型熱輻射（自髮型黑體輻射）、電場與磁場強制型輻射（入射光使介質產生反射、散射、折射、透射、衍射和繞射甚至轉換光）、粒子驅動型輻射（契倫科夫型輻射）。歸根究底，光只是帶電體（主要是原子）在自身熱運動或外力作用下產生的電磁輻射，其本質仍為帶電體在某種運動狀態（相對觀察者）下產生的電場與磁場。光的傳遞方式主要有二種：一是真空中的電場和磁場直接與光源的運動狀態相關，只是因為電場與磁場的傳遞速度有限而存在一定的時間滯後性；二是介質內部的原子、分子和分子團（簡稱「極化子」）在入射光或相鄰極化子產生的電場和磁場作用下成為電偶極子，其產生的次生光的相位將滯後於入射光或相鄰極化子產生的次生光為半個周期（這是因為外來電場加速電子到電子位移量達到極大值所需時間正好為半個周期，這也是反射光存在半波損失的原因所在），由此導致介質內部的光速直接由光在介質內部的轉換（從入射或極化子次生光極化鄰近其他極化子，再由鄰近極化子產生次生光的過程為一次轉換）次數和光在真空中相對產生它的光源的速度兩者決定。

一、光的產生方式簡述

1、溫度型熱輻射

任何溫度不為絕對零度的物體都會因為其內部的分子、原子熱運動產生電磁輻射，其輻射規律就是著名的普朗克黑體輻射公式所描述的規律。此類輻射的最大特點是：不同頻率對應的輻射強度與頻率間存在較嚴格的相關性，其強度峰值對應的頻率與其溫度也存在明確的關聯性。但與物體的成分或結構等沒有關係。也就是溫度相同的任何物體的溫度型熱輻射強度與頻率間的分布規律是完全相同的。這也證明了溫度不是分子熱運動平均動能而是熱運動產生的電磁輻射強度峰值所對應的頻率的標誌。

如下面的動圖所示：微觀上，碳納米管內部的原子以及原子中的電子和原子核所構成的分子和分子團的熱運動也是存在一定的規律性的，同區域與部位的原子、分子和分子團的運動存在一定的同步性，這就是為什麼普朗克黑體輻射公式表述的輻射強度與頻率存在密切的相關性的根源。很顯然，碳納米管內部並不存在所謂的能量子。要說存在能量子也就是原子、分子和分子團組成的。

2、電場與磁場強制型輻射

2.1、外電場強度小於單個周期摧毀原子所需強度時

電場與磁場可以使介質（由原子組成的分子和分子團等構成的物質）中的原子中的電子與原子核朝完全相反的方向改變運動狀態，由此導致原子在原有熱運動+固有的電子繞核運動基礎上，再增加了外電場與磁場作用下的偶極子化的強制運動。由此導致原子增加了與入射光主頻相關的時變電偶極矩的電偶極子類運動，並產生相應的、與入射光頻率有關的次生光。但因原子核比電子在同樣的外電場作用下的加速度、速度和位移量小1800倍以上，我們可以忽略其影響，主要探討電子在外電場和磁場作用下的運動規律即可。由外電場為正弦波時的電子加速度、速度與位移量關係可知（如上圖一所示）：次生光與入射光的相位會相差180度，即半個周期。這就是所謂的反射光半波損失的根源。也是不同物體表面因次生反射光的不同而出現表面顏色、亮度不同的原因所在（入射光與反射光在不同強度和相位差的條件下疊加結果自然就不同）。

當入射光使介質成為次生光源後，介質就會產生所謂的反射、散射、折射、透射、衍射和繞射等次生光。它們的主要差別在於傳遞方向的不同。同時，振幅、相位、頻率則主要由入射光及介質性質決定。

實際上，電場與磁場還會使介質的分子熱運動狀態發生變化，從而導致介質的溫度發生變化，進而引起溫度型電磁輻射特性的改變。這也是為什麼經白天陽光照射後的地表物體會在夜間不斷散發熱量或紅外線並慢慢降低溫度的原因所在。我們可以把此種現象稱作光的轉換現象：介質將入射光轉換成了其他頻率的光。這種現象實際上無處不在：我們日常看到不同物體表面的顏色千變萬化、多姿多彩就是物體表面對入射光的轉換所致。

2.2、外電場強度大於單個周期摧毀原子所需強度時

當外加電場強度大到足以在半個周期內使原子中的所有電子脫離原子核的束縛時，就會產生所謂的原子光譜：線性特徵譜線簇。這個過程實際上也是外加電場使原子分解為多個帶電體並產生電場與磁場或稱之為次生光的過程。但其產生的次生光是由二部分組成的：一部分是由電子脈衝式運動產生的連續頻率的光；另一部分是由仍保持原子被摧毀前的運動狀態的原子核產生的線性譜的光。也就是說：所謂的原子光譜——線性譜並非原子躍遷所產生，而是原子核在沒有外部電子中和的條件下產生的。

3、粒子驅動型輻射

契倫科夫輻射是典型的粒子驅動型輻射之一：當電子以高於介質內部光速的速度進入介質後，會使介質中的原子電離並發光，且其所發出的光的主頻為可見光中較高的藍光，但也與溫度型輻射一樣為連續頻率譜的光。實際上，粒子驅動型輻射也是很常見的，比如我們日常使用的各類電燈就是利用直流電或50Hz的交流電加速導體內部的電子，當電子高速碰撞燈絲內部的原子中的電子並令其改變運動狀態而成為脈衝式電偶極子，從而產生連續頻率譜的光。因為導線內部的直流只能產生恆定磁場；導線內部的50Hz交流只能產生50Hz的交變電場與磁場。它們都不可能直接使燈絲中的電子產生可見光頻率的光。

日常生活中會發現：瓦數越大的燈泡的鎢絲越粗越短。這是因為當鎢絲越粗越短時，鎢絲內部的自由電子的運動速度越快、數量也越多，能使更多的原子被激勵發光。同時所發的光的主頻也會越高。

二、光的本質簡述

從以上對產生光的過程分析可知：光就是由帶電體產生的電場與磁場。只是由於我們周圍的介質都是由不同的元素的原子組成的分子或分子團構成的，它們在外部作用力作用下的運動狀態改變或自身固有熱運動狀態的改變過程中，原子、分子和分子團均會成為時變電荷量的帶電體，原因在於原子核與外部電子的運動總是不同步導致的。由此導致介質均會產生與時變電荷頻率有關的電場與磁場。

（圖中虛線左側為介質，虛線與右側的短實線間為真空，短實線處為一反射鏡）

由地球表面存在黑夜以及上面的動圖中的光脈衝在真空中不會產生散射等電場與磁場相互激勵的次生光可知：在真空中，電場與磁場是不可能相互激勵並形成所謂的電磁波的。也就是光是不可能離開產生它的電荷而獨立存在的。

三、將光當成電場與磁場的物理意義

1、可以直接解釋光與介質作用出現的反射光的半波損失、偏振折射光的法拉第磁光效應及楊發成的超黑材料單縫實驗結果無衍射光現象等常見物理現象與物理實驗結果；

2、可解釋為什麼真空中的光不會產生散射光並被側視現象；

3、即使是光是電磁波，其本質仍然是電場與磁場。只是電磁波認為光的傳遞是由電場與磁場相互激勵而前行的，並不否定光的本質就是電場與磁場；

4、將光當成電場與磁場，其遇到介質時會使介質中的原子發生極化甚至熱運動狀態的改變而產生所謂的反射、散射、折射、透射、衍射、繞射和轉換等次生光，就可以很好地解釋日常生活中見到的各類物體的表面的顏色的複雜性、多變性等常見物理現象；

5、把光與介質的相互作用視為光的再生與轉換，可很好地解釋介質內部的光速為什麼會隨密度的增加而降低等現象。特別是在同一介質中頻率越高的光的速度越低和折射角越大的現象。這些現象是所謂的攜帶與其頻率成正比動能與運量的光子無法解釋的。因為如果光是光子的話，光在介質內部的折射光的速度應該是頻率越高、速度越大、折射角越小才對；

6、由光的本質及其產生過程可知：光不可能是由單一頻率的粒子構成的。因為只有在原子被摧毀時才會出現線性譜（單一頻率）的光，且在此過程中也產生連續頻率的光，只是因為在某一特定頻率時的強度相對較弱而被人們忽略了而已。對於大多數情況下產生的連續頻率的光而言，是不可能用有限數量的不同頻率的光子構成連續頻率譜的。也就是說：連續頻率譜的光的存在是光子說無法自圓其說的、不可逾越的重大障礙。