光的轉換現象及其物理意義淺析

作者：彭曉韜

日期：2020.05.22

[文章摘要]：光是人們最熟悉的、最不可勿缺的，但又是最不熟悉的、最具有爭議的物理現象。通常人們對光與介質的作用多以反射/散射、折射/透射來形容。但對無處不在的光的轉換現象卻很少關注，以至於達到了視而不見的程度。無論是太陽光下映入人們眼帘中的各種景色，還是璀璨星空，以及植物的葉綠花紅、動物的毛色斑斕、飾品的珠光寶氣、人臉的膚色變遷，無不與光的轉換有關係。本文就光的轉換現象及其物理意義作些嘗試性分析，供有興趣者參考。

一、光的本質及光與介質相互作用規律簡介

1、光的本質

光可以分為可見光與不可見光。實質上就是不同頻率的變化電場與磁場，但人類目前通常稱其為電磁波。實際上這種稱謂是存在不準確、不全面的問題的：一方面，恆定電場與磁場也是光的一部分，但不宜稱其為電磁波；另一方向電場與磁場為真空中並不能相互激勵而形成所謂的電磁波，否則，地球上就不會有黑夜了。

目前有許多直接證據證明：光的本質是由不同帶電體（整體帶電物體或單個帶電粒子或多種帶電粒子組成的恆定或不恆定帶電組合體如原子等）在相對觀測者或測量裝置間出現不同運動狀態時產生的電場與/或磁場。

如下圖一所示：麥克斯韋方程組描繪的電磁波在真空中是不存在的。也就是說：在真空中並不存在變化的電場激勵磁場或變化的磁場激勵電場而形成的電磁波。光應該只是變化的電場與/或磁場。

（動圖說明：長虛線左側為導光介質，而其右側至短實線間為真空，短實線為反射鏡）

圖一：光在介質與真空中傳遞的動圖

2、光與介質的相互作用規律

我們目前經常看到的光與介質相互作用規律多以幾何光學中的反射、散射、折射與透射為主，還有就是光在單縫與雙縫條件下出現衍射與幹涉現象，以及光與金屬相互作用出現光電效應、X射線與輕金屬相互作用再現康普頓效應等現象。

以上這些與光有關係的物理現象只是只與介質相互作用過程中出現的表象，並非本質因素。光與介質相互作用的本質是：入射光使介質中的原子極化成為時變電偶極矩的電偶極子，也就是每個被入射光極化的原子就成為了一個小的次生光源並產生不同運動方向、不同振幅、不同相位和不同頻率的次生光。當次生光的運動方向朝介質外部運動時就被稱作反射或散射光；而當次生光的運動方向朝介質內部運動時就被稱作折射光；折射光從介質的另一側出來的就被稱作透射光。單縫邊緣產生的與入射光方向夾角小於90度的次生光被稱作衍射光或繞射光；雙縫邊緣產生的與入射光方向夾角小於90度的次生光並照射到屏幕上形成幹涉條紋時被稱作為光的幹涉現象。

雖然人們對光的反射、散射、折射與透射現象研究得很深入，但對光的轉換現象沒有引起足夠的重視。所謂光的轉換就是光經介質作用後發生頻率的變化。如：樹葉反射的太陽光多為綠色光，其他可見光被削弱或轉換成了綠色或不可見光；紅色的花朵反射的太陽光以紅光為主，其他可見光被削弱或轉換成了紅色或不可見光；黑色油漆表面反射的太陽光很弱，大部分被轉換成了不可見光等等。實際上，任何介質表面也不可能是100%的反射或透射界面，只是不同材質的介質界面的反射與折射光的比例不同而已。同時，介質表面也都存在一定的光的轉換能力，將光轉換成與入射光不同頻率的光。

二、光存在轉換現象的主要依據與事實

1、同一光源下不同物體表面顏色不同或同一物體表面在不同光源下顏色不同

無論是在自然光太陽光下，還是在人工光源下，不同物體表面的顏色在同一光源下是不同的；同一物體的表面在不同光源下的顏色也是不同的。這就證明了物體表面對光的反射與散射是有選擇性的，不是簡單地將入射光反射出來就完事了。這也從另一側面證明光不是粒子，也不是波，而是變化的電場與磁場，一旦遇到介質就會使介質中的原子發生極化並產生次生電磁場。而次生的電磁場的運動方向、振幅、相位與頻率雖然與入射光有一定的聯繫，但主要還是與介質界面的性狀與介質性質關係更加密切。這也是為什麼當物體表面塗抹一層極薄的塗層後，其反射特性就會發生根本性的變化的原因所在。也就是物體表面層的分子與原子特性是決定反射光強度、頻率、相位的關鍵因素。而介質表面的平整度則是決定反射與散射光強度比值的重要因素。

2、黑體輻射頻率分布特性表明光的轉換現象無處不在

如上圖二所示：黑體輻射強度與頻率間的關係類似於正態分布，主要與黑體的溫度有關，與黑體的材質無關。也就是說：無論哪種頻率的光進入黑體後，都會被轉換成分子熱運動並使黑體溫度發生變化，再由黑體以連續頻率的電磁輻射釋放出來。這也就揭示了介質轉換光的規律性：入射光使介質的熱運動或原子中的電子與原子核的運動狀態發生變化並產生次生的、連續頻率的電磁輻射或電偶極子電磁輻射。前者主要體現光被介質轉換成為其他頻率的光，後者則主要為目前常說的反射、散射、折射、透射、衍射和繞射光。

3、介質的頻散現象證明光的轉換現象無處不在

頻散現象證明介質的極化滯後現象導致不同頻率的入射光因介質極化的滯後而導致次生光的頻率發生變化，隨著在介質中傳遞距離的增加，入射光導致介質產生的次生光不斷極化介質中的其他原子而出現折射光的頻率隨距離不斷降低。同時，因原子極化滯後性能與入射或次生光的頻率直接相關，從而導致不同頻率的入射光的頻散效應也就不同了。

4、法拉第磁光效應證明介質中傳遞的折射光是由介質極化後產生的次生光

法拉第磁光效應是偏振光通過加載了外磁場的介質過程中，入射的偏振光使介質中的原子極化而導致電子的運動狀態發生變化，同時電子又受到外磁場的作用而發生偏轉，並產生相應的帶一定偏轉量的次生偏振光傳遞給鄰近原子，並使鄰近原子極化並重複原子極化→帶一定偏轉量的次生偏振光並傳遞給下一個鄰近原子→直至到達介質另一側成為透射光。在這個過程中，不僅偏振光的偏振方向隨介質的厚度變化，不同頻率的折射光在介質中的傳遞速度不同也導致不同頻率的入射偏振光通過相同厚度的介質後的偏振方向變化量也不盡相同。同時，極化原子產生的次生光的頻率也會隨在介質中的運動距離的不同而變化。這些都體現出介質導致光的轉換現象的發生。

5、類星體存在的多組紅移量不同的吸收譜線簇證明光在宇宙空間長途旅行過程中，因星際介質的作用不斷降低頻率，並證明星光也存在持續轉換現象

據查詢：類星體PHL 957的發射線紅移為2.69，吸收線紅移有五組：2.67、2.55、2.54、2.31、2.23。

從吸收線形成機理可知：類星體的光在來到地球的過程中至少與五塊密度較大的氣態物質發生過相互作用而形成了五組吸收譜線。紅移量變化規律證明：星光隨距離不斷降低頻率。

從上圖三可得出：星光隨運動距離的增大而不斷降低頻率是由於宇宙空間為非絕對真空，星際介質將使星光產生轉換作用，在地球上觀測到的星光主要是由星際物質透射/轉換作用後的星光，其頻率會隨著距離的不斷增加而降低。

三、光的轉換現象的物理意義

人們日常生活中只關注光的反射、散射、折射與透射，而物理學家也最多比常人多關注了光的衍射與繞射。而對於無處無時不在的光的轉換現象卻幾乎沒有人關注。事實上，光的轉換現象在物理研究中佔有特別重要的地位，也具有突出的物理意義。

1、在解釋天體紅移量與天體到地球的距離成正比現象中的獨特作用

由於星際空間存在大量的、各向分布基本均勻的低溫（所謂的宇宙背景輻射證明星際空間存在大量平均溫度在2.7K左右的低溫物質）物質，這些低溫物質當然會使星光發生轉換現象而出現頻率隨距離降低。這可能才是天體紅移量與距離成正比的根本原因。

2、在解釋太陽光下不同顏色物體表面的升溫速率不同但平衡溫度相同的獨特作用

我們知道，一般黑色物體表面的吸熱速度遠大於白色，但經過一段時間後，無論何種顏色的物體，其溫度會趨同。這種現象表明：在入射光相同的情況下，不同顏色的物體溫度達到與環境溫度平衡後，就出現了入射光導致溫度上升與物體散熱使物體溫度下降的速度相同，但入射光與物體散熱產生的電磁輻射的頻率並不相同。這就是光被介質轉換的最有力證據。