光速是变化的,你知道吗?
你会说,知道啊。不同频率的光的速度是不同的。
可是,我说的是同频率的光和相同的条件。此时,该量子力学解释的双缝干涉实验和物质波的概念出场了。大名鼎鼎的光的双缝干涉实验,绝对算是量子力学的基础,但就是这个基础现在依旧有点说不清道不明。当然,这里依旧说不清楚。这里只说,物质波和坍塌的概念。
光子穿过双缝形成明暗条纹,但依旧会有光子落在暗区间(这个已经被证明)。这就是物质波的大概念。光子落在明条纹区间的概率远远大于在暗区间出现的概率,所以,实验中单个光子依次射出,依旧会形成明暗相交的条纹。同时,这也是物质波,又被称为概率波的原因。
再来说说,坍塌这个概念。光既然具有波的性质,而且,单个光子依旧具有波的性质。那么,当它显示出粒子性的时候,就有了一个收缩的过程(不太准确的描述),这个就是“坍塌”的概念。
明白这俩个概念之后,直接看一束光的第一个光子。当我们检测这个光子的位置时,就简单的想象光束前面有块板。由于概率波的存在,这个光子出现也许和光子射出的地方不在一条水平线上。可以这样理解,这个粒子也许出现在波刚接触板的那一点,也可能出现在波接触一段时间(极短的时间)后才出现在板上的其他位置,而且不再几何意义上的中心上。而这不同的点,相对光子的位移是不同的。这极端短的时间,依旧有着时间差的存在,并影响到光的速度。相同频率的光,这束光的第一个光子落在一个点上,按照概率来说,下束光的第一个光子落在完全相同位置的概率并不高。点的不同,光子的位移就不同,而板距光源的距离是固定的。这就说明两者的速度存在着区别了!
这里简单的总结,由于物质波的存在,相同频率的光也拥有不同的速度。其实,这个只要物质波的概念就可以说明了。这里提到坍塌这个概念,也只是为了使理论更加形象。同时,也防止有人说,也许光子都是在与板接触一段时间后才坍塌出现的,这样它所用的时间就一样了。
假设倒过来思考,光速是不变的,联系到这两个概念会出现什么不同的东西?有什么好玩的概念出来呢!时间和空间是可以相互转换的,还是没有坍塌,有波粒二象性,没有现实中的粒子和波的概念?
光速是变化的,你知道吗?
你会说,知道啊。不同频率的光的速度是不同的。同频率的光的速度也是不同的(上面)。
对啊,可是,我说的一束光的变化,也就是任何一束光的速度都是处在动态变化中的,也就是一束光可能会忽快忽慢。最后表现出来可能处于稳定速度的,与上面所说同频率的光速度不同区别,在于一束光(任何频率)可以拥有好几个速度(甚至更多)。
(这里你可能会感到困惑,前面我说的同频率的光拥有不同的速度,指的是不同的光束光速不同,它们各自的速度是稳定的。这里我们指的是一束光可以拥有好几个速度,甚至是线性的速度变化。)
顺着上面的思路,继续下去,当光在传播过程中,在这束光前进的不同距离处,光子出现的位置是不同的,这就表明了光速是在变化的。可是,这种实验一束光只能做一次。理论上是正确的,现实中却可能会一无所获。因为,它被我们分辨出的几率太小了,而且可能会毫无意义。所以,你明白,这不是我要说的重点。
让我们来看怎样让一束光拥有不同的速度(运动条件相同)。光子展示粒子性的时候,是在最后即在板上。那么,是否可以猜想,在光束的传播过程中,存在这光展示粒子性的时候,即光传播过程中,光子会粒子化。想形象的话,可以近似于一列波在前进,突然间变成了一个粒子,然后又变成波继续前进,随后某个特别是时间点,它又变为了粒子,然后有变成了波再前进(当然这是不准确的描述)。这里只是形象的说法,现实只能是波粒二象性,光在波的性质与粒子的性质之间存在着拉锯战。
这样的好处是什么呢?就是现实中,可以清楚明白的解决光在空气中传播的速度与在水中传播的速度为什么会不同这个问题。因为在空气中光子粒子化的情况低于在水中粒子化的程度。也就是光子粒子化的程度越高,速度就会越慢。而不再是光的波长变化,光速就变化;光速变化,光的波长就有变化,这种循环的说法里寻找答案。而是光的粒子化,改变了光的波长。光速的变化,就代表光束中光子粒子化程度的多少。
同时它还可以解释为什么宇宙形成初期光速可以远远超过现在的光速(为大爆炸理论添砖加瓦),因为当时光子粒子化的程度和概率都很低。宇宙初期的光速远超现在,也就可以预测出随着时间的流逝,未来宇宙真空中的光速会进一步变慢(只是这时间会很漫长)。
这样的光波粒子化的程度(形象点就这样说吧),影响和决定着光的速度。可好像,现在依旧没有说明或者形象的说出一束光是在怎样动态的速度下前进着的?
光束在运动过程中,一个光子有多大的概率变为粒子态。这个概率就决定了这束光的速度。而这个概率,也只能是一个随机的情况,也就是说可能是0.1这个概率,也可能是0.2这个概率。但在相同的条件下一定有一个概率的情况是最大的,最常出现的。这样下来,同频率的光,同一束光,传播的速度依然不同。当光处在0.1这个粒子化概率下的速度。要比处在0.2这个粒子化概率下的光束要快。
想一想,光在同一介质中粒子化的概率是不变的吗?就是这束光的粒子化概率,是0.1,就一直不变吗?它会不会在开始一个时刻是0.1,下一个时刻是0.2?这是不是有些神奇。一束光的速度竟然会忽快忽慢,但是事实上这个是最接近真实的。而且,这还是不考虑外在的影响的情况,这是光自身状态的一种转化。可是,现实中相同条件下的光速好像又都是相同的。是对的,因为光走过的距离越长,越趋近于唯一的一个概率(上下浮动的概率也会趋于这个唯一的概率),也就趋近于唯一的速度(而距离对于光子来说,好像都很长)。这就是真实,由混沌到动态,由动态到平衡。
总结来说,就是光速决定于光子粒子化的程度,而光束的速度处于动态平衡中。距离越短,光束光速表现的差异越大;越长越趋于同一值,趋于统一。
接下来继续思考,光子粒子化的程度受哪些因素影响,又对现实的世界产生如何大的影响(跳过光子双缝干涉实验中,光子是从左侧,还是右侧通过的难题,去诉说真实的世界就应该是这样)。
光子的粒子化受什么因素影响,简单的来看自然是看现实中哪些因素会影响光的速度,它们的条件是对等的。这里,光速受影响的因素太多了,而且理由没什么特别的,就不做详细的解说了。
我们倒过来思考,光速变得很小很小,意味着光子就会只表现出粒子性。而我们周围生活的物质,具有的速度都不快。也就是说我们生活的地方,粒子性是他们唯一的表现。不再是一片混沌(处于波粒二象性分不清的状况,绝佳的例子可以看“薛定谔的猫”),我们的世界就是唯一的,也不需要用什么多重宇宙,系宗等去解释。当速度越慢,概率离我们就越远。我们也可以跳过,不去考虑光子的双缝干涉实验:光子具体是通过左侧还是右侧,亦或是两侧同时都通过的问题。以至于让我们陷入不确定的世界中。
能量越高,质量越重的粒子,粒子化情况越重,粒子化的概率和粒子化的时间越长,就越能确定自己的位置。学到的电子云这个概念,这里不再是云,它只会出现在电子自身轨道的方向上。也就是粒子化的时候,它只会出现在自己运动方向的范围内。而不是像云一样随机出现在任何位置处。
但这些要怎么证明这些呢?最近,一直在思考,为什么作为横波的光子,经过双缝之后。形成的明暗条纹,依旧会有光子落在暗的区域。作为波,不应该完美的所有的光波都应该落在亮区间吗?就像真正的波一样,波谷就是波谷,不可能跳转成波峰。即使听说到波粒二象性和物质波的概念后,依旧觉得不完美。
思考一下,一个光子没有任何缝隙,向前走,最后落在哪点本就是随机过程,这个概率为a。当双缝存在,条件不合适时,这个概率依旧是a。可是当双缝条件合适时,这个概率就变为了b。意味着光子的物质波的概率改变了,这改变未免太过简单了。是不是物质波的概率本身没有变,只是在光的传播过程中改变了一些东西。
读了前面的内容,是不是可以这样分析。在光子穿过双缝的时候,有的光子正好处于粒子的状态,这一部分光子的随机存在才是暗区间有光的罪魁祸首。它们正好处于粒子态,不会形成自干涉。也就是说,处于暗区间光子的多少,与速度负相干。当然,了解这些,用数据证明,这也可以证明理论的正误。但联系到另一个实验的结果可以最快的证明它。
1979年,在爱因斯坦100周年诞辰之际,约翰惠勒,提出来了一个相当惊人的构想,也就是所谓的“延时性试验”(想了解的可以去网上查)。它的本意是证明,你现在的决定也许可以决定以前的状态,当然,这不是我要说的。在做“延时性试验”中,调节最后镜片的角度,可以让所有的光子都出现在一个方向上,这才是我们要关注的。这个结果就与双缝干涉有光子出现在暗区间相矛盾了。既然是物质波(概率的存在),肯定会有很小一部分的光子出现在另一个方向上。就像一个方向代表亮区间,一个方向代表暗区间。而现在处于暗区间的方向没有出现光子。这就说明了前面推理的正确性。因为光运动的距离足够长,所以,所有的光子都是处于波的状态。也说明光子是完全按照波动的方式前进。
最后,给大家一个彩蛋。就是光子的粒子态是什么状态?也许光子的粒子状态就是它处于纵波状态,由横波转成纵波。所有的粒子都是纵波。而电磁场的传播,不是以电波与磁波相互垂直九十度,而是由横波转变成纵波,又由纵波变为横波的传播过程。这个是真正的设想,但它是这篇文章的起点。