光是什麼？

摘要 光是什麼？眾所周知，光是電磁波，但電磁波又是什麼？它有介質嗎？它與電磁場又是什麼關系？本文從多個方面論證瞭光就是以太中傳播的波，它與聲波具有很多的相似性。

關鍵詞：以太，光子，電磁波，電磁場

1. 光的介質

光是電磁波，沒有人表示懷疑（在下文中對二者不作區分），既然是波，它就必然存在介質，沒有介質就不是波，本文把光的介質稱為以太。

1.1. 聲波與光波的比較

聲波與光波具有高度的相似性，其主要表現為：

A、波阻抗

波是具有阻抗的，它是反映介質中某位置對應力學擾動而引起的質點的阻尼特性。聲波的阻抗定義為：Z=p/u，其中，p表示介質壓強的變化量，u表示介質體積元的速度。電磁波的阻抗定義為：Z=E/H，其中，E表示電場強度，H表示磁場強度。聲波阻抗也等於介質密度ρ與傳播速度c的積：Z=ρc，真空中電磁波的阻抗也可表示為：Z=μc（μ為真空磁導率），因此，p=ρcu，E=μcH。

B、平均能量密度

聲波的平均能量密度可表示為：

，聲波的能量包括動能和位能，各點的動能與位能相位相同，大小相等，也就是說，動能達到最大值時，位能也達到最大值，總能量也達到最大。能量不是儲存在系統中，而是具有傳遞特性，這是自由行波的一個特征。

電磁波的平均能量密度可表示為：

（ɛ0是真空介電常數），與聲波一樣，電磁波的能量包括電場能量和磁場能量，各點的電場能量與磁場能量相位相同，大小相等，當電場能量達到最大時，磁場能量也達到最大，總能量也達到最大，也具有自由行波的傳遞特征。

C、平均能流密度

平均能流密度是能流密度（單位面積的能量傳輸速率）在一個周期內的平均值。聲波的平均能流密度可表示為：I=pu，電磁波的平均能流密度是用坡印亭矢量表示的：S=ExH，雖然二者的表達式不完全相同（原因是聲波是縱波，而電磁波具有橫波特征），但所得到的數值卻是相同的，量綱也相同。

D、輻射壓力

聲音與電磁波都存在輻射壓力，而且計算方法也一樣，其數值都等於平均能量密度，其量綱也相同：焦耳/米3 = 牛頓/米2。例如，聲壓級為100dB的聲波，其聲壓為2 Pa，已知空氣的密度為1.29 kg/m3，速度為332 m/s，就可以求出聲音的平均能量密度為

= 2.81×10-5 J/m3，它的輻射壓力也是2.81×10-5 N/m2。電磁波也具有相同的計算方法，例如場強為100dBmv的電磁波，其電場強度為100 v/m，可計算出它的平均能量密度為

8.85×10-8 J/m3 ，它的輻射壓力也是8.85×10-8 N/m2 。

聲波與電磁波的更大相同之處在於：當波完全反射時的輻射壓力是完全吸收時的兩倍。

E、波動方程

聲波的波動方程可表示為：

，

，電磁波也具有相同的表示：

，

。

F、傳播速度

聲波在介質中的傳播速度可表示為：

，其中β表示傳播介質的體積壓縮系數，它與體積彈性模量P的關系為：β=1/P，電磁波的傳播速度可表示為：

。

G、傳播特征

聲波具有反射、折射、幹涉、衍射、聚焦、多普勒效應等一系列的傳播特征，電磁波也同樣具有上述所有特征，聲波中的有關定理在電磁波中同樣可用，而且計算方法也一樣。更有甚者，波的指向角（衍射極限）都可以用

表示，其中，λ是波長，D是波源的直徑。總之，聲波中的絕大部分特征在電磁波中都能找到與之相對應的項。

從以上比較可以看出，聲壓p與電場強度E等價，體積元速度u與磁場強度H等價，介質密度ρ與真空磁導率μ等價，體積壓縮系數β與真空介電常數ɛ等價。

1.2. 聲波與光波相似性的原因分析

從上面的比較可以看出：聲與光是非常相似的，電磁波依靠電與磁的互激進行傳播的理論是無法解釋上述現象的（光子理論更無法解釋），因為在電磁波中，E與H的關系是線性的，E和H也是同步變化的（相位相同）：，E和H之間沒有發生能量交換，E和H在空間的任何一點同時由小到大，再由大到小地變化，難道E和H在空間能夠自生自滅？當E與H都是零時，電磁波的能量貯存在哪裡？

如果承認以太的存在，那麼，電磁波與聲波的相似性就很容易理解，我們可以定義E就是以太受到粒子擾動後所產生的壓強變化量，與聲壓p具有完全相同的物理意義，定義H是以太的體積元速度，其物理意義與聲學中的體積元速度u相同。引入以太後，電磁波中的各種參數具有瞭明確的物理意義：真空磁導率就是以太的密度，真空介電常數就是以太的體積壓縮系數，以太中的傳播速度

就是合情合理的。如果以太不存在，電磁波中的各種參數沒有物理意義。

在電磁波中，把E定義為以太的壓強變化量，把H定義為以太的體積元速度，與現代電磁理論具有本質的區別。也就是說，在電磁波中，我們所測量的電場強度實際上是以太壓強的變化量，磁場強度是以太體積元的速度。

我們知道，所謂場強的測量，實際上是測量天線上感應的電壓，天線上的電壓是如何感應出來的成為關鍵，要想使天線上感應出電壓，必須要有某種力量推動電子運動。是什麼力量推動的電子？學界主流認為是電場。如果是電場，那麼，電場是什麼就必須說清楚，如果承認電場是物質，相當於變相承認瞭以太。如果承認以太的存在，就可以很明白地說明一切：電子是以太粒子推動的，電子的振動能產生電磁波，同樣，電磁波也能使電子產生振動。因此，E隻是一個符號，它代表一個物理量，它是什麼要根據假設和推理，我們對天線的測量，隻能得到感生電壓或電流，重要的是這個電壓或電流是如何產生的，是空間中的什麼物理量產生的它。如果你認為是電場，你就應該定義E為電場強度，如果你認為是以太的振動產生的，就應該定義E為以太的壓強變化量，定義H也是同樣的道理。我們在話筒的輸出端測量到的也是感應電壓，但產生這個感生電壓的原因卻是空氣的振動，天線與話筒實質上都是傳感器。本文中仍然用E代表以太的壓強變化量，H代表以太體積元的速度。

通過上面的討論，可以認為：我們的耳朵隻是一個傳感器，它接收到的並不是聲音，而是空氣的振動，隻是經過我們的大腦處理才變為聲。同樣的道理，我們的眼睛也隻是一個傳感器，它接收到的並不是光，而是以太的振動，隻是經過我們的大腦處理才變為光。

1.3. 以太的性質

1.3.1. 以太的密度

從上節的討論可以看出，以太的密度實際上就是真空磁導率，因此，本文定義：以太的密度ρ= 4π×10-7 kg/m3。以太的密度本來應該是測量值，怎麼能夠定義呢？因為現代的技術還不能測量它，隻能暫時以定義值替代。

以太密度的取值並不是我的創造，而是麥克斯韋，但他並沒有給出具體的值。在麥克斯韋之前，沒有磁感應強度B這個概念，量度磁場的物理量是磁場強度H，磁場強度H與電流的關系為

。從這個式子可以看出：磁場強度隻與電流有關，與以太無關。

磁感應強度B是麥克斯韋引入的，在引入B時明確指出：H是以太的渦度，B是加權渦度，是用以太的密度進行加權：B=μH，其中μ就是以太的密度。進入20世紀以後，人們否定瞭以太，但卻繼承瞭麥克斯韋方程組，把加權渦度改成瞭磁感應強度，把以太的密度改成瞭真空磁導率。

在現代電磁理論中，真空磁導率是定義值：μ0= 4π×10-7牛頓/安培2，是由公式

定義的，此式是真空中兩根通過電流相等的無限長平行細導線之間相互作用力的公式，式中I是導線中的電流強度，a是平行導線的間距，F是長度為L的導線所受到的力，並規定當L= 1米，a= 1米，I= 1安培時，F= 2×10-7牛頓。

很明顯，在電磁場理論中，B和D的引入是畫蛇添足，因為B=μH，D=ɛE，而且μ和ɛ都是常量！根本沒有必要再引入B和D，麥克斯韋之所以把μ和ɛ引入到電磁理論中，就是因為他假設μ是以太的密度，ɛ是以太的體積壓縮系數，因此，電磁波在真空中的傳播速度

才變得合情合理。

為什麼真空磁導率的定義值是μ= 4π × 10-7 N/A2 ？因為取這個值不論在電磁理論和電磁波理論中，各種參數都是合理和自洽的。但是，以太密度的實際值不可能與它恰好相等，但相差不會太大，因此，本文就以此值作為以太的實際密度。但是，以太的密度與真空磁導率的定義值沒有關系，在歷史上，真空磁導率的定義與安培的定義密切相關。

可見，電磁理論中的真空磁導率與電磁波理論中的以太密度相等是由歷史原因造成的，因為真空磁導率是麥克斯韋作為以太密度引入的，它在電磁場理論中隻是一個常數，沒有物理意義。它是為瞭場與波建立聯系而引入的，但卻把電磁波理論引入歧途，因為電磁場與電磁波具有完全不同的屬性，二者沒有關系。

1.3.2. 以太的溫度

溫度是表示物體冷熱程度的物理量，微觀上，是物體分子熱運動的劇烈程度，在數值上（絕對溫標）等於物體的分子或原子所具有的平均能量除以玻爾茲曼常數，對於液體和固體，指的是原子的振動能量，對於氣體，指的是粒子的動能，如果粒子沒有振動或運動，其溫度為0 K。

任何物體，隻要它的溫度大於絕對零度，就會產生輻射，以太也不例外。本文認為：宇宙微波背景輻射就是以太產生的，它不可能是“大爆炸”的“餘燼”，如果是“大爆炸”遺留下來的電磁波輻射，不可能是理想的黑體輻射。因此，完全有理由相信宇宙背景輻射就是以太氣體所產生的輻射。

可以認為：地球附近以太的溫度就是宇宙微波背景在黑體輻射光譜上的溫度，其值為2.725 K。

1.3.3. 以太的比熱比

比熱比指的是定壓比熱Cp與定容比熱Cv之比，也稱為絕熱指數。根據分子運動理論，γ的理論值為(n+2)/n，其中n為氣體分子微觀運動自由度的數目。對於以太粒子，可以看成自由質點，所以有3個平動自由度，因此，可以認為以太的比熱比γ= 5/3。

1.3.4. 以太的其他性質

我們知道：以太中的波速為3×108 m/s，根據以太的密度、溫度和比熱比，假設以太為理想氣體，可推出以太的其它所有性質，如表1所示。

表1.以太與空氣的比較

1.4. 以太的運動

以太是流體，在引力的作用下，它總是跟隨大質量的物體運動（這也是邁克爾遜實驗失敗的原因），在地球大氣層內，由於大氣的長期拖曳，以太與大氣保持同步。在大氣層外，以地球中心作為參考系，其運動速度曲線如圖1所示（D點為月球軌道）。

圖 1. 地球中心為參考系時以太的速度分佈（以地球表面為0點）

太陽周圍的以太運動速度曲線如圖2所示。

圖 2. 太陽系中黃道面上以太的速度分佈（以太陽表面為0點）

從圖1和圖2可以說明為什麼地球自轉（0.465 km/s）的薩格納克效應值可以測量出來，但公轉30 km/s的薩格納克效應值卻測量不到（中日雙向時間傳遞實驗，在任何時間所測量到的薩格納克效應值都相等）的原因，在以地球中心作為參考系時，以太隻有旋轉運動而沒有其他方向的運動（都隨地球繞太陽運動）。

1.5. 以太的密度分佈

星體周圍的氣體密度分佈可表示為

，其中，ρ0表示星體表面的氣體密度，G是引力常數，M是星體質量，m是氣體粒子的質量，k是玻爾茲曼常數，T是氣體的絕對溫度，r0是星體的半徑，r是到球心的距離。以太也不例外，同樣符合氣體在引力作用下的密度分佈規律。例如，假設地球表面的以太密度為1.257×10-6 kg/m3，則距地面100 km處的以太密度為1.257×10-6 -2.23 x10-17 kg/m3，可以看出：地球對以太的密度影響可以忽略。對於大質量高密度的星體，以太的密度分佈就可表現出明顯的不同，例如，銀河中的以太密度分佈曲線如圖3所示（其中

，C是距銀河系無限遠處的以太密度）。

圖3. 銀河系中以太的密度與距離的關系

1.6. 以太存在的證據

以太無處不在，雖然我們還不能直接對它進行測量，但它還是給我們留下瞭很多的蛛絲馬跡。

1.6.1. 聲光的相似性

聲與光表現出瞭極大的相似性，每一種相似性都可以說明以太的存在，例如，波速的相似性：

A. 波速隻與介質有關，是由介質的性質決定的；

B. 波速與波源的運動無關，波源決定波的幅度和頻率；

C. 當觀察者相對介質運動時，所觀察到的波速是兩個速度的疊加。

光速不變是有條件的，必須是觀察者相對以太靜止，多普勒效應和薩格納克效應都證明瞭光速與聲速具有完全相同的性質，中日雙向時間傳遞實驗也證明瞭光速是可疊加的。

光速不變也證明瞭光的傳播也是必須存在介質的，如果沒有介質，光速是無法穩定的，因為不論是光的發射過程和傳播過程，都沒有速度穩定機制。

1.6.2. 以太的阻力

對於質量較大星體的軌道運動，以太並不阻礙它的運動，因為大質量星體的引力能夠拖曳以太，從而形成以太流體的整體運動，就象用棍子攪動一盆水，當棍子與水同步時，水對棍子的阻力就可以忽略瞭。但是，小質量的物體沒有足夠的引力，以太必然會阻礙它的運動，例如，國際空間站每年大約消耗7.5噸的燃料來維持軌道，說明空間站存在阻力，主流認為全部來至於地球大氣的影響。我們知道：在空氣中，直平面體風阻系數大約為1.0，球體風阻系數大約為0.5，但衛星軌道衰減的阻力系數卻大於1.0，而且高度越高數值越大（馬淑英等.大氣阻力引起衛星軌道衰減的數值模擬[J]. 地球物理學報，2013, 56(12): 3980-3987），如圖4所示，圖中四條曲線代表不同形狀的衛星（圖片是文中的插圖）。

圖4. 大氣阻力系數（橫坐標）與軌道高度的關系

如果以太不存在，大氣阻力系數是不可能隨著高度的升高而變大的，因此，必定有一部分阻力是來自於以太，而且軌道越高，以太產生的阻力所占的比例越大。從圖中還可以看出：大氣與以太對物體運動的阻礙原理明顯不同，大氣對物體的阻力隻與迎風面有關，但以太不僅與迎風面有關，還與物體的厚度及密度有關。

1.6.3. 金星的大氣環流

在金星的大氣層頂，有從東到西的持續大氣環流，隻需要四個地球日就可以環繞金星一周，而且距表面越低速度越小，這種現象至今無人能夠解釋。這種現象很明顯是外力推動的，如果承認以太的存在，引起這一現象的原因可能是地球和水星：由於地球的軌道速度比金星小，而水星的軌道速度比金星大，在水星和地球引力的拖動下，金星軌道內外的以太就會出現速度差，使金星周圍的以太按順時針旋轉，如圖5所示：

圖 5. 金星周圍以太的順時針運動

金星周圍以太的運動速度曲線如圖6所示：

圖6. 金星中心為參考系時以太的速度分佈（以金星表面為0點）

金星周圍的以太渦旋是地球和水星的引力形成的，而金星的大氣環流運動是以太拖動的。正是金星周圍存在順時針的以太渦旋，在以太的拖曳下，金星大氣才會呈現出從東到西大氣環流運動（這很可能也是金星倒轉的原因）。

在其他的行星周圍是否也有類似的以太渦旋呢？有，而且太陽系中的所有行星都存在！其證據就是逆行軌道。金星的逆行軌道隻所以離主星如此之近，是因為它沒有順行衛星（如果有，金星大氣就不會出現環流運動），如果水星有大氣層，水星的大氣也會象金星大氣那樣轉動，如果地球外圍沒有月球的存在，地球上的大氣也會象金星大氣那樣運動。

1.6.4. 逆行軌道

太陽系中所有氣態行星外圍的衛星幾乎全部逆行，如木星系統中，軌道半徑大於1800萬公裡的50多顆衛星隻有一個例外（Valetudo，它是在2018年發現的在逆行區的順行衛星，但這顆衛星不可能在逆行區內長期存在），其原因還是由於主星軌道內外的以太速度差而形成的以太渦旋，木星周圍以太的運動速度曲線如圖7所示：

圖7. 木星中心為參考系時以太的速度分佈（以木星表面為0點）

木星周圍的以太，與木星中心的相對靜止點大約在1500萬公裡處，在1300—1700萬公裡范圍內沒有任何衛星存在。木衛四十六是一個例外，它是順行衛星中最遠離木星的一顆，但這顆衛星的軌道也會在以太的阻力下，其軌道半徑將逐漸下降，直到以太順行區，也就是說，在外圍的順行衛星不能長時間存在。

為什麼衛星總是以群居的方式存在？例如，亞南克衛星群、加爾尼衛星群等，這是因為質量大的星體能夠影響以太的運動，但以太卻能夠影響小質量的星體運行，小質量星體隻有與以太運行同步，它才能夠保持軌道的穩定。

1.6.5. 太陽系最強的風暴

海王星處於太陽系的外圍，行星離太陽越遠，驅動風暴的能量就越少，但海王星上卻存在太陽系中最強的風暴，測量到的風速高達2400km/h，而且風向與海王星的自轉方向相反，其原因就是海衛一的逆行，它對以太的拖動能力比海王星表面對以太的轉動能力大，從而引起海王星周圍的以太反轉。如果這樣的情況繼續下去，海王星的自轉周期將有較快的上升。海王星周圍的以太速度如圖8所示：

圖8. 海王星中心為參考系時以太的速度分佈（以海王星表面為0點）

與其他大型衛星不同，海衛一運行於逆行軌道，它是被海王星近期俘獲的，由於它占圍繞海王星公轉的所有質量的99.5％（包括海王星環和其他13個已知的衛星），因此，對海王星的運行造成瞭極大的影響：它的順行衛星將會逐漸消失（軌道逐漸降低，最後墜入海王星），而且它的自轉速度也會加速變慢。

1.6.6. 較差自轉

擁有順行衛星的星體，其赤道的自轉角速度大於兩極，例如：太陽（赤道附近每25天轉一圈，極區37天轉一圈）、木星（赤道9小時50分鐘，極區9小時55分鐘）、土星、天王星等。但擁有逆行衛星的星體則相反，例如：海王星的赤道自轉周期約為18小時，在兩極隻有12小時。海王星的較差自轉是太陽系中最明顯的，還是因為海衛一的逆行，星體自身結構內部的對流並不能解釋較差自轉。

可見，在太陽系中，總體上是以太跟隨著行星運動，但每個行星周圍的以太都存在一個逆行軌道，在太陽系的外圍，以太同樣存在逆行軌道，逆行的慧星就是最好的證明。以太的運動規律是：大質量天體拖曳以太，但以太能影響小質量天體（也包括微觀粒子）的運行。

1.6.7. 太陽風的產生

人們普遍認為磁場對於產生持續高速的太陽風有著特殊重要作用，但磁場是如何對太陽風產生影響的？磁場是從哪裡來的？誰也說不清楚。

本文對太陽風的產生有如下觀點：

渦旋與噴流在太陽大氣中無處不在，在活動區、寧靜區以及冕洞區域都能觀測到渦旋與噴流的存在，並在各個太陽大氣層中均能觀測到，例如色球噴流及日冕噴流等。

太陽風最初是在色球中產生的，色球中的針狀物就是太陽風的起點。在色球中，可以發現太陽的邊緣有很多毛刺狀的噴流（即針狀物），這些針狀物間歇性地以約20公裡每秒的速度從色球層噴出到日冕中，從而完成對太陽風的第一次加速。

日冕中也同樣存在噴流，但日冕中的噴流原理與色球中的噴流稍有不同，日冕中的噴流原理相當於地球上的水龍卷，而色球中的噴流相當於火龍卷。日冕中的噴流結構為：纖細的絲狀物，長長的環狀物以及類似指紋一樣的螺紋在整個日冕中起舞。阿爾夫文的理論也認為，日冕中存在“太陽磁通管”（俗稱為太陽上的“小噴泉” ），本文認為：所謂的“太陽磁通管”應該就是以太為主體的渦旋，這就是太陽風的第二次加速。

地球上也存在颶風，但為什麼它不能把空氣分子拋出大氣層呢？我們知道：地球上的颶風一般不超過3萬米的高度，這是因為高空的空氣密度小。但太陽日冕外層的大氣密度也不大（約為10-12 kg/m3），它是如何把質子和電子拋出去的呢？這就必須依靠以太的幫助，如果以太不存在，這種加速機制隻會存在於色球和日冕的底層中。在日冕底層中的質子密度與以太的密度（1.26×10-6 kg/m3）相當，因此，噴流可以在日冕層中一直存在。如果把日冕中的噴流與地球上的水龍卷作比較：質子的作用相當於水蒸汽，以太相當於空氣，質子向上加速過程是螺旋式的，與地球上水龍卷中水分子的上升路徑相似。

可見，太陽風的形成是渦旋與噴流的產物，屬於自加速，但能量來源於光球。在色球層中，渦旋以激態的氫原子為主，色球層中的針狀物就是激發態的氫原子向上加速所表現出來的現象。在日冕層，渦旋以以太為主，美國宇航局的界面區域成像光譜儀（IRIS）所拍攝的納米噴氣流應該就是這種渦旋，這種渦旋隻存在於以太密度大於太陽大氣密度的區域。

1.6.8. 太陽風的切向速度

現代觀測已經證明，地球附近太陽風的前進方向總是垂直於地球運動的方向，也就是說，太陽風的橫向速度與地球的軌道速度相等（地球的弓形激波為證）。

從彗星的離子尾也可以看出：太陽風的切向速度總是與彗星垂直於太陽的軌道速度分量相等（因為離子尾是太陽風造成的，而且它總是在太陽和彗星的連線上），如圖9所示。如果彗星的軌道是圓形的，太陽風的切向速度必定與彗星的軌道速度相等（小於水星軌道的彗星除外）。

圖9. 彗星的離子尾（圖片來源於網絡）

隨著帕克探測器的升空，觀測到在距離太陽36倍太陽半徑的地方，太陽風的切向速度峰值可達每秒30~50千米，明顯大於理論預言，挑戰瞭日冕繞太陽環流的模型，構成瞭一個未解之謎。本文認為：太陽風的切向速度是由以太的運動引起的，它應該與以太保持同步，其速度曲線應該如圖2所示。

1.6.9. 星系的結構

以太是宇宙的主角，星系的渦旋結構就是最好的證明。如圖10所示，它與地球上的氣旋結構相似：內核作剛體旋轉，外層作較差旋轉，中心具有噴流。如果沒有以太，星系核是不可能作“剛體旋轉”的，中心也不可能存在噴流，結構也不可能如此相似。

A. 地球上的氣旋照片 B. 渦旋星系 NGC1232

圖10. 地球上的氣旋與渦旋星系的比較（圖片來源於網絡）

1.6.10. 暗物質是什麼？

最早提出“暗物質”可能存在的是天文學傢卡普坦，他於1922年提出可以通過星體系統的運動，間接推斷出星體周圍可能存在的不可見物質。一百年過去瞭，科學界仍然對暗物質一無所知，究竟暗物質是什麼？如果承認以太的存在，暗物質可以定義為：由於以太密度的分佈不勻，而產生的附加質量。

在地球上，空氣的密度可表示為

，由於空氣密度不均所產生的附加質量可表示為

，其中 L = r0 + h（h為距地球表面的高度），也就是說，當我們計算地球的引力時，需要加上空氣的附加質量。例如，當h= 1000米時，由於可以忽略溫度的變化，空氣的密度與高度的關系可簡化為

，附加質量也可以簡化為

，取ρ0= 1.29 kg/m3，r0= 6.4×106 m，可以算出md= 2.5×1016 kg ，而厚度為1公裡的空氣質量約為

= 5.1×1017 kg。之所以存在附加質量，就是因為空氣的密度不均勻，如果空氣的密度是均勻的，附加質量就不存在。當h超過100公裡時，可以認為附加質量就是所有空氣的質量。現在我們知道空氣的存在，但如果否定空氣的存在，它就是暗物質。

由於以太是流體，它的密度分佈與附近的星體質量密切相關，大質量的星體附近的以太密度高，遠處的密度低，當我們計算這個星體產生的萬有引力時，必須把由於以太密度不均產生的附加質量計算在內，這個附加質量就是暗物質。

可見，暗物質並不是物質，隻是以太粒子參與瞭引力作用，如果以太密度是均勻的，引力各向同性，就沒有附加質量。如果不承認以太的存在，或許我們永遠無法弄清楚暗物質是什麼。

2. 光的產生

光是如何產生的？科學界並沒有給出令人滿意的解釋，因為我們不知道光是什麼。目前，主要有兩種說法：一種認為光是特定頻段的光子流，是電子躍遷產生的；另一種認為光是電磁波，是電場與磁場的交替振蕩，是電子振動產生的。

第一種說法是主流，但是，我們並不知道光子是什麼，也不知道電子是如何躍遷的，更不知道光子是如何產生的。科學不是神話，如果光子是什麼都搞不清楚，其他的問題就會更加糊塗。第二種說法也得到很多人的贊同，但我們並不知道電場是什麼，主流認為電場是一種特殊物質，它是什麼呢？誰也不知道，拿我們不知道的東西去說明其他現象，並不比神話更高明。

本文認為：光就是以太中的波（由於歷史原因，仍然稱之為電磁波），與聲音一樣，是由粒子振動產生的，與粒子是否帶電無關。光子與聲子一樣，都是人們創造的概念，實際並不存在。電磁場與電磁波沒有關系，電磁場是電場與磁場的通稱，電場是帶電粒子產生的，是粒子固有的屬性，而磁場是帶電粒子運動產生的，是電場的運動效應，而電磁波是一種機械波，具有介質波的共性。

2.1. 光的產生方式

從原理上，光的產生方式與聲音是一樣的，可以歸納為以下幾種：

一是簡諧振動發光，其特征是粒子以角頻率ω簡諧振動，發光強度與振幅的平方成正比，光的頻率與粒子的振動頻率相同，發光方向與粒子的振動方向相同，固體的發光屬於簡諧振動發光；

二是軔致發光，是粒子的運動突然轉向時所產生的，粒子所輻射的光能量與它的急動度（加速度對時間的微分）成正比，發光方向與粒子的速度方向相同，原子的發光就屬於此類（其特征是：電子的橢圓軌道運動），X射線譜也屬於此類；

三是運動發光，是粒子在以太中的運動所產生的，發光方向與粒子的速度方向相同，這種方式所產生的波的能量很弱，氣體發光就屬於此類，隻有當粒子的速度接近光速時，粒子所輻射的能量才比較明顯。

2.2. 射電波的產生

射電波是指電磁波的低頻波段，射電波一般是由自由電子產生的，與原子核及內層電子無關，下面以偶極子天線為例說明。

圖11.偶極子發射天線

如圖11所示，偶極子天線實際上就是兩根金屬棒的組合。天線的發射場分為遠場和近場，但遠場與近場具有本質的區別，偶極子天線上的電流是時變的，但它所激發的電磁場卻與靜態電磁場的特點完全相同。在天線周圍所產的電磁場（近場）可表示為（以振子中心為原點）：

，其中L是電偶極子天線的長度，它與靜態的電偶極子所產生的電場在形式上完全相同，但偶極子天線周圍的電磁波（遠場）可表示為：

，其中η是波阻抗。

可以看出：天線既能產生電磁場，也能產生電磁波，但場與波是有本質區別的，場是靜態的，是沒有波動的，最明顯的是沒有波動因子

，場是物質的屬性，是物質固有的，不存在傳播的問題，是與生俱有的，而波是介質密度的變化，是能量在介質中的傳播。在天線的發射場內，近場是電磁場，其中的電場隻與天線上的電勢有關，與電流無關，而磁場隻與天線中的電流有關，與電勢無關。也就是說，隻要存在凈電荷，一定存在電場，隻要存在電荷的運動，就一定存在磁場，但電磁波不同，它是電子振動產生的，與電子是否帶電無關。我們知道：天線的發射效率隻與駐波比有關，與電流和電壓的大小沒有關系，如果天線與發射機的阻抗不匹配，天線是不能有效發射電磁波的（但電磁場與阻抗是否匹配無關），那麼，電子是如何振動的呢？這要從導體中不能長期存在凈電荷說起。

當電源從導體的一端輸入電子時，由於密差的原因，電子就開始向外擴散，與其它流體的擴散原理相同，是密度波的傳播。由於導體內無法長期保存多餘的電子，多餘的電子必然會跑到導體的表面，就象氣球在水中的表現一樣（當氣球達到水面時，必然產生振蕩）。為什麼電磁波的產生與駐波比有關呢？所謂的駐波其實就是電子的密度波，當電子的密度波疊加時，電子的振蕩幅度會明顯的加強，所產生的輻射會明顯增加，電子密度最大的地方就是電磁波輻射最強之處。

必須說明的是：電磁場與電磁波沒有關系，是兩種完全不同的概念，例如：一根直導線，當它通入電流時，由於存在電子的運動，它周圍就會存在磁場，如果電流是時變的，它周圍的磁場也是時變的，但是這個時變的磁場卻不能產生電場，那麼，導線周圍的電場是如何產生的呢？是電荷的密度產生的！可表示為：

。雖然無限長直導線的磁場與電場的關系符合麥克斯韋方程（如果導線不是直的或無限長，方程不成立），但電場確實不是磁場產生的。再舉一個例子，如圖12所示是一個帶有線圈的磁棒，如果線圈中通入時變電流，則磁棒周圍就會產生變化的電場和變化的磁場，但是，如果把線圈屏蔽，周圍將檢測不到電磁波的存在（因為沒有電子的振動），而周圍的時變電場和時變磁場卻不受影響，而且符合麥克斯韋方程。

圖12.隻能產生電磁場的天線

可見，把電磁波當作電磁場的振蕩是歷史原因造成的，是科學發展的必然過程，在沒有電荷的真空中，是不存電磁場的，麥克斯韋方程的成立也必須有電荷的存在，沒有電荷就沒有電場，沒有電荷的運動就沒有磁場。電磁場與電磁波可以是同源的，也就是說，同一個波源即可以產生電磁場，也可以產生電磁波，但二者卻具有完全不同的性質：

A. 電磁場隻能存在於源的附近，但電磁波卻可以存在於遠離源的地方；

B. 電磁場不能脫離源而存在，但電磁波卻可以；

C. 電磁場中不存在相位因子e^(-jkr)，但電磁波中一定存在相位因子。

D. 交變的電磁場與電磁波都能使電子產生振動，但電磁場的作用與電子所帶電荷有關，而且隻能作用於帶粒子，而電磁波的作用與電子所帶電荷無關，可作用於任何粒子，例如，激光可以冷卻任何粒子，不論粒子是否帶電。

2.3. 熱致發光

熱致發光是最常見的發光形式，現在最流行的理論就是振動躍遷，但振動是如何躍遷的呢？沒有人描述。實際上，熱致發光與熱噪聲的原理是一樣的，無論是光或聲，其頻率都是物體（或粒子）振動的頻率。

任何物體隻要溫度相同，熱致發光的頻譜都基本相同，也就是說，光的頻譜隻與溫度有關，而原子振動的頻率也隻與溫度有關，與原子的類型無關。但是，怎樣證明物體輻射的頻率就是原子振動的頻率呢？

證明物體輻射的頻率就是原子振動的頻率的思路：首先找出粒子最大動能密度所對應的振動頻率，然後找出物體輻射的最大密度譜所對應的頻率，如果兩個頻率相等，就可以說明。當物體熱致發光時，原子一般處於基態（核外電子都處於基態軌道上），可以把原子看成一個整體，不需考慮電子的作用，特別是固體，電子沒有存在激態的空間，也就沒有電子躍遷的可能。

2.3.1. 氣體狀態下的熱致發光

根據麥克斯韋-波爾茲曼函數

，由於F(v)的物理意義是：當溫度T一定時，單位速度范圍的粒子所占的比例數，因此粒子的動能密度分佈函數可表示為

，平均動能可表示為

，其物理意義是加權平均值。

令

，可得

，也就是說，當

時，粒子的動能密度最大。由於氣體的輻射頻率與氣體粒子速度的關系為

，因此，當粒子的振動頻率為

時，氣體的輻射能力最強。

證明的第一步已完成，但最大密度譜所對應的頻率比較難求，因為我們測量到的最大密度譜所對應的頻率有兩個，一個是以波長為單位的光譜輻射dE/dλ，其峰值符合維恩定律：,另一個是以頻率為單位的光譜輻射dE/df，其峰值為f=5.879×10^10T。

同一個輻射隻能有一個最大值，怎麼會出現兩個最大值呢？之所以單位波長的峰值功率與單位頻率的峰值不同，是由於所取的間隔不是常量造成的，因此，可定義單位頻寬解決。

根據黑體輻射定律，單位波長的功率密度譜為

、單位頻率的功率密度譜為

，由於能量的輻射率

，因此，

，定義

為單位頻寬，則單位頻寬的功率譜密度為

，可以求出：單位頻寬的功率密度最大時f=3.92kT/h。

可以看出，粒子的最大動能密度處的頻率為f=4kT/h，而輻射波的最大能量密度處的頻率為f=3.92kT/h，二者並不相等，但相差不大，為什麼呢？

圖13.維恩曲線與普朗克曲線的比較(Mathematics圖)

從上面的推導過程可以看出：粒子的最大動能密度處的頻率采用的是麥克斯韋-波爾茲曼函數，而輻射波的最大能量密度處的頻率采用的是黑體輻射定律，但黑體輻射定律是從固體的實驗中總結出來的，難道固體的黑體輻射定律與氣體不同？假設氣體單位頻寬的黑體輻射符合

（本文稱為維恩曲線），可以求出：單位頻寬的功率密度最大時f=4kT/h，圖13是兩種曲線的比較。

為什麼固體與氣體所輻射的能量密度曲線會不同呢？

首先，實驗用黑體都是固體（氣體的輻射太弱），在固體中，原子並不是孤立的，原子間相互影響。可以猜測：如果不考慮原子間的相互影響，黑體的能量輻射譜符合維恩曲線，但當考慮相互影響時，黑體輻射符合普朗克曲線，也就是說，固體輻射符合普朗克曲線，而氣體輻射符合維恩曲線。其原因可能是：由於原子共振時

，原子的振動能量與頻率成正比，當溫度一定時，由於振動頻率高的原子振動幅度小，原子之間的聯系性不強，其頻率分佈方式趨向於氣體，但振動頻率低的原子，它的振幅較大，結果是相鄰原子之間的聯系增強，也就是說，相鄰原子振動的頻率趨於一致，其振動頻率的分佈與氣體有一定的差別。這可能就是維恩曲線與普朗克曲線在高頻時相同，低頻時有一定差異的原因。

2.3.2. 固體的熱致發光

對於固體如何證明原子的振動頻率與它所輻射的頻率相等呢？由於現代科技還無法直接測量固體中原子的振動頻率和振動幅度，也無法知道原子的振動頻率的分佈規律，因此，無法求出原子最大能量密度處的頻率，隻能求出原子的平均振動頻率。

由於固體中原子的平動和轉動能量可以忽略，也就是說，原子隻存在振動能量。設原子的振動方程為

，則原子振動的能量為

，由於

，可以得出每個原子的平均能量為E=hf/2，由於固體的內能是由原子的振動產生的，根據能量均分定理，原子的自由度為3，因此，它的平均能量為E=1.5kT，由此可得原子振動的平均頻率為3kT/h。

在氣體中，由於氣體粒子的均方根速率為

，粒子的平均平動動能為E=1.5kT，由於

，可得出粒子的平均振動頻率也為3kT/h，其平均動能也可表示為E=hf/2。

可見，不管是固體還是氣體，當溫度一定時，粒子的平振動頻率都是3kT/h，但粒子的最大動能密度處的頻率稍有差別。

固體輻射的平均（加權）頻率是多少呢？

如果所分析的固體是一黑體，要想求出黑體所輻射的加權平均頻率，就必須知道數密度分佈。假設黑體所輻射的能量是由一個個能量為hf的光子所組成，當黑體的溫度為T時，在單位時間、單位面積所輻射的總光子數為N。由於單位頻率功率密度譜

，則單位頻率內的光子數密度為

。設B(f,T)為光子數密度函數，歸一化後可表示為：

，則黑體輻射的平均（加權）頻率可表示為

。

可以看出：固體中粒子的平振動頻率與黑體輻射的平均（加權）頻率並不完全相等，但也相差不大，其原因是：固體中的平振動頻率是按照能量均分定理求出的，實際上，能量均量均分定理在固體中隻是近似成立。如果氣體的輻射符合維恩曲線

，可以計算出它的輻射平均（加權）頻率恰好是3kT/h。

2.3.3. 小結

對於熱致發光，雖然沒有嚴格證明光的頻率就是原子振動的頻率，但也相差不大。可以認為：氣體的熱致發光是原子運動產生的，屬於運動發光，與電子無關，其輻射譜符合維恩曲線。固體的熱致發光是原子振動產生的，也與電子無關（此時的電子處於基態）。原子所輻射的能量隻與原子振動頻率有關，而與原子的振動幅度無關。由於粒子振動方向是可變的，因此，能量是一份一份的。物體的輻射頻率與原子的振動頻率相等，原子的振動能量經過以太傳播出來就是輻射，與聲音的產生與傳播原理是一樣的。

溫度與最大輻射能量密度時的頻率及波長應該是對應關系，而且隻能是一個，因此，對於黑體，本文定義：溫度與峰值功率時的頻率和波長關系為：

，

，不再區分dE/dλ和dE/df，例如：太陽的表面溫度為5800 K，則太陽輻射的峰值頻率為：4.375×1014 Hz，峰值波長為：6.33×10-7 m。

需要說明的是：聲與光的產生也存在不同之處：聲波的平均能量密度與振幅A和角頻率ω都有關系：

，但光波的能量隻與頻率有關，這是為什麼呢？因為微觀粒子與宏觀物體的振動是有區別的，宏觀物體的振動一般是需要外力的，例如，鑼不敲不響，外力越大，振幅越大。但微觀粒子的振動是不需外力的，是自主振動，是按照自身的固有頻率振動，而且符合

。

2.4. 原子發光

熱致發光一般與電子無關，因為原子一般處於基態，但原子的發光指的就是原子處於激發態時的發光。原子發光屬於軔致發光，是電子繞核運動時在近核點產生的，與空氣中的“響鞭”（一種民間運動）具有相似的原理。

2.4.1. 原子的基態

與主流不同，本文認為：任何原子的核外電子都有確定的軌道，其軌道的分佈遵循兩個原則：

一是軌道共振原則，指的是任何電子繞核運動時，其共振頻率

與軌道頻率

相等或倍數，當二者相等，也就是軌道角動量L=mvr=ħ（ħ為約化普朗克常數）時，稱之為軌道共振，當L=2ħ

時（共振頻率是軌道頻率的2倍），稱為準軌道共振。隻要電子繞核運行，電子必然會選擇一個共振軌道或準共振軌道。因此，本文作如下假設：

第一，任何基態原子，第一層電子數不超過2個，其軌道角動量等於ħ，其它任何軌道的角動量都等於2ħ。

第二，能量最低原則，在不違背軌道共振原則的前提下，電子盡可能先占據能量較低的軌道，使原子體系的總能量最低。它包含兩個方面的內容：

1、每個電子占據一個軌道，其軌道總是處於其它電子屏蔽最小的空間；

2、電子軌道的分佈方式總是使整個原子的能量最低。

根據這兩個假設可以推斷出原子的核外電子分佈：

A. 氫原子

氫原子是最簡單的原子，其軌道參數為：角動量L=ħ，根據靜電力與離心力相等，可以導出軌道速度

= 2.19×106 m/s，半徑r=ħ/mv= 52.9 p m，能量E=0.5mv^2= -13.6 ev。氫原子的電子軌道平面也會以原子核為中心轉動，形成所謂的“電子雲”，如圖14所示。

圖14.氫原子的電子軌道示意圖

B. 氦原子

根據能量最低原則，兩個電子的軌道平面必然相互垂直（因為隻有相互垂直才能使電子間的屏蔽系數最小），軌道參數相同，相位差為180度（指電子通過頂點時的相位），如圖15所示。圖中E、F為軌道的兩個頂點，兩個頂點的連線稱為中軸線，也是兩個軌道平面的交叉線。

圖15.氦原子的軌道模型

設兩電子的軌道半徑均為r，當兩個電子的位置處於E、F兩點時，電子之間的斥力為

，也就是說，電子之間的最小屏蔽系數為0.25，當兩個電子處於A、D（或C、B）兩點時，它們之間的斥力最大為

，在x和z軸方向的分力為

，其最大屏蔽系數為0.35，可以認為：氦原子基態時兩電子間的平均屏蔽系數為 (0.25+0.35)/2= 0.30，與斯萊脫規則相一致，可以得出電子的引力系數X= 2- 0.3= 1.7。根據引力與離心力相等：

和電子的角動量等於ħ，可得：軌道速度

= 3.72×106 m/s，軌道半徑r=ħ/mv= 31.1 pm，軌道周期T=2πr/v= 0.052 fs，軌道能量E=-0.5mv^2= -39.34 ev（實驗值為39.5 ev），所得出的基態能量-78.68 ev比利用微擾法或變分法都要原理清晰、方法簡單、結果準確（誤差為0.4%），說明瞭軌道模型的正確性。

另一種方法是根據電離能：由於在同一電子層中的兩個電子相互影響，當其中的一個電子脫離基態被電離時，另一個電子的軌道會收縮，屏蔽系數會增大，從而使被電離電子的勢能變大。當氦原子的兩個電子處於基態時，已知第一電離能D1= 24.59 ev，設兩個電子的軌道能量均為x，電離前系統的總能量為2x + 24.59，電離後，被電離的電子能量為0，另一個電子的軌道參數也發生瞭變化：由於角動量還是ħ，但引力系數變為2，則半徑變為玻爾半徑的一半，能量變為氫原子能量的4倍，即 -54.4ev，由於能量守恒：x= (-54.4- 24.59)/2= -39.5 ev ，可得基態時電子的速度為

= 3.727×106 m/s，軌道半徑r=ħ/mv= 31.06 pm，屏蔽系數

= 0.297（r0= 52.9 pm）。

C. 鋰原子

如圖16所示，兩個內軌道電子的軌道結構與氦原子一樣，兩個軌道平面相互垂直，半徑相等，而外電子軌道的平面與內電子軌道的平面夾角均為45度，處於兩個內電子軌道平面的平分線上，三個軌道平面相交於中軸線。

圖16.鋰原子的軌道平面模型

兩個內電子軌道參數的計算方法與氦原子一樣，可以利用斯萊脫規則：軌道速度

= 5.91×106 m/s，軌道半徑r=ħ/mv= 19.6 pm，軌道周期T=2πr/v= 0.021 fs，軌道能量E=-0.5mv^2= – 99.18 ev。也可以利用電離能：鋰原子的第二電離能為-75.65 ev，第三電離能為-122.47 ev，二者的平均值即為軌道能量E= -99.06 ev，速度

= 5.903×106 m/s，半徑r=ħ/mv= 19.61 pm。

對於外軌道電子的參數，可用三種方法求出：

第一種，根據斯萊脫規則，內層電子對外層電子的屏蔽系數約為0.85，可得外層電子的引力系數X= 3- 2×0.85= 1.3，根據電子的角動量為2ħ可得：電子的速度

= 1.42×106 m/s，半徑r=ħ/mv= 163 pm，軌道周期T=2πr/v= 0.7 fs，軌道能量E=-0.5mv^2= -5.7 ev。

第二種，根據電離能，已知鋰原子的第一電離能為5.39 ev，由於軌道能量與電離能相等，可得軌道速1.377×106 m/s，軌道半徑 168.13 pm，引力系數X= 4r0/r= 1.26，屏蔽系數 0.87。

第三種，根據光譜值，已知鋰原子的第一線系限波長為 λ= 229.96 nm，所對應的就是外軌道電子的軌道周期 T=λ/c=0.767 fs，由於mvr=2ħ，v/r=2π/T，可求出軌道速度

= 1.377×106 m/s，半徑

= 168.13 pm。

可見，根據電離能和光譜值所得出的結果完全一樣。斯萊脫規則是估算值，精確度較低，計算出的鋰原子基態能量為 -99.18×2 – 5.7= -204.06 ev（誤差為0.27%），但比雙參數微擾法簡單得多。

2.4.2. 光譜產生的原理

與躍遷理論（該理論認為光是由電子的躍遷產生的）不同，本文認為：原子的發光是由於核外電子的橢圓運動產生的，屬於軔致發光，是驟然改變物體的速度方向而產生的。電子在近核點的加速度最大，速度最高，發光也最強，發光方向為電子運動的切線方向。電子在不同的軌道上運動所發出的光的頻率不同，但在基態或線系限軌道（指圓形軌道）上運動時不發光。電子每電離一次，在復合的過程中，都會發出一系列的光。電子橢圓運動時所發出的光是脈沖形式的（主要集中在近核區發光），但周期性的脈沖就是連續的光波，光的頻率就是電子的軌道頻率。隻要電子在橢圓軌道上運動，原子就能發光，其發光強度與電子的急動度成正比。原子在基態時，電子是圓周運動，其軌道沒有急動度，也就沒有輻射，但當原子受激時，外層電子的軌道將產生偏心，從而產生光譜，這裡作如下假設：

A. 每一個激發態對應一個線系；

B. 同一個激發態中的軌道角動量都相等；

C. 電子的每個橢圓軌道與光譜值都一一對應；

D. 軌道角動量的取值為：2^(1/3)、8^(1/3)、18^(1/3)、32^(1/3)等。

根據上述假設，氫原子激態時的軌道示意圖如圖17所示，軌道參數如表2所示。

圖17.氫原子的軌道示意圖（紅色是基態軌道，黃色為第一激態，綠色為第二激態，藍色為第三激態）表2.氫原子的軌道參數與光譜

2.4.3. 小結

任何原子中的電子都有確定的軌道（如果沒有確定的軌道，它的能級從何而來呢？），其參數是由共振原則與能量最低原則確定的，當原子由於某種原因（例如：碰撞、電磁場或電磁波的擾動等）被激發後，電子隻是暫時不在能量最低的軌道上運動，但能量最低原則並沒有失效，電子總的趨勢仍然是向能量最低的軌道過渡，隻是在某些特定的橢圓軌道（與系限軌道的周期具有整數比）上停留的時間較長，與行星或衛星的軌道共振具有一定的相似性（但原理不同）。

2.5. 激光

學界主流對激光產生的描述仍然采用的是躍遷理論，但對原子處於某個能級時的物理狀態則是隻字不提，例如，核外電子的軌道參數等。如果電子處於不確定狀態，它為什麼會有確定的能量？因此，這種理論隻能是一種假說。本文認為：激光就是某種粒子的共振所產生的。

宇宙的大多數物質都是有彈性的，大到行星小到原子，幾乎都能以一個或多個固有頻率來振動。共振是物理學上的一個運用頻率非常高的專業術語，不僅在物理學上運用頻率非常高，而且共振現象也是一種宇宙間最普遍和最頻繁的自然現象，所以在某種程度上甚至可以這麼說，是共振產生瞭宇宙和世間萬物，沒有共振就沒有世界。

2.5.1. 紅寶石激光器

紅寶石激光器是世界上第一臺激光器，工作物質是紅寶石棒，其基質是Al2O3，內摻有約0.05%的Cr2O3，Cr3+在晶體中取代Al3+位置而均勻分佈在其中，在氙燈照射下，有波長為694.3 nm的激光輸出。

傳統理論認為：紅寶石晶體中原來處於基態E1的粒子，吸收瞭Xe燈（波長為500 nm）發射的光子而被激發到E3能級。粒子在E3能級的平均壽命很短（約10-9秒）。大部分粒子通過無輻射躍遷到達激光上能級E2。粒子在E2能級的壽命很長，可達3×10-3秒。所以在E2能級上積累起大量粒子，形成E2和E1之間的粒子數反轉，此時晶體對頻率f滿足hf= E2—E1（其中h為普朗克常數，E2、E1分別為激光上、下能級的能量）的光子有放大作用，即對該頻率的光有增益。當增益G足夠大，能滿足閾值條件時，在部分反射鏡端會有波長為0.6943微米的激光輸出。

但是，紅寶石晶體中處於基態E1的Cr2O3是什麼狀態？E2和E3又是什麼狀態？是怎樣激發的？如何描述？為什麼晶體對頻率f滿足hf= E2—E1的光子有放大作用？

本文認為：固體中的電子是很難存在激發態的，因為它沒有足夠大的空間，如果電子被激發，化學鍵就會被破壞，因此，固體發光隻能是原子的振動，與電子無關。694.3 nm應該是鉻原子的共振頻率，而500 nm是鋁原子的共振頻率。氙燈的照射隻是增加瞭鋁原子的振動能量，而氧原子隻是起到橋梁的作用，從而導致這兩種粒子有不同的振動頻率。如果把Cr原子的振動能量形成的波再反饋回來，在以太的作用下，就可以形成眾多Cr粒子的同相共振，這就是激光。

2.5.2. 二氧化碳激光器

在量子力學中，二氧化碳的發光被描述為振動能量的躍遷，但是，振動能量如何躍遷呢？振動能量躍遷就可以產生光子嗎？沒有人描述。

二氧化碳雖然是氣體，但二氧化碳在產生激光的過程中，氧原子和碳原子都不存在激發態，二氧化碳更沒有激發態可言。CO2分子形狀是直線形的，它的振動包括對稱伸縮振動、不對稱伸縮振動和形變振動，如圖18所示。

圖18. CO2分子的振動方式

如果說對稱伸縮振動是基態，不對稱伸縮振動是第一激發態，那麼，從不對稱振動變為對稱振動就可以產生光嗎？本文認為：二氧化碳的發光是簡諧振動發光，1060 nm的波長就是不對稱伸縮振動產生的，它是CO2的固有振動波長，與電子無關，所謂的振動能量躍遷純屬子虛烏有。

2.5.3. 自由電子激光器

傳統理論認為：自由電子激光是通過自由電子和光輻射的相互作用，電子將能量轉送給輻射而使輻射強度增大。

但是，自由電子是如何與光輻射相互作用的？電子又是如何把能量傳送給光子的？一個速度慢的物體能夠給速度快的物體傳送能量麼？

本文認為：當電子在扭擺器（或波蕩器）中運動時，電子運動的軌跡類似於正弦波，如圖19所示，當電子處於波峰時，急動度最大，輻射量也最大，輻射方向為電子運動的切線方向，屬於典型的軔致輻射。自由電子激光是線偏振光，而且偏振方向在電子運動的平面內，並與電子的振動方向相同，這也是發光源橫向運動的典型例子。

圖19. 自由電子激光

電子所輻射的光是脈沖形式的，如果是單個電子，所輻射光的頻率等於電子振動頻率的2倍，但如果在一個周期內有n個間隔相同的電子，所輻射的光的頻率就等於電子振動頻率的2n倍，如果電子的間隔是隨機的，所輻射的就不是單色光。

3. 光的傳播

3.1. 光子是什麼？

主流理論認為：光子是光線中攜帶能量的粒子，是傳遞電磁相互作用的基本粒子，是一種規范的玻色子。但在愛因斯坦晚年的時候，仍對光子的概念困惑不已，他說：“我認真思考瞭五十年，光子是什麼？但是並沒有找到答案”。

3.1.1. 光子不是真正的粒子

證明光子存在的實驗主要有光電效應和康普頓效應。但是如果假設光子是光線中攜帶能量的粒子，就會產生如下邏輯混亂：

A. 一個光子在空間上是一個點，還是一定范圍的分佈？如果是一個點，相幹性就難以理解瞭，如果是一定范圍的分佈，那麼多大范圍？如何分佈？為什麼人們從來沒觀察到光子與光子相撞的現象！

B. 光子的頻率越高，光通過三棱鏡後的偏轉角越大，但如果按照光子說則應該是：頻率越高偏轉角越小！因為頻率越高的光子，動能或動量越大，改變方向的難度也就越大，因此，光的折射無法用光子進行解釋。

C. 光在空氣中的速度約為30萬千米/秒，在玻璃中約為20萬千米/秒。當光子從玻璃出來再次進入空氣時，速度瞬時增加瞭50％，同時運動方向也發生瞭突變，這並不是粒子所具備的特性，也不符合動量守恒。

D. 如果光是粒子，在介質中，其速度應該會隨運動距離的增加而降低，但光在均勻介質中的速度卻是恒定的。

E. 任何黑體所輻射的頻率譜在頻率上都是連續的，根黑體輻射定理可以求出每Hz頻寬內的輻射度，這種頻率分佈特性是無法用單一頻率的光子來解釋的。例如，天狼星是全天空最亮的恒星（太陽除外），它的總光度為9.77×1027 w，在地球上，每平方毫米能夠接收到天狼星的光功率為1.18×10-13 w，如果換算成500 nm的光子，約為30萬個。假設天狼星的頻譜范圍是200-800 nm，光子在這個頻譜范圍平均分配，可以計算出在1秒時間內，每間隔3.8×109 Hz才存在一個光子，但實際上天狼星的光卻是連續的。同樣的條件下，在地球上每平方毫米能夠接收到太陽的光功率為1.36 mw，可以計算出每Hz才存在3個光子，如果接收的時間變短，每Hz存在的光子數更少，但不論接收太陽光的持續時間是多少，太陽光的頻譜都是連續的。

F. 光的幹涉和衍射現象都不能用光子解釋，相位相反的光子疊加後，光子哪裡去瞭？

G. 如果光是由光子組成的，單個光子的波動模式就無法理解（如果光子是波形運動，光子的實際運動路徑的速度將大於光速，如果光子不波動，光的偏振就無法解釋），半波損失就更不可理解瞭。

H. 證明光是粒子的實驗並不能讓人信服，例如，發生光電效應時，光的頻率存在一個范圍，隨著光頻率的升高，光電效應現象反而不明顯，明顯的是康普頓現象，這說明把光當作粒子是存在問題的。再如，在康普頓實驗中，與電子水平相撞的光子，可以使電子獲得比光子還要大的動量，最可疑的是這個電子還無法逸出（不發生光電效應）。

I. 量子力學認為：光子是基本粒子，但為什麼光子的能量還會與光波的頻率有關呢？光子又是如何波動的呢？

可見，光具有粒子性，但光並不是由光子組成的，因為光的所有性質，超聲波都具有，如果產生超聲波的源存在橫向運動，超聲波也會偏振。如果承認以太的存在，就沒有光子存在的必要。

3.1.2. 光子與聲子的比較

光是以太中傳播的波，光子是假想的粒子，與聲子（用來描述晶格的簡諧振動）一樣，是用來描述以太中體積元的簡諧振動，光子不是一個真正的粒子，光子也可以產生和消滅。光子與聲子的比較如表3所示：

表3.光子與聲子的比較

聲子存在於微觀的晶格之中。由於空氣分子相距遙遠，它們之間沒有明顯的彈性聯系，不能形成集體激發，也就不能有效傳遞聲子的振動。既然空氣中沒有明顯存在的聲子，為什麼以太中能夠存在光子呢？實際上，在氣體中，能否形成集體激發主要與輸入波的頻率有關，在空氣中，當輸入的頻率大於1 GHz時將會存在聲子特征，在以太中，隻有當輸入的頻率大於10000 GHz時才會存在光子的特征。

3.1.3. 光子的定義

用定義聲子的方法去定義光子，確實可以解釋一部分物理現象，但是，光與聲的產生是有區別的，宏觀物體的振動屬於強迫振動，是外力推動的，而微觀粒子的振動是自主振動的。因此，聲子與光子的定義應該有所不同。

假設光是以太中傳播的波，由於以太可以看作是理想氣體，屬於彈性介質，符合機械波的一般性質，在波動過程中，任一質元的動能和勢能相等，且同相位變化，單個質元的機械能可表示為：

。

根據微觀粒子熱運動的規律：

，當粒子的質量一定時，

就是一個常數。假設產生光的粒子是電子，則

= 0.00073，由於波的振幅和頻率都是由波源決定的，與介質無關，因此，介質中的

也是常數。

如果我們定義一個光子的能量為hf，則一個光子的體積就可以確定：

，其中，m表示粒子的質量，ρ表示以太的密度。如果是電子振動產生的光，則光子的體積為7.25×10-25 m3，其中包含瞭13.1億個以太粒子。假設光子是球形，則光子的半徑為5.57 nm。

根據上述描述，我們可以定義：光子是以太介質中，體積為7.25×10-25 m3的質元（質量單元）在平衡位置時的能量（包括動能和勢能）。從宏觀上，這個質元足夠小，可以當作點粒子，但從微觀上，它又足夠大，包括瞭13億個以太粒子，因此，它具有波粒子二象性。根據這個定義，可以解釋3.1.1節中提出的所有問題，而且符合量子力學中的定義，例如，光子是基本粒子等。

光子的物理意義是：一個光子代表一定體積的質元在平衡位置時的瞬時能量。

關於光子的質量，可以作如下解釋：光子代表的是能量，與質量是兩個不同的物理概念。但歷史上把光子看成粒子，它應該有質量，如果對光子的質量進行定義，本文認為：光子的質量可分為絕對質量與相對質量，絕對質量是指質元的絕對質量，也就是13億個以太粒子的質量，而相對質量是指質元相對以太的質量，應該為0，與在空氣中稱量空氣具有相同的原理，但是，如果質元被壓縮，它應該有相對質量，這就是光子的動質量，光子的能量越大，代表質元的密度越大，其相對質量也越大。

3.2. 光的傳播方式

3.2.1. 波的分類

我們對波並沒有深入研究，在我們的教科書中，波簡單地分為縱波和橫波，縱波是指振動方向與傳播方向一致或平行的一類波，即媒介（質點）的運動方向同波的運動方向相同或相反，橫波是指質點的振動方向與波的傳播方向垂直，例如，空氣中的聲波就是縱波。但是，這種定義方法是欠妥的，難道自然界中就隻有縱波和橫波嗎？介質質點的運動方向即不與波的傳播方向平行、也不垂直的波是什麼波呢？

在介質中，質點的運動采用的是補位方式，當介質中出現空缺時，周圍的介質就會向空缺處運動，從而形成質點的振動傳播。一般情況下，質點的分佈是均勻的，當一個質點運動時，這個位置就會出現空缺，鄰近的質點就會向那裡運動去替補這個空缺，但並不是隻有某一個點去替補，而是周圍的所有質點都會向那裡運動，隻是運動的幅度不同。如果隻有一個方向的質點向那裡運動，這種波可以稱為縱波，但自然界中並沒有純正的縱波，也不是所有質點的運動方向都與波的傳播方向平行。

在實際的波中，質點的運動是復雜的，質點即不會與波的運動方向相平行，也不會相垂直，也不會是直線運動，而是橢圓運動，這樣的波本文定義為偏振波。

波如何分類呢？實際上，所有的波都是偏振波，包括固體介質中的波，也就是說，任何介質中質點的運動軌跡都是橢圓。這裡引入偏振度P的概念，並定義偏振度為：質點在垂直於傳播方向上與平行於傳播方向上的振動幅度之比。當P等於0時，為縱波，當P等於1時，為正偏振波（為瞭區別於教科書中的圓偏振波），當P等於無窮大時，為橫波。偏振波可以包含自然界中大多數的波，縱波和橫波隻是偏振波的兩個特殊形式。在縱波中，隻有在波傳播方向的中軸線上，質點的運動軌跡才是直線，其他方向上質點的運動都是橢圓。

波在傳播時，在波的傳播方向上一定存在質點的運動速度（質點在波傳播方向上的速度矢量不能為0），如果在某一個方向上沒有質點的運動速度，波也一定不會向這個方向傳播，也就是說，真正的橫波並不存在。例如，在地震波中，如果波源完全是橫向運動，即使有剪切力的存在，在震源的正上方，也不會有地震波的傳播。在實際的地震波中，質點在橫向的振動速度比縱向速度高，這也是地震波的速度隨著與波源距離的不同而不同的原因。

水面波就是典型的偏振波，水分子的運動軌跡就是橢圓，有的教科書中把水面波稱為橫波，但水分子的運動方向與波的傳播方向並不垂直，而是不斷地變化。在無限深液體自由表面進行波中，液體質點圍繞各自平衡位置作圓周運動，其半徑在自由表面上等於波幅（偏振度等於1），隨質點所處自由面下的深度而按指數律遞減。有限水深和淺水中的進行波，其流體質點運動的軌跡為具有水平長軸的橢圓（偏振度小於1）。橢圓的長軸和短軸都隨質點所處自由面下的深度而遞減，短軸比長軸遞減得更快，短軸在自由表面上等於波幅，遞減至底面時為零，水愈淺，橢圓愈扁，偏振度越小（部分摘自百度百科：液體自由表面波）。

在自然界中，很少存在單純的縱波或橫波，即使波源是單純的縱波，波在傳播過程中，並不是所有的質點都與波源的振動方向完全一致。如果單純的縱波存在，波就不會發散，就是理想的平面波。

3.2.2. 光是橫波嗎？

自然界中最常見的是偏振波，有些教科書中無法定義水面波的原因，就是由於其質點的運動方向既不與傳播方向平行也不垂直。在實際的橫波中，質點的運動方式並不是與波的傳播方向完全垂直，隻是偏振度較大。在流體中，不能傳播偏振度大於1的波，也就是說，流體中可以傳播偏振度等於或小於1的波，這就為以太的存在掃除瞭最大的障礙。對於波的理解，我們要根除非橫即縱的概念，自然界中即沒有單純的縱波，也沒有單純的橫波，光不是橫波，而是偏振度不大於1的偏振波。

為什麼光波中沒有縱波呢？即使在光傳播方向的中軸線上也不存在縱波，其原因是微觀粒子的振動方式與宏觀物體有所不同。對於宏觀物體，由於是原子的整體運動，而且它的振動是由外力產生的，例如，響鼓還要重錘敲，而外力是有方向性的。但微觀粒子不同，微觀粒子的振動並不需要外力，例如，任何大於零K的物體都能發光，不需要任何的外力，也就是說，微觀粒子的振動沒有方向性，微觀粒子發光時，其方向性也是隨機的。因此，光波中沒有縱波，主要是由於粒子發光的同時存在橫向振動，如果與聲音類比，相當於我們一邊走一邊敲鑼，從而使波傳播方向上的中軸線不復存在。水面波之所以是偏振波，就是因為波源的振動方向與傳播相垂直，也就是波源存在橫向運動。

光的偏振現象也證明瞭光的偏振隻與光源有關，而與傳播過程無關（電磁波的極化原理與此相同）。我們知道：電磁波的極化方式隻與發射天線的形狀有關，例如，偶極子天線，所產生的電磁波的極化方向一定與天線平行，而螺旋狀天線所產生的電磁波就是圓極化的。在自由電子激光器中，所產生的偏振光也隻與電子的運動狀態有關，其中的電子是以類似於正弦波的方式運動，它發出的光就是線偏振的，而且偏振方向與電子的運動平面相平行。

可見，偏振波是由波源的橫向運動引起的，與波的傳播無關。聲波產生時，如果波源沒有橫向運動，就表現出縱波的性質，但如果存在橫向運動就表現出橫波的性質。例如：一隻喇叭發音的同時作勻速圓周運動，這個喇叭所發出的聲音就是圓偏振波，如果喇叭作上下振動，所發出的聲音就是線偏振波。因此，電磁波雖然具有橫波的表象，但本質上與水面波一樣是偏振波，如果存在一個沒有橫向運動的發光源，光波也一定不會偏振，波是縱或是偏振的關鍵是波源，與傳播介質無關。

聲波是縱波，人們普遍認為聲波不可能存在偏振，但是，在2019年，來自美國加州大學伯克利分校、美國佐治亞理工學院以及中國同濟大學的合作研究團隊發現並通過實驗觀測證明：在垂直相幹的聲波中，每束聲波貢獻瞭局域速度場中的一個垂直分量，當局域速度場的兩個垂直分量相位相差90度時，該聲波的偏振發生旋轉，從而導致瞭聲波的自旋，因此，空氣中傳播的聲波也存在偏振現象。

河南民間有一種運動叫“響鞭”，在甩起鞭子時，力量會順著發力的方向，傳遞到鞭子的末梢，當鞭子的末梢達到一定的速度並突然改變方向時，鞭梢就會發出響亮的聲音，這種聲音就是線偏振波，偏振方向與鞭梢的運動平面平行。在發聲時，鞭梢的急動度（加速度對時間的導數）很大，發聲方向為物體運動的切線方向，產生聲音的鞭梢在縱向運動的同時，存在橫向運動，導致瞭聲音在傳播截面上的振動相位不同（縱波是同相的），從而使傳播介質發生旋轉。偏振波與縱波在流體中的傳播原理是一樣的，都是密度波的傳播，隻是介質中的質點運動方式不同。在縱波中，質點在平衡位置沿傳播方向振動，而偏振波中的質點沒有平衡位置，而且是橢圓運動。

因此，光既不是橫波，也不是縱波，是在以太中傳播的、偏振度不大於1的偏振波。

3.2.3. 光的傳播方式

有一位知乎網友SiCo發表瞭題目為《物理之美——終極理論的序章——基於以太的電磁波模型》的文章，他在文中寫到：“當我看到這個基於以太的模型的時候，一下子被震撼到瞭。這解釋瞭我若幹天以來對電磁波的若幹困惑：電磁波的形狀，電磁波怎麼傳輸，磁場和電場到底什麼關系，電磁波為什麼沒有能量耗散，電磁波的方向，所有的問題，被這個模型一下子就解決瞭。這個基於以太的電磁波模型，實在是太美瞭！這就是物理的美，甚至勝過數學的美！用一個形象驅動，遠勝過用一堆算式去推導”。這個模型的網址是：https://www.zhihu.com/zvideo/1314654672141819904。在此，對作者表示祟高的敬意。

3.2.4. 聲波能在以太中傳播嗎？

我們都知道聲音是不能在真空中傳播的，既然以太無處不在，為什麼以太不能傳播聲音呢？實際上，以太完全能夠傳播聲音，例如：所謂的“引力波”實際上就是天體碰撞產生的聲音，即使相隔幾萬光年也能傳播到地球上。

首先，原子核和電子在原子中的體積占比隻有百萬分之一，而能夠引起以太振動的粒子隻有電子和原子核，因此，不是以太不能傳播聲波，而是普通物質的振動在以太中產生的波動太弱。

其次，在低頻的情況下，以太沒有空氣的傳播能力強，在介質中，體積元的能量可表示為：

，可以看出：如果波的頻率和振幅相同，介質的密度起到決定作用，而空氣的密度是以太密度的一百萬倍，決定瞭低頻情況下，以太傳播聲音的能力比空氣弱一百萬倍。

綜合這兩個方面的因素，在我們的生活中，以太對聲音的傳播幾乎沒有作用，但聲音確實能夠在以太中傳播，如果聲音的頻率達到1 MHz，以太對聲音的傳播能力將大於空氣。

3.2.5. 光速不變的原因

很多的實驗都可以證明：光速不變而且與發射體的運動狀態無關，但所有的實驗都有一個前提，就是觀察者相對於傳播介質是靜止的，也就是說，隻有觀察者相對於傳播介質是靜止時，光速才是不變的。聲音也有同樣的性質：當觀察者相對於空氣靜止時，聲音的傳播速度也同樣與發射體的運動狀態無關，隻要空氣的溫度不變，聲音的速度就是確定的，這是經過很多實驗證明過的，與光速的性質完全一樣。如果觀察者相對於介質是運動的，所觀察到的速度就是可變的，例如：兩列相距為L、以相同速度V同向運行的高速列車A和B（A在前），在A車上聽到B車發出的聲音所需要的時間為：t1=L/(c-V)，在B車上聽到A車發出的聲音所需要的時間為：t2=L/(c+V)，其中，c為聲音在空氣中的傳播速度。觀察者在A車上觀察到的聲音速度是c-V，而在B車上觀察到的聲音速度是c+V。如果觀察者在地面，A和B車所發出的聲音速度都是c，而不管列車處於何處，也不管列車的速度是多少，對於觀察者來說，相對於傳播介質是否運動才是波速是否變化的根源。

著名的薩格納克效應就是一個觀察者相對於介質運動的例子。這個實驗與上述兩個高速列車具有相同的原理，在這個實驗中，光源與屏幕（觀察者）之間的距離不變，兩條光路的距離一樣，當這個平臺旋轉時，兩條光路的速度不一樣（相對於觀察者），從而導致兩束光到達屏幕的時間不同，使幹涉條紋發生移動。這個實驗證明瞭三點：一是幹涉條紋移動數與幹涉儀的角速度和環路所圍面積成正比，二是光的傳播需要介質，三是光相對於介質的傳播速度是恒定的。如果光的傳播沒有介質，薩格納克效應是無法解釋的。中日雙向時間傳遞實驗證明瞭地球自轉具有薩格納克效應，也證明瞭地球大氣層以外的以太是相對地球表面是運動的（地球表面的以太相對地球靜止）。對於觀察者來說，光源相對介質的移動和觀察者相對介質的移動不是等價的。

如果光的傳播不依靠介質，是解釋不瞭光子是如何發射的、如何達到光速的，也無法解釋光通過透明物體後光的速度是如何重新變快的。光既然是波，它就和所有的波一樣，是一種介質的波動。例如：在空氣介質中的聲音，盡管聲源振動的頻率有快有慢、振幅有大有小，但聲音的速度卻是恒定的，因為介質都有自己的內在固有屬性，除非溫度變化瞭，音速才會改變。同理，光也是波，傳播同樣需要介質，傳播速度取決於介質，而與光源無關，不管波動頻率和初始能量多大，隻要介質的性質不發生變化，光速就是恒定的。如果沒有介質，光在傳播過程中沒有任何速度恒定機制存在，而光的發射源和發射過程也沒有任何速度恒定機制，因此，沒有介質的光速是不可能恒定的。

我們知道：波在氣體中的傳播速度為：

，根據理想氣體的方程：

，可得：

。對於空氣，由於γ= 1.4，R= 8.31，M= 0.029 kg，則

。光與聲具有幾乎完全相同的性質，以太的氣體常數R= 8.31，1摩爾的以太質量為：M= 4.2×10-16 kg，γ= 5/3，同樣可以得出以太中的波速：

。

可以得出結論：光速不變的原因，一是由於它是在以太中傳播的波，傳播速度取決於以太的溫度；二是觀察者相對於以太必須是靜止的，如果觀察者相對以太不是靜止的，觀察者所觀察到的光速也會發生變化。在宇宙中，光速的值並不是恒定的。與音速一樣，光速的大小也依賴於介質的溫度，隻有介質的溫度不變時，光速才是恒定的，高密度星體附近的以太溫度高，光速值大。

3.3. 波的反射與透射

光的反射與透射不能用粒子學說解釋。假設一束光中有100個光子，以某個角度照射到玻璃上時，會有96個光子穿透玻璃，而另外4個光子則會發生反射。在光的部分反射現象中，反射率是一定的，也就是說不管測量多少次，結果依舊如此，那麼對於單個光子而言，當它來到玻璃上時，是如何做出選擇的呢？如果光子是基本粒子，每一個光子都是一模一樣的，那麼來到玻璃上的光子憑什麼能夠決定自己是應該穿過玻璃，還是反射回來呢？它怎麼能夠保證每穿過去96個，就反射回來4個呢？

主流對波的反射和透射是用著名唯象理論——惠更斯原理進行解釋的，惠更斯認為：波前的每一點可以認為是產生球面次波的點波源，而以後任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡。

但是，在任何均勻的介質中，同一個介質粒子的運動總在不斷地變化著，但介質粒子的速度向其傳播方向上的下一個介質粒子進行著大小不變的傳播。空間中每一個介質粒子，在介質粒子密度產生的屬性力的作用下，不斷地發生運動速度的改變，但對於同一個介質粒子而言，無論其速度為多少，傳播後一定能夠使下一個粒子獲得相同的速度，即介質粒子的速度在傳播過程中不會發生突變。正是因為均勻介質中的介質粒子間的等速傳播，並沒有造成空間介質粒子新的不平衡的分佈，所以，並不會因空間某個介質粒子的振動而形成新的波源，介質粒子還是傳播著由原始振源產生的波動。

可見，波在均勻介質中傳播時並不能產生次波，波前的每一點並不是產生球面次波的點波源，隻有在兩種介質的交界面上，才能產生次波。因此，惠更斯原理應該描述為：波源決定波的頻率、偏振、強度和方向，介質決定波的速度和衰減，在兩種介質交界面上的每一點，可以認為是產生球面次波的點波源，而以後任何時刻的波前則可看作是這些次波的包絡。

3.3.1. 聲波的反射與透射系數

圖20.聲波的反射與折射

如圖20所示，平面界面兩側是兩種介質：介質1和介質2，密度、聲速和特性阻抗分別為ρ1、ρ2，c1、c2，z1、z2，其中z1=cρ1，z2=cρ2，介質1中有一角頻率為ω的平面波入射到界面上，它的傳播方向與界面的法線成α角，透射方向與界面的法線成β角。

建立直角坐標系，使界面位於 x= 0處， 入射波的傳播方向在xy平面裡，入射波在邊界上會產生介質1中的反射波和介質2中的透射波。

設pi、pr、pt分別表示入射波、反射波、透射波的聲壓，Ai、Ar、At分別表示它們的幅度，入射波的聲壓可表示為：

，其中，

。根據聲壓與質點的速度關系可以得出：入射波在界面法向即x方向的質點速度分量是：

入射波在邊界上會產生介質1中的反射波和介質2中的透射波，反射波和透射波的聲壓以及x方向的質點速度為：

其中，

。

聲壓和聲速連續的邊界條件是：

1、兩種介質的聲壓在分界面處連續，即：

；

2、兩種介質在分界面處的法向聲速連續，即：

。

根據這兩個邊界條件和Snell定律：

，當x= 0，時：

。

可以得出聲壓反射系數：

，聲壓透射系數：

，其中，

，分別是入射波和透射波的法向聲阻抗，它們不但與介質有關，還與波的傳播方向有關。

3.3.2. 光波的反射與透射系數

光波與聲波具有非常相似的性質，其反射與透射系數的計算方法高度一致，所不同的是：光波的介質是以太，其密度在不同的介質中基本相同，也就是說，光波的特征阻抗隻與光的速度有關，而與介質密度無關。根據z=cρ，c1n1=c2n2和n1sinα=n2sinβ，可得：

光的反射系數

光的透射系數

。

光波與聲波還有一個不同點：光波是偏振的。因此，上面兩式僅僅適用於垂直於入射面的偏振波（因為這種偏振方向符合上述連續邊界條件）。但如果光波是平行於入射面的偏振波，由於介質質點是圓周運動，在兩種介質的界面上，存在兩種光壓：一個是與波的前向光壓，一個是波的橫向光壓，光壓的幅值為

，又由於入射光的偏振相位與反射光的相位相差為π，因此，在x= 0處的連續邊界條件為：

。

可以得出反射系數：

，

透射系數：

。

兩種偏振方式的比較如圖21所示。

圖21.兩種偏振方式的比較

從兩種偏振的比較可以看出：當入射波的偏振方向與入射面垂直（P光）時，光波與聲波具有完全相同的性質：

，但當偏振方向與入射面平行（S光）時，由於以太介質的圓周運動，在兩介質的交界面上除光波的前向振動外，還存在橫向振動，從而使

，特別是當入射角為佈儒斯特角時，Rs = 0。那麼，入射的平行光哪裡去瞭？實際上，當S光入射到界面時，由於以太是圓周運動，光波的橫向振動會對界面的壓強產生影響（P光入射到界面時，光波的橫向振動對界面的壓強沒有影響）。當入射角為佈儒斯特角時，在垂直於界面的方向，兩種介質的有效阻抗相等：

，因此，沒有反射波。但這部分波並沒有消失，而是在兩種介質的界面上傳播，這種波稱為凋落波。

上面的這四個公式，是菲涅耳當時是在研究彈性波如何通過二媒質界面這一問題時推導出來的，他的推導是建立在以太說的基礎上，是遠在麥克斯韋方程組之前就推導出瞭這套公式，非常遺憾的是：我沒有找到菲涅爾的原始推導過程（期望網友們的幫助，在此表示感謝），現代理論認為菲涅耳的以太理論基礎是錯誤的，應該以麥克斯韋電磁理論為基礎，但是，麥克斯韋電磁理論是“場”的理論，與“波”是風馬牛不相及，光與電場和磁場沒有關系。

3.4. 波的多普勒效應

多普勒效應是當波源與觀測點之間存在相對運動時，觀測點實際接收到的頻率並不等於波源實際頻率的現象。

3.4.1. 聲波的多普勒效應

聲波為什麼具有多普勒效應呢？聲波之所以會產生多普勒效應，是由於聲波傳播具有如下三個特征決定的：

A. 聲源與聲波之間存在速度的疊加

聲源與聲波速度的疊加指的是：產生聲音的物體，其相對於介質的運動速度與振動速度的疊加，當聲源相對於傳播介質的運動速度為零時，聲波與聲源之間的相對速度等於音速，當聲源相對於傳播介質的運動速度不為零時，聲源的運動速度與振動速度的疊加可使一個周期時間內的波長長度發生變化，這種波長的長度變化量等於聲源相對介質的運動速度乘以聲波的周期。與波源運動同向傳播的波，其波長是變短的，與聲源運動反向傳播的波，其波長是變長的。

B. 聲波的傳播速度隻與介質的物理性質有關，而與聲源的運動狀態無關。

在一定的物理條件下，無論聲源的運動狀態如何，聲波的傳播速度是不變的。聲速之所以與聲源的運動狀態無關，是因為聲波隻是能量傳遞的一種形式，一旦聲波離開聲源，聲源的運動對聲波不再起任何作用，聲波將依據介質的傳播特點進行傳播。

C. 接收者與聲波之間也存在速度的疊加

聲波的產生和接收過程相似，接收是產生的逆過程，在接收的過程中，如果接收者相對於傳播介質的運動速度不為零，接收者的運動速度與波動速度的疊加，也可使一個周期時間內的波長長度發生變化，這種波長的長度變化量等於接收者相對介質的運動速度乘以聲波的周期。與接收者運動同向傳播的波，其波長是變長的，與接收者運動反向傳播的波，其波長是變短的。當波源靜止，而觀察者以速度v靠近波源時，由於波源靜止，介質中聲波的頻率與波源頻率相等。根據接收頻率的定義（1s內連續通過接收者的完整波的個數），可以得出：1s內波傳播瞭s1=ux1，同時觀察者在1s內向前移動瞭s2=vx1。所以波在1s內相對於觀察者的傳播距離就是這兩段距離之和，因此，接收者所接收到的頻率：

，如圖22所示。

圖22.波源靜止時的多普勒效應（圖片來源於乞力馬紮羅山的雪B）

當波源相對於介質向右運動時，波源在運動過程中向四周發出聲波，等相位面就變成瞭一系列偏心圓環，沿著波源的運動方向，波長發生瞭壓縮，如圖23所示。

圖23.波源運動時的多普勒效應（圖片來源於乞力馬紮羅山的雪B）

如果波源靜止，S點發出的波經過一個周期以後傳播到A點，S點與A點之間的距離就是此時的波長λ。由於波源是運動的，當波傳輸到A點的時候，波源從S點運動到瞭S’點，它們之間的距離就等於波源的移動速度vs乘以運動周期T，根據波長的定義，S’點與A點之間的距離就是此時的波長：

，介質中聲波的頻率為

。

如果接收者相對介質是靜止的，所接收到的頻率與介質中的頻率相同，如果接收者相對於介質以速度v向著波源運動，則所接收的頻率為

，如果接收者相對介質與波源運動的運動方向相同，則所接收的頻率為

，當接收者與波源的相對速度為0，則不論波源相對介質的速度是多少，所接收的頻率總是與波源相等。

需要指出的是：波源相對介質的運動與接收者相對介質的運動不是等價的，例如，假設波源的頻率為f，當波源相對介質以0.5u的速度向接收者運動時，接收者相對介質靜止時所接收到的頻率為2f，但當波源相對介質靜止，而接收者以0.5u的速度向波源運動時所接收到的頻率為1.5f。

3.4.2. 光波的多普勒效應

學界主流認為，光波中的多普勒效應是相對論效應，是通過相對論的時空變換方程計算出光波頻率的變化量：

，其中，v是波源與接收者的相對速度（當相互靠近時v取正值，否則取負值）。

在相對論中，假設光速不變，而且是相對任何慣性參考系都不變的物理量，這種假設已經超出瞭人們對速度概念的認知。依照光速不變性原理和相對性原理，如果波源的頻率不變，而光波的速度又與光源的是否運動無關，因此，光的波長是不可能變化的，多普勒效應也就失去瞭存在的理論基礎。光速不變是可以理解的，因為聲速也是不變的，但速度是必須存在參考系的，聲速不變指的就是相對於介質，沒有參考系就沒有速度。薩格納克效應已經證明：當觀察者相對介質運動時，光速是可變的，波源與觀察者的運動並不等價。因此，相對論也就失去它的理論基礎，通過時空變換方程推導出的光波頻率變化量也必然是錯誤的。

但是，要想證明這是一個錯誤是非常困難的，例如：頻率為10 GHz的波源以1000 m/s的速度運動時，計算所接收到的頻率差，如果以聲波中的多普勒公式所計算的結果是：

= 33356.52 Hz，如果以光波中的多普勒公式所計算的結果是：

= 33356.47 Hz，前面的5位數都是一樣的，現代的技術水平還不能分辨出誰對誰錯。

隨著技術的發展，真相總有大白的時候，相信光波的多普勒效應的原理與聲波完全一樣，計算方法也應該是完全一樣的。

任何物理現象，必然存在物理過程。在聲波中，多普勒效應產生的物理過程非常清晰，而在光波中，隻存在坐標系的變換和數學上的推導，卻沒有物理過程的說明。聲源相對於聲波可以有相對速度的疊加和變化，這種相對速度的疊加和變化才是多普勒現象產生的原因，而相對性原理和光速不變原理根本不容許光源與光波有相對速度的疊加和變化，既然沒有相對速度的疊加和變化，那麼類似於聲波傳播中發生的多普勒效應又如何在光波傳播中發生呢?光波波長又如何變化呢？

3.5. 波的薩格納克效應

薩格納克效應是指1913年薩格納克發明的一種可以旋轉的環形幹涉儀。將同一光源發出的一束光分解為兩束，讓它們在同一個環路內沿相反方向循行一周後會合，然後在屏幕上產生幹涉，當在環路平面內有旋轉角速度時，屏幕上的幹涉條紋將會發生移動，如圖24所示，這就是薩格納克效應，薩格納克效應中條紋移動數與幹涉儀的角速度和環路所圍面積成正比。

圖24.薩格納克環形幹涉儀

薩格納克效應產生的原因是介質的相對運動，是光源和觀察者相對靜止，介質運動所產生的現象。與多普勒效應恰好相反，多普勒效應一般定義介質是靜止的，在坐標系的選擇上，也是選擇介質作為參考系。但薩格納克效應不同，一般定義觀察者或波源是靜止的，在坐標系的選擇上，可選擇觀察者作為參考系，但這兩種效應的本質是相同的。多普勒效應一般應用於頻率或波長的變化，而薩格納克效應一般應用於傳播時間或傳播速度的變化。

3.5.1. 聲波中的薩格納克效應

光與聲是一樣的，隻要是光波中所具有的性質，聲波中也同樣具有。超聲波測量風速實際上利用的就是薩格納克效應，它的基本原理是：超聲波在空氣中傳播時，順風與逆風方向傳播存在一個速度差，當傳播固定的距離時，此速度差反映成一個時間差，這個時間差與待測風速具有線性關系，通過測量兩個方向上超聲波到達時間，即可得出超聲波在順風和逆風下的傳播速度，經過計算即可得到風速值。

3.5.2. 薩格納克值的計算

薩格納克值指的是：當介質的運動速度相對觀察者為v時，波從A點到B點所需要的時間，減去當介質相對觀察者靜止時波從A點到B點所需要的時間。也就是說，薩格納克值就是由於介質的運動所產生的時間差。當介質的速度方向與波的傳播方向存在夾角時，速度值取它在傳播方向上的投影（餘弦值）。

A. 聲波中的薩格納克值

如圖25所示，A點是聲源，B點是觀察點，AB兩點的距離為L，介質速度為v，波的傳播速度為c。

圖25.聲波中的薩格納克現象

當介質相對觀察者靜止時，從A傳播到B的時間為T=L/c，如果介質速度為v，其傳播速度就是靜態傳播速度與介質速度的矢量疊加，從A傳播到B的時間為t=L/(c+V)，當介質速度的方向與傳播方向相同時，可以得出薩格納克值為

，相反時為

。例如，利用超聲波測量風速過程中，已知c= 340 m/s，L= 0.1 m，如果測量出順風與逆風的時間差Δt= 0.01 ms，則順風與逆風的時間差就是上述兩個正反相時薩格納克值的差：

，由於c>> v，可計算出風速

= 5.78 m/s。

B. 環形幹涉儀中的薩格納克值

如圖7-6所示，假設環路是邊長為a的正方形，環形幹涉儀以中心為原點，以角速度ω順著光的傳播方向旋轉，如果以觀察者（接收點）為參考點建立坐標系，則光路上的介質（以太）在光傳播方向上的速度為v=-0.5ωa，如果以介質（以太）為參考建立坐標系，則光源和接收點在光傳播方向上的速度為v=0.5ωa。不論以哪種參考系，波的傳播速度都可表示為c-v。當環路相對以太靜止時，光傳播所需要的時間為T=4a/c，以角速度ω旋轉時，光傳播所需要的時間為

，薩格納克值可表示為

，正反向傳播的時間差為

。例如：如果a= 1m，ω= 1 rad/s，則環形幹涉儀的薩格納克值Δt= 2.22×10-17 s，正反向傳播的時間差為4.45×10-17 s。

C. 中日雙向時間傳遞的薩格納克值

這個實驗數據是中國國傢授時中心同日本合作而測量出來的，中國的實驗地點在西安（A，北緯 35.68°東經 139.75°），日本的實驗地點在東京（B，北緯 34.27°東經 108.9°），地球同步衛星C在地球赤道上空， 距地心42100 公裡，如圖26所示。

圖26.中日雙向時間傳遞實驗

圖中的XOY面為赤道面，為瞭計算方便，假設C點和B點的經度相同，可以計算出從A到B的直線距離AB= 2800 km，BC= 37000 km，AC= 38000 km，∠ACB= 0.07 rad = 4°。

如果地球同步軌道內的以太與地球同步旋轉，則從A點發射的電磁波經C點傳播到B點時，薩格納克值為0，但從3.1.2節的描述可以看到：隻有高度在100公裡內的以太與地球同步，也就是說，假設中轉衛星定點於地球表面上空100公裡處，無論電磁波的傳播方向與地球自轉方向是否相同，所得到的薩格納克值都是0。當高度大於100公裡時，以太的旋轉速度逐漸降低，在距地面36000公裡的同步軌道上，在月球的拖動下，以太相對地心的旋轉速度隻有91 m/s，如圖1所示。

以地球中心為參考點建立坐標系，同步衛星靜止於C點，可以求出以太在C點的速度約為-3000m/s，方向與B點的切線方向平行，負號表示與地球自轉的方向相反。在C點上，由於∠ACB= 0.07 rad ，可以求出以太的速度在傳播路徑上投影為-208 m/s，由於以太相對於球心點的速度與距離成正比，因此，可以求出在電磁波的傳播路徑AC上任一點（距地球表面大於1000公裡）以太的速度，在AC上的投影都等於-208 m/s。因此，電磁波從A到C傳播時所產生的薩格納克值可表示為

，把L= AC- 200000= 3.78×107 m，v= 208 m/s代入可得：Δt= 87.5 ns。由於電磁波從C到B傳播時，以太的運動方向與傳播方向垂直，BC段的薩格納克值為0，因此，從A經C到B的總薩格納克值為 87.5 ns。

4. 結論

光是以太介質中傳播的機械波。

漯河張景倫，郵箱：lh_zjl@163.con