略说真经（六十八）光的秘密（麦克斯韦）

略说真经（六十八）光的秘密（麦克斯韦）

不用多说，光太重要的。天不生仲尼万古长如夜。大海航行靠舵手万物生长靠太阳。东方红太阳升中国出了个毛泽东。上帝说要有光。你是光你是电你是唯一的神话。大漠孤烟直长河落日圆。夕阳无限好只是近黄昏。囊萤映雪凿壁偷光。

（一）光是电磁波
麦克斯韦论证，我们日常所谓光（也就是可见光）乃是电磁波；是电磁波谱中很小的一段。
肉眼可以看见的光谱范围，即可见光谱（可见光窗口），是波长从380纳米的紫光到740纳米的红光。这是视觉在长期的进化中（依据太阳）自然选择的结果。如下图：
   
附：
在视域上动物与我们区别不像在听域上那么大。但区别还是有的
1、        有些动物可以看到一部分紫外线。
2、        据说螳螂虾除了紫外线，还可以看到一部分红外线。
3、        一部分蛇，生有颊窝，也就是热侧位器，可以感知红外线。
4、        许多昆虫可以看到偏振光，并用来定位。人眼看不到偏振光。

（二）光速
由于光是电磁波，因而所谓光速也就是电磁波的传播速度。按麦克斯韦方程组，电磁波在真空中的的传播速度应为约30万千米每秒（根据国际计量大会的定义，准确值应为299 792 458m/s）。
   
光是电磁波，只是电磁波谱中的一小段。这是伟大的洞见。（大海航行靠舵手万物生长靠电磁波。上帝说要有电磁波。囊萤映雪凿壁偷电磁波）

略说真经（六十九）什么叫做光速不变？

你在山上遭遇雪崩，你拔腿就跑，这样雪向你压过来的速度会慢下来。静止的观察者看到雪崩的速度要比逃跑者感觉到的快。

可是如果向你压来的是光呢？
自1880年以来，科学家们逐渐相信，无论你怎么跑，你会发现光向你飞来的速度总是10.8亿千米/小时，一点儿也不会慢。乍听起来，这是很荒唐的，一点儿也不像雪崩时发生的情况。然而，事实就是这样。不论你迎着光还是追着光跑，它向你靠近或离开的速度都是不会改变的，都是10.8亿千米/小时。
80多年来，许许多多的这类实验都证明来自运动恒星的光与来自静止恒星的光具有相同的速度——在不断提高的仪器精度下，都是 10.8亿千米/小时。在过去的百年里，还做了许多其他在不同环境下直接测量光速的实验，都证明，光速是一个常数。
这太难理解了。在19、20世纪之交，许多物理学家想尽办法来反对它，但都失败了。

爱因斯坦不一样，他接受了不变的光速。他发现，不变的光速意味着牛顿物理学的崩溃。
（据B.格林《宇宙的琴弦》）

略说真经（七十）狭义相对论

（一）张三开时速120的车跑1千米跑道，李四计时。张三自己也计时。在爱因斯坦之前，不会有人怀疑他们应测得相同时间。但这只是想当然，实情是张三测得的时间比李四要短一些。
同样，如果在停车棚里所测车长是5米，张三以时速120冲过时，真实的情况是李四测得的车长不是5米而是稍短一些。
但当如果张三的速度不是120千米/小时，而是9. 4亿千米/小时（光速的87%），李四测得的车长将是2. 4米左右。
同样，在李四看来，他所测张三跑完全程的时间比张三自测的时间长了一倍。在张三自己看来他生命如故，但在李四看来，张三的生活节奏变慢了。就是说，当物体相对于我们在空间里运动时，它的钟比我们的走得要慢。

（二）张三与李四坐在一张长桌两端，长桌中间置灯一盏，你在桌旁负责测试，灯亮，你将看到灯光将同时到达张三和李四。现在把你和这一套移到飞驰的列车上，张三坐前方，李四坐后方（相对与列车运行方向），你将依然看到灯光同时到达张三和李四。但站台上到人看到的却是灯光首先到达李四，因为光速不变（不会因列车飞驰，光速对张三变慢了，而对李四变快了），而车在前行，相对于灯光，李四在前行，张三在后退，光到达李四所经距离比到达张三所经距离要短。
车上的人看到的是灯光同时到达，而站台上的人看到的是灯光先到达李四，谁看错了？结论是都对。换句话说，如果两个观察者是相对运动的，那么在一个人看来同时发生的事情，在另一个人看来是不同时的。
       
这是一个惊人的结论，是对实在本性最深刻的洞察之一。

（据B.格林《宇宙的琴弦》第2章整理）

狭义相对论是人类借助某些超级头脑对自身维度的第一次伟大审视：我们平常的运动跟光速比太慢了，缓慢的运动遮掩了空间和时间的真实本性。
但万物以光速为极限的观念却与牛顿引力概念冲突。引力理论中没有光速限制，引力是瞬间传播的。比如，假如太阳突然爆炸，按牛顿理论，引力的突然改变会瞬间传到地球并使地球脱离轨道。但我们知道光从爆炸的太阳传到地球需要8分钟。

略说真经（七十一）广义相对论

（一）棉花糖机与时空弯曲
我们都见过街头那种简易的棉花糖售卖机（刚性转盘）。设想张三李四是小人国居民，各拿尺子一把在一个旋转的棉花糖机转轮里面搞测量，张三沿转轮旋转方向测周长，李四测半径。李四所测半径没有变化，张三所测周长却变长了，因为张三的尺子在运动中变短了。周长半径之比将大于2π——空间弯曲了。想想哈哈镜。
爱因斯坦认识到，那些平直空间图像在加速运动中弯曲了。他证明空间在所有加速运动下都是弯曲的（加速指的是改变速度或运动方向）。
而且，在加速运动下，时间也弯曲了。在旋转的棉花糖机里，测周长的张三的表比测半径的李四表走得慢。而且，当李四从棉花糖机中心量向环壁时，他的表在变慢——时间在弯曲。
  
（二）橡皮膜上的保龄球或蹦床上的孩子
还有，李四越往环壁爬，他感受到的被往外推的力越大，因为不但速度增大了，加速度也增大了。加速度越大，引力越大，时间空间弯曲越强烈——引力与时空弯曲联系起来了。
引力、加速运动与弯曲空间的联系启发爱因斯坦提出一个惊人的观点：物质（如太阳）的存在导致它周围的空间结构发生弯曲，就像一只保龄球放在一张橡皮膜上或孩子弹起后又落回蹦床上。爱因斯坦猜想，当没有任何物质或能量存在时，空间应该是平直的，空间结构因大质量物体的存在而发生了扭曲。

（三）引力的机制
爱因斯坦确定了引力传播的机理：空间的弯曲。空间的弯曲才是引力，只要有物质的存在，空间就会发生弯曲。卫星和光线都是顺着弯曲的空间走最省力的轨道。
现在，可以把（二）中的空间换成时空再想一遍。加速度既弯曲了空间也弯曲了时间。时间的弯曲对地球运动的影响远小于空间弯曲，因为地球围绕太阳的运行相对缓慢。

（据B.格林《宇宙的琴弦》第3章）

概况一下：
狭是高速运动理论，高速下尺缩钟慢；
广是星球级大尺度理论，任何能量或物质引起周围时空发生弯曲。
尺缩钟慢就是时空弯曲，故相对论是时空弯曲理论。

略说真经（七十二）微观世界什么样？

（一）微观常数
烤箱、暖气片、你的身体等在向外辐射热量，但只有假定电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份进行的，计算结果才和试验结果相符。这一份能量称作一个能量包（量子），大小是电磁波频率乘以普朗克常数（普朗克调出来的一个常数，单位是焦耳每秒）。普朗克常数很小，1.05乘以10的负34次方。格林打过一个比方，我们可以获得一些感觉：如果把一个原子放大到我们的宇宙（注意是宇宙不是地球）尺度，普朗克常数也就是一棵普通的树的高度。我把普朗克常数（h）称作微观常数，而把光速（c）称作宏观常数.

（二）说来说去都是波（什么叫既是粒子又是波）？
A. 光波
1. 光电效应证明光具有粒子性
光电效应是说，电磁辐射（光）照到某些金属上时，金属会发出电子（想想电线为什么能导电）。爱因斯坦证明，普朗克的能量包猜想实际上反映了电磁波的一个基本特性：电磁波由粒子即光子组成，是一束光的量子。
2. 双缝实验证明光具有波的干涉特性
我们中学时学过两组水纹的干涉。双缝实验类似。一束光通过一张开了两条缝儿的纸打在照相板上。挡住任一条缝，光通过另一条缝后在照相板上形成一段光柱，如果两条缝都放开，那么照相板上应该是两条光柱吧？不是的，而是明暗不同的好多光柱——光发生了干涉，这是波的标志。即使光子以缓慢的速度打过去（比如10秒钟一个），结果也一样。
B. 电子波
后来又有人用实验证明，电子也表现出干涉现象。这就说明，电子除了我们熟悉的粒子形态，也具有波的特性。
C. 物质波
类似的实验证明一切物质都具有波的特征。可为什么我们的桌子硬邦邦呢？波长太小（微观常数除以物体的动量）。

（三）微观世界不讲理
A.概率波
电子是波，是说电子被拉成长条儿拉成线吗？有人提出新理论而且已经得到大量实验数据的证实：应该从概率的观点来看电子波。波的振幅大的地方电子出现在那儿的可能性大，反之亦然。这就把概率论置于宇宙的深处了。
B.路径求和
有人提出新思路。电子从发射源到荧屏，不止实际上穿越了两条缝，而且实际上同时经历了所有可能的路径。电子（通常被看作一个完完全全的粒子）到达荧屏某一点的概率，由到达那一点的所有可能路径的联合效应来决定。这种路径求和的计算结果符合波函数（概率波）的方法，也符合实验。但在考察大物体的运动时，所有路径求和会彼此抵消，最后只留下唯一路径，这就是牛顿运动定律中出现的轨道。

（四）微观世界看不清（测不准）
在那个双缝实验中，为了确定电子从哪条缝通过（电子的位置），你必然会干扰电子此后的运动（它的速度）。就是说，面临这样一种困境，如果用高频率（短波长）的光，能更大精度地确定电子的位置，但会强烈干扰电子的速度；用低频率（长波长）的光，可以把对电子的影响降到最小，但却将牺牲了电子位置的精度。无论用什么仪器采取什么步骤，位置和速度的测量精度间的这种关系总是成立的。这种关系也存在于测量能量和测量时间的精度之间。

小结：

1. 巨大的光速c遮挡了时间和空间的本性，微小的普朗克常数h则令寻常世界的物质隐藏了它们波动的一面。

2. 物质的波动性质意味着我们应该从根本上以概率论的方式来描述物质本身。

3. 当我们考察微观粒子并将它们限定在越来越小的空间区域时，它们会变得越来越疯狂。不可能同时知道基本粒子的位置和速度， 意味着微观世界在本质上是混沌的。就是说，微观世界看不清（测不准）。我们通常看来一些毫无疑问的基本事实——例如物体有确定的位置和速度，有确定的能量，确定的动量——不过是因为普朗克常数太小而在寻常世界表现的一些特例罢了。

（据B.格林《宇宙的琴弦》第4、5章）

求能把麦克斯韦方程说得我这个文盲能明白

白龙 发表于 2015-8-13 11:26

                               
登录/注册后可看大图

求能把麦克斯韦方程说得我这个文盲能明白

兄弟不才最近正在学麦克斯韦方程组。简单来说，有个定理说，只要能把一个物理量的散度和旋度以及边界条件确定，那么就能把这个物理量的表达式确定。具体什么是散度和旋度你可以先理解为导数。 而麦克斯韦方程组就是包含四个方程，分别为电场和磁场的散度和旋度，一共四个。那么再加上具体情况的边界条件，就可以解出来任何环境下例如各类波导中的电磁场，以及电磁波，以及各类信号的传输情况。就是这么基础和伟大