理论物理学家理解光与物质相互作用的方式
自然有点强
2025-02-24 11:09:05
理论物理学家通过多种方式理解光与物质的相互作用:
一、量子力学层面
1. 光电效应
爱因斯坦提出光子假说成功解释光电效应。光以离散的光子形式存在,当光子能量大于金属表面电子的逸出功时,电子就会从金属表面逸出。例如,在金属钾表面,其逸出功约为2.0eV,当波长小于约620nm(对应能量约2.0eV)的光照射到钾表面时,就会有光电效应发生。
2. 康普顿散射
光子与电子相互作用时,光子的能量和动量会发生改变。根据能量和动量守恒定律,可以精确计算散射光子的波长变化。比如,X射线与电子散射时,散射光波长会比入射光波长长一定值,这个值与散射角有关。
3. 原子中的光子吸收与发射
原子处于不同的能级状态,当光子能量等于原子两能级能量差时,原子会吸收光子从低能级跃迁到高能级;反之,处于高能级的原子会发射光子跃迁到低能级。氢原子就遵循这样的规律,其能级公式为$E_n =-\frac{13.6}{n^2}eV$($n = 1,2,3,\cdots$)。
二、相对论层面
1. 光速不变原理
在任何惯性参考系中,真空中的光速都是恒定不变的,约为$c = 299792458m/s$。这一原理影响了我们对时空结构的理解,也间接影响光与物质相互作用。例如,在高速运动的粒子和光的相互作用场景中,相对论效应会使粒子的能量、动量等性质发生变化,从而改变其与光的相互作用方式。
2. 引力对光的影响
根据广义相对论,引力场会使时空弯曲。光在经过大质量天体附近时,会沿着弯曲的时空路径传播。例如,星光经过太阳附近时会发生弯曲,这一现象在日全食时可以被观测到。
三、场论层面
1. 电磁场与光的关联
光是一种电磁波,麦克斯韦方程组描述了电磁场的行为。通过求解麦克斯韦方程组可以得到电磁波的传播特性,包括光的传播速度、偏振等性质。在物质中,电磁场与带电粒子相互作用,这种相互作用可以用量子电动力学(QED)来精确描述。QED给出了光子与电子等带电粒子相互作用的最小相互作用顶点等概念。
2. 其他场的相互作用
在一些理论中,如弱电统一理论,光(电磁相互作用)与弱相互作用场之间存在联系。这种联系在高能物理实验中有一定的体现,例如中微子振荡现象就涉及到不同味的中微子在弱相互作用下的转换,并且与电磁场等其他场的相互作用存在一定的关联。
四、凝聚态物理层面
1. 光与晶体的相互作用
在晶体中,由于晶格周期性势场的影响,光的传播特性会发生改变。例如,在某些晶体中会出现双折射现象,即光在晶体中传播时会分解成两束偏振方向不同的光,传播速度也不同。
2. 光与超导材料的相互作用
超导材料具有特殊的电学性质,在超导态下,光与超导材料的相互作用会表现出一些独特的量子现象,如超导约瑟夫森结在微波辐照下会出现电磁辐射的量子化现象。
以下是一些光与物质相互作用的经典实验:
一、光电效应实验
1. 实验内容, 由赫兹首先发现,后经爱因斯坦深入研究。实验装置主要包括一个金属电极(阴极)和一个阳极放在真空管内,用光照射阴极。当光的频率高于某一特定值(截止频率)时,阴极就会发射出电子,产生光电流。
2. 意义,这个实验证明了光具有粒子性,即光以离散的光子形式存在,光子的能量与频率成正比,为量子力学的发展奠定了基础。
二、康普顿散射实验
1. 实验内容,用X射线照射石墨等物质。实验发现,散射后的X射线波长发生了改变,并且波长变化量与散射角有关。
2. 意义, 它进一步证实了光的粒子性,表明光子与电子相互作用时遵循能量和动量守恒定律。
三、杨氏双缝干涉实验(光的波动性方面)
1. 实验内容, 让一束单色光通过两条平行的狭缝,在后面的屏幕上会形成交替的明暗条纹。
2. 意义,这个实验表明光具有波动性,是光的波动性的经典证据。
四、斐索实验(光的传播介质方面)
1. 实验内容, 斐索测量了光在水流中的传播速度。他让光沿着水流方向和逆着水流方向传播,测量其速度变化。
2. 意义, 该实验验证了光的波动理论中关于光在介质中传播速度的理论预测。
五、迈克耳孙 - 莫雷实验(光的传播参考系方面)
1. 实验内容,试图测量地球相对于“以太”(当时假设的光传播介质)的运动速度。实验装置利用了光的干涉现象。
2. 意义,这个实验否定了“以太”的存在,为爱因斯坦狭义相对论的提出提供了重要的实验依据。
六、拉曼散射实验
1. 实验内容,当单色光照射到物质上时,在散射光中除了有与入射光频率相同的光(瑞利散射),还会出现频率不同的散射光(拉曼散射光)。
2. 意义,拉曼散射可用于研究分子结构和物质性质等。
量子场论主要通过以下方式描述光与物质的相互作用:
一、基本概念方面
1. 场的量子化
量子场论将光看作电磁场的一种量子化表现,即光子。光子是电磁场的最小能量单位。对于物质,例如电子,也被看作是电子场的量子化激发态。每个场都有其对应的量子态和动力学规律。
2. 相互作用顶点
定义了光子与电子(以及其他带电粒子)之间的相互作用顶点。在这些顶点处,光子可以与电子发生吸收或发射过程。例如,在一个简单的电子 - 光子散射过程中,就涉及到入射光子、出射光子以及散射前后状态的电子,这些元素在相互作用顶点处相互连接并遵循特定的规则。
二、数学形式方面
1. 拉格朗日量的构建
构建包含光子和电子(以及其他物质场)的拉格朗日量。这个拉格朗日量描述了系统的总能量和动量,其中包含了光子场和电子场的动能项、势能项以及它们之间相互作用的耦合项。通过变分原理对这个拉格朗日量进行处理,可以得到系统的运动方程。
2. 费曼图的运用
利用费曼图来直观地表示光与物质相互作用的过程。在费曼图中,不同的线条代表不同的粒子(如波浪线代表光子,直线代表电子等),节点代表相互作用顶点。通过对费曼图进行计算,可以得到特定过程的概率幅,进而得到可观测的物理量,如散射截面、衰变率等。
三、在不同尺度和现象中的描述
1. 微观尺度下的精确计算
在微观尺度,例如在高能物理实验中研究电子 - 光子散射、正负电子湮灭产生光子等过程时,量子场论能够给出非常精确的计算结果。这些结果与实验数据高度吻合,验证了量子场论在描述光与物质相互作用方面的有效性。
2. 宏观现象的解释基础
从宏观上看,许多光学现象也可以从量子场论的角度得到解释。例如,激光的产生基于原子的受激辐射,这一过程涉及到光子与原子之间的量子相互作用,量子场论为理解激光的产生机制提供了理论基础。
四、与其他理论的结合
1. 与狭义相对论的结合
量子场论与狭义相对论紧密结合。狭义相对论中的洛伦兹变换等概念被融入到量子场论的框架中,以确保在不同惯性系中物理规律的一致性。例如,光子的能量 - 动量关系$E = pc$(在相对论情况下)在量子场论的描述中得到准确体现。
2. 与强相互作用和弱相互作用理论的关联
在更广泛的粒子物理标准模型中,量子场论描述了光与强相互作用粒子(如夸克、胶子)以及弱相互作用粒子的复杂相互作用。虽然光与强相互作用和弱相互作用的直接联系相对较弱,但在一些特殊的高能过程或者宇宙早期演化过程中,这种关联也会显现出来。
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⭕️粒子对撞机能创造新物质吗?不!!只能产生一些破碎(质量亏损)。核能化石能太阳能都是释放光子/电磁粒子, photon energy and photon behavior discussions,物质包括光子本质是带电质量体都服从牛顿力学。正负光子(中微子)是电子质子撞击的破碎,强大电斥力(10^36倍引力)发射碎块到达零电势区获得真空光速,极强大电磁力平衡是稳定光子间距/波长的关键。原子内遍布真空,极小光子惯性飞行,有引力场轨道运动与逃逸折射或撞击,有斥力场散射反射等。电子质子不易获得高速,原子惯性飞行穿透材料条件也差太多。中子大冲量撞击原子核是产生光子(核能)的关键途径,电子撞核/质子撞轨道电子,冲量都太小。……加速器驱动的次临界核能可获得无穷能源,且不受现有裂变材料的局限。⭕️热量温度是光子辐射(热质说),高温体辐射更多光子吸收低温体辐射的更少光子,温度传递只能由高温体到低温体(熵增是数学,原子获得光子动能相对运动带来生命生机不是绝望)。高温体辐射更多动能光子,当然微观运动更剧烈(热动说)。无光子辐射是绝对零度/可怕,宇宙背景辐射超过且接近绝对零度,获得绝对零度极难。
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❌质能方程是一个鬼把戏!!!———能量的具体内涵是动能和势能,是物理公理规定的物理概念。物质质量是其不变的内在本质,能量(动能和势能)都是物质相互作用和相对运动变化的度量(质量不变),是变化现象。能量不是物质的本质,咋能与孤立质量等效???场无质量居然有能量?………数学(包括逻辑)都是基于物理公理的演绎,超越物理公理的数学能量理解当然是虚幻(1+1=2是自然哲学/物理公理,牛顿定义自然哲学公理作为数学原理)。………🍎🍎物质的本质是带电质量体,物质不灭,电荷守恒,电磁力与万有引力统一于物质的不变本质。能量,力,场,波等宇宙一切自然现象,都是物质/粒子相互作用相对运动的变化现象,变化现象当本质(不变现象)是思维错乱丧心病狂。号称物质是波/波是物质/物质是能量,都是搞骗。质能等效是脱离基本公理的数学虚幻,欺师灭祖&蔑视自然,祸害基本概念和认知方法。———有人知道悖论斯坦的狗屁能量内涵是啥吗???狗屎核弹方程是如何应用的???………有趣的是木星象太阳一样自发光,它们的大气也相似。木星是裂变发光还是聚变发光??木星大气中的氦和氢有没有可能是裂变反应释放的???
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悖论斯坦五大骗术V3: ——1.蔑视自然创造反公理假说。 ——2. 由反公理假说演绎方程和公式(全称命题),数学冒充物理,搞虚幻数学“物理”概念,破坏基本概念和认知体系。搞莫名其妙的虚幻数学相对时空、数学质量、数学能量。相对速度无穷多,有高低速之分吗?光是绝对速度钉子户?力与质量有宏观微观两套规则?数学追不上芝诺乌龟,物理可以。 ——3. 以不确定性观测精度攻击确定性引力公理,以认知进化祸害绝对真理。绝对真理1+1=2需要相对论修正?宏观电磁理论描述微观粒子电磁行为明显不足,两朵乌云和光电效应矛盾显然都是电磁理论的谬误,骗子却借机祸害伽利略变换! ——4. 指鹿为马,指马为鹿,“波粒二象性”,破坏了观测自然认知同与不同的确定性,祸害认知自然的核心根基。 ——5. 无中生有的假说(鬼)解释稀奇谎称证明全称命题,且无耻于悖论,诱骗别人证明没有鬼,搞万能骗术!!………水星进动证明的大笑话:(A).号称证明全称公设是欺骗。 (B).忽视了水星电磁力等影响因素(1974地外水星探测),居然弄出高精度?活见鬼还是见活鬼?(科学求真需要批判精神,虽异常艰难但绝不应包容悖论欺骗!)
信任自然可求真
理论物理学进展缓慢(倒退)的原因:: (1)有不少观念认为,先创造假说~再验证证明,就是科学。这其实是一种悖论斯坦式两头骗术!!!假说认知自然有任何成功先例吗?数字文字概念符号包括几何公设(黎曼欧几里得),都是经验的理想化抽象(所谓形而上学当然也是唯物主义),不预测任何真实,用于表达真实。与假说根本不同。………光速不变预测真实冒充公设,是创造假说,还违背相对速度公理。(2)悖论斯坦的号称证明也是骗术!!!自然规律是全称命题,象万有引力定律一样,证伪当然有效,证明/证实当然无效,一天证明100次也没用。牛顿自然哲学//不变现象是真理,只能观测归纳,是必要充分真实的归纳,严肃地反对任何创造假说!!!创造假说号称证明,是悖论斯坦蔑视自然欺师灭祖的狂妄骗术。祸害时空观,祸害质量能量引力物理概念,祸害自然认知方法。。。 (3)悖论斯坦骗术已经成了一种十分强大的科学时髦。假打弄成比真打更迷人,实在是恐怖和难以理解的!!! (4)倒退是指创造假说泛滥,攻击已有物理公理物理概念和认知方法,以认知进化否定绝对真理,祸害科学和哲学。 ……花钱鼓吹骗子美好吗?能暴露悖论和欺骗吗?
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❌证实/证明理论是骗术:::需要证明的真理/理论是骗,号称证明真理/理论也是骗!!!真理理论作为预测未来的全称命题,证伪当然有效,证明/证实当然无效。号称证明XX论和万有引力定律,都是骗。实验只能证明具体现象是真实。 认知自然/想知道能不能趟过一条河?没有经验知识无法演绎应用,创造假说也没用,只能依靠观测归纳。所有自然规律都是对过去的归纳,未来不变,不变的原因是不知道,只能信任自然!——“相对真理”也是骗术,真理是客观存在的绝对真理,人类诞生之前月亮不运动吗??引力有没有??都是显而易见!仰望星空信任自然的地心说需要认知进化,能否定绝对真理??地心说依据的现象变了吗?没有!号称相对真理是悖论斯坦蔑视自然_欺师灭祖_搞骗的伎俩。❌❌大胆假设(规律),细心求证,都是骗术,是悖论斯坦发家(科学家)的“两头骗”!用假设猜想后脑勺肯定没用,搞1000年可解释一切稀奇的鬼故事(假说假设,不是公设假定)也真不了,牛顿自然哲学反对任何创造假说!!!无人机,潜水艇,轮子,核弹的发明创造都是由公理和观测经验大胆演绎的结果/现象,与自然复杂现象一样,真理不变现象无穷多。质能方程演绎狗屎造核弹有用吗?
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❌万能骗术无底洞:::—— 无中生有创造假说解释/诠释稀奇,你能证有吗?永远不可能。你能证无吗?永远不可能(时空无限,号称科技没达到)。解释/诠释稀奇号称证明,虽然是(悖论)骗,但你只好被迫证伪/无,进入万能骗术无底洞!!!………鬼把戏总是极难识破的,科学鬼把戏可以持续玩到人类灭绝!!!⭕️真善皆美!!!由真理得食物,善良是分配食物,没有真,善是不可能的。更爱真理是人类的最高智慧和希望。……… 终身搞悖论的爱因斯坦,雅称悖论斯坦,搞的是两头骗,万能骗,诱惑哲学复合骗,终身骗,祸害真理,当然只能是人类公敌!!一些人鼓吹骗子肯定有一种快乐,一种缺德愚蠢的快乐,蔑视自然瞎编科学前沿虚幻希望,祸害工程实践,搞骗术无底洞。骗子的温水煮了100多年了,他们的干劲今天仍然是如此之大!!!人类社会难道不需要猛醒吗???
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❌❌悖论斯坦//悖论潘多拉,背叛数学由公理演绎证明特称命题的传统,号称证明全称命题公设公理。以光速不变假说祸害相对速度公理,数学冒充物理,祸害绝对时空,祸害能量质量引力等物理基本概念和认知方法,以二象性祸害自然科学认知的核心根基/同与不同的确定性。瞎编自然因果(律),将解释现象当真理,以创造假说冒充祸害公设形而上学。后谎言掩盖解释前谎言搞了一辈子,祸害数学,祸害物理,祸害哲学,祸害绝对真理,终身搞骗,祸害极大极深极广。100多年了,还在鼓吹骗子/一个恶贯灵魂的彻底的人类公敌!!居然成了一门生意??………狗屎都有用,欺骗有啥用?观测归纳认知自然,从来如此,只能如此。迷信跪拜蔑视自然&欺师灭祖的悖论斯坦,瞎搞科幻假说,人类将无法逃脱第六次地球生物大灭绝。———假说科幻骗子招摇过市,“科学家”比赛鼓吹神话悖论斯坦骗子以抬高自己,科学还有希望吗???
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“背后作者”显然是一个搞科研的读书人。搞了什么项目骗国家??还要挖空心思地祸害人民的子孙??
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❌以太的小胆太小了???以太是波动学派的(根基)托辞遮羞布,悖论斯坦干脆厚脸皮直接骗,让波搞独立单干/和物质质量说拜拜,来个二象性指鹿为马,无源场也用上!再诠释诠释,高速低速搞区别对待,宏观微观弄成不同,质量尺寸时间都弄成可以变,能量搞成数学能量,,,还不行?绝对时空也不要了,相对运动搞成残废/让光绝对运动,相对时空更美妙可惜惯性系不同意。又不行了??什么能难住骗子呢?换个假说继续骗,搞广义的,把空间也搞弯,轨道电子不干就不管它了,物质相互力也弄点鬼,,,,用假说无中生有(🍎哈哈,我说有鬼谁能证无?)号称证明全称命题,脸厚怕啥?坚决把大胆假说革命进行彻底/1955/game over? ❌❌悖论斯坦,悖论潘多拉,终身搞骗祸害人类科学。一个终身肮脏的灵魂。
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❌一群孔乙己,看不起短衣帮(看不起牛顿的经验归纳,迷恋悖论斯坦假说鬼把戏),自己受害于悖论斯坦创造假说和科幻之乎者也邪念,天天诠释相对论之乎者也,相对论长衫子实在是破(都是假说瞎编皇帝新衣,也木有理想惯性系)也不忍脱了去。搞假说,读书人偷书不算偷/假说科学不算假,趾高气扬地祸害子孙祸害国家!!!指桑骂槐骂“民科”(实际也是孔乙己,民科民粹是不知为不知,与伪科学何干???),都以为自己是举人(官科)!狗咬狗狗咬人。笑死个人。一些孔乙己只能挨丁举人的毒打。[偷笑][偷笑] 假说对假说,永远凑不拢,天天去搞假说之乎者也孔乙己骂假说孔乙己,骂短衣帮,号称修正牛顿。笑死人了。🐶🐶更爱真理是人类良知,更爱长衫子是堕落,擅长崇洋媚外假大空!………相对论之乎者也,就是孔乙己的长衫子。据说,全世界懂相对论之乎者也的人只有三个。但是,迷信相对论之乎者也的孔乙己,人数巨大!
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光速不变假说见证了高超的骗术!……光速可以测量,测量速度需要参考系,参考系改变了测量结果不变吗??笑死人了。 ———任何全称命题证伪当然有效,证明/证实当然无效。全称命题光速不变违背相对速度自然公理,已有效证伪!!!任何数学演绎能推理出来全称命题“光速不变”吗???无论多少次实验能证明全称命题“光速不变”吗???任何实验精度能证明“光速不变”吗???光速不变只能是创造假说当然是骗。相对光速/光速变化/超越光速当然都是正常现象。 光子穿越太空的引力偏折是光速不变吗??光反射驱动光帆光速不变??相对速度变化导致多普勒效应和红移,是光速不变??光子离开黑洞速度变吗?光子进入黑洞速度(当然超越光速)也不变吗?掩盖谎言需要更多谎言!………光速常数C是电磁经验公式的一个常数,不是光速不变,地球引力常数G当前还在努力提高观测精度。———量子不确定性原理如何解释光速不变这种无限的确定性???号称场的速度是光速,地球速度显然不同,难道地球场跑掉了??
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❌波与场❌都是数学当物理,捉影弄鬼的把戏::水波/声波/沙丘波是物质/粒子相对运动的宏观时空分布。水本质粒子是不变存在,水波是可有可无的变化现象。❌波粒二象性?以干涉衍射现象否定光是粒子,又去解释粒子干涉衍射,是骗术笑话。更荒唐在于二象性祸害了认知自然的核心根基/同与不同的确定性。❌场是数学虚幻,只能由源完全确定,无源场不可观测(源/月球潮汐力不是XX场力,源能量不是场能量),物质的场到处飞吗?飞的方向如何确定?场速是光速,地球速度显然不同,地球场跑了吗?………赫兹电磁波实验,激励源是电火花,感应接收也是电火花,显然是光子动能传播与光电效应(发现晚于赫兹实验),用了电磁波来解释而已。电磁波理论(尚未发现电子)只是基于宏观电磁观测的数学方法,牛顿的物质相互作用相对运动才是一切宏观微观现象的唯一根本!!带电质量体是物质本质属性,不需要也不可能由变化磁场产生,磁力对电磁粒子做功影响了正负电荷分布而已。❌水波声波不可能象光子一样真空直线传播。光是电磁粒子,当然可以穿越真空且与物质有相互作用。两朵乌云包括光电效应当然都是电磁理论的谬误证伪,骗子借机祸害经典力学体系,何其疯狂??
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真理都是简单的,不证自明(不变现象)无法证明(全称命题/可证伪/乐于被批判)。悖论诠释百年号称证明(全称命题)是骗。古希腊哲学对真理的理解 —— 真理是不变的现象。水流现象千变万化是真实/不是真理。水往低处流,指南针,太阳东升西落,物质不灭,能量守恒,电荷守恒,1+1=2,绝对时空,相对速度,……都是不变的现象/真理/知识/知道/确定性。居然有人号称人人不知的空间弯曲是真理,还胡编人人可知的时间是虚幻!!都是缺德笑话。科学/哲学追求确定性(知道)是生存的必须,鼓吹不确定(不知道)❌是鬼迷心窍丧心病狂。不变现象(科学)是观测归纳不是假说证明不是解释稀奇。所有物质100%由带电质量体/粒子构成(不变现象/本质),电子质子结合成中子,正负光子结合成中微子。……不显电性的中子,中微子,穿透材料/等离子体/微观电磁结构的能力强大,中微子极其微小,必然是穿透物质材料的惯性运动冠军。电子质子光子都带电,穿透力当然不行。——物体材料边缘亚原子尺度正负电场密集分布,带电光子电子受引力斥力作用,分裂成双缝干涉条纹,边缘衍射条纹,奇怪吗???
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❌解释光电效应是个笑话。物理机制根本没有涉及,对光谱特性,对光电子能量分布,对偏振和温度影响等都不能解释。是半知乱解,害大于利(笨蛋好于坏蛋)。发现光电效应是宝贵的金山,本是一条通往微观世界的大道。胡编解释光电效应不是真理,是毒药祸害,掩埋了科学真相阻碍了求知探索,贩卖自然因果骗术!!!………证明光速不变(全称命题)是胡编!光反射驱动光帆恰恰证伪了光速不变。多普勒效应和红移就是相对光速变化。光子进入引力场比如黑洞光速不变??光子穿越太空的引力偏折是光速不变吗???⭕️迈克尔逊-莫雷实验结果的理解::证伪了麦克斯韦的电磁以太/电磁波学说,有质量的光子惯性运动,一点也不奇怪。光子对实验装置相对速度基本不变,两路速度差极小,地球重力对光子速度影响太小10^-16,也测不到,近似为惯性系。