03.03 陽光是按照直線還是曲線傳播的呢?為什麼?

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這個宇宙壓根就不存在平直的空間和絕對理想的“直線”


先說答案,陽光是按照“短程線”傳播。短程線又叫“測地線”,是空間中兩點之間的最短距離。在歐氏幾何平直空間裡的二維平面中,這個測地線就是一條直線(線段),在二維曲面中就是一條曲線,比如說地球上的經度線;

而在非歐(黎曼)幾何中則都是曲線。根據廣義相對論,具有質量的物體會彎曲周圍的空間,由於宇宙中到處分佈著物質,因此總的來看,整個宇宙空間是彎曲的。換句話說,我們這個宇宙根本不存在平直的空間和絕對的直線。歐氏幾何只適用於描述理想的平直空間,並不適用描述現實的宇宙空間,它所描述的理想“直線”根本是不存在的。

這個宇宙中所有物體(包括光子)在這個彎曲空間的運動軌跡都是條曲線

廣義相對論認為引力不過是時空彎曲的幾何效應,所謂的引力不過是物體沿著彎曲空間作的“測地線”運動。質量越大的物體,其周圍空間彎曲的越厲害,小的物體進入這個空間,只能根據初速度的大小和方向進入這個彎曲空間相應軌道中選擇最短的距離――“測地線”運動,


由於空間是彎曲的,因此小的物體的這個測地線運動軌跡就也是彎曲的。在我們看來,小的物體似乎受到了大物體拉向其中心的“引力”,

而實際上呢?只是一個幾何效應而已。不過由此可知,所有物體在彎曲空間的運動軌跡的確都是條曲線,包括光子的運動,因為光子也是一種實物粒子。

另外,我們知道光的速度是宇宙中最高的運動速度,但再高的速度也是在空間內的運動,不可能跑出空間,光速是以時空作背景的度量(速度等於空間比上時間),光的傳播運動和空間緊密相連,不可分離,因此光的傳播路線就是空間形狀的體現。空間平直則光線直,空間彎曲則光線彎曲。由上面可知,宇宙根本不存在平直空間,因此光線只能是曲線傳播。

我們經常聽到“光沿直線傳播”的說法,實際上是一種近似說法。因為相比動輒以光年計的宇宙空間來說,我們日常接觸的空間距離實在是太短了,根本顯不出光線的“彎曲”。


光的傳播路線是彎曲的幾個例證

早在發表廣義相對論前的1911年,愛因斯坦在《引力對光傳播的影響》一文中指出光線在經過太陽附近時,由於太陽“引力”的作用會產生彎曲,並進一步指出可以在日全食時觀測這一現象,因為陽光會淹沒真正發出光線的星源,只有在太陽光被遮擋時才能發現它。這一預言在1919年的日全食時被愛丁頓率領的兩支觀測隊成功驗證。



在廣義相對論中,愛因斯坦還預言了宇宙中存在“引力透鏡”效應。所謂引力透鏡是指由於時空在大質量天體附近會發生畸變彎曲,使光線在大質量天體附近發生彎曲(光線沿彎曲空間的短程線傳播)。如果在觀測者到光源的視線上有一個大質量的前景天體則在光源的兩側會形成兩個像,就好像有一面透鏡放在觀測者和天體之間一樣,這種現象稱之為引力透鏡效應。


自1979年發現以來,至今已發現100多個“引力透鏡”,再次有力的證實了光線的彎曲。


另外我們常說的黑洞天體,它無限緻密的質量使周圍的空間極度彎曲,擁有極強的“引力”效應,以至於連光線也被“吸住”而“逃不出來”了,以至於在黑洞周圍一定空間位置(比如史瓦西半徑)形成一個“光環”――視界,


當然這仍然是因為光線在沿著極度彎曲的空間在做“短程線”運動所致。光環以內的空間軌道向黑洞“奇點”彎曲,光環以外的空間使得光可以“逃逸”而被我們看到。光環上的光則永遠在視界彎曲軌道上作“短程線”運動。

最後


當然題目說的是“陽光”,太陽距地只有1.49億公里,太陽和我們地球之間的空間沒有大質量天體(這裡指比太陽大的天體,八大行星的質量對空間的影響忽略不計)存在,因此這個空間在日地連線方向上相對“平直”,太陽光可以長驅直入的射向我們地球,另外,既然都是走短程線,光線之所以相比普通天體的運行軌道看起來是直的,是因為光速太快了,這個速度使得光進入一個相對平直的軌道。從這個意義上說,“陽光在向我們地球傳播的這個空間範圍內是直線傳播”,而陽光在向宇宙深處,特別是經過大質量天體附近時的傳播路線則是彎曲的。


物原愛牛毛1


上學的時候繪製光路圖時,我們通常是用一條帶箭頭的直線來表示光傳播的路徑和方向,於是就給了我們一個錯覺,光就是沿直線傳播的。如果不瞭解引力的話,這樣理解是沒有錯的,但是光其實是按“短程線”來傳播的。

光的本質其實是一種處於特定頻段的光子流,這時候我們來思考光的傳播究竟是怎樣?

其實光的直線傳播這種說法是建立在均勻介質和同種介質的前提下,所以我們稱為它是光的直線傳播而不是光沿直線傳播,而光如果在兩種均勻介質的接觸面上碰撞是會折射的,這個時候光就不是直線傳播了,這些傳播途徑我們可以用費馬原理來解釋。

總的來說光是可以沿前後左右上下各個方向傳播,光越亮就越不明顯看出,而光較暗的時候,發光體會根據照明參照物的距離而擴散,距離越遠,擴散的越大,所以光的傳播並不是特定的方向,與光的亮度、光與照明參照物的距離都有關。

我們認識引力之後,其實就可以更好的理解光的傳播了,光線是怎樣傳播的呢?

在愛因斯坦的相對論中,認為引力就是時空的彎曲所導致的,引力是由空間——時間彎曲的幾何效應,他認為由於時空會在大質量的天體附近發生畸變反應,會使光線在經過大質量天體附近時同樣發生彎曲。

就比如觀測者到光源的一條直線上同樣有一個大質量的天體,則觀測者會看到由於光線彎曲而形成的一個或多個像,因此在他看來光線在引力場中的偏折會形成引力透鏡的現象。


星球上的科學


陽光是按照直線還是曲線傳播的呢?

光暗直線傳播這個事實應該在小學的科學課中就有說明了,假如你問小學生光是直線還是曲線傳播時,他會明確告訴你是直線!但愛因斯坦又明確無誤的告訴大家,光線會被引力場彎曲,並且在1919年的日食觀測中證明,那麼光線到底是直線傳播還是曲線傳播?

小孔成像表示直線是傳播的

早在兩千四百多年前的墨子就發現了小孔成像的秘密,他為學生們講解了小孔成像的原理,並且指出光的直線傳播這個成像的主要原因!此時要比古希臘亞里士多德在《論問題》中提到的小孔成像概念還要早100-200多年!

墨子關於小孔成像的記載

當然大家對小孔成像肯定也不陌生,大家一定都玩過,對於光的直線傳播也記憶猶新!關於光直線傳播的自然界中的陽光穿過雲層後的漏光,或者朝陽穿過薄霧,甚至日食等等,都能非常直觀的感受到光的直線傳播!

漏光大片

漏光大片大家看了可不少,但估計天天看也沒人去注意光是直線還是曲線傳播,畢竟這種司空見慣的現象已經很難引起的大家的興趣!

引力場彎曲光線

愛因斯坦在1916年發表了廣義相對論,關於其推導過程是在有些複雜,咱吃瓜群眾就不用糾結了!但其中的結論非常簡單暴力,愛因斯坦認為牛頓關於時間與空間描述的絕對時空觀錯了:

牛頓認為時間和空間是分離的,天體在空間中通過以太傳播的引力為紐帶連接起來,構成一個龐雜的大網!在萬有引力為基礎拉普拉斯天體力學將太陽系各行星軌道計算的分毫不差,甚至勒維耶還因此計算到了海王星的準確位置,所以,牛頓經典力學錯了嗎?

當然,有一絲隱憂!在勒維耶計算出海王星軌道以後估計沒事幹,去計算了水星的軌道,結果發現觀測和計算值在100年中差了大約38角秒,這是一個很小的值,但勒維耶非常較真,所以他根據經驗應該有一顆水內行星影響了水星的軌道,這就是著名的水星進動問題,當然這顆行星不存在!

所以當愛因斯坦發表廣義相對論後,第一個開刀的就是水星進動問題,廣相認為引力是質量彎曲時空的表現,因此加入了時空彎曲後的水星進動計算值和觀測值就相當吻合了,廣相當然不會著眼於牛刀小試,它還有一個關於光線被大質量天體彎曲的預言!

也就是愛因斯坦那麼好命,廣相發表三年後就是1919年的日食,而且遮擋的是是畢宿星團的的亮星,特別容易觀測,愛丁頓帶隊為愛因斯坦驗證廣義相對論的質量彎曲光線!

1919年日食彎曲光線示意圖

結果當然是愛因斯坦的大獲全勝,可惜即使驗證了光線被彎曲又如何,1920年和1921年的諾貝爾獎並沒有廣義相對論的份,而愛因斯坦在1922年獲得的是1921年的補發的物理獎,而且還是名不見經傳的光電理論!

光不是走的最短路徑麼?為什麼它在引力場中會走彎路?

這是一個很有趣的話題,其實在彎曲空間中最短的路線並非直線!其實即使在牛頓的萬有引力理論中,光在引力場中仍然會走彎路,因為光子具有動質量,所以它會受到引力而彎曲!但彎曲程度比廣相計算值小一半,因為經典力學中的絕對時空觀空間和時間是分離的!

無論是光還是其它物體,在引力場中都遵循測地線的原則運行,因為在引力場中測地線最短,如果非得將它扳直了,那麼它走的路程可能會更遠!

當然這個特性也為天文學家打開了另一扇窗戶,即通過引力透鏡的方式來發現新的天體,因為遙遠的星系可能很暗淡,但剛好在前景有一個質量比較大的星系,那麼背景中的星系光線會被這個星系聚焦,而變得更加明亮!另一種可能是會形成愛因斯坦環或者十字架類似的虛影,非常有趣!

愛因斯坦環

愛因斯坦十字

相波超光速,曲線前進的光

最後提一個有趣的話題,關於德布羅意波,當年德布羅意童鞋寫累篇論文,描述了電子運動時產生的波,論文的精髓是這樣的:

電子的質量m賦予了它有一個內稟的能量E=MC^2,和普朗克量子公式E=HV就可以推導出電子會有一個頻率ν=mc^2/h,所以電子有一個頻率,它在前進的時候會有一個波,而電子以v0速度前進時候,這個波的速度等於c^2/v0,相信你可以計算出這個速度肯定是超過光速的,因為電子具有靜止質量,因此不可能超過光速!那麼就意味這個速度最低是光速,似乎沒有上限?昏倒,超光速出現了!

德布羅意相波

上圖中綠點的速度是群速度,表示電子真正的速度,而紅點則表示相速度,可以很明確的看到紅點速度明顯高於綠點速度!不過相波不傳遞任何信息,所以愛因斯坦對此睜一隻眼閉一隻眼!

對於光子其實也一樣,光一粒子形式出現時,它是直線傳播的,但會受到引力場影響而彎曲!但當它以波的形式出現時,相波走的明顯就不是直線,這會就很有趣了,因為還有干涉等各種好玩的光學現象出現,那麼到此時,您認為光是直線傳播的還是曲線傳播的?


星辰大海路上的種花家


在某種意義上來說,光線就像水流一樣,是彎彎曲曲的,是隨著地形而發生改變的。

相對於光線來說的地形是什麼意義呢?就是空間中無處不在的場。這些場不是均勻分佈的,對於光線來說,所謂的虛空並不是一致的環境,而是像水遇到了大地的起伏和褶皺,她會找到一條離地心最近的路線。

可能這樣說,對於人類是無法想象的。人類的眼裡,星辰之間就是虛空,人類的科幻作品中也從不擔心駕駛飛船會撞上理論中存在的暗物質。但是對於光線來說啊,虛空中卻是地形複雜的。

把螞蟻放進河水中,在螞蟻的眼裡河流就是在走直線,一直向前奔湧著,而且速度還是一樣的。把人放進光線中,在人的眼裡,光線就是在走直線,而且速度還是一樣的。

我們知道螞蟻是錯的,實際情況不是這樣。河流彎彎曲曲地奔跑著,有湍急,有平緩。光也如此。


狼財精


光在同種均勻介質中沿直線傳播,通常簡稱光的直線傳播。這樣我們才能在不同介質情況下看到折射,反射。陽光自然遵循光的一般規律。

但是光又具有波粒二象性,是指光既具有波動特性,又具有粒子特性。

宏觀和生活上陽光是直線傳播的,因為光的波長遠遠小於一般物體尺寸,大約是400~760nm。光的頻率為3.9×1014——7.6×1014赫,用土話說,抖的太快,成一條直線了。進一步微觀來看,光又有粒子的特性。

但是應用於我們日常生活,還是說陽光是直線傳播的。日常生活中以人眼觀察光的直線傳播特性更明顯。


冷冷醫趣


不考慮光的折射等情況,真空中光是"直線"傳播的,為什麼要加引號呢,以地球為例子,地球具有質量,會產生重力,而根據牛頓定律,在重力的影響下,光會產生彎曲,那為什麼我們看不到呢,因為光的速度實在太快,導致彎曲的程度微乎其微。

好,上面我們說了,光線會彎曲,但愛因斯坦的腦洞明顯跟我們不一樣,廣義相對論認為,重力效應的產生,實際上存在質量的物體造成的空間的彎曲,所以,他認為,光在空間中是按照直線傳播的,不過空間本身的彎曲,讓我們認為光線本身的彎曲。


晨雨清風


大自然物理,它是一個體系一個系統。系統它是環環相聯環環相扣的,比如,解釋蘋果下落與解釋地球繞太陽轉,它們都有內在的聯繫與相扣,這種相扣最根本的就是物性。所以對於物理體系來說,它會出現這種情況,就是一錯百錯,或一對百對。比如,舊物理,它各物象進行切割解釋,各說各畫,結果必一錯百錯。而新物理《宇宙物理體系》,對各物象進行總攬,怎麼總攬?抽取物性,逐個擊破,一對百對。

人類學術界也是一個整體一個系統。這個系統會出現一錯百錯的情況,比如,物理界對相對論的吹捧,必然導致整個物理學一錯百錯。假設人類出現下一個天才下一個牛頓,重整物理學,那又會出現一對百對的情況。在某一知識領域,人類只要湧現出一個天才即可,因為一對百對。


天山我才


陽光照射地球,如果不考慮地球的自轉,以及地球繞太陽轉的位置轉變,那麼地球與太陽就成了不動的兩點的關係,太陽光照到地球,地球的直徑:網絡上覆印,地球的直徑有12742公里。就是照在一條橫線上,太陽光與地球直徑成為一個三角◀️關係,這種光照的關係就使地球的一邊是早晨,一邊是晚昏,中間是中午,這符合直線傳播力學原理,太陽照到外緣的是分力,強度較小,中間是直接作用力,強度較大。


KongZWang


陽光是按曲線傳播的。按照能量的傳播方式,能量是以波的形式向外擴散的,陽光本身就是一種能量,所以說陽光是按曲線傳播的。


國醫悟龍子WLZ


陽光進入地球會被折射,因為地球大氣密度不同,不算直線。宇宙空間存在引力透鏡效應,事實上也不一定是直線


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