阳光是按照直线还是曲线传播的呢?为什么?

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上学的时候绘制光路图时,我们通常是用一条带箭头的直线来表示光传播的路径和方向,于是就给了我们一个错觉,光就是沿直线传播的。如果不了解引力的话,这样理解是没有错的,但是光其实是按“短程线”来传播的。

光的本质其实是一种处于特定频段的光子流,这时候我们来思考光的传播究竟是怎样?

其实光的直线传播这种说法是建立在均匀介质和同种介质的前提下,所以我们称为它是光的直线传播而不是光沿直线传播,而光如果在两种均匀介质的接触面上碰撞是会折射的,这个时候光就不是直线传播了,这些传播途径我们可以用费马原理来解释。

总的来说光是可以沿前后左右上下各个方向传播,光越亮就越不明显看出,而光较暗的时候,发光体会根据照明参照物的距离而扩散,距离越远,扩散的越大,所以光的传播并不是特定的方向,与光的亮度、光与照明参照物的距离都有关。

我们认识引力之后,其实就可以更好的理解光的传播了,光线是怎样传播的呢?

在爱因斯坦的相对论中,认为引力就是时空的弯曲所导致的,引力是由空间——时间弯曲的几何效应,他认为由于时空会在大质量的天体附近发生畸变反应,会使光线在经过大质量天体附近时同样发生弯曲。

就比如观测者到光源的一条直线上同样有一个大质量的天体,则观测者会看到由于光线弯曲而形成的一个或多个像,因此在他看来光线在引力场中的偏折会形成引力透镜的现象。


星球上的科学


这个宇宙压根就不存在平直的空间和绝对理想的“直线”


先说答案,阳光是按照“短程线”传播。短程线又叫“测地线”,是空间中两点之间的最短距离。在欧氏几何平直空间里的二维平面中,这个测地线就是一条直线(线段),在二维曲面中就是一条曲线,比如说地球上的经度线;



而在非欧(黎曼)几何中则都是曲线。根据广义相对论,具有质量的物体会弯曲周围的空间,由于宇宙中到处分布着物质,因此总的来看,整个宇宙空间是弯曲的。换句话说,我们这个宇宙根本不存在平直的空间和绝对的直线。欧氏几何只适用于描述理想的平直空间,并不适用描述现实的宇宙空间,它所描述的理想“直线”根本是不存在的。

这个宇宙中所有物体(包括光子)在这个弯曲空间的运动轨迹都是条曲线

广义相对论认为引力不过是时空弯曲的几何效应,所谓的引力不过是物体沿着弯曲空间作的“测地线”运动。质量越大的物体,其周围空间弯曲的越厉害,小的物体进入这个空间,只能根据初速度的大小和方向进入这个弯曲空间相应轨道中选择最短的距离――“测地线”运动,

由于空间是弯曲的,因此小的物体的这个测地线运动轨迹就也是弯曲的。在我们看来,小的物体似乎受到了大物体拉向其中心的“引力”,


而实际上呢?只是一个几何效应而已。不过由此可知,所有物体在弯曲空间的运动轨迹的确都是条曲线,包括光子的运动,因为光子也是一种实物粒子。

另外,我们知道光的速度是宇宙中最高的运动速度,但再高的速度也是在空间内的运动,不可能跑出空间,光速是以时空作背景的度量(速度等于空间比上时间),光的传播运动和空间紧密相连,不可分离,因此光的传播路线就是空间形状的体现。空间平直则光线直,空间弯曲则光线弯曲。由上面可知,宇宙根本不存在平直空间,因此光线只能是曲线传播。

我们经常听到“光沿直线传播”的说法,实际上是一种近似说法。因为相比动辄以光年计的宇宙空间来说,我们日常接触的空间距离实在是太短了,根本显不出光线的“弯曲”。



光的传播路线是弯曲的几个例证

早在发表广义相对论前的1911年,爱因斯坦在《引力对光传播的影响》一文中指出光线在经过太阳附近时,由于太阳“引力”的作用会产生弯曲,并进一步指出可以在日全食时观测这一现象,因为阳光会淹没真正发出光线的星源,只有在太阳光被遮挡时才能发现它。这一预言在1919年的日全食时被爱丁顿率领的两支观测队成功验证。


在广义相对论中,爱因斯坦还预言了宇宙中存在“引力透镜”效应。所谓引力透镜是指由于时空在大质量天体附近会发生畸变弯曲,使光线在大质量天体附近发生弯曲(光线沿弯曲空间的短程线传播)。如果在观测者到光源的视线上有一个大质量的前景天体则在光源的两侧会形成两个像,就好像有一面透镜放在观测者和天体之间一样,这种现象称之为引力透镜效应。

自1979年发现以来,至今已发现100多个“引力透镜”,再次有力的证实了光线的弯曲。




另外我们常说的黑洞天体,它无限致密的质量使周围的空间极度弯曲,拥有极强的“引力”效应,以至于连光线也被“吸住”而“逃不出来”了,以至于在黑洞周围一定空间位置(比如史瓦西半径)形成一个“光环”――视界,


当然这仍然是因为光线在沿着极度弯曲的空间在做“短程线”运动所致。光环以内的空间轨道向黑洞“奇点”弯曲,光环以外的空间使得光可以“逃逸”而被我们看到。光环上的光则永远在视界弯曲轨道上作“短程线”运动。

最后


当然题目说的是“阳光”,太阳距地只有1.49亿公里,太阳和我们地球之间的空间没有大质量天体(这里指比太阳大的天体,八大行星的质量对空间的影响忽略不计)存在,因此

这个空间在日地连线方向上相对“平直”太阳光可以长驱直入的射向我们地球,另外,既然都是走短程线,光线之所以相比普通天体的运行轨道看起来是直的,是因为光速太快了,这个速度使得光进入一个相对平直的轨道。从这个意义上说,“阳光在向我们地球传播的这个空间范围内是直线传播”,而阳光在向宇宙深处,特别是经过大质量天体附近时的传播路线则是弯曲的。


物原爱牛毛1


阳光是按照直线还是曲线传播的呢?

光暗直线传播这个事实应该在小学的科学课中就有说明了,假如你问小学生光是直线还是曲线传播时,他会明确告诉你是直线!但爱因斯坦又明确无误的告诉大家,光线会被引力场弯曲,并且在1919年的日食观测中证明,那么光线到底是直线传播还是曲线传播?

小孔成像表示直线是传播的

早在两千四百多年前的墨子就发现了小孔成像的秘密,他为学生们讲解了小孔成像的原理,并且指出光的直线传播这个成像的主要原因!此时要比古希腊亚里士多德在《论问题》中提到的小孔成像概念还要早100-200多年!

墨子关于小孔成像的记载

当然大家对小孔成像肯定也不陌生,大家一定都玩过,对于光的直线传播也记忆犹新!关于光直线传播的自然界中的阳光穿过云层后的漏光,或者朝阳穿过薄雾,甚至日食等等,都能非常直观的感受到光的直线传播!

漏光大片

漏光大片大家看了可不少,但估计天天看也没人去注意光是直线还是曲线传播,毕竟这种司空见惯的现象已经很难引起的大家的兴趣!

引力场弯曲光线

爱因斯坦在1916年发表了广义相对论,关于其推导过程是在有些复杂,咱吃瓜群众就不用纠结了!但其中的结论非常简单暴力,爱因斯坦认为牛顿关于时间与空间描述的绝对时空观错了:

牛顿认为时间和空间是分离的,天体在空间中通过以太传播的引力为纽带连接起来,构成一个庞杂的大网!在万有引力为基础拉普拉斯天体力学将太阳系各行星轨道计算的分毫不差,甚至勒维耶还因此计算到了海王星的准确位置,所以,牛顿经典力学错了吗?

当然,有一丝隐忧!在勒维耶计算出海王星轨道以后估计没事干,去计算了水星的轨道,结果发现观测和计算值在100年中差了大约38角秒,这是一个很小的值,但勒维耶非常较真,所以他根据经验应该有一颗水内行星影响了水星的轨道,这就是著名的水星进动问题,当然这颗行星不存在!

所以当爱因斯坦发表广义相对论后,第一个开刀的就是水星进动问题,广相认为引力是质量弯曲时空的表现,因此加入了时空弯曲后的水星进动计算值和观测值就相当吻合了,广相当然不会着眼于牛刀小试,它还有一个关于光线被大质量天体弯曲的预言!

也就是爱因斯坦那么好命,广相发表三年后就是1919年的日食,而且遮挡的是是毕宿星团的的亮星,特别容易观测,爱丁顿带队为爱因斯坦验证广义相对论的质量弯曲光线!

1919年日食弯曲光线示意图

结果当然是爱因斯坦的大获全胜,可惜即使验证了光线被弯曲又如何,1920年和1921年的诺贝尔奖并没有广义相对论的份,而爱因斯坦在1922年获得的是1921年的补发的物理奖,而且还是名不见经传的光电理论!

光不是走的最短路径么?为什么它在引力场中会走弯路?

这是一个很有趣的话题,其实在弯曲空间中最短的路线并非直线!其实即使在牛顿的万有引力理论中,光在引力场中仍然会走弯路,因为光子具有动质量,所以它会受到引力而弯曲!但弯曲程度比广相计算值小一半,因为经典力学中的绝对时空观空间和时间是分离的!

无论是光还是其它物体,在引力场中都遵循测地线的原则运行,因为在引力场中测地线最短,如果非得将它扳直了,那么它走的路程可能会更远!

当然这个特性也为天文学家打开了另一扇窗户,即通过引力透镜的方式来发现新的天体,因为遥远的星系可能很暗淡,但刚好在前景有一个质量比较大的星系,那么背景中的星系光线会被这个星系聚焦,而变得更加明亮!另一种可能是会形成爱因斯坦环或者十字架类似的虚影,非常有趣!

爱因斯坦环

爱因斯坦十字

相波超光速,曲线前进的光

最后提一个有趣的话题,关于德布罗意波,当年德布罗意童鞋写累篇论文,描述了电子运动时产生的波,论文的精髓是这样的:

电子的质量m赋予了它有一个内禀的能量E=MC^2,和普朗克量子公式E=HV就可以推导出电子会有一个频率ν=mc^2/h,所以电子有一个频率,它在前进的时候会有一个波,而电子以v0速度前进时候,这个波的速度等于c^2/v0,相信你可以计算出这个速度肯定是超过光速的,因为电子具有静止质量,因此不可能超过光速!那么就意味这个速度最低是光速,似乎没有上限?昏倒,超光速出现了!

德布罗意相波

上图中绿点的速度是群速度,表示电子真正的速度,而红点则表示相速度,可以很明确的看到红点速度明显高于绿点速度!不过相波不传递任何信息,所以爱因斯坦对此睁一只眼闭一只眼!

对于光子其实也一样,光一粒子形式出现时,它是直线传播的,但会受到引力场影响而弯曲!但当它以波的形式出现时,相波走的明显就不是直线,这会就很有趣了,因为还有干涉等各种好玩的光学现象出现,那么到此时,您认为光是直线传播的还是曲线传播的?


星辰大海路上的种花家


在某种意义上来说,光线就像水流一样,是弯弯曲曲的,是随着地形而发生改变的。

相对于光线来说的地形是什么意义呢?就是空间中无处不在的场。这些场不是均匀分布的,对于光线来说,所谓的虚空并不是一致的环境,而是像水遇到了大地的起伏和褶皱,她会找到一条离地心最近的路线。

可能这样说,对于人类是无法想象的。人类的眼里,星辰之间就是虚空,人类的科幻作品中也从不担心驾驶飞船会撞上理论中存在的暗物质。但是对于光线来说啊,虚空中却是地形复杂的。

把蚂蚁放进河水中,在蚂蚁的眼里河流就是在走直线,一直向前奔涌着,而且速度还是一样的。把人放进光线中,在人的眼里,光线就是在走直线,而且速度还是一样的。

我们知道蚂蚁是错的,实际情况不是这样。河流弯弯曲曲地奔跑着,有湍急,有平缓。光也如此。


狼财精


光在同种均匀介质中沿直线传播,通常简称光的直线传播。这样我们才能在不同介质情况下看到折射,反射。阳光自然遵循光的一般规律。

但是光又具有波粒二象性,是指光既具有波动特性,又具有粒子特性。

宏观和生活上阳光是直线传播的,因为光的波长远远小于一般物体尺寸,大约是400~760nm。光的频率为3.9×1014——7.6×1014赫,用土话说,抖的太快,成一条直线了。进一步微观来看,光又有粒子的特性。

但是应用于我们日常生活,还是说阳光是直线传播的。日常生活中以人眼观察光的直线传播特性更明显。


冷冷医趣


不考虑光的折射等情况,真空中光是"直线"传播的,为什么要加引号呢,以地球为例子,地球具有质量,会产生重力,而根据牛顿定律,在重力的影响下,光会产生弯曲,那为什么我们看不到呢,因为光的速度实在太快,导致弯曲的程度微乎其微。

好,上面我们说了,光线会弯曲,但爱因斯坦的脑洞明显跟我们不一样,广义相对论认为,重力效应的产生,实际上存在质量的物体造成的空间的弯曲,所以,他认为,光在空间中是按照直线传播的,不过空间本身的弯曲,让我们认为光线本身的弯曲。


晨雨清风


阳光照射地球,如果不考虑地球的自转,以及地球绕太阳转的位置转变,那么地球与太阳就成了不动的两点的关系,太阳光照到地球,地球的直径:网络上复印,地球的直径有12742公里。就是照在一条横线上,太阳光与地球直径成为一个三角◀️关系,这种光照的关系就使地球的一边是早晨,一边是晚昏,中间是中午,这符合直线传播力学原理,太阳照到外缘的是分力,强度较小,中间是直接作用力,强度较大。


KongZWang


大自然物理,它是一个体系一个系统。系统它是环环相联环环相扣的,比如,解释苹果下落与解释地球绕太阳转,它们都有内在的联系与相扣,这种相扣最根本的就是物性。所以对于物理体系来说,它会出现这种情况,就是一错百错,或一对百对。比如,旧物理,它各物象进行切割解释,各说各画,结果必一错百错。而新物理《宇宙物理体系》,对各物象进行总揽,怎么总揽?抽取物性,逐个击破,一对百对。

人类学术界也是一个整体一个系统。这个系统会出现一错百错的情况,比如,物理界对相对论的吹捧,必然导致整个物理学一错百错。假设人类出现下一个天才下一个牛顿,重整物理学,那又会出现一对百对的情况。在某一知识领域,人类只要涌现出一个天才即可,因为一对百对。


天山我才


阳光进入地球会被折射,因为地球大气密度不同,不算直线。宇宙空间存在引力透镜效应,事实上也不一定是直线


因缺斯厅


阳光说它直线,曲线,粒子,波传,都对!看从哪个角度来认识。确切地说:阳光是波传!因发光源与接收物在不停运转着,二者存在速度差而形成!其内函深渊,一言难尽!信不信由你!见笑,见笑。


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