力对光子的作用(之一).pdf

http:/-1-dtdmcdtcmcddtdvchF=)(2dtdmVdtdVmdtdmVdtdpF+=力对光子的作用力对光子的作用(之一之一)张长太，张原 北京大学物理学院，北京（100871）Email： 摘摘 要要:通过力对光子的作用的分析，给出了力和光的频率之间关系的公式，简称力频公式，扩展完善了牛顿第二定理在光学中的应用，使我们更真切地认识到光，以及光和物质之间潜在的联系：通过力频公式得出光的引力红移和蓝移公式，并计算出了黑洞条件公式，进一步的认识到光与黑洞的关系并得出没有黑洞，只有黑体的结论等。关键词：关键词：力，光子，引力红移，牛顿第二定理，黑洞 1.力与光的关系力与光的关系 设有一引力 F（沿 x 轴）作用在光子上，光子位于原点，并沿 x 轴运动和作用力 F 方向一致。则 F 对光子作的功，将导致光子的能量增加。（一）由于：Fdx=dE 1，即 F（)()0EEox=由得：dtdvchctdhvddXdEF=)()(这就是本文提出的力对光作用的公式力频公式：F 为力，h为普郎克常量，c为光速，v为光的频率，t 为力的作用时间。式还可以写为：-1 对于光，我们可以说：力是引起频率变化的量度。（二）和-1 式还可以从牛顿第二定理2导出：牛顿第二定理是由madtdvmdtmvddtdpF=)(给出的。其实牛顿第二定理暗示了质量是常数，而对于光，光的质量（与频率成正比）是会变化的，并不是常量，于是考虑到有质量变化的“完全”牛顿第二定理 应为 对于光，cV=是常量，于是 即：于是，我们又从牛顿第二定理导出了力和光关系式，同时，我们不妨就把式叫做完全牛顿第二定理。我们还把力的定义（力是引起速度变化率的度量）扩展到“力也是引起光的频率变化率的度量”。得到公式似乎很容易，但知道是否F O X 图 1 力对光子的作用 dtdmcF=dtdvchdtchvdcF=)(2http:/-2-会正确就不那么简单了。下面由实验验证公式，也就是验证力会否引起光的频率的变化，而且主要验证光的频率的变化量和力的作用量的定量关系是否就是式。2.实验验证力与光的关系式实验验证力与光的关系式 早在 1930 年，爱因斯坦提出的广义相对论中，就给出了 Einstern 引力红移公式3：引力对光的作用导致频率变化在 1959 年还得到了实验验证。1960 年，哈佛大学的庞德（RVPound）和瑞布卡（GARebka）在哈佛大学物理楼的水塔上安装发射和接受光子设备，并在楼底安装同样的设备，发射与接收的垂直距离为20 米。测得向下蓝移和向上红移的量值为15102=v，史称哈佛塔实验4。这个量与20米高的光子的势能相吻合，即 这个公式是庞德和瑞布卡得出的5。下面，先由本文的公式导出频率红移的关系式，看它与庞德的公式和实验结果相吻合否。图2所示，O、A、B构成r轴，O为原点，一光子 由A向B以光速c运动，它所受到质量为M，半径为R 的星球的万有引力为F，假设F，在光子所受引力的方向 与光子运动方向一致时为正，相反时为负。rm为光子质 量，则由万有引力和公式得：)11(21212rrcGMktt=)1()1()()20(20000cgHvhvmgHvvhvvhvHmgH=得图 2 引力频移（红移和蓝移）O R B r2 r1 A 1212222222222222ln)11()(ln1)(ln:)(ln)(2121vvrrcGMvddrrcGMvddrrcGMdrvdcdrdvvcrGMctddvchvhrGMdtdvcmhrGMdtdvchrGMmFvvrrrr=即http:/-3-)(1211212rrcGMevv=这就是本文提出的引力红移公式，也可以叫它rv关系式。当 式可以简化为：设 r1为 R，2r为r，v1为v0，v2为v则上式变化为：即 这就是本文提出的光的引力红移公式的简化，同理可得蓝移：结合为：式可以变化为：式中g为重力加速度，H为高度（Rr）。至此已经推出和庞德的公式完全相同的结果。同时也可以看出庞德公式只是本文提出的引力红移公式的近似式。本文的引力红移公式与爱因斯坦的引力红移公式相比较，历史上的实验结果，总是和本文的引力红移公式更接近，读者若有兴趣，可以深入比较之。3.黑洞中的光黑洞中的光（一）由 4 式得：变化后得：GMRcvvRr)ln(021=，rrcGM时1)11(122)11(1 12212rrcGMvv+=)11(1 20RrcGMvv+=)11(1 20rRcGMvv=)11(1 20rRCGMvv+=)11(1 20rRCGMvv=)(1 20rRRrCGMvv=)1(1 20220cgHvRHcGMv=)(0112RrcGMevv=http:/-4-式就是光子当频率由0v红移到v时，光子所在的位置的关系式，事实上它仍是公式。不难看出，由于光子会瘦身，可以达到24101或更小（假设光子1,10240=vv当或更小时），事实上，一个2410=v的光子，飞向星球时，频率还要增加，当它反射时的初始频率可能要大的多，甚或就是 1048数量级，这就要求在相同的 R 内，质量 M 提高相应的数量级倍，或者说，在同样的质量下，R 要缩小相应的数量级倍数，以保证：0)ln(102vvGMRc 即：）（vvcGMR02ln 当取等号时：r，所以我们要想锁住光，R 必须比不等式11右方更小。即：）（vvcGMR02ln 这个不等式就是本文提出的黑洞条件公式。如果)(ln0vv中v变的无限小时就要求M无限大，才能保证R不至于变成零。事实上，要想将光锁到 R 内，即Rr=，从10式可以看出，只有M。（二）我们可以反过来计算，当星体致密到施瓦西半径 时，将sR 代入式得：)ln(210vvRrs=，这时，只需光子频率由0v 变为 时，r 就变为，即施瓦西黑洞不耽误光子飞向无穷远处，而只能将光子频率稍微改变一点。（三）看来，以往的黑洞并不存在。但无论经典物理，还是广义相对论，都算出了施瓦西黑洞的存在。差错出自哪里呢？本文认为：经典物理是直接使用以光速运动的物体（如果有这种物体的话）来计算，然后将结果运用到光子上；广义相对论则是把光简化为以光速运动的物体来计算，把结果安在光的头上。这两者的简化是等效的。但普通物体不是光，光也不是普通物体。光以恒速运动，会改变质量来应对力对它的作用（看公式或公式的后一项），而普通物体则是以改变速度来应对作用力的（看公式的前一项）。那么天文学家看到的施瓦西黑洞究竟是什么呢？答案是黑体。或许有一天，人类可以派出飞船光临“施瓦西黑洞，”将那里的真相用光传回来。光可以在黑体上空自由传播，只是不能触及黑体（四）附加：虽然史瓦西黑洞是广义相对论的计算结果，但本文并无证据证明广义相对论的错误。因为广义相对论（其基本方程作者认真将其展开过，有数千字符之多，要知道牛顿第二定理才 4 个字符）是一个超大的偏微分方程组，学过偏22cGMRs=evv0=http:/-5-微分方程的人都知道，偏微分方程只能对几个简单的问题直接求解。所以要求出引力与光子的关系，广义相对论是无能为力的。除非减化模型将光子简化成一般粒子，（套用光速这个外壳而已），忽略其质量（即频率）的改变，也就是忽略力频关系，唯有如此才能求出解来。数学模型过于简单，必然导出不实的结果，但由于简化模型而出现错误不能证明广义相对论的错误与否。（共三篇。第二篇：力对光的作用(之二)，将介绍怎样算出光子的静止质量等;第三篇：力对光的作用(之三)，介绍怎样使光子将速度降下来，并最终抓住光子。请留意）参考文献参考文献 1马文蔚，物理学，北京：高等教育出版社，1999 2休 D.杨(Hugh D.Young)和罗杰 A.佛里德曼(Roger A.Freedman)，西尔斯物理学，北京：机械工业出版社，2004 3费恩曼，物理学讲义，爱第森-威斯蕾出版公司和北京世界图书出版公司，2004 4Apparent Weight of Photons,R.V.Pound and G.A.Rebka,Jr.Phys.Lett.4.337(issue of 1 April 1960)5 R.V.Pound and J.L.Snider,”Effect of Gravity on Nuclear Resonance”,Phys.Rev.Lett.13.539(1964)Effect of Force on Photon()Zhang Changtai，Zhang Yuan Physics Department，Peking University，Beijing（100871）Abstract In this paper,by analyzing the effect of force on photon,Ive worked out a formula on the relation between force and lights frequency that we called force-frequency formula,which may expand and perfect the application of Newtons Second Law in optics.And from this formula,we can understand light as well as the relation between light and material more profoundly.By using force-frequency formula,we got red shift and blue shift formula of light under action of force and the relationship between light and black hole.And further more,we got a conditional formula of black hole.Finally,weve concluded:there is no black hole but only black body,etc.Keyword：force，photon，red shift of gravity，Newtons second law，black hole