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关于我

刘帮海 1963年出生于广西灵川县海洋乡。年青时代沉迷物理,惊叹现代物理的一些结论不可思议,84年立志要在物理科学中有所作为,并坚信能够取得成功。思考十四年后闪现出一个奇妙的念头,由此一发不可收:发现《动态的光子结构》 、《磁层原子结构》、《磁层分子结构》、《磁场起源新解》、《电磁波的产生和被吸收的物理过程》……上百篇论文组成了自成体系的《物理新理论》。

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  光子的动态结构与光量子本质  

2013-04-09 18:48:15|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作    者:   刘帮海 刘广成 莫引义

[摘 要] 本文描述了光子的本质结构:光子中的可转变电场为球状旋转电场,其外轮廓与电子球状体等同,磁场为伸缩的环形线状磁场,它们交替相互转变向前传播。以此为基础导出了光量子的物理本质,得出光子的能为感应电势能的新结论。合理地解释了光子在介质中传播时的波长和波速关系,构思超光速实验装置,明确光子的参考系就是它本身,预示了残缺光子的存在。导出光量子的物理本质是:磁力线中的磁通量就是光量子!

由于本光子的动态结构也是所有频谱电磁波的动态结构,固下面就以电磁波作光子的通称。

[关键词]:光子结构 电磁波 线状磁场 球状旋转电场 光量子 磁通 超光速

[前言]:电磁波的本质结构必须能导出电磁波的所有性质。尽管科学家对电磁波的研究由来已久,前人的聪明才智使得性质如幽灵般的电磁波不再神秘,对它的应用已相当熟练。在理论上,量子的发现和相对论的问世,都让人们相信电磁波的理论已走上不可超越的颠峰。然而,仔细地审阅我们现有的电磁波理论就会发现,它还存在着很多重要问题。

  其一,光量子的发现已有一个世纪,但光量子的物理本质却还是一个谜,这应该是理论物理学的最大问题之一。前人经过努力而没能将它解决,后人就不再关注它了,将它当作物质的固有本性。

  其二,相对论有实验和现象的支持,但它不合常理且不能解释光速不变的物理过程。

  其三,电磁波的性质具有多样性,我们的理论也就具有多样化,所有的理论都是在描述电磁波的属性和它表现出来的各种性质。它们都不能够用一个共同的简单的基本结构和一套基本理论,推演出电磁波所具有的一切性质。对它们的研究尚处在以实验科学为基础的水平上。

  这些问题足以说明,目前的电磁波理论还没有到达最基本的层次。

  本电磁波的结构极为简单,形同儿戏。我们只需沿着这条极为简单的思路走到下去就会发现它的辉煌,但我们需预先有全新的物理思想准备,因为就这样一个十分简单结构却能千变万化、合符逻辑地推演出电磁波所具有的很多性质,这是否就是电磁波的本质模型?

  本文先介绍了电磁波的基本结构,以此结构为基础准确地描述了电磁波中的电场轮廓以及它在时空中的位置,描述了线状磁场的形成,线状磁场成为磁通环和磁通环的伸缩过程,以及磁通环的直径随时间的变化,描述了电磁波中的电场能和磁场能随时间连续均匀的转换关系。

  随着对电磁波感应电动势的描述,新理论突现出它动人心弦的面容。它以本结构为基础灵活运用法拉第电磁感应定律推导出磁通量子,磁通量子也就是光量子!光量子的物理本质是:磁力线中的磁通量就是光量子!明确电磁波的能为感应电势能。由于电磁波在不与电荷作用时其磁通的伸缩速度不变,而这种环形磁通的伸缩速度相对于任何参考系都是等同的,因此也就自然地得出电磁波以波轴或自身为参考系其速度恒等于c ,c = νλ 。在介质中传播的电磁波,它的圆形磁通环变为椭圆形,其短轴为电磁波的波长,此时又发现一个新的性质——在管道中传播的电磁波,当管道的内直径小于电磁波的波长时,它的传播速度υ将大于c 。 

对电磁波自身以外的参考系,本理论认为电磁波的参考系变换遵循伽利略变换。在解释迈克耳逊的“光速不变”的实验时,本理论提出电磁波波程段的特殊性,为解释该实验供了一个新的看视角度。用伽利略变换和光程段的性质,不仅可以解释电磁波的超光速参考系存在的物理本质,还能定量地计算出物体相对运动时用电磁波来观测所表现出来的时间和长度的变化。 

最后简述残缺电磁波的形成过程和研究它的物理意义。

博客bh61.blog.163.com上有动态的电磁波结构动漫,看了动漫后可快速理解本文。

一、 电磁波新模型简介 

  电磁波中的磁场能和电场能能够交替地相互转变,其变化的磁场为伸缩的环形磁场,变化的电场为外轮廓与电子球状体等同的涡旋电场。

  电子在原子磁层间运动时产生可变化的磁场,即电磁波的磁场起源于电子,磁场起源时由电子两边对称伸出连续的环形磁场,其环形磁场的磁环逐渐扩大,当环形磁场脱离电子时,环形磁场的直径达到最大值λ 。随后环形磁场的直径逐渐减小,其能量转换为涡旋电场能,涡旋电场又转变为环形磁场,由此循环下去。 

二、  电磁波中的旋转电场

(一)  旋转电场的轮廓

  旋转电场的轮廓为球面体,其大小与电子球面体等同。设其半径为r ,则其最大截面积为πr2 .

  在传播过程中,由于其体积太小,我们可用点代替它。

(二)  旋转电场点在时空中的位置

1  空间位置

  当电磁波的能量全部转化为球状旋转电场能的那一刻,其旋转电场在宏观上表现为点状,称其为涡转电场点,简称涡旋点。

  如果电磁波的起点为A,在直线传播的历程中,旋转电场点的间距为λ 。旋转电场点落在这条直线上,我们将这条直线称为光轴,光轴也可以是以波长λ为线段的折线。

传播距离为

2 时间位置

在时间轴上,旋转点落在周期点上

 

              

 3   时空位置

  旋转电场点在时空坐标系中为间距相同的点。时间坐标落在周期点上。空间坐标落在波长点上。  

三、  变化的磁场轮廓

(一)  磁场的起源及磁通环的形成和伸缩

  电磁波的磁场起源于电子并逐渐形成磁圈,磁圈逐渐扩大,磁圈直径扩至最大λ后逐渐缩小,直到转化为外形轮廓与电子相同球状涡旋电场,以后的磁场都起源于这种球状旋转电场,它们相互转化。如图,A为电磁波的起点,D点为第一个旋转电场点。包含字母A的圆圈表示球状电子的最大剖面。由电子的两边对称伸长出磁场,并逐渐形成环形磁通。随着通过电子的磁通的增长,环形磁通的环直径逐渐增大,电场能逐渐转化为磁场能。当磁通环的直径等于电磁波波长λ到达D点,磁通伸长过程结束。从此,磁通环开始收缩,环径成线性减小,变化的磁通能量开始转化D点的旋转电场的能量,直到环形磁场全部转变为D点的球状旋转电场。(注:下列各图的比例不一样)

磁场的起源和磁通环的形成:(阴影部分为磁场区域,B为磁感应方向。)

圆圈A为电子外轮廓

磁圈的伸长过程与对应的时间       磁圈的收缩过程与对应的时间

上述两图是一个电磁波在每一个周期中某时刻磁圈的留影,事实上磁通的伸缩是一个连续的过程。

                 磁圈转换为球状旋转电场的过程

              

         包含字母D的圆圈表示D点的球状涡旋电场轮廓   

  恰当的形容就是,这个磁圈象一个用铁丝弯成的圆圈,铁丝的直径不变,这个直径就相当于磁通直径,而铁丝弯成的这个圆圈却可以因铁丝的加长或减短而伸缩,磁圈就象这个可以伸缩的铁丝圈。

  说明白些,电磁波中的磁圈就是具有横截面的可变化的法拉第磁力线!

  当磁通环直径趋于零时,磁场能全部转换为旋转电场能,磁场变化完成一个过程,从A点起至D点结束,电磁波完成一个转化过程,这也是电磁波一个波程的始终过程,以后的每一个波程均相同。只是以后的起点不再是电子而都是旋转电场,后一个波的起点就是前一个波的终点。

(二) 磁通环直径随时间的变化

  磁场轮廓为环形磁场,直径随时间的推移而变化,如图所示,在每一个周期点上其直径

         2R = 0 

随后2R成线性增长,到一个周期的一半时,即当 t =( n +  )T 时

         2R = λ 

随后2R成线性减少,当t = n T 时,

         2R = 0 

2.3    电磁波在传播过程中每一个波中的最大磁通环在时空中的留影

  

  这些磁通环首尾相连,圆心都在一条直线上,圆直径都为λ 。

  在时间轴上,磁通环的圆心在各周期的  T处。

   在空间轴上,圆心落在各波的 λ处。

四、  电磁波的能量及其电磁能的转换关系

(一)  电磁能和磁场能的相互转换关系

     如图,E为一个电磁波的总能量,Ee为涡旋电场能,EB为磁场能。

开始时,EB 从零经过T后上升至E,即电磁波的能量经过T 就完成了由电子能量转换为磁场能量,然后

       

电磁波产生后从 T及 T以后的任意时刻,

        Ee  +  EB = E 

从图上得知,从磁场到旋转电场,再从旋转电场到磁场是一个连续的过程,没有时间间隔。所有时刻电场能和磁场能的转换都是连续和均匀的。

(二)  电子的磁通与电磁波的感应电动势及量子

1、电子的磁通

电子为球体,设其半径为r,其最大截面面积为

        S = πr2

该电子的磁感应强度为B,则通过电子的磁通量为

        Φ = SB = πr2 B 

由于球状旋转电场的轮廓与球状电子外形轮廓等同,它们的最大横截面面积与环形磁场的横截面面积相等,而电磁波中的磁通起源于电子或与电子轮廓等同的球状旋转电场。因此,Φ 也就是电磁波中的磁通量。

2、 电磁波的感应电动势

法拉第电磁感应定律的表达式为

         ε= - 

具体应用于导体回路,麦克斯韦将它扩展到任意空间,将公式   

         ε= - 

 运用到本模型,这也是在麦克斯韦的理论框架内灵活运用而已。

 电磁波在传播途中的磁场是变化的磁场,因此传播途中的电磁波的感应电动势为感生电动势。电磁波中的磁通为Φ,它的变化周期为电磁波变化周期T的一半,即它的变化时间t为  ,或者说,对于电磁波中变化的磁场,其磁场从无到伸展结束经历了  的时间,从伸展结束到无也经历了 的时间。因此,电磁波的感生电动势ε为:

ε = -  = -  = -·2Φ = -ν·2Φ 

式中ν为电磁波的频率,负号反映的是电动势方向与磁通的关系,在现研究阶段,我们只取其数值大小就行了,不必管方向关系。

 ( 三)  量子的物理本质                                        

上面只导出了电磁波的感生电动势而没有电磁波的能量E,严格地说,

或者说新理论中的电磁波只有感生电动势,而没有我们通常讲的电磁波的能量E。在新理论中,电子是不能独自产生和吸收电磁波的,电磁波也不能独自与电子作用。一个电磁波只有通过原子对一个电子的作用后才产生出能量E的效应。因此,它通过原子与电子作用后其能量效应为

        E =εe =ν·2Φe 

而现代物理已证明   

        E =νh 

显然        

        h = 2Φe 

        Φ =   

而  为磁通量子Φ0 ,通过电子的磁通量Φ与磁通量子相等,即

        Φ = Φ0 

Φ也就是磁通量子!磁通量子的物理意义就是电子的最大横截面面积S与电子的磁感应强度B的乘积。

         Φ = S B 

         Φ = Φ0 

         Φ0 = SB 

简洁地说,磁通量子就是通过电子的磁通量。

  从这里轻而易举地导出了磁通量子,可以说是“踏破铁鞋无觅处,得来全不费工夫”。而这种令人心跳的收获贯穿着新理论的始终。

  磁通量子之谜解开了,普朗克常量h之谜也随之真相大白。它就是电子电量和通过它的磁通量的乘积的两倍。光电效应中U0 —ν 的直线斜率k与h的关系为

         h = ek ,

将h代入 

         Φ0 =   ,

         k = 2Φ ,

即k就是2倍的电子磁通。因此电磁波的感生电动势

          

 或     

       

  如果确定B,则电子的半径就会精确地得出。

  到此阶段,我们才明白,前面描述的电磁波的能量、旋转电场能量及磁通环能量都是一种电势能而非能量。

五、电磁波的奇特参考系 

  电磁波的奇特参考系为该电磁波的波轴,在此波轴上,以磁场脱离电子那一刻,电子所处的位置为起点。电磁波被吸收和反射或折射之前,电磁波传播的距离

        s = nλ

        t = nT 

        n = t·  = t ·ν ,

则    

        s = nλ = tνλ

波速   

        c =  =   = νλ ,

显然,上式中s、t、c都是独立于任何其它参考系而严格对应的物理量。

  为什么c与νλ严格对应呢?

  一个电磁波的圆环形磁通伸长到最大直径为λ ,需时间为 ,同样,由最大直径到零也需 的时间。

   如果我们将圆环形磁通的最大直径留影出来,则组成一串首尾相互连接的圆形串。如图,

设A、D为光轴上的任意两点,A、D距离为s,显然,无论AD内含有多少种波长不同的电磁波,只要旋转电场变化点都落在AD上,它们的最大环形磁通的长度之和都为π·s 。

磁通长度  

         l = πs = π·nλ 

          t = n T = n· 

则磁通速度  

        υ =  =  =    = 2π·νλ

式中 表示磁通长度达到最大值时只需电磁波传播的时间的一半。波速

         c = ·  =  ·νλ=νλ

式中表示电磁波磁通环的伸、缩各用 T ,所以 要乘以 。显然,在波轴中波速不变的根源在于磁通伸缩速度不变。由于磁通的运动表现方式为环状伸缩,因此,它相对于任何参考系,其速度都不变。也可以说,由于每一个旋转电场点与下一个旋转电场点的距离都是λ,它们用的时间都为T,则 

        c = =νλ

因此,速度c的参考系就是电磁波本身,即对于任意相邻两个涡旋电场点都可以用距离s(此时s =λ)、时间T来确定速度,它们都是对应和确定的数值,与其它参考系无关。

  以自身为参考系却同样可以得出其运动速度恒等于光速c ,这就是电磁波,它运动速度的奇特参考系可以是它本己!

六、介质中传播的电磁波

  以上讲的都是电磁波在真空中的速度。在介质中,电磁波的速度c减少,波长λ变短,而频率ν不变, 能量不变。可引起上述问题的原因可能有两种。如果此时的磁通仍为圆形磁通,那么它的磁通长度l则减少了2π(λ-λ/) ,磁通速度同样会减少,这一切都因为它的能量没有改变。从式中    

         ε =  ·2Φ,

可知,周期T没变,只有改变磁通速度。但现在却找不到改变磁通速度的理由。

如果磁通为椭圆形,则一切都简单了,此椭圆形的磁通周长与真空中圆环形磁通长度相同,而椭圆的短轴正是介质中的电磁波波长λ/ 。显然,宇宙中无生命的物质总是简单了事!此时,波速c/ = νλ/ 。                          

既然电磁波沿短轴方向传播降低了速度,那么有什么办法可使电磁波沿长轴方向传播而提高波速呢?回答是肯定的:在管道中传播的电磁波,如果管道的通径小于电磁波的波长,则υ>c ,此时

         λd = d + π·    

        υ≥ν ·(d + π·) ,         

条件:d<λ

d—电磁波通道的直径,λd—电磁波在通道中的波长。不论电磁波通道为真空或介质,上式都成立。显然,在介质通道中,d小于电磁波在介质中的椭圆磁通的长轴时 ,υ>c/ 。由于电磁波在管道边缘传播时,其弦长决定它的波长,而弦长总是小于直径的,所以,υ是电磁波在管道内的最低速度,速度大于υ的电磁波占多数。原理如图,

      正常最大磁通和管道中的最长磁通的留影

          圆环形磁通          圆形的磁通被反射成了

                               两个半圆和两条直线

  此光速可用克尔盒测量。波导管传播微波也会有同样的效果。此实验将成为新理论的试金石。因为这是一个由新理论推导出来的而我们又还没有发现的电磁波的特性。

  由此看来,电磁波无论在真空中还是在介质中以及波导管和光纤中,它的磁通长度和时间都是严格对应的量值,与传播距离无关,且磁通速度与参考系无关。

七、残缺电磁波

当电磁波与迎面而来的高速带电粒子相撞时,电荷会粘连着环形磁通并将它高速拉扯。当速度达到一定值时,电荷对磁通的作用就像一把刀,将电磁波的环形磁通割裂甚至割裂成对称或不对称的两段。电磁波被割裂后会表现出很多奇异特性。例如,电磁波刚好经过涡旋电场处被对称地割裂成两段,这两段被分离后的磁通是否就是可变化的磁单极呢?!残缺电磁波在时空中遵循什么样的运动规律?而有很多奇异性我们对它早已司空见惯——在高能加速器中碰撞的粒子,它们产生的电磁波被迎面而来的粒子割裂开来,或者在这种激烈的碰撞中粒子产生的电磁波其磁场不再是环形磁通,它们是支离破碎的磁通,还有可能此时的Φ0以整数倍或半整数倍出现。遗憾的是现代高能物理将这些破碎的磁通或Φ0有变化的电磁波当成多种基本粒子。因此,很有必要对这些残缺的电磁波进行正名,对它们的研究将成为高能物理的一门重要学科。

八、 电磁波新模型的意义

  上述描述对电磁波所具有的波动性、粒子性、量子性、偏振性等性质一目了然。当今物理对电磁波的论述种类繁多,但它们却都只描述了电磁波的某一个侧面,或者是捕风捉影,将理论复杂化。新理论使它露出本质,并重复了物理学的一个真理,那就是:越是基础性的理论越简单。

     新理论将波与粒子、低速与高速、连续性与量子化和谐地统一起来,并解开量子之谜,它告诉人们,在研究新领域的过程中,我们还没有百分之百的理由将经典物理抛在一边。(注:这句话晚了一百年)无论高速、波动还是量子,它们只有奇巧性而没有不讲经典物理原理的特殊性。

     

电磁波的产生与吸收以及其它性质将在《原子的描述》中叙述。该模型与磁层原子模型和磁层分子模型一道构成了物理新理论的基础。

作    者:   刘帮海 刘广成 莫引义

通讯地址:中国广西桂林市灵川县大圩中学  

邮    编: 541203

电    话: 13211507021

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