光傳播過程中的三個基本定律（假說）

戴榕菁

1. 三個基本定律（假說）

所謂物理定律就是人們將一些普遍觀察到的現象歸納出的確定性的規律，其中有一些可以在一定程度上得到解釋（如玻爾茲曼對熵增的解釋），但大多數都隻是對現象的歸納而不予解釋，所以我們也可以稱之為假說。

關於光的傳播，我們已知有幾何光學和物理光學的各種定律，如光的直線傳播定律、光的獨立傳播定律、光的反射、折射定律、光路可逆、費馬原理，麥克斯韋方程和光速公式等。

但實際上，在光的傳播過程中更為基本的是三個與能量有關的定律，其中一個為大家所熟悉，而另兩個很少有人將它們列為定律卻對於理解光傳播的微觀原理非常重要。

1.1. 真空中光速定律（假說）

這三個基本定律或假說的第一個是大家所熟悉的麥克斯韋光速定律，即真空中的光速不變。但是，盡管麥克斯韋的光速定律是建立在看似完整的麥克斯韋方程的基礎之上的，在哲學上它的表述是不嚴格的，這也就是導致它淪為狹義相對論的第二個假說（即所謂的真空中的光速對任何觀察者不變的假說）之原因。

在2022年推翻狹義相對論的過程中，本博已將麥克斯韋速度律以哲學上更為嚴格的方式表述為修正後的真空中的光速假說（revised postulate of speed of light in vacuum）【[1]】，明確指出所謂光速不變指的是對慣性光源的速度不變。

1.2. 透明介質中的頻率律（假說）

這個定律說的是在透明介質中單色光的頻率不變，對於可見光來說，這就意味著單色光的顏色不變。

1.3. 介質表麵反射的頻率律（假說）

單色光在介質表麵發生反射時頻率不變，對於可見光來說，這就意味著單色光的顏色不變。

2. 討論

之所以會將這三個定律作為光傳播過程中的最基本的定律提出來是因為最近發現有關光的傳播理論在很大程度上仍是一筆糊塗賬，而其原因與對上述三個基本定律缺乏明確而完整的認識有關。

比如，有人試圖用H. Fizeau在1851年所做的著名的光在水中的傳播的實驗【[2]】中沒有出現紅移現象來否定光的傳播中存在多普勒效應。很顯然，他忽略了光在水中傳播與在空氣中傳播的基本區別為前者是頻率不變而後者是光速不變，因此多普勒效應隻發生在後者而不會出現在前者。

再比如，目前關於光在介質中的折射和在介質表麵的反射原理的解釋在很大程度上可以說是隨心所欲。現有的關於光在介質中的折射和在表麵的反射原理基本都是用所謂的“先吸收再輻射”（absorption/re-emission） 模型。而這種模型又有著經典版和所謂的量子版兩種。。。。所不同的主要是經典版說得通而量子版說不通的時候就用經典版，經典說的沒有量子版帶勁的時候就用量子版，兩種都不夠力時就上演20世紀物理學的拿手好戲----文學性想象。

比如，量子版在解釋光在介質中的折射時聲稱光子先被原子內的電子或自由電子吸收從而跳躍到原子內的高能軌道或原子間的高能區，然後那些電子再由於高能的不穩定而釋放出新的光子，這新的光子在介質中繼續前行。。。。這種看似唬人的解釋其實是一塌糊塗。

首先，這種模型無法確定性地解釋為什麽新釋放出的光子要沿著被吸收的光子原來的方向走。於是文學性想象便開始登場，號稱不同的波之間相互疊加決定了方向。。。。當然，單純的文學性想象是不夠的，這裏還引入了經典的波動疊加說，所以是用文學的粘合劑將量子版與經典版進行組合。

其次，更嚴重地，當人們用量子版進行解釋時，完全忽略了那個需要依靠不連續的能級跳躍的量子版完全無法解釋任意連續性的光譜可以通過透明介質這一點。

類似地，當他們用量子版來解釋光在介質表麵的反射時，他們既無法完全用光子的吸收與釋放來確定性給出反射角的計算因而需要借用經典的波動理論通過想象來聲稱不同的波之間的疊加決定了反射角，更是完全忽略了他們的不連續的量子吸收與輻射無法解釋任意的連續光譜都能在介質表麵進行反射這一點。

當我在討論中指出他們的不連續的量子版無法解釋連續光譜的折射與反射時，他們就拿出了經典版說：光達到介質上時光波引發原子或原子內的電子或自由電子的振蕩，而這些振蕩產生誘發光波，誘發光波與原入射光波疊加產生新的光波繼續前行。

但問題是，他們的這種誘發疊加說存在著幾個或許更為嚴重的問題：

a）如果被誘發出的光與原光的頻率一樣且疊加後的光的頻率也不變，那麽按照愛因斯坦-普朗克的光能公式來算，他們等於說入射光在介質中憑空提取出額外的能量----嚴重違背能量守恒；

b）所謂的光子理論有一個先天的缺陷，那就是沒人知道光子到底有多大。。。。一般地，人們假設光子的尺寸與光的波長相當----這就出問題了。。。。以可見光為例，其波長是一般透明介質的原子的尺寸的10億倍，也就是說單一光子打到介質中時都要同時和十來億個原子相碰撞，到底哪些原子與它的碰撞產生出誘發光波？

c）類似地，那個“先吸收再輻射”（absorption/re-emission） 模型，不論是量子版的還是經典版的，都需要假設光子在所謂的“原子間的空間”中運行時是按真空中的光速前行，隻有當與原子或電子相互作用（被吸收再輻射）時才停一下，所以光在介質中的減速完全是由光與原子或電子相互作用時停一下造成的。。。。。。問題是：那些同時與一個光子發生作用的十來億個原子中到底那些使得原光波停了一下？其中的5億個原子的作用是否會影響另外5億萬個原子與光子的相互作用？

。。。。。

上麵提到的物理學專家們在關於光的折射與反射問題上表現出的隨心所欲凸顯出本文前麵提出的第二條和第三條基本定律的重要性了。假如那些物理光學專家們在用他們的量子版解釋折射與反射原理時明確地知道並記住了上麵的二，三兩條定律的話，就馬上會意識到除非他們不承認愛因斯坦-普朗克的光能公式，否則他們的不連續量子模型就無法解釋連續光譜的反射與折射。。。。再假如那些物理光學專家們在用他們的經典版解釋折射與反射原理時明確地知道並記住了上麵的二，三兩條定律而且知道與單一波長相互作用的原子有十來億個的話，應該馬上知道由於實際的波與粒子的共振與他們想象中模型會相差很遠，如何能讓十來億個振子同步地產生相同的電磁波不是一件他們在文學領域之外可以解決的任務。

3. 結束語

光是自然界最基本的物理元素也是最難理解的物理元素。盡管現有的物理學關於光的定律可能已經超出了所有其它領域的定律，人們對於光的認識還是非常地粗淺，而未來任何關於光的物理規律的突破都可能產生所謂的新物理學。但是，在取得對於光的物理特性之認識的突破之前，我們有必要先將已有的認識理理清楚。

本文列出的光傳播過程中的三個基本定律雖然並不能幫助人們更好地解釋光的傳播原理，卻可以幫助人們避免做出隨心所欲的錯誤解釋。

 

 

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[[1]] Dai, R. (2026). Metaphysical Symphony, Book One, The Cracking Scientific Foundation. Amazon. Paperback ISBN: 979-8249046958, ASIN: B0GPPD2ZHM. eBook ASIN: B0GQX9G6TV.

[[2]]Wikipedia. Fizeau experiment. Retrieved from https://en.wikipedia.org/wiki/Fizeau_experiment#:~:text=The%20Fizeau%20experiment%20was%20carried,upon%20the%20speed%20of%20light. Last edited on 22 July 2025, at 02:58 (UTC).