我提出的假设中有一点是和前人的理论不相容的。前人的理论认为虽然光具有波粒二象性,但是这两种特性不能在同一时刻出现。在某一时刻只能表现出其中一种特性。
而在我的假设二中,这两种特性可以在同一个时刻出现。在“斥力论”的论文发表的过程中,这一假设多次受到了强有力的反对。我一次又一次地加以解释,因为我认为实践才是检验真理的唯一标准。现在回想起来,还觉得很有趣味。
有关波动性的假设一,使得粒子受到洛伦兹力的作用;而应用粒子性的假设二,使得不同波长的光所施加的洛伦兹力可以直接加和。有了这两条假设的突破,我们就可以以数学为工具,严密地推导出“斥力论”的核心公式[12]。
核心公式介绍
按照以上两条假设,可以推导出光对空间自由带电粒子的斥力公式如下:
如果带电粒子的速度位相与光波的电场位相完全一致时,公式可以简化为:
公式中的各个参数代表的意义如下:
“π”是大家都很熟悉的圆周率。
“e”是元电荷电量,即最小的电荷。通常取e等于4.8×(10的-10次方)绝对静电系单位[13]。
“j”是个常数,取决于电离的情况,它可以等于1、2、3、4……。比如j等于1时带电粒子只带一个元电荷。
“c”是光速,约等于3×(10的8次方)米每秒。
“m”是带电粒子的质量,根据粒子的组成不同而不同,但也是一个常量。
积分部分,是表示对波长λ的积分。其中“Sλ”表示在λ波长处,单位波长间隔内的光强;“ω”代表光波的角频率。因此,公式中只有积分部分是变量,它随光波长的变化而变化;积分前面的部分都是常量。
有两点需要说明:第一,第一个公式中的“Ф”是一个针对第一个假设的修正系数。也就是说带电粒子被激发的速度位相与光波的位相可能并不完全一致时,那么最前面的系数4π就会产生小小的变化。但“Ф”仍然是一个常量,应该可以通过实验测出。下面有关所有计算,系数均取4π。第二,公式计算时所用的单位都是绝对单位。最后积分部分计算得到的单位是克每二次方秒(g/s2次方)。
根据20世纪70年代得到的太阳观测数据,我算出了在地球轨道处,公式中积分部分的结果是0.6×(10的-9次方)克每二次方秒。这是一个非常重要的数据,成为之后解释的太阳风等自然现象的重要依据。
需要额外解释的一点是光对空间自由带电粒子的斥力与光的压力是有本质上的区别的。光的压力是和光的吸收、反射、折射等联系在一起的,光压力对所有的粒子都会施加压力。而“斥力论”所定义的光斥力只施加于空间中的带电粒子。同时通过定量计算的比较,光对空间自由带电粒子的斥力,比光施加给该粒子的压力要大几个量级,所以两者间是有本质的区别的。
证明一种理论的两种方法
科学变革必须要有突破,突破传统才能打开思维的“枷锁”。这并不是说传统理念就是不可用的,我们不是要把它彻底推翻,而是在此基础上有所开拓,有所前进。
所以我的思维过程就是这样,要解释太阳风的形成和高层大气的能源是从哪里来的,要解释原始宇宙射线的加速和起源问题,就必须要有突破的思想。按照现有理论的套路走是绝对不行的。读者或许已经看到,在上一章我们就是根据这3个重大未解之谜提供的线索和思考,以及根据自然科学大发现的规律,用突破的思想提出了“斥力论”及其公式。但是它究竟正不正确呢?这需要定量的分析与实践加以验证。这一章就是来介绍如何验证斥力论的正确性。
一个公式、一个定律、一个理论要证明本身的正确性,基本上有两种方式。
一种方式是根据已有的实验结果提出一种理论,这种理论必须要和实验结果相吻合,以此来证明它是正确的。另一种是根据理论提出预测,然后再通过实验来证实。比较而言第二种方式是更为困难和艰苦的,不仅需要开拓的思维和创新能力,还要有能经受质疑与指责的决心。这两种方法对于科学的发展和推动都是不可缺少的。
下面我就来介绍几个以这两种方式来证实理论的例子,其中也有我自己所亲身经历的。
以第一种方式来证明所提出的理论,普朗克的量子理论当属极著名的一例。众所周知,这一理论在自然科学史上具有划时代的意义。以普朗克的黑体辐射公式所算出的理论数值与实验数值完全符合,证实了量子论的正确性。虽然在理论发表的初期还有不少质疑,但随着时间的推移,这一理论就逐渐地被普遍接受了。
而爱因斯坦则是用第二种方式来证明自己的广义相对论的。刚提出这一理论时,还很少有人能够理解。那么他怎么样来证明自己的理论是正确的呢?
爱因斯坦根据自己的理论,作出了一个大胆的预测:遥远的恒星所发出的光线经过太阳表面时会发生弯曲,并预测这个弯曲的度数是1.74弧秒。
要想证明这个预测,必须在日食的时候,因为平时太阳光会掩盖所有其他恒星的光线,只有日食的时候太阳光被挡住,才能观测到其他恒星光。
恰好1919年的5月29日发生了一次日全食。英国皇家天文协会为此专门派出了两支观测队,他们分别出发,一个前往巴西的索布拉尔,另一个来到西非西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛,都是为了验证爱因斯坦的预言。最终,一个小组测量的弯曲度数是1.63弧秒,另一个小组测量的是1.98弧秒,这两个值的平均数和爱因斯坦给出的预测值是非常近的。
于是爱因斯坦的广义相对论通过这次观测得到了有力的证据。这一发现随后被全球报纸竞相报导,一时间使爱因斯坦的理论名声赫赫。可以肯定,广义相对论之后能逐步被普遍接受,这次预言的观测证实具有基石性的重大意义。
下面再举两个我亲身经历的,使用这两种方法来证明我所提出的理论的事例。
第一件,挑战世界级权威,感谢叶笃正院士的培养和帮助
第一件,是关于大气臭氧层垂直分布的遥感研究。
从1956年开始,我就迷上了测量大气臭氧层垂直分布的工作。在这之前有科研人员在用一种仪器来测量天顶紫外散射光[14]的时候发现了一种奇特的现象。
两条不同波长的光,波长较短容易被臭氧层吸收的设为λ1,波长较长不容易被臭氧层吸收的设为λ2。它们的光强度分别表示为Iλ1和Iλ2。这两种光的光强度比值Iλ1/Iλ2是可以用仪器测量的。在观测中发现,开始时随着太阳慢慢落山,这个比值是逐渐下降的。然后突然在太阳快要落山的某个位置,这个比值突然反转了,也就是说它不但不下降,反而上升了,而且上升得非常快。
这个现象最初是由一个叫戈兹(Götz)的外国人观测到的,他给这个现象起名叫“逆转效应”。并做出了解释:在太阳位置降低到某个位置的时候,被吸收较厉害的光线(即Iλ1)主要来自臭氧层之上,因而在地面测量Iλ1的减弱就会迅速变慢,而另外一条相对吸收较弱的光线(即Iλ2)减弱的速度仍是越来越快。这样就解释了为什么这个比值会逆转。因此“逆转效应”就和臭氧层的高度联系起来了,并且可以用来从地面遥测大气臭氧层垂直分布的基本状态。