【特稿】李自力：能推翻“亮度守恒定律”这个定律或基本定律吗？!

前言

【中国半导体照明网专稿】（文/广东省照明学会 李自力）物理学是研究物质世界最基本的结构、最普遍的相互作用、最一般的运动规律及所使用的实验手段和思维方法的自然科学。经过大量严格的实验验证的物理学规律被称为物理学定律, 如同其他很多自然科学理论一样，这些定律不能被证明，其正确性只能经过反覆的实验来检验。

“亮度守恒定律”作为光学、光度学的基本定律，自 1987 年国际电工委员会的国际标准 IEC60050-845：1987《国际电工术语—照明》（国家标准 GB/T2900.65-2004 MOD）固化了“亮度”和“光学因子”等定义，至今现实中已至少应用了 30 年。然而，经研究本人发现，它并不是一个像牛顿三大运动定律在经典力学范畴内放之四海皆可,更不像万有引力定律那样放之万物都成立的基本定律，比如“亮度守恒定律”没有普遍意义而只是在特定条件下的一种或极少数特定场合情况才成立，如此它还能作为基本定律或甚至还叫定律吗?

以下本文分析，请大家讨论指正。

一. 什么是定律?

首先，这里以“牛顿第一定律(惯性定律)”来理解定律：

牛顿惯性定律: 如果没有外力作用,一切物体总保持匀速直线运动状态或静止状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止。

对牛顿惯性定律的理解：（1）可以有假定的约束条件，这里的约束条件即是“不受外力作用”。有了这个假定的约束条件，物体才有可能保持其“惯性”; （2）牛顿惯性定律不能用实验直接验证，因为不可能没有外力，但它是建立在大量实验现象的基础之上，通过思维的逻辑推理而发现的。它告诉了人们研究物理问题的另一种方法，即通过大量的实验现象，利用人的逻辑思维，从大量现象中寻找“事物的规律”;（3）惯性定律是指“一切物体”的规律性，至少在多个假定条件下应是大部分物体规律性符合才成其为定律，而不是个别或小部分符合就能成为定律的。

二. IEC60050-845：1987（GB/T2900.65-2004 MOD）《国际电工术语-照明》的相关定义和相关标准内容以及本论文的针对分析说明

a) IEC60050-845 的“几何因子”定义

本论文分析说明：①定义中的“注”内容限定了 dA 与 dA’之间的传输路径的媒介为连续非漫射媒介，但不是指面元 dA 与 dA’；②几何因子与亮度及其它相关标准的术语定义(光学扩展量)的关系见下面几个定义。

2）IEC60050-845 的“辐射亮度”定义

本论文分析说明：①该国际标准 IEC60050-845:1987 的“注 4” 已明确说明了假定条件为“若吸收,反射和漫射的损失为零,即传输路径中光不损失”和“注 5”的公式已给出 dA和 dA'两个面元的 dΦ与 L 分别相等(也可以说这里已强制规定:

从 dA'面元的反射光必须全部回到 dA 面元), dΦ与 L 之间的关系称之为“辐射度学或光度学基本定律”，在光学中广泛应用。 那么后面本文分析,到底有多少情况能“dA'面元的反射光必须全部回到 dA 面元”成立, 这里的强制规定是否具有普遍意义的成立?

3）IEC60050-845 的“亮度”定义

本论文分析说明：该国际标准 IEC60050-845:1987 的“注”已明确说明了与“辐射亮度”定义的注解相同,dΦ与 L 称之为“光度学基本定律”。

4）国际标准 IEC62778《应用 IEC62471 评价光源和灯具的蓝光危害》中把“亮度守恒定律”溯源到“热力学第二定律”及翻译(下划线)

考虑将信息可从一个层级传递到下一个层级的基础是：

- 亮度守恒定律

- 本技术报告 (标准)第 5 章的说明的结果。

亮度守恒定律声明，如果初级光源的亮度(或辐亮度)已知，这也就给出了含有该初级光源的任何照明产品的亮度(或辐亮度)的上限值。它实际上是光通量守恒和光学扩展量守恒两个基本守恒定律的组合。尽管辐亮度通常描述为单位表面积的光强，但它也可写作为光通量与光学扩展量的商。增加辐亮度就意味着要提高辐射通量或者降低光学扩展量，而这都是基本守恒定律所禁止的。对于一个无源光学系统，不增加光通量是容易解释的，而不能降低光学扩展量就不容易理解了。但不管怎样，降低光学扩展量是光学扩展量守恒定律禁止的，如深究，其根本原因类似于“热力学第二定律”。

本论文分析说明：①上述定义的“几何因子”也就是该标准的“光学扩展量”；②从该国际标准及一些光学设计资料常可见到引用“亮度守恒定律”概念，其应用广泛。

三. 各种书籍资料中对“亮度守恒定律”的推导举例

以下是书籍等资料中介绍的三种情形下的 “亮度守恒”及本论文分析说明(斜体)：①光束在同一种介质中传输；②光从一种介质传输到另一种介质；③光传输过程中存在使光束会聚或发散的光学系统。

第①种情形：当光束在同一种介质中传输时，沿其传输路径任取二个面元 dA1 和 dA2，并使通过面元 dA1 的光束也都通过面元 dA2，它们之间的距离是 r，面元法线与光传输方向夹角分别为 θ1 和 θ2：

图 1 同种介质中传输的亮度守恒示意图

本论文分析说明：也就是说人眼在 dA1 处看到 dA2 的反射光亮度与人眼在 dA2 处看到 dA1 的发光亮度相同，还有同理，人眼在 dA2 光传输方向右边各处看 dA2 透射面的光亮度也与 dA1 的发光亮度相同。

第②种情形： 若光从一种介质传输到另一种介质，即所取二个面元分别处于不同介质中，并认为光在介质表面无反射和吸收损失，再考虑折射定律 ，于是有（省略其过程）：

如果在同一种介质中传输时 n1=n0，也得： L1 = L2

第③种情形： 若光传输过程中存在光学系统，因光学系统会使光束会聚或发散，因而像面亮度与物面亮度存在下列关系（省略其过程）：

如果在同一种介质中传输时 n1=n0，且光学系统无损耗透过率为 100% （τ=1），也得：L1 = L2

本论文分析说明：上面所说的三种情况中最根本的是第①种情况，所以,以下本文从“当光束在同一种介质中传输”这种情况来分析：

四. 对“亮度守恒定律”及推导的疑问

首先，亮度是跟人的主观有关的量，表现为人观察、观看的主观感觉。亮度又是用来描述发光体本身或反射体本身的量，也就是发光体或反射体表面的亮度。

大家知道，物体表面有“全反射平面”、“朗伯体漫反射面”和“方向性反射面”三种形式，下面举几个最简单的例子来说明对“亮度守恒”的疑问情况：

假设：上面的图 1 中 dA1 是发光体表面的面元，且其法线与发出的光束元方向的夹角为θ1；dA2 是反射体表面的面元，从 dA1 发出的光束元，到达 dA2 进行反射（注意：应在传输光路中插入实际反射面，才能反射光线，人眼才可能在 dA1 处看到 dA2 的反射光， dA2 才可能给人眼呈现亮度，才可能谈亮度守恒不守恒）。亮度定义和守恒推演中最重要的一条或者说前提条件是 dA1 发出的光束能在传输路途中无损失并全部到达 dA2 表面，并且 dA2 表面的反射光也全部又回到并落到 dA1 面元之内。

1）dA2 面元为全反射平面镜

① 由图 2-1 可以设想到，要实现 dA2 表面的反射光全部又回到并落到 dA1 面元之内，一个可以想到的简单例子是，dA1 面元发射的是平行光，反射体表面 dA2 是 100%全反射的平面镜并且它垂直于平行光，或者说反射平面镜的法线必须与平行光是平行的即θ2 = 0，才能把 dA1 面元发出的光线 1、2、3 全部反射光 1’、2’、3’返回到 dA1 面元内。这种情况下，人眼在 dA1 位置看到 dA2 的反射亮度与人眼在 dA2 位置看到 dA1 的发光亮度是相等的，即 dA1 的发光亮度与 dA2 的反射亮度是相等的。

图 2-1 反射光全部回到 dA1 面元内

② 对于θ2 ≠ 0 的其它角度，由 dA2 反射的部分光线可能会偏离 dA1 而不能全部返回到 dA1 面元内（见图 2-2），这种情况下人眼在 dA1 位置看到的 dA2 反射亮度要比人眼在 dA2 位置看到的 dA1 发光亮度小，即 dA2 的反射亮度小于 dA1 的发光亮度，也就是说亮度不守恒了。

图 2-2 部分反射光偏离 dA1面元

③ θ2 角度更大一些，还可能使 dA2 反射的光线全部都偏离 dA1 而没有任何反射光线返回到 dA1 面元内（见图 2-3），也就是说人眼在 dA1 位置看不到 dA2 反射回来的光线，也就是人眼在 dA1 位置看不到 dA2 的亮度了。

图 2-3 反射光全部偏离 dA1 面元

a) dA2 面元为朗伯体漫反射面

然后，dA2 把接收到的 dФ1 100%无损耗地转换为漫反射光Ф2（Ф2 = dФ1）并向与传输方向相反方向的半空间进行漫反射(见图 3-1 注:为了清晰而省略了图 1 中的立体角等部分细节)。

图 3-1 dA2 反射光向半空间的各方向漫反射

投射到 dA1 面元上的只是全部反射光Ф2 中的一小部分 dФ2，即 dA1 只能接收到 dA2 漫反射光通量的一小部分即 dФ2：

因 dA2 为朗伯反射体，其各向同性反射，其向各方向反射的光通量相同。所以，dA1 接收到 dA2 反射的光通量 dФ2 占 dA2 总反射光通量Ф2 的比例可表示为：dA1 面积与 dA1 所在的以 r 为半径的半球球面积（2πr2）之比：

所以，要想得到亮度守恒的前提条件 dФ2 = dФ1，就必须 dA1 = 2πr2，也就是说，发光体面元 dA1 的面积必须是以它与 dA2 之间的距离 r 为半径的整个半球面面积，这样才能全部接收到 dA2 面元的所有漫反射光（见图 3-2），那么，此时 dA1 面元就是半球面而已不再是面元了，已经自相矛盾了。

因此，总的来说要想 L2 = L1, 必须同时满足以下两个条件：

① 发光体 dA1 面元的面积必须是以 r 为半径的整个半球面，但此时 dA1 面元已不再是面元了，已经自相矛盾了。

② dA1 和 dA2 两个面元须平行且正好相正对，其法线必须都与 dA1 发射光束元传输方向平行一致。

可见，这是极其特殊或者说其自相矛盾情况下才会出现，已经没有意义了。

图 3-2 dA1 接收到 dA2 所有漫反射光条件（纵切面图）

b) dA2 面元为介于上述两者之间的方向性反射面

方向性反射面的情况更复杂，鉴于上述分析更难以出现 L2 = L1 。

c) 与上述三种典型反射面对应的透射面情况

--对应于上述第②和③种情况，dA2 分别为朗伯漫透射面和方向性透射面时，分析情况结果类似 。

五．结论

通过上述分析，在假定传输过程中光无任何损失的条件下,“亮度守恒定律”仍然基本上只在发光体 dA1 面元发出平行光，而反射面元 dA2 又必须是全反射平面镜并且其 dA2 法线也必须与平行光夹角为 0 的这样一种特定条件下的特殊情况才成立。对于本议题，全反射平面镜已经是最有利于控制光束方向的，也就是说全反射平面镜最容易实现反射光全部返回到 dA1 面元，它尚且只能在极特殊的条件下才成立。对于其它反射面，是不可能把 dA1 面元发出的光全部返回到 dA1 面元的。靠人为假设来强制让面元 dA2 反射光全部返回到 dA1 面元，并以此作为“亮度守恒基本定律”的前提条件是很牵强的。退一万步说，即使很难以深究是否还有少数特殊再特殊情况下能成立，但总之，“亮度守恒”已失去了绝大多数或多数情形下应遵丛的普遍适用性意义。因此，“亮度守恒”还有意义吗? 还能叫“基本定律”甚至还能叫“定律”吗？应该不能！

作者简介：李自力（教授级高工）

现任职务：国际电工委员会IEC62386系列标准制定项目组成员、国际IECEE-CB中国对口专家组-成员、国家科技部专家、国家认监委照明专家组-专家、国家质检总局缺陷产品管理中心广东分中心副主任、广东省质监局缺陷产品管理中心副主任、广东产品质量监督检验研究院电器部副部长、广东省照明学会秘书长。

【备注：本文为中国半导体照明网特约稿件，受广东省照明学会秘书长李自力授权首发。本文仅代表作者本人观点，与本网站无关。如对作者文中观点有异议或建议，可以通过小编与作者直接入群组对话。如需转载请与小编联系：chengs@china-led.net。】