本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
光在一些介質中竟然變慢了,這其中出了什麼差錯?會影響狹義相對論嗎?
麥克斯韋方程組告訴我們,在真空中,光的傳播速度不變,對所有觀察者來說都一樣。這從根本上與19世紀的絕對時間觀相衝突,狹義相對論的假設解決了這一衝突,廢除了這一觀念。
(來源:Power Electronic Tips 圖解:麥克斯韋方程組)
由此,狹義相對論引入了速度不變的概念,這種速度對所有觀察者都一樣。這也恰好是電磁波在真空中傳播的速度。
(圖解:狹義相對論創始人之一——愛因斯坦 )
一個常見的誤解是,在量子理論中,光在折射介質中減慢,因為光子被吸收和重新發射了。這一認識不是正確的。更確切地說,當它的速度減慢時,是因為我們處理的是與折射不同的現象——散射。與折射不同,散射使光子的運動軌跡變得隨機;如果透鏡散射光,那它們就不是透鏡了。
(圖解:稜鏡在光的色散下發出彩色的光 )
相反,在折光介質中,麥克斯韋方程組的解會隨著邊界條件的改變而改變,量子電動力學的場方程也是如此。在這種修正的環境中,電磁場的量子不再表現為以不變速度運動的無質量粒子,而是表現為以有效質量運動的粒子,運動速度較慢。它們在介質中的傳播速度取決於光子能量,因此,在典型的折射介質中,不同能量(顏色)的光子遵循不同的路徑。
所有這些現象都與狹義相對論和廣義相對論的假設和方程完全一致。
在過去的幾周裡,許多人都提了十分相似的問題,這些問題都與光在介質中傳播比在真空中慢的意義有關。
(圖解:光在不同介質中的傳播)
想想這個介質是什麼。它是原子的晶格結構,周圍有電子云。當光子進入這個結構時,它們被吸收,將電子提升到更高的能量狀態。電子迅速回落到較低的狀態,釋放出更多的光子。
量子電動力學的詳細方程式使光以標準光學理論預測的方式彎曲。然而重要的是,在吸收和發射之間有一個時間延遲。我們有時間延遲的分布統計,但你可以用平均值來表示它。
光子進入介質後被吸收。之後,光子被發射出來並進一步進入介質,再次被吸收,不久之後,更多的光子被發射出來,並繼續深入到介質中……
(圖解:光在近乎真空的太空裡傳播)
簡言之,所有這些「短時間」加起來就是光子通過整個介質所需的額外時間。在吸收/發射事件之間,光子(通過原子核和電子之間的真空)以成熟的、非減速的光速運動。正是吸收和發射過程中的停頓使整個過程花費了更長的時間。
如果你能連續三天不睡覺,並一直以每小時60英裡的速度開車,你就能在50個小時內駕車穿越整個國家。如果你停下來休息、吃飯、上廁所等等,你會花更長的時間,但實際上你還是以每小時60英裡的速度開車。
C永遠是真空中的光速,它是麥克斯韋方程中的常數。通常情況下,與物質的相互作用不被看作是與物質的耦合,也不被看作是引起物質的電場和磁場的運動,只是通過改變方程中的常數來概括。
如果你認為光是粒子,那麼它們與C一起運動,整體將被計算成較慢的速度。這與地鐵的平均速度類似,當您在計算旅行時間時僅考慮較低的速度時,就會考慮到停靠車站的問題。
相對性是非常基本的。它描述了如何將坐標轉換為運動系統。必須調整牛頓運動定律,以使其與這種轉換兼容,即在任何系統中都具有相同的形式。 它們不受物質存在的影響。
對於廣義相對論來說,情況不同。在廣義相對論中,空間的基本性質受到物質存在的影響。
如果在某種介質中光速較慢,將對狹義相對論產生什麼影響?
答案是不會有影響。
01參考資料
1.維基百科全書
2.天文學名詞
3.quora- K君
如有相關內容侵權,請於三十日以內聯繫作者刪除
轉載還請取得授權,並注意保持完整性和註明出處