文档介绍：从光速不变原理到速度的极限
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摘要
光速不变原理是狭义相对论的两个重要假设之一,它的正确与否直接动摇着现代物理理论大厦。1905年,爱因斯坦在《物理学纪事》上发表了三篇论文,其中一篇《论物体的电动力学》第一次明确的阐明了相对论的相关概念,即后来所说的狭义相对论。自从爱因斯坦发表相对论之后,便有很多的专家学者对相对论及其两个前提进行多方面的探讨,有认为是它是正确的,也有人反驳他,但是相对论在现今被越来越多的实验所证明,也被更多的人接受,本文从关于光的本质、光的直线传播、光速不变迈克耳孙——莫雷实验、麦氏方程开始,再由光速不变原理想到的其他。
关键词:光、相对论、光速不变、速度极限
(英文略)
目录: Ⅰ光的本质
Ⅱ光的传播
Ⅲ麦克尔逊-莫雷实验
Ⅳ麦氏方程推出光速不变
Ⅴ从光速不变原理到速度的极限
Ⅵ结论
1光的本质
光的产生:最经典的理论就是原子能量跃迁发射光子的理论。这样的理论认为原子从能量场或者受到能量物质的撞击中获得能量后其电子能级(运行轨道)就会产生从低能级(轨道)向高能级(轨道)的跃迁,并吸收能量。同理当其电子因为激发作用从高能级向低能级跃迁时就会发射出光子释放能量。光就是原子从高能级向低能级跃迁时辐射的具有能量的“光量子”。
光量子:电磁辐射的量子,传递电磁相互作用的规范粒子,记为γ。与大多数基本粒子相比,光子的静止质量为零,这意味着其在真空中的传播速度是光速。与其他量子一样,光子具有波粒二象性。从波的角度看,光子具有两种可能的偏振态和三个正交的波矢分量,决定了它的波长和传播方向;从粒子的角度看,光子静止质量为零,电荷为零, 半衰期无限长。光子是自旋为1的规范玻色子,因而轻子数、重子数和奇异数都为零。光子的静止质量严格为零,本质上和库仑定律严格的距离平方反比关系等价,如果光子静质量不为零,那么库仑定律也不是严格的平方反比定律。所有有关的经典理论,如麦克斯韦方程组和电磁场的拉格朗日量都依赖于光子静质量严格为零的假设。
2 光的传播
光的直线传播:
按几何光学:若光在A到B的空间里充满了折射率连续改变的介质,则光路是一条曲线(如图)
将AB分为许多段元,每一段元上的折射率可视为常数,则相应的光程(折射率与几何长度的乘积)为:,由A到B的总光程为:,沿AB所需的时间: C为光速),根据变分法原理,时间t有极值的条件是上式的定积分的变分为零,即: 或
上两式是费马原理的数学表达式,可以理解为:光从空间的一点传到另一点是沿着光程为极值的路径传播,也就是说是光沿着光程为最小、最大或常数的路径传播。
②按电磁理论: 1、电磁波量子为什么能运动?因为它电场的空间结构不对称,在进行电磁转化过程中,向不对称的方向变化着光速运动。2、电磁波量子为什么是直线运动?因为它在空间结构上,有两个对称面。
所以,电磁波量子的空间结构,决定着电磁波量子的运动状态!
③按广义相对论:引力并不存在,其本质是空间-时间弯曲,光是自由粒子,在时空中沿着短程线运动,在我们看来,短程线就是直线。而如果这路线附近有大质量星体时,会使空间弯曲,从而使光线弯曲。我们看不到空间弯曲,就像二维平面上生物不能超越二维限制通过三维知道他的平面是否弯曲一样。
3 麦克尔逊-莫雷实验
1887年,阿尔