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德国科学家发现的反常色散

时间:2022-02-01 百科知识 版权反馈
【摘要】:德国著名物理学家索默菲是最早从物理学理论上提出超光速运动概念的。在他1904年出版的《光学》一书中,首次涉及反常色散的概念。这类色散现象通常称为正常色散。这种情况下,可能发生的色散称为反常色散。德国著名的物理学家索默菲正是通过类似的理论分析发现:具有某种特定频率的光,通过特定介质时,会发生反常色散,此时这种特定频率的光,在介质中的传播速度会大于光在真空中的传递速度。
●德国科学家发现的反常色散_超光速的诱惑

在物理学中,光的传播速度就是用麦克斯韦方程所确定的电磁波的传递速度,物理学的发展表明,光也是电磁波,因此人们对光的研究,就是对电磁波的研究。特别是对光速的研究,就是对电磁波传播速度的研究。

德国著名物理学家索默菲是最早从物理学理论上提出超光速运动概念的。在他1904年出版的《光学》一书中,首次涉及反常色散的概念。物理学家确定了光的传播速度后,很快就发现光在透明介质中的传播速度往往低于光在真空中的传播速度。并提出通常可让光穿透的物质,都具有一个称为介电常数n的特征数,而光在该介质中的传播速度就等于真空中的光速c被这个常数去除后得到的结果。通常,物理学家总相信,物质的介电常数n总是大于1的。也就是说,光在真空中的传播速度总是大于光在介质中的传播速度。一般情况下,物质发光并不是某种特定的单色光,而是具有多种颜色 (即多种频率)的多色光。比如牛顿就发现,人们所熟悉的阳光所显示的 “白光”通过棱镜的折射就会分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色。这种将复合光分成不同单色光的过程,称为分光。而之所以能够分光,是因为不同颜色的光,具有不同的振动频率,而一般的介质,对不同频率的光的传播速度是不同的,因此多色光经过这类介质后,形成色散。在一般情况下,介质对不同频率的光的传播速度的变化,不但较小而且几乎是连续改变的,因此光线通过色散,往往形成一条连续光谱,类似于日光通过棱镜,形成美丽的七色光的光谱那样。这类色散现象通常称为正常色散。

白光通过棱镜后的色散形成的光谱

通过理论和实验研究发现,一些物质,往往对特定颜色(即特定频率)的光有吸收作用,此时这类物质对该频率的光的介电常数n(ω)表现为小于1。即n (ω)小于1。这似乎意味着,当具有某种频率ω的光,进入该介质后,这种特定频率的光的传播速度,竟会大于真空中的光速c。这种情况下,可能发生的色散称为反常色散。德国著名的物理学家索默菲正是通过类似的理论分析发现:具有某种特定频率的光,通过特定介质时,会发生反常色散,此时这种特定频率的光,在介质中的传播速度会大于光在真空中的传递速度。索默菲还通过理论分析指出,这种情况发生时,并不破坏麦克斯韦电动力学方程的对称性和其他特性。这个结论在1904年,或许并不让人感到吃惊或意外,因为物理学家索默菲无非也是像莎士比亚那样,指出可能存在超光速运动,不过他不像莎翁那样认为可能超光速运动的对象是思想,而是在特定介质中使光发生反常色散的具有特定频率的光线本身。

我们不知道如果没有1905年爱因斯坦的论文,索默菲会如何对待他自己的理论?但就在1905年,爱因斯坦一下子就发表了三篇划时代的著名论文,其中特别是 《论动体的电动力学》一文中,明确指出:“超光速的速度……没有存在的可能。”正是这篇文章的理论框架,后来人们称之为“狭义相对论”。尽管狭义相对论一开始就遭到不少物理学家的反对,如迈克尔逊、洛仑兹及庞加莱等。以致爱因斯坦虽然作为相对论的创立人而闻名于世,但他获得诺贝尔奖的论文并不是关于相对论的任何文章,而是与相对论几乎无关,并被认为是光量子理论原创的文章,即他在1905年3月发表的论文:《关于光的产生和转化的一个启发性观点》。但作为物理学家的索默菲本人,对爱因斯坦的相对论是深信不疑的。当时广泛传说,全世界懂得相对论的仅有12个人。当然,索默菲作为1/12是当之无愧的。他不仅在他的名著《光学》再版时,删除了有关超光速运动的相关内容,还将爱因斯坦等人有关相对论的论文编辑成册以向世人介绍爱因斯坦的相对论及后来的发展。毫不夸张地说,在20世纪塑造爱因斯坦这个物理学中的上帝的过程中,索默菲是做出了重要的开创性的贡献。

通过反常色散很强的介质可以出现的光

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