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光波如何呈现频率的呢?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-11-16 19:49:44

光子没有频率,至少不是问题所暗示的那种频率。

以下是闵可夫斯基时空中波动力学的基本概述;本质上,兰道和利夫希茨的第二卷第七章改编成了一本为见多识广的非科学家而写的图画书。虽然冗长,但并不意味着详尽无遗,只是为了传达足够的信息,让读者理解问题的答案。

光子到底是什么?

光子的本体论还没有建立起来,我们也没有完全理解闵可夫斯基时空的每一个含义。光子是发射体和吸收体之间交换的电磁能量/动量的量子,这应该足以满足这里的讨论。

零表面

如果不了解时空的因果结构,就不可能描述时空中的波动力学。这是先决条件,知道大质量物体是类时的(生活在光锥内),无质量的物体是类光的(生活在光锥上),没有真正的粒子是空间类的(生活在光锥外)。如果你没有,也没什么大不了的,我有这2个参考资料和下面的图片供参考:简单看:Harry McLaughlin对光子体验时间的回答?相对论表明,当物体接近光速时,它们所经历的相对质量和时间膨胀会增加。既然一个光子没有质量,并且以光速运动,那么时间对于一个光子来说是否“经过”了呢?所有的细节见:光锥:

光波如何呈现频率的呢?

仿射参数化:光子得到它的颜色

想象一下,你突然出现在树林里,站在一条没有标记的小路上。您沿着路径行走,在路径旁边放置均匀间隔的标记,以指示距离、每个标记处的时间或其他附加信息。与路径相切的标记行功能类似于仿射参数。在相对论中,我们可以很容易地用旅行者的手表时间(被称为固有时)来做一个时间类路径,它构成了一个完美的仿射参数。

对于光子来说是不同的:穿过森林的整个路径,森林本身,会崩塌成一个点。在这种情况下,使用适当的时间是完全没有意义的。然而,在我们的时空中,我们确实看到了一条穿过我们时空的光线路径,只要它满足两个条件,就仍然有可能定义一个仿射参数:

仿射参数必须满足测地线方程

切向量到光子世界线的长度必须为零

λA =τω+L,其中λA是仿射参数(与波长无关),τ是本地观察者的固有时,ω是由ω=2πν定义的角频率,L是一个任意常数。

有了这个,就有可能构造一个合适的零正切向量,称为wave 4向量:

光波如何呈现频率的呢?

如果不清楚为什么这是零,我们可以使用c=λν

波4矢量

波4矢量是从能量动量4矢量开始构造的。然后利用光子的能量和动量与其波特性之间的关系进行直接代换。

能量动量矢量就是波矢量乘以h杆。

这难道不是一种发明吗?

看起来是这样……我们有一个零表面,一个零切线,甚至到零表面的法向量本身都是零的,所以看起来好像我们不能有意义地将我们自己的类时间现实与光子的零领域联系起来。那么,我们仅仅是用我们的光子“穿越空间的路径”,用一个任意的切线来标记它,它等于一个经典的波矢量,唯一的原因是因为我们知道物理必然会以某种方式结束吗?

实际上,物理学的结果相当不错。要理解这一点,我们需要更深入地挖掘。

首先,让我们看一下产生的电磁平面波的振子和电场分量。

光波如何呈现频率的呢?

发射极开始于T =0处电场最大值,随着发射极相位的变化,电场的变化向右传播。

波的发射和它被你的眼睛吸收,是连接两个事件的零表面上的一个单一事件(两个事件由类时观察者记录)。每一个垂直箭头表示波的一个特定相位,由于每个相位都是时空中的一个事件,每一个都有自己的光锥。光锥所代表的波是一个恒定相位的表面,称为朗伯表面,每个表面记录了发射器在某一时刻t的相位。

这可以在闵可夫斯基时空中描述如下。t轴定义发射器的世界线,通过A平行的线是相对于发射器处于静止的观察者的世界线。五个光锥代表上图(d)中的前五个相点,蓝色的线从右到左。

段OB是空分离的,作为一个单独的事件存在。段AB是观察者所看到的发射和探测之间的时间型分离。

光波如何呈现频率的呢?

在点O是你的电视机,你坐在椅子上在点a沿着“t”的世界线是你电视上的某个原子或像素。你们彼此都处于静止状态,虽然以光速在时空中移动。这可以通过世界线的切线表现出来:

你打开电视,它激发一个原子/像素/振荡器。你什么也看不到,直到你沿着你的世界线的运动带你通过第一个在“B”的空表面,它编码了发射器在“o”的相位。当你穿过eikonal表面(光锥),每一个都有它自己的相位,你体验一个频率由振荡器设定的“波”,体验光锥的时间间隔。

如果观测者远离发射体并在光的照射后加速,观测者渐近地接近无冕表面,一个具有恒定相位的波实际上是一个波长无限的波。换句话说,追逐光子会红移。向发射器移动时,观察者看到蓝移的光。

值得注意的是,时空是光滑流形,因此存在一个连续的光锥,形成一个零子空间。

总而言之,把光子想象成一个小的闪光粒子是错误的。也许最简单的方法是假设光子根本不存在,只考虑由零表面连接的发射器和吸收器。我们观察到的频率只是我们在时空中同时运动的副产物,同时也是发射器运动的副产品。
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