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77小机器、维恩和超光速论题1907.7

1893年,维恩经由热力学、光谱学、电磁学和光学等理论支援,提出波长随温度改变的定律,后来被称为维恩位移定律。该定律指出,在一定温度下,绝对黑体的温度与辐射本领最大值相对应的峰值波长的乘积为一常数。

1894年,维恩发表了一篇关于辐射的温度和熵的论文,将温度和熵的概念扩展到了真空中的辐射,在这篇论文中,他定义了一种能够完全吸收所有辐射的理想物体,并称之为黑体。

1896年,维恩发表了维恩公式,即维恩辐射定律,给出了这种确定黑体辐射的关系式,提供了描述和测量高温的新方法。该公式在短波波段与实验符合得很好,但在长波波段与实验有明显的偏离,即红外灾变。

1896年,维恩前往亚琛接替菲利普·莱纳德后,他在那里建立实验室研究真空中的静电放电。

1898年,维恩研究了欧根·戈尔德施泰因发现的阳极射线,指出它们的带正电量与阴极射线的带负电量相等,他测量了它们在磁场和电场影响下的偏移,并得出阳极射线由带正电的粒子组成,维恩所使用的方法在约20年后形成了质谱学,实现了对多种原子及其同位素质量的精确测量,以及对原子核反应所释放能量的计算。

1900年,维恩发表了一篇关于力学的电磁学基础的理论论文,此后又继续研究阳极射线,并在1912年发现,在并非高真空的环境下,气压不是非常弱时,阳极射线通过与残余气体的原子碰撞,会在运动过程中损失并重得它们的带电量。

1918年,再次发表对阳极射线的研究结果,他测量了射线在离开阴极后,发光度的累积减少过程,通过这些实验,他推断出在经典物理学中所称的原子发光度的衰退,对应于量子物理学中的原子处于活跃状态的时间有限。

威廉·维恩对于热辐射等物理法则作出了贡献,他的研究成果为从牛顿的经典物理学向量子物理学过渡作出了贡献,马克斯·冯·劳厄评价威廉·维恩不朽的荣耀是他为我们打开了通往量子物理学的大门。

时间拉回到1907年,这年的7月23日,爱因斯坦给维恩写了一封信,拉开了两人一个来月时间的信件讨论超光速的讨论潮,这一时期属于爱因斯坦写给维恩的信有6封,可称为超光速讨论六部曲。

7月23日的这第一封信是爱因斯坦回复威廉·维恩对自己的咨询电磁理论中超光速速度的产生与爱因斯坦关于这种运动的不可能性的结论之间的不一致性而写的,在信中爱因斯坦称呼现在的柏林洪堡大学物理学教授威廉·维恩为“非常尊敬的教授先生”:

“非常尊敬的教授先生!

您在这里提出了一个最令人感必趣的问题!收到您的信后我立即就投入到这个问题的研究之中并且得到了以下初步结果。”

首先,爱因斯坦给出了自己搞出的“群速度”定义及其公式:

“1.我把“群速度”U定义为振幅的一种(缓慢)变化的传播速度;毕竟,这是个有争议的量。我发现(对无论多么强的吸收):

U=V/[1+(l/V)·dV/dl],其中l是真空中的波长,V是煤质中的光速。

就眼下而言有相当的准确度,而且与您提到的 V-l·dV/dl(注:群速度的标准表达式)的值相符。”

其次,爱因斯坦认为不同颜色光的群速度大于光速是不对的,违反狭义相对论:

“2.在我看来,如果对于某一特定的金属和特定的颜色(注:即光)U>L(光在真空中的速度),那么这与真空中光速不变原理相联系的相对性原理(注:狭义相对论)是相矛盾的。”

再次,爱因斯坦从电磁理论角度阐述了超光速的不可能,论证的依据是超距作用以光速L为传播速度与麦克斯韦方程等价,即超距作用的作用速度是光速:

“3.电磁信号以超光速传播这点也是与麦克斯韦的电学和光学理论不相容的。这是从发表在洛伦兹纪念文集上的维歇特(注:埃米尔·维歇特,Emil Wichert,1861年-1928年)的研究成果中得出的结论。这项研究表明,如果有人引入某些超距作用,而这些作用以光在真空中的速度L传播并且从一个带电体作用到另一个带电体,那么他就会得出某种与麦克斯韦方程等价的东西(注:超距作用以光速L为传播速度与麦克斯韦方程等价)。”

以此为依托,爱因斯坦设计了一个简单的思想实验以论证对静止物体的纯电磁信号而言超光速度是不可能的:

“设A是一个可发射电磁作用的点,B是一个可感知来自A的电磁作用的点。设P、Q、R等等是具有电磁上起作用的静止粒子,设想所考察的传递-传播的媒质就是由它们构成的(注:思想实验场景设定)。

假设以A发出一种作用。因此,当时间为 AB/L时就会在B中产生一种超距作用,除非在下列过程中得到补偿:

从A中发射——由此在P中产生超距作用——从P中发射——来自P的超距作用在Q中产生激发——等等——在B中产生的激发(注:思想实验作用过程)。

整个过程可以设想为是由从A到B这样的间接作用和最初提到的直接作用(注:A到B的超距作用,作用速度为光速L)所构成。

由此可以很容易地得出结论:时间 AB/L至少必然在B中的第1次激发前流逝(注:A到B的超距作用耗时 AB/L≤A-P-Q-R-B的间接作用,A到B超距作用速度为光速L,则A-P-Q-R-B的间接作用必然≤光速L),也就是说,对静止物体的纯电磁信号而言超光速速度是不可能的。”

之后,爱因斯坦再次强调了麦克斯韦-洛伦兹理论与狭义相对论的一致性,即真空光速为常数,麦克斯韦-洛伦兹电磁理论和狭义相对论暗示或明示了光速是信号传播的极限速度,不会有超光速的出现:

“4.总的看来,可以说在静止物体的光学中没有哪个与麦克斯韦-洛伦兹理论相符的过程会与相对性原理相矛盾,因为麦克斯韦-洛伦兹理论的基础与相对性原理是一致的(注:狭义相对论就是以麦克斯韦-洛伦兹理论为立论前提的,光速为常数是麦克斯韦方程导出的结果)。”

在信的最后,爱因斯坦又从折射率的角度论证了超光速的不可能:

“总而言之,在我看来U>L这种情况是否真的会出现这个问题是非常有意思的。从麦克斯韦理论中必然会得出U≤L这种关系,或者,若n表示折射率,那么对任意物质: l·dn/dl≤n-1。

因此,对于某个l我们有n<1(注:根据折射率公式n=c/v,则n<1时即为波的相速度超光速),那么按照这个公式,必然存在一个更大的l,对于它n=0;对于比它还大的l,不存在任何在这种物体中传播的波(n2<0)。

谨致最崇高的敬意。您的

阿尔伯特·爱因斯坦”

爱因斯坦第一封信回复威廉·维恩关于超光速的论述比较符合大家常识的看法,爱因斯坦斩钉截铁的断定超光速不可能,既违反传统的、经典的、公认正确的麦克斯韦方程组,也不符合新晋博士爱因斯坦先生的狭义相对论,虽然此时爱先生的理论和本人的名气还没有多大,而且也不符合传统的光学折射理论。

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