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光子动量悖论
[楼主] 作者:akunkeji  发表时间:2011/05/23 14:49
点击:4817次

光子的能量为E=hf,根据质能公式E=mc²,光子的动量为p=mc=E/c=hf/c
光波长λ=c/f
光子的动量也可以写为p=h/λ
当光子由光疏介质进入光密介质后,速度降低,波长变短,根据p=h/λ,此时光子的动量反而增大!?
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以下是网上搜集的一些观点:
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光动量增加?还是减少?

光在透明的物质中传播时,其动量到底是增加还减少?对于这个争议了一百多年问题,科学家试图利用脉冲雷射光打入细光纤中,并观察光纤的弯曲情况来回答这个问题。

光在物质中的速度比在真空中还慢,这是学过物理的人都知道的。因此在1908年德国数学家Hermann Minkowski认为当光的速度减少,其动量应该增加。然而在隔一年,德国的物理学家Max Abraham却宣称动量会随着速度的减少而减少。从一般的物理定义来看,当速度减少时,当然动量是减少的,因此Abraham似乎是对的。不过 Minkowski是从量子物理的观点切入,认为当光的波长缩短(光在物质中,由于频率不变,速度减少波长就随之缩短),动量就随之增加。许多的理论论证 多指向Abraham是正确的,但是多数的实验证据却较支持Minkowski。不过在实验上有一个很大的困难点,就是要如何认定光在透明介质中的动量。 光在介质中复杂的动量传递会让研究人员无法直接观察到光的动量,使得之后对实验结果的解释也会变得含糊不清。因此在实验上要很小心的将光的动量与物质隔绝 开来,并避免一些不必要的效应进入,例如热效应。

在中国广州中山大学的物理学家Weilong She及其同僚在2008年12月12日出版的Physical Reveiw Letters中发表了一个简单的方法,可以直接量测到光从真空中到介质里的动量变化。她们利用0.5微米直径,1.5厘米长的硅光纤设计了一个实验。研 究人员让光纤垂直垂吊着,并使用波长650奈米,270毫秒宽的脉冲雷射光从上方打入光纤中。当脉冲光从光纤的下方出来时,若动量增加,则会造成光纤反弹 (就像你一开始静止站在船上,然后往船外跳,你的动量增加,船就会被你往后推。);反之若动量减少,则会有一股拉力把光纤往下拉。她们观察到当脉冲光出来 时,光纤是往后弯曲的,可见光在真空中的动量是比较大的,符合Abraham的说法。

研究人员更进一步利用较长的光纤以及连续波雷射做了另一个实验,也得到了同样的结果。她们看到光纤的尖端就像悬摆一样向旁边摆动大约30微米,其所对应的力与她们预测推算的值差不多(小于亿万分之一牛顿)。她们也证明热效应在此实验中太小而不会影响到光纤的运动。

英国University of Glasgow的Miles Padgett表示,其实还有很多原因会造成光纤弯曲。所以他认为这虽然这个工作对Abraham-Minkowski争议是个非常有建设性的贡献,但似 乎还无法让其画上句点。他表示,或许刚好这个特殊的实验装置比较接近Abraham,因为大部分的实验都比较支持Minkowski。不过,英国 University of Essex的Rodney Loudon却表示,之前的实验都是研究复杂的物体及跟光子动量的间接关系,相反的,She等人的这个时验却能够量测到简单的物理量,并直接以 Abraham动量去表示。

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透明介质中光动量的实验验证
 
最近,光电材料与技术国家重点实验室的佘卫龙研究小组在百年物理学难题——透明介质中光动量的实验验证方面取得了突破,相关成果发表在《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett. )(2008,101,243601)。
 
光在介质中的动量是理论物理学中的著名Rudolf Peierls惊奇之一。对折射率为n的透明介质,1908年Minkowski 提出,介质中的光动量是nE/c ;而在1909年Abraham 又提出,介质中的光动量应该是E/(nc) ,这里E 和c分别是光的能量和真空中的光速。理论分析表明,在狭义相对论框架下,作为能量-动量张量分量的光动量流密度,Abraham动量公式符合空间对称性要 求而Minkowski公式则不符合,而且,Abraham动量可表示为相对论的形式 P=mV(m=E/c2,V=c/n) 。另一方面,对单光子情况, Minkowski动量是p=nhν/c=nh/λ0(λ0为真空中的光波波长),它看起来又符合量子力学中的德布罗意关系。这两个光动量哪一个是对的? 判断极为困难!有大量的理论工作就此问题展开激烈的争论,也有一些实验力图给出问题之判断。可是到目前为止,尚未有一个实验给出明确的结论。实验检验和理 论争论已延续近一个世纪,但光在介质中特别是在透明介质中的动量仍然是个谜。光在介质中的动量之所以令人费解, 主要是实验上对介质中光动量的辨认十分困难。介质中的光动量传输的复杂性妨碍了光动量的直接观察,使得实验结果的解释出现歧义。此前,几乎所有的研究者都 认为,光动量的实验验证是不可能的。
 
Leonhardt 的观点具有代表性。2006 年他在Nature 上发表一篇有关光的动量的评论性文章。他说,介质中的光动量是令人惊奇的,而且还会继续令人惊奇。
 
佘卫龙研究小组找到一种巧妙的方法,利用纳米光纤直接观察了透明介质中的光动量。实验结果支持了Abraham公式。该工作其实还预言了一种效应:当一束 光从空气或真空入射到透明介质时,由于Abraham光动量的作用,它将对界面施加一个光压。这个光压与我们过去所认识的由于表面光反射造成的光压完全不 同。目前,该工作引起国际同行广泛关注。
 
成果的重要意义:透明介质中光动量的实验验证,它除了基础物理方面的重要意义外,实际上还预言了一种过去尚未被注意的,激光表面破坏的新机制——来自Abraham动量的光压。这种光压有可能在激光诱导惯性约束受控聚变方面具有潜在应用


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光在介质中动量到底是多少?

在量子论刚刚出现后不久,人们对光在介质中的动量就产生了争论。Minkowski认为,其动量应该是光在真空中动量的n倍,n是介质的折射率。而Abraham认为,应该是真空中动量的n分之一。这里就出现了一个两难的悖论。

Minkowski的推理如下:在量子力学中,光的动量是p=hw=hk/v。其中w是频率,k是波数,v是光的速度。在真空中v就等于c,而介质中 v=c/n。光从真空到介质中,波数不会变,所以介质中的动量为p=nhk/c,是n被的真空动量。Abraham的理论是,考虑到光是粒子,其动量为 p=mv。真空中的速度比介质中的速度快n倍,所以介质中的动量为真空时的n分之一。当然上面只是一个很粗略的说法。更加精确的定义是Abraham和 Minkowski的动量密度分别为:g_A=E×H/c^2,g_M=D×B。

在这个悖论提出100年来,理论和实验学者为了解释它做了很多努力。人们做了很多实验,结果发现有一部分支持Minkowski形式,有一部分支持 Abraham形式的动量。最近有人宣称,他解决了这个难题。他认为,Minkowski和Abraham的动量形式都是正确的,但是分别对应与正则动量 和运动学动量。实际上,在考虑光在介质中的动量问题时,我们不得不把介质的动量也考虑进来。介质的动量也有正则动量和运动学动量两种形式。分别把光子与介 质的正则动量和运动学动量相加,是相等的。在实验中,如果测量的是镶嵌在基底的物体的位移,会得到支持Minkowski动量的结果。如果测量介质物体的 速度和质量,利用动量守恒推出的光子的动量就支持Abraham动量的形式。也许这个结果真的能够结束100年来的争论。

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 [2楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/23 16:29 

光子不存在,也没有动量,没有人能够推导出E=MCC来。这纯粹就是吃饱了撑的,胡说八道。
[楼主]  [3楼]  作者:akunkeji  发表时间: 2011/05/23 18:17 

如果光子没有动量,那么如何解释光帆的原理呢?光帆移动可是光动量传递的效果。
 [4楼]  作者:541218  发表时间: 2011/05/23 20:09 

动量密度分别为:g_A=E×H/c^2,g_M=D×B。
………………………………………………………………………………………………
光在介质中的动量密度 与 电磁波 在介质中的动量密度一样。

这个问题也值得争论百年……

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我于91年隆冬向复旦大学郑永宁教授提出的问题:平行板电容器在充电过程所引起的电磁动量的变化与冲力无关。

依据电磁动量密度g_M=D×B可知 静止着的荷电平行板电容器携带着静电场D≠0,但并没有磁场B=0;所以 其 电磁动量密度g_M=D×B=D×0=0;即静止着的荷电平行板电容器虽然携带着静电场但并不拥有电磁动量;但立在路基上修路工看来 这荷电平行板电容器虽然静止在疾驰着的列车上,但却在随同列车一起相对于路基在高速前进着……所以在路基上的观察者看来荷电平行板电容器不仅仅携带着静电场D≠0;同时还携带着(动生)磁场H=V×D;其中V为车速; 所以电平行板电容器还携带着电磁动量g=D×B=D×μ。(V×D) ;说到这里并没有什么新意!但若当我们注意到,若该平行板电容器本来并没有荷电,此时当然也就不存在电磁动量,但若就在列车匀速前进状态对平行板电容器充电,那么这时 平行板电容器就携带了电磁动量,也就是说在对平行板电容器充电过程也就是电磁动量增加的过程,电磁动量与物体的机械运动所具有的动量(mV)具有同等的动力学效果,平行板电容器携带着电磁动量去撞击目标也可以贡献出附加的冲击力;就是说 电磁动量的增减也应该伴随着相应的冲量的输入与输出。但是 乘客在给平行板电容器充电的过程便增加了电磁动量 此过程却并没有输入冲量!但当该电容器未被放电时,该火车已经到站,开始刹车,平行板电容器所携带的电磁动量将释放出来增加了该火车刹车的力度;就在这时就出现了问题:如果在火车到站之前就释放掉平行板电容器所荷的电,就不会给火车的刹车增加困难;如在火车启动之前就将平行板电容器放电 就会便于火车启动,待火车进入匀速前进状态 再给电容器充电,又将增加火车下次刹车的难度……试问 在火车刹车过程 平行板电容器所携带的电磁动量增加了火车刹车的难度,这多余的冲量哪里来?火车轮多放出的摩擦热从何而来?因为平行板电容器所携带静电场在火车减速过程并没有改变;而在给电容器充电过程所消耗的能量全部转化为平行板电容器的静电场的能量;在火车运速行驶状态给平行板电容器进行充电;电容器在被充电过程并未增加火车的阻力!也就是说向平行板电容器充电过程并未产生力学效应,如果将平行板电容器用柔线悬挂起来再充电,该平行板电容器的悬线并不会发生偏移。我赘述应该足够了吧
 [5楼]  作者:hudemi  发表时间: 2011/05/23 20:45 
[楼主]  [6楼]  作者:akunkeji  发表时间: 2011/05/23 20:51 

要跑题了
 [7楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/23 21:55 

3楼:
光子的质量为零,它的动量为零,有意义吗?如果太阳光子有动量,撞在月球上它的动量就不消失?如果光子的动量消失了,那人类还能看见月亮吗?
[楼主]  [8楼]  作者:akunkeji  发表时间: 2011/05/23 22:41 

光子始终是运动的,按质能公式可以有质量,也就有动量。当然这首先要认同光的粒子性。这恐怕要回归到波粒二象的百年之争了。不过话又说回来,就算光子在介质中有动量变化(且不管增大或减小),在光子射出介质后动量又复原也很矛盾。

 [9楼]  作者:张崇安  发表时间: 2011/05/24 17:05 

这是一个非常有趣的话题!
[楼主]  [10楼]  作者:akunkeji  发表时间: 2011/05/25 10:09 

很有趣也很困惑。
我认为Abraham是正确的。
 [11楼]  作者:张崇安  发表时间: 2011/05/25 10:31 

我认为可以沿着这个思路去思考:
光子在媒介中走的是折线,能量不变,动量因为是矢量,变化了。
光子在媒介中的速率依然是光速,但是走的是折线,我们错吧折线当直线处理,得出光速在媒介中“变慢”结论。
 [12楼]  作者:张崇安  发表时间: 2011/05/25 10:38 

还有:一个光子可能是一个没有轴惯性运动的糖葫芦串,进入媒介后,受到媒介分子的中心力场作用,故而走折线。如果电子吸收光子,可以次级发射,逃逸出的光子依然是光速常数,但是方向改变了。
光子流方向的变化(粗看是直线,细看是折线),意味着光子在直线上的投影波长减小,频率不变,光速“变慢”,动量的减小。
[楼主]  [13楼]  作者:akunkeji  发表时间: 2011/05/25 11:15 

对【11楼】说:

这个观点不错。

由于光子在介质中运动方向不很专一,使得光子在介质中的平均速度减小,光子的动量也随之减小。

当光子穿出介质后,平均速度恢复,动量也就复原。

 

 [14楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/25 12:12 

8楼:13楼:离开介质光还存在吗?没有人的舞动红旗自己会摆动吗?什么逻辑?
 [15楼]  作者:张崇安  发表时间: 2011/05/25 12:24 

对【14楼】说:
我们在用光子说解释问题,与以太是两个不同的范畴,你就不要参与了。
 [16楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/25 13:04 

15楼:你什么都不懂,就不要在这个论坛捣乱了!
 [17楼]  作者:张崇安  发表时间: 2011/05/25 13:27 

介质的折射律实质上是光在介质中的弯折程度。折射拐点就是介质分子。光线在介质中走的是折线是我和耿琦先生的共识。
[楼主]  [18楼]  作者:akunkeji  发表时间: 2011/05/25 14:47 

同样基于质能公式,Abraham 得出了不同的结果:
E=mc^2
P=mv=(E/c^2)*v=(E/c^2)*(c/n)=E/nc
n为折射率
 [19楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/25 16:23 

18楼:你那叫作数学游戏,与物理无关!
[楼主]  [20楼]  作者:akunkeji  发表时间: 2011/05/25 17:41 

对【19楼】说:

那好,我给你发一个实验图片,这可是客观事实,你不会说这也是数学游戏吧?

这是用光纤检测光动量的实验照片,可以明显看到当光从光纤末端射出后光纤出现了偏移。

 

 [21楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/25 18:47 

20楼:
你是不是智力有问题?那个图和你的数学游戏有关吗?你只不过是指鹿为马而已。光合作用还使农作物长高了呢?那是光的动量而为吗?如果光有动量都消失在光纤里,光还能从光纤里射出吗?你还有脑子吗?7楼的问题为什么不回答?
[楼主]  [22楼]  作者:akunkeji  发表时间: 2011/05/25 20:40 

[21楼]:

你认为光子撞上月球就动量消失反射不出来了吗?谁跟你说光子的动量会消失的光纤里?你看懂题意了吗,真是幼稚!!
从你的发言风格就透露出你的水平,这个问题远远超出你的智力水平,根本不适合你参与,请自重!!!

 [23楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/26 06:23 

22楼:
科学理论是自圆其说、以理服人,不是胡搅蛮缠、耍赖死不认错就能过关的!你有理为什么不讲出来?光子的动量消失了它还能运动吗?如果说没有动量光子也能运动,那怎么证明光子有动量?好好想想吧!耍赖是没有出路的。
 [24楼]  作者:dongmin1948  发表时间: 2011/05/27 15:40 

对楼主和张崇安说:Abraham-Minkowski争议已有100多年的历史。其实很简单,只有真正认识光的本性后才能得到合理的解释。(请你先弄清楚:1,视觉的本性问题。2,光为什么能长时间长距离辐射。)
光辐射是光源克服介质阻力所做的功。它的能量分为两部分:一是由它的粒子性决定的能量与动量。二是由它的波动性决定的能量与动量。光从光疏介质进入光密介质,从粒子性方面考虑:光速减小,波长减小,由它计算出来的动量减小,这是Abraham从数学方面的计算的结果。从波动性方面考虑:光对介质的扰动增大,消耗的动量和能量较大,这是Minkowski从量子观点和实验得出的结果。在E=hf 和 E=mc^2 中, hf>mc^2 所以由两个能量换算出来的动量是不一样的。 合理的说,两人的说法都对,也都错。应该是:光从光疏介质进入光密介质或者由光密介质进入光疏介质其平均动量保持不变。光辐射是光源在做功,只不过在不同介质里由粒子性和波动性决定的能量比例不同而已,它们的和是一样的。
 [25楼]  作者:张崇安  发表时间: 2011/05/27 22:36 

对【24楼】说:吴先生:你的朴实的观点是好的!我就赞赏人的这种独立思考的探索精神!取材于自然和实验,不迷信权威,独立的去思考与探索… 至于光的实质,那是一个疑难的问题,有待于慢慢去思考和解决。光不仅有粒子性,肯定还有波动性,偏颇都是不对的
 [26楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/28 10:06 

粒子绝对没有波动性,胡说八道是行不通的.
 [27楼]  作者:张崇安  发表时间: 2011/05/28 16:07 

对【26楼】说:
声波不家是空气分子的群运动现象?空气分子是不是粒子? 大量的粒子规则间隔的运动就表“波”
 [28楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/28 16:32 

27楼:
大量粒子=粒子?1000个=1个?粒子的群体运动=粒子?,运动=粒子?于是就“波=粒子”?这都是什么逻辑呀?你还有人的脑子吗?按着你的逻辑:红旗,红=旗,红就是旗?
 [29楼]  作者:张崇安  发表时间: 2011/05/28 17:32 

对【28楼】说:
你根本没有理解光的粒子实质和以太实质,你也不知道粒子说强调的是什么。 机关枪发射的大量子弹流和声源振动发出的声波本质上都是粒子的群现象,但前者属于粒子流,后者就属于介质波。 主要区别是:前者是从源发射出了质量,后者没有质量转移,只有能量转移。前者能在真空中传播,后者不能;前者能量是粒子动量,后者的能量是振幅!前者有横波性,后者是纵波。好了,教了你不少了!
 [30楼]  作者:鹏翱九宵  发表时间: 2011/05/28 18:31 

29楼:你纯粹是个混球!
粒子群体“现象”=“粒子”?舞蹈=人群,力气=人,红=旗,这么说话你就不觉得别扭?
一块石头,你说它怎么形成波?它的频率、波长、振幅各是多少?
光即不是粒子流,也不是介质波,光是粒子群体的电磁扰动形成的电磁波;就象很多彩旗飘动形成的彩色波不是舞动彩旗的人群,人群和彩旗飘动不是一回事。

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