光速

2021-04-21 10:49:56 浏览:596

某一粒子的速度是很简单明确的概念,但是光的速度(以及其其它波的现象)则是非常复杂的问题。有几种不同概念的速度(尤其是当光在介质中传播时),并且它们具有不同的数值:

  • 相速度是相位波前传播的速度。
  • 群速度是光强最大值传播的速度(例如,脉冲峰值)。
  • 信息传播的相速度和群速度不同。

图1给出了不同的速度。这个例子中,不同频率成分的相速度随频率线性变化:高频成分波前传播更慢。脉冲最大值与波前重叠,并且以群速度传播。更多细节在群速度词条中给出。

图 1 光脉冲在色散介质中的传播。不同频率成分的相位波前以不同的速度传播,并且脉冲以群速度传播,群速度小于相速度。

当光在非各向同性介质中传播时,情况更加复杂,尤其是在波导中。

真空中的相速度等于群速度(平面波)为c = 299 792 458 m/s。在国际单位制中(SI),真空光速的定义与实际值完全符合。并且与秒的定义结合(采用铯原子超精细跃迁定义),可以确定米的长度。

在有些情况下,通常存在吸收或增益共振时,相速度甚至群速度会大于真空光速,但是这并不违反因果关系。还有一些情况下,在一个很窄的光谱区域光速会变慢(慢光)。窄带共振时,能够观察到速度减小很多,例如,在超冷气体中会发生。

更奇特的效应是在有些情况下存在负群速度和负的dn / dω。

在基础物理中,真空光速非常重要。爱因斯坦相对论理论的一个基石就是真空光速是恒定的,即在所有惯性系统中都是相等的,并且与传播方向无关。不存在光以太,在其中光具有默认速度。爱因斯坦根据这一假设得到了关于时间和空间具有深远意义的结论。例如,实验上证实的时间延缓效应,移动物体的长度收缩以及任何物体都无法达到或者超过光速。光在理论中的核心作用表明电磁场是直接与时空有关的,尽管这一关系目前还不能完全理解。

参阅:相速度、群速度、因果关系、超光速传输

基础光学

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