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光速(17):电磁波(上)

已有 3292 次阅读 2014-10-8 00:28 |个人分类:高级科普|系统分类:科普集锦| 相对论, 光速

(1)

在大谈一段令人乏味的数学之后,我们终于可以步入麦克斯韦(http://en.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell)修建的殿堂,看看这精妙的思想。

图一 麦克斯韦像

(2)

Faraday和紫外线之父Ritter一样,深受哲学家谢林的影响,总是相信光能和电、磁联系起来。他先是用电场来观察光的偏振的变化,没有取得进展;后来,他换用了磁场,终于在1845年,观察到了光的偏振角的偏转。(http://en.wikipedia.org/wiki/Faraday_effect

时光荏苒,转眼到了1856年,韦伯和Rudolf Kohlrausch用莱顿瓶(http://en.wikipedia.org/wiki/Leyden_jar)-也就是个最老式的电容器-来测定在变化电场的情况下电流的变化,得到两个物理参量的一个比值,这个比值按量纲应该取速度的单位,其结果为3.107×108 m/s ,他们把这个比值记为C,这也是真空中的光速记法的来历。(http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_Maxwell%27s_equations

如前所述,在1848到1850年间,傅科和斐索已经比较精确地测定了光速,为 2.98×108 m/s 。但是韦伯他们并没有将结果和光速连接起来。

1860年到1865年,麦克斯韦(http://en.wikipedia.org/wiki/James_Clerk_Maxwell)在伦敦国王学院从教,和年长他40岁的法拉第交往甚密。正是Faraday的影响,使得麦克斯韦敏锐地察觉到了真空中的光速和莱顿瓶中的比值C之间的联系。

(3)

1861年,麦克斯韦发表了《On Physical Lines of Force 》(http://en.wikisource.org/wiki/On_Physical_Lines_of_Force)一文,在其中创造出了分子涡旋(molecular vortex)的说法。这种讲法认为,在以太中间存在一些非常细小的分子,有电流围着这些分子旋转。

平时这些分子涡旋的作用彼此抵消,但是碰到变化的磁场或者电场时,这些分子涡旋的作用就显现出来,而这显现的结果,就是所谓的“位移电流"(displacement current ,http://en.wikipedia.org/wiki/Displacement_current).

正是位移电流的存在,使得我们看到了真空(那个时代,真空是充满以太的空间)中动磁生电和动电生磁的情况。这种真空中的电磁互生,被麦克斯韦通过分子涡旋构造出来,就是我们后来所谓的”电磁波“。

运算的结果表明,这个电磁互生的速度,正好是C,与当时测量的光速非常接近;而且电磁互生的过程,正好对应了电场和磁场与波的传播方向垂直,所以麦克斯韦断言:光是一种电磁波

让我们从直觉上来看看麦克斯韦的天才解释。如下图:

图2,电磁波的产生(取至http://en.wikisource.org/wiki/On_Physical_Lines_of_Force



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