Природа света в специальной теории относительности

Какова природа света в контексте специальной теории относительности? Это фотон, электромагнитная волна или что-то еще?

У меня есть сомнения, потому что фотон кажется мне квантово-механическим понятием, а Специальная теория относительности считается классической теорией.

СТО ничего не говорит ни о чем, кроме свойств симметрии пространства и времени.
Специальная теория относительности — это чисто «геометрическая» теория, в ней ничего не говорится о том, какая материя может заполнять пространство-время, важно только то, что она имеет массу. Это похоже на три закона Ньютона, но без каких-либо выражений для конкретных сил. Они обеспечиваются Стандартной моделью и общей теорией относительности, в частности, квантовой электродинамикой фотонов. А квантовая электродинамика — это релятивистская квантовая теория, т. е. она включает в себя как специальную теорию относительности, так и квантовую механику.
Комментарий @CuriousOne вводит в заблуждение. Специальная теория относительности — это теория о том, как наблюдаемые события появляются из разных систем отсчета, и свет играет абсолютно критическую роль инвариантной длины пути при изменении системы отсчета. Сказать, что специальная теория относительности — это теория только о симметриях, было бы довольно редукционистски, особенно учитывая, что теория мотивирована и экспериментально подтверждена экспериментами со светом.
@DanielSank: Да, это те симметрии, о которых мы говорим. Это и есть современная теория, точно так же, как галилеевская теория относительности была о симметриях галилеевского пространства и времени. Только из этого следует мир эффектов, и в этом вся прелесть.

Ответы (3)

Классический электромагнетизм прекрасно совместим со специальной теорией относительности. В классическом E&M свет представляет собой электромагнитную волну, и, как правило, нет полезной формулировки в терминах частиц.

Наиболее широко используемым методом объединения квантовой механики со специальной теорией относительности является релятивистская квантовая теория поля. Релятивистская КТП, соответствующая классическому E&M, называется квантовой электродинамикой (КЭД). Квантовый характер этой теории порождает концепцию фотонов — квантованных волновых пакетов возбуждений лежащего в их основе «фотонного поля». Но это похожее на частицы поведение является чисто квантовым эффектом; в пределе, где ℏ → 0 и квантовыми эффектами можно пренебречь, картина частиц бесполезна.

Предостережение: в пределе малых длин волн классический E&M хорошо аппроксимируется более простой теорией «лучевой оптики», где вы можете представить свет как поток «частиц», движущихся по прямой линии. Но это общее свойство волн с малыми длинами волн и никоим образом не относится к свету. Когда люди говорят о «частичной» природе света, они почти всегда имеют в виду фотоны и квантовые эффекты.

Фотоны — это кванты, а не частицы. Не существует работающей корпускулярной теории света. Старая корпускулярная теория не может иметь дело даже с классической дифракцией.
@CuriousOne Ты слишком фанатичен в этом. Классическая картина частиц проста и прекрасно работает на масштабах длин, намного превышающих длину волны. И разве физика не сводится к выбору подходящей модели?
@knzhou: Вы не читаете то, что я написал. Я не говорил, что классическая модель не работает, но что для света не существует работающей модели частиц. Это не одно и то же. Классическая модель света — это волновая модель, а в приближении Эйконала — лучевая модель. Они не имеют ничего общего с частицами. Что касается квантовой механики... в ней тоже нет частиц, никогда не было.

Чтобы было ясно, уравнения Максвелла известны как «лоренц-инвариантные» уравнения, что означает, что они принимают одинаковую форму в каждой системе отсчета, преобразованной Лоренцем. На самом деле специальная теория относительности возникла в результате изучения (классических) уравнений Максвелла без учета зарядов и токов. Затем мы получаем:

∇ ⋅ Е "=" 0
∇ ⋅ Б "=" 0
∇ × Е "=" − ∂ Б ∂ т
∇ × Б "=" мю 0 ϵ 0 ∂ Е ∂ т

Возьмите завиток закона Фарадея:

∇ × ( ∇ × Е ) "=" ∇ ( ∇ ⋅ Е ) − ∇ 2 Е "=" ∇ ⋅ ( − ∂ Б ∂ т )

И замените закон Гаусса на ∇ ⋅ Е и закон Ампера для ∂ ∂ т ( ∇ ⋅ Б ) и вы найдете волновое уравнение для Е :

( ∇ 2 − 1 с 2 ∂ 2 ∂ т 2 ) Е "=" 0
где с "=" 1 / мю 0 ϵ 0 ≈ 2,998 ⋅ 10 8 м / с .

Это волновое уравнение предназначено только для случая так называемой «калибровки Лоренца» (не «Лоренца»), которая соответствует системе отсчета, находящейся в состоянии покоя по сравнению со средой. Раньше, когда люди думали, что существует какая-то жидкость или «эфир», через которую проходят электромагнитные волны, было логично, что если вы движетесь относительно жидкости, то скорость волн в жидкости будет меняться. Эксперимент Майкельсона-Морли помог показать, что не существует «эфира», через который проходит свет.

Догадка Эйнштейна заключалась в том, что электромагнитные волны распространяются с одной и той же скоростью независимо от того, какую систему отсчета вы используете. Этот принцип относительности выполняется только в том случае, если скорости не складываются в галилеевском смысле , а скорее следуют другому набору правил преобразования систем отсчета, называемому лоренц-инвариантностью. В каком-то смысле нам повезло, что мы открыли теорию электромагнетизма, инвариантную по Лоренцу , но в другом смысле это было неизбежно, поскольку теория по своей сути релятивистская.

Заметьте, что я нигде здесь не обсуждаю корпускулярную природу света. Специальная теория относительности на самом деле не имеет ничего общего с классической и квантовой теорией. Все дело в разнице между инвариантностью Галилея и инвариантностью Лоренца.

В сторону: когда позже Эйнштейна спросили, почему он верит в специальную теорию относительности, он процитировал эксперимент Физо.

Сама природа света «контекстуальна». Чрезмерно широкое определение верно чаще, но менее верно в каждом конкретном контексте; чрезмерно конкретное определение является наиболее точным в своем собственном контексте, но, вероятно, менее точным во всех других. Эйнштейн не определяет «свет» в «контексте» СТО… он предполагает его теоретическую обоснованность как понятие, представляющее универсальную константу в соответствии с другими «принятыми/наблюдаемыми/доказанными» формулировками ее природы/свойств, а затем применяет его к теоретической конструкции вселенной, но никогда не определяет ее в концептуальном лингвистическом смысле. Очевидно, что многие критические аспекты «определения» можно найти в/из теории, но они не являются основой самой теории и не требуются в абстрактном концептуальном смысле для ее достоверности.

Скорость света должна быть универсальной константой, потому что уравнения Максвелла имеют неожиданный результат: она должна быть одинаковой в любой системе отсчета.
Природа света в специальной теории относительности
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 1v