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爱因斯坦48狭义相对论第8-10部分

论文《论动体的电动力学》的第八部分题为《光线能量的变换作用在完全反射镜上的辐射压力理论》,在这一部分爱因斯坦首先论证了同一个光能集合体的体积分别从静系K和动系k考察是不同的。

首先,从静系K考察,单位体积的光能能量为A2/8π;从动系k考察,单位体积的光能能量为A′2/8π,两者的关系为公式29:

A′=A·[1-(υ/V)·cosj]/√[(1-υ2/V2)]

(注:参照公式27给出。)

根据光速不变原理,光能不会超过光速传播,则从静系K考察,光能集合体被囊括在方程30描述的以光速V运动的球面中:

(x-Vat)2+(y-Vbt)2+(z-Vct)2=R2。

其中,V是光速,a,b,c是静系中光的波面法线的方向余弦。

从动系k考察,设定动系时间τ=0时,描述此球面的为方程31:

[βξ-aβξ(υ/V)]2+[η-bβξ(υ/V)]2+[z-cβξ(υ/V)]2=R2。

(注:将动系时间τ=0代入公式10的洛伦兹变换,可得t=vx/V2,将其代入方程30,并结合公式10的洛伦兹变换得到xyz与动系εηζ的关系,即可得方程31。)

由方程31可知,从动系k考察,囊括光能的圆球为椭球形。静系K考察的圆球S与动系k考察的椭球S′体积之比为公式32:

S′/S=√[(1-υ2/V2)]/[1-(υ/V)·cosj]

静系K考察、量得的,为球面S包围的光能能量为E,动系k考察、量得的,为椭球面S′包围的光能能量为E′,联立公式29和公式31可得公式33:

E′/E=[(A′2/8π)S′]/[(A2/8π)S]=[1-(υ/V)·cosj]/√[(1-υ2/V2)]。

特别是当 j角为0时,cos j=1,则公式33变为公式34:

E′/E=√[(1-υ/V)/(1+υ/V)]。

对比第七部分的公式25: n′=n·√[(1-υ/V)/(1+υ/V)],爱因斯坦做出了评述:“可注意的是,光集合体的能量(注:公式34)和频率(注:公式25)都随着观察者的运动状态遵循着同一定律而变化。”

做完上面的基础考察后,爱因斯坦开始探讨完全反射面的问题,设坐标平面ε=0为一个完全反射的表面,入射光从静系K考察,以振幅A、法线方向余弦cos j和光线频率 n来描述,则从动系k考察,根据公式10的洛伦兹变换,上述参数为公式35:

A′=A·[1-(υ/V)·cosj]/√[(1-υ2/V2)]

cosj′=(cosj-υ/V)/[1-(υ/V)·cosj]

n′=n·[1-(υ/V)·cosj]/√[(1-υ2/V2)]。

对于反射后的光,由动系k考察为方程36:

A′′=A′,

cosj′′=-cosj′,

n′′=n′。

对于反射后的光,由静系K考察,根据公式10的洛伦兹变换,并代入公式35和公式36,可得由静系K考察的描述反射光线的公式37:

A′′′=A′′·[1+(υ/V)·cosj′′]/√[(1-υ2/V2)]=A·[1-2(υ/V)·cosj+(υ/V)2]/[(1-υ2/V2)],

cosj′′′=(cosj′′+υ/V)/[1+(υ/V)·cosj′′]=-{[1+(υ/V)2]cosj-2(υ/V)}/[1-2(υ/V)·cosj+(υ/V)2],

n′′′=n′′·[1+(υ/V)·cosj′′]/√[(1-υ2/V2)]=n·[1-2(υ/V)·cosj+(υ/V)2]/[(1-υ2/V2)]。

(注:公式37,最后一项公式的分母有误,应该是(1-υ2/V2)。《爱因斯坦全集》注解33也已指出此点。)

由静系K考察,每单位时间内射到反射镜上单位面积的能量为公式38:

A2/8π(Vcosj-υ)。

(注:A2/8π是入射光单位体积的光能能量, Vcosj-υ是静系考察入射光的速度。)

由静系K考察,每单位时间内离开反射镜的单位面积的能量为公式39:

A′′′2/8π(-Vcosj′′′+υ)。

(注: A′′′2/8π是反射光单位体积的光能能量,-Vcosj′′′+υ是静系考察反射光的速度。)

公式38和公式39的能量差就是单位时间内光压所做的功,等于光压P·v,由此可知光压P由公式40决定:

P=(2A2/8π)·[(cosj-υ/V)2/(1-υ2/V2)]

公式40的一级近似为公式41:

P=(2A2/8π)·cos2j

公式41令爱因斯坦为自己的理论又找到了一个现实的依据:“就第一级近似而论,我们得到一个同经验一致,也同别的理论一致的结果。”

麦克斯韦算出了类似公式41的光压公式,并分别于1901年被列别捷夫、1903年被尼科尔斯和赫尔实验验证。

至此,对于自己运用根据狭义相对性原理和光速不变原理为原则导出的洛伦兹变换(注:唯一可惜的是洛伦兹从错误的思考角度首先凑出了准确的静系动系变换方程式,不然论文里的变换完全可以叫爱因斯坦变换了)就解决了如此多的电动力学问题,爱因斯坦本人也很自豪,在得出光压公式后,爱因斯坦在第八部分的最后自豪的做了一段论述,再次夸赞起了自己以上运用洛伦兹变换从新阐释电动力学的新思路新方法:

“关于动体的一切光学问题,都能用这里所使用的方法来解决。其要点在于,把受到一动体影响的光的电力和磁力,变换到一个同这个物体相对静止的坐标系上去。通过这种办法,动体光学的全部问题将归结为一系列静体光学的问题。”

在自豪中结束第八部分的爱因斯坦紧接着又运用自己的新武器洛伦兹变换讨论了电子的运流问题,第九部分题为《考虑到运流的麦克斯韦-赫兹方程的变换》,这一部分研究运流电流问题,又称作对流电流或徙动电流,是指电荷在不导电的空间,如真空或极稀薄气体中的有规则运动所形成的电流。

在这一部分,爱因斯坦首先列出了此类问题的传统电动力学方程42:

(1/V)·(uxρ+?X/?t)=?N/?y-?M/?z,

(1/V)·(uyρ+?Y/?t)=?L/?z-?N/?x,

(1/V)·(uzρ+?Z/?t)=?M/?x-?L/?y,

(1/V)·?L/?t=?Y/?z-?Z/?y,

(1/V)·?M/?t=?Z/?x-?X/?z,

(1/V)·?N/?t=?X/?y-?Y/?x。

其中ρ=?X/?x+?Y/?y+?Z/?z,表示电的密度的4π倍,(ux,uy,uz)表示电的速度矢量。

爱因斯坦在论文中解释方程42是洛伦兹动体电动力学和光学的电磁学基础:“如果我们设想电荷是同小刚体(离子、电子)牢固地结合在一起的,那么这些方程就是洛伦兹的动体电动力学和光学的电磁学基础。”

将方程42进行公式10的洛伦兹变换和第六部分方程21的电磁学变换,可将静系K考察的方程42变到动系k考察的方程43:

(1/V)·(uξρ′+?X′/?τ)=?N′/?η-?M′/?z,



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