问题

一束光穿过一个高速旋转的透镜,光的传播方向会偏转吗?谁做过实验?

回答
让我想想,这个问题挺有意思的,涉及到光和旋转物体之间的一个奇妙互动。我来试着从头捋一捋,把我知道的都讲清楚。

首先,我们得弄明白“光穿过一个高速旋转的透镜,光的传播方向会偏转吗?”这个问题的核心。简单来说,答案是:是的,会偏转,但这个偏转是极其微小的,而且观察起来比你想象的要复杂得多。

我们先从最基本的物理原理来分析。

为什么会偏转?

我们知道,光在穿过介质(比如玻璃透镜)时,会发生折射,方向会改变。这个折射的角度由介质的折射率和光线入射的角度决定。

当透镜在高速旋转时,情况就变得有点不一样了。可以从两个主要角度来考虑:

1. 洛伦兹力效应(或者更准确地说,是光的相对论效应): 这可能是最直接导致偏转的原因。光本身虽然没有电荷,但在传播过程中,它的“动量”是存在的。当光进入一个在运动的介质中时,根据相对论,这个运动的介质会影响光的传播。想象一下,光就像是在一个不断移动的“路面”上前进。如果介质在旋转,那么光在透镜内部传播的每一小段路径上,介质的运动方向都在变化。这会导致光线在离开透镜时,其传播方向与它进入透镜时的方向发生微小的偏差。

打个比度,这有点像你在一条快速旋转的传送带上行走。即使你尽量走直线,传送带的旋转也会把你“甩”开一点。光在旋转介质中也是类似的道理。

2. 多普勒效应(相对运动引起的光频和方向变化): 虽然多普勒效应最常用来描述声音频率的变化,但它也同样适用于光。高速旋转的透镜意味着透镜表面上的不同部分相对于入射光具有不同的速度。
如果光线从旋转透镜的一侧进入,在透镜内部传播并从另一侧出来,那么光线在透镜内部穿行的过程中,它所遇到的介质区域的速度方向和大小都在变化。
光线在旋转透镜中传播时,会遇到以不同速度(相对光线而言)移动的介质。这意味着光在透镜不同部分被“折射”时,其所处的介质速度是不同的。这种速度的差异,理论上会导致光的传播方向和频率(虽然我们主要关心方向)发生微小的改变。

这个效应跟我们日常理解的光在静止介质中的折射不同,它考虑了介质的宏观运动。

为什么偏转会很微小?

即使是“高速旋转”,与光速相比,透镜的旋转速度也是微不足道的。光在透镜中传播的时间非常短,而且介质的折射率变化也不是瞬间发生的。所以,这个偏转会非常非常小,小到我们日常的肉眼根本无法察觉。需要非常精密的仪器才能测量出来。

谁做过实验?

这确实是一个需要精密实验来验证的问题。关于“高速旋转介质对光传播的影响”,最经典、最著名的实验无疑是 迈克尔逊莫雷实验(MichelsonMorley experiment)。

虽然迈克尔逊莫雷实验的主要目的是为了探测“以太”的存在(当时认为光在其中传播),但它通过测量地球相对于假想以太的运动来寻找光速的各向异性。它使用的就是干涉仪,可以检测到非常微小的光程差。

实验原理: 迈克尔逊干涉仪将一束光分成两束,然后在不同的路径传播,最后再汇合发生干涉。如果其中一束光在传播过程中受到了某种外部因素的影响(比如介质运动),就会导致两束光的光程发生变化,从而在干涉条纹上留下痕迹。
与旋转透镜的联系: 迈克尔逊莫雷实验虽然不是直接用旋转的透镜,但它探讨的是光在运动介质中的传播特性,特别是当光源或观察者(或传播介质)相对于彼此运动时,光的行为会发生什么变化。它证明了光速在不同方向上是恒定的,这有力地支持了相对论。
直接的旋转透镜实验: 在更现代的研究中,物理学家们确实进行过一些与旋转介质对光影响相关的实验。例如,研究 “旋光效应”(Optical activity) 的实验,虽然旋光效应通常是由于介质的分子结构导致的,但它也表明了介质的性质可以影响光的偏振方向。

而对于直接测试旋转透镜对光线方向的影响,这更像是对光在运动介质中传播的更精细验证。这方面的实验通常属于非线性光学或者精密光学测量的范畴。很难说某一个人或某一个时间点“首次”做了这个特定意义上的实验,因为这种研究是逐步深入的。更可能的情况是,在一些对光与物质相互作用进行深入研究的物理实验室里,会设计出这样的实验来精确测量和验证理论预测。

例如,现代激光技术和超快光学发展之后,科学家们能够精确控制光与物质的相互作用,也就能设计出更精密的实验来验证这些细微的效应。可能有的实验会使用高速旋转的圆柱形介质(比如旋转的玻璃棒)来观察通过的光束是否有微小的角度偏离。

实验细节上的考虑:

如果我们要设计一个实验来验证这个现象,我们需要考虑:

1. 极高的旋转速度: 要观察到明显的偏转,透镜的旋转速度需要非常高,可能达到每秒数万甚至数十万转。
2. 精确的光源和探测器: 需要使用高稳定性的激光器作为光源,并且探测器需要能够分辨极小的角度偏差。干涉测量技术通常是测量微小变化的利器。
3. 隔离外部干扰: 任何微小的振动、温度变化或者气流波动都可能影响测量结果,因此实验需要在高度受控的环境下进行。
4. 控制变量: 需要精确控制透镜的材质、旋转速度、光线的入射角度、光波长等参数,并与静止透镜进行对比测量。

总结来说:

光穿过高速旋转的透镜,其传播方向会发生微小偏转,这是由光在运动介质中的相对论效应以及多普勒效应引起的。虽然我们不能指向某一个具体的实验就说是“第一次做了这个”,但像迈克尔逊莫雷实验这样的开创性工作,已经为我们理解光与运动介质的互动奠定了基础。而更直接的、针对旋转透镜的精密实验,则属于现代光学和精密测量的范畴,它们通过更先进的技术来验证这些微观物理现象。

希望我这样讲能让你更明白这个过程!

网友意见

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显然会变…很多力学教材和电动力学教材上都有这个习题吧,要求推导高速运动镜面的反射/介质面的折射公式,会和原本的公式有区别。

实际上一个更有名的效应应该是菲佐水流实验,算是相对论诞生前夜对这种“拖拽速度”的测量。

不过刚想了一下,这些书上讲的都是波矢方向(相速度)的计算,如果考虑能流方向(群速度)的计算可能会有不同,类似于双折射。


找到了舒老爷子当年写的一篇文章,当然这个在他的力学习题解答中也有

光在高速运动界面上的反射和折射 - 中国知网

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