La naturaleza de la luz en la Relatividad Especial

Question

¿Cuál es la naturaleza de la luz en el contexto de la Relatividad Especial? Es un fotón, o una onda electromagnética, o algo más?

Tengo dudas, porque un fotón, me parece una mecánica cuántica el concepto y la teoría Especial de la Relatividad se supone que es una teoría clásica.

Answer 1

Clásica del electromagnetismo es perfectamente compatible con la relatividad especial. En la clásica E&M, la luz es una onda electromagnética y por lo general no existe útil formulación en términos de partículas.

La técnica más ampliamente utilizada para combinar la mecánica cuántica con la relatividad especial es relativista, la teoría cuántica de campos. El relativista QFT que corresponde a la clásica E&M es la Electrodinámica Cuántica (QED). La naturaleza cuántica de esta teoría da lugar al concepto de fotones - cuantificada de onda de paquetes de excitaciones de la subyacente "de fotones campo." Pero esta partícula como el comportamiento es un efecto puramente cuántico; en el límite donde el $\hbar \rightarrow 0$ y que los efectos cuánticos puede ser descuidado, la partícula de la imagen no es útil.

Advertencia: en el límite de las pequeñas longitudes de onda, clásica E&M se aproxima bien por la simple teoría de la "óptica de rayos x", donde usted puede pensar en la luz como un flujo de "partículas" se mueve en una línea recta. Pero esta es una propiedad general de las ondas con pequeñas longitudes de onda y no es de ninguna manera específica a la luz. Cuando la gente habla de la "partícula" naturaleza de la luz, que casi siempre se hace referencia a los fotones y los efectos cuánticos.

Answer 2

Para ser claros, las ecuaciones de Maxwell son conocidos como "de Lorentz-invariante" ecuaciones, lo que significa que se tome la misma forma en todos los Lorentz-transformado marco de referencia. La relatividad especial de einstein en realidad surgió de un estudio de Maxwell (clásica) las ecuaciones, sin cargas o corrientes. Entonces tenemos:

$$\nabla \cdot \mathbf{E}=0$$ $$\nabla \cdot \mathbf{B}=0$$ $$\nabla\times\mathbf{E} = -\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t}$$ $$\nabla\times\mathbf{B} = \mu_0\epsilon_0\frac{\partial \mathbf{E}}{\partial t}$$

Tomar el rizo de la Ley de Faraday: $$\nabla\times(\nabla\times\mathbf{E})=\nabla(\nabla\cdot \mathbf{E})-\nabla^2\mathbf{E}=\nabla\cdot(-\frac{\partial \mathbf{B}}{\partial t})$$

Y el sustituto de Gauss la ley de $\nabla\cdot\mathbf{E}$ y ley de Ampere para $\frac{\partial}{\partial t}(\nabla\cdot \mathbf{B})$ y vas a encontrar la ecuación de onda para $\mathbf{E}$: $$(\nabla^2-\frac{1}{c^2}\frac{\partial^2}{\partial t^2})\mathbf{E}=0$$ where $c=1/\sqrt{\mu_0\epsilon_0}\approx 2.998\cdot 10^{8}m/s$.

Esta ecuación de onda es sólo para el caso de lo que se llama "Lorenz calibre" (no "Lorentz"), que corresponde a un marco de referencia que se encuentra en reposo en comparación con el medio. De nuevo, cuando la gente pensaba que había algún tipo de líquido o "éter" que las ondas electromagnéticas viajaban a través de, es lógico que si usted está en movimiento con respecto al líquido, entonces la velocidad de las ondas en el líquido que se va a cambiar. El experimento de Michelson-Morley ayudó a mostrar que no hay ninguna "éter" que la luz viaja a través de.

Einstein, la visión era que las ondas electromagnéticas viajan a la misma velocidad sin importar qué marco de referencia que usted está utilizando. Esta $\textbf{principle of relativity}$ sólo se satisface si las velocidades no agregar en la Galileo sentido y en lugar de seguir un conjunto de reglas diferentes sobre la transformación de los marcos de referencia, llamada la invariancia de Lorentz. Fue en un sentido de la suerte que hemos descubierto una teoría del electromagnetismo invariante de Lorentz, pero en otro sentido era inevitable, ya que la teoría es esencialmente relativista.

Aviso de que en ninguna parte aquí de discutir la naturaleza de la partícula de la luz. La relatividad especial no tiene realmente nada que ver con el clásico frente de la teoría cuántica. Es todo acerca de la diferencia entre la invariancia de Galileo y la invariancia de Lorentz.

A un lado, Cuando se le preguntó más tarde por qué creía en la teoría especial de la relatividad, de Einstein, citado experimento de Fizeau.