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作者:黃俊等 來源:EPJP 發布時間:2021/5/22 12:25:40
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非常規方法解決基礎物理學難題

 

近日,我院馮國旭博士后和黃俊教授用非常規方法解決了亞伯拉罕-閔可夫斯基百年爭議,成果發表在European Physical Journal Plus期刊(Q1,影響因子3.228)。論文的研究方法源自于飛機的大圓導航方程和軍用飛行器對雷達隱身突防效能仿真建模中采用的電磁波傳播理論。

光在水和玻璃等透明介質中傳播時的動量是多少?這個似乎非常簡單的基礎性問題卻一直沒有明確答案。20世紀初,基于電動力學理論,閔可夫斯基和亞伯拉罕分別給出了兩個截然相反的答案,即pM=np0和pA=p0/n,其中,p0為光的真空動量,n為介質的折射指數(在非學術語境下一般將其稱為折射率)。一百多年來,二者都得到了若干實驗的支持。有一些實驗似乎很明顯地證明了二者之一是正確的,但對實驗現象的理論解釋卻存在很大分歧,甚至兩種對立的觀點都可以被用來解釋相同的實驗現象。在理論方面,有些人支持亞伯拉罕,有些人支持閔可夫斯基,也有些人認為二者都正確,并認為它們是動量的不同形式,還有些人認為它們都不正確。這種關于介質中光動量的分歧與混亂被稱作亞伯拉罕-閔可夫斯基爭議(A-M爭議)。在Wikipedia的List of unsolved problems in physics詞條中列出的11個物理學分支共計92個問題中,A-M爭議被列入原子/分子和光學物理中4個未解決的物理問題之首。

在這篇文章中,作者們首先回顧了與A-M爭議有關的實驗,指出實驗觀測證據的對立是導致爭議持續至今的根本原因,并把該爭議與介質中的光速爭議(費馬-笛卡爾爭議)聯系了起來,證明了前者是后者的延續。然后,以沿大圓航線勻速飛行的飛機為例,從太空視角(非局部觀測)分析了飛機的運動。證明了太空視角下的飛機角動量守恒方程與地球視角下的大圓導航方程是等價的。從太空視角(非局部觀測)展示了飛機的A-M爭議,并在形式上給出了飛機的愛因斯坦-德布羅意公式。之后,利用平坦時空度規張量和彎曲時空度規張量分別定義了相對運動折射指數和引力場折射指數,從非局部觀測者的視角重新審視了與狹義相對論和廣義相對論有關的物理現象,指出了隱藏在相對論中的A-M爭議。最后,利用亞伯拉罕動量和閔可夫斯基動量分別定義了亞伯拉罕力和閔可夫斯基力,并以太陽引力場中傳播的光為研究對象,證明了閔可夫斯基力和亞伯拉罕力分別是造成光的引力偏轉與夏皮羅時間延遲的原因(光的引力偏轉與夏皮羅時間延遲是早已被實驗觀測證實的廣義相對論“四大預言”中的兩個)。文章的最終結論是,對物理現象的非局部觀測是造成A-M爭議的原因。它與介質無關,即使沒有介質也可能存在A-M爭議。它也不是光(電磁波)的獨有特性。對任何運動物質的非局部觀測都可能導致亞伯拉罕-閔可夫斯基爭議,例如,太空視角下沿大圓航線勻速運動的飛機。

工程孕育學術。雖然原子/分子和光學物理中的A-M爭議看起來似乎與航空宇航科學技術毫無關系,但實際上,它們均源于作者們在軍用飛行器對雷達隱身突防效能的研究。這些研究方法曾被作者們用于雷達波在大氣中的傳播建模與計算,并支撐了雷達探測效能評估程序的開發。

學術服務工程。在另外一篇文章中,作者們利用這些新的研究方法,給出了GPS衛星與地面站之間相對論時鐘差計算的新公式,計算結果與愛因斯坦的廣義相對論相同,但計算方法更加簡單。這將有利于工程技術人員更加直觀地理解相對論時鐘差校正。(來源:北京航空航天大學 航空科學與工程學院)

相關論文信息:https://doi.org/10.1140/epjp/s13360-021-01523-8

 
 
 
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