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2002 年 10 月 23 日

光是什麼？ (54) 光在電廠、磁場中和介質中的速率
提供者 : 陳輝樺 (AEEA 小組 , NMNS )

說明: 1864 年，馬克士威 (James Clerk Maxwell, 1831 - 1879) 統合了原有電學和磁學的理論完成完整的電磁理論，這理論預測有「電磁波」的存在，在「 真空中 」以「光速」傳播，馬克士威認為光波的本質是電磁波，而非機械波。 1887 年赫茲 (Heinrich Hertz, 1857 - 1894) 發現電磁波。馬克士威方程式統整和修正了原有磁學中的安培定律 (▽ x H = 4π/c J + 1/c ∂ D / ∂ t) 和法拉第定律 (▽ x E = -1/c ∂ B / ∂ t)，以及原有電學中的高斯定律 (▽ • D = 4π ρ ) 和歐姆定律 (▽ • B = 0 ) ，式中描述的磁場強度 H，電場強度 E，電位移 D (D = ε E)，電荷密度 ρ，傳導電流 J (J = σ E)，B = μ H， ε 是介質的電容率， μ 是磁導率，向量運算子 ▽ ≡ (∂ /∂ x , ∂ /∂ y , ∂ /∂ z ) 。在 真空中 ε₀ 與 μ₀ 又和光速 c 有 ε₀ μ₀ = 1 / c² 的關係。
愛因斯坦 (Albert Einstein 1879 - 1955) 於 1905 年首倡狹義相對論時，由邏輯的推論，提出相對論的兩個基本假設，其中之一的「光速不變原理」，就是假設「光在真空的速度，在所有慣性座標系中都相同不變，都是常數 c (c 值為 299792458 公尺 / 秒)」。洛仁子 (Hendrik Antoon Lorentz 1853 - 1928) 在狹義相對論發表之前幾年，從純粹數學方面探討以「洛仁子變換 (Lorentz Transformation)」，方可使馬克士威方程式保持其不變性。直到 1905 年狹義相對論發表後，洛仁子略變換的物理意義才得到解釋。在明可士的四維時空架構下，洛仁子略變換也是等速相對運動座標系間變換的必然結果。
但若不是在真空中，光速又是如何呢？ 由馬克士威方程的導出電磁波的過程，很明顯地可看出 電磁波在電廠、磁場中的速率必然比真空中的光速小，即 v < c ，因為 ε μ = 1 / v² ，式中介質的電容率 ε > ε₀ 、磁導率 μ > μ₀。若再考慮介質中的電導現象和其他的效應，則光在介質中的速率將更慢了。況且光在介質中的傳遞速度也會和光的頻率有關，如上圖因著不同頻率 (表現在顏色上) 光在菱鏡內的傳速差異，會產生色散現象。

明日主題 : 光是什麼？ (55) 電磁波在恆星內的傳遞情形

作者與主編 : 陳輝樺、王夕堯
諮詢服務: 陳輝樺 (NMNS 國立自然科學博物館)
王夕堯 (NTPU 國立台北大學)
蘇明俊 (NKNU 國立高雄師範大學科教所)

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