相速度
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波的相速度或相位速度(phase velocity),或簡稱相速,是指波的相位在空間中傳遞的速度,換句話說,波的任一頻率成分所具有的相位即以此速度傳遞。可以挑選波的任一特定相位來觀察(例如波峰),則此處會以相速度前行。相速度可藉由波的頻率f與波長λ,或者是角頻率ω與波數(wave number)k的關係式表示:
- 。
注意到波的相速度不必然與波的群速度相同,相速是波包中某一單頻波的相位移動速度;群速度代表的是「振幅變化」(或說波包)的傳遞速度,表示一段波包的包絡面上具有某特性(如幅值最大或最小)的點的傳播速度。
群速和相速只有是混合波(非單頻波)在頻散介質中傳播時才有差別。
電磁輻射的相速度可能在一些特定情況下(例如:出現異常色散的情形)超過真空中光速,但這不表示任何超光速的資訊或者是能量移轉。物理學家阿諾·索末菲與里昂·布里於因(Léon Brillouin)對此皆有理論性描述。
參閱色散以對波的各種速度有更完整的了解。
物質波相速度
量子力學中,粒子也具有波的行為,並帶有複數相位。透過德布羅意假說,我們可以得到:
其中是粒子總能(運動學觀點上,即靜質能加上動能),p是粒子動量,是勞侖茲因子,c是光速,以及是速度與c的比值。變數v可以是粒子速度或相應的物質波群速度。細節請參閱群速度條目。既然根據狹義相對論,帶質量粒子的速度必然成立,因此相速度永遠大於c,即:
並且可以看到當粒子速度在相對論性範圍,相速度趨近於c。超光速的相速度並不違反狹義相對論,因其並不帶有任何資訊的傳遞。細節請參閱訊號速度條目。
與群速度相異
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群速度迥異於「相速度」的概念是首先由哈密頓於1839年提出,這方面完整的處理則出現在瑞立勳爵(Lord Rayleigh)的1877年的著作《聲理論》(Theory of Sound)中。
外部連結
- (英文)Subluminal,Java applet
- (英文)Group and Phase Velocity (頁面存檔備份,存於互聯網檔案館) - Java applet顯示群速度與相速度的差異。
文獻
- 萊昂·布里淵《波傳遞與群速度》(Wave Propagation and Group Velocity)Academic Press Inc., New York(1960年)ISBN 0-1213-4968-3
- Tipler, Paul A. and Ralph A. Llewellyn (2003). Modern Physics. 4th ed. New York; W. H. Freeman and Company. ISBN 0-7167-4345-0. 222-3 pp.
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