在量子力學被發現之前,一八七八年勞侖茲就利用『古典力學』與『電磁理論』,想像著『原子‧電磁場』會如何『交互作用』,並將此『模型』之表達為
,此處 是電子的『電荷』 庫倫, 是電子之『質量 公斤, 是電子所處的『時變電磁場』 。勞侖茲假設『原子核』與『電子』間的『束縛力』可以用『虎克定律』 來描述。並且假設『原子核』的質量遠大於『電子』的質量,因此可以看成只有『電子』在『假想原子核靜止』的『平衡位置』附近做『簡諧運動』,好比人們日常生活中活動在『靜止的大地』上。所以 就是這個『原子』振動的『自然頻率』。當年勞侖茲其實不能解釋『阻尼係數』 的真實成因;有了『量子力學』之後,人們才知道它有著來自於『原子碰撞』與『輻射量化』的種種原故。然而勞侖茲的確了解一加速帶電粒子會放射出『電磁輻射』,因此減少『動量』,現今稱之為『阿布拉罕‧勞侖茲力』Abraham-Lorentz force,數學上可以寫成
。假使計算一個『電子』輻射了『電磁波』,而這個『電磁波』又作用到那個電子『自己』,就引發了所謂的『自身場』self-fields 問題。在古典物理中, 它的數學求解會產生『未來的作用力影響了現在』的結果。事實上,自身場關係到『物質』與『能量』的『本質』,這個問題目前看來物理學家們也許尚在『爭論中』!!
那麼『勞侖茲振子模型』 Lorentz Oscillator Model 是否是一個『適切』的『物理模型』的呢?一般說來物理模型通常必須能夠『定量符合』觀察數據,並且『定性說明』物理現象。有時一個『良好』的物理模型還能『啟發』人們探究『新的』物理現象。在此就讓我們考察一下這個物理模型的定性之『合適性』和定量的『近似性』
一、氫原子 H 是質量最輕的原子,原子核只由一個『質子』 所構成,它的質量為 ,大約是『電子』的一千八百多倍。依據牛頓『作用反作用』第三運動定律,假使一個質量是 ,位置在 的『電子』與質量為 處之於 『原子核』 發生交互作用,運動方程式會滿足
,因此得到 ,所以 。如果選擇從『質心參考座標系』上來描述此兩者的運動,此時 ,得到 的關係式,也就是說
,因此可以講『靜止的原子核』與『在平衡位置附近做簡諧運動的電子』之假想是原子系統定性上說『合理的』的近似。
二、從數學上來說,我們可以用『泰勒級數』Taylor series 將一個『函數』 在任何『位置』展開。比方講假設於『平衡位置』 處附近觀察,可以得到
。如果說這個 就是『電子』與『原子核』之間的交互作用力,此式的前兩項 也就是『虎克定律』的『假設』了!真不知道到底有多少系統不可以用『虎克力』來作『近似處理』!!
左圖中『粉紅色曲線』是『近似』 的七階泰勒多項式
,在 的區間裡,這個多項式近似的『誤差』小於 。因此,『原子核』與『電子』間的『束縛力』可以用『虎克定律』 來描述的『假設』,也是定量上講原子系統的『適切的』模型。
雖然『電磁波』內有『電場』與『磁場』,勞侖茲設想『電子』的『震盪位移』很小,這樣『磁力』的作用比起『電力』來說真的是『小巫比大巫』可以忽略不計的了。然而這是一個『合理假設』的嗎?假使探究現今的『勞侖茲力定律』,它其實是一個『電磁學』上的『基本公理』,並不能從別的『理論推導』出來的定律,當然是經過『千錘百鍊』重複的實驗所得到的『結論』
!於是勞侖茲將 設想為『時變電場』,而且假設為
,此處的 就是『電子』所遭遇的外部之『時變電場』的『頻率』。如果將『勞侖茲振子模型』的數學方程式與《【Sonic π】聲波之傳播原理︰振動篇》一文中之『受驅振子』方程式作個『比較』︰
是驅動力的振幅大小。在線性微分方程式如 的『求解』裡,如過『』是 的一個解,『』是 一個『特解』,那麼『』就是該方程是的『通解』。我們已經知道 的『低阻尼振子』之解在若干個弛豫時間後數值將變得太小了,所以它對於系統長時間之後的『行為』沒有太多的貢獻。因此我們說這個系統的『穩態解』steady-state solution 是
,此處
是『響應阻抗』函數。而 是驅動力引發的相位角,可由
所決定,一般它表達著相位『遲滯』 lag 現象。
,除了一些『符號』的『物理意義』詮釋不同之外,兩者又有什麼不同的呢??