【Sonic π】聲波之傳播原理︰共振篇《二》

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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

\frac{\mathrm{d}^2}{\mathrm{d}t^2} x(t)+ 2 \gamma \frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}t} x(t)+ \omega^2 x(t) = \frac{c}{m} E(t)

,此處 c 是電子的『電荷1.602 \times {10}^{-19} c 庫倫, m 是電子之『質量 9.11 \times {10}{-31} kg 公斤,E(t) 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F = - k \cdot x  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 \omega = \sqrt{\frac {k}{m}} 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\gamma 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

\mathbf{F}_\mathrm{rad} = \frac{\mu_0 q^2}{6 \pi c} \mathbf{\dot{a}} = \frac{ q^2}{6 \pi \epsilon_0 c^3} \mathbf{\dot{a}}

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 1.67 \times {10}^{-27} kg,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 m ,位置在  x_e(t)   的『電子』與質量為 M  處之於 x_n(t)原子核』  發生交互作用,運動方程式會滿足

m \frac {d^ 2 x_m} {d t^2} = - F_{Mm},  \ M \frac {d^ 2 x_M} {d t^2} = F_{mM}

,因此得到 \frac{d^2}{d t^2} {\left( m x_m + M x_M  \right)} = 0,所以 m x_m + M x_M = x_c(0) + v_c(0) t。如果選擇從『質心參考座標系』上來描述此兩者的運動,此時 x_c(0) = 0,  v_c(0)= 0,得到 m x_m + M x_M = 0 的關係式,也就是說

x_M(t) = \frac{m}{M} \cdot x_m(t)

,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f(x) 在任何『位置』展開。比方講假設於『平衡位置a 處附近觀察,可以得到

f(a)+\frac {f'(a)}{1!} (x-a)+ \frac{f''(a)}{2!} (x-a)^2+\frac{f^{(3)}(a)}{3!}(x-a)^3+ \cdots

。如果說這個 f 就是『電子』與『原子核』之間的交互作用力,此式的前兩項 f(a)+\frac {f'(a)}{1!} (x-a) 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\sin(x) 的七階泰勒多項式

\sin\left( x \right) \approx x - \frac{x^3}{3!} + \frac{x^5}{5!} - \frac{x^7}{7!}.\!

,在 −1 < x < 1 的區間裡,這個多項式近似的『誤差』小於 \frac {{|x|}^9}{9!}。因此,『原子核』與『電子』間的『束縛力』可以用『虎克定律F = - k \cdot x  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

\mathbf{F} = q (\mathbf{E} +\mathbf{v} \times \mathbf{B})

!於是勞侖茲將 E(t) 設想為『時變電場』,而且假設為

E(t) = E_0 \sin (\nu t),此處的 \nu 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』︰

頻率為 \omega 的正弦驅動力

此時系統的方程式為

\frac{\mathrm{d}^2x}{\mathrm{d}t^2} + 2\zeta\omega_0\frac{\mathrm{d}x}{\mathrm{d}t} + \omega_0^2 x = \frac{1}{m} F_0 \sin(\omega t)

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F_0 是驅動力的振幅大小。在線性微分方程式如 \hat{L} x(t) = F(t) 的『求解』裡,如過『\Box』是 \hat{L} x(t) = 0 的一個解,『\bigcirc』是 \hat{L} x(t) = F(t) 一個『特解』,那麼『c \ \Box +  \ \bigcirc』就是該方程是的『通解』。我們已經知道 F(t) = 0 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

x(t) = \frac{F_0}{m Z_m \omega} \sin(\omega t + \phi),此處

Z_m = \sqrt{\left(2\omega_0\zeta\right)^2 + \frac{1}{\omega^2}\left(\omega_0^2 - \omega^2\right)^2}

是『響應阻抗』函數。而 \phi 是驅動力引發的相位角,可由

\phi = \arctan\left(\frac{\omega_0^2-\omega^2}{2\omega \omega_0\zeta}\right)

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??