光源位置確定原則和同時的相對性及光折變晶體中全息存儲的原理和應用

建立光源位置原則，巧教相對論問題摘要：本文通過假設論證，建立光源位置確定原則，活化相對論的教學思路，簡化高中階段相對論問題的分析，提高教學的效率和學生學習近代物理的興趣。關鍵詞：假設光源位置確定原則我們在學習相對論時空觀時，我們常常被它高深的理論，抽象的觀點所難倒。師生在相對性原理、光速不變原理、同時的相對性等概念中徘徊，在教學中，一不小心就弄的前后矛盾，讓學生無所適從，自己也尷尬無比。究其原因一是教材過于簡潔，敘述跳躍性大，閱讀理解困難；其次是本節(jié)內容是現(xiàn)代物理的前沿，大家在這個方向上的研究比較少，所獲得的信息不足，是一個難點知識。第三，該理論本身就現(xiàn)代人最難理解的理論，而且該理論本身就出在不斷完善的階段，沒有形成完整的理論體系，鮮有人能夠真真講清楚，出現(xiàn)在高中物理必修教材中，無疑就增加了高中物理師生教學和學習的難度。在高中物理教材粵教版（2010年版）必修Ⅱ第五章第二節(jié)中有這樣一段教材“如圖1所示，假設一列火車以速度v1勻速前進，車廂內一個乘客以速度v2走向車頭，對站在站臺上的觀察者而言，乘客的速度是v1+v2；如果乘客的速度與火車前進方向相反，其速度則為v1-v2，這與我們的常識經驗相符合。……，電磁學的研究表明：光是一種電磁波，光速是一個恒定的常數(shù)C，與光源和觀察者的運動無關。這樣，如圖2所示，車廂后頂部的檔板上有一光源，火車的速度為v1，對于站臺上的觀察者來說，光傳播的速度仍然是C，而不是C+V1，顯然，這與經典力學的速度合成法則相違背產生矛盾，但觀察和實驗事實表明：無論光源和觀察者如何運動，光速只能是C。為了解決上述矛盾，愛因斯坦于1905年提出狹義相對論，狹義相對論理論的出發(fā)點是以下述兩條基本假設為前提的：第一是相對性原理，在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。第二是光速不變原理，不管在哪個慣性系中，測得的真空中的光速都相同?！钡搅诉@里，很多同學就已經看不下去了，覺得深奧，不可思議。老師在授課的時候，也是黔驢技窮，生活中找不到相關的、形象的、直觀的事件來進行解釋說明。再加上高考說明雖然有要求，但鮮有涉及，老師在此處的教學也就一帶而過了，也就放棄了對此類問題的深入研究。但一些有興趣的同學常常會提出一些有趣的問題，如“怎樣理解同時的相對性”？“怎么解釋網(wǎng)上的“雙生子”問題“？弄得老師一時無話可答達，加上備考的任務緊，就一句“高考不考，以后再學”搪塞過去了。出現(xiàn)這種局面的關鍵問題就在于我們在教學中沒有一個直觀的分析事例，以及缺乏對不同參考系之間轉換的理解。在一次與學生的討論中，筆者無意發(fā)現(xiàn)，我們在學習的過程中，如果假定建立一個光源位置確定原則，上述問題就應刃而解。光源位置確定原則：在研究相對論問題時，光源的位置相對于觀察者來說是靜止的。設車廂后頂部檔板上有一光源O，火車以速度v勻速前進，車上的觀察者小明，站在站臺上有觀察者小芳如圖3所示，當光源、小明、小芳在垂直v的同一豎直面內時，光源O閃光后，小明觀察閃光是從相對于車廂參考系靜止的光源O’發(fā)出的，小芳觀察到閃光是從相對與站臺參考系靜止的光源O發(fā)出的，他們都覺察不到火車速度v的存在，這樣他們測量到的光速就都是C了。當帶有光源0的檔板固定在站臺上，火車以速度v勻速運動，車上有觀察者小明，站臺上有觀察者小芳（如圖4所示），當光源、小明、小芳在垂直v的同一豎直面內時，光源O閃光后，小明觀察閃光是從相對于車廂參考系靜止的光源O’發(fā)出的，小芳觀察閃光是從相對于站臺參考系靜止的光源O發(fā)出的，他們都覺察不到火車速度V的存在，他們所測量到的光速也都是C。經過所述假設分析，結合光速不變原理，我們只要認定觀察者在觀察光的傳播過程中，光源的位置相對于觀察者所在的參考系靜止原則，就能大大的對狹義相對論的難度，有利于我們分析解決問題，這就是筆者所假設建立的光源位置確定原則。為了進一步說明光源位置確定原則的實用性，我們以高中物理教材粵教版（2010年版）必修Ⅱ第119頁，第3題為例，分析說明，進行檢驗。地面上兩個同時發(fā)生的事件A、B，對于坐在航天飛機中沿這兩個事件發(fā)生地點連線飛行的觀察者來說，哪個事件先發(fā)生？先假設飛機運動，地面靜止的情況：地面上A、B兩條門都有自動裝置，當接受到光信號門自動打開，在A、B的中垂面的地面上方固定一個光源O，并站有一個觀察者小芳，飛機上坐著一觀察者小明，飛機以速度v向左飛行，當小明也在上述中垂面中時，如圖5所示位置。光源O閃光，然后由光源位置確定原則可知，如圖6所示，小明觀察閃光是從相對于飛機靜止的光源O’發(fā)出的，小芳觀察閃光是從相對地面靜止的光源O發(fā)出的。對小芳因為閃光從O到A、B的距離相等，由于光速不變原理，光傳播到AB兩點所用的時間相等，所以小芳看到A、B門同時打開；對于小明因為光源O’隨飛機向左運動，光傳播到A門的距離大于傳播到B門的距離，根據(jù)光速不變原理，距離長的需要的時間較多，所以小明看到B門先開，A門后開。可見，地面上同時發(fā)生的事件A、B，對于坐在航天飛機上沿兩事件發(fā)生地連線飛行的觀察者來說，B事件先發(fā)生，A事件后發(fā)生。當設飛機靜止，地面運動：飛機、小芳、小明、光源上述均在同一垂面，如圖7所示，地面以速度V向右運動，光源O閃光。根據(jù)光源位置確定原則，小芳觀察閃光是從相對于地面靜止的光源O’發(fā)出的，小明觀察閃光是相對于飛機靜止的光源O發(fā)出的。小芳看到A、B門同時打開，是因為光從光源O’傳播到AB的距離相等，根據(jù)光速不變原理，所要的時間相等。由于A、B門隨地面一起向右運動，坐在飛機中的小明將看到B門先打開，因為閃光從光源O發(fā)出，傳播到A門的距離大于傳播到B門的距離?？梢姷孛嫔蟽蓚€同時發(fā)生的事件A、B，對于坐在航天飛機中沿兩事件發(fā)生地連線飛行的觀察者來說，B事件先發(fā)生。對于高中物理教材粵教版（2010年版）必修Ⅱ第119頁，第4題：一列火車以速度V相對地面運動，如果地面上的觀察者測得某光源發(fā)出的閃光同時到達一節(jié)車廂的前門和后門，那么火車上的觀察者是否測得閃光也同時到達前門和后門？為什么？假設光源固定在火車上：火車的一節(jié)車廂前后門以及頂部的光源O，車廂光源下站著小明，站臺上站著小芳，火車以速度V勻速向右運動，如圖8所示。光源O閃光后，由光源位置確定原則，我們知道小明觀察閃光是相對于車廂靜止的光源O’發(fā)出的，小芳觀察閃光是相對于站臺靜止的光源O發(fā)出的（如圖9）。如果小芳測得光源O相對于車廂向前向后的閃光同時傳播到前門和后門的話，光源O’一定在車廂的前半部，即小明測量到閃光先到達前門，后到達后門，這是因為從光源O’傳播到后門的距離大于傳播到前門的距離，由于光速不變原理，距離大的要的時間就多。有興趣的師生，不妨假設光源固定在站臺上，你會發(fā)現(xiàn)車上的觀察者仍然是測得閃光先到達前門，相信通過實踐，您會發(fā)現(xiàn)對同時的相對性會有更深刻的認識，也會對筆者提出的光源位置確定原則有進一步的了解。由于本人的水平有限，不能在理論上對“光源位置確定原則”進行深入的研究，拋出這個假設，緩解在本章節(jié)的教學壓力，拓寬學生的知識面，借此向各位請教。光折變晶體中全息存儲的原理和應用摘要：介紹了光折變效應和體全息存儲的基本原理,主要特點以及提高體全息存儲容量的復用方法。并對光折變晶體全息存儲應用進行了一些介紹和展望。關鍵詞：光折變晶體全息存儲1.引言三維體全息存儲具有高容量和頁面式并行存儲的高數(shù)據(jù)傳輸速率，以及高冗余度和并行讀出等優(yōu)點，因而應用前景廣闊。信息的全息存儲由于具有獨特的優(yōu)點而受到人們的廣泛關注,20世紀60年代末發(fā)現(xiàn)光折變效應后,在光折變晶體中全息存儲成為研究熱點。光折變晶體由于具有制備方便，成本低，無收縮,電光系數(shù)大，靈敏度高等優(yōu)點受到人們的青睞,可以認為，光折變全息存儲正面臨著實用化的重大突破。正文光折變效應光折變效應就是光致折射率變化效應，光折變效應與1966年首先由貝爾實驗室的Askin等人在用和進行倍頻實驗時發(fā)現(xiàn)，當用強光照射晶體時可使晶體折射率發(fā)生變化，產生“光損傷”。這種光致折射率的變化在暗處可保持相當長的時間。也可以用均勻光照或者或加熱方法消除掉。后來人們才把這種效應稱為光折變效應。而首次將光折變效應應用于多幅全息存儲效應是在本世紀70年代初J.Amodei和D.Staebler等人在一塊晶體中存儲了500幅平面全息圖。光折變效應的機理：電光晶體中的雜質,缺陷和空位,在晶體禁帶隙中形成中間能級,即構成施主和受主能級。在適當波長的空間非均勻分布的光輻照下,晶體內的施主(受主)被電離放出電子(空穴),同時,電子(空穴)從中間能級受激躍遷至導帶(價帶),并且在導帶(價帶)內,或因濃度梯度擴散,或在電場作用下漂移,或由光伏效應而自由遷移。遷移的電子(空穴)可以被重新俘獲,經過再激發(fā),再遷移,再俘獲,最終離開光照區(qū)而在暗光區(qū)被電子(空穴)陷阱俘獲。由此導致晶體內空間電荷分布的變化,從而形成了相應于光場分布的空間電荷場,再通過線性電光效應,在晶體內形成折射率的空間調制變化,即折射率調制的位相光柵。對于厚記錄介質,光柵遍布材料的整個體積,形成體全息圖。這種位相光柵具有可寫,可讀,可擦,可固定的優(yōu)良性能,使光折變材料成為體全息存儲的首選材料。[1]廣泛應用的光折變晶體晶體由于具有較高的電光效應、非線性光學和光折變效應及其他的許多優(yōu)良的特性，如易于生長、尺寸大、物理化學性能穩(wěn)定、易于摻雜改性等，在光折變效應的研究中占有重要地位，在全息存儲、激光技術等領域應用廣泛。[2]光折變晶體全息存儲與再現(xiàn)原理全息存儲中參考光束與物體的反射光束以不同的角度入射到記錄平面，二者相互干涉產生全息圖。全息圖具有類似光柵的結構，當再現(xiàn)由記錄時參考光相同的角度照射時，由于光柵的衍射，產生再現(xiàn)像。因此它不同于一般的照相過程，它記錄的是投射到記錄平面上的完整波前，即它不僅僅是記錄圖像的強度分布，還包括其相位信息。全息圖的再現(xiàn)則是用適當參考光以特定角度照射存儲介質使衍射光束經受空間調制,從而較精確的浮現(xiàn)出寫入過程中與此參考光相干涉的數(shù)據(jù)光束的波面。這就是全息存儲及再現(xiàn)的基本原理。全息圖的記錄和再現(xiàn)如圖1：圖1全息圖記錄全息圖的再現(xiàn)4.體全息存儲復用方案對體全息圖進行多重存儲是基于體全息圖對角度和波長響應的靈敏性等原理。目前,體全息存儲的復用編碼技術包括空間復用,角度復用,波長復用,相位復用及其他混合復用技術。4.1空間復用將信息頁的傅里葉變換全息圖陣列記錄在存儲材料的不同空間區(qū)域的技術稱為空間復用。4.2角度復用體全息圖的角度選擇性使不同的信息頁面可以非相干的疊加在同一空間區(qū)域,存儲在介質的共同體積中,相互之間用不同的參考光角度加以區(qū)別,物光的入射角度通常不變,這種復用方式稱為角度復用,是大容量全息存儲最常用的復用技術,角度復用常采用透射式和反射式兩種光路。如圖2：S為物光，R1、R2、R3為參考光，PRC為光折變晶體圖24.3波長復用利用不同的記錄波長在記錄介質的同一體積內記錄全息圖，該種復用技術被稱作波長復用。一般情況下，進行波長復用時每個全息圖的參考光和再現(xiàn)光都是采用相同的角度，區(qū)別在不同的波長。雖然波長復用時體全息存儲的主要復用方式之一，但由于激光器的發(fā)展還不能達到波長復用的要求，因而這種復用技術大多是從理論上進行研究探討，純粹實用的波長復用技術發(fā)展比較緩慢。[3]4相位復用在相位復用技術中,全息圖用各自不同的位相編碼的參考光束寫入和讀出,但都采用固定的波長和主光束角度。每幅全息圖都對應一束獨特的位相編碼的參考光,以確保復用存儲的全息圖非相干疊加在介質的共同體積中。相位編碼技術可以克服角度復用技術中的一些主要困難,如復雜的尋址技術,對機械設備的可靠性和重復性要求極高,難以避免的串擾噪聲等,人們已經提出了一些具有應用潛力的相位復用技術。[4]光折變晶體體全息存儲技術的應用光折變晶體、有機光電材料作為超大容量存儲器件已被國際上公認為優(yōu)質的存儲材料，尤其是光折變晶體材料具有體積小、存儲容量、大數(shù)據(jù)傳輸快、并行計算等優(yōu)點，受到了各國科技界的極大重視。因此，采用摻雜鈮酸鋰晶體制作超大容量存儲器件也就成為了各國科研機構研究的熱點。美國的IBM公司、德國的拜爾公司、日本的NTT公司等都投入了大量的資金進行研制和開發(fā)，預計短時間內可實現(xiàn)125Gb的全息光盤，五年內實現(xiàn)Tb級存儲容量的光學體全息存儲光盤。采用摻雜鈮酸鋰晶體制作的存儲器，信息是以頁的形式直接存儲與讀出，比目前的光盤、磁盤存儲器容量大1000多倍，讀取速率比目前的計算機快幾十萬倍。這些優(yōu)點是現(xiàn)今其他存儲技術所難以達到的。這類存儲器在軍用的地形匹配、目標識別和制導方面有著很好的應用前景，在民用的大型數(shù)據(jù)庫建立，三維信息存儲，超高密度存儲技術等方面也有著重要應用.[5]例如：1995年加州理工學院的D.psaltis等人利用體全息存儲器特有的內容關聯(lián)存儲特性，將車載攝像機的實時輸出圖像