波矢到底是什么,有什么实际物理意义吗?是 1/λ,还是 2π/λ?

波矢到底是什么,有什么实际物理意义吗?是 1/λ,还是 2π/λ?

其实就是波里面的动量,通过简单的计算和对比就能看出来。

首先光学里面单色平面波场方程是:

这个结论先记着。然后回到一般的场方程中进行讨论,一般来说,经典场可以写成:

指数上的相位 叫程函,是依赖于时空坐标的,但是如果仅仅考虑一个很小的时空间隔,就可以对相位做级数展开,我们展开到最低阶:

把这个结果和平面波做个对比,就能得到:

也可以写成四维形式:

利用四维矢量 和一些平面波的结论(主要就是 和 的关系),或者直接看无质量场的场方程,都能把几何光学基本方程,也就是程函方程写出来:

或者更熟悉的形式是

这是个很典型的运动方程,是一个一阶导数的二次方程,一般运动方程都长这样。

再回忆一下经典力学的哈密顿-雅可比方程:

所以光学里面,程函或者说相位 起到的就是作用量的效果;类比一下,波矢 就是广义动量, 就是能量或者说哈密顿量。

这个类比放到哈密顿力学里面更清楚,我们把哈密顿方程写出来:

然后把光学里对应的量写上去:

我们放到最简单的光学情景下去看,也就是平面单色光在真空中运动,这时有 ,带进上面式子就得到:

也就是得到了真空中光是直线的结论。

总之,波矢和粒子动量是非常类似的,这两者在量子力学里面就完全变成一回事了。这个在朗道那本场论里面有很细致的论述,可以去参考。