为什么光的传播不需要介质

2022年4月27日光线 光学60阅读模式

声音的传播需要介质,比如空气、水和铁。但光的传播不需要介质,它们可以在真空中传播。那么,声音和光有什么区别呢?为什么声音不能在真空中传播,而光却可以呢?

声波

为什么光的传播不需要介质

声音其实属于机械波,其本质是机械振动的传播,而机械振动依赖于介质。当物体发生振动时,比如敲打桌子,这种振动会带动空气中的分子出现有规律的振动,由此声波会在空气中传播开来。如果没有介质,振动就无法传播,所以声音不能在真空中传播。

一般而言,物质的密度越大,温度越高,声音的传播速度越快。声音在0摄氏度空气中的传播速度为331米/秒,在25摄氏度空气中的传播速度为346米/秒,在水中的传播速度为1500米/秒,在铁中的传播速度为5190米/秒,在真空中的传播速度为0米/秒。

另外,力的传播也是机械波的形式,本质上是材料原子间的电磁力作用,其传播速度与声音在该材料中的传播速度一样,例如,力在铁棒中的传播速度为5190米/秒。因此,如果有人推一下一根长达1光年的铁棒,这根铁棒并不会马上移动,只有当力以5190米/秒的速度传播到1光年之外的另一端时,铁棒才会移动。根据计算,铁棒会在大约57763年后发生移动。

光如何产生

光与声音不同,前者的传播无需介质,可以在真空中传播。从本质上来说,光也是波,它们统称为电磁波。那么,电磁波是怎么产生的呢?

为什么光的传播不需要介质
光的产生与电子运动有关。当原子核周围的电子吸收能量时,它们会跃迁到不稳定的更高能级,然后又会辐射出电磁波,从而跃迁回更低能级,达到稳定的状态。

为什么光的传播不需要介质

在这些电磁波中,有些波段处于可见光波段,人眼能够感知到,我们就能看到亮光,木材燃烧发光就是这样的原理。还有电磁波的波长较长或者较短,例如,无线电波、伽马射线,它们都是肉眼不可见的,但可以通过其他观测装置探测到。

光是什么

根据麦克斯韦电磁场方程组,光是电磁波,其本质是交互变换的电场和磁场。变化的电场会产生磁场,变化的磁场反过来又会产生电场,这样就会形成电磁波。电磁场建立的速度为光速,这就是光的传播速度。

为什么光的传播不需要介质
根据量子力学,光具有波粒二象性,它们还能表现出粒子性,光被认为是由光子组成的。根据爱因斯坦的狭义相对论,光子一旦产生就会以光速运动,因为它们的静止质量为零。在粒子物理标准模型看来,光子穿过希格斯场时,不会发生相互作用,它们的传播速度不会减慢,所以能够以光速传播。

正因为如此,光的前进不需要能量。光产生之后就能以光速无限传播下去,即便光源消失也是如此,只要光不被物质吸收殆尽。要知道,宇宙在138亿年前产生的光还在空间中持续传播,未来也不会完全消失。

为什么光的传播无需介质

为什么光的传播不需要介质
如上所述,电场和磁场的交互变换产生了光。电场和磁场的存在都无需介质,它们可以单独在空间中存在,所以光的传播无需介质。在太空中,宇航员之间的沟通需要依靠能在真空中传播的电磁波,而不是直接喊话就行。

倘若在介质中,由于带电粒子会与光子发生相互作用,对光子进行吸收和再释放,这会导致光的传播速度看起来下降了。但事实上,电磁场的建立速度仍然是光速,只是因为受到带电粒子的影响,使光速看起来变慢了。当光子穿过介质进入真空之后,它们的速度又会变成光速。

为什么光的传播不需要介质
除了光波是以光速传播之外,引力波的行进速度也是光速。根据爱因斯坦的广义相对论,任何有质量物体的加速运动都会扰乱空间,产生被称为引力波的时空涟漪。引力波是时空结构的变化,这不依赖于时空中的任何东西,所以引力波在任何介质中都会以光速行进,它们可以在真空中传播。

总结

声音是机械波,机械振动的传播依赖于介质。在没有介质的真空中,既然无法传播振动,也就无法传播声音。另一方面,光是交互变化的电场和磁场所产生的电磁波,由于电磁场可以直接存在于空间中,所以光可以在空无一物的真空中传播。

光的直线传播

光的直线传播是几何光学的重要基础,利用它可以简明地解决成像问题,人眼就是根据光的直线传播来确定物体或像的位置的,这是物理光学里的一部分。我们的祖先制造了圭表和日晷,测量日影的长短和方位,就是利用光的直线传播这一原理。

光的直线传播
光的传播

光的传播有一定规律,掌握这一规律,便可以使它为人类服务,光能在其中传播的透明物质,例如空气、玻璃等,都叫做传播光的媒质。

光的传播
光的传播速度

光是能量的一种传播方式,光在同种均匀介质中沿直线传播,通常简称光的直线传播。它是几何光学的重要基础,利用它可以简明地解决成像问题。人眼就是根据光的直线传播来确定物体或像的位置的,这是物理光学里的一部分。

光的传播速度

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