光在空气和真空的传播速度,光在真空的传播速度约为什么

首页 > 教育 > 作者:YD1662024-09-05 23:00:54

这并不是说光速变慢了,其实光速并没有改变,只是计算速度的方式改变了。

光在穿过物质的时候会被吸收,核外电子吸收光子后,处于激发态又会释放光子。在吸收与被释放的过程中耽误了时间,而我们计算空气中的光速是按照传播距离除以时间,这样得出的光速自然就会变慢。

如果我们只是单纯计算一个光子的传播速度,那么它永远都是真空中的光速。

在推理引力的速度等于光速的内在原因时,我必须普及一下基本的物理常识

我们描述宇宙中绝大部分现象只需要用到量子力学和相对论就完全够用了。

前者涉足微观粒子,包括电磁力,强弱相互作用,后者主打引力。

广义相对论解释了质量、能量与时空的关系。

广义相对论产生了一种新的“辐射”—引力波。

引力波和电磁波虽然不怎么相关,但都是以光速传播

让我们先看看为什么电磁波是光速

我们日常生活中能看见或者仪器能接收到的绝大部分电磁波都是原子核外电子辐射出的结果。

不需要高深的量子力学知识,仅用电磁学定律我们就搞明白了。

核外电子相对于原子核质量很小,一个带负电的电子绕着带正电的原子核旋转必然面临一个棘手的问题,那就是电子在原子核外运动,会经历变化的电场,因此会加速。

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加速的电子会辐射能量。失去能量的电子不可避免地会落入原子核中,这样以来原子结构就不稳定了。这也是卢瑟福原子模型的致命之处。

不过新的原子模型早已解决了这些问题,电子辐射的能量很多时候来自外界摄入。

今天我们讨论的是辐射出的能量到底以什么形式传播。

在经典电磁理论中

ε 0是描述在真空中两个点电荷之间的电力的基本恒定的介电常数。

μ 0可以想到作为与恒定电流贯穿其中限定在真空中由两个平行的导线所产生的磁力的恒定的渗透性。

当计算所产生电磁辐射的特性时,它表现为一个波,其传播速度等于1/(ε 0 μ 0)½,这恰好等于光速。

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明白了电磁辐射的来源,我们就可以将这种思路套用在引力波的产生上。

地球绕太阳旋转,是小质量物体绕大质量物体作轨道运行,地球让太阳旋转会经历变化的引力场(其本质是时空曲率的变化),这种变化会导致一种携带能量的辐射发出。

这就是引力波的思想来源,十分类似电磁波的起源。

我们已经知道引力由时空曲率决定,而时空曲率取决于该空间的物质和能量总和。

想象一下:太阳周围的时空曲率导致系内行星绕其旋转,如果突然把太阳拿掉,原本太阳空间位置的时间曲率就变为平坦,从弯曲到平坦空间的过渡会以时空涟漪的形式传递下去。这就是引力波。

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现在我们要用到狭义相对论的知识了,我们知道引力波和电磁波都没有静止质量。

而它们都携带能量,没有静止质量就意味着它们必须以光速传播。

为什么会这样?

之前我的专栏多次分析过这个问题。

在狭义相对论的基本公式中,都有洛伦兹因子。

比如时间质速关系公式 m=m0/(1-v²/c²)½。

1/(1-v²/c²)½就是洛伦兹因子

m0为物质的静止质量,可以看到静止质量不为0的物质(m0≠0)其速度v越接近光速c,其洛伦兹因子得出的数值越大,所以运动质量的增大就要求其维持加速运动所需的能量越大。

如果有静止质量的物质速度无限接近光速,那么其质量就无限大,那么用尽全宇宙的能量也不能维持其加速运动。

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