光在真空中为什么能传播,光的传播速度是多少

首页 > 经验 > 作者:YD1662023-05-25 06:00:33

学过物理的可能知道,光子没有静止质量,按照牛顿的万有引力定律,光是不可能被黑洞吸引的。那为什么黑洞可以吸引附近的光呢?

先来认识光

光是我们认识世界的信使。光是物理学中讨论最多的对象之一,从牛顿的微粒说与惠更斯的波动说开始,关于光的本质的争论持续了上百年。之后,麦克斯韦统一了光和电,证实了光也是电磁波,电磁波也是以光速传播的。真空中的光速不仅是宇宙中最快的速度,还是物体运动速度的极限。

光在真空中为什么能传播,光的传播速度是多少(1)

20世纪初爱因斯坦提出了光量子的概念,以此为基础解释了光电效应,因此获得了诺贝尔物理学奖。后来科学家发现,光具有波粒二象性,光既可以看作粒子,又可以看作波。德布罗意发现不仅光具有波粒二象性,电子等微观粒子也具有波粒二象性,比如光会发生衍射,电子也同样会发生衍射。从波的角度来看,光就是电磁场的波动。

光在真空中为什么能传播,光的传播速度是多少(2)

上图为电子衍射照片

进入量子力学的世界后,科学家们发现光子还有一个重要的作用,就是充当电磁力(或电磁相互作用)的媒介粒子,粒子之间通过交换虚光子传递电磁相互作用。

光有没有质量?

经严格的科学实验证实,光是没有质量的,严格来说没有静止质量。自然界中除了光子,传递强力的胶子也是没有静止质量的。

不过光却拥有能量,光所携带的能量的大小与它的频率有关,频率越高,光的能量越大。即E=hv,其中h为普朗克常数,v表示光的频率。此外光的频率越高,光的粒子性就越显著。

爱因斯坦从狭义相对论中推导出的质能方程告诉我们:质量和能量是物体同一性质的两种不同度量方式,能量和质量是高度统一的,有能量的物体便具有质量,有质量的物体也拥有能量。根据质能方程E=mc^2,便可推导出光的质量为hv/c^2,光的这种质量被称之为动质量或者相对论质量。

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按照相对论的描述,物体的运动速度越快,其所具有的动能也就越大,相应地质量也会越大。不过,只有当物体的运动速度接近于光速时,其质量才会发生明显的改变,在低速状态下这种改变可以忽略。正是因为光子的静止质量为0,光从诞生之时就以光速运动,不需要加速。而当物体有静止质量时,运动速度达到光速,质量就会变得无穷大,显然物体的运动速度必然不能达到甚至超越光速。

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