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。
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?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。
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。