光有質量和能量麼?為什麼那麼快?

2020-12-22 科技領航人

雖然光沒有質量是正確的,但這一事實並不意味著光是純能量。光由稱為光子的基本量子對象組成,我們將其與其他基本量子對象(例如電子和中微子)一起列出。該列表上的每個對象都包含幾個不同的屬性,這些屬性確定對象的行為。質量和動能只是基本量子物體可以承載的幾個特性中的兩個。說光是「純能量」將意味著光僅攜帶能量的性質,而沒有其他性質,這是不正確的。

單個光子(可能是光的最小位)具有以下屬性:

波長——這是光子波峰之間的空間距離。頻率——這是波在固定位置在單位時間內達到峰值的次數。人類對光的顏色的感知與光的頻率密切相關。因此,「頻率」可以與「顏色」寬鬆地互換使用。波矢——這是光子的傳播方向,以及單位長度內存在的波峰數量。周期——這是在固定位置的光子波的兩個峰值之間的時間。速度——這是光子在太空中傳播的速率,始終為299792.458千米/秒。位置——這是光子在空間中的物理位置。儘管單個光子的位置沒有很好地定義,並且存在時存在固有的不確定性,但是光子確實攜帶一定程度的位置信息,因此使我們能夠根據光子撞擊傳感器的位置在數位相機中記錄圖像。波相位——這是兩個不同光子的波峰的相對位置,對於正確描述幹涉效應很重要。動量——這是一種運動屬性,描述了光與其他物體碰撞並使它們運動的能力。自旋——這是一種量子性質,大致類似於我們在日常生活中看到的旋轉類型。光子的自旋也稱為極化狀態,代表固有的角動量。光子具有整數自旋,因此是玻色子,它不遵守保利排斥原理。這意味著光子可以以相同狀態存在,例如在雷射束中。量化的電磁場——光子包含電磁場。更準確地說,光子是整個電磁場中的量化波動。這樣,光子能夠與電荷相互作用。帶電粒子可以產生光子,破壞光子和散射光子。同樣,光子可以在帶電粒子上施加力。此外,光子服從量子場論的原理和方程。動能——這是光因其運動而產生的能量。注意,因為光子沒有質量,所以其動能等於其總能量。光的能量使它可以根據廣義相對論創建引力場。

顯而易見,能量只是光子攜帶的眾多特性之一。光子可以在沒有質量的情況下很好地存在,因為它們具有許多其他特性使其在物理上是真實的。請注意,上面列出的許多屬性彼此之間非常緊密地關聯。上面列出的許多屬性不是獨立的屬性,而只是定義其他屬性的方式稍有不同。

例如,光子的能量E等於其頻率f乘以常數E=hf。類似地,光子的動量p等於其波矢k乘以常數p=k。同樣,周期T只是線性頻率f的倒數,T=1/f,波長λ只是波矢幅度k乘以2π的倒數,λ=2π/k,速度c只是頻率乘以波長,c=fλ。儘管上面列出的某些屬性可能被視為多餘的,但這並不能改變光子不僅具有能量還具有更多屬性的事實。

光子還具有一些不表現出的特性,僅僅是因為它們具有光子的性質。

以下列表表示光子不具有的屬性:

電荷輕子數重子數風味量子數磁矩(儘管光子可能通過成對效應間接產生磁矩)質量如我們所見,質量只是基本對象可能具有或可能不具有的許多屬性之一。因此,質量的存在不會給物體帶來任何程度的物理現實,即使質量是我們日常生活中最熟悉的屬性。此外,沒有質量不會使物體變得更加「純淨」。我們在日常生活中對質量非常熟悉,以至於我們可能會說「沒有質量的物體確實不存在」。但是這個說法是錯誤的。

更準確的說法是:「沒有物理可觀察特性的對象實際上並不存在。」由於除了質量以外,還有許多基本屬性,因此我們可以看到,沒有質量,對象就可以存在。再次,質量的缺乏並不能自動暗示物體是純能量,因為還涉及許多其他屬性。請注意,質量實際上只是能量的另一種形式。基本物體的總能量是其質量能加上其動能(請注意,勢能由物體系統而不是單個物體持有)。

有趣的是,如果我們將許多光子組合成一束光束,則可以按照光子的模式對諸如圖像之類的信息進行編碼。上面列出的每個光子屬性都可以用來承載信息。例如,人眼、傳統相機和傳統太空望遠鏡從一組光子中提取光子位置和頻率(顏色)信息,以形成圖像。

無線電天線會沿著它們產生的無線電波的長度改變頻率(FM)或光子計數(AM),以對信息進行編碼。諸如在某些太空望遠鏡中使用的幹涉儀可測量光束中光子的相位特性,以提取有關產生光束的光源的信息。光場相機從一組光子中提取光子位置、頻率和波矢方向性,以捕獲三維照片。如果光僅僅是「純能量」,那麼人眼、照相機、無線電天線和太空望遠鏡將無法工作。

那麼光為什麼這麼快呢?

這是一個有趣的問題。光是一種複雜的現象,據我所知,我們不知道為什麼光如此之快地傳播根本原因。但是,在上面文章中我們了解什麼是光一些屬性。知道光與電和磁密切相關,因此讓我們先談一談電磁場,這有助於理解光為什麼會這麼快。

我們已經很熟悉磁場的影響:磁場是使磁鐵粘在冰箱上的原因,而地球的磁場使指南針指向北方。電場略有不同:打開手電筒時,電池中的電場使電流流過電線和燈泡,從而點亮燈泡。電場也是使相反電荷相互吸引和同電荷彼此排斥的原因。

當我們仔細研究電場和磁場的行為時,我們會發現電場和磁場的波有可能在真空空間中傳播。「波」是什麼意思?我們小時候可能嘗試過握住繩索或繩子的一端,而其他人則握住另一端,上下擺動時,我們會看到波浪從繩索的一端向下傳播到另一端。(我們是否注意到一個問題:波沿著繩索傳播的速度有多快?取決於我們來回擺動的速度有多快。)

當我們說「電和磁波」時,類似於繩索中的波。我們可以在某一點改變電場或磁場,類似於扭動繩子的末端,並且擾動會遠離我們。(改變一個點處的磁場的一種方法是將磁鐵固定在那裡,然後來回擺動。)但與繩索中的波不同,這些波實際上向四面八方遠離我們。物理學家經過多年的研究發現,光由電場和磁場波組成。

愛因斯坦相對論認為,在真空中光速是恆定的,299792.458千米/秒,這是我們宇宙的最快速度。事實證明,在真空中,例如在太空中,光始終以相同的速度傳播,跟磁場來回擺動的速度無關緊要。在空氣中,光波的傳播速度要比在真空中慢得多,在玻璃中,波的傳播速度只能是在真空中的三分之二。

我們可能想知道為什麼我們看不到光的波動。在上面的介紹中,我們知道c =fλ,構成我們可見光的領域以非常快的速度擺動(f)——每秒大約有500,000,000,000,000次。我們的眼睛無法分辨出磁場實際上是在擺動,眼睛只能看到穩定的光量。當磁場每秒擺動約5億億次時,我們的眼睛會看到紅光。如果我們的眼睛注視著那些擺動快兩倍的速度,光就會變成藍色。

可見光電場和磁場的搖擺並不是唯一的現象。我們從廣播電臺聽到音樂的原因是,我們的廣播電臺可以檢測到空中傳播的電場和磁場,而這些電場和磁場每秒僅擺動約100,000,000次。例如,如果我們調諧到93.1FM,則我們天線正在每秒拾起93,100,000次擺動的場。對於101.9FM,該欄位每秒擺動101,900,000次。

這遠不及可見光中的擺動快。但是無線電波和可見光非常相似——它們都是電場和磁場波,它們以不同的速率擺動。可見光、紫外光、紅外輻射、無線電波、X射線、伽馬射線、微波和雷達波,都是由以不同速率擺動的電場和磁場組成的,它們都以光速傳播。

綜合上述介紹,光在真空中速度傳播是恆定的,為常數c,它是宇宙最快的速度,跟光的電磁場的擺動(f)沒有關係。但光在媒介中的快慢跟光的電磁場的擺動速度(f)有關,而且還跟光的波長(λ)有關,之所以在媒介中光速度如此之快,那是因為其光的電磁場擺動頻率太快了。但為什麼光的頻率會這麼快,目前還是一個未知的謎題,這需科學家們去研究發現。

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