光子速度為真正的光速 為什麼卻不帶多少能量?

2020-12-11 趣學習

稍微了解了一些愛因斯坦的理論,許多人一定會有提出這樣的疑問:光子速度為真正的光速,為什麼卻不帶多少能量呢?這個問題其實是對光子性質的提問,想要弄明白的話,就一起來看一看吧。

從物理學探尋的本質來說,能量和物質是可以相互轉換的。這個宇宙中上能量實際上就是物質,物質就是能量。各種各樣物質終歸只是能量的一種特殊存在形態。我們可以簡單粗暴的說這個世界上沒有物質,只有能量。而所謂的物質,只不過是能量的形態之一。

一般我們口中所說各種物質,事實上是一個複雜能量場相互作用相互制衡而形成的一個較為穩定的能量場結構。當這個能量場結構發生變化或者抵消湮滅時,能量場就會變成另外一個能量形態存在,這個形態就是我們口中所說的能量。

愛因斯坦的質能方程即是描述質量與能量之間轉換關係的方程。在牛頓的經典物理學中,質量和能量是兩個完全不同的概念,它們之間全完沒有確定的當量關係,一定質量的物體可以具有不同的能量;能量概念也非常局限,力學中的動能、勢能等。

在狹義相對論中,能量概念有了深入發展,愛因斯坦發現了質量和能量確定的當量關係,如果物體的質量為m,則相應的能量為 E=mc。

質能方程E=mc,E表示能量,m代表質量,而c則表示光速常量。該方程主要用來解釋核變反應中的質量虧損和計算高能物理中粒子的能量。這也直接導致了德布羅意波和波動力學的誕生。

然後根據這個公式又可以推導出質速關係,也就是時間會隨速度增加而變慢,質量變大,長度減小。事實上物質如果加速到光速,根據狹義相對論它的質量將會達到無限大,加速消耗的能量也會是無限大。那麼既然質速關係是如此為什麼本來就是光速的光子卻不帶多少能量呢?

首先我們知道光速是一個恆定的宇宙常數,約等於30萬千米每秒,超越人類認知,亙古不變。

光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子,是一種規範玻色子,在1905年由愛因斯坦提出。光子是電磁輻射的載體,而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。

與其他量子一樣,光子具有波粒二象性——光子能夠表現出經典波的折射、幹涉、衍射等性質;而光子的粒子性可由光電效應證明。

很多人一定會疑問光子一產生速度就這麼大,又沒有一個加速過程,那麼達到速度的能量從哪裡來的呢?其實,光子的能量並不大,可以說很小。

因為光子其實是沒有靜質量的,所以它只能夠靠高速的相對論效應獲得一點動質量,大概是hv/c2,幾乎小的可以忽略不計。這樣算下來,一個光子的能量只有hv,量級在10^-20J,小的可憐。1J的能量都可以產生約1萬億億個光子。

其實中微子和光子很像,曾經也被科學家認為是靜質量為0的粒子,所以一直以來科學家們都懷疑中微子的速度也是光速。

但是後來的中微子振蕩實驗表明,中微子還是有一點點極小的質量,所以它的速度應該是略小於光速。不過,這種物理化學反應釋放出來的中微子,也是不需要加速過程的,一放出來速度就接近光速。

因此光子是一種特殊的粒子,由於它的靜質量為零,所以才可以瞬間達到光速,而不攜帶多少能量。

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  • 這些速度都比光速快!但為什麼不違背相對論?
    這很好理解,相對論中的光速只是限定了客觀物質現象的速度極限,不包括非物質自然現象的速度極限!非物質的自然現象也有速度的概念。比如量子糾纏,其雖遠超光速,但不可以傳遞信息和能量,固不違背相對論!為什麼我一定要說信息和能量的傳遞不能超過光速?首先你要仔細的想,什麼是信息?什麼是能量?聲波可載信息,光波(電磁波)亦可載信息!聲波是物質震動的規律性傳導,所以必須有物質充當其介質!光波之所以可以在真空中傳遞信息,是因為光波中就有光子這樣的傳播子。
  • 光子是用什麼「動力」瞬間達到光速的?
    但是,我們知道,宇宙中信息、物質、能量的最快傳播速度是光速,這是光傳播的速度(真空中約為3*10^8m/s)。但是並沒有什麼給光加速,為什麼光的速度就可以這麼快呢?
  • 如何論證宇宙極限速度?用光速的真空速度能代表光速是最快的嗎?
    這些力的性質是原力瞬發沒有時間距離速度的概念。比如一束光穿越地球,地球重力不需要任何時間去調整它對光子的影響。宇宙重力也是同理,無論宇宙內物質如何運動,宇宙重力都是原力瞬發。單光子的雙柵衍射實驗光子能同時穿過兩個柵格說明這種現象不需要時間自然同時穿過兩個位置的速度會快過光速,但並不違反光速最快的原則。
  • 為什麼要用光速衡量宇宙,超光速1萬倍的量子糾纏豈不是更合適?
    不管是遙遠星系的光芒還是引力波都是以光速傳遞到外界的。比光速更快的速度還有量子糾纏,但是量子糾纏速度具體是多少,我們尚且無從知曉。我們只能知道量子糾纏的速度底線是光速的四個數量級,也就是光速的一萬倍。我們之所以不用量子糾纏作為衡量宇宙的標準,在於我們還無法量化其數值。
  • 為什麼光速是宇宙最快速度?超光速會有什麼後果?
    光速非常快,以至於人類曾經認為光速快到無限。但通過木衛一星蝕的天文現象,人類首次確認光速是有限的。此後,隨著實驗精度的不斷提高,人類測出的光速也變得越來越精確,大小將近每秒30萬公裡。最終,人類乾脆把光速定義為299792458米/秒。
  • 光速飛行會看到什麼?人類能達到的最高速度是多少?我們能達到光速嗎?
    這個問題是愛因斯坦小時候經常的考慮的一個問題,也是我們現在很多人會想到的問題,難道會看到光靜止不動?我們不僅看不到這種奇怪的場景,而且本身來說,有質量的物體也無法達到光速,因為根據狹義相對論的說法, 有質量的物體速度越高,它所包含的能量越大,越接近光速,它所包含的能量會接近無窮大;
  • 愛因斯坦的質能方程E=mc^2,能量怎麼會與光速產生關係?
    不過這個公式就是這樣,簡單的幾個字符為我們道明了宇宙中質量和能量之間的關係,它們其實是同一事物的不同表現形式,不過有很多朋友不明白的是,為何質量物體中所包含多少能量會和光速這個宇宙常量有關係,而且為啥就是光速的平方呢?而不是立方?或其他?簡單的說,質能方程之所以是我們現在看到的樣子,其實是因為動量和能量守恆的結果。下面我們就具體分析下。
  • 1克物質達到光速要多少能量
    當我們快速擺動手腕的時候,棍子靠近月球的末端應該就能以超光速橫越過月球表面吧。很不幸的是,這個方法也不可以,我們從彈簧自由落體的實驗可以知道原理,因為作用力本身的傳遞速度最快只能達到音速,為什麼會這樣呢?
  • 宇宙中有沒有比光速更快的速度?
    超越真空光速關於比真空光速快的情況,很多人其實一下子能夠想到的是宇宙膨脹速度。但是在說這個之前,我們可以先要來明確一下「光速限制了誰?」,我們先給出答案:光速的限制是針對於物質、信息、 能量而言的。而具體光速是極限速度的推導是來自於狹義相對論,愛因斯坦在求解相對論質量時,得到了下面這麼一個公式:這個公式告訴我們,靜止質量(也就是速度為0時)為0的東西,是可以達到光速的。但靜止質量為0的東西,我們知道的只有光子和膠子,而膠子和夸克玩起了夸克禁閉,我們還觀測不到自由的膠子,而光子在真空中確實就是光速。
  • 愛因斯坦的質能方程E=mc^2中,能量怎會同光速產生關係?
    不過這個公式就是這樣,簡單的幾個字符為我們道明了宇宙中質量和能量之間的關係,它們其實是同一事物的不同表現形式,不過有很多朋友不明白的是,為何質量物體中所包含多少能量會和光速這個宇宙常量有關係,而且為啥就是光速的平方呢?而不是立方?或其他?簡單的說,質能方程之所以是我們現在看到的樣子,其實是因為動量和能量守恆的結果。下面我們就具體分析下。
  • 兩艘0.6倍光速的飛船,相對飛行,它們相對速度能否超越光速?
    沒有靜止質量的物質以光速運行,比如光子,又比如電磁波。光速就是宇宙中最快的速度。而擁有靜止質量的物質,不論質量大小,都無法達到光速。只要通過質能方程進行簡單的計算就可以切身領略其中的緣由。有質量的物體隨著運動速度的增加,慣性質量會隨之提升,而慣性質量就等效於引力質量,質量增大了,繼續加速所需要的能量也就隨之增大,而隨著速度接近於光速,物體的質量會趨近於無窮大,而繼續加速所需要的能量也就趨近於無窮大。在宇宙間無法獲得無窮大的能量,所以自然也就不可能把一個具有靜止質量的物體加速到光速。
  • 為什麼不能超過光速?科學事實和理論分析給出了答案:光速是極限
    但我們永遠不知道它們是否能跑完那段距離。畢竟,在如此長的一段時間內,它們很容易與某個宇宙物體相撞,而且它們發出的信號將在大約十年後停止到達地球了。那麼,為什麼它們不能以光速發射信息,或者為什麼它們不能在太空運動中發展成這樣的速度呢?首先,讓我們看看在物理學中,為什麼光速是一個常數?為什麼任何物理物體的運動速度都無法越過它呢?
  • 光子與電子到底是什麼關係?
    氫原子是世界上最小也是最簡單的原子,它的原子核就是一個質子,質子帶一個正電荷,圍繞著這個質子運行的只有一個帶負電荷的電子,電子由於靜電引力的作用圍繞著質子運動。即便如此,電子的運動軌跡也不是一個圓或橢圓。
  • 為什麼沒有東西能夠超過光速?
    但粒子的速度可以比這快得多。上世紀60年代初,麻省理工學院的威廉·貝託齊開展了一項實驗,不斷給電子加速,使電子的速度越來越快。由於電子帶負電荷,只要使一塊材料帶上同樣的負電荷,就能把電子向前推出去。施加的能量越高,電子的速度也就越快。
  • 光有速度嗎?在過去,人們通常假設光速是無限的
    愛因斯坦提出,光在吸收和發射能量時是一份一份傳輸的,光本身也是由一份一份不可再分割的能量子組成的,而這些能量子則被稱為光子,也就是說光子就是光的粒子,我們出去沐浴陽光以及綠色植物的光合作用吸收的便是光子。 「光是一種粒子」這一觀念最早由艾薩克·牛頓提出,但它在19世紀之前並未被廣泛接受,直到被阿爾伯特·愛因斯坦重申。
  • 光子最大能量是多少?家庭月耗電量!核電站一年才「造」2億個!
    138億年後的宇宙,光子是能量最常見的攜帶者,它們的靜止質量是0,每時每刻都在以宇宙的極限速度奔跑,永遠靜不下來。光子的能量與它的頻率成正比,比例係數是普朗克常數h,頻率越高,光子的能量越大。單個光子的能量普遍比較低,通常以電子伏特(eV)來表示,1eV約為10^-19焦耳。歷史上最強的一次伽馬射線暴中,單個光子的能量達到了1兆電子伏,約為10^-13焦耳。
  • 達到光速的方法很簡單,但很難辦到,還有為什麼不能超光速
    我們研究速度,不斷的給物體增加速度,但到目前為止,我們發現的最高速度就是光速,每秒可以行走30萬千米,這只是近似值,實際上是達不到的。在目前的理論上,光速不可超越,也不會被減速,它的傳播速度只與傳播介質有關。自從光速最高原理產生以後,各種超光速的說法不斷出現,因為速度有上限了,打破極限是人類的本能,不管能不能打破極限。
  • 在知乎回答:開著手電筒跑步能否使光傳播速度超過真空光速?
    先回答問題:首先要明確一下這裡的光傳播速度是指什麼?是指光相對於什麼的速度呢?一般來說,一種波的傳播速度,是指這種波相對於均勻介質的速度。例如說聲波的傳播速度,在地面空氣中是多少,在水中是多少,在酒精中是多少等,都是這樣理解的。
  • 光速每秒是多少公裡,它的動力來源於哪裡?科學家給出了猜想
    如果有人問你,物體最快的速度是多少,相信很多人都會說光速,根據愛因斯坦的理論,由靜止質量的物質它的速度只能夠無限的接近光速但是沒有辦法到達,原因就是當物體的速度接近光速的時候,它的質量也會達到無限,這個時候要推動物體也需要無限的能量,既然物體的速度沒有辦法達到光速,那麼宇宙中是不是存在光速運行的物體,這個答案是肯定的,這種物質就是我們每天都會見到的光,對於光相信大家都不陌生
  • 引力波和光速都是299792458m/s,是巧合還是必然?
    【二】:引力的作用被光速束縛,引力也無法突破光速,或者說引力的速度就是光速。 看到這裡,有物理直覺的讀者一定為追問:為什麼引力的速度嚴格等於光速,這裡面必然有更深層次的原因 在這裡我必須聲明:在天文實際測量中,並沒有得到引力完全等於光速的結論,這其中最大的原因來自於誤差。