為什麼光的傳播不需要介質?

2020-12-05 火星科普

聲音的傳播需要介質,比如空氣、水和鐵。但光的傳播不需要介質,它們可以在真空中傳播。那麼,聲音和光有什麼區別呢?為什麼聲音不能在真空中傳播,而光卻可以呢?

聲波

聲音其實屬於機械波,其本質是機械振動的傳播,而機械振動依賴於介質。當物體發生振動時,比如敲打桌子,這種振動會帶動空氣中的分子出現有規律的振動,由此聲波會在空氣中傳播開來。如果沒有介質,振動就無法傳播,所以聲音不能在真空中傳播。

一般而言,物質的密度越大,溫度越高,聲音的傳播速度越快。聲音在0攝氏度空氣中的傳播速度為331米/秒,在25攝氏度空氣中的傳播速度為346米/秒,在水中的傳播速度為1500米/秒,在鐵中的傳播速度為5190米/秒,在真空中的傳播速度為0米/秒。

另外,力的傳播也是機械波的形式,本質上是材料原子間的電磁力作用,其傳播速度與聲音在該材料中的傳播速度一樣,例如,力在鐵棒中的傳播速度為5190米/秒。因此,如果有人推一下一根長達1光年的鐵棒,這根鐵棒並不會馬上移動,只有當力以5190米/秒的速度傳播到1光年之外的另一端時,鐵棒才會移動。根據計算,鐵棒會在大約57763年後發生移動。

光如何產生?

光與聲音不同,前者的傳播無需介質,可以在真空中傳播。從本質上來說,光也是波,它們統稱為電磁波。那麼,電磁波是怎麼產生的呢?

光的產生與電子運動有關。當原子核周圍的電子吸收能量時,它們會躍遷到不穩定的更高能級,然後又會輻射出電磁波,從而躍遷回更低能級,達到穩定的狀態。

在這些電磁波中,有些波段處於可見光波段,人眼能夠感知到,我們就能看到亮光,木材燃燒發光就是這樣的原理。還有電磁波的波長較長或者較短,例如,無線電波、伽馬射線,它們都是肉眼不可見的,但可以通過其他觀測裝置探測到。

光是什麼?

根據麥克斯韋電磁場方程組,光是電磁波,其本質是交互變換的電場和磁場。變化的電場會產生磁場,變化的磁場反過來又會產生電場,這樣就會形成電磁波。電磁場建立的速度為光速,這就是光的傳播速度。

根據量子力學,光具有波粒二象性,它們還能表現出粒子性,光被認為是由光子組成的。根據愛因斯坦的狹義相對論,光子一旦產生就會以光速運動,因為它們的靜止質量為零。在粒子物理標準模型看來,光子穿過希格斯場時,不會發生相互作用,它們的傳播速度不會減慢,所以能夠以光速傳播。

正因為如此,光的前進不需要能量。光產生之後就能以光速無限傳播下去,即便光源消失也是如此,只要光不被物質吸收殆盡。要知道,宇宙在138億年前產生的光還在空間中持續傳播,未來也不會完全消失。

為什麼光的傳播無需介質?

如上所述,電場和磁場的交互變換產生了光。電場和磁場的存在都無需介質,它們可以單獨在空間中存在,所以光的傳播無需介質。在太空中,太空人之間的溝通需要依靠能在真空中傳播的電磁波,而不是直接喊話就行。

倘若在介質中,由於帶電粒子會與光子發生相互作用,對光子進行吸收和再釋放,這會導致光的傳播速度看起來下降了。但事實上,電磁場的建立速度仍然是光速,只是因為受到帶電粒子的影響,使光速看起來變慢了。當光子穿過介質進入真空之後,它們的速度又會變成光速。

除了光波是以光速傳播之外,引力波的行進速度也是光速。根據愛因斯坦的廣義相對論,任何有質量物體的加速運動都會擾亂空間,產生被稱為引力波的時空漣漪。引力波是時空結構的變化,這不依賴於時空中的任何東西,所以引力波在任何介質中都會以光速行進,它們可以在真空中傳播。

總結

聲音是機械波,機械振動的傳播依賴於介質。在沒有介質的真空中,既然無法傳播振動,也就無法傳播聲音。另一方面,光是交互變化的電場和磁場所產生的電磁波,由於電磁場可以直接存在於空間中,所以光可以在空無一物的真空中傳播。

相關焦點

  • 光的傳播真的不需要介質嗎?以太真的不存在嗎?
    光子和引力波都以光速在真空中傳播。儘管它不是直觀的,但沒有證據表明這些實體需要物理媒介或以太來穿越。在整個宇宙中,不同類型的信號傳播。其中一些,比如聲波,需要介質才能通過。其他的,如光或引力波,似乎完全不需要介質。
  • 宇宙中傳播信息需要介質嗎?
    別誤會,我們說的是星際空間……下面我們拿幾種傳播信息的方式看看。聲音問有沒有通信介質得先知道是用什麼通信方式,不同的通信方式所需要的介質是不一樣的。比如要用聲音通信,那麼就必須有傳播聲音的介質,基本上各種物質都可以充當聲音的介質,只要能傳遞機械振動就可以了。比如固體、液體甚至氣體都可以,然而在星際空間接近真空的環境裡,這些都沒有,因此星際空間並不能用聲音通信。
  • 萬有引力是靠什麼傳播的,這種傳播需要介質嗎?
    有人問:力的傳播需要介質嗎,那宇宙當中的萬有引力是靠什麼傳播的呢?為什麼?首先我們要弄起介質和媒介是是兩個不同概念,傳播需要媒介而不需要介質。所以這個問題本身是矛盾的。前半部分「力的傳播需要介質嗎」,可以回答不需要,比如太陽電磁輻射,就是電磁力的傳播,在真空中是光速,為299792458m/s(米/秒),在任何介質中,這個速度都會變慢。在空氣中慢一丟丟,一般忽略不計,但在水中,就只有2.25億m/s,在酒精中為2.2億m/s,在玻璃中為2億m/s。這些都是介質,比如電流需要在金屬導線中傳輸,這就是介質。
  • 實驗證實:光不是矢量傳播而是介質傳播
    而且它們都也有頻率,波長,也有幹擾,反射,衍射,延遲選擇,疊加等性質,都是以陰、陽磁極子和水分子為介質以一定頻率振動相互遞進傳播能量和信息方式。特別應該注意,他們都不是以速度矢量傳播,其前行不遵循慣性定律。比如說,我們通常說的太陽的輻射。
  • 為什麼光可以在真空中傳播,而聲音不能?
    但光的傳播不需要介質,它們可以在真空中傳播。那麼,聲音和光有什麼區別呢?為什麼聲音不能在真空中傳播,而光卻可以呢? 聲波 聲音其實屬於機械波,其本質是機械振動的傳播,而機械振動依賴於介質。當物體發生振動時,比如敲打桌子,這種振動會帶動空氣中的分子出現有規律的振動,由此聲波會在空氣中傳播開來。
  • 光可以在真空環境下傳播,為什麼聲音卻無法在真空中傳播?
    在雷電交加的天氣中我們通常會先看到閃電的出現再聽到雷聲的轟鳴,這是因為聲音傳播的速度比光慢得多。那麼是什麼原因造成了光與聲在傳播過程中的差別呢?相信很多朋友在初中的物理教材中就已經學過了與聲波有關的知識,從課本上我們知道聲音的產生是靠物體或介質發生振動來完成的,從本質上來說聲波就是機械波,它的傳播必須依靠介質。
  • 關於「光在介質中傳播是波長還是頻率發生改變」的對話
    ,知道了光在介質中傳播的速度會低於真空中的光速,並且光在介質中的傳播速度可以表達成真空中的光速除以折射率。既然我們都是以波長來界定色光,並且也沒有出現過同一物體在不同介質中呈不同顏色的現象——譬如說,一個遊泳的人在潛水和浮出水面時絕不會被看到泳衣顏色的改變。那麼這是不是可以說明在傳播過程中光的波長並沒有變化,而變化的是頻率?」父:「唔,聽起來很有道理。那我們就來做一個假想的實驗吧。
  • 聲音的傳播需要介質,而在所有介質中絕對最高音速是多少呢?
    但是,聲音的傳播需要介質,而在所有介質中絕對最高音速是多少呢?測量每種材料中的聲速是不現實的,但是科學家現在設法根據自然定律中的基本常數為聲音的傳播確定了速度上限。根據計算,聲音在所有介質中的最高速度不能超過每秒36公裡,大約是鑽石中傳播速度的兩倍。聲音和光都以波的形式傳播,但行為略有不同。
  • 這就是光穿過介質折射和降速的原因,但光子的特性卻不發生改變
    同樣地,為了理解光從密度低的介質到密度高的介質時速度會下降的原因,我們就需要理解光是如何產生和傳播的。我們已經知道光是一種電磁波。那麼電磁波是如何產生的呢?我們還記得小學時候的電鈴吧,在電鈴的內部,線圈繞在鐵芯上,當變化的電流通過線圈時就會產生變化的磁場,變化的磁場以很高的頻率吸引鐵錘(我具體不知道叫什麼,尷尬!)這時我們就放學回家了。
  • 傳播介質「以太」是否存在!試驗結果非常的意外!
    根據科學家對波的研究,任何振動產生的波都需要在介質中傳播,比如聲波、水波。在19世紀,光被證明是一種波,那麼光的傳播介質是什麼呢?——「以太」被人們所提出。任何事物都是相互的,我們要理解光的性質,就必須理解其介質的性質,同樣的當我們知道光的性質的時候,又可以推導出以太應該有什麼樣的性質。據研究表明,波的傳速度與其介質的彈性和質量有關,如果以光波的速度來計算,結果是驚人的,以太的密度至少要比空氣少100萬倍,而彈性又要比空氣大1000倍,比鋼還硬。
  • 光是如何從太陽傳播到地球的?
    要理解光是如何從太陽傳播到地球的,你必須理解光是什麼。光是一種電磁波—一種電和磁能快速振蕩的波。有許多不同的電磁波,其類型取決于振蕩的速度。例如,無線電波比光振蕩得慢,而x光振蕩得快得多。這些電磁波以稱為光子的小包形式傳播。因為光以波和光子包的形式傳播,所以它既像波又像粒子。
  • 連直線是什麼你都不理解,當然不明白光為什麼沿直線傳播
    但以上說的全部只是基於光的粒子性角度,而光具有「波粒二象性」,在光的波動性下,光又是怎麼傳播的?光的幹涉、衍生、泊松亮斑都已經證明了光的波動性,而且在實際生活應用中,波動性比粒子性應用得更廣泛。而關於我們觀察到的光為什麼是直線傳播,在量子力學層面有另一種解釋,就是費曼的「路徑積分」。通過所有可能發生的情況求和來描述量子的不確定現象(通過拉格朗日函數可以計算),而量子波函數的坍縮,表示為一個擁有所有可能的物理系統向一個唯一能確定的結果演化。
  • 手機信號是光,wifi是光,可見光為什麼不能穿牆而過?
    上帝說要有光,便有了光。從物理學來說,光是能量的一種傳播方式。光由一種稱為光子的基本粒子組成。具有粒子性與波動性,或稱為波粒二象性。沒有光就沒有生命。沒有光就沒有人類文明的誕生。太陽光是電磁波,雷達波是光,醫院的X光是光,手機信號也是光......微波爐的微波,收音機的FM,藍牙、wifi的信號,都是光.......光是能量的一種傳播方式,光子以直線前進。
  • 「詩」記物理:光的直線傳播順口溜
    發光物體叫光源,均勻介質直線傳。①光速最快數真空,飛到月宮八分鐘,②每秒三十萬千米,其它速度沒法比。③光速太大聲速小,閃後聽雷晚不了。④百米比賽要記清,計時看煙不聽聲。⑦一個小孔能成像,實像倒立光屏上,⑧本是光沿直線傳,像形孔形無關聯。⑨天體之間距離遠,有個單位叫光年。⑩注釋:① 發光的物體叫做光源,光在同種均勻介質中沿直線傳播。②③ 光速是已知宇宙中最快的速度,從地球傳播到月球大約需要八分鐘。
  • 2019福建教師資格考試:物理學科 光的直線傳播與光的折射
    一、光的直線傳播1.光在同一種均勻透明的介質中沿直線傳播,各種頻率的光在真空中傳播速度:C=3×108m/s;各種頻率的光在介質中的傳播速度均小於在真空中的傳播速度,即v補充說明:①直線傳播的前提條件是在同一種介質,而且是均勻介質,否則,可能發生偏折。如從空氣進入水中(不是同一種介質);「海市蜃樓」現象(介質不均勻)。
  • 光的傳播速度與光源運動狀態無關,是否聲波、水波也是如此?
    光是一種電磁波,光的傳播速度的確不受光源移動速度變化而變化,愛因斯坦狹義相對論的「光速不變原理」對此說的非常清楚:光在真空中的傳播速度相對於任何參考系是不變的,與光源和觀察者的運動狀態無關。我們知道聲波和水波的傳播是需要介質的,我們常說的聲速和音速大小就是相對於介質或靜止於介質的觀察者而言的
  • 光最終會消失嗎?我們用手電筒發出的光,是消失了還是繼續傳播?
    光是具有能量的粒子流,是能量的一種傳播方式,所以光也是不會突然消失的。光源之所以能發出光,根據原理主要可以分成三種形式:第一種為熱運動、躍遷輻射(包括自發輻射和受激輻射),這是我們日常生活中最常見光的發生原理,包括手電筒、火光等;第二種是物質內部帶電粒子加速運動時所產生的光輻射,這一種則多用於雷射的產生;第三種是同步輻射光與切倫科夫輻射的產生原理,也就是介質中物質的運動速度超過光速所產生的效應(註:在介質中的光傳播速度是低於真空中的
  • 什麼叫「介質波」?
    什麼叫介質波?宇宙大自然所有的能量都是通過介質振動傳播,介質振動有形,形如水波,所以叫介質波。介質波包括:水波,空氣波,真空波,暗物質波,導體波,導線波。那我們以前的無線電通訊,就可以說它是通過介質波來傳播的,通過空氣波或真空波來傳播的。
  • 社區公基知識備考:如何區分光的直線傳播、折射與反射?
    放大鏡把文字放大   要準確答題,考生需要掌握直線傳播、折射與反射之間的區別。   一、光的直線傳播、折射、反射的區別   光的直線傳播,指光在同一種均勻介質中沿直線傳播。如樹林裡透過樹枝的一束束光芒。這些光束在傳播的過程中光線是直的,並沒有改變傳播路線。再如光在液體中的傳播等,是直線路線,也屬於光的直線傳播。
  • 引力為什麼要以光速傳播?那它為何能逃離黑洞?
    如果說引力以不同於光的方式『移動』,那它為什麼會以同樣的速度傳播呢?其實這個問題很簡單,只是有些概念搞混了。引力並不是從黑洞逃離的,這裡有個錯誤的概念,我們認為引力是由質量物體產生的,那質量物體為什麼要產生萬有引力呢?其實這個問題愛因斯坦已經給出了答案:它們不會直接產生萬有引力,而是質量物體會扭曲時空,而扭曲的時空是產生引力的原因。