光有質量和能量麼?為什麼那麼快?

2020-12-05 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。

相關焦點

  • 光的速度那麼快,還攜帶著巨大的能量,人體被擊穿為什麼沒感覺?
    一光年等於光在真空中走過一年的距離,而光速是指光在真空中的傳播速度,約為30萬千米每秒。所以我們現在普遍認為,光速是宇宙中最快的速度,至少到目前為止是我們所知道的最快的速度。所以在科學界,光速或光年經常被用來衡量一個物體的速度或者距離,出現的頻率極高。
  • 光的傳播為什麼那麼快?動力是什麼?
    我們都知道光速是能量和信息傳遞的速度上限,一般來說,宇宙中不存在比光速還快的事物(宇宙膨脹什麼的不算,因為二者不是一碼事),疑問就來了,為什麼光的速度這麼快呢?它的初始動力是什麼?既然剛才提到了靜止質量,那是不是還有運動質量一說?沒錯,確實有運動質量一說,在相對論發展早期,運動質量這一概念流傳得十分廣泛,那麼什麼是運動質量呢?
  • 光的速度那麼快,它的能量來自於哪裡?
    光沿著測地線運動不需要消耗能量,在引力場中,光通過紅移和藍移來釋放和轉化能量,但光速不變。 能量是在功的基礎之上,對物體潛在的做功能力的一種評價。 我們說光是有能量的,也就是說,光有能力讓物質在其力的作用下產生位移,其實驗證據就是光電效應實驗。光照射在鋅版上,能夠加速電子的運動,速度快到電子可以脫離鋅原子的電場束縛跑出來。 光的能量大小用hν來計算,其中h是普朗克常數,ν是光的頻率。
  • 光的傳播速度那麼快,它的動力源是什麼?
    光的傳播速度那麼快,它的動力源是什麼?既然問到了這個問題,前提得需要知道光是什麼?光是一種電磁波,這是從波動性來看它的,如果從粒子性來看它的話,光是由光子組成的。但是無論從哪個角度看,光的傳播速度都只能是光速,且無需加速過程,出生就是光速。如果問,為什麼可以這麼去保證它,沒辦法,這是理論要求的。
  • 既然引力對光有作用,那是不是就代表著光有質量?
    光沒有質量。經歷了多年的混亂,物理學家們現在對質量是什麼不是什麼的界限很嚴格。質量是一個物體靜止時的一種恆定不變的性質(相對於測量而言)。光(光子)不能靜止所以就不能有質量,但是它卻有能量和動量。引力是獨立於質量存在的(除非它是由質量或能量引起的),這正是愛因斯坦在構建廣義相對論時的偉大見解。無論質量如何,所有的物體都有著相同的加速度。根據廣義相對論,是沒有辦法去區分引力場和加速系統(局部)的。這就是為什麼光會在引力作用下彎曲的原因,這也解釋了空間和時間為何彎曲。
  • 黑洞吞噬一切,但光沒有質量,為什麼也會被黑洞吸引?
    沒有任何物質可以從黑洞之中逃逸而出,其中也包括宇宙中運動速度最快的光,而這也是黑洞名字的由來,既然進入黑洞的光無法再次出來,所以黑洞的視界內部便成為了一片永遠不可見的區域,對這片區域用「黑」來形容再恰當不過了。然而,這裡有一個令人不解的問題,那就是為什麼光無法從黑洞之內逃逸而出?
  • 黑洞吞噬一切,但光沒有質量,為什麼也會被黑洞吸引?
    沒有任何物質可以從黑洞之中逃逸而出,其中也包括宇宙中運動速度最快的光,而這也是黑洞名字的由來,既然進入黑洞的光無法再次出來,所以黑洞的視界內部便成為了一片永遠不可見的區域,對這片區域用「黑」來形容再恰當不過了。然而,這裡有一個令人不解的問題,那就是為什麼光無法從黑洞之內逃逸而出?極高的質量和密度賦予了黑洞極為強大的引力,但光並不同於其它的物質,它沒有質量。
  • 前沿理論引入靜態光粒子,否定質能互化,質量和能量分別獨立守恆
    這一新理論觀點四:光的單粒子具有確定的質量和能量值,是能量和質量的最小結構單位。如果一束質量為m的光波束,含有單個光粒子的數目為n,顯然,以秒為單位的光速,表明每一個光的震動態粒子與靜態光粒子的互換就是就是一次能量交換,也是一個周期頻率。
  • 質量和能量可以相互轉化?不對,質量和能量根本就是一回事
    很多人誤會了愛因斯坦,也誤會了質能方程,他們認為質能方程說明了質量和能量可以相互轉化,而事實上這種說法是錯誤的,質量和能量無法相互轉化,因為二者根本就是一個整體,又何來轉化呢?在質能方程中,這一點體現得極為明確,質量等價於能量。正是因為質量守恆、能量守恆,所以才有了質能守恆。為了便於理解,我們還是可以從物質運動的角度去思考這個問題。
  • 光速這麼快,為什麼光撞在身上人卻毫無感覺?它會穿過身體?
    光速這麼快,為什麼光撞在身上人卻毫無感覺?它會穿過身體?光速是目前已知的宇宙中最快的速度,我們每天都會接觸到光,太陽光,燈光等等,我們都知道速度越大,動量越大,那麼為什麼光速這麼快但是光打到人身上毫無感覺呢?
  • 為什麼我們不能飛得像光一樣快?
    為什麼會這樣?為什麼人類不能製造一臺能夠超光速(ftls)旅行的機器呢?愛因斯坦方程告訴我們這幾乎不可能。當速度v等於光速,這個方程告訴我們,物體的質量(m,或相對論質量)將變為無窮大,這意味著它將需要無窮多的能量來推動它,這在宇宙中是不存在的,這就終結了人們對宇宙旅行的嚮往。
  • 光子的速度那麼快,是從哪裡獲得的能量?
    我們知道,速度要快就需要很大的能量,而且動能要很強才行,那麼光子進行光速飛行的動力到底是從哪裡獲得的呢?光子一秒的速度達到了每秒30萬公裡,而且還不會衰減,除非碰到扭曲空間和物質才會發生改變。光子的速度這麼快,到底是從哪裡獲得的能量呢?
  • 光沒有質量,為什麼黑洞可以吸進去?
    萬有引力定律大家都知道,天體之間的引力與它們的質量積成正比,和它們之間距離的平方成反比,很多朋友隨口就能背出來,在這個描述中有一個非常關鍵的參數就是兩個天體之間的質量。既然萬有引力定律準確無誤,為什麼愛丁頓還是觀測到光線彎了呢?這肯定是哪裡出了問題,沒錯,這個雷就牛頓在200年前就埋下了,沒引爆只是大家還沒有踩到它,這就是物理學史上著名的烏雲之一:以太牛頓在1687年發表的論文《自然哲學的數學原理》中對萬有引力和三大運動定律進行了描述,但一直有一個問題,到底是什麼傳遞了引力?
  • 光的相對論質量
    根據廣義相對論,光是有相對論質量的,E=mc2,如果光子沒有質量,那能量就為0,這不是扯淡嗎?能量為0你怎麼發生光電效應?首先廣大光伏產業的從業者就不答應,你這等於說他們的太陽能電池是騙人的。公式中出現有個m0,用這個來代表靜止質量。你靜止質量為0,能量也不為0了,光電效應可以發生了,這下就皆大歡喜了吧?
  • 有質量才有引力,光子沒有質量,但黑洞能把光吸住,這不矛盾嗎?
    茫茫宇宙,最快不過光速,最神秘不過黑洞,在現代物理學中,光速和黑洞一直以來都是熱門的話題,黑洞是一個密度可以大到連光都無法逃逸的一種天體,可以吞噬一切物質,而光具有目前真空中傳播最快的速度。黑洞可以吞噬一切物質, 那為什麼連光都無法逃脫呢?
  • 光沒有質量,為何會被黑洞吸引?
    光是物理學中討論最多的對象之一,從牛頓的微粒說與惠更斯的波動說開始,關於光的本質的爭論持續了上百年。之後,麥克斯韋統一了光和電,證實了光也是電磁波,電磁波也是以光速傳播的。真空中的光速不僅是宇宙中最快的速度,還是物體運動速度的極限。
  • 光粒子有質量那光照在頭上為什麼不重?
    小夥伴們是不是很驚訝,光粒子怎麼會有質量呢?不是說光在靜止狀態下沒有質量嗎?是的,概念問題是不是弄錯了?的確,光粒子與光子是不同的。其靜止質量為零,不帶電荷,其能量為普朗克常量和電磁輻射頻率的乘積,E=hv,在真空中以光速c運行,其自旋為1,是玻色子。
  • 重力只影響有質量的物體,但為什麼光無法逃離黑洞呢?
    根據牛頓-拉普拉斯方程:c=γpρ√這個分數的底部是ρ(發音為「rou」),它是給定體積上的介質質量,也就是密度。如果你在一個體積內增加質量,那麼c-即波的傳播速度-就會降低。這正是我們用重力觀測到的。只要真空能保持不變,增加給定區域內的質量會導致較低的光傳播速度。但較低的光傳播速度對物質意味著什麼?
  • 經過反射和折射的光還是原來的光嗎?光子變了沒,有什麼依據?
    在某問答平臺,有一位童鞋問了一個非常有意思的問題:「經過反射和折射的光還是原來的光嗎?我們看到的太陽光還是太陽最初發出的光嗎?」。其實也是一個非常好的問題,可以讓我們對微觀世界有一個不一樣的認識。首先給結論,再解釋:經過反射和折射的光不是原來的光,我們看到的太陽光從也不是太陽最初發出的光。所有的太陽光均來自表面讓我從第二個問題開始說起:太陽光為什麼不是太陽最初發出的光。
  • 你真的了解質量麼?引力質量VS慣性質量
    在上一篇文章《為什麼物體的速度無法超過光速?光又為什麼能達到光速?》裡,我直接把相對論裡運動物體的質量公式丟出來了,以此告訴大家一個物體在運動的時候它的質量是會不斷增加的,而且隨著速度越來越接近光速,這個質量會慢慢增加到無窮大。所以不論你用多大的力,多大的能量去給物體加速,它都只能無限逼近光速,而無法達到光速,更別說超光速了。