為什麼光可以在真空中傳播,而聲音不能?

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。