引言:每個具有聽力能力的人生活在充滿各種聲音的世界裡,形形色色的聲音填充了我們的生活,很難想像我們生活在一個完全無聲的環境中是什麼樣子。如果人類是生活在太空中的話那麼就可以感受到無聲世界是怎樣的,因為聲音無法在真空中傳播。
在日常生活中,我們或多或少通過一些現象發現聲音的傳播條件似乎比光的傳播條件要嚴格一些,例如在遊泳池中不管我們怎麼大喊大叫,對方都很難聽到我們在說什麼,要想傳遞信息還不如用一束光線來得快。不僅在水中如此,在大氣中也如此。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。在我們的周圍空氣就是聲波傳導最常藉助的介質,但聲波在不同介質中的傳播速度是不同的,這與介質的密度有關。實驗證明,介質密度越高,聲波傳播的速度越快。同時這也可以解釋為什麼真空中無法進行聲波的傳遞,因為真空不具備介質條件。
很早就有科學家測出了聲音在空氣中的傳播速度大約是每秒鐘331米,而在真空中這一速度幾乎為零。相比之下光則明顯強太多了,它不僅在傳播速度方面要比聲快得多,而且在傳播條件上幾乎是沒有約束。上個世紀上葉眾多物理學家通過對光的長期探討,最終逐漸摸索出光的本質。光實質上是一種波,它是由原子中的電子進行能量躍遷時產生的。那麼它的傳播為什麼不需要介質呢?科學家們嘗試蟲電磁波的本質去解釋這個問題。首先電場和磁場的存在都不需要介質,任何環境中都可以存在電場磁場。
而光則是在電場和磁場的交互變換下產生的,可以說光的「出身」就決定了它的傳播並不需要介質。正因為光的這一特性,太陽光才能夠從一個天文單位之外的太陽表面傳送到地球上來,我們也能夠在星空中看到宇宙中的其他星球。因此太空人在太空中執行任務的時候是無法朝著對方喊話的,他們必須通過無線電通訊設備進行溝通。一旦通訊設備出現了問題,兩個人的交流會變得十分困難。
光的傳播除了不需要介質之外,它的速度也是異常驚人的。同樣是從上個世紀上葉開始就已經有不少科學家通過實驗測出了光速在每秒鐘30萬公裡左右,這遠比聲波在任何介質中的傳播速度快得多。因此現在世界上一些軍事強國已經出現了超音速飛機,但是超光速飛機還只存在於科幻作品中,因為在現實中人類是無法達到光速的。
那麼除了光之外,還有什麼速度能夠和光速一樣的嗎?答案就是引力波。繼在2016年發現了引力波之後,科學家們通過實驗證明了引力波的行進速度也是光速。