爱读书 探索 光速为什么这么快?它的动力源是什么?

光速为什么这么快?它的动力源是什么?

光是一个物理学名词,其本质是一种处于特定频段的光子流。光源发出光,是因为光源中电子获得额外能量。如果能量不足以使其跃迁到更外层的轨道,电子就会进行加速运动,并以波的形式释放能量;反之,电子跃迁。如果跃迁之后刚好填补了所在轨道的空位,从激发态到达稳定态,电子就不动了;反之,电子会再次跃迁回之前的轨道,并且以波的形式释放能量。简单地说,光是沿直线传播的。在广义相对论中,由于光受到物体强引力场的影响,光的传播路径被发生相应的偏折。

光速和时间在某种意义上是同一个东西。光子一秒30万公里,如果只跑了15万,那么其实不是光子变慢了,而是时间相对地球时间快了一倍。如果测量到光速降低到0,那你的时间甚至相对地球时间开始倒流了,此时,你就是光速了。

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虽然这有些不可思议,但实际确实是这样,这也是为什么再强大的粒子加速器都不能将一个粒子加速到光速的原因,因为粒子具备静止质量,而通过狭义相对论的质速公式,我们发现当一个具备静止质量的粒子,在接近光速时,它的质量会趋向于无穷,而无穷大的质量则需要无穷多的能量来进一步提速,显然宇宙中的能量是有限的(无限的也没事,反正都得把整个宇宙吞了才行)。

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在真空中传播的速度最快,而在金刚石中的传播速度只有真空中的一半。光速不变原理是相对论成立的前提,根据相对论也可以得出光子没有静止质量的结论,或许不妨理解为光子的能量来自于宇宙创生之初,光子没有静质量,所以它可以把能量全部转化为动能,让光子保持光速前进。

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科学第一次颠覆了人们的三观。可随着科学的深入发展,人类开始研究微观世界,量子力学颠覆三观就相当牛顿颠覆亚里士多德一样。量子力学的规律也不遵守宏观世界的规律。

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光子是由电子辐射出的能量转变而来的。这种能量用质能方程来解释是可以转换为质量的,这就是光子的运动质量。

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所以光子没有任何加速过程直接到光速,在我们看来太违背常识了,但世界就是这样,量子理论的几种现象同样让人费解,如果你非要问到底为什么光子不需要加速过程,就如同问这个宇宙到底是怎么来的一样。只能说,光子一生下来就是光速,这是大自然的一种规律!

就好比万物之间有引力一样,为什么会有引力,空间弯曲吗?为什么会弯曲?有质量的物体使空间弯曲?那为什么有质量的物体会让空间弯曲呢?

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光的微粒说

关于光的本性的一种学说。17世纪曾为牛顿等所提倡。这种学说认为光由光源发出的微粒、它从光源沿直线行进至被照物,因此可以想象为一束由发光体射向被照物的高速微粒。这学说很直观地解释了光的直进及反射折射等现象,曾被普遍接受;直到19世纪初光的干涉等现象发现后,才被波动说所推翻。1905年爱因斯坦提出光是一种具有粒子性的实物(光子)。但这观念并不摒弃光具有波动性质。这种关于光的波粒二象性的认识,是量子理论的基础。

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光的波动说

关于光的本性的一种学说。第一位提出光的波动说的是与牛顿同时代的荷兰人惠更斯。他在17世纪创立了光的波动学说,与光的微粒学说相对立。他认为光是一种波动,由发光体引起,和声一样依靠媒质来传播。这种学说直到19世纪初当光的干涉和衍射现象被发现后才得到广泛承认。19世纪后期,在电磁学的发展中又确定了光实际上是一种电磁波,并不是同声波一样的机械波。1888年德国物理学家赫兹用实验证明了电磁波的存在,从此奠定了光的电磁理论。这一理论能够说明光的传播、干涉、衍射、散射、偏振等许多光现象。

光的电磁说

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光波是一种特定频段的电磁波

光的干涉和衍射现象无可怀疑地证明了光是一种波,到19世纪中叶,光的波动说已经得到公认。但是,光是什么性质的波?难道像水波一样?像声波一样?光波的本质是什么,这个问题一直没有解决。那时候人们总是习惯于按照机械波的模型把光波看成是在某种弹性介质里传播的振动。到了19世纪60年代,麦克斯韦预言了电磁波的存在,并且从理论上得出,电磁波在真空中的传播速度应为3.11×10⁸m/s,而当时实验测得的光速为3.15×10⁸m/s,两个数值非常接近。麦克斯韦认为这不是一种巧合,它表明光与电磁现象之间有本质的联系。由此他提出光在本质上是一种电磁波。这就是光的电磁说。到1886年,赫兹通过实验证实了电磁波的存在,并且测出了实验中的电磁波的频率和波长,从而计算出了电磁波的传播速度,发现电磁波的速度确实与光速相同,这样就证明了光的电磁说的正确性。

光的电磁说是说明光在本质上是电磁波的理论。电磁辐射不仅与光相同,并且其反射、折射以及偏振之性质也相同。由麦克斯韦的理论研究表明,空间电磁场是以光速传播。这一结论已被赫兹的实验证实。麦克斯韦,在1865年得出了结论:光是一种电磁现象。按照麦克斯韦的理论,c/v=√(εμ)。

式中c为真空中的光速。ν为在介电常数为ε和导磁系数为μ的介质中的光速。根据折射率的定义n=c/v,我们有n=√(εμ)。

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光波的电场强度E与磁感应强度M

这个关系式给出了物质的光学常数,电学常数和磁学常数之间的关系。当时从上述的公式中看不出n应随着光的波长λ而改变,因而无法解释光的色散现象。后来洛伦兹在1896年创立了电子论。从这一理论看,介电常数ε是依赖于电磁场的频率,即依赖于波长而变的,从而搞清了光的色散现象。光的电磁理论能够说明光的传播、干涉、衍射、色散、散射、偏振等许多现象,但不能解释光与物质相互作用中的能量量子化转换的性质,所以还需要近代的量子理论来补充。

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激光

光的光子说

1905年,爱因斯坦提出光是一种具有粒子性的实物(光子)。爱因斯坦提出光子的概念,由爱因斯坦光子假说发展成现代光子论(photon theory)的两个基本点是:

(1) 光是由一颗一颗的光子组成的光子流。每个光子的能量为ε = hυ。由N个光子组成的光子流,能量为Nhυ(不计真空场的零点能)。

(2) 光与物质相互作用,即是每个光子与物质微观粒子相互作用。根据能量守恒定律,约束得最不紧的电子在离开金属面时具有最大的初动能,所以对于电子应有:hυ=(1/2)mv²+W。上式即为光电效应方程,W 代表电子脱离金属表面所需要的能量,称为功函数(workfunction)。

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光的波粒二象性

光电效应以及康普顿效应无可辩驳地证明了光是一种粒子,但是光的干涉和光的衍射又表明光确实是一种波。光到底是什么?光是一种波,同时也是一种粒子。光具有波粒二象性。这就是现代物理学的回答。

根据量子场论(或者量子电动力学),光子是电磁场量子化之后的直接结果。光的粒子性揭示了电磁场作为一种物质,是与分子、原子等实物粒子一样,有其内在的基本结构(组成粒子)的。而在经典的电动力学理论中,是没有“光子”这个概念的。

量子物理学中,光子是电磁场的微观组成单元,电磁场是大量光子的累积效应。就如同地球水分分布是大量水分子的累积效应。

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光与眼睛

光是电磁辐射的一种形式,而可见光仅仅是电磁辐射中的一小部分,其亮度和颜色能够被人眼所感知到。光就是人眼能够感知到的电磁辐射,其波长范围大约在380nm至760nm。可见辐射的光谱范围没有非常精确的界限,因为视网膜接收到的辐射功率以及观测者的视觉灵敏度存在一定的影响。

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人眼对光谱灵敏度曲线

眼睛是一种光学系统,能够在视网膜上产生图像。它由各种不同的部分组成,包括角膜、水状体、虹膜、晶状体以及玻璃体等,使眼睛能够针对以10⁵系数变化的照明水平简单而快速地做出反应。眼睛能够感知的最小照度为10⁻¹²Lx(相当于夜空中黯淡的星光)。

来源: 步步0321

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