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为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?

卡卷网2年前 (2025-02-24)每日看点302

这个问题下,已经有不少优秀的回答了,但是我试图从波动的角度去看看,到底为什么光自一诞生就是光速。

光,虽然具有波粒二象性,但也要先明白什么是波动性,什么是粒子性。

粒子性,其实是指“颗粒性”,也就是大家说的“能量是一份一份”的,具有动量和能量(动能),但是并不与“一个有体积的实体小球”相关联;

而波动性,则是通过干涉和衍射现象体现出来的,这本质上反映了光的传播是遵循波动方程的。

这很关键,光的前进,是遵循波动方程的,而不是牛顿定律所描述的,即在一个力的作用下,一个粒子从静止开始加速。题目中误解的一个重要原因是,把光子看成一个宏观的小球,但光子不是宏观的小球,光的传播遵循的是波的传播规则。

所以,对于题目:

为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?

需要摒弃“小球模型”,而要从波的角度来理解。

实际上,波,很难定义一个“诞生的过程”。

想象一下,一排原子横向排开,间隔L,相互之间的作用力使得整个体系稳定。你用手戳了一下这一个原子,它向向上移动了一点,这时候它右边的那个原子在纵向上也就会有一个向上的力,因此在接下来的一刻,就会向上运动;同样,它右侧的原子也会重复以上的过程。其中L,也就是原子的间隔,从宏观上来说反应的是物质的密度

考虑在固体中横波的传播,它的速度公式为:

为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第1张 ​​

  • vs​:横波的传播速度
  • G:剪切模量(描述固体抵抗剪切变形的能力)
  • ρ:密度(固体的质量密度)

横波传播速度与材料的刚性(通过剪切模量 G 表征)和密度 ρ 有关。刚性越大,密度越小,波传播得越快。

再看一个例子:人浪。一个人蹲下去再站起来,这是一个人原地振动;当这个开始蹲起的时候,隔壁的另一个人看到了,也随之蹲起,第二个人要看到,才会开始动作,从第一个人到第二个人,有一个时间间隔,一般来说,距离越近,第二个人开始的时间就越短;每一个人蹲起的速度,取决于这个人自己,老人儿童可能就慢一点,年轻力壮的人可能就快一点。可以看出,人浪的传播速度,取决于人的密度、人的反应速度等,而跟最初那个人以怎么样的速度在人群中穿梭是没关系的。

在人浪中,波的传播速度取决于以下因素:

  • “刚性”:在这里可以理解为观众之间的互动强度,即一个观众起立时对邻近观众产生的影响力。类似于剪切模量 G,这种影响力越强,人浪传播得越快。
  • “密度”:可以理解为观众的紧密程度,即单位面积内的观众人数。类似于 ρ,观众越密集,人浪传播速度可能越慢,因为每个人的反应需要更多的时间。
  • 反应时间延迟:观众从看到邻居起立到自己起立的时间延迟,也会影响传播速度。这是人浪传播的一个关键区别。

根据横波传播速度的类比,我们可以初步建立人浪传播速度的公式:

为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第1张

  • 互动强度:可以用I表示,描述一个观众对邻居影响的强弱。
  • 观众密度:可以用 ρ 表示,单位面积内的观众人数。
  • 反应时间延迟:设为 为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第1张 ,它会减缓传播速度,因此传播速度会与 τ 成反比。

综合考虑这些因素,人浪的传播速度公式可以写为:

为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第1张

其中:

  • k:比例系数,与具体场景(如观众的行为模式、体育场形状等)有关。
  • I:观众之间的互动强度,类似于剪切模量 G。
  • ρ:观众密度,类似于固体的密度。
  • τ:观众的反应时间延迟。

所以,浪子的产生有过程吗?浪子的传播有加速吗?水波一旦产生,就独立于波源存在了。二者就不再有什么关系了。这个“产生”,并不存在一个过程,因为介质是连续的。

在命令下达的一瞬间,浪子就产生了,只不过最初的一段时间,还没有传播一个完整的波长而已。波源更像是波的一个“刺激”,介质一旦接受了就会往外传播,而波源的速度,并不会影响相邻空间内“激励”的传播速度。

为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第5张


在波的传播中,传播的不是构成介质的具体的成分,而是振动的相位。比如说,声波,就是空气密度的波动,具体的空气分子本身并没有跟着“声音”飞向远方,而是在原地左右振荡;对于光来说,原地振动的不是一个实体的小球,而是电场/磁场强度,它们的强度一会变大,一会变小的,这个强度的振动,不断向远处传播。虽然在远离光源的地方,最初电场和磁场的强度都是零,但是当隔壁的电场和磁场在振动时,这一点也会被感应出来强度不断变化的电场和磁场,于是,光就传播过来了,并继续向隔壁传播去。

光,不是磁场,也不是电磁场,而是电磁扰动。一个静止的磁铁周围产生的静磁场,或者一个静止的电荷周围的静电场,都不能看错狭义上的光,它们一旦建立,在磁铁/电荷不发生任何移动的情况下,不会有任何的扰动传播。但是如果因为外力,磁铁/电荷发生移动,比如一个电子,因为干扰而发生变化时,比如电子发生了位移,进出的电场随之变动,这种变化向远处传播,这股传播的变化,才是光。

为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第6张


电磁波的传播速度只与真空的两个基本参数有关:真空介电常数( 为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第1张 )和真空磁导率( 为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第1张 )关系为

为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第1张

这个实际上可以通过麦克斯韦方程组推导出来。

光的传播,不是一个小球飞向了远方,从电磁波的角度来看,是x位置的电场/磁场的振动,引起了x+dx位置的电磁振动,不断地向远方传播。影响这个传播速度的因素,就是x点和x+dx这两点之间场的传递“效率”,也就是真空介电常数( 为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第1张 )和真空磁导率( 为什么光一产生就可以达到光速,而其他物体需要不断加速?  第1张 )所决定的,最终也是它们俩决定了光速。

如果声源的速度影响声音的传播速度的话,距离声源一定距离的空气,它本身并不知道声源的任何信息,它只是接收到了一个空气密度的起伏,它的回应只取决于此地的空气的性质,而不是远处的声源的运动速度。这还会造成一个结果,就是远处的两辆车如果正好并列,那我们就会先听到速度快的车的声音。这好像更难理解了。


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