为什么光的速度会这么快?光的动力是什么?

2025-03-15 07:56:11
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回答1:

很早之前,人类就试图去测量光的速度。但由于光速太快了,快到人们认为是无限的。随着观测和实验的进步,天文学家罗默最早测出了光速,首次确定光速是有限的。此后,实验精度变得越来越高,光速也测得越来越准,其大小约为30万公里/秒。


在爱因斯坦创立相对论之后,人们才进一步知道,光速真的非常快,因为这个速度是宇宙中的局域速度上限,没有任何速度能够超过它。而且光速还十分特殊,光只能以光速传播。更为特别的是,无论是哪个参照系中的观测者,所测得的光速都是完全相等的。

基于相对论的光速不变原理以及人类对光速的高精度测量,物理学家决定在没有对目前物理量大小产生可测影响的情况下,把光速的大小定义为299792458米/秒。这样,人类再也不用为精确测量光速而苦恼,而且还能解决用于定义米的米原器存在误差的问题。



无论是电子跃迁,还是核聚变、核裂变反应,或者是正反物质湮灭,这些过程都会产生光。一旦光产生之后,它们的速度就会瞬间达到光速,而且始终会以这个速度传播。如果光没有被物质吸收,它们不会在宇宙中消散掉,而且速度始终保持光速。例如,宇宙在138亿年前产生的第一批光子如今还在,它们还以光速在宇宙中穿行。

那么,光是怎么达到光速?光又是如何保持光速?驱使光前进的动力是什么?

光的粒子性

如果从光的粒子性角度来解释,光是由无静止质量的光子组成。根据狭义相对论,既然光子的静质量为零,它们的速度只能是光速。根据粒子物理标准模型的希格斯机制,没有静质量的光子在穿过遍布宇宙的希格斯场时,光子不会发生耦合作用,所以它们不会获得静质量,速度也不会从光速降下来。


光子一旦被制造出来,它们的速度就会直接达到光速,没有从零到光速的加速过程。光子的传播不需要能量来驱动,如果没有被物质或者黑洞吸收,它们始终会以光速在真空中无限传播下去。

光的波动性

另一方面,如果从光的波动性来解释,光的本质是电磁波。麦克斯韦电磁场方程组表明,电和磁在本质上是统一的,变化的电场会激发出磁场,变化的磁场又会激发出电场,如此反复,就产生了电磁波。



由于电磁场以光速建立起来,所以电磁波会以光速传播。电磁场的产生和存在没有借助于介质,所以光可以在真空中以光速传播。虽然随着空间结构的持续膨胀,在空间中传播的光会出现红移,但它们不会完全消失在宇宙中。

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