光的传播需要介质吗为什么（为什么光的传播不需要介质？）

2024-08-24 08:06:59

声音的传播需要介质，比如空气、水和铁。但光的传播不需要介质，它们可以在真空中传播。那么，声音和光有什么区别呢？为什么声音不能在真空中传播，而光却可以呢？

声波

声音其实属于机械波，其本质是机械振动的传播，而机械振动依赖于介质。当物体发生振动时，比如敲打桌子，这种振动会带动空气中的分子出现有规律的振动，由此声波会在空气中传播开来。如果没有介质，振动就无法传播，所以声音不能在真空中传播。

一般而言，物质的密度越大，温度越高，声音的传播速度越快。声音在0摄氏度空气中的传播速度为331米/秒，在25摄氏度空气中的传播速度为346米/秒，在水中的传播速度为1500米/秒，在铁中的传播速度为5190米/秒，在真空中的传播速度为0米/秒。

另外，力的传播也是机械波的形式，本质上是材料原子间的电磁力作用，其传播速度与声音在该材料中的传播速度一样，例如，力在铁棒中的传播速度为5190米/秒。因此，如果有人推一下一根长达1光年的铁棒，这根铁棒并不会马上移动，只有当力以5190米/秒的速度传播到1光年之外的另一端时，铁棒才会移动。根据计算，铁棒会在大约57763年后发生移动。

光如何产生？

光与声音不同，前者的传播无需介质，可以在真空中传播。从本质上来说，光也是波，它们统称为电磁波。那么，电磁波是怎么产生的呢？

光的产生与电子运动有关。当原子核周围的电子吸收能量时，它们会跃迁到不稳定的更高能级，然后又会辐射出电磁波，从而跃迁回更低能级，达到稳定的状态。

在这些电磁波中，有些波段处于可见光波段，人眼能够感知到，我们就能看到亮光，木材燃烧发光就是这样的原理。还有电磁波的波长较长或者较短，例如，无线电波、伽马射线，它们都是肉眼不可见的，但可以通过其他观测装置探测到。

光是什么？

根据麦克斯韦电磁场方程组，光是电磁波，其本质是交互变换的电场和磁场。变化的电场会产生磁场，变化的磁场反过来又会产生电场，这样就会形成电磁波。电磁场建立的速度为光速，这就是光的传播速度。

根据量子力学，光具有波粒二象性，它们还能表现出粒子性，光被认为是由光子组成的。根据爱因斯坦的狭义相对论，光子一旦产生就会以光速运动，因为它们的静止质量为零。在粒子物理标准模型看来，光子穿过希格斯场时，不会发生相互作用，它们的传播速度不会减慢，所以能够以光速传播。

正因为如此，光的前进不需要能量。光产生之后就能以光速无限传播下去，即便光源消失也是如此，只要光不被物质吸收殆尽。要知道，宇宙在138亿年前产生的光还在空间中持续传播，未来也不会完全消失。

为什么光的传播无需介质？

如上所述，电场和磁场的交互变换产生了光。电场和磁场的存在都无需介质，它们可以单独在空间中存在，所以光的传播无需介质。在太空中，宇航员之间的沟通需要依靠能在真空中传播的电磁波，而不是直接喊话就行。

倘若在介质中，由于带电粒子会与光子发生相互作用，对光子进行吸收和再释放，这会导致光的传播速度看起来下降了。但事实上，电磁场的建立速度仍然是光速，只是因为受到带电粒子的影响，使光速看起来变慢了。当光子穿过介质进入真空之后，它们的速度又会变成光速。

除了光波是以光速传播之外，引力波的行进速度也是光速。根据爱因斯坦的广义相对论，任何有质量物体的加速运动都会扰乱空间，产生被称为引力波的时空涟漪。引力波是时空结构的变化，这不依赖于时空中的任何东西，所以引力波在任何介质中都会以光速行进，它们可以在真空中传播。

总结

声音是机械波，机械振动的传播依赖于介质。在没有介质的真空中，既然无法传播振动，也就无法传播声音。另一方面，光是交互变化的电场和磁场所产生的电磁波，由于电磁场可以直接存在于空间中，所以光可以在空无一物的真空中传播。

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