光在宇宙中真实速度(光的本质是什么)(1)

光有狭义的光和广义的光。

狭义的光就是我们人类眼睛能够看到的光,叫可见光。

广义的光包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线等。这里面除了可见光,其他的光我们都无法看到,但通过人造的各种仪器设备能够得到这些光效应影像。

光在宇宙中真实速度(光的本质是什么)(2)

这些光有一个总名称,叫电磁波。

电磁波的传播媒介为光子,因此都属于光的范畴。

电磁波谱有波长和频率,上述的每一种“光”都有自己的波段和频段,从无线电波开始到γ射线,波长是从长到短,频率从低到高。

无线电波波长可达数千米以上,频率可低至10^6Hz以下;而γ射线波长短至10^-12米以下,频率可高达10^20Hz以上。

我们肉眼能够看到的可见光部分,波长在0.38~0.76μm之间,频率在4.2×10^14~7.8×10^14Hz之间。

因此,可见光本质是一种处于特定频段的光子流。

光在宇宙中真实速度(光的本质是什么)(3)

光源发出的光,是因为光源中的电子获得额外能量,并释放能量的结果。

电子获得的能量如果足够它跃迁到更外层轨道,刚好填补了所在轨道的空位,就会从激发态到达稳定态。这个时候电子不会释放能量,因此也就不会产生光;

但能量不足以使其跃迁到更外层轨道,到达合适的位置时,电子就会加速运动,并释放能量;当电子再次跃迁回之前的轨道时,也会释放能量。

不管是电磁波谱哪个频段,还是可见光频段,释放出的能量都是以光子为传播媒介,光子的特性就是一出生以光速直线运动。

光速在真空中直线运动速度为299792458米/秒(m/s)。

光在宇宙中真实速度(光的本质是什么)(4)

因此,光的本质是“光子”。

1905年,爱因斯坦发表的《关于光的产生和转化的一个试探性观点》论文,正确的解释了光电效应,他将光束描述为一群离散的量子,而不是连续性波动。

这个崭新看法让人们对光子的量子特性有了更深刻的理解,给马克斯·普朗克量子力学研究提供了支持,对量子波粒二象性提出产生了重大影响。

由此,爱因斯坦获得了1921年诺贝尔物理学奖。

1923年,法国物理学家德布罗意提出,所有物质都具有波粒二象性,光子当然也不例外。

光在宇宙中真实速度(光的本质是什么)(5)

光子没有静质量,只有动质量。

根据爱伊斯坦光子理论,光子能量为:E=hγ=hc/λ

根据德布罗意理论,光子动量为:P=h/λ=hγ/c 

式中,h为普朗克常量(h=6.62607015×10^-34J·s),c为真空光速,λ为光的波长,γ为光的频率。

光在宇宙中真实速度(光的本质是什么)(6)

光速极限、光速恒定是狭义相对论的立论基础。

这是爱因斯坦给这个世界设定的一条红线。

现代任何理论都是建立在这个红线基础之上的,如果这个红线被打破,整个现代物理学大厦就要倾倒,科学理论就要在废墟上重建。

幸运的是这个红线经历了100年检验,经过科学家们的无数观测、发现、实验验证,都证明是无比正确的,没有一例反证能够打破这个红线。

光速极限就是说,在我们世界,没有任何有静质量物体能够达到真空光速的速度,更不可能超过这个速度;

光速恒定就是说,在任何惯性参考系,光速都是恒定的,光速也不可以叠加。

光速极限表达式为:M=m/√[1-(v/c)²]

其中M为物质的运动质量,m为物质的静质量,v为运动速度,c为光速。

光速恒定表达式为:v=(v1 v2)/(1 v1xv2/c²)

其中v为物体叠加速度,v1、v2为两个运动源速度,C为光速。

光在宇宙中真实速度(光的本质是什么)(7)

宇宙膨胀超光速不属于有质量物体运动速度。

宇宙膨胀是现代大爆炸宇宙标准模型的立论之基。

天文学家、物理学家埃德温·哈勃在上世纪早期发现了星系红移现象,经过长期研究提出了哈勃定律。

这个定律认为,宇宙一直在膨胀,星系离开我们的速度越远越快,各向同性,与距离有一个线性关系。

哈勃定律表达式为:V= HD

其中,V为天体离开我们的速度,H为哈勃常数,D为天体与我们的距离。

这些年测得的多次哈勃常数,平均约为75(km/s)/Mpc,可观测宇宙半径约465亿光年,将这些数据代入,可计算出在可观测宇宙最远处,宇宙膨胀的速率达到光速的3倍多。

光在宇宙中真实速度(光的本质是什么)(8)

但宇宙膨胀是时空本身的膨胀,并不是某个具体有静质量的物质运动达到光速。

而且宇宙膨胀是一种叠加效应,就像吹气球,气球表面的点点花纹随着气球膨胀而相互分开,近距离的点点分开得很慢,而以一点为坐标,观测最远处那个点点,分开速度的离开基点的速度才会很快。

距我们465亿光年的天体离开我们的速度达到光速3倍多,而距离我们326万光年的地方只有75km/s,距离我们1光年处呢?理论计算只有2.3cm/秒,甚至可以忽略不计。

因此宇宙膨胀速度不违背光速藩篱。

感谢阅读,欢迎讨论。

时空通讯原创版权,侵权抄袭是不道德的行为,敬请理解合作。

,