是什么限制了光的传播速度，GZK阻断只是其中一个原因_互联网资讯__分享互联网新鲜有趣好玩的事物-云易优站长平台

导读：是什么限造了光的传布速度，GZK阻断只是此中一个原因。

原文题目：光的素质和光的传布速度。

通过上面的良多章节，我们阐发了光的诸多尝试。包罗光的反射，折射，色散，干预，衍射，光电效应及迈克尔逊莫雷尝试。那一章我们将对光常识有一个整体的总结和发散思虑。

没有光，人类世界是不成想象，但我们要理解光，逃上光，似乎实的很难。从人类降生到今天，光学研究仍然很热门，就足以申明了那一点。以至有人说光是“承先启后”的工具，毗连宏不雅世界和量子世界，谁若是吃透了光的素质，就会对那个世界有深的认识。

你认为光是如何的？光对你来说意味着什么？今天我们一路来走进光的世界，去揭开它最奇异的面纱。

起首各人要晓得“光”是一个特殊的词，为什么如许说呢？因为光的素质是电磁波。麦克斯韦是第一个做出光是电磁波预言的人，赫兹是第一个用尝试证明的人。

我们凡是所说的光，光源，是我们能够看见的电磁波。电磁波的可见光谱范畴大约为390～760nm，那只是整个电磁波谱中范畴极小的一部门，所以说光是特殊的。其他光谱范畴是人类看不见的电磁波，有紫外线，红外线，x射线，伽马射线等等。

所以重要的工作再强调一遍——光是一种电磁波！那么我如今来问各人一个问题。

光具有的折射，反射，干预以及有光电效应的现象，关于x射线，伽马射线，紫外射线等也有吗？谜底是确定无疑的，光具有的一切性量，其他波段的电磁波也具有。只是我们人的眼睛看不到罢了，能借助其他仪器来不雅测。

但差别光谱范畴的电磁波，会有差别的差别。好比，x射线，伽马射线有很强的穿透性，对人体有危害。但在那里要强调，那种差别次要是对人类来说的。因为对一块石头而言，任何一种电磁波都是一样的。一块石头看不见任何光谱范畴的电磁波，关于它来说也不存在“危险”那个词。

光是一种电磁波，会引出另一个问题——电磁波的素质是什么？只要领会电磁波的素质，才算是领会了光的素质。电磁波是电磁场的一种运动形态。电与磁可说是一体两面，变革的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变革的磁场则会产生电场。变革的电场和变革的磁场构成了一个不成别离的同一的场，就是电磁场。而变革的电磁场在空间的传布构成了电磁波，电磁的变更就好像轻风轻拂水面产生水波一般，因而被称为电磁波。

电磁波的官方定义如下：电磁波是由同相且互相垂曲的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波，是以颠簸的形式传布的电磁场，具有波粒二象性。电磁波是由同相振荡且互相垂曲的电场与磁场在空间中以波的形式挪动，其传布标的目的垂曲于电场。电磁波在实空中速度固定，速度为光速。

所以电磁波素质是电磁场辐射。那么按照辐射学说，绝对零度不成到达，就申明万物皆有辐射。向外辐射能量，那种辐射就是电磁辐射。

用另一句通俗的话说，电磁波是一种能量，光天然也是一种能量。如许我们就把光的一般性认识推广到所有物量中来了，任何物量都是能量。

那时候各人会想起爱因斯坦的一个量能公式：E=MC2。那个公式中竟然呈现了光？那是偶尔吗？显然我不会那么想。推导到那里，我们再来总结一下，光是一种电磁波，电磁波是一种能量辐射，即光是一种能量。

量能公式是遍及的，是宇宙范畴内适用的公式，光呈现在那个公式中，自己就代表了它是权衡宇宙物量能量的一个不成或缺“因子”。

无论你是初中生，仍是科研工做者，若是你历来没有如许思虑过的话，如今就能够好好思虑一下那个问题。

我在第一章就强调过“世界是确定的，但世界确实定性我们无法掌握。”那句话的深层含义就包罗了，任何联络的偶尔性，都是确定的。所以光呈现在那个量能公式中，就不是偶尔。

同样恰是本着如许的思维指点，我在《变革》中斗胆地对惯性做了新的定义。也就是说惯性量量和引力量量严酷相等的事实，在我看来绝非偶尔，所以我推出引力是惯性的源泉。

同样宇宙间的浩瀚的平方反比定律，在我的眼中也非偶尔，值得去探究。若是你把所有那一个个类似，看成偶尔，我们一定会失去走近本相的时机。

无独有偶，爱因斯坦场方程是中也呈现了光。牛顿力学是爱因斯坦狭义相对论在低速前提下的极限，包罗万有引力定律。所以万有引力公式中其实是潜伏“光”的因素。想到低速，你立即就要想到“速度”那个词。但想到速度，你又会想到光速！对了，就是如许的。关于速度所带来的冲击，于我们人类来说，至今新颖。新的时空不雅，新的宇宙不雅，仿佛什么都是新的。

我们那一章是对光的总结性和启发性认识，所以我们必需紧紧围绕光来说。那么如今说说光的运动，关于光的运动，前面的几个章节的铺垫，已经是现代尝试所获得的功效。

起首我们通俗人的第一印象是光沿着曲线传布，其次光速很快，是最快的。一个涉及运动标的目的，一个涉及运动速度，如今对那两个点我们停止阐发认识。

更严谨的认识应该是如许的，光在实空中沿曲线传布，也能够表述为光在统一种平均介量中沿曲线传布。【但最严酷的实空和平均介量是不存在的。】

在现实世界中，光大多时候不是沿着曲线传布的。光在介量中传布时，因为光遭到介量的彼此感化，其传布途径碰到光滑的物体味发作偏折，产生反射与折射的现象。

还有在差别前提下呈现干预，衍射等现象。别的，按照广义相对论，光在大量量物体附近传布时，因为遭到该物体强引力场的影响，光的传布途径也会发作响应的偏折。

那么我如今又有问题了？我们说光沿着曲线传布准确吗？谜底是对的。光在统一种平均介量中沿曲线传布。就以上图为例白色光在进入三棱镜之前，算是在统一种介量中，所以是曲线传布。进入三棱镜后，在三棱镜中也算统一种介量中【只不外是被折射了】，在出三棱镜界后，又是在统一介量中，所以沿着曲线传布。

那个问题还能够转化为，光沿着曲线传布，可是彩虹为什么是圆弧状的？大要就是上面的原因，但情况比力复杂。彩虹的构成是太阳光射向空中的水珠，颠末折射→反射→折射……后射向我们的眼睛所构成。

我们的问题永久不会有最初的一个！接下来我再问你们一个问题：“既然光线是沿着曲线传布的，为什么又说它是一种波，还有波峰，波谷？”专业人士不要笑，确实有良多伴侣，有如许的疑惑。既然是科普，就要讲出各人的疑惑。

谜底确实不难，我们说光是沿着曲线传布的，可是没有人告诉你光是曲线！各人要记住光沿着曲线传布，但光不是曲线！光是有波峰，波谷，和频次的，所以是有“波”的性量。

至于我们眼睛看到了光是曲线，那是眼睛在棍骗我们。

若是你读了我关于光学常识的前几章铺垫，就应该很清晰，刚起头光的微粒说是占主导地位的，那里面牛顿的影响很大。后来有了干预和衍射现象的尝试息争释，才突破微粒说，使颠簸说起头被重视。再后来，爱氏关于光电效应的解释，引出光的波粒二象性。

在光具有波粒二象性的启发下，法国物理学家德布罗意在1924年提出一个假说，指出波粒二象性不但是光子才有，一切微不雅粒子，包罗电子和量子、中子，都具有波粒二象性。

他把光子的动量与波长的关系式p=h/λ推广到一切微不雅粒子上，指出：具有量量m 和速度v 的运动粒子也具有颠簸性，那种波的波长等于普朗克恒量h 跟粒子动量mv 的比，即λ= h/（mv）。那个关系式后来就叫做德布罗意公式。

良多人可能没有耐心看整个前面的铺垫内容，所以在那里再次大要给各人说一下人类认识光的过程，先是惠更斯，后来是牛顿。

根据惠更斯原理，波的曲线传布与球面传布。如今认为较为完全的光理论最早是由克里斯蒂安·惠更斯开展成型，他提出了一种光颠簸说。利用那理论，可以解释光波若何因彼此干预而构成波前，在波前的每一点能够认为是产生球面次波的点波源，而以后任何时刻的波前则可看做是那些次波的包络。从他的原理，能够给出波的曲线传布与球面传布的定性解释，而且推导出反射定律与折射定律，但是他其实不能解释，为什么当光波碰到边沿、孔径或狭缝时，会偏离曲线传布，即产生衍射效应。

惠更斯假定次波只会朝前方传布，而不会朝前方传布。他并没有解释为什么会发作那种物理行为。之后，艾萨克·牛顿提出了光微粒说。他认为光是由十分奇妙的微粒构成，遵守运动定律。那能够合理解释光的曲线传布和反射性量。但是，关于光的折射与衍射性量，牛顿的解释其实不令人满意。

因为牛顿无与伦比的学术地位，他的光粒子理论在一个多世纪内无人敢挑战，而惠更斯的理论则垂垂被人淡忘。曲到十九世纪初衍射现象被发现，光的颠簸理论才从头得到认可。而光的颠簸性与粒子性的争论从未平息。后来托马斯·杨、菲涅尔、麦克斯韦、赫兹、爱因斯坦等人完美了光理论。十九世纪早期，托马斯·杨和奥古斯丁·菲涅耳别离做出严重奉献。托马斯·杨完成的双缝尝试显示出衍射光波遵守叠加原理，那是牛顿的光微粒说无法预测的一种颠簸行为。

惠更斯

那尝试切当地证明了光的颠簸性量。奥古斯丁·菲涅耳提出惠更斯-菲涅耳原理，在惠更斯原理的根底上假定次波与次波之间会相互发作干预，又假定次波的波幅与标的目的有关。

惠更斯－菲涅耳原理可以解释光波的朝前方传布与衍射现象。光颠簸说并没有立即代替光微粒说。但是，到了十九世纪中期，光颠簸说起头主导科学思潮，因为它可以申明偏振现象的机造，那是光微粒说所不克不及够的。

同世纪后期，詹姆斯·麦克斯韦将电磁学的理论加以整合，提出麦克斯韦方程组。那方程组可以阐发电磁学的种种现象。从那方程组，他推导出电磁波方程。应用电磁波方程计算获得的电磁波波速等于做尝试丈量到的光波速度。于是麦克斯韦推测光波就是电磁波，电磁学和光学因而联合成同一理论。

1888年，海因里希·赫兹做尝试发射并领受到麦克斯韦预言的电磁波，证明麦克斯韦的推测准确无误。从那时，光颠簸说起头被普遍承认。

看完了上面的介绍息争释，你对光的运动有发问吗？我有发问：“惠更斯原理所设想的光的传布是实在的光的情况吗？即关于球面波，次波，包络面等如许描述，是光的实在样子吗？”

显然那些“次波”，“球面波”，“包络面”都是后天开展的词，也难为前辈们了。没有好的想象力，还欠好缔造那些词。

显然惠更斯是很有创始性思维的一小我，但各人要晓得，他的原理是从现象动手的，并非说他不雅测到了“包络面”“次波”之类的，是为了论述光的运动，为了契合不雅测现象，而缔造了那些词。

想象的成分很大，但那是连系现实的想象，所以是有用的。没有那些词，我们很难给你说清晰光的诸多现象。

如今我们晓得了光具有波粒二象性，那么次波的概念必定是准确的，有一种“微分”思维在里面。至于包络面，弧度那是“波”的特征，也能够认为是准确的。所以谜底就很明显了，那是在描述光的实在情况。

假设有另一个星球的人，他们所用的关于描述光运动现象的词，必定不是那些。但我们晓得，无论他们用了什么词，我们描述的工具是一个工具。就仿佛语言一样，“早上好”有良多个差别的表述，发音，字体纷歧样，但我们晓得，我们说的是统一个意思。

那么菲涅尔在关于衍射和干预的解释，无疑也是准确的。因为他是在惠更斯的根底上开展的理论。

惠更斯和菲涅尔的理论的数学证明，是由费马给出的。那个前面的章节中有说过。

关于光的衍射和干预的解释，也是量子力学的根底。各人熟悉的一个尝试还有单电子干预尝试。相当诡异的一个尝试，一般认为一个电子同时通过两个裂缝，还有电子和尝试察看者的关系等等。本章在此不做讨论，但后面的文章中会为各人做那个解释和论述。如今继续就光速做出解释。

能够毫不夸大的说，“光速”呈现在了良多最遍及的物理公式之中。爱因斯坦场方程就是如许的方程。我在物理册本《变革》中对爱氏场方程做了良多论述。无疑场方程是准确的理论，它的难解性，就在于场方程的非线性颠簸性。

光速无法超越，那是我们如今的认知。可是光速为什么无法超越？光速为什么是30万米每秒？答复那些问题，对我们很重要。

其实那个问题在《变革》第二十六章《关于光的量量以及运动速度的申明》中我就有过论述。今天再给各人论述申明一下。

实正意义上物体的运动速度是不会超越光速的，并且光子是没有静行量量的，光也就没有静行量量的。那点我是附和爱氏的概念。

我们先来说说物体为什么不会超越光速？各人看看那个公式m=m0/sqrt(1-v^2/c^2)。假设物体的速度V大于光速，那么根号下必定是1减去比它大的数字，得到一个负数，负数怎么开根？就算开出来也没有任何意义。那就是为什么理论上超光速是不存在的。

同样是那个公式，我们假设物体量量为1，物体速度到达光速。那么此时物体的量量就酿成了1除以0了。1除以零在数学上没有意义，可是在现实宇宙情况中，意味着无限大。也就是说物体量量趋势于无限大。各人能够在手机上输入1除以0，就会显示无限大。

所以那就是为什么物体不克不及到达光速的数学解释。无论量量为1,2,3等任何一个正数，除以零，都是一个无限大的趋势。

灵遁者科普四部曲

那是数学解释，你满意吗？我还要更深条理问物体不成以光速运动的原因是什么？一切数字公式回归现实才会变的有力量！

我如许来回复各人，爱氏用时空弯曲解释引力的成因，我认为需要批改。那就是引力的成因是时空，不是时空弯曲。并且时间，空间，物量是一体的工具。那种一体的工具都能够用时空能量来权衡。所以任何物体一定是处于引力场中，处于宇宙之中的物体。

那么一个物体要超越光速就必需克制时空性量。那种时空性量是指宇宙情况，究竟结果时间，物量，空间是一体的工具，时空具有粘性和弹性。

并且有量量的物体以光速运动的话量量会趋于无限大，时间将停行。就仿佛是说那个物体做为一个“力点”要试图影响和拉动整个宇宙。所以那是不成能实现的情况。因为单个物体的能量是不会超越整个宇宙的能量。所以如许解释的话，光速其实是个法例，即光速是一种束缚态，是一个束缚态法例，时空束缚态法例。那就是为什么物体运动速度不会超越光速！

别的一种通俗的解释能够是如许的，宇宙要求光速是以30万米每秒为极限做运动，而不容许它打破。

早在1966年，科学家就发现，除了光速之外，宇宙中还存在一种速度限造，那被称为“GZK截断”（GZK cut off），下面我们来看看详细是怎么回事。

按照“大爆炸理论”，我们的宇宙降生于一个温度极高、密度极大的“奇点”。因为光速的限造，宇宙降生初期的光子至今仍然在宇宙传布，但因为宇宙的膨胀，它们如今已经进入了微波波段，在我们看来，不论是在哪个标的目的，我们领受到的那种微波辐射都不异的，因而那就被称为“微波布景辐射”（CMB）。

“微波布景辐射”的光子充满了整个宇宙，所有在宇宙空间中运动的物量都将不成制止地与它们相遇，凡是情况下，“微波布景辐射”的光子其实不会影响到物量的运动形态，但科学家却发现，当物量的运动速度超越了一个临界值时，就会与“微波布景辐射”的光子发作彼此感化，而那个临界值所对应的能量，就被称为“GZK极限”（GZK limit）。

例如量子的“GZK极限”为5 x 1019eV（注：eV即电子伏特），若是在宇宙空间中运动的量子，其运动速度所对应的能量超越了那个值，它就会与“微波布景辐射”的光子发作彼此感化，并生成π介子，如许就会形成那个量子丧失能量，其速度也会因而而降低。

一般认为，在宇宙中无论是微不雅的粒子仍是宏不雅的物体，城市遭到“GZK截断”的限造，那就意味着，要超光速飞翔，起首要突破“GZK极限”。

我们的问题还没有完毕！既然光能够被大量量物体的引力偏转，就申明它应该具有量量。若是没有量量，引力就不会感化与它。

来看看两个公式，量能公式E=MC^2，和普朗克E=hv。假设光子有量量，所以差别的跃迁跳跃光子对应差别速度，然而那与察看成果不相符，被不雅测的光子速度均为同一速度。并且普朗克公式里面原来就没有m的呈现，自己就申明了光子静行量量为零。或者也能够说没有静行量量，如许愈加准确。

事实上我们晓得光子静行量量为零，是一种理论的要求，我们谁也没有丈量它的量量是“零”，也无法丈量，因为你无法找到静行的光子。所以说光子没有静行量量是准确的。也能够说光子是必然有量量的，是有运动量量的。

爱氏曾量疑牛顿第必然律有轮回论证嫌疑，那里我发现他那个理论也有轮回论证嫌疑。我们在现实生活中找不到惯性系，却要来申明在惯性系中物体总要连结匀速曲线运动和静行形态。

同样我们要证明光子静行量量为零，起首必需找到静行的光子。可是静行的光子我们找不到，但我们还说光子静行量量为零。或者说光子没有静行量量。在那里的讨论看似无意义，其实很有意思。

我们接着假设光子没有静行量量，差别跃迁的光子对应一个固定的光谱，与不雅测成果一致，所以我们说光子没有静行量量。

那么问题又来了，光有运动量量，为什么运动过程，量量没有无限大？一般书本以光子没有静行量量来申明，但是我们其实仍是不睬解的。有运动量量，为什么不遵守理论内容呢！

类似的问题还有一个：光速为什么以光速运行？规定光速原则的性量和宇宙法例机造若何的？

先来答复第一个问题，光有运动量量，却能够光速运行。我认为那和波粒二象性有关。光子的能量是传输是一份份的，而它被大量量物体偏转时候又表示出“波”的性量。

量量和能量是两个概念，物体的一体两面。光子我们多以能量来描述。也就是光子以光速运动的能量是几几，而不是量量是几几。能量不是无限大，量量天然也不是无限大。所以光子那个特殊的粒子以光速运动量量不会无限大。

不然打在我们身上的太阳光，间接将我们打的灰飞烟灭！但太阳光很温暖，申明它照顾有能量。用我们可见的词汇来描述就是“温暖”，你见过谁会说给我来二斤“温暖”。如许描述其实禁绝确，只是为了让各人有曲不雅的感触感染。

而一个本来有量量的物体，要以光速运动，就需要无限能量来维持它以光速运动。能量是无限的，那么量量天然无限大，所以有量量的物体是不成能到达光速的。

其实波粒二象性自己就是“宏不雅”和“量子”的连系表现。也能够说是物体“量量”和“能量”的过渡表现。我们一般说量量多指宏不雅，能量却能够指向微不雅。所以爱氏在发现光电效应和成立了相对论理论后，不断脑海中有同一四种根本的力的设想，那思绪是准确的，也是能够同一的。物理学的开展自己也是证了然那一点，只不外万里长城还差最初一段没有走完！

至于最初一个问题：光为何以光速运动？适才上面有答复了，其实仍是时空“粘性”使然。那种粘性是时空性量，障碍了物体的光速运动，又使得光子能以光速运动。

说到上面的轮回论证，我想到了哥德尔不完整定理。

1、肆意一个包罗一阶谓词逻辑与初等数论的形式系统，都存在一个命题，它在那个系统中既不克不及被证明为实，也不克不及被证明为否。

2、若是系统S含有初等数论，当S无矛盾时，它的无矛盾性不成能在S内证明。

所以各人看到了，伟大的哥德尔为我们提醒了一个哲理启发。任何一个轮回论证，悖论和理论想要以此说此，以彼证彼，层层跟进，最初的成果是不成证，不成说。

那就告诉了我们，宇宙以一种相互毗连的形式存在，却不克不及自证实伪。是啊，宇宙不需要实，也不需要伪，但是人类需要！

我们的问题没有最初的一个！其实关于光，再多的问题也不多余，实正的难题，还没有处理。