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电磁波速度(电磁波的频率存在上限吗?)

  电磁波速度(电磁波的频率存在上限吗?)
  如下图所示,伽玛射线爆会释放出宇宙中最强大的电磁辐射,但它的频率并不是最高的。中子星或者黑洞合并时会在短时间内释放出大量的伽马射线,超大质量恒星爆炸时也会在短时间内释放出大量伽马射线,这就是伽玛射线爆。它是宇宙中最强大的能量活动。
  伽玛射线的频率非常高,频率范围在10^18Hz~10^22Hz之间,波长不到0.001纳米。当原子核发生能级跃迁时,便会产生伽马射线。核武器和核反应堆中就有它的存在,它能够对人体产生非常大的危害。那么还有比伽玛射线频率更高的电磁波吗?电磁波的频率存在上限吗?
  为了讨论这个问题,让我们先来了解一下电磁波的相关知识。
  什么是电磁波?
  现如今,人类的生活已经离不开电磁波了。从微波炉到电视、电话,从移动网络到WIFI,都需要用到电磁波。它虽然看不见、摸不着,但它在我们的生活中已经根深蒂固了。
  电磁波并不神秘,它是在空间中以波动形式传播的电磁场,具有波粒二象性。频率越高,粒子性越强;频率越低,波动性越强。电磁波是横波,其传播方向与电场方向和磁场方向三者互相垂直。通常任何温度在绝对零度(-273.15℃)之上的物质或粒子都能够向外界辐射出电磁波,只是人眼只能感知到频率很窄的电磁波,被称之为可见光。
  上图为电磁波在空间中的传播方式示意图,传播方向不变,但是电场和磁场的方向却在不停的交互变换。
  早在19世纪,麦克斯韦就从理论上预言了电磁波的存在,认为光也是一种电磁波、电磁波的速度与光速相同。1888年,德国物理学家赫兹通过实验证实了麦克斯韦的预言。因为这些成就,赫兹(Hz)被用作国际单位制下频率的单位名称。
  上图为麦克斯韦的肖像,他是人类历史上最伟大的物理学家之一。电磁波的频谱
  频率就是电磁波在单位时间内完成周期振动的次数。在自然界中,电磁辐射往往和温度有关,温度越高,物体向外辐射出的电磁波的频率也就越高。可见,频率是电磁波一个很重要的特性。
  电磁波的速度就是光速(约30万千米每秒),由由于真空中的光速是恒定的,因此一旦确定了频率,波长也就随之确定了。电磁波的速度、频率和波长满足关系:c=λf 。
  基于频率,从低频到高频,我们将电磁波划分为:无线电波(又可细分为长波、中波、短波)、微波、红外光、可见光、紫外光、X光和γ射线,它们构成了一个完整的电磁波谱。其中人眼可见的电磁波的频率范围为在 3.9×10^14~8.6×10^14 Hz 之间,对应的波长范围在400~760nm之间。不过有少数人可以感知到波长范围在380nm~780nm的电磁波。
  电磁波的频率可低至几千赫兹,此时电磁波的波长可达几十千米。由于电磁波的频率较低时,其能量也较低,因此在传播过程中衰减的很厉害。虽然电磁波的传播不需要介质,但是当电磁波的频率较低时,需要借助有形的导电体才能传播。
  X射线又叫伦琴射线,常用于医学检查,它的频率为10^15~10^22Hz,没有伽玛射线的频率高。当原子中核外电子发生能级跃迁时,如果能量差较大,就会辐射出X光。紫外光可以用来消毒杀菌,有利也有弊,它也会对人的皮肤产生危害,太阳中就含有大量的紫外光,幸亏地球大气层有臭氧,可以阻挡大部分紫外光。而任何有温度的物体都会向外辐射出红外光,夜视仪或热成像仪就是基于这个原理。无线电波的频率约为 10KHz~30GHz,无线通信就是靠的它。频率越高,单位时间内能够传递的信息就越多,所以说5G网络使用的无线电频率就比4G网络高。
  如上图所示,核外电子发生能级跃迁,并辐射出能量为ΔE的光子。普朗克常数是定量,发生跃迁时释放的能量大小便决定着光子的频率。
  频率存在上限吗?
  伽玛射线的频率已经很高了,但这并不是最高的,科学家在实验室中已经能够产生10^26Hz的电磁波,此时的电磁波性质更偏像粒子。
  光速不变,根据波长和频率的关系,似乎只要波长无限短,电磁波的频率就能无限高。量子力学告诉我们,从微观世界来看物质的运动并不是连续的,而且存在最小的运动变化尺度。这并不是数学题,根据量子力学,电磁波的波长不能无限短,因此电磁波的频率必然就存在一个上限值。
  这个极短的长度被叫做普朗克长度,其大小约为1.6x10^-35米,仅相当于一个质子直径的10^22分之一。它是物质世界中存在的有意义的最短长度,没有比这还小的尺度了。普朗克长度的数值由万有引力常数G、光速c和普朗克常数h三者来决定。
  通过计算,理论上电磁波的最高频率不能超过1.9x10^43Hz。这与人类目前所能产生的超高频电磁波相比,它们之间相差了17个数量等级。频率这么高的电磁波,也许只能在宇宙大爆炸时才能产生。
  还可以算一算其它数据。根据波粒二象性,超高频电磁波可以看作粒子,即光子。光子的能量用公式E=hv(其中,h为普朗克常数,数值大小为6.6×10^-34 J·s ;v为光子的频率)计算。当光子的频率达到上限时,该光子的能量约为1.2x10^10焦耳。能量和质量存在联系,根据质能方程E=mc^2,该光子的能量所对应的质量约为0.00013克。
  由此可见,除了数学世界,真实世界中并不存在无限,总是存在各种各样的限制。不仅光的传播速度存在上限,光(电磁波)的波长或频率也存在上限。正因如此,宇宙中事物的运动变化才有规律可循。

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