问题

为什么光能在真空中传播,而声音不能?

回答
你这个问题问得很有趣,也触及了光和声音本质上的不同。简单来说,光是一种电磁波,而声音是一种机械波。这两者的传播方式,决定了它们能否在真空中穿行。

我们先从光说起。

光,你可以想象成一种在空间中荡漾的能量涟漪。但这种涟漪不是由物质的振动产生的,而是由电场和磁场的周期性变化引起的。它们就像一对孪生兄弟,相互激发,在空间中以波的形式向前传递。

想象一下,你把一块磁铁靠近一个带电粒子,磁场会作用在粒子上,让它加速。一旦粒子动起来,它就会产生一个变化的磁场。这个变化的磁场又会反过来影响周围的电场,让它发生变化,从而产生一个新的变化的磁场……就这样,电场和磁场的“舞蹈”在空间中不断延续,能量就被这样传递出去。

关键在于,电场和磁场本身就存在于空间之中,它们并不需要任何“介质”来承载。即使是空无一物的真空,也充满了它们。所以,当太阳发出的光穿过浩瀚的宇宙,到达地球的时候,它就是在这种电磁场的“舞蹈”中前进的。它不需要像我们说话时空气分子那样,一个挨一个地传递振动。

再来看看声音。

声音就完全是另一回事了。声音的产生,是因为物质的振动。比如,你敲击鼓面,鼓面就会振动,然后带动它周围的空气分子也跟着振动。这些空气分子又会将振动传递给它们旁边的空气分子,如此一层一层地传递下去,最终进入你的耳朵,让你的鼓膜振动,你就能听到声音了。

声音的传播,本质上就是物质的振动在介质中的传递。这个介质可以是空气、水,甚至是固体,比如你把耳朵贴在桌子上,敲桌子也能听到声音。这些物质是由无数的原子或分子组成的,它们像微小的弹珠一样,通过相互挤压、碰撞来传递能量。

你想想,如果没有任何物质分子,比如在真空中,就没有这些“弹珠”可以来回碰撞了。振动没有载体,也就无法传递。所以,声音需要一个“媒介”来帮助它传播,而真空恰恰就是没有媒介的状态。

这就好比你在水里扔一块石头,水波会向四周扩散,这是水作为介质的功劳。但如果你在太空中(理论上是真空),你尝试发出声音,就像你尝试在水里制造水波但没有水一样,是徒劳的。

所以,总结一下:

光是电磁波,依靠电场和磁场的相互作用传播,不需要任何介质,能在真空中传播。
声音是机械波,需要物质介质(如空气、水、固体)的振动来传递,一旦失去介质,就无法传播。

这就是为什么我们可以看到遥远的星星发出的光,却听不到太空中的任何声音的原因。它们一个能在“空无一物”的地方跳舞,另一个则需要“热闹的场地”才能歌唱。

网友意见

user avatar

(我平时很少回答长文,没有精力去做,趁着假期写一下好了)。

首先,这个题不严谨

声音可以在真空中极短距离传播(600nm),原理是量子涨落,参考如下最近论文

论文通讯作者张翔老师(大佬,原先在UCB,现在港大校长)认为,由于分子振动也是声音传播的基础,因此这一发现暗示了声音也可以通过真空传播。

对于真空能传递热量和声音这件事情,早在几十年前就已经做出预测。


真空也会产生压力

1948年,一位名叫卡西米尔的荷兰物理学家预测,在真空中的两块中性的金属板会受到压力的作用而相互靠近。

当金属板的距离缩小到10纳米,也就是大约100个原子直径时,真空施加的压力将会达到1个大气压。



十年后,他的预言得到了实验验证。

为何真空会产生压力呢?“真空”真的是空无一物吗?量子力学不这么认为。

量子力学认为,一个物体的位置和速度不可能同时测准,也就是说物体不可能完全静止下来(否则速度精确为零)。这也就意味着,即使处在最低能量的状态,能量也不可能为零。

对于电磁波也是一样,量子场论指出,即使一个空间中没有任何原子、没有光,但其中仍然存在一些量子场的波动。

就好像有无数弹簧和小球充满了我们所在的空间,而且在不停地振动。这种现象被物理学家叫做量子涨落

一般情况下,这些振动产生的效应是相互抵消的,但是当空间中加入金属板后,一切都变得不一样了。

两个非常平滑的金属板相互靠近时,金属板之间因量子涨落产生的电磁波会受到限制,只有一些特殊的波会存在,它们在金属板表面处的振幅必须为0。

而在金属板外,电磁波不会受到这样的限制,因此外部存在的电磁波模式会多于内部。



电磁波的照射,本质上就是光子打在金属板上,会产生压力。

外面的电磁波模式更多,产生的压力也更大,所以会产生一个总体向内的压力。

这一物理现象被称为卡西米尔效应,真空产生的力也被叫做卡西米尔力

壁虎的脚能粘到墙上,就是卡西米尔力宏观体现的一个例子。

但是这种力随着距离的增加而迅速下降,只有在亚微米的距离上才能观测到。直到纳米技术的发展才让观测卡西米尔力成为可能。

除了宏观可见的压力,卡西米尔力也会附带产生其他物理现象,比如不借助热辐射,就是可以在两个不接触的物体之间传递热量。


大家对壁虎的脚很感兴趣。

研究发现壁虎的脚之所以黏在墙上,不是因为吸盘的压力原理。而是它脚上的绒毛产生的范德华力。范德华力来自相邻分子或原子之间电荷分布的波动。不管亲水疏水都能产生这种波动,所以范德华力不挑食,什么墙壁材料都粘上去。

范德华力是产生于分子或原子之间的吸引力,也称为分子作用力。这种力普遍存在于组成固体、液体和气体的粒子之间。它比化学键弱得多。范德华力有三种来源,即色散力、诱导力和取向力。色散力是分子的瞬时偶极间的作用力,它的大小与分子的变形性等因素有关。一般分子量愈大,分子内所含的电子数愈多,分子的变形性愈大,色散力亦愈大。

1948年,荷兰物理学家卡西米尔发表论文指出,真空中两块电中性、完美导电的平行金属板可以相互吸引,这种效应就被称为卡西米尔效应,相应的力被称为卡西米尔力。直到今天,科学家们并没有能够完全理解卡西米尔效应。从卡西米尔效应诞生之初,范德华力就被纳入卡西米尔效应体系,因为“瞬间偶极-偶极作用”静电吸引这样的思路,与卡西米尔效应有一致之处。尽管如此,卡西米尔力和范德华力其实还是有明显的区别。体现在作用距离、力的量级、表达式上。

随着物理学的发展,如今的卡西米尔效应已经不是早期真空中两块平行金属的压力,其应用领域已经拓展到了任意键介质系统的自由能及分子力(范德华力)。并用卡西米尔效应,解释了液氦的超流现象。随着研究的深入,物理学家们发现,卡西米尔力与范德华力都是分子间作用力,其本质都是量子涨落(范德华力就是不考虑相对论时延的卡西米尔力,实际上它们可以有统一的理论处理(量子场论))因而当前,卡西米尔效应已经广义化,包含着更多的物理意义,比如,真空涨落已经不局限于电磁场、甚至涨落都已经不局限于量子场。卡西米尔效应是一个更加广义的概念。


真空热传导

热量,其实就是物体内部原子振动,物理学家把这种原子的集体振动叫做声子。声子不是真实的粒子,只是描述原子振动模式的一种“准粒子”。

在这些声子的作用下,物体的表面会随着时间而起伏。当两个物体相互靠近时,由于第一个物体表面的起伏,第二个物体因受到卡西米尔力的作用,也会同样起伏。

因此,声子就这样穿过真空,传输到了第二个物体上。



声子是热量的载体,当卡西米尔力将声子通过真空间隙传递时,热量也会同时被传递过去。

真空涨落产生的电磁波(也就是光子)就像弹簧一样把两个物体连接起来。较热物体中的声子可以将热能传递给光子,然后光子继续将能量传递给较冷物体。

原则上,太阳产生的热量也会通过这种方式传递给地球,但是日地距离太远了,主要的热量还是通过太阳光来传递。

当两者距离很小时,卡西米尔效应产生的热传导将超过热辐射,占据主导地位。

这种由卡西米尔力传导热量的现象,早在2011年就已经被理论模型所预测,但是这种效应太微弱了,很容易被其他现象掩盖。

现在,加州大学伯克利分校的科学家们,通过实验精确测量了这种传热模式。

张翔团队和花费了四年的时间,才完成了实验的设计和测量。

实验对温度、距离和对齐方式的要求非常苛刻。炎热的天气会使实验室升温,在夏季无法进行实验。此外,测量本身要花费很长时间才能消除噪声,测量每个数据点都需要花费四个小时。


真的可以

要证明真空中能实现热传导,团队在真空环境里放了两片氮化硅膜,它们之间相距几百纳米。

两片氮化硅膜的尺寸不一样,一片是330×330微米,另一片是280×280微米,但厚度都是0.1微米。



为了产生卡西米尔效应,科学家在每片氮化硅膜的两面都镀了金 (75纳米) ,在真空中反射电磁波。

两片薄膜之所以面积不一样,是为了让二者在不同的温度下有相同的振动频率,让两片薄膜达到共振,更高效地交换能量。

另外,两侧还要用激光干涉技术来测量膜表面的分子热运动。

既然加了激光,就要避免热光加热 (Thermo-Optical Heating) 产生的影响,最大程度保证温度的升高就是来自真空热传导。于是,团队用最低功率的激光,以20dB的信噪比解决了基本频率下的热机械噪音。



  要证明热传导真的发生,只要加热其中一片氮化硅膜,看另外一片有没有被加热。

  结果发现,另一片氮化硅膜真的被加热了,因为膜两侧出现了温度差。在这个过程中,热辐射发出的热量相比热传导,可以忽略不计。

  传输热量的多少,就与两侧的温度有关。根据热传导定律,温度差与两个相互作用的膜之间的传热量成正比。

  研究人员测量了在不同距离真空间隙的条件下,膜之间传递的热量。他们发现测量结果准确地符合了卡西米尔效应传热的理论估计值。



  至于温度是怎样测定的,团队依靠声子模式 (Phonon Modes) 的热布朗运动,来量化它们的温度变化。

  热布朗运动的测量,可以与膜表面的原子温度关联起来,所以也可以用作为衡量温度的工具。

  他们发现,当膜之间的距离小于600纳米时,开始表现出其他现象无法解释的温度变化。在400纳米以下,热交换速率足以使两片膜很快达到几乎相同的温度。

  研究人员由此计算出,大约需要50秒时间,才能将能量转移到一个可见光子中。这个数字看似微不足道,但张翔指出,它仍然构成了“物体之间热量传递的新机制”。


而长距离传播下,声音不能在真空中传播是因为,微观讲量子效应不明显,宏观讲是没有可以振动的介质。


下面简单科普一下波的概念,光波和声波都波的一种。

波主要有三种:介质波/机械波、电磁波、物质波


介质波/机械波需要介质和振源,生活中比较常见,诸如声波、水波

波动方程的形式为

V是波速,它是由介质决定的,比如声波在空气中就是340m/s


第二类波是电磁波,像光波这样就属于电磁波,它不需要介质

方程为


第三类是(德布罗意)物质波。德布罗意他根据类比的方法把光的波粒二象性推广到更一般的物质粒子,提出实物粒子也具有波动性,即和光一样,也具有波动-粒子两重性。

类似的话题

  • 回答
    你这个问题问得很有趣,也触及了光和声音本质上的不同。简单来说,光是一种电磁波,而声音是一种机械波。这两者的传播方式,决定了它们能否在真空中穿行。我们先从光说起。光,你可以想象成一种在空间中荡漾的能量涟漪。但这种涟漪不是由物质的振动产生的,而是由电场和磁场的周期性变化引起的。它们就像一对孪生兄弟,相互.............
  • 回答
    半佛最近那期视频,标题直指“为什么能在真鞋店买到假鞋”,这话题确实炸裂,也够接地气,直戳人心。咱就掰开了、揉碎了聊聊,这事儿到底是怎么个情况。核心问题:信任链条的崩塌与利益驱动这视频的核心点,我觉得就是把一个我们心照不宣的潜规则给撕开了——就是我们以为“专卖店”、“官方授权店”就等于“绝对正品”,但.............
  • 回答
    特里芬困境,这个曾被用来描述布雷顿森林体系下美元作为国际储备货币所面临的两难境地,今天依然能为我们理解美国当前的贸易逆差问题提供深刻的视角。简而言之,特里芬困境指出,为了满足全球对美元作为储备货币的需求,美国必须持续向全球输出美元(即产生贸易逆差或资本外流),但这又会削弱美元的价值和国际信心。那么,.............
  • 回答
    在印度,像“真相访谈”(Truth in Print,此处假设为节目名称,若有误请告知)这样直言不讳,敢于揭露社会阴暗面和政府不作为的节目之所以能够存在并播出,背后是一个复杂且充满动态的媒体生态系统。理解这一点,需要我们深入探究印度媒体环境的几个关键方面,尤其是其所谓的新闻审查制度,以及媒体在其中扮.............
  • 回答
    碳纤维技术如今确实已经相当成熟,这一点在各个领域都有体现,自行车自然也不例外。但即便如此,在骑行圈里,国产自行车这个话题,依然能激起不少波澜,好评差评交织,让人眼花缭乱。这背后原因挺复杂,不仅仅是技术本身,还有很多其他层面的因素在起作用。首先,我们得承认,碳纤维的优越性是毋庸置疑的。它重量轻、强度高.............
  • 回答
    这个问题非常有意思,它触及到了动物界里一个经典的话题:猫科与犬科的实力对比。为什么在体型相当的情况下,猫科动物似乎普遍更胜一筹?以及,藏獒这样赫赫有名的犬种,是否真的能够被某些猫科动物超越?我们来深入探讨一下。首先,我们得明白,这里讨论的是“通常情况”和“同体型”。这意味着我们要排除掉一些极端情况,.............
  • 回答
    现在商超里刮起了一股“付费会员制”的风,到处都能看到它的身影。从前大家熟知的积分、打折,到现在要先掏钱成为会员,这变化可不小。这背后究竟是什么逻辑在支撑?会员经济为什么这么火?消费者们真的能从里头捞到实惠吗?咱们今天就来好好掰扯掰扯。为什么商超这么热衷于推付费会员制?说到底,这事儿跟“留住人”、“吃.............
  • 回答
    这个问题触及了量子力学的核心,也是最引人入胜也最令人困惑的地方之一。你提出的“有观察者的时候光是成粒子态的”这个说法,其实是一种比较流行的、但并不完全准确的理解。咱们来好好掰扯掰扯,看看是怎么回事。首先,我们得明确一个概念:光,在量子力学里,从来都不是“要么是波,要么是粒子”这么绝对的二选一。 它更.............
  • 回答
    中华人民共和国在联合国取代中华民国取得中国代表权是一个复杂而漫长的外交斗争过程,其背后涉及政治、军事、经济以及国际格局的深刻变化。以下将详细讲述这一过程。一、 历史背景:国民党与共产党的内战及联合国成立初期 国共内战与中华民国代表权: 在联合国成立之初(1945年),中华民国作为战胜国之一,是联.............
  • 回答
    儒家思想之所以能在中国历史上立于主流两千多年,是一个极其复杂且多层面的现象,其成功并非偶然,而是与中国社会的历史发展、政治需求、文化特质以及儒家思想自身的内在优势紧密结合的结果。以下将从多个角度详细阐述其原因:一、 适应并回应了中国社会发展的主流需求: 早期社会稳定与秩序的需要: 在春秋战国时期.............
  • 回答
    成龙大哥在上世纪之所以能拍出《快餐车》、《飞鹰计划》等一系列带有浓厚欧洲风情,并且大量启用欧洲演员的电影,这背后其实是一系列时代背景、个人机遇以及电影工业发展的共同作用。而如今,虽然成龙依然活跃,但类似风格的作品确实少了,这同样也跟电影市场的变化、他自身角色的转型以及制作模式的演变有关。咱们就来掰扯.............
  • 回答
    中国女足在亚洲杯上之所以能有如此出色的表现,绝非偶然,而是多种因素叠加、厚积薄发的结果。这其中蕴含的精神,更是值得我们细细品味。实力铸就辉煌:技术、战术与体能的全面提升首先,我们必须承认,中国女足的技战术水平和身体素质在近年来有了显著的进步。这得益于系统性的青训体系建设,以及国内联赛水平的提升。 .............
  • 回答
    奥陶纪海洋的霸主地位,对于我们这些仰望星空、回望地质时代的人类来说,似乎有些难以想象。毕竟,如今海洋的统治者是那些庞大、聪明、掌握着复杂科技的鲸豚类,而体型和智力都相对简陋的头足纲,却能在那个遥远的时代独领风骚,甚至以比它们“更复杂”的生物为食。要理解这一点,我们需要穿越时空,回到那个亿万年前的奥陶.............
  • 回答
    德国之所以能在二战后那片满目疮痍的土地上迅速崛起,最终成为发达国家,这绝非偶然,而是多重因素共同作用的结果。这其中既有外部的援助力,更有着德国自身深刻的反思、坚韧的毅力以及对未来清晰的规划。一、战争创伤与重建的动力二战给德国带来了毁灭性的打击,城市被夷为平地,工业基础荡然无存,民众生活在水深火热之中.............
  • 回答
    哥斯拉之所以能在水面上浮起来,这其中涉及到物理学中的浮力原理,但要理解它,我们还需要结合哥斯拉这个虚构巨兽的特殊设定来解释。首先,我们从最基本的物理学原理说起:浮力。根据阿基米德原理,浸在液体中的物体会受到一个向上的力,这个力的大小等于它排开的液体的重力。要让一个物体浮在水面上,就需要满足一个条件:.............
  • 回答
    要理解爱因斯坦如何在“物理学理论已接近完成”的时代颠覆牛顿,我们得先回到那个时代人们的普遍认知。当时,也就是19世纪末20世纪初,物理学确实取得了辉煌的成就。牛顿力学在解释行星运动、物体下落等宏观现象上无往不利,麦克斯韦电磁理论则统一了电和磁,并预言了光的波动性。这些理论像两根巨大的支柱,支撑起了人.............
  • 回答
    .......
  • 回答
    苏联军队在很短时间内击败在东北经营多年的关东军,这背后是多重因素共同作用的结果,其中最关键的便是战略优势、兵力及装备优势、日军的准备不足以及战场环境等。以下将详细阐述这些原因:一、 战略上的绝对优势与周密准备 战略时机选择的精准性: 苏联进攻满洲的时机选择得极为精准。此时,德国在欧洲战场已接近崩.............
  • 回答
    英国政权能够长期保持理性,是一个复杂且多层面的问题,并非单一因素可以解释。它涉及历史、制度、文化、社会和政治哲学等多个维度的相互作用。以下我将从几个关键方面进行详细阐述:1. 深厚的历史传承与制度演进的韧性: 漫长的议会制发展: 英国的议会制并非一蹴而就,而是经历了几个世纪的漫长演进。从大宪章(.............
  • 回答
    南宋之所以能在蒙古大军压境的严峻形势下,从1234年(蒙古灭金)一直坚挺到1270年左右,这其中原因复杂,绝非单一因素所能概括。这是一个充满斗争、智慧、运气与妥协的历史进程。要详细阐述,我们得从几个关键层面去理解。一、 南宋自身的力量与韧性:虽然国力相比全盛时期有所衰退,但南宋并非一触即溃的纸糊裱糊.............

本站所有内容均为互联网搜索引擎提供的公开搜索信息,本站不存储任何数据与内容,任何内容与数据均与本站无关,如有需要请联系相关搜索引擎包括但不限于百度google,bing,sogou

© 2025 tinynews.org All Rights Reserved. 百科问答小站 版权所有