光速與真空介電常數(shù)和真空磁空導(dǎo)率的關(guān)系

——靈遁者介電常數(shù)和磁導(dǎo)率這兩個詞，你一定在我的科普書中見過幾次了，或者你的老師也提到過。但對于這兩個詞，其實科普內(nèi)容或者教科書中都涉及的較少。網(wǎng)絡(luò)上關(guān)于這兩個概念的介紹，也不多。但我認(rèn)為這兩個詞的概念，很重要。尤其是對于光速而言。我在第四十四章《愛因斯坦是如何創(chuàng)立狹義和廣義相對論的》里有對光速進(jìn)行過說明。因為光速不變原理是愛氏相對論的基礎(chǔ)，所以不得不對這個問題進(jìn)行深入探討。而且大家也知道，光學(xué)理論的研究和發(fā)展，對于近代物理的每一次發(fā)展，都有很深的影響。所以本章可以看作是對光速的進(jìn)一步解釋和理解。而要解釋清楚光速，光速的本質(zhì)，離不開我上面提到的這兩個概念。這里還是再把四十四章的一個問題，拿出來再問一遍：你如何理解光速不變原理？關(guān)于光速不變原理的理解。注意再看一遍：光速不變原理是指真空中的光速對任何觀察者來說都是相同的。不要盯著光速值看，要看根本。就好比我問你：現(xiàn)在的光速值被認(rèn)定為299,792,458米每秒。假如100年后，光速值的測量變?yōu)?99792458.001米每秒，那么你會說愛氏的相對論是錯誤的嗎？很顯然就原理所述而言，沒有一點(diǎn)毛病，即使100年后光速測量變?yōu)?99792458.001的時候，愛氏的相對論依然是正確的。因為對于任何觀測者而言，光速都是這個值，光速是不變的。光速不變原理就是成立的。很多同學(xué)，一般會被光速值吸引，這是舍本逐末。在第四十四章中，明確說過這樣一句話，光速的本質(zhì)：光速【真空】是一種時空束縛態(tài)，光速為定值是時空使然。也就是時空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動，這種運(yùn)動就包含了以多大速度運(yùn)動。光是物質(zhì)，自然就遵從時空規(guī)律。也就是光速的多少與時空性質(zhì)有直接關(guān)系。更具體的的來說是真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù)，引力場共同決定了光的速度。各位這就是引出了我們要介紹的兩個概念了。先說說磁導(dǎo)率和真空磁導(dǎo)率。磁導(dǎo)率是表征磁介質(zhì)磁性的物理量。表示在空間或在磁芯空間中的線圈流過電流后，產(chǎn)生磁通的阻力或是其在磁場中導(dǎo)通磁力線的能力。其公式p=B/H，其中H是磁場強(qiáng)度、B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，p為介質(zhì)的磁導(dǎo)率，或稱絕對磁導(dǎo)率。通常使用的是磁介質(zhì)的相對磁導(dǎo)率u，其定義為磁導(dǎo)率p與真空磁導(dǎo)率p0之比，即u=p/p0。相對磁導(dǎo)率u與磁化率X的關(guān)系是：ur=1+xm。磁導(dǎo)率p，相對磁導(dǎo)「率ur和磁化率xm都是描述磁介質(zhì)磁性的物理量。時稱為“自由空間真空”或“經(jīng)典真空”。常用符號p0表示，由公式F=p0I2h/2na定義，此式是真空中兩根通過電流相等的無限長平行細(xì)導(dǎo)線之間相互作用力的公式，式中I是導(dǎo)線中的電流強(qiáng)度，a是平行導(dǎo)線的間距，F(xiàn)是長度為h的導(dǎo)線所受到的力，而稱p0為真空磁導(dǎo)率，其值為p0=4nX10-7牛頓/安培2,或者p0=4nX10-7特斯拉?米/安培，或者p0=4nX10-7亨利/米。在高斯單位制（CGS）中，真空磁導(dǎo)率為無量綱的數(shù)，其值為1。1真空磁導(dǎo)率p和真空電容率-以及光速的關(guān)系為：',''="o十“"人士—I一口,L甘二血無限長載流直導(dǎo)線外距離導(dǎo)線處："-「。其中，「1二1"一'I。一'A二為真空磁導(dǎo)率。為該點(diǎn)到直導(dǎo)線距離。我們先不分析，先接續(xù)介紹關(guān)于真空介電常數(shù)的概念。介質(zhì)在外加電場時會產(chǎn)生感應(yīng)電荷而削弱電場，介質(zhì)中的電場減小與原外加電場（真空中）的比值即為相對介電常數(shù)（relativepermittivity或dielectricconstant）,又稱誘電率，與頻率相關(guān)。如果有高介電常數(shù)的材料放在電場中，電場的強(qiáng)度會在電介質(zhì)內(nèi)有可觀的下降。理想導(dǎo)體的相對介電常數(shù)為無窮大。根據(jù)物質(zhì)的介電常數(shù)可以判別高分子材料的極性大小。通常,相對介電常數(shù)大于3.6的物質(zhì)為極性物質(zhì)；相對介電常數(shù)在2.8~3.6范圍內(nèi)的物質(zhì)為弱極性物質(zhì)；相對介電常數(shù)小于2.8為非極性物質(zhì)。

而這里所說的極性，是與電荷分布有關(guān)的。在化學(xué)中，極性指一根共價鍵或一個共價分子中電荷分布的不均勻性。如果電荷分布得不均勻，則稱該鍵或分子為極性;如果均勻，則稱為非極性。物理上通常認(rèn)為極性是物體在相反部位或方向表現(xiàn)出相反的固有性質(zhì)或力量。物質(zhì)的一些物理性質(zhì)（如溶解性、熔沸點(diǎn)等）與分子的極性相關(guān)。蹄吁同生命甦于健施者要數(shù)容的為1.隨分性質(zhì)|有較量損介電常災(zāi)大的溶劑，緣材物。空氣和能的一個重真空時的電的￡值分別曾加電容器電容能力的度量。介電常數(shù)在化學(xué)中，介電■是溶劑及隔開離子的能:強(qiáng)的溶劑化能力。的一個重要I,損耗因數(shù)是指.由于物質(zhì)的分散程度使能值較小。而真空介電常數(shù)又稱要數(shù)容的為1.隨分性質(zhì)|有較量損介電常災(zāi)大的溶劑，緣材物。空氣和能的一個重真空時的電的￡值分別曾加電容器電容能力的度量。介電常數(shù)在化學(xué)中，介電■是溶劑及隔開離子的能:強(qiáng)的溶劑化能力。的一個重要I,損耗因數(shù)是指.由于物質(zhì)的分散程度使能值較小。而真空介電常數(shù)又稱■物理常數(shù)，符號為，0。這個為真空電容已經(jīng)在上面提到了。在國際單位制里，真空介電常量的數(shù)值為：￡0=8.854187817X10F/m（近似值）。真空介電常量是物理量在度量時引進(jìn)的常數(shù)主要是庫侖定律中對電荷量的度量），根據(jù)麥克斯韋方程組，可推知真空介電常數(shù)與其它物理常數(shù)的關(guān)系：_1一「”「。其中，c是光波傳播于真空的光速，u0是真空磁導(dǎo)率。上式可作為真空介電常數(shù)的定義式。說到這里，我給大家說一點(diǎn)，你不要看到上面好多公式，就頭疼了，其實對于科普來說，我們要找的是概念之間的關(guān)系。但作為研究而言，就要推導(dǎo)和謹(jǐn)慎。我說過我也不是專業(yè)科班出身的，所以我盡量按我的理解，通俗的給大家講。文章中出現(xiàn)的公式，也不是我自己推導(dǎo)，是在百度或者其他資料上找來的，為的是讓大家理解這些關(guān)系式中的概念是有聯(lián)系的。我先通俗來講講我的思路，為什么光速和真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù)有關(guān)。光速測量值是在真空條，才有一致性和可討論波的人是麥克斯韋。他說的全部成就，在此基彳率和介電常自己名字充三個描￡得出電磁；真空的光;,總共7個方程式。通的傳播速度。人們發(fā)現(xiàn)確定光就是電磁波。.安培、高斯、，得出了以，然后再補(bǔ)定解，可以速度恰好和光速測量值是在真空條，才有一致性和可討論波的人是麥克斯韋。他說的全部成就，在此基彳率和介電常自己名字充三個描￡得出電磁；真空的光;,總共7個方程式。通的傳播速度。人們發(fā)現(xiàn)確定光就是電磁波。.安培、高斯、，得出了以，然后再補(bǔ)定解，可以速度恰好和得出的速值;速的實測值光是電磁波，這是大家公認(rèn)的。而真空磁導(dǎo)率和介電常數(shù)又與電磁性質(zhì)以及電荷有關(guān)，那么怎么能和光速沒有關(guān)系呢。非常非常2.99792458X10八8m*s。c為光速；■“為真空的介電常數(shù)=8.85418782X10八(-10)F/m；u0為真空的磁導(dǎo)率=4nX10八(-7)N/A八2。所以，這種數(shù)學(xué)表示方式是根據(jù)麥克斯韋電磁方程組推導(dǎo)出來的。而光速在真空中是一個定值，真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù)也是定值。它們都具有一定的“恒定性”，這是光速不變原理的一個原因。而真空磁導(dǎo)率和真空介電常數(shù)是與時空背景有關(guān)的，所以綜合去考量，可以大膽得出光速為什么是光速，光速為什么不能超越。原因就是光速是時空使然，光速恒定有時空背景限制。而光速不能超越，可以認(rèn)為光速是一種時空束縛態(tài)。物體的能量不可能撼動整個時空，所以物體的速度就不能超越光速。所以我在第四十四章中關(guān)于光的本質(zhì)的時候?qū)懙溃汗馑佟菊婵铡渴且环N時空束縛態(tài)，光速為定值是時空使然。也就是時空告訴物質(zhì)如何運(yùn)動，這種運(yùn)動就包含了以多大速度運(yùn)動。光是物質(zhì)，自然就遵從時空規(guī)律。這句話是這樣理解的，不知道你在看前面第四十四章的時候，是如何理解的。因此你就可以大膽得出結(jié)論，如果宇宙性質(zhì)和環(huán)境發(fā)生變化，那么光速值自然會

波動。所以光速值增加或者減少，不能證明愛因斯坦光速不變理論是錯誤的。我在那一章里給了一個理解的案例。大家再看看吧。我們知道河槽寬的地方，河流流速緩慢；而河槽窄的地方，河流流速較快。等量的河水，我讓河槽窄的地方，比原來窄上100萬億分之1米，那么窄的地方河流的流速有變化嗎？理論上有變化，可是實際呢？實際是沒有變化的，因為這樣微小的變化，至少人類是無法測量出來的。苑觥械東醛懶叁瓦真娓怖L齷朗睡翻意義是髓靦初砌同耦躺者版量。面有物理個常其實找關(guān)能力.值，小數(shù)點(diǎn)后你會發(fā)現(xiàn)很有門列出了很多思考

問題有測量值，也有定義值。但我們都知道，我們不清楚■是■以解-絕對定.一■一■一家看到了，很多人可能會認(rèn)為我是為了■■一而增加的這一章。?一章，我思慮了很久。我把這些數(shù)字都列了一個表了，試著否找到一些共性，結(jié)果沒有找到。當(dāng)然我的算法就很簡單，這是“彈性系數(shù)。”，就沒有人在否定以太沒有面有物理個常其實找關(guān)能力.值，小數(shù)點(diǎn)后你會發(fā)現(xiàn)很有門列出了很多思考

問題有測量值，也有定義值。但我們都知道，我們不清楚■是■以解-絕對定.一■一■一家看到了，很多人可能會認(rèn)為我是為了■■一而增加的這一章。?一章，我思慮了很久。我把這些數(shù)字都列了一個表了，試著否找到一些共性，結(jié)果沒有找到。當(dāng)然我的算法就很簡單，這是“彈性系數(shù)?！?，就沒有人在否定以太沒有磁波是由磁場!動的1勺，光不需要一下。因為在我們否定了以:

天的問題。各位，應(yīng)該這樣］需要任何介質(zhì)可波不是。光波，電

以傳播，這句話其實是不可想象的。我寫這本書，就是為了告訴大家。我們創(chuàng)立一個理論的時候，先去想這個理論，這句話能不能想象是很重要的。光不需要任何介質(zhì)可以傳播。事實上是你不能想象世界上，沒有任何介質(zhì)。世界上什么都沒有這個狀態(tài)，你其實是想象不出來的。世界上什么都沒有的話，也就是沒有世界。這個邏輯沒有錯吧。就好像我這樣說，沒有玻璃的話，光不可能在玻璃中傳播。更何況沒有絕對的真空。所以光一定在介質(zhì)中傳播的，在不同的介質(zhì)中傳播速度不同。在真空中恒定。在介質(zhì)中傳播和需要借助介質(zhì)傳播是兩個概念，繼續(xù)往下看。宇宙中充斥著各種場，所以可以認(rèn)為光傳播的介質(zhì)是“場”。同樣引力的傳播不需要介質(zhì)，但引力必須穿透這些宇宙的“場”來把一個個帶有質(zhì)量的物體連接起來。這樣去想，可以想象，也絲毫不破壞現(xiàn)在理論的框架。只是在表述上，需要修改。按照我們現(xiàn)在的教課書，甚至可以這樣理解。電磁波是電磁場的激發(fā)。它的磁力線延伸在理論上是無窮遠(yuǎn)的。這是我們學(xué)過的，也就是可以從某種程度上說，場的延伸也是無窮遠(yuǎn)的。所以電磁波以各種電磁場為介質(zhì)進(jìn)行傳播。大家可以看看現(xiàn)在教科書中關(guān)于電磁波的定義，就好理解了。電磁波是由同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。所以可以說電磁波以自身為介質(zhì)在進(jìn)行傳播。引力，引力波同樣也是，可以通過引力場傳播。因為沒有任何物質(zhì)的傳播是不可想象的。這和世界存在的方式是矛盾是兩個概念。任何物質(zhì)都沒有，是世界不存在。世界存在的方式是矛盾的，是說我們關(guān)于世界的解釋，一定有不能自洽的地方。就像哥德爾不完備定理所揭示的那樣。以自身為介質(zhì)進(jìn)行傳播，頂多是有矛盾的一面。但是是可以想象的，也有理論基礎(chǔ)?，F(xiàn)代物理學(xué)是以西方人的思維進(jìn)行建立的，他們這種“排除法”的思維是很好的，但不是任何時候都是很好的。這是我要給大家點(diǎn)出來的一個點(diǎn)。你在科研的時候，你怎么想真的很重要的。尤其是當(dāng)一個理論和實驗，你進(jìn)行了很長時間了，就要想一下，我是不是該換一個路走走，看看能不能走的通。關(guān)于這一章其實寫到這里就結(jié)束了。但我在百科上，看到一個真空介電常數(shù)與真空背景周期的關(guān)系的推理。我個人瀏覽了一遍，覺得不錯。這也是大家理解真空介電常數(shù)與真空背景有關(guān)的佐證。數(shù)學(xué)能力強(qiáng)的，可以看看下文。百科摘錄：值得一提的是，X秒在數(shù)值上剛好近似等于真空介電常數(shù)￡0這兩個量之間有什么關(guān)系呢為了說明這個問題，這里假定真空中有二個帶有相同電量電量為的點(diǎn)電荷相互作用，相互作用勢能為：E二”,&國制二如果單個電荷以周期做圓周運(yùn)動，則電流強(qiáng)度為根據(jù)實驗結(jié)果，電阻的表達(dá)式可寫為：R坦…—……小—………s。其中p為電阻率，為介質(zhì)的長度，為介質(zhì)的橫截面積，電流的方向垂直于橫截面。對兩個點(diǎn)電荷來說，雖然它們“靜止”，但它們受“真空背景溫度”的影響，也在做輕微的熱運(yùn)動，這個運(yùn)動可看成是簡諧運(yùn)動，運(yùn)動方向在兩個點(diǎn)電荷之間，周期為即前面的所說的“真空背景周期"）運(yùn)動電荷對應(yīng)的電流可認(rèn)為就是位移電流，這種運(yùn)動使兩個電荷間的電場也發(fā)生了周期性的變化，變化的周期也為。由于位移電流的本質(zhì)就是變化的電場，則在數(shù)值上可表示電流的空間分布，電流方向垂直于以為半徑的球面，式中的橫截面積為n2由于系統(tǒng)處在真空之中，電阻率很大相對于導(dǎo)體來說，但電子的運(yùn)動是R二工二「自由的，兩個點(diǎn)電荷間的電阻為：

一個電荷相對一另一個電荷的電勢U==-—一個電荷相對一另一個電荷的電勢U==-—IG"?，相對應(yīng)的電勢能為E-上''二小?。比較勢能表達(dá)式可知￡，表明真空介電常數(shù)￡與真空背景周期成正比。如果假定電阻率ph,真空背景周期與真空介電常數(shù)在數(shù)值上完全相等。可得:上式說明真空背景溫度與真空介電常數(shù)成反比，這個結(jié)果也顯示現(xiàn)實真空環(huán)境與宇宙背景有直接關(guān)系。雖然用e/t來表示位移電流的空間分布并不嚴(yán)格，但是足以說明真空介電常數(shù)的測量值與宇宙背景溫度有很大程度的關(guān)聯(lián)。通過上面這個推理，大家可以看出，如果這個推理靠譜，因為作者也說了用e/t來表示位移電流的空間分布并不嚴(yán)格。如果靠譜的話，那么根據(jù)現(xiàn)在的天文理論宇宙大爆炸之后，宇宙空間背景溫度一定是在下降的，那么真空介電常數(shù)成反比，就是上升的。有一點(diǎn)也很巧，不知道大家注意到?jīng)]有。光是電磁波，電磁波是同相且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發(fā)射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場。而介電常數(shù)和磁導(dǎo)率分別對征著電場和磁場。所以又一點(diǎn)也不巧。各是沒有至關(guān)