電磁波是什么電磁波的頻率有沒有上限

如下圖所示，伽瑪射線爆會(huì)釋放出宇宙中最強(qiáng)大的電磁輻射，但它的頻率并不是最高的。中子星或者黑洞合并時(shí)會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量的伽馬射線，超大質(zhì)量恒星爆炸時(shí)也會(huì)在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量伽馬射線，這就是伽瑪射線爆。它是宇宙中最強(qiáng)大的能量活動(dòng)。

伽瑪射線的頻率非常高，頻率范圍在10^18Hz～10^22Hz之間，波長不到0.001納米。當(dāng)原子核發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生伽馬射線。核武器和核反應(yīng)堆中就有它的存在，它能夠?qū)θ梭w產(chǎn)生非常大的危害。那么還有比伽瑪射線頻率更高的電磁波嗎？電磁波的頻率存在上限嗎？

為了討論這個(gè)問題，讓我們先來了解一下電磁波的相關(guān)知識(shí)。

什么是電磁波？

現(xiàn)如今，人類的生活已經(jīng)離不開電磁波了。從微波爐到電視、電話，從移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)到WIFI，都需要用到電磁波。它雖然看不見、摸不著，但它在我們的生活中已經(jīng)根深蒂固了。

電磁波并不神秘，它是在空間中以波動(dòng)形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。頻率越高，粒子性越強(qiáng)；頻率越低，波動(dòng)性越強(qiáng)。電磁波是橫波，其傳播方向與電場方向和磁場方向三者互相垂直。通常任何溫度在絕對(duì)零度（-273.15℃）之上的物質(zhì)或粒子都能夠向外界輻射出電磁波，只是人眼只能感知到頻率很窄的電磁波，被稱之為可見光。

上圖為電磁波在空間中的傳播方式示意圖，傳播方向不變，但是電場和磁場的方向卻在不停的交互變換。

早在19世紀(jì)，麥克斯韋就從理論上預(yù)言了電磁波的存在，認(rèn)為光也是一種電磁波、電磁波的速度與光速相同。1888年，德國物理學(xué)家赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言。因?yàn)檫@些成就，赫茲（Hz）被用作國際單位制下頻率的單位名稱。

上圖為麥克斯韋的肖像，他是人類歷史上最偉大的物理學(xué)家之一。

電磁波的頻譜

頻率就是電磁波在單位時(shí)間內(nèi)完成周期振動(dòng)的次數(shù)。在自然界中，電磁輻射往往和溫度有關(guān)，溫度越高，物體向外輻射出的電磁波的頻率也就越高?？梢?，頻率是電磁波一個(gè)很重要的特性。

電磁波的速度就是光速（約30萬千米每秒），由由于真空中的光速是恒定的，因此一旦確定了頻率，波長也就隨之確定了。電磁波的速度、頻率和波長滿足關(guān)系：c=λf 。

基于頻率，從低頻到高頻，我們將電磁波劃分為：無線電波（又可細(xì)分為長波、中波、短波）、微波、紅外光、可見光、紫外光、X光和γ射線，它們構(gòu)成了一個(gè)完整的電磁波譜。其中人眼可見的電磁波的頻率范圍為在 3.9×10^14～8.6×10^14 Hz 之間，對(duì)應(yīng)的波長范圍在400～760nm之間。不過有少數(shù)人可以感知到波長范圍在380nm~780nm的電磁波。

電磁波的頻率可低至幾千赫茲，此時(shí)電磁波的波長可達(dá)幾十千米。由于電磁波的頻率較低時(shí)，其能量也較低，因此在傳播過程中衰減的很厲害。雖然電磁波的傳播不需要介質(zhì)，但是當(dāng)電磁波的頻率較低時(shí)，需要借助有形的導(dǎo)電體才能傳播。

X射線又叫倫琴射線，常用于醫(yī)學(xué)檢查，它的頻率為10^15～10^22Hz，沒有伽瑪射線的頻率高。當(dāng)原子中核外電子發(fā)生能級(jí)躍遷時(shí)，如果能量差較大，就會(huì)輻射出X光。紫外光可以用來消毒殺菌，有利也有弊，它也會(huì)對(duì)人的皮膚產(chǎn)生危害，太陽中就含有大量的紫外光，幸虧地球大氣層有臭氧，可以阻擋大部分紫外光。而任何有溫度的物體都會(huì)向外輻射出紅外光，夜視儀或熱成像儀就是基于這個(gè)原理。無線電波的頻率約為 10KHz～30GHz，無線通信就是靠的它。頻率越高，單位時(shí)間內(nèi)能夠傳遞的信息就越多，所以說5G網(wǎng)絡(luò)使用的無線電頻率就比4G網(wǎng)絡(luò)高。

如上圖所示，核外電子發(fā)生能級(jí)躍遷，并輻射出能量為ΔE的光子。普朗克常數(shù)是定量，發(fā)生躍遷時(shí)釋放的能量大小便決定著光子的頻率。

頻率存在上限嗎？

伽瑪射線的頻率已經(jīng)很高了，但這并不是最高的，科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室中已經(jīng)能夠產(chǎn)生10^26Hz的電磁波，此時(shí)的電磁波性質(zhì)更偏像粒子。

光速不變，根據(jù)波長和頻率的關(guān)系，似乎只要波長無限短，電磁波的頻率就能無限高。量子力學(xué)告訴我們，從微觀世界來看物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)并不是連續(xù)的，而且存在最小的運(yùn)動(dòng)變化尺度。這并不是數(shù)學(xué)題，根據(jù)量子力學(xué)，電磁波的波長不能無限短，因此電磁波的頻率必然就存在一個(gè)上限值。

這個(gè)極短的長度被叫做普朗克長度，其大小約為1.6x10^-35米，僅相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子直徑的10^22分之一。它是物質(zhì)世界中存在的有意義的最短長度，沒有比這還小的尺度了。普朗克長度的數(shù)值由萬有引力常數(shù)G、光速c和普朗克常數(shù)h三者來決定。

通過計(jì)算，理論上電磁波的最高頻率不能超過1.9x10^43Hz。這與人類目前所能產(chǎn)生的超高頻電磁波相比，它們之間相差了17個(gè)數(shù)量等級(jí)。頻率這么高的電磁波，也許只能在宇宙大爆炸時(shí)才能產(chǎn)生。

還可以算一算其它數(shù)據(jù)。根據(jù)波粒二象性，超高頻電磁波可以看作粒子，即光子。光子的能量用公式E=hv（其中，h為普朗克常數(shù)，數(shù)值大小為6.6×10^-34 J·s ；v為光子的頻率）計(jì)算。當(dāng)光子的頻率達(dá)到上限時(shí)，該光子的能量約為1.2x10^10焦耳。能量和質(zhì)量存在聯(lián)系，根據(jù)質(zhì)能方程E=mc^2，該光子的能量所對(duì)應(yīng)的質(zhì)量約為0.00013克。

由此可見，除了數(shù)學(xué)世界，真實(shí)世界中并不存在無限，總是存在各種各樣的限制。不僅光的傳播速度存在上限，光（電磁波）的波長或頻率也存在上限。正因如此，宇宙中事物的運(yùn)動(dòng)變化才有規(guī)律可循。