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电磁波的频率存在上限吗？ 电磁波速度

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电磁波速度(电磁波的频率有上限吗？)
如下图所示，伽玛射线暴会释放宇宙中最强大的电磁辐射，但其频率并不是最高的 。中子星或黑洞合并时，会在短时间内释放大量伽马射线，超大质量恒星爆炸时，也会在短时间内释放大量伽马射线，称为伽马射线爆炸 。它是宇宙中最强大的能量活动 。
伽马射线的频率很高，从10 ^ 18赫兹到10 ^ 22赫兹，波长小于0.001纳米 。原子核经历能级跃迁时会产生伽马射线 。它存在于核武器和核反应堆中，对人体有很大的危害 。那么有没有比伽马射线频率更高的电磁波呢？电磁波的频率有上限吗？
为了讨论这个问题，我们先来了解一下电磁波 。
什么是电磁波？现在人类的生活已经离不开电磁波了 。从微波炉到电视和电话，从移动网络到WIFI，都需要电磁波 。虽然看不见摸不着，但它深深地扎根在我们的生活中 。
电磁波并不神秘 。它是在空空间中以波的形式传播的电磁场，具有波粒二象性 。频率越高，粒子性质越强；频率越低，波动性越强 。电磁波是横波，它的传播方向垂直于电场和磁场的方向 。一般任何温度在绝对零度(-273.15℃)以上的物质或粒子都可以向外界辐射电磁波，但人眼只能感知频率较窄的电磁波，这种电磁波称为可见光 。
【电磁波的频率存在上限吗？ 电磁波速度】上图是电磁波在空中的传播模式示意图 。传播方向不变，但电场和磁场的方向是不断变化的 。
早在19世纪，麦克斯韦就从理论上预言了电磁波的存在，认为光也是电磁波，其速度与光速相同 。1888年，德国物理学家赫兹通过实验证实了麦克斯韦的预言 。由于这些成就，赫兹(Hz)被用作国际单位制下频率的单位名称 。
上图是人类历史上最伟大的物理学家之一麦克斯韦的画像 。
电磁波频谱是单位时间内频率电磁波完成周期性振动的次数 。在自然界中，电磁辐射往往与温度有关 。温度越高，物体辐射的电磁波频率越高 。可见，频率是电磁波的一个非常重要的特性 。
电磁波的速度是光速(大约每秒30万公里) 。因为true 空中的光速是不变的，频率一旦确定，波长也就确定了 。电磁波的速度、频率和波长满足关系:c = λ f 。
我们以频率为基础，从低频到高频，将电磁波分为无线电波(可细分为长波、中波、短波)、微波、红外光、可见光、紫外光、X射线、γ射线，构成一个完整的电磁波谱 。人眼可见的电磁波频率范围为3.9×10 ^ 14 ~ 8.6×10 ^ 14Hz，对应的波长范围为400 ~ 760 nm 。然而，少数人可以感知波长在380纳米到780纳米之间的电磁波 。
电磁波的频率可以低至几千赫兹，此时电磁波的波长可以达到几十公里 。电磁波频率低时，能量也低，所以在传播过程中衰减很厉害 。虽然电磁波不需要介质来传播，但是当电磁波的频率较低时，就需要有形的导体来传播 。
x射线，也称为伦琴射线，常用于医学检查 。其频率为10 ^ 15 ~ 10 ^ 22hz，没有伽马射线高 。当原子中的核外电子发生能级跃迁时，如果能量差大，就会发出X射线 。紫外线可以用来消毒杀菌，有利也有弊 。也会对人的皮肤造成伤害 。太阳含有大量的紫外线 。幸运的是，地球大气层中有臭氧，可以阻挡大部分紫外线 。任何有温度的物体都会辐射红外光，夜视或者热像仪就是基于这个原理 。无线电波的频率大约在10 khz ~ 30 GHz，无线通信依靠它 。频率越高，单位时间能传输的信息就越多，所以5G网络使用的射频要高于4G网络 。
如上图所示，核外电子发生能级跃迁，发射出能量为δe的光子，普朗克常数是定量的，跃迁时释放的能量决定了光子的频率 。
有频率上限吗？伽马射线的频率已经很高了，但这还不是最高的 。科学家已经能够在实验室中产生10^26Hz电磁波，此时的电磁波更像粒子 。
光速是恒定的 。根据波长和频率的关系，似乎只要波长无限短，电磁波的频率就可以无限高 。量子力学告诉我们，从微观世界来看，物质的运动不是连续的，存在最小尺度的运动变化 。这不是一个数学问题 。根据量子力学，电磁波的波长不可能无限短，所以电磁波的频率必然有一个上限 。
这个极短的长度被称为普朗克长度，其大小约为1.6x10^-35米，仅为一个质子直径的10/22 。它是物质世界中存在的最短的有意义的长度，没有比这更小的尺度了 。普朗克长度的值由引力常数G、光速C和普朗克常数h决定 。
根据计算，电磁波的最高频率理论上不可能超过1.9x10^43Hz 。这与人类目前能产生的超高频电磁波相差17个数量级 。如此高频率的电磁波可能只有在BIGBANG中才会产生 。
也可以计算其他数据 。根据波粒二象性，超高频电磁波可视为粒子，即光子 。光子的能量由公式E=hv(其中H为普朗克常数，数值为6.6×10-34j·s；v是光子的频率) 。当光子的频率达到上限时，光子的能量约为1.2x10^10焦耳 。根据质量方程E = MC ^ 2，光子的能量对应的质量约为0.00013克 。
可见，除了数学世界，现实世界中不存在无限，总有各种各样的限制 。不仅光的传播速度有上限，光(电磁波)的波长或频率也有上限 。正因为如此，宇宙中事物的运动和变化是有规律的 。

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