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光的前進需要不需要推力？

01-05

比如我用手電筒射向夜空，十秒鐘後我關閉手電筒。射出去的光還會繼續前進嗎？還是憑空消失？

忍不了……高票 @Ginger Lee 只是寫了一大坨似是而非的東西，搬弄術語和概念，啥都沒說。你們看不懂就點贊哦？

簡單直接回答題主的問題：

光的前進需要不需要推力？

看你指的是什麼。已經發出的光子，行進過程中不需要額外推力。光子靜質量為 0 的，並不是物質粒子，所以不吃阻力那一套。

如果你問的是，物質在發出光子的瞬間，會不會給光子一個推力。那可以說是有的。光子也有動量，物質在發出光子的時候，自身也會受到一個反衝力。只是這個反衝力非常的小。這個反衝力多大呢？正好我前兩天答了一個題，詳細計算看這裡吧：Luyao Zou：發射光子可以產生反作用力嗎？

射出去的光還會繼續前進嗎？

會

還是憑空消失？

不會。光不會「憑空」消失。它消失，一定是和物質相互作用，被吸收了。在合適的條件下，物質吸收光之後還會再釋放光。

另一種情況是，光並沒有消失，但因為行進距離過長，能量被稀釋到儀器的檢測限以下，你就看不見了。這裡的儀器，既可以是實驗室中的儀器，也可以是你的眼睛。

更詳細的介紹，看我以前的回答吧：Luyao Zou：手電筒發出的光，去了哪裡？是一滅，就消失了，還是像一列開出的火車，開向了宇宙深處？

哇塞，才五分鐘，你就改名了 @David L 你改名就躲得掉么？似是而非的答案是這個：

David L：光的前進需要不需要推力？

跑不了

大家擦亮眼睛。

本來吧，我覺得你只不過是一個愛好者，或者喜歡拽高大上名詞的人，指出你答得不對就行了。可是你這種瞬間改名躲避的行為，讓我覺得你是個民科。

前天 @不拿諾獎不改名在群裡面發了這個問題，大家也做了些討論，

首先 @Luyao Zou 前輩的回答寫的非常的好，對於科普而言是極好的，希望前輩繼續堅持科普。

作為應該是本年度最後一個回答，我的回答旨在回答（和反駁）眾多答案中的一些問題（看法）：

光的傳播怎麼描述（為什麼Newton第一定律不適合用於討論光的前進的問題）
既然光速恆為 $c$ ，討論光子的受力有沒有意義？光子怎麼受力（電磁相互作用的引入）

（註：本答案在第一部分將分離出引力的部分，在其後的部分不再討論引力的問題）

本文默認取「力」的現代說法，即力表徵物質間的基本相互作用。

第一部分：光的傳播

Law I: Every body persists in its state of being at rest or of moving uniformly straight forward, except insofar as it is compelled to change its state by force impressed.

Newton第一定律作為經典力學的基礎，從本質上來講是不適合光子這樣的極端相對論性粒子；

我們知道，Newton的光的微粒說是與實驗有出入的，所以才有了光的波動說的興起，

而Einstein的光的量子說實際上和Newton的光的微粒說還是有本質不同的。

既然Newton運動定律是無法適用於光的運動的，那麼物質的運動的普遍表示是什麼呢？

在漫長的歲月里，物理學家逐漸建立了新年，物質（包括場）的運動滿足變分原理：

$delta S=0$

其中 $S$ 稱為作用量，對於經典力學，其普遍表示為：

$S=int^{t_2}_{t_1} L(q_i,dot{q}_i,t)dt$ ;

其中 $L(q,dot{q},t)$ 稱為Lagrangian，其描述了系統的動能與相互作用：

$L(q,dot{q},t)=sum_{i}dfrac{1}{2}mdot{q}_i^2-V(q_i)$ ;

其中 $V(q)$ 是質點在勢場中的相互作用能，對於自由粒子

$L(q,dot{q},t)=sum_{i}dfrac{1}{2}mdot{q}_i^2$

Euler最早給出，滿足 $delta S=0$ 的情況，等價於微分方程

$dfrac{d}{dt}dfrac{partial L}{partial dot{q}_i}-dfrac{partial L}{partial q_i}=0$

帶入自由粒子的Lagrangian， $ddot{q}_i=0$ ，其解為

$q_i=v_{0i}t+q_{0i}$ ,這實際上描述的就是勻速直線運動，即我們給出了Newton第一定律。

普遍的，我們能給出：

$mddot{q}_i=-dfrac{partial V}{partial q_i}$ ，這就是Newton第二定律。

從某些角度說，Newton運動定律是不徹底的，是可以從更為簡單的變分原理中導出的。

那麼光的運動怎麼描述？在經典框架下，我們是給不出光的相關運動參量，光不能用Newton定律描述。經典物理給出的解決方案就是Fermat原理，直到Maxwell的經典電磁場理論。在這裡我們不去糾纏歷史的細節，直接跳到狹義相對論，狹義相對論告訴我們，電磁場與荷電物質同時存在的時候，系統的作用量只能取如下形式

$S=-dfrac{1}{c^2}int d^4 x A_mu J^mu -dfrac{1}{16pi c} int d^4 x F_{mu u} F^{mu u}$ ;

其中 $A_mu=(dfrac{phi}{c},-vec{A} )$ ,稱為4-矢勢， $J^mu=( ho c,vec{j})$ ，稱為4-電流；

$F^{mu u}=partial^mu A^ u -partial^ u A^mu$ ,稱為電磁場張量，對應我們平常所說的電場 $vec{E}$ 和磁場 $vec{B}$ ;

從作用量 $S$ 和Lagrangian方程，我們能得到Maxwell方程的一半：

$partial_mu F^{mu u}=mu_0 j^ u$ （對應兩個有源方程）；

從電磁場張量的定義得出另一半Maxwell方程（Bianchi恆等式）：

$e^{mu u gammadelta} partial_ u F_{gammadelta}=0$ ；

在真空無源的情況下，我們就能導出電磁場波動方程：

$Box A^mu =0$ ;

最終能給出真空中的光速是 $c$ ；

這個過程中中我們就明白了，作用量 $S$ 實際上描述了系統運動的信息，而系統真實的運動只能是

$delta S=0$ 的情況。

那麼真空中的電磁波的作用量是什麼情況？

$S_{EM}= -dfrac{1}{16pi c} int d^4 x F_{mu u} F^{mu u}$

它只有場的動能項，這就意味著，光一旦發出，就不需要和別的任何東西推動它，它自己就能跑路。

作為這一節最後一段，我們把引力分離出去，在引力場中的光子的運動方程滿足

$g^{ik}dfrac{partial S}{partial x^i}dfrac{partial S}{partial x^k}=0$ ;

其解是測地線。我們有以下論斷，引力對光的影響，是由物質改變了時空的幾何性質引起的，不是電磁相互作用，光在引力場中的傳播，依然是慣性運動。

本節的核心含義就是，光的傳播，不需要力。

更多有關經典力學的內容，參見 @蔡家麒專欄力學，

有關光的引力偏轉的內容，參見 @不拿諾獎不改名天問天文文章【光之路】引力透鏡效應及其歷史

更多有關經典場論的內容，參見場論綜述

討論光的受力

並非像某已經被踩下去的運營號的說法，雖然光速恆為 $c$ ，我們依然要討論光的受力，原因就是我們希望討論光和物質的相互作用。這就導致了量子電動力學的建立。

眾所周知，光子參與電磁相互作用，要想描述光子的受力，就得把能描述電磁場的Maxwell方程和能描述電子（電荷）的Dirac方程

$(i{partial!!!ig /} - m) psi = 0$

聯繫起來，這種聯繫的方法就被稱為規範理論。對稱性和定域性的要求其實共同產生了規範不變性這個理念。規範這個概念最早萌發於經典電磁理論中，真空中Maxwell方程的勢函數表達為

$abla^2 phi +dfrac{partial }{partial t}( abla cdot f{A})=-dfrac{ ho}{varepsilon_0}$

$( abla^2 f{A} -dfrac{1}{c^2}dfrac{partial^2 f{A}}{partial t^2}) - abla( abla cdot extbf{A}+dfrac{1}{c^2}dfrac{partial^2 f{A}}{partial t^2}) =-mu_0 J$

在選取Lorenz規範 $abla cdot vec{A} +dfrac{1}{c^2} dfrac{partial phi}{partial t} =0$ 下自發地滿足Lorentz協變性（注意這個Lorenz和Lorentz不是一個人）

規範實際上代表著內部自由度，對於光子，這種自由度體現為偏振，這個東西本來並不是被很重視。

在量子力學創建後，物理學家意識到這玩意是有意義的，考慮波函數 $psi(x)$ 描述物質出現在空間中某點的概率密度 $ho(x)=psi^*(x)psi(x)$ ,似乎我在全空間給 $psi(x)$ 附加一個任意相位 $e^{i heta}$ 對系統沒有任何影響，被稱為全局規範不變,導致了電荷守恆。

但是我們考慮到實際上的物理規律都是定域性的，我們讓 $heta o heta(x)$

$psi(x)=e^{i heta} psi$ ，

$partial_{mu} psi(x)= e^{i heta}partial_{mu} psi+ie^{i heta}psi partial_{mu} heta(x)$

引入協變導數算符 $D_{mu}=partial_{mu}+iqA_{mu}$

為了保持Dirac旋量場Lagrangian（與運動方程結合可描述電子）的形式

$mathscr{L}=ipsi^*gamma^{mu} D_{mu} psi -mpsi^*psi$

就引入了一個規範場 $-qpsi^*gamma^{mu} psi A_{mu}$

最後整個電子—光相互作用體系就可以表示成 $mathscr{L}=(ipsi^* gamma^mupartial_mu psi -mpsi^* psi) -qpsi^* gamma^{mu}psi A_{mu} -dfrac{1}{4}F^{mu u}F_{mu u}$

其中第一項描述電子的作用，第二項描述相互作用，第三項描述光子作用。

利用上述Lagrangian和Lagrange方程，我們就能描述電磁相互作用。

這樣我們就描述了光的受力，可以說，學到了這裡，才算是學理論物理的開始

（教授原話：學到這裡，你才算開始學物理了。）

此後還可以加更強的條件，以容納強子等，那就是量子色動力學（QCD）。

本節的核心含義就是，光受力，就是電磁相互作用，討論這個話題，意義極大！

更多有關Dirac方程的內容，見【量子場論-粒子物理】Feynman圖快速上手

更多有關規範理論的內容，見在現代的物理理論中，深刻的「物理思想」是怎樣的？深刻在哪裡？

更多有關光壓（光動量的宏觀效應），光速這麼快，為什麼撞向人類或者其他物體沒有產生撞擊力？

更多有關狹義相對論的內容，見【狹義相對論】天坑——Special Relativity

總結

光的傳播不需要推力，光參與與物質之間的電磁相互作用。

科普是件很難的東西，你起碼要保證你的東西絕大部分是正確的，而不是寫一堆似是而非的東西。

任何東西前進都不需要推力，改變運動狀態才需要力。

怎麼一堆人用經典物理來解釋。。。

光傳播即是電磁場傳播(不知道怎麼表達，差不多吧)所以光本身跟題主腦子裡的模型就不是一個東西。題主能理解手機信號傳播嗎？一樣的。

修改: 我錯了。。。的確是用經典物理來解釋，多謝大佬提醒。又一次沒把麥克斯韋的理論划出經典物理。。。我錯了各位大佬。。。

力只能改變物體的運動狀態，不是維持運動。

所以應該這麼問，光在前進過程中會受到摩擦力的作用嗎

現代物理中，光子具有波粒二象性，是一種粒子形式的波，本質上是能量，光的傳播是能量的傳遞，能量不會消失，只會變成不同的形態。

只有絕對真空才不會消失吧，要不然作為電磁波的廣總會被吸收的

會繼續前進

http://www.bilibili.com/video/av356273

手動快進到3分鐘

先把坑放這裡吧，，，這段時間我得好好看看格子玻爾茲曼法了，，，馬上就要交開題報告了，，，還是畢業要緊。。。

先 @李星河 @中科院物理所一下

不過評論裡面那位 @馬爾斯說的也對，，，普通光學裡面很少或者沒有對於光的本質探討，由於光也是電磁波的一種，而真空中的光速也可由另外兩個常數之積（記得好像是真空介電常數和真空磁導率？好久沒看過了，，，得回去翻翻書了）開根號再分之一，再加上狹義相對論假定對於任何參照系真空中光速不變，這個目前沒有被證實錯誤，因此光就是光速了 @馬爾斯答案底下他的回復說的群速度也是這個意思。

有些答主說這個題主問的問題是個邏輯問題，而且也用了被捅咕出去的撞球來做比喻。個人來說我是不願意把量子尺度下的物質和場和物質和場的行為用生活中常見的事件來做比喻，因為你不管怎麼比喻都是不全面的而且會帶來誤解。如果題主繼續學習物理還好，如果題主看了各種小球球的比喻卻沒有繼續學習物理而是自己搞出來另外一套啥太極陰陽小球球量子理論之類的來，那隻能說這種通過比喻來科普也是比較失敗了。

（吃飯去了。。。餓了沒力氣答題。。。）

----帶有起床氣的原答案----

雖然好久不學正經的物理了，但還是要來答一發，實在忍不了了。。。。。

首先用啥牛頓伽利略解釋的不用看肯定是錯的了，牛頓的微粒說和現在的光量子說根本不是一回事，惠更斯的波動說能解釋一些問題但是經典物理框架下還是要看麥克斯韋的解釋，或者說物理系的那本藍色的電磁學（不過好像都是藍色的）。。。

具體的解釋可以參考各種啥光學工程光學原子光學為題的書。

題主問的這個問題不是高中那點物理知識就能解決的了的。

又看了看這些回答，，，沒有一個給數學證明的。。。我也懶得去查資料了，，，還是老老實實看我的西瓜書吧。。。知乎上這平均科學素養答了也沒用。。。

石頭落水後波紋會消失嗎？雖然光具有波粒二象性，在光源消失後光會逐漸消失，不會瞬間消失。

來翻譯一下題目吧

光的前進需不需要推力，等價於，電磁場動量是否守恆

傳播過程中會不會消失，等價於，電磁場能量是否守恆

而電磁場的能動量守不守恆，顯然是和周圍環境有關的

個人覺得，題主的標題問得很粗糙，似乎是用生活化的思維寫出來的。真正的疑惑應該就是補充說明裡面的那個問題。

要問光的前進需不需要推力。答案是：不需要。值得說明的是，光與宏觀物體還不一樣。光的靜質量為 0，在真空中自然以光速 c 傳播。而對於由原子構成的物質，由於靜質量不為 0，根據狹義相對論質量與速度之間的關係式

$m(v) = m_0 / sqrt{1-v^2/c^2}$ ，

當 v=c 時，m=∞；當 v＞c 時，m 在數值上為虛數。

我們知道，根據愛因斯坦質能方程 $E=mc^{2}$ ，質量 $m$ 與能量 $E$ 是等價的，它們不過是同一物理量的不同度量方式。而宇宙的物質是有限的，於是能量也是有限的。根據能量守恆定律，當物體被加速到「臨界值」時，就必需消耗整個宇宙的能量！更不用討論被加速到光速了。

既然能量是有限的，如果你把一個物體加到光速的話，那麼它的能量也就變得 ∞ 了，顯然這與能量守恆是矛盾的~

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個人目測，題主真正的疑惑是：關閉手電筒後，射出去的光還會繼續前進嗎？

答案其實很簡單。

不妨大家先思考一下，如果我關掉了鬧鈴，則鬧鈴聲都去哪了？

很明顯，聲音的傳播需要介質。假設我們處於理想狀況下，傳播過程中沒有阻尼，即不存在能量的損耗，轉化為內能，則聲音可以一直傳播下去，直到沒有介質的地方為止。

――――――――――

類似地，我們之所以能夠在地球上用天文望遠鏡就能探測到遙遠恆星幾十億或者上百億年前的狀態，主要原因有兩個：

1. 由於光速是有限的，因此光的傳播需要時間。光在真空中傳播最快，約為 $c=3 imes 10^8 m m/s$ ，是自然界物質運動與信息傳播的最快速度。介質中的光速都比在真空中的要小――具體可以解釋為光與介質相互作用的結果，由此我們可以得到物質折射率的決定式，進而利用折射率定義式的變形 $|v|=c/|n|$ 得到介質中的光速。由於各種介質折射率的絕對值 $|n|$ 都大於 1，因此介質中的光速都小於 $c$ 。

正是由於光的傳播需要時間，因此我們看到的都是之前的景象。並且，光的產生和傳播通常是連續的，因此你上一秒與這一秒看到的儘管是相同的天體，但絕對不是「同一批光子」。

2. 我們肉眼看到的並不是光線本身，而是光進入我們眼睛之後，與視桿細胞和視錐細胞內的視色素髮生光化學反應，然後經一系列生物學過程，最後被視覺中樞加工和分析後的感受。

也就是說：我們肉眼看到的世界，總是之前的樣子，而不是現在的樣子。光並沒有在外面，而是被眼睛吸收了。

之所以經常會被誤認為我們所看到的周圍的物體就是現在的樣子，是因為光的傳播速度相當之快。同時，從光線進入眼睛到被視覺中樞處理的過程也幾乎是瞬時的。

――――――――――

然而，上述討論貌似無法解釋一個在生活中更常見的現象――即使是在封閉的房間內，如果關掉手電筒，屋內依舊一片漆黑，而不是光線在屋內來回反射。

對於上述現象，我們可以進行如下思考：

我們知道，自然界的物質形態有很多種。譬如說實物、場、暗物質、暗能量等。其中，暗物質、暗能量佔據了整個宇宙的約 96%。我們日常所提到的物質，嚴格地講應該叫實物――即由原子、分子構成的物質。場是傳遞相互作用的物質，譬如引力場、電場、磁場等。

之所以將它們統稱為「物質」，是因為它們都能相互傳遞能量和動量。這是判斷一個物理實體能否歸為物質的主要依據。

假設沒有場的話，要想解釋這個世界的性質，就不可避免地涉及超距作用。顯然，這是違背因果律的。根據狹義相對論，能量/信息傳播的速度不可能超過光速。

具體地講：假如電場不存在，則兩個電荷之間的相互作用就是瞬時的，進而違背因果律。此外，相互作用的本質，就是物質之間能量、動量轉移的過程。能量的轉移需要時間，它是一個連續的過程。

下面，我們從一個生活中的案例說起：你每天清晨起來，睜開眼看到的就是一系列物體――牙刷，牙膏，漱口杯、水等等。這些物體都是由自旋為半奇數（波函數交換反對稱）的費米子――電子、質子、中子構成的，它們就是構成原子的基本粒子。而當你舉起牙刷，讓它在你口中上下運動的時候，你手指表面的原子與牙刷表面的原子緊密接觸會產生分子斥力，也即電磁相互作用力，這個力將改變牙刷的運動狀態。而力是由自旋為整數（波函數交換對稱）的規範玻色子（光子）與物質粒子（電子）相互作用的宏觀表現。光子充當了傳遞分子間電磁相互作用的媒介。

相信你一定會注意到你自己和你身邊的物體都很穩定，並不像電燈泡在打開時發光，熄滅時卻不亮了。這是因為構成物體的費米子之間服從泡利不相容原理，它們相互之間保持著適當的平均距離，因而十分穩固不會塌陷。當然，這也是元素周期表存在的原因。與費米子相對的玻色子，如構成光的基本粒子――光子，卻能連綿不斷地布滿所有能夠佔據的空間（靜質量為 0），並可以在燈泡發光時大量產生，熄滅時大量消失，原因是光子數在相互作用的過程中（準確地說是拉矢量中存在導致光子數不守恆的項）不是守恆的，而費米子數目卻是守恆的，因此其表現得並沒有費米子那麼穩定。

由於費米子數目守恆，因此目前宇宙中原子的總數也基本守恆（≈ 10^80）。而玻色子數目可以不守恆，在與實物粒子相互作用過程中可以大量產生或湮滅。

我們在封閉的房間內關閉手電筒以後，射出去的光――作為玻色子，由於與房間內的牆壁、空氣、物體相互作用，突然消失了，並轉化為熱能。這也是光的吸收之微觀機理。

相反地，由於光子作為玻色子，其數目可以不守恆。於是，我們打開手電筒之後，突然產生了大量光子，才使得封閉的房間內被照得十分明亮。

我不是來回答問題的，我只是覺得大家平常心點好，起點不同沒關係，不恥於問，術業有專攻嘛，每個人經歷不一樣，只要有這個氛圍就挺好的。想想以後你娃的初級物理知識也能在知乎找到答案，不也挺好的嘛~知乎變全乎 ?

需要。

光是由帶電粒子加速產生的，使有質量的粒子加速必然需要力。

射出去的光如果不被吸收是可以無限前進的。

並且在一些情況下，光的前進過程是可以通過高速攝像試驗觀測的。

http://web.media.mit.edu/~raskar/trillionfps/

題外話，阻礙光前進的話是也會被施加壓力的。

最直接的例子就是電子吸收了光，能級發生改變。

所以說光也能產生光。

原答案在下面，這裡是更新。

我又想了下，覺得題主的問題其實不需要用到物理知識。這是一道邏輯題。

手電筒把光束射出去後，實際上射出去後的光束就與手電筒無關了。這是基本邏輯，需要用到任何物理知識嗎？

………………………………………………

你打撞球，一桿捅到白球上，然後馬上把杆子扔了，白球是繼續跑還是停下來？還是憑空消失？

光傳播不需要動力。

光是電磁波的一種，也就是電磁場在空間中的震蕩分布。打開手電筒，經過一系列複雜過程（大致就是激發、電離、退激等過程），以電磁震蕩形式發出能量，也就是一束光往前傳播。你看到的光柱是它的散射。

產生光是需要動力的。但是當光產生後，也就是在空間形成電磁震蕩分布以後，這種震蕩會自己沿著波矢方向傳播，不需要介質，也不需要動力。

關閉手電筒後，已經發出的光繼續向前，但幾乎立刻被空氣等介質吸收了。空氣雜質少的話光傳播得就遠，雜質（比如水汽）多的話，光傳播得就近。要是在真空里，這束光是會一直往前傳播的，但是你看不到它（你看到的光柱不是這個電磁震蕩本身，而是它在沿途路徑上的散射）

凡是講到牛一定律的，我都踩了。

當然不會憑空消失。光從手電筒射出去會一直向前，大多被空氣中塵埃吸收，使塵埃內能增大。有的被雲吸收，使水蒸氣內能增大。假使能出大氣層也會被其他天體吸收，並使之內能增大。

就這麼多了。

我覺得這個問題最簡單的回答應該是坡印廷矢量吧。

光的傳播本質是能量的傳播，只不過是通過周期性變化的磁場和電場而已.在介質中，既然是能量的傳播那就有能量的轉換和耗散，磁介質和電介質的磁導率以及介電常數不同就會導致不同程度的耗散。

如果是在絕對理想狀態下的真空，磁導率u和介電常數E都是1，是可以認為電磁波會一直傳播下去的。不過還好這種情況只是理想情況，實際上不可能出現，不然唯一性定理就失效了。

題主你繼續，我幫你按住牛頓的棺材板了

不行啊，你快跑。

那邊的愛因斯坦快忍不住要坐起來了

會繼續，所以才會看到幾億年前的超新星爆炸，

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