光速與真空介電常數以及真空磁導率的關係

光速與介電常數以及磁導率的關係

——靈遁者

介電常數和磁導率這兩個詞，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。但對於這兩個詞，其實科普內容或者教科書中都涉及的較少。網路上關於這兩個概念的介紹，也不多。但我認為這兩個詞的概念，很重要。尤其是對於光速而言。

我在第四十四章《愛因斯坦是如何創立狹義和廣義相對論的》里有對光速進行過說明。因為光速不變原理是愛氏相對論的基礎，所以不得不對這個問題進行深入探討。而且大家也知道，光學理論的研究和發展，對於近代物理的每一次發展，都有很深的影響。所以本章可以看作是對光速的進一步解釋和理解。而要解釋清楚光速，光速的本質，離不開我上面提到的這兩個概念。

這裡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？

關於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：現在的光速值被認定為299,792,458 米每秒。假如100年後，光速值的測量變為299792458.001米每秒，那麼你會說愛氏的相對論是錯誤的嗎？

很顯然就原理所述而言，沒有一點毛病，即使100年後光速測量變為299792458.001的時候，愛氏的相對論依然是正確的。因為對於任何觀測者而言，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，一般會被光速值吸引，這是捨本逐末。

在第四十四章中，明確說過這樣一句話，光速的本質：光速【真空】是一種時空束縛態，光速為定值是時空使然。也就是時空告訴物質如何運動，這種運動就包含了以多大速度運動。光是物質，自然就遵從時空規律。也就是光速的多少與時空性質有直接關係。

更具體的的來說是真空磁導率和真空介電常數，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。

先說說磁導率和真空磁導率。磁導率是表徵磁介質磁性的物理量。表示在空間或在磁芯空間中的線圈流過電流後，產生磁通的阻力或是其在磁場中導通磁力線的能力。其公式μ=B/H ，其中H是磁場強度、B是磁感應強度，μ為介質的磁導率，或稱絕對磁導率。通常使用的是磁介質的相對磁導率ur ，其定義為磁導率μ與真空磁導率μ0之比，即 ur=μ/μ0 。相對磁導率ur與磁化率χ的關係是：ur =1+ xm。磁導率μ，相對磁導率ur 和磁化率xm都是描述磁介質磁性的物理量。

而真空磁導率自然是限定了真空條件下的磁導率。真空磁導率是一個常數，也可以定義為一個基礎的不變數，是真空中麥克斯韋方程組中出現的常數之一。在經典力學中，自由空間是電磁理論中的一個概念，對應理論上完美的真空，有時稱為「自由空間真空」或「經典真空」。

常用符號μ0表示，由公式F=μ0I2h/2πa定義，此式是真空中兩根通過電流相等的無限長平行細導線之間相互作用力的公式，式中I是導線中的電流強度，a是平行導線的間距，F是長度為h的導線所受到的力，而稱μ0為真空磁導率，其值為μ0=4π×10-7牛頓/安培2，或者μ0=4π×10-7特斯拉·米/安培，或者μ0 = 4π×10-7 亨利/米。在高斯單位制（CGS）中，真空磁導率為無量綱的數，其值為1。

真空磁導率μ0和真空電容率以及光速 c的關係為：

無限長載流直導線外距離導線r處：。

其中，

為真空磁導率。r為該點到直導線距離。

我們先不分析，先接續介紹關於真空介電常數的概念。介質在外加電場時會產生感應電荷而削弱電場，介質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(relative permittivity或dielectric constant)，又稱誘電率，與頻率相關。如果有高介電常數的材料放在電場中，電場的強度會在電介質內有可觀的下降。理想導體的相對介電常數為無窮大。根據物質的介電常數可以判別高分子材料的極性大小。通常，相對介電常數大於3.6的物質為極性物質；相對介電常數在2.8~3.6範圍內的物質為弱極性物質；相對介電常數小於2.8為非極性物質。

而這裡所說的極性，是與電荷分布有關的。在化學中，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。物理上通常認為極性是物體在相反部位或方向表現出相反的固有性質或力量。物質的一些物理性質(如溶解性、熔沸點等)與分子的極性相關。

介電常數又稱電容率或相對電容率，表徵電介質或絕緣材料電性能的一個重要數據，常用ε表示。它是指在同一電容器中用同一物質為電介質和真空時的電容的比值，表示電介質在電場中貯存靜電能的相對能力。空氣和CS2的ε值分別為1.0006和2.6左右，而水的ε值較大，10℃時為 83.83。

所以介電常數是物質相對於真空來說增加電容器電容能力的度量。介電常數隨分子偶極矩和可極化性的增大而增大。在化學中，介電常數是溶劑的一個重要性質，它表徵溶劑對溶質分子溶劑化以及隔開離子的能力。介電常數大的溶劑，有較大隔開離子的能力，同時也具有較強的溶劑化能力。

介電常數是指物質保持電荷的能力，損耗因數是指由於物質的分散程度使能量損失的大小。理想的物質的兩項參數值較小。而真空介電常數又稱為真空電容率，或稱電常數，是一個常見的電磁學物理常數，符號為ε0。這個已經在上面提到了。在國際單位制里，真空介電常量的數值為：ε0=8. 854187817×10F/ m（近似值）。

真空介電常量是物理量在度量時引進的常數( 主要是庫侖定律中對電荷量的度量) ，根據麥克斯韋方程組，可推知真空介電常數與其它物理常數的關係：

。其中，c是光波傳播於真空的光速，u0是真空磁導率。上式可作為真空介電常數的定義式。

說到這裡，我給大家說一點，你不要看到上面好多公式，就頭疼了，其實對於科普來說，我們要找的是概念之間的關係。但作為研究而言，就要推導和謹慎。我說過我也不是專業科班出身的，所以我盡量按我的理解，通俗的給大家講。文章中出現的公式，也不是我自己推導，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係式中的概念是有聯繫的。

我先通俗來講講我的思路，為什麼光速和真空磁導率和真空介電常數有關。光是電磁波，這是大家公認的。而真空磁導率和介電常數又與電磁性質以及電荷有關，那麼怎麼能和光速沒有關係呢。

我們現在所定義的光速測量值是在真空條件下得到的，所以磁導率和介電常數也必須具有真空條件，才有一致性和可討論性。

最初提到光是電磁波的人是麥克斯韋。他在總結從庫倫定律到安培、高斯、法拉第等人有關電磁學說的全部成就，在此基礎上加以了推廣和發展，得出了以自己名字命名的方程組，即麥克斯韋方程組，其主要包括四個方程式，然後再補充三個描述介質的方程式，總共7個方程式。通過解這個方程組的特定解，可以得出電磁波在某種介質下的傳播速度。人們發現電磁波在真空的傳播速度恰好和真空的光速吻合，後來才確定光就是電磁波。

根據公式：

所得出的光速值為2.9979×108 m*s，和光速的實測值非常接近，在1983年國際計量大會決定採用的真空中光速值為2.99792458×10^8 m*s。c為光速；為真空的介電常數=8.85418782×10^(-10) F/m；u0為真空的磁導率=4π×10^(-7) N/A^2。所以，這種數學表示方式是根據麥克斯韋電磁方程組推導出來的。

而光速在真空中是一個定值，真空磁導率和真空介電常數也是定值。它們都具有一定的「恆定性」，這是光速不變原理的一個原因。而真空磁導率和真空介電常數是與時空背景有關的，所以綜合去考量，可以大膽得出光速為什麼是光速，光速為什麼不能超越。

原因就是光速是時空使然，光速恆定有時空背景限制。而光速不能超越，可以認為光速是一種時空束縛態。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於光的本質的時候寫道：光速【真空】是一種時空束縛態，光速為定值是時空使然。也就是時空告訴物質如何運動，這種運動就包含了以多大速度運動。光是物質，自然就遵從時空規律。

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論，如果宇宙性質和環境發生變化，那麼光速值自然會波動。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，那麼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。

而光速有測量值，也有定義值。但我們都知道，它不是絕對定值，小數點後面有多少數字我們不清楚。這是可以解釋為宇宙背景的「彈性」。你會發現很有物理常數，都不是絕對定值，那這就不是偶然。我有一章內容，專門列出了很多個常數，相信大家看到了，很多人可能會認為我是為了湊字數，而增加的這一章。其實還不是，對於這一章，我思慮了很久。我把這些數字都列了一個表了，試著找關係，看看能否找到一些共性，結果沒有找到。當然我的演算法就很簡單，這是能力的限制。如果你看到了，你有新的方法，或許可以算出宇宙這種「彈性係數。」

還有一個思維，我給大家點一下。因為在我們否定了以太之後，就沒有人在思考光或者引力傳播需不需要介質的問題。各位，應該這樣思考。否定以太沒有問題，是人類的進步，也有實驗支撐。

光波也不能理解為聲波。聲波是振動的空氣引起的，而光波不是。光波，電磁波是由磁場激發的。我們現在所說的，光不需要任何介質可以傳播，這句話其實是不可想像的。

我寫這本書，就是為了告訴大家。我們創立一個理論的時候，先去想這個理論，這句話能不能想像是很重要的。光不需要任何介質可以傳播。事實上是你不能想像世界上，沒有任何介質。世界上什麼都沒有這個狀態，你其實是想像不出來的。世界上什麼都沒有的話，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。所以光一定在介質中傳播的，在不同的介質中傳播速度不同。在真空中恆定。在介質中傳播和需要藉助介質傳播是兩個概念，繼續往下看。

宇宙中充斥著各種場，所以可以認為光傳播的介質是「場」。同樣引力的傳播不需要介質，但引力必須穿透這些宇宙的「場」來把一個個帶有質量的物體連接起來。這樣去想，可以想像，也絲毫不破壞現在理論的框架。只是在表述上，需要修改。

按照我們現在的教課書，甚至可以這樣理解。電磁波是電磁場的激發。它的磁力線延伸在理論上是無窮遠的。這是我們學過的，也就是可以從某種程度上說，場的延伸也是無窮遠的。所以電磁波以各種電磁場為介質進行傳播。大家可以看看現在教科書中關於電磁波的定義，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髮射的震蕩粒子波，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在進行傳播。引力，引力波同樣也是，可以通過引力場傳播。因為沒有任何物質的傳播是不可想像的。這和世界存在的方式是矛盾是兩個概念。任何物質都沒有，是世界不存在。世界存在的方式是矛盾的，是說我們關於世界的解釋，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。

以自身為介質進行傳播，頂多是有矛盾的一面。但是是可以想像的，也有理論基礎。現代物理學是以西方人的思維進行建立的，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。

這是我要給大家點出來的一個點。你在科研的時候，你怎麼想真的很重要的。尤其是當一個理論和實驗，你進行了很長時間了，就要想一下，我是不是該換一個路走走，看看能不能走的通。

關於這一章其實寫到這裡就結束了。但我在百科上，看到一個真空介電常數與真空背景周期的關係的推理。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與真空背景有關的佐證。數學能力強的，可以看看下文。

百科摘錄：值得一提的是，t =8.81 ×10秒在數值上剛好近似等於真空介電常數ε0，這兩個量之間有什麼關係呢? 為了說明這個問題，這裡假定真空中有二個帶有相同電量( 電量為e) 的點電荷相互作用，相互作用勢能為：

。如果單個電荷以周期 t 做圓周運動，則電流強度為 I = e/t. 根據實驗結果，電阻的表達式可寫為：。其中 ρ 為電阻率，l 為介質的長度，s 為介質的橫截面積，電流的方向垂直於橫截面。對兩個點電荷來說，雖然它們「靜止」，但它們受「真空背景溫度」的影響，也在做輕微的熱運動，這個運動可看成是簡諧運動，運動方向在兩個點電荷之間，周期為( 即前面的所說的「真空背景周期」)。運動電荷對應的電流可認為就是位移電流，這種運動使兩個電荷間的電場也發生了周期性的變化，變化的周期也為t。由於位移電流的本質就是變化的電場，則 e/t 在數值上可表示電流的空間分布，電流方向垂直於以 r 為半徑的球面，式中的橫截面積為s =4πr2。

由於系統處在真空之中，電阻率很大(相對於導體來說) ，但電子的運動是自由的，兩個點電荷間的電阻為

。

一個電荷相對一另一個電荷的電勢

，相對應的電勢能為

。比較勢能表達式可知 ε0= t / p，表明真空介電常數ε0與真空背景周期成正比。如果假定電阻率 ρ =1，真空背景周期與真空介電常數在數值上完全相等。可得：。

上式說明真空背景溫度與真空介電常數成反比，這個結果也顯示現實真空環境與宇宙背景有直接關係。雖然用 e/t 來表示位移電流的空間分布並不嚴格，但是足以說明真空介電常數的測量值與宇宙背景溫度有很大程度的關聯。

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並不嚴格。如果靠譜的話，那麼根據現在的天文理論宇宙大爆炸之後，宇宙空間背景溫度一定是在下降的，那麼真空介電常數成反比，就是上升的。有一點也很巧，不知道大家注意到沒有。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髮射的震蕩粒子波，是以波動的形式傳播的電磁場。而介電常數和磁導率分別對征著電場和磁場。所以又一點也不巧。

各位，好好思考一下。再給大家留一個問題。因為涉及到頻率，和周期，只是沒有點出來，那麼就會涉及到時間和同時性概念。而這兩個概念，在物理中是至關重要的，卻又沒有弄清楚。大家認為怎麼樣，其實這兩個問題，我也思考了很多，在第四十四章上，就有描述和解釋了。大家應該注意到了。

今天的分享內容，就到這裡。有時候讀這些東西，可能對你生活沒有任何改變。但人活著，就是為了知道和體驗更多。走的更遠，才能看的更遠。有些無用的東西，不是無用的，只是我們沒有用它。祝你學習愉快，生活愉快。

此章節為最新補增收錄。

摘自獨立學者，科普作家靈遁者物理書籍《變化》

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