电磁波是什么电磁波的频率有没有上限

如下图所示，伽玛射线爆会释放出宇宙中最强大的电磁辐射，但它的频率并不是最高的。中子星或者黑洞合并时会在短时间内释放出大量的伽马射线，超大质量恒星爆炸时也会在短时间内释放出大量伽马射线，这就是伽玛射线爆。它是宇宙中最强大的能量活动。

伽玛射线的频率非常高，频率范围在10^18Hz～10^22Hz之间，波长不到0.001纳米。当原子核发生能级跃迁时，便会产生伽马射线。核武器和核反应堆中就有它的存在，它能够对人体产生非常大的危害。那么还有比伽玛射线频率更高的电磁波吗？电磁波的频率存在上限吗？

为了讨论这个问题，让我们先来了解一下电磁波的相关知识。

什么是电磁波？

现如今，人类的生活已经离不开电磁波了。从微波炉到电视、电话，从移动网络到WIFI，都需要用到电磁波。它虽然看不见、摸不着，但它在我们的生活中已经根深蒂固了。

电磁波并不神秘，它是在空间中以波动形式传播的电磁场，具有波粒二象性。频率越高，粒子性越强；频率越低，波动性越强。电磁波是横波，其传播方向与电场方向和磁场方向三者互相垂直。通常任何温度在绝对零度（-273.15℃）之上的物质或粒子都能够向外界辐射出电磁波，只是人眼只能感知到频率很窄的电磁波，被称之为可见光。

上图为电磁波在空间中的传播方式示意图，传播方向不变，但是电场和磁场的方向却在不停的交互变换。

早在19世纪，麦克斯韦就从理论上预言了电磁波的存在，认为光也是一种电磁波、电磁波的速度与光速相同。1888年，德国物理学家赫兹通过实验证实了麦克斯韦的预言。因为这些成就，赫兹（Hz）被用作国际单位制下频率的单位名称。

上图为麦克斯韦的肖像，他是人类历史上最伟大的物理学家之一。

电磁波的频谱

频率就是电磁波在单位时间内完成周期振动的次数。在自然界中，电磁辐射往往和温度有关，温度越高，物体向外辐射出的电磁波的频率也就越高。可见，频率是电磁波一个很重要的特性。

电磁波的速度就是光速（约30万千米每秒），由由于真空中的光速是恒定的，因此一旦确定了频率，波长也就随之确定了。电磁波的速度、频率和波长满足关系：c=λf 。

基于频率，从低频到高频，我们将电磁波划分为：无线电波（又可细分为长波、中波、短波）、微波、红外光、可见光、紫外光、X光和γ射线，它们构成了一个完整的电磁波谱。其中人眼可见的电磁波的频率范围为在 3.9×10^14～8.6×10^14 Hz 之间，对应的波长范围在400～760nm之间。不过有少数人可以感知到波长范围在380nm~780nm的电磁波。

电磁波的频率可低至几千赫兹，此时电磁波的波长可达几十千米。由于电磁波的频率较低时，其能量也较低，因此在传播过程中衰减的很厉害。虽然电磁波的传播不需要介质，但是当电磁波的频率较低时，需要借助有形的导电体才能传播。

X射线又叫伦琴射线，常用于医学检查，它的频率为10^15～10^22Hz，没有伽玛射线的频率高。当原子中核外电子发生能级跃迁时，如果能量差较大，就会辐射出X光。紫外光可以用来消毒杀菌，有利也有弊，它也会对人的皮肤产生危害，太阳中就含有大量的紫外光，幸亏地球大气层有臭氧，可以阻挡大部分紫外光。而任何有温度的物体都会向外辐射出红外光，夜视仪或热成像仪就是基于这个原理。无线电波的频率约为 10KHz～30GHz，无线通信就是靠的它。频率越高，单位时间内能够传递的信息就越多，所以说5G网络使用的无线电频率就比4G网络高。

如上图所示，核外电子发生能级跃迁，并辐射出能量为ΔE的光子。普朗克常数是定量，发生跃迁时释放的能量大小便决定着光子的频率。

频率存在上限吗？

伽玛射线的频率已经很高了，但这并不是最高的，科学家在实验室中已经能够产生10^26Hz的电磁波，此时的电磁波性质更偏像粒子。

光速不变，根据波长和频率的关系，似乎只要波长无限短，电磁波的频率就能无限高。量子力学告诉我们，从微观世界来看物质的运动并不是连续的，而且存在最小的运动变化尺度。这并不是数学题，根据量子力学，电磁波的波长不能无限短，因此电磁波的频率必然就存在一个上限值。

这个极短的长度被叫做普朗克长度，其大小约为1.6x10^-35米，仅相当于一个质子直径的10^22分之一。它是物质世界中存在的有意义的最短长度，没有比这还小的尺度了。普朗克长度的数值由万有引力常数G、光速c和普朗克常数h三者来决定。

通过计算，理论上电磁波的最高频率不能超过1.9x10^43Hz。这与人类目前所能产生的超高频电磁波相比，它们之间相差了17个数量等级。频率这么高的电磁波，也许只能在宇宙大爆炸时才能产生。

还可以算一算其它数据。根据波粒二象性，超高频电磁波可以看作粒子，即光子。光子的能量用公式E=hv（其中，h为普朗克常数，数值大小为6.6×10^-34 J·s ；v为光子的频率）计算。当光子的频率达到上限时，该光子的能量约为1.2x10^10焦耳。能量和质量存在联系，根据质能方程E=mc^2，该光子的能量所对应的质量约为0.00013克。

由此可见，除了数学世界，真实世界中并不存在无限，总是存在各种各样的限制。不仅光的传播速度存在上限，光（电磁波）的波长或频率也存在上限。正因如此，宇宙中事物的运动变化才有规律可循。