光子的速度为何能达到光速?光子飞行的动力到底是什么?
在爱因斯坦的狭义相对论问世之前,科学家们一度认为速度是没有上限的,只要给一个物体不断施加力量,物体的速度就会越来越快。
不过爱因斯坦提出相对论之后,我们知道了速度是有极限的,这个极限就是光速。光速是宇宙中物质,能量和信息的极限速度,任何具有静质量的物体的速度都不能超过光速。
那么问题来了,光为何能以光速飞行呢?光子飞行的动力又是什么呢?靠什么动力瞬间达到光速呢?
一切还要从爱因斯坦的狭义相对论说起。其实狭义相对论并不复杂,它是建立在两个原理基础上提出来的,分别是光速不变原理和相对性原理。
而光速不变原理可以推导出光速就是宇宙的速度极限,是任何物质和信息的极限速度,推导过程并不复杂,这里就不再详述了。
爱因斯坦刚提出狭义相对论时,其实并没有引起物理学界的很大关注,多数科学家并不认同爱因斯坦的相对论,因为相对论太诡异了,同时它也完全颠覆了统治物理学界几百年的牛顿经典力学。
不过,随着物理学的不断向前发展,越来越多的证据表明相对论的正确性,相对论开始被主流科学界认可,直到今天,相对论也成为了现代物理学大厦的基石之一,另一大基石是量子力学。
狭义相对论不但表明光速是宇宙中的速度极限,同时还暗示了光子一“出生”就以光速飞行,不需要任何加速过程,而且必须以光速飞行。
为何会这样呢?到底是什么样的动力让光子以光速飞行呢?
这就需要量子力学的帮助,因为光子本身属于量子的范畴,我们需要从微观领域加以分析。
在20世界初,随着物理学家们对微观世界的不断探索,也因此诞生了另外一门科学,量子力学,比相对论更具颠覆性的理论。
在探索微观世界的过程中,物理学家们建立了标准粒子模型,用于描述微观粒子分类的基本模型。
根据标准粒子模型,宇宙万物是由基本粒子构成的,而基本粒子可以分为两类:费米子和玻色子,费米子又可以分为夸克和轻子。
那么到底什么是费米子和玻色子呢?
通俗理解,当我们不断对物体进行切割,切割到不能继续下去的粒子就是费米子,说白了就是组成物体的最基本粒子。
玻色子就是把费米子粘结起来的粒子,就像胶水一样把基本粒子粘结起来,在费米子之间传递各种相互作用。
比如说质子和中子都是由三个夸克组成的,而三个夸克之间通过一种叫做“胶子”的玻色子通过传递强相互作用连接在一起。
而原子核和电子通过光子(也是一种玻色子)传递电磁相互作用结合在一起,组成原子。
说了这么多,好像和光速也没有什么关系,其实不然,关系很大。
标准粒子模型很好地描述了看似混乱无序的基本粒子,但有一个致命的问题没有解决:基本粒子的质量到底从哪里来的呢?
物理学家们通过不断的研究探索发现,物体的质量有99%其实都来自胶子传递强相互作用的能量,而能量又可以表现为质量。问题就在于剩下的1%质量来自哪里呢?
这就需要一位伟大的物理学家希格斯登场,他提出了希格斯玻色子的概念,正是希格斯玻色子赋予了基本粒子以质量,怎么赋予的呢?
通俗来讲就是让基本粒子减速,基本粒子会与希格斯玻色子发生作用然后减速。
本来所有的基本粒子的速度其实都应该是光速,但由于希格斯粒子的存在,基本粒子发生了减速,并因此获得了质量。
就像我们在密密麻麻的人群中穿梭,总会发生碰撞从而减速,碰撞得越严重,减速越明显,质量就越大。
但是光子比较特殊,光子不会与希格斯玻色子发生作用,也就是说光子不会减速,所以还会以本来的速度光速飞行。
光子的速度一开始就是光速,不需要任何减速过程,也不需要任何动力,一“生下来”就是光速。
当然,希格斯玻色子的概念一开始只是假设,科学是讲究证据的,所以科学家必须证明希格斯玻色子的存在。
通过不懈努力,科学家终于在2012年通过大型粒子对撞机找到了希格斯玻色子存在的证据,希格斯本人也因此获得了诺贝尔物理学奖。
并不只是光子,任何静质量为零的粒子都具有这个特性,都是以光速飞行,而且必须以光速飞行。除了光子之外,胶子的静质量也为零,所有胶子的速度也是光速,以光速传递强相互作用。
宇宙万物之所有都有质量,本质上就是因为希格斯玻色子的存在,正是希格斯玻色子赋予了万物以质量,正因为如此,希格斯玻色子也被称为“上帝粒子”,它无处不在,充满了宇宙的每个角落!
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