众多粒子中,为何只有光子能以光速飞行,其他粒子都不行?
人类历史上诞生了很多伟大的物理学家,如果让你给物理学家们做一个排名,你会怎么排?
每个人很可能都有不同的答案,但是不管如何排列,有两位大佬的名次应该位居前列,甚至稳居前两位,他们就是爱因斯坦和牛顿,他们堪称人类历史上最伟大的两位科学家。
牛顿不必多数,他提出的牛顿定律家喻户晓。而爱因斯坦更是人人皆知,这四个字早已不仅仅是人名,更是智慧的化身。爱因斯坦创建了相对论,同时也是量子力学的奠基人之一,而相对论和量子力学是现代物理学大厦的两大基石。
爱因斯坦创建的相对论被无数人知晓,相对论包括狭义和广义相对论。狭义相对论是以光速不变原理和相对性原理提出来的。
同时,狭义相对论告诉我们,光速是宇宙中的速度极限,任何物体信息的传播速度都不可能超过光速。
相对论刚被爱因斯坦提出来时,并不被大众认可,因为它完全颠覆了人们对时间和空间的传统认知,甚至多数科学家都无法接受。
不过之后的一百多年时间里,越来越多的证据证明相对论的正确性,相对论也逐渐被大众接受。
不过,直到今天,仍旧有不少人不知道为什么光速是宇宙中的速度极限,还有一个问题,光是如何达到光速的?到底是什么东西让光达到光速的呢?
要弄清楚这些问题,我们首先需要了解著名的粒子标准模型。
19世纪末20世纪初,物理学家对微观世界进行了深入研究,一开始他们认为原子是组成物质的最小结构单元,原子是不可再分的。
不过著名物理学家卢瑟福做了一个简单的实验,用α粒子轰击金箔,正是这个实验让人们知道原子并非最小的微观粒子,它也有自己的结构,原子内部有一个致密内核存在,如今我们知道那是原子核。
之后,仿照卢瑟福做的α粒子轰击实验,物理学家们接连不断地做了很多类似的实验,结果不做不要紧,做过之后发现微观世界太热闹了,物理学家们发现了很多比原子更基本的微观粒子,数量达到上百种。
一时间,物理学家们也很头疼,因为他们不知道该如何对上百种微观粒子进行分类,后来经过不断分析探索,终于制定出了一套标准模型。
这就是粒子标准模型,这个模型看起来很完美,因为看似杂乱无章的上百种微观粒子在这套标准模型的安排下,变得井然有序。
具体是怎么分类的呢?实际研究起来是比较复杂的,这里就尽量用通俗简单的语言来讲述,科普的东西不需要太严谨,更需要通俗易懂。
简单来讲,宇宙万物都是由两种粒子构成的,它们分别是费米子和玻色子。
费米子是什么呢?打个比方就明白了,把一个物体无限分割下去,最后不能再分割的就是费米子,也就是不可分割的最小粒子。
费米子都遵循泡利不相容原理,也就是说,两个或多个费米子不能处于相同的量子态,这种特性让费米子之间产生斥力,让物质拥有一定的体积。
那么玻色子呢?玻色子就是“胶水”,把费米子粘结起来的胶水,这种胶水用物理学术语讲就是各种相互作用。
上面的解释可能还是有些抽象。下面再举例说明一下。组成质子和中子的夸克就是费米子,而胶子就是玻色子。
三个夸克通过胶子粘结起来,具体方式是,胶子可以在夸克之间传递强相互作用,把夸克束缚在一起。
同样地,中子和质子也是通过强相互作用粘结在一起形成原子核的,不过传播子并不是胶子,而是介子。而原子核和电子通过光子传递的电磁作用组成了原子。
自然界有四大基本作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。这四种力量都有相应的传播子来传播。强力通过胶子来传递强相互作用,弱力通过弱玻色子传递弱相互作用,电磁力通过光子传递电磁作用,而引力通过引力子来传递。
无论是胶子,弱玻色子,光子还是引力子,都属于玻色子的范畴。
到这里可能你会问:你说了这么多,和光速也没有什么关系啊!别着急,重点马上来了。
粒子标准模型看起来很完美,但有一个致命问题没有解决,基本粒子的质量到底从哪里来的呢?
根据标准模型,基本粒子应该都没有质量才对。但是科学家们研究发现,基本粒子的质量99%以上都是来自强相互作用产生的束缚能,而能量和质量是等价的。但是科学家们不知道剩下的1%质量哪里去了。
一位伟大的物理学家希格斯,提出了希格斯机制,该机制表明,宇宙中充满了希格斯场,而希格斯场的扰动就会形成希格斯粒子,正是希格斯粒子赋予了粒子以质量。
到底是如何赋予质量的呢?
简单讲,通过让粒子减速获得质量。说白了,在没有任何阻拦的情况下,所有的粒子本来都应该以光速飞行,但实际上并非如此,因为大部分粒子都被希格斯粒子阻挡了,结果速度就慢了下来,并因此而获得了质量。
不过,光子是个例外,光子并不会被希格斯粒子阻拦,不会与它发生相互作用,所以光子本来的速度就是光速,而且一生下来就是光速,必须是光速,没有任何加速过程,也不需要任何能量来加速,它的静质量为零。
除了光子之外,胶子同样没有静质量,也是以光速飞行。
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