光速达到每秒30万公里,为何这么快?背后的动力是什么?
日常生活经验告诉我们,速度都是相对的,比如相对于某个参照系才有意义。而在地球上一般我们都默认地面为参照系,也没必要说出来。
但是,还真有一个速度是绝对的,根本不需要参照系,它就是光速。光在真空中的速度大约为每秒30万公里,而这个速度就是绝对的,不管在任何参照系下测量,结果都保持不变。
那么,光的速度为何这么快呢?背后的动力又是什么呢?
先说答案,光以光速飞行根本不需要任何东西,它天生就是光速,而且没有任何加速过程,瞬间达到光速。
为什么会这样?让我们来详细看一看。
1905年,爱因斯坦提出了伟大的狭义相对论,其中有一个著名的公式,质能等价方程,一经问世便引起了科学界巨大轰动。
这个质能方程就是能量等于质量与光速平方的乘积。该公式表达的意思就是,一个质量为M的物体,拥有的总能量就是E。
质能方程可以用狭义相对论推导出来,推导过程会涉及到信息,能量和物质之间的转换关系,在这些关系中,爱因斯坦特意强调了物质,信息和能量的速度是无法超越光速的。如果想达到光速,一个物体的静质量必须为零。
质能方程中的M就是静质量,到底什么是质量,什么是静质量,爱因斯坦并没有给出明确答案。随着科学家对微观世界的深入探索,才逐渐找到了更具体的答案。
我们都知道,万物都是由最基本的原子组成的,原子由原子核和核外电子组成,电子无法继续分割下去,是基本粒子。原子核由质子和中子构成,质子带正电,中子不带电。
你有没有想过,原子核里的质子数量有很多,为什么不会因为同种电荷的排斥左右而分开呢?
还有,通过用大型粒子对撞机轰击质子和中子,科学家们发现了更小的结构,夸克。每个质子和中子都是由三个夸克组成的。三个夸克到底是如何组成质子的呢?
随着科学家们发现越来越多的基本粒子,如何把它们进行很好地分类就成了最大的难题。在这种背景下,粒子标准模型呼之欲出。
科学家们把微观粒子分为费米子和玻色子。费米子就是基本粒子,把一个物体不断切割最后不能再分的,就是费米子,比如说电子和夸克都是费米子。而玻色子是把费米子连接起来的粒子,就像胶水一样把基本粒子连接在一起,组成可见物质。
同时,科学家们认为自然界存在四种基本作用力,分别是强力,弱力,电磁力和引力。
强力把三个夸克束缚在一起形成质子和中子,同时也把质子中子束缚起来。强力是自然界最强大的力。
当科学家们试图用规范场理论统一四大作用力的时候,遇到了一个难题:他们不知道物体的质量到底来自哪里!
因为科学家们发现,一个质子或中子99%的质量都来自于强相互作用把夸克束缚在一起的束缚能。那么剩下的1%质量哪里去了呢?
理论上讲,剩下的1%质量就应该是三个夸克的质量,因为质子和中子都是由是三个夸克组成的。但是在夸克的质量又是哪里来的呢?
按照规范场理论,电子和夸克这样的基本粒子本应该是没有质量的。其次,所谓的四大作用力其实是通过传播子来传递的。比如说强相互作用,也就是强力是通过胶子来传递了,相当于把胶子扔来扔去就传递了强力。电磁力通过光子来传递的。而弱力是通过W玻色子和Z玻色子来传递的。
不同的是,胶子和光子都没有质量,但是W玻色子和Z玻色子都是有质量的,这些质量都来自哪里呢?
这就需要希格斯机制来诠释了。科学家们认为,宇宙中充满了希格斯场,当希格斯场受到扰动时就会产生希格斯粒子,也被称为上帝粒子,正是希格斯粒子赋予了基本粒子质量。
赋予的方式就是,希格斯粒子会与基本粒子发生作用,让粒子的运动速度减慢从而获得质量。夸克和电子等基本粒子的质量就是这么来的。
也就是说,所有的基本粒子本应该都是没有质量的,它们的速度也都应该是光速,只不过在飞行的过程中与希格斯粒子发生作用之后减速了,也因此获得了质量。
但并不是所有的粒子都会与希格斯粒子发生作用,比如说光子还有传播强相互作用的胶子,两者都不会与希格斯粒子发生作用,所有光子和胶子的质量都为零,而且不会被希格斯粒子减速,一直保持光速飞行!
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