生活常識(shí)告訴我們,要想讓一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)速度更快(也就是不斷加速),必須給這個(gè)物體持續(xù)施加動(dòng)力。最直接的例子就是我們平時(shí)開(kāi)的汽車,要想讓汽車速度更快,必須加油讓汽車發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)得更快才行。 萬(wàn)事萬(wàn)物看起來(lái)都是如此,但唯獨(dú)一個(gè)例外,它就是光!光生下來(lái)就以光速30萬(wàn)公里每秒的速度飛行,而且不需要任何加速過(guò)程,瞬間達(dá)到光速,也不需要任何動(dòng)力。 光,為何如此特殊? 首先我們需要了解質(zhì)量的本質(zhì):質(zhì)量到底是什么? 愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論告訴我們,靜質(zhì)量不為零的物體永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到光速,而靜質(zhì)量為零的物體(比如說(shuō)光子)能且只能以光速飛行。那么問(wèn)題來(lái)了:什么是質(zhì)量?什么是靜質(zhì)量? 牛頓的經(jīng)典力學(xué)告訴我們,質(zhì)量是衡量物體慣性大小的物理量,物體的質(zhì)量越大,慣性就越大。 但是這種定義是相當(dāng)模糊的,也是很抽象的,畢竟“慣性”這個(gè)東西也是看不見(jiàn)摸不著的,并沒(méi)有明確說(shuō)明質(zhì)量的本質(zhì)。 研究質(zhì)量的本質(zhì),我們需要深入到微觀世界一探究竟。 萬(wàn)物都是由原子組成的,而原子由原子核和核外電子構(gòu)成,組成原子核的質(zhì)子和中子由夸克組合。 如此來(lái)看,原子的質(zhì)量應(yīng)該等于夸克與電子的質(zhì)量總和。 但科學(xué)家們的研究結(jié)果表明并非如此:夸克與電子的質(zhì)量總和只占了原子質(zhì)量的不到1%,那么剩下的99%的質(zhì)量去哪里了? 愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程告訴了我們答案:E = mc ^ 2。通俗來(lái)講,質(zhì)能方程告訴我們,質(zhì)量和能量其實(shí)是一回事(但更本質(zhì)的是能量),就像一個(gè)事物表現(xiàn)出兩個(gè)方面一樣,能量和質(zhì)量可以相互轉(zhuǎn)換。 質(zhì)子和中子都是由三個(gè)夸克組成的,這三個(gè)夸克之間通過(guò)強(qiáng)作用力束縛在一起。我們都知道強(qiáng)作用力非常強(qiáng),強(qiáng)相互作用提供的強(qiáng)大束縛能緊緊地把三個(gè)夸克束縛在一起,這種束縛能其實(shí)就是剛才所說(shuō)的99%的質(zhì)量,因?yàn)楦鶕?jù)愛(ài)因斯坦質(zhì)能方程,能量可以表現(xiàn)為質(zhì)量。 但是還有個(gè)問(wèn)題:夸克和電子組成的1%的質(zhì)量到底是什么呢? 這里就需要提到著名的希格斯機(jī)制,也就是希格斯場(chǎng)和希格斯玻色子。 希格斯機(jī)制告訴我們,宇宙充滿了希格斯場(chǎng)。微觀粒子的速度本應(yīng)該都是以光速飛行,但正是因?yàn)橄8袼箞?chǎng)的存在,讓某些微觀粒子發(fā)生了減速。因?yàn)槲⒂^粒子穿過(guò)希格斯場(chǎng)的時(shí)候,會(huì)與希格斯場(chǎng)發(fā)生作用,從而發(fā)生減速,同時(shí)讓微觀粒子獲得質(zhì)量。 不過(guò)某些粒子,比如說(shuō)光子并不會(huì)與希格斯場(chǎng)發(fā)生作用,沒(méi)有質(zhì)量(靜質(zhì)量),所以只能以光速飛行。 希格斯機(jī)制面臨的一個(gè)必須解決的問(wèn)題是:如何證明希格斯場(chǎng)的存在?需要找到希格斯玻色子才可以。希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)受到擾動(dòng)產(chǎn)生的。 2012年,科學(xué)家終于在大型離子對(duì)撞機(jī)中找到了希格斯玻色子的存在,也證明了希格斯場(chǎng)的確存在,希格斯本人也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 通俗地講,正是因?yàn)橄8袼箞?chǎng)的存在,讓本來(lái)應(yīng)該以光速飛行的基本粒子速度變慢,從而獲得質(zhì)量,而希格斯場(chǎng)不會(huì)與光子發(fā)生作用,不會(huì)放慢光子的速度,因此光子會(huì)始終保持光速飛行。 |
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