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光子的速度為何能達(dá)到光速?光子飛行的動(dòng)力到底是什麼?

 sumfelix3smr2u 2023-02-19 發(fā)布于中國(guó)香港

在愛因斯坦的狹義相對(duì)論問世之前,科學(xué)家們一度認(rèn)為速度是沒有上限的,只要給一個(gè)物體不斷施加力量,物體的速度就會(huì)越來越快。

不過愛因斯坦提出相對(duì)論之后,我們知道了速度是有極限的,這個(gè)極限就是光速。光速是宇宙中物質(zhì),能量和信息的極限速度,任何具有靜質(zhì)量的物體的速度都不能超過光速。

那麼問題來了,光為何能以光速飛行呢?光子飛行的動(dòng)力又是什麼呢?靠什麼動(dòng)力瞬間達(dá)到光速呢?

一切還要從愛因斯坦的狹義相對(duì)論說起。其實(shí)狹義相對(duì)論并不復(fù)雜,它是建立在兩個(gè)原理基礎(chǔ)上提出來的,分別是光速不變?cè)砗拖鄬?duì)性原理。

而光速不變?cè)砜梢酝茖?dǎo)出光速就是宇宙的速度極限,是任何物質(zhì)和信息的極限速度,推導(dǎo)過程并不復(fù)雜,這里就不再詳述了。

愛因斯坦剛提出狹義相對(duì)論時(shí),其實(shí)并沒有引起物理學(xué)界的很大關(guān)注,多數(shù)科學(xué)家并不認(rèn)同愛因斯坦的相對(duì)論,因?yàn)橄鄬?duì)論太詭異了,同時(shí)它也完全顛覆了統(tǒng)治物理學(xué)界幾百年的牛頓經(jīng)典力學(xué)。

不過,隨著物理學(xué)的不斷向前發(fā)展,越來越多的證據(jù)表明相對(duì)論的正確性,相對(duì)論開始被主流科學(xué)界認(rèn)可,直到今天,相對(duì)論也成為了現(xiàn)代物理學(xué)大廈的基石之一,另一大基石是量子力學(xué)。

狹義相對(duì)論不但表明光速是宇宙中的速度極限,同時(shí)還暗示了光子一「出生」就以光速飛行,不需要任何加速過程,而且必須以光速飛行。

為何會(huì)這樣呢?到底是什麼樣的動(dòng)力讓光子以光速飛行呢?

這就需要量子力學(xué)的幫助,因?yàn)楣庾颖旧韺儆诹孔拥姆懂?,我們需要從微觀領(lǐng)域加以分析。

在20世界初,隨著物理學(xué)家們對(duì)微觀世界的不斷探索,也因此誕生了另外一門科學(xué),量子力學(xué),比相對(duì)論更具顛覆性的理論。

在探索微觀世界的過程中,物理學(xué)家們建立了標(biāo)準(zhǔn)粒子模型,用于描述微觀粒子分類的基本模型。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粒子模型,宇宙萬物是由基本粒子構(gòu)成的,而基本粒子可以分為兩類:費(fèi)米子和玻色子,費(fèi)米子又可以分為夸克和輕子。

那麼到底什麼是費(fèi)米子和玻色子呢?

通俗理解,當(dāng)我們不斷對(duì)物體進(jìn)行切割,切割到不能繼續(xù)下去的粒子就是費(fèi)米子,說白了就是組成物體的最基本粒子。

玻色子就是把費(fèi)米子粘結(jié)起來的粒子,就像膠水一樣把基本粒子粘結(jié)起來,在費(fèi)米子之間傳遞各種相互作用。

比如說質(zhì)子和中子都是由三個(gè)夸克組成的,而三個(gè)夸克之間通過一種叫做「膠子」的玻色子通過傳遞強(qiáng)相互作用連接在一起。

而原子核和電子通過光子(也是一種玻色子)傳遞電磁相互作用結(jié)合在一起,組成原子。

說了這麼多,好像和光速也沒有什麼關(guān)系,其實(shí)不然,關(guān)系很大。

標(biāo)準(zhǔn)粒子模型很好地描述了看似混亂無序的基本粒子,但有一個(gè)致命的問題沒有解決:基本粒子的質(zhì)量到底從哪里來的呢?

物理學(xué)家們通過不斷的研究探索發(fā)現(xiàn),物體的質(zhì)量有99%其實(shí)都來自膠子傳遞強(qiáng)相互作用的能量,而能量又可以表現(xiàn)為質(zhì)量。問題就在于剩下的1%質(zhì)量來自哪里呢?

這就需要一位偉大的物理學(xué)家希格斯登場(chǎng),他提出了希格斯玻色子的概念,正是希格斯玻色子賦予了基本粒子以質(zhì)量,怎麼賦予的呢?

通俗來講就是讓基本粒子減速,基本粒子會(huì)與希格斯玻色子發(fā)生作用然后減速。

本來所有的基本粒子的速度其實(shí)都應(yīng)該是光速,但由于希格斯粒子的存在,基本粒子發(fā)生了減速,并因此獲得了質(zhì)量。

就像我們?cè)诿苊苈槁榈娜巳褐写┧?,總?huì)發(fā)生碰撞從而減速,碰撞得越嚴(yán)重,減速越明顯,質(zhì)量就越大。

但是光子比較特殊,光子不會(huì)與希格斯玻色子發(fā)生作用,也就是說光子不會(huì)減速,所以還會(huì)以本來的速度光速飛行。

光子的速度一開始就是光速,不需要任何減速過程,也不需要任何動(dòng)力,一「生下來」就是光速。

當(dāng)然,希格斯玻色子的概念一開始只是假設(shè),科學(xué)是講究證據(jù)的,所以科學(xué)家必須證明希格斯玻色子的存在。

通過不懈努力,科學(xué)家終于在2012年通過大型粒子對(duì)撞機(jī)找到了希格斯玻色子存在的證據(jù),希格斯本人也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

并不只是光子,任何靜質(zhì)量為零的粒子都具有這個(gè)特性,都是以光速飛行,而且必須以光速飛行。除了光子之外,膠子的靜質(zhì)量也為零,所有膠子的速度也是光速,以光速傳遞強(qiáng)相互作用。

宇宙萬物之所有都有質(zhì)量,本質(zhì)上就是因?yàn)橄8袼共I拥拇嬖?,正是希格斯玻色子賦予了萬物以質(zhì)量,正因?yàn)槿绱耍8袼共I右脖环Q為「上帝粒子」,它無處不在,充滿了宇宙的每個(gè)角落!

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