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光是如何达到光速的?谁给它的动力?

2021-01-20  智能人做...

如果要问宇宙中有什么是绝对的?

那么在众多的答案当中,“光速在真空的传播速度是物质、信息、能量的最快传播速度”很可能是最佳的答案。那么问题来了,光速为什么是物质、信息、能量传递的最快速度?光的动力来自于哪里?为什么光可以直接达到光速呢?

相对论

要了解这个问题,我们首先要从相对论说起。话说在1905年,爱因斯坦提出了著名的狭义相对论。在这个理论中,爱因斯坦破天荒地以“光速不变原理”和“相对性原理”作为基础构建起了一座全新的物理学大厦。而通过光速不变原理,我们可以推导出物质、信息、能量的极限速度是光速。

爱因斯坦的这个理论刚提出时,并没有引起很大的反响,只有学术圈里的几个人感觉爱因斯坦是水平不错的科学家,但是他们并不认同爱因斯坦的理论,其中最具代表性的人物就是量子力学的奠基人:普朗克

这些科学家之所以无法接受爱因斯坦的理论,是因为这个理论实在是太颠覆三观了。不过,随着后来各种实验对相对论的验证,使得相对论越来越被科学界所接受,爱因斯坦也逐渐开始名声大噪,直至被公认为20世纪最伟大的科学家。

可是爱因斯坦的相对论只是告诉我们,光速是信息、物质、能量传递的最快速度,但却没有告诉我们为什么会是这样,这好像是冥冥之中注定的一样的,就好像是宇宙中最底层的属性。那后来科学家们搞明白这个问题了吗?

量子力学

如今流传着一句话“遇事不决,量子力学”。虽然这句话多少有点嘲讽的意味,但是量子力学本质上就是一种解释自然现象的思维方式。为什么这么说呢?

我们都知道,科学起源于2000多年前的古希腊。古希腊哲学家在思考“万物的本原”时,就提出了两条路径,一条路径是研究万物之所以成为万物的原因和规律,后来这条路径被称为形而上学;另一条路径是研究构成万物的最小单位,从微观的角度来解决这个问题,这条路径也被称为自然哲学,后来演化成了如今的科学。由于科学的叫法是在19世纪初才有的,而牛顿生活在17,18世纪,因此,他的著作才会叫做《自然哲学的数学原理》。

而量子力学走的就是后一条路径,从微观的角度来解释万物运转的规律。光速这件事就可以用量子力学的角度来解释,那具体是如何解释的呢?

这就需要我们对微观世界有一定的了解。20世纪中期,科学家利用对撞机撬开了微观世界的大门,获取到了许多微观世界的物理学现象。结果他们大吃一惊,因为他们发现了好多的粒子,如何给这些粒子分类就成了当时科学家极其头疼的问题。

最终,科学家结合量子力学和狭义相对论,弄出了一套粒子物理标准模型。在这套理论中,构成万物的是基本粒子,基本粒子分为两类,一类是费米子(费米子又分为夸克和轻子),一类是玻色子

费米子可以粗暴地理解成为把物质切到最碎时的“颗粒”,无法再继续切下去了,它们的存在使得物质都具有一定的体积;而玻色子则是把这些“颗粒”连接起来的基本粒子,它们依靠的是传递相互作用,起到了胶水的作用。我们举个例子,就拿人体中所需要的氧气来说。

首先,3个夸克(一种费米子)通过胶子(一种玻色子)传递的强相互作用结合形成了质子和中子。

而质子和中子通过介质(也就是一种玻色子)传递的核力结合形成了原子核,而原子核和电子(也是一种费米子)通过虚光子(一种玻色子)传递的电磁相互作用结合形成了氧原子,氧原子直接通过化学键(本质上也是电磁相互作用)结合形成了氧分子,一堆氧分子聚到一起也就是氧气了。

可能你要问了,说了这么多和光速有什么关系呢?

科学家发现这套理论有一个硬伤,如果那就是粒子的质量从哪来。科学家通过计算发现,传递物质99%的质量来自于传递强相互作用的能量(通过质能等价理论可以等价于相对应的质量)。那剩余的1%呢?

为了解决这个问题,科学家假设了宇宙中遍布着一种希格斯玻色子,它可以赋予粒子质量,通过的方法就是给粒子减速。也就是说,起初所有的粒子传播的速度都应该是光速,但是绝大多数的粒子都被希格斯粒子给减速了,并获得了质量。只有光子没有被减速,因此光子还保持着光速。因此,光的传播速度是光速,它并不需要动力。这同时也解释了为什么物质、信息、能量传递的速度不可能超过光速。当然,科学家只是做出了理论假设,凡事都要讲求证据。

后来,LHC大型粒子对撞机找到了希格斯玻色子存在的证据,提出理论预言的科学家还因此获得了诺贝尔物理学奖,希格斯玻色子的理论才成为了科学家的主流理论,被科学家们所认可。

总结

光子之所以可以达到光速是因为粒子在静止质量为0时传播速度就是光速,只是大多数的粒子由于被希格斯玻色子减速从而获得质量,所以大多数粒子并非光速,而光子并没有被希格斯玻色子减速,因此,可以保持光速。

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