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光子是如何達到光速飛行的?為何說光子必須以光速飛行?
2023/02/08

如果要問宇宙中有什麼是絕對的?

那麼在眾多的答案當中,「光速在真空的傳播速度是物質、信息、能量的最快傳播速度」很可能是最佳的答案。那麼問題來了,光速為什麼是物質、信息、能量傳遞的最快速度?光的動力來自于哪里?為什麼光可以直接達到光速呢?

相對論

要了解這個問題,我們首先要從相對論說起。話說在1905年,愛因斯坦提出了著名的狹義相對論。在這個理論中,愛因斯坦破天荒地以「光速不變原理」和「相對性原理」作為基礎構建起了一座全新的物理學大廈。而通過光速不變原理,我們可以推導出物質、信息、能量的極限速度是光速。

愛因斯坦的這個理論剛提出時,并沒有引起很大的反響,只有學術圈里的幾個人感覺愛因斯坦是水平不錯的科學家,但是他們并不認同愛因斯坦的理論,其中最具代表性的人物就是量子力學的奠基人:普朗克

這些科學家之所以無法接受愛因斯坦的理論,是因為這個理論實在是太顛覆三觀了。不過,隨著後來各種實驗對相對論的驗證,使得相對論越來越被科學界所接受,愛因斯坦也逐漸開始名聲大噪,直至被公認為20世紀最偉大的科學家。

可是愛因斯坦的相對論只是告訴我們,光速是信息、物質、能量傳遞的最快速度,但卻沒有告訴我們為什麼會是這樣,這好像是冥冥之中注定的一樣的,就好像是宇宙中最底層的屬性。那後來科學家們搞明白這個問題了嗎?

量子力學

如今流傳著一句話「遇事不決,量子力學」。雖然這句話多少有點嘲諷的意味,但是量子力學本質上就是一種解釋自然現象的思維方式。為什麼這麼說呢?

我們都知道,科學起源于2000多年前的古希臘。古希臘哲學家在思考「萬物的本原」時,就提出了兩條路徑,一條路徑是研究萬物之所以成為萬物的原因和規律,後來這條路徑被稱為形而上學;另一條路徑是研究構成萬物的最小單位,從微觀的角度來解決這個問題,這條路徑也被稱為自然哲學,後來演化成了如今的科學。由于科學的叫法是在19世紀初才有的,而牛頓生活在17,18世紀,因此,他的著作才會叫做《自然哲學的數學原理》。

而量子力學走的就是后一條路徑,從微觀的角度來解釋萬物運轉的規律。 光速這件事就可以用量子力學的角度來解釋,那具體是如何解釋的呢?

這就需要我們對微觀世界有一定的了解。20世紀中期,科學家利用對撞機撬開了微觀世界的大門,獲取到了許多微觀世界的物理學現象。結果他們大吃一驚,因為他們發現了好多的粒子,如何給這些粒子分類就成了當時科學家極其頭疼的問題。

最終,科學家結合量子力學和狹義相對論,弄出了一套粒子物理標準模型。在這套理論中,構成萬物的是基本粒子,基本粒子分為兩類,一類是費米子(費米子又分為夸克和輕子),一類是玻色子

費米子可以粗暴地理解成為把物質切到最碎時的「顆粒」,無法再繼續切下去了,它們的存在使得物質都具有一定的體積;而玻色子則是把這些「顆粒」連接起來的基本粒子,它們依靠的是傳遞相互作用,起到了膠水的作用。我們舉個例子,就拿人體中所需要的氧氣來說。

首先,3個夸克(一種費米子)通過膠子(一種玻色子)傳遞的強相互作用結合形成了質子和中子。

而質子和中子通過介質(也就是一種玻色子)傳遞的核力結合形成了原子核,而原子核和電子(也是一種費米子)通過虛光子(一種玻色子)傳遞的電磁相互作用結合形成了氧原子,氧原子直接通過化學鍵(本質上也是電磁相互作用)結合形成了氧分子,一堆氧分子聚到一起也就是氧氣了。

可能你要問了,說了這麼多和光速有什麼關系呢?

科學家發現這套理論有一個硬傷,如果那就是粒子的質量從哪來。科學家通過計算發現,傳遞物質99%的質量來自于傳遞強相互作用的能量(通過質能等價理論可以等價于相對應的質量)。那剩余的1%呢?

為了解決這個問題,科學家假設了宇宙中遍布著一種希格斯玻色子,它可以賦予粒子質量,通過的方法就是給粒子減速。也就是說,起初所有的粒子傳播的速度都應該是光速,但是絕大多數的粒子都被希格斯粒子給減速了,并獲得了質量。只有光子沒有被減速,因此光子還保持著光速。因此,光的傳播速度是光速,它并不需要動力。這同時也解釋了為什麼物質、信息、能量傳遞的速度不可能超過光速。當然,科學家只是做出了理論假設,凡事都要講求證據。

後來,LHC大型粒子對撞機找到了希格斯玻色子存在的證據,提出理論預言的科學家還因此獲得了諾貝爾物理學獎,希格斯玻色子的理論才成為了科學家的主流理論,被科學家們所認可。

總結

光子之所以可以達到光速是因為粒子在靜止質量為0時傳播速度就是光速,只是大多數的粒子由于被希格斯玻色子減速從而獲得質量,所以大多數粒子并非光速,而光子并沒有被希格斯玻色子減速,因此,可以保持光速。

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