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光既然可以每秒30萬公里

夏志豪2年前14瀏覽0評論

光既然可以每秒30萬公里?

如果要問宇宙中有什么是絕對的?那么,在物理學當中,有一個東西是絕對的,那就是光在真空中的速度近似等于30萬公里/秒。那光為什么會這樣擁有這樣的速度?它的動力到底是什么呢?

其實,答案很簡單,光不需要動力,基本粒子天生就擁有光速,而光沒有靜止質量,它沒有被希格斯場所減速,而其他基本粒子因為擁有靜止質量,因此被希格斯場所減速,所以達不到光速。那具體是咋回事呢?

質能等價

在物理學界,即便是物理學的發展得到了前所未有的推薦。在一些基本的概念上,科學家們依然推薦得很痛苦,比如:質量,能量和光速。伽利略曾經就挑戰過光速,而且他僅僅是嘗試去測光速,卻只能以失敗而告終。

到了20世紀,有一個物理學界的天縱奇才出現了,他就是愛因斯坦。在他1905年發表了四篇極具開創性的論文,其中就包括大名鼎鼎的狹義相對論。除了狹義相對論,在當年最晚發表的一篇名為《質能等價》的論文是補充狹義相對論的。

在這篇論文當中,愛因斯坦提出了一個大名鼎鼎的質能方程E=mc^2,這個方程是愛因斯坦用來描述質量和能量的關系的,其中就用到c^2,也就是光速的平方。

這個方程描述了一個等價關系,假設有個物體的質量是m,那它所擁有的能量E就是mc^2。在推導質能方程的過程中,愛因斯坦論述了信息、物質、能量的極限速度是無法超越光速。如果要達到光速,那么靜止質量只有等于0時。

后來科學家們發現,愛因斯坦這篇文章存在著循環論證的問題。不過,在幾位物理學家和數學家的共同努力下,也最終拿出了十分嚴謹的證明。可能你要問了,憑什么信息、物質、能量的速度不能超過光速?

愛因斯坦當年只是用光速不變原理推導得到這個結果,但更深層次的原因并沒有給出解釋。不僅如此,實際上愛因斯坦也沒有解釋到底什么是質量?不過,后來有一批物理學家一并解決了這2個問題。那具體是咋回事呢?

希格斯場

科學家實際上是基于原子結構的研究從而解決這個問題的。我們都知道,原子都是由原子核和電子構成的。電子無法再分,而原子核還可以繼續分為質子和中子。其中質子是帶正電,中子是不帶電的。可是你想過沒有,原子核內有那么多質子, 不應該因為同種電荷相排斥而被彈開嗎?

其次,科學家還通過轟擊質子和中子的實驗發現,質子和中子也應該還可以再分更小的粒子。這種粒子后來被稱為夸克。

除此之外,原子核還存在著衰變的現象,比如:β衰變,一個中子衰變成一個質子、一個電子和一個中微子。

基于這些現象,科學家提出,在宇宙中存在著四種基本作用力,分別是強相互作用,弱相互作用,電磁相互作用和引力。其中,強相互作用把夸克束縛在質子當中,也把質子束縛在原子核當中,因此它們的強度要大于電磁力,衰變則是由弱相互作用引起的。

科學家利用一套叫做規范場的理論,試圖把四大相互作用統一起來,他們幾乎完成了強相互作用、弱相互作用和電磁相互作用的統一。但是有一些科學家就發現了一個問題,這其實就是質量問題。根據這套理論,物質的質量到底從哪里來呢?

科學家發現,物質99%的質量來自于強相互作用把夸克束縛在質子和中子當中的能量,我們可以通過上文提到的質能等價計算得到。至于剩余的1%的質量則是來自于各種基本粒子的。這聽起來其實很完美有沒有?

可問題就出在,在規范場當中,夸克和電子這類基本粒子是不應該有質量的。其次,相互作用在規范場論當中可以看成是把某種粒子扔來扔去的結果,比如:強相互作用就是把膠子扔來扔去;而弱相互作用就是把W玻色子和Z玻色子扔來扔去;電磁力就是把光子扔來扔去。膠子和光子明明是沒有質量的,可W玻色子和Z玻色子卻有質量,這很是奇怪。

后來,為了解決這個問題,科學家不得不提出另外一個假設來給規范場論做補充。他們提出了希格斯機制,他們認為宇宙中遍布著一種場叫做希格斯場,當粒子通過時,希格斯場會和粒子發生作用,會導致粒子減速并獲得質量。物質剩余的1%的質量就是希格斯場賦予的。

但是并不是所有的粒子都會和希格斯場發生作用,如果粒子的靜止質量是0,那么它就不會和希格斯場發生作用,那它的速度就應該是光速。光子的靜止質量是0,所以它沒有被希格斯場減速,所以它的傳播速度是光速。