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光子为何能瞬间达到光速?光子:快不算本事,慢下来才算高手!
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2023.12.26 中国香港

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光,在我们身边无处不在。毫不夸张地讲,人类科学发展史,基本上就是对光本质的探索史。但颇有讽刺意味的是,就是如此常见的光,直到今天科学家都没有完全弄清楚它的本质。

但是,这并不能怪科学家们不努力,实际上他们已经相当努力了,已经告诉了我们很多有关光的奥秘。在众多奥秘当中,有一个可能让很多人羡慕的一点:光一出生就以光速飞行,没有任何加速过程,可以说是一瞬间就达到光速了。

更不可思议的一点是,真空中光的速度无论如何都不会减速,意味着光必须以光速飞行。

在如今人类追求速度的大背景下,肯定非常羡慕光子的这种必须以光速飞行的特性,但是当对光进行深入研究后,我们发现不必羡慕光,因为快其实并不算本事,能慢下来才算是高手

因为只有慢下来,才意味着能量的积累,才能历经岁月的洗礼,稳固下来感受岁月的沧桑变化。

上面这段话听起来好像带有哲学思想,不像是科学,该如何理解呢?

光,其实描述了万事万物的运动本质,这句话一点也不过分。爱因斯坦的狭义相对论表明,任何具有静质量的物体都不可能达到光速,而静质量为零的物体又必须以恒定的光速运动。一个想达到光速,却无论如何都达不到,而另一个就算不想以光速飞行都不行。

同时,爱因斯坦提出的质能方程又表明,质量与能量是等价的,只不过表现形式不同罢了。很多人会有疑问,质量为什么会与能量等价呢?大自然为什么会有这样的法则?

最大的问题在于:光到底是什么?

牛顿经典力学告诉我们,任何物体在不受外力作用的时候,总会保持静止或者匀速直线运动,这也是我们的日常生活经验,也就是所谓的“惯性定律”。

问题来了,光算是“一个物体”吗?光遵循“惯性定律”吗?

牛顿之后的又一位物理学界大佬,麦克斯韦告诉了我们答案:光是电磁波,既然光是一种波,就像水波那样,自然就不遵循惯性定律。

到这里,本来这个问题已经得到解决了,但是随着量子力学的横空出世,问题似乎变得更加复杂了。因为发现在描述微观粒子的行为时,有时需要用到一套理论,而有时又需要用到另外一套理论,甚至有时两套理论都必须用。

这其实就是我们通常所讲的光的“波粒二象性”,光既具有波动性,同时也具有粒子性。不仅仅是光,所有微观粒子都具有这样的特性。

而波粒二象性,就是量子力学的核心思想,量子世界里所有诡异现象的本质,其实都是波粒二象性的具体表现,比如说不确定性,还有电子双缝干涉实验,薛定谔的猫等等。

等等,到底什么是“量子”?是某种微观粒子吗?

并不是,量子只是一个物理学概念,如果一个物理量存在不可再分的最小单元,那么这个物理量就是量子化的,最小的不可再分的单元就是量子。

就好比一根木头,你不断用刀对半砍木头,最后实在砍不动了,剩下的就是“量子”。

但是,以上对量子的定义其实并不太严谨,更多的是从粒子性来定义的,但是刚才也讲了,微观粒子也具有波粒二象性,具有波动性。因此,我们经常说的“氢原子核外有一个电子”,其实也可以表达为“氢原子核外有电子云”。

这些其实都不重要,很多人关心的是,物体能无限分割吗?比如说一滴水,一直分割下去,最终会得到什么呢?

水的组成结构从大到小分别是分子,原子,原子核,质子中子,然后是夸克和电子,夸克之间通过胶子传递强相互作用。

而夸克,电子和胶子被物理学家们称为“基本粒子”,是不可再分的,起码目前是这样。

夸克也分为好几种,同时除了夸克电子和胶子之外,还有很多其他基本粒子,物理学家们根据粒子的不同特性进行了分类,在此基础上建立了粒子标准模型,总共包含了62种基本粒子,其中引力子还没有被找到。

要想把所有这些基本粒子都详细讲一遍,没有几天时间是不行的。

说了这么多,与光速又有什么关系呢?

关系很大。所有的这些基本粒子本来是没有质量的,也就是说,它们本来都应该以光速飞行,一出生都是光速。只不过由于希格斯玻色子的存在,让大部分基本粒子与之发生相互作用,从而发生了减速慢了下来,在这个过程中获得了质量,这就是质量的本质,其实还是能量,只不过是源于粒子之间相互作用产生的能量。

光子胶子等基本粒子不会与希格斯粒子发生作用,所以它们没有静质量,只能以光速飞行。

至于能不能与希格斯粒子发生作用,决定权在粒子的内在属性,比如说基本粒子的电荷,色荷,和角动量等属性。

到这里,或许你应该明白,光之所以能以光速这么快的速度飞行,就是因为光的速度没有任何能量来源,说白了就是光不会被希格斯粒子阻拦。而其他微观粒子包括宏观物体之所以这么慢,就是因为组成我们的粒子有能量来源,会与希格斯粒子发生作用获得能量,也就是质量。

也就是说,虽然我们无法达到光速,但可以尽可能地接近光速。但对于光子来讲就比较悲催了,它只能以光速飞行,哪怕想慢一丢丢都不行。

同时,对于光子来讲,是没有任何时间概念的,在我们眼里任何再漫长的时间,对于光子来讲都是一瞬间。也就是说,岁月对于光子来讲是不存在的,光子无法经受岁月的洗礼,也可以通俗理解为光的时间永远是静止的,光一生下来就是永恒的时间静止。

光子这样的状态是不是很可怕?所以,不要羡慕光子的速度了,能慢下来才更有意义,才是真正的高手。

发布于:辽宁

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