生活常識告訴我們,要想讓一個物體運動速度更快(也就是不斷加速),必須給這個物體持續施加動力。最直接的例子就是我們平時開的汽車,要想讓汽車速度更快,必須加油讓汽車發動機轉得更快才行。
萬事萬物看起來都是如此,但唯獨一個例外,它就是光!光生下來就以光速30萬公裡每秒的速度飛行,而且不需要任何加速過程,瞬間達到光速,也不需要任何動力。
光,為何如此特殊?
首先我們需要了解質量的本質:質量到底是什麼?
愛因斯坦的狹義相對論告訴我們,靜質量不為零的物體永遠不會達到光速,而靜質量為零的物體(比如說光子)能且隻能以光速飛行。那麼問題來了:什麼是質量?什麼是靜質量?
牛頓的經典力學告訴我們,質量是衡量物體慣性大小的物理量,物體的質量越大,慣性就越大。
但是這種定義是相當模糊的,也是很抽象的,畢竟“慣性”這個東西也是看不見摸不着的,并沒有明确說明質量的本質。
研究質量的本質,我們需要深入到微觀世界一探究竟。
萬物都是由原子組成的,而原子由原子核和核外電子構成,組成原子核的質子和中子由誇克組合。
如此來看,原子的質量應該等于誇克與電子的質量總和。
但科學家們的研究結果表明并非如此:誇克與電子的質量總和隻占了原子質量的不到1%,那麼剩下的99%的質量去哪裡了?
愛因斯坦的質能方程告訴了我們答案:E = mc ^ 2。通俗來講,質能方程告訴我們,質量和能量其實是一回事(但更本質的是能量),就像一個事物表現出兩個方面一樣,能量和質量可以相互轉換。
質子和中子都是由三個誇克組成的,這三個誇克之間通過強作用力束縛在一起。我們都知道強作用力非常強,強相互作用提供的強大束縛能緊緊地把三個誇克束縛在一起,這種束縛能其實就是剛才所說的99%的質量,因為根據愛因斯坦質能方程,能量可以表現為質量。
但是還有個問題:誇克和電子組成的1%的質量到底是什麼呢?
這裡就需要提到著名的希格斯機制,也就是希格斯場和希格斯玻色子。
希格斯機制告訴我們,宇宙充滿了希格斯場。微觀粒子的速度本應該都是以光速飛行,但正是因為希格斯場的存在,讓某些微觀粒子發生了減速。因為微觀粒子穿過希格斯場的時候,會與希格斯場發生作用,從而發生減速,同時讓微觀粒子獲得質量。
不過某些粒子,比如說光子并不會與希格斯場發生作用,沒有質量(靜質量),所以隻能以光速飛行。
希格斯機制面臨的一個必須解決的問題是:如何證明希格斯場的存在?需要找到希格斯玻色子才可以。希格斯玻色子是希格斯場受到擾動産生的。
2012年,科學家終于在大型離子對撞機中找到了希格斯玻色子的存在,也證明了希格斯場的确存在,希格斯本人也因此獲得了諾貝爾物理學獎。
通俗地講,正是因為希格斯場的存在,讓本來應該以光速飛行的基本粒子速度變慢,從而獲得質量,而希格斯場不會與光子發生作用,不會放慢光子的速度,因此光子會始終保持光速飛行。
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