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什麼是光子光速

生活 更新时间:2024-08-31 08:20:25

光速的很多性質與我們日常生活所見所聞“格格不入”,畢竟我們隻是生活在一個低速世界,而光速世界與我們的低速世界有很大不同。

什麼是光子光速(那麼光子是如何達到光速的呢)1

比如說,光速本身,光子不需要“達到”光速,因為它一生下來就是光速,沒有任何加速時間。但在我們現實世界,見到的任何物體都會有一個加速過程。

為何光子如此特殊?如何豪橫?

首先,我們可以用愛因斯坦的狹義相對論中的質增公式去理解,這個公式是:

什麼是光子光速(那麼光子是如何達到光速的呢)2

公式中m為物體的動質量,m0為靜質量。如果一個物體以光速飛行,也即使V等于C,那麼公式中的分母就等于零,公式失去了意義。不過,在高等數學中,“不定型極限”诠釋了這種理念:分母為零時,隻要分子也為零,公式同樣有意義。

所以,如果質增公式中物體的速度為光速時,分子m0也必須為零,m0就是物體的靜質量。

光的靜質量也确實為零,它不需要任何加速過程就能達到光速,而且必須以光速飛行,否則這個世界就亂了套。

那麼,為何光子的靜質量為零,其他粒子比如說電子,質子等靜質量不為零呢?

這裡需要明白質量的本質,也就是:質量到底是如何産生的?

科學家耗費了幾十年才揭開了質量的本質。這需要從粒子标準模型說起。

什麼是光子光速(那麼光子是如何達到光速的呢)3

在标準模型中,世界上的粒子可分為兩種:玻色子和費米子。玻色子就好像是膠水(傳遞各種基本力)把費米子粘結起來形成基本物質。而費米子就是最基本的粒子,比如說誇克就是玻色子,光子就是玻色子(光子傳遞電磁力)。

根據标準模型理論,粒子本應該都沒有質量的。不過科學家通過計算發現一個驚人事實:一個物體的質量99%都是通過基本粒子之間的相互作用獲取的,基本粒子隻構成了物體1%的質量。

舉個例子,假設原子的質量是100,那麼原子核和電子的質量總和其實隻要1,其餘的99都是原子核與電子,質子與中子,以誇克與誇克之間的相互作用,這些相互作用其實就是能量,而能量與質量是等價的。

什麼是光子光速(那麼光子是如何達到光速的呢)4

那麼基本粒子是如何獲得質量的呢?

答案在于“希格斯玻色子”,它賦予了粒子質量,也被稱為“上帝粒子”。

如何賦予粒子能量呢?通俗地講,希格斯玻色子可以讓粒子減速從而獲得質量。換句話說,如果沒有希格斯玻色子的“阻攔”,基本粒子本應該以光速飛行。而科學家也真的在大型粒子對撞機實驗中發現了希格斯玻色子,希格斯本人也因此獲得了諾貝爾獎。

而光子非常特殊,它不會被希格斯玻色子“阻攔”,天生就是光速飛行,靜質量為零。

什麼是光子光速(那麼光子是如何達到光速的呢)5

換一種思維方式來理解光速。

其實從物理學角度來講,光速并不是指光的速度,光速是宇宙時空的一個固有的内在秉性,不僅僅光子的速度是光速,引力波和信息的傳遞速度也是光速。光速隻與真空本身有關,與真空中的介電常數和磁導率有關:

什麼是光子光速(那麼光子是如何達到光速的呢)6

其中μ0為真空磁導率,εo為真空介電常數。

我們通常認為的“光速就是光的速度”其實是不嚴謹的,或者說是一種“狹義”觀點,因為畢竟光是最常見的物質,我們也會習慣認為光速指的就是光的速度。

總之,光速是由時空結構來決定的,時空會告訴物質該如何運動,物質的運動也會影響到時空。

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