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為什麼只有光子能夠達到光速?它的動力來自于哪裡?
2021/09/19
2021/09/19

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眾所周知,最快的速度是光速,那麼光速的動力是什麼呢?

我們都知道,給物體施加一定的力,它就會獲得一個速度,隨著力的不斷增加,物體的速度也會不斷增加。那麼速度是否有上限呢?在愛因斯坦相對論沒有提出之前,人們都認為速度是沒有上限的,它可以無限增加。

可是現在的我們都知道,速度是有上限的,那就是光速,任何有質量的物體,它的速度只能無限接近光速,這是愛因斯坦狹義相對論告訴我們的答案,而且這個答案已經得到了科學實驗的論證,它是正確的。

雖然物質的速度極限是光速,但並不是所有的物質都能夠真正達到光速,在目前人類的認知裡,只有光的速度可以達到光速,其他的物質只能無限接近光速。于是這裡就產生了這樣一個疑問:為什麼只能光子能夠達到光速,它的動力來自于哪裡?

上個世紀愛因斯坦提出光速不變原理的時候,當時的科學界認同這個結論的並不多,反而是反對的人更多一其中具有代表性的人物就是量子力學的奠基人普朗克,普朗克並不認可愛因斯坦提出的有關光的一些論述。

之所以有如此多的科學家無法接受愛因斯坦的理論,主要是這個理論在當時太顛覆人們的三觀了。只不過,隨著科學的不斷發展,科學家通過各種實驗對相對論進行了論證,一次次的實驗都證明瞭愛因斯坦的相對論是正確的,從此讓愛因斯坦名聲大噪,成為了20世紀最偉大的和科學家。

愛因斯坦的相對論只是告訴了我們,光速是資訊,物質,能量傳遞的最快速度,是物質能夠達到的極限速度,並且光的速度還是不變的。可至于為什麼會是這樣的結果,相對論並沒有告訴我們答案,並且科學家也深深明白,這個隱藏在背後的真相對于人類或許是非常重要的。

那麼要如何揭開光的速度能夠達到光速,其他物質無法達到光速的背後謎團呢?從巨觀的角度,我們或許很難去揭開光速的秘密,這個時候人們想到了微觀世界,想到了量子力學。

我們都知道,整個宇宙其實是由兩個世界組成,一個是我們能夠看得見的巨觀世界,另一個則是我們看不見的微觀世界。而且巨觀和微觀是緊密相連的,微觀組成了巨集觀,巨集觀的一些表現同樣也影響著微觀世界的運行。

巨觀世界很多事物的本質都可以在微觀世界中找到答案,例如:物體溫度變化的本質其實就是微觀世界分子熱運動劇烈程度的反應。

我們研究探索巨觀世界的奧秘,需要一些科學理論的支援,例如:牛頓的經典力學,愛因斯坦的相對論等。同樣的道理,我們研究探索微觀世界的奧秘,同樣也需要一些科學理論的支援,而這些科學理論我們統稱為量子力學。

量子力學跟巨集觀的物理理論有著很大的不同,從某種程度上來講,量子力學的一些現象和理論是完全顛覆巨觀理論的。所以,愛因斯坦對于量子力學同樣也抱著謹慎探索的態度,某種程度上來講,愛因斯坦並不認可量子力學,只不過很多的現象他也不得不承認確實存在,于是愛因斯坦稱量子力學為「鬼魅」。

到了20世紀中後期,科學家製造了粒子對撞機之後,才初步撬開了微觀世界的大門,從而讓我們對微觀世界有了一個全新的認知,同時也收集到了很多有關微觀世界的神秘資料。這些資料整理之後得出的結果,讓科學家大吃一驚,直接顛覆了我們的三觀。

微觀世界的基本元素就是各種粒子,量子力學就是研究探索這些粒子運動的奧秘,而大量的粒子又組成了我們這個巨觀世界,所以通過量子力學可以讓我們不斷揭開粒子運動的奧秘,不斷讓我們真正瞭解巨觀世界物質運動的本質。

微觀世界有大量的粒子組成,而粒子同樣也分為多個級別,它們有大有小,更小的粒子組成更大一些的粒子,更大一些的粒子又組成構成巨集觀物質需要的粒子。所以,它們是一環套一環,就像在宇宙中,恒星和行星組成恒星系,數千億個恒星系又組成銀河系,而很多個銀河系又組成更大的超星系團,這樣一級一級組成下去,最後形成了我們這個浩瀚的宇宙。

想要研究微觀世界的奧秘,我們自然需要一套基本的物理模型,科學家通過不斷的探索研究,最終弄出了一套物理標準模型。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(費米子又分為誇克和輕子),一類是玻色子。

那麼我們要如何來理解費米子和玻色子?用通俗的語言來講,費米子就相當于粒子世界最小的「顆粒」,它們無法再繼續被分裂下去。這一點就相當于在巨觀世界中,肉眼可見的最少物質,它們無法再小下去,再小的話就會在我們的視覺中消失。

所以在巨觀的世界裡,組成物質的最小顆粒就是我們肉眼可見的最小物質。每一個費米子都有自己的體積,那麼無數的費米子是如何聯繫到一起的?要知道粒子之間的相互作用才能夠互相傳遞資訊,傳遞力,從而一步步組成更大的粒子,最後組成巨觀世界。

這個時候,玻色子就發揮重要的作用了,它相當于一種膠水,可以將費米子不斷粘接起來,從而讓費米子跟費米子之間產生聯繫。而不同數量的費米子通過玻色子連接,又會組成更大的粒子,例如:3個誇克(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。

質子和中子再通過一種玻色子結合形成原子核,原子核和電子(又一種費米子)再通過一種玻色子結合形成氧原子或者其他的原子。就這樣一層一層的組成,最後形成了我們在巨觀世界中能夠看到的各種基本物質。

那麼這些和光速有什麼關係呢?其實它們的關係大了去了。我們都知道,粒子也是有質量的,那麼這個質量從哪裡來?其實它們就是來自于費米子和玻色子在相互作用結合的過程中能量的釋放。

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,而剩餘的1%是用于賦予粒子的質量。科學家假設宇宙中遍佈著一種叫希格斯玻色子的東西,它能夠賦予粒子質量,那麼是如何賦予的?就是通過給粒子減速。

科學家認為,所有的粒子最初的傳播速度應該都是光速,可是大多數的粒子在傳播的過程中卻被希格斯玻色子減速了,並獲得了質量。而在這些粒子中,只有光子成為了漏網之魚,沒有被減速,它還仍然保持著粒子最初的速度。

希格斯玻色子是最初科學家的設想,可是後來通過大型粒子對撞機,科學家成功發現了希格斯玻色子,這是人類科學進步史上的一個重要里程碑,而希格斯玻色子的理論才成為了目前科學家的主流理論,在未來還會有更多的成果出現。

通過這些瞭解,我們明白了,光子之所以能夠保持光速不變,主要是因為光子在傳輸過程中並沒有被希格斯玻色子減速從而獲得質量,它的靜止質量仍然為零,所以才能夠達到光速。而其他的粒子雖然獲得了質量,可是也失去了達到光速的資格,這或許就是有得必有失。

大家怎麼看待這件事情的呢?

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