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衆多粒子中,為何光子的速度能達到光速,其他粒子為什麼達不到?

作者:宇宙怪談

現代實體學大廈有兩大基石:相對論和量子力學,分别統治着宏觀世界和微觀世界。

衆多粒子中,為何光子的速度能達到光速,其他粒子為什麼達不到?

其中相對論與愛因斯坦幾乎是“等價”的,而量子力學也有愛因斯坦不可磨滅的功勞,足以可見愛因斯坦有多偉大!

在19世紀初,愛因斯坦相繼提出了偉大的狹義相對論和廣義相對論。其中狹義相對論表明,光速是宇宙的極限速度,也是任何資訊,物質和能量傳播的最快速度。

一開始,“光速限制”這個思想很難被大衆接受,畢竟在人們的固有印象裡,隻要給一個物體不斷施加作用力,物體就會一直加速,這也是牛頓力學體系的其中一個精髓。

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不過,在狹義相對論誕生之後,光速限制不斷被科學家在實驗中驗證,是以也逐漸被大衆接受。

但這裡就有一個疑問,光速為何如此特殊?光是如何達到光速飛行的?而且是瞬間達到光速的?光子以光速飛行的動力到底是什麼?

要想弄清楚以上問題的答案,我們需要深入到微觀世界一探究竟。

正式開始之前,先強調一點,其實光速并非指“光的速度”,光速是四維時空的固有速度,隻與四維時空本身有關,可以認為是因果律傳遞的速度。隻是人們一開始就用光的速度定義光速,是以這個習慣就延續下來了。除了光子之外,還有很多速度也是光速,比如說膠子,引力波等。當然,光在真空中的速度等于光速,并非偶然,也是必然的。

回到正題,要想弄清楚“光子為何必須以光速飛行”這個問題,首先我們需要了解粒子标準模型。

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粒子标準模型中,有很多基本粒子,這些基本粒子經曆了很長時間才被發現的,最初的發現來自于盧瑟福的著名實驗“阿爾法粒子轟擊金箔實驗”,這個實驗讓我們更清晰地了解了原子模型。

之後實體學家們就“照葫蘆畫瓢”,不斷利用粒子之間的對撞,尋找新的基本粒子。結果也确實發現了很多基本粒子,多達上百種。

問題就來了,這麼多的粒子感覺太混亂了,如何進行有效分類呢?實體學家們經過深入探索,終于建立了粒子标準模型,把看起來異常混亂的基本粒子進行了詳細分類。

簡單來講,所有基本粒子都屬于兩大類:費米子和玻色子。費米子其實就是我們平時所講的基本粒子,比如說電子,誇克等。而玻色子就是把費米子粘結在一起的基本粒子,作用就像膠水一樣。

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打個比方,基本粒子就像磚頭,而玻色子就像水泥,磚頭通過水泥粘結在一起,就可以組建起高樓大廈,也就是我們平時看到的宏觀物體。

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玻色子有四種,都屬于規範玻色子,分别是膠子,光子,玻色子和引力子,分别是強力,電磁力,弱力和引力的傳播子,這四種力也是自然界的四種基本作用力。四種規範玻色子就像膠水一樣粘結着各種費米子,而四種基本作用力就是靠這四種玻色子來傳遞的。強調一下,引力子目前還隻是假象概念,并沒有找到引力子存在的證據。

具體來講就是,質子和中子等核子就是通過膠子來傳遞強互相作用(強力)粘結在一起的,形成原子核。而原子核和電子通過光子傳遞電磁力構成原子。

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看到這裡,夥伴們對微觀粒子的構成應該有個大緻了解了,但這一切與光子以及光速又有什麼關系呢?

關系很大!如果你深入思考,就會發現一個緻命的問題:這麼多的基本粒子,品質是從哪裡來的呢?也就是說,到底是什麼東西賦予了基本粒子品質呢?

根據粒子标準模型,所有的基本粒子應該都沒有品質,都應該以光速飛行。但實際上并非如此。

實體學家們通過計算發現,物質的品質99%都來自強力,也就是強互相作用。三個誇克通過強互相作用粘結起來形成中子和質子,質子和中子也是通過強互相作用粘結起來形成原子核,而原子核的品質幾乎等同于原子的品質,電子的品質太小了,幾乎可以忽略不計。

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強互相作用是通過膠子傳遞的,具體是如何傳遞的呢?打個比方,就相當于誇克把膠子扔來扔去,在這個過程中可以表現出巨大的能量,也可以了解為把誇克或者質子中子束縛在一起的能量,這種能量其實就是核能。

按照愛因斯坦的質能方程,能量也可以表現為品質,是以物體99%的品質其實都源于能量。但問題是剩下的1%品質,到底是什麼呢?

理論上分析,肯定是基本粒子本身!因為粒子标準模型中,除了基本粒子,就是基本粒子之間的互相作用。而粒子之間的強互相作用構成了物質99%的品質,那麼剩下的1%的品質肯定來自基本粒子。

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但是剛剛也提到了,粒子标準模型表明,基本粒子本應該是沒有品質的,為什麼又有品質的呢?這些品質又是如何來的呢?

實體學家們提出了著名的希格斯機制,認為自然界還存在另外一種玻色子,标量玻色子,也就是希格斯玻色子,正是這種玻色子賦予了基本粒子品質。

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什麼是希格斯玻色子?簡單來講,宇宙中充滿了希格斯場,而希格斯場的擾動就會形成希格斯粒子。可以這麼通俗了解,希格斯場就像是波瀾不驚的汪洋大海,而當大海受到擾動就會變得洶湧澎湃,也就濺起小水珠,而那些小水珠就相當于希格斯粒子。

希格斯粒子具體是如何賦予基本粒子品質的呢?

通俗了解,絕大部分基本粒子都會與希格斯粒子發生互相作用,在這個過程中發生減速,并獲得品質。也就是說,基本粒子本應該以光速飛行,但如今有了希格斯粒子這個“攔路虎”,基本粒子不得不慢下來,然後獲得品質,也就是靜品質。

但并不是所有的粒子都會受到希格斯粒子的阻攔,比如說光子和膠子就不會,是以,光子還有膠子就保持了本來應有的特性:光速飛行,而且一出生就以光速飛行,沒有任何加速過程,靜品質當然也為零。

是否與希格斯粒子發生互相作用,取決于基本粒子的固有屬性,比如說角動量,自旋等屬性。

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當然,空口無憑,希格斯粒子真的存在嗎?确實存在,實體學家們在2012年就發現了希格斯粒子存在的證據,而希格斯本人也是以獲得了諾貝爾實體學獎!

完!