光速的很多性质与我们日常生活所见所闻“格格不入”,毕竟我们只是生活在一个低速世界,而光速世界与我们的低速世界有很大不同。

什么是光子光速(那么光子是如何达到光速的呢)(1)

比如说,光速本身,光子不需要“达到”光速,因为它一生下来就是光速,没有任何加速时间。但在我们现实世界,见到的任何物体都会有一个加速过程。

为何光子如此特殊?如何豪横?

首先,我们可以用爱因斯坦的狭义相对论中的质增公式去理解,这个公式是:

什么是光子光速(那么光子是如何达到光速的呢)(2)

公式中m为物体的动质量,m0为静质量。如果一个物体以光速飞行,也即使V等于C,那么公式中的分母就等于零,公式失去了意义。不过,在高等数学中,“不定型极限”诠释了这种理念:分母为零时,只要分子也为零,公式同样有意义。

所以,如果质增公式中物体的速度为光速时,分子m0也必须为零,m0就是物体的静质量。

光的静质量也确实为零,它不需要任何加速过程就能达到光速,而且必须以光速飞行,否则这个世界就乱了套。

那么,为何光子的静质量为零,其他粒子比如说电子,质子等静质量不为零呢?

这里需要明白质量的本质,也就是:质量到底是如何产生的?

科学家耗费了几十年才揭开了质量的本质。这需要从粒子标准模型说起。

什么是光子光速(那么光子是如何达到光速的呢)(3)

在标准模型中,世界上的粒子可分为两种:玻色子和费米子。玻色子就好像是胶水(传递各种基本力)把费米子粘结起来形成基本物质。而费米子就是最基本的粒子,比如说夸克就是玻色子,光子就是玻色子(光子传递电磁力)。

根据标准模型理论,粒子本应该都没有质量的。不过科学家通过计算发现一个惊人事实:一个物体的质量99%都是通过基本粒子之间的相互作用获取的,基本粒子只构成了物体1%的质量。

举个例子,假设原子的质量是100,那么原子核和电子的质量总和其实只要1,其余的99都是原子核与电子,质子与中子,以夸克与夸克之间的相互作用,这些相互作用其实就是能量,而能量与质量是等价的。

什么是光子光速(那么光子是如何达到光速的呢)(4)

那么基本粒子是如何获得质量的呢?

答案在于“希格斯玻色子”,它赋予了粒子质量,也被称为“上帝粒子”。

如何赋予粒子能量呢?通俗地讲,希格斯玻色子可以让粒子减速从而获得质量。换句话说,如果没有希格斯玻色子的“阻拦”,基本粒子本应该以光速飞行。而科学家也真的在大型粒子对撞机实验中发现了希格斯玻色子,希格斯本人也因此获得了诺贝尔奖。

而光子非常特殊,它不会被希格斯玻色子“阻拦”,天生就是光速飞行,静质量为零。

什么是光子光速(那么光子是如何达到光速的呢)(5)

换一种思维方式来理解光速。

其实从物理学角度来讲,光速并不是指光的速度,光速是宇宙时空的一个固有的内在秉性,不仅仅光子的速度是光速,引力波和信息的传递速度也是光速。光速只与真空本身有关,与真空中的介电常数和磁导率有关:

什么是光子光速(那么光子是如何达到光速的呢)(6)

其中μ0为真空磁导率,εo为真空介电常数。

我们通常认为的“光速就是光的速度”其实是不严谨的,或者说是一种“狭义”观点,因为毕竟光是最常见的物质,我们也会习惯认为光速指的就是光的速度。

总之,光速是由时空结构来决定的,时空会告诉物质该如何运动,物质的运动也会影响到时空。

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