Question

光既然可以每秒30万公里，那它的动力是什么呢？

Answer 1

如果要问宇宙中有什么是绝对的？那么，在物理学当中，有一个东西是绝对的，那就是 光在真空中的速度近似等于30万公里/秒 。那光为什么会这样拥有这样的速度？它的动力到底是什么呢？

其实，答案很简单，光不需要动力，基本粒子天生就拥有光速，而光没有静止质量，它没有被希格斯场所减速，而其他基本粒子因为拥有静止质量，因此被希格斯场所减速，所以达不到光速。那具体是咋回事呢？

质能等价

在物理学界，即便是物理学的发展得到了前所未有的推荐。在一些基本的概念上，科学家们依然推荐得很痛苦，比如：质量，能量和光速。伽利略曾经就挑战过光速，而且他仅仅是尝试去测光速，却只能以失败而告终。

到了20世纪，有一个物理学界的天纵奇才出现了，他就是爱因斯坦。在他1905年发表了四篇极具开创性的论文，其中就包括大名鼎鼎的狭义相对论。除了狭义相对论，在当年最晚发表的一篇名为《质能等价》的论文是补充狭义相对论的。

在这篇论文当中，爱因斯坦提出了一个大名鼎鼎的质能方程E=mc^2，这个方程是爱因斯坦用来描述质量和能量的关系的，其中就用到c^2，也就是光速的平方。

这个方程描述了一个等价关系，假设有个物体的质量是m，那它所拥有的能量E就是mc^2。在推导质能方程的过程中，爱因斯坦论述了信息、物质、能量的极限速度是无法超越光速。如果要达到光速，那么静止质量只有等于0时。

后来科学家们发现，爱因斯坦这篇文章存在着循环论证的问题。不过，在几位物理学家和数学家的共同努力下，也最终拿出了十分严谨的证明。可能你要问了，凭什么信息、物质、能量的速度不能超过光速？

爱因斯坦当年只是用光速不变原理推导得到这个结果，但更深层次的原因并没有给出解释。不仅如此，实际上爱因斯坦也没有解释到底什么是质量？不过，后来有一批物理学家一并解决了这2个问题。那具体是咋回事呢？

希格斯场

科学家实际上是基于原子结构的研究从而解决这个问题的。我们都知道，原子都是由原子核和电子构成的。电子无法再分，而原子核还可以继续分为质子和中子。其中质子是带正电，中子是不带电的。可是你想过没有，原子核内有那么多质子， 不应该因为同种电荷相排斥而被弹开吗？

其次，科学家还通过轰击质子和中子的实验发现，质子和中子也应该还可以再分更小的粒子。这种粒子后来被称为 夸克 。

除此之外，原子核还存在着衰变的现象，比如：β衰变，一个中子衰变成一个质子、一个电子和一个中微子。

基于这些现象，科学家提出，在宇宙中存在着四种基本作用力，分别是强相互作用，弱相互作用，电磁相互作用和引力。其中，强相互作用把夸克束缚在质子当中，也把质子束缚在原子核当中，因此它们的强度要大于电磁力，衰变则是由弱相互作用引起的。

科学家利用一套叫做规范场的理论，试图把四大相互作用统一起来，他们几乎完成了强相互作用、弱相互作用和电磁相互作用的统一。但是有一些科学家就发现了一个问题，这其实就是质量问题。根据这套理论，物质的质量到底从哪里来呢？

科学家发现，物质99%的质量来自于强相互作用把夸克束缚在质子和中子当中的能量，我们可以通过上文提到的质能等价计算得到。至于剩余的1%的质量则是来自于各种基本粒子的。这听起来其实很完美有没有？

可问题就出在，在规范场当中，夸克和电子这类基本粒子是不应该有质量的。其次，相互作用在规范场论当中可以看成是把某种粒子扔来扔去的结果，比如：强相互作用就是把胶子扔来扔去；而弱相互作用就是把W玻色子和Z玻色子扔来扔去；电磁力就是把光子扔来扔去。胶子和光子明明是没有质量的，可W玻色子和Z玻色子却有质量，这很是奇怪。

后来，为了解决这个问题，科学家不得不提出另外一个假设来给规范场论做补充。他们提出了希格斯机制，他们认为宇宙中遍布着一种场叫做 希格斯场 ，当粒子通过时，希格斯场会和粒子发生作用，会导致粒子减速并获得质量。物质剩余的1%的质量就是希格斯场赋予的。

但是并不是所有的粒子都会和希格斯场发生作用，如果粒子的静止质量是0，那么它就不会和希格斯场发生作用，那它的速度就应该是光速。光子的静止质量是0，所以它没有被希格斯场减速，所以它的传播速度是光速。

在经典物理学中大家都知道，要想让一个物体获得速度就需要给它提供能量，这个能量可以转换为物体运动的动能。因此也就有人有疑问，真空中光速30万公里，那么它的动力是哪里来的哪？

光应该是宇宙中最常见也是最神秘的存在了，最开始大部分人都认为光是瞬时作用的，就是没有速度的概念，无论传播到多远的距离不需要消耗时间。这种印象也很符合我们的认知，因为只要光一出现瞬间就可以填满小黑屋。当然我们现在知道这都是由于光速太大的原因，光速一秒钟可以绕地球七圈半，你认为仅仅生活在地球上某个国家、某个城市、某个街道、某个小区的我们可以感受到这种时间差吗？

但有的自然哲学家就不这么认为，第一个提出质疑的就是伽利略，他老人家开始组织人手进行了光速测量，当然结果不如人意，光速并不是那么好测量的。而真正测出光速或者是接近光速的是法国物理学家菲索（Fizeau,1819-1896），他设计了一套测量光速的装置（旋转齿轮），最终测出的光速是31.5万公里每秒，这和真实光速已经很接近了。

而光速真正的数值是在麦克斯韦提出他的“精美方程”之后，用波长和频率相乘得到速度，最终光就是电磁波的结论也被所有人所接受。以后的光速不用测量，直接就用频率乘以波长。光是电磁波，它的速度就是震荡的电场产生震荡的磁场，如此循环下去就是电磁波的传递。最后经过牛顿的绝对时空观，光在已经以太中传播，再到爱因斯坦的光速不变原理发展出相对论，科学家对于光了解的越来越透彻。

光从粒子说发展到波动说，最后再到波粒二象性。爱因斯坦提出了光电效应，认为光的能量形式也是“一份份”的，也就是量子形式，从此光又有了新描述形式光量子，简称为光子。在宏观上来看恒星核聚变发光、家里用电发光、点燃火把发光，但是从微观角度上来看是因为绕原子核运动的电子。

从量子力学角度来考虑，电子在原子核外是呈现概率分布的，也就是不存在具体的位置，是一片电子云。电子所处的位置有高能级和低能级之分，当电子吸收能量就会从低能级跃迁到高能级，但是这并不是稳定的状态，电子有自发向低能级跃迁的趋势，这个时候多余的能量就会一份份的释放出去也就是一个个的光子。

所以说光实际上是能量并非是物质，它没有静质量，因此电子跃迁释放的能量会完全无损失的转化为动能。从宇宙大爆炸支持，一切的物质和能量全部来源于“奇点”，那个时候开始能量就以光的形势产生了。也可以换一句话来说没有静止质量的生来就是光速运动，如果不是光速运动，那么现在的一整套科学体系就直接坍塌了。光子不存在加速过程，直接就是光速，它们不是物质的是能量，不要认为称为光子就是真正的粒子。

如果我们扔一个很重的铅球，最多只有十几米远。然而，如若是扔一颗手榴弹的话，至少也有三、五十米。为什么呢？这是因为同样的能量，质量越小的物体获得的运动速度就越大。于是，质量较轻的物体，被抛出的距离就较长。

光子是我们宇宙中不可再分的最小粒子，即是量子的激发态。其角动量为普朗克常数h，约为6.623x10-27尔格秒。这是一个非常小的数值。

由于角动量等于质量、半径和角速度的乘积，说明光子也是一个实体粒子，其质量和半径都是大于零的。

然而，与各种基本粒子不同的是，光子并不是由高能量子组成的封闭体系，因而其没有屏蔽量子的动能。

由于质量是被封闭的粒子关于其空间效应的度量，所以作为离散的激发量子，光子的质量是非常小的，小于10-40克。即便是与最轻的电子相比，光子的质量不足电子的万亿分之一。

这就是为什么，光子可以具有极大的速度在空间运动的原因。其一方面，是因为体积的细小，受到空间的束缚不大；另一方面，则是量子只要获得很小的能量，就可以成为光子，具有很快的速度。

实际上，在光子的能量中，只有极小的部分是动能。由于量子空间的密度很大而光子的质量又很小，以至于光子的能量主要是相对于空间的势能。

光速仅只是光子维持其相对于空间势能的速度。这也是为什么我们在通常的情况下，看不到光速变化的原因。

因此，光子之所以具有较大的速度，使其由原来的无规运动（基态量子）转变为有向运动的，就在于我们对空间量子的激发。

这就好比空气，在通常的情况下，气体分子是无规运动的，其对我们的碰撞