光是如何达到光速的?

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物质是产生一切能量的基础,光是能量中的一种能量表现。

光是目前公认可视传递速度最快的物质(光量子)。

能量一但转换为光,也就形成了宇宙中最快的速度。(即光速度)

光是以能量方式传递、并形成速度,光随能量衰减会完全消失。

而量子纠缠是感应、非速度、非能量传递。

因此,光与量子纠缠的原理是完全不同的。

光能够达到光速并不是因为它需要动力,而是因为在宇宙中,凡是静止质量为0的东西都可以达到光速,而光子恰好就是静止质量为零。那为什么静止质量为0就可以达到光速呢?这其实和量子力学的理论模型有关。具体原因我们还得从理论物理学的发展说起。

如果要给科学史上的理论物理学家做一个排名,可能不同的人给出的答案会是完全不同的。不过,有两位大神肯定会被大家排到最前列,这两个人就是牛顿和爱因斯坦。牛顿代表的是经典物理学,而爱因斯坦则代表的是现代科学,爱因斯坦以及他所在时代的科学家更像革新者,革了经典物理学的地基,建立了现代物理学的两大支柱: 相对论 量子力学

其中,相对论几乎是爱因斯坦一个人做出来的。相对论被分为 狭义相对论 广义相对论 。在狭义相对论中,爱因斯坦以 光速不变原理 相对性原理 为基本假设建构出来的。

我们通过光速不变原理进行推导,就可以得到 光速是信息、物质和能量传播的最快速度, 它们都无法超越这个光速(3*10^8m/s)。这个看法起初很多科学家都无法接受,狭义相对论诞生后很久才逐渐在实验中被验证,被开始被接受。很多人都会有一个疑问:为什么光速是宇宙中物质、信息、能量的极限速度,而不是其他的速度?还有光是如何一下子达到光速的?它的动力之源到底是什么?

标准模型

关于这个问题,与爱因斯坦同一时代的物理学家就在研究,前前后后上百位杰出的物理学家先是创立了量子力学,紧接着结合狭义相对论和量子力学推导出了量子场论,进而得到到了 粒子物理标准模型

之所以需要这样一个理论,很大原因是实验惹的祸。上世纪初有一个叫做卢瑟福的科学家通过简单的“α粒子”轰击(撞)金箔,就让他了解到原子模型,并开启了研究核物理的先河。

后来的科学家照葫芦画瓢开始用粒子"对撞”来获得微观世界的物理学现象。这一“撞”,撞出了上百种粒子,那这些粒子改如何安排的明明白白呢?

物理学家就搞出了一套标准模型,在这套标准模型中就把这些粒子都安排明白了。这套模型实际上很复杂,不过我们可以简单粗暴地来说一下。

话说在古希腊时代,就已经有哲学家在思考这个宇宙到底是咋来的了?

他们当时提供了两个思考这个问题的方向,一 个是研究万物的本源,一个是研究万物之所以是万物背后的规律。 前者最后最终逐渐演化成研究万物最小的构成单位,并且在德谟克利特和亚里士多德时代达到了高峰,不过他们还停留在哲学思辨的层次,并没有和微观的物理学现象相结合。

而标准模型则弥补了这个空白,是基于微观世界的物理学现象构建起来模型。在这个模型当中,有两种构成这个世界的粒子,一种叫做 费米子 ,一种叫做 玻色子 。费米子就好比是把万物切到最小剩下的粒子,费米子不能处于同一个量子态,因此,它们的存在使得物质具有体积的属性。而玻色子就好比是胶水(通过传递相互作用来实现),把费米子粘黏起来形成物质。

这么说可能太抽象了,我们来举个例子,夸克就是费米子,而胶子就是规范玻色子,三个夸克通过胶子传递的强相互作用就可以构成质子或者中子。

而质子和中子可以通过介子传递的强相互作用来构成原子核,原子核和电子之间是依靠光子传递的相互作用来构成原子。这里没有提到的弱相互作用则是用来维持原子核的稳定性的。有了原子,通过原子之间的电磁力,就可以构成费分子,分子再构成物质。所以,费米子和规范玻色子实际上就是古希腊先哲心目中的万物本源,它们共同构成了这个世界。

质量之源

说了这么多,你可能要问了,那这和光速有什么关系呢?

这个理论看似完美,但是却存在着一个致命的问题: 粒子的质量从哪来?

根据这个理论,粒子都应该是不具有质量的。可是,科学家通过计算就发现,物质的质量99%来自于强互相作用,却还有剩余的1%不知去向。

为了解决这个问题,几位科学家提出了著名的希格斯机制。他们认为宇宙中还存在着一种标量玻色子: 希格斯玻色子 。它们可以赋予粒子质量,那它们是如何赋予粒子质量的呢?

它们可以让粒子减速,以此让粒子获得质量。也就是说,如果没有任何阻拦,粒子本身就应该是以光速传播,但是有一部分粒子被希格斯玻色子“拦着”,以至于速度被拖慢,并且获得了质量。

万万没想到的是,科学家的这个理论猜想后来还真的被大型粒子对撞机的实验所验证,其中2位物理学家在2012年还因为提出希格斯机制而获得了诺贝尔奖。

但并不是所有的粒子都会被“拖慢”,光子就不会,所以它具有的速度就是粒子本该有的速度:光速。光子不是慢慢加速到光速的,而是它天生就是光速,也因此它的静止质量为零。

“达到”这个词,让人感觉有一个加速的过程,从零逐渐增加,最后到光速。但是 光不会“达到”光速,因为光的速度永远不会低于光速 (这里说的是真空中,在介质里光速会降低,变成真空光速除以这种介质的折射率)。当然,也不会高于光速。

光的速度就是一个定值,——光速,大约每秒30万公里。这就是为什么“光速”是一个自然界的基本常数,而“你的速度”或者“一辆 汽车 的速度”不是自然界的基本常数,因为这些速度是可变的,而光速不变。

为什么你日常见到的物体速度会改变,会从零逐渐变化,而光却不会?因为这是狭义相对论决定的。

狭义相对论里,每一个物体都有一个“ 静质量 ”m0,就是它在静止时的质量,然后,当它运动起来时,质量会发生变化,——这是完全超越日常经验的,但却经过了无数实验证实!变成什么呢?

当速度为v时,“ 动质量 ” m = m0 / sqrt(1 - v^2/c^2) ,这里sqrt表示“开根号”,^2表示“平方”,c是光速。

当v很小时,v^2/c^2接近于0,1 - v^2/c^2接近于1,sqrt(1 - v^2/c^2)也接近于1,m接近于m0,也就是说,动质量跟静质量没有多少差别。多小算“很小”呢?你要考虑到光速是30万公里每秒,我们日常所见的速度跟它相比都差了好几个数量级。比如高铁列车,假设在以360公里每小时的运行(比最近要恢复的350还高一点),就是0.1公里每秒(一小时是3600秒),这个v只是c的300万分之一!在这个速度下,质量的变化只有几万亿分之一的量级,无法察觉。即使是以第一宇宙速度环绕地球的卫星,速度也不过是7.9公里每秒,虽然比高铁快多了,跟光速相比还是可以忽略不计。

但是当v接近光速时,动质量跟静质量的差别就显示出来了。例如v = c/2,这时你会算出m = 2/sqrt(3) m0 = 1.155 m0。如果v = 0.9 c,就有m = 2.294 m0。而如果v = 0.99 c呢?这时m = 7.089 m0。 随着速度接近光速,动质量迅速地增大。

如果速度达到光速了,会怎么样呢?这个公式告诉你,动质量会变成无穷大。

但这实际上是不可能发生的事情!因为质量越大,要再加速,需要外界给它的能量就越多。到接近光速的时候,你给它天文数字的能量,也只能让它的速度增加一点点,仍然达不到光速。而你能提供的能量总是有限的。

因此, 如果一个物体的静质量不为零,你就永远不可能把它加速到光速 。

但是,还有另一种情况。如果一个物体的静质量为零呢?这时你会发现,如果它的速度低于光速,动质量就必然是0,因为m0 / sqrt(1 - v^2/c^2)这个分式中,分子为零,分母不为零。但这又是不可能发生的事。因为按照相对论的质能关系,E = m c^2,能量等于动质量乘以光速的平方,如果动质量为零,这个物体的能量就是零了,它怎么可能既在运动又能量为零呢?

所以,唯一合理的情况,就是这个物体的静质量为零,但动质量不为零。这种情况怎么可能出现?只能要求m0 / sqrt(1 - v^2/c^2)这个分式的分子分母都等于0,也就是说,v只能等于c。

因此, 静质量为零的物体,只能以光速运动,速度不可能降到光速以下 。

光是什么样的物体?就是这种静质量为零、动质量不为零、只能以光速运动的物体。

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