稍微了解了一些愛因斯坦的理論,許多人一定會有提出這樣的疑問:光子速度為真正的光速,為什麼卻不帶多少能量呢?這個問題其實是對光子性質的提問,想要弄明白的話,就一起來看一看吧。
從物理學探尋的本質來說,能量和物質是可以相互轉換的。這個宇宙中上能量實際上就是物質,物質就是能量。各種各樣物質終歸只是能量的一種特殊存在形態。我們可以簡單粗暴的說這個世界上沒有物質,只有能量。而所謂的物質,只不過是能量的形態之一。
一般我們口中所說各種物質,事實上是一個複雜能量場相互作用相互制衡而形成的一個較為穩定的能量場結構。當這個能量場結構發生變化或者抵消湮滅時,能量場就會變成另外一個能量形態存在,這個形態就是我們口中所說的能量。
愛因斯坦的質能方程即是描述質量與能量之間轉換關係的方程。在牛頓的經典物理學中,質量和能量是兩個完全不同的概念,它們之間全完沒有確定的當量關係,一定質量的物體可以具有不同的能量;能量概念也非常局限,力學中的動能、勢能等。
在狹義相對論中,能量概念有了深入發展,愛因斯坦發現了質量和能量確定的當量關係,如果物體的質量為m,則相應的能量為 E=mc。
質能方程E=mc,E表示能量,m代表質量,而c則表示光速常量。該方程主要用來解釋核變反應中的質量虧損和計算高能物理中粒子的能量。這也直接導致了德布羅意波和波動力學的誕生。
然後根據這個公式又可以推導出質速關係,也就是時間會隨速度增加而變慢,質量變大,長度減小。事實上物質如果加速到光速,根據狹義相對論它的質量將會達到無限大,加速消耗的能量也會是無限大。那麼既然質速關係是如此為什麼本來就是光速的光子卻不帶多少能量呢?
首先我們知道光速是一個恆定的宇宙常數,約等於30萬千米每秒,超越人類認知,亙古不變。
光子是傳遞電磁相互作用的基本粒子,是一種規範玻色子,在1905年由愛因斯坦提出。光子是電磁輻射的載體,而在量子場論中光子被認為是電磁相互作用的媒介子。
與其他量子一樣,光子具有波粒二象性——光子能夠表現出經典波的折射、幹涉、衍射等性質;而光子的粒子性可由光電效應證明。
很多人一定會疑問光子一產生速度就這麼大,又沒有一個加速過程,那麼達到速度的能量從哪裡來的呢?其實,光子的能量並不大,可以說很小。
因為光子其實是沒有靜質量的,所以它只能夠靠高速的相對論效應獲得一點動質量,大概是hv/c2,幾乎小的可以忽略不計。這樣算下來,一個光子的能量只有hv,量級在10^-20J,小的可憐。1J的能量都可以產生約1萬億億個光子。
其實中微子和光子很像,曾經也被科學家認為是靜質量為0的粒子,所以一直以來科學家們都懷疑中微子的速度也是光速。
但是後來的中微子振蕩實驗表明,中微子還是有一點點極小的質量,所以它的速度應該是略小於光速。不過,這種物理化學反應釋放出來的中微子,也是不需要加速過程的,一放出來速度就接近光速。
因此光子是一種特殊的粒子,由於它的靜質量為零,所以才可以瞬間達到光速,而不攜帶多少能量。