光線以光速穿過人體,為何不會造成傷害?答案其實很簡單

2020-12-05 怪奇菌

18世紀60年代,因為機器的出現和普及,人類文明進入了高速發展的新時期。短短數百年後,隨著科技水平的不斷提高,人類開始漸漸不滿足於地球這一隅之地,探索的目光也從地球轉移到了浩瀚無垠的宇宙空間,去地外星球探索一時間成為無數人的夢。

20世紀60年代,夢想終於實現了,阿姆斯特朗在月球邁出他的一小步,標誌著人類文明正式進入宇宙時代,同時也標誌著人類科技發展邁出一大步。

不過,雖然說宇宙已經已經成了人類的探索目標,但是有有一個非常重要的因素,一直在限制著人類探索宇宙的步伐,它就像一條繩子,將人類死死地拴在地球附近,這條繩子就是:速度。

雖然現在我們的探測器已經能夠到達太陽系其他行星進行探索,但是實際上還是在地球附近,因為在動輒以光年作為距離尺度的宇宙中,我們人類掌握的速度實在太慢了,甚至慢到連太陽系都飛不出去。

許多科學家經過研究認為,人類如果想要正式在這星辰大海中啟航,速度至少要達到光速的10%左右,不然根本無法逃脫恆星引力,以及熬過漫長的航行時間。

想要實現以光速來衡量的科技發展,就必須要對光的本質有更加深刻的了解才行。在愛因斯坦提出的相對論中表示,宇宙中任何有質量的物質,在無限接近光速的過程中,其質量會得無限大。

而對物理有一定了解的朋友肯定知道,組成光的光子其實本質上也是一種物質,它具有「波」和「粒」兩種特性,同時也具有質量,那麼為什麼運行速度達到光速的光子,在撞擊或者穿過人體的時候,不會對人體造成傷害呢?

其實這個問題曾經也是一個令科學家們束手無策的問題,而隨著科技水平的不斷提高,光的神秘面紗也逐漸被科學家們揭開。

我們都知道在傳統的物理學中,所有物質都是具有質量的,而有質量就意味著會受到引力的作用。當物體的質量處於穩定狀的時候,其速度越大,撞擊產生的力也就會越大。

當時的科學家們根據愛因斯坦的相對論對光子進行了分析,因為相對論中認為任何有質量的物質都無法達到光速,所以科學家們認為能夠達到光速的光子,其實是沒有質量的。

但是科學家的分析,卻和實際觀察到的結果出現了矛盾,比如光子也無法逃脫黑洞巨大的引力。按道理來說,如果光子是不具備質量的話,那麼它是不可能受到引力的作用,也就是被黑洞所吸引,黑洞應該對它沒有任何影響才對。

而日常生活中看到的「光壓」設備,也似乎顯示光子其實是有質量的,這些現象和相對論之間有著巨大的矛盾。

可能有的朋友會說,光照在人體上會感覺到熱量,所以根據愛因斯坦提出的質能方程式,光子的質量已經轉化為了能量耗散在人體上了,所以不會對人體產生傷害。

但是別忘記了,任何物質達到光速都會產生無限大的質量,而無限大的能量顯然遠不是照在人體上的那點熱量能夠消耗完的。對於這個問題,經典物理學無法給出一個合理的解釋。

其實「光」是一種非常基本的存在,因為我們能夠看到世界離不開它的幫助,但是就是這種最基本的存在,現代物理學仍然無法從根本上對它進行清晰的描述,只能從其他方面探索它的特性,比如黑洞能夠吸引光線的現象,和光子沒有質量之間的矛盾。

我們之所以認為光能被黑洞吸引,所以光是有質量的,主要因為「引力」這個概念僅存在於牛頓力學,在精度更加高的「量子力學」和「場」中,如果想要描述光子的「力」以及「運動」狀態,則需要更加基本的概念。

所以嚴格來說,黑洞的引力並不能吸引光子,光子之所以看起來被吸引,是因為光子的「靜止質量」為零。所以光子在引力場中的運動始終會遵循「測地線」。而黑洞的引力會扭曲空間,使這條線發生偏移,要知道光子運動軌跡就是這條線,而線偏移了,所以光子看起來被黑洞引力拉住了。

可能有朋友想不通為何科學家說光子沒有靜止質量,其實任何有質量的粒子通過「洛侖茲變換」,都可以變換到一個靜止的坐標系上去,而光子卻沒有自己的靜止坐標系。

也就是說,不論如何變化,光速都是一個恆定的量,這於愛因斯坦在相對論中提到的情況是一致的,在相對論中光子不會靜止,從何也就沒有靜止質量。

那麼既然現在已經知道光子沒有靜止質量了,為什麼目前科學界還對這個問題進行研究呢?其實主要原因是「光子沒有靜止質量」這個結論是推導出來的,人類目前還無法用實驗來證明這個結論,因為只要是實驗,就必然存在誤差區間,這也就意味著無論誤差是多少,這個誤差肯定存在。

而光子靜止質量的問題,本身就是一個絕對化的概念,就和人類無法用實驗證明「真空中光速最快」一樣。當然了,如果非要做實驗證明的話,最多能算出來光子靜止時的質量最小值,並且不斷的縮小這個最小值的範圍,但是根本無法證明最小值為零。

總的來說,光之所以能以光速撞到人體也不會對人體造成傷害,答案其實很簡單,主要因為光子的靜止質量為零,運動質量無限趨近於零,再加上體積極小,所以穿過人體當然不會造成任何傷害。

不過值得注意的是,以上討論的只是平時生活中的可見光,一些能直接傷害人體的光並不在討論範圍內。

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