光是如何達到光速的?誰給它的動力?

2021-01-15 騰訊網

如果要問宇宙中有什麼是絕對的?

那麼在眾多的答案當中,「光速在真空的傳播速度是物質、信息、能量的最快傳播速度」很可能是最佳的答案。那麼問題來了,光速為什麼是物質、信息、能量傳遞的最快速度?光的動力來自於哪裡?為什麼光可以直接達到光速呢?

相對論

要了解這個問題,我們首先要從相對論說起。話說在1905年,愛因斯坦提出了著名的狹義相對論。在這個理論中,愛因斯坦破天荒地以「光速不變原理」和「相對性原理」作為基礎構建起了一座全新的物理學大廈。而通過光速不變原理,我們可以推導出物質、信息、能量的極限速度是光速。

愛因斯坦的這個理論剛提出時,並沒有引起很大的反響,只有學術圈裡的幾個人感覺愛因斯坦是水平不錯的科學家,但是他們並不認同愛因斯坦的理論,其中最具代表性的人物就是量子力學的奠基人:普朗克

這些科學家之所以無法接受愛因斯坦的理論,是因為這個理論實在是太顛覆三觀了。不過,隨著後來各種實驗對相對論的驗證,使得相對論越來越被科學界所接受,愛因斯坦也逐漸開始名聲大噪,直至被公認為20世紀最偉大的科學家。

可是愛因斯坦的相對論只是告訴我們,光速是信息、物質、能量傳遞的最快速度,但卻沒有告訴我們為什麼會是這樣,這好像是冥冥之中註定的一樣的,就好像是宇宙中最底層的屬性。那後來科學家們搞明白這個問題了嗎?

量子力學

如今流傳著一句話「遇事不決,量子力學」。雖然這句話多少有點嘲諷的意味,但是量子力學本質上就是一種解釋自然現象的思維方式。為什麼這麼說呢?

我們都知道,科學起源於2000多年前的古希臘。古希臘哲學家在思考「萬物的本原」時,就提出了兩條路徑,一條路徑是研究萬物之所以成為萬物的原因和規律,後來這條路徑被稱為形上學;另一條路徑是研究構成萬物的最小單位,從微觀的角度來解決這個問題,這條路徑也被稱為自然哲學,後來演化成了如今的科學。由於科學的叫法是在19世紀初才有的,而牛頓生活在17,18世紀,因此,他的著作才會叫做《自然哲學的數學原理》。

而量子力學走的就是後一條路徑,從微觀的角度來解釋萬物運轉的規律。光速這件事就可以用量子力學的角度來解釋,那具體是如何解釋的呢?

這就需要我們對微觀世界有一定的了解。20世紀中期,科學家利用對撞機撬開了微觀世界的大門,獲取到了許多微觀世界的物理學現象。結果他們大吃一驚,因為他們發現了好多的粒子,如何給這些粒子分類就成了當時科學家極其頭疼的問題。

最終,科學家結合量子力學和狹義相對論,弄出了一套粒子物理標準模型。在這套理論中,構成萬物的是基本粒子,基本粒子分為兩類,一類是費米子(費米子又分為夸克和輕子),一類是玻色子

費米子可以粗暴地理解成為把物質切到最碎時的「顆粒」,無法再繼續切下去了,它們的存在使得物質都具有一定的體積;而玻色子則是把這些「顆粒」連接起來的基本粒子,它們依靠的是傳遞相互作用,起到了膠水的作用。我們舉個例子,就拿人體中所需要的氧氣來說。

首先,3個夸克(一種費米子)通過膠子(一種玻色子)傳遞的強相互作用結合形成了質子和中子。

而質子和中子通過介質(也就是一種玻色子)傳遞的核力結合形成了原子核,而原子核和電子(也是一種費米子)通過虛光子(一種玻色子)傳遞的電磁相互作用結合形成了氧原子,氧原子直接通過化學鍵(本質上也是電磁相互作用)結合形成了氧分子,一堆氧分子聚到一起也就是氧氣了。

可能你要問了,說了這麼多和光速有什麼關係呢?

科學家發現這套理論有一個硬傷,如果那就是粒子的質量從哪來。科學家通過計算發現,傳遞物質99%的質量來自於傳遞強相互作用的能量(通過質能等價理論可以等價於相對應的質量)。那剩餘的1%呢?

為了解決這個問題,科學家假設了宇宙中遍布著一種希格斯玻色子,它可以賦予粒子質量,通過的方法就是給粒子減速。也就是說,起初所有的粒子傳播的速度都應該是光速,但是絕大多數的粒子都被希格斯粒子給減速了,並獲得了質量。只有光子沒有被減速,因此光子還保持著光速。因此,光的傳播速度是光速,它並不需要動力。這同時也解釋了為什麼物質、信息、能量傳遞的速度不可能超過光速。當然,科學家只是做出了理論假設,凡事都要講求證據。

後來,LHC大型粒子對撞機找到了希格斯玻色子存在的證據,提出理論預言的科學家還因此獲得了諾貝爾物理學獎,希格斯玻色子的理論才成為了科學家的主流理論,被科學家們所認可。

總結

光子之所以可以達到光速是因為粒子在靜止質量為0時傳播速度就是光速,只是大多數的粒子由於被希格斯玻色子減速從而獲得質量,所以大多數粒子並非光速,而光子並沒有被希格斯玻色子減速,因此,可以保持光速。

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    光子沒有壽命,也可以說它是永恆存在的,只能被吸收和釋放,否則它們就會一直在深空中飛行直到永恆。從愛因斯坦狹義相對論的時間膨脹效應可以解釋,光子沒有靜止質量,速度為光速,這意味著時間是靜止的沒有流逝,那也就意味著永恆的壽命。
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  • 光的速度達到了每秒30萬公裡,那它的動力來自何處?
    大家都知道像光子這種沒有靜止質量的東西,它一出生就只能以光速運動,而且還不需要用外力來維持。光和光速光本質上就是電磁波,具有波粒二象性,既可以看作粒子,又可以看作波。狹義上的光是指可見光,僅佔電磁波譜上很小的一段,而廣義上的光包括紅外光、紫外光、可見光、X光等。
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    宇宙大到超乎我們的相信    想要在動輒以光年為單位的宇宙中穿梭,就必須要掌握至少是亞光速飛行技術,那麼為什麼不說超光速呢?首先在沒有足夠的證據能夠推翻愛因斯坦提出的相對論理論的前提下,人類是永遠都無法達到或者超越光速的,為什麼會出現這種結果呢?
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    但是,我們知道,宇宙中信息、物質、能量的最快傳播速度是光速,這是光傳播的速度(真空中約為3*10^8m/s)。但是並沒有什麼給光加速,為什麼光的速度就可以這麼快呢?
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    愛因斯坦相對論的基礎是光,並在此基礎上提出了光速不變原理和相對性原理,進而推導出不論是物質、能量還是信息,他們的極限都是光速。    並且基於此提出的很多理論甚至都推翻了牛頓的經典力學理論。    從愛因斯坦的相對論來看,光速是極限,而其相關推導也是建立在光速之上的,那麼是否說明光速是宇宙萬物的基礎所在。這時就有人提出問題,光速是如何來的呢?    作為速度極限的光速,動力來源於何處?
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  • 光的速度高達30萬公裡/秒,它前進的動力是什麼?
    光無處不在,它們承載著物體的信息在空間中傳播。當我們接收到光,就能知道光攜帶的信息,從而看到發出或者反射出這些光的物體。我們不僅僅研究光的來源,也會研究光本身,人類對於光的研究由來已久。光速的研究很早之前,人類就試圖去測量光的速度。但由於光速太快了,快到人們認為是無限的。
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  • 光子怎樣達到光速
    光子無須「動力」催動,它一出生就是光速。因此不要把光理解為單純我們人眼可見的光,可見光只是電磁波譜裡面一個很窄的頻段,波長約在380nm~760nm之間,頻率約在380~750THz範圍;而整個電磁波譜頻段還包括無線電波、紅外線、紫外線、X射線、γ射線,這些都是光的形式,波長涵蓋千米級到皮米級,頻率涵蓋幾個Hz到數萬億億Hz,只不過是肉眼不可見的光而已。
  • 光的速度能達到了每秒30萬公裡,那它的動力到底來自於哪裡?
    在宇宙當中相信沒有任何一種東西比光還要快了,根據愛因斯坦的相對論,在世界上有靜止的東西,也有不斷運動的東西,而有一些物體運動的速度只能無限的接近光速,但是遠遠沒有辦法到達光速,這就是因為當物體運動的速度接近光速的時候,它的質量也在不斷變大,而這個時候想要推動物體不斷的運動也是需要不斷的能量,所以說在宇宙當中沒有任何的物體
  • 為什麼只有光子能達到光速?其他粒子為什麼無法達到光速?
    在狹義相對論中,愛因斯坦以光速不變原理和相對性原理為基本假設建構出來的。我們通過光速不變原理進行推導,就可以得到光速是信息、物質和能量傳播得最快速度,它們都無法超越這個光速(3*10^8m/s)。這個看法起初很多科學家都無法接受,狹義相對論誕生後很久才逐漸在實驗中被驗證,被開始被接受。很多人都會有一個疑問:為什麼光速是宇宙中物質、信息、能量的極限速度,而不是其他的速度?
  • 基本粒子中,為什麼只有光子能達到光速?而其他粒子無法達到光速?
    我們通過光速不變原理進行推導,就可以得到光速是信息、物質和能量傳播的最快速度,它們都無法超越這個光速(3*10^8m/s)。很多人都會有一個疑問:為什麼光速是宇宙中物質、信息、能量的極限速度,而不是其他的速度?還有光是如何一下子達到光速的?它的動力之源到底是什麼?
  • 基本粒子中,為何只有光子能達到光速?而其他粒子無法達到光速?
    我們通過光速不變原理進行推導,就可以得到光速是信息、物質和能量傳播的最快速度,它們都無法超越這個光速(3*10^8m/s)。很多人都會有一個疑問:為什麼光速是宇宙中物質、信息、能量的極限速度,而不是其他的速度?還有光是如何一下子達到光速的?它的動力之源到底是什麼?
  • 既然光達到了光速,是不是意味著光的質量無窮大?
    即使是歐洲的大型強子對撞機,盡其全力也只能將質子流加速到光速的99.999999%,根據其相對論的質增效應計算後也只能達到7079倍,不過光子我們就不需要那麼麻煩了,任意一個手電打開光子就是光速,其一出發就是光速,沒有加速過程!光子的靜態質量為零,其只存在相對論的動態質量,而這個動態質量與其的攜帶的能量有關!
  • 光子是靠什麼「動力」瞬間達到光速的?光子:能慢下來才是高手!
    光子說:不是我快了,是你慢了,快不是本事,誰都會。慢意味著積累了能量,才能穩固下來,歷經歲月。光子描述了宇宙萬物的本質,即狹義相對論中:一切存在(靜止)質量的物質都無法達到光速,而(靜止)質量為零的物質總會以恆定的光速運動(真空中)。愛因斯坦的質能方程描述了:質量即能量,只是存在的形態不一樣而已,質量更為穩定。