日常生活中,如果我們要讓一個物體的運動速度變快,我們就需要給它加速,在這個過程中會做功。比如:開車時,要讓車子加速,就得踩油門,發動機拼命工作讓車速提升,做功的就是發動機。
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?
質量之謎
要了解這個問題,我們就得先搞清楚:光和常規的物質之間有什麼區別?
它們最大的區別就在於:靜止質量。光子的靜止質量為0,而物質的靜止質量並不為0。愛因斯坦通過理論推導就得出一個結論:靜止質量不為0的物質,速度是無法達到光速的。無論我們如何給整個物質加速,它的速度只能接近光速,但永遠無法達到光速。
那為什麼靜止質量不為0的物體無法達到光速呢?
要了解這個問題,我們就得搞清楚:質量到底是什麼?
在牛頓的理論體系中,質量的定義是:量度物體平動慣性大小的物理量。舉個例子,汽車突然剎車,會向前滑行,在相同的條件下,汽車的質量越大,向前滑行的距離越遠,這其實就是因為慣性更大。但是這個定義是一種宏觀的體現,並沒有說出質量的本質。
我們都知道,萬物都是由原子構成的,而原子又是由電子和原子核構成的,原子核又是由質子和中子構成的,質子和中子又是由夸克構成的。那是不是意味著,物體的質量就等於電子+夸克的質量?
答案是否定的,因為「電子+夸克」的質量僅僅佔據了整個物質總質量的1%,那剩餘的99%哪去了呢?
愛因斯坦在1905年的下半年發表了一篇論文,這篇論文名為:質能等價,是狹義相對論的補充。在這篇論文當中,愛因斯坦統一了質量和能量,他認為質量和能量實際上是一碼事,是一個東西的兩個面,也就是一體兩面。一個東西對應多少能量,就同時具有一定的質量,這個能量和能量的等價關係是E=mc^2。
通過質能等價理論,我們可以發現,上文中說到的物體質量問題,並不能直接拋開粒子之間的相互作用力,因為相互作用力也提供能量,這部分能量是有質量的。不過,這其中的電磁力和弱力相對於強力而言都太小了,也就是說,剩餘的99%的質量,實際上都是把夸克束縛在質子和中子的強力提供的。其他的作用力所提供的能量對應的質量幾乎可以忽略不計。
1%的質量之謎與希格斯機制
因此,一個物體的質量=「電子+夸克」的質量(佔1%)+強相互作用提供的能量所對應的質量(佔99%)。那麼問題就來了,電子和夸克的質量是從哪裡來?
整個問題一開始真的難倒了很多著名的物理學家。後來,有科學家就提出,在我們所處的宇宙當中,存在著一種希格斯場,它遍布整個宇宙各處。一般來說,粒子的傳播速度都是光速,有些粒子穿過時,希格斯場會對其進行減速,使得這些粒子被賦予質量,而另外一些粒子穿過時,希格斯場是不與其發生作用,不會起到減速作用,因此,還是具有光速。
而在眾多粒子當中,光子的傳播速度之所以是光速,就是因為希格斯場並不與光子發生作用,不會對其減速,因此,光子的靜止質量為0。而除了傳遞強相互作用的膠子之外,剩餘的粒子都會被希格斯場所減速,因此,靜止質量也不為0了,但也因此無法再獲得光速的傳播速度,而只能永遠低於光速。那這個理論靠譜嗎?
如果要證明這個理論,那就得找到希格斯場存在的證據。歐洲原子能委員會的LHC大型強子對撞就在2012年對外公布了,他們通過對撞機找到了希格斯場存在的證據。
這個結果很快被學術圈所認同,提出理論的科學家還因此獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。
總結
由於希格斯場的存在,各種粒子都會因此被減速,從而獲得質量,這個代價就是粒子構成的物質永遠無法達到光速。而光子由於在希格斯場中不會發生作用,也就不會被減速,因此,光子的傳播速度就可以一直保持著光速。