光速,每秒30万公里。很多人会有这样的疑问:光是如何达到这么高的速度的呢?背后的动力到底是什么?

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答案其实很简单,也很“霸道”。光以每秒30万公里的速度飞行,不需要任何动力。而且不但不需要动力,也没有任何加速时间。也就是说,光子一出生就以光速飞行,没有任何加速过程。

日常生活经验告诉我们,一个相对静止的物体,在受到外力作用的时候,就可能会获得速度,而且当我们持续给物体施加力量,物体的速度就越来越大。

不过爱因斯坦的狭义相对论表明,拥有静质量的物体的速度不会无限增大,因为随着物体的速度越来越大,质量就会越来越大,想要再加速,就需要更多的能量。当物体的速度无限接近光速时,就需要无穷多的能量,这显然是不可能的。

还有一种情况,运动的物体只要不受外力或者合力为零,就会一直保持高速运动,依靠惯性就能一直运动下去。

不过一旦物体受到任何干扰,速度就会发生改变,甚至最终完全相对静止。按道理讲,光也应该如此,但事实上光与一般物体有本质区别。

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光在不同的介质中的速度的确会有所不同,比如说当光从真空中进入玻璃中时,速度就会变慢,只有光速的三分之二。但是一旦光重新返回真空中,速度又会瞬间恢复到光速,每秒30万公里。

这就很不可思议了,为什么会这样呢?为什么光子不需要任何动力就能以光速飞行呢?

我们都知道,光具有波粒二象性,本质上讲,光其实就是一种电磁波。光在传播时主要体现为波动性,而只有波动性才能更好地诠释光的这种特殊性。

既然光是一种波,意味着与其他波一样,都具有波的特性,比如说水波和声波。以水波为例,水波的波源发出的能量通过水这种介质一直传递下去,理论上可以无限传递下去,而传递的其实一直都是波源释放出来的能量。

水这种介质本身并不会提供任何能量,完美条件下水也不会吸收或损耗能量,只是起到一个载体媒介的作用。所以水波的传播速度只与介质也就是水有关。

再来说说光。我们通常说“光的传播不需要任何介质,在真空中也能传播”,但其实真空也是一种介质,真空不但不空,还充满了各种虚粒子,也就是能量,量子力学早就告诉了我们这一点。

所以,光的传播其实有介质,这种介质就是空间本身。所以,光的传播速度与空间息息相关,体现的也是空间的固有属性,正如水波的传播速度体现的正是水的特性一样。

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一个光源发出光子,光子会转化为空间场,也就是电场和磁场的交替变化,以这种方式在空间里振荡传播,这个过程不需要任何动力。光在传播过程中只是触发了空间的振荡而已,不需要任何时间去启动,瞬间能就达到光速。

而麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式,也能从侧面体现出这一点。从公式中可以看出,光速只与真空的介电常数和磁导率有关,也就是说,光速是空间的固有属性。

从粒子标准模型来诠释,光子之所以能以光速飞行,是因为它不会与希格斯玻色子发生作用,所以光子的静质量为零,只能以光速飞行。

希格斯粒子充满了宇宙的每个角落,也被称为“上帝粒子”,这种粒子正是质量的源泉。万物之所以有质量,就是因为希格斯粒子的存在。

如果没有希格斯粒子,所有的基本粒子的静质量都为零,都应该以光速飞行。而正是因为有希格斯粒子的存在,大多数基本粒子会与希格斯粒子发生作用,速度变慢,从而获得了质量。

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就像穿梭在人头攒动的热闹大街上,你总会遇到阻拦从而减缓速度,受到的阻力越大,你的质量也就越大。

而光子很特殊,它不会与希格斯粒子发生作用,结果只能以原本的速度,也就是光速飞行,而且没有任何加速过程,瞬间达到光速。

这里有必要强调一点,其实我们通常所说的“光速”并不是指“光子的速度”,光速本质上是四维时空的固有属性,不仅仅是光子,只要静质量为零的物体,速度都是光速,比如说胶子。还有引力波的传播速度也是光速,这些都是四维时空的直接体现。