不知道你有没有注意到这种现象,世界上好像没有什么是绝对的,任何物理量貌似都是相对的,比如说速度,温度,密度等。

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就拿常见的速度来讲,我们通常所讲的速度,其实都是默认以地球为参照系,也就是相对地面的速度。一旦我们换一个参照系,物体的速度就会发生变化。

既然速度是相对的,理论上讲我们永远无法确定一个物体的速度到底是多少。深入思考这个问题,你会发现这很难让人接受,似乎我们生活在“什么都不确定的”世界,任何物体的速度都必须相对其他物体才有意义,没有一个统一的标杆让我们参考。

就好像任何事都没有对错一样,只要站在不同的立场,就会得出不一样的结果。哪怕我无缘无故打你一耳光,也可以说对的。这太让人难以接受了!

直到科学家们对光和光速进行了深入研究,才发现不是那回事,我们的世界并不是任何事物都是相对的,也有“绝对”的存在。

这个“绝对”的存在就是光速。

在座的都知道,光速是自然界中的最快速度,任何信息和能量的传递速度都无法超过光速,其实这就是“光速限制”。

“光速限制”并不是光速特殊的地方,光速最特殊的地方在于,无论你站在什么角度分析,无论你是什么参照系为标准,光速永远都是光速,永远都是每秒30万公里(当然是真空中的光速)。

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举个例子就明白光速的这种特性到底有多霸道了。

我打开手电筒,发出一束光。假设你速度足够快,在我打开手电筒的同时,以99%光速追赶那束光。

那么,在你眼里,那束光的速度是多少呢?

你可能会认为:这还不简单吗?不就是简单的速度叠加计算吗?小学生都会,光的速度减去我奔跑的速度,也就是1%光速,每秒3000公里。

显然,你的回答是错的。正确的答案是,无论你奔跑速度有多快,那么无限接近光速,在你眼里那束光的速度永远都是光速,每秒30万公里。

其实这就是光速不变原理。

光速的这种霸道行为意味着,无论外部环境如何变换,光速都保持绝对不变,不管是任何运动状态,任何参照系下,光速永远都是那个光速。

如果宇宙中存在绝对的不变量,绝对不变的标杆,这个标杆就是光速!

通俗来讲,不管你以多快的速度追赶一束光,那束光相对你的速度永远都是光速。你的速度可以忽快忽慢,而光可以随时根据你速度的快慢“调整”自己的速度,保证相对你的速度一直都是光速!

那么,为什么光必须以光速飞行而其他物体的速度达不到光速呢?为什么光速又如此特殊,恒定保持不变呢?

先来分析第一个问题。

简单回答,这是爱因斯坦狭义相对论推导出来的结果。不过,狭义相对论是建立在两大基本假设的基础上提出来的,这两个基本假设分别是:光速不变原理和狭义相对性原理。

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这就意味着,用狭义相对论去诠释光速限制很容易走进“无限循环”的结果,或者说用“结果去倒推原因”,这显然有点难以服众。

说得再直白了,用狭义相对论去解释光速限制,实际上就相当于先假设宇宙存在“光速限制”,然后进过一系列推论,最终推算出“光速限制”的结果,这就有点不太合适了。

我们需要回到微观世界,去洞察光和光速的奥秘。

科学家们如今已经把狭义相对论和量子力学结合起来,成功建立起了一套粒子标准模型,这套模型把基本粒子进行了分类,总体可以分为两大类:费米子(也就是我们通常所讲的基本粒子),还有玻色子。

费米子和玻色子有什么区别呢?这样打比方就很容易理解了。把一个物体不断分割下去,最终剩下的不能再分割的就是费米子,而玻色子就是把费米子粘结起来的粒子,就像胶水那样。

说白了,费米子就像砖头,而玻色子就像水泥,砖头通过水泥粘结起来才能建造高楼大厦。

比如说,中子和质子都是由三个夸克通过强相互作用构成的,夸克就是费米子,而强相互作用就是通过胶子传递的,胶子就是玻色子,相当于“胶水”把三个夸克粘结起来。

中子和质子之间也是通过胶子粘结一起的。胶子传递的强相互作用,也就是强核力,在传递的过程中形成巨大的能量,其实就是核能。强核力如此强大,要想把核子分开或者聚集到一起需要极大的能量才行。

根据爱因斯坦狭义相对论中的质能方程,能量与质量等价。因此强相互作用形成的强大能量,其实也是原子核质量的一部分。

科学家们通过计算发现,强相互作用带来的能量转化而成的质量,占了整个中子和质子质量的99%,那么剩下的1%质量哪里去了?

理论上讲,那1%的质量只能是夸克的质量,但是夸克又是如何获得质量的呢?

解决这个问题就需要希格斯机制了。

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希格斯机制其实是比较复杂的,但可以这么简单理解。宇宙中充满了希格斯场,而希格斯场的扰动就会形成希格斯粒子,也被称为“上帝粒子”,正是这种粒子赋予了夸克等基本粒子以质量。

具体是如何赋予质量的呢?

简单讲,夸克电子等基本粒子本应该都以光速飞行,但是由于希格斯粒子的存在,夸克电子等粒子会与希格斯粒子发生相互作用,从而发生减速,在减速的过程中获得了质量。

而在众多粒子当中,只有光子(还有传递强相互作用的胶子)不会与希格斯粒子发生作用,因此光子的速度一直保持光速,而且一出生就是光速,没有任何加速过程,光速飞行的时候,也不需要任何动力。

这样就解释为什么宇宙中存在光速限制了,因为希格斯粒子的存在,赋予了万物质量,万物获得质量的过程中发生了减速。

这也是为什么我们会这样讲:任何具有静质量的物体都不可能达到光速,而光子的静质量为零,因此能以光速飞行,而且必须以光速飞行。

当然,希格斯机制一开始只是假设或者预言,科学家们当时也没有找到希格斯粒子存在的证据。不过通过不懈努力,科学家们终于在大型粒子对撞机实验中,发现了希格斯粒子存在的证据。

至于哪些粒子会与希格斯粒子发生作用,与基本粒子的内在属性有关,比如说自旋,角动量等。

还有一个问题:光速为何是绝对的?为何在任何情况下都绝对不变?

从爱因斯坦的狭义相对论角度来讲,光速不变是一个假设,也可以认为是公理。既然是公理,就不需要证明,只需要我们接受。当然你也可以不接受,毕竟我们都有理由不接受一个假设的事实。

但是,光速不变绝不是一个无厘头或者凭空想象出来的假设,虽然违背我们的传统思维和日常认知,但符合实验发现,无数次被实验证明。

当我们的日常生活经验和实验结果发生冲突时,当然要以实验结果为准,毕竟由于我们生活在狭小的地球空间里,日常生活经验肯定有很大的局限性。

如今我们知道,光速其实就是四维时空的固有属性,只与四维时空本身有关,与外部事物和环境都没有关系。因此,只要四维时空这个大环境不变,光速就保持绝对不变。通俗理解,光速其实不是绝对的,这个速度只是相对四维时空运动的速度。

最后我想说的是,严格来讲光速并不是指“光的速度”,它是四维时空本身的速度,这也是为什么不仅仅光的速度是光速,信息的传播速度也是光速,引力波的速度同样是光速。

只不过光在我们身边无处不在,一开始我们也只能研究光的速度,从而定义为“光速”,这是巧合,但也是必然。出于习惯,我们就一直使用光速这个概念。

完!