在宇宙的奥秘中,光速的特质与我们日常生活体验形成鲜明对比,这是因为我们生活在一个以低速运动为主的世界,而在这样的世界里,光速的领域似乎遥不可及。
以光速本身为例,光子似乎无须经历“加速”便能达到光速,从诞生伊始就以光速行进,不需任何加速过程。而我们现实世界中的一切物质,却都要遵循逐步加速的规律。
那么,光子为何显得如此特立独行?
我们可以通过爱因斯坦的狭义相对论中的质增公式来揭示这一现象,公式如下:
其中,m代表物体的动质量,m0则是静质量。如果一个物体的速度等于光速,那么公式中的分母将等于零,公式似乎失去了意义。然而,在高等数学的范畴中,“不定型极限”概念提供了一种解释:当分母为零时,只要分子也为零,公式依旧成立。
因此,在质增公式中,若物体的速度v为光速,则静质量m0 必须为零。光的静质量恰为零,它无需加速即可达到光速,而且注定只能以光速移动,否则整个世界的秩序将被扰乱。
接着,我们探讨为何光子的静质量为零,而其他粒子如电子、质子等的静质量不为零。
要解答这个问题,我们需要深入理解质量的本质——质量究竟从何而来?
科学家历经数十年的研究,才揭示了质量的真正来源。这涉及粒子物理学的标准模型。
标准模型将粒子划分为两大类:玻色子和费米子。玻色子如同“胶水”,通过传递各种基本力将费米子结合成基本物质。而费米子则是构成宇宙的基本建筑块,如夸克、玻色子(包括光子,光子负责传递电磁力)。
根据标准模型,粒子原本应无质量。但科学家计算发现,一个物体的质量约有99%源自基本粒子间的相互作用,基本粒子本身只构成了物体约1%的质量。
例如,假设原子质量为100,那么原子核与电子、质子与中子间的相互作用贡献了99,而这些相互作用所体现的能量,等同于质量。
那么,基本粒子的质量是如何产生的呢?
答案指向了“希格斯玻色子”,这个粒子赋予了其他粒子质量,有“上帝粒子”之称。
那么,希格斯玻色子是如何给予粒子能量的呢?简化来说,希格斯玻色子让粒子减速,从而获得质量。换言之,若无希格斯玻色子的作用,基本粒子本会以光速移动。科学家们在大型强子对撞机上确实发现了希格斯玻色子,证实了理论的正确性,希格斯也因此荣获诺贝尔奖。
光子之所以特别,在于它不受希格斯玻色子的阻碍,天生便以光速移动,静质量为零。
换个角度理解光速:
从物理学角度看,光速并非仅指光的传播速度,它实际上是宇宙时空的固有属性,不仅仅是光子,引力波和信息的传递速度也是光速。光速仅与真空本身有关,与真空中的介电常数和磁导率有如下关系:
我们习惯上将“光速”理解为光的传播速度,其实是一种狭义的说法,因为光是我们最常接触的物质形态,自然而然会将“光速”与光的传播速度等同起来。
总的来说,光速实际上由时空结构所决定,时空本身会引导物质如何运动,而物质的运动反过来也会影响时空。