现代物理学的双塔:相对论与量子力学,分别主导着宏观领域与微观领域。
相对论几乎成了爱因斯坦的代名词,量子力学也同样烙印着他的不朽贡献,充分证明了爱因斯坦的杰出天才。
在20世纪初期,爱因斯坦连续推出了卓越的狭义相对论与广义相对论。狭义相对论阐明了一个观念:光速是宇宙速度的极限,也是任何信息、物质及能量传播的最高速度。
起初,“光速极限”这一观念对大众来说颇为陌生,因为在人们的传统观念中,对物体施加持续作用力,物体便应持续加速,这正是牛顿力学的核心理念之一。
然而,随着狭义相对论的问世,光速极限在科学家的实验中得到不断验证,因此逐渐被大众接受。
然而,这里出现了一个疑问:为何光速如此特殊?光是如何实现光速飞行的?它是如何一跃而至光速的?推动光子以光速运动的究竟是何物?
要解答这些疑问,我们需要深入微观世界的秘境一探究竟。
在正式探讨之前,有一点需要强调:实际上,光速并非特指“光的速度”,它代表的是四维时空的内在速度,只与四维时空本身相关,可以视为因果律传递的速度。只不过,人们最初以光速定义了光速,因此这一称呼沿袭至今。除了光子之外,还有诸多速度同样为光速,例如胶子和引力波等。自然,光在真空中的速度与光速相等,这并非偶然,而是必然。
让我们回到正题,为了解答“光子为何必须以光速飞行”这一问题,我们首先要理解粒子标准模型。
在粒子标准模型中,存在众多基本粒子。这些基本粒子的发现历经长久时光,最初的线索源于卢瑟福的经典实验——“阿尔法粒子轰击金箔实验”,该实验让我们对原子模型有了更清晰的认识。
随后,物理学家们遵循类似“照葫芦画瓢”的思路,通过不断的粒子对撞实验,揭示了新的基本粒子。如此众多的基本粒子,以至于达到了上百种之多。
问题随之而来,如此众多的粒子显得混乱不堪,如何进行有效分类?物理学家们经过不懈探索,最终建立起粒子标准模型,将那些看似混乱的基本粒子进行了详尽的分类。
简单来说,所有基本粒子均可归入两大类:费米子与玻色子。费米子即我们平时所说的基本粒子,如电子、夸克等。而玻色子则起到将费米子联结在一起的作用,如同粘合剂一般。
举个例子,基本粒子如同砖块,而玻色子则如同水泥,砖块借助水泥粘合,共同构建起高楼大厦,形成我们所见的宏观物质。
玻色子共有四种,它们均为规范玻色子,分别是胶子、光子、W和Z玻色子,分别传递强力、电磁力、弱力和引力——自然界的四种基本力。四种规范玻色子如同粘合剂,将各类费米子联结,而四种基本力正是通过这四种玻色子传递的。这里需要指出,引力子目前还只是理论假定,尚未找到其存在的实证。
具体来说,质子和中子等核子通过胶子传递强相互作用(强力)结合在一起,构成原子核。而原子核与电子则通过光子传递电磁力,形成原子。
至此,诸位对于微观粒子的构成应有大致了解。然而,这一切与光子以及光速有何关联?
关系至关重要!仔细思考,你会发现一个关键问题:如此众多的基本粒子,其质量究竟源自何方?换言之,究竟是何种东西赋予了基本粒子质量?
根据粒子标准模型,所有基本粒子本应无质量,应当以光速移动。但实际情况并非如此。
经过物理学家的计算,物质的质量99%源自强力,即强相互作用。三个夸克通过强相互作用结合成中子与质子,质子与中子再通过强相互作用结合成原子核,而该原子核的质量几乎等同于整个原子的质量,与之相比,电子的质量微不足道。
强相互作用是通过胶子传递的,具体过程可以比喻为夸克相互投掷胶子,在此过程中展现巨大能量,也可视为束缚夸克或质子中子的能量,即核能。
根据爱因斯坦的质能方程,能量亦可表现为质量,因此物体99%的质量实际上源自能量。但剩余的1%质量来自何方?
理论上,答案无疑是基本粒子本身。因为在粒子标准模型中,除了基本粒子,就是它们之间的相互作用。而粒子间的强相互作用构成了物质99%的质量,那么剩余的1%质量必然来自基本粒子。
但模型显示,基本粒子本应无质量,这些质量从何而来?
物理学家们提出了著名的希格斯机制,认为自然界中还存在另一种玻色子——标量玻色子,即希格斯玻色子,正是它赋予了基本粒子质量。
希格斯玻色子究竟是什么?简单说来,宇宙中充满了希格斯场,该场的扰动会形成希格斯粒子。可以将希格斯场想象为平静的海洋,而当海洋受到扰动变得波涛汹涌,激起水珠,这些水珠就如同希格斯粒子。
希格斯粒子是如何赋予基本粒子质量的?
通俗来说,大部分基本粒子在与希格斯粒子相互作用时会减速,从而获得质量。也就是说,原本应以光速飞行的基本粒子,在遇到希格斯粒子这个“阻碍”后,不得不降低速度,获得质量,也就是静质量。
但并非所有粒子都会与希格斯粒子发生作用,例如光子和胶子就不会。因此,光子和胶子保持了原本的速度特性:光速飞行,并且一经产生便以光速运动,没有加速过程,静质量自然为零。
基本粒子是否与希格斯粒子作用,取决于其内在属性,如角动量、自旋等。
当然,质疑希格斯粒子是否真实存在并非空穴来风,物理学家们在2012年发现了希格斯粒子存在的实证,彼得·希格斯也因此荣获诺贝尔物理学奖!