光是如何达到光速的?
光能够达到光速并不是因为它需要动力,而是因为在宇宙中,凡是静止质量为0的东西都可以达到光速,而光子恰好就是静止质量为零。那为什么静止质量为0就可以达到光速呢?这其实和量子力学的理论模型有关。具体原因我们还得从理论物理学的发展说起。
如果要给科学史上的理论物理学家做一个排名,可能不同的人给出的答案会是完全不同的。不过,有两位大神肯定会被大家排到最前列,这两个人就是牛顿和爱因斯坦。牛顿代表的是经典物理学,而爱因斯坦则代表的是现代科学,爱因斯坦以及他所在时代的科学家更像革新者,革了经典物理学的地基,建立了现代物理学的两大支柱:相对论和量子力学。
其中,相对论几乎是爱因斯坦一个人做出来的。相对论被分为狭义相对论和广义相对论。在狭义相对论中,爱因斯坦以光速不变原理和相对性原理为基本假设建构出来的。
我们通过光速不变原理进行推导,就可以得到光速是信息、物质和能量传播的最快速度,它们都无法超越这个光速(3*10^8m/s)。这个看法起初很多科学家都无法接受,狭义相对论诞生后很久才逐渐在实验中被验证,被开始被接受。很多人都会有一个疑问:为什么光速是宇宙中物质、信息、能量的极限速度,而不是其他的速度?还有光是如何一下子达到光速的?它的动力之源到底是什么?
标准模型关于这个问题,与爱因斯坦同一时代的物理学家就在研究,前前后后上百位杰出的物理学家先是创立了量子力学,紧接着结合狭义相对论和量子力学推导出了量子场论,进而得到到了粒子物理标准模型。
之所以需要这样一个理论,很大原因是实验惹的祸。上世纪初有一个叫做卢瑟福的科学家通过简单的“α粒子”轰击(撞)金箔,就让他了解到原子模型,并开启了研究核物理的先河。
后来的科学家照葫芦画瓢开始用粒子对撞”来获得微观世界的物理学现象。这一“撞”,撞出了上百种粒子,那这些粒子改如何安排的明明白白呢?
物理学家就搞出了一套标准模型,在这套标准模型中就把这些粒子都安排明白了。这套模型实际上很复杂,不过我们可以简单粗暴地来说一下。
话说在古希腊时代,就已经有哲学家在思考这个宇宙到底是咋来的了?
他们当时提供了两个思考这个问题的方向,一个是研究万物的本源,一个是研究万物之所以是万物背后的规律。前者最后最终逐渐演化成研究万物最小的构成单位,并且在德谟克利特和亚里士多德时代达到了高峰,不过他们还停留在哲学思辨的层次,并没有和微观的物理学现象相结合。
而标准模型则弥补了这个空白,是基于微观世界的物理学现象构建起来模型。在这个模型当中,有两种构成这个世界的粒子,一种叫做费米子,一种叫做玻色子。费米子就好比是把万物切到最小剩下的粒子,费米子不能处于同一个量子态,因此,它们的存在使得物质具有体积的属性。而玻色子就好比是胶水(通过传递相互作用来实现),把费米子粘黏起来形成物质。
这么说可能太抽象了,我们来举个例子,夸克就是费米子,而胶子就是规范玻色子,三个夸克通过胶子传递的强相互作用就可以构成质子或者中子。
而质子和中子可以通过介子传递的强相互作用来构成原子核,原子核和电子之间是依靠光子传递的相互作用来构成原子。这里没有提到的弱相互作用则是用来维持原子核的稳定性的。有了原子,通过原子之间的电磁力,就可以构成费分子,分子再构成物质。所以,费米子和规范玻色子实际上就是古希腊先哲心目中的万物本源,它们共同构成了这个世界。
质量之源说了这么多,你可能要问了,那这和光速有什么关系呢?
这个理论看似完美,但是却存在着一个致命的问题:粒子的质量从哪来?
根据这个理论,粒子都应该是不具有质量的。可是,科学家通过计算就发现,物质的质量99%来自于强互相作用,却还有剩余的1%不知去向。
为了解决这个问题,几位科学家提出了著名的希格斯机制。他们认为宇宙中还存在着一种标量玻色子:希格斯玻色子。它们可以赋予粒子质量,那它们是如何赋予粒子质量的呢?
它们可以让粒子减速,以此让粒子获得质量。也就是说,如果没有任何阻拦,粒子本身就应该是以光速传播,但是有一部分粒子被希格斯玻色子“拦着”,以至于速度被拖慢,并且获得了质量。
万万没想到的是,科学家的这个理论猜想后来还真的被大型粒子对撞机的实验所验证,其中2位物理学家在2012年还因为提出希格斯机制而获得了诺贝尔奖。
但并不是所有的粒子都会被“拖慢”,光子就不会,所以它具有的速度就是粒子本该有的速度:光速。光子不是慢慢加速到光速的,而是它天生就是光速,也因此它的静止质量为零。