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光子的速度為什么這么快?光子:快不算什么,能慢下來才算本事

 思明居士 2022-04-03

光速,30萬公里每秒。一束光從地球飛向月球只需要一秒多的時(shí)間。

光的速度為何這么快?到底是什么動(dòng)力讓光的速度達(dá)到30萬公里每秒?

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或許我們應(yīng)該換一種思維方式,思維不能總是禁錮在“光速為什么這么快”,反過來思考一下:為什么我們的速度如此慢?

在我們羨慕光子的速度如此之快的時(shí)候,或許光子也“羨慕”我們的速度為何如此慢。而隨著科學(xué)家們的深入研究,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)事實(shí):其實(shí)快并不算什么本事,能慢下來才是真本事。

是不是有些懵逼,別著急,咱們慢慢分析。

首先,光到底是什么東西?

關(guān)于這個(gè)問題,科學(xué)界一直在爭論,直到今天也沒有完全的定論。毫不客氣地說,過去幾百年的科學(xué)發(fā)展史,幾乎就是光本質(zhì)的探索史,光,就像一根線那樣,串聯(lián)起科學(xué)理論的發(fā)展。

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對于“光到底是粒子還是波”這個(gè)問題,科學(xué)家爭論了上百年。今天的普遍認(rèn)知是“光具有波粒二象性”,至此,“光是粒子還是波”的爭論稍微平息。波粒二象性是量子力學(xué)中的一個(gè)重要元素,量子力學(xué)中的很多詭異現(xiàn)象,比如說雙縫干涉實(shí)驗(yàn),不確定性,薛定諤的貓思想實(shí)驗(yàn),甚至平行宇宙假想都與波粒二象性息息相關(guān)。

量子力學(xué)強(qiáng)調(diào),量子就不可分的最小單元,何為量子?舉個(gè)通俗的粒子,你拿著一把刀,對著一個(gè)蘋果一直切下去,直到最后再也切不動(dòng)了,剩下的就是量子。光也是如此,光的最小單元就是光量子,也就是光子。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),自然界存在很多種不可再分的基本粒子,比如說電子,夸克,膠子等,這些都是基本粒子?;玖W蛹悠饋砜偣灿?2種(其中引力子還沒有被證實(shí)),這些基本粒子就組成了標(biāo)準(zhǔn)粒子模型,依據(jù)這個(gè)模型,科學(xué)家可以很好地把基本粒子進(jìn)行分類。

關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的故事,不是一時(shí)半會(huì)能講清楚的,這里簡單通俗地說明一下。

其實(shí),所有的基本粒子應(yīng)該都是沒有質(zhì)量的,從量子的概念來講,它們都是不能再分割的“點(diǎn)”,也就是數(shù)學(xué)概念上的“零維”的點(diǎn),但是現(xiàn)實(shí)中它們是有質(zhì)量的,為什么呢?

簡單說,“沒有質(zhì)量”的基本粒子在發(fā)生相互作用時(shí),會(huì)體現(xiàn)出能量,而質(zhì)量就源于能量,這就是愛因斯坦的質(zhì)能方程表達(dá)出來的。

舉個(gè)通俗的例子,各種基本粒子就像穿梭于大街上的人一樣,如果是超級明星,行走在大街上,周圍的群眾肯定會(huì)迅速圍住明星,明星就會(huì)受到很大的束縛,行走起來就比較困難,體現(xiàn)出來的質(zhì)量就比較大,要想運(yùn)動(dòng)就必須有更多的能量才可以。

而如果是普通的老百姓,受到的束縛就比較小,頂多是偶爾的隨機(jī)與他人的碰撞,體現(xiàn)出來的質(zhì)量就比較小,運(yùn)動(dòng)速度就會(huì)很快,不需要很多能量。

而光子就像“誰也不愛搭理”的乞丐一樣,別人碰到乞丐都會(huì)主動(dòng)躲得遠(yuǎn)遠(yuǎn)的,乞丐不會(huì)與任何人發(fā)生相互作用,就沒有任何質(zhì)量,只能以最快的速度光速運(yùn)動(dòng),想慢都慢不下來。

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至于誰和誰發(fā)生相互作用,要依據(jù)基本粒子的內(nèi)在屬性,比如說電荷,角動(dòng)量,色荷等。擁有了質(zhì)量之后的基本粒子,在四大基本作用力的作用下,形成了更重的粒子,比如說中子,質(zhì)子,然后是原子核,原子,分子等。

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這里有必要說明一下,中子和質(zhì)子都是由三個(gè)夸克組成的,但是三個(gè)夸克的質(zhì)量僅占中子質(zhì)子質(zhì)量的1%而已,剩下的99%的質(zhì)量其實(shí)都是連接三個(gè)夸克的膠子相互作用的束縛能量,而能量也體現(xiàn)出了質(zhì)量。

所以,可以看出,光的速度為何這么快?它的背后有什么動(dòng)力推動(dòng)呢?其實(shí)光沒有任何能量來源,如果有能量的話,光就不會(huì)這么快了。恰恰是有能量來源的我們,才會(huì)慢下來,因?yàn)橛心芰恳馕吨鴵碛匈|(zhì)量,意味著與其他物質(zhì)發(fā)生作用!

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