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光子的速度为何能达到光速？光子飞行的动力到底是什么？

发布者：贫在闹市 2023-6-24 21:38

在爱因斯坦的狭义相对论问世之前，科学家们一度认为速度是没有上限的，只要给一个物体不断施加力量，物体的速度就会越来越快。

不过爱因斯坦提出相对论之后，我们知道了速度是有极限的，这个极限就是光速。光速是宇宙中物质，能量和信息的极限速度，任何具有静质量的物体的速度都不能超过光速。

那么问题来了，光为何能以光速飞行呢？光子飞行的动力又是什么呢？靠什么动力瞬间达到光速呢？

一切还要从爱因斯坦的狭义相对论说起。其实狭义相对论并不复杂，它是建立在两个原理基础上提出来的，分别是光速不变原理和相对性原理。

而光速不变原理可以推导出光速就是宇宙的速度极限，是任何物质和信息的极限速度，推导过程并不复杂，这里就不再详述了。

爱因斯坦刚提出狭义相对论时，其实并没有引起物理学界的很大关注，多数科学家并不认同爱因斯坦的相对论，因为相对论太诡异了，同时它也完全颠覆了统治物理学界几百年的牛顿经典力学。

不过，随着物理学的不断向前发展，越来越多的证据表明相对论的正确性，相对论开始被主流科学界认可，直到今天，相对论也成为了现代物理学大厦的基石之一，另一大基石是量子力学。

狭义相对论不但表明光速是宇宙中的速度极限，同时还暗示了光子一“出生”就以光速飞行，不需要任何加速过程，而且必须以光速飞行。

为何会这样呢？到底是什么样的动力让光子以光速飞行呢？

这就需要量子力学的帮助，因为光子本身属于量子的范畴，我们需要从微观领域加以分析。

在20世界初，随着物理学家们对微观世界的不断探索，也因此诞生了另外一门科学，量子力学，比相对论更具颠覆性的理论。

在探索微观世界的过程中，物理学家们建立了标准粒子模型，用于描述微观粒子分类的基本模型。

根据标准粒子模型，宇宙万物是由基本粒子构成的，而基本粒子可以分为两类：费米子和玻色子，费米子又可以分为夸克和轻子。

那么到底什么是费米子和玻色子呢？

通俗理解，当我们不断对物体进行切割，切割到不能继续下去的粒子就是费米子，说白了就是组成物体的最基本粒子。

玻色子就是把费米子粘结起来的粒子，就像胶水一样把基本粒子粘结起来，在费米子之间传递各种相互作用。

比如说质子和中子都是由三个夸克组成的，而三个夸克之间通过一种叫做“胶子”的玻色子通过传递强相互作用连接在一起。

而原子核和电子通过光子（也是一种玻色子）传递电磁相互作用结合在一起，组成原子。

说了这么多，好像和光速也没有什么关系，其实不然，关系很大。

标准粒子模型很好地描述了看似混乱无序的基本粒子，但有一个致命的问题没有解决：基本粒子的质量到底从哪里来的呢？

物理学家们通过不断的研究探索发现，物体的质量有99%其实都来自胶子传递强相互作用的能量，而能量又可以表现为质量。问题就在于剩下的1%质量来自哪里呢？

这就需要一位伟大的物理学家希格斯登场，他提出了希格斯玻色子的概念，正是希格斯玻色子赋予了基本粒子以质量，怎么赋予的呢？

通俗来讲就是让基本粒子减速，基本粒子会与希格斯玻色子发生作用然后减速。

本来所有的基本粒子的速度其实都应该是光速，但由于希格斯粒子的存在，基本粒子发生了减速，并因此获得了质量。

就像我们在密密麻麻的人群中穿梭，总会发生碰撞从而减速，碰撞得越严重，减速越明显，质量就越大。

但是光子比较特殊，光子不会与希格斯玻色子发生作用，也就是说光子不会减速，所以还会以本来的速度光速飞行。

光子的速度一开始就是光速，不需要任何减速过程，也不需要任何动力，一“生下来”就是光速。

当然，希格斯玻色子的概念一开始只是假设，科学是讲究证据的，所以科学家必须证明希格斯玻色子的存在。

通过不懈努力，科学家终于在2012年通过大型粒子对撞机找到了希格斯玻色子存在的证据，希格斯本人也因此获得了诺贝尔物理学奖。

并不只是光子，任何静质量为零的粒子都具有这个特性，都是以光速飞行，而且必须以光速飞行。除了光子之外，胶子的静质量也为零，所有胶子的速度也是光速，以光速传递强相互作用。

宇宙万物之所有都有质量，本质上就是因为希格斯玻色子的存在，正是希格斯玻色子赋予了万物以质量，正因为如此，希格斯玻色子也被称为“上帝粒子”，它无处不在，充满了宇宙的每个角落！

相对论阿尔伯特·爱因斯坦彼得·希格斯宇宙物理 2019未来科学大奖

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