光子一出生就是光速,而且必须以光速飞行,为何其他粒子不这样?
光,确实很特殊。爱因斯坦在20世纪初提出了伟大的狭义和广义相对论。其中狭义相对论的基本前提就有“光速不变原理”,光速是绝对的,在任何参照系下都保持不变。
那么,光为何如此特殊呢?为何总是会以光速飞行呢?甚至没有任何加速过程?
我们需要从人类现代科学的发展过程来寻找答案,首先从粒子标准模型说起。
刚才说了,爱因斯坦提出了伟大的相对论,之后量子力学也横空出世,为了统一两大理论,量子场均也问世了。
不过量子场论只是统一了狭义相对论和量子力学,并没有把广义相对论纳入进来。于是科学家们不断努力探索,继续从微观领域入手。
在大型粒子对撞机的帮助下,科学家们让微观粒子以非常接近光速的速度发生碰撞,碰撞瞬间产生超强能量,产生了很多基本粒子。随着基本粒子越来越多,就会显得越来越混乱,就像“粒子动物园”一样,混乱无序。
于是科学家们准备把所有的粒子进行有效分类,粒子标准模型呼之欲出。在该模型体系下,原来混乱无序的“粒子动物园”,一下子变得井研有序。
简单讲,所有的基本粒子其实都可以归纳为两种,分别是费米子和玻色子。
所谓的费米子,就是我们平时所说的基本粒子,比如说电子,夸克等。这样理解会更容易,把一个物体不断分割,最终剩下的不能分割的部分就是费米子。
而胶子更好理解了,费米子通过相互组合,成为更大的宏观物体,而费米子之间的组合需要一定的力量,而胶子就负责传递力量,说白了,胶子就像一根绳子一样,把费米子连接在一起。
比如说质子和中子都是由三个夸克组成,三个夸克如何结合在一起的呢?通过胶子传递强力结合在一起,胶子就是一种玻色子。
除了胶子之外,光子,中间玻色子和引力子都是玻色子,光子传递电磁力,中间玻色子传递弱力,引力子传递引力。不过目前科学家们还没有找到引力子存在的证据,引力子还是一个假象概念。
那么粒子标准模型和光子必须以光速飞行有什么关系呢?
这就需要希格斯场和希格斯粒子登场了。科学家们认为,希格斯场充满了世界每个角落,而希格斯粒子是希格斯场受到扰动形成的,也被称为“上帝粒子”,因为万物的质量都是因为希格斯粒子的存在而形成的。
具体怎么回事呢?
简单讲,基本粒子在运动的过程会与希格斯粒子发生相互作用,从而会减速,在减速的过程中获得了质量。
也就是说,其实微观粒子本来都应该以光速飞行的,而且一出生都以光速飞行,也都是没有静质量的,正是因为希格斯粒子的存在,对微观粒子起到了减速作用,在这个过程中赋予了基本粒子以质量,所以想电子等微观粒子并不是以光速飞行。
不过,光子比较特殊,它并不会与希格斯粒子发生任何相互作用,所以光子的速度就是光速,而且一生下来就是光速,也没有任何加速过程。
除了光子之外,胶子也不会与希格斯粒子发生作用,所以胶子的速度同样为光速,与光子的性质很像。
希格斯场和希格斯粒子的概念一开始其实也是假设,科学就是这样,基本上都是通过“大胆假设,小心求证”的方式不断向前发展的。
既然是假设,证据就很重要。科学家们花了很长的时间来寻找希格斯粒子存在的证据,终于在2012年找到了,也是通过大型粒子对撞机找到的。而最初提出希格斯场和希格斯粒子的物理学家希格斯,也因此获得了诺贝尔物理学家,这是对他最大的褒奖!
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