光速达到每秒30万公里，为何这么快？背后的动力是什么？

发布者：唯品一生 2023-4-21 15:56

日常生活经验告诉我们，速度都是相对的，比如相对于某个参照系才有意义。而在地球上一般我们都默认地面为参照系，也没必要说出来。

但是，还真有一个速度是绝对的，根本不需要参照系，它就是光速。光在真空中的速度大约为每秒30万公里，而这个速度就是绝对的，不管在任何参照系下测量，结果都保持不变。

那么，光的速度为何这么快呢？背后的动力又是什么呢？

先说答案，光以光速飞行根本不需要任何东西，它天生就是光速，而且没有任何加速过程，瞬间达到光速。

为什么会这样？让我们来详细看一看。

1905年，爱因斯坦提出了伟大的狭义相对论，其中有一个著名的公式，质能等价方程，一经问世便引起了科学界巨大轰动。

这个质能方程就是能量等于质量与光速平方的乘积。该公式表达的意思就是，一个质量为M的物体，拥有的总能量就是E。

质能方程可以用狭义相对论推导出来，推导过程会涉及到信息，能量和物质之间的转换关系，在这些关系中，爱因斯坦特意强调了物质，信息和能量的速度是无法超越光速的。如果想达到光速，一个物体的静质量必须为零。

质能方程中的M就是静质量，到底什么是质量，什么是静质量，爱因斯坦并没有给出明确答案。随着科学家对微观世界的深入探索，才逐渐找到了更具体的答案。

我们都知道，万物都是由最基本的原子组成的，原子由原子核和核外电子组成，电子无法继续分割下去，是基本粒子。原子核由质子和中子构成，质子带正电，中子不带电。

你有没有想过，原子核里的质子数量有很多，为什么不会因为同种电荷的排斥左右而分开呢？

还有，通过用大型粒子对撞机轰击质子和中子，科学家们发现了更小的结构，夸克。每个质子和中子都是由三个夸克组成的。三个夸克到底是如何组成质子的呢？

随着科学家们发现越来越多的基本粒子，如何把它们进行很好地分类就成了最大的难题。在这种背景下，粒子标准模型呼之欲出。

科学家们把微观粒子分为费米子和玻色子。费米子就是基本粒子，把一个物体不断切割最后不能再分的，就是费米子，比如说电子和夸克都是费米子。而玻色子是把费米子连接起来的粒子，就像胶水一样把基本粒子连接在一起，组成可见物质。

同时，科学家们认为自然界存在四种基本作用力，分别是强力，弱力，电磁力和引力。

强力把三个夸克束缚在一起形成质子和中子，同时也把质子中子束缚起来。强力是自然界最强大的力。

当科学家们试图用规范场理论统一四大作用力的时候，遇到了一个难题：他们不知道物体的质量到底来自哪里！

因为科学家们发现，一个质子或中子99%的质量都来自于强相互作用把夸克束缚在一起的束缚能。那么剩下的1%质量哪里去了呢？

理论上讲，剩下的1%质量就应该是三个夸克的质量，因为质子和中子都是由是三个夸克组成的。但是在夸克的质量又是哪里来的呢？

按照规范场理论，电子和夸克这样的基本粒子本应该是没有质量的。其次，所谓的四大作用力其实是通过传播子来传递的。比如说强相互作用，也就是强力是通过胶子来传递了，相当于把胶子扔来扔去就传递了强力。电磁力通过光子来传递的。而弱力是通过W玻色子和Z玻色子来传递的。

不同的是，胶子和光子都没有质量，但是W玻色子和Z玻色子都是有质量的，这些质量都来自哪里呢？

这就需要希格斯机制来诠释了。科学家们认为，宇宙中充满了希格斯场，当希格斯场受到扰动时就会产生希格斯粒子，也被称为上帝粒子，正是希格斯粒子赋予了基本粒子质量。

赋予的方式就是，希格斯粒子会与基本粒子发生作用，让粒子的运动速度减慢从而获得质量。夸克和电子等基本粒子的质量就是这么来的。

也就是说，所有的基本粒子本应该都是没有质量的，它们的速度也都应该是光速，只不过在飞行的过程中与希格斯粒子发生作用之后减速了，也因此获得了质量。

但并不是所有的粒子都会与希格斯粒子发生作用，比如说光子还有传播强相互作用的胶子，两者都不会与希格斯粒子发生作用，所有光子和胶子的质量都为零，而且不会被希格斯粒子减速，一直保持光速飞行！

阿尔伯特·爱因斯坦 地球 宇宙 2019未来科学大奖

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