为什么只有光子能达到光速,是谁给它的动力?

日常生活中,如果我们要让一个物体的运动速度变快,我们就需要给它加速,在这个过程中会做功。比如:开车时,要让车子加速,就得踩油门,发动机拼命工作让车速提升,做功的就是发动机。

但是,我们知道,宇宙中信息、物质、能量的最快传播速度是光速,这是光传播的速度(真空中约为3*10^8m/s)。但是并没有什么给光加速,为什么光的速度就可以这么快呢?

质量之谜

要了解这个问题,我们就得先搞清楚:光和常规的物质之间有什么区别?

它们最大的区别就在于:静止质量。光子的静止质量为0,而物质的静止质量并不为0。爱因斯坦通过理论推导就得出一个结论:静止质量不为0的物质,速度是无法达到光速的。无论我们如何给整个物质加速,它的速度只能接近光速,但永远无法达到光速。

那为什么静止质量不为0的物体无法达到光速呢?

要了解这个问题,我们就得搞清楚:质量到底是什么?

在牛顿的理论体系中,质量的定义是:量度物体平动惯性大小的物理量。举个例子,汽车突然刹车,会向前滑行,在相同的条件下,汽车的质量越大,向前滑行的距离越远,这其实就是因为惯性更大。但是这个定义是一种宏观的体现,并没有说出质量的本质。

我们都知道,万物都是由原子构成的,而原子又是由电子和原子核构成的,原子核又是由质子和中子构成的,质子和中子又是由夸克构成的。那是不是意味着,物体的质量就等于电子+夸克的质量?

答案是否定的,因为“电子+夸克”的质量仅仅占据了整个物质总质量的1%,那剩余的99%哪去了呢?

爱因斯坦在1905年的下半年发表了一篇论文,这篇论文名为:质能等价,是狭义相对论的补充。在这篇论文当中,爱因斯坦统一了质量和能量,他认为质量和能量实际上是一码事,是一个东西的两个面,也就是一体两面。一个东西对应多少能量,就同时具有一定的质量,这个能量和能量的等价关系是E=mc^2。

通过质能等价理论,我们可以发现,上文说中说到的物体质量问题,并不能直接抛开粒子之间的相互作用力,因为相互作用力也提供能量,这部分能量是有质量的。不过,这其中的电磁力和弱力相对于强力而言都太小了,也就是说,剩余的99%的质量,实际上都是把夸克束缚在质子和中子的强力提供的。其他的作用力所提供的能量对应的质量几乎可以忽略不计。

1%的质量之谜与希格斯机制

因此,一个物体的质量=“电子+夸克”的质量(占1%)+强相互作用提供的能量所对应的质量(占99%)。那么问题就来了,电子和夸克的质量是从哪里来?

整个问题一开始真的难倒了很多著名的物理学家。后来,有科学家就提出,在我们所处的宇宙当中,存在着一种希格斯场,它遍布整个宇宙各处。一般来说,粒子的传播速度都是光速,有些粒子穿过时,希格斯场会对其进行减速,使得这些粒子被赋予质量,而另外一些粒子穿过时,希格斯场是不与其发生作用,不会起到减速作用,因此,还是具有光速。

而在众多粒子当中,光子的传播速度之所以是光速,就是因为希格斯场并不与光子发生作用,不会对其减速,因此,光子的静止质量为0。而除了传递强相互作用的胶子之外,剩余的粒子都会被希格斯场所减速,因此,静止质量也不为0了,但也因此无法再获得光速的传播速度,而只能永远低于光速。那这个理论靠谱吗?

如果要证明这个理论,那就得找到希格斯场存在的证据。欧洲原子能委员会的LHC大型强子对撞就在2012年对外公布了,他们通过对撞机找到了希格斯场存在的证据。

这个结果很快被学术圈所认同,提出理论的科学家还因此获得了2013年的诺贝尔物理学奖。

总结

由于希格斯场的存在,各种粒子都会因此被减速,从而获得质量,这个代价就是粒子构成的物质永远无法达到光速。而光子由于在希格斯场中不会发生作用,也就不会被减速,因此,光子的传播速度就可以一直保持着光速。