光速達到每秒30萬公里,光子到底依靠什麼動力達到光速的?
當電筒的開關按下,宇宙中最迅疾的光子躍然而出,它們速度之快,兩節乾電池怎能提供如此龐大的能量呢?
光子彷彿在說:不是我加速了,而是你放慢了腳步。速度或許不足爲奇,萬物皆可擁有。然而,緩慢意味着積蓄了深厚的力量,這力量能使之穩定,持久如斯。
光子的語言揭示了宇宙的深層秘密,正如狹義相對論所闡釋的:任何擁有靜止質量的物體均無法達到光速,而無靜止質量的物體則永恆以光速移動(在真空環境下)。愛因斯坦的質能方程則告訴我們:質量即能量,只不過是存在的形式不同,質量顯得更爲恆定。這些理論可能讓人覺得高深莫測,它們僅僅是表象的自然法則,那爲何會這樣呢?探尋答案的鑰匙,就藏在微觀宇宙之中,讓我們深入挖掘。
那麼,光究竟是什麼呢?
光一經誕生,便以光速在時空中穿行。牛頓曾經說:一個不受外力或合力爲零的物體,將永遠直線運動。這個觀點看似與光的特性相符,但別忘了,牛頓的前提是將光視爲一種“物體”,也就是說,光是由某種微粒構成的。如果光是波,比如水波,那這個論斷就無法成立了,因爲波需要媒介。
牛頓之後,科學界迎來了另一位巨星——麥克斯韋。他說:電場的改變會激發磁場,磁場又會激發電場,如此往復,電磁波即爲光的本質。
到了量子物理的紀元,德布羅意提出:大家說的都有道理,也都不完全對。
愛因斯坦也認同這一觀點,他雖然沒有完全領悟,但顯然意識到了更深層次的真理。他建議,我們有時需用一套理論來解釋(粒子行爲),有時又需要另一套理論,有時則需兩者兼用。我們似乎面臨着新的困境,需要通過兩個看似矛盾的觀點來描述現實,單獨任何一種觀點都不能完整解釋光的性質,但兩者合璧卻可以。
愛因斯坦的見解揭示了光的波粒二象性——光既是波動的,又是粒子的。但不僅光有這種性質,所有的粒子或量子都具備這種特質。這一理論的誕生,標誌着人類突破了物理學的障礙,打開了新世界的大門,它也是宇宙造物的深層密碼。
波粒二象性是量子物理的核心所在,奇異的雙縫實驗、不確定性原理、薛定諤的貓、上帝是否擲骰子、平行宇宙等話題都與之息息相關。那麼,何謂量子呢?量子的定義大致可以理解爲:拿刀將一個蘋果切分,直至無法再切,每一小份即爲量子。光同樣具有量子性,其最小單位稱爲光量子,簡稱光子。
然而,量子的定義只涵蓋了一半的真相,別忘了量子同樣具有波粒二象性。因此,量子不僅有粒子性,同時也具備波動性。例如,我們可以說氫原子的外層有一個電子,也可以說氫原子外層存在一片電子雲。
如果我們將一“滴水”切分至極,最終剩下的會是什麼?
起初,我們以爲物質的最小單位是分子或原子,後來發現原子可以細分爲電子和原子核,而電子核又能分爲質子和中子。進一步研究發現,質子和中子由(三價)夸克和膠子構成。
因此,物質由夸克、電子、膠子等微觀粒子構成,這些被稱作基本粒子。通過粒子對撞機,科學家們已發現61種基礎粒子,他們推測還存在一種傳遞引力的粒子——引力子,儘管目前尚未找到。算上引力子,基礎粒子共有62種。
要詳細探討所有這些粒子,恐怕需要耗費大量時間。簡而言之,所有粒子本質上都是無質量的,它們都是零維的點狀物體。然而,正是這些零維粒子構建出了三維的宇宙萬物,包括你我,而我們是有質量的。
單個粒子沒有質量,但當“機遇”使兩個粒子相遇併發生相互作用時,質量便由此產生。因此,愛因斯坦認爲能量即質量。
試想一個場景:
廣場上站滿了路人甲,他們可能是希格斯玻色子、膠子、電子等各種粒子。若此時一個“明星”穿過廣場,人們會蜂擁而上,明星因此行動受限,質量相對較大,需要更多能量才能移動,就像夸克。
如果是一個“網紅”穿過廣場,部分人會圍觀,部分人則不爲所動,因此受到的限制較小,能夠更輕鬆地穿越,質量相對較小,如電子。
如果你只是普通人,無人關注,你則可以輕鬆快速地穿越廣場,毫無束縛,如同光子,質量爲零。
夸克帶有色荷,如同電子帶有電荷;膠子可以牢牢束縛三價夸克,產生強相互作用力;而電子則通過光子傳遞電磁力。
粒子間的相互作用源於它們的內在屬性,如角動量、電荷、色荷等。正是這四種基本力將這些粒子束縛在一起,形成了有質量的質子、中子、原子核、原子和分子,進而構成了三維宇宙,孕育了我們。
光速之所以能達到如此之快,能量的來源似乎是無中生有。我們之所以慢,是因爲我們有能量來源,而能量的表現形式就是質量。當粒子發生相互作用時,能量便產生,這也是原子彈爆炸時少量質量能釋放出巨大能量的原因。