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光速是宇宙中携带信息与能量的极限速度,在真空中光速约30万km/s。光为何这么快,动力源于哪里?这个问题的解答可以揭露宇宙的一切。

光与一切密不可分

量子力学的核心:波粒二象性,量子是粒子,同时又是波。光量子,简称光子,麦克斯韦的方程光速的解为常数,即光速恒定不变。

从粒子的角度,光子的静止质量为零,真空速度为光速。爱因斯坦基于光速不变原理推导出了改变世界的《狭义相对论》,其中质速关系描绘了静态质量不为零的物质无法达到光速,静态质量为零的粒子,只要以光速运动。

基于《狭义相对论》的进一步推导,爱因斯坦发表了流芳百世的质能方程:E=mc^2,能量与质量等价。质速关系把速度与质量联系了起来,而质能方程进一步把能量也关联进来。看似完全不挨着的能量、光速、质量的关联是什么?

牛爱都说不清楚是什么

牛顿的封神之作《自然哲学的数学原理》中写到m=ρv,即质量是对物质的量的一种度量,与体积与密度有关。第一定律描述,质量使物体具有惯性。定义为使物体会保持自己原有的运动状态,无论是匀速运动,还是静止的能力。

一个质量很大、匀速冲向地球的小行星,即使它不受任何力的作用,你也没办法穿着宇航服走到它边上一巴掌把它扇飞,因为质量越大惯性越大。

牛顿只说质量的作用与效果,而爱因斯坦直接E=mc^2,说明质量与能量存在光速平方的关系,但同样没有说明质量到底是什么,等价并不代表等于,质量并非能量,质量与能量关系的本质到底是什么?同样没有讲清楚。

实际上,牛与爱根本没有办法讲清楚,因为当时人类观察的尺度与科技水平存在局限性。光速、质量、能量的问题直到21世纪人类才弄明白,并且有了确切的证据。2012年,欧洲核子研究中心发现了质量之源——希格斯玻色子,解开了世纪难题。

质能等价

物质本不该在宇宙中形成,一切本应都不具备质量,物质都应以光速运动。我们不应该问光速为什么快,应该反过来问物质为什么慢?

因为宇宙间的基本粒子,其中有一部分被“束缚”了,物质的质量源于粒子的质量,粒子质量源于被能量所束缚,而粒子被束缚的另外一个结果就是被拖了后腿,无法到达原本应有的速度,而能量源于基本粒子间的相互作用,牛顿与伽利略喜欢把相互作用叫做“力”,而要解答物质的本质更好的说法是——规范场,简单来说就是“场”。

基本的相互作用

从粒子的角度分析,宇宙中的一切物质都是由基本粒子构成,它们的尺度比原子、分子还小,这些粒子之间相互接触会出现四种最基础的相互作用(力),这些粒子与相互作用构成了宇宙间的一切现象与物质,换句话说宇宙间的一切物质与现象的底层逻辑都用四大相互作用力来解释,而相互作用的产生源于粒子本身的内在特性。例如:

磁铁同斥异吸,为电磁力,本质是粒子之间交换光子所产生的力,可以理解为光子被粒子丢来丢去,这种相互作用的原因是粒子带电,如电子带负电、质子带正电。

原子主要质量集中在原子核,原子核由质子(中子)构成,质子(中子)又由三价夸克构成,不同的夸克就像正负电荷一样,具有不用色荷的特性。

胶子也具有色荷会不断的改变夸克的色荷属性,被丢来丢去,胶子传递的能量可以牢牢地“捆绑”质子中的夸克,又可以使“被捆绑的三价夸克”的组合(质子或中子),不发生排斥作用,因为同性相斥,而原子核内质子与质子都带正电,光子产生的电磁力的排斥力必然想把质子们分开,而胶子的相互作用强于电磁力,于是宇宙中才有了原子核,我们把胶子的相互作用称之为强相互作用(强力),因为它比电磁力强。

除此之外宇宙物质的构成还有弱相互作用与万有引力,这里不一一描述了。既然我们认识了万物的构成,那么质量的源泉是什么?

原子由核外电子与原子核构成,电子的质量太小了可以忽略不计,原子核的质量是质子与中子的加和,而中子与质子又由三个夸克组成。那么质子与中子的质量是三个夸克的质量之和吗?事情当然没有那么简单。一个质子的质量是938.272MeV/c^2,换算成质量约为1.6726×10^-27kg。

科学家曾经让高能强子对撞产生深度非弹性散射,从而激发正反夸克湮灭,通过爆发出的伽马能谱精确地得到了夸克的质量,它们计算发现质子中的三个夸克静止质量只和约为9.4MeV/c^2,这意味着夸克本身的质量仅仅占质子质量的1%。

那么质子(中子)99%的质量哪来的?爱因斯坦的E=mc^2,给了我们答案,虽然胶子静止质量为零,但质量等价于能量,99%的质量可计算为m=E/c^2,E即胶子的强相互作用,换句话说质量是能量的另外一种形式的体现。

质能与基本粒子的相互作用虽然解释了宇宙大部分质量的来源,那么质子中1%的夸克本体质量、电子等一切具有静止质量基本粒子本身的质量是哪来的?它们自身为什么不是能量的载体,应该是空有一身零质量的“躯壳”才对呀?我们解释清楚了99%质量的来源于粒子间的相互作用,那么粒子本身的质量又来自何方?这个问题一直都无法解决,甚至差点推翻了“量子力学”。

量子场论

1916年,爱因斯坦发表了《广义相对论》,出师于德国大卫·希尔伯特的物理学家赫尔曼·外尔看到了《广义》论文,如痴如醉,如同窥见了“上帝的说明书”一般,就差没有走火入魔。

《广义相对论》中描述了引力场的本质是时空几何,而外尔的数学更高于物理,其中对于几何学的理解让它看到了几何学中的“场”不仅仅可以描述引力,甚至可以统一一切物理底层的理论。

摆在他面前就是现成的电磁场理论(麦克斯韦),于是在1918年发表了《空间、时间、物质》之后,在1928年又发表了更深入本质的《群论和量子力学》,然而当时很多物理学家认为群论太抽象,“统一场论”太遥不可及,根本没有几个愿意花时间研究他。

后来怎么样大家都知道,1954年,杨振宁与学生米尔斯基于外尔的“规范场”,发展出了著名的杨米尔斯理论,场论从此除了电磁力又囊括了弱力(相互作用)。

紧接着盖尔曼站在了杨的肩膀上,把杨米尔斯理论进一步扩展到强力(相互作用)。至此只剩下当初启发外尔的引力场,并没有找到引力子而无法统一,完成大圆满。除此之外,还有粒子本身具有的质量起源没有找到,但基于场论,科学家找到了一个新的方向。

英国物理学家彼得·希格斯认为宇宙大爆炸前一切物质都不存在,也不具备质量,为何大爆炸发生一秒之后一切物质就有了质量?既然静质量为零的胶子可以形成“胶子场”,场中积蓄够一定能量就会放出胶子,那么是否宇宙间还存在某种场,在宇宙诞生一秒后可以不亚于光速,迅速渗透空间,与诞生的基本粒子(夸克、电子)相互作用,使它们具有一定质量,而不作用于亚原子(质子、中子)身上。

2012年,人类发现了新的粒子——希格斯玻色子,希格斯机制终于得到了验证,宇宙间希格斯场无处不在,不过由于不同粒子本身的特性不同,因此它并非跟所有粒子都会发生作用。

希格斯场就像海洋一样充满在整个宇宙之中,夸克、电子等粒子会受到海水的冲击受到阻力,这种阻力使粒子具备类似势能的一种能量,这种能量体现在粒子身上表现出质量,粒子受到的阻力越大,所具有的质量就越大,爱因斯坦的质能方程可以再次描绘出质与能。不过,希格斯机制并不能束缚光子、胶子等粒子,因此它们可以以绝对光速在真空中穿行,因此它们不具备静止质量。

光的自由

希格斯玻色子是上帝粒子,是质量之源,是宇宙最底层逻辑,赋予部分粒子质量的同时又无视了部分粒子,构成了宇宙的基本框架,让一部分粒子成为了“粘合剂”,把质量粘合在一起,构成了星系、星球,还有我们。宇宙的一切本应都以光速运行,因为希格斯场的束缚,所以它们被“拖了后腿”,而光只是以它原本的速度运行,并不需要任何动力来源。

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