现代物理学大厦有两大基石:相对论和量子力学,分别统治着宏观世界和微观世界。
在19世纪初,爱因斯坦相继提出了伟大的狭义相对论和广义相对论。其中狭义相对论表明,光速是宇宙的极限速度,也是任何信息,物质和能量传播的最快速度。
一开始,“光速限制”这个思想很难被大众接受,毕竟在人们的固有印象里,只要给一个物体不断施加作用力,物体就会一直加速,这也是牛顿力学体系的其中一个精髓。
但这里就有一个疑问,光速为何如此特殊?光是如何达到光速飞行的?而且是瞬间达到光速的?光子以光速飞行的动力到底是什么?
要想弄清楚以上问题的答案,我们需要深入到微观世界一探究竟。
正式开始之前,先强调一点,其实光速并非指“光的速度”,光速是四维时空的固有速度,只与四维时空本身有关,可以认为是因果律传递的速度。只是人们一开始就用光的速度定义光速,因此这个习惯就延续下来了。除了光子之外,还有很多速度也是光速,比如说胶子,引力波等。当然,光在真空中的速度等于光速,并非偶然,也是必然的。
回到正题,要想弄清楚“光子为何必须以光速飞行”这个问题,首先我们需要了解粒子标准模型。
之后物理学家们就“照葫芦画瓢”,不断利用粒子之间的对撞,寻找新的基本粒子。结果也确实发现了很多基本粒子,多达上百种。
问题就来了,这么多的粒子感觉太混乱了,如何进行有效分类呢?物理学家们经过深入探索,终于建立了粒子标准模型,把看起来异常混乱的基本粒子进行了详细分类。
简单来讲,所有基本粒子都属于两大类:费米子和玻色子。费米子其实就是我们平时所讲的基本粒子,比如说电子,夸克等。而玻色子就是把费米子粘结在一起的基本粒子,作用就像胶水一样。
打个比方,基本粒子就像砖头,而玻色子就像水泥,砖头通过水泥粘结在一起,就可以组建起高楼大厦,也就是我们平时看到的宏观物体。
玻色子有四种,都属于规范玻色子,分别是胶子,光子,玻色子和引力子,分别是强力,电磁力,弱力和引力的传播子,这四种力也是自然界的四种基本作用力。四种规范玻色子就像胶水一样粘结着各种费米子,而四种基本作用力就是靠这四种玻色子来传递的。强调一下,引力子目前还只是假象概念,并没有找到引力子存在的证据。
具体来讲就是,质子和中子等核子就是通过胶子来传递强相互作用(强力)粘结在一起的,形成原子核。而原子核和电子通过光子传递电磁力构成原子。
关系很大!如果你深入思考,就会发现一个致命的问题:这么多的基本粒子,质量是从哪里来的呢?也就是说,到底是什么东西赋予了基本粒子质量呢?
根据粒子标准模型,所有的基本粒子应该都没有质量,都应该以光速飞行。但实际上并非如此。
物理学家们通过计算发现,物质的质量99%都来自强力,也就是强相互作用。三个夸克通过强相互作用粘结起来形成中子和质子,质子和中子也是通过强相互作用粘结起来形成原子核,而原子核的质量几乎等同于原子的质量,电子的质量太小了,几乎可以忽略不计。
强相互作用是通过胶子传递的,具体是如何传递的呢?打个比方,就相当于夸克把胶子扔来扔去,在这个过程中可以表现出巨大的能量,也可以理解为把夸克或者质子中子束缚在一起的能量,这种能量其实就是核能。
按照爱因斯坦的质能方程,能量也可以表现为质量,因此物体99%的质量其实都源于能量。但问题是剩下的1%质量,到底是什么呢?
理论上分析,肯定是基本粒子本身!因为粒子标准模型中,除了基本粒子,就是基本粒子之间的相互作用。而粒子之间的强相互作用构成了物质99%的质量,那么剩下的1%的质量肯定来自基本粒子。
但是刚刚也提到了,粒子标准模型表明,基本粒子本应该是没有质量的,为什么又有质量的呢?这些质量又是如何来的呢?
物理学家们提出了著名的希格斯机制,认为自然界还存在另外一种玻色子,标量玻色子,也就是希格斯玻色子,正是这种玻色子赋予了基本粒子质量。
什么是希格斯玻色子?简单来讲,宇宙中充满了希格斯场,而希格斯场的扰动就会形成希格斯粒子。可以这么通俗理解,希格斯场就像是波澜不惊的汪洋大海,而当大海受到扰动就会变得汹涌澎湃,也就溅起小水珠,而那些小水珠就相当于希格斯粒子。
希格斯粒子具体是如何赋予基本粒子质量的呢?
通俗理解,绝大部分基本粒子都会与希格斯粒子发生相互作用,在这个过程中发生减速,并获得质量。也就是说,基本粒子本应该以光速飞行,但如今有了希格斯粒子这个“拦路虎”,基本粒子不得不慢下来,然后获得质量,也就是静质量。
但并不是所有的粒子都会受到希格斯粒子的阻拦,比如说光子和胶子就不会,因此,光子还有胶子就保持了本来应有的特性:光速飞行,而且一出生就以光速飞行,没有任何加速过程,静质量当然也为零。
是否与希格斯粒子发生相互作用,取决于基本粒子的固有属性,比如说角动量,自旋等属性。
当然,空口无凭,希格斯粒子真的存在吗?确实存在,物理学家们在2012年就发现了希格斯粒子存在的证据,而希格斯本人也因此获得了诺贝尔物理学奖!
完!