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眾多粒子中,為何只有光子能以光速飛行,其他粒子都不行?
2023/08/05

人類歷史上誕生了很多偉大的物理學家,如果讓你給物理學家們做一個排名,你會怎麼排?

每個人很可能都有不同的答案,但是不管如何排列,有兩位大佬的名次應該位居前列,甚至穩居前兩位,他們就是愛因斯坦和牛頓,他們堪稱人類歷史上最偉大的兩位科學家。

牛頓不必多數,他提出的牛頓定律家喻戶曉。而愛因斯坦更是人人皆知,這四個字早已不僅僅是人名,更是智慧的化身。愛因斯坦創建了相對論,同時也是量子力學的奠基人之一,而相對論和量子力學是現代物理學大廈的兩大基石。

愛因斯坦創建的相對論被無數人知曉,相對論包括狹義和廣義相對論。狹義相對論是以光速不變原理和相對性原理提出來的。

同時,狹義相對論告訴我們,光速是宇宙中的速度極限,任何物體信息的傳播速度都不可能超過光速。

相對論剛被愛因斯坦提出來時,并不被大眾認可,因為它完全顛覆了人們對時間和空間的傳統認知,甚至多數科學家都無法接受。

不過之后的一百多年時間里,越來越多的證據證明相對論的正確性,相對論也逐漸被大眾接受。

不過,直到今天,仍舊有不少人不知道為什麼光速是宇宙中的速度極限,還有一個問題,光是如何達到光速的?到底是什麼東西讓光達到光速的呢?

要弄清楚這些問題,我們首先需要了解著名的粒子標準模型。

19世紀末20世紀初,物理學家對微觀世界進行了深入研究,一開始他們認為原子是組成物質的最小結構單元,原子是不可再分的。

不過著名物理學家盧瑟福做了一個簡單的實驗,用α粒子轟擊金箔,正是這個實驗讓人們知道原子并非最小的微觀粒子,它也有自己的結構,原子內部有一個致密內核存在,如今我們知道那是原子核。

之后,仿照盧瑟福做的α粒子轟擊實驗,物理學家們接連不斷地做了很多類似的實驗,結果不做不要緊,做過之后發現微觀世界太熱鬧了,物理學家們發現了很多比原子更基本的微觀粒子,數量達到上百種。

一時間,物理學家們也很頭疼,因為他們不知道該如何對上百種微觀粒子進行分類,後來經過不斷分析探索,終于制定出了一套標準模型。

這就是粒子標準模型,這個模型看起來很完美,因為看似雜亂無章的上百種微觀粒子在這套標準模型的安排下,變得井然有序。

具體是怎麼分類的呢?實際研究起來是比較復雜的,這里就盡量用通俗簡單的語言來講述,科普的東西不需要太嚴謹,更需要通俗易懂。

簡單來講,宇宙萬物都是由兩種粒子構成的,它們分別是費米子和玻色子。

費米子是什麼呢?打個比方就明白了,把一個物體無限分割下去,最后不能再分割的就是費米子,也就是不可分割的最小粒子。

費米子都遵循泡利不相容原理,也就是說,兩個或多個費米子不能處于相同的量子態,這種特性讓費米子之間產生斥力,讓物質擁有一定的體積。

那麼玻色子呢?玻色子就是「膠水」,把費米子粘結起來的膠水,這種膠水用物理學術語講就是各種相互作用。

上面的解釋可能還是有些抽象。下面再舉例說明一下。組成質子和中子的夸克就是費米子,而膠子就是玻色子。

三個夸克通過膠子粘結起來,具體方式是,膠子可以在夸克之間傳遞強相互作用,把夸克束縛在一起。

同樣地,中子和質子也是通過強相互作用粘結在一起形成原子核的,不過傳播子并不是膠子,而是介子。而原子核和電子通過光子傳遞的電磁作用組成了原子。

自然界有四大基本作用力,分別是強力,弱力,電磁力和引力。這四種力量都有相應的傳播子來傳播。強力通過膠子來傳遞強相互作用,弱力通過弱玻色子傳遞弱相互作用,電磁力通過光子傳遞電磁作用,而引力通過引力子來傳遞。

無論是膠子,弱玻色子,光子還是引力子,都屬于玻色子的范疇。

到這里可能你會問:你說了這麼多,和光速也沒有什麼關系啊!別著急,重點馬上來了。

粒子標準模型看起來很完美,但有一個致命問題沒有解決,基本粒子的品質到底從哪里來的呢?

根據標準模型,基本粒子應該都沒有品質才對。但是科學家們研究發現,基本粒子的品質99%以上都是來自強相互作用產生的束縛能,而能量和品質是等價的。但是科學家們不知道剩下的1%品質哪里去了。

一位偉大的物理學家希格斯,提出了希格斯機制,該機制表明,宇宙中充滿了希格斯場,而希格斯場的擾動就會形成希格斯粒子,正是希格斯粒子賦予了粒子以品質。

到底是如何賦予品質的呢?

簡單講,通過讓粒子減速獲得品質。說白了,在沒有任何阻攔的情況下,所有的粒子本來都應該以光速飛行,但實際上并非如此,因為大部分粒子都被希格斯粒子阻擋了,結果速度就慢了下來,并因此而獲得了品質。

不過,光子是個例外,光子并不會被希格斯粒子阻攔,不會與它發生相互作用,所以光子本來的速度就是光速,而且一生下來就是光速,必須是光速,沒有任何加速過程,也不需要任何能量來加速,它的靜品質為零。

除了光子之外,膠子同樣沒有靜品質,也是以光速飛行。

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