【科學科普】光子跑得那麼快,想慢都慢不下來,它的能量從何而來?

天空之城 2020/11/20 檢舉 我要评论

任何具有靜止質量的物體都無法達到光速,因為當物體開始運動時會產生慣性質量,而慣性質量等效於引力質量,隨著運動速度的增加,慣性質量會逐漸增加,若是達到了光速,慣性質量就會增至無窮大,而要推動這樣的物體就需要無窮大的能量,宇宙間沒有無窮大的能量,所以也不可能推進物體達到光速,這是質能方程所告訴我們的。

而從質速關係方程中,我們又可以得知另外一個事實,那就是沒有靜止質量的物體,會始終以恒定的光速運行。因為如果一個物體不具有靜止質量,那麼只要它的速度不是光速,那麼它的動質量就會為零,這也就意味著它的能量為零。一個處於運動中的物體,卻不具有能量,這與宇宙的基本規律是相悖的,所以這種情況是不可能發生的,因為一個物體如果不具有靜止質量,那麼它的運動速度就一定是光速,想慢也慢不下來。

因為光子從誕生伊始便始終以光速運行,所以它是具有動質量的,而質量不過是能量的表現形式,所以光具有能量,這沒有問題。

但不具有靜止質量的光子,是什麼能量讓它從一誕生便開始運動的呢?這就要從光子的本質說起了,光子是什麼?光子是一種基本粒子。

我們日常所見的很多事物是由分子所組成的,比如水是由水分子組成、氧氣是由氧氣分子所組成的。而分子又有由原子所構成的,比如水分子是由兩個氫原子和一個氧原子所構成,而氧氣分子則是由兩個氧原子所構成的。在很長一段時間以來,人類都認為原子是構成物質的基本單位,但後來發現並非如此,原子仍然可以細分,它可以分割為原子核與核外電子,而原子核內又包含了質子和中子。

質子和中子仍然不是物質的最基本單位,它們還可以繼續分割,成為基本粒子,而基本粒子就是構成物質的最基本單位。

基本粒子可以分為誇克、輕子、規范玻色子以及希格斯玻色子,每一個類型之中又包含了大量的基本粒子種類,比如誇克中包括了上誇克和下誇克等,輕子之中有電子和電微中子等,而我們所說的光子就屬於規范玻色子,目前已經發現的基本粒子共有61種。

有一點非常重要,那就是所有的基本粒子都是不具有質量的。這是非常有趣的一件事,宇宙間的一切都是由基本粒子所組成的,大到宇宙天體,小到你我的身體,全部是由基本粒子所構成,基本粒子沒有質量,而我們卻具有質量,這是怎麼一回事呢?

粒子是如何組成世間萬物的呢?依靠的是自然界的四種基本力,即引力、電磁力、強核力和弱核力。

這四種基本力是如何產生的呢?它們的產生就是源於基本粒子之間的相互作用。比如電子從激發態躍遷至基態就會釋放出光子,而就是在光子的交換過程之中,電磁力產生了。請注意,現在產生了能量,而能量是物質的本質屬性,我們所說的質量不過是能量的一種表現形式而已,所以具有了能量,也就等於具有了質量。

現在問題終於變得明朗了,組成物質的基本單位,也就是基本粒子是不具有質量的,而基本粒子之間的相互作用產生了質量,或者說基本粒子之間的相互作用就是質量本身,這就是為什麼由沒有質量的基本粒子所組成的物質卻能夠擁有質量的原因。

質量是能量的表現形式,而要想將能量以質量的形式固定下來,並不是一件容易的事情,因為這需要相當大能量的累積。

能量等於質量乘以光速的平方,由此可見,即使是一個質量很小的物質,如果能夠全部轉化為能量,也是非常巨大的,不過在現實世界中是無法實現這樣的轉化的。

現在我們可以得出結論了,物體因為擁有了大量的能量累積,所以具有了質量,而要推動擁有如此巨大能量的物體運動,自然就要繼續輸入能量。但光子是基本粒子,它沒有與其它基本粒子發生相互作用,沒有能量,所以也不具有質量,所以不需要為其輸入任何能量,它就可以運動起來,而一旦運動起來,它就具有了能量,所以也就只能以光速運行,因為沒有靜止質量的物體如果不以光速運行,它的能量就會為零,而運動中的物體,能量是不可能為零的。

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