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    光子是靠什么“动力”瞬间达到光速的?光子:能慢下来才是高手!

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      手电筒一开,宇宙最高速的光就会射出,光这么快,两节一号电池能匹配这么大能量吗?光子说:不是我快了,是你慢了,快不是本事,谁都会。慢意味着积累了能量,才能稳固下来,历经岁月。

      光子描述了宇宙万物的本质,即狭义相对论中:一切存在(静止)质量的物质都无法达到光速,而(静止)质量为零的物质总会以恒定的光速运动(真空中)。爱因斯坦的质能方程描述了:质量即能量,只是存在的形态不一样而已,质量更为稳定。这些描述就像天书一样,只是表面上的客观规律,那么为什么会有这样的规律?所有的答案都在微观世界之中,我们深挖一下。

      光到底是什么?

      光一出现就会以光速在时空中直线运动。牛顿说:如果一个物体不受任何力的作用,或者合力为零,那么物体会沿直线无休止的匀速运动下去。这看似一样,不过,牛顿这个说法的前提是光必须是一个“物体”,也就是说光应该是由某种微粒构成的,如果光是一种波,就像水波一样,那么这个说法就不成立,因为波需要介质,就像水波需要水的震动。

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      牛顿走后,科学界二号人物诞生,麦克斯韦说:变化的电场会产生磁场,磁场又会产生电场,电再生磁,磁再生电,周而复始,光就是电磁波,波速即光速。

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      到了量子时代,德布罗意说:你们都别争了,大家说的都对,但大家又说的都不对。爱因斯坦说:老德说得对,但是我也没太弄明白。然后爱因斯坦沉默了一下,又眼含深意的说了下面这一段话:

      好像有时我们必须用一套理论,有时候又必须用另一套理论来描述(这些粒子的行为),有时候又必须两者都用。我们遇到了一类新的困难,这种困难迫使我们要借助两种互相矛盾的观点来描述现实,两种观点单独是无法完全解释光的现象的,但是合在一起便可以。

      爱因斯坦描述的就是光具有波粒二象性,即光具有波动性,同时具有粒子性。然而不单单是光具有波粒二象性,所有粒子或量子都具备这个性质。这个理论的出现意味着人类突破了物理“智子”的封锁,推开了新世界的大门,也是宇宙创造万物的底层密码。图片

      波粒二象性是量子力学的核心,诡异的双缝干涉实验,测不准原理,薛定谔的猫,上帝不掷骰子,平行宇宙和它都脱不了干系。那么何为量子?量子的定义翻译过来就像是拿着刀把一个苹果一顿剁,剁到最后无论再怎么剁,都不可再分的最小单位,每一个最小份就是量子。光同样具有量子性,光的最小单位是光量子,简称光子。

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      不过,量子的定义只说对了一半,不要忘了量子具有波粒二象性,因此量子除了粒子性,同时具有波动性。比如我们可以说氢原子核外有一个电子,也可以说氢原子核外有朵电子云。

      如果把一“粒水”拿过来一顿剁,最终会剩下什么?

      我们原本认为物质的最小单位是分子、原子,后来发现原子可以继续再分,分成电子与原子核,电子核又可以分为质子与中子。后来又发现质子与中子是由(三价)夸克与胶子所构成。

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      因此物质是由夸克、电子、胶子,这类微小的粒子所构成,称之为基础粒子。人类通过对撞机发现的基础粒子总共有61种,科学家预测有一种传播引力的粒子,即引力子,目前尚未找到,加上它基础粒子就是62种。

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      图:粒子物理标准模型

      这些粒子要详细讲,一天一夜都讲不完,我们只简单说说我们需要的。一切粒子本身都是没有质量,量子描述它们都是“切得最小”的点状粒子,也就说它们都是零维的。不过,它们却构成了三维的宇宙万物,包括你和我,而我们都是有质量的。

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      图:构成万物的四大相互作用(力)

      单个粒子没有质量,但是当“投机”的粒子互相见面就会发生相互作用,质量就源于相互作用产生的能量,所以爱因斯坦说能量就是质量。

      举个例子:

      一个广场上站着大量路人甲有希格斯玻色子、胶子、电子等等所有粒子,如果一个“明星”从广场上穿过,那么大家就会一拥而上,明星受到的束缚较大,寸步难行,质量也就较大,想要动起来需要用到的能量也比较多,比如夸克。

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      如果换成是一个“网红”,有的人认识,有的不认识,上的人就稍微少点,束缚稍微小点,通过的速度也更快点,质量稍微小点,比如电子。

      如果是你,谁都对你爱搭不理,你可以以极快的速度通过,毫无束缚,那么你就是光子,没有任何质量可言。

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      图:夸克带色荷就像电子带电荷,胶子可以把三价夸克牢牢锁住,这就是强相互作用力,而电子则依靠光子传递电磁力

      谁和谁能相互作用源于粒子的内在属性,例如角动量,电荷,色荷等等。由于四大相互作用力,这些粒子束缚在一起形成了有质量的质子、中子、原子核、原子、分子,这些三维结构,才有了我们。

      答案

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      光的速度能量来源就是没有来源,我们这么慢,是因为有能量来源,能量的体现形式就是质量,能量的产生源于粒子发生相互作用,这也是原子弹爆炸一丢丢质量可以呈现出巨大能量的原因。
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