光是如何达到光速的？动力是从哪来的？
本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛 。
如果要问宇宙中有什么是绝对的？
那么在众多的答案当中 ， “光速在真空的传播速度是物质、信息、能量的最快传播速度”很可能是最佳的答案 。 那么问题来了 ， 光速为什么是物质、信息、能量传递的最快速度？光的动力来自于哪里？为什么光可以直接达到光速呢？
相对论
要了解这个问题 ， 我们首先要从相对论说起 。 话说在1905年 ， 爱因斯坦提出了著名的狭义相对论 。 在这个理论中 ， 爱因斯坦破天荒地以“光速不变原理”和“相对性原理”作为基础构建起了一座全新的物理学大厦 。 而通过光速不变原理 ， 我们可以推导出物质、信息、能量的极限速度是光速 。
爱因斯坦的这个理论刚提出时 ， 并没有引起很大的反响 ， 只有学术圈里的几个人感觉爱因斯坦是水平不错的科学家 ， 但是他们并不认同爱因斯坦的理论 ， 其中最具代表性的人物就是量子力学的奠基人：普朗克 。
这些科学家之所以无法接受爱因斯坦的理论 ， 是因为这个理论实在是太颠覆三观了 。 不过 ， 随着后来各种实验对相对论的验证 ， 使得相对论越来越被科学界所接受 ， 爱因斯坦也逐渐开始名声大噪 ， 直至被公认为20世纪最伟大的科学家 。
可是爱因斯坦的相对论只是告诉我们 ， 光速是信息、物质、能量传递的最快速度 ， 但却没有告诉我们为什么会是这样 ， 这好像是冥冥之中注定的一样的 ， 就好像是宇宙中最底层的属性 。 那后来科学家们搞明白这个问题了吗？
量子力学
如今流传着一句话“遇事不决 ， 量子力学” 。 虽然这句话多少有点嘲讽的意味 ， 但是量子力学本质上就是一种解释自然现象的思维方式 。 为什么这么说呢？
我们都知道 ， 科学起源于2000多年前的古希腊 。 古希腊哲学家在思考“万物的本原”时 ， 就提出了两条路径 ， 一条路径是研究万物之所以成为万物的原因和规律 ， 后来这条路径被称为形而上学；另一条路径是研究构成万物的最小单位 ， 从微观的角度来解决这个问题 ， 这条路径也被称为自然哲学 ， 后来演化成了如今的科学 。 由于科学的叫法是在19世纪初才有的 ， 而牛顿生活在17 ， 18世纪 ， 因此 ， 他的著作才会叫做《自然哲学的数学原理》 。
而量子力学走的就是后一条路径 ， 从微观的角度来解释万物运转的规律 。 光速这件事就可以用量子力学的角度来解释 ， 那具体是如何解释的呢？
这就需要我们对微观世界有一定的了解 。 20世纪中期 ， 科学家利用对撞机撬开了微观世界的大门 ， 获取到了许多微观世界的物理学现象 。 结果他们大吃一惊 ， 因为他们发现了好多的粒子 ， 如何给这些粒子分类就成了当时科学家极其头疼的问题 。
最终 ， 科学家结合量子力学和狭义相对论 ， 弄出了一套粒子物理标准模型 。 在这套理论中 ， 构成万物的是基本粒子 ， 基本粒子分为两类 ， 一类是费米子（费米子又分为夸克和轻子） ， 一类是玻色子 。
费米子可以粗暴地理解成为把物质切到最碎时的“颗粒” ， 无法再继续切下去了 ， 它们的存在使得物质都具有一定的体积；而玻色子则是把这些“颗粒”连接起来的基本粒子 ， 它们依靠的是传递相互作用 ， 起到了胶水的作用 。 我们举个例子 ， 就拿人体中所需要的氧气来说 。
首先 ， 3个夸克（一种费米子）通过胶子（一种玻色子）传递的强相互作用结合形成了质子和中子 。
而质子和中子通过介质（也就是一种玻色子）传递的核力结合形成了原子核 ， 而原子核和电子（也是一种费米子）通过虚光子（一种玻色子）传递的电磁相互作用结合形成了氧原子 ， 氧原子直接通过化学键（本质上也是电磁相互作用）结合形成了氧分子 ， 一堆氧分子聚到一起也就是氧气了 。
可能你要问了 ， 说了这么多和光速有什么关系呢？
科学家发现这套理论有一个硬伤 ， 如果那就是粒子的质量从哪来 。 科学家通过计算发现 ， 传递物质99%的质量来自于传递强相互作用的能量（通过质能等价理论可以等价于相对应的质量） 。 那剩余的1%呢？
为了解决这个问题 ， 科学家假设了宇宙中遍布着一种希格斯玻色子 ， 它可以赋予粒子质量 ， 通过的方法就是给粒子减速 。 也就是说 ， 起初所有的粒子传播的速度都应该是光速 ， 但是绝大多数的粒子都被希格斯粒子给减速了 ， 并获得了质量 。 只有光子没有被减速 ， 因此光子还保持着光速 。 因此 ， 光的传播速度是光速 ， 它并不需要动力 。 这同时也解释了为什么物质、信息、能量传递的速度不可能超过光速 。 当然 ， 科学家只是做出了理论假设 ， 凡事都要讲求证据 。
后来 ， LHC大型粒子对撞机找到了希格斯玻色子存在的证据 ， 提出理论预言的科学家还因此获得了诺贝尔物理学奖 ， 希格斯玻色子的理论才成为了科学家的主流理论 ， 被科学家们所认可 。
总结
【科学|光是如何达到光速的？谁给它的动力？】光子之所以可以达到光速是因为粒子在静止质量为0时传播速度就是光速 ， 只是大多数的粒子由于被希格斯玻色子减速从而获得质量 ， 所以大多数粒子并非光速 ， 而光子并没有被希格斯玻色子减速 ， 因此 ， 可以保持光速 。
推荐阅读
- 星链|石豪：在太空，马斯克和美国当局是如何作恶的
- 科学|中阳县北街小学：体验科学魅力
- 牛上|英媒文章：2021年最有趣的科学发现
- 曹志兴|90后教授曹志兴：最一流的基础科学来源于好奇心
- 审判|直接服务“三城一区”主平台，怀柔科学城知识产权巡回审判庭成立
- 模拟|（图文+视频）C4D野教程：Windows11的壁纸动效是如何制作的？
- 生物地球化学过程|我国科学家发现第五条甲烷产生途径
- 帮信罪|带你了解什么是“帮信罪”如何避免落入陷阱
- 孩子|“双减”后 科学实践课如何做好“加法”
- 生命科学学院|科技馆内感受科技魅力